RU2570288C2

RU2570288C2 - Устройство и способ генерации и перемещения магнитного поля, имеющего линию отсутствия поля

Info

Publication number: RU2570288C2
Application number: RU2012110609/14A
Authority: RU
Inventors: Тобиас КНОПП; Тимо Фредерик ЗАТТЕЛЬ; Свен БИДЕРЕР; Торстен Мануэль БУЦУГ
Original assignee: Конинклейке Филипс Электроникс Н.В.
Priority date: 2009-08-21
Filing date: 2010-08-19
Publication date: 2015-12-10
Also published as: US9044160B2; US20120126808A1; RU2012110609A; CN102481111B; JP2013502262A; CN102481111A; WO2011021165A1; JP5767225B2; EP2467056A1; EP2467056B1

Abstract

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к средствам генерации и изменения магнитного поля в поле обзора. Устройство для генерации и изменения магнитного поля в поле обзора, имеющем первую подзону шарообразной или линейной формы, имеющую низкую напряженность магнитного поля, и вторую подзону, имеющую более высокую напряженность магнитного поля, содержит по меньшей мере три пары первых катушек, при этом катушки расположены по кольцу вокруг поля обзора на равных или неравных расстояниях от центра поля обзора, причем две катушки из каждой пары размещены напротив друг друга на противоположных сторонах поля обзора, по меньшей мере одну пару вторых катушек, размещенных напротив друг друга на противоположных сторонах поля обзора на открытых сторонах кольца, генераторное средство сигналов тока для снабжения первых и вторых катушек и средство управления для генерации сигналов тока для поля выбора для снабжения первых катушек так, чтобы по меньшей мере три пары первых катушек генерировали градиентное магнитное поле выбора, имеющее такую пространственную конфигурацию напряженности магнитного поля, что в поле обзора формируются первая подзона и вторая подзона, имеющая более высокую напряженность магнитного поля, и сигналов тока поля возбуждения для снабжения вторых катушек и двух пар первых катушек так, чтобы по меньшей мере одна пара вторых катушек и две пары первых катушек генерировали однородное магнитное поле возбуждения для изменения положения в пространстве двух подзон в поле обзора. Устройство получения изображений с помощью магнитных частиц содержит устройство для генерации и изменения магнитного поля в поле обзора. Способ генерации и изменения магнитного поля состоит в этапах работы с устройством генерации. Использование изобретения позволяет повысить эффективность сканирования и снизить потери энергии. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 10 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к устройству и способу генерации и изменения магнитного поля в поле обзора, имеющего первую подзону, в частности, шарообразной или линейной формы, имеющую низкую напряженность магнитного поля, и вторую подзону, имеющую более высокую напряженность магнитного поля.

Кроме того, настоящее изобретение относится к компьютерной программе для реализации способа на компьютере и для управления таким устройством.

Также настоящее изобретение относится к устройству получения изображений с помощью магнитных частиц для оказания воздействия на магнитные частицы в поле обзора и/или для их детектирования.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Магнитные поля играют важную роль в широком спектре приложений. Они используются, например, в электрических двигателях, динамо-машинах и для передачи сигналов радио или телевидения. Кроме того, магнитные поля используются в медицинской диагностике, где наиболее значимым примером является получение изображений с помощью магнитного резонанса (MRI). В каждом из этих приложений магнитное поле настраивается для удовлетворения определенных потребностей. Например, в MRI требуется формирование двух конфигураций поля: пространственно однородного поля и поля с линейно возрастающим градиентом. Такие специальные поля могут быть сгенерированы электромагнитными катушками, причем геометрия катушки и приложенный ток определяют характеристики поля. Для данных простых конфигураций поля оптимальная топология катушки хорошо известна. Однородное магнитное поле генерируется парой катушек Гельмгольца, состоящей из двух идентичных катушек, которые размещены симметрично вдоль общей оси и удалены друг от друга на расстояние R, равное радиусу катушки. В каждой катушке протекает одинаковый ток, который имеет одинаковое направление. Аналогично, градиентное поле генерируется парой катушек Максвелла, которая имеет ту же топологию, но при этом ток будет протекать в противоположном направлении и между катушками имеется расстояние, большее

.

Получение изображений с помощью магнитных частиц (MPI) является перспективным механизмом получения изображений в медицинских целях. Первые версии MPI были двумерными, поскольку они формировали двумерные изображения. Будущие версии будут трехмерными (3D). Зависящее от времени, или 4D, изображение нестатного объекта может быть создано путем объединения временной последовательности 3D-изображений в фильм, при условии что объект не изменяется существенно во время получения данных для одного 3D-изображения.

MPI представляет собой способ получения реконструированного изображения, так же как и компьютерная томография (CT) или получение изображений с помощью магнитного резонанса (MRI). Соответственно, MP-изображение объема объекта, представляющего интерес, генерируется в два этапа. Первый этап, называемый получением данных, выполняется с применением MPI-сканера. MPI-сканер имеет средство генерации статического градиентного магнитного поля, называемого "полем выбора", которое имеет единственную точку отсутствия поля (FFP) в изоцентре сканера. Кроме того, сканер имеет средство генерации зависимого от времени, пространственно практически однородного магнитного поля. Фактически данное поле получается путем наложения быстро изменяющегося поля с малой амплитудой, называемого "полем возбуждения", и медленно изменяющегося поля с большой амплитудой, называемого "фокусное поле". Посредством добавления зависимых от времени поля возбуждения и фокусного поля к статическому полю выбора FFP может быть перемещена вдоль предварительно определенной траектории FFP через объем сканирования, окружающий изоцентр. Сканер также содержит компоновку из одной или более, например трех, принимающих катушек и может регистрировать любые напряжения, индуцируемые в этих катушках. Для получения данных объект, изображение которого необходимо получить, помещается в сканер таким образом, что интересующий объем объекта заключен в поле обзора сканера, которое является подмножеством объема сканирования.

Объект должен содержать магнитные наночастицы, и если объект является животным или пациентом, то контрастное вещество, содержащее такие частицы, вводится животному или пациенту до начала сканирования. Во время получения данных MPI-сканер направляет FFP по специально выбранной траектории, которая очерчивает объем сканирования или, по меньшей мере, поле обзора. Магнитные наночастицы в пределах объекта испытывают влияние изменяющегося магнитного поля и отвечают изменением своей намагниченности. Изменяющаяся намагниченность наночастиц индуцирует зависящее от времени напряжение в каждой из принимающих катушек. Данное напряжение дискретизируется в приемнике, связанном с принимающей катушкой. Значения дискретизации, выводимые приемниками, регистрируются и составляют полученные данные. Параметры, которые управляют деталями получения данных, составляют протокол сканирования.

На втором этапе генерации изображения, называемом реконструкцией изображения, изображение вычисляется, или реконструируется, на основе данных, полученных на первом этапе. Изображение представляет собой дискретный 3D-массив данных, который представляет собой дискретизированную аппроксимацию пространственно-зависимой концентрации магнитных наночастиц в поле обзора. Реконструкция обычно осуществляется компьютером, который выполняет соответствующую компьютерную программу. Компьютер и компьютерная программа реализуют алгоритм реконструкции. Алгоритм реконструкции основан на математической модели получения данных. Во всех способах реконструкции изображений данная модель является интегральным оператором, работающим на полученных данных; алгоритм реконструкции разбирает, насколько это возможно, работу модели.

Такое MPI-устройство и способ имеют преимущество в том, что они могут быть применены для исследования произвольных объектов исследования, например человеческих организмов, неразрушающим образом и без причинения каких-либо повреждений и с высоким пространственным разрешением как вблизи поверхности исследуемого объекта, так и вдали от нее. Такие устройство и способ являются общеизвестными и были впервые описаны в DE 10151778 A1 и Gleich, B. and Weizenecker, J. (2005), "Tomographic imaging using the nonlinear response of magnetic particles" в Nature, vol. 435, pp. 1214-1217. Устройство и способ для получения изображений с помощью магнитных частиц (MPI), описанные в этой публикации, имеют преимущество нелинейной кривой намагниченности малых магнитных частиц.

В статье Weizenecker J. (Вайценекер) et al., "Magnetic particle imaging using a field free line", J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 105009, представлено имитационное моделирование при применении линии отсутствия поля (FFL) в получении изображения с помощью магнитных частиц. Дополнительно, в ней описана схематическая структура геометрии имитирующего сканера и траектория FFL. Структура содержит кольцо из 32 небольших катушек (катушки поля выбора), создающих вращающуюся FFL. Две пары больших по размеру контуров (катушки поля возбуждения) перемещают данную FFL через поле обзора. Диаметр кольца катушек поля выбора составляет 1 м. В результате наложения поля выбора и поля возбуждения FFL перемещается вдоль вектора поля возбуждения, который по прошествии времени имеет форму розетки, при условии, что ориентация FFL всегда перпендикулярна вектору поля возбуждения. Следовательно, FFL осуществляет возвратно-поступательное сканирование во время медленного вращения. Такая структура, однако, имеет намного большие потери энергии, чем описанное выше MPI-устройство, использующее применение и перемещение FFP, и, следовательно, может быть нереализуема.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является предоставление устройства и способа генерации и изменения требуемого магнитного поля в поле обзора, в частности, для генерации и перемещения линии отсутствия поля с меньшими потерями энергии, чем в структуре, описанной в упомянутой выше статье Weizenecker J. et al., "Magnetic particle imaging using a field free line".

Дополнительной задачей настоящего изобретения является предоставление компьютерной программы для реализации способа на компьютере и управления указанным устройством.

Дополнительной задачей настоящего изобретения является предоставление устройства получения изображений с помощью магнитных частиц для оказания воздействия на магнитные частицы и/или для их детектирования в поле обзора.

В первом аспекте настоящего изобретения представлено устройство для генерации и изменения магнитного поля в поле обзора, причем магнитное поле имеет первую подзону, в частности, шарообразной или линейной формы, имеющую низкую напряженность магнитного поля, и вторую подзону, имеющую более высокую напряженность магнитного поля, при этом устройство содержит:

- по меньшей мере три пары первых катушек, при этом катушки расположены по кольцу вокруг поля обзора на равных или неравных расстояниях от центра поля обзора, причем две катушки из каждой пары размещены напротив друг друга на противоположных сторонах поля обзора,

- по меньшей мере одну пару вторых катушек, размещенных напротив друг друга на противоположных сторонах поля обзора на открытых сторонах кольца,

- генераторное средство для генерации сигналов тока для снабжения первых и вторых катушек для генерации желаемых магнитных полей посредством первых и вторых катушек и

- средство управления для управления генераторным средством для генерации

i) сигналов тока для поля выбора для снабжения первых катушек так, чтобы по меньшей мере три пары первых катушек генерировали градиентное магнитное поле выбора, имеющее такую пространственную конфигурацию напряженности магнитного поля, что в поле обзора формируются первая подзона, в частности, шарообразной или линейной формы, имеющая низкую напряженность магнитного поля, и вторая подзона, имеющая более высокую напряженность магнитного поля, и

ii) сигналов тока для поля возбуждения для снабжения вторых катушек и двух пар первых катушек так, чтобы по меньшей мере одна пара вторых катушек и две пары первых катушек генерировали однородное магнитное поле возбуждения для изменения положения в пространстве двух подзон в поле обзора.

В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлен соответствующий способ, а также компьютерная программа для реализации способа.

Наконец, в еще одном дополнительном аспекте представлено устройство получения изображений с помощью магнитных частиц для оказания воздействия на магнитные частицы и/или для их детектирования в поле обзора, при этом устройство содержит устройство для генерации и изменения магнитного поля в поле обзора в соответствии с настоящим изобретением.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понимать, что заявляемый способ и заявляемая компьютерная программа имеют предпочтительные варианты осуществления, аналогичные и/или идентичные предпочтительным вариантам осуществления заявляемого устройства и определенным в зависимых пунктах формулы изобретения.

Настоящее изобретение в основном направлено на генерацию и перемещение линии отсутствия поля (FFL), то есть линейной первой подзоны, для которой требуется, чтобы она вращалась произвольным образом только за счет изменения прикладываемых токов при сохранении статики пространственной геометрии катушек в пространстве.

Поле поддерживается линейно возрастающим с высоким градиентом в направлении, перпендикулярном FFL. Изобретателями настоящего изобретения было обнаружено, что FFL может быть сгенерирована всего лишь тремя вращающимися парами катушек Максвелла с использованием соответствующих токов. Кроме того, FFL может перемещаться с помощью дополнительных пар катушек Гельмгольца.

В целях повышения чувствительности по сравнению с описанным выше устройством MPI для генерации и применения FFP (также в дальнейшем называемом FFP-сканером), предполагается, что FFL повышает SNR (отношение сигнал/шум) на один порядок величины по сравнению получением изображения с помощью FFP. В связи с этим используется схема кодирования, подобная применяемой в компьютерной томографии. Конкретнее, для кодирования сигнала FFL требуется медленно вращающаяся FFL, которая быстро возвратно-поступательно перемещается. Однако не было представлено доказательства того, что структура для генерации FFL, представленная в вышеупомянутой статье Weizenecker и состоящая из 32 электромагнитных катушек, действительно генерирует FFL. Кроме того, предлагаемый сканер требует мощности, примерно в 1000 превышающей мощность обычного FFP-сканера. В соответствии с настоящим изобретением представлена новая сборка катушек FFL, требующая приблизительно той же мощности, что и FFP-сканер равного размера и градиентной характеристики.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления средство управления выполнено с возможностью управления генераторным средством для генерации сигналов тока для поля выбора, а также для снабжения вторых катушек с целью содействия генерации магнитного поля выбора. Таким образом, может быть улучшено качество желаемого магнитного поля выбора.

Как правило, трех пар первых катушек достаточно, но в дополнительном варианте осуществления предусмотрена по меньшей мере четвертая пара первых катушек, причем все первые катушки размещены по кольцу вокруг поля обзора. Предпочтительно предоставляется четыре пары, и в этом случае две пары, способствующие генерации магнитного возбуждения, могут быть размещены перпендикулярно друг к другу, что обычно невозможно, если 3 пары или, суммарно, 6 катушек размещены под равномерными углами вокруг кольца.

