本书以作者及其合作的研究团队多年的研究成果为基础，结合国际上前沿的研究进展和动态，系统地介绍了磁共振成像原理，磁共振成像设备设计的电磁场理论基础，磁共振超导磁体设计，高磁场超导磁体及其建造技术，梯度线圈、射频线圈、精细匀场的有源匀场和无源匀场等设计原理与方法，磁共振快速成像方法及重建技术。最后介绍了非标准几何结构的高温超导磁共振磁体及屏蔽电流，静磁场、时变梯度场、射频场的生物效应等内容。本书集学术性与实用性为一体。
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序言
前言
第1章 磁共振成像概论 1
1.1 磁共振成像的发展历程 1
1.2 磁共振物理原理 4
1.3 磁共振成像的空间定位 9
1.4 磁共振信号采集与图像重建 13
1.4.1 磁共振成像过程中的傅里叶编码 13
1.4.2 磁共振信号采集中的重要性能参数 15
1.4.3 K空间的基本概念和性质 18
1.4.4 K空间数据的图像重建 19
1.5 磁共振成像的系统构成 20
1.5.1 磁共振成像的主磁体 20
1.5.2 梯度和射频部分 25
1.5.3 系统控制和信号处理部分 27
1.5.4 计算机部分 27
1.6 磁共振成像脉冲序列 28
1.6.1 脉冲序列简介 28
1.6.2 测定FID信号的序列 31
1.6.3 测定自旋回波的序列 32
1.6.4 测定梯度回波的序列 35
1.6.5 梯度自旋回波序列 38
1.6.6 回波平面成像序列 38
1.6.7 螺旋桨技术或刀锋技术 40
1.7 磁共振成像未来发展趋势 41
参考文献 43
第2章 磁共振成像系统构造的电磁理论基础 45
2.1 电磁问题的Maxwell方程组 45
2.1.1 静态磁场的求解问题 46
2.1.2 时谐电磁场的求解 48
2.1.3 理想和非理想导体界面的边界条件49
2.2 具有均匀各向异性磁性介质的磁场 50
2.3 空间无源区域磁场问题 51
2.3.1 球坐标系下的磁场问题 52
2.3.2 直角坐标系下的磁场问题 54
2.4 载流导体产生的磁场 54
2.4.1 直线载流导体产生的磁场 54
2.4.2 圆弧载流导体产生的磁场 55
2.4.3 蜗线形载流导体产生的磁场 58
2.5 线圈的电感计算方法 59
2.6 电磁场中的有限差分方法 64
2.6.1 有限差分方法 64
2.6.2 时域有限差分方法 67
2.7 流函数的概念 72
2.7.1 流体力学中的流函数 72
2.7.2 线圈设计中的流函数 73
2.8 静态磁场中运动导体的感应电场与电流密度 76
2.8.1 计算理论 76
2.8.2 计算实例：均匀磁场中旋转球体的感应电场 79
参考文献 79
第3章 磁共振成像超导磁体设计 82
3.1 磁共振成像超导磁体的设计概述 82
3.1.1 磁共振成像超导磁体简介 82
3.1.2 超导磁体设计要求 86
3.1.3 超导磁体设计方法 90
3.2 对称水平温孔型磁共振成像超导磁体的设计 96
3.2.1 被动屏蔽磁共振成像超导磁体设计的数学模型 98
3.2.2 主动屏蔽磁共振成像超导磁体设计的数学模型 100
3.3 对称水平温孔型磁共振成像超导磁体设计实例 101
3.3.1 短腔被动屏蔽全身1.5 T磁共振成像超导磁体 101
3.3.2 1.5 T短腔、主动屏蔽全身磁共振成像超导磁体 105
3.3.3 3.0 T主动屏蔽、全身磁共振成像超导磁体 113
3.3.4 多均匀区、主动屏蔽4.7 T动物成像磁共振成像超导磁体 119
3.4 非对称水平温孔型磁共振成像超导磁体设计 124
3.4.1 设计理论 125
3.4.2 DSV偏心距离分析 126
3.4.3 非对称、主动屏蔽1.0 T磁共振成像超导磁体设计实例 126
3.4.4 双半径、主动屏蔽3.0 T磁共振成像超导磁体设计实例 130
