基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备及方法

本发明属于生物医学成像，具体涉及一种基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备及方法。

背景技术：

1、mpi(magnetic particle imaging，磁粒子成像)利用磁粒子对高频磁场的响应来进行成像，其响应信号通常是宽频的，在这个过程中可能会受到噪声或激励磁场耦合的影响。窄带mpi的出现降低了mpi带宽的需求，同时也更容易获得信噪比更高的图像。

2、单谐波mpi在窄带mpi的基础上进一步改进，只需要接收信号的单谐波信号，通常是三次谐波。单谐波mpi在某个维度上产生激励磁场使磁粒子产生响应，接着通过机械移动或电磁移动使扫描区域逐渐遍历整个fov(field of view，成像视野)，通过记录fov的遍历顺序将采集的三次谐波通过插值等方法得到一张谐波值的分布图，接着对这张图进行反卷积就可以得到磁粒子在fov内的浓度分布图，其中，点扩散函数是点状仿体用同样的方式通过预采集得到的。

3、现有单谐波mpi存在以下缺点：

4、首先单谐波mpi中，传统设备是以机械扫描或者部分电扫的方式实现成像，尺寸为71像素×41像素(约14.2mm×8.2mm视场(fov))的图像需要5min来扫描，扫描时间较长，无法实现快速成像。

5、其次是，在传统单谐波mpi中，来自视场(fov)边缘的超顺磁性氧化铁纳米粒子(spions)的谐波信号不能被接收到，导致有效视野变小。

6、最后，由于单谐波磁粒子成像中激励向psf的特殊分布，某些谐波信号会互相抵消，造成重建图像出现伪影。而现今的不论单谐波还是窄带mpi设备，仅仅使用与激励线圈同向的单谐波信号进行重建图像。

7、垂直磁化是另一种可以提高磁粒子信号信噪比的方式，因为垂直磁化和激励磁场是解耦合的。它通过在激励场的垂直方向接收来自磁粒子的非线性响应信号。2022年，k.j等人开发了一种基于单一谐波的窄带mpi方法，该方法通过与三次谐波的点扩散函数(psf)进行反卷积得到重建图像。该方案依靠自由场点(ffp)的机械运动，一个尺寸为71像素×41像素(约14.2mm×8.2mm视场(fov))的图像将需要5min来扫描。垂直磁化现在被报道应用于mps(magnetic particle spectrum)中的高灵敏信号检测，因为垂直磁化信号天然和激励磁场是解耦的。weaver于2015年提出了垂直磁化可以应用于mpi成像，并在仿真上进行了验证。

8、现有垂直磁化存在以下缺点：

9、首先，现有的垂直磁化多用来提高mps信号的信噪比，忽略了垂直磁化的额外信息的作用，且以该种方法(mps)无法进行成像，仅仅实现的是信号检测。

10、其次，现有的基于仿真的垂直磁化方案硬件设备复杂，扫描方式繁琐，成像效率低。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备及方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、本发明提供了一种基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备包括：

3、第一永磁体1与第二永磁体2相对设置构成的永磁体对；所述第一永磁体1与第二永磁体2产生的磁场极性相反；从而在成像平面10的中心产生一个无磁场区域11；设置在所述第一永磁体1下表面的第一亥姆霍兹驱动线圈3，和设置在第二永磁体2上表面的第二亥姆霍兹驱动线圈4，第一亥姆霍兹驱动线圈3与第二亥姆霍兹驱动线圈4相对设置构成第一对驱动线圈组；相对设置的第三亥姆霍兹驱动线圈5与第四亥姆霍兹驱动线圈6；两对驱动线圈组正交设置，分别通入低频的正弦交变电流，使得无磁场区域11在成像平面10中移动达到扫描磁粒子的作用；

4、螺线管线圈7为激励线圈，通入高频正弦交变电流信号，产生激励磁场用以激发磁粒子产生磁粒子信号；与螺线管线圈7同轴设置的螺线管线圈8，所述螺线管线圈8为平行接收线圈，用以接收激励向的磁粒子信号；与螺线管线圈8正交设置的马鞍形传感线圈9，马鞍形传感线圈9为垂直接收线圈，用以接收与激励向垂直的垂直向磁粒子信号；螺线管线圈8和马鞍形传感线圈9构成正交传感线圈组。在马鞍形传感线圈9之间存在成像平面10，成像平面10中心存在一个无磁场区域11；

