基于ARM的一体化核磁共振谱仪.docx

基于ARM的一体化核磁共振谱仪.docx

《基于ARM的一体化核磁共振谱仪.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于ARM的一体化核磁共振谱仪.docx（49页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于ARM的一体化核磁共振谱仪

华东师范大学

硕士学位论文

基于ARM的一体化核磁共振谱仪

姓名：

雷都

申请学位级别：

硕士专业：

无线电物理

指导教师：

蒋瑜

20080501

学位论文独创性声明

本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果．据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果．对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意．

作者签名：

重垒巨日期：

伽。

芎ｊ‘？

５’

学位论文授权使用声明

本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版．有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅．有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索．有权将学位论文的标题和摘要汇编出版．保密的学位论文在解密后适用本规定．

学位论文作者签名：

锄尸

日期：

兰！

！

，：

厶￡魄粒加罗。

厂导师签名：

摘要

核磁共振（ＮＭＲ）是重要的检测手段和分析手段之一。

随着其应用领域的拓展和深入，核磁共振谱仪技术也不断地发展和完善。

常规商业化谱仪虽然功能强大，但是谱仪结构复杂，体积庞大，价格昂贵，因此限制了ＮＭＲ技术的应用场合。

而在许多应用场合，比如教学中，往往需要一种结构简单，体积小巧，价格便宜，集成度高的一体化核磁共振谱仪。

而随着Ａ跚（ＡｄｖａｎｃｅｄＲＩＳＣＭａｃｈｉｎｅｓ）技术的发展与成熟，本文提出了一种用于磁共振成像系统的，基于Ａ刚的一体化核磁共振成像谱仪的设计方案。

提供了谱仪各部分的实际性能测试的结果和谱仪整体工作的成像实验结果，并对研制和实验结果进行了讨论。

本论文主要内容如下：

第一，主要介绍了核磁共振原理，核磁共振成像的原理，核磁共振成像系统的结构。

第二，介绍ＡＲＭ的概念与基本原理并简要介绍了相关的软件。

第三，介绍了一体化谱仪的研制过程，并分别从母板和核心板两部分的硬件部分设

计与软件部分设计上进行了相应的描述。

第四，介绍本谱仪系统的性能测试结果，并总结调试心得与现有问题，并对以后提

出展望。

关键词：

核磁共振；谱仪；ＡＲＭ；ＦＰＧＡ；５

Ａｂｓｔｒａｃｔ

ＮｕＣＩｅａｒｍａｇｎｅｔｉｃ

ａｎｄｒｅｓｏｎａｎｃｅ（ＮＭＲ）ｉｓｏｎｅｏｆｉｍｐｏｒｔａｎｔｍｅａｎｓｏｆｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎａＩｙｓｉＳ．ＷｉｔｈｔｈｅｅｘｐａｎＳｉＯｎａｎｄｄｅｅｐ－ｇＯｉｎｇＯｆＮＭＲ’ｓａｐｐＩｉｃａｔＩＯｎｓ，ｔｈｅ

ｋｅｅｐｓｄｅＶｅＩＯｐｉｎｇ

ｉｓｔｅｃｈｎＯＩｏｇｙｏｆＮＭＲｓｐｅｃｔⅢｍａｎｄｉｍｐｒｏＶｉｎｇｐｏｗｅｒｆｕｌ，ｉｔａｓｗｅ¨．ＡｎｈｏｕｇｈＣ０ｎｖｅｎｔｉＯＩ：

＇ａＩＣＯｍｍｅｒＣｉａＩ

ＳｔｒｕＣｔｕ陀，ｂｉｇｓｉｚｅ，ａｎｄｉＳＳＯＩｄｓｐｅＣｔｒｕｍｈａＳＣ０ｍｐＩｅｘｉｔｓｗＩｄｅｒＶｅｒｙｅｘｐｅｎｓｉＶｅＩｙ，ｔｈｕＳＩｉｍｉｔＩｎｇ

ｉｓｒｅｑｕｉｒＩｅｄｉｓｔｈｉｓａｐｐｌｉｃａｔｉＯｎｓ．１ｎｍａｎｙｃａｓｅｓ，ｉｎｔｅａｃｈｉｎｇ，ｆｂｒｅｘａｍｐＩｅ，ｗｈａｔ

ｋｉｎｄ０ｆＮＭＲｓｐｅＣｔｍｍｗｈｉｃｈｉｓｓｉｍｐＩｙｓｔⅢＣｔｕｒｅｄ，ｓｍａＩＩ－ｓｉｚｅｄ，ｃｈｅａｐａｎｄｈｉｇｈＩｙｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ．

