阅读说明：本技术 基于磁滞效应的无磁场点磁纳米粒子成像方法 (Magnetic field point-free magnetic nanoparticle imaging method based on hysteresis effect ) 是由 田捷 李怡濛 惠辉 张鹏 杨鑫 于 2021-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于磁滞效应的无磁场点磁纳米粒子成像方法,包括以下步骤：获取超顺磁纳米粒子(Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles,SPIO)的磁滞回线模型；基于正弦激励磁场和SPIO的磁滞回线模型,计算得到SPIO的点扩散函数(Point Spread Function,PSF)；基于无磁场点(Field Free Point,FFP)移动轨迹与电压信号,获取无磁场点磁纳米粒子成像(Field Free Point-Magnetic Particle Imaging,FFP-MPI)的原始重建图像；将原始图像对已考虑磁滞效应的PSF解卷积,获得最终重建图像。该方法减少了大粒径SPIO的磁滞效应对图像重建产生的伪影与相位误差,弥补了传统重建方法忽略磁滞效应进行重建的不足,极大提高重建速度与分辨率,拓宽了SPIO的应用范围。(The invention discloses a magnetic field point-free magnetic nanoparticle imaging method based on a hysteresis effect, which comprises the following steps of: obtaining a magnetic hysteresis loop model of Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles (SPIO); calculating to obtain a Point Spread Function (PSF) of the SPIO based on the sinusoidal excitation magnetic field and a hysteresis loop model of the SPIO; acquiring an original reconstructed image of a Magnetic nanoparticle Imaging (FFP-MPI) of a Field-Free Point (FFP) based on a FFP moving track and a voltage signal; and deconvoluting the original image with the PSF with the hysteresis effect taken into account to obtain a final reconstructed image. The method reduces the artifacts and phase errors generated by the hysteresis effect of the large-particle-size SPIO on image reconstruction, overcomes the defect that the conventional reconstruction method is used for reconstructing by neglecting the hysteresis effect, greatly improves the reconstruction speed and resolution and widens the application range of the SPIO.)

基于磁滞效应的无磁场点磁纳米粒子成像方法

技术领域

本发明属于磁纳米粒子成像领域，具体涉及一种基于磁滞效应的无磁场点磁纳米粒子成像方法。

背景技术

磁粒子成像(Magnetic Particle Imaging,MPI)是一种新型的成像方法，它通过构建无磁场点(Field Free Point,FFP)或者无磁场线(Field Free Line,FFL)，使得无磁场点或者无磁场线区域的超顺磁纳米粒子(Superparamagnetic Iron OxideNanoparticles,SPIO)对激励磁场产生响应，而其他区域的SPIOs处于磁饱和状态对激励磁场无响应，达到对磁粒子分布信息进行空间编码重建的目的，从而对肿瘤等检测对象进行精准定位。MPI具有时间分辨率高、空间分辨率高、没有有害辐射的特点，使得它在医学领域有很好的应用前景。

目前MPI的图像重建理论方法都以磁粒子的郎之万函数为基础，认为磁粒子绝热地与外加激励磁场对齐，不发生磁滞效应。但在实际应用中SPIO粒子，粒径小于14nm时，粒子的磁滞效应很小可以忽略不计；但是粒径大于14nm时，粒子的磁滞效应明显，基于郎之万磁化曲线的图像重建算法的基础假设不再被满足，重建出来的图像出现伪影与偏差。目前用于生物医学MPI成像的SPIO粒子，大多在20nm左右，磁滞效应不可忽略，因此需要一种考虑磁粒子磁滞效应的图像重建算法。

发明内容

为了解决现有技术中因为SPIO的磁滞效应造成的重建图像伪影，本发明提出一种基于磁滞效应的无磁场点磁纳米粒子成像方法，从建立SPIO的磁滞回线模型出发，基于磁滞效应分析点扩散函数(Point Spread Function,PSF)特性的变化，再根据无磁场点MPI系统的扫描轨迹将感应线圈接收的电压信号重建得到原始重建图像，最后根据磁滞效应点扩散函数进行解卷积，得到高质量的最终重建图像，具体技术方案如下：

一种基于磁滞效应的无磁场点磁纳米粒子成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：获取超顺磁纳米粒子(SPIO)的磁滞回线模型；

步骤S2：基于正弦激励磁场和SPIO的磁滞回线模型，计算得到SPIO的点扩散函数(PSF)；

步骤S3：基于无磁场点(FFP)移动轨迹与电压信号，获取无磁场点磁纳米粒子成像(FFP-MPI)的原始重建图像；

步骤S4：将原始重建图像对已考虑磁滞效应的PSF解卷积，获得最终重建图像。

进一步，所述步骤S1中获取SPIO的磁滞回线的方法为：

测量SPIO在交流磁场下的若干组特征点数据，将所述数据代入M-H磁滞曲线模型，求解得到参数：饱和磁矢量M_s、磁场耦合强度α、磁畴密度a、平均能量k、磁化可逆性c，将所述参数代入M-H磁滞曲线模型，得到SPIO的磁滞回线。

进一步，所述M-H磁滞曲线模型为：

其中，H是外加激励磁场，M是SPIO的磁化矢量，μ₀是真空磁导率；当外加激励磁场正向增加时，δ＝1；当外加激励磁场反向减小时，δ＝-1。

进一步，所述步骤S2中计算得到SPIO的PSF的方法为：

当SPIO被正弦激励磁场激励时，有：

H(t)＝Acos(ωt)

其中，t是时间，A是磁场幅值，ω是激励磁场的角频率；

将上式代入SIPO的磁滞回线模型得到SPIO的磁化矢量随时间变化的函数M(t)；将M(t)对时间求导，得到SPIO的PSF如下：

进一步，所述步骤S3中基于FFP移动轨迹与电压信号，获取FFP-MPI的原始重建图像的方法为：

按照扫描轨迹移动FFP，移动速度为v，位置为r，采用MPI扫描整个视野场，得到感应线圈的电压信号u(t)；

原始重建图像与电压信号的关系如下：

IMG_raw＝u(t)/v＝c(r)***PSF

其中，c(r)是浓度随位置变化分布矩阵，***是三维卷积符号；

将电压信号除以扫描速度，按照扫描轨迹对图像进行拼接，得到原始重建图像。

进一步，所述步骤S4中将原始重建图像对已考虑磁滞效应的PSF解卷积，获得最终重建图像的方法为：

其中，是三维解卷积。

本发明的有益效果：

(1)该方法从SPIO的磁滞回线出发，计算已考虑磁滞效应的PSF，得到原始重建图像并解卷积得到最后重建结果，将SPIO的磁滞效应影响加入图像重建算法，减少了因为大粒径SPIO粒子的磁滞效应对图像重建产生的伪影与相位误差，弥补了传统重建方法忽略磁滞效应进行重建的不足，极大提高重建速度与分辨率，增强重建图像效果。

(2)该方法对于不同结构类型的FFP-MPI设备和不同的示踪剂具有普适性。磁纳米粒子改变时，只需要通过磁粒子谱仪测量磁滞回线理论模型中的参数，改变理论计算中的磁滞回线函数，即可迅速获得新的PSF，从而实现高质量图像重建。

(3)该方法拓宽了SPIO的应用，允许更大粒径的SPIO用于MPI，从而增大感应电压，提高检测灵敏度。

附图说明

图1是基于磁滞效应的无磁场点磁纳米粒子成像方法的流程图。

图2是考虑磁滞效应的M-H磁滞回线与理想情况下忽略磁滞效应的磁化曲线。

图3是考虑磁滞效应与理想情况下忽略磁滞效应的磁化矢量随时间变化曲线。

图4是考虑磁滞效应与理想情况下忽略磁滞效应的PSF随时间变化曲线。

图5是FFP-MPI的原始重建图像。

图6是FFP-MPI的最终重建图像。

具体实施方式

以下将结合附图和实例对本发明做进一步的详细说明。

一种基于磁滞效应的无磁场点磁纳米粒子成像方法，包括以下步骤：

步骤S1：通过磁粒子谱仪测量参数，再结合磁滞效应的M-H曲线模型，获取SPIO的磁滞回线；

SPIO在MPI设备中，被高频(20～45kHz)正弦激励磁场激发，SPIO的磁化过程遵从M-H磁滞曲线模型：

其中，H是外加激励磁场，M是SPIO的磁化矢量，μ₀是真空磁导率。在式(1.1)模型中，当外加磁场正向增加时，δ＝1；当外加磁场反向减小时，δ＝-1。通过磁粒子谱仪(Magnetic Particle Spectrometer,MPS)，可以测得SPIO在交流磁场下的三组数据：H＝0时的剩余磁滞M_r、M＝0时的矫顽磁场强度H_c、最大磁场强度H_max时最大磁化矢量M_max，将这三组数据代入式(1.1)，求解出以下参数：M_s饱和磁矢量、α磁场耦合强度、a磁畴密度、k平均能量、c磁化可逆性。将参数带入M-H磁滞曲线模型，得到SPIO的磁滞回线。例如，当SPIO的直径为30nm时，考虑磁滞效应的磁滞回线如图2中有磁滞效应的磁滞回线所示，理想情况下不考虑磁滞效应的磁化曲线如图2中无磁滞效应的磁滞曲线所示。

步骤S2：基于正弦激励磁场，结合SPIO的磁滞回线，得到SPIO的响应磁化矢量，对时间求导从而得到SPIO的点扩散函数PSF；

当SPIO被正弦激励磁场激励时：

H(t)＝Acos(ωt) (1.2)

其中，t是时间，A是磁场幅值，ω是激励磁场的角频率。将式(1.2)代入式(1.1)得到SPIO的磁化矢量随时间变化的函数M(t)，如图3所示，考虑磁滞效应的磁化矢量随时间变化曲线如有磁滞效应曲线所示，理想情况下忽略磁滞效应的磁化矢量变化如无磁滞效应曲线所示。

PSF是磁化矢量对时间的导数，所以：

PSF随时间变化曲线如图4所示，有磁滞效应曲线表示考虑磁滞效应的PSF，相比忽略磁滞效应的无磁滞效应曲线的PSF，相位后移Δx，两者形状一样。

步骤S3：基于FFP移动轨迹与电压信号，获取FFP-MPI的原始重建图像；

FFP的扫描轨迹一般有：笛卡尔扫描轨迹、李萨如扫描轨迹。按照一定的扫描轨迹移动FFP，移动速度v，位置随时间变化为r(t)，将MPI的视野场扫过一遍，得到感应线圈的电压信号u(t)。原始重建图像与电压信号的关系如下：

IMG_raw＝u(t)/v＝c(r)***PSF (1.4)

其中，c(r)是浓度随位置变化分布矩阵，***是三维卷积符号。将电压信号除以扫描速度，按照扫描轨迹对图像进行拼接，得到原始重建图像。目前MPI领域所使用的图像结果就是原始重建图像，原始重建图像可以反映SPIO浓度分布的大致情况，但不是准确的浓度分布结果，并且分辨率较差，忽略了因磁滞效应引起的PSF的相位后移，需要进一步图像优化。例如，MPI扫描两个平行的条形样品，原始重建图像如图5所示。

步骤S4：通过考虑磁滞效应的PSF，对原始重建图像解卷积，获得最终重建图像；

原始重建图像忽略了SPIO的磁滞效应的相位后移作用，从时域电压信号对应到每个FFP的过程中产生位置误差。将原始重建图像对PSF函数解卷积，利用PSF修正应为磁滞效应引起的相位后移误差，解卷积之后的结果就是最后的重建结果：

其中，是三维解卷积。例如，MPI扫描两个平行的条形样品，解卷积之后的最终重建图像如图6所示。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。