CN117192452B - 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 - Google Patents

Abstract

本发明属于磁粒子成像领域，具体涉及了一种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，旨在解决现有技术中，成像灵敏度和成像视野的矛盾的问题。本发明包括无磁场区生成模块、无磁场区驱动模块、电流发生模块、外置信号机械补偿模块、信号接收模块和图像重建模块；无磁场区生成模块用于产生无磁场区域；无磁场区驱动模块用于驱动无磁场区域移动；信号接收模块用于接收无磁场区域产生的信号；外置信号机械补偿模块用于抵消直接馈通信号；图像重建模块用于将调整后的信号进行重建。本发明一方面可以精准抵消直接馈通信号，另一方面可以提供更多的频谱信号，用于高灵敏成像。

Description

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

技术领域

本发明属于磁粒子成像领域，具体涉及了一种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。

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。

现今的MPI技术还处于发展阶段，硬件上还在不断的完善，MPI技术的终极目标是运用到临床应用上，因此研制人体孔径（直径≥1m）的设备将是发展的趋势。然而人体所能承受的示踪剂浓度有限，因此进行疾病的诊断和治疗需要设备具有较高的灵敏度。而当设备孔径变大（成像视野变大）时，会更容易受到噪声干扰。此外，相比于小孔径的MPI系统，大孔径的设备系统需要更复杂的硬件系统来保证磁纳米粒子的驱动和激励，降低系统的稳定性，导致信号的质量下降及检测灵敏度的降低。

另一方面，当孔径变大时，传统的接收补偿结构效果会下降。由于常用的接收和补偿部分往往通过一个线圈实现，物理距离上的接近导致补偿线圈在抵消馈通信号的同时也降低了接收线圈的灵敏度。此外，大孔径下的精准补偿需要更高的精度，同线圈设置的接收补偿结构的精度不足。基于此，本发明提供了一种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。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即解决现有技术中，成像灵敏度和成像视野的矛盾的问题，本发明提供了一种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。

本发明的一方面，提出了一种基于多线圈信号增强的大孔径三维磁粒子成像装置，该装置包括无磁场区生成模块、无磁场区驱动模块、电流发生模块、外置信号机械补偿模块、信号接收模块和图像重建模块；

所述无磁场区生成模块用于接收所述电流发生模块输出的电流，并产生无磁场区域；所述无磁场区域为无磁场点所在的区域或无磁场线所在的区域；

所述无磁场区驱动模块用于接收所述电流发生模块输出的电流，并驱动所述无磁场区域移动，扫描成像视场；

所述无磁场区驱动模块包括沿x轴分布的第一驱动线圈组、沿z轴分布的第二驱动线圈组和沿y轴分布的第三驱动线圈组；所述x轴、所述y轴和所述z轴基于所述无磁场区驱动模块的驱动线圈的轴线方向和所述无磁场区生成模块的电磁线圈的轴线方向构建；

所述信号接收模块包括接收线圈，所述接收线圈用于接收所述无磁场区域产生的信号，作为第一信号，并传输至所述外置信号机械补偿模块；

所述外置信号机械补偿模块用于接收所述电流发生模块产生的电流，抵消所述第一信号中的直接馈通信号，并传输至所述信号接收模块中进行信号调整，调整后传输至图像重建模块；

所述图像重建模块用于将调整后的信号进行重建，得到三维成像图像。

在一些优选的实施方式中，所述无磁场区生成模块包括同轴设置且绕线方向相反的第一电磁线圈和第二电磁线圈，所述第一电磁线圈和所述第二电磁线圈均与所述电流发生模块连接；所述第一电磁线圈和所述第二电磁线圈的中心分别设置第一铁磁芯和第二铁磁芯，所述第一铁磁芯和所述第二铁磁芯用于增强所述第一电磁线圈和所述第二电磁线圈产生的磁场。

在一些优选的实施方式中，以所述第一电磁线圈的轴线方向为z轴，以所述第一驱动线圈组的轴线方向作为x轴方向，将所述第三驱动线圈组的轴线方向作为y轴；其中，将所述第一电磁线圈、所述第二电磁线圈圆心之间垂直距离的中点作为对称点；

所述第一驱动线圈组包括轴向方向沿所述x轴设置的第一高频线圈和第一低频线圈，所述第一高频线圈位于所述第一低频线圈的内侧；

所述第二驱动线圈组包括轴向方向沿所述z轴设置的第二高频线圈、第三高频线圈、第二低频线圈和第三低频线圈；所述第二高频线圈和所述第三高频线圈沿所述对称点上下对称设置，所述第二低频线圈和所述第三低频线圈沿所述对称点上下对称设置；所述第二低频线圈设置在所述第二高频线圈的远离所述第一电磁线圈的一侧；所述第三低频线圈设置在所述第三高频线圈的远离所述第二电磁线圈的一侧；

所述第三驱动线圈组包括轴向方向沿所述y轴设置的第四高频线圈、第五高频线圈、第四低频线圈和第五低频线圈；所述第四高频线圈和所述第五高频线圈沿所述对称点左右对称设置，所述第四低频线圈和所述第五低频线圈沿所述对称点左右对称设置，所述第四低频线圈设置在所述第四高频线圈的靠近所述无磁场区域的一侧；所述第五低频线圈设置在所述第五高频线圈的靠近所述无磁场区域的一侧；

所述接收线圈位于所述第一高频线圈的内侧；

所述第一高频线圈用于接收所述电流发生模块输出的第一高频交变电流；所述第二高频线圈和所述第三高频线圈均用于接收所述电流发生模块输出的第二高频交变电流；所述第四高频线圈和所述第五高频线圈均用于接收所述电流发生模块输出的第三高频交变电流；

所述第一低频线圈用于接收所述电流发生模块输出的第一低频交变电流；所述第二低频线圈和所述第三低频线圈均用于接收所述电流发生模块输出的第二低频交变电流；所述第四低频线圈和所述第五低频线圈均用于接收所述电流发生模块输出的第三低频交变电流。

在一些优选的实施方式中，所述电流发生模块包括信号输出端、功率放大器、第一带通滤波器和谐振电路；

所述信号输出端用于产生所述无磁场区驱动模块所需的激励波形；

所述功率放大器用于将所述激励波形转换为激励电流并输出至所述第一低频线圈、所述第二低频线圈、所述第三低频线圈、所述第四低频线圈、所述第五低频线圈和所述第一带通滤波器；

所述第一带通滤波器用于将所述第一高频交变电流、所述第二高频交变电流和所述第三高频交变电流限制在设定的激励频率范围内，以降低谐波干扰的产生；

所述激励电流通过所述第一带通滤波器后输出至所述谐振电路，所述谐振电路包括多个电感和电容；所述谐振电路用于通过调整所述电感和所述电容的值改变谐振频率，降低负载在经过所述第一带通滤波器过滤后的激励电流时的阻抗和功率，所述谐振电路的输出端与所述第一高频线圈、所述第二高频线圈、所述第三高频线圈、所述第四高频线圈和所述第五高频线圈连接。

在一些优选的实施方式中，所述外置信号机械补偿模块包括补偿端激励线圈和补偿端接收线圈；

所述补偿端激励线圈用于接收所述谐振电路输出的第四高频交变电流，并用于激发磁纳米粒子产生磁粒子响应信号；所述第四高频交变电流与所述第一高频交变电流的波形一致，频率一致，幅值一致，相位一致；

所述补偿端激励线圈和所述补偿端接收线圈同轴设置并连接，所述补偿端接收线圈位于所述补偿端激励线圈内，所述补偿端接收线圈与所述信号接收模块中的接收线圈串联，用于抵消所述直接馈通信号，将抵消了所述直接馈通信号的信号作为第二信号；

所述补偿端接收线圈和所述信号接收模块中的接收线圈为绕线方向相反的电磁线圈。

在一些优选的实施方式中，所述信号接收模块还包括陷波滤波器、第二带通滤波器、运算放大器和数据采集卡；

所述陷波滤波器用于接收所述第二信号，并进一步去除所述第二信号中的直接馈通信号，得到第三信号；

所述第二带通滤波器用于接收所述第三信号，并滤除所述第三信号中的低频噪声和高频噪声，提取设定带宽内的信号作为第四信号，所述第四信号用于三维成像；

所述运算放大器用于对所述第四信号进行放大；

所述数据采集卡用于接收放大后的第四信号，并转换为数字信号发送至所述图像重建模块；

所述图像重建模块用于将所述数字信号进行傅里叶变换，获取所述数字信号的频谱序列，并构造系统矩阵，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。

本发明的另一方面，提出了一种基于多线圈信号增强的大孔径三维磁粒子成像方法，该方法包括：

步骤S10，向所述无磁场区驱动模块和所述外置信号机械补偿模块中的补偿端激励线圈通入电流；

步骤S20，通过所述信号接收模块中的信号采集卡采集感应电压信号；

步骤S30，调整所述外置信号机械补偿模块中的补偿端接收线圈和补偿端激励线圈间的相对机械位置，改变所述感应电压信号的大小，直到降至最低；将此时的所述相对机械位置作为第一位置；

步骤S40，固定所述第一位置，再次向所述无磁场区驱动模块和所述补偿端激励线圈中通入电流，同时也向所述无磁场区生成模块通入电流，在成像视场的中心处产生无磁场区域，利用所述无磁场区驱动模块控制无磁场区域遍历成像视场，以完成对成像视场的三维扫描检测，得到所述第一信号；

步骤S50，将所述第一信号发送至所述外置信号机械补偿模块中对所述直接馈通信号进行抵消，抵消后发送至所述信号接收模块进行进一步调整，将调整后的信号发送至所述图像重建模块进行傅里叶变换，得到频谱序列；

