核磁共振成像实验

1、 核磁共振成像实验人：杨东伦|院系：材料科学系|专业：材料物理|学号：06307030009实验持续时间：2008/11/27至2008/12/11摘要 Abstract本实验采用 NMI20。Analyst型核磁共振成像分析仪进行核磁共振成像的研究，由浅入深，通过原理 性实验以及对不同样品的成像，探究核磁共振所成像与其成像原理之间的联系，并通过所成的质子密度像 与医用大型核磁共振仪所成大脑断层扫描图像对比，分析仪器成像的质量及存在的问题，并由此提出若干 建设性的新实验设计方案。关键词Keywords近代物理|物体内部结构|质子密度像|权重像引言 Introduction核磁共振技术在医学领域

2、已经有大量的应用，提供了大脑断层扫描这一强大的武器，使无创探测肿瘤 位置大小成为可能。而国内目前没有生产大型核磁共振设备的能力和技术，故使用小型科研用核磁共振实 验仪器所进行小样品实验的结构分析是对大型核磁共振断层扫描的仿真实验，所成像的参数设定对于厂家 的研发具有相当重要的意义。本实验通过对于 NMI20。Analyst型核磁共振成像分析仪的原理性实验掌握了核磁共振成像技术的原 理，认为所成像是否能够反映物质结构的核心在于是否能够寻找到不同部分不同组分在成像过程的差异。 本次实验通过成质子密度像的方式探测样品的内部结构，取得了相当好的效果，所成像具有相当的参考价 值，而通过弛豫时间的权重来区

3、分不同组份的尝试也收到了良好的效果。理论部分Theoryparts1，核磁共振基本原理a） 拉莫尔（Larmor ） 旋进将一个具有磁矩 J的粒子放在恒定磁场 B中，它就会受 到一个力矩L的作用，从而引起角动量的变化，因此有：L = dFP d=T少Bp =/d/ d = B由上式可以看出，力矩 L的变化只改变磁矩的方向而不 改变其大小，因此磁矩会绕磁场B旋进（拉莫尔旋进）， 其旋进角速度为 B。右图：绕B1方向的拉莫尔旋进磁共振条件若在与恒定磁场 B0相垂直的xy平面内加一弱的旋转频率为co的旋转磁场B1 ( B1B0 )，那么磁矩在以角频率绕z轴旋转的同时，还受到B1的作用而绕B1方向旋进

4、。为了直观和处理简化，引入一个旋转直角 xyz(z)坐标系，它的z轴与固定坐标系的z轴重合，x、y轴绕z轴以B1的旋转频率-旋转，并假设 B1与x轴重合。当时，从旋转坐标系来看，B1对的方位保持不变，导致 绕B1方向拉莫尔旋进，其频率应该满足：=B1此旋进使与B0之间的夹角发生变化，根据磁位能公式：U - - 1B0 c o s可知夹角二的增加表示磁矩吸收弱旋转磁场 B1的能量而使位能增加，磁矩通过与其周围的环境物质的能量交换，将所吸收的能量释放出来，使夹角减少，从而再吸收B1电磁能量，这样的过程不断继续下去，就是磁共振现象。因此，磁共振的条件就是。弛豫过程设tt1时，样品在B0中的平衡磁化强

5、度矢量为M0,在t1时，设法使M0从沿B0方向变为M(t1)，如下图所示：显然M(t1)为非平衡状态，所以它要恢复到M0,从M(t1)向M0转变的过程可分两方面来分析。 取一直角坐标系，令：Z/B。M.Mx,M y, Mz?先看 z方向纵向情况，由不平衡的 M(t1)转变为 M0,自旋系统的能量要发生变化，在这个方向上达至再看横向即xy平面内的情况，Mx和My反映各小磁矩绕进动的关系，当系统处于平衡态时，各小磁矩在xy平面内的取向完全是无规的，即Mx和My均为0。而在t1时刻，Mx和My都不为0,这反映很多小磁矩的进动相位有某种程度的聚集，这也是一种不平衡态，过一段时间后，这 种聚集会完全散开

