CN102469952A - 用于确定至少一个电磁量的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定表征对象、尤其是人体的电磁性质的至少一个电磁量的设备(100)，其中所述对象包含磁性颗粒。应用磁性颗粒成像(MPI)的已知原理的该设备(100)包括：选择装置，其用于生成具有呈现出无场点(FFP)的已知场图案的磁选择场(50)；驱动装置，其用于借助磁驱动场改变FFP的空间位置；接收装置，其用于采集视场(28)之内取决于磁性颗粒的磁化的探测信号；以及重建单元(152)，其用于根据探测信号重建颗粒分布量。该设备(100)还包括控制单元(150)，其用于控制接收装置，以采集与第一驱动场频率对应的第一组探测信号以及与第二驱动场频率对应的第二组探测信号，两个驱动场频率彼此不同。控制单元(15)还控制重建单元(152)，以根据第一组探测信号重建第一颗粒分布量，以及根据第二组探测信号重建第二颗粒分布量。该设备(100)还包括确定单元(160)，其用于根据第一颗粒分布量和第二颗粒分布量确定电磁量。本发明还涉及对应的方法以及计算机程序。

Description

用于确定至少一个电磁量的设备和方法

技术领域

本发明涉及用于确定至少一个电磁量的设备和对应方法。此外，本发明涉及用于在计算机上实现所述方法和控制这种设备的计算机程序。

背景技术

在医学成像中，使用生物组织的性质产生图像对比度。例如，对于不同类型的组织，电导率是不同的。因此，表征遍及人体至少一部分的传导率分布的传导率量对于区分人体的不同组织而言是重要的。例如，可以使用所述传导率量区分肿瘤和健康组织或心肌梗塞之后的坏死组织和存活组织。也可以使用所述传导率量支持与中风或脑出血相关的脑组织的表征。

已知有很多确定电磁量的方法。例如，使用一种称为“电阻抗断层成像”(EIT)的方法进行传导率测量，并从而用于确定传导率量。在这种方法中，将导电电极附接于要检查的人的皮肤并跨过电极施加电流。这种方法的重大缺点是附接电极需要大量时间。还有，空间分辨率不是非常高。

在WO 2007/017779A2中，描述了一种方法，称为使用MRI系统或MRI扫描器的“电磁性质断层成像”(EPT)。利用这种方法，可以确定遍及患者身体的介电常数的分布和/或电导率的分布。在这种方法中，施加激励电磁场以激励对象的自旋。从被激励对象采集磁共振信号。从采集的磁共振信号导出磁感应场强分布。此外，利用磁场和麦克斯韦方程计算与激励电磁场相关联的电场强度分布。从电场强度分布和磁感应场强分布计算介电常数分布和/或电导率分布。虽然在可以进行测量之前做准备所需的时间量相对较小，但是因为以下缺点，使用这种方法是受限制的：第一，激励电磁场的频率被固定到所涉及MR系统的所谓拉莫尔频率，这个频率显著高于大多数对应研究所需的频率。第二，因为对于MR系统不能旋转激励电磁场，所以仅能够针对非常少量的部分“可旋转”身体部分，像手、脚和头进行电导率各向异性的研究。第三，MR扫描器是相当昂贵的成像模态，尤其是由于对EPT而言它“仅仅”用于生成和测量磁场。

“磁性颗粒成像”(MPI)是新兴的医学成像模态。第一个版本的MPI是二维的，因为它们生成二维图像。将来版本将是三维(3D)的。如果在针对单个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(movie)来生成非静态对象的时间相关性，或4D图像。

MPI是一种重建式成像方法，像计算机断层摄影成像(CT)或磁共振成像(MRI)那样。因此，分两步生成对象的感兴趣体积的MP图像。第一步被称为数据采集，是利用MPI扫描器执行的。MPI扫描器具有生成静态梯度磁场的装置，静态梯度磁场称为“选择场”，其在扫描器的等中心具有单个无场点(FFP)。此外，扫描器具有生成时间相关性、空间上接近均匀的磁场的装置。实际上，通过将称为“驱动场”的小振幅迅速变化的场与称为“聚焦场”的大振幅缓慢变化的场叠加来获得这种场。通过向静态选择场添加时间相关性驱动和聚焦场，可以在等中心周围的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的任何电压。为了进行数据采集，将要成像的对象放在扫描器中，使得对象的感兴趣体积被扫描器的视场包围，感兴趣体积是扫描体积的子集。

对象必须包含磁性纳米颗粒；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颗粒的造影剂。在数据采集期间，MPI扫描器沿着人为选择的轨迹引导FFP，该轨迹描绘出扫描体积，或至少描绘出视场。对象之内的磁性纳米颗粒经受变化的磁场并通过改变其磁化来做出响应。纳米颗粒变化的磁化在每个接收线圈中诱发时间相关性电压。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。

在图像生成的称为图像重建的第二步中，从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阵列，表示视场中磁性纳米颗粒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设备和方法有下列好处，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。在如下文献中可大致了解并在其中首先描述了这样的装置和方法：DE 10151778A1，以及Gleich，B.和Weizenecker，J.(2005)，“Tomographic imaging using the nonlinearresponse of magnetic particles”，Nature，vol.435，第1214-1217页。那篇公开中描述的用于磁性颗粒成像(MPI)的布置和方法利用了小磁性颗粒的非线性磁化曲线。迄今为止MPI设备和方法还不适于确定电磁量。

发明内容

本发明的目的是提供一种替代的设备和相应方法以及计算机程序，用于确定表征对象、尤其是人体的电磁性质的至少一个电磁量，通过其可以在任意频率尤其是低频下执行测量，并且通过其可以旋转磁场的方向。

在本发明的第一方面中，提供了一种用于确定表征对象、尤其是人体的电磁性质的至少一个电磁量的设备，其中所述对象包含磁性颗粒，所述设备包括：

-选择装置，其包括选择场信号发生器单元和选择场元件，所述选择装置用于生成其磁场强度具有空间图案的磁选择场，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，

-驱动装置，其包括驱动场信号发生器单元和驱动场线圈，所述驱动装置用于利用磁驱动场改变视场中两个子区的空间位置，使得所述对象中包含的磁性颗粒的磁化发生局部改变，

-接收装置，其包括至少一个信号接收单元和至少一个接收线圈，所述接收装置用于采集探测信号，所述探测信号取决于视场中的磁化，所述磁化受到所述第一子区和第二子区的空间位置变化的影响，

-重建单元，其用于根据所述探测信号重建颗粒分布量，所述颗粒分布量表征所述对象的至少一部分之内所述磁性颗粒的空间分布，

-控制单元，其用于控制所述接收单元，以采集与第一驱动场频率对应的第一组探测信号并采集与第二驱动场频率对应的第二组探测信号，其中所述第一驱动场频率和第二驱动场频率彼此不同，并控制单元用于控制所述重建单元，以根据所述第一组探测信号重建第一颗粒分布量并根据所述第二组探测信号重建第二颗粒分布量，其中所述重建单元包含确定单元，用于根据所述第一颗粒分布量和第二颗粒分布量确定所述电磁量。

在本发明的另一方面中，提供了一种用于确定表征对象、尤其是人体的电磁性质的至少一个电磁量的方法，其中所述对象包含磁性颗粒，所述方法包括如下步骤：

-生成其磁场强度具有空间图案的磁选择场，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，

-借助磁驱动场改变所述视场中两个子区的空间位置，使得所述对象中包含的磁性颗粒的磁化局部变化，

-采集探测信号，所述探测信号取决于所述视场中的磁化，所述磁化受到所述第一子区和第二子区的空间位置改变的影响，

-根据所述探测信号重建颗粒分布量，所述颗粒分布量表征所述对象的至少一部分之内所述磁性颗粒的空间分布，

-控制与第一驱动场频率对应的第一组探测信号的采集和与第二驱动场频率对应的第二组探测信号的采集，其中所述第一驱动场频率和第二驱动场频率彼此不同，

-控制根据所述第一组探测信号对第一颗粒分布量的重建以及根据所述第二组探测信号对第二颗粒分布量的重建，以及

-根据所述第一颗粒分布量和第二颗粒分布量确定所述电磁量。

在本发明的另一方面中，提供了一种包括程序代码模块的相应计算机程序，在计算机上执行所述计算机程序时，程序代码模块令所述计算机控制所述设备以执行所述的方法的步骤。

在从属权利要求中界定了本发明的优选实施例。应当理解，所请求保护的方法和所请求保护的计算机程序与所请求保护并在从属权利要求中界定的设备具有相似和/或相同的优选实施例。

本发明主要基于如下创意：使用磁性颗粒成像(MPI)系统，因此使用MPI扫描器来在感兴趣体积内部、尤其是人体或患者的至少一部分内部生成和确定磁场。为了利用MPI系统执行测量，要检查的对象必须含有磁性颗粒。使用所获得的空间解析磁场来确定至少一个电磁量(例如使用麦克斯韦方程)，其中该电磁量表征对象的电磁性质。于是，重建患者的电学性质并从而在人体不同组织之间进行区分成为可能。使用MPI扫描器允许生成至少与MRI相比呈现出非常宽的频率范围的磁场。具体而言，能够生成呈现低频的磁场，该低频明显低于MRI中典型应用的频率，其中MRI频率典型地高于40MHz(f＞40MHz)。于是，例如能够研究电磁量的频谱。此外，能够容易地旋转利用MPI扫描器生成的磁场方向。这样例如允许研究电磁量的各向异性。最后但并非最不重要地，相对于采集成本而言，MPI扫描器比MRI扫描器显著更便宜。

使用MPI系统或MPI扫描器的具体方式如下：采集与第一驱动场频率对应的第一组探测信号，以及采集与第二驱动场频率对应的第二组探测信号，其中第一驱动场频率和第二驱动场频率彼此不同。根据第一组探测信号，重建第一颗粒分布量，根据第二组探测信号，重建第二颗粒分布量。最后，根据第一颗粒分布量和第二颗粒分布量确定电磁量。

出于如下原因确定与两个不同驱动场频率对应的两组探测信号：随着驱动场频率增大，MPI系统的线圈生成的磁场或RF场与要检查或成像的对象之间的交互作用变得更加显著。所述交互作用是确定电磁量或执行电磁性质断层成像的前提。所述交互作用包括感生电流、损耗和衰减，它们使MPI扫描器生成的磁场畸变。这种畸变对该组探测信号有影响，因此不可避免地对根据该组探测信号重建的颗粒分布量有影响。因此，颗粒分布量不仅仅表示要检查对象中所含磁性颗粒或造影剂的分布，而且还受到所述场畸变效应的影响。

为了量化场畸变效应并因而提取源自场畸变的该组探测信号的量，因此提取颗粒分布量中源自场畸变的量，利用呈现不同驱动场频率的两个不同磁驱动场执行两次MPI测量。执行第一次测量，选择第一轨迹，因此选择第一驱动场频率，以生成低频分量支配的第一信号谱。由于驱动场频率低的原因，利用该第一次测量采集的第一组探测信号，且因此第一颗粒分布量对于大部分而言仅表示磁性颗粒的分布，如要检查的身体解剖结构，且因此由所述身体中所含不同类型组织给出的那样。执行第二次测量，选择第二轨迹，因此选择第二驱动场频率，以生成高频分量支配的第二信号谱。由于驱动场频率高的原因，所以利用该第二次测量采集的第二组探测信号，且因此第二颗粒分布量也表示磁性颗粒的分布，不过这种分布被上述场畸变效应模糊。第二驱动场频率必须要足够高，以激励要检查的身体，从而明确地发生场畸变效应。

至于确定电磁量，使用两个颗粒分布量，可以通过消除第二颗粒分布量中表示磁性颗粒分布的量来提取第二颗粒分布量中的表示场畸变效应的确定电磁量所需的量。因此，能够以非常容易的方式确定电磁量，无需拥有关于要检查身体的具体解剖结构的详细信息。

可以发现，第一驱动场频率有利地位于低于100kHz的最高频率的第一频率范围之内(f₁＜100kHz)，而第二驱动场频率有利地位于最低频率高于1MHz且最高频率低于大致10MHz的第二频率范围(1MHz＜f₂＜10MHz)之内。

根据优选实施例，所述控制单元适于控制所述驱动场信号发生器单元，以生成呈现所述第一驱动场频率的第一磁驱动场并生成呈现所述第二驱动场频率的第二磁驱动场。这种措施允许精确地选择两个驱动场频率，从而以可能最好的方式提取第二颗粒分布量中表示场畸变效应的量。因此，收到确定电磁量的最好结果。

有利地，除驱动场频率之外，还选择驱动场振幅。结果，在第一磁驱动场具有小的第一驱动场振幅，并且第二磁驱动场具有大的驱动场振幅时，获得了确定电磁量的最好结果。这意味着，第一驱动场振幅小于第二驱动振幅(A₁＜A₂)。

根据另一实施例，所述控制单元适于控制所述驱动场信号发生器单元，从而相继生成所述第一磁驱动场和第二磁驱动场。这种措施有下列好处，两组探测信号都是独立采集的，因此可以最好地提取第二颗粒分布量中表示场畸变效应的确定电磁量所需的量，从而非常精确地确定电磁量。

根据另一个实施例，所述控制单元适于控制所述驱动场信号发生器单元，以生成同时呈现所述第一驱动场频率和第二驱动场频率的第三磁驱动场。利用这种措施，减少了确定电磁量所需的时间，因为仅利用单个磁驱动场执行单次测量，而不是利用两个独立的磁驱动场执行两次独立测量。在第一实施例中，通过叠加第一磁驱动场和第二磁驱动场获得第三磁驱动场。这是通过如下方式实现的：生成流经驱动场线圈的驱动场电流，该电流是仅生成第一磁驱动场时流经驱动场线圈的第一驱动场电流和仅生成第二磁驱动场时流经驱动场线圈的第二驱动场电流的叠加。在第二实施例中，使用包含作为基本振荡的第一驱动场频率和若干谐波的驱动场电流，其中谐波之一是第二驱动场频率。

