CN115153490A - 基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像装置、方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁纳米粒子成像技术领域，具体涉及一种基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像装置、方法，旨在解决现有基于FFL的磁粒子成像技术中FFL旋转控制困难、功耗大且存在严重的直接馈通干扰，导致MPI图像重建难度大的问题。本发明装置包括：磁体线圈模块、控制装置、信号处理及可视化模块、冷却模块、机械移动模块；磁体线圈模块包括：梯度线圈、激励驱动线圈、接收线圈、预极化线圈；梯度线圈包括四个跑道形梯度线圈；激励驱动线圈包括两个激励线圈；接收线圈、预极化线圈均为圆筒形线圈；预极化线圈用于在FOV内产生预极化磁场。本发明大大降低功耗与FFL旋转控制难度，避免严重的直接馈通干扰，并降低了MPI图像重建难度。
Description
技术领域
本发明属于磁纳米粒子成像技术领域，具体涉及一种基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像装置、方法。
背景技术
目前，磁粒子成像(Magnetic Particle Imaging，MPI)可分为基于场自由点(Field Free Point，FFP)和基于场自由线(Field Free Line，FFL)的成像方法。基于FFL的成像方法在成像空间中生成一条场自由线，单次扫描获得整条FFL上的磁粒子磁化响应信号，通过驱动FFL运动(如旋转和平移)扫描成像视野(Field of View，FOV)，获得成像目标的多角度投影信号并进一步反向重建图像。FFP成像方法单次仅能采集一个像素区域内的磁粒子信号，容易被噪声淹没，FFL扩展了单次扫描成像视野，具有更高的信噪比和扫描效率，有效提高了灵敏度。目前，FFL图像重建方法主要是依据类似于CT成像的Radon变换和反投影重建算法，即通过旋转FFL到指定角度，驱动FFL高频平移扫描当前视野。其中接收线圈与激励线圈同轴向布置，使其能够探测得到最大的粒子响应信号，所以每个FFL扫描位置仅能获得粒子磁化信号的线积分，这就要求FFL必须进行旋转，而且至少旋转至覆盖全部成像目标后，才能重建出完整图像。因此，造成这种成像模式具有两条严重的缺点：
1)FFL的旋转和平移对整体系统的线圈设计、供电功耗以及电流控制等具有较高的技术要求。FFL的平移相对简单，最常用的方法是设置一组亥姆霍兹线圈，中心区域产生高度均匀的交变磁场即可。但对于FFL的旋转，机械旋转方式耗时长、精度低；电驱动方式则需要较复杂的磁体设计和较高的功耗需求。例如，德国团队最早提出的利用多组麦克斯韦线圈产生FFL，功耗极高，无法付诸实践；美国加州大学伯克利分校提出的利用永磁体产生FFL，虽然无需考虑高功耗问题，但较重的磁体使得很难旋转FFL或需要旋转被测物体；最近，土耳其提出的开放式FFL成像设备，虽然能够通过电驱动方式实现FFL的旋转和断层间平移，但是磁场转化效率较低，目前供给两组梯度线圈功率至少需要8.51千瓦。
2)同轴模式的激励接收线圈布置造成激励信号的直接馈通严重干扰粒子信号，导致灵敏度下降，这是MPI成像领域的一大技术难题。对于传统的激励接收线圈，需要复杂的接收补偿机制或要求较高的滤波机制。
基于此，本发明提出了一种基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像装置、方法。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有基于FFL的磁粒子成像技术中FFL旋转控制困难且存在严重的直接馈通干扰，本发明提出了一种基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像装置，该装置包括：磁体线圈模块、控制模块、信号处理及可视化模块、冷却模块、机械移动模块；所述磁体线圈模块包括：梯度线圈、激励驱动线圈、接收线圈、预极化线圈；
所述梯度线圈有四个，均为跑道形梯度线圈，两两为一组，同一组内的两个跑道形梯度线圈按长轴方向以设定间距并行设置；两组跑道形梯度线圈间平行设置且纵向对齐；
所述激励驱动线圈有两个，平行设置于两组跑道形梯度线圈的内侧；所述激励驱动线圈可通入直流分量和高频交流分量，通入直流分量用于驱动FFL在FOV内平移，通入高频交流分量用于产生交变磁场，激励磁粒子磁化产生非线性响应信号；
所述接收线圈、所述预极化线圈均为圆筒形线圈，所述接收线圈与所述预极化线圈同轴，且位于所述预极化线圈内侧；所述预极化线圈位于两个激励线圈的中间，其轴线与激励线圈轴线垂直布置；
所述预极化线圈用于在FOV内产生预极化磁场；所述预极化磁场为预极化线圈通直流后产生的覆盖FOV的均匀恒定磁场，用于使磁粒子保持一致的部分磁化状态；所述接收线圈用于接收MPI信号；
所述信号处理及可视化模块，用于对接收的MPI信号进行处理以及进行MPI图像重建与显示；
所述控制模块，配置为按照设定的控制指令控制所述磁体线圈模块中各线圈的电流变化、控制机械移动模块的移动深度、控制冷却模块的液压，实现所产生的FFL在FOV内的平移扫描，以对待成像目标物进行扫描成像；
所述冷却模块，用于吸收所述基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像装置在进行工作时产生的热量；
所述机械移动模块，用于承载待成像目标物并沿所述预极化线圈的轴线方向移动至预设位置。
在一些优选的实施方式中，所述基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像装置以预极化线圈的轴线方向为y方向、以激励驱动线圈的轴线方向为z方向。
在一些优选的实施方式中，所述激励驱动线圈中的两个激励驱动线圈可分别通入直流分量、高频交流分量，产生正弦均匀交变磁场；或者也可以一个激励驱动线圈通入直流分量和高频交流分量，产生正弦均匀交变磁场。
在一些优选的实施方式中，当所述梯度线圈中的两组跑道形梯度线圈通对称电流时，可实现在跑道形梯度线圈正中平面的FOV成像；当通不对称电流时，可实现FOV断层间平移，从而在二维成像的基础上实现三维断层成像。
在一些优选的实施方式中，所述接收线圈至少有两组，沿所述预极化线圈的轴线方向依次排列。
本发明的第二方面，提出了一种基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像方法，基于上述的基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像装置，该方法包括：
S100，打开所述梯度线圈，产生梯度磁场Hs，测量沿FFL法向的磁场梯度G；打开所述预极化线圈产生沿所述接收线圈轴向的预极化磁场Hp；其中，所述梯度磁场和所述预极化磁场的启动，无先后顺序；
S200，初始化直流分量和交流分量，打开所述激励驱动线圈，产生激励驱动磁场Hd，将Hs、Hp、Hd叠加合成成像所需的磁场H；
S300，将成像视野FOV离散化为像素点，标定所述接收线圈在各像素点的灵敏度，构建灵敏度矩阵P；
S400，扫描FOV当前列，根据所有接收线圈探测的磁粒子响应信号，结合所述灵敏度矩阵，构建线性方程组；
S500，结合磁场H，通过正则化方法，求解所述线性方程组，得到FOV当前列中各像素点处的磁纳米粒子浓度分布，重建当前列；判断当前列对应的重建结果是否符合设定的重建要求，若符合，则进一步判断是否扫描完所有列，若是，则结束；若否，则调整激励驱动线圈的直流分量，平移FFL至下一列，跳转步骤S400；若当前列对应的重建结果不符合设定的重建要求，则改变预极化磁场强度，增加非线性信息，并跳转步骤S400；
所述设定的重建要求包括当前列的重建结果对应的重建部位是否与待成像目标物的预设部位一致、当前列的重建结果是否超出待成像目标物实际边界范围、当前列重建磁粒子浓度是否符合预设浓度范围、当前列的重建结果与邻近列的重建结果是否具有连续性。
在一些优选的实施方式中，所述磁场H，其获取方法为：
通过梯度线圈产生梯度磁场Hs；其中，所述梯度磁场是一种恒定磁场，其形状为FFL，在FFL法线方向上的梯度为G；通过预极化线圈产生恒定磁场Hp；
