УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА И/ИЛИ ОБНАРУЖЕНИЯ МАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ
DEVICE AND METHOD FOR ACTING ON AND/OR DETECTING MAGNETIC PARTICLES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к устройству и способу для воздействия на и/или обнаружения магнитных частиц в поле зрения. Кроме того, настоящее изобретение относится к компьютерной программе для реализации упомянутого способа на компьютере, а также для управления таким устройством. Настоящее изобретение относится в частности к области визуализации с помощью магнитных частиц.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Визуализация с помощью магнитных частиц (MPI, magnetic particle imaging) является развивающимся медицинским методом визуализации. Первые версии визуализации с помощью магнитных частиц были двумерными в том, что они давали двумерные изображения. Более новые версии являются трехмерными (3D). Четырехмерное изображение нестатического объекта может быть создано путем объединения временной последовательности трехмерных изображений в видеоролик, при условии, что объект не меняется значительно во время сбора данных для одного трехмерного изображения.
Визуализация с помощью магнитных частиц является реконструктивным методом визуализации, так же как и компьютерная томография (CT) или магнитно-резонансная томография (MRI, Magnetic Resonance Imaging). Соответственно полученное с помощью магнитных частиц изображение интересующего объема объекта генерируется в два этапа. Первый этап, называемый сбором данных, выполняется с использованием сканера визуализации с помощью магнитных частиц. Сканер визуализации с помощью магнитных частиц имеет средство для генерирования статического магнитного градиентного поля, называемого "полем выбора", которое имеет (единственную) точку вне поля (FFP, field-free point) в изоцентре сканера. Более того, эта FFP окружена первой подзоной с низкой напряженностью магнитного поля, которая в свою очередь окружена второй подзоной с более высокой напряженностью магнитного поля. В дополнение к этому сканер имеет средство для генерирования зависящего от времени, пространственно почти однородного магнитного поля. На самом деле, это поле получается путем наложения быстро меняющегося поля с небольшой амплитудой, называемого "поле возбуждения", и медленно меняющегося поля с большой амплитудой, называемого "фокусирующее поле". Посредством добавления зависящих от времени поля возбуждения и фокусирующего поля к статическому полю выбора, FFP может быть перемещена вдоль заданной траектории FFP во всем "объеме сканирования", окружающем изоцентр. Сканер также имеет конструкцию из одной или более, например, из трех приемных катушек и может записывать любые напряжения, индуцированные в этих катушках. Для сбора данных объект, подлежащий визуализации, помещают в сканер так, чтобы интересующий объем объекта был заключен в поле зрения сканера, которое является подмножеством объема сканирования.
Объект должен содержать магнитные наночастицы; если объект является животным или пациентом, животному или пациенту до начала сканирования вводят контрастное вещество, содержащее такие частицы. Во время сбора данных сканер визуализации с помощью магнитных частиц перемещает FFP вдоль специально выбранной траектории, которая очерчивает/охватывает объем сканирования или по меньшей мере поле зрения. Магнитные наночастицы внутри объекта испытывают воздействие изменяющегося магнитного поля и отвечают путем изменения их намагниченности. Изменение намагниченности наночастиц индуцирует зависящее от времени напряжение в каждой из приемных катушек. Это напряжение оцифровывается в приемнике, связанном с приемной катушкой. Оцифрованные с помощью приемников данные записываются и составляют собранные данные. Параметры, которые управляют деталями сбора данных, составляют "протокол сканирования".
На втором этапе формирования изображения, называемом реконструкцией изображения, изображение вычисляется или реконструируется из данных, полученных на первом этапе. Изображение является дискретным трехмерным массивом данных, который представляет собой оцифрованное приближение к зависящей от положения концентрации магнитных наночастиц в поле зрения. Восстановление обычно проводится с помощью компьютера, который выполняет подходящую компьютерную программу. Компьютер и компьютерная программа реализуют алгоритм реконструкции. Алгоритм реконструкции основан на математической модели сбора данных. Как и все способы реконструктивной визуализации, эта модель может быть сформулирована в виде интегрального оператора, который воздействует на полученные данные; алгоритм реконструкции пытается отменить, по мере возможности, действие модели.
Такие устройство и способ визуализации с помощью магнитных частиц имеют то преимущество, что они могут быть использованы для изучения произвольных объектов экспертизы, например, человеческих тел, неразрушающим образом и с высоким пространственным разрешением, как вблизи от поверхности, так и вдали от поверхности объекта экспертизы. Такие устройство и способ в целом известны и были впервые описаны в патенте DE 101 51 778 A1 и в публикации Gleich, B. and Weizenecker, J. (2005), “Tomographic imaging using the nonlinear response of magnetic particles” in Nature, vol. 435, pp. 1214-1217, в которой также в целом описан принцип реконструкции. Устройство и способ для визуализации с помощью магнитных частиц (MPI), описанные в этой публикации, используют нелинейную кривую намагничивания малых магнитных частиц.
Как правило, в устройстве визуализации с помощью магнитных частиц формируется градиентное магнитное поле (т.е. магнитное поле выбора) с таким пространственным распределением напряженности магнитного поля, что поле зрения включает в себя первую подобласть с более низкой напряженностью магнитного поля (например, FFP), адаптированной таким образом, что намагниченность магнитных частиц, расположенных в первой подобласти, не насыщена, и вторую подобласть с более высокой напряженностью магнитного поля, адаптированной таким образом, что намагниченность магнитных частиц, расположенных во второй подобласти, является насыщенной. Вследствие нелинейности кривой характеристики намагничивания магнитных частиц намагниченность, и тем самым магнитное поле, создаваемое магнитными частицами, показывает высшие гармоники, которые, например, могут быть обнаружены с помощью детекторной катушки. Оцененные сигналы (высшие гармоники сигналов) содержат информацию о пространственном распределении магнитных частиц, которые снова могут быть использованы, например, в медицинских целях, для визуализации пространственного распределения магнитных частиц и/или для других применений.
Таким образом, устройство визуализации с помощью магнитных частиц и способ визуализации с помощью магнитных частиц в целом основываются на новом физическом принципе (т.е. на принципе, называемом визуализация с помощью магнитных частиц), который отличается от других известных обычных способов медицинской визуализации, таких как, например, локальный магнитный резонанс (LMR) или ядерный магнитный резонанс (NMR). В частности, этот новый принцип визуализации с помощью магнитных частиц, в отличие от способов локального магнитного резонанса и ядерного магнитного резонанса, не использует влияние материала на характеристики магнитного резонанса протонов, а непосредственно определяет намагниченность магнитного материала (магнитных частиц) за счет использования нелинейности характеристической кривой намагничивания. В частности, способ визуализации с помощью магнитных частиц использует высшие гармоники сгенерированных магнитных сигналов, которые являются результатом нелинейности характеристической кривой намагничивания в той ее области, где намагниченность изменяет свое состояние с ненасыщенного на насыщенное.
Как объяснялось выше, в устройстве визуализации с помощью магнитных частиц используются несколько катушек для генерирования и манипулирования желаемым четко определенным магнитным полем. Следовательно, для возбуждения упомянутых различных катушек используются управляющие сигналы. Однако различные катуши соединены таким образом, чтобы управляющие сигналы, подаваемые в канал, компенсировали связи между катушками. Это приводит к тому, что управляющие сигналы, подаваемые в канал, показывают биения на графике сигнала как функции времени, которые могут отличаться по максимальной амплитуде.
Перед подачей в канал управляющий сигнал, как правило, усиливается усилителем. Однако, усилитель может не справиться с максимальной амплитудой, присутствующей из-за биений в управляющем сигнале. Если максимальная амплитуда, присутствующая в управляющем сигнале, превышает верхний предел усилителя, канал не получает необходимый управляющий сигнал, что приводит к неоптимальным результатам в магнитном поле.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание такого устройства и способа для воздействия и/или обнаружения магнитных частиц в поле зрения, которое позволяло бы усиливать управляющие сигналы независимо от того, превышают ли максимальные амплитуды управляющих сигналов верхний предел усилителя, который используется для усиления управляющих сигналов.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения представлено устройство, включающее в себя:
- средство выбора, включающее в себя блок генерирования сигнала поля выбора и элементы поля выбора для генерирования магнитного поля выбора, имеющего такую картину линий напряженности магнитного поля в пространстве, что первая подзона, имеющая низкую напряженность магнитного поля, где намагниченность магнитных частиц является ненасыщенной, и вторая подзона, имеющая более высокую напряженность магнитного поля, где намагниченность магнитных частиц является насыщенной, формируются в поле зрения,
- приводное средство, включающее в себя блок генерирования сигнала поля возбуждения и катушки поля возбуждения для изменения положения в пространстве двух подзон в поле зрения посредством магнитного поля возбуждения так, чтобы намагниченность магнитных частиц изменялась локально,
в котором упомянутый блок генерирования сигнала поля возбуждения выполнен с возможностью обеспечения зависящего от времени осциллирующего тока поля возбуждения для каждой катушки поля возбуждения для приведения в действие соответствующей катушки поля возбуждения, причем каждый ток поля возбуждения имеет одну или более отдельных частот осцилляции и одну или более отдельных амплитуд тока и генерируется соответствующим напряжением поля возбуждения на катушке поля возбуждения, причем каждое напряжение поля возбуждения генерируется суперпозицией ряда компонентов напряжения поля возбуждения, включающих в себя компонент напряжения поля возбуждения на катушке поля возбуждения, в котором компонент напряжения поля возбуждения, соответствующий конкретной катушке поля возбуждения, включает в себя один или более подкомпонентов, имеющих отдельные амплитуды напряжения и имеющих ту же самую отдельную частоту осцилляции, что и у соответствующего тока поля возбуждения упомянутой конкретной катушки поля возбуждения.
В следующем аспекте настоящего изобретения представлен соответствующий способ.
В еще одном аспекте настоящего изобретения представлен соответствующий блок генерирования сигнала поля возбуждения для использования в определенном выше устройстве.
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понимать, что заявленный способ, заявленный блок генерирования сигнала поля возбуждения и заявленная компьютерная программа имеют сходные и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления с заявленным устройством, и как это определено в зависимых пунктах формулы изобретения.
Настоящее изобретение основано на идее управлять выходом блоков генерирования поля возбуждения, в частности, усилителя, обычно включаемого в каждый блок генерирования поля возбуждения, так что напряжения поля возбуждения генерируются для приведения в действие катушки поля возбуждения таким образом, чтобы через катушки поля возбуждения проходили желаемые токи поля возбуждения, посредством которых точка вне поля (FFP), то есть первая подзона, перемещалась бы вдоль заданного пути (траектории), например, траектории Лиссажу. Количество отдельных частот осцилляции и отдельных амплитуд тока в токах поля возбуждения зависит от желаемой траектории.
Например, для траектории Лиссажу каждый ток поля возбуждения включает в себя одну частоту осцилляции и одну или две амплитуды тока (например, две амплитуды, если ток поля возбуждения включает в себя синусоидальный элемент и косинусоидальный элемент с одной и той же частотой осцилляции). Соответственно, для каждой возбуждающей катушки соответствующее напряжение поля возбуждения генерируется как суперпозиция ряда компонентов напряжения поля возбуждения. Таким образом, в случае трех катушек поля возбуждения напряжение поля возбуждения включает в себя три компонента напряжения поля возбуждения. Каждый компонент напряжения поля возбуждения, соответствующий конкретной катушке поля возбуждения, включает в себя один или более подкомпонентов. Каждый подкомпонент имеет отдельную амплитуду напряжения и отдельную частоту осцилляции, где упомянутая отдельная частота осцилляции соответствует частоте осцилляции соответствующего тока поля возбуждения упомянутой конкретной катушки поля возбуждения. Другими словами, для различных частот осцилляции различных токов поля возбуждения в напряжении поля возбуждения обеспечиваются соответствующие подкомпоненты напряжения, имеющие соответствующие частоты осцилляции.
Предпочтительно, блок генерирования сигнала поля возбуждения выполнен с возможностью генерирования упомянутого напряжения поля возбуждения таким образом, что каждый компонент напряжения поля возбуждения включает в себя первый подкомпонент, имеющий форму функции косинуса и косинусоидально изменяющуюся амплитуду напряжения, и второй подкомпонент, имеющий форму функции синуса и синусоидально изменяющуюся амплитуду напряжения, причем оба подкомпонента имеют одну и ту же частоту осцилляции. Например, в практичном и простом варианте осуществления каждое напряжение поля возбуждения в целом имеет следующий вид:
U<sub>m</sub>(t)=
U<sub>mx01</sub> cos (ω<sub>x</sub>t)+U<sub>mx02</sub> sin (ω<sub>x</sub>t)+ U<sub>my01</sub> cos (ω<sub>y</sub>t)+U<sub>my02</sub> sin (ω<sub>y</sub>t)+ U<sub>mz01</sub> cos (ω<sub>z</sub>t)+U<sub>mz02</sub> sin (ω<sub>z</sub>t)
mn01
mn02
где m=x, y, z в зависимости от соответствующей катушки поля возбуждения, ω является соответствующей частотой осцилляции, а U и U, n=x, y, z являются соответствующими амплитудами напряжения.
m
x
y
z
x
mx01
x
mx02
x
x
mx01
x
mx02
x
В этом варианте осуществления каждое напряжение поля возбуждения U(t) включает в себя три компонента (по одному для каждой из трех различных частот осцилляции ω, ω, ω трех различных токов поля возбуждения трех различных катушек поля возбуждения), например, компонент для частоты осцилляции ω равен U cos (ωt)+U sin (ωt), и каждый из упомянутый трех компонентов включает в себя два подкомпонента, например, частоты осцилляции ω этих двух подкомпонентов равны U cos (ωt) и U sin (ωt). Следует, однако, отметить, что при наличии большего или меньшего числа катушек поля возбуждения, например, для большего или меньшего числа различных направлений или для направлений, отличающихся от направлений x, y, z, каждое напряжение поля возбуждения в целом также включает в себя большее или меньшее число компонентов с соответствующими частотами осцилляции.
С помощью этого варианта осуществления может быть легко реализована желаемая траектория для перемещения точки вне поля (то есть первой подзоны), например, траектория Лиссажу. В других вариантах осуществления, например, для реализации других траекторий, как упоминалось выше, большее число подкомпонентов (имеющих отдельные частоты осцилляции и амплитуды напряжения) складываются вместе в каждом компоненте напряжения поля возбуждения. Кроме того, следует отметить, что в приведенных выше уравнениях может быть добавлено больше компонентов, если используется более трех катушек поля возбуждения.
В одном варианте осуществления предлагается, чтобы упомянутый блок генерирования сигнала поля возбуждения был выполнен с возможностью генерирования упомянутого напряжения поля возбуждения таким образом, что по меньшей мере один, в частности, каждый, компонент напряжения поля возбуждения включает в себя суперпозицию двух или более подкомпонентов, где первый подкомпонент имеет частоту, соответствующую частоте осцилляции соответствующего тока поля возбуждения упомянутой конкретной катушки поля возбуждения, и по меньшей мере один, в частности каждый, дополнительный подкомпонент имеет частоту, соответствующую различным кратным для упомянутой частоты осцилляции соответствующего упомянутого тока поля возбуждения. В этом варианте осуществления настоящее изобретение предлагает добавить высшие гармоники к управляющему сигналу, который должен быть усилен. Высшие гармоники, предпочтительно целочисленно кратные, добавляются таким образом, чтобы максимальная амплитуда управляющего сигнала, подаваемого на усилитель, не превышала верхний предел усилителя. После усиления предпочтительно используется фильтр для фильтрации усиленных высших гармоник. Результирующий сигнал выглядит так, как будто усилитель усилил исходный управляющий сигнал (с максимальной амплитудой, превышающей верхний предел усилителя). Таким образом, изобретение обеспечивает усиление сигналов, превышающих верхний предел усилителя, который используется для усиления.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления упомянутые дополнительные подкомпоненты имеют частоту, соответствующую увеличивающимся нечетным гармоникам упомянутой частоты осцилляции упомянутого соответствующего тока поля возбуждения. В одном варианте осуществления упомянутые подкомпоненты являются комбинациями синусоидальных и косинусоидальных элементов, которые должны быть заменены другими функциями той же периодичности. Функция синуса является четной, а функция косинуса является нечетной. При замене их другими функциями с той же периодичностью, а также с той же четностью, соответственно, анализ Фурье приводит к функциям, имеющим только нечетные кратные для одной и той же частоты осцилляции (т.е. к нечетным гармоникам). Однако, следует отметить, что другие варианты осуществления, т.е. варианты осуществления, использующие также (или только) четные гармоники, также возможны.
Каждый компонент напряжения поля возбуждения преимущественно включает в себя суперпозицию от двух до десяти подкомпонентов, в частности, от трех до пяти подкомпонентов. Добавление большего числа подкомпонентов обычно не оказывает существенного влияния, так как используемые усилители имеют верхний предел частоты.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˜</mo></mover><mi>m</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext></mtext></mrow>
В предпочтительной примерной реализации каждое напряжение поля возбуждения
в целом имеет следующий вид:
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˜</mo></mover><mi>m</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext></mtext><mo>=</mo><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˜</mo></mover><mrow><mi>m</mi><mi>x</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext></mtext><mo>+</mo><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˜</mo></mover><mrow><mi>m</mi><mi>y</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˜</mo></mover><mrow><mi>m</mi><mi>z</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˜</mo></mover><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext></mtext></mrow>
где каждый компонент
имеет следующий вид:
где κ является так называемым параметром коррекции.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˜</mo></mover><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext></mtext></mrow>
n
В этом варианте осуществления каждый компонент напряжения поля возбуждения
включает в себя четыре подкомпонента, один подкомпонент для основной частоты (обозначаемой здесь как ω и входящей в параметр β) и еще три подкомпонента для высших гармоник той же основной частоты. Как упоминалось выше, количество компонентов (в данном случае три) может быть различным, в зависимости от количества катушек поля возбуждения, а также количество подкомпонентов (в данном случае четыре) в каждом компоненте может отличаться от четырех и может также быть различным в каждом компоненте, хотя предпочтительно оно равно для всех компонентов.
В этой реализации упомянутый параметр коррекции κ имеет значение в интервале от 0 до 1, в частности, в интервале от 0,3 до 0,7, и предпочтительно имеет одинаковое заранее заданное значение для всех подкомпонентов или различные значения для различных подкомпонентов и/или различных членов упомянутых подкомпонентов.
В одном варианте осуществления блок генерирования сигнала поля возбуждения дополнительно включает в себя блок управления генерированием поля возбуждения для управления генерированием упомянутого напряжения поля возбуждения таким образом, что один или более, в частности, все дополнительные подкомпоненты, имеющие частоту, соответствующую различным кратным для упомянутой частоты осцилляций упомянутого соответствующего тока поля возбуждения добавляются с переключением к первому подкомпоненту только в заранее определенные периоды времени и/или при заранее заданных условиях, в частности, если амплитуда напряжения поля возбуждения превышает заранее заданный порог напряжения поля возбуждения. Таким образом, такие подкомпоненты, как правило, добавляются к подкомпоненту с основной частотой только тогда, когда это необходимо.
Предпочтительно, упомянутый блок управления генерированием поля возбуждения выполнен с возможностью переключать добавление одного или более дополнительных подкомпонентов в те моменты времени, в которые соответствующий подкомпонент имеет значение функции, существенно равное нулю, чтобы избежать дополнительных возмущающих воздействий на желаемые токи поля возбуждения, например, добавления некорректных компонентов.
С помощью устройства в соответствии с настоящим изобретением становятся возможными различные применения. Например, инструментами или медицинским зондом, снабженными магнитными частицами, можно манипулировать (перемещать) путем использования магнитных полей. Кроме того, может выполняться визуализация. С этой целью устройство дополнительно включает в себя средство приема, содержащее по меньшей мере один блок приема сигнала и по меньшей мере одну приемную катушку для получения сигналов обнаружения, которые зависят от намагниченности в поле зрения, которая зависит от изменения положения в пространстве первой и второй подзон.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты настоящего изобретения станут очевидны из и будут разъяснены со ссылкой на вариант (варианты) осуществления, описанные ниже. На следующих чертежах
Фиг.1 показывает первый вариант осуществления устройства визуализации с помощью магнитных частиц,
Фиг.2 показывает пример структуры поля выбора, создаваемого устройством, показанным на Фиг.1,
Фиг.3 показывает второй вариант осуществления устройства визуализации с помощью магнитных частиц,
Фиг.4 показывает блок-схему устройства визуализации с помощью магнитных частиц в соответствии с настоящим изобретением
Фиг.5 показывает схему, иллюстрирующую типичный сигнал выходного напряжения источника тока поля возбуждения,
s3
s5
s7
Фиг.6 показывает параметры λ, λ и λ как функцию параметра коррекции κ, и
Фиг.7 изображает диаграмму, иллюстрирующую сигнал выходного напряжения источника тока поля возбуждения после коррекции в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Прежде чем будут объяснены детали настоящего изобретения, основы визуализация с помощью магнитных частиц будут объяснены более подробно со ссылкой на Фиг.1-4. В частности, будут описаны два варианта осуществления сканера визуализации с помощью магнитных частиц для медицинской диагностики. Также будет дано неформальное описание сбора данных. Будут отмечены сходства и различия между двумя вариантами осуществления.
+
-
1
2
3
Первый вариант осуществления 10 сканера визуализации с помощью магнитных частиц, показанный на Фиг.1, имеет три пары 12, 14, 16 коаксиально параллельных круговых катушек, расположение которых показано на Фиг.1. Эти пары 12, 14, 16 катушек служат для генерирования поля выбора, а также возбуждающего и фокусирующего полей. Оси 18, 20, 22 трех пар 12, 14, 16 катушек являются взаимно ортогональными и пересекаются в одной точке, обозначенной как изоцентр 24 сканера 10 визуализации с помощью магнитных частиц. В дополнение к этому, эти оси 18, 20, 22 служат в качестве осей трехмерной декартовой системы координат x-y-z, прикрепленной к изоцентру 24. Вертикальная ось 20 называется осью у, так что оси x и z являются горизонтальными. Пары 12, 14, 16 катушек называются в соответствии с их осями. Например, пара 14 у-катушек образована катушками сверху и снизу сканера. Более того, катушка с положительной (отрицательной) y-координатой называется y-катушкой (y-катушкой), и аналогично для остальных катушек. Когда это представляется более удобным, оси координат и катушки будут промаркированы как x, x, и x вместо x, y, и z.
+
S
S
Сканер 10 может быть настроен так, чтобы направлять заранее заданный, зависящий от времени электрический ток через каждую из этих катушек 12, 14, 16, и в любом направлении. Если ток течет по часовой стрелке вокруг катушки, если смотреть вдоль оси этой катушки, он будет рассматриваться как положительный, а в противном случае - как отрицательный. Для генерирования статического поля выбора через z-катушку пропускается постоянный положительный ток I, а через z-катушку - постоянный отрицательный ток -I. Пара z-катушек 16 тогда действует как пара антипараллельных круговых катушек.
Здесь следует отметить, что расположение осей и номенклатура, данная осям в этом варианте осуществления, являются только примером и могут также быть различными в других вариантах осуществления. Например, в практических вариантах осуществления вертикальная ось часто рассматривается как ось z, а не ось y, как в настоящем варианте осуществления. Это, однако, не меняет в целом функцию и работу устройства и эффект настоящего изобретения.
Магнитное поле выбора, которое обычно представляет собой градиентное магнитное поле, представлено на Фиг.2 силовыми линиями 50. Оно имеет существенно постоянный градиент в направлении (например, горизонтальном) оси z 22 пары z-катушек 16, генерирующей поле выбора, и достигает нулевого значения в изоцентре 24 на этой оси 22. Начиная с этой точки вне поля (не показанной отдельно на Фиг.2), напряженность магнитного поля выбора 50 увеличивается во всех трех пространственных направлениях по мере удаления от точки вне 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, является ненасыщенной, в то время как намагниченность частиц, присутствующих во второй подзоне 54 (вне области 52), находится в состоянии насыщения. Во второй подзоне 54 (т.е. в остаточной части поля зрения 28 сканера снаружи от первой подзоны 52) напряженность магнитного поля выбора достаточно велика, чтобы удерживать магнитные частицы в состоянии насыщения.
При изменении положения двух подзон 52, 54 (в том числе точки вне поля) в пределах поля зрения 28 изменяется (общая) намагниченность в поле зрения 28. Путем определения намагниченности в поле зрения 28 или физических параметров, зависящих от намагниченности, может быть получена информация о пространственном распределении магнитных частиц в поле зрения 28. Для того, чтобы изменить относительное пространственное положение двух подзон 52, 54 (в том числе точки вне поля) в поле зрения 28, на поле выбора 50 накладываются дополнительные магнитные поля, т.е. магнитное поле возбуждения, и, если это применимо, магнитное фокусирующее поле.
D
D
D
F
F
F
1
2
3
1
2
3
Чтобы сгенерировать поле возбуждения, через обе х-катушки 12 пропускается зависящий от времени ток I , через обе у-катушки 14 пропускается зависящий от времени ток I , и через обе z-катушки 16 пропускается зависящий от времени ток I . Таким образом, каждая из трех пар катушек действует как пара параллельных круговых катушек. Аналогично, чтобы сгенерировать фокусирующее поле, через обе х-катушки 12 пропускается зависящий от времени ток I , через обе у-катушки 14 пропускается зависящий от времени ток I , и через обе z-катушки 16 пропускается зависящий от времени ток I .
±
D
F
S
D
F
3
3
k
k
Следует отметить, что пара z-катушек 16 является особенной: она генерирует не только свою долю возбуждающего и фокусирующего полей, но также и поле выбора (конечно, в других вариантах осуществления могут быть предусмотрены отдельные катушки). Ток, протекающий через z-катушки, равен I +I ±I. Ток, протекающий через остальные две пары катушек 12 и 14, равен I +I , k=1, 2. Вследствие их геометрии и симметрии, три пары катушек 12, 14, 16 должны быть отделены как можно лучше, чего в действительности зачастую недостаточно.
Будучи сгенерированным парой антипараллельных круговых катушек, поле выбора является вращательно симметричным относительно оси z, и его z-компонента близка к линейной в z и не зависит от х и у в значительном объеме вокруг изоцентра 24. В частности, поле выбора имеет одну точку вне поля (FFP) в изоцентре. В противоположность этому, вклады в возбуждающее и фокусирующее поля, которые генерируются парами параллельных круговых катушек, пространственно почти однородны в значительном объеме вокруг изоцентра 24 и параллельны оси соответствующей пары катушек. Возбуждающее и фокусирующее поля, совместно генерируемые всеми тремя парами параллельных круговых катушек, пространственно почти однородны и им можно придать любое направление и напряженность, вплоть до некоторой максимальной напряженности. Возбуждающее и фокусирующее поля являются также зависящими от времени. Разница между фокусирующем полем и возбуждающим полем в том, что фокусирующее поле изменяется во времени медленно и может иметь большую амплитуду, а поле возбуждения изменяется быстро и имеет малую амплитуду. Существуют физические и биомедицинские причины обрабатывать эти поля по-разному. Быстро меняющееся поле с большой амплитудой было бы трудно сгенерировать и оно было бы потенциально опасным для пациента.
В практическом варианте осуществления FFP можно рассматривать как математическую точку, в которой магнитное поле предполагается равным нулю. Напряженность магнитного поля возрастает с увеличением расстояния от FFP, причем скорость этого возрастания может быть различной для различных направлений (в зависимости, например, от конкретной конструкции устройства). До тех пор, пока напряженность магнитного поля не превышает напряженности поля, необходимой для приведения магнитных частиц в состояние насыщения, частица активно участвует в генерировании сигнала, измеряемого с помощью устройства; в противном случае частицы являются насыщенными и не генерируют никакого сигнала.
Вариант осуществления 10 сканера визуализации с помощью магнитных частиц имеет по меньшей мере еще одну пару, предпочтительно еще три пары параллельных круговых катушек, опять же ориентированных вдоль осей x, y и z. Эти пары катушек, которые не показаны на Фиг.1, служат приемными катушками. Как и в случае с парами катушек 12, 14, 16 для возбуждающего и фокусирующего полей, магнитное поле, создаваемое постоянным током, протекающим через одну из этих пар приемных катушек, является пространственно почти однородным в поле зрения и параллельно оси соответствующей пары катушек. Приемные катушки должны быть хорошо разделены. Зависящее от времени напряжение, индуцированное в приемной катушке, усиливается и оцифровывается приемником, подключенным к этой катушке. Более точно, чтобы справиться с огромным динамическим диапазоном этого сигнала, приемник оцифровывает разницу между принятым сигналом и опорным сигналом. Передаточная функция приемника является ненулевой от нуля герц (постоянный ток) вплоть до частоты, на которой ожидаемый уровень сигнала падает ниже уровня шума.
Вариант осуществления 10 сканера визуализации с помощью магнитных частиц, показанный на Фиг.1, имеет цилиндрическое отверстие 26 вдоль оси z 22, т.е. вдоль оси поля выбора. Все катушки размещены снаружи этого отверстия 26. Для сбора данных пациент (или объект), подлежащий визуализации, помещается в отверстие 26 таким образом, чтобы интересующий объем пациента - тот объем пациента (или объекта), который должен быть визуализирован - был заключен в поле зрения 28 сканера, т.е. в тот объем сканера, содержимое которого сканер может визуализировать. Пациент (или объект) помещается, например, на стол. Поле зрения 28 является геометрически простым, изоцентрическим объемом внутри отверстия 26, таким как куб, шар, цилиндр или может иметь произвольную форму. Кубическое поле зрения 28 показано на Фиг.1.
3
2
Размер первой подзоны 52 зависит от величины градиента магнитного поля выбора и от напряженности магнитного поля, необходимой для насыщения, что в свою очередь зависит от магнитных частиц. Для достаточного насыщения типичных магнитных частиц в магнитном поле напряженностью 80 А/м с градиентом (в данном пространственном направлении) напряженности магнитного поля выбора величиной 50×10 A/м, первая подзона 52, в которой намагниченность частиц не достигает уровня насыщения, имеет размеры приблизительно 1 мм (в данном пространственном направлении).
Интересующий объем пациента должен содержать магнитные наночастицы. Перед диагностической визуализацией, например, опухоли, магнитные частицы доставляются в интересующий объем, например, посредством жидкости, включающей в себя магнитные частицы, которая вводится в организм пациента (объекта) или иным образом назначается пациенту, например, перорально.
В целом, существуют различные способы для доставки магнитных частиц в поле зрения. В частности, в случае пациента, в тело которого магнитные частицы должны быть введены, магнитные частицы могут быть введены с помощью хирургических и нехирургических методов, и существуют как методы, которые требуют специальных знаний (как у практикующего врача), так и методы, которые не требуют специальных знаний, например, могут быть выполнены непрофессионалами или обычными специалистами или самим пациентом. Среди хирургических методов имеются потенциально безрисковые и/или безопасные рутинные вмешательства, например, предусматривающие такой инвазивный этап, как инъекция контрастного вещества в кровеносный сосуд (если такую инъекцию вообще следует рассматривать как хирургический метод), т.е. вмешательства, которые не требуют для своего проведения значительной профессиональной медицинской экспертизы, и которые не влекут за собой серьезные риски для здоровья. Кроме того, могут быть применены нехирургические методы, такие как глотание или ингаляция.
Как правило, магнитные частицы предварительно доставляются или предварительно вводятся перед выполнением реальных этапов сбора данных. В вариантах осуществления, однако, возможно также, что дополнительные магнитные частицы доставляются/вводятся в поле зрения.
Вариант осуществления магнитных частиц включает в себя, например, сферическую подложку, например, из стекла, на которой предусмотрен мягкий магнитный слой, который имеет толщину, например, 5 нм и состоит, например, из железоникелевого сплава (например, пермаллоя). Этот слой может быть покрыт, например, покрывающим слоем, который защищает частицы от химически и/или физически агрессивных сред, например, от кислот. Напряженность магнитного поля выбора 50, необходимая для насыщения намагниченности таких частиц, зависит от различных параметров, например, от диаметра частиц, используемых для магнитного слоя магнитных материалов и от других параметров.
В случае, например, диаметра таких магнитных частиц, равного 10 мкм, необходимо магнитное поле напряженностью примерно 800 А/м (приблизительно соответствует плотности потока 1 мТл), в то время как в случае частиц диаметром 100 мкм достаточно магнитного поля напряженностью 80 А/м. Даже еще меньшие величины получаются, если выбрано покрытие из материала, имеющего более низкий уровень насыщения, или если толщина слоя уменьшается.
На практике часто используются магнитные частицы, коммерчески доступные под торговым названием Resovist (или аналогичные магнитные частицы), которые имеют сердцевину из магнитного материала или сформированы как массивные сферы и которые имеют диаметр в диапазоне нанометров, например, 40 или 60 нм.
Для более подробной информации об общеупотребительных магнитных частицах и композициях частиц настоящий документ ссылается на соответствующие части патентных документов ЕР 1304542, WO 2004/091386, WO 2004/091390, WO 2004/091394, WO 2004/091395, WO 2004/091396, WO 2004/091397, WO 2004/091398 и WO 2004/091408, которые включены в настоящий документ посредством ссылки. В этих документах можно также найти более подробную информацию о способе визуализации с помощью магнитных частиц в целом.
k
k
k
Во время сбора данных пары x-, y-, и z-катушек 12, 14, 16 генерируют магнитное поле, зависящее от положения и от времени, приложенное поле. Это достигается путем пропускания подходящих токов через катушки генерирования поля. По сути, возбуждающее и фокусирующее поля толкают поле выбора вокруг так, что FFP перемещается вдоль заданной траектории FFP, которая очерчивает объем сканирования - надмножество поля зрения. Приложенное поле ориентирует магнитные наночастицы в пациенте. По мере изменения приложенного поля результирующая намагниченность также изменяется, хотя она откликается на приложенное поле нелинейно. Сумма изменяющегося приложенного поля и изменяющейся намагниченности индуцирует зависимое от времени напряжение V на выводах пары приемных катушек, ориентированной вдоль оси x. Связанный с катушками приемник преобразует это напряжение в сигнал S, который он обрабатывает в дальнейшем.
Как и первый вариант осуществления 10, показанный на Фиг.1, второй вариант осуществления 30 сканера визуализации с помощью магнитных частиц, показанный на Фиг.3, имеет три пары круговых и взаимно ортогональных катушек 32, 34, 36, но эти пары катушек 32, 34, 36 генерируют только поле выбора и фокусирующее поле. Пара z-катушек 36, которая опять же генерирует поле выбора, наполнена ферромагнитным материалом 37. Ось z 42 этого варианта осуществления 30 ориентирована вертикально, а оси х и у 38, 40 ориентированы горизонтально. Отверстие 46 сканера параллельно оси х 38 и, таким образом, перпендикулярно оси 42 поля выбора. Поле возбуждения создается соленоидом (не показан) вдоль оси х 38 и парой седловых катушек (не показаны) вдоль двух оставшихся осей 40, 42. Эти катушки намотаны вокруг трубы, которая образует отверстие. Катушки поля возбуждения также служат в качестве приемных катушек.
0
0
В качестве нескольких типичных параметров такого варианта осуществления: z-градиент поля выбора G имеет силу G/μ=2,5 Тл/м, где μ является проницаемостью вакуума. Временной спектр частоты поля возбуждения сосредоточен в узком диапазоне вокруг 25 кГц (вплоть до приблизительно 150 кГц). Полезный спектр частот принимаемых сигналов лежит между 50 кГц и 1 МГц (в конечном счете вплоть до приблизительно 15 МГц). Отверстие имеет диаметр 120 мм. Самый большой куб 28, который вписывается в отверстие 46, имеет длину ребра 120 мм/≈84 мм.
Поскольку конструкция генерирующих поле катушек в целом известна в данной области техники, например, из области магнитно-резонансной томографии, эта тема в настоящем документе не нуждается в более подробном описании.
В альтернативном варианте осуществления для генерирования поля выбора могут быть использованы постоянные магниты (не показаны). В пространстве между двумя полюсами таких (противоположных) постоянных магнитов (не показаны) образуется 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 сочетания по меньшей мере одного постоянного магнита и по меньшей мере одной катушки.
Фиг.4 показывает общую блок-схему устройства визуализации с помощью магнитных частиц 100 в соответствии с настоящим изобретением. Общие принципы визуализации с помощью магнитных частиц, объясненные выше, также справедливы и применимы к этому варианту осуществления, если не указано иное.
Вариант осуществления устройства 100, показанный на Фиг.4, включает в себя различные наборы катушек для генерирования желаемых магнитных полей. Сначала будут разъяснены катушки и их функции в визуализации с помощью магнитных частиц.
Для генерирования магнитного поля выбора, объясненного выше, предусмотрено средство выбора, включающее в себя набор катушек поля выбора 116, предпочтительно содержащий по меньшей мере одну пару катушечных элементов. Средство выбора дополнительно включает в себя блок 110 генерирования сигнала поля выбора. Предпочтительно, чтобы отдельные подблоки генерирования были предусмотрены для каждого катушечного элемента (или каждой пары катушечных элементов) набора 116 катушек поля выбора. Упомянутый блок 110 генерирования сигнала поля выбора включает в себя управляемый источник 112 тока поля выбора (как правило, включающий в себя усилитель) и фильтрующий блок 114, которые обеспечивают соответствующий катушечный элемент поля выбора током поля выбора, чтобы индивидуально устанавливать силу градиента поля выбора. Однако, так как поле выбора в целом является статическим, фильтрующий блок 114 также может быть опущен. Предпочтительно обеспечивается постоянный ток. Если катушечные элементы поля выбора расположены как противоположные катушки, например, на противоположных сторонах поля зрения, токи поля выбора противоположных катушек предпочтительно ориентированы противоположно друг другу.
Блок 110 генерирования сигнала поля выбора может управляться блоком управления 150, который предпочтительно управляет генерированием тока поля выбора 110 таким образом, что сумма напряженности поля и сумма силы градиента всех пространственных составляющих поля выбора поддерживаются на заданном уровне. Для этого блок управления 150 может быть также снабжен управляющими командами со стороны пользователя в соответствии с желаемым применением устройства визуализации с помощью магнитных частиц, что, однако, предпочтительно опущено в соответствии с настоящим изобретением.
Для генерирования магнитного фокусирующего поля устройство 100 дополнительно включает в себя средство фокусировки, содержащее набор катушек фокусирующего поля, предпочтительно включающий в себя три пары 126а, 126b, 126с из противоположно расположенных катушечных элементов фокусирующего поля. Упомянутое магнитное фокусирующее поле, как правило, используется для изменения положения в пространстве первой и второй подзон. Катушки фокусирующего поля управляются блоком 120 генерирования сигнала фокусирующего поля, предпочтительно включающего в себя отдельный подблок генерирования сигнала фокусирующего поля для каждого катушечного элемента (или по меньшей мере для каждой пары катушечных элементов) упомянутого набора катушек фокусирующего поля. Упомянутый блок 120 генерирования сигнала фокусирующего поля включает в себя источник 122 тока фокусирующего поля (предпочтительно включающий в себя усилитель тока) и фильтрующий блок 124 для обеспечения тока фокусирующего поля для соответствующей катушки упомянутого подмножества катушек 126а, 126b, 126с, которое должно быть использовано для генерирования магнитного фокусирующего поля. Блок 120 тока фокусирующего поля также управляется блоком управления 150. При использовании настоящего изобретения фильтрующий блок 124 также может быть опущен.
Для генерирования магнитного поля возбуждения устройство 100 дополнительно включает в себя приводное средство, содержащее подмножество катушек поля возбуждения, предпочтительно включающее в себя три пары 136a, 136b, 136c противоположно расположенных катушечных элементов поля возбуждения. Катушки поля возбуждения управляются блоком 130 генерирования сигнала поля возбуждения, предпочтительно включающим в себя отдельный подблок генерирования сигнала поля возбуждения для каждого катушечного элемента (или по меньшей мере для каждой пары катушечных элементов) упомянутого набора катушек поля возбуждения. Упомянутый блок 130 генерирования сигнала поля возбуждения включает в себя источник 132 тока поля возбуждения (предпочтительно включающий в себя усилитель тока) и фильтрующий блок 134 (который также может быть опущен при использовании настоящего изобретения) для обеспечения тока поля возбуждения для соответствующей катушки поля возбуждения. Источник 132 тока поля возбуждения выполнен с возможностью генерирования зависящего от времени тока и также управляется блоком управления 150.
Следует отметить, что в варианте осуществления устройства 10, показанном на Фиг.1, для генерирования магнитного поля возбуждения и магнитного фокусирующего поля предпочтительно используются идентичные катушки.
Для детектирования сигналов предусматривается средство приема 148, в частности, принимающая катушка и блок 140 приема сигнала, который принимает сигналы, обнаруженные упомянутым средством приема 148. Предпочтительно на практике предусматриваются три приемных катушки 148 и три приемных блока 140, по одному на приемную катушку, однако может быть использовано также более трех приемных катушек и приемных блоков, и в этом случае полученные сигналы детектирования являются не трехмерными, а K-мерными, где К равно количеству приемных катушек.
Упомянутый блок 140 приема сигнала включает в себя фильтрующий блок 142 для фильтрации принятых сигналов детектирования. Целью этой фильтрации является разделение измеренных значений, которые вызваны намагниченностью в исследуемой области, которая зависит от изменения положения двух частичных областей (52, 54), от других интерферирующих сигналов. С этой целью фильтрующий блок 142 может быть выполнен, например, так, что сигналы, которые имеют временные частоты меньшие, чем временные частоты, на которых работает приемная катушка 148, или меньшие, чем удвоенные эти временные частоты, не проходят через фильтрующий блок 142. Затем сигналы передаются через блок усилителя 144 на аналого-цифровой преобразователь 146 (ADC). Оцифрованные сигналы, формируемые аналого-цифровым преобразователем 146, подаются на блок 152 обработки изображения (также называемый средством реконструкции), который восстанавливает из этих сигналов пространственное распределение магнитных частиц и соответствующее положение, которое первая частичная область 52 первого магнитного поля в исследуемой области предположительно занимала во время получения соответствующего сигнала, и которое блок 152 обработки изображения получает от блока управления 150. Реконструированное пространственное распределение магнитных частиц, наконец, передается через управляющее средство 150 в компьютер 154, который выводит его на монитор 156. Таким образом, может быть отображено изображение, показывающее распределение магнитных частиц в поле зрения исследуемой области.
Кроме того, может быть предусмотрен блок ввода 158, например клавиатура. Пользователь, следовательно, может установить желаемое направление наивысшего разрешения и в свою очередь получает соответствующее изображение области действия на мониторе 156. Если критическое направление, в котором требуется наивысшее разрешение, отклоняется от направления, первоначально установленного пользователем, пользователь может изменять направление вручную для того, чтобы получить следующее изображение с улучшенным разрешением. Этот процесс улучшения разрешения может также выполняться автоматически с помощью блока управления 150 и компьютера 154. Блок управления 150 в этом варианте осуществления устанавливает градиентное поле в первом направлении, которое рассчитывается автоматически или устанавливается в качестве начального значения пользователем. Направление градиентного поля затем ступенчато изменяется до тех пор, пока разрешение полученных таким образом изображений, которые сравниваются с помощью компьютера 154, не станет максимальным и, соответственно, не перестанет улучшаться. Следовательно, может быть найдено и соответственно автоматически адаптировано наиболее критическое направление, чтобы получить максимально возможное разрешение.
Как объяснялось выше, в сканере визуализации с помощью магнитных частиц поле выбора и поле возбуждения накладываются друг на друга. Поле выбора является градиентным магнитным полем, имеющим точку вне поля (FFP). Поле возбуждения состоит из различных компонентов. В простейшем случае поле возбуждения генерируется тремя магнитными катушками, через которые проходят осциллирующие токи. Эти токи имеют разные частоты. Получаемое в результате магнитное поле осциллирует таким образом, что FFP движется вдоль заданной траектории, зачастую вдоль траектории Лиссажу в трехмерном пространстве. Чтобы достигнуть этого движения, токи в катушках поля возбуждения должны удовлетворять следующим соотношениям:
(1)
k
k01
k02
где частоты ω и амплитуды I и I должны быть выбраны так, чтобы получить желаемую траекторию Лиссажу.
x
Катушки поля возбуждения связаны друг с другом. Это означает, например, что если ток с частотой ω течет в х-катушке, (нежелательный) ток с той же частотой также может быть измерен в двух других катушках поля возбуждения. Задачей управления является компенсация этого. На практике это означает, что напряжения, генерируемые источниками 132 тока поля возбуждения, которые подаются на катушки поля возбуждения 136а, 136b, 136с, содержат компоненты всех трех частот на каждой оси. Например, в варианте осуществления настоящего изобретения источник тока поля возбуждения для х-катушки 136a выдает напряжение поля возбуждения
(2)
y
z
mn0k
Похожие напряжения U(t) и U(t) подаются на две другие катушки поля возбуждения 136b, 136с. Таким образом, блок 130 генерирования сигнала поля возбуждения выполнен с возможностью подачи зависящего от времени осциллирующего тока поля возбуждения на каждую катушку поля возбуждения 136а, 136b, 136с для приведения в действие соответствующей катушки поля возбуждения, причем каждый ток поля возбуждения имеет свою частоту осцилляции и свою амплитуду тока и генерируется соответствующим напряжением поля возбуждения на каждой катушке поля возбуждения 136а, 136b, 136с. Как показано в уравнении (2), каждое напряжение поля возбуждения генерируется посредством суперпозиции ряда компонентов напряжения поля возбуждения, включающих в себя отдельный для каждой катушки поля возбуждения компонент напряжения поля возбуждения, имеющий свою амплитуду напряжения и имеющий ту же отдельную частоту осцилляции, что и ток поля возбуждения упомянутой катушки поля возбуждения. Каждый компонент напряжения поля возбуждения включает в себя первый подкомпонент, имеющий форму функции косинуса и косинусоидально изменяющуюся амплитуду напряжения, и второй подкомпонент, имеющий вид функции синуса и синусоидально изменяющуюся амплитуду напряжения, причем оба подкомпонента имеют одну и ту же частоту осцилляции. Управление, в частности, в блоке управления 150, определяет все амплитуды U таким образом, чтобы желаемые токи, как определено выше в уравнении (1), могли быть измерены.
k
Суперпозиции наподобие приведенных в уравнении (2) означают, что получаемые сигналы имеют сильные биения, как показано на Фиг.5. Усилители, предусмотренные в источниках 132 тока поля возбуждения, ограничены максимальной выходной мощностью и максимальным усиленным напряжением U(t), где k=x, y, z. Биения достигают своего максимума только в редкие моменты времени. Таким образом, если связь между катушками является сильной, максимально возможные амплитуды этих биений определяют максимальные амплитуды поля возбуждения.
mn
mn01
n
mn02
n
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˜</mo></mover><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˜</mo></mover><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Эта проблема может быть уменьшена с помощью дополнительного варианта осуществления настоящего изобретения, дающего большие значения максимальных амплитуд поля возбуждения. В соответствии с этим вариантом осуществления компоненты высокой частоты добавляются для генерирования на выходе источников тока поля возбуждения сигналов напряжения, таких как сигналы напряжения, определенные выше в уравнении (2). Например, каждый член (также называемый компонент напряжения поля возбуждения) вида U(t) = U cos(ωt)+U sin(ωt) может быть заменен сигналом, который обозначается здесь как
. Для определения
сначала вводится угол α:
(3)
где функция atan2 следует соглашениям языка программирования C, то есть функция с двумя аргументами atan2 является вариацией функции арктангенса. Для любых вещественных аргументов х и у, по отдельности не равных нулю, atan2(y, x) является углом в радианах между положительным направлением оси х на плоскости и точкой, определяемой координатами (х, у) на этой плоскости. Угол является положительным для углов против часовой стрелки (верхняя полуплоскость, у>0), и отрицательным для углов по часовой стрелке (нижняя полуплоскость, у<0). Функция atan2 имеет то преимущество, например, по сравнению с функцией atan, что знак ее результата автоматически является корректным.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˜</mo></mover><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Теперь определение
выглядит следующим образом:
(4)
Угол β определяется как
и
где κ является так называемым параметром коррекции.
sk
Вообще параметр коррекции может иметь значения 0≤κ<1, а κ=0 эквивалентно тому, что режим коррекции выключен. Типичные значения κ находятся в диапазоне от 0,3 до 0,7, например, κ=0,4 или κ=0,55. Фиг.6 показывает значения λ, κ={3, 5, 7} как функцию κ. Значение κ может быть выбрано равным для всех частотных составляющих по всем осям. В качестве альтернативы, различные значения κ могут быть выбраны для различных частотных составляющих и/или различных осей. Чем меньше выбранное значение κ, тем меньше эффект подавления биений, имеющих максимальную амплитуду биений, превышающую предел соответствующего усилителя.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˜</mo></mover><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
mn
mn
mn
В приведенных выше уравнениях угол α измеряет относительные фазы синусоидальной и косинусоидальной составляющих генерируемого сигнала. Функции
следуют из анализа Фурье специальных функций, которые основаны на U(t). Эти специальные функции идентичны U(t), но для абсолютных значений функции, которые больше определенного порога, значения специальных функций устанавливаются равными пороговому значению. Рассмотрение упомянутых рядов Фурье вплоть до седьмого члена и обеспечение того, чтобы первый член, то есть член с основной частотой, имел такую же силу, как и в U(t), приводит к уравнению (4). Параметр коррекции κ непосредственно связан с пороговым значением.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˜</mo></mover><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Вообще функции
могут быть записаны как ряды Фурье следующим образом:
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˜</mo></mover><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext></mtext><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi><mn>01</mn></mrow></msub><mi>cos</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext></mtext><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi><mn>02</mn></mrow></msub><mi>sin</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>2</mn></mrow><mi>g</mi></munderover><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi><mi>k</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mi>cos</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi><mi>k</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mi>sin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mstyle></mrow>
.
mnk1
mnk2
mnk1
mnk2
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˜</mo></mover><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Здесь g представляет собой целое число, определяющее количество рассматриваемых членов ряда Фурье. Сила членов ряда Фурье V и V должна быть выбрана таким образом, чтобы
соответствовало желаемой цели наилучшим возможным образом. В частности, эти члены должны быть выбраны так, чтобы максимальная амплитуда результирующих напряжений, генерирующих поле возбуждения, снижалась. В этом смысле значения V и V могут быть определены специалистом в данной области техники с использованием обычных знаний, например, с помощью математического анализа и численных расчетов. В приведенном выше конкретном примере (уравнения (3)-(7)) синусоидальный и косинусоидальный элементы объединяются посредством фазового соотношения α в единые синусоидально-косинусоидальные компоненты.
Таким образом, в соответствии с этим вариантом осуществления блок 130 генерирования сигнала поля возбуждения генерирует напряжения поля возбуждения так, что каждый компонент напряжения поля возбуждения включает в себя суперпозицию двух или более подкомпонентов, в которой первый подкомпонент имеет частоту, соответствующую частоте осцилляции соответствующего возбуждающего тока, а каждый дополнительный подкомпонент имеет частоту, соответствующую различным кратным для упомянутой частоты осцилляции соответствующего возбуждающего тока. Предпочтительно дополнительные подкомпоненты имеют частоту, соответствующую возрастающим нечетным кратным для упомянутой частоты осцилляции соответствующего тока поля возбуждения.
В приведенном выше примерном описании к основному члену в уравнении (4) добавляются три высшие гармоники. В других вариантах осуществления может быть добавлено большее или меньшее количество высших гармоник. Предпочтительно, чтобы каждый компонент напряжения поля возбуждения включал в себя суперпозицию от двух до десяти подкомпонентов, в частности, от трех до пяти подкомпонентов. Эффект добавления большего количества высших гармоник становится, однако, значительно меньше с увеличением порядка гармоники. Было показано, что добавление от двух до четырех высших гармоник является оптимальным. Кроме того, не обязательно добавлять высшие гармоники в последовательном порядке (например, как показано выше для первой, третьей и пятой гармоник), но в целом могут быть добавлены любые высшие гармоники (например, только первая, пятая и седьмая гармоники или только третья и пятая гармоники …). В других вариантах осуществления к основному члену могут быть добавлены не только нечетные гармоники, но в дополнение к ним (или только) четные гармоники.
Использование выражений наподобие уравнения (4) в суперпозициях наподобие уравнения (2) приводит к биениям, в которых максимальная амплитуда значительно уменьшается, как показано на Фиг.7. Выходы усилителей соединены с фильтрами низких частот. Следовательно, высокочастотные компоненты в уравнении (4) не попадают в генератор поля. В то же время компоненты основной частоты в уравнении (4) имеют ту же силу, что и в уравнении (2).
В еще одном варианте осуществления дополнительные частотные компоненты могут быть включены только временно. Это означает, что факторы λ в уравнении (4) устанавливаются ненулевыми только в те интервалы времени, в течение которых биения имеют очень большие амплитуды. Переключение между нулевым и ненулевым вкладом должно производиться в тех временных точках, в которых значения функции равны нулю. Как правило, переключение может быть сделано в заданные периоды времени и/или при заданных условиях, в частности, если амплитуда напряжения поля возбуждения, используемого для приведения в действие соответствующей катушки поля возбуждения, превышает заданный порог напряжения поля возбуждения.
Таким образом, визуализация с помощью магнитных частиц требует суперпозиции различных видов магнитных полей. Одно из этих полей - поле возбуждения - является полем, осциллирующим с наибольшей частотой. Реализация поля возбуждения сталкивается с некоторыми техническими проблемами, так как усилители должны быть в состоянии генерировать сигналы достаточной мощности на этих частотах. Более того, катушки поля возбуждения связаны, что должно компенсироваться управляющим механизмом. Компенсация означает, что различные сигналы с различными частотами должны быть добавлены на каждую ось. Это приводит к сигналам, которые имеют биения, а максимальные амплитуды этих биений могут быть ограничивающим фактором в отношении максимальной амплитуды поля возбуждения.
В случаях, когда связь между катушками поля возбуждения достаточно сильна, выход усилителей, которые усиливают возбуждающий сигнал для катушек поля возбуждения, ограничен максимальной амплитудой сигналов на входе и выходе усилителей. Настоящее изобретение позволяет уменьшить эти максимальные амплитуды, что может быть использовано для реализации больших амплитуд поля возбуждения.
Как правило, сигналы различных частот добавляются на вход усилителей. В вариантах осуществления настоящего изобретения высшие компоненты этих частот используются для уменьшения максимальной амплитуды результирующего сигнала. Предпочтительно, чтобы в конце концов фильтр нижних частот предотвращал попадание в генератор поля этих компонентов высшего порядка.
Хотя настоящее изобретение было проиллюстрировано на чертежах и подробно описано в вышеприведенном описании, такие иллюстрация и описание должны рассматриваться как иллюстративные или примерные, а не ограничивающие; настоящее изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. Другие изменения в раскрытых вариантах осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области техники при применении заявленного изобретения, при изучении чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения.
В формуле изобретения слова «содержащий» или «включающий в себя» не исключают других элементов или этапов, а употребление элементов в единственном числе не исключает их множества. Отдельный элемент или другой блок может выполнять функции нескольких элементов, указанных в формуле изобретения. Тот факт, что определенные меры изложены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих мер не может быть использована для получения преимуществ.
Любые ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения.