CN103959084A - 用于mpi的线圈布置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种尤其用于磁性粒子成像设备(100)中的线圈布置，包括被分成至少两个线圈段的线圈，其中，在至少一个线圈段和另一个线圈段之间反转绕组方向，还包括被耦合在至少两个相邻线圈段之间的电容器。此外，本发明涉及这样的磁性粒子成像设备，尤其是用于影响和/或检测视场(28)中的磁性粒子的设备(100)，所述设备包括选择器件和驱动器件(120)，其中，由根据本发明提出的线圈布置实现表示选择场元件的至少一个驱动场线圈和/或至少一个选择场线圈。

Description

用于MPI的线圈布置
技术领域
本发明涉及一种线圈布置，特别用于磁性粒子成像设备中。此外，本发明涉及一种这样的磁性粒子成像设备，特别是用于影响和/或检测视场中磁性粒子的设备。
背景技术
磁性粒子成像(MPI)是一种新兴的医疗成像模态。MPI的第一种版本是二维的，因为他们产生二维图像。较新的版本是三维的(3D)。假如对象在用于单个3D图像的数据采集期间没有明显的变化，能够通过将3D图像的时间序列组合为电影来创建非静止对象的四维图像。
MPI是一种重建式成像方法，如计算机断层摄影(CT)或磁共振成像(MRI)。因此，在两个步骤中生成感兴趣的对象体积的MP图像。使用MPI扫描器执行第一步骤，其被称为数据采集。MPI扫描器具有生成静态磁梯度场的器件，被称为“选择场”，其在扫描器的等中心处具有(单个)无场点(FFP)或无场线(FFL)。此外，该FFP(或FFL；下文中提到的“FFP”一般应当被理解为FFP或FFL的意思)被具有低磁场强度的第一子区环绕，其继而被具有较高磁场强度的第二子区环绕。此外，扫描器具有生成时间相关的空间上接近均匀的磁场的器件。实际上，该磁场是通过叠加具有小幅度的迅速变化的场(被称为“驱动场”)和具有大幅度的缓慢变化的场(被称为“聚焦场”)来获得的。通过向静态选择场增加时间相关的驱动和聚焦场，可以在等中心周围的“扫描体积”内沿着预定FFP轨迹移动FFP。扫描器也具有一个或多个(例如三个)接收线圈，并且能够记录在这些线圈中诱发的任何电压。为了进行数据采集，要成像的对象被放置在扫描器中，使得对象的感兴趣体积被扫描器的视场包围，所述感兴趣体积是扫描体积的子集。
对象必须包含磁性纳米粒子或其他磁性的非线性材料；如果对象是动物或患者，在扫描之前向动物或患者给予包含这种粒子的造影剂。在数据采集期间，MPI扫描器沿精心选择的轨迹移动FFP，所述精心选择的轨迹绘出/覆盖扫描体积或至少视场。对象内的磁性纳米粒子经受变化的磁场并通过改变其磁化作用来做出响应。纳米粒子变化的磁化作用在每个接收线圈中诱发时间相关的电压。在与接收线圈相关联的接收器中对该电压进行采样。由接收器输出的样本被记录，并且构成采集到的数据。控制数据采集的细节的参数构成“扫描协议”。
在图像生成第二步骤中(被称为图像重建)，从第一步骤中采集到的数据计算或重建图像。图像是离散的数据的3D阵列，表示对视场中磁性纳米粒子的位置相关性浓度的采样近似。通常由执行适当计算机程序的计算机来执行重建。计算机和计算机程序实现重建算法。重建算法基于数据采集的数学模型。像所有重建成像方法那样，该模型能够被公式表示为作用于采集到的数据的积分算子；重建算法试图在可能的范围内撤销该模型的作用。
这种MPI设备和方法有下列好处，即，它们能够用于以非破坏性方式并且利用高空间分辨率来检查任意的检查对象(例如人体)，在接近检查对象的表面和远离其表面时都是如此。这样的设备和方法是众所周知的，并且首次在DE10151778A1以及Gleich,B.和Weizenecker,J.(2005)的“Tomographic imaging using the nonlinear response of magnetic particles”中(Nature,vol.435,pp.1214-1217)已经描述，其中也大体描述了重建原理。在该公布中描述的用于磁性粒子成像(MPI)的设备和方法利用了小磁性粒子的非线性磁化曲线。
在MPI中需要驱动线圈以生成迅速变化的磁场(f～25kHz…40kHz)，其具有20mT峰值的典型幅度。被存储在孔内的能量与体积成比例，因此随着半径的第三维度升高。对于人体尺寸的应用，在孔直径为约40cm的情况下(对于第一试验展示设备，对于未来产品直径更大)，能量大约为10J(峰值)。无功功率是这个值乘以角频率w＝2*pi*f的乘积，所以P无功～2MW。这个无功功率能够通过电流和电压的任何乘积在线圈中的磁场与串联电容器中的电场之间振荡。作为典型范例，Upk～15kV，Ipk～250A，这两者的操作都具有挑战性。
此外，到此为止描述的MPI设备和方法的设计对人类而言还不是最优的。
发明内容
本发明的目的是提供一种线圈布置，其更适于利用MPI设备检查较大的受检者(人、动物)，尤其是成年人。此外，本发明的目的是提供一种用于影响和/或检测视场中磁性粒子的设备，其能够检查这种较大受检者(人类、动物)，尤其是成年人。
在本发明的第一方面中，提出了一种用于磁性粒子成像设备(即，用于影响和/或检测视场中的磁性粒子的设备)中的线圈布置，包括：
-线圈，其被分成至少两个线圈段，其中，在线圈段之间反转绕组方向，
-电容器，其被耦合在至少两个相邻线圈段之间。
在本发明的另一方面中，提出了一种用于影响和/或检测视场中的磁性粒子的设备，所述设备包括：
-选择器件，其包括选择场信号发生器单元和选择场元件，以生成在具有其磁场强度的空间图案的磁选择场，使得在视场中形成具有低磁场强度的第一子区和具有更高磁场强度的第二子区，其中，在所述第一子区中所述磁性粒子的磁化作用是未饱和的，并且在所述第二子区中所述磁性粒子的磁化作用是饱和的，
-驱动器件，包括驱动场信号发生器单元和驱动场线圈，以通过磁驱动场改变视场中的两个子区的空间中的位置，使得磁性材料的磁化作用发生局部改变，其中，通过由本发明提出的线圈布置来实施表示选择场元件的至少一个驱动场线圈和/或至少一个选择场线圈。
在本发明的又一方面中，提出了一种用于影响和/或检测视场中的磁性粒子的设备，所述设备包括：
i)选择和聚焦器件，其用于生成在具有其磁场强度的空间图案的磁性选择和聚焦场，从而在视场中形成具有低磁场强度的第一子区和具有较高磁场强度的第二子区，其中，所述第一子区中，磁性粒子的磁化作用是未饱和的，并且其中，所述第二子区中，磁性粒子的磁化作用是饱和的，并且所述选择选择和聚焦器件用于改变视场在检查区域内的空间位置，所述选择和聚焦器件包括至少一组选择和聚焦场线圈以及选择和聚焦场发生器单元，所述选择和聚焦场发生器单元用于生成选择和聚焦场电流，以提供给所述至少一组选择和聚焦场线圈，以控制所述磁选择和聚焦场的生成，
其中，所述至少一组选择和聚焦场线圈包括
-至少一个内选择和聚焦场线圈，其被形成为关于内线圈轴的闭合环路，以及
-一组至少两个外选择和聚焦场线圈，其被布置在比所述至少一个内选择和聚焦场线圈距所述内线圈轴更大距离处，并且处在不同角位置，每个外选择和聚焦场线圈均被形成为关于关联外线圈轴的闭合环路，以及
ii)驱动器件，其包括驱动场信号发生器单元和驱动场线圈，以通过磁驱动场来改变视场中的两个子区的空间位置和/或尺寸，使得磁性材料的磁化作用发生局部改变，
其中，通过由本发明提出的线圈布置来实施表示选择场元件的至少一个驱动场线圈和/或至少一个选择场线圈。
在从属权利要求中定义本发明的优选实施例。应当理解，所主张的设备与从属权利要求中主张和定义的线圈布置具有类似和/或相同的优选实施例。
已经发现，如在磁性粒子成像设备的驱动场线圈中使用的强电流(例如，250A范围)需要低电阻导体，因为它们的发热非常关键。在驱动场线圈内部，由于消散若干kW的实际功率，通常提供冷却(例如，通过油)。来自电容器朝向被冷却线圈的线缆连接更为关键，因为这些线缆不能浸没于冷却液体中。当前的解决方案是采用更大截面的线缆。可以针对高压问题抵消电流问题；乘积需要是相同的。
不能沿(例如螺线管)线圈部署最优电流密度，因为通常采用一个连续的利兹线。这意味着在所有位置处应用相同的直径、线数、单个导线的直径和充填因子。这样会导致次最优解。
