CN115236572A - 基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁粒子成像技术领域，具体涉及了一种基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测系统及方法，旨在解决现有MPI检测系统不能有效滤除基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像接收信号频谱中的无用信号，也不能有效放大有用信号的问题。本发明包括：差分接收线圈，感应扫描过程的原始信号，并进行高频噪声的补偿；无源滤波器模块，将信号中的基波分量、低频段谐波和高频段谐波滤除；前置放大器模块进行信号放大；低/带通滤波器模块，将放大信号中的高频噪声和低频噪声滤除；信号采集模块，采集信号并存储。本发明可以滤除原始接收信号中的基波分量、低频段谐波以及高频噪声，并对有用的磁纳米粒子响应信号高倍放大，进而为图像重建提供高质量原始数据。
Description
技术领域
本发明属于磁粒子成像技术领域，具体涉及了一种基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测系统及方法。
背景技术
磁性粒子成像(MPI，Magnetic Particle Imaging)是一种新兴的成像模式，它通过测量磁性纳米粒子对施加磁场的非线性磁化响应来确定磁性纳米粒子的浓度。MPI利用梯度场叠加扫描场移动的无磁场区，调整扫描电流可使无磁场区按照设定轨迹在整个成像视野内扫描，常用的扫描轨迹有笛卡尔轨迹、利萨茹轨迹等。其中，笛卡尔轨迹对MPI设备硬件要求低，使用更为普遍。
形成笛卡尔轨迹，需要给不同维度的扫描线圈和激励线圈施加频率相差较大的扫描/激励电流，这导致原始接收信号频谱在低频到高频范围内非常丰富，且频谱能量多集中在各扫描/激励电流导致的基波分量上。此外，接收线圈容易受到外界环境干扰，这导致原始接收信号有很高的高频噪声。而磁纳米粒子响应信号微弱，且其能量多集中在高频段激励频率的谐波分量上。
现有MPI设备检测系统多采用差分接收线圈、陷波器、前置放大器依次级联的设计方案，不能有效滤除基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像接收信号频谱中的无用信号，也不能有效放大其中的有用信号。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即现有MPI检测系统不能有效滤除基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像接收信号频谱中的无用信号，也不能有效放大有用信号的问题，本发明提供了一种基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测系统，所述磁粒子成像检测系统包括差分接收线圈、无源滤波器模块、前置放大器模块、低/带通滤波器模块和信号采集模块；
所述差分接收线圈包括同轴的感应线圈和补偿线圈，通过所述感应线圈感应笛卡尔轨迹扫描过程的MPI系统原始信号，并通过所述补偿线圈进行高频噪声的补偿；
所述无源滤波器模块包括陷波器组和高/带通滤波器，用于将所述差分接收线圈输出的信号中的基波分量、低频段谐波和高频段谐波滤除；
所述前置放大器模块，用于放大所述无源滤波器模块输出的信号；
所述低/带通滤波器模块，用于将所述前置放大器模块输出的信号中的高频噪声和低频噪声滤除；
所述信号采集模块包括高速模数转换器和存储器，用于采集所述低/带通滤波器模块输出的信号并存储。
在一些优选的实施例中，所述感应线圈和所述补偿线圈为电压反相串联。
在一些优选的实施例中，所述无源滤波器模块，其组成器件均为无源器件；所述器件包括电感、电容和电阻。
在一些优选的实施例中，所述电感为空心环形电感。
在一些优选的实施例中，所述陷波器组用于滤除高频的扫描/激励电流导致的基波分量，所述高/带通滤波器用于滤除低频段的谐波分量，以及高频噪声。
在一些优选的实施例中，所述前置放大器模块即为低噪声信号放大器。
在一些优选的实施例中，所述低/带通滤波器模块为低通滤波器，或带通滤波器，或低通滤波器和带通滤波器的组合。
在一些优选的实施例中，所述低/带通滤波器，其组成器件均为无源器件，或为以有源的运算放大器为核心的集成电路。
本发明的另一方面，提出了一种基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测方法，基于上述的基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测系统，所述磁粒子成像检测方法包括：
步骤S1，通过感应线圈感应笛卡尔轨迹扫描过程的MPI系统原始信号，并通过补偿线圈进行高频噪声的补偿；
步骤S2，通过无源滤波器模块将补偿后的信号中的基波分量、低频段谐波和高频段谐波滤除；
步骤S3，通过前置放大器模块将无源滤波器模块输出的信号放大；
步骤S4，通过低/带通滤波器模块将放大后的信号中的高频噪声和低频噪声滤除；
步骤S5，判断低/带通滤波器模块输出的信号的强度和稳定性是否满足要求，若满足，则跳转步骤S6；否则，调整步骤S1-步骤S4中各模块的参数并跳转步骤S1；
步骤S6，通过信号采集模块采集低/带通滤波器模块输出的信号，并进行信号存储。
在一些优选的实施例中，步骤S1中通过补偿线圈进行高频噪声的补偿之前，还设置有补偿线圈调整步骤，其方法为：
调整所述补偿线圈的匝数，使得串联后得到的差分电压幅值低于设定阈值。
本发明的有益效果：
本发明基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测系统，可以滤除原始接收信号中各扫描/激励电流导致的基波分量和低频段谐波以及接收线圈受外界干扰产生的高频噪声，并对有用的磁纳米粒子响应信号进行高倍放大，进而为图像重建提供高质量原始数据。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测系统的组成示意图；
图2是本发明基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测系统一种实施例的详细模块示意图；
图3是本发明基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测方法的流程示意图。
具体实施方式
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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明提供一种基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测系统，针对基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像接收信号频谱特点，系统包括差分接收线圈、无源滤波器组合模块、前置放大器模块和低/带通滤波器模块等。利用本发明的系统，可以滤除原始接收信号中各扫描/激励电流导致的基波分量和低频段谐波以及接收线圈受外界干扰产生的高频噪声，并对有用的磁纳米粒子响应信号进行高倍放大，进而为图像重建提供高质量原始数据。
本发明的一种基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测系统，所述磁粒子成像检测系统包括差分接收线圈、无源滤波器模块、前置放大器模块、低/带通滤波器模块和信号采集模块；
所述差分接收线圈包括同轴的感应线圈和补偿线圈，通过所述感应线圈感应笛卡尔轨迹扫描过程的MPI系统原始信号，并通过所述补偿线圈进行高频噪声的补偿；
所述无源滤波器模块包括陷波器组和高/带通滤波器，用于将所述差分接收线圈输出的信号中的基波分量、低频段谐波和高频段谐波滤除；
所述前置放大器模块，用于放大所述无源滤波器模块输出的信号；
所述低/带通滤波器模块，用于将所述前置放大器模块输出的信号中的高频噪声和低频噪声滤除；
所述信号采集模块包括高速模数转换器和存储器，用于采集所述低/带通滤波器模块输出的信号并存储。
为了更清晰地对本发明基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测系统进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各模块展开详述。
本发明第一实施例的基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测系统，包括差分接收线圈100、无源滤波器模块200、前置放大器模块300、低/带通滤波器模块400和信号采集模块500，各模块详细描述如下：
差分接收线圈100包括同轴的感应线圈101和补偿线圈102，通过所述感应线圈101感应笛卡尔轨迹扫描过程的MPI系统原始信号，并通过所述补偿线圈102进行高频噪声的补偿.
感应线圈101和补偿线圈102为电压反相串联。
无源滤波器模块200包括陷波器组201和高/带通滤波器202，用于将所述差分接收线圈输出的信号中的基波分量、低频段谐波和高频段谐波滤除。
无源滤波器模块200，其组成器件为电感、电容和电阻等，均为无源器件。
电感为空心环形电感。
陷波器组201用于滤除高频的扫描/激励电流导致的基波分量，高/带通滤波器201用于滤除低频段的其他谐波分量，其中带通滤波器还可以滤除高频噪声。
前置放大器模块300，用于放大所述无源滤波器模块200输出的信号。
前置放大器模块300即为低噪声信号放大器。
低/带通滤波器模块400，用于将所述前置放大器模块300输出的信号中的高频噪声和低频噪声滤除。
低/带通滤波器模块400为低通滤波器，或带通滤波器，或低通滤波器和带通滤波器的组合。
低/带通滤波器400，其组成器件可以为电感、电容和电阻等，均为无源器件，或为以运算放大器为核心的集成电路，运算放大器为有源器件。
信号采集模块500包括高速模数转换器和存储器，用于采集所述低/带通滤波器模块400输出的信号并存储。
本发明第二实施例的基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测方法，基于上述的基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测系统，所述磁粒子成像检测方法包括：
步骤S1，通过感应线圈感应笛卡尔轨迹扫描过程的MPI系统原始信号，并通过补偿线圈进行高频噪声的补偿。
步骤S1中通过补偿线圈进行高频噪声的补偿之前，还设置有补偿线圈调整步骤，其方法为：
调整所述补偿线圈的匝数，使得串联后得到的差分电压幅值低于设定阈值。
本发明一个实施例中，调整补偿线圈匝数，以最大化程度降低串联后得到的差分电压幅值。
步骤S2，通过无源滤波器模块将补偿后的信号中的基波分量、低频段谐波和高频段谐波滤除。
步骤S3，通过前置放大器模块将无源滤波器模块输出的信号放大。
步骤S4，通过低/带通滤波器模块将放大后的信号中的高频噪声和低频噪声滤除。
步骤S5，判断低/带通滤波器模块输出的信号的强度和稳定性是否满足要求，若满足，则跳转步骤S6；否则，调整步骤S1-步骤S4中各模块的参数并跳转步骤S1。
步骤S6，通过信号采集模块采集低/带通滤波器模块输出的信号，并进行信号存储。
