磁共振成像技术实验

1、目录第一章 NM20台式磁共振成像仪硬件概述1第一节 系统硬件框图1第二节 部件接插口3第三节 部件连线8第四节 系统开关机9第二章 NMI20台式磁共振成像仪软件概述11第一节 软件界面12第二节 软件菜单栏介绍13第三节 软件工具栏介绍27第四节 功能选项卡29第三章 部分可开设的实验项目35实验一 机械匀场和电子匀场实验36实验二 测量磁共振中心频率（拉莫尔频率）42实验三 旋转坐标系下的FID信号49实验四 自动增益实验56实验五 硬脉冲回波61实验六 软脉冲FID实验70实验七 软脉冲回波75实验八 硬脉冲CPMG序列测量T280实验九 乙醇的化学位移测量85实验十 自旋回波序列质子

2、密度像89实验十一 自旋回波权重像96实验十二 一维梯度编码成像100实验十三 单脉冲双相位编码成像103实验十四 梯度回波成像108实验十五 射频接收线圈的调谐与匹配114实验十六 射频功放与门控调制实验120实验十七 数据处理过程(模拟部分)实验125实验十八 前置放大器及RF开关131实验十九 梯度功率放大器137实验二十 高频数字记忆示波器的使用142112系统开关机在使用NMI20台式核磁共振成像仪时，“开机”和“关机”均必须严格按以下顺序操作：1)开机启动计算机；在计算机桌面上启动应用程序WinMRIXP；开启射频单元电源；开启射频单元后部的恒温系统电源；打开梯度放大器机箱电源开关

3、。2)关机关闭梯度放大器机箱电源开关关闭射频单元电源；退出应用程序WinMRIXP；关闭计算机。核磁参数可分为 系统参数、采样参数和处理参数三大类。系统参数在进行任何实验之前就需要设置好的参数，及让系统能处于核磁共振状态的参数，比如射频中心频率，增益等；采样参数在核磁信号采集的过程中用到，而处理参数则是在信号采集结束之后，即数据处理时用到。当然，还有一类参数，例如TD、SW 等，它们既是“采样参数”，也是“处理参数”，我们称之为“全局参数”。1、参数定义Pi 射频硬脉冲的宽度 （i=1,2）SPi 射频软脉冲的宽度（i=1,2）RFAmpi 射频软脉冲的强度Di 无射频脉冲时的延时参数TD N

4、MR 信号的采样点数（复数点）SW 谱宽，也就是采样频率SF1 射频信号频率f的主值。通常共振频率f = SF1 + OffsetOffset 射频信号频率f的偏移量。一般有f = SF1 + OffsetNS 累加次数Ci 常数变量RG 接收机的增益，数值越大，增益越大第三章 部分可开设的实验项目以NMI20台式磁共振成像仪为基础，笔者们初步开发了20个试验项目。由于NMI20台式磁共振成像仪的开放度高，使用者可以根据自己的需要在这台设备上开发试验项目。实验一 机械匀场和电子匀场实验一、 学习目的：为什么要匀场？匀场方式主要有哪几种？影响磁场均匀性的因素有哪些？磁场均匀性会影响到组织的T1、

5、T2和T2*中的哪些参数？主磁场的大小对上述参数中的哪些参数有影响？二、 实验目的：1、 了解磁场均匀性的概念与表示方法。2、 掌握永磁体的机械匀场和电子匀场的概念和基本方法。3、 掌握NMI20台式成像仪的主磁场均匀性调整的方法。二、 实验器材NMI20台式核磁共振成像仪一台，样品管（含样品）一根。三、 实验原理1、 主磁场的均匀性磁场的均匀性（homogeneity），是指在特定的容积限度内磁场的同一性，即穿过单位面积的磁力线的数目是否相同。在磁共振系统中，均匀性是以主磁场的百万分之一（ppm）作为一个偏差单位来度量的，其数学定义为。在某一个限定的空间范围内，式中：B0为主磁场中心磁感应强

6、度（Gs）；B0为磁感应强度最大值与最小值的差（Gs）。对于不同的主磁场大小，其偏差单位也是不同的。例如对0.5T的磁共振，一个偏差单位即1个ppm为T(0.0005mT)。在MRI中，要进行空间编码（层选脉冲、相位编码和频率编码），就要在静磁场上迭加微弱的梯度磁场。静磁场均匀性越差，偏差越大，图像质量越差。而且如果静磁场不均匀，在迭加上梯度磁场后，层位信号将发生偏离，引起图像失真和畸变。例如，中心磁场强度为5000Gs，梯度磁场强度为0.1Gs/cm。在20cm直径的球形体积内，静磁场的不均匀度为2.5ppm。那么，在X轴的几何失真为多大？ 沿X轴的几何失真为X=0.125cm主磁体磁场均匀

7、度越差，几何变形越大。均匀性标准的规定还与所取的测量空间的大小有关。本实验装置所取的测量空间范围为10mm×10mm×10mm的球形空间。一般医学磁共振由于需要给受检者提供较大的受检范围，因此其磁场均匀性的空间范围一般为直径4050cm的球形或椭球形；2、 均匀性对组织2的影响因素和匀场方式主磁场的均匀性直接影响到组织的时间长短。根据磁共振成像理论，组织的与主磁场的不均匀性之间的关系为：。如图1所示，当主磁场均匀性越低时，即越短，弛豫越快，即FID信号的拖尾越短。当主磁场均匀性越高时，即越长，弛豫越慢，即FID信号的拖尾越长。理论上，当主磁场绝对均匀时，=2，FID以组织固

