核磁共振实验中三种基本脉冲序列的特点和应用

1、 7/7核磁共振实验中三种基本脉冲序列的特点和应用 07300300061 武帅 材料物理摘要 核磁共振实验中，不同射频脉冲会对样品产生不同的激励，这将导致得到的核磁共振信号的差异。因此，射频脉冲序列的恰当选择对实验的结果有着很重要的影响。在本实验中，我们主要使用了三种基本的核磁共振脉冲序列来激励大豆油样品，对其纵向和横向弛豫时间进行测量。本文主要就这三种基本脉冲序列的特点、应用以及演变进行讨论和总结，以达到正确选择脉冲序列来合理测量样品性质的目的。 关键词 核磁共振 射频脉冲 引言 核磁共振原理：对置于外磁场中的自旋核系统，沿着垂直于外场的方向施加一个频率与拉莫尔频率相同的射频电磁场B1，在

2、该作用下，磁化矢量以B1为轴做章动，即圆周运动。施加的射频脉冲使得磁化矢量Mo偏离Z方向一个角度，=B1，=90的是90射频脉冲，同样若=180则为180射频脉冲。 图1 核磁共振原理图 核磁共振成像技术实验教程汪宏杰等编著 科学出版社 第5页图1.1.1施加的射频脉冲使得宏观磁化矢量既以外磁场为轴进动，同时也要在该射频场的作用下章动，这使得宏观磁化矢量M的运动为一条球面螺旋线。这种使得宏观磁化矢量发生偏转的现象即为核磁共振现象。实验中我们使用的是NMI20Analyst 台式核磁共振成像仪，采用脉冲傅里叶变换法（FT-NMR），这种方法中的射频脉冲有一定的时间宽度，射频有一定带宽，相当于多个

3、单频连续波核磁共振波谱仪在同时进行激励，因此在较大的范围内就可以观察到核磁共振现象（NMR）。弛豫过程：系统从激励状态恢复到原始状态的过程就叫弛豫过程。纵向弛豫时间T1，指的是自旋核释放激励过程中吸收的射频能量返回到基态的过程所用的时间，其快慢主要取决于自旋的原子核与周围分子之间的相互作用情况。横向弛豫时间T2，指的是激励过程使质子进动相位的一致性逐渐散相（即失去相位一致性）的过程，其散相的有效程度与质子所处的周围分子结构的均匀性有关。结构越均匀，散相效果越差。脉冲序列：由于MR信号（即核共振信号，如FID信号)由横向磁化强度在接收线圈中感应产生，在射频激励后的弛豫过程中被检测到，所以，从特定

4、组织检测的MR信号的强度，不仅与该组织的T1和T2弛豫时间有关，而且，与在弛豫过程中的什么时间测量及用什么方法测量有关。所谓射频脉冲序列就是指产生并测量MR信号所需要的一组周期性重复的射频脉冲的组合方式和定时关系。最基本的序列有饱和恢复(SR)序列、反转恢复(IR)和自旋回波(SE)序列。这几种序列的射频脉冲按其作用分为射频激励脉冲和信号测量脉冲。MR信号测量从本质上说是测量纵向磁化强度的瞬时值。但是，为了在接收线圈中产生感应信号，需要将纵向磁化强度转变为横向磁化强度。所以，这些脉冲序列都包含为建立横向磁化强度所必需的90射频脉冲。关于这三种基本脉冲序列的组成和它们测量的MR信号的特点，将分别

5、在下面进一步说明。饱和恢复序列（SR） 图2.1表示SR序列的射频脉冲的时序，90射频脉冲只绘出了它的理想化的矩形包络来代表。同时，图中还绘出了90脉冲激励产生的FID信号和TR期间纵向磁化强度随时间增长的相对值曲线。 特点：SR序列的每个周期只有一个90射频脉冲，它利用90脉冲进行射频激励，将平衡磁化强度Mo转变为横向磁化强度，并且立即测量由横向磁化强度感应产生的FID信号。所以，SR序列的90射频脉冲既是激励脉冲又是测量脉冲。应用：采用饱和恢复法测量纵向弛豫时间T1测量过程中，先用90脉冲将平衡磁化强度Mo变为横向磁化强度，然后，在纵向磁化强度恢复的过程中施加一个90脉冲对纵向磁化强度进行

6、取样测量。等待纵向磁化强度完全恢复平衡值之后，改变这两个90脉冲之间的延迟时间TR重复上述测量过程。根据这样反复测量的数据便可描绘出图2.1的第三条曲线。 这条曲线公式为Mz(t)Mo 1一exp(-TR/T1) 当t0时，即在90脉冲结束的一瞬间，Mz0。组织的纵向磁化强度为零，表明这时组织没有产生磁共振信号的能力。这就是90射频脉冲将组织激励到了饱和的程度。然后，纵向磁化强度在弛豫过程中逐渐恢复。饱和恢复的名称即由此而来。当tT1时，Mz0628Mo，这表明，组织的纵向磁化强度从零上升到它的平衡值的0628倍所需的时间就是这种组织的T1弛豫时间。这实际上就是组织T1弛豫时间的定义。 图2.

