УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МАГНИТНЫЕ ЧАСТИЦЫ И/ИЛИ ИХ ВЫЯВЛЕНИЯ
MAGNET PARTICLES SIMULATION AND/OR DETECTION METHOD AND DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству и способу для воздействия на магнитные частицы и/или их выявления в области обзора. Далее, настоящее изобретение относится к компьютерной программе для осуществления упомянутого способа на компьютере и для управления таким устройством.
Уровень техники
Визуализация магнитных частиц (ВМЧ) является развивающейся методикой медицинской визуализации. Первые версии ВМЧ были двумерными, в том смысле, что они производили двумерные изображения. Будущие версии будут трехмерными (3D). Зависимое от времени, или 4D, изображение нестатичного объекта может быть создано путем составления временной последовательности 3D-изображений в видеоизображение, при условии, что объект не изменяется значительно во время сбора данных для отдельного 3D-изображения.
ВМЧ представляет собой способ реконструктивной визуализации, подобно компьютерной томографии (КТ) или магнито-резонансной визуализации (МРВ). Соответственно, МЧ-изображение исследуемой объемной области объекта вырабатывается в два этапа. Первый этап, называемый сбором данных, осуществляется с использованием ВМЧ-сканера. ВМЧ-сканер обладает средством генерации статичного магнитного градиентного поля, называемого «полем выбора», которое имеет единственную точку, в которой поле отсутствует, в изоцентре сканера. В дополнение, данный сканер обладает средством генерации зависимого от времени, пространственно близкого к однородному, магнитного поля. На самом деле, данное поле получается путем совмещения быстро изменяющегося поля с малой амплитудой, называемого «полем возбуждения», и медленно изменяющегося поля с большой амплитудой, называемого «сфокусированным полем». Посредством добавления зависимых от времени поля возбуждения и сфокусированного поля в статичное поле выбора точка отсутствия поля (ТОП) может быть перемещена вдоль заданной ТОП-траектории по всему объему сканирования, окружающему изоцентр. Сканер также имеет устройство из одного или нескольких, например трех, приемных контуров и может записывать любые значения напряжений, возникающих в данных контурах. Для сбора данных объект, подлежащий визуализации, помещается в сканер таким образом, чтобы исследуемая объемная область объекта охватывалась областью обзора сканера, которая составляет подмножество объема сканирования.
Объект должен содержать магнитные наночастицы; если объектом является животное или пациент-человек, контрастное вещество, содержащее такие частицы, вводится в организм животного или человека перед началом сканирования. Во время сбора данных ВМЧ-сканер направляет ТОП вдоль преднамеренно выбранной траектории, которая очерчивает объем сканирования или по меньшей мере область обзора. Магнитные наночастицы в пределах объекта испытывают воздействие переменного магнитного поля и реагируют изменением их намагниченности. Переменная намагниченность наночастиц вызывает зависимое от времени напряжение в каждом из приемных контуров. В приемном устройстве, соотнесенном с данным приемным контуром, производится выборка этих напряжений. Выборочная совокупность, выдаваемая на выходе приемными устройствами, записывается и формирует собранные данные. Параметры, контролирующие особенности сбора данных, дополняют протокол сканирования.
На втором этапе формирования изображения, который называется реконструкцией изображения, из данных, собранных на первом этапе, вычисляется или реконструируется изображение. Данное изображение является 3D матрицей дискретных элементов данных, которая представляет собой выборочную модель позиционно-зависимой концентрации магнитных наночастиц в области обзора. Реконструкция обычно осуществляется компьютером, который выполняет подходящую компьютерную программу. Компьютер и компьютерная программа реализуют алгоритм реконструкции. Алгоритм реконструкции основан на математической модели сбора данных. Как в случае всех реконструкционных способов визуализации, данная модель является интегральным оператором, действующим в соответствии с собранными данными; алгоритм реконструкции старается отменить, насколько это возможно, выполненные действия модели.
Такие ВМЧ устройство и способ имеют преимущество, заключающееся в том, что их можно применять для исследования произвольных объектов наблюдения,  например тела человека, безопасным образом и без причинения какого бы то ни было вреда, а также с высоким пространственным разрешением, как рядом с поверхностью, так и отдаленно от поверхности объекта наблюдения. Такие устройство и способ широко известны и впервые были описаны в документе DE 101 51 778 A1 и в работе авторов Gleich, B. и Weizenecker, J. (2005), “Tomographic imaging using the nonlinear response of magnetic particles in nature”, том 435, стр.1214-1217. Данные устройство и способ визуализации магнитных частиц (ВМЧ), описанные в упомянутой публикации, используют преимущество нелинейной кривой намагничивания малых магнитных частиц.
В статье автора T.Knopp и др. “Trajectory analysis for magnetic particle imaging”, Phys. Med. Biol. 54 (2009) 385-397, исследование с помощью моделирования выполняется на различных траекториях движения точки отсутствия поля (ТОП) по всей области обзора. Целью этого является предоставление обязательной информации для проектирования сканера для визуализации магнитных частиц. Траектории сравниваются с учетом плотности, скорости и качества изображения при применении в сборе данных. В частности, проводилось сравнение траектории Лиссажу с траекториями четырех других типов. В общем, траектория Лиссажу создавала в результате изображение превосходного качества и превосходила по функциональным характеристикам декартов и спиралевидные составы выборки. На практике траектория Лиссажу и траектория Декарта могут быть реализованы только с двумя выделенными частотами. Преимущество этого состоит в том, что сигналы для обоих контуров поля возбуждения могут быть отфильтрованы полосовым фильтром, чтобы компенсировать нелинейное (гармоническое) искажение сигналов имеющихся усилителей.
