專利名稱：用于檢測和/或定位作用區(qū)域中的磁性材料的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于檢測和/或定位作用區(qū)域中的磁性材料的設(shè)備。此外，本發(fā)明涉及用于在這樣的設(shè)備中使用的處理器。另外，本發(fā)明涉及對(duì)應(yīng)方法并且涉及用于控制該設(shè)備的計(jì)算機(jī)程序。
背景技術(shù)：
從德國專利申請(qǐng)DE 10151778A1中已知這種類型的設(shè)備。在該出版物所描述的設(shè)備中，首先，生成具有磁場強(qiáng)度的空間分布的磁場，使得在檢查區(qū)中形成具有相對(duì)低磁場強(qiáng)度的第一子區(qū)和具有相對(duì)高磁場強(qiáng)度的第二子區(qū)。隨后，移動(dòng)在檢查區(qū)中子區(qū)的空間位置， 使得檢查區(qū)中粒子的磁化強(qiáng)度局部改變。記錄取決于檢查區(qū)中的磁化強(qiáng)度的信號(hào)，該磁化強(qiáng)度受子區(qū)的空間位置移動(dòng)的影響，并且從這些信號(hào)中提取出關(guān)于檢查區(qū)中磁性粒子的空間分布的信息，使得能夠形成檢查區(qū)的圖像。這種設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)在于能夠使用它以非破壞性方式且不造成任何損傷、并且具有高空間分辨率、既可接近檢查對(duì)象表面又可遠(yuǎn)離檢查對(duì)象表面對(duì)諸如人體的任意檢查對(duì)象進(jìn)行檢查。類似的設(shè)備和方法從Gleich，B.和 Weizenecker，J. (2005)的 “^Tomographic imaging using the nonlinear response of magnetic particles", nature, vol. 435, 30June 2005，pp. 1214-1217中已知。在該出版物中描述的用于磁性粒子成像(MPI)的設(shè)備和方法利用了小磁性粒子的非線性磁化強(qiáng)度曲線。MPI是用于對(duì)磁性納米粒子的分布進(jìn)行成像的方法，其將高靈敏度與快速動(dòng)態(tài)成像能力相結(jié)合，使得它成為醫(yī)療成像應(yīng)用中有前景的候選方法。MPI應(yīng)用基于局部激勵(lì)過程的動(dòng)態(tài)移位的新的信號(hào)編碼方法，并且允許快速體積成像。然而，與已建立的類似MRI和CT 的成像模態(tài)形成相比，還沒有找到簡單的、從所采集的數(shù)據(jù)中重建圖像的數(shù)學(xué)變換。因此， MPI圖像重建需要這樣的“系統(tǒng)函數(shù)”的認(rèn)知，其描述系統(tǒng)對(duì)粒子的給定空間分布的響應(yīng)，即將粒子位置映射到頻率響應(yīng)。為了解決重建問題，必須對(duì)系統(tǒng)函數(shù)求逆，這通常需要一些正則化方案。能夠通過在對(duì)應(yīng)于圖像像素或體素?cái)?shù)目的大量空間位置處測量類點(diǎn)采樣的磁化強(qiáng)度響應(yīng)在實(shí)驗(yàn)上確定系統(tǒng)函數(shù)。該校準(zhǔn)程序需要非常長的采集時(shí)間，并且還提供受噪聲污染的系統(tǒng)函數(shù)。由于系統(tǒng)函數(shù)矩陣的大尺寸，解決求逆重建問題也是非常耗時(shí)的，并且需要大量計(jì)算機(jī)內(nèi)存。同時(shí)，為了獲得合理的信噪比(SNR)，也需要大量采集時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供用于檢測和/或定位磁性作用區(qū)域中的材料的設(shè)備和方法， 通過其能夠增大SNR。優(yōu)選地，所提出的設(shè)備和方法還需要更少用于系統(tǒng)函數(shù)的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)采集和/或用于圖像重建的時(shí)間，以及/或者更少用于存儲(chǔ)系統(tǒng)函數(shù)的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間。此外，應(yīng)該提供對(duì)應(yīng)的處理器和處理方法以及用于設(shè)備控制的計(jì)算機(jī)程序。在本發(fā)明的第一方面中，提出了如權(quán)利要求1中所定義的設(shè)備，包括
-選擇裝置，用于生成磁選擇場，在該磁選擇場的磁場強(qiáng)度空間中的模式使得在作用區(qū)域中形成具有低磁場強(qiáng)度的第一子區(qū)和具有高磁場強(qiáng)度的第二子區(qū)，-驅(qū)動(dòng)裝置，用于借助于磁驅(qū)動(dòng)場改變作用區(qū)域中的兩個(gè)子區(qū)的空間位置、使得磁性材料的磁化強(qiáng)度局部改變，-接收裝置，用于采集檢測信號(hào)，該檢測信號(hào)取決于作用區(qū)域中的磁化強(qiáng)度，該磁化強(qiáng)度受第一和第二子區(qū)的空間位置改變的影響，-存儲(chǔ)裝置，用于存儲(chǔ)設(shè)備的系統(tǒng)函數(shù)的測得的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)的至少一個(gè)子集，所述系統(tǒng)函數(shù)包括對(duì)磁性材料的空間位置和對(duì)所述設(shè)備的系統(tǒng)響應(yīng)之間的關(guān)系進(jìn)行描述的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)集，以及為了采集所述系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)移動(dòng)所述第一子區(qū)所沿著的軌跡，-處理裝置，用于通過使用關(guān)于系統(tǒng)函數(shù)的結(jié)構(gòu)的額外認(rèn)知對(duì)所述測得的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以生成具有比所述測得的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)更高的SNR的經(jīng)處理的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)，以及-重建裝置，用于從檢測信號(hào)和所述經(jīng)處理的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)重建磁性材料在作用區(qū)域中的空間分布。在本發(fā)明的第二方面中，提出了如權(quán)利要求7中所述的、用于在如權(quán)利要求1中所述的用于檢測和/或定位作用區(qū)域中的磁性材料的設(shè)備中使用的處理器，所述處理器適于通過使用關(guān)于系統(tǒng)函數(shù)結(jié)構(gòu)的額外認(rèn)知對(duì)測得的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生成具有比所述測得的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)更高SNR的經(jīng)處理的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)。在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，提出了如權(quán)利要求8和9中所定義的對(duì)應(yīng)方法。在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，提出了包括程序代碼模塊的計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)，該程序代碼模塊用于使計(jì)算機(jī)控制如權(quán)利要求1所述的設(shè)備、 以便執(zhí)行如權(quán)利要求8或9中所述的方法的步驟。在從屬權(quán)利要求中定義了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。應(yīng)該理解，所述方法和計(jì)算機(jī)程序具有與所要求的設(shè)備相似和/或相同的優(yōu)選實(shí)施例，如在從屬權(quán)利要求中所定義的那樣。從信號(hào)編碼過程的理論理解中，已經(jīng)獲得對(duì)系統(tǒng)函數(shù)的結(jié)構(gòu)的深刻理解，可以使用其加速系統(tǒng)函數(shù)采集和/或甚至模擬部分或者全部系統(tǒng)函數(shù)。還能夠使用關(guān)于矩陣結(jié)構(gòu)的信息找到更緊湊的系統(tǒng)函數(shù)表示，其有助于減少內(nèi)存需求并且加速重建。此外，能夠使用從數(shù)據(jù)引導(dǎo)到圖像的數(shù)學(xué)變換的識(shí)別來加速重建過程。最后，使用關(guān)于系統(tǒng)函數(shù)的屬性的認(rèn)知增大SNR。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，利用了該總體思路增大SNR。具體而言，在重建中使用關(guān)于系統(tǒng)函數(shù)的結(jié)構(gòu)的認(rèn)知。如在優(yōu)選實(shí)施例中所定義的，該認(rèn)知可以包括出現(xiàn)在系統(tǒng)函數(shù)的頻率分量中的簡單空間對(duì)稱，或者關(guān)于空間分量中頻譜冗余的信息?？梢詮腗PI編碼方案的解析分析或者編碼過程仿真中得到該認(rèn)知，二者都用于設(shè)備的給定組合，即掃描儀設(shè)置、具有低磁場強(qiáng)度的第一子區(qū)的移動(dòng)軌跡(也稱為“場自由點(diǎn)”，F(xiàn)FP)和磁性材料。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，所述處理裝置適于對(duì)在由于存在于完整系統(tǒng)函數(shù)的頻率分量中的空間對(duì)稱性特別是空間鏡像對(duì)稱而共享相同的信息的不同空間位置處采集的信號(hào)進(jìn)行組合、特別是平均。該空間對(duì)稱性不僅能夠通過實(shí)際測量獲得還可以使用對(duì)軌跡(及其對(duì)稱性)、粒子磁化強(qiáng)度曲線、以及設(shè)備設(shè)置(及其對(duì)稱性)的認(rèn)知從理論考慮獲得，該設(shè)備特別是其選擇裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和接收裝置。例如，對(duì)于具有郎之萬粒子的利薩如(Lissajous) 軌跡，觀測到具有良好定義的頻率相關(guān)宇稱的空間鏡像對(duì)稱。由于對(duì)稱性，相同的信息存在于完整系統(tǒng)函數(shù)中的不同空間位置處，對(duì)其進(jìn)行諸如平均的組合以便增大系統(tǒng)函數(shù)的SNR。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，所述處理裝置適于將完整系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)的具有相似的空間信息的頻率分量求和。由于多個(gè)驅(qū)動(dòng)場頻率包括在場自由點(diǎn)移動(dòng)中，所以由非線性粒子響應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)包含這些頻率的求和以及求差。各個(gè)頻率分量共享相同的空間模式，并且因此能夠無信息損失對(duì)其進(jìn)行組合。這導(dǎo)致系統(tǒng)函數(shù)矩陣中行的數(shù)目減少。優(yōu)選地，所述接收裝置適于通過檢測信號(hào)采集設(shè)備的系統(tǒng)函數(shù)的完整系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)，同時(shí)隨后將所述磁性材料的探頭放置在所述作用區(qū)域中的多個(gè)不同位置處，并且所述存儲(chǔ)裝置適于存儲(chǔ)完整系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)。這種采集與來自諸如患者的(實(shí)際)檢查對(duì)象的信號(hào)采集沒有很多不同，特別是關(guān)于FFP經(jīng)過作用區(qū)域的移動(dòng)，即關(guān)于所使用的軌跡，除了根據(jù)本發(fā)明將探頭移動(dòng)到(與固定檢查對(duì)象相反)覆蓋作用區(qū)域的網(wǎng)格的所有位置之外。根據(jù)另一些實(shí)施例，不強(qiáng)制使完整系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)已經(jīng)可用(或者對(duì)其進(jìn)行完整采集以便生成經(jīng)處理的具有更高SNR的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù))，但是也可能從全部系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)的可用子集開始。為了僅采集系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)的子集，不將探頭移動(dòng)到覆蓋作用區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)的所有位置，而是僅移動(dòng)到其縮減點(diǎn)集。根據(jù)這些實(shí)施例之一，所述處理裝置適于對(duì)在由于存在于全部系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)的可用子集的頻率分量中的空間對(duì)稱性特別是空間鏡像對(duì)稱性而共享相同的信息的不同空間位置處采集的信號(hào)進(jìn)行組合、特別是平均，并且所述處理裝置適于通過使用所述空間對(duì)稱性從經(jīng)組合的信號(hào)中重建完整系統(tǒng)函數(shù)。例如，可以采集一半系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)，并且利用該子集，可以執(zhí)行對(duì)來自諸如兩個(gè)相鄰四分象限或者八分象限的兩個(gè)區(qū)域的可用系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均的步驟。從這些經(jīng)平均的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)中，可以通過使用關(guān)于系統(tǒng)函數(shù)結(jié)構(gòu)的額外的信息確定完整系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)集。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，所述處理裝置適于將完整系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)的可用子集的頻率分量與相似空間信息進(jìn)行求和，并且適于通過使用存在于頻率分量中的所述空間信息從經(jīng)求和的頻率分量重建完整系統(tǒng)函數(shù)。對(duì)于為了信號(hào)采集放置探頭以采集系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)的所述子集的位置，存在許多不同的選擇。根據(jù)有利實(shí)施例，多個(gè)位置位于所述作用區(qū)域的四分象限或者八分象限中，或者以交錯(cuò)方式分布在作用區(qū)域上。


參考在下文中所描述的實(shí)施例，本發(fā)明的這些以及其它方面將顯而易見并且被闡明。在下列圖中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備；圖2示出了由根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備產(chǎn)生的場線模式的示例；圖3示出了存在于作用區(qū)域中的磁性粒子的放大視圖；
圖如和4b示出了這些粒子的磁化強(qiáng)度特性；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的方框圖；圖6示出了時(shí)間相關(guān)的檢測信號(hào)s (t)及其頻譜& ；
6
圖7示出了對(duì)于不同驅(qū)動(dòng)場和粒子磁化強(qiáng)度曲線的粒子磁化強(qiáng)度響應(yīng)M(t)、所采集的時(shí)間信號(hào)s (t)、以及幅度譜分量& ；圖8示出了對(duì)理想粒子響應(yīng)和選擇場偏移量之間的關(guān)系進(jìn)行圖示說明的圖；圖9示出了對(duì)于諧波驅(qū)動(dòng)場結(jié)合恒定梯度選擇場的頻譜信號(hào)分量的空間相關(guān)性進(jìn)行圖示說明的圖；圖10示出了對(duì)關(guān)于Hz場分量的理想粒子磁化強(qiáng)度的導(dǎo)數(shù)進(jìn)行圖示說明的圖；圖11示出了對(duì)沿著ζ方向的中心線的ID FFP運(yùn)動(dòng)的不同諧波處的理想粒子系統(tǒng)函數(shù)進(jìn)行圖示說明的圖；圖12示出了對(duì)用于具有χ/ζ頻率比Μ/25的2D利薩如FFP運(yùn)動(dòng)的理想粒子系統(tǒng)函數(shù)的連續(xù)頻率分量進(jìn)行圖示說明的圖；圖13示出了 2D切比雪夫函數(shù)的圖片表；圖14示出了對(duì)于第一個(gè)256基本集分量的正交曲線圖；圖15示出了 64X64樣本圖像以及來自展開到切比雪夫和系統(tǒng)函數(shù)分量的重建； 以及圖16-19圖示說明了系統(tǒng)函數(shù)矩陣或者其部件的使用，用于根據(jù)已知方法并且根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行重建。
