基于室温超导的人体尺寸单边磁纳米粒子成像设备及方法

所属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。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。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。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。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。

背景技术：

1、在临床诊断和检测中，如何准确、客观的定位肿瘤及其他病灶一直是国际上的研究热点和挑战性问题。现有的医学影像技术如ct，mri，spect等方法均存在危害大，定位差，精度低等问题。而在近些年，一种全新的基于示踪剂的成像方式——磁粒子成像技术（mpi）被提出。利用断层成像技术，mpi可以通过检测对人体无害的超顺磁氧化铁纳米颗粒（spions）的空间浓度分布，对肿瘤或目标物进行精准定位，具有三维成像、高时空分辨率和高灵敏度的特点。此外，mpi不显示解剖结构并且无背景信号干扰，因此信号的强度与示踪剂的浓度直接成正比，是一种颇具医学应用潜力的新方法。

2、现今的mpi技术还处于发展阶段，硬件上还在不断的完善，mpi技术的终极目标是运用到临床治疗上，而针对临床治疗，研制人体尺寸的设备将是发展的趋势。对于常见的闭孔式设备结构或是改进后的开放式设备结构，扩大至人体尺寸都会极大降低系统稳定性，同时提高硬件系统的复杂度。一种简化版本是研制单边结构的设备，然而单边设备最大问题为产生的磁场衰减速度快、不均匀，如需同时产生扫描人体尺寸范围的磁场，则对电磁铁或永磁铁有极高的要求，因此在降低硬件系统的复杂度的同时保证系统的稳定性和较高的性能是一个问题。

3、另一方面，针对人体这样大范围的扫描，同时满足高灵敏和高时空分辨率是一个问题，对系统本身有较高的要求。然而在实际应用中，往往需要先定位再定量精准测量，因此如何设计系统使其满足日常的应用需求，在不提高设备硬件复杂度的情况下，实现所需的灵敏度、空间分辨率、成像速度和成像视野，成为本领域急需解决的问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的上述问题，即不提高设备复杂度的同时提高人体单边磁纳米粒子成像的灵敏度、空间分辨率、成像速度和成像视野的问题，本发明提供了一种基于室温超导的人体尺寸单边磁纳米粒子成像设备，所述成像设备包括：

2、床体单元设置于驱动单元及接收单元上方，用于承载待检测对象；

3、驱动单元用于在扫描视场区域中心处产生磁场自由区域，并激励磁纳米粒子产生待检测对象对应的感应电压信号；

4、接收单元接收所述感应电压信号，并滤除所述感应电压信号的直接馈通分量后进行信号放大，获得预处理信号；

5、数据处理单元用于通过数字滤波滤除所述预处理信号的直流分量，并通过傅里叶变换将滤波后信号转换为频谱序列，基于所述频谱序列和构造的系统矩阵进行图像重建，获得待检测对象的磁纳米粒子分布，实现人体尺寸的大视野磁纳米粒子成像。

6、在一些优选的实施例中，所述驱动单元包括磁场自由区发生模块、磁场自由区激励模块和电流发生模块；

7、所述磁场自由区发生模块，用于在所述电流发生模块的驱动下，在扫描视场区域中心处产生磁场自由区域并驱动所述磁场自由区域移动；

8、所述磁场自由区激励模块，用于在所述电流发生模块的驱动下，激励磁纳米粒子产生待检测对象对应的感应电压信号；

9、所述电流发生模块与所述驱动单元的其他模块电连接，通过输出不同波形和幅值的电流来驱动所述磁场自由区发生模块和所述磁场自由区激励模块；

10、所述磁场自由区发生模块、磁场自由区激励模块，其电磁线圈均使用室温超导材料。

11、在一些优选的实施例中，所述磁场自由区发生模块包括第一发生线圈组和第二发生线圈组，所述第一发生线圈组和所述第二发生线圈组分别包括两个电磁线圈；

12、所述磁场自由区域为磁场自由点或磁场自由线，当所述磁场自由区域为磁场自由线时，所述成像设备的检测灵敏度随磁场自由区域的增大而提高。

13、在一些优选的实施例中，所述第一发生线圈组的两个电磁线圈为大小相同、绕线方向相同的处于同一x-y平面的两个第一长条型电磁线圈；

14、所述第二发生线圈组的两个电磁线圈为大小相同、绕线方向相反的处于同一x-y平面的两个第二长条型电磁线圈；

15、以所述第一长条型电磁线圈的长轴方向为x方向，以所述第二长条型电磁线圈的长轴方向为y方向，以电磁线圈的孔径方向为z方向；

16、两个所述第一长条型电磁线圈的长轴沿x方向平行设置，孔径沿z方向，分别与所述电流发生模块连接，通过通入大小相同的电流产生磁场自由区域；

17、两个所述第二长条型电磁线圈的长轴沿y方向平行设置，孔径沿z方向，分别与所述电流发生模块连接，通过通入大小相同的电流使所述磁场自由区域绕z轴旋转。

18、在一些优选的实施例中，所述磁场自由区激励模块包括第一激励线圈和第二激励线圈；

19、所述第一激励线圈与所述第一发生线圈组的电磁线圈长度相等，且所述第一激励线圈与所述第一发生线圈组平行设置，置于x-y平面内，孔径沿z方向；

20、所述第二激励线圈与所述第一发生线圈组平行设置，置于x-y平面，孔径沿z方向，所述第二激励线圈的长度为所述第一激励线圈的五分之一。

21、在一些优选的实施例中，所述接收单元包括信号接收模块、信号处理模块及数模转换模块；

22、所述信号接收模块，包括第一接收线圈和第二接收线圈，用于接收所述感应电压信号；所述第一接收线圈和所述第二接收线圈均为电磁线圈，所述第二接收线圈为所述第一接收线圈长度的五分之一；所述第一接收线圈和所述第二接收线圈均使用室温超导材料；

23、所述信号处理模块，包括陷波滤波器和运算放大器，所述陷波滤波器用于滤除所述感应电压信号的直接馈通分量，所述运算放大器用于进行滤波后信号的放大；

24、所述数模转换模块，用于将放大后的信号转换为数字信号，获得预处理信号。

25、在一些优选的实施例中，所述数据处理单元包括数字处理模块和图像重建模块；

26、所述数字处理模块，用于通过数字滤波滤除所述预处理信号的直流分量，并通过傅里叶变换将滤波后信号转换为频谱序列；

27、所述图像重建模块，用于基于所述频谱序列构造系统矩阵，并利用系统矩阵和所述待测对象的频谱序列进行图像重建，获得待检测对象的磁纳米粒子分布，实现人体尺寸的大视野磁纳米粒子成像。

28、本发明的另一方面，提出了一种基于室温超导的人体尺寸单边磁纳米粒子成像方法，基于上述的基于室温超导的人体尺寸单边磁纳米粒子成像设备，所述成像方法包括：

29、步骤s100，通过驱动单元在扫描视场区域中心处产生磁场自由区域，并激励磁纳米粒子产生待检测对象对应的感应电压信号；

30、步骤s200，接收单元接收所述感应电压信号，并滤除所述感应电压信号的直接馈通分量后进行信号放大，获得预处理信号，将所述预处理信号发送至数据处理单元；

31、步骤s300，数据处理单元通过数字滤波滤除所述预处理信号的直流分量，并通过傅里叶变换将滤波后信号转换为频谱序列；

32、步骤s400，数据处理单元基于所述频谱序列和构造的系统矩阵进行图像重建，获得待检测对象的磁纳米粒子分布，实现人体尺寸的大视野磁纳米粒子成像。

33、在一些优选的实施例中，所述系统矩阵，其构造方法为：

34、步骤s410，将视场区域划分为n个等大的像素块，将磁粒子样本放入视场区域，控制磁场自由区域即磁场自由点或磁场自由线遍历n个像素块并分别获得n组感应电压信号；其中，当磁场自由区为磁场自由线时，在采集每个所述像素块的感应电压信号时，将360度均分为等大的k个间隔，通过每次将样本绕中心旋转360/k度，得到每组的k个信号；当磁场自由区为磁场自由点时，每组信号包括单个角度下采集的一个信号；所述磁粒子样本与划分的像素块大小相等；

35、步骤s420，对每组感应电压信号中的所有信号分别做傅里叶变换，其中，对于磁场自由线，得到n组、每组k个信号的频谱序列，对于磁场自由点，得到n组，每组1个信号的频谱序列；提取每个频谱序列中主倍频和周围窄带频点，将每组中所有信号对应的频点依次连接成一个一维频谱，并依序将各组信号拼接成n个一维频谱向量；所述主倍频和周围窄带频点为m个；

36、步骤s430，将n组一维频谱向量组合为一个r*n大小的系统矩阵，其中，当磁场自由区为磁场自由线时，r=m*k，当磁场自由区为磁场自由点时，r=m；

37、本发明的第三方面，提出了一种基于室温超导的人体尺寸单边磁纳米粒子成像方法，基于上述的基于室温超导的人体尺寸单边磁纳米粒子成像设备，所述成像方法包括：

38、步骤a100，通过所述电流发生模块向磁场自由区发生模块通入电流，生成磁场自由区域，并驱动磁场自由区旋转；

39、步骤a200，将第一激励线圈与第一接收线圈调整至靠近床体单元的一边，通过所述电流发生模块向第一激励线圈中输入交变电流，激励磁纳米粒子产生信号，进行大范围的定位扫描；

40、步骤a300，接收单元接收基于大范围的定位扫描获得的感应电压信号，并滤除所述感应电压信号的直接馈通分量后进行信号放大，获得预处理信号，数据处理单元通过数字滤波滤除所述预处理信号的直流分量，并通过傅里叶变换将滤波后信号转换为频谱序列，基于所述频谱序列和构造的系统矩阵进行图像重建，获得目标的位置信息；

41、步骤a400，通过所述电流发生模块向磁场自由区发生模块通入电流，提高第一电流的幅值，生成更细的磁场自由区，并驱动磁场自由区旋转；

42、步骤a500，将第二激励线圈与第二接收线圈调整至靠近床体单元的一边，并移动第二激励线圈及第二接收线圈在x方向上的位置靠近所述目标的位置信息；通过电流发生模块向第二激励线圈中输入交变电流，激励磁纳米粒子产生信号，进行小范围的精准定量扫描；

43、步骤a600，接收单元接收基于小范围的精准扫描获得的感应电压信号，并滤除所述感应电压信号的直接馈通分量后进行信号放大，获得预处理信号，数据处理单元通过数字滤波滤除所述预处理信号的直流分量，并通过傅里叶变换将滤波后信号转换为频谱序列，基于所述频谱序列和构造的系统矩阵得到磁粒子浓度的空间分布，获得目标的精准定量信息；

44、步骤a700，重复步骤a500 -步骤a600，遍历所述目标的位置中各个位置，获取不同目标位置的磁粒子精准定量分布，实现人体尺寸的大视野高精度磁纳米粒子成像。

45、本发明的有益效果：

46、（1）本发明基于室温超导的人体尺寸单边磁纳米粒子成像设备，单边的磁纳米粒子系统设置简化了硬件，无需增加系统复杂度，便于实际应用中的筛查。

47、（2）本发明基于室温超导的人体尺寸单边磁纳米粒子成像设备，驱动模块为室温超导材料，解决了由于单边系统造成的磁场均匀度和稳定性的下降问题，可以生成更加稳定和大范围的磁场自由区，实现人体尺寸的大视野磁纳米粒子成像。

48、（3）本发明基于室温超导的人体尺寸单边磁纳米粒子成像设备及方法，基于超导材料可以给电磁线圈中通入更大的电流，而不存在损耗和发热的问题，因此通过调整电流大小即可满足大范围定位成像和精准定量成像模式之间的切换，可以在实际应用中快速的进行大范围的病灶定位以及小范围的精准成像。

49、（4）本发明基于室温超导的人体尺寸单边磁纳米粒子成像设备，通过向磁场自由区发生模块中基于超导材料的线圈通入大电流可以生成高梯度的磁场自由区，在不需要额外增加硬件复杂度的情况下，获得高分辨率的成像；此外基于磁场自由线的无惯性驱动扫描，可以进行实时成像；磁场自由区则提供了高灵敏度的成像，因此可以实现大成像视野下分辨率、成像速度和灵敏度的提升。