两种不同核磁共振仪器的比较

王礼,盖立平,丁晓东,王桂莲,孙福伯

大连医科大学 物理教研室,辽宁 大连 116044

两种不同核磁共振仪器的比较

王礼,盖立平,丁晓东,王桂莲,孙福伯

大连医科大学 物理教研室,辽宁 大连 116044

目的本文旨在帮助学习者全面认识目前开设的磁共振实验所用到的两种不同磁共振仪器.方法对两种仪器构造、所开设实验项目及实验仪器特点3方面进行了详细的对比分析.结果核磁共振实验仪构造比较简单,采用扫场的方法进行磁共振信号的观察测量,可扩展性差,进行实验数目少;而HT-3DNMR-25磁共振成像仪结构较复杂,不仅能够观察磁共振信号,测量弛豫时间T1与T2,而且引入了梯度磁场,能够对样品进行二维或三维成像,扩展性强.结论两种磁共振设备结合使用,既观察磁共振现象又进行医学磁共振成像.

核磁共振;磁共振成像;NMR实验;自由感应衰减信号

引言

从上个世纪40年代起,核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)作为一种物理现象被广泛的研究,并开始在物理、化学以及医学领域应用.60年代Jasper Jackson将NMR用于生物实验并得到活体动物的核磁共振信号.随后Lauterbur等人引入梯度场得到了第一幅磁共振成像的影像.磁共振成像不仅是具有核磁共振成像功能的设备,又是一项功能强大的无创成像方法[1-2],是继CT后医学影像学的又一重大进步.

针对医学影像学专业和医学影像技术专业需求,实验室开设了核磁共振实验仪与HT-3DNMR-25磁共振成像仪两种不同的磁共振仪器的实验.对于磁共振原理,专业书籍都有从经典物理、量子物理角度详细阐述.但就两种不同仪器很少有横向的对比.本文该两种仪器从实验仪器构造、可进行实验项目、仪器特点等方面一一进行横向对比研究,最后对影像实验室建设方面提出一些建议.

1 磁共振实验重要性

磁共振理论抽象,硬件结构复杂,数据采集和处理过程,图像处理过程深奥,实验操作需要牢固的数学、数字信号处理、核物理学、电子技术以及计算机技术的知识.初次接触磁共振成像理论,想完全理解非常困难.磁共振成像基础讲授初期学生们对磁共振成像比较新奇有趣,极力想知道是怎么回事,同学们都能听懂跟的上.在磁共振原理之后,约有1/3听不懂,课程结束后约有1/2仍是似懂非懂.其实磁共振理论是环环相扣的,理论、技术、软件、硬件相互交融.若只是对知识听懂还远远不够,需要对其有深刻理解,才可以完成后续内容[3].这种深刻理解不只靠理论教学还需要来进行实验.

2 两种磁共振设备构造、所开实验项目及实验仪器特点比较分析

2.1 仪器构造比较

核磁共振实验仪装置图,见图1.其中磁铁用来产生恒定磁场,是磁共振仪的关键,要求磁场稳定和均匀.边限振荡器产生射频场,提供一个垂直于稳恒外磁场的高频电磁场,同时也将探测到的共振电信号放大后输出到示波器,边限振荡器的频率由频率计读出.绕在永磁铁外的磁感应线圈用来提供一个叠加在永磁铁上的扫场.实验采用扫场方法来进行现象观察与测量.

图1 核磁共振实验仪框图

而HT-3DNMR-25核磁共振成像仪系统框图,见图2[4].磁场强度为0.5 T.与核磁共振实验仪相比,该核磁共振成像仪更集成化,功能化.信号更稳定,操作起来更容易、便捷.

图2 核磁共振成像仪系统框图

2.2 所开设实验项目比较

核磁共振实验仪是通过扫场法来观察磁共振现象,需要入射电磁场的频率连续变化来满足一定条件出现磁共振现象.两仪器比较,见表1.从表中看出,可以观察硫酸铜水溶液,氟碳,三氯化铁等样品磁共振现象,测共振频率,计算氢核、氟核的旋磁比与朗德因子.但这种连续法会导致频率分辨率下降,不能测量弛豫时间.还有操作中磁铁的磁场强度还会随环境温度的变化而变化,都造成了观察现象比较困难[9].调节要缓慢,否则信号一闪而过.

用HT-3DNMR-25磁共振成像仪可开展的实验比较多.不仅能够观测到样品磁共振信号,而且还可以测量T1,T2,甚至可以做简单样品(大蒜、花生米、芦荟等)的三维成像.磁共振成像系统更加先进,增加了磁体恒温系统,可使共振频率更稳定,操作起来更加简单,也能迅速激发学生对实验的兴趣.另外通过成像仪操作界面来完成共振频率、匀场梯度电流、脉冲宽度、脉冲间隔、重复时间、样品二维或三维磁共振成像记录等参量设置[9-16].