6、，而达到新的平衡。这种相位重新分布不会影响自旋系统的能量，这正是横向 弛豫与纵向弛豫的不同之处。从以上分析可见，磁共振的弛豫就是宏观磁化强度矢量由非平衡态转向平衡态并维持平衡态的过程。但是，纵向弛豫与横向弛豫所反映的物理机制是不同的。布洛赫(Bloch )从实验中总结出弛豫的宏观规律如下：dMz dtdMx dtdM y -M y.dtT2这是布洛赫方程的一部分，是对弛豫过程的一种假设。凡是弛豫符合这个变化规律的系统都可以用布洛赫方程来处理。2，核磁共振实验原理a）自由感应衰减核自旋系统的磁化矢量 M在稳定磁场B0中（沿z轴）做拉莫尔进动，进动角频率为：-o= Bo若在xy平面内的x方向上加上

7、一个脉冲射频（RF） B1，角频率为且，满足核磁共振条件 =，则在脉冲场的存在时间内，M将以角频率绕B1运动，如果脉冲宽度t很小，贝U M只能是在脉冲场存在时间内远离z轴并转过一定的角度= B1t）。当脉冲宽度t恰好使二=90或180时，则称该脉冲为 90脉冲或180脉冲，如下图所示：我们若在实验室坐标系的y轴方向上安置一个接受线圈，因90脉冲使M在y轴上最大， 即有信号产生，其频率与进动频率相同，而 震荡幅度的包络线与总磁矩M在xy平面上的分量大小有关，是一个频率与进动频率相 同的指数衰减信号，称为自由感应衰减信号（FID信号），而180脉冲使M在y轴上的 分量仍是0,因此后面就不会有 FI

8、D信号。b）自旋回波的产生考虑xyz坐标系，在x方向上加上一个 90射频脉冲B1，则M将绕B1进动而转90倒在y90脉冲轴上。这个过程中，由于脉冲持续时间很短，不用考虑弛豫和磁场均匀性的影响，但当过后，在M上没有射频场B1的作用，又 M在实验室坐标系上将绕z （z）轴做自由进动，这时上述两项因素都会起作用，样品不同部分的核磁矩不 同，一般的磁场又非均匀性， 样品体内各部分处在不 同的磁场强度中，导致各部分有不同的共振频率。与旋转坐标系列的旋转角速度相同的核磁矩会正好落 在y轴上静止不动，共振频率大于该频率的会在 x 平面上顺时针方向旋转， 反之则逆时针方向旋转。 由 此可见，将导致M的总磁化矢

9、量在xy平面上散开， 如右图所示：经过一段时间后，样品的自旋散开成一个扇形分布， 此时在x轴上再加上一个180射频脉冲，则在它的 作用下，所有磁矩以x轴为轴翻转180,原来聚集 在y轴附近的扇形面将翻转到。y附近，但方向不变， 如右图所示：这样经过一段时间后所有的磁矩在又集中起来聚集在。y轴上，从接受线圈中感应到一个射频信号，即形成自旋回波。经过足够长时间后，磁矩又再度散开， 自旋回波很快又降为 0。如右图所示：c）横向弛豫时间T2的测量原理实验采用自旋回波法来测量横向弛豫时间T2，它可以克服磁场不均匀性带来的影响。由自旋回波的形成过程可知，T2可由回波的峰值与脉冲间隔 t的时间函数求出。根据

10、T2的定义:dMy M ydt 一 一 T2将上式积分，即可得到:tMy 二 My0eT2 My七厂My。!Myt =0L y t =00此处及对实验数据的处理中都没有考虑扩散效应和顺磁性杂质对于弛豫时间的影响。d）纵向弛豫时间T1的测量原理i.反转恢复法使用180 、t、90脉冲序列作用在样品上， 最初磁化强度 M处于平衡态，即 M在z轴 上。在x轴上加上一个180脉冲，在这个 脉冲的作用下，磁化强度M被翻转到。z轴 方向，这是一个非平衡态，恢复过程即为纵 向弛豫。而M的横向分量仍然为0,是一个 平衡态，不再发生变化。在这个过程中，磁 化强度沿着。z轴方向首先逐渐缩短，直至 达到0，再沿着z

11、方向逐渐增加，直至达到 最初的磁化强度M。翻转恢复法就是在磁化 强度经过一段时间恢复到 M1的时刻，在x 轴上再加上一个 90脉冲，使M1倒在y 轴上，产生一个FID信号，其峰值就对应了M1的大小。T1。多次改变脉冲信号的时间间隔t就能得到不同的幅值，即可拟合求得ii. 饱和恢复法饱和恢复法采用90、t、90。脉冲序列，并在t的间隔中在磁场的水平方向增加了一个额外 的场Gx。最开始的90脉冲使磁化矢量 M的纵向分量减为 0,而水平分量不为 0，但是由 于额外的Gx作用，横向弛豫的时间比纵向弛豫快得多，且不影响整个体系的能量，所以在第二个90脉冲施加之前，横向弛豫已经结束，等同于反转恢复法的测量

