CN117169792B - 一种基于磁纳米粒子磁化响应的透射式高分辨率成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁纳米粒子磁化响应的透射式高分辨率成像方法，属于磁纳米粒子成像领域，该方法包括：S1，对放置在目标区域的磁纳米粒子样品施加激励磁场使其磁化；S2，对磁化后的样品进行激光扫描；其中，所述激光的入射方向与所述激励磁场的方向平行；S3，根据各扫描点处出射激光、入射激光的电场分布与浓度、温度的关系式进行非线性拟合，得到各扫描点处的温度或浓度成像信息。该方法的成像分辨率取决于扫描的最小步长以及激光光斑尺寸，这两者都容易限制在100μm以下，因此相较于现有的MPI技术，本发明提供的方法能够提高成像分辨率。
Description
技术领域
本发明属于磁纳米粒子成像领域，更具体地，涉及一种基于磁纳米粒子磁化响应的透射式高分辨率成像方法。
背景技术
磁纳米粒子是一种尺寸通常在1-100nm的磁性颗粒，在这个尺度下，磁纳米粒子具有与宏观尺寸的磁性材料不同的独特电磁性质；由于一些磁纳米粒子同时具有生物相容性，因此这种材料被广泛应用于生物医学成像领域。
磁纳米粒子成像(Magnetic particle imaging，MPI)正是一种以磁纳米粒子作为示踪剂的新兴医疗成像技术，它最早于2005年由Bernhard Gleich和Jürgen Weizenecker提出，其成像机制基于磁纳米粒子的磁化响应特征。根据粒子的磁化响应，MPI技术能够反演出目标区域内磁纳米粒子的物理信息，比如浓度或温度，从而实现对物体内部的成像。
在近十几年来MPI技术得到了持续的发展，然而，尽管MPI技术在安全性方面已经得到充分验证，其有限的空间分辨率仍然限制了它在临床场合的应用。目前MPI临床前扫描的空间分辨率通常在1mm左右，一些MPI研究达到700μm的空间分辨率。基于该领域当前的研究现状来看，MPI的空间分辨率尚不足以满足一些应用场景的要求。因此，进一步提高MPI的成像分辨率是十分重要的。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于磁纳米粒子磁化响应的透射式高分辨率成像方法，能够提高MPI的成像分辨率。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种以磁纳米粒子作为显影剂的透射式高分辨率成像方法，包括：
S1，对放置在目标区域的磁纳米粒子样品施加激励磁场使其磁化；
S2，对磁化后的样品进行激光扫描；其中，所述激光的入射方向与所述激励磁场的方向平行；
S3，根据各扫描点处出射激光、入射激光的电场分布与浓度、温度的关系式进行非线性拟合，得到各扫描点处的温度或浓度成像信息。
按照本发明的第二方面，提供了一种基于磁纳米粒子磁光效应的透射式高分辨率成像装置，包括：
磁场产生装置，用于对放置在目标区域的磁纳米粒子样品施加激励磁场使其磁化；
光源模块，用于产生激光；
光学扫描模块，用于控制所述激光入射目标区域光轴的方向及坐标，以对磁化后的样品进行激光扫描；
光学探测模块，用于探测出射激光以获取其电场分布；
处理模块，用于根据各扫描点处出射激光、入射激光的电场分布与浓度、温度的关系式进行非线性拟合，得到各扫描点处的温度或浓度成像信息。
按照本发明的第三方面，提供了一种以磁纳米粒子作为显影剂的透射式高分辨率成像系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如第一方面所述的方法。
按照本发明的第四方面，提供了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使处理器执行如第一方面所述的方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供的方法，基于磁纳米粒子的磁化响应，用激光的偏振态携带样品信息，以激光扫描的方式进行透射成像。该方法的成像分辨率取决于扫描的最小步长以及激光光斑尺寸，这两者都容易限制在100μm以下，因此相较于现有的MPI技术，本发明提供的方法能够提高成像分辨率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于磁纳米粒子磁化响应的透射式高分辨率成像方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的基于磁纳米粒子磁光效应的透射式高分辨率成像装置结构示意图之一；
图3为本发明实施例提供的基于磁纳米粒子磁光效应的透射式高分辨率成像装置结构示意图之二；
图4为本发明实施例提供的激光在样品厚度中心附近的光斑半高全宽示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供一种以磁纳米粒子作为显影剂的透射式高分辨率成像方法，如图1所示，包括：
S1，对放置在目标区域的磁纳米粒子样品施加激励磁场使其磁化。
具体地，将磁纳米粒子样品放置于目标区域，并且在该区域外加激励磁场使磁纳米粒子发生磁化响应。
S2，对磁化后的样品进行激光扫描；其中，所述激光的入射方向与所述激励磁场的方向平行。
优选地，所述激励磁场的方向垂直于所述目标区域。
具体地，使激光照射样品，且激光在成像区域内沿目标区域平面进行扫描运动，可以理解的是，成像区域位于目标区域内，其面积小于或等于目标区域。其中，所述激光的入射方向与所述激励磁场的方向平行。优选地，当所述激励磁场的方向垂直于所述目标区域时，所述激光的入射方向与所述目标区域垂直，也即，此时，激光垂直于目标区域所在的平面入射。
例如，设目标区域所在的平面为x-y平面，激光平行于z轴照射样品，则激光在目标区域的成像范围内沿x-y平面以步长Δs沿x和/或y方向进行扫描运动，当光轴的横向坐标为(xs,ys)时，激光在目标区域的电场分布为Ein(x-xs,y-ys)。
S3，根据各扫描点处出射激光、入射激光的电场分布与浓度、温度的关系式进行非线性拟合，得到各扫描点处的温度或浓度成像信息。
具体地，由于磁纳米粒子的作用，样品具有透射系数分布t(x,y)，激光穿过样品后的电场分布满足：Eout(x-xs,y-ys)＝t(x,y)Ein(x-xs,y-ys)，因此，检测Eout(x-xs,y-ys)相对于Ein(x-xs,y-ys)的变化，根据磁纳米粒子磁化响应以及与激光作用的物理机制反演可得到(xs,yx)处的浓度N(xs,ys)和/或温度T(xs,ys)；最后，根据所有(xs,ys)对应的N(xs,ys)或T(xs,ys)，拼接得到样品在整个成像区域内的浓度或温度图像。
当光轴坐标为(xs,ys)时，对应的激光在目标区域的电场分布满足：
其中E0为激光在束腰位置的中心电场强度，ω0为束腰半径，Δz为当前横截面(即扫描点(xs,ys)所在的横截面)与束腰位置之间的相对距离，λ为激光波长。
激光在目标区域的光斑半高全宽满足：
由于磁纳米粒子的作用，样品具有透射系数分布t(x,y)，激光穿过样品后的电场分布满足：
Eout(x-xs,y-ys)＝t(x,y)Ein(x-xs,y-ys)
光学探测模块接收穿过样品后的激光并检测Eout(x-xs,y-ys)相对于Ein(x-xs,y-ys)的变化。
由于入射激光的能量集中在其半高全宽范围以内，即时Ein(x-xs,y-ys)、Eout(x-xs,y-ys)≈0，因此Eout(x-xs,y-ys)包含样品在(xs,ys)附近半径w以内范围的信息，(xs,ys)对应的N(xs,ys)、T(xs,ys)是Ein(x-xs,y-ys)、Eout(x-xs,y-ys)的函数。
激光经过样品所引发的法拉第旋转角为
而
式中V为韦尔代(Verdet)常数，d为激光经过样品的厚度，ms为磁纳米粒子饱和磁矩，μ0为真空磁导率，kB为玻耳兹曼常数。根据Ein(x-xs,y-ys)、Eout(x-xs,y-ys)拟合得到N(xs,ys)或T(xs,ys)。也即，根据Ein(x-xs,y-ys)、Eout(x-xs,y-ys)利用郎之万函数进行非线性拟合，得到N(xs,ys)和/或T(xs,ys)。
将每个(xs,ys)处对应的N(xs,ys)或T(xs,ys)按照坐标组合，得到成像范围内的完整浓度图像或温度成像；成像分辨率为：
本发明实施例提供一种基于磁纳米粒子磁光效应的透射式高分辨率成像装置，如图2所示，包括：
磁场产生装置，用于对放置在目标区域的磁纳米粒子样品施加激励磁场使其磁化；
光源模块，用于产生激光；
光学扫描模块，用于控制所述激光入射目标区域光轴的方向及坐标，以对磁化后的样品进行激光扫描；
光学探测模块，用于探测出射激光以获取其电场分布；
处理模块(未在图2中示出)，用于根据各扫描点处出射激光、入射激光的电场分布与浓度、温度的关系式进行非线性拟合，得到各扫描点处的温度或浓度成像信息。。
具体地，将磁纳米粒子样品放置于目标区域，通过磁场产生装置在该区域施加激励磁场，使磁纳米粒子发生磁化响应；光源模块产生激光，激光经过光学扫描模块之后，以平行于z轴的方向照射样品；光学扫描模块控制激光入射目标区域时光轴的方向以及横向坐标(xs,ys)；光学探测模块接收穿过样品后的激光Eout并检测它相对于Ein的变化。
例如，设目标区域所在的平面为x-y平面，激光平行于z轴照射样品，则在光学扫描模块的控制下，(xs,ys)在成像范围内以步长Δs进行扫描运动。
优选地，设目标区域所在的平面为XOY面，所述激光平行于z轴入射，也即，磁场产生装置产生的激励磁场的方向与z轴平行。
所述光学扫描模块包括：透镜L、第一、第二电动平移台Sx1、Sy1、分别与Sx1、Sy1一一对应的第一、第二反射镜Mx1,My1；
所述光学探测模块包括：第三、第四电动平移台Sx2,Sy2、分别与Sx2,Sy2一一对应的第一、第二反射镜Mx2,My2、探测器；
其中，各反射镜分别安装在各自对应的电动平移台上，且Sy1、Sy2分别安装在Sx1、Sx2上；Sx1、Sx2分别用于带动Mx1、Mx2在x轴方向上移动；Sy1、Sy2分别用于带动My1、My2在y轴方向上移动，且Sx2、Sy2分别与Sx1、Sy1同步进行运动；
所述光源模块产生的激光从沿x轴反方向入射Mx1，经过Mx1反射后沿y轴方向传播并入射至My1，经My1反射后再经过透镜L聚焦并沿z轴方向传播，并在穿过样品后，沿z轴正方向入射My2，经过My2反射后沿y轴反方向传播并入射至Mx2，经过Mx2反射后沿x轴方向传播，入射至所述探测器。
优选地，如图3所示，光源模块包括氦氖激光器以及起偏器，激光波长λ＝633nm。
具体地，光学扫描模块包括第一电动平移台Sx1、第一反射镜Mx1、第二电动平移台Sy1、第二反射镜My1以及透镜L；
第一反射镜Mx1安装在第一平移台Sx1上，Sx1的朝向平行于x轴；
第二反射镜My1及透镜L安装在平移台第二Sy1上，Sy1的朝向平行于y轴，并且Sy1自身安装在Sx1上；
从激光器及起偏器射出的激光沿x轴反方向入射Mx1，经过Mx1反射后，反射光沿y轴方向传播；
Mx1的反射光的光轴在x方向的坐标xs由Sx1的移动控制，最小移动间隔Δs＝100μm；
来自Mx1的激光沿y轴方向入射My1，经过My1反射后再经过透镜L聚焦并沿z轴方向传播；
从My1和L射出的激光的光轴在x方向的坐标仍为xs，在y方向的坐标ys由Sy1的移动控制，最小移动间隔Δs＝100μm；
该激光的束腰位置位于样品厚度中心，束腰半径ω0＝50μm；
光学探测模块包括第三电动平移台Sx2、第三反射镜Mx2、第四电动平移台Sy2、第四反射镜My2以及探测器；
第三反射镜Mx2安装在平移台Sx2上，Sx2的朝向平行于x轴；
第四反射镜My2安装在平移台Sy2上，Sy2的朝向平行于y轴，并且Sy2自身安装在Sx2上；
第三、第四平移台Sx2、Sy2分别与Sx1、Sy1同步进行运动，因此反射镜Mx2、My2分别与Mx1、My1保持相对静止；
激光在目标区域的光轴横向坐标(xs,ys)为任意值时，穿过样品的激光总是沿z轴正方向入射My2，经过My2反射后，反射光沿y轴反方向传播；
来自My2的激光总是沿y轴反方向入射Mx2，经过Mx2反射后，反射光沿x轴方向传播；
来自Mx2的激光总是沿固定不动的光轴入射探测器。
优选地，所述探测器采用平衡探测的方式检测Eout(x-xs,y-ys)；例如，通过探测器测量振幅，通过检偏器与探测器配合测量偏振方向。
图4显示了激光在样品厚度中心附近的光斑半高全宽；激光光斑在样品厚度中心的半高全宽为58.9μm，在距离样品厚度中心5mm处的半高全宽为63.5μm，因此当样品厚度不超过10mm时，样品处的光斑半高全宽满足：w≤63.5μm。因此成像分辨率为：dres＝Δs＝100μm。
本发明实施例提供一种以磁纳米粒子作为显影剂的透射式高分辨率成像系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如上述任一实施例所述的方法。
本发明实施例提供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使处理器执行如上述任一实施例所述的方法。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种以磁纳米粒子作为显影剂的透射式高分辨率成像方法，其特征在于，包括：
S1，对放置在目标区域的磁纳米粒子样品施加激励磁场使其磁化；
S2，对磁化后的样品进行激光扫描；其中，所述激光的入射方向与所述激励磁场的方向平行；
S3，根据各扫描点处出射激光、入射激光的电场分布与浓度、温度的关系式进行非线性拟合，得到各扫描点处的温度或浓度成像信息；
设目标区域所在的平面为XOY面，所述激光平行于z轴入射，则所述关系式为：
其中，Ein(x-xs,y-ys)、Eout(x-xs,y-ys)分别为扫描点(xs,ys)处出射激光、入射激光的电场分布，V为韦尔代常数，d为激光经过样品的厚度，ms为磁纳米粒子饱和磁矩，μ0为真空磁导率，kB为玻耳兹曼常数，H为激励磁场的强度，L为朗之万函数，T(xs,ys)为扫描点(xs,ys)处的温度，N(xs,ys)为扫描点(xs,ys)处的浓度；
扫描点(xs,ys)处入射激光的电场分布为：
其中，E0为激光在束腰位置的中心电场强度，ω0为束腰半径，Δz为当前横截面与激光束腰位置之间的相对距离，λ为激光波长，(x,y)为XOY面上的任意点，i为虚数，k为波矢。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述激光在目标区域的光斑半高全宽满足：
其中，ω为激光在目标区域的光斑半高全宽。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，成像分辨率为：
其中，Δs为激光的扫描步长。
4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述激励磁场的方向垂直于所述目标区域。
5.一种基于磁纳米粒子磁光效应的透射式高分辨率成像装置，其特征在于，包括：
磁场产生装置，用于对放置在目标区域的磁纳米粒子样品施加激励磁场使其磁化；
光源模块，用于产生激光；
光学扫描模块，用于控制所述激光入射目标区域光轴的方向及坐标，以对磁化后的样品进行激光扫描；
光学探测模块，用于探测出射激光以获取其电场分布；
处理模块，用于根据各扫描点处出射激光、入射激光的电场分布与浓度、温度的关系式进行非线性拟合，得到各扫描点处的温度或浓度成像信息；设目标区域所在的平面为XOY面，所述激光平行于z轴入射，则所述关系式为：
其中，Ein(x-xs,y-ys)、Eout(x-xs,y-ys)分别为扫描点(xs,ys)处出射激光、入射激光的电场分布，V为韦尔代常数，d为激光经过样品的厚度，ms为磁纳米粒子饱和磁矩，μ0为真空磁导率，kB为玻耳兹曼常数，H为激励磁场的强度，L为朗之万函数，T(xs,ys)为扫描点(xs,ys)处的温度，N(xs,ys)为扫描点(xs,ys)处的浓度；
扫描点(xs,ys)处入射激光的电场分布为：
其中，E0为激光在束腰位置的中心电场强度，ω0为束腰半径，Δz为当前横截面与激光束腰位置之间的相对距离，λ为激光波长，(x,y)为XOY面上的任意点，i为虚数，k为波矢。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，设目标区域所在的平面为XOY面，所述激光平行于z轴入射；
所述光学扫描模块包括：透镜L，第一、第二电动平移台Sx1、Sy1，分别与Sx1、Sy1一一对应的第一、第二反射镜Mx1、My1；
所述光学探测模块包括：第三、第四电动平移台Sx2、Sy2，分别与Sx2、Sy2一一对应的第三、第四反射镜Mx2、My2，探测器；
其中，各反射镜分别安装在各自对应的电动平移台上，且Sy1、Sy2分别安装在Sx1、Sx2上；Sx1、Sx2分别用于带动Mx1、Mx2在x轴方向上移动；Sy1、Sy2分别用于带动My1、My2在y轴方向上移动，且Sx2、Sy2分别与Sx1、Sy1同步进行运动；
所述光源模块产生的激光从沿x轴反方向入射Mx1，经过Mx1反射后沿y轴方向传播并入射至My1，经My1反射后再经过透镜L聚焦并沿z轴方向传播，并在穿过样品后，沿z轴正方向入射My2，经过My2反射后沿y轴反方向传播并入射至Mx2，经过Mx2反射后沿x轴方向传播，入射至所述探测器。
7.一种以磁纳米粒子作为显影剂的透射式高分辨率成像系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如权利要求1-4任一项所述的方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，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使处理器执行如权利要求1-4任一项所述的方法。
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