一种可拆装式的脑外科手术用磁共振成像线圈

在临床磁共振成像(MRI)应用中,射频线圈的设计是非常关键的,针对不同的应用目的,合适的线圈能获得质量更好的图像. 有的应用需要线圈提供均匀性较好的射频场,而有的应用则需要线圈在特定区域内提供高的信噪比(SNR). 但是线圈很难同时得到好的射频场（B₁场）、空间均匀性和高的SNR,需要根据实际应用情况进行折衷设计. 针对MRI在脑外科手术中的应用特点,设计并制作了一种新颖的、适用于脑外科手术的MRI接收和发射共用射频线圈. 该线圈采用可分拆式结构,在脑外科手术支架上可以进行反复组装和拆卸,减少了MRI对医生手术的影响. 仿真结果和人体成像实验表明,该线圈能产生均匀的射频场、有较高的SNR和较大的成像范围,满足脑外科手术的需要.     

一种永磁磁共振中磁体涡流场的测量方法

磁共振成像（Magntic Resonance Imaging,MRI）技术是一种先进的医疗影像技术.在MRI系统中,通过梯度线圈电流快速切换方向,对待测区域施加梯度磁场,产生的梯度磁场会在其周围的金属体内激发出变化的涡旋电场,进而导致金属体内闭合的回路中产生对原来的梯度电流起抑制作用的感生电流,也就是我们所说的涡流.本文介绍了一种测量磁体涡流场的方法,结合电磁感应定律,设计了一种磁体涡流场测量装置,通过硬件采集以及软件处理的方法,将理想梯度场与实际磁场进行相减并将波形实时呈现,实验结果表明该方法可实现对磁体涡流场的测量.     

基于同时多层激发和并行成像的心脏磁共振电影成像

磁共振成像（MRI）无创无害、对比度多、可以任意剖面成像的特点特别适合用于心脏成像,却因扫描时间长限制了其在临床上的应用.为了解决心脏磁共振电影成像屏气扫描时间过长的问题,该文提出了一种基于同时多层激发的多倍加速心脏磁共振电影成像及其影像重建的方法,该方法将相位调制多层激发（CAIPIRINHA）技术与并行加速（PPA）技术相结合,运用到分段采集心脏电影成像序列中,实现了在相位编码方向和选层方向的四倍加速,并使用改进的SENSE/GRAPPA算法对图像进行重建.分别在水模以及人体上进行了实验,将加速序列图像与不加速序列图像进行对比,结果验证了重建算法的有效性,表明该方法可以在保障图像质量以及准确测量心脏功能的前提下成倍节省扫描时间.     

1.5 T磁共振化学交换饱和转移成像的影响因素分析

本文探讨1.5 T磁共振化学交换饱和转移（Chemical Exchange Saturation Transfer,CEST）成像的影响因素.通过试管模型和临床病例,采用GE Signa HDe 1.5 T磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging,MRI）扫描仪分别进行不同矩阵、激励次数、翻转角、磁化传递翻转角的CEST成像对比分析,以及不同激励次数、磁化传递翻转角的Z谱分析,并从成像组织、成像设备、成像技术等方面对原始图信号、酰胺质子转移（Amide Proton Transfer,APT）信号及Z谱进行分析研究.实验结果表明1.5 T MRI扫描仪的CEST图像信噪比相对较低,且磁场稳定性及均匀度影响了CEST成像的效果.在其他参数不变的情况下,降低采集矩阵和增加激励次数与翻转角可以增加原始图像信噪比.磁化传递翻转角为105°时,CEST成像效果最好.激励次数为2、磁化传递翻转角为105°时,所得数据符合组织Z谱情况.模型Z谱在磁化传递频率为-294~-194 Hz范围可显示30%谷氨酸（Glu）、碘剂（I₃₂₀）、纯水（H₂O）、肌酸（Cr）的信号差异,与H₂O差异最大处在-244~-214 Hz.原始图像信号30% I₃₂₀明显高于Glu、H₂O、Cr,Cr略低于Glu,APT图Cr略低于Glu.25例脑肿瘤的APT图呈高信号、12例脑梗塞的APT图呈低信号,CEST原始图像均可区分病变区域.有12例因采集时间、患者配合情况、环境及室温等影响导致CEST成像的失败.由此得出1.5 T场强下,CEST技术受到成像组织、设备、技术等因素的影响,需要进行多方面优化.在保证磁场稳定性及均匀度的情况下,优化参数的CEST成像和Z谱成像可以区分代谢物及其浓度.     

