高场核磁共振波谱仪匀场系统的研究

发布时间：2017-08-21 20:19

  本文关键词：高场核磁共振波谱仪匀场系统的研究

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【摘要】：均匀的静磁场是核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)实验获得高分辨谱图的必要条件。随着现代核磁共振的重要发展—静磁场强度的提高,匀场的难度也相应变大,因此,如何快速、有效地提高静磁场均匀性对于高场NMR谱仪技术来说具有十分重要的意义。本论文围绕自主研发的高场核磁共振波谱仪匀场系统开展如下研究工作：(1)实现高场NMR谱仪关键部件—室温匀场线圈的自主设计及研制；(2)从实验方法和数据(图像)处理等方面入手,针对现有的自动匀场算法进行优化和改进。具体如下：首先,本文采用分离导线法结合OQNLP多点搜索的全局优化算法设计并实现了适用于高场核磁共振波谱仪的室温匀场线圈。设计指标如下：(1)线圈的外径和内径分别为54mm和45 mm；(2)包括轴向至7阶线圈、径向至5阶线圈在内的共28组匀场线圈；(3)优化样品有效区域的线性误差1%。该室温匀场线圈在500 MHz超导磁体上测试的’H线形指标(50%/0.55%/0.11%谱峰高度对应的线宽)为0.48/5.42/7.99 Hz,达到了国际商用谱仪规定的分辨率指标(0.5/6.0/12.0 Hz),说明了线圈的设计及制造工艺具备高场核磁共振波谱仪的产业化所要求的水平。同时,与自主研发的自动匀场技术有效结合,能更高效地完成谱仪的自动匀场。针对现有的自动搜索匀场方法参数设置复杂、匀场效率低等问题,本文提出了一种基于线形优化的自动搜索匀场方法。该方法的改进包括：(1)利用实际测量谱图吸收线形二次矩与匀场线圈的电流增量的二次函数关系来拟合搜索迭代的步径和收敛条件,这样无需根据不同的样品进行手动调试,实现了自动化设置的同时也提高了参数的准确性；(2)通过测量谱图吸收线形的相关性质作为搜索算法的评价指标,使得优化过程充分考虑线形和对称性等直接与谱图质量相关的参数。通过匀场实验的验证,与常规采用氘锁电平或FID面积进行搜索匀场相比,本方法减轻了对于实验条件的依赖、同时使得匀场更为准确。另外,现有的自动梯度匀场方法忽视了噪声和T2的影响,导致出现场图信噪比低甚至图像畸变的情况,并最终影响匀场的结果。针对这一问题,我们提出了一种基于正则化场图重建的梯度匀场方法。与常规的相位差成像的方式不同,本方法构建了一个正则化的图像优化模型。模型采用符合高斯噪声的最大似然估计函数和“平滑”、“先验”等信息组成罚似然估计函数,其基于以下三个事实：(1)MR测量中的噪声满足高斯分布；(2)静磁场的空间分布满足连续性；(3)匀场线圈产生的空间磁场分布符合静磁场的球谐分量。我们从仿真和实验上分析并验证了正则化场图重建技术在噪声干扰以及静磁场均匀性差等情况下仍能获得稳定而可靠的图像形状。针对“冷场”和信噪比差等仪器条件,本方法被证明能明显提高迭代匀场的质量和效率。
【关键词】：核磁共振波谱仪 匀场系统 匀场线圈 自动匀场 梯度匀场
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH841
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 1 绪论13-23
• 1.1 PFT-NMR波谱仪的工作原理13-20
• 1.1.1 宏观磁化矢量的形成13-14
• 1.1.2 射频激发与磁化强度的运动14-16
• 1.1.3 信号检测与傅里叶变换频率响应16-18
• 1.1.4 PFT-NMR波谱仪系统结构18-20
• 1.2 匀场技术的发展20-21
• 1.3 本文研究内容和意义21-23
• 2 电磁场理论及分析23-33
• 2.1 麦克斯韦方程组23-24
• 2.2 无源静磁场24
• 2.3 静磁场的分解24-31
• 2.4 毕奥-萨伐尔定律31-33
• 3 高场NMR波谱仪室温匀场线圈的设计与实现33-55
• 3.1 引言33-35
• 3.2 理论建模与线圈优化设计35-44
• 3.2.1 磁场模型建立35-38
• 3.2.2 轴向匀场线圈的设计38-41
• 3.2.3 径向匀场线圈的设计41-43
• 3.2.4 优化计算43-44
• 3.3 仿真结果44-48
• 3.4 线圈加工与装配48-49
• 3.5 匀场实验测试49-53
• 3.5.1 实验目的及内容49-50
• 3.5.2 线圈电气性能及磁场形状测试50-51
• 3.5.3 匀场实验及结果51-53
• 3.6 小结53-55
• 4 有源匀场方法55-81
• 4.1 匀场基本原理55-63
• 4.1.1 有源匀场的困难55-57
• 4.1.2 匀场的评价指标57-60
• 4.1.3 手动匀场的步骤60-63
• 4.2 与匀场相关的其他影响因素63-69
• 4.2.1 磁体的影响64-65
• 4.2.2 探头的影响65-68
• 4.2.3 样品的影响68-69
• 4.3 自动匀场方法69-81
• 4.3.1 自动搜索匀场方法70-73
• 4.3.2 自动梯度匀场方法73-80
• 4.3.3 自动匀场方法的探讨80-81
• 5 基于线形优化的自动搜索匀场方法81-99
• 5.1 引言81-82
• 5.2 原理与方法82-90
• 5.2.1 搜索步径和收敛条件83-85
• 5.2.2 搜索的评价标准85-87
• 5.2.3 搜索算法87-90
• 5.3 实验与讨论90-98
• 5.3.1 实验与参数设置90-93
• 5.3.2 更换探头的匀场实验比较93-95
• 5.3.3 常规样品的匀场实验比较95-98
• 5.4 小结98-99
• 6 基于正则化场图重建的自动梯度匀场方法99-127
• 6.1 引言99-100
• 6.2 原理与方法100-110
• 6.2.1 静磁场场图的正则化重建101-104
• 6.2.2 匀场线圈场图的正则化重建104-108
• 6.2.3 正则化参数的计算108-110
• 6.3 实验与讨论110-126
• 6.3.1 实验与参数设置110-112
• 6.3.2 匀场线圈场图重建的仿真分析112-114
• 6.3.3 匀场线圈场图重建的实验分析114-118
• 6.3.4 梯度匀场实验的结果比较118-123
• 6.3.5 快速实验的信噪比鲁棒性实验分析123-126
• 6.4 小结126-127
• 7 总结与展望127-129
• 7.1 总结127
• 7.2 展望127-129
• 参考文献129-138
• 作者简介及在学期间发表的学术论文138-139

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本文编号：714899