具有移動(dòng)永磁元件的mpi掃描器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及具有移動(dòng)永磁元件的MPI掃描器。一種MPI裝置包括磁系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)，磁系統(tǒng)用于產(chǎn)生隨時(shí)間變化的和與位置相關(guān)的磁場(chǎng)，檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)來自在檢測(cè)體積中暴露到所述磁場(chǎng)的MPI造影劑的信號(hào)，所述信號(hào)適于重建所述MPI造影劑的空間和時(shí)間分布的圖像，其特征在于磁系統(tǒng)包括具有多個(gè)永磁元件的陣列，多個(gè)永磁元件在幾何上布置成使得：多個(gè)永磁元件的至少一部分以足夠的速度在檢測(cè)體積附近移動(dòng)以創(chuàng)建空間和時(shí)間磁場(chǎng)變化，用于在造影劑中引發(fā)由檢測(cè)系統(tǒng)記錄的MPI信號(hào)。這樣避免現(xiàn)有MPI掃描器的高功率需求，而為更高空間分辨率和可變掃描頻率開辟了道路。
【專利說明】具有移動(dòng)永磁元件的MPI掃描器
[0001]本發(fā)明涉及一種MPK=磁性粒子成像)裝置，包括磁系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)，磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于在檢測(cè)體積中生成隨時(shí)間變化的和與位置相關(guān)的磁場(chǎng)，檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)來自暴露到所述檢測(cè)體積中的所述磁場(chǎng)的MPI造影劑的信號(hào)，所述信號(hào)適于重建所述MPI造影劑的空間分布的圖像，并且需要時(shí)重建所述MPI造影劑的時(shí)間分布的圖像。
【背景技術(shù)】
[0002]這種裝置從P.Klauer，M.A.Riickert，P.Vogel，W.H.Ku I lmann ,P.M.Jakob ,V.C.Behr，Proc.1ntl.Soc.Mag.Res.Med.2011，19，3783(見下面的參考[8])的出版物可知。
[0003]MPI 簡(jiǎn)介
[0004]磁粒子成像(MPI)是一種新的基于超快速示蹤的具有應(yīng)用(特別是在心血管研究和診斷中)前途的成像技術(shù)。
[0005]在MPI中，造影劑(如超順磁性氧化鐵納米粒子(SP1))暴露到在1-3維空間中振蕩的磁場(chǎng)(驅(qū)動(dòng)場(chǎng))中。這些粒子的非線性磁化變化產(chǎn)生包含在激勵(lì)信號(hào)的高次諧波處的分量的電磁信號(hào)。該信號(hào)可以被適當(dāng)?shù)臋z測(cè)線圈檢測(cè)到以及圖像可以被重建。一個(gè)強(qiáng)梯度場(chǎng)(選擇場(chǎng)，SF)在除小的無場(chǎng)區(qū)(=FFR)之外的每個(gè)地方使粒子磁化飽和，從而將信號(hào)的產(chǎn)生限定在這個(gè)區(qū)域。驅(qū)動(dòng)場(chǎng)在空間中移位該FFR，以及FFR在超順磁性氧化鐵納米粒子上的經(jīng)過引發(fā)上述非線性磁化的變化。該無場(chǎng)區(qū)的拓?fù)淇梢允且粋€(gè)點(diǎn)(無場(chǎng)點(diǎn)，F(xiàn)FP掃描器)或線(無場(chǎng)線，F(xiàn)FL掃描器)，其取決于選擇場(chǎng)的布局。FFL掃描器的優(yōu)點(diǎn)是它們?cè)诿總€(gè)瞬時(shí)處從一個(gè)較大體積獲得信號(hào)，從而獲得較高的SNR。因?yàn)榻o定時(shí)間點(diǎn)的信號(hào)來自沿FFL的多個(gè)位置中的粒子，該編碼方案必須采樣具有不同F(xiàn)FL朝向的每個(gè)對(duì)象的位置以允許清晰的圖像重建。
[0006]先前工作
[0007]第一個(gè)MPI實(shí)現(xiàn)方式使用兩個(gè)永磁體以產(chǎn)生選擇場(chǎng)，以及使用諧振電路中的單通道亥姆霍茲線圈對(duì)，用于信號(hào)激勵(lì)和沿一個(gè)方向(驅(qū)動(dòng)場(chǎng))掃描。通過樣品垂直于驅(qū)動(dòng)場(chǎng)方向的機(jī)械運(yùn)動(dòng)(見參考[I ])，實(shí)現(xiàn)了另外兩個(gè)成像維數(shù)。
[0008]為了避免樣品的緩慢機(jī)械運(yùn)動(dòng)，第一個(gè)成功的3D掃描器使用三個(gè)正交驅(qū)動(dòng)場(chǎng)線圈對(duì)來在略微不同的頻率處操作，從而沿Lissajous軌道采樣視場(chǎng)。通過強(qiáng)永磁體(見參考
[2])再次實(shí)現(xiàn)無場(chǎng)點(diǎn)。
[0009]此設(shè)計(jì)后來通過沿主方向增加附加的類亥姆霍茲線圈對(duì)(聚焦場(chǎng)線圈)來擴(kuò)展，以在較大距離上移位視場(chǎng)(=FOV)。
[0010]此設(shè)計(jì)目前由Bruker通過由電阻式設(shè)計(jì)替代創(chuàng)建選擇場(chǎng)的永磁體來作出重要修改以商業(yè)化。
