CTNMR-10实验指导书

1、上海高银GY-CTNMR-10核磁共振成像教学仪器实验指导书中国·上海高银科技开发公司核磁共振成像实验大纲（针对物理专业、生物、医学专业）实验目的：了解脉冲核磁共振的在量子力学中重要性。（脉冲宽度对信号幅度及相位的影响）了解驰豫过程及对驰豫时间测量。了解富里叶变换对化学位移测量。了解一维成像原理。了解二维成像原理。实验内容：1. 改变工作频率，记录不同工作频率下的信号，了解工作频率和共振频率的关系。2. 改变脉冲宽度观察信号幅度和相位变化，了解能级跃迁机理。3. 自旋回波法测量横向驰豫时间T2。了解相位散失及相位重聚。4. 反转恢复法测量纵向驰豫时间T1。了解能级跃迁及重新对量子力学

2、理解。5. 利用梯度磁场形成空间频率编码，了解一维成像原理。6. 利用脉冲梯度磁场形成空间相位编码，了解二维成像原理。7、利用富里叶变换及匀场测量二甲苯化学位移。GY-CTNMR-10核磁共振成像教学仪实验指导书一引言核磁共振是指受电磁波作用的原子核系统在外磁场中能级之间发生共振跃迁的现象。早期的核磁共振电磁波主要采用连续波，灵敏度较低，1966年发展起来的脉冲傅里叶变换核磁共振技术，将信号采集由频域变为时域，从而大大提高了检测灵敏度，由此脉冲核磁共振得到迅速发展，成为物理、化学、生物、医学等领域中分析、鉴定和微观结构研究不可缺少的工具。核磁共振的物理基础是原子核的自旋。泡利在1924年提出核

3、自旋的假设，1930年在实验上得到证实。1932年人们发现中子，从此对原子核自旋有了新的认识：原子核的自旋是质子和中子自旋之和，只有质子数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。二. 基础知识1. 具有自旋的原子核，其自旋角动量为 （1）（1）式中，为自旋量子数，其值为半整数或整数，由核性质所决定。，为普朗克常数。自旋的核具有磁矩，和自旋角动量的关系为 （2）（2）式中，为旋磁比。在外加磁场时，核自旋为的核处于度简并态。外磁场时，角动量和磁矩绕(设为方向）进动，进动角频率为： （3）（3）式

4、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，进动的角频率取决于核的旋磁比和磁场磁感应强度的大小。由于核自旋角动量空间取向是量子化的。在方向上的分量只能取个值，即： （4）为磁量子数，相应地 （5）此时原度简并能级发生塞曼分裂，形成个分裂磁能级 （6） 相邻两个能级之间的能量差 （7）对的核，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：在一个恒定外磁场作用下，另在垂直于的平面（，平面）内加进一个旋转磁场,使转动方向与的拉摩尔进动同方向，见图1a。如的转动频率与拉摩尔进动频率相等时，会绕和的合矢量进动，使与的夹角发生改变,增大,核

5、吸收磁场的能量使势能增加，见式（6）。如果的旋转频率与不等，自旋系统会交体地吸收和放出能量，没有净能量吸收。因此能量吸收是一种共振现象，只有的旋转频率与相等使才能发生共振。旋转磁场可以方便的由振荡回路线圈中产生的直线振荡磁场得到。因为一个的直线磁场，可以看成两个相反方向旋转的磁场合成，见图1b。一个与拉摩尔进动同方向，另一个反方向。反方向的磁场对的作用可以忽略。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，而是包含大量等同核的系统，所以用体磁化强度来描述,核系统和单个核的关系为： 体现了原子核系统被磁化的程度。具有磁矩的核系统，在恒磁场的作用下

6、，宏观体磁化矢量将绕作拉摩尔进动，进动角频率4. 射频脉冲磁场瞬态作用如引入一个旋转坐标系，方向与方向重合，坐标旋转角频率,则在新坐标系中静止。若某时刻,在垂直于方向上施加一射频脉冲，其脉冲宽度满足,（,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,作用时间为脉宽，在射频脉冲作用前处在热平衡状态，方向与轴（轴）重合，施加射频脉冲作用，则将以频率绕轴进动。转过的角度（如图2a）称为倾倒角,如果脉冲宽度恰好使或，称这种脉冲为或脉冲。脉冲作用下将倒在上，脉冲作用下将倒向方向。由可知，只要射频场足够强，则值均可以做到足够小而满足,这意味

