本书系统、全面地介绍核磁共振成像仪总体结构原理和分解部件的工作原理及设计方法，包括主磁体(超导柱形和永磁C形)设计和匀场原理，梯度线圈设计和目标场方法，鸟笼式RF线圈分析方法、设计调试方法，相位阵列线圈退耦方法，成像仪控制系统(MRI谱仪)结构、原理和设计方法，梯度电流放大器设计方法，RF并行发射原理和用于并行发射的RF功率放大器设计方法。另外还详尽地介绍许多特殊MRI设备，包括超高场MRI系统面临的挑战，行波MRI原理，外源性氙129、氦3肺MRI系统，手术导航介入MRI系统，可移动全开放单边非均匀场NMR系统以及魔环磁体匀场目标场方法。
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前言
第1章 核磁共振成像仪概论 1
1.1 MR成像仪总体结构简介 2
1.1.1 磁体部分 2
1.1.2 谱仪电子学部分 4
1.1.3 计算机部分 5
1.2 MRI主磁体系统简介 6
1.2.1 超导磁体系统 6
1.2.2 永磁磁体系统 9
1.2.3 电磁体 11
1.3 MRI梯度系统 12
1.3.1 度量梯度线圈优劣的指标 13
1.3.2 超导MRI梯度线圈传统结构 13
1.3.3 永磁或电磁MRI系统的梯度线圈结构 16
1.3.4 梯度线圈的新发展 17
1.3.5 梯度放大器和开关时间 18
1.3.6 振动伪影的校正 19
1.4 MRI的RF线圈系列 19
1.4.1 RF线圈的功能和本征物理特性 19
1.4.2 LC谐振槽路 20
1.4.3 RF线圈设计考虑要点 22
1.4.4 螺线管及变型螺线管线圈 23
1.4.5 蝶形线圈 23
1.4.6 开放腔式线圈 24
1.4.7 在圆柱内产生横向磁场的线圈 24
1.4.8 鸟笼线圈 26
1.4.9 RF线圈系列 27
1.4.10 TEM线圈 27
1.4.11 表面线圈和相位阵列线圈 28
1.5 射频发射/接收系统 29
1.5.1 概述 29
1.5.2 发射/接收(T/R)开关 30
1.5.3 RF线圈的调谐和匹配 32
1.5.4 RF线圈和接收机前置放大器的连接 34
1.5.5 正交混合器和正交调制器 35
1.5.6 发射通道 35
1.5.7 RF功率放大器 36
参考文献 36
第2章 MRI主磁体设计 39
2.1 轴对称磁场均匀性分析方法 39
2.2 超导MRI主磁体设计思想及方法 42
2.2.1 厚壁螺管亥姆霍兹对 42
2.2.2 高均匀度MRI主磁体设计的数学模型 43
2.2.3 电磁场计算软件和优化算法 46
2.3 六线圈MRI主磁体系统设计 47
2.3.1 相同半径六线圈结构 47
2.3.2 不同内径的六线圈结构 48
2.3.3 铁屏蔽1.5T六线圈MRI磁体设计实例 49
2.4 多层端校正单螺线管MRI磁体设计 52
2.4.1 磁矢势的格林函数展开 52
2.4.2 载流螺线管中心球(r<a)区域内磁矢势的级数表达式 53
2.4.3 端补偿结构 54
2.4.4 多层端补偿结构 55
2.4.5 多子层补偿结构 56
2.5 永磁MRI磁体设计 57
2.5.1 磁体结构设定 57
2.5.2 磁路定理 58
2.5.3 磁场计算和优化的有限元方法 60
2.5.4 磁体几何尺寸的优化 61
2.5.5 匀场设计 62
2.5.6 温控方法 66
参考文献 67
第3章 匀场线圈设计和自动匀场原理 70
3.1 磁标势球谐函数展开和解析匀场概念 70
3.1.1 有源匀场线圈的重要性 70
3.1.2 谐波匀场概念 71
3.1.3 匀场线圈设计目标 72
3.2 超导MRI磁体的匀场结构设计 73
