脉冲核磁共振成像实验仪原理及其应用

脉冲核磁共振成像实验仪原理及其应用 仪器原理IInstrumentTheo?111? 脉冲核磁共振成像实验仪原理及其应用 甘泉,曹国平,王骏,杜先懋,殷瑞根,王冬青,刘欢欢,崔恒武,谢寰彤 【摘要】目的:阐述脉冲核磁共振成像实验仪原理及其应用.方法:通过对脉冲核磁 共振实验仪结构及原理和讨 论.并结合实际应用来验证其作用.结果:证明了脉冲核磁共振实验仪可以直观地 了解核磁共振技术基本原理和实现 过程.同时还可以了解掌握各种脉冲序列原理及图像重建的数学处理方法,以及各 种伪影产生机理和脉冲参数设置对 图像的影响.一维二维三维成像研究等.结论:脉冲核磁共振成像实验仪为从事 MRI相关人员提供了对MR成像原理 及基本技术一个最直观的认知途径. [关键词】脉中核磁共振实验仪;测量;3D成像;sE序列;伪影观察 f中国图书资料分类号]TH774[文献标识码]C【文章编号】1003—8868(2010)08 一oll1—04 WorkingPrincipleandApplicationofPulseMagneticResonanceImagingSystem GANQuan,CAOGuo—ping,WANGJun.,DUXian—mao,YINRei— gen,WANGDong-qing,LIUHuan-huan,CUI Heng—wu.XIEHuan-tong (1.TheAffiliatedHospitalofJiangsuUniversity,Zhenjiang212001,JiangsuProvince,Chin a;2.NanjingGeneralHospital, NanjingMilitaryAreaCommand,Nanjing210002,China;3.TheAffiliatedHospitalofYang zhouUniversity,Yangzhou 225001,JiangsuProvince,China;4.MedicineSchoolofJiangsuUniversity,Zhenjiang2120 13,JiangsuProvince,China; 5.ShanghaiGaoyinBiotechCo.,Ltd,Shanghai200433,China) AbstractObj~avoToexpoundtheworkingprincipleaudapplicationofthepulsemagneticresonanceimagingsystem. M~mdsThefunctionandclinicalvaluesoftheMRIsystemwereverifiedbycombiningtheanalysisanddiscussionofits structureandworkingprinciple.Resal~ThepulseMRIsystemnotonlyenableduserstounderstanditsbasicworking principlesandimplementationprocesseffectively,butalsodemonstratedtheprinciplesofdifferentpulsesequencesandthe mathematicalprocessingmethodsofimagereconstructionaswel1.ItSusefulininvestigatingtheeffectsofartifactproduction mechanismandsetupofdifferentpulseparameters,aswellasthestudyof1D/2D/3Dimaging.ConclusionThepulseMRI systempresentsavisualwaytounderstandtheworkingprinciplesofMRIforrelatedmedicalpersonne1.[ChineseMedical EquipmentJournaI,2010,31(8):111—114】 KeywordspulseMRIsystem;T1/T2measurement;3Dimaging;SEsequence;artifactobservation 1引言 医学影像设备MR发展迅速,全国"三甲"医院大都配备了 3.0TMR.极大地提高了治疗水平.MR设备集当今顶级技术于 一 身,是物理学,信息科学,电子学以及医学交叉融合的结果. 由于发展较快.操作技师,诊断医师包括在校医学影像学学生 们也都极需要MR原理基础.MR成像原理较为复杂,而脉冲核 磁共振成像实验仪充分利用古老的物理学,建立理想模型的 经典方法.