闭孔式无场线扫描磁粒子成像装置、系统及方法

1.本发明属于磁粒子成像技术领域，具体涉及一种闭孔式无场线扫描磁粒子成像装置、系统及方法。


背景技术：

2.磁粒子成像(mpi，magnetic particle imaging)基于超顺磁氧化铁纳米粒子(spio，superparamagnetic iron oxide nanoparticles)在交变梯度磁场内的非线性响应来高灵敏定量获取磁纳米粒子在生物体内的浓度分布。目前的mpi系统大多是通过构建无磁场区域(field free region，ffr)，即无场点(field free point，ffp)或无场线(field free line，ffl)，通过高灵敏线圈接收ffr区域内磁纳米粒子的磁化响应信号，并通过对ffr扫描轨迹进行空间编码并在此基础上进行图像重建。相比于无场点扫描成像，无场线扫描成像的时、空分辨率和灵敏度都明显提高。
3.经典的闭孔式三维无场线电扫描mpi设备至少包括5组麦克斯韦(maxwell)线圈对和3个维度的扫描线圈（经典的扫描线圈为亥姆霍兹（helmholtz）线圈对或螺线管），而一对长弯曲磁体可替代2组麦克斯韦线圈对以生成无场线梯度磁场，这明显减小了梯度线圈组的结构和控制的设计、实现难度。另外，相比于亥姆霍兹（helmholtz）线圈对，长弯曲矩形线圈能显著提高成像孔周围的空间利用率，让长弯曲矩形线圈尽可能靠近成像孔，从而降低扫描线圈组的功耗。综上，本发明提出的一种闭孔式无场线扫描磁粒子成像装置具有结构简单、空间利用率高、功耗低等优点。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有的闭孔式三维无场线电扫描mpi设备的结构复杂、空间利用率低、功耗高等问题，本发明提供了一种闭孔式无场线扫描磁粒子成像装置、系统及方法。
5.本发明的第一方面提供了一种闭孔式无场线扫描磁粒子成像装置，该装置包括梯度模块、扫描模块和感应模块，所述梯度模块用于构建、旋转无场线梯度磁场，以使远离无场线的磁纳米粒子达到饱和；所述梯度模块包括第一长弯曲线圈对、第二长弯曲线圈对和麦克斯韦线圈对，所述第一长弯曲线圈对与所述第二长弯曲线圈对呈预设夹角设置；所述麦克斯韦线圈对设置于所述第一长弯曲线圈对、所述第二长弯曲线圈对的包围空间，所述第一长弯曲线圈对与所述第二长弯曲线圈对的纵向中心轴线与所述麦克斯韦线圈对的纵向中心轴线一致设置；所述麦克斯韦线圈对套设于所述扫描模块的外侧。
6.所述扫描模块用于构建均匀磁场以控制无场线梯度磁场沿成像孔径向方向或轴向方向的平移运动；所述扫描模块包括同轴设置的第一圆筒形线圈、第一弯曲矩形线圈对和第二弯曲矩形线圈对；所述第一弯曲矩形线圈对套设于所述第二弯曲矩形线圈对的外侧，所述第一圆筒形线圈设置于所述第二弯曲矩形线圈对的内侧；所述感应模块设置于所述第一圆筒形线圈的内部。
7.所述感应模块用于采集磁粒子的非线性响应信号；所述感应模块包括同轴设置的第二圆筒形线圈、第三弯曲矩形线圈对和第四弯曲矩形线圈对；所述第三弯曲矩形线圈对套设于所述第四弯曲矩形线圈对的外侧，所述第二圆筒形线圈设置于所述第四弯曲矩形线圈对的内侧。
8.在一些优选实施例中，所述第一长弯曲线圈对包括两个第一长弯曲线圈，两个所述第一长弯曲线圈在第一平面内平行设置。
9.所述第一长弯曲线圈包括构成闭环结构的第一半圆段、第一圆弧段、第二半圆段和第二圆弧段，所述第一圆弧段、所述第二圆弧段的纵向轴线与所述第一长弯曲线圈对的纵向轴向平行设置。
10.所述第一半圆段与所述第二半圆段相对设置。
11.所述第一圆弧段与所述第二圆弧段相对设置，并且所述第一圆弧段、所述第二圆弧段均为凹弧。
12.在一些优选实施例中，所述第二长弯曲线圈对包括两个第二长弯曲线圈，两个所述第二长弯曲线圈在第二平面内平行设置，所述第二平面与所述第一平面呈45
°
设置。
13.所述第二长弯曲线圈包括构成闭环结构的第三半圆段、第三圆弧段、第四半圆段和第四圆弧段，所述第三圆弧段、所述第四圆弧段的纵向轴线与所述第二长弯曲线圈对的纵向轴向平行设置。
14.所述第三半圆段与所述第四半圆段相对设置。
15.所述第三圆弧段与所述第四圆弧段相对设置，并且所述第三圆弧段、所述第四圆弧段均为凹弧。
16.所述第三半圆段的半径小于所述第一半圆段的半径。
17.所述第三圆弧段的长度小于所述第一圆弧段的长度。
18.所述第四半圆段的半径小于所述第二半圆段的半径。
19.所述第四圆弧段的长度小于所述第二圆弧段的长度。
20.所述第一半圆段的半径与所述第二半圆段的半径一致设置。
21.所述第一圆弧段的长度与所述第二圆弧段的长度一致设置。
22.所述第三半圆段的半径与所述第四半圆段的半径一致设置。
23.所述第三圆弧段的长度与所述第四圆弧段的长度一致设置。
24.在一些优选实施例中，所述麦克斯韦线圈对包括两个同轴设置的圆环，两个所述圆环之间的距离为，所述圆环的半径为 ， 。
25.在一些优选实施例中，所述第一长弯曲线圈对中通入的电流与所述第二长弯曲线圈对中通入的电流反向。
26.两个所述圆环通入的电流反向。
27.所述第一弯曲矩形线圈对中通入的电流与所述第二弯曲矩形线圈对中通入的电流同向。
28.在一些优选实施例中，所述第一弯曲矩形线圈对包括两个第一弯曲矩形线圈，两个所述第一弯曲矩形线圈相对设置，并且，两个所述第一弯曲矩形线圈位于第一拟合圆上。
29.所述第二弯曲矩形线圈对包括两个第二弯曲矩形线圈，两个所述第二弯曲矩形线
圈相对设置，并且，两个所述第二弯曲矩形线圈位于第二拟合圆上。
30.两个所述第一弯曲矩形线圈的对称面为第一对称面；两个所述第二弯曲矩形线圈的对称面为第二对称面，所述第二对称面与所述第一对称面垂直设置。
31.在一些优选实施例中，所述第三弯曲矩形线圈对包括两个第三弯曲矩形线圈，两个所述第三弯曲矩形线圈相对设置，并且，两个所述第三弯曲矩形线圈位于第三拟合圆上。
32.所述第四弯曲矩形线圈对包括两个第四弯曲矩形线圈，两个所述第四弯曲矩形线圈相对设置，并且，两个所述第四弯曲矩形线圈位于第四拟合圆上。
33.两个所述第三弯曲矩形线圈的对称面为第三对称面；两个所述第四弯曲矩形线圈的对称面为第四对称面，所述第四对称面与所述第三对称面垂直设置。
34.在一些优选实施例中，所述第三对称面与所述第一对称面一致设置。
35.所述第四对称面与所述第二对称面一致设置。
36.本发明的第二方面提供了一种闭孔式无场线扫描磁粒子成像系统，该系统包括扫描成像构件、活体床、冷却系统、成像模块和控制装置，所述扫描成像构件、所述活体床、所述冷却系统、所述成像模块均与所述控制装置信号连接。
37.所述扫描成像构件为上面所述的闭孔式无场线扫描磁粒子成像装置；所述活体床用于承载待测目标物并沿成像孔轴线方向移动至预设位置；所述冷却系统用于吸收所述闭孔式无场线扫描磁粒子成像装置工作时产生的热量；所述成像模块用于重建磁粒子的物理特征空间分布图像；所述控制装置用于按照设定的控制指令控制磁体组的电流变化、控制圆筒形线圈的电流变化、控制活体床的移动深度以及控制冷却系统的液压，实现所产生的无场线的平移旋转逐层扫描，以对目标对象进行扫描成像。
