JP7097879B2 - 磁気粒子イメージング - Google Patents

Description

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本出願は、「磁気粒子イメージング」と題され、２０１６年７月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／３６１，４６３号及び、「磁気粒子イメージング」と題され２０１６年７月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／３６１，４７５号に基づく優先権を主張し、それぞれの内容は全体を通して参照により本明細書に組み込まれる。

磁気粒子イメージング（ＭＰＩ）は、特定のナノ粒子の検出を可能にする技術であって、例えば診断向けイメージングの応用に用いられ得る。イメージングはフィールドフリー領域を生成するよう設計された磁石を通じて容易にされる。フィールドフリー領域の例は、フィールドフリー点（ＦＦＰ）及びフィールドフリー線（ＦＦＬ）を含む。

磁気粒子イメージング（ＭＰＩ）システムが開示される。

実施例は、磁場を生成し、かつ当該磁場中に、軸及び中心を有するフィールドフリー線を有するよう構成された磁石を含んでよい。フィールドフリー線の概ね中央の第１磁束経路は第１リラクタンスを有し、フィールドフリー線の中心から離れた第２磁束経路は第２リラクタンスを有し、第２リラクタンスは第１リラクタンスよりも低いように構成された磁束帰還路が、磁石とともに組み込まれてよい。

いくつかの変形例では、磁束帰還路は、段差を含む端点を有するポールピースを備える。磁束帰還路は複数の層を有してよく、第１磁束経路は第１層を通過し、第２磁束経路は第２層を通過してよい。第１層及び第２層は段差を形成してよい。

他の変形例では、磁束帰還路は、湾曲しているか又はなめらかに変化し得る端点を有するポールピースを含み得る。ポールピースは、テーパの近くの磁束密度を増加させてフィールドフリー線を近づけることができる。

さらに他の変形例では、磁束帰還路はポールピースと、ポールピースよりもフィールドフリー線から遠く位置する磁束帰還路アームを含んでよい。少なくとも１つの磁束帰還路アームは、イメージング容積中のフィールドフリー線に向けて角度がつけられていてもよい。

他の変形例では、第２リラクタンスは、第２磁束経路の近傍において、第１磁束経路の近傍における材料のリラクタンスよりも低いリラクタンスの材料を含む磁束帰還路に少なくとも部分的に起因して、第２リラクタンスは第１リラクタンスよりも低い。

磁気粒子イメージング（ＭＰＩ）システムが開示される。実施例は、磁場を生成し、かつ当該磁場中に、軸及び中心を有するフィールドフリー線を有するように構成された磁石を含んでよい。第１シム磁石は、フィールドフリー線の上に位置し、磁場を変更するように構成されてよい。

いくつかの変形例では、第２シム磁石はフィールドフリー線の下に位置し得る。第２シム磁石は磁場を変更するように構成されてよい。第１シム磁石は受動的シムであるか、能動的シムであるか、概ねフィールドフリー線に向かって向けられた角度をつけたシム磁石であるか、又は細長くてよい。

他の変形例では、第１シム磁石は、フィールドフリー線の軸に沿った勾配を減少させるように構成されるか、又はフィールドフリー線の忠実度を増加させてよい。

さらに他の変形例では、磁石は磁束帰還路を含まないか、又は第１シム磁石が水冷を必要としない場合に磁石に組み込まれた磁束帰還路を含んでよい。第１シム磁石は、フィールドフリー線を概ね楕円形のフィールドフリー領域に再形成するように構成されるか、又は平板イメージングのために構成されてよい。

他の変形例では、第１シム磁石は、勾配強度の変化に起因するフィールドフリー線の忠実度の減少に逆作用するよう能動的に制御されるように構成されてよい。第１シム磁石は、イメージングの間のフィールドフリー線の移動に起因するフィールドフリー線の忠実度の低下に逆作用するよう能動的に制御されるように構成されてもよい。

いくつかの変形例では、コントロールシステムは、イメージング対象の特定の一部分を興奮させることを避けながらのイメージングのために構成されてよい。コントロールシステムは、ハイブリッドイメージング及び磁気駆動のＭＰＩにおいて空間的選択性を増加させるように構成されてよい。

さらに他の変形例では、シム磁石は、磁気粒子イメージングシステムが空間的に選択可能な磁性流体癌温熱療法への応用のために構成されているとき、局所化された加熱及びエネルギーの３次元的凝縮を提供するように構成されてよい。

現在の要旨の実施例は、実行されて、１つ以上のマシン（たとえばコンピュータ）に説明された特徴の１つ以上を実現する動作を引き起こすことが可能な、明白に実施されたマシン可読媒体を備える物品に加え、本明細書に提供される説明と一致する方法を含み得るが、それらに限定されない。同様に、１つ以上のプロセッサと当該プロセッサに結合された１つ以上のメモリを含み得るコンピュータシステムも想定されている。コンピュータ可読記憶媒体を含み得るメモリは、１つ以上のプロセッサに本明細書に説明される動作の１つ以上を実行させる１つ以上のプログラムを、含むか、エンコードするか、又は格納する等してよい。現在の要旨の１つ以上の実施例に係るコンピュータ実装の方法は、単一の計算システム内、又は複数の計算システムにわたって存在する１つ以上のデータプロセッサにより実装され得る。そういった複数の計算システムは接続されてよく、１つ以上の接続を通じてデータ及び／又はコマンド若しくは他の命令等を交換可能であり、当該接続はネットワーク経由の接続（例えばインターネット、無線広域ネットワーク、ローカルエリアネットワーク、広域ネットワーク、有線ネットワーク等）、当該複数の計算システムのうち１つ以上の間の直接接続を通じた接続などを含み得るが、これらに限定されない。

