KR20210008407A

KR20210008407A - 자기 입자 이미징 시스템 및 캘리브레이션 방법

Info

Publication number: KR20210008407A
Application number: KR1020207035514A
Authority: KR
Inventors: 캔 바리스 톱; 세르하트 일베이; 알퍼 군고르; 후세인 에미르 구벤; 톨가 쿠쿠르; 에미네 울쿠 사리타스 쿠쿠르
Original assignee: 아셀산 엘렉트로닉 사나이 베 티카렛 아노님 시르케티; 이산 도그라마시 빌켄트 유니버시테시
Priority date: 2018-05-11
Filing date: 2018-05-11
Publication date: 2021-01-21
Also published as: JP2021529639A; CN112400115A; CN112400115B; KR102487746B1; EP3791198A4; EP3791198B1; WO2019216839A1; JP7341224B2; US20210244309A1; EP3791198C0; EP3791198A1

Abstract

본 발명은 장면이 하나 이상의 방향으로 선형으로 움직이고 및/또는 하나 이상의 축에서 회전하는 시야보다 더 큰, 볼륨 내부에 분포된 여러 나노 입자 샘플을 포함하는 코딩 된 캘리브레이션 장면 및 추가로 코딩 된 캘리브레이션 장면을 움직이게 하기 위한 기계 시스템을 제안하는 자기장 생성기 및 측정 장치로 구성된 자기 입자 이미징 시스템을 캘리브레이션 하는 방법을 개시한다.

Description

자기 입자 이미징 시스템 및 캘리브레이션 방법

본 발명은 장면이 하나 이상의 방향으로 선형으로 움직이고 및/또는 하나 이상의 축에서 회전하는 시야보다 더 큰 볼륨 내부에 분포된 여러 나노 입자 샘플을 포함하는 코딩 된 캘리브레이션 장면 및 추가로 코딩 된 캘리브레이션 장면을 움직이게 하기 위한 기계 시스템을 제안하는 자기 입자 이미징 시스템을 캘리브레이션 하는 방법에 관한 것이다.

자기 나노 입자(Magnetic nanoparticle)는 혈관 조영술(angiography), 줄기 세포 추적(stem cell tracking), 암세포 이미징(imaging of cancerous cell) 및 표적 약물(targeted drug)과 같은 의학에서 다양한 용도로 사용될 수 있다. 자기 나노 입자는 자기 입자 영상(Magnetic Particle Imaging)(MPI)방법을 사용하여 비 침습적으로 이미지화 할 수 있다. 자기 입자 이미징 방법에서 이미지 재구성을 위해 두 가지 다른 방법이 표준으로 사용된다.

첫 번째는 특허번호 US8355771B2에 명시된 시스템 캘리브레이션 방법이다. 작은 볼륨의 나노 입자 샘플이 시스템의 캘리브레이션 데이터를 얻기 위해 시야에서 원하는 시스템 분해능 단계에서 기계적으로 스캔 된다[1]. 이 캘리브레이션 데이터(시스템 행렬이라고도 함)를 사용하여 이미지가 생성된다. 표준 시스템 캘리브레이션 방법에서, 캘리브레이션 측정은 샘플 나노 입자를 기계적으로 스캔하고 시야의 모든 그리드 지점에서 측정해야 하기 때문에 매우 오래 지속된다. 한 지점에서 다른 지점으로의 기계적 스캔 시간과 측정 데이터(measurement data) 수집에는 약 1.3 초가 걸린다 [2]. 30 x 30 x 30 그리드 포인트가 있는 작은 시야의 경우 캘리브레이션 시간은 9.75 시간이다. 임상 실습에서, 더 큰 이미징 볼륨의 캘리브레이션은 몇 달 동안 지속될 수 있다. 나노 입자 특성은 배치마다 다르며 이미징 순서의 영향도 받기 때문에 시스템을 자주 캘리브레이션 해야 할 필요가 있다. 따라서, 시야가 넓은 시스템에서는 표준 시스템 캘리브레이션 방법을 실제로 채택할 수 없다. 또한, 스캔 할 나노 입자는 이미지의 복셀 크기보다 작거나 같아야 하므로 스캔 된 샘플의 나노 입자 수가 제한되고 신호 대 잡음비가 작다. 신호 대 잡음비를 높이는 방법은 동일한 위치에서 여러 데이터를 수집하고 평균하는 것이다. 따라서, 기계적 동작은 연속적이지 않으며 모든 그리드 지점에서 스캐너를 중지하고 원하는 신호 노이즈 수준에 도달할 수 있도록 충분한 측정을 수행한 후 다음 지점으로 움직인다. 이것은 캘리브레이션 측정의 속도를 제한한다.

최근에, 출원 번호 US20150221103A1에 캘리브레이션 방법이 제안되어 있으며, 여기서 나노 입자 샘플은 시야의 총 복셀(voxel) 수보다 훨씬 적은 임의의 위치에서 스캔 된다. 이것은 압축 감지 이론(sensing theory) [3]에 따르면 시스템 행렬(system matrix)이 특정 변형 영역(certain transform domain)(이산 푸리에, 코사인 또는 체비쇼프)에서 희소하기 때문에 가능하다. 이 방법은 스캔 포인트의 수를 80-90 %까지 줄일 수 있음이 밝혀졌다. 시야에 있는 모든 복셀(N)에서 측정하는 대신, 압축 감지 기술을 사용하여 임의의 M(<N) 복셀 위치에서 측정 횟수를 줄여 시스템 캘리브레이션을 수행할 수도 있다. M이 분석적으로 얼마나 작아야 하는지 계산할 수 없기 때문에, M/N 비율은 이미지 품질에 따라 선택해야 한다. 실험 이미지는 위에서 언급한 참조에서 얻었다. M/N = 0.1에서는 이미지 품질이 허용되지만 M/N 비율이 낮을수록 화질이 크게 저하되었다. 이 방법을 사용하면 캘리브레이션 시간을 10 배 줄일 수 있지만, 샘플이 기계적으로 스캔되기 때문에 여전히 매우 긴 캘리브레이션 시간이 필요하며, 즉 200 x 200 x 200 포인트의 측정 영역은 측정하는 데 10 일 이상 걸린다.

두 번째 재구성 방법은 출원 번호 EP3143929A1에서 사용되는 X 공간 접근 방식(X-space approach)이다. 이 방법에서. 캘리브레이션 단계가 없다; 이미지는 자기 입자 이미징을 위한 신호 방정식 모델을 사용하여 생성된다. 이미지 재구성은 MPI 신호 방정식을 사용하여 시간 영역에서 수행된다. 이 방법에서, 이상적인 MPI 하드웨어와의 편차는 고려되지 않으며 해상도는 시스템 캘리브레이션 방법보다 낮다.

에이 본 글라디스 등(A von Gladiss et al.) [2]은 캘리브레이션 절차를 가속화하기 위한 전자 캘리브레이션 방법을 개시한다. 나노 입자 샘플은 MPI 시스템에서 나노 입자 샘플이 노출되는 자기장을 모방하는 모든 방향의 균일한 자기장을 생성할 수 있는 별도의 캘리브레이션 장치에 배치된다. 이 방법은 표준 방법보다 빠른 캘리브레이션을 제공하지만, 별도의 캘리브레이션 장치를 사용해야 하며; MPI 시스템의 자기장 분포는 시야에서 별도로 측정해야 하며; 및 캘리브레이션 단위 측정은 MPI 시스템 측정과 관련되어야 한다. MPI 시스템의 자기장 분포 측정은 표준 시스템 캘리브레이션 측정의 경우와 같이 시야의 각 복셀에서 기계적 스캐닝을 필요로 하기 때문에, 전자 캘리브레이션의 장점은 제한적이다.

[1] Weizenecker J,　Gleich B,　Rahmer J,　Dahnke H, Borgert J(2009) . Three-dimensional real-time in vivo magnetic particle imaging,　Phys Med Biol.　2009;54:　L1-L10. [2] A. von Gladiss, M. Graeser, P. Szwargulski, T. Knopp and T. M. Buzug. Hybrid system calibration for multidimensional magnetic particle imaging. Phys. Med. Biol., vol. 62, no. 9, pp. 3392, 2017. [3] Compressed Sensing Theory and Applications, Ed. By Y. C. Eldar, G. Kutyniok, Cambridge University Press, New York, 2012. [4] B. Gleich and J. Weizenecker. Tomographic imaging using the nonlinear response of magnetic particles. Nature, 435(7046):1217-1217, 2005. doi: 10.1038/nature03808. [5] T. Knopp, J. Rahmer, T. F. Sattel, S. Biederer, J. Weizenecker, B. Gleich, J. Borgert, and T. M. Buzug. Weighted iterative reconstruction for magnetic particle imaging. Phys. Med. Biol., vol. 55, no. 6, pp. 1577-1589, 2010. doi:10.1088/0031-9155/55/6/003. [6] G. R. Arce, D. J. Brady, L. Carin, H. Arguello, and D. S. Kittle, "Compressive Coded Aperture Spectral Imaging," IEEE Signal Processing Magazine, vol. 31, no. 1,pp. 105-115, 2014. [7] S. Ilbey et al., "Comparison of system-matrix-based and projection-based reconstructions for field free line magnetic particle imaging," International Journal on Magnetic Particle Imaging, vol. 3, no. 1, 2017. [8] H. E Guven, A. Gungor, and M. Cetin, "An Augmented Lagrangian Method for Complex-Valued Compressed SAR Imaging," IEEE Trans. Comput. Imaging, 2(3):235-250, 2016.

본 발명에서, MPI 시스템의 캘리브레이션을 위해 코딩 된 캘리브레이션 장면이라고 하는 대형 캘리브레이션 장치가 제안된다. 코딩 된 캘리브레이션 장면에는 여러 위치에 있는 나노 입자 샘플(single nanoparticle sample)이 포함된다. 하나 이상의 방향으로 선형으로 움직이거나 하나 이상의 축을 중심으로 회전한다. 이 움직임 중에, 캘리브레이션 측정 데이터(measurement data)는 코딩 된 캘리브레이션 장면의 특정 위치에서 수집된다. 이 측정 데이터를 압축 감지 방법(compressed sensing method)과 함께 사용하여 시스템 행렬이 생성된다. 이 방법을 사용 가능한 다른 방법과 구별하는 장점은 다음과 같다:

최첨단의, 미국 특허 번호 US20150221103A1, 단일 나노 입자 샘플은 MPI 시스템 캘리브레이션을 위해 시야에 있는 총 복셀 수(N)에서 무작위로 또는 의사 무작위로 선택된 M 복셀에 대해 기계적으로 스캔 된다. 본 발명에서, 캘리브레이션 장치가 제안되고, 이는 다수의 나노 입자 샘플을 포함하고 적어도 한 방향에서 이미징 시스템의 시야보다 크다. 따라서, 수신된 신호의 레벨은 단일 나노 입자 샘플에서 수신된 신호의 레벨에 비해 훨씬 높다. 이를 통해 캘리브레이션 장면의 지속적인 움직임 중에 측정을 수행할 수 있으므로, 캘리브레이션 절차가 상당히 빨라진다. 또한, 단일 측정에서 서로 다른 위치에 있는 나노 입자 샘플이 동시에 측정되므로 각 측정의 정보 내용이 증가된다. 따라서, 더 적은 수의 측정을 사용하여 시스템 캘리브레이션 행렬을 구성할 수 있다. 이는 시야가 넓은 시스템에 이점을 제공한다. 에이 본 글라디스 등(A von Gladiss et al. [2])에 의해 제안된 방법에서, 나노 입자 특성화를 위해 별도의 캘리브레이션 장치가 사용된다. 따라서, MPI 시스템의 시야에서 자기장 측정이 필요하다. 본 발명에서, 모든 효과(자기장 불균일성, 나노 입자 반응)는 단일 캘리브레이션 스캔에서 고려된다.

도 1은 자기 입자 이미징 설정의 보어 단면, 두 영역과 균일한 2 차 자기장이 있는 비균질 1 차 자기장 및 시야를 보여준다.
도 2는 가설적으로 작은 복셀과 나노 입자가 포함된 샘플을 사용하는 캘리브레이션 설정으로 분할된 전체 시야를 보여준다.
도 3은 다수의 나노 입자 샘플이 볼륨 내부에 무작위로 또는 의사 무작위로 분포된 코딩 된 캘리브레이션 장면을 보여준다.
도 4는 시뮬레이션 모델을 사용하여 동일한 노이즈 레벨에 대해 제안된 방법과 표준 압축 감지 방법의 비교를 보여준다. 제안된 방법은 더 적은 수의 측정(M)으로 더 나은 이미지 품질을 보여준다.
도 5와 6은 각각 0도 및 45도 각도에서 구형 캘리브레이션 장면의 나노 입자 위치를 보여준다.
도 7은 한 축에서 회전하고 다른 축에서 슬라이드 하는 구형 캘리브레이션 장면을 보여준다.
도 8은 캘리브레이션 스테이지와 회전 메커니즘이 서로 다른 회전 축을 중심으로 회전하는 것을 보여준다.
도 9와 10은 구형 캘리브레이션 장면과 구형 캘리브레이션 장면의 선형 및 회전 움직임을 위한 외부 메커니즘을 각각 평면도와 측면도에서 보여준다.
도 11은 얇은 채널로 서로 연결된 나노 입자 챔버와 채워지거나 배출되는 하나 이상의 지점을 포함하는 캘리브레이션 장면을 보여준다.
도 12는 막대 모양의 나노 입자 표본이 있는 구형 장면을 보여준다.
도 13은 슬라이딩 벨트에서 직선 운동을 하는 긴 직사각형 프리즘으로 설계된 캘리브레이션 장면을 보여준다.
도 14와 15는 원통형 캘리브레이션 장면과 위쪽과 측면에서 장면의 선형 및 회전 움직임을 위한 외부 메커니즘을 각각 보여준다.
도 16은 나노 입자 샘플에 대한 원주 형 공동이 있는 원통형 캘리브레이션 장면을 보여준다.
도 17은 입력 및 출력이 있는 3 차원의 복잡한 곡선 형태의 얇은 튜브가 있는 원통형 캘리브레이션 장면을 보여준다.
부품 표시
1. MPI 시스템(MPI system)
2. 1 차 자기장(Primary magnetic field)
3. 1 차 자기장의 제1 영역(First zone of the primary magnetic field)
4. 1 차 자기장의 제2 영역(Second zone of the primary magnetic field)
5. 2 차 자기장(Second zone of the primary magnetic field)
6. 시야(Field of view)
7. 복셀(Voxel)
8. 자기 나노 입자 샘플(Magnetic nanoparticle sample)
9. 기계 스캐너(Mechanical scanner)
10. 코딩 된 캘리브레이션 장면(Coded calibration scene)
11. 구면 캘리브레이션 장면(Spherical calibration scene)
12. 회전 중심(Rotation center)
13. 한 축을 중심으로 캘리브레이션 장면을 전환하고 회전하는 메커니즘
14. 두 축을 중심으로 캘리브레이션 장면을 전환하고 회전하는 메커니즘
15. 캘리브레이션 장면을 전환하고 회전하기 위한 보조 기계 시스템(Auxiliary mechanical system)
16. 레일 슬라이드(Railed slide)
17. 회전축(Rotation axis)
18. 얇은 채널(Thin channel)
19. 열기(Opening)
20. 막대 모양의 나노 입자 샘플(Rod shaped nanoparticle sample)
21. 직사각형 프리즘 캘리브레이션 장면(Rod shaped nanoparticle sample)
22. 슬라이딩 벨트(Sliding belt)
23. 광학 반사경(Optical reflector)
24. 레이저 추적기(Laser tracker)
25. 원통형 캘리브레이션 장면(Cylindrical calibration scene)
26. 기둥형 공동(Columnar cavity)
27. 캘리브레이션 장면 내부에 자기 나노 입자를 채우기 위한 입력
28. 캘리브레이션 장면 내부의 자기 나노 입자 배출을 위한 출력
29. 얇은 튜브(Thin tube)

도 1과 같이 자기장 발생기(magnetic field generator)와 측정 장치(measurement device)로 구성된 MPI 시스템(1)에서, 자기 나노 입자의 분포는 두 개의 영역이 있는 비균질 1 차 자기장(non-homogeneous primary magnetic field)(2)을 사용하여 이미지화 된다[4]. 이 두 영역 중 제1 영역(3)은 자기장 강도가 매우 낮으며 자기장 없는 구역(Field Free Region)(FFR)이라 한다. FFR의 자기 나노 입자는 2 차 외부 자기장(secondary external magnetic field)(5)의 방향으로 자화될 수 있다. 제2 영역(second zone)(4)에서, 자기장 강도가 높고 이 영역의 자기 나노 입자는 포화 상태이다. 따라서 2 차 자기장(secondary magnetic field)(5)에 미미하게 반응한다. 2 차 자기장(5)은 시변 자기장으로서 전체 시야(entire field of vie)(6)에 적용된다. FFR에서 자기 나노 입자의 시간에 따른 자화는 수신 코일(들)에 의해 측정된다. 측정된 신호의 진폭은 FFR의 나노 입자 수에 정비례한다. FFR은 시야(6)에서 나노 입자 분포를 얻기 위해 시야(6) 전체에 걸쳐 전자적 또는 기계적으로 스캔 된다. 자기 나노 입자는 비선형 자화 곡선을 가지므로, FFR의 입자에서 수신된 신호에는 전송된 신호 주파수의 고조파가 포함된다. 수신된 신호 속성은 나노 입자의 속성(크기, 모양, 재료 등)과 나노 입자 환경(점도, 온도) 및 이미징 시스템의 자기장 속성에 따라 다르다. MPI에서는 이러한 모든 효과를 고려한 시스템 캘리브레이션 방법에 기반한 이미지 재구성 방법을 사용하여 최상의 이미지 품질을 얻을 수 있다[5].

시스템 캘리브레이션 이미지 재구성 방법에서, 우선 전체 시야(6)는 가상적으로 작은 복셀(7)로 나뉜다. 시스템 행렬은 복셀(7) 크기의 자기 나노 입자로 채워진 샘플(8)을 사용하여 형성된다. 이를 위해, 나노 입자를 포함하는 샘플(8)은 기계적 스캐너(9)를 사용하여 모든 복셀 위치로 스캔 된다. 2 차 자기장 신호가 인가되고 수신 코일에 의해 수신된 나노 입자 신호는 디지털 저장 장치(예를 들어, 하드 디스크)에 저장된다. 실제로, 측정 데이터는 동일한 복셀 포인트에서 여러 번 획득되며 측정 데이터를 평균화하여 신호 대 노이즈 비율이 증가한다. 단일 복셀에서 측정된 신호는 푸리에 변환을 사용하여 주파수 도메인으로 변환되어 시스템 행렬(A)의 열을 형성한다. 전체 시스템 행렬은 모든 복셀 위치에서 측정을 수행하여 생성된다. 이 과정을 캘리브레이션 단계라고 한다.

