CN116019436B - 基于多频驱动的磁粒子三维成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物医学成像领域，具体涉及一种基于多频驱动的磁粒子三维成像系统及方法，旨在解决现有磁粒子三维成像系统无法兼顾成像精度和成像视野的问题。本发明装置包括：成像单元、信号生成单元、信号接收单元；信号生成单元包括磁场自由线产生模块、磁场自由线驱动模块组和电流发生模块；磁场自由线产生模块，包括两个永磁体组；磁场自由线驱动模块组，包括两个圆柱形通电线圈、一对马鞍形通电线圈；信号接收模块由电磁线圈构成；信号接收单元包括信号接收模块和信号处理模块；成像单元包括信号重建模块。本发明实现了成像精度和成像视野的兼顾，并提升了成像精度与速度。

Description

基于多频驱动的磁粒子三维成像系统及方法

技术领域

本发明属于生物医学成像领域，具体涉及一种基于多频驱动的磁粒子三维成像系统及方法。

背景技术

在临床诊断和检测中，如何准确、客观的定位肿瘤及其他病灶一直是国际上的研究热点和挑战性问题。现有的医学影像技术如CT，MRI，SPECT等方法均存在危害大，定位差，精度低等问题。而在近些年，一种全新的基于示踪剂的成像方式——磁粒子成像技术（MPI）被提出。利用断层成像技术，MPI可以通过检测对人体无害的超顺磁氧化铁纳米颗粒（SPIONs）的空间浓度分布，对肿瘤或目标物进行精准定位，具有三维成像、高时空分辨率和高灵敏度的特点。此外，MPI不显示解剖结构并且无背景信号干扰，因此信号的强度与示踪剂的浓度直接成正比，是一种颇具医学应用潜力的新方法。

磁粒子成像通过梯度磁场产生磁场自由区(Field Free Region ,FFR)，通过移动FFR并对其进行时空编码，激发并接收磁粒子磁化响应信号，进而重建出磁粒子浓度分布。目前，根据梯度磁场的设计FFR主要分为磁场自由点(Field Free Point ,FFP)和磁场自由线(Field Free Line ,FFL)两种。相比之下，FFL每次扫描范围更大，因此相同条件下FFL比FFP成像灵敏度高，有利于获得更高精度的成像；然而，对于大成像视野的扫描仪，要扫描完整的二维甚至是三维区域，则需要产生更长且更稳定的FFL，这必然会提高对梯度部分硬件上的需求，提高系统复杂度。除此之外，驱动更长的FFL在三维空间中会降低系统的稳定性，影响成像精度。

另一方面，现有磁粒子成像系统基本采用单通道激励接收的模式，所述单通道激励接收是指在同一方向只有一个激励线圈和接收线圈。当成像视野增大时，一般相应的增加梯度部分以获得更长的FFL扫描整个区域；但更长的FFL增加硬件的复杂度和系统的控制难度。因此目前需要一种能兼顾成像精度和成像视野的三维磁粒子成像系统及方法。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有磁粒子三维成像系统无法兼顾成像精度和成像视野的问题，即现有磁粒子三维成像系统存在成像精度和成像视野的矛盾的问题，本发明提出了一种基于多频驱动的磁粒子三维成像系统，包括成像单元，所述成像单元包括信号重建模块；该系统还包括：信号生成单元、信号接收单元；所述信号生成单元包括磁场自由线产生模块、磁场自由线驱动模块组和电流发生模块；所述信号接收单元包括信号接收模块和信号处理模块；

所述磁场自由线产生模块，包括两个永磁体组；各永磁体组均包括两个大小相同的半圆环形永磁体，两个半圆环形永磁体以极性相反的方式拼接成一个圆环；所述半圆环形永磁体包括S级、N级，S级与N级对齐贴合设置；两个永磁体组的永磁体平行间隔、同轴且异极对应设置；所述磁场自由线产生模块，用于在成像视场FOV中产生磁场自由线；

所述磁场自由线驱动模块组，包括两个圆柱形通电线圈、一对马鞍形通电线圈；两个圆柱形通电线圈以铜屏蔽间隔、同轴设置且绕线方向相同；两个圆柱形通电线圈设置于所述信号接收模块的外侧；所述信号接收模块、两个圆柱形通电线圈的轴线与第一轴线相同；将两个圆柱形通电线圈分别作为第一通电线圈、第二通电线圈；所述第一通电线圈位于所述第二通电线圈的内侧；一对马鞍形通电线圈设置于所述第二通电线圈的外侧，其沿第一轴线平行间隔、对称设置且绕线方向相同；所述第一轴线为两个永磁体组的轴线；所述磁场自由线驱动模块组，用于驱动磁场自由线的移动；