3.5 开放式磁共振成像超导磁体设计 133
3.5.1 设计理论 134
3.5.2 预留凹槽的对称、主动屏蔽开放式磁共振成像超导磁体设计实例 136
3.5.3 PET/MRI多模成像分裂式超导磁体设计实例 137
3.5.4 非对称开放式磁共振成像超导磁体设计实例 142
3.6 开放式MRI混合超导铁磁磁体设计 145
3.6.1 混合线性规划-有限元方法 146
3.6.2 混合遗传算法-有限元方法 151
3.7 超高场强磁共振成像超导磁体设计 154
3.8 磁共振成像电磁扰动屏蔽超导磁体设计 160
3.9 磁共振成像超导磁体的发展趋势 164
参考文献 171
第4章 磁共振成像超导磁体基础 177
4.1 超导磁体常用的材料及其特性 177
4.1.1 低温超导材料 179
4.1.2 高温超导材料 179
4.1.3 超导材料使用的考虑 190
4.1.4 超导磁体的绝缘材料 193
4.2 超导磁体系统的冷却 197
4.3 超导磁体电机械效应 209
4.3.1 绕制张力的分析 209
4.3.2 超导磁体的热机械效应 213
4.3.3 电磁应力计算模型 215
4.4 超导磁体的磁热耦合 219
4.5 超导磁体失超与低温容器耦合 233
4.6 超导磁体系统制造的若干问题 238
4.6.1 超导磁体制造的工艺路线 239
4.6.2 超导磁体的绕制和浸渍 240
4.6.3 磁体的组装 245
4.6.4 接头和开关245
4.6.5 磁体的测试和试运行 249
参考文献 250
第5章 梯度线圈设计 255
5.1 梯度线圈的设计需求 255
5.1.1 梯度线圈的设计问题 255
5.1.2 梯度线圈的设计要求 256
5.1.3 梯度线圈设计的难点 258
5.2 梯度线圈设计方法概述 259
5.2.1 离散电流设计方法 260
5.2.2 连续电流密度设计方法 266
5.3 梯度线圈设计经典目标场法 271
5.3.1 圆柱面梯度线圈设计 271
5.3.2 平面梯度线圈设计278
5.4 梯度线圈设计改进目标场法 283
5.4.1 双平面梯度线圈设计 284
5.4.2 圆柱面梯度线圈设计 288
5.4.3 应用实例 293
5.5 结合振动控制的圆柱面梯度线圈设计的目标场法 297
5.5.1 振动模型的建立 297
5.5.2 目标区域为圆柱面的梯度线圈设计 298
5.5.3 目标区域为球面的梯度线圈设计 305
5.6 梯度线圈设计逆边界元法 310
5.6.1 设计理论 310
5.6.2 非对称结构梯度线圈设计 314
5.7 梯度线圈设计等效磁化电流法 320
5.7.1 等效磁化电流法的理论基础 320
5.7.2 非对称横向梯度线圈设计 324
5.7.3 LINAC-MRI混合系统分裂式横向梯度线圈设计 325
5.8 梯度线圈与低温容器的耦合 328
5.8.1 低频三维柱坐标FDTD方法 328
5.8.2 瞬态涡流计算的FDTD方法 333
5.9 考虑瞬态涡流的纵向梯度线圈设计 339
5.9.1 设计理论 339
5.9.2 设计案例 345
5.10 梯度线圈的制作、供电、冷却与测试 351
5.10.1 梯度线圈的制作 351
5.10.2 梯度线圈的供电 351
5.10.3 梯度线圈的冷却 352
5.10.4 梯度线圈的性能测试 352
5.11 梯度线圈的发展趋势 354
参考文献 358
第6章 有源匀场线圈 363
6.1 有源匀场线圈设计理论与方法 363
6.1.1 有源匀场线圈设计理论 363
6.1.2 有源匀场线圈设计要求 366
6.1.3 有源匀场线圈设计方法 366
6.2 有源匀场线圈设计的解析法 369
6.2.1 径向匀场线圈设计理论 369
6.2.2 径向匀场线圈设计结果 375
6.2.3 轴向匀场线圈设计理论 377
