一种基于梯度场的磁粒子成像系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于梯度场的磁粒子成像系统，包括：激励磁场模块，包括均匀磁场激励单元和三方向的梯度磁场激励线圈对；各方向梯度磁场激励线圈对在被加载变化的反向交变电流后用于提供强度变化的梯度磁场；控制模块用于针对目标成像维度和目标成像平面，选择向至少一个特定方向的梯度磁场激励线圈对提供变化的反向交变电流使其磁场大小多次改变，以多次改变空间总梯度磁场的方向和大小；接收线圈对用于产生感应电压；信号处理模块用于对电压信号信号处理并提取尖峰信号的三倍基频谐波分量；图像重建模块用于根据不同三倍基频谐波分量利用系统矩阵重建得到待测目标内磁纳米粒子浓度的分布图像。本发明专利技术能降低功耗、提高图像质量并扩大成像视野。图像质量并扩大成像视野。图像质量并扩大成像视野。

【技术实现步骤摘要】
一种基于梯度场的磁粒子成像系统


[0001]本专利技术属于医学成像领域，具体涉及一种基于梯度场的磁粒子成像系统。

技术介绍

[0002]目前，临床医学成像主要分为两类：一类是结构成像，一类是功能成像。结构成像主要是显示出人体内部的器官和组织结构，成像方法包括B型超声、磁共振和CT(Computed Tomography，电子计算机断层扫描)等。功能成像是显示出血管、器官、组织和细胞的功能，成像方法包括DSA(Digital subtraction angiography，数字减影血管造影)、PET(positron emission tomography，正电子发射计算机断层成像)、SPECT(Single
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Photon Emission Computed Tomography，单光子发射计算机断层成像)和CTA(CT angiography，CT血管造影)等技术。功能成像通常需要向人体注射示踪剂。如果示踪剂本身带有放射性，则可以直接用探测器进行成像，如PET和SPECT技术。如果示踪剂本身不带有放射性，如含碘的造影剂，则必须通过X光扫描设备进行成像，如CTA和DSA技术。但上述功能成像技术中具有反射性的示踪剂以及X射线都会对病人和操作医生产生一定的电离辐射危害。
[0003]磁粒子成像(Magnetic Particle Imaging，MPI)是一种没有电离辐射的功能成像技术。MPI使用临床认证的超顺磁性氧化铁纳米颗粒(SPIONs)作为示踪剂。该磁纳米粒子的磁核尺寸在10
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60nm的范围，随着激励磁场的变化，能够产生出高频谐波信号。MPI成像主要是利用选择场产生一个磁场自由区(Field Free Region，FFR)，利用聚焦场快速移动磁场自由区，并利用激励场(驱动场)激发磁场自由区内的磁纳米粒子的磁性方位发生反转产生高频谐波信号，利用接收线圈接收高频谐波信号，通过图像重建得到磁纳米粒子的浓度在人体内的空间分布图像。由于MPI使用的磁纳米粒子不具有放射性，成像过程也无需使用X光，因而不存在任何电离辐射，对医生和患者具有更高的安全性。
[0004]MPI能够作为一种血管成像技术辅助治疗，比如在心脑血管疾病的诊断和治疗过程中，植入支架等操作都需要参考血管成像。但常规的血管成像需要向患者注入碘或钆对比剂，这些对比剂需要通过肾脏进行代谢，会对肾功能弱的患者造成很大的负担和危害。而磁粒子成像采用的磁纳米粒子是通过肝脏进行代谢的，对肾脏没有负担，对患者来说更为安全。并且，MPI不需要进行DSA中的数字减影处理，具有较少的运动伪影。
[0005]MPI为了得到特定点或线的信号，需要采用梯度线圈产生一个小的磁场自由区，磁场自由区可以是一个点区域(磁场自由点)，也可以是一根线区域(磁场自由线)。MPI采用逐点扫描或逐行扫描的方式，不断移动磁场自由区进行成像，每次采集的信号仅来源于特定位置的磁场自由区，信号强度取决于磁场自由区内的磁粒子浓度。
[0006]但是，MPI这种磁粒子成像技术仍存在以下的缺点：
[0007]1.功耗较大：MPI通常采用一对或多对反亥姆霍兹线圈构建选择场，在选择场的中间形成一个磁场自由区(点或线)，为了提高图像分辨率，需要磁场自由点足够小、磁场自由线足够细，因此需要大功耗器件来产生足够大的电流，以此产生较大的梯度磁场满足上述要求，会导致设备的功耗较大。
[0008]2.分辨率低：目前医学成像扫描技术的图像分辨率基本可以达到0.5毫米，MPI在20厘米的视野下，图像分辨率只能达到5毫米。MPI的空间分辨率是由梯度磁场的强度决定的，梯度磁场越大，磁场自由区的范围越小，产生信号的磁纳米粒子越少，会导致信号强度越小，信噪比越低，图像质量越差。而磁场自由区的范围越小，就会需要更多的采集点，会导致扫描时间变长，时间分辨率降低。同时，磁纳米粒子的弛豫效应会导致磁场自由区的移动发生滞后和延迟，使得图像变得模糊，会进一步降低图像的空间分辨率，降低扫描速度。
[0009]3.视野小；MPI成像视野大小是由选择场和激励场叠加组成的复合磁场共同决定的。目前MPI主要是应用于老鼠成像，成像视野为1
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3个厘米，需要的激励场强度为10
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30mT。而人体的扫描视野通常需要20
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50厘米，这就需要很高的激励场强度，因此很难实现。
[0010]综合上述缺点可见，MPI若为了满足人体尺寸的磁纳米粒子成像，势必需要很强的选择场和激励磁场，会导致能耗非常大。同时其图像分辨率太低、视野太小，很难扩展到临床人体扫描成像。
[0011]因此，如何提出一种新的磁粒子成像方案以满足临床人体扫描成像的需求，是现阶段一个值得研究的热点问题。

技术实现思路

[0012]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术实施例提供了一种基于梯度场的磁粒子成像系统。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0013]激励磁场模块，包括均匀磁场激励单元，以及X方向、Y方向和Z方向的梯度磁场激励线圈对；其中，所述均匀磁场激励单元用于提供Z方向的恒定均匀交变磁场；各激励线圈对的两个激励线圈平行相对间隔设置，每个方向的梯度磁场激励线圈对在被加载变化的反向交变电流后，用于提供该方向上强度变化的梯度磁场；其中，被注入磁纳米粒子的待测目标被置于所述激励磁场模块的空间中心区域，且长轴与Z轴平行；
[0014]控制模块，用于针对目标成像维度和目标成像平面，选择向至少一个特定方向的梯度磁场激励线圈对提供变化的反向交变电流，使得该至少一个特定方向的梯度磁场的大小发生多次改变，以多次改变空间总梯度磁场的方向和大小；
[0015]接收线圈对，用于在所有激励磁场的作用下产生感应电压；
[0016]信号处理模块，用于对从所述接收线圈对获得的电压信号进行信号处理，并提取其中尖峰信号的三倍基频谐波分量；
[0017]图像重建模块，用于根据所述空间总梯度磁场多次改变所得到的不同的三倍基频谐波分量，利用系统矩阵重建得到符合所述目标成像维度和所述目标成像平面的所述待测目标内磁纳米粒子浓度的分布图像。
[0018]本专利技术实施例所提供的方案中，利用三个方向的梯度磁场的激励线圈对形成非均匀交变激励磁场，通过改变各方向的梯度磁场的激励线圈的电流大小，能够通过多方向的梯度磁场叠加方式任意改变空间总梯度磁场的大小和方向。在某一方向上，通过梯度磁场加载电流的变化，改变空间总梯度磁场的大小，能够在该方向上实现磁粒子浓度的一维空间编码。在此基础上，通过空间总梯度磁场的方向在一个或者多个平面内的不断变化，能够实现磁粒子浓度的二维或者三维空间编码，得到沿着多个方向和多个梯度大小的电压信号。提取电压信号的三倍基频谐波分量，利用系统矩阵重建可以得到磁粒子浓度的在不同
维度的分布图像。
[0019]本专利技术实施例对全空间的磁纳米粒子进行非均匀激励，感应电压的贡献来自于全空间中的所有磁纳米粒子，因未使用选择场产生磁场自由区，因本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于梯度场的磁粒子成像系统，其特征在于，包括：激励磁场模块，包括均匀磁场激励单元，以及X方向、Y方向和Z方向的梯度磁场激励线圈对；其中，所述均匀磁场激励单元用于提供Z方向的恒定均匀交变磁场；各激励线圈对的两个激励线圈平行相对间隔设置，每个方向的梯度磁场激励线圈对在被加载变化的反向交变电流后，用于提供该方向上强度变化的梯度磁场；其中，被注入磁纳米粒子的待测目标被置于所述激励磁场模块的空间中心区域，且长轴与Z轴平行；控制模块，用于针对目标成像维度和目标成像平面，选择向至少一个特定方向的梯度磁场激励线圈对提供变化的反向交变电流，使得该至少一个特定方向的梯度磁场的大小发生多次改变，以多次改变空间总梯度磁场的方向和大小；接收线圈对，用于在所有激励磁场的作用下产生感应电压；信号处理模块，用于对从所述接收线圈对获得的电压信号进行信号处理，并提取其中尖峰信号的三倍基频谐波分量；图像重建模块，用于根据所述空间总梯度磁场多次改变所得到的不同的三倍基频谐波分量，利用系统矩阵重建得到符合所述目标成像维度和所述目标成像平面的所述待测目标内磁纳米粒子浓度的分布图像。2.根据权利要求1所述的基于梯度场的磁粒子成像系统，其特征在于，所述均匀磁场激励单元，包括：一对轴向重合、轴向朝向为Z方向，且具有间距的圆形麦克斯韦线圈。3.根据权利要求1所述的基于梯度场的磁粒子成像系统，其特征在于，所述Z方向的梯度磁场激励线圈对，包括：一对轴向重合、轴向朝向为Z方向，且具有间距的圆形麦克斯韦线圈。4.根据权利要求1所述的基于梯度场的磁粒子成像系统，其特征在于，所述X方向的梯度磁场激励线圈对或者所述Y方向的梯度磁场激励线圈对，包括：沿平面对称的一对Golay型横向梯度线圈，其中每一Golay型横向梯度线圈包括沿Z方向延伸的两个Golay线圈，每一Golay线圈呈120
°
圆弧分布在柱面上，近处圆弧的张角为68.7
°
，远处圆弧的张角为21.3
°
；其中，所述X方向的梯度磁场激励线圈对的对称平面为YZ平面；所述Y方向的梯度磁场激励线圈对的对称平面为XZ平面。5.根据权利要求1或3所述的基于梯度场的磁粒子成像系统，其特征在于，所述接收线圈对，包括：一对轴向重合、轴向朝向为Z方向，且具有间距的圆形霍姆霍兹线圈；且所述接收线圈对的间距大于所述Z方向的梯度磁场激励线圈对的间距。6.根据权利要求1所述的基于梯度场的磁粒子成像系统，其特征在于，三个方向的梯度磁场与空间总梯度磁场的关系，包括：磁场与空间总梯度磁场的关系，包括：
其中，G
x
表示X方向的梯度磁场的大小；G
y
表示Y方向的梯度磁场的大小；G
z
表示Z方向的梯度磁场的大小；G表示空间总梯度磁场的大小，θ和为球面坐标系角度，两角度共同确定空间总梯度磁场的方向，任一角度改变则空间总梯度磁场的方向发生改变；arctan(
·
)表示反正切函数；arccos(
·
)表示反余弦函数。7.根据权利要求1或6所述的基于梯度场的磁粒子成像系统，其特征在于，所述目标成像维度为二维时，所述控制模块具体用于，在预先确定的成像与梯度磁场的对应关系中，确定与所述目标成像平面对应的至少两个特定方向的梯度磁场，以及该至少两个特定方向的梯度磁场激励线圈对各自的交变电压序列；利用电压驱动产生电流的方式，为该至少两个特定方向的梯度磁场激励线圈对提供各自的交变电流序列，以使得该至少两个特定方向的梯度磁场的大小发生多次改变，引发所述空间总梯度磁场的方向在一特定平面内发生改变，且通过为每个特定方向的梯度磁场的两个激励线圈提供相同的递增的交变电流序列或者相同的递减的交变电流序列，使得所述空间总梯度磁场在变化的每个方向上磁场大小得到多次改变；其中，所述递增的交变电流序列和所述递减的交变电流序列中任一电流序列内各电流数值之间步进相同；所述特定平面根据所述目标成像平面确定；所述图像重建模块具体用于，根据所述空间总梯度磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾广，黄力宇，田捷，惠辉，苗启广，李檀平，席力，王颖，王泽，胡凯，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：