通过将线圈(尤其是MPI设备的驱动场线圈)分成两个或更多线圈段，并且通过在至少两个线圈段之间优选在线圈段与线圈段之间反转绕组方向，能够减小指向地的最大电压(例如，对于n个线圈段的情况下，除以2n)。此外，能够避免相邻绕组之间的大电势差，并且针对每个线圈段，能够独立地选择绕组类型(例如，电流密度、利兹线直径、利兹线充填因子、绞合线直径充填因子、平行利兹线或平行绞合线的数量、导体类型、绝缘体类型和/或导线类型等)。
提出的线圈布置优选地用于MPI设备的至少一个驱动线圈，尤其是螺线管线圈形式的驱动线圈。然而，其也能够用于MPI设备的其他驱动场线圈、选择场线圈、聚焦场线圈或组合式选择和聚焦场线圈。此外，本发明能够用于具有如上所述的类似问题的很多其他应用，诸如，工业感应加热、直线加速器中的四极磁体或比特(Bitter)磁体。
优选提出的采用组合式选择和聚焦场线圈的MPI设备基于如下思想：将在已知MPI设备中一般作为单独线圈提供的聚焦场线圈和选择场线圈组合成组合式选择和聚焦场线圈组。因此，向所述线圈中的每个提供单个电流，而不是常规地向每个聚焦场线圈和每个选择场线圈提供的独立电流。因此，单一电流能够被视为用于聚焦场生成和选择场生成的两个叠加电流。可以通过控制输送到各个线圈的电流来改变视场在检查区域内的期望位置和移动。然而，并非所有的选择和聚焦场线圈始终被提供具有控制电流，而是针对视场的某些运动，仅需要一些线圈。
提出的设备还为相对于受检者所在检查区域如何以及在何处布置线圈提供了更多自由度。利用这种布置尤其可能构建开放式扫描器，在介入期间，容易由患者和医生或医务人员(例如外科医生)得到所述开放式扫描器。
利用这样的设备，生成具有磁场强度的空间分布的磁梯度场(即，磁选择场)，使得视场包括具有较低磁场强度(例如FFP)的第一子区和具有较高磁场强度的第二子区，所述较低磁场强度适于使得位于第一子区中的磁性粒子的磁化作用是不饱和的，所述较高磁场强度适于使得位于第二子区中的磁性粒子的磁化作用是饱和的。由于磁性粒子的磁化作用特性曲线的非线性，磁化作用以及由此由磁性粒子生成的磁场显示出高次谐波，例如能够由检测线圈检测所述高次谐波。评估的信号(信号的高次谐波)包含关于磁性粒子的空间分布的信息，所述信息能够同样用于(例如用于医疗成像)磁性粒子的空间分布的可视化和/或其他应用。
根据本发明的MPI设备基于新的物理原理(即，被称为MPI的原理)，这与其他已知的常规医疗成像技术(例如核磁共振(NMR))不同。具体而言，与NMR相反，这个新的MPI原理未采用材料对质子的磁共振特性的影响，而是通过利用磁化特性曲线的非线性来直接检测磁性材料的磁化作用。具体而言，MPI技术采用了在磁化作用从不饱和变为饱和状态的区域中的磁化特性曲线的非线性导致产生的磁信号的高次谐波。
根据优选实施例，外选择和聚焦场线圈的所述闭合环路具有环形段的形式的轮廓。换言之，所述外选择和聚焦场线圈中的每个的绕组被缠绕成闭合环路，闭合环路被布置为沿着绕所述至少一个内选择和聚焦场线圈的角区，所述角区覆盖围绕所述至少一个内选择和聚焦场线圈的环的环形段。
优选地，所述至少一组选择和聚焦场线圈包括一组至少四个外选择和聚焦场线圈。通常，可以提供更多的选择和聚焦场线圈，优选地被布置在与内线圈轴相同距离但在所述内线圈轴周围不同的角位置处。
例如，在实施例中，提出的所述至少一组选择和聚焦场线圈包括一组四个外选择和聚焦场线圈，其被布置在与内线圈轴相同距离但相对彼此位移90°角处。在其他实施例中，有更多组外选择和聚焦场线圈，各组的线圈被布置在与内线圈轴不同距离处。
在另一实施例中，所述至少一组选择和聚焦场线圈包括第一内选择和聚焦场线圈和第二内选择和聚焦场线圈，所述第二内选择和聚焦场线圈被形成为绕所述内线圈轴的闭合环路，并且具有比所述第一选择和聚焦场线圈更大的直径。可以提供被形成为在不同距离处绕内线圈轴的闭合环路的更多的内选择和聚焦场线圈。这些内选择和聚焦场线圈通常对生成磁选择场和聚焦场更有效，并且因此通常在设备工作期间始终配备控制电流。
优选地，所述至少一个内选择和聚焦场线圈和/或所述外选择和聚焦场线圈被分成至少两个(尤其是至少四个)线圈段，其中，线圈的线圈段被布置为在关联的线圈轴的方向上彼此相邻，并且其中，相邻线圈段被电连接。通过这种方式，在某些区处，尤其是接近检查区域，期望电流密度能够被控制得更高，即，所述线圈段优选地被布置为使得在关联的线圈轴的方向上，获得的电流密度随着距检查区域的距离减小而增大。这进一步增大了所生成的磁场的效率。
为了达到控制期望的电流密度的目的，能够采取对线圈段的不同措施。具体而言，与被布置为更远离检查区域的相同线圈的一个或多个线圈段相比，被布置为更接近检查区域的线圈的一个或多个线圈段由不同材料制成、具有更厚的绕组、更紧凑和/或在关联的线圈轴的方向上具有更大厚度。
在优选实施例中，所述选择和聚焦器件还包括至少一个极靴，所述极靴具有承载各个选择和聚焦场线圈的多个极靴段和连接所述极靴段的极靴轭。这样的极靴不仅充当用于各个线圈的机械载体，而且用于通过传导磁通量来增加磁场的效率。
优选地，所述至少一个极靴包括承载所述至少一个内选择和聚焦场线圈的至少一个内极靴段以及被布置在距所述内线圈轴更大距离处并且每个均承载所述至少两个外选择和聚焦场线圈中的一个的至少两个外极靴段。因此，极靴的设计适于选择和聚焦场线圈的设计，以最优地支持生成磁场的效率。
优选地，所述至少一个极靴包括至少四个外极靴段，每个外极靴段均承载外选择和聚焦场线圈。因此，对于每个外选择和聚焦场线圈，提供外极靴段，以引导关联的选择和聚焦线圈的磁场。因此，在实施例中，对于外选择和聚焦线圈的相应设计，所述至少一个极靴包括四个外极靴段，每个外极靴段均承载外选择和聚焦场线圈，所述外极靴段被布置在距内线圈轴相同距离处，但相对彼此角位移90°。另外，每个外极靴段优选具有环形段形式的横截面。
在又一实施例中，所述选择和聚焦线圈包括第二内选择和聚焦线圈，所述至少一个极靴包括以所述第一内极靴段周围的闭合环为形式的第二内极靴段，所述第二内极靴段承载所述第二内选择和聚焦场线圈。
在优选实施例中，至少一个内极靴段和外极靴段面对检查区域的头部由具有高饱和感应的软磁性材料制成，尤其是FeCo、FeSi、Fe、FeNi、Dy、Gd或其合金，例如Fe49V1.9Co49。优选地，完整的极靴应当由最好地引导磁通量的最好软磁性材料制成。然而，出于成本的原因，仅磁极的一部分由这种材料制成，以使其中具有最好的饱和磁化作用。外极靴段背对检查区域的尾部和极靴轭由饱和磁感应低于内头极靴段的材料的软磁性材料制成，尤其是FeSi、FeNi、坡莫合金或其合金，诸如，Fe73.5Cu1Nb3Si15.5B7。
此外，在实施例中，极靴由导磁片制成，其中，形成极靴段的片和极靴的相邻头部被布置在平行于内线圈轴的方向上。片用于抑制涡电流，并且被布置为传导磁通量。
优选地，形成极靴轭的尾部的片被布置在垂直于内线圈轴的方向上。这样允许引导磁通量，同时抑制涡电流。
在实施例中，所述选择和聚焦器件还包括以机械方式连接所述极靴的极靴轴承，所述极靴轴承由导磁材料制成。所述极靴轴承优选也由导磁片制成，所述导磁片被布置为在与形成极靴轴承连接到的极靴的部分的片相同的方向上彼此相邻。极靴轴承应当提供机械稳定性和良好的磁通量。
在有利的实施例中，所述至少一个内极靴段和所述至少一个内选择和聚焦场线圈被布置在与所述外极靴段和所述外选择和聚焦场线圈相比距检查区域更远距离处。这样提供了如下优点：由于驱动场线圈优选地不被布置为与外极靴段相邻，因此具有更多空间用于布置驱动场线圈，尤其在设备包括两个相对布置的选择和聚焦场线圈组和两个相对布置的极靴的情况下。
垂直于通过所述第二内极靴段面对所述检查区域的头部的所述内线圈轴的横截面优选地覆盖与通过所述第二内极靴段背对所述检查区域的尾部的平行横截面相比的较小区。这样增大了针对给定电流强度可获得的梯度场强度。
在另一实施例中，所述第二内极靴段的所述头部的外径在内线圈轴的方向上随着与检查区域的距离减小而减小。这在面对检查区域的表面上提供了更高的磁通密度，并且因此允许在检查区域内提供磁场的更高梯度。
此外，在实施例中，垂直于通过所述外极靴段面对所述检查区域的头部的所述内线圈轴的横截覆盖与通过所述外极靴段背对所述检查区域的尾部的平行横截面相比的较大区。这种措施对于实现面对检查区域的表面上的更高磁通密度也有贡献。
对在面对检查区域的表面上实现更高磁通密度有贡献的另一措施是，外极靴段的所述头部的内径距内线圈轴的距离随着距检查区域的距离减小而在内线圈轴的方向上减小。
优选地，一组选择和聚焦场线圈的线圈布置相当平坦，其中，所述外线圈轴彼此平行，并且与内线圈轴平行。线圈的这种布置节省空间，相对容易制造，并且允许更容易地计算和/或模拟可实现的磁场。
在实施例中，所述选择和聚焦器件包括
i1)第一组选择和聚焦场线圈，
i2)至少一个第二组选择和聚焦场线圈，以及
i3)选择和聚焦场发生器单元，其用于生成选择和聚焦场电流，以提供到所述第一选择和聚焦场线圈以及所述各个选择和聚焦场线圈组，以控制所述磁选择和聚焦场的生成。优选地，使用被布置在检查区域上与所述第一选择和聚焦场线圈组相对侧的一个第二选择和聚焦场线圈组，导致从设备的至少一侧更容易进入检查区域。这样允许在检查区域内容易地定位患者，例如，仅通过将患者从转运床提升到被布置在检查区域中的患者台。这样还避免了对绕检查区域共轴布置的很多线圈的需求，使得检查区域具有其间的隧道的形式，如在常规MRI扫描器中，必须要将患者移入其中。因此，患者将比在那些常规MRI扫描器中感觉到更少的不适。
在其他实施例中，提供了超过两个选择和聚焦场线圈组，它们被布置在绕检查区域的不同角位置处。例如，在三组的情况下，它们被优选地放置为相对彼此位移120°角。
优选地，第一组的选择和聚焦场线圈与至少一个第二组的选择和聚焦场线圈相同。此外，在两组的情况下，一组的各个线圈优选地被布置为恰好与另一组的每个相应线圈相对，这样也支持更容易地计算可实现的磁场。
在实施例中，所述选择和聚焦场发生器单元被配置为针对所述至少一个选择和聚焦场线圈组的每个选择和聚焦场线圈单独生成选择和聚焦场电流。这样为生成期望的磁场提供了最高灵活性，但是也需要最高数量的发生器单元/通道。
为了减少发生器单元/通道的数量，在优选实施例中提出，所述选择和聚焦场发生器单元被配置为针对所述第一选择和聚焦场线圈组和第二选择和聚焦场线圈组的每对选择和聚焦场线圈单独生成选择和聚焦场电流，其中，一对选择和聚焦场线圈包括两组中相对布置的选择和聚焦场线圈。
用于减少发生器单元/通道的数量的另一个提议提出，所述选择和聚焦场发生器单元被配置为针对所述至少一个选择和聚焦场线圈组的每对外选择和聚焦场线圈单独生成选择和聚焦场电流，其中，一对外选择和聚焦场线圈包括相同选择和聚焦场线圈组中相对布置的两个外选择和聚焦场线圈。
优选地，如上文简要所述，该设备包括被布置在所述检查区域的不同侧面上的至少两个极靴，每个极靴具有承载各个选择和聚焦场线圈的多个极靴段以及连接所述极靴段的极靴轭。
为了将至少一个选择和聚焦场线圈组与由驱动场线圈生成的磁场屏蔽，所述至少一个选择和聚焦场线圈组面对所述检查区域的内表面被屏蔽覆盖。这个屏蔽特别防止了测量信号的扰动，如果驱动场与软磁性材料相互作用会发生测量信号的扰动。
如上所述，所述驱动场线圈124被布置在两个选择和聚焦场线圈组的所述第一内选择和聚焦场线圈之间的区域中。驱动场线圈可以被设计使得它们(固定地或可移动地)被布置于两个选择和聚焦场线圈组之间。在其他实施例中，驱动场线圈有些柔性，并且能够在患者被置于检查区域内部之前，被布置在患者身体的期望部分上。
优选地，所述驱动场线圈在垂直于内线圈轴的方向上小于在两个相对的外选择和聚焦场线圈之间的所述方向上的距离。此外，优选地，所述驱动场线圈包括螺线管线圈和两对鞍形线圈，所述两对鞍形线圈被布置为围绕垂直于所述内线圈轴的中心对称轴，所述螺线管线圈被布置为围绕所述中心对称轴。
为了接收用于确定磁性粒子在检查区域内的分布的检测信号，并且因此为了生成检查区域(例如，患者心脏区域)的图像，该设备还包括接收器件，所述接收器件包括至少一个信号接收单元和用于采集检测信号的至少一个接收线圈，所述检测信号取决于视场中的磁化作用，所述磁化作用受到第一子区和第二子区的空间位置的变化的影响。
附图说明
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得到阐述。在以下附图中：
图1示出了MPI设备的第一实施例，
图2示出了由如图1中所示的设备产生的选择场图案的范例，
图3示出了MPI设备的第二实施例，
图4示出了MPI设备的第三实施例和第四实施例，
图5示出了根据本发明的MPI设备的方框图，
图6示出了通过针对MPI设备的第三实施例和第四实施例的选择和聚焦场线圈布置的实施例的两个垂直横截面，
图7示出了通过针对MPI设备的第三实施例和第四实施例的极靴布置实施例的两个垂直横截面，
图8示出了图7中示出的极靴布置的实施例的立体图，
图9示出了通过针对MPI设备的第三实施例和第四实施例的选择和聚焦场线圈布置的实施例的两个垂直横截面，
图10示出了通过图9中所示的选择和聚焦场线圈布置的一个选择和聚焦场线圈组的实施例的其中一个横截面的放大图，
图11示出了针对MPI设备的第三实施例和第四实施例的极靴布置的另一实施例的立体图，
图12示出了针对MPI设备的第三实施例和第四实施例的选择和聚焦场线圈布置的另一实施例的立体图，
图13示出了针对MPI设备的第三实施例和第四实施例的选择和聚焦场线圈布置的又一实施例的立体图，
图14示出了显示针对MPI设备的第三实施例和第四实施例作为电功率的函数的梯度场强度的示意图，
图15示出了常规驱动场线圈的等效电路图，
图16示出了常规螺线管线圈和线圈上的电势，
图17示出了提出的线圈布置线圈的等效电路图，
图18示出了提出的线圈布置和线圈上电势的实施例，以及
图19示出了在提出的线圈布置中使用的绕组类型的各种实施例。
具体实施方式
在解释本发明的细节之前，应当参考图1到图4详细解释磁性粒子成像的基本知识。具体而言，将描述用于医疗诊断的MPI扫描器的四个实施例。还将给出数据采集的非正式描述。将指出不同实施例之间的异同。通常，本发明能够用于MPI设备的所有这些不同实施例。
图1中所示的MPI扫描器的第一实施例10具有三对同轴平行圆形线圈12、14、16，这些线圈对被布置为如图1中所示。这些线圈对12、14、16用于生成选择场以及驱动和聚焦场。三个线圈对12、14、16的轴18、20、22相互正交，并且相交于单个点，被表示为MPI扫描器10的等中心24。此外，这些轴18、20、22充当附着于等中心24的3D笛卡尔x-y-z坐标系的轴。垂直轴20被指定为y轴，因此x轴和z轴是水平的。线圈对12、14、16以其轴命名。例如，y线圈对14是由扫描器顶部和底部处的线圈形成的。此外，具有正(负)y坐标的线圈被称为y+线圈(y-线圈)，其余线圈类似。在更方便的时候，坐标轴和线圈应当被标记为x1、x2和x3，而不是x、y和z。
扫描器10能够被设置为引导预定的时间相关的电流通过这些线圈12、14、16中的每个并沿任何方向。在沿线圈的轴看去时，如果电流围绕线圈沿顺时针方向流动，将被认为其是正的，否则被认为是负的。为了生成静态选择场，使恒定的正电流IS流经z+线圈，并且使电流-IS流经z-线圈。然后z线圈对16充当反平行圆形线圈对。
这里应当指出，该实施例中的轴布置和赋予轴的命名仅仅为范例，并且在其他实施例中也可能不同。例如，在实际实施例中，垂直轴通常被视为z轴而不是如本实施例中的y轴。然而，这通常不会改变装置的功能和运行以及本发明的效果。
在图2中由场线50表示通常为磁梯度场的磁选择场。它在生成选择场的z线圈对16的z轴22(例如水平)的方向上具有基本恒定的梯度，并且在该轴22上的等中心24中达到零值。从该无场点(图2中未单独示出)开始，磁选择场50的场强在全部三个空间方向上随着距无场点的距离增加而增大。在由围绕等中心24的虚线表示的第一子区或区域52中，场强很小，以至于在该第一子区52中存在的粒子的磁化作用是不饱和的，而在第二子区54(区域52外部)中存在的粒子的磁化作用处于饱和状态。在第二子区54中(即，在第一子区52外部的扫描器的视场28的剩余部分中)，选择场的磁场强度充分强，以将磁性粒子保持在饱和状态中。
通过改变两个子区52、54(包含无场点)在视场28内的位置，视场28中的(总体)磁化作用变化。通过确定视场28中的磁化作用或受磁化作用影响的物理参数，能够获得视场28中的磁性粒子的空间分布的信息。为了改变两个子区52、54(包括无场点)在视场28中的相对空间位置，向选择场50叠加其他磁场，即，磁驱动场，并且如果适当的话，叠加磁聚焦场。
为了产生驱动场，使时间相关电流ID 1流经两个x线圈12，使时间相关电流ID 2流经两个y线圈14，并且使时间相关电流ID 3流经两个z线圈16。因此，三个线圈对的每个都充当平行的圆形线圈对。类似地，为了生成聚焦场，使时间相关电流IF 1流经两个x线圈12，使电流IF 2流经两个y线圈14，并且使电流IF 3流经两个z线圈16。
应当指出，z线圈对16是特殊的：其不仅生成驱动和聚焦场的其份额，而且生成选择场(当然，在其他实施例中，可以提供单独的线圈)。流经z±线圈的电流为ID 3+IF 3±IS。流经其余两个线圈对12、14的电流为ID k+IF k，k＝1,2。由于其几何结构和对称性，三个线圈对12、14、16被很好地解耦。这正是所希望的。
选择场由反平行的圆形线圈对生成，其关于z轴是旋转对称的，并且在围绕等中心24的相当大的体积中，其z分量在z中接近线性，并且不依赖于x和y。具体而言，选择场在等中心处具有单个无场点(FFP)。相反，由平行圆形线圈对生成的对驱动和聚焦场的贡献在围绕等中心24的相当大的体积中在空间上是接近均匀的，并且平行于相应线圈对的轴。由全部三个平行圆形线圈对联合生成的驱动和聚焦场在空间上接近均匀，并且能够被赋予任何方向和强度，直到某个最大强度。驱动和聚焦场也是与时间有关的。聚焦场和驱动场之间的差异在于，聚焦场在时间上变化缓慢，并且可以具有大幅度，而驱动场变化迅速，并且具有小幅度。存在以不同方式处理这些场的物理和生物医学的原因。具有大幅度的迅速变化的场将难以生成，并且对患者存在潜在危险。
在实际的实施例中，FFP能被视为理论点，在所述FFP处，假设磁场为零。磁场强度随着与FFP的距离增大而增大，其中，对于不同方向，增长率可能不同(例如，取决于装置的具体布局)。只要磁场强度低于使磁性粒子进入饱和状态所需的场强，粒子则对由装置测量的信号的信号生成做出主动贡献；否则，粒子是饱和的，并且不生成任何信号。
MPI扫描器的实施例10具有额外至少一对，优选额外三对平行圆形线圈，同样沿着x、y和z轴取向。图1中未示出的这些线圈对充当接收线圈。如用于驱动和聚焦场的线圈对12、14、16，由流经这些接收线圈对中的一个的恒定电流生成的磁场在视场内在空间上接近均匀，并且平行于相应线圈对的轴。接收线圈假定是将被很好解耦的。在接收线圈中诱发的时间相关电压被附着于该线圈的接收器放大和采样。更确切地说，为了应对该信号的巨大动态范围，接收器对接收到的信号与参考信号之间的差异进行采样。从零赫兹(“DC”)直到预期信号电平降到噪声电平以下的频率，接收器的传递函数都是非零的。备选地，MPI扫描器没有专用的接收线圈。相反，驱动场发射线圈被用作接收线圈。
图1所示的MPI扫描器的实施例10具有沿z轴22(即，沿选择场的轴)的圆柱形孔26。所有线圈都被放置在该孔26外。为了进行数据采集，将要成像的患者(或对象)被放置在孔26中，使得患者的感兴趣体积(应当被成像的患者(或对象)的体积)被扫描器的视场28(扫描器能够对其内含物成像的扫描器体积)包围。例如，患者(或对象)被放置在患者台上。视场28是孔26内部的几何上简单的等中心体积，诸如，立方体、球、圆柱或任意形状。图1中图示了立方体视场28。
第一子区52的尺寸取决于磁选择场的梯度的强度，并且取决于饱和所需的磁场的场强，这继而取决于磁性粒子。为了使典型磁性材料在80A/m的磁场强度和总计50×103A/m2的磁选择场的场强的梯度(沿给定空间方向)下充分饱和，其中的粒子磁化未饱和的第一子区52(在给定空间方向上)具有大约1mm的大小。
患者的感兴趣体积假定包含磁性纳米粒子。在例如肿瘤的诊断成像之前，例如，通过注射到患者(对象)身体或以其他方式给予(例如口服)给患者的含磁性粒子的液体，将磁性粒子置入感兴趣体积中。
通常，存在着将磁性粒子带入视场中的各种方式。具体而言，对于要向其身体中引入磁性粒子的患者而言，能够通过使用手术和非手术方法给予磁性粒子，既有需要专家(像医疗从业者)的方法，也有不需要专家的方法，例如，能够由外行或普通技术人员或患者自己执行。在手术方法中，可能存在无风险和/或安全的例行介入，例如涉及如向血管中注射造影剂的侵入式步骤(如果这样的注射完全被视为手术方法)，即，不需要相当多专业医疗知识来执行且不涉及严重健康风险的介入。此外，能够应用非手术方法，如吞咽或吸入。
通常，在执行数据采集的实际步骤之前预先递送或预先给予磁性粒子。然而，在实施例中，也可能向视场中递送/给予更多的磁性粒子。
磁性粒子的实施例包括，例如，例如玻璃的球形基质，其具备厚度例如为5nm且由例如铁镍合金(例如坡莫合金)构成的软磁层。例如，可以通过保护粒子不受化学和/或物理侵蚀性环境(例如酸)的影响的涂层覆盖该层。使这种粒子的磁化的饱和所需的磁选择场50的磁场强度取决于各种参数，例如，粒子直径、针对磁层使用的磁性材料和其他参数。
在这种磁性粒子的直径例如为10μm的情况下，则需要大约800A/m的磁场(大致对应于1mT的通量密度)，而在直径为100μm的情况下，80A/m的磁场就足够了。在选择具有较低饱和磁化作用的材料的涂层时，或在减小层厚时，获得更小的值。
在实践中，常常使用商业上可获得的商标名为Resovist的磁性粒子(或类似磁性粒子)，其具有磁性材料的核心或被形成为整块球体，并且其具有纳米范围内(例如40或60nm)的直径。
对于一般可用磁性粒子和粒子成分的更多细节，在此援引EP1304542、WO2004/091386、WO2004/091390、WO2004/091394、WO2004/091395、WO2004/091396、WO2004/091397、WO2004/091398、WO2004/091408的对应部分，在此通过引用将其并入。在这些文献中，通常还能够找到MPI方法的更多细节。
在数据采集期间，x、y和z线圈对12、14、16生成位置相关并且时间相关的磁场，即，施加场。这是通过引导适当电流通过场生成线圈来实现的。实际上，驱动和聚焦场四处推动选择场，使得FFP沿着描绘出扫描体积的预选FFP轨迹移动，扫描体积是视场的超集。施加场对患者体内的磁性纳米粒子进行取向。随着施加场变化，得到的磁化作用也变化，尽管它对施加场是非线性响应。变化的施加场和变化的磁化作用之和沿着xk轴在接收线圈对的端子之间诱发时间相关电压Vk。关联的接收器将该电压转换成信号Sk，接收器对其进行进一步处理。
如图1中所示的第一实施例10，图3中所示的MPI扫描器的第二实施例30具有三个圆形且互相正交的线圈对32、34、36，但这些线圈对32、34、36仅生成选择场和聚焦场。同样生成选择场的z线圈36被填充铁磁材料37。本实施例30的z轴42被垂直取向，而x轴和y轴38、40被水平取向。扫描器的孔46平行于x轴38，从而垂直于选择场的轴42。由沿x轴38的螺线管(未示出)和沿两个其余轴40、42的鞍形线圈对(未示出)生成驱动场。围绕着形成孔的管道缠绕这些线圈。驱动场线圈还充当接收线圈。
为了给出这种实施例的一些典型参数：选择场的z梯度G具有强度G/μ0＝2.5T/m，其中，μ0为真空磁导率。驱动场的时间频率谱集中于25kHz附近的窄频带中(直到大约150kHz)。接收到的信号的有用频谱位于50kHz和1MHz之间(最后直到大约15MHz)。孔具有120mm的直径。拟合到孔46中的最大立方体28具有120mm/√2≈84mm的边长。
由于场生成线圈的构造在现有技术中(例如，从磁共振成像领域中)是众所周知的，但这里不必进一步详述这个主题。
在用于产生选择场的替代实施例中，能够使用永久磁铁(未示出)。在这种(相对)永久磁铁(未示出)的两极之间的空间中，形成有类似于图2所示的磁场，亦即，在相对极具有相同极性时形成的磁场。在另一备选实施例中，能够通过混合至少一个永久磁铁和至少一个线圈来生成选择场。
图4示出了MPI设备200、300的一般外部布局的两个实施例。图4A示出了提出的MPI设备200的实施例，其包括两个选择和聚焦场线圈单元210、220，它们基本相同且被布置于在其间形成的检查区域230的相对侧。此外，驱动场线圈单元240被布置在选择和聚焦场线圈单元210、220之间，所述选择和聚焦场线圈单元210、220位于患者(未示出)的感兴趣区域周围。选择和聚焦场线圈单元210、220包括若干个选择和聚焦场线圈，用于生成表示上述磁选择场和磁聚焦场的组合磁场。具体而言，每个选择和聚焦场线圈单元210、220都包括优选相同的一组选择和聚焦场线圈。下文将解释所述选择和聚焦场线圈的详情。
