核磁共振成像实验报告
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中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩：
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核磁共振实验
【实验目的】
1、理解核磁共振的基本原理；
2、理解磁体的中心频率和拉莫尔频率的关系，并掌握拉莫尔频率的测量方法；
3、掌握梯度回波序列成像原理及其成像过程；
4、掌握弛豫时间的计算方法，并反演 T1和T2谱。 【实验原理】 一．核磁共振现象
原子核具有磁矩，氢原子核在绕着自身轴旋转的同时，又沿主磁场方向B 0作圆周运动,将质子磁矩的这种运动称之为进动，如图1所示。
图1 质子磁矩的进动
在主磁场中，宏观磁矩像单个质子磁矩那样作旋进运动，磁矩进动的频率符合拉莫尔（Larmor ）方程：.
0/2f B γπ=
二、施加射频脉冲后(氢)质子状态
当生物组织被置于一个大的静磁场中后，其生物组织内的氢质子顺主磁场方向的处于低能态而逆主磁场方向者为高能态。在低能态与高能态之间根据静磁场场强大小与当时的温度，势必要达到动态平衡，称为“热平衡”状态。这种热平衡状态中的氢质子，被施以频率与质子群的旋进频率一致的射频脉冲时，将破坏原来的热平衡状态。施加的射频脉冲越强，
持续时间越长，在射频脉冲停止时，M离开其平衡状态B0越远。
如用以Ｂ０为Ｚ轴方向的直角座标系表示Ｍ，则宏观磁化矢量Ｍ平行于ＸＹ平面，而纵向磁化矢量Ｍｚ＝０，横向磁化矢量Mxy最大，如图2所示。这时质子群几乎以同样的相位旋进。施加180°脉冲后，Ｍ与Ｂ０平行，但方向相反，横向磁化矢量Ｍｘｙ为零，如图3所示。
图2 90°脉冲后横向磁化矢量达到最大
图3 180°脉冲后的横向磁化分量为0
三、射频脉冲停止后（氢）质子状态
脉冲停止后，宏观磁化矢量又自发地回复到平衡状态，这个过程称之为“核磁弛豫”。当90°脉冲停止后，Ｍ仍围绕Ｂ０轴旋转，Ｍ末端螺旋上升逐渐靠向Ｂ０，如图4所示。
图4 90度脉冲停止后宏观磁化矢量的变化
1. 纵向弛豫时间（T1）
90°脉冲停止后，纵向磁化矢量要逐渐恢复到平衡状态，测量时间距射频脉冲终止的时
间越长，所测得磁化矢量信号幅度就越大。弛豫过程表现为一种指数曲线，T1值规定为M z 达到最终平衡状态63%的时间，如图5所示。
图5 纵向弛豫时间T1
T1进一步的物理意义的理解，只有从微观的角度分析。由于质子从射频波吸收能量，处于高能态的质子数目增加，T1弛豫是质子群通过释放已吸收的能量，以恢复原来高低能态平衡的过程，T1弛豫也称为自旋－晶格弛豫。
2. 横向弛豫时间（T2）
90°脉冲的一个作用是激励质子群使之在同一方位，同步旋进（相位一致），这时横向磁化矢量Ｍxy值最大，但射频脉冲停止后，质子同步旋进很快变为异步，旋转方位也由同而异，相位由聚合一致变为丧失聚合而各异，磁化矢量相互抵消，Ｍxy很快由大变小,最后趋向于零，称之为去相位。横向磁化矢量衰减也表现为一种指数曲线，T2值规定为横向磁化矢量衰减到其原来值37％所用的时间，如图6所示。
图6 90度脉冲停止后宏观磁化矢量的变化
四、核磁共振成像
在弛豫过程中通过测定横向磁化矢量Ｍxy可得知生物组织的磁共振信号。横向磁化矢量Ｍxy垂直并围绕主磁场B0以Larmor频率旋进，按法拉第定律，磁矢量Ｍxy的变化使环绕在人体周围的接收线圈产生感应电动势，这个可以放大的感应电流即MR信号。90°脉冲后，由于受T1、T2的影响，磁共振信号以指数曲线形式衰减，称为自由感应衰减
（free induction decay，FID），如图7。
图7 自由感应衰减信号
磁共振信号的测量只能在垂直于主磁场的XY平面进行。由于脉冲发射和接收生物组织原子核的共振信号不在同一时间，而射频脉冲和生物组织发生的共振信号的频率又是一致的，因此,可用一个线圈兼作发射和接收。
由于Ｍxy指向或背向接收线圈，MR信号或正或负，横向磁化矢量转动，在接收线圈中出现周期性电流振荡，这些振荡为正弦波并逐渐阻尼（阻尼指信号幅度随时间减弱），幅度的变化可用信号演变来表示。由于质子和质子的相互作用（spin-spin），自由感应衰减的时间为T2，质子和质子间的相互作用以及磁场不均匀性的影响，自由感应衰减的时间为T′2，T′2显著短于T2。
