基于无场线旋转的手持式磁粒子成像系统及成像方法

1.本发明属于磁粒子成像领域，具体涉及了一种基于无场线旋转的手持式磁粒子成像系统及成像方法。


背景技术：

2.磁粒子成像（magnetic particle imaging， mpi）是一种基于示踪剂的新型断层成像技术，该技术可以对检测区域内超顺磁性氧化铁纳米颗粒（superparamagnetic iron oxide nanoparticles，spios），并完成粒子浓度的空间分布成像，具有安全无辐射、高对比度、高分辨率、高灵敏度、可以定量检测等优点。mpi目前正朝着诸多临床应用快速发展，在血管造影、细胞追踪、肿瘤学等诸多医学领域有广泛的应用前景。
3.根据mpi的工作原理，现有的成像系统一般是通过构建无磁场区域(field free region，ffr)进行空间编码并最终实现成像的。而无磁场区主要分为无场点(fieldfree point，ffp)和无场线(field free line，ffl)两种，相比于无场点扫描成像，无场线扫描成像的时、空分辨率和灵敏度都有明显提高。通过高灵敏线圈接收ffl区域内磁纳米粒子的磁化响应信号，并通过对ffl扫描轨迹进行空间编码即可实现磁粒子浓度空间分布图像重建。
4.目前用于临床检测的医学影像设备（ct、mri等）和现有mpi设备多为大型、封闭式和固定式，这导致这些设备在实际应用过程中的便携性将会大打折扣。同时现有的mpi设备目前仍未实现人体全身尺寸的成像，因此在某些特殊需求情况下（如在手术过程中实时检测），上述的大型封闭式设备和现有mpi将无法满足实际需求。
5.因此本研究领域还急需一种可以便携、快速、不受空间和应用条件限制的手持式磁粒子成像系统及成像方法。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中的上述问题，即现有的磁粒子成像设备便携性差、成像孔径受限、使用情况有局限性的问题，本发明提供了一种基于无场线旋转的手持式磁粒子成像系统，所述手持式磁粒子成像系统包括梯度模块、冷却模块、激励模块、探测模块、旋转模块、控制与信号处理模块和图像重建模块；所述手持式磁粒子成像系统的成像空间为单边式，所述梯度模块、所述冷却模块、所述激励模块、所述探测模块和所述旋转模块位于成像空间的另一侧；所述梯度模块包括跑道形线圈和条形永磁体，所述冷却模块包裹在所述跑道形线圈表面；所述激励模块位于所述梯度模块中心，所述激励模块的激励线圈轴线垂直于所述梯度模块底面，激励线圈的一端与所述梯度模块底面共面；所述探测模块包括接收线圈和补偿线圈，所述探测模块固定在所述激励模块内部并与激励线圈同轴；所述旋转模块控制所述梯度模块与所述冷却模块同时绕所述激励线圈的轴线旋
转；所述控制与信号处理模块控制系统内部各个模块按需工作，并将接收到的磁粒子感应信号进行处理后，发送给图像重建模块；所述图像重建模块基于接收的处理后的磁粒子感应信号，将磁粒子分布情况重建为二维图像。
7.在一些优选的实施例中，所述梯度模块用于构建无场线梯度磁场；所述无场线梯度磁场用于使远离无场线的磁纳米粒子达到饱和状态，达到饱和状态的磁纳米粒子不产生信号；所述跑道形线圈中施加有直流电流，用于在所述成像空间的中心区域产生沿x方向的梯度磁场；所述跑道形线圈在x方向的两侧互相平行，y方向的两侧为半圆形；所述条形永磁体为厚度和宽度均低于设定阈值的永磁体贴片，用于在梯度磁场中心位置产生一条无磁场线；所述条形永磁体在x-y两个方向上位于所述跑道形线圈的中心，z方向位于所述跑道形线圈的底面；其中，x方向为跑道形线圈短轴方向，y方向为跑道形线圈长轴方向，z方向为激励线圈和接收线圈的轴向。
8.在一些优选的实施例中，所述无磁场线，其长度大于所述激励线圈的直径。
9.在一些优选的实施例中，所述冷却模块，为空心非金属导管；所述空心非金属导管中流通冷却液，所述冷却液用于吸收所述梯度模块通过大电流所散发的热量；所述冷却液通过水泵实现循环冷却。
10.在一些优选的实施例中，所述激励模块为施加有高频正弦激励电流的圆柱形均匀多匝线圈，用于对无场线的区域的磁粒子进行激励。
11.在一些优选的实施例中，所述探测模块，其接收线圈和补偿线圈在所述激励线圈内部对称分布；所述接收线圈位于所述探测模块下端，所述接收线圈底面与所述激励线圈底面共面，用于接收磁粒子激励响应信号；所述补偿线圈位于所述探测模块上端，所述补偿线圈绕制方向与所述接收线圈相反，所述补偿线圈的上表面与所述激励线圈的上表面共面，用于抵消所述接收线圈直接感应的激励信号。
12.在一些优选的实施例中，所述旋转模块与所述梯度模块和所述冷却模块相连；所述旋转模块通过电机驱动所述梯度模块和所述冷却模块在x-y平面内绕z轴旋转，使得无场线在所述成像空间中绕z轴旋转，所述激励模块和探测模块扫描整个x-y平面内磁粒子空间分布。
13.在一些优选的实施例中，所述控制与信号处理模块用于控制所述梯度模块、所述冷却模块、所述激励模块、所述探测模块和所述旋转模块按照设定条件和顺序工作，并将检测到的磁粒子感应信号进行滤波和放大处理后，发送至图像重建模块。
14.在一些优选的实施例中，所述图像重建模块，基于处理后的磁粒子感应信号，通过系统矩阵重建方法进行磁粒子二维图像重建。
15.本发明的另一方面，提出了一种基于无场线旋转的手持式磁粒子成像方法，基于
上述的基于无场线旋转的手持式磁粒子成像系统，所述手持式磁粒子成像方法包括：步骤s10，向梯度模块的跑道形线圈输入直流电流，在所述手持式磁粒子成像系统表面产生梯度磁场，并结合梯度模块的条形永磁体，在激励模块的激励线圈和接收线圈表面附近生成具有无磁场线的梯度磁场；步骤s20，向激励模块输入高频正弦电流，在手持式磁粒子成像系统的视场中产生高频激励磁场，激发在无磁场线中的磁粒子产生磁化响应电压信号；步骤s30，通过信号处理模块对感应到的粒子信号进行滤波和放大处理，并对时域信号进行快速傅里叶变换得到感应信号的频谱序列；步骤s40，旋转模块工作，将梯度系统与冷却系统同时旋转设定角度，使无场线和梯度磁场以z轴为旋转中心旋转，重复步骤s10-s30，直到旋转模块完成180
°
的旋转扫描后反向旋转回到初始位置；步骤s50，图像重建模块对旋转模块完成180
°
的所有频谱序列进行集中处理，构建系统测量矩阵，结合不同旋转角度下的频域信号计算磁粒子浓度空间分布情况，实现磁粒子二维图像重建。
16.本发明的有益效果：（1）本发明基于无场线旋转的手持式磁粒子成像系统，通过跑道形线圈与细长薄片永磁体相结合的方式实现了手持式磁粒子成像设备无场线的生成；通过冷却模块实现设备的恒温稳定工作，在激励模块和接收模块的设计前提下结合旋转模块实现了无磁场线的空间旋转，实现了手持式磁粒子成像设备的空间编码功能；结合信号处理模块与图像重建模块最终实现了磁粒子二维成像。
17.（2）本发明基于无场线旋转的手持式磁粒子成像系统，在手持式小型化的前提下实现了磁粒子成像，检测区域不限、检测灵敏度高、检测方式便携，避免了现有磁粒子成像设备体积大、设备位置固定、检测孔径为封闭式等突出问题，使检测过程无需移动待测物体，实时对感兴趣具体区域成像，使用便携。
附图说明
18.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，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1是本发明基于无场线旋转的手持式磁粒子成像系统的组成示意图；图2是本发明基于无场线旋转的手持式磁粒子成像系统的截面示意图；图3是本发明基于无场线旋转的手持式磁粒子成像方法的流程示意图；附图标记说明：1、跑道形线圈11；2、条形永磁体12；3、冷却模块21；4、激励模块31；5、探测模块40；6、接收线圈41；7、补偿线圈42；8、旋转模块51；9、控制与信号处理模块61；10、图像重建模块71。
具体实施方式
19.下面结合附图和实施例对本技术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。
20.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术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技术。
21.本发明的一种基于无场线旋转的手持式磁粒子成像系统，所述手持式磁粒子成像系统包括梯度模块、冷却模块、激励模块、探测模块、旋转模块、控制与信号处理模块和图像重建模块；所述手持式磁粒子成像系统的成像空间为单边式，所述梯度模块、所述冷却模块、所述激励模块、所述探测模块和所述旋转模块位于成像空间的另一侧；所述梯度模块包括跑道形线圈和条形永磁体，所述冷却模块包裹在所述跑道形线圈表面；所述激励模块位于所述梯度模块中心，所述激励模块的激励线圈轴线垂直于所述梯度模块底面，激励线圈的一端与所述梯度模块底面共面；所述探测模块包括接收线圈和补偿线圈，所述探测模块固定在所述激励模块内部并与激励线圈同轴；所述旋转模块控制所述梯度模块与所述冷却模块同时绕所述激励线圈的轴线旋转；所述控制与信号处理模块控制系统内部各个模块按需工作，并将接收到的磁粒子感应信号进行处理后，发送给图像重建模块；所述图像重建模块基于接收的处理后的磁粒子感应信号，将磁粒子分布情况重建为二维图像。
22.为了更清晰地对本发明基于无场线旋转的手持式磁粒子成像系统进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各模块展开详述。
23.本发明第一实施例的基于无场线旋转的手持式磁粒子成像系统，包括梯度模块、冷却模块、激励模块、探测模块、旋转模块、控制与信号处理模块和图像重建模块，各模块详细描述如下：如图1和图2所示，分别为本发明基于无场线旋转的手持式磁粒子成像系统的组成示意图和截面示意图，手持式磁粒子成像系统的成像空间为单边式，梯度模块、冷却模块、激励模块、探测模块和旋转模块位于成像空间的另一侧。手持式磁粒子成像系统各模块关系为：梯度模块由跑道形线圈和条形永磁体组成；冷却模块包裹在跑道形线圈表面；激励模块位于梯度模块中心，激励线圈轴线垂直于梯度模块底面，线圈的一端与梯度模块底面共面；探测模块由接收线圈和补偿线圈组成，固定在激励模块内部与激励线圈同轴；旋转模块将梯度模块与冷却模块同时绕z轴（同时也是激励线圈和探测系统的轴线）旋转。
24.上述各模块之间相互固定连接，连接部件使用非金属材质；上述线圈相关模块与控制与信号处理模块以及图像重建模块使用双绞线或bnc连接线连接。
25.梯度模块包括跑道形线圈和条形永磁体：无场线梯度磁场用于使远离无场线的磁纳米粒子达到饱和状态，达到饱和状态的磁纳米粒子不产生信号；跑道形线圈中施加有直流电流，用于在成像空间的中心区域产生沿x方向的梯度磁场，跑道形线圈在x方向的两侧互相平行，y方向的两侧为半圆形；
条形永磁体为厚度和宽度均低于设定阈值（薄而细）的永磁体贴片，用于在梯度磁场中心位置产生一条无磁场线，条形永磁体在x-y两个方向上位于跑道形线圈的中心，z方向位于跑道形线圈的底面；其中，x方向为跑道形线圈短轴方向，y方向为跑道形线圈长轴方向，z方向为激励线圈和接收线圈轴向。
26.为了保证待成像区域梯度场和无磁场线的均匀性，梯度模块产生的无磁场线的长度需要大于所述激励线圈的直径，因而跑道形线圈和条形永磁体长度均大于激励线圈直径。
27.冷却模块包裹在跑道形线圈表面：冷却模块，为空心非金属导管，空心非金属导管中流通冷却液，冷却液用于吸收梯度模块通过大电流所散发的热量，冷却液通过水泵实现循环冷却。
28.为了稳定产生梯度磁场和无场线，需要长时间对跑道形线圈施加高安培直流电，这会导致系统发热引入不稳定因素和信号干扰，本发明使用空心非金属导管接通冷却液，吸收由于梯度模块通过大电流导致的发热问题的热量，冷却液使用水泵实现循环冷却功能。
29.激励模块位于梯度模块中心，激励模块的激励线圈轴线垂直于梯度模块底面，激励线圈的一端与梯度模块底面共面：激励模块为施加有高频正弦激励电流的圆柱形均匀多匝线圈，用于对无场线的区域的磁粒子进行激励。
30.激励模块在一些情况下可以为分段式的均匀多匝线圈。在实际应用过程中，激励电流波形可根据实际需求改变，在不使用特定频率陷波滤波器的系统中所述对激励模块施加的高频激励电流可以为三角波、梯形波、或者方波等。
31.探测模块包括接收线圈和补偿线圈，探测模块固定在激励模块内部并与激励线圈同轴，接收线圈和补偿线圈在激励线圈内部对称分布：接收线圈位于探测模块下端，接收线圈底面与激励线圈底面共面，用于接收磁粒子激励响应信号；补偿线圈位于探测模块上端，补偿线圈绕制方向与接收线圈相反，补偿线圈的上表面与激励线圈的上表面共面，用于抵消接收线圈直接感应的激励信号。
32.由于补偿线圈的作用是抵消接收线圈直接感应的高强度激励信号，该信号会远大于接收线圈感应到的实际粒子信号，因此补偿线圈在激励线圈内与接收线圈对称分布可以保证两者直接感应激励信号强度相同，通过相反绕制后串联的方法可以在很大程度上抵消直接感应信号。
33.旋转模块与梯度模块和冷却模块相连，用于控制梯度模块与冷却模块同时绕激励线圈的轴线旋转：旋转模块通过电机驱动梯度模块和冷却模块在x-y平面内绕z轴旋转，使得无场线在所述成像空间中绕z轴旋转，激励模块和探测模块正常运转扫描整个x-y平面内磁粒子空间分布。这里激励模块和探测模块正常工作，无需旋转，其同时工作最终扫描整个x-y平面内磁粒子的空间分布。
34.梯度模块与冷却模块在旋转的过程中，系统其他模块并不随之一起转动，即梯度
模块与冷却模块与被测物体发生相对运动，激励模块和接收模块与被测物体相对静止，无磁场线的移动范围覆盖整个成像区域。
35.需要注意的是，在本发明提供的上述基于无场线旋转的手持式磁粒子成像系统中，旋转模块会带动激励模块与冷却模块同时转动从而完成扫描过程，由于线路和冷却软管等结构的存在使得在完成旋转和扫描检测工作后需要反向旋转到初始检测位置。
36.在具体实施时，在本发明提供的上述基于无场线旋转的手持式磁粒子成像系统中，如图1所示的系统示意图具有对称结构，以当前结构对应位置为初始位置开始进行旋转，每次将固定旋转角度作为旋转最小步长进行旋转。旋转最小角度决定了系统部分参数，如图像分辨率、时间分辨率等，需要根据实际需求进行调整。当无磁场线由初始位置旋转180
°
后即可覆盖整个成像区域，即可完成整个旋转扫描过程。当然，也可以与初始位置旋转360
°
也可覆盖整个成像区域，需要综合考虑成像时间和图像重建质量，本发明在此不作限定。
37.控制与信号处理模块控制系统内部各个模块按需工作，并将接收到的磁粒子感应信号进行处理后，发送给图像重建模块：控制与信号处理模块用于控制梯度模块、冷却模块、激励模块、探测模块和旋转模块按照设定条件和顺序工作，并将检测到的磁粒子感应信号进行滤波和放大处理后，发送至图像重建模块。
38.在具体实施时，在本发明提供的上述基于无场线旋转的手持式磁粒子成像系统中，控制与信号处理模块用于控制其他系统按照需求和正常顺序工作、将检测到的磁粒子感应信号进行滤波和放大处理，并最后将信号传输给图像重建系统。
39.图像重建模块基于接收的处理后的磁粒子感应信号，将磁粒子分布情况重建为二维图像：图像重建模块，基于处理后的磁粒子感应信号，通过系统矩阵重建方法进行磁粒子二维图像重建。
40.在具体实施时，在本发明提供的上述基于无场线旋转的手持式磁粒子成像系统中，信号处理模块与探测模块相连，依次与陷波滤波器、低通滤波器、信号放大器和a/d转换器连接，陷波滤波器的陷波频率与高频激励正弦电流的频率相同。陷波滤波器用于滤除与激励信号相同频率的信号，与补偿线圈共同保证接收信号为粒子信号同时提高系统粒子信号放大的上限。低通滤波器用于滤除接收信号频谱段高频无用信号，同时提高可用频段中的信噪比。信号放大器的作用为将粒子感应信号放大，增强有用信号信噪比。a/d转换器将信号转换后将输出的数字信号传输给计算机进行后处理及图像重建。
41.激励电流为非正弦波时，不使用陷波滤波器。
42.图像重建模块将处理好的信号根据系统矩阵重建原理进行磁粒子二维图像重建。在具体实施时需要将成像空间剖分为多个小区域，将少量的磁纳米粒子模型放置于空间内所有小区域的位置并进行测量，磁粒子模型大小由期望成像分辨率决定，分辨率越高重建模块越小。需要保证磁粒子模型精确覆盖空间中的所有位置，以此获得精确全面的系统矩阵。图像重建模块依据测量得到的系统矩阵进行图像重建。
43.在具体实施时，重建方法不仅仅局限于系统矩阵重建方法，还可以根据需要选择其他的重建方法，本发明在此不一一详述。
44.本发明第二实施例的基于无场线旋转的手持式磁粒子成像方法，如图3所示，基于上述的基于无场线旋转的手持式磁粒子成像系统，所述手持式磁粒子成像方法包括：步骤s10，向梯度模块的跑道形线圈输入直流电流，在所述手持式磁粒子成像系统表面产生梯度磁场，并结合梯度模块的条形永磁体，在激励模块的激励线圈和接收线圈表面附近生成具有无磁场线的梯度磁场。
45.步骤s20，向激励模块输入高频正弦电流，在手持式磁粒子成像系统的视场中产生高频激励磁场，激发在无磁场线中的磁粒子产生磁化响应电压信号。
46.其中在一些特殊应用条件下，步骤s20中向激励模块输入的高频电流可以为非正弦波形。
47.步骤s30，通过信号处理模块对感应到的粒子信号进行滤波和放大处理，并对时域信号进行快速傅里叶变换得到感应信号的频谱序列。
48.步骤s40，旋转模块工作，将梯度系统与冷却系统同时旋转设定角度，使无场线和梯度磁场以z轴为旋转中心旋转，重复步骤s10-s30，直到旋转模块完成180
°
的旋转扫描后反向旋转回到初始位置。
49.在步骤s40中，旋转完成时的旋转角度可以大于180
°
。
50.步骤s50，图像重建模块对旋转模块完成180
°
的所有频谱序列进行集中处理，构建系统测量矩阵，结合不同旋转角度下的频域信号计算磁粒子浓度空间分布情况，实现磁粒子二维图像重建。
51.步骤s50中，系统矩阵图像重建的原理公式为：u＝sc，其中u为测量得到的系统矩阵，s为被测物体的实际测量矩阵，c为磁粒子浓度空间分布；通过u和s即可求解出c，进而重建得到磁粒子浓度空间分布和粒子浓度空间分布效果图。
52.步骤s50中图像重建方法的前提是首先构建覆盖整个成像空间的精确而稳定的系统矩阵，同时该步骤不局限于系统矩阵重建法，还可以根据需要选择其他的重建方法，本发明在此不一一详述。
53.本发明提供的上述基于无场线旋转的手持式磁粒子成像系统与方法，通过跑道形线圈与细长薄片永磁体相结合的方式实现了手持式磁粒子成像设备无场线的生成，通过冷却模块实现设备的恒温稳定工作，在激励模块和接收模块的设计前提下结合旋转模块实现了无磁场线的空间旋转，从而实现了手持式磁粒子成像设备的空间编码功能，结合信号处理模块与图像重建模块最终实现了磁粒子二维成像。该设备在手持式小型化的前提下实现了磁粒子成像，检测区域不限、检测灵敏度高、检测方式便携，避免了现有磁粒子成像设备体积大、设备位置固定、检测孔径为封闭式等突出问题，使检测过程无需移动待测物体，实时对感兴趣具体区域成像，使用便携。
54.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，可以参考前述系统实施例中的对应过程，在此不再赘述。
55.需要说明的是，上述实施例提供的基于无场线旋转的手持式磁粒子成像系统及成像方法，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。
56.本发明第三实施例的一种设备，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无场线旋转的手持式磁粒子成像方法。
57.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无场线旋转的手持式磁粒子成像方法。
58.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。
59.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。
60.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。
61.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。
62.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。