将激励驱动线圈通入直流分量A能够产生恒定磁场，使FFL沿法向平移，根据FOV成像要求平移FFL到指定位置；
将激励驱动线圈通入交流分量能够产生一个均匀交变磁场，激励磁粒子产生非线性磁化响应；将所述激励驱动线圈产生的恒定磁场和均匀交变磁场合成激励驱动磁场Hd＝B+Adcos(2πft)；其中，B表示恒定磁场强度，Ad表示交变磁场强度，f表示交变磁场频率，y表示时间；
将获取的磁场进行叠加构成磁粒子成像所使用的磁场H＝Hs+Hp+Hd。
在一些优选的实施方式中，标定所述接收线圈在各像素点的灵敏度，构建灵敏度矩阵P，其方法为：
在FOV内每个像素点处放置一个标定仿体，进行成像，测量每个接收线圈接收的信号，作为接收线圈在该像素位置处的特征向量，即频谱，对FOV内所有像素点重复此步骤，即完成接收线圈的灵敏度标定；
完成接收线圈的灵敏度标定后，构建灵敏度矩阵，并存储标定后的灵敏度矩阵；其中，灵敏度矩阵的存储形式为：Pij，表示第i个接收线圈在第j列的灵敏度矩阵，i＝1,2,3…，N，j＝1,2,3…,J，此处表示FOV有N列，磁纳米粒子检测成像装置有J个接收线圈，
其中Q表示某线圈在某像素位置处的特征向量的维度，M表示FOV中每列有M个像素点，即FOV的大小为M行N列。
在一些优选的实施方式中，对FOV中第n列建立的线性方程组为：
其中，
表示第j个接收线圈探测到的磁粒子响应信号；
表示第j个接收线圈在第n列的灵敏度矩阵，
表示在第n列上磁纳米粒子浓度分布。
本发明的有益效果：
本发明大大降低功耗与FFL旋转控制难度，避免严重的直接馈通干扰，并降低了MPI图像重建难度。
1)本发明在传统MPI-FFL设备的基础上加入预极化线圈产生预极化磁场，激励和接收正交布置，接收线圈仅接收在极化磁场方向上的信号，无需进行FFL的旋转，仅进行平移使FFL覆盖FOV就能完成磁粒子浓度空间分布的解析，这样能够避免FFL复杂的旋转控制、高功耗等技术难题。而且，无需接收补偿机制，能够避免严重的直接馈通干扰，大大降低了图像重建难度，具有更普遍的适用性；
2)引入多组接收线圈(可以叫接收阵列、多通道接收)实现非旋转的FFL成像，每次成像FOV的一列，避免了复杂的FFL旋转控制。
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非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像装置的框架示意图；
图2是本发明一种实施例的磁体线圈模块的框架示意图；
图3是本发明一种实施例的基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像方法的流程示意图；
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非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像装置，如图1所示，该装置包括：磁体线圈模块、控制模块、信号处理及可视化模块、冷却模块、机械移动模块；所述磁体线圈模块包括：梯度线圈、激励驱动线圈、接收线圈、预极化线圈；
所述梯度线圈有四个，均为跑道形梯度线圈，两两为一组，同一组内的两个跑道形梯度线圈按长轴方向以设定间距并行设置；两组跑道形梯度线圈间平行设置且纵向对齐；
所述激励驱动线圈有两个，平行设置于两组跑道形梯度线圈的内侧；所述激励驱动线圈可通入直流分量和高频交流分量，通入直流分量用于驱动FFL在FOV内平移，通入高频交流分量用于产生交变磁场，激励磁粒子磁化产生非线性响应信号；
所述接收线圈、所述预极化线圈均为圆筒形线圈，所述接收线圈与所述预极化线圈同轴，且位于所述预极化线圈内侧；所述预极化线圈位于两个激励线圈的中间，其轴线与激励线圈轴线垂直布置；
所述预极化线圈用于在FOV内产生预极化磁场；所述预极化磁场为预极化线圈通直流后产生的覆盖FOV的均匀恒定磁场，用于使磁粒子保持一致的部分磁化状态；所述接收线圈用于接收MPI信号；
所述信号处理及可视化模块，用于对接收的MPI信号进行处理以及进行MPI图像重建与显示；