本明細書で説明される要旨の１つ以上の変形の詳細は、添付の図面及び以下の説明に記載される。本明細書で説明される要旨の他の特徴及び利点は、説明及び図面、並びに特許請求の範囲から明らかとなる。例示を目的として、現在開示される要旨の特定の特徴は特定の実施例に触れながら説明されているが、そういった特徴が限定を意図するものではないことは即座に理解されるべきである。本開示に続く特許請求の範囲は、保護される要旨の保護範囲を定めることを意図するものである。

本明細書に組み込まれてその一部を構成する添付の図面は、本明細書に開示される要旨の特定の態様を示し、明細書とともに、開示された実施形態に関係づけられた原理のうちのいくつかを説明するのを助ける。

本開示の特定の態様に係る四極磁場、ＦＦＰ、及びＦＦＬを示す図 本開示の特定の態様に係る単純化されたＭＰＩシステム及びＦＦＬ、磁束帰還路を伴う単純化されたＭＰＩシステム、並びに磁束帰還路に起因する磁場勾配の増加の例とともに示された２つの単純化された磁束経路を示す図 本開示の特定の態様に係る磁束帰還路を含むＭＰＩシステムのための磁石の構成の例を示す斜視図 本開示の特定の態様に係るフィールドフリー線及び２つの磁束経路を示す図３のＭＰＩシステムの正面図 本開示の特定の態様に係るポールピースを含む磁束帰還路を示す図３のＭＰＩシステムの上面図 本開示の特定の態様に係る磁束帰還路の例の斜視図 本開示の特定の態様に係る図６の磁束帰還路を形成する薄板の２つの例の模式図 本開示の特定の態様に係る角度をつけたアームを含む磁束帰還路の例の模式図 本開示の特定の態様に係るシム磁石の例を示すＭＰＩシステムの例の斜視図 本開示の特定の態様に係るシム磁石の例を示す図９のＭＰＩシステムの上面図 本開示の特定の態様に係るシム磁石の例を示す図９のＭＰＩシステムの側面図 本開示の特定の態様に係る角度をつけたシム磁石の例を示すＭＰＩシステムの例の上面図 本開示の特定の態様に係る角度をつけたシム磁石の例を示す図１２のＭＰＩシステムの側面図 本開示の特定の態様に係る細長いシム磁石の例を示すＭＰＩシステムの例の上面図 本開示の特定の態様に係る細長いシム磁石の例を示す図１４のMPIシステムの側面図

ＭＰＩシステムは、物体内に存在する、例えば人間又は動物の分析において、トレーサ粒子をイメージングするために用いられ得る。ＭＰＩシステムは、トレーサ粒子に局所的に変化する磁場に応答する電磁放射を放出させることで、トレーサ粒子をイメージングすることができる。磁場の変化は外部から加えられる磁場の変化、トレーサ粒子の移動、又はそれら２つの組み合わせの結果として得られる。

多数の実施例において、ＭＰＩシステムはフィールドフリー領域又は磁気ナルを含む磁場を発生する。物体内に存在するトレーサ粒子は、そういった領域を通過するか、又はそういった領域がトレーサ粒子を通過する際に、その磁気モーメントの方向を変化させることができ、トレーサ粒子が受ける磁場はある方向に向けられている状態から別の方向に向けられた状態へと変化する。

ＭＰＩシステムは典型的にはトレーサ粒子からの電磁放射を検出するか、又は磁場の変化に応答するか若しくは磁場を通過して動くトレーサ粒子につながる磁束を検出する、ディテクタを含む。この電磁信号はイメージング容積中のトレーサ粒子の画像を生成するのに用いることができる。

磁気粒子イメージングのいくつかの実施例は、撮像される物体を移動させるステップか、フィールドフリー領域を移動させるステップか、又は２つの組み合わせを含み得る。

ある物体において撮像されるトレーサ粒子の分布は、特定の診断の特徴若しくは物体の物理的構造（例えば、空洞又は血管に蓄積された粒子）に、又はトレーサ粒子が結合された物体（例えば、トレーサ粒子と積極的に結合する性質を有する種類の特定の分子、細胞若しくは組織、又はトレーサ粒子と結合されるか若しくはトレーサ粒子内に含まれる分子）中の要素の分布に関連づけられ得る。こうすることで、決定されたトレーサ粒子の位置は、物体内の特徴をイメージングするために用いられ得る。

図１は、本開示の特定の態様に係る四極磁場、ＦＦＰ１３０、及びＦＦＬ１４０を示す図である。ＭＰＩシステムは磁気ナル、ゼロ点又はフィールドフリー領域１２０を含む四極磁場（図１の上部）を発生することができる。図１の単純化された例では、逆方向に流れる電流を伴う２つのコイルが四極磁場を生成している。四極磁場の４つの「極」１１０は、短い矢印により示される。極１１０は、図１に示される２つの向かい合うコイルに等価な磁気構成の例として提供される。２つのコイルに流れる電流が同じ大きさかつ逆方向の場合には、極１１０は２つのコイルの対称点に位置する。

いくつかの実施例において、フィールドフリー領域１２０は、（図１の右下の半分の模式図により示されるように）ＦＦＰ１３０であり得る。他の実施例において、フィールドフリー領域は、（図１の右下の半分の模式図に示されるように）フィールドフリー線１４０の形をとることができる。図１のプロットのＹ軸は、後の図と一貫して典型的にはフィールドフリー線１４０の垂直方向を示すように、垂直とラベル付けされる。ＭＰＩシステムがフィールドフリー線１４０を生成するように構成されているならば、ＭＰＩ信号は点のかわりに線から受信される。ＦＦＬ構成は従って投影ベースのイメージング及び再構成技術を利用し得る。

フィールドフリー線１４０は一般に長さ及び厚さを有する細長い領域であり、そこはＭＰＩシステムにより生成された磁場において磁場が他の位置よりも大幅に弱い。本明細書で用いられるに際し、「フィールドフリー線」は、線は完璧に直線ではあり得ず、磁場が完全にないわけでもないという事実から構成されると理解されるが、一般にはそのようなものがＦＦＬのゴールである。

フィールドフリー線１４０は、いくつかの実施例において、全体的に細長いか、又はＭＰＩシステムのイメージング容積の中のみ「線形」であり得る。ＦＦＬにとって、イメージング容積外において線形性を保つことは重要性が低く、従ってフィールドフリー線１４０は中央、即ちイメージング容積の中心の近傍、から離れた場所では別の形に乖離していてもよい。同様に、本明細書で用いられる際、「フィールドフリー点」は概ね球形の低磁場の領域を指す。

図２は、ＦＦＬ１４０を伴う単純化されたＭＰＩシステムを、左上端に示す。図２は右上端においては、磁束帰還路２５０及び２つの磁束経路２３０，２４０を伴うＭＰＩシステムを示す。図２の下部は、本開示の特定の態様に係る磁束帰還路２５０の内包に起因する磁場勾配の増加の例を詳説するグラフを含む。

図２に示すように、ＭＰＩシステムは内側にフィールドフリー線１４０を有する磁場を生成するように構成される磁石を含み得る。図２に示される設計の例では、磁石は第１磁石２１０及び第２磁石２２０を含む。しかしながら本開示は、必要な磁場及びフィールドフリー線は任意の数及び任意の種類の磁石により生成されてよいと想定している。例えば、磁石は複数の磁石（２つ、３つ、４つ等）を組み込んでよく、当該磁石は例えば、永久磁石、電流を流すコイル（電磁石）、磁束帰還路を伴う電磁石、又はそういった磁石の任意の組み合わせであり得る。実際、フィールドフリー線を生成することが可能である（例えばハルバッハ円筒）限り、磁石は単一の磁石であってよい。本明細書における磁石の設計の例は、限定を意図するものではない。

フィールドフリー線１４０は、フィールドフリー線１４０の長さ方向に沿った軸と、一般にイメージング容積の中心の近傍と理解される軸の中心とを有すると理解される。

図２の右上端は、磁石（ここでは第１及び第２磁石２１０，２２０を含むよう示される）とともに組み込まれた磁束帰還路２５０を示す。本開示で用いられるに際し「磁束帰還路」は、磁束を形成する材料成分の任意の配置を指す。磁束帰還路２５０は、磁束を伝え、誘導し、形成し、又は集中させるために、例えば鉄（又は他の物質と比較して、又は空気と比較して低いリラクタンスを有する他の材料）等の強磁性の材料を含んでよい。磁束帰還路２５０は、例えば、２つの個別の半分又は、積み重ねが可能か、そうでなくても組み立てて磁束帰還路２５０を形成可能な複数の薄板の層で製造され得る。

本開示の磁束帰還路は、例えば変化するリラクタンスの磁束経路を作ることにより、磁束分布を形成可能である。例えば、空気と比較して多量の鉄を含む経路は、鉄がより少なく空気がより多い、同じ長さの経路よりも低いリラクタンスを有する。本明細書で用いられるに際し、磁気抵抗、磁気リラクタンス、又は「リラクタンス」は、磁気回路の解析において用いられる概念であり、電子回路における抵抗と類似のものである。電場が電気抵抗の最も低い経路に電流を流すのと同様に、磁場は磁気リラクタンスの最も低い経路に磁束を流す。これは電気抵抗に似てスカラ、すなわち示容量である。磁気リラクタンスの単位はヘンリーの逆数、すなわちＨ^－１である。

図２の下部に示す通り、誘導する磁束及び磁束帰還路の集中効果は、より高い磁場勾配を作るのに活用される。磁場勾配において、磁束帰還路を伴わない磁気システムとは対極に、磁束帰還路２５０を用いるとより強い磁場が得られる。図２の下部のグラフは、磁場中の、磁束帰還路が利用されているときに増加する勾配を示す。

磁場の対称性及び忠実度は、所望の形及び磁束密度にマッチする磁石配置（例えば対称なＦＦＬ１４０など）により、いかによく磁場が実現されるかにより記述され得る。本明細書で用いられるに際し「磁場忠実度」は、それが例えばＦＦＬ１４０の形及び質に関係することから、磁場パターンの質を指す。例えば、ＦＦＬ１４０の軸に沿って低い勾配を伴うが、ＦＦＬ１４０を取り囲む軸に直交する方向には高い勾配を伴う、高い線形性を持つ対称なＦＦＬ１４０を有することは有益であり得る。

図３に示す本開示に係るＭＰＩシステムのある実施例において、磁石が細長い（すなわち、１つの次元に関して別の次元よりも長く、円形でない）、高出力で水冷の電磁石を４つ含む。図３は、本開示の特定の態様に係る磁束帰還路２５０の例も示す。

いくつかの実施例において、磁石のうちの２つは、ＦＦＬ１４０の位置を、例えばＺ軸に沿ってシフトさせるための同種の磁場を生成するように構成されてよい；これらの磁石は「シフト磁石」と呼ばれ、Ｚ１及びＺ２の符号がふられている（図５参照）。本明細書においてＸ１及びＸ２（図５参照）の符号をふられたメイン磁石は、ＦＦＬ１４０の位置をシフトさせるやり方で磁場を変更するように構成されてもよい。他の実施例において、ＦＦＬ１４０の位置を急速にシフトさせるよう振る舞う高速駆動磁場を生成するのに、追加の磁石が用いられ得る。

図３に示すように、ＭＰＩシステムは撮影される対象を受ける穴３１０も含み得る。ＦＦＬ１４０は穴３１０に鉛直に伸び得る。いくつかの実施例では、ＭＰＩシステムは穴３１０の軸に関して回転するように構成され得る。そのような実施例において、磁場の方向及びＦＦＬ１４０は対応するように変化する。

図４は、図３のＭＰＩシステムの断面図（図３の太い実線部分で示され、システムの中央から見た、図３のＸＹ平面に対応する）である。図４は、この特定の実施形態において、４つの磁石を囲む磁束帰還路２５０を示す。また、本開示の特定の態様に係るＦＦＬ１４０及び２つの磁束経路２３０，２４０も示される。

図５は、図３のＭＰＩシステムの別の断面図（図３のシステムの周囲の点線で示され、図３のＸＺ平面に対応する）である。図５は、本開示の特定の態様に係る磁束帰還路２５０も示し、それに含まれるポールピースも示す。ポールピース５１０（図示のため十字ハッチングで示す）は、例えばメイン磁石２１０，２２０の、図５にＸ１，Ｘ２で示される中心を通過可能である。

ある実施形態の例では、磁束帰還路２５０は、フィールドフリー線１４０の概ね中心の第１磁束経路２３０が第１リラクタンスを有し、フィールドフリー線１４０の中心から離れた第２磁束経路２４０は第２リラクタンスを有し、第２リラクタンスは第１リラクタンスよりも低いように構成される（図３及び図４に点線で示された磁束経路２３０，２４０の模式図を参照）。この実施形態では、「フィールドフリー線１４０の中心から離れた」第２磁束経路２４０は、単に磁束経路２４０がより短い距離を移動するというだけの理由ではなく、（同じくＦＦＬ１４０の中心から離れた点にある）磁束帰還路２５０の設計によって低いリラクタンスを有することが想定される。本実施形態の説明において、磁束経路２３０，２４０は各々フィールドフリー線１４０に隣接する点を通るように広がる経路であることが想定される。

図６は、磁束帰還路２５０の例の断面図を通じて、この実施形態の例のある実施例を示す。図７は、図６の磁束帰還路を作り上げる３３の薄板のうちの２つを示す。

図６及び図７に示す通り、磁束帰還路２５０は、１つの端点を有するポールピース５１０を含み得て、当該端点は段差を含み得る。段差を形成するために、磁束帰還路２５０は複数の薄板又は層を含んでよく、第１薄板６１０及び第２薄板６２０は段差を形成する。この例では、第１磁束経路２３０は第１薄板６１０を通過し、第２磁束経路２４０は第２薄板６２０を通過する。図示の通り、ポールピース５１０の段差は、底の薄板６２０がポールピース５１０の中心の薄板６１０よりもイメージング空間に突出するように構成され、従ってポールピースの底部における磁束帰還路材料（例えば鉄）の量を増加させ、ＦＦＬ１４０の中心から離れた点におけるリラクタンスを低下させる。このリラクタンスが変化する設計は、異なる形の薄板を用いることで段差を形成するよう示されるが、これは類似の仕様に機械作製された単一のポールピースか、又は（単一又は複数の）薄板と機械作製された（単一又は複数の）ポールピースの組み合わせにより形成されてもよい。段差の実装はポールピース５１０に関連づけて示されたが、磁束帰還路２５０の外側部分（たとえば、６１０，６２０の符号の近傍）に同様のステップが実装されてもよいことが想定されている。

上述のリラクタンスが変化する性質は、例えば説明されたポールピース５１０中の、「段差」によって生成されてよいが、これらの性質はポールピースを機械作製して、よりなめらかに変化する磁束帰還路のポール外形を生成することによっても達成され得る。例えば、ポールピース５１０は同様にイメージング容積に向かって突出するＦＦＬ１４０の中心から離れた点に結びつく、連続又は部分的な曲面に機械作製され得る。なめらかに変化するポールピースは、例えば円弧、弦、放物線、双曲線、又は双曲線正接形の形をとり得る。さらに他の実施例では、セミスムーズの、又は細かく段差がついたポールピースを形成するために、長さが変化するいくつの薄板又は何層のポールピースがあってもよい。

また別の実施例では、第２磁束経路２４０の近傍における磁束帰還路２５０が、第１磁束経路２３０の近傍における材料のリラクタンスよりも低いリラクタンスの材料を少なくとも部分的に含むことにより、第２リラクタンスは第１リラクタンスよりも低くてよい。

さらに別の実施例では、選択された磁束帰還路の材料に組み合わせて、磁束帰還路の形状により、第２リラクタンスは第１リラクタンスよりも低くあり得る。

磁束帰還路２５０は、ポールピース５１０が担い得る役割とは別に、磁束を形成又は集中させる役割を担うこともできる、「磁束帰還路アーム」（例えば図６の６３０）を含み得る。

図８は、本開示も特定の態様に係る、角度をつけた磁束帰還路アーム８１０を含む磁束帰還路２５０の例の模式図である。図８に示す通り、磁束帰還路アームは、イメージング容積におけるフィールドフリー線に向けて角度がついている。この角度付けは、図６及び図７に示すような、一般に穴３１０の軸と鉛直に向けられた磁束帰還路７１０と異なる。このように角度付けされた磁束帰還路アームは、イメージング容積の位置のＦＦＬ１４０の領域において、磁束をさらに収束又は形成することができる。図８はこのような角度をつけた磁束帰還路アームによる磁力線も示す。

ＭＰＩのための磁束密度が形成又は最適化される別のやり方は、例えば図６及び図７に示され、ポールピース５１０はテーパを含むやり方で製造され得る。このようなポールピース５１０中のテーパは、テーパの近く及びフィールドフリー線１４０の近傍における磁束密度を増加させる。

ここでいうテーパは（図に示されるように）ＦＦＬ１４０に向かって徐々に細くなる。すなわちポール５１０の外形は、ＦＦｌ１４０に向けて徐々に細る。テーパは図示されるように線形であってよいし、又は十字部の全部若しくは一部にわたってなめらかに変化してもよい（又はなめらかな変化と線形な部分の組み合わせでもあり得る）。テーパはポールピース５１０の端点まで来てもよいし、（図の例で示すように）ポールピース５１０の平坦な端点で途切れる部分的なテーパであってもよい。テーパは機械作製又はポールピース５１０若しくは磁束帰還路２５０を作り上げる材料の異なるサイズの層の任意の組み合わせにより製造され得る。

ＭＰＩシステム中の磁場は、シミングにより変更又はさらに形成され得る。例えばシミングは、磁場を形成してフィールドフリー線１４０の忠実度を改善するか又はフィールドフリー線１４０の形を変えるために実行されてよい。

受動的シミングは、磁場を形成するためにＭＰＩシステムに付属された永久磁石又は他の磁性材料（例えば鉄、鋼鉄、ミュー金属等）の機械的な付属品を指す。いくつかの実施例は、特定の所定の動作点又はメイン勾配磁石の強度にある磁場を最適化するための受動的シムセットの追加を含む。そのような受動的シムセットは、一定の範囲（たとえば４－７Ｔ／ｍ）にわたる磁場の分布を十分に最適化する。しかしながら、最適化された範囲の外側の勾配動作点が求められるとき、受動的シムの別のセットを利用せねばならないことがあり得る。

能動的シミングは、Ｍ磁場を形成するためにＭＰＩシステム内に含まれる電磁石に電源を供給することを指し、しばしばシム磁石を駆動する電源が磁気粒子イメージングシステムの動作中に能動的に変えられる方法で行われる。

ＭＰＩシステムのシミングは、能動的シム、受動的シム、又はその療法の組み合わせを利用して実行され得る。

図９は本開示の特定の態様に係るシム磁石の例を示すＭＰＩシステムの例の斜視図である。図１０は当該ＭＰＩシステムの上面図、図１１は当該ＭＰＩシステムの側面図を示す。

図９に示すように、シム磁石９１０は穴３１０の長さ方向に沿って中心に置かれ、元来磁束帰還路２０５の中心に位置合わせされ、及び複数のポールピース５１０同士の間に位置付けされてもよい。図１１に示す通り、この位置において、シム磁石９１０は、穴３１０内のイメージング空間に位置するフィールドフリー線１４０の一部分の上（本明細書では「フィールドフリー線の上」という）で、概ね中心に置かれる。図１１に示されるように、シム磁石１１１０は同様に、穴３１０内のイメージング空間に位置するフィールドフリー線１４０の一部分の下（本明細書では「フィールドフリー線の下」という）で、概ね中心の位置に置かれる。ある特定の実施例においては、シム磁石９１０及び１１１０は、ＦＦＬがイメージング空間の中央に位置するとき（この場合、穴３１０の中心であり、磁石２１０及び２２０の間で中央に置かれる）、ＦＦＬ１４０の軸上で中心に置かれ、従って下でさらに説明されるようなＦＦＬ１４０の形成を可能にする。イメージングの間、ＦＦＬ１４０はイメージング空間内の異なる位置にシフトしてもよく、従ってシム磁石９１０及び１１１０はそのような時にのみ、ＦＦＬ１４０の上で概ね中心に置かれる。