在一个磁环境中，所有质子并非确切地有同样的共振频率。在一个窄频率带，自由感应衰减信号代表叠加到一起的正弦振荡，用数学方法（傅里叶变换）可把这一振幅随时间而变化的函数变成振幅按频率分布而变化的函数，后者即MR波谱，见图8。
图8 傅立叶变换
振幅随时间而降低的正弦信号经傅里叶变换后用窄细的钟形波为代表。由于振幅演变的起始值取决于横向磁矩，而该磁矩又取决于特定组织体素（voxel）中受激励原子核的数目，因此波峰高度（信号强度）代表质子密度Ｎ（Ｈ），如质子群为纯水且主磁场又很均匀，则质子群共振频率只有１个，钟形波为一直线。如由于质子群的自旋－自旋作用及磁场不均匀性的影响，在频率域座标上就不是一直线，而表现为一钟形波，其宽度与T′2成反比，即钟形波越宽，T′2越短，而钟形波最宽处为其共振频率。
【实验装置】
NMI20台式磁共振成像仪；乙醇和水的混合溶液；
【实验内容】
1 测量乙醇和汽油混合溶液的横向弛豫时间T2
（1）配置乙醇和水的混合溶液，乙醇质量含量分别为0%、20%、50%、80%、100%。
（2）系统参数和脉冲参数的设置
（3）CPMG实验
（4）弛豫信号反演
（5）分析不同浓度乙醇和水混合液T2的区别。
【数据记录及处理】
1 测量乙醇和汽油混合溶液的横向弛豫时间T2
运行NMI20的分析软件，寻找中心频率和硬脉冲宽度，并设置其他参数后，调入CPMG序列界面进行采样并提取回波峰点，然后进行弛豫信号反演。
表一乙醇和水混合溶液的横向弛豫时间T2
乙醇浓度峰起始
时间
峰顶时
间
峰结束
时间
峰面积比例
0% 2477.08 2718.59 2983.65 14735.06 1
14735.06
20% 705.48 811.131 1072.27 411.572 0.031 20% 1417.47 2056.51 2595.02 12952.15 0.969
13363.72
50% 509.414 613.591 849.753 405.321 0.032 50% 1123.32 1707.35 2257.02 12374.46 0.968
12779.78
80% 367.838 422.924 533.67 91.321 0.007 80% 1232.85 1707.35 2154.43 12191.62 0.773
12282.94
100% 1629.75 1963.04 2364.49 11037.78 1
11037.78
比率-浓度关系图
【思考与讨论】
1.什么是核磁共振，描述磁共振产生的基本原理；以及核磁共振成像的基本原理；答：具有磁距的原子核在高强度磁场作用下，可吸收适宜频率的电磁辐射，由低能态跃迁到高能态的现象。如1H、3H、13C、15N、19F、31P等原子核，都具有非零自旋而有磁距，能显示此现象。由核磁共振提供的信息，可以分析各种有机和无机物的分子结构。核磁共振现象来源于原子核的自旋角动量在外加磁场作用
下的进动，而其产生的条件是：核有自旋；外磁场，能级分裂。
核磁共振成像是随着计算机技术、电子电路技术、超导体技术的发展而迅速发展起来的一种生物磁学核自旋成像技术。它是利用磁场与射频脉冲使物体内进动的氢核（即H+）产生射频信号，经计算机处理而成像的。原子核在进动中，吸收与原子核进动频率相同的射频脉冲，即外加交变磁场的频率等于拉莫频率，原子核就发生共振吸收，去掉射频脉冲之后，原子核磁矩又把所吸收的能量中的一部分以电磁波的形式发射出来，称为共振发射。共振吸收和共振发射的过程叫做“核磁共振”。当把物体放置在磁场中，用适当的电磁波照射它，使之共振，然后分析它释放的电磁波，就可以得知构成这一物体的原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的精确立体图像，这就是核磁共振成像。
2.分析磁场空间分布不均匀性对共振信号的影响？
答：不均匀的磁场会在样品内形成局部磁场，它将加剧磁化强度横向分量进动，相位失配的过程，使共振信号产生附加的展宽。
【实验总结】
此实验实验原理非常复杂，但是由于是全电脑自动处理数据，所以总体感觉实验很轻松，实验结果也很明显，后期数据处理上也不难。但是在对实验原理和实验操作进一步了解后，明白了核磁共振的重要性及其在各领域的影响，体会到物理学的魅力。