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《重庆大学》 2017年
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单边核磁共振浅层成像系统研究和皮肤成像实验

贺中华  
【摘要】:目前临床上应用最广的烧伤深度估计方法是烧伤科医生依靠经验与肉眼观察来判断,该方法主观粗略、准确率不高,同时也尚无合适的检测设备诊断烧伤后皮肤内部组织的康复状况。现有医学成像诊断技术如磁共振成像(MRI)、计算机断层成像(CT)等因各自局限性未见用于临床烧伤诊断。因此,临床上迫切需要一种诊断设备来量化判断烧伤患者的烧伤深度和恢复程度,以准确制定治疗和康复方案。单边核磁共振技术是一种新型核磁共振技术,其设备体积小、造价低、目标区域(Region of Interest,ROI)位于磁体外部而使检测方式开放,其应用已经被拓展到石油工业领域之外。具备恒定磁场梯度的单边MRI系统因其在纵深方向上的高磁场梯度而产生高分辨率,非常适合对多层组织结构组成的皮肤进行信号检测,加上单边MRI成像,可提供更多皮肤各层组织的状态信息,有助于皮肤烧伤深度的判断和恢复程度估计。然而,由于在医学皮肤烧伤估计上的特定应用,单边MRI磁体系统需要定制恒定梯度强度合适的单边磁体、平面射频线圈、平面梯度线圈以及射频屏蔽结构,并采取合适的测量方式挖掘表征烧伤深度的特征信息。本论文是从电磁场的理论出发,针对单边MRI磁体系统的设计提出了一套单边磁体结构、射频线圈、梯度线圈和射频屏蔽的设计方法,并进行制作测量、性能测试、模型实验和皮肤烧伤深度估计的应用实验研究。具体内容包括以下几个方面:1)单边MRI磁体系统设计。本文设计出两种单边磁体,第一种单边磁体结构恒定梯度低,可一次激励整个皮肤厚度,但其初始磁场均匀度较差。为此提出一种基于线性整数规划算法的可动小磁体和匀场铁片的混合匀场方法来对初始磁体结构匀场,并通过实际匀场证明该匀场方法的有效性。第二种单边磁体的初始结构由于磁棒的有限长度使得磁场均匀度较差。为此采取将三磁棒分裂成六磁棒的方法提高均匀度,并通过实测证明该方法的有效性。针对单边MRI系统的磁场非均匀导致信噪比较差的特点,根据电磁场理论推导射频磁场的计算方法,提出一种目标场逆方法设计平面射频线圈,约束目标射频场(B1)与主磁场(B0)在方向上正交和在幅值上正相关,并通过实验证明该方法能提高信噪比。考虑到梯度线圈发热传导到磁体或射频线圈会影响主磁场稳定或使射频偏移,为此提出一种傅里叶分析方法来快速计算平面梯度线圈的温度分布以优化选择梯度线圈制作参数,并根据电磁场理论推导梯度磁场的目标场计算方法来设计平面梯度线圈,最后通过实测梯度磁场验证目标场设计方法。2)单边MRI磁体系统性能测试和物理模型实验。对单边MRI系统的性能测试包括:射频线圈的相对信噪比和死区时间测试,射频屏蔽效果的测试,横向弛豫时间(2T)的测量。实际测试验证了该单边MRI磁体系统的优良性能。物理模型实验主要包括:一维分层实验,对基于FFT分层滤波方法的测试实验,水平面上一维磁共振信号测量实验和二维模型成像实验。目的是检验基于FFT分层滤波方法和二维成像方法。实际测试表明基于FFT分层滤波方法可用于一维磁共振信号测量和该磁体系统可以用于二维成像。3)皮肤一维磁共振信号测量与皮肤二维成像实验研究。在本研究设计的单边MRI磁体系统平台上,进行了一系列应用研究。对男女手掌、前臂的正常皮肤进行测量,分析了正常皮肤各分层结构上的磁共振信号特点。对烫伤猪皮进行一维磁共振信号测量,分析不同烧伤深度下磁共振信号横向弛豫时间(T2)谱在皮肤深度上的分布特点;对不同烧伤深度的猪皮进行二维成像。二维成像结果表明烧伤模型的不同烧伤深度部分和正常对照部分的信号强度呈鲜明对比,证明本论文设计的单边MRI磁体系统可以用来检测皮肤烧伤深度。本文通过单边MRI磁体系统的设计理论、模型实验和实际应用实验等多方面的工作,对单边MRI磁体系统做了系统全面的研究,为单边核磁共振技术的应用扩展打下了基础。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TH784;O441.4

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