中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩： 班级： 姓名： 学号： 同组： 实验B4 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】

1 核磁共振现象

一、原子与原子核

自然界中的任何物质都是由分子或原子组成的，分子是由原子组成的，如水分子H-O-H，是由2个氢原子与1个氧原子组成。原子由原子核与核外电子组成，核外电子数不同的原子具有不同的化学与物理性质，分属于不同的化学元素，化学元素周期表反映了核外电子的排布规律。原子核由质子和中子组成，质子有电荷，质子数等于核外电子数。对于一种化学元素，原子核中的质子数是一定的，但中子数有不同。同一化学元素中子数不同的原子属于不同的核素，不同的核素其物理性质是不同的。

二、拉莫尔进动

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B4-6所示。

图B4-6 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：.

f??B? （B4-1） 0/2

式中： ---- 进动的频率

B0 ----主磁场强度

? ---- 旋磁比（对于每一种原子核是恒定的常数）

三、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，从微观上讲，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。从宏观上讲，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，其变化程达的位置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B0越远。

四、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B4-11所示。

图B4-11 90度脉冲停止后宏观磁化矢量的变化

在脉冲结束的一瞬间，Ｍ在XY平面上分量Ｍxy达最大值，在Z轴上分量Mz为零。当恢复到平衡时，纵向分量Mz重新出现，而横向分量Ｍxy消失。由于在弛豫过程中磁化矢量Ｍ强度并不恒定，纵、横向部分必须分开讨论。弛豫过程用2个时间值描述，即纵向弛豫时间(T1)和横向弛豫时间(T2)。

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Mz达到最终平衡状态63%的时间，如图B4-12所示。

图B4-12 纵向弛豫时间T1

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B4-13所示。

图B4-13 90度脉冲停止后宏观磁化矢量的变化

【实验仪器】

（1） NMI20台式磁共振成像仪

（2） 乙醇和水的混合溶液

（3） 花生和花生油样品

【实验内容】

1 测量乙醇和水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%、40%，60%，80%和100%。

（2）系统参数和脉冲参数的设置。 双击桌面上的运行NMI20的分析软件，点击”Setpar”图标，打开硬脉冲自由感应衰减(Free Induction Decay, FID)序列(Pulse Sequence-> Hard Pulse FID)（ 注：软件用户登录的默认用户名为admin，默认密码为admin）。寻找中心频率和硬脉冲宽度，并设置其他参数，具体设置过程参见NMI20分析软件使用说明书。设置完毕后，点击保存参数按钮

点击退出按钮回到主界面（注意：不要点击关闭窗口的按钮） ，然后（3）CPMG实验

调入CPMG序列界面，具体实验过程及其参数设置参见NMI20分析软件使用说明书。采样结束后，点击保存文件(格式：.Fid)；，点击提取回波峰点，再点击保存峰点文件(格式：.txt)。

（4）弛豫信号反演。详见T1、T2、T2*(T2Star)反演软件使用说明书。

（5）分析不同浓度的乙醇和水混合液T2的区别，计算第一个峰值面积占总面积的比率，并做该比率与浓度关系图，分析利用核磁共振T2测量浓度的可行性。

【实验处理】

分析：不同浓度的乙醇和水的混合溶液T2的区别？

横向弛豫时间过程的本质是，激励过程使质子进动相位的一致逐渐散相的过程，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。分子结构越均匀，散相效果越差，横向磁化减小越慢，需要的横向弛豫时间就越长；反之，分子结构越不均匀，散相效果越好，横向磁化减小越快，T2就越短。

如果组织内分子大小相对比较均匀，则有这些分子产生的内部磁场也比较均匀，使得质子所处的磁场均匀性好，而使相位失去一致的速度变慢，T2就比较长。所以当水的浓度很低或者很高的时候，T2较长。

表一：测量不同浓度乙醇和水的混合溶液的横向弛豫时间T2

图表

1

图2

图

3 图4

分析：用核磁共振测量浓度的方法测量不够精确。由于T2受很多方面的因素影响，横向弛豫过程的本质是，激励过程使质子进动相位的一致性逐渐散相（即逐渐失去一致性）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。分子结构越均匀，散相效果越差，横向磁化减小的越慢，需要的横向弛豫时间就越长；反之，分子结构越不均匀，散相效果越好，横向磁化减小越快，T2就越短。

T2时间主要取决于质子所处的磁场的均匀性。而影响不同位置的磁场（即磁场不均匀）主要有两个方面的因素：主磁场的不均匀性和内部组织局部磁场的不均匀性。

【思考与讨论回答】

1.什么是核磁共振，描述磁共振产生的基本原理； 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。

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】

核磁共振是一种十分强大的非侵入性、无损检测技术。它的强大来源于核磁信号对绝大多数物质分子的高度敏感性。而这就意味着，在某些情况下，我们很难孤立的去研究一些物质的特异性。

为了排除核磁仪器对样品的干扰，使一系列样品的核磁信号具有可比性，请用户注意以下事项：

1、在对一组样品进行实验时，请使用相同实验参数(系统参数和序列参数)；

2、保证样品在进行信号采集时具有相同的温度。

如果实验是在以上情形下完成的，那么所观察到的信号的差异是由样品的特性所导致的，与仪器无关。

反演结果会受到反演参数的影响，因此，如果需要比较一组样品的实验结果。

【参考文献】

[1] 汪红志, 武杰. 核磁共振成像技术实验教程. 科学出版社, 2008

[2] 戴乐山, 戴道宣. 近代物理实验. 高等教育出版社. 2006

下附实验原始数据：

第二篇：核磁共振成像技术在胆道系统的应用