12、状态，y轴上探测到的FID信号的幅值对应于此时 M纵向分量的大小，多次改变脉冲信号的时间间隔 t就能得到不同的幅值，即可拟合求得T1。饱和恢复法的拟合起点是（0，0），而反转恢复法的拟合起点是（0 ,。M ）。3，核磁共振成像原理为了得到整个空间的核磁共振的图像信息，必须在讯号中加入空间位置的信息，简单来说分为在z方向的切面选择，xy平面上x方向的频率编码y方向的相位编码，要在哪个方向做切面选择、频率、相 位编码视实际需求而定。所用到的技术是梯度磁场的概念以及二维傅里叶转换。a）成像相关概念梯度场若在主磁场加上一个随着位置线性变化的小磁场Gz ，例如从。 z 端最负、到原点为零、 +z端最正，

13、与主磁场叠加之后就产生如下梯度场：。z端小于主磁场，沿着 z轴正向增大，原点的磁场和主磁场相同，之后继续增大，在 +z 端的磁场大于主磁场。这种梯度场使得在 z 轴上 不同位置的氢原子核感受到略为不同的外加磁场强度，使得其进动频率也略为不同。梯度场 的概念是切面选择、频率、相位编码所共享的。ii. 切面选择 切面选择的原理是在开启梯度磁场 Gz 之后，导致在 z 轴上不同位置的氢原子核进动频率不 同，再利用某一频率的射频脉冲便可选择性地激发某一切面的氢原子核，而不会影响到其它 切面的氢原子核。被激发的切面宽度由梯度磁场的单位距离变化量和射频脉冲的频宽共同决 定，梯度变化越大、脉冲频宽越窄会使得

14、切面越薄。在激发了某一切面的氢原子核后，要在 此切面的另两个轴向加上空间讯息，使得射频脉冲关闭后，能在量测到的回波信号中分辨出 xy 平面上的位置。iii. 频率编码在切面上的 x 方向进行频率编码以加入 x 轴位置的讯息。做法是在选好切面之后，开启 x 方 向的梯度磁场，此时 x 方向不同位置的氢原子核感受到的磁场略有不同，也用不同的频率进 动，不同位置的 FID 也会以不同的频率衰减，实际量测到的讯号是不同位置的讯号的加总， 可用傅里叶变换将不同频率的讯号分析出来，不同频率代表来自不同的位置，故可从实际量 测到的讯号中分离出不同位置的讯息。iv. 相位编码在切面上的y方向进行相位编码以加入

15、 y轴位置的讯息。做法是在选好切面之后，开启y方向的梯度场一段时间，同理， y 方向不同位置的氢原子核会以略有不同的频率进动，当Gy关闭之后，氢原子核就以主磁场下的拉莫尔频率进动，但因为Gy的影响，在Gy关闭瞬间，y方向上不同位置的氢原子核的指向略有不同，所以y方向上的氢原子以同样的频率但不同相位进动。改变 Gy 的强度可使 Gy 关闭的瞬间， Y 轴上同位置的氢原子核指向的差异增大 或减小，而产生不同的相位编码。事后亦可通过傅里叶变换将y方向的位置信息分离出来。空间编码的基本流程首先开启 Gz 梯度磁场，同时配合适当频率的射频脉冲，激发 Z 方向某一切面之后，开启 Gy 梯 度磁场一段时间后

16、关闭，使y方向的氢原子核达到某一程度的相位差异，接着开启Gx梯度磁场，同时接收讯号，此时会接收到某一相位差异的不同频率(x 方向 )的讯号总合，这就在由相位差异大小和频率大小两个变量形成的空间中取得一条条线上的信息，此空间称为 k 空间。 接着再重复同样的流程，但改变 Gy 梯度磁场的强度，使 y 方向的氢原子核达到另一程度的相位差异，再接 收此一相位差异下不同频率的讯号总合， 又在 k 空间中取得另一条线。 因此整个流程即是在不同 的相位差异情况下接收不同频率讯号的总合， 完成整个 k 空间的取样， 每改变一次相位差异要再 开启 Gz 梯度磁场，激发所选的切面。 k 空间取样完成后，进行二维

