一种脉冲磁粒子成像方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种脉冲磁粒子成像方法和系统，方法包括：产生脉冲均匀交变的主磁场；根据成像需求选择产生X Y Z至少之一方向的脉冲非均匀交变的梯度磁场并改变其大小，使空间总梯度磁场在已注入磁纳米粒子的待测目标所在的空间中遍历至少一个预设方向，且在每一预设方向上通过改变主磁场的大小使脉冲磁场的大小得到预定值次变化；持续获取磁纳米粒子产生的电压信号；每半个脉冲振荡周期获得电压信号的时域衰减面积作为成像参量；利用获得的多个成像参量基于系统矩阵对磁纳米粒子的浓度分布进行重建成像。本发明专利技术对全空间的磁纳米粒子进行非均匀脉冲激励，相比传统MPI能降低设备功耗、提高图像信噪比、空间分辨率、扫描效率并扩大成像视野。扩大成像视野。扩大成像视野。

【技术实现步骤摘要】
一种脉冲磁粒子成像方法和系统


[0001]本专利技术属于医学成像领域，具体涉及一种脉冲磁粒子成像方法和系统。

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放射性的示踪剂以及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]2001年，一种全新的基于示踪剂的成像方式
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磁粒子成像(Magnetic Particle Imaging，MPI)被提出。2005年，Gleich和Weizenecker在飞利浦实验室研制成功首个MPI静态扫描仪，该种成像方式利用超顺磁性纳米粒子的非线性磁响应进行成像。其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生命体内部的空间分布图像。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]由于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。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，MPI在20厘米的视野下，图像分辨率只能达到5毫米。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。并且，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。
[0007]因此，综合上述可见，MPI很难满足临床人体扫描成像的需求。

