實驗結果與數據討論

4-1

He 極化率計算

本實驗每一組數據皆為每一小時或每兩小時擷取一次歷時 24 小時的結果，前 12 個小時處於光激發(optical pumping)的狀態，第 12 個小時的數據擷取完後關掉雷射，後 12 個小時為(relaxation)狀態。

每一次的 ³He 極化率實驗值是依照公式和 ¹H 比較計算得到的，

48 原子核間的自旋交換率(spin exchange rate)；κse為自旋交換率係數 (spin exchange rate cofficient)；Γ1為³He 的縱向鬆弛率(longitudinal relaxation rate)，[Rb]為 Rb 之密度，其計算根據[26]

4-2 環境中均勻磁場最佳化後對 NMR 訊號影響之比較

一般實驗室環境中，會存在著一些磁性物質或是地磁影響，導致環境背景會有梯度磁場，因此我們利用三個方向的梯度線圈來抵銷環境中的背景磁場，達到窄線寬的效果。我們分別對 x、y 和 z 方向之梯度磁場做了以下之校正，校正的方法如下，首先將極化 ³He 光學腔放入系統中，從程式依序輸入不同之電流，紀錄梯度線圈輸入不同電流下所對應之線寬，以此疊加輸出 x、z 和 y 方向梯度磁場之線寬最佳化，如圖 4-2(a)(b)(c)。

圖 4- 2

(a)對 x 方向梯度線圈施加電流，使其產生補償 x 方向之梯度

場，找到最低線寬(b)對 z 方向梯度線圈施加電流，使其產生補償 y 方向之梯度場，找到最低線寬(c)對 y 方向梯度線圈施加電流，使其產生補償 z 方向之梯度場，找到最低線寬。

我們以³He 光學腔量測其補償前後之 NMR 變化。實驗中主磁場 (B0)為 10 Gauss，光激發自旋交換 7 小時，實驗溫度維持在 200 度，

當未加任何梯度磁場 G = 0 時，FID 訊號的橫向鬆弛時間為 0.15 秒，

由 FFT 轉成頻譜圖時，線寬約為 4.39 Hz，訊雜比 SNR=112，但經由三個維度的疊加梯度補償後，FID 訊號的橫向鬆弛時間增長為 1 秒，

線寬可降至最低約 0.9 Hz，並提高訊雜比 SNR=686，如圖 4-3 所示。

圖 4- 3 補償前和補償後的 NMR 訊號和橫向鬆弛比較

經由梯度線圈補償環境最佳化後，³He 氣體在 12 小時的極化過程中，所感應到的主磁場(B0)更加均勻，減少極化過程中，磁矩互相干擾的耗損，因此擷取到的頻率訊號更加一致，使線寬變窄訊號變強，

根據(2-4-8)式換算出來第十二小時的極化率由 13.28%提升到 20.88%。

之後的 12 小時的縱向鬆弛時間也由 4.46 小時，微幅增加為 4.5 小時，

如圖 4-4 所示。

圖 4- 4 補償前和補償後的極化率和縱向鬆弛比較

4-3 改變 B

pulse 大小和量測時間對 NMR 訊號影響之

比較

本實驗因為要觀測極化率的變化曲線，因此每小時量測一次，每次測量時施加的交流脈衝磁場(B1)，會使 ³He 磁矩從主磁場方向偏移 18 ⁰，之後產生進動，回到主磁場方向。每量測一次，就會造成磁矩的耗損，以至於為了觀察極化率，反而造成極化率的下降，因此為了解決此問題，實驗改為每兩小時觀次一次，每次測量偏移角度改為 9

0，因此極化率由 20.88%提升到 24.38%，根據(4-1-1)公式擬和出極化率為 24.017%。之後的 12 小時的縱向鬆弛時間也由 4.13 小時，微幅增加為 4.79 小時，如圖 4-5 所示。

圖 4- 5 改變 B1 pulse 大小和量測時間對極化率的影響

4-4 仿體核磁共振造影

4-4-1 法拉第感線圈之磁振造影

無造型

He 玻璃光學腔

利用光激發自旋交換六小時候，使³He 極化率為15.64%，接著驅動 10 Gauss 的主磁場，然後每 5 度施加交流脈衝磁場

⁽ ⁵ ^. ³

⁰

⁾



_B  ^和

梯度場(G=⁵⁰^.⁶⁷

^

^{T /}^m)，共 36 個角度，造影結果如圖 4-6 (a)(b)所示，

圖 4- 6 無造型 3He 玻璃光學腔 MRI 影像(a)黑白光譜影像(b)彩色光譜影像(c)擷取訊號示意圖

仿體造型

He 玻璃光學腔(B

⁰

=3 Gauss)

