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本书介绍了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。

内容简介

《核磁共振成像仪——构造原理和物理设计》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。

目　　录

第1章核磁共振成像仪概论
1.1 MR成像仪总体结构简介
1.1.1 磁体部分
1.1.2 谱仪电子学部分
1.1.3 计算机部分
1.2 MRI主磁体系统简介
1.2.1 超导磁体系统
1.2.2 永磁磁体系统
1.2.3 电磁体
1.3 MRI梯度系统
1.3.1 度量梯度线圈优劣的指标
1.3.2 超导MR1梯度线圈传统结构
1.3.3 永磁或电磁MR1系统的梯度线圈结构
1.3.4 梯度线圈的新发展

第1章 核磁共振成像仪概论 
1.1 MR成像仪总体结构简介 
1.1.1 磁体部分 
1.1.2 谱仪电子学部分 
1.1.3 计算机部分 
1.2 MRI主磁体系统简介 
1.2.1 超导磁体系统 
1.2.2 永磁磁体系统 
1.2.3 电磁体 
1.3 MRI梯度系统 
1.3.1 度量梯度线圈优劣的指标 
1.3.2 超导MR1梯度线圈传统结构 
1.3.3 永磁或电磁MR1系统的梯度线圈结构 
1.3.4 梯度线圈的新发展 
1.3.5 梯度放大器和开关时间 
1.3.6 振动伪影的校正 
1.4 MR1的RF线圈系列 
1.4.1 RF线圈的功能和本征物理特性 
1.4.2 LC谐振槽路 
1.4.3 RF线圈设计考虑要点 
1.4.4 螺线管及变型螺线管线圈 
1.4.5 蝶形线圈 
1.4.6 开放腔式线圈 
1.4.7 在圆柱内产生横向磁场的线圈 
1.4.8 鸟笼线圈 
1.4.9 RF线圈系列 
1.4.10 TEM线圈 
1.4.1 1表面线圈和相位阵列线圈 
1.5 射频发射/接收系统核磁共振成像仪——构造原理和物理设计 
1.5.1 概述 
1.5.2 发射/接收（T/R）开关 
1.5.3 RF线圈的调谐和匹配 
1.5.4 RF线圈和接收机前置放大器的连接 
1.5.5 正交混合器和正交调制器 
1.5.6 发射通道 
1.5.7 RF功率放大器 
参考文献 
 
第2章 MR1主磁体设计 
2.1 轴对称磁场均匀性分析方法 
2.2 超导MR1主磁体设计思想及方法 
2.2.1 厚壁螺管亥姆霍兹对 
2.2.2 高均匀度MR1主磁体设计的数学模型 
2.2.3 电磁场计算软件和优化算法 
2.3 六线圈MR1主磁体系统设计 
2.3.1 相同半径六线圈结构 
2.3.2 不同内径的六线圈结构 
2.3.3 铁屏蔽1.ST六线圈MR1磁体设计实例 
2.4 多层端校正单螺线管MR1磁体设计 
2.4.1 磁矢势的格林函数展开 
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 
2.4.3 端补偿结构 
2.4.4 多层端补偿结构 
2.4.5 乡子层补偿结构 
2.5 永磁MR1磁体设计 
2.5.1 磁体结构设定 
2.5.2 磁路定理 
2.5.3 磁场计算和优化的有限元方法 
2.5.4 磁体几何尺寸的优化 
2.5.5 匀场设计 
2.5.6 温控方法 
参考文献 
 
第3章 匀场线圈设计和自动匀场原理 
3.1 磁标势球谐函数展开和解析匀场概念 
3.1.1 有源匀场线圈的重要性 
3.1.2 谐波匀场概念 
3.1.3 匀场线圈设计目标 
Q.9 超导MR1磁体的匀场结构设计 
3.2.1 磁矢势?磁标势和纵向场H：的球谐函数级数表达 
3.2.2 谐波的产生和计算 
3.2.3 轴向谐波 
3.2.4 场分布和谐波的测量 
3.3 超导MR1磁体匀场线圈设计目标场方法 
3.3.1 建立磁场和电流之间谐波系数对应关系式 
3.3.2 目标谐波场系数设置 
3.3.3 匀场线圈设计结果 
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 
3.4 永磁MR1双平面匀场线圈设计 
3.4.1 双平面结构匀场线圈设计理论 
3.4.2 典型设计结果 
3.5 在活体内自动匀场 
3.5.1 人体内磁化率效应 
3.5.2 F1D匀场 
3.5.3 基于场-map的匀场 
3.5.4 动态匀场 
3.5.5 z-匀场 
参考文献 
 
第4章 MRI梯度线圈设计和二阶梯度空间编码 
4.1 分立导线梯度线圈的解析公式 
4.1.1 缴向梯度 
4.1.2 横向梯度 
4.2 柱面电流系统磁矢势和磁场的傅里叶贝塞尔展开 
4.2.1 磁矢势的傅里叶贝塞尔展开 
4.2.2 磁场的傅里叶贝塞尔积分表示 
4.3 目标场方法 
4.4 白屏蔽梯度线圈 
4.5 *小电感和*小功耗梯度线圈 
4.6 永磁MR1平行双平面梯度线圈设计 
4.6.1 双平面上线圈电流级数表示 
4.6.2 平面电流在其间DSV产生磁场的表达核磁共振成像仪——构造原理和物理设计 
4.6.3 横向梯度设计表达式 
4.6.4 电流密度离散化 
4.6.5 线圈性能验证和参数计算 
4.6.6 仿真计算和结果 
4.6.7 目标场点选取和电流基函数个数Q的选择 
4.7 二阶梯度编码O空间成像 
4.7.1 （）空间成像思路 
4.7.2 （）空间成像原理 
4.7.3 （）空间成像模拟和实验结果 
参考文献 
 
第5章 鸟笼式RF体线圈 
5.1 无耗四端网络 传输线 滤波器理论 
5.1.1 四端网络概念 
5.1.2 T形网络 
5.1.3 四端网络的特征参数和传输线 
5.1.4 无损耗滤波器理论 
5.2 用行波理论分析鸟笼谐振器 
5.2.1 鸟笼谐振器的输入阻抗和输入导纳 
5.2.2 鸟笼腿电流 
5.3 用滤波器理论分析鸟笼谐振器 
5.3.1 低通鸟笼 
5.3.2 高通鸟笼 
5.3.3 混合鸟笼或带通鸟笼 
5.3.4 电阻性损耗和Q值 
5.4 RF乌笼体线圈的屏蔽 
5.4.1 镜像法 
5.4.2 RF屏蔽的设计 
5.5 RF鸟笼体线圈的选择?设计?调谐和驱动 
5.5.1 鸟笼体线圈设计选择的考虑 
5.5.2 高通鸟笼和低通鸟笼的比较 
5.5.3 低通鸟笼设计实例 
5.5.4 鸟笼的驱动 
5.5.5 调谐 匹配用的主要T具 
5.5.6 矢量网络分析仪 
5.5.7 两个正交模频率精确相等的调整 
参考文献 
 
第6章 多通道相位阵列线圈及并行发射 
6.1 表面线圈及只接收技术 
6.1.1 信噪比考虑 
6.1.2 表面线圈的灵敏度 
6.1.3 矩形表面线圈的电感和谐振频率 
6.1.4 网环线圈的电感 
6.1.5 表面线圈接收期间要失谐体线圈 
6.1.6 低噪声前置放大器 
6.1.7 阻塞电路 
6.1.8 RF陷阱电路 
6.1.9 无源阻塞电路 
6.1.10 有源阻塞电路 
6.1.11 阻塞电路失灵的后果 
6.1.12 电缆陷阱滤波电路 
6.1.13 巴伦 
6.2 相位阵列线圈 
6.2.1 线圈之间的相互作用及退耦 
6.2.2 前置放大器的低输入阻抗及弱退耦 
6.2.3 数据采集和图像重建 
6.2.4 **信噪比图像 
6.2.5 组合成模像 
6.2.6 平方和像 
6.2.7 并行成像 
6.3 并行发射原理 
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 
6.3.2 诶差传播 
6.3.3 线圈灵敏度B十场mapp1ng方法 
6.3.4 八通道并行RF发射实例 
6.4 并行发射线圈设计 
6.4.1 退耦理论 
6.4.2 LC.退耦技术 
6.4.3 电容退耦技术 
6.4.4 电感退耦 
6.4.5 屏蔽退耦核磁共振成像仪——构造原理和物理设计 
6.4.6 带线环路阵列降低耦合 
6.4.7 恒流源RF放大器退耦 
6.4.8 超低输出阻抗RF功率放大器退耦 
6.4.9 并行发射阵列线圈的几何考虑 
6.4.10 高度简并带通鸟笼（DBC）用于并行发射 
6.4.11 TEM线圈用于并行激发 
参考文献 
 
