各向同性分辨率的磁纳米粒子成像方法、系统、设备技术方案

本发明专利技术属于生物医学成像技术领域，具体涉及一种各向同性分辨率的磁纳米粒子成像方法、系统、设备，旨在解决解决现有技术无法利用单次扫描数据重建各向同性分辨率MPI图像，导致重建的时间分辨率较低的问题。本方法包括：产生时域响应信号；将时域响应信号沿高频激励磁场的法向方向分为若干小片段；提取时变谐波谱；获取谐波图像的像素值，构建谐波图像集；将谐波图像集中的奇次谐波图像进行异号相加，得到各向异性分辨率的本征MPI图像；构建基于高阶谐波图像的法向滤波器；对各本征MPI图像进行基于指数加权的滤波操作，得到各向同性分辨率的MPI图像。本发明专利技术实现了各向同性空间分辨率和高时间分辨率的MPI图像重建。率和高时间分辨率的MPI图像重建。率和高时间分辨率的MPI图像重建。

【技术实现步骤摘要】
各向同性分辨率的磁纳米粒子成像方法、系统、设备


[0001]本专利技术属于生物医学成像
，具体涉及一种各向同性分辨率的磁纳米粒子成像方法、系统、设备。

技术介绍

[0002]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。
[0003]磁纳米粒子成像(MPI)当前面临的主要挑战之一是其各向异性的空间分辨率，具体说是激励磁场方向的分辨率比激励磁场正交方向的分辨率高2.3倍左右，这会导致重建图像模糊甚至重建目标形状畸变，这在精准诊疗中是不可接受的。
[0004]现有的解决MPI各向异性分辨率的主要方法是：通过两次正交方向的激励和扫描，采集两次扫描的数据，利用现有算法获得两张各向异性分辨率的图像，再利用图像后处理方法将二者融合为一张各向同性分辨率的图像。虽然该方法有效的克服了各向异性分辨率的问题，但不可避免地增加了2倍的扫描时间，这会严重限制MPI的时间分辨率。
[0005]因此，为了能够兼顾MPI的各向同性空间分辨率和时间分辨率，本领域还急需一种利用单次扫描数据即可实现各向同性空间分辨率的磁纳米粒子成像方法。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有技术无法利用单次扫描数据重建各向同性分辨率MPI图像，导致各向同性分辨率MPI图像重建的时间分辨率较低的问题，本专利技术第一方面，提出了一种各向同性分辨率的磁纳米粒子成像方法，该方法包括：
[0007]S100，构建梯度磁场，并在视场内形成磁场自由区FFR；利用一组正交的低频磁场移动FFR对整个视场进行连续线扫描，同时以一个高频激励磁场持续激发磁纳米粒子，产生时域响应信号；
[0008]S200，根据时空映射关系，将所述时域响应信号沿高频激励磁场的法向方向分为若干小片段；所述时空映射关系为所述时域响应信号与线扫描的轨迹的时空映射关系；
[0009]S300，对每个小片段内的时域响应信号分别进行傅里叶变换，得到随时间变化的频谱；提取所述频谱中包括基频分量在内的谐波分量，组成随时间变化的谐波谱，即时变谐波谱；所述基频为高频激励磁场的频率；
[0010]S400，根据所述时空映射关系，将时变谐波谱的虚部映射到对应磁纳米粒子空间位置的中心坐标，得到谐波图像的像素值，进而构建谐波图像集；
[0011]S500，将所述谐波图像集中的奇次谐波图像进行异号相加，得到各向异性分辨率的本征MPI图像；
[0012]S600，提取高阶奇次谐波图像的一维列包络，并将一维列包络沿切向重复扩展为基于高阶谐波图像的法向滤波器；所述切向为与高频激励磁场方向平行的方向；所述高阶奇次谐波图像为除第一个奇次谐波分量后，各奇次谐波分量组合的谐波图像；
[0013]S700，利用基于高阶谐波图像的法向滤波器对各向异性分辨率的本征MPI图像进行基于指数加权的滤波操作，得到各向同性分辨率的MPI图像。
[0014]在一些优选的实施方式中，利用一组正交的低频磁场移动FFR对整个视场进行连续线扫描，其方法为：
[0015]利用一组正交的低频磁场移动FFR沿着高频激励磁场的法向方向对整个视场进行连续线扫描；其中，正交的低频磁场包括一个法向扫描低频磁场和一个切向扫描低频磁场。
[0016]在一些优选的实施方式中，每个小片段的时域响应信号的长度为高频激励磁场的变化周期的N倍；N表示正整数。
[0017]在一些优选的实施方式中，所述时变谐波谱，其获取方法为：
[0018][0019][0020]其中，THS表示时变谐波谱，t
0i
表示第i个小片段的中心时刻，f表示频率变量，T
scan
表示单次扫描时间，u表示时域响应信号，w表示分段窗函数，W
time
表示小片段的时域响应信号的时间宽度，j表示虚数单位，t表示时间变量。
[0021]在一些优选的实施方式中，所述谐波图像的像素值，其获取方法为：
[0022][0023]其中，pixel表示谐波图像的像素值，y
0i
表示第i个磁纳米粒子空间位置的中心坐标，k表示谐波阶数，Im表示取虚部，f0表示激励频率，s
R
(y
0i
)表示用于检测时域响应信号的检测线圈在y
0i
处的空间灵敏度，表示磁场自由区在第i个磁纳米粒子空间位置内的平均扫描速度。
[0024]在一些优选的实施方式中，将所述谐波图像集中的奇次谐波图像进行异号相加，得到各向异性分辨率的本征MPI图，其方法为：
[0025][0026]其中，表示各向异性分辨率的本征MPI图像，n表示奇次谐波的序号，n
s
表示起始奇次谐波的序号，n
e
表示最后一个奇次谐波的序号，IMG
2n
‑1表示频率为2n
‑
1的奇次谐波图像。
[0027]在一些优选的实施方式中，利用基于高阶谐波图像的法向滤波器对各向异性分辨率的本征MPI图像进行基于指数加权的滤波操作，得到各向同性分辨率的MPI图像，其方法为：
[0028][0029]其中，表示各向同性分辨率的MPI图像，W表示基于高阶谐波图像的法向滤波器，γ表示指数权重，
⊙
表示与操作。
[0030]本专利技术的第二方面，提出了一种各向同性分辨率的磁纳米粒子成像系统，包括：信号获取模块、信号划分模块、谐波谱提取模块、图像集构建模块、本征图像获取模块、法向滤波器构建模块、MPI图像获取模块；
[0031]所述信号获取模块，配置为构建梯度磁场，并在视场内形成磁场自由区FFR；利用一组正交的低频磁场移动FFR对整个视场进行连续线扫描，同时以一个高频激励磁场持续激发磁纳米粒子，产生时域响应信号；
[0032]所述信号划分模块，配置为根据时空映射关系，将所述时域响应信号沿高频激励磁场的法向方向分为若干小片段；所述时空映射关系为所述时域响应信号与线扫描的轨迹的时空映射关系；
[0033]所述谐波谱提取模块，配置为对每个小片段内的时域响应信号分别进行傅里叶变换，得到随时间变化的频谱；提取所述频谱中包括基频分量在内的谐波分量，组成随时间变化的谐波谱，即时变谐波谱；所述基频为高频激励磁场的频率；
[0034]所述图像集构建模块，配置为根据所述时空映射关系，将时变谐波谱的虚部映射到对应磁纳米粒子空间位置的中心坐标，得到谐波图像的像素值，进而构建谐波图像集；
[0035]所述本征图像获取模块，配置为将所述谐波图像集中的奇次谐波图像进行异号相加，得到各向异性分辨率的本征MPI图像；
[0036]所述法向滤波器构建模块，配置为提取高阶奇次谐波图像的一维列包络，并将一维列包络沿切向重复扩展为基于高阶谐波图像的法向滤波器；所述切向为与高频激励磁场方向平行的方向；所述高阶奇次谐波图像为除第一个奇次谐波分量后，各奇本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种各向同性分辨率的磁纳米粒子成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S100，构建梯度磁场，并在视场内形成磁场自由区FFR；利用一组正交的低频磁场移动FFR对整个视场进行连续线扫描，同时以一个高频激励磁场持续激发磁纳米粒子，产生时域响应信号；S200，根据时空映射关系，将所述时域响应信号沿高频激励磁场的法向方向分为若干小片段；所述时空映射关系为所述时域响应信号与线扫描的轨迹的时空映射关系；S300，对每个小片段内的时域响应信号分别进行傅里叶变换，得到随时间变化的频谱；提取所述频谱中包括基频分量在内的谐波分量，组成随时间变化的谐波谱，即时变谐波谱；所述基频为高频激励磁场的频率；S400，根据所述时空映射关系，将时变谐波谱的虚部映射到对应磁纳米粒子空间位置的中心坐标，得到谐波图像的像素值，进而构建谐波图像集；S500，将所述谐波图像集中的奇次谐波图像进行异号相加，得到各向异性分辨率的本征MPI图像；S600，提取高阶奇次谐波图像的一维列包络，并将一维列包络沿切向重复扩展为基于高阶谐波图像的法向滤波器；所述切向为与高频激励磁场方向平行的方向；所述高阶奇次谐波图像为除第一个奇次谐波分量后，各奇次谐波分量组合的谐波图像；S700，利用基于高阶谐波图像的法向滤波器对各向异性分辨率的本征MPI图像进行基于指数加权的滤波操作，得到各向同性分辨率的MPI图像。2.根据权利要求1所述的各向同性分辨率的磁纳米粒子成像方法，其特征在于，利用一组正交的低频磁场移动FFR对整个视场进行连续线扫描，其方法为：利用一组正交的低频磁场移动FFR沿着高频激励磁场的法向方向对整个视场进行连续线扫描；其中，正交的低频磁场包括一个法向扫描低频磁场和一个切向扫描低频磁场。3.根据权利要求1所述的各向同性分辨率的磁纳米粒子成像方法，其特征在于，每个小片段的时域响应信号的长度为高频激励磁场的变化周期的N倍；N表示正整数。4.根据权利要求1所述的各向同性分辨率的磁纳米粒子成像方法，其特征在于，所述时变谐波谱，其获取方法为：方法为：其中，THS表示时变谐波谱，t
0i
表示第i个小片段的中心时刻，f表示频率变量，T
scan
表示单次扫描时间，u表示时域响应信号，w表示分段窗函数，W
time
表示小片段的时域响应信号的时间宽度，j表示虚数单位，t表示时间变量。5.根据权利要求4所述的各向同性分辨率的磁纳米粒子成像方法，其特征在于，所述谐波图像的像素值，其获取方法为：
其中，pixel表示谐波图像的像素值，y
0i
表示第i个磁纳米粒子空间位置的中心坐标，k表示谐波阶数，Im表示取虚部，f0表示激励频率，s
R
(y
0i
)表示用于检测时域响应信号的检测线圈在y
0i
处的空间灵敏度，表示磁场自由区在第i个磁纳米粒子空间位置内的平均扫描速度。6.根据权利要求1所述的各向同性分辨率的磁纳米粒子成像方法，其特征在于，将所述谐波...

【专利技术属性】
技术研发人员：田捷，刘晏君，安羽，钟景，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：