CN102753091B - 具有单侧发射线圈组阵列的用于影响和/或检测视场内的磁颗粒的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于影响和/或检测视场内的磁颗粒的设备和方法。为了增大视场，同时允许在成像过程中接近患者，所述设备包括两个或更多个发射线圈组（200），其中，相邻线圈组部分重叠，所述发射线圈组包括：一对（210）同心布置的选择场线圈（211，212），其用于生成磁选择场（50），所述磁选择场的磁场强度具有空间图案，从而在所述视场（28）内形成具有低磁场强度的第一子区（52）和具有较高磁场强度的第二子区（54），以及至少一对（220，230）驱动场线圈（221，222；231，232），其用于利用磁驱动场改变所述视场（28）内的两个子区（52，54）的空间位置，从而使磁颗粒的磁化发生局部变化，所述至少一对（220，230）驱动场线圈被布置成与所述对（210）选择场线圈（211，212）平行，并且由两个相邻的线圈环形成。

Description

具有单侧发射线圈组阵列的用于影响和/或检测视场内的磁颗粒的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于影响和/或检测视场内的磁颗粒的设备和方法。
此外，本发明还涉及一种用于在计算机上实施所述方法并用于控制这样的设备的计算机程序。
本发明尤其涉及磁颗粒成像（MPI）领域。
背景技术
磁场在诸多应用当中都起着重要的作用。磁场例如被用于电动机、发电机以及无线电或电视信号传输。此外，磁场还被用于医学诊断，在这一领域中最突出的范例就是磁共振成像（MRI）。在这些应用中的每种应用中，对磁场进行定制，以满足特定的需要。例如，在MRI中，需要形成两种场配置：即，空间均匀的和线性增大的梯度场。能够通过电磁线圈生成这些专用场，而线圈几何结构和所施加的电流决定场的特征。对于这些简单的场配置而言，最佳的线圈拓扑结构都是周知的。由亥姆霍兹（Helmholtz）线圈对来生成均匀磁场，所述亥姆霍兹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被间隔开的两个等同线圈。每个线圈承载沿相同方向流动的电流。类似地，由麦克斯韦（Maxwell）线圈对来生成梯度场，所述麦克斯韦线圈对具有相同的拓扑结构，然而电流沿相反方向流动，并且具有更大的线圈距离
磁颗粒成像（MPI）是一种紧急医学成像模态。MPI最初的版本是二维的，因为其产生二维图像。将来的版本将是三维（3D）的。假设对象在单幅3D图像的数据采集期间没有发生显著变化，那么可以通过将3D图像的时间序列组合成电影来创建非静态对象的时间相关图像或4D图像。
像计算机断层摄影（CT）或磁共振成像（MRI）一样，MPI是一种重建成像方法。因此，分两步生成对象的感兴趣体积的MP图像。利用MPI扫描器执行被称为数据采集的第一步骤。MPI扫描器具有用于生成被称为“选择场”的静态磁梯度场的器件（means），所述静态磁梯度场在扫描器的等中心具有单个场自由点（FFP）。另外，所述扫描器具有用于生成时间相关的在空间上近乎均匀的磁场的器件。实际上，这种场是通过使具有小幅度的快速变化的场（称为“驱动场”）与具有大幅度的缓慢变化的场（称为“聚焦场”）叠加而得到的。通过向静态选择场增加时间相关的驱动场和聚焦场，可以使FFP沿贯穿围绕所述等中心的扫描体积的预定FFP轨线移动。扫描器还具有包括一个或多个，例如三个接收线圈的布置，并且能够记录在这些线圈中感生的任何电压。对于数据采集而言，将所要成像的对象安置在扫描器内，使得对象的感兴趣体积被扫描器的视场包围，所述视场是扫描体积的子集。
所述对象必须含有磁纳米颗粒；如果所述对象为动物或患者，那么在扫描之前向所述动物或患者施予含有这样的颗粒的造影剂。在数据采集期间，MPI扫描器沿有意选择的轨线导引FFP，所述轨线描出扫描的体积或者至少描出视场。对象内的磁纳米颗粒经受不断变化的磁场的作用，并且通过改变其磁化而做出响应。纳米颗粒的不断变化的磁化在接收线圈的每个中感生出时间相关的电压。在与所述接收线圈相关联的接收器内对这一电压进行采样。记录由接收器输出的样本，并且所述样本构成了采集数据。控制数据采集的细节的参数构成了扫描协议。
在图像生成的被称为图像重建的第二步骤中，从在第一步骤中采集的数据计算或重建图像。所述图像为离散的3D数据阵列，其表示对处于视场内的磁纳米颗粒的位置相关的浓度的抽样近似。一般由执行适当的计算机程序的计算机来执行所述重建。计算机和计算机程序实现重建算法。所述重建算法以数据采集的数学模型为基础。与所有重建成像方法的情况一样，这一模型是作用于采集数据的积分算子；所述重建算法尝试在尽可能的程度上取消所述模型的作用。
这样的MPI设备和方法的优点在于，能够利用其以非破坏性方式，在不造成任何伤害的情况下，以高分辨率，对例如人体的任意检查对象进行检查，所述检查既能够接近检查对象的表面，也能够远离其表面。这样的布置和方法通常是已知的，在DE 10151778A1以及在Gleich,B.和Weizenecker，J.(2005)，“Tomographic imaging using the nonlinear response ofmagnetic particles”在nature，第435卷，第1214-1217页中对其进行了首次描述。在所述公开文本中描述的磁颗粒成像（MPI）布置和方法利用了小的磁颗粒的非线性磁化曲线。
