CN114246574A - 基于谐波正交投影的磁粒子成像方法、系统、设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物医学成像技术领域，具体涉及一种基于谐波正交投影的磁粒子成像方法、系统、设备，旨在解决现有的磁粒子成像方法无法实现在高驱动磁场和低梯度磁场条件下的快速高分辨率成像的问题。本发明方法包括：采集磁粒子时域信号；将扫描磁场的合成扫描路径进行网格离散化；对采集到的磁粒子时域信号进行时频域变换；将瞬时谐波分量投影至对应的离散网格上，获得不同频率的谐波正交投影图像；构建小样本先验谐波正交投影图像，进而构造不同频率的投影卷积核；利用投影卷积核对谐波正交投影图像进行反卷积，得到磁粒子的空间分布图像。本发明提升了磁粒子成像的空间分辨率，实现了强激励磁场条件下的磁粒子的空间分布快速高分辨率成像。
Description
技术领域
本发明属于生物医学成像技术领域，具体涉及一种基于谐波正交投影的磁粒子成像方法、系统、设备。
背景技术
磁粒子是一种具有超顺磁性的纳米级颗粒，近年来其作为一种新型的医学成像示踪剂在肿瘤检测、磁粒子热疗、靶向给药等问题中被广泛研究和应用。
传统磁粒子成像(MPI)方法的基本流程是：1、首先利用高场强的静态梯度磁场在成像空间内构造出一无磁场区域(FFR)，该区域可以是无磁场点(FFP)，也可以是无磁场线(FFL)。在FFR内磁粒子处于非饱和状态，能够产生磁化响应信号；2、施加高频的驱动磁场使FFR内的磁粒子磁矩发生旋转，进而产生磁化响应信号。同时FFR会随着驱动场强度的增大而发生移动，实现FFR在成像空间内的快速扫描；3、当存在两个或三个方向的驱动磁场时，则FFR会在成像空间内进行二维或三维扫描；4、利用接收线圈感应磁粒子的磁化响应信号，结合图像重建算法即可实现磁粒子浓度分布的重建。
目前MPI重建算法主要包括系统矩阵法和X空间法：
系统矩阵法的基本原理是通过建立磁粒子信号U与浓度c之间的系统矩阵S，进一步求解方程U＝Sc，计算磁粒子浓度c的空间分布。但现存问题在于系统矩阵的获取过程非常繁琐，需要通过重复移动磁粒子样本进行测量，而且需要定期反复调试校准，时间成本非常高。且大量的矩阵运算会导致成像速度变慢，不利于实时成像。
X空间法是一种相对简单快速的MPI重建方法，将时域信号进行反卷积处理投影至FFR扫描轨迹上即可重建粒子分布。但现存的问题在于，为增大扫描范围而提高驱动磁场场强的同时，磁粒子会受到强驱动磁场的影响产生弛豫效应。这将导致时域信号发生延迟和畸变，进而导致重建图像错位和模糊，使图像的空间分辨率降低。另一方面，粒子信号强度也与驱动场的场强成正比，若想进行高灵敏度的磁粒子成像，必然要提高驱动场强。因此，基于X空间的快速成像方法很难兼顾空间分辨率和灵敏度。
综上所述，目前磁粒子成像重建方法还无法实现在高驱动磁场和低梯度磁场条件下的快速高分辨率成像。这将制约磁粒子成像技术在临床应用领域的发展。基于此，本发明提出了一种基于谐波正交投影的磁粒子成像方法。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有的磁粒子成像方法无法实现在高驱动磁场和低梯度磁场条件下的快速高分辨率成像的问题，本发明提出了一种基于谐波正交投影的磁粒子成像方法，应用于磁粒子成像装置，所述磁粒子成像装置包括永磁体对、扫描线圈组、样本移动床、图像重建装置；所述扫描线圈组包括两对环形扫描线圈对、两个圆筒形线圈；所述环形扫描线圈对中两个环形扫描线圈共轴且轴线正交；两个圆筒形线圈，一个为激励线圈，一个为接收线圈，同轴设置于两对环形扫描线圈对的包围空间；所述磁粒子成像装置以圆筒形线圈的轴线方向为x方向、以圆筒形线圈的轴线的纵向为z方向；所述永磁体对设置于z方向的环形扫描线圈对与圆筒形线圈之间；该方法包括：
步骤S100，利用永磁体对构建梯度磁场，形成无磁场区域，并向两对环形扫描线圈对通入交变电流，产生扫描磁场；产生扫描磁场时，利用激励线圈对磁粒子进行激励，并利用接收线圈采集磁粒子时域信号；