3.2.1 磁矢势、磁标势和纵向场Hz的球谐函数级数表达 73
3.2.2 谐波的产生和计算 74
3.2.3 轴向谐波 75
3.2.4 场分布和谐波的测量 78
3.3 超导MRI磁体匀场线圈设计目标场方法 79
3.3.1 建立磁场和电流之间谐波系数对应关系式 80
3.3.2 目标谐波场系数设置 83
3.3.3 匀场线圈设计结果 85
3.3.4 关于系数矩阵D的条件数和矩阵方程病态问题的讨论 89
3.4 永磁MRI双平面匀场线圈设计 91
3.4.1 双平面结构匀场线圈设计理论 91
3.4.2 典型设计结果 95
3.5 在活体内自动匀场 98
3.5.1 人体内磁化率效应 98
3.5.2 FID匀场 98
3.5.3 基于场-map的匀场 99
3.5.4 动态匀场 100
3.5.5 z-匀场 102
参考文献 104
第4章 MRI梯度线圈设计和二阶梯度空间编码 107
4.1 分立导线梯度线圈的解析公式 107
4.1.1 纵向梯度 107
4.1.2 横向梯度 108
4.2 柱面电流系统磁矢势和磁场的傅里叶-贝塞尔展开 111
4.2.1 磁矢势的傅里叶-贝塞尔展开 112
4.2.2 磁场的傅里叶-贝塞尔积分表示 114
4.3 目标场方法 116
4.4 自屏蔽梯度线圈 121
4.5 最小电感和最小功耗梯度线圈 123
4.6 永磁MRI平行双平面梯度线圈设计 126
4.6.1 双平面上线圈电流级数表示 126
4.6.2 平面电流在其间DSV产生磁场的表达 127
4.6.3 横向梯度设计表达式 128
4.6.4 电流密度离散化 129
4.6.5 线圈性能验证和参数计算 130
4.6.6 仿真计算和结果 131
4.6.7 目标场点选取和电流基函数个数犙的选择 131
4.7 二阶梯度编码O-空间成像 135
4.7.1 O-空间成像思路 135
4.7.2 O-空间成像原理 136
4.7.3 O-空间成像模拟和实验结果 138
参考文献 140
第5章 鸟笼式RF体线圈 142
5.1 无耗四端网络、传输线、滤波器理论 142
5.1.1 四端网络概念 142
5.1.2 T形网络 143
5.1.3 四端网络的特征参数和传输线 145
5.1.4 无损耗滤波器理论 148
5.2 用行波理论分析鸟笼谐振器 151
5.2.1 鸟笼谐振器的输人阻抗和输人导纳 152
5.2.2 鸟笼腿电流 154
5.3 用滤波器理论分析鸟笼谐振器 157
5.3.1 低通鸟笼 157
5.3.2 高通鸟笼 160
5.3.3 混合鸟笼或带通鸟笼 162
5.3.4 电阻性损耗和犙值 164
5.4 RF鸟笼体线圈的屏蔽 165
5.4.1 镜像法 166
5.4.2 RF屏蔽的设计 167
5.5 RF鸟笼体线圈的选择、设计、调谐和驱动 169
5.5.1 鸟笼体线圈设计选择的考虑 169
5.5.2 高通鸟笼和低通鸟笼的比较 169
5.5.3 低通鸟笼设计实例 171
5.5.4 鸟笼的驱动 173
5.5.5 调谐、匹配用的主要工具 175
5.5.6 矢量网络分析仪 176
5.5.7 两个正交模频率精确相等的调整 177
参考文献 178
第6章 多通道相位阵列线圈及并行发射 180
6.1 表面线圈及只接收技术 180
6.1.1 信噪比考虑 180
6.1.2 表面线圈的灵敏度 182
6.1.3 矩形表面线圈的电感和谐振频率 183
6.1.4 圆环线圈的电感 184
6.1.5 表面线圈接收期间要失谐体线圈 185
6.1.6 低噪声前置放大器 185
6.1.7 阻塞电路 187
6.1.8 RF陷阱电路 188
