專利名稱：判定磁性粒子空間分布的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種判定磁性粒子在檢驗區(qū)中的空間分布的方法。此外，本發(fā)明涉及一種用于實施根據(jù)本發(fā)明的方法的設(shè)備以及一種用于控制根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的計算機(jī)程序。
背景技術(shù)：
從DE 10151778中可了解到篇首提到類型的方法。對于在該公開中描述的方法而言，首先產(chǎn)生具有磁場強(qiáng)度空間分布的磁場，從而在檢驗區(qū)中形成具有較低磁場強(qiáng)度的第一子區(qū)和具有較高磁場強(qiáng)度的第二子區(qū)。然后偏移在檢驗區(qū)中的子區(qū)空間位置，使得檢驗區(qū)中的粒子磁化強(qiáng)度發(fā)生局部改變。記錄依賴于檢驗區(qū)中的磁化強(qiáng)度的信號，該磁化強(qiáng)度曾受到子區(qū)空間位置偏移的影響，且從這些信號中提取與磁性粒子在檢驗區(qū)中的空間分布相關(guān)的信息，從而能夠形成檢驗區(qū)的圖像。
該已知方法的缺點在于所獲得的檢驗區(qū)的圖像的質(zhì)量常常不令人滿意，例如對于醫(yī)療診斷的目的而言不令人滿意。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的在于規(guī)定一種最初提及的種類的方法，在該方法中改善了所形成的圖像的質(zhì)量。
該目的是通過一種利用第一時間恒定磁場和第二時變磁場判定磁性粒子在檢驗區(qū)中的空間分布的方法實現(xiàn)的，其中所述第二時變磁場在每個空間分量中具有基頻和幅度，且對于每個空間分量來講所述第二磁場的時間導(dǎo)數(shù)基本相同，或者所述第二時變磁場包括若干第二時變分磁場之和，每個分磁場在每個空間分量中具有基頻和幅度，且對于每個空間分量來講所述第二磁場和/或所述第二分磁場的時間導(dǎo)數(shù)基本相同。
當(dāng)?shù)谝蛔訁^(qū)在檢驗區(qū)中運動的速度在空間所有的方向上都基本相同時，那么含有磁性粒子空間分布信息的圖像的分辨率在空間的每個方向上也基本相同，由于與篇首所述的現(xiàn)有技術(shù)相比提高了所得圖像的質(zhì)量。
具體而言，當(dāng)對一個空間分量的時間導(dǎo)數(shù)大小的度量產(chǎn)生的值不小于五分之一、且不大于五倍的通過將該度量應(yīng)用于其他空間分量的時間導(dǎo)數(shù)而獲得的值時，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，對于空間分量而言第二磁場的時間導(dǎo)數(shù)基本等于對于不同空間分量而言的第二磁場的時間導(dǎo)數(shù)。時間導(dǎo)數(shù)大小的該度量優(yōu)選為針對相應(yīng)空間分量的在時間上的時間導(dǎo)數(shù)的均方值?；蛘撸瑢τ诿總€空間分量而言，可以將時間導(dǎo)數(shù)的最大值用作度量。
由于對于每個空間分量而言幅度和基頻之積基本相等，因此在權(quán)利要求2中以特別簡單的方式獲得了對于所有空間分量基本相等的第二磁場的時間導(dǎo)數(shù)。具體而言，當(dāng)一個積不大于另一個積的五倍或不小于其五分之一時，兩個積是基本相等的。這個標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)地適用于兩個基本相等的頻率。
在如權(quán)利要求3所述的實施例中，對于第二磁場的每個空間分量而言基頻基本相等。每個空間分量以及從而導(dǎo)致的每個空間方向上的基頻相等的效果是，在步驟c)中采集的信號在每個空間方向上具有基本相同的頻率，結(jié)果，在每個空間方向上信噪比基本相同，這又改善了含有關(guān)于磁性粒子在檢驗區(qū)中的空間分布的信息的圖像的質(zhì)量。
用于提取信息的所采集信號是通過改變檢驗區(qū)中的磁化強(qiáng)度而在例如線圈的適當(dāng)采集裝置中感生的。如所周知，隨著磁化強(qiáng)度變化速率增大，感生信號的信號值變大。在權(quán)利要求4所述的實施例中，第二磁場的時域傅里葉變換在由第二磁場的緩慢變化的偏移量導(dǎo)致的第一頻率范圍內(nèi)有值，其中所述第一頻率范圍含有小于每個基頻的值。即，基頻大于由偏移量導(dǎo)致的第二磁場的傅里葉變換的頻率。具體而言，如權(quán)利要求5所述，基頻大于第一頻率范圍中最大頻率的十倍且優(yōu)選大于其一百倍，結(jié)果第一子區(qū)在檢驗區(qū)中被快速偏移。這導(dǎo)致檢驗區(qū)中磁化強(qiáng)度迅速變化，并由此感生大的信號值。因此根據(jù)本發(fā)明的第二磁場能夠采集到具有良好信噪比的感生信號，結(jié)果進(jìn)一步改善了與磁性粒子在檢驗區(qū)中的空間分布相關(guān)的信息質(zhì)量。
此外，除了由振蕩在基頻處的第二磁場的部分導(dǎo)致的第一子區(qū)的快速運動之外，隨時間緩慢變化的偏移量導(dǎo)致第一子區(qū)額外地緩慢偏移，結(jié)果能夠記錄第一子區(qū)更大的面積，且擴(kuò)大了檢驗區(qū)。偏移量變化很慢，使得它們對步驟d)中評估的信號沒有影響或幾乎沒有影響，因為由于第一子區(qū)的緩慢運動由偏移量的改變所感生的信號是非常小的。
如權(quán)利要求6所述，當(dāng)至少一個基頻隨時間變化且尤其當(dāng)至少一個基頻隨時間增大時，獲得了圖像對比度的改進(jìn)從而也獲得了圖像質(zhì)量的改善。
如權(quán)利要求7所述的實施例確保了兩個子區(qū)在檢驗區(qū)中的位置如此變化，使得第一子區(qū)以遠(yuǎn)至預(yù)定最小距離的距離接近檢驗區(qū)的每個點。于是，通過適當(dāng)?shù)剡x擇最小距離，能夠在執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法時記錄檢驗區(qū)中的每個點。
如權(quán)利要求8所述，選擇最小距離確保了根據(jù)本發(fā)明的方法的分辨率不會因為過大的最小距離而降低。
如權(quán)利要求9所述，通過在至少一個采集裝置，尤其是至少一個接收線圈中感生信號來采集取決于子區(qū)位置變化的信號，這個過程從技術(shù)上來講是容易實現(xiàn)的，隨后對信號的評估提供了與磁性粒子在檢驗區(qū)中的空間分布有關(guān)的高質(zhì)量信息。
在權(quán)利要求10中描述了一種用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的設(shè)備。權(quán)利要求11描述了一種能夠特別容易產(chǎn)生根據(jù)本發(fā)明的第二磁場的實施例。權(quán)利要求12定義了一種控制用于根據(jù)權(quán)利要求10的設(shè)備的計算機(jī)程序。


參考下文所述的實施例，通過非限制性實例的方式將闡明本發(fā)明的這些和其他方面，它們也將由此而明了。
在附圖中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的設(shè)備的示意圖；圖2示出了存在于檢驗區(qū)中的磁性粒子之一；圖3示出了圖1的設(shè)備中的第一時間恒定磁場的場線圖案；圖4示出了圖1的設(shè)備的方框圖；圖5示出了單諧振線圈系統(tǒng)的電路圖；圖6示出了多諧振線圈系統(tǒng)的電路圖；圖7到10示出了時變第二磁場的彼此正交的兩個空間分量的二維圖示；以及圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖。
具體實施例方式
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備9的實施例。在患者支撐臺2上設(shè)置目標(biāo)，該情形下為患者1。患者體內(nèi)，例如其胃腸道內(nèi)有曾以液體或餐食形式由患者服用的磁性粒子，設(shè)備9的檢驗區(qū)中也有磁性粒子。檢驗區(qū)的大小具體取決于所用的磁場和磁性粒子，如下文將詳細(xì)解釋的。
圖2中示出了磁性粒子。磁性粒子包括例如玻璃的球形基體100，其被軟磁層101覆蓋，軟磁層101具有例如5nm的厚度且由例如鐵鎳合金(例如坡莫合金)構(gòu)成。該層可以用例如覆蓋層102覆蓋，覆蓋層保護(hù)粒子不受酸的影響。這種粒子磁化強(qiáng)度飽和所需的磁場強(qiáng)度取決于它們的直徑。在直徑為10μm的情形下，需要1mT的磁場，而在直徑為100μm的情形下，100μT的磁場就足夠了。如果選擇了飽和磁化強(qiáng)度低于坡莫合金的涂層，飽和所需的磁場自然會進(jìn)一步降低。
為了簡明起見，在本發(fā)明范圍內(nèi)提到的磁場強(qiáng)度用特斯拉指定。這并非很合適，因為特斯拉是磁通密度的單位。為了獲得特定的磁場強(qiáng)度，必須要把每種情形指定的值除以磁場常數(shù)μ0。
本發(fā)明不限于前述磁性粒子。相反，可以利用具有非線性磁化曲線的任何磁性粒子執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法，即，磁性粒子的磁化強(qiáng)度的梯度取決于作用于粒子的磁場強(qiáng)度而呈非線性。
也可以使用所謂的鐵磁或亞鐵磁材料的單磁疇粒子。這些粒子具有納米范圍內(nèi)的尺度且小到其中不能形成磁疇或Weiss區(qū)?？梢砸赃m當(dāng)?shù)哪z態(tài)分散體的形式將這些粒子注入患者的血流中。已經(jīng)將這種分散體注入磁諧振(MR)區(qū)中作為造影劑。這里所用的磁性粒子具有5到10nm的尺寸。不過，該尺寸對于根據(jù)本發(fā)明的方法并非最佳，因為飽和所需的磁場強(qiáng)度隨著粒子直徑的三倍而減小。因此磁性粒子應(yīng)當(dāng)盡可能地大，不過不要大到能夠形成磁疇。根據(jù)磁性材料，磁性單磁疇粒子的最理想尺寸在20和800nm的值之間。適于單磁疇粒子的材料例如是磁鐵礦(Fe3O4)。舉例而言，為了檢查肺部，這種粒子可以被吸入。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，術(shù)語“磁性粒子”也包括可磁化的粒子。
在患者1上方和下方有第一對線圈3a、3b(第一磁性裝置)，其包括共軸設(shè)置于患者上方和下方(參見圖1)的構(gòu)造相同的線圈3a、3b，同樣幅度但方向相反的電流流過其中；該線圈產(chǎn)生第一時間恒定磁場。第一磁場在圖3中由場線300表示。在公共線圈軸8的方向上其具有基本恒定的梯度，在該線圈軸的點上達(dá)到零值。從該零場點開始，在空間中沿所有方向磁場強(qiáng)度隨著距該點的距離增加而增大。在圖3中由虛線表示且圍繞零場點設(shè)置的第一子區(qū)301中，第一磁場的磁場強(qiáng)度低至其中存在的磁性粒子的磁化強(qiáng)度不飽和。相比之下，在位于第一子區(qū)301之外的第二子區(qū)302中，磁性粒子的磁化強(qiáng)度是飽和的。
