磁场发生装置、磁粒子成像系统及方法与流程

本发明涉及磁粒子成像，具体涉及一种磁场发生装置、磁粒子成像系统及方法。

背景技术：

1、近年来，磁粒子成像技术经历了飞速的发展，成为生物医学研究和临床诊断领域的一项重要技术。该技术利用磁性纳米粒子在外部磁场作用下的特性，实现了对生物组织或医学样本的成像。

2、随着技术的发展，手持式磁粒子成像设备应运而生，旨在提供更加便携和灵活的成像解决方案。然而，尽管手持式设备在便携性方面具有明显优势，但也面临一系列技术挑战。首先，由于设备体积和重量的限制，其磁场强度和稳定性受到了影响，直接影响了成像质量。其次，手持操作时的颤动和姿势变化以及磁场检测单元的灵敏度不足会导致成像信号波动，降低成像的准确性。此外，现有设备在信号处理和控制方面存在不足，缺乏实时补偿和优化机制，进一步限制了成像质量的提升。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种磁场发生装置、磁粒子成像系统及方法，以解决目前的手持式磁粒子成像设备成像质量较低和成像深度较低的问题。

2、第一方面，本发明提供了一种磁场发生装置，包括：磁场发生模块，包括多磁极选择场线圈，多磁极选择场线圈用于通电后产生初始磁场；实时反馈模块，与磁场发生模块通信连接，实时反馈模块用于实时监测磁场分布信息，以及用于将磁场分布信息发送至控制模块；控制模块，与实时反馈模块通信连接，控制模块用于根据预设成像参数和磁场分布信息，调整通过磁场发生模块包括的多个线圈的目标电流，以将初始磁场调整为目标磁场；控制模块还用于将目标电流对应的初始电流信号发送至数据处理模块；数据处理模块，与磁场发生模块和控制模块分别通信连接，数据处理模块用于对初始电流信号进行功率放大和滤波处理，得到目标电流信号；以及用于将目标电流信号发送至多个线圈，以驱动多个线圈产生目标磁场。

3、本发明实施例提供的磁场发生装置，通过集成先进的动态补偿机制，能够实时调整磁场，有效减少外部干扰和设备自身运动带来的影响，显著提升了操作稳定性。通过实时反馈模块，能够实时监测磁场分布信息，并将这些信息反馈给控制模块，从而能够动态调整磁场，提高了磁场控制的精确性和稳定性。控制模块根据预设成像参数和实时获得的磁场分布信息，调整电流以生成目标磁场，这种基于反馈的调节方式使得磁场可以精确地符合预期要求。数据处理模块对初始电流信号进行功率放大和滤波处理，保证了驱动线圈所需的电流信号质量，从而不仅提高了系统的可靠性，也确保了产生磁场的稳定性和一致性。使用多磁极选择场线圈可以产生更加复杂和精细的磁场分布，从而更好地控制磁场的空间分布，满足不同应用的需求。数据处理模块负责对初始电流信号的处理，确保了信号的准确传递和转换，减少了信号失真和噪声干扰，提高了装置的整体效率和性能。

4、在一种可选的实施方式中，多个线圈包括：多磁极选择场线圈，用于组成多极电磁体，以及用于根据接收的第一目标电流信号产生对应的梯度场；激励线圈，用于根据接收的第二目标电流信号产生对应的激励场；驱动线圈，用于根据接收的第三目标电流信号产生对应的驱动场；补偿线圈阵列，用于根据接收的第四目标电流信号对梯度场、激励场以及驱动场进行调整。

5、本发明实施例提供的磁场发生装置，通过多极电磁体设计，可以产生复杂和精细的磁场分布。能够根据第一目标电流信号生成梯度场，为磁纳米粒子成像(mpi)等应用提供必要的空间分辨能力。根据第二目标电流信号生成对应的激励场，这对于磁纳米粒子成像中的射频脉冲激励等是至关重要的，确保了装置能够快速响应，并且在所需时间内产生足够强度和稳定性的激励场。根据第三目标电流信号生成驱动场，用于提供系统运作所需的基本磁场以及用于控制零场区域轨迹，从而保证了驱动场的稳定性，提高了整个装置的可靠性和精确性。补偿线圈根据第四目标电流信号对已有的梯度场、激励场以及驱动场进行微调，以消除不必要的偏差和干扰，从而能够显著提高磁场的均匀性和精度，满足高要求的应用需求。

6、在一种可选的实施方式中，控制模块包括：双核处理器，包括第一核处理器和第二核处理器；第一核处理器用于接收用户的操作指令，确定预设成像参数；并用于根据预设成像参数、磁场分布信息以及第二核处理器预存的状态空间模型，对通过多个线圈的目标电流进行调整；现场可编程门阵列，用于在初始电流信号发送至数据处理模块之前，将初始电流信号转换为模拟信号。

7、本发明实施例提供的磁场发生装置，第一核处理器用于接收和处理用户输入的操作指令，确保响应用户需求的及时性。根据预设成像参数、磁场分布信息以及第二核处理器存储的状态空间模型，对通过多个线圈的目标电流进行精确调整，这种高效分工大大提高了系统的运算速度和响应能力。第二核处理器用于存储并维护复杂的状态空间模型，这些模型用于磁场分布的预测和优化，通过与第一核处理器协同工作，有效分担计算压力。现场可编程门阵列在初始电流信号发送至数据处理模块之前，将其转换为模拟信号，确保了信号的准确性和兼容性。现场可编程门阵列具备硬件级别的高速并行处理能力，使得此过程迅速且可靠。现场可编程门阵列的可编程特性使其可以根据具体应用需求进行重新配置和优化，增强了系统的灵活性和适应性。双核处理器和fpga之间的高效协同工作，实现了对磁场生成和控制的实时、高效处理，保证了装置整体运行的高性能。用户操作指令的快速处理和成像参数的即时调整，结合现场可编程门阵列的高速信号转换能力，使得装置能够快速响应外部变化和指令，提高了动态性能。通过状态空间模型的应用和多核处理器的协同工作，实现了对磁场的精确控制，确保了成像和其他复杂任务的高质量完成。

8、第二方面，本发明提供了一种磁粒子成像系统，包括上述第一方面或其对应的任一实施方式的磁场发生装置，包括：磁场发生模块，还包括接收线圈，接收线圈用于在目标磁场作用于成像对象之后，接收成像对象产生的磁粒子成像信号，并将磁粒子成像信号发送至数据处理模块；数据处理模块，还用于对磁粒子成像信号进行滤波、功率放大和降噪处理，得到目标磁粒子成像信号；以及用于将目标磁粒子成像信号发送至控制模块；控制模块，还用于根据目标磁粒子成像信号进行成像。

9、本发明实施例提供的磁粒子成像系统，接收线圈能够有效接收成像对象在目标磁场作用下产生的磁粒子成像信号，确保信号的完整性和准确性。对接收到的磁粒子成像信号进行滤波、功率放大和降噪处理，得到更为清晰和准确的成像信号。经过处理后的目标磁粒子成像信号被发送至控制模块，保证信号的实时传输和响应，减少延迟。控制模块根据处理后的目标磁粒子成像信号进行成像。通过高精度的信号处理和控制，能够生成高分辨率、高质量的成像结果，满足用户需求。

10、在一种可选的实施方式中，接收线圈为差分线圈结构。

11、本发明实施例提供的磁粒子成像系统，能够有效地检测磁场的微小变化，从而实现对磁粒子信号的高精度捕获，以实现对磁粒子分布的高灵敏度检测和精确成像。差分线圈对磁性粒子的信号非常敏感，从而提高检测的灵敏度。差分线圈的设计可以减少来自周围环境的电磁干扰，提高信号的纯净度和成像的质量。通过优化差分线圈的设计，可以减少成像过程中可能出现的伪影，提高图像的准确性和可靠性。

12、在一种可选的实施方式中，控制模块还包括：第一核处理器，用于根据目标磁粒子成像信号以及第二核处理器预存的图像处理模型，在对应的显示装置进行成像；现场可编程门阵列，用于将目标磁粒子成像信号转换为数字信号，以供双核处理器进行处理。

13、本发明实施例提供的磁粒子成像系统，双核处理器结构可以将任务分配给两个独立的处理器核，从而实现并行处理，极大地提升了数据处理的效率。第二核处理器中预存的图像处理模型可以根据目标磁粒子成像信号进行复杂的图像分析和优化，这有助于生成更高质量、更清晰的成像结果。现场可编程门阵列将模拟的目标磁粒子成像信号转换为数字信号。由于现场可编程门阵列具有高并行处理能力，它能够以非常快的速度完成信号转换，确保数字信号的快速传输和处理。双核处理器和fpga各自承担特定的任务，分工明确，避免了单一处理器负载过重的问题，从而提高了系统的稳定性和可靠性。

14、在一种可选的实施方式中，磁粒子成像系统为手持式磁粒子成像系统。

15、本发明实施例提供的磁粒子成像系统，有效克服了在磁场强度、稳定性和信号处理方面的局限，即使在手持操作条件下，也能提供高分辨率、高稳定性的成像效果。动态补偿机制的引入，使得系统能够实时调整和优化成像参数，减少了手部颤动和姿势变化对成像信号的影响，从而在保持设备便携性的同时，大幅提高了成像的准确性和可靠性。