步骤S60，基于所述频谱序列和系统矩阵计算得到磁粒子浓度的空间分布，实现三维成像；所述系统矩阵基于所述无磁场点或无磁场线构建。

本发明的第三方面，提出了一种基于多线圈信号增强的大孔径三维磁粒子成像方法，该方法包括：

步骤A10，利用所述电流发生模块对所述无磁场区生成模块通电，使所述无磁场区生成模块在成像视场的中心处产生所述无磁场区域；

步骤A20，向所述无磁场区驱动模块中的第一高频线圈、第二高频线圈、第三高频线圈、第四高频线圈和第五高频线圈中通入电流，驱动所述无磁场区域在所述成像视场中移动；同时向所述无磁场区驱动模块中的所述第一低频线圈、所述第二低频线圈、所述第三低频线圈、所述第四低频线圈和所述第五低频线圈中通入电流，调整扫描整体轨迹在更大的视野范围内移动，扫描后得到所述第一信号；

步骤A30，所述第一信号在经过所述外置信号机械补偿模块后输入至所述信号接收模块，所述信号接收模块对接收的所述第一信号进行滤除高频噪声和低频噪声处理，处理后传输至所述图像重建模块；

步骤A40，所述图像重建模块将经过所述信号接收模块的信号转换为数字信号，对所述数字信号进行傅里叶变换，得到所述数字信号的频谱序列；

步骤A50，根据所述频谱序列和系统矩阵计算得到磁粒子浓度的空间分布，实现三维成像；所述系统矩阵基于所述无磁场点或无磁场线构建。

在一些优选的实施方式中，所述系统矩阵，其构建方法为：

步骤B10，将所述成像视场划分为N个等大的像素块；将磁粒子样本放入所述成像视场中，控制无磁场点遍历N个所述像素块，并分别获得N个感应电压信号；

步骤B20，对每个所述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；

步骤B30，将N个所述一维频谱向量组合为一个M*N大小的系统矩阵。

在一些优选的实施方式中，所述系统矩阵，其构建方法为：

步骤C10，将所述成像视场划分为N个等大的像素块；将磁粒子样本放入所述成像视场中；将所述成像视场的中心在360度内均分为等间隔的K个角度，控制无磁场线以所述K个角度分别遍历N个所述像素块，并分别获得所述N个信号组，每个所述信号组包括K个感应电压信号；

步骤C20，对所述N个信号组做傅里叶变换，提取每个信号的M个频点，将每一组K个信号的M个频点依次连接，得到一个一维频谱向量；

步骤C30，将K个所述一维频谱向量组合为一个（M*K）*N大小的系统矩阵。

本发明的有益效果：

发明的系统设置的多线圈组可以有效的提升磁纳米粒子成像灵敏度，一方面通过外置信号机械补偿模块可以精准补偿直接馈通信号，滤除高幅值的馈通信号，从而可以通过放大器将粒子信号放大更多倍，提供更高信噪比的频谱序列，用于高灵敏成像。另一方面，通过无磁场区驱动模块驱动无磁场区域快速的扫描三维视场区域，高低频组合可以在降低大成像视野对硬件的要求下提供更多的频谱分量，用于构建信息丰富的系统矩阵，从而用于高灵敏重建成像。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的基于多线圈信号增强的大孔径三维磁粒子成像方法的流程图；

图2是本发明的基于多线圈信号增强的大孔径三维磁粒子成像装置的示意图；

图3是用于实现本申请方法、系统、设备实施例的服务器的计算机系统的结构示意图。

具体实施方式

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。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1、2所示，本发明第一实施例提供了一种基于多线圈信号增强的大孔径三维磁粒子成像装置，该装置包括：无磁场区生成模块、无磁场区驱动模块、电流发生模块16、外置信号机械补偿模块17、信号接收模块18和图像重建模块19；

所述无磁场区生成模块用于接收所述电流发生模块16输出的电流，并产生无磁场区域；所述无磁场区生成模块包括同轴设置且绕线方向相反的第一电磁线圈1和第二电磁线圈13，所述第一电磁线圈1和所述第二电磁线圈13均与所述电流发生模块16连接；

所述无磁场区驱动模块用于接收所述电流发生模块16输出的电流，并驱动所述无磁场区域移动，扫描成像视场；

所述无磁场区驱动模块包括沿x轴分布的第一驱动线圈组、沿z轴分布的第二驱动线圈组和沿y轴分布的第三驱动线圈组；所述x轴、所述y轴和所述z轴基于所述无磁场区驱动模块的驱动线圈的轴线方向和所述无磁场区生成模块的电磁线圈的轴线方向构建；

具体的，以所述第一电磁线圈1的轴线方向为z轴，以所述第一驱动线圈组的轴线方向作为x轴方向，将所述第三驱动线圈组的轴线方向作为y轴；其中，将所述第一电磁线圈1、所述第二电磁线圈13圆心之间垂直距离的中点作为对称点；

