王禮,蓋立平,丁曉東,王桂蓮,孫福伯

大連醫(yī)科大學(xué) 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(yī)科大學(xué) 物理教研室,遼寧 大連 116044

目的本文旨在幫助學(xué)習(xí)者全面認(rèn)識(shí)目前開(kāi)設(shè)的磁共振實(shí)驗(yàn)所用到的兩種不同磁共振儀器.方法對(duì)兩種儀器構(gòu)造、所開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及實(shí)驗(yàn)儀器特點(diǎn)3方面進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析.結(jié)果核磁共振實(shí)驗(yàn)儀構(gòu)造比較簡(jiǎn)單,采用掃場(chǎng)的方法進(jìn)行磁共振信號(hào)的觀察測(cè)量,可擴(kuò)展性差,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)目少;而HT-3DNMR-25磁共振成像儀結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,不僅能夠觀察磁共振信號(hào),測(cè)量弛豫時(shí)間T1與T2,而且引入了梯度磁場(chǎng),能夠?qū)悠愤M(jìn)行二維或三維成像,擴(kuò)展性強(qiáng).結(jié)論兩種磁共振設(shè)備結(jié)合使用,既觀察磁共振現(xiàn)象又進(jìn)行醫(yī)學(xué)磁共振成像.

核磁共振;磁共振成像;NMR實(shí)驗(yàn);自由感應(yīng)衰減信號(hào)

引言

從上個(gè)世紀(jì)40年代起,核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)作為一種物理現(xiàn)象被廣泛的研究,并開(kāi)始在物理、化學(xué)以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用.60年代Jasper Jackson將NMR用于生物實(shí)驗(yàn)并得到活體動(dòng)物的核磁共振信號(hào).隨后Lauterbur等人引入梯度場(chǎng)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(shè)備,又是一項(xiàng)功能強(qiáng)大的無(wú)創(chuàng)成像方法[1-2],是繼CT后醫(yī)學(xué)影像學(xué)的又一重大進(jìn)步.

針對(duì)醫(yī)學(xué)影像學(xué)專(zhuān)業(yè)和醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專(zhuān)業(yè)需求,實(shí)驗(yàn)室開(kāi)設(shè)了核磁共振實(shí)驗(yàn)儀與HT-3DNMR-25磁共振成像儀兩種不同的磁共振儀器的實(shí)驗(yàn).對(duì)于磁共振原理,專(zhuān)業(yè)書(shū)籍都有從經(jīng)典物理、量子物理角度詳細(xì)闡述.但就兩種不同儀器很少有橫向的對(duì)比.本文該兩種儀器從實(shí)驗(yàn)儀器構(gòu)造、可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、儀器特點(diǎn)等方面一一進(jìn)行橫向?qū)Ρ妊芯?最后對(duì)影像實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面提出一些建議.

1 磁共振實(shí)驗(yàn)重要性

磁共振理論抽象,硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,數(shù)據(jù)采集和處理過(guò)程,圖像處理過(guò)程深?yuàn)W,實(shí)驗(yàn)操作需要牢固的數(shù)學(xué)、數(shù)字信號(hào)處理、核物理學(xué)、電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的知識(shí).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(chǔ)講授初期學(xué)生們對(duì)磁共振成像比較新奇有趣,極力想知道是怎么回事,同學(xué)們都能聽(tīng)懂跟的上.在磁共振原理之后,約有1/3聽(tīng)不懂,課程結(jié)束后約有1/2仍是似懂非懂.其實(shí)磁共振理論是環(huán)環(huán)相扣的,理論、技術(shù)、軟件、硬件相互交融.若只是對(duì)知識(shí)聽(tīng)懂還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,需要對(duì)其有深刻理解,才可以完成后續(xù)內(nèi)容[3].這種深刻理解不只靠理論教學(xué)還需要來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

2 兩種磁共振設(shè)備構(gòu)造、所開(kāi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及實(shí)驗(yàn)儀器特點(diǎn)比較分析

2.1 儀器構(gòu)造比較

核磁共振實(shí)驗(yàn)儀裝置圖,見(jiàn)圖1.其中磁鐵用來(lái)產(chǎn)生恒定磁場(chǎng),是磁共振儀的關(guān)鍵,要求磁場(chǎng)穩(wěn)定和均勻.邊限振蕩器產(chǎn)生射頻場(chǎng),提供一個(gè)垂直于穩(wěn)恒外磁場(chǎng)的高頻電磁場(chǎng),同時(shí)也將探測(cè)到的共振電信號(hào)放大后輸出到示波器,邊限振蕩器的頻率由頻率計(jì)讀出.繞在永磁鐵外的磁感應(yīng)線圈用來(lái)提供一個(gè)疊加在永磁鐵上的掃場(chǎng).實(shí)驗(yàn)采用掃場(chǎng)方法來(lái)進(jìn)行現(xiàn)象觀察與測(cè)量.

圖1 核磁共振實(shí)驗(yàn)儀框圖

而HT-3DNMR-25核磁共振成像儀系統(tǒng)框圖,見(jiàn)圖2[4].磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.5 T.與核磁共振實(shí)驗(yàn)儀相比,該核磁共振成像儀更集成化,功能化.信號(hào)更穩(wěn)定,操作起來(lái)更容易、便捷.

圖2 核磁共振成像儀系統(tǒng)框圖

2.2 所開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目比較

核磁共振實(shí)驗(yàn)儀是通過(guò)掃場(chǎng)法來(lái)觀察磁共振現(xiàn)象,需要入射電磁場(chǎng)的頻率連續(xù)變化來(lái)滿足一定條件出現(xiàn)磁共振現(xiàn)象.兩儀器比較,見(jiàn)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(xiàn)象,測(cè)共振頻率,計(jì)算氫核、氟核的旋磁比與朗德因子.但這種連續(xù)法會(huì)導(dǎo)致頻率分辨率下降,不能測(cè)量弛豫時(shí)間.還有操作中磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度還會(huì)隨環(huán)境溫度的變化而變化,都造成了觀察現(xiàn)象比較困難[9].調(diào)節(jié)要緩慢,否則信號(hào)一閃而過(guò).

用HT-3DNMR-25磁共振成像儀可開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)比較多.不僅能夠觀測(cè)到樣品磁共振信號(hào),而且還可以測(cè)量T1,T2,甚至可以做簡(jiǎn)單樣品(大蒜、花生米、蘆薈等)的三維成像.磁共振成像系統(tǒng)更加先進(jìn),增加了磁體恒溫系統(tǒng),可使共振頻率更穩(wěn)定,操作起來(lái)更加簡(jiǎn)單,也能迅速激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣.另外通過(guò)成像儀操作界面來(lái)完成共振頻率、勻場(chǎng)梯度電流、脈沖寬度、脈沖間隔、重復(fù)時(shí)間、樣品二維或三維磁共振成像記錄等參量設(shè)置[9-16].

表1 兩種磁共振設(shè)備對(duì)比

2.3 儀器特點(diǎn)比較

核磁共振儀構(gòu)造比較簡(jiǎn)單,可以進(jìn)行共振信號(hào)的觀察,共振頻率、旋磁比、g因子等的測(cè)量.所開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)也比較少,也比較簡(jiǎn)單,擴(kuò)展性不強(qiáng).信號(hào)為模擬信號(hào),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(tǒng)比較龐大,加入了磁體恒溫系統(tǒng),使共振頻率更加穩(wěn)定;增加了X方向、Y方向梯度場(chǎng)使成像成為可能;通過(guò)系統(tǒng)所配軟件來(lái)進(jìn)行觀察測(cè)量,實(shí)現(xiàn)樣品二維或三維成像,另外還可以編程擴(kuò)展出更多的實(shí)驗(yàn),來(lái)滿足不同層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求.

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)核磁共振儀與HT-3DNMR-25磁共振成像儀兩種儀器通過(guò)在實(shí)驗(yàn)儀器構(gòu)造,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及儀器特點(diǎn)進(jìn)行橫向?qū)Ρ?結(jié)果發(fā)現(xiàn)核磁共振實(shí)驗(yàn)儀比較簡(jiǎn)單,開(kāi)放程度高,可開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)少.信號(hào)穩(wěn)定性差,容易受環(huán)境溫度影響,需要有豐富的操作經(jīng)驗(yàn).而HT-3DNMR-25磁共振成像儀構(gòu)造復(fù)雜,信號(hào)穩(wěn)定性好,界面友好,操作簡(jiǎn)單.可以開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)多,不僅能夠觀察磁共振信號(hào),還能夠進(jìn)行三維成像.所以可兩種磁共振儀結(jié)合使用,這樣既可以觀察磁共振現(xiàn)象又可以進(jìn)行醫(yī)學(xué)磁共振成像,有助于更好的學(xué)習(xí)和理解磁共振技術(shù).

同時(shí)也注意到了幾個(gè)問(wèn)題:

(1)HT-3DNMR-25磁共振成像儀是做成一體的,集成在一個(gè)密閉的鐵箱里,對(duì)于操作者來(lái)說(shuō)就是面對(duì)一個(gè)黑盒子進(jìn)行鼠標(biāo)操作,不容易把名稱(chēng)與零部件對(duì)上號(hào).當(dāng)然這是制造商出于為保護(hù)商業(yè)機(jī)密,把儀器進(jìn)行集成密封起來(lái),也便于運(yùn)輸與安裝.今后我們考慮是否能與制造商合作,把設(shè)備做的更加開(kāi)放透明有利于學(xué)習(xí)磁共振成像知識(shí).二是把醫(yī)院淘汰下來(lái)的磁共振儀來(lái)供影像專(zhuān)業(yè)甚至整個(gè)臨床醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)開(kāi)放學(xué)習(xí).

(2)核磁共振實(shí)驗(yàn)儀需要操作者有豐富操作經(jīng)驗(yàn),熟悉操作中出現(xiàn)問(wèn)題及解決辦法.測(cè)氟碳樣品的磁共振信號(hào)時(shí)容易出現(xiàn)把幅度較大的氫信號(hào)當(dāng)成氟信號(hào)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(jìn)去,設(shè)置軟件參數(shù),磁共振信號(hào)很快出現(xiàn),這少了操作的過(guò)程.

應(yīng)該說(shuō)在引進(jìn)HT-3DNMR-25磁共振成像儀后,實(shí)驗(yàn)室在醫(yī)學(xué)磁共振成像上有了很大的發(fā)展,但在與影像技術(shù)專(zhuān)業(yè)聯(lián)系緊密的其他方面如信號(hào)處理過(guò)程、圖像重建過(guò)程、圖像后處理及相關(guān)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(shù)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)提出了新的要求.

[1] 包尚聯(lián).現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)[M].北京:北京大學(xué)醫(yī)學(xué)出版社,2004.

[2] 楊福家.原子物理學(xué)[M].4版.北京:高等教育出版社,2005.

[3] 汪紅志,聶生東,張學(xué)龍,等.籌建核磁共振成像技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的探索與思考[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2007,24(5):133-135.

[4] 甘泉,曹?chē)?guó)平,王駿,等.脈沖核磁共振成像實(shí)驗(yàn)儀原理及其應(yīng)用[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2010,31(8):111-114.

[5] 蓋立平,仇惠,李樂(lè)霞.醫(yī)學(xué)物理學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].3版.北京:科學(xué)出版社,2013.

[6] 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)課程[EB/OL].http://www.bb.ustc.edu.cn/jpkc/guojia/dxwlsy/kj/part1/4-5.html.

[7] 楊芳.磁共振實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討[J].科技風(fēng),2014,11(上):15-16.

[8] 王桂蓮,蓋立平,柴英.核磁共振儀的使用[J].醫(yī)療裝備,2006,(8):11-12.

[9] 仇惠,吉強(qiáng).醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].3版.北京:人民衛(wèi)生出版社,2011.

[10] 吉強(qiáng),洪洋.醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)[M].3版.北京:人民衛(wèi)生出版社,2013.

[11] 鄭超,陳潤(rùn)鋒,周廣榮.原理性和研究性核磁共振實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2011,10(28):130-133.

[12] 聶生東,俞文文,汪紅志,等.NMR20臺(tái)式磁共振成像儀及其在教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2008,23(6):56-59.

[13] 張學(xué)龍,汪紅志,楊培強(qiáng),等.核磁共振成像技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2008,27(12):27-30.

[14] 臧充之,彭培芝,張潔天,等.核磁共振成像教學(xué)實(shí)驗(yàn)[J].物理實(shí)驗(yàn),2004,24(8):3-7.

[15] 黃磊,翟健,陳基明,等.核磁共振成像教學(xué)模式改革探索與實(shí)踐[J].包頭醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào),2011,(6):106-107.

[16] 邱建鋒,王鵬程,魯雯,等.核磁共振實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)探討[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備,2005,2(12):30-32.

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