CN113433495A - 基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明生物医学成像领域，具体涉及一种基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统及方法，旨在解决现有技术中成像精度和成像速度的矛盾的问题。本系统包括无磁场线产生模块、无磁场线驱动模块、信号检测模块、电流激励模块、信号调理模块、图像重建模块，本申请成像方法为：构建无磁场线；通过调整电流调整无磁场线的空间位置；利用信号检测模块的阵列式接收线圈检测感应电压信号，再经过信号调理模块处理得到不含基频分量的信号，通过数字滤波技术滤掉电压信号中的直流分量，再对电压信号进行傅里叶变换，得到电压信号的频谱序列；构造阵列式接收线圈的测量矩阵，利用频谱序列和测量矩阵计算磁粒子浓度空间分布，实现三维高精度快速成像。
Description
技术领域
本发明属于生物医学成像领域，具体涉及一种基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统及方法。
背景技术
磁粒子，是一种具有超顺磁性的纳米级颗粒，目前作为新型的医学成像示踪剂被广泛研究和应用。磁粒子成像，是一种通过无磁场区(Field Free Region,FFR)时空编码，激发并接收磁粒子磁化响应信号，进而重建出人体内磁粒子浓度分布的定量化成像技术。其具有亚毫米分辨率，在肿瘤检测、磁粒子热疗、靶向给药等临床问题中有着重要研究和应用价值。
磁粒子成像的首要工作是构造FFR，并对其进行时空编码。目前采用的FFR主要分为无磁场点(Field Free Point,FFP)和无磁场线(Field Free Line,FFL)两种，且普遍认为FFL比FFP成像灵敏度更高；但弊端在于成像精度高度依赖于FFL的编码复杂度，需要对FFL进行多角度的旋转以获得更多的信息量，这必然会延长测量时间，延缓成像速度。对于三维成像来说，测量过程将会非常漫长。除此之外，测量时间过长还会引起电磁装置发热，引发测量误差，影响成像精度。
另一方面，现有磁粒子成像系统基本采用的是单接收线圈检测方法，所述单接收线圈指的是在同一检测平面内只有一个接收线圈。当成像视野增大时，显然要增大接收线圈，以获得更大的检测范围；但大接收线圈灵敏度均匀性又不如小接收线圈好，同样会影响最终的成像精度。因此，目前需要一种能够兼顾成像精度和成像速度的三维磁粒子成像系统及方法。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有技术中，成像精度和成像速度的矛盾的问题，本发明第一方面，提出了一种基于阵列式接收线圈的三维磁粒子成像系统，该系统包括无磁场线成像单元和控制单元，所述无磁场线成像单元包括无磁场线产生模块、无磁场线驱动模块和信号检测模块；所述控制单元包括电流激励模块、信号调理模块和图像重建模块；
所述无磁场线成像单元用于构建成像视场内的无磁场线，所述信号检测模块、所述无磁场线驱动模块和所述无磁场线产生模块依次设置于成像视场外部，其中所述信号检测模块包括一对由多个线圈组合而成的阵列式接收线圈；
所述电流激励模块与所述无磁场成像单元电性连接，能够控制所述无磁场成像单元的成像视场内产生无磁场线，并改变无磁场线的空间位置；
所述信号调理模块配置为接收无磁场线的感应电压信号并处理得到不含基频分量的感应电压信号并发送至所述图像重建模块；
所述图像重建模块配置为接收并处理所述信号调理模块发送的信号以行图像重建并显示。
在一些优选的技术方案中，所述无磁场线产生模块包括间隔设置的第一电磁铁组和第二电磁铁组，所述第一电磁铁组和所述第二电磁铁组均包括两个轴线平行且绕线方向相反的电磁铁；
所述无磁场线驱动模块包括两个绕线方向相同且间隔设置的通电线圈；
所述电流激励模块通过控制所述第一电磁铁组和/或所述第二电磁铁组电流，以调整无磁场线的第一方向位置；
所述电流激励模块向所述通电线圈通入交变电流，以调整无磁场线沿第二方向的位置，所述第一方向与所述第二方向正交。
在一些优选的技术方案中，所述电流激励模块调整无磁场线第一方向位置的方法为：将通入所述第一电磁铁组的电流作为第一直流电流，将通入所述第二电磁铁组的电流作为第二直流电流，保持第一直流电流的大小不变，控制第二直流电流的大小进而调整无磁场线在第一方向的位置；当第二直流电流大于第一直流电流时，无磁场线沿所述第一电磁铁组方向移动，当第二直流电流小于第一直流电流时，无磁场线沿所述第二电磁铁组方向移动。
在一些优选的技术方案中，所述阵列式接收线圈为双层结构，所述阵列式接收线圈的内层靠近成像视场设置，所述内层包括若干个第一线圈，若干个所述第一线圈交错排列构成中心对称结构；所述阵列式接收线圈的外层靠近所述无磁场线驱动模块设置，所述外层包括一个第二线圈，所述第二线圈与所述内层中心的第一线圈同轴设置，所述第二线圈用于补偿所述第一线圈无法检测到的信号；各所述第一线圈和所述第二线圈并联连接。
在一些优选的技术方案中，所述电流激励模块包括直流电源、信号发生器和功率放大器；
所述直流电源用于给所述无磁场线成像单元供电；
所述信号发生器用于产生所述无磁场线驱动模块所需的电流波形；
所述功率放大器用于将所述信号发生器产生的激励波形转化为激励电流。
在一些优选的技术方案中，所述信号调理模块包括模拟多路复用器、基频陷波滤波器、运算放大器和数据采集卡；
所述模拟多路复用器用于所述阵列式接收线圈的多通道信号采集；
所述基频陷波滤波器用于去除所述阵列式接收线圈感应电压信号中的基频；
所述运算放大器用于对所述基频陷波滤波器过滤后的信号进行放大；
所述数据采集卡用于将放大后的电压信号传输至所述图像重建模块。
在一些优选的技术方案中，所述图像重建模块包括数据处理模块和图像显示模块；
所述数据处理模块用于对所述数据采集卡采集的电压信号进行数字信号处理和图像重建；
所述图像显示模块用于显示最终重建出的磁粒子三维空间浓度分布图像。
在一些优选的技术方案中，所述图像重建模块配置为，基于数字滤波滤掉电压信号中的直流分量后，对电压信号进行傅里叶变换，获取电压信号的频谱序列；构造阵列式接收线圈的测量矩阵，利用频谱序列和测量矩阵计算磁粒子浓度空间分布，实现三维成像。
在一些优选的技术方案中，所述测量矩阵的构造方法为：
根据期望成像分辨率将成像视场划分为n个重建模块；
将成像所需的磁粒子样本放入成像视场，控制无磁场线遍历n个重建模块并获取n个频谱序列组；
依序拼接n个频谱序列组，获取n个一维频谱向量；
将n个一维频谱向量组合为一个m行n列大小的测量矩阵，m为每个频谱向量长度。
本发明的第二方面，提出了一种基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像方法，该方法基于上述技术方案中任一项所述的基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统进行，该方法包括以下步骤：
步骤A100，向所述无磁场线产生模块通入相同的直流电流，以使成像视场中心处产生无磁场线；
步骤A200，将通入所述第一电磁铁组的电流作为第一直流电流，将通入所述第二电磁铁组的电流作为第二直流电流，以第一直流电流的大小为参考，控制第二直流电流的大小进而调整无磁场线在第一方向的位置；
步骤A300，向所述通电线圈通入交变电流，以调整无磁场线沿第二方向的位置，所述第一方向与所述第二方向正交；
步骤A400，通过所述阵列式接收线圈检测感应电压信号，再经过所述信号调理模块处理获取不含基频分量的电压信号，最后传输至所述图像重建模块；
步骤A500，基于数字滤波滤掉电压信号中的直流分量，再对电压信号进行傅里叶变换，得到电压信号的频谱序列；
步骤A600，构造所述阵列式接收线圈的测量矩阵，利用频谱序列和测量矩阵计算磁粒子浓度空间分布，实现三维成像。
本发明的第三方面，提出了一种开放式磁粒子三维成像方法，该方法包括以下步骤：
步骤S100，向无磁场线成像单元内通入直流电流，以使无磁场线成像单元的成像视场中心处产生无磁场线；
步骤S200，通过调整电流进而控制无磁场线的空间位置，控制无磁场线遍历成像视场，以完成对成像视场的三维扫描检测；
步骤S300，检测感应电压信号，依次对电压信号进行过滤基频和放大处理，并传输至上位机；
步骤S400，上位机基于数字滤波滤掉电压信号中的直流分量，再对电压信号进行傅里叶变换，得到电压信号的频谱序列；
步骤S500，基于频谱序列构造测量矩阵，利用频谱序列和测量矩阵计算磁粒子浓度空间分布，实现三维成像。
本发明的第四方面，提出了一种设备，包括：至少一个处理器；以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像方法。
本发明的第五方面，提出了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像方法。
本发明的有益效果：
本发明的系统设置阵列式接收线圈不仅能够获得更大的检测范围并且能够保证接收线圈的灵敏度和均匀性，提高成像精度。此外，本申请系统通过改变电流即可改变无磁场线的空间位置，能够有效提高遍历效率，提高成像速度。
附图说明
通过阅读参照以下附图所做的对非限制性实施例所做的详细描述，本申请的其他特征、目的和优点将会变得更明显。
图1是本发明一种实施例的基于阵列式接收线圈的三维磁粒子成像系统的示意图；
图2是本发明一种实施例的基于阵列式接收线圈的三维磁粒子成像系统中的阵列式接收线圈的示意图；
图3是本发明一种实施例的基于阵列式接收线圈的三维磁粒子成像方法的流程图；
图4是本发明一种实施例的适于用来实现本申请实施例的电子设备的计算机系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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。
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明的一种基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统，该系统包括无磁场线成像单元和控制单元，如图1所示，无磁场线成像单元包括无磁场线产生模块、无磁场线驱动模块和信号检测模块；所述控制单元包括电流激励模块、信号调理模块和图像重建模块；
无磁场线成像单元用于构建成像视场内的无磁场线，信号检测模块、无磁场线驱动模块和无磁场线产生模块依次设置于成像视场外部，其中信号检测模块包括一对由多个线圈组合而成的阵列式接收线圈；
电流激励模块与无磁场成像单元电性连接，能够控制无磁场成像单元的成像视场内产生无磁场线，并改变无磁场线的空间位置；
信号调理模块配置为接收无磁场线的感应电压信号并处理得到不含基频分量的感应电压信号并发送至图像重建模块；
图像重建模块配置为接收并处理信号调理模块发送的信号以行图像重建并显示为了更清晰地对本发明基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统进行说明，下面结合附图对本发明方法实施例中各步骤展开详述。
本申请的无磁场线产生模块包括两对绕线方向相反的电磁铁，用于在成像视场中心产生与电磁铁轴向方向正交的无磁场线。具体而言，两对绕线方向相反的电磁铁即第一对电磁铁相比于第二对电磁铁绕线方向相反，但任意一对电磁铁本身绕线方向相同，一对电磁铁包括两个同轴间隔设置的电磁铁。电磁铁由中心的铁芯和缠绕在铁芯外部的铜线两部分组成。绕线方向相同的一对电磁铁和另一对电磁铁各自同轴放置，两对电磁铁之间彼此紧邻，且轴线平行设置。无磁场线产生方法为向两对电磁铁内通入相同的直流电流，即可在成像视场中心产生无磁场线。
进一步地，参阅附图1，本申请的第一对电磁铁包括同轴间隔设置的电磁铁1和电磁铁2，第二对电磁铁包括同轴间隔设置的电磁铁3和电磁铁4，其中，电磁铁1和电磁铁2绕线方向相同，电磁铁3和电磁铁4绕线方向相同，电磁铁1/电磁铁2与电磁铁3/电磁铁4的绕线方向相反，其他制作参数均相同。同轴的两电磁铁之间留有足够的成像空间21，成像空间21即成像视场(Field Of View，FOV)。优选地，为方便描述，本申请将设置于成像空间21同侧的电磁铁1和电磁铁3命名为第一电磁铁组，将电磁铁2和电磁铁4命名为第二电磁铁组。即第一电磁铁组和第二电磁铁组均包括两个轴线平行且绕线方向相反的电磁铁，通过向电磁铁内输入激励电流即可产生无磁场线FFL。电流激励原则遵循第一电磁铁组的激励电流大小始终相同且不变，调整第二电磁铁组内的激励电流来控制无磁场线FFL在垂直方向移动，垂直方向为电磁铁轴向。
更进一步地，无磁场线驱动模块包括一对同轴圆形的通电线圈，即通电线圈5和通电线圈6，两个通电线圈间隔设置且绕线方向相同，且对称的位于上述无磁场线发送模块的内侧，内侧即为靠近成像视场FOV的一侧，下同。其用于驱动无磁场线在与通电线圈轴向和无磁场线方向正交的方向上扫描。优选地，两个通电线圈同轴对称的设置于成像视场的两侧；向通电线圈通入交变电流可以驱动无磁场线在与通电线圈轴向正交的方向上移动，实现无磁场线在所在平面上的快速扫描。交变电流波形可以为正弦波、三角波或脉冲方波。
本申请的电流激励模块9通过控制第一电磁铁组和/或所述第二电磁铁组电流，以调整无磁场线的第一方向位置；电流激励模块9向通电线圈5和通电线圈6通入交变电流，以调整无磁场线沿第二方向的位置，第一方向与第二方向正交。优选地，第一方面为垂向，即电磁铁的轴向，第二方向为水平方向。
具体而言，两对绕线方向相反的电磁铁可以控制无磁场线在成像视场的垂直方向移动，实现无磁场线的三维扫描，将通入所述第一电磁铁组的电流作为第一直流电流，将通入所述第二电磁铁组的电流作为第二直流电流，优选地控制方法是：
首先以第一直流电流的大小为参考，即保持第一直流电流大小不变；增大第二直流电流，即第二直流电流大于第一直流电流时，无磁场线会向第一电磁铁组方向靠近；通过减小第二直流电流，即第二直流电流小于第一直流电流时，无磁场线会向第二电磁铁组方向靠近。
继续参阅附图1，信号检测模块包括一对由多个线圈组合而成的阵列式接收线圈，即如图所示的阵列式接收线圈7和阵列式接收线圈8。优选地，两个阵列式接收线圈结构相同且均为双层结构，内层即靠近成像视场的一层，由若干个第一线圈交错分布组成；交错排布方式能够减各第一线圈之间的空隙，同时能够降低互感对线圈检测信号的影响；外层即靠近通电线圈的一层由一个第二线圈构成，第二线圈的直径大于第一线圈，第二线圈用来补偿第一线圈无法检测到的信号；各第一线圈和第二线圈之间并联连接组合成最终的阵列式接收线圈。
优选地，第二线圈与第一线圈之间的组合方式：保证第二线圈的感应电流方向与第一线圈相邻导线内的感应电流方向相互正交，以提高第二线圈的工作效率。
参阅图2，图2示出的是本发明实施例的一种基于阵列式接收线圈的三维磁粒子成像系统中的阵列式接收线圈的示意图。本实施例中阵列式接收线圈由8个线圈并联连接组成；阵列式接收线圈为双层结构，内层即靠近成像视场FOV的一层由若干个小线圈(12，13，14，15，16，17，18)交错排布而成；所述交错排布方式能够减小线圈与线圈之间的空隙，同时能够降低互感对线圈检测信号的影响；所述互感对线圈检测信号的影响可以理解为：当流过两个线圈内的感应电流方向相反时，彼此存在一定的抵消作用；紧邻的两个线圈(例如12和13)之间还会存在明显的互感，磁粒子位于线圈12和线圈13正中间时，这种互感影响最严重，甚至无法线圈12和线圈13都无法检测到信号。因此，所述阵列式接收线圈外层，即靠近通电线圈(5或6)的一层，放置一个大线圈19，用来检测小线圈无法检测到的信号；优选地，所述大线圈19的放置方式：保证大线圈19的感应电流方向与小线圈相邻导线内的感应电流方向相互正交，这种放置方式可以使大线圈19的工作效率最大化；优选地，虚线20示意所述阵列式接收线圈的有效检测范围。
进一步地，电流激励模块9与无磁场成像单元电性连接，能够控制无磁场成像单元的成像视场内产生无磁场线，并改变无磁场线的空间位置。具体而言，电流激励模块9包括直流电源、信号发生器和功率放大器；其中，直流电源用于给电磁铁供电；信号发生器用于产生通电线圈所需的电流波形；优选地，电流波形包括正弦波、三角波或脉冲方波；功率放大器用于将信号发生器产生的激励波形转化为激励电流。
信号调理模块10配置为接收无磁场线的感应电压信号并处理得到不含基频分量的感应电压信号并发送至图像重建模块11。信号调理模块10包括模拟多路复用器、基频陷波滤波器、运算放大器和数据采集卡；模拟多路复用器用于阵列式接收线圈的多通道信号采集；基频陷波滤波器用于将阵列式接收线圈感应电压信号中的基频去除，即仅保留信号的高次谐波；基频即交变电流的频率；基频分量即由交变电流产生的磁场所引发的感应电压信号分量，其不包含磁粒子空间浓度分布信息，属于干扰信号。利用基频陷波器可以在滤除基频分量的同时不损害电压信号中的有用信号，有用信号为磁粒子磁化响应信号。运算放大器用于对信号进行放大；数据采集卡用于将滤波后的电压信号传至上位机；上位机即图像重建模块11。
图像重建模块11配置为接收并处理信号调理模块10发送的信号以行图像重建并显示，具体地，基于数字滤波滤掉电压信号中的直流分量后，对电压信号进行傅里叶变换，获取电压信号的频谱序列；构造阵列式接收线圈的测量矩阵，利用频谱序列和测量矩阵计算磁粒子浓度空间分布，实现三维成像。图像重建模块11包括数据处理模块和图像显示模块；数据处理模块用于对采集至上位机的电压信号进行数字信号处理和图像重建；图像显示模块用于显示最终重建出的磁粒子三维空间浓度分布图像。
进一步地，测量矩阵的构造方法为：根据期望成像分辨率将成像视场划分为n个重建模块；将成像所需的磁粒子样本放入成像视场，控制无磁场线遍历n个重建模块并获取n个频谱序列组；依序拼接n个频谱序列组，获取n个一维频谱向量；将n个一维频谱向量组合为一个m行n列大小的测量矩阵，m为每个频谱向量长度。
本发明第二实施例的一种基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像方法。基于上述实施例所述的基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统进行，该方法包括以下步骤：
步骤A100，向无磁场线产生模块通入相同的直流电流，以使成像视场FOV中心处产生无磁场线；
