CN116520214A - 基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备以及方法，通过正交传感线圈代替单接收线圈获取多维空间单谐波磁粒子信号进行联合重建，并且实现了全电扫。因此，本发明在改善单谐波磁粒子图像质量的同时，有利于实现单谐波MPI的快速成像，改善了某些谐波信号会互相抵消造成重建图像不准确的问题，能够在单谐波重建下提升图像重建质量。本发明与传统单谐波磁粒子成像方法对比，实现了全电磁扫描，有利于单谐波磁粒子成像快速成像；并且有效利用垂直磁化信号，能够实现准确成像。
Description
技术领域
本发明属于生物医学成像技术领域，具体涉及一种基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备及方法。
背景技术
MPI(magnetic particle imaging，磁粒子成像)利用磁粒子对高频磁场的响应来进行成像，其响应信号通常是宽频的，在这个过程中可能会受到噪声或激励磁场耦合的影响。窄带MPI的出现降低了MPI带宽的需求，同时也更容易获得信噪比更高的图像。
单谐波MPI在窄带MPI的基础上进一步改进，只需要接收信号的单谐波信号，通常是三次谐波。单谐波MPI在某个维度上产生激励磁场使磁粒子产生响应，接着通过机械移动或电磁移动使扫描区域逐渐遍历整个FOV(Field of View，成像视野)，通过记录FOV的遍历顺序将采集的三次谐波通过插值等方法得到一张谐波值的分布图，接着对这张图进行反卷积就可以得到磁粒子在FOV内的浓度分布图，其中，点扩散函数是点状仿体用同样的方式通过预采集得到的。
现有单谐波MPI存在以下缺点：
首先单谐波MPI中，传统设备是以机械扫描或者部分电扫的方式实现成像，尺寸为71像素×41像素(约14.2mm×8.2mm视场(FOV))的图像需要5min来扫描，扫描时间较长，无法实现快速成像。
其次是，在传统单谐波MPI中，来自视场(FOV)边缘的超顺磁性氧化铁纳米粒子(SPIONs)的谐波信号不能被接收到，导致有效视野变小。
最后，由于单谐波磁粒子成像中激励向PSF的特殊分布，某些谐波信号会互相抵消，造成重建图像出现伪影。而现今的不论单谐波还是窄带MPI设备，仅仅使用与激励线圈同向的单谐波信号进行重建图像。
垂直磁化是另一种可以提高磁粒子信号信噪比的方式，因为垂直磁化和激励磁场是解耦合的。它通过在激励场的垂直方向接收来自磁粒子的非线性响应信号。2022年，K.J等人开发了一种基于单一谐波的窄带MPI方法，该方法通过与三次谐波的点扩散函数(PSF)进行反卷积得到重建图像。该方案依靠自由场点(FFP)的机械运动，一个尺寸为71像素×41像素(约14.2mm×8.2mm视场(FOV))的图像将需要5min来扫描。垂直磁化现在被报道应用于MPS(magnetic particle spectrum)中的高灵敏信号检测，因为垂直磁化信号天然和激励磁场是解耦的。Weaver于2015年提出了垂直磁化可以应用于MPI成像，并在仿真上进行了验证。
现有垂直磁化存在以下缺点：
首先，现有的垂直磁化多用来提高MPS信号的信噪比，忽略了垂直磁化的额外信息的作用，且以该种方法(MPS)无法进行成像，仅仅实现的是信号检测。
其次，现有的基于仿真的垂直磁化方案硬件设备复杂，扫描方式繁琐，成像效率低。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备及方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备包括：
第一永磁体1与第二永磁体2相对设置构成的永磁体对；所述第一永磁体1与第二永磁体2产生的磁场极性相反；从而在成像平面10的中心产生一个无磁场区域11；设置在所述第一永磁体1下表面的第一亥姆霍兹驱动线圈3，和设置在第二永磁体2上表面的第二亥姆霍兹驱动线圈4，第一亥姆霍兹驱动线圈3与第二亥姆霍兹驱动线圈4相对设置构成第一对驱动线圈组；相对设置的第三亥姆霍兹驱动线圈5与第四亥姆霍兹驱动线圈6；两对驱动线圈组正交设置，分别通入低频的正弦交变电流，使得无磁场区域11在成像平面10中移动达到扫描磁粒子的作用；
