CN102481111B

CN102481111B - 用于生成和移动具有无场线的磁场的设备和方法

Info

Publication number: CN102481111B
Application number: CN201080036871.9A
Authority: CN
Inventors: T·克内普; T·f·萨特尔; S·彼德雷尔; T·M·布祖格
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2009-08-21
Filing date: 2010-08-19
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2030-08-19
Also published as: US9044160B2; CN102481111A; JP5767225B2; US20120126808A1; EP2467056B1; RU2012110609A; JP2013502262A; RU2570288C2; WO2011021165A1; EP2467056A1

Abstract

本发明涉及用于在视场(28)中生成和改变磁场的设备和方法，所述磁场具有第一子区(62)和第二子区(64)，第一子区尤其是球形或线形，并具有低磁场强度，第二子区具有更高磁场强度。提出的设备包括：至少三对第一线圈(136a-136d)，其中沿环绕视场的环布置线圈，且其中在视场的相对侧上相对地布置每对的两个线圈；至少一对第二线圈(116)，其在所述环的开放侧在视场相对侧上相对布置；发生器装置(110，130)，其用于生成电流信号，电流信号提供给所述第一和第二线圈，以由所述第一和第二线圈生成期望的磁场；以及控制装置(150)，其用于控制所述发生器装置。

Description

用于生成和移动具有无场线的磁场的设备和方法

技术领域

本发明涉及用于在视场中生成和改变磁场的设备和方法，所述磁场具有第一子区和第二子区，第一子区尤其是球形或线形的，并具有低磁场强度，第二子区具有更高磁场强度。

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设备的计算机程序。

此外，本发明涉及用于影响和/或探测视场中磁性颗粒的磁性颗粒成像设备。

背景技术

磁场在各种各样的应用中起到重要作用。它们用于例如电动机、发电机中并用于无线电或电视的信号传输。此外，磁场用于医学诊断，其中最突出的范例是磁共振成像(MRI)。在这些应用的每种中，调节磁场以满足特定需要。例如，在MRI中，需要形成两种场配置：空间均匀的和线性增大的梯度场。这些特殊场可以由电磁线圈生成，而线圈的几何结构和施加的电流决定场的特性。对于这些简单的场配置，最佳的线圈拓扑结构是公知的。均匀磁场是由亥姆霍兹线圈对生成的，该线圈对包括沿公共轴对称放置并以等于线圈半径的距离R分隔开的两个相同的线圈。每个线圈承载沿同一方向流动的相等电流。类似地，由麦克斯韦线圈对生成梯度场，麦克斯韦线圈对具有相同拓扑结构，但电流沿相反方向流动，且线圈距离更大，为

磁性颗粒成像(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图像，或4D图像。

MPI是一种重建式成像方法，像计算机断层摄像(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。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处具有单个无场点(FFP)。此外，扫描器具有生成时间相关的空间上接近均匀的磁场的装置。实际上，通过将称为“驱动场”的小幅度且迅速变化的场与称为“聚焦场”的大幅度且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的驱动场和聚焦场，可以沿贯通等中心周围的扫描体积的预定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强度来做出响应。纳米颗粒变化的磁化强度在每个接收线圈中诱发时间相关电压。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还原(undo)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 ofmagnetic 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强度曲线。

在如下论文中提出了对在磁性颗粒成像中利用无场线(FFL)的模拟研究：Weizenecker J.等人，“Magnetic particle imaging using a field free line”，J.Phys.D：Appl.Phys.41(2008)105009。此外，描述了模拟的扫描器几何结构和FFL路径的示意性设置。该设置包括产生旋转FFL的32个小线圈(选择场线圈)的环。两对更大的环路(驱动场线圈)在视场上方移动该FFL。选择场线圈环的直径为1m。叠加选择场和驱动场，FFL沿着驱动场矢量移动，假设FFL的取向始终垂直于驱动场矢量，驱动场矢量随着时间具有花结的形状。因此，FFL在缓慢旋转的同时来回扫描。不过，这种设置比利用FFP运动的上述MPI设备具有显著更高的功率损耗，因此可能无法实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于在视场中生成和改变期望的磁场的设备和方法，尤其是以比上文提到的Weizenecker J.等人的“Magnetic particleimaging using a field free line”一文所述的设置的功率损耗更少的方式生成和移动无场线。

