核磁共振實(shí)驗(yàn)中三種基本脈沖序列的特點(diǎn)和應(yīng)用

1、 7/7核磁共振實(shí)驗(yàn)中三種基本脈沖序列的特點(diǎn)和應(yīng)用 07300300061 武帥 材料物理摘要 核磁共振實(shí)驗(yàn)中，不同射頻脈沖會(huì)對(duì)樣品產(chǎn)生不同的激勵(lì)，這將導(dǎo)致得到的核磁共振信號(hào)的差異。因此，射頻脈沖序列的恰當(dāng)選擇對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有著很重要的影響。在本實(shí)驗(yàn)中，我們主要使用了三種基本的核磁共振脈沖序列來激勵(lì)大豆油樣品，對(duì)其縱向和橫向弛豫時(shí)間進(jìn)行測量。本文主要就這三種基本脈沖序列的特點(diǎn)、應(yīng)用以及演變進(jìn)行討論和總結(jié)，以達(dá)到正確選擇脈沖序列來合理測量樣品性質(zhì)的目的。 關(guān)鍵詞 核磁共振 射頻脈沖 引言 核磁共振原理：對(duì)置于外磁場中的自旋核系統(tǒng)，沿著垂直于外場的方向施加一個(gè)頻率與拉莫爾頻率相同的射頻電磁場B1，在

2、該作用下，磁化矢量以B1為軸做章動(dòng)，即圓周運(yùn)動(dòng)。施加的射頻脈沖使得磁化矢量Mo偏離Z方向一個(gè)角度，=B1，=90的是90射頻脈沖，同樣若=180則為180射頻脈沖。 圖1 核磁共振原理圖 核磁共振成像技術(shù)實(shí)驗(yàn)教程汪宏杰等編著 科學(xué)出版社 第5頁圖1.1.1施加的射頻脈沖使得宏觀磁化矢量既以外磁場為軸進(jìn)動(dòng)，同時(shí)也要在該射頻場的作用下章動(dòng)，這使得宏觀磁化矢量M的運(yùn)動(dòng)為一條球面螺旋線。這種使得宏觀磁化矢量發(fā)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象即為核磁共振現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中我們使用的是NMI20Analyst 臺(tái)式核磁共振成像儀，采用脈沖傅里葉變換法（FT-NMR），這種方法中的射頻脈沖有一定的時(shí)間寬度，射頻有一定帶寬，相當(dāng)于多個(gè)

3、單頻連續(xù)波核磁共振波譜儀在同時(shí)進(jìn)行激勵(lì)，因此在較大的范圍內(nèi)就可以觀察到核磁共振現(xiàn)象（NMR）。弛豫過程：系統(tǒng)從激勵(lì)狀態(tài)恢復(fù)到原始狀態(tài)的過程就叫弛豫過程。縱向弛豫時(shí)間T1，指的是自旋核釋放激勵(lì)過程中吸收的射頻能量返回到基態(tài)的過程所用的時(shí)間，其快慢主要取決于自旋的原子核與周圍分子之間的相互作用情況。橫向弛豫時(shí)間T2，指的是激勵(lì)過程使質(zhì)子進(jìn)動(dòng)相位的一致性逐漸散相（即失去相位一致性）的過程，其散相的有效程度與質(zhì)子所處的周圍分子結(jié)構(gòu)的均勻性有關(guān)。結(jié)構(gòu)越均勻，散相效果越差。脈沖序列：由于MR信號(hào)（即核共振信號(hào)，如FID信號(hào))由橫向磁化強(qiáng)度在接收線圈中感應(yīng)產(chǎn)生，在射頻激勵(lì)后的弛豫過程中被檢測到，所以，從特定

4、組織檢測的MR信號(hào)的強(qiáng)度，不僅與該組織的T1和T2弛豫時(shí)間有關(guān)，而且，與在弛豫過程中的什么時(shí)間測量及用什么方法測量有關(guān)。所謂射頻脈沖序列就是指產(chǎn)生并測量MR信號(hào)所需要的一組周期性重復(fù)的射頻脈沖的組合方式和定時(shí)關(guān)系。最基本的序列有飽和恢復(fù)(SR)序列、反轉(zhuǎn)恢復(fù)(IR)和自旋回波(SE)序列。這幾種序列的射頻脈沖按其作用分為射頻激勵(lì)脈沖和信號(hào)測量脈沖。MR信號(hào)測量從本質(zhì)上說是測量縱向磁化強(qiáng)度的瞬時(shí)值。但是，為了在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)，需要將縱向磁化強(qiáng)度轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向磁化強(qiáng)度。所以，這些脈沖序列都包含為建立橫向磁化強(qiáng)度所必需的90射頻脈沖。關(guān)于這三種基本脈沖序列的組成和它們測量的MR信號(hào)的特點(diǎn)，將分別