技术实现思路

[0008]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脉冲磁粒子成像方法和系统。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0009]第一方面，本专利技术实施例提出了一种脉冲磁粒子成像方法，包括：
[0010]产生脉冲均匀交变的主磁场；
[0011]根据成像需求，选择产生X方向、Y方向和Z方向至少之一的脉冲非均匀交变的梯度磁场，并改变所选择的梯度磁场的大小，使叠加产生的空间总梯度磁场，在已注入磁纳米粒子的待测目标所在的空间中遍历至少一个预设方向，且在每一预设方向上通过改变所述主磁场的大小，使得所述空间总梯度磁场和所述主磁场叠加得到的脉冲磁场的大小得到预定值次变化；
[0012]持续获取磁纳米粒子被所述脉冲磁场激励所产生的电压信号；
[0013]针对每半个脉冲振荡周期，获得电压信号的时域衰减面积作为该半个脉冲振荡周期的成像参量；
[0014]利用获得的多个成像参量，基于系统矩阵对所述待测目标内磁纳米粒子的浓度分布进行重建成像。
[0015]第二方面，本专利技术实施例提出了一种脉冲磁粒子成像系统，包括：
[0016]脉冲激励磁场模块，包括主磁场线圈对，以及X方向、Y方向和Z方向的梯度线圈对；其中，所述主磁场线圈对用于在受控状态下提供Z方向的脉冲交变的主磁场；每个方向的梯度线圈对用于在受控状态下提供该方向上脉冲非均匀交变的梯度磁场；其中，被注入磁纳米粒子的待测目标被置于所述脉冲激励磁场模块的空间中心区域，且长轴与Z轴平行；各线圈对的两个线圈分别平行相对间隔设置；
[0017]控制模块，用于根据成像需求，控制各方向的梯度线圈对选择产生X方向、Y方向和Z方向至少之一的脉冲非均匀交变的梯度磁场，并改变所选择的梯度磁场的大小，使叠加产生的空间总梯度磁场，在所述待测目标所在的空间中遍历至少一个预设方向，且在每一预设方向上通过控制所述主磁场线圈对改变所述主磁场的大小，使得所述空间总梯度磁场和所述主磁场叠加得到的脉冲磁场的大小得到预定值次变化；
[0018]接收线圈对，用于在所述脉冲磁场的激励下产生感应电压；
[0019]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，并针对
每半个脉冲振荡周期，获得电压信号的时域衰减面积作为该半个脉冲振荡周期的成像参量；
[0020]图像重建模块，用于利用获得的多个成像参量，基于系统矩阵对所述待测目标内磁纳米粒子的浓度分布进行重建成像。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种脉冲磁粒子成像方法，其特征在于，包括：产生脉冲均匀交变的主磁场；根据成像需求，选择产生X方向、Y方向和Z方向至少之一的脉冲非均匀交变的梯度磁场，并改变所选择的梯度磁场的大小，使叠加产生的空间总梯度磁场，在已注入磁纳米粒子的待测目标所在的空间中遍历至少一个预设方向，且在每一预设方向上通过改变所述主磁场的大小，使得所述空间总梯度磁场和所述主磁场叠加得到的脉冲磁场的大小得到预定值次变化；持续获取磁纳米粒子被所述脉冲磁场激励所产生的电压信号；针对每半个脉冲振荡周期，获得电压信号的时域衰减面积作为该半个脉冲振荡周期的成像参量；利用获得的多个成像参量，基于系统矩阵对所述待测目标内磁纳米粒子的浓度分布进行重建成像。2.根据权利要求1所述的脉冲磁粒子成像方法，其特征在于，产生脉冲均匀交变的主磁场的方式，包括：向主磁场线圈对加载电流大小恒定的同向脉冲交变电流。3.根据权利要求1所述的脉冲磁粒子成像方法，其特征在于，产生任一方向的脉冲非均匀交变的梯度磁场的方式，包括：向该方向的梯度线圈对加载电流大小相同的反向脉冲交变电流。4.根据权利要求1所述的脉冲磁粒子成像方法，其特征在于，所述根据成像需求，选择产生X方向、Y方向和Z方向至少之一的脉冲非均匀交变的梯度磁场，并改变所选择的梯度磁场的大小，使叠加产生的空间总梯度磁场，在已注入磁纳米粒子的待测目标所在的空间中遍历至少一个预设方向，且在每一预设方向上通过改变所述主磁场的大小，使得所述空间总梯度磁场和所述主磁场叠加得到的脉冲磁场的大小得到预定值次变化，包括：在成像与磁场的对应关系中，选择与成像需求匹配的至少一个方向的梯度线圈对，并获得选择的每个方向的梯度线圈对的电压序列，以及，获得每个预设方向上主磁场线圈对的电压序列；根据电压序列驱动产生电流序列的方式，向所述至少一个方向的梯度线圈对进行电流加载，以产生所选择方向的梯度磁场并改变其大小，使叠加产生的空间总梯度磁场，在所述待测目标所在空间中遍历至少一个预设方向；并在每一预设方向上，利用所述主磁场线圈对的电压序列驱动产生电流序列，使得每半个脉冲振荡周期后所述主磁场线圈对的电流依据所述电流序列的顺序进行改变，以改变所述主磁场的大小，使得所述脉冲磁场的大小得到预定值次变化；其中，所述成像需求包括目标成像维度，以及在所述目标成像维度为一维时的目标成像方向，在所述目标成像维度为二维时的目标成像平面；所述成像与磁场的对应关系是根据三个方向的梯度磁场与空间总梯度磁场的关系，进行梯度线圈对和主磁场线圈对电流变化和场强大小实验预先确定的。5.根据权利要求1或4所述的脉冲磁粒子成像方法，其特征在于，所述针对每半个脉冲振荡周期，获得电压信号的时域衰减面积，包括：针对每半个脉冲振荡周期，从该半个脉冲振荡周期内电压信号的全部采样点中，选取
出该半个脉冲振荡周期内所述脉冲磁场强度平稳后对应的部分电压信号采样点；将选取出的部分电压信号采样点进行时域积分，得到该半个脉冲振荡周期内电压信号的时域衰减面积。6.根据权利要求5所述的脉冲磁粒子成像方法，其特征在于，所述目标成像维度为一维时，所述利用获得的多个成像参量，基于系统矩阵对所述待测目标内磁纳米粒子的浓度分布进行重建成像，包括：将目标成像方向所对应的预设方向上，所述脉...

【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，梁小凤，胡凯，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：