7、着射频脉冲作用期间弛豫作用可以忽略不计。5. 脉冲作用后体磁化强度的行为自由感应衰减（FID）信号设时刻加上射频场,到时绕旋转而倾倒在轴上，这时射频场消失，核磁矩系统将由弛豫过程回复到热平衡状态。其中的变化速度取决于,和的衰减速度取决于,在旋转坐标系看来，没有进动，恢复到平衡位置的过程如图3a所示。在实验室坐标系看来，绕轴旋进按螺旋形式回到平衡位置，如图3b所示。图3 脉冲作用后的弛豫过程在这个弛豫过程中，若在垂直于轴方向上置一个接收线圈，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

8、衰减的包络线，如图4（a）所示。FID信号与在平面上横向分量的大小有关，所以脉冲的FID信号幅值最大，脉冲的幅值为零。图4 自由感应衰减信号实验中由于恒定磁场不可能绝对均匀，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4b所示，设为磁场不均匀所等效的横向弛豫时间，则总的FID信号的衰减速度由和两者决定，可以用一个称为表观横向弛豫时间来等效：若磁场域不均匀，则越小，从而也越小，FID信号衰减也越快。6. 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

9、在热平衡状态时，体磁化强度沿Z方向，记为。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。纵向驰豫又称为自旋晶格驰豫。宏观样品是由大量小磁矩的自旋系统和它们所依附的晶格系统组成。系统间不断发生相互作用和能量变换，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，能态粒子数差按下式规律变化 式中，为时间时的能态粒子差，为粒子数的差异与体磁化强度的纵向分量的变化一致，粒子数差增加也相应增加，故称为纵向驰豫时间。是自旋体系与环境相互作用时的速度量度，的大小主要依赖于样品核的类型和样品状态，所以对的测定可知样品核的信

10、息。横向驰豫又称为自旋自旋驰豫。自旋系统内部也就是说核自旋与相邻核自旋之间进行能量交换，不与外界进行能量交换，故此过程体系总能量不变。自旋自旋驰豫过程，由非平衡进动相位产生时的体磁化强度的横向分量0恢复到平衡态时相位无关=0表征,所需的特征时间记为。由于 与体磁化强度的横向分量的驰豫时间有关，故也称横向驰豫时间。自旋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，外磁场空间分布不均匀都可看成是局部磁场。7. 自旋回波法测量横向弛豫时间（脉冲序列方式）自旋回波是一种用双脉冲或多个脉冲来观察核磁共振信号的方法，它特别适用于测量横向弛豫时间，谱线的自然线宽是由自旋

11、自旋相互作用决定的，但在许多情况下，由于外磁场不够均匀，谱线就变宽了，与这个宽度相对应的横向弛豫时间是前面讨论过的表观横向弛豫时间，而不是了，但用自旋回波法仍可以测出横向弛豫时间。 实际应用中，常用两个或多个射频脉冲组成脉冲序列，周期性的作用于核磁矩系统。比如在射频脉冲作用后，经过时间再施加一个射频脉冲，便组成一个脉冲序列，这些脉冲序列的脉宽和脉距应满足下列条件： 脉冲序列的作用结果如图5所示，在射频脉冲后即观察到FID信号；在射频脉冲后面对应于初始时刻的处可以观察到一个“回波”信号。这种回波信号是在脉冲序列作用下核自旋系统的运动引起的，所以称为自旋回波。图6 自旋回波矢量图解以下用图6来说明

12、自旋回波的产生过程。图6（a）表示体磁化强度在射频脉冲作用下绕轴转到轴上；图6（b）表示脉冲消失后核磁矩自由进动受到不均匀的影响，样品中部分磁矩的进动频率不同，引起磁矩的进动频率不同，使磁矩相位分散并呈扇形展开。为此可把看成是许多分量之和。从旋转坐标系看来，进动频率等于的分量相对静止，大于的分量（图中以代表）向前转动，小于的分量（图中以为代表）向后转动；图6（c）表示射频脉冲的作用使磁化强度各分量绕轴翻转，并继续它们原来的转动方向运动；图6（d）表示时刻各磁化强度分量刚好汇聚到轴上；图6（e）表示以后，用于磁化强度各矢量继续转动而又呈扇形展开。因此，在处得到如图5所示的自旋回波信号。由此可知，