驱动场线圈单元240包括用于生成磁驱动场的多个驱动场线圈。这些驱动场线圈可以包括几对驱动场线圈，尤其是用于在空间中三个维度中的每个中生成磁场的一对驱动场线圈。在实施例中，驱动场线圈单元240包括用于空间中的两个不同方向的两对鞍形线圈以及用于在患者的纵轴上生成磁场的螺线管线圈。
选择和聚焦场线圈单元210、220通常被安装到保持单元(未示出)或房间的墙壁上。优选地，在选择和聚焦场线圈单元210、220包括用于承载相应线圈的极靴的情况下，保持单元不仅在机械上保持选择和聚焦场线圈单元210、220，而且还为磁通量提供路径，所述路径连接两个选择和聚焦场线圈单元210、220的极靴。
如图4A中所示，两个选择和聚焦场线圈单元210、220中的每个包括屏蔽层211、221，用于将选择和聚焦场线圈从由驱动场线圈单元240的驱动场线圈生成的磁场屏蔽开。
在图4B中所示的MPI设备201的实施例中，仅提供了单个选择和聚焦场线圈单元220以及驱动场线圈单元240。通常，单个选择和聚焦场线圈单元就足以生成所需的组合式磁选择和聚焦场。因此，所述单个选择和聚焦场线圈单元220可以被集成到(未示出的)患者台中，患者被放置于患者台上以进行检查。优选地，驱动场线圈单元240的驱动场线圈可以被已经预先布置为围绕患者的身体，例如，作为柔性线圈元件。在另一实施方式中，驱动场线圈单元240能够是开放的，例如，在轴向方向上如图4B中的分离线243、244所示，可分成两个子单元241、242，因此患者能够被放置于其间，并且驱动场线圈子单元241、242之后能够被耦合在一起。
在MPI设备的其他实施例中，可以提供更多的选择和聚焦场线圈单元，其优选地被布置为根据检查区域230周围的均匀分布。然而，使用的选择和聚焦场线圈单元越多，进入检查区域以在其中放置患者并在检查期间由医疗辅助或医生接近患者自身的可能性受限就越多。
图5示出了根据本发明的MPI设备100的大致方框图。除非另作说明，上文解释的磁性粒子成像的一般原理对于本实施例也是有效且适用的。
图5中所示的设备100的实施例包括用于生成期望磁场的各种线圈。首先，将解释线圈及其在MPI中的功能。
为了生成组合式磁选择和聚焦场，提供选择和聚焦器件110。磁选择和聚焦场具有在其磁场强度的空间图案，从而在视场28中形成具有低磁场强度的第一子区(图2中的52)和具有较高磁场强度的第二子区(图4中的54)，其中，在所述第一子区中，磁性粒子的磁化作用是未饱和的，并且其中，在所述第二子区中，磁性粒子的磁化作用是饱和的，视场是检查区域230的小部分，常规上通过使用磁选择场来实现检查区域230。此外，通过使用磁选择和聚焦场，视场28在检查区域230内的空间位置能够被改变，如常规上使用磁聚焦场所做的那样。
选择和聚焦器件110包括至少一组选择和聚焦场线圈114以及选择和聚焦场发生器单元112，用于生成选择和聚焦场电流，以提供到所述至少一组选择和聚焦场线圈114(表示图4A、图4B中所示的选择和聚焦场线圈单元210、220中的一个)，以控制所述磁选择和聚焦场的生成。优选地，为至少一组选择和聚焦场线圈114的每个线圈元件(或每对线圈元件)提供单独的发生器子单元。所述选择和聚焦场发生器单元112包括可控的电流源(通常包括放大器)和滤波器单元，为相应的线圈元件提供场电流，以独立地设置每个线圈对磁选择和聚焦场贡献的梯度强度和场强。应当指出，也能够省略滤波器单元114。
为了生成磁驱动场，设备100还包括驱动器件120，驱动器件120包括驱动场信号发生器单元122和一个驱动场线圈组124(表示图4A、图4B中所示的驱动线圈单元240)，用于通过磁驱动场来改变两个子区在视场中的空间位置和/或尺寸，使得磁性材料的磁化作用局部变化。如上所述，所述驱动场线圈124优选地包括两对相对布置的鞍形线圈125、126和一个螺线管线圈127。其他实施方式(例如三对线圈元件)也是可能的。
驱动场信号发生器单元122优选地包括用于所述驱动场线圈组124的每个线圈元件(或至少每对线圈元件)的单独驱动场信号生成子单元。所述驱动场信号发生器单元122优选地包括驱动场电流源(优选地包括电流放大器)和滤波器单元(对于本发明也可以省略)，用于向相应的驱动场线圈提供时间相关的驱动场电流。
选择和聚焦场信号发生器单元112和驱动场信号发生器单元122优选地受到控制单元150的控制，所述控制单元150优选地控制选择和聚焦场信号发生器单元112，使得选择场的所有空间点的场强之和以及梯度强度之和被设置到预定水平。为了达到该目的，控制单元150还能够配备由用户根据MPI设备的期望应用的控制指令，然而，根据本发明优选地省略控制指令。
为了使用MPI设备100以确定磁性粒子在检查区域(或检查区域中的感兴趣区域)中的空间分布，尤其是获得所述感兴趣区域的图像，提供信号检测接收器件148(尤其是接收线圈)以及信号接收单元140，其接收由所述接收器件148检测到的信号。优选地，在实践中提供三个接收线圈148和三个接收单元140(每个接收线圈一个)，但也能够使用超过三个接收线圈和接收单元，在这种情况下，采集到的检测信号不是3维的，而是K维的，K为接收线圈的数量。
所述信号接收单元140包括用于过滤接收到的检测信号的滤波器单元142。这种滤波的目的是将由检查区域中的磁化作用导致的测量值与其他干扰信号分开，检查区域中的磁化作用受到两个部分区(52、54)的位置改变的影响。为此，可以设计滤波器单元142，例如使得时间频率小于操作接收线圈148的时间频率或小于这些时间频率两倍的信号不通过滤波器单元142。然后经由放大器单元144向模拟/数字转换器146(ADC)发送信号。
由模拟/数字转换器146产生的数字化信号被馈送至图像处理单元(也被称为重建器件)152，图像处理单元从这些信号和接收相应信号期间第一磁场的第一部分区52在检查区域中呈现的且图像处理单元152从控制单元150获得的相应位置来重建磁性粒子的空间分布。最后经由控制器件150向计算机154发送重建的磁性粒子的空间分布，计算机154在监视器156上显示该空间分布。因此，能够显示示出了磁性粒子在检查区域的视场中分布的图像。
在MPI设备100的其他应用中，例如，用于影响磁性粒子(例如用于高热症治疗)或用于移动磁性粒子(例如，附着于导管以移动导管或附着于药剂以将药剂移动到某个位置)，也可以省去或简单地不使用接收器件。
此外，可以任选地提供输入单元158，例如键盘。因此，用户能够设置最高分辨率的期望方向，并且继而接收监视器156上的作用区域的相应图像。如果需要最高分辨率的关键方向偏离由用户首先设置的方向，用户仍然能够手动地改变方向，以便产生具有改善的成像分辨率的另一图像。也可以由控制单元150和计算机154自动操作这种分辨率改善过程。本实施例中的控制单元150设置第一方向上的梯度场，将其自动估计或由用户设置为起始值。然后逐步改变梯度场的方向，直到这样接收的图像的分辨率(由计算机154进行比较)最大，不再相应地被改善。因此能够发现最关键方向相应自动调整，以便接收最高可能的分辨率。
尽管根据本发明，选择场线圈和聚焦场线圈通常被实现为单独元件，但根据本发明的优选实施例，所述选择和聚焦场线圈114包括至少一个内选择和聚焦场线圈115和一组至少两个外选择和聚焦场线圈116、117，所述至少一个内选择和聚焦场线圈115被形成为关于内线圈轴115a的闭合环路，所述一组至少两个外选择和聚焦场线圈116、117被布置在距所述内线圈轴115a比所述至少一个内选择和聚焦场线圈115更大的距离并且处于不同的角位置，每个外选择和聚焦场线圈都被形成为关于关联外线圈轴116a、117a的闭合环路，如示出垂直横截面的图6A和图6B所示。优选地，如图6B中的虚线指示的，提供两个额外的外选择和聚焦场线圈118、119，每个额外的外选择和聚焦场线圈都被形成为关于关联外线圈轴118a、119a的闭合环路。
根据本发明，一般可能选择和聚焦场器件仅包括图6所示的各个线圈。然而，根据本发明优选地，选择和聚焦场器件是一个或多个极靴形式的磁性材料(尤其是软磁性材料)和电磁线圈的组合。至少一个极靴用于传导磁通量，从而用于增加所需磁场的生成。
