CN110573072A - 开孔无场线磁性粒子成像系统 - Google Patents

开孔无场线磁性粒子成像系统 Download PDF

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Abstract

一种开孔线圈系统，能够在大体积内实现无场线(FFL)的电子转向和旋转。通过并排放置两个平行线圈对(交流方向供电)产生FFL。使用这些线圈组中的两个，可以在垂直于线圈轴的平面中旋转FFL。使用与其他线圈放置在同一轴上的线圈对，可以在FFL的旋转平面中平移FFL。通过非对称线圈激励，还可以在垂直平面中平移。由于系统中的所有线圈都是平行的，因此在成像过程中可以从侧面接触成像物体。

Description

开孔无场线磁性粒子成像系统
技术领域和背景技术
本发明一般涉及磁性粒子成像领域，尤其涉及一种开孔线圈系统，能够在大体积内实现无场线(Field-Free-Line)(FFL)的电子转向和旋转。
磁性粒子成像(MPI)是一种成像方法，显示了超顺磁性氧化铁(SPIO)粒子在一定体积内的浓度。SPIO纳米粒子可以静脉注射、或口服给患者/物体。它在医学成像中有几种潜在用途，如血管造影、干细胞追踪和肿瘤检测。
在MPI方法中，物体被放置在磁场中，该磁场包括无场区(FFR)。在该区域中，磁场强度非常低，因此如果在该区域中有SPIO纳米粒子，则它们的磁化是不饱和的(即，它们的磁化强度可随外加磁场的大小而增加或减小)。这个带有FFR的场称为选择场(SF)，因为它用于选择空间中SPIO粒子响应的区域。可以使用交流方向供电的两个平行线圈，或者使用两个平行放置的相同磁极彼此面向的永磁体产生具有FFR的磁场。用这种配置产生的FFR具有椭圆形状。SPIO粒子的磁化曲线是非线性的，可以用朗之万函数来模拟。该方法首先在Gleich和Weizenecker，“Tomographic imaging using the nonlinear response ofmagnetic particles”在自然(Nature)，卷435，2005中描述。
由于纳米粒子的超顺磁性，它们的磁化可以在中等磁场强度水平下饱和。由于FFR外的磁场强度较高，FFR区域外的粒子饱和(即，在FFR之外，磁场强度高，使得SPIO纳米粒子的磁化不会随磁场强度的增加而进一步增加)。如果在SF上施加动态磁场(称为驱动场-DF)，则FFR内的粒子会使其磁化与施加的场变一致作为响应。相反，饱和区域中的粒子不响应，因为它们的磁化不受DF的影响。FFR内磁化矢量的变化会在接收线圈上产生电压。产生的电压与FFR内的粒子浓度成线性关系，可以重建。从发射线圈到接收线圈的耦合信号远大于接收到的SPIO响应。然而，由于粒子的磁化响应是非线性的，接收到的信号包括激励频率的谐波。一般情况下，滤除基本频率分量，用谐波频率分量重建粒子浓度。
可以3D扫描FFR以获得3D SPIO浓度图像。这可以使用三个正交轴中的驱动场来完成。均匀DF可以通过相同电流供电的两个并联的线圈产生(亥姆霍兹线圈配置)。或者，也可以使用螺线管结构。亥姆霍兹线圈可以共形地放置在具有圆形横截面的管子上。
DF的幅度和频率应选择在安全极限内。施加的DF对生物组织有两种作用：周围神经刺激(PNS)和加热。据报道，在通常用于MPI(25-50kHz)的频率区域中，可以在约15mT的磁场强度下观察到PNS。(E.U.Saritas等，“Magnetostimulation Limits in MagneticParticle Imaging，”IEEE Trans.Med.Imag.，卷32，第9期，2013年9月9日)。加热效果取决于动态激励的持续时间和频率，随两个变量而增加。使用安全DF幅度水平的视场(FOV)为毫米级。可以在离散位置使物体内的FFR转向，或者使用均匀场在安全极限内以非常低的频率使FFR连续转向。这种相对高幅低频场称为聚焦场(FF)。在该场的上部施加高频、低幅DF，以从转向的FFR获得信号。可使用额外的线圈来创建FF。或者，可使用SF或DF线圈来产生FF。
为了在血管造影术等临床应用中使用MPI方法，医生/医务人员应该能够物理地接近患者，以控制和指导该过程。迄今为止，绝大多数MPI系统使用闭孔扫描仪，其中物体放置在圆柱形孔内，因此不可接近。
