CN105842638A - 具有移动永磁元件的mpi扫描器 - Google Patents

具有移动永磁元件的mpi扫描器 Download PDF

Info

Publication number
CN105842638A
CN105842638A CN201610142915.5A CN201610142915A CN105842638A CN 105842638 A CN105842638 A CN 105842638A CN 201610142915 A CN201610142915 A CN 201610142915A CN 105842638 A CN105842638 A CN 105842638A
Authority
CN
China
Prior art keywords
mpi
field
magnetics
wheel
magnetic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201610142915.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105842638B (zh
Inventor
U·海嫩
J·弗兰克
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bruker Biospin MRI GmbH
Original Assignee
Bruker Biospin MRI GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bruker Biospin MRI GmbH filed Critical Bruker Biospin MRI GmbH
Publication of CN105842638A publication Critical patent/CN105842638A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105842638B publication Critical patent/CN105842638B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/44—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using nuclear magnetic resonance [NMR]
    • G01R33/48—NMR imaging systems
    • G01R33/54—Signal processing systems, e.g. using pulse sequences ; Generation or control of pulse sequences; Operator console
    • G01R33/56—Image enhancement or correction, e.g. subtraction or averaging techniques, e.g. improvement of signal-to-noise ratio and resolution
    • G01R33/5601—Image enhancement or correction, e.g. subtraction or averaging techniques, e.g. improvement of signal-to-noise ratio and resolution involving use of a contrast agent for contrast manipulation, e.g. a paramagnetic, super-paramagnetic, ferromagnetic or hyperpolarised contrast agent
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0033—Features or image-related aspects of imaging apparatus classified in A61B5/00, e.g. for MRI, optical tomography or impedance tomography apparatus; arrangements of imaging apparatus in a room
    • A61B5/0035—Features or image-related aspects of imaging apparatus classified in A61B5/00, e.g. for MRI, optical tomography or impedance tomography apparatus; arrangements of imaging apparatus in a room adapted for acquisition of images from more than one imaging mode, e.g. combining MRI and optical tomography
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/0213—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using deviation of charged particles by the magnetic field
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/10—Plotting field distribution ; Measuring field distribution
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/12—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids
    • G01R33/1276—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids of magnetic particles, e.g. imaging of magnetic nanoparticles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/38—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
    • G01R33/383—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field using permanent magnets
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/44—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using nuclear magnetic resonance [NMR]
    • G01R33/48—NMR imaging systems
    • G01R33/4808—Multimodal MR, e.g. MR combined with positron emission tomography [PET], MR combined with ultrasound or MR combined with computed tomography [CT]
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A61B5/0515—Magnetic particle imaging

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Pulmonology (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)

Abstract

本发明涉及具有移动永磁元件的MPI扫描器。一种MPI装置包括磁系统和检测系统，磁系统用于产生随时间变化的和与位置相关的磁场，检测系统检测来自在检测体积中暴露到所述磁场的MPI造影剂的信号，所述信号适于重建所述MPI造影剂的空间和时间分布的图像，其特征在于磁系统包括具有多个永磁元件的阵列，多个永磁元件在几何上布置成使得：多个永磁元件的至少一部分以足够的速度在检测体积附近移动以创建空间和时间磁场变化，用于在造影剂中引发由检测系统记录的MPI信号。这样避免现有MPI扫描器的高功率需求，而为更高空间分辨率和可变扫描频率开辟了道路。

