实验3-2-2脉冲波核磁共振 【实验目的】 1.理解脉冲波核磁共振的基本原理，掌握拉莫尔频率的测量方法。 2.理解纵向弛豫时间刀和横向弛豫时间万的物理意义，掌握测量T谱和谱的实验 方法和技术。 3.理解核磁共振成像的基本原理，学会磁共振成像的测量方法。 【预习要求】 1.什么是核磁共振？什么是脉冲波核磁共振？ 2.发生核磁共振时，横向磁化强度矢量M如何改变？ 3.90°和180°射频脉冲作用时，原子核的磁化强度矢量各如何改变？ 4.如何根据磁化强度矢量的变化来测量核磁共振信号？ 5.测量弛豫时间五和2各用什么方法？ 6.怎样观测实验样品的核磁共振成像？ 【实验原理】 一.脉冲核磁共振基本原理 1.脉冲改变核磁化强度状态 处于恒定磁场B(沿：轴方向)中的原子核自旋系统，其宏观磁化强度M以角频率 ,=B,绕B进动，垂直于B方向上施加一射频脉冲。在射频脉冲作用前，M处于热平 衡状态，方向与：轴重合：施加射频脉冲作用时，射频脉冲诱发两种能态间的原子核产生能 态跃迁，被激励的原子核从低能态跃迁到高能态，出现核磁共振。受到射频脉冲激励的原子 核的磁化强度M偏离原来的平衡状态而发生变化，其变化程达的位置度取决于所施加射频 脉冲的强度和时间。施加的射顷脉冲越强，持续时间越长，在射频脉种停止时，M离开其平 衡状态越远。在核磁共振成像技术中使用较多的是90°、180°射频脉冲。施加90°脉冲时，去 观磁化矢量M以螺旋运动的形式离开其原来的平衡状态，脉冲停止时，M垂直于主磁场B, 如图3.2.10所示。 90°脉冲结束时，宏观磁化矢量M平行于y平面，纵向磁化矢量M=0,横向磁化 量M最大，如图32-11所示。这时质子群几乎以同样的相位旋进。施加180°脉冲后，M 与B0平行，但方向相反，横向磁化矢量M为零，如图3-212所示。 2核磁化强度的驰豫过程 脉冲停止后，M仍围绕B轴旋转，M末端螺旋上升逐渐靠向B,这个过程称之为“核 磁弛豫”。以90脉冲来说明射频脉冲停止后M的弛豫变化。如图3-213所示，在脉冲结来 的一瞬间，M在xy平面上分量M达最大值，在：轴上分量M为零。当恢复到平衡时，纵 向分量M重新出现，而横向分量M,消失。在弛豫过程中磁化矢量M强度并不恒定，故这 两个弛豫过程的特征分别用纵向地豫时间(longitudinal relaxation time)方和横向弛豫时间 (transverse relaxation time)T来描述
实验 3-2-2 脉冲波核磁共振 【实验目的】 1. 理解脉冲波核磁共振的基本原理，掌握拉莫尔频率的测量方法。 2. 理解纵向弛豫时间 T1 和横向弛豫时间 T2 的物理意义，掌握测量 T1 谱和 T2 谱的实验 方法和技术。 3. 理解核磁共振成像的基本原理，学会磁共振成像的测量方法。 【预习要求】 1. 什么是核磁共振？什么是脉冲波核磁共振？ 2. 发生核磁共振时，横向磁化强度矢量 M 如何改变？ 3. 90o 和 180o 射频脉冲作用时，原子核的磁化强度矢量各如何改变？ 4. 如何根据磁化强度矢量的变化来测量核磁共振信号？ 5. 测量弛豫时间 T1 和 T2 各用什么方法？ 6. 怎样观测实验样品的核磁共振成像？ 【实验原理】 一. 脉冲核磁共振基本原理 1.脉冲改变核磁化强度状态 处于恒定磁场 B0（沿 z 轴方向）中的原子核自旋系统，其宏观磁化强度 M 以角频率 0 B0 = 绕 B0 进动，垂直于 B0 方向上施加一射频脉冲。在射频脉冲作用前，M 处于热平 衡状态，方向与 z 轴重合；施加射频脉冲作用时，射频脉冲诱发两种能态间的原子核产生能 态跃迁，被激励的原子核从低能态跃迁到高能态，出现核磁共振。受到射频脉冲激励的原子 核的磁化强度 M 偏离原来的平衡状态而发生变化，其变化程达的位置度取决于所施加射频 脉冲的强度和时间。施加的射频脉冲越强，持续时间越长，在射频脉冲停止时，M 离开其平 衡状态越远。在核磁共振成像技术中使用较多的是 90°、180°射频脉冲。施加 90°脉冲时，宏 观磁化矢量M以螺旋运动的形式离开其原来的平衡状态，脉冲停止时，M垂直于主磁场B0， 如图 3-2-10 所示。 