CN111820895B - 一种磁性纳米粒子成像装置及其中扫描仪的调试和构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁性纳米粒子成像装置及其中扫描仪的调试和构建方法，属于医学成像技术领域，用于医学成像，解决了现有的磁性纳米粒子成像装置能检测的磁性纳米粒子的尺寸受到限制，且安全性较低的问题，包括：上位机、现场可编程门阵列、第一外围电路、第二外围电路、扫描仪及可调直流电源；第一外围电路与现场可编程门阵列电连接；扫描仪分别与第一外围电路及第二外围电路电连接；第二外围电路与现场可编程门阵列电连接；现场可编程门阵列用于向第一外围电路发射驱动信号，并将从第二外围电路接收的粒子信号转化为数字信号后，向上位机传输数字信号；可调直流电源与扫描仪电连接；从而不仅能够扫描不同尺寸的磁性纳米粒子，而且增加了扫描的安全性。

Description

一种磁性纳米粒子成像装置及其中扫描仪的调试和构建方法
技术领域
本发明涉及医学成像技术领域，尤其涉及一种磁性纳米粒子成像装置及其中扫描仪的调试和构建方法。
背景技术
在医学发展过程中，医学成像为诊断医疗提供了重要的信息，目前对体内的示踪剂轨迹直接或间接成像的方法主要有磁共振(MRI)、正电子发射型计算机断层成像(PET)、电子计算机断层扫描(CT)等，但上述方法都面临一些问题和局限性：较低的空间分辨率和时间分辨率，示踪剂对人体有害等。
在2005年Bernhard Gleich和其同事Jürgen Weizenecker展示了第一个磁性纳米粒子扫描设备的原型机，首次向外界公布了使用磁性金属纳米粒子成像的可行性，不仅可以弥补上述一些检测设备的低空间分辨率和时间分辨率缺点，而且对人体几乎没有伤害。而现有的磁性纳米成像装置在结构上的主要组成部分为：产生零磁场点的梯度磁场部分，驱动零磁场点的驱动磁场部分，还包括接收磁性纳米粒子信号的接收线圈和外围的电路等。
但是，目前使用的磁性纳米粒子成像装置中，梯度磁场是通过使用永磁体的方式产生的，虽然这种方式可以形成磁性纳米粒子成像装置中所需要的零磁场点，但是其产生的梯度磁场值是不可变的，根据朗之万定理，梯度磁场值不变也就说明所能够检测的磁性纳米粒子的尺寸受到限制，而且使用永磁体的方式，会使装置的梯度磁场一直处于工作状态，降低了磁性纳米粒子成像装置的安全性。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种磁性纳米粒子成像装置及其中扫描仪的调试和构建方法，旨在解决现有技术中磁性纳米粒子成像装置能检测的磁性纳米粒子的尺寸受到限制，且安全性较低的技术问题。
为实现上述目的，本发明第一方面提供一种磁性纳米粒子成像装置，包括：上位机、现场可编程门阵列、第一外围电路、第二外围电路、扫描仪及可调直流电源；所述第一外围电路与所述现场可编程门阵列电连接，用于处理所述可编程门阵列发射的驱动信号，并将处理后的驱动信号传输给所述扫描仪；所述扫描仪分别与所述第一外围电路及所述第二外围电路电连接，用于在所述驱动信号的驱动下扫描病人体内的磁性纳米粒子，得到粒子信号，并向所述第二外围电路传输由磁性纳米粒子产生的粒子信号；所述第二外围电路与所述现场可编程门阵列电连接，用于将从所述扫描仪接收到的粒子信号处理后传输至所述现场可编程门阵列；所述现场可编程门阵列用于向第一外围电路发射所述驱动信号，并用于将从所述第二外围电路接收的所述粒子信号转化为数字信号后，向所述上位机传输所述数字信号；所述可调直流电源与所述扫描仪电连接。
进一步地，所述扫描仪包括：与所述可调直流电源电连接的第一梯度线圈及第二梯度线圈；设置在所述第一梯度线圈及所述第二梯度线圈之间、并与所述第一外围电路电连接的第一驱动线圈及第二驱动线圈；设置在所述第一驱动线圈及第二驱动线圈之间、并与所述第二外围电路电连接的接收线圈。
进一步地，所述第一外围电路包括：与所述现场可编程门阵列电连接的功率放大器；与所述功率放大器、所述第一驱动线圈及所述第二驱动线圈电连接的带通滤波器。
进一步地，所述第二外围电路包括：与所述接收线圈电连接的带阻滤波器；与所述带阻滤波器及所述现场可编程门阵列电连接的低噪声放大器。
进一步地，所述第一梯度线圈及所述第二梯度线圈的内径和外径分别为50mm和280mm，且线圈匝数为400匝；所述第一驱动线圈及所述第二驱动线圈的内径和外径分别为50mm和130mm，且线圈匝数为200匝。
本发明第二方面提供一种磁性纳米粒子成像装置中扫描仪的调试和构建方法，应用于上述任意一项所述的磁性纳米粒子成像装置，包括：对扫描仪的梯度线圈产生的梯度磁场值进行调试，若在调试时所述梯度磁场值可变，则完成对所述梯度磁场值的调试，并记录驱动所述梯度线圈产生的所述梯度磁场值变化时的梯度电流值；对扫描仪的驱动线圈产生的驱动磁场进行调试，若调试时所述驱动磁场符合驱动零磁场点的均匀磁场要求，则完成对所述驱动磁场的调试，并记录此时驱动所述驱动线圈时的驱动电流值。
进一步地，所述对扫描仪的梯度线圈产生的梯度磁场值进行调试，若在调试时所述梯度磁场值可变，则完成对所述梯度磁场值的调制，并记录驱动所述梯度线圈产生的所述梯度磁场值变化时的梯度电流值包括：对两个所述梯度线圈通入至少四次范围在6～12A中不同数值且方向相反的直流电；通过仿真计算得出两所述梯度线圈产生的磁场，并分析两所述梯度线圈在通入不同数值的电流后产生的磁场是否具有零磁场点和梯度磁场值是否可变；若两所述梯度线圈在通入不同数值的电流后产生的磁场具有零磁场点且梯度磁场值可变，则完成调试，并将此时的直流电的电流值作为可调直流电源的电流输出值；若两所述梯度线圈在通入不同数值的电流后产生的磁场未产生零磁场点或梯度磁场值不可变，则继续对两所述梯度线圈通入强度不同的直流电进行调试。
进一步地，所述对扫描仪的驱动线圈产生的驱动磁场进行调试，若调试时所述驱动磁场符合驱动零磁场点的均匀磁场要求，则完成对所述驱动磁场的调试，并记录此时驱动所述驱动线圈时的驱动电流值包括：根据完成调试的梯度线圈产生的所述梯度磁场值，并根据梯度磁场和驱动磁场的叠加原理，估算所述驱动磁场的单峰值为1mT；对所述驱动磁场的单峰值使用比奥-萨伐尔定理计算出所述驱动线圈的驱动电流为16A；在14～20A的范围内至少选取四次所述驱动电流的单峰值；根据选取的所述驱动电流的单峰值计算得到所述驱动线圈产生的驱动磁场；对比所述驱动磁场是否符合驱动零点磁场的均匀磁场要求，得到对比结果；若对比结果为符合，则完成对所述驱动线圈产生的驱动磁场的调试，并将此时的电流单峰值作为驱动线圈的驱动电流值，所述驱动电流值即为扫描仪的驱动线圈接收驱动信号后的工作电流值；若对比结果为不符合，则继续对驱动线圈通入强度不同的直流电进行调试。
本发明提供一种磁性纳米粒子成像装置，有益效果在于：通过可调直流电源调节输入扫描仪的电流值，能够使得扫描仪中产生梯度磁场值的部位的电流发生改变，从而使得扫描仪产生的梯度磁场值发生改变，因此改变扫描仪能够扫描到的磁性纳米粒子的尺寸；而且在把可调直流电源关闭后，能够使得扫描仪停止工作，从而增加了磁性纳米粒子成像装置的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例磁性纳米粒子成像装置的结构示意图；
图2为本发明实施例磁性纳米粒子成像装置中扫描仪的调试和构建方法的流程示意框图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，为一种磁性纳米粒子成像装置，包括：上位机1、现场可编程门阵列2、第一外围电路、第二外围电路、扫描仪3及可调直流电源4；第一外围电路与现场可编程门阵列2电连接，用于处理可编程门阵列发射的驱动信号，并将处理后的驱动信号传输给扫描仪3；扫描仪3分别与第一外围电路及第二外围电路电连接，用于在驱动信号的驱动下扫描病人体内的磁性纳米粒子，得到粒子信号，并向第二外围电路传输由磁性纳米粒子产生的粒子信号；第二外围电路与现场可编程门阵列2电连接，用于将从扫描仪3接收到的粒子信号处理后传输至现场可编程门阵列2；现场可编程门阵列2用于向第一外围电路发射驱动信号，并用于将从第二外围电路接收的粒子信号转化为数字信号后，向上位机1传输数字信号；可调直流电源4与扫描仪3电连接。
在本实施例中，根据国际惯例及本领域公知人员的认知，现场可编程门阵列的英文名称为Field Programmable Gate Arrays，英文简称为FPGA，另外，由FieldProgrammable Gate Arrays翻译成的中文，可能会有不同的中文名称，而本实施例将FieldProgrammable Gate Arrays译为现场可编程门阵列。
扫描仪3包括：与可调直流电源4电连接的第一梯度线圈41及第二梯度线圈42；设置在第一梯度线圈41及第二梯度线圈42之间、并与第一外围电路电连接的第一驱动线圈43及第二驱动线圈44；设置在第一驱动线圈43及第二驱动线圈44之间、并与第二外围电路电连接的接收线圈45。
第一外围电路包括：与FPGA(现场可编程门阵列2)电连接的功率放大器5；与功率放大器5、第一驱动线圈43及第二驱动线圈44电连接的带通滤波器6。
第二外围电路包括：与接收线圈45电连接的带阻滤波器7；与带阻滤波器7及FPGA(现场可编程门阵列2)电连接的低噪声放大器8。
第一梯度线圈41及第二梯度线圈42的内径和外径分别为50mm和280mm，且线圈匝数为400匝；第一驱动线圈43及第二驱动线圈44的内径和外径分别为50mm和130mm，且线圈匝数为200匝；并且第一梯度线圈41、第二梯度线圈42、第一驱动线圈43及第二驱动线圈44本身的材质均为铜导线，铜导线的横截面积为1×10-6m2，相对磁导率μr＝1，铜导线导电率σcoil＝6×107S/m，真空磁导率μ0＝4π×10-7H/m；使用相对节点常数εr＝1来模拟真实空间环境，通过使用比奥-萨法尔定理可以计算线圈中产生的磁感应强度，其中，I表示源电流，dl表示源电流的微小线元素，/>表示电流源只想待求场点的单位向量，μ0表示真空磁导率，积分的范围为需要的积分路径。
