CN100548214C - 影响磁性颗粒的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及影响作用区域中磁性颗粒的设备。利用具有产生磁场装置的设备，在这种情况下产生一种空间不均匀的磁场，该磁场具有至少一个区域(301)，在该区域中颗粒的磁化强度处于不饱和状态，而颗粒在其他区域处于饱和状态。通过在作用区域内移动所述区域，产生磁化强度的变化，所述变化能够在第一操作模式中从外面检查到，并且给出作用区域内有关磁性颗粒空间分布的信息。在第二操作模式中，频繁地重复所述移动以便加热作用区域。

Description

影响磁性颗粒的设备

本发明涉及一种影响作用区域中磁性颗粒的设备。

磁性颗粒相对容易检查并因此能够用于检查和研究(特别用于医学中)。现在还未公开的德国专利申请DE10151778.5(申请人的参考文献PHDE010289)中描述了一种在检查区域(即，作用区域)中确定磁性颗粒空间分布的设备和方法，其中使用了适当的磁性颗粒。这个专利申请下面将被称为D1。为了确定检查区域中磁性颗粒空间分布，产生空间不均匀的磁场，该磁场至少有一个颗粒磁化强度处于非饱和状态的区域。改变检查区域内这个区域的位置产生磁化强度变化，该变化能够从外面探测并且给出检查区域中磁性颗粒空间分布的信息。

磁性颗粒还可以用来加热它们的周围环境，特别用在医学高热症中。现在还未公开的德国专利申请DE10238853.9(申请人的参考文献PHDE020195)中描述了一种这类由磁性或可磁化强度物质的磁化强度变化来局部加热目标领域的方法和系统。这个专利申请下面将被称为D2。为了局部加热目标区域(即，作用区域)，产生不均匀的磁场，该磁场具有其磁场强度的空间图形，因此在目标区域产生具有低磁场强度(磁性颗粒在其中没有饱和)的第一子区域和具有较高磁场强度的第二子区域。然后在给定的频率下长时间改变目标区域内的两个子区域的空间位置，使得由于磁化强度的频繁变化而将颗粒加热到要求的温度。

因此本发明的目的是研制一种设备和方法，通过它能够以更多变化方式影响磁性颗粒。

通过作用区域中影响磁性颗粒的设备实现了这个目的，该设备具有：

a)用于产生磁场的装置，所述磁场具有其磁场强度的空间图形，使得在作用区域内形成具有低磁场强度的第一子区域(301)和具有较高磁场强度的第二子区域(302)，

b)改变作用区域内两个子区域空间位置的装置，以便局部改变颗粒磁化强度，

c)采集作用区域内由磁化强度确定的信号的装置，该磁化强度受空间位置变化影响，

d)从该信号中获得作用区域内关于磁性颗粒信息的分析单元，

e)使用这样一个方式来控制装置的控制单元，即

-在第一操作模式中，变化两个子区域位置，从中采集信号结果，并根据信号确定有关作用区域内磁性颗粒的空间分布信息，

-在第二操作模式中，在长时间和一个频率下变化两个子区域的空间位置，以便加热至少一部分作用区域。

在这个设备中，在磁性颗粒所在的作用区域内产生具有低磁场强度的第一子区域和较高磁场强度的第二子区域的空间不均匀磁场。通过使用适当手段，能够改变两个子区域的空间位置。在D1或D2中详细地给出了不均匀磁场的产生和子区域位置变化的更多准确描述。按照本发明设备的第一操作模式，获取位置空间变化产生的磁性颗粒的信号并且从中获取有关颗粒空间分布的信息。在第二操作模式中，通过空间位置的频繁变化来使得加热区域加热，该加热区域是作用区域的至少一部分.因此对于相对于磁性颗粒的空间分布来讲将被检查的目标(磁性颗粒位于其中)(第一操作模式)以及对于将被加热的部分目标(第二操作模式)，可能使用根据本发明的设备。该设备的各种装置或部件在这种情况下可以用于两个操作模式并且在不同操作模式下不需要附加的部件来操作该设备。凭借控制单元控制各个情况下所使用的不同部件的事实，而获得不同的操作模式。

