CN111759306B - 一种单边磁粒子成像检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单边磁粒子成像检测装置，属于医学成像检测技术领域。该装置包括单边磁体、驱动线圈和接收线圈；单边磁体用于产生在垂直方向上的静态梯度磁场和无磁场点；所述驱动线圈用于产生垂直方向上扫描移动的振荡磁场；接收线圈用于接收纳米磁性粒子的响应磁场信号。驱动线圈由信号发生单元进行驱动产生振荡磁场，通入信号发生单元输入端口的交流电频率、幅值和相位由控制器控制；接收线圈与高通滤波器相连，接收线圈上感应到的磁粒子原始信号经高通滤波器后，再经低噪放大器送入信号处理单元，由控制器进行采样数字化。本发明结构简单、体积小、重量轻、无侵入性、开放式检测，可实现单边磁粒子成像。
Description
技术领域
本发明属于医学成像检测技术领域，涉及一种单边磁粒子成像检测装置。
背景技术
磁粒子成像(Magnetic Particle Imaging,MPI)是一种全新的定量功能性成像技术，其利用了注入血流中的纳米颗粒示踪剂对变化磁场非线性响应的原理对磁粒子浓度的空间分布进行成像，能够生成动脉血流和体积心脏运动的实时图像。MPI的第一优点是高空间分辨率。由于成像不显示解剖结构和背景组织，不产生干扰信号，因此示踪剂分布图像具有高对比度。第二优点是高时间分辨率，可实现快速动态成像。可实现例如冠状动脉血流流动的实时成像，进而可监视癌症。第三优点是安全性高。MPI成像通过振荡磁场和静态磁场来检测磁粒子响应，因此不存在电离辐射，也无需使用毒性示踪剂，其示踪剂由超顺磁氧化铁(SuperParamagnetic Iron Oxide，SPIO)制成，相比用于CT的碘和用于磁共振的钆，SPIO要安全得多。除此之外，MPI系统体积较小，便于移动携带。因此，MPI具有巨大的应用前景。
目前全球只有用于小型动物的MPI设备上市，其成像区域封闭，这极大影响了MPI系统的应用。对于单边磁粒子成像，其结构开放、体积较小、便于移动，能够在任意位置从任意角度对物体进行无损检测，因此具有广泛应用前景。因此，亟需一种便携式的单边磁粒子成像装置。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种便携式的单边磁粒子成像检测装置，适用于对人体局部扫描成像，尤其适用于患有脑部疾病的患者，实现结构简单、体积小、重量轻、性能可靠，单边磁粒子成像的无创检测。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种单边磁粒子成像检测装置，包括单边磁体1、驱动线圈3和接收线圈2；所述单边磁体1用于产生在垂直方向上的静态梯度磁场和无磁场点(Field Free Point,FFP)；所述驱动线圈3用于产生垂直方向上扫描移动的振荡磁场；所述接收线圈2用于接收纳米磁性粒子11的响应磁场信号。
优选的，所述单边磁体1由两个圆环磁体组成，外环磁体101与内环磁体102的极性方向沿着环面的垂直方向，且外环磁体101与内环磁体102的极性方向相反。因此这种组合磁体由于轴对称性，在垂直方向的轴线上某一点磁场刚好抵消，即存在无磁场点，同时在无磁场点附近的轴线上产生梯度磁场。
进一步，所述外环磁体101与内环磁体102的内径、外径和高度，是根据毕奥-萨伐尔定律推导的磁感应强度Z轴轴向分量来初步确定的，然后采用电磁场有限元仿真软件验证、优化。
更进一步，根据毕奥-萨伐尔定律推导的磁感应强度Z轴轴向分量来初步确定外环磁体101与内环磁体102的内径、外径和高度，具体包括：取外环磁体101的内外半径及厚度分别为Ri1，Ro1和h，并假设其内外环表面磁化电流密度分别为J1和J2，则磁环内外表面在Z＝h0处的环路电流强度分别为I1＝-μ0J1dh0，I2＝-μ0J2dh0；因此根据毕奥-萨伐尔定律，环形永磁体对空间任一点P(x,y,z)产生的轴向磁感应强度为：
其中，R为环路半径，μ0为磁导率，I为电路，K(k)和E(k)分别为第一类和第二类完全椭圆积分；
同理，取内环磁体102的内外半径及厚度分别为Ri2，Ro2和h’，对空间任一点P(x,y,z)产生的轴向磁感应强度为：
则内、外环磁体对空间任一点P(x,y,z)产生的轴向磁感应强度为B＝Bi1+Bo1+Bi2+Bo2，设P0(x0,y0,z0)为无磁场点，对应有h＝h'，则根据B＝Bi1+Bo1+Bi2+Bo2＝0，可以求出Ri1、Ro1、Ri2、Ro2应满足的关系式，从而初步确定内、外环磁体的内外半径及厚度。
优选的，所述驱动线圈3采用螺线管结构，环绕在内环磁体与外环磁体之间，通过调节驱动线圈的交流电流频率、大小与方向，从而调整振荡磁场。
优选的，所述接收线圈2采用平面螺线结构，位于内外环磁体的上表面内，因此能靠近被测磁性粒子，增强磁性粒子的磁场响应信号的接收灵敏度。
优选的，该装置还包括控制器4、信号发生单元5、高通滤波器6、低噪放大器7、信号处理单元8和无线模块9；所述驱动线圈3由信号发生单元5进行驱动产生振荡磁场，通入信号发生单元5输入端口的交流电频率、幅值和相位由控制器4控制；所述接收线圈2与高通滤波器6相连，接收线圈2上感应到的磁粒子原始信号经高通滤波器6后，再经低噪放大器7送入信号处理单元8，由控制器4进行采样数字化；控制器4还控制无线模块9。
优选的，无线模块9通过蓝牙或WiFi与手机10通信，手机上APP可做信号处理、显示和对控制器的命令控制及通信控制。
优选的，该装置还包括壳体12，采用防磁材料；所述单边磁体1、驱动线圈3、接收线圈2均设置在工程塑料壳体内，控制器4、信号发生单元5、信号处理单元8、低噪放大器7、高通滤波器6和无线模块9等设置在另一金属壳体内。
本发明的有益效果在于：本发明提供的单边磁粒子成像检测装置适用于患者局部部分的扫描成像检测，尤其适用于脑部疾病患者，该装置结构简单、体积小、重量轻、性能可靠，可实现单边磁粒子成像，便于无创检测。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明单边磁粒子成像装置的整体示意图；
图2为单边磁体、驱动线圈、接收线圈一体化结构图；
图3为单边磁体磁环的位置、磁化方向图；
图4为单边磁体在Z轴上磁场分布；
图5为驱动线圈的示意图；
图6为接收线圈的示意图；
图7为本发明装置一维成像的示意图。
附图标记：1-单边磁体；2-接收线圈；3-驱动线圈；4-控制器；5-信号发生单元；6-高通滤波器；7-低噪放大器；8-信号处理单元；9-无线模块，10-手机，11-纳米磁性粒子，12-壳体，101-外环磁体，102-内环磁体。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图7，图1为本发明单边磁粒子成像检测装置的整体示意图，如图1所示，该装置包括单边磁体1、驱动线圈3、接收线圈2、控制器4、信号发生单元5、高通滤波器6、低噪放大器7、信号处理单元8、无线模块9、手机10、纳米磁性粒子11等。其中，单边磁体1用于产生在垂直方向上的静态梯度磁场和无磁场点。驱动线圈3用于产生垂直方向上扫描移动的振荡磁场，驱动线圈3由信号发生单元5进行驱动产生振荡磁场，通入信号发生单元5输入端口的交流电频率、幅值、相位也由控制器4控制。接收线圈2用于接收纳米磁性粒子11的响应磁场信号，接收线圈上感应到的磁粒子原始信号经高通滤波器6后，再经低噪放大器7送入信号处理单元8，由控制器进行采样数字化。控制器4还控制无线模块9，可通过蓝牙或WiFi和手机10通信，手机上APP可做信号处理、显示和对控制器的命令控制及通信控制。
单边磁体1、驱动线圈3、接收线圈2以及壳体12采用一体化结构，如图2所示，壳体采用工程塑料，以减少驱动线圈在壳体中的涡流效应。
单边磁体1结构由两个圆环磁体组成，外环磁体101与内环磁体102的极性方向沿着环面的垂直方向，而且外环磁体与内环磁体的极性方向相反，如图3所示。因此这种组合磁体由于轴对称性，在垂直方向的轴线上某一点磁场刚好抵消，即存在无磁场点，同时在无磁场点附近的轴线上产生梯度磁场，如图4所示。
单边永磁体结构的外环磁体与内环磁体的内径、外径、高度，是根据毕奥-萨伐尔定律推导的磁感应强度Z轴轴向分量来初步确定的，然后采用电磁场有限元仿真软件验证、优化。具体为：取外环磁体101的内外半径及厚度分别为Ri1，Ro1和h，并假设其内外环表面磁化电流密度分别为J1和J2，则磁环内外表面在Z＝h0处的环路电流强度分别为I1＝-μ0J1dh0，I2＝-μ0J2dh0。因此根据毕奥-萨伐尔定律，环形永磁体对空间任一点P(x,y,z)产生的轴向磁感应强度为：
其中，R为环路半径，μ0为磁导率，I为电路，K(k)和E(k)分别为第一类和第二类完全椭圆积分。
同理，取内环磁体(102)的内外半径及厚度分别为Ri2，Ro2和h’，对空间任一点P(x,y,z)产生的轴向磁感应强度为：
则内、外环磁体对空间任一点P(x,y,z)产生的轴向磁感应强度为B＝Bi1+Bo1+Bi2+Bo2，设P0(x0,y0,z0)为无磁场点，对应有h＝h'，则根据B＝Bi1+Bo1+Bi2+Bo2＝0，可以求出Ri1、Ro1、Ri2、Ro2应满足的关系式，从而初步确定内、外环磁体的内外半径及厚度。
驱动线圈采用螺线管设计，用于产生垂直方向上扫描移动的振荡磁场，驱动线圈由信号发生单元进行驱动，其交流电频率、幅值、相位由控制器控制。图5是本发明实施例提供的驱动线圈的示意图。
接收线圈采用平面螺线进行设计，线间距调整合适至能采用漆包铜线绕制。图6是本发明实施例提供的接收线圈的示意图。
单边磁粒子成像算法采用X-Space法，通过点扩散函数和MPI的原始信号进行图像重建，可实现实时成像。对一个模型在Z轴上的一维成像如图7所示。
本发明成像检测装置还包括防磁材料壳体，单边磁体、射频线圈、梯度线圈和射频屏蔽均设置在工程塑料壳内一体化，控制器、信号发生单元、信号处理单元、低噪放大器、高通滤波器、无线模块等设置在另一钛合金壳内。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种单边磁粒子成像检测装置，其特征在于，该装置包括单边磁体(1)、驱动线圈(3)和接收线圈(2)；所述单边磁体(1)用于产生在垂直方向上的静态梯度磁场和无磁场点；所述驱动线圈(3)用于产生垂直方向上扫描移动的振荡磁场；所述接收线圈(2)用于接收纳米磁性粒子(11)的响应磁场信号；
所述单边磁体(1)由两个圆环磁体组成，外环磁体(101)与内环磁体(102)的极性方向沿着环面的垂直方向，且外环磁体(101)与内环磁体(102)的极性方向相反；
所述驱动线圈(3)采用螺线管结构，环绕在内环磁体与外环磁体之间，通过调节驱动线圈的交流电流频率、大小与方向，从而调整振荡磁场；
所述接收线圈(2)采用平面螺线结构，位于内外环磁体的上表面内。
2.根据权利要求1所述的单边磁粒子成像检测装置，其特征在于，所述外环磁体(101)与内环磁体(102)的内径、外径和高度，是根据毕奥-萨伐尔定律推导的磁感应强度Z轴轴向分量来初步确定的，然后采用电磁场有限元仿真软件验证、优化。
3.根据权利要求2所述的单边磁粒子成像检测装置，其特征在于，根据毕奥-萨伐尔定律推导的磁感应强度Z轴轴向分量来初步确定外环磁体(101)与内环磁体(102)的内径、外径和高度，具体包括：取外环磁体(101)的内外半径及厚度分别为Ri1，Ro1和h，并假设其内外环表面磁化电流密度分别为J1和J2，则磁环内外表面在Z＝h0处的环路电流强度分别为I1＝-μ0J1dh0，I2＝-μ0J2dh0；因此根据毕奥-萨伐尔定律，环形永磁体对空间任一点P(x,y,z)产生的轴向磁感应强度为：
其中，R为环路半径，μ0为磁导率，I为电路，K(k)和E(k)分别为第一类和第二类完全椭圆积分；
同理，取内环磁体(102)的内外半径及厚度分别为Ri2，Ro2和h’，对空间任一点P(x,y,z)产生的轴向磁感应强度为：
则内、外环磁体对空间任一点P(x,y,z)产生的轴向磁感应强度为B＝Bi1+Bo1+Bi2+Bo2，设P0(x0,y0,z0)为无磁场点，对应有h＝h'，则根据B＝Bi1+Bo1+Bi2+Bo2＝0，求出Ri1、Ro1、Ri2、Ro2应满足的关系式，从而初步确定内、外环磁体的内外半径及厚度。
4.根据权利要求1所述的单边磁粒子成像检测装置，其特征在于，该装置还包括控制器(4)、信号发生单元(5)、高通滤波器(6)、低噪放大器(7)、信号处理单元(8)和无线模块(9)；所述驱动线圈(3)由信号发生单元(5)进行驱动产生振荡磁场，通入信号发生单元(5)输入端口的交流电频率、幅值和相位由控制器(4)控制；所述接收线圈(2)与高通滤波器(6)相连，接收线圈(2)上感应到的磁粒子原始信号经高通滤波器(6)后，再经低噪放大器(7)送入信号处理单元(8)，由控制器(4)进行采样数字化；控制器(4)还控制无线模块(9)。
5.根据权利要求4所述的单边磁粒子成像检测装置，其特征在于，无线模块(9)通过蓝牙或WiFi与手机(10)通信，手机上APP做信号处理、显示和对控制器的命令控制及通信控制。
6.根据权利要求4所述的单边磁粒子成像检测装置，其特征在于，该装置还包括壳体(12)，采用防磁材料；所述单边磁体(1)、驱动线圈(3)、接收线圈(2)均设置在工程塑料壳体内，控制器(4)、信号发生单元(5)、信号处理单元(8)、低噪放大器(7)、高通滤波器(6)和无线模块(9)设置在另一金属壳体内。
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