一种基于磁性纳米颗粒造影的成像方法及系统

技术领域

本发明属于成像技术领域，更具体地，涉及一种基于磁性纳米颗粒造影的成像方法及系统。

背景技术

医学成像涉及使用非侵入性技术来产生身体内部的视觉表现，可有效辅助完成疾病诊断、病变区域定位等，在现代医学中起着至关重要的作用。目前，电子计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、超声等传统成像方式已十分成熟，同时，研究人员也提出了一些新的成像方法，这些方法都有自己的优势和局限性。

电子计算机断层扫描(CT)是目前临床上常见的一种医学成像手段。其基本原理是利用X射线很强的穿透能力，不同物质对X射线的吸收与透过率的差异，反映出物体内部的形态结构，并且利用图像重建方法可以实现断层扫描成像。现在的Micro-CT和Nano-CT的成像分辨率可以到达μm量级分辨率甚至更高。CT属于结构成像，一般用CT值反映物质的密度，即物质的CT值越高相当于物质密度越高，因此其对不同组织的形变和定位具有很强的能力。但是在某些特定时期，例如癌症前期，病变区域与正常结构组织之间的差异很小，通过CT等现有的医学影像方式往往不能够起到很好的效果。

磁性颗粒成像是一种新型的成像手段，其利用磁纳米颗粒造影剂在磁场作用下的非线性磁化响应反演计算进行成像。利用表面修饰之后的磁性纳米颗粒可以精准定位到的病灶区域，并且根据其磁化响应可以定量检测纳米颗粒的浓度分布，从而辅助完成前期诊断和药物靶向治疗。但是由于人体磁化率约为1，相当于是磁透明的，因此磁性颗粒成像方法往往需要借助结构成像等方法进行准确定位。而且由于原理上的限制，设备在结构尺寸方面难以符合临床标准，而且目前分辨率仅能达到亚mm量级，因此磁性颗粒成像目前在临床应用中还存在着诸多瓶颈。

在申请公布号为CN115349844A的专利申请文件中，公开了一种基于磁光透射率的磁纳米粒子成像方法及装置，其利用磁纳米粒子作为造影剂后，利用入射激光照射目标区域，并分别测量在目标区域产生激励磁场前、后透过磁纳米粒子的透射光强I

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于磁性纳米颗粒造影的成像方法及系统，其目的在于，在保证成像的分辨率和准确度的同时，有效缩短成像时间，使其可应用于三维成像。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于磁性纳米颗粒造影的成像方法，包括如下步骤：

(S1)对分布有磁性纳米颗粒的目标对象施加正弦激励的交变磁场H(t)＝H

(S2)利用X射线照射施加了交变磁场的目标对象后，探测各位置的透射光强；

(S3)对于各位置(x,y)处的透射光强I'

其中，H

进一步地，目标次谐波为一次谐波或二次谐波。

进一步地，目标次谐波的提取方式为：

按照

其中，I

进一步地，本发明提供的基于磁性纳米颗粒造影的计算机断层扫描成像方法，还包括：

设置多个不同的方位，在每一个方位下执行(S1)～(S3)，获得该方位下的成像结果；

对所有方位下的成像结果进行图像重建，得到目标对象断层扫描成像结果。

按照本发明的另一个方面，提供了一种基于磁性纳米颗粒造影的成像系统，包括：

承载装置，用于承载分布有磁性纳米颗粒的目标对象；

励磁模块，设置于承载装置周围，用于对承载装置上的目标对象施加正弦激励的交变磁场H(t)＝H

X射线装置，包括分别设置于承载装置两侧的X射线源和探测器，X射线源用于释放X射线，探测器用于探测透射光强；

以及成像模块，与探测器相连，用于对于各位置(x,y)处的透射光强I'

其中，H

进一步地，目标次谐波为一次谐波或二次谐波。

进一步地，目标次谐波的提取方式为：

按照

其中，I

进一步地，本发明提供的基于磁性纳米颗粒造影的成像系统，还包括：

断层扫描装置，用于调整X射线装置相对于承载装置上的目标对象的方位；

并且，成像模块，还用于对所有方位下的成像结果进行图像重建，得到目标对象断层扫描成像结果。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明利用表面修饰之后的磁性纳米颗粒作为造影剂，对分布有磁性纳米颗粒的成像对象施加磁场，利用X射线照射后，通过测量X射线透过成像对象的透射光强，并根据其谐波分量的幅值完成磁性纳米颗粒浓度的计算，由于磁性纳米颗粒可以精确定位到病灶区域，因此，在利用X射线实现高分辨率成像的同时，能够从成像结果中方便地分割出病灶区域，同时，由于成像过程中，仅需测量一次透射光强，成像耗时短。总的来说，本发明在保证成像的分辨率和准确度的同时，有效缩短了成像时间。

(2)在本发明的优选方案中，具体利用透射光强的一次谐波幅值或二次谐波幅值计算磁纳米颗粒浓度，由于一次谐波、二次谐波的幅值较大，能量较强，便于提取。

(3)在本发明的优选方案中，获取不同方位下的成像结果后，通过图像重建完成得到目标对象断层扫描成像结果，由于单个方位下的成像耗时较短，因此，本发明能够实现定量化、高分辨的磁性纳米颗粒断层扫描成像。

