电磁激励的磁热声和超声双模磁性纳米粒成像方法及装置

1.本发明涉及电磁激励的磁热声和超声双模磁性纳米粒成像方法及其装置。


背景技术：

2.恶性肿瘤是威胁人类健康的重大疾病之一。肿瘤经临床常规诊断技术确诊时多为中晚期，检出未形成结节的癌变对于提高患者预后有重要意义，迫切需要发展能用于癌症及其转移早期诊断的影像学技术。
3.从病理学角度分析，一般而言，传统影像学检查难以发现的早期癌变、转移灶及治疗后的病灶，已经在基因和细胞水平发生了显著变化。随着各种类型靶向纳米诊疗制剂的开发和应用，可实现癌症精准诊疗的分子成像技术引起了越来越多的重视，其在细胞或分子水平对生物过程进行定性和定量研究，探查疾病过程中细胞和分子水平异常，可在无解剖学变化前从分子水平检出病灶，达到对病变的早期精准诊断。
4.近年来光、电、声、热、磁等技术结合应用的耦合成像方法，成为生物医学新兴成像方法发展的趋势，可为分子影像开辟更为广阔的研究和应用空间。与单一场分子成像技术相比，电磁与超声耦合成像技术费用低、无辐射危害，突破了单一场影像技术的局限性，电磁场与声场相结合的多物理场成像在提高分辨率的同时保留了介电特性成像高对比度的优势，成为研究热点。而光声成像和微波热声成像，由于光或微波在组织中有效穿透深度影响，限制了其在更深部组织器官的应用。磁热声成像方法与2013年被提出，并证实了高电导率金属条样本磁热声成像的可行性，之后的研究集中在低电导率生物组织成像的可行性上，由于生物组织的电导率远低于金属电导率，其激发的磁热声信号较弱，给磁热声成像技术带来了挑战。采用磁性纳米粒作为显影剂进行磁热声成像，可大大提高对比度和灵敏度。
5.采用低于20mhz的瞬态电流激励，利用以磁性纳米粒为显影剂的分子探针，可实现标记成像。针对磁性纳米粒，采用电磁与超声耦合的成像方法，为分子影像技术提供了新的手段，目前针对磁性纳米粒的电磁与超声耦合成像方法，多处于可行性的验证阶段，多集中在激励方式对激发超声信号的特性研究方面，还未有针对精准诊断开展成像方法的深入研究。而利用电磁激励磁性纳米粒产生超声信号，可利用磁性纳米粒的电磁特性和超声特性实现功能成像，利用电磁激励的纯超声信号作用于磁性纳米粒后，又被超声换能器接收，可实现结构成像。
6.综上所述，电磁激励的磁热声和超声双模磁性纳米粒成像，可针对以磁性纳米粒为显影剂的分子探针，进行分子成像，实现疾病分子水平异常的检测，结合电磁与超声耦合成像及超声成像双模成像方式，可实现功能成像和结构成像的融合。


技术实现要素：

7.本发明的目的是为了实现对病变的早期精准诊断，弥补现有磁性纳米粒检测与成像的不足，提出一种电磁激励的磁热声和超声双模磁性纳米粒成像方法和装置，本发明可实现功能成像和结构成像的融合。
8.本发明方法由线圈产生磁场激励，作用于生物组织和生物组织内的磁性纳米粒，通过磁场激励作用于磁性纳米粒，利用磁性纳米粒的超顺磁特性，引发磁性纳米粒的热膨胀，激发热声信号，即磁热声信号，分布在生物组织和磁性纳米粒周围的超声换能器接收热声信号。与此同时，磁场或电流激励作用在超声换能器上，引发声波信号，声波信号传播至生物组织和磁性纳米粒，经生物组织和磁性纳米粒反射，超声换能器接收反射的超声信号。磁性纳米粒富集于病变的生物组织部位，并进入病变的生物组织内。磁性纳米粒所在区域为磁热声信号声源产生区域，磁热声信号从声源传至超声换能器，而由超声换能器激发的声波，作用于生物组织和磁性纳米粒，被生物组织和磁性纳米粒反射后由超声换能器接收。超声换能器同时接收的热声信号和超声信号包含有磁性纳米粒和生物组织信息，热声信号和反射的超声信号的幅值和传播时间不同，提取热声信号和反射的超声信号的信息，根据热声信号和反射的超声信号的声程特征和关系，表征组织和磁性纳米粒分布特性，实现磁性纳米粒和生物组织的图像重建。磁性纳米粒聚集在病变的生物组织上，根据磁性纳米粒与生物组织之间的电磁特性差异，识别磁性纳米粒分布，进而反映病变的生物组织的位置，也根据正常生物组织和病变的生物组织之间的电学特性差异和声学特性差异，区分正常生物组织和病变的生物组织。
