KR102433170B1 - Magnetic particle spectroscopy - Google Patents

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윤정원
푸 민 부이
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Abstract

본 발명의 일실시예는 자기 입자 분광기를 제공한다. 자기 입자 분광기는 자기 입자를 자화시키는 자기장을 생성하는 여기 코일; 여기 코일 내에 삽입되며, 상기 자기 입자로부터의 입자신호를 수신하는 수신코일과, 상기 수신코일로부터 발생된 신호 중 일부를 상쇄시키는 제거 코일을 포함하는 경사계 코일; 상기 제거 코일 인근에 위치하며, 일부가 상기 여기 코일 내에 삽입되어 상기 여기 코일과 중첩되는 교정 코일; 및 상기 교정 코일의 상기 여기 코일 내로의 삽입 깊이를 조정하여, 상기 여기 코일과 중첩되는 권선수를 변경시키는 위치 조정부;를 포함한다.One embodiment of the present invention provides a magnetic particle spectrometer. A magnetic particle spectrometer includes an excitation coil that generates a magnetic field that magnetizes magnetic particles; an inclinometer coil inserted into the excitation coil and including a receiving coil for receiving a particle signal from the magnetic particles, and a removal coil for canceling some of the signals generated from the receiving coil; a calibration coil positioned near the removal coil, a portion of which is inserted into the excitation coil and overlaps the excitation coil; and a position adjusting unit for adjusting the insertion depth of the calibration coil into the excitation coil to change the number of turns overlapping the excitation coil.

Description

자기 입자 분광기{MAGNETIC PARTICLE SPECTROSCOPY}Magnetic Particle Spectroscopy {MAGNETIC PARTICLE SPECTROSCOPY}

본 발명은 자기 입자 분광기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자기 나노 입자(MNP) 농도의 이미징을 위한 빠르고 고감도를 가지는 자기 입자 분광기에 관한 것이다.The present invention relates to a magnetic particle spectrometer, and more particularly, to a magnetic particle spectrometer having a fast and high sensitivity for imaging the concentration of magnetic nanoparticles (MNP).

뇌의 여러 영역에 대한 심부 뇌 자극(DBS)은 파킨슨 병, 수전증 등의 본태 떨림과 같은 신경학적 문제가 있는 환자를 치료하는데 가장 많이 사용되는 방법이다. 최근 무선 자기 열 자극(WMS)이 심부 뇌 자극(DBS)의 새로운 방법으로 등장했다. 다른 자극 방법의 한계를 제거할 뿐만 아니라 자극된 부위 주변의 세포를 죽이지 않고 표적 자극의 가능성을 제공한다. Deep brain stimulation (DBS) of multiple areas of the brain is the most commonly used method to treat patients with neurological problems such as essential tremors such as Parkinson's disease and tremor. Recently, wireless magnetic thermal stimulation (WMS) has emerged as a new method of deep brain stimulation (DBS). It not only removes the limitations of other stimulation methods, but also offers the possibility of targeted stimulation without killing the cells around the stimulated site.

WMS에서 자기 나노 입자(MNP)는 신경 세포를 표적으로 삼고 저주파 교류 자기장에 노출되며, 이는 MNP에 의해 열로 변환되어 뇌 세포를 자극한다. 그러나 뇌 활동에 대한 모니터링 체계가 없기 때문에 치료의 효과를 정확하게 관찰할 수 없다. 따라서 WMS의 과정을 평가하고 효율성을 높이기 위해서는 뇌 활동 모니터링 시스템이 필요하다.In WMS, magnetic nanoparticles (MNPs) target neurons and are exposed to low-frequency alternating magnetic fields, which are converted into heat by the MNPs to stimulate brain cells. However, since there is no monitoring system for brain activity, the effect of treatment cannot be accurately observed. Therefore, a brain activity monitoring system is needed to evaluate the process of WMS and increase its effectiveness.

뇌 자극의 영향을 모니터링하기 위해 가장 널리 사용되는 기능적 영상 기술은 기능적 자기 공명 영상, 양전자 방출 단층 촬영(PET) 및 전자 코팔로그래피이다.The most widely used functional imaging techniques for monitoring the effects of brain stimulation are functional magnetic resonance imaging, positron emission tomography (PET), and electron copalography.

그러나 이러한 기술은 이미징 정밀도가 낮거나 방사성 요소가 필요하거나 뇌 표면 영역에서 측정 잠재력이 제한되어 있어 안전성에 한계가 있다.However, these techniques have limited safety due to low imaging precision, the need for radioactive elements, or limited measurement potential in brain surface regions.

기능성 자기 입자 영상(fMPI)은 자기 입자 영상(MPI)을 활용하여 자기 입자 농도를 매핑하여 대뇌 혈액량(CBV)의 변화를 감지한다. 이미징을 위한 유망한 양식이다.Functional magnetic particle imaging (fMPI) detects changes in cerebral blood volume (CBV) by mapping magnetic particle concentrations using magnetic particle imaging (MPI). It is a promising modality for imaging.

자기 입자 이미징 (MPI)은 자기 나노 입자(MNP) 농도의 이미징을 위한 빠르고 민감한 기술이다. MPI는 측정 된 공간 위치에서 입자 농도를 직접 측정하고 매핑한다. 기능성 MPI (fMPI)는 영상을 통해 대뇌 혈액량 (CBV)의 변화를 감지하는 것을 목표로 하는 MPI의 특정 응용 프로그램이다.Magnetic particle imaging (MPI) is a fast and sensitive technique for imaging of magnetic nanoparticles (MNP) concentrations. MPI directly measures and maps particle concentration at the measured spatial location. Functional MPI (fMPI) is a specific application of MPI that aims to detect changes in cerebral blood volume (CBV) via imaging.

CBV에서 MNP의 농도가 균일하다고 가정하면 MNP의 결과 농도는 CBV 변화를 나타낼 수 있다. Magnetic particle spectroscopy (MPS)는 기본적으로 분광 연구 및 fMPI를 수행하는 데 사용할 수 있는 0 차원 MPI 스캐너이다.Assuming that the concentrations of MNPs in CBV are uniform, the resulting concentrations of MNPs may indicate CBV changes. Magnetic particle spectroscopy (MPS) is essentially a zero-dimensional MPI scanner that can be used to perform spectroscopic studies and fMPI.

뇌는 비 임플란트, 비 침습적, 방사선없는 방식으로 기능한다. MPI 용으로 개발된 다양한 하드웨어를 fMPI에서 뇌 활동을 모니터링하는데 사용할 수 있지만, fMPI는 매우 적은 양의 철을 감지해야 하므로 더 높은 감도가 필요한다. (80kg 인간의 경우 26ng 철, 300g 쥐의 경우 53ng철). The brain functions in a non-implantable, non-invasive, radiation-free way. A variety of hardware developed for MPI can be used to monitor brain activity in fMPI, but fMPI needs to detect very small amounts of iron, so higher sensitivity is required. (26 ng iron for an 80 kg human, 53 ng iron for a 300 g rat).

자기 입자 분광법(MPS)은 기본적으로 0 차원 MPI 스캐너 또는 공간 인코딩을 생성하기 위한 선택 필드가 없는 MPI 스캐너이다. 따라서 전체 fMPI를 개발하기 전에 MPS가 fMPI에 필요한 감도를 얻을 수 있는지 여부를 조사해야 한다. Magnetic Particle Spectroscopy (MPS) is essentially a zero-dimensional MPI scanner or MPI scanner without a selection field to create a spatial encoding. Therefore, before developing a full fMPI, it is necessary to investigate whether MPS can achieve the necessary sensitivity for fMPI.

자기 입자 분광기(MPS)의 감도는 코일 반경의 제곱근에 비례하여 감소하기 때문에 fMPI에 필요한 감도를 보장하면서 더 큰 구경 크기를 가진 MPS를 개발하는 것이 큰 과제이다.Since the sensitivity of magnetic particle spectroscopy (MPS) decreases in proportion to the square root of the coil radius, it is a great challenge to develop an MPS with a larger aperture size while ensuring the sensitivity required for fMPI.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 자기 나노 입자(MNP) 농도의 이미징을 위한 빠르고 고감도를 가지는 자기 입자 분광기를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a magnetic particle spectrometer having a fast and high sensitivity for imaging the concentration of magnetic nanoparticles (MNP).

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 쥐 머리 치수와 호환되는 구멍 크기 50mm의 fMPI에 대한 MPS를 제공하는 것이다. The technical problem to be achieved by the present invention is to provide an MPS for fMPI with a hole size of 50 mm that is compatible with the size of a mouse head.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. There will be.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 자기 입자 분광기를 제공한다. 자기 입자 분광기는 자기 입자를 자화시키는 자기장을 생성하는 여기 코일; 여기 코일 내에 삽입되며, 상기 자기 입자로부터의 입자신호를 수신하는 수신코일과, 상기 수신코일로부터 발생된 신호 중 일부를 상쇄시키는 제거 코일을 포함하는 경사계 코일; 상기 제거 코일 인근에 위치하며, 일부가 상기 여기 코일 내에 삽입되어 상기 여기 코일과 중첩되는 교정 코일; 및 상기 교정 코일의 상기 여기 코일 내로의 삽입 깊이를 조정하여, 상기 여기 코일과 중첩되는 권선수를 변경시키는 위치 조정부;를 포함한다.In order to achieve the above technical object, an embodiment of the present invention provides a magnetic particle spectrometer. A magnetic particle spectrometer includes an excitation coil that generates a magnetic field that magnetizes magnetic particles; an inclinometer coil inserted into the excitation coil and including a receiving coil for receiving a particle signal from the magnetic particles, and a removal coil for canceling some of the signals generated from the receiving coil; a calibration coil positioned near the removal coil, a portion of which is inserted into the excitation coil and overlaps the excitation coil; and a position adjusting unit for adjusting the insertion depth of the calibration coil into the excitation coil to change the number of turns overlapping the excitation coil.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 위치 조정부에 의한 상기 교정 코일 위치 조정에 의해 상기 여기 코일 내부에 자기 입자가 없는 경우의 상기 경사계 코일의 출력 신호에 포함된 잔류 유도 전압을 교정하여 0에 근접시킬 수 있다.In an embodiment of the present invention, by correcting the residual induced voltage included in the output signal of the inclinometer coil when there are no magnetic particles inside the excitation coil by adjusting the position of the calibration coil by the position adjusting unit, can

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 수신 코일 및 상기 제거 코일은 상기 여기 코일에 대해 위치가 고정될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the position of the receiving coil and the removal coil may be fixed with respect to the excitation coil.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 위치 조정부는 나사를 포함하며, 상기 나사는 상기 교정 코일의 실린더 및 상기 여기 코일의 실린더와 나사결합되며, 상기 나사의 회전에 따라 상기 교정 코일의 상기 삽입 깊이가 조절될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the positioning unit includes a screw, the screw is screwed with the cylinder of the calibration coil and the cylinder of the excitation coil, and the insertion depth of the calibration coil is adjusted according to the rotation of the screw. can be adjusted.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 교정 코일의 삽입 깊이가 조절되어, 상기 여기 코일에서 발생되는 자기장과 크로스오버 또는 자기결합하는 코일의 권선수가 변경되고, 이를 통해 출력신호가 조절될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the insertion depth of the calibration coil is adjusted, the number of turns of the coil crossover or magnetically coupled to the magnetic field generated in the excitation coil is changed, and thus the output signal can be adjusted.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 경사계 코일은 권선방향이 반대인 상기 수신 코일 및 상기 제거 코일을 포함하는 1차 코일일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the inclinometer coil may be a primary coil including the receiving coil and the removing coil having opposite winding directions.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 수신 코일 및 상기 제거 코일은 동일한 실린더에 감기고, 상기 제거 코일의 권선수는 상기 수신 코일의 권선수와 동일할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the receiving coil and the removal coil are wound on the same cylinder, and the number of turns of the removal coil may be the same as the number of windings of the receiving coil.

본 발명의 실시예에 있어서,In an embodiment of the present invention,

Figure 112020114202208-pat00001
Figure 112020114202208-pat00001

Figure 112020114202208-pat00002
Figure 112020114202208-pat00002

위상 교정은 상기 수식들에서

Figure 112022046403645-pat00053
= 0으로 조정하기 위해 상기 교정 코일을 삽입함에 따라, L_receive와 R_receive는 증가하며, 상기 교정 코일의 삽입되는 권선수의 변경에 따라 (
Figure 112022046403645-pat00005
L_receive) /R_receive 이 비선형적으로 변경될 수 있다.Phase correction is in the above equations
Figure 112022046403645-pat00053
As the calibration coil is inserted to adjust to = 0, L_receive and R_receive increase, and according to the change in the number of inserted turns of the calibration coil (
Figure 112022046403645-pat00005
L_receive) /R_receive may be changed non-linearly.

본 발명의 실시예에 있어서, 진폭 교정을 위해, 상기 위상 보정을 통해 결정된 상기 교정 코일의 캘리브레이션 턴수를 사용하여, 교정 코일이 여기 코일 내부를 따라 이동하면서 수신 코일의 진폭이 변경되고, 수신 코일과 제거 코일은 진폭 A1 및 A2를 유지하는 위치에 고정될 수 있다.In an embodiment of the present invention, for amplitude calibration, using the number of calibration turns of the calibration coil determined through the phase correction, the amplitude of the receiving coil is changed as the calibration coil moves along the inside of the excitation coil, and the receiving coil and the receiving coil The removal coil may be fixed in position to maintain amplitudes A1 and A2.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 경사 코일에서 잔류 유도 전압은 다음 식1과 같고,In an embodiment of the present invention, the residual induced voltage in the gradient coil is as shown in Equation 1 below,

Figure 112020114202208-pat00006
Figure 112020114202208-pat00006

여기서 Vrec, Vcali 및 Vcan은 각각 수신 코일, 교정 코일 및 제거 코일의 전압 진폭이고 α는 수신 코일 및 교정 코일의 총 신호와 제거 신호 간의 위상차이며, 잔류 유도 전압을 0으로 감쇠하기 위해, α 위상은 -π가 되며, Vresidual이 Vrec+Vcali-Vcan이 되고, Vcali 진폭의 조절로 Vresidual을 0으로 설정하며, where Vrec, Vcali and Vcan are the voltage amplitudes of the receiving coil, the correction coil and the cancellation coil, respectively, and α is the phase difference between the total and cancellation signals of the receiving coil and the correction coil, to attenuate the residual induced voltage to zero, α phase is becomes -π, Vresidual becomes Vrec+Vcali-Vcan, and Vresidual is set to 0 by adjusting the amplitude of Vcali,

Figure 112020114202208-pat00007
Figure 112020114202208-pat00007

α 위상은 상기 식2와 같이 주어질 수 있다.The α phase can be given as in Equation 2 above.

본 발명의 실시예에 따르면, 자기 나노 입자(MNP) 농도의 이미징을 위한 빠르고 고감도를 가지는 자기 입자 분광기를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide a magnetic particle spectrometer having a fast and high sensitivity for imaging the concentration of magnetic nanoparticles (MNP).

본 발명의 실시예에 따르면, 쥐 머리 치수와 호환되는 구멍 크기 50mm의 fMPI에 대한 MPS를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide MPS for fMPI with a hole size of 50 mm compatible with the size of a rat head.

본 발명의 실시예의 MPS 장치는 29.5kHz의 주파수에서 0.015T 자기장을 활용하고 통합 방법을 사용하여 자성 입자의 작은 철 성분을 측정한다. 통합된 출력 신호를 기반으로 하는 MPS는 여기 코일과 경사계 코일(수신 코일 및 제거 코일)과 교정 코일로 구성되어 25ng의 Fe까지 감지할 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예의 MPS는 fMPI에 대해 가능한 민감도 달성을 입증하였다.The MPS device of an embodiment of the present invention utilizes a 0.015T magnetic field at a frequency of 29.5 kHz and measures the small iron content of magnetic particles using an integrated method. Based on the integrated output signal, the MPS consists of an excitation coil, an inclinometer coil (receive coil and a rejection coil) and a calibration coil, capable of detecting up to 25 ng of Fe. Thus, the MPS of the examples of the present invention demonstrated that possible sensitivity to fMPI was achieved.

본 발명의 실시예에 따르며, 구경 크기가 50mm 인 쥐 머리 스케일에 대한 새로운 MPS가 제시되어 있다. 교정 코일과 통합된 측정 체계가 있는 Gradiometer(경사계) 코일의 새로운 구성은 25ng까지 철의 양을 감지 할 수 있기 때문에 fMPI 요구 사항에 대해 MPS 설계를 실현할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a novel MPS for a rat head scale with an aperture size of 50 mm is presented. The new configuration of the Gradiometer coil with calibration coil and integrated measuring scheme can detect iron amounts up to 25 ng, making MPS designs feasible for fMPI requirements.

교정 코일 스크루 시스템으로 수신 코일의 보상된 위상 및 진폭을 조정하여 여기 필드의 유도 신호를 크게 감쇠할 수 있으므로 경사측정 코일의 출력 신호가 아날로그-디지털 변환기의 입력 범위에 있다. 컴퓨터 인터페이스용 ADC 및 통합 측정 방법은 측정에서 노이즈를 크게 제거 할 수 있다.By adjusting the compensated phase and amplitude of the receiving coil with a calibration coil screw system, the induced signal in the excitation field can be significantly attenuated so that the output signal of the gradient measuring coil is in the input range of the analog-to-digital converter. ADCs for computer interfaces and integrated measurement methods can significantly remove noise from measurements.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도 1은 MNP 농도 측정 원리를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 입자 분광기를 나타내는 도면이다.
도 3은 Gradiometer 코일의 일반적인 배열로서 수직, 평면 및 비대칭 배열을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 Gradiometer 코일의 차수를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 Gradiometer 코일의 차수를 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 코일의 직경 및 길이와 관련된 수신코일의 감도를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 1차 Gradiometer 코일에 기초한 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 입자 분광기의 Gradiometer 코일의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8 은 MPS 시스템의 전기 회로의 일 예를 나타낸다.
도 9는 MPS의 하드웨어의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 10은 수신코일에 자기 나노입자가 투입된 경우 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 코일의 감도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 12는 코일의 감도를 설명하기 위한 측정결과를 나타내는 도면이다.
도 13은 코일의 감도를 설명하기 위한 장치의 통합 측정방법을 나타내는 도면이다.
도 14는 통합 측정밥법으로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 15는 캘리브레이션 전과 후의 출력신호를 나타내는 도면이다.
도 16은 서로 다른 농도의 샘플들에 대해 실험한 결과를 나타내는 도면이다.
1 is a diagram illustrating the principle of measuring MNP concentration.
2 is a view showing a magnetic particle spectrometer according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining a vertical, planar, and asymmetrical arrangement as a general arrangement of the gradiometer coil.
4 is a view for explaining the order of the gradiometer coil.
5 is a graph for explaining the order of the gradiometer coil.
6 is a view for explaining the sensitivity of the receiving coil in relation to the diameter and length of the coil.
7 is a view for explaining an example of a gradiometer coil of a magnetic particle spectrometer according to an embodiment of the present invention based on the primary gradiometer coil.
8 shows an example of an electrical circuit of an MPS system.
9 is a diagram illustrating an example of hardware of the MPS.
10 is a view for explaining an operation when magnetic nanoparticles are put into a receiving coil.
11 is a graph for explaining the sensitivity of the coil.
12 is a view showing measurement results for explaining the sensitivity of the coil.
13 is a diagram illustrating an integrated measurement method of a device for explaining the sensitivity of a coil.
14 is a graph showing the results measured by the integrated measurement method.
15 is a diagram illustrating an output signal before and after calibration.
16 is a view showing the results of experiments on samples of different concentrations.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.Since the present invention can have various changes and can have various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each figure, like reference numerals have been used for like elements.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 빠르고 고감도의 MPS를 개시한다. 적용예로서, 본 발명의 실시예는 뇌의 활성화를 모니터링하기 위해 fMPI 시스템을 개발하기 위한 MPS 기반 설계를 제안한다. fMPI 구현에서 가장 중요한 작업은 소량의 철분 함량을 감지하는 것이다. 본 실시예의 개발된 MPS 시스템은 100 초 내에 25ng 철분 함량을 감지 할 수 있다. 이것은 철분 함량에 따라 MPS 시스템에서 뇌 활성화를 감지 할 수 있음을 보여준다. The present invention discloses a fast and highly sensitive MPS. As an application, an embodiment of the present invention proposes an MPS-based design for developing an fMPI system to monitor brain activation. The most important task in fMPI implementation is to detect small amounts of iron content. The developed MPS system of this embodiment can detect the iron content of 25ng within 100 seconds. This shows that brain activation can be detected in the MPS system depending on the iron content.

도 1은 MNP 농도 측정 원리를 나타내는 도면이다.1 is a diagram illustrating the principle of measuring MNP concentration.

도 1에는 MPS(자기 입자 분광기)를 이용하여 MNP(자기 나노입자)의 농도를 측정하는 원리가 나타나 있다. 분석된 전기 신호는 MNP의 농도를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 53ng 철을 나타내는 신호가 MPS 시스템에 의해 감지 될 수 있다면, fMPI(기능성 자기 입자 이미징)는 쥐의 뇌 활성화를 감지 할 수 있다.1 shows a principle of measuring the concentration of MNP (magnetic nanoparticles) using a magnetic particle spectrometer (MPS). The analyzed electrical signal may indicate the concentration of MNP. For example, if a signal representing 53 ng iron could be detected by the MPS system, then functional magnetic particle imaging (fMPI) could detect brain activation in mice.

[MPS 디자인 컨셉][MPS Design Concept]

MPI는 MNP의 자기 반응의 비선형성을 사용하여 주입된 입자의 농도를 감지하는 추적기 기반 이미징 기술이다. MNP의 검출 임계값이 숙주 조직의 배경 신호에 의해 덜 제한되기 때문에 MPI는 MRI에 비해 감도 향상을 제공 할 것으로 예상되었다. MPI는 또한 MRI보다 MNP의 농도를 더 쉽게 측정 할 수 있다. 기능적 신경 영상의 경우 MPI를 사용하여 뇌 활성화에 대한 반응으로 발생하는 CBV 변화를 직접 매핑할 것으로 예상한다. MNP가 인간의 뇌 내부에 균일하게 분포되어 있다고 가정하면 혈액-뇌 장벽을 통과 할 수 없고 입자 농도가 혈액량을 반영 할 수 있으며 자성 입자 농도는 CBV를 나타낼 수 있다.MPI is a tracer-based imaging technique that uses the nonlinearity of the magnetic response of MNPs to detect the concentration of injected particles. Since the detection threshold of MNP is less limited by the background signal of the host tissue, MPI was expected to provide sensitivity enhancement compared to MRI. MPI can also measure the concentration of MNP more easily than MRI. For functional neuroimaging, we expect to use MPI to directly map CBV changes that occur in response to brain activation. Assuming that MNPs are uniformly distributed inside the human brain, they cannot cross the blood-brain barrier, particle concentration can reflect blood volume, and magnetic particle concentration can indicate CBV.

쥐의 기능적 뇌 영상을 위해 설계된 fMPI 시스템에서 MNP는 약 10mg Fe / kg (300g 쥐의 경우 3mg Fe)의 농도로 주입 될 수 있다. 평균 쥐의 혈액은 약 64ml / kg이다. 각 피질 뇌 복셀이 5 % 혈액이라는 점을 감안할 때 3mm 등방성 피질 뇌 복셀에는 1.35μl의 혈액이 포함되어 있다. 따라서 3mg Fe의 용량에 대해 복셀에는 약 211ng Fe가 포함된다. 뇌의 활성화된 영역은 약 25 %의 CBV 변화를 갖는 것으로 관찰되었으며, 이는 신경 활성화를 감지하기 위해 검출기의 검출 임계 값이 300g 쥐에서 53ng Fe 미만이어야 함을 나타낸다.In the fMPI system designed for functional brain imaging in mice, MNPs can be injected at a concentration of about 10 mg Fe/kg (3 mg Fe for 300 g mice). The average rat blood is about 64 ml/kg. Given that each cortical brain voxel is 5% blood, a 3 mm isotropic cortical brain voxel contains 1.35 μl of blood. Thus, for a dose of 3 mg Fe, the voxel contains about 211 ng Fe. Activated regions of the brain were observed to have CBV changes of about 25%, indicating that the detection threshold of the detector should be less than 53 ng Fe in 300 g mice to detect neural activation.

MNP가 MPS 시스템에 있는 경우 여기 코일의 균일한 자기장 H(t)가 MNP를 자화하는데 사용된다. 그러면 여기장 내에서 시간에 따라 변화하는 입자의 자화 M(t)가 유도된다. 입자의 응답은 입자 신호 V(t)로 나타난다. 입자의 자화 거동은 비선형이므로, 입자 신호는 여기 주파수의 기본 고조파와 고차 고조파를 포함한다. 반자성 신호도 기본 주파수에서 신호에 기여하기 때문에 순수한 입자 신호를 얻는 것은 어렵다. 따라서 MNP에 기인한 신호를 정확히 파악하기 위해 고조파만을 사용하는 것이 바람직하다.When the MNP is in an MPS system, the uniform magnetic field H(t) of the excitation coil is used to magnetize the MNP. The time-varying magnetization M(t) of the particle is then induced in the excitation field. The particle's response is represented by the particle signal V(t). Since the magnetization behavior of particles is non-linear, the particle signal contains fundamental and higher harmonics of the excitation frequency. It is difficult to obtain a pure particle signal because the diamagnetic signal also contributes to the signal at the fundamental frequency. Therefore, it is desirable to use only harmonics to accurately identify the signal due to the MNP.

[MPS의 하드웨어 디자인][Hardware design of MPS]

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 입자 분광기를 나타내는 도면이다.2 is a view showing a magnetic particle spectrometer according to an embodiment of the present invention.

본 실시예의 자기 입자 분광기는 여기 코일, 경사계 코일, 교정 코일 및 위치 조정부를 포함한다.The magnetic particle spectrometer of this embodiment includes an excitation coil, an inclinometer coil, a calibration coil and a positioning unit.

경사계 코일은 여기 코일 내에 삽입되며, 수신 코일과 상기 수신 코일로부터 발생된 신호를 상쇄시키는 제거 코일을 포함할 수 있다.The inclinometer coil is inserted into the excitation coil, and may include a receiving coil and a removal coil for canceling a signal generated from the receiving coil.

교정 코일은 상기 제거 코일 인근에 위치하며, 일부가 상기 여기 코일 내에 삽입되어 상기 여기 코일과 중첩될 수 있다.A calibration coil is located adjacent to the removal coil, and a portion may be inserted into the excitation coil to overlap the excitation coil.

위치 조정부는 상기 교정 코일의 상기 여기 코일 내로의 삽입 깊이를 조정할 수 있다.The positioning unit may adjust the insertion depth of the calibration coil into the excitation coil.

수신 코일에 의해 수신된 신호에는 입자 신호와 함께 여기 신호가 포함된다. 여기 신호의 크기는 일반적으로 입자 신호의 크기보다 수백만 배 더 크기 때문에 ADC는 두 신호를 모두 해결할 수 없다. 따라서 신호를 ADC 범위 내로 가져오고 MPS의 감도를 향상시키려면 경사계 코일 방식 (제거 코일 추가)을 사용하여 여기 신호를 제거해야 한다. The signal received by the receiving coil includes the excitation signal along with the particle signal. Since the magnitude of the excitation signal is typically millions of times greater than the magnitude of the particle signal, the ADC cannot resolve both signals. Therefore, to bring the signal within the ADC range and improve the sensitivity of the MPS, an inclinometer coil method (adding a rejection coil) must be used to reject the excitation signal.

본 실시예의 자기 입자 분광기는 fMPI의 높은 감도를 달성하기위한 구성을 가진다. 즉, 기존 MPS에서 사용되는 Gradiometer 코일과 달리, 본 실시예의 자기 입자 분광기는 여기 코일 내부에 수신 코일, 제거 코일이 구비되고, 교정 코일의 일부가 여기 코일 내부로 삽입되어 중첩된다(도 2 참조). 제거 코일은 수신 코일에 포함된 여기 신호를 제거할 수 있다. MPS의 구경 크기는 대상에 따라 달라 질 수 있다. 예를 들어, 쥐의 뇌를 대상으로 하는 경우, MPS의 구경은 쥐의 뇌가 내부에 들어갈 수 있도록 50mm로 선택될 수 있다.The magnetic particle spectrometer of this embodiment has a configuration for achieving high sensitivity of fMPI. That is, unlike the gradiometer coil used in the existing MPS, the magnetic particle spectrometer of this embodiment is provided with a receiving coil and a removal coil inside the excitation coil, and a part of the calibration coil is inserted into the excitation coil and overlapped (see FIG. 2). . The cancellation coil may remove the excitation signal included in the receiving coil. The aperture size of the MPS may vary depending on the target. For example, when targeting a rat brain, the aperture of the MPS may be chosen to be 50 mm so that the rat brain can fit inside.

<경사계 코일 설계(Gradiometer Coil Design)><Gradiometer Coil Design>

이하, 도 3 내지 7을 참조하여, 감도 향상을 위한 수치설계의 원리를 설명한다.Hereinafter, a principle of numerical design for improving sensitivity will be described with reference to FIGS. 3 to 7 .

도 3은 Gradiometer 코일의 일반적인 배열로서 수직, 평면 및 비대칭 배열을 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining a vertical, planar, and asymmetrical arrangement as a general arrangement of the gradiometer coil.

수직형은 작업 공간의 면적이 넓고 조정을 위한 정비설계가 용이하여 일반적으로 선택된다. 수평형은 취소 작업 공간이 절반으로 줄어들고 조정이 어려운 설계이다. 비대칭형은 감지 코일과 제거 코일은 권선수의 차이가 있어서 두 코일은 유도에서의 차이(즉 다른 위상)가 있다.The vertical type is generally selected because it has a large working space and easy maintenance design for adjustment. The horizontal type is a design that halves the cancellation work space and is difficult to adjust. In the asymmetric type, there is a difference in the number of turns between the sensing coil and the removal coil, so that the two coils have a difference in induction (that is, different phases).

도 4는 Gradiometer 코일의 차수를 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining the order of the gradiometer coil.

1 차 경사계는 300b 거리에 있는 소스의 99 % 이상을 거부(reject)한다. 따라서, 감도 및 SNR이 가장 높다. 2 차 경사계는 30b 거리에 있는 소스의 99 % 이상을 거부하며, 1차 경사계에 비해 감도 및 SNR 감소된다. 3차 경사계는 2차 경사계보다 감도 및 SNR 감소한다.The primary inclinometer rejects more than 99% of sources at 300b distance. Therefore, the sensitivity and SNR are the highest. The secondary inclinometer rejects more than 99% of sources at a distance of 30b, with reduced sensitivity and SNR compared to the primary inclinometer. The 3rd order inclinometer has lower sensitivity and SNR than the 2nd order inclinometer.

도 5는 Gradiometer 코일의 차수를 설명하기 위한 그래프이다.5 is a graph for explaining the order of the gradiometer coil.

도 5를 참조하면, 경사계 코일이 가져야할 목표는 감도이므로 1차 경사계가 바람직한 선택이다. 다만, 이 경우, 300b 미만의 거리에 있는 다른 소스가 신호에 기여할 수 있다.Referring to FIG. 5 , the primary inclinometer is a preferable choice because the target of the inclinometer coil is sensitivity. However, in this case, other sources at a distance of less than 300b may contribute to the signal.

도 6은 코일의 직경 및 길이와 관련된 수신 코일의 감도를 설명하기 위한 도면이다. 6 is a view for explaining the sensitivity of the receiving coil in relation to the diameter and length of the coil.

도 6의 상측 그림과 같은 코일의 직경 등의 조건에서, 하기 식들을 참조하여, 코일의 감도 향상을 위해 Gradiometer 코일 치수, 코일 반경 설계를 할 수 있다.In conditions such as the diameter of the coil as shown in the upper figure of FIG. 6 , the gradiometer coil dimensions and coil radius can be designed in order to improve the sensitivity of the coil by referring to the following equations.

Figure 112020114202208-pat00008
Figure 112020114202208-pat00008

ρ은 유효 코일 감도이다. P은 단위 전류에서의 코일 감도이다. L은 코일 인덕턴스이다.ρ is the effective coil sensitivity. P is the coil sensitivity at unit current. L is the coil inductance.

Figure 112020114202208-pat00009
Figure 112020114202208-pat00009

Figure 112020114202208-pat00010
Figure 112020114202208-pat00010

N은 권선수이다. R은 코일 반경이다. l은 코일 길이이다.N is the number of turns. R is the coil radius. l is the coil length.

Figure 112020114202208-pat00011
Figure 112020114202208-pat00011

상기 식을 참조하면, 감도는 √ ( ^ 3)에 비례 적으로 감소한다. 따라서, 측정 대상에 맞게 반경을 최소화하는 것이 바람직하다.Referring to the above equation, the sensitivity decreases proportionally to √(^3). Therefore, it is desirable to minimize the radius according to the measurement target.

도 6의 하측 그래프는 Gradiometer 코일 치수, 코일 길이 설계를 위한 그래프로서, FOV 중심 및 FOV 경계에 대해 서로 다른 반경에서 반경 R 당 최적의 코일 길이 l을 나타낸다.The lower graph of FIG. 6 is a graph for designing the gradiometer coil dimensions and coil length, and shows the optimal coil length l per radius R at different radii for the FOV center and FOV boundary.

코일 센서의 목적에 따라 중앙 또는 경계 근처에서 측정한다. 비율은 중앙선 또는 경계선에서 선택할 수 있다. FOV가 중앙과 경계 모두에 있는 경우 공통 비율이 권장됩니다.Depending on the purpose of the coil sensor, measure at the center or near the boundary. The ratio can be selected from the center line or the border line. A common ratio is recommended if the FOV is at both the center and the border.

반경> 40mm의 경우 1.3≤ / ≤1.451.3≤/≤1.45 for radius > 40mm

도 7은 1차 Gradiometer 코일에 기초한 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 입자 분광기의 Gradiometer 코일의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.7 is a view for explaining an example of a gradiometer coil of a magnetic particle spectrometer according to an embodiment of the present invention based on the primary gradiometer coil.

Nadjust << Ncancelation ; Nreceive N adjust << N cancelation ; N receive

상기 조건은 Gradiometer 코일의 주요 차수가 1 차이고 코일이 거리가 이격된 다른 소스를 줄이기 위해 약간 2 차와 같다는 것을 의미한다.The above condition means that the major order of the gradiometer coil is first order and the coil is slightly equal to second order to reduce other sources that are spaced apart.

Ncalib + Nreceive = Ncancelation (또는 Ncalib + Ncancellation = Nreceive)N calib + N receive = N cancelation (or Ncalib + Ncancellation = Nreceive)

이 조건은 수신 코일과 제거 코일을 커버하므로 위상차가

Figure 112020114202208-pat00012
가 된다.This condition covers the receive coil and the reject coil, so the phase difference
Figure 112020114202208-pat00012
becomes

Figure 112020114202208-pat00013
Figure 112020114202208-pat00013

Figure 112020114202208-pat00014
Figure 112020114202208-pat00014

위상 교정 :Phase correction:

상기 수식들을 참조하면,Referring to the above formulas,

Figure 112022046403645-pat00054
= 0으로 조정하기 위해 교정 코일은 교정 코일의 회전을 조정할 수 있고, L_receive와 R_receive는 증가할 것이며, 교정 코일의 권선수 변경 후에 (
Figure 112022046403645-pat00055
L_receive) /R_receive 이 비선형적으로 변경될 수 있다.
Figure 112022046403645-pat00054
= 0, the calibration coil can adjust the rotation of the calibration coil, L_receive and R_receive will increase, after changing the number of turns of the calibration coil (
Figure 112022046403645-pat00055
L_receive) /R_receive may be changed non-linearly.

진폭 교정:Amplitude Calibration:

-실제 적용에 있어서 여기자 코일 내부의 자기장이 균일하지 않기 때문에 위상 보정을 통해 코일의 정확한 캘리브레이션 턴 수를 정의할 수 있다. 또한, 수신 코일과 제거 코일은 진폭 A1 및 A2를 유지하기 위해 위치가 고정될 수 있다. 교정 코일이 여기 코일 내부를 따라 이동하면 수신 코일의 진폭이 변경될 수 있다.- In practical applications, since the magnetic field inside the exciter coil is not uniform, the exact number of calibration turns of the coil can be defined through phase correction. Also, the receiving coil and the removing coil may be fixed in position to maintain amplitudes A1 and A2. As the calibration coil moves along the interior of the excitation coil, the amplitude of the receive coil may change.

전술된 도 3 내지 7의 설명을 참조하면, 본 실시예에서, 경사계 코일의 모델은 가장 높은 감도를 위해 권선 방향이 반대인 수신 코일 및 제거 코일만 포함하는 1 차 코일로 선택될 수 있다.3 to 7 above, in this embodiment, the model of the inclinometer coil may be selected as a primary coil including only a receiving coil and a removing coil having opposite winding directions for the highest sensitivity.

높은 감도를 얻기 위해 수신 코일 또는 제거 코일은 코일 길이 l과 직경 D 사이의 최적 관계에 따라 설계될 수 있다. 예를 들어, (l(43) / D(50) = 0.866)일 수 있으며, 도 2에 예시적으로 도시되어 있다. To obtain high sensitivity, the receiving coil or the removing coil can be designed according to the optimal relationship between the coil length l and the diameter D. For example, it may be (l(43) / D(50) = 0.866), which is exemplarily shown in FIG. 2 .

코일 구경 크기가 결정되면 이 관계를 사용하여 코일 길이를 계산할 수 있다. 여기장 내부에 MNP가 없는 경우 경사계 코일의 출력 신호는 0 이어야 한다. 따라서 제거 코일의 권선수은 수신 코일의 권선수과 동일하도록 선택될 수 있다.Once the coil aperture size is determined, this relationship can be used to calculate the coil length. If there is no MNP inside the excitation field, the output signal of the inclinometer coil should be 0. Accordingly, the number of turns of the removal coil may be selected to be equal to the number of turns of the receiving coil.

그러나 실제 애플리케이션 조건에서 경사계 코일의 출력 신호에는 잔류 유도 전압이 있을 수 있다. 따라서 본 실시예에서는 교정 코일이 추가되어 신호를 교정하여 0에 가장 가깝게 한다. 이 경우 수신 코일 및 제거 코일의 변위는 여기 코일에 대해 고정되며 교정 코일의 변위만 조작하여 출력 신호를 0으로 조정할 수 있다. 이에 따라, 여기 코일에서 발생되는 자기장과 크로스오버 또는 자기결합하는 코일의 권선수가 변경되고, 이를 통해 출력신호를 조절할 수 있다.However, in real application conditions, there may be residual induced voltages in the output signal of the inclinometer coil. Therefore, in this embodiment, a calibration coil is added to correct the signal so that it is closest to zero. In this case, the displacements of the receiving coil and the removal coil are fixed relative to the excitation coil, and only the displacement of the calibration coil can be manipulated to adjust the output signal to zero. Accordingly, the number of turns of the coil crossover or magnetically coupled to the magnetic field generated in the excitation coil is changed, and thus the output signal can be adjusted.

구경 크기가 큰 코일의 경우 모든 경사계 코일 부품의 무게 또는 수신 코일 또는 제거 코일의 무게가 교정 코일의 무게보다 훨씬 크다. 따라서 교정 코일의 위치를 조정하는 것이 여기 코일 내부의 다른 코일 어셈블리를 이동하는 것보다 쉽다. 본 실시예에서는 위치 조정부가 교정코일에 설치되어 교정 코일의 여기 코일 내로의 삽입 깊이를 조절할 수 있다. 위치 조정부로는 나사가 채택될 수 있다. For large bore size coils, the weight of all inclinometer coil components or the weight of the receiving coil or the removing coil is much greater than the weight of the calibration coil. Therefore, adjusting the position of the calibration coil is easier than moving another coil assembly inside the excitation coil. In this embodiment, the position adjusting unit is installed in the calibration coil to adjust the insertion depth of the calibration coil into the excitation coil. A screw may be employed as the positioning unit.

나사를 사용하여 교정 코일을 이동하는 것이 또한 수신 및 제거 코일의 위치가 고정되어 있기 때문에 교정 코일에서 조정된 신호만 변경되는 반면 경사계 코일의 다른 모든 부분에서 나오는 신호는 영향을 받지 않으므로 출력 신호 조정이 더 쉽다.Using screws to move the calibration coil also makes the output signal adjustments as the receiving and removing coils are fixed in position, so only the adjusted signal from the calibration coil is changed while the signal from all other parts of the inclinometer coil is unaffected. Easier.

또한 교정 코일의 조정된 신호는 다른 코일의 신호보다 훨씬 작기 때문에 경사계 코일 출력 신호를 더 미세하게 조정할 수 있다. 따라서 출력 신호에서 기생하는 백색 가우스 잡음도 감소될 수 있다. 따라서 시스템의 감도가 향상된다.Also, since the calibrated signal of the calibration coil is much smaller than that of the other coils, the inclinometer coil output signal can be tuned more finely. Therefore, white Gaussian noise parasitic in the output signal can also be reduced. Thus, the sensitivity of the system is improved.

경사계 코일의 내경은 목표에 맞게 선택될 수 있으며, 일 예로50mm로 선택될 수 있음은 전술한 바와 같다. 예를 들어, 코일은 3D 인쇄 실린더에 단일 레이어로 감길 수 있다. 일 예로, 경사계 코일의 외경은 60mm이다. 도 2에는 예시적으로 MPS에 사용되는 각 코일의 세부 치수를 보여준다. 수신 코일, 제거 코일 및 교정 코일은 각각 75, 75 및 5 회 회전한다. 와이어의 직경은 광대역 주파수 신호를 수신하기 위해 80/46 AWG로 선택될 수 있다. 출력 신호를 null 값으로 조정하기 위해 위치 조정부로서 4 개의 플라스틱 나사가 교정코일 실리더의 플렌지부를 관통하여 여기 코일의 실린더에 나사결합 방식으로 결합될 수 있다. 따라서, 나사를 회전시키면, 여기 코일에 대해 교정 코일의 위치를 전진 및 후진시킬 수 있다.As described above, the inner diameter of the inclinometer coil may be selected according to a target, and may be selected as, for example, 50 mm. For example, a coil can be wound as a single layer on a 3D printed cylinder. For example, the outer diameter of the inclinometer coil is 60mm. 2 shows detailed dimensions of each coil used in the MPS by way of example. The receiving coil, removal coil and calibration coil rotate 75, 75 and 5 turns respectively. The diameter of the wire can be chosen as 80/46 AWG for receiving wideband frequency signals. In order to adjust the output signal to a null value, four plastic screws as a position adjuster pass through the flange portion of the calibration coil cylinder and can be screwed into the cylinder of the excitation coil. Thus, rotating the screw can advance and retract the position of the calibration coil with respect to the excitation coil.

<여기 코일 설계(Excitation Coil Design)><Excitation Coil Design>

도 2 내지 도 7을 참조하면, 경사계 코일의 외경과 여기 코일의 내경은 실질적으로 동일하게 형성하여, 도 2에 도시된 바와 같이 최소한의 공차로 단단히 조립될 수 있다. 여기 코일은 2 개의 3D 인쇄 실린더에 2 × 22 턴으로 두 층으로 감길 수 있따. MNP를 포화시키는 데 필요한 0.015T의 자기장 진폭을 생성하기 위해 여기 코일의 와이어의 직경은 최대 26A의 전류를 허용하도록 5.4mm로 선택될 수 있다.2 to 7 , the outer diameter of the inclinometer coil and the inner diameter of the excitation coil are formed to be substantially the same, so that they can be securely assembled with minimal tolerance as shown in FIG. 2 . The excitation coil can be wound in two layers with 2 × 22 turns on two 3D printed cylinders. To produce a magnetic field amplitude of 0.015 T necessary to saturate the MNP, the diameter of the wire in the excitation coil can be chosen to be 5.4 mm to allow a current of up to 26 A.

물론 이러한 수치 사양은 측정 대상에 따라 달라질 수 있으며, 여기서 제시하는 수치범위는 예시적인 것이다.Of course, these numerical specifications may vary depending on the measurement target, and the numerical ranges presented here are exemplary.

도 8 은 MPS 시스템의 전기 회로의 일 예를 나타낸다.8 shows an example of an electrical circuit of an MPS system.

본 실시예의 자기 입자 분광기의 회로 구성의 일 예로 도 3에 제시된 전기회로가 채택될 수 있다. 여기 코일의 전기 회로는 도 8에 표시된 29.5kHz 공진 회로를 달성하기 위해 0.5μF 커패시터와 직렬로 연결되어 있다. 의도된 작동 주파수. 여기 코일 인덕턴스는 58.2μH이고 ac 저항은 29.5kHz에서 0.02이다. 함수 발생기 (KEYSIGHT 33500B 시리즈)는 선형 전력 증폭기 (미국 인디애나 주 엘크 하트 소재 AE Techron, Inc.의 모델 7224)로 전송되는 29.5kHz의 주파수에서 ac 신호를 생성한다.As an example of the circuit configuration of the magnetic particle spectrometer of this embodiment, the electric circuit shown in FIG. 3 may be adopted. The electrical circuit of the excitation coil is connected in series with a 0.5 μF capacitor to achieve the 29.5 kHz resonant circuit shown in FIG. 8 . Intended operating frequency. The excitation coil inductance is 58.2 μH and the ac resistance is 0.02 at 29.5 kHz. A function generator (KEYSIGHT 33500B series) generates an ac signal at a frequency of 29.5 kHz that is transmitted to a linear power amplifier (Model 7224 of AE Techron, Inc., Elkhart, Indiana, USA).

경사계 코일의 출력 신호가 매우 작기 때문에 경사계 코일은 시스템의 SNR을 향상시키기 위해 저잡음 프리 앰프 (모델 SR560)에 연결된다. 그런 다음 80kHz 차단 주파수의 고역 통과 필터 (모델 SR650)를 통과하여 고차 고조파의 입자 신호만 얻을 수 있다.Since the output signal of the inclinometer coil is very small, the inclinometer coil is connected to a low noise preamplifier (model SR560) to improve the SNR of the system. It is then passed through a high-pass filter (model SR650) with a cutoff frequency of 80 kHz to obtain only the high-order harmonic particle signal.

증폭 및 필터링 후 나노 입자의 신호는 NI DAQ (NI-6363 card-2 MS / s, 16b)을 통해 PXI와 인터페이스된다.After amplification and filtering, the signal from the nanoparticles is interfaced with PXI via NI DAQ (NI-6363 card-2 MS/s, 16b).

도 9는 MPS의 하드웨어의 일 예를 나타내는 도면이다.9 is a diagram illustrating an example of hardware of the MPS.

도 9는 본 실시예의 자기 입자 분광기를 실제 제조한 하드웨어를 나타낸다. 실제조된 여기 코일과 경사계 코일을 포함하여 MPS의 실험에 사용되는 인터페이스 하드웨어를 보여준다.9 shows hardware for actually manufacturing the magnetic particle spectrometer of this embodiment. The interface hardware used in the experiments of MPS is shown, including the fabricated excitation coil and inclinometer coil.

[캘리브레이션 및 측정 방법][Calibration and measurement method]

위치 조정부에 의해 교정 코일의 위치를 조절하여, 잔류 유도 전압을 0으로 설정하는 방법을 설명한다.A method of setting the residual induced voltage to zero by adjusting the position of the calibration coil by the position adjusting unit will be described.

도 10은 수신 코일에 자기 나노입자가 투입된 경우 MPS의 작동을 설명하기 위한 도면이다.10 is a view for explaining the operation of the MPS when the magnetic nanoparticles are put into the receiving coil.

제거 코일이 없으면 수신 코일에서 측정된 전압은 시변 자화에 의해 유도된 입자 신호 UP(t)와 시변 자기장에 의해 유도 된 여기 신호 UE(t)의 중첩이다.Without the removal coil, the voltage measured at the receiving coil is the superposition of the particle signal U P (t) induced by the time-varying magnetization and the excitation signal U E (t) induced by the time-varying magnetic field.

Figure 112020114202208-pat00018
Figure 112020114202208-pat00018

입자 신호 UP(t)는 유도 여기 신호 UE(t)보다 상당히 작다. 아날로그-디지털 변환기 (ADC)는 결합된 신호를 분석할 수 없으므로 ADC를 사용하기 전에 수신 신호에서 여기 신호를 제거해야한다.The particle signal U P (t) is significantly smaller than the induced excitation signal U E (t). An analog-to-digital converter (ADC) cannot analyze the combined signal, so the excitation signal must be removed from the received signal before using the ADC.

제거 코일과 수신 코일은 동일한 기하학적 매개 변수를 갖지만 코일 극성이 다르다. 수신 코일과 제거 코일은 직렬로 연결된다. 제거 코일 UC(t) 및 여기 신호 UE(t)에서 측정된 전압은 진폭은 같지만 방향은 반대이다(또는 UE(t)

Figure 112020114202208-pat00019
- UC(t)).The removal coil and the receiving coil have the same geometric parameters, but the coil polarity is different. The receiving coil and the removing coil are connected in series. The voltages measured at the cancellation coil U C (t) and the excitation signal U E (t) are equal in amplitude but opposite in direction (or U E (t)
Figure 112020114202208-pat00019
- U C (t)).

다음과 같이 수신 코일과 제거 코일의 신호를 결합하여 입자 신호 UP(t)를 측정할 수 있다.The particle signal U P (t) can be measured by combining the signals of the receiving coil and the removing coil as follows.

Figure 112020114202208-pat00020
Figure 112020114202208-pat00020

실제로는 제거 코일과 수신 코일을 동일하게 만드는 것은 쉽지 않다. 따라서, 따라서 본 실시예에서는 조정하기 위해 교정 코일(캘리브레이션 코일)이 추가된다. 교정 코일의 위치만 제어하면 되므로 더 편리하고, 교정 코일의 면적 이동이 제거 코일에 비해 작기 때문에 Ucalibration은 고해상도로 조정될 수 있다.In practice, it is not easy to make the removal coil and the receiving coil the same. Therefore, in this embodiment, a calibration coil (calibration coil) is added to adjust accordingly. It is more convenient because only the position of the calibration coil needs to be controlled, and since the area movement of the calibration coil is smaller than that of the removal coil, the Ucalibration can be adjusted with high resolution.

Figure 112020114202208-pat00021
Figure 112020114202208-pat00021

도 11은 코일의 감도를 설명하기 위한 그래프이다.11 is a graph for explaining the sensitivity of the coil.

장치 측정 결과, 반경 = 2.5cm. 그리고 / = 1.3 감도는 중앙에서 가장 좋다. 그리고 b = 2cm인 경우, 입자의 전체 신호는 수신 코일까지 0.3b = 0.6cm 거리에서 감지 할 수 있다. 3 차 고조파로만 감지하면 철분 측정 량은 1

Figure 112020114202208-pat00022
g이다.Device measurements, radius = 2.5 cm. And / = 1.3 Sensitivity is best in the center. And when b = 2cm, the entire signal of the particle can be detected at a distance of 0.3b = 0.6cm to the receiving coil. If only the 3rd harmonic is detected, the iron measurand is 1
Figure 112020114202208-pat00022
is g.

도 12는 코일의 감도를 설명하기 위한 측정결과를 나타내는 도면이다.12 is a view showing measurement results for explaining the sensitivity of the coil.

도 12는 수신된 신호의 주파수 범위 및 노이즈 수신 범위을 보여준다. 도 12를 참조하면, 3 차, 5 차, 7 차, 9 차 고조파를 사용하여 코일 감도를 100ng 미만으로 감지 할 수 있다.12 shows a frequency range and a noise reception range of a received signal. Referring to FIG. 12 , a coil sensitivity of less than 100 ng can be detected using the 3rd, 5th, 7th, and 9th harmonics.

예를 들어, 측정 MPI 적용에서, 바이러스 탐지의 경우 수신 신호의 주파수 범위는 15kHz ~ 40kHz이다. 신호의 순서는 3차부터 9차까지 사용될 수 있다. 필터의 신호 출력에 따라 2 차 이상의 신호를 추가 할 수 있다. 소음 수신은 백색 소음이므로 백색 소음 범위가 없다.For example, in measurement MPI applications, the frequency range of the received signal for virus detection is 15 kHz to 40 kHz. The order of the signal can be used from 3rd to 9th order. Depending on the signal output of the filter, a second or higher order signal can be added. Since noise reception is white noise, there is no white noise range.

측정 MPI 적용, 바이러스 탐지의 경우 자성 입자의 유형은 다음과 같다.In the case of measurement MPI application, virus detection, the types of magnetic particles are as follows.

직경 10 - 100 nm. 코어 크기 : 5 - 25 nm. 3 개의 자성 입자를 선택할 수 있다.10 - 100 nm in diameter. Core size: 5 - 25 nm. Three magnetic particles can be selected.

직경 45 - 65 nm; 5 - 6 nm 코어 크기 (Resovist, Meito Sangyo Co. Ltd).diameter 45 - 65 nm; 5 - 6 nm core size (Resovist, Meito Sangyo Co. Ltd).

직경 120 - 130 nm; 19nm 코어 크기 (Perimag).diameter 120 - 130 nm; 19nm core size (Perimag).

62 nm의 평균 직경; 4.2nm 코어 크기 (VivoTrax, Magnetic Insight)62 nm average diameter; 4.2nm core size (VivoTrax, Magnetic Insight)

도 13은 코일의 감도를 설명하기 위한 장치의 통합 측정방법을 나타내는 도면이다. 13 is a diagram illustrating an integrated measurement method of a device for explaining the sensitivity of a coil.

도 13을 참조하면, 하기의 관계가 성립한다.Referring to FIG. 13 , the following relationship is established.

Usignal = Up + UnoiseUsignal = Up + Unoise

여기서 Unoise 는 백색잡음이라고 가정한다.Here, it is assumed that Unoise is white noise.

통합신호는 다음 수식으로 표현될 수 있다.The integrated signal can be expressed by the following equation.

Figure 112020114202208-pat00023
Figure 112020114202208-pat00023

입자의 신호는 n 배의 이득으로 증폭되고 n이 충분히 큰 경우, 노이즈는 하기 식과 같이 표현될 수 있다.The signal of the particle is amplified with a gain of n times, and when n is sufficiently large, the noise can be expressed as the following equation.

Figure 112020114202208-pat00024
Figure 112020114202208-pat00024

따라서, 입자의 신호가 백색 잡음보다 작은 경우 통합 방식으로 입자 신호를 감지 할 수 있다.Therefore, when the particle signal is smaller than the white noise, the particle signal can be detected in an integrated manner.

통합 방식을 사용하기 때문에 신호에 들어오는 제한된 주파수는 ADC의 주파수 샘플링 속도에 따라 달라질 수 있다. ADC의 주파수 샘플링 속도가 얻은 주파수 고조파보다 작으면 프레임 시간이 정확하지 않으며 통합은 보정되지 않은 상태로 작동할 수 있다.Because of the integration method, the limited frequency entering the signal can vary depending on the frequency sampling rate of the ADC. If the ADC's frequency sampling rate is less than the frequency harmonics obtained, the frame time will not be accurate and the integration may operate uncorrected.

본 실시예에서 일 예로, 장치의 최대 주파수 샘플링 속도는 2MSp / s일 수 있다. 일 예로, 9 차 고조파의 주파수는 265.5kHz이다.As an example in this embodiment, the maximum frequency sampling rate of the device may be 2MSp/s. For example, the frequency of the ninth harmonic is 265.5 kHz.

도 14는 통합 측정밥법으로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.14 is a graph showing the results measured by the integrated measurement method.

반경 = 2.5cm 및 / = 1.3이고, 감도는 중앙에서 가장 좋다.Radius = 2.5 cm and / = 1.3, and the sensitivity is best in the center.

그리고 b = 2cm인 경우, 입자의 전체 신호는 수신 코일까지 0.3b = 0.6cm 거리에서 감지 할 수 있다. 통합 방식으로 3 차, 5 차, 7 차, 9 차 고조파를 감지한다. 그 결과, 철분의 검출량은 25ng이고, 2회 결과를 취하여 결과 수정 여부를 확인한다.And when b = 2cm, the entire signal of the particle can be detected at a distance of 0.3b = 0.6cm to the receiving coil. It detects the 3rd, 5th, 7th and 9th harmonics in an integrated way. As a result, the detected amount of iron is 25ng, and the result is checked by taking the result twice.

<캘리브레이션><Calibration>

도 10 내지 도 14에서 설명된 방법을 기초로, 캘리브레이션을 할 수 있다.Based on the method described with reference to FIGS. 10 to 14 , calibration may be performed.

실험 조건에서 여기 코일 내부의 자기장은 완벽하게 균일하지 않다. 따라서 MNP가 없는 상태에서 수신 코일과 제거코일의 직렬 연결에서 출력 신호는 크기가 48mV 인 평균 제곱근(rms)으로서 상당히 높다. Gradiometer 코일(경사 코일)에서 잔류 전압은 다음 식1과 같다.Under experimental conditions, the magnetic field inside the excitation coil is not perfectly uniform. Therefore, in the absence of MNP, in the serial connection of the receiving coil and the removing coil, the output signal is quite high as the root mean square (rms) with a magnitude of 48mV. The residual voltage in the gradiometer coil (gradient coil) is as follows.

Figure 112020114202208-pat00025
Figure 112020114202208-pat00025

여기서 Vrec, Vcali 및 Vcan은 각각 수신 코일, 교정 코일 및 제거 코일의 전압 진폭이고 α는 수신 코일 및 교정 코일의 총 신호와 제거 신호 간의 위상차이다. 잔류 전압을 0으로 감쇠하려면 α 위상은 -π가 될 필요가 있다. 그래야 Vresidual이 Vrec+Vcali-Vcan이 되고, Vcali 진폭의 조절로 Vresidual을 0으로 설정할 수 있기 때문이다. α 위상은 다음과 같이 주어진다.where Vrec, Vcali, and Vcan are the voltage amplitudes of the receiving coil, the correction coil, and the cancellation coil, respectively, and α is the phase difference between the total signal and the cancellation signal of the receiving coil and the correction coil. To attenuate the residual voltage to zero, the α phase needs to be -π. This is because Vresidual becomes Vrec+Vcali-Vcan, and Vresidual can be set to 0 by adjusting the amplitude of Vcali. The α phase is given by

Figure 112020114202208-pat00026
Figure 112020114202208-pat00026

위상차 α는 각각 수신 코일, 교정 코일 및 제거 코일의 인덕터 (Lrec, Lcali 및 Lcan)와 저항 (Rrec, Rcali 및 Rcan)에 따라 달라질 수 있다.The phase difference α may vary depending on the inductors (Lrec, Lcali, and Lcan) and resistors (Rrec, Rcali, and Rcan) of the receiving coil, the correction coil, and the removal coil, respectively.

도 15는 캘리브레이션 전과 후의 출력신호를 나타내는 도면이다.15 is a diagram illustrating an output signal before and after calibration.

LCR 미터 (B & K Precision Model 894)를 사용하여 각 코일의 인덕턴스와 저항을 측정하면 교정 코일의 와이어 회전을 조정하여 위상차 α를 실현할 수 있다. 위상차 α는 수신 코일 및 제거 코일에 비해 교정 코일의 길이와 회전이 작기 때문에 조정하기가 더 쉽다. 교정 후 경사계 코일의 출력 신호는 44dB의 감쇠로 약 5mV (도 15 참조)에서 상당히 작아지고 백색 가우스 잡음도 상당히 감소한 것을 확인할 수 있었다.Using an LCR meter (B&K Precision Model 894) to measure the inductance and resistance of each coil, the phase difference α can be realized by adjusting the wire rotation of the calibration coil. The phase difference α is easier to adjust because of the small length and rotation of the calibration coil compared to the receiving coil and the removing coil. After calibration, the output signal of the inclinometer coil became significantly smaller at about 5 mV (see FIG. 15) with an attenuation of 44 dB, and it was confirmed that the white Gaussian noise was also significantly reduced.

<측정 방법><Measurement method>

이하, 도 10 내지 도 15에서 설명된 방법을 기초로, 본 실시예의 MPS를 사용한 자기 입자 측정방법을 설명한다.Hereinafter, a method for measuring magnetic particles using the MPS of this embodiment will be described based on the method described in FIGS. 10 to 15 .

MPS는 ADC의 최상의 성능을 위해 3 번째에서 9 번째 (265.5kHz)까지 4 개의 홀수 고조파를 감지하도록 선택될 수 있다. 여러 고조파가 출력 신호에 참여하면 상당한 백색 가우스 잡음이 신호에 추가될 수 있다. 본 실시예의 자기 입자 분광기를 사용한 자기 입자 농도 측정에서는 백색 가우스 잡음을 줄이기 위해 전술된 통합 측정 방법을 사용한다.The MPS can be selected to detect the 4 odd harmonics from the 3rd to the 9th (265.5kHz) for the best performance of the ADC. If multiple harmonics participate in the output signal, significant white Gaussian noise can be added to the signal. In the magnetic particle concentration measurement using the magnetic particle spectrometer of this embodiment, the above-described integrated measurement method is used to reduce white Gaussian noise.

아래의 수식 3과 같이 1 회 프레임 (0.5ms)에서 측정된 경사계 코일의 출력 신호 usignal (t)에 MNP 신호 up (t)과 백색 가우스 잡음 신호 unoise (t) 만 포함된다고 가정한다.As shown in Equation 3 below, it is assumed that only the MNP signal u p (t) and the white Gaussian noise signal u noise (t) are included in the output signal u signal (t) of the inclinometer coil measured in one frame (0.5 ms).

Figure 112020114202208-pat00027
Figure 112020114202208-pat00027

아래의 수식4와 같이, 통합 신호 IntSig (t)는 n 프레임 동안 출력 신호의 합이 된다.As shown in Equation 4 below, the integrated signal IntSig (t) becomes the sum of the output signals for n frames.

Figure 112020114202208-pat00028
Figure 112020114202208-pat00028

통합 신호에서 n이 충분히 크면 백색 가우시안 잡음이 0 또는In the integrated signal, if n is large enough, the white Gaussian noise is zero or

Figure 112020114202208-pat00029
으로 향할 정도로 시간이 충분히 길어진다. 따라서 IntSig (t)의 rms 값이 최종 출력이 된다. 이렇게 하면 처음에는 잡음의 진폭이 MNP 신호의 진폭보다 크더라도 통합 신호가 명확하게 표시된다.
Figure 112020114202208-pat00029
time is long enough to go to Therefore, the rms value of IntSig(t) becomes the final output. This ensures that the integrated signal is clearly displayed even if the amplitude of the noise is initially greater than the amplitude of the MNP signal.

도 16은 서로 다른 농도의 샘플들에 대해 실험한 결과를 나타내는 도면이다.16 is a view showing the results of experiments on samples of different concentrations.

실제 실험한 결과를 설명하면 다음과 같다.The actual experimental results are described as follows.

<A. 샘플의 준비><A. Preparation of samples>

기본 농도가 55mg / ml 인 Meito Sangyo Company, Ltd. (일본 나고야 소재)의 Resovist 입자를 증류수와 혼합하여 테스트 샘플을 만들었다. 각 샘플은 100μl의 동일한 부피를 갖지만 도 16 (a)에서 볼 수 있듯이 철 질량은 25ng에서 10μg이다. MNP가 없는 증류수 샘플이 대조군으로 사용된다.Meito Sangyo Company, Ltd. with a base concentration of 55 mg/ml. (Nagoya, Japan) Resovis particles were mixed with distilled water to make a test sample. Each sample has the same volume of 100 μl but the iron mass ranges from 25 ng to 10 μg, as can be seen in Fig. 16(a). A sample of distilled water without MNP is used as a control.

<B. 결과><B. Result>

CBV를 검출하는 fMPI의 능력을 조사하기 위해 샘플을 MPS에 하나씩 배치했다. 저잡음 프리 앰프는 5 배의 이득을 가진 10 및 300 kHz의 차단 대역 통과 필터와 5 배의 이득을 가진 80 kHz의 고역 통과 필터가 설치되었다. 10μg, 5μg, 500ng, 25ng 샘플 테스트에서 얻은 출력 신호는 입자가 있는 샘플과 입자가 없는 증류수 샘플 간에 명확한 차이를 보여주었다. MNP가 10μg 인 시료와 MNP가 없는 증류수의 비교 결과는 직접 신호 측정으로 0.5 ms 내에서 얻어지고, 통합 방법으로 0.5 s(n=1000) 내에서 얻어졌으며, 이는 도 16(b) 및 (c)에 나타난다. 이 결과는 통합 방법이 측정 프로세스의 정확성을 유지할 수 있음을 보여준다.To investigate the ability of fMPI to detect CBV, samples were placed one by one in MPS. The low-noise preamplifier was equipped with cut-off bandpass filters of 10 and 300 kHz with a gain of 5x and a high-pass filter of 80 kHz with a gain of 5x. The output signals obtained from the 10 μg, 5 μg, 500 ng, and 25 ng sample tests showed a clear difference between the particles with and without particles. Comparison results of the sample with 10 μg MNP and distilled water without MNP were obtained within 0.5 ms with direct signal measurement and within 0.5 s (n=1000) with the integrated method, which were obtained in Figs. 16(b) and (c) appears in These results show that the integrated method can maintain the accuracy of the measurement process.