17、傅利叶转换，将相位差异和 频率的信息转换成在 xy 平面上不同位置的讯号强弱，形成水平面上的像，即核磁共振影像。实验部分 Experimental details1， 原理性实验寻找拉莫尔频率 实验采用样品油作为样品寻找氢原子的在现有磁场下的拉莫尔频率，实验过程采用微调逼近法，主频 22Mhz 为实验室经验值，偏移量则从大至小步进测量。实验采用硬脉冲FID 序列，每次改变偏移量10kHz，观察是否有FID信号产生。下图分别为偏移量为 450kHz， 400kHz， 370kHz 时的信号：可以观察到，在偏移量达到370kHz时已经进入偏共振阶段。经过多次FFT处理后寻找主频，最终达到完全共振。

18、由于各台仪器在内部接线上可能存在差异，完全共振波形不唯一，故不在此陈 列。b）调节磁场均匀性磁场的均匀性涉及到 T1及T2时间的测定，也影响到成像过程中梯度场的叠加效果。由于均匀磁场的FID波形衰减最为缓慢，故采用偏共振状态下的FID波形来判断。调节方式为控制变量，首先保证FID上下峰值幅度基本一致（即对应磁场 x方向与y方向强度基本一致），再单独依次调 节Gx ,Gy ,Gz,每次调节都尽可能使 FID信号的衰减最为缓慢。以此方法测得的谱宽为7.639ppm。c）90。射频脉冲与180。射频脉冲不论是采用硬脉冲还是软脉冲序列，90射频脉冲与180射频脉冲的设定值都需要手工确定（硬脉冲为时间t

19、，软脉冲为幅度 A ）。实验中由于相关参数的调节只能达到小数点后一位，故仍然采 用微调逼近法，从小到大地调整参数，第一个峰值即对应90脉冲的参数，其后第一个谷值即对应180脉冲的参数。是否达到峰值或谷值通过读取FFT处理后的峰高来判断。如下图：d）测量样品油弛豫时间 T1及T2反转恢复法测T1在不同的D1 （即脉冲间隔时间）下，将对应 FID信号进行FFT处理，读取谱图的峰值作为 Intensity值输入T1拟合软件，t即为D1的值。描点后选择反转恢复法”拟合。结果在之 后陈述。饱和恢复法测T1在不同的D1 （即脉冲间隔时间）下，将对应 FID信号进行FFT处理，读取谱图的峰值作为 Inten

20、sity值输入T1拟合软件，t即为D1的值。描点后选择“饱和恢复法”拟合。结果在之 后陈述。硬脉冲CPMG 序列测 T2在此序列下不同幅度的回波信号形成了一个信号串，通过调整SW, TD以及C1值使信号窗口能够采集到尽可能多的回波信号，并尽量使回波幅度衰减到0。实验最后采用的部分相关数据如下：D1:3100| D2:6200| TD:8000|SW:10|C1:256由于样品油成分可能较为复杂，故采用双组分拟合，以获得更好的拟合曲线。结果在之后陈 述。2，成像实验a）芝麻矢状面以及横截面成像使用小颗粒的芝麻作为样品进行成像能够清晰判断各个参数对于分辨率的影响。由于芝麻的主要共振成分为油类，归根

21、结底是氢原子的磁共振，故拉莫尔频率由对样品油进行原理性实验获得。由于仪器的不稳定拉莫 尔频率会随时间漂移，故在进行实验时进行了多次的重测。偏离过大的 拉莫尔频率会在成像过程中产生强烈的干扰共振，从而淹没k空间的图像。如右图所示。在完全共振的情况下，产生的共振信号应该远远高过 背景噪音，从而确保所成像的清晰程度。实验经过多次参数调整， 得到了相当好的芝麻矢状面以及横截面的像， 以下为 FFT 处理后所成的 核磁共振像以及对应的相关参数：矢状面： RFAmp1:17.1 | RFAmp2:27.2 | D1:4000 | D2:350 | D3:100 | D4:100 | D5:100 | D0

