磁纳米粒子成像作为一种新型分子影像技术，利用超顺磁性氧化铁纳米颗粒对交变磁场的非线性磁化响应，得到描述目标区域内磁纳米粒子浓度的分布图像。该技术具有高灵敏度、高时空分辨率、高安全性等优点，可以无创地实时可视化生物活体内分子细胞水平的生物化学信息，受到了国内外研究人员的广泛关注。目前，国内外研究团队运用该技术在细胞示踪、肿瘤检测和血管成像等领域开展了一系列研究，证明了其在临床应用中的潜力。对于各类应用需求，磁纳米粒子重建图像的质量是关键。由于磁纳米粒子成像技术主要利用电磁信号的转换来实现对示踪剂的检测与成像，成像系统和周围环境中存在的多种干扰会导致获得信号中存在复杂的背景噪声信息，造成信号的信噪比降低，进而影响重建图像的质量；此外，现有的重建方法在成像灵敏度、成像分辨率和成像效率之间存在难以兼顾的问题。

本文针对上述问题，提出了基于时频谱的背景噪声抑制方法，通过提高时域信号的信噪比，快速获得高分辨率的重建图像。同时，提出了基于掩码自监督学习的多任务重建框架，在保证重建图像质量的前提下有效提升了成像效率；此外，搭建了双频激励磁纳米粒子成像系统，通过组合双频激励，利用其互调特性提升频域信号的信噪比，进一步提升信号质量。在此基础上，利用双频激励成像系统验证了本文提出的信号增强方法，有效地抑制了背景噪声，提升信号信噪比，获得了高分辨率的谐波分量，实现了成像灵敏度、成像分辨率和成像效率的同时提升。本论文的主要研究内容及贡献如下：

1、针对磁纳米粒子成像中复杂的背景噪声干扰问题，本文提出了基于注意力机制的背景噪声抑制算法。通过窗函数将时域信号分成不同帧并使用短时傅里叶变换融合时域及频域信息，获得时频谱信号。时频谱信号中包含时域上不同周期的扫描轨迹信息和频域上包含磁纳米粒子与成像系统特性的谐波信息。在此基础上，设计“全局-局部”特征提取模块，利用Transformer 结构对谐波分量的全局特征进行提取，并使用通道注意力机制分别提取时间和频率维度的局部特征，抑制背景噪声，提升时域信号信噪比。实验结果证明，提出的方法能有效抑制各类背景噪声并恢复基频分量，获得峰值信噪比达到42 dB 以上的重建图像。同时，在不同水平的噪声数据集上验证了网络模型的鲁棒性，提出的方法能将时域信号信噪比提升18 dB 以上。此外，在自研的灵长类动物磁纳米粒子成像系统上，提出的方法能抑制背景噪声带来的图像伪影和模糊，将重建图像分辨率提升约2 倍。

2、针对现有重建算法难以兼顾成像分辨率和成像效率的问题，本文提出了基于掩码自监督学习的多任务时频域信号增强算法。首先，利用不同成像系统参数下的系统矩阵构建多谐波数据集，对多任务重建框架进行预训练。通过恢复被随机掩码的系统矩阵，多任务重建框架中的编码器获得了拟合不同谐波分量间关系的能力。在此基础上，设计专用的解码器结构，可以将预训练的模型迁移至不同下游任务中。实验证明，在时频谱增强任务中，使用“全局-局部”特征提取模块作为解码器，能抑制不同水平的背景噪声，进而将时域信号的信噪比提升至少26 dB，获得重建图像的峰值信噪比达到37 dB 以上，结构相似度达到90%以上，快速获得了高分辨率的重建图像。同时，预训练的编码器降低了模型对仿真数据集规模的依赖。在系统矩阵超分辨率重建任务中，通过密集连接的卷积块作为解码器，能有效提升谐波分量的分辨率，将系统矩阵的采集时间降低4 倍，得到峰值信噪比达到28 dB 以上、结构相似度达到89%以上的重建图像。此外，多任务重建框架的性能优于单任务信号增强方法，在保持高分辨率重建的同时提升了成像效率。

3、针对同时提升成像灵敏度、成像分辨率和成像效率的目标，本文利用双频激励的互调原理，使低频激励在高频激励的主倍频谐波分量周围产生可用的边带谐波分量，提升了频域信号的信噪比。基于此技术，自主研制了双频激励磁纳米粒子成像系统。实验证明相比于单频激励模式，双频激励模式能实现更好的成像空间分辨率，并能更准确地重建低浓度的磁纳米粒子分布。在双频激励获得的高质量成像的基础上，使用研究内容2 中提出的磁纳米粒子信号增强方法对时频域信号进一步进行增强。基于X-space 方法，多任务重建框架能将双频激励模式下的成像系统分辨率由2 mm 提升至1 mm。基于系统矩阵重建方法，多任务重建框架利用超分辨率重建的系统矩阵能获得与高分辨率系统矩阵相同的成像灵敏度（60.9 纳摩尔），重建图像与真值间的峰值信噪比达到31.75 dB，结构相似度达到98.28%，将系统矩阵的采集时间降低4 倍。基于双频激励磁纳米粒子成像系统，多任务重建框架能辅助重建方法同时实现快速的高灵敏度（60.9 纳摩尔）和高分辨率（1 mm）成像，为生物医学应用提供有效的影像基础。

综上所述，本论文针对磁纳米粒子成像难以兼顾成像灵敏度、成像分辨率和成像效率的问题，提出了基于注意力机制的背景噪声抑制方法和基于掩码自监督学习的时频域信号增强方法，并搭建了双频激励磁纳米粒子成像系统。通过实验验证了上述方法在双频激励的基础上对于磁纳米粒子时频域信号的增强效果，在保证重建质量的前提下提升重建效率，获得高灵敏度和高分辨率的重建图像。