基于无场线电子扫描开放式磁粒子成像系统设计.pdf

2023年5月May2023ChineseoiirnaScientificInstrumentVol.44No.5第5期第44卷表报仪器仪学D0I:10.19650/ki.cjsi.J2210858基于无场线电子扫描开放式磁粒子成像系统设计白石，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1110870)摘要：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 mm30mm；以单边激励线圈产生2 0.7 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20gFe,图像重建空间分辨率2 mm，成像速度1fps，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；谐波信号中图分类号：TH772文献标识码：A国家标准学科分类代码：46 0.40Design of the open-bored magnetic particle imaging system basedon field free line electrical scanningBai Shi,Yang Hui,Zou Yuqi,Zhang Qinyang,Li Tianshu(School of Information Science and Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)Abstract:The magnetic particle imaging(MPI)is a new dynamic targeting imaging method in the human body.However,the currentMPI system mainly utilizes a closed magnetic field scanning structure,which severely limits its clinical application.In this article,anopen electrical scanning narrowband MPI system is designed.On the basis of analyzing the harmonic magnetization response ofsuperparamagnetic particles,an open spatial positioning magnetic field based on field free line is formed by using eight gradient coilsthrough the calculation of the coupling magnetic field on the coil surface and the current control.The imaging area is 30 mmx30 mm.Asingle side excitation coil is used to generate a 20.7 kHz excitation magnetic field.The superparamagnetic nanoparticles tracer in thehigh-frequency excitation magnetic field and the positioning magnetic field generates a locatable superparamagnetic magnetization signalwith rich harmonic components.A high signal to noise ratio Gradiometer coil is used to detect its third harmonic signal to form a voltagecloud image.Furthermore,the non-negative least square method is used to reconstruct the voltage nephogram through the pre-measuredsystem function matrix to form the tracer concentration distribution nephogram.The imaging experiment results show that the detectionsensitivity of the system in the open imaging area is 20 g Fe,the spatial resolution of image reconstruction is 2 mm,and the imagingspeed is 1 fps.The good open imaging effectiveness is achieved.This system is also the first open magnetic particle imaging systemindependently developed in China.Keywords:magnetic particle imaging;gradient coils;field free line;electrical scanning;harmonic signal收稿日期：2 0 2 2-12-10ReceivedDate:2022-12-10*基金项目：国家自然科学基金（6 2 0 0 1313）、辽宁省自然科学基金（2 0 2 0-MS-211）辽宁省教育厅科研项目（LJKZ0133）、沈阳市科技计划公共卫生研发专项（2 2-32 1-32-0 9）资助白205石等：基于无场线电扫描开放式磁粒一成像系统设计第5期0引言磁粒子成像（magneticparticle imaging，M PI）是一种全新的体内动态靶向影像学方法，其利用生物功能化的超顺磁性氧化铁纳米粒子（superparamagnetic iron oxidenanoparticles，SPIO Ns）为示踪剂，通过对SPIONs在高频激励场下的非线性磁化及空间定位信号检测获得具有极高实时性及人体安全性的示踪剂成像效果1-2 。在MPI领域，SPIONs通常指磁核尺寸不大于50 nm的铁氧化合物粒子，其大小小于传统铁磁学中磁畴所能形成的最小尺度,形成了单磁畴属性。同时,其在室温下的热动力学能量超过磁各向异性能量势垒，形成具有极低磁滞的非线性磁化属性，使其可在非饱和磁化区获得极高的动态磁化响应，并在饱和区达到动态磁化饱和实现空间定位能力。MPI通过完整的SPIONs激励与定位磁场，搭配高灵敏度高频弱磁信号采集系统及图像重建算法，实现与现有主流影像技术完全不同的全新影像学方法，其主要优势在于成像速度快、信号穿透距离深、示踪剂灵敏度高且适于进行靶向蛋白和药物修饰、无有害电离辐射等3-9，在术中实时靶向成像、无辐射介人示踪、床旁动态检测等应用领域具有极高的科学与应用价值【10-2 1目前，全球范围内MPI相关研究获得极大关注，如德国飞利浦电子研究所、及美国加州大学伯克利分校完成并推出了用于临床前实验的MPI整机产品13-0】，日本九州大学及土耳其ASELSAN研究中心也分别推出了各自的MPI原型机2 1-2 4，国内一些学者近些年也对MPI进行了相关研究2 5-2 8 。但如伯克利的Magnetic InsightMomentumMPI仪器等均采用了封闭式扫描结构，其通过多个相互嵌套的永磁体、螺旋管及亥姆霍兹线圈组成了全封闭式的交流激励磁场及直流定位磁场，并通过多方向排布的磁传感器获得SPIONs磁化信息。这种封闭式结构对三维空间磁场的构建较为便捷且检测灵敏度较高，但全封闭空间极大限制了其在临床的应用范围（如术中成像，脑卒中动态检测等）。同时，这类MPI多采用交直流磁场耦合形成利萨茹曲线轨迹获取示踪剂空间定位信号，但交流磁场强度、频率的人体安全性限制导致其不能通过同步扩大交流及直流场的形式扩大成像空间，限制了MPI向人用体积扩大的空间。为了解决这一核心问题，近年来本领域提出了一种全新的开放式MPI系统结构，这种结构主要通过在单侧或双侧配置的扫描磁场达到与传统封闭空间相似的扫描效果，Ohshima等2 9 提出了一种单侧嵌套式的单边开放式MPI结构，但其仅能进行一维的扫描成像。Top等2 3 基于双侧排布的8 组电磁线圈进行了开放式MPI技术的研究，但由于其扫描磁场设计的局限性，其扫描区域仅为18 mm30mm的椭圆。显然相关研究尚无法满足中大型动物及临床开放式MPI的技术需求。本文提出了基于双方向无场线（fieldfreeline，FFL）电子扫描的MPI开放式空间直列定位方法，其可通过8组梯度磁场的相互耦合实现FFL在开放空间中的高速移动；并采用窄带检测方式提取高次谐波补偿开放式结构下降低的信号采集灵敏度；同时直列式MPI空间定位方法可同步提供示踪剂实时电压云图及经重建后的浓度分布图，兼顾了MPI的成像速度及分辨率。在此基础上，结合经特殊磁性筛选的超顺磁示踪剂，研发了包括激励系统、信号采集系统、空间定位系统、图像重建系统等在内的MPI成像系统整机,这也是当前国内首台临床前开放式MPI小试机。1窄带MPI成像1.1SPIONs磁化响应SPIONs的磁化响应近似于常磁性体中角动量量子数J趋于无穷大时的行为，因此其M-H曲线为布里渊函数中J趋于无穷大时的特殊解，通常可用朗之万方程表示1-2 ;1M,=L()=coth()(1)muoH（2）kT式中：M,为相对磁化强度；m为SPIONs的磁核磁矩；o为真空磁导率；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度。