22、:400 TD:512 | RG:4 | NS:8 | NE1: 256 | SLICE:0 | GxAmp:70 | GyAmp:40 | GzAmp:50 横截面：RFAmp1:17.1 | RFAmp2:27.2 | D1:4000 | D2:350 | D3:100 | D4:100 | D5:100 | D0:400 TD:512 | RG:4 | NS:8 | NE1: 256 | SLICE:1 | GxAmp:40 | GyAmp:80 | GzAmp:50b) 油水混合样品弛豫时间权重像 由于不同样品的纵向弛豫时间和横向弛豫时间不同，不同组分组成的样品在核磁共振成像中具有 不

23、同的成像特点。通过对于实验参数的调整，就能够很好地区分不同组分样品的边界。 实验样品采用样品油以及自来水的混合样品，油样品装在玻璃瓶中放入试管与水隔开。由于玻璃 中不含氢原子，故不会影响成像。实验采用控制变量法，由于纵向弛豫时间T1对应参数DO，横向弛豫时间 T2对应参数D4以及D5 ，故实验中单一地改变 D0 以及 D4、D5 信号组，多次成像。成像时所用的参数与成芝麻像时 所用参数相比基本不变，但由于对样品清晰度要求不高，故在NE1 值上下调至 64，为了维持像不失真， D1 值下降至 1OOO。所生成的图像将在之后加以分析。黄豆质子密度像 在通常情况下，样品内部的组分并无类似油和水的明显

24、的分布边界，但在密度上有一个较为明显 的变化，故在消除弛豫时间对于成像的影响之后，样品中的质子密度就成为了所成像的灰度变化 的来源。此类像具有更普遍的参考意义。为了消除弛豫时间的影响，要求回波时间短，重复时间长。故如下设定参数： RFAmp1:21.5 | RFAmp2:32.5 | D1:15OO | D2:35O | D3:1OO | D4:1OO | D5:1OO | DO:2OO TD:512 | SW:35 | RG:4 | NS:8 | NE1: 128 | SLICE:O GxAmp:3O | GyAmp:1O | GzAmp:1O 在上述参数下成了相当好的质子密度像，关于此像的

25、分析在之后加以分析。3， 各参数对于实验结果的影响 由于原理性实验不是本实验的关注焦点，在此仅仅说明自旋回波成像中各参数对于成像的影响。RfAmpI以及RfAmp2 90度射频脉冲以及 180度射频脉冲幅度9O 度脉冲的准确程度要求比 18O 度脉冲的准确程度高， 9O 度脉冲的不准确会影响回波峰值，降 低所成像的信噪比，而 180度脉冲在实验探测中只需要大致能够产生一个明显的回波信号即可， 在实验中偏离可以偏离大约 5 的值而不明显影响最终的结果。D1 相位编码时间 与所成像的高度正相关，与分辨率无关。D4，D5回波时间较小的回波时间对于实验成像没有任何影响， 但较大的回波时间会削减像的亮度

26、， 使信噪比下降， 同时使样品中不同组分的横向弛豫时间 T2 的权重体现得更为明显。D0 重复时间 重复时间同采集总时间正相关，同分辨率无关，短的重复时间能够相当明显地体现样品中不同组 分的纵向弛豫时间 T1 的差别，较长的重复时间则不能体现。TD 采集点数所成像横向分辨率的主要来源，采集点数越多，分辨率越高，采集点数的多少对于实验其他数据 以及采集总时间没有影响，故实验中始终设为仪器允许的最高值512。SW 谱宽与所成像的宽度负相关，与分辨率无关。过小的SW 可能会使梯度场发生器产生过大的电流而发生超限现象，可能损坏仪器。g）RG 放大倍数信号的放大倍数，对于含氢量较小的样品RG需要较大，含

27、氢量较大的样品则应适当调小，不恰当的RG会影响成像质量一一过大发生超限，过小则信噪比太低。h）NS 单步累加次数必须为偶数，次数越多，信号的信噪比越好，同时采集总时间也相应上升。i）NE1采集步数所成像纵向分辨率的主要来源，步数越多，分辨率越高，但是采集总时间也相应上升。NE1也同时同样品的高度负相关。j）SLICE 扫描层面0对应x方向（矢状面），1对应y方向（横截面）。2对应z方向，实验中未尝试。k）GiAmp （ i=x,y,z）三个方向上梯度场的大小与SLICE方向相同的梯度场决定扫描层厚，与层厚负相关。一般来说，层厚越薄，成像亮度越低，层面结构越清晰（不同层的叠影越少）。其余两个梯度

