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磁粒子成像的发展与临床应用前景

中华放射学杂志 2019年第5期53卷 426-430页

作者：彭鹏龙莉玲 Bryan Smith 广西医科大学第一附属医院放射科南宁530021 密歇根州立大学生物医学工程学院美国密歇根48824 斯坦福大学医院放射科美国加利福利亚94305

磁粒子成像(MPI)是基于断层影像技术检测超顺磁性氧化铁纳米颗粒(SPIONs)空间分布的示踪方法。MPI具有三维成像、高时间分辨率、高空间分辨率和高灵敏度,且无电离辐射危害的优点。此外,使用的示踪剂不含肾毒性和造成全身系统严重不良反... 详细信息

磁粒子成像(MPI)是基于断层影像技术检测超顺磁性氧化铁纳米颗粒(SPIONs)空间分布的示踪方法。MPI具有三维成像、高时间分辨率、高空间分辨率和高灵敏度,且无电离辐射危害的优点。此外,使用的示踪剂不含肾毒性和造成全身系统严重不良反应的物质。MPI不显示解剖结构,无背景信号干扰,信号强度与示踪剂浓度成比例,是一种可以获得定量数据的检查方法。这些特性预示着MPI具有医学应用潜力。笔者对MPI的成像基本原理、成像示踪剂、与其他医学成像技术的区别以及其潜在的临床应用前景进行综述。

关键词：磁粒子成像超顺磁性氧化铁医学影像临床应用

基于无场线电子扫描开放式磁粒子成像系统设计

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仪器仪表学报 2023年第5期44卷 204-213页

作者：白石杨辉邹宇琪张秦阳李天舒沈阳工业大学大学信息科学与工程学院沈阳110870

磁粒子成像是一种全新的人体内动态靶向影像学方法,但当前磁粒子成像系统以封闭式磁场扫描结构为主,严重限制了其临床应用范围。设计了一种开放式电子扫描窄带磁粒子成像系统,在分析了超顺磁粒子谐波磁化响应的基础上,通过对线圈表面耦... 详细信息

磁粒子成像是一种全新的人体内动态靶向影像学方法,但当前磁粒子成像系统以封闭式磁场扫描结构为主,严重限制了其临床应用范围。设计了一种开放式电子扫描窄带磁粒子成像系统,在分析了超顺磁粒子谐波磁化响应的基础上,通过对线圈表面耦合磁场的计算及电流控制利用8个梯度线圈形成了基于无场线的开放式空间定位磁场,成像区域30 mm×30 mm;以单边激励线圈产生20.7 kHz激励磁场,处于高频激励磁场及定位磁场中的超顺磁纳米粒子示踪剂产生具有丰富谐波成分的可定位超顺磁磁化信号,使用高信噪比Gradiometer线圈检测其3次谐波信号形成电压云图图像;通过预测量的系统函数矩阵利用非负最小二乘法对电压云图进行重建,形成示踪剂浓度分布云图。成像实验结果表明,系统在开放式成像区域内探测灵敏度20μg Fe,图像重建空间分辨率2 mm,成像速度1 fps,达到了较好的开放式成像效果,系统也是国内首台全自主研发的开放式磁粒子成像系统。

关键词：磁粒子成像梯度线圈无场线电子扫描谐波信号

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磁粒子成像信号分析与系统研制

磁粒子成像信号分析与系统研制

作者：张金瑶西安电子科技大学

学位级别：硕士

磁粒子成像（Magnetic Particle Imaging, MPI）是一项新型断层成像技术，具有高灵敏度和高分辨率的优点，通过检测磁纳米粒子在外加振荡磁场下的空间分布进行成像。由于纳米粒子磁响应的非线性，接收信号中除基频部分外，还包括高次谐... 详细信息

磁粒子成像（Magnetic Particle Imaging, MPI）是一项新型断层成像技术，具有高灵敏度和高分辨率的优点，通过检测磁纳米粒子在外加振荡磁场下的空间分布进行成像。由于纳米粒子磁响应的非线性，接收信号中除基频部分外，还包括高次谐波部分。在分离基频信号之后，再对谐波信号进行重建便可得到纳米粒子的空间分布信息，即MPI信号。本文首先介绍了MPI理论基础，之后通过仿真实验研究磁粒子特性对MPI信号的影响。实验表明，与传统朗之万理论描述的单粒子模型不符，随着粒子浓度的增加，高次谐波信号成非线性增加;磁粒子粒径对MPI信号的影响与粒子浓度对信号的影响类似。因此，单粒子模型和线性重建方法并不适合用于MPI信号的处理，本文引入了一种新方法-二阶修正平均场法，并通过仿真实验对基于单粒子模型、二阶修正平均场法和线性重建法的MPI信号进行对比。最后，根据现有MPI系统模型以及仿真实验数据，本文介绍了一维原型MPI系统的设计，并将实际系统测试信号与仿真信号对比，以验证单粒子模型的局限性和二阶修正平均场理论的正确性，同时对系统的可行性进行检测。

关键词：磁粒子成像朗之万单粒子模型二阶修正平均场法粒子特性仿真原型系统设计

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磁粒子成像中的脑血管深度学习重建方法研究

磁粒子成像中的脑血管深度学习重建方法研究

作者：梁小凤西安电子科技大学

学位级别：硕士

在全世界范围内,脑血管疾病已经成为危害身体健康的第二大因素,其中急性脑血管疾病的发病率及病死率居中老年人神经系统疾病之首,对于脑血管疾病的检测与防治是至关重要的。医学影像技术对于疾病的诊治效果具有直接的影响,因此对于精密... 详细信息

在全世界范围内,脑血管疾病已经成为危害身体健康的第二大因素,其中急性脑血管疾病的发病率及病死率居中老年人神经系统疾病之首,对于脑血管疾病的检测与防治是至关重要的。医学影像技术对于疾病的诊治效果具有直接的影响,因此对于精密的医学成像仪器的需求也在不断上升。磁粒子成像技术是一种非侵入式的新型定量功能性成像方式,基于示踪剂成像。相较于目前较为成熟的医学影像技术,如计算机断层成像技术、核磁共振成像技术等,磁粒子成像具有高灵敏度、高空间分辨率,高时间分辨率、高对比度、安全无辐射等优点。磁粒子成像技术对脑血管相关疾病的检测有巨大的应用潜力。本文针对磁粒子成像系统的二维重建和图像的后处理开展研究,旨在提高磁粒子成像的重建速度、结构相似性指数和峰值信噪比。主要研究了磁粒子成像的更优重建算法、影响重建性能的因素和磁粒子图像的噪声消除。从可视化和性能指标两个方面对图像进行评价,性能指标分别为:结构相似性指数、峰值信噪比和耗时。文章的主要研究内容如下:构建了磁粒子成像仿真系统。首先根据磁粒子成像相关理论知识构建了系统矩阵和感应电压信号,然后基于代数迭代法、吉洪诺夫正则化法和交替方向乘子法实现了图像重建,探索了磁纳米粒子粒径对重建性能的影响。研究表明,交替方向乘子法的峰值信噪比最高,图像伪影更少,图像内部具有更高的均匀性,且重建速度也较快;磁纳米粒子粒径对重建的影响实验表明,当粒径为20nm时,图像的结构相似性指数和峰值信噪比更高。在噪声的干扰下,磁粒子成像的重建结果达不到预期,而接收信号过程中噪声很难避免。针对这个问题,提出一种基于通道注意力机制和残差Unet网络的算法用于消除磁粒子图像中的噪声。该算法将全卷积网络和通道注意力机制结合来提取噪声特征,对提取的噪声特征进行下采样处理得到不同尺寸的特征图,通过结合残差学习与Unet网络,并将其作用在不同尺寸的特征图上实现多尺度降噪。将本文算法与Dn CNN网络、PRIDNet网络、深度残差自动编码器网络三种网络框架进行对比实验,采用的数据集来源于磁粒子成像仿真系统的重建结果。结果显示,本文的网络框架对血管内部噪声去除效果更好,结构相似性指数和峰值信噪比指标也更为优秀。