如图1(a)所示，SPIONs的磁化曲线特征主要表现为非线性及极低的矫顽力，当对其施加交流激励磁场Hsinwt时，SPIONs产生具有丰富谐波成分的非线性交流磁化响应M,sinwt+M,sin2wt+M,sin3wt+.。由于MPI激励磁场与传感器处于临近空间位置，激励磁场产生的背景噪声可能覆盖SPIONs基波磁化信号，MPI需采用高次谐波信号对SPIONs进行测量。如图1(b）所示，当对交流激励磁场Hsinwt叠加高强度直流场Hd时，SPIONs趋于交流磁化饱和将不再产生交流磁化响应，利用这一特点可进行对SPIONs的空间定位。1.2窄带测量SPIONs非线性磁化信号可同时产生多个高次谐波响应，其同时具有SPIONs的浓度及空间位置信息，但同时对所有频率的信号进行测量显然也意味着将混入更多不同频率的环境背景噪声,且部分频率可能与MPI检测频率相近。图2 所示为环境噪声采集系统在多个医院诊断及治疗区域进行的环境噪声采集结果。由图2 可知，医院在工频（50 Hz），中频电磁波（0.3 3MHz）以上等多表第44卷报学仪仪器206H电压信号信号频谱13579ff(a)未磁化饱和的SPIONs(a)Unmagnetized saturated SPIONSM4电压信号H信号频谱1357 9Jf(b)磁化饱和的SPIONs(b)Magnetized saturated SPIONS图1超顺磁氧化铁纳米粒子的非线性磁化响应Fig.1Nonlinear magnetization response of SPIONs1210864201101001000100001000001000000f/Hz图2某医院在不同频率下的环境噪声Fig.2Environmental noise of a hospital at differentfrequencies个频率下具有较高的环境背景噪声，表明MPI在无磁屏蔽环境下进行基波外的全频率信号采集不可避免的含有较高的基础噪声。本文所提出的开放式MPI系统充分考虑到类似的MPI床旁应用环境，在无高性能磁屏蔽环境下，采用锁相放大系统对特定频率进行滤波和测量，即窄带（narrowband)MPI信号测量方式。同时，由于非叠加直流激励条件下SPIONs磁化响应的麦克劳林展开偶次项过零点，本文采用奇次谐波中信号强度最高的3次谐波为测量信号。不同于一般锁频测量，在窄带MPI测量系统中，时间常数T是最重要参数之一。设MPI扫描区域大小为30mm30mm，扫描步长为1mm，即每顿图像包含96 1个扫描点。锁相系统中的等效噪声带宽可使用B%=5/(32T)进行近似计算，当锁相系统中时间常数T为10 ms时，等效噪声带宽为16 Hz。为保证1fps以上的时间分辨效果，每扫描点实际信号测量及滤波时间为1/961 s,锁相或带通滤波系统中的时间常数将使其丢失较大信号强度，且产生极大的信号定位延时。本文在测量系统采用补偿算法对窄带MPI信号测量延时进行补偿。在锁相采集系统中，信号输出公式如下：(0)=2-(n-1)4-1(3)式中：T为系统的时间常数。根据式(3)在信号检测系统中使用数字IIR滤波器对测量信号进行二次滤波即可对窄带MPI定位延迟进行补偿。1.3磁粒子成像空间分辨率计算模型在以SPIONs磁化饱和作为空间定位手段的MPI系统中，SPIONs在叠加直流磁场后的交流磁化饱和速率k直接决定了其在MPI成像的空间分辨率。SPIONs的交流磁化饱和速率k同时受材料M-H曲线、激励磁场强度、直流磁场方向等多因素的共同作用。当直流磁场与交流激励磁场互相平行时，其泰勒展开为：M(t)=M,sinnot(4)n=0此时信号响应中出现偶次谐波项，全频率谐波中信号最强频率为2 次谐波，但其峰值不在直流磁场零点处，即不能使用基于FFL的空间定位手段进行偶次谐波MPI成像；当直流磁场与交流激励磁场互相垂直时，全频率谐波中信号最强频率为3次谐波，且峰值在直流磁场零点，适于基于FFL进行空间定位。进一步地，通过实验研究了3次谐波信号V，对直流定位磁场Bd。和交流激励磁场Ba。的强度及方向依赖性。SPIONs样本为经磁筛选后的Resovist（Fu j i Fi l m，日本），测量系统采用自主研发的Magnetic ParticleSpectroscopy系统。测量结果如图3（a）、（b）所示，实验分别测量了Bade垂直Ba和Bd。平行Ba条件下SPINOs三次谐波信号V，与Bd。和Ba的关系。实验使用半幅宽值（full白207第5期石等：基于无场线电扫描开放式磁粒子成像系统设计widthathalfmaxima，FW H M）作为空间分辨率指标，图3（a）、（b)结果显示，无论Bdc垂直或者平行Bac，随着B增加,FWHM随之增加,即：FWHMFWHM1(5)II Bd.II/dGIIBac式中：8 为MPI空间分辨率;d为距离梯度磁场零点距离；G为磁场梯度。当激励磁场Bae的有效值为1mT时，FWHM约为4.2 mT；当Ba。的有效值为3mT时,FWHM约为9mT。