90°脉冲结束时，宏观磁化矢量 M 平行于 xy 平面，纵向磁化矢量 Mz＝0，横向磁化矢 量 Mxy 最大，如图 3-2-11 所示。这时质子群几乎以同样的相位旋进。施加 180°脉冲后，M 与 B0 平行，但方向相反，横向磁化矢量 Mxy为零，如图 3-2-12 所示。 2.核磁化强度的弛豫过程 脉冲停止后，M 仍围绕 B0 轴旋转，M 末端螺旋上升逐渐靠向 B0，这个过程称之为“核 磁弛豫”。以 90o 脉冲来说明射频脉冲停止后 M 的弛豫变化。如图 3-2-13 所示，在脉冲结束 的一瞬间，M 在 xy 平面上分量 Mxy达最大值，在 z 轴上分量 Mz 为零。当恢复到平衡时，纵 向分量 Mz 重新出现，而横向分量 Mxy消失。在弛豫过程中磁化矢量 M 强度并不恒定，故这 两个弛豫过程的特征分别用纵向弛豫时间（longitudinal relaxation time）T1 和横向弛豫时间 （transverse relaxation time）T2 来描述
,冲后的 图3-21090°射频脉冲作用的质子磁矩进动路径及到达位置 图3-2-1190°脉冲后横向磁化矢量M,达到最大 图3-2-12180°脉冲后横向磁化矢量 Mm为0
图 3-2-10 90o 射频脉冲作用的质子磁矩进动路径及到达位置 图 3-2-11 90°脉冲后横向磁化矢量 Mxy达到最大 图 3-2-12 180°脉冲后横向磁化矢量 Mxy为 0
图3-2-1390脉冲停止后宏观磁化矢量的变化 (1)纵向驰豫时间 90射频脉冲停止 纵向磁化矢量要逐渐恢复到平衡状态。弛豫过程表现为一种指数 曲线，刀值规定为M达到最终平衡状态63%的时间，如图3-2-14所示。 从微观角度进一步分析纵向弛豫的物理意义。纵向弛豫的快慢主要取决于自旋的原了 核与周围分子（固体中的晶格，液体中的同类分子或溶剂分子）之间的相互作用情况，所以 纵向弛豫（on)又称为自旋.晶格范豫(pir attice re xation)。这种豫 的实质：自旋原子核通过与周围品格的作用传递给周围物质，实现自身能量释放，而从高能 级返回低能级。对于纯液体（譬如水），氢原子核难于丢失自身的能量，因为小的水分子运 动很快。处于高能级状态的氢原子核不能把它们的能量迅速传递给周围晶格，只能慢慢地回 到原来的低能级水平，这意味着液体（譬如水）有较长的。当品格由中等大小的分子构 成，这些分子运动、磁场波动接近于讲动氢原子核的拉草尔频率，则能量传递要有效得名」 很短，比如脂肪酸末端的碳键接近于拉莫尔率，能量传递有效，故脂肪组织具有较短的 时间 图3-214纵向弛豫时间万 (2)横向弛豫时间 90°脉冲的一个作用是激励原子核群使之在同一方位，同步旋进（相位一致），这时横 向磁化矢量M值最大，但射频冲停止后，原子核同步旋进根快变为异步，旋转方位也由 同而异，相位由聚合一致变为丧失聚合而各异（也称为散相），磁化矢量相互抵消，M,很快 由大变小，最后趋向于零。横向磁化矢量衰减也表现为一种指数曲线，T2值规定为横向磁化 矢量衰减到其原来值37%所用的时间，如图3-2-15所示。 Mxr 0.37 横向弛豫 时间 图3-2-15横向驰豫时间2 横向磁化矢量由大变小直至消失的原因：物质分子的热运动持续产生磁场的小波动， 使原子核群由相位一致变为互异，使原子核群进动相位的一致性逐渐散相，横向弛豫 ()也称为自旋-自旋豫(spin-in)。分子结构越均匀，散相
图 3-2-13 90o 脉冲停止后宏观磁化矢量的变化 （1）纵向弛豫时间 90o 射频脉冲停止后，纵向磁化矢量要逐渐恢复到平衡状态。弛豫过程表现为一种指数 曲线，T1 值规定为 Mz达到最终平衡状态 63%的时间，如图 3-2-14 所示。 从微观角度进一步分析纵向弛豫的物理意义。纵向弛豫的快慢主要取决于自旋的原子 核与周围分子（固体中的晶格，液体中的同类分子或溶剂分子）之间的相互作用情况，所以 纵向弛豫（longitudinal relaxation）又称为自旋-晶格弛豫（spin–lattice relaxation）。这种弛豫 的实质：自旋原子核通过与周围晶格的作用传递给周围物质，实现自身能量释放，而从高能 级返回低能级。