[发明专利]基于自注意力机制的MMPI混合信号分离方法

说明书

本发明属于生物医学分子影像领域，具体涉及一种基于自注意力机制的MMPI混合信号分离方法、系统、设备，旨在解决现有MMPI技术中，基于物理特性构建的混合SPIOs分离模型分离误差大且难定量的问题。本方法包括：构建待MMPI成像的生物体的生物病灶模型，并将包裹SPIOs的靶向分子探针注射到该生物病灶模型中；注射后，利用MPI设备对所述生物病灶模型进行信号采集，得到包含n种SPIOs的时域混合信号；通过训练好的自注意力机制神经网络对所述时域混合信号进行分离，得到n种单独的SPIOs时域电压信号。本发明实现对时域混合信号的精准分离，并提高了MMPI的检测灵敏度。

技术领域

本发明属于生物医学分子影像领域，具体涉及一种基于自注意力机制的MMPI混合信号分离方法、系统、设备。

背景技术

近年来，磁粒子成像技术(Magnetic Particle Imaging，MPI)作为一种新型的分子影像技术迅猛发展起来，并成为国际研究热点。其基本原理是利用超顺磁性氧化铁粒子(Superparamagnetic iron oxide particles，SPIOs)在高梯度磁场内无磁场区域的非线性响应再磁化，进而高灵敏、高特异地定量获取磁粒子在生物体内的三维浓度分布。MPI采集到的响应电压信号强度与SPIOs浓度成正比，通过建模分析，可以由采集到的电压信号推算出生物体内的SPIOs浓度。目前，MPI已经在肿瘤细胞示踪、心脑血管成像及神经成像等方面得到了成功应用。多色磁粒子成像(Multi-color Magnetic Particle Imaging，MMPI)是对传统MPI成像功能的进一步延伸。受启发于多光谱光学成像技术，MMPI根据不同种类SPIOs在交变磁场下的物理特性不同，能够在同一视野下同时对多种SPIOs进行定量可视化分析，有望为实现肿瘤的多分子精准检测提供强有力的技术手段。

为了对多种SPIOs进行多色成像，首先要进行多种SPIOs的精准区分，而后进行图像重建，进而得到代表不同SPIOs的多色成像显示。因此，多种SPIOs的区分精度对于最后的重建图像至关重要。目前，MMPI技术都是基于SPIOs的物理特性进行区分，包括频谱特性和弛豫特性两方面。前者借鉴了多光谱成像技术原理，根据每种SPIOs的频谱信息不同，在频域直接对接收到的混合磁粒子响应电压进行区分。基于弛豫特性的混合SPIOs分离模型根据不同SPIOs的弛豫效应不同进行特征映射，直接生成多色的弛豫图。然而，在实际应用中，基于频谱特性的分离模型由于会受到多种SPIOs间的互相干扰，存在频谱混叠问题，因此导致区分误差较大；基于弛豫映射的分离模型只能反应不同SPIOs之间的弛豫效应差异，却无法实现混合磁粒子的定量研究。这一问题严重影响了MMPI的检测灵敏度，也会极大的限制MMPI的应用前景。因此，为了进一步拓展MMPI成像在生物医学研究中的应用范围，需要研究一种准确鲁棒的混合SPIOs分离模型，以提高MMPI的检测灵敏度。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有MMPI技术中，基于物理特性构建的混合SPIOs分离模型分离误差大且难定量的问题，本发明第一方面，提出了一种基于自注意力机制的MMPI混合信号分离方法，用于对包含n种SPIOs的时域混合信号进行分离，进而基于分离得到的n种单独的SPIOs时域电压信号进行MMPI成像，该方法包括以下步骤：

S100，构建待MMPI成像的生物体的生物病灶模型，并将包裹SPIOs的靶向分子探针注射到该生物病灶模型中；

S200，注射后，利用MPI设备对所述生物病灶模型进行信号采集，得到包含n种SPIOs的时域混合信号；其中，n表示预设数量；

S300，通过训练好的自注意力机制神经网络对所述时域混合信号进行分离，得到n种单独的SPIOs时域电压信号；

其中，所述自注意力机制神经网络包括时域编码器、信号分离器及时域解码器；

所述时域编码器，配置为将时域混合信号分为长度为L的r个序列片段u_i，然后通过一维卷积将其编码为D维向量表示即特征向量；