实验3.6 核磁共振成像
实验目的
1.了解核磁共振成像教学仪器的组成及工作原理，熟悉成像软件操作界面及操作过程；
2.实现样品的二维采集和成像，理解梯度场的梯度大小和梯度保持时间对二维成像的影响；
3.了解断层显示的原理，实现对具有三维结构的样品的三维采集和成像，同时与实际物体进行对比。
实验器材
HT-3DNMR-25核磁共振成像教学仪器、样品（水、核桃）。
实验原理
核磁共振成像是利用核磁共振的共振频率严格正比于磁场这一基本规律，采用梯度磁场达到不同空间位置对应不同共振频率，从而完成核磁共振成像。
仪器介绍
1.仪器组成
HT-3DNMR-25核磁共振成像教学仪器由恒温磁体、主机、电源、计算机及处理显示软件组成，如图3-19所示。
图3-19 仪器组成
（1）恒温磁体：由恒温器、磁体、梯度线圈、射频探头线圈组成。
（2）主机：由DDS（数字直接合成器）、射频功率放大器、正交检波接收机和控制主机（包括A/D转换、D/A梯度控制器、脉冲控制器）以及通信接口组成。
（3）电源：由梯度放大器、直流电源组成。
（4）计算机及处理显示软件。
2.成像软件界面
（1）“参数设置”界面说明：
“参数设置”页面用于设置通讯口、梯度共振频率等基本参数，如图3-20所示。
图3-20 参数设置页面
“串行口设置”设置主机脉冲控制和计算机连接的串行口。
“XYZ匀场梯度设置”设置梯度线圈X方向、Y方向的梯度，Z方向的梯度。如果梯度线圈梯度正好抵消磁铁本身的梯度，使得磁场梯度为0。
“共振频率串行口设置”设置主机共振频率和计算机连接的串行口。
“共振频率设置”设置主机高频测量系统工作频率与磁铁中H原子核共振频率一致。
“设定保存”将保存串口、梯度及共振频率的设定保存。如果保存为当前目录的setup.inm文件，那么下次启动软件自动将现在的设置为默认的设置。
“设定读取”读取以其他文件名保存的设置。
“增益”调节显示比例。
“正交检波修正”即修正正交检波。
（2）“脉冲及坐标设置”界面说明：
“脉冲设置”页面用于设置核磁共振成像中各种脉冲参数并同时观测调节后的波形，如图3-21所示。
图3-21 脉冲及坐标设置页面
“示意图”脉冲时间分布示意图。
“相位编码坐标选择”选择成像的投影方向。
“测试参数”选择所测试的脉冲时间及脉冲间隔。
“测试采集”按下后开始采集，采集信号显示在“采集数据显示”。
“采集数据显示”显示测试采集波形。
“保存设置”将当前设置保存。
“读取设置”读取设置文件。
（3）“二维成像采集及处理”界面：
“二维成像采集及处理”页面是核磁共振成像主要界面，如图3-22所示。
图3-22 二维成像采集及处理页面
“记录”核磁共振二维记录开始。
“二维傅利叶变换”对采集数据进行富傅利变换。
“成像彩色显示”以128×128像素显示。
“成像彩色选择”以所选色彩以512×512像素以插值法显示。
（4）“三维成像采集及处理”界面：
三维软件界面如图3-23所示，图中的参数设置页与二维成像采集及处理相似。以下单独介绍三维成像页。
图3-23 二维成像采集及处理页面
图3-24 三维成像页面控件
以下是三维成像页控件（图3-24）介绍：
①三维采集按钮：按下后开始三维核磁共振采集。
②数据保存按钮：将采集的三维数据以数据的形式保存。
③三维加窗富里叶变换：按下后进行加窗富里叶变换的图像重建。其中加窗是指将噪声大信号小的部分滤除，类似光学中遮挡杂散光的作用所以成为窗口。加窗处理大大提高信噪比，但略微牺牲一定的分辨率。
④三维无窗富里叶变换：直接进行富里叶变换图像重建。但信噪比较低有雪花点，但分辨率高。（打开文件：打开以前保存的三维数据文件）
⑤横向梯度电流显示：显示扫描过程中横向电流的大小。
⑥纵向梯度电流显示：显示扫描过程中纵向电流的大小。
⑦横向显示层选择：按钮由向上和向下按钮组成用于选择所要显示的横向切面。
⑧纵向显示层选择：按钮由向上和向下按钮组成用于选择所要显示的纵向剖面。
⑨图片放大按钮：将所选择的图层进行放大并且用512×512的高分辨率模式显示。
⑩颜色显示选择：选择显示颜色的模式，黑底白色、黑底红色及白底红色(https://www.daowen.com)
⑪剖面示意图：显示所选择的图层所在的位置，虚线为剖面或切面的图层位置。
⑫图像文件保存设置区：设置图像保存文件的路径和文件名。
a.12A图像方向选择：选择保存图像的投影方向。如果选择横向，那么按下多层图像保存时产生以128张横切面图。如果选择纵向，则产生128张纵向剖面图。
b.12B文件名设置：设置图像保存的文件名。
c.12C路径设置：设置保存文件所在的路径。