[0011]基于相同的總體布局，示出的掃描器(見參考[3])具有單個(gè)的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)通道和兩個(gè)聚焦場(chǎng)通道。在此掃描器中，F(xiàn)FP沿平行于掃描孔的線振蕩，并且該線被聚焦場(chǎng)線圈緩慢的移位。通過稱之為X-空間的不同重建技術(shù)獲得圖像。在此概念中，局部粒子濃度原則上是通過根據(jù)在位置相關(guān)的FFP速度的校正之后的FFP位置來繪制信號(hào)強(qiáng)度而直接獲得。
[0012]提出并隨后細(xì)化了FFL掃描器的設(shè)計(jì)(見參考[4]、[5]、[6])，在設(shè)計(jì)中通過一組電阻線圈對(duì)跨過掃描器孔產(chǎn)生無場(chǎng)線，其中當(dāng)在兩個(gè)不同頻率橫向沿掃描軸和垂直于它移位時(shí)，F(xiàn)FL在空間中繞掃描軸旋轉(zhuǎn)。此掃描器設(shè)計(jì)的初步結(jié)論是有前途的。
[0013]替代性掃描器的設(shè)計(jì)已被示出(見參考[7])，其通過在兩側(cè)都放置面向彼此的相同磁極的強(qiáng)磁體提供了直的FFL，具有沿間隙的dB/dz = 2.35T/m的梯度強(qiáng)度。掃描器孔垂直于該場(chǎng)間隙，以及安裝了可沿該孔或垂直于它移位FFL的電阻磁體，其中沿孔的運(yùn)動(dòng)提供高頻率的激勵(lì)信號(hào)。重建是通過濾波后投影實(shí)現(xiàn)的并且需要成像物體的繞掃描軸的旋轉(zhuǎn)。
[0014]還示出了稱為行波MPI(TffMPI)的不同設(shè)計(jì)，在其中通過繞掃描器孔的被分成之后被相偏移驅(qū)動(dòng)的多個(gè)截面的電磁線圈產(chǎn)生正弦激勵(lì)。此設(shè)計(jì)允許以恒定速度沿一個(gè)方向大尺度FFP運(yùn)動(dòng)，而不需要很高的激勵(lì)幅值(見參考[8])。從本質(zhì)上講，行波MPI掃描器通過相同的線圈組產(chǎn)生飽和場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，其中最大梯度方向是沿FFP路徑。該重建與X-空間重建類似而不需要速度校正。
[0015]相同團(tuán)隊(duì)的最近工作說明永磁體環(huán)的使用產(chǎn)生超高場(chǎng)梯度和沿此環(huán)布置的軸移動(dòng)的超順磁性氧化鐵納米顆粒樣品的線輪廓的產(chǎn)生(見參考[9])。
[0016]現(xiàn)有的MPI掃描器的問題
[0017]功率需求
[0018]現(xiàn)有具有電阻線圈的MPI掃描器的設(shè)計(jì)特征在于具有高功率和冷卻要求，對(duì)組件的線性度和頻譜純度要求很高，而視場(chǎng)和時(shí)空分辨率固有局限性存在，這只能通過進(jìn)一步提高功率和冷卻要求來克服。
[0019]時(shí)間分辨率、空間分辨率和視場(chǎng)的相互依存
[0020]可達(dá)到的空間分辨率取決于所采用的示蹤劑的性質(zhì)和圍繞FFR的選擇場(chǎng)的場(chǎng)梯度的陡度。實(shí)際的實(shí)現(xiàn)方式使用梯度強(qiáng)度的范圍為IT/m至12T/m。為達(dá)到一定的視場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)場(chǎng)必須強(qiáng)大到足以將FFR移動(dòng)超過所需距離。因此，更強(qiáng)的選擇場(chǎng)也需要更強(qiáng)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)。對(duì)一個(gè)較大的視場(chǎng)所需的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)振幅可能難以實(shí)現(xiàn)。目前的解決方案或者是降低選擇場(chǎng)梯度強(qiáng)度(以空間分辨率為代價(jià))或以時(shí)間分辨率為代價(jià)通過額外組的所謂聚焦場(chǎng)(FF)線圈來實(shí)現(xiàn)FFR的大尺度低速度移位。
[0021]固定頻率
[0022]由于磁化的變化將不會(huì)瞬時(shí)發(fā)生，MPI造影劑如超順磁性氧化鐵納米顆粒示蹤材料的成像性能關(guān)鍵地取決于所選擇的激勵(lì)頻率。相反，具有不同時(shí)間常數(shù)的兩個(gè)不同機(jī)制(奈爾弛豫和布朗旋轉(zhuǎn))有助于磁化變化。對(duì)于具有較大分布的粒子尺寸和形狀的示蹤材料，兩個(gè)機(jī)制特征均須在于弛豫時(shí)間的分布，并且在實(shí)踐中將產(chǎn)生MPI掃描器的最好SNR性能的最佳激勵(lì)頻率很難預(yù)測(cè)。排除所有的儀器因素和PNS/SAR問題，激勵(lì)頻率coDF將盡可能高，但遵從條件ω DF< < l/ireiax，其中Leiax是示蹤材料的有效弛豫時(shí)間。
[0023]不幸的是，大多數(shù)現(xiàn)有掃描器設(shè)計(jì)在諧振回路中操作驅(qū)動(dòng)場(chǎng)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)所需的場(chǎng)強(qiáng)度，并且激勵(lì)頻率不能很容易地被改變。
[0024]濾波問題