具体地说，利用直流电源向第一相邻电磁铁和第二相邻电磁铁通入相同的直流电流，在成像视场FOV中心处将产生方向与电磁铁轴向方向正交的无磁场线FFL。
步骤A200，将通入第一电磁铁组的电流作为第一直流电流，将通入第二电磁铁组的电流作为第二直流电流，以第一直流电流的大小为参考，控制第二直流电流的大小进而调整无磁场线在第一方向的位置，即调整垂直方向的位置；具体地，调整无磁场线在垂直方向的位置的方法是：以第一直流电流的大小为参考，即保持第一直流电流大小不变，增大第二直流电流时，即第二直流电流大于第一直流电流时，无磁场线会向第一电磁铁组方向靠近；减小第二直流电流时，即第二直流电流小于第一直流电流时，无磁场线会向第二电磁铁组方向靠近。
步骤A300，向所述通电线圈通入交变电流，以调整无磁场线沿第二方向的位置，即调整无磁场线在水平方向上扫描，所述第一方向与所述第二方向正交；具体地说，利用信号发生器和功率放大器向通电线圈通入交变电流，从而改变成像视场内的磁场分布，进而驱动无磁场线在水平方向上扫描，即对无磁场线所在水平面进行扫描。优选地，交变电流的波形可以选用正弦波、三角波或脉冲方波。
步骤A400，通过阵列式接收线圈检测感应电压信号，再经过信号调理模块处理获取不含基频分量的电压信号，最后传输至图像重建模块11；具体地说，利用所述阵列式接收线圈检测感应电压信号，所述感应电压信号包括磁粒子磁化响应信号和通电线圈通入交变电流后产生的感应电压信号分量；然后，感应电压信号经过信号调理模块处理后得到不含基频分量的感应电压信号；最后传输至图像重建模块11。
信号调理模块具体工作流程：利用模拟多路复用器将感应电压信号采集至基频陷波滤波器。利用所述运算放大器对滤波后的感应电压信号进行放大；利用所述数据采集卡将放大后的感应电压信号传至上位机进行数字信号处理和图像重建。对无磁场线当前所在水平面扫描完成后，调整第二直流电流大小，使无磁场线移动至下一垂直位置；再向通电线圈通入交变电流，驱动无磁场线在水平方向上扫描；重复步骤A200和步骤A400，直至无磁场线遍历整个成像视场，即完成了对整个成像视场的三维扫描检测。优选地，阵列式接收线圈采用8通道组合线圈结构，则第一通道线圈电压信号为第一电压信号，……，第八通道线圈电压信号为第八电压信号，第一至第八电压信号统称八组电压信号。
步骤A500，基于数字滤波技术滤掉电压信号中的直流分量，再对电压信号进行傅里叶变换，得到电压信号的频谱序列；具体地说，首先通过数字滤波技术滤掉传至上位机的八组电压信号中的直流分量，再分别对八组电压信号进行快速傅里叶变换，得到八组电压信号频谱序列，即第一至第八频谱序列。
步骤A600，构造阵列式接收线圈的测量矩阵，利用频谱序列和测量矩阵计算磁粒子浓度空间分布，实现三维成像。具体过程包括：造磁粒子浓度空间分布与八组频谱序列之间的测量矩阵。利用八组频谱序列和构造好的测量矩阵计算磁粒子浓度空间分布。所述测量矩阵构造方法为：先将成像视场FOV划分为n个小的重建模块，所述重建模块大小由期望成像分辨率决定，分辨率越高重建模块越小。然后将成像所需的磁粒子样本放入成像视场FOV，并遍历n个重建模块，且每移动至一个新的重建模块，采集一次新的八组频谱序列，最终将获得n个八组频谱序列。将每个八组频谱序列按照第一至第八的顺序进行拼接，得到一个一维频谱向量；则n个八组频谱序列将得到n个一维频谱向量。将n个一维频谱向量组合为一个矩阵，矩阵的第一列为第一个频谱向量，矩阵的第n列为第n个频谱向量；假设每个频谱向量长度为m，则所述矩阵大小为m行n列。所述矩阵即为所述磁粒子浓度空间分布与一维频谱向量之间的测量矩阵，所述一维频谱向量即所述八组频谱序列。
建立图像重建方程如下：F＝AC，其中F为一维频谱向量，A为测量矩阵，C为磁粒子浓度空间分布；通过F和A即可求解出C，进而重建得到磁粒子浓度三维空间分布，最终在显示器上显示磁粒子浓度三维空间分布图像。
所属技术领域的技术人员可以清楚的了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统具体的工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本发明第三实施例，参阅图3，本申请提供一种基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像方法，该方法包括以下步骤：
步骤S100，向无磁场线成像单元内通入直流电流，以使无磁场线成像单元的成像视场中心处产生无磁场线，所述无磁场线成像单元包括阵列式接收线圈；
步骤S200，通过调整电流进而控制无磁场线的空间位置，控制无磁场线遍历成像视场，以完成对成像视场的三维扫描检测；
步骤S300，通过所述阵列式接收线圈检测感应电压信号，依次对电压信号进行过滤基频和放大处理，并传输至上位机；
步骤S400，上位机基于数字滤波滤掉电压信号中的直流分量，再对电压信号进行傅里叶变换，得到电压信号的频谱序列；
步骤S500，基于频谱序列构造测量矩阵，利用频谱序列和测量矩阵计算磁粒子浓度空间分布，实现三维成像。进一步地，测量矩阵的构造方法为：首先将三维成像视场划分为n个小的重建模块，所述重建模块大小由期望成像分辨率决定，分辨率越高重建模块越小；然后将成像所需的磁粒子样本放入所述三维成像视场，并遍历n个重建模块，且每移动至一个新的重建模块，采集一次新的若干组频谱序列，最终将获得n个若干组频谱序列，所述若干表示阵列式接收线圈中的若干个子线圈；将每个若干组频谱序列按照组号顺序进行拼接，得到一个一维频谱向量；则n个若干组频谱序列将得到n个一维频谱向量；将n个一维频谱向量组合为一个矩阵，矩阵的第一列为第一个频谱向量，矩阵的第n列为第n个频谱向量；假设每个频谱向量长度为m，则所述矩阵大小为m行n列；所述矩阵即为所述阵列式接收线圈的测量矩阵，表示磁粒子浓度空间分布与一维频谱向量之间的映射关系，所述一维频谱向量即所述若干组频谱序列拼接而成。
所述利用频谱序列和测量矩阵计算磁粒子浓度空间分布方法包括：建立图像重建方程：F＝AC，其中，A为事先构造好的测量矩阵；F为所述若干组频谱序列拼接而成的一维频谱向量；C为磁粒子浓度三维空间分布；根据所述图像重建方程，结合A和F即可求解出C，实现磁粒子浓度三维空间分布的成像。
可以理解的是，本申请该方法的具体步骤与上述实施例相同。为描述简洁在此不再赘述。
需要说明的是，上述实施例提供的基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像方法，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
本发明第四实施例，提出了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像方法。
本发明第五实施例，提出了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像方法。
所属技术领域的技术人员可以清楚的了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实例中的对应过程，在此不再赘述。
下面参考图4，其示出了适于用来实现本申请方法、系统、设备实施例的服务器的计算机系统的结构示意图。图4示出的服务器仅仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图4所示，计算机系统包括中央处理单元(CPU，Central Processing Unit)601，其可以根据存储在只读存储器(ROM，Read Only Memory)602中的程序或者从存储部分608加载到随机访问存储器(RAM，Random Access Memory)603中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM603中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。CPU601、ROM 602以及RAM603通过总线604彼此相连。输入/输出(I/O，Input/Output)接口605也连接至总线604。
以下部件连接至I/O接口605：包括键盘、鼠标等的输入部分606；包括诸如阴极射线管(CRT，Cathode Ray Tube)、液晶显示器(LCD，Liquid Crystal Display)等以及扬声器等的输出部分607；包括硬盘等的存储部分608；以及包括诸如LAN(局域网，Local AreaNetwork)卡、调制解调器等的网络接口卡的通讯部分609。通讯部分609经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器610也根据需要连接至I/O接口605。可拆卸介质611，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器610上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分608。
