3He超极化装置及低场磁共振仪的研发

摘要

3He极化气体在高能物理研究领域、凝聚态物理研究领域及医学领域有重要用途。
　　在医学领域，利用极化3He气体进行肺部磁共振图像，可清晰观判肺组织结构及功能，能满足肺部疾病特别是早期肺病的可视化诊断。
　　为实现3He极化气体在肺部的磁共振成像，本论文开展了两部分工作:一、3He气体超极化装置的研制，并在两类不同自旋交换介质下完成3He极化;二、低场磁共振仪(LMRI)的研制。论文具体内容:
　　一、于国内首次采用自旋交换光泵浦法(SEOP)极化3He气体。激光泵浦输运碱金属，极化的碱金属通过自旋交换实现3He极化。(1)关于SEOP，本论文有以下结论:1）碱金属铷的极化度与空间深度、3He及N2含量相关;2）对于碱金属一族，原子半径越小的元素，越适于3He气体极化;3）较纯铷(Rb)，铷-钾(Rb-K)混合自旋交换介质极化3He的性能更佳，混合腔内碱金属自旋交换效率及饱和极化度与腔内K-Rb蒸汽密度比(D)相关;4）极化腔表面积/体积(S/V)限制了3He饱和极化度，S/V值越大，3He极化度越低。(2)本论文研制了真空充气系统;制备出纯Rb极化腔，腔内n3He=31.5mol/m3，nN2=1.9mol/m3;制备出D=5的Rb-K混合极化腔，腔内n3He=33.6mol/m3，nN2=0.6mol/m3。(3)本论文中分别使用核磁共振方法和电子顺磁共振方法完成腔体内3He极化参数测量:Rb腔，3He极化度约63％，自旋极化常数为19.2hrs;Rb-K腔，3He极化度约71％，自旋极化常数为9.3hrs。
　　二、极化3He的磁共振成像有别于传统MR成像，且更适合在低磁场下利用极化3He气体进行肺部MR成像，为此，本论文首次开展了磁场强度为600Gs的LMRI的研制工作。目前已获得进展为:(1)比较了基于3He的MR成像与基于1H的传统MR成像;定性分析了基于3He的MR图像分辨率及信噪比与读取磁场关系，结果证明低磁场下更适宜肺部MR成像;提出LMRI中主磁体、发射/接收线圈及梯度线圈结构设计，并利用仿真软件给出参数估计;完成小型LMRI的研制。(2)本论文提出了几类基于3He退极化的肺部NMR信号衰减模型;结合3He肺部成像特点，本论文给出了几类最适用于肺部低场MR成像的脉冲序列及成像方法。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 引言

1．1 背景

1．2 国内外极化气体MRI的相关研究

1．3 基于3He的低场肺部磁共振成像

1．4 应用前景

1．5 论文工作意义和主要内容

第二章 自旋交换光泵浦过程

2．1 引言

2．2 碱金属的极化弛豫过程

2．2．1 Rb的极化

2．2．2 Rb的弛豫

2．2．3 Rb的极化度

2．2．4 Rb极化度与激光穿透深度

2．2．5 Rb的极化度与N2含量

2．2．6 其他碱金属的极化

2．6．7 其他碱金属的弛豫

2．3．1 引言

2．3．3 其他碱金属A-3He自旋交换过程

2．4 3He极化

2．4．2 3He极化度

2．4．3 X因子

2．5 3He极化系统

2．5．1 引言

2．5．2 激光光路研制

2．5．3 主磁场

2．5．4 射频场

2．5．6 加热炉的设计

2．6 小结

第三章 极化腔结构及制备

3．1 引言

3．2 极化腔的选材

3．3 极化腔的结构

3．4 充气系统研制

3．5 碱金属填充

3．5．1 混合腔中碱金属的配比

3．5．2 混合碱金属

3．5．3 碱金属填入极化腔

3．5 气体充入

3．6 气体含量计算

3．7 成品极化腔

3．8 小结

第四章 极化度测量

4．1 引言

4．2 基于绝热快过过程的磁共振(AFP-NMR)

4．2．1 引言

4．2．2 磁场中粒子磁矩

4．2．3 射频场

4．2．4 共振

4．2．5 AFP条件

4．2．6 NMR电子学系统

4．2．7 NMR信号

4．2．8 AFP损失

4．2．9 时域内的NMR信号

4．3 EPR测量

4．3．1 引言

4．3．2 AM-EPR过程

4．3．3 FM-EPR过程

4．3．4 PI控制环节

4．3．5 FM扫描曲线

4．3．6 提取3He极化度

4．3．7 3He极化度

4．4 其他测量方法

4．5 小结

第五章 低场磁共振仪

5．1 引言

5．2 信号及噪声

5．2．1 LMRI中的NMR信号

5．2．2 LMRI中的噪声

5．2．3 LMRI中的信噪比

5．3 低场磁共振系统硬件组成

5．3．1 主磁体

5．3．2 发射／接收线圈

5．3．3 梯度线圈

5．4 小型低场磁共振仪

5．5 小结

第六章 极化3He的MR成像

6．1 引言

6．2 LMRI中的FID信号

6．3 3He极化气体的MR成像

6．4 极化气体成像中信号衰减模型

6．4．1 引言

6．4．2 倾倒角作用

6．4．3 基于T1、T2弛豫的信号衰减

6．4．4 基于扩散的信号衰减

6．4．5 K空间内的各项权重

6．5 成像序列

6．5．1 引言

6．5．2 梯度回波序列

6．5．3 不相干梯度回波序列

6．5．4 自旋回波序列

6．6 扩散成像

6．6．1 引言

6．6．2 基于梯度场下扩散运动的信号衰减的统计学分析

6．6．3 扩散运动下的布洛赫方程

6．7．1 引言

6．7．2 通气成像

6．7．3 动态成像

6．7．4 含氧量成像

6．8 小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况