此外，在叠加第一磁驱动场和第二磁驱动场获得第三磁驱动场的情况下，可以想到，第一磁驱动场具有第一支配性场分量，因此具有第一方向，其允许在这个方向上进行测量，并且第二磁驱动场具有第二支配性场分量，因此具有第二方向，其允许在这个方向上测量。

根据另一个实施例，所述确定单元适于根据利用所述第一颗粒分布量和第二颗粒分布量形成的商确定所述电磁量。这是一种容易且不会很费时的手段，用于可靠地提取第二颗粒分布中表示场畸变效应的确定电磁量所需的量。

在优选实施例中，两个子区占据沿与第一驱动场频率对应的第一轨迹的第一空间位置和沿与第二驱动场频率对应的第二轨迹的第二空间位置，其中所述控制单元适于控制所述驱动场信号发生器单元，使得所述第一位置和所述第二位置基本彼此对应。这种措施的优点是，执行第一和第二测量时，两个子区，从而无场点可能占据的不同空间位置导致的影响被消除。因此，能够非常精确地确定电磁量。

根据另一实施例，所述确定单元适于根据所述第一颗粒分布量和第二颗粒分布量确定实际磁场强度量以确定所述电磁量。这种措施代表了一种迅速可靠确定电磁量的非常容易的方式。颗粒分布量表征要检查对象的至少一部分之内磁性颗粒的空间分布。因此，利用所述颗粒分布量，可以非常精确地确定表示身体该部分暴露于的磁场的实际磁场强度量。所述实际磁场强度量可被用作容易而可靠地确定电磁量或确定中间量的量，该中间量又是确定电磁量的依据，因为对于这样的确定可以应用麦克斯韦方程。有利地，实际磁场强度量表示叠加磁选择场和呈现第二驱动场频率的磁驱动场获得的磁场。所述所得磁场也称为施加磁场。如果有的话，存在从磁聚焦场获得的另一场分量。所得磁场的形状对应于标准MPI测量通常出现的形状。

根据另一个实施例，所述确定单元适于根据参考磁场强度量确定实际磁场强度量。利用这种措施，可以通过非常容易且可靠的方式确定实际磁场强度，因为不需要关于要检查的对象的几何结构和电学性质的详细信息。有利地，参考磁场强度量描述叠加磁选择场和呈现第一驱动场频率的磁驱动场获得的磁场。在考虑呈现第一驱动场频率的磁驱动场时，可以利用Biot-Savarts定律从驱动场线圈的几何结构和选择场线圈容易推导出参考磁场强度量。

根据另一实施例，所述控制单元适于控制所述驱动场信号发生器单元以改变所述磁驱动场的方向。这种措施允许对生物组织的各向异性行为进行研究，从而研究电磁量的各向异性。如前所述，在医学成像领域中，表征整个人体之内传导率分布的传导率量非常重要。对于所述传导率，即使对关于其各向异性的知识也是需要的。生物组织的传导率各向异性可能发挥诊断功能，例如用于识别心肌纤维或大脑中神经纤维的结构损伤。为了进行电磁量各向异性的研究，必须要改变呈现第一驱动场频率的第一磁驱动场的方向以及呈现第二驱动场频率的第二磁驱动场的方向。有利地，在本质上相同的测量中改变两个方向。

根据另一个实施例，该设备还包括存储单元，用于存储设备系统函数的一组系统数据。在执行实际测量，例如以确定电磁量之前及时进行校准测量来采集该组系统数据。也可能想到在执行实际测量之前及时执行校准测量。利用所述校准测量，确定所谓的系统函数。所述系统函数建立要检查的对象中所含磁性颗粒的空间位置和频率响应，从而利用接收装置采集的探测信号之间的关系。该系统函数固有地描述MPI扫描器的性质、尤其是不带负载线圈生成的场性质，以及所用造影剂的性质。必须要为线圈的装置和造影剂进行一次校准测量。

根据另一实施例，所述确定单元适于确定电场强度量。所述电场量表征与实际磁场强度量表征的磁场相关的电场。这种措施允许确定根据磁场强度量不能直接确定的电磁量。于是，能够综合地确定不同电磁量。

根据另一个实施例，将以下中的至少一个确定为电磁量：表征遍及对象的部分的传导率分布的传导率量、表征遍及对象的部分的介电常数分布的介电常数量和表征遍及对象的部分的局部能量比吸收率的比吸收率量。总体上，有多种电磁量可用，能够深入地区分各种生物学组织。在上文列出的电磁量中，传导率量可能相关性最大，因为很多组织的区分基于这个量。电导率成像可能会得到一种新的医学成像模态，其具有众多应用。此外，使用传导率量确定其他电磁量，例如所述比吸收速率量。在上文和下文解释的语境中，比吸收率(SAR)量也被认为是表征对象的电磁性质的电磁量，因为所述量表征在暴露于射频或电磁场时生物组织吸收能量的速率。

根据另一实施例，所述重建单元适于向计算机传输所述电磁量，以在监视器上显示遍及对象的部分的电磁量的空间分布。在监视器上显示电磁量的空间分布具有如下优点：容易获得被检查对象中存在生物组织的异常的那些部分的概要。此外，这种措施允许立即评估利用第一次测量获得的结果并且，如有必要，接下来执行细化的第二次测量。

如前所述，要使用MPI系统检查的对象必须含有磁性颗粒。如果对象是动物或患者，通过施用含这种磁性颗粒的造影剂，所述磁性颗粒进入对象或身体中。因此，身体之内磁性颗粒的分布也可以被认为是造影剂的分布。

在上文和下文的解释中使用的术语传导率和介电常数代表术语电导率和介电常数。

附图说明

本发明的这些和其他方面将通过参考下文描述的实施例变得显而易见并得以阐明。在以下附图中：

图1示出了MPI设备的第一实施例；

图2示出了图1所示设备产生的选择场图案；

图3示出了MPI设备的第二实施例；

图4示出了根据本发明的MPI设备的方框图；以及

图5示出了根据本发明的MPI方法的流程图。

具体实施方式

在解释本发明的细节之前，将参考图1到4详细解释磁性颗粒成像的基本知识。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通俗描述。将指出两个实施例之间的异同。

图1中所示MPI扫描器的第一实施例10具有三个重要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和聚焦场。三个线圈对12、14、16的轴18、20、22相互正交，在单个点，表示为MPI扫描器10的等中心24处相交。此外，这些轴18、20、22充当附着于等中心24的3D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中的每个并沿任何方向。如果在沿线圈的轴观看时电流绕线圈沿顺时针方向流动，将认为其是正的，否则视为负的。为了生成静态选择场，使恒定的正电流I^S流经z⁺线圈，使电流-I^S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中由场力线50表示通常为梯度磁场的磁选择场。它沿生成选择场的z线圈对16的(例如水平)z轴22的方向具有基本恒定的梯度，在这个轴22上的等中心24中达到零值。从这个无场点(图2中未逐个示出)开始，以场力线50表征的磁选择场的场强沿所有三个空间方向，随着距无场点的距离而增大。在等中心24周围的虚线表示的第一子区或区域52中，场强很小，该第一子区52中存在的颗粒的磁化不饱和，而第二子区54(区域52外部)中存在的颗粒的磁化处于饱和状态。扫描器视场28的第一子区52优选为空间相干区域。对于第一子区52中包含的无场点同样适用这种情况。第一子区52也可以是点状区域、线或平坦区域。在第二子区54中(即在扫描器视场28中第一子区52外部的剩余部分中)，选择场的磁场强度充分强，以将磁性颗粒保持在饱和状态中。

