基于磁化曲线拟合磁粒子弛豫时间的成像方法

本发明属于磁粒子生物医学检测和成像领域，具体涉及一种基于磁化曲线拟合磁粒子弛豫时间的成像方法。

背景技术：

1、磁粒子成像系统(magnetic particle imaging，mpi)是基于功能和断层影像技术检测磁性纳米颗粒(spions)空间分布的示踪方法。作为功能学成像，mpi在不使用放射性物质的同时，提高了成像的分辨率，使其成为近20年来，最具有临床转化潜力的技术。目前，已在多模态活体成像、肿瘤检测和免疫治疗、细胞治疗监测、血管灌注成像、炎症定量、传染病研究、精准磁热疗、靶向药物递送、纳米材料等领域取得了显著进展。

2、mpi的成像原理基于朗之万顺磁定律非线性磁化曲线。mpi的静态梯度磁场，即选择场，使不同位置的磁粒子产生有区别的信号。选择场在每一空间位置都有相对应的场向量，在中心位置场向量为0，该点称为磁场自由区(field free region，ffr)，磁场强度为0，也被称为无场点或磁场自由点(ffp)，或者磁场自由线(ffl)。快速移动ffr，当ffp通过含有磁粒子的区域时，距ffp较远的粒子达到磁饱和，不会对总磁场的变化产生反应，接收线圈不会检测到信号。相反，ffp附近区域内的粒子未达到磁饱和，磁性粒子磁化在大小和方向发生变化，因此会在接收线圈中检测到电压信号，电压信号被分配到ffp每一位置重建，便可得到磁粒子的空间分布信息，即mpi信号，实现spions浓度分布的重建成像。

3、而针对磁纳米粒子的研究显示，激励磁场作用下磁化响应的弛豫时间是磁纳米粒子的重要特征。基本的弛豫机制包括内部旋转(尼尔弛豫)和外部物理旋转(布朗弛豫)。尼尔弛豫时间是关于温度和磁核体积的函数。布朗弛豫时间则取决于流体的黏度、温度和磁纳米粒子流体动力学体积。各弛豫时间的准确测量可用于描述磁纳米粒子的在体状态，有望用于各种临床应用，比如基于黏度预测和温度预测等实现病理检测，等等。

4、比如，生物体组织内的黏度可表现一定的临床特性，如细胞对基质表面粘弹性的反应对于控制细胞行为极其重要，如控制干细胞扩增和决定细胞命运。在肿瘤微环境中，由于淋巴和淋巴细胞、乳酸、蛋白质、酶、脂质、细胞外分泌物和细胞外基质成分等指标的过度表达导致黏度增加。全血黏度的增加提升了心血管死亡率和患阿尔茨海默症的可能。患有炎症和腹膜感染的小鼠的血液黏度将会降低，等等。

5、温度与乳腺癌患者的预后不良有关。以及，hsp90是热休克反应中的一种分子伴侣，可维持胰腺癌细胞中致癌蛋白的结构和功能完整性。通过使用磁热疗产生热休克，结合温度监测可以评估hsp90抑制剂的抗癌作用。

6、鉴于mpi成像所表现出的临床应用潜质，若能够在此基础上利用某种弛豫时间实现多色磁粒子成像，势必将进一步扩展mpi应用的广度和深度。但目前广泛使用正弦激励产生动态变化的磁场来激发磁纳米粒子，但是这两种弛豫时间都是关于外加磁场的函数，并随着磁场幅值的增加而减小，在整个激发期间没有固定的尼尔弛豫时间或布朗弛豫时间。因此在传统的正弦激励方法下，很难将尼尔弛豫时间和布朗弛豫时间解耦，因而制约了上述方向的研究发展。

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磁化曲线拟合磁粒子弛豫时间的成像方法、装置、电子设备和存储介质。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，本发明实施例提供了一种基于磁化曲线拟合磁粒子弛豫时间的成像方法，所述方法包括：

3、产生磁场自由点ffp；

4、在已注入单种磁纳米粒子的待测目标所处的空间范围内移动ffp，在移动到的每个ffp位置上，产生脉冲方波激励磁场，并接收该ffp位置上所述待测目标内的磁纳米粒子在所述脉冲方波激励磁场的激发下所产生的原始信号；

5、基于所述原始信号，通过调整预设的双指数衰减函数中的弛豫时间相关参数，拟合得到与所述原始信号匹配的目标磁化强度曲线；将所述目标磁化强度曲线对应的弛豫时间相关参数的调整结果作为该ffp位置的磁粒子弛豫时间检测结果；其中，所述弛豫时间相关参数包括尼尔弛豫时间常数、布朗弛豫时间常数，以及尼尔弛豫和布朗弛豫的百分比；

6、基于所有ffp位置得到的磁粒子弛豫时间检测结果中的至少一个同项进行成像，得到待测目标的弛豫时间成像图。

7、在本发明的一个实施例中，所述产生磁场自由点ffp，包括：

8、利用预设的静态梯度磁场产生磁场自由点ffp。

9、在本发明的一个实施例中，所述在移动到的每个ffp位置上，产生脉冲方波激励磁场，并接收该ffp位置上所述待测目标内的磁纳米粒子在所述脉冲方波激励磁场的激发下所产生的原始信号，包括：

10、在移动到的每个ffp位置上，利用预先设计的脉冲方波弛豫仪产生脉冲方波激励磁场，并接收该ffp位置上所述待测目标内的磁纳米粒子在所述脉冲方波激励磁场的激发下所产生的原始信号。

11、在本发明的一个实施例中，所述脉冲方波弛豫仪，包括：

12、数字采集卡，用于生成脉冲方波的模拟信号，以及对输入的样品信号进行数字化处理；

13、交流功率放大器，用于放大所述模拟信号；

14、发射线圈，用于发射放大后的模拟信号，以产生脉冲方波激励磁场；

15、电流传感器，用于实时监测所述交流功率放大器的发射波形；

16、接收线圈，用于接收单磁粒子样品在所述脉冲方波激励磁场的激发下所产生的样品信号；

17、低噪声前置放大器，用于放大所述样品信号，并提供给所述数字采集卡。

18、在本发明的一个实施例中，所述基于所述原始信号，通过调整预设的双指数衰减函数中的弛豫时间相关参数，拟合得到与所述原始信号匹配的目标磁化强度曲线，包括：

19、将所述原始信号进行积分，得到积分后曲线；

20、获取当前组弛豫时间相关参数，针对预设的双指数衰减函数，得到当前组弛豫时间相关参数所对应的一条拟合后的磁化强度曲线；

21、判断当前得到的磁化强度曲线与所述积分后曲线的点误差是否满足预设要求，若是，则将当前得到的磁化强度曲线作为目标磁化强度曲线；若否，利用各弛豫时间相关参数对应的预设参数范围进行参数调整，得到新的一组弛豫时间相关参数，返回执行得到磁化强度曲线的过程。

22、在本发明的一个实施例中，所述预设的双指数衰减函数，包括：

23、

24、其中，mnon-adiabatic表示非绝热磁化强度；t表示时间；m0表示静态场幅值下的最大磁化强度；t0表示磁场翻转的时间；τn表示尼尔弛豫时间常数；τb表示布朗弛豫时间常数；τn<τb；a表示尼尔弛豫的百分比，b表示布朗弛豫的百分比，a+b＝1。

25、在本发明的一个实施例中，所述基于所有ffp位置得到的磁粒子弛豫时间检测结果中的至少一个同项进行成像，得到待测目标的弛豫时间成像图，包括：

26、根据所有ffp位置得到的磁粒子弛豫时间检测结果中的布朗弛豫时间常数进行成像，得到待测目标的布朗弛豫时间成像图。

27、第二方面，本发明实施例提供了一种基于磁化曲线拟合磁粒子弛豫时间的成像装置，所述装置包括：

28、ffp产生模块，用于产生磁场自由点ffp；

29、原始信号获得模块，用于在已注入单种磁纳米粒子的待测目标所处的空间范围内移动ffp，在移动到的每个ffp位置上，产生脉冲方波激励磁场，并接收该ffp位置上所述待测目标内的磁纳米粒子在所述脉冲方波激励磁场的激发下所产生的原始信号；

30、磁粒子弛豫时间检测模块，用于基于所述原始信号，通过调整预设的双指数衰减函数中的弛豫时间相关参数，拟合得到与所述原始信号匹配的目标磁化强度曲线；将所述目标磁化强度曲线对应的弛豫时间相关参数的调整结果作为该ffp位置的磁粒子弛豫时间检测结果；其中，所述弛豫时间相关参数包括尼尔弛豫时间常数、布朗弛豫时间常数，以及尼尔弛豫和布朗弛豫的百分比；

31、成像模块，用于基于所有ffp位置得到的磁粒子弛豫时间检测结果中的至少一个同项进行成像，得到待测目标的弛豫时间成像图。

32、第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，所述处理器、所述通信接口、所述存储器通过所述通信总线完成相互间的通信；

33、所述存储器，用于存放计算机程序；

34、所述处理器，用于执行所述存储器上所存放的程序时，实现本发明实施例所提供的基于磁化曲线拟合磁粒子弛豫时间的成像方法的步骤。

35、第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明实施例所提供的基于磁化曲线拟合磁粒子弛豫时间的成像方法的步骤。

36、本发明的有益效果：

37、本发明实施例所提供的方案中，首先产生磁场自由点ffp；其次在已注入单种磁纳米粒子的待测目标所处的空间范围内移动ffp，在移动到的每个ffp位置上，产生脉冲方波激励磁场，并接收该ffp位置上所述待测目标内的磁纳米粒子在所述脉冲方波激励磁场的激发下所产生的原始信号；然后基于所述原始信号，通过调整预设的双指数衰减函数中的弛豫时间相关参数，拟合得到与所述原始信号匹配的目标磁化强度曲线；将所述目标磁化强度曲线对应的弛豫时间相关参数的调整结果作为该ffp位置的磁粒子弛豫时间检测结果；所述弛豫时间相关参数包括尼尔弛豫时间常数、布朗弛豫时间常数，以及尼尔弛豫和布朗弛豫的百分比；最后基于所有ffp位置得到的磁粒子弛豫时间检测结果中的至少一个同项进行成像，得到待测目标的弛豫时间成像图。本发明实施例利用结合磁场自由点扫描进行多色磁粒子成像，其中每个ffp位置上利用反转恢复方法对磁纳米粒子的尼尔弛豫时间和布朗弛豫时间进行区分检测，利用所有ffp位置得到的同项检测结果得到的弛豫时间成像图至少可以用于区分斑块、导管和血管区域。