CN120219554A 基于数据重排的磁粒子成像方法和系统

(19)国家知识产权局地址100083北京市海淀区学院路37号(72)发明人田捷李光辉安羽刘晏君李怡蒙陈梓威务所(普通合伙)11576在解决现有技术中重复扫描现象导致相邻像素磁场自由点厂第一磁场特征磁场自由线21.一种基于数据重排的磁粒子成像方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S100、生成第一磁场，设置第二磁场为激励磁场并启动第二磁场；所述第一磁场为磁场自由点或磁场自由线；S201、采集所述第二磁场的时序波形和磁纳米粒子的时序电压响应信号，并将所述时序波形及所述时序电压响应信号在幅度轴上均匀分段，获得波形片段及电压响应信号片段；所述波形片段及电压响应信号片段一一对应；S202、提取每一分段的所述波形片段并重构，获得重构后的正弦序列；对每一个正弦序列分配唯一索引并将所述索引进行记录；S203、基于所述索引重新排列对应的所述电压响应信号片段，获得时序重排响应信号；S204、提取各分段所述时序重排响应信号的最大值，并按照分段顺序拼接，获得一维重建结果；S300、基于所述一维重建结果，采用设定扫描方式构建二维图像；所述设定扫描方式包2.根据权利要求1所述的一种基于数据重排的磁粒子成像方法，其特征在于，所述第二磁场由三角波形和正弦波形叠加组成，且所述三角波形和正弦波形产生的磁场方向相同。3.根据权利要求2所述的一种基于数据重排的磁粒子成像方法，其特征在于，所述正弦波形的幅值A₁为：所述三角波形的幅值A₂为：其中，L为成像视野的边长，所述成像视野为正方形，图像尺寸为N×N;G为第一磁场梯度。4.根据权利要求3所述的一种基于数据重排的磁粒子成像方法，其特征在于，将第二磁场时序波形在幅度轴上均匀分段，分段的长度为L/N,分段结果为离散的波形片段。5.根据权利要求4所述的一种基于数据重排的磁粒子成像方法，其特征在于，提取各波确定所述正弦波形的周期长度，将一个周期的长度定义为W;针对待处理的各波形片段，按照长度W进行划分将所获取的多个片段，沿列方向进行增广拼接，从而重构为正弦序列。6.根据权利要求5所述的一种基于数据重排的磁粒子成像方法，其特征在于，所述拼接方式为信号数值相加。7.根据权利要求1所述的一种基于数据重排的磁粒子成像方法，其特征在于，所述第一采用笛卡尔轨迹，将一维重建结果按行或列排列构建二维图像。8.根据权利要求1所述的一种基于数据重排的磁粒子成像方法，其特征在于，所述第一3采用离散旋转轨迹，进行多角度扫描；使用多角度下的一维重建结果构建正弦图，进而通过滤波反投影构建二维图像。9.根据权利要求8所述的一种基于数据重排的磁粒子成像方法，其特征在于，所述滤波反投影采用Cosine滤波器或R-L滤波器。10.一种基于数据重排的磁粒子成像系统，根据权利要求1-9任一项所述的一种基于数供电模块，配置为向线圈磁体及整个成像系统中其他模块提供电力供应；磁场生成模块，配置为根据所述控制信号生成第一磁场，设置第二磁场为激励磁场并启动第二磁场，然后驱动第一磁场进行一维扫描；信号处理与采集模块，配置为采集第二磁场的时序波形和磁纳米粒子的时序电压响应信号并进行预处理，将预处理后的所述时序波形和所述时序电压响应信号发送至图像重建与可视化模块；记忆存储模块，配置为存储采集到的第二磁场时序波形和磁纳米粒子的时序电压响应信号以及构建的二维图像；图像重建与可视化模块，配置为根据接收到的所述时序波形和所述时序电压响应信号进行图像重建：将所述时序波形及所述时序电压响应信号在幅度轴上均匀分段，获得波形片段及电压响应信号片段；提取每一分段的所述波形片段并重构，获得重构后的正弦序列；对每一个正弦序列分配唯一索引并将所述索引进行记录；基于所述索引重新排列对应的所述电压响应信号片段，获得时序重排响应信号；提取各分段所述时序重排响应信号的最大值，并按照分段顺序拼接，获得一维重建结果；基于所述一维重建结果采用逐行扫描或离散旋转多角度扫描构建二维图像。4基于数据重排的磁粒子成像方法和系统技术领域[0001]本发明属于磁性纳米粒子成像技术领域，具体涉及了基于数据重排的磁粒子成像方法和系统。背景技术[0002]磁粒子成像(MagneticParticleImaging,MPI)作为一种极具潜力的非侵入性成像技术，近年来在生物医学成像等领域受到广泛关注。通过施加外部磁场，利用磁纳米粒子的非线性磁化响应，通过捕捉这些信号获取其在体浓度分布，并借助成像算法将其转化为粒子分布的图像，从而实现对成像对象的可视化具有重要的医学应用价值。所述外部磁场由选择磁场和激励磁场构成。其中，选择磁场的特征为具有点状低磁场区域的梯度磁场(磁场自由点，FieldFreePoint,FFP)或具有线型低磁场区域的梯度磁场(磁场自由线，FieldFreeLine,FFL),低磁场区磁纳米粒子可被磁化，高磁场区则磁饱和无法磁化；激励磁场的特征为均匀交变磁场，用于驱动点状或线型的低磁场区域扫描，以实现成像视野空间编码。[0003]然而，在成像过程中，FFP或FFL的运动轨迹在覆盖全部成像视野时，不可避免地存在重复扫描现象；这导致相邻像素间信息混叠，从而影响信号分析的准确性、干扰图像重建过程，成为降低图像空间分辨率的潜在因素。如何对重复扫描产生的混叠信息进行有效解析和重排，进一步提高成像质量，成为亟待解决的关键技术问题。发明内容[0004]为了解决现有技术中的上述问题，即重复扫描现象导致相邻像素间信息混叠的问题，本发明的第一方面提出了一种基于数据重排的磁粒子成像方法，对混叠的信息进行解S100、生成第一磁场，设置第二磁场为激励磁场并启动第二磁场；所述第一磁场为磁场自由点或磁场自由线；S201、采集所述第二磁场的时序波形和磁纳米粒子的时序电压响应信号，并将所述时序波形及所述时序电压响应信号在幅度轴上均匀分段，获得波形片段及电压响应信号片段；所述波形片段及电压响应信号片段一一对应；S202、提取每一分段的所述波形片段并重构，获得重构后的正弦序列；对每一个正弦序列分配唯一索引并将所述索引进行记录；S203、基于所述索引重新排列对应的所述电压响应信号片段，获得时序重排响应S204、提取各分段所述时序重排响应信号的最大值，并按照分段顺序拼接，获得一维重建结果；S300、基于所述一维重建结果，采用设定扫描方式构建二维图像；所述设定扫描方5[0005]在一些优选的实施方式中，所述第二磁场由三角波形和正弦波形叠加组成，且所述三角波形和正弦波形产生的磁场方向相同。[0006]在一些优选的实施方式中，所述正弦波形的幅值A₁为：所述三角波形的幅值A₂为：其中，L为成像视野的边长，所述成像视野为正方形，图像尺寸为N×N;G为第一磁场梯度。[0007]在一些优选的实施方式中，将第二磁场时序波形在幅度轴上均匀分段，分段的长度为L/N,分段结果为离散的波形片段。确定所述正弦波形的周期长度，将一个周期的长度定义为W;针对待处理的各波形片段，按照长度W进行划分，获得多个片段；将所获取的多个片段，沿列方向进行增广拼接，从而重构为正弦序列。[0009]在一些优选的实施方式中，所述拼接方式为信号数值相加。[0010]在一些优选的实施方式中，所述第一磁场为磁场自由点，构建二维图像，其方法采用笛卡尔轨迹，将一维重建结果按行或列排列构建二维图像。[0011]在一些优选的实施方式中，所述第一磁场为磁场自由线，构建二维图像，其方法采用离散旋转轨迹，进行多角度扫描；使用多角度下的一维重建结果构建正弦图，进而通过滤波反投影构建二维图像。[0012]在一些优选的实施方式中，所述滤波反投影采用Cosine滤波器或R-L滤波器。[0013]本发明的第二方面，提出了一种基于数据重排的磁粒子成像系统，所述系统包括：供电模块，配置为向线圈磁体及整个成像系统中其他模块提供电力供应；磁场生成模块，配置为根据所述控制信号生成第一磁场，设置第二磁场为激励磁场并启动第二磁场，然后驱动第一磁场进行一维扫描；信号处理与采集模块，配置为采集第二磁场的时序波形和磁纳米粒子的时序电压响应信号并进行预处理，将预处理后的所述时序波形和所述时序电压响应信号发送至图像重建与可视化模块；记忆存储模块，配置为存储采集到的第二磁场时序波形和磁纳米粒子的时序电压响应信号以及构建的二维图像；图像重建与可视化模块，配置为根据接收到的所述时序波形和所述时序电压响应信号进行图像重建：将所述时序波形及所述时序电压响应信号在幅度轴上均匀分段，获得波形片段及6电压响应信号片段；提取每一分段的所述波形片段并重构，获得重构后的正弦序列；对每一个正弦序列分配唯一索引并将所述索引进行记录；基于所述索引重新排列对应的所述电压响应信号片段，获得时序重排响应信号；提取各分段所述时序重排响应信号的最大值，并按照分段顺序拼接，获得一维重建结果；基于所述一维重建结果采用逐行扫描或离散旋转多角度扫描构建二维图像。本发明通过对第二磁场的时序波形分段，提取各波形分段的片段进行重构并同时记录索引，基于记录的索引重新排列拼接时序信号，生成一维重建结果，对混叠的信息进行重排和解析，进而提高成像质量及图像空间分辨率；基于索引的重排，确保了信号与激励磁场时序波形的对应关系，通过波形的分段与分组、信号的重排、幅值的提取，提高了成像的准确性和效率，精准地分离因重复扫描而混叠的信息，按照成像所需的最佳逻辑顺序，有效消除了因信息混叠而产生的误差和干扰，为后续的图像重建提供了可靠基础；二维图像重建时，基于重排后的数据，能够更准确地还原出磁纳米粒子在体内的真实分布情况，减少重建过程中的偏差和模糊现象。附图说明[0015]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是本发明实施例中基于数据重排的磁粒子成像方法的流程图；图2是本发明实施例中第二磁场的时序波形的示意图；图3是本发明实施例中将第二磁场按幅值分段后的其中一个波形片段的示意图；图4是本发明实施例中利用波形片段构建正弦序列的示意图；其中，上图为波形片段在时间序列上等距离分组，下侧为将上侧分组的片段按列增广拼接为正弦序列；图5是本发明实施例重排前磁纳米粒子响应信号与重排后磁纳米粒子响应信号对比示意图，其中一维扫描中视野中心放置单位磁纳米粒子样本，左侧为数据重排前的响应信号，右侧为数据重排后的响应信号；图6是本发明实施例中第一磁场为磁场自由点时二维成像视野的扫描过程示意图7是本发明实施例中磁场自由线进行一维扫描与二维多角度扫描的示意图。具体实施方式[0016]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。[0017]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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。[0018]本发明将分段的波形进行二次分组、按列增广拼接将片段拼接为正弦序列、基于正弦序列的索引重排时序信号，然后在一维图像进行数据重排的基础上构建二维图像，对混叠的信息进行解析和重排，进而提高成像质量。7[0019]为了更清晰地对本发明基于数据重排的磁粒子成像方法进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各步骤展开详述。[0020]本发明第一实施例的一种基于数据重排的磁粒子成像方法，所述方法包括步骤S100、生成第一磁场，设置第二磁场为激励磁场并启动第二磁场；所述第一磁场为磁场自由点或磁场自由线。[0021]优选地，所述第二磁场由三角波形和正弦波形叠加组成。所述三角波形的幅值A₂为：其中，L为成像视野的边长，所述成像视野为正方形，图像尺寸为N×N;G为第一磁场梯度。[0023]优选地，所述三角波形和正弦波形产生的磁场方向相同。S201、采集第二磁场的时序波形和磁纳米粒子的时序电压响应信号，并将所述时序波形及所述时序电压响应信号在幅度轴上均匀分段，获得波形片段及电压响应信号片段；所述波形片段及电压响应信号片段一一对应；进一步地，将第二磁场时序波形在幅度轴上均匀分段，分段的长度为L/N,分段结果为离散的波形片段；S202、提取每一分段的所述波形片段并重构，获得重构后的正弦序列；对每一个正弦序列分配唯一索引并将所述索引进行记录；S203、基于所述索引重新排列对应的所述电压响应信号片段，获得时序重排响应S204、提取各分段所述时序重排响应信号的最大值，并按照分段顺序拼接为一维重建结果。确定所述正弦波形的周期长度，将一个周期的长度定义为W;将所获取的多个片段，沿列方向进行增广拼接，从而重构为正弦序列。[0026]S300、基于所述一维重建结果采用逐行扫描或离散旋转多角度扫描构建二维图[0027]上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之[0028]本发明第二实施例的一种基于数据重排的磁粒子成像方法，所述第一磁场采用磁8场自由点，梯度设置为1T/m。成像视野设置为40mm×40mm。第二磁场作为激励磁场，波形如附图2所示，由三角波形叠加正弦波形构成，横轴为时间轴表示第二磁场波形的时间序列，纵轴为幅度轴表示第二磁场的场强变化。其中三角波形幅值设置为40mT,频率设置为1Hz,而且仅利用从负峰值到正峰值这半个周期的过程；正弦波形幅值设置为4mT,频率设置为[0029]将待测粒子置入成像视野后，启动激励磁场；激励磁场中三角波形驱动磁场自由点从成像视野的最左侧缓慢匀速移动至最右侧，同时叠加的正弦波驱动磁场自由点高频震荡励磁纳米粒子产生非线性响应信号，通过传感器采集获得时序电压信号。[0030]在本实施例中，待测粒子设置为点状粒子仿体，置于成像视野的中心，进行一维扫描，扫描得到的磁纳米粒子时序电压响应信号如附图5所示左图，具有较宽的包络。采集激励磁场的时序波形和磁纳米粒子时序电压响应信号；采集到的激励磁场时序波形，如附图2所示，将所述时序波形在幅度轴上进行分段，分段长度为12个激励周期的间距。提取出的一段波形片段如附图3所示，横轴为时间轴表示波形片段的时间序列，纵轴为幅度轴表示波形片段的幅值；其中放大了两个时间窗口，下侧的时间窗口为重排构建正弦序列的最大峰值片段，上侧的时间窗口为重排构建正弦序列的临近最大峰值的中间片段。[0031]对提取出的各波形片段进行重构，重构过程如附图4所示。按照12个激励周期的长度，将波形片段分为8组。附图4中上图为第二磁场的波形片段并在时间序列上等距离分成8组，下图为将上侧图的8组片段按列增广拼接为正弦序列拼接后构建新的正弦序列，同时记录对应的重排之后的索引。[0032]按照重排激励磁场之后获得的索引，对所述时序电压信号进行重排获得重排信号，如附图5右图所示：一维扫描中视野中心放置单位磁纳米粒子样本，左侧为数据重排前的响应信号，右侧为数据重排后的响应信号。对重排之后的信号，取各分段的最大值作为信号幅值，顺序拼接为一维重建结果。完成一行的扫描与重建之后，移动被测仿体前进一个像素单位，进行第二行的扫描与重建。按照此模式，完成二维视野中所有行的扫描与重建，并将所有行拼接构建二维图像。二维扫描轨迹如附图6所示。[0034]本发明第三实施例的一种基于数据重排的磁粒子成像方法，所述第一磁场采用所磁场自由线，第一磁场与第二磁场的磁场参数设置与实施例2相同。一维编码过程中区别于磁场自由点，磁场自由线完成相同的扫描与重建过程之后获得在某一个角度下的投影。磁场自由线进行一维扫描的过程如附图7左图所示。完成一维扫描与投影后，采用离散旋转轨[0035]其中，离散的旋转角度记录为angle向量，初始角度记为0,此后的旋转角度记录在angle向量中；完成多角度的扫描过程后，利用多角度扫描与重建的结果构建正弦图；对正弦图进行滤波反投影，通过反投影获得二维重建图像。[0036]可选择的，在本实施例中，反投影角度使用记录的angle向量，滤波器采用Cosine滤波器或R-L滤波器，反投影的插值参算法使用样条插值spline。[0037]本发明的第四方面，提出了一种基于数据重排的磁粒子成像系统，所述系统包括：供电模块，配置为向线圈磁体及整个成像系统中其他模块提供电力供应；9磁场生成模块，配置为根据所述控制信号生成第一磁场，设置第二磁场为激励磁场并启动第二磁场，然后驱动第一磁场进行一维扫描；信号处理与采集模块，配置为采集第二磁场的时序波形和磁纳米粒子的时序电压响应信号并进行预处理，将预处理后的所述时序波形和所述时序电压响应信号发送至图像重建与可视化模块；记忆存储模块，配置为存储采集到的第二磁场时序波形和磁纳米粒子的时序电压响应信号以及构建的二维图像；图像重建与可视化模块，配置为根据接收到的所述时序波形和所述时序电压响应信号进行图像重建：将所述时序波形及所述时序电压响应信号在幅度轴上均匀分段，获得波形片段及电压响应信号片段；提取每一分段的所述波形片段并重构，获得重构后的正弦序列；对每一个正弦序列分配唯一索引并将所述索引进行记录；基于所述索引重新排列对应的所述电压响应信号片段，获得时序重排响应信号；提取各分段所述时序重排响应信号的最大值，并按照分段顺序拼接，获得一维重建结果；基于所述一维重建结果采用逐行扫描或离散旋转多角度扫描构建二维图像。[0038]需要说明的是，上述实施例提供的基于数据重排的磁粒子成像系统，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[0039]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，上述描述的系统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。与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的一种基于数据重排的磁粒子成像方法。[0041]本发明第六实施例的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的一种基于数据重排的磁粒子成像方法。[0042]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，上述描述的电子设备、计算机可读存储介质的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中[0043]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。[0044]可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本申请的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言一诸如Java、Smalltalk、C++,还包括常规的过程式程序设计语言一诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)一连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。[00