所述第一驱动线圈组包括轴向方向沿所述x轴设置的第一高频线圈8和第一低频线圈7，所述第一高频线圈8位于所述第一低频线圈7的内侧；

所述第二驱动线圈组包括轴向方向沿所述z轴设置的第二高频线圈2、第三高频线圈12、第二低频线圈3和第三低频线圈11；所述第二高频线圈2和所述第三高频线圈12沿所述对称点上下对称设置，所述第二低频线圈3和所述第三低频线圈11沿所述对称点上下对称设置；所述第二低频线圈3设置在所述第二高频线圈2的远离所述第一电磁线圈1的一侧；所述第三低频线圈11设置在所述第三高频线圈12的远离所述第二电磁线圈13的一侧；

所述第三驱动线圈组包括轴向方向沿所述y轴设置的第四高频线圈5、第五高频线圈10、第四低频线圈4和第五低频线圈9；所述第四高频线圈5和所述第五高频线圈10沿所述对称点左右对称设置，所述第四低频线圈4和所述第五低频线圈9沿所述对称点左右对称设置，所述第四低频线圈4设置在所述第四高频线圈5的靠近所述无磁场区域的一侧；所述第五低频线圈9设置在所述第五高频线圈10的靠近所述无磁场区域的一侧；

所述信号接收模块18包括接收线圈6，所述接收线圈6位于所述第一高频线圈8的内侧；所述接收线圈6用于接收所述无磁场区域产生的信号，作为第一信号，并传输至所述外置信号机械补偿模块17；

所述外置信号机械补偿模块17用于接收所述电流发生模块16产生的电流，抵消所述第一信号中的直接馈通信号，并传输至所述信号接收模块18中进行信号调整，调整后传输至图像重建模块19；

所述图像重建模块19用于将调整后的信号进行重建，得到三维成像图像。

其中，所述电流发生模块16向所述无磁场区驱动模块通入交变电流，以控制所述无磁场区域移动。

其中，所述无磁场区域为无磁场点所在的区域或无磁场线所在的区域。

其中，所述第二高频线圈2、所述第三高频线圈12、所述第二低频线圈3和所述第三低频线圈11均为圆柱形电磁线圈；第四高频线圈5、第五高频线圈10、第四低频线圈4和第五低频线圈9为马鞍形线圈。

其中，“所述第二低频线圈3设置在所述第二高频线圈2的远离所述第一电磁线圈1的一侧；所述第三低频线圈11设置在所述第三高频线圈12的远离所述第二电磁线圈13的一侧”具体为：参见图2，所述第二低频线圈3位于第二高频线圈2的下侧，所述第三低频线圈11位于第三高频线圈12的上侧。

其中，“所述第四低频线圈4设置在所述第四高频线圈5的靠近所述无磁场区域的一侧；所述第五低频线圈9设置在所述第五高频线圈10的靠近所述无磁场区域的一侧”具体为：参见图2，所述第四低频线圈4位于所述第四高频线圈5的右侧，所述第五低频线圈9位于所述第五高频线圈10的左侧。

其中，成像视野是指装置的性能，例如，本装置的成像视野（性能上）能达到X*Y*Zcm。成像视场指装置的实体空间，例如，移动无磁场点或无磁场线扫描成像视场，得到响应信号。成像视场相当于是成像视野在装置中的体现。

优选的，参见图2，所述第一电磁线圈1和所述第二电磁线圈13的中心分别设置第一铁磁芯14和第二铁磁芯15，所述第一铁磁芯14和所述第二铁磁芯15用于增强所述第一电磁线圈1和所述第二电磁线圈13产生的磁场。

优选的，参见图2，所述第一高频线圈8用于接收所述电流发生模块16输出的第一高频交变电流；所述第二高频线圈2和所述第三高频线圈12均用于接收所述电流发生模块16输出的第二高频交变电流；所述第四高频线圈5和所述第五高频线圈10均用于接收所述电流发生模块16输出的第三高频交变电流，将第一高频交变电流、第二高频交变电流、第三高频交变电流作为高频电流组；

所述第一低频线圈7用于接收所述电流发生模块16输出的第一低频交变电流；所述第二低频线圈3和所述第三低频线圈11均用于接收所述电流发生模块16输出的第二低频交变电流；所述第四低频线圈4和所述第五低频线圈9均用于接收所述电流发生模块16输出的第三低频交变电流，将所述第一低频交变电流、第二低频交变电流、第三低频交变电流作为低频电流组。

其中，高频电流组其频率可以为10kHz-50kHz之间高频电流，三个电流的频率接近但不相等，因此在视场空间内形成类三维李萨如轨迹，驱动无磁场区域在成像视场内以类李萨如轨迹移动。

其中，低频电流组的频率为远低于高频电流组的频率，可以为10Hz-50Hz，低频电流组的频率接近但不相等。低频电流组可以驱动高频轨迹在主方向上产生一个额外的位移，扫描大视野，降低对高频电流组幅值的要求。此外所述低频电流组会使接收到的感应信号在频谱上产生额外的谐波信号，增加频谱分辨率，提高灵敏度。

所述高频电流组、低频电流组可以为正弦波、方波、三角波等。其中的波形一般设置为同一种，低频电流组的波形一般设置为正弦波。

优选的，参见图2，所述电流发生模块16包括信号输出端、功率放大器、第一带通滤波器和谐振电路；

所述信号输出端用于产生所述无磁场区驱动模块所需的激励波形；

所述功率放大器用于将所述激励波形转换为激励电流并输出至所述第一低频线圈7、所述第二低频线圈3、所述第三低频线圈11、所述第四低频线圈4、所述第五低频线圈9和所述第一带通滤波器；

所述第一带通滤波器用于将所述第一高频交变电流、所述第二高频交变电流和所述第三高频交变电流限制在设定的激励频率范围内，以降低谐波干扰的产生；

所述激励电流通过所述第一带通滤波器后输出至所述谐振电路，所述谐振电路包括多个电感和电容；所述谐振电路用于通过调整所述电感和所述电容的值改变谐振频率，降低负载在经过所述第一带通滤波器过滤后的激励电流时的阻抗和功率，所述谐振电路的输出端与所述第一高频线圈8、所述第二高频线圈2、所述第三高频线圈12、所述第四高频线圈5和所述第五高频线圈10连接。

其中，所述谐振电路用于满足所述信号处理模块中对电压信号的输出要求和驱动线圈组的磁场要求；所述负载即通电线圈。

优选的，参见图2，所述外置信号机械补偿模块17包括补偿端激励线圈和补偿端接收线圈；

所述补偿端激励线圈用于接收所述谐振电路输出的第四高频交变电流，并用于激发磁纳米粒子产生磁粒子响应信号；所述第四高频交变电流与所述第一高频交变电流的波形一致，频率一致，幅值一致，相位一致；为简化系统，可以通过串联补偿端激励线圈和第一高频线圈8，使通过两个线圈的交变电流波形、频率、幅值和相位保持一致。

所述补偿端激励线圈和所述补偿端接收线圈同轴设置并连接，所述补偿端接收线圈位于所述补偿端激励线圈内，所述补偿端接收线圈与所述信号接收模块18中的接收线圈6串联，用于抵消所述直接馈通信号，将抵消了所述直接馈通信号的信号作为第二信号；

所述补偿端接收线圈和所述信号接收模块18中的接收线圈6为绕线方向相反的电磁线圈。

优选的，参见图2，所述信号接收模块18还包括陷波滤波器、第二带通滤波器、运算放大器和数据采集卡；

所述陷波滤波器用于接收所述第二信号，并进一步去除所述第二信号中的直接馈通信号，得到第三信号；

所述第二带通滤波器用于接收所述第三信号，并滤除所述第三信号中的低频噪声和高频噪声，提取设定带宽内的信号作为第四信号，所述第四信号用于三维成像；

所述运算放大器用于对所述第四信号进行放大；

所述数据采集卡用于接收放大后的第四信号，并转换为数字信号发送至所述图像重建模块19；

所述图像重建模块19用于将所述数字信号进行傅里叶变换，获取所述数字信号的频谱序列，并构造系统矩阵，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。

其中，所述运算放大器用于增强谐波的信号，辅助高灵敏成像。

其中，所述直接馈通信号比粒子的电压响应信号往往高多个数量级，抵消直接馈通信号后，可以将粒子的电压响应信号通过所述运算放大器放大更多倍数，进行信号增强，提高灵敏度。

参见图1、图2，本发明第二实施例提供了一种基于多线圈信号增强的大孔径三维磁粒子成像方法，基于一种基于多线圈信号增强的大孔径三维磁粒子成像装置，该方法包括：

步骤S10，向所述无磁场区驱动模块和所述外置信号机械补偿模块17中的补偿端激励线圈通入电流；

步骤S20，通过所述信号接收模块18中的信号采集卡采集感应电压信号；

步骤S30，调整所述外置信号机械补偿模块17中的补偿端接收线圈和补偿端激励线圈间的相对机械位置，改变所述感应电压信号的大小，直到降至最低；将此时的所述相对机械位置作为第一位置；

步骤S40，固定所述第一位置，再次向所述无磁场区驱动模块和所述补偿端激励线圈中通入电流，同时也向所述无磁场区生成模块通入电流，在成像视场的中心处产生无磁场区域，利用所述无磁场区驱动模块控制无磁场区域遍历成像视场，以完成对成像视场的三维扫描检测，得到所述第一信号；

步骤S50，将所述第一信号发送至所述外置信号机械补偿模块17中对所述直接馈通信号进行抵消，抵消后发送至所述信号接收模块18进行进一步调整，将调整后的信号发送至所述图像重建模块19进行傅里叶变换，得到频谱序列；