特别是，相对于设备的装置或部件，在作用区域的空间位置没有改变的情况下，所述设备允许在不同的操作模式期间在一个或者同一作用区域内影响磁性颗粒。在第一步骤中，比如在第一操作模式中(例如，用图像形式)可以确定一个目标中的磁性颗粒的空间分布。能够从该有关分布的信息中确定加热区域。在第二步骤中，然后在第二操作模式中加热先前定义的目标区域，在这种情况下，该加热可以以高的空间精度进行，这是因为关于磁性颗粒(在该方案中使用)分布的空间信息可以直接用于确定加热区域。而这一点有可能实现，这是因为在两个步骤中使用了所述设备的相同部件，并且对于所述目标来讲不需要相对于所述部件、或者相对于作用区域、或者相对于加热区域来改变它的位置。

按照权利要求2，通过在第三操作模式中执行组合形式的第一和第二操作模式，能够延长依照本发明的设备的使用领域。在第三操作模式中，能够被加热的部分作用区域和有关磁性颗粒空间位置的信息能够同时获得。这一点有可能实现，这是由于在加热期间还改变两个子区域的空间位置，从而由磁性颗粒产生这样的信号(与第一操作模式发生的相似方式)，从所述信号中可以得到磁性颗粒的空间分布。

例如使用永磁体产生依照本发明设备的梯度区域。不均匀磁场形成在相同极性的两极之间的区域中，所述不均匀磁场具有由较大场强的第二子区域围绕的低场强的小的第一子区域。仅仅在位于磁场为零的点的周围区域中的颗粒内，磁化强度未饱和。在这个区域外面的颗粒内，磁化强度处于饱和状态。为了使梯度场可切换或者容易调节，不是使用具有永久磁体的设备，而是依照权利要求3在作用区域内提供一个梯度线圈设备，用于产生类似于如上所述磁场的梯度场。如果梯度线圈设备包括诸如排列在目标区域两侧上的相同类型的两个绕组(电流沿反方向流动)(麦克斯韦线圈)，那么沿着绕组轴的点上所讨论的磁场为零，并且在这个点的两侧上相反的极性几乎线性增加。

改变两个子区域空间位置的一个可能方式是，一方面预定用于产生磁场的线圈和/或永久磁铁设备(或它的部分)，或另一方面包括磁性颗粒的目标彼此相对移动.这是当用很高的梯度(显微术)检查微细的目标时优选的方法。相反，权利要求4描述了不需要任何机械运动的优选实施例。如果这个磁场随着时间遵循适当的图形并且适当取向，则用这种方法该场的零点能够穿过作用区域。在这种情况下两个子区域的空间位置能够迅速地相对改变，这样就提供了采集依赖于作用区域磁化强度的信号的附加优点。

在权利要求5中能够检查与场的零点位移一起变化的磁化强度。在这种情况下，用来接收检查区域中产生的信号的线圈可以是检查区域中已经用来产生磁场的线圈。然而，为了接收而使用分离的线圈也具有优点，这是因为能够从产生时变磁场的线圈设备中去耦合这种线圈，并且用这种方法相对于信号接收来讲能够进行优化。同样，用一个线圈能够获得改善的信噪比，而且使用多个线圈会获得更好效果。

在例如已经阐明的和将要阐明的设备和方法中可能使用了D1和D2中描述的磁性颗粒。在这方面，读者明确地参考了D1和D2。

通过影响作用区域中的磁性颗粒的方法实现了该目的，该方法具有以下步骤：

a)产生磁场，所述磁场具有其磁场强度的空间图形，使得在作用区域内形成具有低磁场强度的第一子区域(301)和具有较高磁场强度的第二子区域(302)，

b)改变作用区域内两个子区域的空间位置，由此局部改变颗粒磁化强度，

c)采集作用区域内由磁化强度确定的信号，该磁化强度受空间位置变化的影响，

d)分析该信号以获得作用区域内有关磁性颗粒空间分布的信息，

e)定义用于加热的区域，所述区域是作用区域的至少一部分，

f)在长时间和一个频率下改变作用区域中两个子区域的空间位置，以便加热已经被定义的加热区域。

为了局部加热磁性颗粒，磁场的两个子区域的空间位置连续变化。采用方法的步骤b)中的相似方式，产生信号，从所述信号中可以得到与磁性颗粒的空间分布相关的细节。如果依照权利要求7获得这些信号，那么在加热期间同时可以产生有关空间分布的信息。

参照下文的实施例，本发明的这些和其他方面是显而易见的，并且将进行说明。

在附图中：

图1表示实施依照本发明的方法的设备。

图2表示通过所述设备中包含的线圈设备产生的磁力线图形。

图3表示存在于作用区域中的一个磁性颗粒。

图4a和4b表示该颗粒的磁化强度特性。

图5表示图1中的设备的电路图。

在图1中，附图标记1指的是用于检查或调查的目标，在这种情况下是病人，该病人安置在仅仅部分示出的平板1的病床上。在检查以前，例如在肠胃系统检查以前，给病人服下具有磁性颗粒的液体或食物。

图3中示出了这种类型的颗粒。所述类型颗粒包括例如玻璃的球形基板100，所述球形基板被涂覆有软磁性层101，所述软磁性层101包括例如铁镍合金(例如坡莫合金)。例如通过保护颗粒免受酸侵蚀的涂层102可以覆盖这个层。这种颗粒的磁化强度饱和所需要的磁场强度取决于该颗粒的直径。在直径10微米的情况下，为实现这个目的需要1mT的磁场，而在直径100微米的情况下，需要100mT的磁场。在选择具有较低饱和磁化强度的材料涂层时，甚至获得更小的值。

图4a和4b显示出了磁化强度特性，也就是在包含这种颗粒的分散中，磁化强度M的变化与磁场强度H的函数关系。能够看出，超过磁化强度+Hc和小于磁场强度-He时，磁化强度M不再变化，这意味着出现饱和磁化强度。在数值+Hc和-He之间时，磁化强度没有饱和。

图4a说明了如果磁场不再有效时正弦磁场H(t)的效果。磁化强度以磁场H(t)的频率在其饱和值之间变化。由图4a中的标记M(t)表示随着磁化强度时间的合成变化。可以看出，磁化强度呈周期性变化，这样在线圈的外部感应出相似的周期信号。由于磁化强度特性的非线性，这个信号就不再完全是正弦形的，而是包含了谐波，也就是正弦基波的高次谐波。这样的谐波是测量颗粒浓度的量度，并且可以容易地从基波中分离出来。

特性曲线中心线路的虚线部分表示作为磁场函数的磁化强度的近似平均值变化。随着从中心线偏离，当磁场H从-Hc增加到+Hc时磁化强度稍微地向右延伸，当磁场H从+Hc减少到-Hc时磁化强度稍微地向左延伸。这种已知的效应称作磁滞效应并且成为生成热的机制的基础。特性曲线路线之间形成的磁滞表面面积是对依据磁化强度变化产生的热的度量，该磁滞表面面积的形状和大小取决于材料。

图4b表示了上面叠加了静态磁场H1的正弦磁场H(t)的效用。因为磁化强度处于饱和状态，所以实际上它不受正弦磁场H(t)的影响。磁化强度M(t)在该区域随着时间保持不变。因此，磁场H(t)不会改变磁化强度的状态，并且不会产生通过合适的线圈能够检查出的信号。

本发明中，磁性微粒处于作用区域中，通过作用区域中的适当装置产生空间不均匀的磁场。这种装置可以是比如永久磁体或操作状态中电流流过线圈中的导电体。产生的磁场包括低磁场强度的第一子区域和较高磁场强度的第二磁性子区域。位于第二子区域的那些磁性颗粒的磁化强度处于饱和状态。位于第一于区域的磁性颗粒的磁化强度没有饱和。为了获得被检查目标1中的磁性颗粒空间浓度的任何详细情况，多个成对的线圈被设置在病人1或病床的上方和下方，这些成对的线圈限定了一个检查区域(图1)。第一个线圈对3包括在病人的上方和下方同轴设置的两个结构相同的绕组3a和3b，它们感应大小相同但是方向相反的电流。这样产生的梯度磁场通过图2中的磁力线300来描绘。在线圈对的轴的(垂直)方向上，存在基本恒定的梯度，并且在轴上的一点达到零值.从该场零点开始，磁场强度在空间的全部三个方向上随着距该点的距离变化而增加。在场零点周围的用虚线指示的区域301(第一子区域)中，磁场强度很小，以致于那里的磁性颗粒的磁化强度不饱和，而在区域301之外的地方磁化强度处于饱和状态.

区域301的大小确定了设备的空间分辨率，它一方面取决于梯度磁场的梯度强度，另一方面取决于饱和所需要的磁场强度。对于图3中所示的直径为10微米的球体，强度量为1mT，而对于直径为100微米的球体，强度量为100μT。对于后者的值和磁场的0.2T/m的梯度，区域301(其中颗粒的磁化强度没有饱和)的尺寸是1毫米。

当另一磁场叠加在作用区域中的梯度磁场上时，区域301将朝着该另一磁场的方向移动，该磁场的强度越大，移动的范围就越大。如果叠加的磁场是时变的，区域301的位置会随时间和空间而相应变化。

为了在空间的任意需要方向上产生这种时变磁场，进一步提供了三个线圈对。具有绕组4a和4b的线圈对4产生在线圈对3a和3b的线圈轴的方向上延伸的磁场，即垂直的。为此目的，两个绕组具有相等的并朝同一个方向流动的电流。通过这个线圈对可以达到的效果，原理上也可以通过将朝同一个方向流动的电流叠加到线圈对3a和3b中的反向相等的电流上来实现，结果是一个线圈对中的电流减小，另一个线圈对中的电流增加。然而，如果时间恒定梯度磁场和时变垂直磁场由不同的线圈对产生时，这一点可能是有利的。

为了产生在病人的纵向空间水平延伸和垂直方向延伸的磁场，进一步提供了包括绕组5a、5b和6a、6b的两个线圈对。如果象线圈对3a、3b和4a、4b这样的Helmholz类型的线圈对被用于此目的，则这些线圈对就必须设置在检查区域的左边和右边或者检查区域的前边和后边。这样就阻止了检查区域的可达性。

因此，线圈对的绕组5a、5b和6a、6b也将设置在作用区域的上方和下方，并且它们的绕组结构必须不同于线圈对4a和4b的绕组结构。然而这种线圈，在具有开放式磁体(开放式MRI)的磁共振设备领域中是公知的，其中RF线圈对被设置在作用区域的上方和下方，所述RF线圈对用来产生水平的、时变磁场。因此，这样的线圈结构就不需要在这里作详细描述了。

最后，附图1显示了用来检测作用区域中产生的信号的另一线圈7。原理上，任何产生磁场的线圈对3到6都可以起到这个作用。然而使用单独的接收线圈更好。可以获得更好的信噪比(特别是使用多个接收线圈时)，并且该线圈可以以从其它线圈中去耦合的方式来设置和切换。

图5表示了图1中设备的电路框图。图解示出的线圈对3(为了简化，省略了图5中所有线圈对的后缀a、b)被提供有可控电流源31的直流电流，所述直流电流受控制单元10的控制可以被接通和关闭。控制单元10和工作站12合作，所述工作站配备有用来显示表示作用区域中的颗粒分布图像的监视器13。用户可以通过键盘或其它输入单元14进行输入。

线圈对4、5、6从电流放大器41、51和61接收电流。将被放大并产生所需磁场的电流Ix、Iy和Iz其随时间变化的波形由各自波形发生器42、52和62进行预设。波形发生器42、52和62受控制单元10的控制，控制单元10计算用于特定检查、调查或者治疗程序所需要的随时间变化的波形，并且将它装载到波形发生器。在检查、调查或者治疗过程中，从波形发生器中读出这些信号，并将它们馈送到放大器41、51和61，该放大器用来在线圈对4、5和6中产生所需要的电流。

一般而言，在区域301相对于梯度线圈设备3的中心位置偏离与流过梯度线圈设备的电流之间存在非线性关系。而且，当区域301要沿中心以外延伸的直线移动时，所有的三个线圈通常都将产生磁场。在预设了随时间变化的电流波形的地方，例如借助于合适的病床，通过控制单元可以实现这一点。因此，区域301可以沿着任意需要形状路径而移动通过作用区域。

通过线圈7接收到的信号经由合适的滤波器71被馈送到放大器72。放大器72输出的信号通过模数转换器73被数字化，从而馈送到图像处理单元74，图像处理单元74可以通过该信号以及在接收信号期间区域301被占用的位置来重构颗粒的空间分布。请读者参考D1关于重构由线圈7接收的信号的精确描述。根据重构的信号，产生图像，所述图像显示在工作站12的监视器13上。

利用工作站12的输入单元14，用户可以标记在下一步将要加热的那些图像区域。比如，这些可以由用户使用电脑鼠标跟踪加热区域周围来交互地指定该区域而实现。工作站12根据将被加热区域的位置来确定位置信息并将这些位置信息传递到控制单元10。在第二操作模式中(在该操作模式中操作设备)，实际加热被选择用于加热的区域.采用与成像相似的方式，利用线圈对4、5和6，由控制单元10产生与位置信息成一直线的场零点的位移，所述控制单元10相应控制波形发生器42、52、62。

对于由于机械运动而对加热有贡献的颗粒，可以使用例如值作为磁场强度变化(对图3示出的颗粒，例如，依靠该层特性可以使用

或

的频率)频率的原则数值，因此根据完全磁性反向的需要，对于磁场场强

获得大约1MHz的频率。在三个线圈对4、5、6上采用这个频率，例如线圈对4，以致交变场影响该作用区域并且在该对线圈4的磁场方向使用快速振荡方式连续地移动磁场区域301。结果，在治疗区域(在区域301的球形形状下，获得延长圆柱形区域而不是带)内，加热准一维长度区域作为目标区域，该准一维长度区域通过对应的线圈电流的幅值可被调节。施加到这个带的总热能从而取决于(除了别的因素外)交变场(由带的空间长度给出)的频率和幅值，以及取决于产生最大热量所需要的磁场强度(例如，饱和磁场强度)。频率越高，加热功率将越大。在其他方向中通过其他两对线圈5和6移动快速振荡磁场区域301，从而加热整个加热区域。在这种情况下带的宽度可以同时变化.有关详细情形可参照文件D2。

代替具有与图3有关的软磁性涂覆的颗粒，也可以使用其他磁性颗粒。这种颗粒与移动磁场区域301的适当修改方式一起在D2中描述了。

在第三操作模式中，加热用于加热的选定区域完全与第二操作模式一样。同时在监视器13上示出了作用区域的图像。因为在加热期间均匀移动区域301是可能的，因此与第一操作模式一样产生信号，根据所述信号可以重构和示出作用区域的图像。

Claims (7)

1.一种在作用区域中影响磁性颗粒的设备，该设备具有：

a)用于产生梯度磁场的装置，所述磁场具有其磁场强度的空间图形，使得在作用区域内形成具有低磁场强度的第一子区域(301)和具有较高磁场强度的第二子区域(302)，

b)改变作用区域内两个子区域空间位置的装置，以便局部改变颗粒磁化强度，

c)采集作用区域内由磁化强度确定的信号的装置，该磁化强度受空间位置变化影响，

d)从该信号中获得作用区域内关于磁性颗粒信息的分析单元，

e)使用这样一个方式来控制装置的控制单元，即

-在第一操作模式中，变化两个子区域位置，从中采集信号结果，并根据信号确定有关作用区域内磁性颗粒的空间分布信息，

-在第二操作模式中，在长时间和一个频率下变化两个子区域的空间位置，以便加热至少一部分作用区域。

2.如权利要求1中所述的设备，其中，在第三操作模式中，以通过执行第二操作模式以及同时采集由两个子区域位置改变产生的信号和从其中确定作用区域内磁性颗粒的空间分布信息的方式，所述控制单元控制装置。

3.如权利要求1中所述的设备，其中产生磁场的装置包括产生低磁场强度的第一子区的梯度线圈设备，该低磁场强度的第一子区由较高磁场强度的第二子区围绕。

4.如权利要求1中所述的设备，其中通过强加在梯度磁场上的时变磁场使得作用区域内的两个子区域位置偏移。

5.如权利要求1中所述的设备，其中利用线圈设备接收由于磁化强度中的时间变化而在作用区域内产生的信号。

6.一种由根据权利要求1的设备执行的用于影响作用区域中磁性颗粒的方法，该方法具有以下步骤：

a)产生梯度磁场，所述磁场具有其磁场强度的空间图形，使得在作用区域内形成具有低磁场强度的第一子区域(301)和具有较高磁场强度的第二子区域(302)，

b)改变作用区域内两个子区域的空间位置，由此局部改变颗粒磁化强度，

c)采集作用区域内由磁化强度确定的信号，该磁化强度受上述位置变化的影响，

d)分析该信号以获得作用区域内有关磁性颗粒空间分布的信息，

e)定义用于加热的区域，所述区域是作用区域的至少一部分，

f)在长时间和一个频率下改变作用区域中两个子区域的空间位置，以便加热已经被定义的加热区域。

7.如权利要求6中所述的方法，其中在加热所述加热区域期间另外执行步骤c)和d)。

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