CN107045112A - 操作用于磁共振成像和图像引导治疗的电永磁铁的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及操作用于磁共振成像和图像引导治疗的电永磁铁的方法和设备。公开的实施方式提供用于在包括可磁化部件的一个或多个阵列的感兴趣区域内创建或改变磁场的设备和方法，其中，至少一个可磁化部件具有大量的剩磁，通过在靠近一个或多个可磁化部件定位的导电部件中施加电流，该剩磁的水平在空间和/或时间上是可控制的且是可变的。
Description
交叉引用和优先权要求
本专利申请要求2016年2月9日提交的名称为“METHOD AND APPARATUS FORMANIPULATING ELECTROPERMANENT MAGNETS FOR MAGNETIC RESONANCE IMAGING ANDIMAGE GUIDED THERAPY”的第62/292,945号美国临时专利申请以及2016年4月29日提交的名称为“METHOD AND APPARATUS FOR MANIPULATING ELECTROPERMANENT MAGNETS FORMAGNETIC RESONANCE IMAGING AND IMAGE GUIDED THERAPY”的第62/329,521号美国临时专利申请的优先权，这两个申请的公开内容通过引用方式全部并入本文。
技术领域
本公开的实施方式提供操作用于磁共振成像和图像引导治疗的电永磁铁的方法和设备。
背景技术
磁共振(MR)成像系统使用主磁场B0以在影响这些对齐的质子或电子的净磁化的程序之前对齐这些质子或电子。该对齐磁场的强度和空间均匀性说明成像体积且较大程度地确定图像的信噪比。为了简化脉冲序列设计和提高信号强度，该主磁场B0被设计成在成像体积内尽可能地均匀和强烈。为了实现该技术，常规的MR系统通常使用在围绕成像孔的螺线管中布置的超导电磁铁。其他类型的MR系统已经采用电阻式电磁铁或者永磁铁来创建主磁场。
通常，利用常规的MRI系统，关闭主磁场是困难的且有时是危险的。由于需要大量的能量来抵消其剩磁，源自于硬磁材料的永磁源在临床环境下未消磁。
发明内容
本公开的实施方式提供用于在包括可磁化部件的一个或多个阵列的感兴趣区域内创建或改变磁场的设备和方法，其中，至少一个可磁化部件具有大量的剩磁，通过在靠近一个或多个可磁化部件定位的导电部件中施加电流，该剩磁的水平在空间和/或时间上是可控制的且是可变的。
本发明提供了以下技术方案：
(1)一种用于在感兴趣区域内创建或改变磁场的设备，所述设备包括：
可磁化部件的一个或多个阵列，在所述一个或多个阵列中，至少一个所述可磁化部件具有大量的剩磁，其中，所述一个或多个阵列还包括靠近一个或多个所述可磁化部件定位的导电部件；和用于控制所述剩磁的控制器，其中，通过在靠近一个或多个所述可磁化部件定位的所述导电部件中施加电流，所述剩磁在空间和/或时间上变化以控制所述感兴趣区域内的所述磁场。
(2)根据(1)所述的设备，其中，所述控制器在时间和/或空间上控制所述感兴趣区域内的所述磁场。
(3)根据(1)所述的设备，其中，所述设备设置在所述感兴趣区域的仅一侧上。
附图说明
具体说明特别参考附图，附图中：
图1示出公开的实施方式，其中由可磁化材料制成的部件设置成非常靠近导电材料以创建电永磁组件。
图2示出公开的实施方式，其中由软磁材料制成的部件至少部分地被导电材料环绕。
图3示出根据公开的实施方式执行的用于施加和控制感兴趣区域中生成的磁场的方法的示例。
具体实施方式
如上所述，常规的MR系统具有在成像区域内存在的永远开启的高磁场。该情况创建对于临床环境的安全性关注，且阻碍同一MR系统用以执行成像同时执行可磁化材料的磁图像引导的能力。公开的实施方式解决了这些问题且提供了一种技术方式来操作电永磁铁用于磁共振成像和图像引导治疗。
被称作“电永磁铁”的保持其磁化的磁性材料(例如铁磁材料、抗磁材料和反铁磁材料)和电磁铁的组合，已经在微型机器人组件中用作可切换的链接，如来自麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的由A.N.Knaian在的名称为“Electropermanent Magnetic Connectors and Actuators:Devices and TheirApplication in Programmable Matter”的博士论文(2010)中教导的(其通过引用全部并入文中)。