对于纯液体（譬如水），氢原子核难于丢失自身的能量，因为小的水分子运 动很快。处于高能级状态的氢原子核不能把它们的能量迅速传递给周围晶格，只能慢慢地回 到原来的低能级水平，这意味着液体（譬如水）有较长的 T1。当晶格由中等大小的分子构 成，这些分子运动、磁场波动接近于进动氢原子核的拉莫尔频率，则能量传递要有效得多， T1 很短，比如脂肪酸末端的碳键接近于拉莫尔频率，能量传递有效，故脂肪组织具有较短的 T1。 （2）横向弛豫时间 90°脉冲的一个作用是激励原子核群使之在同一方位，同步旋进（相位一致），这时横 向磁化矢量 Mxy值最大，但射频脉冲停止后，原子核同步旋进很快变为异步，旋转方位也由 同而异，相位由聚合一致变为丧失聚合而各异（也称为散相），磁化矢量相互抵消，Mxy很快 由大变小，最后趋向于零。横向磁化矢量衰减也表现为一种指数曲线，T2 值规定为横向磁化 矢量衰减到其原来值 37％所用的时间，如图 3-2-15 所示。 图 3-2-15 横向弛豫时间 T2 横向磁化矢量由大变小直至消失的原因：物质分子的热运动持续产生磁场的小波动， 使原子核群由相位一致变为互异，使原子核群进动相位的一致性逐渐散相，横向弛豫 （transverse relaxation）也称为自旋-自旋弛豫（spin–spin relaxation）。分子结构越均匀，散相 图 3-2-14 纵向弛豫时间 T1
效果越差，横向磁化减小的越慢，需要的横向弛豫时间了就越长：分子结构越不均匀，散 相效果越好，横向磁化减小越快，乃就越短。另外，乃时间也与所处的磁场均匀性有关，射 频脉冲刚结束时，所有原子核群都以相同相位进动：射 如果不同位置的原子核所 处的磁场强度不一致，其进动频率就发生改变，其进动相位自然也就变得不一致了，T也就 越短。 3.自由感应衰减信号 脉冲核磁共振信号是通过测定横向磁化矢量M的变化得到的 ,从图3-213可知 向磁化矢量垂直并国绕主磁场B旋进，按法拉第定律，矢量M,的变化使环绕在 子核周围的接收线圈（射颊线圈）产生感生电动势，因而产生感生电流，通过放大后即形成 核磁共振信号。90脉冲后，由于受T、T2的影响，磁共振信号以指数曲线形式振荡衰减， 称为自由感应衰减(free induction decay,FID)信号，如图 3-2-16。 二.核磁共振成像基本原理 自由感应衰减 1.核磁共振信号的空间编码 时向 前面所讨论的是处在均匀恒定磁场B中的样品，在射 频脉冲的作用下产生核磁共振，此时接收到的信号来自整个 样品，并没有把它们按空间分布区分开来，无法用来成像。 为了实现核磁共振成像(nuclear magnetic resonance 图3-216自由感应衰减FD信号 imaging,NMRI),必须把收集到的信号进行空间定位。 如前面所述，在均匀的强磁场中，样品内原子核群旋进频率是一致的，如果在主磁场中 再附加一个线性梯度磁场，由于被检样品各部位原子核的旋进频率会因磁场的不同而有所区 别，这样就可对被检样品的某 部位行核磁共振成像，实现对样品的空间定位。梯度破场有 3种：选层梯度场B、频率编码梯度场B、相位编码梯度场B,。这些梯度场的产生是通 3对(x、V、:)梯度线圈产生的，X,V方向的梯度场B、和B,沿垂直于Bo方向，：方向的梯 度场B沿磁场方向。 选层梯度场是在主磁场B。上再附加一个梯度磁场B,(磁感应强度为BG.),则总的 磁感应强度为B+:G,即沿：轴方向自左到右磁感应强度不同，根据核磁共振条件=B0 在样品中沿：轴，不同位置就有不同的共振角频率 m.=y(B+G)=4+△@ (3-2-25) 根据不同频率进行检测，则在垂直于：轴方向上样品就被分割成一个个横向断面，以90°脉 冲激励，则测量结果就为样品被选层的核磁共振信 如图32-17所示 度场B,选出横向层面后，在垂直于：轴的y方狗上分别 梯度场Bx(Bx=xGz)和相位编码梯度场B(B)Gz),这样就能在空间定义某一体积元AVr, 这一体积元中的物体的共振角频率等于 @p=Y(Bo+G,x+G,y+G.=) (3-2-26) 这就是梯度场对自旋体系的空间编码。 2.傅里叶变换成像方法