另一方面，图3（a）、（b)结果表明,3次谐波信号强度V，随Ba。强度增大非线性增加，即：VMPI灵敏度s=BaII(6)nac式中：n是铁元素物质的量。这种非线性增加是由于朗之万函数零点附近趋于线性所导致的.B=1mT1.0acB.-2 mT：acB=3mTac0.8(0)Aa)0.6：.0.4.：福0.2.一024681012/mT(a)Ba,垂直B(a)Baevertical B,acB=1mT1.0acB3=2mTacB=3mTac0.8.0.6.0.4.0.2024681012Bae/mTdc(b)B.平行B.(b)Bd.parallel B.ac图3三次谐波对直流磁场的依赖性Fig.3Dependence of the third harmonic on DC magnetic field对比图3(a)和（b）可知，Bd。垂直Ba。时，V，信号呈单峰,Bd。平行Ba。时，V，信号呈双峰显示，这一现象可通过朗之万函数中各H段线性度不一进行解释。在需直接对SPIONs浓度分布云图进行显示的MPI系统中，双峰现象中左峰虽可提供更佳的空间分辨率，但右锋会影响浓度分布云图可视性，且导致各方向空间分辨率不均。因此，本文MPI系统采用了Bde垂直Bac方式进行设计。2开放式电子扫描MPI2.1梯度磁场由理论研究及实验可知，窄带MPI系统应具有与交流激励磁场垂直的梯度直流磁场作为空间定位场，在B有效值为1mT时，磁场梯度G应达到2.1T/m才能获得2mm的原始空间分辨率。由于2.1T/m的磁场梯度实现十分困难，同时系统的图像重建可提高空间分辨率，因此本系统设计磁场梯度G=0.28T/m，原始分辨率为15mm。作为开放式MPI系统，仅能在扫描区上下两侧进行激励线圈、梯度线圈、偏移线圈、检测线圈的配置，其线圈设计方式、空间位置关系及相互干扰尤为重要。本系统采用4个平面排布的相同规格方形线圈以形成位于x-y平面的z方向无磁场线，仿真模型如图4（a）所示。在4个平面线圈的中心附近,对侧线圈所产生的磁场强度在x、y、z 3个方向均相等、且方向相反，在梯度线圈表面形成零磁场线；随着与中心点的偏离，临近两个线圈所产生的磁场仅能在z方向相互抵消，从而形成在x及方向的梯度磁场。向4个梯度线圈中施加相同大小的Idc电流，其可产生的平面梯度强度如图4(b)所示,其在方向和y方向产生的磁场梯度均为G,本文系统梯度线圈通入4.7 A电流时磁场梯度为0.2 8 T/m,线性范围为30 mm30mm。(a)梯度磁场的仿真模型(a)Simulation model of gradient magnetic field(b）梯度磁场的仿真结果(b)Simulation results of gradient magnetic field图4梯度磁场的仿真Fig.4Simulation of gradient magnetic field表208仪仪第44卷报学器2.2偏移磁场FFL在扫描空间的位移可提供MPI空间定位信息，本文通过在梯度线圈外侧绕制的两组4个偏移线圈实现FFL在x-y平面内的移动，线圈绕制位置及电流方向如图5所示。定给偏移线圈施加大小为Iml，Im 的直流电流，则由偏移线圈产生的偏移磁场大小为：II Bm-x Il=(Im2-I ml)(7)II Bm-y ll=(I m2+Iml)m式中：为偏移线圈中单位电流产生的磁场大小，系统中实测值为1.38 10-4T/A。梯度线圈m2偏移线圈偏移线圈m2ml图5梯度线圈和偏移线圈的位置与方向Fig.5Position and direction of gradient and drive coil因此在检测区域内由梯度线圈和偏移线圈产生的等效磁场公式如下：II B,Il=II Bde-x+Bm-x II(8)II B,II=I Bde-y+Bm-lII BdexlI=Gy(9)Bdex=Gx将式（9)代人式（8），并令式（8）值为0,可以求出FFL在x-y平面的位置为：(I m2+Im)X=G(10)(Im2-Iml)G为使FFL按设定轨迹在x-y平面移动，Im和Im分别取图6 所示的梯度递增及梯度递降的三角波，则其在x-y平面形成的移动轨迹如图7 所示。且当Iml和Im最大值为30 A时，开放式扫描范围为30 mm30mm。图8 所示是在仿真模型中对扫描区域内FFL移动时磁场分布的仿真计算。梯度磁场电流Id=5A，当偏移线圈的电流Im=Im=0A时,FFL位于（0，0)的坐标位置，当I=8 A,Im=0A时,FFL移动到（-5，-5)的坐标位置。30t/s-30(a)/m的波形(a)Waveform of I.30t/s3(b)/m,的波形(b)Waveform of/mm图6移动FFL的Iml和Im2电流波形Fig.6Current Im1 and Im2 of moving FFLy/mmIm=30A,Im=0 AIm,=0A,/m,=-30Am215梯度线圈-15中心15x/mmFFL1-15I.=0A,Im,=30AIml=-30 A,Im,=0 Am图7FFL的移动轨迹Fig.7Moving track of FFL2.3激励磁场本文实验使用外直径2 44mm，匝数12 0 的位于扫描区域正上方2 0 mm的激励线圈在z方向施加频率f=20.7kHz的交流激励磁场，交流磁场有效值根据上文的结论设为1mT，同时通过串联谐振减小电路阻抗。激励线圈正下方30 mm30mm平面区域内的空间磁场均匀度达到90%以上。2.4检测线圈检测线圈位于扫描区域上方15mm处，采用外直径20mm，匝数150 的利兹线绕制成高信噪比Gradiometer结构的线圈，可以通过调整检测线圈上方反向绕制的抵消线圈来减小激励线圈产生的同相磁场的噪声干扰，为209白石等：基于无场线电扫描开放式磁粒子成像系统设计第5期I=0A,Im=OATy/mmm2Btes la3.725 01023.49361023.26231023.03091022.79961022.568210-22.336910-22.105510-205x/mm1.874210-21.642810-21.411 51021.180110-29.48771037.17421034.860710-32.54721032.336310-4Im,=8 A,Im,=0 A图：FFL移动的仿真模拟Fig.8Simulation of FFL moving了进一步消除来自激励磁场的干扰，检测线圈在z方向对磁纳米粒子（magnetic nanoparticles，M NPs）样本产生的磁化响应的3次谐波信号进行检测，同时使用并联谐振放大检测到的3次谐波信号2.5图像重建算法为了提高MPI系统的空间分辨率，需要使用非负最小二乘法（non-negative least squares，NNLS）对检测到的电压云图进行图像重建。将沿图7 所示的扫描路径检测到的各点电压组成向量v,其各个分量由（i=1，2，3，n）构成。由于系统的成像区域面积为30 mm30mm,每两点之间步长取=1mm，得到n=3131=961。对于96 1个点相应位置的MNPs浓度使用向量c表示,c由分量c(j=1，2，3，n)构成。和c之间的关系为：V=Ac(11)式中：A是一个n阶矩阵，被称为MPI的系统函数矩阵，A的值可以由实验测量得到的点扩散函数获得。求解式(11)即可将MPI系统测量的电压云图转换为对应位置磁纳米粒子的浓度云图。重建程序使用的是MATLAB的非负最小二乘算法，而随着减小 以进一步提高分辨率会使系统函数矩阵A的阶数急剧增大，从而导致方程求解变得极为缓慢，利用CUDAC将MATLAB的NNLS求解运算的并行数据改写，达到使用GPU对NNLS求解过程加速的效果,从目前图像重建的效果来看，使用GPU可以提高30%40%的重建速度。最终MPI系统整体示意图如图9所示。3磁粒子成像实验3.1样本准备本文实验使用经筛选的商用MRI示踪剂Resovist（Fi j i Fi l m，日本）为示踪剂，Resovist为多核超顺磁粒子，交流电源抵消线圈串联谐振并联谐振隔离放大器激励线圈锁相放大器检测线圈信号采集卡谐波信号PC端成像2方向的磁场BacMNPs样本x,y方向的磁场B+Bm,+Bdcmlm2扫描区域偏移线圈直流电源偏移线圈梯度线圈FFP图9MPI系统示意图Fig.9MPI system diagram经筛选后的磁核平均粒径为2 7 nm，水动力学直径为60nm。使用超纯水对示踪剂进行稀释，装人圆柱形样本孔进行定容，样本孔内径1mm。Resovist在欧洲药品管理局及日本PMDA认可的人体安全摄人量为0.5mg/kg，取成年人体血容量为4000mL,充分摄人后血液中铁浓度约为11g/mL。本研究取该浓度为样本测试浓度。3.2梯度磁场与FFL轨迹的实际测量本文系统中实现FFL沿x轴移动的实验结果如图10 所示。测试时给梯度线圈的电流为Id=3A，此时磁场梯度强度为0.18 T/m，当分别给ml=Im=0A，Iml=Im2=-8A,Iml=Im=8A的3组电流值时，根据式（10）可以求出3组电流分别对应的FFL坐标（0，0）、（12.3，0）、（-12.3，0）。从图10 实际测量的数据可以看到FFL的实际位置在0 和12 mm附近，这与理论计算基本相符。-0A,Im,=0Am1126ml-8A,/m2=-8A8A,1.,=8Aml4FFL21u/0.-2-4-.-6一一8130-20-100102030 x/mm图10FFL沿x方向移动Fig.10FFL moving in x direction表仪仪第44卷报学器210图11（a）、（b）所示为FFL进行二维移动的实验结果。实验时，梯度线圈的电流为Id=2A，此时磁场梯度为0.12 T/m，根据式（10），令m=9A，Im=0A，可以将FFL移动到（-10.4，-10.4）位置，令Im=-9A,m=0A，可以将FFL移动到（10.4，10.4）位置。从图11(a）、（b)实际测量的磁场分布可以看到FFL确实根据给定的偏移电流移动到相应的位置。FFL1593-3Y-9+X-15-9-33915(a)将FFL移动到(-10,-10)位置(a)FFLmovingtoposition(-10,-10)FFL1593-3Y-9-X-15-9-33915(b)将FFL移动到(10,10)位置(b)FFL moving to position(10,10)图11FFL的二维移动Fig.11FFL moving in two-dimensional3.3单点成像一点扩散函数测量点扩散函数（pointspreadfunction，PSF）为标准样本获取样本浓度在本文系统下成像结果与样本空间位置及浓度的标准相关性，通过PSF的数据可以生成图像重建使用的系统函数矩阵A。为获得准确的PSF,实验取10倍人体铁浓度的样本置于梯度磁场中心，连续进行5次成像实验取均值作为本系统的PSF，实验得到的电压云图和X方向的电压波形如图12（a）、（b）所示。3.4标准浓度双点成像实验测量了磁纳米粒子间距2 0 mm的双点样本的电压云图。如图13所示，可以很明显地区分出它们，这与之前通过半幅宽值计算得到的15mm原始空间分辨率基(a)单点的电压云(a)Voltage nephogram of single point1.00.90.80.7(0)4/(x)0.60.50.40.30.20.1015-10-5051015x/mm(b）点扩散函数在x方向上的归一化波形(b)Normalized waveform of point spread function in x direction图12单点的MPI成像结果Fig.12MPI results of single point本一致。同时不难看出随着两个点逐渐靠近，想从原始图像区分它们将变得越来越困难，当间距小于15mm时则无法通过电压云图区分它们，此时可以通过图像重建的方式来提高MPI系统的空间分辨率。MNPs样本图13间距2 0 mm两点的电压云图Fig.13Voltage nephogram of two points with 20 mm interval3.5双点样本的图像重建为了提高MPI系统的空间分辨率，对电压云图（图13）进行了图像重建，得到对应的磁纳米粒子浓度云白211第5期石等：基于无场线电扫描开放式磁粒子成像系统设计图，如图14所示。可以看到，图像重建显著提高了当前MPI系统的空间分辨率，能够达到2 mm左右，几乎完全确定了样本中两个点的位置。图14重建以后的两点Fig.14Two point after reconstruction对比图13中重建以后的浓度云图和样本的实物图可以发现，虽然目前的图像重建完全确定了样本中两个点的位置和磁粒子的浓度，但在浓度云图的分布形状上还是出现了较小的误差。第1个误差是样本中两个点实际位置周围出现了一些低浓度的磁粒子分布，出现这种现象的主要原因是本文实验系统没有冷却装置导致线圈发热电阻增大，同时使用的电源并没有补偿功能，进而导致梯度磁场电流Id。和偏移磁场电流Iml、Im 不稳定，进行FFL电子扫描时会在样本中两个点实际位置附近检测到一些较弱的响应信号，重建之后就出现了低浓度的磁粒子分布。第2 个误差是重建以后磁粒子分布的形状呈现棱角状，出现这种现象的原因是实际系统在x-y方向扫描的步长不同，x=0.1mm，而Ay=3mm，在进行图像重建时对原始数据进行预处理使x-y方向的步长都为1mm，这种处理会导致电压云图中两点实际位置附近电压数据值的不均匀性，在重建以后就会导致浓度云图中高浓度部分出现图13中棱角状的误差。针对上述误差的出现，将在后续研究中增加高效能油压冷却系统并对电源系统进行动态补偿以进一步保证系统运行过程中电流及磁场的长时间稳定性。其次将以GPU并行计算的方式大幅提高大规模矩阵计算和图像重建速度，以提高在图像重建疏密方向的数据密度。另外，一项在未来非常重要的改进是进一步对成像空间的扩大以满足临床需要，本文研究已较为充分的明确了所提出的技术方案的可行性，也因此将以本技术为基础增加开放式扫描空间，这涉及到对线圈参数的优化及供电、冷却和电磁屏蔽系统的改进。4结论本文设计了一种开放式电子扫描窄带磁粒子成像系统，通过8 个梯度线圈形成了基于FFL的开放式空间定位磁场，同时设计了相应的驱动FFL电子扫描的电流算法，利用Gradiometer结构的线圈特定检测MNPs磁化响应的3次谐波信号获得30 mm30mm的扫描区域内的电压云图，然后基于点扩散函数获得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，获得了示踪剂浓度分布云图。通过上述创新性的设计，使该系统检测了两个位于检测线圈下方15mm、间距为2 0 mm的MNPs样本，得到其在扫描区域内的电压云图,并将测量到的电压云图重建为磁纳米粒子的浓度云图。在这种情况下MPI系统的探测灵敏度为最低2 0 gFe,成像速度1fps，重建后空间分辨率达到了2 mm，可以清晰区分出两个样本点，成像效果较好。当前的系统设计突破了传统的封闭空间电磁场的MPI成像设计，为临床前及临床用开放式MPI设备研发提出了一条可信赖的全新解决方案，后续工作中也将进一步通过对MPI主结构的优化及供电冷却系统的改进提高开放式MPI成像空间和分辨率，以实现全球率先临床级MPI设备产品的研发及临床应用。参考文献GLEICH B,WEIZENECKER J.Tomographic imagingusing the nonlinear response of magnetic particles J.Nature,2005,435(7046):1214-1217.2KNOPP T,BIEDERER S,SATTEL T,et al.Trajectoryanalysis for magnetic particle imaging J.Physics inMedicine&Biology,2008,54(2):385.3DU Y,LAI P T,LEUNG C H,et al.Design ofsuperparamagnetic nanoparticles for magnetic particleimaging（M PI)J.In t e r n a t i o n a l Jo u r n a l o f M o l e c u l a rSciences,2013,14(9):18682-18710.4ARSALANI S,GUIDELLI E J,SILVEIRA M A,et al.Magnetic Fe,O4 nanoparticles coated by natural rubberlatex as MRI contrast agent-ScienceDirectJ.Journal ofMagnetismandMagneticMaterials，2 0 19，47 5:458-464.5GUTIERREZ L,LEONOR D L C,MOROS M,et al.Aggregation effects on the magnetic properties of ironoxide colloidsJ.Nanotechnology，2 0 19,30（11):112001.6ARSALANI S,GUIDELLI E J,ARAUJO J,et al.Green212表仪仪报学器第44卷synthesis and surface modidication of iron oxidenanoparticles with enhanced magnetization using naturalrubber latex J.ACS Sustainable Chemistry andEngineering,2018,6(11):13756-13765.7ARSALANI S,OLIVEIRA J,GUIDELLI E J,et al.Synthesis of radioluminescent iron oxide nanoparticlesfunctionalizedbyanthraceneforbiomedicalapplicationsJ.ColloidsandSurfacesA：PhysicochemicalandEngineeringAspects,22020,602(8):125105.8樊启高，唐袁袁，黄文涛，等基于磁场驱动的超顺磁性粒子微流传输建模与控制J仪器仪表学报，2021,42(8):193-201.FAN Q G,TANG Y Y,HUANG W T,et al.Modelingand control of superparamagnetic particle microfluidictransport magnetic based on field driving J.ChineseJournal of Scientific Instrument，2 0 2 1，42（8）:193-201.9TALEBLOO N，G U D I M，R O BER T SO N N,e t a l.Magnetic particle imaging:Current applicationssinbiomedical research J.Journal of Magnetic ResonanceImaging,2019,51(6):1659-1668.10DIETRICH P,VOGEL P,KAMPF T,et al.Near real-time magnetic particle imaging for visual assessment ofvascular stenosis in a phantom model J.PhysicaMedica,2021,81:210-214.11MASON E E,MATTINGLY E,HERB K,et al.Conceptfor using magnetic particle imaging for intraoperativemargin analysis in breast-conserving surgery J.Sc