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磁性粒子成像重建算法研究

磁性粒子成像重建算法研究

作者：谢迪华中科技大学

学位级别：硕士

磁性粒子成像（Magnetic Particle Imaging，MPI）是一种新型的层析成像技术，与现在的主流成像技术—核磁共振成像技术相比，具有更高的灵敏度和空间分辨率，一套完整的磁性粒子成像系统包括磁场激励部分、信号采集部分和上位机图像处... 详细信息

磁性粒子成像（Magnetic Particle Imaging，MPI）是一种新型的层析成像技术，与现在的主流成像技术—核磁共振成像技术相比，具有更高的灵敏度和空间分辨率，一套完整的磁性粒子成像系统包括磁场激励部分、信号采集部分和上位机图像处理部分。其中上位机图像处理部分主要负责将采集的磁场信号通过重建算法进行处理，从而得到磁性粒子样品的浓度分布信息，是整个成像系统的核心部分。本文在介绍了磁性粒子成像的国内外研究现状及发展前景的基础上，主要研究和分析了磁性粒子成像在一维方向上进行图像重建的相关问题。本文首先介绍了纳米材料的共有性质和磁纳米粒子独具的超顺磁性，并基于朗之万顺磁理论介绍了MPI成像基本原理。然后，根据成像原理在Matlab中建立了数学模型，利用两种主流的求解算法—SVD算法和LSQR算法分别讨论了影响浓度求解精度的若干因素，如采集频率、样品粒径分布、空间编码点的疏密程度以及外加噪声等等，并在仿真过程中发现了与求解精度直接相关的数学量—系统矩阵条件数。仿真结果显示，矩阵条件数不仅在无外加噪声的时候直接影响求解精度，同时在有外加噪声存在时影响系统对噪声的抑制能力。最后提出了基于Tikhonov正则化方法的改进算法，仿真结果显示经过改进的算法能够有效地提高系统对外加噪声的抑制能力。

关键词：磁性粒子成像超顺磁性朗之万顺磁理论矩阵条件数 Tikhonov正则化方法

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粒径分布对磁性粒子成像采样频率范围的影响

中国科技论文 2015年第5期10卷 523-527页

作者：周铭鲁建宇谢迪华中科技大学能源与动力工程学院武汉430074

为了研究磁性粒子成像(magnetic particle imaging,MPI)中采样频率和粒径分布对测量精度的影响,对一维MPI模进行仿真分析,发现确保准确求解浓度分布函数所需的有效频率范围并不是固定的,而是随着某些参数的变化而变化,即MPI中存在最低... 详细信息

为了研究磁性粒子成像(magnetic particle imaging,MPI)中采样频率和粒径分布对测量精度的影响,对一维MPI模进行仿真分析,发现确保准确求解浓度分布函数所需的有效频率范围并不是固定的,而是随着某些参数的变化而变化,即MPI中存在最低采样频率。若系统采样频率低于这一值,则不管信噪比多高,均无法得到准确的样品浓度分布。这其实是香农采样定理在MPI中的体现。在影响最低采样频率的诸多因素中,样品粒径分布带来的影响最为突出。最后,在合适的采样参数设置规则下,求出不同粒径分布所对应的最低采样频率,并从求解算法入手分析,对最低采样频率随粒径分布参数的变化规律给出了合理解释。

关键词：磁性粒子磁性粒子成像信号采集粒径分布

基于超顺磁性纳米粒子的磁性粒子成像系统的研究

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基于超顺磁性纳米粒子的磁性粒子成像系统的研究

作者：刘聪聪重庆理工大学

学位级别：硕士

磁性粒子成像（Magnetic Particle Imaging,MPI）技术可以直接对磁性纳米粒子的空间分布进行成像,其具有的优越灵敏度和分辨率使其显示出具有作为碘或钆造影剂的安全替代品的卓越应用前景。MPI成像的原理可以使用朗之万定理加以描述,超... 详细信息

