本发明专利技术属于生物医学成像领域，具体涉及一种基于多频驱动的磁粒子三维成像系统及方法，旨在解决现有磁粒子三维成像系统无法兼顾成像精度和成像视野的问题。本发明专利技术装置包括：成像单元、信号生成单元、信号接收单元；信号生成单元包括磁场自由线产生模块、磁场自由线驱动模块组和电流发生模块；磁场自由线产生模块，包括两个永磁体组；磁场自由线驱动模块组，包括两个圆柱形通电线圈、一对马鞍形通电线圈；信号接收模块由电磁线圈构成；信号接收单元包括信号接收模块和信号处理模块；成像单元包括信号重建模块。本发明专利技术实现了成像精度和成像视野的兼顾，并提升了成像精度与速度。并提升了成像精度与速度。并提升了成像精度与速度。
【技术实现步骤摘要】
基于多频驱动的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，具体涉及一种基于多频驱动的磁粒子三维成像系统及方法。
技术介绍
[0002]在临床诊断和检测中，如何准确、客观的定位肿瘤及其他病灶一直是国际上的研究热点和挑战性问题。现有的医学影像技术如CT，MRI，SPECT等方法均存在危害大，定位差，精度低等问题。而在近些年，一种全新的基于示踪剂的成像方式——磁粒子成像技术（MPI）被提出。利用断层成像技术，MPI可以通过检测对人体无害的超顺磁氧化铁纳米颗粒（SPIONs）的空间浓度分布，对肿瘤或目标物进行精准定位，具有三维成像、高时空分辨率和高灵敏度的特点。此外，MPI不显示解剖结构并且无背景信号干扰，因此信号的强度与示踪剂的浓度直接成正比，是一种颇具医学应用潜力的新方法。
[0003]磁粒子成像通过梯度磁场产生磁场自由区(Field Free Region ,FFR)，通过移动FFR并对其进行时空编码，激发并接收磁粒子磁化响应信号，进而重建出磁粒子浓度分布。目前，根据梯度磁场的设计FFR主要分为磁场自由点(Field Free Point ,FFP)和磁场自由线(Field Free Line ,FFL)两种。相比之下，FFL每次扫描范围更大，因此相同条件下FFL比FFP成像灵敏度高，有利于获得更高精度的成像；然而，对于大成像视野的扫描仪，要扫描完整的二维甚至是三维区域，则需要产生更长且更稳定的FFL，这必然会提高对梯度部分硬件上的需求，提高系统复杂度。除此之外，驱动更长的FFL在三维空间中会降低系统的稳定性，影响成像精度。
[0004]另一方面，现有磁粒子成像系统基本采用单通道激励接收的模式，所述单通道激励接收是指在同一方向只有一个激励线圈和接收线圈。当成像视野增大时，一般相应的增加梯度部分以获得更长的FFL扫描整个区域；但更长的FFL增加硬件的复杂度和系统的控制难度。因此目前需要一种能兼顾成像精度和成像视野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，即为了解决现有磁粒子三维成像系统无法兼顾成像精度和成像视野的问题，即现有磁粒子三维成像系统存在成像精度和成像视野的矛盾的问题，本专利技术提出了一种基于多频驱动的磁粒子三维成像系统，包括成像单元，所述成像单元包括信号重建模块；该系统还包括：信号生成单元、信号接收单元；所述信号生成单元包括磁场自由线产生模块、磁场自由线驱动模块组和电流发生模块；所述信号接收单元包括信号接收模块和信号处理模块；所述磁场自由线产生模块，包括两个永磁体组；各永磁体组均包括两个大小相同的半圆环形永磁体，两个半圆环形永磁体以极性相反的方式拼接成一个圆环；所述半圆环形永磁体包括S级、N级，S级与N级对齐贴合设置；两个永磁体组的永磁体平行间隔、同轴且异极对应设置；所述磁场自由线产生模块，用于在成像视场FOV中产生磁场自由线；
所述磁场自由线驱动模块组，包括两个圆柱形通电线圈、一对马鞍形通电线圈；两个圆柱形通电线圈以铜屏蔽间隔、同轴设置且绕线方向相同；两个圆柱形通电线圈设置于所述信号接收模块的外侧；所述信号接收模块、两个圆柱形通电线圈的轴线与第一轴线相同；将两个圆柱形通电线圈分别作为第一通电线圈、第二通电线圈；所述第一通电线圈位于所述第二通电线圈的内侧；一对马鞍形通电线圈设置于所述第二通电线圈的外侧，其沿第一轴线平行间隔、对称设置且绕线方向相同；所述第一轴线为两个永磁体组的轴线；所述磁场自由线驱动模块组，用于驱动磁场自由线的移动；所述信号接收模块由电磁线圈构成；所述信号接收模块，用于接收感应电压信号；所述电流发生模块与所述磁场自由线驱动模块组电性连接，用于通过输出交变电流控制FOV中的磁场自由线移动，实现三维扫描；所述信号处理模块，用于将所述感应电压信号进行处理，并发送至所述信号重建模块进行磁粒子成像重建。
[0006]在一些优选的实施方式中，所述基于多频驱动的磁粒子三维成像系统的坐标系为笛卡尔坐标系；即所述基于多频驱动的磁粒子三维成像系统以所述第一轴线的方向为方向；以一对马鞍形通电线圈对称设置的平面为平面。
[0007]在一些优选的实施方式中，所述铜屏蔽为圆柱形线圈；所述铜屏蔽的长度长于或等于所述两个圆柱形通电线圈长度；两个圆柱形通电线圈与所述铜屏蔽的轴线方向相同。
[0008]在一些优选的实施方式中，所述磁场自由线驱动模块组中一对马鞍形通电线圈通入的电流为低频交变电流、所述第一通电线圈通入的电流为高频交变电流、所述第二通电线圈通入的电流为低频交变电流；所述磁场自由线驱动模块组中各通电线圈通入的电流的波形为正弦波、三角波或脉冲方波。
[0009]在一些优选的实施方式中，所述信号接收模块中的电磁线圈由一条线绕制，两端与中间段绕线方向相反；所述电磁线圈的长度与所述第一通电线圈的长度一致。
[0010]在一些优选的实施方式中，所述电流发生模块包括信号发生器、功率放大器、带通滤波器和谐振电路；所述信号发生器，用于产生所述磁场自由线驱动模块组所需的电流波形；所述功率放大器，用于将所述信号发生器产生的电流波形转化为激励电流并放大；所述带通滤波器，用于将流入通电线圈的激励电流限制在设定的激励频率范围内，降低谐波干扰的产生；所述谐振电路与所述带通滤波器连接；所述谐振电路，由具有不同数值的电感和电容组合而成；所述谐振电路，用于通过调整电感和电容值改变谐振频率，从而降低负载在通入所述带通滤波器过滤后的激励电流时的阻抗和功率，从而满足所述信号处理模块中对电压信号的输出要求和通电线圈的磁场要求；所述负载即通电线圈。
[0011]在一些优选的实施方式中，所述信号处理模块包括陷波滤波器、运算放大器和数据采集卡；所述陷波滤波器，用于去除耦合进所述电磁线圈接收到的感应电压信号中的直接馈通信号；所述运算放大器，用于对所述陷波滤波器过滤后的感应电压信号进行放大；
所述数据采集卡，用于采集所述运算放大器输出的感应电压信号并传输至所述信号重建模块。
[0012]在一些优选的实施方式中，所述信号重建模块，配置为通过数字滤波滤除感应电压信号中的直流分量，并对滤除后的感应电压信号进行傅里叶变换，获取信号的频谱序列；基于所述信号的频谱序列，构造系统矩阵；利用所述系统矩阵计算磁粒子浓度空间分布，实现三维成像。
[0013]在一些优选的实施方式中，所述系统矩阵的构造方法为：将所述基于多频驱动的磁粒子三维成像系统的视场区域划分为N个等大的像素块；将磁粒子样本放入所述视场区域，控制磁场自由线遍历N个像素块并分别获得N个感应电压信号；所述磁粒子样本与划分的像素块等大；对每个感应电压信号做傅里叶变换，得到N个对应的频谱序列；提取每个频谱序列中主倍频和周围窄带频点，并依序拼接成N个一维频谱向量；将N个一维频谱向量组合为一个M
×
N大小的系统矩阵，每一行代表不同像素块位置对应的同一频点，每一列为每个像素块对应的频谱向量；M为从每个频谱序列中提取的频点数量。
[0014]本专利技术的第二方面，提出了一种基于多频本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于多频驱动的磁粒子三维成像系统，包括成像单元，所述成像单元包括信号重建模块；其特征在于，该系统还包括：信号生成单元、信号接收单元；所述信号生成单元包括磁场自由线产生模块、磁场自由线驱动模块组和电流发生模块；所述信号接收单元包括信号接收模块和信号处理模块；所所述磁场自由线产生模块，包括两个永磁体组；各永磁体组均包括两个大小相同的半圆环形永磁体，两个半圆环形永磁体以极性相反的方式拼接成一个圆环；所述半圆环形永磁体包括S级、N级，S级与N级对齐贴合设置；两个永磁体组的永磁体平行间隔、同轴且异极对应设置；所述磁场自由线产生模块，用于在成像视场FOV中产生磁场自由线；所述磁场自由线驱动模块组，包括两个圆柱形通电线圈、一对马鞍形通电线圈；两个圆柱形通电线圈以铜屏蔽间隔、同轴设置且绕线方向相同；两个圆柱形通电线圈设置于所述信号接收模块的外侧；所述信号接收模块、两个圆柱形通电线圈的轴线与第一轴线相同；将两个圆柱形通电线圈分别作为第一通电线圈、第二通电线圈；所述第一通电线圈位于所述第二通电线圈的内侧；一对马鞍形通电线圈设置于所述第二通电线圈的外侧，其沿第一轴线平行间隔、对称设置且绕线方向相同；所述第一轴线为两个永磁体组的轴线；所述磁场自由线驱动模块组，用于驱动磁场自由线的移动；所述信号接收模块由电磁线圈构成；所述信号接收模块，用于接收感应电压信号；所述电流发生模块与所述磁场自由线驱动模块电性连接，用于通过输出交变电流控制FOV中的磁场自由线移动，实现三维扫描；所述信号处理模块，用于将所述感应电压信号进行处理，并发送所述信号重建模块进行磁粒子成像重建。2.根据权利要求1所述的基于多频驱动的磁粒子三维成像系统，其特征在于，所述基于多频驱动的磁粒子三维成像系统的坐标系为笛卡尔坐标系；即所述基于多频驱动的磁粒子三维成像系统以所述第一轴线的方向为 方向，以一对马鞍形通电线圈对称设置的平面为平面。3.根据权利要求2所述的基于多频驱动的磁粒子三维成像系统，其特征在于，所述铜屏蔽为圆柱形线圈；所述铜屏蔽的长度长于或等于所述两个圆柱形通电线圈长度；两个圆柱形通电线圈与所述铜屏蔽的轴线方向相同。4.根据权利要求1所述的基于多频驱动的磁粒子三维成像系统，其特征在于，所述磁场自由线驱动模块组中一对马鞍形通电线圈通入的电流为低频交变电流、所述第一通电线圈通入的电流为高频交变电流、所述第二通电线圈通入的电流为低频交变电流；所述磁场自由线驱动模块组中各通电线圈通入的电流的波形为正弦波、三角波或脉冲方波。5.根据权利要求1所述的基于多频驱动的磁粒子三维成像系统，其特征在于，所述信号接收模块中的电磁线圈由一条线绕制，两端与中间段绕线方向相反；所述电磁线圈的长度与所述第一通电线圈的长度一致。6.根据权利要求1所述的基于多频驱动的磁粒子三维成像系统，其特征在于，所述电流发生模块包括信号发生器、功率放大器、带通滤波器和谐振电路；所述信号发生器，用于产生所述磁场自由线驱动模块组...
【专利技术属性】
技术研发人员：田捷，卫泽琛，朱涛，惠辉，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：
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