核磁共振自动化方法的研究与实现

论文摘要

自动化是现代核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)发展的重要趋势,发展核磁共振实验与数据处理自动化方法对减少科研工作者的重复操作、提高仪器的自动化水平具有重要意义。本论文围绕核磁共振自动化方法,针对现有自动梯度匀场与自动相位校正方法在鲁棒性和准确性方面的局限性,提出解决方案。同时,基于自动化方法的多样性和复杂性对软件实现带来的挑战,提出了灵活性和可扩展性更强的软件架构设计,以满足自动化方法日益复杂的功能需求。具体研究工作如下:(1)提出基于相位编码的梯度匀场方法,以提高梯度匀场对磁场均匀性很差情况下的适应性。现有基于频率编码的梯度匀场方法,磁场不均匀性很大时,磁场测量的准确性显著降低。原因主要有两个:①核磁共振时域信号在<的作用下迅速衰减;②不均匀磁场叠加在梯度场上,使空间编码的准确性降低,图像产生失真。本文提出基于相位编码的梯度匀场方法由于省去了梯度散相和重聚的时间,减小了时域信号的衰减,提高了磁场测量数据的信噪比;同时相位编码具有不受磁场不均匀性影响的特点,在磁场不均匀性很大的情况下可避免图像的失真;另外,由于相位编码不受化学位移的影响,故可以有效解决氢梯度匀场的多峰问题,为非氚匀场提供了新的思路。(2)提出基于基线分段优化的自动相位校正方法,避免了对峰形的依赖,增强方法对谱峰重叠、磁场不均匀等情况下的适应性。现有的自动相位校正方法普遍采用谱峰线形的特征作为相位寻优的标准,但谱峰重叠、磁场不均匀等情况下谱峰线形往往并不理想,降低了相位校正的准确度。基于基线优化的方法不再利用峰形特征,结合基线平滑性特征与负值惩罚进行相位寻优。在相位寻优过程中采用arPLS算法优化基线,当基线平滑性最大,且负信号达到最小时,算法收敛。引入基线分段机制可增加对负峰和畸变峰的适应性。(3)为实现和集成日益复杂的自动化功能,提出基于插件的软件架构。自动化方法种类繁多且日益复杂,核磁共振软件作为自动化方法的实现与集成主体,必须具备很强的灵活性和可扩展性。本文提出基于插件的软件体系架构,并对插件体系的构建、插件间的交互与扩展机制进行了分析。最后对核磁共振自动化方法的插件化实现进行了详细的讨论。在本工作提出的插件体系下,新的自动化方法可以动态加载并接入到软件系统,该系统为科研工作者提供了一个高度可扩展的开发平台。

论文目录

致谢

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 核磁共振基础

1.1.1 宏观磁化矢量的形成

1.1.2 宏观磁化矢量的章动与进动

1.1.3 核磁信号的检测

1.2 PFT-NMR波谱仪的结构

1.3 自动化方法

1.3.1 自动匀场

1.3.2 自动相位校正

1.3.3 其它自动数据处理算法

1.4 自动化方法的软件实现

1.5 本文的研究内容和意义

2 基于相位编码的自动梯度匀场方法

2.1 引言

2.2 基本原理

2.2.1 横向弛豫衰减对磁场测量数据准确度的影响

2.2.2 磁场不均匀性对空间编码准确性的影响

2.2.3 化学位移对空间编码准确性的影响

2.3 实验

2.3.1 匀场线圈场图测量的对比分析

2.3.2 梯度匀场效果对比

2.3.3 多峰情况下的梯度匀场

2.3.4 实验参数优化

2.4 小结

3 基线分段优化的自动相位校正方法

3.1 引言

3.1.1 现有的自动相位校正方法及存在的主要问题

3.1.2 基线特征与基线拟合

3.2 方法实现

3.2.1 算法总流程

3.2.2 基线、相位的迭代优化

3.2.3 基线拟合算法的参数估计

3.2.4 基线的分段

3.3 性能分析

3.3.1 普适性

3.3.2 计算效率

3.3.3 参数设置

3.4 小结

4 自动化方法的软件实现

4.1 引言

4.1.1 核磁自动化方法的主要特点

4.1.2 现有核磁软件设计的主要问题

4.2 架构设计

4.2.1 插件架构的优势

4.2.2 插件体系的构建

4.2.3 模块划分与系统分层

4.3 软件实现

4.3.1 插件的解耦

4.3.2 扩展关系的构建与实现

4.3.3 自动化方法的实现

4.4 小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

作者简介及在学期间发表的学术论文

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘造

导师: 刘朝阳

关键词: 核磁共振波谱仪,自动匀场,自动相位校正,数据处理,核磁共振软件

来源: 中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,计算机软件及计算机应用

单位: 中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)

分类号: O482.532;TP391.41

总页数: 107

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