一种高灵敏度的磁粒子成像系统及方法

本发明涉及磁粒子成像，尤其涉及一种高灵敏度的磁粒子成像系统及方法。

背景技术：

1、磁粒子成像(magnetic particle imaging, mpi)是一种非侵入式的、无电离辐射伤害的功能成像技术，其已被应用于肿瘤成像、血管造影、炎症成像、细胞标记等领域。传统mpi系统通过探测超顺磁性粒子（如：超顺磁性氧化铁纳米颗粒）在交变磁场中的非线性响应，以及无磁场点（field free point，ffp）或无磁场线（field free line, ffl）的空间扫描和空间编码，实现超顺磁性粒子的空间位置、浓度以及周围环境变化的响应信号的探测。提高mpi对超顺磁性粒子的探测灵敏度有助于在疾病早期探测到超顺磁性粒子探针的富集，从而实现对相关疾病的早期诊断；提高mpi对环境变化的响应灵敏度有助于揭示疾病演变过程中病灶处组织微环境的变化，从而为相关疾病机理的研究和药物的研发提供依据。

2、传统mpi系统的灵敏度受到磁粒子磁化响应速度、系统噪声、探测线圈灵敏度等因素的限制，进一步提高mpi的灵敏度需通过减小系统噪音，增加磁粒子磁化响应速度、提高探测线圈灵敏度等措施实现。随着mpi系统的不断优化，上述提高灵敏度的手段逐渐逼进极值，致使提高mpi灵敏度的工程难度显著增大。目前mpi探测超顺磁性粒子的灵敏度已较难进一步突破。此外，传统mpi系统主要通过探测超顺磁性粒子的弛豫变化探测其周围组织环境的变化，由于在mpi中测量超顺磁性粒子弛豫的难度较大，且信噪比较低，因此，mpi探测组织环境变化的灵敏度仍然不足。

技术实现思路

1、本发明提供一种高灵敏度的磁粒子成像系统及方法，该系统及方法通过超顺磁性粒子谐波信号的相位突变探测超顺磁性粒子以及其周围组织环境的变化，旨在大幅提高探测超顺磁性粒子以及其周围组织环境变化的灵敏度。

2、为此，本发明的第一个目的在于提出一种高灵敏度的磁粒子成像系统，包括：

3、激励电路模块，用于产生电流，并将电流通入电磁线圈模块中；

4、电磁线圈模块，用于产生梯度磁场、梯度偏置磁场、扫描磁场和激励磁场，并探测磁粒子的响应信号；

5、接收电路模块，用于接收电磁线圈模块的探测信号、滤除探测信号中的干扰信号和放大探测信号中的磁粒子响应信号；

6、信号采集及处理模块，用于采集接收电路模块导入的探测信号，并进行信号处理和图像重建。

7、其中，激励电路模块包括多通道信号发生器、第一功率放大器、第二功率放大器、第三功率放大器、第四功率放大器、第五功率放大器、第六功率放大器、共振电路和电线；所述第一功率放大器、第二功率放大器、第三功率放大器、第四功率放大器、第五功率放大器、第六功率放大器的一端通过电线均连接所述多通道信号发生器，所述第一功率放大器的另一端连接所述共振电路的一端；其中，

8、所述多通道信号发生器用于产生第一正弦信号、第二正弦信号、第一可调控直流信号、第二可调控直流信号、第三可调控直流信号及第四可调控直流信号；

9、所述第一正弦信号为高幅值高频信号，通过所述第一功率放大器进行放大，用于产生x轴方向上的激励磁场；所述第二正弦信号为高幅值低频信号，通过所述第二功率放大器进行放大，用于产生z轴方向上的扫描磁场；

10、所述第一可调控直流信号和第二可调控直流信号为低幅直流信号，所述第一可调控直流信号通过所述第三功率放大器进行放大，所述第二可调控直流信号通过所述第四功率放大器进行放大，用于产生x轴方向上的低梯度值的梯度磁场；

11、所述第三可调控直流信号和第四可调控直流信号为高幅直流信号，所述第三可调控直流信号通过所述第五功率放大器进行放大，所述第四可调控直流信号通过所述第六功率放大器进行放大，用于产生y轴方向上的高梯度值的梯度磁场，从而形成mpi的无磁场线和选择磁场；

12、所述共振电路与所述第一功率放大器串联，用于减小系统在高频激励状态下的阻抗值。

13、其中，电磁线圈模块包括：激励线圈、第一扫描线圈、第二扫描线圈、第一梯度磁场扫描线圈、第二梯度磁场扫描线圈、第一选择磁场线圈、第二选择磁场线圈和接收线圈；其中，