由於仿體光學腔裡面多了三根大小不等的實心柱，為了讓影像更完整的呈現出來，勢必要提高影像解析度，所以利用光激發自旋交換延長至十二小時，使³He 極化率增加到20.87%，接著一樣提高梯度磁場的強度至 G=105.7



T /m ，因為根據公式(2-2-1)，磁場不均勻度增強，

會讓原子核自旋產生更多不同的頻率，而使得線寬增加，因此可以使影像的更多細節呈現出來。之後一樣驅動 3 Gauss 的主磁場，然後每 5 度施加交流脈衝磁場

⁽ ⁵ ^. ³

⁰

⁾



_B  ^{和梯度場(G=}¹⁰⁵^.⁷

^

^{T /}^m^{)，共 36 個角}

度，造影結果如圖 4-7 所示。

仿體造型

He 玻璃光學腔(B

⁰

=10 Gauss)

根據(2-4-4)公式可知，核磁共振造影的訊號大小會跟進動頻率成正比的關係，因此本實驗提高了主磁場的強度到 10 Gauss，由頻率 9729Hz 升高到 32430Hz，使呈現出來的影像更加清晰，如圖 4-7 所示。

圖 4- 7 仿體造型 ³He 玻璃光學腔 MRI 影像(a)光學腔實體大小架構圖(b)黑白光譜影像(c)彩色光譜影像

4-4-2 超導量子干涉儀之磁振造影

本實驗是先由“光激發³He 與低場核磁共振系統”將光學腔進行十二小時的極化後，再將光學腔移動到“超導量子干涉儀量測超極化³He 氣體之可移動式低場核磁共振系統”進行量測。由於本實驗架構多了四層鋁板屏蔽，隔絕了外界電磁波的干擾，且利用 Bc垂直磁場線圈和旋轉整個系統，抵消了地磁對極化氣體的影響，並加入了極高靈敏度的磁力計“ 超導量子干涉儀元件(Superconducting Quantum Interference Device ; SQUID) ”來當作接收訊號感測器，所以使得還未經補償的 FID，橫向鬆弛時間已經達到 0.6 秒，經過 FFT 轉換後，

線寬已達 1.4Hz，訊雜比 SNR=1383。經過補償後，橫向鬆弛時間達到 4 秒，經過 FFT 轉換後，線寬達到 0.6Hz，訊雜比 SNR=2105，如圖 4-8 所示。

圖 4- 8 補償前和補償後的 NMR 訊號和橫向鬆弛比較

超導量子干涉儀元件(Superconducting Quantum Interference Device ; SQUID) 來當作接收訊號感測器，其可量測範圍為10^-3

~10^-9Tesla，增加了訊號的精準度，造影結果如圖 4-9(a)(b)(c)所示。

和圖 4-7 做比較，可以看到一樣在 9729Hz 頻率之下，

SQUID

接收可以很清楚的分辨三根實心柱的大小，且顏色對比分明，明顯 MRI 影像比傳統線圈接收的好。

圖 4- 9 仿體造型 3He 玻璃光學腔 MRI 影像(a)光學腔實體大小架構圖(b)黑白光譜影像(c)彩色光譜影像(d)擷取訊號示意圖

4-5 可攜式極化氣體運送裝置對 NMR 和 MRI 之影響

4-5-1 溫度對

He 極化氣體縱向鬆弛時間的影響

根據 4-2 節和 4-3 節可知，前十二小時的 SEOP，極化率可由 13.28%提升到 24.38%。但後十二小時的縱向鬆弛時間，只能從 4.06 小時微幅提升到 4.79 小時。根據(2-4-1) 波茲曼分布 (Boltzmann distribution)可知，溫度越高，越容易使極化後的原子核磁矩得到熱能而回到平衡狀態，加快去極化的速度。因此，本實驗在“光激發³He 與低場核磁共振系統”一樣進行前十二小時的 SEOP，之後在無任何移動狀況下，改變後面十二小時縱向鬆弛環境的溫度，如圖 4-10 所示。由此圖可知，環境溫度 200 度時的縱向鬆弛時間為 4.5 小時，環境溫度 100 度時的縱向鬆弛時間為 5.73 小時，環境溫度室溫時的縱向鬆弛時間為 7.3 小時，明顯室溫為最佳縱向鬆弛時的溫度。另外可觀察到環境溫度在 100 度和室溫時，第十二小時關掉雷射到第十三小時間，極化率有明顯再提升的趨勢，這是因為銣電子持續在和 ³He 原子自旋交換作用增加極化率，並且因溫度降低，減少極化率的耗損，