一种用于高场MRI的多源射频发射机

介绍了高场磁共振成像（MRI）多源发射技术的原理,提出了一种用于高场MRI系统的多源射频信号发射机.它能并行输出多路频率、相位、幅度,可快速独立调节的射频脉冲信号.该射频发射机的实现基于单片现场可编程门阵列（FPGA）和多通道数模转换器（DAC）芯片,FPGA读取预存于双端口随机存取存储器（RAM）中的射频信号参数,并利用读取的参数分别实现每路信号的直接数字频率合成（DDS）和信号调制等核心功能,获得多路数字射频信号;FPGA输出的数字信号经过高性能DAC转化为模拟信号,即所需要的射频信号.该射频发射机在设计中大量采用软件无线电技术,即利用Xilinx提供的IP核实现DDS和信号调制等主要功能,具有集成度高、体积小、灵活度高的优点,同时,该设计可以大大缩短开发时间,有效降低实现的难度和成本,为高场MRI谱仪的多源射频发射机的设计研制提供了一种低成本、高效、高性价比的方案.     

旋转不变的非局域均值算法在磁共振图像去噪中的应用

磁共振成像（MRI）实验时常采用多次扫描累加平均提高图像信噪比（SNR）,但当扫描过程中运动引起图像变形时,简单地累加平均就无法奏效.为此,本研究组曾提出一种匹配加权平均方法（MWA）提高图像的信噪比.在此基础上,该文提出一种旋转不变的非局域均值算法（RINLM）,即选取圆形邻域区域并将其划分为一系列以中心像素为圆心的等面积圆环,再计算模式的相似性.RINLM算法可以更好地利用图像中旋转的冗余信息、找到更多的相似结构,提高算法的去噪性能.我们把该方法应用于低信噪比图像序列的平均和去噪中,可以更好地处理旋转的局部运动.与非局域均值算法（NLM）相比,RINLM算法可以进一步提高图像的信噪比;与MWA方法相比,其与RINLM算法的结合可以进一步提高磁共振图像序列信噪比,更好的保持图像边缘信息.     

组织凝固性坏死对基于纵向弛豫时间的磁共振测温的影响

高强度聚焦超声（High Intensity Focused Ultrasound,HIFU）治疗肿瘤时,为了保证治疗的安全性和有效性,需要对组织温度分布进行实时监测.磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging,MRI）具有对温度敏感的成像参数,可以无创检测组织温度.本文结合组织相变对测温的影响,探讨了磁共振测温（Magnetic Resonance Thermometry,MRT）技术能否用于实时监控HIFU治疗.利用两态快速交换模型,提出在组织凝固性坏死的相变前后,MRI的纵向弛豫时间（T₁）参数与组织温度之间具有不同关系.并通过实验验证了上述假设.相对于传统的磁共振测温方法模型,本文考虑了HIFU治疗过程中组织相变对检测温度的影响,对利用磁共振测温引导HIFU治疗具有重要的参考价值.     

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.     

增强低场下脑功能磁共振成像显著性的研究

实现了基于低场0.35 T磁共振成像系统的大脑功能磁共振成像（functional Magnetic Resonance Imaging,fMRI）的研究. 基于质子密度加权的快速自旋回波(Turbo Spin Echo,TSE)图像,重点研究增强低场fMRI显著性的方法,目的在于提高低场fMRI的可用性. 结果表明：健康受试者在执行手动任务期间,大脑运动区的信号强度变化可以由基于血管外质子信号增强 (Signal Enhancement by Extravascular water Protons,EEP)的对比机制探测. 优化TSE序列参数能提高图像SNR和扫描速度,并在统计分析中增加外在屏蔽图像,可以有效地提高低场下fMRI研究结果的显著性.     

基于复值和模值的肝脏磁共振水脂分离组合算法

质子密度脂肪分数（proton density fat fraction,PDFF）是用于评估肝脏脂肪的重要定量指标.为了获得更为精确的肝脏PDFF,本文通过分离R₂^*估计,提出了一种改进的基于磁共振成像（magnetic resonance imaging,MRI）脂肪定量方法.通过在3.0 T MRI扫描仪器上对肝脏脂肪含量不同的人体被试进行MRI扫描,进一步验证了该方法的可行性和准确性.研究结果显示,本文方法得到的肝脏脂肪分数和磁共振波谱（magnetic resonance spectroscopy,MRS）分析得到的脂肪含量高度一致,表明该方法对临床脂肪肝的检测具有重要的参考指导价值.     

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．     

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.     

Magnetic resonance imaging segmentation techniques using batch-type learning vector quantization algorithms

In this article, we propose batch-type learning vector quantization (LVQ) segmentation techniques for the magnetic resonance (MR) images. Magnetic resonance imaging (MRI) segmentation is an important technique to differentiate abnormal and normal tissues in MR image data. The proposed LVQ segmentation techniques are compared with the generalized Kohonen's competitive learning (GKCL) methods, which were proposed by Lin et al. [Magn Reson Imaging 21 (2003) 863-870]. Three MRI data sets of real cases are used in this article. The first case is from a 2-year-old girl who was diagnosed with retinoblastoma in her left eye. The second case is from a 55-year-old woman who developed complete left side oculomotor palsy immediately after a motor vehicle accident. The third case is from an 84-year-old man who was diagnosed with Alzheimer disease (AD). Our comparisons are based on sensitivity of algorithm parameters, the quality of MRI segmentation with the contrast-to-noise ratio and the accuracy of the region of interest tissue. Overall, the segmentation results from batch-type LVQ algorithms present good accuracy and quality of the segmentation images, and also flexibility of algorithm parameters in all the comparison consequences. The results support that the proposed batch-type LVQ algorithms are better than the previous GKCL algorithms. Specifically, the proposed fuzzy-soft LVQ algorithm works well in segmenting AD MRI data set to accurately measure the hippocampus volume in AD MR images.     

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.     

Body Temperature Mapping by Magnetic Resonance Imaging

Abstract

There are numerous clinical situations, such as hyperthermia cancer therapy, under which body temperature has to be accurately evaluated. Magnetic Resonance Imaging presently offers the best set of non-invasive methods for body temperature mapping, including diffusion imaging, relaxation time measurement, magnetization transfer contrast and chemical shift spectroscopic imaging. The basic NMR parameters involved in each are first analyzed. The role of temperature in their physical variation is then presented and finally the different practical MRI methods are briefly discussed. In the present slate of available technology and for basic physical reasons, the T 1 method appears the best compromise at low and medium magnetic field in a limited temperature range. Chemical shift could be theoretically more promising but strictly depends from the homogeneity and stability of the magnet and will be available only at high or very high field.

     

一种结合并行成像和压缩感知的快速磁共振成像新方法

压缩感知（CS）技术和并行成像技术（主要是SENSE技术、GRAPPA技术等）都能通过减少k空间数据的采集量来加快磁共振成像速度,目前已有一些将两种方法相结合进一步加速磁共振成像速度的方法（例如CS-GRAPPA）.本文针对数据采集和重建这两方面对现有CS-GRAPPA方法进行了改进,采集方式上采用了局部等间隔采集模板以满足GRAPPA重建的要求,并对采集模板进行随机放置以满足CS重建的要求;数据重建时,根据自动校正数据估算GRAPPA算法中欠采行的重建误差,并利用误差的大小确定在CS算法中保真的程度.不同磁共振图像重建实验的结果表明：与现有方法相比,本文方法能够更好地保留原有图像细节并有效减少伪影.     

An expansion of the field modulus suitable for the description of strong field gradients in axisymmetric magnetic fields: application to single-sided magnet design, field mapping and STRAFI

Mapping (or plotting) the magnetic field has a critical importance for the achievement of the homogeneous magnetic field necessary to standard MR experiments. A powerful tool for this purpose is the Spherical Harmonic Expansion (SHE), which provides a simple way to describe the spatial variations of a field in free space. Well-controlled non-zero spatial variations of the field are critical to MRI. The resolution of the image is directly related to the strength of the gradient used to encode space. As a result, it is desirable to have strong variations of the field. In that case, the SHE cannot be used as is, because the field modulus variations are affected by the variations of all components of the field. In this paper, we propose a method based on the SHE to characterize such variations, theoretically and experimentally, in the limit of an axisymmetric magnetic field. Practical applications of this method are proposed through the examples of single-sided magnet design and characterization, along with Stray-Field Imaging (STRAFI).     

Diffusion-weighted imaging of bacteria colonies in the STRAFI plane

Imaging colonies of bacteria in water suspension using NMR requires that the water inside the bacteria can be differentiated from the surrounding water. This is commonly carried out by using diffusion-weighted pulsed field gradient techniques. However, it is also possible to use the diffusion sensitivity inherent in stray field imaging (STRAFI). In STRAFI, the subject to be imaged is normally moved along the axis of a superconducting magnet so that it passes through the sensitive slice. However, by moving the sample in the transverse direction and by using a long copper strip in place of a surface induction coil, a diffusion-weighted one-dimensional projection profile can be obtained across the sensitive slice. Profiles from a water phantom and from a bacteria suspension show convincing discrimination between intracellular and extracellular water.