8、有的2弛豫进行衰减。图1 主磁场不均匀性对组织T2的影响利用上述关系通过在显示器上观察FID信号的衰减快慢（即FID拖尾的长短）来调整两块磁极的平行度，从而达到调整主磁场的均匀性目的。当FID信号的拖尾越长，即FID衰减包罗线越缓，表示磁场均匀性越高。3、 均匀性影响因素和匀场方式永磁型磁共振的主磁场均匀性与磁极间的平行度有关，因此我们可以直接调整两块磁极的平行度来达到匀场的目的；通过调整磁极平行度来达到的磁场均匀性还不能完全满足成像的需要，因此还需要进行其他方式的匀场，主要包括无源匀场和有源匀场。无源匀场是在磁极的内外表面贴小磁片或磁钢片，通过小磁片或磁钢片对局部磁力线的改变从而调整磁场均匀

9、性，本实验装置中由于磁极间的均匀性较好，因此未采用无源匀场方式。有源匀场方式主要是根据通电线圈在线圈周围会产生磁场，通过给不同方向的线圈施加合适的电流产生的微小磁场来对主磁场的不均匀性进行校正。在医学磁共振里，一般用专用的匀场线圈进行有源匀场的，本实验装置中用梯度线圈兼做匀场线圈，匀场电流调节好后，成像时施加的梯度电流脉冲是叠加在稳定的匀场电流上的。四、 实验步骤：1、 NMI20台式核磁共振成像仪各部分设备接口识别及连接详见安装手册，连接结果如图2所示。2、 将NM2010射频电子柜背面的TSWITCH开关设置在ON位置；让恒温系统给磁体进行加热，使磁体柜的温度保持恒定。3、 在样品管中注入

10、适量（见样品管上所标样品量的标记）的油样品；并将样品管放入到探头线圈相应的位置（见样品上的位置标记）处。4、 用钥匙打开NM2013谱仪前面板的电源保护门；按一下POWER按钮来启动谱仪，进入Windows操作系统的用户登录界面。单击用户名，输入密码并按回车键进入到Windows操作系统界面。图2 实验装置连线图5、 双击桌面上的NMI20MRI图标，进入到NMI20MRI应用软件操作界面，NMI20MRI应用软件窗口的各项功能详见软件操作手册。6、 将NM2010射频电子柜前面板POWER开关设置在ON位置。7、 在NMI20MRIP应用程序的界面上单击按钮，进入脉冲序列的选择对话框，在脉冲

11、序列列表框中选中硬脉冲Fid序列，单击OK按钮进入到硬脉冲FID序列界面。8、 在窗口的左侧参数列表中各参数的物理意义详见NMI20MRI软件操作手册。具体参数设置如下表：参数名称p1(us)D3(us)D0(ms)TDSW(kHz)DFW(kHz)SF1(MHz)O1(kHz)RGNSDS值3510010002048100302260048109、 单击按钮，观察窗口右侧有无FID信号；通过调整脉冲主频偏移量O1的大小（在一定的范围内等量增加或减小O1的值），直到找到FID信号为止。具体FID信号外观见图3所示。图3 硬脉冲FID信号10、用4mm无磁的内六角扳手松开磁体柜顶盖上4颗内六角螺

12、丝，小心地打开顶盖（注意不要损坏样品管）。11、用6mm无磁的内六角扳手缓慢地调整磁体柜内两个圆盘形磁极之一（左侧）上六颗内六角螺丝，同时观察监视器上的FID信号。最终监视器上的FID信号衰减达到最缓慢的时候，也就是主磁场最均匀的状态。12、小心地将磁体柜的盖子盖上，用4mm的内六角扳手紧固磁体柜盖子上4颗内六角螺丝。13、单击按钮停止扫描，点击按钮将FID信号进行傅里叶变换。单击进入一维处理界面，单击进入相位校正对话框，点击增减按钮直到FFT变换后的曲线峰值均在基线以上呈左右对称状态，单击使信号峰完整落在图像显示区。单击按钮选择曲线在X方向上的测量范围，再点击按钮使测量单位以ppm为单位，最

13、后点击测出信号峰的半高宽度（如图4所示），并记录在机械匀场主磁场均匀性的空格线上。图4 FID信号频谱及均匀性14、单击按钮继续扫描，并将梯度电子柜的电源开关设置在ON位置，分别缓慢地调整梯度电子柜面板上的GX Shim、GY Shim、GZ Shim电位器旋钮，使监视器上的FID信号衰减达到更缓慢的时候，即主磁场经过电子匀场后达到了最均匀的状态，重复第13步，并记录在电子匀场主磁场均匀性的空格线上。五、 实验结果：1、机械匀场的结果：主磁场的均匀性：_ppm。2、电子匀场后的最终结果：主磁场的均匀性：_ppm。实验二 测量磁共振中心频率（拉莫尔频率）一、实验目的：1、理解核磁共振的基本原理。

