脑水肿检测的开放式核磁共振测量与成像研究

摘要

脑损伤、颅内占位性病变、颅内炎症、脑血管病变、脑缺氧等都能直接或间接地引起脑水肿，该类疾病通常发病突然，且病程发展迅速，不宜对患者进行移动，不能对病人进行实时检测，病患得不到及时治疗，导致死亡率较高。
　　目前核磁共振仪结构复杂，体积较大，不便移动，同时一次诊断费用昂贵，难以实现临床实时监护，而且是封闭式的大型仪器，这对于患有幽闭症的病人以及对于带有心脏起搏器或有某些金属异物部位的颅脑损伤患者等无法适用。结合我国的当前国情，现在正推进基层医疗改革，于基层医疗单位中设置体积小、价格低廉的对人体无害的实时监测设备，可以降低对大型医疗设备的需求。
　　所以，现在迫切需要一种体积小、廉价、便于移动的可以为病患提供床旁检测的医疗设备，可以及时给医生提供病情发展情况。
　　本文进行了关于脑水肿检测的开放式核磁共振测量和成像的研究，设计了一套用于脑水肿检测的开放式核磁共振（ONMR）系统，其体积较小便于移动，同时价格低廉，能够很好地满足临床需求，为颅脑疾病患者提供实时监护。
　　本文的主要工作如下：
　　(1)核磁共振理论研究及主磁体的磁场研究。深入研究核磁共振（NMR）成像原理，以原理为基础来设计系统。核磁共振信号的强弱与氢原子核密度有关，氢原子核的密度与含水量有关；组织含水量变化会引起组织形态发生变化（自由水与结合水比例变化），可测得不同的横向弛豫时间T2，而信号强度以及T2值可反映出脑水肿情况，以此为基础进行系统设计与实验。对已有磁体进行所需实验区域磁场测量，对磁场数据进行处理分析，供射频（RF）线圈设计和实验所用。
　　(2)射频线圈的设计。根据主磁场设计了多种射频线圈（矩形螺旋线圈、单层八字线圈、双层八字线圈、圆形螺旋线圈），并对线圈磁场进行了研究。通过Maxwell软件建模仿真，对各种线圈的磁场进行了定性分析，以磁场的均匀度、平行度、强度为标准进行筛选，选出了符合磁场条件的双层八字线圈和圆形螺旋线圈。通过算法编程建立了圆形螺旋线圈的磁场计算方法，研究了不同因素（匝数、匝间距、两线圈之间的距离、线圈外半径）对磁场的影响规律。在圆形螺旋线圈研究的基础上优化双层八字线圈，画出不同尺寸下的线圈印刷电路板（PCB）模型并加工，最后在实验中进一步筛选优化。
　　(3)核磁共振系统的设计。介绍了系统各部分的设计原理，包括电路匹配、频率调节以及各种参数的设置方法，完整地给出了整个系统的设计方案。给出了主磁体中心区域不同高度h/mm处的各种数据（磁场平均值B/mT、共振频率f/MHz、电阻R/Ω、电感L/μH、匹配电容Cm/pF、CT/pF）的计算和处理方法。计算得到Cm、CT并焊接电路，进行两次频率匹配，不断改变各个计算参数来调整线圈的结构，直至获得较好的核磁共振信号。
　　(4)核磁共振实验。利用双层八字线圈搭建核磁共振系统。第一，实验中分别以面粉和猪肉为测试样本，通过改变各样本的注水量，测得不同含水量下的T2值，T2值的不同反应出样品体含水量的变化，得到样品体含水量的大小与T2值之间呈近似线性的关系。第二，以化妆棉布为样品，进行了一维分层实验，核磁共振信号的强度随着含水量变化而变化，用回波信号与横轴所围的面积S来表征含水量的变化，同时给出了信号的二维平面图，可方便地读取含水量情况。第三，以面团为样品，旋转不同角度测得核磁共振信号，这种测量方式可以很好地解决射频线圈的测量深度问题。双层八字线圈测量深度有限，对于实验所用的线圈，深度只能达到3mm，但信号较强，测量精度可达到0.01mL。第四，考虑到双层八字线圈测量深度的局限性，利用圆形螺旋线圈搭建了实验系统，解决了线圈测量深度的问题，实验中测量深度可达到10mm。以上实验验证了本文所设计系统的可行性与实用性。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 研究意义

1.2 国内外颅内检测现状综述

1.3 开放式核磁共振技术研究现状

1.4 问题的提出

1.5 论文结构及章节安排

2 核磁共振基本原理及NMR成像原理

2.1 核磁共振的特点

2.2 原子核的自旋和自旋磁矩

2.3 外磁场中的原子核

2.4 弛豫过程和弛豫时间

2.5 小结

3 射频线圈设计

3.1 LC谐振槽路

3.3 RF线圈设计需要考虑的要求

3.2 矩形螺旋线圈

3.3 单层八字线圈

3.4 双层八字线圈

3.5 圆形螺旋线圈

3.6 本章小结

4 核磁共振系统

4.1 实验系统框架与实验条件

4.2 主磁体

4.3 线圈印刷电路板制作

4.4 磁体磁场测量与处理

4.5 电路匹配

4.6 频率调节与参数设置

4.7 系统的射频脉冲激励

4.8本章小结

5 核磁共振实验

5.1 双层八字线圈搭建实验平台

5.2 圆形螺旋线圈搭建实验平台

5.3本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献

附录 作者在攻读学位期间发表的学术论文: