СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ И/ИЛИ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ МАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ
METHOD AND DEVICE FOR MAGNETIC PARTICLE EXPOSURE AND/OR DETECTION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к способу и устройству для детектирования магнитных частиц в области действия и для мониторинга кровотечения. Кроме того, настоящее изобретение относится к компьютерной программе для реализации упомянутого способа на компьютере и для управления таким устройством.
Более конкретно изобретение относится к обнаружению внутримозгового и внутричерепного кровотечения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Устройство этого типа известно из немецкой патентной заявки DE 10151778 A1. В устройстве, описанном в этой публикации, прежде всего, генерируется магнитное поле отбора, которое обладает пространственным распределением напряженности магнитного поля, таким, что первая подзона, которая обладает относительно низкой напряженностью магнитного поля, и вторая подзона, которая обладает относительно высокой напряженностью магнитного поля, формируются в исследуемой зоне. Затем положение подзон в пространстве в исследуемой зоне сдвигается так, чтобы локально изменить намагниченность частиц в исследуемой зоне. Регистрируются сигналы, которые зависят от намагниченности в исследуемой зоне, причем на эту намагниченность влияет сдвиг положения подзон в пространстве, и из этих сигналов извлекается информация относительно пространственного распределения магнитных частиц в исследуемой зоне так, чтобы можно было сформировать изображение исследуемой зоны. Такое устройство обладает тем преимуществом, что его можно использовать для исследования произвольных исследуемых объектов - например, тела человека, - без разрушения и какого-либо повреждения и с высоким пространственным разрешением, а также близко от поверхности исследуемого объект.
Сходные способ и устройство известны из Gleich, B. and Weizenecker, J. (2005), «Tomographic imaging using the nonlinear response of magnetic particles» в Nature, том 435, стр. 1214-1217. Преимуществом устройства и способа для визуализации магнитных частиц (MPI), описанных в этой публикации, является нелинейная кривая намагниченности малых магнитных частиц.
Кроме того, MPI приборы известны из Sattel, T. et al., «Fast track communication: Single-sided device for magnetic particle imaging» в Journal of Physics D: Applied Physics, том 42 (2009), 022001 (5 стр.) и из JP 2009 056232 A.
Внутримозговые или внутричерепные кровотечения можно детектировать на своих местах во время общего диагностического сканирования с использованием устоявшихся способов терапевтического воздействия для визуализации, таких как КТ (CT) или МРТ (MRI). Согласной общей практике, во время дифференциальной диагностики неврологических случаев, принимаются во внимание различия между ишемическим инсультом и кровотечением. Однако этот случай не учитывает пациентов, которым необходим постоянный мониторинг кровотечения, например после рассечения мозговых или черепных артерий, или пациентов, которые проходят лизисную терапию, при которой одним из основных осложнений является возникновение спонтанного кровотечения.
Общеизвестные способы терапевтического воздействия, используемые для медицинской визуализации, которые можно использовать для детектирования кровотечения, например МРТ (магнитно-резонансная томография) или КТ (компьютерная томография) доступны только в течение ограниченного периода времени, например в течение диагностического сканирования. Однако пациенты, которым необходим постоянный мониторинг кровотечения, нуждаются в системе, которая доступна постоянно или периодически и которую можно сделать доступной при очень небольшом усилии.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить способ и устройство для воздействия и/или детектирования магнитных частиц в области действия, а также способ мониторинга кровотечения, который позволяет осуществлять постоянный или периодический мониторинг пациента в течение более длительного периода времени и который можно сделать легко доступным для пациента.
В первом аспекте настоящего изобретению представлено устройство для детектирования магнитных частиц в области действия и для мониторинга кровотечения, причем упомянутое устройство реализует использование способа визуализации магнитных частиц (MPI) для детектирования магнитных частиц в области действия и содержит средство обработки сигнала для обработки сигналов детектирования, принятых средством приема сигнала, причем упомянутое средство обработки сигнала содержит:
- средство сравнения для сравнения принятых сигналов детектирования из области действия с ранее полученными опорными сигналами из той же области действия,
- первое средство определения для определения, основываясь на упомянутом сравнении, областей увеличенного объема крови,
- второе средство определения для определения картины пульсации крови в упомянутых областях увеличенного объема крови, и
- третье средство определения для определения того, какие из упомянутых областей увеличенного объема крови представляют собой области с кровотечениями на основе определенной картины пульсации.
Этот аспект настоящего изобретения в частности направлен на мониторинг кровотечений и позволяет определять, является ли конкретная область, которая обладает увеличенным объемом крови, областью с кровотечениями или она просто проявляет нормальную вариацию локального объема крови. Основная идея состоит в том, чтобы проводить различия между такими областями посредством определения картины пульсации крови в упомянутой области увеличенного объема крови. Области нормальной вариации (увеличения) локального объема крови обычно обладают характерной картиной пульсации из-за сердцебиения, тогда как области с увеличенным объемом крови из-за кровотечения будут иметь другую картину или не будут иметь ее вовсе. Такое распознавание предпочтительно используется согласно этому аспекту настоящего изобретения.
Для применений этих типов способ визуализации магнитных частиц (MPI) обладает преимуществами относительно обычных способов терапевтического воздействия для визуализации.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлен соответствующий способ.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понимать, что заявленный способ имеет предпочтительные варианты осуществления, схожие и/или идентичные заявленному устройству и определенные в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения устройство дополнительно содержит:
- средство отбора, которое содержит блок генератора сигнала поля отбора и катушки поля отбора для генерации магнитного поля отбора, которое имеет пространственную картину его напряженности магнитного поля такую, что в области действия формируются первая подзона, которая имеет низкую напряженность магнитного поля, и вторая подзона, которая имеет более высокую напряженность магнитного поля,
- средство возбуждения, которое содержит блоки генератора сигнала поля возбуждения и катушки поля возбуждения для изменения положения в пространстве двух подзон в области действия посредством магнитного поля возбуждения так, что намагниченность магнитного вещества локально меняется,
- средство приема, которое содержит по меньшей мере один блок приема сигнала и по меньшей мере одну принимающую катушку для получения сигналов детектирования, причем эти сигналы детектирования зависят от намагниченности в области действия, и на эту намагниченность воздействует изменение положения в пространстве первой и второй подзоны,
причем упомянутые катушки поля отбора, упомянутые катушки поля возбуждения и упомянутая по меньшей мере одна принимающая катушка реализованы посредством набора общих катушек, и при этом упомянутое устройство дополнительно содержит средство подключения, которое включает в себя блок подключения для каждой катушки из упомянутого набора общих катушек, подключенный между блоком генератора сигнала поля отбора, блоком генератора поля возбуждения и ассоциированной катушкой из упомянутого набора общих катушек.
Этот вариант осуществления изобретения основан на идее использовать общий набор катушек, т.е. один массив катушек, для генерации всех необходимых магнитных полей, т.е. магнитного поля отбора, магнитного поля возбуждения и, если применимо, магнитного поля фокусировки, а также для детектирования сигналов детектирования, зависящих от намагниченности в области действия. В частности, это стало возможным посредством общего блока подключения, который подключен между различными блоками генератора сигнала поля и их соответствующими катушками, т.е. блок подключения обеспечивается для каждой катушки из упомянутого набора общих катушек (также обозначаемого массивом катушек). Таким образом, различные сигналы для генерации различных магнитных полей объединяются для общего управления катушками из упомянутого набора общих катушек.
Изобретение, в частности, применимо, когда используют катушки малого размера и когда необходима малая напряженность магнитного поля. Благодаря упомянутому малому размеру и этой малой напряженности поля, можно создать устройство, в частности набор общих катушек, компактным и удобным, что позволяет держать его постоянно доступным около кровати пациента или сделать доступным при очень малом усилии посредством перемещения его к кровати пациента периодически, например, установив на тележку. Таким образом, например, можно создать сканер визуализации магнитных частиц, который предназначен для мониторинга внутричерепных или внутримозговых кровотечений, и сканер можно создать в открытом виде, что делает возможным удобный и легкий доступ к пациенту при одновременном мониторинге пациента. Конечно, изобретение можно реализовать и в устройствах для других целей, в частности для мониторинга других частей тела пациента, таких как сердце или абдоминальная область.
Согласно предпочтительному варианту осуществления катушки из упомянутого набора катушек расположены в общем корпусе, который содержит соединитель катушки, по существу выполненный из магнитномягкого вещества, который соединяет упомянутые катушки. Упомянутое магнитномягкое вещество предпочтительно выполняют из железа, а соединитель катушки предпочтительно содержит экран, в частности, выполненный из меди. Соединитель катушки обеспечивает хорошее направление магнитного потока и увеличивает напряженность поля. Кроме того, экран предотвращает образование гармоник в соединителе магнитной катушки, в основном благодаря магнитным полям возбуждения.
Согласно дополнительному варианту осуществления катушки из упомянутого набора общих катушек, корпус и соединитель катушки адаптированы для размещения в непосредственной близости от части тела пациента, в частности головы пациента. Изобретение позволяет сконструировать существенные элементы, которые нужно помещать рядом с частью тела, подлежащей мониторингу, так, чтобы они покрывали только эти ключевые части, и их можно было бы разместить близко к этим частям. Как указано выше, эти элементы устройства можно реализовать для размещения непосредственно у кровати пациента, чтобы сделать возможным постоянный мониторинг, например, кровотечения, или на тележке, чтобы сделать возможным легкое предоставление устройства нескольким различным пациентам для периодического сканирования.
Для мониторинга кровотечений в голове пациента эти элементы можно выполнить в форме шлема, который можно помещать на голову пациента и который можно размещать, например, на кровати пациента.
В дополнительном варианте осуществления упомянутый соединитель катушки выполнен в форме полуоболочки, которая закрывает катушки из упомянутого набора общих катушек и содержит удлинители, в частности шиповидные удлинители, для соединения с упомянутыми катушками. Эти удлинители, в частности, улучшают магнитный поток и направляют магнитный поток к отдельным катушкам. Дополнительное преимущество состоит в том, что это приводит к более низкому потреблению мощности.
Предпочтительно блок подключения содержит параллельный резонансный контур, который предпочтительно адаптирован для одновременного подключения сигналов, генерируемых блоками генератора сигнала поля, к катушкам. В частности, параллельный резонансный контур представлен, чтобы служить для обеспечения того, чтобы сигналы поля возбуждения не замыкались на землю таким образом, что сигнал детектирования нельзя было бы детектировать, поскольку он уходил бы в землю.
Для правильного детектирования сигналов детектирования, полученных одной или несколькими катушками из упомянутого набора общих катушек, действующих в качестве принимающих катушек, в дополнительном варианте осуществления предполагается обеспечить индуктивный элемент, подключенный последовательно к принимающим катушкам, и, кроме того, обеспечить резонансный контур, подключенный между точкой подключения упомянутого индуктивного элемента и упомянутой принимающей катушкой, и принимающий блок, ассоциированный с упомянутой принимающей катушкой. Таким образом, индуктивный делитель напряжения формируется посредством индуктивного элемента и принимающей катушки для правильного отведения сигнала детектора в точке подключения между ними.
В дополнительном варианте осуществления предоставлен управляющий блок для управления упомянутыми блоками генератора сигнала поля возбуждения так, что в предварительно определенных областях амплитуда генерируемого магнитного поля возбуждения не превышает предварительно определенной напряженности магнитного поля. Таким образом, можно гарантировать, что в упомянутых предварительно определенных областях не будет происходить перегрев. Таким образом, можно минимизировать нагревание, например, возможных зубных пломб и ортопедических устройств, таких как корсеты или фиксаторы, чтобы предотвратить какое-либо повреждение пациента во время процесса постоянного мониторинга.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления средство обработки дополнительно содержит средство регистрации для регистрации сигналов, принятых упомянутым средством приема сигнала, с использованием опорных сигналов для коррекции движения пациента. Это повышает точность способа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты изобретения видны из и разъяснены со ссылкой на варианты осуществления, описанные далее в настоящем документе, на следующих чертежах:
Фиг. 1 представляет схематичное изображение принципиального плана устройства для визуализации магнитных частиц (MPI);
Фиг. 2 представляет пример картины линий поля, созданной устройством, как показано на фиг. 1;
Фиг. 3 представляет увеличенный вид магнитной частицы, присутствующей в области действия;
Фиг. 4a и 4b представляют характеристики намагниченности таких частиц;
Фиг. 5 представляет блок-схему устройства в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 6 схематично проиллюстрирует реализацию устройства в соответствии с настоящим изобретением на тележке;
Фиг. 7 схематично проиллюстрирует другую реализацию катушек в устройстве в соответствии с настоящим изобретением в качестве катушек для головы;
Фиг. 8 схематично проиллюстрирует реализацию катушек в устройстве в соответствии с настоящим изобретением по типу шлема;
Фиг. 9 представляет принципиальную схему устройства в соответствии с настоящим изобретением; и
Фиг. 10 представляет блок-схему последовательности действий, которая иллюстрирует способ мониторинга кровотечения в соответствии с настоящим изобретением.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Перед разъяснением деталей настоящего изобретения следует подробно изложить основы визуализации магнитных частиц со ссылкой на фиг. 1-4.
На фиг. 1 представлен произвольный объект, подлежащий исследованию посредством MPI устройства 10. Номер позиции 1 на фиг. 1 обозначает объект, в этом случае пациента человека или животное, который расположен на столе 2 пациента, причем показана только верхняя его часть. Перед применением способа визуализации магнитные частицы 100 (не показаны на фиг. 1) располагаются в области действия 300 устройства 10 по изобретению. В частности, перед терапевтическим и/или диагностическим воздействием, например, на опухоль магнитные частицы 100 размещаются в области действия 300, например, посредством жидкости (не показана), которая содержит магнитные частицы 100, которые инъецируют в тело пациента 1.
На фиг. 2 приведен пример компоновки катушек, которая содержит несколько катушек, образующих средство 210 отбора, диапазон которых определяет область действия 300, которую также называют областью воздействия 300. Например, средство(а) 210 отбора расположено выше и ниже пациента 1 или выше и ниже верхней части стола. Например, средство 210 отбора содержит первую пару 210', 210'' катушек, каждая из которых содержит две идентично сконструированные обмотки 210' и 210'', которые расположены соосно выше и ниже пациента 1, через которые пропускают равные токи, в частности, в противоположных направлениях. В дальнейшем первую пару 210', 210'' катушек вместе называют средством 210 отбора. Предпочтительно в этом случае используют постоянные токи. Средство 210 отбора генерирует магнитное поле 211 отбора, которое в целом представляет собой градиентное магнитное поле, которое представлено на фиг. 2 линиями поля. Оно имеет по существу постоянный градиент в направлении (например, вертикальном) оси пары катушек средства 210 отбора и достигает нулевого значения в точке на этой оси. Начиная с этой точки без поля (отдельно не показана на фиг. 2), напряженность поля магнитного поля 211 отбора возрастает во всех трех направлениях пространства с увеличением расстояния от точки без поля. В первой подзоне 301 или области 301, которая обозначена штриховой линией вокруг точки без поля, напряженность поля настолько мала, что намагниченность частиц 100, присутствующих в этой первой подзоне 301, не насыщена, тогда как намагниченность частиц 100, присутствующих во второй подзоне 302 (за пределами области 301), находится в состоянии насыщения. Точка без поля или первая подзона 301 области действия 300 предпочтительно представляет собой пространственно-когерентную область; она также может представлять собой точкообразную область или даже линию или плоскость. Во второй подзоне 302 (т.е. в оставшейся части области действия 300 за пределами первой подзоны 301) напряженность магнитного поля достаточно высока, чтобы удерживать частицы 100 в состоянии насыщения. Меняя положение двух подзон 301, 302 в области действия 300, меняют (общую) намагниченность в области действия 300. Измеряя в области действия 300 намагниченность или физические параметры, на которые влияет намагниченность, можно получить информацию о пространственном распределении магнитных частиц в области действия. Для того чтобы изменить относительное пространственное положение двух подзон 301, 302 в области действия 300, дополнительное магнитное поле, так называемое магнитное поле 221 возбуждения, накладывают на поле 211 отбора в области действия 300 или по меньшей мере в части области действия 300.
На фиг. 3 представлен пример магнитной частицы 100 того типа, который используют вместе с устройством 10, как показано выше, а также в соответствии с настоящим изобретением. Она содержит, например, сферическую подложку 101, например, из стекла, на которой предоставлен магнитномягкий слой 102, который имеет толщину, например 5 нм, и состоит, например, из железоникелевого сплава (например, Пермаллой). Этот слой можно покрыть, например, покрывающим слоем 103, который защищает частицу 100 от химически и/или физически агрессивной среды, например от кислот. Напряженность магнитного поля в магнитном поле 211 отбора, необходимая для насыщения намагниченности таких частиц 100, зависит от различных параметров, например от диаметра частиц 100, используемого магнитного вещества для магнитного слоя 102 и других параметров.
Например, при диаметре 10 мкм необходимо магнитное поле приблизительно 800 А/м (соответствует плотности потока приблизительно 1 мТ), тогда как при диаметре 100 мкм достаточно магнитного поля 80 А/м. Еще меньших значений достигают, когда выбирают покрытие 102 вещества, которое имеет более низкую намагниченность насыщения или когда уменьшают толщину слоя 102.
В качестве дополнительных подробностей относительно предпочтительных магнитных частиц 100 в настоящий документ включены соответствующие части из DE 10151778 посредством ссылки, в частности параграфы 16-20 и параграфы 57-61 из EP 1304542 A2, для которой испрашивается приоритет по DE 10151778.
3
2
Размер первой подзоны 301 зависит с одной стороны от напряженности градиента магнитного поля 211 отбора, а с другой стороны - от напряженности поля в магнитном поле, необходимом для насыщения. Для достаточного насыщения магнитных частиц 100 при напряженности магнитного поля 80 А/м и градиенте (в заданном направлении в пространстве) напряженности поля в магнитном поле 211 отбора, составляющей до 160×10 А/м, первая подзона 301, в которой намагниченность частиц 100 не насыщена, имеет размеры приблизительно 1 мм (в заданном направлении в пространстве).
Когда дополнительное магнитное поле, которое в дальнейшем называют магнитным полем 221 возбуждения, накладывают на магнитное поле 210 отбора (или градиентное магнитное поле 210) в области действия 300, первую подзону 301 сдвигают относительно второй подзоны 302 в направлении этого магнитного поля 221 возбуждения; степень этого смещения возрастает с увеличением напряженности магнитного поля 221 возбуждения. Когда наложенное магнитное поле 221 возбуждения изменяют во времени, положение первой подзоны 301, таким образом, меняют во времени и в пространстве. Удобно принимать или детектировать сигналы от магнитных частиц 100, расположенных в первой подзоне 301 в другой полосе частот (смещенной в сторону более высоких частот), отличной от полосы частот изменений магнитного поля 221 возбуждения. Это возможно, поскольку частотные составляющие более высоких гармоник частоты магнитного поля 221 возбуждения возникают вследствие изменения намагниченности магнитных частиц 100 в области действия 300 как результат нелинейности характеристики намагниченности.
Для того чтобы генерировать эти магнитные поля 221 возбуждения в любом заданном в пространстве направлении, обеспечиваются три дополнительные пары катушек, а именно вторая пара 220' катушек, третья пара 220'' катушек и четвертая пара 220''' катушек, которые в дальнейшем вместе называют средством 220 возбуждения. Например, вторая пара 220' катушек генерирует компонент магнитного поля 221 возбуждения, который идет в направлении оси катушки первой пары 210', 210'' катушек или средств 210 отбора, т.е., например, вертикально. С этой целью через обмотки второй пары 220' катушек пропускают равные токи в одном направлении. Эффект, который может быть достигнут посредством второй пары 220' катушек, в принципе, может быть достигнут посредством наложения токов в одном направлении на противоположные равные токи в первой паре 210', 210'' катушек с тем, чтобы снизить ток в одной катушке и повысить в другой катушке. Однако и, в частности, с целью интерпретации сигнала при более высоком отношении сигнала к шуму может быть полезным генерировать постоянное (или квазипостоянное) во времени поле 211 отбора (также называемое градиентным магнитным полем) и переменное во времени вертикальное магнитное поле возбуждения посредством отдельных пар катушек средства 210 отбора и средства 220 возбуждения.
Две дополнительные пары 220'', 220''' катушек предоставлены для того, чтобы генерировать компоненты магнитного поля 221 возбуждения, которые идут в другом направлении в пространстве, например горизонтально в продольном направлении области действия 300 (или пациента 1) и в направлении, перпендикулярном ему. Если для этой цели используют третью и четвертую пары 220'', 220''' катушек Гельмгольца (такие, как пары катушек для средства 210 отбора и средства 220 возбуждения), эти пары катушек следует располагать слева и справа от области воздействия или спереди и сзади этой области соответственно. Это будет влиять на доступность области действия 300 или области воздействия 300. Следовательно, третью и/или четвертую пары магнитных катушек или катушек 220'', 220''' также располагают выше и ниже области действия 300, и, следовательно, их конфигурация обмотки должна отличаться от таковой второй пары 220' катушек. Однако катушки этого типа известны в области магнитно-резонансных томографов с открытыми магнитами (открытый МРТ), в которых пару радиочастотных (РЧ) катушек размещают выше и ниже области воздействия, упомянутая пара РЧ катушек способна генерировать горизонтальное переменное во времени магнитное поле. Следовательно, конструкцию таких катушек не нужно дополнительно описывать в настоящем документе.
Устройство 10 дополнительно содержит средство 230 приема, которое только схематически показано на фиг. 1. Средство 230 приема обычно содержит катушки, которые могут детектировать сигналы, вызванные картиной намагниченности магнитных частиц 100 в области действия 300. Однако катушки этого типа известны из области магнитно-резонансных томографов, в которых, например, пара радиочастотных (РЧ) катушек располагается вокруг области действия 300 для того, чтобы иметь максимально возможное отношение сигнал-шум. Следовательно, конструкцию таких катушек не нужно дополнительно описывать в настоящем документе.
В альтернативном варианте осуществления средства 210 отбора, представленного на фиг. 1, можно использовать постоянные магниты (не показаны) для генерации градиентного магнитного поля 211 отбора. В пространстве между двумя полюсами таких (противоположных) постоянных магнитов (не показаны) образуется магнитное поле, которое схоже с представленным на фиг. 2, то есть когда противоположные полюса обладают одинаковой полярностью. В другом альтернативном варианте осуществления устройства средство 210 отбора содержит по меньшей мере один постоянный магнит и по меньшей мере одну катушку 210', 210'', как показано на фиг. 2.
Частотные диапазоны, обычно используемые для или в различных компонентах средства 210 отбора, средства 220 возбуждения и средства 230 приема, составляют приблизительно: магнитное поле, которое генерируется средством 210 отбора, со временем не изменяется вовсе, или же его изменения происходят сравнительно медленно, предпочтительно между приблизительно 1 Гц и приблизительно 100 Гц. Магнитное поле, которое генерируется средством 220 возбуждения, меняется предпочтительно между приблизительно 25 кГц и приблизительно 100 кГц. Изменения магнитного поля, к которым средство приема предположительно должны быть чувствительно, предпочтительно находятся в частотном диапазоне приблизительно от 50 кГц приблизительно до 10 МГц.
C
C
C
C
На фиг. 4a и 4b представлены характеристики намагниченности, то есть изменение намагниченности M частиц 100 (не показано на фиг. 4a и 4b) в виде функции напряженности поля H в месте расположения этой частицы 100, в дисперсии с такими частицами. Похоже, что не происходит изменение намагниченности M при напряженности поля выше +H и при напряженности поля ниже -H, что означает, что достигнута насыщенная намагниченность. Намагниченность M не является насыщенной между значениями +H и -H.
На фиг. 4a проиллюстрирован эффект синусоидального магнитного поля H(t) в месте расположения частицы 100, где абсолютные значения результирующего синусоидального магнитного поля H(t) (т.е. «наблюдаемого частицей 100») ниже напряженности магнитного поля, которая необходима для магнитного насыщения частицы 100, т.е. в случае, когда дополнительное магнитное поле не активно. Намагниченность частицы 100 или частиц 100 для этого состояния движется вперед и назад между ее значениями насыщения с периодичностью частоты магнитного поля H(t). Результирующее изменение намагниченности во времени обозначено ссылкой M(t) в правой части фиг. 4a. Очевидно, что намагниченность также меняется периодически и что намагниченность такой частицы периодически меняется на противоположную.
C
C
C
C
Штриховая часть линии в центре кривой обозначает приблизительное среднее отклонение намагниченности M(t) в виде функции напряженности поля синусоидального магнитного поля H(t). При отклонении от этой центральной линии намагниченность смещается слегка вправо, когда магнитное поле H повышают от -H до +H, и слегка влево, когда магнитное поле H снижают от +H до -H. Этот известный эффект называют эффектом гистерезиса, который лежит в основе механизма образования тепла. Площадь поверхности гистерезиса, которая образована между путями кривой, форма и размер которой зависят от вещества, представляет собой меру образования тепла при изменении намагниченности.
1
На фиг. 4b представлен эффект синусоидального магнитного поля H(t), на которое накладывают статическое магнитное поле H. Поскольку намагниченность находится в насыщенном состоянии, на нее практически не влияет синусоидальное магнитное поле H(t). Намагниченность M(t) остается постоянной во времени в этой области. Таким образом, магнитное поле H(t) не вызывает изменения в состоянии намагниченности.
На фиг. 5 представлена блок-схема варианта осуществления устройства 10 в соответствии с настоящим изобретением. Изложенные выше общие принципы визуализации магнитных частиц также действительны и применимы здесь, если конкретно не указано иное.
Вариант осуществления устройства 10, представленный на фиг. 5, содержит набор 200 из трех общих катушек 200a, 200b, 200c, которые служат для генерации всех необходимых магнитных полей, а также для детектирования сигнала, как изложено ниже. Для генерации магнитного поля отбора, описанного выше, обеспечивается блок 20 генератора сигнала поля отбора, предпочтительно для каждой катушки 200a, 200b, 200c из набора 200, которые следует использовать в качестве катушек поля отбора, предоставлен отдельный блок 20 генератора сигнала поля отбора (хотя, как правило, также можно предоставить один общий блок 20 генератора сигнала поля отбора для всех катушек поля отбора). Упомянутый блок 20 генератора сигнала поля отбора содержит управляемый источник 21 тока поля отбора (как правило, содержит усилитель) и фильтрующий блок 22, который обеспечивает соответствующую катушку поля отбора током поля отбора для того, чтобы отдельно задавать градиентную напряженность поля отбора в желаемом направлении. Предпочтительно обеспечивается постоянный ток. Если катушки поля отбора выполнены в виде противоположных катушек, например, на противоположных сторонах области действия, токи поля отбора противоположных катушек предпочтительно имеют противоположное направление.
Блоком 20 генератора сигнала поля отбора управляет управляющий блок 70, который предпочтительно управляет генерацией тока поля отбора так, что сумма напряженности поля и сумма градиентной напряженности всех пространственных фракций поля отбора сохраняют на предварительно определяемом уровне.
Для генерации магнитного поля возбуждения устройство 10 дополнительно содержит блок 30 генератора сигнала поля возбуждения, причем предпочтительно отдельный блок генерации сигнала поля возбуждения для каждой катушки из упомянутого набора 200, который должен использоваться для генерации поля возбуждения. Упомянутый блок 30 генератора сигнала поля возбуждения содержит источник 31 тока поля возбуждения (предпочтительно содержит усилитель тока) и фильтрующий блок 32 для снабжения соответствующей катушки поля возбуждения током поля возбуждения. Источник 31 тока поля возбуждения сконфигурирован для генерации переменного тока и им также управляет управляющий блок 70.
Предпочтительно (но не обязательно) устройство 10 дополнительно содержит блок 40 генератора сигнала поля фокусировки, который содержит источник 41 тока поля фокусировки (предпочтительно содержит усилитель тока) и фильтрующий блок 42 для снабжения током поля фокусировки соответствующей катушки из упомянутого набора 200 катушек, которые следует использовать для генерации магнитного поля фокусировки. Упомянутое магнитное фокусное поле, как правило, используют для изменения положения в пространстве области действия, как в целом известно в области MPI.
Для детектирования сигнала обеспечивается блок 50 приема сигнала, который принимает сигналы, обнаруженные катушкой 200a, 200b, 200c из упомянутого набора 200, который используют для детектирования сигнала. Предпочтительно для каждой катушки из упомянутого набора, которые должны использоваться в качестве принимающих сигнал катушек, представлен отдельный блок 50 приема сигнала. Упомянутый блок 50 приема сигнала содержит фильтрующий блок 51 для фильтрации принятых сигналов детектирования. Цель этого фильтрования состоит в том, чтобы отделить измеренные значения, которые обусловлены намагниченностью в исследуемой области, на которую влияет изменение положения двух частичных областей (301, 302), от других интерферирующих сигналов. С этой целью фильтрующий блок 51 можно, например, сконструировать так, что сигналы, которые обладают временными частотами, которые меньше временных частот, на которых работают катушки 200a, 200b, 200c, или вдвое меньше этих временных частот, не проходят через фильтрующий блок 51. Затем сигналы передаются через блок 52 усилителя на аналогово-цифровой преобразователь 53 (ADC). Оцифрованные сигналы, создаваемые аналогово-цифровым преобразователем 53, подаются в блок 71 обработки изображений (также называемый средством восстановления), который восстанавливает пространственное распределение магнитных частиц по этим сигналам и соответствующему положению, которое принимается для первой частичной области 301 первого магнитного поля в исследуемой области во время получения соответствующего сигнала и которое блок 71 обработки изображений получает от управляющего блока 70. Восстановленное пространственное распределение магнитных частиц в итоге передается через управляющее средство 70 на компьютер 12, который отображает его на мониторе 13. Таким образом, можно отобразить изображение, которое отражает распределение магнитных частиц в исследуемой области.
Кроме того, предоставлен блок 14 ввода, например клавиатура. Следовательно, пользователь может задать желаемое направление наивысшего разрешения и, в свою очередь, получить соответствующее изображение области действия на мониторе 13. Если важное направление, в котором необходимо обеспечить наивысшее разрешение, отклоняется от направления, заданного пользователем сначала, то пользователь также может менять направление вручную для того, чтобы получить дополнительное изображение с повышенным разрешением визуализации. Этот процесс повышения разрешения также может осуществляться автоматически посредством управляющего блока 70 и компьютера 12. Управляющий блок 70 в этом варианте осуществления задает градиентное поле в первом направлении, которое автоматически оценивается или устанавливается в качестве начального значения пользователем. Затем направление градиентного поля постепенно меняется до тех пор, пока разрешение принятых таким образом изображений, которые сравниваются компьютером 12, не станет максимальным и, соответственно, пока не будет требоваться дальнейшее улучшение. Таким образом, можно найти наиболее важное направление, автоматически адаптированное для того, чтобы принимать наивысшее возможное разрешение.
Устройство 10 дополнительно содержит средство 60 подключения, включающее в себя блок 60a, 60b, 60c подключения для каждой катушки 200a, 200b, 200c из упомянутого набора 200 общих катушек. Упомянутое средство 60 подключения соединено между блоком 20 генератора сигнала поля отбора, блоком 30 генератора поля возбуждения, блоком 40 генератора сигнала поля фокусировки (если присутствует) и ассоциированной катушкой 200a, 200b, 200c из упомянутого набора 200 общих катушек. Средство 60 подключения адаптировано для объединения различных сигналов, необходимых для генерации магнитных полей, которые, как правило, возможны для всех размеров катушек и напряженностей магнитного поля. Но это в особенности полезно ввиду требований к мощности и охлаждению, если катушки имеют малый размер и если необходимы малые напряженности магнитного поля. Ниже более подробно описан вариант осуществления такого блока подключения.
На фиг. 6 схематически проиллюстрирована первая реализация устройства в соответствии с настоящим изобретением. В этом варианте осуществления часть кровати 2 пациента реализована в виде подвижной тележки 2b для размещения под частью тела пациента, в данном случае под головой, тогда как основная часть тела пациента расположена на стационарной части 2a кровати пациента. Таким образом, общие катушки устройства помещаются внутри тележки, которая соответствует проиллюстрированной тележке 2b на фиг. 6, которую в целом следует понимать как схематическую иллюстрацию. Таким образом, устройство может быть легко доступным посредством перемещения его к кровати 2 пациента, периодически, на время мониторинга. Однако это же устройство также можно использовать для мониторинга других пациентов. Кроме того, используется устройство открытого типа, которое не мешает пациенту видеть медицинский персонал и наоборот.
Другая реализация схематично проиллюстрирована на фиг. 7. Здесь массив 200 катушек содержит всего семь катушек 200a-200g (только в качестве примера), которые расположены вокруг головы 3 пациента. Катушки расположены таким образом, что они оптимально соответствуют анатомии головы 300 пациента. Кроме того, предпочтительно размещать катушки, используемые в качестве катушек поля отбора, так, чтобы их ось симметрии проходила от уха до уха, т.е. горизонтально, что позволяет не закрывать лицо пациента какими-либо катушками.
Устройство катушек, которое схематично проиллюстрировано на фиг. 8, также можно реализовать в виде шлема, который содержит корпус 400, в котором размещают катушки 200a-200e. Кроме того, в этом варианте осуществления весь массив 200 катушек покрыт и приведен в соединение с магнитномягким веществом, которое формирует соединитель 410 катушек, причем упомянутый соединитель катушки предпочтительно выполнен из железа или другого магнитномягкого вещества. Кроме того, на соединителе 410 катушки обеспечивается медный экран 420 для предотвращения образования гармоник и взаимной модуляции в магнитномягком веществе из-за возбуждения магнитного поля, для направления магнитного потока и для повышения напряженности поля. Экран 420 предпочтительно обеспечивается вокруг всего соединителя 410 катушки. Предпочтительно, и как показано на фиг. 8, соединитель 4 катушки реализован так, что он закрывает массив 200 катушек в виде полуоболочки с шиповидными удлинителями 430, соединяя их с отдельными катушками 200a-200e, чтобы дополнительно усовершенствовать перенаправление магнитного потока и повысить напряженность поля.
На фиг. 9 представлен вариант осуществления контура устройства в соответствии с настоящим изобретением. В частности, одна катушка 200a из набора 200 катушек показана вместе с контуром для предоставления сигналов для генерации магнитного поля упомянутой катушкой 200a, а также для получения сигналов, детектируемых упомянутой катушкой 200a. На схеме представлен блок 30 генератора сигнала поля возбуждения, который обеспечивает блок 60 подключения током поля возбуждения. Кроме того, показаны общий блок 20 генератора сигнала поля отбора и блок 40 генератора сигнала поля фокусировки, которые обеспечивают блок 60 подключения током поля отбора и током поля фокусировки. Как ток поля отбора, так и ток поля фокусировки можно обеспечить посредством одного блока генератора, поскольку частотные диапазон обоих токов достаточно близки друг к другу.
Блок 60 подключения содержит параллельный резонансный контур 61, содержащий индуктивность L1 и емкость C1, соединенные параллельно. Между входной клеммой 62 для тока поля возбуждения и параллельным резонансным контуром 61 последовательно подключена емкость C2. Кроме того, между входной клеммой 62 для тока поля возбуждения и входной клеммой 63 для тока поля фокусировки и тока поля отбора подключены две емкости C3 и C4, точка 64 подключения которых соединена с потенциалом земли. Это подключение позволяет объединять высокочастотные сигналы поля возбуждения (после подходящей фильтрации) и низкочастотные сигналы поля отбора и поля фокусировки. Параллельный резонансный контур 61 в основном обеспечивает то, что сигналы поля возбуждения не замкнуты на землю.
Контур блока подключения делает катушку резонансной и, например, для емкости C4 эффект фильтра (например, фильтра низких частот) является значительным. Емкости C2 и C3 вместе формируют согласующий контур для согласования импеданса блока 30 генератора сигнала поля возбуждения с катушкой 200a.
Для приема сигналов детектирования другой индуктивный элемент 250 подключен последовательно к катушке 200a, другой конец которой соединен с землей. Клемма 270 отвода между катушкой 200a и индуктивным элементом 250 подает сигнал детектирования, который обеспечен через резонансный контур 260, содержащий соединенные параллельно индуктивный элемент L2 и емкостной элемент C5, на блок 50 приема сигнала.
Следует отметить, что токи поля фокусировки и поля отбора также можно генерировать посредством отдельных блоков генератора, как показано на фиг. 5. Кроме того, не каждая катушка из набора 200 обязательно должна выполнять функцию катушки поля отбора, катушки поля возбуждения, катушки поля фокусировки и/или принимающей катушки. Также возможно, что конкретная катушка выполняет только одну или несколько из упомянутых функций, например одна катушка только генерирует магнитные поля, тогда как другая катушка только принимает сигналы детектирования, тогда как еще одна катушка обеспечивает обе функции. В таких случаях соответствующие части контура можно или опустить полностью или можно просто не приводить в действие и не обеспечивать им соответствующие сигналы. Этим может управлять, например, управляющий блок.
Также следует отметить, что в соответствии с настоящим изобретением в целом только катушки для генерации магнитных полей и для детектирования сигнала нужно помещать в (непосредственной) близости от части тела, которая подлежит мониторингу, визуализации или нагреванию, тогда как все другие части, т.е. контур (в частности блоки генератора, блоки подключения, блок обработки, управляющий блок и т.д.), можно размещать в отдельном месте, удаленно от пациента.
Во многих специальных применениях по настоящему изобретению пространственного разрешения приблизительно от 5 до 10 мм будет достаточно. Следовательно, предпочтительной является достаточно низкая напряженность магнитного поля. Например, поле отбора, которое имеет градиент напряженности поля приблизительно 300 мТ/м, будет достаточным. Если, как предусмотрено в предпочтительном варианте осуществления, зазор между катушками, используемыми для создания поля отбора, например около уха пациента, составляет 200 мм, то максимальная напряженность поля фокусировки должна составлять приблизительно 30 мТ, тогда как напряженность поля возбуждения может быть ограничена несколькими мТ. Эта низкая напряженность поля делает возможным описанное объединение сигналов и использование общего блока подключения. Кроме того, это минимизирует нагревание прилежащих частей тела пациента.
Основная функция фильтрующего блока и контура-накопителя также описана в WO 2008/078244 A, где описано устройство для воздействия и/или детектирования магнитных частиц, способ калибровки такого устройства и способ для воздействия на и/или детектирования магнитных частиц в области действия. В частности, устройство содержит компенсирующий контроллер, который предоставляет компенсирующий сигнал для контура сигнала возбуждения и/или для контура сигнала детектирования посредством средства подключения для повышения отношения сигнал-шум. В средстве подключения используются другие аналоговые фильтрующие компоненты. В частности, резистивное соединение используется для подключения компенсирующего сигнала к контуру сигнала возбуждения. Три различные точки подключения для компенсирующего сигнала показаны в качестве альтернативы. Предпочтительно точка подключения выбирается так, что после точки подключения обеспечивается, по меньшей мере, одно финальное звено пассивного фильтра.
Вариант осуществления блока 71 обработки в соответствии с настоящим изобретением проиллюстрирован на фиг. 10. Этот вариант осуществления, в частности, направлен на мониторинг кровотечения. С этой целью блок 71 обработки содержит средство регистрации 710 для регистрации текущих сигналов D детектирования (текущего сканирования), принятых средством приема сигнала вместе с опорными сигналами R (например, полученными в опорном сканировании, например, в первом сканировании или более раннем сканировании), для того, чтобы корректировать движение пациента во время детектирования сигнала или более конкретно между детектированием сигналов D детектирования и опорных сигналов R. Такая регистрация в целом известна в данной области техники.
В предпочтительном варианте осуществления голову пациента снабжают двумя или более опорными маркерами. В начале мониторинга детектируют опорные сигналы и определяют систему координат. Во время детектирования сигналов D детектирования положение головы пациента сравнивают с положением во время детектирования опорных сигналов посредством опорных маркеров. Конечно, вместо опорных маркеров можно использовать большой сосуд (или другие характерные точки или части тела) в качестве анатомических ориентиров, или можно использовать графический образ лица пациента, т.е. черты лица, которые отслеживаются с использованием видеокамеры. Если пациент двигается, преобразование (например, строгое преобразование) получается на основе сравнения положения маркеров (или других элементов, используемых для упомянутой цели) и применяют к принятым сигналам детектирования, чтобы привязать все сигналы к одной системе координат.
Затем с помощью средства 711 сравнения локальный объем крови из опорного сигнала R сравнивается с объемом крови из последующих сигналов D детектирования (возможно, после коррекции движения). После этого с помощью первого средства 712 определения определяются области увеличения объема крови, основываясь на упомянутом сравнении. После этого посредством второго средства 713 определения определяется картина пульсации крови в упомянутых областях увеличенного объема крови. Затем, с помощью третьего средства 714 определения можно принять решение относительно присутствия кровотечения, определяя то, какая из упомянутых областей с увеличенным объемом крови представляет собой область с кровотечением на основе определенной картины пульсации.
Предпочтительно области увеличенного объема крови определяются посредством сравнения объема крови с использованием определенного порога, т.е. в некоторых областях существует значительно больше крови, чем наблюдали ранее. Кроме того, предпочтительно исключаются области естественного увеличения объема крови, например вследствие повышенного возбуждения или беспокойства. Это осуществляется с помощью третьего средства 714 определения, предпочтительно используя тот факт, что такие области увеличенного объема крови обладают характерной картиной пульсации из-за сердцебиения, тогда как области с увеличенным объемом крови из-за кровотечения будут иметь другую характерную картину пульсации или не будут иметь ее вовсе. Таким образом, можно автоматически создать простой и эффективный способ мониторинга кровотечения.
Следует отметить, что элементы блока 71 обработки можно реализовать в аппаратном обеспечении, программном обеспечении (например, в виде компьютерной программы, запускаемой на компьютере или процессоре) или в виде комбинации аппаратного обеспечения и программного обеспечения.
В отношении магнитных наночастиц, которые предпочтительно используют в качестве индикаторного вещества, следует отметить, что следует использовать магнитные вещества, которые обладают достаточно долгим временем удержания в крови, чтобы сделать возможным последующее сканирование в течение более длительного периода времени. Альтернативно для повторного сканирования инъецируют повторные малые дозы магнитных веществ. Кроме того, можно использовать магнитные вещества, которые встроены в красные клетки крови и, таким образом, циркулируют в кровотоке пациента, при условии, что такие нагруженные красные клетки крови имеют нормальный срок жизни.
Такие вещества известны, например, из A. Antonelli, C. Sfara, L. Mosca, E, Manuali, M. Magnani; New biomimetic constructs for improved in vivo circulation of superparamagnetic nanoparticles. J. Nonosci Nanotechnol, 8(5): 2270-2278, 2008. Другие подходящие магнитные вещества, например, представляют собой известные вещества Resovist или Feridex.
Изобретение предпочтительно можно использовать в области медицины, в частности в области неврологии для диагностирования и мониторинга инсультов, например, для непрерывного мониторинга внутричерепных и внутримозговых кровотечений, повторного, периодического мониторинга внутричерепных и внутримозговых кровотечений, визуализации локального скопления крови в области черепа или мозга и/или измерения перфузии мозга. Конечно, также возможны другие применения. В частности, настоящее изобретение также можно применять для воздействия на магнитные частицы в области действия, в частности, для нагревания выбранных частей тела пациента (т.е. для применения гипертермии, например, для уничтожения злокачественных клеток).
Несмотря на то, что изобретение подробно описано в предшествующем описании и проиллюстрировано на чертежах, такое описание и иллюстрации следует толковать в качестве иллюстративных или опорных, а не ограничительных; причем изобретение не ограничено описанными здесь вариантами осуществления. Специалисты в данной области могут понять и воплотить другие вариации описанных вариантов осуществления при осуществлении описываемого в заявке изобретения на практике, изучив чертежи, описание и приложенную формулу изобретения.
В формуле изобретения слово «содержит» не исключает присутствия других элементов или этапов, а форма единственного числа не исключает возможности множественного числа. Один элемент или другой блок может выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в формуле изобретения. Сам факт того, что определенные меры перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что сочетание этих мер нельзя использовать с выгодой.
Любые ссылки в формуле изобретения не следует толковать в качестве ограничения объема изобретения.