基于气体浓度定量的嗅觉刺激器优化设计

现有的基于磁共振测量的嗅觉刺激器，通过调节嗅剂液体浓度的方法可以实现不同浓度的嗅觉刺激，但随着实验进行，受到嗅剂挥发以及实验环境（温度、湿度、气流量）变化的影响，很难确保输送至鼻腔的嗅剂气体浓度的稳定性，进而影响实验结果的准确性．本研究对本实验室前期开发的嗅觉刺激装置进行改进，实现了气体浓度精确定量．改进后的嗅觉刺激器主要分为三个部分：控制系统、反馈系统和气路系统．控制系统主要实现气路系统的送气控制和嗅剂气体浓度调节；反馈系统则负责对气体浓度进行测量；气路系统则在原有基础上添加活性炭装置，降低无关因素干扰．装置改进之后，不同气路切换时间为75.2 ms，比原装置减少了1 s，有效提高刺激精度．实验结果显示，气体浓度调节前，300 s内乙醇、吡啶、乙酸戊酯嗅剂气体浓度分别下降6.7%、71.4%、79.2%，嗅剂气体浓度短时间内发生较大改变．加入气体浓度调节功能后，当气体浓度下降至目标浓度的90%时，可通过调节气泵电压改变嗅剂气流与空气气流比例，从而调节嗅剂气体浓度至目标值，其中吡啶、乙酸戊酯用时13 s．     

针对限制幅值磁共振脉冲的优化设计

在磁共振脉冲优化领域,优化脉冲普遍存在幅值过大的问题,这极大地限制了优化脉冲的使用范围。为了限制优化脉冲的幅值,扩大其应用范围,提出了一种基于L-BFGS-B数值算法的脉冲优化设计方法。首先基于Liouville-von Neuman方程,使用最优控制思想构建优化模型;然后使用L-BFGS-B算法,在限制幅值的条件下对优化模型进行数值迭代求解;最后以脉冲的激发效率以及激发轮廓的均匀性作为衡量优化脉冲优劣的标准对该方法进行仿真和实验验证。结果表明,采用该方法获得的优化脉冲在幅值被限制的前提下,仍能获得较传统磁共振脉冲更好的共振激发效果,进而增强信号的灵敏度,提高图像的质量。     

用于同时多层MRI的选择性射频脉冲的优化设计

近年来,为提高磁共振成像（MRI）信号信噪比（SNR）、缩短成像时间,同时多层成像技术受到了极大的关注.为了实现同时多层的选择性激发,现有的多层成像序列大多使用组合射频（RF）脉冲,该脉冲可包含多个独立的幅值相同相位不同的简单脉冲,由于其采用简单的线性叠加方法,该类脉冲射频功率随脉冲数量呈现平方增长,因而应用受限.针对这一问题,基于自旋动力学和优化控制原理,本文提出了一种针对同时多层MRI的选择性射频脉冲的数值优化方法,该方法充分运用射频脉冲的调控机制,获得优化脉冲,并配合层选梯度,可实现任意层厚、层间距、层数的同时高效选择性激发.最后,通过数字模体的同时多层模拟成像实验验证了优化脉冲的有效性.     

基于正则化迭代的并行磁共振图像重建算法

为了解决并行磁共振成像过程的病态性和图像信噪比下降问题,降低重建过程中噪声放大和异常值的干扰造成的图像信噪比的损失,提出了一种基于正则化共轭梯度迭代的并行磁共振成像重建算法;该算法基于最小二乘理论,引入正则化,优化方程,进而进行迭代重建;采用了不同加速因子的人脑磁共振K空间欠采样数据以验证该算法的重建性能,仿真结果表明了该算法相较于最小二乘法,能较大限度地降低噪声对重建结果的干扰,具有信噪比更高、误差更小、成像效果更好等特征;重建图像质量得到了较好的改善,对临床诊断更具有适用性。     

基于原子磁力计的穿戴式脑磁图动态测量研究

脑磁图作为一种无创的脑功能成像技术，依靠超高的时间及空间溯源分辨率，在脑科学研究和临床应用领域中有着极其重要的价值.本文介绍了自主搭建的基于原子磁力计的穿戴式脑磁图系统，通过设计匀场补偿线圈组并结合参考传感器阵列，实现被试头部运动区域内剩磁在±1 nT以内，保证动态测量过程中传感器输出维持在动态范围以内；同时提出了一种虚拟合成梯度去噪方法，显著抑制了环境共模噪声；最终在被试者头部自然运动状态下，成功检测到高信噪比的α节律信号与听觉诱发磁场信号，证实了该系统的有效性，为穿戴式脑磁图应用推广提供更多的可能性.     

