EP3938797A1 - Verfahren und signalübertragungsanordnung zur durchführung einer magnetic-particle-imaging-signalerfassung - Google Patents

Verfahren und signalübertragungsanordnung zur durchführung einer magnetic-particle-imaging-signalerfassung

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Publication number
EP3938797A1
EP3938797A1 EP20711879.5A EP20711879A EP3938797A1 EP 3938797 A1 EP3938797 A1 EP 3938797A1 EP 20711879 A EP20711879 A EP 20711879A EP 3938797 A1 EP3938797 A1 EP 3938797A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coil
particles
arrangement
signal
signal transmission
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.)
Pending
Application number
EP20711879.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Volkmar Schulz
Sebastian Reinartz
Dennis Pantke
Florian MÜLLER
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.)
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Original Assignee
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
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 Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH filed Critical Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Publication of EP3938797A1 publication Critical patent/EP3938797A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for carrying out magnetic particle imaging signal detection.
  • the invention also relates to a
  • Signal transmission arrangement for use in such a signal acquisition.
  • concentrations of magnetic or at least magnetizable particles, in particular nanoparticles, such as e.g. preferably iron oxide, can be measured in an examination volume.
  • the particles can e.g. as a tracer, similar to a contrast agent, for
  • Iron oxide in particular has the advantage of being easily degradable in the organism of the living being.
  • the technology thus represents an alternative, or at least a supplement to magnetic resonance tomography or nuclear medicine procedures
  • the magnetic / magnetizable particles arranged in the field-free region of a location-dependent magnetic field are magnetized by means of an excitation magnetic field that changes over time.
  • the excitation magnetic field which changes over time with the sign of the field direction, is superimposed with the location-dependent magnetic field.
  • the location-dependent magnetic field can be generated, for example, by permanent magnets, but in particular also by electromagnets.
  • the excitation magnetic field is usually generated by electromagnets, preferably by means of current-carrying coils which are fed by a power source in order to generate the excitation magnetic field by means of alternating currents that vary over time.
  • the location-dependent The magnetic field and the varying magnetic field can also be generated in a common coil arrangement. By shifting the field-free area, the total examination volume is formed. The shift can be purely mechanical, electrical or combined.
  • the field-free region is the local area in which, in the case of the location-dependent magnetic field and / or the superposition of the location-dependent
  • Magnetic field and varying magnetic field changes the field direction, so it is singularly "zero" and the field strength in the surrounding area is still below the saturation field strength of the particles used.
  • the field-free region is therefore not field-free everywhere in spite of the designation in the relevant terminology.
  • the signal contributions of the particles only come from this region, which is designated as field-free, since the particles are only there in the excitation field
  • the field-free region is at usual
  • Scanner assemblies as in the invention especially in scanner devices that are already commercially available, often a line or a point, whereby these terms are not to be understood in the sense of mathematical accuracy, but rather describe the spatial extent of a specific measurement volume.
  • These areas are referred to in the relevant terminology as FFP - field free point or FFL - field free line.
  • Magnetization not only with the fundamental frequency of the excitation magnetic field, but also with the frequency of higher harmonics, in particular odd harmonics of the excitation frequency.
  • the particles in turn generate alternating magnetic fields with the excitation frequency and the harmonics, the harmonics being able to be discriminated from the excitation frequency by measurement technology and thus the amplitude or intensity of the harmonics is a measure of the concentration of the particles in the field-free area.
  • a signal that is detected by the magnetized particles is therefore usually a physical variable that represents the amplitude / intensity of the harmonics, including the excitation frequency, for example, an induced voltage or other variables formed therefrom.
  • the technique of MPI imaging like the invention, thus provides for the signal to be acquired by means of a receiving coil arrangement, in particular which surrounds the particles.
  • the signal is usually recorded in the time domain and converted into the frequency domain by means of Fourier transformation in order to measure the signal components of the Flarmonian.
  • the coil arrangement that is also used to generate the varying excitation magnetic field, as well as a separate coil arrangement can be used as the receiving coil arrangement.
  • MPI scanners e.g. from Bruker, include one
  • Sample receiving channel which is surrounded by the coils for excitation and signal acquisition.
  • Such a sample receiving channel has a defined size, which in this respect also includes the maximum size of samples that can be examined, e.g. Living beings limited.
  • the magnetic field strength of the harmonics generated by the particles must be detected in such devices with the receiving coil arrangements that are arranged around the outside of the sample receiving channel. So the removal of the
  • a separate receiving unit is provided to reduce the distance between the receiving coil and the particles in the case of samples that are significantly smaller than the receiving channel diameter
  • the object of the invention is therefore to provide a method and a
  • the measuring electronics arranged downstream of an existing receiving coil arrangement should continue to be used for measured value acquisition.
  • Such a signal transmission arrangement can preferably be pushed into the sample receiving channel as a passive structural unit, that is to say without an additional external voltage supply.
  • the at least one inner coil can surround a sample lying in the channel at a smaller radial distance than is the case with the receiving coil arrangement.
  • the signal received from the alternately magnetized particles with the at least one inner coil is transmitted to the outer coil by current flow and radiated from it again.
  • the alternating magnetic field generated by the particles initially generates an induced voltage in the at least one inner coil, which generates the current flow that also occurs through the series-connected outer coil, which in turn generates a magnetic field.
  • the magnetic field generated by the outer coil is in turn closer to the receiving coil in the radial direction and is in turn controlled by it, e.g. as induced voltage.
  • the signal transmission between the particles and the receiving coil arrangement can thus be improved in a purely passive manner.
  • the signal received directly from the particles and the signal received indirectly from the outer coil of the particles are preferably superimposed on one another at the receiving coil arrangement.
  • a signal transmission arrangement according to the invention for a magnetic particle imaging scanner thus has an outer coil, in particular which is smaller in diameter than the sample receiving channel of the existing scanner, and
  • At least one inner coil arranged in the outer coil, preferably arranged coaxially therein, in particular which is larger in diameter than a sample to be examined, the outer and the at least one inner coil being electrically connected in series.
  • the at least one inner coil is therefore always smaller in diameter than the outer coil and leaves in its interior or in the interior of a coil carrier on which the at least one inner coil
  • Signal transmission arrangement in which a sample with particles can be positioned.
  • Capacitor arrangement which is connected in series with the outer and the at least one inner coil, is tuned resonantly.
  • Capacitor arrangement can comprise one or more capacitors.
  • the vote can be done by changing the capacitors of the
  • Capacitor arrangement and preferably take place by means of a capacitor arrangement with variable capacitance.
  • the coordination can take place in such a way that the frequency range of the Flarmonian to be detected is transmitted better by the coil arrangement than that
  • Excitation frequency in particular so that the excitation frequency in the
  • Coil arrangement of the signal transmission arrangement is damped.
  • the absorption of energy from the magnetic field with the excitation frequency can thus be reduced.
  • the vote can preferably take place in such a way that the elected
  • the resonance frequency is greater than the excitation frequency, preferably at least 10 times, more preferably at least 20 times greater.
  • the excitation frequency of the time-varying excitation magnetic field of 25 kFIz, the resonance frequency can be adjusted to 600 kFIz, for example.
  • the capacitor arrangement is further preferred outside the
  • Excitation magnetic field arranged This can e.g. be realized in that the capacitor arrangement by means of a cable connection, e.g. through a
  • Coaxial cable or a twisted pair line is arranged at a distance from the coils. Even more preferably, the capacitor arrangement is arranged in a separate shielding housing, which is positioned outside a sample receiving channel of an MPI scanner.
  • the cable connection can preferably be at least as long as the insertion depth of the signal transmission arrangement
  • the outer coil and the at least one inner coil in particular the single inner coil, can preferably be arranged on a common coil carrier.
  • the dimensions of the coil carrier can be configured in such a way that its outer diameter, or the outer diameter of the entire arrangement, is smaller than one
  • the signal transmission arrangement can be selected such that it is larger, preferably only slightly larger, than a sample to be surrounded with the particles.
  • the common coil carrier can be divided into an outer coil carrier for the outer coil and at least one inner coil carrier for a respective inner coil.
  • the outer and inner coil carriers can be designed in one piece with one another or form separate coil carriers, in particular which can be plugged into one another, preferably can be fastened into one another.
  • these can each be arranged around a longitudinal axis of the coil
  • Conductor winding be formed with a pitch of the winding in the direction of the longitudinal axis.
  • Such a respective coil thus forms an arrangement which is also referred to as a solenoid, in particular which forms a cylindrical metal coil which acts like a bar magnet when current flows through it.
  • the axial length of the outer coil and / or the inner coil preferably the number of turns of the outer and / or respective inner coil, preferably the length or the
  • Number of turns correspond to the receiver coil arrangement of the MPI scanner to be used.
  • the invention can also have different designs of a respective inner and / or outer coil.
  • an inner and / or an outer coil each comprises two coil parts which are connected in series with one another and are arranged opposite one another, in particular 180 degrees opposite one another, in particular around a longitudinal axis, preferably which corresponds to the longitudinal axis of the signal transmission arrangement or the coil carriers contained therein and corresponds to the longitudinal axis of the sample receiving channel during operation.
  • the connecting line between the midpoints of both coil parts can cross the longitudinal axis of the sample receiving channel, in particular the sample volume with the particles to be examined.
  • Each of the two coil parts is preferably designed as a spiral winding of a conductor, the spiral winding not lying in a plane, but rather being bent in a plane perpendicular to the named longitudinal axis, preferably in the shape of a part circle.
  • the winding of the conductor of the respective coil part is thus designed in a spiral shape on a cylinder jacket surface.
  • both spiral-shaped coil parts are electrically connected in series with one another in order to jointly form an inner and / or outer coil.
  • the series connection can preferably be designed such that the winding direction of the two coil parts in the series connection is the same, preferably the one in a first coil part located centrally in the spiral part of the conductor is connected to the part of the conductor of the second coil part lying outside in the spiral.
  • Each two such opposing coil parts thus form at least one inner coil and at least one outer coil, which are also connected in series.
  • the coil parts of the inner coil and outer coil lie opposite one another in the same direction, but in particular on different ones
  • Said opposite position of the coil parts is in a direction which is perpendicular to the longitudinal direction of the sample channel or the coil carrier (inner and outer).
  • Such an arrangement of a coil has the advantage that the aforementioned solenoid coils can receive signals from a first detection channel, e.g. Signal contributions along the longitudinal axis of the sample channel, which can be defined as the Z axis.
  • signal contributions from the particles in a direction perpendicular to the longitudinal axis can be detected during an examination, e.g. the X direction and / or Y direction.
  • a signal transmission arrangement has an outer and at least one inner coil. These two coils can be designed either according to the aforementioned first embodiment or according to the aforementioned second embodiment.
  • the signal transmission arrangement comprises inner and outer coils according to the first embodiment and additionally at least one arrangement of inner and outer coils according to FIG
  • Signals can be recorded with two or three channels.
  • the signal transmission arrangement is an arrangement of an outer and
  • one of the arrangements can include signals in the X direction and the other signals in the Y direction, with the solenoid coils detecting signals in the Z direction.
  • Reception coil arrangement of the MPI scanner is used.
  • the invention can thus also implement three-channel signal detection.
  • the invention can furthermore provide that the at least one inner coil is moved relative to the outer coil and relative to the particles, in particular during a signal detection sequence.
  • a movement can e.g. along a common axis around which the inner and outer coils
  • the inner coil can also move freely in space relative to the outer coil. A movement can also take place in such a way that the axis of the inner coil is moved parallel but not coaxially to the axis of the outer coil. Overall, the signal detection of the particles with the inner coil can be optimized through the mobility.
  • an inner coil or its coil carrier can be provided by means of a manually operable handle or also an actuator, which the
  • Such a handle or actuator can e.g. also be formed by a catheter or some other instrument with which the inner coil preferably also into the interior of the body of a
  • Living being e.g. can be brought into the blood vessels. This can bring about a particularly close proximity to the particles.
  • the outer coil and the at least one inner coil surround the particles.
  • the inner coil does not surround the particles, but only the outer one. In the designs of a movable inner coil, this is preferably flexibly connected to the outer coil when it is electrically connected in series.
  • an inner coil carrier which carries the inner coil, is linearly displaceable to an outer coil carrier with the outer coil, preferably on the same common coil axis.
  • inner and outer coil carriers can be connected by means of a linear guide system, which allows the linear movement of the coil carriers relative to one another.
  • the invention can also provide that it has at least two inner coils, in particular spaced apart on the same axis, which alternatively can be switched in series with the outer coil by means of a switchover arrangement.
  • a respective inner coil can have its own inner coil carrier that carries the coil.
  • the inner coils can also be arranged on a common inner coil carrier.
  • one of at least two inner coils can optionally be used for signal acquisition.
  • the at least two alternatively switchable coils are preferably each in series with the same capacitor arrangement, so that the same resonance tuning is present for both coils, in particular if both coils are identical in terms of inductance and / or structural design.
  • the invention can also provide that the at least two inner coils can alternatively be switched in series with the same outer coil but in series with a different capacitor arrangement.
  • the resonance frequencies or bandpass properties can thus be the same for the various inner coils, but they can also be designed differently.
  • the at least two alternatively switchable coils can also be designed differently in terms of inductance and / or their construction.
  • the invention can also provide that the signal transmission arrangement has at least two inner coils which are each connected in series with the same outer coil.
  • signals from the particles can be detected simultaneously with the at least two inner coils, preferably which can be operated with different resonance.
  • the inner coils can be in series with a common capacitor arrangement, but alternatively also in series with each other
  • Capacitor arrangement be connected in series. Another capacitor arrangement is understood to mean one with a different capacitance.
  • the inductance of the at least two inner coils can be identical, but they can also be designed differently.
  • the resonance frequencies or bandpass properties can thus be used for the at least two inner coils, in particular due to the different inductances of the coils and / or due to different capacitances of the associated
  • Capacitor arrangements can also be designed differently.
  • the at least two inner coils of this embodiment variant can be arranged coaxially one inside the other, in particular completely overlapping, or coaxially one inside the other and axially spaced or also axially spaced next to one another, in particular on the same coil axis.
  • the invention can e.g. provide to calculate back from the signals of the two or more, preferably axially spaced, inner coils, in particular the electrically and / or structurally identical coils, to the location of the generation of the signals from the particles, in particular to improve the spatial resolution of a scanner.
  • Signal transmission arrangement comprises a coil carrier with an outer coil and comprises at least one coil carrier with at least one inner coil, which are mechanically and electrically detachable and connectable, in particular wherein the inner coil carrier with the at least one inner coil from a set of several inner coil carriers with different inner diameter Coils, in particular, different inner free diameters can be selected.
  • the inner coil can be selected from the set with the smallest possible diameter.
  • a further development can also provide that the electrical conductors of the coils can be cooled by means of a coolant guided in the conductors, in particular to dissipate heat loss and / or to cool the superconducting ones
  • the ladder can e.g. therefore be made hollow and in a fluid circuit of a coolant, e.g. Helium.
  • Figure 1 A shows a structural design of one known in the prior art
  • FIG. 1 B shows the electrical equivalent circuit diagram for FIG. 1 B
  • Figure 1 C shows a signal spectrum of the prior art according to Figure 1 A and
  • FIG. 2A shows a structural design according to the invention in a section perpendicular to the coil axes
  • Figure 2B shows the electrical equivalent circuit diagram of the embodiment of Figure 2A
  • Figure 2C shows a signal spectrum in comparison to the prior art according to the invention according to Figure 2A / 2B as a signal amplitude against the
  • Figure 3A shows a structural second embodiment according to the invention in
  • FIG. 3B shows the electrical equivalent circuit diagram of the embodiment according to FIG. 3A
  • FIG. 3C shows the magnetic field strength and thus the detection sensitivity of both coils of the embodiment of FIGS. 3A / 3B against the Z axis, that is to say the coil axis
  • Receiving coil arrangement detects the signal of the particles 4.
  • the coil arrangement 1 is located in the radial direction outward behind a cover 2 which defines the sample receiving channel with an inner free diameter.
  • the field-free region is located in the examination volume 3 and can within this
  • Volume can be varied locally.
  • the location-dependent magnetic field in particular the gradient magnetic field for
  • FIG. 1 C shows a frequency spectrum of the measured frequencies of the alternating magnetic field generated by the particles 4. Plotted against the frequency f, the signal components S of the fundamental frequency / excitation frequency 8 and the harmonics 9 can be seen here, which can only be clearly assigned to the particles 4 as a signal source.