通过改变两个子区52、54在视场28之内的位置，视场28中的(总体)磁化发生变化。通过测量视场28中的磁化或被磁化影响的物理参数，可以获得视场28中磁性颗粒的空间分布的信息。为了改变两个子区52、54在视场28中的相对空间位置，向视场28或至少视场28的一部分中以场力线50表征的选择场叠加其他磁场，即磁驱动场，以及，如果适当的话，磁聚焦场。

为了生成驱动场，使时间相关电流I^D ₁流经两个x线圈12，使时间相关电流I^D ₂流经两个y线圈14，以及使时间相关电流I^D ₃流经两个z线圈16。于是，三个线圈对的每个都充当平行的圆形线圈对。类似地，为了生成聚焦场，使时间相关电流I^F ₁流经两个x线圈12，使电流I^F ₂流经两个y线圈14，使电流I^F ₃流经两个z线圈16。

应当指出，z线圈对16是特殊的：其不仅生成驱动和聚焦场的其份额，而且生成选择场。流经z^±线圈的电流为I^D ₃+I^F ₃+I^S。流经其余两个线圈对12、14的电流为I^D _k+I^F _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解耦很好。这正是所希望的。

选择场由反平行的圆形线圈对生成，选择场关于z轴是旋转对称的，在等中心24周围的可观体积中，其z分量在z中接近线性，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和聚焦场的贡献在等中心24周围的可观体积中空间上是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，直到最大强度。驱动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，聚焦场在时间上变化缓慢，具有大振幅，而驱动场变化迅速且具有小振幅。以不同方式处理这些场有着物理和生物医学的理由。具有大振幅的迅速变化的场会难以生成且对患者是危险的。

MPI扫描器10具有额外至少一对，优选额外三对平行圆形线圈，它们再次沿着x、y和z轴取向。图1中未示出的这些线圈对充当接收线圈。如用于驱动和聚焦场的线圈对12、14、16那样，流经这些接收线圈对之一的恒定电流生成的磁场在视场之内空间上接近均匀并平行于相应线圈对的轴。接收线圈应当是解耦良好的。在接收线圈中诱发的时间相关电压被附接于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直到预期信号电平降到噪声电平之下的点，接收器的传递函数都是非零的。

图1中所示的MPI扫描器10沿z轴22，即沿选择场的轴具有圆柱形膛26。所有线圈都位于这个膛26之外。为了进行数据采集，将要成像(或处置)的患者(或对象)放在膛26中，使得患者的感兴趣体积(将被成像(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)例如放在患者台上。视场28是膛26内部几何上简单的等中心体积，例如立方体、球或圆柱。图1中图示了立方体视场28。

第一子区52的尺寸一方面取决于磁选择场的梯度强度，另一方面取决于饱和所需磁场的场强。为了使磁性颗粒在80A/m的磁场强度和总计50×10³A/m²的磁选择场的场强(沿给定空间方向的)梯度下充分饱和，其中的颗粒磁化未饱和的第一子区52(在给定空间方向上)具有大约1mm的尺度。

患者的感兴趣体积应当包含磁性纳米颗粒。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)身体或以其他方式施用(例如口服)给患者的含磁性颗粒的液体，将磁性颗粒定位在感兴趣体积中。包括磁性颗粒的液体被称为造影剂。

磁性颗粒的实施例包括，例如，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，其保护颗粒不受化学和/或物理侵蚀性环境，例如酸的影响。使这种颗粒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，颗粒直径、为磁层使用的磁性材料和其他参数。

在直径例如为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的磁场就够了。在选择饱和磁化强度更低的材料的涂层或在减小层厚时，获得更小的值。可以在市场上买到商标为Resovist的一般能够使用的磁性颗粒。

对于一般可用磁性颗粒和颗粒组成的更多细节，在此援引EP 1304542、WO 2004/091386、WO 2004/091390、WO 2004/091394、WO 2004/091395、WO 2004/091396、WO 2004/091397、WO 2004/091398、WO 2004/091408的对应部分，在此通过引用将其并入。在这些文献中，一般还可以找到MPI方法的更多详情。

数据采集开始于时间t_s，结束于时间t_e。在数据采集期间，x、y和z线圈对12、14、16生成位置相关和时间相关的磁场，即施加场。这是通过引导适当电流通过线圈实现的。实际上，驱动和聚焦场四处推动选择场，使得FFP沿着描绘出扫描体积的预选FFP轨迹移动，扫描体积是视场的超集。施加场对患者体内的磁性纳米颗粒进行取向。在施加场变化时，所得的磁化也改变，尽管其对施加场的响应是非线性的。变化的施加场和变化的磁化强度之和沿着x_k轴跨过接收线圈对的端子诱发时间相关性电压V_k。关联的接收器将这个电压转换成信号S_k(t)，接收器对其采样并输出。

有利的是接收或探测到具有与磁驱动场变化频带不同的另一个频带(偏移到更高频率)的来自位于第一子区52中的磁性颗粒的信号。这是可能的，因为，由于磁化特性的非线性而使扫描器视场28中的磁性颗粒磁化改变，导致出现磁驱动场频率的较高次谐波的频率分量。

图3示出了MP扫描器30的第二实施例。像图1中所示的第一实施例那样，MPI扫描器30的第二实施例具有三个圆形且相互正交的线圈对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和y轴38、40水平取向。扫描器的膛46平行于x轴38，从而垂直于选择场的轴42。膛46包含视场28。驱动场由沿x轴38的螺线管(未示出)和沿两个其余轴40、42的鞍形线圈对(未示出)生成。绕着形成膛的管道缠绕这些线圈。驱动场线圈还充当接收线圈。通过高通滤波器发送接收线圈拾取的信号，高通滤波器抑制由施加场导致的贡献。

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＝2.5T/m，其中μ₀为真空磁导率。生成的选择场随时间根本不变化，或者相当慢地变化，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附近的窄频带中(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)。膛的直径为120mm。拟合到膛46中的最大立方体边长为

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，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独立线圈对生成时，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，例如它们一般是在具有开放磁体的磁共振设备(开放MRI)领域中已知的，其中射频(RF)线圈对位于感兴趣区域上方和下方，所述RF线圈对能够生成时变的磁场。因此，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，可以使用永久磁体(未示出)。在这种(相对)永久磁体(未示出)的两极之间的空间中，形成有类似于图2所示的磁场，亦即，在相对磁极具有相同极性时。在另一替代实施例中，可以由至少一个永磁体和至少一个线圈的混合生成选择场。

图4示出了根据本发明的MPI设备100的大致方框图。利用设备100可以确定至少一个电磁量。所述电磁量表征包含磁性颗粒的对象的电磁性质。所述对象可能是人或动物身体。对于身体而言，电磁量表征所述身体中包含的生物组织的电磁性质。除非另作说明，上文解释的磁性颗粒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中所示的设备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。

为了生成上文所述的磁性(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装置。选择装置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)提供独立的发生器子单元。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，为相应的选择场线圈元件提供选择场电流，以逐个设置期望方向上的选择场的梯度强度。优选地，提供直流电流。如果将选择场线圈元件布置为相对线圈，例如在视场的相对侧，优选将相对线圈的选择场电流进行相反取向。利用所述选择装置，在视场28中形成磁选择场，磁选择场具有其磁场强度的空间图案，使得第一子区52具有低的磁场强度，第二子区54具有更高的磁场强度，如图2所示。

选择场信号发生器单元110由控制单元150控制，控制单元优选控制选择场电流的生成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，该设备100还包括聚焦装置，聚焦装置包括一组聚焦场(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，优选包括针对所述一组聚焦场线圈的每个线圈元件(或至少每对线圈元件)的独立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，用于向将用于生成磁聚焦场的线圈126a、126b、126c的所述子组的相应线圈提供聚焦场电流。聚焦场电流单元120也受控制单元150的控制。

为了生成磁驱动场，该设备100还包括驱动装置，驱动装置包括驱动场(DF)线圈的子组，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，优选包括针对所述一组驱动场线圈的每个线圈元件(或至少每对线圈元件)的独立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132(优选包括电流放大器)和滤波器单元134，用于向相应驱动场线圈提供驱动场电流。驱动场电流源132适于生成AC电流，并且也受到控制单元150的控制。利用所述驱动装置，可以借助磁驱动场改变视场28中两个子区52、54的空间位置，使得所述对象中包含的磁性颗粒的磁化局部变化。

为了进行信号探测，该设备100还包括接收装置，接收装置包括接收线圈148和信号接收单元140，信号接收单元140接收所述接收线圈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检测信号的滤波器单元142。这种滤波的目的是将检查区域中磁化导致的测得值与其他干扰信号分开，检查区域中的磁化受到两个部分区域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)传输信号。将模拟/数字转换器146产生的数字化信号馈送给重建单元152(也称为图像处理单元)。于是，利用接收装置，采集到探测信号。所述探测信号取决于视场28中的磁化，磁化受到第一子区52和第二子区54空间位置变化的影响，所述探测信号以数字化形式被转发到重建单元。

重建单元利用从接收单元接收的探测信号以及在利用接收装置采集要处理的探测信号时第一部分区域52在检查区域中占据的相应位置，重建磁性颗粒的空间分布。重建单元152从控制单元150获得位置。最后经由控制单元150向计算机154传输重建的磁性颗粒空间分布，计算机154在监视器156上显示该空间分布。于是，可以显示示出了磁性颗粒在检查区域的视场中分布的图像。于是，利用重建单元152，根据探测信号确定表征磁性颗粒在要检查对象的至少一部分之内的空间分布的颗粒分布量。经由控制单元150向计算机154转发颗粒分布量。

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，并接着接收监视器156上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，用户仍然能够人工改变方向，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改善过程。本实施例中的控制单元150设置第一方向上的梯度场，将其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，直到这样接收的图像分辨率(由计算机154进行比较)最大，相应不再改善。因此能够发现最关键方向相应自动调整，以便接收最高可能的分辨率。

在下文中，描述根据本发明的MPI设备100中所含的部件和各方面。

该设备还包括存储单元162，用于存储设备系统函数的一组系统数据。在进行实际测量以确定电磁量之前及时进行校准测量来采集该组系统数据。重建单元152包含用于确定电磁量的确定单元160。

根据本发明，该控制单元150适于控制接收单元，用于采集与第一驱动场频率对应的第一组探测信号，并采集与第二驱动场频率对应的第二组探测信号，其中第一驱动场频率和第二驱动场频率彼此不同。控制接收单元140表示，例如针对探测模式调整滤波器单元142的频率特性和/或调整放大器单元144的放大特性和/或调整模拟/数字转换器146的采样特性。

此外，控制单元150适于控制重建单元152，以根据第一组探测信号重建第一颗粒分布量，以及根据第二组探测信号重建第二颗粒分布量。将两个颗粒分布量都转发到重建单元中包含的确定单元160。确定单元160根据第一颗粒分布量和第二颗粒分布量确定电磁量。重建单元152继而适于经由控制单元150向计算机154传输电磁量，以在监视器156上显示遍及被检查对象的部分的电磁量的空间分布。

在计算机154上执行计算机程序，其中所述计算机程序包括令计算机154控制设备100以执行根据本发明的方法步骤的程序代码模块。

图5示出了根据本发明的方法实施例的流程图。对于以下解释而言，假设磁驱动场具有沿x方向取向的支配性分量。这应当不会对本发明造成任何限制影响。当然，磁驱动场也可以具有沿y方向或z方向取向的支配性分量。

在步骤180中，执行校准测量。利用所述校准测量，确定所谓的系统函数。在存储单元162中存储对应一组系统数据。在执行确定电磁量的实际测量之前及时执行校准测量。对于实际测量而言，将MPI序列用于对感兴趣对象成像。所述感兴趣对象例如是人或动物身体的至少一部分、尤其是这种身体中所含的组织。使用系统函数从测得数据重建图像，其中该图像示出了活体组织之内造影剂的分布。

在步骤182开始实际测量的程序。在步骤182中，采集与第一驱动场频率对应的第一组探测信号以及与第二驱动场频率对应的第二组探测信号。两个驱动场频率彼此不同。为此目的，控制单元150控制驱动场信号发生器单元130，以生成呈现第一驱动场频率的第一磁驱动场，以及生成呈现第二驱动场频率的第二磁驱动场。在这样做时，可能想到几种方式。在第一种方式中，控制单元150控制驱动场信号发生器单元130，从而相继生成第一磁驱动场和第二磁驱动场。而在第二种方式中，控制单元150控制驱动场信号发生器单元130，从而生成同时呈现第一驱动场频率和第二驱动场频率的第三磁驱动场。

如前所述，沿着视场上的特定轨迹移动FFP。为此目的，变化电流的序列必须要流入驱动场线圈136a、136b、136c。有利地，选择特殊类别的轨迹，Lissajous轨迹。例如，使用频率比为35到34的Lissajous轨迹。当然，可以选择任何其他有利的频率比。对于第一磁驱动场而言，流经驱动场线圈136a、136b、136c的电流例如可以具有以下频率：对于x线圈对为f_x＝f₁，对于y线圈对为

这样在x-y平面中获得2D周期性Lissajous图形。当然，可以通过流经驱动场线圈的适当电流生成任何其他平面中的适当2D Lissajous图形。有利地，通过生成适当的磁聚焦场在z方向上移动x-y平面中存在的2D Liassajous图形，获得3D轨迹。

对于第二磁驱动场而言，流经驱动场线圈136a、136b、136c的电流例如可以具有以下频率：对于x线圈对为f_x＝f₂，对于y线圈对为

这样在x-y平面中获得2D周期性Lissajous图形。相应地，关于第一磁驱动场的其他上述解释对于第二磁驱动场也是有效的。

根据频率条件f₁＜100kHz以及1MHz＜f₂＜10MHz选择第一驱动场频率f₁和第二驱动场频率f₂。针对两个磁驱动场都选择相同的频率比将不会对本发明有任何限制性影响。当然，可以选择对于第一磁驱动场和第二磁驱动场不同的频率比。使用相同的频率比具有如下优点：两个子区52、54，因此FFP沿着与第一驱动场频率对应的第一轨迹和沿着与第二驱动场频率对应的第二轨迹占据相同的空间位置。为此目的，对于两个磁驱动场，沿着z方向类似地移动x-y平面中存在的2D Lissajous图形。

在步骤184中，重建取决于第一组探测信号的第一颗粒分布量C1(r)和取决于第二组探测信号的第二颗粒分布量C2(r)。第一颗粒分布量C₁(r)对应于第一驱动场频率f₁，第一驱动场频率是低频，在此频率下由于对象属性导致的场畸变效应可以忽略。因此，第一颗粒分布量C₁(r)唯一地表示磁性颗粒的分布。第二颗粒分布量C₂(r)对应于第二驱动场频率f₂，第二驱动场频率是高频，在该频率下发生场畸变效应。因此，第二颗粒分布量C₂(r)表示由于场畸变效应而模糊的磁性颗粒分布。

可以将在两个不同驱动场频率f₁和f₂执行的两次测量之间的差异，因此将两个颗粒分布量C₁(r)和C₂(r)之间的差异作为对比度自身。不过，它不直接反映患者的电性质。相反，可以使用这种对比度，通过执行不同频率的测量，推论整个身体、尤其是患者体内的空间磁场分布。

在步骤186中，确定实际磁场强度量。为此目的，选择以下方式：可以使用在第一驱动场频率f₁测量且未呈现任何场畸变效应的第一颗粒分布量C₁(r)以及在第二驱动场频率f₂测量且由于传导率和/或介电常数影响而呈现出场畸变效应的第二颗粒分布量C₂(r)计算在不同频率下线圈灵敏度S₁(r)和S₂(r)的比值，其中两个灵敏度都主要表示接收线圈的灵敏度，此外在一定程度上表示驱动场线圈的灵敏度：

$\frac{C_1\left(\underset{\‾}{r}\right)}{C_2\left(\underset{\‾}{r}\right)}=\frac{S_1\left(\underset{\‾}{r}\right)}{S_2\left(\underset{\‾}{r}\right)}---\left(1\right)$

根据以下方程，可以利用常数归一化因数“a”从磁场H计算灵敏度S₁(r)和S₂(r)：

S(r)＝α·H                                       (2)

这样给出了重建的颗粒分布量和磁场之间的直接关系：

$\frac{C_1\left(\underset{\‾}{r}\right)}{C_2\left(\underset{\‾}{r}\right)}=\frac{H_1\left(\underset{\‾}{r}\right)}{H_2\left(\underset{\‾}{r}\right)}---\left(3\right)$

根据选择的线圈，尤其是线圈取向，方程(3)对于H的所有笛卡尔分量都成立。

基于方程(3)，可以导出如下方程：

$H_2\left(\underset{\‾}{r}\right)=\frac{C_2\left(\underset{\‾}{r}\right)}{C_1\left(\underset{\‾}{r}\right)}\·H_1\left(\underset{\‾}{r}\right)---\left(4\right)$

H₁(r)表示在第一驱动场频率f₁，且因此在低频下的磁场。因此，能够利用Biot-Savarts定律从线圈的几何结构容易地导出H₁(r)。这种计算不需要要检查的身体、尤其是患者的几何结构和电学性质。H₂(r)是电学性质计算要使用的所得图。根据方程(4)，根据第一颗粒分布量C₁(r)和第二颗粒分布量C₂(r)并根据参考磁场强度量H₁(r)确定实际磁场强度量H₂(r)。这种方式基于如下事实：对于不同频率的两次测量，要检查对象之内存在的造影剂分布，因此磁性颗粒的分布是不变的。换言之：所述分布不随着驱动场频率变化，磁性颗粒是固定不动的。有利地，参考磁场强度量H₁(r)由MPI设备的制造商确定并存储在存储单元162中。

在步骤190中，确定电磁量。

由于H_x2(r)分量占支配地位，所以其他两个笛卡尔分量H_y2(r)和H_z2(r)可以忽略。因为磁驱动场支配性x方向分量的原因，H_x2(r)是支配性的。基于用方程(4)确定的实际磁场强度量H_x2(r)，例如，可以通过与驱动场对应的以下方程根据电磁性质断层成像确定表征遍及要检查对象的部分的传导率分布的传导率量ε(r)和/或表征遍及要检查对象的部分的介电常数分布的介电常数量σ(r)：

方程(5)中所含的量具有如下含义：

-A_yz：垂直于H_x2的无穷小积分区分。

-dl：求线积分所沿曲线的无穷小段。

-μ：被检查对象的磁导率。

-ω：角频率，ω＝2πf₂。

-κ(r)：复介电常数。

-ε(r)：标量介电常数，是复介电常数的实数部分。

-σ(r)：标量电导率，与复介电常数的虚部成比例。

-E(r)：电场强度。

-r：空间中的矢量，表示空间点的x、y和z坐标。

-i：虚数单位。

标量电导率σ(r)是要利用根据本发明的设备和对应方法确定的传导率量。标量介电常数ε(r)是要利用根据本发明的设备和对应方法确定的介电常数量。两个量都可以利用用于提取复数实部和虚部的公知手段从复介电常数κ(r)导出。复介电常数κ(r)是利用用于求解方程(5)的公知手段求解这种方程的结果。

方程(5)是从下式给出的积分形式的法拉第定律

以及写为如下微分形式的安培定律导出的

$\▿\×H\left(\underset{\‾}{r}\right)/\mathrm{i\ω}=\mathrm{\ϵ}\left(\underset{\‾}{r}\right)E\left(\underset{\‾}{r}\right)---\left(7\right)$

两个方程都属于麦克斯韦方程。在两个方程中，量H(r)、E(r)和ε(r)都是复量。方程(5)是通过沿

积分方程(7)并将方程(7)的积分形式除以方程(6)获得的。

在步骤192中，在监视器156上显示在步骤190中确定的电磁量。在应当进行另一次实际测量的情况下，在步骤192之后再次执行步骤182。这种选择是由虚线箭头表示的。

此外，可以在步骤190中确定比吸收率量SAR。所述比吸收率量SAR表征遍及对象的部分的局部能量比吸收率。在这种情况下，执行步骤188以确定电场强度量E(r)。所述电场强度量E(r)例如是将方程(7)除以方程(5)获得的。

从以下方程获得比吸收率量SAR：

σ(r)从方程(5)获得，E(r)在步骤188中确定。由于仅需要在确定比吸收率量SAR的情况下确定电场强度量E(r)，所以在图5中利用虚线将步骤188表示为任选项。

有利地，控制单元150适于控制驱动场信号发生器单元130，以改变磁驱动场的方向。因此，可以相对于要检查的对象容易地改变H_x的方向。这样提供了获得关于复介电常数κ(r)张量结构的信息的可能性。仅在κ(r)是各向同性的情况下才进行方程(5)中电场E(r)的消除。在κ(r)是各向异性的情况下，方程(5)的结果取决于H_x的方向。于是，H_x的方向变化允许估计κ(r)的各向异性。

在标准MPI设备或标准MPI扫描器上实施根据本发明的方法。所述方法独立于标准MPI对比度机制工作，增加额外信息，用于诊断和治疗监测。

在MPI设备或MPI扫描器情况下，在第一子区52中的磁性颗粒的磁化未饱和。在第二子区54中，磁性颗粒的磁化饱和。

图5中选择的显示不应对本发明构成任何限制影响，根据这种显示，在第一步182中，采集两组探测信号，并且根据这种显示，在第二步184中，重建两种颗粒分布量。当然，可以在第一步骤中采集第一组探测信号并重建第一颗粒分布信号，以及在第二步骤中采集第二组探测信号并重建第二颗粒分布信号。

根据上述确定电磁量的设备和对应方法的实施例，电磁量的确定基于生成两个呈现不同驱动场频率的磁驱动场。这应当不会对本发明造成任何限制影响。当然，电磁量的确定也可以基于生成两个叠加磁场。第一叠加磁场包括第一磁驱动场和第一磁聚焦场，两者都呈现第一频率。第二叠加磁场包括第二磁驱动场和第二磁聚焦场，两者都呈现第二频率。可以想到，第一磁驱动场具有支配性驱动场分量，因此具有第一方向，其允许在这个方向上进行测量，并且第一聚焦场具有支配性聚焦场分量，因此具有第二方向，其允许在这个方向上测量。同样的情况可以适用于第二磁驱动场和第二磁聚焦场。

有多种方式从确定的磁场重建介电常数量。于是，给出方程(5)作为如何重新整理麦克斯韦方程以获得作为磁场函数的介电常数量的公式的一个范例。

这里应概括描述利用MPI设备或扫描器确定电磁量的方式。

为了确定电磁量，必须要知道对其确定电磁量的对象之内的磁性颗粒的实际空间分布。此外，还必须要知道所述对象之内磁性颗粒的受干扰空间分布。基于两种空间分布之间的差异，可以收集到关于对象电磁性质的信息。实际的空间分布是没有出现由于对象性质导致的场畸变效应或至少这些效应可以忽略的空间分布。相反，受干扰的空间分布是受到所述场畸变效应影响的空间分布。

应当利用MPI设备或MPI扫描器采集实际空间分布以及受干扰空间分布。必须要在低驱动场频下采集实际空间分布。必须要在高驱动场频下采集受干扰空间分布。或者，可以通过模拟实现受干扰空间分布。

由于两种空间分布都将利用MPI设备采集，所以需要用于操作MPI设备的特定序列，其中所述序列定义流经选择场线圈和/或驱动场线圈和/或聚焦场线圈的电流。该序列必须要对感兴趣的场编码超过一次。此外，该序列必须要满足由所需分辨率得出的特定要求，利用该分辨率扫描感兴趣对象。

可以想到几种适当的序列。在第一序列，相继生成呈现第一驱动场频率的第一磁驱动场和呈现第二驱动场频率的第二磁驱动场，其中两个驱动场频率彼此不同。具体而言，第一驱动场频率应当是低频，第二驱动频率应当为高频。第一序列包括两个频率不同的子序列，而除此之外，两个子序列实质上相同。

在第二序列，生成第三磁驱动场，其中第三磁驱动场同时呈现出第一驱动场频率(低频)和第二驱动频率(高频)。

在第三序列，在沿着一维轨迹的一个方向上移动FFP，其中由正弦曲线磁驱动场生成一维轨迹。描述FFP运动的振荡振幅应当大于感兴趣场中所含的单个体素。感兴趣场被分成多个体素，其中通过扫描每个单一体素并组装针对每个单一体素获得的数据来采集用于采集感兴趣场之内磁性颗粒空间分布所需的数据。对于布置于感兴趣场中心中的体素，FFP以最大速度通过这个体素。结果，出现高频。相反，对于布置于感兴趣场边缘的体素，FFP以较低速度通过这种体素。结果，出现低频。因此，通过生成仅呈现一个单一驱动场频的磁驱动场，使得在不同频率下重建体素是可能的。为了满足在不同频率对体素编码的要求，必须要移动一维轨迹，从而例如使布置在感兴趣场中心的体素被FFP在一个时间以最大速度通过并在另一个时间以较低速度通过。通过生成适当的磁聚焦场实现一维轨迹的移动。

通过应用上述序列之一，可以采集确定实际空间分布和受干扰空间分布所需的数据。为了确定实际空间分布，使用所采集数据的第一部分，其中第一部分包括与低驱动场频对应的该数据。因此，实际空间分布包括低频分量。为了确定受干扰空间分布，使用所采集数据的第二部分，其中第二部分包括与高驱动场频对应的该数据。因此，受干扰空间分布包括高频分量。总而言之，为了采集实际空间分布以及为了采集受干扰空间分布，每种情况下都使用所采集数据的大致一半。

为了进行电磁量各向异性的研究，应当设计该序列，使得参考不同方向改变感兴趣对象中所含磁性颗粒的磁化。有利地，为实际空间分布采集的数据集以及为受干扰空间分布采集的数据集对于感兴趣场中所含的大多数体素将包含参考至少两个不同方向的数据。理想地，两组数据都包含参考全部三个方向的数据。

通过额外地对由磁性颗粒的磁化变化引起的对磁驱动场的影响建模，可以改进结果。

通过求解以下方程重建实际空间分布和受干扰空间分布，因此重建电磁量

||vec{M_预期}-vec{M_测得}||^！＝min                            (9)

这表示必须要使范数，例如欧几里得范数最小化。M_测得表示利用接收装置采集的探测信号所含的测得数据。M_预测表示计算的数据，其中计算的数据表示根据理论考虑预期的那些测得数据。vec{}一项表示矢量。对于实际空间分布以及受干扰空间分布，必须要解方程(9)。

可以基于下式计算M_预测

vec{M_预期}＝f_接受器(vec{A}，vec{G}，vec{H})                  (10)

可以利用麦克斯韦求解器和基于vec{G}的前向传递来这样做。

vec{G}是取决于所施加磁场(也称为系统函数)的磁性颗粒的磁响应的模型。在考虑磁驱动场畸变的情况下，必须要通过例如应用适当的内插为一组畸变的磁驱动场来确定vec{G}。

vec{A}是表征MPI扫描器和感兴趣对象的模型。vec{A}因此包含一组MPI扫描器参数和一组对象参数。MPI扫描器参数例如是线圈的位置、线圈或绕组的数量、表征磁性材料行为或性质的量等。对象参数例如是磁性颗粒的空间分布vec{C}、示出了各向异性行为的也称为σ(r)的电导率vec{σ}，以及最终在参数公式化中对电导率频率的相关性。

vec{H}表示感兴趣对象之内获得的磁场，实际上针对空间中的三个方向(x，y，z)，针对任意时间步长并针对感兴趣对象之内的任意位置。

可以利用以下方程确定vec{H}

vec{H}＝f_发射(vec{A}，vec{S})                                (11)

Vec{S}表示流经选择场线圈和/或驱动场线圈和/或聚焦场线圈的电流接续的序列。

F_发射是在感兴趣对象之内的磁场上映射序列vec{S}的函数。因此，F_{发 射}是麦克斯韦求解器。F_发射接收MPI扫描器的几何结构和感兴趣对象的传导率作为输入变量。

通过改变vec{A}求解方程(9)，改变vec{A}意味着改变感兴趣对象的传导率和磁性颗粒的空间分布。通过应用普通迭代算法或例如共轭梯度或ART或模拟退火等方法来这样做。不改变或仅轻微改变MPI扫描器参数，因为它们是通过进行校准测量事先确定的。

上述设备和相应方法，以及相关的计算机程序可能不仅仅适用于医学领域。它们也可能应用于非医学领域，例如无接触材料试验，只要要测试的材料适于MPI即可。

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；本发明不限于公开的实施例。通过研究附图、公开和所附权利要求，本领域的技术人员在实践请求保护的本发明时能够理解和实现所公开实施例的其他变化。

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”不排除多个。单个元件或其他单元可以完成权利要求中列举的几个项目的功能。在互不相同的从属权利要求中列举特定手段的简单事实并不表示不能有利地使用这些手段的组合。

权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种用于确定表征对象、尤其是人体的电磁性质的至少一个电磁量的设备(100)，其中，所述对象包含磁性颗粒，所述设备包括：

-选择装置，其包括选择场信号发生器单元(110)和选择场元件(116)，所述选择装置用于生成其磁场强度具有空间图案的磁选择场(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)，

-驱动装置，其包括驱动场信号发生器单元(130)和驱动场线圈(136a，136b，136c)，所述驱动装置用于利用磁驱动场改变所述视场(28)中的两个所述子区(52，54)的空间位置，使得所述对象中包含的所述磁性颗粒的磁化发生局部改变，

-接收装置，其包括至少一个信号接收单元(140)和至少一个接收线圈(148)，所述接收装置用于采集探测信号，所述探测信号取决于所述视场(28)中的磁化，所述磁化受到所述第一子区(52)和所述第二子区(54)的空间位置的变化的影响，

-重建单元(152)，其用于根据所述探测信号重建颗粒分布量，所述颗粒分布量表征所述对象的至少一部分之内所述磁性颗粒的空间分布，

-控制单元(150)，其用于控制所述接收单元，以采集与第一驱动场频率对应的第一组探测信号并采集与第二驱动场频率对应的第二组探测信号，其中，所述第一驱动场频率和所述第二驱动场频率彼此不同，并且所述控制单元用于控制所述重建单元(152)，以根据所述第一组探测信号重建第一颗粒分布量并根据所述第二组探测信号重建第二颗粒分布量，其中，所述重建单元(152)包含确定单元(160)，其用于根据所述第一颗粒分布量和所述第二颗粒分布量确定所述电磁量。

2.根据权利要求1所述的设备(100)，

其中，所述控制单元(150)适于控制所述驱动场信号发生器单元(130)，以生成呈现所述第一驱动场频率的第一磁驱动场以及生成呈现所述第二驱动场频率的第二磁驱动场。

3.根据权利要求2所述的设备(100)，

其中，所述控制单元(150)适于控制所述驱动场信号发生器单元(130)，使得相继生成所述第一磁驱动场和所述第二磁驱动场。

4.根据权利要求1所述的设备(100)，

其中，所述控制单元(150)适于控制所述驱动场信号发生器单元(130)，以生成同时呈现所述第一驱动场频率和所述第二驱动场频率的第三磁驱动场。

5.根据权利要求1所述的设备(100)，

其中，所述确定单元(160)适于根据利用所述第一颗粒分布量和所述第二颗粒分布量形成的商确定所述电磁量。

6.根据权利要求2所述的设备(100)，

其中，两个所述子区(52，54)占据沿与所述第一驱动场频率对应的第一轨迹的第一空间位置和沿与所述第二驱动场频率对应的第二轨迹的第二空间位置，其中，所述控制单元(150)适于控制所述驱动场信号发生器单元(130)，使得所述第一位置和所述第二位置基本彼此对应。

7.根据权利要求1所述的设备(100)，

其中，所述确定单元(160)适于根据所述第一颗粒分布量和所述第二颗粒分布量确定实际磁场强度量以确定所述电磁量。

8.根据权利要求7所述的设备(100)，

其中，所述确定单元(160)适于根据参考磁场强度量确定所述实际磁场强度量。

9.根据权利要求1所述的设备(100)，

其中，所述控制单元(150)适于控制所述驱动场信号发生器单元(130)以改变所述磁驱动场的方向。

10.根据权利要求1所述的设备(100)，

其中，所述设备还包括存储单元(162)，其用于存储所述设备的系统函数的一组系统数据。

11.根据权利要求1所述的设备(100)，

其中，所述确定单元(160)适于确定电场强度量。

12.根据权利要求1所述的设备(100)，

其中，将以下中的至少一个确定为电磁量：表征遍及所述对象的所述部分的传导率分布的传导率量、表征遍及所述对象的所述部分的介电常数分布的介电常数量和表征遍及所述对象的所述部分的局部能量比吸收率的比吸收率量。

13.根据权利要求1所述的设备(100)，

其中，所述重建单元(152)适于向计算机(154)传输所述电磁量，以在监视器(156)上显示遍及所述对象的所述部分的所述电磁量的空间分布。

14.一种用于确定表征对象、尤其是人体的电磁性质的至少一个电磁量的方法，其中，所述对象包含磁性颗粒，所述方法包括如下步骤：

-生成其磁场强度具有空间图案的磁选择场(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)，

-利用磁驱动场改变所述视场(28)中的两个所述子区(52，54)的空间位置，使得所述对象中包含的所述磁性颗粒的磁化局部改变，

-采集探测信号，所述探测信号取决于所述视场(28)中的磁化，所述磁化受到所述第一子区(52)和第二子区(54)的空间位置改变的影响，

-根据所述探测信号重建颗粒分布量，所述颗粒分布量表征所述对象的至少一部分之内所述磁性颗粒的空间分布，

-控制与第一驱动场频率对应的第一组探测信号的采集以及与第二驱动场频率对应的第二组探测信号的采集，其中，所述第一驱动场频率和所述第二驱动场频率彼此不同，

-控制根据所述第一组探测信号对第一颗粒分布量的重建以及根据所述第二组探测信号对第二颗粒分布量的重建，以及

-根据所述第一颗粒分布量和所述第二颗粒分布量确定所述电磁量。

15.一种包括程序代码模块的计算机程序，在计算机上执行所述计算机程序时，所述程序代码模块令所述计算机控制根据权利要求1所述的设备以执行根据权利要求14所述的方法的步骤。

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