脉冲傅里叶变换核磁共振的原理
核磁共振原理经典由简入深
梯度回波序列缩短扫描时间分析图
63
第三节 磁共振图像重建
基本概念：
不同成像手段进行
像素：组成灰度数字图像的基本单元。
位置对应的手段不 同
体素：像素对应人体内的位置。
不同成像手段的检
测信息不同
像素灰度信息：对应体素的检测信息的强度。
对磁共振而言,实现像素与体素对应的手段是施加 三个维度上的梯度磁场。
• 所谓的加权就是“重点突出”
的意思
• T1加权成像（T1WI）----突出组织T1弛豫 （纵向弛豫）差别
• T2加权成像（T2WI）----突出组织T2弛豫 （横向弛豫）差别
• 质子密度加权成像（PD）－突出组织氢质 子含量差别
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T2加权成像 （T2WI)
反映组织 横向弛豫 的快慢！
• T2值小 横向磁化矢量减少快 MR信号低（黑） • T2值大 横向磁化矢量减少慢 MR信号高（白） • 水T2值约为3000毫秒 MR信号高 • 脑T2值约为100毫秒 MR信号低
第一章 核磁共振成像原理
本章主要讲述内容： 磁共振信号的产生 磁共振信号的获取与傅立叶变换 像素位置信息的确定（梯度） 像素灰度信息（信号幅度）的确定 序列参数对图像权重的影响 磁共振成像序列
1
简述磁共振成像过程
1.
2
3
4
第一节 磁共振信号的产生
• 发电； • 磁带、录像带； • 磁盘； • 音响； • MRI的核心。
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1、 磁共振信号的获取与傅立叶变换
如果在垂直于XY平面，加一个接收线圈，会 接收到什么信号？
自由感应衰减(FID):
信号随着时间而消失（类似于阻尼
震荡信号），但频率不变。
核磁共振波谱仪的原理
核磁共振波谱仪（Nuclear Magnetic Resonance Spectrometer，简称NMR）是一种用于研究核磁共振现象的仪器。
核磁共振波谱仪的工作原理涉及到核磁共振现象，这是一种基于原子核的磁性质的现象。
以下是核磁共振波谱仪的基本原理：
1. **磁共振现象：** 在外加磁场的作用下，原子核会表现出特定的磁性质。
当原子核受到外部磁场的作用时，其核自旋会在磁场方向上取向，分裂成不同能级。
这种取向的过程涉及到吸收或发射电磁辐射的能量，这就是核磁共振现象。
2. **射频脉冲：** 核磁共振波谱仪通过在样品中施加射频脉冲来激发样品中的原子核。
这个射频脉冲的频率通常与特定核的共振频率相匹配。
3. **共振频率测定：** 通过逐渐增加外部磁场的强度，使得样品中的原子核逐渐达到共振条件，从而测定原子核的共振频率。
4. **检测信号：** 在样品中的原子核共振时，它们会发出信号。
这个信号被检测器捕获，然后转化为核磁共振波谱。
5. **数据处理：** 捕获的信号经过处理，通过傅里叶变换等数学方法，将其转换为核磁共振谱图，其中包含了关于样品中不同原子核的信息。
核磁共振波谱仪广泛应用于化学、生物化学、医学等领域，用于分析化合物的结构、研究分子运动、探测生物体内的代谢过程等。
核磁共振仪器介绍
选择合适规格的核磁管，确保清洗干净、烘干。 选择合适的溶剂，控制好样品溶液浓度。 将核磁管装入仪器，使之旋转，进行匀场。 按样品分子量大小，选择合适的扫描次数。 保存数据，采用专用软件进行图谱分析。
9
7.仪器实例介绍
德国布鲁克公司
/products/mr/nmr.html
1953年
1964年
1971年
1979-1991年
1994年
22000055年年
2009年
美国瓦里安公司研制 出世界第一台超导NMR 谱仪 （B=4.7T,V=200MHz）
德国布鲁克公司分 别率先推出500、 600、750MHz超导 谱仪
瓦里安公司推出了数字化、智能化 程度更高的Varian NMR System。 布鲁克公司 推出了具有第二代 数字接收机的AVANCE Ⅱ新系列。
15