巧妙地采用了多媒体等现代化手段,把文字教材, 多媒体学习软件,模拟实验有机结合在一起,将深奥难懂的理 论描述为直观生动的多媒体展示.使我们在短时间内了解MR 成像的基本原理. 通过分析成像参数,序列参数,选层厚度对图像对比度的 影响,深刻理解对比度形成实质和各参数间的互相影响,实验 仪不但能实现成像的基本原理,同时还能随意进行脉冲序列 基金项目:江苏省教育厅指导性课题(04KJD320046) 作者简介:甘泉(1957一),男,江苏南京人,主任技师, 主要从事医学影像技术及医学影像设备方面的研究 作.E—mail:ganquan5706@163.eom. 作者单位:212001江苏镇江江苏大学附属医院影 像科(甘泉,曹国乎,殷瑞根,王冬青);210002南京 南京军区南京总医院(王骏);225001江苏扬州 扬州大学附属医院(杜先懋);212013江苏镇江江苏 大学医学院(刘欢欢,崔恒武);200433上海上海 复旦企业高银科技(谢寰彤) 编程,为研究快速谱成像提供了一个重要的平台,也成为 物理专业,医学影像专业,生物工程专业教学和科研,了解MR 成像原理及基本技术的一个最有效的方法. 2原理 脉冲核磁共振成像实验仪…由磁铁,探头,开关放大器, 相位检波器,振荡器,控制采集器,计算机梯度电流驱动器组 成.探头内包括梯度线圈和射频线圈.修正磁铁本身因加工 误差而带来的梯度场,起到了匀场作用.同时,梯度线圈起到 空间相位编码和频率编码作用.样品放入射频线圈内的作用 是旋转磁场和观察自由旋进信号的发射线圈和接收线圈.用 开关放大器在观察自由旋进信号时将射频线圈与相位检波 器放大器相连,再由振荡器和射频脉冲发生器提供相位检波 器和射频脉冲的射频基准,利用相位检波器将采集困难的高 频信号转变成容易采集的低频信号,得到成像所必需的相位 精度.控制采集系统将计算机发送的脉冲序列代码转换成实 际的脉冲序列.并将信号转变成数字代码传递给计算机,如 图1所示. 3实验目的和实验内容 (1)了解脉冲宽度对信号的影响,对9O.脉冲,180.脉冲有 基本认识. 核磁共振的脉冲宽度是核磁共振的重要参数,也是自旋 回波产生的机理和弛豫时间测量的重要前提. 从图2可以明显观察到,随着脉冲的增加信号幅度周期性 ? 医疗卫生装备?2010年08月第31卷第08期 ChineseMedicalEquipmentJournal?Vo1.31?No.08?August?2010 ? 112?nstrumentTheoryl仪器原理 磁铁 图1脉冲核磁共振实验装置图 / I~~P48txS 图2脉冲宽度与信号的关系图 变化,尤其是信号的正负也呈周期变化,这样能直观地了解 90.脉冲和180.脉冲的形成和作用. (2)观察自旋回波信号,了解其在成像中的作用.二维核 磁共振成像建立在自旋回波的基础上,所以必须了解自旋回 波的机理并了解180.脉冲的意义. 从图3(a)中可以清晰看到,180.脉冲后信号断裂,信号正 负发生突变同时信号幅度逐渐增加,在等间隔时间信号的幅 度最大.这是自旋回波原理. 加大磁场梯度.信号衰减加快.自旋回波变窄但幅度最 大位置不变,如图3(b)所示. 1/f//\/ +,,(b) (C) 图3自旋回波原理图 当工作频率等于共振频率时,观察信号频率为 零.这时可以清晰看到自旋回波正负与自由衰减信 号相反,如图3(C)所示. (3)采用定标样品(三注油孔)对一维成像(空 间频率编码)有所认识,观察梯度场各个参数对一 维成像的影响. 梯度场对频谱的影响是一维成像的基本原理, 观察梯度场投影处的一维影像是了解核磁共振成 像基本原理的重要.将注油三孔样品放入探头 中.观察自由衰减信号及其频谱,逐渐加大梯度场, 观察信号及频谱的变化,在无梯度场时,无法区分 任何空间信息,如图4所示. 较大梯度场下空间结构完全分开的同时信号 明显变小,噪声增加,如图5所示. 通过 以上实验 可直观地 理解梯度场在一维 成像中的作用. (4)了解瞬间 梯度场,对二维成 像(空间相位编码) 有所认识,了解瞬 间梯度场的梯度大 小,瞬间梯度保持 时间对二维成像图 形的影响. 观察瞬间梯度 场扫描过程的信号 如图6所示.显示核 磁共振成像灰度如 图7所示.在这些信 号的对比下.理解 瞬间梯度场产生二 维成像的原理. (5)三维核磁 共振成像,放人具 有三维空间结构的 采集 一信号 ,.一,一."."… l :l l频谱 ,一 /,一 一,一…,, 一,…一一…一 图4自由衰减信号及频谱图 图5信号衰减噪声增加图 样品进行三维数据的采集,观察多层结构,如图8所示. 图6梯度扫描过程图 (6)了解弛豫时间的含义以及.,弛豫时间测量的方 ? 医疗卫生装备?2010年08月第31卷第08期 ChineseMedicalEquipmentJournal?Vo1.31?No.08?August'2010 一一,一 , ,一,谱频, 一l『 一 一 ? 114?InstrumentTheoryI仪器原理 (1Hz)调节.采用正交检波技术,能精确地测量射频相位,可 以了解量力学能级跃迂机理. (1)脉冲宽度对信号影响.根据辐射跃迁理论目,脉冲核 磁共振过程在加载脉冲时为受激吸收过程,自由衰减时为自 发辐射,在加载脉冲时还会出现受激辐射现象.加载脉冲时 是受激吸收还是受激辐射,主要取决于脉冲宽度f3].根据Q= ,当Q=90.时,上能级与下能级之间布居数相等,同时原 子核磁矩与辐射场耦合系数最大,得到最大的共振信号.全过 程处于受激吸收. 当p:180.时,原子核全部跃迁至上能级,同时原子核 磁矩与辐射场耦合系数最小,得到最小的共振信号,全过 程处于受激吸收.调节脉冲宽度,观察自由衰减信号的幅 度与脉冲宽度的关系,可以得到以上结论,同时也可以测 出曰,的大小. (2)自旋回波.采用90.,180.脉冲自旋回波序列可以使 散失的相位重聚.加载90.脉冲后,由于共振频率不同,经过 一 段时问频率高的原子核相位超前,共振频率低的原子核相 位落后;加载180.脉冲后,原子核磁矩旋进相位会产生180. 跳变,使原先落后的相位超前,原先超前的相位落后.经过同 等时间后.共振频率高的原子核又追上落后的相位,从而相 位重聚. (3)频率编码(一维成像).在磁场梯度下,含有被激发质 子的样品在线性梯度磁场下发射频率不同,所以频率信息对 应空间信息为频率编码.梯度场对频谱的影响是一维成像的 基本原理.二维核磁共振成像用定标样品(三注油L)进行SE 序列密度图采集,用不同投影坐标系观察样品.三维成像是 由一维的频率编码和二维的相位编码组成,通过?,v5次的采 (..上接第1O8页??J 在多年的检修_丁作中,更换手术灯蓄电池时,所有的蓄电 池的外壳都明显变形,主要原冈是过量充电所致.蓄电池在使 用1年以后,内阻增大,充电时发热量过大,而蓄电池内部产 生的热量只能经电池槽盒壁散热.如散热量小于发热量,即会 出现温度上升现象.温度上升使蓄电池吸气过电位降低,吸气 量增大,正极大量的氧气通过"通道"在负极面反应,产生大 量的热量,使温度快速上升,形成恶性循环,即所谓的"热失 控",其最终温度可达到80oC以上,即发生蓄电池外壳变形现 象.针对此现象,建议对电源控制电路进行改良.即在测出蓄 电池内阻不同的情况下,设定其对应的充电完成电压,实现智 能化充电,保护好蓄电池,延长其使用寿命. 3_2改进了蓄电池的使用方法.提高了手术灯的存储效益 目前野战手术灯所使用的蓄电池都是第二种类型,即出 厂时就加好电解液并封死,电池使用寿命周期为2年,长期存 放亦必须每隔3个月充电1次.在仓储卫生装备维护保养工 作中,考虑到蓄电池的老化因素,存放3年蓄电池性能大大下 降,所以每隔3年就要更换1次蓄电池,造成蓄电池在还没有 发挥作用就没用了,浪费大而且不环保,给仓库保管员增加了 工作量(每隔3个月补充电1次,开箱充电6,8h,充好后放 置2,3h,待冷却没问题后再装箱,工作量很大).野战手术灯 的工作电源主要是市电和发电机供电,蓄电池只是起到应急 供电的作用,还有就是稳定重心的作用f1I.针对这,问题,建 议野战手术灯蓄电池组的金属外壳做成上盖式开口,方便装 集(列数,层数)得到三维的K空间.经过三维傅里叶变换 得到三维核磁共振图像 (4)化学位移伪影是核磁共振中不同材料本身的化学位 移不同.从而使得共振频率的偏差干扰频率编码.拉链伪影是 180.脉冲不严格.导致180.脉冲后的FID信号干扰自旋回波信 号产生的,严格的180.脉冲FID信号理论值是零,但不严格的 180.脉冲就有较大的FID信号.过长的FID将串进自旋回波信 号中,它不会因为相位编码梯度而改变,其在零位形成极强的 信号,并与图像干涉形成拉链式的图形. 核磁共振技术在生物,医学,化学,物理学中有着广泛应 用,此实验仪可以直观地了解核磁共振技术的基本原理和实 现过程,为相关领域的研究应用打下基础.并从中可以了解最 基本的共振现象及各种脉冲序列的原理,也可掌握磁共振成 像,成像原理及图像重建的数学处理方法,认识各种伪影的产 生机理和脉冲参数设置对图像的影响认识.能自主地操作实 验三维成像,自行编辑IR序列,自行实验采集数据处理,并会 对MR成像技术有一个全新的认识和提高. 【参考文献】 [1]Eiichfukusnima,StephenBWRoder.实验脉冲核磁共振【M].童瑜 华译.上海:复旦大学出版社,1995. 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