ＴｈａｎｋｓｔｏｔｈｅｄｅｖｅＩｏｐｍｅｎｔａｎｄｍａｔｕｒｊｔｙ０ｆＡＦｌＭ（ＡｄＶａｎｃｅｄＲｌＳＣＭａｃｈｉｎｅｓ）

ＡＦｔＭ－ｂａｓｅｄｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｔｅｃｈｎ０ＩＯｇｙ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｎＤｐｏｓｅｓａｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎＯｆ

ｍａｇｎｅｔ．ｃｒｅｓＯｎａｎｃｅｉｍａｇｉｎｇｓｐｅｃｔⅢｍ．ＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｅｍｒｍａｎｃｅｔｅＳｔ怕ｓｕＩｔｓ

ａｒｅ０ｆｄｉ仟ｅｒｅｎｔｐａｒｔｓＯｆｔｈｅｓｐｅｃｔｒｕｍ，ｉｍａｇｉｎｇｒｅｓｕＩｔｓＯｆｔｈｅｗｈＯｌｅＳｙｓｔｅｍ，ａｎｄｔｈｅｄｉｓｃｕｓｓｉＯｎ

ａｖａｉｌａｂｌｅ．ＯｎｔｈｅｓｅｒｅｓｕＩｔｓａｎｄｔｈｅｄｅｖｅＩｏｐｍｅｎｔｏｆｔｔｌｉｓｓｙｓｔｅｍａＩｓＯ

Ｍａｉｎ∞ｎｔｅｎｔｓ０ｆｔｈｉＳｐａｐｅｒａｒｌｅａｓｆ０¨Ｏｗｓ：

ＦｉｒｓｔＩｙ，ｍａｉｎＩｙｏｎｔｈｅ州ｎｃ．ｐＩｅＯｆｎｕｃＩｅａｒｍａｇｎｅｔ．ｃ陀ｓｏｎａｎｃｅ，ｔｈｅｐｒ．ｎｃ．ｐＩｅｏｆ

ａｎｄｔｈｅｍａｇｎｅｔｉＣｒｅｓＯｎａｎｃｅｉｍａｇｉｎｇ，ｓｔｒｕｃｔｕ旧ｏｆｍａｇｎｅｔｉｃ陀ｓＯｎａｎＣｅ

ｉｍａｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．

Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｍａｉｎＩｙｏｎｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔａｎｄｂａｓｉｃｐｒ－ｎｃｉｐＩｅｓｏｆＡＲ【Ｍａｎｄｂｒ－ｅｆＩｎｔｒｃＩｄｕｃｔｉＯｎＳｔＯＳｏｍｅｒｅｌｅｖａｎｔＳｏｆｔｗａｒｅｓ．Ｔｈｉｒｄｌｙ，ｍａｉｎｌｙＯｎｔｈｅｄｅＶｅｌＯｐｍｅｎｔｐｒ０ＣｅｓｓＯｆｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｓｐｅｃｔｒｕｍ，ａｎｄｍａｋｅ

ｄｅｓｉｇｎＯｆｂｏｔｈｔｈｅｍＯｔｈｅｒｂｏａｒｄｄｅｓｃｒｉｐｔｉＯｎＯｆｈａｎｄｖｖａｒｅｄｅｓｉｇｎａｎｄ

ａｎｄｓｏｆ№ｒｅｔｈｅ∞ｒｅｂＯａｒｄ．

０ｎｔｈｅＦ０ｕｒｔｈＩｙ，ｍａｉｎＩｙｐｅｒｌ．ｃＩｒｍａｎｃｅｔｅｓｔｒｅｓｕＩｔｓＯｆｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｄｅｂｕｇｇｉｎｇ

Ｏｎｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ，ｅｘｉｓｔＩｎｇｐｒｏｂＩｅｍｓａｎｄｅｘｐｅＣｔａｔｉｏｎｓｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ．

ＫｅｙＷ０ｒｄ：

ＮＭＲ，Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ＇ＡＲＭ，ＦＰＧＡ６

第一章绪论

核磁共振发展与现状１１ｌ

核磁共振（Ｎｕｃｌｅ盯Ｍａ皿ｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅ，ＮＭＲ）是１９４５年发展起来的一种新技术，在短短五十几年里飞速发展，显示了极大的生命力。

１９４６年，美国哈佛大学的珀塞尔和斯坦福大学的布洛赫宣布，他们发现了核磁共振Ｎ胀。

两人因此获得了１９５２年诺贝尔奖。

核磁共振是原子核的磁矩在恒定磁场和高频磁场（处在无线电波波段）同时作用下，当满足一定条件时，会产生共振吸收现象。

核磁共振很快成为一种探索、研究物质微观结构和性质的高新技术。

目前，核磁共振已在物理、化学、材料科学、生命科学和医学等领域中得到了广泛应用。

早期核磁共振主要用于对核结构和性质的研究，如测量核磁矩、电四极距、及核自旋等，后来广泛应用于分子组成和结构分析，生物组织与活体组织分析，病理分析、医疗诊断、产品无损监测等方面。

２０世纪７０年代，脉冲傅里叶变换核磁共振仪出现了，它使Ｃ１３谱的应用也日益增多。

用核磁共振法进行材料成分和结构分析有精度高、对样品限制少、不破坏样品等优点

核磁共振成像技术是核磁共振在医学领域的应用。

最早的核磁共振成像（Ｍａ弘ｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅＩｌｎａｇｉｎｇ，ＭＲＩ）实验是由１９７３年劳特伯发表的，并立刻引起了广泛重视，短短ｌＯ年间就进入了临床应用阶段，并已成为临床诊断的常规手段。

与１９０１年获得诺贝尔物理学奖的普通Ｘ射线或１９７９年获得诺贝尔医学奖的计算机层析成像（ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｃｄｔｏｍｏ黟ａｐｈｙ＇ＣＴ）相比，磁共振成像的最大优点是它是目前少有的对人体没有任何伤害的安全、快速、准确的临床诊断方法，如今全球每年至少有６０００万病例利用核磁共振成像技术进行检查，ＭＲＩ已经成为一个很大的产业和研究领域。

在我们国家ＭＲＩ谱仪的普及还有很大的发展空间。

由于ｍＩ系统比较昂贵，其核心技术多为国外厂商掌握，因此开展相关的研究工作对于ＭＲｊ在我国的普及具有积极的意义，同时社会需求也对技术书进步起到了很大促进作用。

论文研究的主要内容

本文提出一种基于ＡｌⅣ的一体化核磁共振谱仪的设计方案，整个谱仪系统中包括了数字化频率源部分，数字接收机部分，梯度波形发生器部分，脉冲序列控制９

模块以及计算机控制部分，采用Ａ跚和ＦＰＧＡ作为核心控制器件。

用一块ＡＲＭ９系列的芯片做微处理器来协调系统各部分工作，包括键盘，ＬＣＤ以及与网络接口。

在ＦＰＧＡ：

中使用了较为新颖的ＦＩＦＯ模块构思来保证在只有一组总线的前提下，系统各部分能够同时协调的工作，并且满足较快的脉冲序列的需要。

在开源的ｌｉ舢ｘ的环境下进行整个系统的开发，节省了开发费用。

一体化谱仪系统分为母板和核心板两部分，底板包括各个功能模块，而核心板包括Ａ跚及其相关的ＳＤＩ屯ＡＭ和ＦＬＡＳＨ，可以自由插拔，方便程序调试及软件升级。

系统与电脑利用网线通讯，在后期的制作中可以实现电脑对系统的远程控制。

第二章磁共振基本原理

２．１核磁共振的基本原理１２ｌ

原子核具有自旋角动量和磁矩，磁矩和磁场在外磁场中相互作用形成一组能级，当外加射频场作用下就能产生核磁共振现象。

原子核除具有电荷和质量外，许多原子核还具有自旋角动量Ｐ，它与相应的磁偶极矩∥之间关系为∥＝７Ｐ（ｙ为旋磁比）。

原子核的自旋角动量是量子化的，核磁矩也是量子化的。

以Ｂｏ的方向为ｚ轴的正方向，则核磁矩的大小为：

∥＝肪√，（，＋１）（２・１）

Ｉ的值可以是零、整数或半整数。

按照量子力学原理，自旋角动量在ｚ方向的分量为

ｐ：

＝所，壳（２－２）

其ｍＩ为Ｉ，Ｉ．１，Ｉ．２，……，．Ｉ＋ｌ，．Ｉ中的某一值。

按经典电磁学理论，旋转电荷可以看成是在环路上运动的电流，原子核既有电荷又有电流，原子核既有电荷又有自旋，因此也就有相应的磁偶极矩ＩＩ，它和角动量Ｐ的关系为：

（２—３）面：

炉

这里丫称为旋磁比（ｇｙｒｏ．ｍａ盟ｅｔｉｃｒ撕ｏ），值可正可负，这是核的本性所决定的。

共振现象普遍存在于自然界中。

对于原予核来说，其共振频率是由原子核的特性和磁场强度共同决定的。

对于Ｎ腿来说，被激励的对象是氢原子核。

在静磁场中，常温下，沿主磁场排列（低能态）的质子数目较逆主磁场排列（高能态）的质子稍多一些（约多１０一６量级）。

ｌＯ

从微观上看，共振的效果就是使得质子在这两种能态之间发生跃迁，产生共振信号所需的能量就是两个能态之差。

当在Ｉ，ａ咖０ｒ频率上施加射频场时，被激励的质子就从低能态跃迁到高能态，发生核磁共振。

当然，射频场的频率必须和质子进动的Ｌ黝０ｒ频率相同，并且施加射频脉冲的方向要与主磁场Ｂｏ方向垂直。

当质子群体受到射频脉冲激发时，就会发生核磁共振。

从宏观上看，磁化矢量Ｍ不再与原来的主磁场Ｂｏ平行，它的方向就会偏离原来的平衡状态。

变化的程度取决于所施加射频脉冲的强度（通常用Ｂｌ表示）和时间ｔｐ，施加的射频脉冲越强，持续时间越长，Ｍ偏离其平衡状态（平行于Ｂｏ方向）越远。

当样品受到频率与能级相匹配的射频场照射之后，占据低能级的原子核将发生跃迁。

而持续的射频场照射可以使得两能级粒子数目相等，这就是所谓的“饱和现象”。

停止射频场照射后，能级上粒子分布将回到其原始状态。

在这个过程中，原子核体系对外发射无线电波。

用量子力学来描述核磁共振，当将将核磁矩置于沿ｚ轴的静态磁场ＨＯ中，磁矩ｐ与ＨＯ将有相互作用能，能量算符为

聋＝一乃・厶ｋ＝—∥料ｏＬ

Ｅｍ＝＜Ｉ，ｍＩ笺ＩＩ，ｍ＞＝．一ｍＨｏｍ

其中ｍ＝Ｉ，Ｉ—ｌ，Ｉ．２，……，．Ｉ＋ｌ，．Ｉ，总共２Ｉ＋１个能级。

（２－４）（２－５）

Ｅｍ－ｌ—Ｅｍ；¨Ｈｏ

正比。

（单核模型）（２・６）（２．６）表示能级的间距与ｍ值无关，即能级是等距的，其间距与磁强强度Ｈｏ成为了观测能级间粒子的跃迁，在垂直于Ｈｏ方向加一射频场（１Ⅻｉｏ．脚ｅｎｃｙ

Ｈ’＝２Ｈｌｃｏｓ（２ｖ７ｃｔ），则能量算符：

ｆｉｅｌｄ’ＲＦ）：

Ｉ咭一乃・日．＿一２Ｈｌ∥，ｃｏｓ（２石订）＝—２月’ｌ儿ｃｏｓ（２万订）

单位时间跃迁几率为：

ｐ衄，＝丫２Ｈ１２Ｉ＜ｍ’｜ＩｘＩｍ＞１２６（ｖ蛐’．ｖ）

其中：

１ｍ’Ｊｊｌ。

（２—７）．．‰＝竿＝掣掣２万㈣，Ｕ。

６Ｊ

从６（ｖ衄［ｎ’．ｖ）可知，只有当ｖ１Ｈｏ／２７ｃ时，不为零。

这称为“共振条件”，ｖ０１Ｈ以冗称为共振频率（ＲｅＳｏｎａｎｃｅＦｒｅｑｕｃｎｃｙ），共振条件：

Ｖｏ可Ｈｏ／２兀。

以上只考虑单个粒子的行为，实际上样品是含有大量核的宏观体系，核自旋在各能级上的分布遵从Ｂｏｈｚｍ姐分布：

１

％＝主∥船。

一目／（２—９）

’当加上Ｉ强场时，低能级粒子吸收能量跃迁到高能级，同时高能级粒子释放能量跃迁到低能级，净结果是上跃多于下跃，表现为吸收谱。

在射频场诱导跃迁作用下，上下两个能级的布居最后会趋于相等，此即饱和现象。

然而只有射频场的作用兵不能全面地反映ＮＭＲ的跃迁过程，还有另一种过程（即弛豫过程）在起作用。

前者起“驱动＂作用，把自旋体系从平衡态变为非平衡态，而后者则把自旋体系再从非平衡态恢复到平衡态。

弛豫过程分为两类：

一类是核自旋之间进行内部的能量交换，而保持整个自旋体系的能量不变，称为自旋－自旋弛豫。

另一类是自旋和晶格之间交换能量，称为自旋．晶格弛豫。

从不平衡态恢复到原来平衡状态所需的时间则称之为弛豫时间（Ｒｃｌａ】【ａｔｉｏｎＴｉｌ粥）。

有两种弛豫时间，一种是自旋．晶格弛豫时间（ＳｐｎｌａｔｔｉｃｅＲｃｌａ）【ａｔｉｏｎｎ呲）又称纵向弛豫时间（Ｌ０ｎ西伽ｉＩｌａｌＲｅｌａｘａｔｉｏｎＴｉｍｅ），反映自旋核把吸收的能量传给周围晶格所需要的时间，也是９００射频脉冲质子由纵向磁化转到横向磁化之后再恢复到纵向磁化激发前状态所需时间，称Ｔｌ。

另一种是自旋一自旋弛豫时间（ｓｐｉｌｌ．ＳｐｉｎＲｅｌａＸａｔｉｏｎＴｉｍｅ），又称横向弛豫时间（Ｔｒａｎｓｖｅ璐ｅＲｅｌａＸａｔｉｏｎＴｉｍｅ）反映横向磁化衰减、丧失的过程，也即是横向磁化所维持的时间，称Ｔ２。

Ｔ２衰减是由共振质子之间相互磁化作用所引起，与Ｔｌ不同，它引起相位的变化。

２．２．磁共振成像基本原理…３】１４ｌ嘲

磁共振成像是利用原子核在磁场内共振所产生信号经重建成像的一种成像技术。

人体不同器官的正常组织与病理组织的Ｔｌ是相对圆定的，而且它们之间有一定的差别，Ｔ２也是如此。

这种组织间弛豫时间上的差别，是ＭＲＩ的成像基础。

有如ｃＴ时，组织间吸收系数（ＣＴ值）差别是ＣＴ成像基础的道理。

但Ｍ赳不像ＣＴ只有一个参数，即吸收系数，而是有Ｔｌ、Ｔ２和自旋核密度（Ｐ）等几个参数，其中Ｔｌ与Ｔ２尤为重要。

因此，获得选定层面中各种组织的Ｔｌ（或Ｔ２）值，就可获得该层面中包括各种组织影像的图像。

ＭⅪ的成像方法也与ＣＴ相似。

有如把检查层面分成Ｎｘ，Ｎｙ，Ｎｚ……一定数量的小体积，即体素，用接收器收集信息，数字化后输入计算机处理，获得每个体素的Ｔｌ值（或Ｔ２值），进行空间编码。

用转换器将每个Ｔ值转为模拟灰度，而重建图像。

利用灰度值把Ｎｍ参数（自旋密度ｐ，弛豫时间Ｔｌ，Ｔ２等）作为空间坐标的函数表示出来。

根据上面提到的ＮＭＲ条件‰＝ｙ玩，如果不考虑化学位移，Ｊ１２

耦合等因素，样品中同一种原子核的在静磁场中的共振是一样的。

根据ＮＭＲ基本原理，处于均匀磁场Ｂｏ中的自旋体系，其共振频率为％２７％，由于主磁场是均匀的，所以不能得到物体在空间分布的信息。

在均匀磁场上叠加线性梯度场，可以建立空间位置坐标与共振频率之间的关系。

为了得到成像区域任意点的空间信息，需要在主磁场上叠加三个彼此正交的梯度磁场Ｇｘ、Ｇｙ和Ｇｚ，分别用于层面选取、相位编码和频率编码。

此时成像空间某一体元的共振频率为

‰＝７（风＋ｘＧ。

＋Ｊ，Ｇ，＋ｚＧ：

）（２一ｌＯ）

目前在ＭＲＪ中，傅立叶成像占主流，而不用劳伯特的投影重建。

这样就使Ｍ魁从物理机制及图像重建都区别于ＣＴ，超声等成像技术。

傅立叶成像克服了投影重建技术中投影点分布不均，高频成分精度低误差大，使图像细节不清楚的缺陷。

傅立叶成像技术的原理可以用下图２．１来解释，当仁０时通过９００脉冲产生ＦＩＤ信号，在它衰减的过程中，相继加三个正交线性梯度，当仁恢坶时采样。

对于三维像，如果有Ｎ幸Ｎ木Ｎ个像素的体元要采集Ｎ２个ＦｌＤ信号，每个ＦＩＤ信号采Ｎ个点。

然后，通过三维傅立叶变换就得到了图像。

对于常用的二维成像，我们无须对整个样品进行成像，只需先在某一方向上加一线性梯度场，用频带非常窄的射频脉冲激发（选择激发），它只激发垂直梯度场的某一很薄的层。

然后，相继在另外两个方向加梯度磁场。

三个方向的梯度磁场分别被称为层面选择梯度，相位编码梯度和频率编码梯度。

并且相位编码梯度方向不是步进时间而是步进梯度的强度。

这样既可以节约成像时间也保证了本征弛豫引起的信号衰减对每次扫描都相同。

∞９躲冲

瓴ｑＧｔ

Ｄ岛参幅

图２—１傅立叶成像技术原理示意图

２．２．１层面选择

在ＭＲＩ中，层面可以任意选择。

即层面取向、层面位置，层面厚度等可以任意选择。

通常靠磁场梯度脉冲和特殊形状的ＲＦ脉冲结合起来，作用于组织，来激发

所要求的层面。

在ｚ方向施加梯度后，沿ｚ轴的各层面上质子的进动频率可以表示为、

。

Ｉ

Ｚ

▲～

～Ｚｔ～、

＼

Ｌ

７

Ｂ

】勤

——ｉ＿一

－

图２．２层面选择的原理

哆＝厂（玩＋ｚＧ：

）（２．１１）

可知蛾为ｚ坐标的函数，即垂直于ｚ轴的所有层面均有不同的共振频率，而对每个层面（ｚ坐标一定）来说，层面内所有质子的共振频率均相同。

这时用一个宽带脉冲实施激发，就可能选中多个层面甚至所有层面，这与我们的愿望不符。

因此，必须选用窄带脉冲进行激发，才能实现每次只激发一层，即达到层面选择的目的。

如图２．２所示，设成像层面位于ｚｉ处，层面厚度为△ｚ，则所需的激发脉冲应满足式（２．１２）和（２．１３）。

缈，＝７（风＋ｙＧ，）（２一１２）

△缈＝△ｚｑ（２－１３）

式（２．１２）中的纨为射频脉冲的中心频率，△缈为其带宽。

图２．３所示的是层面厚度与选择梯度以及脉冲带宽之间的关系。

１４

２．２．２相位编码

所谓相位编码，就是先利用相位编码梯度磁场造成质子有规律的进动相位差，然后利用此相位差来标定沿相位编码方向的空间位置。

如图２４所示

在ｙ方向上施加梯度后，沿ｙ轴的各层面上质子的进动频率可以表示为

ｑ＝７（玩＋ｙｑ）（２－１４）

Ｇｚｚ

∞

△国／Ｇ：

ｚ

血ｌ业２ｚ图２－３层面厚度、选择梯度以及脉冲带宽之间的关系

９＿Ｄｘｉ

荔势‘’’域

ＲＦ

》・。

Ｔｘ◆

缓阮：

。

蒯

ｇｘ

Ｂ

图２—４相位编码示意图

设相位编码梯度的持续时间为ｔｙ，则ｔｙ时间后沿ｙ轴的各层面上质子的进动相位可以表示为

办＝ｑ０＝７（占ｏ＋ｙＧｙ）ｆ），（２—１５）

由式（２一１５）可以看出，在Ｇｙ的作用下，信号中已经包含了沿ｙ方向的位置信息。

在ｔ＝ｔｙ时刻，相位编码梯度关断，此时各层面质子再次置于相同的外磁场中，其进动频率均恢复至Ｇｙ作用前的数值。

但是Ｇｙ所导致的进动相位差却被保留下来，这样就可以对各层面进行相位标定，从而识别空间位置。

１６

２．２．３频率编码

所谓频率编码，就是利用梯度磁场造成相关方向上各磁化矢量进动频率的不同，并以此为根据来标记空间位置，如图２．５所示。

Ｙ

Ｘ

∞上＇，、∞Ｚ∞

图２．５频率编码示意图

在ｘ方向上施加梯度场Ｇｘ，使成像层面中频率编码方向上各层面的质子位于不同的场强中，其进动频率可以表示为

ｑ＝，（玩＋ｘｑ）（２一１６）

可以看出，在Ｇ。

的作用下，信号中已经包含了沿ｘ方向的位置信息，通过傅立叶变换即可将位置信息分离出来。

２．２．４Ｋ空间简介

对于傅立叶成像，观测信号的表达式如下：

ｓ（ｆ）＝ＪＪｐ（工，ｙ）ｅＸｐ［纱（ｑ射＋毋ｙ弓）】出咖（２—１７）

我们对ｋ空间定义如下：

１７

ｋｘ＝ｙｌＧｘＱ、）ｄｆ

２

ｋｙ＝ｙｌＧｙＱ、）ｄｌ。

（２．１８）

代入上式如下，

ｓ（ｆ）＝¨ｐ（ｘ，ｙ）ｅｘｐ【ｆ（后Ｊ工＋七，ｙ）】姗（２—１９）

我们知道Ｓ（ｔ）与质子密度ｐ（ｘ，ｙ）为傅立叶变换对，因此Ｓ（ｔ）与ｐ（ｘ，ｙ）也可以通过傅立叶变换联系起来。

其中由Ｋ：

，，构成的坐标系被称为Ｋ空间（原始数据空间），根据Ｋ的表达式我们可以看出它代表的就是空间频率。

对Ｋ空间的数据进行傅立叶变换就得到了一幅图像，Ｋ空间中每个数据点对图像都有不同的贡献。

实际采样时，每一次相位编码代表了Ｋ空间的一行数据，而每一行的数据点数就对应于频率编码方向的采样点数。

由于Ｋ空间中间的数据对应梯度场较小的时刻，因此信号幅度较大，主要反映图像的对比度。

Ｋ空间周围的数据对应于梯度较大的时刻，其信号幅度较小。

但是，由于在这些区域强梯度场能使核自旋产生更大的相位差，信号中包含更多质子的位置信息，因此代表了更多图像的细节部分。

Ｋ空间中ｌ（】【方向的数据一般由回波采得因此具有对称性，同样由于Ｋｙ方向的相位编码也具有对称性，因此Ｋｙ方向的数据也有对称性。

Ｋ空间的这一特点被称为共轭对称性。

Ｋ空间的这一特性对于减少采样点或相位编码次数从而提高成像速度是很有意义的。

半傅立叶技术【１４】以及半回波技术就是基于Ｋ空间这个特点的。

但是Ｋ空间的这种对称性依赖于磁场的均匀性，梯度的线性度及无磁化率伪影等。

因此，在实际情况中只采集部分Ｋ空间数据会影响图像的质量，想要获得高质量的图像还是必须扫描整个Ｋ空间。

２．３基本脉冲序列

在核磁共振成像中把产生一个图像的步骤叫做脉冲序列。

临床上最常用的序列都是采集回波信号来代替ＦＩＤ信号。

这是因为射频脉冲刚结束的时候磁共振谱的基线会有跳动，这时候采集到的ＦＩＤ前几个点可能会有很大误差。

采用回波技术就可以避免这个问题。

最常见的序列就是自旋回波（ＳｐｉＩｌＥｃｈｏ）序列如图２．６所示和梯度回波（ＧｒａｄｉｅｎｔＥｃｈｏ）序列如图２．７所示。

在图２－６所示的基本单层面自旋回波脉冲序列中，９００ＲＦ软脉冲和梯度脉冲同

时作用于样品就可以激发一个层面。

此后，这个层面上的横向磁化矢量由于磁场的不均匀以及Ｔ２弛豫的作用下开始做散相运动。

经过ＴＥ／２时间后把１８００脉冲和梯度脉冲作用于同一层面就使该层面散开的横向的磁化矢量开始再聚焦再经过ＴＥ／２时间后得到回波，１８００脉冲只能汇聚磁场不均匀引起的散相，而对于Ｔ２弛豫引起的散相是没有作用的。

ＴＥ称为回波时间，ＴＲ称为重复时间，即这个脉冲序列重复一次所经历的时间。

在自旋回波序列中使用不同的ＴＥ，ＴＲ时间可以产生三种不同对比度的像：

自旋密度像，Ｔｌ加权像，Ｔ２加权像。

Ｇｓ』≯口ｊ≯——一够ｊ≯ｂｏ，—ｏ§—ｏ二—刊●Ｑ—毒√］—０———正ｐ—一够—毒—一

Ⅺ——一撇————◆■——一撇———＿’倍Ｌｌ尘———Ｉ———＿叫５—ｌ—一！

ｌ

÷●———————————————————一１要—————————————————————鼻

图２—６：

白罅同油序万ＩＩ

如图２．７，梯度回波是１９８５年才提出的新概念，其基本思想就是通过反转梯度而不是用１８００脉冲来形成回波。

先在频率编码方向上施加一个脉冲使磁化矢量相，再利用一个同样面积但是方向相反的梯度使磁化矢量聚相形成回波。

梯度回波中的激发脉冲可以不是９００，允许小角度激发。

因此在ＧＥ序列中ＴＲ时间可以大大缩短有利于提高成像速度，而且由于不使用１８００脉冲并且激发角度可以小于９００射频功率沉积也大大降低了。

但是，在梯度回波序列中由于磁场不均匀和磁化率不均匀引起的相移不能被重聚。

１９

信三一．｜＿一一—全—————三—土ｉ卜＿｛豫０＿

图２．７：

梯度回波序列

２．４磁共振成像系统的基本结构

磁共振成像（ＭＲＪ）系统的基本结构，主要包括磁体部分、谱仪部分、计算机部分。

其中谱仪部分又可以细分为射频发射单元、信号接收单元、脉冲梯度单元和脉冲序列控制单元。

２．４．１磁体部分‘１１叫

磁体部分包括主磁体、射频线圈、梯度线圈和匀场线圈。

用于磁共振成像的磁体可分为永磁型、常导型和超导型。

永磁体一般由多块永磁材料拼接而成，磁铁块的排布既要构成一定的成像空间，又要达到磁场均匀度尽可能高的要求。

另外，磁体的两极须用磁性材料连接起来，以提供磁力线的返回通路，从而减少磁体周围的杂散磁场。

永磁型磁体的缺点是场强低，磁场均匀性差，磁体对温度变化非常敏感。

优点是结构简单、造价低、磁场发散少和维护费用低。

常导型磁体实际上是某种类型的空芯电磁铁，利用线圈中的电流来产生磁场的。

常导型磁体的缺点是功耗大，需要专门的电源供电，还需要冷却系统，因此运行费用高。

优点是结构简单、