最新软件TopSpinTM: 集测试、数据处理及结构模拟等功能。
16
商用固态 DNP-NMR 系统（
技术细节： • 263 GHz 固态 DNP 光谱仪 • 25 W 263 GHz 回旋管 • 9.7 T 回旋管磁体，带超导炮线圈 • 控制系统硬件和软件、电源和冷却网络 • 263 GHz 微波波导线，从回旋管传输到 NMR 样品 • 低温 MAS 探头，带内建波导和冷压气体供应
磁旋比是原子核所特有特征1994年1964年1971年19791991年1953年世界上第一台nmr美国瓦里安公司研制成功b07tv30mhz世界上第一台nmr谱仪由美国瓦里安公司研制成功b07tv30mhz日本jeol公司生产出世界上第一台脉冲傅里叶变换nmr100mhz日本jeol公司生产出世界上第一台脉冲傅里叶变换nmr谱仪b235tv100mhz德国布鲁克公司推出全数字化nmr谱仪美国瓦里安公司研制出世界第一台超导nmrb47tv200mhz美国瓦里安公司研制出世界第一台超导nmr谱仪b47tv200mhz德国布鲁克公司分别率先推德国布鲁克公司分别率先推出500600750mhz超导瓦里安公司推出了数字化智能化程度更高的variannmrsystem第二代数字接收机的avance瓦里安公司推出了数字化智能化程度更高的variannmrsystem
核磁共振基本原理 讲
单线选择脉冲
选择激发，选择抑制；简化图谱，一些异核 多维谱脉冲序列的要求，量子计算。。。
核磁共振基本原理 9讲 吴季辉
减少B1,增加tp 方波的激发曲线
使用选择性脉冲的主要问题
1.脉冲长度 激发50Hz宽度,脉宽至少20ms 长脉冲宽度,带来驰豫问题 2.激发的包络线(excitation profile) 理想的excitation profile与实际的excitation
由于一种核的极化改变导致与之耦合的其他核的极化改变这种现象称为极化转移s核的极化ineptinsensitivenucleienhancedpolarizationtransfer?脉冲序列中未注明的脉冲相位均为x方向?14jch90脉冲后时间后180脉冲作用于h后180脉冲作用于c后回波最后一个h的90脉冲使一条单线对应的布居数反转从而将极化传递给c核磁共振基本原理9讲1314jch对质子加回波序列演化中期质子脉冲的作用确保第二个2脉冲前化学位移的影响已被消除自旋回波在质子脉冲的同时加碳脉冲使碳核自旋符号反转确保不同自旋态的质子不被会最后一个2脉冲使质子能级粒子数反转使碳13纵向磁化矢量变为横向磁化矢量以便检测31ch二重峰3实际应用中第二个脉冲相位在y和y之间交替消除天然磁化的贡献1现在24能级跃迁的信号强度正比于p原来24能级跃迁的信号强度正比于p现在13能级跃迁的信号强度正比于p原来13能级跃迁的信号强度正比于pinept谱线峰型核磁共振基本原理9讲chchinept核磁共振基本原理9讲inept实验中探测脉冲刚过13c多重峰中各分量的磁化矢量是反向的若立即加质子去耦磁化分量相加而相消加2延长期使13c多重峰的各分量离开相位相反方向演化为相位相同方向中间的脉冲除去化学位移的影响核磁共振基本原理9讲反inept13deptdistortionlessenhancementpolarizationtranster核磁共振基本原理9讲通过改变脉冲的偏转角实现谱编辑deptdept方法既对重聚inept序列进行了压缩同时又克服了inept的两点不足之处
NMR基本原理优秀课件
• 4.1 基本原理
• 4.2 核磁共振氢谱（1H NMR）
• 4.3 核磁共振碳谱（13C NMR）
• 4.4 二维谱
§ 4.1 基本原理
4.1.1 NMR现象的产生
（一）原子核的自旋角动量和磁矩 • 核的自旋
第四章 核磁共振波谱
（ Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy，NMR）
发展历史
1952年诺贝尔物理学奖：布洛赫(Felix Bloch ) & 珀赛尔 (Edward Purcell)领导的两个研究组首次独立观察到核磁共振 信号，共同获得诺贝尔物理学奖。
