基于自主研发的500 MHz NMR谱仪的紫杉醇结构解析

中国科学院武汉物理与数学研究所（WIPM）于2010年成功研制了500 MHz（WIPM-I 500）高分辨超导核磁共振（NMR）谱仪,并将其投入实际应用中.然而,关于其二维核磁共振（2D NMR）谱图的准确性及在此基础上对复杂物质的结构解析尚无系统完整的数据报道.该文利用WIPM-I 500型NMR谱仪,对紫杉醇样品进行了1D NMR及2D NMR（包括¹H-¹H COSY、¹H-¹H TOCSY、J-Res、¹H-¹³C HMQC和¹H-¹³C HMBC）实验,将谱图分析结果与进口仪器进行了对比.结果表明：利用WIPM-I 500型NMR谱仪能够采集准确的2D NMR谱图,为紫杉醇的正确归属提供了实验基础;而且该文也纠正了文献中对紫杉醇的错误归属.     

基于ARM的核磁共振波谱仪气动温控系统设计

提出了一种基于ARM（Advanced RISC Machine,先进精简指令计算机）的核磁共振波谱仪气动温控系统设计方案. 该控制系统以ARM为控制器,利用其内嵌的CAN控制器实现CAN总线通信,通过PID控制算法控制气流和温度,实现控制NMR实验样品的更换和旋转,检测并控制样品的温度等功能. 该设计方案具有系统控制灵活、控制精度高以及成本低的优点.      

动态核极化谱仪的技术改造

介绍了动态核极化(DNP)谱仪数字系统的改造和一套的射频发射和接收系统的建立.谱仪射频通道的90°脉冲宽度为5μs,能完全满足固体交叉极化和大功率去耦的实验要求.实现了DNP增强曲线的自动测量     

一体化核磁共振谱仪控制台的软件系统设计

提出了一体化核磁共振谱仪控制台的软件系统设计方案,主要包括2部分,一部分是安装在谱仪控制台上的嵌入式Linux操作系统及实时控制软件,另外一部分是PC机上的界面控制软件. 2部分软件之间利用socket网络接口进行数据交互, 采用TCP/IP通信协议,这样既能保证数据传输的可靠性又可以达到较高的数据传输速率. 通过网络通信,该谱仪控制台还可以接受远程操控和系统升级. 该文具体阐述了该软件系统的设计思路和设计方法,对设计的软件系统进行了实验测试,并对实验结果进行了讨论.     

一体化核磁共振谱仪数据交换的实现机制

核磁共振（NMR）随着其应用领域的拓展和深入,核磁共振谱仪技术得到了不断的发展和完善^[1,2]_. 针对以往谱仪存在的一些问题,本文提出了一种一体化核磁共振谱仪数据交换的实现机制,同时提出了基于ARM（Advanced RISC Machines,先进精简指令计算机）微处理器的嵌入式操作系统软件设计方案,并给出了谱仪各功能模块的实际性能测试结果,对实验结果进行了总结和讨论.      

NMR波谱仪控制台系统的软件测试

作为保证软件质量的重要手段,软件测试多年来一直受到关注. 本文阐述了核磁共振（NMR）波谱仪研制中的软件测试方法,从软件测试的概念出发,结合波谱仪控制台系统的软件结构和核磁共振实验本身的特性,介绍了整个测试过程,分析了测试难点及其解决方法,并详细说明了软件测试的实现过程以及在提高波谱仪可靠性和稳定性上所起的积极作用.      

基于ARM和CPLD的NMR谱仪前放控制设计

提出了一种基于ARM（Advanced RISC Machine,先进精简指令计算机）和CPLD（Complex Programmable Logic Device, 复杂可编程逻辑器件）的NMR（Nuclear Magnetic Resonance,核磁共振）谱仪前放控制系统设计方案. 该控制系统以ARM为控制核心、 CPLD为控制命令执行单元, 控制前置放大器和混频器的工作状态. 本电路包括以下主要功能：1) 前置放大器收发切换的门控信号电平转换;2) 氘梯度匀场时身频通道自动切换;3) 探头调谐的信息显示;4) 锁前放和混频器的配置. 该设计方案具有系统运行速度高、 控制灵活和成本低的优点,并且可以有效减小系统噪声,降低控制部件对前置放大器和混频器的干扰.     

