CN112400115B - 磁性粒子成像系统的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种校准由磁场发生器和测量装置组成的磁性粒子成像系统的方法，其提出了一种编码校准场景，该编码校准场景包含分布在其体积内的多个纳米粒子样品，该编码校准场景大于该场景所在的视场。在视场上，向一个或多个方向上线性移动和/或在一个或多个轴上旋转该场景，并且进一步地，本发明也公开了一种用于移动编码校准场景的机械系统。

Description

磁性粒子成像系统的校准方法

技术领域

本公开涉及一种通过提出编码校准场景来校准磁性粒子成像系统的方法，该编码校准场景包含分布在其体积内的多个纳米粒子样品，该编码校准场景大于该场景在一个或多个方向上线性移动和/或在一个或多个轴上旋转的视场，以及进一步地，涉及一种用于移动编码校准场景的机械系统。

相关技术

磁性纳米粒子可用于医学中的各种目的，例如血管造影，干细胞追踪，癌细胞和靶向药物成像。磁性纳米粒子可以使用磁性粒子成像(MPI)方法进行非侵入式成像。在磁性粒子成像方法中，有两种不同的方法用作图像重建的标准。

第一种方法是美国专利US8355771B2中所述的系统校准方法，其中以视场中所需的系统分辨率步骤对少量纳米粒子样品进行机械扫描，以获得系统的校准数据[1]。使用此校准数据(也称为系统矩阵)生成图像。在标准系统校准方法中，校准测量将持续很长时间，因为必须在视场内的每个网格点处对样品纳米粒子进行机械扫描和测量。从一个点到另一个点的机械扫描时间以及获取测量数据的时间大约为1.3秒[2]。对于具有30x 30x 30网格点的小视场，校准时间将持续9.75小时。在临床实践中，较大的成像体积校准可能会持续数月。需要频繁地校准系统，因为已知的是，纳米粒子在不同批次之间特性各有不同，并且还受成像序列的影响。因此，对于大视场的系统，实际上无法采用标准的系统校准方法。另外，由于要扫描的纳米粒子必须小于或等于图像的体素尺寸，所以扫描的样品中的纳米粒子的数量受到限制，信噪比也要很小。增加信噪比的一种方法是在同一位置采集多个数据，并平均化。因此，机械移动不能连续进行，扫描仪在每个网格点处停止，并在进行足够的测量以达到所需的信噪水平后移至下一个点。这限制了校准测量的速度。

最近，在美国专利申请US20150221103A中提出了一种校准方法，其中在随机位置扫描纳米粒子样品，而随机位置数量远小于视场中体素的总数。根据压缩感测理论[3]，这是可能的，因为系统矩阵在某些变换域(离散傅立叶，余弦或切比雪夫)中是稀疏的。已经表明，该方法可以减少80-90％的扫描点数。除了对视场中的所有体素(N)进行测量，还可以通过使用压缩感测技术在随机M(<N)体素位置进行较少的测量来完成系统校准。由于不可能分析地计算出M值小至甚么程度，因此应根据图像质量来选择M/N比。在上述参考文献中获得了实验图像。虽然M/N＝0.1的图像质量是可以接受的，但是对于较低的M/N比，图像质量会明显下降。使用此方法可以10倍地减少校准时间，但是由于需要对样品进行机械扫描，因此仍然需要非常长的校准时间，例如200x 200x 200点的测量面积将需要10天以上的时间进行测量。

第二种重建方法是EP3143929A1中使用的X空间方法。在这种方法中，没有校准步骤。使用用于磁性粒子成像(MPI)的信号方程模型生成图像。通过使用MPI信号方程式，可以在时域中完成图像重建。在这种方法中，没有考虑到与MPI理想硬件的偏差，并且分辨率低于系统校准方法。

US20170020407A1提出了一种确定校准和测量体积的磁性粒子成像(MPI)方法，其中校准体积大于测量体积，并且总测量体积被布置在校准体积内。所提出的校准区域是比测量区域大几个体素的区域。背后的原因是磁性粒子响应在测量区域的边缘没有急剧地消失。通过测量区域外部的磁性粒子样品，减少了由测量区域外部的粒子引起的不期望的伪影。

S.Ilbey等人[9]提出了一种基于具有总变差和l1范数最小化的交替方向乘子法(ADMM，增广拉格朗日惩罚函数法(Augmented Lagrangian Methods)的子集)的新方法，以重建MPI图像。该方法在模拟无场线MPI系统的数据上进行演示，并且将其性能与传统代数重建技术进行比较。ADMM针对低信噪比数据集，提高了图像质量，因为显示了较高的结构相似性，并且它显著地减少了计算时间。

A·冯·格拉迪斯(A von Gladiss)等人[2]公开了一种用于加速校准过程的电子校准方法。将纳米粒子样品放置在独立的校准单元中，该校准单元可以产生任何方向的均匀磁场，模拟纳米粒子样品在MPI系统中暴露的磁场。尽管此方法比标准方法提供了更快的校准，但它需要使用单独的校准单元。MPI系统的磁场分布必须在视场中单独测量；并且校准单元的测量值必须与MPI系统的测量值有关。与标准系统校准测量一样，由于MPI系统的磁场分布测量需要对视场内的每个体素进行机械扫描，因此电子校准的优点是有限的。

发明目的

在本发明中，提出了一种用于MPI系统的校准的大型校准设备，其被称为编码校准场景。编码校准场景包括在多个位置的纳米粒子样品。编码校准场景在一个或多个方向上线性移动，和/或围绕一个或多个轴旋转。在上述运动过程中，在编码校准场景的某些位置获取校准测量数据。利用这些测量数据以压缩感测方法生成系统矩阵。下面列出了将该方法与其他可用方法区分开来的优点：

根据现有技术，在美国专利US20150221103A1中，在单个纳米粒子样品中对数目M的体素逐一进行机械扫描，以进行MPI系统校准，其中M个体素是从素数总收(N)中随机或伪随机地选择。在本发明中，提出了一种校准设备，其包括多个纳米粒子样品并且至少在一个方向上大于成像系统的视场。因此，与从单个纳米粒子样品接收到的信号的水平相比，其接收到的信号的水平高得多。这允许在校准场景的连续移动期间进行测量，从而大大加快了校准过程。此外，随着在一次测量中同时测量不同位置的纳米粒子样品，每次测量的信息内容增加。因此，可以使用较少的测量值来形成系统校准矩阵。这为具有大视场的系统提供了优势。

在由A·冯·格拉迪斯(A von Gladiss)等人[2]提出的方法中，纳米粒子的特性表现以独立的校准单元获得。因此，有必要在MPI系统的视场中测量磁场。在本发明中，在单次校准扫描中考虑了所有因素影响(磁场不均匀性，纳米粒子响应)。