Description

具有移动永磁元件的MPI扫描器
本发明涉及一种MPI(＝磁性粒子成像)装置，包括磁系统和检测系统，磁系统设计用于在检测体积中生成随时间变化的和与位置相关的磁场，检测系统检测来自暴露到所述检测体积中的所述磁场的MPI造影剂的信号，所述信号适于重建所述MPI造影剂的空间分布的图像，并且需要时重建所述MPI造影剂的时间分布的图像。
背景技术
这种装置从P.Klauer，M.A.Rückert，P.Vogel，W.H.Kullmann，P.M.Jakob，V.C.Behr，Proc.Intl.Soc.Mag.Res.Med.2011，19，3783(见下面的参考[8])的出版物可知。
MPI简介
磁粒子成像(MPI)是一种新的基于超快速示踪的具有应用(特别是在心血管研究和诊断中)前途的成像技术。
在MPI中，造影剂(如超顺磁性氧化铁纳米粒子(SPIO))暴露到在1-3维空间中振荡的磁场(驱动场)中。这些粒子的非线性磁化变化产生包含在激励信号的高次谐波处的分量的电磁信号。该信号可以被适当的检测线圈检测到以及图像可以被重建。一个强梯度场(选择场，SF)在除小的无场区(＝FFR)之外的每个地方使粒子磁化饱和，从而将信号的产生限定在这个区域。驱动场在空间中移位该FFR，以及FFR在超顺磁性氧化铁纳米粒子上的经过引发上述非线性磁化的变化。该无场区的拓扑可以是一个点(无场点，FFP扫描器)或线(无场线，FFL扫描器)，其取决于选择场的布局。FFL扫描器的优点是它们在每个瞬时处从一个较大体积获得信号，从而获得较高的SNR。因为给定时间点的信号来自沿FFL的多个位置中的粒子，该编码方案必须采样具有不同FFL朝向的每个对象的位置以允许清晰的图像重建。
先前工作
第一个MPI实现方式使用两个永磁体以产生选择场，以及使用谐振电路中的单通道亥姆霍兹线圈对，用于信号激励和沿一个方向(驱动场)扫描。通过样品垂直于驱动场方向的机械运动(见参考[1])，实现了另外两个成像维数。
为了避免样品的缓慢机械运动，第一个成功的3D扫描器使用三个正交驱动场线圈对来在略微不同的频率处操作，从而沿Lissajous轨道采样视场。通过强永磁体(见参考[2])再次实现无场点。
此设计后来通过沿主方向增加附加的类亥姆霍兹线圈对(聚焦场线圈)来扩展，以在较大距离上移位视场(＝FOV)。
此设计目前由Bruker通过由电阻式设计替代创建选择场的永磁体来作出重要修改以商业化。
基于相同的总体布局，示出的扫描器(见参考[3])具有单个的驱动场通道和两个聚焦场通道。在此扫描器中，FFP沿平行于扫描孔的线振荡，并且该线被聚焦场线圈缓慢的移位。通过称之为X-空间的不同重建技术获得图像。在此概念中，局部粒子浓度原则上是通过根据在位置相关的FFP速度的校正之后的FFP位置来绘制信号强度而直接获得。
提出并随后细化了FFL扫描器的设计(见参考[4]、[5]、[6])，在设计中通过一组电阻线圈对跨过扫描器孔产生无场线，其中当在两个不同频率横向沿扫描轴和垂直于它移位时，FFL在空间中绕扫描轴旋转。此扫描器设计的初步结论是有前途的。
替代性扫描器的设计已被示出(见参考[7])，其通过在两侧都放置面向彼此的相同磁极的强磁体提供了直的FFL，具有沿间隙的dB/dz＝2.35T/m的梯度强度。扫描器孔垂直于该场间隙，以及安装了可沿该孔或垂直于它移位FFL的电阻磁体，其中沿孔的运动提供高频率的激励信号。重建是通过滤波后投影实现的并且需要成像物体的绕扫描轴的旋转。
还示出了称为行波MPI(TWMPI)的不同设计，在其中通过绕扫描器孔的被分成之后被相偏移驱动的多个截面的电磁线圈产生正弦激励。此设计允许以恒定速度沿一个方向大尺度FFP运动，而不需要很高的激励幅值(见参考[8])。从本质上讲，行波MPI扫描器通过相同的线圈组产生饱和场和驱动场，其中最大梯度方向是沿FFP路径。该重建与X-空间重建类似而不需要速度校正。
相同团队的最近工作说明永磁体环的使用产生超高场梯度和沿此环布置的轴移动的超顺磁性氧化铁纳米颗粒样品的线轮廓的产生(见参考[9])。
现有的MPI扫描器的问题
功率需求
现有具有电阻线圈的MPI扫描器的设计特征在于具有高功率和冷却要求，对组件的线性度和频谱纯度要求很高，而视场和时空分辨率固有局限性存在，这只能通过进一步提高功率和冷却要求来克服。
时间分辨率、空间分辨率和视场的相互依存
可达到的空间分辨率取决于所采用的示踪剂的性质和围绕FFR的选择场的场梯度的陡度。实际的实现方式使用梯度强度的范围为1T/m至12T/m。为达到一定的视场，驱动场必须强大到足以将FFR移动超过所需距离。因此，更强的选择场也需要更强驱动场。对一个较大的视场所需的驱动场振幅可能难以实现。目前的解决方案或者是降低选择场梯度强度(以空间分辨率为代价)或以时间分辨率为代价通过额外组的所谓聚焦场(FF)线圈来实现FFR的大尺度低速度移位。
固定频率
由于磁化的变化将不会瞬时发生，MPI造影剂如超顺磁性氧化铁纳米颗粒示踪材料的成像性能关键地取决于所选择的激励频率。相反，具有不同时间常数的两个不同机制(奈尔弛豫和布朗旋转)有助于磁化变化。对于具有较大分布的粒子尺寸和形状的示踪材料，两个机制特征均须在于弛豫时间的分布，并且在实践中将产生MPI扫描器的最好SNR性能的最佳激励频率很难预测。排除所有的仪器因素和PNS/SAR问题，激励频率ωDF将尽可能高，但遵从条件ωDF＜＜1/τrelax，其中τrelax是示踪材料的有效弛豫时间。
不幸的是，大多数现有扫描器设计在谐振回路中操作驱动场系统以实现所需的场强度，并且激励频率不能很容易地被改变。
滤波问题
现有的MPI扫描器的一个问题是驱动场在检测线圈引发信号，其比粒子响应幅度强几个数量级。为了减幅激励信号，已为检测线圈设计了梯度计布置，但由于几何约束通常很难实现完美消除。不同的方法通过确保非常干净的正弦激励信号来使用频谱滤波，其然后在检测信号中被抑制，从而挑选出激励信号的通过超顺磁性氧化铁纳米颗粒创建的较高次谐波。后一种方法限制了扫描器运行在单个激励频率。
这两种方法往往合并。在高功率水平的纯正弦激励的硬件建设是非常需要的。同样，在接收路径中的带阻滤波器的要求是高的。在获取的信号中基波的损失造成了图像重建的问题。
发明内容
本发明目的
因此，本发明的目的是为通用MPI装置提供在权利要求1的前序部分定义的特征，这允许避免现有MPI扫描器的高功率要求，而为更高空间分辨率和可变扫描频率开辟了道路。
本发明的简短描述
根据本发明，通过在开始介绍并且在权利要求1前序部分定义的MPI装置方法实现了这一目的，其特征在于磁系统包括具有多个永磁元件的阵列，多个永磁元件被几何地以这种方式布置使得：至少一部分多个永磁元件以足够的速度在检测体积附近移动以创建空间和时间磁场变化用于在造影剂中引发由检测系统记录的MPI信号。
具有永磁体的MPI系统的设置是符合成本效益的，并且不需要使用高电流来产生变化的磁场。
本发明的优选变形
根据本发明，在MPI装置的优选实施例中，磁性元件被布置成相邻对，由此，每对中的磁性元件分别具有相对的极性。因此无场区(FFR)可以以简单的方式产生。
本发明的一系列进一步的实施例，其特征在于，磁性元件被几何地以闭环形式布置在一个或多个传输或传送带上。这有一个优点，即可以在灵活轨迹上引导磁体。传送带的传输的线性部分还允许易于扩展空间测量范围。可使用几种检测系统以允许多采样调查。
可替代的，或者甚至可组合它，在优选的实施方案中，根据本发明的MPI装置的特征可以在于磁性元件以一个或多个轮的形式几何布置，具体地是磁性元件放置在由轮定义的平面中。从而可以实现用于样品短期调查的磁场的高速周期变化。
在一种进一步的发展中，这些实施例可以被修改，即轮可以相对彼此以同轴的方式被几何地布置。从而MPI装置需要更少的空间，并且多个检测布置是可能的。
可替代的，或者甚至可组合它，在其它的修改中，至少一些轮相对于彼此以非同轴的方式被几何地布置。这具有的优点是，检测体积具有良好的可访问性及轮子之间的磁力是最小的。
根据本发明的MPI装置的上述实施例还可修改，即闭合的环或轮能够以可变速度运动。这允许调查具有不同的时间分辨率，以及具体是使得调查适应MPI造影剂的弛豫特性。
在这些修改中，如果闭合的环或轮是可移动的，特别是能够以不同的速度旋转，它可以是特定的优点。因此，可以实现检测体积中不同的时间磁场序列。
另一组修改的特征在于该检测系统包括布置在相邻永磁元件之间的对等的磁场变化的位置处的检测线圈，特别是在轮子的相对位置。从而通过永磁元件感应到检测线圈中的电流可以最小化，从而产生MPI信号的更高的灵敏度。这可以通过适当的相关检测线圈的交叉连接来实现。
通常优选的是，当如上讨论的磁性元件对在闭合的环或轮子径向地布置时。这允许很好访问检测体积。
这些修改可以有利地进一步发展，即每对磁性元件是由放置在相对于轮的轴的轮的相对侧轮上的另一对磁性元件补充以及每个补充对位于相对于所述轴的相同径向位移处。因此，轮子的不平衡被最小化。
在另一类实施例中，根据本发明的MPI装置特征可以在于以提供被测量的MPI样品中的磁性粒子的空间编码的方式来布置磁性元件。这意味着检测体积的定义的采样成为可能。
在另一类的实施例中，MPI装置特征可以在于以在样品位置产生正弦变化的磁场的方式来布置磁性元件。这允许产生变频磁场，用于光谱应用，例如用于MPI造影剂的特性。
根据本发明的MPI装置的另外的实施例特征在于以允许以FFL(＝无场线)或FFP(＝无场点)模式来驱动MPI装置的方式来布置磁性元件。通过使用FFL模式可实现更高的灵敏度，而FFP模式允许调查的简单设置。
在另一个实施例中，MPI装置还包括辅助线圈D，用于产生偏置场以在检测体积中移位磁场。因此可获得由机械地固定的磁体的位置给定的低于分辨率的子编码。
最后，但并非最不重要的，根据本发明的MPI装置可能是有利地，在于其中至少一个磁性元件对以产生适合MRI(＝磁共振成像)的均匀磁场截面的方式布置，即具有互补的极的面对彼此的磁性元件对。磁共振成像是一种功能强大的、非侵入性的工具，用于获得对象特别是活的人或动物的身体一部分的空间分辨信息。
可以从说明书和附图提取更多的优点。根据本发明，上面和下面提及的特征可以单独地或在任何组合中共同地使用。所提及的实施例不应被理解为穷尽枚举，而是具有对本发明描述的示例性特征。
附图
本发明的实旋例在附图中详细描述：
附图说明
图1示出了穿过所提出的扫描器的截面。梯度产生磁体对由安装在共同的旋转轴上的两个相对旋转的轮子保持。每个磁体对在极(黑色点)之间的一半距离处产生无场区。A：旋转轴，B：检测线圈组，C：补充线圈组，D：超分辨率成像(子编码)的小范围移位线圈，E：视场高度，F：轮结构，G：永磁体。
应当注意两个无场区之间镜面对称，这意味着除了顶部/底部线圈产生表现为倒置的信号，在线圈组B和C中产生相同的信号。
该图旨在说明原理并未按比例绘出扫描器的实际实现方式。
图2示出了检测线圈组之间成像平面的细节。示出了100个不同的磁体对的可能编码方案(FFP位置)，其满足非静态不平衡和可忽略动态不平衡的标准。旋转轴在右。A1/A2：内/外线圈对，B1/B2：顶部/底部线圈对，C：切向线圈。
图3示出了扫描器一个轮中的径向磁体布置，具有100个不同FFP位置，通过在不同径向位置放置磁体，而保持用于平衡目的的双重对称，实现了图2中示出的编码方案。A：检测线圈组，B：补偿线圈组，C：显示如图2的FFP横断面的一个示例成像平面。
应当注意对于FFP扫描器，相邻磁体对没有间隙的安装不是严格必要的。圆形、棒状物或方形磁体的简单安装足以产生FFP序列。
该图旨在说明原理并未按比例绘出扫描器的实际实现方式。
图4示出了在旋转磁体布局的周长上的磁体对的布置。图像显示了用于产生图2编码方案的在图3中示出的左上四分之一的磁体布置。示出了少量场线和FFP(黑点)的位置。可能成像体积的高度由点线表示。
该图旨在说明原理并未按比例绘出扫描器的实际实现方式。
图5显示了如图4中所示的相同轮的周长截面，但没有磁体对的极性交替。无场点合并成一个无场线。在这个设置中，相邻的磁体没有间隙的安装是必不可少的，否则，场线可在磁体之间“逃脱”并且无场线不再创建。
