一种单边磁粒子成像装置及系统

本发明属于成像设备，具体涉及一种单边磁粒子成像装置及系统。

背景技术：

1、磁性纳米粒子成像(magnetic particle imaging，mpi)是一种可实现快速、精准成像的新兴断层成像技术。该技术通过检测磁性纳米粒子在变化磁场中的非线性磁化信号，进而重构粒子在待测区域中的浓度分布状况。在该过程中，变化的磁场产生移动的零场区域，当零磁场区域中存在磁粒子时，磁粒子会被激励信号激发从而产生出变化的谐波信号，接收装置能够接收到谐波信号。同时，相比其他成像方法，磁粒子成像设备更容易实现高分辨率和高灵敏度成像，定量的快速动态扫描，并且没有任何电离辐射。所以磁粒子成像设备在临床上的快速诊断和术中实时监控领域中具有广泛的应用前景。

2、全封闭式结构的磁粒子成像设备主要针对的是大型和固定的小动物系统，其视场(fov)最大只有几厘米。考虑到人体病灶本身并不大，但如果将全封闭式的磁粒子成像仪器应用到人体尺寸的规模，就需要建立像核磁共振设备一样的尺寸，这无疑增加了技术的难度和设备的成本。因此，全封闭式磁粒子成像设备目前还无法做到人体的尺寸，不能直接应用于临床研究。

3、基于此，研究人员提出了利用单边结构的磁粒子成像系统。单边磁粒子成像于2008年首次提出，包括了使用零磁场线的单边磁粒子成像和利用零磁场点寻找乳腺癌前哨淋巴结的小型化单边磁粒子成像装置。2009年，timo f sattel开发了一种一维零磁场点单面磁粒子成像扫描仪，该设备利用非对称线圈拓扑允许无限大小的对象。但是，该扫描仪的穿透深度和视场的大小有限。2015年德国吕贝克大学提出的二维单边磁粒子成像扫描仪，可以实现在距离线圈约10mm的范围内成像。这种用零磁场点扫描的单边磁粒子成像扫描仪不受扫描对象大小的限制。但该设备穿透深度有限，只能对特殊的部位进行检测，而且成像分辨率差，磁场强度分布不均匀，磁场利用率低，功耗大。到2020年，单面磁粒子成像扫描仪已被改进用于多维成像，可以实现穿透深度达到14毫米，并且成像视野为30×30×30mm3的3维成像。2021年，麻省理工团队erica e.mason设计了一款手持单面磁粒子光谱仪，能够在30mm处检测到最低9ug的磁粒子，紧贴设备低端时最低检测到低至100ng的铁含量，证明了该装置能够检测乳腺中的小体积残余肿瘤组织，但是该设备不能成像且功率高，需要27.9a的驱动电流，大电流长时间工作产生的热量会影响设备的稳定运行。

4、综上，现有的单边磁粒子成像装置磁场效率低，磁场分布不均匀，使得单边磁粒子成像所能达到的穿透深度有限，这限制了它的发展；且随着探测深度的增加，设备的灵敏度会急剧下降。此外，现有的单边磁粒子成像装置普遍存在的分辨率不高的问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种单边磁粒子成像装置及系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、第一方面，本发明提供了一种单边磁粒子成像装置，包括支架、海尔贝克阵列永磁体、激励线圈、铁氧体芯、铜管、接收线圈以及固定外壳；其中，

3、所述支架设置在整个装置的底部，用于支撑整个装置；其上设有一通孔，以便于所述激励线圈、所述铁氧体芯、所述铜管以及所述接收线圈穿过；

4、所述海尔贝克阵列永磁体环绕并固定在所述支架上；

5、所述激励线圈采用分段式“工”字形对称结构；

6、所述铁氧体芯位于所述激励线圈内部；

7、所述铜管设置在所述激励线圈外部；

8、所述接收线圈包括三部分，一部分设置在所述激励线圈下方，并采用扁平螺旋式结构形成接收端；一部分设置在所述激励线圈内部，并采用螺线管式结构形成中间端；另一部分设置在所述激励线圈上方，并采用与接收端规格相同但反向绕制的扁平螺旋式结构形成补偿端；

9、所述固定外壳设置在整个装置的顶部，用于固定整个装置。

10、在本发明的一个实施例中，所述海尔贝克阵列永磁体可被设置成任意角度，以形成不同的ffp点位置，并同时改变该处的梯度磁场大小。

11、在本发明的一个实施例中，所述激励线圈采用利兹线绕制，并用环氧浇注工艺固定。

12、在本发明的一个实施例中，所述铁氧体芯为圆柱形结构软磁铁氧体芯，其具有高电阻率，以在高频交变磁场下实现对磁场的增强。

13、在本发明的一个实施例中，所述支架和所述固定外壳均采用铝合金材质制成。

14、在本发明的一个实施例中，所述激励线圈的“工”字形中间设置有水冷管，以当设备用于大电流激励时，最大限度的恒定线圈的温度；且所述水冷管和所述激励线圈均位于所述铜管内部。

15、第二方面，本发明提供了一种单边磁粒子成像系统，包括：

16、成像装置，放置在受试者的一侧，用于产生激励信号，并接收磁纳米粒子信号；

17、数据采集装置，用于采集接收到的所述磁纳米粒子信号，并上传至上位机以进行数据处理，得到受试者待成像位置的图像；

18、其中，所述成像装置采用上述实施例提供的单边磁粒子成像装置。

19、本发明的有益效果：

20、1、本发明提供的单边磁粒子成像装置一方面使用铁氧体芯进行单边激励磁场增强，提高了单边磁粒子成像设备的探测深度；另一方面改进了激励和接收线圈的结构，在增加探测深度的同时，最大限度的提升了检测的灵敏度；同时还利用海尔贝克阵列永磁体产生梯度磁场，并能够通过改变磁块的角度，实现移动零磁场点位置以及改变该位置的梯度磁场大小，实现了更深的探测距离、更高的分辨率和灵敏度以及更大的成像视野，为更多的使用场景提供了不同的选择；

21、2、本发明提供的单边磁粒子成像系统将成像装置放置于系统的一侧，称为单边磁粒子成像装置，使得受试者不受尺寸的限制，具有较好的临床应用前景。

22、3、本发明提供的单边磁粒子成像装置具有重量轻、体积小、便携等特点，加入机械结构提供动力移动设备，能实现二维甚至三维的扫描成像。

23、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：

1.一种单边磁粒子成像装置，其特征在于，包括支架(1)、海尔贝克阵列永磁体(2)、激励线圈(3)、铁氧体芯(4)、铜管(5)、接收线圈(6)以及固定外壳(7)；其中，

2.根据权利要求1所述的单边磁粒子成像装置，其特征在于，所述海尔贝克阵列永磁体(2)可被设置成任意角度，以形成不同的ffp点位置，并同时改变该处的梯度磁场大小。

3.根据权利要求1所述的单边磁粒子成像装置，其特征在于，所述激励线圈(3)采用利兹线绕制，且内层绕满，外层只绕两端，并用环氧浇注工艺固定。

4.根据权利要求1所述的单边磁粒子成像装置，其特征在于，所述铁氧体芯(4)为圆柱形结构软磁铁氧体芯，其具有高电阻率，以在高频交变磁场下实现对磁场的增强。

5.根据权利要求1所述的单边磁粒子成像装置，其特征在于，所述支架(1)和所述固定外壳(7)均采用铝合金材质制成。

6.根据权利要求1所述的单边磁粒子成像装置，其特征在于，所述激励线圈(3)的“工”字形中间设置有水冷管(8)，以当设备用于大电流激励时，最大限度的恒定线圈的温度；且所述水冷管(8)和所述激励线圈(3)均位于所述铜管(5)内部。

7.一种单边磁粒子成像系统，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开了一种单边磁粒子成像装置，包括支架、海尔贝克阵列永磁体、激励线圈、铁氧体芯、铜管、接收线圈以及固定外壳；其中，支架设置在装置底部；海尔贝克阵列永磁体环绕并镶嵌在支架上；激励线圈采用分段式“工”字形对称结构；铁氧体芯位于激励线圈内部；铜管设置在激励线圈外部；接收线圈包括三部分，一部分设置在激励线圈下方，并采用扁平螺旋式结构形成接收端；一部分设置在激励线圈内部，并采用螺线管式结构形成中间端；另一部分设置在激励线圈上方，并采用与接收端规格相同但反向绕制的扁平螺旋式结构形成补偿端；固定外壳设置在装置顶部。该装置提升了检测深度和灵敏度；同时实现了更高的分辨率以及更大的成像视野。

技术研发人员：朱守平,王其滨,徐晨霄,张中豪,郭鹏跃
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