~3He超极化装置及低场磁共振仪的研发

发布时间：2020-03-24 01:11

【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n~3He=31.5 mol/m3,nN2=1.9 mol/m3;制备出D=5的Rb-K混合极化腔,腔内n~3He=33.6 mol/m3,nN2=0.6 mol/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。
【图文】：

影像,肺部,磁共振成像,常规

着工作的进一步深入，人们发现 MRI 在肺成像中具有很高的空间分辨率，肺结构可视化及肺病诊断中的能力仅次于 CT。其中肺部 MRI 最吸引人的地于，利用 MRI 可实现肺功能成像。得益于硬件的发展（由于心脏 MRI 需要能高的时间分辨率），MRI 已经克服了成像中呼吸运动、心脏收缩及血管造成的运动伪影问题。利用 MRI，可观察肺组织微结构变化；可实现不同能成像如灌注、呼吸运动、通气及气体交换等，介于此，医生可以定量分析的肺功能。随着技术的进步，MRI 在肺病诊断中得到了更广泛的应用，如：肺高血压天性血管畸形和囊性纤维化的早期临床诊断；判别肺癌和恶性胸膜间皮瘤处个阶段；纵隔胸膜肿瘤的特征描述；肺栓塞诊断等，这些无不揭示着 MRI肺病诊断有着不可忽视的作用。但令人惋惜的是，肺部 MRI 一直以来却并足够的重视，主要原因有：（1）X 射线、CT、SPECT 及 PET/CT 等这些放影像方法已相当成熟，可满足常规肺病诊断；（2）为满足肺部诊断要求， MR 图像需要足够的分辨率，然而实现肺部高清 MR 成像的技术并未得到推广。

能级结构,跃迁,原子,能级

铷（Rb）包括85Rb 和87Rb，二者丰度分别为 72.2%和 27.8%。图2.1 给出了85Rb 的 D1跃迁超精细结构，其核自旋 I 为 5/2，与其价电子总角动量耦合后，，85Rb 基态（52S1/2）和第一激发态（52P1/2）的超精细结构量子态 F 变为F=I±J，其值可取 2 或 3。外加磁场时，85Rb 的超精细能级将劈裂成 2F+1 个塞曼子能级，但能级宽度远大于劈裂宽度，故无法通过原子吸收谱分辨塞曼子能级。87Rb 除了本身原子核自旋为 I 为 3/2 外（此时 F 取值为 1 或 2），其他能级情况与85Rb 一致。实验中不考虑核自旋作用[54]
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH77

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