13、自旋回波与FID信号密切相关，如果不存在横向弛豫，则自旋回波幅值应与初始的FID信号一样，但在时间内横向弛豫作用不能忽略，体磁化强度各横向分量相应减小，使得自旋回波信号幅值小于FID信号的初始幅值，而且脉距越大则自旋回波幅值越小，并且回波幅值与脉距存在以下关系： （8）式（8）中，是射频脉冲刚结束时FID信号的初始幅值，实验中只要改变脉距，则回波的峰值就相应的改变，若依次增大测出若干个相应的回波峰值，便得到指数衰减的包络线。对(8)式两边取对数，可以得到直线方程 （9）式中作为自变量，则直线斜率的倒数便是。8.反转恢复法测量纵向驰豫时间（脉冲序列） 当系统加上脉冲时，体磁化强度从轴反转至方向，

14、而由于纵向驰豫效应使轴方向的体磁化强度幅值沿轴方向逐渐缩短，乃至变为零，再沿轴方向增长直至恢复平衡态，随时间变化的规律是以时间呈指数增长，见图7。用式表示为 （10）为检测瞬时值，在180°脉冲后，隔一时间再加上脉冲，使倾倒至与构成平面上 产生一自由衰减信号。这个信号初始幅值必定等于 。如果等待时间比 长得多，样品将完全恢复平衡。用另一不同的时间间隔重复脉冲序列的实验，得到另一FID信号初始幅值。这样，把初始幅值与脉冲间隔的关系画出曲线，就能得到图7。曲线表征体磁化强度经脉冲反转后按指数规律恢复平衡态的过程。以此实测曲线可算出纵向驰豫时间（自旋晶格驰豫时间）。最简约的方法是寻找处 ，

15、由式 得到。8脉冲核磁共振的捕捉范围为了实现核磁共振，连续核磁共振通常采用“扫场法”或者“扫频法”，但效率不高，因为这类方法只捕捉到频率波谱上的一个点。脉冲核磁共振采用时间短而功率大的脉冲，根据傅里叶变换可知它具备很宽的频谱。一个无限窄的脉冲对应的频谱是频率成份全部而且各成份幅度相等。用这样理想的脉冲作用于于原子核系统激发所有成份而得到波谱。而实际工作中使用的是有一定宽度的方形脉冲，它是由一个射频振荡被方形脉冲调制而成的，用傅里叶变换可得它的频率谱，其为连续谱，但各频率的幅度不相同，射频成份最强，在两边幅度逐渐衰减并有负值出现，当的时候，幅度第一次为零。但只要足够小，在旁边就有足够宽的振幅基本

16、相等的频谱区域，这样就能够很好的激发原子核系统。相应频率范围幅度如下式： 式中， 是矩形脉冲半宽度,是脉冲幅度，是射频脉冲频率。可见，愈短覆盖的范围愈宽。所以只要有足够短的脉冲就具有大的捕捉共振频率的范围，同时对测量无任何影响，这是连续核磁共振无法达获得到的，也是脉冲核磁共振广泛应用的原因。脉宽和频宽及幅度的关系见图8(这里我们以20.0000MHz为例)。图 89 化学位移化学位移是核磁共振应用于化学上的支柱，它起源于电子产生的磁屏蔽。原子和分子中的核不是裸露的核，它们周围都围绕着电子。所以原子和分子所受到的外磁场作用，除了磁场，还有核周围电子引起的屏蔽作用。电子也是磁性体，它的运动也受到外

17、磁场影响，外磁场引起电子的附加运动，感应出磁场，方向与外磁场相反，大小则与外磁场成正比，所以核处实际磁场是式中，是屏蔽因子，它是个小量，其值。因此核的化学环境不同，屏蔽常数也就不同，从而引起他们的共振频率各不同化学位移可以用频率进行测量，但是共振频率随外场而变，这样标度显然是不方便的，实际化学位移用无量纲的表示，单位是。 （11）（11）式中，为参照物和样品的屏蔽常数。用表示化学位移，只取决于样品与参照物屏蔽常数之差值。三实验内容1.用计算机软件或示波器观察自由衰减信号（FID信号）用第一脉冲进行观察。我们可以用双踪示波器观测，也可以用电脑（用我们赠送的软件）进行观测。观察波形变化，目的都使F

18、ID信号衰减最慢。脉冲宽度变化意味着样品体系、体磁化矢量、倾倒角的变化。设置不同的脉冲宽度使产生不同的倾倒角度，如，等，观察FID变化，信号最大，信号为零。2.用自旋回波法测量横向弛豫时间在实验内容1调节基础上，用脉冲的方法获得自旋回波信号，如果自旋回波较小，可以反复调节至回波最大，再改变分别获得回波极大值，作包络线，求出.3.用反转回复法测量纵向弛豫时间（选做）即用脉冲序列求弛豫时间。在加脉冲使从到轴，一瞬间，此后就开始通过自旋晶格弛豫沿轴企图恢复到平衡值，经过秒后，收缩成如式（c），由于谱仪不能检测沿轴信号，所以延迟后必须加脉冲使它从转到方向（仪器可以检测其长度了）。不同的有不同的长度，见

19、图七示意。*4.用计算机测量二甲苯的化学位移(选做，根据用户的配置要求) 二甲苯具有甲基和苯基，它们具有不同的化学位移：甲基化学位移（相对TMS）约为，苯基化学位移（相对TMS）为（）。在主频率为的条件下，它们的频率之差为，样品二甲苯经FFT得到的谱图，用鼠标选取得出频率之差，并与理论值进行比较。 四、实验步骤和测量方法 1 正确连线根据仪器组成介绍中连接。正面连接如图9；背面连接如图10。*注释：根据用户是否配备了我公司所提供的化学位移探头而定。图9正面连接图图10背面连接图连接完毕后可以将样品放入探头中如图11所示。图11样品安装示意图2频率设置以上步骤完成后就可以运行软件程序了。运行软件

20、第一步就是共振频率设置。按下“参数设置”页面，选择你所连接的串行口（一般情况下，默认的串行口为COM1口）；然后按下“自动采集”出现采集的信号（黑色线表示）图及傅立叶变换的频谱图（红色线表示），同时出现闪动的“采集”字样如图12。如果不出现采集图说明串行通讯口设置错误，调整串行通讯口。调节“共振频率设定”的“中调”按钮，直至出现图中的图形。频率调节范围大致在18.00MHz-20.00MHz之间（根据用户的磁铁而定），如果以前已经“设定保存”过，那么根据温度变化情况具体设置，一般情况按(0.02MHz/)进行设置。图12 频率设置界面3调节匀场图A分别调节电源(如上图A)上匀场调节电位器（14

21、、15、16、17）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。如图13所示。（如出现图14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）FID信号的观测：如果“信号输出”接到示波器上，我们也可以观测到FID信号,如下图B所示。图B图13匀场最佳时的波形图14混叠现象的图形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如图15。图15Z梯度空间频率编码一维成像5二维核磁共振成像记录及处理按下“成像记录及操作”出现图16界面按下“记录”等待2分钟，记

22、录结束计算机会提示结束并且“采集”不再闪动。按下“二维傅立叶变换”这时你调节“行选择”可以看到每一列二次傅立叶变换的谱图。按下“成像彩色显示”即可得到所需的成像彩色密度图。如图17图16 成像记录界面图17 成像彩色显示界面（图片仅供参考）六参考资料1. 戴乐山，戴道宣. 近代物理实验. 上海：复旦大学出版社，19952. 胡皆汉. 核磁共振波谱学. 北京：烃加工出版社，19883. 裘祖文，裘奉奎. 核磁共振波谱. 北京：科学出版社，1992附录：实验数据（仅供参考）实验一 (脉冲)核磁共振法测量驰豫时间驰豫时间是核磁共振中重要参数，它在医学上是区分正常细胞和癌细胞的标准，也是判断正常细胞和

23、缺血细胞的方法之一。在农业上成为无损测量结合水、油、固体物质和自由水的含量一个指标。实验目的1掌握脉冲核磁共振的基本概念和方法。2通过观测核磁共振对射频脉冲的响应对能级跃迁过程(驰豫)了解。3学会用基本脉冲序列测量液体样品的驰豫时间T1、T2。实验原理1、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。许多起始相位相同而频率不同的正弦信号叠加后经历一定的时间会因为相位完全不同而导致信号过早消失，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

24、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)图A1自旋回波幅值满足 （1）式中，为时间时的幅值。2、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T1是利用核磁矩完全平行静时磁场无任何射频辐射信号来测量驰豫时间。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

25、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。如图(A2)图A2实验装置实验框图如图A3所示。图A3实验仪器主要包括GT-CTNMR-10核磁共振成像仪（包括软件）和双踪示波器以及计算机实验数据例（仅供参考）表1自旋回波测T2 样品:甘油（用示波器器读数）实验时磁铁温度：33.5，共振频率20MHz序列123452/ms1020304050Y轴分度

26、值0.5V/DIV0.5V/DIV0.5V/DIV0.2/DIV0.2/DIVY读数/DIV4.43.62.84.83.6VFID /V2.21.81.40.960.72Ln(U回波)0.7880.5880.336-0.041-0.33关系作线性拟合得斜率=-0.0287 ms-1；截距=1.1277 ln(U回波)=-0.0287()+1.128,拟合相关系数 ,反转恢复法测T1 样品:甘油序列12345t12625262625t1= T1=ln2t1=实验结论T1>T2 T1与T2较为接近。以上结论与核磁共振理论一致。在液体中T2与T1非常接近。甘油的 T1、T2 与有关参数基本接近

27、（液体物质的驰豫时间与微量杂质有关而且极为敏感，驰豫时间还对温度敏感，所以一般只给出纯净物质驰豫时间的范围）,表2出几种纯物质的驰豫时间表2 几种纯液体核磁共振驰豫时间T2试 样甘 油机 油纯水（除氧处理）T2/ms10-4013-752.3×103选做：实验二 傅里叶变换脉冲核磁共振测量液体的化学位移（仅限购买化学位移探头的用户） 傅里叶变换-脉冲核磁共振实验方法是现代化学分析仪器主要的工作原理，在仪器分析上有重要地位。此实验方法具有深刻的物理内涵，而此种仪器工作机理又是电子学、物理学、计算数学（包括计算机技术）和化学巧妙的配合的结果。实验目的1、了解傅里叶变换-脉冲核磁共振的实验

28、原理。2、用傅里叶变换-脉冲核磁共振实验方法测量核磁共振谱（化学位移）。实验原理化学位移起因于逆磁物质中核磁矩与周围电子轨道的耦合。逆磁物质中分子内电子的总轨道角动量与自旋角动量均为零。所以在无外磁场时，核磁矩与电子轨道无耦合。当处于外磁场Bz中时，电子轨道产生方向相反正比与Bz的屏蔽磁场使得原子核处于低于Bz的磁场。不同的材料电子轨道的屏蔽作用不相同，所以测量屏蔽作用成为测量化学物质的重要方法。化学位移的标准以屏蔽效果较大同时谱线较细的单峰材料四甲基硅烷(TMS)作为化学位移的零点,其它材料的化学位移以来表示。化学位移的单位以（即1ppm）表示。弄烷用核磁共振共振范围极为微小，所以用连续射频

29、场是无法得到信号的，一般连续核磁共振采用调场或调频的射频场得到共振信号,但是信号较弱谱线较宽同时扫描时间较长。现在采用脉冲射频的宽频带激发因化学位移不同而共振频率不同的核磁矩，然后采用计算机快速记录发射不同频率的核磁矩，采用傅里叶变换频谱分析信号的频率成分，计算化学位移量。如下图（B1）图B1匀场系统是提高磁场均匀度消除磁场误差的装置。磁场空间分布可以由泰勒公式进行分解，所以采用匀场线圈通过固定的电流抵消泰勒公式中的每一项系数，即可得到均匀的磁场。一般高阶项可以忽略不计。实验装置实验框图如图B2所示（图片仅供参考）。图B2实验仪器主要包括GT-CTNMR-10核磁共振成像仪（包括软件）和双踪示波器以及计算机实验数据仪器参数: 实验时磁铁温度：33.5，共振频率20MHz最佳匀场时的读数: X=