除了上文描述的将感兴趣对象置于圆柱形扫描器的中央的常规线圈设置之外，在Sattel T F、Knopp T、Biederer S、Gleich B、Weizenecker J、BorgertJ、Buzug T M(2009)“Single-Sided Device for Magnetic Particle Imaging”，Journal of Physics D:Applied Physics，42，2:5的文章中还公开了一种所谓的单侧线圈布置。这样的布置还被称为单侧基础线圈组，在这样的布置中，将对象置于扫描器设置的前面，并且因而其总尺寸无关紧要。尽管不同的扫描器设计以不同的应用为目标，然而到目前为止，3D单侧扫描器的主要缺点是只能对相对小的视场成像。实际上，所述场在所有三个方向上都受到发射线圈的尺寸以及接收线圈灵敏度的限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于影响和/或检测视场内的磁颗粒的设备和方法，其具有优选在所有维度都增大的视场，具有在所述视场的边界处提高的图像质量，因而与那时已知的设备和方法，尤其是与已知的单侧线圈布置相比，能够对更大的区域成像。
本发明的另一目的在于提供一种用于在计算机上实施所述方法以及用于控制这样的设备的计算机程序。
在本发明的第一方面中，提出了一种用于影响和/或检测视场中的磁颗粒的设备，所述设备包括：
i）两个或更多个发射线圈组，其中，相邻线圈组部分重叠，发射线圈组包括：
-一对同心布置的选择场线圈，其用于生成磁选择场，所述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具有低磁场强度的第一子区和具有较高磁场强度的第二子区，以及
-至少一对驱动场线圈，其用于利用磁驱动场改变所述视场中的两个子区的空间位置，从而使磁颗粒的磁化发生局部变化，其中，所述至少一对驱动场线圈被布置成与所述对选择场线圈平行，并且其中，所述至少一对驱动场线圈的两个驱动场线圈是两个相邻的线圈环，
ii）发生器器件，其用于生成电流信号，所述电流信号用于提供给所述选择场线圈和所述驱动场线圈，用于由所述线圈生成预期的磁场，以及
iii）控制器件，其用于控制所述发生器器件，以生成用于提供给所述对选择场线圈的两个选择场线圈的反向直流以及提供给所述至少一对驱动场线圈的两个驱动场线圈的反向交流，其中，一个交流在所述驱动场线圈之一内顺时针流动，而另一个交流则在另一驱动场线圈内逆时针流动。
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。
在从属权利要求中定义了本发明的优选实施例。应当理解，所要求保护的方法、所要求保护的发射线圈组以及所要求保护的计算机程序具有与所要求保护的设备相似和/或等同的如从属权利要求中界定的优选实施例。
本发明基于这样一种想法，即，对上文引用的Sattel等人的文献中所述的用于MPI的包括单个发射线圈组的单侧线圈布置进行扩展。根据本发明将补充额外的发射线圈组，其能够在扫描器装置的前面生成具有垂直于轴向扫描器的轴z的取向的磁场。然后，能够通过向发射线圈组的线圈施加适当的电流来将单个FFP，即，具有低磁场强度的第一子区移动到多维轨线上的任何位置。
本发明的另一方面在于，所述两个或更多个发射线圈组是重叠并且耦合的。通过这种方式，能够使FFP在任意大的视场内无缝地移动，所述视场仅受重叠的发射线圈组的数量的限制。
所提出的发明因而提供了如下特征：
-其产生沿水平方向，例如，沿与患者台平行的方向具有任意尺寸的扩大的视场；
-由于相邻发射线圈组之间的协同效果，其提供了更高的图像质量；
-其实现了更大的轴向贯穿深度；
-可以降低单个发射线圈组的功耗；
-其能够实现多场自由点处理（mFFP）；
-其实现了快速并行图像重建；
-其还为大的视场提供了小的SAR（比吸收率）；并且
-其实现了大尺度导管介入。
为了生成预期的磁场，向发射线圈组的线圈提供适当的电流。所述线圈是由适当的发生器器件在控制器件的控制下生成的。具体而言，从一个发射线圈组来看，通过向一对的两个选择场线圈提供反向直流来生成作为基本均匀的磁场的磁选择场。为了在预期方向生成磁驱动场，向发射线圈组的至少一对驱动场线圈的两个驱动场线圈提供反向交流。因此，为了生成垂直于线圈轴的磁驱动场，与上文引用的Sattel等人的文献中描述的单侧线圈布置相反，采用分离的驱动场线圈来生成所述磁驱动场，即，不将选择场线圈用于这一目的。此外，由两个相邻的线圈环形成这样一对驱动场线圈，从而使在向所述线圈环提供反向交流时由所述两个环生成的磁场至少在中央区域，即，在所述线圈环的两个相邻分支相互紧挨着放置的位置累加起来。
在发射线圈组（优选在每个发射线圈组）中提供两对驱动场线圈的优选实施例中，所述两对驱动场线圈被布置成彼此平行并且与所述对选择场线圈平行，并使所述两对驱动场线圈相对于彼此旋转处于0°与180°之间的范围内的旋转角。这实现了使FFP垂直于线圈轴二维移动。因而，如果将所提出的设备用于成像，那么能够获得片层图像。如果此外还使成像对象穿过所述片层的平面移动，那么三维成像就成为了可能。
此外，在实施例中，所述控制器件适于控制所述发生器器件，以在生成反向直流之外，还生成用于提供给所述对的选择场线圈的两个选择场线圈的反向交流。通过这种方式，将所述选择场线圈额外地用作驱动场线圈，并使FFP能够沿所述线圈轴移动。如果所述发射线圈组每者都包括两对驱动场线圈，那么将使FFP在三维空间内的移动由此成为可能，从而实现例如三维成像。如果所述发射线圈组每者都仅包括单对驱动场线圈，那么将使FFP在二维空间内的（在通过线圈轴的面内的）移动成为可能。然而，还是通过这种方式，如果使被成像对象穿过能够使FFP在其内发生移动的面而移动，那么三维成像将成为可能。
如上所述，所述对的驱动场线圈处于彼此之上，然而相对于彼此旋转处于0°与180°之间的范围内的旋转角。然而，优选旋转角处于75°与105°之间的范围内。如果所述旋转角（恰好或者大致）为90°，那么将得到生成磁驱动场的最佳效率。
通常可以由各种线圈环形成每一对或者所有对的驱动场线圈。然而，如果通过等同的线圈环形成所有的驱动场线圈，那么能够更好地计算以及预先确定可获得的磁驱动场，就像本发明的实施例中的优选情况那样。
驱动场线圈的有利布局为D形或矩形线圈环，其中，所述环的两个线状分支彼此直接相邻。然而，也能够采用其他线圈布局，只要它们能够生成预期方向内的并且具有预期强度的磁驱动场即可。
