CN1774280B - 影响磁性颗粒的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于影响作用区域内磁性颗粒的方法和设备。借助具有磁场产生工具的装置，产生一空间不均匀的磁场，该磁场具有至少一个区域(301)，颗粒的磁化在该区域中处于未饱和状态，而在其余区域中处于饱和状态。通过在该作用区域内平移所述区域，产生磁化的变化，该变化可以从外部探测到并提供关于该作用区域内磁性颗粒空间分布的信息。备选地，可以频繁地重复该平移，使得该作用区域加热升温。为了改善该作用区域的可接近性，所述区域位于具有磁场产生工具的装置的外部。

Description

影响磁性颗粒的方法和设备

技术领域

本发明涉及用于影响作用区域内磁性颗粒的方法和设备。

背景技术

磁性颗粒相对容易探测，并因此可以用于检查和调查(特别是医疗方面)。德国专利商标局编号为DE10151778.5、标题为“Verfahren zurErmittlung der

Verteilung magnetischer Partikel”(“确定磁性颗粒空间分布的方法”)的尚未公开专利申请中描述了用于确定检查区域中磁性颗粒空间分布的这种方法，以及适用于该方法的磁性颗粒的使用及用于执行该方法的装置。下文中将该专利申请称为D1。为了能够确定检查区域(例如作用区域)内磁性颗粒的空间分布，产生空间不均匀的磁场，在该磁场的至少一个区域内，颗粒的磁化处于不饱和状态，而在其余区域内处于饱和状态。改变所述区域在检查区域内的位置可产生磁化的变化，可以从外部探测到该磁化的变化，且该磁化的变化可以提供关于检查区域内磁性颗粒空间分布的信息。

磁性颗粒也可以用于局部地对其周围加热，特别是在医疗高热(medical hyperthermia)中。德国专利商标局编号为DE10238853.9、标题为“Verfahren zur lokalenmit magnetischen Partikel”(“使用磁性颗粒局部加热的方法”)的尚未公开专利申请中描述了通过改变磁性或者可磁化物质的磁化而局部加热对象区域的方法及该类型的***。下文中将该专利申请称为D2。磁性颗粒位于对象的目标区域(即作用区域)内。为了局部加热目标区域，产生一不均匀的磁场，该磁场具有磁场强度的空间图案，使得在目标区域内产生第一子区域和第二子区域，其中第一子区域具有低的磁场强度(其中的磁性颗粒未饱和)，第二子区域(其中的磁性颗粒已饱和)围绕第一子区域且其具有较高的磁场强度。随后改变目标区域内该两个子区域的空间位置并保持其处于特定频率足够长时间，使得这些颗粒由于磁化中频率改变而加热到预期温度。

在专利申请D1和D2中描述的方法和设备中，检查对象至少部分地被磁场产生装置所包围。检查区域或目标区域的可接近性由此受到削弱。例如这会导致医疗检查中敏感病人出现焦虑状态。

发明内容

因此本发明的目标为改善检查区域或者目标区域的可接近性。

通过用于影响作用区域内磁性颗粒的方法而实现该目标，该方法包括如下步骤：

a)产生磁场，该磁场具有磁场强度的空间图案，使得在该作用区域内形成具有低磁场强度的第一子区域(301)和具有较高磁场强度的第二子区域(302)，该作用区域位于围绕具有磁场产生工具的装置的空间的外部，

b)改变该作用区域内这两个子区域的空间位置，使得局部改变这些颗粒的磁化。

在本发明中，由具有磁场产生工具的装置产生空间上不均匀的磁场。用于产生磁场的工具例如可以是有电流流过的线圈或者是永久磁铁。该装置因此通常包括三维结构，该结构由所述线圈和/或永久磁铁组成，且在空间上有一定程度的延伸，从而可定义围绕所述装置的空间。作用区域位于具有磁场产生工具的装置所占据空间的外部，使得可以从尽可能多的方向自由地访问磁场流过的作用区域。与此相反，在例如D1和D2中描述的具有磁场产生工具的装置每个组成一个麦克斯韦线圈装置。该装置的作用区域位于该麦克斯韦线圈装置的两个线圈之间，即在所述装置内部或者在围绕该装置的空间的内部。由于根据本发明设备的作用区域的可接近性改善，医疗检查或治疗中病人的精神压力得到降低，这是因为例如病人在其中不会觉得被包围。

诸如D1或D2中所描述的磁性颗粒例如位于该作用区域内。第一子区域内的磁场弱，使得这些颗粒的磁化偏离外部磁场的程度更大或者更小，这意味着其未饱和。该第一子区域优选地为空间连贯区域；该子区域可以为点状区域，也可以为一条线或者一个面。在该第二子区域(即在第一子区域外部的检查区域的其余部分)内，磁场强度足够大，以保持这些颗粒处于饱和状态。当实际上所有颗粒的磁化近似沿外部磁场的方向时，磁化饱和，使得当磁场强度进一步增大时，该子区域内磁化的增加基本上小于第一子区域内与相应磁场增大相对应的磁化的增加。

改变该两个子区域的空间位置的一个可能方法为彼此相对地移动用于产生磁场的线圈和/或永久磁铁装置(或其部分)和包括该磁性颗粒的对象。当使用非常大的梯度(显微镜)检查非常小的对象时，这是优选的方法。相反，还描述了不要求任何机械移动的优选实施例。这种情况下可以相对快速地改变这两个子区域的空间位置，这提供了依赖于作用区域磁化的信号采集的附加优点。

根据一个实施例，可将根据本发明的方法用于确定磁性颗粒的空间分布。在该作用区域内改变这两个子区域的位置导致该作用区域内(整体)磁化的改变。因此，如果测量该作用区域内的磁化或者受其影响的物理参数，可以从这些测量导出关于该作用区域内磁性颗粒空间分布的信息。实践中，这些颗粒并不具有相同的磁学性能。例如，在某个磁场强度下，部分颗粒可能饱和而另一部分颗粒处于未饱和状态。然而，这在磁化特性中产生(附加的)非线性；当该两个子区域的位置改变时，该非线性导致该作用区域内磁化的改变。

在一个实施例中，获得与作用区域内磁化的时间变化成比例的信号。如果这些信号要尽可能地大，尽可能快地改变作用区域内两个子区域的空间位置则是重要的。为了获得这些信号，可以利用用于在作用区域内产生磁场的线圈。然而，优选地使用单个线圈。可以通过时间可变磁场而改变该子区域的空间位置。如果是这样，在线圈中感应出类似环形的信号。然而，证实难以接收该信号，因为作用区域内产生的信号和时间可变磁场同时激活；因此无法容易区分磁场感应的信号和作用区域内磁化变化感应的信号。

在一个实施例中，可以加热位于作用区域内的磁性颗粒。如果略微改变第一子区域的空间位置，位于第一子区域内的颗粒或者从第一子区域变化到第二子区域或从第二子区域变化到第一子区域的颗粒的磁化在第一子区域的空间位置变化后发生改变。磁化变化的结果为，由于颗粒中公知的磁滞效应或者与磁滞效应类似的效应，或者由于颗粒运动的激活，产生热消耗，且这些颗粒的周围媒介的温度在加热区域升高。如果磁场的第一子区域移动穿过整个作用区域，则该加热区域对应作用区域。第一子区域越小，绝对最小加热区域的尺寸越小。

由于磁化的仅仅一次改变只产生相对少量的热，所以必须多次改变磁化。在特定时间内需要进行这种改变的数目(即频率)以及加热区域内颗粒周围媒介温度的相应增大取决于颗粒浓度、每次改变所产生的热量(该热量反过来取决于颗粒结构和磁化反转的速度)、以及散逸到检查区域的周围区域内的热量。

例如文件D1和D2中所描述的磁性颗粒被认为是适用于根据本发明的方法的磁性颗粒。因此在此将不对该磁性颗粒进行任何描述，读者可参考文件D1和D2。

在一个实施例中，详细说明了用于执行根据本发明的方法的设备。在该设备的实施例中，设有梯度线圈装置以在作用区域中产生磁场。该磁场在沿绕组的轴的一点上为零，并在该点的两侧以相反的极性几乎线性地增大。只有在磁场为零的点的周围区域内的饱和颗粒中，磁化未饱和。在该区域外部的颗粒中，磁化处于饱和状态。特别地，在设备的一个实施例中，可以产生这种类型的梯度磁场。

根据一个实施例，不仅可以将作用区域置于具有磁场产生工具的装置的外部，还可以将该作用区域在空间上与整个设备分隔开。这种情况下，围绕该设备的框架的壁例如可置于该作用区域和该设备之间。只要包括磁性颗粒的对象位于作用区域内并靠近框架的侧面，就可以执行根据本发明的方法。此外，可以保护位于该设备中用于执行根据本发明方法的装置，使其免受外部影响。如果该***框架不透明，在医学检查、调查或处理时病人无法看到设备内部，这样可以进一步降低病人的精神压力。如果检查对象在检查时躺在台子上，可以排列该装置。

在一个实施例中，磁场零点周围的梯度线圈装置所产生的区域(即第一子区域)在作用区域内被时间可变磁场平移。如果这个磁场随时间的变化遵从适当的图案且取向恰当，磁场的零点可以按该方式穿过整个作用区域。发生这种情况时，可以加热该作用区域或者可以确定磁场的空间分布。

在一个实施例中，可以探测到与磁场零点位移一起发生的磁化改变，且可从测量信号确定检查区域内磁性颗粒的空间分布。用于接收在作用区域内产生的信号的线圈在这种情况下可以为正被用于在作用区域内产生磁场的线圈。然而，使用单独的接收线圈也有优点，因为可以将这个线圈与产生时间可变磁场的线圈装置去耦合。同样地，使用一个线圈可以获得信噪比的改善，但使用多个线圈时信噪比的改善更大。在分析接收信号时利用了这样的事实：颗粒的磁化特性在磁化从未饱和状态变化到饱和状态的区域内不是线性的。该非线性确保，例如，随时间以频率f正弦变化的磁场引起非线性区域内频率为f(基波)以及为频率f整数倍(谐波或者高次谐波)的时间可变感应。对谐波进行分析的优点为，磁场(该磁场同时激活以使得零磁场点偏移)的基波对分析没有影响。

对于其它特殊实施例，读者在这一点上可以参考文件D1和D2。

参考下述实施例，本发明的这些及其它方面将变得明显并将得到详述。

附图说明

在附图中：

图1示出了用于执行根据本发明的方法的设备。

图2a和图2b示出了该设备内含有的线圈装置所产生的磁力线图案。

图3示出了位于作用区域内的磁性颗粒之一。

图4a和图4b示出了这种颗粒的磁化特性。

图5为图1所示的设备的电路方框图。

具体实施方式

使用图1所示设备可以执行根据本发明的方法。出于检查目的，病人将自己直接置身于框架2b的垂直侧面2a之前。备选地，所示设备也可以设成用于水平操作。如果实际情况如此，框架的侧面2a水平延伸，病人躺在该侧面上。为此，框架的侧面2a可以设置成病床，或者在框架的侧面2a上附加地安装病床。在检查之前，病人1服下含有磁性颗粒的液体或者食物。

图3示出了这种类型的颗粒。该颗粒包括例如由玻璃制成的球形衬底100，该衬底涂敷了例如厚度为5nm的软磁层101，该软磁层101由例如铁镍合金(例如坡莫合金)组成。可以使用涂层102覆盖该层，该涂层可防止颗粒受酸侵蚀。D1和D2中更加确切地描述这种类型的颗粒。图4a和4b示出了磁化特性，即在含有该颗粒的分散中磁化M随磁场强度H变化的函数。可以看出，磁化M的变化不大于磁场强度+H_c，且不小于磁场强度-H_c，这意味着存在饱和磁化。磁化位于+H_c和-H_c之间时未饱和。

