一種超順磁性四氧化三鐵納米微粒成像系統(tǒng)及成像方法
【專利摘要】一種超順磁性四氧化三鐵納米微粒成像系統(tǒng)，包括：信號源單元，所述信號源單元提供電流信號和電壓信號；掃描單元，所述掃描單元與所述信號源單元相連,且所述掃描單元通過振蕩的磁場來掃描目標物體內(nèi)的超順磁性四氧化三鐵納米微粒，從而將振蕩的電流信號轉(zhuǎn)變成非線性響應(yīng)信號；處理單元，所述處理單元與所述掃描單元相連,且所述處理單元接收所述掃描單元的非線性響應(yīng)信號,且所述處理單元對收到的非線性響應(yīng)信號進行濾波和放大處理，并對模擬信號進行數(shù)字信號采集；計算單元，其與所述處理單元相連,用以對所述數(shù)字信號進行后續(xù)處理，得到超順磁性四氧化三鐵納米微粒在目標物體體內(nèi)的分布圖。
【專利說明】一種超順磁性四氧化三鐵納米微粒成像系統(tǒng)及成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超順磁性四氧化三鐵納米微粒成像系統(tǒng)及成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在過去的幾十年中，層析成像對醫(yī)學診斷產(chǎn)生了革命性的影響，并且已經(jīng)衍變成診斷某些疾病的不可或缺的工具。在過去的一個世紀中，人們提出了各種各樣的方法。最重要的有計算機斷層掃描(computed tomography (CT)),磁共振成像(magnetic resonanceimaging (MRI)),正電子成像術(shù)(positron emission tomography (PET))以及單光子發(fā)射計算體層攝影(single photon emission computed tomography (SPECT))。這幾種方法都直接或間接地應(yīng)用了不同的物理效應(yīng)?？偟膩碚f，這些方法可以分為兩大類。第一類是測量某種參數(shù)，而這個參數(shù)是直接和所要成像部分的身體組織相關(guān)聯(lián)的，我們可以稱之為自然成像，例如CT和MRI，CT測量的是X光的衰減，而MRI測量的是質(zhì)子的密度。第二類在體內(nèi)應(yīng)用示蹤劑，然后對體內(nèi)示蹤劑匯集的空間分布進行成像，例如PET和SPECT，它們對放射性示蹤劑的分布進行成像。值得注意的是，CT和MRI中也用到示蹤材料，但主要是為了提高對比度，而不是直接對示蹤材料進行成像。
[0003]但是傳統(tǒng)的成像方式都有它們的弊端，成像速度慢，無法完成實時成像是大部分成像系統(tǒng)的缺點。由此提出了一種基于不同物理效應(yīng)而產(chǎn)生的新的成像方式，磁納米微粒成像技術(shù)。
[0004]磁納米微粒成像(MPI)技術(shù)是一種新的醫(yī)學成像方式，它通過檢測超小順磁四氧化三鐵(USPIO)納米微粒進行成像，旨在實現(xiàn)高分辨率和高靈敏度的優(yōu)質(zhì)成像方式。磁納米微粒成像技術(shù)充分利用了超順磁性納米微粒在振蕩磁場中的非線性響應(yīng)，將磁性納米微粒置于強靜態(tài)磁場梯度環(huán)境中，通過交變電流產(chǎn)生振蕩磁場，使磁納米微粒產(chǎn)生非線性響應(yīng)，通過計算分析，從而生成超順磁納米微粒分布圖，實現(xiàn)成像。
[0005]磁納米微粒成像(MPI)是由設(shè)在漢堡的飛利浦研究院在2001年首先提出，研究員Bernhard Gleich將這個想法以專利的形式發(fā)表，參見Gleich, B.:Verfahren zurErmittlung der r" aumlichen Verteilung magnetischer Partikel.German PatentN0.DE-10151778-A1, 2001。接著于 2005 年，Bernhard Gleich 和飛利浦研究院同事 JurgenWeizenecker發(fā)明了首個磁納米微粒成像(MPI)的靜態(tài)圖像掃描,實現(xiàn)了二維成像,參見GIeich, B., ffeizenecker, J.: “Tomographic imaging using the nonlinear response ofmagnetic particles”.Nature435 (7046), 1214 - 1217(2005)。然而該系統(tǒng)采用的是機械掃描方式，其掃描速度太慢，只能獲得靜態(tài)圖像，遠遠達不到實時成像，并且其采用了線圈產(chǎn)生選擇場，大大增加了系統(tǒng)的散熱量，使得系統(tǒng)的工作時間大大減少。該發(fā)明采用了電子掃描的方式，使得掃描速度大大增加，并采用了釹鐵硼強磁鐵(NdFeB)來產(chǎn)生選擇場，從而降低了系統(tǒng)的散熱量，增加了系統(tǒng)的工作時間。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的主要目的在于設(shè)計一種超順磁性四氧化三鐵納米微粒成像系統(tǒng)，包括:
[0007]信號源單元，所述信號源單元提供電流信號和電壓信號；
[0008]掃描單元，所述掃描單元與所述信號源單元相連，且所述掃描單元通過振蕩的磁場來掃描目標物體內(nèi)的超順磁性四氧化三鐵納米微粒，從而將振蕩的電流信號轉(zhuǎn)變成非線性響應(yīng)信號；
[0009]處理單元，所述處理單元與所述掃描單元相連，且所述處理單元接收所述掃描單元的非線性響應(yīng)信號，且所述處理單元對收到的非線性響應(yīng)信號進行濾波和放大處理，并對模擬信號進行數(shù)字信號采集；
[0010]計算單元，其與所述處理單元相連，用以對所述數(shù)字信號進行后續(xù)處理，得到超順磁性四氧化三鐵納米微粒在目標物體體內(nèi)的分布圖。
[0011]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述掃描單元包括激勵線圈，超順磁性四氧化三鐵納米微粒，至少兩釹鐵硼強磁鐵，接收線圈，所述接收線圈套設(shè)于所述激勵線圈內(nèi)，所述超順磁性四氧化三鐵納米微粒位于所述接收線圈內(nèi)，且所述兩釹鐵硼強磁鐵位于所述激勵線圈的兩端。
[0012]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述釹鐵硼強磁鐵產(chǎn)生飽和選擇場，所述飽和選擇場強度范圍為>5mT，梯度為2.0T/m?6.0T/m，激勵場強度為>20mT。
[0013]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述飽和選擇場中間區(qū)域形成無磁場點。
[0014]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述處理單元包括帶阻濾波器，功率放大器，高通濾波器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
[0015]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述計算單元為單片機和計算機。
[0016]本發(fā)明還提供一種使用超順磁性四氧化三鐵納米微粒成像系統(tǒng)的成像方法，包括以下步驟:
[0017]SI兩釹鐵硼強磁鐵產(chǎn)生飽和選擇場；
[0018]S2信號源單元向激勵線圈內(nèi)通入交變電流，使激勵線圈產(chǎn)生振蕩磁場；
[0019]S3將超順磁性四氧化三鐵納米微粒置于飽和選擇場范圍內(nèi)，超順磁性四氧化三鐵納米微粒在無磁場點經(jīng)過時產(chǎn)生非線性響應(yīng)信號；
[0020]S4接收線圈接收到上述非線性響應(yīng)信號，并將其傳輸給處理單元；
[0021]S5處理單元經(jīng)過對非線性信號的濾波和放大之后，將信號傳輸給計算單元；
[0022]S6計算單元通過計算分析，獲取超順磁性四氧化三鐵納米微粒在目標區(qū)域內(nèi)的濃度分布圖。
[0023]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0024]( I)具有較高的空間分辨率和時間分辨率。不同于其他成像的間接成像方式(如核磁共振成像，通過使用弛豫時間來測量磁場進而偵測磁微粒的存在)，超順磁性四氧化三鐵納米微粒成像系統(tǒng)是對超順磁性四氧化三鐵納米微粒的鐵磁特性進行直接成像，因此成像速度和分辨率要高。這個特點對醫(yī)學上的實時成像是極其重要的。
[0025](2)成像方式靈活。超順磁性四氧化三鐵納米微粒成像系統(tǒng)可以通過合適地選擇采集參數(shù)來調(diào)整成像的質(zhì)量。例如可以通過降低時間分辨率來改善靈敏度。
[0026](3)無背景噪聲。由于人體無磁性，不會對振蕩的磁場作出非線性響應(yīng)，因此不會對示蹤劑超順磁性四氧化三鐵納米微粒的非線性響應(yīng)產(chǎn)生干擾，也就無背景噪聲的產(chǎn)生，能有效提聞/[目噪比。
[0027](4)可操作性強。操作簡單、靈活、方便。該系統(tǒng)體積較小，在診斷時，操作者以及其他工作人員，都能在顯示器的幫助下進行操作，使各方面的操作者都能配合默契且安全。因而操作起來靈活、方便，易于掌握。
[0028](5)安全性高。由于該成像系統(tǒng)采用的是各種靜態(tài)和振蕩磁場來進行測量，所以它完全沒有電離輻射，同時由于該系統(tǒng)使用的示蹤劑(超順磁性四氧化三鐵納米微粒)對人體不會產(chǎn)生任何危害，因此其安全性要高于其它成像方式。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明實施例提供的超順磁性四氧化三鐵納米微粒成像系
[0030]統(tǒng)的組成框架示意圖；
[0031]圖2是本發(fā)明實施例提供的超順磁性四氧化三鐵納米微粒成像系
[0032]統(tǒng)中的掃描單元結(jié)構(gòu)原理示意圖；
[0033]圖3是本發(fā)明實施例提供的超順磁性四氧化三鐵納米微粒成像系統(tǒng)成像方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明。
[0035]請參考圖1與圖2，圖1所示為本發(fā)明實施例提供的超順磁性四氧化三鐵納米微粒成像系統(tǒng)的組成框架示意圖。包括信號源單元1、掃描單元2、處理單元3、計算單元4。信號源單元I為掃描單元2提 供電流及電壓信號源，再由掃描單元2將其轉(zhuǎn)換成非線性信號，所述非線性信號經(jīng)處理單元3的濾波和放大處理后，由計算單元4進行后續(xù)的圖像重建與顯不O
[0036]掃描單元2與所述信號源單元I相連，且掃描單元2通過振蕩的磁場來掃描目標物體內(nèi)的超順磁性四氧化三鐵納米粒子與2b，從而將振蕩的電流信號轉(zhuǎn)變成非線性響應(yīng)信號;
[0037]處理單元3與所述掃描單元2相連，處理單元3接收掃描單元2的非線性響應(yīng)信號，且處理單元3對收到的非線性響應(yīng)信號進行濾波和放大處理，并對模擬信號進行數(shù)字信號采集；
[0038]計算單元4，其與所述處理單元3相連，用以對所述數(shù)字信號進行后續(xù)處理，得到超順磁性四氧化三鐵納米微粒在目標物體體內(nèi)的分布圖。
[0039]圖2所示為本發(fā)明實施例提供的超順磁性四氧化三鐵納米微粒成像系統(tǒng)中掃描單元2的一種組成結(jié)構(gòu)，包括激勵線圈2a，超順磁性四氧化三鐵納米微粒2b，釹鐵硼強磁鐵2c，接收線圈2d。掃描單元2包括激勵線圈2a，超順磁性四氧化三鐵納米微粒2b，至少兩釹鐵硼強磁鐵2c，接收線圈2d，所述接收線圈2d套設(shè)于所述激勵線圈2a內(nèi)，超順磁性四氧化三鐵納米微粒2b位于所述接收線圈內(nèi)，且所述兩釹鐵硼強磁鐵2c位于所述激勵線圈2a的兩端。
[0040]下面參照圖3來描述根據(jù)本發(fā)明實施例提供的超順磁性四氧化三鐵納米微粒2b成像系統(tǒng)的使用方法，具體如下:[0041]步驟SI，使用釹鐵硼強磁鐵2c產(chǎn)生選擇場
[0042]具體地，使兩個釹鐵硼強磁鐵2c同極相對，在釹鐵硼強磁鐵2c之間產(chǎn)生選擇場，中間的無磁場點稱為FFP點，將超順磁性四氧化三鐵納米微粒2b置于選擇場范圍內(nèi)，使得除了無磁場點FFP點之外的超順磁性四氧化三鐵納米微粒2b處于磁化飽和狀態(tài)；
[0043]步驟S2，信號源單元I發(fā)送交變電流，生成振蕩磁場
[0044]具體地，使用信號源單元I向激勵線圈2a內(nèi)通入交變電流，使其產(chǎn)生周期振蕩磁場，振蕩磁場與選擇場相互疊加，從而推動無磁場點FFP在一定范圍內(nèi)周期移動；
[0045]步驟S3，接收非線性信號
[0046]具體地，在無磁場點FFP經(jīng)過的區(qū)域內(nèi)，超順磁性四氧化三鐵納米微粒2b在非飽和狀態(tài)下變成磁場飽和狀態(tài)下會產(chǎn)生非線性響應(yīng)，使用接收線圈2d接收該非線性響應(yīng)；
[0047]步驟S4，對信號進行去噪和放大
[0048]具體地，基于步驟S2和S3所采集到的超順磁性四氧化三鐵納米微粒2b的非線性響應(yīng)信號，信號處理單元3對信號濾除噪聲和基頻波，之后對信號進行放大處理，并對信號進行采樣；
[0049]步驟S5，對圖像進行重建
[0050]具體地，基于步驟S4得到的采樣信號，計算單元4通過重建算法對圖像進行重建，從而得到超順磁性四氧化三鐵納米微粒2b在選擇場區(qū)域內(nèi)的濃度分布圖。
[0051]本領(lǐng)域技術(shù)人員將.受益于前述說明書和相關(guān)附圖中呈現(xiàn)的教導(dǎo)而想到本文所述的本發(fā)明的多種改型和其他實施例。因此，應(yīng)該理解本發(fā)明不限于所公開的具體實施例，并且應(yīng)該理解，本發(fā)明旨在將變型和其他實施例包括在由所附權(quán)利要求限定的范圍內(nèi)。盡管本文采用了具體術(shù)語，但是只是從描述的角度來使用它們，而并非限制。
【權(quán)利要求】
1.一種超順磁性四氧化三鐵納米微粒成像系統(tǒng)，其特征在于，包括: 信號源單元，所述信號源單元提供電流信號和電壓信號； 掃描單元，所述掃描單元與所述信號源單元相連，且所述掃描單元通過振蕩的磁場來掃描目標物體內(nèi)的超順磁性四氧化三鐵納米微粒，從而將振蕩的電流信號轉(zhuǎn)變成非線性響應(yīng)信號； 處理單元，所述處理單元與所述掃描單元相連，且所述處理單元接收所述掃描單元的非線性響應(yīng)信號，且所述處理單元對收到的非線性響應(yīng)信號進行濾波和放大處理，并對模擬信號進行數(shù)字信號采集； 計算單元，其與所述處理單元相連，用以對所述數(shù)字信號進行后續(xù)處理，得到超順磁性四氧化三鐵納米微粒在目標物體體內(nèi)的分布圖。
2.如權(quán)利要求1所述的一種超順磁性四氧化三鐵納米微粒成像系統(tǒng)，其特征在于:所述掃描單元包括激勵線圈，超順磁性四氧化三鐵納米微粒，至少兩釹鐵硼強磁鐵，接收線圈，所述接收線圈套設(shè)于所述激勵線圈內(nèi)，所述超順磁性四氧化三鐵納米微粒位于所述接收線圈內(nèi)，且所述兩釹鐵硼強磁鐵位于所述激勵線圈的兩端。
3.如權(quán)利要求2所述的一種超順磁性四氧化三鐵納米微粒成像系統(tǒng)，其特征在于:所述釹鐵硼強磁鐵產(chǎn)生飽和選擇場，所述飽和選擇場強度范圍為>5mT，梯度為2.0T/m?6.0T/m，激勵場強度為>20mT。
4.如權(quán)利要求2所述的一種超順磁性四氧化三鐵納米微粒成像系統(tǒng)，其特征在于:所述飽和選擇場中間區(qū)域形成無磁場點。
5.如權(quán)利要求1所述的一種超順磁性四氧化三鐵納米微粒成像系統(tǒng)，其特征在于:所述處理單元包括帶阻濾波器，功率放大器，高通濾波器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
6.如權(quán)利要求1所述的 一種超順磁性四氧化三鐵納米微粒成像系統(tǒng)，其特征在于:所述計算單元為單片機和計算機。
7.一種使用權(quán)利要求2-5任意一項所述的超順磁性四氧化三鐵納米微粒成像系統(tǒng)的成像方法，其特征在于，包括以下步驟: SI兩釹鐵硼強磁鐵產(chǎn)生飽和選擇場； S2信號源單元向激勵線圈內(nèi)通入交變電流，使激勵線圈產(chǎn)生振蕩磁場； S3將超順磁性四氧化三鐵納米微粒置于飽和選擇場范圍內(nèi)，超順磁性四氧化三鐵納米微粒在無磁場點經(jīng)過時產(chǎn)生非線性響應(yīng)信號； S4接收線圈接收到上述非線性響應(yīng)信號，并將其傳輸給處理單元； S5處理單元經(jīng)過對非線性信號的濾波和放大之后，將信號傳輸給計算單元； S6計算單元通過計算分析，獲取超順磁性四氧化三鐵納米微粒在目標區(qū)域內(nèi)的濃度分布圖。
【文檔編號】A61B5/055GK103431864SQ201310404641
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月6日
【發(fā)明者】楊曉東, 呂龍龍, 梁繼民, 張金瑤, 田捷 申請人:西安電子科技大學