7、1 饱和恢复序列原理图 磁共振成像原理黄继英等编著 陕西科学技术出版社 图2.2 应用SR测量大豆油样品纵向弛豫时间采用以上所述的饱和恢复法进行对大豆油样品T1的测量，使用实验软件我们得到了如下的数据曲线：得出的T1=93.9ms反转恢复序列（IR）图3.1给出了IR序列的射频脉冲时序和序列周期TR内纵向磁化强度恢复的曲线以及这个序列中的FID信号。特点：IR序列的射频脉冲包括180脉冲和90脉冲两种，其中的180脉冲是射频激励脉冲，90脉冲是测量脉冲。180脉冲将平衡磁化强度Mo由+Z方向激励到-Z方向，然后，纵向磁化强度由Mo向+Mo恢复。在纵向恢复的过程中施加一个90脉冲对纵向磁化强度进

8、行取样测量。因为这个序列先要使纵向磁化强度反转180，然后，在纵向磁化强度向平衡值恢复的过程中获取MR信号，所以，它被称为反转恢复序列。在磁化强度的反转恢复过程中，磁化强度矢量只在Z方向增长，它既没有横向分量也没有进动运动。所以，为了获取信号，要在180激励脉冲之后的Ti时刻施加一个90射频脉冲，目的是将这个时刻具有的纵向磁化强度变为横向的，以便由这个横向分量在接收线圈中感应产生FID信号。应用：测定纵向弛豫时间T1IR序列的180脉冲和90脉冲之间的时间称为反转恢复时间TI。图3.1中第二条曲线可以通过改变TI时间反复测量FID信号的幅度而获得。描述这条曲线的方程： Mz(t)Mo12e(-

9、t/T1)可以知道，Mz(t)0的一点，t0693T1。这就是说，由给定组织的纵向磁化强度的反转恢复曲线与时间轴的交点可以确定出该组的T1弛豫时间。这就是我们利用反转恢复法测定纵向弛豫时间的原理。图3.1 反转恢复序列原理图 磁共振成像原理黄继英等编著 陕西科学技术出版社 图3.2 利用IR测得的大豆油纵向弛豫时间采用反转恢复法测得的同一管大豆油样品的纵向弛豫时间T1为：T1=176.3ms两种测量方法所得到的大豆油样品纵向弛豫时间T1差别较大，这与我们测量时对条件的改变有关。（分别在两次实验中进行）自旋回波序列（SE）特点：如下图，自旋回波(SE)序列的一个重复周期内有一个90射频脉冲和一个

10、180射频脉冲。SE序列检测的信号不是90射频脉冲引起的FID信号，而是在90脉冲结束后经过一段时间施加一个180射频脉冲，然后，检测由这个180脉冲引起的自旋回波信号。SE序列中180脉冲所起的作用，就是一方面消除磁场非均匀性对信号的影响，一方面促使自旋回波信号的产生。这是由于SE序列主要在需要反映组织的T2差别的场合应用，但是，FID信号以T2*为时间常数很快衰减，其中磁场非均匀性引起的T2*弛豫对信号衰减起主导作用。这使检测FID信号不能反映组织的T2特性。为了获得能够反映组织T2特性的信号，就必须在消除磁场非均匀性影响的基础上进行信号检测。SE序列的180射频脉冲对自旋回波形成起着关键

11、性作用。它使所有自旋进动相位一瞬间发生180改变。正是这个相位反转作用校正了磁场非均匀性对自旋进动相位的影响并产生了自旋回波。根据SE序列中180脉冲所起的作用，SE序列的180脉冲被称为相位反转脉冲或者回波形成脉冲。图4.1 饱和恢复序列原理图 磁共振成像原理黄继英等编著 陕西科学技术出版社应用及演变：利用自旋回波序列进行横向弛豫时间T2的测量 利用自旋回波序列可以对T2进行测量，图4.2即为测量原理图，由于改变了脉冲间隔时间，得到的回波峰值发生了变化，根据不断改变来得到以下的随指数衰减的曲线。 图4.2 利用SE序列测量横向弛豫时间 研究生教学用书 核磁共振成像学俎栋林著 高等教育出版社