儿童发育性髋关节脱位的磁共振形态学定量

发育性髋关节脱位（developmental dysplasia of the hip，DDH）作为一类常见的、严重威胁儿童健康成长的髋关节疾病会严重影响到儿童的肢体发育和生活质量，其早诊断、早治疗非常重要.磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）技术可提供丰富的有关髋关节发育情况的形态学信息.目前，基于磁共振图像的DDH临床诊断主要凭借医生的肉眼观测，对医生要求甚高，而且无法定量判断DDH病情.本文提出了一种针对儿童DDH磁共振图像的形态学定量评估方法，通过对DDH病理改变密切相关的形态学参数的自动测定，完成形态学参数的定量评估，为临床提供辅助的量化参考.该方法包括磁共振图像预处理、股骨及盆骨分割、髋关节三维模型重建，以及结合了厚度搜索、三维霍夫变换和最小二乘拟合等算法实现的中心边缘角（center-edge angle，CEA）、髋臼角（acetabular index，AI）和股骨颈前倾角（femoral neck anteversion，FNA）等重要指标的自动测量.儿童DDH形态学定量评估方法的建立对儿童DDH的筛查、诊断和确诊患儿手术方案的制定，以及术后的动态随访，都具有重要参考价值.     

一种用于fMRI的嗅觉刺激装置设计与验证

为了实现任务态f MRI的嗅觉刺激装置的设计和功能验证.满足嗅觉f MRI实验的自动化刺激要求.首先,针对嗅觉刺激和人体嗅觉感受的特点,结合使用环境的要求,总结嗅觉f MRI的实验设计方法,归纳出用于f MRI的嗅觉刺激装置的具体需求.将刺激装置分为气路系统和控制系统、气路系统采用洁净空气通过气味溶液产生相应的气味气体,通过多支路切换达到输出不同气味的目的;控制系统采用虚拟仪器方案,其软件基于Lab VIEW平台编程,提供可输入刺激序列的人机界面,并根据要求控制电磁阀切换不同气路.然后,使用该刺激装置对单个被试进行嗅觉刺激并成像,刺激气体采用乙酸异戊酯和吡啶,实验为组块设计,使用Siemens 3.0 T MRI仪器EPI序列进行扫描,数据处理采用基于Matlab软件的SPM8和Mars Ba R工具包.选取眶额叶和岛叶中的脑激活团簇作为感兴趣区域(ROI)进行分析,激活信号在时间上的强度变化与刺激序列变化基本一致,吡啶组块的激活信号强度大于乙酸异戊酯组块激活强度,且其强度变化比乙酸异戊酯组块更符合刺激序列.ROI分析证明刺激装置基本满足嗅觉f MRI实验需要,具有较强的可用性.此外,在相同的刺激时间和间隔时间下,人脑同一区域对不同刺激气味的激活反应可能不同.     

基于小型化原子磁力计的零场NMR波谱仪搭建与测试

常规高场NMR波谱仪依托超导技术,其体积大、维护成本高,且存在样本磁化率不均匀导致的谱线展宽现象,零场或近零场NMR技术则可实现有效互补．本文自主搭建了一套基于小型原子磁力计的可移动零场NMR波谱仪,采用以多功能采集卡(National Instruments PCIe-6353)为核心的集成控制系统,仪器主磁场强度小于1 nT,可实现高分辨率的J-耦合谱采集．为实现对自旋体系的有效操控,利用样品绝热初态的单脉冲激发实现对三轴脉冲线圈的精确标定．在此基础上,使用改进的组合脉冲序列实现了在¹³C-¹H异核体系下的单自旋选择性操控,验证了零场NMR波谱仪的有效性．     

针对磁共振射频脉冲的时频域分析方法比较研究

射频脉冲可实现样本自旋体系的精确操控,进而产生预期的核磁共振(NMR)信号,在NMR信号产生过程中扮演重要角色.该文分别采用短时傅里叶变换(STFT)、连续小波变换(CWT)和维格纳-威利分布(WVD)几种时频域分析方法对射频脉冲(优化形状脉冲)进行特性分析和比较.结果表明,三种方法各自具有优缺点,结合各自优势对射频脉冲进行各种方法分析,可以更好地理解复杂脉冲的幅度、相位特性在时频域的分布情况.该文的研究方法将为直观理解复杂射频脉冲对自旋体系的作用机制提供参考.     

方差评估在幅值限制脉冲优化中的应用

改进了现有针对限制幅值磁共振脉冲的优化设计方法,在脉冲优化过程中加入对脉冲激发效率方差的评估．该方法能有效改善脉冲带宽激发的不均匀性．并探讨了改进方法中不同的方差权重系数以及脉冲幅值限制条件对于优化效果的影响,以获得最佳的脉冲优化效果．