利用疊加到第一磁場上的第二時變磁場，可以在檢驗區(qū)中將第一磁場的第一子區(qū)301向著第二磁場的場強(qiáng)偏移。
第一子區(qū)301的運動和方向(dimension)、磁性粒子的磁特性和分布決定著檢驗區(qū)的尺寸。含有磁化強(qiáng)度根據(jù)第一子區(qū)301的位置變化而變化的磁性粒子的待檢查對象，即，例如患者1的每個待檢查區(qū)都被檢驗區(qū)所涵蓋。
為了產(chǎn)生第二時變磁場，使用了包括三個線圈對的第二磁性裝置。線圈對4a、4b產(chǎn)生沿第一線圈對3a、3b的線圈軸8的方向延伸的第二磁場的磁場分量。為此，在線圈4a、4b中流動著沿相同旋轉(zhuǎn)方向流動的等值電流。從原理上講，線圈對4a、4b能夠?qū)崿F(xiàn)的效果也能夠通過對第一線圈對3a、3b、在方向相反的等值電流上疊加沿同向流動的電流而實現(xiàn)，疊加的結(jié)果是一個線圈對中的電流減小而另一個線圈對中的電流增加。
為了沿垂直于線圈對3a、3b的線圈軸取向的方向產(chǎn)生第二磁場的磁場分量，使用了另兩個線圈對5a、5b和6a、6b。類似于線圈對3a、3b和4a、4b，這些線圈對5a、5b和6a、6b可以是亥姆霍茲(Helmholtz)型線圈，不過那么檢驗區(qū)將會被線圈對在空間中在所有三個維度中包圍，這將會阻止進(jìn)出檢驗區(qū)。因此將線圈5a、6a設(shè)置在患者1上方而將線圈5b、6b設(shè)置于患者1下方。線圈5a、5b產(chǎn)生方向垂直于線圈軸8的磁場分量。此外，線圈6a、6b產(chǎn)生方向垂直于線圈軸8且垂直于線圈對5a、5b產(chǎn)生的磁場分量的方向的磁場分量。于是線圈5a、5b、6a、6b產(chǎn)生取向垂直于它們的線圈軸的磁場分量。這種線圈不是亥姆霍茲型，是從具有開放磁體(開放MRJ)的磁諧振設(shè)備中獲知的，其中在患者上方和下方設(shè)置能夠產(chǎn)生水平時變磁場的高頻線圈對。這里不詳細(xì)解釋這些公知線圈對5a、5b、6a、6b的構(gòu)造。
于是線圈對4a、4b...6a、6b產(chǎn)生時變第二磁場，利用第二磁場，能夠移動檢驗區(qū)中的第一磁場的第一子區(qū)301，這里檢驗區(qū)是三維的，不過其可選地可以二維的。
第一子區(qū)301在檢驗區(qū)中的運動導(dǎo)致磁性粒子102的磁化強(qiáng)度的改變，結(jié)果在適當(dāng)?shù)慕邮站€圈中感生出信號。
圖1示意性地示出了接收線圈7，以如此方式構(gòu)造該線圈，使得在檢驗區(qū)中變化的磁化強(qiáng)度的基礎(chǔ)上能夠在接收線圈7中感生信號。從原理上講，場發(fā)生線圈對3a、3b...6a、6b中的任一者都可以用于該目的。不過，一個或甚至幾個獨立的接收線圈7具有如下優(yōu)點可以獨立于場發(fā)生線圈3a、3b...6a、6b設(shè)置和開關(guān)接收線圈7，且能夠產(chǎn)生改進(jìn)的信噪比。
如果將要在空間中的全部三個方向上判定磁化強(qiáng)度的變化，那么空間中每個方向至少需要一個能夠接收磁化強(qiáng)度改變的對應(yīng)方向的分量的接收線圈。
在將為讀者參考的DE 10151778中更詳細(xì)地描述了基于磁性粒子的改變的磁化強(qiáng)度在接收線圈中感生信號。
圖4示出了圖1所示的設(shè)備9的方框圖。在圖4中示意性地示出了線圈對3a、3b，且為了簡單起見，由附圖標(biāo)記3表示。同樣的情形適用于線圈對4a、4b...6a、6b。
從可控電流源31為線圈對3提供直流電流，可控電流源31受到控制單元10的控制?？刂茊卧?0連接到計算機(jī)12，計算機(jī)12具有監(jiān)視器13和例如鍵盤14的輸入單元14，顯示器13用于顯示磁性粒子在檢驗區(qū)中的分布。
線圈對4、5、6連接到電流放大器41、51、61，它們從電流放大器接收它們的電流。電流放大器41、51、61又連接到相應(yīng)的交流電流源42、52、62，交流電流源決定著將被放大的電流Ix、Iy、Iz的時間特征。交流電流源42、52、62受到控制單元10的控制。
此外，在圖4中示意性地示出了接收線圈(獲取裝置)7。將接收線圈7中感生的信號供應(yīng)到濾波單元71，其濾出在一個或多個基頻振蕩的信號。然后經(jīng)由放大器單元72將被濾出的信號傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換器73(ADC)。將模數(shù)轉(zhuǎn)換器73生成的數(shù)字化信號供應(yīng)到圖像處理單元(評估單元)74，圖像處理單元74從這些信號以及在接收各自信號期間第一磁場的第一子區(qū)301在檢驗區(qū)中所采用且由圖像處理單元74從控制單元10接收的特定位置重建磁性粒子的空間分布。最終經(jīng)由控制單元10將重建的磁性粒子的空間分布傳輸?shù)接嬎銠C(jī)12，計算機(jī)12將其顯示于監(jiān)視器13上。
圖5和圖6示出了兩個磁性裝置的優(yōu)選電路圖，磁性裝置包含場發(fā)生線圈4a和電流放大器41。場發(fā)生線圈4b...6b和相關(guān)的電流放大器41、51、61優(yōu)選相應(yīng)地配置。
圖5示出了單諧振線圈系統(tǒng)86，其包括與可調(diào)電容器81并聯(lián)的場發(fā)生線圈4a。由此使場發(fā)生線圈4a在一個基頻下諧振，其中可以通過調(diào)節(jié)電容器81的希望電容以及選擇具有理想電感的線圈4a設(shè)置諧振基頻。將包括場發(fā)生線圈4a和電容器81的該諧振電路與電流放大器41并聯(lián)，電流放大器41提供時變電流。利用這種諧振電路，與電流放大器41直接連接到場發(fā)生線圈4a，即沒有額外的并聯(lián)電容器81相比，能過產(chǎn)生具有更高幅度的第二磁場。因此，如果需要特定幅度的第二磁場，那么利用圖示的諧振電路就能夠使用具有更低放大因子的電流放大器，因此比不用這種諧振電路時所需的電流放大器更為廉價。
為了產(chǎn)生第二磁場的緩慢可變的偏移量，可以使用低頻電流源87，其并聯(lián)到包括電容器81和場發(fā)生線圈4a的諧振電路。不過，這種低頻電流源87對高的基頻而言具有低阻抗，因此諧振電路將被電流源87短路。因此電路具有額外的元件，其對于高的基頻而言具有高阻抗，但同時允許低頻通過，即，允許在其上偏移量振蕩的頻率通過。一個簡單的技術(shù)方案為設(shè)置于電流源87和包括電容器81和場發(fā)生線圈4a的諧振電路之間的包括另一線圈83和與其并聯(lián)的電容器85的帶除濾波(rejector)電路。
為了使場發(fā)生線圈4a在基頻諧振且同時允許第二磁場的緩慢可變偏移量所需的線圈和電容器的精確尺度以及線圈的實際構(gòu)造(例如具有大幾何尺度的環(huán)形線圈)，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是公知的，因此這里不需要提供更多細(xì)節(jié)。
優(yōu)選地，圖5中線圈的電感是基本相同的，即，它們至多相差一個數(shù)量級。為了激勵場發(fā)生線圈4a，從技術(shù)上講，如所公知，可以為電流放大器41提供適當(dāng)?shù)钠ヅ潆娐?，其包括例如串?lián)有電容器的變壓器，或適當(dāng)?shù)碾娙菪苑謮浩?，其總電容?yōu)選與電容器81的電容和/或電容器85的電容相等?；蛘?，可以以電感的方式實現(xiàn)與場發(fā)生線圈4a的連接。
由于根據(jù)圖5的電路僅具有一個諧振基頻，該電路被稱為單諧振線圈系統(tǒng)86。為了改變諧振基頻，可以改變電容器81、85的電容。為了在測量期間改變諧振基頻以便通過一頻率范圍，例如，通過附加的更小電容器或因為電容器81、85是可用電機(jī)調(diào)節(jié)的可變電容器，電容器是可以自動變化的?；蛘?，可以使用其他公知方法改變單諧振線圈系統(tǒng)86的諧振基頻；例如，可以使用可調(diào)輔助線圈，或者可以向圖5所示的線圈加入磁性材料。
如果需要由場發(fā)生線圈4a產(chǎn)生且具有兩個基頻的第二磁場，那么可以使用如圖6所示的多諧振線圈系統(tǒng)88。在圖6的鏡像線89右側(cè)，多諧振線圈系統(tǒng)88包括并聯(lián)有電容器81的場發(fā)生線圈4a。線圈4a還連接到電流放大器41。多諧振線圈系統(tǒng)在圖6的鏡像線89右側(cè)還包括另一線圈82和另一可調(diào)電容器84。設(shè)置在圖6的鏡像線89右側(cè)的該電路的效果是場發(fā)生線圈4a具有兩個諧振基頻，即，可以用該場發(fā)生線圈4a產(chǎn)生在兩個諧振基頻處振蕩的第二磁場。例如，如果該另一線圈82具有比場發(fā)生線圈4a更大的電感，且如果電容器81和84的電容是相同的，那么由額外元件82、84產(chǎn)生的諧振基頻低于沒有額外元件82、84的電路所產(chǎn)生的基頻，如圖5所示。
如果將低頻電流源連接到圖6的鏡像線89右側(cè)所示的電路，為了產(chǎn)生第二磁場的緩慢可變偏移量，那么如以上參考圖5所述，電路將被短路，因為用于高基頻的電流源具有低阻抗。因此在鏡像線反射電容器和線圈，使得電容器81′和84′以及線圈4a′和82′相對于鏡像線89與電容器81、84和線圈4a和82呈鏡像對稱設(shè)置。低頻電流源87與線圈4a′串聯(lián)。
如果要產(chǎn)生超過兩個諧振基頻，那么對于每個額外需要的諧振基頻來說，可以在鏡像線89和包括電容器81和場發(fā)生線圈4a的諧振電路之間將圖6中由虛線90包圍的電路部分再設(shè)置若干次。當(dāng)然，所增加的線圈和電容器必須要在鏡像線89處再次被反射。
本發(fā)明不限于所述的單諧振和多諧振線圈系統(tǒng)。相反，根據(jù)本發(fā)明，可以使用任何能夠產(chǎn)生具有一個或多個高基頻以及接近零頻的低頻的第二磁場的線圈和電容器的電路設(shè)置。以公知的方式，還可以使用其他諧振結(jié)構(gòu)元件，例如，機(jī)電諧振器(壓電晶體)或基于度越時間(transit-time)效應(yīng)的諧振器。
時變的第二磁場H2(t)可以用參數(shù)進(jìn)行如下表述
這里，ax，y，z(t)為幅度，ωx，y，z(t)為基頻，x，y，z(t)為相移且νx，y，z(t)為偏移量。幅度、基頻、相移和偏移量隨時間t變化得比sin(ωx(t)、sin(ωy(t)和sin(ωz(t)更慢，即，ax，y，z(t)、ωx，y，z(t)、x，y，z(t)和νx，y，z(t)的相應(yīng)傅里葉變換在小于任何基頻ωx，y，z的頻率具有唯一的值。
