CN1154854C - 测定有机体空腔中标记物位置的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及测定有机体空腔中标记物位置，特别是计算出胃肠道医疗诊断中的局部通过速度的装置和方法。本发明的目的是保证定位的精确度在所有三个坐标方向均高于1cm，而且每一次定位测定时间可少于等于10秒。根据本发明，该目的是如下实现的：至少一个线圈流过正负交替的以一定时间为间隔的脉冲电流，线圈通过脉冲电流而产生的原级磁场如在两脉冲之间衰退到足够小的值，那么标记物产生的次级磁场至少可用各向异性磁场传感器对其平行和垂直于线圈轴的分量分别作出至少一次的测量，线圈装置相对标记物进行移动，直到测量标记物之径向次级磁场分量的磁场传感器显示零信号为止，此时线圈轴的位置、以及测量平行于线圈轴向的次级磁场分量的磁场传感器的测量值，都被记录起来并传送到一显示器。

Description

测定有机体空腔中标记物位置的装置和方法
本发明涉及测定有机体空腔中标记物位置，特别是计算出标记物通过胃肠道，特别是小肠位置时的局部通过速度的装置和方法。本发明应用在胃肠组织的医疗诊断上，但并不涉及诊断方法本身。
在医学检查中，有必要重复测量一个标记物通过胃肠组织的局部通过速度。例如：检查如节段性回肠炎的慢性肠胃炎症，检查功能性的肠胃病，或胃肠组织的生理检查等。
通常的诊断方法，如使用对比液的X-射线法，由于辐射对人体的危害，不能使用。闪烁成像(Szintigaphische)法也同样不能使用。
为避免射线对人体的危害，在医学检查中常用如下的已知技术：核磁共振成像[M.Reiser，W.Semmler(Hrsg)核磁共振成像(Magnet-resonanztomographie)，Springer-Verlag，柏林/海德堡，1992]，超声波成像[M.Amend，C.Jakobeit，L.Gminer，消化疾病(Verdaulings-krankheiten)13(1995)，1册，21页]，金属探测器[K.Ewe，治疗学周刊(Therapiewoche)41(1991)，77页]，磁感应法检测软磁示踪物[Y.Benmair，B.Fischel，E.H.Frei，T.Gilat，美国胃肠学刊(The AmericanJoumal of Gastroenterology)68(1977)，170页]以及追踪永磁体标记物的位置[L.Trahms，R.Stehr，J.Wedemeyer，W.Weiteschies，生物医学技术(Bio-mediznische Technik)35(1990)158页]。
核磁共振成像使用起来麻烦，而且价钱昂贵，不适用于做重复性的检查。另外，对测量局部通过速度来说，要求以10秒钟左右的时间间隔来重复测量标记物的位置。对此，核磁共振成象的速度太慢[K.Fitzgerald，IEEESpectrum 27(1990)52页]。
到目前为止，超声波成像检查不是用于测量局部通过速度，而是用于测量通过一段胃肠道的总通过时间[M.Amend，C.JaKobeit，L.Greiner，消化疾病(Verdauungskrankheiten)13(1995)，1册21页]。其原因在于超声波不能穿过腹腔的空气团，由此会对标记物所在位置作出错误的判断。如果在肠中灌满液体，虽可减少这个错误，但是如此又会改变肠蠕动，不适用于作出医学诊断。
使用金属探测器法可以确定小金属颗粒的位置，但所确定的横向位置精确度会随着物体表面的距离增大而减少，在距离物体表面大于10cm时横向精确度差于1cm[K.Ewe，治疗周刊(Therapiewoche)41(1991)，77页]。在这篇文章中并没有说明深度测量时的精确度，但深度测量的精确度一般比横向精确度还要差，所以这种方法不适用于测量标记物局部通过速度。
使用软磁示踪物磁感应方法来定位，其精确度只能满足测量软磁浆在胃中含量随时间的减少，软磁浆的起始体积至少为100cm3[Y.Benmair，B.Fischel，E.H.Frei，T.Gilat，美国胃肠学刊(The Amencan Journal ofGastroenterology)68(1977)，70页]。用于测量在肠中的局部通过速度则不行，因为大体积的测试样品在流过肠道时会不规划地分布开来。此外，测试样品的体积不能太小，否则软磁示踪物的次级磁场会太小，这样即使在抵消很好的情况下，次级磁场与原磁场的残余信号也难以区分。
此外，众所周知，永磁性标记物在进入病人体内以前需要进行磁化[W.Weitschies，J.Wedemeyer，R.Stehr，L.Trahms，IEEE Trans.Biomed.Eng.41(1994)192页]。但是通过次级磁场对标记物的定位会受到干扰磁场的影响(比如地磁场)，因此整个测量就需要在一个磁场屏蔽得非常好的特殊小空间里进行。即使如此，这种方法也不适用于测量胃肠道的局部通过速度，因为由于标记物的横向和旋转运动，定位只能在胃部或在大肠部位进行，而且即使在这些部位的测量也会由于标记物相对较长的停留时间而不够精确。
本发明的目的是提供一个测定有机体空腔，特别是胃肠道中标记物位置的装置和方法，使用这个方法可以保证定位的精确度在所有三个坐标方向均高于1cm，而且每一次定位测定时间可少于等于10秒。此外使用本发明所获得的每一个标记物位置的测量数据都应该可以作为三维空间描述的基础。
本发明中使用一个可磁化标记物，此标记物或单独地存在，或在粘稠性载体溶液中，或在一固体载体材料(盒)中，其是由一种球对称分布、各向同性的半硬磁性材料组成。这种磁性材料具有中等大小的矫顽磁场强度，优选为104/105A/M范围，并具有相对较大的剩磁，优选大于0.8。标记物优选主要由γ-Fe2O3/或Fe3O4组成，它们除了具有磁性特性之外，还是无毒性的。这种标记物被放入有机体空腔内，并处于一个由脉冲电流产生的原级线圈磁场中。线圈的直径应至少是标记物直径的五倍，在此情形中，线圈可以在10×10×30cm3的范围内产生旋转对称的几乎均匀的初级磁场。通过线圈中的脉冲电流，标记物在经过有机体空腔时在短时间内被重复磁化，使其磁矩每一次磁化都会重新排列以平行于原级线圈磁场，如此可避免作为产生误差原因的标记物旋转运动的影响。如线圈的初级磁场值在每两个相邻脉冲之间少于最大值的10％时，那么通过各向异性的磁场传感器就可以测量到标记物的次级磁场。初级磁场最大值的时间间隔和被检查的胃肠组织部位相对应，测量时间无论如何要很短，这样可避免产生干扰性的标记物平移和旋转运动，或者通过取多次测量的平均值以抵消干扰。此时间间隔最好在10秒之内。
本发明中的初级磁场最好由一对同轴线圈产生，两个线中间安置病人接受检查的部位。线圈间距离要和病人的身体相适应，一般在30cm-40cm之间。初级磁场方向平行于两个线圈的共同轴线，并优选在两相邻的磁化过程中使其改变方向。初级磁场最大值Hp的确定是以能使标记物产生足够大的剩磁为标准。对所选择的标记物材料，最好能产生大于103A/m的Hp。其上限只限制于技术条件，如可在脉冲场下达到105A/m。
标记物的剩磁产生一次级磁场Hs，在离标记物中心至少三倍于标记物直径的距离时，此磁场可足够精确地用以下方程描述：
Hs＝m((1+3cos2θ)1/2)/R3              (1)
tanφ＝0.5tanθ                           (2)
其中m为标记物的磁矩，R为标记物中心到次级磁场的距离，φ和θ为在图2所定义的角度。
次级磁场的两个分量，Hs ‖平行和Hs |垂直于剩磁方向，可通过以下公式表达：
H s | | = Hxcox ( φ + θ ) - - - ( 3 )
H s | = Hs sin ( φ + θ ) - - - ( 4 )
这两个分量通过磁场传感器，最好是现有的各向异性磁阻性薄膜传感器，来分别测量。在由标记物磁矩m方向所确定的次级磁场磁轴上，φ＝θ＝0在R和m事先给定的情况下，Hs ‖数值为最大而Hs |数值为零。一旦标记物处于线圈的轴上，安装在此轴上用于测量Hs |值的磁场传感器就只会测到本底的干扰磁场。标记物如偏离线圈轴时，此磁场传感器就会显示一额外的信号，此信号的正负号随标记物剩磁的极化方向，也就是初级磁场的极化方向而变化。此磁场传感器的选频信号可进行放大，并显示出标记物是否处在线圈轴上。当φ和θ很小时，Hs |是距离r的单调函数，r为标记物中心到线圈轴(以及固定在轴上的至少一个磁场传感器)的距离，而且当r＝0时Hs |为零。也就是说，通过相对标记物移动线圈轴(以及固定在轴上的磁场传感器)，总可使信号为零，这就是按本发明需要把线圈轴调到与标记物中心重合的原因。为了提高测量的精确度，可在线圈轴上对称地再固定第二个用来确定Hs |的磁场传感器，其信号的正负号和第一个磁场传感器的正负号相反，两个信号可以叠加。同样道理，可以在线圈周围以轴对称分布方式径向安置多个磁场传感器，它们之间可以电路相连。
一旦标记物处于线圈轴上(φ＝θ＝0)，在磁矩m事先给定的情况下，Hs数值按照公式(1)成为R的单值函数。在特殊情况下，使用两个共轴安装的线圈，标记物位置正好在这两个线圈中间，Hs ‖磁场传感器分别位于对于每一个线圈和它们所共有的轴都一样的位置，它们所测出的两个Hs值大小一样。如果这两个磁场传感器的灵敏度一样，那么这两个信号的差值为零。标记物在线圈轴上偏离上述中间位置，偏离距离为z，此时差值信号则为z的单调函数。此函数在m已知的情况下，成为标记物在Z方向偏离的尺寸。m值可以在一个特定的测量步骤中确定，不管是在标记物进入病人体内之前或是离开病人身体以后。z方向测量精度可以类似于径向方向通过在线圈轴上安装并相互电连接的另一个测量Hs磁场传感器来提高。
标记物在有机体空腔内的某一实际位置，其一可通过测量线圈轴在Hs信号抵消为零时的位置，其二通过测量Hs信号的大小，可以完全确定。
为测量标记物相对于病人身体的位置，如起始或中间时病人的位向，使用一些定位用的标记物如小线圈或磁体，把它们固定在病人身体的特定位置上，其位置也可同时被测定。
标记物的局部通过速度可由线圈通过脉冲电流的两点距离，除以此相邻两点的时间间隔而简单得到。
下面以一实施例及四张示意图对本发明作进一步的说明。
图1表示病人定位于可能的根据本发明装置中，
图2说明标记物偏离线圈轴时情形的示意图，
图3是图1之总装置的放大示意图，
图4是根据本发明的线圈在通过脉冲电流时的图形。
在图1中，一位接受胃肠组织检查的病人1躺在非金属性的床2上。两个相同的线圈3和4处在共同的轴线X-X上，内边宽度A约为30cm。由图3所示的发电机14给线圈3和4通过脉冲式的电流，就可在几何中435产生最大为20000A/m的、时间间隔为1秒的初级磁场。病人1口服下由γ-Fe2O3为成份的标记物6，其直径为约8mm。每次被初级磁场磁化后标记物6具有剩磁磁矩m约为7×10-5Am2。
图2示意地描述如何把线圈3和4分别与具有各向异性的阻磁性磁场传感器10、11、12、13固定在一起。磁场传感器10、11设计成测量平行于X-X轴方向的标记物次级磁场分量，而磁场传感器12、13设计成测量标记物次级磁场垂直径向分量。标记物6在线圈轴X-X中心时，按上述尺寸，在磁场传感器10、11处的磁场分量Hs ‖为约4×10-2A/m，而该磁场的垂直分量Hs |为零。图2显示了标记物从中心位置5径向移开轴线如r＝1cm时的情况，此时在径向磁场传感器12、13处的径向次级磁场分量为约4×10-3A/m。如图所示，标记物再轴向移动距离z＝1cm后，传感器10处的次级磁场轴向分量为约5.2×10-2A/m，而磁场传感器11处为约3.5×10-2A/m。各向异性磁场传感器在磁场强度为1A/m时的信号电压为10-4伏特。在时间间隔为t2的脉冲初级磁场中间的暂停时间t1(见图4)，如传感器触发打开的话，串联的径向传感器12、13将在标记物径向移动r＝1cm时给出脉冲形式的交流电，其振幅为0.4μV，用频率选择放大器7很容易放大成40μV。本发明的线圈轴X-X可以一定的方式进行相对移位，最简单的方式就是与线圈3和4连在一起的十字桌子80所构成(见图1)，相对移位至信号消失时。在此情况下，线圈轴又与标记物中心重合，其位置由图3所示的位置传感器8记录，并传递到记录和分析单元9。
标记物6沿轴向从中心5往上移动z＝1cm后，从轴向传感器10、11可得到脉冲的振幅为约5.2μV(传感器10)和3.5μV(传感器11)的交流电压，两振幅之差为1.7μV，通过频率选择放大为170μV。这些相应子标记物纵向位置的信号也同样传递到记录和分析单元9。如此，对某一标记物位置，就有一组对应的测量值，可唯一地描述出标记物在胃肠组织部位的空间位置。用上述方法所测得的标记物位置点按先后顺序连成一线，即代表了标记物所经过的路线。两相邻点的距离和相应时间间隔之商，则给出所求标记物6的局部通过速度。所有测得的数据都可在对病人检查的同时或在检查后在屏幕上三维显示出来。
在此实施例中所使用的两线圈3、4是一种很有优势的方式，但本发明并不限制于此，使用一个或者多于2个并适当设置的线圈也都是可以想象的。
本发明方法中，病人不受到射线辐照的危害，因而检查可任意重复进行。特别有优点的是，本发明中地磁场或局域的干扰磁场对测量值没有任何影响，因而不需要任何磁屏蔽措施。
数符表：
1       -病人
2       -床
3、4    -线圈
5       -几何中心
6       -标记物
7       -频率选择放大器
8       -位置传感器
80      -移动装置
9       -记录分析单元
10，11  -轴向传感器
12，13  -径向传感器
14      -发电机
15      -屏幕
A       -内边宽度
t1     -测量间隔
t2     -电脉冲的间隔
X-X     -轴
φ、θ      -角度

Claims (9)

1、测定有机体空腔中可磁化标记物位置的装置，该装置使用到所述标记物及确定该标记物位置的装置，其特征在于，
a)在机体空腔内可运动的标记物(6)由一种球对称分布的各向同性的磁性材料构成，并具有在104-105A/m范围内的矫顽磁场强度以及大于0.8的相对剩磁，
b)带有至少一个电感线圈(3或4)，该线圈的直径至少是所述标记物直径的5倍，
c)设有在所述线圈中产生脉冲电流的装置(14)，
d)设有各向异性的磁场传感器(10、11，12、13)，它们固定在线圈(3或4)上，并轴对称于所述线圈(3或4)的线圈轴(X-X)，而且它们的安装位置距离标记物(6)至少是该标记物直径的3倍，
e)设有相对标记物的实际位置而移动线圈轴的装置(80)，以及用以测量线圈轴(X-X)位置的装置(8)，
f)设有用于各向异性的磁场传感器(10、11，12、13)信号的接收、存储和处理的装置(7，9)，以及用于定位的装置(8)。
2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个线圈(3或4)在10×10×30cm3的范围内产生一个旋转对称的近似均匀的初级磁场。
3、根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所使用的两线圈(3、4)有共同轴线，且两线圈的内边宽度(A)应足以放置所测的有机体。
4、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述标记物主要由γ-Fe2O3和/或Fe3O4组成。
5、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，各向异性磁场传感器(10、11、12、13)为阻磁性薄膜传感器。
6、根据权利要求1或5所述的装置，其特征在于，所述各向异性磁场传感器设计成：
-至少一个传感器(10或11)处于线圈轴上，用于确定标记物(6)次级磁场之平行于线圈轴(X-X)的磁场分量，以及
-至少一个传感器(12或13)用于确定标记物(6)次级磁场之垂直于线圈轴(X-X)的径向磁场分量。
7、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，多个各向异性磁场传感器轴对称于线圈轴(X-X)安装且处在垂直于线圈轴的平面上，这些传感器用于测量标记物(6)次级磁场之垂直于线圈轴(X-X)的径向磁场分量。
8、使用如前述权利要求之一所述的装置确定标记物在有机体空腔中位置的方法，其特征在于，
a)至少一个线圈流过正负交替的以一定时间为间隔的脉冲电流，两次电脉冲之间的时间间隔为少于10秒，
b)线圈通过脉冲电流而产生的初级磁场如在两脉冲之间衰退到少于最大值的10％时，那么标记物产生的次级磁场至少可用各向异性磁场传感器对其平行和垂直于线圈轴的分量分别作出至少一次的测量，
c)线圈装置相对标记物进行移动，直到测量标记物之径向次级磁场分量的磁场传感器显示零信号为止，以及
d)此时线圈轴的位置、以及测量平行于线圈轴向的次级磁场分量的磁场传感器的测量值，都被记录起来并传送到一显示器。
9、根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在两次线圈脉冲电流之间对次级磁场进行多次测量，并取其平均值。
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