根据另一实施例，一对驱动场线圈的两个线圈环被布置成相对于通过线圈轴的对称面对称，其中，所述选择场线圈相对于所述线圈轴同心布置。这将提供发射线圈组的对称并且紧凑的布局，尤其是在发射线圈组的所述对的选择场线圈和至少一对驱动场线圈具有等同的外部尺寸并且在彼此之上呈盘状布置的情况下，就像根据另一实施例提出的那样。这实现了这样一种布置，即，使发射线圈组，尤其是多个相互重叠的发射线圈组，基本布置在线圈平面内，例如，就像优选实施例中提出的那样，布置在与放置患者的患者台的表面平行的平面内。例如，可以将所述多个发射线圈组集成到患者台本身内，其使得医务人员能够自由地接近躺在患者台上的患者，与此同时，同时生成患者的预期感兴趣区域的图像。
在有利实施例中，所述设备还包括：
iv）接收器件，其包括用于采集检测信号的至少一个接收线圈，所述检测信号取决于视场内的磁化，所述磁化受第一子区和第二子区的空间位置的变化的影响，以及
v）处理器件，其用于处理所述检测信号，尤其用于从所述检测信号重建图像和/或用于对所述视场内的，尤其是置于所述视场内的对象内的磁颗粒进行定位。
尽管一般利用根据本发明的设备和方法能够影响磁颗粒，例如，能够使其通过患者的身体移动到预期位置，从而例如使药物沉积在该处，或者将医学仪器移动到该处，然而另一个主要的应用领域是成像领域，出于该目的提供了根据这一优选实施例的接收器件和处理器件。用于采集检测信号的所述至少一个接收线圈可以是分离的接收线圈（或者一组接收线圈），也可以集成到发射线圈组中。例如，每个发射线圈组可以额外包括单个接收线圈。或者，可以将所述发射线圈，即，发射线圈组的选择场线圈和/或驱动场线圈用作接收线圈。
为了在更大的视场内有效，所述设备不仅包括低数量的发射线圈组，还优选包括多个发射线圈组，所述多个发射线圈组被相等地间隔开，并且基本布置在平面或曲面内。如上所述，这样的平面可以是与患者台的表面平行的平面。然而，还可以将所述发射线圈组布置在一个或多个平面或曲面内，例如，其部分围绕患者的感兴趣区域，但未完全包围患者，常规MPI设备中就是这种情况。
根据另一优选实施例，所述控制器件适于控制所述发生器器件，以生成用于提供给所述发射线圈组的线圈的电流，因而为了实现第一子区从第一发射线圈组向第二发射线圈组的转移，向所述第一发射线圈组的视场的边界驱动所述第一子区，降低所述第一发射线圈组的磁选择场，并增大第二发射线圈组的磁选择场。这提供的优点在于，重叠的发射线圈组是耦合的，并且能够使FFP（即，第一子区）在任意大的视场内无缝地移动，所述移动仅受到重叠发射线圈组的数量的限制。
如果将发射线圈组视为独立的单元，那么每个发射线圈组将干扰相邻的发射线圈组的FFP。因此，在这一优选实施例中，提供了正确的“握手（handshaking）”。具体而言，其条件是，如果发射线圈组将其FFP驱动到其视场的边界，就能够实现稳定的FFP质量。同时，增大相邻发射线圈组的磁梯度场，以接收FFP，即，使FFP转移到下一发射线圈组。同时，第一发射线圈组降低其磁梯度场（即，其磁选择场），从而将FFP移交给相邻的发射线圈组。对所述相邻发射线圈组的同时增大和降低过程进行细致引导，以确保FFP梯度的位移不变质量。因而，能够借助这一实施例实现FFP在整个发射线圈组阵列上的无缝移动。
如上所述，不仅能够使单个FFP在发射线圈组阵列上移动，如果像根据另一实施例提出的那样，所述控制器件适于控制发生器器件，以按照适当的方式生成用于提供给多个发射线圈组的电流，那么还能够生成两个或更多个FFP，并使其同时移动。一般而言，每个发射线圈组能够生成其自身的FFP，并且通过这种方式有可能使所有的FFP沿相同的方向以相同的速度同时移动。这种采用两个或更多个FFP的实施例同时提供了这样的优点，即，能够缩短数据采集时间，和/或能够同时和/或以更短的时间对更大的视场进行成像。
附图说明
参考下文描述的（一个或多个）实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得以阐释。在如下附图中
图1示出了MPI设备的第一实施例；
图2示出了由图1所示的设备生成的选择场图的范例；
图3示出了MPI设备的第二实施例；
图4示出了在根据本发明的装置中使用的发射线圈组的第一实施例的透视图和底视图；
图5示出了这样的发射线圈组的各个线圈的顶视图；
图6示出了根据本发明的一对驱动线圈的另一实施例；
图7示出了根据本发明的MPI设备中使用的多个重叠的发射线圈组的阵列；
图8图示了FFP在根据本发明的两个相邻的重叠发射线圈组之间的转移；
图9示出了根据本发明的MPI设备的实施例的侧视图；
图10示出了根据本发明的MPI设备的方框图；以及
图11示出了在根据本发明的装置中使用的发射线圈组的第二实施例的透视图。
具体实施方式
在解释本发明的细节之前，将参考图1到图4详细地解释磁颗粒成像的基础。具体而言，将描述用于医学诊断的MPI扫描器的两个实施例。还将给出对数据采集的非正式描述。将指出两个实施例之间的相似之处和差异。
图1中所示的MPI扫描器的第一实施例10具有明显的三对12、14、16同轴平行圆形线圈，每一对被布置为如图1所示。这些线圈对12、14、16用于生成选择场以及驱动场和聚焦场。三个线圈对12、14、16的轴18、20、22相互正交，并相交于单个点，该点指示MPI扫描器10的等中心24。另外，这些轴18、20、22还用作附接至等中心24的3D笛卡尔x-y-z坐标系的轴。将纵轴20指定为y轴，因而x轴和z轴是水平的。以线圈对12、14、16的轴对其命名。例如，y线圈对14由处于扫描器的顶部和底部的线圈形成。此外，将具有正（负）y坐标的线圈称为y+线圈（y-线圈），其余线圈类似。当更加方便时，应当利用x1、x2和x3来标记所述坐标轴和所述线圈，而不是利用x、y和z。
能够将扫描器10设定为引导预定的时间相关的电流沿任一方向通过这些线圈12、14、16中的每个。如果电流绕线圈顺时针流动，那么当沿这一线圈的轴看时，将其视为正，否则视为负。为了生成静选择场，使恒定正电流IS通过z+线圈流动，并使电流-IS通过z-线圈流动。z线圈对16然后充当逆平行圆形线圈对。