* 布洛赫(Felix Bloch )
出,并将接收到的信号传送到放大器放大。 • 探头:有样品管座、发射线圈、接受线圈、变温元件等。 • 扫描单元：安装在磁极上的扫描线圈，提供一个附加可
变磁场，用于扫描测定。
脉冲傅里叶变换核磁共振谱仪PFT-NMR
在外磁场保持不变的条件下，使用一个强而短的射频脉冲 照射样品。这个射频脉冲包括所有不同环境的同类磁核的共振 频率。各种核同时激发，发生共振，然后通过弛豫逐步恢复 Boltzmann平衡。在这个过程中，射频接受器接受信号，得到 随时间衰减的信号，称自由感应衰减信号（FID)，通过计算机 进行傅里叶变换转化为通常的NMR谱图。
珀赛尔 (Edward Purcell2)
发展历史
• 1950年前后Proctor发现处在不同化学环境的同种原子核有 不同的共振频率，即化学位移；随即又发现因相邻自旋核 而引起的多重谱线，即自旋－自旋耦合。就此开拓了核磁 共振在化学领域的应用。
核磁共振成像原理及图像重建方法
核磁共振成像原理及图像重建方法核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是一种利用磁场和无害的无线电波产生高分辨率、高对比度、三维解剖图像的医学影像技术。
它通过探测人体内的核磁共振信号，生成具有空间分辨能力的图像，为医生提供可视化的解剖结构和生理功能信息。
本篇文章将介绍MRI的原理及图像重建方法，以帮助读者深入了解MRI技术的基本原理和应用。
MRI的原理基于原子核的磁共振现象。
原子核具有自旋运动和相应的磁矩，在外加静磁场的作用下，原子核的磁矩会沿着静磁场方向取向。
当施加一弱的高斯磁场同时加上垂直于静磁场的无线电频率脉冲，原子核的磁矩会被扰动，其取向会发生变化。
一旦取消无线电频率脉冲，原子核的磁矩将重新恢复到原来的取向。
这种恢复会产生电磁感应信号，被称为自发发射信号。
这个信号随时间演化，可以记录下来并用于重建图像。
MRI图像的重建是通过对磁共振信号的采集、处理和分析来实现的。
首先，需要提供一个均匀的静态磁场，通常使用超导磁体来产生高强度的匀强磁场。
其次，在静磁场中放置患者，使其体内的原子核磁矩取向与静磁场一致。
然后，通过使用线圈发射脉冲磁场，使原子核的磁矩发生扰动，并记录自发发射信号。
图像重建的第一步是对采集的原始数据进行采样。
MRI使用一组线圈阵列来接收磁共振信号，这些信号代表了人体各个位置的原子核磁矩的状态。
采样过程中需要考虑空间分辨率和信噪比的平衡。
较高的空间分辨率可以提供详细的解剖信息，但信噪比可能较低；而较高的信噪比可以提高图像质量，但空间分辨率可能降低。
在数据采样后，需要对采集到的信号进行图像重建。
图像重建的关键是解决逆问题，即从有限的采样点恢复出连续的图像。
常见的图像重建方法包括快速傅里叶变换、滤波和插值技术。
其中，快速傅里叶变换是一种将信号从时域转换到频域的方法，可以在频域上对信号进行分析和处理。
滤波技术可以通过去除高频噪声和增强图像细节来提高图像质量。
核磁共振氢谱和碳谱
核磁共振氢谱核磁共振---NMR1945年美国斯坦福大学的 F. Block 和哈佛大学的 E. M. Purcell 同时发现了核磁共振现象，并因此荣获了1952年的 Nobel 物理奖。
核磁共振谱可为化合物鉴定提供下列信息：1.磁核的类型：由化学位移来判别，如在1HNMR 中，可判别甲基氢、芳氢、烯氢、醛氢等。
2.磁核的化学环境：由偶合常数和自旋－自旋裂分来判别，如在 1H-NMR 中可判定甲基是与-CH 2-相连，还是与苯环相连。
3.各类磁核的相对数量：氢谱中，通过积分面积或积分曲线来判断。
4 .核自旋弛豫时间：13CNMR 可提供 T 1，并用于结构归属指定，构象的测定，以及窥测体 系的运动情况。
5 .核间相对距离：通过核的 Overhause 效应可测得。
3.1核磁共振的基本原理3.1.1原子核的磁矩原子核是带正电荷的粒子，自旋将产生磁矩，但并非所有同位素的原子核有自旋，只有有自旋才有磁矩。
