DE102018204311B3

DE102018204311B3 - Method for magnetic particle imaging with improved measurement dynamics

Info

Publication number: DE102018204311B3
Application number: DE102018204311.6A
Authority: DE
Inventors: Jonas Beuke; Thorsten Buzug; Thomas Friedrich; Philipp Rostalski; Matthias Gräser
Original assignee: Universitaet zu Luebeck
Current assignee: Universitaet zu Luebeck
Priority date: 2018-03-21
Filing date: 2018-03-21
Publication date: 2019-05-16
Anticipated expiration: 2038-03-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Magnetpartikelbildgebung umfassend das zeitlich wiederholte Detektieren der magnetischen Antwort einer vorverabreichten räumlichen Verteilung magnetisierbarer Partikel in einem Messvolumen auf ein vorbestimmtes Anregungsmagnetfeld mit harmonischer Zeitabhängigkeit, wobeia. wenigstens ein feldfreier Punkt entlang einer vorbestimmten periodischen Trajektorie durch das Messvolumen bewegt wird;b. die detektierte magnetische Antwort zu jedem Erfassungszeitpunkt mit dem Ort des wenigstens einen feldfreien Punktes registriert wird;c. aus der detektierten magnetischen Antwort auf die Konzentration der Partikel am jeweiligen Ort des feldfreien Punktes geschlossen wird;d. wenigstens ein Voxelmodell für wenigstens ein Teilvolumen des Messvolumens erstellt wird, wobei den Voxeln Werte für die Konzentration der Partikel zugeordnet werden, die sich aus den entlang der Trajektorie des feldfreien Punktes bestimmten Konzentrationen durch Interpolation ergeben;e. Numerisch berechnete Schnitte durch das Voxelmodell als Bilder ausgegeben werden; wobeif. die magnetische Antwort in ein elektrisches Signal überführt und mit einem elektrischen Gegensignal näherungsweise kompensiert wird, wobei ein elektrisches Residualsignal gebildet wird;g. das Residualsignal digitalisiert wird;h. ein digitales Stellsignal auf Basis des digitalisierten Residualsignals berechnet wird;i. das digitale Stellsignal in das elektrische Gegensignal konvertiert wird und das digitale Stellsignal und das digitalisierte Residualsignal je einen Anteil der detektierten magnetischen Antwort bilden.The invention relates to a method for magnetic particle imaging comprising the time-repeated detection of the magnetic response of a pre-distributed spatial distribution of magnetizable particles in a measurement volume to a predetermined excitation magnetic field with harmonic time dependence, a. at least one field-free point along a predetermined periodic trajectory is moved through the measurement volume, b. the detected magnetic response is registered with the location of the at least one field-free point at each detection time; c. is closed from the detected magnetic response to the concentration of the particles at the respective location of the field-free point; d. at least one voxel model is created for at least a partial volume of the measurement volume, wherein the voxels are assigned values for the concentration of the particles which result from the concentrations determined along the trajectory of the field-free point by interpolation; Numerically calculated sections are output as images by the voxel model; wheref. the magnetic response is converted into an electrical signal and approximately compensated with an electrical counter signal, whereby an electrical residual signal is formed; g. the residual signal is digitized h. a digital control signal is calculated based on the digitized residual signal; i. the digital control signal is converted into the electrical counter signal and the digital control signal and the digitized residual signal each form a portion of the detected magnetic response.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Darstellung der räumlichen Verteilung magnetisierbarer Partikel in einem Messvolumen (Magnetpartikelbildgebung bzw. „magnetic particle imaging“, MPI), wobei die Partikel im Inneren eines Objekts, insbesondere in einem lebenden Patienten, verteilt vorliegen.The invention relates to a method for representing the spatial distribution of magnetizable particles in a measurement volume (magnetic particle imaging or "MPI"), wherein the particles are distributed in the interior of an object, in particular in a living patient.

Beim MPI werden beispielsweise super-paramagnetische Eisenoxid-Nanopartikel („super paramagnetic iron oxide nanoparticle“, SPION) durch ein zeitlich periodisches Anregungsmagnetfeld, engl. „drive field“, periodisch magnetisiert. Die Magnetisierung der Partikel hängt dabei nichtlinear von der Magnetfeldstärke ab und bringt selbst ein zeitabhängiges Magnetfeld als Partikelantwort hervor. Durch Erfassen und Analysieren des Zeitverhaltens der Partikelantwort im Verhältnis zur Charakteristik des Anregungsfeldes kann auf die Partikelkonzentration geschlossen werden.For example, at the MPI super-paramagnetic iron oxide nanoparticles (SPION) are generated by a time-periodic excitation magnetic field. "Drive field", periodically magnetized. The magnetization of the particles depends nonlinearly on the magnetic field strength and even produces a time-dependent magnetic field as a particle response. By detecting and analyzing the time response of the particle response in relation to the characteristic of the excitation field can be concluded that the particle concentration.

