核磁共振实验 复旦大学.docxVIP

核磁共振成像实验摘要：本实验利用NMI20Analyst台式核磁共振成像仪，以大豆油为素材，进行了拉莫尔频率测量、软脉冲调节、硬脉冲回波实验、横向弛豫时间的测定、自旋回波成像等实验，获得了大豆油等素材的MRI图像，并分析了实验参量对结果的影响。关键词：核磁共振拉莫尔频率弛豫时间自旋回波1. 引言核磁共振成像技术，又称磁共振成像技术（MRI），全称核磁共振电子计算机断层扫描术，是根据生物磁性核（如氢核）在磁场中表现的共振特性进行成像的新技术。核磁共振现象是由布洛赫（Felix?Bloch）和玻赛尔(Edward?Purcell)于1945年分别独立的发现的，是MRI技术的物理基础。这项技术的出现大大提高了核磁矩测量的精度，从发现核磁共振现象而产生的连续波核磁共振技术，到70年代初提出的脉冲傅里叶变换技术和后来的核磁共振成像，在核磁共振这一领域中已多次获得诺贝尔物理学家。如今，MRI不仅是一种直接而准确的测量原子核磁矩的方法，而且已成为研究物质微观结构的工具，如研究有机大分子结构，精确测量磁场及固体物质的结构相变，另外还成为了检查人体病变方面的有力武器，在生物学、医学、遗传学等领域都有重要应用。2.实验2.1实验原理核磁共振原子核系统在外磁场中发生能级分裂，在一定射频场作用下吸收其能量发生能级跃迁的现象，叫做核磁共振。单个自旋核在磁场中除了不断绕自身轴作转动之外，还以磁场为轴作进动，进动的频率遵循拉莫尔公式：ω0=γB0。其中γ称为旋磁比，是决定于原子核本身性质的常量。ω0称为拉莫尔频率。让处于外磁场中的自旋核接受一定频率的电磁波辐射，当辐射能量恰好等于自旋核两种不同取向能量差时，处于低能态的自旋核吸收电磁辐射能跃迁到高能态。这种现象称为核磁共振。当样品被置于外磁场B0中时，样品会被磁化，产生能级分裂，分裂能级间距为ΔE =γ ?Bz =?ω0。在该样品系统上垂直施加一个射频磁场B1，从量子力学观点来看，射频场的能量为hv，当该能量和分裂间距产生的能级间距相等，即hv=ΔE时，样品对外加射频场能量吸收最大，产生的核磁共振信号也最强。因此得到核磁共振产生的基本条件：hv= ?ω0=2π?f0=γB0?，即质子进动的拉莫尔频率ω0=γB0。f0是外加射频磁场的中心频率。当2πf0=ω0时，质子系统与射频场系统之间产生能量交换，发生核磁共振。弛豫过程是吸收射频脉冲能量后的自旋核与周围物质相互作用并以相同频率的射频辐射形式退激发的过程. 弛豫过程的时间特性——表征自旋-晶格弛豫(纵向弛豫) 的T1 和表征自旋-自旋弛豫(横向弛豫)的T2与物质的种类、物质的结构和物质的环境有关，从而可以测定物质的结构。本实验中测量横向弛豫时间T2，是质子周围其他自旋磁性原子核的随机运动引起的宏观横向磁化矢量的衰减的时间，对液体而言源于核自旋产生的局部磁场。T2满足自旋感应衰减公式： M表示横向核自旋磁矩。实验中只需观测射频脉冲关闭后，磁化矢量M在实验室坐标Oxyz中的运动轨迹及接收线圈里接收到的自由感应衰减信号，即FID信号(free induction decay)，即可拟合求出T2。MRI成像核磁共振成像就是将核磁共振信号所反映的核密度以及弛豫时间T1 和T2 的空间分布显示成图像。从独立的核磁共振信号到成像，关键是必须对信号进行空间编码。为了在信号中包含空间位置的信息，必须在均匀外磁场上叠加一个空间线性梯度场B，其方向与均匀静磁场B0的方向一致，大小数值是空间坐标的线性函数，这样就可以实现不同位置共振信号的空间编码。针对不同的需求，核磁共振成像空间编码的方式有很多种，相应的对样品施加的梯度磁场脉冲序列也各有不同。在本实验系统中，我采用了软脉冲自旋回波序列，z方向的梯度场用来实现样品成像横断面的选择(称为选片)，x方向的梯度场用来实现在x方向上对信号的频率编码， y方向的梯度场用来实现在y方向上对信号的相位编码。经过编码后采集的信号，通过二维傅里叶变换后就得到核磁共振信号的二维分布函数，从而得到了样品的二维核磁共振图像。2.2实验仪器上海纽迈公司的 NMI20 台式核磁共振分析仪: 包括磁体单元、射频控制单元、梯度放大器和横卧式计算机主机等部分，使用的实验材料有大豆油、芝麻、花生、玉米等2.3实验步骤1.测量大豆油的拉莫尔频率2.90度，180度脉冲的调节3. 硬脉冲回波实验4.横向弛豫时间T2的测定5.芝麻、大豆油、花生的自旋回波成像3. 结果与讨论3.1 大豆油拉莫尔频率的测量通过傅里叶变换后一维处理中的设置中心频率，自动得到了大豆油的拉莫尔频率。首次实验测值SF1=22MHz，O1=827.902kHz，拉莫尔频率为22.827902MHz。补测实验测值SF1=23MHz，O1=414.582k