核磁共振成像实验【目的要求】1.学习和了解核磁共振原理和核磁共振成像原理；2.掌握MRIjx 核磁共振成像仪的结构、原理、调试和操作过程；【仪器用具】MRIjx 核磁共振成像仪、计算机、样品（油）【原 理】磁共振成像（MRI ）是利用射频电磁波（脉冲序列）对置于静磁场B 0中的含有自旋不为零的原子核（1H ）的物质进行激发，发生核磁共振，用感应线圈检测技术获得物质的组织驰豫信息和氢质子密度信息（采集共振信号），用梯度磁场进行空间定位、通过图像重建，形成磁共振图像的方法和技术。

具体的讲，核磁共振是利用核磁共振现象获取分子结构、样品内部结构信息的技术。

当具有自旋的原子核的磁矩处于静止外磁场中时会产生进动和能级分裂。

在交变磁场作用下，自旋的原子核会吸收特定频率的无线电射频电磁波，从较低的能级跃迁到较高能级。

在停止射频脉冲后，原子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，被物体外的接受器收录，经电子计算机处理获得图像，这就是做核磁共振成像过程。

MRI 的特点：● 具有较高的物质组织对比度和组织分辨力，对软组织分辨率极佳，能清晰地显示软组织、软骨结构，解剖结构和医学上的病变形态，显示清楚、逼真。

● 多方位成像，能对被检查部位进行横断面、冠状面、矢状面以及任何斜面成像。

● 多参数成像，获取T 1加权成像（T 1W1）：T 2加权成像（T 2W2）、质子密度加权成像(PDW1)，在影像上取得物质的组织之间、组织与变化之间T 1、T 2和PD 的信号对比，在医学上对显示解剖结构和病变敏感。

● 能进行形态学、功能、组织化学和生物化学方面的研究。

● 以射频脉冲作为成像的能量源，不使用电离辐射，对人体安全、无创。

一、核磁共振原理产生核磁共振信号必须满足三个基本条件：（1）能够产生共振跃迁的原子核；（2）恒定的静磁场（外磁场、主磁场）B 0；（3）产生一定频率电磁波的交变磁场，射频磁场（RF ）；即：“核”：共振跃迁的原子核；“磁”：主磁场B 0和射频磁场RF ；“共振”：当射频磁场的频率与原子核进动的频率一致时原子核吸收能量，发生能级间的共振跃迁。

1. 原子核的自旋和磁矩原子核由质子和中子组成，原子核有自旋运动，可以粗略的理解为原子核绕自身的轴向高速旋转的运动，对应有确定的自旋角动量，反映了原子核的内禀特性。

自旋的大小与原子核中的核子数及其分布有关，质子数和中子数均为偶数的原子核，自旋量子数I=0，质量数为奇数的原子核，自旋量子数为半整数，质量数为偶数，质子数为奇数的原子核，自旋量子数为整数。

原子核自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数I 决定， )(1+=I I l I 。

原子核具有电荷分布，自旋时形成循环电流，产生磁场，形成磁矩，磁矩的方向与自旋角动量方向一致，大小I P γγμ==，P 是角动量，γ是磁旋比，等于核的磁矩和角动量的比值，是各种原子核的特征常数。

当原子核处于外磁场中时，若原子核磁矩与外加磁场方向不同，则原子核的磁矩会绕外磁场方向旋转，与陀螺的运动相似，称为进动。

进动的快慢（频率）遵循拉莫尔公式：0002B γπνω==，在确定的外磁场B 0情况下，原子核的进动频率是一定的。

氢原子核在不同磁场中的进动频率是不同的，如主磁场B 0为1.0T 时，氢原子核的进动频率为42.6MHz 。

原子核磁矩的进动 氢原子核（质子）在外磁场中的取向不同原子核的磁矩在外磁场中的取向是量子化的，自旋量子数为I 的原子核在外磁场作用下只可能有2I+1个取向，每一个取向都可以用一个自旋磁量子数m 来表示，m 与I 之间的关系是：m=I ，I-1，I-2…-I 。

原子核的磁矩在外磁场中的每一种取向都代表了核在该磁场中的一种能量状态，能级能量为I B m E 0μ=。

在天然同位素中，以氢原子核1H （质子）的γ值最大（42.6MHz/T ），因此检测灵敏度最高，所以目前核磁共振首选质子（1H ）。

1H （质子）的自旋量子数I=1/2，自旋磁量子数m=±1/2，即氢原子核在外磁场中只有两种取向，代表了两种不同的能级。

当m=-1/2时，磁矩与外磁场顺向排列，0B E μ-=，能量较低，m=1/2时，磁矩与外磁场逆向排列，0B E μ=，能量较高，能量差为：02B E μ=∆。

因为I γμ=，γπν002=B ，π2h = ，能级差为02νh I E =∆。

1H 的I=1/2，所以1H 的两个能级差为0νh E =∆。

原子核的磁矩处于静止外磁场中产生能级分裂当再加一个高频磁场（射频）并使射频的辐射能等于1H 的能级差时，即0ννh E h E =∆==射射，处于低能级的1H 核吸收E ∆的能量跃迁到高能级上，发生1H 的核磁共振现象。

因此，1H 发生核磁共振的条件是必须使射频的频率等于1H 的进动频率，πγνν200B ==射。

而要使0νν=射，可以采用两种方法。

一种是固定磁场强度0B ，逐渐改变电磁波的辐射频率射ν，进行扫描，当使0νν=射时，射ν与0B 匹配，发生核磁共振；另一种方法是固定辐射波的辐射频率射ν，然后从低到高逐渐改变磁场强度0B ，即改变0ν，当0B 与射ν匹配时，0νν=射，也会发生核磁共振。

这种方法称为扫场。

一般仪器都采用扫场的方法。

2. 施加射频脉冲后(氢)质子状态在外磁场的作用下，1H 核倾向于与外磁场取顺向的排列，所以处于低能态的核数目比处于高能态的核数目多，出现与主磁场B ０方向一致的净宏观磁矩(或称为宏观磁化矢量）M 。

但由于两个能级之间能差很小，前者比后者只占微弱的优势。

在低能态与高能态之间核的数目会达到动态平衡，称为“热平衡”状态。

射频脉冲作用质子磁矩后的进动路径及到达的位置热平衡状态中的氢质子，被施以频率与质子进动频率一致的射频脉冲时，将破坏原来的热平衡状态，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。

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B ０越远。

在MRI 技术中使用较多的是90°、180°射频脉冲。

施加90°脉冲时，宏观磁化矢量M 以螺旋运动的形式离开其原来的平衡状态，脉冲停止时，M 垂直于主磁场B ０。

如用以B ０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M Z ＝０，横向磁化矢量M XY 最大。

施加180°脉冲后，施加90°脉冲后横向磁化矢量达到最大施加180°脉冲后的横向磁化分量为0 M与B０平行，但方向相反，横向磁化矢量M XY为零。

总之，施加90°、180°或其他角度的射频脉冲后，氢质子因接受了额外能量，其磁化矢量偏离了静磁场方向而转动90°、180°或其他角度，部分处于低能级的氢质子因吸收能量而跃迁到高能态，这一接收射频场电磁能的过程就称为磁共振的激励过程。

在激励过程中氢质子吸收了额外的电磁能，由低能态升入高能态，从而进入了磁共振的预备状态。

3. 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。

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M XY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M XY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，所测得纵向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M z达到最终平衡状态63%的时间。

纵向弛豫时间T1横向弛豫时间T2 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M XY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，M XY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。

横向磁化矢量由大变小直至消失的原因是：样品组织中有水分子，水分子的热运动持续产生磁场的小波动,周围磁环境的任何波动可造成质子共振频率的改变，使质子振动稍快或稍慢，使质子群由相位一致变为互异，即质子热运动的作用使质子间的旋进方位和频率互异，但无能量交换纵向弛豫。

这种弛豫也称为自旋-自旋弛豫。

二、核磁共振成像原理1. 磁共振信号在弛豫过程中通过测定横向磁化矢量M XY可得知样品组织的磁共振信号。

横向磁化矢量M XY垂直并围绕主磁场B0以Larmor频率旋进，按法拉第定律，磁矢量M XY的变化使环绕在被测物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 (核磁共振)信号。

90°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。

自由感应衰减信号傅立叶变换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样品组织原子核的共振信号不在同一时间，而射频脉冲和样品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M XY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，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T2′，T2′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，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(1H)，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。