基于水冷磁体的超高场核磁共振波谱仪前置放大器系统设计与实现

基于水冷电磁体的超高场核磁共振实验的需求,提出了一种适用于该类核磁共振波谱仪的前置放大器系统的设计方案并予以实现.该系统包括前置放大器控制器、高带前置放大器、高带混频器、宽带前置放大器以及宽带混频器,实现了通道之间的自由切换、发射与接收的快速切换以及较大的接收动态范围、较低的噪声系数.     

基于单片FPGA的磁共振成像梯度计算模块

提出了一种用于磁共振成像的高集成度的数字梯度计算模块. 它可以实时计算任意层面成像所需的梯度波形,并能对X、Y、Z三个通道做波形预增强处理. 该模块基于单片FPGA器件,梯度波形数据预存于FPGA内嵌的RAM中,波形更新时间最小为1 μs. 在FPGA内部通过复用一种快速IIR滤波器算法,能在1 μs时间内实现包含6组不同时间常数和幅度的预增强运算. 实验证明该系统具有通用性好、体积小和成本低等特点,为磁共振谱仪的研制提供了一种紧凑、灵活的梯度波形发生方案.      

基于FPGA的低场核磁共振谱仪脉冲编程器设计与实现

脉冲编程器在核磁共振(NMR) 谱仪中非常重要,具有产生脉冲序列所需的射频脉冲,控制回波信号的同步接收等功能. 基于FPGA的同步性能和时序控制功能,设计了低场NMR谱仪的脉冲编程器,可产生任意脉冲序列,实现脉冲频率、相位、幅度的灵活调节. 利用设计的脉冲编程器在0.540 Tesla均匀磁场下进行了CuSO₄溶液的T₁和T₂测量,得到高信噪比的NMR回波串.     

基于AD607芯片的核磁共振模拟接收机

核磁共振波谱和核磁共振成像技术（MRI）已经成为一种广泛应用于物理、化学、材料、生物医学等领域的重要研究工具和医疗诊断手段,但是仪器复杂、价格昂贵. 本文提出了一种改进的基于AD607芯片的模拟接收机设计. 相对于传统的模拟接收机,此设计可以减少接收机使用的外围器件的数量,从而简化设备. 而相对于全数字接收机,本文提出的设计结构简单,并且可以工作在较高的频率. 文章最后给出了核磁共振成像实验的结果.     

磁共振成像谱仪B0信号的高精度发生与测试

设计了一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的磁共振成像（MRI）谱仪B₀信号的高精度发生方法,并对产生的B₀信号经高速采集卡采集之后进行测试和验证.FPGA从外部读取波形数据和参数,分别存储在双端口随机存取存储器（RAM）和参数寄存器中,根据预补偿算法实现B₀信号的发生,并通过对时间参数和幅度参数的控制,产生不同的B₀信号,时间分辨率为1 μs.对谱仪的B₀输出进行采集,再进行最小二乘拟合,以验证B₀信号发生的准确性.经实验证实,该设计可以产生正确、可控的高精度B₀信号.     

单边磁共振成像仪磁体系统研究

单边磁共振成像（MRI）系统由于其良好的开放性引起了越来越多的关注,这种系统的成像样品区位于磁体外侧,其形状为薄片形,其磁体结构设计是一个全新的问题. 本文基于鞍点理论,探索这种单边磁体在其外侧产生均匀样品区的可行性,通过对几种单边磁体结构磁场特性的研究,指出适当设计的永磁磁体能够在磁体外侧产生鞍点. 最后给出一种符合成像要求的单边永磁MRI磁体结构. 单边MRI磁体结构的可行性分析及磁体结构的成功设计,为开展完全开放式磁共振成像装置的研究打下了坚实的基础.     

用于压缩感知磁共振成像的分割字典学习算法

字典学习算法可以根据数据本身的特点构建稀疏域中的基,从而使数据的表示更加稀疏.该文在传统的字典学习算法基础上提出了分割字典学习算法,由于部分磁共振图像组织结构简单、可以进行图像分割,因此可根据此特点来优化字典中基函数的构建,使磁共振图像的表达更为稀疏,从而获得更高的重建图像质量.该文利用模拟数据和真实数据进行了重建实验,结果表明与传统的字典学习算法相比,分割字典学习算法能进一步改善重建图像质量.     