本发明一个实施例中，步骤S1～S5必须按顺序实施，其中步骤S2～S4可以多次循环采用。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程及有关说明，可以参考前述系统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笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测系统及方法，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。
本发明第三实施例的一种设备，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笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测方法。
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笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测方法。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，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施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
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 (10)
1.一种基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测系统，其特征在于，所述磁粒子成像检测系统包括差分接收线圈、无源滤波器模块、前置放大器模块、低/带通滤波器模块和信号采集模块；
所述差分接收线圈包括同轴的感应线圈和补偿线圈，通过所述感应线圈感应笛卡尔轨迹扫描过程的MPI系统原始信号，并通过所述补偿线圈进行高频噪声的补偿；
所述无源滤波器模块包括陷波器组和高/带通滤波器，用于将所述差分接收线圈输出的信号中的基波分量、低频段谐波和高频段谐波滤除；
所述前置放大器模块，用于放大所述无源滤波器模块输出的信号；
所述低/带通滤波器模块，用于将所述前置放大器模块输出的信号中的高频噪声和低频噪声滤除；
所述信号采集模块包括高速模数转换器和存储器，用于采集所述低/带通滤波器模块输出的信号并存储。
2.根据权利要求1所述的基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测系统，其特征在于，所述感应线圈和所述补偿线圈为电压反相串联。
3.根据权利要求1所述的基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测系统，其特征在于，所述无源滤波器模块，其组成器件均为无源器件；所述器件包括电感、电容和电阻。
4.根据权利要求3所述的基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测系统，其特征在于，所述电感为空心环形电感。
5.根据权利要求1所述的基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测系统，其特征在于，所述陷波器组用于滤除高频的扫描/激励电流导致的基波分量，所述高/带通滤波器用于滤除低频段的谐波分量，以及高频噪声。
6.根据权利要求1所述的基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测系统，其特征在于，所述前置放大器模块即为低噪声信号放大器。
7.根据权利要求1所述的基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测系统，其特征在于，所述低/带通滤波器模块为低通滤波器，或带通滤波器，或低通滤波器和带通滤波器的组合。
8.根据权利要求1所述的基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测系统，其特征在于，所述低/带通滤波器，其组成器件均为无源器件，或为以有源的运算放大器为核心的集成电路。
9.一种基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测方法，其特征在于，基于权利要求1-8任一项所述的基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测系统，所述磁粒子成像检测方法包括：
步骤S1，通过感应线圈感应笛卡尔轨迹扫描过程的MPI系统原始信号，并通过补偿线圈进行高频噪声的补偿；
步骤S2，通过无源滤波器模块将补偿后的信号中的基波分量、低频段谐波和高频段谐波滤除；
步骤S3，通过前置放大器模块将无源滤波器模块输出的信号放大；
步骤S4，通过低/带通滤波器模块将放大后的信号中的高频噪声和低频噪声滤除；
步骤S5，判断低/带通滤波器模块输出的信号的强度和稳定性是否满足要求，若满足，则跳转步骤S6；否则，调整步骤S1-步骤S4中各模块的参数并跳转步骤S1；
步骤S6，通过信号采集模块采集低/带通滤波器模块输出的信号，并进行信号存储。
10.根据权利要求9所述的基于笛卡尔轨迹扫描的磁粒子成像检测方法，其特征在于，步骤S1中通过补偿线圈进行高频噪声的补偿之前，还设置有补偿线圈调整步骤，其方法为：
调整所述补偿线圈的匝数，使得串联后得到的差分电压幅值低于设定阈值。
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| CN115236572B (zh) | 2024-06-18 |
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Legal Events
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