一种针对磁声磁粒子浓度成像的矩阵式线圈设计方法
技术领域
本发明属于医学成像技术领域，尤其涉及一种磁声磁粒子浓度成像装置中梯度磁场激励单元的设计。
背景技术
近年来MNPs已经越来越多地应用于生物医学、临床诊断和治疗的相关研究中，例如肿瘤磁热疗、干细胞标记、基因递送、药物靶向治疗、疾病诊断等，具有良好的应用发展前景，但磁粒子成像技术通过感应线圈测量感应电压，激励磁场会直接耦合到测量线圈中，所产生的直接馈通干扰将降低图像的空间分辨率和测量的灵敏度，而电磁场与声场结合的磁声多物理场成像研究正是考虑到了超声检测技术的高分辨率、高灵敏度特性以及磁场、声场良好的耦合效果，其优良的物理效果使磁声多物理场成像成为现今研究的热点。
史晓玉等人于2020年提出了基于朗之万理论的磁声磁粒子浓度成像方法，对不同浓度、不同维数的二维平面模型进行了图像重建，天然克服了驱动线圈和检测线圈之间的电磁干扰问题，融合了电磁技术、超声技术的优势，兼具无创、对比度好、灵敏度高以及空间分辨率高等优点。中国发明专利CN201911067260.X2公开了一种磁声磁粒子浓度成像装置，但该专利所述的梯度磁场激励单元是麦克斯韦线圈，若要超声探头感应到超声信号，至少需要半径为0.4m的麦克斯韦线圈通以大约200A的电流，为进一步降低激励电流、简化散热条件，本发明提出了一种专用于MACT-MI装置的梯度磁场激励单元，旨在实现不需要过大的电流即可产生满足MNPs成像所需的梯度磁场，不需要半径过大的激励线圈即可在成像区域内产生均匀度足够的梯度磁场。
图5所示的这种矩阵式线圈解决了上述技术问题，将74个材质相同的圆形线圈均分为上下两组，每组线圈同面布置，并将上下两组线圈由内向外划分为四层，每层线圈之间串联连接，用一个功率放大器驱动，可以在保证成像区域产生均匀梯度磁场的前提下，降低梯度磁场的激励电流、减小线圈的尺寸。
本发明提出了一种针对磁声磁粒子浓度成像的矩阵式线圈设计方法，将梯度磁场激励单元由麦克斯韦线圈改为矩阵式线圈，大幅度降低梯度磁场激励单元所需的电流值，为磁声磁粒子浓度成像装置系统的研制以及进一步地实验乃至临床应用奠定基础。
发明内容
本发明的目的在于解决磁声磁粒子浓度成像系统中梯度磁场激励单元电流过大的问题，提出了一种专用于磁声磁粒子浓度成像系统的矩阵式线圈，本发明能降低梯度磁场激励单元的激励电流、简化散热条件，提高了磁声磁粒子浓度成像系统的水平。
磁声磁粒子浓度成像实验系统如图1所示，包括：
1)梯度磁场激励单元：由智能控制器FPGA、脉冲信号发生器、功率放大器和矩阵式线圈组成，目的是产生梯度磁场并作用于含有MNPs的生物组织；
2)磁声信号采集与显示单元：由超声换能器、滤波器、放大器和示波器组成，目的是采集磁声信号，并将采集到的信号进行调理和显示；
3)机械驱动扫描单元：由驱动电路和步进电机组成，目的是驱动磁声信号采集单元进行环形扫描，以接收超声换能器产生的超声信号；
4)智能控制单元：由智能控制器FPGA和AD转换电路组成，目的是为梯度磁场激励单元和机械驱动扫描单元提供控制信号，并对采集的数据进行放大、滤波和AD转换，最后根据采集到的磁声信号数据，运用时间反转法以及有限差分法重构磁性纳米粒子的浓度分布图像。
本发明采用矩阵式线圈作为磁声磁粒子浓度成像装置的梯度磁场激励单元，该矩阵式线圈由功率放大器驱动，即功率放大器的输出端电性连接到矩阵式线圈的输入端；功率放大器的输入端和脉冲信号发生器的输出端电性连接，而脉冲信号发生器的每一路输入与智能控制器FPGA的每一路输出电性连接，由智能控制器FPGA产生的同步触发信号进行控制；智能控制器FPGA输出的每一路信号对应一层线圈的电流参数，控制每个功率放大器的电流输出，实现对各层线圈的电流调节，进而改变矩阵式线圈产生的磁场空间分布，在成像区域产生成像所需的梯度磁场。因此，本发明的矩阵式线圈由智能控制器FPGA控制，可以通过改变每层线圈的电流大小和方向，在成像区域输出不同大小的梯度磁场。矩阵式线圈产生的磁场会使MNPs发生磁化，磁化后的MNPs会在梯度磁场的作用下发生振动进而产生超声波，MNPs在生物组织中分布的浓度不同会导致所受磁力不同，进而导致所产生的超声信号不同。超声换能器可以检测到MNPs产生的超声信号，运用时间反转法以及有限差分法对采集到的超声信号数据进行处理，即可重构出MNPs的浓度分布图像，实现磁声磁粒子浓度成像。