效果越差，横向磁化减小的越慢，需要的横向弛豫时间 T2 就越长；分子结构越不均匀，散 相效果越好，横向磁化减小越快，T2 就越短。另外，T2 时间也与所处的磁场均匀性有关，射 频脉冲刚结束时，所有原子核群都以相同相位进动；射频结束后，如果不同位置的原子核所 处的磁场强度不一致，其进动频率就发生改变，其进动相位自然也就变得不一致了，T2 也就 越短。 3.自由感应衰减信号 脉冲核磁共振信号是通过测定横向磁化矢量 Mxy 的变化得到的。从图 3-2-13 可知，横 向磁化矢量 Mxy 垂直并围绕主磁场 B0 旋进，按法拉第定律，磁矢量 Mxy 的变化使环绕在原 子核周围的接收线圈（射频线圈）产生感生电动势，因而产生感生电流，通过放大后即形成 核磁共振信号。90°脉冲后，由于受 T1、T2 的影响，磁共振信号以指数曲线形式振荡衰减， 称为自由感应衰减（free induction decay，FID）信号，如图 3-2-16。 二. 核磁共振成像基本原理 1. 核磁共振信号的空间编码 前面所讨论的是处在均匀恒定磁场 B0 中的样品，在射 频脉冲的作用下产生核磁共振，此时接收到的信号来自整个 样品，并没有把它们按空间分布区分开来，无法用来成像。 为了实现核磁共振成像 （ nuclear magnetic resonance imaging ，NMRI），必须把收集到的信号进行空间定位。 如前面所述，在均匀的强磁场中，样品内原子核群旋进频率是一致的，如果在主磁场中 再附加一个线性梯度磁场，由于被检样品各部位原子核的旋进频率会因磁场的不同而有所区 别，这样就可对被检样品的某一部位行核磁共振成像，实现对样品的空间定位。梯度磁场有 3 种：选层梯度场 Bz、频率编码梯度场 Bx、相位编码梯度场 By。这些梯度场的产生是通过 3 对（x、y、z）梯度线圈产生的，x，y 方向的梯度场 Bx 和 By 沿垂直于 B0 方向，z 方向的梯 度场 Bz沿磁场方向。 选层梯度场是在主磁场 B0 上再附加一个梯度磁场 Bz（磁感应强度为 Bz=zGz），则总的 磁感应强度为 B0+zGz，即沿 z 轴方向自左到右磁感应强度不同，根据核磁共振条件 ω0＝γB0， 在样品中沿 z 轴，不同位置就有不同的共振角频率 z = + = + (B zG 0 z 0 z ) （3-2-25） 根据不同频率进行检测，则在垂直于 z 轴方向上样品就被分割成一个个横向断面，以 90°脉 冲激励，则测量结果就为样品被选层的核磁共振信号，如图 3-2-17 所示。 在启动选层梯度场 Bz选出横向层面后，在垂直于 z 轴的 x，y 方向上分别启动频率编码 梯度场 Bx（Bx=xGz）和相位编码梯度场 By（By=yGz），这样就能在空间定义某一体积元Vxyz， 这一体积元中的物体的共振角频率等于 0 ( ) xyz x y z = + + + B G x G y G z （3-2-26） 这就是梯度场对自旋体系的空间编码。 2. 傅里叶变换成像方法 图 3-2-16 自由感应衰减 FID 信号
在三个相互垂直的梯度磁场的作用下，体积元△V所产生的自由感应衰成D信号 △S在以角率0旋转的坐标系中等于 AS()=Mop(x.y.=)-AV-exp-ir[[G,()x+G,().y+G.()-=ld (3.2.27) 式中M为体系的磁化矢量，px,，)为核密度空间分布。全部物体的FD信号S是上 式对体积元的三重积分，即 S(t)=[[[Mo-P(x.y.=)-exp-iy[[G,(t)x+G,(t)-y+G.(t)-=]dt'ldxdyd (3-2-28) 可见S()与(x,y)互为傅里叶变换对，对S(T)做反傅里叶变换，即可求得核密度空间 分布，当以图形的形式表示核密度空间分布P(x,八，)时，就得到物体的核磁共振成像， 如图3-2-18所示。 选层榜度 步像 访洗层 B 一一相位重聚梯度 始数锅 重聚无 图3-2-17选层梯度场和选层原理 图3-2-18核磁共振影像的形成 三.核磁共振图像重建的脉冲序列 核磁共振的脉冲序列是为了获取足觞用以重律图像的信号按照一定时序和周期重复施 加的射频脉冲和梯度脉冲的组合。根据重建图像所用信号的来源不同，脉冲序列分为 大类 直接采用FID信号重建图像的序列（硬脉冲FID序列）、采用自旋回波信号重建图像的序列 以及采用梯度回波信号重建图像的序列。 1.硬脉冲自由感应衰减D序列和共振须率测量 硬冲FD序别加网3.2.1g所元 这种脉冲的强度大，作用时间短，利用傅里叶变换 (时间域和频率域之 的变换)后可知这种脉冲对应的频率范围宽，因而能够 把射频线圈 用范围内的不同位置原子核（在不同位置时，由于恒定磁场的不均匀性不同位置处的原子核 的磁场略有不同)激发发生核磁共振。 每一个90°射频脉冲后，原子核的酸矩将产生一个最大的宏观横向磁化矢量4,90脉
