核磁共振實驗 復旦大學

1、核磁共振成像實驗摘要：本實驗利用NMI20Analyst臺式核磁共振成像儀，以大豆油為素材，進行了拉莫爾頻率測量、軟脈沖調節(jié)、硬脈沖回波實驗、橫向弛豫時間的測定、自旋回波成像等實驗，獲得了大豆油等素材的MRI圖像，并分析了實驗參量對結果的影響。 關鍵詞：核磁共振 拉莫爾頻率 弛豫時間 自旋回波1. 引言核磁共振成像技術，又稱磁共振成像技術（MRI），全稱核磁共振電子計算機斷層掃描術，是根據(jù)生物磁性核（如氫核）在磁場中表現(xiàn)的共振特性進行成像的新技術。核磁共振現(xiàn)象是由布洛赫（Felix Bloch）和玻賽爾(Edward Purcell)于1945年分別獨立的發(fā)現(xiàn)的，是MRI技

2、術的物理基礎。這項技術的出現(xiàn)大大提高了核磁矩測量的精度，從發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象而產(chǎn)生的連續(xù)波核磁共振技術，到70年代初提出的脈沖傅里葉變換技術和后來的核磁共振成像，在核磁共振這一領域中已多次獲得諾貝爾物理學家。如今，MRI不僅是一種直接而準確的測量原子核磁矩的方法，而且已成為研究物質微觀結構的工具，如研究有機大分子結構，精確測量磁場及固體物質的結構相變，另外還成為了檢查人體病變方面的有力武器，在生物學、醫(yī)學、遺傳學等領域都有重要應用。2.實驗2.1實驗原理核磁共振原子核系統(tǒng)在外磁場中發(fā)生能級分裂，在一定射頻場作用下吸收其能量發(fā)生能級躍遷的現(xiàn)象，叫做核磁共振。單個自旋核在磁場中除了不斷繞自身軸作轉動

3、之外，還以磁場為軸作進動，進動的頻率遵循拉莫爾公式：0=B0。其中稱為旋磁比，是決定于原子核本身性質的常量。0稱為拉莫爾頻率。讓處于外磁場中的自旋核接受一定頻率的電磁波輻射，當輻射能量恰好等于自旋核兩種不同取向能量差時，處于低能態(tài)的自旋核吸收電磁輻射能躍遷到高能態(tài)。這種現(xiàn)象稱為核磁共振。當樣品被置于外磁場B0中時，樣品會被磁化，產(chǎn)生能級分裂，分裂能級間距為E = Bz =0。在該樣品系統(tǒng)上垂直施加一個射頻磁場B1，從量子力學觀點來看，射頻場的能量為hv，當該能量和分裂間距產(chǎn)生的能級間距相等，即hv=E時，樣品對外加射頻場能量吸收最大，產(chǎn)生的核磁共振信號也最強。因此得到核磁共振產(chǎn)生的基本條件：h

4、v= 0=2f0=B0，即質子進動的拉莫爾頻率0=B0。f0是外加射頻磁場的中心頻率。當2f0=0時，質子系統(tǒng)與射頻場系統(tǒng)之間產(chǎn)生能量交換，發(fā)生核磁共振。弛豫過程是吸收射頻脈沖能量后的自旋核與周圍物質相互作用并以相同頻率的射頻輻射形式退激發(fā)的過程. 弛豫過程的時間特性表征自旋-晶格弛豫(縱向弛豫) 的T1 和表征自旋-自旋弛豫(橫向弛豫)的T2與物質的種類、物質的結構和物質的環(huán)境有關，從而可以測定物質的結構。本實驗中測量橫向弛豫時間T2，是質子周圍其他自旋磁性原子核的隨機運動引起的宏觀橫向磁化矢量的衰減的時間，對液體而言源于核自旋產(chǎn)生的局部磁場。T2滿足自旋感應衰減公式： M表示橫向核自旋磁矩

5、。實驗中只需觀測射頻脈沖關閉后，磁化矢量M在實驗室坐標Oxyz中的運動軌跡及接收線圈里接收到的自由感應衰減信號，即FID信號(free induction decay)，即可擬合求出T2。MRI成像核磁共振成像就是將核磁共振信號所反映的核密度以及弛豫時間T1 和T2 的空間分布顯示成圖像。從獨立的核磁共振信號到成像，關鍵是必須對信號進行空間編碼。為了在信號中包含空間位置的信息，必須在均勻外磁場上疊加一個空間線性梯度場B，其方向與均勻靜磁場B0的方向一致，大小數(shù)值是空間坐標的線性函數(shù)，這樣就可以實現(xiàn)不同位置共振信號的空間編碼。 針對不同的需求， 核磁共振成像空間編碼的方式有很多種，相應的對樣品施

6、加的梯度磁場脈沖序列也各有不同。在本實驗系統(tǒng)中，我采用了軟脈沖自旋回波序列，z方向的梯度場用來實現(xiàn)樣品成像橫斷面的選擇(稱為選片)，x方向的梯度場用來實現(xiàn)在x方向上對信號的頻率編碼， y方向的梯度場用來實現(xiàn)在y方向上對信號的相位編碼。經(jīng)過編碼后采集的信號，通過二維傅里葉變換后就得到核磁共振信號的二維分布函數(shù)，從而得到了樣品的二維核磁共振圖像。2.2 實驗儀器上海紐邁公司的 NMI20 臺式核磁共振分析儀: 包括磁體單元、射頻控制單元、梯度放大器和橫臥式計算機主機等部分，使用的實驗材料有大豆油、芝麻、花生、玉米等2.3 實驗步驟 1. 測量大豆油的拉莫爾頻率2. 90度，180度脈沖的調節(jié)3.

7、硬脈沖回波實驗4. 橫向弛豫時間T2的測定5. 芝麻、大豆油、花生的自旋回波成像3. 結果與討論 3.1 大豆油拉莫爾頻率的測量通過傅里葉變換后一維處理中的設置中心頻率，自動得到了大豆油的拉莫爾頻率。首次實驗測值SF1=22MHz，O1=827.902kHz，拉莫爾頻率為22.827902MHz。補測實驗測值SF1=23MHz，O1=414.582kHz，拉莫爾頻率為23.4146MHz。完全共振圖像如下圖所示：實驗中我們觀察到，隨著實驗的進行拉莫爾頻率在不斷變化，因此每進行一個實驗后都應重新進行一次拉莫爾頻率的測定，重新確定共振頻率。也可以用手動的方法確定拉莫爾頻率，手動調節(jié)O1使信號變疏。

8、可以參考FFT一維處理的尋峰數(shù)據(jù)，但應注意此時FFT后的譜線橫坐標應為kHz而非ppm。在補測實驗中自動確定拉莫爾頻率時，尋峰數(shù)據(jù)總是偏離±0.012kHz，帶來誤差，因而補測數(shù)據(jù)只能取到6位有效數(shù)字（首測無此情形）。造成此情況的原因可能是補測時儀器溫度相對不穩(wěn)定。另外，自動確定拉莫爾頻率時還是建議大家使用累加采樣，以減少實驗中的不確定因素影響。3.2 90度，180度脈沖的調節(jié)根據(jù)FID 頻譜信號模的峰值變化，可以確定90°脈沖寬度P1和180°脈沖寬度P2。具體是使用單次采樣，顯示FID信號的模數(shù)據(jù)，讀取信號模的峰值，最大峰值對應的脈沖寬度為P1，最小峰值對應

9、的脈沖為P2。實驗中我們測定，P1約為8.8，P2約為17.3，與理論上P2=2P1的結論有所出入。實際操作中我們發(fā)現(xiàn)P1附近有較大的平臺區(qū)，RFAmpl(%)=8.5-9.3附近模值變化不大，即“模值最大值的位置不是很敏感”。而P2是較容易確定的。為減小誤差，可以先測量P2，再計算得到P1。3.3 硬脈沖回波實驗：首先通過硬脈沖實驗測定P1。補做實驗中測得P1=70.5s，選定P2=2P1=141s。重新測得拉莫爾頻率，O1=414.731kHz。略調整O1，使其偏離中心頻率實現(xiàn)偏振。實驗中O1=415.731kHz。 調節(jié)TD觀察信號變化：下圖為TD=256、512、1024、2048時信

10、號圖形，相關參數(shù)為：P1=70.5s; P2=141s; D1=8000s; D3=100s; D0=1000ms; SW=100.0kHz. 可見TD每增加一倍，信號就橫向壓縮一半，即采樣時間增加一倍。這是因為t= FW*TD，在采樣頻率不變的情形下，TD增加1倍，采樣時間即增加一倍。為了得到完整的信號，選擇TD=2048。調節(jié)D1觀察信號變化：下圖為D1=1000、3000、5000、8000、10000(s)時的信號情況。相關參數(shù)P1=70.5s; P2=141s; D3=100s; TD=2048; D0=1000ms; SW=100.0kHz.可見隨D1增加，信號圖形向右移動。這是因

11、為D1是90°射頻與180°射頻之間的時間間隔，根據(jù)SE序列原理，回波最高幅值在180°射頻發(fā)生D1后出現(xiàn)，而信號采集是在180°射頻發(fā)生D3后開始，因此信號峰在D1-D3時間后出現(xiàn)。若D1增大，則信號最高峰發(fā)生時間也增大，表現(xiàn)為信號右移。本實驗中TD=2048，SW=100.0kHz，D3=100s，采樣時間達到20.48ms，為使信號峰出現(xiàn)在適宜的位置應選擇D1=10000s。（下面關于SW的實驗就是按D1=10000s進行的）調節(jié)SW觀察信號變化：下圖為SW=30、50、80、100、200(kHz)時的信號情況。相關參數(shù)P1=70.5s; P2=

12、141s; D1=10000s; D3=100s; TD=2048; D0=1000ms; 可見增大SW，信號會向右拉伸，與增大TD正相反。這是因為采樣時間t= FW*TD= TD/SW，TD不變情況下t與SW成反比，與TD恰相反。結合信號情況，我們認為TD=2048、D1=8000、SW=100kHz的數(shù)據(jù)組合最有利于得到易于分析的圖像。不過這部分實驗中，合適的數(shù)據(jù)組合并不唯一，有很多種數(shù)據(jù)組合都可以得到接近標準的圖像。3.4 橫向弛豫時間的測量：選用首次實驗的數(shù)據(jù)。重新測定拉莫爾頻率，SF1=222MHz，O1=827.792kHz。設置P1=40.5s，P2=79s，調整O1=830kH

13、z以形成偏振。起初取定D1=4000s, D2=8000s, D0=1000s, TD=4200, SW=100.0kHz，測量當C1=4時的自旋回波信號；然后逐步增大C1至8、16、32、64、200、500、1000等，調整相應參數(shù)測量自旋回波信號。注意當C1較大時要使用累加測量，否則極易死機。以下列出了C1=4和1000時的測量信號。C1=4時D1=4000s, D2=8000s, D0=1000s, TD=4200, SW=100.0kHz；C1=1000時D1=4000s, D2=8000s, D0=1000s, TD=10240, SW=30.0kHz；C1=4C1=1000對C1

14、=1000的圖形進行單組份擬合，得到T2=71.34ms。雙組份擬合結果分別為41.79ms和239.78ms，情況如下圖。由于參數(shù)設定的原因，未將全部信號包括在內(nèi)，實際顯示的僅有52個點，造成了一定誤差。建議后來的同學大可不必拘泥于參考書上的參數(shù)建議（尤其是TD的值），每臺機器都是不一樣的，可以將TD調的更大些。雙組份單組份 顯然雙組份擬合效果更佳。這是因為大豆油的成分復雜，主要成分包括約50%-60%的亞油酸和22%-30%的油酸，各自氫原子處于不同的環(huán)境下，更宜采用雙組份擬合。橫向弛豫又稱自旋自旋弛豫，是質子周圍其他自旋磁性原子核的隨機運動引起的宏觀橫向磁化矢量的衰減，對液體而言源于核自

15、旋產(chǎn)生的局部磁場。本實驗中大豆油兩種組分橫向弛豫時間不同，原因是亞油酸、油酸兩種主要組分周圍微觀磁環(huán)境不同。Bloembergen等研究了順磁離子與H質子的相互作用關系，并且得到溶液弛豫時間的倒數(shù)與其中順磁離子的濃度Nion及其有效磁矩2的乘積成正比的結論9。與Fe3+、Cu2+、Mn2+等順磁電解質溶液相比，大豆油順磁離子含量少得多，因而橫向弛豫時間大得多。如李自威測量了0.05%硫酸銅溶液T2值為5.7ms10，較實驗中測出的大豆油T2小得多，符合這一結論。3.5 自旋回波成像： 重新確定拉莫爾頻率為22.827267kHz（首次實驗），參照之前的實驗結論設置參數(shù)。TD=1024，SW=1

16、00.0kHz，RG=1，NS=32，NE1=128。參考書上提供的參數(shù)設置標準并不可靠，直接套用測量時間會過長（因為書上D0長達1500ms）。這可能是參考書與實驗儀器差異及實驗要求不同所致。以下是測量截圖：大豆油正向圖: D0=100ms, SLICE=0大豆油橫截面: D0=100ms, SLICE=1芝麻正向圖: D0=300ms, SLICE=0花生&玉米片正向圖: D0=300ms, SLICE=0芝麻和花生的D0時間比大豆油更長，這是因為芝麻花生油脂含量少、氫含量少，信號較弱，因此需要更長的脈沖重復時間。實驗中我們還使用花生作為樣品進行軟脈沖信號觀察，信號實虛部、模值都比