附图说明

图1为本发明实施例提供的不施加磁场时，目标对象的透射图；

图2为本发明实施例提供的施加正弦激励的交变磁场时，目标对象的透射图；

图3为本发明实施例提供的基于磁性纳米颗粒造影的成像方法流程图；

图4为本发明实施例提供的基于磁性纳米颗粒造影的成像系统示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

为了使成像结果具有高分辨率的同时，降低病变区域和正常结构组织之间的区分难度，并有效缩短成像时间，本发明在以表面修饰后的磁性纳米粒子作为造影剂的基础上，对成像对象施加不同的磁场，并深入探索了在施加不同磁场的情况下，分布有磁性纳米粒子的成像对象对于X射线的透射光强与磁纳米粒子浓度之间的关系，本发明发现，X射线本身与外加磁场之间不会产生耦合作用而改变透射光强，外加磁场之后透射光强只有在分布有磁性纳米颗粒的地方会产生信号变化，在没有分布磁性纳米颗粒的地方并则不会产生信号变化，并且，对于某一个位置，施加磁场之后的透射光强与施加磁场之前的透射光强之差与该位置的磁纳米粒子浓度密切相关，施加磁场前、后的透射图分别如图1和图2所示。因此，可直接根据光强之差完成磁纳米粒子浓度的计算，而无需计算磁光透过率。

本发明进一步探索发现，当施加直流磁场时，某个位置的磁纳米粒子浓度与该位置的透射光强之差存在线性关系；当施加交流磁场时，某个位置的磁纳米粒子浓度与该位置的透射光强的谐波幅值之差存在线性关系，而由于在未施加磁场时，透射光强中不会产生谐波分量，相应的谐波幅值为0，因此，磁纳米粒子浓度实际上仅与施加交变磁场之后的透射光强谐波幅值相关。

基于此，本发明提出了一种基于磁性纳米颗粒造影的成像方法及系统，利用表面修饰之后的磁性纳米颗粒作为造影剂，对分布有磁性纳米颗粒的成像对象施加磁场，利用X射线照射后，通过测量X射线透过成像对象的透射光强完成磁性纳米颗粒浓度的计算。

以下为实施例。

实施例1：

一种基于磁性纳米颗粒造影的成像方法，如图3所示，包括如下步骤：

(S1)对分布有磁性纳米颗粒的目标对象施加正弦激励的交变磁场H(t)＝H

其中，H

容易理解的是，为了实现造影剂功能，磁性纳米颗粒的表面进行了修饰，具体可根据所要定位的对象利用针对性的抗原、糖类等进行修饰；

(S2)利用X射线照射施加了交变磁场的目标对象后，探测各位置的透射光强P

以m×n表示透射图的分辨率，则P

其中，I'

(S3)对于各位置(x,y)处的透射光强I'

其中，k为预先标定的比例系数。

在测量得到透射光强后，通过傅里叶变换即可得到各次谐波的幅值，相应地，目标次谐波幅值的提取方式为：

按照

其中，I

目标次谐波幅值与磁纳米颗粒浓度之间的比例系数，可以在固定交变磁场和X射线的情况下，测量不同磁纳米颗粒浓度下的透射光强完成标定。

通过以上步骤(S1)～(S3)，本实施例实现了一个方位下的成像，由于仅需进行一次光强测量，成像耗时较短。

如图3所示，本实施例进一步包括：设置多个不同的方位，在每一个方位下执行(S1)～(S3)，获得该方位下的成像结果；

对所有方位下的成像结果进行图像重建，具体地，可使用求解线性方程组、代数重建算法或者梯度下降算法等进行多平面反投影重建，得到目标对象断层扫描成像结果，即磁纳米颗粒的三维浓度分布。

总的来说，本实施例利用表面修饰之后的磁性纳米颗粒作为造影剂，对分布有磁性纳米颗粒的成像对象施加磁场，利用X射线照射后，通过测量X射线透过成像对象的透射光强完成磁性纳米颗粒浓度的计算，由于磁性纳米颗粒可以精确定位到病灶区域，因此，在利用X射线实现高分辨率成像的同时，能够从成像结果中方便地分割出病灶区域，同时，由于成像过程中，仅需测量一次透射光强，成像耗时短，并且可以与图像重建相结合，实现定量化、高分辨的磁性纳米颗粒断层扫描成像。

实施例2：

一种基于磁性纳米颗粒造影的成像系统，如图4所示，包括：

承载装置，用于承载分布有磁性纳米颗粒的目标对象；

励磁模块，设置于承载装置周围，用于对承载装置上的目标对象施加正弦激励的交变磁场H(t)＝H

X射线装置，包括分别设置于承载装置两侧的X射线源和探测器，X射线源用于释放X射线，探测器用于探测透射光强；

成像模块，与探测器相连，用于对于各位置(x,y)处的透射光强I'

以及断层扫描装置(图中未示出)，用于调整X射线装置相对于承载装置上的目标对象的方位；

并且，成像模块，还用于对所有方位下的成像结果进行图像重建，得到目标对象断层扫描成像结果；

其中，H

可选地，如图4所示，本实施例中，激励模块具体为两个线圈；需要说明的是，此处仅为可选的实施方式，不应理解为对本发明的唯一限定。

本实施例中，成像模块的具体实施方式，可参考上述实施例1中的描述，在此将不做复述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。