图4a示出了如果没有另外的磁场被激活时，正弦磁场H(t)的影响。磁化以磁场H(t)的频率有规则地往返于其饱和值之间。磁化最终随时间的变化用图4a中的参考M(t)表示。可以看出，磁化类似地循环变化，这意味着在线圈外部感应出类似的循环信号。由于磁化特性的非线性，该信号在形式上不再是纯粹的正弦，而是包括有谐波，即正弦基波的高阶谐波。可以容易地将这些谐波与基波分离开，该谐波是对颗粒浓度的一种度量。

图4b示出了叠加了静磁场H₁的正弦磁场H(t)的影响。由于磁化处于饱和状态，实际上不受该正弦磁场H(t)的影响。磁化M(t)在该区域不随时间变化。因此，磁场H(t)并不导致磁化状态的改变，也不产生用适当线圈可以探测到的可探测信号。

为了能够获得关于检查对象(此处为病人)内磁性颗粒空间浓度的信息，在图1所示设备的框架2b之内或之上设有线圈和多对线圈，这些线圈的磁场穿过作用区域。该作用区域在这种情况下位于框架的垂直侧面2a的前面，即位于框架2b外部。第一对线圈3包括互相共轴环绕的两个绕组3a和3b，所述绕组内电流具有相反的环路方向，其公共轴近似垂直地延伸穿过框架的垂直侧面2a。图2a和2b中用磁力线300，300a和300b表示以这种方式产生的梯度磁场。由外部绕组3a产生的磁场的磁力线300a示成实线，由内部绕组3b产生的磁场的磁力线300b示成虚线。由两个绕组产生的磁场相互叠加形成用磁力线300所示的磁场。该磁场沿线圈对3的公共轴方向具有梯度，且其值沿该轴在某一点达到零。选择沿该公共轴的零磁场点的位置，使其位于框架2b外部并位于病人所在的作用区域的内部。从该零磁场点开始，随着与该点距离的增大，磁场强度沿空间的所有三个方向都增大。在围绕该零磁场点的区域301(第一子区域)内(在图中示出了该区域)，磁场强度低，使得其中的磁性颗粒的磁化未饱和。在301之外的其余区域(第二子区域302)内，颗粒的磁化处于饱和状态。

可以改变该装置的各种参数，从而沿公共轴定位零磁场点。如果流过绕组3a的电流强度增大或者流过绕组3b的电流强度降低，零磁场点沿绕组3a和3b方向中的公共轴偏移。相反，如果流过绕组3a的电流强度降低或者流过绕组3b的电流强度增大，零磁场点沿相反方向偏移。此外，通过改变绕组3a和3b的直径，可以影响零磁场点的位置，特别是其起始位置。另外，线圈装置的大小必须确保第二子区域302在空间上的范围至少对应于作用区域的空间范围，使得不在子区域301内的所有磁性颗粒均保持饱和状态。

确定设备空间分辨率的区域301的大小一方面取决于梯度磁场的梯度大小，另一方面取决于饱和所需的磁场强度。要考虑更基本的问题，读者可参考文件D1和D2。

在此应指出，出于制图技术的原因，图2a和2b中所示相对尺寸并未按比例绘制。例如，相对于绕组3a和3b形成的线圈的直径而言，所示子区域301尺寸过大，相对于该绕组的直径而言，所示形成绕组3a和3b的导体截面(偶然地这些截面的尺寸可以相同)尺寸过大。

如果在作用区域的梯度磁场上叠加另外的磁场，那么区域301沿该另外的磁场方向偏移，偏移的距离随该磁场的强度增大。如果叠加的磁场是时间可变的，则区域301的位置相应地随时间发生变化，并且因此发生空间上的变化。为了产生能够在空间上对于任一预期方向时间可变的这些磁场，提供了三个另外的线圈装置。具有绕组的线圈4产生一磁场，该磁场沿形成线圈对3a和3b的线圈轴方向延伸，即水平地延伸。原则上，使用这对线圈能得到的效果也可以通过将沿相同方向的电流叠加到线圈对3a和3b内的反向电流而得到，其结果为，一对线圈内的电流将减少，另一对线圈内的电流将增大。如果由分离的线圈对产生时间恒定的梯度磁场和时间可变的垂直磁场，这可能是一个优点。

