基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法及系统
阅读说明：本技术 基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法及系统 (Magnetic nanoparticle imaging method and system based on non-uniform excitation field ) 是由 田捷 刘晏君 惠辉 徐敏 于 2021-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明属于生物医学成像技术领域,具体涉及了一种基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法及系统,旨在解决现有技术无法克服均匀磁场激励局限性,从而磁纳米粒子成像视野小、应用范围受限的问题。本发明包括：通过时空分离方法将非均匀激励磁场分离为独立的空间和电流时间函数；通过电流时间函数计算归一化信号峰值；基于归一化信号峰值和成像子单元体积构建重建数学模型；结合归一化信号峰值、激励磁场非均匀空间函数和重建数学模型,定量重建出纳米粒子的空间分布,实现待重建物体的磁纳米粒子成像。本发明可以减小由于激励磁场不均匀所产生的伪影误差,有效提高图像的精度和分辨率,功耗低、维护成本低、实现过程方便简洁。(The invention belongs to the technical field of biomedical imaging, and particularly relates to a magnetic nanoparticle imaging method and system based on a non-uniform excitation field, aiming at solving the problems that the prior art cannot overcome the excitation limitation of a uniform magnetic field, so that the magnetic nanoparticle imaging field of view is small and the application range is limited. The invention comprises the following steps: separating the inhomogeneous excitation magnetic field into independent space and current time functions by a space-time separation method; calculating a normalized signal peak value through a current time function; constructing a reconstruction mathematical model based on the normalized signal peak value and the imaging subunit volume; and quantitatively reconstructing the spatial distribution of the nanoparticles by combining the normalized signal peak value, the excitation magnetic field non-uniform spatial function and the reconstruction mathematical model, thereby realizing the magnetic nanoparticle imaging of the object to be reconstructed. The invention can reduce artifact errors caused by nonuniform excitation magnetic field, effectively improve the precision and resolution of images, and has low power consumption, low maintenance cost and convenient and simple realization process.)
技术领域
本发明属于生物医学成像技术领域，具体涉及了一种基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法及系统。
背景技术
磁纳米粒子是一种具有超顺磁性的纳米级颗粒，近年来其作为一种新型的医学成像示踪剂在肿瘤检测、磁粒子热疗、靶向给药等临床问题中被广泛研究和应用。
磁纳米粒子成像(MPI)方法是控制高场强的梯度磁场对整个成像视场进行编码，同时施加高频的均匀激励磁场激发磁纳米粒子产生非线性响应，最后利用接收线圈检测到的响应电压信号进行成像。传统磁纳米粒子成像采用的都是均匀激励磁场，目的是为了建立检测电压信号时间序列u(t)与磁纳米粒子空间分布c(r)之间的一一映射关系，如下式所示：
实际上，产生大范围的均匀磁场是非常困难的，一般需要通过增大激励线圈的体积来获取更大的均匀范围，但这同时也会带来功耗大、发热严重等问题。目前现有商用磁纳米粒子成像设备也只适用于小动物成像，成像视野的长和宽仅能做到几个厘米左右。
因此，为了进一步推动磁纳米粒子成像技术向大动物、临床领域的发展，本领域还急需一种能够克服均匀磁场激励局限性的新型磁纳米粒子成像方法。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术无法克服均匀磁场激励局限性，从而磁纳米粒子成像视野小、应用范围受限的问题，本发明提供了一种基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法，该方法包括：
步骤S10，通过非均匀激励场HE(r,t)进行待重建物体的激励，并进行非均匀激励场HE(r,t)的时空分离，获得激励线圈产生的非均匀磁场的空间分布A0(r)和激励电流时域波形IE(t)；
步骤S20，基于所述激励线圈产生的非均匀磁场的空间分布A0(r)和激励电流时域波形IE(t)，获取接受线圈产生的磁场空间分布pR(r)和磁纳米粒子响应电压信号up(t)；
步骤S30，对所述磁纳米粒子响应电压信号up(t)进行归一化处理，获得归一化磁纳米粒子信号s(t)；
步骤S40，对待重建物体的成像空间进行网格化处理，获得N个成像子单元；其中，第n个成像子单元的体积为ΔVn,n＝1,2,…,N；
步骤S50，基于所述归一化磁纳米粒子信号s(t)计算归一化信号峰值sp，并结合所述成像子单元的体积ΔVn，构建所述归一化信号峰值sp和磁纳米粒子空间分布c(rn)之间的第一数学模型；
步骤S60，进行所述第一数学模型的求解，获得磁纳米粒子空间分布c(rn)，实现待重建物体的磁纳米粒子成像。
在一些优选的实施例中，所述激励线圈产生的非均匀磁场的空间分布A0(r)和所述接受线圈产生的磁场空间分布pR(r)分别通过实际测量方法、解析公式求解法或有限元数值仿真方法中的一种方法获取。
在一些优选的实施例中，所述激励电流时域波形IE(t)为正弦波、余弦波、方波或脉冲波中的一种。
在一些优选的实施例中，所述归一化磁纳米粒子信号s(t)，其获取方法为：
s(t)＝up(t)/[IE(t)]k
其中，k为磁纳米粒子响应电压信号up(t)的倍频数，且k为正奇数。
在一些优选的实施例中，所述归一化信号峰值sp和磁纳米粒子空间分布c(rn)之间的第一数学模型，其表示为：
其中，A0(rn)为第n个成像子单元对应的激励线圈产生的非均匀磁场的空间分布，pR(rn)为第n个成像子单元对应的接受线圈产生的磁场空间分布，n＝1,2，…,N代表N个成像子单元中的第n个，γ为与激励磁场频率、单个磁粒子磁矩和温度相关的预设比例常数。
本发明的另一方面，提出了一种基于时空编码的非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法，该方法包括：
步骤A10，在上述的基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法的非均匀激励场HE(r,t)进行待重建物体的激励的基础上，通过一对轴向方向相反的直流线圈或永磁体在成像空间内产生带有零磁场区域的梯度磁场；
步骤A20，通过低频交流线圈产生的低频交变磁场改变所述梯度磁场的分布，驱动所述零磁场区域沿设定轨迹扫描遍历整个成像空间，获得M个扫描时刻和M个扫描位置；
步骤A30，基于所述M个扫描时刻和M个扫描位置，通过上述的基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法步骤S10～步骤S50的方法获取第m个时刻下的归一化信号峰值sp(tm)；其中，m＝1,2,…,M；
步骤A40，根据梯度磁场分布和扫描轨迹，获取第m个扫描时刻第n个成像子单元的响应电压信号的体元函数ΔV(tm,rn)；其中，m＝1,2,…,M；
步骤A50，基于所述第m个时刻下的归一化信号峰值sp(tm)和第m个扫描时刻下的响应电压信号的体元函数ΔV(tm,rn)，构建所述归一化信号峰值sp(tm)和磁纳米粒子空间分布c(rn)之间的第二数学模型；
步骤A60，进行所述第二数学模型的求解，获得磁纳米粒子空间分布c(rn)，实现待重建物体的磁纳米粒子成像。
在一些优选的实施例中，所述归一化信号峰值sp(tm)和磁纳米粒子空间分布c(rn)之间的第二数学模型，其表示为：
其中，A0(rn)为第n个成像子单元对应的激励线圈产生的非均匀磁场的空间分布，pR(rn)为第n个成像子单元对应的接受线圈产生的磁场空间分布，n＝1,2,…,N代表N个成像子单元中的第n个，γ为与激励磁场频率、单个磁粒子磁矩和温度相关的预设比例常数，tm代表第m个扫描时刻。
本发明的第三方面，提出了一种基于线圈阵列的非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法，该方法包括：
步骤B10，在权利上述的基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法的非均匀激励场HE(r，t)进行待重建物体的激励的基础上，采用不同位置的、多个轴向方向相同或不同的激励线圈依次对成像空间进行激励，构建激励线圈阵列；
