CN115886773A - 基于磁场自由线的开放式三维磁粒子成像装置和方法 - Google Patents
基于磁场自由线的开放式三维磁粒子成像装置和方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115886773A CN115886773A CN202211699655.3A CN202211699655A CN115886773A CN 115886773 A CN115886773 A CN 115886773A CN 202211699655 A CN202211699655 A CN 202211699655A CN 115886773 A CN115886773 A CN 115886773A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- magnetic field
- unit
- signal
- free
- magnetic particle
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000006249 magnetic particle Substances 0.000 title claims abstract description 86
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims abstract description 67
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 26
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 42
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 23
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims description 16
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 14
- 238000013519 translation Methods 0.000 claims description 5
- 238000010606 normalization Methods 0.000 claims description 3
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 abstract description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 238000003759 clinical diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- WTFXARWRTYJXII-UHFFFAOYSA-N iron(2+);iron(3+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Fe+2].[Fe+3].[Fe+3] WTFXARWRTYJXII-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229940031182 nanoparticles iron oxide Drugs 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)
Abstract
本说明书涉及MPI成像技术领域，公开了一种基于磁场自由线的开放式三维磁粒子成像装置和方法。所述装置包括：信号检测模块，配置为通过将由两个磁极方向交叉排布的圆形永磁体构成的无磁场线生成单元和信号接收单元安装在上下对称的两个同轴圆柱形扫描设备里，提供开放式的扫描环境，发出初始扫描信号并接收磁粒子响应信号；电控模块，控制信号检测模块发出初始扫描信号的位置、强度和运动轨迹；外置信号补偿模块，测量直接馈通信号；信号处理与图像重建模块，根据磁粒子响应信号和直接馈通信号进行处理获得重建图像。本发明不需考虑大功率供电模块，省去了对输入电流的滤波等操作，不需考虑长时间通电可能产生的发热问题，简化了系统。
Description
技术领域
本文件涉及MPI成像技术领域，尤其涉及一种基于磁场自由线的开放式三维磁粒子成像装置和方法。
背景技术
超顺磁性氧化铁纳米粒子(Superparamagnetic iron oxide nanoparticles，SPION)在临床诊断、治疗方面具有很高的应用潜力。磁粒子成像技术(Magnetic ParticleImaging,MPI)能够对空间中分布的SPIONs进行成像。MPI利用利用空间中磁场自由区(Field Free Reign,FFR)的移动从而激发SPION产生非线性响应信号，对响应信号进行重建即可得到SPION的空间分布。当前主要使用的两种FFR为磁场自由点(Field Free Point)和磁场自由线(Field Free Line,FFL)。
与FFP相比，使用FFL的MPI仪器的灵敏度更高，并能够扫描更大的目标区域，在未来的临床应用上有巨大的潜力。当前使用FFL的MPI仪器主要包括闭孔式、单边式与开放式三种类型。对于传统的闭孔式MPI仪器，若要满足未来人体应用的需求，孔径将大幅增加，而这会引入更多难以消除的噪声，干扰粒子信号。单边MPI设备虽然不受被测对象大小的限制，但其成像深度有限，只能满足表层成像的需求。在单边MPI的基础上发展而来的开放式MPI通过电驱动旋转、平移FFL实现三维成像，但该方式对电磁线圈的电路系统更加复杂、功率要求高，并且设备中接收线圈与补偿线圈的设置将减少视野的大小。因此，目前缺少一种更优的大视野MPI系统解决方案，基于此，本发明提出了一种基于磁场自由线的大视野、开放式三维磁粒子成像装置、系统及方法。
发明内容
本说明书提供了一种基于磁场自由线的开放式三维磁粒子成像装置，用以解决现有技术的成像方式对电磁线圈的电路系统要求复杂、功率要求高、且设备中接收线圈与补偿线圈的视野过小的问题，所述装置包括：信号检测模块、电控模块、外置信号补偿模块和信号处理与图像重建模块；
所述信号检测模块，配置为通过将由两个磁极方向交叉排布的圆形永磁体构成的无磁场线生成单元8和信号接收单元10安装在上下对称的两个同轴圆柱形扫描设备里，提供开放式的扫描环境，发出初始扫描信号并接收磁粒子响应信号；
所述电控模块，用于控制信号检测模块发出初始扫描信号的位置、强度和运动轨迹；
所述外置信号补偿模块，用于测量直接馈通信号；
所述信号处理与图像重建模块，用于根据所述磁粒子响应信号和直接馈通信号进行处理获得重建图像。
在一些优选的实施方式中，所述信号检测模块，具体包括：
载物台15、无磁场线生成单元8、无磁场线无惯性驱动单元7、无磁场线惯性驱动单元16、电流激励单元9和信号接收单元10；
设上下对称的两个同轴圆柱形扫描设备中心空间点为原点，以第一方向1表示竖直方向，第二方向2和第三方向3表示水平面上相互垂直的两个方向；
所述载物台15为一个位移床；
在设置于下方的所述圆柱形扫描设备中：
所述无磁场线生成单元8，为水平设置于圆柱形扫描设备中部的，一对圆形永磁体；
每个所述圆形永磁体，均由两块磁极方向相反的半圆形永磁体构成，两个圆形永磁体的磁极方向交叉叠放构成一对圆形永磁体，所有的圆形永磁体的排列均为磁极方向交叉；
所述无磁场线无惯性驱动单元7，为设置于圆柱形扫描设备内臂，的与所述无磁场线生成单元8同轴的线圈，所述无磁场线无惯性驱动单元7的长度大于无磁场线生成单元8在第一方向1上的可平移范围；所述无磁场线无惯性驱动单元7用于通电后在竖直方向上产生均匀磁场；
所述无磁场线惯性驱动单元16，为旋转位移块，用于控制无磁场线生成单元8在水平方向上旋转，或在第一方向1上平移；
所述电流激励单元9，为第一圆形线圈，用于根据需要的波形通入高频励磁电流后，产生目标波形的扫描信号；
所述信号接收单元10，为第二圆形线圈，第二圆形线圈的尺寸处于小于第一圆形线圈的预设范围内，用于接收磁粒子响应信号；所述电流激励单元9与处于另一方位的圆柱形扫描设备中的信号接收单元10为一组工作；
设置于上方的所述圆柱形扫描设备，结构与设置于下方的所述圆柱形扫描设备结构相同，朝向相反且同轴，所述无磁场线生成单元8、无磁场线无惯性驱动单元7、无磁场线惯性驱动单元16、电流激励单元9和信号接收单元10均同轴，且除无磁场线无惯性驱动单元7外旋转和平移均同步。
在一些优选的实施方式中，所述无磁场线生成单元8，在原点处的水平面上生成FFL。
在一些优选的实施方式中，所述外置信号补偿模块，包括补偿电流激励单元11和补偿信号接收单元12；
所述补偿电流激励单元11与电流激励单元9的大小相同，补偿信号接收单元12与信号接收单元10大小相同；
所述补偿电流激励单元11和补偿信号接收单元12的相对位置与电流激励单元9和信号接收单元10的相对位置相同；所述补偿电流激励单元11与处于另一方位的补偿信号接收单元12为一组工作；电流激励单元9与补偿电流激励单元11通过激励串联电缆13串联，信号接收单元10与补偿信号接收单元12通过接收串联电缆14串联。
在一些优选的实施方式中，所述电控模块，包括位移控制器17、第一供电单元18、第二供电单元19和第三供电单元20；
所述位移控制器17，用于驱动无磁场线惯性驱动单元16旋转或平移；
所述第一供电单元18，用于为所述无磁场线无惯性驱动单元7供电；
所述第二供电单元19，用于为所述电流激励单元9供电和外置补偿模块中的激励单元11供电；
所述第三供电单元20，用于为所述载物台15供电。
在一些优选的实施方式中，所述信号处理与图像重建模块，包括信号处理单元21和图像重建与显示单元22；