9.与现有的针对生物组织目标体的磁热声方法不同，现有生物组织目标体磁热声成像方法的磁热声产生的机制为欧姆损耗，利用病变和正常生物组织目标体电导率的差异性，进行成像和疾病诊断；而本发明磁性纳米粒磁热声成像方法采用磁性纳米粒为显影剂，利用磁性纳米粒的超顺磁特性，磁热声产生的机制为从非辐射场中吸收能量的驰豫损耗或磁能量累积。与由组织电导率差异产生磁热声效应进行成像的机理不同，本发明利用磁性纳米粒在电磁激励下的驰豫损耗或电磁能量积累可获得对比度和灵敏度更高的图像，与微波热声成像相比，具有更深的成像深度。
10.本发明电磁激励的磁热声和超声双模磁性纳米粒成像方法，由同源同时激励磁热声信号和超声信号，最终通过磁热声信号和超声信号的同时获取，得到信号分布特征。同源激励为多种形式的脉冲磁场，可以是有一定重复频率的脉冲激励，也可以是一定宽度的调制信号脉冲激励，不同的激励方式激发的磁热声效应不同。当脉冲磁场作用在生物组织和磁性纳米粒上，由于热膨胀效应，生物组织和磁性纳米粒激发磁热声信号；当脉冲磁场或脉冲电流激励作用于超声换能器，激发声波，声波传播作用于生物组织和磁性纳米粒，产生反射超声信号，所激发的磁热声信号和超声信号同时被超声换能器接收。磁性纳米粒富集于病变的生物组织部位，并进入病变的生物组织内。磁性纳米粒所在区域为磁热声信号声源产生区域；磁热声信号从声源传至超声换能器，而由超声换能器激发的声波，作用于生物组织和磁性纳米粒再反射后被超声换能器接收，磁热声信号和反射超声信号二者的幅值和传播时间不同，提取二者的信息，可根据二者声程特征和关系表征生物组织和磁性纳米粒分布特性。
11.可将磁性纳米粒制备成磁性纳米粒分探针，将其置于病变的生物组织附近。磁性纳米粒分子探针由磁性纳米粒、载体、配体或抗体组成，磁性纳米粒作为显影剂，为电磁与超声耦合成像及超声成像的增强对比剂。配体或抗体用于与肿瘤高表达的受体相结合。磁性纳米粒分子探针靶向性地与病变的生物组织，如癌症组织靶点结合。利用该磁性纳米粒分子探针，采用本发明电磁激励的磁热声和超声双模磁性纳米粒成像方法可实现分子标记
双模成像，进而实现病变的生物组织的识别。
12.由生物组织或磁性纳米粒激发的磁热声信号或超声信号被超声换能器接收，接收到的信号包含磁热声和超声信号。本发明利用对同一目标体的超声换能器接收的磁热声信号和超声信号声程的差异，对信号进行提取，分离出磁热声信号和超声信号。可以利用超声b扫描成像获取热声图像；或者利用时间反演法实现磁热声信号到声源的反演，再利用迭代算法实现声源到目标体电磁特性的反演，实现磁热声成像。利用超声信号，采用聚焦成像或傅里叶快速成像获取超声图像。通过提取包括磁热声图像、超声图像的特征信息、空间变换特征配准、傅里叶变换图像融合，最终实现磁性纳米粒磁热声和超声双模成像。
13.应用本发明方法的电磁激励的磁热声和超声双模磁性纳米粒耦合成像装置，由激励源、检测系统、电磁
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超声耦合转换单元和双模成像单元组成。激励源用于提供脉冲磁场激励所需的电流，电磁
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超声耦合转换单元实现电磁激励到磁热声和超声信号的转换，检测系统检测并处理超声换能器接收的信号，双模成像单元用于磁热声和超声成像。所述的激励源的输出端连接电磁
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超声耦合转换单元的输入端，电磁
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超声耦合转换单元的输出端连接检测系统的输入端，检测系统的输出端连接双模成像单元的输入端。激励源输出电流激励信号至电磁
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超声耦合转换单元，电磁
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超声耦合转换单元输出信号至检测系统，检测系统输出信号至双模成像单元。
14.所述的激励源由触发控制器、信号调制单元、功率放大单元、线圈激励匹配模块和激励电流采集模块组成。所述的触发控制器的输出端连接信号调制单元的输入端、信号调制单元的输出端连接功率放大单元的输入端，功率放大单元的输出端连接线圈激励匹配模块的输入端，线圈激励匹配模块的输出端分别连接电磁
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超声耦合转换单元的激励线圈的输入端和激励电流采集模块的输入端；激励源的触发控制器输出信号至信号调制单元，信号调制单元输出信号至功率放大单元，功率放大单元通过线圈激励匹配模块将脉冲电流施加于激励线圈，线圈激励匹配模块输出信号至激励电流采集模块。
15.所述的电磁
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超声耦合转换单元由激励线圈、目标体、超声换能器、耦合介质组成，目标体包含磁性纳米粒和生物组织。激励线圈贴近目标体，目标体和超声换能器之间为耦合介质，激励线圈在激励源作用下激发变化的磁场，脉冲磁场同时作用于目标体和超声换能器，由目标体激发磁热声信号，由超声换能器激发的声波传播作用于目标体，产生反射的超声信号，超声换能器同时检测磁热声信号和超声信号。
16.所述的检测系统包括低噪声放大器、匹配滤波器、热声信号采集单元、超声信号采集单元和控制系统。控制系统的输出端连接超声换能器的输入端，控制超声换能器移动，实现信号的扫描检测。低噪声放大器的输出端连接匹配滤波器的输入端，匹配滤波器的输出端分别连接热声信号采集单元的输入端和超声信号采集单元的输入端，热声信号采集单元的输出端和超声信号采集单元的输出端均与双模成像单元的输入端连接。低噪声放大器输出信号至匹配滤波器，匹配滤波器输出信号至热声信号采集单元和超声信号采集单元，热声信号采集单元和超声信号采集单元输出信号至双模成像单元。
17.所述的双模成像单元包括磁热声图像重建模块、超声成像模块和图像配准融合模块。磁热声图像重建模块的输出端和超声成像模块的输出端均与图像配准融合模块的输入端相连接，磁热声图像重建模块的输出信号和超声成像模块的输出信号一同输入至图像配准融合模块，实现磁热声和超声成像的图像融合。
18.应用本发明方法的电磁激励的磁热声和超声双模磁性纳米粒成像装置，可在激励源部分增加匹配网络模块，匹配网络模块的输入端与功率放大单元的输出端连接，匹配网络模块的输出端分别连接超声换能器的输入端和激励电流采集模块的输入端，功率放大单元除了通过线圈激励匹配模块来激励线圈产生变化的磁场，同时还通过匹配网络模块将激励施加于超声换能器，激发超声信号，作用于目标体。
19.本发明电磁激励的磁热声和超声双模磁性纳米粒成像方法及装置，针对磁性纳米粒显影剂示踪实现双模成像，有望探查疾病分子水平异常，且比组织成像对比度更高，可实现对病变的早期精准诊断；而电磁与超声耦合的磁热声成像结合电成像和超声成像的优势，结合磁性纳米粒显影示踪，实现功能成像，超声成像可实现结构成像，磁热声和超声双模成像可实现功能成像和结构成像的融合；同时，本发明双模成像采用同源激励，不增加系统复杂性，利用磁热声成像的电磁激励作用在超声换能器上激发的超声信号，实现磁热声和超声信号的同时采集和利用。
附图说明
20.图1本发明电磁激励的磁热声和超声双模磁性纳米粒成像原理图；
21.图2磁热声和超声信号产生原理图；
22.图3信号提取及双模成像方法示意图；
23.图4电磁激励的磁热声和超声双模磁性纳米粒成像装置实施例；
24.图5磁热声和超声双模磁性纳米粒成像装置实施例。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
26.本发明方法通过电磁激励磁性纳米粒进而激发热声信号、超声换能器在电磁激励作用下产生超声信号，超声信号作用于生物组织和磁性纳米粒，进而被超声换能器接收，实现功能成像和结构成像的融合。利用以磁性纳米粒为显影剂的分子探针，可实现标记成像，针对磁性纳米粒采用电磁与超声耦合的成像方法，可实现更深部组织的分子水平异常探测，为分子影像技术提供了新的手段。
27.图1所示为本发明电磁激励的磁热声和超声双模磁性纳米粒成像原理图。如图1所示，本发明方法由线圈产生磁场激励作用于生物组织和磁性纳米粒，通过磁场激励作用于磁性纳米粒，引发磁性纳米粒的热膨胀，激发热声信号，分布在生物组织和磁性纳米粒周围的超声换能器接收热声信号。与此同时，磁场或电流激励作用在超声换能器上，引发声波信号，声波信号传播至生物组织和磁性纳米粒，经生物组织和磁性纳米粒反射，再由超声换能器接收反射的超声信号。超声换能器同时接收热声信号和反射的超声信号，热声信号和超声信号包含磁性纳米粒和生物组织信息，最终实现磁性纳米粒和生物组织的图像重建。磁性纳米粒聚集在病变的生物组织部位，并进入病变的生物组织内，根据磁性纳米粒与生物组织之间的电磁特性差异，识别磁性纳米粒分布，进而反映病变的生物组织的位置，也根据正常的生物组织和病变的生物组织之间的电学特性差异和声学特性差异，区分正常的生物组织和病变的生物组织。
28.如图2所示，电磁激励的磁热声和超声信号由同源激励同时产生，最终通过磁热声
信号和超声信号的同时获取，得到信号分布特征。同源激励为多种形式的脉冲磁场，可以是有一定重复频率的脉冲激励，也可以是一定宽度的调制信号脉冲激励，不同的激励方式激发的磁热声效应不同。当脉冲磁场作用在生物组织和磁性纳米粒上，由于生物组织和磁性纳米粒的热膨胀效应，激发磁热声信号；当脉冲磁场或脉冲电流激励作用于超声换能器，激发声波，声波传播作用于生物组织和磁性纳米粒，产生反射超声信号。所激发的磁热声信号和反射的超声信号同时被超声换能器接收。磁性纳米粒所在区域为磁热声信号声源产生区域，磁热声信号从声源传至超声换能器，而由超声换能器激发的声波，作用于生物组织和磁性纳米粒再反射后被超声换能器接收，磁热声信号和超声信号二者的幅值和传播时间不同，提取二者的信息，根据二者的声程特征和关系表征组织和磁性纳米粒分布特性。
29.图3所示为信号提取及双模成像方法示意图。由生物组织和磁性纳米粒组成的目标体激发的磁热声信号或反射的超声信号被超声换能器接收，接收到的信号包含磁热声和超声信号。利用超声换能器接收的同一目标体的磁热声信号和超声信号的声程差异，对信号进行提取，分离出磁热声信号和超声信号。可以利用超声b扫描成像方法1获取磁热声图像，或者利用时间反演法实现磁热声信号到声源的反演，再利用迭代算法实现声源到目标体电磁特性的反演，实现磁热声成像。利用超声信号，采用聚焦成像或傅里叶快速成像算法2获取超声图像。通过提取包括磁热声图像、超声图像的特征信息、空间变换特征配准、傅里叶变换图像融合，最终实现磁性纳米粒磁热声和超声双模成像。
30.图4所示为本发明电磁激励的磁热声和超声双模磁性纳米粒成像装置实施例。如图4所示，所述成像装置由激励源、检测系统、电磁
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超声耦合转换单元、双模成像单元组成。激励源用于提供脉冲磁场激励所需的电流，电磁
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超声耦合转换单元实现电磁激励到磁热声和超声信号的转换，检测系统检测并处理超声换能器接收的信号，双模成像单元用于磁热声和超声成像。所述激励源的输出端连接电磁
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超声耦合转换单元的输入端，电磁
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超声耦合转换单元的输出端连接检测系统的输入端、检测系统的输出端连接双模成像单元的输入端。激励源输出电流激励信号至电磁
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超声耦合转换单元，电磁
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超声耦合转换单元输出信号至检测系统，检测系统输出信号至双模成像单元。
31.所述的激励源由触发控制器、信号调制单元、功率放大单元、线圈激励匹配模块和激励电流采集模块组成。所述的触发控制器的输出端连接信号调制单元的输入端、信号调制单元的输出端连接功率放大单元的输入端，功率放大单元的输出端连接线圈激励匹配模块的输入端，线圈激励匹配模块的输出端连接电磁
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超声耦合转换单元的激励线圈的输入端和激励电流采集模块的输入端；激励源的触发控制器输出信号至信号调制单元，信号调制单元输出信号至功率放大单元，功率放大单元通过线圈激励匹配模块，将脉冲电流施加于激励线圈，线圈激励匹配模块输出信号至激励电流采集模块。
32.所述的电磁
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超声耦合转换单元由激励线圈、目标体、超声换能器、耦合介质组成，目标体包含磁性纳米粒和生物组织。激励线圈贴近目标体，目标体和超声换能器之间为耦合介质，激励线圈在激励源作用下激发变化的磁场，脉冲磁场同时作用于目标体和超声换能器，由目标体激发磁热声信号，由超声换能器激发的声波传播作用于目标体，产生反射的超声信号，超声换能器同时检测磁热声信号和超声信号。
33.所述的检测系统包括低噪声放大器、匹配滤波器、热声信号采集单元、超声信号采集单元和控制系统。控制系统的输出端连接超声换能器的输入端，控制超声换能器移动，实
现信号的扫描检测；低噪声放大器的输出端连接匹配滤波器的输入端，匹配滤波器的输出端分别连接热声信号采集单元的输入端和超声信号采集单元的输入端，热声信号采集单元的输出端和超声信号采集单元的输出端均与双模成像单元的输入端连接，低噪声放大器输出信号至匹配滤波器，匹配滤波器输出信号至热声信号采集单元和超声信号采集单元，热声信号采集单元和超声信号采集单元输出信号至双模成像单元。
34.所述的双模成像单元包括磁热声图像重建模块、超声成像模块和图像配准融合模块。磁热声图像重建模块的输出端和超声成像模块的输出端均与图像配准融合模块的输入端相连接，磁热声图像重建模块的输出信号和超声成像模块的输出信号一同输入至图像配准融合模块，实现磁热声和超声成像的图像融合。
35.图5所示为磁热声和超声双模磁性纳米粒成像装置的另一实施例。如图5所示，在图4所示的成像装置基础上，本实施例在激励源部分增加匹配网络模块，功率放大单元的输出端连接匹配网络模块的输入端，匹配网络模块的输出端同时连接超声换能器的输入端和激励电流采集模块的输入端。功率放大单元除了通过线圈激励匹配模块来激励线圈产生变化的磁场，同时还通过匹配网络模块将激励施加于超声换能器，激发超声信号，作用于目标体。
36.本发明利用磁性纳米粒、组织、超声换能器等在电磁激励作用下激发热声信号和超声信号，利用超声换能器接收的反映目标体电磁及结构信息的热声信号和反射的超声信号，实现双模成像，可得到较深部磁性纳米粒及组织的功能图像和结构图像。
37.本发明的电磁激励的磁热声和超声双模磁性纳米粒成像方法和装置，针对磁性纳米粒显影剂示踪实现双模成像，有望探查疾病分子水平异常，且比组织成像对比度更高，可实现对病变的早期精准诊断；而电磁与超声耦合的磁热声成像结合电成像和超声成像的优势，结合磁性纳米粒显影示踪，实现功能成像，超声成像可实现结构成像，磁热声和超声双模成像可实现功能成像和结构成像的融合；同时，本发明双模成像采用同源激励，不增加系统复杂性，利用磁热声成像的电磁激励作用在超声换能器上激发的超声信号，实现磁热声和超声信号的同时采集和利用。