人口健康直接影响到一个国家的经济发展和社会进步。近年来,慢性阻塞性肺疾病、哮喘、尘肺等肺部疾病的发病率逐年上升,肺部重大疾病形势格外严重。下呼吸道感染、慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary diseases, COPD)以及肺癌均已排在我国人群死因的前十位。临床上常用于肺部疾病检测的影像学技术有胸透、计算机断层扫描(CT)和正电子发射计算机断层扫描口ET)等。但是这些方法都具有放射性,会对受试者造成一定的放射性损伤,另一方面,这些成像技术都不能全面提供衡量肺部交换功能的指标——肺部气-气交换和气-血交换功能。传统磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)是基于人体中水质子(1H)的信号,而肺部是空腔结构,其水质子浓度比正常组织低约1000倍。因此,肺部是传统磁共振成像中的唯一“盲区”。目前还没有一种能够无侵入、无放射性地对肺部气体交换功能进行可视化的成像方法,亟需一种能在肺部疾病早期阶段,即气血交换功能改变阶段,对肺部进行早期诊断。利用超极化的方法,可以把核自旋极化度提高4到5个量级,极化度的提高可以直接增强MRI的信号强度,从而提高磁共振成像的灵敏度。超极化的新技术在MRI中的应用为增强肺部成像的灵敏度和对比度提供了巨大的潜力。超极化(3He,13C,83Kr和129Xe) MRI可以对肺部的结构、功能和代谢的改变进行评价。本论文的主要研究内容是超极化气体肺部气血交换功能研究以及脑部功能研究。首先介绍了我国肺部疾病的发病情况及肺部疾病的检测和评价方法,指出了超极化129Xe肺部磁共振成像研究的重要性与必要性,介绍了超极化129Xe肺部磁共振研究的原理与相关应用。随后,使用一系列自主研发的装置,在大鼠身上实现了超极化129Xe肺部磁共振研究,实现了超极化129Xe肺部气血交换动力学的直接检测,通过对单次屏气呼吸采样法与多次屏气呼吸采样法所得到的气血交换动力学参数的对比,发现两种呼吸模式下得到的肺部气血交换功能参数存在可替代性,同时也证实了由于心脏搏动所造成的超极化129Xe信号的波动,并不会影响肺部气血交换功能的研究。使用多次屏气呼吸采样法实现了对放射性肺损伤大鼠的检测,成功区分了健康与疾病模型。为了在较低信号强度的情况下实现肺部气血交换动力学的检测,探索肺部的气血交换功能,建立了COPD模型大鼠。使用间接检测的方法,对健康及模型大鼠进行了有效区分。为了比较直接检测的方法与间接检测的方法所测得的超极化129Xe交换动力学是否有一致性,我们建立了吸烟模型大鼠,通过对不同方法所得到的肺部气血交换功能进行比较,结果表明,两种方法都能够很好地区分健康与疾病模型。超极化129Xe也能够用于脑部磁共振的研究,但是,较低的信号强度导致其发展很慢。通过对超极化129Xe到达大鼠脑部过程的研究,提出了表观弛豫时间常数TO-C,用于评价吸入不同浓度的氧气对大鼠脑部信号的影响。通过理论计算和实验验证,得到了最优的肺内氧气浓度,最终实现了超极化129Xe脑部磁共振成像。