在三个相互垂直的梯度磁场的作用下，体积元Vxyz 所产生的自由感应衰减 FID 信号 S 在以角频率 ω0 旋转的坐标系中等于 ( ) ( , , ) exp [ ( ') ( ') ( ') ] ' 0 0 t xyz x y z = − + + S t M x y z V i G t x G t y G t z dt （3-2-27） 式中 M0 为体系的磁化矢量， ( , , ) x y z 为核密度空间分布。全部物体的 FID 信号 S(T)是上 式对体积元的三重积分，即 ( ) ( , , ) exp [ ( ') ( ') ( ') ] ' 0 0 t x y z S t M x y z i G t x G t y G t z dt dxdydz = − + + （3-2-28） 可见 S(T)与 ( , , ) x y z 互为傅里叶变换对，对 S(T)做反傅里叶变换，即可求得核密度空间 分布，当以图形的形式表示核密度空间分布 ( , , ) x y z 时，就得到物体的核磁共振成像， 如图 3-2-18 所示。 三. 核磁共振图像重建的脉冲序列 核磁共振的脉冲序列是为了获取足够用以重建图像的信号按照一定时序和周期重复施 加的射频脉冲和梯度脉冲的组合。根据重建图像所用信号的来源不同，脉冲序列分为三大类： 直接采用 FID 信号重建图像的序列（硬脉冲 FID 序列）、采用自旋回波信号重建图像的序列 以及采用梯度回波信号重建图像的序列。 1. 硬脉冲自由感应衰减 FID 序列和共振频率测量 硬脉冲 FID 序列如图 3-2-19 所示，这种脉冲的强度大，作用时间短，利用傅里叶变换 （时间域和频率域之间的变换）后可知这种脉冲对应的频率范围宽，因而能够把射频线圈作 用范围内的不同位置原子核（在不同位置时，由于恒定磁场的不均匀性不同位置处的原子核 的磁场略有不同）激发发生核磁共振。 每一个 90°射频脉冲后，原子核的磁矩将产生一个最大的宏观横向磁化矢量 Mxy ，90°脉 图 3-2-17 选层梯度场和选层原理 图 3-2-18 核磁共振影像的形成
冲结束后M,将以指数衰减，在射频线圈中产生感生电流，进而产生D信号。采用旋转坐 标系，当旋转华标系的旋转频率与原子核体系拉草尔讲动频率完全相同时，线圈采集到的 FD信号中的拉莫尔频率成分就可以被完全过滤掉，呈现出来的是一条呈指数递减规律的曲 线。实验中可以通过不断修改射频脉冲的中心频率，同时观察屏幕上的D信号，当FD信 号基本不出现振荡时，说明此时的顷率为拉莫尔进动顷率，也即核磁共振须率，如图3220 所示。 90 FID FID FID 图3-2-19硬脉冲FD序列 偏置共 按近共 共 图3-2-20共振及偏离共振情况下的FID信号 2.硬脉冲自旋回波CPMG序列和横向弛豫时间测量 硬脉冲CPMG(Car-Purcel-Meiboom-Gil)序列结构和回波情况如图3-2-21所示。经 90射频脉冲激发后，原子核群将产生宏观横向磁化矢量，90°射频脉冲关闭后，由于弛豫效 应，横向磁化矢量将开始逐渐衰减，这里的弛豫效应称为表观横向弛豫，它包括真正的万 弛豫和主磁场的不均匀造成的弛豫。为了使核磁共振测得的图像反映的是真正的万弛豫， 必须把主磁场不均匀造成的抛豫效应别除，所采用的办法就是利用180°复相脉冲。在180 脉冲施加后，总磁化强度矢量迅速倒向其相反方向，此时由于磁场不均匀造成的原子核群的
