一种基于双波长的光声测温技术

光声测温是一种利用光声效应来进行温度监控的新方法,具有非侵入式、高灵敏度和探测深度较深等优点.但现有的单波长光声测温方法极易受到系统及测量环境干扰而导致测量精度降低.为了解决这一问题,本文提出了一种双波长光声温度测量方法.在光声测温理论的基础上,分析推导了双波长光声测温的基本原理,并进行了仿体及离体组织样品的双波长光声测温实验.实验结果显示,与传统单波长模式相比,双波长模式下的光声温度测量误差明显减小,测量精度平均提高35%以上.研究结果表明双波长光声测温方法能够有效提高光声温度测量的精度和稳定性,可作为一种更精准的光声温度监控方法应用于医疗手术等领域.     

一种实用化实时测温系统工作波长优化设计的进一步分析

基于Kirchhoff定律,依照测温系统的各主要技术参数与各主要技术指标(温度分辨力、测温灵敏度、相对测温灵敏度及测温准确度)之间的关系,对利用激光并采用钽酸锂热释电探测器作光电转换器件的实用化实时测温系统的工作波长进行了进一步的优化设计.实验表明,在测温范围400~1200 ℃内,系统的测温误差符合设计要求.     

一种实用化实时测温系统的优化设计

基于基尔霍夫定律，利用半导体激光器及钽酸锂热释电探测器设计了一种实用化的实时测温系统。依照测温系统各主要技术指标(温度分辨力、温度的标准偏差及测温范围)与各主要技术参量(激光光源的能量、波长、放大器的带宽及光学系统的相对孔径等)之间的关系，对实时测温系统的各主要参量(激光光源的能量、光学系统的相对孔径及放大器的带宽)进行了优化设计。实验表明，在测温范围673～1473K内，温度测量的不确定度优于0．3％，分辨力优于0．4K，均符合设计要求。     

一种用于MOCVD石墨盘的红外测温装置

根据MOCVD (metal organic chemical vapor deposition)在线红外测温的发展需要,结合Thomas Swan CCS MOCVD反应室的结构特征,考虑加热比调节空烧过程的特定条件,设计了一种能够在线监测MOCVD石墨盘上表面温度及径向19个点温度分布的简易940 nm红外测温装置。通过安装于光学视窗上方的红外探头,探测高温石墨盘及外延片的红外辐射强度,根据Planck黑体辐射公式及光谱发射率修正进行测温。红外测温装置主要由可读数轨道、红外探头、连接板以及精密平移台4部分组成。将该装置应用于MOCVD Si(111)衬底上制备InGaN/GaN多量子阱(MQW)结构外延片加热程序的空烧过程,结果表明:最低能够测量的温度为430℃,700℃~850℃测量误差在2.3℃内,900℃~1 100℃测量误差在1℃内,700℃~1 100℃范围内,重复性均在0.6℃内,无需反射率修正、探孔有效面积校准;能稳定工作。     

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.     

一种用于fMRI的温度觉刺激装置的设计与验证

介绍了一种用于功能磁共振成像(f MRI)的温度觉刺激装置的设计与验证,该装置能够用于f MRI温度觉的脑功能研究,满足温度觉f MRI实验的自动化刺激要求.整个刺激装置设计了以微控制器为核心的控制电路,通过数据采集卡能够与上位机Lab VIEW软件进行数据通讯,并将获取的数据通过特定的串口协议传递给数字PID温控模块,实现对刺激端温度的精确调控.最后,使用该刺激装置对多名被试进行了温度觉的脑功能实验,实验结果验证了该设计的可行性.     

显微测温灵敏度的研究

本文叙述了显微测温仪的结构原理和温度灵敏度,并根据光学系统的参数和黑体辐射定律及探测器的噪音等效功率,推导出了NET的计算公式,从而为研制和应用显微测温仪器提供了重要依据.     

一种被动式单波长实时测温系统的优化设计

基于Kirchhoff定律,利用一面反射镜,设计了一种可同时测量发射率及温度的单波长实时测温系统.从系统的测温灵敏度、相对测温灵敏度、探测器的温度分辨力及系统的测温标准差与波长的关系出发,并结合大气对红外辐射的透射特性,优化了系统的工作波长; 从系统的抗反射辐射能力与波长带宽的关系出发,并结合探测器的最小可探测光功率要求,优化了系统的波长带宽.实验结果表明,当λ=0.80 μm、Δλ=20 nm时,在测温范围600~2 500℃内,系统的测温不确定度优于0.3%.     

