【摘要】：超導量子干涉器件(SQUID)是一種極為靈敏的磁通探測器,在液氦溫度(4.2 K)下,其磁通靈敏度高達μΦ_0/√Hz量級。隨著超導量子干涉器件被應用到核磁共振(Nuclear magnetic resonance,NMR)和磁共振成像(Magnetic resonance imaging,MRI)領域,極低場(ultra-low-field,ULF)NMR和MRI相關的研究受到了廣泛的關注。不同于傳統(tǒng)高場MRI,ULF MRI的主磁場強度在百μT(10~-4 T)量級。因此,極低場磁共振成像在測量時面臨的主要挑戰(zhàn)是信噪比的提高。為了提高系統(tǒng)成像的信噪比,對現(xiàn)有系統(tǒng)進行了升級。具體的措施為采用預極化線圈系統(tǒng)對樣品進行極化取代原有的永磁體極化方案。極低場磁共振系統(tǒng)在升級后,預極化線圈的存在帶來的射頻噪聲干擾,以及系統(tǒng)電力設備噪聲已經(jīng)影響到系統(tǒng)的正常工作。為解決這一問題,設計了屏蔽室系統(tǒng),用來屏蔽噪聲,提高信噪比。首先,我們對比了在自由空間中和舊屏蔽室內的磁場噪聲,提出新屏蔽室必須能有效衰減環(huán)境噪聲一半以上。根據(jù)我們提出的目標,計算與仿真了不同鋁板厚度的屏蔽室屏蔽效能,發(fā)現(xiàn)6 mm厚的鋁屏蔽室符合我們的需求。隨后搭建屏蔽室以及屏蔽室性能測試系統(tǒng),測試結果滿足設計要求。另外對比了在自由空間中和屏蔽室內頻率為5.9 kHz時,水樣品的信噪比由3提高到20,顯著地提高了測量樣品信號的信噪比。但是由于預極化線圈需要在極短的時間內對線圈進行關斷操作,所以會在屏蔽室的壁上產生渦流進而導致渦流雜散磁場,影響系統(tǒng)的工作。針對這一問題,已經(jīng)仿真出能有效補償渦流雜散磁場的線圈系統(tǒng),補償系統(tǒng)可以將渦流場的強度衰減90%以上,同時有效地減少ULF MRI系統(tǒng)的死區(qū)時間,減少渦流對系統(tǒng)的影響。新屏蔽室的應用有效地衰減了環(huán)境噪聲,但是對50 Hz工頻諧波噪聲的抑制不夠,以及在無屏蔽室環(huán)境下系統(tǒng)都會面臨工頻噪聲的干擾。為了解決這些問題,我們提出了基于磁場的空間相關性的極低場磁共振成像工頻噪聲抑制方法。我們利用參考通道與信號通道同時采集信號,補償信號通道中的噪聲分量,有效地消除了成像圖像上的帶狀偽影,提高了圖像的質量。論文的最后對本文的工作做了總結并對下一步工作進行了展望。
【學位授予單位】：中國計量大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O482.53
【圖文】：

對于核自旋量子數(shù) I = 1/2 的核，m 的取值可以為-1/2 和 1/2，能級會塞曼分裂為兩個塞曼能級；對于 I = 3/2 的原子核，m 的取值可為-3/2，-1/2，1/2，3/2 四個塞曼能級。以此類推，原子核又(2I + 1)個塞曼能級。圖 2.3 就是自旋量子數(shù)為 I = 1/2 的核在外磁場中的塞曼能級。對于宏觀樣品，由于樣品自身是由大量原子核組成，外加靜磁場 B0對自旋能級的影響須符合統(tǒng)計學規(guī)律。因此在熱平衡狀態(tài)下，核自旋角動量在各能級的分布須符合玻爾茲曼分布，即粒子數(shù) N 符合公式(2.6):(2.6)對于單位體積的樣品，其包含了 N 個核自旋，因此其凈磁化強度 M 符合公式(2.7)[18]：(2.7)在磁共振領域中，γ B0/kT 遠小于 1，那么公式(2.7)可以線性展開

圖 2.4 核磁矩 μ 的進動軌跡 軸方向來看， 的核磁矩 μ 會沿著順時針的方向進動，而 則會沿著逆時針的方向進動。在平衡狀態(tài)下，μ 和 B0的夾角不時的系統(tǒng)能量不會發(fā)生變化，因此無法探測 NMR 信號。如果 軸的方向上加入射頻場 B1，調整 B1場的方向使之核磁矩μ 的并且是 B1的頻率和拉莫爾頻率相同或者相似，那么核磁矩μ 就1進行能量的交換，核磁矩 μ 會發(fā)生章動到與之前的圓錐呈鏡面上。這樣磁化強度 M 也在繞著射頻場 B1的方向以頻率 進行。核磁矩 μ 和靜磁場 B0的夾角開始發(fā)生變化，M 在 B0場中的變化，從而對外產生一個核磁信號。觀上看，在熱平衡條件下，根據(jù)式(2.8)，樣品的靜磁化強度 M 獲得最大值 M0，并且保持與靜磁場 B0方向平行。為了可以檢必須使 M 從 B0方向偏離。根據(jù)上文的討論，沿 x 方向引入射頻 μ 和靜磁場 B0之間的夾角會發(fā)生變化，其在宏觀上的變現(xiàn)為

.1.5 自由進動信號與自旋回波信號通過 2.1.4 節(jié)的介紹，在脈沖激勵結束時，會發(fā)生縱向弛豫現(xiàn)象與橫向弛豫象。觀察宏觀磁化強度 M，會發(fā)現(xiàn)其繞著 B0進動。其頂端軌跡在弛豫時在間上表現(xiàn)為螺旋形。在弛豫過程中，橫向磁化強度Mxy在xy平面將會以螺旋線形式恢復到零點。 xy 平面上橫向磁化強度 Mxy的旋轉會感生一個射頻波。該信號被稱為自由感信號或者自由感應衰減(free induction decay, FID)，其可以被放置在 xy 平面上線圈測量，并可以轉換成可測量的電信號：一個以橫向弛豫時間 T2為指數(shù)的弦衰減函數(shù)：(2.15)從上式可以看出自由感應信號會隨著磁化強度 Mxy的變化而改變。因為線在xy平面上保持固定，橫向磁化強度Mxy則繞著B0進動的同時在不斷減小，以在橫向磁化強度 Mxy指向線圈時，信號為正值；反之，信號為負值。信號絕對值隨上式呈指數(shù)函數(shù)變化。

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本文編號：2769742