[0025]現(xiàn)有的MPI掃描器的一個(gè)問題是驅(qū)動(dòng)場(chǎng)在檢測(cè)線圈引發(fā)信號(hào)，其比粒子響應(yīng)幅度強(qiáng)幾個(gè)數(shù)量級(jí)。為了減幅激勵(lì)信號(hào)，已為檢測(cè)線圈設(shè)計(jì)了梯度計(jì)布置，但由于幾何約束通常很難實(shí)現(xiàn)完美消除。不同的方法通過確保非常干凈的正弦激勵(lì)信號(hào)來使用頻譜濾波，其然后在檢測(cè)信號(hào)中被抑制，從而挑選出激勵(lì)信號(hào)的通過超順磁性氧化鐵納米顆粒創(chuàng)建的較高次諧波。后一種方法限制了掃描器運(yùn)行在單個(gè)激勵(lì)頻率。
[0026]這兩種方法往往合并。在高功率水平的純正弦激勵(lì)的硬件建設(shè)是非常需要的。同樣，在接收路徑中的帶阻濾波器的要求是高的。在獲取的信號(hào)中基波的損失造成了圖像重建的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0027]本發(fā)明目的
[0028]因此，本發(fā)明的目的是為通用MPI裝置提供在權(quán)利要求1的前序部分定義的特征，這允許避免現(xiàn)有MPI掃描器的高功率要求，而為更高空間分辨率和可變掃描頻率開辟了道路。
[0029]本發(fā)明的簡(jiǎn)短描述
[0030]根據(jù)本發(fā)明，通過在開始介紹并且在權(quán)利要求1前序部分定義的MPI裝置方法實(shí)現(xiàn)了這一目的，其特征在于磁系統(tǒng)包括具有多個(gè)永磁元件的陣列，多個(gè)永磁元件被幾何地以這種方式布置使得:至少一部分多個(gè)永磁元件以足夠的速度在檢測(cè)體積附近移動(dòng)以創(chuàng)建空間和時(shí)間磁場(chǎng)變化用于在造影劑中引發(fā)由檢測(cè)系統(tǒng)記錄的MPI信號(hào)。
[0031]具有永磁體的MPI系統(tǒng)的設(shè)置是符合成本效益的，并且不需要使用高電流來產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)。
[0032]本發(fā)明的優(yōu)選變形
[0033]根據(jù)本發(fā)明，在MPI裝置的優(yōu)選實(shí)施例中，磁性元件被布置成相鄰對(duì)，由此，每對(duì)中的磁性元件分別具有相對(duì)的極性。因此無場(chǎng)區(qū)(FFR)可以以簡(jiǎn)單的方式產(chǎn)生。
[0034]本發(fā)明的一系列進(jìn)一步的實(shí)施例，其特征在于，磁性元件被幾何地以閉環(huán)形式布置在一個(gè)或多個(gè)傳輸或傳送帶上。這有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即可以在靈活軌跡上引導(dǎo)磁體。傳送帶的傳輸?shù)木€性部分還允許易于擴(kuò)展空間測(cè)量范圍。可使用幾種檢測(cè)系統(tǒng)以允許多采樣調(diào)查。
[0035]可替代的，或者甚至可組合它，在優(yōu)選的實(shí)施方案中，根據(jù)本發(fā)明的MPI裝置的特征可以在于磁性元件以一個(gè)或多個(gè)輪的形式幾何布置，具體地是磁性元件放置在由輪定義的平面中。從而可以實(shí)現(xiàn)用于樣品短期調(diào)查的磁場(chǎng)的高速周期變化。
[0036]在一種進(jìn)一步的發(fā)展中，這些實(shí)施例可以被修改，即輪可以相對(duì)彼此以同軸的方式被幾何地布置。從而MPI裝置需要更少的空間，并且多個(gè)檢測(cè)布置是可能的。
[0037]可替代的，或者甚至可組合它，在其它的修改中，至少一些輪相對(duì)于彼此以非同軸的方式被幾何地布置。這具有的優(yōu)點(diǎn)是，檢測(cè)體積具有良好的可訪問性及輪子之間的磁力是最小的。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的MPI裝置的上述實(shí)施例還可修改，即閉合的環(huán)或輪能夠以可變速度運(yùn)動(dòng)。這允許調(diào)查具有不同的時(shí)間分辨率，以及具體是使得調(diào)查適應(yīng)MPI造影劑的弛豫特性。
[0039]在這些修改中，如果閉合的環(huán)或輪是可移動(dòng)的，特別是能夠以不同的速度旋轉(zhuǎn)，它可以是特定的優(yōu)點(diǎn)。因此，可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)體積中不同的時(shí)間磁場(chǎng)序列。
[0040]另一組修改的特征在于該檢測(cè)系統(tǒng)包括布置在相鄰永磁元件之間的對(duì)等的磁場(chǎng)變化的位置處的檢測(cè)線圈，特別是在輪子的相對(duì)位置。從而通過永磁元件感應(yīng)到檢測(cè)線圈中的電流可以最小化，從而產(chǎn)生MPI信號(hào)的更高的靈敏度。這可以通過適當(dāng)?shù)南嚓P(guān)檢測(cè)線圈的交叉連接來實(shí)現(xiàn)。
[0041]通常優(yōu)選的是，當(dāng)如上討論的磁性元件對(duì)在閉合的環(huán)或輪子徑向地布置時(shí)。這允許很好訪問檢測(cè)體積。
[0042]這些修改可以有利地進(jìn)一步發(fā)展，即每對(duì)磁性元件是由放置在相對(duì)于輪的軸的輪的相對(duì)側(cè)輪上的另一對(duì)磁性元件補(bǔ)充以及每個(gè)補(bǔ)充對(duì)位于相對(duì)于所述軸的相同徑向位移處。因此，輪子的不平衡被最小化。
[0043]在另一類實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的MPI裝置特征可以在于以提供被測(cè)量的MPI樣品中的磁性粒子的空間編碼的方式來布置磁性元件。這意味著檢測(cè)體積的定義的采樣成為可會(huì)K。
