中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 班级： 材物12-2 姓名： 陶保收 同组者： 郑权 教师： 尼浩

核磁共振成像

【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B0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：.

f??B0/2?

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 - 1 -

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）

- 2 -

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° - 3 -

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 - 4 -

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；花生和花生油样品 【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）配置乙醇和汽油的混合溶液，乙醇质量含量分别为0%、20%、40%、60%、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汽油混合液T2的区别。 2．花生的MSE成像实验 【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。

- 5 -

第一个峰值面积占总面积比率与浓度关系图

从数据表及第一个峰值面积占总面积比率与浓度关系图可看出，乙醇含量为0和100%时，都只有一个峰，其它含量时有两个峰。并且第一个峰的面积所占比率很小，当乙醇含量为0时，第一个峰面积为0，随着乙醇含量增加，峰面积增加，不过增加的量很小。当乙醇含量为100%时，第一个峰所占比率急剧增加为1。 可以设置多个浓度梯度，测量核磁共振T2，做出浓度关系与第一个峰面积所占比率的对照表，以此来测量浓度，理论上是可行的。

【思考与讨论】

1、 核磁共振成像的原理是什么？ 答： 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、简述核磁共振成像在医学领域的应用。

- 6 -

答：氢核是人体成像的首选核种：人体各种组织含有大量的水和碳氢化合物，所以氢核的核磁共振灵活度高、信号强，这是人们首选氢核作为人体成像元素的原因。核磁共振信号强度与样品中氢核密度有关，人体中各种组织间含水比例不同，即含氢核数的多少不同，则核磁共振信号强度有差异，利用这种差异作为特征量，把各种组织分开，这就是氢核密度的核磁共振图像。人体不同组织之间、正常组织与该组织中的病变组织之间氢核密度、弛豫时间T1、T2三个参数的差异，是MRI用于临床诊断最主要的物理基础。 当施加一射频脉冲信号时，氢核能态发生变化，射频过后，氢核返回初始能态，共振产生的电磁波便发射出来。原子核振动的微小差别可以被精确地检测到，经过进一步的计算机处理，即可能获得反应组织化学结构组成的三维图像，从中我们可以获得包括组织中水分差异以及水分子运动的信息。这样，病理变化就能被记录下来。

人体2/3的重量为水分，如此高的比例正是磁共振成像技术能被广泛应用于医学诊断的基础。人体内器官和组织中的水分并不相同，很多疾病的病理过程会导致水分形态的变化，即可由磁共振图像反应出来。

磁共振成像所获得的图像非常清晰精细，大大提高了医生的诊断效率，避免了剖胸或剖腹探查诊断的手术。由于磁共振成像不使用对人体有害的X射线和易引起过敏反应的造影剂，因此对人体没有损害。磁共振成像可对人体各部位多角度、多平面成像，其分辨力高，能更客观更具体地显示人体内的解剖组织及相邻关系，对病灶能更好地进行定位定性。对全身各系统疾病的诊断，尤其是早期肿瘤的诊断有很大的价值。 【实验总结】

本实验的实验原理部分相对较难，实验教程上对实验原理的阐述比较专业，在预习实验的时候我们感到了一定的难度。不过经过老师深入浅出的讲解，我们对实验的原理有了清楚的认识。此外，本实验注重对软件的操作。要想把实验做好，首先要把软件的操作搞清楚。我们认真参照软件指导，耐心地操作软件，最终完成了实验。最后，非常感谢老师帮助我们完成花生的MSE成像实验。

- 7 -

【原始数据记录】

- 8 -

第二篇：核磁共振成像技术简介