电永磁铁具有以下性能：一旦通过电流激活，则电永磁铁具有剩磁直到相反的电流被引入来改变剩磁。电永磁铁已经被构造成接通的或关闭的(即，完全磁化或者消磁-电子开关)，在该两个状态之间的磁场强度不需要连续。
出于本说明书公开的目的，术语“剩磁”被定义为不再受到外部磁场影响的先前已磁化的材料的磁化。出于本说明书公开的目的，术语“软磁材料”被定义为其剩磁通过施加外部磁场是可易于变化的材料。同样，出于本说明书公开的目的，术语“硬磁材料”指在类似的外部磁场中剩磁比“软磁材料”变化小的材料。
出于本说明书公开的目的，代表性的软磁材料是磁钢(Alnico)，以及代表性的硬磁材料是NdFeB。出于本说明书公开的目的，术语“电永磁组件”被定义为导电的且可磁化的部件和/或材料的组件，该导电的且可磁化的部件和/或材料在电流在导电部件中已停止后仍保持大量的(例如，最大10％)的磁化。出于本说明书公开的目的，术语“导电的”包括导电材料和超导材料。出于本说明书公开的目的，术语“感兴趣区域”被定义为用户可获得图像和/或操作可磁化材料(例如粒子)的体积空间。
出于本说明书公开的目的，短语“在感兴趣区域内成像”包括在该感兴趣区域内使用材料的电性能或磁性能以提供关于这些材料的位置或状态的信息。“在感兴趣区域内成像”的示例包括磁共振成像、磁性粒子成像或者其他方法，诸如非磁性相关的成像方法，如计算机断层扫描(CT)。这些图像可使用核、电子、其他材料的磁共振成像或者借助磁性粒子成像而获得。感兴趣区域可是单个体积空间或者由多个体积构成，该多个体积可以是连续的或者可以不是连续的。
公开的实施方式利用一个或多个阵列，其中，至少一个阵列包含一个或多个电永磁组件。
图1示出创新型构思的一个公开的实施方式，其中，部件100由可磁化材料制成。部件100可非常靠近导电材料110以创建电永磁组件120。根据至少一个实施方式，该靠近可小于1厘米。
根据至少一个实施方式，一个或多个电永磁组件可布置成阵列结构130，靠近感兴趣区域140，例如小于1米。
如在图1中所示的实施方式中说明的，公开的实施方式可提供和利用一个或多个由磁性部件100构成的电永磁组件120，该磁性部件100可被导电材料110环绕。磁性部件100可由软磁材料构成。可选地，导电材料110可以是在部件100附近放置的一个或多个电线、或者铜或银的一个或多个通道、或其他导电材料的一个或多个通道。
根据至少一个实施方式，这些电永磁组件120中的一个或多个的集合可布置成电永磁阵列130。
在操作中，电流可被发送通过导体110以将软磁部件100磁化至规定的磁化强度。一旦磁性材料100已经达到所需的磁化强度，则由部件100和部件110构成的电永磁组件120可被断电(通过从导体中去除电流源)，从而使得磁性部件100内的磁化降低至所需的剩磁水平。
根据至少一个实施方式，由导电材料110产生的电磁场可被用户(经由控制设备)调整或者通过计算机(提供自动化的或者半自动化的控制器)的自动化算法调整，以便精确地控制感兴趣区域内的剩磁和所得到的磁场。关于磁性部件100内的磁性材料的B-H响应曲线的信息可被合并到调整算法中。
图2示出创新型构思的另一公开的实施方式，其中，在此由软磁材料制成的部件200至少部分地被导电材料210环绕，并且其中硬磁材料部件220邻近软磁材料部件200。可选地，该邻近可小于15cm。
壳体230稳定或者以其他方式物理地保持部件210、220、200。壳体230可包括一个或多个冷却路径240，液态冷却剂或气态冷却剂可在该一个或多个冷却路径中流动，或者通过该一个或多个冷却路径可经由导热材料传送热量。
这些软磁材料和硬磁材料与导电材料的组合创建电永磁组件250。一个或多个电永磁组件250可被组合成阵列260。
壳体与硬磁部件和软磁部件的组合可包括电永磁组件250，其中，一个或多个组件250可被构造成一个或多个阵列260以在感兴趣区域270内生成磁场。因为一个或多个软磁部件200可被定位成靠近一个或多个硬磁部件220，故硬磁部件220可增强、增加、或者以其他方式影响部件200内的磁场。
壳体230内的冷却通道240可被用于使导电材料210散热和/或冷却以便减小导电元件的电阻率(包括至超导点，即无电阻)，或者以增加磁性部件200和/或磁性部件220的磁化。
该阵列可定位在感兴趣区域的单一侧或者可环绕在多个侧上的相关联的区域。阵列可产生磁场，其方向可与阵列的最近的面不平行(例如垂直)。
