CN113534025A - 基于非理想无磁场点的磁纳米粒子成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于非理想无磁场点(FFP)的磁纳米粒子成像方法，该方法基于非理想FFP的磁场条件，分析非理想FFP区域的SPIOs的响应以及检测线圈的电压信号特征，通过获取等效理想FFP电压信号与等效FFP移动速度，求解图像值从而得到重建结果。该方法减少了因为实际MPI仪器中FFP不是理想无磁场区域对图像重建产生的伪影与相位误差，弥补了传统重建方法忽略实际非理想FFP情况进行重建的不足，极大提高重建质量与分辨率。

Description

基于非理想无磁场点的磁纳米粒子成像方法

技术领域

本发明属于磁纳米粒子成像领域，尤其涉及一种基于非理想无磁场点的磁纳米粒子成像方法。

背景技术

磁粒子成像(Magnetic Particle Imaging,MPI)是一种新型的成像方法，该方法通过高梯度的选择场与低频聚焦场结合，构建无磁场点(Field Free Point,FFP)区域，无磁场点区域的超顺磁纳米粒子(Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles,SPIOs)对激励磁场产生响应，而其他区域的SPIOs在选择场与聚焦场的共同作用下处于磁饱和状态，对激励磁场无响应。因此，检测线圈采集到的电压信号，只包含FFP区域的磁粒子响应，不包含其他区域的磁粒子响应，从而能够实现对磁粒子分布信息进行空间编码重建的目的，完成检测对象的精准定位。

现有的MPI的图像重建方法均以“瞬时FFP在空间中位置唯一”的假设为基础，并且重建图像中一个像素点的值由对应视野场中多个FFP的感应电压共同决定。理想情况下，每个FFP区域内，所有位置的磁场为零，SPIOs只受交变驱动磁场的作用产生磁化矢量；而在实际的MPI设备中，同一个FFP区域内，无法实现所有位置均是绝对的无磁场，尤其在制造大视野场的MPI仪器过程中，更无法保证理想的FFP。

非理想无磁场点的SPIOs不仅受到交变驱动磁场的影响，还受到选择场和聚焦场施加的一个低幅值直流磁场，从而造成了对SPIOs的不对称激励、磁化矢量与理想情况下的磁化矢量不同以及检测线圈感应电压的变化。正是由于实际MPI设备中存在非理想的无磁场点的情况，利用理想情况下的现有MPI图像重建方法必然会产生误差和伪迹。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提出了一种基于非理想无磁场点的磁纳米粒子成像方法，该方法构建了非理想FFP的磁场响应模型，基于该模型分析理想FFP的电压信号与非理想FFP的电压信号差异，从而提出了针对非理想FFP的图像重建算法，获得了高质量的图像重建结果。

本发明的技术方案如下：

一种基于非理想无磁场点(FFP)的磁纳米粒子成像方法，包括以下步骤：

S1设定非理想FFP与理想FFP的外加磁场条件，结合郎之万函数，得到超顺磁纳米粒子(SPIOs)的磁化矢量M与点扩散函数PSF；

S2基于非理想FFP与理想FFP磁场分布的磁粒子成像(MPI)仪器检测线圈电压信号，获得信号特征；

S3基于S2获得的信号特征，对MPI仪器检测线圈采集的电压信号进行积分转换，得到等效理想FFP的电压信号；

S4基于S2获得的信号特征，对MPI仪器的FFP移动速度进行平均，得到等效理想FFP的移动速度；

S5基于S3得到的等效理想FFP电压信号和S4得到的等效理想FFP移动速度，获取等效三维浓度重建图像。

进一步的，所述S1中非理想FFP与理想FFP的外加磁场条件如下：

理想FFP区域内全部位置直流磁场强度G′＝0，外加交流驱动磁场H_D不受影响，H_D＝Acos(2πf_Dt)；

非理想FFP只有中间区域磁场强度为H＝0，周围区域存在直流磁场强度为G的静态磁场，中间区域的一侧磁场强度G＞0，中间区域的另一侧磁场强度G＜0；静态磁场和外加交流驱动磁场产生的激励合场为：

H_SPIO＝H_D+G＝Acos(2πf_Dt)+G

其中，H_D为外加交流驱动磁场，A为交流驱动磁场幅值，f_D为交流驱动磁场频率，t为时间。

进一步的，所述S1还包括：SPIOs在外加磁场作用下，根据郎之万函数产生磁化矢量M，进而得到非理想FFP和理想FFP下SPIOs的点扩散函数PSF：

进一步的，所述S2中，还包括：

理想FFP每个位置的直流磁场强度G′＝0，MPI仪器检测线圈的电压信号是所有位置S的PSF之和：

非理想FFP一部分位置S₁的直流磁场强度G＞0，一部分位置S₂的直流磁场强度G＝0，剩余部分位置S₃的直流磁场强度G＜0，检测线圈的电压信号是三部分位置的PSF之和：

对比理想FFP的电压信号与非理想FFP的电压信号，获取两者的共同信号特征。

进一步的，所述共同的信号特征为：在相同半个周期内，电压幅值沿时间的积分大致相等：

进一步的，所述S3中，还包括：

沿着时间每半个周期对电压信号进行积分，得到等效理想FFP的电压信号，如下：

其中，u(t)为MPI仪器检测线圈采集到的电压信号，T_D为周期，

n＝0,1,2…。

进一步的，所述S4中，还包括：

每半个周期内对FFP移动速度进行平均，获得等效理想FFP的移动速度为：

其中

为MPI中聚焦场引起的FFP的移动速度，n＝0,1,2…。

进一步的，所述S5中，还包括：

用等效理想FFP电压信号除以等效理想FFP移动速度，得到对应位置的图像值，如下：

将各个位置的图像值按照FFP的移动轨迹拼接，即得等效三维浓度重建图像。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的基于非理想无磁场点的磁纳米粒子成像方法基于非理想FFP的磁场条件提出，分析了非理想FFP区域的SPIOs的响应，以及检测线圈的电压信号特征，通过获取等效理想FFP电压信号与等效FFP移动速度，求解图像值从而得到重建图像。该方法减少了因为实际MPI仪器中FFP不是理想无磁场区域对图像重建产生的伪影与相位误差，弥补了传统重建方法因忽略实际非理想FFP情况而存在的不足，极大地提高了重建质量与分辨率。

此外，本发明的成像方法对于不同结构类型的FFP-MPI设备和不同的示踪剂具有普适性，能够弥补现在MPI硬件结构无法达到高精度均匀FFP的不足，从重建算法角度提高图像质量，也为大视野MPI的实现提供了可能。

附图说明

通过参考附图可更好地理解本发明。图中的构件不应视作按比例绘制，重点应放在示出本发明的原理上。

图1为本发明基于非理想无磁场点的磁纳米粒子成像方法的流程图；

图2为理想FFP与非理想FFP磁场条件示意图；

图3为郎之万函数曲线；

图4为理想FFP与非理想FFP的激励合场；

图5为理想FFP与非理想FFP的磁化矢量；

图6为理想FFP与非理想FFP的PSF；

图7为理想FFP与非理想FFP的电压信号；

图8为基于理想FFP重建的两个不同浓度椭球样本的三视图；

图9为本发明方法基于非理想FFP重建的两个不同浓度椭球样本的三视图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提出的基于非理想无磁场点的磁纳米粒子成像方法的技术方案如图1所示，其具体的实施方案如下：

S1设定非理想FFP与理想FFP的外加磁场条件，结合郎之万函数，得到超顺磁纳米粒子(SPIOs)的磁化矢量M与点扩散函数PSF：

理想FFP与非理想FFP如图2所示，其中理想FFP区域内全部位置直流磁场强度G′＝0，驱动线圈通入交流电，产生的外加交流驱动磁场H_D不受影响，H_D＝Acos(2πf_Dt)；然而在实际的MPI中并非如此，而是呈非理想FFP。非理想FFP只有中间区域磁场强度为H＝0，周围区域存在直流磁场强度为G的静态磁场，中间区域一侧磁场强度G＞0，中间区域另一侧磁场强度G＜0；在非理想FFP的周围区域，静态磁场的存在为外加交流驱动磁场增加了一个直流分量，产生的激励合场为：

H_SPIO＝H_D+G＝Acos(2πf_Dt)+G

其中，H_D为外加交流驱动磁场，A为交流驱动磁场幅值，f_D为交流驱动磁场频率，t为时间。

如图3-5，SPIOs在外加磁场作用下，根据郎之万函数产生磁化矢量M，磁化矢量M沿时间的变化率dM/dt即得到非理想FFP和理想FFP下SPIOs的点扩散函数PSF，如图6所示：

S2基于非理想FFP与理想FFP磁场分布的磁粒子成像(MPI)仪器检测线圈电压信号，获得信号特征：

理想FFP每个位置的直流磁场强度G′＝0，MPI仪器检测线圈的电压信号是所有位置S的PSF之和：

非理想FFP一部分位置S₁的直流磁场强度G＞0，一部分位置S₂的直流磁场强度G＝0，剩余部分位置S₃的直流磁场强度G＜0，检测线圈的电压信号是三部分位置的PSF之和：

理想FFP的电压信号与非理想FFP的电压信号如图7所示，两者的共同特征为：在相同半个周期内，电压幅值沿时间的积分大致相等：

S3对MPI仪器检测线圈采集的电压信号，每半个周期进行时间积分转换，得到等效理想FFP的电压信号：

沿着时间每半个周期对电压信号进行积分，得到等效理想FFP的电压信号，如下：

MPI仪器检测线圈采集到的电压信号为u(t)，激励线圈的半个周期为：

沿着时间对每

的u(t)进行积分，得到等效理想FFP的电压信号：

其中，n＝0,1,2…。

S4对MPI仪器的FFP移动速度，每半个周期进行平均，得到等效理想FFP的移动速度；

每半个周期内对FFP移动速度进行平均，获得等效理想FFP的移动速度为：

其中

为MPI中聚焦场引起的FFP的移动速度，n＝0,1,2…。

S5基于等效理想FFP电压信号和等效理想FFP移动速度，获取等效三维浓度重建图像：

用等效理想FFP电压信号除以等效理想FFP移动速度，得到对应位置的图像值，如下：

将各个位置的图像值按照FFP的移动轨迹拼接，即得等效三维浓度重建图像。

图8是忽略实际情况中FFP为非理想情况下，重建得到的一个两个不同浓度椭球样本的三视图，图像结果只有一团光亮，无法明确区分两个椭球样本。图9是采用本发明的方法重建得到的相同两个不同浓度椭球样本的三视图，可以清楚区分两个椭球。对比图8和图9可以看出，本发明的方法考虑了非理想FFP的情况，并将非理想FFP的影响融入图像重建过程中，获得的图像伪影减少，图像质量明显提高，分辨率大幅提高。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于非理想无磁场点(FFP)的磁纳米粒子成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1设定非理想FFP与理想FFP的外加磁场条件，结合郎之万函数，得到超顺磁纳米粒子(SPIOs)的磁化矢量M与点扩散函数PSF；

S2基于非理想FFP与理想FFP磁场分布的磁粒子成像(MPI)仪器检测线圈电压信号，获得信号特征；

S3基于S2获得的信号特征，对MPI仪器检测线圈采集的电压信号进行积分转换，得到等效理想FFP的电压信号；

S4基于S2获得的信号特征，对MPI仪器的FFP移动速度进行平均，得到等效理想FFP的移动速度；

S5基于S3得到的等效理想FFP电压信号和S4得到的等效理想FFP移动速度，获取等效三维浓度重建图像。

2.根据权利要求1所述的磁纳米粒子成像方法，其特征在于，所述S1中非理想FFP与理想FFP的外加磁场条件如下：

理想FFP区域内全部位置直流磁场强度G′＝0，外加交流驱动磁场H_D不受影响，H_D＝Acos(2πf_Dt)；

非理想FFP只有中间区域磁场强度为H＝0，周围区域存在直流磁场强度为G的静态磁场，中间区域的一侧磁场强度G＞0，中间区域的另一侧磁场强度G＜0；静态磁场和外加交流驱动磁场产生的激励合场为：

H_SPIO＝H_D+G＝Acos(2πf_Dt)+G

其中，H_D为外加交流驱动磁场，A为交流驱动磁场幅值，f_D为交流驱动磁场频率，t为时间。

3.根据权利要求2所述的磁纳米粒子成像方法，其特征在于，SPIOs在外加磁场作用下，根据郎之万函数产生磁化矢量M，进而得到非理想FFP和理想FFP下SPIOs的点扩散函数PSF：

4.根据权利要求1所述的磁纳米粒子成像方法，其特征在于，所述S2中，还包括：

理想FFP每个位置的直流磁场强度G′＝0，MPI仪器检测线圈的电压信号是所有位置S的PSF之和：

非理想FFP一部分位置S₁的直流磁场强度G＞0，一部分位置S₂的直流磁场强度G＝0，剩余部分位置S₃的直流磁场强度G＜0，检测线圈的电压信号是三部分位置的PSF之和：

对比理想FFP的电压信号与非理想FFP的电压信号，获取两者的共同信号特征。

5.根据权利要求4所述的磁纳米粒子成像方法，其特征在于，所述共同的信号特征为：在相同半个周期内，电压幅值沿时间的积分大致相等：

6.根据权利要求1所述的磁纳米粒子成像方法，其特征在于，所述S3中，还包括：

沿着时间每半个周期对电压信号进行积分，得到等效理想FFP的电压信号，如下：

其中，u(t)为MPI仪器检测线圈采集到的电压信号，T_D为周期，

7.根据权利要求1所述的磁纳米粒子成像方法，其特征在于，所述S4中，还包括：

每半个周期内对FFP移动速度进行平均，获得等效理想FFP的移动速度为：

其中

为MPI中聚焦场引起的FFP的移动速度，n＝0,1,2…。

8.根据权利要求1所述的磁纳米粒子成像方法，其特征在于，所述S5中，还包括：

用等效理想FFP电压信号除以等效理想FFP移动速度，得到对应位置的图像值，如下：

将各个位置的图像值按照FFP的移动轨迹拼接，即得等效三维浓度重建图像。

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