基于自主研制的5 T磁共振成像系统和¹³C代谢磁共振成像研究需求，设计了一种小口径磁共振成像梯度线圈和¹H/¹³C双共振射频线圈系统．其中梯度线圈设计采用有限差分流函数方法，射频线圈设计为马鞍线圈结合表面线圈的双共振方案．采用有限元方法对磁场分布进行了数值模拟分析，成功研制出一套用于小口径5 T ¹³C磁共振成像的梯度与射频线圈，并利用自主研制的5 T磁共振成像系统平台验证了设计方案的可行性，经过实验测试采集到¹³C标记的尿素水模磁共振图像和小鼠头部¹H磁共振图像，为后续开展基于动态核极化的¹³C磁共振代谢成像奠定了基础．

常规的核磁共振仪器具有体积大，不易携带等缺点，限制了其在现场石油勘探、食品安全、环境污染、质检等领域的应用．为此，本文提出了一种掌上型核磁共振控制台设计方案，在一块可编程片上系统芯片Zynq-7000上，通过高级精简指令集计算机（Advanced RISC Machine，ARM）核构建、现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）逻辑设计和控制程序设计，完成了整个掌上型核磁共振控制台的设计与实现．全部设计完成后，在课题组自研的0.5 T桌面式核磁共振系统上，进行了自由感应衰减（Free Induction Decay，FID）、自旋回波（Spin Echo，SE）和CPMG（Carr-Purcel1-Meiboom-Gill）几个基本脉冲序列的测试，验证了其整体架构设计的正确性和各个模块之间的协调性．设计的核磁共振控制台长10.6 cm，宽6.0 cm，高1.9 cm，在缩小体积的同时，还提高了脉冲序列的实时性和控制台的稳定性，为进一步研制便携式核磁共振仪器奠定了基础．

超极化³He气体在中子极化、基础物理和诊断医学等领域广泛应用．测量其极化率对于³He极化系统至关重要．通常使用自由感应衰减核磁共振（FID NMR）线圈来检测³He原子的FID信号．线圈的测量信噪比与直径、匝数、以及其与气室的相对位置等因素相关．关于FID NMR线圈的优化分析，目前仅有少量的文献提及且缺乏详细的实验验证．本文通过对FID信号和线圈噪声的理论分析，建立了线圈测量信噪比模型，并且在基于亚稳态交换光泵（Metastability-Exchange Optical Pumping，MEOP）极化技术的³He极化系统中对FID NMR线圈进行了实验验证．实验结果显示，在半径和高度均为r_cell的柱形气室中，线圈的测量信噪比在半径为r_cell/2时达到最优值，此结论与理论分析结果相符．该信噪比模型的相对误差不超过10%，证明了理论模型的有效性．这些研究结果对于优化设计³He极化系统具有重要的指导意义．

本研究旨在探索¹²⁹Xe通气功能MRI与肺部病灶类型之间的关联．我们对143例患者进行¹²⁹Xe通气功能MRI和肺部CT扫描，并分析了肺叶水平的通气功能与肺部病灶类型之间的关系．结果显示，大部分肺叶（74.6%）¹²⁹Xe肺通气功能MRI和CT结果一致．通气功能损伤与CT病灶类型相关，且混合疾病和肺气肿/肺大疱更易引起肺通气功能障碍．此外，我们的研究显示不同肺部病灶类型会呈现出不同的通气模式．即¹²⁹Xe通气功能MRI和肺部CT能够提供互补信息．本研究的初步结果将为肺部病灶引起的通气功能损伤评估提供数据支持，为临床影像学诊断提供更多的参考依据，有助于优化肺部疾病的诊断和治疗．

现有研究常用功能连接（FC）结合图论分析完成轻度认知障碍（MCI）疾病的辅助诊断．传统FC分析方法通常以低阶FC网络为对象，而高阶FC网络能够揭示脑网络中更高层次的交互关系，但在高阶FC网络中涉及图论研究尚少，且传统图论指标在高阶FC网络中具有局限性．本文通过高阶动态功能连接构建高阶FC网络，结合图论对MCI和正常认知（NC）的脑网络状态进行分析，定义了阻滞系数和平均转换时间两个新的图论指标，以表征脑网络的时间变异性．结果表明在高阶FC网络中应用图论能有效提取MCI组和NC组之间的差异性信息，所提出的阻滞系数和平均转换时间指标均能呈现显著性差异，为高阶脑网络的研究提供了一种新的分析方法．

为解码人脑在语义情境下的视听双模态与单模态中的响应差异，本研究设计了相关任务范式并应用新一代脑磁图（OPM-MEG）结合机器学习方法对采集信号从行为学响应、事件相关场（ERF）和单试次检测3个角度进行分析．结果显示单模态语义响应主要集中在枕叶，而双模态语义响应主要集中在顶叶．同时，双模态下的被试响应速率及单试次检测准确率显著高于单模态．此外，支持向量机（SVM）在4种机器学习模型中显示出了最佳分类效能，在被试内分类平均准确率可达75.16%，被试间平均准确率达80.56%．结果表明基于OPM-MEG结合机器学习为实现解码语义情境下的视听双模态与单模态响应差异提供了一条新的有效途径．

本文研究了一系列不同尺寸二氧化硅小球堆积空隙中氢气分子的核磁共振信号特征，观察到氢气分子化学位移随着小球堆积空隙尺寸减小逐渐向高场变化的现象．结合变温氢谱、氢气自扩散系数测量及扫描电镜等实验结果，认为两个因素的共同作用是该现象产生的原因，即：1）抗磁性的二氧化硅小球所导致的磁场不均匀性分布随小球尺寸变化而变化；2）处在小球空隙内不同位置的氢气分子间存在快速交换．本文结果展示了氢气作为探针分子用于微纳空隙尺寸测量的可能性．

天然产物的立体化学研究，特别是柔性大环分子化合物的立体化学问题，一直是相关领域面临的巨大难题．西松烷二萜类化合物是一类典型的柔性大环分子化合物，采用耦合常数（Coupling constant）和NOE（Nuclear Overhauser effect）效应两种局部特性核磁共振参数来确定该类化合物立体构型是最常用的方法之一．残留偶极耦合（Residual dipolar coupling，RDC）和量子化学计算等方法的发展进一步丰富了解决立体化学问题的手段．其中，RDC作为一种非局部特性核磁共振参数，不仅被多次报道应用于蛋白质、核酸等生物分子的结构构建及功能研究，也逐渐被应用于许多天然产物分子的立体构型确定，在药物分子构型研究方面做出了突出贡献．目前，RDC在西松烷二萜类化合物的立体构型确定方面的研究报道较少．本文首次采用RDC参数探索西松烷二萜类化合物sinulariol Z的立体化学构型问题，并结合单晶X射线衍射法，对sinulariol Z的立体构型进行了再次确证，进一步验证了RDC参数在西松烷二萜类化合物立体化学研究中的可行性．

氦气渗透导致的铷原子钟吸收泡内铷原子与氦气碰撞频移发生变化,从而影响铷原子钟频率漂移率．为了量化分析这一影响，选取厚度为1 mm，直径为1.8 cm，长为1.6 cm，工作温度为65 ℃的圆柱型玻璃气泡为例，通过数值方法模拟了派热克斯玻璃（Pyrex，康宁7740）与低氦渗透的铝硅酸盐玻璃（ASG，康宁1720）原子气泡内氦气压随时间的变化规律．计算结果显示，对于Pyrex气泡，铷原子钟工作约12年后，氦渗透致频率漂移率降低至<1.0×10^-14/天；而ASG气泡铷原子钟在其寿命期间内的氦渗透致频率漂移率始终<3.0×10^-17/天，其对铷原子钟漂移率的贡献可忽略不计．该计算方法同样适用于其它种类气体在不同玻璃材料的渗透过程研究．

扩散张量成像是研究组织大脑微结构与白质纤维束分布的重要手段，然而受扩散加权信号衰减与长回波时间的影响，扩散张量图像存在严重的低信噪比问题．因此，有效的去噪技术在提高图像质量方面发挥着重要的作用．本文首先阐述了扩散张量成像的原理及噪声类型；其次论述了经典的扩散张量图像去噪算法，包括基于传统图像处理方法与基于深度学习方法，并着重探讨了扩散张量图像去噪的研究现状及不足；接着介绍了去噪评估标准及常用的公开数据集；然后讨论分析了文中提及的扩散张量图像去噪方法；最后总结并对该领域未来的研究方向进行了展望．