磁性粒子成像（Magnetic Particle Imaging,MPI）技术可以直接对磁性纳米粒子的空间分布进行成像,其具有的优越灵敏度和分辨率使其显示出具有作为碘或钆造影剂的安全替代品的卓越应用前景。MPI成像的原理可以使用朗之万定理加以描述,超顺磁性纳米粒子（Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles,SPION）在交变的磁场中可以产生非线性的磁化响应,其在接收线圈中表现为交变电压形式,进而通过数据采集收集数据,然后开展后期的成像处理。在MPI系统中,主要利用磁性纳米粒子的超顺磁性特点,使用梯度磁场中间形成场强为零的零磁场点（Field Free Point,FFP）激励SPION,SPION磁化行为可以使用朗之万定理描述,可以表征为距离动态FFP不同距离的SPION处于磁化饱和和非饱和状态,以上两种状态可以使得SPION产生非线性的磁化响应和不产生非线性的磁化响应,进而区分SPION的分布信息。本文首先从磁性物质的顺磁性和超顺磁性物理原理出发,引出小于100nm的磁性纳米粒子具有超顺磁性的物理性质,随后使用朗之万定理对粒子产生非线性磁化响应进行理论层次的计算和分析,其中包括整个MPI系统中的梯度磁场和激励磁场的设置、粒子浓度和粒径等参数的选取等,对粒子产生的非线性磁化响应进行分析,观察粒子产生的时域信号特点,然后在仿真环境中通过设置不同的粒子浓度、粒径和梯度磁场的梯度值,仿真并分析粒子的时域信号特点,选取粒子合适的浓度和粒径以及梯度磁场作为硬件系统的参数,然后详细分析了本文使用的X-space原理,直接使用SPION产生的时域信号对粒子分布进行重建。通过仿真确定了SPION的时域信号基本结构以及从频谱中得出奇次谐波占有主要部分的结论,随后搭建了MPI硬件系统,其中使用可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）作为主控制器代替实验室中使用的示波器和信号发生器等分立设备,驱动FFP遍历视野（Field of View,FOV）,后级使用功率放大器放大激励信号以满足激励线圈上大电流的要求,通过设置电磁仿真环境各项参数得到梯度磁场和激励磁场,搭建激励磁场和梯度磁场,以及开展抵消式接收线圈的设计和制作,耦合SPION产生的非线性磁化响应,然后设计前置放大器和滤波器,为了满足模数转换器（Analog-to-gigital Converter,ADC）采集要求和增加信噪比（Signal-to-noise Ratio,SNR）,通过FPGA控制器对信号进行采集和传输,将得到的SPION时域信号进行保存,最后通过对数据的处理,使用X-space原理对粒子分布进行简单的定位和SPION空间分布的2D图像重建,验证了系统的可行性。

关键词：磁性粒子成像超顺磁性纳米粒子 FPGA控制器 2D图像重建

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基于系统矩阵优化的二维磁性粒子成像研究

南京师大学报（自然科学版） 2019年第2期42卷 73-80页

作者：高雅郭各朴马青玉南京师范大学物理科学与技术学院

磁性粒子成像(MPI)是一种新型高分辨率成像技术,利用磁性粒子在交变磁场中的非线性响应构建系统矩阵进而重建磁性纳米粒子的浓度分布,提高重建速度并降低存储空间需求和计算复杂度是实现实时成像的关键.本文将磁性粒子的非线性磁化响应... 详细信息

磁性粒子成像(MPI)是一种新型高分辨率成像技术,利用磁性粒子在交变磁场中的非线性响应构建系统矩阵进而重建磁性纳米粒子的浓度分布,提高重建速度并降低存储空间需求和计算复杂度是实现实时成像的关键.本文将磁性粒子的非线性磁化响应特征与电磁感应定律相结合获取检测点电压信号,进一步考虑接受线圈的灵敏度可得电压信号与磁性粒子浓度的关系,利用傅里叶变换及频域矩阵展开分析了影响系统矩阵的因素,系统分析了系统矩阵频率分量的选取以及不同接收方向对重建图像的影响.结果表明,通过选取高频段信号可以优化系统矩阵分量的空间结构;通过增加频率分量可以构建线性无关方程组,使方程的解唯一化,提高重建精度和质量;通过不同接收方向系统矩阵的重组,使系统矩阵拥有更丰富的空间结构,进而提高浓度分布重建图像的质量.本研究对MPI技术进行磁性纳米粒子浓度重建起到了重要的指导作用,在新型生物医学成像领域有着广阔的应用前景.