В случае использования известных ВМЧ устройства и способа, траектория для перемещения ТОП является зафиксированной, главным образом, потому что немного различающиеся частоты передачи, применяемые для реализации траектории Лиссажу, фиксируются по причине резонансного совпадения контуров возбуждения и соответствующего фильтра, используемого в генераторе сигнала поля возбуждения. Это дает в результате фиксированное время разрешения и время повторения. Вообще, высокое разрешение является необходимым, и с этой целью обычно применяется плотная траектория Лиссажу с использованием высоких частот передачи, которые различаются лишь немного.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в создании устройства и способа для воздействия на магнитные частицы и/или их выявления в области обзора, что предусматривает изменение выборочной траектории и получаемого в результате разрешения без модификации аппаратного оборудования.
Задача настоящего изобретения также состоит в создании компьютерной программы для осуществления упомянутого способа на компьютере и для управления таким устройством.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, представлено устройство для воздействия на магнитные частицы и/или их выявления в области обзора, которое содержит:
- средство выбора, содержащее блок генерации сигнала поля выбора и элементы поля выбора для создания магнитного поля выбора, имеющего такую структуру в пространстве его напряженности магнитного поля, при которой в области обзора формируются первая субзона с низкой напряженностью магнитного поля и вторая субзона с более высокой напряженностью магнитного поля;
- средство возбуждения, содержащее блок генерации сигнала поля возбуждения и контуры поля возбуждения для изменения положения в пространстве двух субзон в области обзора посредством магнитного поля возбуждения так, что намагниченность магнитного материала изменяется локально; и
- средство управления для управления упомянутым блоком генерации сигнала поля возбуждения с целью создания токов возбуждения, чтобы заставить контуры поля возбуждения генерировать магнитное поле возбуждения таким образом, чтобы первая субзона перемещалась вдоль числа p заданных траекторий низкой плотности, каждая из которых имеет форму замкнутой кривой, неодинаково расположенной в пределах области обзора, в которой каждый ток возбуждения обладает частотой тока возбуждения и фазой тока возбуждения,
причем средство управления выполнено с возможностью управления упомянутыми блоками генерации сигнала поля возбуждения для создания токов возбуждения таким образом, что значения частот токов возбуждения равны или имеют соотношение частот в пределах от 0,5 до 0,98 и что фазы токов возбуждения по меньшей мере одного тока возбуждения различны для множества p траекторий низкой плотности, что в результате дает выборку области обзора высокой плотности упомянутой первой субзоной после перемещения вдоль упомянутого числа р заданных траекторий низкой плотности.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения представлен соответствующий способ.
Предпочтительные варианты осуществления данного изобретения определяются в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует учитывать, что заявленный способ и заявленная компьютерная программа имеют аналогичные и/или идентичные заявленному устройству предпочтительные варианты осуществления в соответствии с пунктами формулы изобретения.
Настоящее изобретение основано на идее не использовать единственную фиксированную траекторию для перемещения ТОП через область обзора и осуществления ее выборки с высокой плотностью, но использовать траектории низкой плотности, которые перемещают ТОП через область обзора вдоль различных кривых так, чтобы, в конце концов, выборка области обзора производилась с необходимой плотностью, например, такой же высокой плотностью, как в случае известной единственной траектории Лиссажу. Для достижения этого, например, используется траектория такой же низкой плотности, но с различными фазами.
Плотность и пространственное смещение используемых траекторий низкой плотности могут контролироваться частотой и фазой токов возбуждения, подаваемых на контуры возбуждения для создания требуемых (однородных) магнитных полей возбуждения. Следовательно, путем надлежащего контроля частоты и фаз токов возбуждения посредством блока управления, магнитные поля возбуждения и, таким образом, кривая ТОП через область обзора могут контролироваться. Следовательно, для того чтобы выбрать (и изменить) плотность выборки, варьировать время повторения для траектории и форму и кривую траектории в пределах области обзора, нет необходимости в существенной модификации (или модификации вообще) аппаратного оборудования.
В данном режиме частоты токов возбуждения имеют соотношение частот в пределах от 0,5 до 0,98, что означает, что траектория является траекторией низкой плотности, поскольку траектории, имеющие соотношение частот выше 0,98, считаются траекториями высокой плотности.
Данное изобретение также позволяет использовать частоты токов возбуждения для всех (двух или трех) токов возбуждения, то есть для всех направлений визуализации, и варьировать разности фаз между токами возбуждения после каждой траектории, чтобы изменить форму и кривую траектории в пределах области обзора. Преимущество использования тех же самых частот токов возбуждения заключается в том, что меньше требуется настраивать (в частности, только однажды) фильтры и усилители, по сравнению с ситуацией, когда используются различные частоты токов возбуждения.
Данное изобретение обеспечивает дополнительное преимущество, которое состоит в том, что, например, единственная траектория низкой плотности может быть использована для осуществления единственного (быстрого) сканирования низкой плотности и что, следовательно, например, для желательной области может быть произведено (медленное) сканирование высокой плотности, например, путем использования множества траекторий низкой плотности с модифицированными фазами тока возбуждения от одной траектории к следующей траектории или при использовании единственной (традиционной) траектории высокой плотности.
Хотя обычно может применяться траектория любого типа, имеющая любую форму, которая может быть использована для создания замкнутой кривой, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, токи возбуждения являются взаимно ортогональными синусоидальными токами, а траектории имеют конкретно форму кривых Лиссажу. Такие токи возбуждения и траектории, соответственно, могут быть легко сгенерированы и модифицированы, например, под контролем пользователя или по предварительным настройкам, и легко дать возможность управлять плотностью выборки, предпочтительно при достаточно равномерно распределенных точках выборки.
I
I
Î
πf
t
Î
f
i
I
f
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>f</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mi>N</mi><mrow><mi>N</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac></mrow>
Предпочтительно токи  возбуждения имеют вид  = sin(2+φ), в котором - амплитуда тока возбуждения, φ - фаза тока возбуждения, - частота поля возбуждения и  означает направление магнитного поля возбуждения, вызванного контуром поля возбуждения, на который подается ток  возбуждения, в котором частоты  тока возбуждения все равны или в котором частоты
тока возбуждения имеют первое соотношение частот
, а частоты
тока возбуждения имеют второе соотношение частот
, причем N - положительное целое число, значение которого меньше 50, в частности меньше 20. Таким образом, просто путем подбора параметра N можно выбрать плотность.
Число p заданных траекторий низкой плотности предпочтительно больше 2, в частности больше 10, более предпочтительно в диапазоне от 10 до 200, в частности в диапазоне от 50 до 100.
i
i
I
Согласно другому варианту осуществления, фазы φ тока возбуждения по меньшей мере одного тока  возбуждения распределяются, в частности равномерно распределяются, по фазовому интервалу от 0° до 360° для числа p заданных траекторий низкой плотности. Преимущество равномерного распределения заключается в том, что производится выборка исследуемого участка с равной плотностью.
В зависимости от типа применения и использования устройства, в соответствии с настоящим изобретением, в дальнейшем, могут быть предусмотрены общеизвестные средства, такие как
- средство фокусирования, содержащее блок генерации сигнала сфокусированного поля и контуры сфокусированного поля для изменения положения в объеме области обзора посредством магнитного сфокусированного поля; и/или
- приемное средство, включающее в себя по меньшей мере один приемник сигнала и по меньшей мере один приемный контур для сбора сигналов обнаружения, которые зависят от намагниченности в области обзора, причем на данную намагниченность оказывает влияние изменение положения в пространстве первой и второй субзон, и
- средство обработки для обработки упомянутых сигналов обнаружения, в частности для реконструирования изображения от упомянутых сигналов обнаружения, и/или для локализации упомянутых магнитных частиц в пределах области обзора, в частности в пределах объекта, находящегося в области обзора.
Краткое описание чертежей
Данные и другие аспекты данного изобретения станут очевидны из вариантов осуществления, описанных далее в настоящем документе, и будут разъяснены на их основании. На последующих чертежах:
фиг.1 иллюстрирует первый вариант осуществления ВМЧ-устройства,
на фиг.2 изображен пример диаграммы направленности поля выбора, создаваемого устройством, представленным на фиг.1,
фиг.3 иллюстрирует второй вариант осуществления ВМЧ-устройства,
на фиг.4 изображена блок-схема ВМЧ-устройства, в соответствии с настоящим изобретением,
фиг.5 иллюстрирует траекторию высокой плотности и траекторию низкой плотности,
на фиг.6 представлен ряд траекторий низкой плотности с различными фазами и различными частотами,
фиг.7 иллюстрирует совмещение ряда траекторий низкой плотности, представленного на фиг.6,
на фиг.8 представлен ряд траекторий низкой плотности с различными фазами и идентичными частотами,
фиг.9 иллюстрирует совмещение ряда траекторий низкой плотности, представленного на фиг.8.
Осуществление изобретения
Прежде чем будут разъяснены детали настоящего изобретения, основы визуализации магнитных частиц будут изложены подробно с учетом фиг.1-4. В частности, будут описаны два варианта осуществления ВМЧ-сканера для медицинской диагностики. Также дается произвольное описание сбора данных. Сходства и отличия между двумя вариантами осуществления будут особо подчеркнуты.
+
-
Первый вариант 10 осуществления ВМЧ-сканера, изображенный на фиг.1, имеет три пары 12, 14, 16 выступающих коаксиальных параллельных контуров, имеющих форму кольца, причем каждая пара расположена, как показано на фиг.1. Данные пары 12, 14, 16 контуров служат для генерации поля выбора, а также поля возбуждения и сфокусированного поля. Оси 18, 20, 22 трех пар 12, 14, 16 контуров являются взаимно перпендикулярными и пересекаются в одной точке, обозначенной на схеме как изоцентр 24 ВМЧ-сканера 10. В дополнение, данные оси 18, 20, 22 служат как оси 3D Декартовой системы координат x-y-z, привязанной к изоцентру 24. Вертикальная ось 20 обозначена как ось y, так что оси x и z являются горизонтальными. Пары 12, 14, 16 контуров также носят название, соответствующее их осям. Например, пара 14 y-контуров образована контурами сверху и снизу сканера. Кроме того, контур с положительной (отрицательной) координатой y называется y-контуром (y-контуром), и аналогично для остальных контуров.
S
+
S
-
Сканер 10 может быть настроен для направления заданного, зависимого от времени электрического тока через каждый из данных контуров 12, 14, 16 и в любом направлении. Если ток протекает по часовой стрелке по контуру, если смотреть вдоль направления оси данного контура, он будет считаться положительным, в противном случае - отрицательным. Для генерации статичного поля выбора постоянный положительный ток I пускается по z-контуру и ток -I пускается по z-контуру. Затем пара 16 z-контуров действует как пара встречных кольцевых контуров.
Магнитное поле выбора, которое вообще является градиентным магнитным полем, представлено на фиг.2 с помощью линий 50 поля. Оно имеет, по существу, постоянный градиент в направлении (например, горизонтальной) z-оси 22 пары 16 z-контуров, генерирующей поле выбора, и достигает нулевого значения в изоцентре 24 на данной оси 22. Начиная с этой точки, в которой отсутствует поле (индивидуально не показана на Фиг.2), напряженность магнитного поля 50 выбора возрастает во всех трех пространственных направлениях с увеличением расстояния от точки, в которой поле отсутствует. В первой субзоне или области 52, которая обозначена с помощью пунктирной линии вокруг изоцентра 24, напряженность поля настолько мала, что намагниченность частиц, присутствующих в первой субзоне 52, не является насыщенной, тогда как намагниченность частиц, присутствующих во второй субзоне 54 (за пределами области 52), находится в состоянии насыщения. Точка отсутствия поля или первая субзона 52 области 28 обзора сканера предпочтительно является пространственно-когерентной областью; она также может быть точечной зоной, линией или плоской областью. Во второй субзоне 54 (то есть в остальной части области 28 обзора сканера за пределами первой субзоны 52) напряженность магнитного поля выбора достаточно велика для того, чтобы удерживать магнитные частицы в состоянии насыщения.
