核磁共振成像实验
【目的要求】
1.学习和了解核磁共振原理和核磁共振成像原理；
2.掌握MRIjx 核磁共振成像仪的结构、原理、调试和操作过程；
【仪器用具】
MRIjx 核磁共振成像仪、计算机、样品（油）
【原 理】
磁共振成像（MRI ）是利用射频电磁波（脉冲序列）对置于静磁场B 0中的含有自旋不为零的原子核（1H ）的物质进行激发，发生核磁共振，用感应线圈检测技术获得物质的组织驰豫信息和氢质子密度信息（采集共振信号），用梯度磁场进行空间定位、通过图像重建，形成磁共振图像的方法和技术。
具体的讲，核磁共振是利用核磁共振现象获取分子结构、样品内部结构信息的技术。当具有自旋的原子核的磁矩处于静止外磁场中时会产生进动和能级分裂。在交变磁场作用下，自旋的原子核会吸收特定频率的无线电射频电磁波，从较低的能级跃迁到较高能级。在停止射频脉冲后，原子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，被物体外的接受器收录，经电子计算机处理获得图像，这就是做核磁共振成像过程。
MRI 的特点：
● 具有较高的物质组织对比度和组织分辨力，对软组织分辨率极佳，能清晰地显示软组织、软骨结构，解剖结构和医学上的病变形态，显示清楚、逼真。 ● 多方位成像，能对被检查部位进行横断面、冠状面、矢状面以及任何斜面成像。
● 多参数成像，获取T 1加权成像（T 1W1）：T 2加权成像（T 2W2）、质子密度加权成像(PDW1)，在影像上取得物质的组织之间、组织与变化之间T 1、T 2和PD 的信号对比，在医学上对显示解剖结构和病变敏感。
● 能进行形态学、功能、组织化学和生物化学方面的研究。
● 以射频脉冲作为成像的能量源，不使用电离辐射，对人体安全、无创。
一、核磁共振原理
产生核磁共振信号必须满足三个基本条件：（1）能够产生共振跃迁的原子核；（2）恒定的静磁场（外磁场、主磁场）B 0；（3）产生一定频率电磁波的交变磁场，射频磁场（RF ）；即：“核”：共振跃迁的原子核；“磁”：主磁场B 0和射频磁场RF ；“共振”：当射频磁场的频率与原子核进动的频率一致时原子核吸收能量，发生能级间的共振跃迁。
1. 原子核的自旋和磁矩
原子核由质子和中子组成，原子核有自旋运动，可以粗略的理解为原子核绕自身的轴向高速旋转的运动，对应有确定的自旋角动量，反映了原子核的内禀特性。自旋的大小与原子核中的核子数及其分布有关，质子数和中子数均为偶数的原子核，自旋量子数I=0，质量数为奇数的原子核，自旋量子数为半整数，质量数为偶数，质子数为奇数的原子核，自旋量子数为整数。原子核自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数I 决定， )(1+=I I l I 。
原子核具有电荷分布，自旋时形成循环电流，产生磁场，形成磁矩，磁矩的方向与自旋角动量方向一致，大小I P γγμ==，P 是角动量，γ是磁旋比，等于
核的磁矩和角动量的比值，是各种原子核的特征常数。
当原子核处于外磁场中时，若原子核磁矩与外加磁场方向不同，则原子核的磁矩会绕外磁场方向旋转，与陀螺的运动相似，称为进动。进动的快慢（频率）遵循拉莫尔公式：0002B γπνω==，在确定的外磁场B 0情况下，原子核的进动频率是一定的。氢原子核在不同磁场中的进动频率是不同的，如主磁场B 0为1.0T 时，氢原子核的进动频率为42.6MHz 。
原子核磁矩的进动 氢原子核（质子）在外磁场中的取向不同
原子核的磁矩在外磁场中的取向是量子化的，自旋量子数为I 的原子核在外磁场作用下只可能有2I+1个取向，每一个取向都可以用一个自旋磁量子数m 来表示，m 与I 之间的关系是：m=I ，I-1，I-2…-I 。原子核的磁矩在外磁场中的每一种取向都代表了核在该磁场中的一种能量状态，能级能量为I B m E 0μ=。在天然同位素中，以氢原子核1H （质子）的γ值最大（42.6MHz/T ），因此检测灵敏度最高，所以目前核磁共振首选质子（1H ）。
1H （质子）的自旋量子数I=1/2，自旋磁量子数m=±1/2，即氢原子核在外磁场中只有两种取向，代表了两种不同的能级。当m=-1/2时，磁矩与外磁场顺向排列，0B E μ-=，能量较低，m=1/2时，磁矩与外磁场逆向排列，0B E μ=，能量较高，能量差为：02B E μ=∆。因为I γμ=，γπν002=B ，π2h = ，能级差为02νh I E =∆。1H 的I=1/2，所以1H 的两个能级差为0νh E =∆。
原子核的磁矩处于静止外磁场中产生能级分裂
当再加一个高频磁场（射频）并使射频的辐射能等于1H 的能级差时，即0ννh E h E =∆==射射，处于低能级的1H 核吸收E ∆的能量跃迁到高能级上，发
生1H 的核磁共振现象。因此，1H 发生核磁共振的条件是必须使射频的频率等于1H 的进动频率，πγνν200B ==射。 而要使0νν=射，可以采用两种方法。一种是固定磁场强度0B ，逐渐改变电磁波的辐射频率射ν，进行扫描，当使0νν=射时，射ν与0B 匹配，发生核磁共振；另一种方法是固定辐射波的辐射频率射ν，然后从低到高逐渐改变磁场强度0B ，即改变0ν，当0B 与射ν匹配时，0νν=射，也会发生核磁共振。这种方法称为扫场。一般仪器都采用扫场的方法。
2. 施加射频脉冲后(氢)质子状态
在外磁场的作用下，1H 核倾向于与外磁场取顺向的排列，所以处于低能态的核数目比处于高能态的核数目多，出现与主磁场B ０方向一致的净宏观磁
矩(或称为宏观磁化矢量）M 。但由于两个能级之间能差很小，前者比后者只占微弱的优势。在低能态与高能态之间核的数目会达到动态平衡，称为“热平衡”状态。
射频脉冲作用质子磁矩后的进动路径及到达的位置
热平衡状态中的氢质子，被施以频率与质子进动频率一致的射频脉冲时，将破坏原来的热平衡状态，将诱发两种能态间的质子产生能态跃迁，被激励的质子从低能态跃迁到高能态，出现核磁共振。
受到射频脉冲激励的质子群偏离原来的平衡状态而发生变化，其变化程度取决于所施加射频脉冲的强度和时间。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B ０越远。在MRI 技术中使用较多的是90°、
180°射频脉冲。施加90°脉冲时，宏观磁化矢量M 以螺旋运动的形式离开其原来的平衡状态，脉冲停止时，M 垂直于主磁场B ０。如用以B ０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M Z ＝０，横向磁化矢量M XY 最大。施加180°脉冲后，
