仪器网（yiqi.com）欢迎您！

核磁共振成像原理背景：

      核磁共振成像(MRI)也称磁共振成像，是利用核磁共振原理外加梯度磁场检测发射出的电磁波，据此可以绘制物体内部的结构图像，常见的可以发生核磁共振现象的原子有： 1H、11B、13C、17O、10F、31P。目前核磁共振成像原理在物理、化学、YL、石油化工、食品农业等领域获得了广泛的应用。核磁共振成像(MRI)原理应用用于人体内部结构就产生出一种革命性的医学诊断工具–核磁共振成像仪。将快速变化的梯度场应用于核磁共振成像仪中，提升了MRI的速度，使该技术在科学研究中的广泛应用成为现实。

核磁共振成像原理介绍1:

      核磁共振成像原理可简单归纳为：根据需要，将待测样品分成若干个薄层，这些薄层称为层面，这个过程成为选片。每个层面可分为由许多被称为体素的小体积组成（如下图1）。对每一个体素标定一个记号，这个过程称为编码或空间定位。对某一层面施加射频脉冲后，接收该层面的核磁共振信号进行解码，得到该层面各个体素核磁共振信号的大小，Z后根据其与层面各体素编码的对应关系，把体素信号的大小显示在荧光屏对应像素上，信号大小用不同的灰度等级表示，信号大的像素亮度大；信号小的像素亮度小。这样就可以得到一副反映层面各体素核磁共振信号大小的图像，即MRI图像。成像过程方框图见图2 。

      用于确定MR信号源空间位置的基本方法是使用附加的线性梯度，即成像梯度。处在外磁场B0中的氢质子不论其空间位置如何，产生的核磁共振的频率都相同，如果在外磁场B0上沿某一方向再叠加一个线性梯度磁场，将导致总磁场（外磁场B0和梯度磁场矢量和）在沿梯度磁场方向上呈现一端高一端低，两端之间的磁场强度呈梯度分布。在磁场梯度方向上使共振频率产生可预见的变化。

      磁场梯度常常是由核磁共振成像仪中产生外磁场B0的主磁体腔内的梯度线圈产生的。运用三个相垂直的磁场梯度，在不同的时间内，对核磁共振信号源进行空间三维定位。

下面将简单介绍核磁共振成像原理中的梯度场。

核磁共振成像原理介绍2：

      在自然状态下的质子，虽然每个质子都有微小的磁矩存在，但是由于空间方向上的随机存在而总磁矩为零对外不呈现磁性。将质子至于外磁场中，质子的磁矩方向会倾向于与外磁场的方向一致或相反，并产生一个与外磁场方向相同的纵向磁化强度矢量M0,即被磁化。磁化后的质子处于稳定状态，根据设定的扫描参数，核磁共振仪发出一个频率与质子进动频率相同的射频激励脉冲，进动质子收到激励后，吸收射频激励脉冲的能量，纵向磁化强度矢量M0偏离纵向，即发生了核磁共振现象。

      处在外磁场中的体内质子，在射频激励脉冲磁场作用下产生磁共振，但所有组织的质子以相同的频率共振，产生核磁共振信号来自于样品整体，具有相同的频率特征，没有任何空间信息，不能形成MRI的图像。而要形成MRI图像还需要第三种磁场，即梯度磁场，在MRI中起到空间定位的作用。

所谓的线性梯度磁场就是磁感应强度大小随位置以线性方式变化的磁场，简称梯度场。

图3给出了一个沿z轴方向的线性梯度场。这里沿z轴方向的线性梯度场含义是指：线性梯度磁场的磁场方向沿B0（或z轴）方向，磁场的大小随z的增加而线性增加。

      为了得到任意层面的空间信息，MRI系统中在x、y和z轴均使用了线性梯度场，分别为Gx、Gy和Gz。在核磁共振成像仪中，线性梯度场是由梯度线圈产生的，置于x、y和z轴方向的三个梯度线圈分别产生Gx、Gy和Gz。
       外磁场B0是均匀强磁场，其大小和方向是固定不变的。但梯度场的大小和方向均可以改变，因此梯度磁场和外磁场叠加后使得磁场发生梯度性的变化。如果外磁场B0沿水平方向，施加一个水平方向的线性梯度场，其叠加后情况见图4.