所述信号处理单元21与信号接收单元10连接，信号处理单元21包括陷波器、运算放大器、信号采集卡，用于将接收到的磁粒子响应信号经过陷波器滤除直接馈通信号，经过运算放大器后通过采集卡记录，获得记录数据；
所述图像重建与显示单元22包括数据处理单元、图像显示单元，用于重建并显示MPI图像。
本发明的第二方面，提出一种基于磁场资有限的磁场开放式三维磁粒子成像方法，所述方法通过上述的基于磁场资有限的磁场开放式三维磁粒子成像装置实施，所述方法包括：
步骤S100，基于被测对象的尺寸确定系统元件的尺寸，搭建MPI成像系统，明确MPI成像视野；
步骤S200，选用填充高浓度磁粒子溶液的小尺寸样本遍历MPI成像视野中的每个位置点，并于每个位置点在0-180度间均匀旋转无磁场线进行反复扫描，根据测得的磁粒子响应信号，构建MPI系统矩阵；
步骤S300，通过载物台15将待测物体送入所述MPI成像视野中；
步骤S400，通过设定的顺序，逐层扫描所述待测物体，获得时域磁粒子响应信号；
步骤S500，基于所述时域磁粒子响应信号，进行傅里叶变换获得频域磁粒子响应信号；
步骤S600，基于所述MPI系统矩阵和频域磁粒子响应信号，构建图像重建方程；
步骤S700，基于所述图像重建方程，获得磁粒子三维浓度分布。
在一些优选的实施方式中，所述步骤S200，具体为：
步骤S210，使所述FFL位于MPI成像视野最下层；
步骤S220，向所述无磁场线无惯性驱动单元7和电流激励单元9中通入预设的正弦电流，使FFL扫描当前的水平面上的所有位置点；
步骤S230，通过控制所述无磁场线无惯性驱动单元7，使FFL旋转预设的角度，重复步骤S220的方法，扫描当前的水平面上的所有位置点，直至完成当前的水平面上的0-180度间均匀旋转扫描，控制无磁场线惯性驱动单元16使FFL上移一层；
步骤S240，重复步骤S220至步骤S230，直至FFL完成最上层所有位置点的扫描，移动小尺寸样本；
步骤S250，重复步骤S220-步骤S240，直至小尺寸样本遍历MPI成像视野的所有位置点，获得参照物时域磁粒子响应信号；
步骤S260，基于所述参照物时域磁粒子响应信号，进行傅里叶变换得到参照物频域磁粒子响应信号，将所述参照物频域磁粒子响应信号拼接获得MPI系统矩阵。
在一些优选的实施方式中，所述图像重建方程为：
Sc＝u
S为MPI系统矩阵，u为所述频域磁粒子响应信号，c为待求的磁粒子分布向量c∈Rmn。
在一些优选的实施方式中，所述图像重建方程，通过基于Kaczmarz迭代的方法进行快速求解，具体为：
其中，
W是加权矩阵，以每一行的能量为指标对系统矩阵进行行归一化，能够抑制信噪比较差的分量；λ为正则化参数，
表示二范数。
本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
本发明中使用的利用反向磁极排列生成FFL的方法与电磁线圈相比，不需考虑大功率供电模块，省去了对输入电流的滤波等操作，不需考虑长时间通电可能产生的发热问题，简化了系统。与长条形永磁体相比，能够生成更长的FFL，更有利于进行大视野成像。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本说明书一实施例提供的基于磁场自由线的开放式三维磁粒子成像装置的结构示意图；
图2为本说明书一实施例提供的基于磁场自由线的开放式三维磁粒子成像装置的剖面图；
图3为本说明书一实施例提供的基于磁场自由线的开放式三维磁粒子成像装置的系统简图；
图4为本说明书一实施例提供的生成FFL的效果示意图；
图5是本说明书现有技术中通过长条形永磁体生成FFL的效果示意图；
图6是本说明书现有技术中通过电磁线圈生成FFL的效果示意图；
图7是本说明书一实施例的电磁线圈生成均匀磁场的效果示意图；
图8是本说明书一实施例提供的通过旋转永磁体使FFL在xy面旋转的效果示意图；
图9是本说明书一实施例提供的通过平移永磁体使FFL沿z轴平移的效果示意图；
图10是本说明书现有技术中开放式FFL接收补偿线圈的传统布置方式与FOV示意图；
图11是本说明书一实施例中外置接收补偿线圈的布置方式与FOV示意图；
图12是本说明书二实施例的基于磁场自由线的开放式三维磁粒子成像方法的流程示意图；
图13是本说明书二实施例的基于磁场自由线的开放式三维磁粒子成像方法的原理示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
图1为本说明书一实施例提供的一种基于磁场自由线的开放式三维磁粒子成像装置，参见图1、图2和图3，所述成像装置可以包括：信号检测模块、电控模块、外置信号补偿模块和信号处理与图像重建模块；
所述信号检测模块，配置为通过将由两个磁极方向交叉排布的圆形永磁体构成的无磁场线生成单元8和信号接收单元10安装在上下对称的两个同轴圆柱形扫描设备里，提供开放式的扫描环境，发出初始扫描信号并接收磁粒子响应信号；
在本实施例中，所述信号检测模块，具体包括：
载物台15、无磁场线生成单元8、无磁场线无惯性驱动单元7、无磁场线惯性驱动单元16、电流激励单元9和信号接收单元10；
设上下对称的两个同轴圆柱形扫描设备中心空间点为原点，以第一方向1表示竖直方向，第二方向2和第三方向3表示水平面上相互垂直的两个方向；
所述载物台15为一个位移床，用于将被测对象固定并平行送入设备成像视野中；
在设置于下方的所述圆柱形扫描设备中：
所述无磁场线生成单元8，为水平设置于圆柱形扫描设备中部的，一对圆形永磁体；
每个所述圆形永磁体，如图4所示，均由两块磁极方向相反的半圆形永磁体构成，两个圆形永磁体的磁极方向交叉叠放构成一对圆形永磁体，所有的圆形永磁体的排列均为磁极方向交叉，如图4中(a)所示；
传统的长条形永磁体生成的FFL如图5所示、电磁线圈生成的FFL如图6所示，与传统的永磁体形状生成的FFL相比，本实施例所生成的FFL能够具有更大的范围，与长条形永磁体相比，能够生成更长的FFL，更有利于进行大视野成像。
所述无磁场线无惯性驱动单元7，为设置于圆柱形扫描设备内臂，的与所述无磁场线生成单元8同轴的线圈，所述无磁场线无惯性驱动单元7的长度大于无磁场线生成单元8在第一方向1上的可平移范围；所述无磁场线无惯性驱动单元7用于通电后在竖直方向上产生均匀磁场；
如图7所示，该线圈组能够在轴线1方向上产生范围较广的均匀磁场，根据要求向两线圈同时通入某一频率的同向交流电时，能够驱动FFL在xy方向上平移扫描，如图8所示。
所述无磁场线惯性驱动单元16，为旋转位移块，用于控制无磁场线生成单元8在水平方向上旋转，或在第一方向1上平移，如图9所示；
所述电流激励单元9，为第一圆形线圈，用于根据需要的波形通入高频励磁电流后，产生目标波形的扫描信号；线圈直接可根据需要做出调整替换，根据需要的波形通入高频激励电流，产生所需要的波形(正弦波、梯形波、方波等)。
所述信号接收单元10，为第二圆形线圈，第二圆形线圈的尺寸处于小于第一圆形线圈的预设范围内，用于接收磁粒子响应信号；所述电流激励单元9与处于另一方位的圆柱形扫描设备中的信号接收单元10为一组工作；磁粒子响应信号为磁粒子在交变磁场中产生的非线性响应信号。
设置于上方的所述圆柱形扫描设备，结构与设置于下方的所述圆柱形扫描设备结构相同，朝向相反且同轴，所述无磁场线生成单元8、无磁场线惯性驱动单元16、电流激励单元9和信号接收单元10均同轴，且除无磁场线无惯性驱动单元7外旋转和平移均同步。
所述无磁场线生成单元8，在电流激励单元9和信号接收单元10中间的水平面上生成FFL，如图4中b所示。
所述电控模块，用于控制信号检测模块发出初始扫描信号的位置、强度和运动轨迹；
在本实施例中，所述电控模块，包括位移控制器17、第一供电单元18、第二供电单元19和第三供电单元20；
所述位移控制器17，用于驱动无磁场线惯性驱动单元16旋转或平移；
所述第一供电单元18，用于为所述无磁场线无惯性驱动单元7供电；工作时向相对放置的两同轴线圈无磁场线无惯性驱动单元7内通入大小、方向相同的正弦电流，在空间中生成随时间变化的匀强磁场，与梯度场相叠加后能够让FFL在xy平面平移。
位移控制器17与无磁场线惯性驱动单元16相连，控制相对放置的永磁体同步做旋转与位移运动。永磁体做旋转运动时，FFL跟随其旋转，再配合上FFL在xy面的平移，即可实现磁粒子在xy平面上的位置编码，能够实现MPI二维成像。永磁体做沿z轴的位移时，FFL跟随其沿z轴平移，实现MPI三维成像。
所述第二供电单元19，用于为所述电流激励单元9供电；供电单元19与电流激励单元9相连，工作时向相对放置的两同轴线圈电流激励单元9内通入大小、方向相同的高频正弦电流，用于激发磁粒子产生响应信号。
所述第三供电单元20，用于为所述载物台15供电。
所述外置信号补偿模块，用于测量直接馈通信号；
在本实施例中，所述外置信号补偿模块，包括补偿电流激励单元11和补偿信号接收单元12；外置信号补偿模块在图1和图2中，以5为x轴轴线、6为y轴轴线、4为z轴轴线；
所述补偿电流激励单元11与电流激励单元9的大小相同，补偿信号接收单元12与信号接收单元10大小相同；
所述补偿电流激励单元11和补偿信号接收单元12的相对位置与电流激励单元9和信号接收单元10的相对位置相同；所述补偿电流激励单元11与处于另一方位的补偿信号接收单元12为一组工作；
在MPI系统中，接收线圈接收的信号除磁粒子的响应信号外，还存在同轴激励线圈产生的直接馈通信号，因此在设计时，需要添加补偿线圈，在相同激励、无被测对象的条件下测出直接馈通信号，将此信号与接收信号相减即可得到想要的粒子非线性响应信号。在开放式MPI系统中，传统的补偿线圈布置方式如图10中(a)所示，由于补偿线圈需要测量无粒子情况下的直接馈通信号，因此成像视野将减半为一个半圆，如图10中(b)所示。而本发明提出的外置补偿方式如图11中(a)所示成像视野不受补偿线圈影响，是一个整圆如图11中(b)所示。同时补偿线圈与接收线圈距离较远也能减小补偿线圈对成像视野中的灵敏度的影响，达到更优的效果。
电流激励单元9与补偿电流激励单元11通过激励串联电缆13串联，信号接收单元10与补偿信号接收单元12通过接收串联电缆14串联。
所述信号处理与图像重建模块，用于根据所述磁粒子响应信号和直接馈通信号进行处理获得重建图像。
在本实施例中，所述信号处理与图像重建模块，包括信号处理单元21和图像重建与显示单元22；
所述信号处理单元21与信号接收单元10连接，信号处理单元21包括陷波器、运算放大器、信号采集卡，用于将接收到的磁粒子响应信号经过陷波器滤除直接馈通信号，经过运算放大器后通过采集卡记录，获得记录数据；
所述图像重建与显示单元22包括数据处理单元、图像显示单元，用于重建并显示MPI图像。
本发明的第二实施例，如图12所示，提出一种基于磁场资有限的磁场开放式三维磁粒子成像方法，通过上述的基于磁场资有限的磁场开放式三维磁粒子成像装置实施，所述方法包括：
步骤S100，基于被测对象的尺寸确定系统元件的尺寸，搭建MPI成像系统，明确MPI成像视野；在本实施例中，首先为了保证被测物体能顺利进入设备中，根据目标被测对象的最大厚度，确定设备中间开放区域的大小；再调整永磁体的材料、厚度，以调整其生成磁场的强度，使成像视野内的磁场梯度于设计值相符；为了保证扫描视野的大小，计算得到扫描中电流激励单元9与无磁场线无惯性驱动单元7所需的电流幅值。进而完成MPI成像系统搭建和PMI成像视野的确定。
步骤S200，选用填充高浓度磁粒子溶液的小尺寸样本遍历MPI成像视野中的每个位置点，并于每个位置点在0-179度间均匀旋转无磁场线进行反复扫描，根据测得的磁粒子响应信号，构建MPI系统矩阵；本实施例采用的小尺寸样本尺寸为1×1×1mm3；
在本实施例中，所述步骤S200，具体为：
步骤S210，使所述FFL位于MPI成像视野最下层；
步骤S220，向所述无磁场线无惯性驱动单元7和电流激励单元9中通入预设的正弦电流，使FFL扫描当前的水平面上的所有位置点；
步骤S230，通过控制所述无磁场线无惯性驱动单元7，使FFL旋转预设的角度，重复步骤S220的方法，扫描当前的水平面上的所有位置点，直至完成当前的水平面上的0-180度间均匀旋转扫描，控制无磁场线惯性驱动单元16使FFL上移一层；
步骤S240，重复步骤S220至步骤S230，直至FFL完成最上层所有位置点的扫描，移动小尺寸样本；在本实施例中，完成一层水平面上的0-180度间均匀旋转扫描后获得当前层的二维系统矩阵，将所有的二维系统矩阵整合后即可得到MPI系统矩阵；
步骤S250，重复步骤S220-步骤S240，直至小尺寸样本遍历MPI成像视野的所有位置点，获得参照物时域磁粒子响应信号；
步骤S260，基于所述参照物时域磁粒子响应信号，进行傅里叶变换得到参照物频域磁粒子响应信号，将所述参照物频域磁粒子响应信号拼接获得MPI系统矩阵。在每个位置的测量中，将无磁场线惯性驱动单元16在0-180度中每隔1度测量一次，将得到的时域信号经过傅里叶变换转换到频域内，拼接组成系统矩阵。假设每个面存在m个位置，共有n个平面，每次测量取180nk个频点，那么最终得到的三维系统矩阵为S∈C180nk×mn，如图13所示。
步骤S300，通过载物台15将待测物体送入所述MPI成像视野中；
步骤S400，通过设定的顺序，逐层扫描所述待测物体，获得时域磁粒子响应信号；与系统矩阵测量步骤类似，首先沿z轴移动无磁场线惯性驱动单元16，使得FFL位于成像视野的最下层，向无磁场线无惯性驱动单元7中通入正弦电流在xy面上移动FFL进行测量；再沿z轴逐步上移测量，直到将整个成像视野中的点测完。每个面同样按照0-179度中每隔1度测量一次，将得到的时域信号经过傅里叶变换转换到频域内，得到被测物体的信号u∈C180nk。
步骤S500，基于所述时域磁粒子响应信号，进行傅里叶变换获得频域磁粒子响应信号；
步骤S600，基于所述MPI系统矩阵和频域磁粒子响应信号，构建图像重建方程；
所述图像重建方程为：
Sc＝u
S为MPI系统矩阵，u为所述频域磁粒子响应信号，c为待求的磁粒子分布向量c∈Rmn。
所述图像重建方程，通过基于Kaczmarz迭代的方法进行快速求解，具体为：
其中，
W是加权矩阵，以每一行的能量为指标对系统矩阵进行行归一化，能够抑制信噪比较差的分量；λ为正则化参数，
表示二范数。
步骤S700，基于所述图像重建方程，获得磁粒子三维浓度分布。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种基于磁场自由线的开放式三维磁粒子成像装置，其特征在于，所述装置包括：信号检测模块、电控模块、外置信号补偿模块和信号处理与图像重建模块；
所述信号检测模块，配置为通过将由两个磁极方向交叉排布的圆形永磁体构成的无磁场线生成单元(8)和信号接收单元(10)安装在上下对称的两个同轴圆柱形扫描设备里，提供开放式的扫描环境，发出初始扫描信号并接收磁粒子响应信号；
所述电控模块，用于控制信号检测模块发出初始扫描信号的位置、强度和运动轨迹；
所述外置信号补偿模块，用于测量直接馈通信号；