所述控制模块，配置为按照设定的控制指令控制所述磁体线圈模块中各线圈的电流变化、控制机械移动模块的移动深度、控制冷却模块的液压，实现所产生的FFL在FOV内的平移扫描，以对待成像目标物进行扫描成像；
所述冷却模块，用于吸收所述基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像装置在进行工作时产生的热量；
所述机械移动模块，用于承载待成像目标物并沿所述预极化线圈的轴线方向移动至预设位置。
为了更清晰地对本发明一种基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像装置进行说明，下面结合附图，对本发明装置一种实施例中各模块进行展开详述。
本发明一种基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像装置，如图1、图2所示，包括磁体线圈模块、控制装置18、信号处理及可视化模块17、冷却模块、机械移动模块15；所述磁体线圈模块包括：梯度线圈11、激励驱动线圈13、接收线圈14、预极化线圈12；
本发明中采用的梯度线圈11是类似于土耳其公布的一种开放式场自由线磁粒子成像装置的部分部件，相比于土耳其公布的装置，本发明采用更少的梯度线圈用于生成空间FOV平面上的梯度磁场，具体的梯度线圈拓扑结构和布置方式如图2所示：梯度线圈11有四个，均为亏跑道形梯度线圈(跑道形梯度线圈两端为半圆环，半圆环之间由两段直线连接)，两两为一组，同一组内的两个跑道形梯度线圈按长轴方向以设定间距并行设置；两组跑道形梯度线圈平行设置且纵向对齐。
两组跑道形梯度线圈通对称电流时，可实现在跑道形梯度线圈正中平面的FOV成像；当通不对称电流时，可实现FOV断层间平移。在本发明中，设置梯度线圈目的在于生成一个恒定磁场，恒定磁场可以采用永磁体或电线线圈(使用电线绕制而成)生成。其中，电线线圈便于改变电流调整磁场强度，但功耗较高；永磁体不需要通电，无功耗约束，但不能调整磁场强度且工艺较难。因此，在本发明中优选采用电线线圈作为梯度线圈，在其他实施例中，可以根据实际需要进行选取。
其中，本发明中的还设置了梯度线圈的支撑结构。所述支撑结构包括承重柱和用于固定跑道形梯度线圈的上下两侧承重板；两组跑道形梯度线圈，一组固定在上侧的承重板、一组固定在下侧的承重板。
激励驱动线圈为一组产生激励磁场的线圈，即两个激励驱动线圈，平行设置于两组跑道形梯度线圈的内侧；所述激励驱动线圈13可通入直流分量和高频交流分量，通入直流分量用于驱动FFL在FOV内平移，通入高频交流分量用于产生交变磁场，激励磁粒子磁化产生非线性响应信号。其中，所述激励驱动线圈中的两个激励驱动线圈可分别通入直流分量、高频交流分量，产生正弦均匀交变磁场；或者也可以一个激励驱动线圈通入直流分量和高频交流分量，产生正弦均匀交变磁场。
如图2所示，所述接收线圈14、所述预极化线圈12均为圆筒形线圈，所述接收线圈14与所述预极化线圈12同轴，且位于所述预极化线圈12内侧；所述预极化线圈12位于两个激励线圈的中间，其轴线过两个激励线圈的中心轴正交点(且与FFL同向放置)。另外，所述接收线圈有J组，沿所述预极化线圈的轴线方向依次排列，如图1所示；其中，J为正整数。
所述预极化线圈12用于在FOV内产生预极化磁场；所述预极化磁场为预极化线圈通直流后产生的覆盖FOV的均匀恒定磁场，用于使磁粒子保持一致的部分磁化状态；所述接收线圈14用于接收MPI信号。
所述信号处理及可视化模块17，用于对接收的MPI信号进行处理以及进行MPI图像重建与显示，其具体包括：信号分析模块、信号存储模块、图像重建模块、图像显示模块；
信号分析模块、信号存储模块用于对接收信号进行预处理和储存；图像重建模块、图像显示模块，用于进行图像重建和可视化(即显示)。预处理包括数字滤波、傅里叶变换。
所述机械移动模块15可用于用于承载待成像目标物20并沿所述预极化线圈的轴线方向移动至预设位置。优选采用三轴机械臂或电机控制可在三个方向任意移动。
所述冷却模块，吸收所述基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像装置在进行热疗时产生的热量，例如可以用空心导线。
所述控制模块18，配置为按照设定的控制指令控制所述磁体线圈模块中各线圈的电流变化、控制机械移动模块的移动深度、控制冷却模块的液压(即进行散热)，实现所产生的FFL在FOV内的平移扫描，以对待成像目标物进行扫描成像。
本发明第二实施例的一种基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像方法，如图3所示，基于上述的基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像装置；该方法包括：
S100，打开所述梯度线圈，产生梯度磁场Hs，测量沿FFL法向的磁场梯度G；打开所述预极化线圈产生沿所述接收线圈轴向的预极化磁场Hp；其中，所述梯度磁场和所述预极化磁场的启动，无先后顺序；
在本实施例中，首先开通梯度线圈和预极化线圈，梯度线圈能够产生恒定磁场，即选择场Hs(x，y，z)，磁场形状为FFL，在FFL法线方向上具有一定的梯度G；开通预极化线圈能够产生一个使磁粒子保持一致的部分磁化状态的恒定磁场Hp(x，y，z)。
S200，初始化直流分量和交流分量，打开所述激励驱动线圈，产生激励驱动磁场Hd，将Hs、Hp、Hd叠加合成成像所需的磁场H；
在本实施例中，初始化激励驱动线圈的直流分量和交流分量并开通激励驱动线圈。激励驱动线圈通入直流分量A能够产生恒定磁场，使FFL沿法向平移，根据FOV成像要求平移FFL到指定位置，具体的平移距离Δ的计算方法为：
Δ＝A/G (1)
激励驱动线圈通入交流分量能够产生一个高频率低幅值的正弦均匀交变磁场，激励磁粒子产生非线性磁化响应，通常将磁场表达为：
Hd＝B+Adcos(2πft) (2)
其中，B表示恒定磁场强度，Ad表示交变磁场强度，f表示交变磁场频率，t表示时间。
以上磁场叠加构成磁粒子成像所使用的磁场H(x，y，z，t)＝Hs+Hp+Hd，并对FOV进行扫描；所述FOV为待成像目标物对应的扫描成像视野。
S300，将成像视野FOV离散化为像素点，标定所述接收线圈在各像素点的灵敏度，构建灵敏度矩阵P；
在本实施例中，将FOV划分为像素网格，测量各接收线圈在FOV各像素点处的灵敏度，进而构建每个接收线圈的灵敏度矩阵；具体为：
根据MPI成像原理，接收信号(即接收线圈探测到的信号)可表达为：
Sj(t)为第j个接收线圈所探测的时域信号，M(x，y，z，t)为在成像视野内坐标(x，y，z)处的粒子磁矩，c(x，y，z)为坐标(x，y，z)处粒子浓度，Ω为FFL扫描空间
超顺磁纳米粒子的磁化行为M(x，y，z，t)通常描述为langevin模型：
其中，Ms＝cm为对应浓度下的粒子磁矩，μ0为真空磁导率，m单个粒子饱和磁矩，H为系统磁场，kB为玻尔兹曼常量，T为当前粒子环境的绝对温度，单位开尔文。
对时域信号Sj(t)做傅里叶变换转换到频域，由于超顺磁纳米粒子的非线性磁化响应，频域上接收信号表现出激励磁场频率的高阶谐波信号，滤除基频后提取能够测量到的谐波频谱作为当前像素点处的系统响应，进而构建接收线圈的灵敏度矩阵，亦可称为系统矩阵。
本发明中构建系统矩阵的操作方法为：
在FOV内每个像素点处放置一个标定仿体，进行扫描，测量每个接收线圈接收的信号，作为接收线圈在该像素位置处的特征向量，即上述高阶谐波频谱，对FOV内所有像素点重复此步骤，即完成接收线圈的灵敏度标定；
完成接收线圈的灵敏度标定后，构建灵敏度矩阵，并存储标定后的灵敏度矩阵其中，灵敏度矩阵的存储形式为：Pij，表示第i个接收线圈在第j列的灵敏度矩阵，i＝1,2,3…，N，j＝1,2,3…,J，此处表示FOV有N列，磁纳米粒子检测成像装置有J个接收线圈，
其中Q表示某线圈在某像素位置处的特征向量的维度，M表示FOV中每列有M个像素点，即FOV的大小为M行N列。
S400，扫描FOV当前列，根据所有接收线圈探测的磁粒子响应信号，结合所述灵敏度矩阵，构建线性方程组；
在本实施例中，对FOV中第n列建立的线性方程组为：
其中，
表示第j个接收线圈探测到的磁粒子响应信号，即时域信号；
表示第j个接收线圈在第n列的灵敏度矩阵，
表示在第n列上磁纳米粒子浓度分布。
S500，结合磁场H，通过正则化方法，求解所述线性方程组，得到FOV当前列中各像素点处的磁纳米粒子浓度分布，重建当前列；判断当前列对应的重建结果是否符合设定的重建要求，若符合，则进一步判断是否扫描完所有列，若是，则结束；若否，则调整激励驱动线圈的直流分量，平移FFL至下一列，跳转步骤S400；若当前列对应的重建结果不符合设定的重建要求，则改变预极化磁场强度，增加非线性信息，并跳转步骤S400；
所述设定的重建要求包括当前列的重建结果对应的重建部位是否与待成像目标物的预设部位一致、当前列的重建结果是否超出待成像目标物实际边界范围、当前列重建磁粒子浓度是否符合预设浓度范围、当前列的重建结果与邻近列的重建结果是否具有连续性；
在本实施例中，通过正则化方法对步骤S400构建的线性方程组求解，重建当前列的磁纳米粒子浓度分布。
判断当前列对应的重建结果是否符合设定的重建要求，此处“符合设定的重建要求”是一种以先验知识为基础的主观性标准，例如待测对象为小老鼠肝脏肿瘤，但成像结果显示肺部和腹腔均有肿瘤，这明显不符合先验知识，主观上可以判断重建结果不符合要求。所以此处将其描述为：“判断当前列的对应重建结果是否符合操作人员对成像对象的先验预判，具体包括：所述设定的重建要求包括当前列的重建结果对应的重建部位是否与待成像目标物的预设部位一致(符合设定的重建要求，即一致)、当前列的重建结果是否超出待成像目标物实际边界范围(设定的重建要求，即不超出实际边界范围)、当前列重建磁粒子浓度是否符合预设浓度范围(符合要求，即符合预设浓度范围)、当前列的重建结果与邻近列的重建结果是否具有连续性(设定的重建要求，即具有连续性)，以上所列要求任一条不满足则不符合要求。
若当前列对应的重建结果不符合设定的重建要求，则改变预极化磁场强度，增加非线性信息，并跳转步骤S400；其中，改变预极化磁场强度，其方法为：
小幅度调整预磁场电流大小，保证磁场幅度未达到磁粒子的饱和磁场程度，而且仍能使磁粒子保持一致的部分磁化状态。
本发明第三实施例的一种基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像系统，该系统包括：第一磁场生成模块100、第二磁场生成模块200、矩阵构建模块300、方程组构建模块400、图像重建模块500；
所述第一磁场生成模块100，配置为打开所述梯度线圈，产生梯度磁场Hs，测量沿FFL法向的磁场梯度G；打开所述预极化线圈产生沿所述接收线圈轴向的预极化磁场Hp；其中，所述梯度磁场和所述预极化磁场的启动，无先后顺序；
所述第二磁场生成模块200，配置为初始化直流分量和交流分量，打开所述激励驱动线圈，产生激励驱动磁场Hd，将Hs、Hp、Hd叠加合成成像所需的磁场H；
所述矩阵构建模块300，配置为将成像视野FOV离散化为像素点，标定所述接收线圈在各像素点的灵敏度，构建灵敏度矩阵P；
所述方程组构建模块400，配置为扫描FOV当前列，根据所有接收线圈探测的磁粒子响应信号，结合所述灵敏度矩阵，构建线性方程组；
所述图像重建模块500，配置为结合磁场H，通过正则化方法，求解所述线性方程组，得到FOV当前列中各像素点处的磁纳米粒子浓度分布，重建当前列；判断当前列对应的重建结果是否符合设定的重建要求，若符合，则进一步判断是否扫描完所有列，若是，则结束；若否，则调整激励驱动线圈的直流分量，平移FFL至下一列，跳转方程组构建模块400；若当前列对应的重建结果不符合设定的重建要求，则改变预极化磁场强度，增加非线性信息，并跳转方程组构建模块400；
所述设定的重建要求包括当前列的重建结果对应的重建部位是否与待成像目标物的预设部位一致、当前列的重建结果是否超出待成像目标物实际边界范围、当前列重建磁粒子浓度是否符合预设浓度范围、当前列的重建结果与邻近列的重建结果是否具有连续性。
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非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像装置/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。
