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磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)是一种无电离辐射、无放射性的影像学方法,具有软组织对比度高、多参数成像等特点,因此在临床上应用广泛。传统的MRI对水或脂质中的质子进行成像,而肺部为空腔结构,质子密度低,因此肺部空腔在传统MRI中存在盲区。通过自旋交换光泵技术能够将129Xe原子核自旋极化度比热平衡条件下提高4-5个量级,获得超极化129Xe气体,从而实现人体肺部结构和功能的磁共振探测。据统计,中国有9990万慢性阻塞性肺疾病(Chronic Obstructive Pulmonary Disease,COPD)患者,我国的烟民占全球1/3左右。肺部疾病已成为严重的社会卫生问题,但临床常用的肺部影像诊断方法都不能无电离辐射性地获得肺部结构和气血交换功能信息。本学位论文选用基于自旋交换光泵技术制备的超极化129Xe气体对人体肺部结构和功能进行磁共振(Magnetic Resonance,MR)定量研究,研究工作涉及:人体肺部通气功能成像实现、人体肺部气血交换功能的MR探测方法、吸烟引起人体肺损伤的超极化129Xe MR研究、人体肺部气血交换功能的MRI可视化方法、人体肺部气道微结构模型及测量方法等五个方面,具体内容如下:第一,实现了人体肺部通气功能的超极化129Xe MRI,并建立其规范化流程。设计并完成用于人体肺部超极化129Xe MRI的呼吸装置,开发波谱处理和参考电压校正方法及软件;设计和编写用于1.5 T人体MRI仪的脉冲序列;测量了1.5 T下超极化129Xe在人体肺部的MR参数,如T1 T2、T2*等,为人体肺部超极化129Xe MRI研究提供了基础;对COPD等疾病引起的肺部结构和功能改变进行初步研究。第二,发展了基于超极化129Xe MR评估人体肺部生理功能的方法,并提出了表征肺部生理功能的新参数——灌注系数SVRd/g。编写了用于人体肺部结构和功能探测的化学位移饱和恢复(Chemical Shift Saturation Recovery,CSSR)和扩散加权磁共振成像(Diffusion-weighted MRI,DWI)脉冲序列,研究了年龄及COPD对人体肺部结构和功能的影响。结果发现SVRd/g对年龄和疾病引起的呼吸膜改变敏感,并且与肺功能测试和CT结果显著相关,这在肺部疾病早期探测中具有重要意义。第三,利用超极化129Xe CSSR和DWI方法,研究了长期吸烟引起的人体肺部结构和功能改变。理论上分析了不同生理参数对溶解态129Xe信号建立曲线的影响,为疾病引起肺损伤的研究提供了理论基础。人体肺部超极化129Xe MR研究结果发现,长期吸烟不仅引起肺部气道气流受限,也导致肺组织受损和呼吸膜增厚,这为吸烟引起肺损伤的临床检测提供了研究基础。第四,发展了人体肺部气血交换功能的可视化探测方法。发展了用于人体肺部溶解态129Xe MRI的两种方法:双向非对称回波法(bi-directional asymmetric echo,BASE)和双向非对称多回波的多点Dixon方法(bi-directional asymmetric multi-echo imaging,BAMI),设计并编写BASE和BAMI脉冲序列,并验证了BASE和BAMI在人体肺部溶解态129Xe MRI中的可行性,为肺部灌注信息的可视化探测提供了研究基础。第五,发展了一种人体肺部气道微结构的新模型——蜂巢模型(honeycomb model,HM)。理论上分析了成像参数对测量结果的影响,发现与圆柱模型相比,在临床条件下蜂巢模型的测量误差更低、空间利用率更高;发展了基于3D压缩感知(Compressed Sensing,CS)的DWI和平衡稳态自由进动(balanced-Steady State Free Precessing,bSSFP)成像方法,实验上利用该方法在人体肺部对蜂巢模型进行了验证。结果发现,与圆柱模型相比,蜂巢模型具有更高的肺泡表面积利用率,并且蜂巢模型所得的肺部形态学参数,肺泡表面积Sa,对疾病引起的人体肺部气道微结构改变更敏感。