步骤S60，基于所述频谱序列构建和系统矩阵计算得到磁粒子浓度的空间分布，实现三维成像；所述系统矩阵基于所述无磁场点或无磁场线构建。

其中，步骤S20中，感应电压信号为无样本下的纯背景感应电压信号，理论上应为0。

参见图1、图2，本发明第三实施例又提供了一种基于多线圈信号增强的大孔径三维磁粒子成像方法，基于一种基于多线圈信号增强的大孔径三维磁粒子成像装置，该方法包括：

步骤A10，利用所述电流发生模块16对所述无磁场区生成模块通电，使所述无磁场区生成模块在成像视场的中心处产生所述无磁场区域；

步骤A20，向所述无磁场区驱动模块中的第一高频线圈8、第二高频线圈2、第三高频线圈12、第四高频线圈5和第五高频线圈10中通入电流，驱动所述无磁场区域在所述成像视场中移动；同时向所述无磁场区驱动模块中的所述第一低频线圈7、所述第二低频线圈3、所述第三低频线圈11、所述第四低频线圈4和所述第五低频线圈9中通入电流，调整扫描整体轨迹在更大的视野范围内移动，扫描后得到所述第一信号；

步骤A30，所述第一信号在经过所述外置信号机械补偿模块17后输入至所述信号接收模块18，所述信号接收模块18对接收的所述第一信号进行滤除高频噪声和低频噪声处理，处理后传输至所述图像重建模块19；

步骤A40，所述图像重建模块19将经过所述信号接收模块18的信号转换为数字信号，对所述数字信号进行傅里叶变换，得到所述数字信号的频谱序列；

步骤A50，根据所述频谱序列和系统矩阵计算得到磁粒子浓度的空间分布，实现三维成像；所述系统矩阵基于所述无磁场点或无磁场线构建。

本发明中，当所述无磁场区域为无磁场点所在的区域时，所述系统矩阵，其构建方法为：

步骤B10，将所述成像视场划分为N个等大的像素块；将磁粒子样本放入所述成像视场中，控制无磁场点遍历N个所述像素块，并分别获得N个感应电压信号；

步骤B20，对每个所述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；

步骤B30，将N个所述一维频谱向量组合为一个M*N大小的系统矩阵。

当所述无磁场区域为无磁场线所在的区域时，所述系统矩阵，其构建方法为：

步骤C10，将所述成像视场划分为N个等大的像素块；将磁粒子样本放入所述成像视场中；将所述成像视场的中心在360度内均分为等间隔的K个角度，控制无磁场线以所述K个角度分别遍历N个所述像素块，并分别获得所述N个信号组，每个所述信号组包括K个感应电压信号；

步骤C20，对所述N个信号组做傅里叶变换，提取每个信号的M个频点，将每一组K个信号的M个频点依次连接，得到一个一维频谱向量；

步骤C30，将K个所述一维频谱向量组合为一个（M*K）*N大小的系统矩阵。

其中，所述（M*K）*N大小的系统矩阵为二维矩阵，共有M*K行，N列。

上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之内。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本发明第四实施例提供了一种电子设备，包括：

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一种基于多线圈信号增强的大孔径三维磁粒子成像方法。

本发明第五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一种基于多线圈信号增强的大孔径三维磁粒子成像方法。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

下面参考图3，其示出了用于实现本申请方法、系统、设备实施例的服务器的计算机系统的结构示意图。图3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3所示，计算机系统包括中央处理单元(CPU，Central Processing Unit)301，其可以根据存储在只读存储器(ROM，Read Only Memory) 302中的程序或者从存储部分308加载到随机访问存储器(RAM，Random Access Memory) 303中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 303中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。CPU301、ROM 302以及RAM 303通过总线304彼此相连。输入/输出(I/O，Input/Output)接口305也连接至总线304。

以下部件连接至I/O接口305：包括键盘、鼠标等的输入部分306；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307；包括硬盘等的存储部分308；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信部分309。通信部分309经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器310也根据需要连接至I/O接口305。可拆卸介质311，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310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308。

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信部分309从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质311被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU) 301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做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 (8)

1.一种基于多线圈信号增强的大孔径三维磁粒子成像装置，其特征在于，该装置包括：无磁场区生成模块、无磁场区驱动模块、电流发生模块、外置信号机械补偿模块、信号接收模块和图像重建模块；

所述无磁场区生成模块用于接收所述电流发生模块输出的电流，并产生无磁场区域；所述无磁场区域为无磁场点所在的区域或无磁场线所在的区域；

所述无磁场区驱动模块用于接收所述电流发生模块输出的电流，并驱动所述无磁场区域移动，扫描成像视场，降低大成像视场对硬件的要求下提供更多的频谱分量；

所述无磁场区驱动模块包括沿x轴分布的第一驱动线圈组、沿z轴分布的第二驱动线圈组和沿y轴分布的第三驱动线圈组；所述x轴、所述y轴和所述z轴基于所述无磁场区驱动模块的驱动线圈的轴线方向和所述无磁场区生成模块的电磁线圈的轴线方向构建；

所述信号接收模块包括接收线圈，所述接收线圈用于接收所述无磁场区域产生的信号，作为第一信号，并传输至所述外置信号机械补偿模块；

所述外置信号机械补偿模块用于接收所述电流发生模块产生的电流，抵消所述第一信号中的直接馈通信号，并传输至所述信号接收模块中进行信号调整，调整后传输至所述图像重建模块；

