CN110420026A - 基于ffl的磁粒子成像三维立体重建方法、***、装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁粒子成像领域，具体涉及一种基于FFL的磁粒子成像三维立体重建方法、***、装置，旨在为了解决基于FFL的磁粒子分布三维图像准确度较低的问题。本发明方法包括：获取基于FFL对被扫描目标进行三维扫描过程中感应线圈的电流信号数据；基于所述电流信号数据，通过预设的核函数进行反卷积，得到二维图像数据集合；所述核函数为增加L2正则化约束的阶跃函数；基于所述二维图像数据集合，采用维纳滤波反卷积算法获取初始三维图像；基于初始三维图像，通过郎之万函数进行反卷积，并通过雷登变换获取最终三维图像。本发明提高了所重建的三维图像中磁粒子定位准确度。
Description
技术领域
本发明属于磁粒子成像领域，具体涉及一种基于FFL的磁粒子成像三维立体重建方法、***、装置。
背景技术
在临床诊断和检测中，如何准确、客观的定位肿瘤及其他病灶一直是国际上的研究热点和挑战性问题。现有的医学影像技术如CT、MRI、SPECT等方法均存在危害大，定位差，精度低等问题。而在近些年，一种全新的基于示踪剂的成像方式——磁粒子成像技术(MPI)被提出。利用断层成像技术，MPI可以通过检测对人体无害的超顺磁氧化铁纳米颗粒(SPIOs)的空间浓度分布，对肿瘤或目标物进行精准定位，具有三维成像、高时空分辨率和高灵敏度的特点。此外，MPI不显示解剖结构并且无背景信号干扰，因此信号的强度与示踪剂的浓度直接成正比，是一种颇具医学应用潜力的新方法。
现今的MPI***大多是通过构建无磁场点(Field Free Point，FFP)进行空间编码并在此基础上进行重建的。然而，FFP相比FFL(Field Free Line，无磁场线)的空间分辨率和灵敏度低得多。而目前的基于FFL的磁粒子成像***的研究还是主要集中在二维图像的获取上，基于FFL的三维图像的获取研究较少，且目前基于感应线圈电信号进行三维图像重建的方法获取的磁粒子分布三维图像的准确度较低。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决基于FFL的磁粒子分布三维图像准确度较低的问题，本发发明的第一方面，提出了一种基于FFL的磁粒子成像三维立体重建方法，该方法包括以下步骤：
步骤S100，获取基于FFL对被扫描目标进行三维扫描过程中感应线圈的电流信号数据；
步骤S200，基于所述电流信号数据，通过预设的核函数进行反卷积，得到二维图像数据集合；所述核函数为增加L2正则化约束的阶跃函数；
步骤S300，基于所述二维图像数据集合，采用维纳滤波反卷积算法获取初始三维图像；
步骤S400，基于初始三维图像，通过郎之万函数进行反卷积，并通过雷登变换获取最终三维图像。
在一些优选实施方式中，步骤S100中“获取基于FFL对被扫描目标进行三维扫描过程中感应线圈的电流信号数据”，其方法为：
利用基于FFL的磁粒子成像***，通过对FFL的旋转和位移对被扫描目标进行三维扫描；
获取所述磁粒子成像***中感应线圈在扫描过程中的电流信号数据。
在一些优选实施方式中，步骤S200中“通过预设的核函数进行反卷积”之前还包括：对所述电流信号数据进行模数转换。
本发明的第二方面，提出了一种基于FFL的磁粒子成像三维立体重建***，该***包括电流信号数据获取模块、二维图像数据集合获取模块、初始三维图像获取模块、最终三维图像获取模块；
所述电流信号数据获取模块，配置为获取基于FFL对被扫描目标进行三维扫描过程中感应线圈的电流信号数据；
所述二维图像数据集合获取模块，配置为基于所述电流信号数据，通过预设的核函数进行反卷积，得到二维图像数据集合；所述核函数为增加L2正则化约束的阶跃函数；
所述初始三维图像获取模块，配置为基于所述二维图像数据集合，采用维纳滤波反卷积算法获取初始三维图像；
所述最终三维图像获取模块，配置为基于初始三维图像，通过郎之万函数进行反卷积，并通过雷登变换获取最终三维图像。
本发明的第三方面，提出了一种基于FFL的磁粒子成像三维立体重建***，包括磁体组、感应线圈、成像床、控制与成像装置，所述控制与成像装置中的磁性粒子成像方法为上述的基于FFL的磁粒子成像三维立体重建方法。
本发明的第四方面，提出了一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的基于FFL的磁粒子成像三维立体重建方法。
本发明的第五方面，提出了一种处理装置，包括处理器、存储装置；处理器，适于执行各条程序；存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的基于FFL的磁粒子成像三维立体重建方法。
本发明的有益效果：
本发明对所获取的被扫描目标基于FFL的三维扫描过程中的电流信号数据，通过所构建的核函数、维纳滤波反卷积算法、郎之万函数、雷登变换依次进行数据的处理和变换，得到最终的三维图像，提高了所重建的三维图像中磁粒子定位准确度。
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是本发明一种实施例的基于FFL的磁粒子成像三维立体重建方法的流程示意图；
图2是本发明一种实施例所采用的基于FFL的磁粒子成像***中磁体组及感应线圈设置结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
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。
本发明通过基于FFL的磁粒子成像***获取被扫描目标三维扫描过程中该***中感应线圈随时间变化的电流信号，并以此信号为基础进行磁粒子成像三维立体重建。
本发明的一种基于FFL的磁粒子成像三维立体重建方法，包括以下步骤：
步骤S100，获取基于FFL对被扫描目标进行三维扫描过程中感应线圈的电流信号数据；
步骤S200，基于所述电流信号数据，通过预设的核函数进行反卷积，得到二维图像数据集合；所述核函数为增加L2正则化约束的阶跃函数；
步骤S300，基于所述二维图像数据集合，采用维纳滤波反卷积算法获取初始三维图像；
步骤S400，基于初始三维图像，通过郎之万函数进行反卷积，并通过雷登变换获取最终三维图像。
为了更清晰地对本发明基于FFL的磁粒子成像三维立体重建方法进行说明，下面结合附图对本方发明方法一种实施例中各步骤进行展开详述。
本发明一种实施例的基于FFL的磁粒子成像三维立体重建方法，如图1所示，包括：
步骤S100，获取基于FFL对被扫描目标进行三维扫描过程中感应线圈的电流信号数据。
电流信号数据为对被扫描目标三维扫描过程中的随时间变化的完整的感应线圈的电流信号。其获取方法为：
利用基于FFL的磁粒子成像***，通过对FFL的旋转和位移对被扫描目标进行三维扫描；
获取所述磁粒子成像***中感应线圈在扫描过程中的电流信号数据。
步骤S200，基于所述电流信号数据，通过预设的核函数进行反卷积，得到二维图像数据集合；所述核函数为增加L2正则化约束的阶跃函数。
该步骤中，在进行反卷积前，还需要对电流信号数据进行模数转换。当然还可以在步骤S100中进行数据获取时直接获取模数转换后的电流信号数据，以减少本算法的计算量。
本步骤需要根据电流信号数据，通过点扩散函数(PSF)进行二维图像数据集合的获取，但是找到真正的PSF函数是不可能的，因此通常使用它的近似函数来计算，本实施例中采用增加L2正则化约束的阶跃函数函数作为该近似函数，即核函数。
步骤S300，基于所述二维图像数据集合，采用维纳滤波反卷积算法获取初始三维图像。
维纳滤波反卷积算法是一种简单实用的超分辨率算法。维纳滤波是利用平稳随机过程的相关特性和频谱特性对混有噪声的信号进行滤波的方法，运用到反卷积问题中可以在最小均方误差下得到真实信号的最佳估计。
步骤S400，基于初始三维图像，通过郎之万函数进行反卷积，并通过雷登变换获取最终三维图像。
本发明一种实施例中所采用的基于FFL的磁粒子成像***，包括磁体组、感应线圈、成像床、控制与成像装置，进一步，本实施例的磁粒子成像***还可以包括成像床移动装置。