具體實(shí)施例方式圖1示出了要借助于根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備10檢查的任意對(duì)象。圖1中的參考數(shù)字 350代表對(duì)象，在本例中，是人類或者動(dòng)物患者，將其布置在患者臺(tái)上，這里僅示出了患者臺(tái)的頂部的部分。在應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的方法之前，將磁性粒子100(圖1中未示出)布置在本發(fā)明性設(shè)備10的作用區(qū)域300中。尤其在對(duì)諸如腫瘤的治療和/或診斷處置之前，例如借助于注射到患者350身體內(nèi)的、包含磁性粒子100的液體(未示出)將磁性粒子100放置在作用區(qū)域300中。作為本發(fā)明的實(shí)施例的示例，在圖2中示出了設(shè)備10，包括形成選擇裝置210的多個(gè)線圈，其范圍定義了也稱為治療區(qū)域300的作用區(qū)域300。例如，將選擇裝置210布置在患者350之上和之下，或者臺(tái)頂部之上和之下。例如，選擇裝置210包括第一對(duì)線圈210’、 210”，每個(gè)包括兩個(gè)相同構(gòu)造的繞組210’和210”，將其同軸布置在患者350之上和之下，并且被相等電流、尤其是方向相反的電流穿過。在下文中將第一線圈對(duì)210’、210”一起稱為選擇裝置210。在該情況下優(yōu)選使用直流電流。選擇裝置210生成磁選擇場211，其通常是在圖2中用場線代表的梯度磁場。在選擇裝置210的線圈對(duì)的(例如，垂直)軸線方向中具有基本上恒定的梯度，并且在該軸上的點(diǎn)處到達(dá)零值。從該場自由點(diǎn)(在圖2中沒有單獨(dú)示出)開始，磁選擇場211的場強(qiáng)在所有3個(gè)空間方向中隨著距離場自由點(diǎn)的距離增大而增大。在第一子區(qū)301或者通過在場自由點(diǎn)周圍的虛線代表的區(qū)域301中，場強(qiáng)很小以至于在該第一子區(qū)301中出現(xiàn)的粒子100的磁化強(qiáng)度是不飽和的，而在第二子區(qū)302(在區(qū)域301之外)中存在的粒子100的磁化強(qiáng)度在飽和狀態(tài)中。作用區(qū)域300的場自由點(diǎn)或者第一子區(qū)301優(yōu)選是空間相關(guān)區(qū)域，它還可以是點(diǎn)狀區(qū)域或者線狀或平面區(qū)域。在第二子區(qū)302中(即在第一子區(qū)301外面的作用區(qū)域300的剩余部分)，磁場強(qiáng)度足夠強(qiáng)，以使粒子100保持在飽和狀態(tài)中。通過改變兩個(gè)子區(qū)301、302在作用區(qū)域300中的位置，作用區(qū)域300中的(總體)磁化強(qiáng)度改變。通過測量作用區(qū)域300中的磁化強(qiáng)度或者受磁化強(qiáng)度影響的物理參數(shù)，能夠獲得關(guān)于作用區(qū)域中磁性粒子的空間分布的信息。為了改變作用區(qū)域300中兩個(gè)子區(qū)301、302的相對(duì)空間位置，將另一個(gè)稱之為磁驅(qū)動(dòng)場221的磁場疊加到作用區(qū)域300中，或者作用區(qū)域300的至少部分中的選擇場211。圖3示出了與本發(fā)明的設(shè)備10 —起使用的類型的磁性粒子10的示例。例如，它包括玻璃(例如)的球形基底101，其帶有軟磁性層102，軟磁性層102的厚度例如為5nm， 并且由諸如鐵鎳合金(例如，坡莫合金)組成。可以借助于諸如涂層103來覆蓋該層，涂層 103保護(hù)粒子100免受諸如酸類的化學(xué)和/或物理侵蝕環(huán)境侵害。為了這些粒子100的磁化強(qiáng)度飽和所需的磁選擇場211的磁場強(qiáng)度取決于諸如粒子100的直徑、為磁性層102所使用的磁性材料、以及其它參數(shù)的各個(gè)參數(shù)。在諸如直徑10 μ m的情況下，需要大約800A/m (對(duì)應(yīng)于大約ImT通量)的磁場，而在直徑100 μ m的情況下，80A/m的磁場就足夠了。當(dāng)選擇具有較低飽和磁化強(qiáng)度的材料的涂層102時(shí)或者當(dāng)層102的厚度減小時(shí)，甚至獲得更小的值。對(duì)于優(yōu)選的磁性粒子100的更多細(xì)節(jié)，這里通過參考并入了 DE10151778的對(duì)應(yīng)部分，特別是要求了 DE 10151778的優(yōu)選權(quán)的EP 1304542A2的16-20段以及57-61段。第一子區(qū)301的大小一方面取決于磁選擇場211的梯度強(qiáng)度，而另一方面取決于飽和所需磁場的場強(qiáng)。為了磁性粒子100在80A/m磁場強(qiáng)度和磁選擇場211場強(qiáng)(在給定空間方向中的)總計(jì)160103A/m2的梯度上的充分飽和，粒子100在其中磁化強(qiáng)度不飽和的第一子區(qū)301(在給定空間方向中)具有大約Imm的維度。當(dāng)把在下文中稱為磁驅(qū)動(dòng)場221的另一個(gè)磁場疊加到作用區(qū)域300中的磁選擇場 210上時(shí)，第一子區(qū)301在該磁驅(qū)動(dòng)場221的方向上相對(duì)于第二子區(qū)302移位；該移位的程度隨著磁驅(qū)動(dòng)場221的強(qiáng)度增大而增大。當(dāng)所疊加的磁驅(qū)動(dòng)場221在時(shí)間上可變時(shí)，第一子區(qū)301的位置據(jù)此在時(shí)間和空間中改變。這有利于對(duì)從位于第一子區(qū)301中的磁性粒子 100在與磁驅(qū)動(dòng)場221變化的頻帶不同的另一個(gè)頻帶中(移位到更高頻率)接收或者檢測信號(hào)。這是可能的，因?yàn)橛捎谧鳛榇呕瘡?qiáng)度特性的非線性的結(jié)果引起的在作用區(qū)域300中磁性粒子100的磁化強(qiáng)度的改變，出現(xiàn)了磁驅(qū)動(dòng)場221頻率的更高次諧波的頻率分量。