CN102469951A - 用于影响和/或探测磁性粒子的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于其中引入了包含磁性粒子的气雾剂的对象内的孔洞的孔洞尺寸确定的装置和方法，特别是用于确定患者肺泡的尺寸，所述患者已吸入包含磁性粒子的气雾剂。为了审查关于肺结构的信息，提出使用磁性粒子成像。在向对象中引入包含磁性粒子的气雾剂之后，尤其是在患者吸入气雾剂之后，在不同时刻相继采集第一和第二探测信号。利用这些探测信号，尤其是强度下降和/或信号衰减时间，以获得关于孔洞——尤其是肺泡内的磁性粒子的扩散的信息，并从其检索关于孔洞——尤其是肺泡的尺寸的信息。

Description

用于影响和/或探测磁性粒子的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于其中引入了包含磁性粒子的气雾剂的对象内的孔洞的孔洞尺寸确定的装置和方法。本发明尤其涉及用于确定患者肺泡的尺寸的装置和方法，所述患者已吸入包含磁性粒子的气雾剂。此外，本发明涉及用于在计算机上实施所述方法和用于控制这种装置的计算机程序。
背景技术
磁性粒子成像(MPI)是一种新兴的医学成像模态。第一个版本的MPI是二维的，因为它们产生二维图像。将来的版本将是三维(3D)的。如果在用于单个3D图像的数据采集期间对象不显著变化，可以通过将3D图像的时间序列组合到电影来创建非静态对象的时间相关图像或4D图像。
MPI是一种重建式成像方法，像计算断层摄影(CT)或磁共振成像(MRI)那样。因此，分两个步骤生成对象的感兴趣体积的MP图像。被称为数据采集的第一步是利用MPI扫描器执行的。MPI扫描器具有生成静态磁梯度场的模块，该静态磁梯度场称为“选择场”，其在扫描器的等中心处具有单个无场点(FFP)。此外，扫描器具有生成时间相关、空间上接近均匀的磁场的模块。实际上，这种场是通过将称为“驱动场”的以小振幅快速变化的场与称为“聚焦场”的以大振幅缓慢变化的场叠加而获得的。通过向静态选择场添加时间相关驱动场和聚焦场，可以在等中心周围的整体扫描体积内沿着预定FFP轨迹移动FFP。扫描器还具有一个或多个——例如三个接收线圈的布置，并且能够记录这些线圈中感应出的任何电压。为了进行数据采集，将要成像的对象放置在扫描器中，使得对象的感兴趣体积被扫描器的视场包围，扫描器的视场是扫描体积的子集。
对象必须包含磁性纳米粒子；如果对象是动物或患者，在扫描之前为动物或患者施用含这种粒子的造影剂。在数据采集期间，MPI扫描器沿着故意选择的轨迹引导FFP，该轨迹描绘出扫描体积，或至少描绘出视场。对象内的磁性纳米粒子经受变化的磁场并通过改变其磁化强度来做出响应。纳米粒子的变化的磁化强度在每个接收线圈中感应出时间相关电压。在与接收线圈相关联的接收器中对这个电压进行采样。接收器输出的样本被记录并构成采集的数据。控制数据采集细节的参数构成扫描协议。
在称为图像重建的图像生成的第二步中，从在第一步中采集的数据计算或重建图像。图像是离散的数据3D数据阵列，其表示视场中磁性纳米粒子的位置相关的浓度的采样近似。通常由执行适当计算机程序的计算机执行重建。计算机和计算机程序实现重建算法。重建算法基于数据采集的数学模型。像所有重建式成像方法那样，这种模型是一种作用于采集的数据的积分算子；重建算法尝试尽可能地取消该模型的作用。
这种MPI装置和方法有下列好处，即可以使用它们以非破坏性方式检查任意的检查对象，例如人体，而不会造成任何损伤，并具有高的空间分辨率，在接近检查对象的表面和远离其表面时都是如此。这样的布置和方法在如下文献中可大致了解并首次进行了描述：DE 10151778A1，以及Gleich，B.和Weizenecker，J.(2005)，“Tomographic imaging using the nonlinearresponse of magnetic particles”，Nature，vol.435，pp.1214-1217。那篇公开中描述的用于磁性粒子成像(MPI)的布置和方法利用了小磁性粒子的非线性磁化曲线。
在肺部成像中，除纯粹通气的空气空间之外，可能有更多的相关参数。使用MRI(磁共振成像)并应用适当的MRI序列，可以确定肺扩散系数，气体的扩散参数可能揭示出对肺结构的更深了解，揭示出对于哮喘、肺气肿和慢性阻塞性肺病的潜在重要信息。表观扩散系数与距肺表面的平均距离相关，从而大的扩散指示例如扩大的肺泡。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于引入了包含磁性粒子的气雾剂的对象内的孔洞的孔洞尺寸确定的替代的装置和方法。
具体而言，本发明的目的是提供一种用于确定患者肺泡的尺寸的装置和方法，所述患者已吸入含磁性粒子的气雾剂，该装置和方法能够揭示出与肺结构相关的信息。
在本发明的第一方面中，提供了一种装置，其包括：
-选择模块，其包括选择场信号发生器单元和选择场生成元件，用于生成其磁场强度具有空间图样的磁选择场，从而在视场中形成具有低磁场强度的第一子区和具有更高磁场强度的第二子区，
-驱动模块，其包括驱动场信号发生器单元和驱动场线圈，用于利用磁驱动场改变所述视场中的所述两个子区的空间位置，从而使得所述磁性材料的磁化强度局部改变，
-接收模块，其包括至少一个信号接收单元和至少一个接收线圈，用于采集探测信号，所述探测信号取决于所述视场中的磁化强度，所述磁化强度受到所述第一和第二子区的空间位置的改变的影响，以及
-处理模块，其用于从引入所述气雾剂之后立即采集的第一探测信号和引入所述气雾剂之后的一持续时间之后采集的第二探测信号确定所述对象内的孔洞的孔洞尺寸。
在本发明的另一方面中，提供了一种对应的方法。
在本发明的另一方面中，提供了一种包括程序代码段的计算机程序，其用于当在计算机上执行所述计算机程序时令所述计算机控制根据本发明的装置以执行根据本发明的方法的步骤。
在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。应当理解，所要求保护的方法和所要求保护的计算机程序与所要求保护的装置和与从属权利要求中所限定的具有类似和/或相同的优选实施例。
本发明基于如下理念，即MPI提供了揭示关于肺结构或更一般而言关于对象内存在的孔洞的尺寸的信息的可能。这样的对比可以基于由于快速布朗转动机制而导致的空气空间中的信号生成。在MPI中，通常排除布朗转动作为液体悬浮液中的信号生成的有效机制。空气的粘度仅为18μPas，导致是水中的磁化速度的多于50倍。因此，能够高效地探测到空气空间中的磁性粒子，即使在各向异性很高而使得Neel过程受阻的时候也是如此。
在磁性粒子达到肺表面(更一般而言，孔洞的壁)时，布朗转动受阻，并且MPI信号(“探测信号”)消失。磁性粒子将通过扩散达到肺表面(孔洞的壁)。可以利用爱因斯坦公式估计扩散速度
x = 2 kTt 2 rηπ ,
其中x是平均行进距离，r是粒子半径，η是介质的粘度，k是玻耳兹曼常数，T是绝对温度，而t为时间。例如，对于空气粘度和40nm的磁性粒子直径，一秒中的平均行进距离x约为50μm。这与典型为50到250μm的典型肺泡空气空间匹配。
在肺气肿中，空气空间扩大，这可以利用MPI探测到。例如，在一实施例中，利用探测信号的信号衰减时间以得到关于肺泡尺寸的信息，然后这能够确定是否有任何缺陷。由此，通常，在一实施例能够通过利用探测信号的信号衰减时间确定孔洞的尺寸。
由于平均行进距离相当短且由于MPI在探测探测信号方面非常快，所以一般不需要在更长时间——例如长于5秒——内屏住呼吸。
以上论述假设磁性粒子具有完全受阻的Neel旋转。虽然如此，在仅具有轻微各向异性的磁性粒子附着到肺(或孔洞)表面时，能够利用探测信号，例如如在一实施例中提出的那样使用信号形状的改变。因此，可以使用现有的氧化铁纳米粒子(例如Resovist)用于这种评估。优选在应用根据本发明的方法之前，即在施加用于采集探测信号的磁场之前，将磁性粒子喷雾成精细气雾剂并被患者吸入(或一般而言，引入对象中)。
为了生成所述气雾剂，根据本发明的装置的实施例包括气雾剂发生器，其特别利用单个化的磁性粒子生成气雾剂。
根据本发明，在吸入/引入气雾剂之后立即采集第一探测信号，并且在吸入/引入气雾剂之后的一持续时间之后——即在被吸入的气雾剂中所包含的磁性粒子在肺泡/孔洞中行进(即扩散)一些时间之后，采集第二探测信号。在磁性粒子尚未达到肺表面/孔洞壁(即它们在其中行进的肺泡/孔洞的表面)时，它们的粘度相当低，从而从那些磁性粒子采集相当高的探测信号。不过，在磁性粒子已到达肺表面/孔洞壁时，它们的粘度相当高，从而从那些磁性粒子采集到相当低的探测信号。由此，如果第一和第二探测信号的采集之间的时间间隙足够长以允许磁性粒子行进一定距离，则可以从那些第一和第二探测信号确定探测信号的差异。
可以应用本发明以确定具有不同尺寸的孔洞的尺寸，孔洞的尺寸包括低于探测信号的分辨率的尺寸。如果用于确定肺泡的尺寸，则探测信号的分辨率一般大于单个肺泡的尺寸。在这种情况下，从探测信号重建的图像的单个体素覆盖一组肺泡。
除了用于确定患者肺泡的尺寸的医学应用之外，应用领域还有生产技术，例如用于确定工件(例如泡沫)中的孔洞的尺寸，以确认孔洞的平均尺寸在预定阈值以下或未超过最大尺寸。另一种应用是确定大块货物包装得有多紧凑，例如以找出包装中是否有大的未使用的区域。
第一和第二探测信号的采集之间的延迟时间取决于孔洞内的介质的粘度和孔洞尺寸。为了测量肺泡的尺寸，典型的延迟时间将在1和5秒之间。不过，优选在后续时间间隔采集超过两组探测信号。
优选地，尤其是为了确定肺泡的尺寸，确定肺泡的平均尺寸。根据被检查的肺泡的区域，使用肺泡尺寸的相应阈值来区分健康(小的)和不健康(大的)肺泡。需要这样做是因为在肺中肺泡的尺寸和出现会改变。这样的阈值通常是预先获得的，优选针对各种肺病获得。一般对于非医学应用同样的情况也成立，其中获得关于典型和非典型的孔洞尺寸的信息以用于确定典型的阈值。
可以应用本发明以确定具有不同尺寸的孔洞的尺寸，孔洞的尺寸包括低于探测信号的分辨率的尺寸。如果用于确定肺泡的尺寸，则探测信号的分辨率一般大于单个肺泡的尺寸。在这种情况下，从探测信号重建的图像的单个体素覆盖一组肺泡。在一实施例中，还能够确定针对成组的肺泡的尺寸的平均值。优选地，针对整个肺进行尺寸确定，不过也能够限于特定区域，例如，在怀疑有区域包括有缺陷的肺泡的情况下。
除了用于确定患者肺泡的尺寸的医学应用之外，应用领域还有生产技术，例如用于确定工件(例如泡沫)中的孔洞的尺寸，以确认孔洞的平均尺寸在预定阈值以下或未超过最大尺寸。另一种应用是确定大块货物包装得有多紧凑，例如以找出包装中是否有大的未使用的区域。
有多种可能可用于从第一和第二探测信号确定对象内的孔洞的孔洞的孔洞尺寸，例如患者肺内的肺泡的尺寸。根据一个实施例，尤其是针对视场中的预定区域，通过比较第一和第二探测信号来确定对象内的孔洞的孔洞尺寸。如根据其他实施例所提出的，从所确定的差异，例如信号衰减的强度和/或信号衰减时间的差异，可以获得关于磁性粒子的行进时间的信息和/或可以估计一定时间段之后已附着于肺(或对象)表面的磁性粒子的百分比，从而能够检索关于肺泡(或孔洞)的尺寸并因此还关于肺的可能缺陷的信息。
优选地，所述处理模块适于分别从所确定的信号衰减的强度或所确定的信号衰减时间生成强度衰减图像和/或衰减时间图像。这样的图像提供了并在视觉上显示了额外信息，其中根据需要呈现肺(或对象)区域的可能的缺陷，例如扩大的肺泡，或者其中孔洞区域更大(或更小)。
根据另一实施例，尤其是针对所述视场中的预定区域，通过从所述第一和第二探测信号生成第一图像和第二图像来确定所述对象内的孔洞的孔洞尺寸，并且这还用于比较所述第一和第二图像。由此，不直接比较所采集的探测信号，而是首先从其生成图像，且然后比较图像。优选地，显示从第一和第二探测信号生成的图像和/或源于其的差分图像。还能够使用图像(或图案)识别工具以自动找到图像中的——尤其是差分图像中的异常区域。
通常，两个替代实施例(首先重建图像且然后比较图像，或者从一个或多个信号衰减时间或信号强度的衰减生成图像)价值相等并且在数学上等价。可能更有例示性的是，用户首先生成图像，且然后从其确定显著参数，例如信号衰减时间。如果还可以从吸附的粒子获得信号，则使用探测信号可能更好。由于在第二次(和更多次)信号采集中已经知道有多少粒子被吸附，所以可以更好地拟合探测信号(利用两个系统函数，一个针对气雾剂中的粒子，一个针对吸附的粒子)。
还可以仅针对预定区域——尤其是针对部分或全部肺泡确定这样的图像。进一步地，如果通过使用其他方法，例如从另一成像模态或另一诊断工具，怀疑某一区域可能有缺陷，则可以将信号采集和/或信号处理限于这样的区域以节省时间。
尽管到目前为止参考第一和第二探测信号的采集解释了本发明，但也能够从在吸入气雾剂之后在后续时刻采集的多个探测信号来确定对象内的孔洞的孔洞尺寸。这增强了所检索的信息的精确度，并提供了从其采集探测信号的各区域中的孔洞尺寸的更多细节。
附图说明
本发明的这些和其他方面将从下文描述的各实施例变得显而易见并参考其加以阐述。在以下附图中：
图1示出了MPI装置的第一实施例；
图2示出了由图1所示的装置产生的选择场图样的示例；
图3示出了MPI装置的第一实施例；
图4示出了根据本发明的MPI装置的方框图；以及
图5示出了健康肺泡和肺气肿肺泡。
具体实施方式
在解释本发明的细节之前，应当参考图1到图4详细解释磁性粒子成像的基本知识。具体而言，将描述用于医学诊断的MPI扫描器的两个实施例。还给出了数据采集的非正式描述。将指出两个实施例之间的相似性和差异。
图1中所示的MPI扫描器的第一实施例10具有三个突出的共轴平行圆形线圈对12、14、16，每一对如图1中所示那样布置。这些线圈对12、14、16用于生成选择场以及驱动场和聚焦场。这三个线圈对12、14、16的轴18、20、22相互正交，并且在标示为MPI扫描器10的等中心24的单个点中相交。此外，这些轴18、20、22用作附着于等中心24的笛卡尔x-y-z坐标系的轴。垂直轴20被指定为y轴，因此x和z轴是水平的。线圈对12、14、16也以其轴命名。例如，y线圈对14是由扫描器顶部和底部的线圈形成的。此外，具有正(负)y坐标的线圈被称为y+线圈(y-线圈)，其余线圈类似。
可以将扫描器10设置成引导预定的时间相关电流通过这些线圈12、14、16中的每一个并沿任一方向。如果在沿线圈的轴观看时电流绕该线圈沿顺时针方向流动，将认为电流是正的，否则是负的。为了生成静态选择场，使恒定的正电流IS流经z+线圈，使电流-IS流经z-线圈。然后z线圈对16充当反平行圆形线圈对。
在图2中由场线50表示通常为梯度磁场的磁选择场。它在生成选择场的z线圈对16的(例如水平的)z轴22的方向上具有基本恒定的梯度，并且在这个轴22上的等中心24中达到零值。从这个无场点(图2中未单独示出)开始，磁选择场50的场强随着距无场点的距离增大而在全部三个空间方向上增大。在由等中心24周围的虚线表示的第一子区或区域52中，场强很小，以致该第一子区52中存在的粒子的磁化强度不饱和，而(区域52外部的)第二子区54中存在的粒子的磁化强度处于饱和状态。扫描器的视场28的无场点或第一子区52优选是空间相干区域；它也可以是点状区域、线或平面区域。在第二子区54中(即在扫描器的视场28的第一子区52外部的剩余部分中)，选择场的磁场强度充分强，以将磁性粒子保持在饱和状态中。
通过改变两个子区52、54在视场28内的位置，视场28中的(总体)磁化强度发生变化。通过测量视场28中的磁化强度或被磁化强度影响的物理参数，可以获得关于视场28中磁性粒子的空间分布的信息。为了改变两个子区52、54在视场28中的相对空间位置，在视场28或至少视场28的一部分中向选择场50叠加其他磁场，即磁驱动场以及必要情况下的磁聚焦场。
为了生成驱动场，使时间相关电流ID 1流经两个x线圈12，使时间相关电流ID 2流经两个y线圈14，并且使时间相关电流ID 3流经两个z线圈16。由此，三个线圈对的每个都充当平行圆形线圈对。类似地，为了生成聚焦场，使时间相关电流IF 1流经两个x线圈12，使电流IF 2流经两个y线圈14，并且使电流IF 3流经两个z线圈16。
应当指出，z线圈对16是特殊的：其不仅生成驱动场和聚焦场的其份额，而且生成选择场。流经z±线圈的电流为ID 3+IF 3+IS。流经其余两个线圈对12、14的电流为ID k+IF k，k＝1、2。因为它们的几何结构和对称性，三个线圈对12、14、16良好解耦。这是所希望的。
由反平行圆形线圈对生成的选择场关于z轴是旋转对称的，并且在等中心24周围的相当大的体积中，选择场的z分量在z上接近线性并独立于x和y。具体而言，选择场在等中心处具有单个无场点(FFP)。相反，由平行圆形线圈对生成的对驱动场和聚焦场的贡献在等中心24周围的相当大的体积中是空间上接近均匀的并平行于相应线圈对的轴。由全部三个平行圆形线圈对联合生成的驱动场和聚焦场在空间上接近均匀，并且可以被赋予任何方向和强度，直到某一最大强度。驱动场和聚焦场也是时间相关的。聚焦场和驱动场之间的差异在于，聚焦场在时间上缓慢变化且具有大振幅，而驱动场快速变化且具有小振幅。以不同方式处理这些场有着物理和生物医学的理由。具有大振幅的快速变化的场会难以生成且对患者是危险的。
MPI扫描器的实施例10具有额外至少一对——优选额外三对——平行圆形线圈，同样沿着x、y和z轴取向。图1中未示出的这些线圈对用作接收线圈。如用于驱动场和聚焦场的线圈对12、14、16那样，由流经这些接收线圈对之一的恒定电流生成的磁场在视场内是空间上接近均匀的并平行于相应线圈对的轴。接收线圈应当是良好解耦的。在接收线圈中感应出的时间相关电压被附接到这个线圈的接收器放大和采样。更确切地说，为了应对这个信号的巨大动态范围，接收器对接收的信号和参考信号之间的差异进行采样。从DC直到预期信号水平降到噪声水平之下的点，接收器的传递函数都是非零的。
图1所示的MPI扫描器的实施例10具有沿z轴22——即沿选择场的轴的圆柱形膛26。所有线圈都放置在这个膛26之外。为了进行数据采集，将要成像(或处置)的患者(或对象)放置在膛26中，使得患者的感兴趣体积——应当成像(或处置)的患者(或对象)的体积——被扫描器的视场28——扫描器能够对其内含物成像的扫描器体积——包围。患者(或对象)例如放置在患者台上。视场28在几何上是膛26内部的简单的等中心体积，例如立方体、球或圆柱。图1中示出了立方体视场28。
第一子区52的尺寸一方面取决于磁选择场的梯度的强度，另一方面取决于饱和所需的磁场的场强。为了使磁性粒子在80A/m的磁场强度和总计50×103A/m2的磁选择场的场强的梯度(在给定空间方向上)下充分饱和，其中的粒子磁化未饱和的第一子区52具有大约1mm的尺度(在给定空间方向上)。
患者的感兴趣体积应当包含磁性纳米粒子。尤其是在例如肿瘤的治疗和/或诊断性处置之前，例如，利用注射到患者(对象)体内或以其他方式施用(例如口服)给患者的含磁性粒子的液体，将磁性粒子定位在感兴趣体积中。
磁性粒子的实施例例如包括：例如玻璃的球形基质，其具备厚度例如为5nm且由例如铁镍合金(例如坡莫合金)构成的软磁层。例如，可以利用涂层覆盖这一层，其保护粒子不受化学和/或物理侵蚀性环境——例如酸的影响。使这种粒子的磁化饱和所需的磁选择场50的磁场强度取决于各种参数，例如粒子的直径、为磁层使用的磁性材料和其他参数。
在例如直径为10μm的情况下，会需要大约800A/m的磁场(大致对应于1mT的通量密度)，而对于100μm的直径，80A/m的磁场就足够了。在选择具有更低饱和磁化强度的材料的涂层或在减小层的厚度时，获得更小的值。可以在市场上买到商标名称为Resovist的一般能够使用的磁性粒子。
对于一般可用的磁性粒子和粒子组成的更多细节，在此援引EP1304542、WO 2004/091386、WO 2004/091390、WO 2004/091394、WO2004/091395、WO 2004/091396、WO 2004/091397、WO 2004/091398、WO2004/091408的对应部分，在此以引用的方式将其并入。在这些文献中，还可以找到一般的MPI方法的更多细节。
数据采集开始于时间ts且结束于时间te。在数据采集期间，x、y和z线圈对12、14、16生成位置和时间相关的磁场，即外加场。这是通过引导适当电流通过线圈实现的。实际上，驱动场和聚焦场到处推动选择场，使得FFP沿着描绘出扫描体积的预选FFP轨迹移动，该扫描体积是视场的超集。外加场对患者体内的磁性纳米粒子进行取向。在外加场变化时，所得的磁化强度也改变，尽管其对外加场的响应是非线性的。变化的外加场和变化的磁化强度之和在沿着xk轴的接收线圈对的端子两端感应出时间相关电压Vk。相关联的接收器将这个电压转换成信号Sk(t)，接收器对其采样并输出。
有利的是在与磁驱动场变化的频带不同的另一频带(偏移到更高频率)中从位于第一子区52中的磁性粒子接收或探测信号。这是可能的，因为：由于磁化特性的非线性，扫描器的视场28中的磁性粒子的磁化改变，从而出现磁驱动场频率的较高谐波的频率分量。
像图1中所示的第一实施例10那样，图3中所示的MPI扫描器的第二实施例30具有三个圆形且互相正交的线圈对32、34、36，但这些线圈对32、34、36仅生成选择场和聚焦场。同样生成选择场的z线圈36被填充以铁磁材料37。本实施例30的z轴42垂直取向，而x轴38和y轴40水平取向。扫描器的膛46平行于x轴38，并因此垂直于选择场的轴42。驱动场由沿x轴38的螺线管(未示出)和沿两个其余轴40、42的鞍形线圈(未示出)对生成。绕着形成膛的管道缠绕这些线圈。驱动场线圈还用作接收线圈。通过高通滤波器发送由接收线圈拾取的信号，该高通滤波器抑制由外加场导致的贡献。
给出这种实施例的一些典型参数：选择场的z梯度G具有强度G/μ0＝2.ST/m，其中μ0为真空磁导率。生成的选择场随时间根本不变化，或者变化相当缓慢，优选介于大约1Hz和大约100Hz之间。驱动场的时间频率谱集中于25kHz附近的窄带中(直到大约100kHz)。接收信号的有用频谱位于50kHz和1MHz之间(最后直到大约10MHz)。膛具有120mm的直径。配合到膛46中的最大立方体48具有的边长。
如以上实施例中所示，可以由相同线圈对的线圈并通过为这些线圈提供适当生成的电流来生成各种磁场。不过，且尤其是为了以更高信噪比解释信号，在时间上恒定(或准恒定)的选择场和时间上可变的驱动场和聚焦场是由分离的线圈对生成的时，可能是有利的。通常，可以将亥姆霍兹型线圈对用于这些线圈，它们例如一般是从具有开放磁体的磁共振装置(开放MRI)领域已知的，在该磁共振装置中射频(RF)线圈位于感兴趣区域上方和下方，所述RF线圈对能够生成时间上可变的的磁场。因此，在此不必再详述这种线圈的构造。
在用于生成选择场的替代实施例中，可以使用永久磁铁(未示出)。在这种(相对的)永久磁铁(未示出)的两个极之间的空间中，形成有类似于图2所示的磁场的磁场，亦即，在相对的磁极具有相同极性时生成的磁场。在另一替代实施例中，可以通过混合至少一个永久磁铁和至少一个线圈来生成选择场。
图4示出了根据本发明的MPI装置10的大致方框图。除非另作说明，上文解释的磁性粒子成像和磁共振成像的一般原理对于本实施例也是有效且适用的。
图4中所示的装置100的实施例包括一组用于生成期望磁场的各种线圈。首先，将解释线圈和它们在MPI模式中的功能。
为了生成上文所解释的磁(梯度)选择场，提供了包括一组选择场(SF)线圈116——优选包括至少一对线圈元件的选择模块。选择模块还包括选择场信号发生器单元110。优选地，为该组选择场线圈116的每个线圈元件(或每对线圈元件)提供分离的发生器子单元。所述选择场信号发生器单元110包括可控的选择场电流源112(一般包括放大器)和滤波器单元114，其为相应部分的场线圈元件提供选择场电流，以单独设置期望方向上的选择场的梯度强度。优选地，提供DC电流。如果将选择场线圈元件布置为相对的线圈，例如在视场的相对的侧上，则优选将相对的线圈的选择场电流相反地取向。
选择场信号发生器单元110由控制单元150控制，该控制单元优选控制选择场电流生成110，从而将选择场所有空间部分的场强之和以及梯度强度之和维持在预定义水平。
为了生成磁聚焦场，该装置100还包括聚焦模块，该聚焦模块包括一组聚焦场(FF)线圈，优选包括三对相对布置的聚焦场线圈元件126a、126b、126c。所述磁聚焦场一般用于改变作用区域的空间位置。聚焦场线圈由聚焦场信号发生器单元120控制，其优选包括针对所述组聚焦场线圈的每个线圈元件(或至少每对线圈元件)的分离的聚焦场信号生成子单元。所述聚焦场信号发生器单元120包括聚焦场电流源122(优选包括电流放大器)和滤波器单元124，用于向应当被用于生成磁聚焦场的所述子组线圈126a、126b、126c的相应线圈提供聚焦场电流。聚焦场电流单元120也由控制单元150控制。
为了生成磁驱动场，该装置100还包括驱动模块，该驱动模块包括一子组驱动场(DF)线圈，优选包括三对相对布置的驱动场线圈元件136a、136b、136c。驱动场线圈由驱动场信号发生器单元130控制，其优选包括针对所述组驱动场线圈的每个线圈元件(或至少每对线圈元件)的分离的驱动场信号生成子单元。所述驱动场信号发生器单元130包括驱动场电流源41(优选包括电流放大器)和滤波器单元42，用于向相应驱动场线圈提供驱动场电流。驱动场电流源41适于生成AC电流，并且也由控制单元150控制。
为了探测信号，提供了接收模块148——尤其是接收线圈——以及信号接收单元140，该信号接收单元接收由所述接收模块148探测的信号。所述信号接收单元140包括用于过滤接收到的探测信号的滤波器单元142。这种滤波的目的是将检查区域中的磁化强度导致的实测值与其他干扰信号分离开，其中检查区域中的磁化强度受到两个部分区域(52、54)的位置改变的影响。为此，可以设计滤波器单元142，例如使得时间频率小于操作接收线圈148的时间频率或小于这些时间频率两倍的信号不通过滤波器单元142。然后通过放大器单元144向模拟/数字转换器146(ADC)传送这些信号。将由模拟/数字转换器146产生的数字化信号馈送给图像处理单元(也称为重建模块)152，该图像处理单元从这些信号和在接收相应信号期间第一磁场的第一部分区域52采取的且由图像处理单元152从控制单元150获得的相应位置重建磁性粒子的空间分布。最后通过控制模块150向计算机154传送所重建的磁性粒子的空间分布，计算机154在监视器156上显示该空间分布。由此，可以显示示出了磁性粒子在检查区域的视场中的分布的图像。
此外，提供输入单元158，例如键盘。因此用户能够设置最高分辨率的期望方向，并进而在监视器156上接收作用区域的相应图像。如果需要最高分辨率的关键方向偏离首先由用户设置的方向，用户仍然能够手动改变方向，以便产生成像分辨率提高的另一图像。也可以由控制单元150和计算机154自动操作这种分辨率提高过程。本实施例中的控制单元150设置第一方向上的梯度场，其被自动估计或由用户设置为起始值。然后逐步改变梯度场的方向，直到由此接收的图像的分辨率最大——即不再提高为止，其中图像的分辨率是由计算机154比较的。因此能够发现——即自动调整最关键的方向，以便接收最高可能的分辨率。
在下文中，将基于确定(或至少估计)患者肺中肺泡的尺寸(或至少平均尺寸)的实施例解释本发明的细节。不过，本发明既不限于这样的实施例，也不限于肺泡尺寸的确定。
为了确定吸入了包含磁性粒子的气雾剂的患者的肺泡的尺寸，计算机(或更一般而言，处理模块)154适于从吸入气雾剂之后立即采集的第一探测信号以及吸入气雾剂之后的一持续时间之后采集的第二探测信号确定肺泡的尺寸。控制单元150由此控制各信号生成模块110、120、130以生成并向相应线圈116、126、136提供适当的控制电流，从而使得它们生成磁场，由此沿着通过视场28中的感兴趣区域的预定轨迹移动无场点(FFP)52(即第一子区)。在FFP 52的这种移动期间，采集探测信号，然后由计算机154处理并评估探测信号。优选沿着同一轨迹将这种FFP移动进行至少两次，并且从同一感兴趣区域(优选地，从感兴趣区域内的同样位置)采集探测信号至少两次。由此，在吸入气雾剂之后立即或短时间内(一般不超过5秒)进行第一次FFP移动和信号采集，并且在第一次FFP移动和信号采集之后短时间(例如1到5秒)进行第二次FFP移动和信号采集。优选地，在吸入期间已经开始了信号采集，将第一数据集(或从其重建的图像)用作第一(参考)数据集。为了获得肺的探测信号的完整数据集，0.5到1秒应当是足够的。
本发明基于如下理念：所吸入的气雾剂包括非常小的磁性纳米粒子，其能够在吸入之后在肺泡内扩散。如果它们到达肺泡的表面，则它们保持附着于表面并且与它们在肺泡内扩散时的先前状态相比粘度减小。不过，这意味着与肺泡内自由扩散的磁性粒子(从其可以获得更高的探测信号)相比，从附着于肺泡表面的磁性粒子发射(并由接收线圈148探测到)更低的探测信号。
根据本发明，通过评估在吸入磁性粒子之后的不同时刻采集的至少两组探测信号来利用这一知识。由于第二探测信号是在至少一部分磁性粒子已经附着于肺泡表面时采集的，所以预计信号强度较低。不过，信号强度的降低量和/或信号衰减时间取决于肺泡的尺寸。具体而言，如果肺泡扩大，像肺气肿的情况那样，则在磁性粒子扩散到肺泡表面之前会花费更长的时间，而对于较小的(健康)肺泡而言这个时间更短。换言之，如果有大的扩散和慢的信号衰减时间，这是肺泡扩大的指示，从而是肺气肿的指示。
由此计算机154适于适当地评估所采集的探测信号，例如，方式为比较探测信号，尤其是信号衰减时间和/或信号强度。还可以从两组探测信号分离地确定图像，并且然后生成差分图像，其能够给出关于有缺陷的肺泡的区域的信息。
如上所述，可以将本发明应用于确定是否有肺气肿。如图5所示，与健康肺泡(图5a)相比，肺气肿的肺泡(图5b)扩大了。
本发明还可以应用于确定患者是否患有哮喘，其中肺的气道会发炎(肿大)，或确定患者是否患有慢性阻塞性肺病(COPD)，其中气道和气囊会放松其弹性质量，很多气囊之间的壁被破坏，气道的壁变厚并发炎(肿大)和/或气道比平常产生更多粘液，容易阻塞气道。
利用本发明，由此主要能够获得关于像肺泡那样的空心结构的平均尺寸的信息，这会给出COPD的指示。连同通过其他方法获得的较少或延迟通气的区域(其可能不会显示出增大的肺泡)或肺的运动分布图(例如以查看硬化)的更多信息，这能够改进诊断或治疗控制。由此，本发明的主要实质效果是提供确定对象中的肺泡或更一般而言孔洞的(平均)尺寸的能力。
尽管在最简单的实施例中，在吸入气雾剂之后的后续时间采集两组探测信号(每组都是在FFP沿着轨迹运动期间采集的)，还能够在后续时间采集更多组探测信号，例如10组探测信号，其中每200ms采集一次探测信号。这提供了更多信息并增强了所实现的结果的精确度。
可以通过喷雾过程产生包含(非常)精细的磁性粒子的气雾剂。理想地，仅有单独的粒子。因此，可以使用高压力设备或电喷雾机构。为了辅助形成精细粒子，有益的是：使用充分低的初始粒子浓度，使得每滴中仅有一个粒子。然后，利用与干空气的混合并加热到体温而使水蒸发。为了实现精细的喷雾，蒸发所需的空气量可能导致过低的粒子浓度。可以通过离心力在旋转的空气涡流中浓缩气雾剂粒子来解决这个问题。
优选利用评估所采集的探测信号——例如空气空间中探测信号的衰减和变化的计算机程序来计算表观扩散系数。或者，可以直接绘制信号衰减的时间常数。
如上所示，本发明提出了用于通气测量的用途。患者必须吸入磁性纳米粒子悬浮液的气雾剂，尤其是纳米喷雾，以评估肺中的扩散。使用适当的磁性粒子，可以对气雾剂和吸附的粒子的特征差异进行成像。通过评估吸入气雾剂之后接下来采集的探测信号来计算表观扩散系数。例如，可以确定肺组织中的每次粒子吸附的时间常数。
尽管已经在附图和前面的描述中详细例示和描述了本发明，但这样的例示和描述被认为是例示性或示范性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附的权利要求，本领域技术人员在实践所请求保护的本发明时能够理解和实现所公开的实施例的其他变化。
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可以完成权利要求中记载的若干项的功能。在互不相同的从属权利要求中记载特定措施的事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制其范围。

Claims (12)

1.一种用于对象内的孔洞的孔洞尺寸确定的装置(100)，已经向所述对象中引入了包含磁性粒子的气雾剂，所述装置包括：
-选择模块，其包括选择场信号发生器单元(110)和选择场生成元件(116)，用于生成其磁场强度具有空间图样的磁选择场(50)，从而在视场(28)中形成具有低磁场强度的第一子区(52)和具有更高磁场强度的第二子区(54)，
-驱动模块，其包括驱动场信号发生器单元(130)和驱动场线圈(136a，136b，136c)，用于利用磁驱动场改变所述视场(28)中的所述两个子区(52，54)的空间位置，从而使得所述磁性材料的磁化强度局部改变，
-接收模块，其包括至少一个信号接收单元(140)和至少一个接收线圈(148)，用于采集探测信号，所述探测信号取决于所述视场(28)中的磁化强度，所述磁化强度受到所述第一和第二子区(52，54)的空间位置的改变的影响，以及
-处理模块(154)，其用于从引入所述气雾剂之后立即采集的第一探测信号和引入所述气雾剂之后的一持续时间之后采集的第二探测信号确定所述对象内的孔洞的孔洞尺寸。
2.根据权利要求1所述的装置(100)，
其中，所述处理模块(154)适于尤其是针对所述视场(28)中的预定区域通过比较所述第一和第二探测信号确定所述对象内的孔洞的孔洞尺寸。
3.根据权利要求2所述的装置(100)，
其中，所述处理模块(154)适于尤其是针对所述视场(28)中的所述预定区域通过从所述第一和第二探测信号的比较确定信号衰减的强度来确定所述对象内的孔洞的孔洞尺寸。
4.根据权利要求2所述的装置(100)，
其中，所述处理模块(154)适于尤其是针对所述视场(28)中的所述预定区域通过从所述第一和第二探测信号的比较确定信号衰减时间来确定所述对象内的孔洞的孔洞尺寸。
5.根据权利要求3或4所述的装置(100)，
其中，所述处理模块(154)适于分别从所确定的信号衰减的强度或所确定的信号衰减时间生成强度衰减图像和/或衰减时间图像。
6.根据权利要求1所述的装置(100)，
其中，所述处理模块(154)适于尤其是针对所述视场(28)中的预定区域通过从所述第一和第二探测信号生成第一图像和第二图像来确定所述对象内的孔洞的孔洞尺寸，并且适于比较所述第一和第二图像。
7.根据权利要求6所述的装置(100)，
其中，所述处理模块(154)适于尤其是针对所述视场(28)中的所述预定区域从所述第一图像和所述第二图像之间的位置相关的减法生成差分图像。
8.根据权利要求2到7中的一项所述的装置(100)，
其中，所述预定区域是单个或一组孔洞。
9.根据权利要求1所述的装置(100)，
其中，所述处理模块(154)适于从引入所述气雾剂之后在后续时刻采集的多个探测信号确定所述对象内的孔洞的孔洞尺寸。
10.根据权利要求1所述的装置(100)，
还包括气雾剂发生器，其用于生成包含磁性粒子的气雾剂，尤其是使所述气雾剂中的磁性粒子单个化。
11.一种用于对象内的孔洞的孔洞尺寸确定的方法，已经向所述对象中引入了包含磁性粒子的气雾剂，所述方法包括如下步骤：
-由包括选择场信号发生器单元(110)和选择场生成元件(116)的选择模块生成其磁场强度具有空间图样的磁选择场(50)，从而在视场(28)中形成具有低磁场强度的第一子区(52)和具有更高磁场强度的第二子区(54)，
-由包括驱动场信号发生器单元(130)和驱动场线圈(136a，136b，136c)的驱动模块利用磁驱动场改变所述视场(28)中的所述两个子区(52，54)的空间位置，从而使得所述磁性材料的磁化强度局部改变，
-由包括至少一个信号接收单元(140)和至少一个接收线圈(148)的接收模块采集探测信号，所述探测信号取决于所述视场(28)中的磁化强度，所述磁化强度受到所述第一和第二子区(52，54)的空间位置的改变的影响，以及
-从引入所述气雾剂之后立即采集的第一探测信号和引入所述气雾剂之后的一持续时间之后采集的第二探测信号确定所述对象内的孔洞的孔洞尺寸。
12.一种包括程序代码段的计算机程序，其用于在计算机上执行所述计算机程序时令所述计算机控制根据权利要求1所述的装置以执行根据权利要求11所述的方法的步骤。
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