本文關(guān)鍵詞：高場(chǎng)核磁共振波譜儀勻場(chǎng)系統(tǒng)的研究

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【摘要】：均勻的靜磁場(chǎng)是核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)實(shí)驗(yàn)獲得高分辨譜圖的必要條件。隨著現(xiàn)代核磁共振的重要發(fā)展—靜磁場(chǎng)強(qiáng)度的提高,勻場(chǎng)的難度也相應(yīng)變大,因此,如何快速、有效地提高靜磁場(chǎng)均勻性對(duì)于高場(chǎng)NMR譜儀技術(shù)來(lái)說(shuō)具有十分重要的意義。本論文圍繞自主研發(fā)的高場(chǎng)核磁共振波譜儀勻場(chǎng)系統(tǒng)開(kāi)展如下研究工作：(1)實(shí)現(xiàn)高場(chǎng)NMR譜儀關(guān)鍵部件—室溫勻場(chǎng)線圈的自主設(shè)計(jì)及研制；(2)從實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)(圖像)處理等方面入手,針對(duì)現(xiàn)有的自動(dòng)勻場(chǎng)算法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。具體如下：首先,本文采用分離導(dǎo)線法結(jié)合OQNLP多點(diǎn)搜索的全局優(yōu)化算法設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了適用于高場(chǎng)核磁共振波譜儀的室溫勻場(chǎng)線圈。設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：(1)線圈的外徑和內(nèi)徑分別為54mm和45 mm；(2)包括軸向至7階線圈、徑向至5階線圈在內(nèi)的共28組勻場(chǎng)線圈；(3)優(yōu)化樣品有效區(qū)域的線性誤差1%。該室溫勻場(chǎng)線圈在500 MHz超導(dǎo)磁體上測(cè)試的’H線形指標(biāo)(50%/0.55%/0.11%譜峰高度對(duì)應(yīng)的線寬)為0.48/5.42/7.99 Hz,達(dá)到了國(guó)際商用譜儀規(guī)定的分辨率指標(biāo)(0.5/6.0/12.0 Hz),說(shuō)明了線圈的設(shè)計(jì)及制造工藝具備高場(chǎng)核磁共振波譜儀的產(chǎn)業(yè)化所要求的水平。同時(shí),與自主研發(fā)的自動(dòng)勻場(chǎng)技術(shù)有效結(jié)合,能更高效地完成譜儀的自動(dòng)勻場(chǎng)。針對(duì)現(xiàn)有的自動(dòng)搜索勻場(chǎng)方法參數(shù)設(shè)置復(fù)雜、勻場(chǎng)效率低等問(wèn)題,本文提出了一種基于線形優(yōu)化的自動(dòng)搜索勻場(chǎng)方法。該方法的改進(jìn)包括：(1)利用實(shí)際測(cè)量譜圖吸收線形二次矩與勻場(chǎng)線圈的電流增量的二次函數(shù)關(guān)系來(lái)擬合搜索迭代的步徑和收斂條件,這樣無(wú)需根據(jù)不同的樣品進(jìn)行手動(dòng)調(diào)試,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化設(shè)置的同時(shí)也提高了參數(shù)的準(zhǔn)確性；(2)通過(guò)測(cè)量譜圖吸收線形的相關(guān)性質(zhì)作為搜索算法的評(píng)價(jià)指標(biāo),使得優(yōu)化過(guò)程充分考慮線形和對(duì)稱性等直接與譜圖質(zhì)量相關(guān)的參數(shù)。通過(guò)勻場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,與常規(guī)采用氘鎖電平或FID面積進(jìn)行搜索勻場(chǎng)相比,本方法減輕了對(duì)于實(shí)驗(yàn)條件的依賴、同時(shí)使得勻場(chǎng)更為準(zhǔn)確。另外,現(xiàn)有的自動(dòng)梯度勻場(chǎng)方法忽視了噪聲和T2的影響,導(dǎo)致出現(xiàn)場(chǎng)圖信噪比低甚至圖像畸變的情況,并最終影響勻場(chǎng)的結(jié)果。針對(duì)這一問(wèn)題,我們提出了一種基于正則化場(chǎng)圖重建的梯度勻場(chǎng)方法。與常規(guī)的相位差成像的方式不同,本方法構(gòu)建了一個(gè)正則化的圖像優(yōu)化模型。模型采用符合高斯噪聲的最大似然估計(jì)函數(shù)和“平滑”、“先驗(yàn)”等信息組成罰似然估計(jì)函數(shù),其基于以下三個(gè)事實(shí)：(1)MR測(cè)量中的噪聲滿足高斯分布；(2)靜磁場(chǎng)的空間分布滿足連續(xù)性；(3)勻場(chǎng)線圈產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)分布符合靜磁場(chǎng)的球諧分量。我們從仿真和實(shí)驗(yàn)上分析并驗(yàn)證了正則化場(chǎng)圖重建技術(shù)在噪聲干擾以及靜磁場(chǎng)均勻性差等情況下仍能獲得穩(wěn)定而可靠的圖像形狀。針對(duì)“冷場(chǎng)”和信噪比差等儀器條件,本方法被證明能明顯提高迭代勻場(chǎng)的質(zhì)量和效率。
【關(guān)鍵詞】：核磁共振波譜儀 勻場(chǎng)系統(tǒng) 勻場(chǎng)線圈 自動(dòng)勻場(chǎng) 梯度勻場(chǎng)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(武漢物理與數(shù)學(xué)研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH841
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 1 緒論13-23
• 1.1 PFT-NMR波譜儀的工作原理13-20
• 1.1.1 宏觀磁化矢量的形成13-14
• 1.1.2 射頻激發(fā)與磁化強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)14-16
• 1.1.3 信號(hào)檢測(cè)與傅里葉變換頻率響應(yīng)16-18
• 1.1.4 PFT-NMR波譜儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)18-20
• 1.2 勻場(chǎng)技術(shù)的發(fā)展20-21
• 1.3 本文研究?jī)?nèi)容和意義21-23
• 2 電磁場(chǎng)理論及分析23-33
• 2.1 麥克斯韋方程組23-24
• 2.2 無(wú)源靜磁場(chǎng)24
• 2.3 靜磁場(chǎng)的分解24-31
• 2.4 畢奧-薩伐爾定律31-33
• 3 高場(chǎng)NMR波譜儀室溫勻場(chǎng)線圈的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)33-55
• 3.1 引言33-35
• 3.2 理論建模與線圈優(yōu)化設(shè)計(jì)35-44
• 3.2.1 磁場(chǎng)模型建立35-38
• 3.2.2 軸向勻場(chǎng)線圈的設(shè)計(jì)38-41
• 3.2.3 徑向勻場(chǎng)線圈的設(shè)計(jì)41-43
• 3.2.4 優(yōu)化計(jì)算43-44
• 3.3 仿真結(jié)果44-48
• 3.4 線圈加工與裝配48-49
• 3.5 勻場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試49-53
• 3.5.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容49-50
• 3.5.2 線圈電氣性能及磁場(chǎng)形狀測(cè)試50-51
• 3.5.3 勻場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果51-53
• 3.6 小結(jié)53-55
• 4 有源勻場(chǎng)方法55-81
• 4.1 勻場(chǎng)基本原理55-63
• 4.1.1 有源勻場(chǎng)的困難55-57
• 4.1.2 勻場(chǎng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)57-60
• 4.1.3 手動(dòng)勻場(chǎng)的步驟60-63
• 4.2 與勻場(chǎng)相關(guān)的其他影響因素63-69
• 4.2.1 磁體的影響64-65
• 4.2.2 探頭的影響65-68
• 4.2.3 樣品的影響68-69
• 4.3 自動(dòng)勻場(chǎng)方法69-81
• 4.3.1 自動(dòng)搜索勻場(chǎng)方法70-73
• 4.3.2 自動(dòng)梯度勻場(chǎng)方法73-80
• 4.3.3 自動(dòng)勻場(chǎng)方法的探討80-81
• 5 基于線形優(yōu)化的自動(dòng)搜索勻場(chǎng)方法81-99
• 5.1 引言81-82
• 5.2 原理與方法82-90
• 5.2.1 搜索步徑和收斂條件83-85
• 5.2.2 搜索的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)85-87
• 5.2.3 搜索算法87-90
• 5.3 實(shí)驗(yàn)與討論90-98
• 5.3.1 實(shí)驗(yàn)與參數(shù)設(shè)置90-93
• 5.3.2 更換探頭的勻場(chǎng)實(shí)驗(yàn)比較93-95
• 5.3.3 常規(guī)樣品的勻場(chǎng)實(shí)驗(yàn)比較95-98
• 5.4 小結(jié)98-99
• 6 基于正則化場(chǎng)圖重建的自動(dòng)梯度勻場(chǎng)方法99-127
• 6.1 引言99-100
• 6.2 原理與方法100-110
• 6.2.1 靜磁場(chǎng)場(chǎng)圖的正則化重建101-104
• 6.2.2 勻場(chǎng)線圈場(chǎng)圖的正則化重建104-108
• 6.2.3 正則化參數(shù)的計(jì)算108-110
• 6.3 實(shí)驗(yàn)與討論110-126
• 6.3.1 實(shí)驗(yàn)與參數(shù)設(shè)置110-112
• 6.3.2 勻場(chǎng)線圈場(chǎng)圖重建的仿真分析112-114
• 6.3.3 勻場(chǎng)線圈場(chǎng)圖重建的實(shí)驗(yàn)分析114-118
• 6.3.4 梯度勻場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果比較118-123
• 6.3.5 快速實(shí)驗(yàn)的信噪比魯棒性實(shí)驗(yàn)分析123-126
• 6.4 小結(jié)126-127
• 7 總結(jié)與展望127-129
• 7.1 總結(jié)127
• 7.2 展望127-129
• 參考文獻(xiàn)129-138
• 作者簡(jiǎn)介及在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文138-139

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本文編號(hào)：714899