第7章 MRl谱仪原理与设计 
7.1 数字化MR1谱仪整体结构 
7.1.1 谱仪的功能 
7.1.2 PKSpect谱仪的设计思路 
7.1.3 PKSpect谱仪的总体结构 
7.1.4 PKSpect谱仪的网络通信模块与PowerPC 
7.1.5 PKSpect谱仪的软件架构 
7.1.6 PKSpect谱仪的改进版 
7.1.7 D1Spect谱仪结构 
7.1.8 D1Spect谱仪的软件设计 
7.1.9 单板谱仪 
7.2 数字频率合成器与MR1频率源 
7.2.1 频率合成器 
7.2.2 DDS的基本T作原理 
7.2.3 犬规模集成电路芯片AD 
7.2.4 AD9854配置为MR1谱仪的DDS 
7.2.5 基于DDS和FP（JA的频率源 
7.2.6 数字正交调制和从谱仪的RF输出 
7.3 现场可编程逻辑门阵列 
7.3.1 可配置逻辑块 
7.3.2 输入/输出块 
7.3.3 布线通道描述 
7.3.4 开发软件 
7.3.5 VHD1 
7.3.6 采样逻辑电路设计 
7.4 数字信号处理器 
7.4.1 DSP结构 
7.4.2 浮点运算 
7.4.3 C语言和汇编语言 
7.4.4 TMS320VC 
7.4.5 作为序列控制器的DSP内驻留程序 
7.5 数字接收机 
7.5.1 数字接收机原理 
7.5.2 采用AD9874芯片构建数字接收机 
7.5.3 采用AD6620构建数字解调器 
7.5.4 DDC滤波器设计原理 
7.5.5 PKSpect谱仪接收机DDC滤波器实际设计与效果 
7.5.6 发射机和接收机相位相干性问题 
7.6 梯度波形发生器 
7.6.1 PKSpect谱仪中的梯度波形发生器 
7.6.2 W1nMR1谱仪巾梯度发生器 
参考文献 
 
第8章 梯度放大器和RF功率放大器 
8.1 梯度放大器 
8.1.1 梯度放大器基本原理——脉冲宽度调制 
8.1.2 比较器 
8.1.3 拓扑结构 
8.1.4 输出滤波器设计 
8.1.5 反馈电路 
8.1.6 驱动高电感?低电阻线圈 
8.2 超低输出阻抗AB类推挽式RF功率放大器 
8.2.1 故大器电路原理 
8.2.2 放大器实际电路 
8.2.3 低阻抗放大器的调试与结果 
8.3 电流模式D类（CMCD）放大器 
8.3.1 CMCD放大器电路原理 
8.3.2 RF包络发生机制 
8.3.3 信号源和光导纤维传输 
8.3.4 放大器和前置放大器 
8.3.5 调幅系统（AMS）和电流反馈 
参考文献 
 
第9章 超高场MR成像仪 
9.1 超高场MR成像仪面临的问题 
核磁共振成像仪——构造原理和物理设计 
9.1.1 超高场全身MR1磁体成本的物理考虑 
9.1.2 超高场MR1面临的技术挑战 
9.1.3 介质阴影和介质共振 
9.1.4 RF匀场 
9.1.5 多通道数字化RF发射/接收机 
9.1.6 对感兴趣区（RO1）进行RF局部匀场 
9.1.7 磁孔65cm9.4 TMR1磁体参数 
9.1.8 磁孔90cm7TMR1磁体参数 
9.2 行波MR 
9.2.1 行波MR1原理 
9.2.2 行波定域质子谱 
9.2.3 多模行波激发和并行MR 
参考文献 
 
第10章 特殊MR1设备 
10.1 基于氦（3He）或氙（129Xe）预极化的肺MR 
10.1.1 ”9Xe预极化方法和原理 
10.1.2 ”9Xe预极化系统物理设计 
10.1.3 ”9Xe预极化系统与MR成像仪集成 
10.1.4 用超极化”9Xe或3He进行肺MR1的脉冲序列 
10.1.5 超极化129Xe或3He肺MR成像和谱 
10.1.6 茌肺MR1巾用3He和用”9Xe的比较 
10.1.7 超极化气体MR1的临床应用 
10.2 介入MR 
10.2.1 术巾MR1的必要性 
10.2.2 术中MR1的具体作用 
10.2.3 术中MR1扫描单元 
10.2.4 开颅手术巾MR1的RF线圈和头固定框架 
10.2.5 为机器人辅助微创外科手术导航的MR 
参考文献 
 
第11章 便携式MR1/NMR系统 
11.1 可移动非均匀场单边NMR/MR1系统

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　　《核磁共振成像仪：构造物理和物理设计》：
　　第1章核磁共振成像仪概论
　　核磁共振用稳定核样品，没有任何放射性。核磁共振成（NuclearMag-neticResonanceImaging），为了避讳“核”字，免除人们的核恐惧心理，在英文文献中，通常去掉“N”，而称为MRI。而MR成像仪，也叫MRI扫描仪或MRI系统。用MRI检查患者通常叫扫描。MRI系统可分为两大类：一类是扫描人体的系统，可简称为人系统；另一类是扫描动物的系统，简称为动物系统。人系统又可分为两类：一类是临床MRI系统；另一类是基础研究用的MRI系统。临床系统又可分为两个子类：其一是扫描人体全身的MRI系统，简称全身系统；其二是扫描局部人体的MRI系统，简称专用系统。
　　目前市场流行的全身MRI系统按磁场强度的高低又可分为如下三种。
　　（1）低场系统：场强为0.2T、0.3T、0.35T、0.4T和0.5T的永磁系统和极少量电磁系统。
　　（2）高场系统：场强为1.5T和3.OT的超导系统。
　　（3）超高场系统：场强为4T、5T、7T、8T、9.4T和11.75T的超导系统。图1.0.1显示了几个有代表性的MRI系统。其他都是超导MRI系统，上排是进口的MRI系统，下排是国产MRI系统。MRI技术的发展趋势之一是不断提高场强。早年还曾有超导0.5T、1．OT、2．OT系统。目前在低场永磁系统中，0.3T、0.35T、0.4T、0.5T是主流机。
　　专用系统按用途可分为如下两种。
　　（l）专科诊断系统，如乳腺机、四肢机、头部机等。乳腺机的磁体和1.ST超导全身系统几乎相同，只是磁体比较短；四肢机的磁体比较小，着重扫描四肢关节；头部机磁体的孑L径略小，长度偏小，场强从0.15T到1.5T都有。
　　（2）手术介入系统，主要用于监视开颅手术，识别和区分肿瘤和正常组织，场强从0.15T到1.5T不等。
　　基础研究系统都是高场和超高场MRI系统，3T全身系统既可用于临床诊断也可用于基础研究。由于似稳条件不太满足，3T以上系统没有通用RF体线圈，所以4T以上系统大多只用于扫描人脑，主要服务于认知科学。
　　动物系统按场强可分为几挡，如4.7T（200MHz）系统、7T（300MHz）系统、9.4T（400MHz）系统、11.7T（500MHz）系统等，净磁直径为16～40cm，主要用于药物实验相其他安全性实验。