38.本发明的第三方面提供了一种闭孔式无场线扫描磁粒子成像方法，该方法基于上面所述的闭孔式无场线扫描磁粒子成像系统，具体包括以下步骤：步骤s100，基于第一长弯曲线圈对、第二长弯曲线圈对和麦克斯韦线圈对构建绕成像孔中心轴旋转的无场线梯度磁场；步骤s200，基于第一弯曲矩形线圈对、第二弯曲矩形线圈对、第一圆筒形线圈使待测目标物沿成像孔轴向移动至预设位置；步骤s300，通过第二圆筒形线圈、第三弯曲矩形线圈对和第四弯曲矩形线圈对采集磁粒子的非线性响应信号；步骤s400，基于采集磁粒子的非线性响应信号以及预设的成像算法重建磁粒子的物理特征空间分布图像。
39.本发明的有益效果为：通过本发明公开的一种闭孔式无场线扫描磁粒子成像装置、系统及方法，实现了三维无场线电扫描磁粒子成像，成像的时空分辨率和灵敏度高、不受组织深度限制，同时成像装置具有结构简单、空间利用率高、功耗低等优点。
附图说明
40.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
41.图1是本发明中的闭孔式无场线扫描磁粒子成像系统的一种具体实施例的立体结构示意图。
42.图2是本发明中的闭孔式无场线扫描磁粒子成像装置的结构示意图。
43.图3是图2中的梯度模块的结构示意图。
44.图4是图2中的扫描模块的结构示意图。
45.图5是图2中的感应模块的结构示意图。
46.图6是本发明中的闭孔式无场线扫描磁粒子成像方法的一种具体实施例流程示意图。
47.附图标记说明：1、第一长弯曲线圈对；2、第二长弯曲线圈对；3、麦克斯韦线圈对；4、第一弯曲矩形线圈对；5、第二弯曲矩形线圈对；6、第一圆筒形线圈；7、第三弯曲矩形线圈对；8、第四弯曲矩形线圈对；9、第二圆筒形线圈；10、控制装置；11、显示装置；12、图像处理装置；13、活体床；14、待测目标物。
具体实施方式
48.下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
49.以下参照附图结合实施例进一步说明本发明。
50.参照附图1至附图5，本发明一方面提供了一种闭孔式无场线扫描磁粒子成像系统，该系统包括扫描成像构件、活体床、冷却系统、成像模块和控制装置10，扫描成像构件、活体床、冷却系统、成像模块均与控制装置信号连接。
51.其中，活体床13用于承载待测目标物14并沿成像孔轴线方向移动至预设位置。
52.优选地，采用三轴机械臂或电机控制可在三个方向任意移动。
53.冷却系统用于通过空心导线吸收闭孔式无场线扫描磁粒子成像装置工作时产生的热量。
54.成像模块用于重建磁粒子的物理特征空间分布图像；具体地图像处理装置12用于对磁粒子的物理特征空间分布图像进行处理，显示装置11用于对图像处理装置处理后的图像进行可视化。
55.优选地，显示装置、图像处理装置均与控制装置信号连接。
56.控制装置用于按照设定的控制指令控制磁体组的电流变化、控制圆筒形线圈的电流变化、控制活体床的移动深度以及控制冷却系统的液压，实现所产生的无场线的平移旋转逐层扫描，以对目标对象进行扫描成像。
57.扫描成像构件为本发明另一方面提供的一种闭孔式无场线扫描磁粒子成像装置，该装置包括梯度模块、扫描模块和感应模块，所述梯度模块用于构建、旋转无场线梯度磁场，以使远离无场线的磁纳米粒子达到饱和；扫描模块用于构建均匀磁场以控制无场线梯度磁场沿成像孔径向方向或轴向方向的平移运动；感应模块用于采集磁粒子的非线性响应信号。
58.具体地，梯度模块包括第一长弯曲线圈对1、第二长弯曲线圈对2和麦克斯韦线圈对3，第一长弯曲线圈对与第二长弯曲线圈对呈预设夹角设置；麦克斯韦线圈对设置于第一长弯曲线圈对、第二长弯曲线圈对的包围空间，第一长弯曲线圈对与第二长弯曲线圈对的纵向中心轴线与麦克斯韦线圈对的纵向中心轴线一致设置；麦克斯韦线圈对套设于扫描模块的外侧。
59.在本实施例中，第一长弯曲线圈对中通入的电流与第二长弯曲线圈对中通入的电流反向，通过通入反向的电流以产生无场线梯度磁场，通过改变反向电流大小来调整无场线梯度磁场的梯度值。
60.优选地，两个圆环通入的电流反向，通过通入反向电流以产生无场点梯度磁场，通过改变反向电流大小来调整无场点梯度磁场的梯度值。
61.优选地在本实施例中，预设夹角为45
°
。
62.本发明中公开的第一长弯曲线圈对、第二长弯曲线圈对主要是为了解决经典圆环形（麦克斯韦）磁体对产生无场线梯度磁场效率低（需要两组正交的麦克斯韦线圈对来产生一个无磁场线梯度磁场）和经典“跑道形磁体对”（两侧为半圆、中间为平行且相等的连接线）产生的无场线梯度磁场线性度低的问题。
63.扫描模块包括同轴设置的第一圆筒形线圈6、第一弯曲矩形线圈对4和第二弯曲矩形线圈对5；第一弯曲矩形线圈对套设于第二弯曲矩形线圈对的外侧，第一圆筒形线圈设置于第二弯曲矩形线圈对的内侧；感应模块设置于第一圆筒形线圈的内部。
64.优选地，第一圆筒形线圈可通入电流以产生均匀磁场，通过改变电流大小和方向来调整均匀磁场的场强大小和场强方向。
65.在本实施例中，第一弯曲矩形线圈对中通入的电流与第二弯曲矩形线圈对中通入的电流同向，通过通入同向电流以产生均匀磁场，通过改变电流大小和方向来调整均匀磁场的场强大小和场强方向。
66.感应模块包括同轴设置的第二圆筒形线圈9、第三弯曲矩形线圈对7和第四弯曲矩形线圈对8；第三弯曲矩形线圈对套设于第四弯曲矩形线圈对的外侧，第二圆筒形线圈设置于第四弯曲矩形线圈对的内侧。
67.在本实施例中，第二圆筒形线圈、第三弯曲矩形线圈对以及第四弯曲矩形线圈对，在成像域内的灵敏度相同。
68.优选地，第一长弯曲线圈对包括两个第一长弯曲线圈，两个第一长弯曲线圈在第一平面内平行设置。
69.第一长弯曲线圈包括构成闭环结构的第一半圆段、第一圆弧段、第二半圆段和第二圆弧段，第一圆弧段、第二圆弧段的纵向轴线与第一长弯曲线圈对的纵向轴向平行设置。
70.第一半圆段与第二半圆段相对设置。
71.第一圆弧段与第二圆弧段相对设置，并且第一圆弧段、第二圆弧段均为凹弧。
72.优选地，第二长弯曲线圈对包括两个第二长弯曲线圈，两个第二长弯曲线圈在第二平面内平行设置，第二平面与第一平面呈45
°
设置。
73.第二长弯曲线圈包括构成闭环结构的第三半圆段、第三圆弧段、第四半圆段和第四圆弧段，第三圆弧段、第四圆弧段的纵向轴线与第二长弯曲线圈对的纵向轴向平行设置。
74.第三半圆段与第四半圆段相对设置。
75.第三圆弧段与第四圆弧段相对设置，并且第三圆弧段、第四圆弧段均为凹弧。
76.第三半圆段的半径小于第一半圆段的半径。
77.第三圆弧段的长度小于第一圆弧段的长度。
78.第四半圆段的半径小于第二半圆段的半径。
79.第四圆弧段的长度小于第二圆弧段的长度。
80.第一半圆段的半径与第二半圆段的半径一致设置。
81.第一圆弧段的长度与第二圆弧段的长度一致设置。
82.第三半圆段的半径与第四半圆段的半径一致设置。
83.第三圆弧段的长度与第四圆弧段的长度一致设置。
84.优选地，第一长弯曲线圈对与第二长弯曲线圈对形状相同设置。
85.优选地，麦克斯韦线圈对包括两个同轴设置的圆环；其中，两个圆环之间的距离为 ，圆环的半径为， 。
86.优选地，第一弯曲矩形线圈对包括两个第一弯曲矩形线圈，两个第一弯曲矩形线圈相对设置，并且，两个第一弯曲矩形线圈位于第一拟合圆上。
87.第二弯曲矩形线圈对包括两个第二弯曲矩形线圈，两个第二弯曲矩形线圈相对设置，并且，两个第二弯曲矩形线圈位于第二拟合圆上。
88.两个第一弯曲矩形线圈的对称面为第一对称面；两个第二弯曲矩形线圈的对称面为第二对称面，第二对称面与第一对称面垂直设置。
89.优选地，第三弯曲矩形线圈对包括两个第三弯曲矩形线圈，两个第三弯曲矩形线圈相对设置，并且，两个第三弯曲矩形线圈位于第三拟合圆上。
90.第四弯曲矩形线圈对包括两个第四弯曲矩形线圈，两个第四弯曲矩形线圈相对设置，并且，两个第四弯曲矩形线圈位于第四拟合圆上。
91.两个第三弯曲矩形线圈的对称面为第三对称面；两个第四弯曲矩形线圈的对称面为第四对称面，第四对称面与第三对称面垂直设置。
92.优选地，第三对称面与第一对称面一致设置。
93.第四对称面与第二对称面一致设置。
94.参照附图6，本发明的第三方面提供了一种闭孔式无场线扫描磁粒子成像方法，该方法基于上面所述的闭孔式无场线扫描磁粒子成像系统，具体包括以下步骤：步骤s100，基于第一长弯曲线圈对、第二长弯曲线圈对和麦克斯韦线圈对构建绕成像孔中心轴旋转的无场线梯度磁场；步骤s200，基于第一弯曲矩形线圈对、第二弯曲矩形线圈对、第一圆筒形线圈使待测目标物沿成像孔轴向移动至预设位置；步骤s300，通过第二圆筒形线圈、第三弯曲矩形线圈对和第四弯曲矩形线圈对采集磁粒子的非线性响应信号；步骤s400，基于采集磁粒子的非线性响应信号以及预设的成像算法重建磁粒子的物理特征空间分布图像。
95.具体地，在麦克斯韦磁体对中通入设定的反向直流电流，同时分别在第一长弯曲线圈对、第二长弯曲线圈对中通入设定的反向交流电流。
96.其中，步骤s200可以实现无场线梯度磁场沿成像孔径向往复平移运动，具体地分别在第一弯曲矩形线圈对、第二弯曲矩形线圈对中通入设定的同向交流电流。
97.进一步地，该方法还包括：基于第一圆筒形线圈或可移动的活体床控制绕成像孔中心轴旋转和沿成像孔径向往复平移的无场线梯度磁场与待测目标物沿成像孔轴向产生相对位移，其方法为：固定可移动活体床及待测目标物，单独控制第一圆筒形线圈的电流大小和方向，使绕成像孔中心轴旋转和沿成像孔径向往复平移的无场线梯度磁场沿成像孔轴向平移；或者不给第一圆筒形线圈通电，单独控制可移动的活体床及待测目标物沿成像孔轴向运动；或者同时控制第一圆筒形线圈的电流大小、方向和可移动的活体床及待测目标
物的运动。
98.进一步地，基于第二圆筒形线圈、第三弯曲矩形线圈对和第四弯曲矩形线圈采集磁粒子的非线性响应信号，其方法为：对每个维度的电磁感应信号进行滤波、降噪和放大处理。
99.需要说明的是，上述实施例提供的闭孔式无场线扫描磁粒子成像装置，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
100.虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
101.在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
102.此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
103.术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。
104.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种闭孔式无场线扫描磁粒子成像装置，其特征在于，该装置包括梯度模块、扫描模块和感应模块，所述梯度模块用于构建、旋转无场线梯度磁场，以使远离无场线的磁纳米粒子达到饱和；所述梯度模块包括第一长弯曲线圈对、第二长弯曲线圈对和麦克斯韦线圈对，所述第一长弯曲线圈对与所述第二长弯曲线圈对呈预设夹角设置；所述麦克斯韦线圈对设置于所述第一长弯曲线圈对、所述第二长弯曲线圈对的包围空间，所述第一长弯曲线圈对与所述第二长弯曲线圈对的纵向中心轴线与所述麦克斯韦线圈对的纵向中心轴线一致设置；所述麦克斯韦线圈对套设于所述扫描模块的外侧；所述扫描模块用于构建均匀磁场以控制无场线梯度磁场沿成像孔径向方向或轴向方向的平移运动；所述扫描模块包括同轴设置的第一圆筒形线圈、第一弯曲矩形线圈对和第二弯曲矩形线圈对；所述第一弯曲矩形线圈对套设于所述第二弯曲矩形线圈对的外侧，所述第一圆筒形线圈设置于所述第二弯曲矩形线圈对的内侧；所述感应模块设置于所述第一圆筒形线圈的内部；所述感应模块用于采集磁粒子的非线性响应信号；所述感应模块包括同轴设置的第二圆筒形线圈、第三弯曲矩形线圈对和第四弯曲矩形线圈对；所述第三弯曲矩形线圈对套设于所述第四弯曲矩形线圈对的外侧，所述第二圆筒形线圈设置于所述第四弯曲矩形线圈对的内侧。2.根据权利要求1所述的闭孔式无场线扫描磁粒子成像装置，其特征在于，所述第一长弯曲线圈对包括两个第一长弯曲线圈，两个所述第一长弯曲线圈在第一平面内平行设置；所述第一长弯曲线圈包括构成闭环结构的第一半圆段、第一圆弧段、第二半圆段和第二圆弧段，所述第一圆弧段、所述第二圆弧段的纵向轴线与所述第一长弯曲线圈对的纵向轴向平行设置；所述第一半圆段与所述第二半圆段相对设置；所述第一圆弧段与所述第二圆弧段相对设置，并且所述第一圆弧段、所述第二圆弧段均为凹弧。3.根据权利要求2所述的闭孔式无场线扫描磁粒子成像装置，其特征在于，所述第二长弯曲线圈对包括两个第二长弯曲线圈，两个所述第二长弯曲线圈在第二平面内平行设置，所述第二平面与所述第一平面呈45
°
设置；所述第二长弯曲线圈包括构成闭环结构的第三半圆段、第三圆弧段、第四半圆段和第四圆弧段，所述第三圆弧段、所述第四圆弧段的纵向轴线与所述第二长弯曲线圈对的纵向轴向平行设置；所述第三半圆段与所述第四半圆段相对设置；所述第三圆弧段与所述第四圆弧段相对设置，并且所述第三圆弧段、所述第四圆弧段均为凹弧；所述第三半圆段的半径小于所述第一半圆段的半径；所述第三圆弧段的长度小于所述第一圆弧段的长度；所述第四半圆段的半径小于所述第二半圆段的半径；所述第四圆弧段的长度小于所述第二圆弧段的长度；所述第一半圆段的半径与所述第二半圆段的半径一致设置；所述第一圆弧段的长度与所述第二圆弧段的长度一致设置；
所述第三半圆段的半径与所述第四半圆段的半径一致设置；所述第三圆弧段的长度与所述第四圆弧段的长度一致设置。4.根据权利要求1所述的闭孔式无场线扫描磁粒子成像装置，其特征在于，所述麦克斯韦线圈对包括两个同轴设置的圆环，两个所述圆环之间的距离为，所述圆环的半径为，。5.根据权利要求4所述的闭孔式无场线扫描磁粒子成像装置，其特征在于，所述第一长弯曲线圈对中通入的电流与所述第二长弯曲线圈对中通入的电流反向；两个所述圆环通入的电流反向；所述第一弯曲矩形线圈对中通入的电流与所述第二弯曲矩形线圈对中通入的电流同向。6.根据权利要求1所述的闭孔式无场线扫描磁粒子成像装置，其特征在于，所述第一弯曲矩形线圈对包括两个第一弯曲矩形线圈，两个所述第一弯曲矩形线圈相对设置，并且，两个所述第一弯曲矩形线圈位于第一拟合圆上；所述第二弯曲矩形线圈对包括两个第二弯曲矩形线圈，两个所述第二弯曲矩形线圈相对设置，并且，两个所述第二弯曲矩形线圈位于第二拟合圆上；两个所述第一弯曲矩形线圈的对称面为第一对称面；两个所述第二弯曲矩形线圈的对称面为第二对称面，所述第二对称面与所述第一对称面垂直设置。7.根据权利要求6所述的闭孔式无场线扫描磁粒子成像装置，其特征在于，所述第三弯曲矩形线圈对包括两个第三弯曲矩形线圈，两个所述第三弯曲矩形线圈相对设置，并且，两个所述第三弯曲矩形线圈位于第三拟合圆上；所述第四弯曲矩形线圈对包括两个第四弯曲矩形线圈，两个所述第四弯曲矩形线圈相对设置，并且，两个所述第四弯曲矩形线圈位于第四拟合圆上；两个所述第三弯曲矩形线圈的对称面为第三对称面；两个所述第四弯曲矩形线圈的对称面为第四对称面，所述第四对称面与所述第三对称面垂直设置。8.根据权利要求7所述的闭孔式无场线扫描磁粒子成像装置，其特征在于，所述第三对称面与所述第一对称面一致设置；所述第四对称面与所述第二对称面一致设置。9.一种闭孔式无场线扫描磁粒子成像系统，其特征在于，该系统包括扫描成像构件、活体床、冷却系统、成像模块和控制装置，所述扫描成像构件、所述活体床、所述冷却系统、所述成像模块均与所述控制装置信号连接；所述扫描成像构件为权利要求1-8中任一项所述的闭孔式无场线扫描磁粒子成像装置；所述活体床用于承载待测目标物并沿成像孔轴线方向移动至预设位置；所述冷却系统用于吸收所述闭孔式无场线扫描磁粒子成像装置工作时产生的热量；所述成像模块用于重建磁粒子的物理特征空间分布图像；所述控制装置用于按照设定的控制指令控制磁体组的电流变化、控制圆筒形线圈的电流变化、控制活体床的移动深度以及控制冷却系统的液压，实现所产生的无场线的平移旋转逐层扫描，以对目标对象进行扫描成像。
10.一种闭孔式无场线扫描磁粒子成像方法，其特征在于，该方法基于权利要求9所述的闭孔式无场线扫描磁粒子成像系统，具体包括以下步骤：步骤s100，基于第一长弯曲线圈对、第二长弯曲线圈对和麦克斯韦线圈对构建绕成像孔中心轴旋转的无场线梯度磁场；步骤s200，基于第一弯曲矩形线圈对、第二弯曲矩形线圈对、第一圆筒形线圈使待测目标物沿成像孔轴向移动至预设位置；步骤s300，通过第二圆筒形线圈、第三弯曲矩形线圈对和第四弯曲矩形线圈对采集磁粒子的非线性响应信号；步骤s400，基于采集磁粒子的非线性响应信号以及预设的成像算法重建磁粒子的物理特征空间分布图像。

技术总结
本发明属于磁粒子成像技术领域，具体涉及一种闭孔式无场线扫描磁粒子成像装置、系统及方法，旨在解决现有的闭孔式三维无场线电扫描MPI设备的结构复杂、空间利用率低、功耗高等问题；其中装置包括梯度模块、扫描模块和感应模块，梯度模块用于构建、旋转无场线梯度磁场，以使远离无场线的磁纳米粒子达到饱和；扫描模块用于构建均匀磁场以控制无场线梯度磁场沿成像孔径向方向或轴向方向的平移运动；感应模块用于采集磁粒子的非线性响应信号；本发明实现了三维无场线电扫描磁粒子成像，成像的时、空分辨率和灵敏度高、不受组织深度限制，同时成像装置具有结构简单、空间利用率高、功耗低等优点。优点。优点。


技术研发人员：田捷 何杰 惠辉 安羽 唐振超 钟景
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2022.04.22
技术公布日：2022/5/25