本发明第四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非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像方法。
本发明第五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非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像方法。
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，如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言，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，包括局域网或广域网连接到用户计算机，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 (9)
1.一种基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像装置，其特征在于，该装置包括：磁体线圈模块、控制模块、信号处理及可视化模块、冷却模块、机械移动模块；所述磁体线圈模块包括：梯度线圈、激励驱动线圈、接收线圈、预极化线圈；
所述梯度线圈有四个，均为跑道形梯度线圈，两两为一组，同一组内的两个跑道形梯度线圈按长轴方向以设定间距并行设置；两组跑道形梯度线圈间平行设置且纵向对齐；
所述激励驱动线圈有两个，平行设置于两组跑道形梯度线圈的内侧；所述激励驱动线圈可通入直流分量和高频交流分量，通入直流分量用于驱动FFL在FOV内平移，通入高频交流分量用于产生交变磁场，激励磁粒子磁化产生非线性响应信号；
所述接收线圈、所述预极化线圈均为圆筒形线圈，所述接收线圈与所述预极化线圈同轴，且位于所述预极化线圈内侧；所述预极化线圈位于两个激励线圈的中间，其轴线与激励线圈轴线垂直布置；
所述预极化线圈用于在FOV内产生预极化磁场；所述预极化磁场为预极化线圈通直流后产生的覆盖FOV的均匀恒定磁场，用于使磁粒子保持一致的部分磁化状态；所述接收线圈用于接收MPI信号；
所述信号处理及可视化模块，用于对接收的MPI信号进行处理以及进行MPI图像重建与显示；
所述控制模块，配置为按照设定的控制指令控制所述磁体线圈模块中各线圈的电流变化、控制机械移动模块的移动深度、控制冷却模块的液压，实现所产生的FFL在FOV内的平移扫描，以对待成像目标物进行扫描成像；
所述冷却模块，用于吸收所述基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像装置在进行工作时产生的热量；
所述机械移动模块，用于承载待成像目标物并沿所述预极化线圈的轴线方向移动至预设位置。
2.根据权利要求1所述的基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像装置，其特征在于，所述基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像装置以预极化线圈的轴线方向为y方向、以激励驱动线圈的轴线方向为z方向。
3.根据权利要求1所述的基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像装置，其特征在于，所述激励驱动线圈中的两个激励驱动线圈可分别通入直流分量、高频交流分量，产生正弦均匀交变磁场；或者也可以一个激励驱动线圈通入直流分量和高频交流分量，产生正弦均匀交变磁场。
4.根据权利要求2所述的基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像装置，其特征在于，当所述梯度线圈中的两组跑道形梯度线圈通对称电流时，可实现在跑道形梯度线圈正中平面的FOV成像；当通不对称电流时，可实现FOV断层间平移，从而在二维成像的基础上实现三维断层成像。
5.根据权利要求1所述的基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像装置，其特征在于，所述接收线圈至少有两组，沿所述预极化线圈的轴线方向依次排列。
