一种多模态光学和磁纳米粒子成像融合的脑检测系统
阅读说明：本技术 一种多模态光学和磁纳米粒子成像融合的脑检测系统 (Multi-modal optical and magnetic nanoparticle imaging fusion brain detection system ) 是由 钟江宏 岳杭琪 郑婵钰 陈重衡 田捷 于 2021-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多模态光学和磁纳米粒子成像融合的脑检测系统,包括扫描仪、控制模块、信号接收模块,扫描仪包括驱动线圈、选择线圈及接收线圈,选择线圈设置于接收线圈的两端,用于构建静态梯度磁场即选择场,驱动除无场点附近的粒子之外的所有磁纳米粒子达到饱和；驱动线圈设置于接收线圈外侧用于构建正弦激励磁场即驱动场；接收线圈用于采集电压信号；控制模块用于控制电流使驱动线圈施加均匀的振荡磁场,无场点附近的粒子被驱动穿过感兴趣的物体,改变粒子磁化强度,从而在接收线圈中感应出电压信号,经过信号接收模块处理后采用X空间MPI进行图像重建。本发明有效提高了实验效率和分析效率,可用于单核细胞及T细胞的细胞外陷阱成像分析。(The invention discloses a brain detection system integrating multi-modal optical and magnetic nanoparticle imaging, which comprises a scanner, a control module and a signal receiving module, wherein the scanner comprises a driving coil, a selection coil and a receiving coil, the selection coil is arranged at two ends of the receiving coil and is used for constructing a static gradient magnetic field, namely a selection field, and all magnetic nanoparticles except particles near a field-free point are driven to be saturated; the driving coil is arranged on the outer side of the receiving coil and used for constructing a sinusoidal excitation magnetic field, namely a driving field; the receiving coil is used for collecting voltage signals; the control module is used for controlling current to enable the driving coil to apply a uniform oscillating magnetic field, particles near a field-free point are driven to penetrate through an interested object, the magnetization intensity of the particles is changed, voltage signals are induced in the receiving coil, and image reconstruction is carried out by adopting X space MPI after the voltage signals are processed by the signal receiving module. The invention effectively improves the experimental efficiency and the analysis efficiency, and can be used for extracellular trap imaging analysis of monocytes and T cells.)
技术领域
本发明属于生物医学影像技术领域，尤其涉及一种多模态光学和磁纳米粒子成像融合的脑检测系统。
背景技术
系统性红斑狼疮(SLE)作为一种复杂自身免疫疾病，影响多器官和组织。临床表现和器官受累的模式具有广泛的异质性，高达80％的狼疮患者存在认知障碍(Nat RevRheumatol 2019；15:137—152)。狼疮性脑病原因不明，探索其病变演进过程和分子机制具有非常重要的意义。在生理环境中，氧化还原平衡系统是由活性氧(Reactive oxygenspecies，ROS)和抗氧化剂来维持的。ROS参与多种细胞通路，作为免疫调节的信号分子，参与中性粒细胞胞外陷阱(NET)的产生和自噬等生理、病理过程。本课题组前期研究发现Ncf1基因突变导致NOX2复合物ROS释放下降和炎症增强。ROS被认为是调控自身免疫病和狼疮的重要信号分子，但机制不明。
光学成像已经广泛应用到生物医学工程领域，具有特异性高、灵敏度高等技术优势；磁性粒子成像(MPI)作为一种新型成像技术，其原理是利用磁性纳米粒子在零磁场中的非线性磁化特性，来检测磁性纳米粒子示踪剂的空间分布。近年来，MPI开始应用于细胞跟踪、血管造影以及炎症成像等基础研究领域。
近年来研究发现，现有的磁性粒子成像具备高灵敏度、高分辨率、无组织穿透深度的限制等优势，但是少有多模态光学-磁纳米粒子融合设备的研发；且多数MPI接收线圈为圆柱形，很少设计贴合检测部位的特殊形状线圈；除此之外，磁纳米粒子的直径主要分布在2-20纳米范围，尽管可在小动物MPI中实现毫米级分辨率，但是磁性粒子可以被免疫细胞内吞等作用，存在分子标记脱靶效应，带来成像精度下降问题。因此仍然存在着实现单细胞成像的特异性缺陷，难以对活性氧诱发的细胞外陷阱等调控机制进行成像分析和研究。
发明内容
为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种多模态光学和磁纳米粒子成像融合的脑检测系统，本发明的具体技术方案如下：
一种多模态光学和磁纳米粒子成像融合的脑检测系统，包括：扫描仪、控制模块、信号接收模块，其中，
所述扫描仪包括驱动线圈、选择线圈及接收线圈，其中，所述选择线圈设置于所述接收线圈的两端，用于构建静态梯度磁场即选择场，驱动除了无场点附近的粒子之外的所有磁纳米粒子达到饱和；所述驱动线圈设置于所述接收线圈外侧用于构建正弦激励磁场即驱动场；所述接收线圈用于采集电压信号；所述信号接收模块包括依次连接的带阻滤波器、低噪声放大器、模数转换器；
所述控制模块包括依次连接的PC端、数模转换器、功率放大器和带通滤波器，用于控制电流使所述驱动线圈施加均匀的振荡磁场，无场点附近的粒子被驱动穿过感兴趣的物体，改变粒子磁化强度，从而在所述接收线圈中感应出电压信号，经过所述信号接收模块处理后采用X空间MPI进行图像重建。
进一步地，采用永磁体作为选择线圈，采用励磁线圈作为驱动线圈，采用利兹线构成的梯度计线圈作为接收线圈。
进一步地，所述接收线圈贴合被测对象脑部，为半椭圆锥筒形，一个端面为半椭圆，另一个端面为半圆，两端面平行，两者的中心点的连线与椭圆的长轴垂直。
进一步地，半椭圆端面的长半轴长a最大为20mm，短轴长b最大为25mm，半椭圆端面的顶点与半圆端面的顶点之间的连线与水平线之间的夹角θ为18°-24°。
进一步地，永磁体构成4-8T/m的静态梯度磁场，励磁线圈构成15-25mT/m的正弦激励磁场。
进一步地，永磁体构成6T/m的静态梯度磁场，励磁线圈构成20mT/m的正弦激励磁场。
进一步地，为实现被测对象脑部细胞外陷阱的成像分析，所述检测系统与多模态光学和磁纳米粒子探针配合，首先采用荧光染料修饰磁纳米粒子得到光学标记的磁纳米粒子，再将磁纳米粒子与多肽相结合，形成多模态光学和磁纳米粒子探针，而后利用所述扫描仪对被测对象脑部成像。
一种多模态光学和磁纳米粒子成像融合的脑检测系统的检测方法，包括以下步骤：
S1：建立被测对象模型；
S2：将包裹性磁纳米粒子与多肽相结合，形成多模态光学和磁纳米粒子探针，采用在体标记方法用于脑部细胞外陷阱机制的成像分析；
S3：将被测对象脑部移入接收线圈内；
S4：通过控制模块控制电流使驱动线圈施加均匀的振荡磁场；
S5：接收线圈采集的信号经过信号接收模块处理后进行采集；
S6：采集到的数据利用X空间MPI进行图像重建。
本发明的有益效果在于：
1.本发明采用了贴合被测对象头部大小和结构的反绕组梯度计线圈作为接收线圈，从而做到更接近感兴趣区域(ROI)，提高信号质量和成像灵敏度的同时，还能减弱来自被测对象其他部位的强信号；以此提高了分析效率；
2.本发明采用双模态分子影像有效提高了实验效率；
3.本发明采用通过光学标记的低直径磁性纳米粒子表面的功能分子中性抗生物素蛋白与生物素共轭标记的多肽相结合，形成多模态磁纳米粒子探针，可以达到单细胞特异性水平成像。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1为本发明的整体结构图；
图2为本发明的扫描仪配置图；
图3为本发明的接收线圈结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，一种多模态光学和磁纳米粒子成像融合的脑检测系统，包括：扫描仪、控制模块、信号接收模块，其中，
如图2所示，扫描仪包括驱动线圈、选择线圈及接收线圈，其中，选择线圈设置于接收线圈的两端，用于构建静态梯度磁场即选择场，驱动除了无场点附近的粒子之外的所有磁纳米粒子达到饱和；驱动线圈设置于接收线圈外侧用于构建正弦激励磁场即驱动场；接收线圈用于采集电压信号；信号接收模块包括依次连接的带阻滤波器、低噪声放大器、模数转换器；
控制模块包括依次连接的PC端、数模转换器、功率放大器和带通滤波器，用于控制电流使驱动线圈施加均匀的振荡磁场，无场点附近的粒子被驱动穿过感兴趣的物体，改变粒子磁化强度，从而在接收线圈中感应出电压信号，经过信号接收模块处理后采用X空间MPI进行图像重建。
在一些实施方式中，采用永磁体作为选择线圈，采用励磁线圈作为驱动线圈，采用利兹线构成的梯度计线圈作为接收线圈。
较佳地，接收线圈贴合被测对象脑部，为半椭圆锥筒形，一个端面为半椭圆，另一个端面为半圆，两端面平行，两者的中心点的连线与椭圆的长轴垂直。
在一些实施方式中，半椭圆端面的长半轴长a最大为20mm，短轴长b最大为25mm，半椭圆端面的顶点与半圆端面的顶点之间的连线与水平线之间的夹角θ为18°-24°；对于不同的被测对象，根据头部的形状和大小，可以等比例调整接收线圈的尺寸。
在一些实施方式中，永磁体构成4-8T/m的静态梯度磁场，励磁线圈构成15-25mT/m的正弦激励磁场。
较佳地，永磁体构成6T/m的静态梯度磁场，励磁线圈构成20mT/m的正弦激励磁场。
在一些实施方式中，为实现被测对象脑部细胞外陷阱的成像分析，检测系统与多模态光学和磁纳米粒子探针配合，首先采用荧光染料修饰磁纳米粒子得到光学标记的磁纳米粒子，再将磁纳米粒子与多肽相结合，形成多模态光学和磁纳米粒子探针，而后利用扫描仪对被测对象脑部成像。
一种多模态光学和磁纳米粒子成像融合的脑检测系统的检测方法，包括以下步骤：
S1：建立被测对象模型；
S2：将包裹性磁纳米粒子与多肽相结合，形成多模态光学和磁纳米粒子探针，采用在体标记方法用于对活性氧诱发的脑部细胞外陷阱机制的成像分析；
S3：将被测对象脑部移入接收线圈内；
S4：通过控制模块控制电流使驱动线圈施加均匀的振荡磁场；
S5：接收线圈采集的信号经过信号接收模块处理后进行采集；
S6：采集到的数据利用X空间MPI进行图像重建。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明。
实施例1
采用本发明的多模态光学和磁纳米粒子成像融合的脑检测系统对小鼠进行实验，为了对小鼠脑部进行单核细胞及T细胞的细胞外陷阱特异性成像，从而分析活性氧在自身免疫疾病中的作用机理。具体步骤如下：
S1：建立小鼠模型。
在实验中，首先采用5只健康雌性C57BL/6J小鼠，体重25g，7～8周龄；
采用腹腔注射的方法，向每只小鼠体内注入0.5ml姥鲛烷，建立狼疮小鼠模型。
S2：将包裹性磁纳米粒子与多肽相结合，形成多模态光学和磁纳米粒子探针，采用多模态纳米粒子分子探针在体标记的方法用于脑部细胞外陷阱成像；
S3：采用贴合小鼠脑部的特殊形状线圈，以提高灵敏度，利用鼠标床将小鼠脑部移入接收线圈内；
S4：通过控制模块控制电流使驱动线圈施加均匀的振荡磁场；
S5：接收线圈采集的信号经过信号接收模块处理后进行采集；
S6：采集到的数据利用X空间MPI进行图像重建。
体内成像系统控制和图像处理在配备英特尔酷睿TM2双核处理器2.33GHz和3GBRAM的计算机上进行。
传统的谐波空间MPI图像重建依赖于系统矩阵来预表征磁性纳米粒子的信号响应，意味着系统矩阵特定于纳米粒子样本，如果纳米粒子在组织中的行为不同、系统漂移或模型不准确，重建的准确度就会降低。重要的是，MPI必须经过良好条件的图像重建，以避免任何信噪比(SNR)损失。而X空间MPI图像重建的信号是通过x空间的时间扫描，仅涉及速度补偿和网格化，从而在一定程度上提高MPI图像重建的鲁棒性和速度。
根据如下计算方法实现在体成像信息：
磁性粒子成像的基本原理是朗之万方程：
其中，为单个磁性粒子的饱和磁矩，m为粒子的浓度，表示Fe3O4的饱和磁化强度，μ0表示真空磁导率，d为磁纳米粒子粒径，且
其中，α为朗之万参数，kB为波尔茨曼常数，T为绝对温度，W为外加磁场强度，磁性粒子特征通过粒径d与饱和磁化强度MS表征。
MPI使用的磁场是时变驱动场WD(t)和静态梯度场WS(x)的叠加，如果梯度场是均匀的，WS(x)用WS(x)＝Qx描述，Q表示施加的梯度强度，假设是对角的，Q＝diag(q1,q2,q3)。
驱动场通常选择周期长度为TD的周期轨迹WD(t)，对于无场点(FFP)的位置，得到XFFP＝-Q(-1)WD(t)，MPI中的电压信号Un(t)为：
其中，sn(X,t)(n∈{1，2，3})表示依赖于空间和时间的系统数，因子gn是第n个接收线圈的感应率，xn FFP(t)表示FFP的第n个坐标，xn是第n个空间坐标，z表示一个纳米粒子的磁矩，m(x)是空间SPIO分布,表示朗之万(Langevin)函数，用于描述作为外部磁场函数的SPIOs的磁化行为，表示相对于第n个接收线圈的多维朗之万函数。
根据如下方法实现X空间MPI图像重建：
在x空间MPI理论中，将图像表示为纳米粒子空间分布与系统点扩散函数(PSF)的卷积，分析的关键结果是得到一维信号方程，表明MPI信号对在瞬时位置处FFP xs(t)的磁纳米粒子密度ρ与PSF z(x)的真实空间卷积进行采样：
其中，系统的PSF由纳米颗粒的磁化特性以及磁场梯度决定。超顺磁性纳米粒子的磁化是非线性的，并且遵循所谓的朗之万函数。接收线圈只检测磁化水平的变化，因此，PSF是朗之万函数的导数。
一维PSF类似于洛伦兹函数，将激发场的压摆率和各种常数相除，在x空间中生成原始图像：
系统PSF的形状h(x)定义了成像系统的原始分辨率，使用朗之万函数的导数，MPI的空间分辨率为：
其中，Δx是PSF的半高全宽，Msat是纳米颗粒的饱和磁化强度；d是纳米颗粒直径；kB是玻尔兹曼常数，T是温度，μ0是真空磁导率。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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