[发明专利]磁性粒子成像系统的校准方法

说明书

本发明公开了一种校准由磁场发生器和测量装置组成的磁性粒子成像系统的方法，其提出了一种编码校准场景，该编码校准场景包含分布在其体积内的多个纳米粒子样品，该编码校准场景大于该场景所在的视场。在视场上，向一个或多个方向上线性移动和/或在一个或多个轴上旋转该场景，并且进一步地，本发明也公开了一种用于移动编码校准场景的机械系统。

技术领域

本公开涉及一种通过提出编码校准场景来校准磁性粒子成像系统的方法，该编码校准场景包含分布在其体积内的多个纳米粒子样品，该编码校准场景大于该场景在一个或多个方向上线性移动和/或在一个或多个轴上旋转的视场，以及进一步地，涉及一种用于移动编码校准场景的机械系统。

相关技术

磁性纳米粒子可用于医学中的各种目的，例如血管造影，干细胞追踪，癌细胞和靶向药物成像。磁性纳米粒子可以使用磁性粒子成像(MPI)方法进行非侵入式成像。在磁性粒子成像方法中，有两种不同的方法用作图像重建的标准。

第一种方法是美国专利US8355771B2中所述的系统校准方法，其中以视场中所需的系统分辨率步骤对少量纳米粒子样品进行机械扫描，以获得系统的校准数据[1]。使用此校准数据(也称为系统矩阵)生成图像。在标准系统校准方法中，校准测量将持续很长时间，因为必须在视场内的每个网格点处对样品纳米粒子进行机械扫描和测量。从一个点到另一个点的机械扫描时间以及获取测量数据的时间大约为1.3秒[2]。对于具有30x 30x 30网格点的小视场，校准时间将持续9.75小时。在临床实践中，较大的成像体积校准可能会持续数月。需要频繁地校准系统，因为已知的是，纳米粒子在不同批次之间特性各有不同，并且还受成像序列的影响。因此，对于大视场的系统，实际上无法采用标准的系统校准方法。另外，由于要扫描的纳米粒子必须小于或等于图像的体素尺寸，所以扫描的样品中的纳米粒子的数量受到限制，信噪比也要很小。增加信噪比的一种方法是在同一位置采集多个数据，并平均化。因此，机械移动不能连续进行，扫描仪在每个网格点处停止，并在进行足够的测量以达到所需的信噪水平后移至下一个点。这限制了校准测量的速度。

最近，在美国专利申请US20150221103A中提出了一种校准方法，其中在随机位置扫描纳米粒子样品，而随机位置数量远小于视场中体素的总数。根据压缩感测理论[3]，这是可能的，因为系统矩阵在某些变换域(离散傅立叶，余弦或切比雪夫)中是稀疏的。已经表明，该方法可以减少80-90％的扫描点数。除了对视场中的所有体素(N)进行测量，还可以通过使用压缩感测技术在随机M(N)体素位置进行较少的测量来完成系统校准。由于不可能分析地计算出M值小至甚么程度，因此应根据图像质量来选择M/N比。在上述参考文献中获得了实验图像。虽然M/N＝0.1的图像质量是可以接受的，但是对于较低的M/N比，图像质量会明显下降。使用此方法可以10倍地减少校准时间，但是由于需要对样品进行机械扫描，因此仍然需要非常长的校准时间，例如200x200x 200点的测量面积将需要10天以上的时间进行测量。

第二种重建方法是EP3143929A1中使用的X空间方法。在这种方法中，没有校准步骤。使用用于磁性粒子成像(MPI)的信号方程模型生成图像。通过使用MPI信号方程式，可以在时域中完成图像重建。在这种方法中，没有考虑到与MPI理想硬件的偏差，并且分辨率低于系统校准方法。

A·冯·格拉迪斯(A von Gladiss)等人[2]公开了一种用于加速校准过程的电子校准方法。将纳米粒子样品放置在独立的校准单元中，该校准单元可以产生任何方向的均匀磁场，模拟纳米粒子样品在MPI系统中暴露的磁场。尽管此方法比标准方法提供了更快的校准，但它需要使用单独的校准单元。MPI系统的磁场分布必须在视场中单独测量；并且校准单元的测量值必须与MPI系统的测量值有关。与标准系统校准测量一样，由于MPI系统的磁场分布测量需要对视场内的每个体素进行机械扫描，因此电子校准的优点是有限的。

发明目的