14、所述激励线圈、所述共振电路与所述第一功率放大器串联，用于在成像视野区域产生激励磁场，即：沿x轴方向激励的高频正弦交变磁场，用于激励磁粒子的响应信号；

15、所述第二扫描线圈、所述第一扫描线圈与所述第二功率放大器串联，用于产生扫描磁场，即：z轴方向上的交变磁场；

16、所述第一梯度磁场扫描线圈连接所述第三功率放大器的另一端，所述第二梯度磁场扫描线圈连接所述第四功率放大器的另一端，所述第一梯度磁场扫描线圈与所述第二梯度磁场扫描线圈为一对线圈，用于在成像视野内产生梯度偏置磁场，即：沿x轴方向的低梯度值的梯度磁场，并通过电流调控实现该梯度磁场在x轴方向上的空间扫描；

17、所述第一选择磁场线圈连接所述第五功率放大器的另一端，所述第二选择磁场线圈连接所述第六功率放大器的另一端，所述第一选择磁场线圈与所述第二选择磁场线圈为一对线圈，用于在成像视野内产生沿y轴方向的高梯度值的梯度磁场，从而形成mpi的无磁场线和选择磁场，并通过电流调控实现无磁场线在y轴方向上的空间扫描；

18、所述接收线圈用于接收成像视野中的超顺磁性粒子的响应信号。

19、其中，所述激励线圈和所述接收线圈为两个共线的螺线管，所述第一扫描线圈和所述第二扫描线圈组成亥姆霍兹线圈；所述第一梯度磁场扫描线圈和所述第二梯度磁场扫描线圈为两个共轴的圆形线圈；所述第一选择磁场线圈和所述第二选择磁场线圈为两个共轴的跑道形线圈。

20、其中，接收电路模块包括：陷波电路和前置放大器；其中，

21、所述陷波电路、所述前置放大器与所述接收线圈串联；所述陷波电路用于滤除所述接收线圈感应的馈通信号；所述前置放大器用于放大去除馈通信号后的探测信号，从而放大超顺磁性粒子的响应信号。

22、其中，信号采集及处理模块包括数据采集卡和电脑；其中，

23、所述数据采集卡用于将所述探测信号转换为数字信号，并将其储存至所述电脑中；所述电脑用于信号处理、图像重建以及系统的控制。

24、本发明的第二个目的在于提出一种高灵敏度的磁粒子成像方法，包括：

25、在选择磁场上施加激励磁场，激励所述无磁场线中的超顺磁性粒子的磁化响应信号；同时叠加所述梯度偏置磁场，使无磁场线中不同位置的超顺磁性粒子所受到的激励磁场含有不同程度的偏置；通过所述第一梯度磁场扫描线圈和所述第二梯度磁场扫描线圈的电流调控实现所述梯度偏置磁场的幅值扫描，从而实现无磁场线不同位置上的激励偏置程度的扫描，进而完成x轴方向上的a扫描；

26、通过所述第一选择磁场线圈和所述第二选择磁场线圈的电流调控实现无磁场线沿y轴方向的扫描，从而完成xy平面上的b扫描；

27、通过施加所述扫描磁场实现无磁场线沿ｚ轴方向的扫描，从而完成三维空间扫描；

28、对所述a扫描过程中所采集的数据做傅里叶变换，并提取一或多个谐波频点的相位信号；使用所述相位信号对时间的微分值作为所述超顺磁性粒子的响应信号；同时，根据谐波频点相位突变所需的激励偏置值以及所述梯度偏置磁场的分布计算出相位突变在无磁场线中的空间位置；将所述响应信号映射到相位突变的空间位置上，从而实现a扫描的图像重建；

29、将a扫描的图像信号映射到无磁场线的空间位置上，随着无磁场线的空间扫描，映射出不同位置的a扫描图像，并通过a扫描图像的拼接实现b扫描和三维空间扫描的图像重建。

30、区别于现有技术，本发明提供的高灵敏度的磁粒子成像系统，通过谐波相位的突变进行超顺磁性粒子的探测；由于该相位突变在极短的时间内偏转了180度，因此，相较于传统mpi的信号探测，使用相位的突变（即：相位对时间的微分）作为响应信号可获得更高的探测信号幅值，致使信噪比大幅提升，进而显著提高了系统探测超顺磁性粒子的灵敏度；本发明通过相位突变位置的漂移可高灵敏地探测超顺磁性粒子周围环境性质的变化，从而使得本发明在探测组织微环境变化方面的灵敏度显著高于传统mpi。