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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49

2.3 空间无源区域磁场问题50

2.3.1 球坐标系下的磁场问题51

2.3.2 直角坐标系下的磁场问题52

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1.5T磁共振成像超导磁体101

3.3.2 1.5T短腔、主动屏蔽全身磁共振成像超导磁体105

3.3.3 3.0T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4.7T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1.0T磁共振成像超导磁体设计实例126

3.4.4 双半径、主动屏蔽3.0T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185

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296

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479

7.6 考虑磁耦合模型的无源匀场方法480

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496

7.10 无源匀场磁化强度映射法498

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 30TNMR磁体概念设计638

10.4.2 1.02 GHz NMR磁体641

10.4.3 1.3GHz 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722

附录D 工程应用实例723

索引728