微纳尺度核磁共振技术与系统

本书对微纳尺度核磁共振领域的相关技术进行全面总结。全书共13章，内容涵盖了小型便携式核磁共振磁体、磁共振探测器的紧凑型建模技术、磁共振微阵列和微电子、微磁共振波导、微型磁共振探测器的创新线圈制造技术、基于集成电路和集成电路辅助的μNMR探测器、微尺度磁共振流动成像、核磁共振显微镜的高效脉冲序列、用于磁共振内窥成像的薄膜导管接收器、宽带多核检测微线圈、微尺度超极化、小容量核磁共振联用技术、力探测核磁共振等内容，较为全面地介绍了微纳尺度核磁共振相关技术，指出存在的挑战与未来的研究方向。

本书注重科普性，给出不少必要的公式推导，同时也兼顾可读性，提供了许多插图和说明。本书面向的读者包括但不限于核磁共振及相关领域的科技工作者，如大学教师、研究生、高年级本科生及企业的工程技术人员，是读者进入微纳核磁共振领域的快速入门读物。

译者序

原书序

原书丛书序

第1章 小型便携式核磁共振磁体 1

1.1 引言 1

1.2 紧凑型永磁体 3

1.2.1 永磁体类型 3

1.2.2 杂散磁场磁体 4

1.2.3 中心场磁体 8

1.3 磁体的发展 10

1.3.1 永磁材料 10

1.3.2 磁铁结构和被动匀场 10

1.3.3 紧凑型核磁共振中心场磁体简介 10

1.3.4 被动匀场策略 12

1.3.5 紧凑型核磁共振磁体匀场线圈 13

1.4 小结 14

参考文献 15

第2章 磁共振探测器的紧凑型建模技术 20

2.1 引言 20

2.2 基于模型降阶的EPR谐振器快速仿真 21

2.2.1 离散麦克斯韦方程 21

2.2.2 模型降阶 28

2.2.3 结构保持的模型降阶 33

2.2.4 平面线圈EPR谐振器 34

2.3 基于参数模型降阶的磁共振微传感器系统级仿真 38

2.3.1 模型描述 39

2.3.2 参数模型降阶 42

2.3.3 紧凑型模型仿真结果 45

2.3.4 联合仿真装置电路 47

2.4 结论与展望 53

参考文献 54

第3章 磁共振微阵列和微电子 57

3.1 引言 57

3.2 磁共振微阵列 58

3.2.1 理论背景 58

3.2.2 MR阵列制造的微技术 59

3.3 集成电路 61

3.4 CMOS频分多路复用器 61

3.4.1 低噪声放大器 62

3.4.2 混频器 63

3.4.3 带通滤波器 64

3.4.4 测量 65

3.5 总结 67

参考文献 67

第4章 微磁共振波导 71

4.1 引言 71

4.2 波导：理论基础 73

4.2.1 电磁波传播模式 73

4.2.2 特性阻抗和传输特性 74

4.2.3 TEM波模式理论 75

4.2.4 TEM模式的建模 75

4.2.5 平面TEM传输线中的磁场 78

4.2.6 传输线探测器和谐振器 78

4.3 设计和应用 79

4.3.1 磁共振成像中的微带NMR探头 79

4.3.2 微流体NMR 82

4.3.3 平面探测器 82

4.3.4 微带探测器 83

4.3.5 非谐振探测器 85

4.3.6 带状线探测器 86

4.3.7 平行板传输线 89

4.3.8 在固体物理学中的应用 90

4.3.9 动态核极化波导 91

参考文献 92

第5章 微型磁共振探测器的创新线圈制造技术 101

5.1 引线键合——一种使MR探测器小型化的新方法 101

5.2 用于魔角旋转的微线圈插件 105

5.2.1 魔角线圈旋转(MACS)技术 106

5.2.2 电感耦合成本 107

5.2.3 NMR实验证明MACS技术提高了灵敏度 108

5.2.4 微型MACS插件 109

5.2.5 双谐振MACS插件 112

5.3 微型亥姆霍兹线圈对113

5.3.1 磁共振亥姆霍兹线圈 113

5.3.2 空间磁场分布 114

5.3.3 微型亥姆霍兹对的微加工 115

5.4 高填充因子微线圈 118

5.4.1 引言 118

5.4.2 制造 119

5.4.3 结果 120

5.5 使用油墨制造线圈 121

参考文献 125

第6章 基于集成电路和集成电路辅助的μNMR探测器 131

6.1 技术考虑因素和设备模型 131

6.1.1 互补金属氧化物半导体技术 131

6.1.2 双极互补金属氧化物半导体技术 135

6.2 核磁共振应用的单片收发器电子器件 138

6.2.1 μNMR应用的最佳集成射频前端 138

6.2.2 CMOS和BiCMOS核磁共振接收机的设计 142

6.2.3 用于信噪比优化的探测线圈和LNA的联合设计 152

6.3 基于IC和IC辅助的μNMR最新技术概述 153

6.3.1 便携式NMR系统 153

6.3.2 NMR光谱系统 154

6.3.3 NMR成像和显微系统 155

6.3.4 血管内NMR系统 157

6.4 总结与结论 158

参考文献 158

第7章 微尺度磁共振流动成像 162