14、2、理解磁体的中心频率和拉莫尔频率的关系。3、掌握拉莫尔频率的测量方法。二、实验器材：约10mm高的大豆油试管样品；NMI20台式磁共振成像仪。三、实验原理：1、核磁共振基本原理当一个样品被放在外磁场中时，样品就会被磁化，产生能级分裂现象，所产生的能级间距为：；如果在该样品系统上加上一个射频磁场，从量子力学观点来看，射频场的能量为，当该能量和分裂产生的能级间距相等，即时，样品对外加射频能量吸收达到最大，产生的磁共振信号也最强，因此得到核磁共振产生的基本条件： ，因此得到拉莫尔方程，此时的就是产生核磁共振的拉莫尔频率，也是外加磁场的中心频率，其中为样品物质的磁旋比，为原子核自旋角动量的单位，为谱

15、朗克常量，为外加磁场的磁场强度。2、测量方法方法一：对于一个主磁场确定的磁共振系统来说，在外界条件不变的条件下，其共振频率也是一个固定的值，接收线圈测量到的FID信号和射频磁场的频率变化是一致的，因此可以对FID信号进行傅立叶变换，找到FID信号的频率，根据核磁共振发生的条件，从而间接得到射频磁场的中心频率，此频率也就是样品质子进动的拉莫尔频率。方法二：宏观磁化矢量的弛豫可以通过布洛克方程进行描述和求解，但此过程中总是包含着一个固定的进动项。由于进动的存在，使得描述和求解都很困难。而进动并不对信号幅值产生任何影响。因此有人采用旋转坐标系来描述宏观磁化矢量的弛豫过程。因此，实验室坐标系中的MR信

16、号在旋转坐标系中就可以把进动项消除。当旋转坐标系的旋转频率与拉莫尔频率完全相同时，线圈采集到的FID信号中的拉莫尔频率成分就可被完全过滤掉，呈现出来的是一条呈指数递减规律的曲线。因此在实验中可以通过不断修改射频脉冲的频率，同时观察屏幕上的FID信号。当FID信号的振荡频率逐步减小到基本上不出现振荡时，说明此时的射频频率就是拉莫尔频率。四、实验步骤：1、 启动计算机，运行NMIMRI20软件进入到软件操作界面。2、 将装有10mm高大豆油的样品管小心放置入磁体柜上方样品孔内。3、 开启射频单元及梯度放大器的电源。4、 单击工具栏上的按钮，进入脉冲序列选择对话框。选择硬脉冲FID序列，在参数设置列

17、表中将中心频率主值SF1、偏移量O1和采样点数TD分别预设为：22、600.000和2048。方法一：1、 点击进行单次采集，即可观测到FID信号。停止后选择工具栏上的FFT命令按钮，对FID信号进行傅立叶变换，如图1所示。图1 FID信号经FT后的频域信号形状2、 点击进入一维处理选项卡，界面如图2所示。3、 单击按钮进入相位校正对话框，调节零级相位校正PC0数值框中的值使谱线基部处在同一水平位置上，如图2所示，选择OK确定。 图2 一维处理界面4、 选择基线归零按钮，把谱线基部下拉到坐标零基线位置，如图3所示。图3 基线归零后的频谱图5、 使用频域显示调整按钮，选择以谱峰为中心点的局部谱线

18、进行显示，具体方法将鼠标先后对称地点击谱峰中心左右两侧，如图4所示。鼠标松开后，选择的局部谱线就会得到放大显示如图5所示。图4 局部谱线显示图6、 使用按钮，把谱线中心峰值处设置为中心频率，如图5所示，设定后系统会出现一个对话框，确定后系统就会在下次采集时采用设定的中心频率，即找到了系统的中心频率。图5 中心频率设置7、选择单次采集工具，观看信号幅度如图6，说明射频信号的频率和磁场的中心频率近似一致，此时在采集面板下设定的频率SF1（MHz）O1（KHz）的值，即为磁场的拉莫尔频率。图6方法二：1、 使用单次采集工具进行信号采集，如图7所示，该图表明当前设置的频率和中心频率有一定差距。图7 2

19、、 调整射频频率，即增大或减少O1值，来寻找合适的射频频率，调整方向为使信号变疏（即使频率差变小），如图8所示。图8 3、当采集信号比较稀疏时，再细调O1值，直到谱线出现如图9所示效果，此时说明设定的射频频率和磁场中心频率重合，即该频率即为拉莫尔频率。图9 五、实验结果1、应用方法一测量到的中心频率为：_2、应用方法二测量到的中心频率为：_六、结果讨论与思考题1、如何描述磁共振产生的基本原理；2、如何应用傅立叶变换进行射频频率的测量；3、讨论和比较两种中心频率测量方法之间的异同；4、理论上的旋转坐标系在系统中是用何种硬件器件来实现的？实验三 旋转坐标系下的FID信号一、 实验目的：1、 了解并

20、掌握FID信号的特点。2、 了解实验室坐标系和旋转坐标系下的FID信号的差别。3、 如何通过调整射频信号的幅度来改变射频脉冲角度。二、 实验器材：约10mm高的大豆油试管样品；NMI20台式磁共振成像仪。三、 实验原理：1、FID信号90°射频脉冲激发样品后，样品的宏观磁化矢量Mz翻转到XY平面，产生一个横向的磁化矢量分量同时绕Z轴转动。沿XY平面放置一个接收线圈，根据法拉第电磁感应定律，通过闭合回路的磁通量发生变化时，闭合回路内就会产生感生电压，感生电压的大小与磁通量的变化率成正比，接收线圈内就会产生感生电动势，这个感生电动势就是MR信号，其频率与拉莫尔频率相等，即。90°

21、;射频脉冲停止后，磁化矢量发生弛豫，横向磁化矢量幅值按照指数规律自由衰减，接收线圈内感应出MR信号也呈现出按指数规律自由衰减，这个MR信号又称为FID信号（Free Induction Decay），因此FID信号的自由感应衰减规律可以表示为：。 图1 FID信号的检测及其衰减规律2、 转坐标系与实验室坐标系FID信号实质上是宏观磁化的综合运动所至。为了求解FID信号的数学表达式，就需要确定宏观磁化的动力学方程。根据布洛克假设，宏观磁化M的运动方程为：对于磁共振成像，为空间坐标，、分别为三维坐标轴；该运动方程就是建立在实验室坐标系下的方程。要求解上述布洛克方程非常复杂，希望能简化。由于核磁矩在

22、场中一直绕进动，在方向的并不进动。未受激励时，它沿轴驻定不动。垂直于轴方向施加射频场且满足共振条件时，开始章动。一旦离开轴，就既有绕的进动，也有绕的章动，再加上T1和T2弛豫运动，整体运动过程看起来异常复杂。而接收线圈只能感受到垂直于轴的xy平面内的宏观磁化的变化。基于此，有人就想到引入一个旋转坐标系，把绕轴的进动当作背景减掉。S表示实验室坐标系：；表示旋转坐标系：；让和重合，和重合，以绕轴旋转。当时，在坐标系中，将看不到绕的进动，只看到绕的进动，以及T1和T2弛豫运动。因此运动描述大为简化。在旋转坐标系下的布洛克方程为：对旋转坐标系下的FID信号进行正交相位检波后，就产生了实部和虚部两路信号

23、。其中实部为吸收线形，为偶函数；虚部信号为色散线形，为奇函数。在本实验设备中分别用红色线和绿色线表示。3、硬脉冲对于磁共振系统来说，90°射频脉冲是用来产生射频磁场的脉冲，射频磁场是驱动激发磁化矢量，从而产生MR信号的动力源，所以对于不同的射频脉冲形式，其产生的作用是不同的。硬脉冲是指一个具有很窄很强的矩形射频脉冲，这种矩形脉冲对应的频谱很宽，因此频谱的主瓣中央部分足以覆盖样品吸收谱的范围，因此，这样的激发脉冲可以近似地把发射线圈所作用范围内的样品全部进行激发，因此，它不能用作层面选择，但可用于NMR波谱和三维成像中，它的特点是时宽很小，强度和功率很大。4、硬脉冲FID序列硬脉冲FI

24、D序列是采用90°硬脉冲后采集FID信号的序列，其序列形式如图2所示。该序列的作用主要有两个：观察FID信号和调整射频角度。序列参数分别为：D0:重复时间TR;D3:死时间，即90°射频结束到线圈开始采集信号之间的时间间隔；P1: 90°射频脉冲的施加时间；图2 硬脉冲FID序列的序列形式四、 实验步骤：（一）观察旋转坐标系下的FID信号：1、选择下的硬脉冲FID序列进行信号采集，硬脉冲序列图如图2所示。2、设置射频频率SF122，O1607，一般频率设置要稍微偏离中心频率，然后点击“GS”进行单次采集，即可观测到FID信号。如图3所示。图33、设置采集点数TD分

25、别为512、1024、2048，观察FID信号的改变情况。图4为TD为2048时后的FID信号。图44、如果出现上图3、4中的失真现象，可以通过减小增益值，来消除失真，消除失真后的图像如图5所示。自动增益调整的方法可参见实验4。图55、改变P1值，即90度脉冲宽度，从小到大逐步改变P1值，可以观察到信号的大小的改变规律。最后纪录使得信号幅值最大的P1值即为900射频的脉冲幅值。6、改变SW的值，即谱宽，分别设定SW为12、25、50、100，观察FID信号的变化规律。把SW设为50时，效果如图6所示。图67、分别改变D3值，100、300、500、700、1000，观察FID信号的改变情况，并

26、总结出规律。如图7所示为D3500时的FID信号。8、仔细观察FID信号的实部和虚部信号的特点。图7（二）观察实验室坐标系下的FID信号1、将示波器探针接到信号接收放大器的输出端；2、调整示波器的时间轴和幅值刻度轴，观察并记录此时的FID信号；并与旋转坐标系中的FID信号进行比较，看有什么不同？五、实验结果1、FID信号的大致特征是_；2、FID实部信号和虚部信号的相位差为 _； 3、在图7的基础上，计算T2*=_；六、结果讨论与思考题1、FID信号的产生原理是什么？2、FID信号和射频信号频率之间的关系是什么？3、观察图4所示的FID信号的频率是多少？其与线圈产生的FID信号之间的关系是什么

27、？实际上前者是后者进行何种处理以后的信号形状？实验四 自动增益实验一、 实验目的：1、 了解磁共振成像中自动增益的重要性。2、 了解自动增益调整在信号采集过程中的位置。3、 掌握自动增益的调整方法。二、 实验器材：约10mm高的大豆油试管样品；NMI20台式磁共振成像仪。三、 实验原理：1、自动增益调整对于实际的核磁共振系统来说，通常所产生的磁共振信号都非常微弱，并伴有噪声，因此，对接收到的磁共振信号都要进行一系列的处理。对于信号的放大部分，除了前置放大和二次放大外，还需要进行自动增益处理。前置放大器的放大能力一般是固定的，但也可以通过软件进行分级调整的。二级放大单元的放大能力是可以通过可调电

28、位器进行连续调整的。需要进行自动增益调整的原因有二个：一、在信号幅值较小时，可以放大信号，提高信噪比。但是信号幅值也不是越大越好，这是因为磁共振信号最后经过相敏检波后需要被AD转换器采集成数字信号才能送到K空间进行存储。而每个ADC都有一个转换范围，即能够转换的最高幅值，超过该幅值的信号会被截止掉。2、自动增益调整的方法NMI20台式磁共振成像仪采用了两种增益方式，一种是通过软件对采集后的MR信号进行前放增益的调整，本实验装置可以实现四档增益调整；另外一种是通过仪器面板上的增益调节旋钮，直接改变二级放大器件的增益。四、 实验步骤：（一） 方法11、启动计算机，运行NMIMRI20软件进入到软件

29、操作界面。2、将装有10mm高大豆油的样品管小心放置入磁体柜上方样品孔内。3、开启射频单元及梯度放大器的电源。4、单击工具栏上的按钮，进入脉冲序列选择对话框。选择硬脉冲FID序列，并设置采集的射频频率为中心频率附近的一个合适值，再使用按钮进行连续单次采集，观察FID信号如图1所示。图15、在采集面板下调节增益等级RG，其它参数不变。分别设定RG1、2、3、4时，观察采集信号的变化情况。在此基础上总结出RG对信号放大倍数的规律。如图2、图3分别为RG=4和RG=1时的效果图。图2 RG=4时的效果图 图3 RG=1时的效果图6、观察图3，发现信号有些失真，原因是增益过大。此时可以调节射频单元的增

30、益调节旋钮，来减小增益，以消除失真，如图5所示。图57、改变PI时间，分别为10、20、30、40、50，观察信号的改变情况。总结出P1对信号失真的规律。通过调整P1时间，使得信号幅值达到最大而不出现失真情形。（二）方法21、先将硬件面板上的增益旋钮打到最大值；2、再用菜单命令打开文件DemoSPFid.fid，设置好共振频率，将参数RFA0设置前方增益RFA0为1（最大），然后采集FID 信号，将其FT，测量谱线的强度，记录为A1；3、再将RFA0 改为2，重新采集FID 信号，将其FT，测量谱线强度，记录为A2；4、若A12×A2，则可减小仪器面板上旋钮的数值。重复上面的步骤2、

31、3，直到条件满足为止。五、实验结果1、RG对信号放大的规律是： ；2、P1对信号出现失真的规律是： ；六、结果讨论与思考题1、 有哪几种方式可以实现增益调节？2、 为什么需要增益调整？MR信号非常微弱，因此需要很好的信号放大能力，因此放大倍数越高越好。3、 软件和硬件对自动增益的调整有什么区别？实验五 硬脉冲回波一、 实验目的：1、了解硬脉冲的脉冲特性。2、了解硬脉冲回波的形状。4、 掌握序列参数和采集参数对回波信号的影响。二、实验器材：约1ml大豆油试管样品；NMI20台式磁共振成像仪一台。三、实验原理：1、 硬脉冲MRI中的射频场系统用以发射中心频率为拉莫尔频率的射频电磁波，从而激发质子群

32、系统发生核磁共振效应。该电磁波并非为单一频率，而是以拉莫尔频率为中心频率具有一定宽度的频带。根据频带宽度的不同，分为硬脉冲和软脉冲。射频脉冲是时间门控的高频载波信号，是时间域信号（如图1所示）。载波频率即为频率源产生的拉莫尔频率，是一个单一频率的信号。门控信号脉冲序列发生器产生的控制射频发射时序的信号。将图1信号进行傅立叶变换后，即得到其频率域信号波形则是一个SINC函数形状（如图2所示）。硬脉冲其时间激发宽度较窄，但射频幅值较高，对应的频带较宽，可以激发较大范围的质子，选择性较差；软脉冲其时间激发宽度较宽，但射频幅值较低，对应的频带较窄，只能激发较小进动频率范围的质子，选择性较好。由于矩形脉

33、冲和SINC波形一对傅立叶变化对，因此也有磁共振系统用SINC波形的时间域射频信号来获取规整的矩形频域信号来进行更好的激励选择，但难度较高，本次实验装置采用矩形时间域信号来激发。图1 射频波形（时间域）图2 射频的频带范围（频域）2、 硬脉冲回波硬脉冲回波序列是采用硬脉冲射频进行激励的自旋回波序列，其序列形式如图3所示。P1和P2分别是90度和180度脉冲的施加时间，实验时注意观察其长短关系。图3中的参数分别是：D0:近似为重复时间（TR）;D1：90度射频与180度射频之间的时间间隔，近似为回波时间的一半（TE/2）;D3:180度射频结束后到信号采集开始之间的时间间隔；P1:90度射频的施

34、加时间；P2: 180度射频的施加时间；图3 3、 序列参数对回波信号的影响MR信号是在读出梯度施加时才被线圈读出并送到后面的电子学线路进行处理的。因此只有当读出梯度施加时，或者说线圈在谱仪的控制下处于接收状态时才能接收到信号，因此序列参数必须使得质子群产生回波信号的时刻和线圈接同步才能获取最大幅值信号。否则即使质子群系统产生了回波，也不能获得最大幅值的信号，或者根本不能获取回波信号。 例如当D1时间太长，达到10000微秒时，根据SE序列原理，回波最高幅值应该在180度射频结束后的10000微秒时刻出现，而线圈在180度射频结束后的150微秒内开始接收信号，信号接收时间为20ms,根据回波产

35、生的原理，信号接收过程结束后，回波信号还未产生，因此不能接收到回波信号。4、 采集参数对回波信号的影响采集参数主要包括采样点数TD,采样带宽SW，采样频率FW，计算点数SI。这四个参数之间是有相互关系的。采样点数和采样频率共同决定采样时间，即t=TD×FWSW=1/FWT=TD/SW因此改变采集参数，可以改变信号采集时间。采集时间对回波信号的采集也是有影响的。例如当采集点数由1024改变成2048时，采样时间增加一倍；当采样点数不变，采样频率增加一倍，则采集时间缩短一半；采样带宽较小一半，采集时间则增加一倍。五、 实验步骤：1、启动计算机，运行NMIMRI20软件进入到软件操作界面。

36、2、将装有10mm高大豆油的样品管小心放置入磁体柜上方样品孔内。3、开启射频单元及梯度放大器的电源。4、重复实验一和实验二的内容，使系统处于磁共振实验状态。5、选择下的硬脉冲FID序列，通过调节P1值使信号幅值达到最大值，记录下来此时的P1值，以作后面使用。6、选择下的硬脉冲回波序列，其序列图如图1所示，主要由90度和180度射频脉冲及其回波信号组成。选择硬脉冲回波序列后，系统会自动提供一个标准的回波信号参考图，如图4所示，这也是我们调节的理想目标。图4 7、首先设置射频频率O1值，使它稍微偏离上述测定的中心频率，然后再将采集点数TD分别设置为128、256、512、1024、2048。然后使

37、用单次采集工具，此时出现初步结果，观察此时信号的情况，如图5所示为TD为2048时出现的波形。图5 TD为2048时的波形图6 D1为10000时出现的波形8、将D1时间分别设置为1000、3000、5000、8000、10000，然后使用单次采集工具，此时出现初步结果，观察此时信号的情。如图6所示为D1为10000时出现的波形。如图7所示D1改变为4500时候出现的波形。图7 D1为4500时候出现的波形9、将SW分别设置为10、30、50、80、100，然后使用单次采集工具，此时出现初步结果，观察此时回波信号在时间和形状上变化情况。图8所示为SW为50时的信号采集情况。图8 SW为50Hz

38、时采集的信号10、过上述3种参数的调节对采集回波信号的影响，合适的选择参数，使回波完全出现在信号窗口，FID信号尽量少进入信号窗口，同时使回波中心处于采样时间的中点处。11、将90度脉冲的脉宽P1设置为第二步找到的数值，然后通过调节P2的值，使回波信号幅值达到最大，一般P2和P1的大致关系为：P2=2P1，调节的最佳结果如图9所示。图9 调节达到最佳状态的硬脉冲回波信号五、实验结果1、序列参数D1对采集的回波信号的影响规律是 ；2、采集点数TD对采集的回波信号的影响规律是 ；3、接收带宽SW对采集的回波信号的影响规律是 ；六、结果讨论与思考1、 在射频幅值相同的情况下，180度射频和90度射频

39、在施加时间上有什么规律？2、 为什么在硬脉冲回波序列中只通过调整射频施加时间来达到调整射频角度的目的？3、为什么在硬脉冲回波中采用时间域方波信号作为射频信号？实验六 软脉冲FID实验一、 实验目的：1、了解软脉冲FID序列的射频脉冲特性；2、了解软脉冲FID序列的信号的特点；3、了解900软脉冲射频的角度调整方法；4、了结累加次数对FID信号的影响；二、实验器材：约1ml大豆油试管样品；NMI20台式磁共振成像仪。三、 实验原理：1、软脉冲由于软脉冲需要实现很好的选择性激励，因此频带宽度要求窄，并且频带边缘要求陡直，而不能像硬脉冲的频带边缘是SINC形式的。由于SINC函数和方波函数是一对傅立

40、叶变换对（如图1、2所示 ），因此理论上可以实现这种矩形带宽的频率域信号的。实际的磁共振成像仪也都是利用时间域的SINC波形调制的高频信号作为射频信号，但由于不可能做到无限长时间域SINC信号，因此理想的矩形频带信号是不可能实现，但从实际效果来看，利用3个耳瓣或5个耳瓣SINC波形调制的射频信号就可以满足选择性激励要求。图1 SINC波形的射频软脉冲（频域）图2 方波频带（频域）2、软脉冲FID序列软脉冲FID序列和硬脉冲FID序列在序列形式上是一样，只是采用的射频脉冲不同（具体可参见实验五的实验原理部分）。硬脉冲回波采用的是窄而强的方波时间域射频脉冲，没有选择性，一般在波谱分析中常用；而软脉

41、冲FID序列采用的宽而弱的SINC波形时间域射频脉冲，其频带较窄，具有很好的选择性激励特性，一般在成像中常用。软脉冲FID序列的序列形式如图3所示，其中各参数分别为：图3 软脉冲FID序列形式D0：重复时间；D3：射频结束到线圈开始接收信号之间的切换时间，即系统的恢复时间；P1：900软脉冲的施加时间；RFA1：900软脉冲的幅值；四、实验步骤：1、选择Demo下的软脉冲Fid序列，如图3所示。2、设定好射频频率接近中心频率，但不要完全等于中心频率，差值可在20Hz左右。设置过采样倍数DS=5。3、逐步改变90度脉冲的幅度RFA1，使信号幅度和积分面积都尽可能达到最大。图4所示调节效果图。当用

42、肉眼不能完全确定幅值是否达到最大值时，也可以停止采样后，通过一维处理中的FT工具进行幅度的确认。最后纪录使得FID信号出现最大值时的RFA1值。图45、改用工具，进行累加采集实验；分别采用累加次数NS为2、4、6、8次，其它参数不用改变，观察FID信号的变化情况。整个累加采集过程会自动完成，如图5所示为NS=8时的FID信号。图56、改变死时间D3（默认为100微秒）分别为150、200、250、400，得观察FID信号的改变情况；并总结规律；五、实验结果1、FID达到最大时的RFA1= ；2、采集次数NS对FID信号的影响规律是 ；3、死时间D3对FID信号的影响规律是 ；六、结果讨论与思考

43、1、软脉冲回波中为什么不和硬脉冲回波序列一样采用时间域方波信号来做射频激励信号？2、软脉冲用何种参数来实现对射频翻转角度的调整的？实验七 软脉冲回波一、 实验目的：1、了解软脉冲回波序列的射频脉冲特性。2、了解软脉冲回波序列的回波形状。3、掌握序列参数和采集参数对软脉冲回波信号的影响。二、实验器材：约1ml大豆油试管样品；NMI20台式磁共振成像仪。三、实验原理：1、序列形式软脉冲回波序列和硬脉冲回波序列在序列形式上是一样，只是采用的射频脉冲不同（具体可参见实验五、六的实验原理部分）。硬脉冲回波采用的是窄而强的射频脉冲，没有选择性，而软脉冲回波序列采用的宽而弱的射频脉冲，其频带较窄，具有很好的

44、选择性激励特性。图1所示为软脉冲回波序列的序列图。其中各种参数分别表示：D0：重复时间（TR）;D1：90度射频与180度射频之间的时间间隔，近似为回波时间的一半（TE/2）;D3：180度射频结束后到信号采集开始之间的时间间隔；P1：90度射频的施加时间；P2： 180度射频的施加时间；图1 软脉冲回波序列的序列形式四、实验步骤：1、启动计算机，运行NMIMRI20软件进入到软件操作界面。2、将装有10mm高大豆油的样品管小心放置入磁体柜上方样品孔内。3、开启射频单元及梯度放大器的电源。4、重复实验一和实验二的内容，使系统处于磁共振实验状态。5、选择下的软脉冲回波序列，其序列图如图1所示，主

45、要由90度和180度射频脉冲及其回波信号组成。选择软脉冲回波后，系统会自动提供一个回波信号参考图，如图2所示，这也是我们调节的理想目标。图26、首先设置射频频率偏移量O1值，使它尽可能接近中心频率，然后使用单次采集工具，此时有可能看不到任何回波。7、改变间隔时间D1的取值分别为1000、3000、5000和8000，观察回波信号在显示窗口中的改变情况；最后设定合适的D1值，使回波信号出现在窗口中心。如图3所示为D1设定为4200时的回波信号。图38、逐步修改90度和180度脉冲幅度，即RFA1和RFA2值，RFA1的取值分别为6、10、14、18、22等；RFA2的取值为12、20、28、36

46、、44等；观察RFA1和RFA2的取值对信号的影响；在此基础上调整RFA1和RFA2,使信号最大，并且使前部的Fid的拖尾信号尽可能地小，如图4所示。并纪录此时RFA1和RFA2的数值。图49、转为累加采集，以消除信号噪声，使回波信号效果更好，如图5所示。图5五、 实验结果1、回波出现在中心时的D1为 ；2、回波调整到最佳状态时的，RFA1为 ；RFA2为 ；3、序列参数D!对采集的回波信号的影响规律是 ；4、采集点数TD对采集的回波信号的影响规律是 ；5、接收带宽SW对采集的回波信号的影响规律是 ；六、结果讨论与思考3、 在软脉冲回波序列中，180度射频和90度射频在施加时间上有什么规律？4

47、、 通过调整何种参数达到射频角度的调整？3、软脉冲回波中为什么不和硬脉冲回波序列一样采用时间域方波信号来做射频激励信号？实验八 硬脉冲CPMG序列测量T2一、 实验目的： 1、 掌握CPMG序列的特点；2、 掌握用CPMG序列测量T2时间的原理和方法；3、 了解采集参数对于回波链的影响；二、实验器材：约10mm高的大豆油试管样品；NMI20台式磁共振成像仪。三、实验原理：1、硬脉冲CPMG序列 硬脉冲CPMG序列是在自旋回波脉冲序列基础上，多次施加180度脉冲，从而可以得到多个回波信号的回波脉冲序列，其序列结构和回波情况如图1所示。图1 CPMG序列示意图 在脉冲之后，经过时间的散相之后，再加

48、上的重聚焦脉冲，在时刻得到第一个回波信号，之后又开始散相运动，在时，再施加第二个的重聚焦脉冲，同样会在时，横向磁化矢量又会汇聚而形成第二个回波信号，如此重复，可产生多个回波信号，不过回波信号的幅度在逐步减小。2、应用CPMG进行组织T2时间的测量 硬脉冲CPMG可以用来测量物质的T2值，因为在脉冲之后，分别在时在X轴上施加RF脉冲，就会分别在时得到相应的回波信号，从而得到一个回波波列，由每个回波峰值，形成的指数衰减曲线就是衰减曲线，因此可以利用这个峰值衰减规律来测得样品的值。四、实验步骤：1、启动计算机，运行NMIMRI20软件进入到软件操作界面。2、将装有10mm高大豆油的样品管小心放置入磁

49、体柜上方样品孔内。3、开启射频单元及梯度放大器的电源。4、重复实验一和实验二的内容，使系统处于磁共振实验状态。5、选择下的硬脉冲FID序列，根据实验3的内容调节P1值使信号幅值达到最大值，记录下来此时的P1值，此时的射频脉冲即为900射频。6、选择下的硬脉冲CPMG序列，其序列图如图2所示，主要由一个90度射频脉冲和多个180度射频脉冲，及其各自的回波信号组成。图27、设置好中心频率，D1开始可设置为4000， D2的值设置为D22D1；将P1值设置为第2步找到的值，P2的值一般设置为P22P1； TD的设置8192，在硬脉冲CPMG序列中最主要的一个参数就是回波个数C1的设置，改变C1的值，

50、就能改变在窗口中观察到的回波个数，C1设置为4个。8、单击使用工具栏里的单次采集工具，逐步仔细调节P1和P2的值，以及D1和D2参数，使最终效果接近于图3的效果。图3 9、其它条件不变，将回波个数C1分别设置为2、4、6、8、10，并再次调节上述各参数，分别观察回波信号的改变情况。如图4所示为C1为8时的参考波形。图4 C1为8时的CPMG参考回波序列10、其它参数不变，分别改变TD为4096、6154、8192、10240，观察回波信号的波形变化，并总结规律。11、其它参数不变，分别改变SW为50、100、150、200，观察回波信号的波形变化，并总结规律。12、根据7、8步骤总结出来的规律

51、，设定C1为10，调节TD和SW的值，使得窗口中完全显示出10个回波链。13、在9步骤的基础上，分别测量10个回波的幅值，并记录在下表中。14、单击工具栏中的T1T2拟合按钮，输入11步骤测量的数据，完成T2的计算。五、实验结果1、 测量数据表回波编号时间幅值回波编号时间幅值162738495102、最后计算得到的T2= ；六、结果讨论与思考题1、 单个回波的幅值按照何种规律衰减？2、 造成回波链信号幅值衰减的因素是什么？3、 回波链长度是否可以无限？实验九 乙醇的化学位移测量一、实验目的：1、了解利用核磁共振测量物质化学位移的方法。2、了解磁场均匀性对于化学位移测量的影响。二、实验器材：约1

52、0mm高的无水乙醇试管样品；NMI20台式磁共振成像仪。三、实验原理：1、化学位移物质的化学位移特性是核磁共振应用于化学上的支柱，它源于自旋核外的电子云对外加静磁场的磁屏蔽效应。原子和分子中的原子核（质子）并不是裸露的，周围被电子云所围绕。考虑电子云对静磁场的屏蔽作用后，原子核（质子）实际所受到的磁场强度是：式中，是屏蔽系数，它是个小量，其值。因此分子中的核与其其它原子所结合的化学键不同，屏蔽系数也不同，从而引起他们的共振频率不同，有：化学位移可以用频率偏移量进行度量，但是共振频率随外场而变，这样的度量显然不方便。实际化学位移用无量纲的表示，单位是。 式中，为参照物和样品的屏蔽系数。用表示化学

53、位移，只取决于考虑样品与参照物屏蔽常数之差值，或者说是考虑屏蔽效应后与无屏蔽效应时的共振频率偏移量所占的比例。2、化学位移测量对于主磁场均匀性的要求根据化学位移的表达式可知，其数值为考虑屏蔽效应与无屏蔽时的共振频率的偏移大小。为了能精确度量，就需要一个绝对恒定的主磁场，否则如果也是一个不固定的值，那么是无法确定这个偏移量的。或者说当主磁场沿着某个主值向左右有展宽时，会使得化学位移值也向左右有展宽。当主磁场的展宽（不均匀度）超过物质的化学位移时，这种偏移量就是没有办法测量的，或者说偏移量淹没在主磁场的不均匀性中。因此要对物质进行化学位移的测量，需要主磁场的均匀性满足一定要求。3、乙醇的化学位移乙醇的化学分子分子式中包含一个OH键、 CH2键、以及CH3键，如图1所示。其磁共振信号的频谱图如图1。从图中可以看出，OH键中的质子与自由水中的质子的共振频率相对偏移量为5个ppm。图1 乙醇的分子结构与磁共振信号频谱图四、实验步骤：1、启动计算机，运行NMIMRI20软件进入到软件操作界面。2、 将装有10mm高无水乙醇的样品管小心放置入磁体柜上方样品孔内。3、 开启射频单元及梯度放大器的电源。4、 按照实验1的基础，通过机械和电子匀场，将主