28、场分别与所成像的宽度和高度正相关，且与分辨率无关。过大的梯度场会引发梯度场产生器的电流超限，可能损坏仪器。4，关于实验中降噪的问题成像中提高信噪比是在提高分辨率之外相当重要的提升成像质量的工作。一般来说，环境噪声是随机 的，同实验参数无关，幅度也是相当小的，故通过NS值的提升就可以使所需要的共振信号从背景中“脱颖而出”。但是仪器的线路噪声是一种有规律的噪声，并同部分实验参数相关，幅度通常和所需信号幅度可比，显然无法通过简单的NS值的提升来消除。本次实验就遭遇了一种周期性的线路噪声，其在所成K空间上表现以及FFT处理后表现如下：K空间FFT处理后所成像可以看到，噪声具有明显的周期性特点，NS的上

29、升不但无法消除之，反而增大了其强度，使产生的栅状噪声强度超过了样品本身 的信号强度而使所成像的颜色暗淡难以识别。据观察，此信号在样品取走后依然存在，与RG正相关，与梯度场大小正相关，故判断为梯度场发生器内部的噪声。由于其与梯 度场正相关，故实验中通过适当提升NS值（提高信号强度）以及下降梯度场大小以解决此问题。梯度场大小下降后，噪声强度 下降，同所需信号相比具有一定差距之后，再次提升NS值就有了意义。其后所成像如右图所示。信噪比得到很大的提升，图像 清晰可辨。结果与讨论 Results and Discussion1,弛豫时间测量结果分析a)反转恢复法与饱和恢复法测量T1反转恢复法：T1=16

30、0.7ms饱和恢复法：T1=107.6ms对于同一样品油，不同的测量方法产生了巨大的偏差。观察两者的拟合情况可以发现，拟合曲线 在后缘没有很好的贴合实际的数据点，而是分别向相反方向偏离：反转恢复法的曲线曲率不足， 而饱和恢复法的曲线曲率过大。参照反转恢复法拟合公式：tA = A (1 e2F )可以看出，T1越大，图像曲率越小，故可判断实际T1应比反转恢复法测得的T1值要小。由于饱和恢复法的拟合公式与反转恢复法类似，同理可得，实际T1值要比饱和恢复法测得的T1值要大。综上，实际样品油的T1值应在160.7ms与107.6ms之间。事实上，产生这种偏离的原因在于样品油的组分不单一，采用单组分的拟

31、合公式加以拟合肯定无法完全描述两者共同作用所产生 的结果。样品油组分不单一的结论可在硬脉冲CPMG序列测T2的实验中得以体现。b) 硬脉冲 CPMG 序列测T2实验中所得的回波序列在拟合软件里有两种拟合模式，单组分拟合以及双组分拟合，单组分拟合 的公式如下：tA= A J双组分拟合的公式如下：ttA=Ao(GeT2 C2eT2)其中，C1与C2为与含量相关的系数。 实验所得图像证明，双组分拟合的效果大 大优于单组分拟合，在双组分拟合的清形 下，拟合曲线完全贴合回波峰值点，如右 图所示。所得结果为两种组分的 T2分别为293.17ms 以及 69.43ms。2，芝麻像分析横截面矢状面上图为芝麻样

32、品所成像，在分辨率(NE1=256)较高的情况下，可以观察到明显的芝麻颗粒，即含氢物体与空气的边界可以明显分辨。芝麻成像可以清晰分辨即表明核磁共振成像具有分析物质内 部细微结构的分辨率基础。3，弛豫时间权重像的分析a) T1权重像D0=400D0=1600上图为在不同D0 (重复时间)下油水混合样品所成像，可以明显看到D0较小时，水环的较为暗淡，而当D0上升之后，水环亮度得到明显提升，而油的亮度没有明显的变化。根据测量T1以及T2的拟合公式推导出所成像单个像素点灰度中各要素的权重公式:_Do_D4 ,5A 二 Ch(1 - eTl )Xl (e T )X2;?H为质子密度。其后第一项为T1权重