所述信号接收模块由电磁线圈构成；所述信号接收模块，用于接收感应电压信号；

所述电流发生模块与所述磁场自由线驱动模块组电性连接，用于通过输出交变电流控制FOV中的磁场自由线移动，实现三维扫描；

所述信号处理模块，用于将所述感应电压信号进行处理，并发送至所述信号重建模块进行磁粒子成像重建。

在一些优选的实施方式中，所述基于多频驱动的磁粒子三维成像系统的坐标系为笛卡尔坐标系；即所述基于多频驱动的磁粒子三维成像系统以所述第一轴线的方向为

方向；以一对马鞍形通电线圈对称设置的平面为/>

平面。

在一些优选的实施方式中，所述铜屏蔽为圆柱形线圈；所述铜屏蔽的长度长于或等于所述两个圆柱形通电线圈长度；两个圆柱形通电线圈与所述铜屏蔽的轴线方向相同。

在一些优选的实施方式中，所述磁场自由线驱动模块组中一对马鞍形通电线圈通入的电流为低频交变电流、所述第一通电线圈通入的电流为高频交变电流、所述第二通电线圈通入的电流为低频交变电流；所述磁场自由线驱动模块组中各通电线圈通入的电流的波形为正弦波、三角波或脉冲方波。

在一些优选的实施方式中，所述信号接收模块中的电磁线圈由一条线绕制，两端与中间段绕线方向相反；所述电磁线圈的长度与所述第一通电线圈的长度一致。

在一些优选的实施方式中，所述电流发生模块包括信号发生器、功率放大器、带通滤波器和谐振电路；

所述信号发生器，用于产生所述磁场自由线驱动模块组所需的电流波形；

所述功率放大器，用于将所述信号发生器产生的电流波形转化为激励电流并放大；

所述带通滤波器，用于将流入通电线圈的激励电流限制在设定的激励频率范围内，降低谐波干扰的产生；

所述谐振电路与所述带通滤波器连接；所述谐振电路，由具有不同数值的电感和电容组合而成；所述谐振电路，用于通过调整电感和电容值改变谐振频率，从而降低负载在通入所述带通滤波器过滤后的激励电流时的阻抗和功率，从而满足所述信号处理模块中对电压信号的输出要求和通电线圈的磁场要求；所述负载即通电线圈。

在一些优选的实施方式中，所述信号处理模块包括陷波滤波器、运算放大器和数据采集卡；

所述陷波滤波器，用于去除耦合进所述电磁线圈接收到的感应电压信号中的直接馈通信号；

所述运算放大器，用于对所述陷波滤波器过滤后的感应电压信号进行放大；

所述数据采集卡，用于采集所述运算放大器输出的感应电压信号并传输至所述信号重建模块。

在一些优选的实施方式中，所述信号重建模块，配置为通过数字滤波滤除感应电压信号中的直流分量，并对滤除后的感应电压信号进行傅里叶变换，获取信号的频谱序列；

基于所述信号的频谱序列，构造系统矩阵；利用所述系统矩阵计算磁粒子浓度空间分布，实现三维成像。

在一些优选的实施方式中，所述系统矩阵的构造方法为：

将所述基于多频驱动的磁粒子三维成像系统的视场区域划分为N个等大的像素块；

将磁粒子样本放入所述视场区域，控制磁场自由线遍历N个像素块并分别获得N个感应电压信号；所述磁粒子样本与划分的像素块等大；

对每个感应电压信号做傅里叶变换，得到N个对应的频谱序列；

提取每个频谱序列中主倍频和周围窄带频点，并依序拼接成N个一维频谱向量；

将N个一维频谱向量组合为一个M×N大小的系统矩阵，每一行代表不同像素块位置对应的同一频点，每一列为每个像素块对应的频谱向量；M为从每个频谱序列中提取的频点数量。

本发明的第二方面，提出了一种基于多频驱动的磁粒子三维成像方法，基于上述的基于多频驱动的磁粒子三维成像系统，该方法包括：

步骤S100，通过所述磁场自由线产生模块在所述基于多频驱动的磁粒子三维成像系统的视场区域中心处产生磁场自由线；通过所述磁场自由线驱动模块组控制磁场自由线遍历成像视野，以完成对视场区域的三维扫描检测；

步骤S200，通过所述信号接收模块检测感应电压信号，经过所述信号处理模块处理获取滤除直接馈通信号的感应电压信号并进行放大处理，作为第一感应电压信号，然后传输至所述信号重建模块；

步骤S300，基于数字滤波滤掉所述第一感应电压信号中的直流分量，再进行傅里叶变换，得到电压信号的频谱序列；

步骤S400，基于频谱序列，构造系统矩阵，利用频谱序列和系统矩阵计算磁粒子浓度空间分布，实现三维成像。

本发明的有益效果：

本发明实现了成像精度和成像视野的兼顾，并提升了成像精度与速度。

本发明的系统设置的磁场自由线驱动模块组中，通过同轴的多频激励，在保持FFL的大小不变的情况下增大检测范围，并能保证系统的灵敏度和分辨率，提高成像精度。此外，本发明的系统通过电流对三维区域进行无惯性扫描，通过磁场自由线驱动模块组驱动磁场自由线扫描视场区域，提高遍历效率，提高成像速度。

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多频驱动的磁粒子三维成像系统的截面框架示意图；

图2是本发明一种实施例的基于多频驱动的磁粒子三维成像系统的磁场自由线产生模块的示意图；

图3是本发明一种实施例的基于多频驱动的磁粒子三维成像系统的磁场自由线驱动模块组和信号接收模块的示意图；

图4是本发明一种实施例的基于多频驱动的磁粒子三维成像系统的三维框架示意图；

图5是本发明一种实施例的基于多频驱动的磁粒子三维成像方法的流程示意图；

图6是常规结构和本发明一种实施例的基于多频驱动的磁粒子三维成像系统的接收信号频谱示意图；

图7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多频驱动的磁粒子三维成像系统，如图1所示，包括成像单元，所述成像单元包括信号重建模块；该系统还包括：信号生成单元、信号接收单元；所述信号生成单元包括磁场自由线产生模块、磁场自由线驱动模块组和电流发生模块；所述信号接收单元包括信号接收模块和信号处理模块：

所述磁场自由线产生模块，包括两个永磁体组；各永磁体组均包括两个大小相同的半圆环形永磁体，两个半圆环形永磁体以极性相反的方式拼接成一个圆环；所述半圆环形永磁体包括S级、N级，S级与N级对齐贴合设置；两个永磁体组的永磁体平行间隔、同轴且异极对应设置；所述磁场自由线产生模块，用于在成像视场FOV中产生磁场自由线；

所述磁场自由线驱动模块组，包括两个圆柱形通电线圈、一对马鞍形通电线圈；两个圆柱形通电线圈以铜屏蔽间隔、同轴设置且绕线方向相同；两个圆柱形通电线圈设置于所述信号接收模块的外侧；所述信号接收模块、两个圆柱形通电线圈的轴线与第一轴线相同；将两个圆柱形通电线圈分别作为第一通电线圈、第二通电线圈；所述第一通电线圈位于所述第二通电线圈的内侧；一对马鞍形通电线圈设置于所述第二通电线圈的外侧，其沿第一轴线平行间隔、对称设置且绕线方向相同；所述第一轴线为两个永磁体组的轴线；所述磁场自由线驱动模块组，用于驱动磁场自由线的移动；

所述信号接收模块由电磁线圈构成；所述信号接收模块，用于接收感应电压信号；

所述电流发生模块与所述磁场自由线驱动模块电性连接，用于通过输出交变电流控制FOV中的磁场自由线移动，实现三维扫描；

所述信号处理模块，用于将所述感应电压信号进行处理，并发送所述信号重建模块进行磁粒子成像重建。

为了更清晰地对本发明一种基于多频驱动的磁粒子三维成像系统进行说明，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。

本发明一种基于多频驱动的磁粒子三维成像系统，如图1、图4所示，该系统包括成像单元、信号生成单元、信号接收单元；

所述信号生成单元包括磁场自由线产生模块、磁场自由线驱动模块组和电流发生模块；所述磁场自由线产生模块、磁场自由线驱动模块组和电流发生模块依次设置于成像视场外部，具体如下：

所述磁场自由线产生模块，包括两个永磁体组；各永磁体组均包括两个大小相同的半圆环形永磁体（本发明中优选永磁体由N35钕铁硼磁体材料构成），两个半圆环形永磁体以极性相反的方式拼接成一个圆环（即两个半圆环对以极性相反的方式（即以正极对负极方式）紧密拼接，构成一个完整的圆环）；所述半圆环形永磁体包括S级、N级，S级与N级对齐（水平对齐）贴合设置，如图2所示，各永磁体组中的半圆环形永磁体对即图1中的1、2、9、10。

两个永磁体组的永磁体平行间隔、同轴且异极对应设置；所述磁场自由线产生模块，用于在成像视场（Field of View，FOV）中产生磁场自由线。

同轴的两组永磁体间留有足够的扫描空间14，扫描空间即FOV。优选地，为方便描述，本申请将设置于扫描空间14同侧的永磁体1和永磁体2命名为第一永磁体组，将另一侧的永磁体9和永磁体10命名为第二永磁体组。第一永磁体组和第二永磁体组中的永磁体，其大小一致。第一永磁体组的正极与第二永磁体组的负极对应，第一永磁体组的负极与第二永磁体组的正极对应，以在扫描空间14中心产生沿拼接线（拼接线即两个半圆环形永磁体拼接在一起的线方向，即x方向）平行的磁场自由线。

所述磁场自由线驱动模块组，包括两个圆柱形通电线圈（即通电线圈3和通电线圈6）、一对马鞍形通电线圈（即通电线圈5和通电线圈8）；两个圆柱形通电线圈以铜屏蔽间隔、同轴设置且绕线方向相同；两个圆柱形通电线圈设置于所述信号接收模块的外侧；所述信号接收模块、两个圆柱形通电线圈的轴线与第一轴线相同；将两个圆柱形通电线圈分别作为第一通电线圈、第二通电线圈；所述第一通电线圈位于所述第二通电线圈的内侧；一对马鞍形通电线圈设置于所述第二通电线圈的外侧，其沿第一轴线平行间隔、对称设置且绕线方向相同；所述第一轴线为两个永磁体组的轴线；所述磁场自由线驱动模块组，用于驱动磁场自由线的移动；具体如下：

通电线圈3和通电线圈6间隔设置且绕线方向相同，位于上述磁场自由线产生模块内侧。其用于驱动磁场自由线在第一轴线方向移动（图1中的

方向，即本发明中基于多频驱动的磁粒子三维成像系统的坐标系为笛卡尔坐标系；即基于多频驱动的磁粒子三维成像系统以第一轴线的方向为/>

方向，以一对马鞍形通电线圈对称设置的平面为/>

平面；第一轴线为两个永磁体组的轴线）。通电线圈3和通电线圈6同轴设置，扫描视场位于通电线圈孔径内；向通电线圈3和6内通入交变电流可以驱动磁场自由线在第一轴线方向上移动，实现磁场自由线在所在平面上的快速及大视野扫描。向通电线圈6内通入的电流为高频交变电流，波形可以为正弦波、三角波或脉冲方波，为实现高分辨率成像，常用脉冲方波，驱动磁场自由线在第一轴线方向上高速移动；此外，向通电线圈3内通入的电流为低频交变电流，波形可以为正弦波、三角波或脉冲方波，驱动磁场自由线在第一轴线方向上产生一个更大的移动，即不改变FFL大小的情况下，扫描更大的视场。此外为隔离两个通电线圈交变电流的耦合效应，通过在两个通电线圈间设置铜屏蔽4，通电线圈6、铜屏蔽4及通电线圈3皆为圆柱型，为起到更好的屏蔽效果，铜屏蔽4长于或等于通电线圈6和通电线圈3，孔径从小到大使得三个部分从内到外依次同轴摆放，两个圆柱形通电线圈与所述铜屏蔽的轴线方向相同。

通电线圈5和通电线圈8同轴对称放置，且绕线方向相同，如图3所示，向通电线圈5和通电线圈8中通入交变电流可以驱动磁场自由线在通电线圈5和8的轴线方向（

方向）移动，实现磁场自由线在所在平面上的快速三维扫描。其中，向通电线圈5和8内通入的电流为低频交变电流，波形可以为正弦波、三角波或脉冲方波。实现三维扫描，即磁场自由线驱动模块组包括多个线圈用于驱动磁场自由线的移动，所述多个线圈包括一个高频线圈和两个低频线圈，其中高频线圈通电线圈6与第一低频线圈（通电线圈3）为绕线方向相同且同轴装配的通电线圈，第二低频线圈（通电线圈5、8）与第一低频线圈于正交方向上装配的通电线圈。高频线圈通过产生高频脉冲激励驱动磁场自由线快速移动扫描视场区域，第一低频线圈通过低频的正弦激励驱动磁场自由线在快速移动方向产生一个更大的移动，扩大扫描视野。第二低频线圈通过一个低频的正弦激励使磁场自由线在正交于快速移动方向上产生位移，完成快速的三维扫描。

所述电流发生模块与所述磁场自由线驱动模块电性连接，用于通过输出交变电流控制FOV中的磁场自由线移动，实现三维扫描；所述电流发生模块即图1中的11，包括信号发生器、功率放大器、带通滤波器和谐振电路；

所述信号发生器，用于产生所述磁场自由线驱动模块组所需的电流波形；优选地，电流波形为正弦波、三角波或脉冲方波；

所述功率放大器，用于将所述信号发生器产生的电流波形转化为激励电流并放大；

所述带通滤波器，用于将流入通电线圈的激励电流（即功率放大器放大后的激励电流）限制在设定的激励频率范围内，降低谐波干扰的产生；

所述谐振电路与所述带通滤波器连接；所述谐振电路，由具有不同数值（根据实际需要设置）的电感和电容组合而成；所述谐振电路，用于通过调整电感和电容值改变谐振频率，从而降低负载在通入所述带通滤波器过滤后的激励电流时的阻抗和功率，从而满足所述信号处理模块中对电压信号的输出要求和通电线圈的磁场要求；所述负载即通电线圈。

所述信号接收单元包括信号接收模块和信号处理模块；

所述信号接收模块由电磁线圈构成，为圆柱形线圈，所述信号接收模块的内侧即FOV，即图1中的7；所述信号接收模块，用于接收感应电压信号。

所述电磁线圈由一条线绕制，两端与中间段绕线方向相反，因此可以有效的抵消接收到的信号中的背景信号；所述电磁线圈的长度与第一通电线圈的长度一致。扫描视场位于通电线圈6孔径内。

所述信号处理模块，用于将所述感应电压信号进行处理，并发送所述信号重建模块进行磁粒子成像重建；所述信号处理模块，包括陷波滤波器、运算放大器和数据采集卡，即图1中的12；

所述陷波滤波器，用于去除所述信号接收线圈感应电压信号中的直接馈通信号；即仅保留信号的高次谐波；直接馈通信号为信号接收模块中的电磁线圈直接接收到的磁场自由线驱动模块组中通电线圈6和3产生的激励信号，激励信号即通电线圈6中的交变电流产生的磁场，其不包含任何磁粒子空间浓度分布信息，属于干扰信号。利用陷波滤波器可以在滤除直接馈通分量的同时不损害磁粒子磁化响应信号。

所述运算放大器，用于对所述陷波滤波器过滤后的感应电压信号进行放大；磁粒子的磁化响应信号相对较小，通过放大有利于后续重建。

所述数据采集卡，用于采集所述运算放大器输出的感应电压信号并传输至所述信号重建模块，即图1中的13，信号重建模块即上位机。

所述信号重建模块，配置为通过数字滤波滤除感应电压信号中的直流分量，并对滤除后的感应电压信号进行傅里叶变换，获取信号的频谱序列；基于所述信号的频谱序列，构造系统矩阵；利用所述系统矩阵计算磁粒子浓度空间分布，实现三维成像。具体如下：

信号重建模块13包括数字化处理模块和重建显示模块；数字化处理模块用于对采集至上位机的电压信号进行数字信号处理和图像重建（即数字滤波滤除、傅里叶变换、计算磁粒子浓度空间分布）；重建显示模块用于显示最终重建出的磁粒子三维空间浓度分布图像。

