基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统及方法技术方案

本发明专利技术生物医学成像领域，具体涉及一种基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统及方法，旨在解决现有技术中成像精度和成像速度的矛盾的问题。本系统包括无磁场线产生模块、无磁场线驱动模块、信号检测模块、电流激励模块、信号调理模块、图像重建模块，本申请成像方法为：构建无磁场线；通过调整电流调整无磁场线的空间位置；利用信号检测模块的阵列式接收线圈检测感应电压信号，再经过信号调理模块处理得到不含基频分量的信号，通过数字滤波技术滤掉电压信号中的直流分量，再对电压信号进行傅里叶变换，得到电压信号的频谱序列；构造阵列式接收线圈的测量矩阵，利用频谱序列和测量矩阵计算磁粒子浓度空间分布，实现三维高精度快速成像。度快速成像。度快速成像。

【技术实现步骤摘要】
基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统及方法


[0001]本专利技术属于生物医学成像领域，具体涉及一种基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统及方法。

技术介绍

[0002]磁粒子，是一种具有超顺磁性的纳米级颗粒，目前作为新型的医学成像示踪剂被广泛研究和应用。磁粒子成像，是一种通过无磁场区(Field Free Region,FFR)时空编码，激发并接收磁粒子磁化响应信号，进而重建出人体内磁粒子浓度分布的定量化成像技术。其具有亚毫米分辨率，在肿瘤检测、磁粒子热疗、靶向给药等临床问题中有着重要研究和应用价值。
[0003]磁粒子成像的首要工作是构造FFR，并对其进行时空编码。目前采用的FFR主要分为无磁场点(Field Free Point,FFP)和无磁场线(Field Free Line,FFL)两种，且普遍认为FFL比FFP成像灵敏度更高；但弊端在于成像精度高度依赖于FFL的编码复杂度，需要对FFL进行多角度的旋转以获得更多的信息量，这必然会延长测量时间，延缓成像速度。对于三维成像来说，测量过程将会非常漫长。除此之外，测量时间过长还会引起电磁装置发热，引发测量误差，影响成像精度。
[0004]另一方面，现有磁粒子成像系统基本采用的是单接收线圈检测方法，所述单接收线圈指的是在同一检测平面内只有一个接收线圈。当成像视野增大时，显然要增大接收线圈，以获得更大的检测范围；但大接收线圈灵敏度均匀性又不如小接收线圈好，同样会影响最终的成像精度。因此，目前需要一种能够兼顾成像精度和成像速度的三维磁粒子成像系统及方法。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有技术中，成像精度和成像速度的矛盾的问题，本专利技术第一方面，提出了一种基于阵列式接收线圈的三维磁粒子成像系统，该系统包括无磁场线成像单元和控制单元，所述无磁场线成像单元包括无磁场线产生模块、无磁场线驱动模块和信号检测模块；所述控制单元包括电流激励模块、信号调理模块和图像重建模块；
[0006]所述无磁场线成像单元用于构建成像视场内的无磁场线，所述信号检测模块、所述无磁场线驱动模块和所述无磁场线产生模块依次设置于成像视场外部，其中所述信号检测模块包括一对由多个线圈组合而成的阵列式接收线圈；
[0007]所述电流激励模块与所述无磁场成像单元电性连接，能够控制所述无磁场成像单元的成像视场内产生无磁场线，并改变无磁场线的空间位置；
[0008]所述信号调理模块配置为接收无磁场线的感应电压信号并处理得到不含基频分量的感应电压信号并发送至所述图像重建模块；
[0009]所述图像重建模块配置为接收并处理所述信号调理模块发送的信号以行图像重
建并显示。
[0010]在一些优选的技术方案中，所述无磁场线产生模块包括间隔设置的第一电磁铁组和第二电磁铁组，所述第一电磁铁组和所述第二电磁铁组均包括两个轴线平行且绕线方向相反的电磁铁；
[0011]所述无磁场线驱动模块包括两个绕线方向相同且间隔设置的通电线圈；
[0012]所述电流激励模块通过控制所述第一电磁铁组和/或所述第二电磁铁组电流，以调整无磁场线的第一方向位置；
[0013]所述电流激励模块向所述通电线圈通入交变电流，以调整无磁场线沿第二方向的位置，所述第一方向与所述第二方向正交。
[0014]在一些优选的技术方案中，所述电流激励模块调整无磁场线第一方向位置的方法为：将通入所述第一电磁铁组的电流作为第一直流电流，将通入所述第二电磁铁组的电流作为第二直流电流，保持第一直流电流的大小不变，控制第二直流电流的大小进而调整无磁场线在第一方向的位置；当第二直流电流大于第一直流电流时，无磁场线沿所述第一电磁铁组方向移动，当第二直流电流小于第一直流电流时，无磁场线沿所述第二电磁铁组方向移动。
[0015]在一些优选的技术方案中，所述阵列式接收线圈为双层结构，所述阵列式接收线圈的内层靠近成像视场设置，所述内层包括若干个第一线圈，若干个所述第一线圈交错排列构成中心对称结构；所述阵列式接收线圈的外层靠近所述无磁场线驱动模块设置，所述外层包括一个第二线圈，所述第二线圈与所述内层中心的第一线圈同轴设置，所述第二线圈用于补偿所述第一线圈无法检测到的信号；各所述第一线圈和所述第二线圈并联连接。
[0016]在一些优选的技术方案中，所述电流激励模块包括直流电源、信号发生器和功率放大器；
[0017]所述直流电源用于给所述无磁场线成像单元供电；
[0018]所述信号发生器用于产生所述无磁场线驱动模块所需的电流波形；
[0019]所述功率放大器用于将所述信号发生器产生的激励波形转化为激励电流。
[0020]在一些优选的技术方案中，所述信号调理模块包括模拟多路复用器、基频陷波滤波器、运算放大器和数据采集卡；
[0021]所述模拟多路复用器用于所述阵列式接收线圈的多通道信号采集；
[0022]所述基频陷波滤波器用于去除所述阵列式接收线圈感应电压信号中的基频；
[0023]所述运算放大器用于对所述基频陷波滤波器过滤后的信号进行放大；
[0024]所述数据采集卡用于将放大后的电压信号传输至所述图像重建模块。
[0025]在一些优选的技术方案中，所述图像重建模块包括数据处理模块和图像显示模块；
[0026]所述数据处理模块用于对所述数据采集卡采集的电压信号进行数字信号处理和图像重建；
[0027]所述图像显示模块用于显示最终重建出的磁粒子三维空间浓度分布图像。
[0028]在一些优选的技术方案中，所述图像重建模块配置为，基于数字滤波滤掉电压信号中的直流分量后，对电压信号进行傅里叶变换，获取电压信号的频谱序列；构造阵列式接收线圈的测量矩阵，利用频谱序列和测量矩阵计算磁粒子浓度空间分布，实现三维成像。
[0029]在一些优选的技术方案中，所述测量矩阵的构造方法为：
[0030]根据期望成像分辨率将成像视场划分为n个重建模块；
[0031]将成像所需的磁粒子样本放入成像视场，控制无磁场线遍历n个重建模块并获取n个频谱序列组；
[0032]依序拼接n个频谱序列组，获取n个一维频谱向量；
[0033]将n个一维频谱向量组合为一个m行n列大小的测量矩阵，m为每个频谱向量长度。
[0034]本专利技术的第二方面，提出了一种基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像方法，该方法基于上述技术方案中任一项所述的基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统进行，该方法包括以下步骤：
[0035]步骤A100，向所述无磁场线产生模块通入相同的直流电流，以使成像视场中心处产生无磁场线；
[0036]步骤A200，将通入所述第一电磁铁组的电流作为第一直流电流，将通入所述第二电磁铁组的电流作为第二直流电流，以第一直流电流的大小为参考，控制第二直流电流的大小进而调整无磁场线在第一方向的位置；
[0037]步骤A300，向所述通电线圈本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统，其特征在于，该系统包括无磁场线成像单元和控制单元，所述无磁场线成像单元包括无磁场线产生模块、无磁场线驱动模块和信号检测模块；所述控制单元包括电流激励模块、信号调理模块和图像重建模块；所述无磁场线成像单元用于构建成像视场内的无磁场线，所述信号检测模块、所述无磁场线驱动模块和所述无磁场线产生模块依次设置于成像视场外部，其中所述信号检测模块包括一对由多个线圈组合而成的阵列式接收线圈；所述电流激励模块与所述无磁场成像单元电性连接，能够控制所述无磁场成像单元的成像视场内产生无磁场线，并改变无磁场线的空间位置；所述信号调理模块配置为接收无磁场线的感应电压信号并处理得到不含基频分量的感应电压信号并发送至所述图像重建模块；所述图像重建模块配置为接收并处理所述信号调理模块发送的信号以行图像重建并显示。2.根据权利要求1所述的基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统，其特征在于，所述无磁场线产生模块包括间隔设置的第一电磁铁组和第二电磁铁组，所述第一电磁铁组和所述第二电磁铁组均包括两个轴线平行且绕线方向相反的电磁铁；所述无磁场线驱动模块包括两个绕线方向相同且间隔设置的通电线圈；所述电流激励模块通过控制所述第一电磁铁组和/或所述第二电磁铁组电流，以调整无磁场线的第一方向位置；所述电流激励模块向所述通电线圈通入交变电流，以调整无磁场线沿第二方向的位置，所述第一方向与所述第二方向正交。3.根据权利要求2所述的基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统，其特征在于，所述电流激励模块调整无磁场线第一方向位置的方法为：将通入所述第一电磁铁组的电流作为第一直流电流，将通入所述第二电磁铁组的电流作为第二直流电流，保持第一直流电流的大小不变，控制第二直流电流的大小进而调整无磁场线在第一方向的位置；当第二直流电流大于第一直流电流时，无磁场线沿所述第一电磁铁组方向移动，当第二直流电流小于第一直流电流时，无磁场线沿所述第二电磁铁组方向移动。4.根据权利要求1所述的基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统，其特征在于，所述阵列式接收线圈为双层结构，所述阵列式接收线圈的内层靠近成像视场设置，所述内层包括若干个第一线圈，若干个所述第一线圈交错排列构成中心对称结构；所述阵列式接收线圈的外层靠近所述无磁场线驱动模块设置，所述外层包括一个第二线圈，所述第二线圈与所述内层中心的第一线圈同轴设置，所述第二线圈用于补偿所述第一线圈无法检测到的信号；各所述第一线圈和所述第二线圈并联连接。5.根据权利要求1所述的基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统，其特征在于，所述电流激励模块包括直流电源、信号发生器和功率放大器；所述直流电源用于给所述无磁场线成像单元供电；所述信号发生器用于产生所述无磁场线驱动模块所需的电流波形；所述功率放大器用于将所述信号发生器产生的激励波形转化为激励电流。
6.根据权利要求5所述的基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统，其特征在于，所述信号调理模块包括模拟多路复用器、基频陷波滤波器、运算放大器和数据采集卡；所述模拟多路复用器用于所述阵列式接收线圈的多通道信号采集；所述基频陷波滤波器用于去除所述阵列式接收线圈感应电压信号中的基频；所述运算放大器用于对所述基频陷波滤波器过滤后的信号进行放大；所述数据采集卡用于将放大后的电压信号传输至所述图像重建模块。7.根据权利要求6所述的基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：田捷，刘晏君，惠辉，张浩然，杨鑫，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：