本发明的另一目的是提供用于在计算机上实施所述方法和控制这种设备的计算机程序。

本发明的另一目的是提供用于在视场中影响和/或探测磁性颗粒的磁性颗粒成像设备。

在本发明的第一方面中，一种用于在视场中生成和改变磁场的设备，所述磁场具有第一子区和第二子区，所述第一子区尤其是球形或线形的，并具有低磁场强度，所述第二子区具有更高的磁场强度，所述设备包括：

-至少三对第一线圈，其中沿着环绕视场的环以距视场的中心相等或不等的距离布置所述线圈，且其中每对的两个线圈相对地布置在视场的相对侧上，

-至少一对第二线圈，其相对地布置在所述环的开放侧处的所述视场的相对侧上，

-发生器装置，其用于生成电流信号，以提供给所述第一和第二线圈，用于由所述第一和第二线圈生成期望的磁场，以及

-控制装置，其用于控制所述发生器装置，以生成：

i)选择场电流信号，其用于提供给所述第一线圈，使得所述至少三对第一线圈生成梯度磁选择场，所述梯度磁选择场的磁场强度具有空间图案，从而在所述视场中形成第一子区和第二子区，所述第一子区尤其是球形或线形的，并具有低磁场强度，所述第二子区具有更高磁场强度，以及

ii)驱动场电流信号，其用于提供给所述第二线圈和两对第一线圈，使得所述至少一对第二线圈和所述两对第一线圈生成均匀的磁驱动场，用于改变所述视场中两个子区的空间位置。

在本发明的另一方面中，提出了一种对应的方法以及用于实施所述方法的计算机程序。

最后，在另一方面中，一种用于影响和/或探测视场中磁性颗粒的磁性颗粒成像设备，所述设备包括根据本发明在视场中生成和改变磁场的设备。

在从属权利要求中界定了本发明的优选实施例。应当理解，所主张的方法和所主张的计算机程序与所主张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。

本发明主要涉及生成和移动无场线(FFL)，即线形第一子区，要求仅通过改变施加的电流而保持线圈几何结构在空间中的静态来任意地旋转FFL。垂直于FFL，场应该以高梯度线性增加。本发明的发明人已经发现，可以使用适当的电流仅通过三个旋转的麦克斯韦线圈对来生成FFL。此外，可以通过额外的亥姆霍兹线圈对平移FFL。

与上述用于生成和使用FFP的MPI设备(在下文中也称为FFP扫描器)相比，为了改善灵敏度，假设FFL与FFP成像相比使SNR增大了一个数量级。为此，使用编码方案，非常像在计算机断层摄影中应用它那样。更确切地说，FFL信号编码要求缓慢旋转FFL，FFL是快速来回移动的。不过，没有证据证明上文提到的Weizenecker文章中提出的由32个电磁线圈构成的用于生成FFL的设置实际生成了FFL。此外，提出的扫描器需要常规FFP扫描器大约1000倍的功率。根据本发明，提出了一种新的FFL线圈组件，与同样尺寸和梯度性能的FFP扫描器需要大致相同的功率。

根据优选实施例，所述控制装置适于控制所述发生器装置以生成选择场电流信号，也提供给所述第二线圈以为生成所述磁选择场做贡献。通过这种方式，可以改善期望磁选择场的质量。

通常，三对第一线圈就足够了，但在另一实施例中，提供至少第四对第一线圈，其中所有第一线圈都沿着环绕视场的环布置。优选地，提供四对，在这种情况下，对生成磁驱动做贡献的两对可以彼此垂直地布置，这对于在环上以等间距角度布置的3对共6个线圈而言一般是不可能的。

优选地，以等间距角和/或以距所述视场的中心相等的距离沿所述环布置所述第一线圈而不彼此重叠。如果距中心的距离或角位置不相等，必须相应地调节提供给个体线圈的电流。如果以等间距角度且距中心相等的距离地放置第一线圈，对提供给第一线圈的电流的控制较不复杂，更容易预测获得的磁场。

