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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Q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鸟笼谐振器的输入阻抗和输入导纳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Q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前置放大器的低输入阻抗及弱退耦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B＋1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PowerPC233

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AD9854244

7.2.4 AD9854配置为MRI谱仪的DDS249

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 VHDL259

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 C语言和汇编语言262

7.4.4 TMS320VC33263

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

82.1放大器电路原理286

82.2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 9.4T MRI磁体参数304

9.1.8磁孔90cm 7T MRI磁体参数305

9.2行波MRI306

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MRI311

参考文献313

第10章 特殊MRI设备316

10.1基于氦（3 He）或氙（129 Xe）预极化的肺MRI316

10.1.1 129 Xe预极化方法和原理316

10.1.2 129 Xe预极化系统物理设计318

10.1.3 129 Xe预极化系统与MR成像仪集成323

10.1.4用超极化129 Xe或3He进行肺MRI的脉冲序列324

10.1.5超极化129 Xe或3He肺MR成像和谱326

10.1.6在肺MRI中用3He和用129 Xe的比较328

10.1.7超极化气体MRI的临床应用329

10.2介入MRI330

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MRI337

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NMR342

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NMR353

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