一种以超分辨率理论为基础的磁共振眼球成像方法

磁共振成像（MRI）是一种无电离辐射的非介入性的眼内肿瘤检测方法,但分辨率和运动伪影是成像过程中不易克服的困难．以往的扫描方法或是不可避免的引入运动伪影,或是需要受试者做精确的配合,增加了成像的难度,给受试者带来不舒适的体验．本文提出了一种以超分辨率理论为基础的新的磁共振眼球成像方法,使用一种特制的眼球线圈,对眼部区域扫描一系列动态的图像,使得不同方向上的采集分辨率互补．最后经过预处理、配准、超分辨率重建等操作,得到高质量的磁共振眼球图像．实验结果表明,这种方法可以在不需要受试者做额外配合工作的情况下,得到更加清晰的磁共振眼球图像．     

Magnetic Resonance Imaging Measurement of Volume Magnetic Susceptibility Using a Boundary Condition

A magnetic resonance imaging method is described for measuring the magnetic susceptibility difference between two homogeneous macroscopic compartments in contact with each other. A boundary condition is derived for the interface of the two compartments. This boundary condition predicts that across the interface there is a resonant frequency jump, which is a function of interfacial orientation relative to B0 field and the difference in susceptibility of the two sides. Based on this relationship, the magnetic susceptibility difference between two materials can be obtained from MR gradient echo imaging using signals from both sides in the vicinity of the boundary. This method is demonstrated by solution phantom experiments.     

基于PCAU-Net的快速多通道磁共振成像方法

多通道磁共振成像方法采用多个接收线圈同时欠采样k空间以加快成像速度,并基于后处理算法重建图像,但在较高加速因子时,其图像重建质量仍然较差．本文提出了一种基于PCAU-Net的快速多通道磁共振成像方法,将单通道实数U型卷积神经网络拓展到多通道复数卷积神经网络,设计了一种结构不对称的U型网络结构,通过在解码部分减小网络规模以降低模型的复杂度．PCAU-Net网络在跳跃连接前增加了1×1卷积,以实现跨通道信息交互．输入和输出之间利用残差连接为误差的反向传播提供捷径．实验结果表明,使用规则和随机采样模板,在不同加速因子时,相比常规的GRAPPA重建算法和SPIRiT重建方法,本文提出的PCAU-Net方法可高质量重建出磁共振复数图像,并且相比于PCU-Net方法,PCAU-Net减少了模型参数、缩短了训练时间．     

基于USB总线的一体化核磁共振谱仪控制台

针对台式核磁共振谱仪便携化、小型化的发展趋势，开发了一套基于USB总线的一体化核磁共振谱仪控制台，将控制/通讯部分、脉冲序列控制部分、射频发射部分与信号接收部分集成于一卡，并可实现两种工作模式. 工作模式1：系统基于USB与一台个人计算机通讯，由计算机控制来完成从对谱仪的实时控制到数据处理及显示的所有任务；工作模式2：系统由集成的微处理器控制，不需要计算机的参与，独立完成整个工作进程. 本文详细介绍了该谱仪控制台的设计思路和硬件结构，给出了常规NMR序列的实验结果.     

Targeting Upconversion Nanoprobes for Magnetic Resonance Imaging of Early Colon Cancer

Colon cancer (CC) is one of the most common intestinal malignancies and is difficult to detect in its early stage by magnetic resonance imaging (MRI) with currently used contrast agents (CAs). The development of targeted CAs contributes to the early diagnosis of CC and thereby enables early intervention and timely therapy. Considering the outstanding performance of upconversion nanoprobes (UCNPs) in high‐performance MR and fluorescence imaging, a new type of nanoprobes with considerably enhanced imaging performance is developed herein. Carcinoembryonic antigen (CEA) antibody is conjugated onto the surface of UCNPs to achieve the targeted imaging of early CC tumors, which overexpress CEA. Both toxicity tests and histological/hematological examinations demonstrate the excellent biocompatibility of these CC‐targeting nanoprobes, which possess great potential for clinical application in the early diagnosis of CC.