慢性阻塞性肺疾病（COPD）急性加重（AECOPD）是COPD自然病程中的重要不良事件，本研究利用超极化¹²⁹Xe MR技术探究了AECOPD疾病模型的肺泡微结构和气血交换功能变化．结果表明，相比于肺气肿组，急性加重组的肺部微结构变化不大，但气血交换功能显著下降．这些测量结果与组织学以及肺功能检查结果具有较好的相关性，证明了超极化¹²⁹Xe MR对AECOPD检测的可行性与灵敏性．

谷胱甘肽（GSH）是一种由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸聚合而成的三肽，是人体还原驱动力的主要来源，能维持人体内部氧化还原平衡．谷胱甘肽还与生物体内自由基淬灭、肿瘤治疗密切相关．利用活体磁共振波谱（MRS）监测生物体中谷胱甘肽的含量变化对于理解其生物学作用具有重要意义．由于生物体内环境复杂，活体组织的磁共振信号往往重叠严重，难以实现特定分子的选择性检测及定量．本文介绍了一种利用核自旋单重态选择性检测活体谷胱甘肽分子的方法，通过在谷胱甘肽中选择合适的自旋体系，将其制备为单重态，借助梯度脉冲消除其它分子的信号，进而实现谷胱甘肽信号的选择性检测．该方法在健康人体大脑中得到了实验验证，理论和实验结果表明，与文献中报道的其它方法相比，本文的方法具有检测效率高、选择性强的特点．

溶融动态核极化（dDNP）是一种将分子样品在超低温、强磁场以及微波照射下高度极化，然后经高温高压溶剂快速溶解后立即转移至NMR/MRI系统进行检测的灵敏度增强技术．溶融系统是实现这一过程的关键部分，其性能直接影响样品的溶融、转移效率以及样品极化度的保留程度．本文提出了基于双闭环PID控制算法的自动化溶融系统的控制方案，可在9 min以后达到目标压强1.7 MPa左右并使内部压强被动控制在1.5%以内．将研制的自动化溶融系统集成于自主开发的5 T dDNP仪器系统，可将-271℃的低温样品快速溶融，并于4 s内将其转移到距离11.2 m处的7 T NMR系统进行检测，获得了[1-¹³C]-丙酮酸钠在溶融态下¹³C NMR信号9 050倍的增强．自动化溶融系统简化了操作步骤，提高了实验的安全性和一致性．

本文研制了一种基于法布里-珀罗谐振腔的W波段电子顺磁共振探头．利用法布里-珀罗谐振腔所具备的大体积和开放腔等特点，本文将法布里-珀罗谐振腔用作谱仪探头的谐振器部分，并且设计了波纹波导来实现微波桥与法布里-珀罗谐振腔之间的低损耗微波信号传输．所研制的探头工作在W波段，空载品质因数为1 542．最终将该探头集成于W波段电子顺磁共振谱仪，通过测量Mn（II）掺杂的CaO粉末样品的谱线，展示了该探头在常温下用于W波段连续波电子顺磁共振实验的能力．探头的调制场频率设置为100 kHz，实验结果显示探头的最大调制场幅度可达8.9 G（1 G=10^-4 T），谱仪绝对自旋数灵敏度为6.6×10⁸ spins/(G•$\sqrt{Hz}$)．

新兴的可穿戴式脑磁图技术为脑机接口（BCI）提供高质量数据奠定了基础．为探究可穿戴式脑磁图应用于视觉混合BCI上的可行性，本文基于稳态视觉诱发场（SSVEF）和Alpha波设计了SSVEF-Alpha混合BCI，并在不同分类模型上进行了性能对比．结果表明，基于用户依赖（UD）的训练方法，混合BCI 6分类平均分类准确率为(93.29±1.69)%，信息传输速率可达86.81 bits/min，且使用短数据长度进行用户独立（UI）的训练方法比免训练的方法更具优越性．本研究验证了视觉混合BCI的有效性，为进一步开发设计可穿戴式脑磁图的BCI应用产品提供参考范例．

提高磁共振成像速度是磁共振领域待解决的问题，采用多线圈扫描是一种常用加速方式．但在加速因子大于4时，传统压缩感知磁共振（CS-MRI）重建算法得到的图像质量不高．为此，本文提出一种基于物理模型的ISTAVS-Net多线圈MRI图像重建方法．将ISTA算法与VS-Net网络拆分思想相结合，提出ISTAVS算法，并展开成ISTAVS-Net网络．将每步迭代与网络模块结合，比黑盒U-Net网络的可解释性更强．网络中引入残差机制，增加了网络的非线性表达能力和稳定性. 稀疏变换、收缩阈值以及正则化参数在训练中自动学习，提高了重建的灵活性．采用Globus膝关节数据集的测试结果表明不同加速因子下ISTAVS-Net网络效果均优于传统的 L1-ESPIRiT和ISTA迭代算法，图像质量和性能指标比U-Net、ISTA-Net+和VS-Net网络提升明显，在高加速因子下对组织细节恢复能力更强．该网络鲁棒性强，更适合对临床扫描数据进行快速高质量重建，可拓宽MRI应用范围．

纤维追踪算法能通过纤维方向分布函数对脑部纤维进行追踪．考虑到水分子间的弥散作用是相互的，通过扫描数据重建的纤维方向分布函数可能存在误差，本文在传统流线型追踪算法的基础上，结合最大余弦相似度，提出了一种方向修正优化的纤维追踪算法．同时，考虑到人脑内存在各向异性弥散和各向同性弥散的水分子，且后者占比较大，使用最大期望算法对具有相同性质的种子点进行聚类，减少各向同性弥散体素点的追踪．最后分别使用模拟数据和真实数据进行实验，结果表明，本文提出算法追踪所需时间更少，相较于传统流线型纤维追踪算法纤维平均长度更长，错误追踪纤维簇数量显著少于传统纤维追踪算法，正确追踪纤维束比率显著高于传统纤维追踪算法，在大部分特定纤维束的追踪上也有着更高的重叠率与更低的过度估计率，更能体现实际情况下纤维的结构分布．

在化学交换饱和转移（CEST）成像实验中，由于信号采集过程中纵向磁化矢量的弛豫恢复，实际采集信号的CEST对比度呈持续衰减状态，因此，CEST分段饱和模式以及对应的K空间填充方法会对CEST的图像质量和定量结果产生不同的影响. 本文通过仿真和人体实验，探究了快速小角度激发（FLASH）序列中不同K空间填充策略对颅脑酰胺质子转移（APT）成像质量以及APT对比度的影响. 研究结果显示，采用分段饱和与重排优化K空间中心优先填充技术，可有效消除皮下脂肪导致的伪影，并提高APT非对称分析获取非对称性磁化转移率MTR_asym的准确性.

时空编码（SPEN）磁共振成像（MRI）是一种超快MRI技术，通过该技术采集获得的原始图像空间分辨率较低，需要基于序列物理原理进行超分辨率重建以提高其原始图像的分辨率，而现有的基于深度学习SPEN超分辨率重建算法在提取图像像素长距离依赖关系上的能力有限.为了解决此问题，本文提出了一种基于Transformer的SPEN MRI超分辨率重建算法.该算法采用编码器-解码器结构，并引入Transformer模块以提取特征图的局部上下文信息和长距离依赖关系.实验结果表明，本文所提的重建算法可以在不增加额外采样点的情况下从SPEN低分辨率图像中重建出高空间分辨率、无混叠伪影的超分辨率图像.与现有的超分辨率算法相比，本文提出的算法在临床前以及临床数据集上都取得了更好的重建效果.

氦气向铷气室内渗透被认为是导致铷钟频率漂移的原因之一．在本研究中，我们对铷钟普遍使用的Pyrex材料铷原子气室和研制的抗氦渗透能力强的铝硅材料铷原子气室的多个样本进行了氦渗透率测量，在工作温度（约60 ℃）下渗透率分别为2E-19 m²/(Pa•s)和≤3E-22 m²/(Pa•s)．据此结果对铷钟频率漂移率进行分析表明，采用Pyrex玻璃气室时，氦气渗透引入的铷钟频率漂移在前4年内稳定在E-13/天水平，之后6年的影响大约在E-14/天水平；若采用铝硅玻璃（ASG）气室，氦气渗透引入的铷钟频率漂移可降低至E-16/天水平．该研究结果对改善铷钟的长期频率漂移问题具有指导意义．