6.2.4 轴向匀场线圈设计结果 380
6.3 有源匀场线圈设计的数值法 387
6.3.1 设计理论 387
6.3.2 设计案例 390
6.4 圆柱面有源匀场线圈设计的目标场法 399
6.4.1 设计理论 400
6.4.2 设计案例 403
6.5 双平面有源匀场线圈设计的目标场法 413
6.5.1 设计理论 414
6.5.2 设计案例 417
6.6 平面型有源匀场线圈设计的谐波磁场联合优化设计 426
6.6.1 设计理论 427
6.6.2 谐波磁场混合优化数学模型 431
6.6.3 设计案例 432
6.7 有源匀场线圈设计的逆边界元法 435
6.7.1 设计理论 435
6.7.2 设计案例 435
6.8 高磁场成像磁体的Z2 匀场线圈的解耦 444
6.8.1 设计理论 444
6.8.2 设计案例 445
6.9 有源匀场线圈的测试 450
6.9.1 实验原理和方法 450
6.9.2 匀场实验案例 450
参考文献 457
第7章 无源匀场方法 460
7.1 无源匀场原理与方法简介 460
7.1.1 匀场片磁场分析 462
7.1.2 优化算法分析 463
7.2 匀场片磁场分析 465
7.2.1 圆柱形匀场片产生的磁场 465
7.2.2 矩形匀场片产生的磁场 465
7.2.3 匀场片产生的球谐波分析 467
7.3 基于磁场优化的无源匀场方法 472
7.3.1 设计理论 472
7.3.2 设计案例 473
7.4 基于L1范数正则化最小二乘算法的无源匀场方法 475
7.4.1 设计理论 475
7.4.2 设计案例 475
7.5 非规则成像区域的无源匀场方法 478
7.5.1 设计理论 478
7.5.2 设计案例 478
7.6 考虑磁耦合模型的无源匀场方法 479
7.6.1 设计理论 480
7.6.2 设计案例 482
7.7 基于谐波优化的无源匀场方法 484
7.7.1 设计理论 485
7.7.2 设计案例 485
7.8 混合磁场谐波优化的无源匀场方法 488
7.8.1 设计理论 488
7.8.2 设计案例 489
7.9 无源匀场等效磁流法 493
7.9.1 设计理论 493
7.9.2 设计案例 493
7.10 无源匀场磁化强度映射法 496
7.10.1 设计理论 498
7.10.2 设计案例 500
7.11 无源匀场实施 502
7.11.1 无源匀场流程 502
7.11.2 无源匀场设备 503
7.11.3 无源匀场案例 503
参考文献 505
第8章 射频线圈设计 508
8.1 磁共振射频线圈介绍 508
8.1.1 射频线圈技术的发展 508
8.1.2 射频线圈的性能指标 511
8.1.3 射频线圈的设计要求 513
8.1.4 射频线圈的设计方法 513
8.2 磁共振射频线圈系列 518
8.2.1 亥姆霍兹线圈 518
8.2.2 螺管线圈 518
8.2.3 四线结构线圈 519
8.2.4 管状谐振器 520
8.2.5 鸟笼线圈 521
8.2.6 表面线圈 522
8.2.7 相控阵线圈及并行成像 523
8.2.8 旋转射频线圈技术 523
8.3 等效电路分析方法 524
8.3.1 LC谐振电路 525
8.3.2 矩形平面射频线圈分析 526
8.4 矩量法分析射频线圈 527
8.4.1 矩量法原理 527
8.4.2 电磁场中的矩量法 528
8.4.3 术中多通道射频接收线圈分析 530
8.5 射频线圈设计逆方法 532
8.5.1 设计理论 532
8.5.2 设计案例 534
8.6 混合MoM/FDTD方法分析射频线圈 537
8.6.1 混合MoM/FDTD方法 538
8.6.2 表面线圈分析 539
8.7 射频线圈的接口电路 540
8.7.1 线圈的调谐与匹配 540
8.7.2 发射/接收开关 542
8.7.3 发射线圈与接收线圈的解耦合 543
8.8 射频系统的发展趋势 544
参考文献 546
第9章 磁共振快速成像方法及重建技术 551
9.1 部分K空间采样及其重建技术 551
9.2 非笛卡儿采样及其重建技术 556
9.2.1 简介 556
9.2.2 非笛卡儿采样重建算法 557
9.2.3 逆网格化算法 562
9.3 并行成像及其重建技术 563
9.3.1 基于笛卡儿采样轨迹的经典并行成像技术 564
9.3.2 基于非笛卡儿采样轨迹的经典并行成像技术 569
9.4 随机采集及稀疏数据重建 576
9.4.1 压缩感知 576
9.4.2 压缩感知在MRI中的应用 582
9.4.3 低秩矩阵填充及其在MRI中的应用 583
9.5 人工稀疏 584
9.6 多种快速采样方法相结合的成像及重建技术 588
9.6.1 融合了PI和CS稀疏的方法——k-t-Sparse SENSE和iGR-ASP等快速成像方法在三维MRI中的应用 590
9.6.2 融合了PI、CS和LR等稀疏的方法——L+S快速成像方法在三维MRI中的应用 591
9.7 新型快速成像技术展望 592
9.7.1 MRF原理 593
9.7.2 MRF实现流程 593
9.7.3 MRF的发展与改进 594
参考文献 596
第10章 非标准磁共振成像高温超导磁体技术 610
10.1 非标准几何结构的磁共振超导磁体系统 610
10.2 MgB2 高温超导磁共振磁体技术 621
10.2.1 高温MgB2 超导线材的接头技术 621
10.2.2 高温超导MgB2 磁体的冷却 622
10.2.3 超导MgB2 核磁共振磁体的研制 623
10.3 Bi系和Y系高温超导磁共振磁体技术 626
10.3.1 全身Bi系高温超导MRI磁体 627
10.3.2 YBCO高温超导MRI磁体 630
10.4 极高场核磁谱仪磁体技术 637
10.4.1 30 T NMR磁体概念设计 638
10.4.2 1.02 GHz NMR磁体 641
10.4.3 1.3 GHz NMR磁体 644
10.5 高温超导磁体中的屏蔽电流 649
10.5.1 屏蔽电流的产生机理 650
10.5.2 屏蔽电流分析理论模型 653
10.5.3 消除感应电流的方法 665
参考文献 668
第11章 磁共振成像系统的电磁生物效应 677
11.1 MRI系统的电磁生物效应 677
11.1.1 静磁场的生物效应 678
11.1.2 梯度场的生物效应 680
11.1.3 射频场的生物效应 681
11.2 电磁安全标准与数值仿真方法 682
11.2.1 MRI电磁安全标准 682
11.2.2 数值仿真方法 683
11.3 时域有限差分方法 686
11.3.1 柱坐标系中的时域有限差分方法 686
11.3.2 射频场生物效应计算案例 690
11.4 高分辨率时域有限差分方法 691
11.4.1 高分辨率时域有限差分方法 692
11.4.2 梯度场生物效应计算案例 694
11.5 基于分布式等效磁流的时域有限差分方法 695
11.5.1 基于分布式等效磁流的时域有限差分 695
11.5.2 梯度场生物效应计算案例 696
11.6 准静态有限差分方法 698
11.6.1 准静态有限差分原理 698
11.6.2 静磁场生物效应计算案例 701
11.6.3 梯度场生物效应计算案例 705
11.7 共轭梯度准静态有限差分方法 708
11.7.1 共轭梯度准静态有限差分方法 708
11.7.2 梯度场生物效应计算案例 709
参考文献 713
附录A 螺线管线圈中电磁应力计算 717
附录B 线圈的噪声函数 720
附录C 圆柱面单元内涡流产生的二次磁场 723
附录D 工程应用实例 723
索引 728
京公网安备 11010102004214号