步骤S200，将至少一个方向的扫描磁场的合成扫描路径进行网格离散化，每个离散网格对应一个成像体素；所述合成扫描路径指的是两个以上方向的扫描磁场同时工作时的扫描路径；
步骤S300，对采集到的磁粒子时域信号进行时频域变换，获取磁粒子信号在不同时刻下的瞬时谐波分量；
步骤S400，将所述瞬时谐波分量按照预设的时空编码规则进行时空投影，投影至对应的离散网格上，获得不同频率的谐波正交投影图像；
步骤S500，结合步骤S100-步骤S400的方法，构建小样本先验谐波正交投影图像；构建后，基于所述小样本先验谐波正交投影图像构造不同频率的投影卷积核；
步骤S600，利用不同频率的投影卷积核对步骤S400获取的不同频率的谐波正交投影图像进行反卷积处理，最终得到磁粒子的空间分布图像。
在一些优选的实施方式中，所述磁粒子时域信号，其采集方法为
当两对环形扫描线圈对通入交变电流后，两个方向的扫描磁场同时施加且存在不同的频率或相位，无磁场点会沿着设定轨迹扫描在二维空间内进行快速扫描，经历时间T后遍历整个y-z平面二维空间；
在无磁场点扫描同时，利用激励线圈产生连续的高频激励磁场激发磁粒子的磁化响应信号，并利用接收线圈感应和采集磁化响应信号，即磁粒子时域信号。
在一些优选的实施方式中，所述时频域变换为分段傅里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换中的任一种。
在一些优选的实施方式中，获取磁粒子信号在不同时刻下的瞬时谐波分量，其方法为：
获取在整个y-z平面二维空间的扫描过程中产生的磁粒子时域信号的时间长度T以及待重建的磁粒子的空间分布图像设定的体素数量N，将磁粒子时域信号分为T/N段；
将每段磁粒子时域信号单独进行时频域变换，得到N组不同频率的瞬时谐波分量。
在一些优选的实施方式中，构建小样本先验谐波正交投影图像，其方法为：
在正式的扫描成像前，先将不大于待重建的磁粒子的空间分布图像的成像体素大小的磁粒子样本放入磁粒子成像装置的成像空间内；然后按照步骤S100-步骤S400方法执行，获取不同频率的谐波正交投影图像，作为小样本先验谐波正交投影图像。
在一些优选的实施方式中，基于所述小样本先验谐波正交投影图像构造不同频率的投影卷积核，其方法为：
根据成像空间和分辨率尺度要求，构造投影卷积核；
具体为：重建出的谐波正交投影图像
可以看作是真实粒子分布ρ(y)与不同频率下的点扩散函数
卷积得到的，三者有如下关系：
其中，tn表示第n个时间点，y(tn)表示第n个时间点FFP所在的空间坐标，fk表示第k个频率，y表示真实粒子的分布坐标；
基于上述理论，所述构造投影卷积核的方法为：若期望分辨率是Pmm，则采用宽度不大于Pmm的小样本，也可称为最小单位体素，按照步骤S100-步骤S400方法，获得的正交谐波投影图像；根据上式可知，此时的
就是
由于
是由最小单位体素对应的点扩散函数，因此称为投影卷积核。
在一些优选的实施方式中，所述瞬时谐波分量按照预设的时空编码规则进行时空投影，其方法为：
其中，TFS(tn，fk)表示瞬时谐波分量，它是时间和频率的函数，具体表示第n个时刻下，第k个频率的瞬时谐波分量，
表示瞬时谐波分量对应的相位，
表示FFP的扫描瞬时速度，SR[y(tn)]表示瞬时位移点对应的接收线圈的灵敏度，
表示不同频率的一维谐波投影图像，是一个空间和频率的函数；
若有两个方向的扫描磁场，则按照上述投影规则可以得到不同频率的二维谐波投影图像IMG(fk)：
其中，yN表示第N个y空间坐标，zM表示第M个z空间坐标；
不同频率的谐波正交投影图像加权组合，加权组合后为：
其中，
表示单独归一化后的不同频率的谐波正交投影图像，f0表示激励磁场的频率，称为基频，(2k-1)f0则表示奇倍频，也称奇次谐波频率，IMGCH表示由所有奇倍频谐波投影图经过归一化、极性校正后的加权组合谐波投影图像。
本发明的第二方面，提出了一种基于谐波正交投影的磁粒子成像系统，该系统包括：信号采集模块、网格离散化模块、时频域变换模块、投影模块、卷积核构造模块、图像重建模块；
所述信号采集模块，配置为利用永磁体对构建梯度磁场，形成无磁场区域，并向两对环形扫描线圈对通入交变电流，产生扫描磁场；产生扫描磁场时，利用激励线圈对磁粒子进行激励，并利用接收线圈采集磁粒子时域信号；
所述网格离散化模块，配置为将至少一个方向的扫描磁场的合成扫描路径进行网格离散化，每个离散网格对应一个成像体素；所述合成扫描路径指的是两个以上方向的扫描磁场同时工作时的扫描路径；
所述时频域变换模块，配置为对采集到的磁粒子时域信号进行时频域变换，获取磁粒子信号在不同时刻下的瞬时谐波分量；
所述投影模块，配置为将所述瞬时谐波分量按照预设的时空编码规则进行时空投影，投影至对应的离散网格上，获得不同频率的谐波正交投影图像；
所述卷积核构造模块，配置为结合信号采集模块-投影模块的方法，构建小样本先验谐波正交投影图像；构建后，基于所述小样本先验谐波正交投影图像构造不同频率的投影卷积核；
所述图像重建模块，配置为利用不同频率的投影卷积核对投影模块获取的不同频率的谐波正交投影图像进行反卷积处理，最终得到磁粒子的空间分布图像。
本发明的第三方面，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谐波正交投影的磁粒子成像方法。
本发明的第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，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谐波正交投影的磁粒子成像方法。
本发明的有益效果：
本发明提升了磁粒子成像的空间分辨率，实现了强激励磁场条件下的磁粒子的空间分布快速高分辨率成像。
本发明采用瞬时谐波分量代替传统时域信号进行投影重建，避免了粒子弛豫效应所导致的时域信号畸变问题，能够在强激励磁场条件下提升磁粒子成像的空间分辨率。与传统成像方法相比，既提高了信号信噪比，又兼顾了图像分辨率，同时成像速度快，利于在实时成像领域的应用。
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谐波正交投影的磁粒子成像方法的流程示意图；
图2为本发明一种实施例的基于谐波正交投影的磁粒子成像方法的框架示意图；
图3是本发明一种实施例的磁粒子成像装置的结构示意图；
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
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。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。
本发明第一实施例的一种基于谐波正交投影的磁粒子成像方法，应用于磁粒子成像装置，所述磁粒子成像装置包括永磁体对、扫描线圈组、样本移动床、图像重建装置；所述扫描线圈组包括两对环形扫描线圈对、两个圆筒形线圈；所述环形扫描线圈对中两个环形扫描线圈共轴且轴线正交；两个圆筒形线圈，一个为激励线圈，一个为接收线圈，同轴设置于两对环形扫描线圈对的包围空间；所述磁粒子成像装置以圆筒形线圈的轴线方向为x方向、以圆筒形线圈的轴线的纵向为z方向；所述永磁体对设置于z方向的环形扫描线圈对与圆筒形线圈之间；如图1所示，该方法包括：
步骤S100，利用永磁体对构建梯度磁场，形成无磁场区域，并向两对环形扫描线圈对通入交变电流，产生扫描磁场；产生扫描磁场时，利用激励线圈对磁粒子进行激励，并利用接收线圈采集磁粒子时域信号；
步骤S200，将至少一个方向的扫描磁场的合成扫描路径进行网格离散化，每个离散网格对应一个成像体素；所述合成扫描路径指的是两个以上方向的扫描磁场同时工作时的扫描路径；
步骤S300，对采集到的磁粒子时域信号进行时频域变换，获取磁粒子信号在不同时刻下的瞬时谐波分量；
步骤S400，将所述瞬时谐波分量按照预设的时空编码规则进行时空投影，投影至对应的离散网格上，获得不同频率的谐波正交投影图像；
步骤S500，结合步骤S100-步骤S400的方法，构建小样本先验谐波正交投影图像；构建后，基于所述小样本先验谐波正交投影图像构造不同频率的投影卷积核；
步骤S600，利用不同频率的投影卷积核对步骤S400获取的不同频率的谐波正交投影图像进行反卷积处理，最终得到磁粒子的空间分布图像。
为了更清晰地对本发明一种基于谐波正交投影的磁粒子成像方法进行说明，下面结合附图，对本发明方法一种实施例中各步骤进行展开详述。
本发明一种基于谐波正交投影的磁粒子成像方法，应用于磁粒子成像装置。所述磁粒子成像装置，如图3所示，包括用于产生梯度磁场的线圈或永磁体对、扫描线圈组；所述扫描线圈组包括两对环形扫描线圈对、两个圆筒形线圈；
第一永磁体1、第二永磁体2构成永磁体对；第一永磁体1、第二永磁体2二者产生的磁场极性相反，根据磁场矢量叠加原理，会在成像空间9的正中心产生一处无磁场区域10，磁粒子在无磁场区域10中处于非饱和状态，可以被外加磁场所磁化，产生磁化响应信号；
第一环形扫描线圈3、第二环形扫描线圈4构成第一扫描线圈组，第一环形扫描线圈5、第二环形扫描线圈6构成第二扫描线圈组；圆筒形线圈7为激励线圈，用于产生高频的交变磁场激发磁粒子的磁化响应信号；圆筒形线圈8为接收线圈，用于感应磁化响应信号，两个圆筒形线圈设置于两对环形扫描线圈对的包围空间。圆筒形线圈7、8同轴设置，令其轴线为第一轴线，第一环形扫描线圈3、第二环形扫描线圈4共轴平行设置，令其轴线为第二轴线，第一环形扫描线圈5、第二环形扫描线圈6共轴平行设置，令其轴线为第三轴线，第二轴线、第三轴线正交。
本发明以第一轴线方向为x方向(在其他实施例中，除x方向外还可以在合适位置设置其他方向的激励线圈和接收线圈，以提高检测信息量)，第一轴线过第二轴线与第三轴线的正交点，且第一轴线垂直于第二轴线与第三轴线构成的平面(y-z平面)。即第一环形扫描线圈3、第二环形扫描线圈4通入交变电流后能够产生z方向的扫描磁场，即控制无磁场点沿z方向交变移动；第一环形扫描线圈5、第二环形扫描线圈6通入交变电流后能够产生y方向的扫描磁场，即控制无磁场点沿y方向交变移动。当两个方向的扫描磁场同时施加且存在一定的频率或相位差异时，无磁场点会沿着设定轨迹扫描整个y-z平面，不同时刻记录着不同的空间位置，实现二维时空编码。若再添加一个x方向扫描线圈，同理可实现三维扫描和时空编码。
另外，本发明中的样本移动床、图像重建装置、信号传输模块、信号采集与处理模块、供电模块；
样本移动床，用于从扫描线圈组外部向接收线圈内部递送成像对象，采用三轴机械臂或电机控制可在三个方向任意移动；
信号传输模块包括激励端的谐振电路、接收端的放大滤波电路以及电流、电压、温度等传感器装置。谐振电路用于减小激励线圈的无功功率，降低电源输出功率需求。放大滤波电路用于对接收线圈接收到的信号进行放大和滤波。电流、电压、温度等传感器主要用于监测各线圈的工作状态。
信号采集与处理模块包括数据采集电路和存储装置以及软件处理模块；数据采集电路主要起到模数转换的功能，将放大滤波后的模拟信号转化成数字信号传输至存储单元。软件处理模块主要用于对存储数据进行在线或离线的各种处理。
供电模块包括信号发生器、功率放大器、低压交流/直流电源装置。信号发生器与功率放大器组合为线圈供电电源，信号发生器产生所需波形信号，传至功率放大器内进行放大，然后输出线圈所需功率的电压和电流。低压交流/直流电源主要用于给各类传感器、放大滤波器等其他组件供电。
图像重建装置包括数据计算单元和图像显示单元。数据计算单元主要用于对采集到的数据根据图像重建算法进行计算和处理，得到最终的磁粒子图像数据。图像显示单元主要是对磁粒子图像数据进行彩色可视化。
通过上述的磁粒子成像装置，重建磁粒子的空间分布图像的具体过程如下：
步骤S100，利用永磁体对构建梯度磁场，形成无磁场区域，并向两对环形扫描线圈对通入交变电流，产生扫描磁场；产生扫描磁场时，利用激励线圈对磁粒子进行激励，并利用接收线圈采集磁粒子时域信号；
在本实施例中，首先利用两个磁场极性相反的线圈或永磁体1、2在成像空间中产生梯度磁场，梯度磁场的中心为无磁场区域，该无磁场区域可以是无磁场点(FFP)也可以是无磁场线(FFL)，本发明以FFP为例进行说明。磁纳米粒子在FFP处于非饱和状态，可以被磁化而产生磁化响应。
