[发明专利]基于谐波正交投影的磁粒子成像方法、系统、设备

说明书

本发明属于生物医学成像技术领域，具体涉及一种基于谐波正交投影的磁粒子成像方法、系统、设备，旨在解决现有的磁粒子成像方法无法实现在高驱动磁场和低梯度磁场条件下的快速高分辨率成像的问题。本发明方法包括：采集磁粒子时域信号；将扫描磁场的合成扫描路径进行网格离散化；对采集到的磁粒子时域信号进行时频域变换；将瞬时谐波分量投影至对应的离散网格上，获得不同频率的谐波正交投影图像；构建小样本先验谐波正交投影图像，进而构造不同频率的投影卷积核；利用投影卷积核对谐波正交投影图像进行反卷积，得到磁粒子的空间分布图像。本发明提升了磁粒子成像的空间分辨率，实现了强激励磁场条件下的磁粒子的空间分布快速高分辨率成像。

技术领域

本发明属于生物医学成像技术领域，具体涉及一种基于谐波正交投影的磁粒子成像方法、系统、设备。

背景技术

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、靶向给药等问题中被广泛研究和应用。

传统磁粒子成像(MPI)方法的基本流程是：1、首先利用高场强的静态梯度磁场在成像空间内构造出一无磁场区域(FFR)，该区域可以是无磁场点(FFP)，也可以是无磁场线(FFL)。在FFR内磁粒子处于非饱和状态，能够产生磁化响应信号；2、施加高频的驱动磁场使FFR内的磁粒子磁矩发生旋转，进而产生磁化响应信号。同时FFR会随着驱动场强度的增大而发生移动，实现FFR在成像空间内的快速扫描；3、当存在两个或三个方向的驱动磁场时，则FFR会在成像空间内进行二维或三维扫描；4、利用接收线圈感应磁粒子的磁化响应信号，结合图像重建算法即可实现磁粒子浓度分布的重建。

目前MPI重建算法主要包括系统矩阵法和X空间法：

系统矩阵法的基本原理是通过建立磁粒子信号U与浓度c之间的系统矩阵S，进一步求解方程U＝Sc，计算磁粒子浓度c的空间分布。但现存问题在于系统矩阵的获取过程非常繁琐，需要通过重复移动磁粒子样本进行测量，而且需要定期反复调试校准，时间成本非常高。且大量的矩阵运算会导致成像速度变慢，不利于实时成像。

X空间法是一种相对简单快速的MPI重建方法，将时域信号进行反卷积处理投影至FFR扫描轨迹上即可重建粒子分布。但现存的问题在于，为增大扫描范围而提高驱动磁场场强的同时，磁粒子会受到强驱动磁场的影响产生弛豫效应。这将导致时域信号发生延迟和畸变，进而导致重建图像错位和模糊，使图像的空间分辨率降低。另一方面，粒子信号强度也与驱动场的场强成正比，若想进行高灵敏度的磁粒子成像，必然要提高驱动场强。因此，基于X空间的快速成像方法很难兼顾空间分辨率和灵敏度。

综上所述，目前磁粒子成像重建方法还无法实现在高驱动磁场和低梯度磁场条件下的快速高分辨率成像。这将制约磁粒子成像技术在临床应用领域的发展。基于此，本发明提出了一种基于谐波正交投影的磁粒子成像方法。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有的磁粒子成像方法无法实现在高驱动磁场和低梯度磁场条件下的快速高分辨率成像的问题，本发明提出了一种基于谐波正交投影的磁粒子成像方法，应用于磁粒子成像装置，所述磁粒子成像装置包括永磁体对、扫描线圈组、样本移动床、图像重建装置；所述扫描线圈组包括两对环形扫描线圈对、两个圆筒形线圈；所述环形扫描线圈对中两个环形扫描线圈共轴且轴线正交；两个圆筒形线圈，一个为激励线圈，一个为接收线圈，同轴设置于两对环形扫描线圈对的包围空间；所述磁粒子成像装置以圆筒形线圈的轴线方向为x方向、以圆筒形线圈的轴线的纵向为z方向；所述永磁体对设置于z方向的环形扫描线圈对与圆筒形线圈之间；该方法包括：

步骤S100，利用永磁体对构建梯度磁场，形成无磁场区域，并向两对环形扫描线圈对通入交变电流，产生扫描磁场；产生扫描磁场时，利用激励线圈对磁粒子进行激励，并利用接收线圈采集磁粒子时域信号；

步骤S200，将至少一个方向的扫描磁场的合成扫描路径进行网格离散化，每个离散网格对应一个成像体素；所述合成扫描路径指的是两个以上方向的扫描磁场同时工作时的扫描路径；