6.一种基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像方法，基于权利要求1-5任一项所述的基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像装置，其特征在于，该方法包括：
S100，打开所述梯度线圈，产生梯度磁场Hs，测量沿FFL法向的磁场梯度G；打开所述预极化线圈产生沿所述接收线圈轴向的预极化磁场Hp；其中，所述梯度磁场和所述预极化磁场的启动，无先后顺序；
S200，初始化直流分量和交流分量，打开所述激励驱动线圈，产生激励驱动磁场Hd，将Hs、Hp、Hd叠加合成成像所需的磁场H；
S300，将成像视野FOV离散化为像素点，标定所述接收线圈在各像素点的灵敏度，构建灵敏度矩阵P；
S400，扫描FOV当前列，根据所有接收线圈探测的磁粒子响应信号，结合所述灵敏度矩阵，构建线性方程组；
S500，结合磁场H，通过正则化方法，求解所述线性方程组，得到FOV当前列中各像素点处的磁纳米粒子浓度分布，重建当前列；判断当前列对应的重建结果是否符合设定的重建要求，若符合，则进一步判断是否扫描完所有列，若是，则结束；若否，则调整激励驱动线圈的直流分量，平移FFL至下一列，跳转步骤S400；若当前列对应的重建结果不符合设定的重建要求，则改变预极化磁场强度，增加非线性信息，并跳转步骤S400；
所述设定的重建要求包括当前列的重建结果对应的重建部位是否与待成像目标物的预设部位一致、当前列的重建结果是否超出待成像目标物实际边界范围、当前列重建磁粒子浓度是否符合预设浓度范围、当前列的重建结果与邻近列的重建结果是否具有连续性。
7.根据权利要求6所述的基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像方法，其特征在于，所述磁场H，其获取方法为：
通过梯度线圈产生梯度磁场Hs；其中，所述梯度磁场是一种恒定磁场，其形状为FFL，在FFL法线方向上的梯度为G；通过预极化线圈产生恒定磁场Hp；
将激励驱动线圈通入直流分量A能够产生恒定磁场，使FFL沿法向平移，根据FOV成像要求平移FFL到指定位置；
将激励驱动线圈通入交流分量能够产生一个均匀交变磁场，激励磁粒子产生非线性磁化响应；将所述激励驱动线圈产生的恒定磁场和均匀交变磁场合成激励驱动磁场Hd＝B+Adcos(2πft)；其中，B表示恒定磁场强度，Ad表示交变磁场强度，f表示交变磁场频率，t表示时间；
将获取的磁场进行叠加构成磁粒子成像所使用的磁场H＝Hs+Hp+Hd。
8.根据权利要求7所述的基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像方法，其特征在于，标定所述接收线圈在各像素点的灵敏度，构建灵敏度矩阵P，其方法为：
在FOV内每个像素点处放置一个标定仿体，进行成像，测量每个接收线圈接收的信号，作为接收线圈在该像素位置处的特征向量，即频谱，对FOV内所有像素点重复此步骤，即完成接收线圈的灵敏度标定；
完成接收线圈的灵敏度标定后，构建灵敏度矩阵，并存储标定后的灵敏度矩阵；其中，灵敏度矩阵的存储形式为：Pij，表示第i个接收线圈在第j列的灵敏度矩阵，i＝1,2,3…，N，j＝1,2,3…,J，此处表示FOV有N列，磁纳米粒子检测成像装置有J个接收线圈，
其中Q表示某线圈在某像素位置处的特征向量的维度，M表示FOV中每列有M个像素点，即FOV的大小为M行N列。
9.根据权利要求8所述的基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像方法，其特征在于，对FOV中第n列建立的线性方程组为：
其中，
表示第j个接收线圈探测到的磁粒子响应信号；
表示第j个接收线圈在第n列的灵敏度矩阵，
表示在第n列上磁纳米粒子浓度分布。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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