《核磁共振成像仪：构造物理和物理设计》： 
　　第1章 核磁共振成像仪概论 
　　核磁共振用稳定核样品，没有任何放射性。核磁共振成（NuclearMag-neticResonanceImaging），为了避讳“核”字，免除人们的核恐惧心理，在英文文献中，通常去掉“N”，而称为MRI。而MR成像仪，也叫MRI扫描仪或MRI系统。用MRI检查患者通常叫扫描。MRI系统可分为两大类：一类是扫描人体的系统，可简称为人系统；另一类是扫描动物的系统，简称为动物系统。人系统又可分为两类：一类是临床MRI系统；另一类是基础研究用的MRI系统。临床系统又可分为两个子类：其一是扫描人体全身的MRI系统，简称全身系统；其二是扫描局部人体的MRI系统，简称专用系统。 
　　目前市场流行的全身MRI系统按磁场强度的高低又可分为如下三种。 
　　（1）低场系统：场强为0.2T、0.3T、0.35T、0.4T和0.5T的永磁系统和极少量电磁系统。 
　　（2）高场系统：场强为1.5T和3.OT的超导系统。 
　　（3）超高场系统：场强为4T、5T、7T、8T、9.4T和11.75T的超导系统。图1.0.1显示了几个有代表性的MRI系统。其他都是超导MRI系统，上排是进口的MRI系统，下排是国产MRI系统。MRI技术的发展趋势之一是不断提高场强。早年还曾有超导0.5T、1．OT、2．OT系统。目前在低场永磁系统中，0.3T、0.35T、0.4T、0.5T是主流机。 
　　专用系统按用途可分为如下两种。 
　　（l）专科诊断系统，如乳腺机、四肢机、头部机等。乳腺机的磁体和1.ST超导全身系统几乎相同，只是磁体比较短；四肢机的磁体比较小，着重扫描四肢关节；头部机磁体的孑L径略小，长度偏小，场强从0.15T到1.5T都有。 
　　（2）手术介入系统，主要用于监视开颅手术，识别和区分肿瘤和正常组织，场强从0.15T到1.5T不等。 
　　基础研究系统都是高场和超高场MRI系统，3T全身系统既可用于临床诊断也可用于基础研究。由于似稳条件不太满足，3T以上系统没有通用RF体线圈，所以4T以上系统大多只用于扫描人脑，主要服务于认知科学。 
　　动物系统按场强可分为几挡，如4.7T（200MHz）系统、7T（300MHz）系统、9.4T（400MHz）系统、11.7T（500MHz）系统等，净磁直径为16～40cm，主要用于药物实验相其他安全性实验。 
　　1.1MR成像仪总体结构简介 
　　MRI系统按功能可粗略分为三大部分：磁体部分、谱仪电子学部分和计算机部分。图1.1.1是MRI系统原理框图。磁体部分提供极化磁场B。、空间编码梯度磁场G和产生Bi场的RF线圈。谱仪控制台、RF发射机和接收机电子学系统执行脉冲序列，产生MRI信号并采集图像数据。计算机部分一方面提供控制参数和命令通过谱仪产生所需要的RF脉冲包络信号、梯度波形信号和各种控制信号以控制成像仪的运行；另一方面对采得的数字信号进行处理，重建mMRI图像并对图像进行显示和输出等处理。下面粗略介绍各部分结构和功能。 
　　1.1.1磁体部分 
　　超导MRI磁体是一个圆柱形结构，1.5T和3T磁体的长度为1.4～1.8m，超导MRI磁体的中垂横截面结构如图1.1.2所示。其主要部件是产生主磁场Bo的超导主线圈，其次是保证Bo均匀度的超导匀场线圈组和白屏蔽线圈。这些超导线圈都装在液氦（I。He）杜瓦瓶内，浸泡在4.2K液氦中以保持其超导性。I_He杜瓦瓶是一个有网柱形室温孑L，且其内直径约lOOcm的结构。在室温孔中有一个柱形匀场骨架（无源匀场）；如果需要二阶匀场就得有5个很薄的柱形骨架；右三维梯度线圈分别绕在三个柱形骨架上，再加上梯度屏蔽线圈骨架，骨架材料是抗磁性的。在梯度线圈里面，有一个带RF屏蔽的通用RF体线圈（鸟笼线圈）。上述这些部件都封在塑料壳内，*后留直径为60～70cm的净孔为患者和床的进出口。一般在中心0.5m直径的球体积（DSV）是成像区域，其内磁场均匀度达1～2ppm*。磁孑L内材料尽可能用抗磁性材料，如钢化玻璃、碳素纤维、陶瓷、塑料等，以保证.T作磁场B。的高度均匀性不被破坏。为了避免涡流，磁孔内尽可能少用金属材料，因此患者床体通常不用钢制造，螺钉也是无磁的。 
　　超导MRI磁体时间稳定性很好，场强衰减很慢，这取决于超导线接头电阻（<10-13Q）。永磁MRI系统的磁体是一个偶极磁体，两个平面磁极（N，S）相对，磁极核磁共振成像仪——构造原理和物理设计间距为60～65cm，磁极面直径为1.2～1.3m。在靠近磁极处安装抗涡流介质板和三组平板形梯度线圈。一般RF线圈不集成在磁体内，上下净间隙为40～42cm，以容纳病床。永磁磁体一般都有磁路，边缘磁场延伸范围不大，电磁体的结构一般与永磁体类似，也是偶极磁体，只是有电流绕组。 
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