Удаление фона при получении изображений с использованием магнитных частиц

Изобретение относится к устройству и способу обнаружения магнитных частиц в поле зрения, которые позволяют удаление фоновых сигналов. Устройство содержит: средство выбора, содержащее блок (110) генератора сигналов поля выбора и элементы (116) поля выбора для создания магнитного поля (50) выбора, имеющего такую пространственную структуру его напряженности магнитного поля, что в поле (28) зрения формируются первая подзона (52), имеющая низкую напряженность магнитного поля, где намагничивание магнитных частиц не доходит до насыщения, и вторая подзона (54), имеющая более высокую напряженность магнитного поля, где намагниченность магнитных частиц доходит до насыщения, средство (120) возбуждения, содержащее блок (122) генератора сигнала возбуждающего поля и катушки (124; 125, 126, 127) возбуждающего поля для изменения положения в пространстве двух подзон (52, 54) в поле (28) зрения посредством возбуждающего магнитного поля, чтобы намагничивание магнитного материала изменялось локально, приемное средство, содержащее блок (140) приема сигнала и приемную катушку (148) для получения сигналов обнаружения, причем сигналы обнаружения зависят от намагничивания в поле (28) зрения и на намагничивание влияют изменения положения первой и второй подзон (52, 54) в пространстве, и средство (152) реконструкции для реконструкции изображения поля (28) зрения из сигналов обнаружения, причем спектр упомянутых сигналов обнаружения включает в себя множество частотных составляющих, при этом одна или более из упомянутых частотных составляющих выбираются и/или взвешиваются путем использования коэффициента качества конкретного сигнала частотной составляющей, полученного из результатов измерений фоновых сигналов, причем для реконструкции изображения используются только выбранные и/или взвешенные частотные составляющие. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 18 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству и способу обнаружения магнитных частиц в поле зрения, которые позволяют удаление фоновых сигналов. Настоящее изобретение относится, в частности, к области получения изображений с использованием магнитных частиц.

Уровень техники

Томография с использованием магнитных частиц (MPI) является быстро развивающимся способом получения медицинских томографических изображений. Первые варианты MPI были двумерными, при которых создавались двумерные изображения. Более новые версии являются трехмерными (3D). Четырехмерное изображение движущегося объекта может быть создано объединением временной последовательности трехмерных изображений в движущееся изображение при условии, что объект не будет значительно изменяться за время сбора данных одиночного трехмерного изображения.

MPI является способом получения изображений посредством реконструкции, подобным компьютерной томографии (CT) или магнито-резонансной томографии (MRI). Соответственно, MPI-изображение интересующего объема объекта создается в два этапа. Первый этап, относящийся к сбору данных, выполняется, используя сканер MPI. Сканер MPI имеет средство создания статического магнитного градиентного поля, называемого ʺполем выбораʺ, которое обладает одиночной точкой, свободной от поля, (FFP) или линией, свободной от поля (FFL), в изоцентре сканера. Более того, эта FFP (или FFL; ссылка на ʺFFPʺ в дальнейшем должна обычно пониматься как означающая FFP или FFL) окружается первой подзоной с низкой напряженностью магнитного поля, которая, в свою очередь, окружается второй подзоной с более высокой напряженностью магнитного поля. Кроме того, сканер имеет средство создания зависимого от времени, пространственно близкого к однородному магнитного поля. Фактически, это поле получается наложением быстро меняющегося поля с малой амплитудой, называемого ʺвозбуждающим полемʺ, и медленно меняющегося поля с большой амплитудой, называемого ʺфокусирующим полемʺ. Добавляя зависящее от времени и фокусирующее поля к статическому полю выбора, FFP может перемещаться вдоль заданной траектории FFP через ʺобъем сканированияʺ, окружающий изоцентр. Сканер также имеет конструкцию из одной или более, например, трех, приемных катушек и может регистрировать любые напряжения, наведенные в этих катушках. Для сбора данных объект, изображение которого должно быть получено, помещается в сканер таким образом, что интересующий объем объекта попадает в поле зрения сканера, являющееся субнабором объема сканирования.

Объект должен содержать магнитные наночастицы или другие магнитные нелинейные материалы; если объектом является животное или пациент, перед сканированием животному или пациенту вводится контрастное вещество, содержащее такие частицы. Во время сбора данных сканер MPI направляет точку FFP вдоль заранее выбранной траектории, которая намечает/охватывает объем сканирования или, по меньшей мере, поле зрения. Магнитные наночастицы внутри объекта испытывают воздействие изменяющегося магнитного поля и реагируют изменением своей намагниченности. Изменяющаяся намагниченность наночастиц индуцирует зависящее от времени напряжение в каждой из приемных катушек. Это напряжение оцифровывается в приемнике, связанном с приемной катушкой. Выборки с выхода приемников регистрируются и образуют собранные данные. Параметры, управляющие подробностями сбора данных, являются ʺпротоколом сканированияʺ.

На втором этапе формирования изображения, называемом реконструкцией изображения, из данных, собранных на первом этапе, вычисляется или реконструируется изображение. Изображение является дискретной трехмерной матрицей, представляющей дискретную аппроксимацию зависящей от положения концентрации магнитных наночастиц в поле зрения. Реконструкция обычно выполняется компьютером, исполняющим соответствующую компьютерную программу. Компьютер и компьютерная программа реализуют алгоритм реконструкции. Алгоритм реконструкции основывается на математической модели сбора данных. Для всех способов получения изображений с помощью реконструкции эта модель формулируется как интегральный оператор, совершающий действия над собранными данными; алгоритм реконструкции старается, в возможной степени, раскрыть действие модели.

Такие устройство и способ MPI обладают тем преимуществом, что они могут использоваться для изучения произвольных объектов исследования, например, человеческих тел, неразрушающим образом и с высоким пространственным разрешением как вблизи от поверхности, так и вдали от поверхности объекта исследования. Такое устройство и способ, в целом, известны и впервые были описаны в патенте DE 101 51 778 A1 и работе Gleich, B. и Weizenecker, J. (2005), ʺTomographic imaging using the nonlinear response of magnetic particlesʺ, Nature, том 435, стр. 1214-1217, в которой также, в целом, описан принцип реконструкции. Устройство и способ получения изображений с использованием магнитных частиц (MPI), описанные в этой публикации, используют преимущества, даваемые нелинейной кривой намагничивания малых магнитных частиц.

Изменения фоновых сигналов и ложные сигналы, которые возникают при калибровочных сканированиях MPI и сканированиях объекта, могут сильно ухудшить качество изображения. Различные источники фоновых сигналов демонстрируют различное спектральное поведение, поэтому вклады, вносимые источником сигнала, неравномерно распределяются по полосе пропускания при измерении, варьируясь по интенсивности и временной структуре между различными частотными составляющими.

Дополнительно, конструкция устройства MPI и способы, описанные до настоящего времени, пока еще не являются оптимальными для людей.

Документ WO 2010/008478 А2 раскрывает устройсто получения изображений с использованием магнитных частиц, содержащее магниты, создающие градиентное магнитное поле, имеющее свободную от поля область, электромагниты возбуждающего поля, создающие радиочастотное магнитное поле внутри свободной от поля области, высокодобротные приемные катушки, обнаруживающие реакцию магнитных частиц в свободной от поля области на возбуждающее поле. Электромагниты, подающие поле, создают однородное магнитное поле, перемещающее свободную от поля область через поле зрения, позволяя сканировать область получения изображения для оптимизации времени сканирования, мощности сканирования, разогрева усилителя, SAR, dB/dt и/или скорость нарастания. Также обеспечиваются эффективные способы сканирования с мультиразрешающей способностью. Интермодуляционные низкочастотные и радиочастотные возбуждающие сигналы обрабатываются, чтобы создать изображение распределения магнитных наночастиц внутри области получения изображения. Единое совокупное изображение вычисляется, используя деконволюцию многочисленных сигналов на различных гармониках.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в обеспечении устройства и способа обнаружения магнитных частиц в поле зрения, которые позволяют проводить обследование более крупных объектов (людей, животных), в частности, взрослых людей, и которые позволяют удалять фоновые сигналы.

В первом варианте настоящего изобретения представляется устройство для оказания воздействия и/или обнаружения магнитных частиц в поле зрения, причем упомянутое устройство содержит:

- средство выбора, содержащее блок генератора сигналов поля выбора и элементы поля выбора для создания магнитного поля выбора, имеющего такую пространственную структуру его напряженности магнитного поля, что в поле зрения формируются первая подзона, имеющая низкую напряженность магнитного поля, где намагничивание магнитных частиц не доходит до насыщения, и вторая подзона, имеющая более высокую напряженность магнитного поля, где намагниченность магнитных частиц доходит до насыщения,

- средство возбуждения, содержащее блок генератора сигнала возбуждающего поля и катушки возбуждающего поля для изменения положения в пространстве этих двух подзон в поле зрения посредством возбуждающего магнитного поля, так чтобы намагничивание магнитного материала изменялось локально,

- приемное средство, содержащее по меньшей мере один блок приема сигнала и по меньшей мере одну приемную катушку для сбора сигналов обнаружения, причем сигналы обнаружения зависят от намагничивания в поле зрения и на намагничивание влияют изменения положения первой и второй подзон в пространстве, и

- средство реконструкции для реконструкции изображения поля зрения из сигналов обнаружения, при этом спектр упомянутых сигналов обнаружения содержит множество частотных составляющих, в котором одна или более из упомянутых частотных составляющих выбираются и взвешиваются путем использования коэффициента качества конкретного сигнала частотной составляющей, полученного из результатов измерений фоновых сигналов, и в котором для реконструкции изображения используются только выбранные и взвешенные частотные составляющие.

В другом варианте настоящего изобретения представляется устройство для оказания воздействия и/или обнаружения магнитных частиц в поле зрения, причем упомянутое устройство содержит:

i) средство выбора и фокусировки для формирования магнитного поля выбора и фокусировки, имеющего пространственную структуру его напряженности магнитного поля, такую, что в поле зрения и для изменения положения в пространстве поля зрения внутри области обследования формируются первая подзона, имеющая низкую напряженность магнитного поля, в которой намагничивание магнитных частиц не доходит до насыщения, и вторая подзона, имеющая повышенную напряженность магнитного поля, в которой намагничивание магнитных частиц доходит до насыщения, причем упомянутое средство выбора и фокусировки содержит по меньшей мере один набор катушек поля выбора и фокусировки и блок генератора поля выбора и фокусировки для формирования токов поля выбора и фокусировки, которые должны обеспечиваться для упомянутого по меньшей мере одного набора катушек поля выбора и фокусировки для управления формированием упомянутого магнитного поля выбора и фокусировки,

в котором упомянутый по меньшей мере один набор катушек поля выбора и фокусировки содержит

- по меньшей мере одну внутреннюю катушку поля выбора и фокусировки, формируемую как замкнутый контур вокруг оси внутренней катушки, и

- группу по меньшей мере из двух внешних катушек поля выбора и фокусировки, расположенных на большем расстоянии от упомянутой оси внутренней катушки, чем упомянутая по меньшей мере одна внутренняя катушка поля выбора и фокусировки, и в разных угловых положениях, причем каждая из них формируется как замкнутый контур вокруг соответствующей оси внешней катушки, и

ii) средство возбуждения, содержащее блок генератора сигнала возбуждающего поля и катушки возбуждающего поля для изменения положения в пространстве и/или размера двух подзон в поле зрения посредством возбуждающего магнитного поля, так чтобы намагничивание магнитного материала локально изменялось,

iii) приемное средство, содержащее по меньшей мере один блок приема сигнала и по меньшей мере одну приемную катушку для сбора сигналов обнаружения, причем сигналы обнаружения зависят от намагничивания в поле зрения и на намагничивание влияют изменения положения первой и второй подзон в пространстве, и

iv) средство реконструкции для реконструкции изображения поля зрения из обнаруженных сигналов, при этом спектр упомянутых обнаруженных сигналов содержит множество частотных составляющих, в котором одна или более из упомянутых частотных составляющих выбираются и/или взвешиваются путем использования коэффициента качества конкретного сигнала частотной составляющей, полученного из результатов измерений фоновых сигналов, и в котором для реконструкции изображения используются только выбранные и взвешенные частотные составляющие.

В варианте осуществления представляется компьютерная программа, содержащая средство программного кода, чтобы заставить компьютер управлять устройством в соответствии с настоящим изобретением для выполнения этапов способа, соответствующих настоящему изобретению, когда упомянутая компьютерная программа выполняется на компьютере.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения определяются в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понимать, что заявленные способ и компьютерная программа имеют схожие и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления расположения катушек, как заявленного, так и определенного в зависимых пунктах формулы изобретения.