Zur Eingrenzung der MPI-Messung auf kleine Volumina wird das Anregungsmagnetfeld mit einem üblich zeitlich konstanten Selektionsmagnetfeld, engl. „selection field“, überlagert. Das Selektionsmagnetfeld weist an wenigstens einem vorbestimmten Punkt des Messvolumens eine Nullstelle auf. Ausgehend von diesem so genannten feldfreien Punkt, kurz: FFP, steigt das Selektionsmagnetfeld in alle Richtungen schnell an, so dass magnetisierbare Nanopartikel schon in geringem Abstand zum FFP in die magnetische Sättigung gelangen. Weit vom FFP entfernte Nanopartikel reagieren dann kaum noch auf das Anregungsmagnetfeld und leisten keinen signifikanten Beitrag zur Partikelantwort. Das MPI-Messsignal stammt vielmehr aus der lokalen Umgebung des FFP und gibt über die dort vorhandene, lokale Partikelkonzentration Auskunft. Alternativ kann statt eines einzelnen FFP auch eine feldfreie Linie, kurz: FFL, mit Quadrupol-Magnetanordnungen bzw. mit einer geeigneten Konfiguration magnetfelderzeugender Spulen generiert werden.To limit the MPI measurement to small volumes, the excitation magnetic field with a usual time constant selection magnetic field, engl. "Selection field", superimposed. The selection magnetic field has a zero point at at least one predetermined point of the measurement volume. Starting from this so-called field-free point, in short: FFP, the selection magnetic field increases rapidly in all directions, so that magnetizable nanoparticles reach magnetic saturation even at a small distance to the FFP. Nanoparticles far removed from the FFP barely react to the excitation magnetic field and do not make a significant contribution to the particle response. Rather, the MPI measurement signal originates from the local environment of the FFP and provides information about the local particle concentration present there. Alternatively, instead of a single FFP, a field-free line, in short: FFL, can be generated with quadrupole magnet arrangements or with a suitable configuration of magnetic field generating coils.

Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, die Position eines FFP oder einer FFL innerhalb einer Region, aus der MPI-Messdaten gewonnen werden sollen - dem sogenannten „field of view“, FOV -, durch Überlagerung des statischen Selektionsfeldes mit einem zeitveränderlichen homogenen Magnetfeld zu verschieben. Dabei werden FFP bzw. FFL entlang zeitlich periodischer Pfade bewegt, die das FOV möglichst vollständig überstreichen bzw. durchlaufen. Beispielsweise kann ein FFP entlang einer zwei- oder dreidimensionalen Lissajous-Trajektorie geführt werden. Die erfasste Partikelantwort wird mit der aktuellen Position von FFP oder FFL registriert, um einen Flächen- oder Volumenscan der Partikelverteilung im Innern des Objekts bzw. eines lebenden Patienten, zu gewinnen.It is known from the prior art, the position of an FFP or an FFL within a region from which MPI measurement data is to be obtained - the so-called "field of view", FOV - by superposition of the static selection field with a time-varying homogeneous magnetic field to move. FFPs and FFLs are moved along time-periodic paths that cover or traverse the FOV as completely as possible. For example, an FFP may be guided along a two- or three-dimensional Lissajous trajectory. The detected particle response is registered with the current position of FFP or FFL to obtain an area or volume scan of the particle distribution inside the object or a living patient.

Zum Erfassen der Partikelantwort kommen im Prinzip alle Arten von Magnetfeldsensoren in Betracht. Es ist jedoch zu beachten, dass die Magnetfeldsensoren neben der Partikelantwort auch dem Anregungsmagnetfeld sowie weiteren Störfeldern, u.a. durch den vorgenannten Scanvorgang sowie von elektrischen Zuleitungen, ausgesetzt sind, die ihrerseits in der Regel sehr viel höhere Feldstärken als die Partikelantwort aufweisen. Zwar lassen sich solche an sich bekannten Störfelder durch das Erzeugen eines entgegengesetzt gerichteten Kompensationsmagnetfeldes am Ort des Sensors auslöschen, aber die notwendige Nähe des Sensors zum FOV und der Partikelverteilung führt dann auch zu einer weiteren Beeinflussung der Partikel durch das Kompensationsmagnetfeld.In principle, all types of magnetic field sensors come into consideration for detecting the particle response. However, it should be noted that the magnetic field sensors in addition to the particle response to the excitation magnetic field and other interference fields, u.a. are exposed by the aforementioned scanning process as well as electrical leads, which in turn generally have much higher field strengths than the particle response. Although such per se known interference fields can be canceled by generating an oppositely directed compensation magnetic field at the location of the sensor, but the necessary proximity of the sensor to the FOV and the particle distribution then leads to a further influence of the particles by the compensation magnetic field.