步骤B20，采用与激励线圈对应的不同位置的、多个轴向方向相同或不同的接收线圈同时对磁纳米粒子响应电压信号进行检测，构建接收线圈阵列；
步骤B30，通过上述的基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法步骤S10～步骤S50的方法获取第m个激励线圈的单位电流磁场空间函数和第l个接收线圈的灵敏度空间函数获取第n个成像子单元的体积ΔVn,n＝1，2,…，N以及进行第m×l个磁纳米粒子响应电压信号up(t)的归一化，并获取归一化后的磁纳米粒子信号s(t)的归一化信号峰值
步骤B40，基于所述归一化信号峰值和所述成像子单元的体积ΔVn，构建所述归一化信号峰值和磁纳米粒子空间分布c(rn)之间的第三数学模型；
步骤B50，进行所述第三数学模型的求解，获得磁纳米粒子空间分布c(rn)，实现待重建物体的磁纳米粒子成像。
在一些优选的实施例中，所述归一化信号峰值和磁纳米粒子空间分布c(rn)之间的第三数学模型，其表示为：
其中，A0(rn)为第n个成像子单元对应的激励线圈产生的非均匀磁场的空间分布，pR(rn)为第n个成像子单元对应的接受线圈产生的磁场空间分布，n＝1，2,…,N代表N个成像子单元中的第n个，γ为与激励磁场频率、单个磁粒子磁矩和温度相关的预设比例常数，m代表第m个激励线圈，l代表第l个接收线圈。
本发明的第四方面，提出了一种基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像系统，该系统包括以下模块：
第一磁场激励模块，配置为通过非均匀激励场HE(r,t)进行待重建物体的激励；
时空分离模块，配置为进行非均匀激励场HE(r,t)的时空分离，获得激励线圈产生的非均匀磁场的空间分布A0(r)和激励电流时域波形IE(t)；
磁场空间分布和响应电压信号获取模块，配置为基于所述激励线圈产生的非均匀磁场的空间分布A0(r)和激励电流时域波形IE(t)，获取接受线圈产生的磁场空间分布pR(r)和磁纳米粒子响应电压信号up(t)；
归一化模块，配置为对所述磁纳米粒子响应电压信号up(t)进行归一化处理，获得归一化磁纳米粒子信号s(t)；
网格化模块，配置为对待重建物体的成像空间进行网格化处理，获得N个成像子单元；其中，第n个成像子单元的体积为ΔVn,n＝1,2,…,N；
第一模型构建模块，配置为基于所述归一化磁纳米粒子信号s(t)计算归一化信号峰值sp，并结合所述成像子单元的体积ΔVn，构建所述归一化信号峰值sp和磁纳米粒子空间分布c(rn)之间的第一数学模型；
第一成像模块，配置为进行所述第一数学模型的求解，获得磁纳米粒子空间分布c(rn)，实现待重建物体的磁纳米粒子成像。
本发明的有益效果：
本发明基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法，采用非均匀激励磁场激励磁纳米粒子产生非均匀响应电压信号，通过时空分离方法将非均匀激励磁场分离为独立的空间函数和电流时间函数，并通过电流时间函数计算归一化信号峰值，最后结合归一化信号峰值、激励磁场非均匀空间函数和重建方程，定量重建出纳米粒子的空间分布。本发明方法能够解决传统磁纳米粒子成像方法必须采用均匀激励磁场所带来的功耗大、维护成本高、产生大范围均匀高频激励磁场困难等问题，同时可以减小由于激励磁场不均匀所产生的伪影误差，有效提高图像的精度和分辨率。
附图说明
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，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法的流程示意图；
图2是本发明基于时空编码的非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法一种实施例的扫描轨迹示意图；
图3是本发明基于线圈阵列的非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法一种实施例的线圈阵列示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请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申请。
本发明的一种基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法，该方法包括：
步骤S10，通过非均匀激励场HE(r,t)进行待重建物体的激励，并进行非均匀激励场HE(r，t)的时空分离，获得激励线圈产生的非均匀磁场的空间分布A0(r)和激励电流时域波形IE(t)；
步骤S20，基于所述激励线圈产生的非均匀磁场的空间分布A0(r)和激励电流时域波形IE(t)，获取接受线圈产生的磁场空间分布pR(r)和磁纳米粒子响应电压信号up(t)；
步骤S30，对所述磁纳米粒子响应电压信号up(t)进行归一化处理，获得归一化磁纳米粒子信号s(t)；
步骤S40，对待重建物体的成像空间进行网格化处理，获得N个成像子单元；其中，第n个成像子单元的体积为ΔVn,n＝1,2，…，N；
步骤S50，基于所述归一化磁纳米粒子信号s(t)计算归一化信号峰值sp，并结合所述成像子单元的体积ΔVn，构建所述归一化信号峰值sp和磁纳米粒子空间分布c(rn)之间的第一数学模型；
步骤S60，进行所述第一数学模型的求解，获得磁纳米粒子空间分布c(rn)，实现待重建物体的磁纳米粒子成像。
为了更清晰地对本发明基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各步骤展开详述。
本发明第一实施例的基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法，包括步骤S10-步骤S60，各步骤详细描述如下：
步骤S10，通过非均匀激励场HE(r,t)进行待重建物体的激励，并进行非均匀激励场HE(r,t)的时空分离，获得激励线圈产生的非均匀磁场的空间分布A0(r)和激励电流时域波形IE(t)；
激励线圈产生的非均匀磁场的空间分布A0(r)和激励电流时域波形IE(t)分别为一个独立的空间函数和一个独立的时间函数，A0(r)可以由实际测量方法、解析公式求解法或有限元数值仿真方法等方法获得，IE(t)主要通过信号发生器和功率放大器产生，对波形不做限制，可以是正弦波、余弦波、方波或脉冲波等。
非均匀激励场HE(r,t)与激励线圈产生的非均匀磁场的空间分布A0(r)和激励电流时域波形IE(t)之间的关系如式(1)所示：
HE(r,t)＝A0(r)IE(t) (1)
步骤S20，基于所述激励线圈产生的非均匀磁场的空间分布A0(r)和激励电流时域波形IE(t)，获取接受线圈产生的磁场空间分布pR(r)和磁纳米粒子响应电压信号up(t)；
参照上述过程获取接受线圈的灵敏度空间函数，即接受线圈产生的磁场空间分布pR(r)，pR(r)也可以由实际测量方法、解析公式求解法或有限元数值仿真方法等方法获得。
向激励线圈通入激励电流IE(t)在成像空间内产生所需要的非均匀激励磁场，对空间内的磁纳米粒子进行激励，这里不对激励磁场分布做限制，由激励线圈几何结构本身所决定，本发明方法可以适用于任意激励线圈。
步骤S30，对所述磁纳米粒子响应电压信号up(t)进行归一化处理，获得归一化磁纳米粒子信号s(t)，如式(2)所示：
s(t)＝up(t)/[IE(t)]k (2)
其中，k为磁纳米粒子响应电压信号up(t)的倍频数，且k为正奇数。
响应电压信号up(t)可以是全频段信号，也可以是任意奇倍频分量，例如一倍频、三倍频、五倍频等，可根据实际磁场强度和信噪比选取，k表示倍频数，可取1、3、5等。
步骤S40，对待重建物体的成像空间进行网格化处理，获得N个成像子单元；其中，第n个成像子单元的体积为ΔVn，n＝1,2，…,N；
对于不同成像空间来说，其划分后的成像子单元分别为：对于三维成像空间，其成像子单元为体元；对于二维成像空间，其成像子单元为面元；对于一维成像空间，其成像子单元为线元。
步骤S50，基于所述归一化磁纳米粒子信号s(t)计算归一化信号峰值sp，并结合所述成像子单元的体积ΔVn，构建所述归一化信号峰值sp和磁纳米粒子空间分布c(rn)之间的第一数学模型，如式(3)所示：
其中，A0(rn)为第n个成像子单元对应的激励线圈产生的非均匀磁场的空间分布，pR(rn)为第n个成像子单元对应的接受线圈产生的磁场空间分布，n＝1,2,…,N代表N个成像子单元中的第n个，γ为与激励磁场频率、单个磁粒子磁矩和温度相关的预设比例常数。
预设比例常数γ，与激励磁场频率、单个磁粒子磁矩、温度有关，当上述参数保持不变时，γ为定值；当激励线圈、接收线圈几何结构、网格化方式确定时，则方程参数A0(rn)、pR(rn)和ΔVn也被唯一确定。k表示倍频数，可取1、3、5等。
步骤S60，进行所述第一数学模型的求解，获得磁纳米粒子空间分布c(rn)，实现待重建物体的磁纳米粒子成像。
为提高成像精度和空间分辨率，需要尽可能多的获取更多数据，即获取更多的归一化信号峰值sp，本发明在第一实施例的基础上同时提供第二和第三实施例，用于增加sp的数量，以取得更好的成像效果。
本发明第二实施例的基于时空编码的非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法，该方法包括：
步骤A10，在上的基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法的非均匀激励场HE(r,t)进行待重建物体的激励的基础上，额外添加一对轴向方向相反的直流线圈或永磁体在成像空间内产生带有零磁场区域(FFR)的梯度磁场，FFR以外区域的磁纳米粒子由于磁场较大而处于饱和状态，不会对激励磁场做出响应；
步骤A20，利用低频交流线圈产生低频交变磁场，改变梯度磁场分布，从而改变FFR的位置，驱动FFR沿着特定轨迹扫描遍历整个成像空间，每个扫描时刻对应着空间某一位置，获得M个扫描时刻和M个扫描位置；
步骤A30，基于所述M个扫描时刻和M个扫描位置，通过上述的基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法步骤S10～步骤S50的方法获取第m个时刻下的归一化信号峰值sp(tm)；其中，m＝1,2,…,M；；
步骤A40，根据梯度磁场分布和扫描轨迹，获取第m个扫描时刻第n个成像子单元的响应电压信号的体元函数ΔV(tm,rn)，FFR以外的体元体积置零；
步骤A50，基于所述第m个时刻下的归一化信号峰值sp(tm)和第m个扫描时刻下的响应电压信号的体元函数ΔV(tm,rn)，构建所述归一化信号峰值sp(tm)和磁纳米粒子空间分布c(rn)之间的第二数学模型，如式(4)所示：
其中，A0(rn)为第n个成像子单元对应的激励线圈产生的非均匀磁场的空间分布，pR(rn)为第n个成像子单元对应的接受线圈产生的磁场空间分布，n＝1,2,…,N代表N个成像子单元中的第n个，γ为与激励磁场频率、单个磁粒子磁矩和温度相关的预设比例常数，tm代表第m个扫描时刻。
步骤A60，进行所述第二数学模型的求解，获得磁纳米粒子空间分布c(rn)，实现待重建物体的磁纳米粒子成像。
如图2所示，为本发明基于时空编码的非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法一种实施例的扫描轨迹示意图，FFR沿着第一行从左向右扫描，第二行从右向左扫描，第三行从左向右扫描，……，以此类推，完成整个区域的扫描，这个扫描轨迹仅是本发明优选的一个轨迹，在其他应用场合，还可以根据实际需要选择其他的扫描轨迹，本发明在此不一一详述。
本发明第三实施例的基于线圈阵列的非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法，该方法包括：
步骤B10，在上述的基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法的非均匀激励场HE(r,t)进行待重建物体的激励的基础上，采用不同位置的、多个轴向方向相同或不同的激励线圈依次对成像空间进行激励，构建激励线圈阵列；
步骤B20，采用与激励线圈对应的不同位置的、多个轴向方向相同或不同的接收线圈同时对磁纳米粒子响应电压信号进行检测，构建接收线圈阵列；
步骤B30，通过上述的基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法步骤S10～步骤S50的方法获取第m个激励线圈的单位电流磁场空间函数和第l个接收线圈的灵敏度空间函数获取第n个成像子单元的体积ΔVn，n＝1,2,…，N以及进行第m×l个磁纳米粒子响应电压信号up(t)的归一化，并获取归一化后的磁纳米粒子信号s(t)的归一化信号峰值
步骤B40，基于所述归一化信号峰值和所述成像子单元的体积ΔVn，构建所述归一化信号峰值和磁纳米粒子空间分布c(rn)之间的第三数学模型，如式(5)所示：
其中，A0(rn)为第n个成像子单元对应的激励线圈产生的非均匀磁场的空间分布，pR(rn)为第n个成像子单元对应的接受线圈产生的磁场空间分布，n＝1,2,…,N代表N个成像子单元中的第n个，γ为与激励磁场频率、单个磁粒子磁矩和温度相关的预设比例常数，m代表第m个激励线圈，l代表第l个接收线圈。
步骤B50，进行所述第三数学模型的求解，获得磁纳米粒子空间分布c(rn)，实现待重建物体的磁纳米粒子成像。
如图3所示，本发明基于线圈阵列的非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法一种实施例的线圈阵列示意图，线圈阵列包括激励线圈和接收线圈，成像区域外面一圈线圈是线圈的阵列的示意图，表示存在多个不同轴激励或接收线圈，不对激励和接收线圈的位置做特别限定，在实际应用中可以根据需要进行灵活调整，本发明在此不一一详述。
上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之内。
本发明第四实施例的基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像系统，基于上述的基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法，该系统包括以下模块：
第一磁场激励模块，配置为通过非均匀激励场HE(r,t)进行待重建物体的激励；
时空分离模块，配置为进行非均匀激励场HE(r,t)的时空分离，获得激励线圈产生的非均匀磁场的空间分布A0(r)和激励电流时域波形IE(t)；
磁场空间分布和响应电压信号获取模块，配置为基于所述激励线圈产生的非均匀磁场的空间分布A0(r)和激励电流时域波形IE(t)，获取接受线圈产生的磁场空间分布pR(r)和磁纳米粒子响应电压信号up(t)；
归一化模块，配置为对所述磁纳米粒子响应电压信号up(t)进行归一化处理，获得归一化磁纳米粒子信号s(t)；
网格化模块，配置为对待重建物体的成像空间进行网格化处理，获得N个成像子单元；其中，第n个成像子单元的体积为ΔVn,n＝1,2,…,N；
第一模型构建模块，配置为基于所述归一化磁纳米粒子信号s(t)计算归一化信号峰值sp，并结合所述成像子单元的体积ΔVn，构建所述归一化信号峰值sp和磁纳米粒子空间分布c(rn)之间的第一数学模型；
第一成像模块，配置为进行所述第一数学模型的求解，获得磁纳米粒子空间分布c(rn)，实现待重建物体的磁纳米粒子成像。
本发明第五实施例的基于时空编码的非均匀激励场的磁纳米粒子成像系统，基于上述的基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法和基于时空编码的非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法，该系统包括以下模块：
第二磁场激励模块，配置为在非均匀激励场HE(r,t)进行待重建物体的激励的基础上，通过一对轴向方向相反的直流线圈或永磁体在成像空间内产生带有零磁场区域的梯度磁场；
扫描模块，配置为通过低频交流线圈产生的低频交变磁场改变所述梯度磁场的分布，驱动所述零磁场区域沿设定轨迹扫描遍历整个成像空间，获得M个扫描时刻和M个扫描位置；
第一归一化信号峰值获取模块，配置为通过上述的基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法步骤S10～步骤S50的方法获取第m个时刻下的归一化信号峰值sp(tm)；其中，m＝1,2,…,M；
体元函数生成模块，配置为根据梯度磁场分布和扫描轨迹，获取第m个扫描时刻第n个成像子单元的响应电压信号的体元函数ΔV(tm,rn)；
第二数学模型构建模块，配置为基于所述第m个时刻下的归一化信号峰值sp(tm)和第m个扫描时刻下的响应电压信号的体元函数ΔV(tm,rn)，构建所述归一化信号峰值sp(tm)和磁纳米粒子空间分布c(rn)之间的第二数学模型；
第二成像模块，配置为进行所述第二数学模型的求解，获得磁纳米粒子空间分布c(rn)，实现待重建物体的磁纳米粒子成像。
本发明第六实施例的基于线圈阵列的非均匀激励场的磁纳米粒子成像系统，基于上述的基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法和基于线圈阵列的非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法，该系统包括以下模块：
第三磁场激励模块，配置为在非均匀激励场HE(r,t)进行待重建物体的激励的基础上，采用不同位置的、多个轴向方向相同或不同的激励线圈依次对成像空间进行激励，构建激励线圈阵列，采用与激励线圈对应的不同位置的、多个轴向方向相同或不同的接收线圈同时对磁纳米粒子响应电压信号进行检测，构建接收线圈阵列；
第二归一化信号峰值获取模块，配置为通过上述的基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法步骤S10～步骤S50的方法获取第m个激励线圈的单位电流磁场空间函数和第l个接收线圈的灵敏度空间函数获取第n个成像子单元的体积ΔVn,n＝1,2,…,N以及进行第m×l个磁纳米粒子响应电压信号up(t)的归一化，并获取归一化后的磁纳米粒子信号s(t)的归一化信号峰值
第三数学模型构建模块，配置为基于所述归一化信号峰值和所述成像子单元的体积ΔVn，构建所述归一化信号峰值和磁纳米粒子空间分布c(rn)之间的第三数学模型；
第三成像模块，配置为进行所述第三数学模型的求解，获得磁纳米粒子空间分布c(rn)，实现待重建物体的磁纳米粒子成像。
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。
需要说明的是，上述实施例提供的基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像系统、基于时空编码的非均匀激励场的磁纳米粒子成像系统以及基于线圈阵列的非均匀激励场的磁纳米粒子成像系统，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。
本发明第七实施例的一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及
与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法，或基于时空编码的非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法，或基于线圈阵列的非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法。
本发明第八实施例的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的基于非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法，或基于时空编码的非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法，或基于线圈阵列的非均匀激励场的磁纳米粒子成像方法。
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。
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。
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。
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、物品或者设备/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、物品或者设备/装置所固有的要素。
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。
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