33、项，第二项为T2权重项。其中X1，X2为T1与T2效果在整体成像中所占的比重系数，一般均取1已经符合实验结果。由此可得在D0较小时较暗的水环显然具有较大的纵向弛豫时间。b) T2权重像D4,5=1000D4,5=3000发现，当D4,5增大时，油的亮度变化较大。同理，由公式：D0D4 , 5A = C（1 - eTr ）Xl 芦2 ）X2可得油有较小的横向弛豫时间T2。综上分析，T1以及T2权重像可以较好地区分具有不同弛豫时间的样品，在同样含氢的物体之间提供 了一个较好的分辨方式，但是，由于T1、T2的权重像从公式中可以看出，都是以牺牲样品的整体亮度来达到较好区分不同组分的目的，即，利用在样品

34、整体亮度下降的情况下，具有不同弛豫时间的组 分从图像中逐渐消失的速率不同这一特点来进行区分。这种方式有其灵活性，也有其局限性。4，质子密度像的比较分析在对一些复杂样品的成像中，其内部含氢部分的复杂组分可能没有明显的分界，但是物理结构相 当复杂，这时利用质子密度像即可达到直观观察物体内部结构的目的。实验采用黄豆样品，进行 质子密度像的实验。以下为实验所成图像：123451.干黄豆若干颗2.黄豆+水（5分钟）3.黄豆+水（15分钟）4.黄豆+水（高像素不变形）5.两颗黄豆+水（内部结构复杂）图一为黄豆未入水时的像，可以看到，所成黄豆像的特点为中心亮，边缘暗，可判断黄豆边缘质 子密度较小，而黄豆中主

35、要的氢原子信号来源为黄豆中的脂肪，故可认为，黄豆表皮附近的脂肪 含量低，而内部的脂肪含量高。这也是符合植物学上黄豆的生长方式的，表皮的构成为角质以及 纤维，角质纤维层和营养储存区应该是平滑过渡的。为了获得黄豆的明显轮廓，将黄豆入水成像， 由图二可以观察到黄豆的明显轮廓，但与原先边界完全没有亮度相比，图二的边界有了明显的亮 度，也就是说，表皮处出现了一定的质子密度，由于黄豆本身的内部脂肪是固化在细胞内部的， 不太可能在几分钟之内出现如此大的位移，故判断这一薄层的氢原子来自于水。事实上，在5分钟内水已经渗透进入表皮使黄豆表皮发生了褶皱。等待片刻后再次进行成像，如图三所示。可以非常明显地看到边缘的亮

36、色范围比图二中的更大，表明此时的黄豆吸水更多。将样品取出后进一步观察，可以看到黄豆已经吸水膨胀，撑满了整个 试管难以取出。如下图所示：对此膨胀后的黄豆进行一次长时间的高清晰度成像，如图 四所示，可以看见水层在黄豆边缘有一个很明显的过渡， 内部颜色较深而边缘颜色较浅。黄豆在长时间浸水之后细胞之间的空隙逐渐被水填满的过 程，使得此处的质子密度上升，对应于成像上的变化即为 边界处的亮度上升，并产生一个向内逐渐变浅的过渡，这 一过渡层的厚度随着浸水时间的增大而增大，一开始为一 高亮薄层，最后会演变为一个深入黄豆核心的平滑分布。 这一成像过程极好地还原了样品内部的结构，而且把不同 组分间互相渗透的过程也

37、体现了出来。更特别地，对于黄豆中一些具有特殊结构的部分，例如两个瓣叶之间的部分，或者是胚芽部分， 由于和水的互相作用不同，也能给出一些很特殊的图像，如图五所示。两颗黄豆中，下面一颗与 先前所成的黄豆像基本相同，而上面一颗的内部出现了完全不同的纹路。可以明显地看到有2个明暗不同的分区，较暗的分区内还有一条明亮的分割线。这就恰好对应了黄豆双瓣叶的结构，而 分割线对应的是渗水情况较为严重的区域，也就是说，在分割线位置，黄豆的结构有一定的缝隙， 使得水能够直接渗入而非通过细胞间的缓慢渗透而产生的平滑过渡，暂时无法推测其对应结构。 综上，可以发现质子密度像不仅能够直接探测物质的内部结构，也能读取不同组分

38、之间的模糊分 界从而确定样品发生的变化，甚至对于一些隐藏的结构，还能通过与密度不同的其他物质相互作 用而得到较好的成像结果，其做法类似于“染色”。推广开去，对于一些不含氢的样品，例如金属工件的内部结构，可以通过浸泡在水中成像而得到细致的内部剖面图，从而发现从表面状况中无 法得知的裂缝情况等。由于实验时间和次数的限制，这一部分的实践没有得以开展，但已经设计 好实验方案，将在附录中列出。小结 Summary1，质子密度像的参考价值及核磁共振技术现状本实验所成质子密度像具有较好的参考性，在研究物体内部结构上能够起到很好的效果。实验所 采用的仪器为实验室级别的小型核磁共振成像仪，同医用大型核磁共振设备

39、所成的脑电图相比较, 主要的差距体现在成像清晰度以及信噪比上。下图为大型医用核磁共振设备所成的人体头部切面 像以及本次实验所成黄豆像的对比：可以看到，大型医用设备在分辨率上远远胜过小型仪器，其能非常清晰地分辨大脑皮层的褶皱以 及舌头的内部肌肉等非常细致的结构；除此之外，其在质子密度相差不大的区域成像产生的灰度 比比本次实验的效果要高得多，不同密度的信号可以清晰区分。这也同信噪比有相当大的关系， 背景噪声下降之后，最高信号和最低信号的强度比值就可变大，FFT处理之后就能有更好的灰度比。但也同时可以看到，除了分辨率与信噪比两者劣于大型设备之外，在物体内部结构的细节上小型 仪器同样可以做得相当细致。

40、黄豆的内径约为1cm，则可以判断，实验所成像中水在黄豆表面的渗透层厚度大约为 2。 3mm 左右，高亮可清晰分辨的表皮层厚度大约为0.5。 1mm 左右。而人脑内径大约为 25cm 左右，则左上图中人脑内部的褶皱宽度大约在 0.5mm 上下。显然，两者在分辨率 允许的范围内，对于物体内部结构的探测能力没有太大的差别。综上，本次实验所成像证明了本实验仪器能够做到大型进口设备的分辨能力，但其在成像质量上 同大型设备存在巨大差距，这同元器件的质量有直接的联系。据了解，国内目前仍然没有生产大 型核磁共振设备的能力，本次实验也清晰表明，其主要问题仍然在于设备部件的质量无法达标。首先为关键部件感应线圈难以

41、满足需求，实验中测得过的最高的共振峰谱宽为4.9ppm 左右，一般进行实验时均在 8ppm 附近，远低于高质量成像所需的 3ppm 至 1ppm 的成像精度。另外，在设备 内部的线路设计和元器件质量上也存在相当大的问题，实验中所遭遇的线路噪声就是一种难以克 服的障碍，极大影响了成像质量，设备各功能部件未经模块化设计就简单组装是导致这一问题的 关键。而成像参数模糊化调整也使得实验者无法对样品进行针对性的成像。可以说，在核磁共振这方面，理论走在了实践之前。要提高国内核磁共振的技术，首先就需要设 备质量的提升，但考虑到目前的成像质量已经具有精细结构的判断能力，通过精巧的实验以量化 成像质量与参数的关

42、系是可行的，也是目前提高核磁共振技术的一个重要环节。2，新实验方案的提出目前核磁共振实验教材多为原理性实验，对于成像部分的实验也大多限于同理论的联系。这导致 的结果就是学生在实验中仅仅追求于得出一个漂亮的、符合预期的图像而对于在实验过程所成像 本身缺乏认识。这对于学生进一步探究核磁共振现象，使国内核磁共振技术走向大型化产应用是 不利的。故本人觉得有必要将本次实验所遇到的一些尚未解决的以及值得继续研究的问题，总结 整理成一些新的、应用型的实验方案，供感兴趣的学生做进一步探究。本人大致整理为两个方向， 共 4 项实验，大致的实验操作方案将在附录中列出。值得进一步尝试的探索性实验在核磁共振实验中成不

43、含氢物体的像(轮廓像及内部像)液体在材料中渗透速度的研究实验仪器的不确定因素定量研究实验扫描区域的确定选层厚度和梯度场大小的具体对应关系致谢 Acknowledgments感谢核磁共振实验室的姚红英老师以及汪人甫老师对于本次实验的经验性指导，使设备调试的时间大大缩 短，在有限的时间内使更多的实验内容得以实现。感谢两位老师无私提供了大量材料以供参考，并对部分 实验提出了建设性的实施建议。感谢 06 级生命科学院王聪骢同学提供黄豆内部结构图像以供对比。参考文献 References汪红志 张学龙 武杰 核磁共振成像技术实验教程 科学出版社Bushong, S. C. (1996). Magnetic resonance imaging: Physical and biological principl