CN117530675B - 基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升系统、方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁粒子成像技术领域，具体涉及一种基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升系统、方法及设备，旨在解决现有的MPI成像中存在的弛豫效应，进而导致重建的MPI图像的分辨率不足的问题。本系统包括：基于电磁线圈的MPI成像设备、注满磁纳米粒子的点状样本、待成像对象、控制处理器；基于电磁线圈的MPI成像设备和控制处理器之间通过线缆或无线的方式进行通信连接；控制处理器生成基于电磁线圈的MPI成像设备的扫描参数；控制处理器包括弛豫时间计算模块、弛豫核计算模块、矫正模块、图像重建模块。本发明通过引入弛豫权重矩阵，能够有效抑制弛豫效应带来的分辨率下降问题，简单、高效地提高了重建图像的分辨率。
Description
技术领域
本发明属于磁粒子成像技术领域，具体涉及一种基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升系统、方法及设备。
背景技术
磁粒子成像（Magnetic Particle Imaging，MPI）是一种新兴的医学成像技术，其利用超顺磁性氧化铁纳米粒子（Superparamagnetic iron oxide nanoparticles，SPION）的非线性响应特性，能够进行无创、定量、快速的在体成像。在时变磁场中，磁粒子随磁场的变化而旋转产生的非线性响应信号经过采集与处理后，可以得到粒子在空间中的浓度与位置分布。对粒子响应信号的重建，当前有基于X-space和基于系统矩阵的两种方法，由于系统矩阵是经过实际测量得出，包含了系统与粒子复杂的特性，因此基于系统矩阵的方法重建质量更好。但由于弛豫效应的存在，粒子在时变磁场中的旋转会滞后于磁场的变化，从而使点扩散函数变宽，影响重建图像的分辨率，如图3所示。从频域上看，存在弛豫效应后，磁粒子在高倍频处的响应信号幅值有所衰减如图4、5所示。在相同的噪声干扰下，弛豫粒子信号中可被用于重建的信号带宽将会明显减少，从而降低图像分辨率。由上可知，由于弛豫效应的存在，MPI成像的理论分辨率将会降低，不利于MPI在面对更精细的成像需求上的发展，因此为了弥补这一不足，需要一种能对弛豫效应进行补偿的重建系统。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有的MPI成像中存在的弛豫效应降低重建图像分辨率，进而导致重建的MPI图像的分辨率不足的问题，本发明提供了一种基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升系统，包括：基于电磁线圈的MPI成像设备、注满磁纳米粒子的点状样本、待成像对象、控制处理器；所述基于电磁线圈的MPI成像设备和所述控制处理器之间通过线缆或无线的方式进行通信连接；
所述控制处理器生成所述基于电磁线圈的MPI成像设备的扫描参数并通过线缆或无线通信进行参数设置；
当所述基于电磁线圈的MPI成像设备接收到所述控制处理器发送的第一成像指令时，将所述注满磁纳米粒子的点状样本在成像视野中进行逐点扫描，得到时域系统矩阵，经傅里叶变换得到频域系统矩阵，发送至所述控制处理器；当所述基于电磁线圈的MPI成像设备接收到所述控制处理器发送的第二成像指令时，对所述待成像对象进行扫描得到时域响应信号，并进行傅里叶转换得到频域响应信号，发送至所述控制处理器；
所述控制处理器包括弛豫时间计算模块、弛豫核计算模块、矫正模块、图像重建模块；
所述弛豫时间计算模块，配置为保持所述待成像对象在所述基于电磁线圈的MPI成像设备的成像视野中，仅保留高频动态激励场，测量磁粒子的时域响应信号，进而计算磁粒子在X方向、Y方向、Z方向激励下的弛豫时间；所述弛豫核计算模块，配置为根据各弛豫时间，计算各弛豫时间对应的弛豫核；所述矫正模块，配置为基于各弛豫核，计算各弛豫核对应的弛豫权重矩阵；结合各弛豫权重矩阵，对所述频域系统矩阵、所述频域响应信号矫正，得到矫正系统矩阵、矫正响应信号；基于所述矫正系统矩阵、所述矫正响应信号，计算所述待成像对象的磁粒子浓度分布；所述图像重建模块，配置为基于所述磁粒子浓度分布，利用基于系统矩阵的重建算法进行重建，得到所述待成像对象的高分辨率MPI图像。
在一些优选的实施方式中，所述梯度与扫描模块包括两对环形线圈对、一个圆筒形线圈，将该圆筒形线圈，作为第一圆筒形线圈；所述环形线圈对中两个环形线圈共轴；两对所述环形线圈对的轴线正交；所述第一圆筒形线圈设置于两对所述环形线圈对的包围空间，所述第一圆筒形线圈的轴线过两对所述环形线圈对的轴线正交点，且垂直于两对所述环形线圈对的轴线构成的平面；
所述基于电磁线圈的MPI成像设备的坐标系为：以所述第一圆筒形线圈的轴线方向为X方向、以所述第一圆筒形线圈的中心轴的纵向为Z方向；
所述激励模块与所述第一圆筒形线圈共轴；所述激励模块设置于所述第一圆筒形线圈的内侧；
所述激励模块包括Y方向的线圈对、Z方向的线圈对和一个圆筒形线圈，将该圆筒形线圈作为第二圆筒形线圈；所述Y方向的线圈对中的两个Y方向的线圈沿Y方向对称设置；所述Z方向的线圈对中的两个Z方向的线圈沿Z方向对称设置；四个线圈均为两端为弧形、中部为镂空矩形框的线圈，且均为激励线圈；所述四个线圈沿所述第二圆筒形线圈周向依次排列设置；
所述接收模块与所述激励模块的结构相同，且与所述激励模块同轴；所述接收模块设置于所述激励模块的内侧；所述接收模块中的Y方向的线圈对、Z方向的线圈对中的线圈为接收线圈。
在一些优选的实施方式中，计算磁粒子在X方向、Y方向、Z方向激励下的弛豫时间，其方法为：
分别截取所述基于电磁线圈的MPI成像设备不同方向的接收线圈一个周期的时域接收信号，并分解为正向激励周期信号与逆向激励周期信号，进而计算不同方向激励下的弛豫时间：
其中，，/>、/>、/>分别表示在在X方向、Y方向、Z方向激励下的弛豫时间，/>为虚数单位，/>表示共轭，/>表示逆向激励周期信号的傅里叶变换，/>表示正向激励周期信号的傅里叶变换。
在一些优选的实施方式中，根据各弛豫时间，计算各弛豫时间对应的弛豫核，其方法为：
基于各弛豫时间，通过德拜模型，计算各弛豫时间对应的弛豫核：
其中，，/>，/>、/>、/>分别表示在X方向、Y方向、Z方向上的弛豫核，/>表示时间。
在一些优选的实施方式中，基于各弛豫核，计算各弛豫核对应的弛豫权重矩阵，其方法为：
基于各弛豫核，通过德拜模型，得到粒子时域弛豫响应信号，即时域响应信号：
其中，表示无弛豫情况下的理想时域响应信号；
结合所述粒子时域弛豫响应信号，对公式进行推导：
其中，表示时域系统矩阵，/>为无弛豫效应情况下的频域系统矩阵，/>表示待成像对象的磁粒子浓度分布，/>表示无弛豫效应情况下的频域响应信号，表示带弛豫响应信号中的弛豫项，添加弛豫权重矩阵，即可消除弛豫对响应信号的影响。
在一些优选的实施方式中，所述矫正系统矩阵和所述矫正响应信号的获取方法为：
所述矫正系统矩阵，其获取方法为：
其中，表示矫正系统矩阵，/>、/>、/>分别表示X方向、Y方向、Z方向上的矫正系统矩阵，/>、/>、/>分别表示X方向、Y方向、Z方向上的弛豫权重矩阵，/>、、/>分别表示X方向、Y方向、Z方向上的弛豫系统矩阵；
所述矫正响应信号，其获取方法为：
其中，表示矫正响应信号，/>、/>、/>分别表示X方向、Y方向、Z方向上的矫正响应信号，/>、/>、/>分别表示待成像对象X方向、Y方向、Z方向上的弛豫响应信号。
在一些优选的实施方式中，基于所述矫正系统矩阵、所述矫正响应信号，计算所述待成像对象的磁粒子浓度分布，其方法为：
基于所述矫正系统矩阵、所述矫正响应信号，结合矫正后的线性方程，得到所述待成像对象的磁粒子浓度分布。
本发明的第二方面，提出了一种基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升方法，基于上述的基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升系统，该方法包括：
步骤S100，使用注满磁纳米粒子的点状样本在所述基于电磁线圈的MPI成像设备的成像视野中进行逐点扫描，得到时域系统矩阵，并经傅里叶变换得到频域系统矩阵；
步骤S200，待成像对象移入所述基于电磁线圈的MPI成像设备的成像视野中进行扫描，得到时域响应信号，并进行傅里叶转换，得到频域响应信号；
步骤S300，保持所述待成像对象在所述基于电磁线圈的MPI成像设备的成像视野中，仅保留高频动态激励场，测量磁粒子的时域响应信号，进而计算磁粒子在X方向、Y方向、Z方向激励下的弛豫时间；
步骤S400，根据各弛豫时间，计算各弛豫时间对应的弛豫核；
步骤S500，基于各弛豫核，计算各弛豫核对应的弛豫权重矩阵；结合各弛豫权重矩阵，对所述频域系统矩阵、所述频域响应信号矫正，得到矫正系统矩阵、矫正响应信号；基于所述矫正系统矩阵、所述矫正响应信号，计算所述待成像对象的磁粒子浓度分布；
步骤S600，基于所述磁粒子浓度分布，利用基于系统矩阵的重建算法进行重建，得到所述待成像对象的高分辨率MPI图像。
本发明的第三方面，提出了一种基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升设备，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基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升方法。
本发明的第四方面，提出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被所述计算机执行以实现上述的基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升方法。
本发明的有益效果：
本发明通过引入弛豫权重矩阵，能够有效抑制弛豫效应带来的分辨率下降问题，简单、高效地提高了重建图像的分辨率，拓展了MPI成像在未来应用的潜力。
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是本发明一种实施例的基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升系统的框架示意图；
图2是本发明一种实施例的基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升方法的流程示意图；
图3是本发明一种实施例的有弛豫与无弛豫下随着时间变化响应信号的变换状态的示意图；
图4是本发明一种实施例的存在弛豫效应前的响应信号衰减过程的示意图；
图5是本发明一种实施例的存在弛豫效应后的响应信号衰减过程的示意图；
图6是本发明一种实施例的现有技术不矫正弛豫时间重建的MPI图像的示意图；
图7是本发明一种实施例的通过本发明方法重建的MPI图像的示意图。
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。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。
本发明的一种基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升系统，包括：基于电磁线圈的MPI成像设备、注满磁纳米粒子的点状样本、待成像对象、控制处理器；所述基于电磁线圈的MPI成像设备和所述控制处理器之间通过线缆或无线的方式进行通信连接；
所述控制处理器生成所述基于电磁线圈的MPI成像设备的扫描参数并通过线缆或无线通信进行参数设置；
当所述基于电磁线圈的MPI成像设备接收到所述控制处理器发送的第一成像指令时，将所述注满磁纳米粒子的点状样本在成像视野中进行逐点扫描，得到时域系统矩阵，经傅里叶变换得到频域系统矩阵，发送至所述控制处理器；当所述基于电磁线圈的MPI成像设备接收到所述控制处理器发送的第二成像指令时，对所述待成像对象进行扫描得到时域响应信号，并进行傅里叶转换得到频域响应信号，发送至所述控制处理器；
所述控制处理器包括弛豫时间计算模块、弛豫核计算模块、矫正模块、图像重建模块；
所述弛豫时间计算模块，配置为保持所述待成像对象在所述基于电磁线圈的MPI成像设备的成像视野中，仅保留高频动态激励场，测量磁粒子的时域响应信号，进而计算磁粒子在X方向、Y方向、Z方向激励下的弛豫时间；所述弛豫核计算模块，配置为根据各弛豫时间，计算各弛豫时间对应的弛豫核；所述矫正模块，配置为基于各弛豫核，计算各弛豫核对应的弛豫权重矩阵；结合各弛豫权重矩阵，对所述频域系统矩阵、所述频域响应信号矫正，得到矫正系统矩阵、矫正响应信号；基于所述矫正系统矩阵、所述矫正响应信号，计算所述待成像对象的磁粒子浓度分布；所述图像重建模块，配置为基于所述磁粒子浓度分布，利用基于系统矩阵的重建算法进行重建，得到所述待成像对象的高分辨率MPI图像。
为了更清晰地对本发明基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升系统进行说明，下面结合附图对本发明系统实施例中各模块展开详述。
本发明提出了一种新的解决方案，即一种基于弛豫矫正的MPI分辨率提升系统，该系统基于系统矩阵成像方法与德拜弛豫模型，从测量磁粒子的弛豫时间出发，基于德拜模型计算粒子的弛豫特性，再利用计算出的德拜弛豫特性在基于系统矩阵的重建中对系统矩阵与被测物体响应信号进行矫正，得到高分辨率的重建图像。具体如下：
一种基于弛豫矫正的MPI分辨率提升系统，包括基于电磁线圈的MPI成像设备、注满磁纳米粒子的点状样本、待成像对象、控制处理器；所述基于电磁线圈的MPI成像设备和所述控制处理器之间通过线缆或无线的方式进行通信连接；
基于电磁线圈的MPI成像设备如图1所示主要包括：梯度与扫描模块，用于在空间中生成静态梯度场与动态扫描场；激励模块，用于在空间中生成动态激励场；接收模块，用于接收粒子在动态场中被激发产生的非线性响应信号。
梯度与扫描模块A，包括两对环形线圈对、一个圆筒形线圈，将该圆筒形线圈，作为第一圆筒形线圈；所述环形线圈对中两个环形线圈共轴；两对所述环形线圈对的轴线正交；所述第一圆筒形线圈设置于两对所述环形线圈对的包围空间，所述第一圆筒形线圈的轴线过两对所述环形线圈对的轴线正交点，且垂直于两对所述环形线圈对的轴线构成的平面；本发明中所属设备为基于电磁线圈的MPI设备，所有部件均为电磁线圈，包括圆筒形线圈与亥姆霍兹线圈对，通电后在空间中产生磁场。
基于电磁线圈的MPI成像设备的坐标系为：以所述第一圆筒形线圈的轴线方向为X方向、以所述第一圆筒形线圈的中心轴的纵向为Z方向；即第一圆筒形线圈为图1中的X方向扫描线圈1、两对环形线圈对分别为梯度与Z方向扫描线圈2、Y方向扫描线圈3；
X方向扫描线圈1，通入同向交流电时可在空间中生成沿X方向的时变均匀磁场；梯度与Z方向扫描线圈2，通入反向直流电时可生成梯度磁场，在中心位置产生磁场自由点，叠加通入同向交流电流时可在空间中生成沿Z方向的时变均匀磁场；Y方向扫描线圈3，通入同向交流电时可在空间中生成沿Y方向的时变均匀磁场。
激励模块B，与所述第一圆筒形线圈共轴；所述激励模块设置于所述第一圆筒形线圈的内侧；所述激励模块包括Y方向的线圈对、Z方向的线圈对，一个圆筒形线圈，将该圆筒形线圈作为第二圆筒形线圈；即第二圆筒形线圈位图1中的4（即X方向激励线圈），Y方向的线圈对、Z方向的线圈对分别为图1中的5、6；
所述Y方向的线圈对中的两个Y方向的线圈沿Y方向对称设置；所述Z方向的线圈对中的两个Z方向的线圈沿Z方向对称设置；四个线圈均为两端为弧形、中部为镂空矩形框的线圈，且均为激励线圈；所述四个线圈沿所述第二圆筒形线圈周向依次排列设置；其中，4，用于通入同向交流电时可在空间中生成沿X方向的时变均匀磁场，5，用于通入同向交流电时可在空间中生成沿Z方向的时变均匀磁场，6，用于通入同向交流电时可在空间中生成沿Y方向的时变均匀磁场。
接收模块C，与所述激励模块的结构相同，且与所述激励模块同轴；所述接收模块设置于所述激励模块的内侧；即所述接收模块，包括Y方向的线圈对、Z方向的线圈对，一个圆筒形线圈，将该圆筒形线圈作为第三圆筒形线圈；即第三圆筒形线圈位图1中的7（即X方向接收线圈），所述接收模块中的Y方向的线圈对、Z方向的线圈对分别为图1中的8、9。
所述Y方向的线圈对中的两个Y方向的线圈沿Y方向对称设置；所述Z方向的线圈对中的两个Z方向的线圈沿Z方向对称设置；四个线圈均为两端为弧形、中部为镂空矩形框的线圈（即鞍形线圈），且均为接收线圈；所述四个线圈沿所述第三圆筒形线圈周向依次排列设置。其中，7，可接收X方向上的磁粒子非线性响应信号；8，可接收Z方向上的磁粒子非线性响应信号；9，可接收Y方向上的磁粒子非线性响应信号；
控制处理器生成所述基于电磁线圈的MPI成像设备的扫描参数并通过线缆或无线通信进行基于电磁线圈的MPI成像设备的参数设置；
当所述基于电磁线圈的MPI成像设备接收到所述控制处理器发送的第一成像指令时（即点状样本对应的成像指令），将所述注满磁纳米粒子的点状样本在成像视野中进行逐点扫描，得到时域系统矩阵，经傅里叶变换得到频域系统矩阵，然后通过线缆或无线通信发送至所述控制处理器；
在本实施例中，根据设计参数，向梯度与扫描模块、激励模块中通入电流，生成静态梯度场、低频动态扫描场/>，频率为、高频动态激励场/>。使用注满磁纳米粒子的点状样本在成像视野中进行逐点扫描，得到时域系统矩阵/>，经傅里叶变换后可得到频域系统矩阵/>，其中/>，/>，/>表示/>，/>，/>方向（即X、Y、Z方向）接收线圈接收到的粒子时域响应信号，/>，/>，/>表示/>，/>，/>方向接收线圈接收到的粒子频域响应信号（或者可以称之为弛豫系统矩阵）。
当所述基于电磁线圈的MPI成像设备接收到所述控制处理器发送的第二成像指令时（即待成像对象对应的成像指令），对所述待成像对象进行扫描，得到时域响应信号，并进行傅里叶转换，得到频域响应信号，通过线缆或无线通信将所述频域响应信号发送至所述控制处理器；
在本实施例中，将被测物体（即待成像对象）移入成像视野中进行扫描，得到时域响应信号，经傅里叶变换后可得到频域响应信号，其中/>，/>，/>表示/>，/>，/>方向接收线圈接收到的粒子时域响应信号，/>，/>，/>表示/>，/>，/>方向接收线圈接收到的粒子频域响应信号（或者称之为弛豫响应信号）。
被测物体时域响应信号与时域系统矩阵满足线性映射关系：
（1）
其中，表示待成像对象的磁粒子浓度分布。
但直接使用方程进行求解，得出的图像分辨率并不理想，如图6所示。
所述控制处理器，例如GPU、CPU、上位机等，包括弛豫时间计算模块、弛豫核计算模块、矫正模块、图像重建模块；
所述弛豫时间计算模块，配置为保持所述待成像对象在所述基于电磁线圈的MPI成像设备的成像视野中，仅保留高频动态激励场，测量磁粒子的时域响应信号，进而计算磁粒子在X方向、Y方向、Z方向激励下的弛豫时间；
在本实施例中，保留被测物体在成像视野内，梯度与扫描模块、Y、Z方向高频动态激励场、/>断电，仅保留X方向高频动态激励场/>。此时MPI扫描仪退化为磁粒子谱仪，在X方向接收线圈中得到时域接收信号/>。截取一个周期/>的信号/>，分解为正向激励周期信号/>与逆向激励周期信号/>。弛豫时间可以由以下方法计算：
（2）
其中为虚数单位，/>表示共轭，/>表示逆向激励周期信号/>的傅里叶变换，/>表示正向激励周期信号/>的傅里叶变换，具体可参考文献：M T Arslan, AA Özaslan, S Kurt et al. Rapid taurus for relaxation-based colormagneticparticle imaging[J]. IEEE transactions on medical imaging, 2022,41(12):3774-3786。根据上式计算出粒子在不同方向激励下的弛豫时间/>。
依次只保留、/>，重复以上步骤，得到弛豫时间/>，/>、/>、/>分别表示在在X方向、Y方向、Z方向激励下的弛豫时间。
所述弛豫核计算模块，配置为根据各弛豫时间，计算各弛豫时间对应的弛豫核；
在本实施例中，根据德拜模型进构建弛豫核：
（3）
由上述模型根据测得的被测对象弛豫时间计算对应的弛豫核，其中，/>、/>、/>分别表示在X方向、Y方向、Z方向上的弛豫核，/>表示时间。
所述矫正模块，配置为基于各弛豫核，计算各弛豫核对应的弛豫权重矩阵；结合各弛豫权重矩阵，对所述频域系统矩阵、所述频域响应信号矫正，得到矫正系统矩阵、矫正响应信号；基于所述矫正系统矩阵、所述矫正响应信号，计算所述待成像对象的磁粒子浓度分布；
在本实施例中，根据弛豫核对系统矩阵与被测对象的响应信号进行矫正，具体如下：
根据德拜模型，粒子时域弛豫响应信号（即时域响应信号）， 其中表示无弛豫情况下的理想时域响应信号，/>表示卷积运算。可将公式（1）做以下推导：
（4）
（5）
（6）
其中，为无弛豫效应情况下的频域系统矩阵，/>表示无弛豫效应情况下的频域响应信号，根据以上推导可知，能够将弛豫相关量从包含德拜弛豫的信号中分离出来，引入弛豫权重矩阵/>即可对系统矩阵与被测物体响应信号进行矫正，矫正系统矩阵/>，矫正响应信号/>，/>表示对角矩阵。
通过上述可以得知，根据弛豫核，计算对应的弛豫权重矩阵；
可将线性方程转化为：
（7）
其中，矫正系统矩阵，矫正响应信号；/>、/>、/>分别表示X方向、Y方向、Z方向上的矫正系统矩阵，/>、/>、/>分别表示X方向、Y方向、Z方向上的矫正响应信号。
该线性方程消除了德拜弛豫效应对粒子信号带来的影响，近似于理想情况下的响应信号。因此，弛豫补偿权重矩阵的引入能够抑制弛豫效应带来的分辨率下降问题，从而得到高分辨图像。
所述图像重建模块，配置为基于所述磁粒子浓度分布，利用基于系统矩阵的重建算法进行重建，得到所述待成像对象的高分辨率MPI图像。
在本实施例中，对矫正后的线性方程优选使用基于Kaczmarz的行迭代方法求解。重建所得图像如图7所示，与图6相比，分辨率有明显提升。
本发明提出的一种基于弛豫矫正的MPI分辨率提升系统，通过引入弛豫权重矩阵，能够有效抑制弛豫效应带来的分辨率下降问题，简单、高效地提高了重建图像的分辨率，拓展了MPI成像在未来应用的潜力。
需要说明的是，上述实施例提供的一种基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升系统，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弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升方法，如图2所示，基于上述的基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升系统，该方法包括：
步骤S100，使用注满磁纳米粒子的点状样本在所述基于电磁线圈的MPI成像设备的成像视野中进行逐点扫描，得到时域系统矩阵，并经傅里叶变换得到频域系统矩阵；
步骤S200，待成像对象移入所述基于电磁线圈的MPI成像设备的成像视野中进行扫描，得到时域响应信号，并进行傅里叶转换，得到频域响应信号；
步骤S300，保持所述待成像对象在所述基于电磁线圈的MPI成像设备的成像视野中，仅保留高频动态激励场，测量磁粒子的时域响应信号，进而计算磁粒子在X方向、Y方向、Z方向激励下的弛豫时间；
步骤S400，根据各弛豫时间，计算各弛豫时间对应的弛豫核；
步骤S500，基于各弛豫核，计算各弛豫核对应的弛豫权重矩阵；结合各弛豫权重矩阵，对所述频域系统矩阵、所述频域响应信号矫正，得到矫正系统矩阵、矫正响应信号；基于所述矫正系统矩阵、所述矫正响应信号，计算所述待成像对象的磁粒子浓度分布；
步骤S600，基于所述磁粒子浓度分布，利用基于系统矩阵的重建算法进行重建，得到所述待成像对象的高分辨率MPI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，可以参考前述系统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基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升设备，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基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升方法。
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弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升方法。
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，上述描述的基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升设备、计算机可读存储介质的具体工作过程及有关说明，可以参考前述系统实例中的对应过程，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。
术语“第一”、“第二”、“第三”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。
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 (6)
1.一种基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升系统，其特征在于，该系统包括基于电磁线圈的MPI成像设备、注满磁纳米粒子的点状样本、待成像对象、控制处理器；所述基于电磁线圈的MPI成像设备和所述控制处理器之间通过线缆或无线的方式进行通信连接；
所述控制处理器生成所述基于电磁线圈的MPI成像设备的扫描参数并通过线缆或无线通信进行参数设置；
当所述基于电磁线圈的MPI成像设备接收到所述控制处理器发送的第一成像指令时，将所述注满磁纳米粒子的点状样本在成像视野中进行逐点扫描，得到时域系统矩阵，经傅里叶变换得到频域系统矩阵，发送至所述控制处理器；当所述基于电磁线圈的MPI成像设备接收到所述控制处理器发送的第二成像指令时，对所述待成像对象进行扫描得到时域响应信号，并进行傅里叶转换得到频域响应信号，发送至所述控制处理器；
所述控制处理器包括弛豫时间计算模块、弛豫核计算模块、矫正模块、图像重建模块；
所述弛豫时间计算模块，配置为保持所述待成像对象在所述基于电磁线圈的MPI成像设备的成像视野中，仅保留高频动态激励场，测量磁粒子的时域响应信号，进而计算磁粒子在X方向、Y方向、Z方向激励下的弛豫时间；所述弛豫核计算模块，配置为根据各弛豫时间，计算各弛豫时间对应的弛豫核；所述矫正模块，配置为基于各弛豫核，计算各弛豫核对应的弛豫权重矩阵；结合各弛豫权重矩阵，对所述频域系统矩阵、所述频域响应信号矫正，得到矫正系统矩阵、矫正响应信号；基于所述矫正系统矩阵、所述矫正响应信号，计算所述待成像对象的磁粒子浓度分布；所述图像重建模块，配置为基于所述磁粒子浓度分布，利用基于系统矩阵的重建算法进行重建，得到所述待成像对象的高分辨率MPI图像；
计算磁粒子在X方向、Y方向、Z方向激励下的弛豫时间，其方法为：
分别截取所述基于电磁线圈的MPI成像设备不同方向的接收线圈一个周期的时域接收信号，并分解为正向激励周期信号与逆向激励周期信号，进而计算不同方向激励下的弛豫时间：
；
其中，，/>、/>、/>分别表示在在X方向、Y方向、Z方向激励下的弛豫时间，/>为虚数单位，/>表示共轭，/>表示逆向激励周期信号的傅里叶变换，/>表示正向激励周期信号的傅里叶变换；
根据各弛豫时间，计算各弛豫时间对应的弛豫核，其方法为：
基于各弛豫时间，通过德拜模型，计算各弛豫时间对应的弛豫核：
；
其中，，/>，/>、/>、/>分别表示在X方向、Y方向、Z方向上的弛豫核，/>表示时间；
基于各弛豫核，计算各弛豫核对应的弛豫权重矩阵，其方法为：
基于各弛豫核，通过德拜模型，得到粒子时域弛豫响应信号，即时域响应信号：
；
其中，ui t表示无弛豫情况下的理想时域响应信号；
结合所述粒子时域弛豫响应信号，对公式进行推导：
；
；
；
其中，表示时域系统矩阵，/>为无弛豫效应情况下的频域系统矩阵，/>表示待成像对象的磁粒子浓度分布，/>表示无弛豫效应情况下的频域响应信号，/>表示带弛豫响应信号中的弛豫项，添加弛豫权重矩阵/>，即可消除弛豫对响应信号的影响；
所述矫正系统矩阵和所述矫正响应信号的获取方法为：
所述矫正系统矩阵，其获取方法为：
；
其中，表示矫正系统矩阵，/>、/>、/>分别表示X方向、Y方向、Z方向上的矫正系统矩阵，/>、/>、/>分别表示X方向、Y方向、Z方向上的弛豫权重矩阵，/>、/>、分别表示X方向、Y方向、Z方向上的弛豫系统矩阵；
所述矫正响应信号，其获取方法为：
；
其中，表示矫正响应信号，/>、/>、/>分别表示X方向、Y方向、Z方向上的矫正响应信号，/>、/>、/>分别表示待成像对象X方向、Y方向、Z方向上的弛豫响应信号。
2.根据权利要求1所述的基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升系统，其特征在于，所述基于电磁线圈的MPI成像设备包括梯度与扫描模块、激励模块、接收模块；
所述梯度与扫描模块包括两对环形线圈对、一个圆筒形线圈，将该圆筒形线圈，作为第一圆筒形线圈；所述环形线圈对中两个环形线圈共轴；两对所述环形线圈对的轴线正交；所述第一圆筒形线圈设置于两对所述环形线圈对的包围空间，所述第一圆筒形线圈的轴线过两对所述环形线圈对的轴线正交点，且垂直于两对所述环形线圈对的轴线构成的平面；
所述基于电磁线圈的MPI成像设备的坐标系为：以所述第一圆筒形线圈的轴线方向为X方向、以所述第一圆筒形线圈的中心轴的纵向为Z方向；
所述激励模块与所述第一圆筒形线圈共轴；所述激励模块设置于所述第一圆筒形线圈的内侧；
所述激励模块包括Y方向的线圈对、Z方向的线圈对和一个圆筒形线圈，将该圆筒形线圈作为第二圆筒形线圈；所述Y方向的线圈对中的两个Y方向的线圈沿Y方向对称设置；所述Z方向的线圈对中的两个Z方向的线圈沿Z方向对称设置；四个线圈均为两端为弧形、中部为镂空矩形框的线圈，且均为激励线圈；所述四个线圈沿所述第二圆筒形线圈周向依次排列设置；
所述接收模块与所述激励模块的结构相同，且与所述激励模块同轴；所述接收模块设置于所述激励模块的内侧；所述接收模块中的Y方向的线圈对、Z方向的线圈对中的线圈为接收线圈。
3.根据权利要求2所述的基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升系统，其特征在于，基于所述矫正系统矩阵、所述矫正响应信号，计算所述待成像对象的磁粒子浓度分布，其方法为：
基于所述矫正系统矩阵、所述矫正响应信号，结合矫正后的线性方程，得到所述待成像对象的磁粒子浓度分布。
4.一种基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升方法，基于权利要求1-3任一项所述的基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升系统，其特征在于，该方法包括：
步骤S100，使用注满磁纳米粒子的点状样本在所述基于电磁线圈的MPI成像设备的成像视野中进行逐点扫描，得到时域系统矩阵，并经傅里叶变换得到频域系统矩阵；
步骤S200，将待成像对象移入所述基于电磁线圈的MPI成像设备的成像视野中进行扫描，得到时域响应信号，并进行傅里叶转换，得到频域响应信号；
步骤S300，保持所述待成像对象在所述基于电磁线圈的MPI成像设备的成像视野中，仅保留高频动态激励场，测量磁粒子的时域响应信号，进而计算磁粒子在X方向、Y方向、Z方向激励下的弛豫时间；
步骤S400，根据各弛豫时间，计算各弛豫时间对应的弛豫核；
步骤S500，基于各弛豫核，计算各弛豫核对应的弛豫权重矩阵；结合各弛豫权重矩阵，对所述频域系统矩阵、所述频域响应信号矫正，得到矫正系统矩阵、矫正响应信号；基于所述矫正系统矩阵、所述矫正响应信号，计算所述待成像对象的磁粒子浓度分布；
步骤S600，基于所述磁粒子浓度分布，利用基于系统矩阵的重建算法进行重建，得到所述待成像对象的高分辨率MPI图像。
5.一种基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升设备，其特征在于，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权利要求4所述的基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升方法。
6.一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被所述计算机执行以实现权利要求4所述的基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升方法。
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