核磁共振實驗中三種基本脈沖序列的特點和應(yīng)用

1、 7/7核磁共振實驗中三種基本脈沖序列的特點和應(yīng)用 07300300061 武帥 材料物理摘要 核磁共振實驗中，不同射頻脈沖會對樣品產(chǎn)生不同的激勵，這將導(dǎo)致得到的核磁共振信號的差異。因此，射頻脈沖序列的恰當(dāng)選擇對實驗的結(jié)果有著很重要的影響。在本實驗中，我們主要使用了三種基本的核磁共振脈沖序列來激勵大豆油樣品，對其縱向和橫向弛豫時間進行測量。本文主要就這三種基本脈沖序列的特點、應(yīng)用以及演變進行討論和總結(jié)，以達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，即圓周運動。施加的射頻脈沖使得磁化矢量Mo偏離Z方向一個角度，=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)實驗教程汪宏杰等編著 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動，同時也要在該射頻場的作用下章動，這使得宏觀磁化矢量M的運動為一條球面螺旋線。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。實驗中我們使用的是NMI20Analyst 臺式核磁共振成像儀，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間寬度，射頻有一定帶寬，相當(dāng)于多個

3、單頻連續(xù)波核磁共振波譜儀在同時進行激勵，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)從激勵狀態(tài)恢復(fù)到原始狀態(tài)的過程就叫弛豫過程?？v向弛豫時間T1，指的是自旋核釋放激勵過程中吸收的射頻能量返回到基態(tài)的過程所用的時間，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。橫向弛豫時間T2，指的是激勵過程使質(zhì)子進動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（即核共振信號，如FID信號)由橫向磁化強度在接收線圈中感應(yīng)產(chǎn)生，在射頻激勵后的弛豫過程中被檢測到，所以，從特定

4、組織檢測的MR信號的強度，不僅與該組織的T1和T2弛豫時間有關(guān)，而且，與在弛豫過程中的什么時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脈沖和信號測量脈沖。MR信號測量從本質(zhì)上說是測量縱向磁化強度的瞬時值。但是，為了在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)信號，需要將縱向磁化強度轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向磁化強度。所以，這些脈沖序列都包含為建立橫向磁化強度所必需的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信號的特點，將分別

5、在下面進一步說明。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，圖中還繪出了90脈沖激勵產(chǎn)生的FID信號和TR期間縱向磁化強度隨時間增長的相對值曲線。 特點：SR序列的每個周期只有一個90射頻脈沖，它利用90脈沖進行射頻激勵，將平衡磁化強度Mo轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向磁化強度，并且立即測量由橫向磁化強度感應(yīng)產(chǎn)生的FID信號。所以，SR序列的90射頻脈沖既是激勵脈沖又是測量脈沖。應(yīng)用：采用飽和恢復(fù)法測量縱向弛豫時間T1測量過程中，先用90脈沖將平衡磁化強度Mo變?yōu)闄M向磁化強度，然后，在縱向磁化強度恢復(fù)的過程中施加一個90脈沖對縱向磁化強度進行

6、取樣測量。等待縱向磁化強度完全恢復(fù)平衡值之后，改變這兩個90脈沖之間的延遲時間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，即在90脈沖結(jié)束的一瞬間，Mz0。組織的縱向磁化強度為零，表明這時組織沒有產(chǎn)生磁共振信號的能力。這就是90射頻脈沖將組織激勵到了飽和的程度。然后，縱向磁化強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，Mz0628Mo，這表明，組織的縱向磁化強度從零上升到它的平衡值的0628倍所需的時間就是這種組織的T1弛豫時間。這實際上就是組織T1弛豫時間的定義。 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間采用以上所述的飽和恢復(fù)法進行對大豆油樣品T1的測量，使用實驗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序列的射頻脈沖時序和序列周期TR內(nèi)縱向磁化強度恢復(fù)的曲線以及這個序列中的FID信號。特點：IR序列的射頻脈沖包括180脈沖和90脈沖兩種，其中的180脈沖是射頻激勵脈沖，90脈沖是測量脈沖。180脈沖將平衡磁化強度Mo由+Z方向激勵到-Z方向，然后，縱向磁化強度由Mo向+Mo恢復(fù)。在縱向恢復(fù)的過程中施加一個90脈沖對縱向磁化強度進

8、行取樣測量。因為這個序列先要使縱向磁化強度反轉(zhuǎn)180，然后，在縱向磁化強度向平衡值恢復(fù)的過程中獲取MR信號，所以，它被稱為反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列。在磁化強度的反轉(zhuǎn)恢復(fù)過程中，磁化強度矢量只在Z方向增長，它既沒有橫向分量也沒有進動運動。所以，為了獲取信號，要在180激勵脈沖之后的Ti時刻施加一個90射頻脈沖，目的是將這個時刻具有的縱向磁化強度變?yōu)闄M向的，以便由這個橫向分量在接收線圈中感應(yīng)產(chǎn)生FID信號。應(yīng)用：測定縱向弛豫時間T1IR序列的180脈沖和90脈沖之間的時間稱為反轉(zhuǎn)恢復(fù)時間TI。圖3.1中第二條曲線可以通過改變TI時間反復(fù)測量FID信號的幅度而獲得。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，t0693T1。這就是說，由給定組織的縱向磁化強度的反轉(zhuǎn)恢復(fù)曲線與時間軸的交點可以確定出該組的T1弛豫時間。這就是我們利用反轉(zhuǎn)恢復(fù)法測定縱向弛豫時間的原理。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間T1差別較大，這與我們測量時對條件的改變有關(guān)。（分別在兩次實驗中進行）自旋回波序列（SE）特點：如下圖，自旋回波(SE)序列的一個重復(fù)周期內(nèi)有一個90射頻脈沖和一個

10、180射頻脈沖。SE序列檢測的信號不是90射頻脈沖引起的FID信號，而是在90脈沖結(jié)束后經(jīng)過一段時間施加一個180射頻脈沖，然后，檢測由這個180脈沖引起的自旋回波信號。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信號的影響，一方面促使自旋回波信號的產(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信號以T2*為時間常數(shù)很快衰減，其中磁場非均勻性引起的T2*弛豫對信號衰減起主導(dǎo)作用。這使檢測FID信號不能反映組織的T2特性。為了獲得能夠反映組織T2特性的信號，就必須在消除磁場非均勻性影響的基礎(chǔ)上進行信號檢測。SE序列的180射頻脈沖對自旋回波形成起著關(guān)鍵

11、性作用。它使所有自旋進動相位一瞬間發(fā)生180改變。正是這個相位反轉(zhuǎn)作用校正了磁場非均勻性對自旋進動相位的影響并產(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行橫向弛豫時間T2的測量 利用自旋回波序列可以對T2進行測量，圖4.2即為測量原理圖，由于改變了脈沖間隔時間，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：花費時間長，每測一個回波要等Mz恢復(fù)到Mo，每個周期要花5個T1分子自擴散引起信號損失，使回波峰值達不到應(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，從而得到多個回波信號的回波脈沖序列，稱為硬脈沖CPMG序列。這種序列避免了以上SE序列的缺點。其特點是在90脈沖之后，分別在t=，2，3（2n-1）時施加180脈沖，就會分別在t=2，4（2n）時得到相應(yīng)的回波信號，從而得到一個回波波列。由每個回波峰值|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，但由于其180脈沖可能存在不精確性，因此這種方法可能會造成誤差的積累。實驗中進一步使用了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，這樣使得回波信號的聚相均在+Y軸上進行，避免了由于脈沖不精確而帶來的誤差。下圖為我們利用CPMG序列來進行測量，擬合出的大豆油樣品的橫向弛豫時間T2：圖4.4 利用CPMG測量大豆油橫向弛豫時間4利用自旋回波序列進行芝麻成像：在實驗中，進行自旋回波芝麻成像時，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波形時間域射頻脈沖，其頻帶較窄，具有很好的選擇性激勵特性，在成像序列中比較常用）首先用90射頻脈沖激勵樣品物質(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。之后再施加一個選層梯度Gs作用在樣品上，以選擇并激發(fā)某一個特定層面，接下來再施加一個180脈沖，其主要作用是改變XY平面內(nèi)質(zhì)子的進動方向，使失相的質(zhì)子重新相位重聚，此時吸收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。接下來在相位編碼和頻率編碼的作用下進行數(shù)據(jù)采集，最終形成K空間圖像，再進行傅里葉變換，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序列進行芝麻成像三種序列的小結(jié)：1.SR和IR對縱向弛豫時間的測定能力：（1）T1測得不同的原因：IR序列施加時，使得磁化矢量進行了180的偏轉(zhuǎn)，磁化矢量直接從+Z軸向-Z軸進行弛豫，避免了磁化矢量進行進動時會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間，因此對T1的鑒別可以反映出對不同組織的鑒別能力。對通常的Ti時間來說，具有不同T1的組織的縱向磁化強度在這時的恢復(fù)程度不同。T1較短的組織可能已達到平衡值，F(xiàn)ID信號的幅度就比較大，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，因為縱向磁化強度從零向Mo增長，序列周期TR取的接近于縱向弛豫時間最長的組織的T1；應(yīng)用IR序列時，縱向磁化強度從Mo向+Mo恢復(fù)，為使縱向弛豫在下個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。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，這容易使FID信號被強大的射頻激勵脈沖干擾。而在SE序列中，檢測的信號不是90射頻脈沖引起的FID信號，而是在90脈沖結(jié)束后經(jīng)過一段時間施加一個180射頻脈沖，然后，檢測由這個180脈沖引起的自旋回波信號，接收該自旋回波能夠避免磁共振信號受射頻脈沖干擾。為避免射頻激勵脈沖對FID信號的干擾，IR序列也可以檢測自旋回波信號，即在90測量脈沖后面增加一個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