为了产生空间上垂直于线圈3a和3b的公共轴而延伸的磁场，设有具有绕组5a，5b和6a，6b的另外两对线圈，其中绕组5a，5b和6a，6b位于框架2b的侧面2a上的各自小框架内。这种情况下，排列形成线圈对的线圈，使得其轴类似地位于公共的线圈对轴上。这两个线圈对轴延伸穿过作用区域，不仅相互垂直且垂直于线圈装置3中各线圈的轴，且该轴与后者相交于一公共点，优选地相交于线圈装置3的零磁场点。

然而，将线圈对5和6的绕组5a，5b和6a，6b置于框架2b的内部也是可能的。为此，例如，围绕线圈装置3的公共轴对称地排列四个绕组5a，5b和6a，6b，并且互相相对地定位形成一对线圈的绕组。该绕组可以置于线圈装置3的内部或外部。由绕组5a，5b，6a，6b形成的线圈轴平行于线圈装置3的公共轴延伸或者与该公共轴形成非90°的角度，这意味着形成特定线圈对的绕组轴不再位于公共轴上。该装置使得在框架2b外部的作用区域内，沿特定线圈对的绕组之间的弓形区域形成具有与线圈装置3公共轴垂直的分量的磁场。绕组5a，5b，6a和6b的形状无需一定为圆形，允许优化为特殊的弓形磁场，也可以为其它形状

最后，图1中还示出了另一个线圈7，其目的是探测作用区域内产生的信号。原则上，任何一对产生磁场的线圈3至6均可用于此目的。然而，使用单独的接收线圈具有优点。可以获得更好的信噪比(特别是如果使用多个接收线圈)，且可以排列和切换线圈，使其与其它线圈去耦合。备选地，线圈7也可以制成独立元件的形式，例如为手提式的，并由病人将该线圈置于其肠胃区域前面。

图5为图1所示设备的电路框图。由可控电流源31对示意性示出的线圈对3(为了简化，在图5中省略了所有线圈对的后缀a和b)供应直流电，控制单元10可控制开启或关闭该直流电。控制单元10与工作站12协作，该工作站设有用于显示表示作用区域内颗粒分布的图像的监视器13。用户可以通过键盘或者某些其它输入单元14进行输入。

线圈装置4，5，6内的线圈接收来自电流放大器41，51，61的电流。由各个波形发生器42，52和62预设待放大的电流I_x，I_y和I_z随时间变化的波形，这些电流产生预期的磁场。波形发生器42，52，62受控制单元10控制，该控制单元计算特定检查程序所需的随时间变化的波形，并将其载入至波形发生器。在检查过程中，从波形发生器读出这些信号并将其输入放大器41，51，61，该放大器从这些信号产生线圈对4，5和6所需的电流。

一般说来，区域301与其位于梯度线圈装置3中心位置的偏移和流过梯度线圈装置的电流之间存在非线性关系。此外，如果区域301的位置沿从中心伸出的直线漂移，则所有三个线圈一般必然产生磁场。在预设了电流随时间变化的波形处，例如借助适当的工作台可由控制单元实现这一点。因此区域301可以沿任何预期形状的路径偏移穿过作用区域

线圈7接收的信号通过适当的滤波器71传输到放大器72。模拟数字转换器73将放大器72的输出信号数字化，并且传输到图像处理单元74，该图像处理单元根据该信号以及在接收该信号期间区域301所占据的位置重构颗粒的空间分布。

例如，为了说明在图1和5中所示设备的各部分中发生的各种信号波形，为了说明在二维或者多维内延伸的区域内零磁场点的位移，以及为了说明重构沿x方向延伸的一维对象或者甚至多维对象内颗粒浓度所需的信号采集，诸如考虑数学问题，读者可参考文件D1和D2。在文件D1和D2中还可以找到对于可以用于目前情形的磁性颗粒的更深入解释

