CN101087558B - 用于通过磁选法确定位置的标示器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种标示器，它在检验区域中的位置可通过磁性方法确定。该方法用于确定检验区域中磁性颗粒的空间分布。产生空间不均匀梯度磁场，其具有至少一个低场强度区，其中颗粒的磁化处于非饱和状态，同时在其余区域中其处于饱和状态。由检验区域内部的改变装置移动低场强度区域导致磁性颗粒磁化的改变，这能在外部被检测，并且其含有关于检验区域中磁性颗粒空间分布的信息。借助于根据本发明的标示器，其也可以确定物体位置或检验区域中检验物体部分的位置。

Description

用于通过磁选法确定位置的标示器

技术领域

本发明涉及一种能够通过磁选法确定其在检验区域中的位置的标示器。本发明还涉及一种用于定位标示器的方法、标示器在该方法中的使用和用于该方法的结构。

背景技术

德国专利申请DE 10151778(参考以下文献Ax1)公开了一种用于确定检验区域中磁性颗粒空间分布的方法。磁性颗粒的该空间分布能借助于该方法以高的瞬时清晰度(high temporal resolution)和空间分辨率来确定，这仅需要相对较小的设备支出。例如，图象可以随后由该分布重构。该方法尤其可用在医疗领域中。

但是，除了磁性颗粒之外，在检验区域中还经常存在检验对象的物体或部分，该检验区域附近不能用该方法确定信息，且因此该检验区域不能呈现在重构图像中。然而，必须确定这些对象的位置并且任选地在图像中将其示出。例如，在医疗领域中，这对于侵入式医疗器械如导液管是常用的。

发明内容

因此，本发明的目的是使得可以找出检验区域中这些物体的位置。

实现所要求的目标可通过一种磁化标示器，其具有用于测量所述标示器的信号的传感器，用至多5mT的磁场强度使该可磁化标示器的磁化饱和。

在很多成像领域中，标示器非常公知。通常将标示器定位在物体上或与物体相邻，根据所使用的成像方法，在该物体周围不能获得图像相关数据。例如，在X射线技术中，将小量X射线吸收材料(如金属)用于导液管的塑料端部，以使得X射线图像中导液管可见。可替换地，用标示器在骨头或者其他组织上标示特定点，以使这些点可以在相同骨头或组织的以后几天或几个星期后进行的其他X射线曝光中被再次发现。

因此，在本发明下文中的术语标示器意为表示通过它可通过从文献Ax1中公知的方法获得相应的信号的任何结构。为了该目的标示器必须是可磁化的标示器，对作用在标示器上的外部磁场，通过至多5mT的场强度实现磁化饱和。这近似地对应于文献Ax1的方法中使用的磁性颗粒饱和场强度的数量级。因此，标示器的信号可被相同系统部件接收并处理。为了说明该方法和相关装置结构，在此引入文献Ax1的整个内容作为参考。还可以使用标示器，其中用如2mT或1mT的较低的外部磁场场强度实现磁化饱和。

术语饱和应当在以下本发明的上下文中理解：文献Ax1的图4a和4b表示其中描述的磁性颗粒的磁性曲线，为了简单从图中忽略了磁滞。磁性曲线一般都关于x轴或与其平行的线是镜像对称的。以下说明指关于x轴的镜像对称。从零开始，磁性(y轴)随着外部磁场(x轴)量增加而上升。磁性曲线最初具有根据所使用的材料大致恒定的梯度。如果外部磁场的场强度的量级进一步增加，则磁性曲线达到转换区，该转换区内磁性曲线的梯度变化，或者降低，明显比之前的更强。如果外部磁场的场强度的量级再进一步增加，则该梯度的变化再次显著降低，且磁性曲线再次具有大致恒定的梯度，该梯度比过渡区下方的梯度小。该梯度甚至可为零。在此，外部磁场的大变化仅导致磁性的小变化。

在本发明的上下文中，因此认为当磁化量级在外部磁场作用下位于过渡区上时，可磁化材料是饱和的。在过渡区上方磁化曲线的梯度至少比过渡区下方小三分之一。在这种情况下，当外部磁场进一步增加时，磁化曲线梯度是否更强烈地再次变化都不重要，例如对于具有由不同饱和场强度的各种不同单独材料构成的材料的，是这种情况。

在所示出的示例示例中，用负和正两个外部磁场来实现饱和。可磁化材料的磁化可在这两个饱和状态之间变化，例如变化200mT。该值越大，就能更好地记录产生的信号。

例如，在最简单的情况中，标示器是可磁化的固体。其尺寸通过要确定位置的精确度确定，当然结合该方法的分辨率。该尺寸还取决于在重构图像中标示器标示有多大和多清楚可见。这种标示器的一个简单几何形状可以是可磁化球体。这尤其适合于制造不依赖于“观测方向”的点。通过一种优选的结构，标示器不仅可用于确定关于其位置的信息同时还能确定关于方向的信息。这种标示器可被安装于医疗机械上，例如标示与机械具有特殊关系的标示器的纵轴。例如，一条软磁线可作为导液管端部上的标示器安装，平行于导液管的轴。以这种方式，除了位置，还可以确定检验区域中导液管端部的取向。另一个实施例的示例是粘贴膏药，其中结合了小球形或薄的线交叉的线或织物。

优选的，标示器的另一种形式是提供有软磁性层的物体。这种层例如可通过公知方法气相沉积，或者也可应用或引入为金属箔或者涂覆金属的箔。这种标示器的示例是设置在导液管端部上方的沉积圆柱形封装，或者是其中结合了薄沉积箔的粘贴膏药。总之，气相沉积层可具有在重构图像中可见的图形。可想象该粘贴膏药是沉积的交叉或者箭头，或者作为替换方式，该交叉或箭头在沉积期间可被覆盖，以便产生“负的”预计图形。这种软磁性层可至少逐点地应用在非磁性医疗机械上(例如，特定类型的不锈钢是非磁性的)。

优选的，另一个实施方案的示例是具有空腔的主体，该空腔中存在磁性颗粒，如文献Ax1中所描述的。这样的结果是，当标示器和磁性颗粒同时用在检验区域中时，仅需接收和评估接近相似类型的信号。由于空腔中较高密度的磁性颗粒，与标示器的环境相比，标示器的磁性颗粒相应地传送较大信号，以使得它们能够在重构的图像中被清楚地看到。

优选的，标示在标示器附近直接接收标示器产生的信号。已知的传感器，如线圈，可用作传感器。与通过文献Ax1中公开的接收器线圈接收的信号相比，由直接设置在标示器上的传感器接收的信号具有较好的信噪比。

优选的，该目标还可利用具有用于测量静态磁场的传感器的标示器来实现。仅能记录动态磁场(例如当使用线圈时)的传感器通常不会非常或者完全不适合于此。这通过以下示例示出：假设在文献Ax1的图2中示出的磁场中存在一个小线圈。通过将时间变化磁场叠加到梯度磁场上来关于线圈设置具有低场强度区域的位置。然后在线圈中产生信号，尽管其仅通过时间变化磁场而导致。但是由于时间变化磁场基本上为均一的位置函数，因此从线圈中产生的信号难以甚至不可能推断关于线圈在磁场中位置的信息。例如，如果时间变化磁场不是单一的位置函数，且位置不均一是已知的，则这是可能的。

一种优选的传感器，例如霍尔传感器或者巨磁阻(GMR)传感器。与之前描述的标示器相反，由于作用在检验区域上的磁场能被传感器直接记录，因此这种标示器不须具有任何可磁化材料。特别地，具有低磁场强度的区域能与具有高磁场强度的区域区分开。由于检验区域中这些区域的位置是已知的，因此关于标示器位置的信息能够从由传感器传送的信号确定。传感器通常具有一前进方向，该前进方向特征在于当沿着该前进方向存在场线轮廓时传感器传送最大信号。在偏离前进方向的情况下，对于相同场强度，信号较弱且有时对于特定方向甚至为零。在平霍尔(Hall)传感器的情况下，前进方向例如被定向为垂直于传感器表面。在一种优选的实施例中，传感器能够被设置以使至少一个传感器总是传送信号。

在一种优选的实施例中，标示器本身可用于侵入在病人体中，并且尤其它可保持在病人体内较长时间。例如当在图像数据的记录之间不得不等待几天或几个星期以追踪治疗过程等时，这是很有必要地。

通过具有根据本发明的标示器的医疗器械，还实现了所要求的目标，例如与上述说明类似。术语“医疗器械”在这种情况下意指医生或者其他人员为了医疗目的，例如检验或者治疗，能够使用的任何物体。一方面，其包括用在被检验物体上的物体外部，和例如以扫描头形式设置在病人皮肤上的物体。术语“医疗器械”指侵入性医疗器械，如用于最小侵入性操作的器械或导液管。它们还可以是能被插入到食道、胃、肠、耳朵或人体或动物体其他点中的探针。该列表是示例性的并且是非穷举的。

一种优选的方法，用于在检验区域中定位根据本发明的标示器。它的很多步骤根据文献Ax1都是已知的。通过一种优选的方法，一方面可以定位标示器，和另一方面可以确定磁性颗粒的空间分布。通过本发明的方法，可以首先确定标示器位置，以及随后确定空间分布以编辑标示器环境中的图像。当仅编辑标示器环境的而不是整个检验区域的图像时这是有利的。总之，可以至少以低分辨率找到标示器的大概位置。低分辨率导致所获得的数据记录和其评估时间的明显降低。因此与图像编辑相比能相对快速地确定标示器位置。

一种根据本发明的装置可以是从文献Ax1中获知的装置，其另外还具有根据本发明的标示器。根据本发明的标示器可一样用在从文献Ax1所获知的装置中。

根据以下描述的示范性实施例和附图，本发明的这些和其他方面将显而易见，且参考以下描述的示范性实施例和附图来说明本发明的这些和其他方面。

附图说明

附图中：

图1示出了具有标示器的第一导液管的端部；

图2示出了具有标示器的第二导液管的端部；

图3示出了图1中标示器操作的框图；

图4示出了作为标示器的螺钉；

图5示出了作为标示器粘贴膏药。

具体实施方式

图1表示导液管的端部100，其轴在z方向上延伸。已知，导液管形成了一个细管状线，穿过其内部例如一个导线延伸或者液体(如造影剂)被传送到导液管端部并且能通过开口101排出。

沿着端部100的周边，使用两种公知的霍尔(Hall)传感器106和107。例如，它们由薄的金属箔或者气相沉积的金属层构成。代替金属，其也可以使用半导体材料。每一个霍尔传感器106和107都在约辐射方向上占据导液管的约四分之一圆周。霍尔传感器106和107设置成在辐射方向上以约90°彼此偏移。它们的前进方向因此相互垂直，以使得它们能够记录相应地相互垂直定向的磁场。霍尔传感器106的前进方向在y方向上延伸，和霍尔传感器107的前进方向在x方向上延伸。为了记录在z方向上延伸的磁场，将另一个霍尔传感器(未示出)设置在导液管端部的终端侧102上。

霍尔传感器可直接用在导液管端部100上或者作为替换方式直接用在能安装于导液管端部上方的圆柱形封装(未示出)上。考虑到预期前进方向和信号强度，霍尔传感器的外部尺寸也可以更小，或它们的相互对准可以与图1中所示的不同。

延伸到导液管的另一端部(未示出)的四个电连接，其中在导液管的另一端部它们连接到测量装置，分别被安装到霍尔传感器。在霍尔传感器106上，这些是连接106a、106b、106c和106d。为了清楚起见，不再说明霍尔传感器107的连接。已知，两个相互相对的电流连接，在此例如是106a和106b，用于使得电流流过霍尔传感器106。为此，这些电流连接被连接到图3中的可调整电流源112。电流强度的等级使用控制单元10来调整。控制单元10对应于在文献Ax1的图5中的控制单元10。在当前情况下，因此图3被认为是文献Ax1的图5的补充。当前情况下，每个霍尔传感器都连接到其自己的电流源。但是，作为替换方式，所有霍尔传感器都可连接到单个电流源，且特别地，各个霍尔传感的器各电流源端子可串联连接。

如果磁场在前进方向上作用于霍尔传感器106，则能够通过图6中的测量装置113记录的电压在信号连接106c和106d之间产生。已知，电压的电平和极性一方面取决于霍尔传感器的参数，即霍尔传感器的材料和流过霍尔传感器的电流。另一方面，其自然还取决于磁场的强度和方向。该测量装置113放大了所测量的电压并且将其转换成数字信号，该信号被发送到图像处理单元74。该图像处理单元74同样对应于文献Ax1的图5中的图像处理单元74。

如果现在将导液管端部引入到文献Ax1的图2中的磁场中，则由于磁场已知的场线轮廓，可以借助于由霍尔传感器记录的磁场或磁场成分确定磁场内部导液管端部的位置。如果磁场两个子区的位置变化，则由于在任何位置变化之后磁场新的场线轮廓同样是已知的，因此这也是可能的。为此，对应于文献Ax1的图5中图像处理单元74的图像处理单元74根据所有霍尔传感器的信号确定磁场中导液管端部的位置并且覆盖在图像中相应位置处的图形符号(例如，小的圆圈或点)。

当使用多个霍尔传感器时，为了减少电导线数目，每个霍尔传感器的电容器和/或电感器(未示出)可以与电源端子并联地连接，该电容器和/或电感器对于各个霍尔传感器是不同的。如果霍尔传感器提供有交流电，则由于电感器和/或电感器，分别流过霍尔传感器的电流将取决于交流电流的频率。通过改变该频率，因此可以连续向霍尔传感器提供电流并记录相互独立的信号。所有霍尔传感器的信号端子可并联地互连，以使此时仅需要两条信号从导液管端部提供到测量装置。如果使用非线性辅助电阻器代替电容器或电感器，且不通过电流频率而通过相应的读出电压选择霍尔传感器，可以获得相似的效果。

作为霍尔传感器的替换方案，也可将巨磁组传感器设置在导液管上。线也可以相应地与这些传感器互联。

在图2中示出了根据本发明的标示器的一些其他实施例。其表示导液管的端部120，在它的周围上设置了环形标示器122。该标示器由气相沉积在导液管端部120上的软磁性材料的薄箔或软磁性材料层构成。可替换标示器124设置在导液管端部120的终端侧上。该标示器124由软磁性材料的平坦环构成，其内部和外部尺寸对应于导液管的内外尺寸。作为替换方案，标示器124形成中空体，其含有如文献Ax1中所述的磁性颗粒。一个另外的标示器115由位于导液管壁中的空腔形成，在其中存在磁性颗粒。还可以将软磁性球体或填充有磁性颗粒的球体引入到导液管壁中。另一个标示器123是伸长的或者是柱状的。它也可通过填充有磁性颗粒的空腔或者结合到导液管壁中的磁线形成。如果标示器123定向成平行于导液管的轴，则除了位置之外，该标示器123还提供关于在检验区域中导液管方向的信息。

设置在导液管120表面上的标示器122和124可另外涂覆有生物相容的层(未示出)。由此可以避免病人与标示器可能发生的任何反应。

图2中表示的所有标示器的磁化特性都例如对应于文献Ax1的图4a和4b中的相应部分。对于磁场强度，以至多5mT的量级可实现该饱和。如果导液管120用在由文献Ax1已知的设置中和由其已知的成像方法中，则以与在此使用的磁性成像颗粒情况相似的磁场强度下实现饱和。对于标示器124和115，如果中空体含有与成像所使用的那些相同的磁性颗粒，则这可以直接实现。所有情况下，标示器信号一定都通过与用于接收和评估来自磁性颗粒的信号的那些相同的方式被接收和评估。此外，标示器还可与用于成像的磁性颗粒同时使用。由于标示器较围绕其的磁性颗粒产生更高的信号，因此在图像中能相应更好地看到它。

此外，或者作为替换方案，为了发现一个或多个标示器，可以使用从具有电磁标示器的系统已知的方法，例如根据Seiler等人的“A noveltracking technique for the continuous precise measurement of tumorpositions in conformal rediotherapy”，Phy.Med.Biol.45(2000)N113-N110这篇论文。在该系统使用的方法中，可获得关于使用的标示器的位置和特性的先验知识。在当前情况下，例如，这些特性是每个标示器关于在再次磁化期间发生的信号的频谱的具体组成。

然后该系统确定标示器处于检验区域中的位置。这给出了标示器的可磁化材料的仿真空间分布。仿真信号以对应于此的方式合成地产生，如果事实上当改变两个磁性子区的空间位置时在所确定位置处存在标示器，则该仿真信号是通过系统记录的那些。来自检验区域的实际信号然后通过改变两个磁性子区空间位置来确定，这些信号来自标示器和位于检验区域中的磁性颗粒。仿真产生的信号被从中减掉。从以这种方式修改的信号确定空间分布，例如，通过文献Ax1的方法。仿真产生的标示器分布随后被从中减掉。如果标示器确实在系统已经确定的(多个)点处，则标示器的位置对于系统是已知的，且使用重构分布获得的图像仅由标示器扰动一点点。如果标示器不在所确定的位置处，则通过系统确定标示器的其他位置，且再次实施该方法。

如果标示器的信号等级与来自围绕其的磁性颗粒的信号不是相差很多，则线圈设置被另外地设置在图2中表示的所有标示器的附近，如示例所示对于标示器115通过线圈116。为了清楚起见，不说明线圈116的端子和馈线。该线圈116可用作另外的接收线圈，以尤其记录标示器的信号。如果再次磁化标示器，则标示器115的信号将不仅通过“一般”接收线圈而且还通过线圈116来记录。这种情况下，仅当具有低场强度的子区被设置在标示器115附近时，线圈116检测信号。这能用作另外的信息，以确定检验区域中标示器的位置。

但是，线圈116可以不同方式使用。于是，在操作期间，其产生时间变化磁场，该磁场主要作用于标示器115上。为此，作为替换实施方案，线圈116也可以绕着导液管放射地延伸。标示器115最初应当在具有较高场强度的梯度磁场子区域中。在此处，它整体上暴露于由梯度磁场和线圈116的时间变化磁场的叠加构成的磁场。这种情况下，线圈116的该时间变化磁场被设置以使得任何时候作用到标示器115上的总体磁场很大以致标示器总是处于磁性饱和状态。

如果将具有低磁场强度的子区域设置到标示器115上，则标示器不再处于饱和状态。它由线圈116的时间变化磁场恒定地再磁化。之后发生的信号(由线圈116的时间变化磁场的激励频率及其谐音构成)被记录并评估，如文献Ax1中对于磁性颗粒最终描述的。由于具有低磁场强度的子区域位置是已知的，因此标示器的位置可由其确定。如果在检验区域中搜寻标示器，则具有低磁场强度的子区域由慢时间变化磁场取代，如文献Ax1中所描述的。当所记录的信号含有对应于标示器的那些频率时，标示器精确地位于具有低磁场强度的子区域位置。具有低磁场强度的子区域在这种情况下被缓慢移动以使另外包含在检验区域中的磁性颗粒仅发出很小的信号。通过术语“磁门”磁场传感器或“福斯特

探针”也可获知类似的系统。

但是，具有低场强度的子区域也可用如用于在磁性颗粒中产生标准信号或者用于记录信号以编辑图像的那些的频率来移动。然后标示器发出由这些频率(以及其谐音)构成的信号，但是它们由线圈116的磁场频率所偏移。由此发生频率偏移。当线圈116的时间变化磁场的频率不同于具有低磁场强度子区域所移动的磁场频率，且不同于磁性颗粒的信号所主要包括的频率时，这尤其直接提升了所有记录的信号。这是因为，由于这些信号分量仅来自标示器而不来自磁性颗粒，因此此时记录信号几乎不需要关于它们是否实际上含有通过线圈116的时间变化磁场频率或其谐音变化的频率来分析。然后，用于图像数据的信号和用于确定标示器位置的信号会同时产生并记录。

图4和5示出了根据本发明的标示器的另一种使用。图4表示例如在骨折的手术治疗中可使用的螺钉201的截面。这种螺钉通常由非磁性材料如钛制成。为了确定它们的位置，将螺头中的第一标示器202和螺纹自由端的第二标示器203结合到螺钉201中。球型的标示器202和203由软磁性材料或填充有磁性颗粒的空腔构成。

如果螺钉专门地用作标示器，则为了标记骨头上的特定位置，此时可将该螺丝钉制作得很小。作为替换方案，此时它整体可由软磁性材料构成，并且需要时可提供有已知的生物相容的涂层。由于该涂层，这样该螺钉能保持在骨头中达较长时间，以使骨头或相对于其的其他器官或骨头的任何变化可通过有规律地检测其位置来监控。

图5表示粘贴膏药301，位于病人皮肤上的粘贴膏药301侧是可见的。粘贴膏药301例如由织物制成，且在中央具有带软垫层304的软垫区303，软垫层304能覆盖伤口。在软垫区303旁边，有两个粘附翼302，粘贴膏药301通过其以公知方式施加到病人身上。金属线的线交叉305被结合到软垫区303。作为线交叉305的替换方案，也可以想象出其他几何形状。为了避免直接接触伤口，线交叉305可被结合到软垫区303的较低的织物层，或者被结合到软垫层304中。如果粘贴膏药301一般不用于覆盖伤口，则软垫区303可由此时于其中结合了线交叉305的另一个粘附区代替。

Claims (8)

1.一种可磁化标示器(122，124，115，123，202，203，305)，其具有用于测量所述标示器的信号的传感器(116)，其中通过至多5mT的磁场强度使所述标示器磁化饱和。

2.如权利要求1的标示器，其由至少一个伸长体构成。

3.如权利要求1的标示器，其由软磁性材料层构成，或者具有一个软磁性材料层。

4.如权利要求1的标示器，其中存在磁性颗粒。

5.一种标示器，其具有用于测量静磁场的传感器。

6如权利要求1或5中的标示器，其具有至少两个具有不同前进方向的传感器。

7.如权利要求1或5的标示器，具有生物相容的封装。

8.一种医疗装置(120)，其具有如前述权利要求之一所述的标示器。

9.一种利用标示器用于确定磁性颗粒空间分布的装置，所述标示器如权利要求1-7中任一所述，该装置具有：

a)用于产生具有磁场强度的空间分布的磁场以在检验区域中产生具有较低磁场强度的第一子区和具有较高磁场强度的第二子区的装置，

b)用于改变检验区域中两个子区的空间位置的装置，

c)用于记录信号的装置，该记录取决于磁性颗粒受检验区中的这种变化影响的方式，

d)用于评估该信号以得到关于检验区域中标示器的空间位置信息的装置。

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