12、缺点：花费时间长，每测一个回波要等Mz恢复到Mo，每个周期要花5个T1分子自扩散引起信号损失，使回波峰值达不到应有高度，使得T2 偏小 CP序列图4.3 CP序列原理图 研究生教学用书 核磁共振成像学俎栋林著 高等教育出版社在自旋回波硬脉冲序列的基础上，多次施加180脉冲，从而得到多个回波信号的回波脉冲序列，称为硬脉冲CPMG序列。这种序列避免了以上SE序列的缺点。其特点是在90脉冲之后，分别在t=，2，3（2n-1）时施加180脉冲，就会分别在t=2，4（2n）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|My(t)|=Mo exp(-2n/T2),形成的指数衰减曲线就是T2衰

13、减曲线，可以利用这个峰值衰减规律来测得样品的横向弛豫T2。CPMG序列CP序列虽然避免了SE序列的一些缺点，但由于其180脉冲可能存在不精确性，因此这种方法可能会造成误差的积累。实验中进一步使用了CPMG序列，这种序列和CP序列基本相同，但它的180脉冲是施加在Y轴上的，这样使得回波信号的聚相均在+Y轴上进行，避免了由于脉冲不精确而带来的误差。下图为我们利用CPMG序列来进行测量，拟合出的大豆油样品的横向弛豫时间T2：图4.4 利用CPMG测量大豆油横向弛豫时间4利用自旋回波序列进行芝麻成像：在实验中，进行自旋回波芝麻成像时，该自旋回波序列是由软脉冲组成的。（这是由于软脉冲采用的是宽而弱的si

14、nc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，在成像序列中比较常用）首先用90射频脉冲激励样品物质，在其作用下，宏观磁化矢量迅速倒向XY平面上，因此，90射频脉冲是SE序列的准备脉冲。之后再施加一个选层梯度Gs作用在样品上，以选择并激发某一个特定层面，接下来再施加一个180脉冲，其主要作用是改变XY平面内质子的进动方向，使失相的质子重新相位重聚，此时吸收180脉冲射频能量后的质子，将在后面以自旋回波的形式放出能量，从而产生自旋回波信号。接下来在相位编码和频率编码的作用下进行数据采集，最终形成K空间图像，再进行傅里叶变换，得到最终图像。以下是我们利用自旋回波序列得到的芝麻横截面图

15、像：图4.5 利用SE序列进行芝麻成像三种序列的小结：1.SR和IR对纵向弛豫时间的测定能力：（1）T1测得不同的原因：IR序列施加时，使得磁化矢量进行了180的偏转，磁化矢量直接从+Z轴向-Z轴进行弛豫，避免了磁化矢量进行进动时会受到的磁场不均匀性的影响。因此我们可以看到，利用IR序列测得的纵向弛豫曲线拟合度要比SR序列的好。（2）对T1的鉴别能力不同：由于不同的组织具有不同的纵向弛豫时间，因此对T1的鉴别可以反映出对不同组织的鉴别能力。对通常的Ti时间来说，具有不同T1的组织的纵向磁化强度在这时的恢复程度不同。T1较短的组织可能已达到平衡值，FID信号的幅度就比较大，T1较长的组织可能弛豫

16、尚不充分，FID信号的幅度就比较小。在这方面IR序列和SR序列有些类似。但是，应用SR序列时，因为纵向磁化强度从零向Mo增长，序列周期TR取的接近于纵向弛豫时间最长的组织的T1；应用IR序列时，纵向磁化强度从Mo向+Mo恢复，为使纵向弛豫在下个序列周期开始前充分完成TR要取得比样品的最大纵向弛豫时间T1大几倍。正是这方面的区别决定了IR序列比SR序列鉴别T1不同的组织的能力更强。2.抗射频干扰能力：在SR和IR序列中，90脉冲一结束就立即检测FID信号，这容易使FID信号被强大的射频激励脉冲干扰。而在SE序列中，检测的信号不是90射频脉冲引起的FID信号，而是在90脉冲结束后经过一段时间施加一个180射频脉冲，然后，检测由这个180脉冲引起的自旋回波信号，接收该自旋回波能够避免磁共振信号受射频脉冲干扰。为避免射频激励脉冲对FID信号的干扰，IR序列也可以检测自旋回波信号，即在90测量脉冲后面增加一个180回波形成脉冲，或者在IR序列周期内插入自旋回波序列。3.应用场合IR