磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)技术是临床应用中不可替代的影像学工具,用于产生MR图像的信号主要来自于氢质子。在生物组织内,水分子是重要的富含氢质子的成像物质。大量水分子在组织微结构中扩散运动,即在细胞内或者细胞外微环境中扩散,也在细胞内外之间进行扩散,后者表现为跨细胞膜水交换。因此,基于水扩散和跨膜水交换的MRI方法将能提供关于活体状态下的组织微结构的重要功能信息。扩散加权成像(diffusion weighted imaging,DWI)技术对水扩散敏感,DWI技术的一个关键特征是通过表观扩散系数(apparent diffusion coefficient,ADC)量化水分子的可移动性。使用DWI技术进行临床疾病诊断时,病变过程通常伴随着ADC参数的变化。科学家们已经提出一些假设解释ADC参数的改变,这些假设包括细胞膜渗透性、细胞内空间的体积分数、细胞外空间的弯曲度以及细胞内空间。然而,尚缺乏实测实验研究定量地评估上述不同的组织微结构特性对ADC测量的影响。针对这一现状,本课题设计了一系列具有可调参数的物理体模执行实验评估。纤维渗透性、纤维内空间的体积分数和聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone,PVP)浓度分别描述细胞膜渗透性、细胞内空间的体积分数和扩散系数。在实验设定的体模参数下,ADC数值范围在0.986μm~2/ms到2.097μm~2/ms之间。实验中观察到ADC数值随着纤维渗透性的降低(平均孔径从5nm降低到3 nm)、纤维内空间体积分数的增加(从0.297到0.356)以及纤维内空间PVP浓度的增加(从0%到40%w/w)而降低,最高百分比降低分别为5.1%、11.3%和30.0%。结果表明了纤维内体积分数和PVP浓度对ADC作用的相互依赖。这些结果可能预示着细胞内体积分数和细胞内扩散系数对ADC测量的组合效应不可被忽视。在传统DWI序列的基础上,本课题开发并实现了用于对跨膜水交换进行成像的过滤交换成像(filter exchange imaging,FEXI)方法,该方法通过表观交换速率(apparent exchange rate,AXR)量化水交换效应。此外,我们提出将双重聚自旋回波(twice-refocused spin echo,TRSE)梯度设计方案加入FEXI序列,用于补偿涡流效应。本课题开发的FEXI方法实现了对水交换速率的准确测量,加入涡流补偿方案后,测量精确性进一步提高。