磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)的物理基础为核磁共振现象，是一种断层成像技术，随着磁共振技术的日渐成熟，它在医疗诊断和功能成像等各项科学研究工作中的地位也日渐重要。磁共振成像的原理是生物体内的质子在主磁场中被磁化，然后施加与主磁场垂直的射频脉冲对质子进行激励，同时利用梯度磁场对成像区域进行空间定位，接收线圈检测质子在弛豫过程中释放的磁共振信号，经过数据处理后采用图像重建技术对生物体内的组织结构或功能进行成像，进而获得生物体的物理或化学特性信息。磁共振成像具有图像分辨率高、图像信噪比高、可对任意断层进行成像，对人体无电离辐射等优点。医学上，磁共振成像是一种非常重要的医学影像诊断技术，能够无创地为临床诊断提供多方面的有价值信息。磁共振成像技术具有良好的软组织分辨力和对比度，在脑部、肌肉组织成像方面比X-ray、CT(Computed Tomography)等其它医学影像技术更具有优势，已经成为医学临床诊断和研究的重要工具之一。磁共振成像系统主要由主磁体、梯度系统、射频系统、计算机系统和辅助设备等组成。主磁体是磁共振成像系统的重要构成部分，是产生主磁场B0的装置，主磁体的性能将直接影响着磁共振成像系统的成像质量和工作效率，主磁体是磁共振成像系统构成中成本最大，维护费用最高的部分。梯度系统是磁共振系统最重要的硬件之一，由梯度线圈、梯度放大器、数模转换器、梯度波形发生器和其它部件等组成，梯度线圈安装于主磁体内。梯度系统的主要作用是产生三个相互正交的、线性变化的、可快速开关的梯度磁场，以便动态地、依次递增地修改主磁场B0的磁场强度分布，实现成像体素的空间定位和层面选择。　　 磁共振射频系统包括射频脉冲发射系统和射频信号接收系统两个部分。其中射频发射系统的主要功能是辐射一定频率和功率的射频场，使被主磁场磁化的质子吸收能量产生共振。当射频场结束后，质子在弛豫的过程中以波形式释放能量，也就是所谓的磁共振信号，射频接收系统的主要功能是检测被激励质子的进动行为，以获取磁共振信号。因此射频场是磁共振成像系统产生共振信号的关键所在，射频场的优劣将决定磁共振成像系统的成像质量，所以射频场的设计计算一直是磁共振成像领域研究的重点。在临床应用中，磁共振图像的分辨率、均匀性和信噪比是衡量射频场优劣的重要指标，而射频场的强度和均匀性直接影响着图像的分辨率和均匀性，因此在射频场的设计计算过程中需要对射频场的强度和均匀性进行分析比较，以获得满足要求的射频场。磁共振成像系统的射频脉冲激发、信号采集、数据运算、图像重建、图像分析和显像等功能都由计算系统控制，计算机系统有操作控制器和图像处理器构成，被称为磁共振成像系统的大脑。计算机硬件处理速度的提高，特别是并行总线和并行CPU处理技术的发展和进步，有力地推动了磁共振成像技术的发展，使实时高分辨快速成像技术的临床应用成为可能，增加了磁共振的稳定性，实现了更复杂的图像显示、三维重建功能，同时还可以存储、传输更大容量的数据。除了前面介绍的四大系统外，磁共振成像系统还需要一些辅助设备才能构成一个完整系统。磁共振成像系统的辅助设备主要包括:检查床及定位系统，液氦及水冷却系统，空调，图像传输、存储及胶片处理系统和生理监控仪器等设施。射频场作为磁共振成像系统产生共振信号的关键因素，射频场的优劣将决定磁共振的成像质量，因此射频场的设计计算自然成为磁共振系统的重点研究内容之一。高场磁共振成像系统的射频场分布的设计计算方法很多。整体上可以分为两种:全波电磁场分析法和逆方法。全波电磁场分析法设计计算磁共振成像系统的射频场分布，首先要根据以往经验给定电流密度分布的初始轮廓，然后进行计算，并根据计算结果不断地优化改进电流密度分布轮廓，直至获得满足目标磁场要求的射频场分布，该方法设计计算射频场分布，可以直接获得产生目标磁场的电流密度分布轮廓，缺点是需要根据经验首先设定电流密度分布的轮廓，然后根据计算结果不断地优化改进电流密度分布轮廓，计算量较大，设计周期较长。各种电磁数值分析方法如时域有限差分法、矩量法、有限元法等都属于全波电磁场分析法设计计算射频场分布。时域有限差分法适合计算具有不均电磁介质的电磁场，但是计算量比较大;矩量法适合计算形状复杂的射频电流密度分布，但是不适合设计计算包含有不均匀介质的电磁场分布;有限元法常用于频域求解电磁场问题，其网格划分的方法对电磁场的计算精度影响较大。满足临床需求是磁共振技术发展的永恒主题，近年来，随着术中磁共振的发展，面向目标设计射频场分布成为新的发展方向，面向目标设计射频场分布主要采用逆方法进行设计。逆方法设计计算射频场分布，首先给定的目标磁场，利用磁场和电流密度之间的关系，通过求解逆问题，得到能够产生目标磁场的电流密度分布，利用流函数技术再推导出电流密度的分布轮廓，检验电流密度分布在感兴趣区域内产生的磁场分布是否满足目标磁场的要求，最终完成射频场分布的设计计算。然而该方法有一定的局限性，求解的过程中会出现积分函数高病态问题，为了减少积分函数高病态引起的误差，需要用正则化技术进行优化，才能获得满足理论要求的射频电流密度分布。　　 本研究主要内容是高场磁共振射频场电磁逆问题的理论研究。首先根据人体生理特性设定电流密度分布的圆柱模型，针对不同的临床需求，设定不同位置的感兴趣区域和目标磁场分布，根据电磁场关系构建方程组，利用Matlab仿真软件求解计算能够产生目标磁场的电流密度分布，针对求解过程中出现的积分函数高病态问题，采用最小功率正则化技术进行优化，在引入正则化函数过程中需要通过反复迭代计算，以确保设计计算的射频场分布满足目标磁场要求，同时积分函数高病态问题也要得到很好的优化。最后利用得到的射频场分布与目标磁场比较，分析逆方法在设计计算磁共振成像系统射频场中的适用性和灵活性。主要内容包括：第一:本章内容主要包括课题的研究背景、研究现状和本文的结构。课题研究背景主要介绍了磁共振成像系统的发展历程，性能优点以其在临床中的应用，研究现状概括阐述了磁共振射频场的作用以及常用的分析设计方法。第二:本章首先介绍了磁共振成像系统的基本结构，其次介绍了磁共振成像原理，最后介绍了磁共振成像系统的质量参数和常用的成像序列。磁共振成像系统的基本结构主要介绍了包括主磁体，梯度系统，射频系统和计算机及辅助设备;磁共振成像原理部分介绍了磁共振基本原理和成像原理;最后简单的介绍了磁共振成像系统的质量参数以及其评价标准，磁共振成像系统常用的成像序列部分主要介绍了自旋回波序列和梯度回波序列。第三:电磁场中的电场，磁场等都是矢量，它们的运算符合矢量运算规则，因此针对射频场设计计算过程中常用到的电磁计算方法，本节着重介绍了电磁分析的数学基础。首先对并式及其代数运算作了较为细致的介绍，在此基础上介绍了并矢的微积分运算，其次分别讨论了静磁场和时变电磁场的基本特性及边界条件。第四:介绍了射频场设计计算中常用的几种方法以及各自的优势和局限性。详细介绍了时域有限差分法、矩量法在电磁场分析计算中的应用，并对它们的求解过程进行推导，对比分析它们在射频场设计计算中的优势与局限性。本章最后简单的阐述了逆方法在射频场设计计算的应用。第五:本章主要介绍了本人研究生期间的课题进展情况。较为详细地阐述了采用逆方法设计计算不同感兴趣区域位置的射频场分布。主要内容包括首先根据不同的临床应用设定感兴趣区域和目标磁场分布，然后根据电磁之间的关系，利用逆方法求解得到满足目标磁场要求的电流密度分布。为了更好的分析比较逆方法在射频场设计计算中的应用，针对同一感兴趣区域设计计算了两种阵列的电流密度分布，通过与目标磁场相比较，验证逆方法设计计算的射频场是否满足目标射频场的要求。第六:本章主要是对硕士期间的研究课题进展情况进行总结，同时对下一步的工作进行展望。