CN115568841B - 一种基于尼尔弛豫的磁纳米粒子检测与成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于医学成像检测技术领域，具体涉及一种基于尼尔弛豫的磁纳米粒子检测与成像方法，旨在解决现有技术中MPI未有效利用磁纳米粒子尼尔弛豫效应的问题，旨在提高磁纳米粒子的检测灵敏度与成像分辨率。本发明提出的检测方法包括：制备功能化磁纳米粒子并靶向到生物标志物；进行扫频测量以确定磁纳米粒子的尼尔弛豫工作频率；调整磁纳米粒子成像仪参数，获取待成像物的高灵敏度磁粒子点扩散函数与磁响应信号并反演成像。所提出的基于尼尔弛豫的检测和成像方法可实现高灵敏、高分辨的磁纳米粒子检测与成像。

Description

一种基于尼尔弛豫的磁纳米粒子检测与成像方法
技术领域
本发明属于医学成像检测技术领域，具体涉及一种基于尼尔弛豫的磁纳米粒子检测与成像方法。
背景技术
磁纳米粒子成像技术是一种新型医学影像技术，在过去的十几年里处于快速发展阶段。这项技术可以实现对视场FOV内磁纳米粒子分布的定位与浓度的精确测量。在临床应用上，利用功能化磁纳米粒子靶向到待测生物标志物，通过磁纳米粒子检测技术对待测对象成像或结合热疗技术，可实现临床的诊断与治疗，具有广阔的医学应用前景。
利用磁纳米粒子成像技术对诊疗过程精准监测的核心是磁纳米粒子磁响应频谱的测量，如何提高磁纳米粒子成像技术的检测灵敏度一直是国际上的研究热点和挑战性难题。现有的提高检测灵敏度的手段包括：提高激励磁场频率、提高激励磁场强度。其中，提高激励磁场频率的方式会增强磁纳米粒子的弛豫效应而导致信号强度减弱；提高激励磁场强度的方式受限于功率放大器的性能，会引入谐波失真的耦合干扰噪声。
当前磁纳米粒子成像设备未能综合利用磁纳米粒子的磁特性，受粒子弛豫和系统噪声的影响大，检测灵敏度的提升有限。因此，本领域需要一种有效利用磁纳米粒子弛豫效应的高灵敏度磁纳米粒子检测与程序方法，提升磁纳米粒子的检测灵敏度与成像分辨率，从而推动磁纳米粒子在临床医学上的应用进程。
发明内容
基于上述问题，本发明提出了一种基于尼尔弛豫的磁纳米粒子检测与成像方法，充分考虑和利用磁纳米粒子的弛豫效应，利用磁纳米粒子交变磁化响应测量仪器(如：如磁纳米粒子交流磁化率仪和/或磁纳米粒子频谱测量仪)获取磁纳米粒子的尼尔工作频率，调整磁粒子成像装置的参数以获取高灵敏度磁纳米粒子点扩散函数及磁响应信号，对磁纳米粒子成像技术的临床医学应用具有重要意义。
本发明提出了一种基于尼尔弛豫的磁纳米粒子检测与成像方法，所述检测方法包括：
步骤S10：将磁纳米粒子表面功能化，并与靶向生物标志物均匀混合，等待功能化磁纳米粒子成功靶向至生物标志物；
步骤S20：利用磁纳米粒子交变磁化响应测量仪器测量磁纳米粒子的动态磁化响应频谱，通过等间隔扫频测量的方式建立磁响应频谱m随工作频率f的变化关系，选取工作频率-磁响应频谱曲线峰值对应的频率作为磁纳米粒子尼尔弛豫工作频率；
步骤S30：基于所选取的磁纳米粒子尼尔弛豫工作频率调整磁纳米粒子成像装置的参数，获得高检测灵敏度的磁纳米粒子点扩散函数系统矩阵A及待测对象的磁响应频谱b；
步骤S40：基于步骤S30获取的高检测灵敏度磁纳米粒子点扩散函数系统矩阵A及待测对象磁响应频谱矩阵b，反演获取磁纳米粒子浓度c，其磁纳米粒子浓度c与磁纳米粒子点扩散函数系统矩阵A及待测对象磁响应频谱矩阵b的关系可以表示为：
Ac＝b.
