脈沖核磁共振成像實(shí)驗(yàn)儀原理及其應(yīng)用

張欣賀

河南省南陽(yáng)市中心醫(yī)院磁共振科，河南南陽(yáng)473009

脈沖核磁共振成像實(shí)驗(yàn)儀原理及其應(yīng)用

張欣賀

河南省南陽(yáng)市中心醫(yī)院磁共振科，河南南陽(yáng)473009

目的探討脈沖核磁共振成像實(shí)驗(yàn)儀原理及其應(yīng)用。方法分析并探討脈沖核磁共振成像實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)及其原理。結(jié)果脈沖核磁共振實(shí)驗(yàn)儀能夠使人們了解核磁共振技術(shù)的基本原理及其實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并掌握各種脈沖序列的原理及圖像重建的方法以及一維成像、二維成像和三維成像的基本原理。結(jié)論脈沖核磁共振成像實(shí)驗(yàn)儀為從事核磁共振檢查的工作人員提供了一個(gè)了解MR成像原理的基本途徑。

脈沖核磁共振成像實(shí)驗(yàn)儀；TT測(cè)量；SE序列；偽影觀察

隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，醫(yī)學(xué)影像設(shè)備MR也發(fā)展迅速，我國(guó)大多數(shù)“三甲”醫(yī)院中都配備了影像設(shè)備MR。MR設(shè)備是物理學(xué)、信息科學(xué)以及醫(yī)學(xué)等技術(shù)發(fā)展后交叉融合的產(chǎn)物[1]。一般來(lái)說(shuō)，MR的成像原理比較復(fù)雜，其中，脈沖核磁共振成像實(shí)驗(yàn)儀利用物理學(xué)方法將抽象的理論運(yùn)用多媒體進(jìn)行展示，使人們能夠直觀地了解到其成像效果，進(jìn)而可以使我們迅速了解MR的成像原理[2]，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 脈沖核磁共振成像原理

脈沖核磁共振成像實(shí)驗(yàn)儀由多個(gè)部分組成，主要包括了磁鐵、探頭、開關(guān)放大器以及相位檢波器等[3]。探頭內(nèi)部主要包括了梯度線圈與射頻線圈，其中，探頭內(nèi)部的梯度線圈能夠?qū)崿F(xiàn)空間相位編碼和頻率編碼，而探頭內(nèi)部的射頻線圈主要是將樣品放入到射頻線圈中，這樣一方面能夠達(dá)到旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的目的，另一方面還能夠觀察自由旋進(jìn)信號(hào)的發(fā)射線圈和接收線圈。在觀察自由旋進(jìn)信號(hào)的時(shí)候，可以采用開關(guān)放大器將探頭內(nèi)的射頻線圈與相位檢波器進(jìn)行連接，接下來(lái)，可以利用振蕩器與射頻脈沖發(fā)生器，從而獲得相應(yīng)的相位檢波器與射頻脈沖的射頻基準(zhǔn)。但是如果在采集上存在困難，那么可以利用相位檢波器獲得比較容易采集的低頻信號(hào)。最終可以得到脈沖核磁共振成像所需要的相位精度。

2 實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程

2.1 脈沖寬度與信號(hào)的關(guān)系

在了解脈沖寬度與信號(hào)之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，對(duì)脈沖寬度進(jìn)行深入理解，重點(diǎn)了解90°脈沖與180°脈沖。

對(duì)于核磁共振而言，核磁共振脈沖寬度是其中一個(gè)比較重要的參數(shù)，與此同時(shí)，核磁共振脈沖寬度也是產(chǎn)生自旋回波的一個(gè)重要原因，同時(shí)還是測(cè)量弛豫時(shí)間的一個(gè)重要前提。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，脈沖寬度與信號(hào)呈現(xiàn)為正相關(guān)，從中可以了解到90°脈沖的形成及其功能，同時(shí)也能夠了解到180°脈沖的形成及其功能。

2.2 脈沖自旋回波信號(hào)的作用

掌握自旋回波信號(hào)在脈沖核磁共振成像中作用，同時(shí)了解自旋回波信號(hào)的機(jī)理以及180°脈沖的作用。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，自旋回波的原理是：如果180°脈沖后信號(hào)斷裂，那么此時(shí)脈沖信號(hào)的正負(fù)波動(dòng)情況就會(huì)產(chǎn)生較大的變化。深入研究后發(fā)現(xiàn)，此時(shí)的脈沖信號(hào)的幅度不斷增加，而且當(dāng)脈沖信號(hào)的幅度處于等間隔時(shí)間內(nèi)的時(shí)候，脈沖信號(hào)的增幅是最大。

2.3 認(rèn)識(shí)一維成像

掌握一維成像的原理，了解梯度場(chǎng)內(nèi)參數(shù)對(duì)一維成像的影響。

一維成像的原理主要是由于梯度場(chǎng)對(duì)其產(chǎn)生的影響，因此，要想了解核磁共振成像的基本原理就必須先掌握梯度場(chǎng)投影位置的一維影像。

實(shí)驗(yàn)者將注油三孔樣品放到脈沖核磁共振成像實(shí)驗(yàn)儀的探頭內(nèi)，然后仔細(xì)觀察脈沖的自由衰減信號(hào)，同時(shí)也詳細(xì)記錄脈沖信號(hào)的其頻譜。待觀察了一段時(shí)間后，實(shí)驗(yàn)者便可以適當(dāng)?shù)丶哟竺}沖的梯度場(chǎng)，同時(shí)對(duì)加大脈沖梯度場(chǎng)后的脈沖自由衰減信號(hào)以及頻譜進(jìn)行認(rèn)真的觀察，但是如果沒(méi)有相應(yīng)的梯度場(chǎng)，那么就不需要區(qū)分任何空間信息。如下圖1所示。

圖1 自由衰減信號(hào)及其頻譜圖

2.4 瞬間梯度場(chǎng)與二維成像圖形的關(guān)系

掌握瞬間梯度場(chǎng)及二維成像的基本知識(shí)，并了解瞬間梯度場(chǎng)對(duì)二維成像圖形產(chǎn)生的影響。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)后，觀察到瞬間梯度場(chǎng)的信號(hào)如圖2，所顯示的脈沖核磁共振成像灰度如圖3。通過(guò)比較圖2與圖3，了解瞬間梯度場(chǎng)產(chǎn)生的二維成像原理。

圖2 梯度掃描圖

圖3 核磁共振成像灰度圖

2.5 弛豫時(shí)間及T1、T2

經(jīng)實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，核磁共振中的脈沖T2的測(cè)量圖結(jié)果顯示，其中的第一脈沖是90°脈沖，而第二脈沖是180°脈沖。如果脈沖間隔比較小的時(shí)候，自旋回波的幅度就會(huì)比較接近自由衰減信號(hào)的幅度；當(dāng)脈沖間隔比較大的時(shí)候，T2中比較短的自旋回波的信號(hào)比較小，且信號(hào)按照exp(-t/T2)呈現(xiàn)為衰減的趨勢(shì)，而T2中比較長(zhǎng)的自旋回波的信號(hào)比較大。

經(jīng)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，T1的測(cè)量圖顯示，第一脈沖是180°脈沖，而第二脈沖是90°脈沖。在90°脈沖之后，可以看到脈沖的自由衰減信號(hào)的幅度隨著脈沖間隔的改變而改變，同時(shí)脈沖的正負(fù)情況也會(huì)隨著脈沖間隔的不斷改變而發(fā)生改變，且脈沖信號(hào)是按照1-2 exp(-t/T1)進(jìn)行改變。若脈沖間隔＜T1/In2的時(shí)候，隨著間隔的不斷增加，自由衰減信號(hào)會(huì)不斷變小，并且自由衰減信號(hào)呈現(xiàn)為正；若脈沖間隔＜T1/In2的時(shí)候，隨著間隔的不斷增加，自由衰減信號(hào)會(huì)不斷地變大，并且自由衰減信號(hào)呈現(xiàn)為負(fù)；若脈沖間隔=T1/In2的時(shí)候，那么可以觀察到脈沖的自由衰減信號(hào)是0。這也就是說(shuō)，只要能夠找到自由衰減信號(hào)為0的脈沖間隔時(shí)，就可以測(cè)量出T1。

2.6 SE序列參數(shù)

經(jīng)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，RF中的第一脈沖與第二脈沖屬于硬脈沖，其中，通過(guò)調(diào)整脈沖時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)90°脈沖和180°脈沖。