电永磁组件的一个或多个阵列260可在感兴趣区域内创建适合于磁共振成像的磁场。该磁场可布置在任意方向上，包括但不限于与阵列260的最近的面垂直的方向。例如，该磁场可与阵列的面不平行。
如图1和图2所示，电永磁组件的一个或多个阵列260可是平面的，或者曲线的，或者布置在环面、或者单平面的、双平面、三平面或者其他构造中，以便在感兴趣区域内创建所需的磁场。例如，单平面布置可实现单侧MRI。在许多有意义的方面，这种实现在技术上不同于单侧的MRI技术，例如在P.J.Prado的美国专利6977503中公开的。首先，现有技术中的磁场表面要求平行于磁铁组件的表面，而本发明公开的实施方式并不强加这种方向上的要求。
其次，本发明公开的实施方式并不要求磁场是静止的，如公开的实施方式中使用电永磁铁所证实的，其具有可及时变化的磁场。根据至少一个实施方式，由流经导电材料110或210的电流所产生的不同水平的磁能可被存储在磁性材料100或200内。利用这些电永磁组件120或250中的一者或组合能够创建充满在感兴趣区域内适于成像的磁场的感兴趣区域140或270。
根据至少一个实施方式，一个或多个软磁部件100或200的磁化可通过变换一个或多个附近的硬磁部件的位置和/或物理定向而改变。一个或多个这些磁性部件的组件的集合可被布置成相当于电永磁阵列130或260。
根据至少一个实施方式，导电材料110或210可被通电，使得磁性部件100或200可在方向和/或幅度上被磁化，该方向和/或幅度可由用户(经由控制设备)选择或者通过计算机(其提供自动化的或者半自动化的控制器)的自动化算法来选择。在磁性部件100或200被磁化后，导电材料110或210可被断电，同时材料100或200内的磁化保持剩磁，这可由用户(经由控制设备)选择或者通过计算机(其提供自动化的或者半自动化的控制器)的自动化算法来选择。
根据至少一个实施方式，在感兴趣区域140内由一个或多个阵列130产生的磁场可通过调整一个或多个电永磁组件120的磁化而减少或增加。类似地，在感兴趣区域270内由一个或多个阵列260产生的磁场可通过调整一个或多个电永磁组件250的磁化而减少或增加。
公开的实施方式可被用于生成磁场以用于磁共振成像和/或磁性粒子成像和/或操作可磁化材料(例如磁性粒子或纳米粒子)。与如Knaian(上文引用)教导的现有技术不同，在该现有技术中，电永磁组件意图用于完全磁化状态或消磁状态，而本发明允许电永磁组件具有剩磁梯度，剩磁的程度可被用户(经由控制设备)修改或者可通过计算机(其提供自动化的或者半自动化的控制器)的自动化算法修改。
公开的实施方式可使用电永磁组件的一个或多个阵列以便在感兴趣区域内在阵列附近提供创建或修改阵列磁场的构件，其中所述磁场的空间特性可在时空上变化。公开的实施方式可被采用以选择用于磁共振成像或磁性粒子成像的感兴趣区域、或者在感兴趣区域内建立磁场的高度均匀性、或者推进感兴趣区域内的粒子。由电永磁组件构成的阵列可被关闭或者作为安全性特征减少(以阻止可磁化材料被所述阵列吸引)，或者允许不同物质(例如，不同的原子核、磁性粒子类型或者电子)的成像序列的交错、或者允许与推进脉冲序列交错成像(利用可通过电永磁阵列或者其他磁场源建立的梯度)。
电永磁组件的一个或多个阵列(例如，上文描述的130或260)可通过施加穿过导电部件110或210的电流再磁化以在感兴趣区域140或270内创建适于成像的磁场。该磁场可在时间和空间上变化用于磁引导和/或推进可磁化粒子，通过吸引所述粒子或者经由临时排斥(如A.Nacev,P.Y.Stepanov和I.N.Weinberg在杂志Nano Letters中发表的论文(2015)“Dynamic Magnetic Inversion Concentrates铁磁Rods to Central Targets”中教导的，其通过引用全部并入文中)。
应理解到，传感器可存在于感兴趣区域140或270中或者在感兴趣区域140或270附近，以便实施反馈控制算法。可替选地，可从MR信号获得反馈。用于常规MRI系统的反馈回路已经被用于提高所需的磁场构型的时间和空间的同质性，如由S.Afach在杂志“Journal ofApplied Physics”中发表的名称为“Dynamic stabilization of the magnetic fieldsurrounding the neutron electric dipole moment spectrometer at the PaulScherrer Institute”的论文(2014)中教导的(通过引用全部并入文中)。
