一种用于磁粒子成像的多正弦激励系统、方法及装置-j9九游会真人

1.本发明属于磁粒子成像领域，具体涉及了一种用于磁粒子成像的多正弦激励系统、方法及装置。


背景技术：

2.磁粒子成像是一种新兴的功能学成像，通过外部激励使无磁场区(fieldfreeregio)在空间中的快速移动，目标区域内磁性纳米粒子的磁性发生翻转，从而在接收装置中感应出信号，最后结合成像算法重建出图像。
3.在经典的郎之万模型中，mpi的分辨率依赖于示踪剂(超顺磁性纳米颗粒，spios)的粒径，大颗粒的spios可以激发出更强的响应信号，并最终提升mpi分辨率。然而在实际应用中，典型激励模式(正弦激励)的mpi受到spios弛豫效应的影响，导致图像的二次模糊，从而无法在使用大示踪剂的情况下实现高分辨率。
4.针对示踪剂的弛豫效应对mpi分辨率的影响，目前已有相关学者提出脉冲激励mpi的方法，其设备中通过在线圈中输入瞬时高幅度的预电压产生脉冲电流，从而形成脉冲激励磁场，这种方式需要高功率的信号发生装置(电压源或电流源)，对硬件配置提出很高的要求。特别的对于大视野的mpi设备，激励线圈中通入高幅度的脉冲激励电流将难以实现。
5.基于此，本发明提出了一种能够保留正弦激励稳定、易实现的、具有类似于脉冲的快速激励的优势的、特别适用于大视野mpi设备中大颗粒示踪剂的高分辨率检测的一种用于磁粒子成像的多正弦激励系统、方法及装置。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术中使用脉冲激励mpi的方法需要高功率的信号发生装置(电压源或电流源)，对硬件配置提出很高的要求。特别的对于大视野的mpi设备，激励线圈中通入高幅度的脉冲激励电流将难以实现的问题，本发明提供了一种用于磁粒子成像的多正弦激励系统、方法及装置。
7.本发明第一方面，提供了一种用于磁粒子成像的多正弦激励系统，该系统包括依次连接的控制端、匹配模块、激励模块；
8.所述控制端包括通过连线依次连接的计算机、信号发生器和多个功率放大器；所述计算机用于计算多正弦输出所需的n组正弦信号参数，所述计算机还用于执行触发、设置和通信在内的系统控制；
9.所述匹配模块包括依次连接的多个带通滤波电路和谐振电路，多个所述带通滤波线路与多个所述功率放大器连接，多个所述谐振电路与所述激励模块连接；
10.所述激励模块包括依次连接的多个外置补偿和多个激励线圈，多个所述外置补偿与多个所述谐振电路连接，所述激励线圈用于产生磁场。
11.在一些优选的实施方式中，所述连线包括数据连线、触发连线、设置连线；
12.所述计算机与所述信号发生器通过所述数据连线相互连接，所述数据连线用于所
述计算机与所述信号发生器之间数据交互；
13.所述计算机与所述信号发生器通过所述触发连线连接，所述信号发生器检测到上升沿触发信号后执行多组通道的信号同步输出，从而实现所述计算机对所述信号发生器的输出时刻控制；
14.所述计算机与各功率放大器通过所述设置连线分别连接，所述设置连线传输放大倍数的设置指令，所述设置连线用于控制所述功率放大器工作在不同的输出模式，实现对输出电流的功率调节。
15.在一些优选的实施方式中，所述信号发生器发送n组不同频率的正弦波信号至各自连接的功率放大器；所述功率放大器将n组不同频率的正弦波信号放大后发送至对应的带通滤波电路；
16.其中，所述不同频率的正弦波信号的频率分别为基频、3倍频、5倍频、
……
、2n-1倍频。
17.在一些优选的实施方式中，所述激励模块包括n组叠加的线圈；将所述n组叠加的线圈中成分最少的一组中，以同一方向缠绕的成分对应的线圈作为最小线圈，将n组叠加的线圈中每一组的一个最小线圈的组合作为最小线圈系统，所述最小线圈系统包括正向缠绕和反向缠绕2种模式；所述激励线圈为多个最小线圈系统中全部最小线圈均为正向缠绕的一组，所述外置补偿存在n-1个部分，用m表示外置补偿其中某一部分。所述m≤n-1。
18.在一些优选的实施方式中，在所述最小线圈系统中，选取的所述n组叠加的线圈的中每一组线圈的最小线圈比为：1:1：
……
：1。
19.在一些优选的实施方式中，所述外置补偿的第m部分的线圈由如下公式配置最小线圈在各自线圈中的占比：
20.{(n-m)*{m},{-m},(m-1)*{0}}；
21.其中，{-m}中的-表示该部分线圈为反向缠绕。
22.在一些优选的实施方式中，所述激励线圈安装在mpi装置内部，所述外置补偿安装在所述mpi装置的外部并远离所述激励线圈，且所述外置补偿的m个补偿部分间相互远离。
23.本发明第二方面，提出了一种用于磁粒子成像的多正弦激励方法，基于一种用于磁粒子成像的多正弦激励系统，该方法包括如下步骤：
24.步骤s1、通过所述计算机获取n组不同频率的正弦波形数据，将所述n组不同频率的正弦波形数据传输到所述信号发生器：
25.其中，通过所述计算机获取n组不同频率的正弦波形数据，其方法为：
26.步骤s11、在所述计算机中输入参考信号的预设参数，得到脉冲激励的时域图；其中，所述参考信号为方波信号，所述预设参数包括幅度、频率、相位、时间；
27.步骤s12、将所述时域图进行傅里叶变换得到频谱图；
28.步骤s13、根据所述频谱图在所述计算机中生成不同频率所对应的离散一维正弦数组，即n组不同频率的正弦波形数据，信号发生器可根据该数据产生对应频率的正弦波信号；
29.步骤s2、当在外部输入执行指令后，所述计算机发送设置倍数的频率指令至所述功率放大器，同时将触发命令发送到所述信号发生器；
30.步骤s3、所述信号发生器将所述n组不同频率的正弦波信号输入到功率放大器中，
得到功率放大后的n组不同频率的正弦波信号；
31.步骤s4、将所述功率放大后的n组不同频率的正弦波信号发送至匹配模块中，通过匹配模块和激励模块对信号的调制，得到多正弦合磁场，进而实现mpi成像。
32.本发明的第三方面，提出了一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适用于由处理器加载并执行以实现一种用于磁粒子成像的多正弦激励方法。
33.本发明的第四方面，提出了一种处理装置，包括处理器和存储装置；处理器，适用于执行各条程序；存储装置，适用于存储多条程序；所述程序适用于由处理器加载并执行以实现所述的一种用于磁粒子成像的多正弦激励方法。
34.本发明的有益效果：
35.(1)本不同于储能型脉冲磁场，通常需要先将能量进行存储，利用导通后快速的能量传递实现脉冲磁场。本发明利用磁场叠加原理，将多组正弦激励磁场的合磁场作为目标脉冲磁场，不需要能量储存器或在激励端施加高功率的预电压。能量传递更加高效。
36.(2)本发明的系统中每路单独的正弦激励线圈都有滤波、谐振电路，因此每一路都可以得到稳态、纯净的正弦激励磁场，因此相对于传统的脉冲磁场更加稳定。
37.(3)本发明的激励模块中设计了专门的外置补偿线圈，具有特殊的结构，避免了多组的线圈间的直接馈通影响。
38.(4)在mpi中主要利用了多正弦激励的瞬变区，其饱和区虽然不平整，但磁纳米粒子在这段时间内是饱和状态，不产生响应信号，从而对图像重建无影响。因此，在mpi中使用多正弦激励是特有的应用场景。
附图说明
39.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
40.图1是本发明的一种用于磁粒子成像的多正弦激励系统的结构图；
41.图2是本发明的一种用于磁粒子成像的多正弦激励系统中激励模块的结构示意图；
42.图3是本发明的一种用于磁粒子成像的多正弦激励方法的工作流程图；
43.图4是本发明的一种用于磁粒子成像的多正弦激励方法的多正弦激励信息提取与组合的示意图；
44.图5是本发明的一种用于磁粒子成像的多正弦激励方法的多正弦激励示意图；
45.图6是本发明的一种用于磁粒子成像的多正弦激励方法的激励过程示意图；
46.图7是用于实现本技术方法、系统、装置实施例的服务器的计算机系统的结构示意图。
具体实施方式
47.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
48.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相
互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
49.如图1-2所示，本发明第一实施例提供一种用于磁粒子成像的多正弦激励系统，该系统包括依次连接的控制端、匹配模块、激励模块；
50.所述控制端包括通过连线依次连接的计算机、信号发生器和多个功率放大器；所述计算机用于计算多正弦输出所需的n组正弦信号参数，所述计算机还用于执行触发、设置和通信在内的系统控制；
51.所述匹配模块包括依次连接的多个带通滤波电路和谐振电路，多个所述带通滤波线路与多个所述功率放大器连接，多个所述谐振电路与所述激励模块连接；
52.所述激励模块包括依次连接的多个外置补偿和多个激励线圈，多个所述外置补偿与多个所述谐振电路连接，所述激励线圈用于产生磁场。
53.其中，所述匹配模块是为了在激励线圈中输入纯净、高效的正弦激励电流。带通滤波电路允许特定频率信号通过，减少了噪声干扰，谐振电路是为了将电子学器件与激励模块的线圈相匹配，使电容和电感实现能量互换，实现无功功率互补。由于每一路都是要有特定的频率(参考脉冲信号傅里叶分析后正弦波的基频、倍频)，因此每一路的带通滤波电路和谐振电路虽然功能相似，但设置的参数不同。
54.优选的，参见图1，所述连线包括数据连线、触发连线、设置连线；
55.所述计算机与所述信号发生器通过所述数据连线相互连接，所述数据连线用于所述计算机与所述信号发生器之间数据交互；
56.所述计算机与所述信号发生器通过所述触发连线连接，所述信号发生器检测到上升沿触发信号后执行多组通道的信号同步输出，从而实现所述计算机对所述信号发生器的输出时刻控制；
57.所述计算机与各功率放大器通过所述设置连线分别连接，所述设置连线传输放大倍数的设置指令，所述设置连线用于控制所述功率放大器工作在不同的输出模式，实现对输出电流的功率调节。
58.优选的，参见图1，所述信号发生器发送n组不同频率的信号至各自连接的功率放大器；所述功率放大器将信号放大后发送至对应的带通滤波电路。
59.其中，所述不同频率的正弦波信号的频率分别为基频、3倍频、5倍频、
……
、2n-1倍频。
60.优选的，参见图2，所述激励模块包括n组叠加的线圈；将所述n组叠加的线圈中成分最少的一组中，以同一方向缠绕的成分对应的线圈作为最小线圈，将n组叠加的线圈中每一组的一个最小线圈的组合作为最小线圈系统，所述最小线圈系统包括正向缠绕和反向缠绕2种模式；所述激励线圈为多个最小线圈系统中全部最小线圈均为正向缠绕的一组，所述外置补偿存在n-1个部分，用m表示外置补偿其中某一部分。所述m≤n-1。
61.优选的，参见图2，在所述最小线圈系统中，选取的所述n组叠加的线圈的中每一组线圈的最小线圈比为：1:1：
……
：1。
62.优选的，所述外置补偿的第m部分的线圈由如下公式配置最小线圈在各自线圈中的占比：
63.{(n-m)*{m},{-m},(m-1)*{0}}；
64.其中，{-m}中的-表示该部分线圈为反向缠绕。
65.例如图2中，本实施例设置了4组叠加的线圈，包括线圈a、b、c、d，即n＝4；激励线圈为线圈a、b、c、d各取一个正向缠绕的最小线圈组合而成，所述线圈a、b、c、d中选取的正向缠绕的最小线圈的比例为1:1:1:1；
66.本实施的外置补偿按照上述公式计算可知：
67.外置补偿第1部分的占比(n＝4，m＝1)：{3*{1},{-1},0*{0}}，3{1}代表前三组线圈(a、b、c)中，每组线圈各选取一个正向缠绕的最小线圈，{-1}表示最后一个线圈(d)选取一个反向缠绕的最小线圈，也就是1:1:1:-1；
68.外置补偿第2部分的占比(n＝4，m＝2)：{2*{2},{-2},1*{0}}，2{2}代表前两组线圈(a、b)中，每组线圈各选取两个正向缠绕的最小线圈，{-2}表示第三个线圈(c)选取两个反向缠绕的最小线圈，第四个线圈(d)中不选取任何线圈，也就是2:2:-2:0；
69.外置补偿第3部分的占比(n＝4，m＝3)：{1*{3},{-3},2*{0}}，1{3}代表第一组线圈(a)中选取三个正向缠绕的最小线圈，{-3}表示第二个线圈(b)选取三个反向缠绕的最小线圈，第三个和第四个线圈(c、d)中不选取任何线圈，也就是3:-3:0:0。
70.其中，所述外置补偿用于减少直接馈通影响，激励线圈用于产生磁场，由图2可知，外置补偿中，任意两组线圈中总存在一组线圈的正向绕制和反向绕制一样，从而在磁场发生动态变化时候馈通信号会相互补偿，从而达到抵消效果。
71.优选的，所述激励线圈安装在mpi装置内部，所述外置补偿安装在所述mpi装置的外部并远离所述激励线圈，且所述外置补偿的m个补偿部分间相互远离。
72.本发明通过上述内容能够保障了补偿线圈对示踪剂响应信号的感应隔离。
73.所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
74.需要说明的是，上述实施例提供的一种用于磁粒子成像的多正弦激励系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
75.参见图3-6，如图3所示，本发明第二实施例，提供了一种用于磁粒子成像的多正弦激励方法，基于一种用于磁粒子成像的多正弦激励系统，该方法包括如下步骤：
76.步骤s1、通过所述计算机获取n组不同频率的正弦波形数据，将所述n组不同频率的正弦波形数据传输到所述信号发生器：
77.其中，通过所述计算机获取n组不同频率的正弦波形数据，其方法为：
78.步骤s11、在所述计算机中输入参考信号的预设参数，得到脉冲激励的时域图；其中，所述参考信号为方波信号，所述预设参数包括幅度、频率、相位、时间；
79.步骤s12、将所述时域图进行傅里叶变换得到频谱图；
80.步骤s13、根据所述频谱图在所述计算机中生成不同频率所对应的离散一维正弦数组，即n组不同频率的正弦波形数据，信号发生器可根据该数据产生对应频率的正弦波信号；
81.步骤s2、当在外部输入执行指令后，所述计算机发送设置倍数的频率指令至所述
功率放大器，同时将触发命令发送到所述信号发生器；
82.步骤s3、所述信号发生器将所述n组不同频率的正弦波信号输入到功率放大器中，得到功率放大后的n组不同频率的正弦波信号；
83.步骤s4、将所述功率放大后的n组不同频率的正弦波信号发送至匹配模块中，通过匹配模块和激励模块对信号的调制，得到多正弦合磁场，进而实现mpi成像。
84.其中，对于所需多正弦激励相同时，同一设备中每个激励线圈的电流成分也相同。因此该情况下只需完成一次频率成分分析，然后通过外部输入控制mpi设备完成脉冲磁场的分段、多次测量。
85.其中，参见图4，图4为多正弦激励信息提取与组合示意图。
86.其中，参见图5，本发明发的激励方式与脉冲激励的区别在于一下两点：
87.1、产生方式不同：使用多正弦激励线圈同时工作，在磁场中叠加为动态合磁场。
88.2、激励不同：如下图为多正弦激励信号的示意图，其反映的是动态磁场随时间状态。多正弦激励在周期性变化中有“瞬变区”和“饱和区”2种非线性状态，尤其是在饱和区存在着震荡的状态，这与脉冲激励有很大的不同。瞬变区是可调节的，其上升时间与使用谐波数相关，多正弦的谐波数量越多，上升越快。
89.多正弦激励的可面向大视野的mpi系统使用，利用其瞬变区驱动无磁场区(ffr)的快速扫描。
90.在多正弦激励的瞬变区时，激励速度比示踪剂的动态响应速度快得多，该状态下主要影响磁粒子的是弛豫效应。在多正弦激励的饱和区时，虽然激励场仍存在震荡状态，但磁粒子的磁场响应已经饱和，该状态下磁场方向已经稳定，磁粒子会继续趋于稳定。激励过程如图6所示。
91.此外，可以利用多正弦激励“瞬变区”的特点，沿激励方向的区域内线扫描，对接受到的信号进行积分，然后结合ct中投影成像的方式，实现磁粒子的多角度投影图像重建。
92.本发明第三实施例，提供了一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适用于由处理器加载并执行以实现一种用于磁粒子成像的多正弦激励方法。
93.本发明第四实施例，提供了一种处理装置，包括处理器和存储装置；处理器，适用于执行各条程序；存储装置，适用于存储多条程序；所述程序适用于由处理器加载并执行以实现一种用于磁粒子成像的多正弦激励方法。
94.所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
95.本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
96.下面参考图7，其示出了用于实现本技术方法、系统、装置实施例的服务器的计算机系统的结构示意图。图7示出的服务器仅仅是一个示例，不应对本技术实施例的功能和使用范围带来任何限制。
97.如图7所示，计算机系统包括中央处理单元(cpu，central processing unit)701，其可以根据存储在只读存储器(rom，read only memory)702中的程序或者从存储部分708加载到随机访问存储器(ram，random access memory)703中的程序而执行各种适当的动作和处理。在ram 703中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。cpu 701、rom 702以及ram 703通过总线704彼此相连。输入/输出(i/o，input/output)接口705也连接至总线704。
98.以下部件连接至i/o接口705：包括键盘、鼠标等的输入部分706；包括诸如阴极射线管(crt，cathode ray tube)、液晶显示器(lcd，liquid crystal display)等以及扬声器等的输出部分707；包括硬盘等的存储部分708；以及包括诸如lan(局域网，local area network)卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分709。通信部分709经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器710也根据需要连接至i/o接口705。可拆卸介质711，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器710上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分708。
99.特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分709从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质711被安装。在该计算机程序被中央处理单元(cpu)701执行时，执行本技术的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本技术上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本技术中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本技术中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、rf等等，或者上述的任意合适的组合。
100.可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本技术的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如java、smalltalk、c ，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“c”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、
部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(lan)或广域网(wan)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
101.附图中的流程图和框图，图示了按照本技术各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
102.术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
103.术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者装置/装置所固有的要素。
104.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。