CN109770901A - 一种环形多通道的电性粒子成像信号检测装置 - Google Patents

Abstract

一种环形多通道的电性粒子成像信号检测装置，包括传感器系统、信号控制与数据采集系统(4)及电性粒子成像系统(6)。所述的传感器系统的输出端连接信号控制与数据采集系统(4)，信号控制与数据采集系统(4)的输出端连接电性粒子成像系统(6)。传感器系统的环形电极阵列(2)置于测量室(1)中。环形电极阵列(2)环形布置的两两电极片之间，以及电极片与测量室(1)之间绝缘。环形电极阵列(2)围成的空间为传感器系统的测量空间，测量对象放置在测量空间内，与环形电极阵列(2)不接触。所述检测装置基于电性粒子成像原理，通过对测量对象的不同断面的介电系数信息的整合，得到三维研究物体的介电系数断层成像图像。

Description

一种环形多通道的电性粒子成像信号检测装置

技术领域

本发明涉及一种纳米医学成像信号检测装置，特别涉及一种环形多通道的电性粒子成像信号检测装置。

背景技术

纳米技术是21世纪的关键技术之一。可以预见，纳米技术和纳米材料的发展必将给现代医药学带来一场深刻的革命，使诊断、检测和临床医疗向微型、微观、微量、微创或无创，以及动态化和智能化的方向发展。纳米材料借助于肿瘤细胞的EPR效应、PH响应、还原性敏感等特性可实现被动靶向，而根据纳米材料自身的电磁特性或通过在其表面偶联一些肿瘤特异性分子可以实现主动靶向。与被动靶向方式相比，主动靶向方式针对性更强，更有利于体外调控。目前临床应用较多的主动靶向性纳米粒子除了具有较强的磁导向性的磁性纳米粒子(Magnetic Nano Particles,简称MNPs)之外，还有一类具有较强的电导向性的纳米粒子，如金纳米粒子等，以下统称为电性纳米粒子(Electric Nano Particles,简称ENPs)。

针对MNPs的体内成像，磁性粒子成像(Magnetic Particles Imaging,简称MPI)作为一种新型层析成像技术，在2005年由德国学者Gleich和Weizenecker首次公开后，便受到了学术界的广泛关注。与主流的核磁共振成像技术相比，MPI具有更高的灵敏度和空间分辨率。2018年，Kaul等人将其应用于捕捉小鼠心血管系统的活动情况，并获得了一系列实时图像。

发明内容

本发明的目的是克服现有电性纳米粒子成像信号检测装置反演数据不足、成像精度不高的缺点，提出一种环形多通道的电性纳米粒子成像信号检测装置。

所述的环形多通道的电性纳米粒子成像信号检测装置包括：传感器系统、信号控制与数据采集系统及电性粒子成像系统。所述传感器系统和信号控制与数据采集系统连接，所述的信号控制与数据采集系统连接电性粒子成像系统。

所述传感器系统用于检测测量对象产生的激励电场和极化电场之间的相位差信号Ф，信号控制与数据采集系统为传感器系统的环形电极阵列提供激励信号、控制环形电极阵列的测量模式，并将采集测量信号经放大和滤波处理后传输给电性粒子成像系统。电性粒子成像系统将接收到的测量信号Ф通过成像算法重建出测量对象内电性纳米粒子介电系数ε的分布信息。

所述的传感器系统包括测量室和环形电极阵列，环形电极阵列置于测量室内。环形电极阵列环形布置的两两电极片之间，以及电极片与测量室之间绝缘。所述的测量室为导电性较好的铜片围成的圆形结构，测量室外壁接地，用于屏蔽外界电磁对测量信号的干扰。所述的环形电极阵列包含多块电极，多块电极沿测量室内壁等距排布，位于同一高度。多块电极通过绝缘的泡沫聚乙烯材料固定在测量室的内壁，电极底面距离测量室底部有一定的距离。电极的材料为铜片。所述的环形电极阵列围成的空间为测量空间，检测对象放置在测量空间内，且与环形电极阵列不接触。

所述的信号控制与数据采集系统包含与环形电极阵列中的电极一一对应的多个相位测量模块、1个接口模块、滤波器、运算放大器、同步信号发生器和通用异步收发器(UART)。相位测量模块通过数据线连接到对应的电极上，每个相位测量模块都有发射和接收两种模式，相位测量模块内嵌的微控制器控制这两种模式之间的切换。在发射模式下，相位测量模块连接的电极产生正弦探测电场，相位测量模块测量此时电极的相位在接收模式下，相位测量模块连接的电极不发射信号，相位测量模块测量此时电极的相位相位测量模块的输出端连接运算放大器的输入端，运算放大器的输出端再连接滤波器的输入端。相位测量模块采集的两种模式的相位信号经放大、滤波，在滤波器的输出端输出该信号通道最终的相位差信号且同步信号发生器发出时钟信号，同步信号发生器的输入端连接电源，输出端与所有的相位测量模块的输入端连接，为相位测量模块提供时钟频率。通用异步收发器用于异步通信，其输入端连接各个相位测量模块，输出端与接口模块输入端连接。接口模块的输出端与外部USB总线连接，用于与电性粒子成像系统之间的通讯。

所述的电性粒子成像系统通过USB总线连接信号控制与数据采集系统，获取传感器系统的测量数据，通过成像算法，重建被测生物组织内电性纳米粒子介电系数ε的分布信息。所述的成像算法在现有的文献、专著等资料中有详细的论述，算法类型也有很多，如滤波反投影断层成像算法、牛顿-拉夫逊迭代断层成像算法，敏感矩阵断层成像算法等，都可以直接应用于本发明中。

本发明环形多通道的电性纳米粒子成像信号检测装置基于电性粒子成像原理：

通过电性粒子极化率χe与浓度分布N的定量关系，建立测量对象的信号检测机理模型。

电性粒子极化率χe与浓度分布N的定量关系如式(1)所示：

其中，k为玻尔兹曼常数，T为开氏温度，a为感应极化系数，p₀为电偶极子的电偶极矩，N为单位体积含有的分子数量，即单位体积内分子的浓度分布。

测量对象的信号检测机理模型如式(2)所示：

tanФ_max≈1/ε (2)

式(2)中，Ф_max为外加激励电场和极化电场之间的最大相位差，可以在外加激励电场的频率接近测量对象的弛豫频率时测量获得；ε为电性纳米粒子的介电系数。

本发明装置的测量对象为注入电性纳米粒子的生物组织。根据式(2)可获得测量对象的相位差信号Ф与其介电系数ε之间的关系。并通过选择合适的工作频率，屏蔽生物组织对测量信号的干扰。然后根据相应的成像算法，获取生物组织内电性纳米粒子介电系数ε的分布信息；最后根据极化率χe与介电系数ε关系，建立电性纳米粒子的测量信号与浓度之间的联系，实现生物组织内电性纳米粒子的浓度分布成像。

所述的环形多通道的电性纳米粒子成像信号检测装置中：信号控制与数据采集系统触发电极的发射模式后，电极向测量对象施加外电场E，此时电性粒子的电偶极矩取向遵循Maxwell-Boltzamann的统计分布律，可以根据所述式(1)建立电性纳米粒子极化率χ_e与其浓度分布N之间的定量关系。本发明测量装置满足电准静态近似条件，根据Maxwell-Wagner弛豫效应，被测电介质在外电场激励下，达到电荷分布平衡需要的弛豫时间τ与电介质的介电系数ε和电阻率ρ有关，而当外电场频率接近或等于弛豫频率时，电介质的能量损失最大，此时外加激励电场和极化电场之间的相位差Ф也最大，该相位差Ф即为所述的信号控制与采集系统中相位测量模块采集的通道信号，且相位差Ф仅与测量对象的介电系数ε的空间分布相关。又由于生物组织和电性纳米粒子的电参数随频率变化特性存在较大的差异，利用这种差异性，通过选择合适的工作频率，可以屏蔽生物组织对测量信号的干扰，使得测量信号仅反映生物组织内电性粒子的介电系数信息。测量信号通过USB总线传输到电性粒子成像系统，电性粒子成像系统根据测量信号和相应的图像重建算法，实现生物组织内电性纳米粒子的浓度分布成像。

本发明环形多通道的电性纳米粒子成像信号检测系统的工作过程如下：

1)将环形电极阵列的电极沿顺时针方向依次编号1-N，通过同步信号发生器和各个电极对应的相位测量模块中内嵌的微处理器，控制1号电极处于发射模式，其余电极处于接收模式；

2)电极阵列将测量信号通过数据线传输给对应的相位测量模块；

3)相位测量模块对测量信号进行放大、滤波；

4)相位测量模块将调理好信号通过接口模块传输给电性粒子成像系统，电性粒子成像算法系统获得1号电极处于发射模式，其余电极处于接收模式下的N-1个信号通道的相位差测量数据。再利用电性粒子成像算法对这组信号数据进行处理，分析和反演计算，获得测量对象的断面介电系数分布信息；

5)使2号电极处于发射模式，其他电极处于接收模式，重复所述步骤2—4，并以此方法类推，直到8号电极处于发射模式，其他电极处于接收模式。研究测量对象的不同断面的介电系数信息，并将这些断面信息进行整合，得到三维的检测对象的介电系数断层成像图像。

本发明环形多通道的电性纳米粒子成像信号检测装置，每个通道连接的电极都有接收和发射两种模式，使得N个电极片构成的电极阵列的接收信号的组合值达到了N×(N-1)个，N为正整数。根据测量的互易性排除冗余数据后，有效数据仍可以达到N×(N-1)/2个，大大增加了测量信号数量，在一定程度上克服之前电性纳米粒子成像信号检测装置由测量数据不足造成的图像分辨率低的问题，提高了信号检测系统的成像精度。

附图说明

图1本发明环形多通道的电性粒子成像信号检测装置示意图；

图2本发明传感器系统三维视图；

图3本发明传感器系统俯视图；

图4本发明信号控制与数据采集系统示意图；

图5本发明传感器系统测量时信号通道示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明所述的环形多通道的电性纳米粒子成像信号检测装置包括：传感器系统、信号控制与数据采集系统4及电性粒子成像系统6。所述的传感器系统与信号控制与数据采集系统4通过数据线进行双向通讯，信号控制与数据采集系统4为传感器系统的环形电极阵列2提供激励信号、控制环形电极阵列2的测量模式，，并接收传感器系统的测量信号。信号控制与数据采集系统4由电源模块5供电。信号控制与数据采集系统4的输出端通过USB总线连接电性粒子成像系统6。

如图2、图3所示，所述的传感器系统包括测量室1和环形电极阵列2。环形电极阵列2置于测量室1中。环形电极阵列2环形布置的两两电极片之间，以及电极片与测量室1之间绝缘。所述的测量室1为铜片围成的圆形结构，半径为150mm，高度为300mm，厚度为3mm，测量室1的外壁接地，用于屏蔽外界电磁对测量信号的干扰。所述的多通道环形电极阵列2包含8块电极，材料也为铜片，宽度为50mm，高度为30mm，厚度为3mm，底面距离测量室底部的距离为120mm，用厚度为60mm的泡沫聚乙烯材料作为支撑基座，等距离布置并固定在测量室1的内壁。所述的环形多通道电极阵列2围成的空间为传感器系统的测量空间，测量对象放置在测量空间内，且与环形多通道电极阵列2不接触。

所述的信号控制与数据采集系统包含8个与环形多通道电极阵列2的电极一一对应的相位测量模块、1个接口模块、滤波器、运算放大器、同步信号发生器和通用异步收发器UART，如图4所示。相位测量模块通过数据线连接到相应的电极上。每个相位测量模块都有发射和接收两种模式，由相位测量模块内嵌的微控制器控制这两种模式之间的切换。在发射模式下，相位测量模块连接的电极产生正弦探测电场，相位测量模块测量此时电极的相位在接收模式下，相位测量模块连接的电极不发射信号，相位测量模块测量此时电极的相位相位测量模块的输出端连接运算放大器的输入端，运算放大器的输出端再连接滤波器的输入端。相位测量模块采集的两种模式的相位信号经放大、滤波，在滤波器的输出端输出该信号通道最终的相位差信号且同步信号发生器发出时钟信号，同步信号发生器的输入端连接电源，输出端与所有的相位测量模块的输入端连接，为相位测量模块提供时钟频率。通用异步收发器用于异步通信，其输入端连接各个相位测量模块，输出端与接口模块输入端连接。接口模块的输出端与外部USB总线连接，用于与电性粒子成像系统之间的通讯。

所述的电性粒子成像系统通过USB总线连接信号控制与数据采集系统，获取传感器系统的测量数据，即外加激励电场和极化电场之间的相位差Ф，再通过成像算法重建被测生物组织内电性纳米粒子介电系数ε的分布信息。

本发明环形多通道的电性纳米粒子成像信号检测系统的工作过程如下：

1)将环形电极阵列沿顺时针依次编号，通过同步信号发生器和各个电极对应的相位测量模块中内嵌的微处理器，控制1号电极处于发射模式，其余电极处于接收模式；

2)电极阵列将测量信号通过数据线传输给对应的相位测量模块；

3)相位测量模块对测量信号进行放大、滤波等调理；

4)相位测量模块将调理好信号通过接口模块传输给电性粒子成像算法模块，成像算法模块获得1号电极处于发射模式，其余电极处于接收模式下的7个信号通道相位差数据，此时信号通道如图5所示。再利用电性粒子成像算法对这组信号进行处理，分析和反演计算，获得研究对象的断面介电系数分布信息；

5)再使2号电极处于发射模式，其他电极处于接收模式，重复所述步骤2)—4)，并以此方法类推，直到8号电极处于发射模式，其他电极处于接收模式。研究被测对象的不同断面的介电系数信息，并将这些断面信息进行整合，得到三维研究物体的介电系数断层成像图像。

本发明所述的环形多通道的电性纳米粒子成像信号检测装置，每个通道连接的电极都有接收和发射两种模式，使得八个电极片构成的电极阵列的接收信号的组合值达到了56个。根据测量的互易性排除冗余数据后，有效数据仍可以达到28个，大大增加了测量信号数量，在一定程度上克服之前电性纳米粒子成像信号检测装置由测量数据不足造成的图像分辨率低的问题，提高了信号检测系统的成像精度。

Claims (7)

1.一种环形多通道的电性粒子成像信号检测装置，其特征在于，所述的信号检测装置包括：传感器系统、信号控制与数据采集系统(4)及电性粒子成像系统(6)；所述的传感器系统通过数据线连接信号控制与数据采集系统(4)，信号控制与数据采集系统(4)由电源模块(5)供电；信号控制与数据采集系统(4)的输出端连接电性粒子成像系统(6)；所述的传感器系统包括测量室(1)和环形电极阵列(2)；环形电极阵列(2)置于测量室(1)中；环形电极阵列(2)环形布置的两两电极片之间，以及电极片与测量室(1)之间绝缘；所述的环形电极阵列(2)围成的空间为传感器系统的测量空间，测量对象放置在测量空间内，且与环形电极阵列(2)不接触；所述传感器系统用于检测测量对象产生的激励电场和极化电场之间的相位差信号，信号控制与数据采集系统(4)为传感器系统的环形电极阵列(2)提供激励信号，控制环形电极阵列(2)的测量模式，并将采集测量信号经放大和滤波处理后传输给电性粒子成像系统(6)；电性粒子成像系统(6)将接收到的测量信号通过成像算法重建测量对象内电性纳米粒子介电系数的分布信息。

2.如权利要求1所述的信号检测装置，其特征在于：所述的测量室(1)为铜片围成的圆形结构，测量室(1)的外壁接地；所述的环形电极阵列(2)的多块电极等距布置并固定在测量室(1)的内壁，多块电极位于同一高度。

3.如权利要求1所述的信号检测装置，其特征在于：所述的信号控制与数据采集系(4)统包含相位测量模块、接口模块、滤波器、运算放大器、同步信号发生器和通用异步收发器UART；相位测量模块与环形电极阵列(2)的电极一一对应，连接到相应的电极上；每个相位测量模块有发射和接收两种模式，由相位测量模块内嵌的微控制器控制这两种模式之间的切换；在发射模式下，该模块连接的电极产生正弦探测电场，相位测量模块测量此时电极的相位在接收模式下，电极不发射信号，相位测量模块仅测量此时模块连接的电极的相位相位测量模块的输出端连接运算放大器的输入端，运算放大器的输出端再连接滤波器的输入端；相位测量模块采集的两种模式的相位信号经放大、滤波，在滤波器的输出端输出该信号通道最终的相位差信号且同步信号发生器的输入端连接电源，输出端与所有的相位测量模块的输入端连接；同步信号发生器发出时钟信号送入相位测量模块，为相位测量模块提供时钟频率；通用异步收发器UART用于异步通信，其输入端连接各个相位测量模块，输出端与接口模块输入端连接；接口模块的输出端与外部USB总线连接，用于与电性粒子成像系统之间的通讯。

4.如权利要求1所述的信号检测装置，其特征在于：所述的电性粒子成像系统(6)通过USB总线连接信号控制与数据采集系统(4)，获取传感器系统的测量数据，即外加激励电场和极化电场之间的相位差Ф，再通过成像算法重建被测生物组织内电性纳米粒子介电系数ε的分布信息。

5.如权利要求1所述的信号检测装置，其特征在于：所述的信号检测装置基于电性粒子成像原理：

通过电性粒子极化率χe与浓度分布N的定量关系，建立测量对象的信号检测机理模型；

电性粒子极化率χe与浓度分布N的定量关系如式(1)所示：

其中，k为玻尔兹曼常数，T为开氏温度，a为感应极化系数，p₀为电偶极子的电偶极矩，N为单位体积含有的分子数量，即单位体积内分子的浓度分布；

测量对象的信号检测机理模型如式(2)所示：

tanФ_max≈1/ε (2)

式(2)中，Ф_max为外加激励电场和极化电场之间的最大相位差，在外加激励电场的频率接近测量对象的弛豫频率时测量获得；ε为电性纳米粒子的介电系数；

所述信号检测装置的测量对象为注入电性纳米粒子的生物组织；根据式(2)获得测量对象的相位差信号Ф与其介电系数ε之间的关系，并通过选择合适的工作频率，屏蔽生物组织对测量信号的干扰；然后根据成像算法，获取生物组织内电性纳米粒子介电系数ε的分布信息；最后根据极化率χe与介电系数ε关系，建立电性纳米粒子的测量信号与浓度之间的联系，实现生物组织内电性纳米粒子的浓度分布成像。

6.如权利要求1或2或3或4或5所述的信号检测装置，其特征在于：所述的信号检测装置的信号控制与数据采集系统(4)触发电极的发射模式后，电极向测量对象施加外电场E，此时电性粒子的电偶极矩取向遵循Maxwell-Boltzamann的统计分布律，根据所述式(1)建立电性纳米粒子极化率χ_e与其浓度分布N之间的定量关系；测量信号通过USB总线传输到电性粒子成像系统，电性粒子成像系统(6)根据测量信号和相应的图像重建算法，实现生物组织内电性纳米粒子的浓度分布成像。

7.如权利要求1或2或3或4或5所述的信号检测装置，其特征在于：所述的信号检测装置的工作过程如下：

1)将环形电极阵列(2)的电极沿顺时针依次编号，通过同步信号发生器和相位测量模块中内嵌的微处理器，控制1号电极处于发射模式，其余电极处于接收模式；

2)环形电极阵列(2)将测量信号通过数据线传输给对应的相位测量模块；

3)相位测量模块对测量信号进行放大、滤波；

4)相位测量模块将调理好信号通过接口模块传输给电性粒子成像算法模块，成像算法模块获得1号电极处于发射模式，其余电极处于接收模式下的7个信号通道相位差数据；再利用电性粒子成像算法对这组信号进行处理，分析和反演计算，获得研究对象的断面介电系数分布信息；

5)使2号电极处于发射模式，其他电极处于接收模式，重复所述步骤2)—4)，并以此类推，直到8号电极处于发射模式，其他电极处于接收模式；对测量对象的不同断面的介电系数信息整合，得到三维研究物体的介电系数断层成像图像。