2.7 化學(xué)位移偽影

經(jīng)實(shí)驗(yàn)后，觀察到的化學(xué)位移偽影見(jiàn)圖4。

圖4 化學(xué)位移偽影

3 討論

脈沖核磁共振成像實(shí)驗(yàn)儀的磁體主要是采用微米精度加工技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的，因此，通常情況下它的磁場(chǎng)均勻度相對(duì)比較高[4-5]。同時(shí)，脈沖核磁共振成像實(shí)驗(yàn)儀利用恒溫控制器對(duì)磁鐵進(jìn)行控制，因此，其穩(wěn)定性比較高。此外，在DDS技術(shù)的支持下，射頻電路的工作頻率不僅具有較高的穩(wěn)定度，同時(shí)還能夠進(jìn)行較大范圍且高分辨率調(diào)節(jié)[6-7]。

從脈沖寬度對(duì)脈沖信號(hào)的影響上來(lái)看，我們可以發(fā)現(xiàn)，在脈沖核磁共振的整個(gè)過(guò)程中，如果進(jìn)行加載脈沖的操作，那么實(shí)際上就是脈沖的受激吸收過(guò)程。與此同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，脈沖自由衰減的時(shí)候?qū)儆谧园l(fā)式輻射，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)受激輻射的現(xiàn)象。

從自旋回波上來(lái)看，我們發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中如果采用90°脈沖和180°脈沖自旋回波序列的時(shí)候，那么散失的相位能夠迅速地進(jìn)行重聚。如果加載90°脈沖，等待一段時(shí)間后，會(huì)發(fā)現(xiàn)脈沖頻率相對(duì)比較高的原子核相位比較超前；如果加載180°脈沖，等待一段時(shí)間后，會(huì)發(fā)現(xiàn)由于原子核磁矩旋進(jìn)相位產(chǎn)生跳變，這就使得原先落后的相位逐漸超前，但是再等待一段時(shí)間后，會(huì)發(fā)現(xiàn)又會(huì)恢復(fù)到初始時(shí)的狀況，這樣就使得使得相位重聚[8-9]。

從一維成像上來(lái)看，如果是在磁場(chǎng)梯度環(huán)境下，會(huì)發(fā)現(xiàn)含有被激發(fā)質(zhì)子的樣品會(huì)發(fā)射出不同的頻率，這些不同的頻率會(huì)包含不同的信息，也就是頻率編碼（一維成像）。梯度場(chǎng)對(duì)頻譜的影響是其成像的基本原理，而二維核磁共振成像主要采用注油三孔樣品采集SE序列密度圖，同時(shí)觀察注油三孔樣品在不同投影坐標(biāo)系下的具體情況。三維成像主要是有效結(jié)合了一維成像中的頻率編碼與二維成像中的相位編碼，然后，利用NP·N5次得到三維K空間。最后，利用三維傅里葉變換得到三維核磁共振的圖像。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，目前，核磁共振技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)以及物理學(xué)中，脈沖核磁共振實(shí)驗(yàn)儀不僅使人們了解到共振現(xiàn)象及各種脈沖序列的相關(guān)原理，同時(shí)也使人們充分認(rèn)識(shí)到磁共振成像、成像原理及圖像重建的數(shù)學(xué)處理方法。從而使人們對(duì)MR成像技術(shù)有一個(gè)更深入的認(rèn)識(shí)。

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Principle and Application of Pulsed Magnetic Resonance Imaging Spectrometer

ZHANG Xin-he
HeNan Province NanYang city center hospital Magnetic resonance,NanYang，Henan Province,473009 China

ObjectiveTo investigate the principle and application of pulsed magnetic resonance imaging.MethodsThe structure and principle of the pulsed magnetic resonance imaging apparatus were analyzed and discussed.ResultsPulsed nuclear magnetic resonance spectrometer can make people understand the basic principle and realization process of nuclear magnetic resonance technology,and master the principles of various pulse sequences and image reconstruction methods and the basic principles of one-dimensional imaging,2D imaging and 3D imaging.ConclusionPulsed magnetic resonance imaging spectrometer provides an essential way to understand the principle of MR imaging.

Pulsed nuclear magnetic resonance imaging;TT measurement;SE sequence;Artifact observation

R4

A

1672-5654（2015）07（b）-0091-03

10.16659/j.cnki.1672-5654.2015.20.091

2015-04-20）

張欣賀（1985.1-），女，遼寧錦州人，碩士研究生，住院醫(yī)師，研究方向：磁共振診斷。