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Continuous wave nuclear magnetic resonance estimation of spin-system properties from steady-state tr

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NMR

核磁共振

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成像

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Magnetic  resonance  imaging  (MRI)  is  a  powerful  imaging  modality,  widely  used  in  routine  clinicalpractice  and  as  an  investigational  tool  in  basic  science.  The  contrast  in  MRI  is  related  to  boththe  underlying  tissue  properties,  which  undergo  disease  or  injury  related  changes,  and  to  the  MRImethod  and  sequence  parameters  used.  It  is  the  latter  with  which  this  thesis  is  concerned:  the  designand  implementation  of  novel  MRI  acquisition  paradigms  and  associated  reconstruction  methods.

The  majority  of  MRI  methods  excite  the  object  of  interest  with  a  series  of  short  RF  pulses,  varyingthe  weaker  spatial  magnetic  field  using  the  gradients,  and  ensuring  the  RF  transmitter  is  inactivewhile  acquiring  a  series  of  decaying  MR  signals.  This  regime  linearises  the  inherently  nonlinearbehaviour  of  a  magnetic  resonance  spin-system,  allowing  the  acquired  signals  to  be  considered  in  aspatial  frequency  space  and  an  image  to  be  reconstructed  using  the  well  known  Fourier  transform.

It  is  our  assertion  that  nonlinear  behaviour  of  the  magnetic  spin  signal  will  lead  to  advantageousattributes  in  future  MR  methods,  just  as  moving  beyond  conventional  linear  spatial  gradients  tononlinear  encoding  fields  led  to  methods  for  accelerated  imaging  and  variable  spatial  resolution.

Reconstruction  of  spin-system  properties  from  nonlinear  MR  signals  requires  algorithms  beyondthe  Fourier  transform.  In  this  thesis  we  propose  spectroscopy,  radial  projection  imaging  and  relaxometry  methods  as  optimisation  problems  which  minimise  the  mismatch  between  experimentalmeasurements  and  predictions  from  Bloch  equation  based  signal  models.  The  use  of  continuouswave  (CW)  excitation  patterns  allows  the  development  of  signal  models  which  are  computationallyefficient  as  they  rely  on  analytical  solutions  of  the  Bloch  equations  or  matrix  inversion  via  harmonicbalancing,  rather  than  numerical  integration.

Ultra-short  relaxation  methods  have  been  applied  to  a  range  of  applications  and  demonstrate  thatMRI  is  finding  use  in  areas  far  beyond  traditional  soft-tissue  imaging.  Soft  tissues  have  an  easilyobservable  long  duration  MR  signal,  whereas  the  signal  decays  rapidly  for  harder  tissues  such  asbone,  or  in  regions  that  distort  the  magnetic  field  due  to  magnetic  susceptibility  gradients,  such  asthe  lungs.  Rabi  modulated  CW  techniques  operating  in  a  fully  continuous  mode  have  the  potentialto  measure  ultra-short  relaxation  signals  in  a  similar  range  to  ‘true’  zero  echo  time  techniques.

Work  inspired  by  quantum  optics  has  shown  that  exciting  a  spin-system  with  a  long  duration  Rabimodulated  RF  field  leads  to  a  significant  steady-state  MR  signal.  The  steady-state  trajectory  ishighly  nonlinear  and  can  be  expressed  as  a  series  of  harmonics  of  the  amplitude  modulation  frequency  of  the  RF  field.  This  harmonic  response  provides  a  natural  decoupling  of  the  excitationand  measurement  bandwidth,  and  the  ability  to  maintain  a  steady-state  response  under  low  powerexcitation  reduces  the  isolation  requirements  between  hypothetical  transmit  and  receive  chains.

Our  experimental  investigation  of  steady-state  trajectories  makes  use  of  two  pseudo-simultaneousexcitation  and  measurement  protocols.  Whilst  these  methods  were  adequate  to  explore  the  proof-ofconcept  applications,  hardware  modifications  are  suggested  to  unlock  the  full  potential  of  continuouswave  excitation  patterns.

This  thesis  demonstrates  that  CW  excitation  patterns  allow  the  construction  of  efficient  predictionmodels  and  elicit  an  information-rich  steady-state  response  from  which  underlying  spin-system  properties  can  be  reconstructed.  It  is  anticipated  that  further  development  of  these  concepts  and  relatedhardware  modifications  will  lead  to  new  continuous  wave  imaging  paradigms.

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