MR多带宽脉冲优化和超低场MRI控制系统研究

摘要

作为一种无损检测手段，磁共振波谱和成像技术在分析化学、分子物理以及医学影像等领域发挥着极为重要的作用。其中，磁共振脉冲序列能够实现自旋体系的有效操控，产生预期的探测信号。因此，脉冲序列研究和设计一直是核磁共振技术的关键。论文一方面针对多层成像序列进行了多带宽射频脉冲优化设计，另一方面设计了针对超低场磁共振的脉冲序列控制系统。 论文首先对磁共振脉冲设计中的最优控制理论以及几种数值优化算法进行了分析和研究。在此基础上，通过选定单自旋体系，针对带宽脉冲进行了研究和设计。然后利用带宽脉冲的设计思路，通过对算法进行扩展，提出了一种可用于同时多层MRI的多带宽射频脉冲设计算法，并通过理论计算和仿真成像验证算法性能。结果表明，使用该算法获得的优化脉冲，可成功实现任意层厚、层间距、层数的同时高效选择性激发。 另外，论文设计了基于超导量子干涉仪的超低场磁共振脉冲序列控制系统。系统设计分为线圈模块设计、时序控制与信号采集模块设计以及软件控制模块设计。首先，本文详细阐述了系统总体架构和各子模块的设计思路。其次，根据设计思想完成了硬件系统和LabVIEW软件系统的搭建，并对系统各模块性能以及整体性能进行了测试。最后，使用搭建完成的脉冲序列控制系统，成功进行了超低场核磁共振实验。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景

1．2核磁共振及成像原理

1．2．1核磁共振物理学过程

1．2．2驰豫现象

1．2．3信号测量方法

1．2．4磁共振成像原理

1．3国内外技术现状与发展趋势

1．3．1磁共振脉冲优化方法发展现状

1．3．2超低场磁共振系统的发展现状

1．4课题来源及意义

1．5论文内容及架构

2 MRI多带宽射频脉冲算法设计

2．1脉冲作用机制的经典理论描述

2．2脉冲作用机制的量子理论描述

2．3脉冲优化算法研究

2．3．1 GRAPE算法

2．3．2 Krotov算法

2．3．3 L-BFGS算法

2．4单自旋带宽脉冲设计

2．5同时多层射频脉冲设计

2．5．1脉冲设计算法

2．5．2脉冲性能及讨论

2．5．3仿真成像

2．6本章小结

3超低场MRI脉冲序列控制系统设计

3．1脉冲序列控制系统的研究背景

3．2控制系统整体架构设计

3．3脉冲序列设计

3．4时序控制与信号采集模块设计

3．4．1预极化模块

3．4．2射频模块

3．4．3梯度模块

3．4．4信号检测与数据采集模块

3．5软件模块设计

3．6本章小结

4超低场MRI控制系统实现

4．1线圈模块

4．1．1测量线圈

4．1．2预极化线圈

4．1．3射频线圈

4．1．4梯度线圈

4．2时序控制与信号采集模块

4．2．1脉冲序列控制

4．2．2信号采集系统

4．2．3脉冲序列时序测试

4．3软件控制模块

4．3．1时序控制子程序

4．3．2磁场控制子程序

4．3．3数据采集处理子程序

4．3．4软件前面板设计

4．4系统测试与分析

4．4．1模拟磁共振信号实验

4．4．2非绝热模式FID序列磁共振实验

4．4．3绝热模式磁共振实验

4．4．4实验参数分析

4．5本章小结

5总结与展望

5．1工作总结

5．2工作展望

致谢

参考文献

附录