基于非理想无磁场点的磁纳米粒子成像方法技术

本发明专利技术涉及一种基于非理想无磁场点(FFP)的磁纳米粒子成像方法，该方法基于非理想FFP的磁场条件，分析非理想FFP区域的SPIOs的响应以及检测线圈的电压信号特征，通过获取等效理想FFP电压信号与等效FFP移动速度，求解图像值从而得到重建结果。该方法减少了因为实际MPI仪器中FFP不是理想无磁场区域对图像重建产生的伪影与相位误差，弥补了传统重建方法忽略实际非理想FFP情况进行重建的不足，极大提高重建质量与分辨率。建质量与分辨率。建质量与分辨率。

【技术实现步骤摘要】
基于非理想无磁场点的磁纳米粒子成像方法


[0001]本专利技术属于磁纳米粒子成像领域，尤其涉及一种基于非理想无磁场点的磁纳米粒子成像方法。

技术介绍

[0002]磁粒子成像(Magnetic Particle Imaging,MPI)是一种新型的成像方法，该方法通过高梯度的选择场与低频聚焦场结合，构建无磁场点(Field Free Point,FFP)区域，无磁场点区域的超顺磁纳米粒子(Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles,SPIOs)对激励磁场产生响应，而其他区域的SPIOs在选择场与聚焦场的共同作用下处于磁饱和状态，对激励磁场无响应。因此，检测线圈采集到的电压信号，只包含FFP区域的磁粒子响应，不包含其他区域的磁粒子响应，从而能够实现对磁粒子分布信息进行空间编码重建的目的，完成检测对象的精准定位。
[0003]现有的MPI的图像重建方法均以“瞬时FFP在空间中位置唯一”的假设为基础，并且重建图像中一个像素点的值由对应视野场中多个FFP的感应电压共同决定。理想情况下，每个FFP区域内，所有位置的磁场为零，SPIOs只受交变驱动磁场的作用产生磁化矢量；而在实际的MPI设备中，同一个FFP区域内，无法实现所有位置均是绝对的无磁场，尤其在制造大视野场的MPI仪器过程中，更无法保证理想的FFP。
[0004]非理想无磁场点的SPIOs不仅受到交变驱动磁场的影响，还受到选择场和聚焦场施加的一个低幅值直流磁场，从而造成了对SPIOs的不对称激励、磁化矢量与理想情况下的磁化矢量不同以及检测线圈感应电压的变化。正是由于实际MPI设备中存在非理想的无磁场点的情况，利用理想情况下的现有MPI图像重建方法必然会产生误差和伪迹。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的不足，本专利技术提出了一种基于非理想无磁场点的磁纳米粒子成像方法，该方法构建了非理想FFP的磁场响应模型，基于该模型分析理想FFP的电压信号与非理想FFP的电压信号差异，从而提出了针对非理想FFP的图像重建算法，获得了高质量的图像重建结果。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种基于非理想无磁场点(FFP)的磁纳米粒子成像方法，包括以下步骤：
[0008]S1设定非理想FFP与理想FFP的外加磁场条件，结合郎之万函数，得到超顺磁纳米粒子(SPIOs)的磁化矢量M与点扩散函数PSF；
[0009]S2基于非理想FFP与理想FFP磁场分布的磁粒子成像(MPI)仪器检测线圈电压信号，获得信号特征；
[0010]S3基于S2获得的信号特征，对MPI仪器检测线圈采集的电压信号进行积分转换，得到等效理想FFP的电压信号；
[0011]S4基于S2获得的信号特征，对MPI仪器的FFP移动速度进行平均，得到等效理想FFP
的移动速度；
[0012]S5基于S3得到的等效理想FFP电压信号和S4得到的等效理想FFP移动速度，获取等效三维浓度重建图像。
[0013]进一步的，所述S1中非理想FFP与理想FFP的外加磁场条件如下：
[0014]理想FFP区域内全部位置直流磁场强度G
′
＝0，外加交流驱动磁场H
D
不受影响，H
D
＝Acos(2πf
D
t)；
[0015]非理想FFP只有中间区域磁场强度为H＝0，周围区域存在直流磁场强度为G的静态磁场，中间区域的一侧磁场强度G＞0，中间区域的另一侧磁场强度G＜0；静态磁场和外加交流驱动磁场产生的激励合场为：
[0016]H
SPIO
＝H
D
+G＝Acos(2πf
D
t)+G
[0017]其中，H
D
为外加交流驱动磁场，A为交流驱动磁场幅值，f
D
为交流驱动磁场频率，t为时间。
[0018]进一步的，所述S1还包括：SPIOs在外加磁场作用下，根据郎之万函数产生磁化矢量M，进而得到非理想FFP和理想FFP下SPIOs的点扩散函数PSF：
[0019][0020]进一步的，所述S2中，还包括：
[0021]理想FFP每个位置的直流磁场强度G
′
＝0，MPI仪器检测线圈的电压信号是所有位置S的PSF之和：
[0022][0023]非理想FFP一部分位置S1的直流磁场强度G＞0，一部分位置S2的直流磁场强度G＝0，剩余部分位置S3的直流磁场强度G＜0，检测线圈的电压信号是三部分位置的PSF之和：
[0024][0025]对比理想FFP的电压信号与非理想FFP的电压信号，获取两者的共同信号特征。
[0026]进一步的，所述共同的信号特征为：在相同半个周期内，电压幅值沿时间的积分大致相等：
[0027][0028]进一步的，所述S3中，还包括：
[0029]沿着时间每半个周期对电压信号进行积分，得到等效理想FFP的电压信号，如下：
[0030][0031]其中，u(t)为MPI仪器检测线圈采集到的电压信号，T
D
为周期，n＝0,1,2
…
。
[0032]进一步的，所述S4中，还包括：
[0033]每半个周期内对FFP移动速度进行平均，获得等效理想FFP的移动速度为：
[0034][0035]其中为MPI中聚焦场引起的FFP的移动速度，n＝0,1,2
…
。
[0036]进一步的，所述S5中，还包括：
[0037]用等效理想FFP电压信号除以等效理想FFP移动速度，得到对应位置的图像值，如下：
[0038][0039]将各个位置的图像值按照FFP的移动轨迹拼接，即得等效三维浓度重建图像。
[0040]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0041]本专利技术的基于非理想无磁场点的磁纳米粒子成像方法基于非理想FFP的磁场条件提出，分析了非理想FFP区域的SPIOs的响应，以及检测线圈的电压信号特征，通过获取等效理想FFP电压信号与等效FFP移动速度，求解图像值从而得到重建图像。该方法减少了因为实际MPI仪器中FFP不是理想无磁场区域对图像重建产生的伪影与相位误差，弥补了传统重建方法因忽略实际非理想FFP情况而存在的不足，极大地提高了重建质量与分辨率。
[0042]此外，本专利技术的成像方法对于不同结构类型的FFP
‑
MPI设备和不同的示踪剂具有普适性，能够弥补现在MPI硬件结构无法达到高精度均匀FFP的不足，从重建算法角度提高图像质量，也为大视野MPI的实现提供了可能。
附图说明
[0043]通过参考附图可更好地理解本专利技术。图中的构件不应视作按比例绘制，重点应放在示出本专利技术的原理上。
[0044]图1为本专利技术基于非理想无磁场点的磁纳米粒子成像方法的流程图；
[0045]图2为理想FFP与非理本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于非理想无磁场点(FFP)的磁纳米粒子成像方法，其特征在于，包括以下步骤：S1设定非理想FFP与理想FFP的外加磁场条件，结合郎之万函数，得到超顺磁纳米粒子(SPIOs)的磁化矢量M与点扩散函数PSF；S2基于非理想FFP与理想FFP磁场分布的磁粒子成像(MPI)仪器检测线圈电压信号，获得信号特征；S3基于S2获得的信号特征，对MPI仪器检测线圈采集的电压信号进行积分转换，得到等效理想FFP的电压信号；S4基于S2获得的信号特征，对MPI仪器的FFP移动速度进行平均，得到等效理想FFP的移动速度；S5基于S3得到的等效理想FFP电压信号和S4得到的等效理想FFP移动速度，获取等效三维浓度重建图像。2.根据权利要求1所述的磁纳米粒子成像方法，其特征在于，所述S1中非理想FFP与理想FFP的外加磁场条件如下：理想FFP区域内全部位置直流磁场强度G
′
＝0，外加交流驱动磁场H
D
不受影响，H
D
＝Acos(2πf
D
t)；非理想FFP只有中间区域磁场强度为H＝0，周围区域存在直流磁场强度为G的静态磁场，中间区域的一侧磁场强度G＞0，中间区域的另一侧磁场强度G＜0；静态磁场和外加交流驱动磁场产生的激励合场为：H
SPIO
＝H
D
+G＝Acos(2πf
D
t)+G其中，H
D
为外加交流驱动磁场，A为交流驱动磁场幅值，f
D
为交流驱动磁场频率，t为时间。3.根据权利要求2所述的磁纳米粒子成像方...

【专利技术属性】
技术研发人员：田捷，李怡濛，惠辉，张鹏，杨鑫，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：