或者，可以通過以下方程用參數(shù)表示時變的第二磁場H2(t)=ΣiH2(i)(t)+νx(t)νy(t)νz(t)]]>其中 即，可選地，第二磁場H2(t)可以包括分磁場之和 其中，這里，同樣對于每個分磁場H2(i)(t)而言，幅度ax，y，z(i)(t)、基頻ωx，y，z(i)(t)和相移x，y，z(i)(t)隨時間t變化得比sin(ωx(i)t)、sin(ωy(i)t)和sin(ωz(i)t)慢，即，ax，y，z(i)(t)、ωx，y，z(i)(t)、x，y，z(i)(t)和νx，y，z(i)(t)的相應(yīng)傅里葉變換在小于任何基頻ωx，y，z(i)(t)的頻率具有唯一的值。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，僅考慮了第二磁場H2(t)對時間的依賴性。不過，顯然，因為場發(fā)生線圈的尺度有限，不可能產(chǎn)生完全空間均勻的第二磁場，因此第二磁場也取決于位置H2(x，y，z，t)。這里，假定波長與線圈4、5、6的尺度相比較大，可以單獨考慮時間依賴性，即，H2(x，y，z，t)＝F(x，y，z)·H2(t)，其中F(x，y，z)是描述第二磁場的位置依賴性的函數(shù)。在本上下文中，波長為第二磁場的電磁波的波長。在這里所用的基頻的情況下該波長在千米的范圍內(nèi)，因此與線圈相比波長很大，線圈的尺度最大在米的范圍內(nèi)。
在該示范性實施例中，第二磁場H2(t)具有三個彼此正交的空間分量H2，x(t)、H2，y(t)和H2，z(t)，從而能過在三維空間中移動第一子區(qū)301。在不同的構(gòu)造中，第二磁場H2(t)也可以僅具有兩個彼此正交的空間分量，從而可以在一個平面內(nèi)移動第一子區(qū)301。
由場發(fā)生線圈產(chǎn)生的第二磁場的空間分量不必彼此正交。場發(fā)生線圈還可以產(chǎn)生指向空間中不彼此正交的不同方向上第二磁場的空間分量。容易將具有以這種方式取向的空間分量的第二磁場變換為根據(jù)方程(1)或(2)的第二磁場，從而可對應(yīng)地適用對具有彼此正交的空間分量的第二磁場的解釋。
偏移量νx，y，z(t)的時間變化導(dǎo)致了第二磁場H2(t)在第一頻率范圍Δωv中的頻率分量，即，在對第二磁場H2(t)進(jìn)行傅里葉變換時，偏移量νx，y，z(t)的時間變化導(dǎo)致了位于第一頻率范圍Δωv中的傅里葉變換的值。第一頻率范圍Δωv唯一地包括小于任何基頻的值。具體而言，第一頻率范圍Δωv優(yōu)選包括接近零頻的值且量值僅為幾赫茲，即例如0.1到100Hz。第一頻率范圍的寬度優(yōu)選小于最小基頻的十倍且尤其小于其一百倍。此外，優(yōu)選每個基頻都大于第一頻率范圍Δωv中的最大頻率的十倍且尤其大于其一百倍。
高的基頻導(dǎo)致第一磁場的第一子區(qū)更快運動且因此在接收線圈7中導(dǎo)致更高的信號，不過也增大了公知的患者噪聲，其隨著基頻增大而增大。如下所述，由接收線圈7采集的信噪比足以重建質(zhì)量非常好的圖像的信號的優(yōu)選基頻處于20kHz到1MHz的范圍內(nèi)。如果將從磁共振獲知的SQUID探測器用作采集裝置，那么可以選擇基頻使之更小1000倍。
除了由在基頻振蕩的第二磁場的部分導(dǎo)致的第一子區(qū)301的快速運動，偏移量的緩慢變化導(dǎo)致第一子區(qū)301的額外的緩慢偏移，結(jié)果可以由第一子區(qū)301覆蓋更大的區(qū)域且放大了檢驗區(qū)。偏移量變化很慢，以至于它們對下述的檢驗區(qū)圖像的重建沒有或幾乎沒有影響，因為由于第一子區(qū)的緩慢運動由偏移量的變化感生的信號非常小且對接收線圈7采集的信號沒有或幾乎沒有影響。
應(yīng)當(dāng)選擇偏移量的時間變化，即由其導(dǎo)致的第一子區(qū)301的偏移，使得第一磁場的第一子區(qū)301覆蓋整個檢驗區(qū)，檢驗區(qū)已經(jīng)由例如放射學(xué)家定義。
如所周知，例如從磁共振光譜學(xué)的角度來講，將時變磁場應(yīng)用于生物組織導(dǎo)致發(fā)熱，且如果發(fā)熱過度將損傷組織。發(fā)熱基本取決于幅度與基頻之積、磁場的形式和暴露于磁場的組織類型。選擇第二磁場的幅度和基頻以便不損傷任何組織。例如，如果將要把大的區(qū)域，例如病人的胃腸道暴露于第二磁場，幅度應(yīng)當(dāng)小于20mT且基頻應(yīng)當(dāng)小于100kHz。
如從公知的幅度、相位和頻率調(diào)制技術(shù)所知道的，幅度、相移和基頻的緩慢時變導(dǎo)致了分布于基頻附近的第二磁場的頻率分量。優(yōu)選如此構(gòu)建根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備9，使得幅度、相移和基頻的時間變化的結(jié)果如下第二磁場的傅里葉變換包括分布于基頻附近Δωx，y，z和Δωx，y，z(i)的頻率范圍內(nèi)的值，這些范圍分別具有相對寬度Δωx,y,z(i)/ωx,y,z(i)<0.1,]]>Δωx，y，z/ωx，y，z＜0.1，且更優(yōu)選地，Δωx,y,z(i)/ωx,y,z(i)<0.01]]>和Δωx，y，z/ωx，y，z＜0.01。從絕對的角度來講，分布于基頻附近的頻率范圍的寬度優(yōu)選與第一頻率范圍Δωv在相同的數(shù)量級。具體而言，分布于基頻附近的頻率范圍和第一頻率范圍的寬度優(yōu)選是相同的。