5、在下面進(jìn)一步說明。飽和恢復(fù)序列（SR） 圖2.1表示SR序列的射頻脈沖的時(shí)序，90射頻脈沖只繪出了它的理想化的矩形包絡(luò)來代表。同時(shí)，圖中還繪出了90脈沖激勵(lì)產(chǎn)生的FID信號(hào)和TR期間縱向磁化強(qiáng)度隨時(shí)間增長的相對(duì)值曲線。 特點(diǎn)：SR序列的每個(gè)周期只有一個(gè)90射頻脈沖，它利用90脈沖進(jìn)行射頻激勵(lì)，將平衡磁化強(qiáng)度Mo轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向磁化強(qiáng)度，并且立即測量由橫向磁化強(qiáng)度感應(yīng)產(chǎn)生的FID信號(hào)。所以，SR序列的90射頻脈沖既是激勵(lì)脈沖又是測量脈沖。應(yīng)用：采用飽和恢復(fù)法測量縱向弛豫時(shí)間T1測量過程中，先用90脈沖將平衡磁化強(qiáng)度Mo變?yōu)闄M向磁化強(qiáng)度，然后，在縱向磁化強(qiáng)度恢復(fù)的過程中施加一個(gè)90脈沖對(duì)縱向磁化強(qiáng)度進(jìn)行

6、取樣測量。等待縱向磁化強(qiáng)度完全恢復(fù)平衡值之后，改變這兩個(gè)90脈沖之間的延遲時(shí)間TR重復(fù)上述測量過程。根據(jù)這樣反復(fù)測量的數(shù)據(jù)便可描繪出圖2.1的第三條曲線。 這條曲線公式為Mz(t)Mo 1一exp(-TR/T1) 當(dāng)t0時(shí)，即在90脈沖結(jié)束的一瞬間，Mz0。組織的縱向磁化強(qiáng)度為零，表明這時(shí)組織沒有產(chǎn)生磁共振信號(hào)的能力。這就是90射頻脈沖將組織激勵(lì)到了飽和的程度。然后，縱向磁化強(qiáng)度在弛豫過程中逐漸恢復(fù)。飽和恢復(fù)的名稱即由此而來。當(dāng)tT1時(shí)，Mz0628Mo，這表明，組織的縱向磁化強(qiáng)度從零上升到它的平衡值的0628倍所需的時(shí)間就是這種組織的T1弛豫時(shí)間。這實(shí)際上就是組織T1弛豫時(shí)間的定義。 圖2.

7、1 飽和恢復(fù)序列原理圖 磁共振成像原理黃繼英等編著 陜西科學(xué)技術(shù)出版社 圖2.2 應(yīng)用SR測量大豆油樣品縱向弛豫時(shí)間采用以上所述的飽和恢復(fù)法進(jìn)行對(duì)大豆油樣品T1的測量，使用實(shí)驗(yàn)軟件我們得到了如下的數(shù)據(jù)曲線：得出的T1=93.9ms反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列（IR）圖3.1給出了IR序列的射頻脈沖時(shí)序和序列周期TR內(nèi)縱向磁化強(qiáng)度恢復(fù)的曲線以及這個(gè)序列中的FID信號(hào)。特點(diǎn)：IR序列的射頻脈沖包括180脈沖和90脈沖兩種，其中的180脈沖是射頻激勵(lì)脈沖，90脈沖是測量脈沖。180脈沖將平衡磁化強(qiáng)度Mo由+Z方向激勵(lì)到-Z方向，然后，縱向磁化強(qiáng)度由Mo向+Mo恢復(fù)。在縱向恢復(fù)的過程中施加一個(gè)90脈沖對(duì)縱向磁化強(qiáng)度進(jìn)

8、行取樣測量。因?yàn)檫@個(gè)序列先要使縱向磁化強(qiáng)度反轉(zhuǎn)180，然后，在縱向磁化強(qiáng)度向平衡值恢復(fù)的過程中獲取MR信號(hào)，所以，它被稱為反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列。在磁化強(qiáng)度的反轉(zhuǎn)恢復(fù)過程中，磁化強(qiáng)度矢量只在Z方向增長，它既沒有橫向分量也沒有進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。所以，為了獲取信號(hào)，要在180激勵(lì)脈沖之后的Ti時(shí)刻施加一個(gè)90射頻脈沖，目的是將這個(gè)時(shí)刻具有的縱向磁化強(qiáng)度變?yōu)闄M向的，以便由這個(gè)橫向分量在接收線圈中感應(yīng)產(chǎn)生FID信號(hào)。應(yīng)用：測定縱向弛豫時(shí)間T1IR序列的180脈沖和90脈沖之間的時(shí)間稱為反轉(zhuǎn)恢復(fù)時(shí)間TI。圖3.1中第二條曲線可以通過改變TI時(shí)間反復(fù)測量FID信號(hào)的幅度而獲得。描述這條曲線的方程： Mz(t)Mo12e(-

9、t/T1)可以知道，Mz(t)0的一點(diǎn)，t0693T1。這就是說，由給定組織的縱向磁化強(qiáng)度的反轉(zhuǎn)恢復(fù)曲線與時(shí)間軸的交點(diǎn)可以確定出該組的T1弛豫時(shí)間。這就是我們利用反轉(zhuǎn)恢復(fù)法測定縱向弛豫時(shí)間的原理。圖3.1 反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列原理圖 磁共振成像原理黃繼英等編著 陜西科學(xué)技術(shù)出版社 圖3.2 利用IR測得的大豆油縱向弛豫時(shí)間采用反轉(zhuǎn)恢復(fù)法測得的同一管大豆油樣品的縱向弛豫時(shí)間T1為：T1=176.3ms兩種測量方法所得到的大豆油樣品縱向弛豫時(shí)間T1差別較大，這與我們測量時(shí)對(duì)條件的改變有關(guān)。（分別在兩次實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行）自旋回波序列（SE）特點(diǎn)：如下圖，自旋回波(SE)序列的一個(gè)重復(fù)周期內(nèi)有一個(gè)90射頻脈沖和一個(gè)

10、180射頻脈沖。SE序列檢測的信號(hào)不是90射頻脈沖引起的FID信號(hào)，而是在90脈沖結(jié)束后經(jīng)過一段時(shí)間施加一個(gè)180射頻脈沖，然后，檢測由這個(gè)180脈沖引起的自旋回波信號(hào)。SE序列中180脈沖所起的作用，就是一方面消除磁場非均勻性對(duì)信號(hào)的影響，一方面促使自旋回波信號(hào)的產(chǎn)生。這是由于SE序列主要在需要反映組織的T2差別的場合應(yīng)用，但是，F(xiàn)ID信號(hào)以T2*為時(shí)間常數(shù)很快衰減，其中磁場非均勻性引起的T2*弛豫對(duì)信號(hào)衰減起主導(dǎo)作用。這使檢測FID信號(hào)不能反映組織的T2特性。為了獲得能夠反映組織T2特性的信號(hào)，就必須在消除磁場非均勻性影響的基礎(chǔ)上進(jìn)行信號(hào)檢測。SE序列的180射頻脈沖對(duì)自旋回波形成起著關(guān)鍵

11、性作用。它使所有自旋進(jìn)動(dòng)相位一瞬間發(fā)生180改變。正是這個(gè)相位反轉(zhuǎn)作用校正了磁場非均勻性對(duì)自旋進(jìn)動(dòng)相位的影響并產(chǎn)生了自旋回波。根據(jù)SE序列中180脈沖所起的作用，SE序列的180脈沖被稱為相位反轉(zhuǎn)脈沖或者回波形成脈沖。圖4.1 飽和恢復(fù)序列原理圖 磁共振成像原理黃繼英等編著 陜西科學(xué)技術(shù)出版社應(yīng)用及演變：利用自旋回波序列進(jìn)行橫向弛豫時(shí)間T2的測量 利用自旋回波序列可以對(duì)T2進(jìn)行測量，圖4.2即為測量原理圖，由于改變了脈沖間隔時(shí)間，得到的回波峰值發(fā)生了變化，根據(jù)不斷改變來得到以下的隨指數(shù)衰減的曲線。 圖4.2 利用SE序列測量橫向弛豫時(shí)間 研究生教學(xué)用書 核磁共振成像學(xué)俎棟林著 高等教育出版社

12、缺點(diǎn)：花費(fèi)時(shí)間長，每測一個(gè)回波要等Mz恢復(fù)到Mo，每個(gè)周期要花5個(gè)T1分子自擴(kuò)散引起信號(hào)損失，使回波峰值達(dá)不到應(yīng)有高度，使得T2 偏小 CP序列圖4.3 CP序列原理圖 研究生教學(xué)用書 核磁共振成像學(xué)俎棟林著 高等教育出版社在自旋回波硬脈沖序列的基礎(chǔ)上，多次施加180脈沖，從而得到多個(gè)回波信號(hào)的回波脈沖序列，稱為硬脈沖CPMG序列。這種序列避免了以上SE序列的缺點(diǎn)。其特點(diǎn)是在90脈沖之后，分別在t=，2，3（2n-1）時(shí)施加180脈沖，就會(huì)分別在t=2，4（2n）時(shí)得到相應(yīng)的回波信號(hào)，從而得到一個(gè)回波波列。由每個(gè)回波峰值|My(t)|=Mo exp(-2n/T2),形成的指數(shù)衰減曲線就是T2衰