MPI方法中的FFR，也称为无场点(FFP)，是一个大小为毫米级的椭圆形状。由于接收信号是由该区域内的纳米粒子感生的，因此信号电平随着FFR尺寸的增大而增大。然而，这与图像分辨率相矛盾，图像分辨率随FFR尺寸而减小。FFP应该三维扫描，这是一项耗时的任务，特别是对于人体等相对大的物体。在临床环境中，成像时间应尽可能短，以实现实时成像，并防止由于患者移动引起的图像失真。
总之，尽管MPI领域正在迅速发展，但最新的原型或产品仅限于具有小FOV尺寸的闭孔扫描仪，仅适用于小型动物实验。要在临床中使用MPI方法，需要具有大FOV尺寸的快速开孔扫描仪。此外，施加的磁场水平应低于安全极限。
因此，需要一种线圈系统，其可以提供选择场、聚焦场和驱动场，以满足这些临床要求。
解决上述问题的现有技术
在现有技术中存在一些开孔或单侧MPI系统。
在美国专利9,008,749中，提出了一种单侧MPI系统。FFP是由两个不同尺寸的电磁线圈(一个放置在另一个内)产生的，线圈的电流方向相反。DF和FF也是在线圈放置在同一侧的情况下产生的，从而实现3D电子FFP转向。提出了使用发射线圈阵列来增加FOV尺寸。
在美国专利公开号2014/0266172中，提出了一种开孔MPI系统。在该系统中，磁场施加在两个不同的频率中，接收是基于这些频率的互调产物完成的。通过机械移动物体产生图像。虽然这种方法具有磁场水平低、灵敏度高等优点，但由于物体要小，还要机械地扫描，因此不适合临床使用。
在美国专利公开号2014/0306698中，提出了一种具有适合于人体成像的大FOV的MPI线圈系统。在该系统中，具有中心初级线圈组和在初级组外部以圆形配置放置的次级线圈组。中心线圈组产生SF并沿垂直方向扫描FFP。次级组用于沿水平方向扫描FFP。产生三种不同的DF，用于3轴扫描。其中提到DF线圈可以灵活地放置在患者身上，使得能够从侧面接近患者。
上述所有方法均使用FFP作为FFR。在美国专利9,044,160中，提出了无场线(FFL)的使用。无场线定义了具有椭圆形、圆柱形或任意形状横截面的管状体积，其中磁场非常低，使得SPIO纳米粒子的磁化不饱和。在实践中，该管状体积的中心路径可以是线性的、部分线性的或非线性的。FFL优于FFP的主要优点是灵敏度更高、成像时间更短。要使用FFL产生图像，应将其旋转覆盖至少180度，其阶梯体积根据所需的图像分辨率而决定，并在整个成像平面(或体积)中的每个角度平移。在美国专利9,044,160给出的方法中，FFL是由环绕物体的8个线圈产生的，可以通过调节线圈的电流进行旋转，并使用额外的DF线圈进行平移。FFL也可以使用永磁体产生(Konkle等，“Projection Reconstruction MagneticParticle Imaging”，IEEE Trans.Med.Imag，卷32，第2期，2013年2月.，Murase K，Hiratsuka S，Song R，Takeuchi Y.Development of a system for magnetic particleimaging using neodymium magnets and gradiometer.Jpn J Appl Phys.2014；53(6):067001)。然而，FFL不能进行电子旋转，而物体的机械旋转是3D成像所必需的。
现有技术中的单侧MPI系统允许接近患者和电子FFR扫描。但是，这些方法使用点FFR(即FFP)。因此，对于大体积覆盖，灵敏度和成像时间是这些系统可能存在的问题。采用FFL的MPI方法试图为这些问题提供解决方案。然而，所提出的FFL系统更需要在物体周围缠绕线圈，阻止接近，或者需要机械旋转，这在临床上是不可行的。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种开孔线圈系统，使用完全电子扫描的FFL以获得高灵敏度和快速成像，并且能够在成像过程中接近患者/物体以进行干预，使得MPI方法能够在临床环境中用于3D成像。
本发明的另一个目的是提供一种系统，该系统在可接受的安全极限内实现大FOV成像。
本发明的另一个目的是在MPI程序过程中接近患者/物体。
此外，一个目的是在开孔配置中在短时间内为大体积成像。
因此，在本发明中，通过并排放置两个平行线圈对(交流方向供电)产生FFL。使用这些线圈组中的两个，可以在垂直于线圈轴的平面中旋转FFL。使用与其他线圈放置在同一轴上的线圈对，可以在FFL的旋转平面中平移FFL。通过非对称线圈激励，还可以在垂直平面中平移FFL。由于系统中的所有线圈都是平行的，因此在成像过程中可以从侧面接触成像物体。
本发明所附的权利要求中特别指出了表现本发明的各种新颖性特征，并构成本公开的一部分。为了更好地理解本发明，其操作优点和通过其使用获得的特定目的，参考附图和说明性内容，其中示出了本发明的优选实施例。
附图说明
以下是附图的简要描述，其目的是说明本文公开的示例性实施例，而不是为了限制本发明。
图1示出了线圈系统和相应的电流方向，能够产生、旋转和平移MPI的无场线；
图2示出了图1中线圈组(1)x＝0平面切割，和用于沿x轴方向产生FFL的相应磁场线；
图3a示出了图2所示的线圈组中x＝0平面切割的磁场强度和矢量的模拟结果；
图3b示出了图2所示的线圈组中z＝0平面切割的磁场强度和矢量的模拟结果；
图4示出了从z轴(5)看图1中的线圈系统；
图5示出了由图4所示的线圈系统产生的FFL的各种旋转角度的磁场大小，其中(a)0°、(b)15°、(c)30°、(d)45°、(e)60°、(f)75°、(g)90°、(h)105°、(i)120°、(j)135°、(k)150°、(I)165°FFL角；
图6a示出了从z轴看的一个实施例，其中驱动场线圈集成到选择场线圈系统，沿与由x轴和y轴产生的平面平行的平面扫描/平移FFL；
图6b示出了从x轴看的一个实施例，其中驱动场线圈集成到选择场线圈系统，沿与由x轴和y轴产生的平面平行的平面扫描/平移FFL；
图7a示出了从z轴看的一个实施例，其中驱动场线圈集成到选择场线圈系统，沿垂直于FFL轴(12)的任何方向扫描/平移FFL；
图7b示出了从x轴看的一个实施例，其中驱动场线圈集成到选择场线圈系统，沿垂直于FFL轴(12)的任何方向扫描/平移FFL，；
图8示出了驱动场线圈的实施例，其沿y轴方向产生磁场，并且示出相应的磁场线；
图9示出了驱动场线圈组的实施例，其沿y轴方向产生磁场，并且示出相应的磁场线；
图10示出了临床MPI系统的一个实施例，其中使用了所提出的线圈系统；
图11示出了所提出的线圈设置的发送和接收系统的示例；
图12示出了类似于图1所示的D型线圈系统和相应的电流方向，能够产生、旋转和平移MPI的无场线；
图13示出了图12所示线圈系统从z轴看的视图；
图14示出了由90度扇形线圈组成的单层线圈系统，能够产生、旋转和平移MPI的无场线；
图15示出了图14所示的线圈系统从z轴看的视图；和
图16示出了三层分别60度旋转错开的由D型线圈组成的线圈系统从z轴看的视图，能够产生、旋转和平移MPI的无场线。
具体实施方式
所提出的用于开孔FFL装置的线圈系统的选择场线圈由2个线圈组(1、2)组成。线圈(1a)、(1b)、(1c)和(1d)形成线圈组(1)，分别由电流I1a、I1b、I1c和I1d供电(图1)。线圈(2a)、(2b)、(2c)和(2d)形成线圈组(2)，分别由电流I2a、I2b、I2c和I2d供电。每个线圈组中的线圈以线圈对的形式并排放置，并以交流方向供电(图1)。图2示出线圈组(1)在由y(4)轴和z(5)轴产生的平面上的磁场分布(在这种情况下线圈组2不被激励)。线圈(1a)和(1b)以相同的电流方向供电，沿z方向(6)产生磁场。线圈(1c)和(1d)相对于(1a-1b)线圈对以相反的电流方向供电，沿-z方向(7)产生磁场。磁场的x(3)和y(4)分量在上部(1a、1c)和下部(1b、1d)线圈的中间平面(由x(3)和y(4)轴产生的平面)处消失。磁场的z轴分量在线圈对(1a-1b)和(1c-1d)之间的中间平面(由x(3)和z(5)轴产生的平面)处消失。由此，产生FFL(8)，沿x轴(3)对齐。图3示出了用计算机模拟模型模拟得出的这种配置的磁场分布。图3a示出了由y(4)和z(5)轴产生的平面上的磁场分布。图3b示出了由x(3)和y(4)轴产生的平面上的磁场分布。
线圈组2(2)与线圈组(1)具有类似的构造，但围绕z轴(5)旋转90度。图4是沿z轴(5)方向观看图1给出的线圈系统。通过调节线圈组(1)和(2)的电流，可以在由x(3)和y(4)轴产生的平面上相对于x轴(3)将FFL旋转至任意角度θ(15)。在图4中，(12)表示FFL的方向，(14)表示垂直于FFL方向的方向。如果线圈组(2)未被激励，则在x轴(3)上产生FFL，并且θ＝0度。同样，如果线圈组1(1)未被激励，则在y轴(4)上产生FFL，并且θ＝90度。一般来说，要将FFL相对于x轴(3)旋转θ度(15)，线圈组(1)中线圈的激励应为：I1a＝I1b＝-I1c＝-I1d＝I1cos(phi)。同样，线圈组(2)中的线圈的激励应为I2a＝I2b＝-I2c＝-I2d＝I2sin(phi)。在优选实施例中，电流幅度I1和I2应该被设置成使得垂直于FFL轴(14)的磁场梯度独立于旋转角度(15)。
在图5中，模拟了矩形线圈系统类似于图4的FFL旋转，其中示出了阶梯式地旋转多个旋转角度(15)。这些图是在由x(3)和y(4)轴(xy平面)产生的平面上给出的。白色实线表示线圈组(1)的位置，白色虚线表示线圈组(2)的位置。黑色实线表示FFL为直线的体积，磁场随位置的变化率(FFL梯度)对于所有旋转角度都是恒定的。这是主视场，其中MPI的性能(即图像分辨率、灵敏度)最高。然而，FFL扩展到更大的体积，成像仍然是可行的。视场的范围取决于成像系统的性能要求允许的FFL梯度降解。
为了在xy平面上产生2D图像，还应使用时变驱动场在每个旋转角度(15)垂直于FFL(14)的方向扫描/平移FFL。在本讨论的其余部分，该驱动场将被称为xy驱动场。图6a和图6b分别给出了能够实现电子平移和旋转的实施例的Z轴(5)和x轴(3)视图。X轴切割示出在标号(11)示出的平面上。为了平移垂直于FFL轴(12)的FFL，使用z轴(5)上的亥姆霍兹线圈对(13a、13b)产生均匀场。该线圈对还可用于扩大视场(16)(成像空间)，即作为聚焦场发生器。由于驱动磁场平行于z轴(5)，所以SPIO纳米粒子的磁化也沿z方向。因此，接收线圈应该沿z方向感知，以获得纳米粒子的响应。(13)也可用作接收线圈。或者，可以在该轴上使用单独的驱动场、聚焦场和接收线圈，而不违反开孔要求。
通过改变上部选择场线圈(1a、2a、1c、2c)和下部选择场线圈(1b、2b、1d、2d)的激励振幅比，可以选择成像平面(17)在z轴中的位置。如果该比值为1，则FFL和成像平面位于上部线圈(1a、2a、1c、2c)和下部线圈(1b、2b、1d、2d)之间的中间平面上。如果上部线圈(1a、2a、1c、2c)的激励幅度高于下部线圈(1b、2b、1d、2d)，则成像平面在z轴(5)上更靠近下部线圈(1b、2b、1d、2d)。如果上部线圈(1a、2a、1c、2c)的激励幅度低于下部线圈(1b、2b、1d、2d)，则成像平面(17)在z轴(5)上更靠近上部线圈(1a、2a、1c、2c)。这种情况如图6b所示。使用分析和/或数值磁场计算方法，可以确定一个期望的成像平面位置所需的上部线圈(1a、2a、1c、2c)和下部线圈(1b、2b、1d、2d)激励幅度。图6示出了使用所提出的配置可以进行z轴(5)切片选择的优选实施例。选择场线圈(1、2)用于产生FFL，围绕z轴(5)旋转FFL，沿z轴方向平移FFL。驱动场线圈(13)用于在与x(3)和y(4)轴产生的平面平行的任何平面上驱动FFL，以在视场中激励SPIO纳米粒子。这些线圈还用于移动视场的中心，以扩大成像体积。
通过扫描z轴(5)上的成像平面，并且利用如上所述的电子旋转和平移在每个成像平面上执行二维成像，可以实现三维成像。由于z轴(5)方向没有驱动场，因此z轴(5)方向上的图像分辨率低于x(3)和y(4)轴产生的平面上的图像分辨率。通过使用时变驱动场扫描z轴上的FFL，可以提高z轴(5)方向上的图像分辨率，该时变驱动场还可以沿z轴方向平移FFL。在本文的其余部分，该时变驱动场将被称为z驱动场。这可以通过向上部选择场线圈(1a、2a、1c、2c)和下部选择场线圈(1b、2b、1d、2d)施加交流电来实现。这种交流电的幅度远小于产生静态(选择场)磁场所需的电流。另一个实施例是使用类似于选择场线圈系统的外部z驱动场线圈系统，这种实施例示出于图7a和图7b，其分别示出从z轴(5)和x轴(3)观看平面(11)。线圈组(9)和(10)产生沿z轴(5)方向进行FFL扫描所需的驱动场。线圈组(9)和(10)的电流方向被设置成使得由上部线圈(9a、9c、10a、10c)和下部线圈(9b、9d、10b、10d)感生的磁场建设性地增加在视场中。线圈组(9)沿y轴(4)方向产生时变磁场，这在图8中示出。产生磁场(18)的线圈电流方向如图9所示。同样地，线圈组(10)沿x轴(3)方向产生时变磁场。线圈组(9)和(10)的激励幅度应该设置成使得驱动磁场方向平行于FFL方向(12)，也就是说，z-驱动场方向应该以类似于FFL旋转方向的方式旋转至旋转角度(15)。该实施例可以是优选的，因为它释放了SF线圈用于产生z驱动场时存在的低频限制。也可以仅使用上部线圈(9a、9c、10a、10c)或下部线圈(9b、9d、10b、10d)来产生z驱动场。在这种情况下，磁场幅度朝相反的方向(即不存在驱动线圈的方向)减小，增加了对线圈电流幅度的要求。
使用上述方法，FFL(8)可以电子地在与由x(3)和y(4)轴产生的平面平行的任何平面上平移和扫描，也可以在z轴方向(5)上平移和扫描。FFL也可以在FOV(16)内部完全电子化地旋转，而不需要机械旋转。本领域技术人员可根据所需的分辨率和FOV尺寸使线圈最优化。由于所有线圈都是平行的，因此，在MPI FFL数据采集/成像过程中，侧面没有障碍物，从而可以接近患者/物体。成像系统在x(3)和y(4)轴产生的平面上和平行于该平面的视场取决于线圈设计，并且可以容纳人体等大型物体。临床应用的示例如图10所示。患者位于成像系统的上部(19a)和下部(19b)之间。(19a)和(19b)包括扫描视场所需的所有线圈和硬件，可以使用计算机控制(20)进行选择。
图11示出了所描述的MPI系统的优选实施例。计算机控制(20)包括用户界面，用于选择成像体积和参数。图像序列规划也由(20)执行。选择场由选择场发射单元(21)和(22)产生。选择场发射单元用于在垂直于z轴(5)的平面上，在所需的z轴位置处产生和旋转FFL。每个选择场发射单元包括电源(23a、23b、23c、23d)、发射电路(24a、24b、24c、24d)以及选择场线圈对(25、26、27、28)，发射电路包括滤波器和传输线等必要组件。计算机(20)控制和监视发送到选择场线圈(1,2)的电流。如上文所述和图1所示，上(或下)选择场线圈中的电流大小相等，而它们的符号相反(I1a＝-I1c、I1b＝-I1d、I2a＝-I2c、I2b＝-I2d)。因此，每个线圈组至少需要两个电源(23)。在优选实施例中，由图11中的(25)表示的线圈组1(1a、1c)的上部线圈对由电源(23a)经由发射电路(24a)供电。由图11中的(26)表示的线圈组1(1b、1d)的下部线圈对由电源(23b)经由发射电路(24b)供电。由图11中的(27)表示的线圈组2(2a、2c)的上部线圈对由电源(23c)经由发射电路(24c)供电。由图11中的(28)表示的线圈组1(1b、1d)的下部线圈对由电源(23d)经由电路(24d)供电。或者，每个选择场线圈可以由单独的电源供电。监控电源的输出电流，以确保系统正常工作。这也是检测可能的故障所必需的。
使用驱动场发射单元(34)和(35)产生xy和z驱动场。在成像程序之前，使用控制计算机(20)的规划驱动场激励的时间和大小。驱动场发射单元(34)用于平移/扫描FFL所在平面上的FFL，该平面与x(3)和y(4)轴(xy驱动场)产生的平面平行，以激励视场中的SPIO纳米粒子。(34)也可以用作聚焦场发生器，以移动FFL所在平面上的视场中心，该平面与x(3)和y(4)轴产生的平面平行。驱动场发射单元(34)包括波形发生器(30a)、驱动场发射电路(31a)和驱动场线圈(29a)。驱动场发射电路(31a)包括放大器、匹配电路、滤波器等组件，以提供所需的电流以产生驱动场。波形发生器(30a)的输出(幅度、频率、波形等)由控制单元(20)控制，用于所需的FFL方向和视场。如图6和7所示，可以使用线圈(13a)和(13b)通过亥姆霍兹线圈布置产生驱动场。在这种情况下(29a)包括(13a)和(13b)。驱动场发射单元(35)用于沿z轴(5)方向平移/扫描FFL，以激励视场(z-驱动场)中的SPIO纳米粒子。波形发生器(30b)和(30c)分别用于提供时变电压/电流，以分别激励驱动场线圈(29b)和(29c)。波形发生器(30b、30c)的输出(幅度、频率、波形等)由控制单元(20)控制，以获得所需的FFL方向和视场。发射电路(31b)和(31c)包括放大器、匹配电路、滤波器等组件，以向驱动线圈(29b)和(29c)提供所需的电流。
在接收端，接收线圈(32)用于检测SPIO纳米粒子对施加的驱动场的响应。接收线圈定位在FOV周围，并且定向使它们接收SPIO纳米粒子的时变磁场。尽管可以在系统中使用辅助接收线圈，但是驱动场线圈(29a、29b、29c)也可以用作接收线圈。在接收线圈(32)中感生出来的信号首先被放大和滤波，然后使用接收器电路(33)通过模数转换器(ADC)进行数字化。然后处理已接收的数据，以产生MPI图像。