[0044]在另一類的實(shí)施例中，MPI裝置特征可以在于以在樣品位置產(chǎn)生正弦變化的磁場(chǎng)的方式來布置磁性元件。這允許產(chǎn)生變頻磁場(chǎng)，用于光譜應(yīng)用，例如用于MPI造影劑的特性。
[0045]根據(jù)本發(fā)明的MPI裝置的另外的實(shí)施例特征在于以允許以FFL(=無場(chǎng)線)或FFP(=無場(chǎng)點(diǎn))模式來驅(qū)動(dòng)MPI裝置的方式來布置磁性元件。通過使用FFL模式可實(shí)現(xiàn)更高的靈敏度，而FFP模式允許調(diào)查的簡(jiǎn)單設(shè)置。
[0046]在另一個(gè)實(shí)施例中，MPI裝置還包括輔助線圈D，用于產(chǎn)生偏置場(chǎng)以在檢測(cè)體積中移位磁場(chǎng)。因此可獲得由機(jī)械地固定的磁體的位置給定的低于分辨率的子編碼。
[0047]最后，但并非最不重要的，根據(jù)本發(fā)明的MPI裝置可能是有利地，在于其中至少一個(gè)磁性元件對(duì)以產(chǎn)生適合MRK=磁共振成像)的均勻磁場(chǎng)截面的方式布置，即具有互補(bǔ)的極的面對(duì)彼此的磁性元件對(duì)。磁共振成像是一種功能強(qiáng)大的、非侵入性的工具，用于獲得對(duì)象特別是活的人或動(dòng)物的身體一部分的空間分辨信息。
[0048]可以從說明書和附圖提取更多的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明，上面和下面提及的特征可以單獨(dú)地或在任何組合中共同地使用。所提及的實(shí)施例不應(yīng)被理解為窮盡枚舉，而是具有對(duì)本發(fā)明描述的示例性特征。
[0049]附圖
[0050]本發(fā)明的實(shí)旋例在附圖中詳細(xì)描述:
【附圖說明】
[0051]圖1示出了穿過所提出的掃描器的截面。梯度產(chǎn)生磁體對(duì)由安裝在共同的旋轉(zhuǎn)軸上的兩個(gè)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的輪子保持。每個(gè)磁體對(duì)在極(黑色點(diǎn))之間的一半距離處產(chǎn)生無場(chǎng)區(qū)。A:旋轉(zhuǎn)軸，B:檢測(cè)線圈組，C:補(bǔ)充線圈組，D:超分辨率成像(子編碼)的小范圍移位線圈，E:視場(chǎng)高度，F(xiàn):輪結(jié)構(gòu)，G:永磁體。
[0052]應(yīng)當(dāng)注意兩個(gè)無場(chǎng)區(qū)之間鏡面對(duì)稱，這意味著除了頂部/底部線圈產(chǎn)生表現(xiàn)為倒置的信號(hào)，在線圈組B和C中產(chǎn)生相同的信號(hào)。
[0053]該圖旨在說明原理并未按比例繪出掃描器的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方式。
[0054]圖2示出了檢測(cè)線圈組之間成像平面的細(xì)節(jié)。示出了100個(gè)不同的磁體對(duì)的可能編碼方案(FFP位置)，其滿足非靜態(tài)不平衡和可忽略動(dòng)態(tài)不平衡的標(biāo)準(zhǔn)。旋轉(zhuǎn)軸在右。A1/A2:內(nèi)/外線圈對(duì)，B1/B2:頂部/底部線圈對(duì)，C:切向線圈。
[0055]圖3示出了掃描器一個(gè)輪中的徑向磁體布置，具有100個(gè)不同F(xiàn)FP位置，通過在不同徑向位置放置磁體，而保持用于平衡目的的雙重對(duì)稱，實(shí)現(xiàn)了圖2中示出的編碼方案。A:檢測(cè)線圈組，B:補(bǔ)償線圈組，C:顯示如圖2的FFP橫斷面的一個(gè)示例成像平面。
[0056]應(yīng)當(dāng)注意對(duì)于FFP掃描器，相鄰磁體對(duì)沒有間隙的安裝不是嚴(yán)格必要的。圓形、棒狀物或方形磁體的簡(jiǎn)單安裝足以產(chǎn)生FFP序列。
[0057]該圖旨在說明原理并未按比例繪出掃描器的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方式。
[0058]圖4示出了在旋轉(zhuǎn)磁體布局的周長(zhǎng)上的磁體對(duì)的布置。圖像顯示了用于產(chǎn)生圖2編碼方案的在圖3中示出的左上四分之一的磁體布置。示出了少量場(chǎng)線和FFP(黑點(diǎn))的位置。可能成像體積的高度由點(diǎn)線表示。
[0059]該圖旨在說明原理并未按比例繪出掃描器的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方式。
[0060]圖5顯示了如圖4中所示的相同輪的周長(zhǎng)截面，但沒有磁體對(duì)的極性交替。無場(chǎng)點(diǎn)合并成一個(gè)無場(chǎng)線。在這個(gè)設(shè)置中，相鄰的磁體沒有間隙的安裝是必不可少的，否則，場(chǎng)線可在磁體之間“逃脫”并且無場(chǎng)線不再創(chuàng)建。
[0061]圖6顯示了另一設(shè)計(jì)的橫截面，其中磁體對(duì)呈徑向?qū)R而不是平行于旋轉(zhuǎn)軸，產(chǎn)生FFP/FFL位于其中的凹槽。
[0062]圖7顯示了圖6所示的另一磁體布局的軸向視圖。A:檢測(cè)線圈組和成像體積的位置，B:補(bǔ)償線圈組的位置。
[0063]圖8顯示了一種替代性方案，具有徑向地定向的磁體布置在兩個(gè)輪上，在相反方向上以相同的速度旋轉(zhuǎn)。所顯示的配置在輪之間的成像體積中產(chǎn)生100個(gè)FFP的序列。應(yīng)當(dāng)注意在此設(shè)置中，簡(jiǎn)單通過將一個(gè)軸相對(duì)于另一軸前進(jìn)3.6°可替代地的產(chǎn)生替代的均勻場(chǎng)的序列。
【具體實(shí)施方式】
[0064]在下面，以示例方式詳細(xì)討論本發(fā)明:
[0065]提出的新的掃描器設(shè)計(jì)
[0066]1.基本設(shè)計(jì)理念
[0067]傳統(tǒng)的FFP或FFL掃描器通過一組電磁體或永磁體(選擇場(chǎng))產(chǎn)生FFR以及然后使用另一組電磁體(驅(qū)動(dòng)場(chǎng))以在空間中移動(dòng)它。在某些情況下，需要額外的緩慢樣品運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)全3D編碼。
[0068]旋轉(zhuǎn)的輪掃描器
[0069]本建議代替地通過移動(dòng)選擇場(chǎng)磁體組件消除驅(qū)動(dòng)場(chǎng)線圈。這將創(chuàng)建相對(duì)于成像物體的FFR移動(dòng)。由于磁組件通常具有很高的慣性矩，振蕩運(yùn)動(dòng)將被所需的大的力而阻礙。因此，所提出的設(shè)計(jì)將FFR創(chuàng)建磁體布置在兩個(gè)輪的周長(zhǎng)上，該兩個(gè)輪以一定間隙尺寸安裝在共同的軸上。
[0070]FFP掃描的磁體布置
[0071]如果相鄰的磁體對(duì)極性相對(duì)地布置，產(chǎn)生布置成圓形的FFP的序列(見圖4) TFP穿過以任何角度位置放置在旋轉(zhuǎn)的輪之間的樣品的運(yùn)動(dòng)，將產(chǎn)生電磁信號(hào)，電磁信號(hào)的時(shí)間分布與沿FFP路徑(第一編碼方向)的超順磁性氧化鐵納米顆粒濃度分布對(duì)應(yīng)。通過在不同徑向和橫向位置放置每個(gè)磁體對(duì)，每個(gè)FFP將沿獨(dú)特的圓形路徑在旋轉(zhuǎn)期間行進(jìn)?？梢砸訤FP路徑與包含旋轉(zhuǎn)軸的平面(成像平面，IPL)的相交點(diǎn)將在旋轉(zhuǎn)軸的任一側(cè)(第二和第三編碼方向)形成矩形成像網(wǎng)格的方式來選擇磁體位置。在圖1示出了穿過所提出的掃描器設(shè)置的橫截面，而圖2示出了穿過IPL的100個(gè)FFP遍歷位置和適當(dāng)檢測(cè)線圈組的示例。產(chǎn)生在圖2中顯示的FFP模式所需的磁體布局在圖3中以軸向視圖顯示，并且在圖4中顯示四分之一輪的磁體布局視圖。
[0072 ]分辨率增強(qiáng)線圈(移位線圈)
[0073]由于輪和磁體的實(shí)際可實(shí)現(xiàn)尺寸，在周長(zhǎng)上的站的數(shù)量是有限的。由于已經(jīng)提出其他MPI掃描器(見參考[10])，向如圖1所示的掃描器設(shè)置增加橫向移位線圈是可能的。相比于在需要提供大的FFP移位的先前FFP掃描器中實(shí)現(xiàn)的聚焦場(chǎng)線圈，這些線圈只需要提供小移位場(chǎng)所以它們不需要高功率。通過在每個(gè)輪旋轉(zhuǎn)之后施加小的電流階躍，達(dá)到中間FFP遍歷路徑是可能的。
[0074]FFL掃描的磁體布置
[0075]如果相鄰磁體具有相同極性，并且之間沒有縫隙，那么獲得如圖所示的四分之一圓形無場(chǎng)線(FFL) ο磁體對(duì)的橫向和徑向偏移可以用來在FFL上疊加起伏模式。FFL與IPL在旋轉(zhuǎn)軸任一側(cè)的兩個(gè)位置相交。在旋轉(zhuǎn)過程中，起伏模式將導(dǎo)致在由磁體模式確定的區(qū)域上交叉點(diǎn)的平滑運(yùn)動(dòng)。當(dāng)樣品位于FFL的路徑中時(shí)，在任何給定時(shí)間點(diǎn)的信號(hào)來源于當(dāng)前被FFL遍歷的超順磁性氧化鐵納米粒子。為了闡明超順磁性氧化鐵納米粒子分布，F(xiàn)FL在每個(gè)周期必須擊中每個(gè)空間區(qū)域多次。此外，沿旋轉(zhuǎn)方向布置的檢測(cè)線圈陣列可用于通過靈敏度編碼來解析分布。
[0076]磁體放置的對(duì)稱性要求
[0077]為了保持旋轉(zhuǎn)的輪的平衡，輪的相對(duì)側(cè)上的磁體對(duì)優(yōu)選地呈現(xiàn)出相同的徑向位移。簡(jiǎn)單設(shè)置使用繞旋轉(zhuǎn)軸的雙重旋轉(zhuǎn)性對(duì)稱或關(guān)于在軸上的兩個(gè)輪之間的點(diǎn)的鏡面對(duì)稱。在第一種情況下，設(shè)置的一次旋轉(zhuǎn)構(gòu)成兩個(gè)場(chǎng)周期，并且相同的場(chǎng)序列在軸的相對(duì)側(cè)被創(chuàng)建。在第二種情況下，一次旋轉(zhuǎn)構(gòu)成一個(gè)場(chǎng)周期。由于這提供了更多的編碼位置，這是優(yōu)選的布置。
[0078]檢測(cè)和補(bǔ)償線圈
[0079]磁體對(duì)的鏡面對(duì)稱意味著相同場(chǎng)的幾何形狀存在于雙輪布置的相對(duì)側(cè)，除了反轉(zhuǎn)的軸向場(chǎng)方向。如果相同組的檢測(cè)線圈安裝在旋轉(zhuǎn)的輪布置的相對(duì)側(cè)上，則通過的永磁體在相對(duì)的線圈對(duì)中引發(fā)相同電壓。當(dāng)這些與適當(dāng)?shù)臉O性互連時(shí)，該信號(hào)相互抵消。通過仔細(xì)調(diào)整磁體位置，該抵消可比通常的梯度計(jì)線圈設(shè)置更容易被優(yōu)化。
[0080]2.備注和說明
[0081 ]機(jī)械運(yùn)動(dòng)作為電磁場(chǎng)控制的替代
[0082]該設(shè)計(jì)從先前掃描器的發(fā)展路徑偏離，其中成像物體的不期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng)被給FFR磁移位增加更多自由度所替代。此處提出的設(shè)計(jì)的新穎之處在于代替成像物體的移動(dòng)，定義選擇場(chǎng)的磁體被移動(dòng)，以及旋轉(zhuǎn)的輪上磁體的布置允許相比于那些通過AC驅(qū)動(dòng)線圈所實(shí)現(xiàn)的更方便地實(shí)現(xiàn)FFR速度。
[0083]非正弦場(chǎng)變化
[0084]該掃描器設(shè)計(jì)放棄正弦場(chǎng)變化和FFP路徑的思路。相反，F(xiàn)FP以恒定速度沿圓形路徑行進(jìn)通過F0V。因此，所產(chǎn)生的信號(hào)不能有意義地以諧波產(chǎn)生的方式進(jìn)行解釋。不需要接收濾波器，因?yàn)榉侵C波激勵(lì)信號(hào)通過補(bǔ)償線圈布置被完美地濾波。與當(dāng)前FFP掃描器對(duì)比，全部超順磁性氧化鐵納米粒子信號(hào)可以被測(cè)量，允許直接的X空間重構(gòu)。
[0085]梯度強(qiáng)度和FOV大小
[0086]最強(qiáng)可用永磁體在它們表面上具有約Bo = 1.3T磁通密度。對(duì)于與梯度產(chǎn)生磁體之間距離d相比較大的的磁極，最大梯度強(qiáng)度可估計(jì)為Gmax=2Bo/d。忽略檢測(cè)線圈的空間，所需的磁極間隙是視場(chǎng)范圍的兩倍，因?yàn)槲挥诖朋w之間的中間位置的FFP必須在整個(gè)視場(chǎng)上移位。對(duì)于3cm的視場(chǎng)范圍，實(shí)際獲得Gmax = 2-15T/m。在常規(guī)的FFP掃描器中，通過在±15mm的距離內(nèi)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)線圈來移位15T/m梯度的FFP，將需要225mT的不合理驅(qū)動(dòng)場(chǎng)幅值。這突出了旋轉(zhuǎn)的輪設(shè)置的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于較大視場(chǎng)和較小磁體段，可以實(shí)現(xiàn)的梯度小得多。這表明，新的掃描器布局可能對(duì)MPI顯微鏡特別有用。
[0087]3.示例數(shù)目
[0088]直徑為Im的輪圓周長(zhǎng)約3米。當(dāng)使用3cm厚的磁體片時(shí)，可在圓周周圍放置100個(gè)這種片，每個(gè)圖像有375個(gè)離散的場(chǎng)布局(見示例圖)。旋轉(zhuǎn)速度可達(dá)50/s是可實(shí)現(xiàn)的，這意味著 150m/s 或 540km/h 的 FFP 速度。
[0089]4.關(guān)于本發(fā)明的另外的設(shè)想
[0090].可在輪周圍安裝多個(gè)采集站，允許同時(shí)進(jìn)行對(duì)多于一個(gè)主題的研究。
[0091].磁性元件序列可包括具有一定B場(chǎng)強(qiáng)度的大致均勻部分。通過與旋轉(zhuǎn)同步的RF脈沖的應(yīng)用，MR參考圖像的獲取將是可能的。
[0092].代替具有間隙的兩個(gè)輪，磁體可安裝在靠近單個(gè)旋轉(zhuǎn)的輪邊緣的凹槽的任一側(cè)。
[0093]?如果磁體對(duì)安裝在沿剛性路徑被引導(dǎo)的“傳送帶”上，可以得到較長(zhǎng)的序列和直的視場(chǎng)。然而，這樣的設(shè)計(jì)是較難實(shí)現(xiàn)的。
[0094].兩個(gè)輪可以由獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)因已安裝磁場(chǎng)的干擾造成的更復(fù)雜的場(chǎng)模式。
[0095]當(dāng)交替均勻場(chǎng)被創(chuàng)建時(shí)，可獲得可變頻率的MPS譜儀。通過沿周期改變場(chǎng)強(qiáng)度，可建立在單個(gè)試驗(yàn)期間執(zhí)行多頻率/多幅度掃描的譜儀。
[0096].替代兩個(gè)移動(dòng)，磁體支撐結(jié)構(gòu)如傳輸或傳送帶或輪，只有一個(gè)移動(dòng)結(jié)構(gòu)可用于連接至少一個(gè)與永磁體陣列的運(yùn)動(dòng)同步的電磁體。電磁體能適應(yīng)磁場(chǎng)從而實(shí)現(xiàn)每個(gè)不同磁體位置的FFR。
[0097].永磁體位置的變化可以在僅僅一個(gè)或兩個(gè)維度中建立。裝有電機(jī)的樣品支撐件然后可以移位樣品以進(jìn)一步將采樣點(diǎn)帶入檢測(cè)體積。
[0098]5.本發(fā)明與現(xiàn)有的MPI設(shè)計(jì)的比較
[0099]優(yōu)點(diǎn)
[0100].強(qiáng)選擇場(chǎng)梯度可能性(高分辨率)
[0101].大視場(chǎng)可能性，特別是沿輪的周長(zhǎng)
[0102].簡(jiǎn)單的激勵(lì)頻率變化
[0103].沒有昂貴的發(fā)射放大器
[0104].沒有昂貴的發(fā)射濾波器
[0105].沒有昂貴的、高線性諧振電路
[0106].沒有冷卻工作
[0107]?補(bǔ)償線圈的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)方式