為了生成對(duì)于空間中的任意給定方向的這些磁驅(qū)動(dòng)場221，提供了另外三個(gè)線圈對(duì)，稱為第二線圈對(duì)220’、第三線圈對(duì)220”和第四線圈對(duì)220”’，在下文中將其一起稱為驅(qū)動(dòng)裝置220。例如，第二線圈對(duì)220’生成在第一線圈對(duì)210’、210”或者選擇裝置210的線圈軸線方向中延伸的、即例如垂直的磁驅(qū)動(dòng)場221分量。為了這個(gè)目的，用在相同方向中的相等電流穿過第二線圈對(duì)220’的繞組。能夠借助于第二線圈對(duì)220’實(shí)現(xiàn)的效果，還可以在原理上通過在第一線圈對(duì)210’、210”中的相反的、相等電流上疊加相同方向的電流、使得電流在一個(gè)線圈中減小并且在另一個(gè)線圈中增大來實(shí)現(xiàn)。然而，尤其是為了具有較高信噪比的信號(hào)解釋的目的，當(dāng)由選擇裝置210和驅(qū)動(dòng)裝置220的獨(dú)立線圈對(duì)來生成在時(shí)間上恒定(或者準(zhǔn)恒定)的選擇場211(也稱為梯度磁性場)和在時(shí)間上可變的垂直磁驅(qū)動(dòng)場時(shí)， 這可能是有利的。為了生成在空間中的不同方向中延伸的磁驅(qū)動(dòng)場221的分量，例如，在作用區(qū)域 300(或者患者350)的縱向方向中水平延伸以及在垂直于縱向的方向中延伸，提供了另外兩個(gè)線圈對(duì)220”、220”’。如果為了該目的使用赫爾姆霍茨型的第三和第四線圈對(duì)220”、220”’ (類似用于選擇裝置210和驅(qū)動(dòng)裝置220的線圈對(duì))，將必須將這些線圈對(duì)分別布置在治療區(qū)域的左側(cè)和右側(cè)、或者該區(qū)域的前面和后面。這將影響作用區(qū)域300或者治療區(qū)域300的可達(dá)性。因此，也將第三和/或第四線圈對(duì)220”、220”’布置在作用區(qū)域300的上面和下面，并且因此，它們的繞組構(gòu)造必須與第二線圈對(duì)220’的繞組構(gòu)造不同。然而，這種類型的線圈從具有開放磁體(開放MRI)的磁共振設(shè)備領(lǐng)域中是已知的，在開放磁體中射頻 (RF)線圈對(duì)位于治療區(qū)域之上和之下，所述RF線圈對(duì)能夠生成水平的、在時(shí)間上可變的磁場。因此，在這里不需要進(jìn)一步詳細(xì)描述這種線圈的結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備10還包括僅在圖1中示意性示出的接收裝置230。接收裝置 230通常包括能夠?qū)τ勺饔脜^(qū)域300中的磁性粒子100的磁化強(qiáng)度模式感生的信號(hào)進(jìn)行檢測的線圈。然而，這種類型的線圈從磁共振設(shè)備領(lǐng)域中是已知的，磁共振設(shè)備中，例如，為了使信噪比盡可能高，射頻(RF)線圈對(duì)位于作用區(qū)域300周圍。因此，在這里不需要進(jìn)一步詳細(xì)描述這種線圈的結(jié)構(gòu)。在對(duì)于圖1中所示的選擇裝置210的備選實(shí)施例中，能夠使用永久磁體(未示出) 生成梯度磁選擇場211。在這種(相對(duì))永久磁體(未示出)的兩極之間的空間中，形成與圖2(即，當(dāng)相對(duì)極具有相同極性時(shí))的磁場相似的磁場。在根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的另一個(gè)備選實(shí)施例中，選擇裝置210包括至少一個(gè)永久磁體和如圖2中所描述的至少一個(gè)線圈210’、 210”。通常用于或者用在選擇裝置210、驅(qū)動(dòng)裝置220和接收裝置230中的不同分量中的頻率范圍大致如下由選擇裝置210生成的磁場要么根本不隨時(shí)間改變，要么改變相比較而言很低，優(yōu)選在大約IHz和大約IOOHz之間。由驅(qū)動(dòng)裝置220生成的磁場優(yōu)選在大約 25kHz和大約IOOkHz之間改變。被認(rèn)為靈敏的接收裝置的磁場改變優(yōu)選在大約50kHz到大約IOMHz的頻率范圍內(nèi)。圖如和4b示出了磁化強(qiáng)度特性，即，粒子100的磁化強(qiáng)度M根據(jù)在這種粒子的散布中該粒子100位置處的場強(qiáng)H的改變(在圖如和4b中未示出)。看起來磁化強(qiáng)度M在超過場強(qiáng)+H。和低于場強(qiáng)-H。之后不再改變，這意味著到達(dá)了飽和磁化強(qiáng)度。磁化強(qiáng)度M在值+H。和-H。之間不飽和。圖如圖示說明了在粒子100位置處的正弦磁場H(t)的影響，其中，所得到的(即， “粒子100受到的”)正弦磁場H(t)的絕對(duì)值低于使粒子100磁性飽和所需的磁場強(qiáng)度，即在該情況下，沒有激活另一個(gè)磁場。對(duì)于該情況，粒子100或者多個(gè)粒子100的磁化強(qiáng)度以磁場H(t)頻率的節(jié)奏在其飽和值之間往復(fù)。用圖如右手側(cè)的參考M(t)代表所得到的磁化強(qiáng)度隨時(shí)間的變化?？雌饋泶呕瘡?qiáng)度還周期性變化，并且周期性地反轉(zhuǎn)該粒子的磁化強(qiáng)度。在曲線中心處的虛線部分代表磁化強(qiáng)度M(t)根據(jù)正弦磁場H(t)的場強(qiáng)的近似平均變化。由于距離該中心線的偏差，當(dāng)磁場H從-H。到+H。增大時(shí)磁化強(qiáng)度稍微向右延伸， 并且當(dāng)磁場H從+H。到-H。減小時(shí)磁化強(qiáng)度稍微向左延伸。該已知效應(yīng)被稱為磁滯效應(yīng)，其是用于產(chǎn)生熱量的機(jī)制的基礎(chǔ)。在曲線路徑之間形成磁滯表面區(qū)域，并且其形狀和大小取決于材料，該磁滯表面區(qū)域是用于在磁化強(qiáng)度變化時(shí)產(chǎn)生熱量的措施。圖4b示出了在其上疊加了靜態(tài)磁場H1的正弦磁場H(t)的效果。因?yàn)榇呕瘡?qiáng)度在飽和狀態(tài)中，所以它實(shí)際上不受正弦磁場H(t)的影響。磁化強(qiáng)度M(t)在該區(qū)域處在時(shí)間上保持恒定。因此，磁場H(t)不造成磁化強(qiáng)度狀態(tài)的改變。圖5示出了圖1中所示的設(shè)備10的方框圖。在圖5中示意性地示出了線圈對(duì)210’、 210”，并且為了清楚起見標(biāo)以210。給線圈對(duì)(第一磁性裝置)210提供來自可控電流源32 的DC電流，所述電流源受控制單元76控制。將控制單元76連接到計(jì)算機(jī)12，將計(jì)算機(jī)12 耦合到用于顯示磁性粒子在檢查區(qū)域中的分布的監(jiān)視器13和諸如鍵盤14的輸入單元14。將線圈對(duì)(第二磁性裝置)220’、220”、220”’連接到電流放大器41、51、61，線圈對(duì) 220’、220”、220”’從這些電流放大器41、51、61接收它們的電流。在每種情況下，將電流放大器41、51、61依次連接到AC電流源42、52、62，AC電流源42、52、62限定了將要被放大的電流Ix、Iy、Iz的時(shí)間進(jìn)程。AC電流源42、52、62受控制單元76控制。還在圖5中示意性示出了接收線圈(接收裝置)230。將接收線圈230中感生的信號(hào)饋給到濾波器單元71，借助于濾波器單元71對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。該濾波的目標(biāo)是將由檢查區(qū)域中受兩個(gè)部分區(qū)域(301、30幻位置的改變影響的磁化強(qiáng)度引起的測量值從其它干擾信號(hào)中分離出來。為了這個(gè)目的，可以設(shè)計(jì)濾波器單元71，使得例如具有小于線圈對(duì)220’、 220”、220”’工作的時(shí)間頻率、或者小于這些時(shí)間頻率2倍的時(shí)間頻率的信號(hào)不通過濾波器單元71。隨后，經(jīng)放大器單元72將信號(hào)發(fā)送到模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器73 (ADC)。將由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器73產(chǎn)生的數(shù)字化信號(hào)饋給到圖像處理單元(也稱為重建裝置)74，其根據(jù)這些信號(hào)以及在各個(gè)信號(hào)的接收期間所假定的第一磁場的第一部分區(qū)域301在檢查區(qū)域中的各個(gè)位置和圖像處理單元74從控制單元76獲得的各個(gè)位置來重建磁性粒子的空間分布。最后，經(jīng)控制單元76將磁性粒子的經(jīng)重建的空間分布發(fā)送到計(jì)算機(jī)12，計(jì)算機(jī)12將其顯示在監(jiān)視器13上。該設(shè)備還包括諸如硬盤或者半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)裝置75，存儲(chǔ)裝置75耦合到圖像處理單元74用于存儲(chǔ)設(shè)備10所采集的檢測信號(hào)和系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)。根據(jù)本發(fā)明，存儲(chǔ)裝置75適于存儲(chǔ)設(shè)備的系統(tǒng)函數(shù)的測得的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)的至少一個(gè)子集，所述系統(tǒng)函數(shù)包括對(duì)磁性材料的空間位置和對(duì)于所述設(shè)備的系統(tǒng)響應(yīng)之間的關(guān)系進(jìn)行描述的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)集，以及為了采集所述系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)，所述第一子區(qū)(FFP) 移動(dòng)所沿著的軌跡。處理裝置74 (能夠?qū)⑵鋵?shí)現(xiàn)為硬件、軟件、或者其混合)適于通過使用關(guān)于系統(tǒng)函數(shù)結(jié)構(gòu)的額外認(rèn)知對(duì)測得的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以生成經(jīng)處理的、具有比所述測得的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)更高SNR的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)。在該實(shí)施例中，重建裝置由與處理裝置相同的單元74實(shí)現(xiàn)，但其還可以實(shí)現(xiàn)為獨(dú)立單元，重建裝置適于從檢測信號(hào)和所述經(jīng)處理的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)重建磁性材料在作用區(qū)域中的空間分布。如上所述，MPI應(yīng)用一種新的基于局部激勵(lì)過程的動(dòng)態(tài)移位的信號(hào)編碼方法，并且允許快速體積成像。然而，與已建立的像MRI和CT的成像模態(tài)相比，還沒有識(shí)別出簡單的、 從所采集的數(shù)據(jù)中重建圖像的數(shù)學(xué)變換。因此，MPI圖像重建需要描述了系統(tǒng)對(duì)給定粒子空間分布的響應(yīng)，即，將粒子位置映射到頻率響應(yīng)的“系統(tǒng)函數(shù)”的認(rèn)知。為了解決重建問題，必須對(duì)系統(tǒng)函數(shù)求逆，這通常需要一些正則化方案。目前為止，通過在對(duì)應(yīng)于圖像像素或體素?cái)?shù)目的大量空間位置處測量類點(diǎn)采樣的磁化強(qiáng)度響應(yīng)在實(shí)驗(yàn)上確定系統(tǒng)函數(shù)。該校準(zhǔn)程序需要非常長的采集時(shí)間，并且還提供受噪聲污染的系統(tǒng)函數(shù)。由于系統(tǒng)函數(shù)矩陣的大尺寸，解決求逆重建問題也是非常耗時(shí)的，并且要求大量計(jì)算機(jī)內(nèi)存。
從對(duì)信號(hào)編碼過程的理論理解中，期望獲得對(duì)系統(tǒng)函數(shù)結(jié)構(gòu)的深刻理解。能夠使用該認(rèn)知加速系統(tǒng)函數(shù)采集或者甚至模擬部分或者全部系統(tǒng)函數(shù)。關(guān)于矩陣結(jié)構(gòu)的信息還能夠有助于找到更緊湊的系統(tǒng)函數(shù)表示，有助于減少內(nèi)存需求并且加速重建。最后，從數(shù)據(jù)引導(dǎo)到圖像的數(shù)學(xué)變換的識(shí)別將大大簡化重建過程。接下來，將描述信號(hào)生成。在MPI中信號(hào)生成的基本原理依賴于鐵磁性粒子對(duì)所施加的磁場H的非線性磁化強(qiáng)度響應(yīng)M(H)。具有足夠振幅的振蕩驅(qū)動(dòng)場Hd(t)導(dǎo)致粒子的磁化強(qiáng)度響應(yīng)M(t)，其具有不同的、比驅(qū)動(dòng)場更高次諧波的頻譜。例如，如果使用諧波驅(qū)動(dòng)場，驅(qū)動(dòng)場頻譜僅包含基頻，而粒子響應(yīng)還包含基頻的倍數(shù)。包含在這些更高次諧波中的信息被用于MPI。在實(shí)驗(yàn)上，經(jīng)接收線圈中感生的電壓對(duì)粒子磁化強(qiáng)度的時(shí)間相關(guān)的改變進(jìn)行測量。假定單一接收線圈具有靈敏度民0·)，根據(jù)法拉第定律，變化的磁化強(qiáng)度感生電壓
權(quán)利要求
1.一種用于檢測和定位作用區(qū)域(300)中的磁性材料(100)的設(shè)備(10)，該設(shè)備包括-選擇裝置010)，用于生成磁選擇場011)，所述磁選擇場(211)的磁場強(qiáng)度具有空間模式，從而在所述作用區(qū)域(300)中形成具有低磁場強(qiáng)度的第一子區(qū)(301)和具有較高磁場強(qiáng)度的第二子區(qū)(302)，-驅(qū)動(dòng)裝置020)，用于借助于磁驅(qū)動(dòng)場(221)改變所述作用區(qū)域(300)中的所述兩個(gè)子區(qū)(301、302)的空間位置，使得所述磁性材料(100)的磁化強(qiáng)度局部改變，-接收裝置030)，用于采集檢測信號(hào)，該檢測信號(hào)取決于所述作用區(qū)域(300)中的所述磁化強(qiáng)度，該磁化強(qiáng)度受所述第一子區(qū)(301)和所述第二子區(qū)(302)的空間位置的改變的影響，-存儲(chǔ)裝置(75)，用于存儲(chǔ)所述設(shè)備的系統(tǒng)函數(shù)的測得的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)的至少一個(gè)子集，所述系統(tǒng)函數(shù)包括對(duì)所述磁性材料的空間位置和對(duì)于所述設(shè)備的系統(tǒng)響應(yīng)之間的關(guān)系進(jìn)行描述的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)集，以及為了采集所述系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)移動(dòng)所述第一子區(qū)(301)所沿著的軌跡，-處理裝置(74)，用于通過使用關(guān)于所述系統(tǒng)函數(shù)的結(jié)構(gòu)的額外認(rèn)知對(duì)所述測得的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以生成具有比所述測得的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)更高的SNR的經(jīng)處理的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)，以及-重建裝置(74)，用于從所述檢測信號(hào)和所述經(jīng)處理的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)重建所述磁性材料(100)在所述作用區(qū)域(300)中的空間分布。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備(10)，其中，所述處理裝置(74)適于對(duì)在由于存在于完整系統(tǒng)函數(shù)的頻率分量中的空間對(duì)稱性特別是空間鏡像對(duì)稱性而共享相同的信息的不同空間位置處采集的信號(hào)進(jìn)行組合，特別是平均。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備(10)，其中，所述處理裝置(74)適于將完整系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)的具有類似的空間信息的頻率分量求和。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備(10)，其中，所述接收裝置(74)適于通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測來采集所述設(shè)備的系統(tǒng)函數(shù)的完整系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)，而隨后將所述磁性材料的探頭放置在所述作用區(qū)域(300)中的多個(gè)不同位置處，并且其中，所述存儲(chǔ)裝置(7 適于存儲(chǔ)所述完整系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)。
5.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備(10)，其中，所述處理裝置(74)適于對(duì)在由于存在于完整系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)的可用子集的頻率分量中的空間對(duì)稱性特別是空間鏡像對(duì)稱性而共享相同的信息的不同空間位置處采集的信號(hào)進(jìn)行組合特別是平均，并且適于通過使用所述空間對(duì)稱性從經(jīng)組合的信號(hào)重建所述完整系統(tǒng)函數(shù)。
6.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備(10)，其中，所述處理裝置(74)適于將完整系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)的可用子集的具有類似空間信息的頻率分量求和，并且適于通過使用存在于所述頻率分量中的所述空間信息從經(jīng)求和的頻率分量重建完整系統(tǒng)函數(shù)。
7.—種用在如權(quán)利要求1中所述的用于檢測和/或定位作用區(qū)域(300)中的磁性材料 (100)的設(shè)備(10)中的處理器(74)，所述處理器適于通過使用關(guān)于所述系統(tǒng)函數(shù)的結(jié)構(gòu)的額外認(rèn)知對(duì)測得的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以生成具有比所述測得的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)更高的 SNR的經(jīng)處理的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)。
8.一種用于檢測和/或定位作用區(qū)域(300)中的磁性材料(100)的方法，該方法包括下列步驟-生成磁選擇場011)，所述磁選擇場011)的磁場強(qiáng)度具有空間模式，從而在所述作用區(qū)域(300)中形成具有低磁場強(qiáng)度的第一子區(qū)(301)和具有較高磁場強(qiáng)度的第二子區(qū) (302)，-借助于磁驅(qū)動(dòng)場021)改變所述作用區(qū)域(300)中的所述兩個(gè)子區(qū)(301、302)的空間位置使得所述磁性材料(100)的所述磁化強(qiáng)度局部改變，-采集檢測信號(hào)，該檢測信號(hào)取決于所述作用區(qū)域(300)中的所述磁化強(qiáng)度，該磁化強(qiáng)度受所述第一子區(qū)(301)和所述第二子區(qū)(302)的空間位置的改變的影響，-存儲(chǔ)所述設(shè)備的系統(tǒng)函數(shù)的測得的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)的至少一個(gè)子集，所述系統(tǒng)函數(shù)包括對(duì)所述磁性材料的空間位置和對(duì)于所述設(shè)備的系統(tǒng)響應(yīng)之間的關(guān)系進(jìn)行描述的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)集，以及為了采集所述系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)移動(dòng)所述第一子區(qū)(301)所沿著的軌跡，-通過使用關(guān)于所述系統(tǒng)函數(shù)的結(jié)構(gòu)的額外認(rèn)知對(duì)所述測得的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以生成具有比所述測得的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)更高的SNR的經(jīng)處理的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)，以及-從所述檢測信號(hào)和所述經(jīng)處理的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)重建所述磁性材料(100)在所述作用區(qū)域(300)中的空間分布。
9.一種用在如權(quán)利要求8中所述的用于檢測和/或定位作用區(qū)域(300)中的磁性材料(100)的方法中的處理方法，所述方法包括下列步驟通過使用對(duì)關(guān)于所述系統(tǒng)函數(shù)的結(jié)構(gòu)的額外認(rèn)知對(duì)測得的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以生成具有比所述測得的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)更高的SNR的經(jīng)處理的系統(tǒng)函數(shù)數(shù)據(jù)。
10.一種計(jì)算機(jī)程序，包括程序代碼模塊，所述程序代碼模塊用于使計(jì)算機(jī)控制如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，以便當(dāng)在所述計(jì)算機(jī)上執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)所述設(shè)備執(zhí)行如權(quán)利要求8或9中所述的方法的步驟。
全文摘要
在磁性粒子成像(MPI)中，重建需要所謂系統(tǒng)函數(shù)的認(rèn)知。該函數(shù)描述了空間位置和頻率響應(yīng)之間的關(guān)系，并且目前對(duì)于一種掃描儀設(shè)置和一種示蹤劑材料測量一次。為了合理的分辨率和視場，系統(tǒng)函數(shù)變得非常大，這導(dǎo)致為了獲得合理信噪比需要大量的采集時(shí)間。然而，系統(tǒng)函數(shù)具有能夠用于改善信噪比的許多屬性。根據(jù)本發(fā)明，為了該目的利用空間對(duì)稱性和/或在不同頻率處的相同響應(yīng)。
文檔編號(hào)A61B5/05GK102245094SQ200980149160
公開日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2009年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月8日
發(fā)明者B·格萊希, J·E·拉米爾, J·魏岑?？?申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司