附图的简要说明

图1示出了磁性粒子成像装置的孔的横截面，具有两个区的非均匀初级磁场和均匀次级磁场，以及视场。

图2示出了假设地将其分成多个小体素的整个视场和使用包含纳米粒子的样品的校准设置。

图3示出了一个编码校准场景，其中多个纳米粒子样品在其体积内随机或伪随机分布。

图4示出了标准压缩感测方法与针对相同噪声水平使用模拟模型的本发明提出方法的比较。所提出的方法以较少的测量数量(M)表现出更好的图像质量。

图5和图6分别示出了球形校准场景在0度和45度角处的纳米粒子位置。

图7示出了一个球形校准场景，该场景在一个轴上旋转并在另一轴上滑动。

图8示出了校准台和绕不同的旋转轴旋转的旋转机构。

图9和图10分别以俯视图和侧视图示出了球形校准场景以及用于球形校准场景的线性和旋转移动的外部机构。

图11示出了校准场景，其包括通过细通道彼此连接的纳米粒子腔室以及用于填充或排出纳米粒子的一个或多个点。

图12示出了带有棒状纳米粒子样品的球形场景。

图13示出了校准场景，该场景设计为在滑动带上进行线性移动的长矩形棱柱。

图14和图15分别以俯视图和侧视图示出了一个圆柱形校准场景和用于使校准场景线性和旋转移动的外部机构。

图16示出了圆柱形校准场景，其中具有用于纳米粒子样品的柱状腔体。

图17示出了一个圆柱形校准场景，其中具有在三维上呈复杂曲线并且具有输入和输出的的细管。

零件参考

1、MPI系统

2、初级磁场

3、初级磁场的第一区

4、初级磁场的第二区

5、次级磁场

6、视场

7、体素

8、磁性纳米粒子样品

9、机械扫描仪

10、编码校准场景

11、球形校准场景

12、旋转中心

13、绕一个轴平移和旋转校准场景的机构

14、绕两个轴平移和旋转校准场景的机构

15、用于平移和旋转校准场景的辅助机械系统

16、滑轨

17、旋转轴

18、细通道

19、开口

20、棒状纳米粒子样品

21、矩形棱柱校准场景

22、滑动带

23、光学反射器

24、激光跟踪器

25、圆柱形校准场景

26、柱状空腔

27、用于在校准场景内填充磁性纳米粒子的输入

28、用于排放校准场景中的磁性纳米粒子的输出

29、细管

具体实施方式

在如图1所示的由磁场发生器和测量设备组成的MPI系统(1)中，使用具有两个区[4]的非均匀初级磁场(2)对磁性纳米粒子的分布进行成像。这两个区中的第一区(3)具有非常低的磁场强度，被称为无场区域(FFR)。FFR中的磁性纳米粒子可以在外部次级磁场(5)的方向上磁化。在第二区(4)中，磁场强度高并且该区域中的磁性纳米粒子处于饱和状态。因此，磁性纳米粒子对次级磁场(5)的响应很小。次级磁场(5)作为时变磁场施加到整个视场(6)。FFR中磁性纳米粒子的时间相关磁化由接收线圈测量。被测信号的幅度与FFR中纳米粒子的数量成正比。在整个视场(6)中以电子或机械的方式扫描FFR，以获得在视场(6)中的纳米粒子分布。由于磁性纳米粒子具有非线性的磁化曲线，因此从FFR中的粒子接收到的信号包含发射信号频率的谐波。接收信号的特性取决于纳米粒子的特性(尺寸，形状，材料等)和纳米粒子环境(粘度，温度)以及成像系统的磁场特性。在MPI中，利用基于系统校准方法的图像重建方法实现了最佳图像质量，该系统校准方法考虑了所有这些因素的影响[5]。

在系统校准图像重建方法中，首先假设将整个视场(6)划分为小体素(7)。使用填充具有体素(7)尺寸的磁性纳米粒子的样品(8)以形成系统矩阵。为此，通过机械扫描仪(9)将包含纳米粒子的样品(8)扫描到每个体素位置。施加次级磁场信号，并且将由接收线圈接收的纳米粒子信号存储在数字存储单元(例如硬盘)中。实际操作时，在同一体素点上多次获取测量数据，并且通过将测量数据平均化来增加信噪比。使用傅立叶变换将从单个体素测量得到的信号转换到频域，从而形成系统矩阵(A)的列。通过在所有体素位置进行测量来生成整个系统矩阵。此过程称为校准步骤。

对于成像，通过扫描物体内部的FFR获取测量数据，并且使用该测量数据和系统矩阵来重建图像。为此，解出线性方程组Ax＝b。在该方程组中，A是系统矩阵，b是从物体获取的测量矢量，x是物体内部的纳米粒子分布。系统矩阵校准方法的主要缺点是持续时间长(每个体素约1.3秒，乘以体素数量)[2]。另外，由于纳米粒子的样品尺寸非常小，因此信号水平低，有必要通过进行多次测量来增加信噪比。这会阻止连续的机械扫描，从而导致测量周期的延长。

本发明提出使用编码校准场景(10)来解决现有技术的问题。编码校准场景可被定义为包含分布在其体积内的多个纳米粒子样品的设备。该方法具有以下优点：信号水平与在校准扫描中使用的粒子数量成比例地增加，并且压缩感测问题的条件也增加[6]。结果，使用压缩感测算法(例如贪婪重构算法，近似消息传递，基于优化的技术等)可以使用较少的测量次数进行校准[3]。

根据压缩感测理论，应将校准场景之间的相关性最小化。因此，纳米粒子可以在每个校准场景中随机或伪随机分布。

该方法的实现如下：要测量的校准场景的数量M是预定的。为此，可以使用成像系统的模拟模型，或者在所生成的成像系统的系统测试过程中产生多个校准场景。要测量新的场景，直到从实践角度来看图像质量达到足够的水平。收集并记录M个编码校准场景的测量数据。一旦完成这些测量，使用以下最优化问题来重构系统矩阵A：

其中P是已测量的编码校准场景的纳米粒子密度矩阵，D是与稀疏变换(例如离散傅里叶变换，离散切比雪夫变换，离散余弦变换或相对于原始域可以用较少的矢量表示向量的任何其他变换)相关的变换矩阵；A_p是针对每个测量位置转换为傅立叶空间的测量矩阵；ε_p表示与系统噪声引起的错误有关的常数。文献中的不同算法可用于解决上述最优化问题(例如，快速迭代收缩阈值算法(FISTA)，交替方向乘子法(ADMM)[7])。此外，增加类似的正则化函数或使用无约束形式将不会改变本发明的上述益处。

使用图4所示的模拟模型，在相同噪声水平下，将该方法与标准压缩感测方法进行比较。通过使用M＝2560个校准点的标准压缩感测校准方法和M＝320个编码校准场景，分别对N＝3200像素的物体进行成像。标准压缩感测方法所得图像质量较差，通过编码校准场景可获得高质量的图像。

在一个实施例中，可以从诸如阿达马(Hadamard)矩阵之类的可以快速变换的域中选择由P表示的随机点，以便缩短不等式中给出的问题的求解时间。在这种情况下，P矩阵可以表示为掩蔽酉变换(masked unitary transformation)。先前已经表明，在涉及掩蔽酉变换空间的情况下，可以有效地解决最优化问题[8]。这样，可以进一步减少求解时间的问题。

实际操作时，编码校准场景之间切换的时间将比单个编码校准场景的测量时间长得多。因此，总校准持续时间将由所使用的编码校准场景的总数和改变(替换)编码校准场景所需的时间来确定。为了减轻此问题，本发明提出了至少在一个方向上大于视场的校准场景。本发明并不是逐个地改变校准场景，而是在一个或多个方向上线性移动场景和/或在一个或多个中心点处旋转场景。在连续移动过程中对某些位置进行校准测量。成像视场中的纳米粒子分布作为时间函数变化。因此，在不同的时刻，视场中会出现校准场景的不同部分。在优选实施例中，在校准场景的连续移动过程中进行测量。当由于校准场景中使用大量纳米粒子而导致信噪比很高时，这是可能的。因此，无需重复测量并取平均值。这样，可以大大缩短测量时间。结果，可以频繁地校准系统以获得高图像质量。

必须精确地知道校准场景中纳米粒子样品的位置。可以使用高精度的生产方法来产生校准场景和/或可以在产生校准场景后使用诸如X射线成像的高分辨率成像方法来测量校准场景。

校准场景可以线性和/或旋转移动。在示例实施例中，球形校准场景绕一个轴旋转，并且以K度间隔进行测量。纳米粒子样品(8)在校准场景中的位置作为旋转角度的函数而变化。例如，分别在图5和6中给出了0度角和45度角的球形校准场景(11)的纳米粒子位置。在每个旋转角度，计算纳米粒子在视场网格中的新位置，以及在新位置中每个网格点处的纳米粒子密度。该计算中的误差取决于旋转机构的旋转测量的精度。如果精度不够，可以使用高灵敏度的位置跟踪器(例如激光跟踪器或类似用途的设备)来精确测量新位置。为了获得高精度的系统矩阵，可以在多个(L)不同的旋转中心(12)处重复该过程，以增加测量数据量。因此，测量的总数为M＝(360/K)*L。一旦进行了这些测量，就可以通过解出上述不等式中给出的最优化问题来重建系统矩阵。在不等式中，P是在每个测量位置的视场中包含纳米粒子密度分布的矩阵。

可以使用围绕一个轴(13)平移和旋转校准场景的机构来移动和/或旋转校准场景。旋转校准场景所需的机构(13)可以设计为MPI系统(1)的集成单元或外部单元。在图7中示出了示例性实施例。这里，球形校准场景(11)在一个轴上旋转而在另一轴上滑动。以这种方式，可以相对于视场中心在不同旋转中心处测量校准场景，并且增加校准场景测量的多样性。与步进移动相比，线性滑动移动和旋转移动在校准过程中可以连续进行，从而减少了校准时间。

如图8所示，还可以将围绕两个轴(14)平移和旋转校准场景的机构设计为绕不同的旋转轴旋转。在这种情况下，可以改善P矩阵自相关的条件处理，这有助于最优化问题的解决。在实施本发明时，还可以根据MPI系统的机械要求将校准场景和旋转机构设计为外部单元，这种实施方式在图9和图10中示出。在图9中，以俯视图示出了球形校准场景(11)，其借助于卷轴系统在有滑轨(16)上进行线性滑动移动和围绕旋转轴(17)旋转移动。图10示出了此校准系统的侧视图。用于平移和旋转校准场景的辅助机械系统(15)包括执行校准场景的线性和旋转移动所需的必要设备(电动机，编码器，移动传递元件和计算机控制接口)。在优选实施例中，机械系统包括控制单元，其与MPI系统(1)通讯以使用校准场景执行校准过程。为此，控制单元通过电子方式从MPI系统接收校准场景的所需位置，将校准场景移动到所需位置，输出从测量校准场景的位置的机械系统和/或跟踪设备中的编码器获得的校准场景的位置信息。

校准场景应允许快速填充(和排空)不同的纳米粒子。在一个实施例中，三维编码校准场景可以由多个机械可分离层形成，使得纳米颗粒样本可以改变。在另一个实施例中，可以将单层校准场景用于二维校准。可以在三维上对其进行机械扫描，以校准三维视场。图11示出了另一个实施例。校准场景包括通过细通道(18)相互连接的纳米粒子腔室，以及用于填充或排放校准场景内部的磁性纳米粒子的开口(19)。校准场景是具有一个或多个开口的中空结构，所述开口用于用纳米粒子填充或将纳米粒子从该中空结构中清空。

校准场景中存在的纳米粒子样品不必匹配地置于单个体素(10)中。场景可以包括不同大小和形状的纳米粒子样品。例如，纳米粒子样品可以具有任何形状，例如球形，椭圆形或矩形棱柱，并且覆盖多个体素。在一个实施例中，考虑到球形场景，具有如图12所示的棒状纳米粒子样品(20)。可以容易地将棒取出和插入场景中。校准场景可以以任意形状产生，例如球形、圆柱形、立方形、矩形棱柱。

在图13所示的另一实施例中，设计为长矩形棱柱的校准场景(21)仅在滑动带(22)上进行线性移动。在视场中的某些位置进行校准测量。图13还示出了光学反射器(23)和激光跟踪器(24)，以确保在移动期间精确地测量位置。可以将一个或多个反射器连接到校准场景以跟踪其移动。

在图14和15所示的实施例中，采用了圆柱形校准场景(25)。由于校准场景的体积较宽，因此可以以比图9和10中给出的校准场景所需的旋转次数更少的旋转次数执行校准。但是，这样的校准场景需要较大的开口，这可能适合于开孔MPI系统。

图16示出了包括用于纳米粒子样品的柱状腔体(26)的实施例，该腔体可以被快速填充和排空。

图17示出了一个实施例，该实施例包括在三维上呈复杂曲线形式的细管(29)，该细管具有用于填充的单个输入(27)以及用于排出校准场景内的磁性纳米粒子的输出(28)。校准场景可以包括单个或多个横穿校准场景的任意路径的管，以用纳米粒子填充管或从管清空纳米粒子。

参考文献

[1]Weizenecker J,Gleich B,Rahmer J,Dahnke H,Borgert J(2009).三维实时体内磁性粒子成像(Three-dimensional real-time in vivo magnetic particleimaging),Phys Med Biol.2009；54:L1–L10.

[2]A.von Gladiss,M.Graeser,P.Szwargulski,T.Knopp and T.M.Buzug.多维磁粉成像的混合系统校准(Hybrid system calibration for multidimensional magneticparticle imaging).Phys.Med.Biol.,vol.62,no.9,pp.3392,2017.

[3]压缩感知理论与应用(Compressed Sensing Theory and Applications),Ed.By Y.C.Eldar,G.Kutyniok,Cambridge University Press,New York,2012.

[4]B.Gleich and J.Weizenecker.(使用磁性粒子的非线性响应的层析成像)Tomographic imaging using the nonlinear response of magneticparticles.Nature,435(7046):1217-1217,2005.doi:10.1038/nature03808.