図９－１１の例では向かい合う複数のシム磁石９１０，１１１０の１つの組が示されるが、本開示は、穴３１０に沿った任意の場所に、穴３１０の周囲の任意の角度（例えば図のＹ軸のかわりにＸ軸に沿って向けられる）で位置し、穴３１０の周囲の任意の数（１個，２個，４個，６個など）のシム磁石があってもよいことを想定している。加えて、能動的シム磁石は別の能動的シム磁石と直列又は並列に電気的に接続されてよいし、又は別の能動的シム磁石とは完全に独立していてもよい。

図１２及び図１３は代替の、本開示の特定の態様に係る角度をつけたシム磁石１２１０，１２２０を示す。この角度をつけたシム磁石は、ＦＦＬ１４０をさらに形成又は制御するのに用いることができ、ＦＦＬ１４０の軸から離れた（すなわちＦＦＬ１４０上でない）場所に位置していてもよいが、選択的に概ねＦＦＬ１４０に向けられる。角度をつけたシム磁石１２１０，１２２０は、Ｚ軸方向に生成された磁場の成分がＦＦＬ１４０の軸において大きく打ち消し合され得るように、対称に配置され得る。角度を付けたシム磁石１２１０，１２２０はＦＦＬ１４０に対して、例えば、図に示されるように約４５度、０度（つまりＦＦＬ１４０と平行）、３０度、６０度等の、どのような角度を有してもよい。図１１に示す通り、穴３１０の下に、角度をつけたシム磁石１２１０，１２２０と反対の、同様の配置の角度をつけたシム磁石１３１０，１３２０があってもよい。

図１４は、本開示の特定の態様に係る細長いシム磁石１４１０を示すＭＰＩシステムの上面図であり、図１５は当該細長いシム磁石１４１０を示す側面図である。細長いシム磁石１４１０は、シム磁石９１０に類似だが、穴３１０の長さ方向に沿って引き延ばされている。図１５に示す通り、特定の実施形態は穴３１０の下に向かい合う細長いシム磁石１５１０も含む。

本開示のＦＦＬの上、ＦＦＬの下又はＦＦＬの上及び下に１つのシム磁石を有する実施形態では、（単一又は複数の）シム磁石は、磁石の周囲の磁束分布の形成（例えば、ポールピース５１０と磁束帰還路アーム６３０の間の所望の磁束を準備する）を補助するように構成されてよい。このやり方で構成された（単一又は複数の）シム磁石は、フィールドフリー線の忠実度を改善し、フィールドフリー線の軸に沿った勾配の減少を招き得る。ある実施例では、シム磁石は、メイン磁石が磁束帰還路を必要としないような所望の磁束分布を促すのに十分な強度のものであり得る。別の実施例において、シム磁石の磁束を促す性質は、比較的高い忠実度のＦＦＬを促し、それゆえシム磁石に必要な電源をシム磁石が水冷を必要としない点まで減少させる、磁石及び磁束帰還路の設計とともに利用される。

他の実施例において、シム磁石は、上述の高忠実度フィールドフリー線のための所望の磁束分布を補助する構成とは対照的に、メイン磁石の周囲の通常の磁束分布に逆に作用するために用いられ得る。この逆作用の構成のシム磁石によりＦＦＬは、例えばフィールドフリー点、又は楕円形のフィールドフリー領域等の異なる形へと再形成され得る。そういった構成において、ＦＦＬタイプの磁石は、よりフィールドフリー点磁石に近い振る舞いをするように構成され、従って、対象の一部からの信号を回避したい場合（例えば、肝臓の近くの小さなソースを検出しようとする時に、肝臓からの大きな信号を最小化したい時など）に、改善されたイメージングを可能にする。磁気粒子イメージングに関係づけられたコントロールシステムは従って、イメージング対象の特定の一部分を興奮させることを避けるように構成され得る。加えて、そういった構成は、ハイブリッドイメージング及び磁気駆動のＭＰＩシステムにおける空間的選択性の増加を可能にし得る。

シム磁石がメイン磁石の周囲の通常の磁束分布に逆作用するように構成される構成において、楕円形のフィールドフリー空間が作られ得て、従って有益な平板イメージングを可能にする。

いくつかの実施形態において、シム磁石のメイン磁石磁束分布に逆作用するそのような構成は、高い電力増幅、独立したドライブ機構及びシム磁石を冷却するためのシステムを必要とし得る。

本開示は、イメージングシーケンスの間、磁石（たとえば磁石５２０，５３０，５４０，５５０）を能動的にシミングするシステム及び方法を想定する。

磁束帰還路におけるサチュレーションの非線形性から、ＦＦＬ１４０の充実度は、磁石勾配強度が変化するのと同様に変化し得る。たとえば、ＦＦＬ１４０はある特定の勾配強度において高レベルの忠実度を有し得るが、イメージングシーケンスが勾配強度の変化を要求して磁束分布に変化をもたらす場合に、ＦＦＬ１４０の忠実度に悪影響を及ぼし得る。本開示は、本明細書で議論された通り、シム磁石の磁場の追加により忠実度の低下に逆作用するための能動的シムの利用を想定する。

同様に、ＦＦＬ１４０はイメージング容積の中心に位置する時に高レベルの忠実度を有し得る一方、イメージングの間にＦＦＬが中央から離れてシフトされるに際し、ＦＦＬは忠実度の低下を喫し得る。本開示は、本明細書で議論された通り、忠実殿低下に逆作用するための能動的シムの利用を想定する。