图6显示了另一设计的横截面，其中磁体对呈径向对齐而不是平行于旋转轴，产生FFP/FFL位于其中的凹槽。
图7显示了图6所示的另一磁体布局的轴向视图。A：检测线圈组和成像体积的位置，B：补偿线圈组的位置。
图8显示了一种替代性方案，具有径向地定向的磁体布置在两个轮上，在相反方向上以相同的速度旋转。所显示的配置在轮之间的成像体积中产生100个FFP的序列。应当注意在此设置中，简单通过将一个轴相对于另一轴前进3.6°可替代地的产生替代的均匀场的序列。
具体实施方式
在下面，以示例方式详细讨论本发明：
提出的新的扫描器设计
1.基本设计理念
传统的FFP或FFL扫描器通过一组电磁体或永磁体(选择场)产生FFR以及然后使用另一组电磁体(驱动场)以在空间中移动它。在某些情况下，需要额外的缓慢样品运动来实现全3D编码。
旋转的轮扫描器
本建议代替地通过移动选择场磁体组件消除驱动场线圈。这将创建相对于成像物体的FFR移动。由于磁组件通常具有很高的惯性矩，振荡运动将被所需的大的力而阻碍。因此，所提出的设计将FFR创建磁体布置在两个轮的周长上，该两个轮以一定间隙尺寸安装在共同的轴上。
FFP扫描的磁体布置
如果相邻的磁体对极性相对地布置，产生布置成圆形的FFP的序列(见图4)。FFP穿过以任何角度位置放置在旋转的轮之间的样品的运动，将产生电磁信号，电磁信号的时间分布与沿FFP路径(第一编码方向)的超顺磁性氧化铁纳米颗粒浓度分布对应。通过在不同径向和横向位置放置每个磁体对，每个FFP将沿独特的圆形路径在旋转期间行进。可以以FFP路径与包含旋转轴的平面(成像平面，IPL)的相交点将在旋转轴的任一侧(第二和第三编码方向)形成矩形成像网格的方式来选择磁体位置。在图1示出了穿过所提出的扫描器设置的横截面，而图2示出了穿过IPL的100个FFP遍历位置和适当检测线圈组的示例。产生在图2中显示的FFP模式所需的磁体布局在图3中以轴向视图显示，并且在图4中显示四分之一轮的磁体布局视图。
分辨率增强线圈(移位线圈)
由于轮和磁体的实际可实现尺寸，在周长上的站的数量是有限的。由于已经提出其他MPI扫描器(见参考[10])，向如图1所示的扫描器设置增加横向移位线圈是可能的。相比于在需要提供大的FFP移位的先前FFP扫描器中实现的聚焦场线圈，这些线圈只需要提供小移位场所以它们不需要高功率。通过在每个轮旋转之后施加小的电流阶跃，达到中间FFP遍历路径是可能的。
FFL扫描的磁体布置
如果相邻磁体具有相同极性，并且之间没有缝隙，那么获得如图所示的四分之一圆形无场线(FFL)。磁体对的横向和径向偏移可以用来在FFL上叠加起伏模式。FFL与IPL在旋转轴任一侧的两个位置相交。在旋转过程中，起伏模式将导致在由磁体模式确定的区域上交叉点的平滑运动。当样品位于FFL的路径中时，在任何给定时间点的信号来源于当前被FFL遍历的超顺磁性氧化铁纳米粒子。为了阐明超顺磁性氧化铁纳米粒子分布，FFL在每个周期必须击中每个空间区域多次。此外，沿旋转方向布置的检测线圈阵列可用于通过灵敏度编码来解析分布。
磁体放置的对称性要求
为了保持旋转的轮的平衡，轮的相对侧上的磁体对优选地呈现出相同的径向位移。简单设置使用绕旋转轴的双重旋转性对称或关于在轴上的两个轮之间的点的镜面对称。在第一种情况下，设置的一次旋转构成两个场周期，并且相同的场序列在轴的相对侧被创建。在第二种情况下，一次旋转构成一个场周期。由于这提供了更多的编码位置，这是优选的布置。
检测和补偿线圈
磁体对的镜面对称意味着相同场的几何形状存在于双轮布置的相对侧，除了反转的轴向场方向。如果相同组的检测线圈安装在旋转的轮布置的相对侧上，则通过的永磁体在相对的线圈对中引发相同电压。当这些与适当的极性互连时，该信号相互抵消。通过仔细调整磁体位置，该抵消可比通常的梯度计线圈设置更容易被优化。
2.备注和说明
机械运动作为电磁场控制的替代
该设计从先前扫描器的发展路径偏离，其中成像物体的不期望的机械运动被给FFR磁移位增加更多自由度所替代。此处提出的设计的新颖之处在于代替成像物体的移动，定义选择场的磁体被移动，以及旋转的轮上磁体的布置允许相比于那些通过AC驱动线圈所实现的更方便地实现FFR速度。
非正弦场变化
该扫描器设计放弃正弦场变化和FFP路径的思路。相反，FFP以恒定速度沿圆形路径行进通过FOV。因此，所产生的信号不能有意义地以谐波产生的方式进行解释。不需要接收滤波器，因为非谐波激励信号通过补偿线圈布置被完美地滤波。与当前FFP扫描器对比，全部超顺磁性氧化铁纳米粒子信号可以被测量，允许直接的X空间重构。
梯度强度和FOV大小
最强可用永磁体在它们表面上具有约B0＝1.3T磁通密度。对于与梯度产生磁体之间距离d相比较大的的磁极，最大梯度强度可估计为Gmax＝2B0/d。忽略检测线圈的空间，所需的磁极间隙是视场范围的两倍，因为位于磁体之间的中间位置的FFP必须在整个视场上移位。对于3cm的视场范围，实际获得Gmax＝2-15T/m。在常规的FFP扫描器中，通过在±15mm的距离内驱动场线圈来移位15T/m梯度的FFP，将需要225mT的不合理驱动场幅值。这突出了旋转的轮设置的优点。对于较大视场和较小磁体段，可以实现的梯度小得多。这表明，新的扫描器布局可能对MPI显微镜特别有用。
3.示例数目
直径为1m的轮圆周长约3米。当使用3cm厚的磁体片时，可在圆周周围放置100个这种片，每个图像有375个离散的场布局(见示例图)。旋转速度可达50/s是可实现的，这意味着150m/s或540km/h的FFP速度。
4.关于本发明的另外的设想
·可在轮周围安装多个采集站，允许同时进行对多于一个主题的研究。
·磁性元件序列可包括具有一定B场强度的大致均匀部分。通过与旋转同步的RF脉冲的应用，MR参考图像的获取将是可能的。
·代替具有间隙的两个轮，磁体可安装在靠近单个旋转的轮边缘的凹槽的任一侧。