在图2中通过场线50表示大体为磁梯度场的磁选择场。其沿生成选择场的z线圈对16的（例如，水平的）z轴22的方向具有基本恒定的梯度，并且在这一轴22上的等中心24上达到零值。磁选择场50的场强从这一场自由点（在图2中未单独示出）开始随着与场自由点的距离的增大而沿所有的三个空间方向增大。在由围绕等中心24的虚线表示的第一子区或区域52中，场强小到未使所述第一子区52内存在的颗粒的磁化发生饱和，而第二子区54（区域52之外）内存在的颗粒的磁化则处于饱和状态。在第二子区54中（即，在扫描器视场28的处于第一子区52之外的剩余部分中），所述选择场的磁场强度充分强到了使磁颗粒保持饱和状态。
通过改变视场28内的两个子区52、54的位置，使视场28内的（总体）磁化发生变化。通过确定视场28内的磁化以及受所述磁化影响的物理参数，能够获得关于视场28内的磁颗粒的空间分布的信息。为了改变视场28内的两个子区52、54的相对空间位置，向选择场50叠加额外的磁场，即，磁驱动场以及磁聚焦场（如果适用的话）。
为了生成驱动场，使时间相关的电流ID 1通过两个x线圈12流动，使时间相关的电流ID 2通过两个y线圈14流动，使时间相关的电流ID 3通过两个z线圈16流动。因而，这三个线圈对中的每个充当平行圆形线圈对。类似地，为了生成聚焦场，使时间相关的电流IF 1通过两个x线圈12流动，使电流IF 2通过两个y线圈14流动，使电流IF 3通过两个z线圈16流动。
应当指出，z线圈对16很特殊：其不仅生成其在驱动场和聚焦场内的份额，还生成选择场。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。由于其几何结构和对称性的原因，所述三个线圈对12、14、16得到了很好的去耦。这一点是想要的。
所述选择场是由逆平行圆形线圈对生成的，其关于z轴旋转对称，并且其z分量沿z近乎呈线性并且在围绕等中心24的相当大的体积内与x和y无关。具体而言，所述选择场在等中心处具有单个场自由点（FFP）。相反，由所述平行圆形线圈对生成的所述驱动场和聚焦场的份额在围绕等中心24的相当大的体积内近乎空间均匀，并且与相应的线圈对的轴平行。由所有的三个平行圆形线圈对共同生成的驱动场和聚焦场是近乎空间均匀的，并且能够为其赋予任何方向和强度，直至某一最大强度。所述驱动场和聚焦场也是时间相关的。所述聚焦场与驱动场之间的差异在于，所述聚焦场随时间缓慢变化，并且具有大幅度，而所述驱动场则快速变化，并且具有小幅度。出于物理学和生物医学的原因，对这些场做不同对待。快速变化的具有大幅度的场难以生成，并且对患者有害。
MPI扫描器的实施例10具有额外的至少一对，优选额外的三对平行圆形线圈，所述对也具有沿x、y、z轴的取向。这些线圈对在图1中未示出，其用作接收线圈。与用于驱动场和聚焦场的线圈对12、14、16的情况一样，由通过这些接收线圈对之一流动的恒定电流生成的磁场在视场内近乎空间均匀，并且与相应的线圈对的轴平行。所述接收线圈被认为得到了很好的去耦。由附接至接收线圈的接收器对在这一线圈内感生的时间相关的电压放大，并对其采样。更确切地说，为了克服这一信号的极大的动态范围，接收器对接收信号与参考信号之间的差进行采样。所述接收器的传递函数从DC一直到预期信号水平降至噪声水平以下的点都是非零的。
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腔膛26。所有的线圈都放置在这一腔膛26之外。对于数据采集而言，将要成像的患者（或对象）安置到腔膛26内，从而使患者的感兴趣体积-患者（或对象）的要被成像的体积-被扫描器的视场28包围，所述视场是扫描器的某一体积，扫描器能够对该体积的内容成像。例如，将患者（或对象）放置到患者台上。视场28是腔膛26内部的从几何学的角度来看简单的等中心体积，诸如立方体、球体或圆柱体。图1示出了立方体视场28。
第一子区52的尺寸取决于磁选择场的梯度的强度，而另一方面取决于达到饱和所需的磁场的场强，所述场强继而又取决于磁颗粒。对于典型磁颗粒在80A/m的磁场强度以及磁选择场场强的总计为50×103A/m2的（沿给定空间方向）梯度上的充分饱和而言，颗粒的磁化未饱和的第一区具有大约1mm的尺寸（沿所述的给定空间方向）。
假定患者的感兴趣体积含有磁纳米颗粒。在对例如肿瘤的诊断成像之前，例如利用注射到患者（对象）体内或者患者例如经口服的包括磁颗粒的液体将磁颗粒带到所述感兴趣体积。
磁颗粒的实施例包括例如由例如玻璃构成的球形衬底，其设有具有例如5nm的厚度，并且由例如铁镍合金（例如，坡莫合金）构成的软磁层。可以例如利用涂层覆盖这一层，所述涂层保护所述颗粒不受在化学和/或物理学上具有侵害性的环境的影响，例如，不受酸的影响。使这样的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，颗粒的直径、所述磁层所采用的磁性材料以及其他参数。
因而，就例如10μm的直径而言，需要大约800A/m（大约对应于1mT的通量密度）的磁场，而就100μm的直径而言，80A/m的磁场就足够了。当选择由具有较低饱和磁化强度的材料构成的涂层时或者在降低所述层的厚度时甚至获得了更小的值。市面上能够获得商标名为Resovist的一般都能够采用的磁颗粒。
要想获得一般可用的磁颗粒和颗粒成分的更多细节，可同此参考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，通过引用将其并入本文。在这些文献中还能够找到一般的MPI方法的更多细节。
在数据采集期间，x、y和z线圈对12、14、16生成取决于位置和时间的磁场，即外加场。这一目的是通过引导适当的电流通过所述线圈实现的。实际上，驱动场和聚焦场对选择场任意控制，使得FFP沿描出扫描体积的预选FFP轨线移动，其中，所述扫描体积是所述视场的超集。外加场控制患者体内的磁纳米颗粒的取向。随着外加场的变化，所得到的磁化也发生变化，然而其对外加场的响应是非线性的。发生变化的外加场和发生变化的磁化之和感生出跨越沿xk轴的接收线圈对的端子的时间相关的电压Vk。相关联的接收器将这一电压转换成信号Sk，并对所述信号Sk做进一步处理。
与图1所示的第一实施例10类似，图3所示的MPI扫描器的第二实施例30具有三个圆形的相互正交的线圈对32、34、36，但这些线圈对32、34、36只生成选择场和聚焦场。利用铁磁材料37填充还生成选择场的z线圈36。这一实施例30的z轴42具有竖直取向，而x轴和y轴38、40则具有水平取向。扫描器的腔膛46平行于x轴38，并且因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)和沿其余轴40、42的鞍形线圈对(未示出)生成。这些线圈围绕形成腔膛的管缠绕。驱动场线圈还用作接收线圈。
为了给出这样的实施例的若干典型参数：选择场G的z梯度G具有G/μ0＝2.5T/m的强度，其中，μ0是真空磁导率。驱动场的时域频谱集中在大约25kHz(最高大约可达100kHz)的窄带内。所接收到的信号的有用频谱处于50kHz与1MHz之间(最终可达大约10MHz)。所述腔膛具有120mm的直径。匹配到腔膛46内的最大的立方体28具有 的边长。
如上述实施例中所示，能够采用相同的线圈对的线圈，并为这些线圈提供适当生成的电流，由此生成各种磁场。然而，尤其是为了实现具有更高的信噪比的信号解释的目的，通过分离的线圈对生成时域恒定的选择场和时域变化的驱动场、聚焦场可能是有利的。一般而言，可以将亥姆霍兹型线圈对用于这些线圈，这样的线圈在例如具有开放磁体的磁共振设备(开放MRI)领域是公知的，在所述设备中，射频(RF)线圈对位于视场之上和视场之下，所述RF线圈对能够生成时域变化的磁场。因此，这里没有必要对这样的线圈的构造做进一步的详细说明。
在选择场的生成的备选实施例中，能够使用永磁体(未示出)。在这样的(相对的)永磁体(未示出)的两极之间的空间中形成了与图2所示的类似的磁场，亦即，这时所述相对的极具有相同的极性。在另一备选实施例中，可以通过至少一个永磁体和至少一个线圈的混合设置生成选择场。
在下文中将解释本发明的细节。
图4和图5示出了根据本发明提出的单侧发射线圈组200的实施例。图4A示出了透视图，并且图4B示出了整个发射线圈组200的侧面。图5A到5C从顶视角度单独示出了所述发射线圈组200的各个线圈。
在这一实施例中，所述发射线圈组200包括如图5A所示的一对210同心布置的选择场线圈211、212，其具有围绕公共线圈轴240（沿z轴布置）布置的环形，以生成磁选择场。为所述选择场线圈211、212提供具有相反方向的DC电流I11、I12，以生成预期的梯度场作为具有处于所述视场内的（充分）场自由点的磁选择场。
此外，发射线圈组200包括图5B和图5C分离地示出的两对220、230驱动线圈221、222以及231、232，其用于生成磁驱动场。使所述对220、230的驱动场线圈221、222以及231、232彼此平行布置，并使其平行于由选择场线圈211、212构成的所述对210，并使所述对220、230相对于彼此旋转旋转角α，所述旋转角一般处于0°与180°之间的范围内，在这一实施例中，其优选为90°。
如图5B和图5C所示，通过两个相邻的线圈环形成所述对220、230的驱动场线圈221、222和231、232中的每个，在这一实施例中，所述对具有两个D形线圈的形式，其中，一对的每个线圈环的一个分支，例如，线圈221的分支223和线圈222的分支224直接相互紧挨着布置。
对于尤其处于垂直方向和垂直于线圈轴（=z轴）的方向内的，即，处于x和y方向内的磁驱动场的生成而言，向所述对220、230的驱动场线圈的两个驱动场线圈221、222以及231、232提供分别处于相反方向内的AC电流I21、I22以及I31、I32。其作用在于，使一对的两个驱动场线圈中生成的磁场加到一起，例如，如图5C所示，其部分示出了由通过两个驱动场线圈231、232的驱动电流I31、I32生成的磁场H。
图6示出了驱动场线圈的一种备选形状，其示出了对250的两个矩形驱动场线圈251、252。当然，其他驱动场线圈形状也是可能的，只要能够生成预期的使FFP通过视场移动的磁驱动场即可。
如图4到图6描绘的实施例中所示，优选由等同的线圈环形成两对220、230（250）驱动场线圈。然而，一般而言，还能够采用不同的线圈环，然而，这样将更难以计算所生成的磁场，以及为线圈适当地提供正确的驱动场电流，以生成用于使FFP沿预期轨线移动的预期磁驱动场。
此外，驱动场线圈对220、230（250）的两个线圈环被布置成相对于通过线圈轴240的对称面对称。例如，对于图5B所示的驱动场线圈221、222而言，所述对称面是跨x轴和z轴的平面。此外，发射线圈组200的一对210选择场线圈211、212以及两对220、230驱动场线圈221、222和231、232具有基本等同的外部尺寸，它们具体如图4A和4B所示在彼此之上呈盘状布置，从而得到了紧凑的节省空间的布置。
根据本发明，在MPI设备中并非仅提供单个发射线圈组200，而是提供至少两个，优选提供多个发射线圈组200，其中，使相邻的发射线圈组彼此部分重叠。在图7的顶视图中示范性地示出了这样的多个连通的发射线圈组200的阵列300（仅对其给出了示意性图示）。发射线圈组200之间的距离，即，实际的线圈重叠取决于发射线圈组200的具体设计。
一个发射线圈组200的视场（FOV）相对较小。然而，可以利用磁场的线性叠加来扩大场自由点（FFP）的工作范围。图8A示出了由图8C所示的两个单独的（即不重叠的）发射线圈组200a、200b生成的两个分离的FOV。然而，根据本发明，两个相邻的发射线圈组200c、200d如图8D所示是重叠的，即，与图8C所示的布置相比，缩小了两个相邻发射线圈组200c、200d之间的距离。通过这种方式，如图8B所示，能够使处于左手边FOV的右侧边界上的FFP与处于右手边FOV的左侧边界上的FFP融合。换言之，通过这种方式，耦合发射线圈组200c、200d，从而使它们之间的通信成为可能，由此能够沿x方向连续操作所述场自由点。
相邻发射线圈组之间的耦合的进一步实现如下。在第一发射线圈组200c（利用由其驱动场线圈生成的适当磁驱动场）向对应的FOV的边界驱动其FFP的同时，一直在增大相邻发射线圈组200d的磁梯度场（磁选择场），从而为握手，即，将FFP移到下一域内作准备。同时，第一发射线圈组200c降低其磁梯度场，从而使FFP离开。通过这种方式，能够跨越图7所示的耦合发射线圈组200的场300沿x和y方向无缝传送场自由点。在某一距离内，例如，如果采用每一第二或第三发射线圈组的FFP，那么这一原理可以按照并行方式发挥作用，从而使多个场自由点（mFFP）同时工作。
一般而言，为每一发射线圈组提供分离的接收线圈（或接收线圈组），从而避免与FFP内的颗粒的距离不会变得过大。在实践中，只有直接相邻的接收线圈检测到由相邻发射线圈组引起的磁场变化导致的信号。基于其确定上述mFFP方法中的针对下一FFP的最短距离。
对于图像重建而言，有可能由所有的接收线圈检测到的所有数据重建图像，也可能仅由单个接收线圈检测到的数据重建每一局部图像。在第一种情况下，如果多个接收线圈检测同一区域的信号，然而为其设置不同的权重，那么就没有问题。理想地，为一个线圈设置的权重为“1”，为另一个设置的权重为“0”。一般而言，对接收线圈的尺寸加以选择，从而使其灵敏度仅限于总视场的一个子区域。
按照阵列布置的发射线圈组的数量取决于单个发射线圈组的视场的尺寸以及所述阵列的总视场的预期尺寸。例如，所述阵列可以仅包括若干发射线圈组，也可以包括数十乃至数百个发射线圈组。
应当注意，FFP的移动不仅可能处于与发射线圈组阵列的平面平行的面内，也可能处于与所述面垂直或横贯所述面的方向（即z方向）内，大致如上文提及的Sattel等人的文章中所述。
此外，在已知MPI设备中通常采用的聚焦场线圈一般是没有必要的，但可以采用其扩展FOV沿垂直于所述发射线圈组阵列的所述面或者横贯所述面的方向（即z方向）的移动的范围。
图9描绘了根据本发明的MPI设备的实施例的侧视图。患者400躺在患者台410上，多个发射线圈组200的阵列300集成在所述患者台410内。发生器单元420在控制单元430的控制下生成阵列300的各个线圈的电流。对于某些应用而言，例如，对于患者体内的对象移动（例如，磁颗粒所附接的药物或医学仪器向某一位置的移动）而言，一般不需要额外的元件。
可以采用用于信号发射的发射线圈组200的线圈来接收用于成像目的的检测信号，其中，可以将所述图像显示在显示器440上。然而，另一种可能性是如图9所示增加额外的具有优化属性的接收用线圈450。这里，由平的接收线圈450构成的组是合适的，因为可以将它们直接安装在扫描器的正面（或者恰好安装在患者台表面的下面，甚至安装在患者台表面的顶部），其几乎不改变对发射线圈组200的要求，同时提供了感兴趣区域内的更高的接收灵敏度。
将接收线圈450接收到的检测信号提供给处理单元460，所述处理单元可以是与控制单元430相同的工作站或计算机470的部分。在所述处理单元内可以由所述检测信号重建患者400的扫描区域的图像，和/或可以对患者400体内的所述磁颗粒定位。
图10示出了根据本发明的MPI设备100的大体方框图。除非另作说明，否则上文解释的磁颗粒成像的一般原理同样有效，并且也适用于这一实施例。
图10所示的设备100的实施例包括多个具有各种线圈的发射线圈组200的阵列300，以生成预期磁场。为了生成上述磁（梯度）选择场，提供选择器件，其包括每一发射线圈组200中的至少一对210选择（SF）线圈。所述选择器件还包括选择场信号发生器单元215。优选为所述选择场线圈组210的每个线圈（或每对线圈）提供分离的发生器子单元。所述选择场信号发生器单元215包括可控选择场电流源216（一般包括放大器）和滤波器单元217，它们为相应的区段（section）场线圈元件提供选择场电流，从而单独设置预期方向内的选择场梯度强度。如上所述，优选为一对的线圈提供反向DC电流。
由控制单元430控制选择场信号发生器单元215，控制单元430对选择场电流生成215加以控制，从而使选择场的所有空间部分（fraction）的场强之和以及梯度强度之和保持预定水平。
为了生成磁驱动场，设备100还包括驱动器件，所述驱动器件包括驱动场（DF）线圈的子集，优选包括每个发射线圈组200中的两对220、230驱动场线圈。所述驱动场线圈受到驱动场信号发生器单元225的控制，所述单元225优选针对所述驱动场线圈组的每个线圈（或者至少针对每对线圈）包括分离的驱动场信号发生子单元。所述驱动场信号发生器单元225包括驱动场电流源226（优选包括电流放大器）和滤波器单元227，从而为相应的驱动场线圈提供驱动场电流。驱动场电流源226适于生成AC电流，其也受到控制单元430的控制。
提供用于信号检测的接收器件，具体而言，提供至少一个接收线圈440，并提供用于接收所述接收器件检测到的信号的信号接收单元445。所述信号接收部分445包括用于对接收到的检测信号进行滤波的滤波器单元446。这一滤波的目的在于使测量值与其他干扰信号分离开，所述测量值是由检查区域内受到两部分区域（52，54）的位置的变化影响的磁化导致的。出于这一目的，例如，可以将滤波器单元446设计为，使时域频率小于接收线圈440工作的时域频率或者小于这些时域频率的二倍的信号不通过所述滤波器单元446。之后，经由放大器单元447将所述信号传输至模拟/数字转换器448（ADC）。
将模拟/数字转换器448生成的数字化信号馈送至图像处理单元（又称为重建器件）460，所述图像处理单元由这些信号以及检查区域内第一磁场的第一部分区域（FFP）52在相应信号的接收过程中采取的由图像处理单元460从控制单元430处获得的位置来重建磁颗粒的空间分布。
最后将所重建的磁颗粒的空间分布经由所述控制单元430传输至计算机470，计算机470将其显示在监视器440上。因而，能够显示表明检查区域的视场内的磁颗粒分布的图像。
此外，可以提供输入单元480，例如，键盘和/或计算机鼠标。因此，用户能够设置具有最高分辨率的预期方向，接着接收到监视器440上的作用区域的相应图像。如果所述的需要最高分辨率的临界方向偏离了用户首先设置的方向，那么用户仍然能够手工改变所述方向，从而生成另一幅具有提高的成像分辨率的图像。也可以由控制单元430和计算机470自动操作所述分辨率提高过程。这一实施例中的控制单元430设置第一方向内的梯度场，所述第一方向是自动估算的，也可以是由用户作为初始值设定的。之后逐步改变所述梯度场的方向，直到由此接收到的通过计算机470进行比较的图像的分辨率最大，并且无法进一步提高为止。因此，能够找到最临界方向，并对其自动调整，从而接收到尽可能高的分辨率。
上文描述的发射线圈组200的实施例具有两对220、230驱动场线圈，并且还采用所述对210选择场线圈作为第三对驱动场线圈，采用所述实施例能够使FFP在三维空间内移动，从而能够执行对对象的三维成像。图11示出了根据本发明的装置中采用的发射线圈组200的第二实施例的透视图。在这一实施例中，仅提供单对220驱动场线圈221、222，即，从图4和图5所示的发射线圈组200的实施例去除了第二对230。这种设置实现了使FFP沿垂直于线圈轴240的线移动。如果额外采用所述对210选择场线圈作为第二对驱动场线圈，那么能够使FFP实现二维（在通过线圈轴的面内）移动，因而能够执行对对象的二维成像，例如，从而获得片层图像。如果使对象发生了移动，例如，通过移动患者台使对象发生了移动，那么也能够采用这样的发射线圈组的实施例执行所述对对象的平面二维成像。
相邻发射线圈组的重叠一般取决于个体发射线圈组的视场的横向直径与发射线圈组的外侧线圈的直径之间的关系。此外，所述重叠还取决于发射线圈组的场的尺寸。
所述发射线圈组的尺寸取决于沿z方向的贯穿深度、可达到的电流/场强以及个体发射线圈组的视场的尺寸。
所提出的布置实现了任意大的视场内的多维mFFP成像。根据用于这一新的原理的发射线圈组的数量能够为导管介入实现定制工作地点。如上所述，可以将发射线圈组的阵列集成到患者台内，然而其他布置也是可能的。具体而言，就各线圈的数量、形状和布置而言，很多种变化都是可能的，其主要取决于本发明的预期应用。
尽管已经在附图和上述说明中详细示出和描述了本发明，然而应当将这样的图示和说明看作是示范性或示例性的，而不是限定性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、说明书和所附权利要求，本领域技术人员能够在实践所要求保护的本发明的过程当中理解并实施针对所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，单数冠词“一”或“一个”不排除复数。单个元件或其他单元可以实现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陈述某些措施不表示不能有利地采用这些措施的组合。
不应将权利要求中的附图标记推断为限制本发明的范围。

Claims (17)

1.一种用于影响和/或检测视场(28)中的磁颗粒的设备(100)，所述设备包括：
i)两个或更多个发射线圈组(200)，其中，相邻线圈组部分重叠，发射线圈组(200)包括：
-一对(210)同心布置的选择场线圈(211，212)，其用于生成磁选择场(50)，所述磁选择场的磁场强度具有空间图案，从而在所述视场(28)中形成具有低磁场强度的第一子区(52)和具有较高磁场强度的第二子区(54)，以及
-至少一对(220，230)驱动场线圈(221，222；231，232)，其用于利用磁驱动场改变所述视场(28)中的两个子区(52，54)的空间位置，从而使所述磁颗粒的磁化发生局部变化，其中，所述至少一对(220，230)驱动场线圈(221，222；231，232)被布置成与所述对(210)选择场线圈(211，212)平行，并且其中，所述至少一对(220，230)驱动场线圈(221，222；231，232)的两个驱动场线圈(221，222；231，232)是两个相邻的线圈环(221，222；231，232)；
ii)发生器器件(420)，其用于生成电流信号，所述电流信号用于提供给所述选择场线圈和所述驱动场线圈，从而由所述线圈生成预期的磁场；以及
iii)控制器件(430)，其用于控制所述发生器器件(420)，以生成用于提供给所述对(210)选择场线圈的两个选择场线圈(211，212)的反向直流电流以及用于提供给所述至少一对(220，230)驱动场线圈(221，222；231，232)的所述两个驱动场线圈(221，222；231，232)的反向交流电流，其中，一个交流电流在所述两个驱动场线圈(221，222；231，232)之一中顺时针流动，而另一交流电流则在所述两个驱动场线圈(221，222；231，232)的另一个中逆时针流动。
2.根据权利要求1所述的设备，
包括两对(220，230)驱动场线圈(221，222；231，232)，所述两对(220，230)驱动场线圈被布置成彼此平行并且与所述对(210)选择场线圈(211，212)平行，并且使所述两对驱动线圈相对于彼此旋转处于0°与180°之间的范围内的旋转角(α)。
3.根据权利要求2所述的设备，
其中，使所述两对(220，230)驱动场线圈相对于彼此旋转处于75°与105°之间的范围内的旋转角(α)。
4.根据权利要求3所述的设备，
其中，使所述两对(220，230)驱动场线圈相对于彼此旋转90°的旋转角。
5.根据权利要求2或3所述的设备，
其中，所述控制器件(430)适于控制所述发生器器件(420)，以在生成所述反向直流电流之外还生成用于提供给所述对(210)选择场线圈的所述两个选择场线圈(211，212)的反向交流电流。
6.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述至少一对(220，230)驱动场线圈由等同的线圈环形成。
7.根据权利要求1所述的设备，
其中，一对(220，230)驱动场线圈由两个等同的相邻D形或矩形线圈环形成，其中，所述环的两个线状分支(223，224)彼此直接相邻。
8.根据权利要求1所述的设备，
其中，一对(220，230)驱动场线圈的所述两个线圈环被布置成相对于通过线圈轴(240)的对称面对称，其中，所述选择场线圈(211，212)相对于所述线圈轴同心布置。
9.根据权利要求1所述的设备，
其中，发射线圈组(200)的所述对(210)选择场线圈和所述至少一对(220，230)驱动场线圈具有基本等同的外部尺寸，并且在彼此之上呈盘状布置。
10.根据权利要求1所述的设备，
还包括：
iv)接收器件，其包括用于采集检测信号的至少一个接收线圈(440)，所述检测信号取决于所述视场(28)中的磁化，所述磁化受所述第一子区(52)和所述第二子区(54)的所述空间位置的变化的影响，以及
v)处理器件(460)，其用于处理所述检测信号。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，
所述处理器件(460)用于从所述检测信号重建图像和/或用于对所述视场(28)内的所述磁颗粒进行定位。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，
所述处理器件(460)用于对置于所述视场(28)内的对象(400)内的所述磁颗粒进行定位。
13.根据权利要求1所述的设备，
包括多个(300)发射线圈组(200)，所述多个发射线圈组被相等地间隔开，并且基本被布置在一个或多个平面或曲面内。
14.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述控制器件(430)适于控制所述发生器器件(420)，以生成用于提供给所述发射线圈组(200)的所述线圈的电流，从而为了实现所述第一子区(52)从第一发射线圈组(200c)向第二发射线圈组(200d)的转移，向所述第一发射线圈组(200c)的视场的边界驱动所述第一子区(52)，降低所述第一发射线圈组(200a)的所述磁选择场，并增大所述第二发射线圈组(200d)的所述磁选择场。
15.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述控制器件(430)适于控制所述发生器器件(420)，以生成用于提供给所述发射线圈组(200)的所述线圈的电流，从而生成两个或更多个第一子区(52)，并使其同时移动。
16.一种用于影响和/或检测视场(28)中的磁颗粒的方法，所述方法包括如下步骤：
i)通过两个或更多个发射线圈组(200)生成磁场，其中，相邻线圈组部分重叠，生成磁场的所述步骤包括：
-由一对同心布置的选择场线圈(211，212)生成磁选择场(50)，所述磁选择场的磁场强度具有空间图案，从而在所述视场(28)中形成具有低磁场强度的第一子区(52)和具有较高磁场强度的第二子区(54)，以及
-由至少一对(220，230)驱动场线圈(221，222；231，232)利用磁驱动场改变所述视场(28)中的两个子区(52，54)的空间位置，从而使所述磁颗粒的磁化发生局部变化，其中，所述至少一对驱动场线圈(221，222；231，232)被布置成与所述对(210)选择场线圈(211，212)平行，并且其中，所述至少一对(220，230)驱动场线圈(221，222；231，232)的两个驱动场线圈(221，222；231，232)是两个相邻的线圈环(221，222；231，232)；
ii)生成电流信号，所述电流信号用于提供给所述选择场线圈和所述驱动场线圈，从而由所述线圈生成预期的磁场；以及
iii)控制所述发生器器件(420)，从而生成用于提供给所述对(210)选择场线圈的两个选择场线圈(211，212)的反向直流电流以及用于提供给所述至少一对(220，230)驱动场线圈(221，222；231，232)的两个驱动场线圈(221，222；231，232)的反向交流电流，其中，一个交流电流在所述两个驱动场线圈(221，222；231，232)之一内顺时针流动，而另一交流电流则在所述两个驱动场线圈(221，222；231，232)的另一个内逆时针流动。
17.一种用于影响和/或检测视场(28)中的磁颗粒的装置，所述装置包括：
i)用于通过两个或更多个发射线圈组(200)生成磁场的模块，其中，相邻线圈组部分重叠，生成磁场的步骤包括：
-由一对同心布置的选择场线圈(211，212)生成磁选择场(50)，所述磁选择场的磁场强度具有空间图案，从而在所述视场(28)中形成具有低磁场强度的第一子区(52)和具有较高磁场强度的第二子区(54)，以及
-由至少一对(220，230)驱动场线圈(221，222；231，232)利用磁驱动场改变所述视场(28)中的两个子区(52，54)的空间位置，从而使所述磁颗粒的磁化发生局部变化，其中，所述至少一对驱动场线圈(221，222；231，232)被布置成与所述对(210)选择场线圈(211，212)平行，并且其中，所述至少一对(220，230)驱动场线圈(221，222；231，232)的两个驱动场线圈(221，222；231，232)是两个相邻的线圈环(221，222；231，232)；
ii)用于生成电流信号的模块，所述电流信号用于提供给所述选择场线圈和所述驱动场线圈，从而由所述线圈生成预期的磁场；以及
iii)用于控制所述发生器器件(420)，从而生成用于提供给所述对(210)选择场线圈的两个选择场线圈(211，212)的反向直流电流以及用于提供给所述至少一对(220，230)驱动场线圈(221，222；231，232)的两个驱动场线圈(221，222；231，232)的反向交流电流的模块，其中，一个交流电流在所述两个驱动场线圈(221，222；231，232)之一内顺时针流动，而另一交流电流则在所述两个驱动场线圈(221，222；231，232)的另一个内逆时针流动。
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