[发明专利]基于前向模型的磁粒子成像系统矩阵图像重建方法及系统

说明书

本发明属于磁纳米粒子成像领域，具体涉及了一种基于前向模型的磁粒子成像系统矩阵图像重建方法及系统，旨在解决现有技术中获取系统矩阵困难导致磁纳米粒子图像重建无法兼顾效率和精度的问题。本发明包括：构建单个磁粒子在外加激励磁场下的响应，获得单个磁粒子的磁矩矢量；采用郎之万函数构建多个磁粒子在外加激励磁场下的响应，获得多个磁粒子的磁矩矢量；获取检测线圈感应电压，通过数据采集电路的滤波与放大，得到系统矩阵；利用系统矩阵与采集到的电压信号，重建磁粒子浓度分布，实现目标检测对象的磁粒子图像重建。本发明获取MPI系统矩阵速度快，对多种MPI系统结构与不同磁纳米粒子具有普适性，在保持重建精度与准确性的前提下节省重建时间。

技术领域

本发明属于磁纳米粒子成像领域，具体涉及了一种基于前向模型的磁粒子成像系统矩阵图像重建方法及系统。

背景技术

磁粒子成像(MPI，Magnetic Particle Imaging)是一种相对较新的成像方式，它根据超顺磁氧化铁纳米粒子(SPIO，Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles)对电磁场的响应，重建粒子的空间浓度分布，对肿瘤等检测对象进行精准定位。MPI接收线圈输出的电压信号，包含SPIOs对外加的动态磁场的非线性响应引起的电压。这部分电压信号被用于浓度分布的图像重建。MPI的高时间分辨率、高空间分辨率、没有任何有害辐射等特点，使得MPI在医学应用方面具有巨大潜力。

目前MPI的图像重建方法大致分为两类：基于x-space的重建方法和基于系统矩阵的重建方法。基于x-space的重建方法建立在“SPIO绝热地与外加激励磁场对齐”的假设基础上，忽略了实际情况中SPIO的弛豫效应，这样重建出来的磁粒子浓度分布图像会有伪影；基于x-space的重建方法的另一个基础是“MPI系统的一个线性且不变位移的系统”，这个条件在一维的MPI系统中可以得到很好的保障，但是在2D和3D系统中就不能得到很好的保证了；因此，该方法重建精度和准确性还达不到预期。基于系统矩阵的方法具有较高的重建精度，但是系统矩阵的获取具有一定难度。目前获取系统矩阵的方法是通过测量：依次在MPI成像区域的每个位置放置一个单位浓度的样本，用探针探测各个点的感应电压，从而得到整个系统的系统矩阵。这种方法不但耗费时间长，而且改变使用的磁纳米粒子种类或尺寸，就需要重新测量新的系统矩阵。

总的来说，本领域还需要一种更准确、更快速、具有一定普适性的系统矩阵获取方法，以在保证磁粒子成像系统的图像重建精度和准确性的同时，提高图像重建的效率和速度、降低图像重建的困难。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术中获取系统矩阵困难导致磁纳米粒子图像重建无法兼顾效率和精度的问题，本发明提供了一种基于前向模型的磁粒子成像系统矩阵图像重建方法，该方法包括：

步骤S10，获取磁粒子成像系统的外加激励磁场强度，起始磁矩矢量，磁粒子直径、旋磁比、阻尼系数和动态粘度系数，并构建单个磁粒子在外加激励磁场下的响应函数，获得单个磁粒子的磁矩矢量；

步骤S20，基于所述单个磁粒子的磁矩矢量、外加激励磁场强度，采用郎之万函数构建多个磁粒子在外加激励磁场下的响应函数，获得多个磁粒子的磁矩矢量；

步骤S30，基于所述多个磁粒子的磁矩矢量，通过法拉第电磁感应定律获取磁粒子浓度c下的多个磁粒子在检测线圈中产生的感应电压，并进行感应电压的滤波和放大；

步骤S40，将滤波和放大后的感应电压离散为多个位置系统函数与对应磁粒子浓度乘积和的形式，获得磁粒子成像系统前向模型的系统矩阵；

步骤S50，基于所述磁粒子成像系统前向模型的系统矩阵，利用测量获取的输出电压，对待测的磁粒子浓度分布进行求解，获得磁粒子浓度分布作为重建图像。

在一些优选的实施例中，所述单个磁粒子在外加激励磁场下的响应函数，其公式表示为：