为了从已接收的数据重建图像，可以使用一种与CT成像相似的基于拉东变换的算法(T.Knopp，M。Erbe，TF Sattel，S.Biederer和TM Buzug，“A Fourier slice theorem formagnetic particle imaging using a field-free line，“Inverse Problems”，卷27，第9期，p.095004,2011.)。或者，也可以使用系统矩阵方法(J.Rahmer，J.Weizenecker，B.Gleich，和J.Borgert，“Signal encoding in magnetic particle imaging:Propertiesof the system function”，BMC Med.Imag.,卷9，p.4,2009年4月)。在基于拉东变换的方法中，假设FFL的梯度和线性度不受FFL的旋转和平移的影响，限制了线圈设计。在系统矩阵方法中，在整个FOV体积中扫描具有已知纳米粒子浓度的小测试物体，并且在物体的每个位置处记录接收的数据。通过这种方式，产生校准系统矩阵。使用该数据获得患者/物体的SPIO浓度。或者，系统的磁场可以测量和/或模拟出FFL的各种旋转角和平移距离，这样可以使用该数据进行拉东变换，从而减轻了整个FOV对均匀FFL梯度和线性度的需求。因为不需要大的系统矩阵，而且不需要对FFL的线性度和梯度进行假设，因此该方法可能更有效、更准确。
选择场线圈组可以用交错绕组实现，而不是使用在不同垂直位置分开的分离线圈组。
可以选择任何几何形状的线圈，即使在本文件中使用矩形几何形状。事实上，应该优化几何形状，以获得最佳的FFL性能，并将功耗降到最低。图12和13中示出了使用D型线圈(41、42)的线圈系统。
除了使用多层线圈组，还可以使用单层线圈阵列产生、旋转和移动FFL。图14示出了使用四个线圈对的实施例。通过调节每个线圈(51a-d、52a-d)的电流，可以沿任何方向产生FFL。如果线圈以相等的幅度和图15所示的方向被激励，则可以沿y轴(4)方向产生FFL。注意，x轴(3)方向上的电流彼此抵消，而y轴(4)方向上的电流建设性地组合。与图1所示的实施例相比，此实施例的优点是功耗更低，因为所有线圈都在相同的z平面(5)上。在多层配置中，上层需要更多电流，以产生相同的磁场梯度，因为它们离视场更远。然而，对于场均匀性，线圈(51、52)的厚度是有限制的。例如，图14和15的x轴(3)上的电流所产生的磁场的消除取决于携带这些电流的导线的接近程度。
在给出的实施例中，线圈系统包括两个线圈组，在水平面上相对于彼此旋转90度。通常，可以使用更多的线圈组(例如，相对于彼此旋转60度的三个线圈组)，作为旋转的函数增加FFL的梯度和线性度。图16示出了使用三个线圈组(55a、55b、55c)的示例实施例，在水平面上相对于彼此旋转60度。
可以使用本发明的构建选择场和/或驱动场块来实现用于MPI的多FFL线圈系统，其是产生FFL的线圈系统(图2)。
虽然已经详细示出和描述了本发明的特定实施例以说明本发明原理的应用，但是应该理解，在不脱离这些原理的情况下，可以以其他方式实施本发明。

Claims (26)

1.一种开孔线圈系统，用于在体积内实现无场线(FFL)的电子转向和旋转，其特征在于，包括：
第一线圈组(1)，所述第一线圈组(1)包括第一线圈(1a)、第二线圈(1b)、第三线圈(1c)和第四线圈(1d)，所述第一线圈(1a)、所述第二线圈(1b)、所述第三线圈(1c)和所述第四线圈(1d)由相应的第一电流(I1a)、第二电流(I1b)、第三电流(I1c)和第四电流(I1d)供电；和
第二线圈组(2)，所述第二线圈组(2)包括第一线圈(2a)、第二线圈(2b)、第三线圈(2c)和第四线圈(2d)，所述第一线圈(2a)、所述第二线圈(2b)、所述第三线圈(2c)和所述第四线圈(2d)由相应的第一电流(I2a)、第二电流(I2b)、第三电流(I2c)和第四电流(I2d)供电，
其中所述第一线圈组(1)和所述第二线圈组(2)中的所述线圈各自组成线圈对并排放置，并以交流方向供电，
其中所述第一线圈组(1)的所述第一线圈(1a)和所述第二线圈(1b)形成第一线圈对(1a-1b)，所述第一线圈对(1a-1b)由相同的电流方向供电，从而沿第一z方向(6)产生磁场，所述第一z方向(6)选自+z和-z组成的组，
其中所述第一线圈组(1)的所述第三线圈(1c)和所述第四线圈(1d)形成第二线圈对(1c-1d)，所述第二线圈对(1c-1d)相对于所述第一线圈组(1a)的所述第一线圈(1a)和所述第二线圈(1b)以相反的电流方向供电，从而沿选自由+z和-z组成的组中的第二z方向(7)产生磁场，所述第二z方向(7)是与所述第一z方向(6)相反的方向，其中，当所述第一z方向(6)是+z，所述第二z方向(7)是-z，当所述第一z方向(6)是-z，所述第二z方向(7)是+z，
其中所述磁场的x分量(3)和y分量(4)在上部线圈对(1a-1c)和下部线圈对(1b-1d)之间的平面或非平面表面消失，所述上部线圈对(1a-1c)包括所述第一线圈(1a)和所述第三线圈(1c)，所述下部线圈对(1b-1d)包括所述第二线圈(1b)和所述第四线圈(1d)，
其中所述磁场的z轴分量在所述第一线圈对(1a-1b)和所述第二线圈对(1c-1d)之间的平面或非平面表面消失，并且
其中所述第二线圈组(2)相对于所述第一线圈组(1)以θ度的旋转角绕所述z轴旋转。
2.根据权利要求1所述的开孔线圈系统，其特征在于，所述旋转角θ为90度。
3.根据权利要求1所述的开孔线圈系统，其中所述第一线圈组和第二线圈组的绕组是交错的。
4.根据权利要求1所述的开孔线圈系统，其特征在于，所述线圈绕组的路径是矩形的。
5.根据权利要求1所述的开孔线圈系统，其特征在于，所述线圈绕组的路径是半圆形的。
6.根据权利要求1所述的开孔线圈系统，还包括附加的一个或多个线圈组，每个线圈组相对于彼此围绕所述z轴旋转，旋转角度为180度除以线圈组的数量。
7.根据权利要求1所述的开孔线圈系统，其特征在于，所述第二线圈组(2)的所述线圈的设计与所述第一线圈组(1)的所述线圈的设计不同。
8.根据权利要求1所述的开孔线圈系统，其中，当所述第二线圈组(2)未被激励，则在所述x轴(3)上产生所述FFL并且θ＝0度。
9.根据权利要求1所述的开孔线圈系统，其中，当所述第一线圈组(1)未被激励，则在所述y轴(4)上产生所述FFL并且θ＝90度。
10.根据权利要求1所述的开孔线圈系统，其中，为了使所述FFL相对于x轴(3)旋转θ度(15)，所述第一线圈组(1)中的所述线圈的激励为I1a＝I1b＝-I1c＝-I1d＝I1cos(phi)，所述第二线圈组(2)中的所述线圈的激励是I2a＝I2b＝-I2c＝-I2d＝I2sinphi)。
11.根据权利要求1所述的开孔线圈系统，其中，所述第一线圈组(1)和所述第二线圈组(2)位于所述z轴(5)的不同位置。
12.根据权利要求1所述的开孔线圈系统，其中所有线圈都是平行的。
13.一种磁性粒子成像系统，包括：
计算机控制(20)；
第一选择场发射单元(21)和第二选择场发射单元(22)，所述第一选择场发射单元(21)和第二选择场发射单元(22)适于产生无场线(FFL)，并在垂直于z轴(5)的平面上的期望的z轴位置处旋转所述无场线(FFL)，
其中所述第一选择场发射单元(21)和第二选择场发射单元(22)中的每一个包括多个电源，各自与发射电路相关联，所述多个电源和相关的发射电路包括至少一个与第一发射电路(24a)相关联的第一电源(23a)，与第二发射电路(24b)相关联的第二电源(23b)，与第三发射电路(24c)相关联的第三电源(23c)，和与第四发射电路(24d)相关联的第四电源(23d)，
第一选择场线圈组(1)，所述第一选择场线圈组(1)包括第一选择场线圈(1a)，第二选择场线圈(1b)，第三选择场线圈(1c)和第四选择场线圈(1d)，所述第一选择场线圈(1a)，所述第二选择场线圈(1b)，所述第三选择场线圈(1c)和所述第四选择场线圈(1d)由相应的第一电流(I1a)，第二电流(11b)，第三电流(11c)和第四电流(11d)供电；和
第二选择场线圈组(2)，所述第二选择场线圈组(2)包括第一选择场线圈(2a)，第二选择场线圈(2b)，第三选择场线圈(2c)和第四选择场线圈(2d)，所述第一选择场线圈(2a)，所述第二选择场线圈(2b)，所述第三选择场线圈(2c)和所述第四选择场线圈(2d)由相应的第一电流(I2a)，第二电流(I2b)，第三电流(I2c)和第四电流(I2d)供电，
其中所述计算机控制(20)适于控制和监视施加到所述选择场线圈(1a、1b、1c、1d、2a、2b、2c、2d)的电流，
其中所述第一选择场线圈组(1)的所述第一选择场线圈(1a)和所述第一线圈组(1)的所述第三选择场线圈(1c)是上部选择场线圈，所述第一线圈组(1)的所述第二选择场线圈(1b)和所述第一线圈组(1)的所述第四选择场线圈(1d)是下部选择场线圈，
其中所述第二选择场线圈组(2)的所述第二选择场线圈(2a)和所述第二线圈组(2)的所述第三选择场线圈(2c)是上部选择场线圈，所述第二线圈组(2)的所述第二选择场线圈(2b)和所述第二线圈组(2)的所述第四选择场线圈(2d)是下部选择场线圈，并且
其中所述第一选择场线圈组(1)的所述上部选择场线圈(1a、1c)中的电流的大小相等，而其符号相反，并且所述第一选择场圈组(1)的所述下部选择场线圈(1b、1d)中的电流的大小相等，而其符号相反(I1a＝-I1c、I1b＝-I1d、I2a＝-I2c、I2b＝-I2d)。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述上部选择场线圈(1a、1c)由所述第一电源(23a)通过所述第一发射电路(24a)供电，所述下部选择场线圈(1b、1d)由所述第二电源(23b)通过所述第二发射电路(24b)供电，并且其中所述第二选择场线圈组(2)的所述上部选择场线圈(2a、2c)由所述第三电源(23c)通过所述第三发射电路(24c)供电，所述第二选择场线圈组(2)的所述下部选择场线圈(2b、2d)由所述第四电源(23d)通过所述第三发射电路(24d)供电。
15.根据权利要求13所述的系统，其中每个选择场线圈(1a、1b、1c、1d、2a、2b、2c、2d)由单独的电源供电。
16.根据权利要求13所述的系统，其中所述电源(23)和发射电路(24)适于产生时变信号以沿z轴(5)方向平移/扫描所述FFL。
17.根据权利要求13所述的系统，还包括：驱动场发射单元(34)，适于在与由x轴(3)和y轴(4)产生的平面平行的平面上平移/扫描所述FFL。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述驱动场发射单元(34)是聚焦场发生器，其适于在与由x轴(3)和y轴(4)产生的平面平行的平面上移动视场的中心。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述驱动场发射单元(34)还包括波形发生器(30a)，驱动场发射电路(31a)，以及至少一个驱动场和/或聚焦场线圈(29a)。
20.根据权利要求19所述的系统，其中至少一个驱动场和/或聚焦场线圈(29a)包括亥姆霍兹线圈布置(13a、13b)。
21.根据权利要求19所述的系统，还包括第二驱动场发射单元(35)，其适于沿z轴(5)方向平移/扫描所述FFL，以在z驱动场中激励SPIO纳米粒子。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述第二驱动场发射单元(35)还包括第一波形发生器(30b)，第二波形发生器(30c)，与所述第一波形发生器(30b)相关的第一驱动场发射电路(31b)，与所述第二波形发生器(30c)相关的第二驱动场发射电路(31c)，与所述第一驱动场发射电路(31b)相关的第一驱动场线圈(29b)和与所述第二驱动场发射电路(31c)相关联的第二驱动器场线圈(29c)。
23.根据权利要求13所述的系统，包括至少一个接收线圈(32)，用于接收由SPIO产生的磁化信号。
24.根据权利要求23所述的系统，还包括接收器电路(33)，用于通过接收线圈(32)放大，滤波和数字化所接收的信号。
25.一种开孔线圈系统，用于在体积内实现无场线(FFL)的电子转向和旋转，包括两层线圈，其中每层包括多个扇形线圈，其中每个扇形线圈具有至少两个边缘，相邻于两个相邻线圈的各一个边缘。
26.根据权利要求25所述的开孔线圈系统，其中，所述线圈的电流方向和振幅设置成使得所述磁场在所述两层线圈之间的平面或非平面表面上的期望的管状体积内消失。
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