Путем изменения положения двух субзон 52, 54 в пределах области 28 обзора меняется (полная) намагниченность в области 28 обзора. Посредством измерения намагниченности в области 28 обзора или физических параметров, на которые влияет намагниченность, можно получить информацию о пространственном распределении магнитных частиц в области 28 обзора. Для того чтобы изменить относительное пространственное положение двух субзон 52, 54 в пределах области 28 обзора, дополнительные магнитные поля, то есть магнитное поле возбуждения и, если применимо, магнитное сфокусированное поле, совмещаются с полем 50 выбора в области 28 обзора или по меньшей мере в части области 28 обзора.
D
D
D
F
F
F
1
2
3
1
2
3
Для генерации поля возбуждения зависимый от времени ток I  пускается по обоим х-контурам 12, зависимый от времени ток I  пускается по обоим y-контурам 14 и зависимый от времени ток I пускается по обоим z-контурам 16. Таким образом, каждая из трех пар контуров действует как пара параллельных кольцевых контуров. Аналогично, для генерации сфокусированного поля зависимый от времени ток I  пускается по обоим х-контурам 12, зависимый от времени ток I  пускается по обоим y-контурам 14 и зависимый от времени ток I пускается по обоим z-контурам 16.
±
D
F
S
D
F
3
3
k
k
Следует отметить, что пара 16 z-контуров является особенной: она генерирует не только свою часть поля возбуждения и сфокусированного поля, но также поле выбора. Ток, протекающий через z-контуры, является суммой токов I + I + I. Ток, протекающий через остальные две пары 12, 14, равен I + I , k=1, 2. Из-за своей геометрии и симметрии три пары 12, 14, 16 контуров являются высоко развязанными. Это то, что требуется.
Будучи сгенерированным парой встречных кольцевых контуров, поле выбора является осесимметричным относительно оси z, и его z-компонента является практически линейной относительно z и независимой от х и y в значительном объеме вокруг изоцентра 24. В частности поле выбора имеет единственную точку, в которой отсутствует поле (ТОП), в изоцентре. В отличие от этого, доля поля возбуждения и сфокусированного поля, сгенерированных парами параллельных кольцевых контуров, является пространственно практически однородной в значительном объеме вокруг изоцентра 24 и параллельной оси соответствующей пары контуров. Поле возбуждения и сфокусированное поле, совместно сгенерированные всеми тремя парами параллельных кольцевых контуров, являются пространственно практически однородными, и им могут быть заданы любое направление и напряженность, вплоть до некоторой максимальной напряженности. Поле возбуждения и сфокусированное поле также являются зависимыми от времени. Разница между полем возбуждения и сфокусированным полем состоит в том, что поле возбуждения изменяется медленно во времени и имеет большую амплитуду, в то время как сфокусированное поле изменяется быстро и имеет небольшую амплитуду. Существуют физические и биомедицинские причины рассматривать данные поля по-разному. Быстро изменяющееся поле с большой амплитудой было бы сложно генерировать, и оно могло бы представлять риск для пациента.
Вариант 10 осуществления ВМЧ-сканера имеет по меньшей мере еще одну пару, предпочтительно три дополнительные пары, параллельных кольцевых контуров, опять же ориентированных вдоль осей x, y и z. Данные пары контуров, которые не изображены на фиг.1, служат в качестве приемных контуров. Как и в случае с парами 12, 14, 16 для поля возбуждения и сфокусированного поля, магнитное поле, генерируемое постоянным током, протекающим по одной из пар приемных контуров, является пространственно практически однородным в пределах области обзора и параллельным оси соответствующей пары контуров. Приемные контуры должны быть высоко развязанными. Напряжение, наводимое в приемном контуре, усиливается и отбирается приемным устройством, подсоединенным к данному контуру. Более точно, чтобы справиться с огромным динамическим диапазоном данного сигнала, приемное устройство делает выборку различий между полученным сигналом и опорным сигналом. Функция преобразования приемного устройства является ненулевой от постоянного тока до точки, где ожидаемый уровень сигнала падает ниже уровня шума.
Вариант 10 осуществления ВМЧ-сканера, изображенный на фиг.1, имеет цилиндрический канал 26 вдоль z-оси 22, то есть вдоль оси поля выбора. Все контуры расположены снаружи данного канала 26. Для сбора данных, пациент (или объект), подлежащий визуализации (или лечению), размещается внутри канала 26 так, чтобы исследуемая объемная область тела пациента - та область тела пациента (или объекта), которая должна быть визуализирована (или подвергнута лечению), покрывается областью 28 обзора сканера - той областью сканера, изображение объема которой сканер может построить. Пациент (или объект), например, размещается на столе для пациента. Область 28 обзора является геометрически простым, изоцентрическим объемом внутренней части канала 26, таким как куб, шар либо цилиндр. Кубическая область 28 обзора изображена на фиг.1.
3
2
Размер первой субзоны 52 зависит, с одной стороны, от силы градиента магнитного поля выбора и, с другой стороны, от напряженности магнитного поля, которая требуется для насыщения. Для достаточного насыщения магнитных частиц при напряженности магнитного поля, равной 80 А/м, и градиенте (в заданном направлении в пространстве) напряженности магнитного поля выбора, составляющем 50×10 А/м, первая субзона 52, в которой намагниченность частиц не является насыщенной, имеет размеры около 1 мм (в заданном направлении в пространстве).
Исследуемая объемная область тела пациента должна содержать магнитные наночастицы. Особенно, перед началом терапевтического и/или диагностического лечения, например, опухоли, магнитные частицы размещаются в исследуемой области, например, посредством жидкости, содержащей магнитные частицы, которая вводится в тело пациента (в объект) или назначается другим образом, например перорально, пациенту.
