(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010772938.0
(22)申请日 2020.08.04
(71)申请人 重庆邮电大学
地址 400065 重庆市南岸区黄桷垭崇文路2
号
(72)发明人 贺中华 陈韦旭 李海铭
(74)专利代理机构 北京同恒源知识产权代理有
限公司 11275
代理人 赵荣之
(51)Int.Cl.
A61B 5/05(2006.01)
G01R 33/02(2006.01)
G16H 30/00(2018.01)
(54)发明名称
(57)摘要
本发明涉及一种单边磁粒子成像检测装置，
属于医学成像检测技术领域。该装置包括单边磁
垂直方向上的静态梯度磁场和无磁场点；所述驱
动线圈用于产生垂直方向上扫描移动的振荡磁
场；接收线圈用于接收纳米磁性粒子的响应磁场
信号。驱动线圈由信号发生单元进行驱动产生振
荡磁场，通入信号发生单元输入端口的交流电频
率、幅值和相位由控制器控制；接收线圈与高通
滤波器相连，接收线圈上感应到的磁粒子原始信
号经高通滤波器后，再经低噪放大器送入信号处
理单元，由控制器进行采样数字化。本发明结构
简单、体积小、重量轻、无侵入性、开放式检测，可
实现单边磁粒子成像。权利要求书2页 说明书5页 附图3页CN 111759306 A 2020.10.13
C N 111759306
A
1.一种单边磁粒子成像检测装置，其特征在于，该装置包括单边磁体(1)、驱动线圈(3)和接收线圈(2)；所述单边磁体(1)用于产生在垂直方向上的静态梯度磁场和无磁场点；所述驱动线圈(3)用于产生垂直方向上扫描移动的振荡磁场；所述接收线圈(2)用于接收纳米磁性粒子(11)的响应磁场信号。
2.根据权利要求1所述的单边磁粒子成像检测装置，其特征在于，所述单边磁体(1)由两个圆环磁体组成，外环磁体(101)与内环磁体(102)的极性方向沿着环面的垂直方向，且外环磁体(101)与内环磁体(102)的极性方向相反。
3.根据权利要求2所述的单边磁粒子成像检测装置，其特征在于，所述外环磁体(101)与内环磁体(102)的内径、外径和高度，是根据毕奥-萨伐尔定律推导的磁感应强度Z轴轴向分量来初步确定的，然后采用电磁场有限元仿真软件验证、优化。
4.根据权利要求3所述的单边磁粒子成像检测装置，其特征在于，根据毕奥-萨伐尔定律推导的磁感应强度Z轴轴向分量来初步确定外环磁体(101)与内环磁体(102)的内径、外径和高度，具体包括：取外环磁体(101)的内外半径及厚度分别为R i1，R o1和h，并假设其内外环表面磁化电流密度分别为J1和J2，则磁环内外表面在Z＝h0处的环路电流强度分别为I1＝-μ0J1dh0，I2＝-μ0J2dh0；因此根据毕奥-萨伐尔定律，环形永磁体对空间任一点P(x,y,z)产生的轴向磁感应强度为：
其中，R为环路半径，μ0为磁导率，I为电路，K
(k)和E(k)分别为第一类和第二类完全椭圆积分；
同理，取内环磁体(102)的内外半径及厚度分别为R i2，R o2和h’，对空间任一点P(x,y,z)产生的轴向磁感应强度为：
则内、外环磁体对空间任一点P(x,y,z)产生的轴向磁感应强度为B＝B i1+B o1+B i2+B o2，设P0(x0,y0,z0)为无磁场点，对应有h＝h'，则根据B＝B i1+B o1+B i2+B o2＝0，求出R i1、R o1、R i2、R o2应满足的关系式，从而初步确定内、外环磁体的内外半径及厚度。
5.根据权利要求1所述的单边磁粒子成像检测装置，其特征在于，所述驱动线圈(3)采用螺线管结构，环绕在内环磁体与外环磁体之间，通过调节驱动线圈的交流电流频率、大小
与方向，从而调整振荡磁场。
6.根据权利要求1所述的单边磁粒子成像检测装置，其特征在于，所述接收线圈(2)采用平面螺线结构，位于内外环磁体的上表面内。
7.根据权利要求1所述的单边磁粒子成像检测装置，其特征在于，该装置还包括控制器(4)、信号发生单元(5)、高通滤波器(6)、低噪放大器(7)、信号处理单元(8)和无线模块(9)；所述驱动线圈(3)由信号发生单元(5)进行驱动产生振荡磁场，通入信号发生单元(5)输入端口的交流电频率、幅值和相位由控制器(4)控制；所述接收线圈(2)与高通滤波器(6)相连，接收线圈(2)上感应到的磁粒子原始信号经高通滤波器(6)后，再经低噪放大器(7)送入信号处理单元(8)，由控制器(4)进行采样数字化；控制器(4)还控制无线模块(9)。
8.根据权利要求7所述的单边磁粒子成像检测装置，其特征在于，无线模块(9)通过蓝牙或WiFi与手机(10)通信，手机上APP做信号处理、显示和对控制器的命令控制及通信控制。
9.根据权利要求7所述的单边磁粒子成像检测装置，其特征在于，该装置还包括壳体(12)，采用防磁材料；所述单边磁体(1)、驱动线圈(3)、接收线圈(2)均设置在工程塑料壳体内，控制器(4)、信号发生单元(5)、信号处理单元(8)、低噪放大器(7)、高通滤波器(6)和无线模块(9)设置在另一金属壳体内。
一种单边磁粒子成像检测装置
技术领域
[0001]本发明属于医学成像检测技术领域，涉及一种单边磁粒子成像检测装置。
背景技术
[0002]磁粒子成像(Magnetic Particle Imaging,MPI)是一种全新的定量功能性成像技术，其利用了注入血流中的纳米颗粒示踪剂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，能够生成动脉血流和体积心脏运动的实时图像。MPI的第一优点是高空间分辨率。由于成像不显示解剖结构和背景组织，不产生干扰信号，因此示踪剂分布图像具有高对比度。第二优点是高时间分辨率，可实现快速动态成像。可实现例如冠状动脉血流流动的实时成像，进而可监视癌症。第三优点是安全性高。MPI成像通
过振荡磁场和静态磁场来检测磁粒子响应，因此不存在电离辐射，也无需使用毒性示踪剂，其示踪剂由超顺磁氧化铁(SuperParamagnetic Iron Oxide，SPIO)制成，相比用于CT的碘和用于磁共振的钆，SPIO 要安全得多。除此之外，MPI系统体积较小，便于移动携带。因此，MPI具有巨大的应用前景。[0003]目前全球只有用于小型动物的MPI设备上市，其成像区域封闭，这极大影响了MPI 系统的应用。对于单边磁粒子成像，其结构开放、体积较小、便于移动，能够在任意位置从任意角度对物体进行无损检测，因此具有广泛应用前景。因此，亟需一种便携式的单边磁粒子成像装置。
发明内容
[0004]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种便携式的单边磁粒子成像检测装置，适用于对人体局部扫描成像，尤其适用于患有脑部疾病的患者，实现结构简单、体积小、重量轻、性能可靠，单边磁粒子成像的无创检测。
[0005]为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0006]一种单边磁粒子成像检测装置，包括单边磁体1、驱动线圈3和接收线圈2；所述单边磁体1用于产生在垂直方向上的静态梯度磁场和无磁场点(Field Free Point,FFP)；所述驱动线圈3用于产生垂直方向上扫描移动的振荡磁场；所述接收线圈2用于接收纳米磁性粒子11的响应磁场信号。
[0007]优选的，所述单边磁体1由两个圆环磁体组成，外环磁体101与内环磁体102的极性方向沿着环面的垂直方向，且外环磁体101与内环磁体102的极性方向相反。因此这种组合磁体由于轴对称性，在垂直方向的轴线上某一点磁场刚好抵消，即存在无磁场点，同时在无磁场点附近的轴线上产生梯度磁场。
[0008]进一步，所述外环磁体101与内环磁体102的内径、外径和高度，是根据毕奥-萨伐尔定律推导的磁感应强度Z轴轴向分量来初步确定的，然后采用电磁场有限元仿真软件验证、优化。
[0009]更进一步，根据毕奥-萨伐尔定律推导的磁感应强度Z轴轴向分量来初步确定外环磁体101与内环磁体102的内径、外径和高度，具体包括：取外环磁体101的内外半径及厚度
分别为R i1，R o1和h，并假设其内外环表面磁化电流密度分别为J1和J2，则磁环内外表面在Z＝h0处的环路电流强度分别为I1＝-μ0J1dh0，I2＝-μ0J2dh0；因此根据毕奥-萨伐尔定律，环形永磁体对空间任一点P(x,y,z)产生的轴向磁感应强度为：
[0010]
[0011]其中，R为环路半径，μ0为磁导率，I为电
路，K(k)和E(k)分别为第一类和第二类完全椭圆积分；
[0012]同理，取内环磁体102的内外半径及厚度分别为R i2，R o2和h’，对空间任一点P(x,y, z)产生的轴向磁感应强度为：
[0013]
[0014]则内、外环磁体对空间任一点P(x,y,z)产生的轴向磁感应强度为B＝B i1+B o1+B i2+ B o2，设P0(x0,y0,z0)为无磁场点，对应有h＝h'，则根据B＝B i1+B o1+B i2+B o2＝0，可以求出R i1、R o1、R
i2、R o2应满足的关系式，从而初步确定内、外环磁体的内外半径及厚度。
[0015]优选的，所述驱动线圈3采用螺线管结构，环绕在内环磁体与外环磁体之间，通过调节驱动线圈的交流电流频率、大小与方向，从而调整振荡磁场。
[0016]优选的，所述接收线圈2采用平面螺线结构，位于内外环磁体的上表面内，因此能靠近被测磁性粒子，增强磁性粒子的磁场响应信号的接收灵敏度。
[0017]优选的，该装置还包括控制器4、信号发生单元5、高通滤波器6、低噪放大器7、信号处理单元8和无线模块9；所述驱动线圈3由信号发生单元5进行驱动产生振荡磁场，通入信号发生单元5输入端口的交流电频率、幅值和相位由控制器4控制；所述接收线圈2与高通滤波器6相连，接收线圈2上感应到的磁粒子原始信号经高通滤波器6后，再经低噪放大器7送入信号处理单元8，由控制器4进行采样数字化；控制器4还控制无线模块9。
[0018]优选的，无线模块9通过蓝牙或WiFi与手机10通信，手机上APP可做信号处理、显示和对控制器的命令控制及通信控制。
[0019]优选的，该装置还包括壳体12，采用防磁材料；所述单边磁体1、驱动线圈3、接收线圈2均设置在工程塑料壳体内，控制器4、信号发生单元5、信号处理单元8、低噪放大器7、高通滤波器6和无线模块9等设置在另一金属壳体内。
[0020]本发明的有益效果在于：本发明提供的单边磁粒子成像检测装置适用于患者局部
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