在一些优选的实施例中，步骤S20包括：
步骤S21，设定磁纳米粒子交变磁化响应测量仪器的工作频率f，在特定频率范围(如10Hz～1MHz)内以固定步长进行扫频测量，获得不同工作频率下的磁响应频谱；
步骤S22，建立磁响应频谱m随工作频率f与的变化关系，画出f-m关系曲线；
步骤S23，选取工作频率-磁响应频谱曲线峰值对应的频率作为磁纳米粒子尼尔弛豫工作频率。
在一些优选的实施例中，步骤S21包括：
步骤S211，针对当前检测装置的激励频率，调整磁纳米粒子交变磁化响应测量仪器发射端的阻抗匹配网络，获得当前激励频率下最强的激励信号；
步骤S212，调整磁纳米粒子交变磁化响应测量仪器接收端的带阻滤波器的截止频率，使得基频在滤波器的通带范围之外，滤除当前所设置频率的基频信号；
步骤S213，在当前激励频率下，测量未装载磁纳米粒子时的背景信号频谱；
步骤S214，装载靶向到生物标志物的功能化磁纳米粒子，测量当前频率激励下的磁纳米粒子磁响应频谱并减去背景信号频谱；
步骤S215，按设定步长调整磁纳米粒子交变磁化响应测量仪器的激励频率，获得不同工作频率f下磁纳米粒子的磁响应频谱m。
在一些优选的实施例中，步骤S23所述的曲线峰值寻找方法采用适合寻找强单峰且速度快的简单比较法，通过对数据进行插值平滑处理，然后进行最大值比较得到结果。磁纳米粒子磁响应频谱最大值所对应的频率即为所求的尼尔弛豫工作频率，此频率下可获得最大的基于尼尔弛豫的磁纳米粒子响应信号。
在一些优选的实施例中，步骤S30包括：
步骤S31，设定磁纳米粒子成像装置的工作频率为所选取的尼尔弛豫工作频率；
步骤S32，调整磁纳米粒子成像装置发射端带通滤波器的中心频率和通带范围以及接收端带阻滤波器的截止频率，使得当前所设置频率的基频在滤波器的通带范围之外，滤除基频信号；
步骤S33，装载靶向到生物标志物的功能化磁纳米粒子到磁粒子成像装置视场中心，测量所装载的功能化磁纳米粒子点扩散函数，构建系统矩阵A；
步骤S34，装载附着有功能化磁纳米粒子的待测对象到磁粒子成像装置视场中心，测量待测对象的磁响应频谱矩阵b。
在一些优选的实施例中，步骤S31中发射端阻抗匹配网络与步骤S32中带阻滤波器的测量与调整通过阻抗分析仪来完成，电路元器件切换通过模拟开关或继电器来完成。
本发明的优点在于：
1、一种基于尼尔弛豫的高灵敏度磁纳米粒子检测与成像方法，通过功能化磁纳米粒子并靶向到生物标志物来抑制磁纳米粒子的布朗弛豫效应，改变磁纳米粒子的弛豫时间与最大动态磁化响应对应的工作频率；
2、一种基于尼尔弛豫的高灵敏度磁纳米粒子检测与成像方法，通过磁纳米粒子交变磁化响应测量仪器扫频测量，确定磁纳米粒子尼尔弛豫工作频率，基于磁纳米粒子尼尔弛豫工作频率调整磁粒子成像装置的参数，提升了信号强度，实现了磁纳米粒子的高灵敏度检测。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一种基于尼尔弛豫的磁纳米粒子检测与成像方法的原理图；
图2为本发明一种基于尼尔弛豫的磁纳米粒子检测与成像方法的流程图；