이미징의 경우, 측정 데이터는 물체 내부의 FFR을 스캔하여 수집되며 이 측정 데이터와 시스템 행렬을 사용하여 이미지가 재구성된다. 이를 위해 선형 방정식 세트 Ax = b가 해결된다. 이 방정식 세트에서 A는 시스템 행렬, b는 물체에서 측정한 벡터, x는 물체 내부의 나노 입자 분포이다. 시스템 행렬 캘리브레이션 방법의 가장 큰 단점은 긴 지속 시간이다(복셀 당 약 1.3 초에 복셀 수를 곱한 값) [2]. 또한, 나노 입자의 샘플 크기가 매우 작기 때문에, 신호 레벨이 낮고, 여러 번 측정하여 신호 대 잡음비를 증가시켜야 한다. 이는 지속적인 기계적 스캔을 방지하여 측정 기간을 연장시킨다.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 코딩 된 캘리브레이션 장면(10)의 사용을 제안한다. 코딩 된 캘리브레이션 장면은 볼륨 내부에 분포된 다수의 나노 입자 샘플을 포함하는 장치로 정의할 수 있다. 이 방법에는 다음과 같은 장점이 있다. 신호 레벨은 캘리브레이션 스캔에 사용되는 입자 수에 비례하여 증가하고 압축 감지 문제의 상태가 증가한다[6]. 그 결과, 탐욕적 재구성 알고리즘(greedy reconstruction algorithm), 대략적 메시지 전달(approximate message passing), 최적화 기반 기술(optimization based techniques) 등[3]과 같은 압축 감지 알고리즘(compressed sensing algorithm)을 사용하여 더 적은 수의 측정으로 캘리브레이션이 가능하다.

압축 감지 이론에 따르면, 캘리브레이션 장면과 서로의 상관 관계(correlation)를 최소화해야 한다. 이러한 이유로, 나노 입자는 각 캘리브레이션 장면에서 무작위로 또는 의사 무작위로 배포될 수 있다.

이 방법의 구현은 다음과 같다: 측정할 캘리브레이션 장면의 수 M은 미리 결정된다. 이를 위해, 이미징 시스템의 시뮬레이션 모델을 사용할 수 있거나, 생성된 이미징 시스템의 시스템 테스트 중에 여러 캘리브레이션 장면이 생성된다. 새로운 장면은 임상적 관점에서 이미지 품질이 충분한 수준에 도달할 때까지 측정된다. 측정 데이터는 M 코드 캘리브레이션 장면에 대해 수집 및 기록된다. 이러한 측정이 수행되면, 시스템 행렬 A는 다음 최적화 문제(optimization problem)를 사용하여 재구성된다:

여기서 P는 측정된 코딩 된 캘리브레이션 장면에 대한 나노 입자 밀도 행렬(nanoparticle density matri)이고, D는 이산 푸리에 변환(discrete Fourier transform), 이산 체비쇼프 변환(discrete Chebyshev transform), 이산 코사인 변환(discrete cosine transform) 또는 벡터가 원래 도메인보다 적은 계수로 표현될 수 있는 다른 변환과 같은 희소 변환(sparsifying transform)과 연관된 변환 행렬(transformation matrix)이고; A_p는 각 측정 위치에 대해 푸리에 공간으로 변환된 측정 행렬(measurement matrix)이고; ε _p 는 시스템 노이즈(system noise)로 인한 오류와 관련된 상수를 나타낸다. 문헌의 다른 알고리즘을 사용하여 위의 최적화 문제를 해결할 수 있다(예를 들어, 빠른 반복 위축 임계 알고리즘(FISTA)(Fast Iterative Shrinkage Thresholding Algorithm), 곱셈기의 교번 방향 방법(ADMM)(Alternating Direction Method of Multipliers) [7]). 또한, 유사한 정규화 함수를 추가하거나 제한되지 않은 형식을 사용하는 것은 본 발명의 설명된 이점을 변경하지 않는다.

이 방법은 도 4에 표시된 시뮬레이션 모델을 사용하여 동일한 소음 수준에 대한 표준 압축 감지 방법(compressed sensing method)과 비교된다. N = 3200 픽셀의 물체는 M = 2560 캘리브레이션 포인트(calibration point) 및 M = 320 코딩 된 캘리브레이션 장면이 있는 표준 압축 감지 캘리브레이션 방법(standard compressed sensing calibration method)을 사용하여 이미지와 됐다. 결과적인 이미지 품질은 표준 압축 감지 방법에 비해 열악한 반면 코딩 된 캘리브레이션 장면에서는 고품질 이미지를 얻었다.

일 실시예에서, 부등식(inequality)에 주어진 문제의 해결 시간을 단축하기 위해 하다마드(Hadamard) 행렬과 같이 빠르게 변환될 수 있는 영역에서 P로 표현되는 임의의 점을 선택할 수 있다. 이 경우, P 행렬은 마스크 된 단일 변환으로 표현할 수 있다. 이전에 최적화 문제는 마스킹 된 단일 변환 공간을 포함하는 상황에서 효율적으로 해결될 수 있음이 입증되었다[8]. 이러한 방식으로 해결 시간 문제를 더욱 줄일 수 있다.

실제로, 코딩 된 캘리브레이션 장면 사이를 스위칭 하는 시간은 단일 코딩 된 캘리브레이션 장면의 측정 시간보다 훨씬 길 것이다. 따라서 총 캘리브레이션 기간은 사용된 코딩 된 캘리브레이션 장면의 총 수와 코딩 된 캘리브레이션 장면의 변경(교체)에 필요한 시간에 의해 결정된다. 이 문제를 완화하기 위해, 본 발명에서는 적어도 한 방향으로 시야보다 큰 캘리브레이션 장면을 제안한다. 캘리브레이션 장면을 하나씩 변경하는 대신, 장면이 하나 이상의 방향으로 선형 움직임 및/또는 하나 이상의 중심점(center point)에서 회전된다. 연속 움직임 중에 특정 위치에서 캘리브레이션 측정이 이루어진다. 이미징 시야에서 나노 입자 분포는 시간의 함수로 변경한다. 따라서, 다른 시점에서 캘리브레이션 장면의 다른 부분이 시야에 나타난다. 바람직한 실시예에서, 측정은 캘리브레이션 장면의 연속 동작 중에 수행된다. 이는 캘리브레이션 장면에 사용된 많은 나노 입자로 인해 신호 노이즈 비율이 높을 때 가능하다. 결과적으로 측정을 반복하고 평균화할 필요가 없다. 이러한 방식으로 측정 시간을 대폭 단축할 수 있다. 결과적으로, 높은 이미지 품질을 얻기 위해 시스템을 자주 캘리브레이션할 수 있다.

캘리브레이션 장면에서 나노 입자 샘플의 위치를 정확하게 알고 있어야 한다. 캘리브레이션 장면은 고정밀 생산 방법()으로 생성할 수 있으며 및/또는 X-ray 이미징과 같은 고해상도 이미징 방법으로 생산 후 측정할 수 있다.

캘리브레이션 장면은 선형 및/또는 원형으로 움직일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 구형 캘리브레이션 장면(spherical calibration scene)은 한 축을 중심으로 회전하고 K도 간격으로 측정된다. 캘리브레이션 장면에서 나노 입자 샘플(8)의 위치는 회전 각도의 함수로 변경된다. 예를 들어, 0도 및 45도 각도에서 구형 캘리브레이션 장면(11)의 나노 입자 위치는 각각 도 5와 6에 나와 있다. 각 회전 각도에 대해, 시야 그리드에서 나노 입자의 새 위치, 및 새 위치의 각 그리드 점에서 나노 입자 밀도가 계산된다. 이 계산의 오류는 회전 메커니즘의 회전 측정 정확도에 따라 달라진다. 이 정확도가 충분하지 않은 경우 레이저 추적기 또는 유사한 목적의 장치와 같은 고감도 위치 추적기를 사용하여 새 위치를 정확하게 측정할 수 있다. 높은 정확도로 시스템 행렬을 얻기 위해, 측정 데이터의 양을 늘리기 위해 서로 상이한 회전 중심(rotation center)(12)의 수(L)에서 프로세스를 반복할 수 있다. 총 측정 횟수는 M =(360/K) * L이다. 이러한 측정이 완료되면, 시스템 행렬은 위에서 언급한 부등식에 주어진 최적화 문제를 해결하여 재구성된다. 부등식에서, P는 각 측정 위치에서 시야의 나노 입자 밀도 분포를 포함하는 행렬이다.

하나의 축(axis)(13)을 중심으로 캘리브레이션 장면을 변환하고 회전하는 메커니즘을 사용하여 캘리브레이션 장면을 움직이고 및/또는 회전할 수 있다. 캘리브레이션 장면을 회전하는 데 필요한 메커니즘(13)은 통합 장치 또는 MPI 시스템(1)의 외부 장치로 설계할 수 있다. 예시적인 실시예가 도 7에 도시되어 있다. 여기에서, 구형 캘리브레이션 장면(spherical calibration scene)(11)은 한 축에서 회전하고 다른 축에서 미끄러진다. 이런 식으로, 시야 중심과 관련하여 서로 다른 회전 중심에서 캘리브레이션 장면을 측정하고 캘리브레이션 장면 측정의 다양성을 높일 수 있다. 선형 슬라이딩 동작과 회전 동작은 캘리브레이션 중에 연속적으로 수행될 수 있어 계단 형 동작에 비해 캘리브레이션 시간을 줄일 수 있다.

두 축(14)을 중심으로 캘리브레이션 장면을 전환하고 회전하는 메커니즘은 도 8과 같이 서로 상이한 회전 축을 중심으로 회전하도록 설계할 수도 있다. 이 경우, P 행렬의 자기 상관(autocorrelation) 조건을 개선할 수 있으며 이는 최적화 문제의 해결에 도움이 된다. 방법의 구현에서, 캘리브레이션 장면과 회전 메커니즘은 또한 MPI 시스템의 기계적 요구 사항에 따라 외부 장치로 설계될 수도 있다. 이러한 구현은 도 9 및 도 10에 나와 있다. 도 9에서, 구형 캘리브레이션 장면(11)이 평면도에 나타나 있으며, 이는 레일이 있는 슬라이드(16)에서 선형 슬라이딩 움직임을 하고 릴 시스템에 의해 회전 축(17)을 중심으로 회전 움직임을 한다. 도 10은이 캘리브레이션 시스템의 측면도를 보여준다. 캘리브레이션 장면(15)을 전환하고 회전하기 위한 보조 기계 시스템에는 캘리브레이션 장면의 선형 및 회전 움직임을 수행하는 데 필요한 장비(모터, 인코더, 모션 전송 요소 및 컴퓨터 제어 인터페이스)가 포함된다. 바람직한 실시예에서 기계 시스템(mechanical system)은 MPI 시스템(1)과 통신하여 캘리브레이션 장면을 사용하여 캘리브레이션 절차를 수행하는 제어 유닛(control unit)을 포함한다. 이를 위해, 제어 유닛은 전자적 수단을 통해 MPI 시스템에서 캘리브레이션 장면의 필요한 위치를 수신한다. 캘리브레이션 장면을 필요한 위치로 움직이고, 기계 시스템의 인코더 및/또는 캘리브레이션 장면의 위치를 측정하는 추적 장치(tracking device)에서 얻은 캘리브레이션 장면의 위치 정보를 출력한다.

캘리브레이션 장면은 다양한 나노 입자를 빠르게 채울(비울) 수 있어야 한다. 일 실시예에서, 3 차원 코딩 된 캘리브레이션 장면은 나노 입자 샘플이 변경될 수 있도록 기계적으로 분리 가능한 복수의 층에 의해 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 단일 층 캘리브레이션 장면은 2 차원에서 캘리브레이션을 위해 사용될 수 있다. 3 차원 시야를 캘리브레이션하기 위해 3 차원에서 기계적으로 스캔 할 수 있다. 도 11은 다른 실시예를 도시한다: 캘리브레이션 장면은 얇은 채널(thin channel)(18)에 의해 서로 연결된 나노 입자 챔버와 캘리브레이션 장면 내부의 자기 나노 입자를 채우거나 배출하기 위한 개구(opening)(19)를 포함한다. 캘리브레이션 장면은 구조를 나노 입자로 채우거나 비우기 위한 하나 이상의 구멍이 있는 중공 구조이다.

캘리브레이션 장면에 있는 나노 입자 샘플은 단일 복셀(10)에 맞지 않아도 된다. 장면에는 다양한 크기와 모양의 나노 입자 샘플이 포함될 수 있다. 예를 들면, 나노 입자 샘플은 구형, 타원형 또는 직사각형 프리즘과 같은 모든 모양 일 수 있으며 많은 복셀을 덮을 수 있다. 일 실시예에서, 도 12와 같이 막대 모양의 나노 입자 샘플(20)이 있는 구형 장면이 고려된다. 막대(rod)는 쉽게 꺼내서 장면에 삽입할 수 있다. 캘리브레이션 장면은 구, 원통, 큐브, 직사각형 프리즘과 같은 임의의 모양으로 생성할 수 있다.

도 13에 도시된 다른 실시예에서, 긴 직사각형 프리즘으로 설계된 캘리브레이션 장면(21)은 슬라이딩 벨트(22)에서 선형 운동만 한다. 시야각을 통해 특정 위치에서 캘리브레이션 측정이 이루어진다. 도 13은 또한 움직임 중 정확한 위치 측정을 보장하기 위한 광학 반사경(optical reflector)(23) 및 레이저 추적기(laser tracker)(24)를 보여준다. 움직임을 추적하기 위해 하나 이상의 반사경을 캘리브레이션 장면에 부착할 수 있다.

도 14 및 15에 도시된 실시예에서, 원통형 캘리브레이션 장면(25)이 사용된다. 캘리브레이션 장면의 볼륨이 더 넓기 때문에 도 9 및 10에 제공된 캘리브레이션 장면에 필요한 것보다 적은 회전 수로 캘리브레이션을 수행할 수 있다. 그러나, 이러한 캘리브레이션 장면에는 개방형 보어 MPI 시스템(open bore MPI system)에 적합할 수 있는 큰 개구가 필요하다.

도 16은 빠르게 채워지고 비울 수 있는 나노 입자 샘플을 위한 기둥형 공동(columnar cavities)(26)을 포함하는 실시예를 보여준다.

도 17은 채우기 위한 단일 입력(27) 및 캘리브레이션 장면 내부의 자기 나노 입자를 배출하기 위한 출력(28)을 갖는 3 차원의 복잡한 곡선 형태의 얇은 튜브(29)를 포함하는 실시예를 보여준다. 캘리브레이션 장면은 나노 입자로 튜브를 채우거나 비우기 위해 캘리브레이션 장면을 횡단하는 임의 경로의 단일 또는 복수의 튜브를 포함할 수 있다.

Claims

시야의 자기 입자 이미징을 수행하기 위한 자기 입자 이미징 시스템의 캘리브레이션 방법에 있어서;

하나 이상의 방향(들)으로 선형으로 캘리브레이션 장면을 움직이고 및/또는 기계 시스템을 통해 하나 이상의 축을 중심으로 회전하는 단계,

상기 캘리브레이션 장면의 복수의 위치에서 상기 시야에서 자기장 없는 영역을 스캔 하는 단계 및 상기 캘리브레이션 측정 데이터를 획득하는 단계,

데이터 획득 중에 상기 측정 데이터와 상기 캘리브레이션 장면의 위치 정보를 사용하여 압축 감지 방법으로 시스템 행렬을 재구성하는 단계
를 포함하는
캘리브레이션 방법.
제1항에 있어서,
부등식에 대한 최적화 문제:

를 사용하여 상기 시스템 행렬을 재구성하는 단계를 포함하고,
여기서, P는 각 측정 위치에서 시야의 나노 입자 밀도 분포이고; D는 시스템 행렬 인 A에 대한 희소 변환과 관련된 행렬이고; A_p는 코딩 된 캘리브레이션 장면의 각 측정 위치에 대해 푸리에 공간으로 변환된 측정 행렬이고; ε_p는 시스템 노이즈로 인한 오류와 관련된 상수를 나타내는
자기 입자 이미징 시스템의 캘리브레이션 방법.
제1항에 있어서,
상기 캘리브레이션 장면이 계속 움직이거나 회전하는
자기 입자 이미징 시스템의 캘리브레이션 방법.
제1항에 있어서,
상기 캘리브레이션 장면은 복수의 나노 입자 샘플을 포함하는
자기 입자 이미징 시스템의 캘리브레이션 방법.
제1항에 있어서,
상기 캘리브레이션 장면의 상기 나노 입자는 무작위로 또는 의사 무작위로 분포되는
자기 입자 이미징 시스템의 캘리브레이션 방법.
제1항에 있어서,
상기 캘리브레이션 장면의 상기 나노 입자는 두 끝에서 채우고 및 비우기 위해 연결되어 분포되는
자기 입자 이미징 시스템의 캘리브레이션 방법.
제1항에 있어서,
상기 캘리브레이션 장면의 위치는 데이터 획득 중에 상기 캘리브레이션 장면의 위치를 측정하기 위해 추적 장치를 사용하여 지속적으로 모니터링 되는
자기 입자 이미징 시스템의 캘리브레이션 방법.
자기 입자 이미징 시스템을 위한 캘리브레이션 장치에 있어서,

MPI 시스템의 시야 보다 큰, 볼륨 내에 분포된 나노 입자 샘플이 있는 캘리브레이션 장면,

하나 이상의 방향으로 선형 움직임 및/또는 상기 캘리브레이션 장면의 하나 이상의 축을 중심으로 회전 움직임을 수행하는 기계 시스템
을 포함하는
캘리브레이션 장치.
제8항에 있어서,
상기 캘리브레이션 장면의 외부 형상은 직사각형 프리즘, 원통, 구 또는 임의의 모양 인
캘리브레이션 장치.
제8항에 있어서,
하나 이상의 반사경이 움직임을 추적하기 위해 상기 캘리브레이션 장면에 부착되는
캘리브레이션 장치.
제8항에 있어서,
상기 캘리브레이션 장면에는 나노 입자로 튜브를 채우거나 비우기 위해, 상기 캘리브레이션 장면을 가로지르는 임의 경로의 단일 튜브가 포함되는
캘리브레이션 장치.
제8항에 있어서,
상기 캘리브레이션 장면은 나노 입자로 튜브를 채우거나 비우기 위해, 상기 캘리브레이션 장면을 가로지르는 다수의 튜브를 포함하는
캘리브레이션 장치.
제8항에 있어서,
상기 캘리브레이션 장면은 나노 입자로 구조를 채우거나 비우기 위한 하나 이상의 구멍이 있는 중공 구조 인
캘리브레이션 장치.
제8항에 있어서,
그 위치는 추적 장치를 통해 추적되는
캘리브레이션 장치.
제8항에 있어서,
상기 기계 시스템은 상기 MPI 시스템과 통신하여 상기 캘리브레이션 방법에 대한 동작을 수행하는 제어 유닛을 포함하는
캘리브레이션 장치.