关键词：磁粒子成像系统矩阵代数迭代算法交替方向乘子法吉洪诺夫正则化深度学习

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磁粒子成像系统的实现及优化研究

磁粒子成像系统的实现及优化研究

作者：张秦阳沈阳工业大学

学位级别：硕士

磁粒子成像(Magnetic Particle Imaging,MPI)是一种新型示踪剂成像技术,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,从而检测磁性纳米粒子示踪剂的空间分布,检测到的信号强度与磁纳米粒子浓度成正比... 详细信息

磁粒子成像(Magnetic Particle Imaging,MPI)是一种新型示踪剂成像技术,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,从而检测磁性纳米粒子示踪剂的空间分布,检测到的信号强度与磁纳米粒子浓度成正比,具有高灵敏度的特点。而高精度、高质量、高空间分辨率的MPI图像重建具有巨大的现实意义,也是目前存在的问题之一。且当前MPI设备大多采用封闭式设计,为实现较大、较深的检测区域,设备体积一般较大、缺少灵活性,不易进行移动。为了MPI能实现更高精度、高质量的图像,且设备可灵活移动,本文提出了两种设备的设计方案,分别研发实现了大型开放式MPI扫描系统和小型手持式MPI检测设备。两种设备的设计方法都是基于对磁性纳米粒子的研究、信号获取原理以及空间分辨率原理的基础上进行设计和实验的。基于系统矩阵的图像重建是MPI重建的重要组成部分,也是优化MPI不可或缺的一部分。本文利用非负最小二乘算法进行图像重建来优化MPI设备。大型开放式MPI扫描系统和小型手持式MPI检测设备分别利用工作站和便携式设备两种实验平台对图像重建时间进行对比分析。对于实验结果和分析,其中大型开放式MPI扫描系统扫描后图像空间分辨率为8mm,是原始分辨率的4倍左右,而图像重建后可到达2mm左右,基本还原了样本本身大小并实现了优化。大型开放式MPI扫描系统为解决难以实现的多种临床问题提供了可能。在深层颅内出血的检查上,传统造影方法难以实现持续性的颅内血流成像,而若将其安装于ICU病床,可对患者进行24小时实时连续不间断的颅内血流状况监测,且无需将病人挪动至CT/MRI检查室;在手术辅助方面,用其替代放射性的X线进行DSA成像,将直接消除介入手术术中成像对医患双方带来的长时间辐射副作用。这种技术上的巨大革新无疑会为患者的康复,乃至临床医学的发展带来福音。小型手持式MPI检测设备则是在其基础上,实现前哨淋巴结准确定位检测、最短及最佳时间检测、实验所需示踪剂最低浓度检测以及与传统方式对比检测,并对检测出的前哨淋巴结进行图像重建,准确还原了淋巴结本身的大小,最终实现移动式扫描,扩大了扫描区域,使实验灵活进行。最后通过对两种设备结果展示及分析,验证了大型开放式MPI扫描系统的准确性以及小型手持式MPI检测设备的可行性和有效性,证明MPI有很高的时间分辨率和空间分辨率等优势,在未来医学检测方面必然有很高的应用前景。

关键词：磁粒子成像图像重建前哨淋巴结检测空间分辨率

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基于超导的小型化磁粒子成像系统仿真构建

沈阳工业大学学报 2024年第2期46卷 138-143页

作者：田育珅马少华王程松范霖沈阳工业大学电气工程学院辽宁沈阳110870 南京邮电大学集成电路科学与工程学院江苏南京210023 南京大学医学院江苏南京210093 东南大学生物电子学国家重点实验室江苏南京210096

针对磁粒子成像技术尚停留在实验室鼠用设备阶段,传统线材线圈过大,无法在可接受的设备体量内达到临床人体检测所需磁场强度的问题,提出了一种基于超导技术构建高场强、小型化磁粒子成像设备的方法。采用高温超导MgB_(2)线圈替代传统铜... 详细信息

针对磁粒子成像技术尚停留在实验室鼠用设备阶段,传统线材线圈过大,无法在可接受的设备体量内达到临床人体检测所需磁场强度的问题,提出了一种基于超导技术构建高场强、小型化磁粒子成像设备的方法。采用高温超导MgB_(2)线圈替代传统铜线圈,构建磁粒子成像选择场与驱动场。结果表明,在达到相同磁通量的情况下,超导磁粒子成像系统可将两组功能区总质量降低为0.01 kg,设备体积缩小至7 L。在此基础上,采用超导线圈构建梯度磁场还能够获得更高的变化斜率,使零磁扫描区边缘更为清晰规则,移动过程中形态更为稳定,平均直径缩小近二分之一。

关键词：磁粒子成像小型化设备梯度磁场零磁区高温超导 MgB_(2)线圈选择场驱动场

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磁粒子成像的临床前应用研究进展

中华介入放射学电子杂志 2020年第1期8卷 77-82页

作者：张德景李勇占美晓忻勇杰赵炜陆骊工暨南大学附属珠海医院(珠海市人民医院)介入医学科

磁粒子成像(magnetic particle imaging,MPI)是由核磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)衍生而来的新一代分子影像技术。其采用复合组合方式的旋转可变梯度磁场,直接检测体内超顺磁性氧化铁纳米粒子(superparamagnetic iron oxi... 详细信息

磁粒子成像(magnetic particle imaging,MPI)是由核磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)衍生而来的新一代分子影像技术。其采用复合组合方式的旋转可变梯度磁场,直接检测体内超顺磁性氧化铁纳米粒子(superparamagnetic iron oxide,SPIO),可以获得纳摩尔级的超高灵敏度成像。MPI具有高时空间分辨率、高灵敏度、无扫描深度限制且无电离辐射等特点,目前已应用于细胞示踪、血管成像以及肿瘤成像及治疗等临床前领域。自2005年出现以来,MPI在软件算法、硬件开发、示踪剂设计和临床前应用领域得到了快速的发展。文章在简述MPI历史及基本原理的基础上,对近年来MPI在细胞示踪、血管、肿瘤等临床前领域的研究进展进行了归纳与总结,并对MPI的临床转化前景进行了展望。

关键词：磁粒子成像超顺磁性氧化铁分子影像示踪剂

一维磁粒子成像系统性能测试分析及其成像研究

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一维磁粒子成像系统性能测试分析及其成像研究

作者：吕龙龙西安电子科技大学

学位级别：硕士

磁粒子成像(Magnetic Particle Imaging,MPI)是一种全新的医学成像技术,其通过超顺磁性纳米粒子对变化磁场非线性响应的原理对磁粒子浓度的空间分布进行成像。系统的选择场由两个大小相等的磁场同磁极相对来产生,并在磁场区域中心形成... 详细信息

磁粒子成像(Magnetic Particle Imaging,MPI)是一种全新的医学成像技术,其通过超顺磁性纳米粒子对变化磁场非线性响应的原理对磁粒子浓度的空间分布进行成像。系统的选择场由两个大小相等的磁场同磁极相对来产生,并在磁场区域中心形成无磁场点(Field Free Point,FFP),即磁场强度为零的点。然后使用由电磁线圈产生的周期变化的驱动场来促使FFP扫描整个样本空间。当FFP经过磁粒子时,接收线圈就能检测到粒子磁化强度发生的变化。磁粒子分布的信息存在于感应电压信号中的高频谐波部分,因此需要使用高通滤波器除去基波信号,然后使用滤波后的磁粒子信号(Magnetic Particle Signal,MPS)进行图像重建。论文首先介绍了MPI成像的基础理论知识,包括磁粒子的顺磁性、超顺磁性特性及磁流体的概念,并介绍了适用于模拟磁粒子的二阶修正平均场理论,讨论了磁粒子的粒径对朗之万函数和点扩散函数的影响。其次介绍了MPI扫描系统的搭建,分别使用电磁线圈法和永磁铁法搭建了两组MPI成像扫描仪,通过实验采集到的数据与仿真数据对比,选择合适的方式来产生MPI成像系统所需的选择场。随后文章引入了MPI图像重建中经常使用的两种重建算法:系统矩阵法和X-Space法,并分析了两种算法的优缺点。然后使用搭建的小型一维MPI成像系统采集接收信号,并讨论了两种高通滤波器(巴特沃斯高通滤波器和切比雪夫高通滤波器)对磁粒子信号的滤波效果。最后使用X-Space法对滤波后的信号进行了一维MPI图像重建,并对成像结果进行了分析,不仅证明了一维系统的可行性,而且验证了直流信号的缺失对MPI图像的影响。

关键词：磁粒子成像系统性能分析成像研究

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面向血管形态在线监测的磁粒子成像技术研究

面向血管形态在线监测的磁粒子成像技术研究

作者：张鹏重庆大学

学位级别：硕士

磁粒子成像（Magnetic Particle Imaging,MPI）是一种新兴的基于示踪剂的层析成像技术,它在小动物成像中显示出高空间分辨率和高灵敏度。该技术是利用超顺磁性氧化铁（Superparamagnetic iron oxide,SPIO）构成的磁性纳米粒子（Magnetic... 详细信息

磁粒子成像（Magnetic Particle Imaging,MPI）是一种新兴的基于示踪剂的层析成像技术,它在小动物成像中显示出高空间分辨率和高灵敏度。该技术是利用超顺磁性氧化铁（Superparamagnetic iron oxide,SPIO）构成的磁性纳米粒子（Magnetic nanoparticles,MNPs）对时变激励磁场的非线性磁化响应,并对它们的空间分布成像来进行医学诊断,血管成像作为医学成像中的一种,成像过程中要求背景噪声越小越好,而MPI仅检测磁性纳米粒子,人体组织无背景噪声,所以它非常适合于血管成像。本文首先从磁性纳米粒子成像的原理入手,研究了磁性纳米粒子的结构、超顺磁性、粒子磁化、不同粒径粒子分布、粒子的弛豫效应,然后给出了磁粒子成像原理:通过梯度场产生一个零磁场点（Field Free Point,FFP）,处于FFP内的MNPs在激励场下产生非线性磁化响应,FFP之外的MNPs对所施加的激励场无响应,然后通过接收线圈两端的感应电压来检测该响应信号,并且感应电压信号的幅度与FFP内的MNPs数量成正比,所以可以通过感应电压幅度求解出粒子的浓度分布,并且在驱动场的作用下驱动FFP成像整个视场（Field of View,FOV）。然后基于磁粒子成像原理搭建了一维和二维MPI成像平台,从平台的系统框图入手,从硬件方面详细研究了二维MPI成像平台的实现,硬件部分主要包括用于产生直流梯度场的麦克斯韦线圈、用于输出动态激励场的螺线管、用于接收磁化信号的接收线圈和消除基频信号的消除线圈。本次实验采用两种不同粒径的样品,通过实验仿真了不同粒径下接收线圈的感应电压,并进一步仿真了不同梯度强度下接收线圈的感应电压,实验表明,更大的粒径和更高的梯度强度可以得到更大的接收线圈感应电压。最后研究了MPI图像重建的算法及MPI的主要指标,MPI图像重建算法主要有两种:系统矩阵算法和X-space算法。本文选择了系统矩阵算法中的ART（Algebraic Reconstruction Technique,ART）算法仿真重建了一个理想二维FFP模体,并分析了不同迭代次数和信噪比下的重建效果。结果表明,更高的迭代次数和更高的信噪比可以产生更好的图像重建效果。然后给出了MPI的主要指标,空间分辨率、接收线圈灵敏度、接收线圈信噪比。分析表明更高的梯度磁场强度和更大的粒子直径都可以提高MPI的空间分辨率,并且更高的驱动场电流可以提高接收线圈灵敏度,更高的粒子浓度可以使接收线圈的信噪比更高。

关键词：磁粒子成像超顺磁性 Langevin磁化理论图像重建