Вариант осуществления магнитных частиц включает в себя, например, сферическую подложку, например, из стекла, снабженную магнитно-мягким слоем, который имеет толщину, например, 5 нм и содержит, например, железо-никелевый сплав (такой как пермаллой). Данный слой может быть покрыт, например, покровным слоем, который защищает частицы от воздействия химически и/или физически агрессивной среды, например кислот. Напряженность магнитного поля 50 выбора, требуемая для насыщения намагниченности таких частиц, зависит от различных параметров, например диаметра частиц, используемого магнитного материала для магнитного слоя и других параметров. При размере диаметра, например, 10 мкм требуется магнитное поле приблизительно в 800 А/м (соответствующее примерно плотности потока, равной 1 мТ), тогда как при размере диаметра 100 мкм магнитное поле в 80 А/м является достаточным. Получаются даже еще меньшие значения при выборе покрытия из материала, имеющего более низкую намагниченность насыщения, или при уменьшении толщины слоя. Магнитные частицы, которые обычно могут быть использованы, доступны в продаже под торговым названием Resovist.
Для дальнейших подробностей используемых в большинстве случаев магнитных частиц и составов частиц настоящим приводится ссылка на соответствующие разделы документов EP 1304542, WO 2004/091386, WO 2004/091390, WO 2004/091394, WO 2004/091395, WO 2004/091396, WO 2004/091397, WO 2004/091398, WO 2004/091408, которые включены в данное описание путем ссылки. В упомянутых документах также приведены дополнительные подробности ВМЧ-способа в целом.
s
e
k
k
k
Сбор данных начинается в момент времени t и завершается в момент времени t. Во время сбора данных пары 12, 14, 16 x-, y- и z-контуров генерируют зависимое от пространства и времени магнитное поле, приложенное поле. Это достигается путем направления подходящих токов через контуры. В сущности, поле возбуждения и сфокусированное поле так воздействуют на поле выбора, что ТОП перемещается вдоль заранее выбранной траектории ТОП, которая очерчивает объемную область обзора - расширенный вариант области обзора. Приложенное поле ориентирует магнитные наночастицы в теле пациента. По мере изменения приложенного поля получаемая в результате намагниченность также изменяется, хотя она реагирует нелинейно на приложенное поле. Сумма изменений приложенного поля и изменений намагниченности возбуждает зависимое от времени напряжение V на клеммах пары приемных контуров вдоль оси x. Соотнесенное приемное устройство преобразует данное напряжение в сигнал S(t), который он отбирает и выводит.
Является полезным принимать или выявлять сигналы от магнитных частиц, размещенных в первой субзоне 52 в другой полосе частот (при переходе на более высокие частоты), чем полоса частот изменений магнитного поля возбуждения. Это возможно потому, что частотные компоненты высших гармоник частоты магнитного поля возбуждения возникают благодаря изменению намагниченности магнитных частиц в области 28 обзора сканера, как результат нелинейности характеристик намагниченности.
Аналогично первому варианту 10 осуществления, изображенному на фиг.1, второй вариант 30 осуществления ВМЧ-сканера, представленный на фиг.3, имеет три пары 32, 34, 36 взаимно перпендикулярных контуров, имеющих форму кольца, но данные пары 32, 34, 36 контуров генерируют только поле выбора и сфокусированное поле. Z-контуры 36, которые здесь также генерируют поле выбора, наполнены ферромагнитным материалом 37. Z-ось 42 данного варианта 30 осуществления ориентирована вертикально, тогда как x- и y-оси 38, 40 ориентированы горизонтально. Канал 46 сканера является параллельным х-оси 38 и, таким образом, перпендикулярным оси 42 поля выбора. Поле возбуждения генерируется электромагнитом (не показан) вдоль х-оси 38 и парой отклоняющих катушек (не показаны) вдоль двух оставшихся осей 40, 42. Данные катушки намотаны на трубку, образующую канал. Катушки поля возбуждения также служат в качестве приемных контуров. Сигналы, считываемые приемными контурами, посылаются через фильтр верхних частот, который гасит частоты, обусловленные приложенным полем.
0
0
<mrow><msqrt><mn>2</mn></msqrt></mrow>
Несколько типичных параметров такого варианта осуществления: z - градиент поля выбора, G, имеет величину G/μ=2,5 Т/м, где μ- магнитная постоянная. Сгенерированное поле выбора либо вовсе не изменяется со временем, либо изменение является сравнительно медленным, предпочтительно между приблизительно 1 Гц и приблизительно 100 Гц. Спектр временных частот поля возбуждения концентрируется в узкой полосе около 25 кГц (вплоть до примерно 100 кГц). Спектр полезных частот принятых сигналов лежит в промежутке между 50 кГц и 1 МГц (в итоге, до примерно 10 МГц). Канал имеет диаметр 120 мм. Наибольший куб 28, который вмещается в канал 46, имеет длину ребра, равную 120 мм/
≈ 84 мм.
Как показано в вышеописанных вариантах осуществления, различные магнитные поля могут быть созданы с помощью контуров одних и тех же пар контуров и путем подачи на данные контуры соответствующим образом сгенерированных токов. Однако, и особенно с целью расшифровки сигнала с более высоким соотношением сигнал/помеха, может быть полезным, когда временно постоянное (или квазипостоянное) поле выбора и временно изменяемые поле возбуждения и сфокусированное поле генерируются отдельными парами контуров. В большинстве случаев, для данных контуров могут использоваться пары контуров типа катушек Гельмгольца, которые общеизвестны, например, из области магнито-резонансных аппаратов с открытыми магнитами (открытая МРТ), в которых пара контуров радиочастоты (РЧ) расположена сверху и снизу исследуемой области, причем упомянутая пара РЧ-контуров выполнена с возможностью создания временно изменяющегося магнитного поля. Следовательно, конструкция таких контуров нуждается в дальнейшем уточнении в данном документе.
В альтернативном варианте осуществления, для создания поля выбора могут быть использованы постоянные электромагниты (не показаны). В пространстве между двумя полюсами таких (противоположных) постоянных электромагнитов (не показаны) формируется магнитное поле, аналогичное полю, иллюстрируемому фиг.2, то есть когда противоположные полюса имеют одинаковую полярность. В другом альтернативном варианте осуществления, поле выбора создано комбинацией по меньшей мере одного постоянного магнита и по меньшей мере одного контура.
На фиг.4 изображена общая блок-схема ВМЧ-устройства 10, в соответствии с настоящим изобретением. Основные принципы визуализации магнитных частиц и магнито-резонансной визуализации, изложенные выше, имеют силу и применимы также и к данному варианту осуществления, если не оговорено особо.
Вариант осуществления устройства 100, изображенный на фиг.4, включает в себя набор различных контуров для генерации необходимых магнитных полей. Во-первых, будут разъяснены контуры и их функции в режиме ВМЧ.
Для создания магнитного (градиентного) поля выбора, поясненного выше, предусмотрено средство выбора, содержащее набор 116 контуров поля выбора (ПВ), предпочтительно содержащий по меньшей мере одну пару элементов контура. Средство выбора дополнительно содержит блок 110 генерации сигнала поля выбора. Предпочтительно предусмотрен отдельный подблок генератора для каждого элемента контура (или каждой пары элементов контура) набора 116 контуров поля выбора. Упомянутый блок 110 генерации сигнала поля выбора содержит управляемый источник 112 тока поля выбора (обычно включающий в себя усилитель) и узел 114 фильтра, который подает ток поля выбора на элемент контура поля соответствующего участка для индивидуальной настройки величины градиента поля выбора в желательном направлении. Предпочтительно подается постоянный ток. Если элементы контура поля выбора расположены как противоположные контуры, например, на противоположных сторонах области обзора, токи поля выбора противоположных контуров предпочтительно ориентированы противоположно.
Блок 110 генерации сигнала поля выбора управляется с помощью устройства 150 управления, которое предпочтительно управляет созданием тока поля выбора таким образом, что сумма напряженности поля и сумма величин градиентов всех пространственных фракций поля выбора поддерживается на заданном уровне.
Для создания магнитного сфокусированного поля, устройство 100 дополнительно содержит средство фокусирования, содержащее набор контуров сфокусированного поля (КП), предпочтительно содержащий три пары 126а, 126b, 126c противоположно распложенных элементов контура сфокусированного поля. Упомянутое магнитное сфокусированное поле обычно используется для изменения положения в пространстве области воздействия. Контуры сфокусированного поля управляются с помощью блока 120 генерации сигнала сфокусированного поля, предпочтительно содержащего отдельный подблок генерации сигнала сфокусированного поля для каждого элемента контура (или по меньшей мере каждой пары элементов контура) упомянутого набора контуров сфокусированного поля. Упомянутый блок 120 генерации сигнала сфокусированного поля содержит источник 122 тока сфокусированного поля (предпочтительно включающий в себя усилитель тока) и узел 124 фильтра для подачи тока сфокусированного поля на соответствующий контур упомянутого поднабора контуров 126а, 126b, 126c, который будет использоваться для создания магнитного сфокусированного поля. Блок 120 тока сфокусированного поля также управляется устройством 150 управления.
Для создания магнитного поля возбуждения устройство 100 далее содержит средство возбуждения, содержащее поднабор контуров поля возбуждения (ПВ), предпочтительно содержащий три пары 136а, 136b, 136c противоположно расположенных элементов контура поля возбуждения. Контуры поля возбуждения управляются с помощью блока 130 генерации сигнала поля возбуждения, предпочтительно включающей в себя отдельный подблок генерации сигнала поля возбуждения для каждого элемента контура (или по меньшей мере каждой пары элементов контура) упомянутого набора контуров поля возбуждения. Упомянутый блок 130 генерации сигнала поля возбуждения содержит источник 132 тока поля возбуждения (предпочтительно включающий в себя усилитель тока) и узел 134 фильтра для подачи тока поля возбуждения на соответствующий контур поля возбуждения. Источник 132 тока поля возбуждения адаптирован для генерации переменного тока и также управляется с помощью устройства 150 контроля.
Для распознавания сигналов предусмотрено приемное средство 148, в частности приемный контур, и приемник 140 сигнала, который принимает сигналы, выявляемые упомянутым приемным средством 148. Упомянутый приемник 140 сигнала содержит узел 142 фильтра для очищения принимаемых сигналов обнаружения. Целью данного очищения является отделение измеренных величин, вызываемых намагниченностью в исследуемой области, на которую оказывает влияние изменение положения двух субзон (52, 54), от других сигналов, сигналов помехи. Для этой цели узел 142 фильтра может быть сконструирован, например, таким образом, чтобы сигналы, имеющие временные частоты, которые меньше временных частот, с которыми работает приемное средство 148, или меньше удвоенных данных временных частот, не проходили узел 142 фильтра. Сигналы затем передаются через усилительный блок 144 в аналого-цифровой преобразователь 146 (АЦП). Оцифрованные сигналы, вырабатываемые аналого-цифровым преобразователем 146, поступают на блок 152 обработки изображений (также называемый средством реконструкции), который реконструирует пространственное распределение магнитных частиц из данных сигналов и соответственное положение, которое принимает первая субзона 52 первого магнитного поля в исследуемой области во время приема соответствующего сигнала и которое блок 152 обработки изображений получает от устройства 150 контроля. Реконструированное пространственное распределение магнитных частиц, наконец, передается посредством устройства 150 контроля в компьютер 154, который отображает его на мониторе 156. Таким образом, может быть отображено изображение, показывающее распределение магнитных частиц в области обзора исследуемой области.
Далее, предусмотрено устройство 158 ввода, например клавиатура. Пользователь, следовательно, имеет возможность задать желательное направление самого высокого разрешения и, в свою очередь, получать соответственное изображение зоны воздействия на мониторе 156. Если главное направление, в котором требуется самое высокое разрешение, отклоняется от направления, вначале заданного пользователем, то пользователь может, тем не менее, изменить направление вручную для того, чтобы создать дополнительное изображение с улучшенным разрешением получения изображения. Данный процесс улучшения разрешения также может осуществляться автоматически посредством устройства 150 контроля и компьютера 154. Устройство 150 контроля в данном варианте осуществления задает градиентное поле в первом направлении, которое автоматически оценивается или задается как начальное значение пользователем. Направление градиентного поля затем изменяется постепенно, до тех пор пока разрешение таким образом полученных изображений, которые сравниваются компьютером 154, не станет максимальным, соответственно, более не улучшаемым. Самое главное направление, следовательно, может быть настроено автоматически с целью получения максимально возможного разрешения.
В соответствии с настоящим изобретением, устройство 150 управления выполнено с возможностью управлять упомянутым блоком 130 генерации сигнала поля возбуждения, в частности источником 132 тока поля возбуждения, таким образом, что он создает токи возбуждения для того, чтобы заставлять контуры 136а, 136b, 136c поля возбуждения генерировать магнитное поле возбуждения так, чтобы первая субзона 52 двигалась вдоль числа р заданных траекторий низкой плотности, каждая из которых имеет форму замкнутой кривой, расположенной различно в пределах области 28 обзора. Каждый ток возбуждения имеет частоту тока возбуждения и фазу тока возбуждения, и токи возбуждения генерируются так, что значения частот токов возбуждения равны или имеют соотношение частот в пределах от 0,5 до 0,98 и что фазы токов возбуждения по меньшей мере одного тока возбуждения различны для множества p траекторий низкой плотности, что в результате дает выборку области обзора высокой плотности упомянутой первой субзоной после перемещения вдоль упомянутого числа р заданных траекторий низкой плотности.
Другими словами, в соответствии с настоящим изобретением, выборка области обзора не производится путем перемещения ТОП вдоль единственной траектории высокой плотности, но выборка производится и не путем использования нескольких траекторий низкой плотности, каждая из которых производит выборку области обзора вдоль различных маршрутов, так что последующее движение ТОП вдоль упомянутых траекторий низкой плотности дает в результате также и выборку высокой плотности. В сравнении с известным способом, контроль, который предлагается в соответствии с настоящим изобретением, обеспечивает большую свободу действий для пользователя, например, в выборе желательного разрешения и доступного времени сканирования.
I
Î
t
Î
I
Î
t
Î
х
х
х
х
х
y
y
y
y
y
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>х</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>y</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>N</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></mfrac></mrow>
Траектория, используемая в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, имеет форму замкнутой кривой Лиссажу, имеющей низкую плотность. Для перемещения ТОП вдоль определенной траектории или для изменения положения в пространстве первой субзоны 52 вдоль определенной траектории, по контурам 136а, 136b, 136c поля возбуждения должна протекать последовательность различных токов. В случае 2D кривой Лиссажу два из контуров 136а, 136b, 136c поля возбуждения управляются синусоидальными токами поля возбуждения. 2D кривая Лиссажу генерируется посредством совмещения двух ортогональных гармонических полей возбуждения. Например, управляются первый контур поля возбуждения, создающий магнитное поле возбуждения в направлении оси х, и второй контур поля возбуждения, создающий магнитное поле возбуждения в направлении оси y. Первый контур поля возбуждения управляется первым током поля возбуждения, имеющим вид  = sin(ω), в котором - амплитуда первого поля возбуждения, ω - частота первого поля возбуждения. Второй контур поля возбуждения управляется вторым током поля возбуждения, имеющим вид  = sin(ω), в котором - амплитуда второго поля возбуждения, ω - частота второго поля возбуждения. Для получения замкнутых кривых Лиссажу соотношение частот обоих полей возбуждения должен быть рациональным. Предпочтительно частоты обоих полей возбуждения удовлетворяют условию соотношения частот
.
Замкнутая 2D кривая Лиссажу лежит в плоскости x-y. Разумеется, соответствующая замкнутая 2D кривая Лиссажу в любой другой плоскости может быть создана надлежащими токами, протекающими через контуры соответствующего поля возбуждения. Предпочтительно замкнутая 2D кривая Лиссажу, существующая в плоскости x-y, перемещается в направлении z путем создания надлежащего магнитного сфокусированного поля, что в результате дает 3D траекторию.
<mrow />
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>х</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>y</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>9</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>х</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>y</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>100</mn></mrow><mrow><mn>99</mn></mrow></mfrac></mrow>
Соотношение частот для замкнутой кривой Лиссажу, имеющей низкую плотность, больше, чем соотношение частот для (обычной) замкнутой кривой Лиссажу, имеющей высокую плотность. Например, выбраны следующие соотношения частот:
для используемой кривой Лиссажу, имеющей низкую плотность, тогда как замкнутая кривая Лиссажу, имеющая высокую плотность, имеет соотношение частот, например,
.
f
f
2πf=ω
f
f
x
y
y
x
<mrow><mfrac><mi>N</mi><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac></mrow>
Две частоты  и  (где ) 2D кривой Лиссажу, таким образом, имеют вид соотношения =.
<mrow><mrow><mo>(</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>sin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>f</mi><mi>x</mi></msub><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>sin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>f</mi><mi>y</mi></msub><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr></mtable><mo>)</mo></mrow></mrow>
Кривая Лиссажу может быть, таким образом, описана выражением: L(t):=
.
R
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>f</mi><mi>x</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>N</mi><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>f</mi><mi>y</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
Время повторения для кривой T=
.
N
N
Если значение  велико, то получается траектория высокой плотности, если  мало, то траектория низкой плотности. Примерные значения приведены в следующей таблице.
<i>f</i><sub>x</sub>
<i>N</i>
<i>f</i><sub>y</sub>
<i>T</i><sub>R</sub>
25,000 Гц
100
25,252,5 Гц
99*0,4 мс.=39,6 мс
25,000 Гц
10
27,777,8 Гц
9*0,4 мс.=3,6 мс
N
N
На фиг.5А изображена траектория высокой плотности для =100, и на фиг.5В изображена траектория низкой плотности для =10. В данном примере траектория высокой плотности в 11 раз длиннее, чем траектория низкой плотности: .
Если фазы по меньшей мере одного тока модифицируются, то получаются различные траектории:
p
<mrow><mrow><mo>(</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>sin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>f</mi><mi>x</mi></msub><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>sin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>f</mi><mi>y</mi></msub><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>ϕ</mi><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr></mtable><mo>)</mo></mrow></mrow>
L(t,φ):=
.
φ
p
P
φ
P
φ
<mo>∈</mo>
Здесь, для фазы  справедливо при
[1,]: =360º . В примере с =11, таким образом, для фазы  справедливо:
<i>P</i>
1
2
3
4
5
6
<i>φ</i>
0º
32,7º
65,5º
98,2º
130,9º
163,6º
<i>P</i>
7
8
9
10
11
<i>φ</i>
196,4º
229,1º
261,8º
294,5º
327,3º
N
N
На фиг.6 изображен ряд кривых Лиссажу, имеющих идентичные частоты, но различные фазы. Если ТОП проходит последовательно данные траектории, то получается общее время повторения, которое равно времени повторения единственной траектории высокой плотности, и совмещение кривых Лиссажу, представленных на фиг.6, изображено на фиг.7. Результатом является общая траектория, имеющая такую же (или похожую) высокую плотность, как траектория высокой плотности для =100. Но траектории не являются одинаковыми. Траектория для =100 представляет собой единственную замкнутую кривую, фазовую траекторию перемещения, то есть траектория, предлагаемая в соответствии с настоящим изобретением (содержащая ряд траекторий низкой плотности с различными фазами), изображенная на фиг.7, является совмещением множества р (здесь 11) замкнутых кривых.
f
=f
=25000 Гц
P
φ
p
P
φ
x
y
R
<mo>∈</mo>
Также возможно выбрать частоты токов поля возбуждения, чтобы они были идентичными (например, ). В данном случае, время повторения единственной замкнутой кривой (траектории низкой плотности) составляет T=0,4 мс. Данная траектория низкой плотности короче траектории высокой плотности на величину =99. Чтобы избежать идентичности единственных траекторий низкой плотности, для фаз  справедливо при
[1,]: =180° .
P
В примере с =99 справедливо (показаны не все значения):
<i>P</i>
1
10
19
28
37
46
<i>φ</i>
0°
16,5°
33,1°
49,6°
66,1°
82,7°
<i>P</i>
55
64
73
82
91
99
<i>φ</i>
99,2°
115,7°
132,2°
148,8°
165,3°
180°
Некоторые из данных траекторий низкой плотности изображены на фиг.8. Совмещение данных траекторий в результате дает траекторию высокой плотности, как показано на фиг.9.
Предлагаемое изобретение позволяет выбирать малое базовое время повторения и генерировать траектории почти произвольной плотности путем получения многократных повторений с фазой перемещения. В результате могут быть выбраны даже идентичные частоты для настройки ВМЧ-системы. Свобода выбора значений плотности может, например, использоваться для быстрого ориентировочного сканирования и впоследствии для сканирования высокого разрешения (с помощью традиционной траектории высокой плотности или с помощью ряда траекторий низкой плотности с фазой перемещения). Настоящее изобретение, таким образом, преодолевает существенное ограничение фиксированной (традиционной) траектории. Кроме того, предлагаемая траектория с фазой перемещения может использоваться в фиксированном режиме без каких бы то ни было недостатков.
<mrow><msub><mi>f</mi><mi>y</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>N</mi><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><msub><mi>f</mi><mi>x</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mi>z</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>N</mi><mrow><mi>N</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><msub><mi>f</mi><mi>x</mi></msub></mrow>
N
Настоящее изобретение не ограничивается 2D траекториями, а также может применяться для 3D траекторий. В таком случае, соотношение между тремя частотами имеет вид, например:
и
, в котором  является целым числом, делящимся на два.
Далее, настоящее изобретение не ограничивается использованием траекторий Лиссажу, но вообще могут применяться траектории любого типа, которые имеют форму замкнутой кривой и совмещение которых дает в результате выборку высокой плотности области обзора (или исследуемой области в пределах области обзора).
Элементы ВМЧ-устройства, которые необходимы для осуществления данного изобретения, во многом зависят от желательного применения. Например, если с помощью ВМЧ-устройства не нужно проводить визуализацию, но, например, если требуемую область надо нагреть для применения гипотермии, то нет необходимости в приемных контурах и средстве обработки изображений. Далее, если будет формироваться изображение (или производиться нагревание) лишь небольшого объекта, то нет безусловной необходимости средства фокусирования для изменения положения в пространстве области обзора. Дальнейшие модификации принципиальной схемы ВМЧ-устройства также возможны.
Наряду с тем, что данное изобретение было проиллюстрировано и подробно объяснено с помощью чертежей и вышеизложенного описания, такие иллюстрации и описание должны считаться пояснительными или примерными, но не ограничивающими; данное изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. Специалисты в данной области могут представить и осуществить на практике другие модификации раскрытых вариантов осуществления, путем изучения чертежей, описания и прилагаемой Формулы изобретения.
В пунктах формулы изобретения понятие «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, и употребление единственного числа предмета не исключает наличия множества таких предметов. Одиночный элемент или другой узел может выполнять функции нескольких деталей, перечисленных в пунктах формулы изобретения. Сам по себе тот факт, что некоторые средства перечислены в различных пунктах, не означает, что сочетание данных средств не может выгодно использоваться.
Любые ссылочные позиции в пунктах формулы изобретения не должны быть истолкованы как ограничивающие объем данного изобретения.