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肺部疾病是目前全球性的医疗问题,据世界卫生组织统计(2010年),中国每年因肺癌和肺部疾病死亡的人数占总死亡人数的20%。临床常用的肺部疾病诊断方法,如肺功能测试和CT等,不能无电离辐射地、无损伤地获得定量的肺部结构和气血交换功能等肺部生理学参数。近些年出现的自旋交换光泵技术可以将惰性气体129Xe的核自旋极化度比热平衡状态下提高4到5个量级,得到超极化的129Xe气体。超极化129Xe气体用作肺部磁共振成像的气体造影剂,可以克服肺部空腔结构导致的质子密度低的特点,实现肺部气体磁共振成像,进而实现肺部的结构和功能探测。因此,本学位论文选用基于自旋交换光泵技术产生的超极化129Xe气体对肺部结构和功能进行定量地研究,主要研究工作涉及：超极化129Xe动物肺部磁共振成像的硬件设计和实现；超极化129Xe肺部通气成像的实现；超极化129Xe肺部结构和功能探测以及脑部超极化129Xe磁共振成像等四个方面,具体内容如下：第一,设计和实现了超极化129Xe动物肺部磁共振成像实验所需的硬件装置,其中包括：设计、搭建了基于自旋交换光泵原理产生超极化129Xe气体的超极化装置,最终在实验中得到比热平衡状态下核自旋极化度增强50000倍的超极化129Xe气体；自行设计完成了基于LabVIEW程序控制的超极化气体传输系统,在实验中实现将超极化129Xe气体定量、精确并且几乎无极化度损失地输送到动物肺部；设计制作了用于动物肺部超极化129Xe气体磁共振实验的双通道鸟笼线圈,在实验中实现通过质子通道对动物在磁场中的定位和129Xe通道对肺部超极化129Xe气体的射频均匀激发和磁共振信号采集。第二,在实验中实现超极化129Xe动物活体肺部磁共振通气成像,并且评估了由放疗引起的放射性肺损伤对肺通气功能的影响。通过活体实验的方法研究了定角和变角激发对肺部超极化129Xe肺部影像质量的影响,并采用变角激发采样结合径向编码的方式在动物活体肺部实现了超短TE磁共振成像。最后,用超极化129Xe肺部磁共振成像评估了由放疗引起的放射性肺损伤大鼠肺部的通气功能,结果发现大鼠肺部在X射线照射部位出现通气缺陷。第三,在实验中利用超极化129Xe动力学谱的方法结合气血交换模型(MOXE)定量测量了肺部结构和功能等生理学参数,并且全面、定量地评估了放射性肺损伤引起的肺部结构和功能的变化,结果表明,超极化129Xe磁共振可以对放射性肺损伤引起的肺部结构和功能变化进行定量全面地评估；设计了用于测量肺部气体消耗时间常数的脉冲序列和成像序列,在实验中定量地测量了健康大鼠和烟熏模型大鼠的气体消耗时间常数,结果表明利用超极化129Xe磁共振在烟熏COPD大鼠中测得的肺泡气体消耗时间常数比健康对照组显著增大。第四,通过数值模拟和活体实验的方法研究了氧气依赖的超极化129Xe脑部磁共振成像,提出用表观弛豫时间(TO-C)的方法表征肺部氧气浓度对脑部超极化129Xe磁共振信号的影响。结果表明活体实验中得到的肺部氧气浓度对脑部超极化129Xe信号的影响和数值模拟的结果一致,并且在实验中得到了对于脑部超极化129Xe磁共振成像最优的肺部氧气浓度,最终得到了大鼠活体脑部超极化129Xe磁共振成像。