·如果磁体对安装在沿刚性路径被引导的“传送带”上，可以得到较长的序列和直的视场。然而，这样的设计是较难实现的。
·两个轮可以由独立的电机驱动，从而实现因已安装磁场的干扰造成的更复杂的场模式。
当交替均匀场被创建时，可获得可变频率的MPS谱仪。通过沿周期改变场强度，可建立在单个试验期间执行多频率/多幅度扫描的谱仪。
·替代两个移动，磁体支撑结构如传输或传送带或轮，只有一个移动结构可用于连接至少一个与永磁体阵列的运动同步的电磁体。电磁体能适应磁场从而实现每个不同磁体位置的FFR。
·永磁体位置的变化可以在仅仅一个或两个维度中建立。装有电机的样品支撑件然后可以移位样品以进一步将采样点带入检测体积。
5.本发明与现有的MPI设计的比较
优点
·强选择场梯度可能性(高分辨率)
·大视场可能性，特别是沿轮的周长
·简单的激励频率变化
·没有昂贵的发射放大器
·没有昂贵的发射滤波器
·没有昂贵的、高线性谐振电路
·没有冷却工作
·补偿线圈的简单实现方式
·低或没有接收-滤波要求
6.区别于现有的扫描器概念
与提出的设计最相似的扫描器概念是TWMPI扫描器。还有与TWMPI组提出的超高梯度试验相似的。
与TWMPI扫描器的差异
提出的新扫描器的设计可以看作是广义概念的TWMPI扫描器，其具有以下重要的新概念及优点：
·产生移动FFP的线圈阵列被一组安装在旋转的轮上的永磁体代替。
·激励频率/扫描速度的变化很容易通过改变旋转速度实现，因为没有涉及谐振电路。
·梯度方向垂直于扫描方向。
·通过在不同径向和横向偏移放置磁体对，实现无移位线圈的3D扫描器。
·扫描器可以实现为FFP和FFL扫描器两者。
·采用旋转的轮设计的内在对称性要求，可实现检测线圈设计，其提供了激励信号的强抑制而无需直接梯度计线圈。
与超高梯度扫描实验的差异
关于超高梯度MPI的所报告的实验使用在单轴上对齐的两个磁环以产生强梯度场。一维线分布是由样品穿过位于两个环之间的轴上的FFP而移动来实现的。该设置还将呈现环之间的FFL，这类似于具有以下主要新概念的提议：
·磁环被分割成更小的段，其在不同偏移放置以提供空间编码。
·代替轴上的FFP，实际环之间的FFL(或FFP序列)用于图像生成。
·替代沿轴的样品移动，环被旋转。
与先前FFL扫描器的不同
提出的新扫描器的设计可以实现为FFP或FFL扫描器。在FFL设置中，提出了以下新概念：
·对基本的编码和FFL运动无电磁线圈需求。
·代替直线，FFL实现为具有任意的引发的起伏的圆。
·激励频率/扫描速度的变化能够容易地通过改变旋转速度实现，因为没有涉及谐振电路。
·采用旋转的轮的设计的内在对称性要求，可实现检测线圈设计，这提供了对激励信号的强抑制而无需直接梯度计线圈。
与先前FFP扫描器的不同
提出的新扫描器的设计可以实现为FFP或FFL扫描器。在FFP设置中，提出了以下新概念：
·对基本的编码和FFP运动无电磁线圈需求。
·较高图像分辨率是可能的而不牺牲FOV的大小。
与具有机械的对象移动的早期扫描器相比，旋转的轮的概念允许快速3D编码。
结论
提出了基于旋转的永磁体的新MPI扫描器拓扑，这避免了现有MPI扫描器的高功率要求，而为更高空间分辨率和可变扫描频率开辟了道路。基于产生适当的时间可变磁场的一组移动的(具体是旋转的)永磁体和激励信号的理想抑制的一组检测和补偿线圈，提出用于在可变操作频率处进行磁粒子成像的装置。
缩写
MPI 磁性纳米粒子成像
FOV 视场
FFR 无场区
FFP 无场点
FFL 无场线
IPL 成像平面
DF 驱动场
SF 选择场
FF 聚焦场
SPIO 超顺磁性氧化铁
NP 纳米颗粒
参考文献
[1]B.Gleich，J.Weizenecker，Nature 2005，435，1214
[2]J.Weizenecker，B.Gleich，J.Rahmer，H.Dahnke，J.Borgert，Phys.Med.Biol.2009，54，L1
[3]P.W.Goodwill，K.L.Lu，B.Zheng，S.M.Conolly，Rev.Sci.Instrum.2012，83，033706
[4]J.Weizenecker，B.Gleich，J.Borgert，J.Phys.D：Appl.Phys.2008，41，105009
[5]T.Knopp，M.Erbe，S.Biederer，T.F.Sattel，，T.M.Buzug，Med.Phys.2010，37，3538
[6]M.Erbe，T.Knopp，T.F.Sattel，S.Biederer，T.M.Buzug，Med.Phys.2011，38，5200
[7]P.W.Goodwill，J.J.Konkle，B.Zheng，E.U.Saritas，S.M.Conolly，IEEETransactions on Medical Imaging 2012，31，1076
[8]P.Klauer，M.A.Rückert，P.Vogel，W.H.Kullmann，P.M.Jakob，V.C.Behr，Proc.Intl.Soc.Mag.Res.Med.2011，19，3783
[9]P.Vogel，M.A.Rückert，P.M.Jakob，V.C.Behr，IEEE Trans.Magn.2014，announced(presented during Intemational Workshop on MagneticParticle Imaging(IWMPI)2014
[10]A.Timmermeyer，H.Wojtczyk，W.Tenner，G.Bringout，M.Grüttner，M.Graeser，T.F.Sattel，A.Halkola，T.M.Buzug，Super-resolution approachesfor resolution enhancement in magnetic particle imaging，IntemationalWorkshop on Magnetic Particle Imaging(IWMPI)2013，Abstract 43