所述图像重建模块用于将调整后的信号进行重建，得到三维成像图像；所述无磁场区生成模块包括同轴设置且绕线方向相反的第一电磁线圈和第二电磁线圈，所述第一电磁线圈和所述第二电磁线圈均与所述电流发生模块连接；所述第一电磁线圈和所述第二电磁线圈的中心分别设置第一铁磁芯和第二铁磁芯，所述第一铁磁芯和所述第二铁磁芯用于增强所述第一电磁线圈和所述第二电磁线圈产生的磁场；以所述第一电磁线圈的轴线方向为z轴，以所述第一驱动线圈组的轴线方向作为x轴方向，将所述第三驱动线圈组的轴线方向作为y轴；将所述第一电磁线圈、所述第二电磁线圈圆心之间垂直距离的中点作为对称点；

所述第一驱动线圈组包括轴向方向沿所述x轴设置的第一高频线圈和第一低频线圈，所述第一高频线圈位于所述第一低频线圈的内侧；

所述第二驱动线圈组包括轴向方向沿所述z轴设置的第二高频线圈、第三高频线圈、第二低频线圈和第三低频线圈；所述第二高频线圈和所述第三高频线圈沿所述对称点上下对称设置，所述第二低频线圈和所述第三低频线圈沿所述对称点上下对称设置；所述第二低频线圈设置在所述第二高频线圈的远离所述第一电磁线圈的一侧；所述第三低频线圈设置在所述第三高频线圈的远离所述第二电磁线圈的一侧；

所述第三驱动线圈组包括轴向方向沿所述y轴设置的第四高频线圈、第五高频线圈、第四低频线圈和第五低频线圈；所述第四高频线圈和所述第五高频线圈沿所述对称点左右对称设置，所述第四低频线圈和所述第五低频线圈沿所述对称点左右对称设置；所述第四低频线圈设置在所述第四高频线圈的靠近所述无磁场区域的一侧；所述第五低频线圈设置在所述第五高频线圈的靠近所述无磁场区域的一侧；

所述接收线圈位于所述第一高频线圈的内侧；

所述第一高频线圈用于接收所述电流发生模块输出的第一高频交变电流；所述第二高频线圈和所述第三高频线圈均用于接收所述电流发生模块输出的第二高频交变电流；所述第四高频线圈和所述第五高频线圈均用于接收所述电流发生模块输出的第三高频交变电流；

所述第一低频线圈用于接收所述电流发生模块输出的第一低频交变电流；所述第二低频线圈和所述第三低频线圈均用于接收所述电流发生模块输出的第二低频交变电流；所述第四低频线圈和所述第五低频线圈均用于接收所述电流发生模块输出的第三低频交变电流。

2.根据权利要求1所述的一种基于多线圈信号增强的大孔径三维磁粒子成像装置，其特征在于，所述电流发生模块包括信号输出端、功率放大器、第一带通滤波器和谐振电路；

所述信号输出端用于产生所述无磁场区驱动模块所需的激励波形；

所述功率放大器用于将所述激励波形转换为激励电流并输出至所述第一低频线圈、所述第二低频线圈、所述第三低频线圈、所述第四低频线圈、所述第五低频线圈和所述第一带通滤波器；

所述第一带通滤波器用于将所述第一高频交变电流、所述第二高频交变电流和所述第三高频交变电流限制在设定的激励频率范围内，以降低谐波干扰的产生；

所述激励电流通过所述第一带通滤波器后输出至所述谐振电路，所述谐振电路包括多个电感和电容；所述谐振电路用于通过调整所述电感和所述电容的值改变谐振频率，降低负载在经过所述第一带通滤波器过滤后的激励电流时的阻抗和功率，所述谐振电路的输出端与所述第一高频线圈、所述第二高频线圈、所述第三高频线圈、所述第四高频线圈和所述第五高频线圈连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于多线圈信号增强的大孔径三维磁粒子成像装置，其特征在于，所述外置信号机械补偿模块包括补偿端激励线圈和补偿端接收线圈；

所述补偿端激励线圈用于接收所述谐振电路输出的第四高频交变电流，并用于激发磁纳米粒子产生磁粒子响应信号；所述第四高频交变电流与所述第一高频交变电流的波形一致，频率一致，幅值一致，相位一致；

所述补偿端激励线圈和所述补偿端接收线圈同轴设置并连接，所述补偿端接收线圈位于所述补偿端激励线圈内，所述补偿端接收线圈与所述信号接收模块中的接收线圈串联，用于抵消所述直接馈通信号，将抵消了所述直接馈通信号的信号作为第二信号；

