基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的装置

1.本发明属于磁粒子成像和热疗融合技术领域，具体涉及一种基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的装置、方法。


背景技术：

2.磁流体热疗利用磁纳米粒子的悬浮液，全身或局部给药，结合外部施加的交变磁场，通过称为感应的过程产生热量来消融靶组织。高于哺乳动物体温37℃时产生的热量会诱导细胞凋亡和/或增强靶组织对其他疗法（如放疗和化疗）的敏感性。虽然目前正在开发的大多数热疗技术都针对癌症治疗，但热疗也用于治疗再狭窄、去除斑块、消融神经以及通过增加局部血流量来减轻疼痛。虽然磁流体热疗可以侵入性地指向治疗部位，但通过感应非侵入性地定位热量热疗是具有挑战性的。
3.近年来，一种全新的基于超顺磁氧化铁纳米颗粒(spions)的成像方式——磁粒子成像(mpi)被提出。该技术利用磁纳米粒子在高梯度磁场内无磁场空间的非线性响应再磁化原理来高灵敏定量获取磁纳米粒子在生物体内的三维浓度分布，由于磁纳米粒子分布区域的sar正比于磁纳米粒子浓度，所以可以同时得到生物里内的三维sar分布。同时，利用磁纳米粒子的弛豫效应或频谱特性对环境温度的敏感性可以获得磁纳米粒子分布区域的温度图像。mpi的上述特性为磁流体热疗的精确热剂量设定和非侵入式实时温度监测提供了绝佳选择。
4.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。对ffr内的磁纳米粒子持续施加射频激励，磁纳米粒子由于弛豫效应会向周围环境释放热量，而ffr外的磁纳米粒子处于饱和状态，磁纳米粒子不会向周围环境释放热量。mpi设备的这种磁场特性为磁流体热疗的精准定位提供了绝佳选择。设想无场线围绕设定热疗部位旋转且无场线旋转中心即设定热疗部位，则设定热疗部位始终处于ffr内，因此得以持续加热；而远离设定热疗部位的磁纳米粒子所在区域处于ffr的时间很短，因此无明显磁热产生，于是实现无场线精准定位热疗。
5.经典的三维无场线电扫描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，结构和控制复杂。而一组长弯曲磁体对即可生成和平移无场线梯度磁场，配合长弯曲磁体对的机械旋转和活体床的平移即可实现三维无场线扫描，这极大减小了结构和控制的设计、实现难度。综上，针对现有磁流体治疗手段在图像引导治疗、精确热剂量设定、非侵入式实时温度监测和精准定位上的缺陷，同时为了简化无场线扫描mpi设备的结构和控制的设计与实现，本发明提出一种基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的装置、方法。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有磁流体治疗手段缺乏图像引导治疗、精确热剂量设定、非侵入式实时温度监测和精准定位以及经典无场线扫描mpi设备在结构和控制的设计与实现上的复杂度过高的问题，本发明提出了一种基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的装置，该装置包括：磁体组、感应线圈、活体床、控制装置、显示装置、图像处理装置、冷却系统；所述磁体组包括一组长弯曲磁体对和一个圆筒形磁体；所述长弯曲磁体对中的长弯曲磁体包括第一结构件、第二结构件、第三结构件；所述第一结构件、所述第三结构件为u型磁体；所述第二结构件为两段对称的以设定曲率构建的圆弧磁体；所述第一结构件与第三结构件平行，所述第二结构件所在平面垂直于所述第一结构件所在平面；所述第二结构件的两端分别与所述第一结构件、所述第三结构件的u型磁体的开口端连接；所述长弯曲磁体对中的长弯曲磁体的形状相同、在空间中相互平行，且中心轴共线；所述长弯曲磁体对中的长弯曲磁体中的第一结构件或第三结构件的闭口端对向设置；所述圆筒形磁体设置于所述长弯曲磁体对的包围空间，且其轴线垂直于所述长弯曲磁体对的中心轴；所述长弯曲磁体对，可同时通入同向电流分量和反向电流分量，产生和平移无场线，也可通过改变同向电流分量调整无场线的偏置位置，通过改变反向电流分量调整梯度场梯度大小；所述圆筒形磁体可通入直流电流分量、射频电流分量；所述圆筒形磁体中通入的直流电流分量，用于调整无场线在圆筒形磁体轴线方向上的深度；所述圆筒形磁体中通入的射频电流分量，用于对ffr内的磁纳米粒子进行感应加热；所述感应线圈为两组紧贴着所述圆筒形磁体的弯曲矩形线圈，一组设置于所述圆筒形磁体的内壁，一组设置于所述圆筒形磁体的外壁；所述两组弯曲矩形线圈的中心轴相互垂直；所述控制装置，配置为按照设定的控制指令控制一组长弯曲磁体对的电流变化和机械转动、控制圆筒形磁体的电流变化、控制活体床的移动深度、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，以对目标活体对象进行扫描成像；以及实现无场线的定位，以对目标活体对象的设定部位进行热疗；所述冷却系统，用于通过空心导线吸收所述基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的装置在进行热疗时产生的热量。
7.在一些优选的实施方式中，所述基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的装置以圆筒形磁体的轴线方向为方向、以圆筒形线圈的轴线的纵向为 方向。
8.在一些优选的实施方式中，当所述控制装置在实现无场线的定位，以对目标活体对象的设定部位进行热疗时，所述感应线圈处于断路状态。
9.本发明的第二方面，提出了一种基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的方法，基于上述的基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的装置，该方法包括：s100，基于所述长弯曲磁体对构建梯度磁场，并形成无场线；s200，控制无场线在垂直于所述圆筒形磁体轴线的平面进行平移旋转，对活体床上的目标活体对象进行断层扫描，得到电磁感应信号；对所述电磁感应信号进行预处理，得
到断层图像组；s300，控制活体床或无场线沿所述圆筒形磁体的轴线方向移动设定深度，对活体床上的目标活体对象逐层扫描，得到完整的断层图像组；s400，将完整的断层图像组进行分类融合，得到三维图像组；s500，根据三维图像组，确定热疗方案；所述热疗方案包括待热疗的部位以及各部位热疗的先后顺序、热疗时间及各部位热疗区域大小；s600，基于所述长弯曲磁体对构建梯度磁场，并形成无场线；s700，根据所述热疗方案，控制无场线围绕待热疗的部位旋转，控制圆筒形磁体产生射频磁场，对待热疗部位进行热疗；s800，在成像模式和热疗模式间反复切换，直至完成所述热疗方案；所述成像模式即执行s100、s200、s300；所述热疗模式即执行s600、s700。
10.在一些优选的实施方式中，所述断层图像组包括磁纳米粒子的浓度分布断层图、分布区域的温度断层图、分布区域的sar断层图；所述三维图像组包括磁纳米粒子的浓度分布三维图、分布区域的温度三维图、分布区域的sar三维图。
11.在一些优选的实施方式中，控制无场线在垂直于所述圆筒形磁体轴线的平面进行平移旋转，其方法为：通过控制所述长弯曲磁体对的同向电流分量，使无场线沿着该长弯曲磁体对的中心轴方向平移往复运动，同时控制所述长弯曲磁体对绕所述圆筒形磁体的轴线做机械旋转往复运动。
12.在一些优选的实施方式中，控制活体床或无场线沿所述圆筒形磁体的轴线方向移动设定深度，对活体床上的目标活体对象逐层扫描，其方法为：通过所述控制装置控制活体床，将目标活体对象送入所述圆筒形磁体中的设定位置，或者控制所述圆筒形磁体的电流，将无场线沿所述圆筒形磁体的轴线方向移动至设定深度；同时，控制无场线进行平移旋转，形成逐层扫描；扫描面为以垂直于所述圆筒形磁体轴线构成的平面。
13.在一些优选的实施方式中，控制无场线围绕待热疗的部位旋转，其方法为：控制所述长弯曲磁体对的电流，在垂直于所述圆筒形磁体的轴线的平面上平移到设定位置，同时控制所述长弯曲磁体对绕所述圆筒形磁体轴线做机械旋转到指定角度，使得无场线的中心点即待热疗的部位在所述垂直于所述圆筒形磁体轴线的平面上的投影位置；然后，通过所述控制装置控制活体床，将目标活体对象待热疗的部位移送至所述长弯曲磁体对的中心轴构成的平面上，或者控制所述圆筒形磁体的直流电流分量，将无场线沿所述圆筒形磁体的轴线方向移动至待热疗的部位；最后，控制所述长弯曲磁体对绕所述长弯曲磁体对的中心轴做机械旋转往复运动。
14.在一些优选的实施方式中，所述基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的装置在热疗时可热疗的区域的调整方法为：控制两组长弯曲磁体对的反向电流分量大小。
15.在一些优选的实施方式中，对所述电磁感应信号进行预处理，预处理包括去噪和
滤波放大。
16.本发明的有益效果：本发明实现了具有图像引导治疗、精确热剂量设定、非侵入式实时温度监测和精准定位等特点的磁流体治疗，同时所发明的装置的结构和控制简单，成像的时、空分辨率和灵敏度高、不受组织深度限制，热疗的定位效果和范围可控。