所述信号处理与图像重建模块，用于根据所述磁粒子响应信号和直接馈通信号进行处理获得重建图像。
2.根据权利要求1所述的基于磁场自由线的开放式三维磁粒子成像装置，其特征在于，所述信号检测模块，具体包括：
载物台(15)、无磁场线生成单元(8)、无磁场线无惯性驱动单元(7)、无磁场线惯性驱动单元(16)、电流激励单元(9)和信号接收单元(10)；
设上下对称的两个同轴圆柱形扫描设备中心空间点为原点，以第一方向(1)表示竖直方向，第二方向(2)和第三方向(3)表示水平面上相互垂直的两个方向；
所述载物台(15)为一个位移床；
在设置于下方的所述圆柱形扫描设备中：
所述无磁场线生成单元(8)，为水平设置于圆柱形扫描设备中部的，一对圆形永磁体；
每个所述圆形永磁体，均由两块磁极方向相反的半圆形永磁体构成，两个圆形永磁体的磁极方向交叉叠放构成一对圆形永磁体，所有的圆形永磁体的排列均为磁极方向交叉；
所述无磁场线无惯性驱动单元(7)，为设置于圆柱形扫描设备内臂，的与所述无磁场线生成单元(8)同轴的线圈，所述无磁场线无惯性驱动单元(7)的长度大于无磁场线生成单元(8)在第一方向(1)上的可平移范围；所述无磁场线无惯性驱动单元(7)用于通电后在竖直方向上产生均匀磁场；
所述无磁场线惯性驱动单元(16)，为旋转位移块，用于控制无磁场线生成单元(8)在水平方向上旋转，或在第一方向(1)上平移；
所述电流激励单元(9)，为第一圆形线圈，用于根据需要的波形通入高频励磁电流后，产生目标波形的扫描信号；
所述信号接收单元(10)，为第二圆形线圈，第二圆形线圈的尺寸处于小于第一圆形线圈的预设范围内，用于接收磁粒子响应信号；所述电流激励单元(9)与处于另一方位的圆柱形扫描设备中的信号接收单元(10)为一组工作；
设置于上方的所述圆柱形扫描设备，结构与设置于下方的所述圆柱形扫描设备结构相同，朝向相反且同轴，所述无磁场线生成单元(8)、无磁场线无惯性驱动单元(7)、无磁场线惯性驱动单元(16)、电流激励单元(9)和信号接收单元(10)均同轴，且除无磁场线无惯性驱动单元(7)外旋转和平移均同步。
3.根据权利要求2所述的基于磁场自由线的开放式三维磁粒子成像装置，其特征在于，所述无磁场线生成单元(8)，在电流激励单元(9)和信号接收单元(10)中间的水平面上生成FFL。
4.根据权利要求2所述的基于磁场自由线的开放式三维磁粒子成像装置，其特征在于，所述外置信号补偿模块，包括补偿电流激励单元(11)和补偿信号接收单元(12)；
所述补偿电流激励单元(11)与电流激励单元(9)的大小相同，补偿信号接收单元(12)与信号接收单元(10)大小相同；
所述补偿电流激励单元(11)和补偿信号接收单元(12)的相对位置与电流激励单元(9)和信号接收单元(10)的相对位置相同；
所述补偿电流激励单元(11)与处于另一方位的补偿信号接收单元(12)为一组工作；
电流激励单元(9)与补偿电流激励单元(11)通过激励串联电缆(13)串联，信号接收单元(10)与补偿信号接收单元(12)通过接收串联电缆(14)串联。
5.根据权利要求2所述的基于磁场自由线的开放式三维磁粒子成像装置，其特征在于，所述电控模块，包括位移控制器(17)、第一供电单元(18)、第二供电单元(19)和第三供电单元(20)；
所述位移控制器(17)，用于驱动无磁场线惯性驱动单元(16)旋转或平移；
所述第一供电单元(18)，用于为所述无磁场线无惯性驱动单元(7)供电；
所述第二供电单元(19)，用于为所述电流激励单元(9)和补偿电流激励单元(11)供电；
所述第三供电单元(20)，用于为所述载物台(15)供电。
6.根据权利要求2所述的基于磁场自由线的开放式三维磁粒子成像装置，其特征在于，所述信号处理与图像重建模块，包括信号处理单元(21)和图像重建与显示单元(22)；
所述信号处理单元(21)与信号接收单元(10)连接，信号处理单元(21)包括陷波器、运算放大器、信号采集卡，用于将接收到的磁粒子响应信号经过陷波器滤除直接馈通信号，经过运算放大器后通过采集卡记录，获得记录数据；
所述图像重建与显示单元(22)包括数据处理单元、图像显示单元，用于重建并显示MPI图像。
7.一种基于磁场资有限的磁场开放式三维磁粒子成像方法，其特征在于，通过如权利要求2-6任一项所述的基于磁场资有限的磁场开放式三维磁粒子成像装置实施，所述方法包括：
步骤S100，基于被测对象的尺寸确定系统元件的尺寸：可搭建MPI成像系统，明确MPI成像视野；
步骤S200，选用填充高浓度磁粒子溶液的小尺寸样本遍历MPI成像视野中的每个位置点，并于每个位置点在0-180度间均匀旋转无磁场线进行反复扫描，根据测得的磁粒子响应信号，构建MPI系统矩阵；
步骤S300，通过载物台(15)将待测物体送入所述MPI成像视野中；
步骤S400，通过设定的顺序，逐层扫描所述待测物体，获得时域磁粒子响应信号；
步骤S500，基于所述时域磁粒子响应信号，进行傅里叶变换获得频域磁粒子响应信号；
步骤S600，基于所述MPI系统矩阵和频域磁粒子响应信号，构建图像重建方程；
步骤S700，基于所述图像重建方程，获得磁粒子三维浓度分布。
8.根据权利要求7所述的基于磁场资有限的磁场开放式三维磁粒子成像方法，其特征在于，所述步骤S200，具体为：
步骤S210，使所述FFL位于MPI成像视野最下层；
步骤S220，向所述无磁场线无惯性驱动单元7和电流激励单元9中通入预设的正弦电流，使FFL扫描当前的水平面上的所有位置点；
步骤S230，通过控制所述无磁场线无惯性驱动单元7，使FFL旋转预设的角度，重复步骤S220的方法，扫描当前的水平面上的所有位置点，直至完成当前的水平面上的0-180度间均匀旋转扫描，控制无磁场线惯性驱动单元16使FFL上移一层；
步骤S240，重复步骤S220至步骤S230，直至FFL完成最上层所有位置点的扫描，移动小尺寸样本；
步骤S250，重复步骤S220-步骤S240，直至小尺寸样本遍历MPI成像视野的所有位置点，获得参照物时域磁粒子响应信号；
步骤S260，基于所述参照物时域磁粒子响应信号，进行傅里叶变换得到参照物频域磁粒子响应信号，将所述参照物频域磁粒子响应信号拼接获得MPI系统矩阵。
9.根据权利要求7所述的基于磁场资有限的磁场开放式三维磁粒子成像方法，其特征在于，所述图像重建方程为：
Sc＝u
S为MPI系统矩阵，u为所述频域磁粒子响应信号，c为待求的磁粒子分布向量c∈Rmn。
10.根据权利要求9所述的基于磁场资有限的磁场开放式三维磁粒子成像方法，其特征在于，所述图像重建方程，通过基于Kaczmarz迭代的方法进行快速求解，具体为：
其中，
W是加权矩阵，以每一行的能量为指标对系统矩阵进行行归一化，能够抑制信噪比较差的分量；λ为正则化参数，
表示二范数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211699655.3A CN115886773A (zh) | 2022-12-28 | 2022-12-28 | 基于磁场自由线的开放式三维磁粒子成像装置和方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211699655.3A CN115886773A (zh) | 2022-12-28 | 2022-12-28 | 基于磁场自由线的开放式三维磁粒子成像装置和方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115886773A true CN115886773A (zh) | 2023-04-04 |
Family
ID=86472881
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211699655.3A Pending CN115886773A (zh) | 2022-12-28 | 2022-12-28 | 基于磁场自由线的开放式三维磁粒子成像装置和方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115886773A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116965795A (zh) * | 2023-09-20 | 2023-10-31 | 暨南大学附属第一医院（广州华侨医院） | 一种高灵敏度的磁粒子成像系统及方法 |
| CN117192452B (zh) * | 2023-11-07 | 2024-01-23 | 中国科学院自动化研究所 | 基于多线圈信号增强的大孔径三维磁粒子成像装置和方法 |
| CN117653070A (zh) * | 2024-01-31 | 2024-03-08 | 北京航空航天大学 | 一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置 |
| CN117653071A (zh) * | 2024-01-31 | 2024-03-08 | 北京航空航天大学 | 一种免旋转磁场自由线的三维磁粒子成像方法及系统 |
-
2022
- 2022-12-28 CN CN202211699655.3A patent/CN115886773A/zh active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116965795A (zh) * | 2023-09-20 | 2023-10-31 | 暨南大学附属第一医院（广州华侨医院） | 一种高灵敏度的磁粒子成像系统及方法 |
| CN116965795B (zh) * | 2023-09-20 | 2023-12-12 | 暨南大学附属第一医院（广州华侨医院） | 一种高灵敏度的磁粒子成像系统及方法 |
| CN117192452B (zh) * | 2023-11-07 | 2024-01-23 | 中国科学院自动化研究所 | 基于多线圈信号增强的大孔径三维磁粒子成像装置和方法 |
| CN117653070A (zh) * | 2024-01-31 | 2024-03-08 | 北京航空航天大学 | 一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置 |
| CN117653071A (zh) * | 2024-01-31 | 2024-03-08 | 北京航空航天大学 | 一种免旋转磁场自由线的三维磁粒子成像方法及系统 |
| CN117653071B (zh) * | 2024-01-31 | 2024-04-26 | 北京航空航天大学 | 一种免旋转磁场自由线的三维磁粒子成像方法及系统 |
| CN117653070B (zh) * | 2024-01-31 | 2024-05-10 | 北京航空航天大学 | 一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN115886773A (zh) | 基于磁场自由线的开放式三维磁粒子成像装置和方法 | |
| CN110573072B (zh) | 开孔无场线磁性粒子成像系统 | |
| CN113433495B (zh) | 基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统及方法 | |
| US10261141B2 (en) | Apparatus and methods for spatial encoding of FFL-based MPI devices | |
| US7351194B2 (en) | Arrangement for influencing magnetic particles | |
| CN114246574A (zh) | 基于谐波正交投影的磁粒子成像方法、系统、设备 | |
| CN115153490B (zh) | 基于非旋转场自由线的磁纳米粒子检测成像装置、方法 | |
| JP4810368B2 (ja) | 電子スピン共鳴ｃｔ装置 | |
| CN116626563A (zh) | 一种梯度与视野自适应的三维磁粒子成像装置及方法 | |
| CN112684391A (zh) | 混合成像装置和/或用于设计磁体布置结构的方法 | |
| CN117547242B (zh) | 磁感应断层成像设备 | |
| US11927651B2 (en) | System for the one-sided generation of magnetic fields for the multidimensional encoding of magnetic particles and method of operation thereof | |
| CN116807440A (zh) | 基于垂直磁化的各向同性x空间磁粒子成像设备及方法 | |
| CN115191982A (zh) | 基于单向磁场自由线磁粒子成像引导的磁流体热疗装置 | |
| CN118340511A (zh) | 基于超导电磁线圈的人体尺寸单边磁粒子成像设备及方法 | |
| JP2016516559A (ja) | 磁気プローブシステム及びその使用方法 | |
| CN115778355B (zh) | 基于无场线旋转的手持式磁粒子成像系统及成像方法 | |
| JP2002048851A (ja) | Ｎｍｒマイクロスコープ装置 | |
| CN114587327B (zh) | 一种基于全空间编码的磁粒子断层扫描方法 | |
| CN115813366A (zh) | 一种多线圈手持式磁粒子成像装置、方法及电子设备 | |
| US11707202B2 (en) | Apparatus for generating field-free region, apparatus and method for nano magnetic particle image | |
| KR20110050655A (ko) | 검출 장치, 검출 방법, 정맥 센싱 장치, 주사 프로브 현미경, 왜곡 검지 장치 및 금속 탐지기 | |
| Wang et al. | Single-sided magnetic particle imaging devices using ferrite core to improve penetration depth | |
| CN116990734A (zh) | 一种基于静磁场偏心运动的三维磁粒子成像系统和方法 | |
| US11382526B2 (en) | System and method for generating a traveling field free line |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |