基于SQUID的极低场成像系统噪声屏蔽与抑制研究

发布时间：2020-07-25 11:03

【摘要】：超导量子干涉器件(SQUID)是一种极为灵敏的磁通探测器,在液氦温度(4.2 K)下,其磁通灵敏度高达μΦ_0/√Hz量级。随着超导量子干涉器件被应用到核磁共振(Nuclear magnetic resonance,NMR)和磁共振成像(Magnetic resonance imaging,MRI)领域,极低场(ultra-low-field,ULF)NMR和MRI相关的研究受到了广泛的关注。不同于传统高场MRI,ULF MRI的主磁场强度在百μT(10~-4 T)量级。因此,极低场磁共振成像在测量时面临的主要挑战是信噪比的提高。为了提高系统成像的信噪比,对现有系统进行了升级。具体的措施为采用预极化线圈系统对样品进行极化取代原有的永磁体极化方案。极低场磁共振系统在升级后,预极化线圈的存在带来的射频噪声干扰,以及系统电力设备噪声已经影响到系统的正常工作。为解决这一问题,设计了屏蔽室系统,用来屏蔽噪声,提高信噪比。首先,我们对比了在自由空间中和旧屏蔽室内的磁场噪声,提出新屏蔽室必须能有效衰减环境噪声一半以上。根据我们提出的目标,计算与仿真了不同铝板厚度的屏蔽室屏蔽效能,发现6 mm厚的铝屏蔽室符合我们的需求。随后搭建屏蔽室以及屏蔽室性能测试系统,测试结果满足设计要求。另外对比了在自由空间中和屏蔽室内频率为5.9 kHz时,水样品的信噪比由3提高到20,显著地提高了测量样品信号的信噪比。但是由于预极化线圈需要在极短的时间内对线圈进行关断操作,所以会在屏蔽室的壁上产生涡流进而导致涡流杂散磁场,影响系统的工作。针对这一问题,已经仿真出能有效补偿涡流杂散磁场的线圈系统,补偿系统可以将涡流场的强度衰减90%以上,同时有效地减少ULF MRI系统的死区时间,减少涡流对系统的影响。新屏蔽室的应用有效地衰减了环境噪声,但是对50 Hz工频谐波噪声的抑制不够,以及在无屏蔽室环境下系统都会面临工频噪声的干扰。为了解决这些问题,我们提出了基于磁场的空间相关性的极低场磁共振成像工频噪声抑制方法。我们利用参考通道与信号通道同时采集信号,补偿信号通道中的噪声分量,有效地消除了成像图像上的带状伪影,提高了图像的质量。论文的最后对本文的工作做了总结并对下一步工作进行了展望。
【学位授予单位】：中国计量大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O482.53
【图文】：

磁共振,塞曼能级

对于核自旋量子数 I = 1/2 的核，m 的取值可以为-1/2 和 1/2，能级会塞曼分裂为两个塞曼能级；对于 I = 3/2 的原子核，m 的取值可为-3/2，-1/2，1/2，3/2 四个塞曼能级。以此类推，原子核又(2I + 1)个塞曼能级。图 2.3 就是自旋量子数为 I = 1/2 的核在外磁场中的塞曼能级。对于宏观样品，由于样品自身是由大量原子核组成，外加静磁场 B0对自旋能级的影响须符合统计学规律。因此在热平衡状态下，核自旋角动量在各能级的分布须符合玻尔兹曼分布，即粒子数 N 符合公式(2.6):(2.6)对于单位体积的样品，其包含了 N 个核自旋，因此其净磁化强度 M 符合公式(2.7)[18]：(2.7)在磁共振领域中，γ B0/kT 远小于 1，那么公式(2.7)可以线性展开

核磁矩,进动,方向,轨迹

图 2.4 核磁矩 μ 的进动轨迹轴方向来看，的核磁矩 μ 会沿着顺时针的方向进动，而则会沿着逆时针的方向进动。在平衡状态下，μ 和 B0的夹角不时的系统能量不会发生变化，因此无法探测 NMR 信号。如果轴的方向上加入射频场 B1，调整 B1场的方向使之核磁矩μ 的并且是 B1的频率和拉莫尔频率相同或者相似，那么核磁矩μ 就1进行能量的交换，核磁矩 μ 会发生章动到与之前的圆锥呈镜面上。这样磁化强度 M 也在绕着射频场 B1的方向以频率进行。核磁矩 μ 和静磁场 B0的夹角开始发生变化，M 在 B0场中的变化，从而对外产生一个核磁信号。观上看，在热平衡条件下，根据式(2.8)，样品的静磁化强度 M 获得最大值 M0，并且保持与静磁场 B0方向平行。为了可以检必须使 M 从 B0方向偏离。根据上文的讨论，沿 x 方向引入射频 μ 和静磁场 B0之间的夹角会发生变化，其在宏观上的变现为

示意图,自由感应衰减信号,平面感,示意图

.1.5 自由进动信号与自旋回波信号通过 2.1.4 节的介绍，在脉冲激励结束时，会发生纵向弛豫现象与横向弛豫象。观察宏观磁化强度 M，会发现其绕着 B0进动。其顶端轨迹在弛豫时在间上表现为螺旋形。在弛豫过程中，横向磁化强度Mxy在xy平面将会以螺旋线形式恢复到零点。 xy 平面上横向磁化强度 Mxy的旋转会感生一个射频波。该信号被称为自由感信号或者自由感应衰减(free induction decay, FID)，其可以被放置在 xy 平面上线圈测量，并可以转换成可测量的电信号：一个以横向弛豫时间 T2为指数的弦衰减函数：(2.15)从上式可以看出自由感应信号会随着磁化强度 Mxy的变化而改变。因为线在xy平面上保持固定，横向磁化强度Mxy则绕着B0进动的同时在不断减小，以在横向磁化强度 Mxy指向线圈时，信号为正值；反之，信号为负值。信号绝对值随上式呈指数函数变化。

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