Предпочтительно первые катушки размещены по кольцу без перекрытия друг с другом, под равномерно распределенными углами и/или на равном расстоянии от центра поля обзора. Если расстояния от центра или угловые положения не равны, то токи, которыми снабжаются отдельные катушки, должны быть настроены соответствующим образом. Если первые катушки размещены под равномерно распределенными углами и на равных расстояниях от центра, то управление токами, которыми снабжаются первые катушки, является менее сложным и получаемые магнитные поля легче предсказать.

В соответствии с другим вариантом осуществления генераторное средство содержит блок генерации сигналов тока для поля выбора для генерации отдельных сигналов тока для поля выбора для каждой из первых катушек в виде синусоидальной функции, зависящей от углового положения соответствующей первой катушки на кольце и желаемого направления линейной первой подзоны. Предпочтительно блок генерации сигналов тока для поля выбора выполнен с возможностью генерации отдельных сигналов тока I_l для поля выбора для каждой из первых катушек в виде I_l=g_l(γ-cos(2φ_l-2α)), где φ_l - угловое положение соответствующей первой катушки l на кольце, α определяет желаемое направление линейной первой подзоны в поле обзора и g_l и γ - предварительно определенные константы.

Параметр g_l определяет ширину линейной первой подзоны.

Как правило, градиентная напряженность, например, 2 Тл/м желательна в направлении, перпендикулярном линии отсутствия поля. Более точно определить здесь токи, которыми снабжаются катушки, невозможно, поскольку токи также зависят от количества витков, абсолютных расстояний между катушками и т.д.

На практике магнитные поля часто моделируются, и с помощью такого моделирования находятся правильные токи. Следовательно, параметр g_l настраивается таким образом, чтобы достигалась желаемая градиентная напряженность поля, перпендикулярная линии отсутствия поля. Параметр g_l обычно выбирается для каждой отдельной катушки l, то есть зависит от l, если расстояния между катушками различны для различных пар катушек. Предпочтительно параметры g_l выбираются таким образом, чтобы катушки в паре катушек при одном и том же сигнале тока I_l=g_l генерировали одно и то же градиентное поле, но повернутое на φ_l.

Параметр γ обычно имеет фиксированное, предварительно определенное значение, например, 3/2, при котором лучше всего получается FFL.

В соответствии с дополнительным вариантом осуществления блок генерации сигналов тока для поля выбора выполнен с возможностью генерации

- отдельных сигналов тока I_l для поля выбора для каждой из первых катушек в виде I_l=g_lcos(2φ_l-2α), где φ_l - угловое положение соответствующей первой катушки l на кольце, α определяет желаемое направление линейной первой подзоны в поле обзора и g_l - предварительно определенная константа, и

- отдельных сигналов тока I_m для поля выбора для каждой из вторых катушек m для генерации градиентного магнитного поля в направлении, перпендикулярном кольцу первых катушек.

В данном варианте осуществления генерация поля выбора дополнительно улучшается. Предпочтительно для отдельных сигналов тока I_m для поля выбора для каждой из вторых катушек m удерживать I_m=g_m, при этом для параметра g_m обычно удерживается то же самое, что было описано выше для параметра g_l. Таким образом, отдельные сигналы тока I_m для поля выбора являются статическими и независимыми от угла FFL в пределах поля обзора.

Предпочтительно вторые катушки управляются таким образом, чтобы они генерировали градиентное магнитное поле, которое равно градиентному магнитному полю, создаваемому первыми катушками, умноженному на 3/4*L, но имеет направление, перпендикулярное плоскости кольца. Здесь L - количество пар первых катушек. В данном варианте осуществления получается хорошая FFL.

В дополнительном варианте осуществления блок генерации сигналов тока для поля выбора выполнен с возможностью генерации отдельных сигналов тока для поля выбора таким образом, что параметр α, определяющий желаемое направление линейной первой подзоны, непрерывно изменяется со временем t, в частности, в соответствии с α=2πft, где f - частота, с которой вращается линейная первая подзона. Таким образом, линия отсутствия поля может вращаться с частотой f и, следовательно, может перемещаться вдоль предварительно определенной траектории, например, для дискретизации всего поля обзора с желаемым разрешением, например, при использовании в устройстве MPI.

Дополнительно является преимущественным, если генераторное средство содержит блок генерации сигналов тока для поля возбуждения для генерации отдельных сигналов тока для поля возбуждения для каждой из вторых катушек и двух пар первых катушек, которые снабжаются сигналами тока для поля возбуждения, что вызывает генерацию первыми и вторыми катушками однородного магнитного поля, имеющего вектор магнитного поля, указывающий направление желаемого движения линейной первой подзоны, в частности указывающий направление, перпендикулярное линейной первой подзоне. Таким образом, линия отсутствия поля может быть легко перемещена в желаемом направлении. Соотношение токов, которыми снабжаются отдельные катушки, опять зависит от расстояния, количества витков и размеров катушек и т.д.

Еще один дополнительный вариант осуществления содержит три пары вторых катушек, размещенных напротив друг друга на различных противоположных сторонах поля обзора. Таким образом, можно использовать только вторые катушки для генерации полей возбуждения и использовать первые катушки только для генерации поля выбора. Дополнительно, так легче свободно перемещать первую подзону.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает первый вариант осуществления MPI-устройства;

Фиг. 2 изображает пример конфигурации поля выбора, создаваемого устройством, изображенным на фиг. 1;

Фиг. 3 изображает второй вариант осуществления MPI-устройства;

Фиг. 4 изображает вариант осуществления сборки катушек для генерации и изменения магнитного поля в поле обзора в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг. 5 изображает диаграмму магнитного поля, имеющего линию отсутствия поля, сгенерированного устройством в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг. 6 изображает структуру первых катушек, используемую в первом варианте осуществления сборки катушек, изображенной на фиг. 4;

Фиг. 7 изображает пример траектории движения линии отсутствия поля в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг. 8 изображает блок-схему устройства для генерации и изменения магнитного поля в поле обзора в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг. 9 изображает вариант осуществления сборки катушек в соответствии с настоящим изобретением для использования в новом MPI-устройстве;

Фиг. 10 изображает блок-схему MPI-устройства в соответствии с настоящим изобретением.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

До того, как будут объясняться подробности настоящего изобретения, должны быть подробно объяснены основы получения изображения с помощью магнитных частиц со ссылкой на фиг. 1-3. В частности, будет описано два варианта осуществления MPI-сканера для медицинской диагностики. Также дано неформальное описание получения данных. Будут отмечены сходства и различия двух вариантов осуществления.

Первый вариант осуществления MPI-сканера 10, показанный на фиг. 1, имеет три выступающих пары коаксиальных параллельных круглых катушек 12, 14, 16, расположенных, как проиллюстрировано на фиг. 1. Эти пары катушек 12, 14, 16 служат для генерации поля выбора, а также поля возбуждения и фокусного поля. Оси 18, 20, 22 трех пар катушек 12, 14, 16 взаимно ортогональны и пересекаются в единственной точке, обозначенной как изоцентр 24 MPI-сканера 10. Кроме того, данные оси 18, 20, 22 выступают в качестве осей трехмерной декартовой системы координат x-y-z, привязанной к изоцентру 24. Вертикальная ось 20 называется y-осью, при этом оси x и z - горизонтальные. Пары катушек 12, 14, 16 также называются по своим осям. Например, y-пара катушек 14 сформирована катушками наверху и внизу сканера. Кроме того, катушка с положительной (отрицательной) y-координатой называется y⁺- катушкой (y^-- катушкой) и аналогично для остальных катушек.

Сканер 10 может быть настроен для направления предварительно определенного, зависящего от времени электрического тока через каждую из катушек 12, 14, 16 и в любом направлении. Если ток течет по катушке по часовой стрелке, если смотреть вдоль оси катушки, то он будет считаться положительным, в противном случае - отрицательным. Для генерации статического поля выбора создается неизменный положительный ток I^s, текущий через катушку z⁺, и создается ток -I^s через катушку z^-, пара z-катушек 16 после этого функционирует как пара встречно-параллельных катушек.

Магнитное поле выбора, которое, как правило, представляет собой градиентное магнитное поле, представлено на фиг. 2 посредством линий 50 поля. Оно имеет, по существу, постоянный градиент в направлении (например, горизонтальной) z-оси 22 пары z-катушек 16, генерирующих поле выбора, и достигает нулевого значения в изоцентре 24 на оси 22. Начиная с данной точки отсутствия поля (не показана отдельно на фиг. 2), напряженность поля для магнитного поля 50 выбора возрастает во всех трех пространственных направлениях с увеличением расстояния от точки отсутствия поля. В первой подзоне или области 52, которая обозначена пунктирной линией вокруг изоцентра 24, напряженность поля настолько мала, что намагниченность частиц, находящихся в этой первой подзоне 52, не достигает насыщения, тогда как намагниченность частиц, находящихся во второй подзоне 54 (вне области 52), находится в состоянии насыщения. Точка отсутствия поля или первая подзона 52 поля 28 обзора сканера предпочтительно является пространственно когерентной областью; также она может представлять собой точечную область, линию или плоскость. Во второй подзоне 54 (то есть в оставшейся части поля 28 обзора сканера вне первой подзоны 52) напряженность магнитного поля для поля выбора достаточно сильна для того, чтобы сохранять магнитные частицы в состоянии насыщения.

Посредством изменения положения двух подзон 52, 54 в пределах поля 28 обзора изменяется (суммарная) намагниченность в поле 28 обзора. Путем измерения намагниченности в поле 28 обзора или физических параметров, на которые влияет намагниченность, может быть получена информация о пространственном распределении магнитных частиц в поле 28 обзора. В целях изменения относительного пространственного положения двух подзон 52, 54 в поле 28 обзора, дополнительные магнитные поля, то есть магнитное поле возбуждения и, в случае необходимости, магнитное фокусное поле, накладываются на поле 50 выбора в поле 28 обзора или, по меньшей мере, в части поля 28 обзора.

Для генерации поля возбуждения создается зависящий от времени ток I^D ₁, текущий через обе x-катушки 12, зависящий от времени ток I^D ₂ - через обе y-катушки 14 и зависящий от времени ток I^D ₃ - через обе z-катушки 16. Таким образом, каждая из трех пар катушек действует как пара параллельных катушек. Аналогично, для генерации фокусного поля создается зависящий от времени ток I^F ₃, текущий через обе x-катушки 12, ток I^F ₂ - через обе y-катушки 14 и ток I^F ₃ - через обе z-катушки 16.

Следует отметить, что пара z-катушек 16 является специальной: она генерирует не только свою часть поля возбуждения и фокусного поля, но также и поле выбора. Ток, текущий через z^±-катушки, равен I^D ₃+I^F ₃+I^s. Ток, текущий через оставшиеся две пары катушек 12, 14, составляет I^Dk+I^Fk, k=1, 2. По причине их геометрии и симметрии три пары круглых катушек 12, 14, 16 хорошо разделены. Это и требуется.

Генерируемое парой встречно-параллельных круглых катушек поле выбора является осесимметричным относительно z-оси, и его z-составляющая практически линейна по z и независима от x и y в значительном объеме вокруг изоцентра 24. В частности, поле выбора имеет единственную точку отсутствия поля (FFP) в изоцентре. В отличие от этого, вклады в поле возбуждения и фокусное поле, которые генерируются парами параллельных круглых катушек, являются пространственно практически однородными в значительном объеме вокруг изоцентра 24 и параллельными оси соответствующей пары катушек. Поле возбуждения и фокусное поле, совместно генерируемые всеми тремя парами параллельных круглых катушек, являются пространственно практически однородными, и им может придаваться произвольное направление и произвольная напряженность, вплоть до некоторой максимальной напряженности. Поле возбуждения и фокусное поле также являются зависимыми от времени. Различие между фокусным полем и полем возбуждения состоит в том, что фокусное поле медленно изменяется с течением времени и имеет большую амплитуду, тогда как поле возбуждения изменяется быстро и имеет небольшую амплитуду. Существуют физические и биомедицинские причины различного использования этих полей. Быстро изменяющееся поле с большой амплитудой было бы сложнее генерировать, и оно было бы опасным для пациента.

Вариант осуществления MPI-сканера 10 имеет по меньшей мере одну дополнительную пару, предпочтительно три дополнительных пары параллельных круглых катушек, также ориентированных вдоль x-, y- и z-осей. Эти пары катушек, которые не показаны на фиг. 1, играют роль принимающих катушек. Как и в случае пар катушек 12, 14, 16 для поля возбуждения и фокусного поля, магнитное поле, генерируемое посредством неизменного тока, текущего через одну из этих пар принимающих катушек, является пространственно практически однородным в пределах поля обзора и параллельным оси соответствующей пары катушек. Предполагается, что принимающие катушки хорошо разъединены. Зависимое от времени напряжение, индуцируемое в принимающей катушке, усиливается и дискретизируется приемником, соединенным к данной катушке. Точнее, для того чтобы выдержать огромный динамический диапазон этого сигнала, приемник дискретизирует разность между принятым сигналом и опорным сигналом. Передаточная функция приемника является ненулевой от постоянного тока до точки, где ожидаемый уровень сигнала падает ниже уровня шума.

Вариант осуществления MPI-сканера 10, показанный на фиг. 1, имеет цилиндрический канал 26 вдоль z-оси 22, то есть вдоль оси поля выбора. Все катушки помещены снаружи этого канала 26. Для получения данных пациент (или объект), для которого выполняется получение изображения (или который подвергается обработке), помещается в канал 26 таким образом, что представляющий интерес объем пациента - тот объем пациента (или объекта), который должен визуализироваться (или обрабатываться) - заключается в поле 28 обзора сканера - тот объем сканера, изображение содержимого которого может получить сканер. Пациент (или объект), например, помещается на стол для пациента. Поле 28 обзора представляет собой геометрически простой, изоцентрический объем внутри канала 26, такой как куб, шар или цилиндр. Кубическое поле 28 обзора проиллюстрировано на фиг. 1.

Размер первой подзоны 52 зависит, с одной стороны, от напряженности градиента магнитного поля выбора и, с другой стороны, от напряженности магнитного поля, требующейся для насыщения. Для достаточного насыщения магнитных частиц при напряженности магнитного поля 80 А/м и градиенте (в заданном пространственном направлении) напряженности поля магнитного поля выбора, составляющем 50×10³ А/м², первая подзона 52, в которой намагниченность частиц не достигает насыщения, имеет размеры около 1 мм (в заданном пространственном направлении).

Предполагается, что представляющий интерес объем пациента содержит магнитные наночастицы. В частности, до терапевтической и/или диагностической обработки, например, опухоли магнитные частицы помещаются в представляющий интерес объем, например, посредством жидкости, содержащей магнитные частицы, которые вводятся инъекцией в тело пациента (в объект) или вводятся пациенту другим способом, например оральным.

Вариант осуществления с использованием магнитных частиц содержит, например, сферическую основу, например стеклянную, которая предоставляется с мягким магнитным слоем, имеющим толщину, например, 5 нм и состоящим, например, из сплава железа и никеля (например, пермаллоя). Данный слой может быть покрыт, например, покрывающим слоем, который защищает частицу от химически и/или физически агрессивных сред, например кислот. Напряженность магнитного поля магнитного поля 50 выбора, требующаяся для насыщения намагниченности таких частиц, зависит от различных параметров, например диаметра частиц, используемого магнитного вещества для магнитного слоя и других параметров.

В случае, например, диаметра, равного 10 мкм, требуется магнитное поле приблизительно в 800 А/м (приблизительно соответствующее магнитной индукции 1 мТл), тогда как в случае диаметра, равного 100 мкм, достаточным является магнитное поле 80 А/м. Даже меньшие значения получаются при выборе покрытия материалом, имеющим более низкую намагниченность насыщения, или когда снижается толщина слоя. Как правило, могут быть использованы магнитные частицы, имеющиеся на рынке под торговым наименованием резовист (Resovist).

Дополнительные подробности относительно обычно используемых магнитных частиц и композиций частиц изложены в соответствующих частях EP 1304542, WO 2004/091386, WO 2004/091390, WO 2004/091394, WO 2004/091395, WO 2004/091396, WO 2004/091397, WO 2004/091398, WO 2004/091408, на которые делаются ссылки в настоящем документе и которые включены в настоящий документ посредством ссылки. В этих документах также можно найти более подробное описание способа MPI в целом.

Получение данных начинается в момент времени t_s и заканчивается в момент времени t_e. Во время получения данных пары x-, y- и z-катушек 12, 14, 16 генерируют зависящее от положения и времени магнитное поле, причем приложенное поле. Это достигается посредством направления соответствующих токов через катушки. Фактически, поле возбуждения и фокусное поле перемещают поле выбора таким образом, что FFP перемещается вдоль предварительно выбранной траектории FFP, которая очерчивает объем сканирования - расширенное множество поля обзора. Приложенное поле ориентирует магнитные наночастицы в пациенте. При изменении приложенного поля результирующая намагниченность также изменяется, хотя она имеет нелинейный отклик на приложенное поле. Сумма изменяющегося приложенного поля и изменяющейся намагниченности индуцирует зависящее от времени напряжение V_k на концах пары принимающих катушек вдоль оси X_k. Соответствующий приемник преобразует данное напряжение в сигнал S_k(t), который он дискретизирует и выводит.

Преимущественно принимать или детектировать сигналы от магнитных частиц, расположенных в первой подзоне 52, в другом частотном диапазоне (сдвинутом в область более высоких частот), чем частотный диапазон изменений магнитного поля возбуждения. Это возможно, поскольку частотные составляющие более высоких гармоник частоты магнитного поля возбуждения возникают по причине изменения намагниченности магнитных частиц в поле 28 обзора сканера в результате нелинейности характеристик намагниченности.

Как и первый вариант осуществления, показанный на фиг. 1, второй вариант осуществления MPI-сканера 30, показанный на фиг. 3, имеет три пары круглых и взаимно ортогональных катушек 32, 34, 36, но эти пары катушек 32, 34, 36 генерируют только поле выбора и фокусное поле. Z-катушки 36, которые опять генерируют поле выбора, заполнены ферромагнитным веществом 37. Z-ось 42 в данном варианте осуществления ориентирована вертикально, тогда как x- и y-оси 38, 40 ориентированы горизонтально. Канал 46 сканера параллелен x-оси 38 и, таким образом, перпендикулярен оси 42 поля выбора. Поле возбуждения генерируется катушкой (не показана) вдоль x-оси 38 и парами отклоняющих катушек (не показаны) вдоль двух оставшихся осей 40, 42. Эти катушки намотаны вокруг трубы, которая образует канал. Катушки поля возбуждения также служат в качестве принимающих катушек. Сигналы, принимаемые принимающими катушками, посылаются через высокочастотный фильтр, который подавляет вклад, вносимый приложенным полем.

Некоторые типичные параметры такого варианта осуществления: z-градиент поля выбора, G, имеет напряженность G/μ₀=2,5 Тл/м, где μ₀ - проницаемость вакуума. Сгенерированное поле выбора вообще не изменяется с течением времени или изменение является сравнительно медленным, предпочтительно между приблизительно 1 Гц и приблизительно 100 Гц. Временной частотный спектр поля возбуждения сконцентрирован в узком диапазоне вокруг 25 кГц (вплоть до приблизительно 100 кГц). Используемый частотный спектр принимаемых сигналов находится между 50 кГц и 1 МГц (в ряде случаев вплоть до 10 МГц). Канал имеет диаметр 120 мм. Наибольший куб 28, который подходит каналу 46, имеет длину стороны 120 мм/

≈84 мм.

Как показано в приведенных выше вариантах осуществления, различные магнитные поля могут быть сгенерированы катушками из одних и тех же пар катушек и посредством снабжения этих катушек соответствующим образом сгенерированными токами. Однако, особенно для целей интерпретации сигнала с более высоким отношением сигнал-шум, может быть преимущественной генерация постоянного во времени (или практически постоянного) поля выбора и переменного во времени поля возбуждения и фокусного поля посредством отдельных пар катушек. Как правило, в качестве этих катушек могут быть использованы пары катушек типа Гельмгольца, которые являются широко известными, например, в области устройства магнитного резонанса с открытыми магнитами (открытое MRI), в котором радиочастотная (RF) пара катушек располагается выше и ниже представляющей интерес области, при этом RF-пара катушек способна генерировать изменяющееся во времени магнитное поле. Следовательно, конструкция таких катушек в настоящем документе не нуждается в дополнительном уточнении.

В альтернативном варианте осуществления для генерации поля выбора могут быть использованы постоянные магниты (не показаны). В пространстве между двумя полюсами таких (противоположных) постоянных магнитов (не показаны) формируется магнитное поле, которое аналогично показанному на фиг. 2, то есть когда противоположные полюса имеют одинаковую полярность. В другом альтернативном варианте осуществления поле выбора может быть сгенерировано посредством комбинации по меньшей мере одного постоянного магнита и по меньшей мере одной катушки.

MPI-устройство, описанное выше, использует точку отсутствия поля (FFP) для следования в пространстве. Устройство в соответствии с настоящим изобретением, которое будет описано ниже, при применении в устройстве MPI обеспечивает ту же функциональность, но также дополнительно способно использовать вместо точки линию отсутствия поля (FFL) для следования в пространстве, что значительно улучшает чувствительность способа получения изображений с помощью магнитных частиц.

На фиг. 4 изображен первый вариант осуществления сборки 200 катушек для генерации и изменения магнитного поля в поле 28 обзора. Сборка 200 катушек, в частности, способна генерировать и изменять/перемещать магнитное поле 60, как показано на фиг. 5, в поле 28 обзора, причем магнитное поле 60 имеет линейную первую подзону 62, имеющую низкую напряженность магнитного поля, и вторую подзону 64, имеющую более высокую напряженность магнитного поля. Для этой цели вариант осуществления сборки 200 катушек, показанный на фиг. 4, содержит четыре пары первых катушек 136a, 136b, 136c, 136d, которые размещены по кольцу вокруг поля 28 обзора. Две катушки из каждой пары размещены напротив друг друга на противоположных сторонах поля 28 обзора на равном расстоянии от изоцентра 24 и под равномерно расположенными углами по кольцу. Таким образом, центры всех первых катушек 136 и изоцентр 24 находятся в одной и той же xy-плоскости. Сборка 200 магнитов дополнительно содержит одну пару вторых катушек 116, размещенных напротив друг друга на противоположных сторонах поля 28 обзора на открытых сторонах кольца, сформированного четырьмя парами первых катушек 136a-136d.

Для генерации сигналов тока для снабжения первых и вторых катушек для генерации желаемых магнитных полей посредством первых и вторых катушек представлено соответствующее генераторное средство (не показано на фиг. 4; см. фиг. 8). В частности, для каждой пары, или даже лучше - для каждой отдельной катушки генераторное средство способно генерировать отдельный ток, как будет объяснено ниже.

Дополнительно, представлено средство управления (также не показано на фиг. 4; см. фиг. 8) для управления генераторным средством для генерации соответствующего тока с тем, чтобы желаемые магнитные поля генерировались катушками.

Магнитное поле 60, имеющее линию отсутствия поля, то есть линейную первую подзону 62 в пределах второй подзоны 64, показано на фиг. 5, как если бы оно могло быть сгенерировано и изменено/перемещено сборкой 200 катушек, показанной на фиг. 4. Здесь черным показана нулевая (низкая) напряженность поля и белым показана высокая напряженность поля.

На фиг. 6 четыре пары первых катушек 136a-136d вновь показаны как размещенные по кругу под равномерно распределенными углами N_l=(2π/8)l, l=0, 1,..., 7. Каждые две противоположные катушки образуют катушку Максвелла с токами, текущими в противоположных направлениях. Непрерывно вращающаяся FFL может быть сгенерирована двумя способами посредством такой компоновки.

В первом способе используются токи I_l(t)=A(cos(2N_l+2T)-3/2) (A - амплитуда переменного тока), которые также могут быть переписаны в виде I_l=g_l(γ-cos(2φ_l-2α)) (которыми снабжается каждая из восьми катушек l кольца катушек). Здесь φ_l - угловое положение соответствующей первой катушки l на кольце, α определяет желаемое направление линейной первой подзоны в поле обзора и g_l и γ - предварительно определенные константы. Таким образом, посредством непрерывного изменения параметра α желаемое направление FFL может непрерывно изменяться с течением времени.

Во втором способе используются переменные токи I_l(t)=A cos(2B_l+2T_t), которые также могут быть переписаны в виде I_l=g_lcos(2φ_l-2α). Кроме того, в данном режиме постоянный ток прилагается к паре катушек 116 Максвелла (см. фиг. 4) в z-направлении. Предпочтительно отношение между амплитудой A токов I_l и постоянным током I_m, которым снабжаются катушки m пары вторых катушек 116, выбирается таким образом, что пара катушек 116 Максвелла в z-направлении генерировала тот же градиент, что и кольцо первых катушек 136 для постоянных токов I_l=-A*3/2.

В описанных двух режимах данные катушки могут, таким образом, рассматриваться как катушки поля выбора для генерации поля выбора. Однако поле выбора больше не является статическим, как в известном MPI-устройстве, а меняется с течением времени с целью перемещения FFL.

Дополнительно для перемещения FFL в произвольное положение (x, y, z), пара катушек 116 в z-направлении и дополнительно одна пара катушек 136a в x-направлении и одна пара катушек 136c в y-направлении дополнительно используются в конфигурации Гельмгольца путем наложения токов, текущих в одном и том же направлении. Посредством выбора соответствующих токов FFL может быть перемещена по произвольной предварительно определенной траектории. Например, FFL может перемещаться возвратно-поступательно перпендикулярно направлению FFL в xy-плоскости, в то время как FFL медленно вращается с частотой T.

Кроме того, FFL перемещается вдоль z-оси для получения 3D-изображений, когда сборка 200 катушек используется в MPI-устройстве для получения MPI-изображений. Катушки, используемые в конфигурации Гельмгольца, могут, следовательно, рассматриваться как катушки поля возбуждения при обычном получении изображения MPI для генерации магнитного поля возбуждения, которое обычно представляет собой однородное поле, изменяющееся с течением времени.

Пример траектории T для перемещения FFL проиллюстрирован на фиг. 7. Розетка иллюстрирует вектор поля возбуждения как функцию от времени. В момент времени t_x розетка разворачивается в «положение» x, и однородное поле возбуждения B (изображено в центре) имеет направление соединительной линии между центром розетки и положением x. Напряженность поля пропорциональна длине данной линии. При наложении поля выбора и поля возбуждения FFL перемещается вдоль вектора поля возбуждения при условии, что ориентация FFL всегда перпендикулярна вектору поля возбуждения. Следовательно, FFL сканирует возвратно-поступательно, медленно вращаясь. Это показано для трех произвольных моментов времени t₀, t₁ и t₂.

На фиг. 8 показана блок-схема устройства 300 для генерации и изменения магнитного поля в поле обзора в соответствии с настоящим изобретением. Устройство 300 содержит сборку 200 катушек, как показано на фиг. 4.

Таким образом, как объяснялось выше, для генерации магнитного (градиентного) поля выбора представлено средство выбора, содержащее комплект катушек 136 поля выбора (SF), предпочтительно содержащий по меньшей мере три пары катушечных элементов (первые катушки). В варианте осуществления, показанном здесь, представлено четыре пары катушек 136a-136d выбора. Средство выбора дополнительно содержит блок 130 генерации сигналов для поля выбора. Предпочтительно отдельный подблок генератора представлен для каждого катушечного элемента (или каждой пары катушечных элементов) из набора катушек 136 поля выбора. Блок 130 генерации сигналов для поля выбора содержит управляемый источник 132 тока для поля выбора (обычно включающий в себя усилитель) и блок 134 фильтра, который снабжает соответствующую секцию катушечного элемента поля выбора током поля выбора для индивидуального задания градиентной напряженности поля выбора в желаемом направлении.

Блок 130 генерации сигналов для поля выбора управляется блоком 150 управления, который предпочтительно управляет генерацией 130 тока поля выбора таким образом, что сумма напряженности поля и сумма градиентной напряженности всех пространственных участков поля выбора поддерживается на предварительно определенном уровне.

Для генерации магнитного поля возбуждения устройство 100 дополнительно содержит средство возбуждения, содержащее подмножество катушек поля возбуждения (DF), в данном варианте осуществления содержащее одну пару размещенных противоположно друг другу катушечных элементов 116 поля возбуждения. Катушки поля возбуждения управляются блоком 110 генерации сигналов для поля возбуждения, предпочтительно содержащим отдельный подблок генератора сигналов для поля возбуждения для каждого элемента катушки (или по меньшей мере для каждой пары элементов катушек) из комплекта катушек поля возбуждения. Блок 110 генератора сигналов для поля возбуждения включает в себя источник 112 тока для поля возбуждения (предпочтительно включающий в себя усилитель тока) и блок 114 фильтра для снабжения током для поля возбуждения соответствующей катушки поля возбуждения. Источник 112 тока для поля возбуждения выполнен с возможностью генерации переменного тока и также управляется блоком 150 управления.

С помощью такого устройства 300 магнитное поле, имеющее линию отсутствия поля, может быть сгенерировано и перемещено через поле обзора. Это может быть использовано в различных приложениях. Например, при использовании в устройстве MPI это улучшает чувствительность способа MPI более чем в 10 раз. По сравнению с устройством, показанным в процитированной выше статье "Magnetic Particle Imaging Using a Field-free Line" Weizenecker и соавторы, данное устройство потребляет примерно в 1000 раз меньше энергии, что практически равно потреблению обычного MPI-устройства. Кроме того, оно не ограничивается получением 2D-изображений, и все статические токи могут быть объединены в дополнительной катушке Максвелла, ориентированной в z-направлении, что является более легким для реализации и более эффективным. Дополнительно, FFL имеет более хорошее качество, чем FFL, создаваемое устройством, показанным в указанной статье. В частности, магнитное поле, перпендикулярное FFL, возрастает более линейно, чем в устройстве, раскрытом в указанной статье.

Кроме того, устройство в соответствии с настоящим изобретением также может быть использовано для генерации точки отсутствия поля, что обычно делается в MPI-устройстве, а не линии отсутствия поля. В этом случае используются только пары катушек на x-, y- и z-оси. При этом z-пара катушек возбуждается статическим током (конфигурация Максвелла), тогда как все три пары катушек дополнительно возбуждаются колеблющимися токами (конфигурация Гельмгольца) для перемещения FFP по произвольной предварительно определенной траектории, как это обычно делается в устройстве MPI.

Токи, обеспеченные для катушек поля возбуждения, обычно не являются фиксированными. Как и в способе MPI, в котором осуществляется управление перемещением FFP по траектории, в режиме FFL могут быть использованы различные траектории. Предпочтительной траекторией является радиальная траектория (вращение FFL), которая позволяет применять схему кодирования, обычно используемую в CT (например, преобразование Радона).

Фиг. 9 изображает другой вариант осуществления сборки 200 катушек в соответствии с настоящим изобретением. В дополнение к катушкам, показанным в варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг. 4, добавлено еще две пары катушек 116b, 116c, в результате чего имеется отдельная пара катушек 116a, 116b, 116c для каждого направления в пространстве для генерации магнитных полей возбуждения. В данном случае предпочтительно восемь катушек 136, размещенных по кольцу, используются только для генерации поля выбора.

На фиг. 10 изображена общая блок-схема MPI-устройства 100 в соответствии с настоящим изобретением. Общие принципы получения изображений с помощью магнитных частиц, объясненные выше, также являются действительными и применимыми к данному варианту осуществления, если не указано обратное.

Вариант осуществления устройства 100, показанный на фиг. 9, содержит набор различных катушек для генерации желаемых магнитных полей. В частности, он содержит устройство 300 для генерации и перемещения магнитного поля, проиллюстрированное на фиг. 8. Ниже будут объясняться только дополнительные элементы.

Для детектирования сигнала представлены средство 148 приема, в частности принимающая катушка, и блок 140 приема сигналов, который принимает сигналы, детектированные средством 148 приема. Блок 140 приема сигналов содержит блок 142 фильтра для фильтрации принятых сигналов детектирования. Целью данной фильтрации является отделение измеренных значений, вызываемых намагниченностью в исследуемой области, на которую оказывает влияние изменение положения двух подобластей (52, 54; 62, 64), от других интерферирующих сигналов. С этой целью блок 142 фильтра может быть выполнен, например, таким образом, что сигналы, имеющие временные частоты, меньшие временных частот, с которыми работает принимающая катушка 148, или меньшие, чем удвоенные значения этих временных частот, не проходят через блок 142 фильтра. После этого сигналы передаются через блок 144 усилителя в аналоговый/цифровой преобразователь 146 (ADC). Оцифрованные сигналы, выдаваемые аналоговым/цифровым преобразователем 146, подаются в блок 152 обработки изображений (также называемый средством реконструкции), который реконструирует пространственное распределение магнитных частиц из этих сигналов и соответствующего предполагаемого положения первой подобласти 52 первого магнитного поля в исследуемой области во время получения соответствующего сигнала и который блок 152 обработки изображений получает от блока 150 управления. В итоге восстановленное пространственное распределение магнитных частиц передается через средство 150 управления компьютеру 154, который отображает его на мониторе 156. В результате может быть отображено изображение, показывающее распределение магнитных частиц в поле обзора исследуемой области.

Дополнительно, предусмотрен блок 158 ввода, например клавиатура. Таким образом, пользователь может задавать желаемое направление наибольшего разрешения и, в свою очередь, принимать соответствующее изображение активного участка на мониторе 156. Если критическое направление, для которого требуется наибольшее разрешение, отклоняется от направления, заданного пользователем вначале, пользователь все еще может изменить направление вручную с целью выдачи еще одного изображения с улучшенным разрешением изображения. Такой процесс улучшения разрешения также может выполняться автоматически блоком 150 управления и компьютером 154. Блок 150 управления в данном варианте осуществления задает градиентное поле в первом направлении, которое оценивается автоматически или задается пользователем в качестве исходного значения. После этого направление градиентного поля меняется пошагово до тех пор, пока разрешение принимаемых изображений, которое сравнивается компьютером 154, не будет максимальным и, соответственно, больше не сможет быть улучшено. Следовательно, наиболее критичное направление может быть соответствующим образом настроено автоматически с целью достижения наибольшего возможного разрешения.

Таким образом, как объясняется выше, в настоящем изобретении представлено устройство для генерации и изменения магнитного поля, имеющего точечную или линейную первую подзону, которая имеет низкую (или нулевую) напряженность магнитного поля, и вторую подзону, имеющую более высокую напряженность магнитного поля. Такое устройство может быть предпочтительно применено в качестве MPI-устройства. Линия отсутствия магнитного поля может быть установлена в произвольном направлении в 2D-плоскости посредством наложения только трех вращающихся градиентных полей. Было обнаружено, что оптимальное количество пар катушек, которое размещается по кольцу вокруг поля обзора, равно трем или четырем в зависимости от того, должны ли оптимизироваться потери энергии или качество генерируемого магнитного поля. Существенно сниженное потребление энергии по сравнению со сборкой катушек, предложенной Weizenecker и соавторами, указывает основную причину выполнения данной компоновки и, по причине повышенной чувствительности, применимости для MPI в целом. Однако концепция использования линии отсутствия поля в магнитном поле не привязана к MPI и может найти применение также и в других областях.

Несмотря на то что изобретение было проиллюстрировано и подробно описано на чертежах и в приведенном выше описании, такие иллюстрация и описание должны рассматриваться как иллюстрация или как пример, а не как ограничение; изобретение не ограничивается изложенными вариантами осуществления. Другие вариации изложенных вариантов осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области техники при практическом применении заявляемого изобретения на основании изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения.

В формуле изобретения термин «содержит» не исключает других элементов или этапов и единственное число не исключает множественности. Единственный элемент или другой блок может выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в формуле изобретения. Сам факт того, что определенные элементы перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что они не могут быть с выгодой использованы совместно.

Любые условные обозначения в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие объем.

Claims

1. Устройство для генерации и изменения магнитного поля в поле (28) обзора, имеющем первую подзону (62), в частности, шарообразной или линейной формы, имеющую низкую напряженность магнитного поля, и вторую подзону (64), имеющую более высокую напряженность магнитного поля, причем устройство содержит:
по меньшей мере три пары первых катушек (136a-136d), при этом катушки расположены по кольцу вокруг поля обзора на равных или неравных расстояниях от центра поля обзора, причем две катушки из каждой пары размещены напротив друг друга на противоположных сторонах поля обзора,
по меньшей мере одну пару вторых катушек (116), размещенных напротив друг друга на противоположных сторонах поля обзора на открытых сторонах кольца,
генераторное средство (110, 130) для генерации сигналов тока для снабжения первых и вторых катушек для генерации требуемых магнитных полей посредством первых и вторых катушек и
средство (150) управления для управления генераторным средством для генерации
i) сигналов тока для поля выбора для снабжения первых катушек (136a-136d) так, чтобы по меньшей мере три пары первых катушек генерировали градиентное магнитное поле выбора, имеющее такую пространственную конфигурацию напряженности магнитного поля, что в поле обзора формируется первая подзона, в частности, шарообразной или линейной формы, имеющая низкую напряженность магнитного поля, и вторая подзона, имеющая более высокую напряженность магнитного поля, и
ii) сигналов тока для поля возбуждения для снабжения вторых катушек (116) и двух пар первых катушек (136а, 136с) так, чтобы по меньшей мере одна пара вторых катушек и две пары первых катушек генерировали однородное магнитное поле возбуждения для изменения положения в пространстве двух подзон в поле обзора.

2. Устройство по п. 1, в котором средство (150) управления выполнено с возможностью управления генераторным средством (110, 130) для генерации сигналов тока для поля выбора, также для снабжения вторых катушек (116) для содействия генерации магнитного поля выбора.

3. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее по меньшей мере четвертую пару первых катушек, причем первые катушки размещены по кольцу вокруг поля обзора.

4. Устройство по п. 1, в котором первые катушки (136a-136d) размещены по кольцу без перекрытия друг с другом, под равномерно распределенными углами и/или на равном расстоянии от центра поля обзора.

5. Устройство по п. 1, в котором генераторное средство содержит блок (130) генерации сигналов тока для поля выбора для генерации отдельных сигналов тока для поля выбора для каждой из первых катушек (136a-136d) в виде синусоидальной функции, зависящей от углового положения соответствующей первой катушки на кольце и желаемого направления линейной первой подзоны.

6. Устройство по п. 5, в котором блок (130) генерации сигналов тока для поля выбора выполнен с возможностью генерации отдельных сигналов тока I₁ для поля выбора для каждой из первых катушек в виде I₁=g₁ (γ-cos (2φ₁-2α)), где φ₁ - угловое положение соответствующей первой катушки l на кольце, α определяет требуемое направление линейной первой подзоны в поле обзора и g₁ и γ - предварительно определенные константы.

7. Устройство по п. 5, в котором блок (130) генерации сигналов тока для поля выбора выполнен с возможностью генерации
отдельных сигналов тока I_l для поля выбора для каждой из первых катушек в виде I₁=g₁cos (2φ₁-2α), где φ₁ - угловое положение соответствующей первой катушки l на кольце, α определяет требуемое направление линейной первой подзоны в поле обзора и g₁ - предварительно определенная константа, и
отдельных сигналов тока I_m для поля выбора для каждой из вторых катушек m для генерации градиентного магнитного поля в направлении, перпендикулярном кольцу первых катушек.

8. Устройство по п. 5, в котором блок (130) генерации сигналов тока для поля выбора выполнен с возможностью генерации отдельных сигналов тока для поля выбора таким образом, что параметр α, определяющий требуемое направление линейной первой подзоны, непрерывно изменяется со временем t, в частности, в соответствии с α=2gft, где f - частота, с которой вращается первая линейная подзона.

9. Устройство по п. 1, в котором генераторное средство содержит блок (110) генерации сигналов тока для поля возбуждения для генерации отдельных сигналов тока для поля возбуждения для каждой из вторых катушек (116) и двух пар первых катушек (136а, 136с), которые снабжаются сигналами тока для поля возбуждения, что приводит к тому, что первые и вторые катушки генерируют однородные магнитные поля, имеющие вектор магнитного поля, указывающий требуемое направление движения первой линейной подзоны, в частности указывающий направление, перпендикулярное первой линейной подзоне.

10. Устройство по п. 1, содержащее три пары вторых катушек (116а, 116b, 116с), размещенных напротив друг друга на различных противоположных сторонах поля обзора.

11. Устройство (100) получения изображений с помощью магнитных частиц для оказания воздействия на магнитные частицы в поле (28) обзора и/или для их детектирования, причем устройство содержит устройство для генерации и изменения магнитного поля в поле обзора по п. 1.

12. Устройство (100) получения изображений с помощью магнитных частиц по п. 11, дополнительно содержащее:
средство приема, содержащее по меньшей мере один блок (140) приема сигналов и по меньшей мере одну принимающую катушку (148) для получения сигналов детектирования, причем сигналы детектирования зависят от намагниченности в поле (28) обзора, а на намагниченность влияет изменение положения в пространстве первой и второй подзон (52, 54), и
средство (152) обработки для обработки сигналов детектирования.

13. Способ генерации и изменения магнитного поля в поле (28) обзора, причем магнитное поле имеет первую подзону (62), в частности, шарообразной или линейной формы, имеющую низкую напряженность магнитного поля, и вторую подзону (64), имеющую более высокую напряженность магнитного поля, с использованием по меньшей мере трех пар первых катушек (136a-136d), причем катушки размещают по кольцу вокруг поля обзора, и две катушки из каждой пары размещают напротив друг друга на противоположных сторонах поля обзора, и по меньшей мере одну пару катушек из вторых катушек (116) размещают напротив друг друга на противоположных сторонах поля обзора на открытых сторонах кольца, при этом способ содержит этапы, на которых:
генерируют сигналы тока для снабжения первых и вторых катушек для генерации требуемых магнитных полей посредством первых и вторых катушек и
управляют этапом генерации сигналов тока для генерации
i) сигналов тока для поля выбора для снабжения первых катушек так, что по меньшей мере три пары первых катушек генерировали градиентное магнитное поле выбора, имеющее такую пространственную конфигурацию напряженности магнитного поля, что в поле обзора формируется первая подзона, в частности, шарообразной или линейной формы, имеющая низкую напряженность магнитного поля, и вторая подзона, имеющая более высокую напряженность магнитного поля, и
ii) сигналов тока для поля возбуждения для снабжения вторых катушек и двух пар первых катушек так, что по меньшей мере одна пара вторых катушек и две пары первых катушек генерировали однородное магнитное поле возбуждения для изменения положения в пространстве двух подзон в поле обзора.