[0108].低或沒有接收-濾波要求
[0109]6.區(qū)別于現(xiàn)有的掃描器概念
[0110]與提出的設(shè)計(jì)最相似的掃描器概念是TffMPI掃描器。還有與TffMPI組提出的超高梯度試驗(yàn)相似的。
[0111]與TffMPI掃描器的差異
[0112]提出的新掃描器的設(shè)計(jì)可以看作是廣義概念的TWMPI掃描器，其具有以下重要的新概念及優(yōu)點(diǎn):
[0113].產(chǎn)生移動(dòng)FFP的線圈陣列被一組安裝在旋轉(zhuǎn)的輪上的永磁體代替。
[0114].激勵(lì)頻率/掃描速度的變化很容易通過改變旋轉(zhuǎn)速度實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闆]有涉及諧振電路。
[0115]?梯度方向垂直于掃描方向。
[0116].通過在不同徑向和橫向偏移放置磁體對(duì)，實(shí)現(xiàn)無移位線圈的3D掃描器。
[0117].掃描器可以實(shí)現(xiàn)為FFP和FFL掃描器兩者。
[0118]?采用旋轉(zhuǎn)的輪設(shè)計(jì)的內(nèi)在對(duì)稱性要求，可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)線圈設(shè)計(jì)，其提供了激勵(lì)信號(hào)的強(qiáng)抑制而無需直接梯度計(jì)線圈。
[0119]與超高梯度掃描實(shí)驗(yàn)的差異
[0120]關(guān)于超高梯度MPI的所報(bào)告的實(shí)驗(yàn)使用在單軸上對(duì)齊的兩個(gè)磁環(huán)以產(chǎn)生強(qiáng)梯度場(chǎng)。一維線分布是由樣品穿過位于兩個(gè)環(huán)之間的軸上的FFP而移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。該設(shè)置還將呈現(xiàn)環(huán)之間的FFL，這類似于具有以下主要新概念的提議:
[0121].磁環(huán)被分割成更小的段，其在不同偏移放置以提供空間編碼。
[0122].代替軸上的FFP，實(shí)際環(huán)之間的FFL(或FFP序列)用于圖像生成。
[0123].替代沿軸的樣品移動(dòng)，環(huán)被旋轉(zhuǎn)。
[0124]與先前FFL掃描器的不同
[0125]提出的新掃描器的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)為FFP或FFL掃描器。在FFL設(shè)置中，提出了以下新概念:
[0126].對(duì)基本的編碼和FFL運(yùn)動(dòng)無電磁線圈需求。
[0127].代替直線，F(xiàn)FL實(shí)現(xiàn)為具有任意的引發(fā)的起伏的圓。
[0128].激勵(lì)頻率/掃描速度的變化能夠容易地通過改變旋轉(zhuǎn)速度實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闆]有涉及諧振電路。
[0129].采用旋轉(zhuǎn)的輪的設(shè)計(jì)的內(nèi)在對(duì)稱性要求，可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)線圈設(shè)計(jì)，這提供了對(duì)激勵(lì)信號(hào)的強(qiáng)抑制而無需直接梯度計(jì)線圈。
[0130]與先前FFP掃描器的不同
[0131]提出的新掃描器的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)為FFP或FFL掃描器。在FFP設(shè)置中，提出了以下新概念:
[0132].對(duì)基本的編碼和FFP運(yùn)動(dòng)無電磁線圈需求。
[0133].較高圖像分辨率是可能的而不犧牲FOV的大小。
[0134]與具有機(jī)械的對(duì)象移動(dòng)的早期掃描器相比，旋轉(zhuǎn)的輪的概念允許快速3D編碼。
[0135]結(jié)論
[0136]提出了基于旋轉(zhuǎn)的永磁體的新MPI掃描器拓?fù)洌@避免了現(xiàn)有MPI掃描器的高功率要求，而為更高空間分辨率和可變掃描頻率開辟了道路?；诋a(chǎn)生適當(dāng)?shù)臅r(shí)間可變磁場(chǎng)的一組移動(dòng)的(具體是旋轉(zhuǎn)的)永磁體和激勵(lì)信號(hào)的理想抑制的一組檢測(cè)和補(bǔ)償線圈，提出用于在可變操作頻率處進(jìn)行磁粒子成像的裝置。
[0137]縮寫
[0138]MPI磁性納米粒子成像
[0139]FOV 視場(chǎng)
[0140]FFR無場(chǎng)區(qū)
[0141]FFP無場(chǎng)點(diǎn)
[0142]FFL無場(chǎng)線
[0143]IPL成像平面
[0144]DF驅(qū)動(dòng)場(chǎng)
[0145]SF選擇場(chǎng)
[0146]FF聚焦場(chǎng)
[0147]SP1超順磁性氧化鐵
[0148]NP納米顆粒
[0149]參考文獻(xiàn)
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【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種MPI(=磁性粒子成像)裝置，包括磁系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)，磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于在檢測(cè)體積中產(chǎn)生隨時(shí)間變化及位置相關(guān)的磁場(chǎng)，檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)來自暴露到所述檢測(cè)體積內(nèi)的所述磁場(chǎng)的MPI造影劑的信號(hào)，所述信號(hào)適于重建所述MPI造影劑的空間分布的圖像，并且需要時(shí)也重建所述MPI造影劑的時(shí)間分布的圖像， 其特征在于， 所述磁系統(tǒng)包括具有多個(gè)永磁元件的陣列，多個(gè)永磁元件幾何地以這種方式布置使得:至少一部分該多個(gè)永磁元件以足夠的速度移動(dòng)以創(chuàng)建空間和時(shí)間的磁場(chǎng)變化，用于在造影劑中引發(fā)由檢測(cè)系統(tǒng)記錄的MPI信號(hào)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MPI裝置，其特征在于，所述磁性元件被布置成相鄰對(duì)，由此每對(duì)的磁性元件分別具有相對(duì)的極性。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MPI裝置，其特征在于，所述磁性元件被幾何地以閉環(huán)形式布置在一個(gè)或多個(gè)傳輸或傳送帶上。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MPI裝置，其特征在于，所述磁性元件以一個(gè)或多個(gè)可旋轉(zhuǎn)的輪的方式被幾何地布置，具體地，所述磁性元件放置在平行于輪的平面的平面中。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的MPI裝置，其特征在于，至少兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)的輪以相對(duì)于彼此同軸的方式被幾何地布置。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MPI裝置，其特征在于，所述磁性元件被徑向地布置在閉合的環(huán)或輪中。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的MPI裝置，其特征在于，至少一些可旋轉(zhuǎn)的輪以相對(duì)于彼此非同軸的方式被幾何地布置。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的MPI裝置，其特征在于，所述閉合的環(huán)或輪能夠以可變的速度運(yùn)動(dòng)。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的MPI裝置，其特征在于，至少兩個(gè)閉合的環(huán)或輪能夠以不同的速度運(yùn)動(dòng)。10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的MPI裝置，其特征在于，所述檢測(cè)系統(tǒng)包括至少兩個(gè)檢測(cè)線圈，所述至少兩個(gè)檢測(cè)線圈布置在相鄰的永磁元件之間的對(duì)等的磁場(chǎng)變化的位置處，具體地在可旋轉(zhuǎn)的閉合的環(huán)或輪的相對(duì)位置處。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的MPI裝置，其特征在于，每對(duì)磁性元件是由位于相對(duì)于輪的軸的輪的相對(duì)側(cè)上的另一對(duì)磁性元件補(bǔ)充，以及補(bǔ)充對(duì)的每個(gè)位于相對(duì)于所述軸的相同徑向位移處。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MPI裝置，其特征在于，以提供在檢測(cè)體積中的MPI造影劑的空間編碼的方式來布置磁性元件。13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MPI裝置，其特征在于，以在檢測(cè)體積中的定義位置處產(chǎn)生正弦變化磁場(chǎng)的方式來布置磁性元件。14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MPI裝置，其特征在于，以允許以FFL(=無場(chǎng)線)或FFP(=無場(chǎng)點(diǎn))模式驅(qū)動(dòng)MPI裝置的方式來布置磁性元件。15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MPI裝置，還包括輔助線圈，輔助線圈用于產(chǎn)生偏移場(chǎng)，以移位在檢測(cè)體積中的MPI造影劑的空間編碼。16.根據(jù)權(quán)利要求2所述的MPI裝置，其特征在于，以通過使至少一對(duì)磁性元件各自的磁場(chǎng)平行定向來產(chǎn)生適合MRI (=磁共振成像)的均勾磁場(chǎng)截面的方式來布置至少一對(duì)磁性元件。
【文檔編號(hào)】G01R33/12GK105842638SQ201610142915
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年1月22日
【發(fā)明人】U·海嫩, J·弗蘭克
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