CN117653070B - 一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置 - 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磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置。旨在解决现有技术中较大孔径下扫描足够范围的周围神经刺激和比吸收率的限制以及成像时间分辨率不高的问题。本发明包括：第一线圈、第二线圈、激励线圈和接收线圈；第一线圈用于通入第一频率的电流生成多根磁场自由线；第二线圈用于通入第一频率的电流，与第一线圈共同作用下，驱动磁场自由线旋转；激励线圈用于通入第二频率的电流驱动磁场自由线快速扫描；接收线圈接收每一个时间点磁场自由线扫描到的粒子信号；第一线圈、第二线圈、激励线圈和接收线圈沿成像视野的中心上下对称设置。本发明能够在较短的时间内进行多范围的磁场自由线成像。

Description

一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置

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磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置。

背景技术

磁粒子成像（MPI）是一种新型的成像技术，具有可量化、超高灵敏等优势。MPI目前广泛应用于肿瘤检测、心血管成像、动脉粥样硬化成像、细胞跟踪、磁热疗指导等领域。从临床前到临床应用以及MPI在人体尺度上应用的主要障碍是缺乏足够孔径的成像设备。目前仅有小型动物的磁粒子成像设备上市，各国实验室均在自行研发更大孔径的、适用于人体的磁粒子成像设备。

研发更大孔径的设备的一个可选择性技术方案就是在梯度场的基础上加一个缓慢移动的驱动场，通过较大范围地移动磁场自由区域来实现大范围的扫描。该方法的一个显著性缺陷就是需要较长时间的扫描和周围神经刺激（PNS）的限制。长时间的扫描会带来一系列的隐患，包括对设备的稳定性要求增加、设备的总能耗增加等。同时针对一些对时间分辨率要求很高的场景，比如心脏搏动、血流等的变化时，较长时间分辨率的成像可能无法得到足够有效的信息。特别是对于更大孔径的设备，有可能应用于大尺寸的动物和人，这些应用场景上更加需要在保持大范围扫描的同时有较高的时间分辨率。

最早在2018年就有国外的团队提出过基于聚焦场的较大孔径MPI设备。目前大孔径的MPI设备搭建的方向大致可以分为两个部分，一个是外加聚焦场，通过较大范围的移动来实现扫描范围的增大。一个是降低梯度场的梯度，在同样激励幅值情况下实现磁场自由区大范围的扫描。前者需要额外供电，有较大的能耗；后者在分辨率方面不够理想。

MPI设备利用得到磁场自由点区域主要有磁场自由线（FFL）和磁场自由点(FFP)。基于FFL设备的因为能在更多的区域激发粒子产生信号而有更好的信噪比。所以本发明提出一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置，能够并行扫描多个范围的区域，实现大范围的成像。同时一条磁场自由线扫描更小的区域，该设备能够有更小的周围神经刺激。

基于此，本发明了一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术中较大孔径下扫描足够范围的周围神经刺激和比吸收率的限制以及成像时间分辨率不高的问题，本发明提供了一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置，该装置包括第一线圈、第二线圈、激励线圈和接收线圈；

所述第一线圈用于通入第一频率的电流生成多根磁场自由线；所述第一线圈沿其所在的平面均匀设置N组；

所述第二线圈用于通入第一频率的电流，与所述第一线圈共同作用下，驱动所述磁场自由线旋转；所述第二线圈沿其所在的平面均匀设置2×（N-1）组，所述第二线圈设置在成像视野的远离所述第一线圈的一侧；

所述激励线圈用于通入第二频率的电流驱动所述磁场自由线快速扫描；所述激励线圈沿其所在的平面均匀设置N-1组；所述激励线圈设置在所述第一线圈的靠近所述成像视野的一侧；

所述接收线圈接收每一个时间点的磁场自由线扫描到的粒子信号，所述接收线圈沿其所在的平面均匀设置N-1组；所述接收线圈设置在所述激励线圈的靠近所述成像视野的一侧；

所述第一线圈、所述第二线圈、所述激励线圈和所述接收线圈沿所述成像视野的中心上下对称设置。

在一些优选的实施方式中，所述第一线圈的长轴和所述第二线圈的长轴垂直设置。

在一些优选的实施方式中，所述第二线圈沿其所在的平面均匀设置2×（N-1）组，具体为：

所述第二线圈在所述成像视野的远离所述第一线圈的平面上设置两列，每列设置N-1组。

在一些优选的实施方式中，每列的N-1组所述第二线圈的长轴所在的直线重合设置，两列的N-1组所述第二线圈的长轴所在的直线平行设置。

在一些优选的实施方式中，所述第二频率大于第一频率。

在一些优选的实施方式中，N组所述第一线圈之间的长轴平行设置。

在一些优选的实施方式中，所述第一线圈和所述第二线圈的选择均包括亥姆霍兹线圈。

在一些优选的实施方式中，所述第一线圈用于通入第一频率的电流，具体为：

在N组所述第一线圈中的其中一半的所述第一线圈通入的电流I₁为：

I₁₌Ix×cos(2×pi×f×t)；

在N组所述第一线圈中的另一半的所述第一线圈通入的电流I₂为：

I₂₌-Ix×cos(2×pi×f×t)；

其中，Ix为第一线圈通入电流的幅值；f为第一频率；t为时间；pi为圆周率。

在一些优选的实施方式中，所述第二线圈用于通入第一频率的电流，具体为：

在2×（N-1）组所述第二线圈中的其中一半的所述第二线圈通入的电流I₃为：

I₃₌Iy×sin(2×pi×f×t)；

在2×（N-1）组所述第二线圈中的另一半的所述第二线圈通入的电流I₄为：

I₄₌-Iy×sin(2×pi×f×t)

其中，Iy为第一线圈通入电流的幅值。

在一些优选的实施方式中，所述激励线圈用于通入第二频率的电流I₅，具体为：

I₅=Ir×cos(2×pi×fr×t)；

其中，Ir为激励线圈通入电流的幅值，fr为第二频率。

在一些优选的实施方式中，其使用方法为：

将扫描样本放入成像视野的中心，将所述第一线圈、所述第二线圈、所述激励线圈和所述接收线圈均通入电流，生成多根磁场自由线，使所述磁场自由线均匀遍布于扫描样本平面，并实现所述磁场自由线在空间中的移动、信号激励和信号接收；

基于多个接收线圈接收多个信号，将接收到的信号通过MPI的成像算法得到磁纳米粒子在扫描样本内浓度的分布图，生成一幅图像，作为MPI图像；

将多个信号对应的多幅MPI图像按照设定的空间顺序连接起来，得到大视野范围的MPI图像。

本发明的有益效果：

（1）本发明的装置建立在亥姆霍兹线圈产生的多根磁场自由线的基础上，通过双层线圈通入交变电流能够实现磁场自由线的旋转，同时激励磁场的存在能够让每一根磁场自由线在较小范围内扫描，多磁场自由线的结构可实现较大范围视野的成像。同时通过在一对亥姆霍兹线圈上通入不同大小的交变电流，或者外加一个静态偏置场实现磁场自由线在某一个方向的偏移，可以实现三维的成像。

（2）该装置能够在较短的时间内进行多范围的磁场自由线成像，同时是开放式的磁场自由线装置，对于MPI的大孔径人体设备的研制和特殊场景的使用下有深远的意义。

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是本发明的一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置中第一线圈和第二线圈的示意图；

图2是本发明的一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置的整体结构示意图；

图3是本发明的一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置生成的多磁场自由线在平面上的效果图。

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。

参见图1-图3，本发明第一实施例提供一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置，该装置包括第一线圈Cxi、第二线圈Cyi、激励线圈Cei和接收线圈Cri；

所述第一线圈Cxi用于通入第一频率的电流生成多根磁场自由线；所述第一线圈Cxi沿其所在的平面均匀设置N组；

所述第二线圈Cyi用于通入第一频率的电流，与所述第一线圈Cxi共同作用下，驱动所述磁场自由线旋转；所述第二线圈Cyi沿其所在的平面均匀设置2×（N-1）组，所述第二线圈Cyi设置在成像视野的远离所述第一线圈Cxi的一侧；

所述激励线圈Cei用于通入第二频率的电流驱动所述磁场自由线快速扫描；所述激励线圈Cei沿其所在的平面均匀设置N-1组；所述激励线圈Cei设置在所述第一线圈Cxi的靠近所述成像视野的一侧；

所述接收线圈Cri接收每一个时间点磁场自由线扫描到的粒子信号，所述接收线圈Cri沿其所在的平面均匀设置N-1组；所述接收线圈Cri设置在所述激励线圈Cei的靠近所述成像视野的一侧；

所述第一线圈Cxi、所述第二线圈Cyi、所述激励线圈Cei和所述接收线圈Cri沿所述成像视野的中心上下对称设置。

其中，在本实施例中，第一线圈Cxi中的i=1，2……N ，N优选为4，具体的，所述第一线圈Cxi设置4组，分别为Cx1、Cx2、Cx3和Cx4；

其中，所述第二线圈Cyi中的i=1，2……2*（N-1），因此，所述第二线圈Cyi设置6组，分别为Cy1、Cy2、Cy3、Cy4、Cy5和Cy6。

其中，接收线圈Cri，其中心位置与激励线圈Cei中心位置重合，负责接收每一个时间点磁场自由线扫描到的粒子信号，计算机对接收线圈Cri接收到的信号解码，形成一幅MPI图像；所述接收线圈Cri和所述激励线圈Cei中的i=1，2……N-1；

其中，在图2所展示出来的线圈中，第一线圈Cxi一共有4对，均位于同一平面上，第二线圈Cyi一共有6对，比第一线圈Cxi更远离成像平面，图中尚未展示出来的激励线圈Cei一共有3对，接收线圈Cri一共有三对，其中接收线圈Cri距离成像平面最近，其次是激励线圈Cei，再次是第一线圈Cxi，最外层是第二线圈Cyi。

作为对本发明的进一步解释，所述第一线圈Cxi的长轴和所述第二线圈Cyi的长轴垂直设置。

作为对本发明的进一步解释，所述第二线圈Cyi沿其所在的平面均匀设置2×（N-1）组，具体为：

所述第二线圈Cyi在所述成像视野的远离所述第一线圈Cxi的平面上设置两列，每列设置N-1组。

其中，在本实施例中，所述第二线圈Cyi设置两列，每列3组，具体为第一列设置为Cy1、Cy3、Cy5；第二列设置为Cy2、Cy4、Cy6。

作为对本发明的进一步解释，每列的N-1组所述第二线圈Cyi的长轴所在的直线重合设置，两列的N-1组所述第二线圈的长轴所在的直线平行设置。

作为对本发明的进一步解释，所述第二频率大于第一频率。

作为对本发明的进一步解释，N组所述第一线圈Cxi之间的长轴平行设置。

作为对本发明的进一步解释，所述第一线圈Cxi和所述第二线圈Cyi的选择均包括亥姆霍兹线圈。

作为对本发明的进一步解释，所述第一线圈Cxi用于通入第一频率的电流，具体为：

在N组所述第一线圈Cxi中的其中一半的所述第一线圈Cxi通入的电流I₁为：

I₁₌Ix×cos(2×pi×f×t)；

其中，在N组所述第一线圈Cxi中的其中一半的所述第一线圈Cxi在本实施例中，具体为：Cx1和Cx3；

在N组所述第一线圈Cxi中的另一半的所述第一线圈Cxi通入的电流I₂为：

I₂₌-Ix×cos(2×pi×f×t)；

其中，Ix为第一线圈Cxi通入电流的幅值；f为第一频率；t为时间；pi为圆周率。

其中，在N组所述第一线圈Cxi中的另一半的所述第一线圈Cxi在本实施例中，具体为：Cx2和Cx4。

其中，这6组线圈和Cxi的四组线圈共同形成三条可旋转的FFL，如图3所示。Ix和Iy分别是线圈通入电流的幅值，其大小根据所需的磁场自由线的梯度来确定。f可分别取为较小的10Hz。

作为对本发明的进一步解释，所述第二线圈Cyi用于通入第一频率的电流，具体为：

在2×（N-1）组所述第二线圈Cyi中的其中一半的所述第二线圈Cyi通入的电流I₃为：

I₃₌Iy×sin(2×pi×f×t)；

其中， 2×（N-1）组所述第二线圈Cyi中的其中一半的所述第二线圈Cyi在本实施例中，具体为Cy1、Cy4和Cy5；

在2×（N-1）组所述第二线圈Cyi中的另一半的所述第二线圈Cyi通入的电流I₄为：

I₄₌-Iy×sin(2×pi×f×t)

其中，Iy为第一线圈Cxi通入电流的幅值。

其中，2×（N-1）组所述第二线圈Cyi中的另一半的所述第二线圈Cyi在本实施例中，具体为Cy2、Cy3和Cy6。

作为对本发明的进一步解释，所述激励线圈Cei用于通入第二频率的电流I₅，具体为：

I₅=Ir×cos(2×pi×fr×t)；

其中，Ir为激励线圈Cei通入电流的幅值，fr为第二频率，所述fr可取为较大的20kHz。

其中，在本实施例中，在第一线圈Cxi和第二线圈Cyi线圈中，上下平面的线圈交流电流的幅值改变可以使磁场自由线在z方向移动，或者在z方向上添加一个静态场也可以实现三维的成像。

本发明第二实施例提供了一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像方法，基于第一实施例的一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置，该方法包括如下步骤：

步骤S1，将扫描样本放入成像视野的中心，将所述第一线圈Cxi，第二线圈Cyi，激励线圈Cei和接收线圈Cri均通入电流，生成多根磁场自由线，使所述磁场自由线均匀遍布于扫描样本平面，并实现所述磁场自由线在空间中的移动、信号激励和信号接收；

步骤S2，基于多个接收线圈Cri接收多个信号，将接收到的信号通过MPI的成像算法得到磁纳米粒子在扫描样本内浓度的分布图，生成一幅图像，作为MPI图像；

步骤S3，将多个信号对应的多幅MPI图像按照设定的空间顺序连接起来，得到大视野范围的MPI图像。

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。

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)

1.一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置，其特征在于，该装置包括第一线圈、第二线圈、激励线圈和接收线圈；

所述第一线圈用于通入第一频率的电流生成多根磁场自由线；所述第一线圈沿其所在的平面均匀设置N组；

所述第二线圈用于通入第一频率的电流，与所述第一线圈共同作用下，驱动所述磁场自由线旋转；所述第二线圈沿其所在的平面均匀设置2×（N-1）组，所述第二线圈设置在成像视野的远离所述第一线圈的一侧；

所述激励线圈用于通入第二频率的电流驱动所述磁场自由线快速扫描；所述激励线圈沿其所在的平面均匀设置N-1组；所述激励线圈设置在所述第一线圈的靠近所述成像视野的一侧；

所述接收线圈接收每一个时间点的磁场自由线扫描到的粒子信号，所述接收线圈沿其所在的平面均匀设置N-1组；所述接收线圈设置在所述激励线圈的靠近所述成像视野的一侧；

所述第一线圈、所述第二线圈、所述激励线圈和所述接收线圈沿所述成像视野的中心上下对称设置；

所述第二线圈沿其所在的平面均匀设置2×（N-1）组，具体为：

所述第二线圈在所述成像视野的远离所述第一线圈的平面上设置两列，每列设置N-1组；

每列的N-1组所述第二线圈的长轴所在的直线重合设置，两列的N-1组所述第二线圈的长轴所在的直线平行设置；

所述第二频率大于第一频率；

其中，N≥4。

2.根据权利要求1所述的一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置，其特征在于，所述第一线圈的长轴和所述第二线圈的长轴垂直设置。

3.根据权利要求2所述的一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置，其特征在于，N组所述第一线圈之间的长轴平行设置。

4.根据权利要求3所述的一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置，其特征在于，所述第一线圈和所述第二线圈的选择均包括亥姆霍兹线圈。

5.根据权利要求4所述的一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置，其特征在于，所述第一线圈用于通入第一频率的电流，具体为：

在N组所述第一线圈中的其中一半的所述第一线圈通入的电流I₁为：

I₁₌Ix×cos(2×pi×f×t)；

在N组所述第一线圈中的另一半的所述第一线圈通入的电流I₂为：

I₂₌-Ix×cos(2×pi×f×t)；

其中，Ix为第一线圈通入电流的幅值；f为第一频率；t为时间；pi为圆周率。

6.根据权利要求5所述的一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置，其特征在于，所述第二线圈用于通入第一频率的电流，具体为：

在2×（N-1）组所述第二线圈中的其中一半的所述第二线圈通入的电流I₃为：

I₃₌Iy×sin(2×pi×f×t)；

在2×（N-1）组所述第二线圈中的另一半的所述第二线圈通入的电流I₄为：

I₄₌-Iy×sin(2×pi×f×t)；

其中，Iy为第一线圈通入电流的幅值。

7.根据权利要求6所述的一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置，其特征在于，所述激励线圈用于通入第二频率的电流I₅，具体为：

I₅=Ir×cos(2×pi×fr×t)；

其中，Ir为激励线圈通入电流的幅值，fr为第二频率。

8.根据权利要求7所述的一种基于多磁场自由线并行扫描的磁粒子成像装置，其特征在于，其使用方法为：

将扫描样本放入成像视野的中心，将所述第一线圈、所述第二线圈、所述激励线圈和所述接收线圈均通入电流，生成多根磁场自由线，使所述磁场自由线均匀遍布于扫描样本平面，并实现所述磁场自由线在空间中的移动、信号激励和信号接收；

基于多个接收线圈接收多个信号，将接收到的信号通过MPI的成像算法得到磁纳米粒子在扫描样本内浓度的分布图，生成一幅图像，作为MPI图像；

将多个信号对应的多幅MPI图像按照设定的空间顺序连接起来，得到大视野范围的MPI图像。