一种基于SERF原子磁强计的高空间分辨率心磁成像方法与流程

一种基于serf原子磁强计的高空间分辨率心磁成像方法
技术领域
1.本发明属于生物医学信号分析领域，涉及一种基于serf(spin exchange relaxation free，无自旋交换弛豫)原子磁强计阵列的高空间分辨率心磁成像方法。


背景技术：

2.基于serf原子磁强计的心磁成像是一种新型心脏检测方法，具有无创、无辐射、非接触、室温下工作、高灵敏度、高时间分辨率的特点。研究表明，基于serf原子磁强计的心磁成像在心律失常、心肌缺血、胎儿心脏等疾病诊断方面优于心电等其他检测方法，有较高的医学研究和应用价值。
3.基于serf原子磁强计的高空间分辨率心磁成像方法是基于serf原子磁强计的心磁诊断技术的应用之一，其原理是使用多层排布的serf原子磁强计阵列采集心磁信号，把多层阵列心磁信号都垂直投影到最底层阵列进行成像，从而实现高空间分辨率的心磁成像。相比于squid(superconducting quantum interference device，超导量子干涉装置)磁强计，serf原子磁强计可以在室温工作，并且传感器自由组合实现多层排布，可以实现更高空间分辨率的心磁成像。
4.目前心磁成像方法具有一定的局限性，主要是成像空间分辨率低、传感阵列的散热效果差、传感阵列的串扰大、在二维图成像用于疾病诊断中包含局部细节信息少。
5.因此，如何提供一种基于serf原子磁强计阵列的高空间分辨率心磁成像方法，以解决现有心磁成像的局限性，已成为本领域从业者亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本发明的技术解决问题：克服现有技术的缺点，提供一种基于serf原子磁强计的高空间分辨率心磁成像方法，用于解决现有技术中心磁成像方法的成像空间分辨率低、传感阵列的散热效果差、传感阵列的串扰大、在二维图成像用于疾病诊断中局部信息少的问题。
7.为实现上述目的及其他的相关目的，本发明一种基于serf原子磁强计的高空间分辨率心磁成像方法，包括以下步骤：
8.步骤一，排布多层serf原子磁强计阵列。该步骤设置serf原子磁强计阵列的层数和相邻serf原子磁强计之间水平方向排布间隔；根据成像空间分辨率指标要求，计算出需要的serf原子磁强计阵列的层数和相邻serf原子磁强计之间水平方向排布间隔；得到满足空间分辨率成像要求的多层serf原子磁强计阵列，该步骤采集的心磁信号可用于步骤三。
9.步骤二，标定多层阵列信号投影至最底层阵列的函数关系。基于排布多层serf原子磁强计阵列模块得到确定层数和相邻serf原子磁强计之间水平方向排布间隔的多层serf原子磁强计阵列，对多层阵列中每层阵列分别进行标定，标定方法是对每层阵列垂直移动多个高度测量心磁信号，然后拟合心磁信号与高度之间的关系；实现多层阵列中每层阵列的信号都可以根据标定结果计算出投影到最底层高度时的信号幅值，该步骤获得的结
果用于步骤三。
10.步骤三，计算多层阵列生成心磁图像。根据步骤一采集的心磁信号，以及步骤二获得的标定结果，计算多层阵列信号垂直投影至最底层阵列的信号，得到多层阵列信号都化为最底层阵列的信号，对合成后的最底层阵列信号计算心磁图像，包括二维等磁图和二维伪电流密度图。
11.所述排布多层serf原子磁强计阵列模块由多层serf原子磁强计阵列构成，并且任一层serf原子磁强计阵列中的每个serf原子磁强计内部敏感源在水平方向位置相对其他层传感阵列的每个serf原子磁强计内部敏感源都是交叉排布，没有重合排布。
12.所述标定多层阵列信号投影至最底层阵列的函数关系模块由多次测量每个阵列在不同高度心磁信号幅值，以及函数拟合幅值与高度之间函数关系构成，多层阵列中的每一层阵列先在现有高度采集一组心磁信号，然后垂直向下调低n次阵列高度至最底层阵列的高度，再以相同间隔垂直向上n次调高阵列高度，对调节的2n个阵列高度分别都采集一组心磁信号，最后对获取的2n 1个高度的心磁信号进行拟合，获得多层阵列中每个serf原子磁强计信号与高度的函数关系式，n≥1。
13.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
14.(1)传统心磁成像是使用单层serf原子磁强计阵列进行采集信号，其心磁成像无法解决在提高成像空间分辨率的同时，消除散热和串扰问题。换言之，传统心磁成像中，如果为了提高成像空间分辨率而采取单层传感阵列中serf原子磁强计水平方向之间的间距减小，则会造成serf原子磁强计之间的热量无法散出，并且serf原子磁强计之间间距过小会有串扰，这都会导致传感阵列无法正常工作；如果为了解决serf原子磁强计之间的散热和串扰问题，把serf原子磁强计之间水平方向间距增大，则会导致成像空间分辨率减低。本发明中通过使用多层排布的serf原子磁强计阵列，提高serf原子磁强计投影到最底层后在水平面排布serf原子磁强计的空间密度，在相同水平面获取更多的心磁信号，从而实现在提高成像空间分辨率的同时，消除散热和串扰问题，可以采集信号通道数目提高、成像空间分辨率提高、传感阵列的散热效果提高、传感阵列的串扰消除。
15.(2)传统心磁成像是使用单层serf原子磁强计阵列进行采集信号，其阵列中serf原子磁强计之间水平方向间距较大，在二维图成像中serf原子磁强计之间部分使用插值绘图，局部真实细节信息无法获取；本发明中通过使用多层排布的serf原子磁强计阵列，从而实现高空间分辨率的心磁二维图成像，在二维图成像用于疾病诊断中局部细节信息更加丰富。
附图说明
16.图1为本发明的高空间分辨率心磁成像方法流程示意图；
17.图2为本发明的双层排布serf原子磁强计阵列示意图；
18.图3为本发明的标定双层阵列垂直投影关系示意图。
具体实施方式
19.下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
20.如图1所示，本发明的高空间分辨率心磁成像方法包括以下步骤：
21.第一步，排布多层serf原子磁强计阵列。
22.图2所示是双层排布serf原子磁强计阵列示意图，从图中可以看出，上层传感阵列中的serf原子磁强计垂直投影到下层传感阵列时，投影的serf原子磁强计并不与下层传感阵列中的serf原子磁强计位置重合，而是叉开排布的。排布三层以及更多层的serf原子磁强计阵列类似。
23.双层serf原子磁强计阵列的成像空间分辨率，实际就是上层阵列中的serf原子磁强计内部敏感源投影到下层阵列时与下层阵列的serf原子磁强计敏感源之间在水平方向上的距离。举例说明成像空间分辨率，在图2中serf原子磁强计a1内部敏感源投影到下层阵列后，与相邻的下层阵列serf原子磁强计b1敏感源之间在水平方向上的距离就是成像空间分辨率。反之，可以根据需要的高空间分辨率指标，来设计每层传感阵列中serf原子磁强计敏感源之间距离。
24.所述serf原子磁强计内部的敏感源，是指serf原子磁强计内部气室中抽运光和检测光交叉部分。
25.第二步，标定多层阵列信号投影至最底层阵列的函数关系。
26.所述标定多层阵列信号投影至最底层阵列的函数关系可以参阅图3所示，图3所示是标定双层阵列中上层阵列信号投影关系示意图，双层传感阵列的上层阵列先在现有高度采集一组心磁信号，然后垂直向下调低n次阵列高度至最底层阵列的高度，再以相同间隔垂直向上n次调高阵列高度，对调节的2n个阵列高度分别都采集一组心磁信号，最后对获取的2n 1组高度的心磁信号进行拟合，获得上层阵列中每个serf原子磁强计信号与高度的函数关系式。标定三层以及更多层的serf原子磁强计阵列垂直投影关系类似。
27.所述拟合心磁信号和serf原子磁强计高度之间函数关系，采用的拟合方法为多项式曲线拟合。
28.第三步，计算多层阵列生成的心磁图像。
29.根据步骤一采集的心磁信号，以及步骤二获得的标定结果，计算多层阵列信号垂直投影至最底层阵列的信号，得到多层阵列信号都化为最底层阵列的信号，对合成后的最底层阵列信号计算心磁图像，包括心磁二维等磁图和心磁二维伪电流密度图。
30.所述心磁二维等磁图，为同一时刻各测量点测得的心磁信号中具有相同幅值的测量点相连接，形成等高线图。
31.所述心磁二维伪电流密度图，根据麦克斯韦方程组对于电流矢量和磁场矢量关系的描述，可利用在平面上测得的心脏磁场分布数据，计算相应的电流源矢量，将各个位置的电流源矢量以箭头图的形式绘制出来，形成的图像即伪电流密度图。
32.心磁二维伪电流密度图中的电流矢量计算如公式(1)所示：
[0033][0034]
其中表示测量平面上的电流矢量，b
z
为serf磁强计采集的心脏磁通密度的法向分量，分别为测量平面上x、y的单位方向向量。的幅值和相角分别为公式(2)和(3)：
[0035][0036][0037]
综上，本发明一种基于serf原子磁强计的高空间分辨率心磁成像方法，依次进行排布多层serf原子磁强计阵列模块、标定多层阵列信号投影至最底层阵列的函数关系模块、计算多层阵列生成心磁图像模块，最终实现了高空间分辨率心磁成像，具有的优点是采集信号通道数目提高、成像空间分辨率提高、传感阵列的散热效果提高、传感阵列的串扰消除、在二维图成像用于疾病诊断中局部细节信息更加丰富。所以，本发明有效克服了现有技术中的各个缺点而具有较高的医学应用价值。
[0038]
上述实施例仅列示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所述技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。