毕业设计（论文）-核磁共振成像技术

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）题目核磁共振成像技术E学院理学院E专业班级物理053E学生姓名E指导教师E成绩E2009年6月15日齐齐哈尔大学毕业设计（论文）PAGEI摘要核磁共振成像技术是利用生物体内磁性核(多数为氢核)在磁场中特性的表现而进行成像的技术，是一种全新的影像检查技术。它有多参数、多方位、大视野、高分辨率等特点，被广泛用于医学、生物学、化学等多种学科。本文主要阐述了核磁共振的物理原理，核磁共振成像的基本原理，核磁共振成像系统组成及其核磁共振成像技术在医学、生物学、化学上的应用。从物理学的眼光入题，在解释清楚核磁共振成像技术的物理机制的基础上，综述性的介绍核磁共振成像技术。帮助我们在理解核磁共振成像原理基础上有效使用核磁共振成像技术。关键词：核磁共振；核磁共振成像；核磁共振成像系统组成；核磁共振成像应用

AbstractNuclearMagneticresonanceimaging(MRI)spectroscopyisapowerfulmethodtoprobethebiologystructuresenrichedoftheHwhichisthemaintargetofMRIandpossessesthesofarlargestnuclearmagnetogyricratio．TheMRIisanadvancedMRItechnique，whichtakestheadvantagesoftheMRI，namelymultiapproaches，differentdimensionaldetections，widesweepingview，andhigherresolution．MRIthushasbeenemployedinresearchindifferentfields，suchasmedicine，biology，chemistry，etc．ThestudyhereindescribestheprinciplesofNuclearmagneticresonance(NMR)andMRI，andtheinstrumentalcomponentofaconventionalMRIspectrometer，andtheapplicationsofMRIinmedicine，biology，andchemistry．Thestudyisleadedinbythephysicsprinciple，andthentheelucidationaboutthebasicphysicalmechanismofMRIandanoverviewaboutMRIaregiveninconsequence．ThisishelpfulforustounderstandthemechanismofMRIandtoperformMRIefficiently．Keywords：Nuclearmagneticresonance；NuclearMagneticresonanceimaging；Magneticresonanceimagingsystem；Applicationofmagneticresonanceimaging

目录摘要 IAbstract II绪论 1第1章核磁共振及其成像的基本原理 21.1核磁共振基本原理 21.2弛豫时间 41.2.1纵向弛豫 41.2.2横向弛豫 51.3核磁共振成像的基本原理 61.3.1层面选择 71.3.2频率编码及相位编码 81.3.3K空间简介 81.3.4脉冲序列 9第2章核磁共振成像系统组成 112.1磁体系统 112.1.1磁体系统类型 112.1.2磁体系统的性能指标 122.2梯度系统 132.3射频系统 132.3.1射频线圈 132.3.2射频功率放大器 142.4谱仪及计算机系统 142.4.1谱仪系统 142.4.2计算机系统 15第3章核磁共振成像应用 163.1在医学和生物学中的应用 163.1.1在医学中的应用 163.1.2在临床中的应用 173.1.3在生物学中的应用 183.2在化学中的应用 203.3其它方面的应用 21结论 22参考文献 23致谢 24齐齐哈尔大学毕业设计（论文）PAGE19绪论核磁共振成像(magneticresonanceimaging，MRI)是20世纪80年代发展起来的一种全新的影像检查技术。核磁共振(NMR:nuelearmaetieersonnaee)诞生于1946年。科学家布洛赫和珀塞尔分别提出了NMR的经典理论和量子理论，他们因此分享了1952年的诺贝尔物理学奖。在核磁共振发现之初的几年内，该技术主要用于精确测定各种原子核的磁矩。直到“化学位移”现象被Porctor博士和虞福春发现，NMR很快发展成为研究物质分子化学结构的重要手段。1965年Cooley和Tukey提出快速变换算法。