7.1 引言 162

7.2 流动成像方法 162

7.2.1 时间飞跃法 162

7.2.2 相位对比 164

7.2.3 平均流量 165

7.2.4 局限因素 165

7.3 显微流动成像的应用168

7.3.1 实验设置 168

7.3.2 动脉瘤模型中液体交换的表征 169

7.3.3 恒定流量下的相位对比测量 171

7.3.4 脉动流 174

7.4 讨论.176

致谢 177

参考文献 177

第8章 核磁共振显微镜的高效脉冲序列 179

8.1 引言 179

8.2 空间编码 180

8.2.1 k空间 180

8.2.2 切片选择 184

8.3 对比机制 186

8.3.1 T1弛豫 186

8.3.2 T2弛豫 187

8.3.3 T2衰减 187

8.4 基本脉冲序列 191

8.4.1 概述 191

8.4.2 自旋回波序列 192

8.4.3 梯度回波成像 194

8.4.4 超短TE 200

8.5 特殊对比 201

8.5.1 扩散 202

8.5.2 流动 208

8.5.3 磁敏感映射和QSM 209

参考文献 211

第9章 用于磁共振内窥成像的薄膜导管接收器 216

9.1 引言 216

9.2 导管接收器 216

9.2.1 内窥成像 216

9.2.2 导管接收器设计 217

9.2.3 长环路接收器 218

9.2.4 调谐和匹配 219

9.2.5 B1 场解耦 220

9.2.6 电场解耦 221

9.3 薄膜导管接收器 223

9.3.1 薄膜线圈 223

9.3.2 薄膜互连 224

9.3.3 MR安全薄膜互连 225

9.4 薄膜器件制造 227

9.4.1 设计与建模 227

9.4.2 材料和制造 227

9.4.3 机械性能 229

9.4.4 电气性能 230

9.5 磁共振成像 232

9.5.1 共振探测器成像 233

9.5.2 EBG探测器成像 234

9.5.3 MI探测器成像 235

9.6 结论 236

致谢 236

参考文献 236

第10章 宽带多核检测微线圈 242

10.1 引言 242

10.1.1 NMR微线圈 243

10.1.2 宽带NMR微线圈 244

10.2 基于微线圈的宽带NMR探头 245

10.2.1 宽带线圈、芯片和探头设置 245

10.2.2 非调谐宽带平面收发器线圈NMR数据 246

10.2.3 宽带NMR产生的问题 249

10.3 工程师对问题的解答 249

10.3.1 概述 249

10.3.2 线圈 250

10.3.3 阻抗匹配和前端电子学 253

10.3.4 问题解答 261

10.3.5 尚未解决的波谱电子学问题 263

10.4 结论和展望 263

致谢 264

参考文献 264

第11章 微尺度超极化 271

11.1 引言 271

11.2 理论 274

11.2.1 动态核极化 274

11.2.2 仲氢诱导超极化 277

11.2.3 光泵浦的自旋交换 282

11.3 微观技术方法 286

11.3.1 DNP 286

11.3.2 PHIP 296

11.3.3 用于核超极化的微SEOP 304

11.4 结论 307

参考文献 308

第12章 小容量核磁共振联用技术 323

12.1 常见联用模式简介 323

12.2 用于小容量联用技术的射频线圈类型 324

12.3 压力驱动微分离——核磁共振联用技术 326

12.3.1 毛细管高压液相色谱 326

12.3.2 毛细管气相色谱 328

12.4 电驱动微分离 328

12.4.1 毛细管电泳核磁共振(CE-NMR) 328

12.4.2 毛细管等速电泳核磁共振 330

12.5 微样品与微线圈探测的脱机联用 332

12.6 原位生物系统的连续监测 336

12.7 微流控混合及反应动力学研究 338

12.8 流动池和微流道的流动特性研究 338

12.9 结论 340

参考文献 340

第13章 力探测核磁共振 348

13.1 引言 348

13.2 背景 348

13.3 原理 350

13.4 力探测与感应探测 351

13.5 早期力探测磁共振 353

13.6 单电子磁共振力显微镜 356

13.7 纳米MRI与核自旋 357

13.7.1 微结构元件的改进 357

13.7.2 分辨率大于100nm的MRI 358

13.7.3 病毒粒子的纳米级MRI 359

13.7.4 有机纳米层成像 362

13.8 几个改进方向 364

13.8.1 磁场梯度 364

13.8.2 机械传感器 366

13.8.3 测量方法 371

13.8.4 纳米核磁共振与纳米线力传感器 374

13.9 与其他技术的比较 377

13.10 展望 379

13.11 结论 381

参考文献 381