17.本发明有成像和热疗两种工作模式。在成像模式，通过控制磁体组的通电电流和机械旋转以及活体床的移动，获得基于磁纳米粒子的无场线扫描断层成像组和三维成像组。基于三维成像组提供的信息，确定热疗方案。在热疗模式，通过控制磁体组的通电电流和机械旋转以及活体床的移动，实现基于磁纳米粒子的无场线局部定量热疗。反复切换成像模式和热疗模式，直至达到预期热疗目标。本发明提出了一种新型的磁流体热疗集中治疗诊断解决方案，包括治疗计划、治疗监测和空间局部感应加热。
附图说明
18.通过阅读参照以下附图所做的对非限制性实施例所做的详细描述，本技术的其他特征、目的和优点将会变得更明显。
19.图1 是本发明一种实施例的基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的装置的框架示意图；图2为本发明一种实施例的基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的方法的流程示意图；图3是本发明一种实施例的一组长弯曲磁体对的三维结构图及其产生的磁通密度二维等值线图；图4是本发明一种实施例的基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的系统的框架示意图；图5是本发明一种实施例的基于磁纳米粒子的无场线扫描断层成像组和基于磁纳米粒子的无场点定位局部定量热疗的具体工作示意图；图6是本发明一种实施例的适于用来实现本技术实施例的电子设备的计算机系统的结构示意图。
具体实施方式
20.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
22.本发明第一实施例的一种基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的装置，该装置包括：磁体组、感应线圈、活体床、控制装置、显示装置、图像处理装置、冷却系统；所述磁体组包括一组长弯曲磁体对和一个圆筒形磁体；所述长弯曲磁体对中的长
弯曲磁体包括第一结构件、第二结构件、第三结构件；所述第一结构件、所述第三结构件为u型磁体；所述第二结构件为两段对称的以设定曲率构建的圆弧磁体；所述第一结构件与第三结构件平行，所述第二结构件所在平面垂直于所述第一结构件所在平面；所述第二结构件的两端分别与所述第一结构件、所述第三结构件的u型磁体的开口端连接；所述长弯曲磁体对中的长弯曲磁体的形状相同、在空间中相互平行，且中心轴共线；所述长弯曲磁体对中的长弯曲磁体中的第一结构件或第三结构件的闭口端对向设置；所述圆筒形磁体设置于所述长弯曲磁体对的包围空间，且其轴线垂直于所述长弯曲磁体对的中心轴；所述长弯曲磁体对，可同时通入同向电流分量和反向电流分量，产生和平移无场线，也可通过改变同向电流分量调整无场线的偏置位置，通过改变反向电流分量调整梯度场梯度大小；所述圆筒形磁体可通入直流电流分量、射频电流分量；所述圆筒形磁体中通入的直流电流分量，用于调整无场线在圆筒形磁体轴线方向上的深度；所述圆筒形磁体中通入的射频电流分量，用于对ffr内的磁纳米粒子进行感应加热；所述感应线圈为两组紧贴着所述圆筒形磁体的弯曲矩形线圈，一组设置于所述圆筒形磁体的内壁，一组设置于所述圆筒形磁体的外壁；所述两组弯曲矩形线圈的中心轴相互垂直；所述控制装置，配置为按照设定的控制指令控制一组长弯曲磁体对的电流变化和机械转动、控制圆筒形磁体的电流变化、控制活体床的移动深度、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，以对目标活体对象进行扫描成像；以及实现无场线的定位，以对目标活体对象的设定部位进行热疗；所述冷却系统，用于通过空心导线吸收所述基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的装置在进行热疗时产生的热量。
23.为了更清晰地对本发明一种基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的装置进行说明，下面结合附图，对本发明装置一种实施例中各模块进行展开详述。
24.本发明一种基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的装置，如图1所示，包括用于产生梯度磁场的磁体组11、12、感应线圈13、活体床14、控制装置16、显示装置17、图像处理装置18、冷却系统；其中，磁体组包括一组长弯曲磁体对11和一个圆筒形磁体12；所述长弯曲磁体对中的长弯曲磁体包括第一结构件、第二结构件、第三结构件；所述第一结构件、所述第三结构件为u型磁体；所述第二结构件为两段对称的以设定曲率构建的圆弧磁体；所述第一结构件与第三结构件平行，所述第二结构件所在平面垂直于所述第一结构件所在平面；所述第二结构件的两端分别与所述第一结构件、所述第三结构件的u型磁体的开口端连接；所述长弯曲磁体对中的长弯曲磁体的形状相同、在空间中相互平行，且中心轴共线；所述长弯曲磁体对中的长弯曲磁体中的第一结构件或第三结构件的闭口端（即u型磁体的底部）对向设置；如图1所示，可通过调整所述“u”型磁体所在平面的间距和所述圆弧磁体的曲率以改善无场线梯度磁场的线性度。
25.对所述长弯曲磁体对同时通入同向电流分量和反向电流分量可产生和平移无场线，改变同向电流分量能调整无场线的偏置位置，改变反向电流分量能调整梯度场梯度大
小；通过所述控制装置可以控制所述长弯曲磁体对分别绕所述圆筒形磁体轴线和所述一组长弯曲磁体对的中心轴做机械旋转往复运动。
26.本发明中设计的长弯曲磁体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，通过仿真研究，所设计的长弯曲磁体对产生的无场线梯度磁场线性度明显提升。如图3所示，如3中的（a）为一组长弯曲磁体对的物理结构，中间的圆柱体为视场（fov，fileld of view）。图3中的（b）-（d）显示了磁通密度分别在xy平面、yz平面和zx平面上的等值线和梯度方向，此时长弯曲磁体对中同时通入相同大小的同向电流分量和相同大小的反向电流分量。从等值线的现状和间距可以看出，无场线梯度磁场具有足够高的线性度。其中，图3中的（b）-（d）中的箭头方向表示方向，箭头长短表示大小。
27.所述圆筒形磁体12设置于所述长弯曲磁体对的包围空间，且其轴线垂直于所述长弯曲磁体对的中心轴。
28.所述圆筒形磁体可通入直流电流分量、射频电流分量；所述圆筒形磁体中通入的直流电流分量，用于调整无场线在圆筒形磁体轴线方向上的深度；所述圆筒形磁体中通入的射频电流分量，用于对ffr内的磁纳米粒子进行感应加热。
29.所述磁体组用于构建和移动梯度磁场和随之产生的无场线，使无场线之外的所有磁纳米粒子达到饱和（梯度/扫描线圈的功能）；还用于在成像模式可用于构建均匀磁场将无场线沿激励线圈轴线方向移动至给定深度，在热疗模式用于构建射频磁场以激发位于无场点的磁纳米粒子的磁热效应（激励线圈的功能）。成像模式和热疗模式在下文中具体描述。
30.所述感应线圈14为两组紧贴着所述圆筒形磁体的弯曲矩形线圈，一组设置于所述圆筒形磁体的内壁，一组设置于所述圆筒形磁体的外壁；所述两组弯曲矩形线圈的中心轴相互垂直；在成像模式用于采集磁纳米粒子的非线性响应信号，在热疗模式始终保持断路状态以避免激励模块耦合带来的过高接收信号。其中，弯曲矩形线圈展开面为矩形。
31.所述活体床15可用于把目标活体对象沿激励线圈轴线方向移动至给定深度。优选采用三轴机械臂或电机控制可在三个方向任意移动。
32.所述冷却系统，通过空心导线吸收所述基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的装置在进行热疗时产生的热量。即用于及时带走梯度/扫描线圈（长弯曲磁体）和激励线圈（圆筒形磁体）在热疗模式下长时间运行而产生的热量。
33.所述控制装置16，配置为按照设定的控制指令控制一组长弯曲磁体对的电流变化和机械转动、控制圆筒形磁体的电流变化、控制活体床的移动深度、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，以对目标活体对象19进行扫描成像；以及实现无场线的定位，以对目标活体对象19的设定部位（即待热疗的部位）进行热疗。
34.实现无场线的定位，以对目标活体对象19的设定部位进行热疗，即根据磁纳米粒子的浓度成像、温度成像和特定吸收率（sar）成像结果，对病变组织进行局部定量热疗。
35.图像处理装置18，配置为对磁纳米粒子的浓度成像、温度成像和特定吸收率（sar）成像获取的图像进行处理；显示装置17，配置为对图像处理装置16处理后的图像进行可视化。
36.另外，所述基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的装置以圆筒形磁体的轴线方向为 方向、以圆筒形线圈的轴线的纵向为 方向进行三维扫描和定位热疗。
37.本发明第二实施例的一种基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的方法，如图2所示，基于上述的基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的装置；该方法包括：s100，基于所述长弯曲磁体对构建梯度磁场，并形成无场线；在本实施例中，通过对所述长弯曲磁体对11通入反向电流分量，构建梯度磁场，并形成无场线。
38.s200，控制无场线在垂直于所述圆筒形磁体轴线的平面进行平移旋转，对活体床上的目标活体对象进行断层扫描，得到电磁感应信号；对所述电磁感应信号进行预处理，得到断层图像组；在本实施例中，如图5所示，在成像模式，通过控制所述长弯曲磁体对11的同向电流分量，使无场线沿着该对长弯曲磁体对的中心轴方向平移往复运动，同时控制所述长弯曲磁体对绕圆筒形磁体12的轴线做机械旋转往复运动；实现对活体床上的目标活体对象进行断层扫描，得到电磁感应信号。
39.对电磁感应信号进行预处理，形成断层图像组。预处理包括去噪和滤波放大；断层图像组包括磁纳米粒子的浓度分布断层图、分布区域的温度断层图、分布区域的sar断层图。
40.s300，控制活体床或无场线沿所述圆筒形磁体的轴线方向移动设定深度，对活体床上的目标活体对象逐层扫描，得到完整的断层图像组；在本实施例中，控制活体床14将目标活体对象19送入所述圆筒形磁体中的设定位置，将无场线沿所述圆筒形磁体12的轴线方向移动至设定深度；与此同时，控制无场线进行平移旋转，形成逐层扫描；扫描面为以垂直于所述圆筒形磁体12轴线构成的平面。
41.s400，将完整的断层图像组进行分类融合，得到三维图像组；在本实施例中，分别对磁纳米粒子的浓度分布断层图、分布区域的温度断层图、分布区域的sar断层图进行融合，获得磁纳米粒子的浓度分布三维图、分布区域的温度三维图、分布区域的sar三维图。
42.s500，根据三维图像组，确定热疗方案；所述热疗方案包括待热疗的部位以及各部位热疗的先后顺序、热疗时间及各部位热疗区域大小；在本实施例中，基于三维图像组，通过人为或机器图像识别，确定待热疗的各个部位及其先后顺序、热疗时间、热疗区域的大小。
43.s600，基于所述长弯曲磁体对构建梯度磁场，并形成无场线；在本实施例中，通过对所述长弯曲磁体对11通入反向电流分量构建梯度磁场，并形成无场线。
44.s700，根据所述热疗方案，控制无场线围绕待热疗的部位旋转，控制圆筒形磁体产生射频磁场，对待热疗部位进行热疗；在本实施例中，如图5所示，在热疗模式，控制无场线围绕待热疗的部位旋转，其方法为：控制所述长弯曲磁体对的电流，在垂直于所述圆筒形磁体的轴线的平面上平移到
设定位置，同时控制所述长弯曲磁体对绕所述圆筒形磁体轴线做机械旋转到指定角度，使得无场线的中心点即待热疗的部位在所述垂直于所述圆筒形磁体轴线的平面上的投影位置；然后，通过所述控制装置控制活体床，将目标活体对象待热疗的部位移送至所述长弯曲磁体对的中心轴构成的平面上，或者控制所述圆筒形磁体的直流电流分量，将无场线沿所述圆筒形磁体的轴线方向移动至待热疗的部位；最后，控制所述长弯曲磁体对绕所述长弯曲磁体对的中心轴做机械旋转往复运动。
45.另外，图5中的铜屏蔽用于消除激励线圈或感应线圈外部的铁丝性材料对基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的装置的干扰。
46.s800，在成像模式和热疗模式间反复切换，直至完成所述热疗方案；所述成像模式即执行s100、s200、s300；所述热疗模式即执行s600、s700。
47.在本实施例中，反复切换成像模式和热疗模式，实现对待热疗部位的识别、分析和热疗，直至完成热疗方案。本发明中优选设置热疗方案为所有的待热疗部位的局部温度都已经达到过42℃且保持10分钟。
48.其中，在热疗时可热疗的区域的调整方法为：根据可热疗区域的大小，控制两组长弯曲磁体对的反向电流分量大小。
49.本发明第三实施例的一种基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的系统，如图4所示，该系统包括：第一无场线形成模块100、断层扫描模块200、逐层扫描模块300、分类融合模块400、方案确定模块500、第二无场线形成模块600、热疗处理模块700、模式切换模块800；所述第一无场线形成模块100，配置为基于所述长弯曲磁体对构建梯度磁场，并形成无场线；所述断层扫描模块200，配置为控制无场线在垂直于所述圆筒形磁体轴线的平面进行平移旋转，对活体床上的目标活体对象进行断层扫描，得到电磁感应信号；对所述电磁感应信号进行预处理，得到断层图像组；所述逐层扫描模块300，配置为控制活体床或无场线沿所述圆筒形磁体的轴线方向移动设定深度，对活体床上的目标活体对象逐层扫描，得到完整的断层图像组；所述分类融合模块400，配置为将完整的断层图像组进行分类融合，得到三维图像组；所述方案确定模块500，配置为根据三维图像组，确定热疗方案；所述热疗方案包括待热疗的部位以及各部位热疗的先后顺序、热疗时间及各部位热疗区域大小；所述第二无场线形成模块600，配置为基于所述长弯曲磁体对构建梯度磁场，并形成无场线；所述热疗处理模块700，配置为根据所述热疗方案，控制无场线围绕待热疗的部位旋转，控制圆筒形磁体产生射频磁场，对待热疗部位进行热疗；所述模式切换模块800，配置为在成像模式和热疗模式间反复切换，直至完成所述热疗方案；所述成像模式即执行无场线形成模块100、断层扫描模块200、逐层扫描模块300；所述热疗模式即执行无场点形成模块600、热疗处理模块700。
50.所述技术领域的技术人员可以清楚的了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体的工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
51.需要说明的是，上述实施例提供的基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的装置/系统，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。
52.本发明第四实施例的一种电子设备，至少一个处理器；以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现权利要求上述的基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的方法。
53.本发明第五实施例的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的方法。
54.所述技术领域的技术人员可以清楚的了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的电子设备、计算机可读存储介质的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实例中的对应过程，在此不再赘述。
55.下面参考图6，其示出了适于用来实现本技术系统、方法、设备实施例的服务器的计算机系统的结构示意图。图6示出的服务器仅仅是一个示例，不应对本技术实施例的功能和使用范围带来任何限制。
56.如图6所示，计算机系统包括中央处理单元（cpu，central processing unit）601，其可以根据存储在只读存储器（rom，read only memory）602中的程序或者从存储部分608加载到随机访问存储器（ram，random access memory）603中的程序而执行各种适当的动作和处理。在ram603中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。cpu601、rom 602以及ram603通过总线604彼此相连。输入/输出（i/o，input/output）接口605也连接至总线604。
57.以下部件连接至i/o接口605：包括键盘、鼠标等的输入部分606；包括诸如阴极射线管、液晶显示器等以及扬声器等的输出部分607；包括硬盘等的存储部分608；以及包括诸如局域网卡、调制解调器等的网络接口卡的通讯部分609。通讯部分609经由诸如因特网的网络执行通讯处理。驱动器610也根据需要连接至i/o接口605。可拆卸介质611，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器610上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分608。
58.特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通讯部分609从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质611被安装。在该计算机程序被cpu601执行时，执行本技术的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本技术上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储
介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是但不限于：电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、ram、rom、可擦式可编程只读存储器（eprom或闪存）、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器（cd-rom）、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本技术中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本技术中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆等等，或者上述的任意合适的组合。
