一种基于磁纳米粒子一次谐波幅值的成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于纳米测试技术领域，更具体地，涉及一种基于磁纳米粒子一次谐波幅 值的成像方法。
【背景技术】
[0002] 纳米磁性材料是20世纪80年代出现的一种新型磁性材料。它由于特殊的尺寸会 呈现出特别的物理特征，正是因为这些特征，磁性纳米粒子被广泛应用于生物医学成像。
[0003] 2005年，Philips公司的两位科学家发现了一种新的成像方法，即磁性纳米粒子 成像（MagneticParticleImaging，MPI)，该方法主要利用超顺磁性氧化物的非线性磁化 特征来进行成像。初步试验结果显示，MPI的空间分辨率已能达到1毫米的水平。2008 年，Gleich与Weizenecker等首次实现三维实时活体内成像。这一实验的成功，为诊断学 中快速动态信息的获取提供了一种新的途径，而且缩短了成像的时间。2009年，Rahmer、 Weizenecker和Gleich等人提出了采用基于模型的系统函数代替基于测量的系统函数，主 要目的是减少成像所需的时间及存储空间。
[0004] 从国内外研究现状来看，MPI在设备和成像算法上仍存在很多让人思考的问题，其 中，如何进一步提高空间分辨率并快速实时地进行成像，提取更多的谐波信息用于计算至 关重要，亟待解决。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于磁纳米粒子一次谐 波幅值的成像方法，旨在提高磁纳米粒子成像的空间分辨率和实时观察性。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了 一种基于磁纳米粒子一次谐波幅值的成像方法， 其特征在于，包括如下步骤：
[0007](1)对成像空间区域施加磁场H(X，t) =Ha(：cos(2Jr以)+HTRI (f2，t)，其中， HacC〇s(2Jrf\t)为高频正弦波激励磁场，Ha。和fi分别为高频正弦波激励磁场的幅值和频 率，HTRI (f2,t)为低频扫描磁场，f2为低频扫描磁场的频率，X为成像空间区域的空间位置坐 标，t为时间，f2=f，，N为正整数；
[0008] (2)将磁纳米粒子样品放入成像空间区域，采集磁纳米粒子样品的交流磁化强度 M(t)，根据M(t)计算得到磁纳米粒子样品的一次谐波幅值Amp(X)，进而得到点扩散函数 PSF(X)，其中，PSF(X)对应着不同直流磁场幅值下磁纳米粒子样品的一次谐波幅值；
[0009] (3)对成像空间区域施加磁场屮（X，t) =Haccos(2 31 t)+G*X，使成 像空间区域的零磁场点BCF/P⑴…能随着低频扫描磁场的变化扫描整个成 像空间区域，其中，G为直流梯度磁场的梯度；
[0010] (4)将待成像对象放入成像空间区域，采集待成像对象的交流磁化强度M' (t)， 根据M' (t)计算得到待成像对象的一次谐波幅值Amp' (X);
[0011](5)根据待成像对象的一次谐波幅值Amp' (X)和点扩散函数PSF(X)，计算得到待 成像对象的浓度分布P(X)，实现磁纳米浓度成像。
[0012] 优选地，所述低频扫描磁场为低频三角波扫描磁场或低频正弦波扫描磁场。
[0013] 优选地，所述步骤（2)中，根据M(t)计算得到磁纳米粒子样品的一次谐波幅值 Amp⑴的方法具体为：以低频扫描磁场的周期为单位，对M(t)进行平均处理，得到数据 长度为一个低频扫描磁场周期的平均交流磁化强度将&在每个高频正弦波激 励磁场的周期内的数据段表示为= tJPt1+1分别为一个高频正弦 波激励磁场的周期的起始时间，根据:rm)计算得到磁纳米粒子样品的一次谐波幅值Amp(X)〇
[0014] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效 果：采用交流磁化强度一次谐波幅值实现磁纳米浓度成像，只需在一个方向施加高频正弦 磁场并在不同方向提供扫描磁场便可实现一维、二维以及三维空间的扫描；用低频三角波 扫描磁场或低频正弦波扫描磁场控制空间区域零磁场点的位置，求解出不同空间位置的磁 纳米粒子的一次谐波幅值，最终实现磁纳米浓度成像，从而避免了通过改变直流电源的大 小来移动零磁场点扫描空间，有效提高了磁纳米粒子成像的空间分辨率和实时观察性。
【附图说明】
[0015] 图1是本发明实施例的基于磁纳米粒子一次谐波幅值的成像方法流程图；
[0016] 图2是高频正弦波激励磁场和低频三角波扫描磁场叠加后的磁场分布图；
[0017] 图3是点扩散函数PSF的归一化曲线示意图；
[0018] 图4(a)是二维磁纳米粒子分布图；(b)是二维点扩散函数图形；(c)是待成像对 象的交流磁化强度分布图；（d)是待成像对象的浓度分布图；
[0019] 图5是本发明的基于磁纳米粒子一次谐波幅值的成像方法的实现场景示意图；
[0020] 图6(a)是采用本发明的方法得到的待成像对象的理想浓度分布图；(b)是对应的 归一化浓度分布图。
[0021 ] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-直流电源， 2-亥姆霍兹线圈，3-通电螺线管，4-测量线圈。
【具体实施方式】
[0022] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0023] 如图1所示，本发明实施例的基于磁纳米粒子一次谐波幅值的成像方法包括如下 步骤：
[0024] (1)对成像空间区域Q施加磁场H(X，t) =Ha(：cos(2Jrf^+Bn^ (f2,t)，其中， HacC〇S (2Jrf\t)为高频正弦波激励磁场，Ha。和fi分别为高频正弦波激励磁场的幅值和频率 (一般情况下，K100e)，HTRI (f2,t)为低频扫描磁场，f2为低频扫描磁场的频率，X为成 像空间区域Q的空间位置坐标，t为时间t&ifi/N，即高频正弦波激励磁场的频率是低频 扫描磁场频率的N倍，N为正整数。
[0025] 优选地，N多100，N越大，磁纳米粒子成像的空间分辨率越高，计算量越大，需要综 合考虑磁纳米粒子成像的空间大小、空间分辨率和计算量选取N的值。
[0026] 具体地，低频扫描磁场为低频三角波扫描磁场或低频正弦波扫描磁场。
[0027] 例如，同时施加高频正弦波激励磁场和低频三角波扫描磁场时，低频三角波扫 描磁场
H&;为低频三角波扫描磁场的幅值， n彡0且n为整数。
[0028] 高频正弦波激励磁场和低频三角波扫描磁场叠加后的磁场分布如图2所示，其 中，高频正弦波信号用于在成像空间区域内产生幅值恒定的交流磁场，低频三角波信号用 于产生空间扫描磁场。
[0029](2)将磁纳米粒子样品放入成像空间区域Q，采集磁纳米粒子样品的交流磁化强 度M(t)，根据M(t)计算得到磁纳米粒子样品的一次谐波幅值Amp(X)，进而得到点扩散函数 PSF(X)，PSF(X)对应着不同直流磁场下磁纳米粒子样品的一次谐波幅值，其仿真结果如图 3所示。
[0030] 具体地，交流磁化强度M(t)的数据长度是低频扫描磁场的周期的整数倍，以低频 扫描磁场的周期为单位，对M(t)进行平均处理，得到数据长度为一个低频扫描磁场周期 的平均交流磁化强度由于f2=f/N，包含N个高频正弦波激励磁场的周期， 在每个高频正弦波激励磁场的周期内的数据段表示为:d/=.1,心和 t1+1分别为一个高频正弦波激励磁场的周期的起始时间，根据&(/,_ 计算得到磁纳米粒 子样品的一次谐波幅值Amp