根据另一实施例，所述发生器装置包括选择场电流信号发生器单元，用于以正弦函数的形式生成针对所述第一线圈中的每个的个体选择场电流信号，所述正弦函数取决于相应第一线圈沿所述环的角位置和线形第一子区的期望方向。优选地，所述选择场电流信号发生器单元适于以I_l＝g_l(γ-cos(2Φ_l-2α))的形式生成针对所述第一线圈中的每个l的所述个体选择场电流信号I_l，其中是相应第一线圈l沿所述环的角位置，α决定所述线形第一子区在视场中的期望方向，g_l和γ是预定常数。

参数g_l决定着线形第一子区的宽度。通常，希望在垂直于无场线的方向上梯度强度为例如2T/m。在这里要更确切地界定提供给线圈的电流是不可能的，因为电流还取决于绕组的数目、线圈的绝对距离等。

在实践中，常常模拟磁场，通过这种模拟找到正确的电流。因此，调节参数g_l，从而实现垂直于无场线的期望梯度场强度。如果对于不同线圈对线圈的距离是不同的，一般针对每一个体线圈l选择参数g_l，即取决于l。优选地，选择参数g_l，使得线圈对的线圈在相同电流信号I_l＝g_l下生成相同梯度场，但旋转了

参数γ一般具有固定的预定值，例如3/2，在这个值获得的FFL最好。根据另一实施例，所述选择场电流信号发生器单元适于生成：

-形式为I_l＝g_lcos(2Φ_l-2α)的针对所述第一线圈中的每个l的所述个体选择场电流信号I_l，其中是相应第一线圈l沿所述环的角位置，α决定线形第一子区在视场中的期望方向，并且g_l是预定常数，以及

-针对所述第二线圈中的每个m的所述个体选择场电流信号I_m，用于沿垂直于所述第一线圈的环的方向生成梯度磁场。

在这一实施例中，进一步改进了选择场的生成。优选地，对于针对所述第二线圈中的每个m的个体选择场电流信号I_m，I_m＝g_m成立，其中对于参数g_m，如上文对参数g_l所述那样的情况同样成立。通过这种方式，个体选择场电流信号I_m是静态的，与视场之内FFL的角度无关。

优选地，控制所述第二线圈，使得它们生成的梯度磁场是第一线圈生成的梯度磁场的3/4*L倍，但在垂直于环平面的方向上。在这里，L是第一线圈的线圈对的数量。对于本实施例而言，获得了良好的FFL。

在另一实施例中，所述选择场电流信号发生器单元适于生成所述个体选择场电流信号，从而随着时间t，尤其是根据α＝2πft连续改变决定所述线形第一子区的期望方向的参数α，其中f是线形第一子区旋转的频率。通过这种方式，可以以频率f旋转无场线，因此能够沿着预定轨迹移动它，例如，用于以期望分辨率对整个视场采样，例如，在用于MPI设备中时。

如果是如下情况则更加有利：所述发生器装置包括驱动场电流信号发生器单元，用于生成针对所述第二线圈和所述两对第一线圈中的每个的个体驱动场电流信号，向所述第二线圈和所述两对第一线圈中的每个提供所述驱动场电流信号，以令所述第一和第二线圈生成均匀磁场，所述均匀磁场具有指向所述线形第一子区的期望运动的方向的磁场矢量，尤其是指向垂直于所述线形第一子区的方向的磁场矢量。通过这种方式，可以沿着期望的方向容易地移动无场线。提供给个体线圈的电流的关系再次取决于线圈的距离、匝数和尺寸等。

另一实施例包括在视场各相对侧上相对布置的三对第二线圈。通过这种方式，可以仅使用这些第二线圈来生成驱动场并仅使用第一线圈来生成选择场。此外，更容易自由移动第一子区。

附图说明

本发明的这些和其他方面将从下文描述的(一个或多个)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设备的第一实施例；

图2示出了由图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示出了根据本发明用于在视场中生成和改变磁场的线圈组件的实施例；