特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通讯部分609从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质611被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU601执行时，执行本申请的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本申请上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本申请中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本申请中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本申请的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
附图中的流程图和框图，图示了按照本申请各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统，其特征在于，该系统包括无磁场线成像单元和控制单元，所述无磁场线成像单元包括无磁场线产生模块、无磁场线驱动模块和信号检测模块；所述控制单元包括电流激励模块、信号调理模块和图像重建模块；
所述无磁场线成像单元用于构建成像视场内的无磁场线，所述信号检测模块、所述无磁场线驱动模块和所述无磁场线产生模块依次设置于成像视场外部，其中所述信号检测模块包括一对由多个线圈组合而成的阵列式接收线圈；
所述电流激励模块与所述无磁场成像单元电性连接，能够控制所述无磁场成像单元的成像视场内产生无磁场线，并改变无磁场线的空间位置；
所述信号调理模块配置为接收无磁场线的感应电压信号并处理得到不含基频分量的感应电压信号并发送至所述图像重建模块；
所述图像重建模块配置为接收并处理所述信号调理模块发送的信号以行图像重建并显示。
2.根据权利要求1所述的基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统，其特征在于，
所述无磁场线产生模块包括间隔设置的第一电磁铁组和第二电磁铁组，所述第一电磁铁组和所述第二电磁铁组均包括两个轴线平行且绕线方向相反的电磁铁；
所述无磁场线驱动模块包括两个绕线方向相同且间隔设置的通电线圈；
所述电流激励模块通过控制所述第一电磁铁组和/或所述第二电磁铁组电流，以调整无磁场线的第一方向位置；
所述电流激励模块向所述通电线圈通入交变电流，以调整无磁场线沿第二方向的位置，所述第一方向与所述第二方向正交。
3.根据权利要求2所述的基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统，其特征在于，所述电流激励模块调整无磁场线第一方向位置的方法为：将通入所述第一电磁铁组的电流作为第一直流电流，将通入所述第二电磁铁组的电流作为第二直流电流，保持第一直流电流的大小不变，控制第二直流电流的大小进而调整无磁场线在第一方向的位置；当第二直流电流大于第一直流电流时，无磁场线沿所述第一电磁铁组方向移动，当第二直流电流小于第一直流电流时，无磁场线沿所述第二电磁铁组方向移动。
4.根据权利要求1所述的基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统，其特征在于，所述阵列式接收线圈为双层结构，所述阵列式接收线圈的内层靠近成像视场设置，所述内层包括若干个第一线圈，若干个所述第一线圈交错排列构成中心对称结构；所述阵列式接收线圈的外层靠近所述无磁场线驱动模块设置，所述外层包括一个第二线圈，所述第二线圈与所述内层中心的第一线圈同轴设置，所述第二线圈用于补偿所述第一线圈无法检测到的信号；各所述第一线圈和所述第二线圈并联连接。
5.根据权利要求1所述的基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统，其特征在于，所述电流激励模块包括直流电源、信号发生器和功率放大器；
所述直流电源用于给所述无磁场线成像单元供电；
所述信号发生器用于产生所述无磁场线驱动模块所需的电流波形；
所述功率放大器用于将所述信号发生器产生的激励波形转化为激励电流。
6.根据权利要求5所述的基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统，其特征在于，所述信号调理模块包括模拟多路复用器、基频陷波滤波器、运算放大器和数据采集卡；