当庞大的或者尖锐的可磁化物体在附近时，能够关闭或者显著地减少感兴趣区域内的磁场对于安全性是有用的。应理解，由于感兴趣区域140或270内的磁场变化的结果而获得的磁共振信号的变化可被检测到以确定附近的可磁化材料的存在，从而出于安全性原因充当用以消磁或者显著地减少设备附近的磁场的触发器。
尽管上述讨论关于使用所述设备创建主磁场B0，但是该设备可实施传统的MR或磁性粒子成像系统的其他功能部件，包括但不限于匀场磁铁和磁场梯度线圈。在传统的MR系统中，分隔的梯度线圈被用于将梯度磁场(其幅度和方向通常在空间和时间上变化)添加到主磁场B0(其通常在感兴趣区域内在空间和时间上是均匀的)以便实现有效磁场(其在空间和时间上变化)。该设备可有效地生成会在空间和时间上变化的磁场，而无需额外的电磁梯度线圈。应理解，本发明实施的快速磁场变化可足够快以免会导致神经刺激，如由I.N.Weinberg在美国专利第8,154,286号以及优先权所涉及的其他专利或专利申请中教导的(通过引用全部并入文中)。
根据至少一个实施方式，提供一种用于在感兴趣区域内创建磁场的方法，其中，靠近一个或多个阵列中的至少一个可磁化部件施加电流以便改变一个或多个可磁化部件的剩磁。电永磁组件的一个或多个阵列可在感兴趣区域内创建适于磁共振成像和/或磁性粒子成像和/或操作可磁化材料(例如，磁性粒子或纳米粒子)的磁场。
该磁场可在一个或多个阵列附近被减少和/或快速变化以免引起神经刺激，如由I.N.Weinberg在美国专利第8,154,286号以及优先权所涉及的其他专利或专利申请中教导的(通过引用全部并入文中)。
此外，可使用一个或多个包含磁场测量的反馈控制算法执行磁场调整，以调整一个或多个组件中的至少一个可磁化部件的磁化。
如在图3中所示，这种方法可在300处开始，然后定位邻近感兴趣区域的一个或多个电永磁组件，可继续进行305，在305处，电流可被发送通过导体材料以磁化电永磁组件内的软磁部件(参见例如图1)至给定的磁化强度。一旦磁性材料100已经达到所需的磁化强度(根据一个或多个传感器测量)，则可继续进行310，在310处，电永磁组件可被断电(通过从导体中去除电流源)，从而使得磁性部件内的磁化强度降低至所需的剩磁水平(根据一个或多个传感器测量)。
可继续进行315，在315处，导电材料产生的电磁场可由用户(经由控制设备)调整或者通过计算机(其提供自动化的或者半自动化的控制器)的自动化算法来调整，以便精确地控制感兴趣区域内的剩磁和所得到的磁场。另外地或者替选地，一个或多个软磁部件的磁化可通过改变一个或多个附近的硬磁部件的位置和/或物理定向来改变。
如上所述，该阵列可定位在感兴趣区域的单一侧或者可环绕在多个侧上的相关联的区域。阵列可产生磁场，其方向可与阵列的最近的面不平行(例如垂直)。该磁场可布置在任意方向上，包括但不限于与阵列的最近的面垂直的方向。例如，该磁场可与阵列的面不平行。
公开的实施方式可使用电永磁组件的一个或多个阵列以便在感兴趣区域内在阵列附近创建和改变磁场，其中，所述磁场的空间特性可在时空上变化。公开的实施方式可被采用以选择用于磁共振成像或磁性粒子成像的感兴趣区域、或者在感兴趣区域内建立磁场的高度均匀性、或者推进感兴趣区域内的粒子。由电永磁组件构成的阵列可被关闭或者作为安全性特征减少(以阻止可磁化材料被所述阵列吸引)，或者允许不同物质(例如，不同的原子核、磁性粒子类型或者电子)的成像序列的交错、或者允许与推进脉冲序列交错成像(利用可通过电永磁阵列或者其他磁场源建立的梯度)。
电永磁组件的一个或多个阵列可通过施加穿过导电部件110或210的电流再磁化以在感兴趣区域内创建适于成像的磁场。该磁场可在时间和空间上变化用于磁引导和/或推进可磁化粒子，通过吸引所述粒子或者经由临时排斥。当庞大的或者尖锐的可磁化物体在附近时，能够关闭或者显著地减少感兴趣区域内的磁场对于安全性是有用的。应理解，由于感兴趣区域内的磁场变化的结果而获得的磁共振信号的变化可被检测到以确定附近的可磁化材料的存在，从而出于安全性原因充当用以消磁或者显著地减少设备附近的磁场的触发器。
应理解，本文中所描述的操作可结合一个或多个通用计算机、或者在一个或多个通用计算机的控制下实施，该通用计算机运行软件算法以提供本发明公开的功能且将这些计算机转变成专用计算机。
此外，本领域技术人员将意识到，考虑到上述教导，上述的示例性实施方式可基于使用利用合适的计算机程序编程的一个或多个程控处理器。然而，公开的实施方式可使用诸如专用硬件和/或专用处理器的硬件组件等同物来实施。类似地，通用计算机、基于微处理器的计算机、微控制器、光学计算机、模拟计算机、专用处理器、专用电路和/或专用硬连线逻辑可被用于构建可替选的等效实施方式。
此外，应理解到，上文描述的组件的控制和协作可使用可被存储在有形的、非暂时性存储装置中的软件指令来提供，该非暂时性存储装置诸如存储指令的非暂时性计算机可读的存储装置，当在一个或多个程控处理器上执行时，该指令执行上文描述的方法操作以及产生的功能。在这种情况下，术语非暂时性的指排除传送的信号以及扩散波，但不排除可消除的或者依赖于电源以保留信息的存储装置。
当考虑上文教导时，本领域技术人员将意识到用于实施上文描述的某些实施方式的程序操作和进程以及相关的数据可使用盘存储器以及其他形式的存储装置来实现，该其他形式的存储装置包括但不限于非暂时性存储介质(其中，非暂时性的仅仅指排除扩散信号，但不排除由于其通过拔除电源或者明确的消除动作而消除的暂时性的信号)，例如只读存储器(ROM)装置、随机存取存储器(RAM)装置、网络存储器装置、光学存储元件、磁存储元件、磁光存储元件、闪速存储器、磁芯存储器和/或在不偏离某些实施方式的情况下的其他等效的易失性以及非易失性存储器技术。这种可替选的存储装置应被认为是等效装置。
尽管已经描述某些示例性的实施方式，但是很明显根据上文描述许多替代、修改、置换以及变型对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，如上文提出的各种实施方式旨在示例性的、非限制的。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可进行各种变化。
Claims (10)
1.一种用于在感兴趣区域内创建或改变磁场的设备，所述设备包括：
可磁化部件的一个或多个阵列，在所述一个或多个阵列中，至少一个所述可磁化部件具有大量的剩磁，其中，所述一个或多个阵列还包括靠近一个或多个所述可磁化部件定位的导电部件；和
用于控制所述剩磁的控制器，
其中，通过在靠近一个或多个所述可磁化部件定位的所述导电部件中施加电流，所述剩磁在空间和/或时间上变化以控制所述感兴趣区域内的所述磁场。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括在所述一个或多个阵列中设置的冷却路径，所述冷却路径被定位成减小所述导电部件的电阻和/或增加一个或多个可磁化部件的磁化。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述一个或多个可磁化部件中的至少一个的所述剩磁在所述控制器的控制下能够变化。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，至少一个所述可磁化部件至少部分地由硬磁材料构成以及至少一个可磁化部件至少部分地由软磁材料构成。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，在所述感兴趣区域内的所述磁场适合于磁共振成像，且与所述设备的最近的面不平行。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，在所述感兴趣区域内的所述磁场适合于磁共振成像，且与所述设备的最近的面不垂直。
7.一种用于在感兴趣区域内创建或改变磁场的方法，所述方法包括：
控制可磁化部件的一个或多个阵列，在所述一个或多个阵列中，至少一个所述可磁化部件具有大量的剩磁，其中，所述一个或多个阵列还包括靠近一个或多个所述可磁化部件定位的导电部件；
其中，通过在靠近一个或多个所述可磁化部件定位的所述导电部件中施加电流，所述剩磁被控制成在空间和/或时间上变化以控制所述感兴趣区域内的所述磁场。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在附近的可磁化材料存在时，所述剩磁的变化削弱在所述一个或多个阵列附近的磁场。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述剩磁快速地改变所述感兴趣区域内的磁场以免引起神经刺激。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，使用包含磁场测量的反馈控制算法，实施所述剩磁的改变，所述反馈控制算法用于调整至少一个所述可磁化部件的磁化。
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