6.1.9 无源阻塞电路 188
6.1.10 有源阻塞电路 189
6.1.11 阻塞电路失灵的后果 190
6.1.12 电缆陷阱滤波电路 191
6.1.13 巴伦 192
6.2 相位阵列线圈 192
6.2.1 线圈之间的相互作用及退耦 193
6.2.2 前置放大器的低输人阻抗及弱退耦 195
6.2.3 数据采集和图像重建 198
6.2.4 最大信噪比图像 199
6.2.5 组合成模像 202
6.2.6 平方和像 202
6.2.7 并行成像 203
6.3 并行发射原理 204
6.3.1 旨在缩短空间选择脉冲长度的并行发射RF脉冲波形设计理论 204
6.3.2 误差传播 209
6.3.3 线圈灵敏度说场mapping方法 209
6.3.4 八通道并行RF发射实例 212
6.4 并行发射线圈设计 216
6.4.1 退耦理论 217
6.4.2 LC退耦技术 217
6.4.3 电容退耦技术 219
6.4.4 电感退耦 220
6.4.5 屏蔽退耦 220
6.4.6 带线环路阵列降低耦合 220
6.4.7 恒流源RF放大器退耦 221
6.4.8 超低输出阻抗RF功率放大器退耦 221
6.4.9 并行发射阵列线圈的几何考虑 223
6.4.10 高度简并带通鸟笼(DBC)用于并行发射 223
6.4.11 TEM线圈用于并行激发 225
参考文献 225
第7章 MRI谱仪原理与设计 229
7.1 数字化MRI谱仪整体结构 229
7.1.1 谱仪的功能 229
7.1.2 PKSpect谱仪的设计思路 230
7.1.3 PKSpect谱仪的总体结构 232
7.1.4 PKSpect谱仪的网络通信模块与PowerPC 233
7.1.5 PKSpect谱仪的软件架构 235
7.1.6 PKSpect谱仪的改进版 236
7.1.7 DiSpect谱仪结构 238
7.1.8 DiSpect谱仪的软件设计 239
7.1.9 单板谱仪 240
7.2 数字频率合成器与MRI频率源 241
7.2.1 频率合成器 241
7.2.2 DDS的基本工作原理 242
7.2.3 大规模集成电路芯片AD 9854244
7.2.4 AD9854配置为MRI谱仪的DDS 249
7.2.5 基于DDS和FPGA的频率源 250
7.2.6 数字正交调制和从谱仪的RF输出 251
7.3 现场可编程逻辑门阵列 252
7.3.1 可配置逻辑块 254
7.3.2 输入/输出块 255
7.3.3 布线通道描述 256
7.3.4 开发软件 258
7.3.5 VHDL 259
7.3.6 采样逻辑电路设计 259
7.4 数字信号处理器 260
7.4.1 DSP结构 260
7.4.2 浮点运算 262
7.4.3 Ci吾目和汇编语目 262
7.4.4 TMS320VC 33263
7.4.5 作为序列控制器的DSP内驻留程序 263
7.5 数字接收机 264
7.5.1 数字接收机原理 264
7.5.2 采用AD9874芯片构建数字接收机 265
7.5.3 采用AD6620构建数字解调器 266
7.5.4 DDC滤波器设计原理 267
7.5.5 PKSpect谱仪接收机DDC滤波器实际设计与效果 270
7.5.6 发射机和接收机相位相干性问题 271
7.6 梯度波形发生器 273
7.6.1 PKSpect谱仪中的梯度波形发生器 273
7.6.2 WinMRI谱仪中梯度发生器 275
参考文献 276
第8章 梯度放大器和RF功率放大器 279
8.1 梯度放大器 279
8.1.1 梯度放大器基本原理——脉冲宽度调制 280
