一种超顺磁性四氧化三铁纳米微粒成像系统及成像方法
【专利摘要】一种超顺磁性四氧化三铁纳米微粒成像系统，包括：信号源单元，所述信号源单元提供电流信号和电压信号；扫描单元，所述扫描单元与所述信号源单元相连,且所述扫描单元通过振荡的磁场来扫描目标物体内的超顺磁性四氧化三铁纳米微粒，从而将振荡的电流信号转变成非线性响应信号；处理单元，所述处理单元与所述扫描单元相连,且所述处理单元接收所述扫描单元的非线性响应信号,且所述处理单元对收到的非线性响应信号进行滤波和放大处理，并对模拟信号进行数字信号采集；计算单元，其与所述处理单元相连,用以对所述数字信号进行后续处理，得到超顺磁性四氧化三铁纳米微粒在目标物体体内的分布图。
【专利说明】一种超顺磁性四氧化三铁纳米微粒成像系统及成像方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种超顺磁性四氧化三铁纳米微粒成像系统及成像方法。
【背景技术】
[0002]在过去的几十年中，层析成像对医学诊断产生了革命性的影响，并且已经衍变成诊断某些疾病的不可或缺的工具。在过去的一个世纪中，人们提出了各种各样的方法。最重要的有计算机断层扫描(computed tomography (CT)),磁共振成像(magnetic resonanceimaging (MRI)),正电子成像术(positron emission tomography (PET))以及单光子发射计算体层摄影(single photon emission computed tomography (SPECT))。这几种方法都直接或间接地应用了不同的物理效应。总的来说，这些方法可以分为两大类。第一类是测量某种参数，而这个参数是直接和所要成像部分的身体组织相关联的，我们可以称之为自然成像，例如CT和MRI，CT测量的是X光的衰减，而MRI测量的是质子的密度。第二类在体内应用示踪剂，然后对体内示踪剂汇集的空间分布进行成像，例如PET和SPECT，它们对放射性示踪剂的分布进行成像。值得注意的是，CT和MRI中也用到示踪材料，但主要是为了提高对比度，而不是直接对示踪材料进行成像。
[0003]但是传统的成像方式都有它们的弊端，成像速度慢，无法完成实时成像是大部分成像系统的缺点。由此提出了一种基于不同物理效应而产生的新的成像方式，磁纳米微粒成像技术。
[0004]磁纳米微粒成像(MPI)技术是一种新的医学成像方式，它通过检测超小顺磁四氧化三铁(USPIO)纳米微粒进行成像，旨在实现高分辨率和高灵敏度的优质成像方式。磁纳米微粒成像技术充分利用了超顺磁性纳米微粒在振荡磁场中的非线性响应，将磁性纳米微粒置于强静态磁场梯度环境中，通过交变电流产生振荡磁场，使磁纳米微粒产生非线性响应，通过计算分析，从而生成超顺磁纳米微粒分布图，实现成像。
[0005]磁纳米微粒成像(MPI)是由设在汉堡的飞利浦研究院在2001年首先提出，研究员Bernhard Gleich将这个想法以专利的形式发表，参见Gleich, B.:Verfahren zurErmittlung der r" aumlichen Verteilung magnetischer Partikel.German PatentN0.DE-10151778-A1, 2001。接着于 2005 年，Bernhard Gleich 和飞利浦研究院同事 JurgenWeizenecker发明了首个磁纳米微粒成像(MPI)的静态图像扫描,实现了二维成像,参见GIeich, B., ffeizenecker, J.: “Tomographic imaging using the nonlinear response ofmagnetic particles”.Nature435 (7046), 1214 - 1217(2005)。然而该系统采用的是机械扫描方式，其扫描速度太慢，只能获得静态图像，远远达不到实时成像，并且其采用了线圈产生选择场，大大增加了系统的散热量，使得系统的工作时间大大减少。该发明采用了电子扫描的方式，使得扫描速度大大增加，并采用了钕铁硼强磁铁(NdFeB)来产生选择场，从而降低了系统的散热量，增加了系统的工作时间。
【发明内容】
[0006]本发明的主要目的在于设计一种超顺磁性四氧化三铁纳米微粒成像系统，包括:
[0007]信号源单元，所述信号源单元提供电流信号和电压信号；
[0008]扫描单元，所述扫描单元与所述信号源单元相连，且所述扫描单元通过振荡的磁场来扫描目标物体内的超顺磁性四氧化三铁纳米微粒，从而将振荡的电流信号转变成非线性响应信号；
[0009]处理单元，所述处理单元与所述扫描单元相连，且所述处理单元接收所述扫描单元的非线性响应信号，且所述处理单元对收到的非线性响应信号进行滤波和放大处理，并对模拟信号进行数字信号采集；
