基于ARM的一体化核磁共振谱仪课件

1、Integrated Nuclear Magnetic ResonanceSpectrometer base on ARMPART 1核磁共振基本原理原子核的磁性 原子核具有质量并带正电荷，大多数核有自旋现象，在自旋时产生磁矩，磁矩的方向可用右手定则确定，核磁矩和核自旋角动量P都是矢量，方向相互平行，且磁矩随角动量的增加成正比地增加 = P磁旋比，不同的核具有不同的磁旋比，对某元素是定值。是磁性核的一个特征常数H=2.68108 T-1S-1C =6.73107 T-1S-1右手定则判定磁矩的方向自旋量子数当I=0时,P=0,原子核没有自旋现象,只有I0,原子核才有自旋角动量和自旋现象实践证明

2、,核自旋与核的质量数,质子数和中子数有关质量数为偶数原子序数为偶数自旋量子数为0无自旋12C6,32S16,16O8质量数为偶数原子序数为奇数自旋量子数为1,2,3有自旋14N7质量数为奇数原子序数为奇或偶数自旋量子数为1/2,3/2,5/2有自旋1H1, 13C6 19F9,31P15通常情况下人体内氢质子的核磁状态通常情况下，尽管每个质子自旋均产生一个小的磁场，但呈随机无序排列，磁化矢量相互抵消，人体并不表现出宏观磁化矢量。核自旋能级与核磁共振(一)核自旋能级把自旋氢核放在场强为H0的磁场中,由于磁矩 与磁场相互作用,核磁矩相对外加磁场有两种不同的取向，每种取向各对应一定的能量状态。在外磁

3、场作用下自旋能级发生塞曼分裂。 核磁共振是磁矩不为零的原子核，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叫做核磁共振现象。质子进动陀螺运动质子在静磁场中以进动方式运动这种运动类似于陀螺的运动进动 (Precession)沿主磁场排列低能态逆主磁场排列高能态脉冲继发后产生的宏观和微观效应低能的超出部分的氢质子有一半获得能量进入高能状态，高能和低能质子数相等，纵向磁化矢量相互抵消而等于零使质子处于同相位，质子的微观横向磁化矢量相加，产生宏观横向磁化矢量脉冲继发后产生的宏观和微观效应无线电波激发后，人体内宏观磁场偏转了90度，MRI可以检测到人体发出的信号氢质子含量高

4、的组织纵向磁化矢量大，90度脉冲后偏转横向的磁场越强，MR信号强度越高。此时的MR图像可区分质子密度不同的两种组织检测到的仅仅是不同组织氢质子含量的差别，对于临床诊断来说是远远不够的。我们总是在90度脉冲关闭后过一定时间才进行MR信号采集。在任何序列图像上，信号采集时刻旋转横向的磁化矢量越大，MR信号越强不同组织有着不同的质子密度横向(T2)弛豫速度纵向(T1)弛豫速度这是MRI显示解剖结构和病变的基础T1WIT2WIPD核磁共振“加权成像”所谓的加权就是“重点突出”的意思T1加权成像（T1WI）-突出组织T1弛豫（纵向弛豫）差别T2加权成像（T2WI）-突出组织T2弛豫（横向弛豫）差别质子密

5、度加权成像（PD） -突出组织氢质子含量差别人体大多数病变的T1值、T2值均较相应的正常组织大，因而在T1WI上比正常组织“黑”，在T2WI上比正常组织“白”。PART 2图像重建基本概念像素：组成灰度数字图像的基本单元。体素：像素对应人体内的位置。像素灰度信息：对应体素的检测信息的强度。不同成像手段进行位置对应的手段不同对磁共振而言,实现像素与体素对应的手段是施加三个维度上的梯度磁场。不同成像手段的检测信息不同磁共振信号的获取如果在垂直于XY平面，加一个接收线圈，会接收到什么信号？自由感应衰减(FID):信号随着时间而消失（类似于阻尼震荡信号），但频率不变。梯度磁场的产生拉莫尔方程（Larm