8.1.2 比较器 281
8.1.3 拓扑结构 282
8.1.4 输出滤波器设计 283
8.1.5 反馈电路 284
8.1.6 驱动高电感、低电阻线圈 285
8.2 超低输出阻抗AB类推挽式RF功率放大器 286
8.2.1 放大器电路原理 286
8.2.2 放大器实际电路 288
8.2.3 低阻抗放大器的调试与结果 288
8.3 电流模式D类(CMCD)放大器 291
8.3.1 CMCD放大器电路原理 291
8.3.2 RF包络发生机制 293
8.3.3 信号源和光导纤维传输 293
8.3.4 放大器和前置放大器 294
8.3.5 调幅系统(AMS)和电流反馈 295
参考文献 295
第9章 超高场MR成像仪 297
9.1 超高场MR成像仪面临的问题 297
9.1.1 超高场全身MRI磁体成本的物理考虑 297
9.1.2 超高场MRI面临的技术挑战 297
9.1.3 介质阴影和介质共振 299
9.1.4 RF匀场 301
9.1.5 多通道数字化RF发射/接收机 302
9.1.6 对感兴趣区(ROI)进行RF局部匀场 302
9.1.7 磁孔65cm 9.4 T MRI磁体参数 304
9.1.8 磁孔90cm 7T MRI磁体参数 305
9.2 行波MRI 306
9.2.1 行波MRI原理 306
9.2.2 行波定域质子谱 309
9.2.3 多模行波激发和并行MRI 311
参考文献 313
第10章 特殊MRI设备 316
10.1 基于氦(3He)或氙(129Xe)预极化的肺MRI 316
10.1.1129 Xe预极化方法和原理 316
10.1.2129 Xe预极化系统物理设计 318
10.1.3129 Xe预极化系统与MR成像仪集成 323
10.1.4 用超极化129Xe或3He进行肺MRI的脉冲序列 324
10.1.5 超极化129Xe或3He肺MR成像和谱 326
10.1.6 在肺MRI中用3He和用129Xe的比较 328
10.1.7 超极化气体MRI的临床应用 329
10.2 介入MRI 330
10.2.1 术中MRI的必要性 331
10.2.2 术中MRI的具体作用 331
10.2.3 术中MRI扫描单元 334
10.2.4 开颅手术中MRI的RF线圈和头固定框架 335
10.2.5 为机器人辅助微创外科手术导航的MRI 337
参考文献 339
第11章 便携式MRI/NMR系统 342
11.1 可移动非均匀场单边NMR/MRI系统 342
11.1.1 均匀和非均匀场NMR 342
11.1.2 单边NMR磁体 345
11.1.3 单边NMR射频线圈 348
11.1.4 单边NMR梯度线圈 351
11.1.5 单板NMR谱仪 352
11.1.6 小型RF放大器和梯度放大器 352
11.2 单边NMR成像和NMR谱新方法 353
11.2.1 二维逆拉普拉斯变换NMR 353
11.2.2 用单边NMR传感器成像 355
11.2.3 单边非均匀场高分辨NMR谱 361
11.2.4 单边传感器外域均匀场高分辨NMR1H谱 370
11.3 魔环磁体均匀场高分辨NMR谱仪 373
11.3.1 Halbach磁体结构 373
11.3.2 磁体实例 373
11.3.3 主磁场空间依赖性 374
11.3.4 魔环磁体匀场线圈设计目标场方法 375
参考文献 378
附录A 常用的物理常数 383
附录B 球函数 384
附录C 柱坐标系中格林函数展开 387
附录D 梯度、散度、旋度、拉普拉斯算符在几种常用曲线坐标系中的表示 389
京公网安备 11010102004214号