基于多通道激励和检测的三维磁粒子成像系统及方法与流程

1.本发明属于生物医学成像技术领域，具体涉及了一种基于多通道激励和检测的三维磁粒子成像系统及方法。


背景技术：

2.磁粒子是一种具有超顺磁性的纳米级颗粒，近年来其作为一种新型的医学成像示踪剂在肿瘤检测、磁粒子热疗、靶向给药等临床问题中被广泛研究和应用。
3.传统磁粒子成像方法需要控制高场强的梯度磁场对整个成像视场进行编码。对于三维成像来说，所述编码过程会非常漫长，影响成像的实时性。除此之外，电磁线圈持续工作时间过长还会引起线圈发热，引发测量误差，进而影响成像精度。
4.总的来说，本领域还急需一种成像速度更快，并且能够兼顾成像精度的三维磁粒子成像系统及方法。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中的上述问题，即现有磁粒子成像技术成像速度慢，且电磁线圈发热导致成像精度低的问题，本发明提供了一种基于多通道激励和检测的三维磁粒子成像系统，该三维磁粒子成像系统包括多通道激励线圈组、多通道检测线圈组、交流电源组、通道控制单元、信号调理单元和图像重建单元；
6.所述多通道激励线圈组包括多个激励方向不同的激励电磁线圈，用于沿不同方向对磁粒子进行激励；
7.所述多通道检测线圈组包括多个检测线圈阵列，所述多个检测线圈阵列中的每一个检测线圈阵列包括若干个检测电磁线圈，用于在不同空间位置不同角度检测磁粒子的响应电压信号；
8.所述交流电源组，用于为所述多通道激励线圈组供电；
9.所述通道控制单元，用于切换所述激励线圈组中的不同方向的激励线圈，对磁粒子进行不同方向的激励；
10.所述信号调理单元，用于对所述多通道检测线圈组检测到的响应电压信号进行放大和滤波处理；
11.所述图像重建单元，用于根据放大和滤波处理处理后的响应电压信号进行数字信号处理和三维磁粒子图像重建。
12.在一些优选的实施例中，所述交流电源组包括多通道信号发生器和功率放大器；
13.所述多通道信号发生器，用于产生通电线圈组所需的电流波形；所述电流波形为正弦波、三角波、脉冲方波中的一种；
14.所述功率放大器，用于将所述多通道信号发生器产生的电流波形放大至设定大小，并基于放大后的电流波形为所述多通道激励线圈组供电。
15.在一些优选的实施例中，所述三维磁粒子成像系统还包括显示单元；
16.所述显示单元，用于显示所述图像重建单元重建的三维磁粒子图像。
17.在一些优选的实施例中，所述多通道激励线圈组的激励电磁线圈环绕所述三维磁粒子成像系统的成像视场；
18.以所述成像视场中心作为三维坐标系的原点，则所述多通道激励线圈组的激励电磁线圈分别放置于三维坐标系的z轴负向方向、z轴正向方向、x轴正向方向和x轴负向方向；所述方向为激励线圈产生的主磁场方向，待成像对象沿y轴方向进入成像视场。
19.在一些优选的实施例中，所述多通道检测线圈组的检测线圈阵列与所述多通道激励线圈组的激励电磁线圈一一对应放置；
20.每一个所述检测线圈阵列放置于对应的每一个激励电磁线圈靠近成像视场一侧，用于在不同空间位置多角度地检测磁粒子产生的响应电压信号。
21.在一些优选的实施例中，所述多个激励方向不同的激励电磁线圈，其在某一时刻下，仅有一个激励电磁线圈产生激励磁场；
22.当任一个激励电磁线圈产生激励磁场时，所有检测线圈阵列同时检测磁粒子产生的磁化响应电压信号，与激励磁场同方向的检测线圈阵列用于检测磁粒子产生的主磁通方向的磁化响应电压信号，与激励磁场垂直的检测线圈阵列用于检测磁粒子产生的漏磁通方向的磁化响应电压信号。
23.本发明的另一方面，提出了一种基于多通道激励和检测的三维磁粒子成像方法，基于上述的基于多通道激励和检测的三维磁粒子成像系统，该三维磁粒子成像方法包括：
24.步骤s10，依次向不同的激励电磁线圈输入高频脉冲电流，在三维磁粒子成像系统的成像视场中产生特定方向的脉冲磁场，激发磁粒子产生不同方向上的磁化响应电压信号；
25.步骤s20，针对每一个激励电磁线圈，利用平行于所述激励电磁线圈的检测线圈阵列检测磁粒子产生的主磁通方向的磁化响应电压信号，利用垂直于所述激励电磁线圈的检测线圈阵列检测磁粒子产生的漏磁通方向的磁化响应电压信号；
26.步骤s30，通过数字滤波技术过滤检测到的响应电压信号中的直流分量，并对检测信号进行快速傅里叶变换，得到响应电压信号的频谱序列；