13、減曲線，可以利用這個(gè)峰值衰減規(guī)律來測得樣品的橫向弛豫T2。CPMG序列CP序列雖然避免了SE序列的一些缺點(diǎn)，但由于其180脈沖可能存在不精確性，因此這種方法可能會(huì)造成誤差的積累。實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步使用了CPMG序列，這種序列和CP序列基本相同，但它的180脈沖是施加在Y軸上的，這樣使得回波信號(hào)的聚相均在+Y軸上進(jìn)行，避免了由于脈沖不精確而帶來的誤差。下圖為我們利用CPMG序列來進(jìn)行測量，擬合出的大豆油樣品的橫向弛豫時(shí)間T2：圖4.4 利用CPMG測量大豆油橫向弛豫時(shí)間4利用自旋回波序列進(jìn)行芝麻成像：在實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)行自旋回波芝麻成像時(shí)，該自旋回波序列是由軟脈沖組成的。（這是由于軟脈沖采用的是寬而弱的si

14、nc波形時(shí)間域射頻脈沖，其頻帶較窄，具有很好的選擇性激勵(lì)特性，在成像序列中比較常用）首先用90射頻脈沖激勵(lì)樣品物質(zhì)，在其作用下，宏觀磁化矢量迅速倒向XY平面上，因此，90射頻脈沖是SE序列的準(zhǔn)備脈沖。之后再施加一個(gè)選層梯度Gs作用在樣品上，以選擇并激發(fā)某一個(gè)特定層面，接下來再施加一個(gè)180脈沖，其主要作用是改變XY平面內(nèi)質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)方向，使失相的質(zhì)子重新相位重聚，此時(shí)吸收180脈沖射頻能量后的質(zhì)子，將在后面以自旋回波的形式放出能量，從而產(chǎn)生自旋回波信號(hào)。接下來在相位編碼和頻率編碼的作用下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最終形成K空間圖像，再進(jìn)行傅里葉變換，得到最終圖像。以下是我們利用自旋回波序列得到的芝麻橫截面圖

15、像：圖4.5 利用SE序列進(jìn)行芝麻成像三種序列的小結(jié)：1.SR和IR對(duì)縱向弛豫時(shí)間的測定能力：（1）T1測得不同的原因：IR序列施加時(shí)，使得磁化矢量進(jìn)行了180的偏轉(zhuǎn)，磁化矢量直接從+Z軸向-Z軸進(jìn)行弛豫，避免了磁化矢量進(jìn)行進(jìn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到的磁場不均勻性的影響。因此我們可以看到，利用IR序列測得的縱向弛豫曲線擬合度要比SR序列的好。（2）對(duì)T1的鑒別能力不同：由于不同的組織具有不同的縱向弛豫時(shí)間，因此對(duì)T1的鑒別可以反映出對(duì)不同組織的鑒別能力。對(duì)通常的Ti時(shí)間來說，具有不同T1的組織的縱向磁化強(qiáng)度在這時(shí)的恢復(fù)程度不同。T1較短的組織可能已達(dá)到平衡值，F(xiàn)ID信號(hào)的幅度就比較大，T1較長的組織可能弛豫

16、尚不充分，F(xiàn)ID信號(hào)的幅度就比較小。在這方面IR序列和SR序列有些類似。但是，應(yīng)用SR序列時(shí)，因?yàn)榭v向磁化強(qiáng)度從零向Mo增長，序列周期TR取的接近于縱向弛豫時(shí)間最長的組織的T1；應(yīng)用IR序列時(shí)，縱向磁化強(qiáng)度從Mo向+Mo恢復(fù)，為使縱向弛豫在下個(gè)序列周期開始前充分完成TR要取得比樣品的最大縱向弛豫時(shí)間T1大幾倍。正是這方面的區(qū)別決定了IR序列比SR序列鑒別T1不同的組織的能力更強(qiáng)。2.抗射頻干擾能力：在SR和IR序列中，90脈沖一結(jié)束就立即檢測FID信號(hào)，這容易使FID信號(hào)被強(qiáng)大的射頻激勵(lì)脈沖干擾。而在SE序列中，檢測的信號(hào)不是90射頻脈沖引起的FID信號(hào)，而是在90脈沖結(jié)束后經(jīng)過一段時(shí)間施加一個(gè)180射頻脈沖，然后，檢測由這個(gè)180脈沖引起的自旋回波信號(hào)，接收該自旋回波能夠避免磁共振信號(hào)受射頻脈沖干擾。為避免射頻激勵(lì)脈沖對(duì)FID信號(hào)的干擾，IR序列也可以檢測自旋回波信號(hào)，即在90測量脈沖后面增加一個(gè)180回波形成脈沖，或者在IR序列周期內(nèi)插入自旋回波序列。3.應(yīng)用場合IR