Claims (16)

1.一种MPI(＝磁性粒子成像)装置，包括磁系统和检测系统，磁系统设计用于在检测体积中产生随时间变化及位置相关的磁场，检测系统检测来自暴露到所述检测体积内的所述磁场的MPI造影剂的信号，所述信号适于重建所述MPI造影剂的空间分布的图像，并且需要时也重建所述MPI造影剂的时间分布的图像，
其特征在于，
所述磁系统包括具有多个永磁元件的阵列，多个永磁元件几何地以这种方式布置使得：至少一部分该多个永磁元件以足够的速度移动以创建空间和时间的磁场变化，用于在造影剂中引发由检测系统记录的MPI信号。
2.根据权利要求1所述的MPI装置，其特征在于，所述磁性元件被布置成相邻对，由此每对的磁性元件分别具有相对的极性。
3.根据权利要求1所述的MPI装置，其特征在于，所述磁性元件被几何地以闭环形式布置在一个或多个传输或传送带上。
4.根据权利要求1所述的MPI装置，其特征在于，所述磁性元件以一个或多个可旋转的轮的方式被几何地布置，具体地，所述磁性元件放置在平行于轮的平面的平面中。
5.根据权利要求4所述的MPI装置，其特征在于，至少两个可旋转的轮以相对于彼此同轴的方式被几何地布置。
6.根据权利要求1所述的MPI装置，其特征在于，所述磁性元件被径向地布置在闭合的环或轮中。
7.根据权利要求4所述的MPI装置，其特征在于，至少一些可旋转的轮以相对于彼此非同轴的方式被几何地布置。
8.根据权利要求6所述的MPI装置，其特征在于，所述闭合的环或轮能够以可变的速度运动。
9.根据权利要求8所述的MPI装置，其特征在于，至少两个闭合的环或轮能够以不同的速度运动。
10.根据权利要求6所述的MPI装置，其特征在于，所述检测系统包括至少两个检测线圈，所述至少两个检测线圈布置在相邻的永磁元件之间的对等的磁场变化的位置处，具体地在可旋转的闭合的环或轮的相对位置处。
11.根据权利要求10所述的MPI装置，其特征在于，每对磁性元件是由位于相对于轮的轴的轮的相对侧上的另一对磁性元件补充，以及补充对的每个位于相对于所述轴的相同径向位移处。
12.根据权利要求1所述的MPI装置，其特征在于，以提供在检测体积中的MPI造影剂的空间编码的方式来布置磁性元件。
13.根据权利要求1所述的MPI装置，其特征在于，以在检测体积中的定义位置处产生正弦变化磁场的方式来布置磁性元件。
14.根据权利要求1所述的MPI装置，其特征在于，以允许以FFL(＝无场线)或FFP(＝无场点)模式驱动MPI装置的方式来布置磁性元件。
15.根据权利要求1所述的MPI装置，还包括辅助线圈，辅助线圈用于产生偏移场，以移位在检测体积中的MPI造影剂的空间编码。
16.根据权利要求2所述的MPI装置，其特征在于，以通过使至少一对磁性元件各自的磁场平行定向来产生适合MRI(＝磁共振成像)的均匀磁场截面的方式来布置至少一对磁性元件。
CN201610142915.5A 2015-01-22 2016-01-22 具有移动永磁元件的mpi扫描器 Active CN105842638B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP15152127.5A EP3048452B1 (en) 2015-01-22 2015-01-22 MPI scanner with moving permanent magnetic elements
EP15152127.5 2015-01-22

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105842638A true CN105842638A (zh) 2016-08-10
CN105842638B CN105842638B (zh) 2019-11-05

Family

ID=52391840

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610142915.5A Active CN105842638B (zh) 2015-01-22 2016-01-22 具有移动永磁元件的mpi扫描器

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10215826B2 (zh)
EP (1) EP3048452B1 (zh)
CN (1) CN105842638B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109847196A (zh) * 2018-12-29 2019-06-07 佛山瑞加图医疗科技有限公司 磁共振引导的放疗系统的磁场补偿系统和方法
CN110367983A (zh) * 2019-07-15 2019-10-25 中国科学院自动化研究所 基于无磁场线扫描的磁粒子成像系统
CN112400115A (zh) * 2018-05-11 2021-02-23 阿塞尔桑电子工业及贸易股份公司 磁性粒子成像系统的校准方法
CN113281688A (zh) * 2020-02-19 2021-08-20 布鲁克碧奥斯平Mri有限公司 磁粒子成像设备和用于产生磁场的方法
CN113288106A (zh) * 2021-05-24 2021-08-24 中国科学院自动化研究所 磁粒子成像检测系统、方法、电子设备
CN113433495A (zh) * 2021-06-25 2021-09-24 中国科学院自动化研究所 基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统及方法

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9726738B2 (en) * 2013-06-21 2017-08-08 Weinberg Medical Physics Inc. Energy-saving method of generating time-varying magnetic gradients for use in MRI
CN112118785A (zh) * 2018-05-21 2020-12-22 三菱电机株式会社 磁粒子成像用电磁体装置以及磁粒子成像装置
WO2021016473A1 (en) * 2019-07-23 2021-01-28 The Regents Of The University Of California Strongly-interacting magnetic particle imaging
KR102655930B1 (ko) * 2020-09-24 2024-04-11 한국전자통신연구원 필드프리 생성 장치, 나노 자성 입자 영상화 장치 및 방법
US11550003B2 (en) 2021-03-11 2023-01-10 Trustees Of Boston University Casimir-enabled sensing system and method
CN113640508B (zh) * 2021-07-19 2024-02-27 安徽桐康医疗科技股份有限公司 一种荧光免疫定量分析仪用检测板
CN116019436B (zh) * 2023-03-29 2023-06-09 中国科学院自动化研究所 基于多频驱动的磁粒子三维成像系统及方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020097199A1 (en) * 2000-11-16 2002-07-25 Minolta Co. Ltd. Image displaying method and image forming apparatus
US20110221438A1 (en) * 2008-06-23 2011-09-15 Goodwill Patrick W Magnetic particle imaging devices and methods
US20150008910A1 (en) * 2008-06-23 2015-01-08 The Regents Of The University Of California Techniques for Magnetic Particle Imaging
CN104619249A (zh) * 2012-09-14 2015-05-13 布鲁克碧奥斯平Mri有限公司 用于产生满足mpi以及mri要求的磁场分布的装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011116229A2 (en) * 2010-03-17 2011-09-22 The Regents Of The University Of California Magnetic particle imaging devices and methods

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020097199A1 (en) * 2000-11-16 2002-07-25 Minolta Co. Ltd. Image displaying method and image forming apparatus
US20110221438A1 (en) * 2008-06-23 2011-09-15 Goodwill Patrick W Magnetic particle imaging devices and methods
US20150008910A1 (en) * 2008-06-23 2015-01-08 The Regents Of The University Of California Techniques for Magnetic Particle Imaging
CN104619249A (zh) * 2012-09-14 2015-05-13 布鲁克碧奥斯平Mri有限公司 用于产生满足mpi以及mri要求的磁场分布的装置

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PATRICK VOGEL等: "Traveling Wave Magnetic Particle Imaging", 《IEEE TRANSACTIONS ON MEDICAL IMAGING》 *
PATRICK W. GOODWILL等: "Projection X-Space Magnetic Particle Imaging", 《IEEE TRANSACTIONS ON MEDICAL IMAGING》 *
YUMI IJIRI等: "Inverted Linear Halbach Array for Separation of Magnetic Nanoparticles", 《IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS》 *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112400115A (zh) * 2018-05-11 2021-02-23 阿塞尔桑电子工业及贸易股份公司 磁性粒子成像系统的校准方法
CN112400115B (zh) * 2018-05-11 2024-05-24 阿塞尔桑电子工业及贸易股份公司 磁性粒子成像系统的校准方法
CN109847196A (zh) * 2018-12-29 2019-06-07 佛山瑞加图医疗科技有限公司 磁共振引导的放疗系统的磁场补偿系统和方法
CN110367983A (zh) * 2019-07-15 2019-10-25 中国科学院自动化研究所 基于无磁场线扫描的磁粒子成像系统
CN113281688A (zh) * 2020-02-19 2021-08-20 布鲁克碧奥斯平Mri有限公司 磁粒子成像设备和用于产生磁场的方法
CN113281688B (zh) * 2020-02-19 2024-06-07 布鲁克碧奥斯平Mri有限公司 磁粒子成像设备和用于产生磁场的方法
CN113288106A (zh) * 2021-05-24 2021-08-24 中国科学院自动化研究所 磁粒子成像检测系统、方法、电子设备
CN113288106B (zh) * 2021-05-24 2022-11-15 中国科学院自动化研究所 磁粒子成像检测系统、方法、电子设备
CN113433495A (zh) * 2021-06-25 2021-09-24 中国科学院自动化研究所 基于阵列式接收线圈的开放式磁粒子三维成像系统及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN105842638B (zh) 2019-11-05
EP3048452B1 (en) 2020-03-04
EP3048452A1 (en) 2016-07-27
US20160216353A1 (en) 2016-07-28
US10215826B2 (en) 2019-02-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105842638A (zh) 具有移动永磁元件的mpi扫描器
US10261141B2 (en) Apparatus and methods for spatial encoding of FFL-based MPI devices
CN102481111B (zh) 用于生成和移动具有无场线的磁场的设备和方法
US20150276902A1 (en) System And Apparatus For Combined Magnetic Resonance Imaging With Magnetic Spectroscopy of Brownian Motion And/Or Magnetic Nanoparticle Imaging
US9222998B2 (en) Compact inhomogeneous permanent magnetic field generator for magnetic resonance imaging
CN103869269B (zh) 相控阵列rf线圈模块和使用该模块的磁共振成像设备
CN104619249B (zh) 用于产生满足mpi以及mri要求的磁场分布的装置
US6218838B1 (en) MRI magnet with high homogeneity, patient access, and low forces on the driver coils
CN1977180A (zh) 磁共振成像设备以及用于操作磁共振成像设备的方法
CN113281688B (zh) 磁粒子成像设备和用于产生磁场的方法
WO1996013045A1 (en) Generating highly uniform electromagnetic field characteristics
CN115067917B (zh) 一种开放式磁粒子成像设备、成像系统及成像方法
JPH05507005A (ja) 磁界発生アセンブリ
Bagheri et al. A mechanically driven magnetic particle imaging scanner
CN110873851B (zh) 磁场测量系统和磁场测量方法
CN114252821B (zh) 磁体布置结构、包括其的装置和用于产生选择磁场的方法
CN108303663A (zh) 一种双气隙开放式磁共振成像磁体
CN115067918B (zh) 基于ffl的高清度实时成像设备、成像系统及成像方法
JPH0728857B2 (ja) 核磁気共鳴を用いた検査装置
Gräfe et al. Single-sided magnetic particle imaging: Magnetic field and gradient
US11382526B2 (en) System and method for generating a traveling field free line
JP3693165B2 (ja) 磁気シールド特性測定装置
He et al. An Optimized Variable Number of Windings Approach to Design a Birdcage-like Shift Coil for MPI System
JPH119570A (ja) 高周波コイル及びそれを用いた磁気共鳴イメージング装置
Außerlechner et al. Calibration of vibrating sample magnetometers independent of reference samples

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant