兩種不同核磁共振儀器的比較

王禮,蓋立平,丁曉東,王桂蓮,孫福伯

大連醫科大學 物理教研室,遼寧 大連 116044

兩種不同核磁共振儀器的比較

王禮,蓋立平,丁曉東,王桂蓮,孫福伯

大連醫科大學 物理教研室,遼寧 大連 116044

目的本文旨在幫助學習者全面認識目前開設的磁共振實驗所用到的兩種不同磁共振儀器.方法對兩種儀器構造、所開設實驗項目及實驗儀器特點3方面進行了詳細的對比分析.結果核磁共振實驗儀構造比較簡單,采用掃場的方法進行磁共振信號的觀察測量,可擴展性差,進行實驗數目少;而HT-3DNMR-25磁共振成像儀結構較復雜,不僅能夠觀察磁共振信號,測量弛豫時間T1與T2,而且引入了梯度磁場,能夠對樣品進行二維或三維成像,擴展性強.結論兩種磁共振設備結合使用,既觀察磁共振現象又進行醫學磁共振成像.

核磁共振;磁共振成像;NMR實驗;自由感應衰減信號

引言

從上個世紀40年代起,核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)作為一種物理現象被廣泛的研究,并開始在物理、化學以及醫學領域應用.60年代Jasper Jackson將NMR用于生物實驗并得到活體動物的核磁共振信號.隨后Lauterbur等人引入梯度場得到了第一幅磁共振成像的影像.磁共振成像不僅是具有核磁共振成像功能的設備,又是一項功能強大的無創成像方法[1-2],是繼CT后醫學影像學的又一重大進步.

針對醫學影像學專業和醫學影像技術專業需求,實驗室開設了核磁共振實驗儀與HT-3DNMR-25磁共振成像儀兩種不同的磁共振儀器的實驗.對于磁共振原理,專業書籍都有從經典物理、量子物理角度詳細闡述.但就兩種不同儀器很少有橫向的對比.本文該兩種儀器從實驗儀器構造、可進行實驗項目、儀器特點等方面一一進行橫向對比研究,最后對影像實驗室建設方面提出一些建議.

1 磁共振實驗重要性

磁共振理論抽象,硬件結構復雜,數據采集和處理過程,圖像處理過程深奧,實驗操作需要牢固的數學、數字信號處理、核物理學、電子技術以及計算機技術的知識.初次接觸磁共振成像理論,想完全理解非常困難.磁共振成像基礎講授初期學生們對磁共振成像比較新奇有趣,極力想知道是怎么回事,同學們都能聽懂跟的上.在磁共振原理之后,約有1/3聽不懂,課程結束后約有1/2仍是似懂非懂.其實磁共振理論是環環相扣的,理論、技術、軟件、硬件相互交融.若只是對知識聽懂還遠遠不夠,需要對其有深刻理解,才可以完成后續內容[3].這種深刻理解不只靠理論教學還需要來進行實驗.

2 兩種磁共振設備構造、所開實驗項目及實驗儀器特點比較分析

2.1 儀器構造比較

核磁共振實驗儀裝置圖,見圖1.其中磁鐵用來產生恒定磁場,是磁共振儀的關鍵,要求磁場穩定和均勻.邊限振蕩器產生射頻場,提供一個垂直于穩恒外磁場的高頻電磁場,同時也將探測到的共振電信號放大后輸出到示波器,邊限振蕩器的頻率由頻率計讀出.繞在永磁鐵外的磁感應線圈用來提供一個疊加在永磁鐵上的掃場.實驗采用掃場方法來進行現象觀察與測量.

圖1 核磁共振實驗儀框圖

而HT-3DNMR-25核磁共振成像儀系統框圖,見圖2[4].磁場強度為0.5 T.與核磁共振實驗儀相比,該核磁共振成像儀更集成化,功能化.信號更穩定,操作起來更容易、便捷.

圖2 核磁共振成像儀系統框圖

2.2 所開設實驗項目比較

核磁共振實驗儀是通過掃場法來觀察磁共振現象,需要入射電磁場的頻率連續變化來滿足一定條件出現磁共振現象.兩儀器比較,見表1.從表中看出,可以觀察硫酸銅水溶液,氟碳,三氯化鐵等樣品磁共振現象,測共振頻率,計算氫核、氟核的旋磁比與朗德因子.但這種連續法會導致頻率分辨率下降,不能測量弛豫時間.還有操作中磁鐵的磁場強度還會隨環境溫度的變化而變化,都造成了觀察現象比較困難[9].調節要緩慢,否則信號一閃而過.

用HT-3DNMR-25磁共振成像儀可開展的實驗比較多.不僅能夠觀測到樣品磁共振信號,而且還可以測量T1,T2,甚至可以做簡單樣品(大蒜、花生米、蘆薈等)的三維成像.磁共振成像系統更加先進,增加了磁體恒溫系統,可使共振頻率更穩定,操作起來更加簡單,也能迅速激發學生對實驗的興趣.另外通過成像儀操作界面來完成共振頻率、勻場梯度電流、脈沖寬度、脈沖間隔、重復時間、樣品二維或三維磁共振成像記錄等參量設置[9-16].

表1 兩種磁共振設備對比

2.3 儀器特點比較

核磁共振儀構造比較簡單,可以進行共振信號的觀察,共振頻率、旋磁比、g因子等的測量.所開展的實驗也比較少,也比較簡單,擴展性不強.信號為模擬信號,且容易受外界溫度影響而不易找到.

HT-3DNMR-25磁共振成像儀系統比較龐大,加入了磁體恒溫系統,使共振頻率更加穩定;增加了X方向、Y方向梯度場使成像成為可能;通過系統所配軟件來進行觀察測量,實現樣品二維或三維成像,另外還可以編程擴展出更多的實驗,來滿足不同層次實驗教學要求.

3 結束語

本文對核磁共振儀與HT-3DNMR-25磁共振成像儀兩種儀器通過在實驗儀器構造,實驗項目及儀器特點進行橫向對比,結果發現核磁共振實驗儀比較簡單,開放程度高,可開設實驗項目數少.信號穩定性差,容易受環境溫度影響,需要有豐富的操作經驗.而HT-3DNMR-25磁共振成像儀構造復雜,信號穩定性好,界面友好,操作簡單.可以開設實驗項目數多,不僅能夠觀察磁共振信號,還能夠進行三維成像.所以可兩種磁共振儀結合使用,這樣既可以觀察磁共振現象又可以進行醫學磁共振成像,有助于更好的學習和理解磁共振技術.

同時也注意到了幾個問題:

(1)HT-3DNMR-25磁共振成像儀是做成一體的,集成在一個密閉的鐵箱里,對于操作者來說就是面對一個黑盒子進行鼠標操作,不容易把名稱與零部件對上號.當然這是制造商出于為保護商業機密,把儀器進行集成密封起來,也便于運輸與安裝.今后我們考慮是否能與制造商合作,把設備做的更加開放透明有利于學習磁共振成像知識.二是把醫院淘汰下來的磁共振儀來供影像專業甚至整個臨床醫學專業開放學習.

(2)核磁共振實驗儀需要操作者有豐富操作經驗,熟悉操作中出現問題及解決辦法.測氟碳樣品的磁共振信號時容易出現把幅度較大的氫信號當成氟信號的狀況,但是兩者的共振頻率是不同的.而在磁共振成像儀中,只要把樣品放進去,設置軟件參數,磁共振信號很快出現,這少了操作的過程.

應該說在引進HT-3DNMR-25磁共振成像儀后,實驗室在醫學磁共振成像上有了很大的發展,但在與影像技術專業聯系緊密的其他方面如信號處理過程、圖像重建過程、圖像后處理及相關影響因素等方面做的仍有不足,這也為今后磁共振成像技術實驗室的建設提出了新的要求.

[1] 包尚聯.現代醫學影像物理學[M].北京:北京大學醫學出版社,2004.

[2] 楊福家.原子物理學[M].4版.北京:高等教育出版社,2005.

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本文編輯 王婷

Comparison of Two Different Kinds of Nuclear Magnetic Resonance Instruments

WANG Li, GAI Liping, DING Xiaodong, WANG Guilian, SUN Fubo
Department of Physics, Dalian Medical University, Dalian Liaoning 116044, China

ObjectiveThis paper aimed to help learners to fully understand the two different kinds of nuclear magnetic resonance(NMR) instruments used in the current magnetic resonance experiments.MethodsThe structure, the experimental projects and the characteristics of these two instruments were comparatively analyzed in detail.ResultsThe structure of NMR experimental apparatus was relatively simple, and agnetic resonance signal was observed and measured with sweeping field. However, it had poor scalability, so few experiments could be carried out with it. While HT-3DNMR-25 NMR image instrument had a complex structure,with which not only the magnetic resonance signal could be observed and relaxation times T1and T2could be measured, but also 2D or 3D imaging of the samples could be formed with the introduction of the gradient magnetic field.ConclusionTwo different kinds of NMR instruments should be used in combination. Medical magnetic resonance imaging is established while observing magnetic resonance phenomenon.

nuclear magnetic resonance; magnetic resonance imaging; NMR experiment; free induction decay signal

R312;R445.2

C

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.10.046

1674-1633(2017)10-0166-03

2016-08-11

2016-09-27

作者郵箱:470781673@qq.com