根据本发明的方法与磁共振方法相比的优点在于其不需要产生强的、空间均匀磁场的磁铁。关于时间稳定性和线性的这些强制要求比磁共振方法小许多，使得这样一个设备的构建比MR设备的构建简单许多。关于磁场空间变化的强制要求也较小，使得可以使用具有“铁芯”(软磁芯，例如铁)的线圈，使得线圈效率更高，尺寸更小。

根据本发明的方法也可以结合MR检查进行，这种情况下至少部分当前的线圈可用于接受或者接收磁信号。

与文件D2相一致，图1至5所示设备和方法也可以用于局部加热磁性颗粒周围区域。用于此用途时线圈7可以省略，因为局部加热中探测不到信号。由于图1所示设备与D2中所述设备具有相似部件，D2中描述的方法也可以应用于本发明。

Claims (12)

1.用于确定作用区域内具有非线性磁化特征的磁性颗粒的空间分布的方法，该方法包括如下步骤：

a)产生磁场，该磁场具有磁场强度的空间图案，使得在该作用区域内形成具有低磁场强度的第一子区域(301)，在第一子区域所述磁性颗粒的磁化是非饱和的，以及具有较高磁场强度的第二子区域(302)，在该第二子区域所述磁性颗粒的磁化是饱和的，该作用区域位于围绕具有磁场产生工具的装置的空间的外部，

b)改变该作用区域内这两个子区域的空间位置，使得局部改变这些磁性颗粒的磁化，

c)获得依赖于该作用区域的磁化的信号，该磁化受空间位置变化影响，

d)分析该信号以获得关于作用区域内磁性颗粒空间分布的信息。

2.权利要求1所述的方法，其中产生位置和时间可变磁场，以改变该作用区域内两个子区域的空间位置。

3.权利要求1所述的方法，其中接收并分析由该作用区域内磁化的时间变化而引起的至少一个线圈中的感应信号，从而获得关于该作用区域内磁性颗粒空间分布的信息。

4.权利要求1所述的方法，其中以一种频率改变两个子区域的空间位置并保持足够长时间，使得该作用区域得到加热。

5.一种用于确定作用区域内具有非线性磁化特征的磁性颗粒的空间分布的设备，该设备包括：

a)具有磁场产生工具的装置，该磁场具有磁场强度的空间图案，使得在作用区域内形成具有低磁场强度的第一子区域(301)，在第一子区域所述磁性颗粒的磁化是非饱和的，以及具有较高磁场强度的第二子区域(302)，在该第二子区域所述磁性颗粒的磁化是饱和的，该作用区域位于围绕具有磁场产生工具的装置的空间的外部，

b)用于改变该作用区域内这两个子区域的空间位置，使得局部地改变磁性颗粒的磁化的工具，

c)用于获得信号的工具，该信号依赖于该作用区域的磁化，该磁化受空间位置变化影响，

d)用于分析该信号以获得关于作用区域内磁性颗粒空间分布信息的工具。

6.权利要求5所述的设备，其中磁场产生工具包括用于产生梯度磁场的梯度线圈装置，该梯度磁场具有相反的方向，并且具有穿过该作用区域的第一子区域中磁场为零的通道。

7.权利要求6所述的设备，该设备具有至少两个相互同心排列的线圈，在工作状态时流过所述线圈的电流具有相反的环路方向。

8.权利要求6所述的设备，该设备具有至少一个线圈和位于该线圈内部或者外部的至少一个永久磁铁。

9.权利要求5所述的设备，该设备具有围绕该装置的框架，在该框架之外，作用区域位于该框架侧面的前面。

10.权利要求5所述的设备，该设备具有一工作台，该作用区域位于该工作台上方。

11.权利要求6所述的设备，该设备具有用于产生至少一个时间可变磁场的工具，该时间可变磁场叠加在该梯度磁场上，其目的为在该作用区域内平移该两个子区域。

12.权利要求5的设备，该设备具有用于接收作用区域内磁化时变而感应的信号的线圈装置。

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