冲结束后 Mxy 将以指数衰减，在射频线圈中产生感生电流，进而产生 FID 信号。采用旋转坐 标系，当旋转坐标系的旋转频率与原子核体系拉莫尔进动频率完全相同时，线圈采集到的 FID 信号中的拉莫尔频率成分就可以被完全过滤掉，呈现出来的是一条呈指数递减规律的曲 线。实验中可以通过不断修改射频脉冲的中心频率，同时观察屏幕上的 FID 信号，当 FID 信 号基本不出现振荡时，说明此时的频率为拉莫尔进动频率，也即核磁共振频率，如图 3-2-20 所示。 图 3-2-19 硬脉冲 FID 序列 图3-2-20 共振及偏离共振情况下的FID信号 2. 硬脉冲自旋回波CPMG序列和横向弛豫时间测量 硬脉冲 CPMG（Carr-Purcell-Meiboom-Gill）序列结构和回波情况如图 3-2-21 所示。经 90o 射频脉冲激发后，原子核群将产生宏观横向磁化矢量，90o 射频脉冲关闭后，由于弛豫效 应，横向磁化矢量将开始逐渐衰减，这里的弛豫效应称为表观横向弛豫，它包括真正的 T2 弛豫和主磁场的不均匀造成的弛豫。为了使核磁共振测得的图像反映的是真正的 T2 弛豫， 必须把主磁场不均匀造成的弛豫效应剔除，所采用的办法就是利用 180°复相脉冲。在 180o 脉冲施加后，总磁化强度矢量迅速倒向其相反方向，此时由于磁场不均匀造成的原子核群的
磁化强度矢量的散相会发生重聚，每一次施加180°脉冲后由于弛豫总磁化强度矢量会回复 初始状态，因而造成射频线圈的品质因数发生变化，系统能够采集到一个自旋回波信号。由 于180脉冲并不改变横向磁化强度矢量的变化，因而采集到的回波在幅度上是按照横向弛 豫规律衰减的，如图3-2-21所示。衰减的规律为 M=Moemer (3-2. 29) 因此可以利用这个峰值衰减规律来测量横向弛豫时间刀，对回波信号的幅值的包络线进行指 数拟合即可得到T值。 180°180° 180 180° 180 一同波1强度 TE TEI TE3 TES 时间(ms TE2 TEA 图3-2-21硬脉冲CPMG序列以及横向磁化矢量M,随时间的改变 3.软脉冲自旋回波SE序列和核磁共振成像
磁化强度矢量的散相会发生重聚，每一次施加 180o 脉冲后由于弛豫总磁化强度矢量会回复 初始状态，因而造成射频线圈的品质因数发生变化，系统能够采集到一个自旋回波信号。由 于 180o 脉冲并不改变横向磁化强度矢量的变化，因而采集到的回波在幅度上是按照横向弛 豫规律衰减的，如图 3-2-21 所示。衰减的规律为 2 2 / 0 e n T M M − = （3-2- 29） 因此可以利用这个峰值衰减规律来测量横向弛豫时间T2，对回波信号的幅值的包络线进行指 数拟合即可得到T2值。 图3-2-21 硬脉冲CPMG序列以及横向磁化矢量Mxy随时间的改变 3. 软脉冲自旋回波 SE 序列和核磁共振成像
软脉冲自旋回波(spin echo,SE)序列如图3-2-22所示。软脉冲是以sinc 波形为包络的射频脉冲。si©函数是正弦函数和单调递减函数的乘积，其数学表达式为： sinc(T) sVT。软脉冲的脉宽较宽， 幅值较低，对应的频带较窄，只能激发较小频率范围 内的氢原子核，具有很好的激励选择性 90 !射频 G Gx Signal 图3-2-22软脉冲自旋回波SE序列 如图3-2-22所示，首先用90°射频脉冲激励样品物质，在它的作用下，宏观磁化矢量迅速 倒向平面，之后再施加一个选层梯度场G.作用在样品上，以选择并激发某一个特定层面。 选层结束后，在x和y方向上加上线性梯度场G,和G,以实现对选层内某一体积元的定位。接 下来是一个180脉冲，其主要作用是改变平面内原子核群的讲动方向，使散相的原子核群 相位重聚，吸收180°脉冲射频能量的原子核群，将以自旋国 波的形式释放能量，从而产生自 旋回波信号（核磁共振信号）。y方向上的梯度场G,按步长递增或递减一步，重复测量自前 回波信号就实现了对被选层面内所有体积元的核磁共振测量，根据测量信号按照傅里叶变换 可以得到被选层横截面内的密度分布，绘出图像即被选层横截面的二维灰度图像。 【实验器材】
