本文设计和研制了一款新型X波段多功能电子顺磁共振（electron paramagnetic resonance，EPR）谱仪，并为其开发一款新的控制和读出系统（control and readout system，CRS）来操控微波脉冲的产生和信号的采集，提高了系统的集成度和可扩展性. 该谱仪可实现常规的连续波EPR（continuous-wave EPR，cw-EPR）、脉冲EPR（pulsed EPR）和瞬态EPR（transient EPR，trEPR）实验，并装配了6~300 K的无液氦变温装置，以及兼具平行模式与垂直模式的新型双模连续波谐振腔和用于脉冲EPR及trEPR的介质腔. 针对新型EPR谱仪和新谐振腔，本文利用双模连续波、脉冲和瞬态三个不同方式的EPR实验，对其功能进行了验证.

本文设计、合成并测试了一种新型的基于有机钆纳米颗粒的磁共振成像（MRI）造影剂.以1, 2-氨基硫醇与氰基的缩合反应为基础，成功合成了粒径在8~23 nm范围内的有机钆纳米颗粒.该有机钆纳米颗粒作为磁共振造影剂时，随着时间的推移，其纵向弛豫率逐渐减弱，横向弛豫率先增强后逐渐减弱，这与钆纳米颗粒粒径增大有关.有机钆纳米颗粒同时存在随时间变化的纵向弛豫和横向弛豫，表明它有望成为一种先进的T₁-T₂双模态MRI造影剂.

高欠采倍数的动态磁共振图像重建具有重要意义，是同时实现高时间分辨率和高空间分辨率动态对比度增强成像的重要环节.本研究提出一种结合黄金角变密度螺旋采样、并行成像和基于同伦l₀范数最小化的压缩感知的图像重建的三维动态磁共振成像方法.黄金角变密度螺旋采样轨迹被用来连续获取k空间数据，具有数据采集效率高、对运动不敏感等优点.在重建算法中，将多线圈稀疏约束应用于时间总变分域，使用基于l₀范数最小化的非线性重建算法代替传统的l₁范数最小化算法，进一步提高了欠采样率.仿真实验和在体实验表明本文所提的方法在保持图像质量的同时，也可以实现较高的空间分辨率和时间分辨率，初步验证了基于同伦l₀范数最小化重建在三维动态磁共振成像上的优势和临床价值.

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）化学交换饱和转移（Chemical Exchange Saturation Transfer，CEST）技术在临床诊断中展现了巨大的潜力，但在腹部成像中受到主磁场偏移量大的挑战，而且利用传统的非对称性分析法得到的酰胺质子转移（Amide Proton Transfer，APT）成像对比度受到核奥氏增强（Nuclear Overhauser Enhancement，NOE）效应的干扰.本文提出了一种基于神经网络拟合的CEST后处理方法，对每个像素采集得到的Z谱特征进行识别，不需要额外序列扫描即可得到背景参考Z谱与主磁场偏移量，用以校正和获得理想的Z谱，并进一步分离得到源自APT效应与NOE效应的信号.鸡蛋清和健康志愿者腹部成像结果显示，本文提出的基于神经网络的CEST后处理方法效果较好.

直肠癌T分期对患者的术前评估有重要作用.然而，传统的放射科医生根据患者磁共振图像直接判断分期的方法效果欠佳.本文提出使用影像组学的方法预测直肠癌T分期，首先获取105例直肠癌患者影像数据，根据病理报告中的T分期结果将T1、T2期患者划分为未突破肌层组，将T3、T4期患者分为突破肌层组，整理数据得到未突破肌层组31例，突破肌层组74例.在患者的轴向位T2WI图像中勾画病灶区域，并在病灶上使用pyradiomics工具包提取影像组学特征，使用最小绝对值收敛和选择算子（LASSO）对高维特征做特征选择，得到与T分期高度相关的特征数据，使用随机森林、支持向量机（SVM）、逻辑回归、梯度提升树（GBDT）分别建模，进行交叉验证调参，评估模型性能.每层图像提取100维特征，经LASSO特征选择后得到7个与T分期高度相关的特征，使用4种模型分别建模，其中SVM算法表现最优，平均受试者操作特征曲线下面积（AUC）、准确率、灵敏度、特异度分别为0.968 5、0.886 4、0.962 5、0.899 2，测试集准确率达到了0.904 7.结果表明，使用影像组学方法可以提高直肠癌T分期预测的准确率.

本文回顾性分析19例经病理证实为WHO Ⅱ-Ⅲ级且具有T₂/FLAIR错配征的脑胶质瘤患者.从患者的影像数据中提取肿瘤区整体特征和错配区影像参数进行定量分析，探讨T₂/FLAIR错配征在评价异柠檬酸脱氢酶（IDH）突变伴1p/19q未联合缺失型（IDH^MUT/1p/19q⁺）较低级别胶质瘤（LGG）的诊断效能.本研究表明，整体及部分T₂/FLAIR错配征可作为预测IDH^MUT/1p/19q⁺ LGG的影像标志物.肿瘤区整体影像特征联合错配区定量参数有助于提高对IDH^MUT/1p/19q⁺ LGG的诊断效能.