所述补偿端接收线圈和所述信号接收模块中的接收线圈为绕线方向相反的电磁线圈。

4.根据权利要求3所述的一种基于多线圈信号增强的大孔径三维磁粒子成像装置，其特征在于，所述信号接收模块还包括陷波滤波器、第二带通滤波器、运算放大器和数据采集卡；

所述陷波滤波器用于接收所述第二信号，并进一步去除所述第二信号中的直接馈通信号，得到第三信号；

所述第二带通滤波器用于接收所述第三信号，并滤除所述第三信号中的低频噪声和高频噪声，提取设定带宽内的信号作为第四信号，所述第四信号用于三维成像；

所述运算放大器用于对所述第四信号进行放大；

所述数据采集卡用于接收放大后的第四信号，并转换为数字信号发送至所述图像重建模块；

所述图像重建模块用于将所述数字信号进行傅里叶变换，获取所述数字信号的频谱序列，并构造系统矩阵，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。

5.一种基于多线圈信号增强的大孔径三维磁粒子成像方法，基于权利要求1-4任一项所述的一种基于多线圈信号增强的大孔径三维磁粒子成像装置，其特征在于，该方法包括：

步骤S10，向所述无磁场区驱动模块和所述外置信号机械补偿模块中的补偿端激励线圈通入电流；

步骤S20，通过所述信号接收模块中的信号采集卡采集感应电压信号；

步骤S30，调整所述外置信号机械补偿模块中的补偿端接收线圈和补偿端激励线圈间的相对机械位置，改变所述感应电压信号的大小，直到降至最低；将此时的所述相对机械位置作为第一位置；

步骤S40，固定所述第一位置，再次向所述无磁场区驱动模块和所述补偿端激励线圈中通入电流，同时也向所述无磁场区生成模块通入电流，在所述成像视场的中心处产生无磁场区域，利用所述无磁场区驱动模块控制所述无磁场区域遍历所述成像视场，以完成对所述成像视场的三维扫描检测，得到所述第一信号；

步骤S50，将所述第一信号发送至所述外置信号机械补偿模块中对所述直接馈通信号进行抵消，抵消后发送至所述信号接收模块进行进一步调整，将调整后的信号发送至所述图像重建模块进行傅里叶变换，得到频谱序列；

步骤S60，基于所述频谱序列和系统矩阵计算得到磁粒子浓度的空间分布，实现三维成像；所述系统矩阵基于所述无磁场点或所述无磁场线构建。

6.一种基于多线圈信号增强的大孔径三维磁粒子成像方法，基于权利要求1-4任一项所述的一种基于多线圈信号增强的大孔径三维磁粒子成像装置，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤A10，利用所述电流发生模块对所述无磁场区生成模块通电，使所述无磁场区生成模块在所述成像视场的中心处产生所述无磁场区域；

步骤A20，向所述无磁场区驱动模块中的第一高频线圈、第二高频线圈、第三高频线圈、第四高频线圈和第五高频线圈中通入电流，驱动所述无磁场区域在所述成像视场中移动；同时向所述无磁场区驱动模块中的第一低频线圈、第二低频线圈、第三低频线圈、第四低频线圈和第五低频线圈中通入电流，调整扫描整体轨迹在更大的视野范围内移动，扫描后得到所述第一信号；

步骤A30，所述第一信号在经过所述外置信号机械补偿模块后输入至所述信号接收模块，所述信号接收模块对接收的所述第一信号进行滤除高频噪声和低频噪声处理，处理后传输至所述图像重建模块；

步骤A40，所述图像重建模块将经过所述信号接收模块的信号转换为数字信号，对所述数字信号进行傅里叶变换，得到所述数字信号的频谱序列；

步骤A50，根据所述频谱序列和系统矩阵计算得到磁粒子浓度的空间分布，实现三维成像；所述系统矩阵基于所述无磁场点或所述无磁场线构建。

7.根据权利要求5或6任一项所述的一种基于多线圈信号增强的大孔径三维磁粒子成像方法，其特征在于，所述系统矩阵，其构建方法为：

步骤B10，将所述成像视场划分为N个等大的像素块；将磁粒子样本放入所述成像视场中，控制所述无磁场点遍历N个所述像素块，并分别获得N个感应电压信号；

步骤B20，对每个所述感应电压信号做傅里叶变换，得到N个对应的频谱序列；提取每个所述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；

步骤B30，将N个所述一维频谱向量组合为一个M*N大小的系统矩阵。

8.根据权利要求5或6任一项所述的一种基于多线圈信号增强的大孔径三维磁粒子成像方法，其特征在于，所述系统矩阵，其构建方法为：

步骤C10，将所述成像视场划分为N个等大的像素块；将磁粒子样本放入所述成像视场中；将所述成像视场的中心在360度内均分为等间隔的K个角度，控制所述无磁场线以所述K个角度分别遍历N个所述像素块，并分别获得N个信号组，每个所述信号组包括K个感应电压信号；

步骤C20，对所述N个信号组做傅里叶变换，提取每个信号的M个频点，将每一组K个信号的M个频点依次连接，得到一个一维频谱向量；

步骤C30，将K个所述一维频谱向量组合为一个（M*K）*N大小的系统矩阵。