[5]T.Knopp,J.Rahmer,T.F.Sattel,S.Biederer,J.Weizenecker,B.Gleich,J.Borgert,and T.M.Buzug.磁粒子成像的加权迭代重建(Weighted iterativereconstruction for magnetic particle imaging).Phys.Med.Biol.,vol.55,no.6,pp.1577–1589,2010.doi:10.1088/0031-9155/55/6/003.

[6]G.R.Arce,D.J.Brady,L.Carin,H.Arguello,and D.S.Kittle,“压缩编码孔径光谱成像(Compressive Coded Aperture Spectral Imaging),”IEEE Signal ProcessingMagazine,vol.31,no.1,pp.105–115,2014.

[7]S.Ilbey et al.,“自由线磁性粒子成像的基于系统矩阵和基于投影的重建的比较(Comparison of system-matrix-based and projection-based reconstructionsfor field free line magnetic particle imaging)”International Journal onMagnetic Particle Imaging,vol.3,no.1,2017.

[8]H.E Güven,A.and M.Cetin,“复值压缩SAR成像的增强拉格朗日方法(An Augmented Lagrangian Method for Complex-Valued Compressed SAR Imaging)”IEEE Trans.Comput.Imaging,2(3):235–250,2016.

[9]S.Ilbey et al.,“使用增强拉格朗日方法的磁性粒子成像图像重建(Imagereconstruction for Magnetic Particle Imaging using an Augmented LagrangianMethod)”,IEEE 14th International Symposium on Biomedical Imaging,pp.64-47,2017,doi:10.1109/ISBI.2017.7950469.

Claims (11)

1.磁性粒子成像系统的校准方法，所述磁性粒子成像系统用于执行视场的磁性粒子成像，所述方法包括以下步骤：

通过机械系统沿一个或多个方向线性移动编码校准场景和/或围绕一个或多个轴旋转编码校准场景，

扫描所述视场中的无场区域并在所述编码校准场景的多个位置处采集校准测量数据，

在数据采集过程中，利用测量得出的数据和编码校准场景的位置信息，采用压缩感测方法重构系统矩阵；

所述编码校准场景中的纳米粒子连接地分布以从两端填充和清空。

2.根据权利要求1所述的磁性粒子成像系统的校准方法，包括以下步骤：使用以下不等式表示的最优化问题来重构所述系统矩阵：

其中P是在每一个测量位置时视场内的纳米粒子密度分布，A是所述系统矩阵，D是与A的稀疏变换相关的矩阵；Ap是针对已编码的编码校准场景的每个测量位置转换为傅立叶空间的测量矩阵；εp表示与系统噪声引起的误差有关的常数。

3.根据权利要求1所述的磁性粒子成像系统的校准方法，其中，所述编码校准场景连续地移动或旋转。

4.根据权利要求1所述的磁性粒子成像系统的校准方法，其中，所述编码校准场景包括多个纳米粒子样品。

5.根据权利要求1所述的磁性粒子成像系统的校准方法，其中，使用跟踪设备持续监测所述编码校准场景的位置，以在数据获取期间测量所述编码校准场景的位置。

6.用于磁性粒子成像系统的校准设备，包括：

编码校准场景，其内部体积具有分布的纳米粒子样品，所述编码校准场景大于磁性粒子成像系统的视场，

机械系统，所述机械系统在一个或多个方向上的线性移动所述编码校准场景和/或围绕一个或多个轴旋转所述编码校准场景，

其中，编码校准场景包括至少一个横穿编码校准场景的采用任意路径的管，用于用纳米粒子填充所述管或将纳米粒子从所述管排空。

7.根据权利要求6所述的用于磁性粒子成像系统的校准设备，其中，所述编码校准场景的外部几何形状是任何任意形状。

8.根据权利要求6所述的用于磁性粒子成像系统的校准设备，其中，一个或多个反射器附接到所述编码校准场景以跟踪其移动。

9.根据权利要求6所述的用于磁性粒子成像系统的校准设备，其中，所述编码校准场景是一中空结构，其具有一个或多个开口，用于用纳米粒子填充所述中空结构或将纳米粒子从所述中空结构排空。

10.根据权利要求6所述的用于磁性粒子成像系统的校准设备，其中，所述编码校准场景位置通过跟踪装置来跟踪。

11.根据权利要求6所述的用于磁性粒子成像系统的校准设备，其中，所述机械系统包括与磁性粒子成像系统通信以执行校准方法的控制单元。