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1、PAGE PAGE 6核磁共振實驗參數(shù)影響及弛豫時間的測量材料物理 湯逸敏 07300300054【摘要】核磁共振實驗的基本原理,圖示,參數(shù)對信號的影響以及弛豫時間的測量?!娟P(guān)鍵詞】核磁共振 FID 自旋回波 T1 T2 一、引言:核磁共振成像技術(shù)以物理學(xué)為基礎(chǔ),涉及多個學(xué)科。自從1945年Bloch和Purcell發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象,已有很多科學(xué)家在核磁共振成像技術(shù)及其應(yīng)用方面做出了杰出的貢獻(xiàn)。核磁共振技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,尤其是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。本文將著重介紹核磁共振成像技術(shù)的原理性實驗,探討兩種信號的形成機(jī)理、影響因素以及對兩類弛豫時間的測量。二、自由衰減信號FID:原理:當(dāng)M在90脈沖作用下倒
2、在XY平面內(nèi),系統(tǒng)處于不平衡狀態(tài)。在M恢復(fù)到M0的過程中,在Y軸上安一個接受線圈,于是線圈內(nèi)產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢,該信號即為FID信號。原理的圖示表示: (圖1) 圖像來源:岳慧,周輝,魏德祥,王鑫,開設(shè)核磁共振實驗的討論,東北師范大學(xué)。磁場的均勻性及其各參數(shù)設(shè)置對FID信號的影響: 磁場的均勻性:由于1/T2*=1/T2+B0/2, 則當(dāng)主磁場均勻性越高,B0越小,T2*越長,弛豫越慢,信號衰減到0越慢。因此,磁場越均勻,可以知道,F(xiàn)ID信號拖尾越長。參數(shù)實驗現(xiàn)象及原因分析TD現(xiàn)象:觀測到的信號周期變多。原因:由于t=TD/SW。因此,TD越大,則信號的采集時間越長,則觀測到的信號周期越多。P
3、1現(xiàn)象:P1=35us-60us間,信號幅度增大;P1=60us-80us之間,信號幅度減小。P1=60us時,F(xiàn)ID信號的幅度最大。(注:實驗中曾觀測過P1=10us-35us之間變化時信號幅度的變化,均比P1=60us小,雖然未記錄在實驗本上,這是這個實驗記錄的不足之處,但由于實驗時進(jìn)行了多次對比,所以可以確定此P1的測量無錯誤。)原因:由于 ,所以可以判斷得知,P1=60us時,恰好轉(zhuǎn)過90,使得y軸上的接收線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大,因此信號幅度也最大。SW現(xiàn)象:觀測到的信號周期變少。原因:由于t=TD/SW。因此,SW越大,信號采集時間越短,則觀察到的信號周期越少。D3現(xiàn)象:采集信號時
4、間延后,信號幅度減小。原因:在D3時間內(nèi)系統(tǒng)發(fā)生弛豫過程,因此,當(dāng)D3增加,系統(tǒng)的狀態(tài)更趨向平衡,因此信號幅度減少。RG現(xiàn)象:信號幅度增加,噪聲減小。原因:儀器的自動增益調(diào)節(jié)功能。但是當(dāng)增益過大時,由于每個ADC都有一個轉(zhuǎn)換范圍,因此,超出轉(zhuǎn)換的最高幅值的部分會被截止掉。 權(quán)函數(shù)現(xiàn)象:當(dāng)e指數(shù)增加時,信號幅度減小。原因:因為權(quán)函數(shù)相當(dāng)于FID信號乘以一個e指數(shù)函數(shù),構(gòu)成匹配濾波,從而提高了靈敏度,改善分辨率。NS現(xiàn)象:NS增大時,信噪比提高。原因:NMR信號是相干的,其強(qiáng)度隨累加次數(shù)增加為NS倍,噪聲是隨機(jī)的,累加后值提高了NS 1/2,所以,累加使得信噪比提高NS1/2。但若NS太大,會造成
5、數(shù)據(jù)溢出。三、自旋回波信號:1、原理:施加90脈沖,M倒在 軸上;由于磁場的不均勻,使得在XY平面上的磁矩分量發(fā)生相散;時刻后,施加180脈沖,則所有磁矩以X為軸反轉(zhuǎn)180,又時刻后,磁矩集中起來產(chǎn)生自旋回波信號。2、原理的圖示表示: (圖2) 圖像來源:彭培芝, 臧充之,用核磁共振成像儀測T1和T2,北京大學(xué)物理學(xué)院。3、各參數(shù)對自旋回波信號的影響:參數(shù)實驗現(xiàn)象及原因分析D1現(xiàn)象:D1從3000us增加到8000us的過程中,信號出現(xiàn)得越來越晚,向窗口右側(cè)移動。原因:由于回波信號出現(xiàn)在180脈沖結(jié)束后的D1時刻,因此,D1增加,則回波出現(xiàn)得更晚。 D3現(xiàn)象:D3從1000us-3000us的
6、增大過程中,回波信號逐漸向屏幕左側(cè)移動。原因:因為D1不變,則回波信號出現(xiàn)的位置相同;但是,D3提高了,系統(tǒng)恢復(fù)到的平衡狀態(tài)程度更高,所以觀察到的信號幅度減小,視覺上看起來是回波信號向屏幕的左側(cè)移動了。 C1,SW,TD現(xiàn)象:C1TD/SW,則顯示C1個回波。C1TD/SW,則顯示TD/SW個回波。原因:由于TD/SW是信號的采集時間,如果采集時間足夠長以顯示C1個回波的話,則顯示C1個回波;反之,若采集時間不夠,則只能顯示TD/SW個回波。 四、縱向弛豫時間T1:1、兩種方法的原理及圖示:(1)反轉(zhuǎn)恢復(fù)法: (2)飽和恢復(fù)法:施加180- 90的脈沖序列。 施加90- 90的脈沖序列。初始條
7、件:Mz=-M0, Mxy=0. 初始條件:Mz=0,Mxy0. (圖3)圖像來源:岳慧,周輝,魏德祥,王鑫,開設(shè)核磁共振實驗的討論,東北師范大學(xué)。2、T1擬合結(jié)果的比較: T1=176.3ms T1=93.9ms 3、兩種方法產(chǎn)生差異的原因:(1)施加在樣品上的脈沖序列的不同導(dǎo)致初始條件不同。因而擬合所得曲線方程不同。 反轉(zhuǎn)恢復(fù)法: 飽和恢復(fù)法(2)由于反轉(zhuǎn)恢復(fù)法采用了21組數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合,而飽和恢復(fù)法只采用了13組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。擬合點數(shù)太少,導(dǎo)致擬合線的誤差。(3)由于軟件限制,頻譜峰值的讀數(shù)只能估計。(峰高的讀數(shù)差一般為102的數(shù)量級)。她五、硬脈沖CPMG序列測T2:1、原理:硬脈沖
8、CPMG序列是在自旋回波脈序列的基礎(chǔ)上,多次施加180脈沖序列。在,3,5,7時施加180的脈沖下磁矩繼續(xù)重復(fù)(b)(c)這類以X為軸的180反轉(zhuǎn),從而在2,4,6,8時產(chǎn)生多個自旋回波信號。 2、原理的圖示表示: 闕立志,倪曉武,基于LabView的脈沖核磁共振實驗,南京理工大學(xué)。 (圖4) |My(t)| = M0 exp(-2n/T2) 3、T2擬合的結(jié)果:回波鏈長度單組分?jǐn)M合T2/ms雙組分?jǐn)M合T2/msT2(1)T2(2)C1=20094.29224.7655.26C1=50097.20208.8453.23C1=100094.73201.9949.94C1=200097.28219.1655.44總結(jié):1、核磁共振的條件:外加的射頻磁場的頻率=拉莫頻率時,即 2、FID信號以及自旋回波信號與表格內(nèi)參數(shù)有著直接的關(guān)系,需充分理解參數(shù)的含義、功能方能設(shè)定合適的參數(shù)以得到好的實驗結(jié)果。3、弛豫屬性是自然界的固有屬性。通過測算物質(zhì)的弛豫時間T1、T2可以更好得了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其特性。掌握反轉(zhuǎn)恢復(fù)法和飽和恢復(fù)法測T1以及CPMG序列測T2的方法。致謝:謹(jǐn)此感謝俞熹老師的指導(dǎo)以及搭檔武帥同學(xué)的幫助。 參考資料:1、汪紅志,張學(xué)龍,武杰,核磁共振成像技術(shù)實驗教程,科學(xué)出版社,08年1月。2
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