关键词：磁性粒子成像超顺磁性快速傅里叶变换系统矩阵空间编码

基于永磁体和线圈复合结构的MPI零磁场研究

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电工技术学报 2024年

作者：杨丹刘素羽张昊李天兆徐彬东北大学信息科学与工程学院智能工业数据解析与优化教育部重点实验室(东北大学) 东北大学计算机科学与工程学院

磁性粒子成像（magnetic particle imaging， MPI）中的磁场拓扑结构及其产生的零磁场能够直接对成像结果的质量造成影响。针对MPI系统的零磁场设计，本文提出了一种永磁体与线圈复合的磁场结构。该结构综合永磁体能够直接产生大梯度静... 详细信息

磁性粒子成像（magnetic particle imaging， MPI）中的磁场拓扑结构及其产生的零磁场能够直接对成像结果的质量造成影响。针对MPI系统的零磁场设计，本文提出了一种永磁体与线圈复合的磁场结构。该结构综合永磁体能够直接产生大梯度静磁场的优势及电磁线圈通过控制激励方式精准调控磁场的优势来构造线型零磁场（field-free line，FFL）。对所设计的磁场拓扑结构进行以下评价与分析：首先进行了基于圆形线圈、矩形线圈和矩形永磁体所产生静磁场的比较；接着从磁场空间分布、磁场梯度和磁场均匀性等方面对FFL进行分析；最后通过有限元仿真确定了线型零磁场的平移扫描区域范围，并进行了MPI分辨率及血管成像研究。结果表明，本文所提拓扑结构产生的FFL磁场梯度达到3.075T/m，磁场梯度均匀性达到98.7%，在扫描区域为30mm×70mm×70mm的空间内的成像分辨率能够达到1mm。证明了本文所提拓扑结构应用于磁性粒子成像系统的可行性。

关键词：磁性粒子成像永磁体与线圈复合线型零磁场磁场梯度磁场均匀性

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线型零磁场生物磁性纳米粒子成像方法研究

线型零磁场生物磁性纳米粒子成像方法研究

作者：刘洋洋沈阳工业大学

学位级别：硕士

医学成像技术是生物医学工程领域当中一种能够对疾病进行检查、诊断的影像技术,其中磁性粒子成像（Magnetic Particle Imaging,MPI）是一种具有高成像分辨率的示踪剂成像技术。MPI利用磁性纳米粒子示踪剂在零磁场中的非线性磁化特性,可... 详细信息

医学成像技术是生物医学工程领域当中一种能够对疾病进行检查、诊断的影像技术,其中磁性粒子成像（Magnetic Particle Imaging,MPI）是一种具有高成像分辨率的示踪剂成像技术。MPI利用磁性纳米粒子示踪剂在零磁场中的非线性磁化特性,可视化被测物内的示踪剂浓度的空间分布。MPI扫描仪的线圈结构及扫描决定了其成像分辨率以及重建图像的成像效果。本文针对生物磁性纳米粒子成像,提出了一种具有线型零磁场扫描方式,设计了MPI成像关键技术部分,提高了成像系统的高分辨率。首先,研究了基于线型零磁场的MPI原理,针对现阶段成像系统的开放式扫描难题,提出了一种高分辨率的开放式线型零磁场,为开放式二维扫描成像提供了基础磁场。采用梯度静磁场构造线型零磁场以确定示踪剂的位置,均匀交变磁场及变化的梯度静磁场实现线型零磁场的平移和旋转扫描。并对该线圈结构进行详细的设计分析,确定了实现高分辨率MPI线圈系统的电流驱动方式。其次,基于磁性粒子的非线性磁化特性及其磁化的频率特性,提出了磁性粒子信号三次谐波差分检测法。通过建模仿真研究了交变场下磁性粒子的非线性磁化响应特性,及磁性粒子信号的频谱特性。在此基础上,搭建信号检测实验系统,分析检测信号的频谱特性及功率谱密度,研究信号与激励频率之间的关系。最后,针对线型零磁场MPI方法进行仿真分析及成像研究。针对线型零磁场中的中心磁场、扫描性能及分辨率进行仿真实验分析,并建立接收信号数值模型,设计了用于粒子浓度二维扫描的反投影重建方法,实现了针对不同目标的粒子浓度模型的标记重建图像。仿真及成像实验结果表明:在交变激励场下,磁性纳米粒子产生高于背景信号的尖峰信号,且磁性纳米粒子信号存在于检测信号频谱的奇次谐波中,其频谱能量集中在三次谐波处,即可以实现满足医用检测需求的三次谐波磁性粒子信号检测。同时,经仿真结果证明,本文所设计的开放式线型零磁场能够满足磁性粒子成像的需求,在1.316T/m的梯度磁场中可以实现在成像区域为17mm×17mm内的磁性纳米粒子示踪剂的高分辨率成像,其分辨率可达亚毫米级,且能够清晰地分辨出不同大小、不同位置、不同浓度的磁性纳米粒子浓度模型,理论证明了开放式线型零磁场扫描方式用于MPI的可行性。

关键词：磁性粒子成像开放式线型零磁场三次谐波差分检测法图像重建

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基于圆环磁体阵列的线型零磁场系统研究

仪器仪表学报 2021年第9期42卷 192-201页

作者：姜策柯丽杜强祖婉妮沈阳工业大学电气工程学院沈阳110870

磁性粒子成像是一种新型示踪剂成像技术,该技术利用磁性粒子在零磁场中的非线性磁化特性对被测物进行成像,其中零磁场的精细度决定其空间分辨率,而零磁场的精细度由空间磁场梯度决定。为了提高空间分辨率,设计了能产生大磁场梯度的静磁... 详细信息

磁性粒子成像是一种新型示踪剂成像技术,该技术利用磁性粒子在零磁场中的非线性磁化特性对被测物进行成像,其中零磁场的精细度决定其空间分辨率,而零磁场的精细度由空间磁场梯度决定。为了提高空间分辨率,设计了能产生大磁场梯度的静磁场结构,将其与驱动结构组合成线型零磁场系统。首先设计了基于圆环磁体阵列的静磁场结构,利用大梯度的静磁场构造精细线型零磁场;其次设计了基于亥姆霍兹线圈的驱动结构及其驱动方式,确定线型零磁场扫描范围与驱动电流之间的关系;最后计算线型零磁场系统的空间分辨率,研究磁场梯度、粒子粒径与空间分辨率之间的规律性。实验结果表明:基于圆环磁体阵列的静磁场结构产生的磁场梯度为4.804 T/m,当使用30 nm磁性粒子作为示踪剂时,系统的空间分辨率为0.540 mm,此时线型零磁场能在30 mm的范围内对被测物进行平移扫描。证明了基于圆环磁体阵列的线型零磁场系统用于提高磁性粒子成像分辨率的可行性。

关键词：磁场梯度空间分辨率线型零磁场磁性粒子成像

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RSNA2015分子影像学

放射学实践 2016年第1期31卷 13-16页

作者：蒋日烽穆可涛石晶晶姚义好朱文珍华中科技大学同济医学院附属同济医院放射科武汉430030

RSNA2015报道的分子影像学研究进展主要包括以下几个方面:1靶向特异性分子探针及复合分子探针的研发和应用:如靶向特异性超顺磁氧化铁纳米探针,放射性核素示踪剂免疫,复合超声微泡对比剂及光学对比剂等,应用于肿瘤血管靶向显像,肿瘤诊... 详细信息

RSNA2015报道的分子影像学研究进展主要包括以下几个方面:1靶向特异性分子探针及复合分子探针的研发和应用:如靶向特异性超顺磁氧化铁纳米探针,放射性核素示踪剂免疫,复合超声微泡对比剂及光学对比剂等,应用于肿瘤血管靶向显像,肿瘤诊断、治疗疗效评估及肿瘤淋巴结转移等。2新型的放射学分子成像方法:如磁性粒子成像,磁共振波谱成像及化学交换饱和转移成像等。3多模态或多参数分子显像:MRI、PET、SPECT、超声及光学分子成像技术中两种或多种技术的结合。4干细胞追踪及显像。

关键词：分子影像示踪剂对比剂磁性粒子成像干细胞

交变磁场中磁性纳米粒子的非线性响应及其应用研究

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交变磁场中磁性纳米粒子的非线性响应及其应用研究

作者：高雅南京师范大学

学位级别：硕士

作为一种纳米科技与传统磁性材料相结合的新型材料,磁性纳米粒子在外加磁场激励下具有快速的磁性响应速度、独特的磁性特征、良好的生物相容性,较小的剩磁和矫顽力、特异性的粒子分布等特点,可以作为非病毒载体在生物医学工程领域有着... 详细信息

作为一种纳米科技与传统磁性材料相结合的新型材料,磁性纳米粒子在外加磁场激励下具有快速的磁性响应速度、独特的磁性特征、良好的生物相容性,较小的剩磁和矫顽力、特异性的粒子分布等特点,可以作为非病毒载体在生物医学工程领域有着广泛的应用前景。在静磁场作用下,磁性纳米粒子因磁力作用实现粒子的定位和聚集,而在交变磁场激励下,磁性纳米粒子因布朗弛豫和尼尔弛豫效应产生粒子的磁声振动和磁化,形成磁声谐波响应和非线性磁电感应。如何应用磁性纳米粒子在交变磁场激励下的非线性磁化响应和粒子振动特性进行粒子分布的检测和成像,提高成像分辨率和图像质量是磁性纳米粒子生物医学应用的关键,对肿瘤的早期检测起着至关重要的作用。本文基于磁性纳米粒子的布朗弛豫和尼尔弛豫响应,研究了在交变磁场作用下磁性纳米粒子的磁声谐波响应和非线性磁化响应及其在医学成像中的应用。以布朗弛豫为主要机制,研究了磁性纳米粒子在交变磁场激励下的磁声振动特性。首先基于磁矩的力学理论和点声源传播理论,建立磁声检测的理论模型,分析了交变磁场作用下磁性纳米粒子磁声振动的物理机制,获得了磁性纳米粒子的磁声谐波响应:然后利用激光测振仪构建了高精度磁声谐波检测系统,实验测量了交变磁场参数(磁场强度和磁场梯度分布)和粒子浓度等因素对磁性纳米粒子磁声谐波响应的影响,结果证明,在交变磁场激励下,磁性纳米粒子迅速磁化,并在平衡位置做小振幅机械振动,产生了磁声二次谐波,其响应特性与纳米粒子浓度呈现线性关系,且与磁场强度的平方以及磁场梯度成正比;最后基于磁性纳米粒子的磁声谐波响应,建立了磁声二次谐波层析成像模型,针对磁声谐波声压和图像重建的正问题和逆问题进行了数值仿真,证明了利用磁性纳米粒子的磁声二次谐波响应进行层析成像的可行性。以尼尔弛豫为主要机制,利用磁性粒子在交变磁场中的非线性磁化响应,构建了系统矩阵来重建磁性粒子的浓度分布,实现了磁性粒子成像技术。将磁性粒子的非线性磁化响应和电磁感应定律相结合,通过一对亥姆霍兹线圈的静磁场在单个方向产生零磁场点,两对不同方向的反亥姆霍兹线圈的交变磁场控制零磁场点的移动,实现零磁场点的二维扫描,获取检测点的磁电感应信号,进一步考虑接收线圈灵敏度与磁性纳米粒子浓度对接收信号的影响,利用傅里叶变换和频域矩阵展开分析了系统矩阵的影响因素,系统分析了系统矩阵频率分量的选取以及不同接收方向对重建图像的影响。研究结果表明,选取高频段信号可以优化系统矩阵分量的空间结构;通过增加频率分量可以构建线性方程组,使线性无关方程组的个数等于未知浓度的个数,实现方程的解唯一化,提高重建精度和质量;同时通过不同接收方向系统矩阵的重组,丰富系统矩阵的空间结构,提高浓度分布重建图像的质量。本文基于磁性纳米粒子的两种弛豫机制,研究了交变磁场激励下的磁声谐波响应和非线性磁化响应,探究其在磁性粒子浓度分布检测和图像重建中的应用方法,通过磁性纳米粒子的磁声二次谐波声压的磁声层析成像和非线性磁化响应的高次谐波系统矩阵的构建,实现了生物组织中粒子浓度分布的重建,为基于磁性纳米粒子的肿瘤早期诊断及其在生物医学成像领域的应用奠定了基础。

关键词：磁性纳米粒子磁声谐波响应磁声层析成像磁性粒子成像布朗弛豫尼尔弛豫系统矩阵