螺线管线圈7为激励线圈，通入高频正弦交变电流信号，产生激励磁场用以激发磁粒子产生磁粒子信号；与螺线管线圈7同轴设置的螺线管线圈8，所述螺线管线圈8为平行接收线圈，用以接收激励向的磁粒子信号；与螺线管线圈8正交设置的马鞍形传感线圈9，马鞍形传感线圈9为垂直接收线圈，用以接收与激励向垂直的垂直向磁粒子信号；螺线管线圈8和马鞍形传感线圈9构成正交传感线圈组。在马鞍形传感线圈9之间存在成像平面10，成像平面10中心存在一个无磁场区域11；
螺线管线圈7的轴线为x轴，马鞍形传感线圈9的轴线为y轴，垂直于成像平面10的轴线为z向，第一永磁体1、第二永磁体2、第一亥姆霍兹驱动线圈3、第二亥姆霍兹驱动线圈4、马鞍形传感线圈9与y轴平行设置；第三亥姆霍兹驱动线圈5、第四亥姆霍兹驱动线圈6、螺线管线圈7、螺线管线圈8与x轴平行设置，x轴、y轴、z轴两两正交设置。
本发明提供了一种基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像方法，其特征在于，使用基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备，所述基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像方法包括：
S100，利用永磁对构建梯度磁场，从而在成像设备中心生成无磁场区域；并对两对驱动线圈通入交变电流，以产生驱动磁场；在激励线圈通入交变电流对磁纳米粒子进行激发，以产生磁粒子信号，并通过正交传感线圈组获取激励向、垂直向的磁粒子信号；
S200，对正交传感线圈感应的磁粒子信号进行处理，得到不同时刻的瞬时单谐波信号；
S300，将两个方向的驱动磁场的扫描轨迹合成，并对合成的扫描轨迹进行网格离散化；
其中，每个离散网格对应一个成像像素；所述合成的扫描轨迹为两个方向的驱动磁场同时工作时的扫描路径；
S400：将瞬时单谐波信号按照时间依次映射到对应的离散网格上，并进行图像插值处理，获得单谐波原生图像；
S500：针对待成像物体和点状仿体，均按照步骤S100-S400执行以预先采集点状仿体在激励向以及垂直向的点扩散函数，并且采集待成像物体的单谐波原生图像，并根据激励向和垂直向的点扩散函数分别构建系统矩阵；将根据激励向和垂直向各自构建出的系统矩阵分别作为单谐波卷积核；
S600：利用每个单谐波卷积核对S400中待成像物体的单谐波原生图像在对应的向进行反卷积操作实现联合重建，得到最终的磁纳米粒子空间浓度分布图，从而完成对待成像物体进行快速高质量成像。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备以及方法，通过正交传感线圈代替单接收线圈获取多维空间单谐波磁粒子信号进行联合重建，并且实现了全电扫。因此，本发明在改善单谐波磁粒子的图像质量的同时，有利于单谐波MPI的快速高质量成像，改善了某些谐波信号会互相抵消造成重建图像不准确的问题，能够在单谐波重建下提升图像重建质量。本发明与传统单谐波磁粒子成像方法对比，实现了全电磁扫描，有利于单谐波磁粒子成像快速成像；有效利用垂直磁化信号，能够实现准确成像。总之，本发明能够实现单谐波磁粒子快速高质量成像。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明提供的基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备结构剖面示意图；
图2是本发明提供的与成像设备连接的外部设备中信号采集和处理模块的示意图；
图3是本发明提供的基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像方法流程示意图；
图4是本发明提供的一种单谐波卷积核示意图；
图5是本发明提供的沿激励向(X向)放置“一”形仿体重建结果图；
