基于预极化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预极化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.根据朗之万顺磁理论，磁纳米粒子在外加交变磁场激励下会产生含有奇次谐波的非线性磁化响应，此时利用接收线圈即可检测除了基频以外的奇次谐波信号，并将信号用于图像重建，上述图像重建方法称为磁纳米粒子成像(mpi,magnetic particle imaging)。传统mpi装置中的接收线圈通常与激励线圈同轴，其目的是增大接收效率，但随之带来的问题是激励磁场会直接在接收线圈上形成感应电压信号，这种感应电压信号一般称为背景信号。通常背景信号要比磁纳米粒子的响应信号高几个数量级。因此，传统mpi装置中的接收线圈一般采用差分结构，具体是由两个绕线方向相反的线圈串联而成，其中一个靠近探测区域，另一个远离探测区域，其目的是尽可能抵消背景信号，同时避免磁纳米粒子响应信号的损失。
4.虽然差分式接收线圈理论上可以完全抵消背景信号，但由于对两个线圈的绕线匝数和相对位置特别敏感，因此在实际应用中其鲁棒性较差，一般还需要配置陷波器进一步抑制基频分量。但更关键的问题在于，由于激励系统的非理想性，激励电流除基频外还夹杂着由于系统非线性失真导致的高次谐波干扰，而这种谐波干扰与磁纳米粒子奇次谐波信号严重混叠，无法用传统数字或模拟滤波技术去除。如果谐波干扰过大将导致重建图像产生严重的伪影。
5.综上所述，本领域还缺少一种鲁棒的、无背景信号干扰的mpi成像方法。为此，本发明提供了一种基于预极化的磁纳米粒子成像系统和方法。


技术实现要素：

6.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差分式接收线圈、对背景干扰信号不鲁棒的问题，本发明提供了一种基于预极化的磁纳米粒子成像系统，所述磁纳米粒子成像系统包括：
7.电磁线圈模块包括一组预极化线圈、一组梯度和水平扫描线圈、一组激励和垂直扫描线圈以及一组非差分接收线圈，用于进行磁纳米粒子的半饱和状态预极化、激发磁场并沿水平和垂直方向空间编码，以及感应磁化强度变化；
8.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一组非差分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。
9.在一些优选的实施例中，所述一组预极化线圈，通入直流电流后，在视场断层面内产生同向且均匀的预极化场，用于使视场内部的磁纳米粒子处于半饱和磁化状态。
10.在一些优选的实施例中，所述一组预极化线圈为亥姆霍兹线圈结构或螺线管结构。
11.在一些优选的实施例中，所述半饱和磁化状态为：
12.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。
13.在一些优选的实施例中，所述一组梯度和水平扫描线圈，通入直流和低频交变电流后，沿视场水平方向产生动态梯度磁场，用于沿视场水平方向进行空间编码。
14.在一些优选的实施例中，所述一组梯度和水平扫描线圈为麦克斯韦线圈结构。
15.在一些优选的实施例中，所述一组激励和垂直扫描线圈，通入高频交变电流和低频交变电流后，用于驱动磁纳米粒子偏转并沿视场垂直方向进行空间编码。
16.在一些优选的实施例中，所述一组激励和垂直扫描线圈为亥姆霍兹线圈结构。
17.在一些优选的实施例中，所述一组非差分接收线圈的绕线方向相同，与所述一组预极化线圈同轴，用于感应磁纳米粒子偏转导致的水平磁化强度的变化。
18.在一些优选的实施例中，所述一组非差分接收线圈为螺线管结构。
19.本发明的另一方面，提出了一种基于预极化的磁纳米粒子成像方法，所述磁纳米粒子成像方法包括：
20.沿视场水平方向配置均匀的预极化场，使视场内的磁纳米粒子达到半饱和磁化状态，磁化方向与所述预极化场一致；
21.沿视场垂直方向配置均匀的激励磁场，使视场内的半饱和磁化状态下的磁纳米粒子沿垂直方向往复偏转；
22.沿视场水平方向配置接收线圈，感应磁纳米粒子偏转引起的水平方向磁化脉冲信号；所述变化信号的频率为所述激励磁场频率的2倍；
23.沿视场水平方向配置动态梯度磁场，进行沿水平方向的空间编码和感应电压信号采集；沿视场垂直方向配置低频扫描磁场，进行沿垂直方向的空间编码和感应电压信号采集；
24.分别提取感应电压信号的谐波分量后，将谐波分量的幅值分别投影至空间编码轨迹，实现磁纳米粒子成像重建。
25.本发明的有益效果：
26.(1)本发明基于预极化的磁纳米粒子成像系统，利用预极化场使磁纳米粒子的宏观磁化强度一致，然后利用正交的激励磁场驱动磁纳米粒子偏转进而改变原有的宏观磁化强度，产生磁化脉冲信号，然后将磁化脉冲信号映射至空间编码轨迹中实现成像，由于磁化脉冲信号的方向与激励场方向正交，因此极大减少了激励磁场对接收线圈的干扰信号，提升了系统的鲁棒性。
27.(2)本发明基于预极化的磁纳米粒子成像系统，克服了传统方法中激励磁场对接收线圈的直接耦合和干扰问题，通过预极化磁场和正交激励磁场实现了无背景干扰的磁化脉冲信号检测和磁纳米粒子成像。
附图说明
28.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：
29.图1是本发明基于预极化的磁纳米粒子成像系统的组成示意图；
30.图2是本发明基于预极化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
31.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。
32.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。
33.本发明的一种基于预极化的磁纳米粒子成像系统，所述磁纳米粒子成像系统包括：
34.电磁线圈模块包括一组预极化线圈、一组梯度和水平扫描线圈、一组激励和垂直扫描线圈以及一组非差分接收线圈，用于进行磁纳米粒子的半饱和状态预极化、激发磁场并沿水平和垂直方向空间编码，以及感应磁化强度变化；
35.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一组非差分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。
36.为了更清晰地对本发明基于预极化的磁纳米粒子成像系统进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各模块展开详述。
37.本发明第一实施例的基于预极化的磁纳米粒子成像系统，包括电磁线圈模块以及信号采集和图像重建模块，各模块详细描述如下：
38.电磁线圈模块包括一组预极化线圈、一组梯度和水平扫描线圈、一组激励和垂直扫描线圈以及一组非差分接收线圈，用于进行磁纳米粒子的半饱和状态预极化、激发磁场并沿水平和垂直方向空间编码，以及感应磁化强度变化。
39.如图1所示，为本发明基于预极化的磁纳米粒子成像系统的组成示意图，1表示一组预极化线圈，2表示一组梯度和水平扫描线圈，3表示一组激励和垂直扫描线圈，4表示一组非差分接收线圈，fov表示视场区域。
40.一组预极化线圈为亥姆霍兹线圈结构或螺线管结构，通入直流电流后，在视场断层面内产生同向且均匀的预极化场，用于使视场内部的磁纳米粒子处于半饱和磁化状态。
41.预极化场是一个静磁场，与传统mpi中的梯度场不同，预极化场强度分布是均匀的，根据朗之万顺磁理论可知，磁纳米粒子在外加磁场作用下会产生同方向的磁化响应，并且随外加磁场强度的增加其磁化强度逐渐趋于饱和而不再增加。此处所述的半饱和磁化状态是指预极化场强度未使磁纳米粒子完全饱和，但磁纳米粒子仍然可以随外加磁场的变化而变化。
42.一组梯度和水平扫描线圈为麦克斯韦线圈结构，通入直流和低频交变电流后，沿视场水平方向产生动态梯度磁场，用于沿视场水平方向进行空间编码。
43.动态梯度磁场是指在原有静态梯度场的基础上配置低频的交变磁场，使梯度磁场中的零磁场点位置发生移动，进而实现空间编码。
44.一组激励和垂直扫描线圈为亥姆霍兹线圈结构，通入高频交变电流和低频交变电流后，用于驱动磁纳米粒子偏转并沿视场垂直方向进行空间编码。
45.由于磁纳米粒子处于半饱和磁化状态，因此当施加一个正交的激励磁场时，磁纳米粒子会随激励磁场的变化而发生周期性偏转。高频交变电流用于产生激励磁场，低频交变交流用于驱动零磁场点沿垂直方向移动，实现垂直方向的空间编码。这两种交变电流可以同时被通入在一个线圈内，也可以分别通在两个线圈内。
46.一组非差分接收线圈的绕线方向相同，为螺线管结构，与所述一组预极化线圈同轴，用于感应磁纳米粒子偏转导致的水平磁化强度的变化。
47.磁纳米粒子偏转导致的水平磁化强度的变化，其产生的响应信号频率主要是激励磁场频率的2倍。
48.由于正交的激励磁场在一个激励周期内会使沿水平方向对齐的磁纳米粒子翻转两次，进而引发水平磁化强度变化两次，因此水平磁化强度变化产生的响应信号将是激励磁场频率的2倍。
49.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一组非差分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。
50.基于感应电压信号进行磁纳米粒子成像重建，是将感应电压信号传输至上位机，进行数字相敏检波提取磁化脉冲信号后，实现图像重建。
51.本发明第二实施例的基于预极化的磁纳米粒子成像方法，如图2所示，所述磁纳米粒子成像方法包括：
52.步骤s10，沿视场水平方向配置均匀的预极化场，使视场内的磁纳米粒子达到半饱和磁化状态，宏观磁化方向与所述预极化场一致。
53.步骤s20，沿视场垂直方向配置均匀的激励磁场，使视场内的半饱和磁化状态下的磁纳米粒子沿垂直方向往复偏转。
54.步骤s30，沿视场水平方向配置接收线圈，感应磁纳米粒子偏转引起的水平方向磁化脉冲信号；所述变化信号的频率为所述激励磁场频率的2倍。
55.步骤s40，沿视场水平方向配置动态梯度磁场，进行沿水平方向的空间编码和感应电压信号采集。
56.步骤s50，沿视场垂直方向配置低频扫描磁场，进行沿垂直方向的空间编码和感应电压信号采集。
57.步骤s60，分别提取感应电压信号的谐波分量后，将谐波分量的幅值分别投影至空间编码轨迹，重建磁纳米粒子的空间分布图像，实现磁纳米粒子成像重建。
58.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。
59.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，上述描述的方法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。
60.需要说明的是，上述实施例提供的基于预极化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。
61.本发明第三实施例的一种设备，包括：
62.至少一个处理器；以及
63.与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
64.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预极化的磁纳米粒子成像方法。
65.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预极化的磁纳米粒子成像方法。
66.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。
67.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。
68.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。
69.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。
70.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。