基于脉冲方波激励和曲线拟合的磁粒子弛豫时间检测方法技术

本发明专利技术属于磁粒子生物医学检测和成像领域，具体涉及一种基于脉冲方波激励和曲线拟合的磁粒子弛豫时间检测方法，旨在解决现有技术无法有效对磁纳米粒子的尼尔弛豫时间和布朗弛豫时间进行区分检测的问题。本发明专利技术方法包括：获取磁纳米粒子样品在脉冲方波激励磁场激发下所产生的样品信号；结合样品信号，调整预构建的双指数衰减函数中的弛豫时间相关参数并进行磁化强度曲线的拟合，进而得到与所述样品信号匹配的目标磁化强度曲线；将所述目标磁化强度曲线对应的弛豫时间相关参数作为磁粒子弛豫时间检测结果。本发明专利技术能够对磁纳米粒子的尼尔弛豫时间和布朗弛豫时间进行有效的区分检测，能够拓展与尼尔弛豫时间或布朗弛豫时间相关的应用发展。间相关的应用发展。间相关的应用发展。

【技术实现步骤摘要】
基于脉冲方波激励和曲线拟合的磁粒子弛豫时间检测方法


[0001]本专利技术属于磁粒子生物医学检测和成像领域，具体涉及一种基于脉冲方波激励和曲线拟合的磁粒子弛豫时间检测方法、系统及基于磁粒子弛豫时间检测的功能参数预测方法。

技术介绍

[0002]超顺磁性氧化铁纳米颗粒被广泛用于医学成像。其中磁共振成像使用磁纳米粒子(简称磁粒子)作为具有T2/T2*缩短效应的阴性造影剂，用于细胞成像和药物递送。磁粒子成像使用磁纳米粒子作为含有非线性磁化特性的示踪剂，用于血管成像和功能性神经成像。磁声断层扫描使用磁纳米粒子产生的超声波来检测被标记的细胞和前列腺瘤。目前，使用磁纳米粒子进行医学成像的高级应用包括体内炎症识别、热疗(如高强度聚焦超声和磁热疗中的温度成像)、心血管疾病中的黏度成像、阿尔茨海默症的疾病管理以及磁制动和跟踪成像等。
[0003]激励磁场作用下磁化响应的弛豫时间是磁纳米粒子的重要特征。基本的弛豫机制包括内部旋转(尼尔弛豫)和外部物理旋转(布朗弛豫)。弛豫时间的准确测量可用于描述磁纳米粒子的在体状态，可用于各种临床应用。
[0004]目前广泛使用正弦激励产生动态变化的磁场来激发磁纳米粒子，但是这两种弛豫时间都是关于外加磁场的函数，并随着磁场幅值的增加而减小，在整个激发期间没有固定的尼尔弛豫时间或布朗弛豫时间。因此在传统的正弦激励方法下，很难将尼尔弛豫时间和布朗弛豫时间解耦。
[0005]在正弦激励下，一种检测弛豫时间的近似方法是使用信号的加宽和滞后的总弛豫时间。具体的，磁性纳米粒子的弛豫过程可以建模为一阶德拜过程，其中的卷积核是单指数衰减函数，核中的弛豫时间常数就是所谓的德拜弛豫时间。这个简单的模型经实验证实，可以用于匹配弛豫效应。在此基础上已有学者研究提出了一种称为TAURUS(通过恢复底层镜像对称的TAU估计)的弛豫成像技术，该技术通过从正弦激励中恢复底层镜像对称信号来估计德拜弛豫时间常数。另一种检测弛豫时间的近似方法是只考虑布朗弛豫而忽略尼尔弛豫，所针对的场景和依据是，在正弦激发频率较高、磁纳米粒子直径大于25nm的情况下，布朗弛豫占主导作用。
[0006]由此可见，目前尚未有能够对磁纳米粒子的尼尔弛豫时间和布朗弛豫时间进行区分检测的有效手段，因此，制约了与尼尔弛豫时间或布朗弛豫时间相关的应用发展。

技术实现思路

[0007]为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有技术无法有效对磁纳米粒子的尼尔弛豫时间和布朗弛豫时间进行区分检测的问题，本专利技术提出了一种基于脉冲方波激励和曲线拟合的磁粒子弛豫时间检测方法，该方法包括：
[0008]步骤S10，获取磁纳米粒子样品在脉冲方波激励磁场激发下所产生的样品信号；
[0009]步骤S20，结合所述样品信号，调整预构建的双指数衰减函数中的弛豫时间相关参数并进行磁化强度曲线的拟合，进而得到与所述样品信号匹配的目标磁化强度曲线；将所述目标磁化强度曲线对应的弛豫时间相关参数作为磁粒子弛豫时间检测结果；
[0010]其中，所述弛豫时间相关参数包括尼尔弛豫时间常数、布朗弛豫时间常数、尼尔弛豫的百分比以及布朗弛豫的百分比。
[0011]在一些优选的实施方式中，所述磁纳米粒子样品包括单磁粒子样品；所述单磁粒子样品为仅含有一种磁纳米粒子的样品；
[0012]所述脉冲方波激励磁场包括梯形脉冲方波激励磁场。
[0013]在一些优选的实施方式中，结合所述样品信号，调整预构建的双指数衰减函数中的弛豫时间相关参数并进行磁化强度曲线的拟合，进而得到与所述样品信号匹配的目标磁化强度曲线，其方法为：
[0014]步骤S21，对所述样品信号进行积分，得到磁纳米粒子样品的非绝热磁化强度的原始数据曲线，作为第一曲线；
[0015]步骤S22，基于所述样品信号，结合当前组的弛豫时间相关参数，通过预构建的双指数衰减函数进行磁化强度曲线的拟合，得到当前组的弛豫时间相关参数对应的磁化强度曲线，作为第二曲线；
[0016]步骤S23，判断所述第二曲线与所述第一曲线的点误差是否满足预设要求，若满足，则将所述第二曲线作为目标磁化强度曲线；若否，利用各弛豫时间相关参数对应的预设参数范围对弛豫时间相关参数进行调整，调整后跳转步骤S22。
[0017]在一些优选的实施方式中，对所述样品信号进行积分，得到磁纳米粒子样品的非绝热磁化强度的原始数据曲线，其方法为：
[0018][0019][0020]其中，M
non
‑
adiabatic
(t)表示原始的非绝热磁化强度；S
received
(t')表示接收信号，即样品信号；M0表示静态激励场H0处的磁化强度，t表示时间，T表示脉冲方波激励磁场的波形周期。
[0021]在一些优选的实施方式中，所述双指数衰减函数为：
[0022][0023]其中，M
non
‑
adiabatic
‑2(t)表示当前组的弛豫时间相关参数对应的非绝热磁化强度；M0表示静态场幅值下的最大磁化强度；t0表示磁场翻转的时间；τ
N
表示尼尔弛豫时间常数；τ
B
表示布朗弛豫时间常数；τ
N
＜τ
B
；a表示尼尔弛豫的百分比，b表示布朗弛豫的百分比，a+b＝1。
[0024]在一些优选的实施方式中，所述预设要求为所述第二曲线与所述第一曲线的点误差是否小于预设的误差阈值或者所述第二曲线与所述第一曲线的所有位置点的两点误差的平均值是否小于预设的平均误差阈值。
[0025]在一些优选的实施方式中，所述脉冲方波激励磁场其通过脉冲方波弛豫仪产生；其中，所述脉冲方波弛豫仪包括：
[0026]数字采集卡，用于生成脉冲方波的模拟信号；还用于对输入的样品信号进行数字化处理；
[0027]交流功率放大器，用于放大所述模拟信号；
[0028]发射线圈，用于发射放大后的模拟信号，以产生脉冲方波激励磁场；
[0029]电流传感器，用于实时监测所述交流功率放大器的发射波形；
[0030]接收线圈，用于接收磁纳米粒子样品在所述脉冲方波激励磁场的激发下所产生的样品信号；
[0031]低噪声前置放大器，用于放大所述样品信号，并提发送至所述数字采集卡。
[0032]在一些优选的实施方式中，所述发射线圈为空心圆柱形，包括多层Litz线圈；所述发射线圈中的多层Litz线圈绕于所述空心圆柱形的外表面；
[0033]所述接收线圈为上下两段梯度计型，同轴放置在所述发射线圈内；所述接收线圈的上下两部分均包括多层Litz线圈；所述接收线圈的上下两部分的多层Litz线圈分别绕于其对应部分的外表面；；
[0034]其中，所述接收线圈的上半部分设置的多层Litz线圈用于接收磁纳米粒子样品在所述脉冲方波激励磁场的激发下所产生的样品信号；所述接收线圈的下半部分设置的Litz线圈用于被微调以抑制直接传输馈通。
[0035]本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于脉冲方波激励和曲线拟合的磁粒子弛豫时间检测方法，其特征在于，该方法包括：步骤S10，获取磁纳米粒子样品在脉冲方波激励磁场激发下所产生的样品信号；步骤S20，结合所述样品信号，调整预构建的双指数衰减函数中的弛豫时间相关参数并进行磁化强度曲线的拟合，进而得到与所述样品信号匹配的目标磁化强度曲线；将所述目标磁化强度曲线对应的弛豫时间相关参数作为磁粒子弛豫时间检测结果；其中，所述弛豫时间相关参数包括尼尔弛豫时间常数、布朗弛豫时间常数、尼尔弛豫的百分比以及布朗弛豫的百分比。2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲方波激励和曲线拟合的磁粒子弛豫时间检测方法，其特征在于，所述磁纳米粒子样品包括单磁粒子样品；所述单磁粒子样品为仅含有一种磁纳米粒子的样品；所述脉冲方波激励磁场包括梯形脉冲方波激励磁场。3.根据权利要求2所述的一种基于脉冲方波激励和曲线拟合的磁粒子弛豫时间检测方法，其特征在于，结合所述样品信号，调整预构建的双指数衰减函数中的弛豫时间相关参数并进行磁化强度曲线的拟合，进而得到与所述样品信号匹配的目标磁化强度曲线，其方法为：步骤S21，对所述样品信号进行积分，得到磁纳米粒子样品的非绝热磁化强度的原始数据曲线，作为第一曲线；步骤S22，基于所述样品信号，结合当前组的弛豫时间相关参数，通过预构建的双指数衰减函数进行磁化强度曲线的拟合，得到当前组的弛豫时间相关参数对应的磁化强度曲线，作为第二曲线；步骤S23，判断所述第二曲线与所述第一曲线的点误差是否满足预设要求，若满足，则将所述第二曲线作为目标磁化强度曲线；若否，利用各弛豫时间相关参数对应的预设参数范围对弛豫时间相关参数进行调整，调整后跳转步骤S22。4.根据权利要求3所述的一种基于脉冲方波激励和曲线拟合的磁粒子弛豫时间检测方法，其特征在于，对所述样品信号进行积分，得到磁纳米粒子样品的非绝热磁化强度的原始数据曲线，其方法为：数据曲线，其方法为：其中，M
non
‑
adiabatic
(t)表示原始的非绝热磁化强度；S
received
(t')表示接收信号，即样品信号；M0表示静态激励场H0处的磁化强度；t表示时间；T表示脉冲方波激励磁场的波形周期。5.根据权利要求4所述的一种基于脉冲方波激励和曲线拟合的磁粒子弛豫时间检测方法，其特征在于，所述双指数衰减函数为：其中，M
non
‑
adiabatic
‑2(t)表示当前组的弛豫时间相关参数对应的非绝热磁化强度；t0表示
磁场翻转的时间；τ
N
表示尼尔弛豫时间常数；τ
B
表示布朗弛豫时间常数；τ
N
...

【专利技术属性】
技术研发人员：田捷，冯欣，惠辉，
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：