技术领域
[0001] 本
发明属于浓度分布图像重建的技术领域，尤其涉及一种磁声耦合的磁性纳米粒子浓度图像重建方法。
背景技术
[0002] 目前公知的磁粒子成像技术是一种无创的单
磁场断层成像技术，它利用交变磁场下的超顺磁纳米颗粒的非线性磁化响应，通过检测磁纳米粒子的浓度分布进行成像，但是磁粒子成像技术的
分辨率和灵敏度主要受限于磁粒子成像所产生的直接馈通干扰和磁性纳米粒子的弛豫效应问题。显而易见，单一场的成像都有其物理局限性。所以多物理场成像技术受到越来越多的关注，即利用物理场之间的耦合特性互相弥补各自单一场的物理局限性。
电磁场与声场结合的磁声多物理场成像研究正是考虑到了超声检测技术的高分辨率、高灵敏度特性以及磁场、声场良好的耦合效果，优良的物理效果使磁声多物理场成像成为现今研究的热点。
[0003] 磁声耦合成像技术的感应式磁声成像和注入式磁声成像技术正是基于
生物组织的电特性进行成像的多物理场图像重建技术，但是其关注点在对耦合场电导率σ的重建，磁特性方面却少有关注；随着磁性纳米粒子的广泛应用，2012年美国明尼苏达大学BinHe团队的HuGang等人首次提出将磁纳米颗粒应用于磁声成像技术中，获得了清晰的组织边界图像，为磁性
纳米材料检测提供了一种检测新技术，但是其并未提出磁性纳米粒子浓度N的具体重建方法，并且目前以磁声为
基础的磁性纳米粒子浓度N的图像重建方法尚未见报道。
发明内容
[0004] 基于以上
现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种磁声耦合的磁性纳米粒子浓度图像重建方法，通过采取规定栅格的有限元法
采样、选择脉冲基函数作为局部基函数、选择点匹配方式确定权函数的矩量法方式，提高数据的
稳定性，具有很高的应用前景。
[0005] 为了解决上述技术问题，针对磁声耦合的磁性纳米粒子浓度成像中磁性纳米粒子浓度图像重建方法部分的缺失，本发明提供一种磁声耦合的磁性纳米粒子浓度图像重建方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤2：获取磁性纳米粒子磁
力声源的散度分布；
[0008] 步骤3：获取磁性纳米粒子磁力声源分布；
[0009] 步骤4：获取磁性纳米粒子浓度重建图像。
[0010] 可选的，在步骤1中，已知声场信号分布，按照矩量法离散处理方式，运用有限元网格剖分法，选择脉冲基函数为局部基函数，将原始声场信号离散为规定有限元声场数据矩阵。
[0011] 可选的，在步骤2中，运用
时间反演法求解声场
波动方程可得到磁性纳米子磁力声源的散度qr表达式为：
[0012]
[0013] 其中cs为介质中的声场信号的传播声速，d为检测点标识，rd为检测点
位置，r为所求声源点位置，n为曲面在r位置的法向量，p″(rd,|r-rd|/cs)为检测点上|r-rd|/cs时刻声压二阶导，∑为包围磁性纳米粒子集团的检测闭合曲面；Sd为闭合曲面∑上的积分面积元；
[0014] 运用矩量法，按点匹配方式规定权函数ωj为狄拉克函数，
[0015]
[0016] 其中δ(x)为脉冲函数，ri为第i个网格划分点所在位置，考虑到待重建函数具有有限带宽，选取脉冲基函数作为局部基函数对公式(1)进行离散处理得：
[0017]
[0018] 将第一步获取的声场数据矩阵代入式(2)，结合边界条件可以重建出磁性纳米粒子磁力声源散度 的分布。
[0019] 在步骤3中，以麦克斯韦线圈形成圆柱的圆心为z轴，两线圈正中心位置为原点，建立 柱形
坐标系，目标磁性纳米粒子集团处于线圈正中心位置，根据麦克斯韦线圈特性，在计算微小体积的磁性纳米粒子集团区域时，激励磁场可看成只存在于z轴方向，那么磁力f(r)即为(0,0,fz(r))，进一步：
[0020]
[0021] 运用前向差分方法离散化处理式(3)，结合边界条件可以计算获得磁力分布。
[0022] 在步骤4中，根据矩量法思想，运用有限元网格剖分法，选择脉冲基函数为局部基函数，将原始磁场信号Bz离散为规定磁密数据矩阵：
[0023] 按点匹配方式确定权函数ωj为狄拉克函数，结合获取的磁力声源分布，代入磁声耦合的磁性纳米粒子浓度成像理论中磁力与磁性纳米粒子关系式(4)即可计算出磁性纳米粒子浓度N分布：
[0024]
[0025] 式中m0为
原子磁矩，k为玻尔兹曼常数，T为磁纳米粒子集团区域
温度，Bz为激励磁场z轴分量， 为激励磁场z轴梯度，ez为z方向单位向量。
[0026] 由上，本发明的磁声耦合的磁性纳米粒子浓度图像重建方法基于磁声耦合的磁性纳米粒子浓度成像原理，利用采集的原始声场信号进行磁性纳米粒子浓度图像重建。该理论为本发明提供了理论前提，本发明是对磁声耦合的磁性纳米粒子浓度成像原理图像重建部分的一个补充，
声波采集装置采集的超声信号为本发明提供了原始数据基础。本发明具有高分辨率、高灵敏度、低成本的优点，并且通过采取规定栅格的有限元法采样、选择脉冲基函数作为局部基函数、选择点匹配方式确定权函数的矩量法方式，提高数据的稳定性，具有很高的应用前景。
[0027] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照
说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选
实施例，并配合
附图，详细说明如下。
附图说明
[0028] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
[0029] 图1为本发明的磁声耦合的磁性纳米粒子浓度图像重建方法的
流程图。
具体实施方式
[0030] 下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。
[0031] 本发明是对磁声耦合的磁性纳米粒子浓度成像原理图像重建部分的一个补充，包括磁性纳米粒子声源重建和磁性纳米粒子浓度重建模
块，以及实现以上模块的矩量法和前项差分法的离散化处理模块。如图1所示，按矩量法离散处理方式，将计算区域按有限元法进行规定栅格的网格剖分，选择脉冲基函数为局部基函数，将原始声场信号p″(r)离散为规定声场数据矩阵，按点匹配方式确定权函数ωj为狄拉克函数，根据时间反演法推导式，将原始声场矩阵信号重建为磁性纳米粒子磁力声源的散度 分布；依据麦克斯韦线圈磁特性进行散度逆运算，运用前向差分离散处理方式将磁性纳米粒子磁力声源的散度重建为磁性纳米粒子磁力声源f(r)分布；将原始磁场信号Bz按照原始声场信号相同的离散方式离散为规定磁密数据矩阵，结合求得的磁性纳米粒子磁力声源，代入利用郎之万理论推导公式重建得到磁性纳米粒子浓度N分布图像。
[0032] 本发明的磁性纳米粒子浓度图像重建过程包括四个步骤：第一步：应用有限元法划分网格，选取脉冲基函数作为局部基函数，将原始声场信号离散化为声场数据矩阵；第二步：根据离散后的磁性纳米粒子的声场数据矩阵信号，采用时间反演方法重建磁性纳米粒子声源的散度分布；第三步：根据声源散度结合麦克斯韦线圈特性计算获取磁力声源分布；第四步：将原始磁场信号按照与原始声场信号相同的离散方式离散为规定磁密数据矩阵，结合求得的磁性纳米粒子磁力声源，利用郎之万理论推导公式，计算获取磁性纳米粒子浓度重建图像。
[0033] 具体实施过程如下：
[0034] 第一步：原始声场信号离散化
[0035] 已知声场信号分布，按照矩量法离散处理方式步骤，运用有限元网格剖分法，选择脉冲基函数为局部基函数，将原始声场信号离散为规定有限元声场数据矩阵。
[0036] 脉冲基函数χi＝δ(r-ri)，在网格划分足够密的情况下，每个网格内磁力声源分布近似均匀分布，那么网格区域声场信号可用网格中心点的值近似表示：
[0037]
[0038] p″(ri)为第i网格的中点处声压二阶导值，本发明所用的声场信号为声压二阶导信号，所以上式采用声压二阶导表示形式。通过以上方法将原始声场信号离散为声压数据矩阵。
[0039] 第二步：获取磁性纳米粒子磁力声源的散度分布
[0040] 运用时间反演法求解声场波动方程可得到磁性纳米粒子磁力声源的散度qr表达式为：
[0041]
[0042] 其中cs为介质中的声场信号的传播声速，d为检测点标识，rd为检测点位置，r为所求声源点位置，n为曲面在r位置的法向量，p″(rd,|r-rd|/cs)为检测点上|r-rd|/cs时刻声压二阶导，∑为包围磁性纳米粒子集团的检测闭合曲面；Sd为闭合曲面∑上的积分面积元。
[0043] 运用矩量法，按点匹配方式规定权函数ωj为狄拉克函数，
[0044]
[0045] 其中δ(x)为脉冲函数，ri为第i个网格划分点所在位置，考虑到待重建函数具有有限带宽，选取脉冲基函数作为局部基函数对公式(1)进行离散处理得：
[0046]
[0047] 将第一步获取的声场数据矩阵代入式(2)，结合边界条件可以重建出磁性纳米粒子磁力声源散度 的分布。
[0048] 第三步：获取磁性纳米粒子磁力声源分布
[0049] 以麦克斯韦线圈形成圆柱的圆心为z轴，两线圈正中心位置为原点，建立柱形坐标系，目标磁性纳米粒子集团处于线圈正中心位置，根据麦克斯韦线圈特性，在计算微小体积的磁性纳米粒子集团区域时，激励磁场可看成只存在于z轴方向，那么磁力f(r)即为(0,0,fz(r))，进一步：
[0050]
[0051] 运用前向差分方法离散化处理公式(3)，将检测闭合曲面Σ区域沿z轴方向按固定步长hz等分成m份，则在z方向上公式(3)可以离散为：
[0052]
[0053] 结合边界条件可以计算获得磁力分布。
[0054] 第四步：获取磁性纳米粒子浓度重建图像
[0055] 根据矩量法思想，运用有限元网格剖分法，选择脉冲基函数为局部基函数，将原始磁场信号Bz离散为规定磁密数据矩阵。
[0056] 按点匹配方式确定权函数ωj为狄拉克函数，结合获取的磁力声源分布，代入磁声耦合的磁性纳米粒子浓度成像理论中磁力与磁性纳米粒子关系式(4)即可计算出磁性纳米粒子浓度N分布：
[0057]
[0058] 式中m0为原子磁矩，k为玻尔兹曼常数，T为磁纳米粒子集团区域温度，Bz为激励磁场z轴分量， 为激励磁场z轴梯度。需要说明的是z轴方向均匀梯度磁场中 为常量，ez为z方向单位向量，所以展开公式(4)时不需要用磁密数据矩阵来离散处理偏导运算，直接带入 进入计算即可。
[0059] 以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