软脉冲自旋回波（spin echo，SE）序列如图3-2-22所示。软脉冲是以sinc 波形为包络的射频脉冲。sinc函数是正弦函数和单调递减函数的乘积，其数学表达式为： sinc(T)=sin(T)/T。软脉冲的脉宽较宽，幅值较低，对应的频带较窄，只能激发较小频率范围 内的氢原子核，具有很好的激励选择性。 如图3-2-22所示，首先用90o射频脉冲激励样品物质，在它的作用下，宏观磁化矢量迅速 倒向xy平面，之后再施加一个选层梯度场Gz作用在样品上，以选择并激发某一个特定层面。 选层结束后，在x和y方向上加上线性梯度场Gx和Gy，以实现对选层内某一体积元的定位。接 下来是一个180o脉冲，其主要作用是改变xy平面内原子核群的进动方向，使散相的原子核群 相位重聚，吸收180o脉冲射频能量的原子核群，将以自旋回波的形式释放能量，从而产生自 旋回波信号（核磁共振信号）。y方向上的梯度场Gy按步长递增或递减一步，重复测量自旋 回波信号就实现了对被选层面内所有体积元的核磁共振测量，根据测量信号按照傅里叶变换 可以得到被选层横截面内的密度分布，绘出图像即被选层横截面的二维灰度图像。 【实验器材】 图3-2-22 软脉冲自旋回波SE序列 Gz Gy Gx 射频 脉冲
核磁共振成像实验装置主要由工控计算机、谱仪系统、磁体系统、电路系统等组成，如 图3-2-23所示：谱仪系统包括序列发生器、频率源、AWD和D/A转换器：磁体系统包括主磁体 射频线 梯度场线圈：电路系统包括射频功率放大器、梯度场功率放大器、前置放大器和 中频接收机。 谱仪系统 射烦单元 越极 序列发生器1 梯度线图 烦率源 射缬线图 梯魔线国 数转换 前置放大 磁极 梯度羊元 数模转换 梯度功放 图3-2-23NM20台式核磁共振实验仪器框图 谱仪系统中的频率源产生射频信号，通过脉冲功率放大器放大后，送到射频线圈，用于 激发样品。样品受激发后产生的微弱共振信号也由射频线圈接收，通过射频开关送到前置放 大器，再经过第二级中频放大后，通过模数变换器送入计算机进行数据处理。x,”,:三路梯 度磁场波形由谱仪系统的数模变换卡产生，经过三路独立的功率放大， 再送入 体系统中相 应的梯度场线圈。谱仪系统中输入输出接口卡实现成像实验所需的控制信号和各种时序。工 控计算机完成数据产生、参数控制、数据采集与处理、图像显示等任务。 【实验内容】 一.基础性实验内容 (1)观测自由衰减信号 选用乙醇样品，采用硬脉冲FID脉冲序列，测量中心频率和硬脉冲宽度，分析所用脉冲 序列的形式以及脉冲序列作用时样品中横向磁化强度矢量的改变和采集信号的关系。 (2)自旋回波法测量横向弛豫时间谱 选用 醇水溶液样品，采用硬脉 中自旋回波CPMG序列测量不同浓度乙醇水溶液的横向 弛豫时间T谱，分析核磁共振谱峰面积和弛豫时间与乙醇浓度的关系，讨论利用核磁共振方 法测量乙醇水溶液浓度的可行性。乙醇水溶液的浓度可取0%、20%、40%，60%、80%和100%。 (3)观测核磁共振二维成像 选用花生样品，用软脉冲观察FD信号和自旋回波信号，调节90和180软脉冲的宽度和 幅度值 a分 置梯度场和射频脉 二.设计性实验内容 在现有实验条件的基础上，请查阅文献资料、自主设计实验方案，尝试完成下列实验内 容。 1.实验内容 (1)测量乙醇含量分别为0%、20%、40%、60%、80%和100%的乙醇汽油溶液的纵向
核磁共振成像实验装置主要由工控计算机、谱仪系统、磁体系统、电路系统等组成，如 图3-2-23所示；谱仪系统包括序列发生器、频率源、A/D和D/A转换器；磁体系统包括主磁体、 射频线圈、梯度场线圈；电路系统包括射频功率放大器、梯度场功率放大器、前置放大器和 中频接收机。 谱仪系统中的频率源产生射频信号，通过脉冲功率放大器放大后，送到射频线圈，用于 激发样品。样品受激发后产生的微弱共振信号也由射频线圈接收，通过射频开关送到前置放 大器，再经过第二级中频放大后，通过模数变换器送入计算机进行数据处理。x，y，z三路梯 度磁场波形由谱仪系统的数模变换卡产生，经过三路独立的功率放大，再送入磁体系统中相 应的梯度场线圈。谱仪系统中输入输出接口卡实现成像实验所需的控制信号和各种时序。工 控计算机完成数据产生、参数控制、数据采集与处理、图像显示等任务。 【实验内容】 一. 基础性实验内容 （1）观测自由衰减信号 选用乙醇样品，采用硬脉冲FID脉冲序列，测量中心频率和硬脉冲宽度，分析所用脉冲 序列的形式以及脉冲序列作用时样品中横向磁化强度矢量的改变和采集信号的关系。 （2）自旋回波法测量横向弛豫时间T2谱 选用乙醇水溶液样品，采用硬脉冲自旋回波CPMG序列测量不同浓度乙醇水溶液的横向 弛豫时间T2谱，分析核磁共振谱峰面积和弛豫时间与乙醇浓度的关系，讨论利用核磁共振方 法测量乙醇水溶液浓度的可行性。乙醇水溶液的浓度可取0%、20%、40%、60%、80%和100%。 （3）观测核磁共振二维成像 选用花生样品，用软脉冲观察FID信号和自旋回波信号，调节90o和180o软脉冲的宽度和 幅度值，设置梯度场和射频脉冲的相关参数，选择几个层对花生进行二维核磁共振成像，分 析梯度场的设置方式与参数、射频脉冲的形式与参数等对花生核磁共振成像的影响。 二. 设计性实验内容 在现有实验条件的基础上，请查阅文献资料、自主设计实验方案，尝试完成下列实验内 容。 1．实验内容 （1）测量乙醇含量分别为0%、20%、40%、60%、80%和100%的乙醇汽油溶液的纵向 图3-2-23 NMI20台式核磁共振实验仪器框图
驰豫时间T,谱，根据实验结果分析讨论利用纵向弛豫时间测量乙醇汽油浓度的可行性。 (2)在花生核藏北振一维成像的观中，分改套洗层方向、频率编码方向和相位馆 2.实验要求 阐述实验基本原理和方法，说明测量系统组成和实验基本步骤，进行实际实验测量，选 择合理方法处理实验数据， 分析与讨论实验结果。 【思考与讨论】 1.硬脉冲FID射频信号作用到样品上时采集到的信号是什么样的？为什么能采集到这 样的信号？ ?如何根据测出的FD信号米判断射频脉冲频率与工作频率是香致？ 5.选层梯度场、频率编码梯度场和相位编码梯度场在核磁共振成像中各有什么作用？ 【参考资料】 [)汪红志，武杰。核磁共振成像技术实验教程科学出版社，2008 [2]吴先球，熊予莹。近代物理实验。高等教育出版社，2006. [3)】高铁军，孟祥省，王书运。近代物理实验。科学出版社，2009. 4白怀勇，周格，王殿生.不同浓度乙醇一水溶液核磁共振实验研究。实验技术与管 理，2013,30(8)39-42. 文与风自怀无。，于乙醇航油中乙醇含量枝毯共板枪测的实验深家。实铃室时一 [何牛法富，赵继飞，孟军华，等。利用核磁共振测量乙醇汽油溶液浓度.物理实验， 2011,31(11)37-39. [☑上海纽迈电子科技有限公司NMI20核磁共振实验仪说明书
弛豫时间T1谱，根据实验结果分析讨论利用纵向弛豫时间测量乙醇汽油浓度的可行性。 （2）在花生核磁共振二维成像的观测中，分别改变选层方向、频率编码方向和相位编 码方向三路梯度场强度，观察和测量花生的核磁共振图像的变化和信噪比的变化，综合分析 各种因素对核磁共振图像质量的影响，优化出最佳成像参数。 2．实验要求 阐述实验基本原理和方法，说明测量系统组成和实验基本步骤，进行实际实验测量，选 择合理方法处理实验数据，分析与讨论实验结果。 【思考与讨论】 1. 硬脉冲FID射频信号作用到样品上时采集到的信号是什么样的？为什么能采集到这 样的信号？ 2. 如何根据测出的FID信号来判断射频脉冲频率与工作频率是否一致？ 3. 测量纵向弛豫时间T1可采用哪几种脉冲序列？测量原理各是什么？ 4. 测量横向弛豫时间T2可采用哪几种脉冲序列？测量原理各是什么？ 5. 选层梯度场、频率编码梯度场和相位编码梯度场在核磁共振成像中各有什么作用？ 【参考资料】 [1] 汪红志， 武杰．核磁共振成像技术实验教程．科学出版社，2008． [2] 吴先球，熊予莹．近代物理实验． 高等教育出版社，2006． [3] 高铁军，孟祥省，王书运．近代物理实验．科学出版社，2009． [4] 白怀勇，周格，王殿生．不同浓度乙醇－水溶液核磁共振实验研究．实验技术与管 理，2013，30（8）:39-42． [5] 周格，白怀勇，王殿生．乙醇汽油中乙醇含量核磁共振检测的实验探索．实验室研 究与探索，2013，32（8）:47-51． [6] 牛法富，赵继飞，孟军华，等．利用核磁共振测量乙醇汽油溶液浓度．物理实验， 2011，31（11）:37-39． [7] 上海纽迈电子科技有限公司 NMI20 核磁共振实验仪说明书．