同时借助于计算机的发展和超导磁体的采用，Enrst于1966年发展了脉冲变换NMR方法。这一革命性的飞跃使高分辨NMR波谱以飞速发展，并且带动了相关技术。1973年纽约州立大学的Luatebrur受到X—CT的启发，发明了用线性梯度磁场进行空间编码，首次从实验上得到NMR图像，于是核磁共振成像(NMRI，简称MRI)学科正式诞生，并逐渐成为医学诊断的工具。1975年Emst提出多维NMR谱方法理论，也为NMR成像奠定了新的方法学理论和实验基础，并发展了“成像”方法，使NMR成像区别于CT被命名为MRI。Emst由于对NMR做出巨大贡献获得了1991年诺贝尔化学奖。1977年英国学者Mnasfield提出回波平面成像(EPI:ehcoplaarriming)方法，1982年Crooks提出多层面技术，1985Haase和Frham等人提出了梯度回波(FLASH:fastlowangleshot)脉冲序列，一年后，Henning提出了快速自旋回波(fastspinecho)序列。同时期MRI仪器的硬件也快速发展，首先有人提出了设计梯度线圈的逆方法——目标场方法，接着Roemer等人发明了相位阵列(phasedarray)腰椎线圈，涡流自屏蔽梯度线圈和高速开关梯度放大器也应运而生，这些都为超导高场MRI扫描仪的出现准备了条件。软硬件技术的飞速发展使EPI等高速序列在临床上实现，成像速度达到了几十m/s幅，临床检查时间大大缩短。而且，系统的可靠性和重复性己经达到可以定量成像的水平。从此核磁共振成像得到了空前的发展，如今已成为临床诊断的重要手段，使人们长期以来设想用无损伤的方法既能取得活体器官的详细诊断图像，又能监测活体器官和组织中的化学成分和化学反应的梦想得以实现。Luatebrur和Mnasfield由于对MRI做出了重大贡献，分享了2003年的诺贝尔医学奖。如今液体核磁共振、固体核磁共振和核磁共振成像各自比较独立地发展着，形成了三足鼎立的局面。它们在理论上互相补充，在实验技术上彼此借鉴，共同繁荣了今天的核磁共振学科。半个多世纪以来，核磁共振从物理研究到化学应用、生物应用，再到临床应用所走过的路程是当今基础学科的发展推动社会进步最有说服力的例子之一。因此，要有效使用MRI技术，真正理解MRI原理是非常必要的。本文的目的的就是在物理知识基础上，浅入深出的解释核磁共振原理及核磁共振成像原理及其一些实际应用。帮助我们在理解MRI成像原理基础上有效使用MRI技术。第1章核磁共振及其成像的基本原理1.1核磁共振基本原理质子、电子或很多其它粒子都有自旋和磁矩。描述微观粒子行为的量子理论认为，粒子的自旋空间取向是量子化得，它在磁场中的能量也是量子化的，只能处在分立的能级状态。假设现有角动量为、磁矩为的原子核，核自旋角动量应满足(1-1)式中为核自旋量子数，可取整数。对于同一种同位素的核，为常数，为原子角动量单位。凡是的原子核都有磁矩，磁矩与有如下关系(1-2)式中是质子的质量，为核的因子，它反映原子核内部不同的核子组合方式的核结构，其大小由实验测定，实验测值有正由负。通常核磁矩用质子磁矩作单位，称核磁子(1-3)式中为质子的质量，它是电子质量的1836倍，所以核磁子是玻尔磁子的1/1836。核磁矩与角动量有如下关系(1-4)称为旋磁比，其大小由实验测出，单位为。(1-4)式还可以表示为(1-5)原子核处于外磁场中时，由于空间量子化，核自旋与核磁矩的取向不是任意的，设外磁场方向为方向，则和在轴上的投影和只能取分立的值，用表示磁子数，的取值为：，，，…，()等()个值，且有(1-6)(1-7)核磁矩处在恒定外磁场中具有磁能(1-8)因为可以有个值。核能级在恒定外磁场中将分裂为个等间隔的能级，相邻能级的能量差(1-9)考虑最简单的情况，对自旋量子数的粒子在外磁场中的能级分裂，如图1-1所示。图1-1的粒子在外磁场中的能级分裂所谓核磁共振就是当原子核置于外磁场中，因为核自旋的空间取向不同，原来的能级分裂成个不同的能级，分裂后两相邻能级之间的能量差为。如果在外磁场垂直的平面内再施加一个射频磁场，可以借用电子在外磁场中的塞曼效应的结论，能级之间的跃迁遵从选择定则，在这里，没有跃迁。跃迁时吸收或辐射能量子的频率应满足(1-10)(1-11)根据塞曼效应的理论，当时辐射或吸收园偏振电磁波，也就是说，辐射或吸收电磁波磁场(或电场)矢量是旋转矢量，其旋转平面垂直于外加磁场。我们在垂直于恒定磁场的方向上加上旋转磁场去激发核磁能级间的跃迁，通常是沿着垂直于恒定磁场的方向上加上一个频率为的交变磁场，它可以分解成在和方向上的四个分量(1-12)(1-13)这是两个圆偏振射频场，第一是右旋的，第二是左旋的。它们当中的一个与拉莫尔进动方向相同，另一个相反。只有与拉莫尔进动方向相同的才起作用，与之相反的圆偏振射频场对的作用可以忽略。如，则左旋圆偏振场起作用。如果与相垂直的射频交变场的频率为，那么电场的能量子为，若选取满足，就会引起核能态在两个次能级间的跃迁，既有则有(1-14)上式表示当射频脉冲的角频率与核磁矩绕的拉莫尔近动角频率相等时，会产生核磁共振现象，(1-14)式称为核磁共振条件，有时也称为拉莫尔角频率，该角频率的大小与外磁场磁感应强度的大小成正比，也称(1-14)式为拉莫尔方程[2]。1.2弛豫时间弛豫是指自旋系统由激发态恢复至其平衡态的过程，也就是纵向磁化恢复和横向磁化衰减的过程。1.2.1纵向弛豫纵向弛豫又称自旋—晶格弛豫或弛豫，是指射频脉冲停止后纵向磁化逐渐恢复至平衡态的过程。纵向磁化的过程遵循(1-15)其函数曲线如图1-2：图1-2纵向弛豫[12]图中，为纵向磁化的即时值，为平衡态纵向磁化矢量，为弛豫时间，为纵向弛豫时间常数。上式(1-15)中，令，则，或。由此，定义是指纵向磁化矢量最小值恢复到平衡态的63%所经历的弛豫时间。其物理意义相当于一个“弛豫周期”，每经过一个时间则纵向磁化恢复其剩余值的63%。是不同组织的弛豫特征值，反映不同组织的纵向弛豫率的快慢差别。由于弛豫是高能态自旋释放能量恢复至低能的过程，所以高能态自旋必须通过有效的途径将能量传递至周围环境(晶格)中去，故又称为自旋—晶格弛豫。在自旋—晶格弛豫过程中，晶格是影响其弛豫的决定因素。大分子物质热运动频率太慢，而小分子物质热运动太快，两者都不利于自旋能量的有效传递，值长只有中等大小的分子，其热运动频率接近Larmor频率，自旋能有效地快速传递能量，所以值短。1.2.2横向弛豫横向弛豫又称自旋—自旋弛豫或弛豫。自旋系统的大量自旋磁矩彼此相处在对方磁矩所产生的磁场中，由于分子的热运动导致附加磁场的波动，使彼此的进动频率发生改变，这就是自旋—自旋作用。它导致自旋的相位相干性消失，即产生所谓自旋—自旋弛豫。在理想的均匀磁场中，横向磁化的弛豫过程遵循以下函数，其函数曲线图1-3。(1-16)图1-3横向弛豫[12]式中是弛豫过程开始时横向磁化矢量的最大值；为弛豫时间，为横向弛豫时间常数。若只考虑的幅值，令，则或。由此定义是射频脉冲停止后，横向磁化矢量衰减至其最大值的37%时所经历的时间，即为一个时间。也是不同组织的弛豫特征值，反映不同组织横向磁化弛豫率的快慢差别，其物理意义与相似，只是代表横向磁化的“衰减周期”，每过一个时间，横向磁化减少至其剩余值的37%，与放射性元素的半衰期意义相近。图1-4、、的关系[12]实际上，横向磁化的自然弛豫过程并不是在理想均匀的磁场中，它经历着自旋—自旋弛豫作用和外加磁场不均匀性所形成的弛豫双重效应，两者作用的结果称为有效弛豫()。(1-17)式中，为磁场不均匀所导致的弛豫时间常数。由此可见，(图1-4)[4]。1.3核磁共振成像的基本原理核磁共振成像就是利用灰度值把NMR参数(自旋密度，弛豫时间，等)作为空间坐标的函数表示出来。根据上面提到的NMR条件，如果不考虑化学位移，耦合等因素，样品中同一种原子核的在静磁场中的共振是一样的。成像过程方框图(见图1-5)。那么如何区分NMR信号中来自样品不同位置的贡献？1973年劳特伯首次利用梯度场进行空间编码，产生了第一个核磁共振图像。如果在静磁场上叠加一个线性梯度场，那么在样品中沿梯度方向不同位置就有不同的共振频率。可以把空间位置转换为频率位移。中成像物体中成像物体选片相位编码频率编码信号采集二维FT处理层面图像显示图1-5磁共振成像过程目前商用MRI扫描仪使用的都是傅里叶成像而不是投影重建，就这使MRI从物理机制及图像重建都区别于CT，超声等成像技术。傅里叶成像克服了投影重建技术中投影点分布不均，高频成分精度低误差大，使图像细节不清楚的缺陷。成像技术的原理可以用下图1-6来解释，当时通过脉冲产生FID信号，在它衰减的过程中，相继加三个正交线性梯度，当时采样。对于三维像，如果有个像素的体元要采集个FID信号，每个FID信号采个点。然后，通过三维傅里叶变换就得到了图像。对于常用的二维成像，我们无须对整个样品进行成像，只需先在某一方向上加一线性梯度场，用频带非常窄的射频脉冲激发(选择激发)，它只激发垂直梯度场的某一很薄的层。然后，相继在另外两个方向加梯度磁场。三个方向的梯度磁场分别被称为层面选择梯度，相位编码梯度。并且相位编码梯度方向不是步进时间而是步进梯度的强度。这样既可以节约成像时间也保证了本征弛豫引起的信号衰减对每次扫描都相同，从而实现核磁共振的任意截面断层成像。脉冲脉冲0图1-6傅里叶成像示意图1.3.1层面选择根据核磁共振发生的条件，必须有射频激励的频率等于质子进动频率，而质子进动频率与所处的场强是相关的。若沿静磁场方向叠加一线性梯度磁场，则沿着梯度方向的质子进动频率出现线性变化，此时施加具有一定频率范围的射频脉冲将只有激发质子进动频率在射频带范围之内的那个层面组织内的质子，即发生核磁共振现象，其余部分均不能产生核磁共振。由于梯度场存在，沿梯度场方向，核自旋拉莫尔进动频率将不同，或者说在有效均匀场和有效线性梯度场作用下的样品有如下吸收谱(1-18)在的轴面上拉莫尔频率为，在的轴面上拉莫尔频率均大于,在轴面上拉莫尔频率小于，由于是常数，与成线性关系，此时施加中心频率的RF脉冲可选择坐标为的轴面。