  • Figures 2 show a first possible embodiment of the invention.
  • the excitation coil arrangement / reception coil arrangement 1 of a e.g. commercial MPI scanner can be seen radially behind the housing / sample receiving channel 2.
  • FIGS. 2 show a signal transmission arrangement which is inserted into the sample receiving channel and also the particles 4 in the
  • the signal transmission arrangement comprises an outer coil 10, which is smaller in diameter than the sample receiving channel 2 and an inner coil 11, which is smaller in diameter than the outer coil 10, but in particular larger than a sample to be surrounded with the particles 4. Both coils 10 and 11 are electrically connected in series with one another and with a capacitor arrangement 13.
  • the capacitor arrangement 13, which is used for resonance tuning, is laid out with a twisted pair line 14 from the sample receiving channel 2 and arranged in a shielding housing 12.
  • the capacitance value of the capacitor arrangement 13 can be fixed, but it can also be variably adjustable, for example in that it comprises at least one variable capacitor.
  • FIG. 2 make it clear that the inner coil 11 is arranged closer to the particles 4 than the excitation / reception coil arrangement 1 and also closer than the outer coil 10.
  • the magnetic field generated by the particles 4 thus calls an induced voltage in the inner coil 11 In particular, a higher voltage than directly in the coil arrangement 1.
  • This voltage causes a current to flow through the inner coil 11 and outer coil 10, so that the latter in turn generates a magnetic field which also generates an induction voltage in the coil arrangement 1.
  • the induction voltages generated directly and indirectly via the coils 10 and 11 in the coil arrangement 1 are superimposed and have the same frequency components as in FIG. 1 C.
  • FIG. 1 C In contrast, FIG.
  • FIGS. 3 show a further embodiment in which two inner coils 16 and 17 are used in the signal transmission device according to the invention.
  • Each of the two inner coils 16/17 can alternatively be replaced by a
  • Switching device 19 can be connected in series with the outer coil 10 and the capacitor arrangement 13.
  • the inner coils 16 and 17 have magnetic field strength distributions B along the coil axis Z, which preferably - as shown here - overlap in certain areas and which likewise Represent reception sensitivity distributions for magnetic fields generated by the particles 4 as a function of the coil axis position Z.
  • these distributions known for the coils 16, 17 conclusions can be drawn about the position of the particles 4 on the coil axis Z from the signal spectra acquired with the coil 16 on the one hand and, after switching over, with the coil 17,
  • FIG. 4A shows a plan view of the Z axis, which is used as the longitudinal axis of the
  • Sample receiving channel is accepted.
  • the plan view shows the last winding layer of the inner coil 11 and outer coil 10, which are each designed as a solenoid coil, as shown in FIG. 4E, i.e. the windings of the coil conductor take place with a slope around the Z-axis.
  • FIGS. 4B and 4C show inner and outer coils 10, 11. The series connection of the two coil parts is not shown here.
  • FIG. 4F shows an illustration of each coil part of the two coils 10, 11 in a planar, planar representation.
  • the coil part is as
  • spiral winding is bent, in particular bent around an imaginary or even concrete cylinder jacket surface, e.g. which are the cylindrical surface of the inner or outer coil support, which are not shown here.
  • the two respective coil parts are diametrically opposite one another around the Z-axis.
  • a channel of the Signal detection in the X direction and, in FIG. 4C, a channel can be detected in the Y direction.
  • FIG. 4D now shows a total of a signal transmission device in which the coil arrangements of FIGS. 4A, B and C are combined together and arranged around the Z axis. In this arrangement, signal contributions can be recorded in all three directions.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung einer Magnetic-Particle- Imaging-Signalerfassung, bei dem in der feldfreien Region eines ortsabhängigen Magnetfeldes, insbesondere eines Gradientenmagnetfeldes, angeordnete magnetische/magnetisierbare Partikel (4) mittels eines sich zeitlich ändernden Anregungsmagnetfeldes magnetisiert werden und als Signal von den magnetisierten Partikeln (4) mittels einer Empfangsspulenanordnung (1), insbesondere welche die Partikel (4) umgibt, die von den Partikeln (4) erzeugten Harmonischen (9, 15) der Frequenz des Anregungsmagnetfeldes erfasst werden, wobei innerhalb der Empfangsspulenanordnung (1) um die Partikel (4) herum eine Signalübertragungsanordnung mit einer äußeren (10) und wenigstens einer damit in Reihe geschalteten inneren Spule (11; 16,17) positioniert wird, wobei das mit der wenigstens einen inneren Spule (11; 16,17) von den Partikeln (4) empfangene Signal durch Stromfluss auf die äußere Spule (10) übertragen und von dieser wieder abgestrahlt wird, insbesondere wodurch sich an der Empfangsspulenanordnung (1) das von den Partikeln (4) unmittelbar empfangene Signal (S) und das von den Partikeln (4) mittelbar von der äußeren Spule (10) empfangene Signal (S) überlagern. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Signalübertragungsanordnung für einen Magnetic-Particle-Imaging- Scanner/Spektrometer mit einer äußeren Spule (10), insbesondere die im Durchmesser kleiner ist als der Probenaufnahmekanal (2) des Scanners / Spektrometers, und mit wenigstens einer in der äußeren Spule (10) angeordneten, bevorzugt darin koaxial angeordneten innere Spule (11; 16, 17), insbesondere die im Durchmesser größer ist als eine zu untersuchende Probe, wobei die äußere (10) und die wenigstens eine innere Spule (11; 16, 17) elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Erfindung betrifft auch ein System aus einem Magnetic-Particle-Imaging-Scanner und einer Signalübertragungsanordnung.

Description

Verfahren und Signalübertragungsanordnung zur Durchführung einer
Magnetic-Particle-Imaging-Signalerfassung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung einer Magnetic-Particle- Imaging-Signalerfassung. Die Erfindung betrifft weiterhin eine
Signalübertragungsanordnung zum Einsatz bei einer solchen Signalerfassung.
Mit dem Prinzip des Magnetic-Particle-Imaging (MPI) können Konzentrationen magnetischer oder zumindest magnetisierbarer Partikel, insbesondere Nanopartikel, wie z.B. bevorzugt Eisenoxid, in einem Untersuchungsvolumen gemessen werden. Die Partikel können z.B. als Tracer, ähnlich zu einem Kontrastmittel, für
Gewebeuntersuchungen von Lebewesen eingesetzt werden. Dabei hat insbesondere Eisenoxid den Vorteil im Organismus des Lebewesens problemlos abbaubar zu sein. Die Technik stellt somit eine Alternative, zumindest aber eine Ergänzung zur Magnet- Resonanztomographie bzw. der Nuklearmedizinischen Verfahren dar. Das
Untersuchungsvolumen wird in der Terminologie dieser Technik auch als„Field-Of- View = FOV“ bezeichnet.
Bei dieser grundsätzlich bekannten Technik werden die in der feldfreien Region eines ortsabhängigen Magnetfeldes, insbesondere eines Gradientenmagnetfeldes, angeordneten magnetischen/magnetisierbaren Partikel mittels eines sich zeitlich ändernden Anregungsmagnetfeldes magnetisiert. Dabei wird das im Vorzeichen der Feldrichtung sich zeitlich ändernde Anregungsmagnetfeld mit dem ortsabhängigen Magnetfeld überlagert.
Das ortsabhängige Magnetfeld kann z.B. durch Permanentmagneten, insbesondere aber auch durch Elektromagneten erzeugt werden. Das Anregungsmagnetfeld wird üblicherweise durch Elektromagneten erzeugt, bevorzugt mittels stromdurchflossener Spulen, die von einer Stromquelle gespeist werden, um mittels zeitlich variierender Wechselströme das Anregungsmagnetfeld zu erzeugen. Das ortsabhängige Magnetfeld und das variierende Magnetfeld können auch in einer gemeinsamen Spulenanordnung erzeugt werden. Durch die Verlagerung des feldfreien Bereiches wird insgesamt das Untersuchungsvolumen gebildet. Die Verlagerung kann rein mechanisch, elektrisch oder kombiniert erfolgen.
