CN111067520B - 一种磁性纳米粒子成像*** - Google Patents

Abstract

本申请适用于磁性纳米粒子成像技术领域，提供了一种磁性纳米粒子成像***，包括控制模块、梯度磁场产生模块、驱动磁场产生模块和信号接收模块，控制模块与驱动磁场产生模块和信号接收模块电连接，驱动磁场产生模块在控制模块的驱动下产生可变的驱动磁场，梯度磁场产生模块产生梯度磁场，梯度磁场和驱动磁场叠加构成成像区域，磁性纳米粒子处于成像区域内，成像区域产生零磁场点以及改变零磁场点在成像区域内的位置，信号接收模块用于接收不同位置的磁性纳米粒子的响应磁场信号，并输出给控制模块以进行成像。该磁性纳米粒子成像***能够检测得到成像区域内的不同位置的磁性纳米粒子的响应磁场信号，实现磁性纳米粒子成像的可靠检测。

Description

一种磁性纳米粒子成像***

技术领域

本申请属于磁性纳米粒子成像技术领域，尤其涉及一种磁性纳米粒子成像***。

背景技术

计算机断层成像技术在过去几十年有了很大的程度的发展，无论是从硬件组成结构还是从重建算法上，对于成像速度和准确率都有了很大的提高。随着靶向药物治疗等技术的飞速发展，对于治疗的准确率有迫切的需求，这就需要使用医疗设备对示踪剂或者造影剂进行追踪和显示，其利用计算机断层成像技术对示踪剂和造影剂进行显影，使用最多的方法就是使用电子计算机断层扫描技术、正电子发射计算机断层成像技术、磁共振成像等技术，但是以上技术有着各种各样的缺陷，比如，空间分辨率低，检测周期长和示踪剂对人体有辐射危害等等。基于上述各种成像技术的成像***的可靠性差。

随着材料学的发展，一种具有纳米尺寸的磁性纳米粒子被研发出来，这种粒子具有纳米级别的尺寸，尺寸通常小于10nm，当粒子的尺寸处于这个尺寸之后就会表现出单畴磁性粒子的集合体，这种集合体由于自旋量子数非常高，使得在外加磁场下自由排列，因此量子效应对整个***几乎不起作用，此时应用居里顺磁性理论的经典极限模型来描述磁***的磁化行为，因此这种磁性纳米粒子还被称为超顺磁性纳米粒子。

发明内容

有鉴于此，本申请实施方式提供了一种磁性纳米粒子成像***，以解决现有的成像***的可靠性差的问题。

本申请实施方式提供了一种磁性纳米粒子成像***，包括：

控制模块；

梯度磁场产生模块；

驱动磁场产生模块；以及

信号接收模块；

所述控制模块与所述驱动磁场产生模块和信号接收模块电连接，所述驱动磁场产生模块在所述控制模块的驱动下产生可变的驱动磁场，所述梯度磁场产生模块用于产生梯度磁场，所述梯度磁场和所述驱动磁场叠加构成成像区域，所述成像区域用于产生零磁场点以及改变所述零磁场点在所述成像区域内的位置，所述成像区域用于设置所述磁性纳米粒子，所述信号接收模块用于接收不同位置的磁性纳米粒子的响应磁场信号，并输出给所述控制模块以进行成像。

在一个实施例中，所述驱动磁场产生模块包括驱动线圈单元，所述信号接收模块包括接收线圈。

在一个实施例中，所述驱动线圈单元包括第一驱动线圈，所述第一驱动线圈的半径大于所述接收线圈的半径，所述接收线圈同轴套设在所述第一驱动线圈内，所述成像区域处于所述接收线圈内。

在一个实施例中，所述驱动线圈单元还包括第二驱动线圈、第三驱动线圈、第四驱动线圈和第五驱动线圈，所述第二驱动线圈、第三驱动线圈、第四驱动线圈和第五驱动线圈的轴线处于同一平面，所述平面与所述第一驱动线圈的轴线垂直；所述第二驱动线圈和第三驱动线圈同轴设置，所述第二驱动线圈的轴线与所述第一驱动线圈的轴线垂直，所述第二驱动线圈和第三驱动线圈分别设置在所述第一驱动线圈的两侧，所述第二驱动线圈和第三驱动线圈串联连接；所述第四驱动线圈和第五驱动线圈同轴设置，所述第四驱动线圈的轴线与所述第一驱动线圈的轴线垂直，所述第四驱动线圈和第五驱动线圈分别设置在所述第一驱动线圈的两侧，所述第四驱动线圈和第五驱动线圈串联连接；所述第二驱动线圈的轴线与所述第四驱动线圈的轴线垂直。

在一个实施例中，所述信号接收模块还包括用于降低噪声的第一噪声抵消线圈和第二噪声抵消线圈，所述第一噪声抵消线圈和第二噪声抵消线圈的长度相等，所述第一噪声抵消线圈和第二噪声抵消线圈的半径与所述接收线圈的半径相等，所述第一噪声抵消线圈和第二噪声抵消线圈与所述接收线圈同轴设置，所述第一噪声抵消线圈和第二噪声抵消线圈分别设置在所述接收线圈的两侧，所述第一噪声抵消线圈与所述接收线圈的距离与所述第二噪声抵消线圈与所述接收线圈的距离相等，所述第一噪声抵消线圈和第二噪声抵消线圈套设在所述第一驱动线圈内；所述第一噪声抵消线圈和第二噪声抵消线圈中用于通入大小相等且方向相反的电流。

在一个实施例中，所述控制模块包括FPGA。

在一个实施例中，所述控制模块包括驱动模块，所述FPGA与所述驱动模块电连接；所述驱动模块包括第一驱动信号产生单元、第二驱动信号产生单元、第三驱动信号产生单元和数模转换器，所述第一驱动信号产生单元、第二驱动信号产生单元和第三驱动信号产生单元与所述数模转换器电连接，所述数模转换器具有三个驱动信号输出端，所述第一驱动信号输出端与所述第一驱动线圈电连接，所述第二驱动信号输出端与所述第二驱动线圈电连接，所述第三驱动信号输出端与所述第四驱动线圈电连接；所述数模转换器用于将所述第一驱动信号产生单元产生的第一初始驱动信号进行数模转换，生成第一目标驱动信号，然后通过所述第一驱动信号输出端输出给所述第一驱动线圈；所述数模转换器用于将所述第二驱动信号产生单元产生的第二初始驱动信号进行数模转换，生成第二目标驱动信号，然后通过所述第二驱动信号输出端输出给所述第二驱动线圈；所述数模转换器用于将所述第三驱动信号产生单元产生的第三初始驱动信号进行数模转换，生成第三目标驱动信号，然后通过所述第三驱动信号输出端输出给所述第四驱动线圈；所述第一目标驱动信号、第二目标驱动信号和第三目标驱动信号为不同频率的交流驱动信号。

在一个实施例中，所述梯度磁场产生模块包括一对相同磁极相对设置的永磁体，该一对永磁体产生所述梯度磁场。

在一个实施例中，所述梯度磁场产生模块还包括用于调节所述一对永磁体之间相对距离的距离调节机构。

在一个实施例中，所述磁性纳米粒子成像***还包括上位机，所述上位机与所述控制模块电连接。

本申请实施方式与现有技术相比存在的有益效果是：本申请提供的磁性纳米粒子成像***中，通过驱动磁场产生模块产生可变的驱动磁场，通过梯度磁场产生模块产生梯度磁场，梯度磁场和驱动磁场叠加构成成像区域，基于可变的驱动磁场，零磁场点在成像区域内的位置会发生变化，能够检测成像区域内的不同位置的磁性纳米粒子的响应磁场信号，控制模块接收响应磁场信息以进行成像。该磁性纳米粒子成像***基于梯度磁场和可变的驱动磁场能够检测得到成像区域内的不同位置的磁性纳米粒子的响应磁场信号，实现磁性纳米粒子的可靠成像，保证磁性纳米粒子成像的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施方式中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的磁性纳米粒子成像***的第一种结构示意图；

图2是本申请实施例提供的磁性纳米粒子成像***的第二种结构示意图；

图3是本申请实施例提供的磁性纳米粒子成像***的驱动模块的结构示意图；

图4是驱动信号形成的数据传输过程图；

图5是第一驱动线圈和接收线圈的立体结构示意图；

图6是第一驱动线圈、接收线圈、第二驱动线圈、第三驱动线圈、第四驱动线圈和第五驱动线圈的侧视图；

图7是第一驱动线圈、接收线圈、第一永磁体和第二永磁体的立体结构示意图；

图8是接收线圈、第一噪声抵消线圈和第二噪声抵消线圈的结构示意图；

图9是自定义的粒子分布的理想灰度图；

图10是粒子重建图；

图11是为了模拟真实情况主动添加的噪声图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定***结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施方式。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施方式中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的***、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

还应当理解，在此本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施方式的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

应当理解，本实施例中各步骤的先后撰写顺序并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

为了说明本申请所述的技术方案，下面通过具体实施方式来进行说明。

以下先简单介绍一下磁性纳米粒子与磁场的关系。

磁性纳米粒子在交变的磁场中会产生非线性的磁化响应，而只有磁性纳米粒子的磁矩不达到饱和状态才会产生非线性的磁化响应，于是就可以使用梯度磁场和驱动磁场来产生零磁场点和驱动零磁场点进行扫描磁性纳米粒子，只有在零磁场点附近的磁性纳米粒子才会产生非线性的磁化响应，而距离零磁场点较远的粒子磁矩达到饱和状态，并不能够产生非线性的磁化响应，因此使用这种性能，通过使用信号接收模块(比如接收线圈)就可以检测这种非线性的磁化响应，进而定位磁性纳米粒子的位置，使用这种原理就可以对磁性纳米粒子进行成像和进一步分析。

使用零磁场点扫描遍历成像区域的扫描方式包括：螺旋轨迹、径向轨迹、利萨如轨迹和笛卡尔轨迹等。

参考图1，为本申请实施例提供的磁性纳米粒子成像***的第一种结构示意图。

如图1所示，本申请提供的磁性纳米粒子成像***包括控制模块101、梯度磁场产生模块102、驱动磁场产生模块103和信号接收模块104。如图1所示，控制模块101与驱动磁场产生模块103和信号接收模块104电连接。

控制模块101为控制以及数据处理的核心，掌握着整个***的运行，包括驱动信号的输出以及接收信号的接收，控制器的运行速度至关重要，其影响着图像重建的速度。控制模块101的具体实现方式不唯一，可以使用CPU(central processing unit，中央处理器)作为控制器，也可以使用其他类型的控制器，比如FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)。CPU虽然可以满足对信号的传输的要求，但是CPU一旦出厂之后无法对其内部结构进行更改，降低后期调试的灵活性，而且CPU内部为冯诺伊曼结构，内部串行的方式逐条执行指令，大大降低了程序运行的时间，降低成像运行的速度。若采用全可编程逻辑阵列结构的FPGA作为***的控制器，和CPU相比，FPGA不仅具备软件可编程的能力与硬件可编程的能力，以低功耗***优势实现更加强大的***性能、灵活性和可扩展性；使用FPGA可并行运行算法的优点，大大加快了***运行的过程，降低成像的时间，由于其又具有可编程的性能和描述硬件的功能，可以减小***硬件电路和研发成本，加快***的普遍使用率。

控制模块101向驱动磁场产生模块103输出驱动信号，在驱动信号的作用下产生可变的驱动磁场，比如：若驱动信号为正弦信号，则驱动磁场为交变磁场。通常情况下，驱动磁场产生模块103为驱动线圈，通过向驱动线圈中通入可变的驱动信号实现产生可变的驱动磁场。梯度磁场产生模块102用于产生梯度磁场，梯度磁场产生模块102可以为一对电磁线圈或者一对永磁体(比如：永磁铁)，当梯度磁场产生模块102为一对电磁线圈时，通过通入直流电使电磁线圈产生具有梯度性质的梯度磁场；当梯度磁场产生模块102为一对永磁体时，将这两个永磁体的相同磁极相对设置，能够产生梯度磁场。梯度磁场产生模块102产生的梯度磁场的强度可以固定不变，也可以变化。当梯度磁场产生模块102需要产生可变的梯度磁场时，若梯度磁场产生模块102为一对电磁线圈，那么，改变通入的直流电就可以改变梯度磁场的强度；若梯度磁场产生模块102为一对永磁体，则需要调节这两个永磁体之间的相对距离，可以人工直接移动这两个永磁体中的至少一个，也可以通过距离调节机构进行调节。

梯度磁场和驱动磁场叠加构成成像区域，根据梯度磁场和驱动磁场之间的位置关系可以实现成像区域是一维、二维或者三维结构。成像区域中能够产生零磁场点，并且，通过可变的驱动磁场能够改变零磁场点在成像区域内的位置。磁性纳米粒子处于成像区域内。

成像区域内，各位置的磁性纳米粒子具有对应的响应磁场信号，那么，信号接收模块104接收成像区域内的不同位置的磁性纳米粒子的响应磁场信号，磁场信号具体为各个位置的磁性纳米粒子的浓度大小。信号接收模块104通常为接收线圈，信号接收模块104接收磁场信号，将磁场信号转换为电信号，具体为：当信号接收模块104处于变化的磁场中时，线圈内磁通量的变化会使得信号接收模块104产生感应电动势(即感应电压)。那么，当信号接收模块104接收到磁场信号后，将相应的感应电压信号输出给控制模块101。控制模块101可以将数据信号输出给外接电脑，比如上位机，通过外接电脑实现成像；若控制模块101本身就设置有显示器，控制模块101本身就可以进行成像，则***就无需设置外接电脑。

参考图2，为本申请实施例提供的磁性纳米粒子成像***的第二种结构示意图。

如图2所示，磁性纳米粒子成像***包括控制模块201、线性功率放大器202、驱动磁场产生模块203、信号接收模块204、梯度磁场产生模块205、带通滤波器207、运算放大器208以及上位机209。控制模块201与线性功率放大器202电连接，线性功率放大器202与驱动磁场产生模块203电连接，信号接收模块204与带通滤波器207电连接，带通滤波器207与运算放大器208电连接，运算放大器208与上位机209电连接。磁性纳米粒子206处于梯度磁场和驱动磁场叠加构成的成像区域中。

控制模块201包括FPGA，FPGA不仅具备软件可编程的能力与硬件可编程的能力，以低功耗***优势实现更加强大的***性能、灵活性和可扩展性；使用FPGA可并行运行算法的优点，大大加快了***运行的过程，降低成像的时间，由于其又具有可编程的性能和描述硬件的功能，可以减小***硬件电路和研发成本，加快***的普遍使用率。

控制模块201中的FPGA输出驱动信号，以驱动驱动磁场产生模块203产生驱动磁场，所以，控制模块201还包括用于产生驱动信号的驱动模块，FPGA与驱动模块电连接。本实施例中，如图3所示，驱动模块包括第一驱动信号产生单元2011、第二驱动信号产生单元2012、第三驱动信号产生单元2013和数模转换器2015，进一步地，还可以包括与数模转换器2015相适配的数模驱动单元2014，第一驱动信号产生单元2011、第二驱动信号产生单元2012和第三驱动信号产生单元2013与数模驱动单元2014电连接，数模驱动单元2014与数模转换器2015电连接。

本实施例中，使用DDS(Direct Digital Synthesis，直接数字频率合成技术)技术产生驱动信号，由于这种方式产生的信号纯净度较高，输出部分不需要加滤波器，在一定程度上可以降低成本。驱动信号在整个***设计中占有很重要的地位，驱动信号的好坏直接影响后级图像的重建。由于***对信号的准确性的精度要求很高，普通的使用PWM(PulseWidth Modulation，脉宽调制)产生驱动信号的方式不能够满足精度和轻松调节频率的要求，因此本实施例采用DDS的技术，产生可以轻松操作并迅速更改不同频率和不同类型的驱动信号。对于第一驱动信号产生单元2011、第二驱动信号产生单元2012和第三驱动信号产生单元2013中的任一个驱动信号产生单元，内部的DDS部分主要包括：频率控制字、相位累加器和相位转换器等部分。***中所需的驱动信号的频率值的计算公式如下：

其中：f_OUT为***中所需要的驱动信号的频率值，N为对应于相位累加器输出字最小增量相位变化的f_clk的脉冲数，f_clk为DDS工作时钟，M表示相位累加器的位数，通过调整相位累加器和脉冲数即可调节输出频率。本实施例中，将DDS封装成IP核，然后在开发环境中直接调用IP核来产生数字信号，那么，各驱动信号产生单元本质上就是一个将DDS进行封装的IP核。通过使用三路结构相同的DDS IP核，仅仅通过更改输出频率来更改***需要的驱动信号的频率，进而生成***中组成特定扫描轨迹的频率的需求。通常情况下，三路驱动信号的频率不同，但是仅仅存在很小的差别，即任两路驱动信号的频率的差值小于预设的误差门限值，比如三路频率的比为99:98:97的驱动信号。通过同相位设置之后，可以生成利萨如扫描轨迹，激励不同位置的磁性纳米粒子206。从各IP核输出的三路驱动信号，在传输时钟的情况下，以byte的速度进行传输。本实施例采用数字信号交错传输的方式，这种传输的优点是仅仅需要一路输入就可以传输多路信号，增加了芯片的使用率，降低了功耗，同时降低了硬件成本。如图4所示，为驱动信号形成的数据传输过程图。由各IP核输出的从LUT(Look-Up-Table，显示查找表)中输出的三路初始驱动信号，本实施例中，初始驱动信号为正弦幅值信号，通过数模驱动单元后输入至数模转换器2015，通过数模转换输出正弦模拟驱动信号，正弦模拟驱动信号为目标驱动信号。具体为：第一驱动信号产生单元2011产生第一初始驱动信号，数模转换器2015将第一初始驱动信号进行数模转换，生成第一目标驱动信号；第二驱动信号产生单元2012产生第二初始驱动信号，数模转换器2015将第二初始驱动信号进行数模转换，生成第二目标驱动信号；第三驱动信号产生单元2013产生第三初始驱动信号，数模转换器2015将第三初始驱动信号进行数模转换，生成第三目标驱动信号。因此，这三个目标驱动信号为频率不同的三个正弦模拟驱动信号。

数模转换器2015具有三个驱动信号输出端，分别是第一驱动信号输出端、第二驱动信号输出端和第三驱动信号输出端，第一驱动信号输出端输出第一目标驱动信号，第二驱动信号输出端输出第二目标驱动信号，第三驱动信号输出端输出第三目标驱动信号。

线性功率放大器202用于将第一目标驱动信号、第二目标驱动信号和第三目标驱动信号进行放大，线性功率放大器202可以为常规的线性功率放大器设备，不再赘述。

驱动磁场产生模块203包括驱动线圈单元，信号接收模块204包括接收线圈2041。驱动线圈单元包括第一驱动线圈2031，如图5所示，第一驱动线圈2031的半径大于接收线圈2041的半径，接收线圈2041同轴套设在第一驱动线圈2031内，第一驱动线圈2031的半径与接收线圈2041的半径的差值由实际情况进行设置。为了固定第一驱动线圈2031和接收线圈2041，可以设置一个固定结构，比如：设置一个圆筒形结构，第一驱动线圈2031套在该圆筒形结构的外壁，接收线圈2041同轴放置在该圆筒形结构的内部。该圆筒形结构需要由不影响第一驱动线圈2031和接收线圈2041正常运行的材质构成，比如：不能吸收或者减弱第一驱动线圈2031产生的磁场，以及不能影响磁性纳米粒子206的正常运行。除了上述结构之外，还可以采用固定支架固定第一驱动线圈2031和接收线圈2041。

驱动线圈单元还包括第二驱动线圈2032、第三驱动线圈2033、第四驱动线圈2034和第五驱动线圈2035。其中，如图6所示，第二驱动线圈2032、第三驱动线圈2033、第四驱动线圈2034和第五驱动线圈2035的轴线处于同一平面，该平面与第一驱动线圈2031的轴线垂直。第二驱动线圈2032和第三驱动线圈2033同轴设置，第二驱动线圈2032的轴线(即第三驱动线圈2033的轴线)与第一驱动线圈2021的轴线垂直，且第二驱动线圈2032和第三驱动线圈2033分别设置在第一驱动线圈2031的两侧，第二驱动线圈2032和第三驱动线圈2033的电气连接关系为串联连接。第四驱动线圈2034和第五驱动线圈2035同轴设置，第四驱动线圈2034的轴线(即第五驱动线圈2035的轴线)与第一驱动线圈2031的轴线垂直，第四驱动线圈2034和第五驱动线圈2035分别设置在第一驱动线圈2031的两侧，第四驱动线圈2034和第五驱动线圈2035的电气连接关系为串联连接。第二驱动线圈2032的轴线与第四驱动线圈2034的轴线垂直。若设定第二驱动线圈2032和第三驱动线圈2033为线圈对a，设定第四驱动线圈2034和第五驱动线圈2035为线圈对b，则第一驱动线圈2031、线圈对a和线圈对b的轴线等效于三维坐标中的x轴、y轴和z轴，三个轴线两两垂直。因此，线圈对a中的第二驱动线圈2032和第三驱动线圈2033可以是一对赫姆霍兹结构的驱动线圈，线圈对b中的第四驱动线圈2034和第五驱动线圈2035可以是一对赫姆霍兹结构的驱动线圈。进一步地，第二驱动线圈2032、第三驱动线圈2033、第四驱动线圈2034和第五驱动线圈2035的几何参数一样，即长度相等，半径相等。而且，第二驱动线圈2032、第三驱动线圈2033、第四驱动线圈2034和第五驱动线圈2035与第一驱动线圈2031的距离也相等。为了固定第二驱动线圈2032、第三驱动线圈2033、第四驱动线圈2034和第五驱动线圈2035，可以设置固定结构，比如：设置四个固定支架，分别按照各自的位置固定各个驱动线圈；或者基于这四个驱动线圈的位置关系，制作一个安装壳体。该壳体需要由不能影响这四个驱动线圈正常运行的材质构成，比如：不能吸收或者减弱产生的磁场。

数模转换器2015的第一驱动信号输出端与第一驱动线圈2031电连接，将第一目标驱动信号传输给第一驱动线圈2031；数模转换器2015的第二驱动信号输出端与第二驱动线圈2032电连接，将第二目标驱动信号传输给第二驱动线圈2032和第三驱动线圈2033；数模转换器2015的第三驱动信号输出端与第四驱动线圈2034电连接，将第三目标驱动信号传输给第四驱动线圈2034和第五驱动线圈2035。

驱动线圈单元用于驱动零磁场点遍历整个成像区域。本实施例中，各驱动线圈为螺线管形式，对零磁场点进行驱动，以便于形成三维的图像。上述驱动线圈单元的结构能够形成比较稳定可靠的三维驱动磁场。成像区域可以由以下计算过程：先对驱动磁场使用有限元的方式进行计算，通过直流电激励线圈模拟交流电的峰峰值，然后驱动场值除以梯度场，就可以计算出成像区域的具体范围。由于在实际的应用中，想要达到很大的交流磁场就要通入很大的电流，如果直接使用功率放大器产生的电压驱动驱动线圈，就需要很大的电压值，这样对功率放大器的电压要求很高，而且还会使驱动线圈的发热量骤增，因此可以对驱动线圈使用匹配串联谐振的方法，仅仅需要很少的电流就可以产生很大电流，满足驱动线圈上产生低压大电流的要求，同时为了避免由高频电流产生的趋肤效应增大驱动线圈的功率损耗，本实施例中，各驱动线圈使用利兹线作为绕线材质。对于驱动线圈所产生的磁场可以使用毕奥萨伐尔定理描述，公式如下：

其中，

是电流元Idl在空间一点P产生的磁感应强度，I是驱动线圈中极小部分线上的电流源，L是整个驱动线圈的积分路径，dl是源电流的微小线元素，μ₀是真空磁导率，其值为4π×10^-7Tm/A，

是任意载流导线在P处的磁感强度。

通过对驱动线圈进行线积分，得到驱动线圈形成的驱动磁场。

梯度磁场产生模块205包括一对相同磁极相对设置的永磁体，分别是第一永磁体2051和第二永磁体2052，第一永磁体2051和第二永磁体2052均可以为常规的永磁铁。采用永磁体产生梯度场的原因是可以降低成本，省去了电磁线圈的电源，而且，永磁体的造价要比电磁线圈低很多。在构建梯度磁场之前可以对起编码作用的梯度磁场进行建模仿真，以构建出符合要求的梯度磁场，梯度磁场越大，能够检测到的磁性纳米粒子206越小，粒子信号强度越大。本实施例中，第一永磁体2051和第二永磁体2052均为圆柱形结构，第一永磁体2051和第二永磁体2052的外径和厚度分别为124mm和20mm。在构建梯度磁场的过程中，第一永磁体2051和第二永磁体2052同轴设置，且第一永磁体2051和第二永磁体2052的相同磁极相对设置，具体为第一永磁体2051和第二永磁体2052的S极相对设置，产生梯度磁场，实现产生需要的零磁场点。驱动磁场产生模块203和信号接收模块204设置在梯度磁场中，图7给出了一种具体的布置方式，第一驱动线圈2031、第一永磁体2051和第二永磁体2052同轴设置，且第一永磁体2051和第二永磁体2052分别设置在第一驱动线圈2031的两侧。

在距离零磁场点一定范围内，磁场强度是成线性变化的一个趋势，本实施例用这种变形变化的磁场对磁性纳米粒子206的位置进行编码。为了增大或者减小***的成像区域，将梯度磁场设计成可调的梯度磁场，提升***的灵活性，满足不同成像区域的需求。那么，就需要设置有距离调节机构，用于调节第一永磁体2051和第二永磁体2052之间的相对距离。不同距离的永磁体产生不同梯度值的梯度磁场，通过朗之万理论得知，粒子的信号和梯度磁场的梯度值呈线性相关，梯度值越大，相同的直径的粒子信号越强，分辨率越高(分辨率指可以观察到的相邻粒子簇的最小距离)，因此通过调节梯度值扩大不同粒子直径的使用范围，增大***的使用场合。在调节第一永磁体2051和第二永磁体2052之间相对距离时，可以只调节第一永磁体2051和第二永磁体2052中的其中一个永磁体，也可以同时调节第一永磁体2051和第二永磁体2052。距离调节机构的实现方式有很多，比如：以调节第一永磁体2051为例，距离调节机构包括安装底座，安装底座固定安装螺纹套筒，螺纹套筒与一螺纹杆相配合构成螺纹传动连接，螺纹杆设置在螺纹套筒内，螺纹杆的一端设置有用于驱动螺纹杆转动的驱动手轮，螺纹杆的另一端设置有固定件，第一永磁体2051与固定件固定设置，那么，当驱动手轮转动时，螺纹杆转动，就能够驱动固定件前后移动，进而驱动第一永磁体2051前后移动，实现调节与第二永磁体2052之间的相对距离。因此，若只需要调节一个永磁体，则只需要设置一个上述的距离调节机构；若需要同时调节两个永磁体，则就需要设置两个上述的距离调节机构。作为其他的实施方式，距离调节机构还可以是诸如滑轨等的其他结构形式。另外，还可以不需要借助距离调节机构，直接人为挪动第一永磁体2051和第二永磁体2052，以改变两者之间的相对距离。

驱动磁场产生模块203与梯度磁场产生模块205构成***的扫描仪部分，驱动磁场产生模块203产生的驱动磁场和梯度磁场产生模块205产生的梯度磁场正交的方式叠加，零磁场点就可以在驱动磁场的作用在遍历感兴趣的区域(感兴趣的区域包括成像区域，即包含磁性纳米粒子206的区域)，在零磁场点附近的磁性纳米粒子206在驱动磁场的作用下，就可以产生非线性的磁化响应。

为了降低噪声，抵消掉一部分甚至全部的接收线圈2041处的驱动信号，降低外部噪声的引入，信号接收模块除了接收线圈2041之外，还包括第一噪声抵消线圈2042和第二噪声抵消线圈2043。如图8所示，第一噪声抵消线圈2042和第二噪声抵消线圈2043的长度相等，第一噪声抵消线圈2042和第二噪声抵消线圈2043的半径与接收线圈2041的半径相等，第一噪声抵消线圈2042、第二噪声抵消线圈2043与接收线圈2041同轴设置，第一噪声抵消线圈2042和第二噪声抵消线圈2043分别设置在接收线圈2041的两侧，第一噪声抵消线圈2042与接收线圈2041的距离与第二噪声抵消线圈2043与接收线圈2041的距离相等，而且，第一噪声抵消线圈2042和第二噪声抵消线圈2043与接收线圈2041一样，套设在第一驱动线圈2031内。因此，第一噪声抵消线圈2042和第二噪声抵消线圈2043的几何参数完全一样。第一噪声抵消线圈2042和第二噪声抵消线圈2043中用于通入大小相等且方向相反的电流。所以，第一噪声抵消线圈2042和第二噪声抵消线圈2043使用降低驱动信号的绕线方式，来降低驱动磁场产生的、接收线圈2041处的驱动信号。由于成像区域距离第一噪声抵消线圈2042和第二噪声抵消线圈2043相对较远，因此第一噪声抵消线圈2042和第二噪声抵消线圈2043接收到线圈上的粒子的信号可以忽略不计。通过通入大小相同、方向相反的电流，以此降低接收线圈2041处很强的驱动信号。理想状态下，第一噪声抵消线圈2042和第二噪声抵消线圈2043能够完全抵消掉驱动信号，还可以省去外部滤波器，降低成本，也避免了由于滤波器本身产生的额外噪声。

为了固定接收线圈2041、第一噪声抵消线圈2042和第二噪声抵消线圈2043，可以设置固定结构，比如：固定结构为具有一定长度的管孔(即螺线管孔)，将接收线圈2041、第一噪声抵消线圈2042和第二噪声抵消线圈2043按照上文中的布置方式***到管孔内。管孔需要由不影响接收线圈2041、第一噪声抵消线圈2042和第二噪声抵消线圈2043正常运行的材质构成，比如：不能影响磁性纳米粒子206的正常运行；或者固定结构为一个壳体，壳体上开设有若干个穿线孔，接收线圈2041、第一噪声抵消线圈2042和第二噪声抵消线圈2043按照上文中的布置方式从对应的穿线孔内穿过。该壳体需要由不影响接收线圈2041、第一噪声抵消线圈2042和第二噪声抵消线圈2043正常运行的材质构成，比如：不能影响磁性纳米粒子206的正常运行。除了上述两种实现方式之外，还可以采用其他的结构形式固定接收线圈2041、第一噪声抵消线圈2042和第二噪声抵消线圈2043。

扫描仪部分构成之后，成像区域在接收线圈2041内，磁性纳米粒子206在成像区域内进行磁性响应。将测试对象，比如测试体膜，放置在接收线圈2041内，第一噪声抵消线圈2042和第二噪声抵消线圈2043内只含有相同且很少量的粒子信号。

成像区域内，各位置的磁性纳米粒子206具有对应的响应磁场信号，接收线圈2041接收成像区域内的不同位置的磁性纳米粒子206的响应磁场信号，磁场信号具体为各个位置的磁性纳米粒子206的浓度大小。

接收线圈2041接收磁场信号，将磁场信号转换为电信号，具体为：当接收线圈2041处于变化的磁场中时，线圈内磁通量的变化会使得接收线圈2041产生感应电动势(即感应电压)。将模拟形式的电压信号进行数字化，本实施例中，选用14M单通道的模数转换芯片，模拟信号通过模数转换芯片之后依次通过带通滤波器207和运算放大器208输出给控制模块201中的FPGA。带通滤波器207和运算放大器208作为数据优化设备，由于第一噪声抵消线圈2042和第二噪声抵消线圈2043能够大幅度降低噪音，因此带通滤波器207可以不设置；而且，运算放大器208用于放大数据，若不需要对数据进行放大，或者数据不放大也能够满足处理要求，则运算放大器208可以不设置。

由于模拟信号通过模数转换芯片之后是串行数据，为了达到实时图像显示的目的，因此本实施例使用FPGA构建一个FIFO(First Input First Output，先进先出)缓冲器，对接收到的数据进行缓冲，FIFO缓冲器中的数据采取先入先出的处理方式，能够避免前端的数据传输速度过快导致计算还没有完成就有过快的数据传输进来，导致数据的丢失。在FPGA内部将编写的FIFO程序封装成一个IP核用于接收数据，方便以后直接调用。由于接收到数据具有一定的噪声以及补偿由于重建部分所消耗的时间，本实施例使用滑动平均数据的方法来进行数据的传输，当有新的数据到来时，选取已经保存的5个byte进行平均处理，计算公式如下：

其中，

是由数据采集捕获的当前原始数据，u_j是当前捕获帧数据的近邻的上一个帧数据，用5个byte数据表示。

得到的平均数据进行FFT(Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换)变换之后，由于高次谐波更多的表示是获取到的噪声，粒子的信号主要集中在3次谐波和5次谐波。因此选取3次和5次谐波的能量表示粒子的响应信号，使用FPGA选取粒子信号的3次和5次谐波的强度作为粒子信号的强度。

然后，FPGA利用ART(Algebra Reconstruction Technique，代数重建法)投影重建算法对磁性纳米粒子206的位置和浓度进行重建，以下对重建算法进行描述。

通过对两种磁场进行仿真验证之后，为了说明其是否符合***运行时需要的磁场的梯度值和驱动场的幅值要求，进行2D平台的验证，

其中

表示三维平台移动已知磁性纳米粒子206做成的探针遍历整个成像区域所得到的对照矩阵，m表示一共移动的点数，n表示每个点使用谐波数，

表示使用测试体膜测量到的磁性纳米粒子206的信号，x为待求的数值。

将ART投影重建算法应用在***中，来对磁性纳米粒子206的位置和浓度进行重建，具体步骤如下：通过将m×n的已知矩阵和位置的图像F进行相乘，然后其值和测量到的电压信号相等，重建可以使用以下方程组进行表示：

其中：a_mn为m×n矩阵的元素，m为选取的每个磁性纳米粒子206的谐波数目，n为选取的所有的磁性纳米粒子206的位置，u为测量到的电压值，测量到的谐波能量值作为图像灰度图的强度值。

由于粒子浓度越大，粒子的信号越强，通过求解以上方程组，就可以得到具有和浓度成线性相关的粒子的图像，将求解的数据保存为矩阵的形式然后进行灰度变换。通过数学平台的仿真，选取仿真得到的最小的梯度值和驱动场幅值，通过使用朗之万理论计算粒子的非线性相应，然后模拟真实的环境中粒子的响应，最后得到粒子的分布图。

如图9所示，自定义粒子的分布图，其中白色的20mm×5mm，间距为5mm的粒子的白色部分表示理想的粒子聚集块。通过计算显示的灰度图，可以大致得到粒子的分布，如图10所示。如果将梯度值加大的话，会提高分辨率，图11表示为了模拟真实环境中的噪声添加的高斯噪声。

最后，PFGA通过SPI的方式将图像数据上传至上位机209，通过上位机209对图像进行实时显示。

本申请具有可以调整的永磁梯度场结构，扩展了使用场合，比如具备在人体上使用的可能性，使用永磁体产生梯度场相比于使用电磁铁的方式，由于省略电磁铁的直流电源，大大将低了成本；利用FPGA的并行计算的固有优点，可以加快数据处理的时间，降低整个***的单个图像重建的时间，并且使用FPGA的可编程的逻辑阵列，可以降低***电路的结构，进一步降低***成本和研发调试的时间成本。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种磁性纳米粒子成像***，其特征在于，包括：

控制模块；

梯度磁场产生模块；

驱动磁场产生模块；以及

信号接收模块；

所述控制模块与所述驱动磁场产生模块和信号接收模块电连接，所述驱动磁场产生模块在所述控制模块的驱动下产生可变的驱动磁场，所述梯度磁场产生模块用于产生梯度磁场，所述梯度磁场和所述驱动磁场叠加构成成像区域，所述成像区域用于产生零磁场点以及改变所述零磁场点在所述成像区域内的位置，所述成像区域用于设置所述磁性纳米粒子，所述信号接收模块用于接收不同位置的磁性纳米粒子的响应磁场信号，并输出给所述控制模块以进行成像；

所述驱动磁场产生模块包括驱动线圈单元，所述信号接收模块包括接收线圈；

所述驱动线圈单元包括第一驱动线圈，所述第一驱动线圈的半径大于所述接收线圈的半径，所述接收线圈同轴套设在所述第一驱动线圈内，所述成像区域处于所述接收线圈内；

所述驱动线圈单元还包括第二驱动线圈、第三驱动线圈、第四驱动线圈和第五驱动线圈，所述第二驱动线圈、第三驱动线圈、第四驱动线圈和第五驱动线圈的轴线处于同一平面，所述平面与所述第一驱动线圈的轴线垂直；所述第二驱动线圈和第三驱动线圈同轴设置，所述第二驱动线圈的轴线与所述第一驱动线圈的轴线垂直，所述第二驱动线圈和第三驱动线圈分别设置在所述第一驱动线圈的两侧，所述第二驱动线圈和第三驱动线圈串联连接；所述第四驱动线圈和第五驱动线圈同轴设置，所述第四驱动线圈的轴线与所述第一驱动线圈的轴线垂直，所述第四驱动线圈和第五驱动线圈分别设置在所述第一驱动线圈的两侧，所述第四驱动线圈和第五驱动线圈串联连接；所述第二驱动线圈的轴线与所述第四驱动线圈的轴线垂直。

2.根据权利要求1所述的磁性纳米粒子成像***，其特征在于，所述信号接收模块还包括用于降低噪声的第一噪声抵消线圈和第二噪声抵消线圈，所述第一噪声抵消线圈和第二噪声抵消线圈的长度相等，所述第一噪声抵消线圈和第二噪声抵消线圈的半径与所述接收线圈的半径相等，所述第一噪声抵消线圈和第二噪声抵消线圈与所述接收线圈同轴设置，所述第一噪声抵消线圈和第二噪声抵消线圈分别设置在所述接收线圈的两侧，所述第一噪声抵消线圈与所述接收线圈的距离与所述第二噪声抵消线圈与所述接收线圈的距离相等，所述第一噪声抵消线圈和第二噪声抵消线圈套设在所述第一驱动线圈内；所述第一噪声抵消线圈和第二噪声抵消线圈中用于通入大小相等且方向相反的电流。

3.根据权利要求1所述的磁性纳米粒子成像***，其特征在于，所述控制模块包括FPGA。

4.根据权利要求3所述的磁性纳米粒子成像***，其特征在于，所述控制模块包括驱动模块，所述FPGA与所述驱动模块电连接；所述驱动模块包括第一驱动信号产生单元、第二驱动信号产生单元、第三驱动信号产生单元和数模转换器，所述第一驱动信号产生单元、第二驱动信号产生单元和第三驱动信号产生单元与所述数模转换器电连接，所述数模转换器具有三个驱动信号输出端，所述第一驱动信号输出端与所述第一驱动线圈电连接，所述第二驱动信号输出端与所述第二驱动线圈电连接，所述第三驱动信号输出端与所述第四驱动线圈电连接；所述数模转换器用于将所述第一驱动信号产生单元产生的第一初始驱动信号进行数模转换，生成第一目标驱动信号，然后通过所述第一驱动信号输出端输出给所述第一驱动线圈；所述数模转换器用于将所述第二驱动信号产生单元产生的第二初始驱动信号进行数模转换，生成第二目标驱动信号，然后通过所述第二驱动信号输出端输出给所述第二驱动线圈；所述数模转换器用于将所述第三驱动信号产生单元产生的第三初始驱动信号进行数模转换，生成第三目标驱动信号，然后通过所述第三驱动信号输出端输出给所述第四驱动线圈；所述第一目标驱动信号、第二目标驱动信号和第三目标驱动信号为不同频率的交流驱动信号。

5.根据权利要求1所述的磁性纳米粒子成像***，其特征在于，所述梯度磁场产生模块包括一对相同磁极相对设置的永磁体，该一对永磁体产生所述梯度磁场。

6.根据权利要求5所述的磁性纳米粒子成像***，其特征在于，所述梯度磁场产生模块还包括用于调节所述一对永磁体之间相对距离的距离调节机构。

7.根据权利要求1所述的磁性纳米粒子成像***，其特征在于，所述磁性纳米粒子成像***还包括上位机，所述上位机与所述控制模块电连接。

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