然后环形扫描线圈3、4、5、6通入交变电流，所产生的两个方向的交变磁场经过叠加会使FFP在二维空间内进行快速扫描，经历时间T后遍历整个二维空间。通过事先制定好的扫描轨迹，容易知道不同时刻下FFP对应的空间位置。
与此同时，利用激励线圈7，产生连续的高频激励磁场，在FFP移动的过程中持续对磁粒子进行激励，但只有在FFP处的粒子会产生响应信号。进而采用接收线圈8采集磁粒子时域信号，时域信号的长度是时间T。
步骤S200，将至少一个方向的扫描磁场的合成扫描路径进行网格离散化，每个离散网格对应一个成像体素；所述合成扫描路径指的是两个以上方向的扫描磁场同时工作时的扫描路径；
在本实施例中，获取待重建的磁粒子的空间分布图像设定的体素数量N，则将扫描磁场的合成扫描路径离散化为N个网格。其中，所述扫描磁场可以是两个、三个或更多方向的，用于实现多维扫描和空间编码。
步骤S300，对采集到的磁粒子时域信号进行时频域变换，获取磁粒子信号在不同时刻下的瞬时谐波分量；
在本实施例中，获取整个扫描过程产生的时域信号的长度为T，然后分为T/N段，按照时空编码轨迹，每段信号刚好对应一个离散网格。每段单独进行时频域变换，每段信号会求得一组不同频率的瞬时谐波分量，最终会获得N组瞬时谐波分量。
所述时频域变换为分段傅里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换中的任一种。
步骤S400，将所述瞬时谐波分量按照预设的时空编码规则进行时空投影，投影至对应的离散网格上，获得不同频率的谐波正交投影图像；
所述时空编码规则指的是建立的时间域和空间域的映射关系。例如本发明中先用永磁体产生无磁场点，然后在扫描磁场的作用下驱动无磁场点沿特定路径移动，进行逐点扫描，则每个时刻都对应一个空间位置。然后再将实时检测到的时域信号按照步骤S300转化为瞬时谐波分量，再按照时间和空间的对应关系，将不同时刻的瞬时谐波分量投影回空间位置。
时空投影的具体过程如下：
其中，TFS(tn，fk)表示瞬时谐波分量，它是时间和频率的函数，具体表示第n个时刻下，第k个频率的瞬时谐波分量，
表示瞬时谐波分量对应的相位，
表示FFP的扫描瞬时速度，SR[y(tn)]表示瞬时位移点对应的接收线圈的灵敏度，
表示不同频率的一维谐波投影图像，是一个空间和频率的函数。
在本实施例中，将N组瞬时谐波分量一一对应投影至N个离散网格上。假设每组瞬时谐波分量包含K个频率，则最终会获得K张不同频率的谐波正交投影图像。
假如有两个方向的扫描磁场，则按照上述投影规则可以得到不同频率的二维谐波投影图像IMG(fk)：
其中，yN表示第N个y空间坐标，zM表示第M个z空间坐标；
所述时空投影方向与激励方向为正交方向。激励方向即激励线圈产生的磁场方向，在本实施例中为x方向；时空投影方向及扫描方向，在本例中为y或z方向。
不同频率的谐波正交投影图像可以进行加权组合，这里给出一种加权组合实例：
其中，
表示单独归一化后的不同频率的谐波正交投影图像，f0表示激励磁场的频率，称为基频，(2k-1)f0则表示奇倍频，也称奇次谐波频率，IMGCH表示由所有奇倍频谐波投影图经过归一化、极性校正后的加权组合谐波投影图像。
步骤S500，结合步骤S100-步骤S400的方法，构建小样本先验谐波正交投影图像；构建后，基于所述小样本先验谐波正交投影图像构造不同频率的投影卷积核；
在本实施例中，构建小样本先验谐波正交投影图像的具体过程为：
在正式的扫描成像前，先将不大于待重建的磁粒子的空间分布图像的成像体素大小的磁粒子样本放入磁粒子成像装置的成像空间内；然后按照步骤S100-步骤S400方法执行，获取K张不同频率的谐波正交投影图像，作为小样本先验谐波正交投影图像。
根据成像空间和分辨率尺度要求，构造投影卷积核；具体为：
重建出的谐波正交投影图像
可以看作是真实粒子分布ρ(y)与不同频率下的点扩散函数
卷积得到的，三者有如下关系：
其中，tn表示第n个时间点，y(tn)表示第n个时间点FFP所在的空间坐标，fk表示第k个频率，y表示真实粒子的分布坐标；
基于上述理论，所述构造投影卷积核的方法为：若期望分辨率是Pmm，则采用宽度不大于Pmm的小样本，也可称为最小单位体素，按照步骤S100-步骤S400方法，获得的正交谐波投影图像。根据上式可知，此时的
就是
由于
是由最小单位体素对应的点扩散函数，因此称为投影卷积核。
构造投影卷积核的好处在于：将投影卷积核对任意样本的正交谐波投影图像进行反卷积处理，即可得到近似的真实粒子分布，会提高成像分辨率。
步骤S600，利用不同频率的投影卷积核对步骤S400获取的不同频率的谐波正交投影图像进行反卷积处理，最终得到磁粒子的空间分布图像。
本发明第二实施例的一种基于谐波正交投影的磁粒子成像系统，如图2所示，该系统包括：信号采集模块100、网格离散化模块200、时频域变换模块300、投影模块400、卷积核构造模块500、图像重建模块600；
所述信号采集模块100，配置为利用永磁体对构建梯度磁场，形成无磁场区域，并向两对环形扫描线圈对通入交变电流，产生扫描磁场；产生扫描磁场时，利用激励线圈对磁粒子进行激励，并利用接收线圈采集磁粒子时域信号；
所述网格离散化模块200，配置为将至少一个方向的扫描磁场的合成扫描路径进行网格离散化，每个离散网格对应一个成像体素；所述合成扫描路径指的是两个以上方向的扫描磁场同时工作时的扫描路径；
所述时频域变换模块300，配置为对采集到的磁粒子时域信号进行时频域变换，获取磁粒子信号在不同时刻下的瞬时谐波分量；
所述投影模块400，配置为将所述瞬时谐波分量按照预设的时空编码规则进行时空投影，投影至对应的离散网格上，获得不同频率的谐波正交投影图像；
所述卷积核构造模块500，配置为结合信号采集模块100-投影模块400的方法，构建小样本先验谐波正交投影图像；构建后，基于所述小样本先验谐波正交投影图像构造不同频率的投影卷积核；
所述图像重建模块600，配置为利用不同频率的投影卷积核对投影模块400获取的不同频率的谐波正交投影图像进行反卷积处理，最终得到磁粒子的空间分布图像。
所述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，上述描述的系统的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。
需要说明的是，上述实施例提供的基于谐波正交投影的磁粒子成像系统，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。
本发明第三实施例的一种电子设备，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上述的基于谐波正交投影的磁粒子成像方法。
本发明第四实施例的一种计算机可读存储介质，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谐波正交投影的磁粒子成像方法。
所述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，上述描述的电子设备、计算机可读存储介质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、装置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)401，其可以根据存储在只读存储器(ROM，Read Only Memory)402中的程序或者从存储部分408加载到随机访问存储器(RAM，Random Access Memory)403中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 403中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。CPU 401、ROM 402以及RAM 403通过总线404彼此相连。输入/输出(I/O，Input/Output)接口405也连接至总线404。
