基于梯形波激励的多色定量磁纳米粒子成像方法及系统

1.本发明属于磁纳米粒子成像领域，具体涉及了一种基于梯形波激励的多色定量磁纳米粒子成像方法及系统。


背景技术：

2.磁粒子成像（mpi,magnetic particle imaging）是一种新型的医疗成像方法，它通过构建梯度场，产生无磁场点（ffp,filed free point）或无磁场线（ffl,field free line），使得处于ffp或ffl的磁纳米粒子（spio,superparamagnetic iron oxide nanoparticle），可以对激励磁场产生非线性磁化响应，而其他区域的spio处于饱和状态，从而根据接收线圈的感应电压对spio的分布状态进行编码重建。mpi的灵敏度高、分辨率强，在许多疾病研究中都有巨大的应用潜力，如心血管疾病、肿瘤检测、细胞示踪等等。
3.目前mpi领域，对多种粒子的mpi图像重建还处于研究起步阶段，对于不同粒子的定量计算还没有研究。但是在临床应用中，获得多种粒子的定量信息非常有必要。通过不同的spio标记不同的细胞，将不同粒子的浓度分布为多色定量图像，可以帮助医生定量区分不同细胞的位置及数量，从而精准判断病情。
4.总的来说，磁粒子成像领域中单粒子同色成像无法对不同细胞标记，从而无法实现不同细胞的位置及数量区分，本领域还急需一种能够实现多色定量磁纳米粒子成像的方法，以更好地定量区分不同细胞的位置及数量，精准判断病情。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术无法实现多色定量磁粒子成像的问题，本发明提供了一种基于梯形波激励的多色定量磁纳米粒子成像方法，该方法包括：步骤s10，分别获取种spio标准品以及任意含量的种spio标准品组成的待检测样品在梯形波激励下的响应电压信号；步骤s20，根据磁激励区域在视野场的移动轨迹分别网格化所述响应电压信号，对spio标准品的视野场中心网格内的电压信号按激励周期平均，获得种spio标准品对应的磁化曲线，对待检测样品的每一个网格内的电压信号按激励周期平均，获得每个网格对应的磁化曲线；步骤s30，根据种spio标准品对应的磁化曲线与磁滞惯性系数的惯性增长关系，求解种spio标准品的磁滞惯性系数；步骤s40，选取位置处待检测样品对应的磁化曲线中包括梯形波进入高幅值保持阶段的初始时刻和结束时刻在内的个时刻的点，结合种spio标准品的磁滞惯性系数，构建种spio质量的方程组并求解，获得位置处待检测样品的质量分布；步骤s50，赋予每种spio不同的颜色，并将所述待检测样品的质量分布
进行质量重排与分布图像融合，获得多色定量磁纳米粒子图像。
6.在一些优选的实施例中，所述梯形波通过梯形波激励模块生成；所述梯形波的上升时间、保持时间以及周期通过所述梯形波激励模块中的电阻值和电容值调整；所述梯形波的最大值通过所述梯形波激励模块的参考输入电压调整。
7.在一些优选的实施例中，步骤s10中获取种spio标准品在梯形波激励下的响应电压信号，其方法为：制备多色定量磁粒子成像中的种spio标准品，每个spio标准品的铁浓度含量为0.2mg/ml，体积为0.1ml；将任一spio标准品放至多色定量磁粒子成像的视野场中心；通过磁激励区域在视野场中移动扫描测量，获得当前spio标准品的响应电压信号；遍历种spio标准品，获得响应电压信号。
8.在一些优选的实施例中，步骤s10中获取待检测样品在梯形波激励下的响应电压信号，其方法为：将种spio标准品以任意含量混合，获得每种spio的总铁含量未知、spio的分布情况未知的种spio标准品组成的待检测样品；将所述待检测样品放至多色定量磁粒子成像的视野场中心；通过磁激励区域在视野场中移动扫描测量，获得待检测样品的响应电压信号。
9.在一些优选的实施例中，步骤s20中所述种spio标准品对应的磁化曲线，其获取方法为：步骤s201，将种spio标准品在梯形波激励下的响应电压信号结合磁激励区域在视野场的移动轨迹网格化，分别将响应电压信号离散为若干段；步骤s202，选取视野场中心网格内的离散响应电压信号，根据信号包含的多个激励周期，将多个激励周期的信号平均为一个周期；步骤s203，进行平均后的响应电压信号的积分，获得种spio标准品对应的磁化曲线。
10.在一些优选的实施例中，步骤s20中所述每个网格对应的磁化曲线，其获取方法为：步骤s211，将待检测样品在梯形波激励下的响应电压信号结合磁激励区域在视野场的移动轨迹网格化，将响应电压信号离散为若干段；步骤s212，选取网格内的离散响应电压信号，根据信号包含的多个激励周期，将多个激励周期的信号平均为一个周期；步骤s213，进行平均后的响应电压信号的积分，获得网格对应的磁化曲线；步骤s214，遍历个网格，获得每个网格对应的磁化曲线。
11.在一些优选的实施例中，步骤s30包括：步骤s31，对于种spio标准品中的第种spio标准品，磁化矢量以磁滞惯性系数做惯性增长：当梯形波进入高幅值保持阶段的初始时刻时，第种spio标准品的磁化矢量随时间的变化为；当梯形波进入高幅值保持阶段的结束时刻时，第种spio标准品的磁化矢量随时间的变化为；步骤s32，基于磁化矢量、以及，求解获得第种spio标准品的惯性系数；步骤s33，遍历种spio标准品，获得种spio标准品的磁滞惯性系数。
12.在一些优选的实施例中，所述种spio质量的方程组为：
其中，代表梯形波进入高幅值保持阶段的初始时刻，代表梯形波进入高幅值保持阶段的结束时刻，代表初始时刻到结束时刻之间的个时刻，代表第种spio在时刻的磁化矢量，，代表在位置处，第种spio的质量，，代表第种spio的磁滞惯性系数，。
13.在一些优选的实施例中，步骤s50包括：步骤s51，赋予每种spio不同的颜色；步骤s52，根据磁激励区域在视野场的移动轨迹将所述待检测样品处的质量的重新排列，获得定量分布图像；步骤s53，进行所述定量分布图像的图像融合，获得多色定量磁纳米粒子图像。
14.本发明的另一方面，提出了一种基于梯形波激励的多色定量磁纳米粒子成像系统，该系统包括以下模块：响应信号获取模块，配置为分别获取种spio标准品以及任意含量的种spio标准品组成的待检测样品在梯形波激励下的响应电压信号；磁化曲线生成模块，配置为根据磁激励区域在视野场的移动轨迹分别网格化所述响应电压信号，对spio标准品的视野场中心网格内的电压信号按激励周期平均，获得种spio标准品对应的磁化曲线，对待检测样品的每一个网格内的电压信号按激励周期平均，获得每个网格对应的磁化曲线；磁滞惯性系数获取模块，配置为根据种spio标准品对应的磁化曲线与磁滞惯性
系数的惯性增长关系，求解种spio标准品的磁滞惯性系数；待检测样品质量求解模块，配置为选取待检测样品中网格对应的磁化曲线中包括梯形波进入高幅值保持阶段的初始时刻和结束时刻在内的个时刻的点，结合种spio标准品的磁滞惯性系数，构建种spio质量的方程组并求解，遍历个网格获得待检测样品的质量分布；多色定量磁粒子成像模块，配置为赋予每种spio不同的颜色，并将所述待检测样品的质量分布进行质量重排与分布图像融合，获得多色定量磁纳米粒子图像。
15.本发明的有益效果：本发明基于梯形波激励的多色定量磁纳米粒子成像方法，梯形波激励可以使得spio具有磁滞效应，并且在高幅值保持阶段的磁化矢量能够以一定的磁滞惯性系数增长，根据磁化矢量的磁滞惯性增长阶段，可以构建关于不同spio的质量方程组，从而求解出每种粒子的质量，实现mpi图像的多色定量，弥补了当下mpi研究中无法对多种spio实现定量计算的不足，拓宽了mpi的功能，实现多色定量成像，使得mpi在医疗领域有更大的应用潜能。此外，本发明还可以促进复杂磁纳米粒子探针在mpi上的应用，可以将多种spio混合的探针实现精准定位与定量，符合精准医疗的发展需求和发展方向。
附图说明
16.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是本发明基于梯形波激励的多色定量磁纳米粒子成像方法的流程示意图；图2是本发明基于梯形波激励的多色定量磁纳米粒子成像方法一种实施例的梯形波生成电路原理图；图3是本发明基于梯形波激励的多色定量磁纳米粒子成像方法一种实施例的梯形波示意图；图4是本发明基于梯形波激励的多色定量磁纳米粒子成像方法一种实施例的梯形波激励下的磁滞回线与磁滞增长阶段示意图；图5是本发明基于梯形波激励的多色定量磁纳米粒子成像方法一种实施例的梯形波激励下的标准品磁化曲线；图6是本发明基于梯形波激励的多色定量磁纳米粒子成像方法一种实施例的高幅值保持阶段标准品与待测样品的磁化矢量随时间变化曲线；图7是本发明基于梯形波激励的多色定量磁纳米粒子成像方法一种实施例的多色定量磁纳米粒子图像。
具体实施方式
17.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。
18.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。
19.本发明提供一种基于梯形波激励的多色定量磁纳米粒子成像方法，本方法在mpi的ffp中，使用梯形波产生电路，产生梯形波激励场，使得不同的spio在梯形波激励下发生磁滞磁化，通过检测线圈接收到的电压信号，逆向求出所有spio的磁化矢量，结合不同的spio在梯形波激励下的磁滞特性，重建出不同spio的浓度分布及定量信息，从而实现多色定量mpi成像。
20.本发明的一种基于梯形波激励的多色定量磁纳米粒子成像方法，该方法包括：步骤s10，分别获取种spio标准品以及任意含量的种spio标准品组成的待检测样品在梯形波激励下的响应电压信号；步骤s20，根据磁激励区域在视野场的移动轨迹分别网格化所述响应电压信号，对spio标准品的视野场中心网格内的电压信号按激励周期平均，获得种spio标准品对应的磁化曲线，对待检测样品的每一个网格内的电压信号按激励周期平均，获得每个网格对应的磁化曲线；步骤s30，根据种spio标准品对应的磁化曲线与磁滞惯性系数的惯性增长关系，求解种spio标准品的磁滞惯性系数；步骤s40，选取位置处待检测样品对应的磁化曲线中包括梯形波进入高幅值保持阶段的初始时刻和结束时刻在内的个时刻的点，结合种spio标准品的磁滞惯性系数，构建种spio质量的方程组并求解，获得位置处待检测样品的质量分布；步骤s50，赋予每种spio不同的颜色，并将所述待检测样品的质量分布进行质量重排与分布图像融合，获得多色定量磁纳米粒子图像。
21.为了更清晰地对本发明基于梯形波激励的多色定量磁纳米粒子成像方法进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各步骤展开详述。
22.本发明第一实施例的基于梯形波激励的多色定量磁纳米粒子成像方法，包括步骤s10-步骤s50，各步骤详细描述如下：步骤s10，分别获取种spio标准品以及任意含量的种spio标准品组成的待检测样品在梯形波激励下的响应电压信号。
23.多色定量磁纳米粒子成像系统包括梯度扫描一体化模块、梯形波激励模块、信号接收模块：梯度扫描一体化模块，通过在对称的线圈中通入直流电流，构建ffp，再通入低频余弦电流，使得ffp区域可以沿整个视野场（fov,field of view）移动，从而可以在整个fov扫描。
24.梯形波激励模块用于生成梯形波，如图2所示，为本发明基于梯形波激励的多色定量磁纳米粒子成像方法一种实施例的梯形波生成电路原理图，梯形波激励模块包括梯形波
产生电路、功率放大器，图2仅示出了一种梯形波生成电路原理图，在其他实施例中，可以结合应用场景的需要选择其他结构的梯形波生成电路，本发明在此不一一详述。
25.如图3所示，为本发明基于梯形波激励的多色定量磁纳米粒子成像方法一种实施例的梯形波示意图，该梯形波由图2所示的梯形波生成电路生成，梯形波的上升时间、保持时间以及周期通过梯形波激励模块中的电阻值和电容值调整，梯形波的最大值通过梯形波激励模块的参考输入电压调整。
26.信号接收模块，包含接收线圈与数据采集电路，将spio产生的信号采集与保存。
27.步骤s10中获取种spio标准品在梯形波激励下的响应电压信号，其方法为：制备多色定量磁粒子成像中的种spio标准品，每个spio标准品的铁浓度含量为0.2mg/ml，体积为0.1ml；将任一spio标准品放至多色定量磁粒子成像的视野场中心；通过磁激励区域在视野场中移动扫描测量，获得当前spio标准品的响应电压信号；遍历种spio标准品，获得响应电压信号。
28.步骤s10中获取待检测样品在梯形波激励下的响应电压信号，其方法为：将种spio标准品以任意含量混合，获得每种spio的总铁含量未知、spio的分布情况未知的种spio标准品组成的待检测样品；将待检测样品放至多色定量磁粒子成像的视野场中心；通过磁激励区域在视野场中移动扫描测量，获得待检测样品的响应电压信号。
29.步骤s20，根据磁激励区域在视野场的移动轨迹分别网格化所述响应电压信号，对spio标准品的视野场中心网格内的电压信号按激励周期平均，获得种spio标准品对应的磁化曲线，对待检测样品的每一个网格内的电压信号按激励周期平均，获得每个网格对应的磁化曲线。
30.步骤s20中所述种spio标准品对应的磁化曲线，其获取方法为：步骤s201，将种spio标准品在梯形波激励下的响应电压信号结合磁激励区域在视野场的移动轨迹网格化，分别将响应电压信号离散为若干段；步骤s202，选取视野场中心网格内的离散响应电压信号，根据信号包含的多个激励周期，将多个激励周期的信号平均为一个周期；步骤s203，进行平均后的响应电压信号的积分，获得种spio标准品对应的磁化曲
线。
31.步骤s20中所述每个网格对应的磁化曲线，其获取方法为：步骤s211，将待检测样品在梯形波激励下的响应电压信号结合磁激励区域在视野场的移动轨迹网格化，将响应电压信号离散为若干段；步骤s212，选取网格内的离散响应电压信号，根据信号包含的多个激励周期，将多个激励周期的信号平均为一个周期；步骤s213，进行平均后的响应电压信号的积分，获得网格对应的磁化曲线；步骤s214，遍历个网格，获得每个网格对应的磁化曲线。
32.步骤s30，根据种spio标准品对应的磁化曲线与磁滞惯性系数的惯性增长关系，求解种spio标准品的磁滞惯性系数。
33.如图4所示，为本发明基于梯形波激励的多色定量磁纳米粒子成像方法一种实施例的梯形波激励下的磁滞回线与磁滞增长阶段示意图，标准品spio在梯形波激励磁场下，具有磁滞效应，mmax代表最大的磁化矢量的幅值，-mmax代表最小的磁化矢量的幅值，hmax代表最大激励磁场强度的幅值，-hmax代表最小激励磁场强度的幅值。
34.步骤s31，对于种spio标准品中的第种spio标准品，磁化矢量以磁滞惯性系数做惯性增长：当梯形波进入高幅值保持阶段的初始时刻时，第种spio标准品的磁化矢量随时间的变化如式（1）所示：当梯形波进入高幅值保持阶段的结束时刻时，第种spio标准品的磁化矢量随时间的变化如式（2）所示：步骤s32，如图5所示，为本发明基于梯形波激励的多色定量磁纳米粒子成像方法一种实施例的梯形波激励下的标准品磁化曲线，基于标准品磁化曲线中的磁化矢量、以及，求解获得第种spio标准品的惯性系数；
步骤s33，遍历种spio标准品，获得种spio标准品的磁滞惯性系数。
35.步骤s40，选取位置处待检测样品对应的磁化曲线中包括梯形波进入高幅值保持阶段的初始时刻和结束时刻在内的个时刻的点，结合种spio标准品的磁滞惯性系数，构建种spio质量的方程组并求解，获得位置处待检测样品的质量分布。
36.待测样品在梯形波激励磁场下，仍具有磁滞效应。对于位置处，在梯形波的高幅值保持阶段，待测样品的磁化矢量具有磁滞惯性，标准品的磁化矢量以磁滞惯性系数做惯性增长：当梯形波进入高幅值保持阶段的初始时刻时，磁化矢量随时间的变化如式（3）所示：当梯形波进入高幅值保持阶段的结束时刻时，磁化矢量随时间的变化如式（4）所示：根据待测样品包含的spio种类数目，选取曲线中的个点，如图6所示，为本发明基于梯形波激励的多色定量磁纳米粒子成像方法一种实施例的高幅值保持阶段标准品与待测样品的磁化矢量随时间变化曲线，选取的个点为曲线中包含且不局限于，的个点，构建关于每种spio质量的方程组，如式（5）所示：
其中，代表梯形波进入高幅值保持阶段的初始时刻，代表梯形波进入高幅值保持阶段的结束时刻，代表初始时刻到结束时刻之间的个时刻，代表第种spio在时刻的磁化矢量，，代表在位置处，第种spio的质量，，代表第种spio的磁滞惯性系数，。
37.步骤s50，赋予每种spio不同的颜色，并将所述待检测样品的质量分布进行质量重排与分布图像融合，获得多色定量磁纳米粒子图像：步骤s51，赋予每种spio不同的颜色；步骤s52，根据磁激励区域在视野场的移动轨迹将所述待检测样品处的质量的重新排列，获得定量分布图像；步骤s53，进行所述定量分布图像的图像融合，获得多色定量磁纳米粒子图像。
38.如图7所示，为本发明基于梯形波激励的多色定量磁纳米粒子成像方法一种实施例的多色定量磁纳米粒子图像，多色定量磁粒子成像过程中采用了3种spio标准品spio-1、spio-2和spio-3，spio-1在多色定量磁纳米粒子图像以三角形替代，spio-2在多色定量磁纳米粒子图像以正方形替代，spio-3在多色定量磁纳米粒子图像以圆形替代，实际应用中多色定量磁纳米粒子图像中各标准品以不同的颜色显示。
39.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。
40.本发明第二实施例的基于梯形波激励的多色定量磁纳米粒子成像系统，该系统包括以下模块：响应信号获取模块，配置为分别获取种spio标准品以及任意含量的种spio标准品组成的待检测样品在梯形波激励下的响应电压信号；磁化曲线生成模块，配置为根据磁激励区域在视野场的移动轨迹分别网格化所述响应电压信号，对spio标准品的视野场中心网格内的电压信号按激励周期平均，获得种spio标准品对应的磁化曲线，对待检测样品的每一个网格内的电压信号按激励周期平均，获得每个网格对应的磁化曲线；磁滞惯性系数获取模块，配置为根据种spio标准品对应的磁化曲线与磁滞惯性系数的惯性增长关系，求解种spio标准品的磁滞惯性系数；待检测样品质量求解模块，配置为选取待检测样品中网格对应的磁化曲线中包括梯形波进入高幅值保持阶段的初始时刻和结束时刻在内的个时刻的点，结合种spio标准品的磁滞惯性系数，构建种spio质量的方程组并求解，遍历个网格获得待检测样品的质量分布；多色定量磁粒子成像模块，配置为赋予每种spio不同的颜色，并将所述待检测样品的质量分布进行质量重排与分布图像融合，获得多色定量磁纳米粒子图像。
41.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，上述描述的系统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。
42.需要说明的是，上述实施例提供的基于梯形波激励的多色定量磁纳米粒子成像系统，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。
43.本发明第三实施例的一种电子设备，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梯形波激励的多色定量磁纳米粒子成像方法。
44.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梯形波激励的多色
定量磁纳米粒子成像方法。
45.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。
46.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。
47.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。
48.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。
49.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。