d.12D盘符设置：设置保存文件所在的盘符。
e.12E多层图像保存按钮：按下后产生128张图。
f.12F单层图像保存按钮：按下后将当前图片保存。
⑬工作状态栏：显示当前工作状态。
⑭三维富里叶变换进度：由于三维富里叶变换时间较长，此进度条用于显示处理的进度状况。
⑮图像显示区：显示所选择的图像。
⑯弹出菜单：在图像区按鼠标右键即出现弹出菜单。其功能是打开以前保存的三维数据文件。（立体显示：显示三维立体图像）
实验内容与步骤
1.二维成像调试步骤
（1）正确连线：
根据仪器组成介绍中连接，正面连接如图3-25；背面连接如图3-26，连接完毕后可以将样品放入探头中。
图3-25 正面连接图
图3-26 背面连接图
（2）频率设置：
以上步骤完成后就可以开始运行软件程序了。运行软件第一步就是共振频率的设置。按下“参数设置”页面再按下“自动采集”出现采集的信号图及富里叶变换的频谱图，同时出现闪动的“采集”字样，如图3-27所示。如果不出现采集图说明串行通讯口设置错误，调整串行通讯口。调节“频率设置”中间的按钮，直至出现图中的图形。频率调节范围大致在18.00～20.00MHz之间，如果以前已经设置保存过，那么根据温度变化情况具体设置，一般情况下可以按（0.02MHz/℃）进行设置（即温度每升高1℃上，频率下调0.02MHz；反之，温度每下降1℃，频率上调0.02MHz）。
图3-27 参数设置界面
（3）调节匀场：
分别调节电源上匀场调节电位器（1D，2D，3D）同时，调节软件中的XY匀场至富里频谱图中峰最尖锐最高信号最长，如图3-28所示。假如出现如图3-29所示图形，说明信号的频率是采样率的倍数（混叠现象），需要调节共振频率，直至波形光滑为止。
图3-28 匀场最佳时的波形
图3-29 混叠现象的图形
（4）设置梯度场空间频率编码：
调节脉冲序列设置下的第一脉冲宽度和第二脉冲时间，使得采集波形的波峰达到最高。然后调节相位梯度时间和频率编码梯度，使得信号频谱占半个屏幕同时在中间，如图3-30所示。
图3-30 Z梯度空间频率编码
（5）二维核磁共振成像记录及处理：
按下“成像记录及操作”出现图3-31所示界面，按下“记录”等待2分钟，记录结束计算机会提示结束并且“采集”不再闪动。按下“二维傅立叶变换”这时调节“行选择”可以看到每一列二次傅立叶变换的谱图。按下“成像彩色显示”，即可得到所需的成像彩色密度图，如图3-32所示。接着我们可以选择另一相位编码坐标，重复步骤（4）和（5），成像出另一个相位编码坐标方向的图像。
图3-31 二维成像记录界面
图3-32 成像彩色显示界面
2.三维成像调试步骤
（1）第一步：按下“采集”按钮①出现如图3-33的图形（开始时一般为平线），这时横向梯度电流⑤和纵向梯度电流⑥逐渐增加，当采集结束（一般为15分钟）后，工作状态显示栏⑬会提示采集结束。由于采集一次数据不容易，所以按数据保存②将数据保存。
（2）第二步：按下傅立叶变换按钮③，这是三维重建进度栏⑭的蓝色不断加长当，当进度栏到底时图像重建结束，剖面示意图⑪会显示相应的图像，如图3-34所示。
（3）第三步：按层选择按钮⑦或剖面选择按钮⑧按钮向上箭头为加向下箭头为减。这是图像显示区显示层面的128×128的图，如图3-35所示。
图3-33 三维成像采集
图3-34 三维成像处理
图3-35 生成三维多层图
（4）第四步：图像保存，设置盘符（12D）如C：，设置路径（12C）如3DNMR，设置所要保存的文件名如aa。按下单层图像保存（12D）后图像区的图像保存在C：\3DNMR下文件名为aa73层.bmp（层数73），如果按下多层图像保存（12F）后，生成aa0层.bmp……aa127层.bmp，128张512×512图片。由于采集时间较长，请耐心等待。
（5）第五步：观测立体图形，正确选择亮度预选（一般为8）如果过亮或噪声过大，可以减小亮度预选。按下立体显示，出现立体透明发光体。立体数据值越大透明度下降同时发光亮增加，这样就可以观测整个立体图。通过按键还可以任意角度观察，如图3-36所示。
图3-36 三维立体显示（核桃）
按键功能介绍：
Z，z缩小放大键。小写z缩小，大写Z放大。
X，x，Y，y，G，g各种方位角旋转。
S或s键自动旋转停止。
M键亮度降低。
A键亮度增加。
Esc键退出。
注意事项
1.仪器应在开机预热（夏天2小时，冬天4小时）后进行实验和测试数据。
2.严禁磁性物质落入磁体内部，尤其是通过样品口进入磁体。
3.实验样品不能携带磁性物质和强导电物质，以免影响实验信号。
4.不得擅自拆卸实验仪器。