表1 两种磁共振设备对比

2.3 仪器特点比较

核磁共振仪构造比较简单,可以进行共振信号的观察,共振频率、旋磁比、g因子等的测量.所开展的实验也比较少,也比较简单,扩展性不强.信号为模拟信号,且容易受外界温度影响而不易找到.

HT-3DNMR-25磁共振成像仪系统比较庞大,加入了磁体恒温系统,使共振频率更加稳定;增加了X方向、Y方向梯度场使成像成为可能;通过系统所配软件来进行观察测量,实现样品二维或三维成像,另外还可以编程扩展出更多的实验,来满足不同层次实验教学要求.

3 结束语

本文对核磁共振仪与HT-3DNMR-25磁共振成像仪两种仪器通过在实验仪器构造,实验项目及仪器特点进行横向对比,结果发现核磁共振实验仪比较简单,开放程度高,可开设实验项目数少.信号稳定性差,容易受环境温度影响,需要有丰富的操作经验.而HT-3DNMR-25磁共振成像仪构造复杂,信号稳定性好,界面友好,操作简单.可以开设实验项目数多,不仅能够观察磁共振信号,还能够进行三维成像.所以可两种磁共振仪结合使用,这样既可以观察磁共振现象又可以进行医学磁共振成像,有助于更好的学习和理解磁共振技术.

同时也注意到了几个问题:

(1)HT-3DNMR-25磁共振成像仪是做成一体的,集成在一个密闭的铁箱里,对于操作者来说就是面对一个黑盒子进行鼠标操作,不容易把名称与零部件对上号.当然这是制造商出于为保护商业机密,把仪器进行集成密封起来,也便于运输与安装.今后我们考虑是否能与制造商合作,把设备做的更加开放透明有利于学习磁共振成像知识.二是把医院淘汰下来的磁共振仪来供影像专业甚至整个临床医学专业开放学习.

(2)核磁共振实验仪需要操作者有丰富操作经验,熟悉操作中出现问题及解决办法.测氟碳样品的磁共振信号时容易出现把幅度较大的氢信号当成氟信号的状况,但是两者的共振频率是不同的.而在磁共振成像仪中,只要把样品放进去,设置软件参数,磁共振信号很快出现,这少了操作的过程.

应该说在引进HT-3DNMR-25磁共振成像仪后,实验室在医学磁共振成像上有了很大的发展,但在与影像技术专业联系紧密的其他方面如信号处理过程、图像重建过程、图像后处理及相关影响因素等方面做的仍有不足,这也为今后磁共振成像技术实验室的建设提出了新的要求.

[1] 包尚联.现代医学影像物理学[M].北京:北京大学医学出版社,2004.

[2] 杨福家.原子物理学[M].4版.北京:高等教育出版社,2005.

[3] 汪红志,聂生东,张学龙,等.筹建核磁共振成像技术实验室的探索与思考[J].实验技术与管理,2007,24(5):133-135.

[4] 甘泉,曹国平,王骏,等.脉冲核磁共振成像实验仪原理及其应用[J].医疗卫生装备,2010,31(8):111-114.

[5] 盖立平,仇惠,李乐霞.医学物理学实验[M].3版.北京:科学出版社,2013.

[6] 中国科学技术大学大学物理实验网络课程[EB/OL].http://www.bb.ustc.edu.cn/jpkc/guojia/dxwlsy/kj/part1/4-5.html.

[7] 杨芳.磁共振实验教学探讨[J].科技风,2014,11(上):15-16.

[8] 王桂莲,盖立平,柴英.核磁共振仪的使用[J].医疗装备,2006,(8):11-12.

[9] 仇惠,吉强.医学影像物理学实验[M].3版.北京:人民卫生出版社,2011.

[10] 吉强,洪洋.医学影像物理学[M].3版.北京:人民卫生出版社,2013.

[11] 郑超,陈润锋,周广荣.原理性和研究性核磁共振实验教学探索与实践[J].实验技术与管理,2011,10(28):130-133.

[12] 聂生东,俞文文,汪红志,等.NMR20台式磁共振成像仪及其在教学中的应用[J].中国医疗设备,2008,23(6):56-59.

[13] 张学龙,汪红志,杨培强,等.核磁共振成像技术教学实验研究[J].实验室研究与探索,2008,27(12):27-30.

[14] 臧充之,彭培芝,张洁天,等.核磁共振成像教学实验[J].物理实验,2004,24(8):3-7.

[15] 黄磊,翟健,陈基明,等.核磁共振成像教学模式改革探索与实践[J].包头医学院学报,2011,(6):106-107.

[16] 邱建锋,王鹏程,鲁雯,等.核磁共振实验设计探讨[J].中国医学装备,2005,2(12):30-32.

本文编辑 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

作者邮箱:470781673@qq.com