学校编码 :10384 分类号 密级 学号 :200124022 UDC 硕士学位论文 分子间多量子相干的磁共振成像模拟 Magnetic Resonance Imaging Simulations of Intermolecular Multiple-Quantum Coherences 孙惠军 指导教师姓名 : 陈忠教授 专业名称 : 无线电物理 论文提交日期 :2005 年 12 月 论文答辩时间 :2005 年 12 月 学位授予日期 : 答辩委员会主席 : 评阅人 : 2005 年 12 月
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目录中文摘要 i 英文摘要 iii 第一章绪论 1 1.1 MRI 简介 1 1.2 分子间多量子相干在 MRI 中的应用及发展 2 1.3 数值模拟在 MRI NMR 中的应用 3 1.4 本文主要工作 4 第二章分子间多量子相干的基本理论 8 2.1 引言 8 2.2 分子间多量子相干的理论表述 8 2.2.1 CRAZED 脉冲序列 8 2.2.2 经典理论描述 偶极场方法 9 2.2.3 量子理论描述 分子间多量子相干方法 13 2.2.4 量子 - 经典理论描述 21 2.3 偶极场的数值计算方法 21 2.4 本章小结 22 第三章单组份体系分子间多量子相干成像模拟 26 3.1 引言 26 3.2 理论描述 26 3.2.1 分子间多量子相干信号 26 3.2.2 MultiCRAZED 脉冲序列 29 3.3 模拟结果与讨论 30 3.3.1 原始模拟样品 30 3.3.2 偶极场及基本分子间多量子成像信号模拟 30 3.3.3 各参数对 imqc 成像的影响 35
3.3.4 MultiCRAZED 脉冲序列成像模拟 43 3.4 本章小结 45 第四章同核双组份体系分子间零量子 双量子及单量子相干成像模 拟 48 4.1 引言 48 4.2 同核双组份体系分子间零量子和双量子相干成像模拟 49 4.2.1 理论描述 49 4.2.2 模拟结果与讨论 53 4.3 分子间单量子相干成像模拟 64 4.3.1 分子间单量子相干理论 64 4.3.2 模拟结果与讨论 66 4.4 三脉冲序列分子间单量子相干成像模拟 72 4.4.1 理论描述 72 4.4.2 模拟结果与讨论 73 4.5 本章小结 76 第五章基于非线性 Bloch 方程的 MRI 模拟算法 80 5.1 引言 80 5.2 算法理论 80 5.3 初始样品及参数设置 85 5.4 算法与流程图 86 5.5 成像机制模拟与数据处理 89 5.6 讨论 92 5.7 本章小结 94 第六章全文总结与展望 96 6.1 全文总结 96 6.2 展望 97
论文发表情况 98 致谢 99
CONTENTS Abstract in Chinese i Abstract in English iii Chapter 1 Preface 1 1.1 Introduction of MRI 1 1.2 Applications and developments of intermolecular multiple-quantum coherences in MRI 2 1.3 Applications of numerical simulation in MRI and NMR 3 1.4 Main works of the dissertation 4 Chapter 2 Basic theories of intermolecular multiple-quantum coherences 8 2.1 Introduction 8 2.2 Theoretical treatments of intermolecular multiple-quantum coherences 8 2.2.1 CRAZED pulse sequence 8 2.2.2 Classical treatment-dipolar field method 9 2.2.3 Quantum treatment-intermolecular multiple-quantum coherences method 13 2.2.4 Quantum-classical treatment 21 2.3 Numerical calculation method of dipolar field 21 2.4 Conclusions 22 Chapter 3 Imaging simulations of intermolecular multiple-quantum coherences of one-component systems 26 3.1 Introduction 26 3.2 Theoretical expression 26 3.2.1 Signals of intermolecular multiple-quantum coherences 26
3.2.2 MultiCRAZED pulse sequence 29 3.3 Simulation results and discussion 30 3.3.1 Original sample used in simulation 30 3.3.2 Simulations of dipolar field and imaging signals of intermolecular multiple-quantum coherences 30 3.3.3 Effects of parameters on imaging signals of intermolecular multiple-quantum coherences 35 3.3.4 Imaging simulations of MultiCRAZED pulse sequence 43 3.4 Conclusions 45 Chapter 4 Imaging simulations of intermolecular zero-quantum, double-quantum and single-quantum coherences of homo-nuclear two-component systems 48 4.1 Introduction 48 4.2 Imaging simulations of intermolecular zero-quantum and double-quantum coherences of homo-nuclear two-component systems 49 4.2.1 Theoretical expression 49 4.2.2 Simulation results and discussion 53 4.3 Imaging simulations of intermolecular single-quantum coherences 64 4.3.1 Theoretical expression 64 4.3.2 Simulation results and discussion 66 4.4 Imaging simulations of intermolecular single-quantum coherences under three-pulse sequence 72 4.4.1 Theoretical expression 72 4.4.2 Simulation results and discussion 73 4.5 Conclusions 76 Chapter 5 MRI simulation algorithm based on non-linear Bloch
equation 80 5.1 Introduction 80 5.2 Theory of algorithm 80 5.3 Original sample and parameter setting 85 5.4 Algorithm and flow chart 86 5.5 Simulations of imaging mechanism and data processing 89 5.6 Discussion 92 5.7 Conclusions 94 Chapter 6 Summary and prospect 96 6.1 Summary 96 6.2 Prospect 97 Publications 98 Acknowledgements 99
作者姓名 : 孙惠军论文题目 : 分子间多量子相干的磁共振成像模拟作者简介 : 孙惠军, 男, 1973 年 11 月出生,2001 年 09 月师从于 厦门大学陈忠教授, 于年月获硕士学位 中文摘要 分子间多量子相干 (intermolecular Multiple Quantum Coherences,iMQC) 是近年来核磁共振领域研究的热点之一, 在磁共振成像 (Magnetic Resonance Imaging,MRI) 领域具有诱人的应用前景 尽管其图像信号强度低于常规的 MRI 方法, 但它的成像对比度包含独特的成像参数, 能够得到比常规单量子成像高的对比度和分辨率, 并提供新的成像信息和机理 本论文结合分子间多量子相干理论和偶极场理论, 利用基于非线性 Bloch 方程的模拟算法, 系统深入地模拟研究了三维结构样品的 imqc 成像信号, 并就各主要参数对成像对比度的影响, 以及 imqc 信号特有的成像信息进行了讨论 本文的主要内容如下 : 模拟了 CRAZED modcrazed 和 MultiCRAZED 脉冲序列作用下单组份单自旋体系 imqc 成像信号及各主要参数对成像对比度的影响, 得到了与理论分析和实 际实验一致的结果, 即 imqc 成像的对比度比常规单量子成像高, 且提供了新的成 像信息 模拟和研究了双组份体系分子间零量子相干 单量子相干和双量子相干的成像信号 ; 模拟并讨论了各主要参数对双组份体系 imqc 成像对比度的影响 ; 模拟了三脉冲序列作用下的分子间单量子相干信号 通过模拟预测了化学位移对双组份体系成像信号的影响, 并利用模拟结果对化学位移的影响进行了深入的探讨 结果表明, 双组份体系 imqc 信号同样能够增强成像对比度和提供新的成像信息 本文还详细给出了基于非线性 Bloch 方程的 MRI 模拟算法, 阐明了偶极场等多 i
种作用因素的引入方法, 建立了三维结构样品的 imqc 的 MRI 模拟方法 模拟方法 能够得到满意的定性分析结果和较好的定量分析结果 关键词 : 磁共振成像 ; 分子间多量子相干 ; 计算机模拟 ii
Magnetic Resonance Imaging Simulations of Intermolecular Multiple-Quantum Coherences Sun Huijun ABSTRACT Intermolecular multiple-quantum coherences (imqc) is hot topic in nuclear magnetic resonance (NMR) community in recent years. It has a potential application in MRI. Although the signal intensity of imqc is lower than general MRI s, it includes specific imaging parameters such as dipolar correlation distance. Therefore, imqc imaging may provide new contrast mechanism. Combining the imqc with dipolar field treatment, imqc imaging signals of a three-dimensional sample was simulated systematically, by the algorithm of non-linear Bloch equation with dipolar field. Contribution of variant parameters to imqc imaging contrast and specific imaging information were also deeply discussed. The main results are summarized as follows: Imaging signals of imqc of one-component systems under CRAZED, modcrazed and MultiCRAZED pulse sequences and contribution of variant parameters to imqc imaging contrast were simulated. The simulation results agreed with theoretical analysis and experimental results. It showed that imqc imaging has higher imaging contrasts than general MRI s. imqc imaging offers new information and mechanism. Imaging signals of intermolecular zero-quantum, double-quantum and single -quantum coherences of two-component systems were simulated. By simulation, contribution of chemical shift to imqc images was predicted and discussed. Contributions iii
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