Als feldfreie Region wird der örtliche Bereich bezeichnet, in welchem sich bei dem ortsabhängigen Magnetfeld und/oder der Superposition aus ortsabhängigem
Magnetfeld und variierendem Magnetfeld die Feldrichtung ändert, also singulär„Null“ ist und weiterhin in der darum befindlichen Umgebung die Feldstärke unterhalb der Sättigungsfeldstärke der eingesetzten Partikel ist. Die feldfreie Region ist somit trotz der so erfolgenden Bezeichnung in der einschlägigen Terminologie nicht überall feldfrei. Signalbeiträge der Partikel stammen hingegen nur aus dieser als feldfrei bezeichneten Region, da sich nur dort die Partikel im Anregungsfeld
ummagnetisieren lassen.
Außerhalb der feldfreien Region ist die Magnetisierung der Partikel gesättigt und im Anregungsmagnetfeld nicht änderbar. Die feldfreie Region ist bei üblichen
Scanneraufbauten wie auch bei der Erfindung, insbesondere bei schon kommerziell erhältlichen Scanner-Geräten, häufig eine Linie oder ein Punkt, wobei diese Begriffe nicht im Sinne mathematischer Exaktheit zu verstehen sind, sondern die räumliche Erstreckung eines konkreten Messvolumens beschreiben. Diese Bereiche werden in der einschlägigen Terminologie als FFP - field free point oder FFL - field free line bezeichnet.
Aufgrund der nichtlinearen Magnetisierung der Partikel wechselt deren
Magnetisierung nicht nur mit der Grundfrequenz des Anregungsmagnetfeldes, sondern auch mit der Frequenz höherer Harmonischer, insbesondere ungerader Harmonischer der Anregungsfrequenz. Die Partikel erzeugen somit ihrerseits wechselnde Magnetfelder mit der Anregungsfrequenz und den Harmonischen, wobei die Harmonischen messtechnisch von der Anregungsfrequenz diskriminiert werden können und somit die Amplitude bzw. Intensität der Harmonischen ein Maß für die Konzentration der Partikel im feldfreien Bereich ist.
Ein Signal, das von den magnetisierten Partikeln erfasst wird, ist somit üblicherweise eine physikalische Größe, welche die Amplitude / Intensität der Harmonischen ggfs inklusive der Anregungsfrequenz repräsentiert, z.B. eine induzierte Spannung oder daraus gebildeter weiterer Größen. Die Technik der MPI-Bildgebung sieht somit, ebenso wie die Erfindung vor, das Signal mittels einer Empfangsspulenanordnung zu erfassen, insbesondere welche die Partikel umgibt. Das Signal wird dabei üblicherweise in der Zeit-Domäne erfasst und mittels Fouriertransformation in die Frequenz-Domäne umgerechnet, um die Signalanteile der Flarmonischen zu vermessen.
Dabei kann als Empfangsspulenanordnung die Spulenanordnung verwendet werden, die auch zur Erzeugung des variierenden Anregungsmagnetfeldes verwendet wird, ebenso wie eine dazu separate Spulenanordnung.
Bekannte MPI-Scanner, z.B. der Firma Bruker, umfassen einen
Probenaufnahmekanal, der von den Spulen zur Anregung und Signalerfassung umgeben ist. Ein solcher Probenaufnahmekanal hat eine definierte Größe, welche insoweit auch die maximale Größe untersuchbarer Proben, z.B. Lebewesen begrenzt.
Häufig werden Untersuchungen gemacht an Partikeln in Proben, die deutlich kleiner sind als der maximale Durchmesser des Probenaufnahmekanals. Die
Magnetfeldstärke der von den Partikeln erzeugten Harmonischen muss in solchen Geräten mit den Empfangsspulenanordnungen erfasst werden, die außen um den Probenaufnahmekanal herum angeordnet sind. Damit ist die Entfernung der
Empfangsspulenanordnung von den Partikeln größer als eigentlich nötig.
Problematisch ist dies deswegen, weil die Magnetfeldstärke mit dem Radialabstand zu den Partikeln signifikant, insbesondere mit r3 abfällt, wodurch die Signalausbeute reduziert ist.
Bei kommerziellen MPI-Scannern ist es vorgesehen zur Verringerung des Abstandes zwischen der Empfangsspule und den Partikeln bei Proben, die deutlich kleiner sind als der Aufnahmekanaldurchmesser, eine separate Empfangseinheit mit
Empfangsspulenanordnung und nachgelagerter Messwerterfassung in den
Probenaufnahmekanal einzusetzen und sodann die Messwerterfassung mit dieser Empfangseinheit statt der ursprünglichen Empfangsspulenanordnung und
Messeinheit des Gerätes zu nutzen. Eine solche Lösung erzeugt hohe Kosten für dieses doppelte Messsystem.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren und eine
Signalübertragungsanordnung bereitzustellen, die es erlauben unter Nutzung einer vorhandenen Empfangsspulenanordnung Signale von den magnetisierten Partikeln mit einer höheren Ausbeute zu erfassen. Bevorzugt soll dabei die an einer vorhandenen Empfangsspulenanordnung nachgelagert angeordnete Messelektronik weiterhin zur Messwerterfassung eingesetzt werden.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem weiterhin innerhalb der Empfangsspulenanordnung, bevorzugt innerhalb einer solchen, die in einem kommerziellen MPI-Scanner vorhanden ist, um die Partikel herum eine Signalübertragungsanordnung umfassend eine äußere und wenigstens eine damit in Reihe geschaltete innere Spule positioniert wird.
Eine solche Signalübertragungsanordnung kann bevorzugt als passive Baueinheit, also ohne weitere externe Spannungsversorgung, in den Probenaufnahmekanal eingeschoben werden. Hierdurch kann die wenigstens eine innere Spule eine in dem Kanal einliegende Probe in einem geringeren radialen Abstand umgeben, als es bei der Empfangsspulenanordnung der Fall ist.
Das mit der wenigstens einen inneren Spule von den wechselnd magnetisierten Partikeln empfangene Signal wird erfindungsgemäß durch Stromfluss auf die äußere Spule übertragen und von dieser wieder abgestrahlt. So erzeugt nämlich zunächst das wechselnde von den Partikeln erzeugte Magnetfeld in der wenigstens einen inneren Spule eine induzierte Spannung, die den Stromfluss erzeugt, der auch durch die in Reihe geschaltete äußere Spule erfolgt und so von dieser wiederum ein Magnetfeld erzeugt wird.
Das von der äußeren Spule erzeugte Magnetfeld liegt in radialer Richtung wiederum näher an der Empfangsspule und wird von dieser wiederum, z.B. als induzierte Spannung, erfasst. Insgesamt kann so auf rein passive Art die Signalübertragung zwischen den Partikeln und der Empfangsspulenanordnung verbessert werden.
Bevorzugt werden sich an der Empfangsspulenanordnung das von den Partikeln unmittelbar empfangene Signal und das von den Partikeln mittelbar von der äußeren Spule empfangene Signal überlagern.
Selbst sofern sich durch die Induktivitäten der Signalübertragungsanordnung eine zeitliche Verschiebung zwischen dem von den Partikeln erzeugten Magnetfeld und dem von der äußeren Spule wieder abgegebenen Magnetfeld ergeben sollte, ist dies unkritisch, da zumindest in der Frequenzdomäne eine konstruktive Überlagerung der direkt und indirekt empfangenen harmonischen Signalanteile erfolgt.
Eine erfindungsgemäße Signalübertragungsanordnung für einen Magnetic-Particle- Imaging-Scanner, weist somit eine äußere Spule, insbesondere die im Durchmesser kleiner ist als der Probenaufnahmekanal des vorhandenen Scanners, und
wenigstens eine in der äußeren Spule angeordnete, bevorzugt darin koaxial angeordnete innere Spule auf, insbesondere die im Durchmesser größer ist als eine zu untersuchende Probe, wobei die äußere und die wenigstens eine innere Spule elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die wenigstens eine innere Spule ist somit im Durchmesser immer kleiner als die äußere Spule und belässt in ihrem Inneren oder im Inneren eines Spulenträgers, auf den die wenigstens eine innere Spule
aufgewickelt ist, einen freien kanalförmigen Querschnitt der
Signalübertragungsanordnung, in welchem eine Probe mit Partikeln positioniert werden kann.