27.步骤s40，构造多通道激励电磁线圈和检测线圈的测量矩阵，结合所述响应电压信号的频谱序列计算磁粒子浓度空间分布，实现三维磁粒子图像重建。
28.在一些优选的实施例中，所述高频脉冲电流，其波形为窄脉宽的脉冲方波。
29.在一些优选的实施例中，所述多通道激励电磁线圈和检测线圈的测量矩阵，其构造方法为：
30.步骤s411，基于预设的三维磁粒子重建图像分辨率，将三维磁粒子成像系统的成像视场划分为n个重建单元；
31.步骤s412，将待成像对象的磁粒子样本放入所述三维磁粒子成像系统的成像视场，遍历n个重建单元：针对每一个重建单元，通过上述的基于多通道激励和检测的三维磁粒子成像方法的步骤s10
‑
步骤s30对应方法获取一组频谱序列；所述一组频谱序列构成长度为m的一维向量；
32.步骤s413，将n个重建单元对应的n组频谱序列进行组合，获得多通道激励电磁线圈和检测线圈的测量矩阵；所述测量矩阵，其第一列为第一组频谱序列，第n列为第n组频谱
序列，测量矩阵大小为m行n列。
33.在一些优选的实施例中，所述三维磁粒子图像重建，其方法为：
34.步骤s421，建立三维磁粒子图像重建方程：
35.f＝ac
36.其中，a为多通道激励电磁线圈和检测线圈的测量矩阵，f为多通道检测线圈组检测得到的频谱序列，c为三维磁粒子重建图像；
37.步骤s422，根据所述图像重建方程，求解三维磁粒子重建图像c，实现三维磁粒子图像重建。
38.本发明的有益效果：
39.本发明基于多通道激励和检测的三维磁粒子成像系统，由通道控制单元控制不同激励方向的激励电磁线圈分别沿不同方向对磁粒子进行激励，并通过检测线圈检测每一个激励电磁线圈产生的响应电压信号，基于响应电压信号进行三维磁粒子图像重建，省去了传统磁粒子成像方法需要控制高场强的梯度磁场对整个成像视场进行空间编码的时间，避免了电磁线圈发热导致成像精度低的问题，磁粒子成像速度快、精度高。
附图说明
40.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：
41.图1是本发明基于多通道激励和检测的三维磁粒子成像系统一种实施例的多通道激励线圈组及多通道检测线圈组的示意图；
42.图2是本发明基于多通道激励和检测的三维磁粒子成像方法的流程示意图。
具体实施方式
43.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。
44.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。
45.本发明的一种基于多通道激励和检测的三维磁粒子成像系统，该三维磁粒子成像系统包括多通道激励线圈组、多通道检测线圈组、交流电源组、通道控制单元、信号调理单元和图像重建单元；
46.所述多通道激励线圈组包括多个激励方向不同的激励电磁线圈，用于沿不同方向对磁粒子进行激励；
47.所述多通道检测线圈组包括多个检测线圈阵列，所述多个检测线圈阵列中的每一个检测线圈阵列包括若干个检测电磁线圈，用于在不同空间位置不同角度检测磁粒子的响应电压信号；
48.所述交流电源组，用于为所述多通道激励线圈组供电；
49.所述通道控制单元，用于切换所述激励线圈组中的不同方向的激励线圈，对磁粒子进行不同方向的激励；
50.所述信号调理单元，用于对所述多通道检测线圈组检测到的响应电压信号进行放大和滤波处理；
51.所述图像重建单元，用于根据放大和滤波处理处理后的响应电压信号进行数字信号处理和三维磁粒子图像重建。
52.为了更清晰地对本发明基于多通道激励和检测的三维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。
53.本发明第一实施例的基于多通道激励和检测的三维磁粒子成像系统，包括多通道激励线圈组、多通道检测线圈组、交流电源组、通道控制单元、信号调理单元和图像重建单元，各模块详细描述如下：
54.如图1所示，为本发明基于多通道激励和检测的三维磁粒子成像系统一种实施例的多通道激励线圈组及多通道检测线圈组的示意图，包括：激励线圈组1、2、3、4、检测线圈组5、6、7、8以及成像视场9(fov，field of view)。
55.多通道激励线圈组包括多个激励方向不同的激励电磁线圈，用于沿不同方向对磁粒子进行激励。
56.如图1所示的实施例中，多通道激励线圈包括第一激励线圈1、第二激励线圈2、第三激励线圈3和第四激励线圈4；第一激励线圈1产生的主磁场方向为z轴负向，第二激励线圈2产生的主磁场方向为z轴正向，第三激励线圈3产生的主磁场方向为x轴正向，第四激励线圈4产生的主磁场方向为x轴负向。
57.多通道激励线圈组的激励电磁线圈环绕三维磁粒子成像系统的成像视场：
58.以成像视场中心作为三维坐标系的原点，则多通道激励线圈组的激励电磁线圈分别放置于三维坐标系的z轴负向方向、z轴正向方向、x轴正向方向和x轴负向方向；所述方向为激励线圈产生的主磁场方向，待成像对象可以沿y轴方向进入成像视场fov。
59.多通道检测线圈组包括多个检测线圈阵列，所述多个检测线圈阵列中的每一个检测线圈阵列包括若干个检测电磁线圈，用于在不同空间位置不同角度检测磁粒子的响应电压信号。
60.如图1所示的实施例中，多通道检测线圈组包括第一线圈阵列5，第二线圈阵列6，第三线圈阵列7和第四线圈阵列8；每个线圈阵列由若干个小的电磁线圈组成，用于在不同空间位置多角度地检测磁粒子产生的响应信号。
61.多通道检测线圈组的检测线圈阵列与多通道激励线圈组的激励电磁线圈一一对应放置：
62.每一个所述检测线圈阵列放置于对应的每一个激励电磁线圈靠近成像视场一侧，用于在不同空间位置多角度地检测磁粒子产生的响应电压信号。
63.交流电源组包括多通道信号发生器和功率放大器，用于为所述多通道激励线圈组供电：
64.多通道信号发生器，用于产生通电线圈组所需的电流波形，电流波形为正弦波、三角波、脉冲方波中的一种。
65.功率放大器，用于将多通道信号发生器产生的电流波形放大至设定大小，并基于放大后的电流波形为多通道激励线圈组供电。
66.通道控制单元，用于切换所述激励线圈组中的不同方向的激励线圈，对磁粒子进
行不同方向的激励。
67.信号调理单元，用于对所述多通道检测线圈组检测到的响应电压信号进行放大和滤波处理。
68.图像重建单元，用于根据放大和滤波处理处理后的响应电压信号进行数字信号处理和三维磁粒子图像重建。
69.三维磁粒子成像系统还包括显示单元，用于显示所述图像重建单元重建的三维磁粒子图像。
70.多个激励方向不同的激励电磁线圈，其在某一时刻下，仅有一个激励电磁线圈产生激励磁场：
71.当任一个激励电磁线圈产生激励磁场时，所有检测线圈阵列同时检测磁粒子产生的磁化响应电压信号，与激励磁场同方向的检测线圈阵列用于检测磁粒子产生的主磁通方向的磁化响应电压信号，与激励磁场垂直的检测线圈阵列用于检测磁粒子产生的漏磁通方向的磁化响应电压信号。
72.如图1所示的实施例中，在某一时刻下，仅控制一个激励电磁线圈产生激励磁场，所有检测线圈阵列同时检测磁粒子产生的磁化响应信号，与激励磁场同方向的检测线圈阵列用于检测磁粒子产生的主磁通方向的磁化响应信号，与激励磁场垂直的检测线圈阵列用于检测磁粒子产生的漏磁通方向的磁化响应信号。具体来说，当控制激励电磁线圈1对fov内的磁粒子进行激励时，激励电磁线圈2、3、4停止工作，检测线圈阵列5、6检测磁粒子产生的主磁通方向的磁化响应信号，检测线圈阵列7、8检测磁粒子产生的漏磁通方向的磁化响应信号；之后，切换激励电磁线圈2对fov内的磁粒子进行激励，激励电磁线圈1、3、4停止工作，检测线圈阵列7、8检测磁粒子产生的主磁通方向的磁化响应信号，检测线圈阵列5、6检测磁粒子产生的漏磁通方向的磁化响应信号；之后依次切换激励电磁线圈3和激励电磁线圈4进行激励，检测线圈工作原理同上。
73.本发明第二实施例的基于多通道激励和检测的三维磁粒子成像方法，基于上述的基于多通道激励和检测的三维磁粒子成像系统，如图2所示，该三维磁粒子成像方法包括：
74.步骤s10，依次向不同的激励电磁线圈输入高频脉冲电流，在三维磁粒子成像系统的成像视场中产生特定方向的脉冲磁场，激发磁粒子产生不同方向上的磁化响应电压信号；
75.步骤s20，针对每一个激励电磁线圈，利用平行于所述激励电磁线圈的检测线圈阵列检测磁粒子产生的主磁通方向的磁化响应电压信号，利用垂直于所述激励电磁线圈的检测线圈阵列检测磁粒子产生的漏磁通方向的磁化响应电压信号；
76.步骤s30，通过数字滤波技术过滤检测到的响应电压信号中的直流分量，并对检测信号进行快速傅里叶变换，得到响应电压信号的频谱序列；
77.步骤s40，构造多通道激励电磁线圈和检测线圈的测量矩阵，结合所述响应电压信号的频谱序列计算磁粒子浓度空间分布，实现三维磁粒子图像重建。
78.结合图1的多通道激励线圈组及多通道检测线圈组的组成来具体描述图2所示的基于多通道激励和检测的三维磁粒子成像方法的流程：
79.依次向不同激励线圈输入高频脉冲电流，激发磁粒子产生不同方向上的磁化响应信号：利用交流电源依次向第一激励线圈1、第二激励线圈2、第三激励线圈3和第四激励线
圈4输入高频脉冲电流，在fov内产生不同方向的激励磁场，激发磁粒子产生不同方向的磁化响应信号。
80.其中，高频脉冲电流，其波形为窄脉宽的脉冲方波。
81.利用检测线圈组检测磁粒子产生的主磁通方向和漏磁通方向上的磁化响应信号：当激励电磁线圈组中的一个激励电磁线圈激发磁粒子产生磁化响应信号后，利用平行于所述激励电磁线圈的检测线圈阵列检测磁粒子产生的主磁通方向的磁化响应信号，利用垂直于所述激励电磁线圈的检测线圈阵列检测磁粒子产生的漏磁通方向的磁化响应信号。
82.通过数字滤波技术滤掉检测信号中的直流分量，并对检测信号进行快速傅里叶变换，得到检测信号的频谱序列：首先对传至上位机的检测信号进行数字滤波，过滤掉检测信号中无用的直流分量，并对检测信号进行快速傅里叶变换，得到检测信号对应的频谱序列，所述检测信号即检测线圈组采集回的响应电压信号。
83.构造多通道激励电磁线圈和检测线圈的测量矩阵，利用频谱序列和测量矩阵计算磁粒子浓度空间分布，实现三维磁粒子图像重建。
84.多通道激励电磁线圈和检测线圈的测量矩阵，其构造方法为：
85.步骤s411，基于预设的三维磁粒子重建图像分辨率，将三维磁粒子成像系统的成像视场划分为n个重建单元。重建单元可以选用正方形小格，或长方形小格等，本发明对重建单元的形状不作限定。
86.其中，重建单元的大小与重建图像分辨率高低对应，分辨率越高重建单元越小。
87.步骤s412，将待成像对象的磁粒子样本放入所述三维磁粒子成像系统的成像视场，遍历n个重建单元：针对每一个重建单元，通过上述的基于多通道激励和检测的三维磁粒子成像方法的步骤s10
‑
步骤s30对应方法获取一组频谱序列；所述一组频谱序列构成长度为m的一维向量。
88.步骤s413，将n个重建单元对应的n组频谱序列进行组合，获得多通道激励电磁线圈和检测线圈的测量矩阵；所述测量矩阵，其第一列为第一组频谱序列，第n列为第n组频谱序列，测量矩阵大小为m行n列。
89.测量矩阵即为表示磁粒子浓度空间分布与检测得到的频谱序列之间的映射关系的频谱矩阵。
90.维磁粒子图像重建，其方法为：
91.步骤s421，建立三维磁粒子图像重建方程，如式(1)所示：
92.f＝ac
ꢀꢀꢀ
(1)
93.其中，a为多通道激励电磁线圈和检测线圈的测量矩阵，f为多通道检测线圈组检测得到的频谱序列，c为三维磁粒子重建图像；
94.步骤s422，根据所述图像重建方程，求解三维磁粒子重建图像c，实现三维磁粒子图像重建。
95.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。
96.需要说明的是，上述实施例提供的基于多通道激励和检测的三维磁粒子成像系统及方法，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。
97.本发明第三实施例的一种设备，包括：
98.至少一个处理器；以及
99.与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
100.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多通道激励和检测的三维磁粒子成像方法。
101.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多通道激励和检测的三维磁粒子成像方法。
102.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。
103.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。
104.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。
105.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。
106.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。