本实施例提供的一种磁性纳米粒子成像装置，其工作原理为：首先使用可调直流电源4调节电流到需要的值，通入第一梯度线圈41及第二梯度线圈42，产生零磁场点和指定梯度磁场值的梯度磁场，梯度磁场用于后期纳米粒子位置的编码；使用FPGA(现场可编程门阵列2)产生第一驱动线圈43及第二驱动线圈44需要的驱动信号，通过功率放大器5放大后进行带通滤波器6，将设定的特定频率的驱动信号输入第一驱动线圈43及第二驱动线圈44，驱动零磁场点，然后使用接收线圈45对纳米粒子的非线性响应进行接收，通过带阻滤波器7滤除掉基频干扰，然后使用低噪声放大器8进行放大，达到FPGA(现场可编程门阵列2)中AD采样的幅值要求，最后可编程门阵列将非线性响应得到的离散后的数字信号输入到上位机1进行磁性纳米粒子位置的显示和浓度的量化；并且第一驱动线圈43及第二驱动线圈43之间并未有直接的连接关系，从而使得第一驱动线圈43及第二驱动线圈43形成了开放式结构的线圈，从而形成一种开放式的检测环境，使得具有幽闭恐惧症的患者能够更加方便的进行检测。
请参阅图2，为一种磁性纳米粒子成像装置中扫描仪的调试和构建方法，应用于上述的磁性纳米粒子成像装置，包括：S1、对扫描仪的梯度线圈产生的梯度磁场值进行调试，若在调试时梯度磁场值可变，则完成对梯度磁场值的调试，并记录驱动梯度线圈产生的梯度磁场值变化时的梯度电流值；S2、对扫描仪的驱动线圈产生的驱动磁场进行调试，若调试时驱动磁场符合驱动零磁场点的均匀磁场要求，则完成对驱动磁场的调试，并记录此时驱动上述驱动线圈时的驱动电流值。
对扫描仪的梯度线圈产生的梯度磁场值进行调试，若在调试时梯度磁场值可变，则完成对梯度磁场值的调制，并记录驱动梯度线圈产生的梯度磁场值变化时的梯度电流值包括：对两个梯度线圈通入至少四次范围在6～12A中不同数值且方向相反的直流电；通过仿真计算得出两梯度线圈产生的磁场，并分析两梯度线圈在通入不同数值的电流后产生的磁场是否具有零磁场点和梯度磁场值是否可变；若两梯度线圈在通入不同数值的电流后产生的磁场具有零磁场点且梯度磁场值可变，则完成调试，并将此时的直流电的电流值作为可调直流电源的电流输出值；若两梯度线圈在通入不同数值的电流后产生的磁场未产生零磁场点或梯度磁场值不可变，则继续对两梯度线圈通入强度不同的直流电进行调试。
对扫描仪的驱动线圈产生的驱动磁场进行调试，若调试时驱动磁场符合驱动零磁场点的均匀磁场要求，则完成对驱动磁场的调试，并记录此时驱动上述驱动线圈时的驱动电流值包括：根据完成调试的梯度线圈产生的梯度磁场值，并根据梯度磁场和驱动磁场的叠加原理，估算驱动磁场的单峰值为1mT；对驱动磁场的单峰值使用比奥-萨伐尔定理计算出驱动线圈的驱动电流为16A；在14～20A的范围内至少选取四次驱动电流的单峰值；根据选取的驱动电流的单峰值计算得到驱动线圈产生的驱动磁场；对比驱动磁场是否符合驱动零点磁场的均匀磁场要求，得到对比结果；若对比结果为符合，则完成对驱动线圈产生的驱动磁场的调试，并将此时的电流单峰值作为驱动线圈的驱动电流值，驱动电流值即为扫描仪的驱动线圈接收驱动信号后的工作电流值；若对比结果为不符合，则继续对驱动线圈通入强度不同的直流电进行调试。
在扫描仪制作完成之后，还需要对扫描仪进行调试及验证，来确定扫描仪能否达到预期设计的结果；对于第一梯度线圈及第二梯度线圈，进一步验证其产生的梯度磁场值可变的结果；对于第一驱动线圈及第二驱动线圈，需要分析其是否符合驱动零磁场点的均匀磁场要求。
具体地，对于第一梯度线圈及第二梯度线圈，在考虑实际的工程中线圈的发热量和功率损耗的方面的因素，最初选取电流强度过大，即从6～12A的电流值中选取四个电流值，在本实施例中，四个电流值分别为6A、8A、10A和12A，然后通过计算仿真可以得出线圈产生的磁场，分析在通入不同数值的电流后产生的磁场具有零磁场点且梯度磁场值可变。
对于第一驱动线圈及第二驱动线圈，上述的磁性纳米粒子成像装置中视场角的范围为2cm，而通过前期的大致计算梯度磁场值的范围大约在1T/m，然后通过梯度磁场和驱动磁场的叠加的原理可知，交变的驱动磁场的单峰值约为1mT，通过使用比奥-萨法尔定理可以推出驱动电流的范围大致在16A左右。因此可仅仅关注交变的驱动电流的单峰值，从14～20A的电流值中选取四个电流值作为上述单峰值，在本实施例中，选取的驱动电流单峰值为14A、16A、18A和20A，随后通过仿真计算可以得出线圈的磁场，分析是否符合驱动磁性纳米粒子成像装置点的均匀磁场要求。
对磁性纳米粒子成像装置形成的梯度磁场值和驱动磁场瞬时幅值进行数学仿真环境的方式验证，验证这种扫描仪结构产生的磁场可以满足在磁性纳米粒子成像装置中检测到磁性纳米粒子。其中，数学仿真的方式主要是模拟磁性纳米粒子成像装置中扫描仪的工作方式，利用朗之万定理和比奥-萨法尔定理对粒子产生信号进行提取和计算，计算出粒子在交变磁场中产生的非线性磁化响应，进而识别粒子的位置。
具体地，选取驱动磁场幅值为10mT，梯度磁场的梯度磁场值为1T/m，粒子粒径为30nm，粒径溶液浓度为0.5mol/L等参数，使用朗之万定理，即计算粒子产生的非磁化响应，其中/>是在线圈中间位置r和时间t处，选择梯度磁场和驱动磁场总磁场强度，T是绝对温度，/>表示磁场的单位向量。/> 表示当溶液体积为ΔV时，粒子的饱和磁化强度。/>表示当磁矩为/>时对应的粒子的数量，其中为Fe3O4固有的饱和磁化强度。通过以上公式即可计算出磁性纳米粒子在交变磁场中产生的非线性磁化响应，使用接收线圈就可以对粒子的非线性磁化响应进行接收，然后利用二型切比雪夫重建算法即可对粒子位置进行重建。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本发明所必须的。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上为对本发明所提供的一种磁性纳米粒子成像装置及其中扫描仪的调试和构建方法的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种磁性纳米粒子成像装置，其特征在于，包括：
上位机、现场可编程门阵列、第一外围电路、第二外围电路、扫描仪及可调直流电源；
所述第一外围电路与所述现场可编程门阵列电连接，用于处理所述可编程门阵列发射的驱动信号，并将处理后的驱动信号传输给所述扫描仪；
所述扫描仪分别与所述第一外围电路及所述第二外围电路电连接，用于在所述驱动信号的驱动下扫描病人体内的磁性纳米粒子，得到粒子信号，并向所述第二外围电路传输由磁性纳米粒子产生的粒子信号；
所述第二外围电路与所述现场可编程门阵列电连接，用于将从所述扫描仪接收到的粒子信号处理后传输至所述现场可编程门阵列；
所述现场可编程门阵列用于向第一外围电路发射所述驱动信号，并用于将从所述第二外围电路接收的所述粒子信号转化为数字信号后，向所述上位机传输所述数字信号；
所述可调直流电源与所述扫描仪电连接；
所述扫描仪包括：
与所述可调直流电源电连接的第一梯度线圈及第二梯度线圈；使用所述可调直流电源调节电流到需要的值，通入所述第一梯度线圈及第二梯度线圈产生零磁场点和指定梯度磁场值的梯度磁场，所述梯度磁场用于后期纳米粒子位置的编码；
设置在所述第一梯度线圈及所述第二梯度线圈之间、并与所述第一外围电路电连接的第一驱动线圈及第二驱动线圈；
设置在所述第一驱动线圈及第二驱动线圈之间、并与所述第二外围电路电连接的接收线圈；其中，使用所述现场可编程门阵列产生所述第一驱动线圈及第二驱动线圈需要的驱动信号，将设定的特定频率的驱动信号输入所述第一驱动线圈及第二驱动线圈，驱动零磁场点，然后使用所述接收线圈对纳米粒子的非线性响应进行接收。
2.根据权利要求1所述的磁性纳米粒子成像装置，其特征在于，所述第一外围电路包括：
与所述现场可编程门阵列电连接的功率放大器；
与所述功率放大器、所述第一驱动线圈及所述第二驱动线圈电连接的带通滤波器。
3.根据权利要求1所述的磁性纳米粒子成像装置，其特征在于，所述第二外围电路包括：
与所述接收线圈电连接的带阻滤波器；
与所述带阻滤波器及所述现场可编程门阵列电连接的低噪声放大器。
4.根据权利要求1所述的磁性纳米粒子成像装置，其特征在于，所述第一梯度线圈及所述第二梯度线圈的内径和外径分别为50mm和280mm，且线圈匝数为400匝；
所述第一驱动线圈及所述第二驱动线圈的内径和外径分别为50mm和130mm，且线圈匝数为200匝。
5.一种磁性纳米粒子成像装置中扫描仪的调试和构建方法，应用于权利要求1至4任意一项所述的磁性纳米粒子成像装置，其特征在于，包括：
对扫描仪的梯度线圈产生的梯度磁场值进行调试，若在调试时所述梯度磁场值可变，则完成对所述梯度磁场值的调试，并记录驱动所述梯度线圈产生的所述梯度磁场值变化时的梯度电流值；
对扫描仪的驱动线圈产生的驱动磁场进行调试，若调试时所述驱动磁场符合驱动零磁场点的均匀磁场要求，则完成对所述驱动磁场的调试，并记录此时驱动所述驱动线圈时的驱动电流值。
6.根据权利要求5所述的磁性纳米粒子成像装置中扫描仪的调试和构建方法，其特征在于，所述对扫描仪的梯度线圈产生的梯度磁场值进行调试，若在调试时所述梯度磁场值可变，则完成对所述梯度磁场值的调制，并记录驱动所述梯度线圈产生的所述梯度磁场值变化时的梯度电流值包括：
对两个所述梯度线圈通入至少四次范围在6～12A中不同数值且方向相反的直流电；
通过仿真计算得出两所述梯度线圈产生的磁场，并分析两所述梯度线圈在通入不同数值的电流后产生的磁场是否具有零磁场点和梯度磁场值是否可变；
若两所述梯度线圈在通入不同数值的电流后产生的磁场具有零磁场点且梯度磁场值可变，则完成调试，并将此时的直流电的电流值作为可调直流电源的电流输出值；
若两所述梯度线圈在通入不同数值的电流后产生的磁场未产生零磁场点或梯度磁场值不可变，则继续对两所述梯度线圈通入强度不同的直流电进行调试。
7.根据权利要求5所述的磁性纳米粒子成像装置中扫描仪的调试和构建方法，其特征在于，所述对扫描仪的驱动线圈产生的驱动磁场进行调试，若调试时所述驱动磁场符合驱动零磁场点的均匀磁场要求，则完成对所述驱动磁场的调试，并记录此时驱动所述驱动线圈时的驱动电流值包括：
根据完成调试的梯度线圈产生的所述梯度磁场值，并根据梯度磁场和驱动磁场的叠加原理，估算所述驱动磁场的单峰值为1mT；
对所述驱动磁场的单峰值使用比奥-萨伐尔定理计算出所述驱动线圈的驱动电流为16A；
在14～20A的范围内至少选取四次所述驱动电流的单峰值；
根据选取的所述驱动电流的单峰值计算得到所述驱动线圈产生的驱动磁场；
对比所述驱动磁场是否符合驱动零点磁场的均匀磁场要求，得到对比结果；
若对比结果为符合，则完成对所述驱动线圈产生的驱动磁场的调试，并将此时的电流单峰值作为驱动线圈的驱动电流值，所述驱动电流值即为扫描仪的驱动线圈接收驱动信号后的工作电流值；
若对比结果为不符合，则继续对驱动线圈通入强度不同的直流电进行调试。
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