一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置

本发明属于磁粒子成像领域，具体涉及了一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置。

背景技术：

1、磁粒子成像（mpi）是一种新型的成像技术，具有可量化、超高灵敏等优势。mpi目前广泛应用于肿瘤检测、心血管成像、动脉粥样硬化成像、细胞跟踪、磁热疗指导等领域。从临床前到临床应用以及mpi在人体尺度上应用的主要障碍是缺乏足够孔径的成像设备。目前仅有小型动物的磁粒子成像设备上市，各国实验室均在自行研发更大孔径的、适用于人体的磁粒子成像设备。

2、研发更大孔径的设备的一个可选择性技术方案就是在梯度场的基础上加一个缓慢移动的驱动场，通过较大范围地移动磁场自由区域来实现大范围的扫描。该方法的一个显著性缺陷就是需要较长时间的扫描和周围神经刺激（pns）的限制。长时间的扫描会带来一系列的隐患，包括对设备的稳定性要求增加、设备的总能耗增加等。同时针对一些对时间分辨率要求很高的场景，比如心脏搏动、血流等的变化时，较长时间分辨率的成像可能无法得到足够有效的信息。特别是对于更大孔径的设备，有可能应用于大尺寸的动物和人，这些应用场景上更加需要在保持大范围扫描的同时有较高的时间分辨率。

3、最早在2018年就有国外的团队提出过基于聚焦场的较大孔径mpi设备。目前大孔径的mpi设备搭建的方向大致可以分为两个部分，一个是外加聚焦场，通过较大范围的移动来实现扫描范围的增大。一个是降低梯度场的梯度，在同样激励幅值情况下实现磁场自由区大范围的扫描。前者需要额外供电，有较大的能耗；后者在分辨率方面不够理想。

4、mpi设备利用得到磁场自由点区域主要有磁场自由线（ffl）和磁场自由点(ffp)。基于ffl设备的因为能在更多的区域激发粒子产生信号而有更好的信噪比。所以本发明提出一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置，能够并行扫描多个范围的区域，实现大范围的成像。同时一条磁场自由线扫描更小的区域，该设备能够有更小的周围神经刺激。

5、基于此，本发明了一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术中较大孔径下扫描足够范围的周围神经刺激和比吸收率的限制以及成像时间分辨率不高的问题，本发明提供了一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置，该装置包括第一线圈、第二线圈、激励线圈和接收线圈；

2、所述第一线圈用于通入第一频率的电流生成多根磁场自由线；所述第一线圈沿其所在的平面均匀设置n组；

3、所述第二线圈用于通入第一频率的电流，与所述第一线圈共同作用下，驱动所述磁场自由线旋转；所述第二线圈沿其所在的平面均匀设置2×（n-1）组，所述第二线圈设置在成像视野的远离所述第一线圈的一侧；

4、所述激励线圈用于通入第二频率的电流驱动所述磁场自由线快速扫描；所述激励线圈沿其所在的平面均匀设置n-1组；所述激励线圈设置在所述第一线圈的靠近所述成像视野的一侧；

5、所述接收线圈接收每一个时间点的磁场自由线扫描到的粒子信号，所述接收线圈沿其所在的平面均匀设置n-1组；所述接收线圈设置在所述激励线圈的靠近所述成像视野的一侧；

