基于布朗弛豫编码的磁纳米粒子成像系统及方法

1.本发明属于生物医学成像技术领域，具体涉及了一种基于布朗弛豫编码的磁纳米粒子成像系统及方法。


背景技术：

2.磁纳米粒子是一种具有超顺磁性的纳米级颗粒，近年来其作为一种新型的医学成像示踪剂在肿瘤检测、磁粒子热疗、靶向给药等临床问题中被广泛研究和应用。
3.传统磁纳米粒子成像(mpi)通常需要外加三种磁场来实现空间编码和视场扫描。首先利用一个静态的梯度磁场产生磁场自由区(ffr)，在ffr外的磁纳米粒子处于饱和状态不会发生磁化强度的变化；然后利用一个高频的交变磁场驱动ffr移动和同时驱动ffr内部的磁纳米粒子旋转从而引起磁化强度的变化，一般称为驱动场；由于磁刺激等方面的风险，高频驱动场的幅值存在限制，因此驱动场的扫描视场(fov)有限。为解决这个问题，增加了一个低频交变磁场，一般称为聚焦场，用来将ffr移动到特定位置，从而实现增大fov的目的。磁纳米粒子的旋转机制主要有尼尔弛豫和布朗弛豫两种，通俗来说尼尔弛豫表示磁纳米粒子内部晶格极性的翻转，布朗弛豫表示磁纳米粒子的物理旋转。
4.总结来说，传统mpi方法依赖梯度磁场产生的ffr进行空间编码，且空间分辨率与磁场梯度大小成正相关。因此实际中通常需要利用大功率线圈甚至永磁体产生足够大的梯度磁场，这就不可避免地导致传统mpi扫描仪类似其他医学成像设备(如磁共振、ct)一样，存在体积庞大、不便携和成本高昂的缺点。
5.最新的研究表明，mpi可以被应用于脑卒中的早期诊断。众所周知，脑卒中的救治成功率与诊断时间密切相关。而相比于传统的固定式诊断设备，便携式诊断设备可以大大提前诊断进程，为治疗赢得更多时间。
6.综上所述，本领域还缺少一种轻量化、便携式的mpi方法和装置。为此，本发明提供了一种不需要产生静态梯度磁场编码的、便携的基于布朗弛豫编码的磁纳米粒子成像系统和方法。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术中的上述问题，即现有磁纳米粒子成像设备依赖大功率线圈或永磁体产生的梯度磁场，体积大、不便携的问题，本发明提供了一种基于布朗弛豫编码的磁纳米粒子成像系统，所述磁纳米粒子成像系统包括：
8.电磁线圈模块包括至少一个沿视场轴向的预磁化线圈、至少一个沿视场径向的驱动线圈和至少一个沿视场轴向的接收线圈，用于进行磁纳米粒子的半饱和状态预磁化、布朗弛豫激发，以及感应磁化强度变化；
9.旋转模块，用于沿视场切向旋转所述至少一个沿视场径向的驱动线圈，实现沿视场切向的空间编码；
10.线圈轮换控制模块，用于控制所述至少一个沿视场径向的驱动线圈轮换发射交变
磁场；
11.断层扫描模块，用于控制成像目标或电磁线圈模块沿视场轴向移动，进行成像目标的三维断层扫描；
12.信号采集和图像重建模块，用于采集成像目标的三维断层扫描过程中所述至少一个沿视场轴向的接收线圈的感应电压信号，并基于所述感应电压信号，进行磁纳米粒子成像重建。
13.在一些优选的实施例中，所述至少一个沿视场轴向的预磁化线圈，通入直流电流或低频交变电流后，在视场断层面内产生同向且均匀的预磁化场，用于使视场内部的磁纳米粒子处于半饱和磁化状态。
14.在一些优选的实施例中，所述至少一个沿视场径向的驱动线圈，通入高频交变电流后，沿视场径向产生带有梯度的交变磁场，用于激发处于半饱和磁化状态的磁纳米粒子的布朗弛豫，产生物理旋转。
15.在一些优选的实施例中，所述至少一个沿视场轴向的接收线圈，用于感应磁纳米粒子旋转产生的轴向的宏观磁化强度变化。
16.在一些优选的实施例中，所述半饱和磁化状态为：
17.磁纳米粒子的宏观的磁化强度方向沿视场轴向对齐并与外加磁场一致，且可以随外加磁场发生旋转的不完全磁饱和状态。
18.在一些优选的实施例中，所述至少一个沿视场轴向的预磁化线圈，产生的预磁化磁场为磁化方向沿视场轴向对齐的均匀磁场。
19.在一些优选的实施例中，所述至少一个沿视场径向的驱动线圈，为沿着视场径向以一定角度放置在视场的外周的均匀分布的一个或多个驱动线圈。
20.本发明的另一方面，提出了一种基于布朗弛豫编码的磁纳米粒子成像方法，基于上述的基于布朗弛豫编码的磁纳米粒子成像系统，所述磁纳米粒子成像方法包括：
21.沿视场轴向配置均匀的预磁化场，使视场内的磁纳米粒子达到半饱和磁化状态，磁化方向沿视场轴向对齐；
22.沿视场径向配置具有梯度的驱动磁场，使视场内的磁纳米粒子沿视场径向偏转，并在视场径向方向获取最大偏转角位置；
23.改变视场轴向预磁化场的大小，使得最大偏转角的位置移动，实现沿视场径向的径向编码，并通过至少一个沿视场轴向的接收线圈感应来自轴向的磁化强度变化，产生第一感应电压信号；沿视场切向旋转驱动磁场线圈，并通过至少一个沿视场轴向的接收线圈感应来自轴向的磁化强度变化，产生第二感应电压信号；沿视场轴向移动成像目标或电磁线圈模块，并通过至少一个沿视场轴向的接收线圈感应来自轴向的磁化强度变化，产生第三感应电压信号；
24.分别提取所述第一感应电压信号、所述第二感应电压信号和所述第三感应电压信号的二次谐波分量后，将二次谐波分量的幅值分别投影至径向编码轨迹，实现磁纳米粒子成像重建。
25.在一些优选的实施例中，所述最大偏转角位置，为当驱动磁场幅值和预磁化磁场幅值之比逐渐减小时，对应的视场径向磁纳米粒子的偏转角度逐渐增大后减小的过程中存在的最大偏转角位置。
26.在一些优选的实施例中，所述偏转角，其角度越大，引发的视场轴向磁化强度变化越大，接收信号越强。
27.本发明的有益效果：
28.(1)本发明基于布朗弛豫编码的磁纳米粒子成像系统，基于磁纳米粒子的布朗弛豫效应，采用带有梯度的驱动磁场激发视场径向方向上的磁纳米粒子产生不同程度的旋转，进而实现空间编码，从而根据编码过程获取的感应电压信号快速高效进行高精度的磁纳米粒子成像重建。
29.(2)本发明基于布朗弛豫编码的磁纳米粒子成像系统，不需要额外的高梯度场进行空间编码，克服了传统mpi设备体积大、不便携的缺点，仅需要一个驱动线圈和一个预磁化线圈即可同时实现空间编码和信号激发，相比传统方法功耗更低，结构更简单，可用于研制便携式、床旁mpi设备。
附图说明
30.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
31.图1是本发明基于布朗弛豫编码的磁纳米粒子成像系统的组成示意图；
32.图2是本发明基于布朗弛豫编码的磁纳米粒子成像系统一种实施例的成像方法流程示意图。
具体实施方式
33.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
34.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
35.本发明的一种基于布朗弛豫编码的磁纳米粒子成像系统，所述磁纳米粒子成像系统包括：
36.电磁线圈模块包括至少一个沿视场轴向的预磁化线圈、至少一个沿视场径向的驱动线圈和至少一个沿视场轴向的接收线圈，用于进行磁纳米粒子的半饱和状态预磁化、布朗弛豫激发，以及感应磁化强度变化；
37.旋转模块，用于沿视场切向旋转所述至少一个沿视场径向的驱动线圈，实现沿视场切向的空间编码；
38.线圈轮换控制模块，用于控制所述至少一个沿视场径向的驱动线圈轮换发射交变磁场；
39.断层扫描模块，用于控制成像目标或电磁线圈模块沿视场轴向移动，进行成像目标的三维断层扫描；
40.信号采集和图像重建模块，用于采集成像目标的三维断层扫描过程中所述至少一个沿视场轴向的接收线圈的感应电压信号，并基于所述感应电压信号，进行磁纳米粒子成像重建。
41.为了更清晰地对本发明基于布朗弛豫编码的磁纳米粒子成像系统进行说明，下面结合图1对本发明实施例展开详述。
42.本发明第一实施例的基于布朗弛豫编码的磁纳米粒子成像系统，包括电磁线圈模块、旋转模块、线圈轮换控制模块、断层扫描模块以及信号采集和图像重建模块，各模块详细描述如下：
43.电磁线圈模块包括至少一个沿视场轴向的预磁化线圈、至少一个沿视场径向的驱动线圈和至少一个沿视场轴向的接收线圈，用于进行磁纳米粒子的半饱和状态预磁化、布朗弛豫激发，以及感应磁化强度变化。
44.至少一个沿视场轴向的预磁化线圈，通入直流电流或低频交变电流后，在视场断层面内产生同向且均匀的预磁化场，用于使视场内部的磁纳米粒子处于半饱和磁化状态。
45.至少一个沿视场轴向的预磁化线圈，产生的预磁化磁场为磁化方向沿视场轴向对齐的均匀磁场。
46.至少一个沿视场径向的驱动线圈，通入高频交变电流后，沿视场径向产生带有梯度的交变磁场，用于激发处于半饱和磁化状态的磁纳米粒子的布朗弛豫，产生物理旋转。
47.至少一个沿视场径向的驱动线圈，为沿着视场径向以一定角度放置在视场的外周的均匀分布的一个或多个驱动线圈。
48.至少一个沿视场轴向的接收线圈，用于感应磁纳米粒子旋转产生的轴向的宏观磁化强度变化。
49.如图1所示，为本发明基于布朗弛豫编码的磁纳米粒子成像系统的组成示意图，1表示至少一个沿视场轴向的预磁化线圈，2表示至少一个沿视场径向的驱动线圈，3表示至少一个沿视场轴向的接收线圈，4表示径向方向，5表示切向方向，垂直直面方向为轴向方向，fov代表驱动场的扫描视场。
50.半饱和磁化状态是指，外磁场强度不足以使磁纳米粒子达到完全饱和状态，但宏观的磁化强度方向沿视场轴向对齐并与外加磁场一致。在半饱和磁化状态下，磁纳米粒子仍然可以随外加磁场发生旋转。
51.旋转模块，用于沿视场切向旋转所述至少一个沿视场径向的驱动线圈，实现沿视场切向的空间编码；
52.线圈轮换控制模块，用于控制所述至少一个沿视场径向的驱动线圈轮换发射交变磁场；
53.断层扫描模块，用于控制成像目标或电磁线圈模块沿视场轴向移动，进行成像目标的三维断层扫描；
54.信号采集和图像重建模块，用于采集成像目标的三维断层扫描过程中所述至少一个沿视场轴向的接收线圈的感应电压信号，并基于所述感应电压信号，进行磁纳米粒子成像重建。
55.本发明第二实施例的基于布朗弛豫编码的磁纳米粒子成像方法，如图2所示，基于上述的基于布朗弛豫编码的磁纳米粒子成像系统，所述磁纳米粒子成像方法包括：
56.步骤s10，沿视场轴向配置均匀的预磁化场，使视场内的磁纳米粒子达到半饱和磁化状态，磁化方向沿视场轴向对齐。
57.步骤s20，沿视场径向配置具有梯度的驱动磁场，使视场内的磁纳米粒子沿视场径
向偏转，并在视场径向方向获取最大偏转角位置。
58.步骤s30，改变视场轴向预磁化场的大小，使得最大偏转角的位置移动，实现沿视场径向的径向编码。
59.偏转角度与视场空间内的驱动场幅值与预磁化场幅值之比相关，此时在视场径向方向上存在一个最大偏转角位置。
60.存在一个最大偏转角位置是指，沿径向随着驱动场幅值和预磁化场幅值之比的逐渐减小，所对应的径向上的磁纳米粒子的偏转角度会逐渐增大后减小，存在一个最大偏转角位置。偏转角度越大引发的轴向磁化强度变化越大，接收信号越强。
61.步骤s40，通过至少一个沿视场轴向的接收线圈感应来自轴向的磁化强度变化，产生感应电压信号。
62.步骤s50，提取感应电压信号的二次谐波分量后，将二次谐波分量的幅值投影至径向编码轨迹实现一维径向成像。
63.步骤s60，沿视场切向旋转驱动磁场线圈，重复步骤s10-步骤s50，实现二维断层成像。
64.步骤s70，沿视场轴向移动成像目标或电磁线圈模块，重复步骤s10-步骤s60，实现三维断层成像。
65.步骤s80，完成磁纳米粒子成像重建。
66.上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之内。
67.所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述系统实施例中的对应过程，在此不再赘述。
68.需要说明的是，上述实施例提供的基于布朗弛豫编码的磁纳米粒子成像系统及方法，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
69.本发明第三实施例的一种电子设备，包括：
70.至少一个处理器；以及
71.与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
72.所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的基于布朗弛豫编码的磁纳米粒子成像方法。
73.本发明第四实施例的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的基于布朗弛豫编码的磁纳米粒子成像方法。
74.所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，
在此不再赘述。
75.本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
76.术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
77.术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
78.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。