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的说明。需要说明的是，此处所描述的具体实施例仅用于对本发明进一步的详细和深入描述，并非对该发明的限定。为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，附图中仅展示了与本发明有关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体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。
本发明提出了一种基于尼尔弛豫磁纳米粒子检测与成像方法，检测原理如图1所示。根据德拜理论，磁纳米粒子的动态磁化可以表述为：
Figure BDA0003865393450000051
其中，M(t)表示磁纳米粒子的磁化响应，Ms表示磁粒子饱和磁化强度，L(ξ0sinωt)表示郎之万磁化强度，粒子弛豫时间τeff的表达式为：
Figure BDA0003865393450000052
其中，τB为布朗弛豫时间，τN为尼尔弛豫时间。根据上述纳米磁化理论，组织液中的磁纳米粒子磁响应特性受弛豫效应影响，主要包括布朗弛豫和尼尔弛豫。对于磁纳米粒子成像中常用的颗粒尺寸大于单畴尺寸的粒子来说，布朗弛豫占据主导地位，其最大动态磁化响应对应的工作频率较低；对于靶向到生物标志物的功能化磁纳米粒子，因其布朗弛豫受到极大的抑制使得尼尔弛豫占据主导地位，最大动态磁化响应对应的工作频率升高。同时，采用更高频率的激励也可在接收线圈中产生更大的感应电动势信号，因此所提出的基于尼尔弛豫的磁纳米粒子检测与成像方法可大大提高功能化磁纳米粒子的检测灵敏度。
本方法实际适用场合为磁纳米粒子弛豫受抑制的情形，如：靶向到生物标志物、内吞于细胞或处于高频激励下等，本发明再此不一一详述。
所提出的方法流程如图2所示，包括以下步骤：
步骤S10：将磁纳米粒子表面功能化，并与靶向生物标志物均匀混合，等待功能化磁纳米粒子成功靶向至生物标志物；
步骤S20：利用磁纳米粒子交变磁化响应测量仪器测量磁纳米粒子的磁化特性，采用扫频测量的方式建立磁响应频谱m随工作频率f的变化关系，选取工作频率-磁响应频谱曲线峰值对应的频率作为磁纳米粒子尼尔弛豫工作频率；
步骤S30：基于所选取的磁纳米粒子尼尔弛豫工作频率调整磁纳米粒子成像装置参数，获得高检测灵敏度的磁纳米粒子点扩散函数系统矩阵A及待测对象的磁响应频谱b；
步骤S40：基于步骤S30获取的高检测灵敏度磁纳米粒子点扩散函数系统矩阵A及待测对象磁响应频谱矩阵b，反演获取磁纳米粒子浓度图像。
为了更清晰的对本发明基于尼尔弛豫的磁纳米粒子检测方法进行说明，下面结合图2对本发明实施例中各步骤展开详述。
本发明提出的基于尼尔弛豫的磁纳米粒子检测方法包括步骤S10-步骤S40，各步骤详细描述如下：
步骤S10：将磁纳米粒子表面功能化，并与靶向生物标志物均匀混合，等待功能化磁纳米粒子成功靶向至生物标志物；
利用磁纳米粒子交变磁化响应测量仪器测定样品的磁化曲线来初步判断功能化磁纳米粒子的靶向状态。
步骤S20：利用磁纳米粒子交变磁化响应测量仪器测量磁纳米粒子的磁化特性，采用扫频测量的方式建立磁响应频谱m随工作频率f的变化关系，选取工作频率-磁响应频谱曲线峰值对应的频率作为磁纳米粒子尼尔弛豫工作频率。
如图2所示，未靶向的磁纳米粒子磁响应频谱和靶向到生物标志物的磁纳米粒子动态磁化响应频谱峰值对应的激励频率不同。针对当前靶向到生物标志物的功能化磁纳米粒子，其不同激励频率下磁响应频谱的测量流程具体包括：
步骤S21，设定磁纳米粒子交变磁化响应测量仪器的工作频率f，在特定频率范围(如10Hz～1MHz)内以固定步长对工作频率进行扫频测量，获得不同工作频率下的磁响应频谱；
步骤S22，建立磁响应频谱m随工作频率f与的变化关系，画出f-m关系曲线；
步骤S23，选取工作频率-磁响应频谱曲线峰值对应的频率作为磁纳米粒子尼尔弛豫工作频率。利用适合寻找强单峰且速度快的简单比较法确定尼尔弛豫工作频率，通过对数据进行插值平滑处理，然后进行最大值比较得到工作频率-磁响应频谱曲线峰值，峰值对应的工作频率作为磁纳米粒子尼尔弛豫工作频率。
其中，步骤S21包括：
步骤S211，针对当前检测装置的激励频率，调整磁纳米粒子交变磁化响应测量仪器发射端阻抗匹配网络，获得当前激励频率下最强的激励信号；
步骤S212，调整磁纳米粒子交变磁化响应测量仪器接收端带阻滤波器的截止频率，使得基频在滤波器的通带范围之外，滤除当前所设置频率的基频信号；
步骤S213，在当前激励频率下，测量未装载磁纳米粒子时的背景信号频谱；
步骤S214，装载靶向到生物标志物的功能化磁纳米粒子，测量当前频率激励下的磁纳米粒子磁响应频谱并减去背景信号频谱；
步骤S215，按设定步长调整磁纳米粒子交变磁化响应测量仪器的激励频率，获得磁纳米粒子交变磁化响应测量仪器不同工作频率f下磁纳米粒子的磁响应频谱m。
步骤S30：基于磁纳米粒子尼尔弛豫工作频率调整磁纳米粒子成像装置参数，测量获得高检测灵敏度的磁纳米粒子点扩散函数及磁响应信号，具体包括：
步骤S31，根据磁纳米粒子的尼尔弛豫工作频率，调整磁纳米粒子成像装置发射端阻抗匹配网络，获得当前工作频率下最强的激励信号；
步骤S32，调整磁纳米粒子成像装置发射端带通滤波器的中心频率和通带范围以及接收端带阻滤波器的截止频率，使得当前所设置频率的基频在滤波器的通带范围之外，滤除基频信号；
骤S33，装载靶向到生物标志物的功能化磁纳米粒子到磁粒子成像仪视场中心，测量所装载的功能化磁纳米粒子点扩散函数，构建系统矩阵A；
步骤S34，装载附着有功能化磁纳米粒子的待测对象到磁粒子成像仪视场中心，测量待测对象的磁响应频谱矩阵b。
其中，步骤S31中发射端阻抗匹配网络与步骤S32中带阻滤波器的测量与调整通过阻抗分析仪来完成，电路元器件切换通过模拟开关或继电器来完成。
步骤S40：基于步骤S30获取的高检测灵敏度磁纳米粒子点扩散函数系统矩阵A及待测对象磁响应频谱矩阵b，反演获取磁纳米粒子浓度c，其磁纳米粒子浓度c与磁纳米粒子点扩散函数系统矩阵A及待测对象磁响应频谱矩阵b的关系可以表示为：
Ac＝b.
通过本发明提出的基于尼尔弛豫的磁纳米粒子检测与成像方法，可实现高灵敏度的磁纳米粒子磁响应信号检测，达到对靶向组织、器官的高分辨率成像。

Claims (6)

1.一种基于尼尔弛豫效应的磁纳米粒子检测与成像方法，其特征在于，所述的基于尼尔弛豫效应的纳米粒子检测与成像方法包括：
步骤S10：将磁纳米粒子表面功能化，并与靶向生物标志物均匀混合，等待功能化磁纳米粒子成功靶向至生物标志物；
步骤S20：利用磁纳米粒子交变磁化响应测量仪器测量磁纳米粒子的动态磁化响应频谱，通过等间隔扫频测量的方式建立磁响应频谱m随工作频率f的变化关系，选取工作频率-磁响应频谱曲线峰值对应的频率作为磁纳米粒子尼尔弛豫工作频率；
步骤S30：基于所选取的磁纳米粒子尼尔弛豫工作频率调整磁纳米粒子成像装置参数，获得高检测灵敏度的磁纳米粒子点扩散函数系统矩阵A及待测对象的磁响应频谱b；
步骤S40：基于步骤S30获取的高检测灵敏度磁纳米粒子点扩散函数系统矩阵A及待测对象磁响应频谱矩阵b，反演获取磁纳米粒子浓度c，其磁纳米粒子浓度c与磁纳米粒子点扩散函数系统矩阵A及待测对象磁响应频谱矩阵b的关系可以表示为：
Ac＝b。
2.根据权利要求1所述的基于尼尔弛豫效应的磁纳米粒子检测与成像方法，其特征在于，步骤S10中通过将磁纳米粒子表面功能化并且靶向到生物标志物来抑制磁纳米粒子的布朗弛豫效应，改变磁纳米粒子的弛豫时间，从而改变最大动态磁化响应对应的工作频率；
所述的磁纳米粒子弛豫时间，其表达式为：
其中，τB为布朗弛豫时间，τN为尼尔弛豫时间；
所述的动态磁化响应表达式为：
其中，M(t)表示磁纳米粒子的磁化响应，Ms表示磁粒子饱和磁化强度，L(ξ0sinωt)表示郎之万磁化强度。
3.根据权利要求1所述的基于尼尔弛豫效应的磁纳米粒子检测与成像方法，其特征在于，步骤S20包括：
步骤S21，设定磁纳米粒子交变磁化响应测量仪器的工作频率f，在特定频率范围(如10Hz～1MHz)内以固定步长对工作频率进行等间隔扫频测量，获得功能化磁纳米粒子在不同工作频率下的磁响应频谱曲线；
步骤S22，与磁响应频谱m随工作频率f的变化关系，画出f-m关系曲线；
步骤S23，选取工作频率-磁响应频谱曲线峰值对应的频率作为磁纳米粒子尼尔弛豫工作频率。
4.根据权利要求3所述的基于尼尔弛豫效应的磁纳米粒子检测与成像方法，其特征在于，步骤S21包括：
步骤S211，针对当前检测装置的激励频率，调整磁纳米粒子交变磁化响应测量仪器发射端阻抗匹配网络，获得当前激励频率下最强的激励信号；
步骤S212，调整磁纳米粒子交变磁化响应测量仪器接收端带阻滤波器的截止频率，使得基频在滤波器的通带范围之外，滤除当前所设置频率的基频信号；
步骤S213，在当前激励频率下，测量未装载磁纳米粒子时的背景信号频谱；
步骤S214，装载靶向到细胞的功能化磁纳米粒子，测量当前频率激励下的磁纳米粒子磁响应频谱并减去背景信号频谱；
步骤S215，按设定步长调整磁纳米粒子交变磁化响应测量仪器的激励频率，获得磁纳米粒子交变磁化响应测量仪器不同工作频率f下磁纳米粒子的磁响应频谱m。
5.根据权利要求3所述的基于尼尔弛豫效应的磁纳米粒子检测与成像方法，其特征在于，步骤S23中利用适合寻找强单峰且速度快的简单比较法获取尼尔弛豫工作频率，通过对数据进行插值平滑处理，然后进行最大值比较得到工作频率-磁响应频谱曲线峰值，峰值对应的工作频率作为磁纳米粒子尼尔弛豫工作频率。
6.根据权利要求1所述的基于尼尔弛豫效应的磁纳米粒子检测与成像方法，其特征在于，步骤S30包括：
步骤S31，设定磁纳米粒子成像装置的工作频率为所选取的尼尔弛豫工作频率；
步骤S32，调整磁纳米粒子成像装置发射端带通滤波器的中心频率和通带范围以及接收端带阻滤波器的截止频率，使得当前所设置频率的基频在滤波器的通带范围之外，滤除基频信号；
步骤S33，装载靶向到生物标志物的功能化磁纳米粒子到磁粒子成像仪视场中心，测量所装载的功能化磁纳米粒子点扩散函数，构建系统矩阵A；
步骤S34，装载附着有功能化磁纳米粒子的待测对象到磁粒子成像仪视场中心，测量待测对象的磁响应频谱矩阵b。
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