所造成動態變化的效應。

圖 4- 10 改變後面十二小時縱向鬆弛環境的溫度(無移動)

60 均勻場分別輸出 1.5 Gauss、3 Gauss、5 Gauss、7 Gauss 的磁場大小，

比較縱向鬆弛時間的變化。從圖 4-11 可知，在 1.5 Gauss 和 3 Gauss 的時候，縱向鬆弛時間從 3.52 小時升到 4.71 小時和 5.36 小時，但再持續升高到 5 Gauss、7 Gauss，縱向鬆弛時間並沒有持續往上升，反而是衰減到 5.22 小時和 4.77 小時，所以可攜式極化氣體運送裝置 B=3 Gauss 為最佳化。

圖 4- 11 可攜式極化氣體運送裝置條件最佳化比較圖

4-5-3 有無使用運送裝置之 SQUID 磁振造影比較

本實驗是先由“光激發³He 與低場核磁共振系統”將光學腔進行十二小時的極化後，再將光學腔拿到“可攜式極化氣體傳送裝置”

內進行移動，移動完後，再將光學腔拿到“超導量子干涉儀量測超極化³He 氣體之可移動式低場核磁共振系統”進行MRI 造影。如圖 4-12 所示，可以觀察到在鬆弛時間為一小時後，有使用移動裝置的影像比沒有使用移動裝置的影像來得清晰，但由於是用高靈敏度的 SQUID 當作感測器，所以就算是沒有使用移動裝置的影像，一樣可以清楚分辨三根實心住的大小。

圖 4- 12 一小時後有無使用傳送裝置 MRI 之比較

接著實驗觀察鬆弛時間為四小時後，如圖 4-13 所示，有使用移動裝置移動的影像一樣可以呈現出三根實心棒和光學腔外型，但無使用傳送裝置移動的影像已經無法分辨光學腔的形狀和三根實心柱的位置，因此，使用“可攜式極化氣體傳送裝置”移動，有助於極化率的緩慢衰減，並幫助 MRI 影像完整呈現。

圖 4- 13 四小時後有無使用傳送裝置 MRI 之比較

4-5-4 使用運送裝置戶外移動之 SQUID 磁振造影

本實驗為了模擬之後經由運送裝置可以將³He 極化氣體移動到更遠的地方量測造影，所以規劃了在台大校園內戶外移動。一開始先將³He 極化 12 小時後，將光學腔放置運送裝置內，使用運送裝置最佳化條件放置 4 小時，之後開始移動。從台大物理系出發，到達小福樓時回頭，沿著醉月湖旁的步道回到物理系量測造影，總長約 880.877 公尺，如圖 4-14。

圖 4- 14 移動裝置戶外移動路線圖

經由戶外移動過後，移動裝置隔絕了外在的干擾極化率可以維持在 17.34%，成像如圖 4-15，可以看得出三根不同實心柱的大小。

圖 4- 15 使用運送裝置四小時後戶外移動之 MRI

在文檔中可攜式光激發3He超極化氣體於低場磁振造影之特性研究 (頁 53-72)

4-1

He 極化率計算

4-2 環境中均勻磁場最佳化後對 NMR 訊號影響之比較

圖 4- 2

4-3 改變 B

pulse 大小和量測時間對 NMR 訊號影響之

比較

4-4 仿體核磁共振造影

4-4-1 法拉第感線圈之磁振造影

無造型

He 玻璃光學腔

( 5 . 3

)





仿體造型

He 玻璃光學腔(B

=3 Gauss)



( 5 . 3

)





仿體造型

He 玻璃光學腔(B

=10 Gauss)

4-4-2 超導量子干涉儀之磁振造影

SQUID

4-5 可攜式極化氣體運送裝置對 NMR 和 MRI 之影響

4-5-1 溫度對

He 極化氣體縱向鬆弛時間的影響

4-5-3 有無使用運送裝置之 SQUID 磁振造影比較

4-5-4 使用運送裝置戶外移動之 SQUID 磁振造影

⁽ ⁵ ^. ³

⁾

^

⁽ ⁵ ^. ³

⁾

^