磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)是一种断层成像技术,它通过MRI系统中的射频发射线圈产生的射频脉冲对置于静磁场中生物体内的氢质子进行激发,然后通过接收线圈探测生物体内具有空间编码信息的磁共振(magnetic resonance, MR)信号,这些信号通过谱仪和计算机系统处理可实现对体内组织器官的结构、生理与化学特征成像。MRI广泛应用于临床医学诊断和生命科学研究等领域中。相比其他的成像技术,MRI具有很多优势：第一,MRI具有良好的软组织分辨力；第二,MRI具有任意方向直接切层成像的能力,可对解剖结构或病变进行立体追踪；第三,MRI成像参数多,能够提供许多有价值的诊断信息,使MRI广泛应用于临床；第四,MRI图像不会出现气体及骨伪影；第五,MRI具有良好的空间分辨率和广阔成像视野等优势,用于胎儿成像能更清晰地显示胎儿结构,可以反映胎儿在子宫内代谢和发育信息,尤其在胎儿中枢神经系统异常的诊断中,能为临床医生提供更多有价值的诊断信息,是孕妇产前影像学检查的重要手段；最后,由于MRI激发氢质子成像使用的是射频电磁场,不存在电离辐射损伤,对人体相对更安全。近年来,高场和超高场MRI由于其高的空间和时间分辨率等突出优势而逐步广泛应用于临床,在神经、血管、骨关节等临床应用中显示出明显的诊断优势和应用价值,成为MRI系统发展的趋势。目前,临床上1.5T和3T MRI系统已经比较普遍,而7T MRI系统虽然还没有在临床普及,但是7T MRI是当前的研究热点,中国科学院生物物理所于2010年引进了我国首台7T MRI系统用于脑功能成像的科学研究。此外,胎儿MRI在胎儿中枢神经系统解剖结构及其异常诊断中具有明显的优势,在胎儿的呼吸、消化和泌尿系统均能为超声提供准确的补充信息,因而胎儿MRI是重要的胎儿影像学检查手段,具有重要的临床应用价值。然而,高场和超高场MRI也存在一些缺点,由于人体各组织器官具有各异的介电常数和电导率,MRI系统的射频线圈产生的使人体组织的氢质子发生MR现象的射频电磁场作用于人体时会产生由各组织器官介电性和电导性共同导致的复杂抗电效应,这种效应会导致人体不同部位的电磁波产生不同程度的衰减。此外,射频电磁场在人体内传播时,入射与反射电磁波叠加会产生驻波效应,合并上述的抗电效应,人体内的电磁波存在复杂的相长和相消干涉机制。因而,即使射频线圈在自由空间能产生均匀分布的射频B1场,加载人体后,B1场的分布会变得不均匀,这种不均匀性会降低图像的信噪比、对比度、均匀度和特定组织抑制效果,对图像质量产生一系列的影响,降低图像的诊断价值；其次,MRI射频系统使用的电磁波所属的波段决定了其不会引起电离辐射损伤,但是其与人体组织相互作用产生的抗电效应和驻波效应,会导致射频能量沉积,可引起局部或全身体温升高,带来非电离辐射热损伤。通常,国际上采用特定射频能量吸收率(specific absorption rate, SAR)来衡量人体对射频能量的吸收情况,并设定相应的阈值作为安全标准。因而,射频电磁场与人体组织的相互电磁作用会降低图像质量和可能带来安全问题,有必要结合临床应用需求加强相关的数值研究。结合MRI系统向高场和超高场的发展趋势以及胎儿MRI的重要临床应用价值,考虑到MRI系统中射频电磁场与人体之间复杂的相互电磁作用对图像质量和受检者安全的影响,而且B1场分布的均匀性和SAR相互联系且均与MRI系统的射频场与人体组织的相互作用直接关联,成像质量和保证受检者的安全对于MRI都很重要,因而加强高场和超高场MRI下人体组织内B1场分布的均匀性和SAR值随场强变化规律的研究以及对高场和超高场胎儿MRI可能存在的电磁问题进行分析和解决意义都很重大。MRI系统中B1场和SAR的研究涉及到工程实际电磁问题。这一问题往往很复杂,如边界的形状不规则、物质的结构复杂、材料的性能非线性等,求解这些问题需要采用一些电磁场数值计算方法,常用的数值方法主要有矩量法(method of moment, MOM)、有限元法(finite element method, FEM)和时域有限差分(finite difference time domain,FDTD)法。其中,MOM对电磁问题的求解主要是对存在电流分布的区域进行离散化,即用于线圈电流分布的计算,因而不能处理类似人体负载这样的复杂介质,而且求解代数方程组占用了MOM的主要计算时间,矩阵规模的大小直接影响到计算机占用内存的大小,在很大程度上关系到计算速度；FEM可分为前置处理、计算求解和后置处理三个阶段,其各个环节都可以实现标准化,获得通用的计算程序,但是FEM的计算程序复杂冗长,而且是区域性解法,分割的元素数和节点数较多,需要复杂繁多的初始数据,最终得到的方程组的元数也很大,这使得其需要占用较大的内存,数值计算时间也很长,其若应用于射频线圈与具有复杂解剖结构的人体构成的整体的电磁场进行计算势必会对计算机提出较高的要求并降低计算效率；FDTD法用有限差分式替代时域Maxwell旋度方程中的微分式,得到场分量的有限差分式。其具有容易对复杂媒质建模以及不受介质几何形状限制的优点,因而很适合用来对以具有复杂结构和形状的人体为负载的射频线圈所产生的电磁场进行实时计算,其次,其具有很好的宽频带响应优点,适合对瞬态响应进行分析,即其通过计算得到时域数据后,可借助傅里叶变换得到整个频带范围内的频率响应,因而其适用于在数值计算中对射频线圈进行实时调谐。因而,FDTD法提出后在电磁场工程仿真中得到广泛应用,本文也采用FDTD法对人体内射频B1场和SAR进行计算。采用FDTD电磁数值算法求解人体内B1场和SAR,还需要建立人体电磁模型以得到人体内的准确分布并对射频电磁场与人体组织间的复杂电磁作用进行准确分析,考虑到磁共振引导子宫肌瘤超声聚能热消融术的应用需求,以正常女性盆腔为例阐明了第一种三维人体电磁模型的建立方法,其以人体CT断层扫描图像为基础,首先通过精确的人工分割和体绘制的方式建立三维模型,然后对该三维模型进行有限元剖分和三角面片优化,最后通过赋予各组织相应的电磁属性建立三维人体电磁模型。考虑到胎儿MRI的临床应用价值,以孕妇盆腔为例阐明了第二种建模方法,其采用母体模型与胎儿模型相结合的方式重建孕妇盆腔模型,其中母体模型采用上述的女性盆腔模型,根据MRI协会下属的安全委员会关于允许孕后13周的胎儿行MRI检查的建议以及国际辐射防护委员会(International Commission on Radiological Protection, ICRP)提供的关于胎儿模型的参数建立了孕后13周的包含子宫在内的胎儿模型,其包含子宫、胎盘、羊水、胎儿身体和大脑,其中子宫呈梨形,由子宫体,子宫底和子宫颈组成,子宫体由截头圆锥体构成,子宫底和子宫颈分别由子宫体上下两端的半球组成,胎盘在子宫内的上方连接子宫内壁与胎儿,羊水介于子宫内壁与胎儿身体之间并包裹胎儿本文研究的目的在于结合MRI朝高场和超高场发展以及胎儿MRI成为继超声之后又一重要的胎儿成像手段的临床应用需求,在充分考虑射频电磁场与人体组织之间的复杂电磁相互作用的前提下,在数值层面准确分析高场和超高场MRI中B1场分布均匀性和SAR值随场强变化的规律,指出高场和超高场MRI临床应用中应注意的问题；分析常规MRI扫描条件应用于高场胎儿MRI成像时可能存在的问题,指导高场胎儿MRI的实际扫描；分析和解决超高场胎儿MRI存在的安全和图像质量问题。研究表明：随着主磁场强度增加,射频线圈与人体的相互电磁作用增强,人体内B1场的均匀性变差,影响MRI的成像质量,SAR也急剧增加,而且人体对射频能量的吸收向体内组织集中,高场和超高场下各组织的SAR均有可能超出安全阈值并且局部最大值先于平均值超出限制值,危及患者的安全；相同的射频条件下孕妇盆腔内B1场的均匀性比未怀孕女性盆腔内差,孕妇盆腔内各组织的SAR值高于未怀孕盆腔相应组织的SAR值,而且胎儿各组织均具有较高的SAR值,考虑到胎儿组织对射频能量的耐受性比成年人低,因而对MRI系统下孕妇盆腔各组织的SAR值进行数值分析时需要着重考虑胎儿组织,在对孕妇做MRI检查的临床操作中,需要采取缩短检查时间等措施以充分保护胎儿；超高场胎儿MRI下采用合适的B1场匀场技术可有效解决其固有的抗电和驻波效应引起的B1场分布不均匀和SAR值过高的问题,在确保SAR值符合安全标准的前提下提高B1场分布的均匀性,得到适用于临床检查的最佳优化条件。