躯体症状障碍（somatic symptom disorder，SSD）是一种常见的医学疾病，致病原因涉及生物学、心理学及社会因素.目前关于SSD的神经机制知之甚少.本研究通过静息态功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI），结合低频振幅（amplitudes of low-frequency fluctuation，ALFF）和局部一致性（regional homogeneity，ReHo）分析探究45位SSD患者和43位健康对照自发性脑活动特征的区别.结果发现：与对照组相比，SSD患者右侧扣带回中部的ReHo值显著升高，而右侧楔前叶、左侧颞下回延伸到左侧颞中回和左侧海马旁回、右侧脑桥的ReHo值显著降低.同时，SSD患者扣带回中部延伸至左侧额中回、右侧脑岛延伸至右侧额下回、左侧额中回延伸至左侧前扣带回的ALFF值均显著升高.这些脑区的脑功能与自我加工、情绪处理、身体知觉等有关，与SSD发病机制有重要联系.

左心室心肌最为发达，心肌收缩产生的高压将动脉血泵入全身，集中体现了心脏的泵血能力.定量分析左心室收缩运动是诊断心血管疾病（如心肌梗死）的重要途径.本文采用描述左心室心肌材质的生物力学模型重建左心室位移场.该力学模型作为插值项，与心脏电影磁共振图像的观测位移场共同纳入贝叶斯估计框架，并采用有限元法求解位移场方程.实验比较了左心室射血无力组（46例）与正常组（55例）的左心室功能参数，发现两组在径向和圆周方向的位移、速度、应变和应变率都具有非常显著的差异（p < 0.001），这证明本文方法能够有效区别左心室运动正常与否.实验结果还与CVI软件测量的左心室功能参数具有较高的相关性，说明本文方法有望辅助心血管疾病的临床诊断.

Bcl-2蛋白是Bcl-2家族中主要行使抗凋亡功能的蛋白质.核孤儿受体蛋白Nur77可出核定位至线粒体与其发生相互作用，促使Bcl-2的功能发生逆转，由细胞保护者转变为细胞杀手，从而促发细胞凋亡.Bcl-2的功能受翻译后修饰调控，如位于其BH3与BH4基序间无序loop区上T69位点的磷酸化.由于缺乏全长Bcl-2蛋白的结构信息，目前loop区T69的磷酸化修饰对两种蛋白相互作用的影响尚不清楚，缺乏原子水平的相关研究.因此，我们构建了含有loop区的胞内全长Bcl-2，并用T69E突变体模拟稳定的磷酸化修饰，综合运用圆二色谱（CD）、免疫印迹（Western Blot）、核磁共振（NMR）等技术手段对其相互作用进行研究.我们发现相比只含结构区的Bcl-2/xl嵌合体，胞内全长的Bcl-2和Nur77具有更强的相互作用，并且T69E模拟磷酸化修饰减弱了Bcl-2与Nur77的相互作用.该项研究对基于Bcl-2和Nur77信号转导通路和癌症细胞靶向凋亡的研究具有重要的参考意义.

核自旋单重态是一种特殊的自旋状态，其寿命远长于相应自旋的横向和纵向弛豫时间，能够被用于研究分子的慢扩散、慢运动、特征信号选择等过程.目前单重态的研究主要集中于孤立的两自旋体系.而本文以N-乙酰基天冬氨酸（NAA）分子中由亚甲基和次甲基的三个氢原子核构成的三自旋体系为研究对象，将亚甲基中的两个氢核制备成单重态.利用优化控制和数值计算方法，分别设计了包含和不包含次甲基氢核耦合的单重态制备脉冲，结果发现，不考虑次甲基氢耦合设计的优化脉冲，其在实际三自旋体系中的单重态制备效率会显著下降.另外，我们以单重态为起点，实现了针对次甲基和亚甲基的信号选择COSY谱和NOESY谱，结果表明基于单重态的二维谱能够有效避免谱峰重叠现象，提高谱图分辨率，并有助于提高分子结构解析的准确性.

近年来，铷原子频标研究取得长足进展，频率稳定度达到10^-13τ^-1/2量级.为进一步改善铷频标稳定度性能，本文设计了一种高信噪比物理系统.物理系统中的腔泡组件采用微波场磁力线与量子化轴方向高度平行的开槽管式微波腔，滤光泡和吸收泡独立控温.抽运光源采用了光学滤光和同位素滤光双重滤光方案.本文实测了背景光电流I₀和鉴频斜率K_d，结果分别为95 μA和7.7 nA/Hz，在此基础上计算物理系统的散弹噪声极限稳定度为7.5×10^-14τ^-1/2.研究结果表明，只要锁频环路的电子学噪声得到有效控制，铷频标的频率稳定度突破1×10^-13τ^-1/2，进入10^-14τ^-1/2量级是完全可能的.

磁共振系统中的发射/接收（transmit/receive，T/R）开关用于收发通路的切换，要求在隔离大功率信号的同时具有较小的插入损耗；另外，在宽带磁共振谱仪中，一般的窄带T/R开关也不再适用.本文基于PIN（positive-intrinsic-negative）二极管设计了工作频率为10~100 MHz的宽带磁共振T/R开关.通过减小电平跳变、优化开关过冲和解决二极管被动导通等问题，获得了插入损耗小于1 dB、大功率信号隔离度大于75 dB、开关时间1 μs的整体性能.用本文设计的宽带T/R开关替代一般探头中的窄带T/R开关，在0.5 T核磁共振（NMR）波谱仪上测得了氢核和氟核两个不同频率的磁共振信号，验证了宽带T/R开关的宽带性能.