[0010]计算单元，其与所述处理单元相连，用以对所述数字信号进行后续处理，得到超顺磁性四氧化三铁纳米微粒在目标物体体内的分布图。
[0011]在上述技术方案的基础上，所述扫描单元包括激励线圈，超顺磁性四氧化三铁纳米微粒，至少两钕铁硼强磁铁，接收线圈，所述接收线圈套设于所述激励线圈内，所述超顺磁性四氧化三铁纳米微粒位于所述接收线圈内，且所述两钕铁硼强磁铁位于所述激励线圈的两端。
[0012]在上述技术方案的基础上，所述钕铁硼强磁铁产生饱和选择场，所述饱和选择场强度范围为>5mT，梯度为2.0T/m?6.0T/m，激励场强度为>20mT。
[0013]在上述技术方案的基础上，所述饱和选择场中间区域形成无磁场点。
[0014]在上述技术方案的基础上，所述处理单元包括带阻滤波器，功率放大器，高通滤波器和数模转换器。
[0015]在上述技术方案的基础上，所述计算单元为单片机和计算机。
[0016]本发明还提供一种使用超顺磁性四氧化三铁纳米微粒成像系统的成像方法，包括以下步骤:
[0017]SI两钕铁硼强磁铁产生饱和选择场；
[0018]S2信号源单元向激励线圈内通入交变电流，使激励线圈产生振荡磁场；
[0019]S3将超顺磁性四氧化三铁纳米微粒置于饱和选择场范围内，超顺磁性四氧化三铁纳米微粒在无磁场点经过时产生非线性响应信号；
[0020]S4接收线圈接收到上述非线性响应信号，并将其传输给处理单元；
[0021]S5处理单元经过对非线性信号的滤波和放大之后，将信号传输给计算单元；
[0022]S6计算单元通过计算分析，获取超顺磁性四氧化三铁纳米微粒在目标区域内的浓度分布图。
[0023]相对于现有技术，本发明具有如下优点:
[0024]( I)具有较高的空间分辨率和时间分辨率。不同于其他成像的间接成像方式(如核磁共振成像，通过使用弛豫时间来测量磁场进而侦测磁微粒的存在)，超顺磁性四氧化三铁纳米微粒成像系统是对超顺磁性四氧化三铁纳米微粒的铁磁特性进行直接成像，因此成像速度和分辨率要高。这个特点对医学上的实时成像是极其重要的。
[0025](2)成像方式灵活。超顺磁性四氧化三铁纳米微粒成像系统可以通过合适地选择采集参数来调整成像的质量。例如可以通过降低时间分辨率来改善灵敏度。
[0026](3)无背景噪声。由于人体无磁性，不会对振荡的磁场作出非线性响应，因此不会对示踪剂超顺磁性四氧化三铁纳米微粒的非线性响应产生干扰，也就无背景噪声的产生，能有效提闻/[目噪比。
[0027](4)可操作性强。操作简单、灵活、方便。该系统体积较小，在诊断时，操作者以及其他工作人员，都能在显示器的帮助下进行操作，使各方面的操作者都能配合默契且安全。因而操作起来灵活、方便，易于掌握。
[0028](5)安全性高。由于该成像系统采用的是各种静态和振荡磁场来进行测量，所以它完全没有电离辐射，同时由于该系统使用的示踪剂(超顺磁性四氧化三铁纳米微粒)对人体不会产生任何危害，因此其安全性要高于其它成像方式。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是本发明实施例提供的超顺磁性四氧化三铁纳米微粒成像系
[0030]统的组成框架示意图；
[0031]图2是本发明实施例提供的超顺磁性四氧化三铁纳米微粒成像系
[0032]统中的扫描单元结构原理示意图；
[0033]图3是本发明实施例提供的超顺磁性四氧化三铁纳米微粒成像系统成像方法的流程图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。
[0035]请参考图1与图2，图1所示为本发明实施例提供的超顺磁性四氧化三铁纳米微粒成像系统的组成框架示意图。包括信号源单元1、扫描单元2、处理单元3、计算单元4。信号源单元I为扫描单元2提 供电流及电压信号源，再由扫描单元2将其转换成非线性信号，所述非线性信号经处理单元3的滤波和放大处理后，由计算单元4进行后续的图像重建与显不O
[0036]扫描单元2与所述信号源单元I相连，且扫描单元2通过振荡的磁场来扫描目标物体内的超顺磁性四氧化三铁纳米粒子与2b，从而将振荡的电流信号转变成非线性响应信号;
[0037]处理单元3与所述扫描单元2相连，处理单元3接收扫描单元2的非线性响应信号，且处理单元3对收到的非线性响应信号进行滤波和放大处理，并对模拟信号进行数字信号采集；
[0038]计算单元4，其与所述处理单元3相连，用以对所述数字信号进行后续处理，得到超顺磁性四氧化三铁纳米微粒在目标物体体内的分布图。
[0039]图2所示为本发明实施例提供的超顺磁性四氧化三铁纳米微粒成像系统中扫描单元2的一种组成结构，包括激励线圈2a，超顺磁性四氧化三铁纳米微粒2b，钕铁硼强磁铁2c，接收线圈2d。扫描单元2包括激励线圈2a，超顺磁性四氧化三铁纳米微粒2b，至少两钕铁硼强磁铁2c，接收线圈2d，所述接收线圈2d套设于所述激励线圈2a内，超顺磁性四氧化三铁纳米微粒2b位于所述接收线圈内，且所述两钕铁硼强磁铁2c位于所述激励线圈2a的两端。
[0040]下面参照图3来描述根据本发明实施例提供的超顺磁性四氧化三铁纳米微粒2b成像系统的使用方法，具体如下:[0041]步骤SI，使用钕铁硼强磁铁2c产生选择场
[0042]具体地，使两个钕铁硼强磁铁2c同极相对，在钕铁硼强磁铁2c之间产生选择场，中间的无磁场点称为FFP点，将超顺磁性四氧化三铁纳米微粒2b置于选择场范围内，使得除了无磁场点FFP点之外的超顺磁性四氧化三铁纳米微粒2b处于磁化饱和状态；
[0043]步骤S2，信号源单元I发送交变电流，生成振荡磁场
[0044]具体地，使用信号源单元I向激励线圈2a内通入交变电流，使其产生周期振荡磁场，振荡磁场与选择场相互叠加，从而推动无磁场点FFP在一定范围内周期移动；
[0045]步骤S3，接收非线性信号
[0046]具体地，在无磁场点FFP经过的区域内，超顺磁性四氧化三铁纳米微粒2b在非饱和状态下变成磁场饱和状态下会产生非线性响应，使用接收线圈2d接收该非线性响应；
[0047]步骤S4，对信号进行去噪和放大
[0048]具体地，基于步骤S2和S3所采集到的超顺磁性四氧化三铁纳米微粒2b的非线性响应信号，信号处理单元3对信号滤除噪声和基频波，之后对信号进行放大处理，并对信号进行采样；
[0049]步骤S5，对图像进行重建
[0050]具体地，基于步骤S4得到的采样信号，计算单元4通过重建算法对图像进行重建，从而得到超顺磁性四氧化三铁纳米微粒2b在选择场区域内的浓度分布图。
[0051]本领域技术人员将.受益于前述说明书和相关附图中呈现的教导而想到本文所述的本发明的多种改型和其他实施例。因此，应该理解本发明不限于所公开的具体实施例，并且应该理解，本发明旨在将变型和其他实施例包括在由所附权利要求限定的范围内。尽管本文采用了具体术语，但是只是从描述的角度来使用它们，而并非限制。
【权利要求】
1.一种超顺磁性四氧化三铁纳米微粒成像系统，其特征在于，包括: 信号源单元，所述信号源单元提供电流信号和电压信号； 扫描单元，所述扫描单元与所述信号源单元相连，且所述扫描单元通过振荡的磁场来扫描目标物体内的超顺磁性四氧化三铁纳米微粒，从而将振荡的电流信号转变成非线性响应信号； 处理单元，所述处理单元与所述扫描单元相连，且所述处理单元接收所述扫描单元的非线性响应信号，且所述处理单元对收到的非线性响应信号进行滤波和放大处理，并对模拟信号进行数字信号采集； 计算单元，其与所述处理单元相连，用以对所述数字信号进行后续处理，得到超顺磁性四氧化三铁纳米微粒在目标物体体内的分布图。
2.如权利要求1所述的一种超顺磁性四氧化三铁纳米微粒成像系统，其特征在于:所述扫描单元包括激励线圈，超顺磁性四氧化三铁纳米微粒，至少两钕铁硼强磁铁，接收线圈，所述接收线圈套设于所述激励线圈内，所述超顺磁性四氧化三铁纳米微粒位于所述接收线圈内，且所述两钕铁硼强磁铁位于所述激励线圈的两端。
3.如权利要求2所述的一种超顺磁性四氧化三铁纳米微粒成像系统，其特征在于:所述钕铁硼强磁铁产生饱和选择场，所述饱和选择场强度范围为>5mT，梯度为2.0T/m?6.0T/m，激励场强度为>20mT。
4.如权利要求2所述的一种超顺磁性四氧化三铁纳米微粒成像系统，其特征在于:所述饱和选择场中间区域形成无磁场点。
5.如权利要求1所述的一种超顺磁性四氧化三铁纳米微粒成像系统，其特征在于:所述处理单元包括带阻滤波器，功率放大器，高通滤波器和数模转换器。
6.如权利要求1所述的 一种超顺磁性四氧化三铁纳米微粒成像系统，其特征在于:所述计算单元为单片机和计算机。
7.一种使用权利要求2-5任意一项所述的超顺磁性四氧化三铁纳米微粒成像系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤: SI两钕铁硼强磁铁产生饱和选择场； S2信号源单元向激励线圈内通入交变电流，使激励线圈产生振荡磁场； S3将超顺磁性四氧化三铁纳米微粒置于饱和选择场范围内，超顺磁性四氧化三铁纳米微粒在无磁场点经过时产生非线性响应信号； S4接收线圈接收到上述非线性响应信号，并将其传输给处理单元； S5处理单元经过对非线性信号的滤波和放大之后，将信号传输给计算单元； S6计算单元通过计算分析，获取超顺磁性四氧化三铁纳米微粒在目标区域内的浓度分布图。
【文档编号】A61B5/055GK103431864SQ201310404641
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月6日 优先权日:2013年9月6日
【发明者】杨晓东, 吕龙龙, 梁继民, 张金瑶, 田捷 申请人:西安电子科技大学