辐射测温中光谱发射率的表征描述

实际物体的光谱发射率表现复杂,给辐射测温的深入研究和实际应用带来了很多困难和不确定性,发射率问题即成为了辐射测温研究中的关键点。文章基于光谱发射率的泰勒多项式展开、波长的无量纲参数、弯曲度指数等分析,描述了谱色测温法中光谱发射率的数学表征,建立了窄波段内的光谱发射率通用函数形式。并通过对不同温度下几种金属的实际光谱发射率进行拟合分析,对此给予了实验上的验证,表明了所提出光谱发射率模型具有应用的适用性,该模型是谱色测温方法应用研究的基础。     

基于波段带宽的谱段测温法的测温范围分析

基于窄波段内普适性的线性发射率模型,将三波长（单色）辐射温度测量拓展到谱段辐射温度测量。在谱段测量中,为实现非失真的有效测量,文中结合传感器的动态范围及最低灵敏度等特性参数 ,考虑多路信号的耦合关系,讨论了有效温度测量的相应限制条件。从而针对具有已知辐射物性的被测物体,通过数值模拟给出谱段测温的有效测温范围相对于传感器的波段带宽的变化趋势。理论上明确 了实现有效温度范围测量对传感器的波段带宽的要求。文章分析将为辐射传感器的设计提供必要的理论指导。     

Simple but Reliable Solutions for Spiral MRI Gradient Design

The efficiency of gradient design in MRI is limited by the simple fact that the gradient coil current and slew rate cannot exceed hardware threshold values. In spiral MRI, which requires gradients to be very rapidly switched between positive and negative values, minimization of the acquisition time is achieved by maintaining the current and slew rate as high as possible during the entire measurement. Since the current and slew rate compete against each other, an efficient gradient design consists of two parts in which current and slew rate are pushed alternatively to their limits. Values for these types of gradients can be obtained by solving numerically the equation of motion for the spiral trajectory. This paper shows that simple but reasonable mathematical approximations deliver reliable analytical solutions. Images obtained using these analytical solutions do not show evident distortions when compared with images obtained with numerical solutions.     

基于回波平移序列的快速三维磁共振温度成像方法

高强度聚焦超声（HIFU）是一种无创的热消融疗法，为保证其安全性和有效性，需要一种精度高、速度快的测温方法在其治疗过程中对温度进行监控.基于质子共振频率位移（PRFS）的磁共振温度成像（MRT）对温度具有较高的灵敏度，且与温度具有良好的线性关系，因此常被用于引导HIFU治疗.然而在实际应用中，HIFU治疗的最大隐患在于可能造成表皮灼伤，并且灼伤区域可能与焦点区域相隔较远.因此MRT的监控范围十分重要.本文基于三维回波平移成像序列，结合可控混叠的空间并行成像技术，实现了时间分辨率为3 s的快速三维温度成像.为了验证该方法的精度，本文首先设计了仿体降温实验，利用光纤温度计验证回波平移序列测温的准确度和精确度.然后在室温条件下扫描离体猪肉组织，对比加速前后的MRT的测温精确度.在HIFU加热条件下扫描离体猪肉组织，对比加速前后的MRT的测温准确度.结果显示，本文提出的方法可以在3 s内完成三维温度精准测量，对于HIFU治疗的安全监控具有重要意义.     

Applications of silica-based nanoparticles for multimodal bioimaging

Multimodal imaging, as an important approach to circumvent the limitations of single imaging modality, has attracted extensive attention in recent years. With the rapid development of nanotechnology and the ongoing efforts to improve their targeting capability and endow multiple imaging ability, nanoprobes are expected to play crucial roles in multimodal imaging through integrating different imaging moieties or molecules into a single nanoparticle, where silica has been used intensively as a carrier or a medium for the construction of the nanoprobes due to its preferable characteristics including good biocompatibility, long blood circulation time, and ease of modification. Based on the types of the silica used for the fabrication of nanoprobes, solid silica-based and mesoporous silica-based nanoparticles were developed for multimodal imaging. Herein, the newly developed silica-based nanoparticles as multimodal imaging agents for disease diagnosis and therapy in the last 5 years were summarized, along with their fabrication process, specific applications, and especially the role of the silica.     

基于CEST机制的pH成像方法、原理和应用

化学交换饱和转移（Chemical Exchange Saturation Transfer,CEST）技术作为一种新型的磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging,MRI）技术.它的原理为溶质池中被激发饱和的质子与游离水中未被饱和的质子间的化学交换,能够引起水质子磁共振信号的下降,从而获得组织内生物分子的相关信息.由于质子间的交换速率k_ex与组织微环境的pH值之间存在直接联系,因而可以通过溶质质子的CEST信号对活体组织进行pH成像.目前用于pH成像的溶质分子既包括内源性游离的蛋白质、多肽分子,还包括一系列的外源性小分子和金属螯合物.通过不同类型的比率法、内源性胺和酰胺浓度-独立检测（Amine and Amide Concentration-independent Detection,AACID）等成像方法,能够获得肾脏、中风脑组织以及肿瘤组织的pH图谱.本文详细总结了2000年以来利用CEST技术进行pH成像方面的研究进展,包括对比剂、成像方法和相关应用,展望了活体组织pH成像的发展趋势和应用前景.     

多通道磁共振成像仪控制台数据传输模块设计

当前临床高场磁共振成像（MRI）系统要求成像仪控制台支持16个甚至32个接收通道,可以频繁和高速地进行数据传输并支持快速成像．基于此要求,本文研发了一个基于PowerPC处理器的数据传输模块,将其集成于自行研发的MRI成像仪控制台中,用于成像过程中控制台与计算机之间数据的高速传输．该模块以飞思卡尔公司的高性能PowerPC处理器—MPC8270为核心,运行嵌入式Linux操作系统．处理器与用户计算机之间通过百兆以太网连接,使用局部总线连接控制台的序列运行模块和数据采集模块（数量可扩展）．处理器响应数据采集模块发来的中断请求以快速读取和上传数据．本设计通过驱动程序的设计以保障响应的速度与可靠性．成像实验表明此设计方案能够满足多个接收通道数据快速获取与传输的需求．     

胶束型磁共振成像分子探针的设计与应用

飞速发展的分子影像学在肿瘤的早期诊断及检测中发挥着越来越重要的作用.磁共振成像(MRI)是分子影像学的重要分支,具有其他成像技术不可比拟的优越性和广阔的发展前景.它不需要放射性示踪剂,没有电离辐射,具有高的空间、时间分辨率和组织对比度.近年来,新型磁共振分子探针及成像序列取得了一系列进展,包括环境响应型分子探针、¹⁹F成像、¹²⁹Xe超极化成像以及化学交换饱和转移成像等,进一步拓展了MRI的应用范围.研究和开发靶向性好、弛豫效率高且安全性好的新型多模态MRI造影剂,进一步提高灵敏度是MRI领域的一项重要课题,例如将胶束的特性与一些MRI新方法结合,寻找合适的胶束体系,以提高MRI分子探针的灵敏度;或者引入多模态分子探针,弥补磁共振方法的不足.本文综述了胶束型MRI分子探针核心技术的研究进展与应用,并指出分子影像技术在生物医学工程研究和临床诊断中的重要性.     

Nanomagnetism:Principles,nanostructures,and biomedical applications

Nanomagnetism is the origin of many unique properties in magnetic nanomaterials that can be used as building blocks in information technology, spintronics, and biomedicine. Progresses in nanomagnetic principles, distinct magnetic nanostructures, and the biomedical applications of nanomagnetism are summarized.     

迅速崛起的影像诊断术——磁共振成像

磁共振成像是根据生物体磁性核（氢核）在磁场中的表现特性成像的高新技术，它诞生后立即被用于医学诊断，在许多疾病的诊治中发挥了不可取代的作用，本文主要介绍磁共振成像影像诊断学的发展历史，及其它蕴含的创新思维历程，给科技工作者将产生有益的启示。     

A design of novel type superconducting magnet for super—high field functional magnetic resonance imaging by using the harmonic analysis method of magnetic vector potentials

The approach of expanding the magnetic scalar potential in a series of Legendre polynomials is suitable for designing a conventional superconducting magnetic resonance imaging magnet of distributed solenoidal configuration. Whereas the approach of expanding the magnetic vector potential in associated Legendre harmonics is suitable for designing a single-solenoid magnet that has multiple tiers, in which each tier may have multiple layers with different winding lengths. A set of three equations to suppress some of the lowest higher-order harmonics is found. As an example, a 4T single-solenoid magnetic resonance imaging magnet with 4×6 layers of superconducting wires is designed. The degree of homogeneity in the 0.5m diameter sphere volume is better than 5.8 ppm. The same degree of homogeneity is retained after optimal integralization of turns in each correction layer. The ratio B_m/B₀ in the single-solenoid magnet is 30% lower than that in the conventional six-solenoid magnet. This tolerates higher rated superconducting current in the coil. The Lorentz force of the coil in the single-solenoid system is also much lower than in the six-solenoid system. This novel type of magnet possesses significant advantage over conventional magnets, especially when used as a super-high field functional magnetic resonance imaging magnet.     

Diagnostic value of breast MRI for predicting metastatic axillary lymph nodes in breast cancer patients: diffusion-weighted MRI and conventional MRI

Purposes

To evaluate the diagnostic value of diffusion-weighted MRI (DWI) and combination of conventional MRI and DWI to predict metastatic axillary lymph nodes in breast cancer.

Materials and methods

Two hundred fifty-two breast cancer patients with 253 axillae were included. The morphological parameters on axial T2-weighted images without fat saturation and apparent diffusion coefficient (ADC) values were retrospectively analyzed. An independent t-test/chi-square test and receiver operating characteristics (ROC) curve analysis were used.

Results

On conventional MRI, short and long axis length, maximal cortical thickness, relative T2 value, loss of fatty hilum (p < 0.001 for each), and eccentric cortical thickening (p < 0.003) were statistically significantly different between the metastatic and nonmetastatic groups. The short axis to long axis ratio was not a statistically significant parameter. The ADC value was significantly different between the 2 groups, with an AUC that was higher than that of conventional MR parameters (AUC, 0.815; threshold, ≤ 0.986 × 10–3 mm²/sec; sensitivity, 75.8%; specificity, 83.9%). Using the adopted thresholds for each parameter, a total number of findings suggesting malignancy of 4 or higher was determined as the threshold, with high specificity (90.1%).

Conclusion

Using conventional MRI and DWI, we can evaluate the axilla in breast cancer with high specificity.