轴面沿轴的位置由RF脉冲的频率决定，(1-19)实际上大小和方向可以任意改变，RF脉冲的中心频率也可以任意改变，可见轴面选择可由和RF脉冲频率共同决定。应此，RF的频带宽度与梯度场强共同决定层厚。选层的厚度(即层厚)取决于两个因素：选层梯度的强度(即梯度场的斜率)和激励射频的频率范围(即射频带宽)。根据(1-19)式，施加梯度时，沿方向，拉莫尔进动频率有一个线性增加的分布，在内拉莫尔进动带宽为(1-20)图1-7层面厚度与选层梯度及RF脉冲宽度的关系[3]如果要激发位于处厚度为(见图1-7)的一层组织时，则要求RF脉冲包含中心频率为，带宽为的全部频率成分。层厚与射频带宽度成正相关，即频率范围越大，能够激发的质子层面就越厚，反之越薄[3]。层面厚度关系到选层方向的分辨率。层面薄，则分辨率高；层面厚，则分辨率低。但层面不能太薄，太薄时体元内核自旋数太少，信噪比太低，达不到高分辨率的目的。一般层厚比像元素大几倍。换句话说，在相位和频率编码方向分辨率比选层方向分辨率高几倍。1.3.2频率编码及相位编码假设将A、B两个样品分别沿X轴放于，两个位置，并且在X方向施梯度磁场。这种情况下两个样品的共振频率分别为(1-21)(1-22)上式表明样品的空间坐标可以用NMR谱线的频率来表示，可见X方向的梯度可以使得NMR信号的频率和空间位置坐标X关联起来，这就是我们一般所说的“频率编码”或者叫“读梯度”。上面提到的频率编码其本质是通过施加固定强度的梯度磁场，步进时间来把样品的空间坐标同NMR信号联系起来。相反地我们也可以固定时间，而通过步进梯度场的强度。这就叫做“相位编码”。这是因为采集到的NMR信号为(1-23)(1-24)根据，采集到的NMR信号其相位决定于梯度与时间的乘积。在一维成像的序列中，需要采用间接测量的方法，只采每个FID的第一个点。梯度步进N次就可以采集到N个点，其原理和频率编码是一样的。1.3.3K空间简介K空间是数化后的NMR原始数据的储存空间。与其它成像设备不同的是，NMR在信号测量过程中并不直接得到图像，而仅获取包含空间编码信息的原始数据。这些数据就是用K空间(一个时间域的矩阵)来描述的，对于每个读出梯度过程，线圈接收到的信号进行采样后填充一个行。在下一个采集周期指那个，随着相位编码步的步进，读出下一条信号，然后通过采样填充到下一个行。可见K空间实际上是NMR信号的原始数据空间，它也是一个实实在在的离散化的时间域数据存储空间。K空间数据并不直接代表成像对象的物理位置。换句话说，K空间的左边并不与病人的左侧直接有关。但是，K空间内的每个数据点对图像中的所有点均有贡献，其贡献的大小完全取决于在K空间的具体位置。也就是说，有些点贡献大，有些点贡献小。K空间数据与质子密度互为变换对，因而对K空间数据进行一次变换，就得到所需的图像数据。因此，每幅核磁共振图像都明确地与自己的K空间数据组相联系。这就是说，图像及其空间数据可以通过变换互相转换，这是空间的重要特点之一。但是K空间的这种对称性依赖于磁场的均匀性，梯度的线性度及无磁化率伪影等。因此，在实际情况中只采集部分K空间数据会影响图像的质量，想要获得高质量的图像还是必须扫描整个K空间[6]。1.3.4脉冲序列像素的空间位置信息可以通过施加梯度场进行确定，像素的灰度信息，或者说不同组织的像素灰度差(对比度)可以通过核磁共振脉冲序列得以实现和控制。核磁共振脉冲序列是为了获取足够用于重建图像信号按照一定时序和周期重复施加的射频脉冲和梯度脉冲的组合。最常见的序列就是自旋回波(spniEhco)序列如图(1-8)所示和梯度回波(GdareintEhco)序列如图(1-9)所示。自旋回波序列不是采用FID信号而是采用脉冲再次重聚后的回波信号进行图像重建的，它能将磁场不均匀性和化学位移等干扰消除掉，因此对磁场的要求不是很高。序列形式如图(1-8)所示。图1-8基本自旋回波序列图[6]为回波时间，为重复时间，为采样时间，为。该序列中的回波信号如下(1-26)根据上式有，当、时，信号主要取决于，即像素灰度对比主要由组织所决定，这种图像称权重像；当、时，信号主要取决于，即像素灰度对比主要由组织所决定，这种图像称权重像；当、时，信号主要取决于质子密度,即像素灰度对比主要由组织质子密度所决定，这种图像称质子密度权重像。梯度回旋序列是采用反转梯度获取回波信号重建图像的序列，因此对磁场的均匀性要求很高。图(1-9)为梯度回波序列图。由于时间短，所以采集时间短，属于快速序列。但也由于较短，因此在下个周期激励时，前一周期的横向磁化还未完全弛豫，从而形成干扰。针对对此剩余磁化的序列族和施加破坏梯度去除剩余磁化的序列族。梯度回波序列的图像权重与自旋回波类似，决定权重，决定权重，射频角度也决定权重，增大角度相当于缩短，增加了权重[1]。图1-9基本梯度回波序列图[6]

第2章核磁共振成像系统组成核磁共振成像系统(MRI系统)由磁体、梯度、射频、计算机系统组成(图2-1)，通过信号的产生、探测、编码以及图像的数据采集、图像重建和显示的功能模块的有机结合构成一整体。其按照不同的分类方法有不同的分类。按照场强大小分为高场、中场、低场核磁共振。高场一般场强高于的核磁共振；中场为场强高于而低于的核磁共振；低场为场强低于的核磁共振。按照范围来分，一般有实验室用NMRI系统，局部专用NMRI系统和整体NMRI系统。按照磁体类型一般分为永磁体型核磁共振、常导型核磁共振、超导型核磁共振和混合型核磁共振。图2-1核磁共振成像系统[12]2.1磁体系统磁体用以产生主磁场，使被测物体在其中产生沿磁场方向的宏观磁化。主磁场是使被测物体发生核磁共振的重要基础。磁体是核磁共振成像系统的关键设备，磁体的主磁场产生的静态磁场的性能直接关系到系统的信噪比(SNR)，因而在一定程度上决定着图像的质量。2.1.1磁体系统类型目前，实际应用的核磁共振设备的磁体主要有永磁体型磁体、常导型磁体、超导型磁体三种类型。永磁型磁体是最早应用于MRI成像的磁体。永磁体一般由多块永磁材料堆积(拼接)而成。磁铁块的排布既要构成一定的成像空间，又要达到磁场均匀度尽可能高地要求。另外，磁体的两个极片需要用磁体材料连接起来，以提供磁力线的返回通路，从而减少磁体周围的杂散磁场。永磁体的场强一般不超过。永磁型磁体对温度变化非常敏感，对磁体和机房的温度变化应控制在之间。其永磁型磁体的优点则是结构简单、造价低、不消耗能量、维护费用低、磁场发散少。常导型磁体是利用线圈中的电流来产生磁场的。简单的圆形线圈产生的磁场是非均匀的，为了提高磁场均匀度，可增加线圈，调整两线圈之间的距离，改善磁场的均匀度。为了产生较高的场强和足够的中空直径，往往数个线圈并用，常用的是四线圈常导型磁体。常导型磁体可用加大线圈电流的方法来提高磁体的场强。但是，导体的功耗与流经它的电流的平方成正比，线圈电流每增加一倍，其功耗增加至4倍。通常产生左右的横向磁场，一个四线圈常导磁体消耗的功耗的功率将高达。发出的热量需要用无离子冷水系统带至磁体外散发。另外，线圈电源的波动将直接影响磁场的稳定。超导磁体是利用超导材料在低温下的零电阻特性，在很小的截面上可以通过强大的电流，产生强磁场，一般场强在～之间。现在的超导线圈的材料一般采用铌-钛二元合金的多芯复合超导线。在液氦温度下，铌-钛细丝出于超导态而呈现零电阻特性，但分布于其周围的铜基保持一定电阻，相当于绝缘体。一旦发生失超，电流就会从铜基流过，以释放磁体储存的巨大电能，防止过热使超导体烧毁。其超导磁体的高场强、高稳定性、高均匀性，不耗电能以及容易达到有效的孔径等优点。但是，超导线圈必须浸泡在密封的低温液体中工作，这增加了磁体制造的复杂性和定期补给的费用。还有随着磁体强度增加，质子共振频率增高，射频脉冲经过反应的衰减值增大，射频线圈的灵敏度下降，有时弛豫时间，的增加也给图像带来一些不利的影响。2.1.2磁体系统的性能指标磁体系统的性能指标，由主磁场强度、磁场均匀性、磁场稳定性和孔腔大小决定。NMRI系统的主磁场又叫静磁场(staticmagneticfield)。在一定范围内增加主磁场强度，可提高图像的信噪比。因此，NMRI

系统的场强不能太低。磁场均匀性是NMRI系统的重要指标之一。所谓均匀性，是指在特定容积限度内磁场的同一性，即穿过单位面积的磁力线是否相同。这里的特定容积通常取一球形空间。磁场稳定性也是一重要的指标。受磁体附近铁磁性物质、环境温度或均匀电源漂移等的影响，磁场的均匀性或场值也会发生变化，这就是常说的磁场漂移。稳定性就是衡量这种变化的指标。稳定性下降，意味着单位时间内磁场的变化率增高，在一定程度上亦会影响图像质量。实际上，磁场在时间上的不稳定与其在空间的不均匀是一致的，其影响都是使谱线变宽，分辨率下降。对于核磁共振系统，需要有足够的孔径容纳受检查物体。大孔径还方便进行介入成像。但孔径的增大会导致逸散磁场增大，而且孔径的均匀性也会急剧变差，因此，增加磁体的孔径在一定程度上比提高场强更难[7]。

2.2梯度系统梯度系统是指与梯度磁场有关的电路单元及梯度线圈。它的功能是为系统提供满足线性度和可快速开关的梯度场。其由梯度线圈、梯度控制器、数模转换器(DAC)，梯度放大器和梯度冷却系统等部分组成(图2-2)。梯度控制器梯度控制器(GCU)时序参数幅值参数涡流补偿参数数模转换器(DAC)梯度功率放大器序列发生器16位各种序列参数主计算机梯度线圈图2-2梯度系统框架图MRI成像必须有三个梯度，分别指向三个方向。即以X，Y，Z互相正交三维空间线性变化的梯度磁场作为图像重建的定位依据。这三个梯度场分别由三个梯度直流线圈来产生，每一组线圈要求有一个单独的电源发生器供电，每组梯度线圈由两个电流方向相反的同轴线圈组成，以产生其轴线方向上的最大线性梯度磁场，线圈被封装在用纤维玻璃制的圆筒内，安装于磁体的腔内。梯度线圈产生一个线性变化的磁场，叠加在均匀的主磁场上。梯度磁场相对较低，通常在0.5~1.0G/cm(5~20mT/m)，在主磁场方向上使用一个麦克斯韦线圈就能满足线性梯度。除电流以相反方向流入，这种线圈类似于亥姆霍兹线圈的排列形式，其它两个梯度可用两个Golay线圈由相反的线圈环组成，平行放置在机架周围。这些线圈互相呈放置，为其它两个方向提供梯度。2.3射频系统射频系统是MRI系统中实施射频激励并接收和处理RF信号的功能单元。由于核磁共振信号的功能单元。由于核磁共振信号的幅值只有微伏级，因而射频接收系统的灵敏度和放大倍数都非常高。其中射频系统包括射频发射单元和信号接收单元。2.3.1射频线圈射频线圈(RFcoil)有发射和接收两个基本功能。所谓发射，就是辐射一定频率的电磁波，以使样品内的质子受到激励而发生共振，接收则指检测被激发质子的进动行为，即获取NMR信号。因此，从功能的角度看，RF线圈有发射线圈和接收线圈之分。在射频激励过程中，发射线圈作为换能器，将RF功率转换为在成像空间横向旋转的射频磁场，该换能器的效率越高，相同射频功率在成像空间内获得场越大。在信号的接收阶段，RF线圈以及相关的前置放大器又将磁化矢量的进动转化为可以进一步处理的信号，接收线圈在此同样起到换能器的作用，它的转换效率越高，就越有利于在给定空间内获取高的信噪比(SNR)。2.3.2射频功率放大器射频功率放大器是射频发射单元的重要组成部分，它需要对经过脉冲调制好的高频率信号进行功率放大为射频线圈输送具有较大功率的射频信号。由于是高频放大，因此线路实现上较为困难，并且它还需要有一定的频带宽度和非常好地线性。2.4谱仪及计算机系统2.4.1谱仪系统谱仪子系统是核磁共振系统设备的中心控制系统、负责产生、控制序列的各个环节的协调运行，如射频的发射时序、梯度的配合施加时序、接收线圈的接受等等。主要包括通信接口、系统控制器、时序控制器、序列发生器、数据采集单元、系统电源等。通信接口通信接口系统控制器谱仪系统电源射频发生器数据采集单元梯度控制器时序控制器(又称序列产生器)图2-3谱仪系统结构图2-3中的各部件作用分别为：通信接口是与主计算机和图像处理计算机通信的接口，谱仪系统与操作计算机之间使用RJ485，即普通网线进行网络通信。系统控制器是谱仪系统的CPU，负责谱仪系统的各个部件之间的信号流通和协调控制。时序控制器又称为序列发生器，它是谱仪系统的核心部件，是整个核磁共振系统控制的中控部件，它负责根据操作者选择的序列名称和序列参数产生射频发生单元的射频时序和幅值参数、信号接收单元的接受控制信号、三个梯度场的施加时序与幅值参数以及梯度电流波形调节参数等，一般用可编程逻辑阵列来实现。射频发生器负责产生符合需要的基准射频信号。梯度控制器负责产生和控制梯度时序、幅值以及电流波形调节。数据采集单元负责数据的采样和量化。谱仪系统电源负责提供谱仪各部件所需的电源[12]。2.4.2计算机系统计算机系统又称主控计算机、中央计算机。它介于核磁共振操作者和扫描系统之间，控制用户与核磁共振各系统之间的通信。其功能包括三个方面：①负责将操作者选择的成像软件发送给其它系统。②负责将K空间中存储的数据进行重建和显示。③对图像进行一些基本的处理。

第3章核磁共振成像应用3.1在医学和生物学中的应用3.1.1在医学中的应用1976年MRI设备第一次运用于临床，并同时获得人手指的MRI图像，1978年，英国科学家获得了第一幅人体头部的磁共振图像，尔后又陆续取得了第一幅胸、腹部图像。1980年，磁共振机以商品出售并开始应用于临床，为人类正式享受这一伟大科学发现展现出美好的前景。近年来，随着MRI设备的硬件和相关软件的不断更新和发展，其在医学、生物学特别是临床工作实践中的应用范围越来越广。近来的有关常见的MRI技术有平面回波快速成像、磁共振血管造影、化学位移成像、扩散成像、灌注成像、扩散张量成像以及脑功能成像等。可以说，从MRI技术的诞生到现在，其每一个改善和进步都给医学和生物学的研究和实践带来了显著的进展。现在，MRI已经成为医学诊断中的常规方法和手段，在全球范围内每年有超过6000万的研究项目在进行中，而且相关的技术和方法还在不断的进步中。与其它的成像技术相比较，MRI更胜一筹，并能显著改善多种疾病的诊断水平。MRI已经取代多种有创性的检查方法，因而减少了许多病人的风险和不适。更加令人振奋的是，MRI技术的衍生方法功能性磁共振成像方法(functionalmagneticresonanceimaging,fMRI)技术正日益成为研究脑的形态、结构、代谢和功能的现代科学的先进手段，正日益成为人类研究、攻克和战胜疾病的十分重要的选择，为未来医学和生命科学的进步和发展展现出了一幅幅美丽的画卷和宏伟的蓝图！核磁共振成像(MRI)具有无电离辐射性(放射线)损害，无骨性伪影，能多方向(横断、冠状、矢状切面等)和多参数成像，高度的软组织分辨能力，无需使用对比剂即可显示血管结构等独特的优点。和是组织存一定时间间隔内接受一系列脉冲后的物理变化特性，不同组织有不同的和，它取决于组织内的氢原子对磁场施加的射频脉冲的反应。通过设定MRI的成像参数(TR和TE)，TR是重复时间即射频脉冲的间隔时间，TE是回波时问即从施加射频脉冲到接受到信号问的时问，TR和TE的单位均为毫秒(ms)，可以做出分别代表组织或特性的图像(加权像或加权像)通过成像参数的设定也可以做出既有特性又有特性的图像，称为质子密度加权像(PDW)。观察图像的TE和TR值可区分加权像和加权像，TE短可为20ms，长可为80ms，TR短可为600ms，长可为3000+ms。短TE短TR为加权像，而TE、TR均长的加权像，短TE长TR者为质子密度加权像。了解水和脂肪的信号特征有助于区分加权像和加权像，特别是在图像没有显示特征性的TE和TR值时更有价值。观察液体结构如脑窀、膀胱或脑脊液，若液体是亮的，很可能为加权像，若液体是暗的，则可能为加权像。若液体是亮的，而其它结构不像是加权像，且TR和TE均短，则可能是梯度回波图像。信号慢度表示某种组织所产生信号的亮度，亮(白)的组织为高信号，而暗的组织为低信号，两者之问为等信号，常用于判断病变组织信号与其周尉结构信号间的关系(如一个肿块较周围组织为高信号)注意MRI用的是强度而不是密度，密度的概念是用在CT和X线平片上。磁共振成像的图像与CT图像非常相似，二者都是“数字图像”，并以不同灰度显示不同结构的解剖和病理的断面图像。与CT一样，磁共振成像也几乎适用于全身各系统的不同疾病，例如肿瘤、炎症、创伤、退行性病变，以及各种先天性疾病等的检查。核磁共振成像无骨性伪影，可随意作直接的多方向(横断、冠状、矢状或任何角度)切层，对颅脑、脊柱和脊髓等的解剖和病变的显示，尤优于CT，磁共振成像借其“流空效应”，叮不用血管造影剂，显示血管结构，故在“无损伤”地显示血管(微小血管除外)，以及对肿块、淋巴结和血管结构之问的相互鉴别方面，有独到之处。核磁共振成像有高于CT数倍的软组织分辨能力，它能敏感地检出组织成分中水含量的变化，故常可比CT更有效和早期地发现病变。此外，胆道水成像(MRCP)和泌尿系水成像(MRUP)也因无创尚且图像清晰已广泛应用于临床，近年来，磁共振血流成像技术(MRA)的研究，使在活体上测定血流量和血流速度已成为可能；心电门控的使用，使磁共振成像能清楚地、全面地显示心脏、心肌、心包以及心内的其它细小结构，为无损地检查和诊断各种获得性与先天性心脏疾患(包括冠心病等)，以及心脏功能的检查，提供了可靠的方法。随着各种不同的快速扫描序列和三维取样扫描技术的研究和成功地应用于临床，磁共振血管造影和电影摄影新技术已步入临床，且日臻完善。最近又实现磁共振成像和局部频谱学的结合(即MRI与MRS的结合)，以及除氧质子以外的其它原子核如氟、钠、磷等的磁共振成像，这些成就将能更有效地提高磁共振成像诊断的特性，也开阔了它的临床用途。3.1.2在临床中的应用颅脑与脊髓：MRI对脑肿瘤、脑炎性病变、脑白质病变、脑梗塞、脑先天性异常等的诊断比CT更为敏感，可发现早期病变，定位也更加准确。对颅底及腑下的病变因无伪影显示得更清楚。MRI可不用造影剂显示脑血管(MRA)，发现有无动脉瘤和动静脉畸形。MRI还可直接显示一些颅神经，可发现发生在这些神经L的早期病变。MRI可直接显示脊髓的全貌，因而对脊髓肿瘤或椎管内肿瘤、脊髓白质病变、脊髓空洞、脊髓损伤等有重要的诊断价值。对椎间盘病变，MRI可显示其变性、突出或膨出。显示椎管狭窄也较好。对于颈、胸椎，CT常显示不满意，而MRIl、显示清楚。另外，MRI对显示椎体转移性肿瘤也十分敏感。头颈部：MRI对眼耳鼻咽喉部的肿瘤性病变显示好，如鼻咽癌对颅底、颅神经的侵犯，MRI显示比CT更清晰更准确。MRI还可做颈部的血管造影，显示血管异常。对颈部的肿块，MRI也可显示其范围及其特征，以帮助定性。胸部：MRI可直接显示心肌和左右心室腔用心电门控，可了解心肌损害的情况并可测定心脏功能。对纵隔内大血管的情况可清楚显示。对纵隔肿瘤的定位定性也极有帮助。还可显示肺水肿、肺栓塞、肺肿瘤的情况。可区别胸腔积液的性质，区别血管断面还是淋巴结。腹部MRI对肝、肾、胰、脾、肾上腺等实质性脏器疾病的诊断可提供十分有价值的信息，有助于确诊。对小病变也较易显示，因而能发现早期病变。MR胆道造影(MRCP)可显示胆道和胰管，可替代ERCP。MR尿路造影(MRU)可显示扩张的输尿管和肾盂肾盏，对肾功能差、IVU不显影的病人尤为适用。盆腔：MRI可显示子宫、卵巢、膀胱、前列腺、精囊等器官的病变。可直接看到子宫内膜、肌层，对早期诊断子宫肿瘤性病变有很大的帮助。对卵巢、膀胱、前列腺等处病变的定位定性诊断也有很大价值。后腹膜：MRI对显示后腹膜的肿瘤以及与周围脏器的关系有很大价值。还可显示腹主动脉或其它大血管的病变，如腹主动脉瘤、布一查综合征、肾动脉狭窄等。肌肉骨骼系统：MRI对关节内的软骨盘、肌腱、韧带的损伤，显示率比CT高。由于对骨髓的变化较敏感，能早期发现骨转移、骨髓炎、无菌性坏死、白血病骨髓润等。对骨肿瘤的软组织显示清楚。对软组织损伤也有一定的诊断价值[11]。3.1.3在生物学中的应用现代生物学上使用的MRI，其基本原理是利用生物体内的H原子核在静磁场内受到射频脉冲激发后而产生的磁共振现象，然后，经过空间编码技术，把磁共振过程中所产生的电磁波以及与这些个电磁波相关的质子密度、弛豫时间、流动效应等参数，在接受、转换后通过计算机的重建和处理，然后形成图像。生物体内的氢原子由于其所处的化学微环境不同，其及弛豫时间会有差别，不同组织中质子的数目也不同，即质子的自旋密度不同。同一组织在病变前后其中的水的量和存在环境及状态会发生改变，因而，这些质子的NMR参数也会随之变动。为了充分显示病变组织和正常组织间的、或质子密度对比度，需要在某一特定的脉冲序列中选择好最佳组合的重复时间(TR)和回波时间(TE)。这样就可以使其中某一种对比度占优势，从而得到相应的加权图像。MRI方法通过把这些变化检测出来并进行空间定位，因此可为相关生理过程的研究提供重要信息。核磁共振分析技术可以无侵入的获取活体生物系统的信息，使NMR技术在活体应用方面的研究进展迅速。NMR技术可以用于分析生物细胞系统的代谢途径，包括分析细胞内的pH值、分析乳酸菌糖份的分解以及分析转基因生物的代谢过程等[13]。NMR技术还可以用于生物反应器系统的优化,将NMR成像技术与代谢NMR技术结合起来用于设计生物反应器，目前是一个全新的领域NMR技术还可用于结构基因组学，可以方便的获取蛋白质、DNA等的三级结构。下面是最新核磁共振成像生物学中的部分图像如下图所示，纽迈核磁图像分辨率优于0.1mm，可看出组织对比充分。图3-1杭椒横断位成像图3-2杭椒冠状位成像图3-3豇豆冠状位成像杭椒横断位和冠状位成像图像、豇豆冠状位成像，可以清楚的看到脉络和种籽。杭椒直径为13mm,置于15mm线圈中。豇豆宽为12mm,置于15mm线圈中。图3-4鸡爪中关节图像图3-5鸡爪中关节横断位图像图3-6鸡爪矢状位层切面图像鸡爪中关节成像矢状位0层成像，横断位0层成像，鸡爪矢状位多层切面成像效果。为取冻鸡爪脚趾(最大直径为11mm)，置于15mm线圈中成像。图3-7趾关节冠状位图像图3-8横断位图像鸡爪爪趾关节冠状位、横断位图像，可看见骨骼、骨髓、肌肉等组织。图3-9蚕蛹实物图3-10冠状位成像图蚕蛹实物图及冠状位成像图

3.2在化学中的应用通常把溶液中的化学反应设想成是空分布均匀的，但由于温度和反应物的不稳定性，或催化剂的浓缩使得化学反应变得不均匀。化学反应的空间不稳定性是由于多相催化，也是聚合反应过程中粘度的快速增加而引起的，如碳纤维增强环氧树脂的研究。通过升高温度达到以上来提高值(自旋-自旋弛豫时间)。则复合材料中未硫化的部分聚合物即可成像，并直到它固化为止。随着局部成像强度的降低，局部也相应减小。这样，通过的变化就可看出固化过程的空间分布情况以及环氧和关于温度变化的粘性图。因而在MRI范围内,用来跟踪高度有向性的聚合物如光致聚合物是非常好的。另外，固态反应是空间有向性的。Butler等人用附有多脉冲窄线型技术观察了单晶按和苯甲酸粉末在固态反应中形成苯甲酸按的过程。这通过(自旋-晶格弛豫时间)即可看出，因为在未发生反应的材料中的要比发生反应的材料中的要长。NMRI对研究聚合物中溶剂的扩散也是一种最佳的手段。因为溶剂的时间要比聚合物长，成像的状态可设置成单独显示未受到干扰的聚合物溶剂的扩散过程的图像。另外，在表征扩散过程中,采用NMRI可对局部溶解运动及聚合物、扩散系数以及多组分扩散之间的关系进行图象描述。NMRI用于研究聚合物的溶剂扩散工作已有报道。例如甲醇和丙酮在聚甲基异丁烯中表现出两种扩散行为，溶剂穿过膨胀的地方到达内芯。而膨胀区域内的自旋弛豫参数和半扩散系数随着溶剂接近透明内芯而减少。并观察到，在聚合物链固定的内芯附近聚合物链的运动性减小。同时还发现可用氛代试剂来跟踪混有甲醇和丙酮的聚碳酸醋中的单体的扩散，而且在测量中没有梯度场穿过膨胀区。Callaghan已深入研究了用不同的成像方法使可提供流量，流速以及在特别方向上扩散的图像。短回波时间的标准成像技术可用于研究与动态组分有关的聚合物。比如：水或增塑剂的导入，聚合物硫化及弹性体的均匀性等。例如利用NMRI所提供的，弛豫时间的信息来研究粘合剂的键合结构。如要将“固体”类型的聚合物成像，则需找到使线宽变窄的方法。其原因是偶极线宽会对固体材料产生极大的宽线，而这些增宽必须在成像前予以除去。另外固体的值很小也给成像造成了困难。多脉冲线性变窄和魔角旋转法都用于此类研究中。因而大部分的聚合物应用研究集中在橡胶或膨胀材料上。典型的合成橡胶都有500-100的线宽以及0.1-2ms的值。这对干标准的自旋回波付立叶成像来说是很短的。这就需要把三维技术，短射频脉冲技术及的短梯度脉冲相结合来实现。这样，可以获得不含金属铁如钢丝的轮胎的信息图象[10]。在平面分辨率达到，可分辨出不同成份的橡胶层、各层的边界、钢丝的位置以及标准的纤维带轮胎的交接部分的物理缺陷等。再结合谱即可