在另一優(yōu)選實施例中，優(yōu)選幅度、相移和基頻獨立于時間。
在分布于基頻附近的頻率范圍之外，以及在頻率范圍Δωv之外，第二磁場的傅里葉變換優(yōu)選沒有值。如此的效果是由第二磁場中的快速變化感生的信號不受不在該頻率范圍內(nèi)的頻率分量的干擾，由此改善了圖像質(zhì)量。
圖7到10為第二磁場的圖示，其中，在每種情形下，相對于第二磁場的一個空間分量繪制與其正交的第二磁場的一個空間分量。
在圖7中，相對于該第二磁場H2(t)的一個實施例的第二空間分量H2，x(t)＝sin(29t)-sin(30t)繪制了第二磁場的一個空間分量H2，y(t)＝cos(29t)+0.1cos(30t)，第二空間分量與H2，y(t)正交。圖7中縱軸和橫軸上的數(shù)值以任意單位指定。同樣的情形適用于圖8到10中的數(shù)值。
在圖8中，相對于第二磁場H2(t)的不同實施例的與之正交的空間分量H2，x(t)＝sin(29t)-0.5sin(30t)繪制了第二磁場的該實施例的空間分量H2，y(t)＝cos(29t)+cos(30t)。
在圖9中，相對于第二磁場H2(t)的另一實施例的與之垂直的空間分量H2，x(t)＝sin(29t)-0.5sin(30t)繪制了第二磁場的該實施例的空間分量H2，y(t)＝cos(29t)+0.5cos(30t)。
在圖10中，相對于第二磁場H2(t)的另一實施例的與之正交的空間分量H2，x(t)＝sin(29t)-sin(30t)繪制了第二磁場的該實施例的空間分量H2，y(t)＝cos(29t)+cos(30t)。
使用根據(jù)圖7到10中所示的實施例的第二磁場獲得了檢驗區(qū)中磁性粒子的空間分布的良好質(zhì)量的圖像。
如下所述，通過三角變換能夠容易地以根據(jù)方程(1)的形式表示圖7到10和相關(guān)描述中所示的第二磁場的空間分量。這些空間分量可以總體表示為H2，x(t)＝cos(29t)+acos(30t)(3)H2，y(t)＝sin(29t)+bsin(30t)(4)可以將這些空間分量變換成具有如下構(gòu)造 和 變量a和b為任意實數(shù)，使得方程(5)和(6)對應(yīng)于根據(jù)方程(1)的第二磁場的形式。
根據(jù)圖7到10的時變第二磁場導(dǎo)致第一子區(qū)301基本沿著相應(yīng)圖中所示的路徑運動。這里用了限制“基本”，因為第二磁場在空間方向上的時變與第一子區(qū)301的偏移之間的關(guān)系不是線性的，因為第二磁場不隨著位置而線性變化。這樣的結(jié)果是，第一磁場的第一子區(qū)301并非精確沿著圖示的路徑運動。
或者，可以調(diào)節(jié)第二磁場，使得第一子區(qū)301通過檢驗區(qū)運動的路徑描繪出一幅李薩如圖形。
其傅里葉變換位于第一頻率范圍Δωv中的第二磁場的部分，即由偏移量νx，y，z(t)對時間的依賴性導(dǎo)致的第二頻率范圍的緩慢變化分量導(dǎo)致了圖7到10所示路徑的整體偏移，結(jié)果第一子區(qū)301在患者1體內(nèi)相對較大的區(qū)域上擴(kuò)散，由此擴(kuò)大了檢驗區(qū)。
以這樣的方式設(shè)計第二磁場，使得第二磁場的時間導(dǎo)數(shù)在空間的每個方向上都基本相同，也就是說，通過對特定空間分量的時間導(dǎo)數(shù)的大小做度量獲得的值最多相差五倍。這意味著，當(dāng)這種應(yīng)用于第二磁場的空間分量的時間導(dǎo)數(shù)的度量產(chǎn)生的值不大于五倍的且不小于五分之一的當(dāng)這種應(yīng)用于第二磁場的另一空間分量的時間導(dǎo)數(shù)的度量所產(chǎn)生的值時，不同空間分量的兩個時間導(dǎo)數(shù)是相同的。因此第一子區(qū)沿空間中的不同方向以相差不顯著的速度運動，因此如下所述重建的檢驗區(qū)圖像的分辨率在空間的不同方向上相差并不顯著，這改善了圖像質(zhì)量。
時間導(dǎo)數(shù)大小的度量例如是空間分量的時間導(dǎo)數(shù)對時間的均方值。或者，該度量可以是第二磁場的空間分量的時間導(dǎo)數(shù)的最大值。
例如，由于對于第二磁場H2(t)的每個空間分量或?qū)τ诿總€分磁場H2(i)(t)的每個空間分量來說基頻和幅度之積是基本相同的，因此能夠?qū)崿F(xiàn)對于不同空間分量第一子區(qū)301的基本相同的速度。
優(yōu)選地，以這樣的方式設(shè)計第二磁場，使得對于第二磁場的每個空間分量或?qū)τ诿總€分磁場H2(i)(t)的每個空間分量來說基頻是基本相同的。這具有的優(yōu)點在于，在第一子區(qū)沿不同方向運動期間采集的信號的信噪比沒有顯著不同，這獲得了改善的圖像質(zhì)量。
在其他實施例中，基頻可以隨著時間變化，特別是可以隨著時間增大。那么以上關(guān)于傅里葉變換所做的闡述將涉及到分段時域傅里葉變換；也就是說，在預(yù)定期間上形成傅里葉變換，由于幅度、相移和基頻對時間的依賴性，該預(yù)定期間優(yōu)選與分布于基頻附近的頻率范圍的寬度的倒數(shù)值具有相同數(shù)量級的幅度。
可以通過輸入裝置14在設(shè)備9中輸入最小距離，控制單元10以這樣的方式控制交流電流源42、52、62，從而以如下方式構(gòu)建第二磁場，使得第一子區(qū)的位置發(fā)生變化，使得對于檢驗區(qū)中的每個點，第一子區(qū)的中心和相應(yīng)點之間的距離至少在一個時刻是小于所輸入的最小距離的。通過這種方式，能夠確保檢驗區(qū)的每個點都被第一子區(qū)301覆蓋。如以上已經(jīng)闡述以及DE 10151778中所述的，這里應(yīng)當(dāng)注意，第一子區(qū)301的偏移和第二磁場在空間特定方向的變化之間具有非線性關(guān)系。例如，可以通過經(jīng)驗確定第二磁場的變化與第一子區(qū)的偏移之間的關(guān)系，且可以將其以表格的形式保存在存儲器10中。如果指定了最小距離，那么注意到表格，控制單元可以決定第一子區(qū)301在檢驗區(qū)中的路徑以及相關(guān)的時變的第二磁場，從而將最小距離考慮在內(nèi)。
為避免因不恰當(dāng)?shù)刂付ê艽蟮淖钚【嚯x而使設(shè)備9的分辨率降低，將最小距離指定為小于設(shè)備9的分辨率極限的十倍?；蛘?，將最小距離指定為小于分辨率極限的三倍。
分辨率極限是利用檢驗區(qū)中的兩個區(qū)域定義的，該兩個區(qū)域含有磁性粒子且盡可能得小但又大到足以產(chǎn)生接收線圈能夠采集的信號。分辨率極限為在重建的檢驗區(qū)圖像中仍能恰好區(qū)分這兩個區(qū)域時的兩區(qū)域之間的距離，也就是說，距離再小就不能在重建的圖像中區(qū)分開這兩個區(qū)域了。分辨率極限越小，所得的分辨率越大。
設(shè)備9的空間分辨率是由第一子區(qū)301的尺寸決定的。該尺寸首先取決于由線圈對3a、3b產(chǎn)生的梯度場的梯度強(qiáng)度，還取決于使磁性粒子的磁化強(qiáng)度飽和所需的磁場的強(qiáng)度。該磁場的強(qiáng)度量值在圖3所示的直徑為10μm的球面處為1mT，在直徑為100μm的球面處為100μT。在所提到的后一值且磁場的梯度為0.2T/m的情形下，第一子區(qū)301具有大約1mm的直徑。
接下來將利用圖11的流程圖描述如何能過從接收線圈7采集的信號重建含有關(guān)于檢驗區(qū)中的磁性粒子分布的信息的檢驗區(qū)圖像。
首先，在步驟401，在檢驗區(qū)中預(yù)定量的點之一處放置δ探針，即，尺度有限但非常小的探針，例如尺度為1mm3的探針。該量的點可以包括，例如，在檢驗區(qū)中布置成笛卡爾格式的點，相鄰的點具有與分辨率相同的間距。
然后，在步驟402，切換到第一和第二磁場，使得第一子區(qū)301由于第二磁場的效應(yīng)而在檢驗區(qū)中運動。同時，接收線圈7采集由于檢驗區(qū)中變化的磁化強(qiáng)度在接收線圈7中感生的信號。
在步驟403中，判定是否在檢驗區(qū)中所有預(yù)定點處放置過δ探針。如果是這樣，那么過程繼續(xù)到步驟204。否則，在步驟401中，將δ探針放置在還未曾放置探針的點，并在步驟402中針對該δ探針的新位置采集所感生的信號。
在步驟404中，在檢驗區(qū)中放置含有磁性粒子的目標(biāo)，將判定該目標(biāo)中磁性粒子的分布。該目標(biāo)例如可以是曾攝取過含磁性粒子的液體或餐食的患者，在測量時磁性粒子位于他的胃腸道中。
在步驟405中，切換到第一和第二磁場，使得第一子區(qū)301由于第二磁場的效應(yīng)而在檢驗區(qū)內(nèi)運動。同時，在接收線圈7中采集所感生的信號。
在步驟406中，從在步驟402和405中采集的信號重建檢驗區(qū)的圖像。為此，采用如下假定SO(r(t))=ΣpαpSp(r(t))...(3)]]>假定在沒有外部干擾影響的情況下，當(dāng)目標(biāo)位于檢驗區(qū)中且第一子區(qū)位于檢驗區(qū)中的點r(t)時由接收線圈采集到的信號SO(r(t))等于和 在此，αp是一因子，為檢驗區(qū)中在此由p表示的特定點處的磁性粒子的濃度的度量。此外，Sp(r(t))是當(dāng)δ探針位于點p且第一子區(qū)301位于檢驗區(qū)中的點r(t)時所采集的信號。
利用公知的最小二乘擬合方法修正因子αp，也就是說，如此決定因子αp使得表達(dá)式∫T[SO(r(t))-ΣpαpSp(r(t))]2dt...(4)]]>最小化。在這種情況下對時間t的積分是在采集用于重建的信號的整個期間T中執(zhí)行的。
所得的因子αp為檢驗區(qū)中由p表示的特定點處的磁性粒子濃度的度量，從而成為產(chǎn)生與檢驗區(qū)中磁性粒子分布相關(guān)的信息的檢驗區(qū)圖像。
根據(jù)本發(fā)明的方法不限于所述的重建方法。相反，本發(fā)明包括能夠從所采集的信號中提取出關(guān)于磁性粒子在檢驗區(qū)中的分布的信息的任何重建方法。例如，可以使用在DE 10151778中公開的重建方法。
權(quán)利要求
1.一種利用第一時間恒定磁場和第二時變磁場判定磁性粒子(102)在檢驗區(qū)中的空間分布的方法，其中所述第二時變磁場在每個空間分量中具有基頻和幅度，且對于每個空間分量來講所述第二磁場的時間導(dǎo)數(shù)基本相同，或者所述第二時變磁場包括若干第二時變的分磁場之和，每個分磁場在每個空間分量中具有基頻和幅度，且對于每個空間分量來講所述第二磁場和/或所述第二分磁場的時間導(dǎo)數(shù)基本相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于如此產(chǎn)生所述第二磁場(H2)和/或每個第二分磁場(H2(i))，使得對于所述第二磁場(H2)和/或每個第二分磁場(H2(i))而言，空間分量的基頻(ωx，y，z，ωx，y，z(i))和幅度(ax，y，z，ax，y，z(i))之積基本等于任何其他空間分量的基頻(ωx，y，z，ωx，y，z(i))和幅度(ax，y，z，ax，y，z(i))之積。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于如此產(chǎn)生所述第二磁場(H2)和/或每個第二分磁場(H2(i))，使得對于所述第二磁場(H2)和/或每個第二分磁場(H2(i))而言，空間分量的基頻(ωx，y，z，ωx，y，z(i))基本等于任何其他空間分量的基頻(ωx，y，z，ωx，y，z(i))。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于如此產(chǎn)生所述第二磁場(H2)，使得所述第二磁場(H2)的至少一個或每個空間分量具有時變偏移量(vx，y，z)，其中所述第二磁場(H2)的時域傅里葉變換在由所述偏移量(vx，y，z)導(dǎo)致的第一頻率范圍(Δωv)中有值，所述第一頻率范圍(Δωv)包含小于任何基頻(ωx，y，z，ωx，y，z(i))的值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述基頻(ωx，y，z，ωx，y，z(i))中的每個都大于所述第一頻率范圍(Δωv)中的最大頻率的十倍且尤其大于其一百倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于至少一個所述基頻(ωx，y，z，ωx，y，z(i))隨時間變化且尤其是隨時間而增大，其特征還在于所述時域傅里葉變換為針對預(yù)定時間間隔確定的分段時域傅里葉變換。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于如此產(chǎn)生所述第二磁場(H2)，使得所述第一子區(qū)(301)的位置以如下方式變化，從而對于所述檢驗區(qū)中的每個點而言，所述第一子區(qū)(301)的中心與所述相應(yīng)點之間的距離至少在一個時刻小于預(yù)定的最小距離。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述最小距離小于分辨率極限的十倍且尤其小于所述分辨率極限的三倍。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過改變所述兩個子區(qū)(301，302)在所述檢驗區(qū)中的空間位置，在至少一個采集裝置(7)，尤其是至少一個接收線圈中感生出信號，評估所述信號的值以提取與所述磁性粒子(102)在所述檢驗區(qū)中的空間分布相關(guān)的信息。
10.一種利用第一時間恒定磁場和第二時變磁場判定磁性粒子(102)在檢驗區(qū)中的空間分布的設(shè)備，其中所述第二時變磁場(H2)在每個空間分量中具有基頻(ωx，y，z)和幅度(ax，y，z)且對于每個空間分量來講所述第二磁場的時間導(dǎo)數(shù)基本相同，或者所述第二時變磁場(H2)包括若干第二時變分磁場(H2(i))之和，每個分磁場(H2(i))在每個空間分量中具有基頻(ωx，y，z(i))和幅度(ax，y，z(i))且對于每個空間分量來講所述第二磁場(H2)和/或所述第二分磁場(H2(i))的時間導(dǎo)數(shù)基本相同。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征在于所述第二磁性裝置包括單諧振或多諧振線圈系統(tǒng)(86，88)，所述線圈系統(tǒng)具有至少一個產(chǎn)生所述第二磁場的線圈(4a)。
12.一種用于控制單元(10)的計算機(jī)程序，所述控制單元(10)用于控制如權(quán)利要求10所述的設(shè)備的第一磁性裝置(3a、3b)、第二磁性裝置(4a、4b、5a、5b、6a、6b)、至少一個采集裝置(7)以及至少一個評估裝置(74)，以執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1的步驟所述的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種判定磁性粒子在檢驗區(qū)中的空間分布的方法，在該方法中，產(chǎn)生第一磁場，其在檢驗區(qū)中形成磁場強(qiáng)度較低的第一子區(qū)和磁場強(qiáng)度較高的第二子區(qū)。然后通過第二磁場改變兩個子區(qū)的空間位置，由此改變檢驗區(qū)中的磁化強(qiáng)度。采集取決于磁化強(qiáng)度變化的信號并對其求值，以提取與磁性粒子的空間分布有關(guān)的信息。如此產(chǎn)生第二磁場，使得對于每個空間分量而言第二磁場的時間導(dǎo)數(shù)基本相等。
文檔編號A61B5/06GK101031239SQ200580032730
公開日2007年9月5日 申請日期2005年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月28日
發(fā)明者伯恩哈德·格萊希, 于爾根·魏岑?？?申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司