Das Verfahren und die Signalübertragungsanordnung können in bevorzugter Ausbildung vorsehen, dass die Signalübertragungsanordnung mittels einer
Kondensatoranordnung, die mit der äußeren und der wenigstens einen inneren Spule in Reihe geschaltet ist, resonant abgestimmt wird. Eine solche
Kondensatoranordnung kann einen oder mehrere Kondensatoren umfassen.
Die Abstimmung kann durch Wechseln der Kondensatoren der
Kondensatoranordnung und bevorzugt mittels einer in der Kapazität variabel einstellbaren Kondensatoranordnung erfolgen.
Die Abstimmung kann so erfolgen, dass der Frequenzbereich der zu erfassenden Flarmonischen besser durch die Spulenanordnung übertragen wird als die
Anregungsfrequenz, insbesondere so, dass die Anregungsfrequenz in der
Spulenanordnung der Signalübertragungsanordnung gedämpft wird. Die Absorption von Energie aus dem Magnetfeld mit der Anregungsfrequenz kann so verringert werden. Die Abstimmung kann bevorzugt so erfolgen, dass die gewählte
Resonanzfrequenz größer ist als die Anregungsfrequenz, bevorzugt mindestens 10- fach, weiter bevorzugt mindestens 20-fach größer. Bei einer beispielhaften
Anregungsfrequenz des zeitlich variierenden Anregungsmagnetfeldes von 25 kFIz kann die Resonanzfrequenz z.B. auf 600 kFIz abgestimmt werden. Weiter bevorzugt ist die Kondensatoranordnung außerhalb des
Anregungsmagnetfeldes angeordnet. Dies kann z.B. dadurch realisiert werden, dass die Kondensatoranordnung mittels eines Kabelanschlusses, z.B. durch ein
Koaxialkabel oder eine Twisted-Pair-Leitung zu den Spulen beabstandet angeordnet ist. Noch weiter bevorzugt ist die Kondensatoranordnung dabei in einem separaten Abschirmungsgehäuse angeordnet, das außerhalb eines Probenaufnahmekanals eines MPI-Scanners positioniert ist. Der Kabelanschluss kann bevorzugt mindestens so lang sein, wie die Einschubtiefe der Signalübertragungsanordnung im
Probenaufnahmekanal ist.
Bei der Signalübertragungsanordnung können bevorzugt die äußere Spule und die wenigstens eine innere Spule, insbesondere die einzige innere Spule, auf einem gemeinsamen Spulenträger angeordnet sein. Der Spulenträger kann in seinen Abmessungen so konfiguriert sein, dass dessen Außendurchmesser, bzw. der Außendurchmesser der gesamten Anordnung, kleiner ist als ein
Probenaufnahmekanal eines vorhandenen MPI-Scanners, mit dem zusammen das Verfahren genutzt werden soll. Der innere freie Durchmesser der
Signalübertragungsanordnung kann so gewählt sein, dass er größer, bevorzugt nur knapp großer ist als eine zu umgebende Probe mit den Partikeln. Der gemeinsame Spulenträger kann in einen äußeren Spulenträger für die äußere Spule und wenigstens einen inneren Spulenträger für eine jeweilige innere Spule unterteilt sein. Äußerer und innerer Spulenträger können miteinander einstückig ausgebildet sein oder separate Spulenträger bilden, insbesondere die ineinandersteckbar sind, bevorzugt ineinander befestigbar sein können.
In einer möglichen ersten Ausführung der jeweiligen inneren und äußeren Spule können diese jeweils als um eine Längsachse der Spule herum angeordnete
Leiterwicklung mit einer Steigung der Wicklung in Richtung der Längsachse ausgebildet sein. Eine solche jeweilige Spule bildet somit eine Anordnung, die auch als Solenoid bezeichnet wird, insbesondere die eine zylindrische Metallspule bildet, die bei Stromdurchfluss wie ein Stabmagnet wirkt.
Insbesondere bei dieser vorgenannten Ausführung kann die axiale Länge der äußeren Spule und/oder der inneren Spule, bevorzugt die Zahl der Wicklungen der äußeren und/oder jeweiligen inneren Spule, bevorzugt der Länge bzw. der
Wicklungsanzahl der Empfangsspulenanordnung des zu nutzenden MPI-Scanners entsprechen.
Die Erfindung kann aber auch davon abweichende Ausbildungen einer jeweiligen inneren und/oder äußerer Spule aufweisen.
Bevorzugt kann es in einer zweiten möglichen Ausführung vorgesehen sein, dass eine innere und/oder eine äußere Spule jeweils zwei Spulenteile umfasst, die miteinander in Reihe geschaltet sind und einander gegenüberliegend, insbesondere um 180 Grad gegenüberliegend angeordnet sind, insbesondere um eine Längsachse herum, vorzugsweise die der Längsachse der Signalübertragungsanordnung bzw. der darin enthaltenen Spulenträger entspricht und im Betrieb der Längsachse des Probenaufnahmekanal entspricht. Die Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten beider Spulenteile kann die Längsachse des Probenaufnahmekanals kreuzen, insbesondere das Probenvolumen mit den zu untersuchenden Partikeln.
Vorzugweise ist jedes der beiden Spulenteile als Spiralwicklung eines Leiters ausgebildet, wobei die Spiralwicklung nicht in einer Ebene liegt, sondern in einer Ebene senkrecht zur genannten Längsachse, vorzugsweise teilkreisförmig, gebogen ist. Das entspricht der Vorstellung, dass das Spulenteil bzw. die Spiralwicklung um einen Zylindermantel, vorzugsweise Kreis-Zylindermantel herumgebogen ist und kann konkret dadurch erreicht werden, dass die Spiralwicklung des Leiters zunächst in einer Ebene vorgenommen wird und anschließend die gebildete Spirale an eine zylindrische, vorzugsweise kreiszylindrische Mantelfläche, z.B. des inneren und/oder des äußeren Spulenträgers kontaktierend angelegt wird. Insbesondere ist somit die Wicklung des Leiters des jeweiligen Spulenteils auf einer Zylindermantelfläche spiralförmig ausgeführt. Zwei solche gekrümmten Spiralen des Leiters liegen sich somit gegenüber, d.h. auf gegenüberliegenden Seiten der Zylindermantelfläche. Die vorgenannten Mittelpunkte können hierbei die Mittelpunkte der Spiralen sein. Wie erwähnt sind beide spiralförmigen Spulenteile untereinander elektrisch in Reihe geschaltet, um so gemeinsam eine innere und/oder äußere Spule zu bilden.
Die Reihenschaltung kann vorzugsweise so ausgeführt sein, dass die Wickelrichtung beider Spulenteile in der Reihenschaltung gleich ist, vorzugsweise wobei der in einem ersten Spulenteil mittig in der Spirale liegende Teil des Leiters verbunden ist mit dem außen in der Spirale liegenden Teil des Leiters des zweiten Spulenteils.
Je zwei solche sich gegenüberliegende Spulenteile bilden somit wenigstens eine innere Spule und wenigstens eine äußere Spule, die ebenfalls in Reihe geschaltet sind. Die Spulenteile von inneren Spule und äußeren Spule liegen sich dabei in derselben Richtung gegenüber, insbesondere aber auf verschiedenen
Zylindermantelradien.
Die genannte Gegenüberlage der Spulenteile ist in einer Richtung, die senkrecht liegt zur Längsrichtung des Probenkanals, bzw. des Spulenträgers (innerem und äußerem).
Eine solche Anordnung einer Spule hat den Vorteil, dass den eingangs genannten Solenoid-Spulen Signale eines ersten Erfassungskanales aufgenommen werden können, z.B. Signalbeiträge entlang der Längsachse des Probenkanales, die als Z- Achse definiert sein kann.
Mit einer Spulenanordnung gemäß den gegenüberliegenden Spulenteilen können Signalbeiträge in einer zur Längsachse (Z-Achse) senkrechten Richtung von den Partikeln bei einer Untersuchung erfasst werden, z.B. der X-Richtung und/oder Y- Richtung.
Gemäß der Erfindung weist eine Signalübertragungsanordnung eine äußere und wenigstens eine innere Spule auf. Diese beiden Spulen können entweder gemäß der vorgenannten ersten Ausführung oder gemäß der vorgenannten zweiten Ausführung ausgebildet sind.