6、or equation）：改变磁场 就可改变共振频率 。 又叫梯度磁场，是指沿直角坐标系某坐标方向呈线性变化的磁场。空间定位：在主磁场B0 上叠加一个变化的小磁场 ，从而使成像层面上各处的磁场得以改变。 三个基本梯度场在Z方向叠加的强度随Z变化的磁场，叫Z方向梯度场；在X方向叠加的强度随X变化的磁场，叫X方向梯度场;在Y方向叠加的强度随Y变化的磁场，叫Y方向梯度场;NSB0B0ZB0+B(z)0NSB0B0XB0+B(x)0NSB0B0YB0+B(Y)0梯度场与主磁场的叠加梯度场 的大小和方向均可改变。主磁场 是匀强磁场，其大小和方向是固定不变的。 中心的场强总为零，与 叠加后，磁体中心的场强

7、不变。梯度场及其作用体素定位：MRI成像时，体素发出的核磁共振信号的强度被转变为图像中像素的亮度。为了得到任意层面的空间信息，MRI系统在 x, y, z 三个坐标方向均使用梯度磁场 (Gx , Gy , Gz 梯度)， 分别用相互垂直的三个梯度线圈产生。磁共振图像重建MRI空间坐标的建立是由三维梯度磁场来实现的。将来自每个体素的MRI信号与来自其他体素的信号分离的方法： 层面选择 空间编码 频率编码空间坐标层面选择 MRI的层面选择是通过三维梯度的不同组合来实现的。 任意斜面成像，其层面的确定要两个或三个梯度的共同作用。层面的选择采用的是选择性激励的原理：选择性激励（selective ex

8、citation）：指用一个有限频宽（窄带）的射频脉冲仅对共振频率在该频带范围的质子进行共振激发的技术。Gz 或GyGy或GzGx矢状面Gz或GxGx或GzGy冠状面Gy 或GxGx或GyGz横轴面层面方向频率编码梯度相位编码梯度层面选择梯度相位编码相位编码（phase encoding）：利用相位编码梯度磁场造成质子有规律的进动相位差，用此相位差来标定体素空间位置的方法。相位编码梯度工作于脉冲状态，有多少个数据采集周期，该梯度就接通多少次。相位编码用来识别行与行之间体素的位置。频率编码频率编码：利用梯度磁场造成相关方向上个磁化矢量进动频率的不同，并以此为根据来标记体素的空间位置。与y轴平行的

9、各列体素的进动频率 为：频率编码梯度(Gro)使沿X向质子所处磁场线性变化,从而共振频率线性变化,将采集信号经傅立叶变换后即可得到频率与X方向位置的线性一一对应关系。成像层面的X向位置采集信号经傅立叶变换后的频谱二者一一对应小结MRI线圈中接收到的信号是受激层面内个体素所产生的NMR信号的总和。在二维成像技术中，由于相位编码梯度和频率编码梯度共同作用，各相邻体素产生的信号在频率和相位上均存在细微的差别。这种差别表现在相位编码方向上就是进动相位的不同，表现在频率编码方向上就是进动频率的不同。通过二维傅里叶变换，就可使以频率和相位表示的差别转换为体素空间位置的差别。PART 3成像系统基本结构系统

10、硬件组成核心板包括了谱仪的数字化频率源部分,数字接收机部分,梯度波形发生器部分数字化频率源频率源设计数字化磁共振频率源由直接数字频率合成器（DDS）、微控制器（ARM）、可编程逻辑阵列（FPGA）组成。其中,直接数字频率合成器负责产生射频信号。ARM负责外界电脑与频率源的通讯。FPGA则作为板上的控制电路并且在内部划出一块区域作为RAM,暂时存储MRI序列所需的射频波形数据数字化接收机低噪声程控放大器VGA作为前极放大器,提供对微弱核磁信号的适当放大和增益控制。抗混叠滤波器滤除采样带宽外的噪声,防止发生噪声混叠。高速ADC数字化放大后的核磁共振信号FPGA芯片提供对采用数据的转换接口和存储通路,并实现对程控的数据接口。直接数字控制器DDC作用是对高频的磁共振信号进行数字下变频、滤波和速率转换处理,并通过并行端口输出处理后的数据。ARM芯片为整个数字接收机系统提供了操作平台和与外界PC机连接的桥梁。梯度波形发生器系统主要由带有外接SDRAM的ARM处理器, FPGA,ADC器件以及放大器组成。系统工作前,ARM通过网线从外