具有自旋运动的原子核具有一定自旋量子数（I ），I=1/2 *n ，那1，2，3···1. 核电荷数和和质量数均为偶数的原子核没自旋。
2. 核电荷数为奇数或偶数，核质量数为奇数，有自旋现象。
3. 核电荷数为奇数，核质量数为偶数，I 为整数的原子核有自旋现象。
对于自旋不为零的核来说，当其自旋时由于形成环电流，故而产生一个小磁场，这个小磁场可用核磁矩 μ 表示。
μ 是矢量，其大小由下式确定：πγγμ2)1(hI I p +==式中 γ ---核的磁旋比 p---自旋角动量不同的核有不同的 γ 值，是确定同位素核的特征常数。
3.1.2自旋核在磁场中的取向和能级对于I 不为零的核来说，如果不受外来磁场的干扰，其自旋轴的取向将是任意的。
当它们处于外加静磁场（磁场强度为H0）中时，根据量子力学理论，它们的自旋轴的取向不再是任意的，而只有(2I+1)种，这叫核自旋的空间量子化。
每一种取向可用一个磁量子数m 表示，则m=I，I-1，I-2，…-I+1，-I。
第六章_核磁共振波谱法
不同类型氢的化学位移见P249表13-3
二、偶合常数(J)
(一)自旋偶合与自旋裂分 每类氢核不总表现为单峰，有时多重峰。 原因：相邻两个氢核之间的自旋相互干扰作用称为自旋偶合。 由自旋偶合引起的谱线增多现象称为自旋裂分。 多重峰的峰间距， 偶合常数（J）， 偶合作用的大小。 HA核受到邻近HB 核自旋偶合作用， 吸收峰被分裂为 双重峰。
(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy) ( NMR Spectroscopy )
§6-1 核磁共振波谱基本原理
当用频率为兆赫数量级，波长约为0.6~10m，能量很低 的电磁波照射分子时，能使磁性的原子核在外磁场中发生磁 能级的共振跃迁，从而产生吸收信号。这种原子核对射频辐 射的吸收称为核磁共振光谱。
核磁共振存在两种弛豫过程
(一)自旋-晶格弛豫 高能态的原子核将能量以热能形式传递给周围的环境而回 到低能态，这一过程称为自旋-晶格弛豫。周围环境对固体样品 是指晶格，对液体样品是指周围的同类分子或溶剂。
一个自旋体系由于核磁共振打破了原来的平衡，而又通过 自旋 -晶格弛豫回到平衡状态所需的时间，叫自旋-晶格弛豫时 间，用半衰期 T1表示， T1 越小，弛豫效率越高； T1越大则弛豫 效率越低，越容易达到饱和。固体及粘稠性液体由于流动性差， T1很大，可达几小时；气体和液体的流动性好， T1很小，一般 在0.01~100s。
小，屏蔽强，共振需要的磁场强度大，在高场出现，图右侧；
大，屏蔽弱，共振需要的磁场强度小，在低场出现，图左侧；
= [（ 样 - TMS) / 0 ] ×106 (ppm)
化学位移
影响化学位移的因素
1．电负性的影响 与质子相连元素的电负性越强，吸电子作用越强，价电子偏 离质子，屏蔽作用减弱，信号峰在低场出现。
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脉冲傅里叶变换核磁共振的原理
脉冲傅里叶变换核磁共振是一种核磁共振技术，它利用强磁场和射频场作用下，样品中的核自旋在一定条件下产生共振吸收信号，并通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，从而得到样品中各种核的化学位移信息。
脉冲傅里叶变换核磁共振的原理可以简单概括为以下几个步骤：
1. 共振吸收：将样品置于强磁场中，使其核自旋实现定向。
施加一个射频场，发生共振吸收，产生信号。
2. 脉冲信号：通过改变射频场的强度和频率，制备不同类型的脉冲信号，如180度脉冲和90度脉冲等。
3. 信号处理：将共振吸收信号通过数字滤波、幅度和相位校正等处理之后，进行快速傅里叶变换，将时域信息转换为频域信息，得到核磁共振信号的谱线。
4. 化学位移：根据不同核的化学位移，可以确定样品中不同类型的核的种类和数量。
脉冲傅里叶变换核磁共振是现代化学、生命科学等领域中重要的分析工具和结构解析方法，广泛应用于化学、药学、生物化学、医学等多个领域。