图7和图8中示出了极靴布置的实施例，其中，图7A和图7B示出了通过极靴布置300的两个垂直横截面，并且图8示出了极靴布置300的立体图。在极靴布置300的该实施例中，提供两个极靴310、320，它们经由极靴轴承330连接，所述极靴轴承机械地承载并磁性耦合两个极靴310、320。在该实施例中，尽管这些图中示出的极靴310、320具有这里示出的几何性质，但这里极靴轴承330的特定形状仅被示为简单范例，而用于实际应用的特定形状将由构造参数(如所需稳定性)来确定。
如图7和图8所示，每个极靴310、320都包括至少一个(在该实施例中为两个)内极靴段，分别为311、312以及321、322，以及至少两个(在该实施例中为四个)外极靴段，分别为313-316和323-326。此外，每个极靴310、320分别包括极靴轭317和327，其连接相同极靴的各个极靴段。
公共极靴的所有极靴段都被共轴布置为绕公共内线圈轴115a，其中，第二内极靴段312、322被布置为围绕相应内极靴段311、321的环。外极靴段313-316和323-326分别被设计为围绕内线圈轴115a以相同距离布置的环段的形式，但具有不同的角位置，如图7B所示。
极靴的这种布置(如下文所示和所述布置选择和聚焦场线圈的各个线圈)对于实现选择和聚焦场线圈(第一子区52)的期望运动是有利的。外极靴段的分割(这里分成两到四段(一般至少两段，但更多段也是可能的))，对于FFP沿x和y方向的运动是尤其有利的。
在实际实施中，内极靴段311、321(在z方向上)之间的距离di至少足够大，以至于患者和驱动场线圈能够被布置在其间。这意味着，距离di应当至少为40cm，优选至少45cm。外极靴段b之间的距离do可以稍小，因为其间一般不布置驱动场线圈。因此，距离do应当至少为25cm，优选至少40cm。
极靴一般由软磁性材料制成。优选地，两个内极靴段311、312和321、322以及头部313h-314h和323h-324h(参见图7A；其他外极靴段的头部在该图中未被明确示出)分别由软磁性材料制成，并且具有高饱和度感应，尤其是FeCo、Fe、Dy、Gd或其合金，诸如Fe49V1.9Co49(诸如已知商标名为Vacoflux48的材料)。备选地，可以使用FeNi，但这种材料具有较低的饱和感应。优选地，外极靴段背对检查区域的尾部313t、314t和323t、324t(外极靴段315或316、325、326的尾部未被明确示出)，并且极靴轭由同样的材料制成。然而，出于成本的原因，可能由具有比内头极靴段的材料更低的饱和感应的软磁性材料来制造它们，尤其是FeSi、FeNi、坡莫合金或其合金，诸如Fe73.5Cu1Nb3Si15.5B7(通常被称为Nanoperm)。
图9示出了通过选择和聚焦场线圈布置400的实施例的两个垂直横截面，其中，各个选择和聚焦场线圈被安装在极靴布置300上，如图7和图8所示。
图10示出了将用于解释其更多细节的单个选择和聚焦场线圈子单元410的放大图。第一内极靴段311承载被形成为围绕所述第一内极靴段311的环的第一内选择和聚焦场线圈115。第二内选择和聚焦场线圈113被形成为由第二内极靴段312承载的另一环形线圈，所述环形线圈自身被形成为围绕所述第一内选择和聚焦场线圈115的环。四个外选择和聚焦场线圈116、117(图9和图10中仅示出了两个外选择和聚焦场线圈；图9和图10中未示出其他两个外选择和聚焦场线圈)由相应的外极靴段313、314、315、316承载。所述外选择和聚焦场线圈116、117的每个都围绕其关联的外极靴段313、314、315、316缠绕，使得电流绕着相应的外极靴段流动。每个外极靴段313、314、315、316都被布置为以不同角位置围绕内线圈轴115a的环形段的形式。
于是，图9A中示出的选择和聚焦场线圈布置400包括共计十二个选择和聚焦场线圈、上选择和聚焦场线圈子单元410中的六个线圈(线圈113、115-119)以及下选择和聚焦场线圈子单元420中的六个线圈(线圈133、135、136；其余两个线圈在图9A中不可见)。然而，这个数字仅应被理解成范例性数字。其他数字也是可能的。通常，希望有至少六个(优选至少八个)选择和聚焦场线圈单元。
优选地，对于每个选择和聚焦场线圈，提供单个选择和聚焦场发生器子单元，从而能够通过向选择和聚焦场线圈提供独立电流来独立控制每个选择和聚焦场线圈。然而，也能够将选择和聚焦场线圈耦合在一起，并为它们提供公共电流，从而能够减少选择和聚焦场发生器子单元的数量。例如，在实施例中，为两个外选择和聚焦场线圈116和117提供公共电流。类似地，将其他两个外选择和聚焦场线圈耦合在一起。这意味着，对于这样的选择和聚焦场线圈布置，需要总共八个选择和聚焦场发生器子单元。
在另一实施例中，两个不同选择和聚焦场线圈子单元410、420的两个相对布置的选择和聚焦场线圈被耦合在一起并且配备公共电流。例如，右侧两个(图9中)外选择和聚焦场线圈可以被耦合在一起并且配备相同的电流。同样的情况对于其他外选择和聚焦场线圈也成立。
优选地，根据实施例，一个或多个选择和聚焦场线圈被分成至少两个(尤其是至少四个)线圈段，其中，线圈的线圈段被布置为在关联线圈轴的方向上(这意味着，如果，所有线圈轴如描绘的实施例中是平行的，在内线圈轴115a的方向上)彼此相邻，并且其中，相邻线圈段是电连接的。优选地，如图9和图10中所示，所有选择和聚焦场线圈都被分成若干个线圈段，如图9A和图10中的多个线圈样本分割线指示的。
例如，第一内选择和聚焦场线圈115被分成由图10中的字母A、B、C、D指示的四个线圈段。类似地，第二内选择和聚焦场线圈113和各个外选择和聚焦场线圈116、117被分成由字母A、B、C指示的多个线圈段，等。
这样将选择和聚焦场线圈分成若干个段能够实现沿相应选择和聚焦场线圈的不同的电流密度。作为范例性实施例，下表总结了针对每个线圈段的最大电流密度。针对电流密度的这些范例性值是考虑到选择和聚焦场线圈的不同位置在不同线圈中需要大电流而通过模拟运行获得的。总体上，总的电功率在-100kW。第一内选择和聚焦场线圈中的最大功率为49kW，而用于第二内选择和聚焦场线圈中的电流不大于38kW。在每个外选择和聚焦场线圈中，消耗不超过20kW。
优选地，线圈段被布置为使得在关联线圈轴的方向上，获得的电流密度随着距检查区域的距离减小而增大。使用各个实施例是为了获得这种结果。优选实施例包括，与被布置为远离检查区域的相同线圈的一个或多个线圈段相比，被布置为更接近检查区域的线圈的一个或多个线圈段由不同材料制成，具有更厚的绕组，更紧凑和/或在关联线圈轴方向上具有更大厚度。例如，使用不同线圈段的电流密度的比率来确定应当在每个线圈内如何改变导线横截面。然而，在实践中，由于导线制造商通常仅提供有限数量的横截面值，肯定需要与理论值的偏差。
从图9和图10中能够进一步观察到，在本优选实施例中，垂直于通过第二内极靴段312面对检查区域的头部312h的内线圈轴115a的横截面(即，沿图10中所示线X的横截面)覆盖比通过所述第二内极靴段312背对所述检查区域的尾部312t的截面平行横截面(即沿图10中所示线Y)更小的区域。
优选地，所述第二内极靴段312的所述头部312h的外径在内线圈轴315a的方向上随着距检查区域230的距离减小而减小。换言之，头部312h的外缘在内线圈轴315a的方向上倾斜。
再者，垂直于通过外极靴段313、314(对于图10中未明确示出的其他外极靴段是同样情况)面对所述检查区域的的头部313h、314h的内线圈轴315a的横截面(即，沿线X的轴)覆盖比通过所述外极靴段313、314背对检查区域的尾部313t、314t的平行横截面更大的区域(即，沿线Y的横截面)。
再者，外极靴段313、314(对于其他未示出的外极靴段是同样情况)的所述头部313h、314h的内径距内线圈轴315a的距离在内线圈轴115a的方向上随着距检查区域330的距离减小而减小。换言之，头部313h、314h的内缘在内线圈轴115a的方向上倾斜。
如图所示，围绕与对应极靴段相比具备相同外部形状的相应的极靴段移动第二内选择和聚焦场线圈113以及外选择和聚焦场线圈116、117(对于其他未示出的外选择和聚焦场线圈同样成立)，然而，并非必须要求这样。
这些措施在内极靴段311、312和面对检查区域的内选择和聚焦场线圈113、115的表面上提供了最高通量密度，尤其用以获得磁场的高梯度。应当指出，外极靴段的外缘也能够倾斜到内线圈轴115a的方向，以进一步增强这种效果。
为了将视场28移动通过检查区域(常规上是使用磁聚焦场来实现的)，通常不需要为所有选择和聚焦场线圈提供电流。具体而言，为了在向上或向下方向上(即，沿内线圈轴115a的内方向)移动视场28，主要使用两个内选择和聚焦场线圈115、113。例如，如果希望在下选择和聚焦场线圈子单元420的方向上从上选择和聚焦场线圈子单元410移动视场28，增大向下选择和聚焦场线圈子单元420的第一内选择和聚焦场线圈提供的电流和向上选择和聚焦场线圈子单元410的第二内选择和聚焦场线圈提供的电流。备选地或额外地，减小向上选择和聚焦场线圈子单元410的第一内选择和聚焦场线圈提供的电流和向下选择和聚焦场线圈子单元420的第二内选择和聚焦场线圈提供的电流。不必使用外选择和聚焦场线圈进行这种移动。
如果希望在垂直于内线圈轴115a的方向上移动视场28，为外选择和聚焦场线圈额外提供电流。具体而言，由所述外选择和聚焦场线圈在沿期望移动方向且垂直于内线圈轴115a的方向上生成额外的磁场。例如，如果希望图9中从左至右的移动，额外生成具有左侧的北极和右侧的南极(或反之)的磁场。通过向外选择和聚焦场线圈提供的电流幅度，能够控制应当在这个方向上将视场28移动多远。
以上解释仅提供了通常如何能够实现视场的移动的简要想法。当然，在实践中，需要精确控制电流，然而，这只不过是强烈取决于总体布置的精确布局的实施方式的问题。
对于极靴而言，应当指出，它们优选地由导磁片制成，其中，形成内极靴段311、312的片和极靴310的极靴轭317的相邻头部317h(对于内极靴段和其他极靴320的极靴轭是同样情况)被布置为沿着平行于内线圈轴315a的方向。形成极靴轭317的尾部317t的片(对于其他极靴轭327是同样情况)优选地被布置为在基本上垂直于内线圈轴315a的方向上。这提供了磁通量的最优连接。
在使用两个或更多由极靴轴承330连接的极靴的情况下，如图8中所示，优选极靴轴承330也由被布置为在相同的方向上彼此相邻的导磁片制成，所述导磁片形成与极靴轴承被连接到的极靴的部分。例如，如果极靴轴承连接到极靴轭的头部，极靴轴承的片优选地被布置在垂直于内线圈轴的方向上。形成极靴轴承的片也被布置为至少在与极靴轭的连接处垂直于内线圈轴315a的方向上。通常，片应当被布置使得实现最好的磁通量连接。
图11示出了极靴布置500的实施例的立体图。与图8中所示的极靴布置300相比，在该实施例中，外极靴段不被形成为环形段，而是(第一极靴510的)外极靴段512-517和(第二极靴520的)522-527被形成为棒形圆柱，优选与内极靴段511、521的形状相同。这种布置的优点是显著节省了成本，因为仅需要制造一种或两种极靴。如果至少极靴的第二个环(图11中未示出)被布置为围绕中央极靴，则实现了主要优点。在其他实施例中，还可以使用其他形式的极靴段，尤其是其他形式的外极靴段。
图12示出了选择和聚焦场线圈布置600的另一实施例的立体图。在该实施例中，使用图11中绘制的极靴布置500，其中，为每个极靴段提供围绕环形线圈611-617缠绕的独立选择和聚焦场线圈(用于上选择和聚焦场线圈子单元610；对于下选择和聚焦场线圈子单元620同样适用)。
存在选择和聚焦场线圈布置的其他实施例。例如，在图13中所示的选择和聚焦场线圈布置600'的又一实施例中，大的圆柱形磁场激励线圈631、632被放置在每个选择和聚焦场线圈子单元610、620外部和周围。此外，可能围绕磁性轴承630布置一个或多个额外的磁场线圈640，以进一步增强磁场。
应当指出，除了各个选择和聚焦场线圈之外，此外还可以在每个选择和聚焦场线圈子单元中提供永久性材料，以进一步增强磁选择场的生成，以生成选择和聚焦场线圈。这种永磁体将优选地被定位于接近软磁性材料的检查区域替代部分。
此外，应当指出，优选地提供冷却器件来冷却一些或全部线圈。冷却器件可以使用像水或油的冷却流体。线圈可以由铜或铝制成，但也可能由超导材料来制造它们，之后使用适当的冷却剂(诸如氦)来冷却。对于高温超导导体，能够使用气态氦来实现冷却。对于低温超导导体，能够使用液态氦来实现冷却。
使用上述几何结构执行不同的模拟运行。下文总结了通过这种方式获得的结果。
对于位于几何结构中心的FFP，利用30kW的电功率获得2.5T/m的梯度场强度。使用90kW的电功率，梯度场强度增大到3.3T/m。图14示出了梯度场强度如何随着电功率增大。对于这些模拟，仅有内选择和聚焦场线圈。在外选择和聚焦场线圈中没有电流流动。具体而言，第二内选择和聚焦场线圈中的电功率是第一内选择和聚焦场线圈中的四倍。
相对于z方向上的运动，使用内选择和聚焦场线圈，FFP可以被放置在z轴上距原点10cm距离处。利用92kW的总功耗，获得的梯度场强度为2.5T/m。电功率在线圈间如下分布。对于处在FFP移动方向上的极靴，第一内选择和聚焦场线圈消耗49kW，而第二内选择和聚焦场线圈中没有电流流动。对于另一方向中的极靴，第一内选择和聚焦场线圈消耗5kW，而在第二内选择和聚焦场线圈中38kW是必要的。
相对于x和/或y方向上的移动，使用外选择和聚焦场线圈，能够沿x和/或y移动FFP。例如，在其中一个模拟中，FFP被放置在x轴上距原点10.1cm距离处。在此，使用100kW的总电功率。在其中四个外选择和聚焦场线圈中消耗掉40kW的功率，而剩余60kW用于内选择和聚焦场线圈中。获得的梯度场强度为2.2T/m。虽然如此，梯度相当不均匀。使用通用计算方法，获得的值为Gx＝-0.69T/m和Gy＝-1.51T/m。
对于某些应用(MR)，希望生成没有FFP但相当均匀的磁场。因此执行模拟，在所述模拟中，反转其中一个内极靴中的电流方向。使用所有线圈和可用功率(100kW)的不同分布，在原点处观察到的最大场强为0.45T。场强沿z增大，并且沿x/y减小。
为了计算磁场中存储的能量，在体积V上计算积分在我们的模拟中，存储在磁场中的观察到的最大能量低于40kJ。在试图获得均匀(MR)场的模拟中看到该最大值。
接下来，将解释根据本发明提出的优选线圈布置，尤其是作为驱动场线圈，但也作为选择场线圈、聚焦场线圈和/或选择和聚焦场线圈。首先，在图15中示出了包括简单匹配电路的常规驱动场线圈(用于MPI设备中)的等效电路图，并且在图16中示出了常规螺线管线圈和线圈上的电势。在图15的等效电路中，还给出了典型的电压值和电流值。驱动场线圈LD正在生成感兴趣体积中磁场的迅速变化部分，对象/动物/患者将被置于所述感兴趣体积中。线圈主要是电感性的，具有小电阻部件；线圈的总Q因数超过200。由串联电容器Cs和并联电容器Cp实现与功率放大器(未示出)的匹配，所述功率放大器被连接到等效电路的左侧。
图16示出了螺线管线圈700的范例，其被用于解释本发明的想法，然而，也可以应用于其他种类(形状)的线圈中，例如，鞍形线圈。而且，提出的创意对于高电流谐振器(这里未示出，例如耦合线圈LM或耦合变压器)内的其他线圈也成立。图16还示出了绕组的电势V1如何沿着电感器710(即，沿着位置p)增大。相对于地电势测量该电势。置于螺线管线圈700内的孔720内部的对象被视为处于该地电势。因此，绕组电势的增大对应于保护对象不受这一极高电压影响的绝缘体(未示出)两端电压的增大。
图17示出了提出的线圈布置线圈的等效电路图，并且图18示出了提出的线圈布置的实施例和线圈上的电势。通常，根据本发明，提出了一种线圈布置800，其包括被分成至少两个线圈段(在该实施例中，分成三个线圈段LD1、LD2、LD3)的线圈810，以及被耦合在至少两个相邻线圈段之间的电容器(在该实施例中，被耦合于三个线圈段LD1、LD2、LD3之间的两个电容器C内部1、C内部2)。通常在至少一个线圈段与另一线圈段之间，优选如本实施例中提出的，在线圈段到线圈段之间，反转线圈段LD1、LD2、LD3的绕组方向。
在该实施例中，在图15和图16中所示的常规线圈布置中使用的电容Cs分布于若干个(n-1+2＝4；n为线圈段的数量)电容器上，尤其是线圈电气内部为n-1＝2，线圈外部2个。对于n＝3个线圈段的情况，该关系为：
N＝3个线圈段LD1、LD2、LD3间电压ULD之和保持不变。如图15中所推导的那样，ULD恰好是图17的三个电压之和ULD1+ULD2+ULD3。以下方程示出了这个关系(但它在两个方面被简化：三个感应系数LD1、LD2、LD3未必相同，三个感应系数之间的互耦合也可以包括在精确分析中)：
ULD＝jωLD·I＝jω(LD1+LD2+LD3)·I＝jωLD1I+jωLD2I+jωLD3I＝ULD1+ULD2+ULD3
乍一看，线圈段LD1、LD2、LD3的绕组可以被布置为使其间具有保护距离，因为在属于邻近线圈段的相邻绕组之间具有巨大电压差。这导致绝缘难题由其间的保护距离解决。然而，这样的距离消耗了很多有用空间。
因此，根据本发明提出改变绕组方向(但并非针对生成的场方向)。这是通过交换邻近线圈段LD1、LD2、LD3的连接点来实现的。具体而言，经由第一内部电容器C内部1将第一线圈段LD1的结束点B耦合到第二线圈段LD2的结束点C，并且经由第二内部电容器C内部2将第二线圈段LD2的起始点D耦合到第三线圈段LD3的起始点E。换言之，与图16中所示的线圈布置700相比，交换点C和点D。这样不可思议地避免了沿绕组由如电势V21、V22、V23所示的高电势差。实际上，用于邻近线圈段的相邻绕组现在具有相同电压，这会显著减小击穿风险。
通常，沿螺线管线圈的孔的最优电流密度分布旨在在正中心并在仅有给定片厚以填充铜/导体的约束下导致最大场。最优地，所有空间都填充铜。最优电流分布沿孔不是一致的，但在中心具有最大值，并且从中心移动越远，变得越来越小。
在MPI的场中，驱动场的频率大约为25到40kHz，需要使用利兹线。通常，连续的利兹线不能改变导线类型，即，一个或多个导线参数，如横截面、直径、单线直径、充填因子等。减小电流密度的唯一方法是低密度地放置利兹线。然而，这会浪费导体之间很多有用空间。克服这个问题的方案是没有单根连续利兹线。那么就能够在一个线圈段和另一个线圈段之间改变导线类型或计数。现在，由于需要焊接连接点，这个接头表示大量的固体材料。由于其易于产生涡流加热，所以优选将其置于线圈外部。
图19示出了用于提出的线圈布置中的绕组类型的各个实施例。根据本发明使用若干个线圈段提供了容易使用不同绕组类型的可能性。电容器端子位置处的接头是能够改变绕组类型的位置。这些接头被放置得距线圈自身稍远，即，在由线圈生成的磁场外部。因此，能够使用不同的绕组类型的能力提供了如下优点：能够实现最优的电流密度分布和最优空间使用。
作为范例，在线圈段n中，索引为k的每个绕组都由相同类型的两个(或更多)平行利兹线构成。例如，这些导线中的每个都可以由23000股平行的直径20μm导线制成，具有0.5的充填因子和大约4mm的外径。这种绕组类型会在两倍长度的孔上分布给定电流，因此将电流密度减小2倍。由于电阻也被平分(两根导线并联)，所以在这种线圈段中，每单位孔长度上的总电阻损耗仅为“正常”线圈段的25％(根据定义，应当用于线圈的中心)。
在线圈段n+1中，采用更大的导线直径，其基本上具有与线圈段n相同的效果。线圈段n+2使用更大的导线直径，具有不同导线类型，例如不同的充填因子或单股导线的不同直径(通常20μm左右)。在段n+3中，“正常”线圈段位于中心，在中心处需要获得最大电流密度。
应当指出，真实的线圈布置一般不使用如图19所示的所有各种绕组类型和/或这种序列中的绕组类型，而是图19应当仅被理解为可以使用的绕组类型的各个范例的解释。
尽管已经在附图和前面的描述中详细图示并描述了本发明，但这样的图示和描述被认为是例示性或范例性的，而非限制性的；本发明不限于公开的实施例。通过研究附图、公开和所附权利要求，本领域的技术人员在实践请求保护的本发明时能够理解和实现对所公开实施例的其他变化。
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可以完成权利要求中列举的若干项的功能。在互不相同的从属权利要求中列举特定手段的简单事实并不表示不能有利地使用这些手段的组合。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种线圈布置，尤其用于磁性粒子成像设备(100)中，包括：
-线圈，其被分为至少两个线圈段，其中，在至少一个线圈段到另一个线圈段之间反转绕组方向，
-电容器，其被耦合在至少两个相邻线圈段之间。
2.根据权利要求1所述的线圈布置，其中，在线圈段与线圈段之间反转所述绕组方向。
3.根据权利要求1所述的线圈布置，其中，所述线圈被分为2到10段，尤其是2到5段。
4.根据权利要求1所述的线圈布置，其中，所述线圈被分为奇数个线圈段。
5.根据权利要求1所述的线圈布置，其中，所述线圈是螺线管线圈或鞍形线圈。
6.根据权利要求1所述的线圈布置，其中，所述线圈段由利兹线制成。
7.根据权利要求1所述的线圈布置，其中，至少两个线圈段包括不同绕组类型的绕组，尤其是使用不同的导线直径、不同的绞合线直径充填因子、平行的多条导线或绞合线、多类型导体、多类型绝缘体和/或多类型导线的不同绕组类型的绕组。
8.根据权利要求1所述的线圈布置，其中，至少一个线圈段使用由平行缠绕的两条利兹线制成的绕组。
9.一种用于影响和/或检测视场(28)中的磁性粒子的设备(100)，所述设备包括：
-选择器件，其包括选择场信号发生器单元(110)和选择场元件(116)，用于生成在具有其磁场强度的空间图案的磁选择场(50)，使得在视场(28)中形成具有低磁场强度的第一子区(52)和具有较高磁场强度的第二子区(54)，其中，在所述第一子区(52)中，所述磁性粒子的所述磁化作用是未饱和的，并且其中，在所述第二子区(54)中，所述磁性粒子的所述磁化作用是饱和的，
-驱动器件(120)，其包括驱动场信号发生器单元(122)和驱动场线圈(124；125、126、127)，用于通过磁驱动场来改变所述两个子区(52、54)在所述视场(28)中的空间位置，使得所述磁性材料的所述磁化作用发生局部改变，
其中，表示选择场元件的至少一个驱动场线圈和/或至少一个选择场线圈由根据权利要求1所述的线圈布置来实施。
10.根据权利要求9所述的设备(100)，包括：
选择和聚焦器件(120)，其包括所述选择器件，用于生成具有其磁场强度的空间图案的磁选择和聚焦场(50)，使得在所述视场(28)中形成所述第一子区(52)和所述第二子区(54)，并且用于改变所述视场(28)在检查区域(230)内的所述空间位置，所述选择和聚焦器件包括至少一组选择和聚焦场线圈(114；113、115-119)以及选择和聚焦场发生器单元(112)，所述选择和聚焦场发生器单元(112)用于生成要提供给所述至少一组选择和聚焦场线圈(114；113、115-119)的选择和聚焦场电流，以控制所述磁选择和聚焦场的所述生成，
其中，所述至少一组选择和聚焦场线圈包括
-至少一个内选择和聚焦场线圈(113、115)，其被形成为关于内线圈轴(115a)的闭合环路，第一内选择和聚焦场线圈(115)，以及
-一组至少两个外选择和聚焦场线圈(116-119)，其被布置在比所述至少一个内选择和聚焦场线圈(113、115)距所述内线圈轴(115a)更大距离处并且处在不同角位置，每个外选择和聚焦场线圈被形成为关于关联外线圈轴(116a-119a)的闭合环路。
11.根据权利要求10所述的设备(100)，
至少一个选择和聚焦场线圈由根据权利要求1所述线圈布置来实施。
12.根据权利要求10所述的设备(100)，
其中，所述选择和聚焦器件还包括至少一个极靴(310、320；510、520)，所述至少一个极靴具有承载各个所述选择和聚焦场线圈的多个极靴段(311-316)以及连接所述极靴段(311-316)的极靴轭(317)。
13.根据权利要求10所述的设备(100)，其中，所述选择和聚焦器件包括
i1)第一组选择和聚焦场线圈(113、115-119)，
i2)至少一个第二组选择和聚焦场线圈(133、135、136)，以及
i3)选择和聚焦场发生器单元(112)，其用于生成要提供给所述第一选择和聚焦场线圈以及所述各组选择和聚焦场线圈的选择和聚焦场电流，以控制所述磁选择和聚焦场的所述生成。
14.根据权利要求10所述的设备(100)，
其中，所述驱动场线圈(125-127)被布置在所述两组选择和聚焦场线圈的所述第一内选择和聚焦场线圈之间的区域中。
15.根据权利要求10所述的设备(100)，
其中，所述驱动场线圈包括螺线管线圈和两对鞍形线圈(125、126)(127)，所述两对鞍形线圈(125、126)被布置为围绕垂直于所述内线圈轴(115a)的中心对称轴(250)，并且所述螺线管线圈(127)被布置为围绕所述中心对称轴(250)。
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