其中，系统矩阵的构造方法为：

将所述基于多频驱动的磁粒子三维成像系统的视场区域划分为N个等大的像素块；

将磁粒子样本放入所述视场区域，控制磁场自由线遍历N个像素块并分别获得N个感应电压信号；所述磁粒子样本与划分的像素块等大；

对每个感应电压信号做傅里叶变换，得到N个对应的频谱序列；

由于通电线圈6和通电线圈3的同轴装配的结构，在获得的感应电压信号的频谱中，主倍频周围会出现互调谐波，互调谐波中也包含了粒子分布信息，如图6，其中，图6中的

指的是基频，/>

是/>

倍频，即主倍频，例如/>

是2倍频，在本申请中，通电线圈3通入的是低频交流电，通电线圈6通入的是高频交流电，基频为通电线圈6通入的交流电的频率， 即/>

，假设通电线圈3通入的低频交流电频率为/>

，图6中多频激励结构下接收信号频谱中每个主倍频周围的窄带带宽是由/>

决定的。因此相比于常规结构（单激励接收结构）的接收信号频谱，在提取相同带宽的频谱条件下，本方法的信号频谱中包含有更多的有效信息（粒子分布信息）；进一步的，通过只取主倍频和其周围窄带中的频点，可以进一步减少对带宽的需求，大大降低系统矩阵大小，保证重建精度的同时提高重建效率。在本申请中，提取每个频谱序列中主倍频和周围窄带频点（共M个频点），并依序拼接成N个一维频谱向量；M为从每个频谱序列中提取的频点数量；

将N个一维频谱向量组合为一个M×N大小的系统矩阵，每一行代表不同像素块位置对应的同一频点，每一列为每个像素块对应的频谱向量。

需要说明的是，上述实施例提供的基于多频驱动的磁粒子三维成像系统，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。

本发明第二实施例的一种基于多频驱动的磁粒子三维成像方法，如图5所示，基于上述的基于多频驱动的磁粒子三维成像系统；该方法包括：

步骤S100，通过所述磁场自由线产生模块在所述基于多频驱动的磁粒子三维成像系统的视场区域中心处产生磁场自由线；通过所述磁场自由线驱动模块组控制磁场自由线遍历成像视野，以完成对视场区域的三维扫描检测；

在本实施例中，通过两个极性相反的半圆环形永磁体对拼接，并将两个永磁体组同轴平行放置，在扫描视场中心产生沿拼接线平行的磁场自由线。

向磁场自由线驱动模块组通入交变电流，以驱动磁场自由线移动。具体地，将通入高频通电线圈（即通电线圈6）的电流作为第一交变电流，将通入第一低频线圈（即通电线圈3）的电流作为第二交变电流，通过第一交变电流产生的磁场可以调整驱动磁场自由线在第一方向的位置，即第一轴线方向上移动，控制第二交变电流的大小以驱动磁场自由线在第一方向上产生一个大于第一交变电流的移动，扫描更大视野。

向所述第二低频线圈（即通电线圈5和通电线圈8，一对马鞍形通电线圈）通入交变电流，以调整磁场自由线沿第二方向的位置，即通电线圈5和8轴线方向上扫描，所述第一方向与所述第二方向正交。具体地说，利用信号发生器和功率放大器向通电线圈通入交变电流，从而改变扫描视场内的磁场分布，进而驱动磁场自由线在垂直方向上扫描。优选地，交变电流的波形可以选用正弦波、三角波或脉冲方波。

步骤S200，通过所述信号接收模块检测感应电压信号，经过所述信号处理模块处理获取滤除直接馈通信号的感应电压信号并进行放大处理，作为第一感应电压信号，然后传输至所述信号重建模块；

在本实施例中，利用所述信号接收模块接收感应电压信号，所述感应电压信号包括磁粒子磁化响应信号和通电线圈通入交变电流后产生的直接馈通信号；然后，感应电压信号经过信号处理模块处理后得到滤除直接馈通信号的感应电压信号；最后传输至信号重建模块。

信号处理模块具体工作流程：信号接收模块将感应电压信号采集至陷波滤波器，滤除直接馈通信号。利用所述运算放大器对滤波后的感应电压信号进行放大；利用所述数据采集卡将放大后的感应电压信号传至上位机进行处理和重建。通过通电线圈5和8驱动磁场自由线在水平方向上（

方向）移动，使磁场自由线移动至下一水平位置；再向通电线圈3和6通入交变电流，驱动磁场自由线在垂直方向上（/>

方向）扫描；重复上述步骤，直至磁场自由线多次遍历整个扫描视场，最后完成了对整个扫描视场的三维扫描检测。

步骤S300，基于数字滤波滤掉所述第一感应电压信号中的直流分量，再进行傅里叶变换，得到电压信号的频谱序列；

步骤S400，基于频谱序列，构造系统矩阵，利用频谱序列和系统矩阵计算磁粒子浓度空间分布，实现三维成像。

在本实施例中，系统矩阵的构造方法为：

将视场区域划分为N个等大的像素块，所述像素块由期望分辨率决定，分辨率越高，像素块数量越多；将磁粒子样本放入视场区域，控制磁场自由线遍历N个像素块，每移动至一个新的重建模块，采集一次感应电压信号，最终获得N个感应电压信号；所述磁粒子样本与划分的像素块等大，以获得更高质量的系统矩阵；对每个感应电压信号做傅里叶变换，得到N个对应的频谱序列；提取每个频谱序列中主倍频和周围窄带频点（共M个频点）并依序拼接成N个一维频谱向量；将N个一维频谱向量组合为一个M×N大小的系统矩阵，每一行代表不同像素块位置对应的同一频点，每一列为每个像素块对应的频谱向量。所述矩阵即为所述磁粒子浓度空间分布与一维频谱向量之间的测量矩阵。

建立图像重建方程如下：u＝Sc，其中，u为一维频谱向量，S为系统矩阵，c为磁粒子浓度空间分布；通过u和S即可求解出c，进而重建得到磁粒子浓度三维空间分布，最终在显示器上显示磁粒子浓度三维空间分布图像。

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，上述描述的方法的具体的工作过程及有关说明，可以参考前述装置实施例中的对应过程，在此不再赘述。

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上述的基于多频驱动的磁粒子三维成像方法。

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多频驱动的磁粒子三维成像方法。

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7，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7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7所示，计算机系统包括中央处理单元(CPU，Central Processing Unit)701，其可以根据存储在只读存储器(ROM，Read Only Memory)702中的程序或者从存储部分708加载到随机访问存储器(RAM，Random Access Memory)703中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 703中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。CPU701、ROM702以及RAM703通过总线704彼此相连。输入/输出(I/O，Input/Output)接口705也连接至总线704。

以下部件连接至I/O接口705：包括键盘、鼠标等的输入部分706；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707；包括硬盘等的存储部分708；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709。通讯部分709经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器710也根据需要连接至I/O接口705。可拆卸介质711，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710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708。

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709从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质711被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU701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，两个接连地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 (7)

1.一种基于多频驱动的磁粒子三维成像系统，包括成像单元，所述成像单元包括信号重建模块；其特征在于，该系统还包括：信号生成单元、信号接收单元；所述信号生成单元包括磁场自由线产生模块、磁场自由线驱动模块组和电流发生模块；所述信号接收单元包括信号接收模块和信号处理模块；

所述磁场自由线产生模块，包括两个永磁体组；各永磁体组均包括两个大小相同的半圆环形永磁体，两个半圆环形永磁体以极性相反的方式拼接成一个圆环；所述半圆环形永磁体包括S级、N级，S级与N级对齐贴合设置；两个永磁体组的永磁体平行间隔、同轴且异极对应设置；所述磁场自由线产生模块，用于在成像视场FOV中产生磁场自由线；

所述磁场自由线驱动模块组，包括两个圆柱形通电线圈、一对马鞍形通电线圈；两个圆柱形通电线圈以铜屏蔽间隔、同轴设置且绕线方向相同；两个圆柱形通电线圈设置于所述信号接收模块的外侧；所述信号接收模块、两个圆柱形通电线圈的轴线与第一轴线相同；将两个圆柱形通电线圈分别作为第一通电线圈、第二通电线圈；所述第一通电线圈位于所述第二通电线圈的内侧；一对马鞍形通电线圈设置于所述第二通电线圈的外侧，其沿第一轴线平行间隔、对称设置且绕线方向相同；所述第一轴线为两个永磁体组的轴线；所述磁场自由线驱动模块组，用于驱动磁场自由线的移动；

所述磁场自由线驱动模块组中一对马鞍形通电线圈通入的电流为低频交变电流、所述第一通电线圈通入的电流为高频交变电流、所述第二通电线圈通入的电流为低频交变电流；所述磁场自由线驱动模块组中各通电线圈通入的电流的波形为正弦波、三角波或脉冲方波；

所述信号接收模块由电磁线圈构成；所述信号接收模块，用于接收感应电压信号；

所述电流发生模块与所述磁场自由线驱动模块电性连接，用于通过输出交变电流控制FOV中的磁场自由线移动，实现三维扫描；

所述信号处理模块，用于将所述感应电压信号进行处理，并发送所述信号重建模块进行磁粒子成像重建；

所述信号重建模块，配置为通过数字滤波滤除感应电压信号中的直流分量，并对滤除后的感应电压信号进行傅里叶变换，获取信号的频谱序列；

基于所述信号的频谱序列，构造系统矩阵；利用所述系统矩阵计算磁粒子浓度空间分布，实现三维成像；

所述系统矩阵的构造方法为：

将所述基于多频驱动的磁粒子三维成像系统的视场区域划分为N个等大的像素块；

将磁粒子样本放入所述视场区域，控制磁场自由线遍历N个像素块并分别获得N个感应电压信号；所述磁粒子样本与划分的像素块等大；

对每个感应电压信号做傅里叶变换，得到N个对应的频谱序列；

提取每个频谱序列中主倍频和周围窄带频点，并依序拼接成N个一维频谱向量；

将N个一维频谱向量组合为一个M×N大小的系统矩阵，每一行代表不同像素块位置对应的同一频点，每一列为每个像素块对应的频谱向量；M为从每个频谱序列中提取的频点数量。

2.根据权利要求1所述的基于多频驱动的磁粒子三维成像系统，其特征在于，所述基于多频驱动的磁粒子三维成像系统的坐标系为笛卡尔坐标系；即所述基于多频驱动的磁粒子三维成像系统以所述第一轴线的方向为z方向，以一对马鞍形通电线圈对称设置的平面为xz平面。

3.根据权利要求2所述的基于多频驱动的磁粒子三维成像系统，其特征在于，所述铜屏蔽为圆柱形线圈；所述铜屏蔽的长度长于或等于所述两个圆柱形通电线圈长度；两个圆柱形通电线圈与所述铜屏蔽的轴线方向相同。

4.根据权利要求1所述的基于多频驱动的磁粒子三维成像系统，其特征在于，所述信号接收模块中的电磁线圈由一条线绕制，两端与中间段绕线方向相反；所述电磁线圈的长度与所述第一通电线圈的长度一致。

5.根据权利要求1所述的基于多频驱动的磁粒子三维成像系统，其特征在于，所述电流发生模块包括信号发生器、功率放大器、带通滤波器和谐振电路；

所述信号发生器，用于产生所述磁场自由线驱动模块组所需的电流波形；

所述功率放大器，用于将所述信号发生器产生的电流波形转化为激励电流并放大；

所述带通滤波器，用于将流入通电线圈的激励电流限制在设定的激励频率范围内，降低谐波干扰的产生；

所述谐振电路与所述带通滤波器连接；所述谐振电路，由具有不同数值的电感和电容组合而成；所述谐振电路，用于通过调整电感和电容值改变谐振频率，从而降低负载在通入所述带通滤波器过滤后的激励电流时的阻抗和功率，从而满足所述信号处理模块中对电压信号的输出要求和通电线圈的磁场要求；所述负载即通电线圈。

6.根据权利要求2所述的基于多频驱动的磁粒子三维成像系统，其特征在于，所述信号处理模块包括陷波滤波器、运算放大器和数据采集卡；

所述陷波滤波器，用于去除所述信号接收线圈感应电压信号中的直接馈通信号；

所述运算放大器，用于对所述陷波滤波器过滤后的感应电压信号进行放大；

所述数据采集卡，用于采集所述运算放大器输出的感应电压信号并传输至所述信号重建模块。

7.一种基于多频驱动的磁粒子三维成像方法，基于权利要求1-6任一项所述的基于多频驱动的磁粒子三维成像系统，其特征在于，该方法包括：

步骤S100，通过所述磁场自由线产生模块在所述基于多频驱动的磁粒子三维成像系统的视场区域中心处产生磁场自由线；通过所述磁场自由线驱动模块组控制磁场自由线遍历成像视野，以完成对视场区域的三维扫描检测；

步骤S200，通过所述信号接收模块检测感应电压信号，经过所述信号处理模块处理获取滤除直接馈通信号的感应电压信号并进行放大处理，作为第一感应电压信号，然后传输至所述信号重建模块；

步骤S300，基于数字滤波滤掉所述第一感应电压信号中的直流分量，再进行傅里叶变换，得到电压信号的频谱序列；

步骤S400，基于频谱序列，构造系统矩阵，利用频谱序列和系统矩阵计算磁粒子浓度空间分布，实现三维成像。

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