图5示出了根据本发明的设备生成的具有无场线的磁场的示意图；

图6示出了图4中所示线圈组件的第一实施例中使用的第一线圈设置；

图7示出了根据本发明无场线移动轨迹的范例；

图8示出了根据本发明用于在视场中生成和改变磁场的设备的方框图；

图9示出了用于新MPI设备中的根据本发明的线圈组件实施例；以及

图10示出了根据本发明的MPI设备的方框图。

具体实施方式

在解释本发明的细节之前，将参考图1到3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中所示的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充当附接于等中心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中未单独示出)开始，磁选择场50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，从而该第一子区52中存在的颗粒的磁化强度不饱和，第二子区54(区域52外部)中存在的颗粒的磁化强度处于饱和状态。扫描器视场28的无场点或第一子区52优选为空间相干区域；其也可以是点状区域、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，在视场28或视场28的至少一部分中向选择场50叠置其他磁场，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，三个线圈对中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土线圈的电流为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，并具有大幅度，而驱动场变化迅速且具有小幅度。以不同方式处理这些场有着物理和生物医学的理由。具有大幅度的迅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，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扫描器的实施例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，其中的颗粒磁化强度未饱和的第一子区52(沿给定空间方向上)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)身体中或以其他方式施用(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。

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。使这种颗粒的磁化强度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，所得的磁化强度也改变，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中的磁性颗粒磁化强度改变，导致出现磁驱动场频率的较高次谐波的频率分量。

像图1中所示的第一实施例10那样，MPI扫描器的第二实施例30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。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28的边长为

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线圈对能够生成时间上可变的磁场。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。

上文所述的MPI设备使用无场点(FFP)用于空间遭遇(incurring)。当在MPI设备中提供时，将在下文中解释的根据本发明的设备提供了同样的功能，但此外还能够使用无场线(FFL)进行空间遭遇，这相当大地改进了磁性颗粒成像方法的其灵敏度。

图4示出了用于在视场28中生成和改变磁场的线圈组件200的第一实施例。线圈组件200尤其能够在视场28中生成和改变/移动如图5所示的磁场60，所述磁场60具有低磁场强度的线形第一子区62和更高磁场强度的第二子区64。为此目的，图4中所示线圈组件200的实施例包括四对136a、136b、136c、136d第一线圈，它们沿着环绕视场28的环布置。在视场28的相对侧上，距等中心24相等距离并沿着环等间距角度地相对地布置每对的两个线圈。于是，所有第一线圈136的中心和等中心24处于同一xy平面中。磁体组件200还包括一对第二线圈116，它们在四对第一线圈136a-136d形成的所述环的开放侧相对布置于视场28的相对侧上。

为了生成提供给所述第一和第二线圈以由所述第一和第二线圈生成期望磁场的电流信号，提供适当的发生器装置(图4中未示出；参见图8)。具体而言，对于每对，甚至更好地对于每个单一线圈，发生器装置能够生成个体电流，如下文所述。

再者，提供控制装置(图4中仍未示出；参见图8)以控制所述发生器装置生成适当的电流，从而由线圈生成期望的磁场。

在图5中示出了具有无场线的磁场60，该无场线即第二子区64之内具有线形的第一子区62，因为可以由图4中所示的线圈组件200生成和改变/移动该磁场。在这里，黑色表示零(低)场强，白色表示高场强。

在图6中，再次示出了四对第一线圈136a-136d，它们以等间距角度(N₁＝(2π/8)1)，1＝0、1......7位于圆上。每两个相对的线圈形成电流沿相反方向流动的麦克斯韦线圈。通过这种布置可以通过两种方式生成连续旋转的FFL。

在第一种方式中，使用电流I_l(t)＝A(cos(2N_l+2T)-3/2)(A为交流幅度)，也可以将电流重写为I_l＝g_l(γ-cos(2Φ_l-2α))(提供给线圈环的八个线圈中的每个l)。在这里，是相应第一线圈1沿着环的角位置，α决定线形第一子区在视场中的期望方向，g_l和γ是预定常数。于是，通过连续改变参数α，可以随着时间连续改变FFL的期望方向。

在第二种方式中，使用交变电流I_l(t)＝A cos(2B_l+2Tt)，该电流也可以重写为I_l＝g_l cos(2Φ_l-2α)。此外，在这种模式中，在z方向向麦克斯韦线圈对116施加直流电流(参见图4)。优选地，选择电流I_l的幅度A和提供给第二线圈对116的线圈m的直流电流I_m之比，使得对于直流电流I_l＝-A.3/2而言z方向中的麦克斯韦线圈对116生成与第一线圈136的线圈环相同的梯度。