以下部件连接至I/O接口405：包括键盘、鼠标等的输入部分406；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407；包括硬盘等的存储部分408；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409。通讯部分409经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器410也根据需要连接至I/O接口405。可拆卸介质411，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410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408。
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409从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质411被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU)401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作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 (10)
1.一种基于谐波正交投影的磁粒子成像方法，应用于磁粒子成像装置，所述磁粒子成像装置包括永磁体对、扫描线圈组、样本移动床、图像重建装置；所述扫描线圈组包括两对环形扫描线圈对、两个圆筒形线圈；所述环形扫描线圈对中两个环形扫描线圈共轴且轴线正交；两个圆筒形线圈，一个为激励线圈，一个为接收线圈，同轴设置于两对环形扫描线圈对的包围空间；所述磁粒子成像装置以圆筒形线圈的轴线方向为方向、以圆筒形线圈的轴线的纵向为z方向；所述永磁体对设置于z方向的环形扫描线圈对与圆筒形线圈之间；其特征在于，该方法包括：
步骤S100，利用永磁体对构建梯度磁场，形成无磁场区域，并向两对环形扫描线圈对通入交变电流，产生扫描磁场；产生扫描磁场时，利用激励线圈对磁粒子进行激励，并利用接收线圈采集磁粒子时域信号；
步骤S200，将至少一个方向的扫描磁场的合成扫描路径进行网格离散化，每个离散网格对应一个成像体素；所述合成扫描路径指的是两个以上方向的扫描磁场同时工作时的扫描路径；
步骤S300，对采集到的磁粒子时域信号进行时频域变换，获取磁粒子信号在不同时刻下的瞬时谐波分量；
步骤S400，将所述瞬时谐波分量按照预设的时空编码规则进行时空投影，投影至对应的离散网格上，获得不同频率的谐波正交投影图像；
步骤S500，结合步骤S100-步骤S400的方法，构建小样本先验谐波正交投影图像；构建后，基于所述小样本先验谐波正交投影图像构造不同频率的投影卷积核；
步骤S600，利用不同频率的投影卷积核对步骤S400获取的不同频率的谐波正交投影图像进行反卷积处理，最终得到磁粒子的空间分布图像。
2.根据权利要求1所述的基于谐波正交投影的磁粒子成像方法，其特征在于，所述磁粒子时域信号，其采集方法为：
当两对环形扫描线圈对通入交变电流后，两个方向的扫描磁场同时施加且存在不同的频率或相位，无磁场点会沿着设定轨迹扫描在二维空间内进行快速扫描，经历时间T后遍历整个y-z平面二维空间；
在无磁场点扫描同时，利用激励线圈产生连续的高频激励磁场激发磁粒子的磁化响应信号，并利用接收线圈感应和采集磁化响应信号，即磁粒子时域信号。
3.根据权利要求2所述的基于谐波正交投影的磁粒子成像方法，其特征在于，所述时频域变换为分段傅里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换中的任一种。
4.根据权利要求3所述的基于谐波正交投影的磁粒子成像方法，其特征在于，获取磁粒子信号在不同时刻下的瞬时谐波分量，其方法为：
获取在整个y-z平面二维空间的扫描过程中产生的磁粒子时域信号的时间长度T以及待重建的磁粒子的空间分布图像设定的体素数量N，将磁粒子时域信号分为T/N段；