本明細書で議論されたシミング方法及びシム磁石の特定の実施例において、メイン磁場勾配忠実度は、特定の設計フィールドに関して設計され得て、その後設計フィールドからの強度及び位置の偏差が、シム磁石の使用により補われ得る。シム磁石（及び他の磁石）を流れる電流は、先験的モデルを用いて、実験的に計測されてルックアップテーブルを用いて設定されてよく、及び／又は、例えばホール効果探査及びフィードバックを用いてリアルタイムで計測、調整され得る。若しくは電流は、それらの任意の組み合わせによって設定されてもよい。

特定の実施形態において、本開示により想定されるシム磁石は、例えば磁気粒子イメージングシステムが空間的に選択可能な磁性流体癌温熱療法／刺激への応用のために構成されている時、加熱のさらなる局所化及びエネルギーの３次元的凝縮を提供するように構成されてもよい。例えば、フィールドフリー線を点様又は楕円形のフィールドフリー領域に再形成することは、フィールドフリー線の線全体よりも小さい領域を加熱又は駆動することを含む。

本開示は、本明細書の実施形態において開示された演算が、本明細書で教示された同じ概念を適用する複数のやり方で実行されてよく、かつそういった演算は開示された実施形態と等価であることを想定する。

本明細書に説明された要旨の１つ以上の態様又は特徴は、デジタル電子回路、組み込み回路、空間的に設計された特定用途向け組み込み回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）コンピュータハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア及び／又はそれらの組み合わせにより実現され得る。これらの様々な態様又は特徴は、データ及び命令を受信しデータ及び命令を送信するためのストレージシステム、少なくとも１つの入力デバイス及び少なくとも１つの出力デバイスと接続された少なくとも１つの、空間的又は汎用の、プログラマブルプロセッサを含むプログラマブルシステム状で実行可能又は解釈可能な１つ以上のコンピュータプログラムによる実装を含み得る。プログラマブルシステム又は計算システムは、クライアント及びサーバを含み得る。クライアント及びサーバは一般に互いから遠隔であり、典型的には遠隔通信ネットワークを通じて相互作用する。クライアント及びサーバの関係は、それぞれの対応するコンピュータ上で実行されたコンピュータプログラム及び互いに対するクライアント－サーバ関係を有することにより発生する。

これらのコンピュータプログラムは、プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、アプリケーション、コンポーネント又はコードとも呼ばれ、プログラマブルプロセッサに対するマシン命令を含み、高レベル手続型言語、オブジェクト指向プログラミング言語、関数型プログラミング言語、論理プログラミング言語及び／又はアセンブリ／マシン言語により実装され得る。本明細書で用いるに際し、「マシン可読媒体」（又は「コンピュータ可読媒体」）の用語は、例えば磁気ディスク、光ディスク得、メモリ及びプログラマブル論理デバイス（ＰＬＤ）等の、マシン命令及び／又はデータをプログラマブルプロセッサに提供するのに用いられるコンピュータプログラム製品、装置及び／又はデバイスを指し、マシン可読信号としてマシン命令を受信するマシン可読媒体を含む。「マシン可読信号」（又は「コンピュータ可読信号」）の用語は、プログラマブルプロセッサにマシン命令及び／又はデータを提供するのに用いられる任意の信号を指す。マシン可読媒体は、例えば非一時的ソリッドステートメモリ又は磁気ハードドライブ若しくは等価な任意の記憶媒体がそうであるように、そのようなマシン命令を非一時的に格納することができる。マシン可読媒体は代替又は追加で、例えばプロセッサキャッシュ又は１つ以上の物理プロセッサコアと関係づけられた他のランダムアクセスメモリがそうであるように、一時的なやり方でそういったマシン命令を格納することができる。

ユーザとのインタラクションを提供するために、本明細書に説明される要旨の１つ以上の態様又は特徴は、例えばカソードレイチューブ（ＣＲＴ）又は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）又は発光ダイオード（ＬＥＤ）モニタ等の、情報をユーザに表示するための表示デバイスと、ユーザがコンピュータに入力を提供するための、キーボードと、例えばマウス又はトラックボール等といったポインティングデバイスとを有するコンピュータ上で実装され得る。ユーザとのインタラクションを提供するために、他の種類のデバイスも用いられ得る。例えば、ユーザに提供されるフィードバックは、例えば視覚フィードバックといった感覚フィードバック、聴覚フィードバック、又は触覚フィードバックの任意の形であってよい；ユーザからの入力は、音、声、又は接触の入力を含む任意の形で受信されてよいが、これらに限定されない。他の可能な入力デバイスは、タッチスクリーン、又は、シングルポイント又はマルチポイントの抵抗式又は静電容量式トラックパッドといった他の接触感知デバイス、音声認識ハードウェア及びソフトウェア、光学スキャナ、光学ポインタ、デジタルイメージキャプチャデバイス、及び関係づけられた翻訳ソフトウェアなどを含むが、これらに限定されない。

上記の説明及び特許請求の範囲において、「少なくとも１つの」又は「１つ以上の」に類する表現は、要素又は特徴の接続的なリストにより追随されて現れ得る。「及び／又は」の用語も、２つ以上の要素又は特徴のリストにおいても現れ得る。これらの表現は、前後の文脈で暗に又は明に言及されているのでない限り、記載された要素又は特徴のいずれかを個別に意味するか、又は、列挙された要素又は特徴のいずれか１つを、他の列挙された要素又は特徴のいずれか１つと組み合わせたものを意味することを意図するものである。例えば、「Ａ及びＢの少なくとも１つ」、「Ａ及びＢのうち１つ以上」及び「Ａ及び／又はＢ」の表現はいずれも、「Ａのみ、Ｂのみ、又はＡ及びＢの両方」を意味する。同様の解釈は、３つ以上のものを含むリストにおいても同様に意図されている。例えば、「Ａ、Ｂ及びＣの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ及びＣのうち１つ以上」及び「Ａ、Ｂ及び／又はＣ」の表現はいずれも、「Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、Ａ及びＢの両方、Ａ及びＣの両方、Ｂ及びＣの両方、並びに、Ａ～Ｃのすべて」を意味することが意図されている。上述及び特許請求の範囲における「～に基づいて」の表現は、「少なくとも部分的に～に基づいて」を意味し、列挙されていない特徴又は要素も許容するものである。

本明細書で説明された要旨は、所望される配置によってシステム、装置、方法、コンピュータプログラム及び／又は物品の上で実施され得る。添付の図面で示され、及び／又は本明細書で説明された方法又はロジックフローは、所望の結果を達成するために、必ずしも示された順序、又は手続順序を必要としない。先述の説明で記載された実施例は、本明細書で説明された要旨と一致する全ての実施例を表現するものではなく、それらは説明された要旨に関連する態様と一致するいくつかの例に過ぎない。いくつかの変形は上記で詳細に説明されたが、他の変更又は追加も可能である。特に、本明細書に記載されたものに加え、さらなる特徴及び／又は変形が提供され得る。上述された実施例は、開示された要素の様々な組み合わせ及び部分的組み合わせ、及び／又は上で示された、いくつかのさらなる特徴の組み合わせ及び部分的組み合わせが対象となり得る。さらに、上で説明された利点は、発行されるいかなる特許請求の範囲の応用をも、いずれか又は全ての利点を達成するプロセス又は構造に限定することを意図しない。

加えて、節の見出しは、本開示から発行し得るいかなる特許請求の範囲に定められる単一又は複数の発明をも、限定又は特徴付け得ない。特に、かつ例として、見出しが「技術分野」を参照しても、そういった特許請求の範囲は、いわゆる技術分野を説明するために本見出しの元で選択された言語により限定されるべきではない。さらに、「技術的背景」における技術の説明は、当該技術が本開示のいずれかの単一又は複数の発明に対する先行技術であることの自認として構成されるものではない。「発明の概要」も、主張する特許請求の範囲に記載された単一又は複数の発明の特徴として認識されるものではない。さらに、本開示への一般の参照又は単数形の「発明」という語の使用は、下で記載される特許請求の範囲におけるいかなる限定をも示唆するものではない。複数の発明が、本開示により主張される複数の特許請求の範囲の限定により記載され得る。またそれに応じて、そういった複数の特許請求の範囲が、それにより保護される単一若しくは複数の発明及びそれらの均等を定める。

Claims (8)

1. 磁気粒子イメージング（ＭＰＩ）システムであって、
   磁場を生成するように構成された磁石であって、軸及び中心を有する前記磁場内のフィールドフリー線を有する磁石と、
   前記磁石に組み込まれ、前記フィールドフリー線の概ね中心の第１磁束経路は第１リラクタンスを有し、前記フィールドフリー線の中心から離れた第２磁束経路は第２リラクタンスを有するように構成された磁束帰還路と、
   を備え、
   前記第２リラクタンスは前記第１リラクタンスよりも低い、
   磁気粒子イメージングシステム。
2. 前記磁束帰還路は、端点を有するポールピースを備え、前記端点は段差を含む、
   請求項１に記載の磁気粒子イメージングシステム。
3. 前記磁束帰還路は複数の層をさらに備え、前記第１磁束経路は第１層を通過し、前記第２磁束経路は第２層を通過し、前記第１層及び前記第２層は前記段差を形成する、
   請求項２に記載の磁気粒子イメージングシステム。
4. 前記磁束帰還路は、端点を有するポールピースを備え、前記端点が湾曲しているか又はなめらかに変化する、請求項１に記載の磁気粒子イメージングシステム。
5. 前記磁束帰還路は、テーパを有するポールピースを備え、当該テーパは当該テーパの付近および前記フィールドフリー線の近傍の磁束密度を増加させる、
   請求項１に記載の磁気粒子イメージングシステム。
6. 前記磁束帰還路は、
   ポールピースと、
   前記ポールピースよりも前記フィールドフリー線から離れて位置する少なくとも１つの磁束帰還路アームとを備える、
   請求項１に記載の磁気粒子イメージングシステム。
7. 前記少なくとも１つの磁束帰還路アームは、イメージング容積中の前記フィールドフリー線に向けて角度がつけられている、
   請求項６に記載の磁気粒子イメージングシステム。
8. 前記磁束帰還路が前記第１磁束経路の近傍における材料のリラクタンスよりも低いリラクタンスの材料を前記第２磁束経路の近傍において含むことに少なくとも部分的に起因して、前記第２リラクタンスは前記第１リラクタンスよりも低い、
   請求項１に記載の磁気粒子イメージングシステム。
   
   

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