Gängig ist deshalb nach wie vor die Verwendung von Detektionsspulen als Magnetfeldsensoren, wobei die Partikelantwort und alle vorhandenen Störfelder durch Induktion in Spannungssignale übersetzt werden. Die Störungen werden dann auf der Ebene der elektrischen Signale behandelt, beispielsweise durch Signal-Filterung im Fourier-Raum. Dabei ist vorbekannt, dass die Partikelantwort überwiegend Frequenzanteile des Anregungsmagnetfeldes und der höheren Harmonischen aufweist, so dass diese Frequenzen isoliert werden.Therefore, the use of detection coils as magnetic field sensors is still common, whereby the particle response and all existing interference fields are translated by induction into voltage signals. The disturbances are then treated at the level of the electrical signals, for example by signal filtering in Fourier space. It is already known that the particle response predominantly frequency components of the excitation magnetic field and the higher harmonics, so that these frequencies are isolated.

Solche Verfahren sind aus dem Patent DE 10 2015 220 092 B3 und aus der Patentanmeldung DE 10 2011 089 334 A1 bekannt.Such methods are known from the patent DE 10 2015 220 092 B3 and from the patent application DE 10 2011 089 334 A1 known.

Problematisch ist bei diesem Ansatz gleichwohl die eingeschränkte Messdynamik, die sich aus der notwendigen Digitalisierung der analogen Ausgangsspannung einer Detektionsspule ergibt. Die Spule empfängt große und überwiegend niederfrequente Magnetfeldanteile ohne wesentliche Information über die Partikelverteilung und zugleich deutlich kleinere, überwiegend hochfrequente, informationstragende Magnetfeldanteile, die leicht im Rauschen des AD-Wandlers (ADC) verschwinden, wenn dieser nicht übersteuern soll.The problem with this approach, however, nevertheless the limited measurement dynamics, resulting from the necessary digitization of the analog output voltage of a detection coil. The coil receives large and predominantly low-frequency magnetic field components without significant information about the particle distribution and at the same time much smaller, predominantly high-frequency, information-bearing magnetic field components that disappear easily in the noise of the AD converter (ADC), if this should not overdrive.

Das Grundproblem, ein kleines Nutzsignal von einem viel größeren Hintergrundsignal bereits bei der Datenerfassung zu trennen, ist für den Fall der Magnetfeldmessung in der geophysikalischen Exploration bekannt und gelöst worden.The basic problem of separating a small useful signal from a much larger background signal already in the data acquisition has been known and solved in the case of magnetic field measurement in geophysical exploration.

Die Druckschrift WO 2014/146184 A1 offenbart ein Verfahren zur Kompensation des analogen elektrischen Ausgabesignals eines Magnetfeldsensors mit den Schritten:

a. Messen eines Magnetfeldes und Erzeugen eines ersten analogen Signals des Magnetfeldsensors;
b. Erzeugen eines zweiten analogen Signals durch Addieren des ersten analogen Signals und eines dritten analogen Signals mit einem Addierer;
c. Erzeugen eines ersten digitalen Signals durch Digitalisieren des zweiten analogen Signals mit einem ADC;
d. Übermitteln des ersten digitalen Signals an eine Recheneinheit, z.B. einen Personal Computer;
e. Berechnen eines zweiten digitalen Signals auf Basis des ersten digitalen Signals;
f. Übermitteln des zweiten digitalen Signals an einen Digital-Analog-Wandler (DAC) zur Erzeugung des dritten analogen Signals;
g. Zuführen des dritten analogen Signals zum Addierer.

The publication WO 2014/146184 A1 discloses a method for compensating the analog electrical output signal of a magnetic field sensor comprising the steps of:

a. Measuring a magnetic field and generating a first analog signal of the magnetic field sensor;
b. Generating a second analog signal by adding the first analog signal and a third analog signal to an adder;
c. Generating a first digital signal by digitizing the second analog signal with an ADC;
d. Transmitting the first digital signal to a computing unit, eg a personal computer;
e. Calculating a second digital signal based on the first digital signal;
f. Transmitting the second digital signal to a digital-to-analog converter (DAC) to generate the third analog signal;
G. Supplying the third analog signal to the adder.

Der Trick des Verfahrens liegt in der Berechnung des zweiten digitalen Signals derart, dass das daraus konvertierte dritte analoge Signal dem ursprünglich gemessenen ersten analogen Signal möglichst genau entgegengerichtet ist, d.h. dass die Addition von erstem und dritten Signal annähernd zur Auslöschung des Summensignals führt. Das Summensignal - hier: das zweite analoge Signal - ist somit von viel kleinerer Amplitude als das erste oder dritte analoge Signal, und es kann mit einem rauscharmen Verstärker verstärkt und robust digitalisiert werden. Es repräsentiert die Änderung des analogen Ausgangssignals des Magnetfeldsensors zwischen zwei Erfassungszeitpunkten. Das Messverfahren der WO 2014/146184 A1 ist implizit getaktet, nämlich durch den Takt der Recheneinheit, die in jedem Zeitschritt ein zweites digitales Signal bereitzustellen hat. Heutige Rechner erlauben ohne weiteres eine Megahertz-Taktrate.The trick of the method lies in the calculation of the second digital signal such that the third analog signal converted therefrom is as exactly opposite as possible to the originally measured first analog signal, ie the addition of the first and third signal leads approximately to the extinction of the sum signal. The sum signal - here: the second analog signal - is thus of much smaller amplitude than the first or third analog signal, and it can be amplified and robustly digitized with a low-noise amplifier. It represents the change of the analog output signal of the magnetic field sensor between two detection times. The measuring method of WO 2014/146184 A1 is implicitly clocked, namely by the clock of the arithmetic unit, which has to provide a second digital signal in each time step. Today's computers easily allow a megahertz clock rate.

Die Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, ein MPI-Verfahren mit größerer Messdynamik als im Stand der Technik vorzuschlagen.The invention now has the task of proposing an MPI method with greater dynamic range than in the prior art.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Magnetpartikelbildgebung umfassend das zeitlich wiederholte Detektieren der magnetischen Antwort einer vorverabreichten räumlichen Verteilung magnetisierbarer Partikel in einem Messvolumen auf ein vorbestimmtes Anregungsmagnetfeld mit harmonischer Zeitabhängigkeit, wobei

a. wenigstens ein feldfreier Punkt entlang einer vorbestimmten periodischen Trajektorie durch das Messvolumen bewegt wird;
b. die detektierte magnetische Antwort zu jedem Erfassungszeitpunkt mit dem Ort des wenigstens einen feldfreien Punktes registriert wird;
c. aus der detektierten magnetischen Antwort auf die Konzentration der Partikel am jeweiligen Ort des feldfreien Punktes geschlossen wird;
d. wenigstens ein Voxelmodell für wenigstens ein Teilvolumen des Messvolumens erstellt wird, wobei den Voxeln Werte für die Konzentration der Partikel zugeordnet werden, die sich aus den entlang der Trajektorie des feldfreien Punktes bestimmten Konzentrationen durch Interpolation ergeben;
e. Numerisch berechnete Schnitte durch das Voxelmodell als Bilder ausgegeben werden;

dadurch gekennzeichnet, dass

f. die magnetische Antwort in ein elektrisches Signal überführt und mit einem elektrischen Gegensignal näherungsweise kompensiert wird, wobei ein elektrisches Residualsignal gebildet wird;
g. das Residualsignal digitalisiert wird;
h. ein digitales Stellsignal auf Basis des digitalisierten Residualsignals berechnet wird;
i. das digitale Stellsignal in das elektrische Gegensignal konvertiert wird und
j. das digitale Stellsignal und das digitalisierte Residualsignal je einen Anteil der detektierten magnetischen Antwort bilden.

The object is achieved by a method for magnetic particle imaging comprising the time-repeated detection of the magnetic response of a pre-distributed spatial distribution of magnetizable particles in a measurement volume to a predetermined excitation magnetic field with harmonic time dependence

a. at least one field-free point along a predetermined periodic trajectory is moved through the measurement volume;
b. the detected magnetic response is registered at each detection time with the location of the at least one field-free point;
c. is closed from the detected magnetic response to the concentration of the particles at the respective location of the field-free point;
d. creating at least one voxel model for at least a subvolume of the measurement volume, the voxels being assigned values for the concentration of the particles resulting from the concentrations determined along the trajectory of the field-free point by interpolation;
e. Numerically calculated sections are output as images by the voxel model;

characterized in that

f. the magnetic response is converted into an electrical signal and approximately compensated with an electrical counter signal, whereby a residual electrical signal is formed;
G. the residual signal is digitized;
H. a digital control signal is calculated on the basis of the digitized residual signal;
i. the digital control signal is converted into the electrical counter signal and
j. the digital control signal and the digitized residual signal each form a portion of the detected magnetic response.

Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.The dependent claims indicate advantageous embodiments.

Bei der Magnetpartikelbildgebung (MPI) werden lokalisierte Konzentrationen magnetisierbarer Partikel anhand ihrer nicht-linearen magnetischen Antwort auf eine magnetische Anregung mit harmonischer Zeitabhängigkeit ermittelt. Diese Antwort umfasst ganz überwiegend die höheren Harmonischen der Anregungsfrequenz f_A, also sind die Signalanteile bei den Frequenzen $f_{H}^{(i)} = i \times f_{A}$

für i = 3,5,7,··· möglichst genau zu bestimmen, um auf eine Partikelkonzentration am aktuellen Ort der Antworterzeugung, beispielsweise einem FFP mit naher Umgebung, zu schließen. Naheliegend ist dies im Prinzip über die Fourier-Analyse zu erreichen, aber der limitierende Faktor ist die ausreichende Genauigkeit der Rohdatenerfassung als digitales - und damit in einem Rechner verarbeitbares - Signal.In Magnetic Particle Imaging (MPI), localized concentrations of magnetizable particles are determined by their non-linear magnetic response to a magnetic excitation with harmonic time dependence. This response predominantly comprises the higher harmonics of the excitation frequency f _A , so the signal components are at the frequencies

f_{H}^{(i)} = i \times f_{A}

for i = 3,5,7, ··· as accurately as possible to infer a particle concentration at the current place of response generation, such as a near-FFP. Obviously, this can be achieved in principle by means of the Fourier analysis, but the limiting factor is the sufficient accuracy of the raw data acquisition as digital - and thus processable in a computer - signal.

Beispielsweise ist die Anzahl der digitalisierbaren Harmonischen bei einer Anregungsfrequenz f_A = 25 kHz mit einem 16-Bit Analog-Digital-Wandler mit 10 MHz-Abtastrate auf höchsten 54 begrenzt. Diese Anzahl gilt nur unter idealisierten Bedingungen, z.B. rauschfreie elektronische Komponenten, und liegt in der Praxis gewöhnlich noch bei deutlich kleineren Werten. Gleichwohl nutzt man die volle Messdynamik des AD-Wandlers dabei nach Kräften aus. For example, the number of digitizable harmonics at an excitation frequency f _A = 25 kHz with a 16-bit analog-to-digital converter with 10 MHz sampling rate is limited to 54 highest. This number is valid only under idealized conditions, eg noise-free electronic components, and in practice is usually still at much lower values. Nevertheless, the full dynamic range of the AD converter is used to capacity.

Die Grundidee der Erfindung kann man nun etwa so umreißen, dass man den Dynamikbereich des Wandlers zu höheren Frequenzen hin verschiebt, indem man die Signalverstärkung möglichst rauscharm verstärkt, wobei man zugleich die eingangsseitigen Signale großer Amplitude und niedriger Frequenz als Störung behandelt und bereits bei der Erfassung kompensiert, um den AD-Wandler nicht zu übersteuern. Man kann auf die ausgelöschten Signalanteile aber keinesfalls verzichten, sondern rekonstruiert sie sich vielmehr separiert aus den Stellsignalen der kompensierenden Regelung neu. Anders gesagt isoliert die Regelung also niedrige Frequenzanteile der magnetischen Antwort von einem Restsignal, dass als solches erst der Digitalisierung zugeführt wird.The basic idea of the invention can now be outlined in such a way that the dynamic range of the transducer is shifted to higher frequencies by amplifying the signal amplification as low as possible while simultaneously treating the input signals of high amplitude and low frequency as a disturbance and already during detection compensated so as not to overload the AD converter. One can not do without the extinguished signal components, but rather reconstructs them separately from the control signals of the compensating control. In other words, the control thus isolates low frequency components of the magnetic response from a residual signal, which as such is first supplied to the digitization.

Im Kern ist das Eingreifen in das elektrische MPI-Antwortsignal vor der Digitalisierung durchaus schon bekannt, um die Messdynamik zu erhöhen. Bei der analogen Auslöschungsmethode wird beispielsweise eine zu den Partikeln beabstandete zweite Detektionsspule zur Erfassung des reinen Anregungssignals benutzt, die ein phaseninvertiertes Signal zur Kompensation der Anregungsfrequenz im Messkreis bereitstellt. Diese Methode ist frequenzselektiv, dämpft aber aufgrund von Herstellungstoleranzen nicht sehr gut. Alternativ kann man auch einen elektrischen Hochpassfilter in den Messkreis schalten. Damit werden dann aber ebenso Anteile des Partikelsignals unterdrückt.In essence, intervention in the electrical MPI response signal prior to digitization is already well known to increase the measurement dynamics. In the analog extinction method, for example, a second detection coil spaced apart from the particles is used to detect the pure excitation signal, which provides a phase-inverted signal for compensating the excitation frequency in the measuring circuit. This method is frequency selective but does not attenuate very well due to manufacturing tolerances. Alternatively, you can also switch an electrical high-pass filter in the measuring circuit. But then also portions of the particle signal are suppressed.

Die erfindungsgemäße aktive Regelung hat die vorgenannten Nachteile nicht, und sie generiert automatisch eine größere Anzahl an digitalisierbaren Harmonischen als bisher in der MPI-Auswertung mit einem gegebenen AD-Wandler möglich. Überdies sind diese Anteile von vornherein nach Frequenzbereichen selektiert und können insofern auch separat ausgewertet werden.The inventive active control does not have the aforementioned disadvantages, and it automatically generates a larger number of digitizable harmonics than previously possible in the MPI evaluation with a given AD converter. Moreover, these components are selected from the beginning according to frequency ranges and can therefore be evaluated separately.

Vorzugsweise kann dazu aus dem digitalen Stellsignal ein Voxelmodell mit niedriger Ortsauflösung und aus dem digitalen Residualsignal ein Voxelmodell mit hoher Ortsauflösung für dasselbe Teilvolumen des Messvolumens errechnet werden. Die Voxelmodelle können sich also bereits in ihren Voxelgrößen unterscheiden, was auch numerische Vorteile bietet. Beispielsweise können für Voxelmodelle mit relativ großen Voxeln vereinfachte Rekonstruktionsalgorithmen, insbesondere auch sehr simple Interpolationen, ausreichend sein. Überdies sind die Frequenzen, die im Stellsignal überhaupt auftreten können, per Programmierung eines Prozessors, der das Stellsignal immer wieder neu errechnet, festlegbar. Tatsächlich können die im digitalen Stellsignal auftretenden Frequenzen vorzugsweise aus einer vorbestimmten Gruppe von Frequenzen ausgewählt werden. Das Stellsignal enthält oftmals nur wenige Frequenzkomponenten und ist daher besonders unaufwendig in ein Voxelmodell mit niedriger Ortsauflösung zu überführen.For this purpose, a voxel model with low spatial resolution and from the digital residual signal a voxel model with high spatial resolution for the same partial volume of the measured volume can preferably be calculated from the digital control signal. The voxel models can therefore already differ in their voxel sizes, which also offers numerical advantages. For example, simplified reconstruction algorithms, in particular very simple interpolations, may be sufficient for voxel models with relatively large voxels. Moreover, the frequencies that can occur in the control signal at all, by programming a processor that calculates the control signal again and again, determined. In fact, the frequencies occurring in the digital control signal may preferably be selected from a predetermined group of frequencies. The control signal often contains only a few frequency components and is therefore particularly inexpensive to convert into a voxel model with low spatial resolution.

Man kann weiterhin in an sich bekannter Weise beliebige Schnitte entlang vorbestimmter Schnittflächen durch die Voxelmodelle legen und sich die Voxeldaten aus den Schnittflächen als zweidimensionale Bilder erzeugen und ausgeben lassen. Das Voxelmodell mit niedriger Ortsauflösung kann dabei benutzt werden, um grobe Übersichtsbilder zu erstellen, denen die wesentlichen Häufungspunkte der Partikel zu entnehmen sind. Anhand der identifizierbaren Häufungspunkte kann eine Navigation vorgenommen werden, welche Bildbereiche auch für eine höher aufgelöste Darstellung von Interesse sind. Das Voxelmodell mit hoher Ortsauflösung aus den Residualsignalen muss unter diesen Umständen nicht unbedingt vollständig berechnet werden, sondern erst nach der Auswahl eines Nutzers in nur einem Teilbereich des erfassten Volumens. Die Erfindung stellt automatisch sicher, dass immer Bildpaare umfassend numerisch berechnete Schnitte entlang derselben Schnittebene durch die zwei errechneten Voxelmodelle erzeugt und ausgegeben werden können.Furthermore, it is possible to lay arbitrary sections along predetermined cut surfaces through the voxel models in a manner known per se, and to generate and output the voxel data from the cut surfaces as two-dimensional images. The voxel model with low spatial resolution can be used to create rough overview images, from which the significant accumulation points of the particles can be taken. On the basis of the identifiable accumulation points, navigation can be carried out, which image areas are also of interest for a higher-resolution representation. The voxel model with high spatial resolution from the residual signals does not necessarily have to be fully calculated under these circumstances, but only after a user has been selected in only a subset of the detected volume. The invention automatically ensures that image pairs comprising numerically calculated sections along the same section plane can always be generated and output by the two calculated voxel models.

Also sind detailliertere Bilder zu jedem Punkt der Übersichtsbilder „on demand“ zur Verfügung, müssen aber nicht von vornherein in Betracht gezogen werden. Dies kann als vorteilhaft angesehen werden für die Übermittlung digitaler Bilder via Internet und für die Einsparung von Energie (Rechenleistung). Ein Endnutzer, z.B. ein Arzt, kann eine „region of interest“ (ROI) anhand eines gut komprimierbaren und schnell erzeugten Übersichtsbildes zunächst eingrenzen, bevor die volle numerische Auswertung zur Erzeugung eines hochauflösenden Bildes - dann nur für die ROI - aktiviert wird.So more detailed images are available on every point of the overview images "on demand", but they do not have to be considered from the outset. This can be considered advantageous for the transmission of digital images via the Internet and for the saving of energy (computing power). An end user, e.g. A physician can first narrow down a "region of interest" (ROI) based on a well-condensed and quickly generated overview image before activating the full numerical evaluation to generate a high-resolution image - and then only for the ROI.

Hinsichtlich der Durchführung einer MPI-Messung mit einem aktiv geregelten Stellsignal zur Kompensation der ersten Harmonischen wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die magnetische Antwort der Partikelverteilung mit einer ersten Detektionsspule als induziertes elektrisches Signal erfasst und mit einem Transformator auf den Eingangsspannungsbereich eines rauscharmen Signalverstärkers transformiert wird, wobei das elektrische Gegensignal aus dem digitalen Stellsignal mit einem Digital-Analog-Wandler konvertiert und in den Transformator mit einem vorbestimmten Übertragungsfaktor eingekoppelt wird. Insbesondere kann auf diese Weise ein aktives Noise-Matching erreicht werden, wenn das elektrische Gegensignal die Partikelantwort vor dem Verstärker in einer gekoppelten Transformatorstufe kompensiert. Die Partikelantwort kann soweit hochtransformiert werden, dass das Spulenrauschen mit dem Rauschlevel des Verstärkers zusammenfällt, während zugleich durch die Wahl des Übertragungsfaktors für das Stellsignal erreicht werden kann, das das Residualsignal den Eingangsspannungsbereich des Verstärkers weitgehend abdeckt, um die optimale Messdynamik auszuschöpfen.With regard to the performance of an MPI measurement with an actively controlled control signal for compensation of the first harmonic, it is considered advantageous if the magnetic response of the particle distribution with a first detection coil is detected as an induced electrical signal and transformed with a transformer to the input voltage range of a low-noise signal amplifier wherein the electrical counter signal is converted from the digital control signal with a digital-to-analog converter and coupled into the transformer with a predetermined transmission factor. In particular, an active noise matching can be achieved in this way, when the electrical counter signal compensates the particle response in front of the amplifier in a coupled transformer stage. The particle response may be stepped up to the point where the coil noise coincides with the noise level of the amplifier, while at the same time being achieved by choosing the control factor for the control signal, which substantially covers the residual voltage input range of the amplifier to exploit the optimum dynamic range.

Die erfindungsgemäße Regelung zur Bestimmung des Stellsignals soll aktiv und automatisiert erfolgen. Automatisierung ist schon deshalb erforderlich, weil die Anpassungen des Stellsignals mit sehr hoher Taktrate im Megahertz-Bereich durchgeführt werden müssen. Dies erfordert zwangsläufig eine Steuerung des Stellsignals mit einem programmierbaren Rechenwerk, beispielsweise mit einem PC oder einem handelsüblichen Mikroprozessor. Vorzugsweise wird am Ausgang des rauscharmen Verstärkers das elektrische Residualsignal mit einem Analog-Digital-Wandler digitalisiert und einem Prozessor zugeführt wird, wobei der Prozessor vorbestimmte Parameter des digitalen Stellsignals derart variiert, dass die mittlere Amplitude des Residualsignals minimiert wird. Für die schnelle Durchführung einer solchen Minimierung sind zahlreiche Algorithmen an sich bekannt. Begünstigend kann hier hinzukommen, dass das Stellsignal womöglich nur eine begrenzte Anzahl von Frequenzanteilen aus einer vorbestimmten Gruppe von Frequenzen aufweist, sodass nur eine geringe Zahl von Parametern variiert werden muss.The regulation according to the invention for determining the actuating signal should be active and automated. Automation is necessary because the adjustment of the control signal must be carried out with a very high clock rate in the megahertz range. This inevitably requires a control of the control signal with a programmable calculator, for example with a PC or a commercially available microprocessor. Preferably, at the output of the low-noise amplifier, the residual electrical signal is digitized with an analog-to-digital converter and supplied to a processor, wherein the processor varies predetermined parameters of the digital control signal such that the mean amplitude of the residual signal is minimized. Numerous algorithms are known per se for the rapid implementation of such minimization. Favorable may be added here that the control signal may have only a limited number of frequency components from a predetermined group of frequencies, so that only a small number of parameters must be varied.

Es kann weiterhin vorteilhaft für die Anpassung des Stellsignals sein, wenn dem Prozessor zusätzliche Informationen über das Anregungssignal, insbesondere und beispielsweise seine Phasenlage, zur Verfügung stehen. Vorzugsweise wird zu diesem Zweck durch eine zweite Detektionsspule mit größerem Abstand zum Messvolumen als die erste Detektionsspule das Anregungsmagnetfeld erfasst und wenigstens ein digitalisiertes Zeittaktsignal, das die Phasenlage des Anregungsfeldes indiziert, dem Prozessor zugeführt. Dabei kann die zweite Detektionsspule auch nur eine einzelne Windung aufweisen.It can also be advantageous for the adaptation of the actuating signal if the processor has additional information about the excitation signal, in particular and, for example, its phase position, available. For this purpose, the excitation magnetic field is preferably detected for this purpose by a second detection coil with a greater distance to the measurement volume than the first detection coil and at least one digitized time clock signal, which indicates the phase position of the excitation field, fed to the processor. In this case, the second detection coil can also have only a single turn.

Schließlich kann es noch von Vorteil für die effiziente Minimierung des Residualsignals durch den Prozessor sein, wenn er neben den Parametern des Stellsignals auch den Übertragungsfaktor für das Stellsignal in den Koppeltransformator variieren kann. Dies erscheint insbesondere sinnvoll zur zeitlich wiederholten Anpassung der Signalpegel im Transformator.Finally, it can be of advantage for the efficient minimization of the residual signal by the processor if, in addition to the parameters of the actuating signal, it can also vary the transmission factor for the actuating signal in the coupling transformer. This seems particularly useful for the repeated adaptation of the signal levels in the transformer.

Claims

A method of magnetic particle imaging comprising the time-repeated detection of the magnetic response of a pre-distributed spatial distribution of magnetizable particles in a measurement volume to a predetermined excitation magnetic field with harmonic time dependence, wherein a. at least one field-free point along a predetermined periodic trajectory is moved through the measurement volume; b. the detected magnetic response is registered at each detection time with the location of the at least one field-free point; c. is closed from the detected magnetic response to the concentration of the particles at the respective location of the field-free point; d. creating at least one voxel model for at least a subvolume of the measurement volume, the voxels being assigned values for the concentration of the particles resulting from the concentrations determined along the trajectory of the field-free point by interpolation; e. Numerically calculated sections are output as images by the voxel model; characterized in that f. the magnetic response is converted into an electrical signal and approximately compensated with an electrical counter signal, whereby a residual electrical signal is formed; G. the residual signal is digitized; H. a digital control signal is calculated on the basis of the digitized residual signal; i. the digital control signal is converted into the electrical counter signal and j. the digital control signal and the digitized residual signal each form a portion of the detected magnetic response.

Method according to Claim 1 , characterized in that from the digital control signal a voxel model with low spatial resolution and from the digital residual signal a voxel model with high spatial resolution for the same sub-volume of the measurement volume are calculated.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the frequencies occurring in the digital control signal are selected from a predetermined group of frequencies.

Method according to one of Claims 2 or 3 , characterized in that image pairs comprising numerically calculated sections along the same intersection are generated by the two calculated voxel models.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the magnetic response of the particle distribution is detected with a first detection coil as an induced electrical signal and transformed by a transformer to the input voltage range of a low-noise signal amplifier, wherein the counter electric signal from the digital control signal with a digital-to-analog converter and converted into the transformer with a predetermined transmission factor is coupled.

Method according to Claim 5 , characterized in that at the output of the low-noise amplifier, the residual electrical signal is digitized with an analog-to-digital converter and supplied to a processor, wherein the processor predetermined parameter of the digital control signal varies such that the mean amplitude of the residual signal is minimized.

Method according to Claim 6 , characterized in that a second detection coil with a greater distance to the measurement volume than the first detection coil detects the excitation magnetic field and at least one digitized time clock signal indicative of the phase position of the excitation field, the processor is supplied.

Method according to one of Claims 6 or 7 , characterized in that the processor for minimizing the residual signal varies the transmission factor of the transformer for coupling the actuating signal.