核磁共振实验教材.doc

文档介绍：第五章核磁共振实验核磁共振在生物医学化学和物理学有广泛的应用,核磁共振的应用实验原理及实验方法成为相关领域必不可少的教学内容。过去由于进口核磁共振本身价格昂贵仪器操作复杂核磁共振一直没有纳入相关的实验大纲。最近几年国产核磁共振教学仪器的发展已经能使小尺寸的核磁共振成像系统在本科教学实验中普及。教学仪器本身具有的开放性和可拆卸性是进口仪器所不能替代的。这些实验可以让学生直观的了解核磁共振技术的实现过程,为今后操作使用以及核磁共振仪的生产打下坚实的基础。本章从基本的连续核磁共振实验开始了解核磁共振最基本的共振现象。尔后脉冲核磁共振实验了解各脉冲序列的原理和脉冲核磁共振的实验方法对今后了解成像及谱仪的工作原理有重要的认识。之后在核磁共振成像实验(上)中了解核磁共振成像SE序列的成像原理及图像重建的数学处理方法,为今后学生毕业后自行操作仪器及编译脉冲序列打下一定的基础。之后在核磁共振成像实验(中)对各种伪影产生的机理和脉冲参数设置对图像的影响产生一定的认识。最后核磁共振成像实验(下)中进行自主提高性实验,如三维核磁共振成像观察切割的组织或小动物的器官等,也可以自行编辑IR序列并自行对实验采集数据进行处理,如采用伪彩色处理等。本章的实验均在国产教学仪器中完成。第一节基础理理论一、Bloch方程:1946年Bloch采用正交线圈感应法观察水的核磁共振信号后就根据经典理论力学推导出Bloch方程建立核磁共振的唯象理论。长久以来大量的实验表明Bloch方程在液体中完全精确,同时还发现Bloch方程在其他能级跃迁理论也高度吻合,比如激光的瞬态理论中Bloch方程同样适用。所以Bloch方程已经超越了半经典的陀螺模型,现在已经推广到磁共振以外的能级跃迁系统。在激光物理中采用密度矩阵和Maxwell方程组推导出Bloch方程又称为Maxwell-Bloch方程(有的书称为FHV表象理论)。所以Bloch方程促进了量子力学的发展是非常重要的公式。由于Maxwell-Bloch方程推导涉及高等量子力学和量子电动力学等复杂的理论和繁琐的数学基础所以本文采用Bloch半经典的唯象理论。:将原子核等效为角动量为?L的陀螺和具有磁矩为L?????磁针。其中?称为旋磁比。原子核在外磁场作用下受到力矩BT??????(5-1)并且产生附加能量BE?????(5-2)根据陀螺的力学原理TdtLd???和L?????得Bdtd????????(5-3)其分量式)()()(yxxyzxzzxyzyyZxBBdtdBBdtdBBdtd??????????????????(5-4):驰豫过程是原子核的核磁矩与物质相互作用产生的。驰豫过程分为纵向驰豫过程和横向驰豫过程。纵向驰豫:自旋与晶格热运动相互作用使得自旋无辐射的情况下按)Ttexp(1?由高能级跃迁至低能级,1T称为纵向驰豫时间。横向驰豫:核自旋与核自旋之间相互作用它使共振的能量传递到没有共振的原子核使得自发辐射信号按)Ttexp(2?衰减,而同时系统的能量却没有减少,2T称之为横向驰豫时间。(4)式改为1022)()()(TBBdtdTBBdtdTBBdtdzzyxxyzyxzzxyxzyyZx??????????????????????????(5-5)其中0z?是原子核在平衡状态下的位置。(5-5)式称为Bloch方程。二、Bloch方程的解:,若将B0场的方向定义为Z轴方向,那么Bx=0,By=0。把以上条件代入(5-4)式得000????dtdBdtdBdtdzxyyx???????(5-6)解线性微分方程组得:ctBtBzyx???????????????)sin()cos(00以上解的物理意义是在无驰豫状态下原子核绕Z轴以角频率0B?旋转进动。以下为了求解方便,设置一个旋转频率与进动频率00B???相同的旋转坐标系,且新坐标系下的矢量为zyxzyxBBBzyx?????????,,,,,,,,???,在旋转坐标系下,有以下变换关系:zzyxyyxxtttt????????????????????0000cossinsincoszzyxyyxxBBtBtBBtBtBB????????0000cossinsincos????把以上两组关系式代入(5-5)得:102x02y0)()()(TBBdtdTBBdtdTBBdtdzzyxxyzyxzzxyxzyyZx??????????????????????????????????????????????再把0???zB代入化简得:1022)(TBBdtdTBdtdTBdtdzzyxxyzyzxyxzyx??????????????????????????????????(5-7)(连续核磁共振)