17、大豆油小得多，也印證了這一觀點。SLICE決定選層截面，也即測量方向，：選層截面擇，0為x軸截面圖像，1為 y軸。可以看出：（1）大豆油截面圖存在失真，縱向被拉長。結合實驗參數(shù)對圖像的影響分析，需要減小Y方向梯度GyAmp（%）或減小D1。（2）花生玉米圖中，玉米幾乎消失不見，埋在玉米中的花生卻顯示出來，這是因為玉米主要成分為碳水化合物，而花生油脂含量更高，油脂類化合物氫含量更大、信號更強所致。人體中不同組織共振信號強度差異是MRI透視人體的基礎。4. 結語本實驗以大豆油等生活材料為研究對象，利用NMI20臺式核磁共振分析儀裝置，進行了拉莫爾頻率的測定、90度，180度脈沖的調節(jié)、硬脈沖回波實

18、驗、橫向弛豫時間T2的測量等實驗，測得拉莫爾頻率在22.8MHz左右（首次實驗）、23.4MHz左右（補測實驗），并在實驗中不斷變化；討論了各種實驗參數(shù)對硬脈沖回波信號的影響；測得大豆油橫向弛豫時間T2=41.79ms和239.78ms。又利用經(jīng)上述試驗調整好的MRI裝置進行芝麻、大豆油、花生的自旋回波成像，得到了清晰的成像圖形。本實驗原理較為繁多，需要同學有較好的近代物理功底，相關物理基礎包括原子能級和躍遷相關基礎知識、塞曼效應、核自旋等等。雖然實驗原理復雜，但實驗中有詳細的參考書和講義幫助，因此做好本實驗并不難需。要注意的有三點：一是每個小實驗之前都應重新測量拉莫爾頻率，這個頻率在實驗中是

19、不斷變化的；二是測量橫向弛豫時間時，注意調整TD、SW等數(shù)值，以使圖形盡量完整顯示減少誤差，且要注意C1較大時累加測量以免死機；三是要結合實驗實際情況選定參數(shù)，不要拘泥于參考書。參考書對同學們指導作用太大，反而可能限制了同學們的發(fā)揮和思考。最后特別感謝姚紅英老師在本次實驗中給予的幫助和指導。參考文獻1 近代物理實驗補充講義 ，復旦大學2 陳宏芳， 原子物理學M， 科學出版社，20063 汪紅志,張學龍,武杰 核磁共振成像技術實驗教程M, 科學出版社, 20084 臧充之，彭培芝，張潔天等核磁共振成像教學實驗J, 物理實驗，2004，24(8)5 張學龍，汪紅志，楊培強，武杰， 核磁共振成像技術

20、教學實驗研究J，實驗室研究與探索，2008，27（12）6 蔣瑩瑩，張潔天，呂斯驊，核磁共振成像系列實驗教學探討J，物理實驗，2007，27(1)7 邱建峰,王鵬程,魯 雯,劉 玉,林海洋，核磁共振實驗設計探討J，中國醫(yī)學裝備，2005，2 (12)8 喬樂，李勇，周麗霞，不同濃度FeCl3·6H2O,CuSO4·5H2O和MnCl2·4H2O溶液核磁共振橫向弛豫時間研究J，物理實驗，2013，33(8)9 Bloembergen N, Purcell E M, Pound R V, Relaxation effects in nuclear magnetic r

21、esonance absorptionJ, Physiology Review，1948，73(7)10 李自威，核磁共振弛豫時間與硫酸銅溶液濃度關系的探究D附：（1）補測實驗，測量橫向弛豫時間時的脈沖信號。D1=4000s, D2=8000s, D0=1000s, TD=4200, SW=100.0kHz.P1=70.5s, P2=120.0s. SF1=23MHz, O1=411.872kHz. C1=4.可見圖像比首測圖圓一些。對比兩次實驗參數(shù)設置，僅拉莫爾頻率部分和90°、180°脈沖時間有差異，因而可能是這些參數(shù)的差別，或是儀器及樣品本身差別造成的。（2）T2橫向弛豫時間測量擬合點數(shù)據(jù)表：Time(ms)AmplitudeTime(ms)Ampli