在所述的两种模式中，因此可以将这些线圈视为用于生成选择场的选择场线圈。不过，选择场不再是静态的，如同在已知的MPI设备中那样，而是随着时间变化的，以移动FFL。

此外，为了将FFL移动到任何位置(x，y，z)，通过叠加沿相同方向流动的电流来以亥姆霍兹配置额外使用z方向上的线圈对116以及额外的x方向上的一个线圈对136a和y方向上的一个线圈对136c。通过选择适当的电流，可以沿着任何预定义的轨迹移动FFL。例如，可以在xy平面中垂直于FFL方向来回移动FFL，同时以频率T缓慢转动FFL。此外，当在MPI设备中使用线圈组件200进行MPI成像时，沿着z轴移动FFL以进行3D成像。于是可以将亥姆霍兹配置中使用的线圈视为常规MPI成像中用于生成磁驱动场的驱动场线圈，磁驱动场一般是随着时间改变的均匀场。

图7中图示了用于移动FFL的轨迹T的范例。花结图示了根据时间的驱动场矢量。在时间t_x，花结演变到“位置”x，均匀驱动场B(中间略示)具有花结中心和位置x之间连接线的方向。场强与这条线的长度成比例。叠加选择场和驱动场，假设FFL的取向始终垂直于驱动场矢量，则FFL沿着驱动场矢量移动。因此，FFL在缓慢旋转的同时来回扫描。针对三个任意的时间t₀、t₁和t₂草绘了这种情况。

图8示出了根据本发明用于在视场中生成和改变磁场的设备300的方框图。设备300包括如图4所图示的线圈组件200。

于是，如上所述，为了生成磁(梯度)选择场，提供选择装置，其包括一组选择场(SF)线圈136，优选包括至少三对线圈元件(第一线圈)。在这里示出的实施例中，提供了四对选择线圈136a-136d。选择装置还包括选择场信号发生器单元130。优选地，为该组选择场线圈136中的每个线圈元件(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130包括可控的选择场电流源132(一般包括放大器)和滤波器单元134，为相应部分的场线圈元件提供选择场电流，以逐个设置沿期望方向的选择场的梯度强度。

选择场信号发生器单元130由控制单元150控制，控制单元优选控制选择场电流的生成130，从而将选择场的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)线圈的子集，在这一实施例中包括一对相对布置的驱动场线圈元件116。驱动场线圈由驱动场信号发生器单元110控制，驱动场信号发生器单元110优选包括针对所述一组驱动场线圈中的每个线圈元件(或至少每对线圈元件)的独立驱动场信号发生子单元。所述驱动场信号发生器单元110包括驱动场电流源112(优选包括电流放大器)和滤波器单元114，用于向相应驱动场线圈提供驱动场电流。驱动场电流源112适于生成AC电流，也受到控制单元150的控制。

利用这样的设备300，可以生成并通过视场移动具有无场线的磁场。可以在各种应用中采用这种设备。例如，当在MPI设备中使用时，它将MPI方法的灵敏度改善了超过10倍。与上文引用的Weizenecker等人的文章“Magnetic Particle Imaging Using a Field-free Line”中所示的设备相比，这种设备消耗的功率少了大约1000倍，大约与常规MPI设备相同。此外，它不限于2D成像，并且可以在z方向上取向的额外麦克斯韦线圈上合并(consolidate)所有静态电流，这更容易实现且更加有效率。再者，FFL的质量比所述文章中所示的设备产生的FFL更好。具体而言，垂直于FFL的磁场比所述文章中公开的设备更线性地增大。

此外，还可以将根据本发明的设备用于生成无场点而非无场线，如常规上MPI设备使用的那样。在这种情况下，仅使用x、y和z轴上的线圈对。然后由静态电流(麦克斯韦配置)驱动z线圈对，同时由振荡电流(亥姆霍兹配置)额外地驱动全部三个线圈对，以在任何预定义轨迹上驱动FFP，如一般MPI设备中使用的那样。

提供给驱动场线圈的电流一般不是固定的。像MPI方法中沿着轨迹驱动FFP那样，在FFL模式中，可以使用不同的轨迹。优选的轨迹是径向轨迹(旋转FFL)，允许应用CT中通常使用的编码方案(例如氡变换)。

图9图示了根据本发明的线圈组件200的另一实施例。除了图4中所示实施例中示出的线圈之外，增加另外两个线圈对116b、116c，使得针对空间中每个方向都有独立的线圈对116a、116b、116c来生成磁驱动场。在这种情况下，优选地，仅使用沿着环布置的八个线圈136来生成选择场。

图10示出了根据本发明的MPI设备100的大致方框图。除非另作说明，上文解释的磁性颗粒成像的一般原理对于本实施例也是有效且适用的。

图9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。具体而言，其包括如图8所示用于生成和移动磁场的设备300。在下文中将仅解释额外的元件。

为了探测信号，提供了接收装置148，尤其是接收线圈，和信号接收单元140，信号接收单元140接收所述接收装置148探测的信号。所述信号接收单元140包括用于对接收到的探测信号进行滤波的滤波器单元142。这种滤波的目的是将检查区域中由磁化强度导致的测得值与其他干扰信号分开，检查区域中的磁化强度受到两个部分区域(52，54；62，64)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图像处理单元(也称为重建装置)152，图像处理单元从这些信号和相应位置重建磁性颗粒的空间分布，所述相应位置为接收相应信号期间检查区域中第一磁场的第一部分区域52假定的位置且是由图像处理单元152从控制单元150获得的。最后通过控制装置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。

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。

于是，如上所述，本发明提供了一种用于生成和改变磁场的设备，该磁场具有第一子区和第二子区，所述第一子区为点形或线形的，并具有低(或零)磁场强度，所述第二子区具有更高磁场强度。优选可以在MPI设备中应用这样的设备。通过仅叠置三个旋转的梯度场可以在2D平面中的任意方向上建立磁性无磁场线。根据应当优化功率损耗还是所生成磁场的质量，发现布置在环绕视场的环中的最佳线圈对数是三或四。与Weizenecker等人提出的线圈组件相比，功耗显著降低表示这种布置在可行性方面的重大进步，并且由于其灵敏度改善，因而总体上对于MPI而言取得重大进步。不过，利用磁场中的无场线的概念并非限于MPI，在其他场中也会找到其应用。

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

1.一种用于在视场(28)中生成和改变磁场的设备，所述磁场具有第一子区(62)和第二子区(64)，所述第一子区具有低磁场强度，所述第二子区具有更高磁场强度，所述设备包括：

-至少三对第一线圈(136a-136d)，其中，沿着环绕所述视场的环以距所述视场的中心相等或不等的距离布置所述线圈，且其中，每对的两个线圈相对地布置在所述视场的相对侧上，

-至少一对第二线圈(116)，其相对地布置在所述环的开放侧处的所述视场的相对侧上，

-发生器装置(110，130)，其用于生成电流信号，以提供给所述第一和第二线圈，用于由所述第一和第二线圈生成期望的磁场，以及

-控制装置(150)，其用于控制所述发生器装置，以生成：

i)选择场电流信号，其用于提供给所述第一线圈(136a-136d)，使得所述至少三对第一线圈生成梯度磁选择场，所述梯度磁选择场的磁场强度具有空间图案，从而在所述视场中形成第一子区和第二子区，所述第一子区具有低磁场强度，所述第二子区具有更高磁场强度，以及

ii)驱动场电流信号，其用于提供给所述第二线圈(116)和两对第一线圈(136a，136c)，使得所述至少一对第二线圈和所述两对第一线圈生成均匀的磁驱动场，用于改变所述视场中所述两个子区的空间位置。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一子区是球形或线形的。

3.根据权利要求1所述的设备，

其中，所述控制装置(150)适于控制所述发生器装置(110，130)以生成选择场电流信号，所述选择场电流信号也提供给所述第二线圈(116)以为生成所述磁选择场做贡献。

4.根据权利要求1所述的设备，

还包括至少第四对第一线圈，其中，所有第一线圈沿着环绕所述视场的环布置。

5.根据权利要求1所述的设备，

其中，以等间距角和/或以距所述视场的中心相等的距离沿所述环布置所述第一线圈(136a-136d)而不彼此重叠。

6.根据权利要求2所述的设备，

其中，所述发生器装置包括选择场电流信号发生器单元(130)，用于以正弦函数的形式生成针对所述第一线圈(136a-136d)中的每个的个体选择场电流信号，所述正弦函数取决于相应第一线圈沿所述环的角位置和线形第一子区的期望方向。

7.根据权利要求6所述的设备，

其中，所述选择场发生器单元(130)适于以I_l＝g_l(γ-cos(2Φ_l-2α))的形式生成针对所述第一线圈中的每个l的所述个体选择场电流信号I_l，其中，是相应第一线圈l沿所述环的角位置，α决定所述线形第一子区在所述视场中的期望方向，并且g_l和γ是预定常数。

8.根据权利要求6所述的设备，

其中，所述选择场电流信号发生器单元(130)适于生成：

-形式为I_l＝g_lcos(2Φ_l-2α)的针对所述第一线圈中的每个l的所述个体选择场电流信号I_l，其中，是相应第一线圈l沿所述环的角位置，α决定线形第一子区在所述视场中的期望方向，并且g_l是预定常数，以及

-针对所述第二线圈中的每个m的所述个体选择场电流信号I_m，用于在垂直于所述第一线圈的所述环的方向上生成梯度磁场。

9.根据权利要求6所述的设备，

其中，所述选择场电流信号发生器单元(130)适于生成所述个体选择场电流信号，从而随着时间t连续改变决定所述线形第一子区的期望方向的参数α，其中，f是所述线形第一子区旋转的频率。

10.根据权利要求9所述的设备，其中根据α＝2πft连续改变决定所述线形第一子区的期望方向的参数α，其中，f是所述线形第一子区旋转的频率。

11.根据权利要求2所述的设备，

其中，所述发生器装置包括驱动场电流信号发生器单元(110)，用于生成针对所述第二线圈(116)和所述两对第一线圈(136a，136c)中的每个的个体驱动场电流信号，向所述第二线圈(116)和所述两对第一线圈(136a，136c)中的每个提供所述驱动场电流信号，从而令所述第一和第二线圈生成均匀磁场，所述均匀磁场具有指向所述线形第一子区的期望运动的方向的磁场矢量。

12.根据权利要求11所述的设备，其中所述均匀磁场具有指向垂直于所述线形第一子区的方向的磁场矢量。

13.根据权利要求1所述的设备，

包括在所述视场各相对侧上相对地布置的三对第二线圈(116a，116b，116c)。

14.一种用于影响和/或探测视场(28)中的磁性颗粒的磁性颗粒成像设备(100)，所述设备包括根据权利要求1所述的用于在所述视场中生成和改变磁场的设备。

15.根据权利要求14所述的磁性颗粒成像设备(100)，还包括：

-接收装置，其包括至少一个信号接收单元(140)和用于采集探测信号的至少一个接收线圈(148)，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)的空间位置变化的影响，以及

-处理装置(152)，其用于处理所述探测信号。

16.一种用于利用至少三对第一线圈(136a-136d)和至少一对第二线圈(116)在视场(28)中生成和改变磁场的方法，所述磁场具有第一子区(62)和第二子区(64)，所述第一子区具有低磁场强度，所述第二子区具有更高磁场强度，其中，沿环绕所述视场的环布置所述至少三对第一线圈，且其中，每对的两个线圈相对地布置在所述视场的相对侧上，并且所述至少一对第二线圈相对地布置在所述环的开放侧处的所述视场的相对侧上，所述方法包括如下步骤：

-生成电流信号，以提供给所述第一和第二线圈，用于由所述第一和第二线圈生成期望的磁场，以及

-控制生成电流信号的所述步骤以生成

i)选择场电流信号，用于提供给所述第一线圈，使得所述至少三对第一线圈生成梯度磁选择场，所述梯度磁选择场的磁场强度具有空间图案，从而在所述视场中形成第一子区和第二子区，所述第一子区具有低磁场强度，所述第二子区具有更高磁场强度，以及

ii)驱动场电流信号，用于提供给所述第二线圈和两对第一线圈，使得所述至少一对第二线圈和所述两对第一线圈生成均匀的磁驱动场，用于改变所述视场中所述两个子区的空间位置。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一子区是球形或线形的。