5μg, 500ng, 25ng (통합 2000 프레임, 10,000 프레임 및 200,000 프레임의 RMS 값)을 감지한 결과는 도 16 (d) - (f)에 나와 있다. 도 16 (d) - (f)의 선은 통합된 다중 프레임의 rms 값의 평균값으로 MNP를 감지하는 능력을 보여준다. 500ng 샘플의 신호도 0.5 초 이상 통합되었지만 신호는 증류수의 신호와 다르지 않았다. 그러나 500ng 샘플은 5 초 만에 성공적으로 검출되었다 [도 16 (e) 참조]. 500 ng에서 25 ng로 내려 가려면 감도가 20 배 증가해야 하므로 감지 시간 임계값을 100 초로 늘려야 한다. 도 16 (f)에서 보는 바와 같이 25ng 샘플로 테스트를 2 회 반복하여 측정의 정확성을 확인 하였다.The detection results of 5 μg, 500 ng, and 25 ng (RMS values of integrated 2000 frames, 10,000 frames, and 200,000 frames) are shown in FIGS. 16 (d) - (f). The lines in Fig. 16 (d) - (f) show the ability to detect MNP as the average value of the rms values of the integrated multiple frames. The signal from the 500 ng sample was also integrated over 0.5 s, but the signal was not different from that of distilled water. However, the 500 ng sample was successfully detected in 5 seconds (see Fig. 16(e)). Going down from 500 ng to 25 ng requires a 20-fold increase in sensitivity, so we need to increase the detection time threshold to 100 s. As shown in Fig. 16(f), the test was repeated twice with a 25ng sample to confirm the accuracy of the measurement.

도 16 (f)에서 볼 수 있듯이 25ng 철분 함량은 통합 방법을 사용하여 MPS로 검출 할 수 있다. 따라서 이 방법을 사용하여 쥐에 대한 목표 53ng 철분 함량을 감지 할 수도 있다. 본 실시예의 MPS는 25 ng / 100 μl 철을 검출 할 수 있기 때문에 MPI의 선택 필드를 적용하면 53 ng / 1.35 μl (한 복셀의 혈액 부피)의 더 큰 농도가 검출될 수 있다.As can be seen in Fig. 16(f), the 25 ng iron content can be detected by MPS using the integrated method. Therefore, this method could also be used to detect a target 53 ng iron content for rats. Since the MPS of this example can detect 25 ng/100 μl iron, a larger concentration of 53 ng/1.35 μl (blood volume of one voxel) can be detected by applying the selection field of MPI.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a dispersed form, and likewise components described as distributed may be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention.

D : 여기 코일 직경
R : 교정 코일 직경
b : 수신 코일과 제거 코일 간의 거리
D: Excitation coil diameter
R: Calibration coil diameter
b: distance between receiving coil and removing coil

Claims (10)

자기 입자 분광기에 있어서,
자기 입자를 자화시키는 자기장을 생성하는 여기 코일;
여기 코일 내에 삽입되며, 상기 자기 입자로부터의 입자신호를 수신하는 수신코일과, 상기 수신코일로부터 발생된 신호 중 일부를 상쇄시키는 제거 코일을 포함하는 경사계 코일;
상기 제거 코일 인근에 위치하며, 일부가 상기 여기 코일 내에 삽입되어 상기 여기 코일과 중첩되는 교정 코일; 및
상기 교정 코일의 상기 여기 코일 내로의 삽입 깊이를 조정하여, 상기 여기 코일과 중첩되는 권선수를 변경시키는 위치 조정부;를 포함하고
상기 위치 조정부에 의한 상기 교정 코일 위치 조정에 의해 상기 여기 코일 내부에 자기 입자가 없는 경우의 상기 경사계 코일의 출력 신호에 포함된 잔류 유도 전압을 교정하여 0에 근접시키는 것을 특징으로 하며,
상기 수신 코일 인덕턴스 L은 하기의 수학식을 따르는 것을 특징으로 하고,
Figure 112022046403645-pat00056

Figure 112022046403645-pat00057

상기 경사계 코일의 위상 교정은 상기 수식들에서
Figure 112022046403645-pat00058
=0으로 조정하기 위해 상기 교정 코일을 삽입함에 따라, L_receive와 R_receive는 증가하며, 상기 교정 코일의 삽입되는 권선수의 변경에 따라 (
Figure 112022046403645-pat00059
L_receive) /R_receive 이 비선형적으로 변경되는 것을 특징으로 하는, 자기 입자 분광기.
In a magnetic particle spectrometer,
an excitation coil that generates a magnetic field that magnetizes magnetic particles;
an inclinometer coil inserted into the excitation coil and including a receiving coil for receiving a particle signal from the magnetic particles, and a removal coil for canceling some of the signals generated from the receiving coil;
a calibration coil positioned near the removal coil, a portion of which is inserted into the excitation coil and overlaps the excitation coil; and
and a position adjusting unit for adjusting the insertion depth of the calibration coil into the excitation coil to change the number of turns overlapping the excitation coil.
It is characterized in that by correcting the residual induced voltage included in the output signal of the inclinometer coil when there are no magnetic particles inside the excitation coil by adjusting the position of the calibration coil by the position adjusting unit, it is close to zero,
The receiving coil inductance L is characterized in that it follows the following equation,
Figure 112022046403645-pat00056

Figure 112022046403645-pat00057

The phase correction of the inclinometer coil is
Figure 112022046403645-pat00058
As the calibration coil is inserted to adjust to =0, L_receive and R_receive increase, and according to the change in the number of inserted windings of the calibration coil (
Figure 112022046403645-pat00059
A magnetic particle spectrometer, characterized in that L_receive) /R_receive is changed non-linearly.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 수신 코일 및 상기 제거 코일은 상기 여기 코일에 대해 위치가 고정된 것을 특징으로 하는, 자기 입자 분광기.
The method according to claim 1,
wherein the receiving coil and the removing coil are fixed in position with respect to the excitation coil.
청구항 1에 있어서,
상기 위치 조정부는 나사를 포함하며,
상기 나사는 상기 교정 코일의 실린더 및 상기 여기 코일의 실린더와 나사결합되며, 상기 나사의 회전에 따라 상기 교정 코일의 상기 삽입 깊이가 조절되는 것을 특징으로 하는, 자기 입자 분광기.
The method according to claim 1,
The positioning unit includes a screw,
The screw is screwed with the cylinder of the calibration coil and the cylinder of the excitation coil, and the insertion depth of the calibration coil is adjusted according to the rotation of the screw.
청구항 1에 있어서,
상기 교정 코일의 삽입 깊이가 조절되어, 상기 여기 코일에서 발생되는 자기장과 크로스오버 또는 자기결합하는 코일의 권선수가 변경되고, 이를 통해 출력신호가 조절되는 것을 특징으로 하는, 자기 입자 분광기.
The method according to claim 1,
The insertion depth of the calibration coil is adjusted, the number of turns of the coil crossover or magnetically coupled to the magnetic field generated in the excitation coil is changed, characterized in that the output signal is adjusted through this, magnetic particle spectrometer.
청구항 1에 있어서,
상기 경사계 코일은 권선방향이 반대인 상기 수신 코일 및 상기 제거 코일을 포함하는 1차 코일인 것을 특징으로 하는, 자기 입자 분광기.
The method according to claim 1,
The inclinometer coil is a primary coil comprising the receiving coil and the removing coil having opposite winding directions, magnetic particle spectrometer.
청구항 6에 있어서,
상기 수신 코일 및 상기 제거 코일은 동일한 실린더에 감기고, 상기 제거 코일의 권선수는 상기 수신 코일의 권선수와 동일한 것을 특징으로 하는 자기 입자 분광기.

7. The method of claim 6,
The receiving coil and the removing coil are wound on the same cylinder, and the number of turns of the removing coil is the same as the number of turns of the receiving coil.

삭제delete 청구항 1에 있어서,
진폭 교정을 위해, 상기 위상 교정을 통해 결정된 상기 교정 코일의 캘리브레이션 턴수를 사용하여, 교정 코일이 여기 코일 내부를 따라 이동하면서 수신 코일의 진폭이 변경되고, 수신 코일과 제거 코일은 진폭 A1 및 A2를 유지하는 위치에 고정되는 것을 특징으로하는, 자기 입자 분광기.
The method according to claim 1,
For amplitude calibration, using the number of calibration turns of the calibration coil determined through the phase calibration, the amplitude of the receiving coil is changed as the calibration coil moves along the inside of the excitation coil, and the receiving coil and the canceling coil have amplitudes A1 and A2 A magnetic particle spectrometer, characterized in that it is fixed in a holding position.
청구항 1에 있어서,
상기 경사계 코일에서 잔류 유도 전압은 다음 식1과 같고,
Figure 112022046403645-pat00035

여기서 Vrec, Vcali 및 Vcan은 각각 수신 코일, 교정 코일 및 제거 코일의 전압 진폭이고 α는 수신 코일 및 교정 코일의 총 신호와 제거 신호 간의 위상차이며, 잔류 유도 전압을 0으로 감쇠하기 위해, α 위상은 -π가 되며, Vresidual이 Vrec+Vcali-Vcan이 되고, Vcali 진폭의 조절로 Vresidual을 0으로 설정하며,
Figure 112022046403645-pat00036

α 위상은 상기 식2와 같이 주어지는 것을 특징으로 하는, 자기 입자 분광기.
The method according to claim 1,
Residual induced voltage in the inclinometer coil is as shown in Equation 1 below,
Figure 112022046403645-pat00035

where Vrec, Vcali and Vcan are the voltage amplitudes of the receiving coil, the correction coil and the cancellation coil, respectively, and α is the phase difference between the total and cancellation signals of the receiving coil and the correction coil, to attenuate the residual induced voltage to zero, α phase is becomes -π, Vresidual becomes Vrec+Vcali-Vcan, and Vresidual is set to 0 by adjusting the amplitude of Vcali,
Figure 112022046403645-pat00036

α phase is a magnetic particle spectrometer, characterized in that given as in Equation 2 above.
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