三维脉冲核磁共振

1、实验三维脉冲核磁共振成像1934年拉比等人采用分子束磁共振方法，首次观察到核磁共振现象，成为诺贝尔奖得主。1946年Bloch和Purcell分别采用交叉线圈感应法和吸收法，在石蜡和水样品中观察到 质子的核磁共振感应信号。这两个团队近乎同时独立完成在凝聚态物质中发现核磁共振，精确测定核磁矩和磁场强度的研究。从而共同荣获1952度诺贝尔物理奖。核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，NMR、)，是指具有磁矩的原子核在恒定磁场中由电磁波引起的共振跃迁现象。核磁共振成像(Nuclear Mag netic Reso nanceImaging ， NMRI)，是磁矩不为零的原子

2、核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振 吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。在物理学方面，利用 NMR可以研究原子核的结构和性质，凝聚体相变，弛豫过程和临 界现象等。在精细化工方面，NMR技术可以研究高分子材料的结构和多种化学反应的过程。 在生物医学领域，利用NMR可以研究生物组织的组成和生化过程。医学诊断可利用NMR成像法研究血管和器官损伤，肿瘤结构病变等。在地质学领域，NMR可以用来探测地下水和地下的油层，燃气和矿物岩层结构。核磁共振的物理基础是原子核的自旋。原子核不仅是一个带电的力学体系，而且也是核自旋与外电子轨道运动相互作用的结果。而原子核的自旋是质子和中子自旋之和， 只有质子数

3、和中子数两者或者其中之一为奇数时，原子核具有自旋角动量和磁矩。 这类原子核称为磁性核，只有磁性核才能产生核磁共振。磁性核是核磁共振技术的研究对象。一、实验目的1. 了解核磁共振的实验原理。2. 通过实验掌握三维脉冲NMR波谱仪操作和仪器工作原理。3. 采用了解一维成像的原理，理解梯度场在成像中的作用。4. 了解二维成像的原理。5. 了解三维成像的原理。二、实验原理1. 具有自旋的原子核，其自旋角动量 P为P =11一( 1)(1) 式中，I为自旋量子数，其值为半整数或整数，由核性质所决定。，h为普朗2克常数。自旋的核具有磁矩，和自旋角动量P的关系为- P(2)(2) 式中，为旋磁比。在外加磁场

4、Bo =0时，核自旋为|的核处于(21 1)度简并态。外磁场 B。=0时，角动量P和磁矩'绕Bo(设为z方向)进动，进动角频率为：''o = Bo(3)(3) 式称为拉摩尔进动公式。拉摩尔进动公式可知，核磁矩在恒定磁场中将绕磁场方向作进动，进动的角频率 0取决于核的旋磁比和磁场磁感应强度 Bo的大小。由于核自旋角动量 P空间取向是量子化的。P在z方向上的分量只能取（21 T）个值，即:Pz 二 m 一 （m = I, I1, ,I 1,1）（ 4）m为磁量子数，相应地七=春Pz =春m 一（ 5）此时原（2I 1）度简并能级发生塞曼分裂，形成（21 1）个分裂磁能级E

5、= -Bo = _）cos= Bo = _zBo = -mBo（6）相邻两个能级之间的能量差E =0（ 7）对I =1/2的核，例如氢、氟等，在磁场中仅分裂为上下两个能级。2. 核磁共振实现核磁共振的条件： 在一个恒定外磁场 B0作用下，另在垂直于B0的平面（x， y平面） 内加进一个旋转磁场 B1;使B,转动方向与J的拉摩尔进动同方向， 见图1-a。如B,的转动频 率与拉摩尔进动频率 0相等时，J会绕B0和B1的合矢量进动，使 丄与B0的夹角二发生 改变，B增大,核吸收B1磁场的能量使势能增加，见式（6）。如果B1的旋转频率 与0不等， 自旋系统会交体地吸收和放出能量，没有净能量吸收。因此能

6、量吸收是一种共振现象，只有B1的旋转频率与0相等使才能发生共振。 旋转磁场作用方式可以采用连续波方式也可以采用 脉冲方式。3. 体磁化强度因为磁共振的对象不可能单个核，而是包含大罵等同核的系统，所以用体磁化强度M来描述,核系统M和单个核 叫的关系为：M - iM体现了原子核系统被磁化的程度。具有磁矩的核系统， 在恒磁场B0的作用下，宏观体磁化矢量M将绕B0作拉摩尔进动，进动角频率 0二 B03.射频脉冲磁场 B1瞬态作用如引入一个旋转坐标系（x；y：z）, z方向与B0方向重合，坐标旋转角频率-0,则M 在新坐标系中静止。若某时刻，在垂直于B0方向上施加一射频脉冲，其脉冲宽度tp满足tp I：

7、 % , tp i： T2 （ T1, T2为原子核系统的驰豫时间），通常可以把它分解为两个方向相反的 圆偏振脉冲射频场，其中起作用的是施加在轴上的恒定磁场B1，作用时间为脉宽t p,在射频脉冲作用前M处在热平衡状态，方向与 z轴（z 轴）重合，施加射频脉冲作用，则M将以频率B1绕x 轴进动。M转过的角度 v - Bitp （如图1 a）称为倾倒角,如果脉冲宽度恰好使v -7/2或V - 7：，称这种脉冲为900或1800脉冲。900脉冲作用下 M将倒在y 上, 1800脉冲作用下 M将倒向-z方向。由v -Bitp可知，只要射频场足够强，则tp值均可以做到足够小而满足 tp I： Ti,T2

8、,这意味着射频脉冲作用期间弛豫作用可以忽略不计。4. 脉冲作用后体磁化强度M的行为一一自由感应衰减（FID）信号设t=0时刻加上射频场 Bi,到t =tp时M绕Bi旋转900而倾倒在y 轴上，这时射频场M z M 0的变化速度取决于Bi消失，核磁矩系统将由弛豫过程回复到热平衡状态。其中Ti , M x 0和M y ； 0的衰减速度取决于T2,在旋转坐标系看来， M没有进动，恢复到平衡位置的过程如图2 a所示。在实验室坐标系看来，M绕z轴旋进按螺旋形式回到平衡位置,如图2 b所示。V卜宀7-F h/1(b)图2 90脉冲作用后的弛豫过程图3自由感应衰减信号在这个弛豫过程中，若在垂直于z轴方向上置

9、一个接收线圈，便可感应出一个射频信号其频率与进动频率''0相同，其幅值按照指数规律衰减，称为自由感应衰减信号，也写作FID信号。经检波并滤去射频以后，观察到的FID信号是指数衰减的包络线，如图3 （a）所示。FID信号与M在xy平面上横向分量的大小有关，所以90脉冲的FID信号幅值最大，180脉冲的幅值为零。实验中由于恒定磁场 Bo不可能绝对均匀，样品中不同位置的核磁矩所处的外场大小有所不同，其进动频率各有差异， 实际观测到的FID信号是各个不同进动频率的指数衰减信号的叠加，如图3- b所示，设T2'为磁场不均匀所等效的横向弛豫时间，则总的FID信号的衰减速度由T?和T

10、?两者决定，可以用一个称为表观横向弛豫时间T2来等效：_*:T2T2 T2若磁场域不均匀，则t2越小，从而T2 ”也越小，FID信号衰减也越快。5. 驰豫过程驰豫和射频诱导激发是两个相反的过程，当两者的作用达到动态平衡时，实验上可以观测到稳定的共振讯号。处在热平衡状态时，体磁化强度M沿Z方向，记为 M。驰豫因涉及到体磁化强度的纵向分量和横向分量变化，故分为纵向驰豫和横向驰豫。1) .纵向驰豫又称为自旋一晶格驰豫。纵向驰豫是指自旋系统把从射频磁场中吸收的能量交给周围环境，转变为晶格的热能。自旋核由高能态无辐射地返回低能态，能态粒子数差n按下式规律变化：n = no exp( -t /Ti)式中，

11、n0为时间t = o时的能态粒子差，T1为粒子数的差异与体磁化强度 M的纵向分 量M Z的变化一致，粒子数差增加 M Z也相应增加，故Ti称为纵向驰豫时间。Ti是自旋体系与环境相互作用时的速度量度，Ti的大小主要依赖于样品核的类型和样品状态，所以对T1的测定可知样品核的信息。2) .横向驰豫时间又称为自旋一自旋驰豫T2。自旋一自旋相互作用也是一种磁相互作用，进动相位相关主要来自于核自旋产生的局部磁场。射频场B1，外磁场空间分布不均匀都可看成是局部磁场。反转恢复法测量纵向驰豫时间T1纵向驰豫时间指上能级不经过辐射跃迁至下能级的时间。反转恢复法测量T是利用核磁矩完全平行静时磁场无任何射频辐射信号来

12、测量驰豫时间。反转恢复法是180-90脉冲序列完成。180脉冲后核磁矩反平行静磁场核磁矩处于上能级，无辐射信号。如果再180脉冲后马上加90脉冲，成为270脉冲核磁矩垂直静磁场有较强的辐射，如果跃迁至一半核磁矩 垂直静磁场，加 90脉冲后核磁矩平行静磁场，无辐射信号。如果在核磁矩完全跃迁至平行 静磁场再加90脉冲后核磁矩垂直静磁场有较强的辐射信号。所以跃迁一半的时间具有特殊 性：第一脉冲(180脉冲)无辐射信号，第二脉冲也无辐射信号，如果改变脉冲间隔第二脉 冲具有较小的辐射信号。所以调节第二脉冲至跃迁一半的时间就可测出T1。用自旋回波法测量横向驰豫时间T2横向驰豫时间是指核磁共振发射的自由衰减

13、信号的衰减速度。但是因为磁场不均匀的影响，使得不同空间位置的样品处于发射频率不同的射频场中。导致信号过早消失， 称之为相位散失。如果加入180脉冲使得所有样品发射的信号的相位产生180反转，再经历相同时间，相位又会重新相同，称为相位重合，这时信号强度是真实的发射强度，重新恢复的信号称为自旋回波。通过测量自旋回波强度随时间变化的关系可以得到横向驰豫时间T2。如图(A1)自图A1图A2三实验内容1. 用计算机软件观察自由衰减信号（FID信号）用第一脉冲进行观察。观察波形变化，脉冲宽度变化意味着样品体系、体磁化矢量、倾倒角 二的变化。设置不同的脉冲宽度使产生不同的倾倒角度，如90° ,18

14、0°等，观察FID变化，900信号最大，1800信号为零。1）一维成像：采用定标样品（三注油孔）对一维成像（空间频率编码）有所认识。对梯度场各个参数对一维成像的影响进行观察。将注油三孔样品放入探头中，观察自由衰减信号及其频谱，逐渐加大梯度场观察信号及频谱的变化，在无梯度场时无法区分任何空间信息。2）二维成像：了解瞬间梯度场，对二维成像（空间相位编码）有所认识。对瞬间梯度场的梯度大小瞬间梯度保持时间对二维成像图形的影响。2D-2 ）。观察瞬间梯度场扫描过程的信号如图（2D-1），显示核磁共振成像灰度图一图（图2D-2 灰度图aA/v在这些信号的对比下，理解瞬间梯度场产生二维成像的原理。

15、图2D-1 梯度扫描过程3）傅里叶变换（脉冲）核磁共振三维成像：对植物体进行观察。实现三维采集，了解断层 显示的原理。对具有三维结构物体进行成像，同时对实际物体进行对比。3D-1放入三维结构的物体， 进行三维采集，采集结束后按三维富里叶变换后就可以进行不同 方向切面观察物体，同时与实物进行对比。如图fiHA 嘴anttHXH&哥押n配課借厦电豪口MX腐爲掛帀出 X羁爲择吕R1RSrr BEflILe i：、£3 DDME- I 白 aDHw-1 巳直ye nt宜科历jiitnmi min iiiiAiHifliaifliaiiisiiiaiaiiiBiiiiiiiiiiiii

16、iiiniiiiiiiaiiiaiHiBiHiiiiiiiiii图 3D-1选择保存图像的目录按多层图像保存。在该目录下得到图 3D-2128层的图片。然后使用图片处理软件（如CorelDRAW Photoshop）将有用图片整理后打印。如图3D-2.2. 用自旋回波法测量横向弛豫时间T2 （选做）在实验内容1调节基础上，用90° - . -180°脉冲的方法获得自旋回波信号，如果自旋回波较小，可以反复调节1°至回波最大，再改变分别获得回波极大值，作包络线，求出T2.3. 用反转回复法测量纵向弛豫时间 （选做）即用180° - . -90°脉冲

17、序列求弛豫时间 。在x加180°脉冲使M0从z到- z轴,瞬间M z = -M Z，此后M z就开始通过自旋晶格弛豫沿 z轴企图恢复到平衡值，经过 t秒 后，Mz收缩成如式（c）,由于谱仪不能检测沿 z轴信号，所以延迟t后必须加也）脉冲使它 从- z转到- y 方向（仪器可以检测其长度了）。不同的t有不同的长度，见示意图。四、实验步骤和测量方法1. 了解仪器组成和连线方式，并将测试样品放入探头中。2. 共振频率设置。图4-1.频率设置界面图4-2 Z梯度空间频率编码一维成像3. 调节匀场分别调节电源，匀场调节电位器（ 1D 2D 3D）同时调节软件中的 XY匀场至傅立叶频 谱图中峰最尖锐最高信号最长。 （如出现图形，说明信号的频率是采样率的倍数 （混叠现象） 调节共振频率。直至波形光滑为止）4设置Z梯度场和一维成像调偏Z匀场调节使峰变宽变低，同时出现Z轴线上投影的一维成像信号。调节 Z梯度和工作频率，使得信号频谱占半个屏幕同时在中间位置。5.二维核磁共振成像记录及处理图4-4成像彩色显示界面按下"成像记录及操作”出现图 4-2界面按下"记录”等待 2分钟，记录结束计算机会 提示结束并且“采集”不再闪动（图 4-3 ）。按下“二维傅立叶变换”，调节“行选择