本发明所述的矩阵式线圈专用于MACT-MI，目前MACT-MI的成像区域是直径不超过80mm的球型区域，故将上下两组线圈间距设为160mm，且上下相对的圆形线圈通以大小相等方向相反的电流。由于MACT-MI只需要纵向的梯度磁场，故本发明的矩阵式线圈只用于产生纵向梯度磁场。
本发明所述的矩阵式线圈均采用直径为2mm的铜漆包线绕制而成，每个线圈绕制层数为4、匝数为20，且矩阵式线圈的数目和半径是根据成像区域设定的，线圈距成像区域越近，在成像区域产生梯度磁场时所占权重越大。本发明所述的矩阵式线圈正是考虑到此种因素，在成像区域的正上方设置一个外半径为50mm、内半径为42mm、高度为10mm的线圈，并设定其余线圈外半径为40mm、内半径为32mm、高度为10mm。
本发明所述的矩阵式线圈对成像区域、成像区域所需梯度磁场的大小、矩阵式线圈的尺寸和计算复杂度进行了综合考虑，将磁声磁粒子浓度成像装置中的梯度磁场激励单元由麦克斯韦线圈改为74个材质相同的圆形线圈，将74个圆形线圈均分为上下两组，每组线圈同面布置，上下两组线圈均由内向外划分为四层，每层线圈之间串联连接，用一个功率放大器驱动。
本发明所述的矩阵式线圈为了降低激励电流，设定外层线圈绕内层线圈进行环形排列，将第二层线圈的数量设为6个，第三层设为12个，第四层设为18个，矩阵式线圈的平面图如图7所示。
本发明所述的矩阵式线圈中每个线圈的位置是固定的，在明确了所需梯度磁场的条件下，可根据每个线圈所处的位置，运用改进的天牛须智能仿生寻优算法，以矩阵式线圈的功耗最小作为约束条件，计算功耗最小时矩阵式线圈上的电流值，并将计算的结果存储于智能控制器FPGA中，由智能控制器FPGA输出一个同步触发信号，控制梯度磁场的产生。
本发明所述的矩阵式线圈在进行电流优化设计时包括如下步骤：
1)根据成像区域设定研究区域和矩阵式线圈参数；
2)根据磁声磁粒子浓度成像中磁性纳米粒子浓度分布与磁场梯度的关系，确定成像区域所需的梯度磁场大小；
3)根据磁场的叠加定理，将74个圆形线圈所产生的磁场叠加，得到矩阵式线圈在成像区域产生的磁场，并由此计算磁场的梯度值；
4)运用改进的天牛须智能仿生寻优算法，以矩阵式线圈的功耗最小作为约束条件，计算功耗最小时矩阵式线圈上的电流值；
5)以均匀度δ来检验设计方案的有效性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合附图对本发明进行详细说明。
附图说明
图1为本发明对磁声磁粒子浓度成像装置改进后的结构框图；
图2为本发明对磁声磁粒子浓度成像装置改进后的梯度磁场激励单元结构示意图；
图3为本发明对磁声磁粒子浓度成像装置改进后的智能控制器部分电路示意图；
图4为本发明对磁声磁粒子浓度成像装置改进后的梯度磁场激励单元电路示意图；
图5为本发明对磁声磁粒子浓度成像装置改进后的磁声磁粒子浓度成像原理示意图；
图6为本发明对磁声磁粒子浓度成像装置改进后的梯度磁场激励单元设计方法流程图；
图7为本发明矩阵式线圈的平面示意图；
图8为本发明矩阵式线圈的单个线圈立体图；
图9为本发明矩阵式线圈的单个线圈剖面图；
图10为本发明矩阵式线圈设计所采用的算法流程图。
图中
1：智能控制器FPGA2：脉冲信号发生器
3：功率放大器4：矩阵式线圈
5：生物组织6：MNPs
7：功率放大器
具体实施方式
为使改进后梯度磁场激励单元的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图详细说明。同时为使图面简洁便于理解，各图中仅示意性地表示出了本发明相关的部分。
如图1所示，磁声磁粒子浓度成像装置包括：
1)梯度磁场激励单元：由智能控制器FPGA、脉冲信号发生器、功率放大器和矩阵式线圈组成，目的是产生梯度磁场并作用于含有MNPs的生物组织；
2)磁声信号采集与显示单元：由超声换能器、滤波器、放大器和示波器组成，目的是采集磁声信号，并将采集到的信号进行调理和显示；
3)机械驱动扫描单元：由驱动电路和步进电机组成，目的是驱动磁声信号采集单元进行环形扫描，以接收超声换能器产生的超声信号；
4)智能控制单元：由智能控制器FPGA和AD转换电路组成，目的是为梯度磁场激励单元和机械驱动扫描单元提供控制信号，并对采集的数据进行放大、滤波和AD转换，最后根据采集到的磁声信号数据，运用时间反转法以及有限差分法重构磁性纳米粒子的浓度分布图像。
梯度磁场激励激励单元的结构如图2所示，由智能控制器FPGA,信号发生器、功率放大器、矩阵式梯度线圈组成；在本发明中的梯度线圈阵列由多个线圈构成，线圈之间是同面布置。梯度线圈阵列由功率放大器驱动，功率放大器的输出端连接矩阵式梯度线圈，该功率放大器由多个功率单元组成，这些功率单元之间在电气上相互独立，每个功率单元和一个线圈连接。功率放大器的输入端和信号发生器相连，而信号发生器应与智能控制单元中的智能控制器连接，在本专利中的智能控制器采用ALTERA公司的Cyclone IV系列FPGA，型号为EP4CE6F17C8，智能控制器包括JTAG接口电路、电源供电、有源晶振、SPI Flash等，该控制器的部分电路原理如图3所示，智能控制器的T8、T7、R6、T6和T5引脚分别与信号发生器相连，控制带宽为100MHZ，型号为AFG3102C的脉冲信号发生器输出脉冲信号，信号发生器的每一路输出连接到每一个功率单元的输入端。智能控制器输出的每一路控制信号将对应一组线圈的电流参数，控制每个功率单元的电流输出，由此控制梯度线圈阵列的电流大小和方向，实现对每个线圈的电流调节，进而在目标区域输出所需的梯度磁场，其示意图如图4所示。
本发明提出的针对磁声磁粒子浓度成像的矩阵式线圈设计方法，除了线圈结构简单、形状规则之外，可在满足成像所需梯度磁场的前提下，大幅度降低梯度磁场激励单元所需的电流值，简化散热条件，其产生的梯度磁场作用于MNPs，实现磁声磁粒子浓度成像的原理如图5所示。矩阵式线圈产生的磁场会使MNPs发生磁化，磁化后的MNPs会在梯度磁场的作用下发生振动进而产生超声波，MNPs在生物组织中分布的浓度不同会导致所受磁力不同，进而导致所产生的超声信号不同。超声换能器可以检测到MNPs产生的超声信号，运用时间反转法以及有限差分法对采集到的超声信号数据进行处理，即可重构出MNPs的浓度分布图像，实现磁声磁粒子浓度成像。
本发明矩阵式线圈的设计方法流程如图6所示，包括如下步骤：
1)根据磁声磁粒子浓度成像的成像区域设定研究区域和矩阵式线圈参数；
本发明所述的矩阵式线圈专用于MACT-MI，目前MACT-MI的成像区域是直径不超过80mm的球型区域，故将上下两组线圈间距设为160mm，且上下相对的圆形线圈通以大小相等方向相反的电流。由于MACT-MI只需要纵向的梯度磁场，故本发明的矩阵式线圈只用于产生纵向梯度磁场。
本发明所述的矩阵式线圈均采用直径为2mm的铜漆包线绕制而成，每个线圈绕制层数为4、匝数为20，且矩阵式线圈的数目和半径是根据成像区域设定的，线圈距成像区域越近，在成像区域产生梯度磁场时所占权重越大。本发明所述的矩阵式线圈正是考虑到此种因素，在成像区域的正上方设置一个外半径为50mm、内半径为42mm、高度为10mm的线圈，并设定其余线圈外半径为40mm、内半径为32mm、高度为10mm。
本发明所述的矩阵式线圈对成像区域、成像区域所需梯度磁场的大小、矩阵式线圈的尺寸和计算复杂度进行了综合考虑，将磁声磁粒子浓度成像装置中的梯度磁场激励单元由麦克斯韦线圈改为74个材质相同的圆形线圈，将74个圆形线圈均分为上下两组，每组线圈同面布置，上下两组线圈均由内向外划分为四层，每层线圈之间串联连接，用一个功率放大器驱动。
本发明所述的矩阵式线圈为了降低激励电流，设定外层线圈绕内层线圈进行环形排列，将第二层线圈的数量设为6个，第三层设为12个，第四层设为18个，矩阵式线圈的平面图如图7所示，单个线圈立体图如图8所示，单个线圈的剖面图如图9所示。由于已经确定了每个线圈的位置，在明确了所需梯度磁场的条件下，可根据每个线圈所处的位置，运用改进的天牛须智能仿生寻优算法，以矩阵式线圈的功耗最小作为约束条件，计算功耗最小时矩阵式线圈上的电流值，并将计算的结果存储于智能控制器FPGA中，由智能控制器FPGA输出一个同步触发信号，控制梯度磁场的产生，其智能控制示意图如图4所示。
2)根据磁声磁粒子浓度成像中磁性纳米粒子浓度分布与磁场梯度的关系，确定成像区域所需的梯度磁场。
磁性纳米粒子浓度N分布与磁场梯度的关系为：
式中m0为原子磁矩，f(r)为磁力声源分布，k为玻尔兹曼常数，T为磁纳米粒子集团区域温度，Bz为激励磁场z轴分量，
3)根据磁场的叠加定理，将74个圆形线圈所产生的磁场叠加，得到矩阵式线圈在成像区域产生的磁场，并由此计算磁场的梯度值。毕奥-萨伐尔定律是研究线圈产生磁场的基本公式，可以描述电流元Idl在给定点处所产生磁感应强度矢量dB的大小和方向，毕奥-萨伐尔定律为：
其中，μ0为真空中的磁导率4π×10-7N/A2，r是从电流元到给定点的位置矢量。
对于单个闭合的圆线圈，以线圈中心点处的轴为中心轴，建立柱坐标系。将上式进行积分，取z方向分量，可得任一点(ρ,θ,z)的磁感应强度z分量：
式中
根据磁场的叠加定理，将各个圆形线圈产生的进行磁场叠加，得到最终的矩阵式线圈产生的磁场，叠加后任一点(ρsi,θsi,zsi)的磁场为：
其中，(ρsi,θsi,zsi)为以成像区域的中心建立世界柱坐标系下的任一点坐标，在世界坐标系下第i个线圈圆心坐标为(ρci,θci,zci)，设(ρi,θi,zi)为以第i个线圈圆心建立的柱坐标系下的柱坐标，则有
可由此计算理想梯度磁场值，即
其中，Bzset为目标梯度。
4)运用改进的天牛须智能仿生寻优算法，以矩阵式线圈的功耗最小作为约束条件，计算功耗最小时矩阵式线圈上的电流值，即
其中，P0是所有线圈中消耗的初始总功率，
该优化算法的流程如图10所示，首先在成像区域将天牛群初始化，并将种群个数设为20；为保证该算法找到的解为最优解，将每只天牛左右两须找到的局部最优解用公式得出天牛质心的坐标Iii，然后用鱼群算法在天牛质心附近进行寻优，将各个鱼群发生聚群行为和追尾行为时得到的解进行比对，选出其中的最优解；而后不断进行迭代求解，使最优解不断进行更新，最后达到最大求解次数，得出最优解。
5)以均匀度δ来检验设计方案的有效性，其中均匀度δ为
当最大的δ小于5％时，磁场具有较好的均匀度。
按以上方法进行矩阵式线圈设计，矩阵式线圈的激励电流分别为I1＝2.487 1 A，I2＝4.7156 1 A，I3＝-8.8889 1 A，I4＝-3.4912 1 A，可在直径为80mm的球形区域内产生梯度强度为10mT/m的均匀梯度磁场。
本发明的主要创新在于采用矩阵式线圈来代替原来的麦克斯韦线圈作为磁声磁粒子浓度成像装置的梯度磁场激励单元，矩阵式梯度磁场激励单元除了线圈结构简单、形状规则之外，可在满足成像所需梯度磁场的前提下，大幅度降低梯度磁场激励单元所需的电流值，简化散热条件，产生均匀度更高的梯度磁场。
以上所述是本发明的具体实施方式而已，当然不能以此来限定本发明的权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
