[发明专利]基于预极化的磁纳米粒子成像系统及方法

说明书

本发明属于生物医学成像技术领域，具体涉及了一种基于预极化的磁纳米粒子成像系统及方法，旨在解决现有磁纳米粒子成像设备依赖差分式接收线圈、对背景干扰信号不鲁棒的问题。本发明包括：一组预极化线圈、一组梯度和水平扫描线圈、一组激励和垂直扫描线圈以及一组非差分接收线圈，用于进行磁纳米粒子的半饱和状态预极化、激发磁场并沿水平和垂直方向空间编码，以及感应磁化强度变化；信号采集和图像重建模块，用于采集成像目标的三维断层扫描过程中一组非差分接收线圈的感应电压信号，并进行磁纳米粒子成像重建。本发明实现了无背景干扰的磁化脉冲信号检测和磁纳米粒子成像，系统的鲁棒性强。

技术领域

本发明属于生物医学成像技术领域，具体涉及了一种基于预极化的磁纳米粒子成像系统及方法。

背景技术

磁纳米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。

根据朗之万顺磁理论，磁纳米粒子在外加交变磁场激励下会产生含有奇次谐波的非线性磁化响应，此时利用接收线圈即可检测除了基频以外的奇次谐波信号，并将信号用于图像重建，上述图像重建方法称为磁纳米粒子成像(MPI,Magnetic Particle Imaging)。传统MPI装置中的接收线圈通常与激励线圈同轴，其目的是增大接收效率，但随之带来的问题是激励磁场会直接在接收线圈上形成感应电压信号，这种感应电压信号一般称为背景信号。通常背景信号要比磁纳米粒子的响应信号高几个数量级。因此，传统MPI装置中的接收线圈一般采用差分结构，具体是由两个绕线方向相反的线圈串联而成，其中一个靠近探测区域，另一个远离探测区域，其目的是尽可能抵消背景信号，同时避免磁纳米粒子响应信号的损失。

虽然差分式接收线圈理论上可以完全抵消背景信号，但由于对两个线圈的绕线匝数和相对位置特别敏感，因此在实际应用中其鲁棒性较差，一般还需要配置陷波器进一步抑制基频分量。但更关键的问题在于，由于激励系统的非理想性，激励电流除基频外还夹杂着由于系统非线性失真导致的高次谐波干扰，而这种谐波干扰与磁纳米粒子奇次谐波信号严重混叠，无法用传统数字或模拟滤波技术去除。如果谐波干扰过大将导致重建图像产生严重的伪影。

综上所述，本领域还缺少一种鲁棒的、无背景信号干扰的MPI成像方法。为此，本发明提供了一种基于预极化的磁纳米粒子成像系统和方法。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即现有磁纳米粒子成像设备依赖差分式接收线圈、对背景干扰信号不鲁棒的问题，本发明提供了一种基于预极化的磁纳米粒子成像系统，所述磁纳米粒子成像系统包括：

电磁线圈模块包括一组预极化线圈、一组梯度和水平扫描线圈、一组激励和垂直扫描线圈以及一组非差分接收线圈，用于进行磁纳米粒子的半饱和状态预极化、激发磁场并沿水平和垂直方向空间编码，以及感应磁化强度变化；

信号采集和图像重建模块，用于采集成像目标的三维断层扫描过程中所述一组非差分接收线圈的感应电压信号，并基于所述感应电压信号，进行磁纳米粒子成像重建。

在一些优选的实施例中，所述一组预极化线圈，通入直流电流后，在视场断层面内产生同向且均匀的预极化场，用于使视场内部的磁纳米粒子处于半饱和磁化状态。

在一些优选的实施例中，所述一组预极化线圈为亥姆霍兹线圈结构或螺线管结构。

在一些优选的实施例中，所述半饱和磁化状态为：

磁纳米粒子的宏观的磁化强度方向沿视场轴向对齐并与外加磁场一致，且可以随外加磁场发生旋转的不完全磁饱和状态。

在一些优选的实施例中，所述一组梯度和水平扫描线圈，通入直流和低频交变电流后，沿视场水平方向产生动态梯度磁场，用于沿视场水平方向进行空间编码。

在一些优选的实施例中，所述一组梯度和水平扫描线圈为麦克斯韦线圈结构。