59.可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本技术的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，如java、smalltalk、c ，还包括常规的过程式程序设计语言，如c语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络，包括局域网或广域网连接到用户计算机，或者可以连接到外部计算机（例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接）。
60.附图中的流程图和框图，图示了按照本技术各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
61.术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
62.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、方法、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、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
63.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作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：
1.一种基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的装置，该装置包括：磁体组、感应线圈、活体床、控制装置、显示装置、图像处理装置；其特征在于，还包括冷却系统；所述磁体组包括一组长弯曲磁体对和一个圆筒形磁体；所述长弯曲磁体对中的长弯曲磁体包括第一结构件、第二结构件、第三结构件；所述第一结构件、所述第三结构件为u型磁体；所述第二结构件为两段对称的以设定曲率构建的圆弧磁体；所述第一结构件与第三结构件平行，所述第二结构件所在平面垂直于所述第一结构件所在平面；所述第二结构件的两端分别与所述第一结构件、所述第三结构件的u型磁体的开口端连接；所述长弯曲磁体对中的长弯曲磁体的形状相同、在空间中相互平行，且中心轴共线；所述长弯曲磁体对中的长弯曲磁体中的第一结构件或第三结构件的闭口端对向设置；所述圆筒形磁体设置于所述长弯曲磁体对的包围空间，且其轴线垂直于所述长弯曲磁体对的中心轴；所述长弯曲磁体对，可同时通入同向电流分量和反向电流分量，产生和平移无场线，也可通过改变同向电流分量调整无场线的偏置位置，通过改变反向电流分量调整梯度场梯度大小；所述圆筒形磁体可通入直流电流分量、射频电流分量；所述圆筒形磁体中通入的直流电流分量，用于调整无场线在圆筒形磁体轴线方向上的深度；所述圆筒形磁体中通入的射频电流分量，用于对ffr内的磁纳米粒子进行感应加热；所述感应线圈为两组紧贴着所述圆筒形磁体的弯曲矩形线圈，一组设置于所述圆筒形磁体的内壁，一组设置于所述圆筒形磁体的外壁；所述两组弯曲矩形线圈的中心轴相互垂直；所述控制装置，配置为按照设定的控制指令控制一组长弯曲磁体对的电流变化和机械转动、控制圆筒形磁体的电流变化、控制活体床的移动深度、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，以对目标活体对象进行扫描成像；以及实现无场线的定位，以对目标活体对象的设定部位进行热疗；所述冷却系统，用于通过空心导线吸收所述基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的装置在进行热疗时产生的热量。2.根据权利要求1所述的基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的装置，其特征在于，所述基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的装置以圆筒形磁体的轴线方向为方向、以圆筒形线圈的轴线的纵向为 方向。3.根据权利要求2所述的基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的装置，其特征在于，当所述控制装置在实现无场线的定位，以对目标活体对象的设定部位进行热疗时，所述感应线圈处于断路状态。4.一种基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的方法，基于权利要求3所述的基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的装置，其特征在于，该方法包括：s100，基于所述长弯曲磁体对构建梯度磁场，并形成无场线；s200，控制无场线在垂直于所述圆筒形磁体轴线的平面进行平移旋转，对活体床上的目标活体对象进行断层扫描，得到电磁感应信号；对所述电磁感应信号进行预处理，得到断层图像组；
s300，控制活体床或无场线沿所述圆筒形磁体的轴线方向移动设定深度，对活体床上的目标活体对象逐层扫描，得到完整的断层图像组；s400，将完整的断层图像组进行分类融合，得到三维图像组；s500，根据三维图像组，确定热疗方案；所述热疗方案包括待热疗的部位以及各部位热疗的先后顺序、热疗时间及各部位热疗区域大小；s600，基于所述长弯曲磁体对构建梯度磁场，并形成无场线；s700，根据所述热疗方案，控制无场线围绕待热疗的部位旋转，控制圆筒形磁体产生射频磁场，对待热疗部位进行热疗；s800，在成像模式和热疗模式间反复切换，直至完成所述热疗方案；所述成像模式即执行s100、s200、s300；所述热疗模式即执行s600、s700。5.根据权利要求4所述的基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的方法，其特征在于，所述断层图像组包括磁纳米粒子的浓度分布断层图、分布区域的温度断层图、分布区域的sar断层图；所述三维图像组包括磁纳米粒子的浓度分布三维图、分布区域的温度三维图、分布区域的sar三维图。6.根据权利要求4所述的基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的方法，其特征在于，控制无场线在垂直于所述圆筒形磁体轴线的平面进行平移旋转，其方法为：通过控制所述长弯曲磁体对的同向电流分量，使无场线沿着该长弯曲磁体对的中心轴方向平移往复运动，同时控制所述长弯曲磁体对绕所述圆筒形磁体的轴线做机械旋转往复运动。7.根据权利要求4所述的基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的方法，其特征在于，控制活体床或无场线沿所述圆筒形磁体的轴线方向移动设定深度，对活体床上的目标活体对象逐层扫描，其方法为：通过所述控制装置控制活体床，将目标活体对象送入所述圆筒形磁体中的设定位置，或者控制所述圆筒形磁体的电流，将无场线沿所述圆筒形磁体的轴线方向移动至设定深度；同时，控制无场线进行平移旋转，形成逐层扫描；扫描面为以垂直于所述圆筒形磁体轴线构成的平面。8.根据权利要求4所述的基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的方法，其特征在于，控制无场线围绕待热疗的部位旋转，其方法为：控制所述长弯曲磁体对的电流，在垂直于所述圆筒形磁体的轴线的平面上平移到设定位置，同时控制所述长弯曲磁体对绕所述圆筒形磁体轴线做机械旋转到指定角度，使得无场线的中心点即待热疗的部位在所述垂直于所述圆筒形磁体轴线的平面上的投影位置；然后，通过所述控制装置控制活体床，将目标活体对象待热疗的部位移送至所述长弯曲磁体对的中心轴构成的平面上，或者控制所述圆筒形磁体的直流电流分量，将无场线沿所述圆筒形磁体的轴线方向移动至待热疗的部位；最后，控制所述长弯曲磁体对绕所述长弯曲磁体对的中心轴做机械旋转往复运动。9.根据权利要求4所述的基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的方法，其特征在于，所述基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的装置在热疗时可热疗的区域的调整方法为：控制两组长弯曲磁体对的反向电流分量大小。

技术总结
本发明属于磁粒子成像和热疗融合技术领域，具体涉及一种基于无场线有惯性扫描的磁粒子成像和热疗融合的装置、方法，旨在解决现有磁流体治疗手段缺乏图像引导治疗、精确热剂量设定、非侵入式实时温度监测和精准定位以及经典无场线扫描MPI设备在结构和控制的设计与实现上的复杂度过高的问题。本发明装置包括：磁体组、感应线圈、活体床、控制装置、显示装置、图像处理装置、冷却系统；磁体组包括一组长弯曲磁体对和一个圆筒形磁体；控制装置，配置为对目标活体对象进行扫描成像以及对设定部位进行热疗。本发明实现了具有图像引导治疗、精确热剂量设定、非侵入式实时温度监测和精准定位等特点的磁流体治疗，同时发明的装置结构和控制简单。制简单。制简单。


技术研发人员：田捷 何杰 惠辉 钟景 安羽 唐振超
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