6、所述第一线圈、所述第二线圈、所述激励线圈和所述接收线圈沿所述成像视野的中心上下对称设置。

7、在一些优选的实施方式中，所述第一线圈的长轴和所述第二线圈的长轴垂直设置。

8、在一些优选的实施方式中，所述第二线圈沿其所在的平面均匀设置2×（n-1）组，具体为：

9、所述第二线圈在所述成像视野的远离所述第一线圈的平面上设置两列，每列设置n-1组。

10、在一些优选的实施方式中，每列的n-1组所述第二线圈的长轴所在的直线重合设置，两列的n-1组所述第二线圈的长轴所在的直线平行设置。

11、在一些优选的实施方式中，所述第二频率大于第一频率。

12、在一些优选的实施方式中，n组所述第一线圈之间的长轴平行设置。

13、在一些优选的实施方式中，所述第一线圈和所述第二线圈的选择均包括亥姆霍兹线圈。

14、在一些优选的实施方式中，所述第一线圈用于通入第一频率的电流，具体为：

15、在n组所述第一线圈中的其中一半的所述第一线圈通入的电流i1为：

16、i1=ix×cos(2×pi×f×t)；

17、在n组所述第一线圈中的另一半的所述第一线圈通入的电流i2为：

18、i2=-ix×cos(2×pi×f×t)；

19、其中，ix为第一线圈通入电流的幅值；f为第一频率；t为时间；pi为圆周率。

20、在一些优选的实施方式中，所述第二线圈用于通入第一频率的电流，具体为：

21、在2×（n-1）组所述第二线圈中的其中一半的所述第二线圈通入的电流i3为：

22、i3=iy×sin(2×pi×f×t)；

23、在2×（n-1）组所述第二线圈中的另一半的所述第二线圈通入的电流i4为：

24、i4=-iy×sin(2×pi×f×t)

25、其中，iy为第一线圈通入电流的幅值。

26、在一些优选的实施方式中，所述激励线圈用于通入第二频率的电流i5，具体为：

27、i5=ir×cos(2×pi×fr×t)；

28、其中，ir为激励线圈通入电流的幅值，fr为第二频率。

29、在一些优选的实施方式中，其使用方法为：

30、将扫描样本放入成像视野的中心，将所述第一线圈、所述第二线圈、所述激励线圈和所述接收线圈均通入电流，生成多根磁场自由线，使所述磁场自由线均匀遍布于扫描样本平面，并实现所述磁场自由线在空间中的移动、信号激励和信号接收；

31、基于多个接收线圈接收多个信号，将接收到的信号通过mpi的成像算法得到磁纳米粒子在扫描样本内浓度的分布图，生成一幅图像，作为mpi图像；

32、将多个信号对应的多幅mpi图像按照设定的空间顺序连接起来，得到大视野范围的mpi图像。

33、本发明的有益效果：

34、（1）本发明的装置建立在亥姆霍兹线圈产生的多根磁场自由线的基础上，通过双层线圈通入交变电流能够实现磁场自由线的旋转，同时激励磁场的存在能够让每一根磁场自由线在较小范围内扫描，多磁场自由线的结构可实现较大范围视野的成像。同时通过在一对亥姆霍兹线圈上通入不同大小的交变电流，或者外加一个静态偏置场实现磁场自由线在某一个方向的偏移，可以实现三维的成像。

35、（2）该装置能够在较短的时间内进行多范围的磁场自由线成像，同时是开放式的磁场自由线装置，对于mpi的大孔径人体设备的研制和特殊场景的使用下有深远的意义。

技术特征：

1.一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置，其特征在于，该装置包括第一线圈、第二线圈、激励线圈和接收线圈；

2.根据权利要求1所述的一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置，其特征在于，所述第一线圈的长轴和所述第二线圈的长轴垂直设置。

3.根据权利要求2所述的一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置，其特征在于，所述第二线圈沿其所在的平面均匀设置2×（n-1）组，具体为：

4.根据权利要求3所述的一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置，其特征在于，所述第二频率大于第一频率。

5.根据权利要求4所述的一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置，其特征在于，n组所述第一线圈之间的长轴平行设置。

6.根据权利要求5所述的一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置，其特征在于，所述第一线圈和所述第二线圈的选择均包括亥姆霍兹线圈。

7.根据权利要求6所述的一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置，其特征在于，所述第一线圈用于通入第一频率的电流，具体为：

8.根据权利要求7所述的一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置，其特征在于，所述第二线圈用于通入第一频率的电流，具体为：

9.根据权利要求8所述的一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置，其特征在于，所述激励线圈用于通入第二频率的电流i5，具体为：

10.根据权利要求9所述的一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置，其特征在于，其使用方法为：

技术总结
本发明属于磁粒子成像领域，具体涉及了一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置。旨在解决现有技术中较大孔径下扫描足够范围的周围神经刺激和比吸收率的限制以及成像时间分辨率不高的问题。本发明包括：第一线圈、第二线圈、激励线圈和接收线圈；第一线圈用于通入第一频率的电流生成多根磁场自由线；第二线圈用于通入第一频率的电流，与第一线圈共同作用下，驱动磁场自由线旋转；激励线圈用于通入第二频率的电流驱动磁场自由线快速扫描；接收线圈接收每一个时间点磁场自由线扫描到的粒子信号；第一线圈、第二线圈、激励线圈和接收线圈沿成像视野的中心上下对称设置。本发明能够在较短的时间内进行多范围的磁场自由线成像。

技术研发人员：田捷,雷思奥,安羽
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11