Die Erfindung kann aber auch vorsehen, dass die Signalübertragungsanordnung innere und äußeren Spulen gemäß der ersten Ausführung umfasst und zusätzlich wenigstens eine Anordnung aus inneren und äußeren Spule gemäß der
vorgenannten zweiten Ausführung. So können Signale zwei- oder dreikanalig erfasst werden.
In einer weiteren möglichen kombinierten Ausführung kann es vorgesehen sein, dass die Signalübertragungsanordnung eine Anordnung aus einer äußeren und
wenigstens einer inneren Spule gemäß der ersten Ausführung aufweist und zwei Anordnung von inneren und äußeren Spulen gemäß der zweiten Ausführung, wobei in den zwei Anordnungen die sich gegenüberliegenden Spulenteile gekreuzte , vorzugsweise senkrechte Richtungen haben. So kann eine der Anordnungen z.B. Signale der X-Richtung und die anderen Signale der Y-Richtung umfassen, wobei die Solenoid-Spulen Signale in Z-Richtung erfassen.
Dabei kann es vorgesehen sein, dass für jede der Anordnungen eine andere
Empfangsspulenanordnung des MPI-Scanners verwendet wird.
Insgesamt kann so die Erfindung auch eine dreikanalige Signalerfassung realisieren.
Die Erfindung kann mit allgemeiner Gültigkeit für alle möglichen Anordnungen von Spulen weiterhin vorsehen, dass die wenigstens eine innere Spule relativ zur äußeren Spule und relativ zu den Partikeln bewegt wird, insbesondere während einer Sequenz einer Signalerfassung. Eine solche Bewegung kann z.B. entlang einer gemeinsamen Achse erfolgen, um die herum die innere und äußere Spule
angeordnet sind. Eine Bewegung der inneren Spule kann aber auch frei im Raum relativ zur äußeren Spule erfolgen. Eine Bewegung kann auch so erfolgen, dass die Achse der inneren Spule parallel aber nicht koaxial zur Achse der äußeren Spule bewegt wird. Insgesamt kann durch die Bewegbarkeit die Signalerfassung von den Partikeln mit der inneren Spule optimiert werden.
Z.B. kann dafür eine innere Spule oder deren Spulenträger mittels einer manuell betätigbaren Handhabe oder auch einer Aktorik versehen sein, welche die
Manipulation im Raum ermöglicht. Eine solche Handhabe oder Aktorik kann z.B. auch durch einen Katheter ausgebildet sein oder ein sonstiges Instrument, mit welchem die innere Spule bevorzugt auch in das Innere des Körpers eines
Lebewesens, z.B. in dessen Blutgefäße gebracht werden kann. Hierdurch kann eine besonders große Nähe zu den Partikeln bewirkt werden.
Bei allen Ausführungen ist es bevorzugt vorgesehen, dass die äußere Spule und die wenigstens eine innere Spule die Partikel umgeben. Insbesondere bei der
Ausführung einer bewegbaren inneren Spule kann es auch vorgesehen sein, dass die innere Spule die Partikel nicht umgibt, sondern nur die äußere. Bei den Ausführungen einer bewegbaren inneren Spule ist diese bei ihrer elektrischen Reihen-Verschaltung mit der äußeren Spule bevorzugt flexibel an diese angebunden.
Eine mögliche Ausführung kann dabei vorsehen, dass ein innerer Spulenträger, der die innere Spule trägt, zu einem äußeren Spulenträger mit der äußere Spule linear, bevorzugt auf derselben gemeinsamen Spulenachse verschiebbar ist. Z.B. können innere und äußere Spulenträger mittels eines Linearführungssystems verbunden sein, welches die lineare Bewegung der Spulenträger relativ zueinander gestattet.
Die Erfindung kann in einer Weiterbildung auch vorsehen, dass sie wenigstens zwei insbesondere auf derselben Achse beabstandet angeordnete innere Spulen aufweist, die wahlweise alternativ mittels einer Umschaltanordnung in Reihe zur äußeren Spule schaltbar sind. Eine jeweilige innere Spule kann einen jeweils eigenen inneren Spulenträger aufweisen, der die Spule trägt. Die inneren Spulen können auch auf einem gemeinsamen inneren Spulenträger angeordnet sein.
So kann im Verfahren also eine von wenigstens zwei inneren Spulen, wahlweise für die Signalerfassung genutzt werden. Bevorzugt sind die wenigstens zwei alternativ schaltbaren Spulen jeweils in Reihe mit derselben Kondensatoranordnung, so dass für beide Spulen dieselbe Resonanzabstimmung vorliegt, insbesondere wenn beide Spulen hinsichtlich der Induktivität und/oder konstruktiven Ausgestaltung identisch sind. Die Erfindung kann auch vorsehen, dass die wenigstes zwei inneren Spulen jeweils alternativ in Reihe mit derselben äußeren Spule aber in Reihe mit je einer anderen Kondensatoranordnung schaltbar sind. Die Resonanzfrequenzen oder Bandpasseigenschaften können so für die verschiedenen inneren Spulen gleich, aber ebenso auch verschieden ausgebildet sein. Auch können die wenigstens zwei alternativ schaltbaren Spulen in der Induktivität und/oder deren Konstruktion unterschiedlich ausgebildet sein.
Ebenso kann die Erfindung vorsehen, dass die Signalübertragungsanordnung wenigstens zwei innere Spulen aufweist, die gleichzeitig jeweils in Reihe mit derselben äußeren Spule geschaltet sind. Es können hierbei mit den wenigstens zwei inneren Spulen, bevorzugt die unterschiedlich resonant betrieben werden können, gleichzeitig Signale von den Partikeln erfasst werden. Die inneren Spulen können dabei mit einer gemeinsamen Kondensatoranordnung in Reihe liegen, aber alternativ auch in Reihe mit je einer anderen
Kondensatoranordnung in Reihe verbunden sein. Dabei wird unter einer anderen Kondensatoranordnung eine solche mit einer anderen Kapazität verstanden.
Bevorzugt bilden dann die Reihenanordnungen von je einer inneren Spule und einer jeweils eigens zugeordneten Kondensatoranordnung zueinander eine
Parallelschaltung aus, die zur äußeren Spule wiederum in Reihe liegt.
Die wenigstens zwei inneren Spulen können in der Induktivität identisch, aber auch verschieden ausgebildet sein.
Die Resonanzfrequenzen oder Bandpasseigenschaften können so für die wenigstens zwei inneren Spulen, insbesondere aufgrund der verschiedenen Induktivitäten der Spulen und/oder aufgrund verschiedener Kapazitäten der zugeordneten
Kondensatoranordnungen ebenso verschieden ausgebildet sein.
Die wenigstens zwei inneren Spulen dieser Ausführungsvariante können koaxial ineinander, insbesondere sich hierbei vollständig überdeckend, oder koaxial ineinander und axial beabstandet oder aber auch axial beabstandet nebeneinander, insbesondere auf derselben Spulenachse angeordnet sein.
Die Erfindung kann z.B. vorsehen aus den Signalen der zwei oder mehr, bevorzugt axial beabstandeten inneren Spulen, insbesondere der elektrisch und/oder konstruktiv identischen Spulen auf den Ort der Erzeugung der Signale von den Partikeln zurückzurechnen, insbesondere so die Ortsauflösung eines Scanners zu verbessern.
Eine weiterhin bevorzugte Ausführung kann vorsehen, dass die
Signalübertragungsanordnung einen Spulenträger mit einer äußeren Spule umfasst und wenigstens einen Spulenträger mit wenigstens einer inneren Spule umfasst, die mechanisch und elektrisch lösbar und verbindbar sind, insbesondere wobei der innere Spulenträger mit der wenigstens einen inneren Spule aus einem Satz mehrerer innerer Spulenträger mit im Durchmesser verschiedenen inneren Spulen, insbesondere somit auch verschiedenen inneren freien Durchmessern wählbar ist. So kann mit dieser Ausführung passend zu einer Probe, welche die Partikel umfasst, die innere Spule aus dem Satz mit dem kleinstmöglichen Durchmesser gewählt werden.
Eine Weiterbildung kann auch vorsehen, dass die elektrischen Leiter der Spulen mittels eines in den Leitern geführten Kühlmittels kühlbar sind, insbesondere zur Abführung von Verlustwärme und/oder zur Kühlung in den supraleitenden
Widerstandsbereich. Die Leiter können z.B. dafür hohl ausgebildet sein und in einem Fluidkreislauf eines Kühlmittels, z.B. Helium, eingebunden sein.
Den bisherigen Stand der Technik und bevorzugte Ausführungen zeigen die nachfolgenden Figuren.
Figur 1 A: zeigt einen konstruktiven Aufbau eines im Stand der Technik bekannten
MPI-Scanners
Figur 1 B: zeigt das elektrische Ersatzschaltbild zur Figur 1 B
Figur 1 C: zeigt ein Signalspektrum des Standes der Technik gemäß Figur 1 A und
1 B als Signalamplitude gegen die Frequenz
Figur 2A: zeigt eine konstruktive Ausführung gemäß der Erfindung im Schnitt senkrecht zu den Spulenachsen
Figur 2B: zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der Ausführung von Figur 2A
Figur 2C: zeigt ein Signalspektrum im Vergleich zum Stand der Technik gemäß der Erfindung nach Figur 2A/2B als Signalamplitude gegen die
Frequenz
Figur 3A: zeigt eine konstruktive zweite Ausführung gemäß der Erfindung im
Schnitt parallel zu der Spulenachse
Figur 3B: zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der Ausführung gemäß Figur 3A
Figur 3C: zeigt die Magnetfeldstärke und somit die Erfassungsempfindlichkeit beider Spulen der Ausführung von Figur 3A/3B gegen die Z-Achse, also die Spulenachse In den Figuren 1 ist eine Ausführung gemäß dem bisherigen Stand der Technik zu erkennen. In dieser Ausführung wird mittels einer Anregungsspulenanordnung 1 , die durch eine treibende Spannung 5 angesteuert wird, das zeitlich variierende
Anregungsmagnetfeld erzeugt und ebenso mit dieser Spule 1 auch als
Empfangsspulenanordnung das Signal der Partikel 4 erfasst. Die Spulenanordnung 1 befindet sich in radialer Richtung nach außen hinter einer Abdeckung 2, die den Probenaufnahmekanal definiert mit einem inneren freien Durchmesser. Die feldfreie Region befindet sich im Untersuchungsvolumen 3 und kann innerhalb dieses
Volumens örtlich variiert werden.
Das ortsabhängige Magnetfeld, insbesondere das Gradientenmagnetfeld zur
Erzeugung eines feldfreien Bereiches, wird hier als gegeben vorausgesetzt. Die Mittel zur Erzeugung dieses Magnetfeldes sind nicht weiter visualisiert, bzw. könnten in einer möglichen Ausführung auch gleichzeitig durch die Spulenanordnung 1 gegeben sein.
Durch das magnetische Wechselfeld der Anregungsspulenanordnung 1 werden die Partikel 4 im feldfreien Bereich des Untersuchungsvolumens 3 nichtlinear
ummagnetisiert. Die Magnetisierung der Partikel 4 ändert sich somit mit der
Grundfrequenz der Anregung und mit höheren Harmonischen dieser Frequenz. Die Figur 1 C zeigt ein Frequenzspektrum der gemessenen Frequenzen des von den Partikeln 4 erzeugten wechselnden Magnetfeldes. Gegen die Frequenz f aufgetragen sind hier die Signalanteile S der Grundfrequenz / Anregungsfrequenz 8 und der Harmonischen 9 zu erkennen, die eindeutig nur den Partikeln 4 als Signalquelle zugeordnet werden können.
Die Figuren 2 zeigen eine erste mögliche Ausführung der Erfindung. In gleicher Weise sind die Anregungsspulenanordnung / Empfangsspulenanordnung 1 eines z.B. kommerziellen MPI-Scanner radial hinter dem Gehäuse / Probenaufnahmekanal 2 zu erkennen.
Zusätzlich zeigen die Figuren 2 eine Signalübertragungsanordnung, die in den Probenaufnahmekanal eingesetzt ist und ebenso die Partikel 4 im
Untersuchungsvolumen 3 umgibt. Die Signalübertragungsanordnung umfasst eine äußere Spule 10, die im Durchmesser kleiner ist als der Probenaufnahmekanal 2 und eine innere Spule 11 , die im Durchmesser kleiner ist als die äußere Spule 10, insbesondere aber größer als eine zu umgebende Probe mit den Partikeln 4. Beide Spulen 10 und 11 sind elektrisch miteinander und mit einer Kondensatoranordnung 13 in Reihe geschaltet. Dabei ist die Kondensatoranordnung 13, die zur Resonanzabstimmung dient mit einer Twisted-Pair-Leitung 14 aus dem Probenaufnahmekanal 2 herausgelegt und in einem Abschirmungsgehäuse 12 angeordnet. Die Kondensatoranordnung 13 kann im Kapazitätswert fest sein, aber auch variabel einstellbar sein, z.B. dadurch, dass sie mindestens einen Drehkondensator umfasst.
Die Figuren 2 verdeutlichen, dass die innere Spule 11 näher an den Partikeln 4 angeordnet ist als die Anregungs-/Empfangsspulenanordnung 1 und auch näher als die äußere Spule 10. Das von den Partikeln 4 erzeugte Magnetfeld ruft somit in der inneren Spule 11 eine induzierte Spannung hervor, insbesondere eine höhere Spannung als direkt in der Spulenanordnung 1. Diese Spannung bewirkt einen Stromfluss durch die innere Spule 11 und äußere Spule 10, so dass letztere wiederum ein Magnetfeld erzeugt, das ebenso eine Induktionsspannung in der Spulenanordnung 1 erzeugt. Die auf direktem Weg und indirekt über die Spulen 10 und 11 in der Spulenanordnung 1 erzeugten Induktionsspannungen überlagern sich und weisen dieselben Frequenzanteile auf, wie in der Figur 1 C. Die Figur 2C zeigt hingegen, dass die Signalamplitude S in den Flarmonischen 9 unter Nutzung der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik um die Signalanteile 15 erhöht ist aufgrund der besseren Ankopplung des von den Partikeln 4 erzeugten Magnetfeldes über die Signalübertragungsvorrichtung. Hier sind die durch die Erfindung erhöhten Signalanteile 15 gepunktet dargestellt.
Die Figuren 3 zeigen eine weitere Ausführung, bei der in der erfindungsgemäßen Signalübertragungsvorrichtung zwei innere Spulen 16 und 17 zum Einsatz kommen. Jede der beiden inneren Spulen 16 / 17 kann alternativ durch eine
Umschaltvorrichtung 19 mit der äußeren Spule 10 und der Kondensatoranordnung 13 in Reihe geschaltet werden.
Die inneren Spulen 16 und 17 weisen gemäß Figur 3C Magnetfeldstärkeverteilungen B entlang der Spulenachse Z auf, die sich bevorzugt - wie hier dargestellt - bereichsweise überdecken und die ebenso die Empfangsempfindlichkeitsverteilungen für von den Partikeln 4 erzeugte Magnetfelder in Abhängigkeit der Spulenachsenposition Z repräsentieren. Anhand dieser für die Spulen 16, 17 bekannten Verteilungen kann aus den einerseits mit der Spule 16 und nach Umschaltung andererseits mit der Spule 17 erfassten Signalspektren auf die Position der Partikel 4 auf der Spulenachse Z zurückgeschlossen und so die
Ortsauflösung verbessert werden.
Statt der Umschaltung ist auch die Verwendung von jeweils einem Kondensator für jede der Spulen 16 und 17 möglich, sodass sich unterschiedliche
Resonanzfrequenzen ergeben, die so eine gleichzeitige Messung ermöglichen.
Die Figuren 4 visualisieren mögliche Ausführungen der
Signalübertragungsvorrichtung hinsichtlich der Ausbildung der inneren und äußeren Spulen.
Die Figur 4A zeigt eine Aufsicht auf die Z-Achse, die als Längsachse des
Probenaufnahmekanals angenommen ist. Die Aufsicht zeigt die letzte Wicklungslage der inneren Spule 11 und äußeren Spule 10, die jeweils als Solenoid-Spule ausgebildet sind, wie es Figur 4E zeigt, d.h. die Wicklungen des Spulenleiters erfolgen mit einer Steigung um die Z-Achse.
Demgegenüber zeigen die Figuren 4B und 4C innere und äußeren Spulen 10,11. Die Reihenschaltung beider Spulenteile ist hier nicht dargestellt.
Die Figur 4F zeigt eine Abbildung jedes Spulenteils der beiden Spulen 10, 11 in einer planen, ebenen Darstellung. In dieser darstellung ist das Spulenteil als
Spiralwicklung des Leiters ausgebildet. In der Anwendung ist eine solche
Spiralwicklung jedoch gebogen, insbesondere um eine imaginäre oder auch konkrete Zylindermantelfläche gebogen ausgebildet, z.B. die die Zylindermantelfläche des inneren bzw. äußeren Spulenträgers, die hier nicht dargestellt sind.
Die beiden jeweiligen Spulenteile liegen sich diametral um die Z-Achse herum gegenüber. So kann in der Gegenüberlage der Figur 4C ein Kanal der Signalerfassung in X-Richtung und in der Figur 4C ein Kanal in Y-Richtung erfasst werden.
Die Figur 4D zeigt nun insgesamt eine Signalübertragungsvorrichtung, in der die Spulenanordnungen der Figuren 4A, B und C gemeinsam kombiniert um die Z-Achse herum abgeordnet sind. In dieser Anordnugn können Signalbeiträge in allen drei Richtungen erfasst werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Durchführung einer Magnetic-Particle-Imaging-Signalerfassung, bei dem in der feldfreien Region eines ortsabhängigen Magnetfeldes, insbesondere eines Gradientenmagnetfeldes, angeordnete
magnetische/magnetisierbare Partikel (4) mittels eines sich zeitlich ändernden Anregungsmagnetfeldes magnetisiert werden und als Signal von den magnetisierten Partikeln (4) mittels einer Empfangsspulenanordnung (1 ), insbesondere welche die Partikel (4) umgibt, die von den Partikeln (4) erzeugten Harmonischen (9, 15) der Frequenz des Anregungsmagnetfeldes erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der
Empfangsspulenanordnung (1 ) um die Partikel (4) herum eine
Signalübertragungsanordnung mit einer äußeren (10) und wenigstens einer damit in Reihe geschalteten inneren Spule (11 ; 16,17) positioniert wird, wobei das mit der wenigstens einen inneren Spule (11 ; 16,17) von den Partikeln (4) empfangene Signal durch Stromfluss auf die äußere Spule (10) übertragen und von dieser wieder abgestrahlt wird, insbesondere wodurch sich an der Empfangsspulenanordnung (1 ) das von den Partikeln (4) unmittelbar empfangene Signal (S) und das von den Partikel (4) mittelbar von der äußeren Spule (10) empfangene Signal (S) überlagern.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Signalübertragungsanordnung mittels einer Kondensatoranordnung (13), insbesondere einer in der Kapazität variabel einstellbaren
Kondensatoranordnung (13), die mit der äußeren (10) und der wenigstens einen inneren Spule (11 ; 16,17) in Reihe geschaltet ist, resonant abgestimmt wird, insbesondere auf den Frequenzbereich der zu erfassenden
Harmonischen (9, 15), insbesondere zur Dämpfung des Empfangs der Grundfrequenz (8) des Anregungsmagnetfeldes, bevorzugt wobei die
Kondensatoranordnung (13) außerhalb des Anregungsmagnetfeldes angeordnet wird.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine innere Spule (11 ; 16, 17) relativ zur äußeren Spule (10) und relativ zu den Partikeln (4) bewegt wird, insbesondere während einer Sequenz einer Signalerfassung.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine von wenigstens zwei inneren Spulen (16, 17), insbesondere die auf derselben Achse beabstandet zueinander angeordnet sind, wahlweise mittels einer Umschaltanordnung (19) in Reihe mit der äußeren Spule (10) geschaltet wird.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass mit wenigstens zwei inneren Spulen, insbesondere die unterschiedlich resonant abgestimmt sind, gleichzeitig Signale von den
Partikeln erfasst werden.
6. Signalübertragungsanordnung für einen Magnetic-Particle-Imaging- Scanner/Spektrometer, gekennzeichnet durch eine äußere Spule (10), insbesondere die im Durchmesser kleiner ist als der Probenaufnahmekanal (2) des Scanners / Spektrometers, und wenigstens eine in der äußeren Spule (10) angeordnete, bevorzugt darin koaxial angeordnete innere Spule (11 ; 16, 17), insbesondere die im Durchmesser größer ist als eine zu untersuchende Probe, wobei die äußere (10) und die wenigstens eine innere Spule (11 ; 16,
17) elektrisch in Reihe geschaltet sind.
7. Signalübertragungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie mittels einer Kondensatoranordnung (13), insbesondere einer in der Kapazität variabel einstellbaren Kondensatoranordnung (13), die zur äußeren (10) und der wenigstens einen inneren Spule (11 ; 16, 17) in Reihe geschaltet ist in der Resonanzfrequenz abstimmbar ist, bevorzugt, wobei die
Kondensatoranordnung (13) mittels eines Kabelanschlusses (14) zu den Spulen (10, 11 , 16, 17) beabstandet angeordnet ist, weiter bevorzugt in einem separaten Abschirmungsgehäuse (12).
8. Signalübertragungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Spule (10) und die wenigstens eine innere Spule (1 1 ; 16, 17) auf einem gemeinsamen Spulenträger angeordnet sind.
9. Signalübertragungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine innere Spule (1 1 ; 16,
17), insbesondere deren Spulenträgerteil, relativ zur äußeren Spule (10), insbesondere zu deren Spulenträgerteil bewegbar ist.
10. Signalübertragungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens zwei insbesondere auf derselben Achse (Z) beabstandet angeordnete innere Spulen (16, 17) aufweist, die wahlweise alternativ mittels einer Umschaltanordnung (19) in Reihe zur äußeren Spule (10) schaltbar sind.
1 1 . Signalübertragungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens zwei innere Spulen aufweist, die gleichzeitig jeweils in Reihe mit derselben äußeren Spule geschaltet sind, bevorzugt wobei eine jeweilige innere Spule in Reihe mit je einer anderen Kondensatoranordnung verbunden ist, insbesondere wobei die
Reihenanordnungen von je einer inneren Spule und einer jeweils
zugeordneten Kondensatoranordnung zueinander eine Parallelschaltung bilden, die zur äußeren Spule in Reihe liegt.
12. Signalübertragungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Spulenträger mit einer äußeren Spule (10) umfasst und wenigstens einen Spulenträger mit wenigstens einer inneren Spule (1 1 ; 16, 17) umfasst, die mechanisch und elektrisch lösbar und verbindbar sind, insbesondere wobei der innere Spulenträger mit der wenigstens einen inneren Spule (1 1 ; 16, 17) aus einem Satz mehrerer innerer Spulenträger mit im Durchmesser verschiedenen inneren Spulen (1 1 ; 16, 17) wählbar ist.
13. Signalübertragungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiter der Spulen (10, 1 1 ,
16, 17) mittels eines in den Leitern geführten Kühlmittels kühlbar sind, insbesondere zur Abführung von Verlustwärme und/oder zur Kühlung in den supraleitenden Widerstandsbereich.
14. Signalübertragungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige innere und äußere Spule (10,
11 ) jeweils als um eine Längsachse der Spule herum angeordnete
Leiterwicklung mit einer Steigung der Wicklung in Richtung der Längsachse ausgebildet sind, insbesondere als Solenoid-Spule.
15. Signalübertragungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine innere und/oder eine äußere Spule jeweils zwei Spulenteile umfasst, die miteinander in Reihe geschaltet sind und einander gegenüberliegend, insbesondere um 180 Grad gegenüberliegend angeordnet sind, insbesondere um eine Längsachse herum.
16. Signalübertragungsanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der beiden Spulenteile als Spiralwicklung eines Leiters ausgebildet ist, insbesondere wobei die jeweilige Spiralwicklung in einer Ebene senkrecht zur genannten Längsachse teilkreisförmig gebogen ist, vorzugsweise die Spiralwicklung um einen Zylindermantel herumgebogen ist oder auf einem Zylindermantel liegt.
17. System aus einem Magnetic-Particle-Imaging-Scanner und einer
Signalübertragungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 16.
EP20711879.5A 2019-03-15 2020-03-13 Verfahren und signalübertragungsanordnung zur durchführung einer magnetic-particle-imaging-signalerfassung Pending EP3938797A1 (de)

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