5、螺线管线圈7的轴线为x轴，马鞍形传感线圈9的轴线为y轴，垂直于成像平面10的轴线为z向，第一永磁体1、第二永磁体2、第一亥姆霍兹驱动线圈3、第二亥姆霍兹驱动线圈4、马鞍形传感线圈9与y轴平行设置；第三亥姆霍兹驱动线圈5、第四亥姆霍兹驱动线圈6、螺线管线圈7、螺线管线圈8与x轴平行设置，x轴、y轴、z轴两两正交设置。

6、本发明提供了一种基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像方法，其特征在于，使用基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备，所述基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像方法包括：

7、s100，利用永磁对构建梯度磁场，从而在成像设备中心生成无磁场区域；并对两对驱动线圈通入交变电流，以产生驱动磁场；在激励线圈通入交变电流对磁纳米粒子进行激发，以产生磁粒子信号，并通过正交传感线圈组获取激励向、垂直向的磁粒子信号；

8、s200，对正交传感线圈感应的磁粒子信号进行处理，得到不同时刻的瞬时单谐波信号；

9、s300，将两个方向的驱动磁场的扫描轨迹合成，并对合成的扫描轨迹进行网格离散化；

10、其中，每个离散网格对应一个成像像素；所述合成的扫描轨迹为两个方向的驱动磁场同时工作时的扫描路径；

11、s400：将瞬时单谐波信号按照时间依次映射到对应的离散网格上，并进行图像插值处理，获得单谐波原生图像；

12、s500：针对待成像物体和点状仿体，均按照步骤s100-s400执行以预先采集点状仿体在激励向以及垂直向的点扩散函数，并且采集待成像物体的单谐波原生图像，并根据激励向和垂直向的点扩散函数分别构建系统矩阵；将根据激励向和垂直向各自构建出的系统矩阵分别作为单谐波卷积核；

13、s600：利用每个单谐波卷积核对s400中待成像物体的单谐波原生图像在对应的向进行反卷积操作实现联合重建，得到最终的磁纳米粒子空间浓度分布图，从而完成对待成像物体进行快速高质量成像。

14、本发明的有益效果：

15、本发明提供了一种基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备以及方法，通过正交传感线圈代替单接收线圈获取多维空间单谐波磁粒子信号进行联合重建，并且实现了全电扫。因此，本发明在改善单谐波磁粒子的图像质量的同时，有利于单谐波mpi的快速高质量成像，改善了某些谐波信号会互相抵消造成重建图像不准确的问题，能够在单谐波重建下提升图像重建质量。本发明与传统单谐波磁粒子成像方法对比，实现了全电磁扫描，有利于单谐波磁粒子成像快速成像；有效利用垂直磁化信号，能够实现准确成像。总之，本发明能够实现单谐波磁粒子快速高质量成像。

16、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

技术特征：

1.一种基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备，其特征在于，所述基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备与外部设备电连接，所述外部设备包括：供电模块、磁粒子仿体递送平台模块、信号采集和处理模块、图像重建模块；

3.一种基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像方法，其特征在于，使用权利要求1或2所述的基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备，所述基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像方法包括：

4.根据权利要求3所述的基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像方法，其特征在于，s100包括：

5.根据权利要求3所述的基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像方法，其特征在于，s300包括：

6.根据权利要求5所述的基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像方法，其特征在于，s400包括：

7.根据权利要求5所述的基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像方法，其特征在于，s500包括：

8.根据权利要求5所述的基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像方法，其特征在于，s600包括：

技术总结
本发明提供了一种基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备以及方法，通过正交传感线圈代替单接收线圈获取多维空间单谐波磁粒子信号进行联合重建，并且实现了全电扫。因此，本发明在改善单谐波磁粒子图像质量的同时，有利于实现单谐波MPI的快速成像，改善了某些谐波信号会互相抵消造成重建图像不准确的问题，能够在单谐波重建下提升图像重建质量。本发明与传统单谐波磁粒子成像方法对比，实现了全电磁扫描，有利于单谐波磁粒子成像快速成像；并且有效利用垂直磁化信号，能够实现准确成像。

技术研发人员：朱守平,廖义东,李蕾,葛大伟,郜云鹏
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14