一种基于磁粒子成像的微型检测系统

本发明涉及医学炎症影像，具体涉及一种基于磁粒子成像的微型检测系统。

背景技术：

1、目前，包括狼疮和系统性硬化症在内的自身免疫病，致病因素复杂，由于发病机制不明，临床表现存在强异质性，不仅造成了临床上诊断治疗困难和延迟，对其发病机制的研究也带来了巨大挑战。而目前狼疮以及系统性硬化症的诊断主要是基于典型的临床表现(如皮肤受累和雷诺现象)、阳性血清学以及医学影像学的组合。

2、光学成像如今在生物医学领域有了广泛的应用，其中微循环检测仪作为一种新型光电仪器，能够无创实现人体肢端毛细血管检测，可以作为包括自身免疫病、高血压、心脑血管疾病等疾病的早期辅助诊断手段，尽管光学分子影像具有高分辨率优势，但是光学信号在生物组织传播过程，存在生物组织穿透深度的物理局限性，且不能提供生物分子层面的检测信息。

3、近年研究发现，磁性纳米粒子成像mpi具有高时空分辨率、高灵敏度和无组织穿透深度限制等诸多优势。为解决上述困境提供了新的解决方案。目前也被广泛应用于细胞跟踪、血管造影以及炎症成像等领域，但磁性纳米粒子成像mpi也存在着全身成像无法避免信号干扰的问题，同时，少有缩小检测区域，提高信噪比和灵敏度的微型检测设备研发。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提供了一种基于磁粒子成像的微型检测系统，用于指端检测的磁粒子成像的微型简易装置，采用单片机作为控制终端，使用了更贴近成像孔的接收线圈，同时采用低直径的驱动线圈及接收线圈，通过提高信噪比和减少背景干扰信号的方法，一方面有效提高了实验效率以及检测系统的灵敏度，另一方面大大提高了便携性。

2、一方面，本发明提供了一种基于磁粒子成像的微型检测系统，包括：信号采集模块、控制模块、信号发生模块和信号接收模块；

3、所述信号采集模块包括接收线圈、驱动线圈和永磁体；

4、所述接收线圈的内圈贴合被测对象肢端，用于采集被测对象肢端发出的感应电压信号；

5、所述驱动线圈周向设置在所述接收线圈的外圈，与所述接收线圈的外圈不接触，用于构建驱动场；

6、所述驱动场用于驱动无磁场点穿过被测对象肢端，改变无磁场点附近的磁粒子磁化强度；所述接收线圈外圈的上、下端设置成像孔；如图2；

7、所述驱动场为正弦激励磁场或脉冲方波激励磁场；

8、所述永磁体周向连接在所述驱动线圈的外圈，与所述驱动线圈的外圈接触，用于构建选择场；

9、进一步的，所述选择场为静态梯度磁场，用于驱动除无场点附近的磁粒子以外的所有磁粒子，达到饱和；如图2；

10、优选的，所述永磁体为钕铁硼永磁体；所述永磁体构成静态梯度磁场；

11、所述驱动线圈为亥姆霍兹线圈，所述驱动线圈构成激励磁场；

12、优选的，所述静态梯度磁场与所述激励磁场的磁场强度比例关系为3-6:10-20；

13、进一步的，所述永磁体构成3-6t/m的静态梯度磁场，所述驱动线圈构成10-20mt的正弦激励磁场或脉冲方波激励磁场。

14、更进一步，所述永磁体构成4t/m的静态梯度磁场，所述驱动线圈构成15mt的正弦激励磁场。

15、本发明技术方案中设定了永磁体构成4t/m的静态梯度磁场，驱动线圈构成15mt的正弦激励磁场，显著提高了磁场的有效信号，进一步提高了接收线圈的信号质量和灵敏度。

16、本发明一个实施例中，所述对象肢端为人体指端；

17、采用正反绕组的方式将利兹线在线圈框架上缠绕，得到圆柱形接收线圈；

18、进一步的，所述圆柱形接收线圈的直径为15mm，高度为20mm；

19、所述采用正反绕组的方式将利兹线在线圈框架上缠绕40匝。

20、本发明采用正反绕组的方式将利兹线在线圈框架上缠绕40匝，该缠绕方式显著降低背景噪声，同时提高了信噪比和灵敏度。

21、所述控制模块包括单片机和rgb显示屏；用于控制系统的启动、中断、信号实时监测和数据存储；

22、所述单片机一侧连接rgb显示屏一侧；单片机另一侧连接adda芯片；

23、所述信号发生模块包括数模转换器、带通滤波器和功率放大器；所述数模转换器一侧连接所述带通滤波器一侧，所述带通滤波器另一侧连接功率放大器一侧；

24、所述信号发生模块用于产生正弦电流或脉冲方波使所述驱动线圈施加均匀的激励磁场；

25、所述信号接收模块包括低噪声放大器、带阻滤波器和模数转换器；所述低噪声放大器一侧连接所述带阻滤波器一侧，所述带阻滤波器另一侧连接所述模数转换器一侧；

26、所述信号接收模块用于处理和传输所述接收线圈采集的感应电压信号；所述模数转换器将接收线圈采集到的感应电压信号输出为数字信号；

27、优选的，所述永磁体为钕铁硼永磁体；所述永磁体构成静态梯度磁场；

28、所述驱动线圈为亥姆霍兹线圈，所述驱动线圈构成正弦激励磁场或脉冲方波激励磁场；

29、本发明一个实施例中，所述驱动线圈构成正弦激励磁场，接收线圈采集非线性响应电压信号，将所述非线性响应电压信号基于x空间的朗之万函数，获得磁粒子成像mpi的空间分辨率，基于所述磁粒子成像mpi的空间分辨率进行图像重建，输出正弦激励磁场的检测图像；

30、本发明一个实施例中，所述驱动线圈构成脉冲方波磁场，接收线圈采集感应电压信号，所述感应电压信号利用拉普拉斯逆变换进行弛豫时间分析成像，获得脉冲方波磁场的检测图像；

31、进一步的，所述正弦激励磁场的检测图像的表达式为：

32、

33、其中，a(t)为时刻t正弦激励磁场接收到的信号矢量，t＝1,2,3…t，t表示时刻总数；b1为灵敏度矩阵；m为正弦激励磁场中单个磁粒子的磁距；n为瞬时位置为无磁场点时磁粒子密度，c(x)为点扩散函数psf，即真实空间卷积函数，通过将所述驱动场的压摆率与其他常数相除，生成x空间原始图像，x表示实际空间位置矢量；xs(t)为时刻t无磁场点瞬时s位置，s表示瞬时；g为可逆梯度矩阵；esat为饱和所需的磁场矢量。

34、所述磁粒子成像mpi的空间分辨率表达式为：

35、

36、

37、其中，为时刻t磁粒子成像的空间分辨率；δx为点扩散函数矩阵psf的半高全宽，msat为磁粒子的饱和磁化强度，r为磁粒子直径，kb为波尔兹曼常数，t为温度，μ0为真空磁导率。

38、所述脉冲方波磁场检测图像的表达式为：

39、

40、其中，mz(d)表示磁粒子恢复的磁场强度，d表示磁粒子半径，δ表示磁粒子磁距，l(·)表示朗之万函数，w0表示磁场平坦阶段的幅值；wα为成像孔α方向上的磁场强度，wβ为成像孔β方向的磁场强度；α为空间水平方向坐标的单位向量，β空间垂直方向坐标的单位向量。

41、优选的，所述控制模块采用zynq-7010控制系统作为单片机开发，分别连接所述信号发生模块和信号接收模块，实现系统启动、中断和数据传输存储，采用rgblcd触摸屏，实现系统信号实时监测，如图3。

42、优选的，所述信号接收模块采用ad9280芯片实现模数转换，采集速率为每秒百万次，检测系统单次采样时间为5ms。

43、另一方面，基于上述检测系统本发明提供了一种基于磁粒子成像的检测方法，包括以下步骤：

44、s1:将被测对象肢端移入接收线圈的成像孔中；

45、s2:控制模块发出启动信号，经信号发生模块将编码的数字信号经数模转换器、带通滤波器和功率放大器处理后输出到驱动线圈，使驱动线圈施加均匀的正弦激励磁场；

46、s3:在正弦激励磁场中，成像孔进行信号采集，得到原始感应电压信号，所述原始感应电压信号依次通过信号接收模块的低噪声放大器、带阻滤波器和模数转换器转换为对应的数字信号，并将所述对应的数字信号输入控制模块进行数据存储；

47、s4:重复两次s2-3步骤，分别获得每次原始感应电压信号对应的数字信号，并输入控制模块进行数据存储；

48、数据存储包含三次数字电压信号后，中断检测系统；

49、s5:将所述三次原始感应电压信号对应的数字信号通过x空间磁粒子成像mpi进行图像重建，输出正弦激励磁场的检测图像。

50、本发明另一个实施例还包括：s2:控制模块发出启动信号，经信号发生模块将编码的数字信号经数模转换器、带通滤波器和功率放大器处理后输出到驱动线圈，使驱动线圈施加均匀的脉冲方波激励磁场；

51、s3:在脉冲方波激励磁场中，成像孔进行信号采集，得到原始感应电压信号，所述原始感应电压信号依次通过信号接收模块的低噪声放大器、带阻滤波器和模数转换器转换为对应的数字信号，并将所述对应的数字信号输入控制模块进行数据存储；

52、s4:重复两次s2-3步骤，分别获得每次原始感应电压信号对应的数字信号，并输入控制模块进行数据存储；

53、数据存储包含三次数字电压信号后，中断检测系统；

54、s5:将所述三次原始感应电压信号对应的数字信号利用拉普拉斯逆变换进行弛豫时间分析成像，获得脉冲方波磁场的检测图像。

55、与现有技术相比，本发明至少具有现如下有益效果：

56、(1)本发明采用了更贴近被检测对象肢端大小和结构的正反绕组梯度线圈作为接收线圈，从而更接近检测系统的信号感兴趣区域(roi)，提高了接收线圈的信号质量和灵敏度；

57、(2)本发明采用单片机作为控制终端有效提高了实验效率；

58、(3)本发明融合了磁粒子非线性响应信号和频谱弛豫时间分析，进一步提高了有效信号的采集。

59、(4)本发明采用低直径的驱动线圈及接收线圈搭建基于磁粒子成像的微型简易装置，大大提高了便携性。