CN101626725A - 用于磁性粒子成像的设备、用于影响和/或检测多个和单个磁性粒子的方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于磁性粒子成像的设备和用于影响和/或检测作用区域中的磁性粒子的方法，所述设备包括：作用区域中的磁性粒子，所述磁性粒子可影响和/或可检测，选择装置，用于产生具有磁场强度空间图案的磁选择场，以便在所述作用区域中形成具有相对较低的磁场强度的第一子区和具有相对较高的磁场强度的第二子区，驱动装置，用于通过磁驱动场改变作用区域中两个子区空间中的位置，以便磁性粒子的磁化局部变化，其中每个磁性粒子包括具有不锈钢层的非磁衬底。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于磁性粒子成像的设备。此外，本发明涉及一种用于影响和/或检测作用区域中的多个磁性粒子的方法和在这种设备和/或这种方法中使用的磁性粒子。
背景技术
从德国专利申请DE 101 51 778 A1中可以获知这种设备和方法。在该公开中所述的方法的情况中，首先，产生具有磁场强度空间分布的磁场，以便在检查区中形成具有相对较低的磁场强度的第一子区和具有相对较高的磁场强度的第二子区。然后，检查区中的各子区的空间位置被移动，以便检查区中的粒子的磁化局部变化。记录取决于检查区中的磁化的信号，所述磁化已经受到子区的空间位置移动的影响，并且从这些信号提取关于检查区中磁性粒子的空间分布的信息，以便可以形成检查区的图像。这种设备和这种方法具有的优点在于，它可以用于对随机的检查对象-例如人体-以非破坏的方式进行检查并且不会造成任何伤害还具有高的特别分辨率，既可以靠近检查对象的表面也可以远离检查对象的表面。
在已知的这种设备中，示踪材料的性能对于整个方法的性能是至关重要的。非单一域粒子的缺陷在于它们的性能并不充分，因为由粒子(或域)“看到”的磁场由去磁场支配。其结果意味着在低应用的磁场下，磁化只能随着外部磁场线性地变化。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种最初提到的设备和方法，其中使用具有减少的去磁系数的非单一域粒子。
上述目的通过一种用于磁性粒子成像的设备实现，所述设备包括：
-作用区域中的磁性粒子，所述磁性粒子是可影响和/或可检测的，
-选择装置，用于产生具有磁场强度空间图案的磁选择场，以便在所述作用区域中形成具有相对较低的磁场强度的第一子区和具有相对较高的磁场强度的第二子区，
-驱动装置，用于通过磁驱动场改变作用区域中两个子区的空间位置，以便磁性粒子的磁化局部变化，
其中每个磁性粒子包括具有不锈钢层的非磁衬底。
上述目的还通过一种用于影响和/或检测作用区域中的磁性粒子的方法实现，其中所述方法包括步骤：
-将磁性粒子引入作用区域，每个磁性粒子包括具有不锈钢层的非磁衬底，
-产生具有磁场强度空间图案的磁选择场，以便在所述作用区域中形成具有相对较低的磁场强度的第一子区和具有相对较高的磁场强度的第二子区，
-通过磁驱动场改变作用区域中两个子区的空间位置，以便磁性粒子的磁化局部变化。
根据本发明的创造性设备和方法的优点在于磁性粒子提供了相当高的信号强度。涂覆了非磁衬底的不锈钢的去磁系数有利地低于相同尺寸的大型磁衬底的去磁系数。
根据本发明，可以理解的是，所述选择装置和/或所述驱动装置和/或所述接收装置至少可以部分地以单个线圈或螺线管的形式提供。然而，根据本发明优选地是，提供分开的线圈以形成所述选择装置、驱动装置和接收装置。此外，所述选择装置可以包括一个或多个永久磁体，其与作用区域的距离比驱动装置远。此外，根据本发明，所述选择装置和/或所述驱动装置和/或所述接收装置的每一个可以由分开的独立部分构成，特别是分开的独立线圈或螺线管，这样设有和/或设置以便分开的部分一起形成所述选择装置和/或所述驱动装置和/或所述接收装置。尤其是对于所述驱动装置和/或所述选择装置，多个部分，特别是线圈对(例如在Helmholtz或反Helmholtz构造中)是优选地，以便可以产生和/或检测在不同空间方向上定向的磁场分量。
本发明的另一个目的是一种用在根据本发明的设备和/或用在根据本发明的方法中的磁性粒子，所述磁性粒子包括具有不锈钢层的非磁衬底。
考虑到材料成本和/或生产过程，所述磁性粒子在生产过程中具有优势。本发明意义下的不锈钢在许多自然和人造环境中具有比其它钢制品更高的抗氧化性和抗腐蚀性。特别地，根据本发明，不锈钢是最少有10.5％铬的铁合金。优选地，所述磁性粒子不包括任何保护涂层，因为所述不锈钢层自身有利地具有抵抗力。
根据本发明，优选的是不锈钢层是弱磁性。有利地，通过使用弱磁性不锈钢防止了粒子的凝聚。本发明意义下的弱磁性意味着饱和磁化值低于0.8特斯拉。有利地，饱和磁化值位于0.1特斯拉和0.6特斯拉之间。饱和磁化以特斯拉规定，这在国际单位系统(SI)的意义下不完全准确。为了获得准确值，必须除以磁场常数μ0，因为特斯拉是磁通量密度的单位。
根据本发明进一步优选的是所述衬底是球形的。更为优选的是所述衬底是玻璃衬底。
根据本发明进一步优选的是所述衬底的直径比所述层的厚度至少大1000倍，更优选的是所述衬底的直径比所述层的厚度至少大10000倍。有利地，通过增加衬底直径和层厚度之间的比值可以减小磁性粒子的去磁系数。
形成所述层的不锈钢合金的优选例子至少包括元素镍、锰、钼、铜和铌之一。
根据本发明，优选的是所述不锈钢合金包括铬，尤其重量上在10.5％和20％之间，更为优选的是重量在14％和16％之间。
此外，优选的是，所述不锈钢合金包括镍，尤其重量上在5％和15％之间，更为优选的是重量在8％和12％之间。
此外，优选的是，所述不锈钢合金包括锰，尤其重量上在0.5％和4％之间，更为优选的是重量在1.5％和2.5％之间。
根据下面的详细描述(其通过举例说明了本发明的原理)并结合附图，本发明的这些和其它特点、特征和优点将变得显然。所作描述仅出于举例的目的，并不限制本发明的范围。下面引出的参考图是指附图。
附图说明
图1说明了根据本发明的用于实现根据本发明的方法的设备。
图2说明了由根据本发明的设备产生的场线图案的示例。
图3说明了作用区域中存在的磁性粒子的放大图。
图4a和4b说明了这种粒子的磁化特点。
具体实施方式
将针对特定实施例并参考附图描述本发明，但是本发明不局限于此而仅受权利要求限制。所示附图仅是示意性的而并不进行限制。在附图中，为了说明目的，一些元素的尺寸可能被放大而没有按照比例绘制。
其中当涉及单个名词时使用了非限定或限定用语，例如“一”、“一个”、“该”，这包括该名词的复数，除非有明确说明。
此外，说明书和权利要求中的用语第一、第二、第三等等用于在相似的元素之间进行区分，并不必然描述空间或时间顺序。可以理解的是，这样使用的术语在适当的环境下可以相互转换，并且这里所述的本发明的实施例能够以这里所述以外的其它顺序操作。
此外，说明书和权利要求中的用语上、下、上方、下方等等用于说明目的并不必然描述相对位置。可以理解的是，这样使用的术语在适当的环境下可以相互转换，并且这里所述的本发明的实施例能够以这里所述以外的其它方位操作。
请注意，说明书和权利要求中的用语“包括”不应当解释为局限于其后所列出的装置，它不排除其它元件或步骤。因此，这样的表达“包括装置A和B的设备”的范围不应当局限于仅仅包括组件A和B的设备。它意味着，针对本发明，所述设备只涉及到的组件是A和B。
附图1中，示出通过根据本发明的设备10被检查的随机对象。图1中的附图标记350指代对象，此情况下为人或动物患者，其被设置在患者台上，只有上部的部分被示出。在应用根据本发明的方法之前，在本发明设备10的作用区域300中设置磁性粒子100(图1中未示出)。尤其是在例如肿瘤的治疗和/或诊断处理之前，通过被注射进入患者350体内的包括磁性粒子100的液体(未示出)，在作用区域300中定位磁性粒子100。
作为本发明的实施例，图2所示的设备10包括多个线圈，其形成选择装置210，它的范围限定了作用区域300，也被称为处理区域300。例如，在患者350上方和下方或台面上方和下方设置选择装置210。例如，选择装置210包括第一对线圈210’、210”，每个包括两个同样构造的绕组210’和210”，其同轴地设置于患者350的上方和下方，并且穿过同样的电流，尤其是以相反的方向。下面，所述第一线圈对210’、210”一起被称为选择装置210。优选地，在此情况下使用直流电。
选择装置210产生磁选择场211，其通常是梯度磁场，在图2中由场线示意性地表示。在选择装置210的线圈对的轴向上(例如垂直)，它具有基本上恒定的梯度，并且在该轴的点上达到零值。从该无场点(图2中没有单独示出)开始，随着到所述无场点的距离增加，磁选择场211的场强度在所有三个空间方向上增加。在由无场点周围的虚线表示的第一子区301或区域301中，场强度非常小以至于该第一子区301中存在的粒子100的磁化不饱和，而第二子区302(区域301之外)中存在的粒子100的磁化处于饱和状态。作用区域300的无场点或第一子区301优选地是空间连贯领域；它也可以是点状领域或线或平面领域。在第二子区302(即区域301之外的作用区域300的剩余部分)中磁场强度足够强，以保持粒子100处于饱和状态。通过改变作用区域300里的两个子区301、302的位置，作用区域300中的(整个)磁化发生变化。通过测量作用区域300中的磁化或由磁化影响的磁性粒子的物理参数，可以获得有关作用区域中的磁性粒子的空间分布的信息。为了改变作用区域300里的两个子区301、302的相对空间位置，给作用区域300或至少部分作用区域300中的选择场211叠加上另一磁场，即所谓的磁驱动场221。
图3示出与本发明的设备10一起使用的、根据本发明的磁性粒子100的示例。它包括非磁衬底101，例如它是球形的。所述非磁衬底101例如由玻璃制成。非磁衬底101设有不锈钢层102，其厚度例如为5nm。该不锈钢层102不用任何涂层覆盖，因为所述层102自身有利地抵抗化学和/或物理侵蚀环境，例如酸。这种粒子100的磁化饱和所需的磁选择场211的磁场强度取决于各种参数，尤其是粒子100的直径、不锈钢层102的厚度及它们的比值。本领域技术人员可以认识到所述粒子100并不给出层102的厚度和衬底101的直径之间的准确比例。事实上，衬底101的直径大约近似于磁性粒子100的直径。
在例如衬底101(或磁性粒子100)的直径为10μm的情况下，则需要大约800A/m(大约对应于1mT的通量密度)的磁场，而100μm的情况下，80A/m的磁场即足够。当减少不锈钢层102的厚度时，甚至可以获得更小的值。
第一子区301的尺寸一方面取决于磁选择场211的梯度的强度，另一方面取决于饱和所需的磁场的场强度。为了在磁场强度为80A/m以及磁选择场211(在给定的空间方向上)的场强梯度等于160·103A/m2时磁性粒子100的充分饱和，其中粒子100的磁化未饱和的第一子区301具有大约1mm的尺寸(在给定的空间方向上)。通过增加磁场强度，特别是磁选择场211的磁梯度强度，可以提高根据本发明的设备10的空间分辨率。
当另一磁场(下面称为磁驱动场221)被叠加给作用区域300中的磁选择场210(或斜率磁场210)时，第一子区301在该磁驱动场221的方向上相对于第二子区302发生移动；该移动的程度随着磁驱动场221的强度的增加而增加。当所叠加的磁驱动场221随时间可变时，第一子区301的位置相应地随时间和空间变化。比起磁驱动场221变化的频带，以另一频带(被移动至更高频率)来接收或检查来自位于第一子区301中的磁性粒子100的信号是有利的。这可能是因为出现了磁驱动场221频率的更高谐波的频率分量，其原因是由于磁化特征的非线性而造成作用区域300中磁性粒子100的磁化变化。
为了对于空间中的任何给定方向产生这些磁驱动场221，这里设有另外三个线圈对，即第二线圈对220’、第三线圈对220”和第四线圈对220”’，下面一起被称为驱动装置220。例如，第二线圈对220’产生磁驱动场221的一分量，其在第一线圈对210’、210”或选择装置210(即示例为垂直地)的线圈轴的方向上延伸。为此，第二线圈对220’的绕组在相同方向上穿过等量的电流。可以利用第二线圈对220’实现的所述效果原则上也可以利用第一线圈对210’、210”中相反的、等量电流在相同方向上的叠加来实现，以便电流在一个线圈中减少，而在另一线圈中增加。然而，尤其是为了具有更高信噪比的信号解释，当时间上恒定(或准恒定)的选择场211(也称为梯度磁场)和随时间可变的垂直磁驱动场是由选择装置210的和驱动装置220的分离线圈对形成的时候是有利的。
设有另外两个线圈对220”、220”’，以便产生磁驱动场221的分量，其在空间的不同方向上延伸，例如在作用区域300(或患者350)的纵向方向上以及在与其垂直的方向上水平地延伸。如果Helmholtz类型的第三和第四线圈对220”、220”’(如选择装置210和驱动装置220的线圈对)用于此目的，则这些线圈对必须被分别设置于处理区域的左边或右边或者该区域的前面和后面。这会影响作用区域300或处理区域300的可达性。因此，第三和/或第四磁线圈对或线圈220”、220”’也可以被设置在作用区域300的上方和下方，并且因此它们的绕组配置必须与第二线圈对220’的绕组配置不同。然而这种类型的线圈可以从具有开放式磁体(开放式MRI)的磁共振装置领域中获知，其中射频(RF)线圈对位于处理区域的上方和下方，所述RF线圈对能够产生水平的、随时间可变的磁场。因此，这种线圈的构造在这里不需要进一步阐述。
根据本发明的设备10还包括选择装置230，它仅在图1中示出。选择装置230通常包括能够检测由作用区域300中的磁性粒子100的磁化图案感应出的信号的线圈。然而，这种类型的线圈可以从磁共振装置领域中获知，其中射频(RF)线圈对位于作用区域300周围，以便具有尽可能高的信噪比。因此，这种线圈的构造在这里不需要进一步阐述。
通常用于或在选择装置210、驱动装置220和接收装置230的不同部件中使用的频率范围大体如下：由选择装置210产生的磁场并不在所有时间上变化或者所述变化较慢，优选地在大约1Hz和100Hz之间。由驱动装置220产生的磁场优选地在大约25kHz和大约100kHz之间变化。被认为敏感的接收装置的磁场变化优选地在大约50kHz和大约10MHz的频率范围内。
图4a和4b示出磁化特征，即在各粒子处于分散时粒子100的磁化M的变化(图4a和4b未示出)，其作为所述粒子100的位置处的磁场强度H的函数。所表现出的是磁化M不再变化超过磁场强度+Hc和低于磁场强度-Hc，这意味着具有饱和的磁化。所述磁化M在值+Hc和-Hc之间不饱和。
图4a示出在粒子100的某位置处的正弦磁场H(t)的效果，所述位置处所产生的正弦磁场H(t)(即“由粒子100所看到的”)的绝对值低于使粒子100磁性饱和所需的磁场强度，即在没有其他磁场活跃的情况下。这种条件下粒子100或多个粒子100的磁化在它的饱和值之间以磁场H(t)的频率的节奏往复运动。所产生的磁化时间上的变化由图4a右侧的标记M(t)所表示。所表现出的是所述磁化也是周期性地变化并且该粒子的磁化被周期性地反转。
曲线中央的虚线部分表示磁化M(t)的近似平均变化，其作为正弦磁场H(t)的磁场强度的函数。由于从该中央线的偏离，当磁场H从-Hc增加至+Hc时所述磁化稍向右延伸，而当磁场H从+Hc降低至-Hc时所述磁化稍向左延伸。这种已知的效果被称为滞后效应，其作为热产生机制的基础。形成在弯曲路径之间并且其形状和尺寸取决于材料的所述滞后表面面积是用于根据磁化的变化产生热的一个量度。
图4b示出其上叠加了稳定磁场H1的正弦磁场H(t)的效果。因为所述磁化处于饱和状态，因此它实际上不受正弦磁场H(t)的影响。所述磁化M(t)在该区域随时间保持恒定。因此，磁场H(t)不造成磁化状态的变化。
Claims (10)
1.一种用于磁性粒子成像的设备(10)，所述设备包括：
-作用区域(300)中的磁性粒子(100)，所述磁性粒子是可影响的和/或可检测的，
-选择装置(210)，用于产生具有磁场强度空间图案的磁选择场(211)，以便在所述作用区域(300)中形成具有相对较低的磁场强度的第一子区(301)和具有相对较高的磁场强度的第二子区(302)，
-驱动装置(220)，用于通过磁驱动场(221)改变作用区域(300)中两个子区(301，302)的空间位置，以便所述磁性粒子(100)的磁化局部变化，
其中每个磁性粒子(100)包括具有不锈钢层(102)的非磁衬底(101)。
2.一种用于影响和/或检测作用区域(300)中的磁性粒子(100)的方法，其中所述方法包括步骤：
-将磁性粒子(100)引入作用区域(300)，每个磁性粒子(100)包括具有不锈钢层(102)的非磁衬底(101)，
-产生具有磁场强度空间图案的磁选择场(211)，以便在所述作用区域(300)中形成具有相对较低的磁场强度的第一子区(301)和具有相对较高的磁场强度的第二子区(302)，
-通过磁驱动场(221)改变作用区域(300)中两个子区(301，302)的空间位置，以便所述磁性粒子(100)的磁化局部变化。
3.用于根据权利要求1的设备(10)和/或用于根据权利要求2的方法中的磁性粒子(100)，所述磁性粒子(100)包括具有不锈钢层(102)的非磁衬底(101)。
4.根据权利要求3的磁性粒子(100)，其中不锈钢层(101)为弱磁性。
5.根据权利要求3的磁性粒子(100)，其中所述衬底(101)为球形。
6.根据权利要求3的磁性粒子(100)，所述衬底(101)的直径比所述层(101)的厚度至少大1000倍，优选地所述衬底(101)的直径比所述层(101)的厚度至少大10000倍。
7.根据权利要求3的磁性粒子(100)，其中所述层(101)由至少具有元素镍、锰、钼、铜和铌之一的不锈钢合金制成。
8.根据权利要求7的磁性粒子(100)，其中所述不锈钢合金包括铬，优选地重量上在10.5％和20％之间。
9.根据权利要求7的磁性粒子(100)，其中所述不锈钢合金包括镍，优选地重量上在5％和15％之间。
10.根据权利要求7的磁性粒子(100)，其中所述不锈钢合金包括锰，优选地重量上在0.5％和4％之间。
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