图6是本发明提供的沿垂直向(Y向)放置“|”形仿体重建结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明提供了一种基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备包括：包括永磁体对、驱动线圈组、激励线圈、正交传感线圈组；所述的驱动线圈组包括两个亥姆霍兹驱动线圈对；所述激励线圈为一个圆筒形的螺线管线圈；所述的正交传感线圈组包括一对马鞍形传感线圈和一个圆筒形的螺线管传感线圈；
如图1所示，第一永磁体1与第二永磁体2相对设置构成的永磁体对；所述第一永磁体1与第二永磁体2产生的磁场极性相反；从而在成像平面10的中心产生一个无磁场区域11；设置在所述第一永磁体1下表面的第一亥姆霍兹驱动线圈3，和设置在第二永磁体2上表面的第二亥姆霍兹驱动线圈4，第一亥姆霍兹驱动线圈3与第二亥姆霍兹驱动线圈4相对设置构成第一对驱动线圈组；相对设置的第三亥姆霍兹驱动线圈5与第四亥姆霍兹驱动线圈6；两对驱动线圈组正交设置，分别通入低频的正弦交变电流，使得无磁场区域11在成像平面10中移动达到扫描磁粒子的作用；
螺线管线圈7为激励线圈，通入高频正弦交变电流信号，产生激励磁场用以激发磁粒子产生磁粒子信号；与螺线管线圈7同轴设置的螺线管线圈8，所述螺线管线圈8为平行接收线圈，用以接收激励向的磁粒子信号；与螺线管线圈8正交设置的马鞍形传感线圈9，马鞍形传感线圈9为垂直接收线圈，用以接收垂直向的磁粒子信号；螺线管线圈8和马鞍形传感线圈9构成正交传感线圈组。在马鞍形传感线圈9之间存在成像平面10，成像平面10中心存在一个无磁场区域11；
螺线管线圈7的轴线为x轴，马鞍形传感线圈9的轴线为y轴，垂直成像平面10的轴线为z向，第一永磁体1、第二永磁体2、第一亥姆霍兹驱动线圈3、第二亥姆霍兹驱动线圈4、马鞍形传感线圈9与y轴平行设置；第三亥姆霍兹驱动线圈5、第四亥姆霍兹驱动线圈6、螺线管线圈7、螺线管线圈8与x轴平行设置，x轴、y轴、z轴两两正交设置。
本发明中的永磁体对还可使用麦克斯韦线圈实现，螺线管形的接收线圈还可使用亥姆霍兹线圈对实现。
本发明提供的所述基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备与外部设备电连接，所述外部设备包括：供电模块、磁粒子仿体递送平台模块、信号采集和处理模块、图像重建模块；
其中，所述供电模块包括信号发生器、功率放大器、激励线圈阻抗匹配电路；第一方面，信号发生器产生所需的低频驱动波形信号，输入至功率放大器进行放大，输入至驱动线圈；第二方面，信号发生器产生所需的高频激励波形信号，经过功率放大器放大器进行放大后，再经过激励线圈阻抗匹配电路输入至激励线圈；
磁粒子仿体递送平台模块，用于将成像物体从单谐波成像装置外部递送至成像平面10中，使用基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备可以完成成像；
如图2所示，所述信号采集和处理模块包括高通滤波电路、低噪放大电路、锁相放大电路和同步采集卡，高通滤波电路用于滤波激励信号的直接馈通；低噪放大器用于粒子信号进行放大；锁相放大器用于提取单谐波粒子信号；同步采集卡用于采集单谐波粒子信号；
信号采集和处理模块即为单谐波链路，该链路中谐波信号提取的方式不仅限于使用锁相放大器，还可以包括数字锁相的方式。
所述图像重建模块包括数据计算单元和图像显示单元，所述数据计算单元用于对来自采集卡采集的单谐波粒子信号进行重建处理得到重建粒子浓度分布图；所述图像显示单元用于对所述重建粒子分布图进行可视化。
本发明提供了一种基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像方法，其特征在于，使用基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备，参考图3所示，所述基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像方法包括：
S100，利用永磁对构建梯度磁场，从而在成像设备中心生成无磁场区域；并对两对驱动线圈通入交变电流，以产生驱动磁场；在激励线圈通入交变电流对磁纳米粒子进行激发，以产生磁粒子信号，并通过正交传感线圈获取激励向、垂直向的磁粒子信号；
在本实施例中，利用第一永磁体1与第二永磁体2在成像平面10上生成梯度磁场，从而产生无磁场区域FFR，当由亥姆霍兹驱动线圈3、4、5、6形成的两对环形的驱动线圈对通入交变电流后产生两个方向的驱动磁场，两个驱动磁场的频率不同，而无磁场区域FFR受到驱动磁场作用沿着预定的扫描轨迹在二维平面内进行快速扫描，经历时间T后遍历整个x-y二维平面；
在无磁场区域FFR开始扫描的同时，在激励线圈7上通入连续的高频交变电流产生激励磁场激发磁纳米粒子，从而产生磁粒子信号；并利用螺线管线圈8和马鞍形传感线圈9分别采集激励向、垂直向的磁粒子信号。
S200，对正交传感线圈感应的磁粒子信号进行处理，得到不同时刻的瞬时单谐波信号；
在本实施例中，正交传感线圈组采集到的磁粒子信号，经过单谐波接收链路(信号采集与处理模块)，即依次为高通滤波电路、低噪放大电路、锁相放大电路、同步采集卡后，采集处理后就能到单谐波磁粒子信号。
S300，将两个方向的驱动磁场的扫描轨迹合成，并对合成的扫描轨迹进行网格离散化；
其中，每个离散网格对应一个成像像素；所述合成的扫描轨迹为两个方向的驱动磁场同时工作时的扫描路径；
在本实施例中，S300包括：
S301，分别采集两个方向的驱动磁场的电流信号Ix(t)、Iy(t)；
S302，将Ix(t)、Iy(t)经过离散化、缩放到平面网格的各个空间位置；
其中，Ix(t)、Iy(t)在离散网格的空间位置表示为POS(xi，yj)；i，j＝1～N；N为成像区域XOY平面的两个维度预定义像素点个数；
S303，将Ix(t)、Iy(t)形成的扫描轨迹合成，并对合成的扫描轨迹进行网格离散化。
S400：将所述的瞬时单谐波信号按照时间依次映射到对应的离散网格上，并进行图像插值，获得单谐波原生图像；
在本实施例中，S400包括：
将瞬时单谐波信号Signal(ti)按照时间依次映射到对应的离散网格上，获得单谐波原生图像；映射方法为：
将瞬时单谐波信号Signal(ti)与同时刻的ti的空间位置POS(xi，yj)一一映射得到该位置的粒子分布img(xi，yj)，并进行图像插值处理，最后将粒子分布组成单谐波原生图像，表示为：
其中，xN,yN分别表示成像平面XOY离散化网格上的第i，j个x，y位置。
S500：针对待成像物体和点状仿体，均按照步骤S100-S400执行以预先采集点状仿体在激励向以及垂直向的点扩散函数，并且采集待成像物体的单谐波原生图像，并根据激励向和垂直向的点扩散函数分别构建系统矩阵；将根据激励向和垂直向各自构建出的系统矩阵分别作为单谐波卷积核；
在本实施例中，S500包括：
S501，将点状仿体放入到成像平面10中，按照步骤S100-S400方法执行，获取激励向和垂直向的点扩散函数PSF∥(xi，yj)、PSF⊥(xi，yj)，以及将待成像物体放置在成像平面10中，按照步骤S100-S400方法执行获得待成像物体的单谐波原生图像；
其中，点状仿体的磁纳米粒子不大于所述待成像物体的图像中单个像素所代表的物理尺寸；PSF∥(xi，yj)＝IMG∥(xi，yj)，PSF⊥(xi，yj)＝IMG⊥(xi，yj)；
S502，根据点扩散函数的空间不变性，分别将两个方向的点扩散函数在成像平面上进行逐个像素点进行移动，得到对应方向上的系统矩阵；
S503，将两个方向上的系统矩阵重排，重排结果作为其方向上的单谐波卷积核A||和A⊥，具体为：
首先定义PSF∥expand(x，y)为一个全0矩阵，维度为2N×2N，其中x，y＝1～2N；令PSF∥expand(i，j)＝PSF∥(xi，yj)，其中i，j＝N/2～3N/2，PSF∥(xi，yj)为一个N×N矩阵；其次由以下步骤可得Aij：PSF∥expand(k，l)，k＝i～N+i-1，l＝j～N+j-1，(i，j＝1～N)并将其转置为N×1的矩阵A N×1，即最后得到激励向卷积核A∥＝(A11，...，AN1，A12，...，AN2，...，ANN)；同理可得垂直向卷积核A⊥。
S600：利用每个单谐波卷积核对S400中待成像物体的单谐波原生图像在对应的向进行反卷积操作实现联合重建，得到最终的磁纳米粒子空间浓度分布图，从而完成对待成像物体进行快速高质量成像。
在本实施例中，S600包括：
S601，利用每个单谐波卷积核对S400中待成像物体的单谐波原生图像，在垂直向和激励向进行反卷积操作，实现联合重建；由以下的方程组来描述联合重建过程：
其中，A||和A⊥分别代表激励向和垂直向的单谐波卷积核，M||和M⊥代表激励向和垂直向接收到的单谐波分布，即单谐波原生图像；
S602，通过迭代重建算法反求c，得到最终重建的磁纳米粒子的空间分布图，完成为待测物体重建图像。
上述的步骤S100-S600可由流程图图2进行描绘。
为了验证本发明实施例提出的基于垂直磁化的单谐波成像方法的有效性，可用以下实验进行说明。
由永磁体1、2同级相对产生梯度磁场，其中Y向梯度为2.5T/m，X和Z梯度为1.25T/m；激励线圈7通入25kHz，9A的正弦电流，产生5mT的激励场；第一驱动线圈组中的驱动线圈3、4，通入1Hz、峰值约20A正弦电流产生37.5mT磁场；第二驱动线圈组中的驱动线圈5、6，通入50Hz、峰值约20A正弦电流产生18.8mT磁场；由此在成像平面10上产生约2.5cm×2.5cm的成像区域(FOV)。
使用机械平移台将不大于重建像素点的点状仿体移动到FOV区域且保持静止不同，最终由激励向、垂直向传感线圈分别接收Y向和X向磁粒子信号，经过单谐波接收链路，如图3所示，提取高信噪比的Y向和X向的单谐波信号。
基于上述实验条件，采用本发明实施例提出的基于垂直磁化的单谐波磁粒子成像方法对上述单谐波信号进行处理，得到步骤S500中提到的单谐波卷积核，X、Y向分别对应A∥单谐波卷积核、A⊥单谐波卷积核，结果如图4。
此外，使用上述相同的实验条件，将仿体更换为沿着X轴和Y轴分布的“一”字仿体进行本发明的单谐波磁粒子重建方法进行重建；成像效果对比如图5～6所示；可以看到，在使用单轴传感线圈接收磁粒子信号的重建图像中，不论使用X向还是Y向磁粒子信号进行重建时，总是存在成像总是在另外一向出现缺失；而本发明使用基于垂直磁化来实现单谐波磁粒子图像联合重建，有效解决重建缺失的问题，提升重建的精确度。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备，其特征在于，包括：
第一永磁体(1)与第二永磁体(2)相对设置构成的永磁体对；所述第一永磁体(1)与第二永磁体(2)产生的磁场极性相反；从而在成像平面(10)的中心产生一个无磁场区域(11)；设置在所述第一永磁体(1)下表面的第一亥姆霍兹驱动线圈(3)，和设置在第二永磁体(2)上表面的第二亥姆霍兹驱动线圈(4)，第一亥姆霍兹驱动线圈(3)与第二亥姆霍兹驱动线圈(4)相对设置构成第一对驱动线圈组；相对设置的第三亥姆霍兹驱动线圈(5)与第四亥姆霍兹驱动线圈(6)；两对驱动线圈组正交设置，分别通入低频的正弦交变电流，使得无磁场区域(11)在成像平面(10)中移动达到扫描磁粒子的作用；
螺线管线圈(7)为激励线圈，通入高频正弦交变电流信号，产生激励磁场用以激发磁粒子产生磁粒子信号；与螺线管线圈(7)同轴设置的螺线管线圈(8)，所述螺线管线圈(8)为平行接收线圈，用以接收激励向的磁粒子信号；与螺线管线圈(8)正交设置的马鞍形传感线圈(9)，马鞍形传感线圈(9)为垂直接收线圈，用以接收与激励向垂直的垂直向磁粒子信号；螺线管线圈(8)和马鞍形传感线圈(9)构成正交传感线圈组。在马鞍形传感线圈(9)之间存在成像平面(10)，成像平面(10)中心存在一个无磁场区域(11)；
螺线管线圈(7)的轴线为x轴，马鞍形传感线圈(9)的轴线为y轴，垂直于成像平面(10)的轴线为z向，第一永磁体(1)、第二永磁体(2)、第一亥姆霍兹驱动线圈(3)、第二亥姆霍兹驱动线圈(4)、马鞍形传感线圈(9)与y轴平行设置；第三亥姆霍兹驱动线圈(5)、第四亥姆霍兹驱动线圈(6)、螺线管线圈(7)、螺线管线圈(8)与x轴平行设置，x轴、y轴、z轴两两正交设置。
2.根据权利要求1所述的基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备，其特征在于，所述基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备与外部设备电连接，所述外部设备包括：供电模块、磁粒子仿体递送平台模块、信号采集和处理模块、图像重建模块；
其中，所述供电模块包括信号发生器、功率放大器、激励线圈阻抗匹配电路；第一方面，信号发生器产生所需的低频驱动波形信号，输入至功率放大器进行放大，输入至驱动线圈；第二方面，信号发生器产生所需的高频激励波形信号，经过功率放大器放大器进行放大后，再经过激励线圈阻抗匹配电路输入至激励线圈；
磁粒子仿体递送平台模块，用于将成像物体从单谐波成像装置外部递送至成像平面(10)中，使用基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备可以完成成像；
所述信号采集和处理模块包括高通滤波电路、低噪放大电路、锁相放大电路和同步采集卡，高通滤波电路用于滤波激励信号的直接馈通；低噪放大器用于粒子信号进行放大；锁相放大器用于提取单谐波粒子信号；同步采集卡用于采集单谐波粒子信号；
所述图像重建模块包括数据计算单元和图像显示单元，所述数据计算单元用于对来自采集卡采集的单谐波粒子信号进行重建处理得到重建粒子浓度分布图；所述图像显示单元用于对所述重建粒子分布图进行可视化。
3.一种基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像方法，其特征在于，使用权利要求1或2所述的基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备，所述基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像方法包括：
S100，利用永磁对构建梯度磁场，从而在成像设备中心生成无磁场区域；并对两对驱动线圈通入交变电流，以产生驱动磁场；在激励线圈通入交变电流对磁纳米粒子进行激发，以产生磁粒子信号，并通过正交传感线圈组获取激励向、垂直向的磁粒子信号；
S200，对正交传感线圈感应的磁粒子信号进行处理，得到不同时刻的瞬时单谐波信号；
S300，将两个方向的驱动磁场的扫描轨迹合成，并对合成的扫描轨迹进行网格离散化；
其中，每个离散网格对应一个成像像素；所述合成的扫描轨迹为两个方向的驱动磁场同时工作时的扫描路径；
S400：将瞬时单谐波信号按照时间依次映射到对应的离散网格上，并进行图像插值处理，获得单谐波原生图像；
S500：针对待成像物体和点状仿体，均按照步骤S100-S400执行以预先采集点状仿体在激励向以及垂直向的点扩散函数，并且采集待成像物体的单谐波原生图像，并根据激励向和垂直向的点扩散函数分别构建系统矩阵；将根据激励向和垂直向各自构建出的系统矩阵分别作为单谐波卷积核；
S600：利用每个单谐波卷积核对S400中待成像物体的单谐波原生图像在对应的向进行反卷积操作实现联合重建，得到最终的磁纳米粒子空间浓度分布图，从而完成对待成像物体进行快速高质量成像。
4.根据权利要求3所述的基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像方法，其特征在于，S100包括：
利用第一永磁体(1)与第二永磁体(2)在成像平面(10)上生成梯度磁场，从而产生无磁场区域(11)，当由亥姆霍兹驱动线圈(3)、(4)、(5)、(6)形成的两对环形的驱动线圈对通入交变电流后产生两个方向的驱动磁场，两个驱动磁场的频率不同，从而使得无磁场区域(11)受到驱动磁场作用沿着预定的扫描轨迹在二维平面内进行快速扫描，经历时间T后遍历整个x-y二维平面；
在无磁场区域(11)开始扫描的同时，在激励线圈(7)上通入连续的高频交变电流产生激励磁场激发磁纳米粒子，从而产生磁粒子信号；并利用螺线管线圈(8)和马鞍形传感线圈(9)分别采集激励向、垂直向的磁化响应信号。
5.根据权利要求3所述的基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像方法，其特征在于，S300包括：
S301，分别采集两个方向的驱动磁场的电流信号Ix(t)、Iy(t)；
S302，将Ix(t)、Iy(t)经过离散化、缩放到平面网格的各个空间位置；
其中，Ix(t)、Iy(t)在离散网格的空间位置表示为POS(xi，yj)；i，j＝1～N；N为成像区域XOY平面的两个维度预定义像素点个数；
S303，将Ix(t)、Iy(t)形成的扫描轨迹合成，并对合成的扫描轨迹进行网格离散化。
6.根据权利要求5所述的基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像方法，其特征在于，S400包括：
将瞬时单谐波信号Signal(ti)按照时间依次映射到对应的离散网格上，并进行图像插值处理，获得单谐波原生图像；映射方法为：
将瞬时单谐波信号Signal(ti)与同时刻的ti的空间位置POS(xi，yj)一一映射得到该位置的粒子分布img(xi，yj)，并进行图像插值处理，最后将粒子分布组成单谐波原生图像，表示为：
其中，xN,yN分别表示成像平面XOY离散化网格上的第i，j个x，y位置。
7.根据权利要求5所述的基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像方法，其特征在于，S500包括：
S501，将点状仿体放入到成像平面(10)中，按照步骤S100-S400方法执行，获取激励向和垂直向的点扩散函数PSF∥(xi，yj)、PSF⊥(xi，yj)，以及将待成像物体放置在成像平面(10)中，按照步骤S100-S400方法执行获得待成像物体的单谐波原生图像；
其中，点状仿体的磁纳米粒子不大于所述待成像物体的图像中单个像素所代表的物理尺寸；PSF∥(xi，yj)＝IMG∥(xi，yj)，PSF⊥(xi，yj)＝IMG⊥(xi，yj)；
S502，根据点扩散函数的空间不变性，分别将两个方向的点扩散函数在成像平面上进行逐个像素点进行移动，得到对应方向上的系统矩阵；
S503，将两个方向上的系统矩阵重排，重排结果作为其方向上的单谐波卷积核A||和A⊥。
8.根据权利要求5所述的基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像方法，其特征在于，S600包括：
S601，利用每个单谐波卷积核对S400中待成像物体的单谐波原生图像，在垂直向和激励向进行反卷积操作，实现联合重建；由以下的方程组来描述联合重建过程：
其中，A||和A⊥分别代表激励向和垂直向的单谐波卷积核，M||和M⊥代表激励向和垂直向接收到的单谐波分布；
S602，通过迭代重建算法反求c，得到最终重建的磁纳米粒子的空间分布图，完成为待测物体重建图像。
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|---|---|---|---|
| CN202310279856.6A CN116520214A (zh) | 2023-03-21 | 2023-03-21 | 基于垂直磁化的快速单谐波磁粒子成像设备及方法 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117572309A (zh) * | 2023-10-20 | 2024-02-20 | 暨南大学附属第一医院（广州华侨医院） | 基于谐波相位偏转的磁粒子谱仪、定量方法和存储介质 |
| CN117788630A (zh) * | 2024-02-28 | 2024-03-29 | 中国科学院自动化研究所 | 基于脉冲方波激励的超分辨磁粒子成像方法及系统 |
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2023
- 2023-03-21 CN CN202310279856.6A patent/CN116520214A/zh active Pending
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