一種基于磁納米粒子一次諧波幅值的成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于納米測試技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于磁納米粒子一次諧波幅 值的成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 納米磁性材料是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種新型磁性材料。它由于特殊的尺寸會(huì) 呈現(xiàn)出特別的物理特征，正是因?yàn)檫@些特征，磁性納米粒子被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像。
[0003] 2005年，Philips公司的兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種新的成像方法，即磁性納米粒子 成像（MagneticParticleImaging，MPI)，該方法主要利用超順磁性氧化物的非線性磁化 特征來進(jìn)行成像。初步試驗(yàn)結(jié)果顯示，MPI的空間分辨率已能達(dá)到1毫米的水平。2008 年，Gleich與Weizenecker等首次實(shí)現(xiàn)三維實(shí)時(shí)活體內(nèi)成像。這一實(shí)驗(yàn)的成功，為診斷學(xué) 中快速動(dòng)態(tài)信息的獲取提供了一種新的途徑，而且縮短了成像的時(shí)間。2009年，Rahmer、 Weizenecker和Gleich等人提出了采用基于模型的系統(tǒng)函數(shù)代替基于測量的系統(tǒng)函數(shù)，主 要目的是減少成像所需的時(shí)間及存儲(chǔ)空間。
[0004] 從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，MPI在設(shè)備和成像算法上仍存在很多讓人思考的問題，其 中，如何進(jìn)一步提高空間分辨率并快速實(shí)時(shí)地進(jìn)行成像，提取更多的諧波信息用于計(jì)算至 關(guān)重要，亟待解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于磁納米粒子一次諧 波幅值的成像方法，旨在提高磁納米粒子成像的空間分辨率和實(shí)時(shí)觀察性。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了 一種基于磁納米粒子一次諧波幅值的成像方法， 其特征在于，包括如下步驟：
[0007](1)對(duì)成像空間區(qū)域施加磁場H(X，t) =Ha(：cos(2Jr以)+HTRI (f2，t)，其中， HacC〇s(2Jrf\t)為高頻正弦波激勵(lì)磁場，Ha。和fi分別為高頻正弦波激勵(lì)磁場的幅值和頻 率，HTRI (f2,t)為低頻掃描磁場，f2為低頻掃描磁場的頻率，X為成像空間區(qū)域的空間位置坐 標(biāo)，t為時(shí)間，f2=f，，N為正整數(shù)；
[0008] (2)將磁納米粒子樣品放入成像空間區(qū)域，采集磁納米粒子樣品的交流磁化強(qiáng)度 M(t)，根據(jù)M(t)計(jì)算得到磁納米粒子樣品的一次諧波幅值A(chǔ)mp(X)，進(jìn)而得到點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù) PSF(X)，其中，PSF(X)對(duì)應(yīng)著不同直流磁場幅值下磁納米粒子樣品的一次諧波幅值；
[0009] (3)對(duì)成像空間區(qū)域施加磁場屮（X，t) =Haccos(2 31 t)+G*X，使成 像空間區(qū)域的零磁場點(diǎn)BCF/P⑴…能隨著低頻掃描磁場的變化掃描整個(gè)成 像空間區(qū)域，其中，G為直流梯度磁場的梯度；
[0010] (4)將待成像對(duì)象放入成像空間區(qū)域，采集待成像對(duì)象的交流磁化強(qiáng)度M' (t)， 根據(jù)M' (t)計(jì)算得到待成像對(duì)象的一次諧波幅值A(chǔ)mp' (X);
[0011](5)根據(jù)待成像對(duì)象的一次諧波幅值A(chǔ)mp' (X)和點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF(X)，計(jì)算得到待 成像對(duì)象的濃度分布P(X)，實(shí)現(xiàn)磁納米濃度成像。
[0012] 優(yōu)選地，所述低頻掃描磁場為低頻三角波掃描磁場或低頻正弦波掃描磁場。
[0013] 優(yōu)選地，所述步驟（2)中，根據(jù)M(t)計(jì)算得到磁納米粒子樣品的一次諧波幅值 Amp⑴的方法具體為：以低頻掃描磁場的周期為單位，對(duì)M(t)進(jìn)行平均處理，得到數(shù)據(jù) 長度為一個(gè)低頻掃描磁場周期的平均交流磁化強(qiáng)度將&在每個(gè)高頻正弦波激 勵(lì)磁場的周期內(nèi)的數(shù)據(jù)段表示為= tJPt1+1分別為一個(gè)高頻正弦 波激勵(lì)磁場的周期的起始時(shí)間，根據(jù):rm)計(jì)算得到磁納米粒子樣品的一次諧波幅值A(chǔ)mp(X)〇
[0014] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效 果：采用交流磁化強(qiáng)度一次諧波幅值實(shí)現(xiàn)磁納米濃度成像，只需在一個(gè)方向施加高頻正弦 磁場并在不同方向提供掃描磁場便可實(shí)現(xiàn)一維、二維以及三維空間的掃描；用低頻三角波 掃描磁場或低頻正弦波掃描磁場控制空間區(qū)域零磁場點(diǎn)的位置，求解出不同空間位置的磁 納米粒子的一次諧波幅值，最終實(shí)現(xiàn)磁納米濃度成像，從而避免了通過改變直流電源的大 小來移動(dòng)零磁場點(diǎn)掃描空間，有效提高了磁納米粒子成像的空間分辨率和實(shí)時(shí)觀察性。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的基于磁納米粒子一次諧波幅值的成像方法流程圖；
[0016] 圖2是高頻正弦波激勵(lì)磁場和低頻三角波掃描磁場疊加后的磁場分布圖；
[0017] 圖3是點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF的歸一化曲線示意圖；
[0018] 圖4(a)是二維磁納米粒子分布圖；(b)是二維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)圖形；(c)是待成像對(duì) 象的交流磁化強(qiáng)度分布圖；（d)是待成像對(duì)象的濃度分布圖；
[0019] 圖5是本發(fā)明的基于磁納米粒子一次諧波幅值的成像方法的實(shí)現(xiàn)場景示意圖；
[0020] 圖6(a)是采用本發(fā)明的方法得到的待成像對(duì)象的理想濃度分布圖；(b)是對(duì)應(yīng)的 歸一化濃度分布圖。
[0021 ] 在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1-直流電源， 2-亥姆霍茲線圈，3-通電螺線管，4-測量線圈。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0023] 如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的基于磁納米粒子一次諧波幅值的成像方法包括如下 步驟：
[0024] (1)對(duì)成像空間區(qū)域Q施加磁場H(X，t) =Ha(：cos(2Jrf^+Bn^ (f2,t)，其中， HacC〇S (2Jrf\t)為高頻正弦波激勵(lì)磁場，Ha。和fi分別為高頻正弦波激勵(lì)磁場的幅值和頻率 (一般情況下，K100e)，HTRI (f2,t)為低頻掃描磁場，f2為低頻掃描磁場的頻率，X為成 像空間區(qū)域Q的空間位置坐標(biāo)，t為時(shí)間t&ifi/N，即高頻正弦波激勵(lì)磁場的頻率是低頻 掃描磁場頻率的N倍，N為正整數(shù)。
[0025] 優(yōu)選地，N多100，N越大，磁納米粒子成像的空間分辨率越高，計(jì)算量越大，需要綜 合考慮磁納米粒子成像的空間大小、空間分辨率和計(jì)算量選取N的值。
[0026] 具體地，低頻掃描磁場為低頻三角波掃描磁場或低頻正弦波掃描磁場。
[0027] 例如，同時(shí)施加高頻正弦波激勵(lì)磁場和低頻三角波掃描磁場時(shí)，低頻三角波掃 描磁場
H&;為低頻三角波掃描磁場的幅值， n彡0且n為整數(shù)。
[0028] 高頻正弦波激勵(lì)磁場和低頻三角波掃描磁場疊加后的磁場分布如圖2所示，其 中，高頻正弦波信號(hào)用于在成像空間區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生幅值恒定的交流磁場，低頻三角波信號(hào)用 于產(chǎn)生空間掃描磁場。
[0029](2)將磁納米粒子樣品放入成像空間區(qū)域Q，采集磁納米粒子樣品的交流磁化強(qiáng) 度M(t)，根據(jù)M(t)計(jì)算得到磁納米粒子樣品的一次諧波幅值A(chǔ)mp(X)，進(jìn)而得到點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù) PSF(X)，PSF(X)對(duì)應(yīng)著不同直流磁場下磁納米粒子樣品的一次諧波幅值，其仿真結(jié)果如圖 3所示。
[0030] 具體地，交流磁化強(qiáng)度M(t)的數(shù)據(jù)長度是低頻掃描磁場的周期的整數(shù)倍，以低頻 掃描磁場的周期為單位，對(duì)M(t)進(jìn)行平均處理，得到數(shù)據(jù)長度為一個(gè)低頻掃描磁場周期 的平均交流磁化強(qiáng)度由于f2=f/N，包含N個(gè)高頻正弦波激勵(lì)磁場的周期， 在每個(gè)高頻正弦波激勵(lì)磁場的周期內(nèi)的數(shù)據(jù)段表示為:d/=.1,心和 t1+1分別為一個(gè)高頻正弦波激勵(lì)磁場的周期的起始時(shí)間，根據(jù)&(/,_ 計(jì)算得到磁納米粒 子樣品的一次諧波幅值A(chǔ)mp