所述模拟多路复用器用于所述阵列式接收线圈的多通道信号采集；
所述基频陷波滤波器用于去除所述阵列式接收线圈感应电压信号中的基频；
所述运算放大器用于对所述基频陷波滤波器过滤后的信号进行放大；
所述数据采集卡用于将放大后的电压信号传输至所述图像重建模块。
7.根据权利要求6所述的基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统，其特征在于，所述图像重建模块包括数据处理模块和图像显示模块；
所述数据处理模块用于对所述数据采集卡采集的电压信号进行数字信号处理和图像重建；
所述图像显示模块用于显示最终重建出的磁粒子三维空间浓度分布图像。
8.根据权利要求1所述的基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统，其特征在于，所述图像重建模块配置为，基于数字滤波滤掉电压信号中的直流分量后，对电压信号进行傅里叶变换，获取电压信号的频谱序列；构造阵列式接收线圈的测量矩阵，利用频谱序列和测量矩阵计算磁粒子浓度空间分布，实现三维成像。
9.根据权利要求8所述的基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统，其特征在于，所述测量矩阵的构造方法为：
根据期望成像分辨率将成像视场划分为n个重建模块；
将成像所需的磁粒子样本放入成像视场，控制无磁场线遍历n个重建模块并获取n个频谱序列组；
依序拼接n个频谱序列组，获取n个一维频谱向量；
将n个一维频谱向量组合为一个m行n列大小的测量矩阵，m为每个频谱向量长度。
10.一种基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像方法，其特征在于，该方法基于权利要求2-9中任一项所述的基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统进行，该方法包括以下步骤：
步骤A100，向所述无磁场线产生模块通入相同的直流电流，以使成像视场中心处产生无磁场线；
步骤A200，将通入所述第一电磁铁组的电流作为第一直流电流，将通入所述第二电磁铁组的电流作为第二直流电流，以第一直流电流的大小为参考，控制第二直流电流的大小进而调整无磁场线在第一方向的位置；
步骤A300，向所述通电线圈通入交变电流，以调整无磁场线沿第二方向的位置，所述第一方向与所述第二方向正交；
步骤A400，通过所述阵列式接收线圈检测感应电压信号，再经过所述信号调理模块处理获取不含基频分量的电压信号，最后传输至所述图像重建模块；
步骤A500，基于数字滤波滤掉电压信号中的直流分量，再对电压信号进行傅里叶变换，得到电压信号的频谱序列；
步骤A600，构造所述阵列式接收线圈的测量矩阵，利用频谱序列和测量矩阵计算磁粒子浓度空间分布，实现三维成像。
11.一种基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S100，向无磁场线成像单元内通入直流电流，以使无磁场线成像单元的成像视场中心处产生无磁场线，所述无磁场线成像单元包括阵列式接收线圈；
步骤S200，通过调整电流进而控制无磁场线的空间位置，控制无磁场线遍历成像视场，以完成对成像视场的三维扫描检测；
步骤S300，通过所述阵列式接收线圈检测感应电压信号，依次对电压信号进行过滤基频和放大处理，并传输至上位机；
步骤S400，上位机基于数字滤波滤掉电压信号中的直流分量，再对电压信号进行傅里叶变换，得到电压信号的频谱序列；
步骤S500，基于频谱序列构造测量矩阵，利用频谱序列和测量矩阵计算磁粒子浓度空间分布，实现三维成像。
12.一种电子设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及
与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现权利要求10和11中任一项所述的基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像方法。
13.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现权利要求10和11中任一项所述的基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像方法。
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