一种基于磁纳米粒子一次谐波幅值的成像方法技术

本发明专利技术公开了一种基于磁纳米粒子一次谐波幅值的成像方法。采用交流磁化强度一次谐波幅值实现磁纳米浓度成像，只需在一个方向施加高频正弦磁场并在不同方向提供扫描磁场便可实现一维、二维以及三维空间的扫描；用低频三角波扫描磁场或低频正弦波扫描磁场控制空间区域零磁场点的位置，求解出不同空间位置的磁纳米粒子的一次谐波幅值，最终实现磁纳米浓度成像，从而避免了通过改变直流电源的大小来移动零磁场点扫描空间，有效提高了磁纳米粒子成像的空间分辨率和实时观察性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁纳米粒子一次谐波幅值的成像方法
本专利技术属于纳米测试
，更具体地，涉及一种基于磁纳米粒子一次谐波幅值的成像方法。
技术介绍
纳米磁性材料是20世纪80年代出现的一种新型磁性材料。它由于特殊的尺寸会呈现出特别的物理特征，正是因为这些特征，磁性纳米粒子被广泛应用于生物医学成像。2005年，Philips公司的两位科学家发现了一种新的成像方法，即磁性纳米粒子成像(MagneticParticleImaging，MPI)，该方法主要利用超顺磁性氧化物的非线性磁化特征来进行成像。初步试验结果显示，MPI的空间分辨率已能达到1毫米的水平。2008年，Gleich与Weizenecker等首次实现三维实时活体内成像。这一实验的成功，为诊断学中快速动态信息的获取提供了一种新的途径，而且缩短了成像的时间。2009年，Rahmer、Weizenecker和Gleich等人提出了采用基于模型的系统函数代替基于测量的系统函数，主要目的是减少成像所需的时间及存储空间。从国内外研究现状来看，MPI在设备和成像算法上仍存在很多让人思考的问题，其中，如何进一步提高空间分辨率并快速实时地进行成像，提取更多的谐波信息用于计算至关重要，亟待解决。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于磁纳米粒子一次谐波幅值的成像方法，旨在提高磁纳米粒子成像的空间分辨率和实时观察性。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于磁纳米粒子一次谐波幅值的成像方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)对成像空间区域施加磁场H(X，t)＝Haccos(2πf1t)+HTRI(f2，t)，其中，Haccos(2πf1t)为高频正弦波激励磁场，Hac和f1分别为高频正弦波激励磁场的幅值和频率，HTRI(f2，t)为低频扫描磁场，f2为低频扫描磁场的频率，X为成像空间区域的空间位置坐标，t为时间，f2＝f1/N，N为正整数；(2)将磁纳米粒子样品放入成像空间区域，采集磁纳米粒子样品的交流磁化强度M(t)，根据M(t)计算得到磁纳米粒子样品的一次谐波幅值Amp(X)，进而得到点扩散函数PSF(X)，其中，PSF(X)对应着不同直流磁场幅值下磁纳米粒子样品的一次谐波幅值；(3)对成像空间区域施加磁场H′(X，t)＝Haccos(2πf1t)+HTRI(f2，t)+G·X，使成像空间区域的零磁场点能随着低频扫描磁场的变化扫描整个成像空间区域，其中，G为直流梯度磁场的梯度；(4)将待成像对象放入成像空间区域，采集待成像对象的交流磁化强度M′(t)，根据M′(t)计算得到待成像对象的一次谐波幅值Amp′(X)；(5)根据待成像对象的一次谐波幅值Amp′(X)和点扩散函数PSF(X)，计算得到待成像对象的浓度分布ρ(X)，实现磁纳米浓度成像。优选地，所述低频扫描磁场为低频三角波扫描磁场或低频正弦波扫描磁场。优选地，所述步骤(2)中，根据M(t)计算得到磁纳米粒子样品的一次谐波幅值Amp(X)的方法具体为：以低频扫描磁场的周期为单位，对M(t)进行平均处理，得到数据长度为一个低频扫描磁场周期的平均交流磁化强度将在每个高频正弦波激励磁场的周期内的数据段表示为ti和ti+1分别为一个高频正弦波激励磁场的周期的起始时间，根据计算得到磁纳米粒子样品的一次谐波幅值Amp(X)。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：采用交流磁化强度一次谐波幅值实现磁纳米浓度成像，只需在一个方向施加高频正弦磁场并在不同方向提供扫描磁场便可实现一维、二维以及三维空间的扫描；用低频三角波扫描磁场或低频正弦波扫描磁场控制空间区域零磁场点的位置，求解出不同空间位置的磁纳米粒子的一次谐波幅值，最终实现磁纳米浓度成像，从而避免了通过改变直流电源的大小来移动零磁场点扫描空间，有效提高了磁纳米粒子成像的空间分辨率和实时观察性。附图说明图1是本专利技术实施例的基于磁纳米粒子一次谐波幅值的成像方法流程图；图2是高频正弦波激励磁场和低频三角波扫描磁场叠加后的磁场分布图；图3是点扩散函数PSF的归一化曲线示意图；图4(a)是二维磁纳米粒子分布图；(b)是二维点扩散函数图形；(c)是待成像对象的交流磁化强度分布图；(d)是待成像对象的浓度分布图；图5是本专利技术的基于磁纳米粒子一次谐波幅值的成像方法的实现场景示意图；图6(a)是采用本专利技术的方法得到的待成像对象的理想浓度分布图；(b)是对应的归一化浓度分布图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-直流电源，2-亥姆霍兹线圈，3-通电螺线管，4-测量线圈。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。如图1所示，本专利技术实施例的基于磁纳米粒子一次谐波幅值的成像方法包括如下步骤：(1)对成像空间区域Ω施加磁场H(X，t)＝Haccos(2πf1t)+HTRI(f2，t)，其中，Haccos(2πf1t)为高频正弦波激励磁场，Hac和f1分别为高频正弦波激励磁场的幅值和频率(一般情况下，Hac≤10Oe)，HTRI(f2，t)为低频扫描磁场，f2为低频扫描磁场的频率，X为成像空间区域Ω的空间位置坐标，t为时间，f2＝f1/N，即高频正弦波激励磁场的频率是低频扫描磁场频率的N倍，N为正整数。优选地，N≥100，N越大，磁纳米粒子成像的空间分辨率越高，计算量越大，需要综合考虑磁纳米粒子成像的空间大小、空间分辨率和计算量选取N的值。具体地，低频扫描磁场为低频三角波扫描磁场或低频正弦波扫描磁场。例如，同时施加高频正弦波激励磁场和低频三角波扫描磁场时，低频三角波扫描磁场Htri为低频三角波扫描磁场的幅值，n≥0且n为整数。高频正弦波激励磁场和低频三角波扫描磁场叠加后的磁场分布如图2所示，其中，高频正弦波信号用于在成像空间区域内产生幅值恒定的交流磁场，低频三角波信号用于产生空间扫描磁场。(2)将磁纳米粒子样品放入成像空间区域Ω，采集磁纳米粒子样品的交流磁化强度M(t)，根据M(t)计算得到磁纳米粒子样品的一次谐波幅值Amp(X)，进而得到点扩散函数PSF(X)，PSF(X)对应着不同直流磁场下磁纳米粒子样品的一次谐波幅值，其仿真结果如图3所示。具体地，交流磁化强度M(t)的数据长度是低频扫描磁场的周期的整数倍，以低频扫描磁场的周期为单位，对M(t)进行平均处理，得到数据长度为一个低频扫描磁场周期的平均交流磁化强度由于f2＝f1/N，包含N个高频正弦波激励磁场的周期，在每个高频正弦波激励磁场的周期内的数据段表示为ti和ti+1分别为一个高频正弦波激励磁场的周期的起始时间，根据计算得到磁纳米粒子样品的一次谐波幅值Amp(X)。具体地，可以利用螺线管作为探测线圈，采集磁纳米粒子样品的交流磁化强度，经过差分放大电路放大后输入到数据采集卡，然后传输到计算机终端，利用数字相敏捡波算法计算得到一次谐波幅值。(3)在H(X，t)的基础上，对成像空间区域Ω施加直流梯度磁场Hdc＝G·X，此时施加在成像空间区本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于磁纳米粒子一次谐波幅值的成像方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)对成像空间区域施加磁场H(X，t)＝Haccos(2πf1t)+HTRI(f2，t)，其中，Haccos(2πf1t)为高频正弦波激励磁场，Hac和f1分别为高频正弦波激励磁场的幅值和频率，HTRI(f2，t)为低频扫描磁场，f2为低频扫描磁场的频率，X为成像空间区域的空间位置坐标，t为时间，f2＝f1/N，N为正整数；(2)将磁纳米粒子样品放入成像空间区域，采集磁纳米粒子样品的交流磁化强度M(t)，根据M(t)计算得到磁纳米粒子样品的一次谐波幅值Amp(X)，进而得到点扩散函数PSF(X)，其中，PSF(X)对应着不同直流磁场幅值下磁纳米粒子样品的一次谐波幅值；(3)对成像空间区域施加磁场H′(X，t)＝Haccos(2πf1t)+HTRI(f2，t)+G·X，使成像空间区域的零磁场点能随着低频扫描磁场的变化扫描整个成像空间区域，其中，G为直流梯度磁场的梯度；(4)将待成像对象放入成像空间区域，采集待成像对象的交流磁化强度M′(t)，根据M′(t)计算得到待成像对象的一次谐波幅值Amp′(X)；(5)根据待成像对象的一次谐波幅值Amp′(X)和点扩散函数PSF(X)，计算得到待成像对象的浓度分布ρ(X)，实现磁纳米浓度成像。...

【技术特征摘要】
1.一种基于磁纳米粒子一次谐波幅值的成像方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)对成像空间区域施加磁场H(X,t)＝Haccos(2πf1t)+HTRI(f2,t)，其中，Haccos(2πf1t)为高频正弦波激励磁场，Hac和f1分别为高频正弦波激励磁场的幅值和频率，HTRI(f2,t)为低频扫描磁场，f2为低频扫描磁场的频率，X为成像空间区域的空间位置坐标，t为时间，f2＝f1/N，N为正整数；(2)将磁纳米粒子样品放入成像空间区域，采集磁纳米粒子样品的交流磁化强度M(t)，根据M(t)计算得到磁纳米粒子样品的一次谐波幅值Amp(X)，进而得到点扩散函数PSF(X)，其中，PSF(X)对应着成像空间区域不同空间位置的磁纳米粒子样品的一次谐波幅值；(3)对成像空间区域施加磁场H′(X,t)＝Haccos(2πf1t)+HTRI(f2,t)+G·X，使成像空间区域的零磁场点能随着低频扫描磁场的变化扫描整个成像空间区域，其中，G为直流梯度磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：王秀英，刘文中，皮仕强，姜韬，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42