图4.梯度磁场与外磁场的叠加

核磁共振成像原理介绍3：

      在核磁共振成像仪中，将样品置于稳恒均匀外磁场B0中，外磁场方向沿z轴方向，在外磁场B0基础上，再叠加一个同方向的线性梯度场Gz，该梯度场磁场强度的大小沿z轴方向由小到大均匀改变。图5中箭头的长短表示梯度场的强度，箭头的方向表示梯度场的方向。从图中可知垂直于z轴方向同一很薄的平面（或层面）上的磁场强度相同，不同位置的层面上（图中1、2、3层面）由于梯度场的强度不同，所以不同位置层面的磁场强度不同。由拉摩尔进动公式可知：ω0=γB0

       如果射频脉冲的频率使2平面的氢质子发生磁共振，则1和3层面内的氢质子因不满足拉摩尔公式而不发生共振，若把射频脉冲的频率设计为满足其他层面的磁共振条件时，也可以使其他层面内的氢质子发生共振，而其余的层面内氢质子不会发生共振。

图5.梯度场的层面选择

核磁共振成像仪中的层厚

       THK是thickness的缩写，即层厚是指成像层面在成像空间第三维方向上的尺寸。对于核磁共振设备，层厚表示一定厚度的扫描层面。层面的选取在实际临床操作中都是有一定厚度的。既然层面具有一定的厚度，由于选片梯度场Gz的作用，每一层面内磁场强度的大小是不均匀的，是在一定范围内线性变化的。或者说每一位置的层面对应一定的磁场范围。那么是该层面发生磁共振的射频脉冲频率将不是单一的拉摩尔频率，而是具有一定的频率范围。

      层面厚度关系到MRI层选方向的分辨率，层面薄的则分辨率高；层面厚的则分辨率低。但层面不能太薄，由于我们还要将成像层面分成大量体素，层面太薄时每个体素内质子数量减少，各体素产生信号小，信噪比小，达不到高分辨率的目的。

      层厚是核磁共振成像图像质量的重要决定因素，层厚的增加使成像组织的提诉体积增加，体素内质子数量增加，信号强度增加，图像的表观改善。

（来源：苏州纽迈分析仪器股份有限公司）

层厚是指成像层面在成像空间第三维方向上的尺寸。对于MRI. 层厚表示一定厚度的扫描层面。

层面的选取在实际临床操作中都是有一定厚度的。

我们把射频脉冲的频率范围称为带宽。带宽决定了层面的厚度。

因为射频脉冲的频率范围越大，对应符合拉莫尔频率的磁场范围就会增大，层面厚度增加。
注意:当发射射频脉冲时，只允许使一个层面中的质子产生磁共振，其他层面中任何一个质子不会产生磁共振。
      除了带宽决定层面厚度外，梯度场Gz 也会对层厚产生影响，如果选取层面射频脉冲的带宽不变，不同的Gz，对应的厚度不同， Gz 变化快(斜率大) ，对应层面厚度小， Gz 变化慢(斜率小) ，对应层面厚度大。总之，层面厚度取决于层面选择梯度Gz 和射频脉冲的带宽。

层面厚度关系到层选方向的分辨率，层面薄， 则分辨率高;层面厚，则分辨率低。

     但层面不能太薄，由于我们还要将成像层面分成大量体素，层面太薄时每个体素内质子数量减少，各体素产生信号小，信噪比小，达不到高分辨率的目的。 
通过以下两种方法降低层面的厚度:
(1)使用窄带宽的射频脉冲。窄频率的带宽将激励更窄的磁场强度范围内的质子(图1) 。
(2) 增大梯度场的斜率(图2) 。

   图1 带宽与层厚的关系

图2层厚与梯度的关系

层厚是图像质量的重要决定因素；
层厚的增加，使成像组织的体素体积增加，
相对于较薄的层面来说，体素内质子数量增加，信号强度增加，所以图像的信噪比将会增加，图像的表观改善。
但是，层厚增加了，信噪比增加的同时，空间分辨率降低，部分容积效应作用会显著。

介绍

Gamry Framework™软件中可用的许多电化学技术，包括方波伏安法，一种脉冲伏安法。本应用报告介绍什么是方波伏安法以及所涉及的参数。

方波伏安法背后的理论

我们从施加一系列阶梯电位信号开始。阶梯波形上还添加了一个方波，因此随着电位在每一步中突然阶跃，方波与该阶跃叠加。在步骤的一半，方波改变极性。这种重复的阶梯加方波信号产生出具有特点的电压序列施加在样品上，如图1所示。

记录对电极和工作电极之间的电流随时间的变化。测量工作电极参比和参比电极之间的电压。

图1 方波伏安法中电压如何随时间变化的示意图

一个方波周期和阶跃的时间τ

方波周期和单步电压阶跃时间都需要时间τ。周期时间的倒数就是频率1/τ。

扫速

扫速反过来取决于每步的时间，τ：

在扫描期间，在正向脉冲和反向脉冲结束时记录电流，这意味着每个周期对其采样两次。脉冲结束时采样可以避免涉及充电电流。

方波伏安实验中使用的频率f通常约为1至125Hz。如此高的f意味着方波伏安法比其他脉冲实验快得多。

实验参数设置

以下是Gamry Framework™软件提供的参数设置窗口示例：

图2 Gamry Framework™方波脉冲设置页面。采用模式有3中选择，包含Surface模式

Surface模式

在数字扫描中，标准惯例是在每个步骤的ZH获取一个数据点。Gamry将此方法称为Fast模式。这种采样方法可以区分任何电容性电流或表面结合反应。在阶跃初始时任何由电容充电产生或仅限电极表面法拉第电流都会衰减，不会影响测试电流。

另一种采样模式是Noise Reject，也就是每个阶跃后20%的平均值。与Fast模式相比，Noise Reject提高了信噪比。同时仍主要捕获的是扩散过程的电流。

对于Surface模式，Gamry采用独特的采样模式来消除阶跃和斜坡之间的差异。在Surface模式下，对整个阶跃过程都进行数据采集，然后取平均值。这样可以捕获电容充电电流和表面发生反应的法拉第电流。。其他电化学工作站生产商均未提供Surface模式。

对于涉及表面反应的方波伏安测量，我们建议在扫描过程中选用Surface模式。

绘图

软件将两个电流值相减，得到的差值（Idiff）与扫描电位（Vstep）绘制成图。结果是该方法给出了由法拉第过程引起的峰值。峰高于该物质的浓度直接相关。

举例

缓冲溶液中的镉

我们以测量溶解在醋酸盐缓冲溶液中的Cd²⁺（6ppm）为例。用Gamry电化学工作站以τ = 0.1 s（也就是10Hz频率）进行方波伏安法测试。整个测试仅需6.1s（0.1s采点61个）。数据以Idiff（正向和方向电流之差）与Vstep的关系表示在图3中。

图3 6ppm的Cd²⁺在醋酸盐缓冲溶液中的方波伏安图，τ = 0.1 s

如果我们改变Cd²⁺浓度，则峰高与[Cd²⁺]成正比。在溶液中添加另一种离子（比如Pb²⁺），曲线则会在其他电位上出现第二个峰。

痕量铜的定量测试

此例中，用方波伏安法测试了酸性水溶液中不同浓度（百万分之几范围）铜离子以及空白实验。这一系列实验（参见表1）显示了不同浓度铜离子如何与峰高直接相关。

图4 不同浓度铜离子的方波伏安图，灰线是空白实验

表1 方波伏安法测定铜离子浓度及其相应的峰高，R²=0.9755

三种采样模式的比较

为了展示Gamry电化学工作站Surface模式的灵敏度，图5展示了使用生物传感器分别在三种采样模式（Fast，Noise Reject和Surface）记录的扣除背景的扫描曲线。

图5 在生物传感器上以三种采样模式记录的100Hz采样频率下的方波伏安曲线

蓝线是Fast模式，红线是Noise Reject模式，紫线是Surface模式

脉冲数显表
我们的数显表是单独为了配套我们脉冲信号的拉线编码器定制的，接收的信号就是脉冲信号，所以我们一般都叫脉冲数显表。
但是脉冲信号又要分很多种信号，一般我们都知道推挽信号、长线驱动信号和集电极开路信号。
为了方便，我们的数显表这些信号都是可以接收并且实时显示的。
分辨率可以调，因为是六位显示的，所以分辨率Z小可以调到0.00001，不过，估计很少有能用上的，毕竟前面还要显示拉线编码器的位移值，个位数量程的拉线编码器用的毕竟还是少的，如果用上了，我们也是可以达到要求的。
小数点一般默认是2位，显示的Z多数值就是9999.99，也就是两位小数点的时候拉线编码器的量程Z大只能到9999.99mm，再大就装不下了，再大就超量程了，就显示--Er--了，依此类推，你品，你细品。。。
脉冲数显表的供电电压也是可以选择的，选型的时候要记得加上供电电压的电压值，比如脉冲数显表型号：SX-XF01-P-DC24V,这就是一个完整的型号，如果只写了SX-XF01-P那么我们就默认供电电压是AC220V的了。
脉冲信号的拉线编码，输出的电缆数量都不一样，我们的脉冲数显表只接电源+、电源—、A、B,这4跟就够了，一般拉线编码器脉冲信号的电源+都是接DC24v的，长线驱动信号的编码器记得要把电源+接到5v标志的地方。
脉冲数显表还有一些其他的功能，比如继电器、起始点变换、变送输出一类的，这些功能也是有的，具体的要跟工作人员沟通或者去我们产品简介里了解了。