16、第三方面，本发明提供了一种磁粒子成像方法，应用于上述第二方面或其对应的任一实施方式的磁粒子成像系统，包括：通过多极电磁体产生初始磁场；通过实时反馈模块实时监测磁场分布信息，并将磁场分布信息发送至控制模块；控制模块根据预存的状态空间模型、预设成像参数和磁场分布信息，调整通过磁场发生模块包括的多个线圈的目标电流，以将初始磁场调整为目标磁场；控制模块将目标电流转换为初始电流信号，并发送至数据处理模块；数据处理模块对初始电流信号进行功率放大和滤波处理，得到目标电流信号；并将目标电流信号发送至多个线圈，以驱动多个线圈产生目标磁场；在目标磁场作用于成像对象之后，接收线圈接收成像对象产生的磁粒子成像信号，并将磁粒子成像信号发送至数据处理模块；数据处理模块对磁粒子成像信号进行滤波、功率放大和降噪处理，得到目标磁粒子成像信号；并将目标磁粒子成像信号发送至控制模块；控制模块根据目标磁粒子成像信号进行成像。

17、本发明实施例提供的磁粒子成像方法，通过实时反馈模块监测磁场分布信息，并将其发送至控制模块，实现对磁场调整的实时监测和反馈。这种实时性可以确保系统对磁场变化能够及时做出调整，提高成像的准确性和稳定性。控制模块根据预存的状态空间模型、预设成像参数和实时接收到的磁场分布信息，调整线圈的目标电流，将初始磁场调整为目标磁场，这种自适应调节能够根据不同情况实时调整系统参数。数据处理模块对初始电流信号和磁粒子成像信号进行功率放大、滤波和降噪处理，得到高质量的目标电流信号和目标磁粒子成像信号。从实时监测到控制调节再到成像形成了闭环控制，能够持续地优化并调整系统参数，以实现更好的成像效果，保证成像的稳定性和可靠性。多个线圈根据数据处理模块发送的目标电流信号来产生目标磁场，实现高效的驱动和控制。这种方式能够确保线圈之间的协调工作，提高系统的响应速度和精度。控制模块根据目标磁粒子成像信号进行成像，结合了磁场调节、信号处理和成像等多个环节，实现了全面的性能优化。这种综合性的优化能够提高系统的整体效率和成像质量。

18、在一种可选的实施方式中，调整通过磁场发生模块包括的多个线圈的目标电流，包括：调整通过多磁极选择场线圈的第一目标电流；调整通过激励线圈的第二目标电流；调整通过驱动线圈的第三目标电流；调整通过补偿线圈阵列的第四目标电流。

19、本发明实施例提供的磁粒子成像方法，通过分别调整多磁极选择场线圈、激励线圈、驱动线圈和补偿线圈的目标电流，可以实现对磁场的精细化控制。每种线圈的电流调整都针对特定的功能或需求，确保磁场分布的精准性和稳定性。精准调整每个线圈的电流能够有效减少成像过程中由于磁场不均匀或误差带来的影响，从而提升成像的清晰度和准确性。独立调整每个线圈的电流，能够更好地管理和分配系统的能量使用。各线圈独立调整可以减少由于单一线圈调整带来的延迟，提升系统的响应速度。不同的成像任务可能对磁场有不同的要求，通过独立调整各类线圈的电流，可以灵活满足不同应用场景的需求。

20、在一种可选的实施方式中，建立状态空间模型，包括：根据沿轴向的磁场强度参数、磁场的空间梯度参数以及流经多极电磁体的电流参数，建立动态模型；根据动态模型建立观测器；根据观测器确定磁粒子成像系统的输出估计状态；根据输出估计状态建立反馈控制器；根据反馈控制器输出的控制信号调整流经补偿线圈阵列的第四目标电流。

21、本发明实施例提供的磁粒子成像方法，通过建立状态空间动态模型，考虑了沿轴向的磁场强度参数、磁场的空间梯度参数以及流经多极电磁体的电流参数，能够全面理解系统的动态特性，有利于更准确地描述和预测磁场的变化过程。利用观测器可以实时估计系统的状态变量，包括磁场强度、空间梯度等参数，从而实现对系统状态的连续监测和估计，为后续的控制决策提供准确的反馈信息。根据动态模型和观测器的输出，确定磁粒子成像系统的输出估计状态，可以实现对磁场状态的精准估计，为后续的控制决策提供可靠的依据。基于输出估计状态建立反馈控制器，可以根据实际状态和期望状态之间的差异，实时调整控制信号，从而使系统保持在期望的工作状态，实现对磁场的精确控制。反馈控制器能够根据实际情况及时调整补偿线圈阵列的电流，保持系统在不同工作条件下的稳定性和鲁棒性，对外部干扰和参数变化具有一定的适应能力。通过动态模型和反馈控制器的调节，可以使系统磁场的分布更加均匀稳定，有利于提高磁粒子成像系统的成像质量和准确性，满足不同应用场景的需求。