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第1章 核磁共振成像仪概论 1

1.1 MR成像仪总体结构简介 2

1.1.1磁体部分 2

1.1.2谱仪电子学部分 4

1.1.3计算机部分 5

1.2 MRI主磁体系统简介 6

1.2.1超导磁体系统 6

1.2.2永磁磁体系统 9

1.2.3电磁体 11

1.3 MRI梯度系统 12

1.3.1度量梯度线圈优劣的指标 13

1.3.2超导MRI梯度线圈传统结构 13

1.3.3永磁或电磁MRI系统的梯度线圈结构 16

1.3.4梯度线圈的新发展 17

1.3.5梯度放大器和开关时间 18

1.3.6振动伪影的校正 19

1.4 MRI的RF线圈系列 19

1.4.1 RF线圈的功能和本征物理特性 19

1.4.2 LC谐振槽路 20

1.4.3 RF线圈设计考虑要点 22

1.4.4螺线管及变型螺线管线圈 23

1.4.5蝶形线圈 23

1.4.6开放腔式线圈 24

1.4.7在圆柱内产生横向磁场的线圈 24

1.4.8鸟笼线圈 26

1.4.9 RF线圈系列 27

1.4.10 TEM线圈 27

1.4.11表面线圈和相位阵列线圈 28

1.5射频发射/接收系统 29

1.5.1概述 29

1.5.2发射/接收（T/R）开关 30

1.5.3 RF线圈的调谐和匹配 32

1.5.4 RF线圈和接收机前置放大器的连接 34

1.5.5正交混合器和正交调制器 35

1.5.6发射通道 35

1.5.7 RF功率放大器 36

参考文献 36

第2章 MRI主磁体设计 39

2.1轴对称磁场均匀性分析方法 39

2.2超导MRI主磁体设计思想及方法 42

2.2.1厚壁螺管亥姆霍兹对 42

2.2.2高均匀度MRI主磁体设计的数学模型 43

2.2.3电磁场计算软件和优化算法 46

2.3六线圈MRI主磁体系统设计 47

2.3.1相同半径六线圈结构 47

2.3.2不同内径的六线圈结构 48

2.3.3铁屏蔽1.5T六线圈MRI磁体设计实例 49

2.4多层端校正单螺线管MRI磁体设计 52

2.4.1磁矢势的格林函数展开 52

2.4.2载流螺线管中心球（r＜a）区域内磁矢势的级数表达式 53

2.4.3端补偿结构 54

2.4.4多层端补偿结构 55

2.4.5多子层补偿结构 56

2.5永磁MRI磁体设计 57

2.5.1磁体结构设定 57

2.5.2磁路定理 58

2.5.3磁场计算和优化的有限元方法 60

2.5.4磁体几何尺寸的优化 61

2.5.5匀场设计 62

2.5.6温控方法 66

参考文献 67

第3章 匀场线圈设计和自动匀场原理 70

3.1磁标势球谐函数展开和解析匀场概念 70

3.1.1有源匀场线圈的重要性 70

3.1.2谐波匀场概念 71

3.1.3匀场线圈设计目标 72

3.2超导MRI磁体的匀场结构设计 73

3.2.1磁矢势、磁标势和纵向场Hz的球谐函数级数表达 73

3.2.2谐波的产生和计算 74

3.2.3轴向谐波 75

3.2.4场分布和谐波的测量 78

3.3超导MRI磁体匀场线圈设计目标场方法 79

3.3.1建立磁场和电流之间谐波系数对应关系式 80

3.3.2目标谐波场系数设置 83

3.3.3匀场线圈设计结果 85

3.3.4关于系数矩阵D的条件数和矩阵方程病态问题的讨论 89

3.4永磁MRI双平面匀场线圈设计 91

3.4.1双平面结构匀场线圈设计理论 91

3.4.2典型设计结果 95

3.5在活体内自动匀场 98

3.5.1人体内磁化率效应 98

3.5.2 FID匀场 98

3.5.3基于场-map的匀场 99

3.5.4动态匀场 100

3.5.5 z-匀场 102

参考文献 104

第4章 MRI梯度线圈设计和二阶梯度空间编码 107

4.1分立导线梯度线圈的解析公式 107

4.1.1纵向梯度 107

4.1.2横向梯度 108

4.2柱面电流系统磁矢势和磁场的傅里叶-贝塞尔展开 111

4.2.1磁矢势的傅里叶-贝塞尔展开 112

4.2.2磁场的傅里叶-贝塞尔积分表示 114

4.3目标场方法 116

4.4自屏蔽梯度线圈 121

4.5最小电感和最小功耗梯度线圈 123

4.6永磁MRI平行双平面梯度线圈设计 126

4.6.1双平面上线圈电流级数表示 126

4.6.2平面电流在其间DSV产生磁场的表达 127

4.6.3横向梯度设计表达式 128

4.6.4电流密度离散化 129

4.6.5线圈性能验证和参数计算 130

4.6.6仿真计算和结果 131

4.6.7目标场点选取和电流基函数个数Q的选择 131

4.7二阶梯度编码O-空间成像 135

4.7.1 O-空间成像思路 135

4.7.2 O-空间成像原理 136

4.7.3 O-空间成像模拟和实验结果 138

参考文献 140

第5章 鸟笼式RF体线圈 142

5.1无耗四端网络、传输线、滤波器理论 142

5.1.1四端网络概念 142

5.1.2 T形网络 143

5.1.3四端网络的特征参数和传输线 145

5.1.4无损耗滤波器理论 148

5.2用行波理论分析鸟笼谐振器 151

5.2.1鸟笼谐振器的输入阻抗和输入导纳 152

5.2.2鸟笼腿电流 154

5.3用滤波器理论分析鸟笼谐振器 157

5.3.1低通鸟笼 157

5.3.2高通鸟笼 160

5.3.3混合鸟笼或带通鸟笼 162

5.3.4电阻性损耗和Q值 164

5.4 RF鸟笼体线圈的屏蔽 165

5.4.1镜像法 166

5.4.2 RF屏蔽的设计 167

5.5 RF鸟笼体线圈的选择、设计、调谐和驱动 169

5.5.1鸟笼体线圈设计选择的考虑 169

5.5.2高通鸟笼和低通鸟笼的比较 169

5.5.3低通鸟笼设计实例 171

5.5.4鸟笼的驱动 173

5.5.5调谐、匹配用的主要工具 175

5.5.6矢量网络分析仪 176

5.5.7两个正交模频率精确相等的调整 177

参考文献 178

第6章 多通道相位阵列线圈及并行发射 180

6.1表面线圈及只接收技术 180

6.1.1信噪比考虑 180

6.1.2表面线圈的灵敏度 182

6.1.3矩形表面线圈的电感和谐振频率 183

6.1.4圆环线圈的电感 184

6.1.5表面线圈接收期间要失谐体线圈 185

6.1.6低噪声前置放大器 185

6.1.7阻塞电路 187

6.1.8 RF陷阱电路 188

6.1.9无源阻塞电路 188

6.1.10有源阻塞电路 189

6.1.11阻塞电路失灵的后果 190

6.1.12电缆陷阱滤波电路 191

6.1.13巴伦 192

6.2相位阵列线圈 192

6.2.1线圈之间的相互作用及退耦 193

6.2.2前置放大器的低输入阻抗及弱退耦 195

6.2.3数据采集和图像重建 198

6.2.4最大信噪比图像 199

6.2.5组合成模像 202

6.2.6平方和像 202

6.2.7并行成像 203

6.3并行发射原理 204

6.3.1旨在缩短空间选择脉冲长度的并行发射RF脉冲波形设计理论 204

6.3.2误差传播 209

6.3.3线圈灵敏度B＋1场mapping方法 209

6.3.4八通道并行RF发射实例 212

6.4并行发射线圈设计 216

6.4.1退耦理论 217

6.4.2 LC退耦技术 217

6.4.3电容退耦技术 219

6.4.4电感退耦 220

6.4.5屏蔽退耦 220

6.4.6带线环路阵列降低耦合 220

6.4.7恒流源RF放大器退耦 221

6.4.8超低输出阻抗RF功率放大器退耦 221

6.4.9并行发射阵列线圈的几何考虑 223

6.4.10高度简并带通鸟笼（DBC）用于并行发射 223

6.4.11 TEM线圈用于并行激发 225

参考文献 225

第7章 MRI谱仪原理与设计 229

7.1数字化MRI谱仪整体结构 229

7.1.1谱仪的功能 229

7.1.2 PKSpect谱仪的设计思路 230

7.1.3 PKSpect谱仪的总体结构 232

7.1.4 PKSpect谱仪的网络通信模块与PowerPC 233

7.1.5 PKSpect谱仪的软件架构 235

7.1.6 PKSpect谱仪的改进版 236

7.1.7 DiSpect谱仪结构 238

7.1.8 DiSpect谱仪的软件设计 239

7.1.9单板谱仪 240

7.2数字频率合成器与MRI频率源 241

7.2.1频率合成器 241

7.2.2 DDS的基本工作原理 242

7.2.3大规模集成电路芯片AD9854 244

7.2.4 AD9854配置为MRI谱仪的DDS 249

7.2.5基于DDS和FPGA的频率源 250

7.2.6数字正交调制和从谱仪的RF输出 251

7.3现场可编程逻辑门阵列 252

7.3.1可配置逻辑块 254

7.3.2输入/输出块 255

7.3.3布线通道描述 256

7.3.4开发软件 258

7.3.5 VHDL 259

7.3.6采样逻辑电路设计 259

7.4数字信号处理器 260

7.4.1 DSP结构 260

7.4.2浮点运算 262

7.4.3 C语言和汇编语言 262

7.4.4 TMS320VC33 263

7.4.5作为序列控制器的DSP内驻留程序 263

7.5数字接收机 264

7.5.1数字接收机原理 264

7.5.2采用AD9874芯片构建数字接收机 265

7.5.3采用AD6620构建数字解调器 266

7.5.4 DDC滤波器设计原理 267

7.5.5 PKSpect谱仪接收机DDC滤波器实际设计与效果 270

7.5.6发射机和接收机相位相干性问题 271

7.6梯度波形发生器 273

7.6.1 PKSpect谱仪中的梯度波形发生器 273

7.6.2 WinMRI谱仪中梯度发生器 275

参考文献 276

第8章 梯度放大器和RF功率放大器 279

8.1梯度放大器 279

8.1.1梯度放大器基本原理——脉冲宽度调制 280

8.1.2比较器 281

8.1.3拓扑结构 282

8.1.4输出滤波器设计 283

8.1.5反馈电路 284

8.1.6驱动高电感、低电阻线圈 285

8.2超低输出阻抗AB类推挽式RF功率放大器 286

82.1放大器电路原理 286

82.2放大器实际电路 288

8.2.3低阻抗放大器的调试与结果 288

8.3电流模式D类（CMCD）放大器 291

8.3.1 CMCD）放大器电路原理 291

8.3.2 RF包络发生机制 293

8.3.3信号源和光导纤维传输 293

8.3.4放大器和前置放大器 294

8.3.5调幅系统（AMS）和电流反馈 295

参考文献 295

第9章 超高场MR成像仪 297

9.1超高场MR成像仪面临的问题 297

9.1.1超高场全身MRI磁体成本的物理考虑 297

9.1.2超高场MRI面临的技术挑战 297

9.1.3介质阴影和介质共振 299

9.1.4 RF匀场 301

9.1.5多通道数字化RF发射/接收机 302

9.1.6对感兴趣区（ROI）进行RF局部匀场 302

9.1.7磁孔65cm 9.4T MRI磁体参数 304

9.1.8磁孔90cm 7T MRI磁体参数 305

9.2行波MRI 306

9.2.1行波MRI原理 306

9.2.2行波定域质子谱 309

9.2.3多模行波激发和并行MRI 311

参考文献 313

第10章 特殊MRI设备 316

10.1基于氦（3 He）或氙（129 Xe）预极化的肺MRI 316

10.1.1 129 Xe预极化方法和原理 316

10.1.2 129 Xe预极化系统物理设计 318

10.1.3 129 Xe预极化系统与MR成像仪集成 323

10.1.4用超极化129 Xe或3He进行肺MRI的脉冲序列 324

10.1.5超极化129 Xe或3He肺MR成像和谱 326

10.1.6在肺MRI中用3He和用129 Xe的比较 328

10.1.7超极化气体MRI的临床应用 329

10.2介入MRI 330

10.2.1术中MRI的必要性 331

10.2.2术中MRI的具体作用 331

10.2.3术中MRI扫描单元 334

10.2.4开颅手术中MRI的RF线圈和头固定框架 335

10.2.5为机器人辅助微创外科手术导航的MRI 337

参考文献 339

第11章 便携式MRI/NMR系统 342

11.1可移动非均匀场单边NMR/MRI系统 342

11.1.1均匀和非均匀场NMR 342

11.1.2单边NMR磁体 345

11.1.3单边NMR射频线圈 348

11.1.4单边NMR梯度线圈 351

11.1.5单板NMR谱仪 352

11.1.6小型RF放大器和梯度放大器 352

11.2单边NMR成像和NMR谱新方法 353

11.2.1二维逆拉普拉斯变换NMR 353

11.2.2用单边NMR传感器成像 355

11.2.3单边非均匀场高分辨NMR谱 361

11.2.4单边传感器外域均匀场高分辨NMR1H谱 370

11.3魔环磁体均匀场高分辨NMR谱仪 373

11.3.1 Halbach磁体结构 373

11.3.2磁体实例 373

11.3.3主磁场空间依赖性 374

11.3.4魔环磁体匀场线圈设计目标场方法 375

参考文献 378

附录A 常用的物理常数 383

附录B 球函数 384

附录C 柱坐标系中格林函数展开 387

附录D 梯度、散度、旋度、拉普拉斯算符在几种常用曲线坐标系中的表示 389