将每段磁粒子时域信号单独进行时频域变换，得到N组不同频率的瞬时谐波分量。
5.根据权利要求1所述的基于谐波正交投影的磁粒子成像方法，其特征在于，构建小样本先验谐波正交投影图像，其方法为：
在正式的扫描成像前，先将不大于待重建的磁粒子的空间分布图像的成像体素大小的磁粒子样本放入磁粒子成像装置的成像空间内；然后按照步骤S100-步骤S400方法执行，获取不同频率的谐波正交投影图像，作为小样本先验谐波正交投影图像。
6.根据权利要求4所述的基于谐波正交投影的磁粒子成像方法，其特征在于，基于所述小样本先验谐波正交投影图像构造不同频率的投影卷积核，其方法为：
根据成像空间和分辨率尺度要求，构造投影卷积核；
具体为：重建出的谐波正交投影图像
可以看作是真实粒子分布ρ(y)与不同频率下的点扩散函数
卷积得到的，三者有如下关系：
其中，tn表示第n个时间点，y(tn)表示第n个时间点FFP所在的空间坐标，fk表示第k个频率，y表示真实粒子的分布坐标；
基于上述理论，所述构造投影卷积核的方法为：若期望分辨率是Pmm，则采用宽度不大于Pmm的小样本，也可称为最小单位体素，按照步骤S100-步骤S400方法，获得的正交谐波投影图像；根据上式可知，此时的
就是
由于
是由最小单位体素对应的点扩散函数，因此称为投影卷积核。
7.根据权利要求6所述的基于谐波正交投影的磁粒子成像方法，其特征在于，所述瞬时谐波分量按照预设的时空编码规则进行时空投影，其方法为：
其中，TFS(tn，fk)表示瞬时谐波分量，它是时间和频率的函数，具体表示第n个时刻下，第k个频率的瞬时谐波分量，
表示瞬时谐波分量对应的相位，
表示FFP的扫描瞬时速度，SR[y(tn)]表示瞬时位移点对应的接收线圈的灵敏度，
表示不同频率的一维谐波投影图像，是一个空间和频率的函数；
若有两个方向的扫描磁场，则按照上述投影规则可以得到不同频率的二维谐波投影图像IMG(fk)：
其中，yN表示第N个y空间坐标，zM表示第M个z空间坐标；
不同频率的谐波正交投影图像加权组合，加权组合后为：
其中，
表示单独归一化后的不同频率的谐波正交投影图像，f0表示激励磁场的频率，称为基频，(2k-1)f0则表示奇倍频，也称奇次谐波频率，IMGCH表示由所有奇倍频谐波投影图经过归一化、极性校正后的加权组合谐波投影图像。
8.一种基于谐波正交投影的磁粒子成像系统，其特征在于，该系统包括：信号采集模块、网格离散化模块、时频域变换模块、投影模块、卷积核构造模块、图像重建模块；
所述信号采集模块，配置为利用永磁体对构建梯度磁场，形成无磁场区域，并向两对环形扫描线圈对通入交变电流，产生扫描磁场；产生扫描磁场时，利用激励线圈对磁粒子进行激励，并利用接收线圈采集磁粒子时域信号；
所述网格离散化模块，配置为将至少一个方向的扫描磁场的合成扫描路径进行网格离散化，每个离散网格对应一个成像体素；所述合成扫描路径指的是两个以上方向的扫描磁场同时工作时的扫描路径；
所述时频域变换模块，配置为对采集到的磁粒子时域信号进行时频域变换，获取磁粒子信号在不同时刻下的瞬时谐波分量；
所述投影模块，配置为将所述瞬时谐波分量按照预设的时空编码规则进行时空投影，投影至对应的离散网格上，获得不同频率的谐波正交投影图像；
所述卷积核构造模块，配置为结合信号采集模块-投影模块的方法，构建小样本先验谐波正交投影图像；构建后，基于所述小样本先验谐波正交投影图像构造不同频率的投影卷积核；
所述图像重建模块，配置为利用不同频率的投影卷积核对投影模块获取的不同频率的谐波正交投影图像进行反卷积处理，最终得到磁粒子的空间分布图像。
9.一种电子设备，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1-7任一项所述的基于谐波正交投影的磁粒子成像方法。
10.一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1-7任一项所述的基于谐波正交投影的磁粒子成像方法。
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