如图2所示，磁体组包括两对环形磁体对、一个圆筒形磁体；第一环形磁体11、第二环形磁体12构成第一磁体对，第三环形磁体21、第四环形磁体22构成第二磁体对，圆筒形磁体3设置于第一磁体对、第二磁体对所包围的空间；第一环形磁体11、第二环形磁体12共轴平行设置，令其轴线为第一轴线，同样的第三环形磁体21、第四环形磁体22也共轴平行设置，令其轴线为第二轴线；第一轴线、第二轴线正交；令圆筒形磁体3的轴线为第三轴线，第三轴线穿过第一轴线与第二轴线的正交点，且第三轴线垂直于第一轴线与第二轴线构成的平面(x-y平面)。
控制与成像装置，用于按照设定的控制指令控制两对所述环形磁体对、所述圆筒形磁体的磁场变化，实现所产生的无磁场线转动和/或平移，以对所述成像床上设置的被扫描目标的三维扫描。本实施例中，无磁场线转动为在x-y平面的转动，以基于无磁场线形成扫描面，并基于在z轴的移动，实现三维扫描。
基于第一磁体对、第二磁体对、圆筒形磁体3，在控制与成像装置的控制下，通过两组正交梯度磁场产生无磁场线，通过交变磁场移动无磁场线。
继续参看图1，感应线圈有两个(第一感应线圈41、第二感应线圈42)，分别设置于第二磁体对的第三环形磁体21、第四环形磁体22的外侧，以在通过第一磁体对、第二磁体对、圆筒形磁体3所产生的无磁场线的旋转、平移控制对被扫描目标的三维扫描时，基于其所在位置的磁场变化实时产生对应的感应电流。在其他实施例中，感应线圈还可以分别设置于第二磁体对的第一环形磁体11、第二环形磁体12的外侧。
感应线圈为环形感应线圈，且环形感应线圈的轴线与第二磁体对的轴线重合。
控制与成像装置，还用于依据进行三维扫描的过程中感应磁场在所述感应线圈中产生的全部电流信号进行磁性粒子成像。该成像方法现有技术中已有诸多描述，此处不再赘述。控制与成像装置可以直接获取感应线圈的实时的电信号，也可以在信号采集完毕后获取整个过程完整的信号，但此时需要设置感应线圈的信号存储装置，以实时获取并存储感应线圈的电信号，并通过通信链路传送至控制与成像装置。
成像床为半圆筒形，且其床体为全透明材料，用于固定被扫描目标。成像床在本实施例的磁粒子成像***对被扫描目标进行扫描时位于圆筒形磁体3中，优选的，成像床的中心点位于圆筒形磁体3的轴线上。
更进一步的，为了更好的将成像床送至目标位置，还设置有成像床移动装置，成像床移动装置包括移动设备、装设于移动设备的固定支架、装设于固定支架的固定套筒；成像床装设于所述固定套筒中；通过移动设备的可以将成像床移动至所述圆筒形磁体中设定位置。为了更好的对成像床的位置进行确定，在本实施例的磁粒子成像***对被扫描目标进行扫描时固定套筒的轴线与圆筒形磁体3的轴线重合。
移动设备与控制与成像装置通过通信链路连接，接收并执行所述控制与成像装置发送的控制指令，实现对固定套筒的移动。本实施的移动设备为由电机驱动的轨道式移动定位设备，当然，也可以为手动控制的轨道式移动定位设备，在其它实施例中还可以为机械臂或其它结构件或者装置，只要能将固定套筒移动至设定位置即可。
两对环形磁体对、圆筒形磁体为永磁铁，还可以为电磁线圈。在小型的MPI***中优选永磁铁，其优点是比较小巧且容易搭建，无需考虑散热和功率损耗，易产生梯度磁场，其能显著提高扫描仪的性能。在大型的MPI成像***中优选电磁线圈，控制比较灵活，能随实验的需求改变磁场的大小，但应考虑及时散热及电压的较高要求。在采用电磁线圈时，两对环形磁体对可以为亥姆霍兹线圈(Helmholtz coil)对。
控制与成像装置为计算机。
本发明第二实施例的基于FFL的磁粒子成像三维立体重建***，其与上述的基于FFL的磁粒子成像***的区别在于：控制与成像装置的磁性粒子成像方法替换为本发明的基于FFL的磁粒子成像三维立体重建方法。
本发明第三实施例的一种基于FFL的磁粒子成像三维立体重建***，包括电流信号数据获取模块、二维图像数据集合获取模块、初始三维图像获取模块、最终三维图像获取模块；
所述电流信号数据获取模块，配置为获取基于FFL对被扫描目标进行三维扫描过程中感应线圈的电流信号数据；
所述二维图像数据集合获取模块，配置为基于所述电流信号数据，通过预设的核函数进行反卷积，得到二维图像数据集合；所述核函数为增加L2正则化约束的阶跃函数；
所述初始三维图像获取模块，配置为基于所述二维图像数据集合，采用维纳反卷积滤波算法获取初始三维图像；
所述最终三维图像获取模块，配置为基于初始三维图像，通过郎之万函数进行反卷积，并通过雷登变换获取最终三维图像。
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***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FFL的磁粒子成像三维立体重建***，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。
本发明第四实施例的一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的基于FFL的磁粒子成像三维立体重建方法。
本发明第五实施例的一种处理装置，包括处理器、存储装置；处理器，适于执行各条程序；存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的基于FFL的磁粒子成像三维立体重建方法。
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作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。
Claims (7)
1.一种基于FFL的磁粒子成像三维立体重建方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S100，获取基于FFL对被扫描目标进行三维扫描过程中感应线圈的电流信号数据；
步骤S200，基于所述电流信号数据，通过预设的核函数进行反卷积，得到二维图像数据集合；所述核函数为增加L2正则化约束的阶跃函数；
步骤S300，基于所述二维图像数据集合，采用维纳滤波反卷积算法获取初始三维图像；
步骤S400，基于初始三维图像，通过郎之万函数进行反卷积，并通过雷登变换获取最终三维图像。
2.根据权利要求1所述的基于FFL的磁粒子成像三维立体重建方法，其特征在于，步骤S100中“获取基于FFL对被扫描目标进行三维扫描过程中感应线圈的电流信号数据”，其方法为：
利用基于FFL的磁粒子成像***，通过对FFL的旋转和位移对被扫描目标进行三维扫描；
获取所述磁粒子成像***中感应线圈在扫描过程中的电流信号数据。
3.根据权利要求1所述的基于FFL的磁粒子成像三维立体重建方法，其特征在于，步骤S200中“通过预设的核函数进行反卷积”之前还包括：对所述电流信号数据进行模数转换。
4.一种基于FFL的磁粒子成像三维立体重建***，其特征在于，该***包括电流信号数据获取模块、二维图像数据集合获取模块、初始三维图像获取模块、最终三维图像获取模块；
所述电流信号数据获取模块，配置为获取基于FFL对被扫描目标进行三维扫描过程中感应线圈的电流信号数据；
所述二维图像数据集合获取模块，配置为基于所述电流信号数据，通过预设的核函数进行反卷积，得到二维图像数据集合；所述核函数为增加L2正则化约束的阶跃函数；
所述初始三维图像获取模块，配置为基于所述二维图像数据集合，采用维纳滤波反卷积算法获取初始三维图像；
所述最终三维图像获取模块，配置为基于初始三维图像，通过郎之万函数进行反卷积，并通过雷登变换获取最终三维图像。
5.一种基于FFL的磁粒子成像三维立体重建***，包括磁体组、感应线圈、成像床、控制与成像装置，其特征在于，所述控制与成像装置中的磁性粒子成像方法为权利要求1-3任一项所述的基于FFL的磁粒子成像三维立体重建方法。
6.一种存储装置，其中存储有多条程序，其特征在于，所述程序适于由处理器加载并执行以实现权利要求1-3任一项所述的基于FFL的磁粒子成像三维立体重建方法。
7.一种处理装置，包括处理器、存储装置；处理器，适于执行各条程序；存储装置，适于存储多条程序；其特征在于，所述程序适于由处理器加载并执行以实现权利要求1-3任一项所述的基于FFL的磁粒子成像三维立体重建方法。
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