Настоящее изобретение основано на идее индивидуальной обработки выбранной или каждой частотной составляющей сигналов обнаружения для определения и удаления фона. Сигналы обнаружения, в целом, зависят от намагничивания в поле зрения, а также от фонового сигнала системы. Медленно изменяющийся фоновый сигнал может определяться специальными фоновыми измерениями, например, разбросанными при сканировании в моменты, когда никакой материал магнитного трасера не присутствует в чувствительном объеме получения изображения, как предложено в предпочтительном варианте осуществления. Изменения фонового сигнала, более быстрые, чем период времени между измерениями фона, не могут быть удалены этим способом. Однако, сигналы на частотах, на которые сильно влияют быстро меняющиеся фоновые сигналы, могут подавляться или удаляться при реконструкции изображения. Это возможно за счет большого количества частотных составляющих, используемых для реконструкции, и того факта, что подобная информация кодируется на различных частотах смешивания, если при MPI на различных частотах прикладывается более одного возбуждающего поля и отличающиеся другие способы получения медицинских изображений, такие как MRI, где ценная информация об изображении может теряться, если некоторые частотные составляющие не используются при реконструкции.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, упомянутое средство реконструкции выполнено с возможностью выбора частотных составляющих, используя порог качества сигнала, в котором выбираются только те частотные составляющие, которые имеют коэффициент качества сигнала выше упомянутого порога качества сигнала. Это обеспечивает эффективное решение для выбора частотных составляющих, так что быстро меняющиеся фоновые сигналы (которые снижают качество сигнала, такое как SNR, то есть, отношение сигнал-шум) также подавляются и не используются при реконструкции.

В целом, в соответствии с изобретением, используются коэффициенты качества сигнала и пороги качества сигнала. В варианте осуществления используются коэффициент SNR и порог SNR, в других вариантах осуществления используются другие коэффициенты качества сигнала и пороги качества сигнала. В другом варианте осуществления могут использоваться коэффициент качества сигнала и порог качества сигнала, которые, например, основаны на результатах измерения фона, которые используются для идентификации ложных сигналов, которые могут подавляться, выбирая соответствующие коэффициент качества сигнала и порог качества сигнала. В еще одном варианте осуществления могут использоваться коэффициент шума и порог шума, направленные на подавление шума. В еще одном другом варианте осуществления коэффициент качества сигнала и порог качества сигнала направлены на выбор или взвешивание пространственных частотных составляющих, которые наиболее важны или являются наилучшими для реконструкции изображения, в то время, как сигналы на других пространственных частотах подавляются или взвешиваются с меньшим весом.

В соответствии с другим вариантом осуществления, упомянутое средство реконструкции выполнено с возможностью взвешивания всех или выбранных частотных составляющих посредством их коэффициента качества конкретного сигнала для частотных составляющих. Также, таким образом результат реконструкции может быть улучшен, поскольку частотные составляющие быстро изменяющихся фоновых сигналов взвешиваются с меньшим весом, чем частотные составляющие, не связанные с быстро меняющимися фоновыми сигналами.

Существуют различные варианты осуществления для получения фоновых сигналов, представляющих медленно и/или быстро движущийся фон. В варианте осуществления упомянутое устройство выполнено с возможностью осуществления измерений фоновых сигналов рассеянных среди измерений системной функции и для получения упомянутых коэффициентов качества сигнала из упомянутых результатов измерений фонового сигнала. Это обеспечивает очень быстрый способ получения фонового сигнала.

Хотя, в целом, временные интервалы, во время которых измеряются фоновые сигналы, короче, чем временные интервалы, во время которых измеряются данные системной функции, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления упомянутое устройство выполнено с возможностью осуществления измерений фоновых сигналов в течение более длительных временных интервалов, чем измерения системной функции. Это повышает точность измерения фоновых сигналов и обеспечивает надежное удаление быстро меняющегося фона.

В другом варианте осуществления упомянутое средство реконструкции выполнено с возможностью удаления медленно меняющихся фоновых сигналов из результатов измерений системной функции, определяя фоновые сигналы на конкретных частотах из упомянутых результатов измерений фоновых сигналов и вычитая эти фоновые сигналы на конкретных частотах из соответствующих частотных составляющих упомянутых результатов измерений системной функции.

Чтобы дополнительно улучшить удаление фоновых сигналов, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, упомянутое средство реконструкции выполнено с возможностью интерполяции упомянутых результатов измерений фоновых сигналов и использования интерполированных результатов измерений фоновых сигналов для определения фоновых сигналов на конкретных частотах.

Еще одно дополнительное улучшение удаления фоновых сигналов достигается с помощью варианта осуществления, в соответствии с которым упомянутое устройство выполнено с возможностью повторения измерений упомянутых фоновых сигналов, рассеянных среди результатов измерений системной функции, и усреднения полученных результатов измерений фоновых сигнаов и в котором упомянутое средство реконструкции (152) выполнено с возможностью определения упомянутых фоновых сигналов конкретных частот из упомянутых усредненных результатов измерений фоновых сигналов.

Еще одно дополнительное улучшение удаления фоновых сигналов достигается посредством варианта осуществления, в соответствии с которым упомянутое устройство выполнено с возможностью повторения упомянутых измерений фоновых сигналов в различных временных масштабах.

Предпочтительно, упомянутое устройство выполнено с возможностью осуществления упомянутого измерения фоновых сигналов перед и/или после приема обнаруженных сигналов для реконструкции изображения поля зрения. Таким образом, удаляя появляющиеся в текущий момент фоновые сигналы, может быть получена высокая точность.

Другой вариант удаления фона содержит выполнение калибровочных измерений, при котором первое калибровочное измерение выполняется в то время, когда магнитный образец движется через поле зрения, а второе калибровочное измерение выполняется без магнитного материала в поле зрения.

Предпочтительное предложенное устройство MPI, использующее объединенные катушки поля выбора и фокусировки, основано на идее объединения катушек поля фокусировки и катушек поля выбора, которые в известных устройствах MPI обычно обеспечиваются как отдельные катушки, в объединенный набор катушек поля выбора и фокусировки. Здесь, для каждой из упомянутых катушек обеспечивается единый ток, а не отдельные токи, которые традиционно обеспечивались для каждой катушки поля выбора и для каждой катушки поля фокусировки. Единые токи могут, таким образом, рассматриваться как два наложенных тока для формирования поля фокусировки и формирования поля выбора. Желаемое местоположение и перемещение поля зрения внутри области обследования легко могут изменяться, управляя токами в различных катушках. Не все катушки поля выбора и фокусировки должны, однако, всегда обеспечиваться управляющими токами, и некоторые катушки необходимы только для определенных перемещений поля зрения.

Предложенное устройство дополнительно обеспечивает большую свободу того, как и где располагать катушки относительно области обследования в которой располагается объект. В частности, при таком расположении можно построить открытый сканер, который легко доступен как пациенту, так и врачам или медицинскому персоналу, например, хирургу во время операции.

Для такого устройства магнитное градиентное поле (то есть, магнитное поле выбора) формируется с помощью пространственного распределения напряженности магнитного поля, так что поле зрения содержит первую подзону с пониженной напряженностью магнитного поля (например, FFP), причем пониженная напряженность магнитного поля адаптирована таким образом, что намагниченность магнитных частиц, расположенных в первой подзоне, не достигает насыщения, и вторую подзону с повышенной напряженностью магнитного поля, причем повышенная напряженность магнитного поля адаптирована таким образом, что намагниченность магнитных частиц, расположенных во второй подзоне, находится в насыщении. Благодаря нелинейности кривой характеристики намагничивания магнитных частиц, намагниченность и, тем самым, магнитное поле, формируемое магнитными частицами, дает гармонические составляющие, которые, например, могут обнаруживаться катушкой обнаружения. Оцененные сигналы (повышенные гармонические составляющие сигналов) содержат информацию о пространственном распределении магнитных частиц, которые снова могут использоваться, например, для получения медицинских изображений, для визуализации пространственного распределения магнитных частиц и/или для других применений.

Устройство MPI, соответствующее настоящему изобретению, основано на новом физическом принципе (то есть, принципе, упоминаемом как MPI), который отличается от других известных традиционных технологий получения медицинских изображений, таких как, например, ядерный магнитный резонанс (NMR). В частности, этот новый MPI-принцип, в отличие от NMR, не использует влияние материала на магнитные резонансные характеристики протонов, а напрямую обнаруживает намагниченность магнитного материала, используя нелинейность кривой характеристики намагничивания. В частности, MPI-технология использует высшие гармоники сформированных магнитных сигналов, полученные в результате нелинейности кривой характеристики намагничивания в области, где изменения намагничивания происходят из состояния отсутствия насыщения в состояние насыщения.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, упомянутые замкнутые контуры внешних катушек выбора и фокусировки имеют контур в форме кольцевого сегмента. Другими словами, обмотки каждой из упомянутых внешних катушек поля выбора и фокусировки наматываются как замкнутый контур, который располагается вдоль угловой области вокруг упомянутой по меньшей мере одной катушки поля выбора и фокусировки, причем угловая область охватывает кольцевой сегмент кольца, закрывающего упомянутую по меньшей мере одну внутреннюю катушку поля выбора и фокусировки.

Предпочтительно, упомянутый по меньшей мере один набор катушек поля выбора и фокусировки содержит группу по меньшей мере из четырех внешних катушек поля выбора и фокусировки. В целом, могут обеспечиваться еще больше катушек поля выбора и фокусировки, которые предпочтительно располагаются на одном и том же расстоянии от оси внутренней катушки, но в разных угловых положениях вокруг упомянутой оси внутренней катушки.

Например, в варианте осуществления обеспечивается, что упомянутый по меньшей мере один набор катушек поля выбора и фокусировки содержит группу из четырех внешних катушек поля выбора и фокусировки, располагающихся на одном и том же расстоянии от оси внутренней катушки, но под углом 90° относительно друг друга. В дополнительных вариантах осуществления используется еще больше групп внешних катушек поля выбора и фокусировки, причем катушки различных групп располагаются на разных расстояниях от оси внутренней катушки.

В другом варианте осуществления упомянутый по меньшей мере один набор катушек поля выбора и фокусировки содержит первую внутреннюю катушку поля выбора и фокусировки и вторую внутреннюю катушку поля выбора и фокусировки, выполненные в виде замкнутого контура вокруг упомянутой оси внутренней катушки и имеющие больший диаметр, чем упомянутая первая внутренняя катушка поля выбора и фокусировки. Может обеспечиваться дополнительная внутренняя катушка поля выбора и фокусировки, сформированная как замкнутые контура вокруг оси внутренней катушки на разных расстояниях. Эти внутренние катушки поля выбора и фокусировки обычно более эффективны для формирования магнитных полей выбора и фокусировки и поэтому обычно обеспечиваются управляющими токами в любое время в течение работы устройства.

Предпочтительно, упомянутая по меньшей мере одна внутренняя катушка поля выбора и фокусировки и/или упомянутые внешние катушки поля выбора и фокусировки разделяются по меньшей мере на две, в частности, по меньшей мере на четыре катушечных сегмента, где катушечные сегменты катушки располагаются рядом друг с другом в направлении соответствующей оси катушек и где соседние катушечные сегменты электрически соединяются. Таким образом, желаемая плотность тока может управляться, чтобы быть более высокой в определенных областях, в частности, ближе к области обследования, то есть, упомянутые катушечные сегменты предпочтительно располагаются так, что в направлении соответствующей оси катушек получающаяся плотность тока возрастает с уменьшением расстояния от области обследования. Это дополнительно повышает эффективность формируемых магнитных полей.

С целью управления желаемой плотностью тока могут предприниматься различные меры в отношении катушечных сегментов. В частности, один или более катушечных сегментов катушки, расположенной ближе к области обследования, сравниваются с одним или более катушечными сегментами такой же катушки, расположенной дальше от области обследования, изготовлены ли они из другого материала, имеют ли более толстые обмотки, являются ли более компактными и/или имеют большую толщину в направлении соответствующей оси катушки.

В предпочтительном варианте осуществления упомянутые средства выбора и фокусировки дополнительно содержат по меньшей мере один полюсный наконечник, имеющий несколько сегментов полюсного наконечника, несущих различные катушки поля выбора и фокусировки, и ярмо полюсного наконечника, соединяющее упомянутые сегменты полюсного наконечника. Такой полюсный наконечник не только служит в качестве механического несущего элемента для различных катушек, но также для повышения эффективности магнитных полей за счет проводимости магнитного потока.

Предпочтительно, упомянутый по меньшей мере один полюсный наконечник содержит один внутренний сегмент полюсного наконечника, несущий упомянутую по меньшей мере одну внутреннюю катушку выбора и фокусировки, и по меньшей мере два внешних сегмента полюсного наконечника, расположенных на большем расстоянии от упомянутой оси внутренней катушки, и каждый из которых несет одну по меньшей мере из двух внешних катушек поля выбора и фокусировки. Таким образом, конструкция полюсного наконечника приспособлена к конструкции катушек поля выбора и фокусировки, чтобы оптимально поддерживать эффективность формирования магнитного поля.

Предпочтительно, упомянутый по меньшей мере один полюсный наконечник содержит по меньшей мере четыре внешних сегмента полюсного наконечника, каждый из которых несет внешнюю катушку поля выбора и фокусировки. Таким образом, для внешней катушки поля выбора и фокусировки обеспечивается внешний сегмент полюсного наконечника для направления магнитного поля соответствующей катушки поля выбора и фокусировки. Таким образом, в варианте осуществления для соответствующей конструкции внешних катушек выбора и фокусировки упомянутый по меньшей мере один полюсный наконечник содержит четыре внешних сегмента полюсного наконечника, каждый из которых несет внешнюю катушку поля выбора и фокусировки, причем упомянутые внешние сегменты полюсного наконечника располагаются на одном и том же расстоянии от оси внутренней катушки, но под углом 90° относительно друг друга. И еще дополнительно, каждый внешний сегмент полюсного наконечника предпочтительно имеет поперечное сечение в форме кольцевого сегмента.

В еще одном другом варианте осуществления, в котором упомянутая катушка выбора и фокусировки содержит вторую внутреннюю катушку выбора и фокусировки, упомянутый по меньшей мере один полюсный наконечник содержит второй внутренний сегмент полюсного наконечника, причем упомянутый второй внутренний сегмент полюсного наконечника поддерживает упомянутую вторую внутреннюю катушку поля выбора и фокусировки.

В предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере один внутренний сегмент полюсного наконечника и головные участки внешних сегментов полюсных наконечников, обращенные к области обследования, изготовлены из магнитомягкого материала, имеющего высокую индукцию насыщения, в частности, FeCo, FeSi, Fe, FeNi, Dy, Gd или их сплава, такого как Fe49Vi1,9Co49. Предпочтительно, весь полюсный наконечник должен быть изготовлен из наилучшего магнитомягкого материала, который наилучшим образом проводит магнитный поток. Однако, по экономическим причинам только часть наконечника изготавливается из этого материала, чтобы иметь для него наилучшее намагничивание при насыщении. Задние участки внешних сегментов полюсного наконечника, обращенные от области обследования, и ярмо полюсного наконечника изготавливаются из магнитомягкого материала, имеющего более низкую индукцию при насыщении, чем материал внутренних сегментов полюсного наконечника, в частности, из FeSi, FeNi, пермаллоя или их сплава, такого как Fe73,5Cu1Nb3Si15,5B7.

Дополнительно, в варианте осуществления полюсные наконечники изготавливаются из магнитопроводящих листов, причем листы, формирующие сегменты полюсных наконечников, и соседние головные участки ярма полюсных наконечников располагаются в направлении, параллельном оси внутренней катушки. Листы используются для подавления вихревых токов и располагаются так, чтобы проводить магнитный поток.

Предпочтительно, листы, формирующие остальной участок ярма полюсных наконечников, располагаются в направлении, перпендикулярном оси внутренней катушки. Это позволяет направлять магнитный поток, подавляя при этом вихревые токи.

В варианте осуществления упомянутое средство выбора и фокусировки дополнительно содержит опору полюсного наконечника, соединяющую упомянутые полюсные наконечники механически, причем упомянутая опора полюсных наконечников изготавливается из магнитопроводящего материала. Упомянутая опора полюсных наконечников предпочтительно также изготавливается из магнитопроводящих листов, располагающихся по соседству друг с другом в том же самом направлении, что и листы, формирующие участок полюсного наконечника, к которому присоединяется опора полюсных наконечников. Опора полюсных наконечников должна обеспечивать как механическую устойчивость, так и хороший магнитный поток.

В предпочтительном варианте осуществления упомянутый по меньшей мере один внутренний сегмент полюсного наконечника и упомянутая по меньшей мере одна внутренняя катушка поля выбора и фокусировки располагаются на большем расстоянии от области обследования, чем упомянутые внешние сегменты полюсных наконечников и упомянутые внешние катушки поля выбора и фокусировки. Это обеспечивает то преимущество, что существует больше пространства для расположения катушек возбуждающего поля, в частности, в случае, устройства, содержащего два противоположно расположенных набора катушек поля выбора и фокусировки и два противоположно расположенных полюсных наконечника, это важно, поскольку катушки возбуждающего поля предпочтительно не располагаются рядом с внешними сегментами полюсных наконечников.

Поперечное сечение, перпендикулярное упомянутой оси внутренней катушки, проходящей через головной участок упомянутого второго внутреннего сегмента полюсного наконечника, обращенного к упомянутой области обследования, предпочтительно охватывает меньшую область, чем параллельное поперечное сечение, проходящее через задний участок упомянутого второго внутреннего сегмента полюсного наконечника, обращенного от упомянутой области обследования. Это увеличивает напряженность градиентного поля, которая может быть получена для заданной силы электрического тока.

В другом варианте осуществления внешний диаметр упомянутого головного участка внутреннего сегмента полюсного наконечника уменьшается в направлении оси внутренней катушки с уменьшением расстояния от области обследования. Это обеспечивает повышенную плотность магнитного потока на поверхности, обращенной к области обследования, и, таким образом, позволяет обеспечить более высокие градиенты магнитного поля внутри области обследования.

Дополнительно, в варианте осуществления поперечное сечение, перпендикулярное упомянутой оси внутренней катушки, проходящей через головной участок упомянутых внешних сегментов полюсного наконечника, обращенных к упомянутой области обследования, охватывает большую область, чем параллельное поперечное сечение, проходящее через задний участок упомянутых внешних сегментов полюсного наконечника, обращенных от упомянутой области обследования. Эта мера также способствует достижению более высокой плотности магнитного потока на поверхности, обращенной к области обследования.

Другой мерой, способствующей достижению более высокой плотности магнитного потока на поверхности, обращенной к области обследования, является то, что длина внутреннего диаметра упомянутого головного участка внешних сегментов полюсных наконечников от оси внутренней катушки уменьшается в направлении оси внутренней катушки с уменьшением расстояния от области обследования.

Предпочтительно, расположение катушек набора катушек поля выбора и фокусировки является скорее плоским, при котором упомянутые оси внешних катушек параллельны друг другу и оси внутренней катушки. Такое расположение катушек экономит пространство, относительно просто для изготовления и позволяет легче вычислять и/или моделировать достижимые магнитные поля.

В варианте осуществления средство выбора и фокусировки содержит

i1) первый набор катушек поля выбора и фокусировки,

i2) по меньшей мере один второй набор катушек поля выбора и фокусировки, и

i3) блок генератора поля выбора и фокусировки для формирования токов поля выбора и фокусировки, которые должны обеспечиваться для упомянутых первого и второго наборов катушек поля выбора и фокусировки для управления формированием упомянутого магнитного поля выбора и фокусировки. Предпочтительно, используется один второй набор катушек поля выбора и фокусировки, расположенный на стороне области обследования, противоположной упомянутому первому набору катушек поля выбора и фокусировки, приводя в результате к устройству, в котором область обследования доступна по меньшей мере с одной стороны. Это позволяет легко располагать пациента внутри области обследования, например, просто поднимая пациента с перевозочного средства на стол для пациента, расположенный в области обследования. При этом можно также избежать необходимости иметь много катушек, расположенных коаксиально вокруг области обследования, поскольку область обследования имеет форму туннеля, внутри которого должен перемещаться пациент подобно традиционным MRI-сканерам. Пациенты, таким образом, будут чувствовать себя более комфортно, чем в традиционных MRI-сканерах.

В других вариантах осуществления обеспечиваются более двух наборов катушек поля выбора и фокусировки, которые располагаются в различных угловых положениях вокруг области обследования. Например, в случае трех наборов, они предпочтительно располагаются под углом 120° относительно друг друга.

Предпочтительно, катушки поля выбора и фокусировки первого набора идентичны катушкам поля выбора и фокусировки по меньшей мере одного второго набора. Дополнительно, в случае двух наборов, различные катушки одного набора предпочтительно располагаются напротив каждых соответствующих катушек другого набора, который также поддерживает более легкое вычисление достижимых магнитных полей.

В варианте осуществления упомянутый блок генератора поля выбора и фокусировки выполнен с возможностью формирования токов поля выбора и фокусировки индивидуально для каждой катушки поля выбора и фокусировки упомянутого по меньшей мере одного из наборов катушек поля выбора и фокусировки. Это обеспечивает максимальную гибкость для формирования желаемых магнитных полей, но также требует наибольшего количества блоков генераторов/каналов.

Чтобы уменьшить количество блоков генераторов/каналов в предпочтительном варианте осуществления предлагается, чтобы упомянутый блок генератора поля выбора и фокусировки был выполнен с возможностью формирования токов полей выбора и фокусировки индивидуально для каждой пары катушек поля выбора и фокусировки упомянутых первого и второго наборов катушек полей выбора и фокусировки, в котором пара содержит противоположно расположенные катушки поля выбора и фокусировки из двух наборов.

Другое предложение по уменьшению количества блоков генераторов/каналов предусматривает, чтобы упомянутый блок генератора поля выбора и фокусировки был выполнен с возможностью формирования токов полей выбора и фокусировки индивидуально для каждой пары внешних катушек поля выбора и фокусировки упомянутого по меньшей мере одного набора катушек поля выбора и фокусировки, в котором пара содержит две противоположно расположенные внешние катушки поля выбора и фокусировки из одного и того же набора катушек поля выбора и фокусировки.

Предпочтительно, как кратко упомянуто выше, устройство содержит по меньшей мере два полюсных наконечника, расположенных по разным сторонам упомянутой области обследования, причем каждый полюсный наконечник имеет множество сегментов полюсных наконечников, поддерживающих различные катушки поля выбора и фокусировки и ярмо, соединяющее упомянутые сегменты полюсных наконечников.

Чтобы экранировать по меньшей мере один набор катушек поля выбора и фокусировки от магнитных полей, создаваемых катушками возбуждающего поля, внутренняя поверхность упомянутого по меньшей мере одного набора катушек поля выбора и фокусировки, обращенных к упомянутой области обследования, закрывается экраном. Эта экранировка, в частности, предотвращает помеху измеряемому сигналу, которая должна возникнуть, если возбуждающее поле взаимодействует с магнитомягким материалом.

Как упомянуто выше, упомянутые катушки возбуждающего поля размещаются в области между упомянутыми первыми внутренними катушками поля выбора и фокусировки двух наборов катушек поля выбора и фокусировки. Катушки возбуждающего поля могут быть разработаны таким образом, что они (постоянно или с возможностью перемещения) располагаются между двумя наборами катушек поля выбора и фокусировки. В других вариантах осуществления катушки возбуждающего поля отчасти являются гибкими и могут располагаться на желаемом участке тела пациента перед тем, как пациент помещается внутри области обследования.

Предпочтительно, упомянутые катушки возбуждающего поля меньше в направлении, перпендикулярном к оси внутренней катушки, чем расстояние в упомянутом направлении между противоположными внешними катушками поля вывода и фокусировки. Дополнительно, предпочтительно, упомянутые катушки возбуждающего поля содержат две пары седловидных катушек, расположенных вокруг центральной оси симметрии, перпендикулярной упомянутой оси внутренней катушки, и катушку соленоида, расположенную вокруг упомянутой центральной оси симметрии.

Для приема сигналов обнаружения, необходимых для обнаружения распределения магнитных частиц внутри области обследования и, таким образом, для формирования изображений области обследования, например, области сердца пациента, устройство дополнительно содержит приемное средство, содержащее по меньшей мере один блок приема сигналов и по меньшей мере одну приемную катушку для сбора данных обнаружения, причем сигналы обнаружения зависят от намагничивания в поле зрения и на намагничивание оказывает влияние изменение положения в пространстве первой и второй подзоны.

Краткое описание чертежей

Эти и другие варианты изобретения станут очевидны и будут объяснены со ссылкой на вариант(-ы) осуществления, описанный здесь далее. На приведенных чертежах

Фиг. 1 - первый вариант осуществления устройства MPI,

Фиг. 2 - пример структуры поля выбора, создаваемой устройством, показанным на Фиг. 1,

Фиг. 3 - второй вариант осуществления устройства MPI,

Фиг. 4 - третий и четвертый варианты осуществления устройства MPI,

Фиг. 5 - блок-схема устройства MPI, соответствующего настоящему изобретению,

Фиг. 6 - два перпендикулярных поперечных сечения для варианта осуществления расположения катушек поля выбора и фокусировки в соответствии с третьим и четвертым вариантами осуществления устройства MPI,

Фиг. 7 - два перпендикулярных поперечных сечения для варианта осуществления расположения полюсных наконечников в соответствии с третьим и четвертым вариантами осуществления устройства MPI,

Фиг. 8 - вид в перспективе варианта осуществления расположения полюсных наконечников, показанных на Фиг. 7,

Фиг. 9 - два перпендикулярных поперечных сечения для варианта осуществления расположения катушек поля выбора и фокусировки в соответствии с третьим и четвертым вариантами осуществления устройства MPI,

Фиг. 10 - увеличенный вид одного из поперечных сечений для варианта осуществления одного набора катушек поля выбора и фокусировки при расположении катушек поля выбора и фокусировки, показанного на Фиг. 9,

Фиг. 11 - вид в перспективе другого варианта осуществления расположения полюсных наконечников в соответствии с третьим и четвертым вариантами осуществления устройства MPI,

Фиг. 12 - вид в перспективе другого варианта осуществления расположения катушек поля выбора и фокусировки в соответствии с третьим и четвертым вариантами осуществления устройства MPI,

Фиг. 13 - вид в перспективе еще одного варианта осуществления расположения катушек поля выбора и фокусировки в соответствии с третьим и четвертым вариантами осуществления устройства MPI,

Фиг. 14 - напряженность градиентного поля как функция электрической мощности для третьего и четвертого вариантов осуществления устройства MPI,

Фиг. 15 - результаты измерений фоновых сигналов в соответствии с первым предпочтительным вариантом осуществления,

Фиг. 16 - интерполяция, сглаживание и коррекция фона,

Фиг. 17 - различные срезы объема, полученные при калибровочном сканировании, и

Фиг. 18 - содержание различных частотных составляющих в сигнале.

Осуществление изобретения

Перед тем, как будут объяснены подробности настоящего изобретения, основы получения изображения с помощью использования магнитных частиц будут объяснены подробно со ссылкой на Фиг. 1-4. В частности, будут объяснены два варианта осуществления сканера MPI для медицинской диагностики. Приводится также свободное описание сбора данных. Будут указаны сходства и различия между двумя вариантами осуществления. В целом, настоящее изобретение может использоваться во всех этих различных вариантах осуществления устройства MPI.

Первый вариант 10 осуществления сканера MPI, показанного на Фиг. 1, имеет три пары 12, 14, 16 коаксиальных параллельных круговых катушек, причем каждая пара расположена так, как показано на Фиг. 1. Эти три пары катушек 12, 14, 16 служат для создания поля выбора, а также возбуждающего и фокусирующего полей. Оси 18, 20, 22 трех пар катушек 12, 14, 16 взаимно ортогональны и сходятся в одной точке, обозначенной как изоцентр 24 сканера 10 MPI. Кроме того, эти оси 18, 20, 22 служат в качестве осей трехмерной декартовой системы координат x-y-z, привязанной к изоцентру 24. Вертикальная ось 20 обозначается как ось y, а оси x и z являются горизонтальными осями. Пары катушек 12, 14, 16 именуются в соответствии со своими осями. Например, пара 14 y-катушек образуется катушками наверху и внизу сканера. Кроме того, катушка с положительной (отрицательной) y- координатой называется y+-катушкой (y--катушка) и аналогично называются остальные катушки. Когда это более удобно, оси координат и катушки обозначаются как x1, x2 и x3, а не x, y и z.

Сканер 10 может быть установлен так, чтобы направлять заданный, зависящий от времени электрический ток через каждую из этих катушек 12, 14, 16 в любом направлении. Если ток проходит по катушке в направлении по часовой стрелке, если смотреть вдоль оси этой катушки, он будет считаться положительным, в противном случае - ток отрицательный. Для создания статического поля выбора создается постоянный положительный ток IS, чтобы проходить через z+-катушку, и ток -IS, чтобы проходить через z--катушку. Пара 16 z-катушек затем действует как встречно-параллельная пара круговых катушек.

Следует заметить, что расположение осей и условные обозначения, присвоенные осям в настоящем варианте осуществления, являются просто примером и в других вариантах осуществления могут также быть другими. Например, в практических вариантах осуществления вертикальная ось часто считается осью z, а не осью y, как в настоящем варианте осуществления. Это, однако, в целом, не меняет функцию и работу устройства и эффект настоящего изобретения.

Магнитное поле выбора, обычно являющееся магнитным градиентным полем, представляется на Фиг. 2 силовыми линиями 50. Оно имеет, по существу, постоянный градиент в направлении (например, горизонтальном) z-оси 22 пары 16 z-катушек, формирующих поле выбора, и достигает нулевого значения в изоцентре 24 на этой оси 22. Начиная с этой точки, свободной от поля, (не показана отдельно на Фиг. 2), напряженность поля магнитного поля 50 выбора увеличивается во всех трех пространственных направлениях по мере увеличения расстояния от точки, свободной от поля. В первой подзоне или области 52, которая обозначается пунктирной линией вокруг изоцентра 24, напряженность поля настолько мала, что намагничивание частиц, присутствующих в этой первой подзоне 52, не достигает насыщения, тогда как намагничивание частиц, присутствующих во второй подзоне 54 (за пределами области 52), соответствует состоянию насыщения. Во второй подзоне 54 (то есть, в остаточной части поля 28 зрения сканера за пределами первой подзоны 52) напряженность магнитного поля выбора достаточно велика, чтобы поддерживать магнитные частицы в состоянии насыщения.

Изменяя положение двух подзон 52, 54 (содержащих точку, свободную от поля) в поле 28 зрения, (общее) намагничивание в поле 28 зрения изменяется. Определяя намагничивание в поле 28 зрения или физические параметры под действием намагничивания, можно получить информацию о пространственном распределении магнитных частиц в поле 28 зрения. Чтобы изменить относительное пространственное положение двух подзон 52, 54 (содержащих точку, свободную от поля) в поле 28 зрения, дополнительные магнитные поля, то есть, возбуждающее магнитное поле и, если применяется, магнитное поле фокусировки, накладываются на поле 50 выбора.

Чтобы получить возбуждающее поле, создают зависящий от времени ток ID1, который проходит через обе x-катушки 12, зависящий от времени ток ID2 через обе y-катушки 14 и зависящий от времени ток ID3 через обе z-катушки 16. Таким образом, каждая из трех пар катушек действует как параллельная пара круговых катушек. Аналогично, чтобы сформировать фокусирующее поле, создают зависящий от времени ток IF1, который проходит через обе x-катушки 12, зависящий от времени ток IF2 через обе y-катушки 14 и зависящий от времени ток IF3 через обе z-катушки 16.

Следует заметить, что пара 16 z-катушек является особенной: она формирует не только свою долю возбуждающего и фокусирующего полей, но также и поле выбора (конечно, в других вариантах осуществления могут обеспечиваться и раздельные катушки). Ток, проходящий через z±-катушку, равен ID3+IF3±IS. Ток, проходящий через остальные две пары 12, 14 катушек, равен IDk+IFk, k=1, 2. Благодаря их геометрии и симметрии, три пары 12, 14, 16 катушек хорошо развязаны. Это является желательным.

Создаваемое встречно-параллельной парой круговых катушек поле выбора является вращательно симметричным относительно z-оси и его z-составляющая является примерно линейной по z и независимой от x и y в значительном объеме вокруг изоцентра 24.

В частности, поле выбора имеет единую свободную от поля точку (FFP) в изоцентре. Напротив, вклады, вносимые в возбуждающее и фокусирующее поля, которые создаются параллельными парами круговых катушек, являются пространственно почти однородными в значительном объеме вокруг изоцентра 24 и параллельны оси соответствующей пары катушек. Возбуждающие и фокусирующие поля, совместно создаваемые всеми тремя параллельными парами круговых катушек, пространственно почти однородны и могут создавать любое направление и напряженность вплоть до некоторой максимальной напряженности. Возбуждающие и фокусирующие поля также зависят от времени. Разница между фокусирующим полем и возбуждающим полем состоит в том, что фокусирующее поле изменяется медленно во времени и имеет большую амплитуду, тогда как возбуждающее поле изменяется быстро и имеет малую амплитуду. Существуют физические и биомедицинские причины по-разному обращаться c этими полями. Быстро изменяющееся поле с большой амплитудой может иметь трудности при его создании и быть потенциально опасным для пациента.

В практическом варианте осуществления FFP может рассматриваться как математическая точка, в которой магнитное поле предполагается равным нулю. Напряженность магнитного поля увеличивается с увеличением расстояния от FFP, причем скорость увеличения может быть различной для различных направлений (в зависимости, например, от конкретной планировки устройства). Пока напряженность магнитного поля ниже напряженности поля, требующейся для приведения магнитных частиц в состояние насыщения, частицы активно содействуют формированию сигнала, измеряемого устройством; в противном случае, частицы входят в насыщение и не формируют никакого сигнала.

Вариант 10 осуществления сканера MPI имеет по меньшей мере одну дополнительную пару, предпочтительно, три дополнительных пары параллельных круговых катушек, также ориентированных вдоль осей x, y, z. Эти пары катушек, не показанные на Фиг. 1, служат в качестве приемных катушек. Как и для пар 12, 14, 16 катушек возбуждающих и фокусирующих полей, магнитное поле, создаваемое постоянным током, проходящим через одну из этих пар приемных катушек, является пространственно почти однородным в пределах поля зрения и параллельным оси соответствующей пары катушек. Приемные катушки предполагаются хорошо развязанными между собой. Зависящее от времени напряжение, индуцированное в приемной катушке, усиливается и оцифровывается приемником, присоединенным к этой катушке. Более точно, чтобы справиться с огромным динамическим диапазоном этого сигнала, приемник делает выборки разности между принятым сигналом и опорным сигналом. Передаточная функция приемника является ненулевой от нуля Герца (ʺDCʺ) до частоты, в которой ожидаемый уровень сигнала падает ниже уровня шума. Альтернативно, сканер MPI не имеет специально выделенных приемных катушек. Вместо этого, в качестве приемных катушек используются катушки возбуждающего поля.

Вариант 10 осуществления сканера MPI, показанного на Фиг. 1, имеет цилиндрическое отверстие 26 вдоль z-оси 22, то есть, вдоль оси поля выбора. Все катушки располагаются снаружи этого отверстия 26. Для сбора данных пациент (или объект), изображение которого должно быть получено, помещается в отверстие 26 так, чтобы интересующий объем пациента - тот объем пациента (или объекта), изображение которого должно быть получено, - ограничивался полем 28 зрения сканера, то есть, тем объемом сканера, изображение содержания которого сканер может получить. Пациент (или объект) помещается, например, на стол для пациента. Поле 28 зрения является геометрически простым, изоцентрическим объемом внутри отверстия 26, таким как куб, шар или цилиндр или произвольной формы. Кубическое поле 28 зрения показано на Фиг. 1.

Размер первой подзоны 52 зависит от напряженности градиента магнитного поля выбора и от напряженности магнитного поля, требуемой для насыщения, которая, в свою очередь, зависит от магнитных частиц. Для достаточного насыщения магнитных частиц при напряженности магнитного поля 80 A/м и градиенте (в заданном пространственном направлении) напряженности поля магнитного поля выбора, достигающем 50×103 A/м2, первая подзона 52, в которой намагничивание частиц не доходит до насыщения, имеет размеры приблизительно 1 мм (в заданном пространственном направлении).

Интересующий объем пациента предполагается содержащим магнитные наночастицы. Перед диагностическим получением изображения, например, опухоли, магнитные частицы располагаются в интересующем объеме, например, посредством жидкости, содержащей магнитные частицы, которая инжектируется в тело пациента (объект) или вводится пациенту как-либо иначе, например, орально.

В целом, существуют различные способы введения магнитных частиц в поле зрения. В частности, в случае, пациента, в тело которого должны вводиться частицы, магнитные частицы могут вводиться, используя хирургические и нехирургические способы, и существуют как способы, которые требуют опыта (такого, который имеется у медика-практика), так и способы, не требующие опыта, например, введение может осуществляться с помощью непрофессионалов или лиц с небольшим навыком или самим пациентом. Среди хирургических способов существуют потенциально безрисковые и/или безопасные вмешательства, например, инвазивное введение, такое как инъекция контрастного вещества в кровеносный сосуд (если такая инъекция вообще может рассматриваться как хирургический способ), то есть, вмешательства, которые для выполнения не требуют значительного профессионального медицинского опыта и которые не создают серьезных рисков для здоровья. Дополнительно могут применяться нехирургические способы, такие как глотание и ингаляция.

В целом, магнитные частицы заранее вводятся или заранее назначаются перед фактическим выполнением сбора данных. В вариантах осуществления, однако, также возможно, чтобы дополнительные магнитные частицы вводились/назначались в поле зрения.

Вариант осуществления магнитных частиц содержит, например, сферический субстрат, например, стекло, покрытое слоем магнитомягкого материала, имеющего толщину, например, 5 нм и состоящего, например, из железо-никелевого сплава (например, пермаллоя). Этот слой может быть покрыт, например, посредством нанесения слоя покрытия, защищающего частицы от химически и/или физически агрессивных сред, например, от кислот. Напряженность магнитного поля для магнитного поля 50 выбора, требующаяся для насыщения при намагничивании таких частиц, зависит от различных параметров, например, от диаметра частиц, используемого магнитного материала для магнитного слоя и других параметров.

В случае, например, диаметра магнитных частиц 10 мкм, требуется магнитное поле приблизительно 800 A/м (приблизительно соответствующее магнитной индукции 1 мТ), тогда как в случае диаметра 100 мкм достаточно магнитное поле 80 А/м. Еще меньшие значения получаются, когда выбирается покрытие материалом, имеющим более низкое намагничивание при насыщении или когда уменьшается толщина слоя.

На практике часто используются магнитные частицы, коммерчески доступные под названием Resovist (или подобные магнитные частицы), которые имеют ядро магнитного материала или формируются как массивная сфера и имеют диаметр в диапазоне нанометров, например, 40 или 60 нм.

Дополнительные подробности обычно используемых магнитных частиц и смесей частиц упоминаются здесь со ссылкой на соответствующие части документов EP 1304542, WO 2004/091386, WO 2004/091390, WO 2004/091394, WO 2004/091395, WO 2004/091396, WO 2004/091397, WO 2004/091398, WO 2004/091408, которые введены сюда посредством ссылки. В этих документах, в целом, можно также найти больше подробностей по способу MPI.

Во время сбора данных пары 12, 14, 16 x-, y-, z-катушек создают зависящее от положения и от времени магнитное поле, то есть, прикладываемое поле. Это достигается соответственно направленными токами, проходящими через катушки, формирующие поле. Фактически, возбуждающее и фокусирующее поля превалируют над полем выбора, так что FFP движется вдоль заранее выбранной траектории FFP, которая очерчивает объем сканирования - супернабор поля зрения. Приложенное поле ориентирует магнитные наночастицы в пациенте. По мере того, как приложенное поле изменяется, также изменяется результирующее намагничивание, хотя оно реагирует на приложенное поле нелинейно. Совокупность изменяющегося приложенного поля и изменяющегося намагничивания индуцирует зависящее от времени напряжение Vk на выводах пары приемных катушек вдоль xk-оси. Соответствующий приемник преобразует это напряжение в сигнал Sk, который он обрабатывает дополнительно.

Подобно первому варианту 10 осуществления, показанному на Фиг. 1, второй вариант 30 осуществления сканера MPI, показанный на Фиг. 3, имеет три круговые и взаимно ортогональные пары 32, 34, 36 катушек, но эти пары 32, 34, 36 катушек создают только поле выбора и фокусирующее поле. Z-катушки 36, которые опять же создают поле выбора, заполнены ферромагнитным материалом 37. Z-ось 42 в этом варианте 30 осуществления ориентирована вертикально, тогда как x- и y-оси 38, 40 ориентированы горизонтально. Отверстие 46 сканера параллельно x-оси 38 и, таким образом, перпендикулярно оси 42 поля выбора. Возбуждающее поле создается соленоидом (не показан) вдоль x-оси 38 и парами седловидных катушек (не показаны) вдоль двух остальных осей 40, 42. Эти катушки наматываются вокруг трубки, которая формирует отверстие. Катушки возбуждающего поля также служат в качестве приемных катушек.

Приведем несколько типичных примеров такого варианта осуществления: Z-градиент поля выбора, G, имеет напряженность G/μ0=2,5 T/м, где μ0 - магнитная проницаемость в вакууме. Временной частотный спектр возбуждающего поля сосредоточен в узкой полосе вокруг 25 кГц (до приблизительно 150 кГц). Полезный частотный спектр принятого сигнала лежит между 50 кГц и 1 МГц (в конечном счете, до приблизительно 15 МГц). Отверстие имеет диаметр 120 мм. Наибольший куб 28, который подгоняется под отверстие 46, имеет длину 120 мм/√2 ≈ 84 мм.

Поскольку конструкция катушек формирования поля обычно известна в технике, например, из области получения магнито-резонансных изображений, этот объект не требуется дополнительно здесь описывать.

В альтернативном варианте осуществления для создания поля выбора могут использоваться постоянные магниты (не показаны). В пространстве между двумя полюсами таких (противоположных) постоянных магнитов (не показаны) формируется магнитное поле, подобное показанному на Фиг. 2, то есть, в котором противоположные полюса имеют одну и ту же полярность. В другом альтернативном варианте осуществления поле выбора может создаваться комбинацией по меньшей мере одного постоянного магнита и по меньшей мере одной катушки.

На Фиг. 4 показаны два варианта осуществления общей внешней планировки устройства 200, 300 MPI. На Фиг. 4А показан вариант осуществления предложенного устройства 200 MPI, содержащий два блока 210, 220 катушек поля выбора и фокусировки, которые, в основном, идентичны и расположены на противоположных сторонах области 230 обследования, сформированной между ними. Дополнительно, блок 240 катушек возбуждающего поля расположен между блоками 210, 220 катушек поля выбора и фокусировки, которые располагаются вокруг интересующей области пациента (не показана). Блоки 210, 220 катушек поля выбора и фокусировки содержат несколько катушек поля выбора и фокусировки для формирования объединенного магнитного поля, представляющего объясненные выше магнитное поле выбора и магнитное поле фокусировки. В частности, каждый блок 210, 220 катушек поля выбора и фокусировки содержит, предпочтительно идентичный, набор катушек поля выбора и фокусировки. Подробности упомянутых катушек поля выбора и фокусировки будут объяснены ниже.

Блок 240 катушек возбуждающего поля содержит несколько катушек возбуждающего поля для формирования магнитного возбуждающего поля. Эти катушки возбуждающего поля могут содержать несколько пар катушек возбуждающего поля, в частности, одну пару катушек возбуждающего поля для формирования магнитного поля в каждом из трех направлений в пространстве. В варианте осуществления блок 240 катушек возбуждающего поля содержит две пары седлообразных катушек для двух различных направлений в пространстве и одну катушку соленоида для формирования магнитного поля в направлении продольной оси пациента.

Блоки 210, 220 катушек поля выбора и фокусировки обычно монтируются в блок крепления (не показан) или на стене помещения. Предпочтительно, в случае катушек поля выбора и фокусировки, блоки 210, 220 содержат полюсные наконечники для поддержки соответствующих катушек, блок крепления не только механически удерживает блок 210, 220 поля выбора и фокусировки, но также обеспечивает путь прохождения магнитного потока, который соединяет полюсные наконечники двух блоков 210, 220 катушек поля выбора и фокусировки.

Как показано на Фиг. 4А, каждый из двух блоков 210, 220 катушек поля выбора и фокусировки содержит экранирующий слой 211, 221 для экранирования катушек поля выбора и фокусировки от магнитных полей, создаваемых катушками возбуждающего поля блока 240 катушек возбуждающего поля.

В варианте осуществления устройства 201 MPI, показанном на Фиг. 4В, обеспечивается только единый блок 220 катушек поля выбора и фокусировки, а также блок 240 катушек возбуждающего поля. В целом, единый блок катушек поля выбора и фокусировки достаточен для формирования требующегося магнитного поля выбора и фокусировки. Упомянутый блок 220 катушек поля выбора и фокусировки может, таким образом, интегрироваться в стол для пациента (не показан), на который помещается пациент во время обследования. Предпочтительно, катушки возбуждающего поля блока 240 катушек возбуждающего поля могут располагаться вокруг тела пациента уже заранее, например, как гибкие элементы катушек. В другом варианте осуществления блок 240 катушек возбуждающего поля может быть разомкнут, например, разделяться в осевом направлении на два субблока 241, 242, как показано разделительными линиями 243, 244 на Фиг. 4В, так что пациент может помещаться между субблоками 241, 242 катушек возбуждающего поля, которые затем могут соединяться вместе.

В других вариантах осуществления устройства MPI может обеспечиваться еще больше катушек поля выбора и фокусировки, которые предпочтительно располагаются в соответствии с равномерным распределением вокруг области 230 обследования.

Однако, чем больше используется блоков катушек поля выбора и фокусировки, тем больше ограничивается доступность области обследования для расположения в ней пациента и для доступа к самому пациенту во время обследования медицинским персоналом или врачами.

На Фиг. 5 представлена обобщенная блок-схема устройства 100 MPI, соответствующего настоящему изобретению. Общие принципы получения изображения с использованием магнитных частиц, объясненные выше, остаются верными и также применимы к этому варианту осуществления, если не указано что-либо другое.

Вариант устройства 100, показанный на Фиг. 5, содержит различные катушки для создания желаемых магнитных полей. Сначала будут объяснены катушки и их функции в режиме MPI.

Для формирования объединенного поля выбора и фокусировки обеспечиваются средства 110 выбора и фокусировки. Магнитное поле выбора и фокусировки имеет такую структуру его напряженности магнитного поля в пространстве, что в поле зрения 28 формируются первая подзона (52 на Фиг. 2), имеющая низкую напряженность магнитного поля, при которой намагничивание магнитных частиц не достигает насыщения, и вторая подзона (54 на Фиг. 4), имеющая повышенную напряженность магнитного поля, в которой намагниченность магнитных частиц достигает насыщения в поле 28 зрения, причем такое поле 28 зрения является малой частью области 230 обследования, которая традиционно достигается использованием магнитного поля выбора. Дополнительно, используя магнитное поле выбора и фокусировки, положение в пространстве поля 28 зрения внутри области 230 обследования может меняться, как это традиционно делается при использовании магнитного поля фокусировки.

Средство 110 выбора и фокусировки содержит по меньшей мере один набор катушек 114 поля выбора и фокусировки и блок 112 генератора поля выбора и фокусировки для формирования токов поля выбора и фокусировки, которые должны обеспечиваться для упомянутого по меньшей мере одного набора катушек 114 поля выбора и фокусировки (представляющего один из блоков 210, 220 катушек поля выбора и фокусировки, показанного на Фиг. 4А, 4В) для управления формированием упомянутого магнитного поля выбора и фокусировки. Предпочтительно, для каждого элемента катушки (или каждой пары элементов катушек) по меньшей мере одного набора катушек 116 поля выбора обеспечивается отдельный субблок генератора. Упомянутый блок 112 генератора сигнала поля выбора и фокусировки содержит управляемый источник тока (обычно содержащий усилитель) и блок фильтра, которые обеспечивают соответствующий элемент катушки током создания поля, чтобы индивидуально устанавливать градиентную напряженность и напряженность поля для способствования создания каждой катушкой магнитного поля выбора и фокусировки. Следует заметить, что блок 114 фильтра также может отсутствовать.

Для формирования возбуждающего магнитного поля устройство 100 дополнительно содержит средство 120 возбуждения, содержащее блок 122 генератора сигнала возбуждающего поля и набор катушек 124 возбуждающего поля (представляющий блок 240 возбуждающих катушек, показанный на Фиг. 4А, 4В) для изменения положения в пространстве и/или размера двух подзон в поле зрения посредством возбуждающего магнитного поля, так чтобы намагничивание магнитного материала локально изменялось. Как упомянуто выше, упомянутые катушки 124 возбуждающего поля предпочтительно содержат две пары 125, 126 противоположно установленных седловидных катушек и одну катушку 127 соленоида. Также возможны другие реализации, например, три пары элементов катушек.

Блок 122 генератора сигнала возбуждающего поля предпочтительно содержит отдельный субблок формирования сигнала возбуждающего поля для каждого элемента катушки (или по меньшей мере для каждой пары элементов катушек) упомянутого набора катушек 124 возбуждающего поля. Упомянутый блок 122 генератора сигнала возбуждающего поля содержит источник тока возбуждающего поля (предпочтительно, содержащий усилитель тока) и блок фильтра (который может также отсутствовать в настоящем изобретении) для обеспечения подачи зависимого от времени тока возбуждающего поля в соответствующую катушку возбуждающего поля.

Блок 112 генератора сигнала поля выбора и фокусировки и блок 122 генератора сигнала возбуждающего поля предпочтительно управляются блоком 150 управления, который предпочтительно управляет блоком 112 генератора сигнала поля выбора и фокусировки, так чтобы сумма градиентных напряженностей полей и сумма градиентных напряженностей всех пространственных точек поля выбора устанавливались на заданном уровне. С этой целью блок 150 управления может также обеспечиваться командами управления от пользователя, соответствующими желаемому применению устройства MPI, которые, однако, предпочтительно отсутствуют в соответствии с настоящим изобретением.

Для использования устройства MPI 100 с целью определения пространственного распределения магнитных частиц в области обследования (или интересующей области в области обследования), в частности, для получения изображений упомянутой интересующей области, обеспечиваются средство 148 приема для обнаружения сигнала, в частности, приемная катушка, и блок 140 приема сигнала, который принимает сигналы, обнаруженные упомянутым средством 148 приема. Предпочтительно, на практике обеспечиваются три приемные катушки 148 и три приемных блока 140, по одному на каждую приемную катушку, но могут также использоваться более трех приемных катушек и приемных блоков, и в таком случае полученные сигналы обнаружения являются не трехмерными, а К-мерными, где К - количество приемных катушек.

Упомянутый блок 140 приема сигнала содержит блок 142 фильтра для фильтрации принятых сигналов обнаружения. Цель этой фильтрации состоит в том, чтобы отделить измеренные значения, которые вызваны намагничиванием в области исследования, на которые влияют изменения в положении этих двух частей-областей (52, 54), от других, помеховых сигналов. С этой целью, блок 142 фильтра может быть разработан, например, так, чтобы сигналы, имеющие временные частоты, которые меньше, чем временные частоты, с которыми работает приемная катушка 148, или меньшие, чем удвоенные эти временные частоты, не проходили через блок 142 фильтра. Сигналы затем проходят через блок 144 усилителя на аналогово-цифровой преобразователь 146 (ADC).

Оцифрованные сигналы, созданные аналогово-цифровым преобразователем 146, подаются на блок 152 обработки изображений (также называемый средством реконструкции), который реконструирует пространственное распределение магнитных частиц из этих сигналов и соответствующее положение, для которого первая часть, область 52 первого магнитного поля в области исследования, предполагается полученной во время приема соответствующего сигнала и которую блок 152 обработки изображений получает от блока 150 управления. Реконструированное пространственное распределение магнитных частиц, наконец, передается через средство 150 управления на компьютер 154, который отображает его на мониторе 156. Таким образом, может отображаться изображение, показывающее распределение магнитных частиц в поле зрения области исследования.

В других применениях устройства 100 MPI, например, при оказании воздействия на магнитные частицы (например, для гипертермического лечения) или для перемещения магнитных частиц (например, прикрепленных к катетеру для перемещения с катетером или прикрепленных к лекарственному средству для перемещения с лекарственным средством в определенное место), приемное средство также может отсутствовать или просто не использоваться.

Дополнительно, как вариант, может обеспечиваться блок 158 ввода, например, клавиатура. Пользователь поэтому способен установить желаемое направление с самой высокой разрешающей способностью и, в свою очередь, принимать соответствующее изображение области действия на мониторе 156. Если критическое направление, в котором необходима самая высокая разрешающая способность, отклоняется от направления, установленного сначала пользователем, пользователь все еще может изменить направление вручную, чтобы создать дополнительное изображение с повышенной разрешающей способностью. Этот процесс повышения разрешающей способности может также управляться автоматически с помощью блока 150 управления и компьютера 154. Блок 150 управления в этом варианте осуществления устанавливает градиентное поле в первом направлении, которое автоматически оценивается или устанавливается пользователем в качестве начального значения. Направление градиентного поля затем ступенчато изменяется, пока разрешающая способность полученных таким образом изображений, которые сравниваются компьютером 154, не станет максимальной, соответственно, больше не улучшаясь. Самое критическое направление может поэтому быть найдено автоматически посредством соответствующей адаптации, чтобы получить максимально возможную разрешающую способность.

Хотя, в общем, катушки поля выбора и катушки фокусирующего поля реализуются как отдельные элементы, соответствующие настоящему изобретению, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления упомянутые катушки 114 поля выбора и фокусировки содержат по меньшей мере одну внутреннюю катушку 115 поля выбора и фокусировки, сформированную как замкнутый контур вокруг оси 115а внутренней катушки, и группу по меньшей мере из двух внешних катушек 116, 117 поля выбора и фокусировки, расположенных на большем расстоянии от упомянутой оси 115а внутренней катушки, чем упомянутая по меньшей мере одна внутренняя катушка 115 поля выбора и фокусировки, и в других угловых положениях, каждая из которых формируется как замкнутый контур вокруг соответствующей оси 116а, 117а внешней катушки, как показано на Фиг. 6А и 6В, где представлены перпендикулярные поперечные сечения. Предпочтительно, как показано пунктирными линиями на Фиг. 6В, обеспечиваются две дополнительные внешние катушки 118, 119 поля выбора и фокусировки, каждая из которых формируется как замкнутый контур вокруг соответствующей оси 118а, 119а внешних катушек.

В целом, возможно, в соответствии с настоящим изобретением, что средство поля выбора и фокусировки содержит только различные катушки, как показано на Фиг. 6. Однако, в соответствии с настоящим изобретением, предпочтительно, что средства поля выбора и фокусировки являются объединением магнитного материала в форме одного или более полюсных наконечников, в частности, магнитномягкого материала, и электромагнитных катушек. По меньшей мере один полюсный наконечник служит для проводимости магнитного потока и, таким образом, для улучшения формирования требуемых магнитных полей.

Вариант осуществления расположения полюсных наконечников показан на Фиг. 7 и 8, где на Фиг. 7А и 7В показаны два перпендикулярных поперечных сечения через расположение 300 полюсных наконечников и на Фиг. 8 показан вид в перспективе расположения 300 полюсных наконечников. В этом варианте осуществления расположения 300 полюсных наконечников обеспечиваются два полюсных наконечника 310, 320, которые соединяются через опору 330 полюсных наконечников, механически несущую и магнитно связывающую два полюсных наконечника 310, 320. Хотя полюсные наконечники 310, 320, показанные на этих чертежах, в данном варианте осуществления будут иметь показанные здесь геометрические свойства, конкретная форма опоры 330 полюсных наконечников показана здесь только в качестве простого примера, в то время как конкретная форма для практического применения будет определяться конструктивными параметрами, такими как требуемая устойчивость.

Как показано на Фиг. 7 и 8, каждый полюсный наконечник 310, 320 содержит по меньшей мере один, здесь в этом варианте осуществления два внутренних сегмента 311, 312 и 321, 322 полюсных наконечников, соответственно, и по меньшей мере два, здесь в этом варианте осуществления четыре внешних сегмента 313-316 и 323-326 полюсных наконечников, соответственно. Дополнительно, каждый полюсный наконечник 310, 320 содержит ярмо 317 и 327 полюсного наконечника, соединяющее различные сегменты полюсного наконечника для одного и того же полюсного наконечника.

Все сегменты полюсных наконечников общего полюсного наконечника располагаются коаксиально вокруг общей оси 115а внутренней катушки, в которой вторые внутренние сегменты 312, 322 полюсных наконечников располагаются как кольца вокруг соответствующего внутреннего сегмента 311, 321 полюсных наконечников. Каждый из внешних сегментов 313-316 и 323-326 полюсных наконечников, соответственно, выполнен в форме кольцевого сегмента, расположенного на одинаковом расстоянии вокруг оси 115а внутренней катушки, но имеющего различные угловые положения, как показано на Фиг. 7В.

Такое расположение полюсных наконечников, на которых расположены различные катушки из числа катушек поля выбора и фокусировки, как будет показано и объяснено ниже, является предпочтительным для достижения желаемого перемещения катушки поля выбора и фокусировки (первая подзона 52). Сегментация внешних сегментов полюсных наконечников, здесь на два-четыре сегмента (обычно по меньшей мере два сегмента, но возможны также и больше сегментов), особенно предпочтительна для перемещения FFP вдоль направлений x и y.

В практической реализации расстояние di между внутренними сегментами 311, 321 полюсного наконечника (в направлении z) является по меньшей мере настолько большим, что пациент, а также катушки возбуждающего поля могут находиться между ними. Это означает, что расстояние di должно быть по меньшей мере 40 см, предпочтительно, по меньшей мере 45 см. Расстояния d0 между внешними сегментами b полюсных наконечников может быть несколько меньше, поскольку между ними обычно никакие катушки возбуждающего поля не располагаются. Следовательно, расстояние d0 должно быть по меньшей мере 25 см, предпочтительно, по меньшей мере 40 см.

Полюсные наконечники обычно изготавливаются из магнитно-мягкого материала. Предпочтительно, два внутренних сегмента 311, 312 и 321, 322, соответственно полюсных наконечников, и головные участки 313h-314h и 323h-324h (смотрите Фиг. 7A; головные участки других внешних сегментов полюсных наконечников показаны на этом чертеже неточно) изготавливаются из магнитно-мягкого материала и имеют высокую индуктивность насыщения, в частности, FeCo, Fe, Dy, Gd или их сплава, такого как Fe49V1,9Co49 (такого как материал, известный под торговым названием Vacoflux48). Альтернативно, может использоваться FeNi, но этот материал имеет более низкую индукцию насыщения. Предпочтительно, задние участки 313t, 314t и 323t, 324t внешних сегментов полюсных наконечников (задние участки внешних сегментов 315 или 316, 325, 326 полюсных наконечников точно не показаны), обращенные от области обследования, и ярмо полюсных наконечников изготавливаются из одного и того же материала. Однако, по причинам стоимости можно изготавливать их из магнитно-мягкого материала, имеющего более низкую индукцию насыщения, чем материал внутренних сегментов передних полюсных наконечников, в частности, из FeSi, FeNi, пермаллой или его сплав, такой как Fe73,5Cu1Nb3Si15,5B7 (обычно называемый наноперм, Nanoperm).

На Фиг. 9 показаны два перпендикулярных поперечных сечения варианта осуществления расположения 400 катушек поля выбора и фокусировки, в котором различные катушки поля выбора и фокусировки монтируются в месте 300 расположения полюсных наконечников, как показано на Фиг. 7 и 8.

На Фиг. 10 показан увеличенный вид единого субблока 410 катушек поля выбора и фокусировки, который будет использоваться для объяснения его дополнительных подробностей. Первый внутренний сегмент 311 полюсного наконечника поддерживает первую внутреннюю катушку 115 поля выбора и фокусировки, который формируется как кольцо вокруг первого внутреннего сегмента 311 полюсного наконечника. Вторая внутренняя катушка 113 поля выбора и фокусировки формируется как другая кольцевая катушка, которая поддерживается вторым внутренним сегментом 312 полюсного наконечника, который сам формируется в виде кольца вокруг упомянутой первой внутренней катушки 115 поля выбора и фокусировки. Четыре внешние катушки 116, 117 поля выбора и фокусировки (на Фиг. 9 и 10 показаны только две внешние катушки поля выбора и фокусировки; другие две внешние катушки поля выбора и фокусировки не показаны на Фиг. 9 и 10) поддерживаются соответствующими внешними сегментами 313, 314, 315, 316 полюсных наконечников. Каждая из упомянутых внешних катушек 116, 117 поля выбора и фокусировки наматывается вокруг своего соответствующего внешнего сегмента 313, 314, 315, 316 полюсного наконечника, так что ток протекает вокруг соответствующего внешнего сегмента полюсного наконечника. Каждый внешний сегмент 313, 314, 315, 316 полюсного наконечника имеет форму кольцевого сегмента, расположенного в разных угловых положениях вокруг оси 115а внутренней катушки.

Таким образом, расположение 400 катушек поля выбора и фокусировки, показанное на Фиг. 9А, содержит, в целом, двенадцать катушек поля выбора и фокусировки, шесть катушек (катушки 113, 115-119) в верхнем субблоке 410 катушек поля выбора и фокусировки и шесть катушек (катушки 133, 135, 136; остальные две катушки не видны на Фиг. 9А) в нижнем субблоке 420 катушек поля выбора и фокусировки. Следует, однако, понимать, что это количество указано в качестве примера. Возможны также и другие количества. В целом, желательны по меньшей мере шесть, предпочтительно, по меньшей мере восемь блоков катушек поля выбора и фокусировки.

Предпочтительно, для каждой катушки поля выбора и фокусировки обеспечивается отдельный субблок генератора поля выбора и фокусировки, так что каждая катушка поля выбора и фокусировки может индивидуально управляться, обеспечивая индивидуальный ток в катушке поля выбора и фокусировки. Однако, также возможно соединить катушки поля выбора и фокусировки вместе и обеспечивать для них общий ток, так чтобы количество субблоков генераторов поля выбора и фокусировки могло быть уменьшено. Например, в варианте осуществления в две катушки 116 и 117 поля выбора и фокусировки подается общий ток. Аналогично, другие две внешние катушки поля выбора и фокусировки соединяются вместе. Это означает, что для такого расположения катушек поля выбора и фокусировки, в целом, требуются восемь субблоков генераторов поля выбора и фокусировки.

В другом варианте осуществления две противоположно размещенные катушки поля выбора и фокусировки двух различных субблоков 410, 420 катушек поля выбора и фокусировки соединяются вместе и обеспечиваются общим током. Например, две (на Фиг. 9) внешние катушки поля выбора и фокусировки на правой стороне могут соединяться вместе и обеспечиваться идентичным током. То же самое относится к другим внешним катушкам поля выбора и фокусировки.

Предпочтительно, в соответствии с вариантом осуществления одна или более катушек поля выбора и фокусировки разделяются по меньшей мере на две, в частности, по меньшей мере на четыре сегмента катушек, где сегменты катушек размещаются по соседству друг с другом в направлении соответствующей оси катушек (то есть, в направлении оси 115а внутренних катушек, если все оси катушек параллельны, как в показанном варианте осуществления) и где соседние сегменты катушек электрически соединяются. Как показано на Фиг. 9 и 10, все катушки поля выбора и фокусировки разделяются на несколько сегментов катушек, как указано многочисленными линиями примерного деления катушек на Фиг. 9А и 10.

Например, первая внутренняя катушка 115 поля выбора и фокусировки разделяется на четыре сегмента катушки, указанные буквами A, B, C, D на Фиг. 10. Аналогично, вторая внутренняя катушка 113 поля выбора и фокусировки и различные внешние катушки 116, 117 поля выбора и фокусировки разделяются на множество сегментов катушек, указанных буквами A, B, C и т. д.

Это разделение катушек поля выбора и фокусировки на несколько сегментов позволяет реализовать различные плотности тока вдоль соответствующей катушки поля выбора и фокусировки. В последующей таблице в качестве примера варианта осуществления обобщаются максимальные плотности тока для каждого сегмента катушки. Эти приведенные для примера значения плотностей тока получаются из проведения моделирования, учитывающего, что различные места расположения катушки поля выбора и фокусировки требуют больших токов в различных катушках. Помимо этого, общая электрическая мощность составляла 100 кВт. Максимальная мощность в первой внутренней катушке поля выбора и фокусировки составляла 49 кВт, в то время во второй внутренней катушке поля выбора и фокусировки для токов использовались не более 38 кВт. В каждой из внешних катушек поля выбора и фокусировки рассеивалось не более 20 кВт.

Предпочтительно, сегменты катушки располагаются так, что в направлении соответствующей оси катушки полученные плотности тока увеличиваются с уменьшением расстояния от области обследования. Для получения этого были оценены различные варианты осуществления. В предпочтительных вариантах осуществления один или более сегментов катушки для катушки, расположенной ближе к области обследования, сравниваются с одним или более сегментами катушки для такой же катушки, расположенной дальше от области обследования, которые изготавливаются из другого материала, имеют более толстые обмотки, являются более компактными и/или имеют большую толщину в направлении соответствующей оси катушки. Например, отношения плотностей тока в различных сегментах катушки используются для определения, как проводные поперечные секции должны варьироваться внутри каждой катушки. На практике, однако, требуются, конечно, отклонения от теоретических значений, так как производители проводов обычно обеспечивают только ограниченное количество значений поперечного сечения.

Дополнительно, на Фиг. 9 и 10 можно видеть, что в этом предпочтительном варианте осуществления поперечное сечение, перпендикулярное к оси 115a внутренней катушки через головной участок 312h второго сегмента 312 внутреннего полюсного наконечника, обращенного к области обследования, то есть поперечное сечение вдоль линии X, показанной на Фиг. 10, покрывает меньшую площадь, чем параллельное поперечное сечение через задний участок 312t упомянутого второго внутреннего сегмента 312 полюсного наконечника, обращенного от упомянутой области обследования, то есть, вдоль линии Y, показанной на Фиг. 10.

Предпочтительно, внешний диаметр упомянутого головного участка 312h второго внутреннего сегмента 312 полюсного наконечника уменьшается в направлении оси 315a внутренней катушки с уменьшением расстояния от области 230 исследования. Другими словами, внешние края головного участка 312h наклонены в направлении оси 315а внутренней катушки.

Также, дополнительно, поперечное сечение, перпендикулярное оси 315а внутренней катушки через головной участок 313h, 314h внешних сегментов 313, 314 наполюсных наконечников (то же самое относится к другим внешним сегментам наполюсных наконечников, не показанным точно на Фиг. 10), обращенных к упомянутой области обследования, то есть, вдоль линии Х, покрывает большую площадь, чем параллельное поперечное сечение через задний участок 313t, 314t упомянутых сегментов 313, 314 наполюсных наконечников, обращенных от области обследования, то есть, поперечное сечение вдоль линии Y.

Также, дополнительно, длина внутреннего диаметра упомянутых головных участков 313h, 314h внешних сегментов 313, 314 полюсных наконечников (то же самое относится к другим, не показанным внешним сегментам полюсных наконечников) от оси 315а внутренней катушки уменьшается в направлении оси 115а внутренней катушки с уменьшением расстояния от области 330 обследования. Другими словами, внутренние края головных участков 313h, 314h наклонены в направлении оси 115а внутренней катушки.

Как показано на чертеже, вторая внутренняя катушка 113 поля выбора и фокусировки и внешние катушки 116, 117 поля выбора и фокусировки (то же самое относится к другим, не показанным внешним катушкам поля выбора и фокусировки) перемещаются вокруг соответствующего сегмента полюсного наконечника, собираясь в такую же внешнюю форму, как и соответствующий сегмент полюсного наконечника, что, однако, не является обязательным.

Эти меры обеспечиваются для наивысшей плотности потока на поверхности внутренних сегментов 311, 312 полюсных наконечников и внутренних катушек 113, 115 поля выбора и фокусировки, обращенной к области обследования, в частности, чтобы получить высокий градиент магнитного поля. Следует заметить, что также внешние края внешних сегментов полюсных наконечников могут быть наклонены в направлении оси 115а внутренней катушки, чтобы дополнительно повысить этот эффект.

Для перемещения поля 28 зрения через область обследования, которое традиционно достигалось использованием фокусирующего магнитного поля, в целом, не требуется обеспечивать все катушки поля выбора и фокусировки токами. В частности, для перемещения поля зрения 28 в верхнем или нижнем направлении, то есть, вдоль внутреннего направления оси 115а внутренней катушки, главным образом, используются две внутренние катушки 115, 113 поля выбора и фокусировки. Например, если движение поля зрения 28 желательно от верхнего субблока 410 катушек поля выбора и фокусировки в направлении нижнего субблока 420 катушек поля выбора и фокусировки, ток, обеспечиваемый для первой внутренней катушки поля выбора и фокусировки нижнего субблока 420 катушек поля выбора и фокусировки, и ток, обеспечиваемый для второй внутренней катушки поля выбора и фокусировки верхнего субблока 410 катушек выбора и фокусировки, увеличиваются. Альтернативно или в дополнение, ток, обеспечиваемый для первой внутренней катушки поля выбора и фокусировки верхнего субблока 410 катушек поля выбора и фокусировки, и ток, обеспечиваемый для второй внутренней катушки поля выбора и фокусировки нижнего субблока 420 катушек поля выбора и фокусировки, уменьшаются. Нет необходимости, чтобы для такого движения использовались внешние катушки поля выбора и фокусировки.

Если перемещение поля зрения 28 желательно в направлении, перпендикулярном оси 115а внутренней катушки, внешние катушки поля выбора и фокусировки дополнительно обеспечиваются токами. В частности, с помощью упомянутых внешних катушек поля выбора и фокусировки формируется дополнительное магнитное поле в направлении вдоль желаемого направления движения и перпендикулярно оси 115а внутренней катушки. Например, если на Фиг. 9А желательно движение слева направо, дополнительно формируется магнитное поле, имеющее северный полюс на левой стороне и южный полюс на правой стороне (или наоборот). Посредством амплитуды тока, обеспечиваемого во внешних катушках выбора и фокусировки, можно затем контролировать, насколько далеко поле 28 зрения может быть передвинуто в этом направлении.

Приведенное выше объяснение обеспечивает только краткую общую идею, как, в целом, может быть достигнуто перемещение поля зрения. На практике, конечно, токами необходимо очень точно управлять, что, однако, является вопросом реализации, которая сильно зависит от точной планировки общего размещения.

Что касается полюсных наконечников, то следует заметить, что они предпочтительно изготавливаются из магнитопроводящих листов, причем листы формируют внутренние сегменты 311, 312 полюсных наконечников и соседствующие головные участки 317h ярма 317 полюсных наконечников полюсного наконечника 310 (то же самое относится к внутренним сегментам полюсных наконечников и к ярму полюсных наконечников на другом полюсном наконечнике 320) расположены вдоль направления, параллельного оси 315а внутренней катушки. Листы, формирующие задний участок 317t ярма 317 полюсных наконечников, (то же самое относится к другому ярму 327 полюсных наконечников) предпочтительно располагаются в направлении, по существу, перпендикулярном оси 315а внутренней катушки. Это обеспечивает оптимальную связь по магнитному потоку.

В случае использования двух или более полюсных наконечников, которые соединяются посредством опоры 330 полюсных наконечников, как показано на Фиг. 8, предпочтительно также, чтобы опора 330 полюсных наконечников изготавливалась из магнитопроводящих листов, располагающихся по соседству друг с другом в том же самом направлении, что и листы, формирующие участок полюсного наконечника, к которому присоединяется опора полюсных наконечников. Например, если опора полюсных наконечников соединяется с головных участков ярм полюсных наконечников, листы опоры полюсных наконечников предпочтительно располагаются в направлении, перпендикулярном оси внутренней катушки. Листы, формирующие опору полюсных наконечников, также располагаются в направлении, перпендикулярном оси 315а внутренней катушки по меньшей мере в месте соединения с ярмами полюсных наконечников. В целом, листы должны располагаться таким образом, чтобы достигалась наилучшая связь по магнитному потоку.

На Фиг. 11 показан вид в перспективе варианта осуществления расположения 500 полюсных наконечников. По сравнению с расположением 300 полюсных наконечников, показанным на Фиг. 8, внешние сегменты полюсных наконечников не формируются в настоящем варианте осуществления как сегменты кольцевой формы, а внешние сегменты 512-517 полюсных наконечников (первого полюсного наконечника 510) и 522-527 (второго полюсного наконечника 520) формируются как цилиндры в виде стержня, предпочтительно той же самой формы, что и внутренние сегменты 511, 521 полюсных наконечников. Преимущества такого расположения состоят, в первую очередь, в экономии расходов, поскольку необходимо изготавливать всего один или два вида полюсных наконечников. Основное преимущество реализуется, если по меньшей мере второе кольцо полюсных наконечников (не показано на Фиг. 11) располагается вокруг центрального полюсного наконечника. В других вариантах осуществления могут также использоваться дополнительные формы сегментов полюсных наконечников, в частности, внешних сегментов полюсных наконечников.

На Фиг. 12 представлен вид в перспективе другого варианта осуществления расположения 600 катушек поля выбора и фокусировки. В этом варианте осуществления используется расположение 500 полюсных наконечников, показанное на Фиг. 11, в котором каждый сегмент полюсных наконечников снабжен индивидуальной катушкой поля выбора и фокусировки, намотанной вокруг катушки 611-617 кольцеобразной формы (для верхнего субблока 610 катушек поля выбора и фокусировки; то же самое относится к нижнему субблоку 620 катушек поля выбора и фокусировки).

Существуют дополнительные варианты осуществления расположений катушек поля выбора и фокусировки. Например, в еще одном другом варианте осуществления расположения 600' катушек поля выбора и фокусировки, показанном на Фиг. 13, большая цилиндрическая катушка 631, 632 магнитного поля располагается поверх и вокруг каждого субблока 610, 620 катушек поля выбора и фокусировки. Дополнительно, можно расположить одну или более дополнительных катушек 640 магнитного поля вокруг магнитной опоры 630, чтобы дополнительно усилить магнитное поле.

Следует заметить, что в дополнение к различным катушкам поля выбора и фокусировки в каждом субблоке катушек поля выбора и фокусировки может дополнительно обеспечиваться стабильный материал, чтобы дополнительно усилить формирование магнитного поля выбора для формирования катушки поля выбора и фокусировки. Этот постоянный магнит предпочтительно должен располагаться вблизи зоны обследования, заменяя собой части из магнитомягкого материала.

Дополнительно, следует заметить, что для охлаждения некоторых или всех катушек предпочтительно обеспечивается охлаждающее средство. Охлаждающее средство может использовать хладагент, такой как вода или масло. Катушки могут изготавливаться из меди или алюминия, но также можно изготавливать их из сверхпроводящего материала, который должен затем охлаждаться, используя соответствующий хладагент, такой как гелий. В случае высокотемпературных сверхпроводящих проводников охлаждение может достигаться использованием газообразного гелия. В случае низкотемпературных сверхпроводящих проводников охлаждение может достигаться использованием жидкого гелия.

Используя описанную выше геометрию, были выполнены различные режимы моделирования. Результаты, полученные таким способом, в обобщенном виде представлены ниже.

Для FFP, расположенной в центре геометрии, напряженность градиентного поля 2,5 Т/м была получена при мощности электропитания 30 кВт. При использовании 90 кВт электрической мощности напряженность градиентного поля увеличилась до 3,3 Т/м. На Фиг. 14 показано, как напряженность градиентного поля увеличивается с увеличением электрической мощности. Для этих моделирований учитывались только внутренние катушки поля выбора и фокусировки. Во внешних катушках поля выбора и фокусировки никакой ток не протекал. В частности, электрическая мощность во второй внутренней катушке поля выбора и фокусировки была в четыре раза больше, чем в первой внутренней катушке поля выбора и фокусировки.

Что касается перемещения в направлении z, то, используя внутренние катушки поля выбора и фокусировки, FFP может быть помещена на ось на расстоянии 10 см от начала координат. При общем потреблении мощности 92 кВт получена напряженность градиентного поля 2,5 Т/м. Электрическая мощность распределялась между катушками. Для полюсного наконечника в направлении, в котором перемещается FFP, первая внутренняя катушка поля выбора и фокусировки рассеивала 49 кВт при отсутствии протекания тока во второй внутренней катушке выбора и фокусировки. Для полюсного наконечника в другом направлении, первая внутренняя катушка поля выбора и фокусировки рассеивала 5 кВт, в то время, как для второй внутренней катушки поля выбора и фокусировки было необходимо 38 кВт.

Что касается перемещения в направлении x или y, то используя внешние катушки поля выбора и фокусировки, FFP могла перемещаться вдоль оси x или y. Например, при одном из моделирований FFP была помещена на ось x на расстоянии 10,1 см от начала координат. Здесь использовалась общая электрическая мощность 100 кВт. Мощность 40 кВт рассеивалась в четырех внешних катушках поля выбора и фокусировки, тогда как остальные 60 кВт использовались во внутренних катушках поля выбора и фокусировки. Напряженность градиентного поля составляла 2,2 Т/м. Тем не менее, градиент был весьма неравномерным. Используя общие способы вычислений, полученные значения составили Gx=-0,69 Т/м и Gy=-1,51 Т/м.

Для определенных применений (MR) желательно формировать магнитное поле, которое не имеет FFP, но является достаточно однородным. Поэтому выполнялись моделирования, при которых направление тока в одном из внутренних полюсных наконечников менялось на обратное. Используя все катушки и различные распределения доступной мощности (100 кВт), максимальная полученная напряженность поля в начале координат равнялась 0,45 Т. Напряженность поля увеличивается вдоль оси z и уменьшается вдоль осей x/y.

Для вычисления энергии, хранящейся в магнитном поле, интеграл

вычисляется в объеме V.

В рамках наших моделирований максимальная наблюдаемая энергия, запасенная в магнитном поле, была ниже 40 кДж. Максимум наблюдался при моделировании, пытающемся получить однородное (MR) поле.

В дальнейшем процесс реконструкции, предложенный в соответствии с настоящим изобретением и выполняемый блоком 152 реконструкции, будет объяснен более подробно. Как описано выше, изменения фонового сигнала и ложные сигналы, которые возникают при калибровочных сканированиях MPI и сканированиях объекта, могут сильно ухудшать качество изображения. Различные источники фонового сигнала демонстрируют различное спектральное поведение, поэтому вклады, вносимые источником фона, неравномерно распределяются по полосе пропускания при измерении, варьируясь по интенсивности и временной структуре между различными частотными составляющими.

При MPI калибровочное сканирование используется для определения системной функции (SF), связывающей отклик сигнала с пространственным положением трасера формирования сигнала. Калибровочное сканирование может делаться, используя робота, который помещает магнитный образец с меньшей или равной желаемой разрешающей способностью во все положения вокселов объема получения изображения. Получение SF на основе робота является достаточно медленным и может рассеиваться среди фоновых измерений. Например, если должен измеряться трехмерный объем в форме прямоугольника с вокселами Nx*Ny*Nz, робот должен расположить калибровочный образец во всех этих положениях. Для определения фона образец может двигаться из чувствительного объема после того, как измерен ряд вокселов, так чтобы сканером могло быть выполнено эталонное сканирование без объекта. Часть этой временной схемы трехмерного сканирования SF показана на Фиг. 15.

На Фиг. 15 показано, что результаты 700 фоновых измерений рассеяны среди результатов 710 калибровочных измерений при различных положениях робота. Этапы указывают положения робота вдоль трех пространственных осей. Показана начальная часть получения системной функции с 14×14×10 вокселов. Для фоновых измерений калибровочный образец удаляется из чувствительного объема для получения изображений. Между фоновыми измерениями измеряется одна строка вдоль направления z.

Интерполируя фоновые данные, медленные изменения фонового сигнала, например, за счет дрейфов, могут быть удалены из данных SF, как показано на Фиг. 16. Интерполяция может быть совершенно линейной, но более передовые способы, такие как интерполяция Фурье, также позволяют простое применение к данным сглаживающего фильтра (как показано на Фиг. 16D и 16E). На Фиг. 17 показан эффект коррекции фона на пространственных структурах, полученных при калибровочном сканировании.

В частности, на Фиг. 16 показана интерполяция фона, сглаживание и коррекция (в условных единицах измерений (усл. ед.), например, в Вольтах, для выборок). В качестве примера показана одна частотная составляющая (x-канал, составляющая 2*fx-fy+2*fz=1583) получения системной функции с 28×28×20=15680 вокселами. В начале сканирования и после каждых 20 положений вокселей выполняется фоновое измерение, насчитывающее 1+28×28=785 результатов измерений фона. Для всех 15680+785 позиций робота показаны только фоновые измерения, тогда как промежуточные позиции интерполируются. На Фиг. 16А показаны результаты 700 фоновых измерений и интерполяция 705 Фурье. На Фиг. 16D показана сглаженная (низкочастотный фильтром) интерполяция 715 Фурье. На Фиг. 16В и 16Е показан увеличенный вид соответствующих данных. На Фиг. 16С и 16F показаны измеренные калибровочные данные до (сигналы 720) и после (725, 730) вычитания фона для двух случаев интерполяции и интерполяции со сглаживанием.

На Фиг. 17 показаны xy-срезы объема, полученные при калибровочном сканировании. Также показан сигнал частотной составляющей 2*fx-fy+2*fz=1583 по х-каналу. На Фиг. 17А показаны три среза в различных положениях по z, перед коррекцией фона; на Фиг. 17В показаны те же самые срезы после коррекции фона. На верхнем краю калибровочных изображений (указаны стрелками) виден эффект коррекции.

Следует заметить, что альтернативный подход к описанному выше подходу выполнения калибровочного сканирования для получения результатов измерения фона состоит в использовании блока системной калибровки, способного формировать локальные поля в различных пространственных положениях, используя катушки, так чтобы никакое пространственное изменение положения образца и, таким образом, робот, не требовались. Идея блока системной калибровки (SCU) состоит в воспроизведении полей, видимых магнитным образцом в положениях, используемых системной функцией в фиксированных положениях, что очень похоже на спектрометр. В SCU однородные поля фокусировки используются для эмуляции изменений положений. Поскольку размер образца для сканера MPI ограничивается градиентным полем, используемым для пространственного кодирования сигнала, SCU не будет иметь такого ограничения. Дополнительно, высокочувствительные приемные катушки могут использоваться для измерения сигнала от стационарного образца. Свойства магнитных частиц будут однозначно учитываться. Таким образом, SCU объединяет преимущества как системной функции, основанной на роботе, так и моделированной функции. Альтернативно специализированному SCU, любой сканер MPI с фокусирующими полями может использоваться в качестве SCU. При использовании SCU для оценки системной функции для другого сканера MPI, необходимо учитывать все аспекты сканера MPI: все магнитные поля, характеристики цепи приема и т.д.

С помощью описанного выше способа медленно меняющиеся фоновые сигналы предпочтительно могут удаляться, тогда как изменения, более быстрые, чем временной интервал фоновых измерений, удаляться не могут. Однако, могут быть идентифицированы частоты, подверженные действию этих изменений. Один из способов состоит в измерении полной системной функции дважды, один раз с образцом трасера и другой раз без образца. После удаления медленно изменяющегося фона, используя приведенный выше подход, спектральный график содержания сигнала на каждой частоте при пустых измерениях выявляет спектральное расположение ложных сигналов (смотрите Фиг. 18А). Мерой содержания сигнала может быть стандартная девиация сигнала на заданной частоте относительно других пространственных положений. Эта информация может использоваться для взвешивания частотных составляющих в процессе реконструкции с целью уменьшения влияния составляющих с высоким уровнем фонового сигнала. Кроме того, отношение между спектральным содержанием сигнала при измерениях с образцом и без образца дает индикацию отношения между сигналом частиц и фоновым сигналом, которая упоминается как SNR (смотрите Фиг. 18Е). Спектр SNR, то есть, коэффициенты SNR для конкретных частот, может использоваться для выбора частотных составляющих для реконструкции, применяя порог (также называемый порогом SNR). Дополнительно, SNR может действовать как масштабный коэффициент для взвешивания частотных составляющих. Обычно, однако, как объяснялось выше, могут использоваться и другие коэффициенты качества сигнала и пороги качества сигнала.

Поскольку измерение двух системных функций является довольно продолжительным, альтернативный подход заключается во введении измерений более быстрых изменений в сканирование системной функции, например, используя более длительное окно выборки для рассеянных фоновых измерений вместо измерений вокселов. Как оказано на Фиг. 15, это должно означать, что временное окно 700 должно быть сделано длиннее. Затем в этих временных окнах может быть определена мера изменения сигнала (например, стандартная девиация), которая может быть введена в обработку, подобную описанной выше, с целью найти меру SNR для пороговой обработки и взвешивания. Фон, определенный при использовании этого способа, показан на Фиг. 18В и очень похож на фон, полученный в результате времязатратного пустого измерения, показанного на Фиг. 18А.

Таким образом, на Фиг. 18 показано содержание сигнала на различных частотных составляющих, определенных из стандартной девиации для сигнала в различных положениях. Данные собирают на приемной х-катушке во время трехмерного возбуждения Лиссажу. Разнос частотных составляющих составляет 46,42 Гц, так что ширина спектра равна 625 кГц. На Фиг. 18D и 18E показана мера SNR, полученная из отношения сигнала, показанного на Фиг. 18C для сигналов, показанных на Фиг. 18A и 18B, соответственно. На Фиг. 18А показано содержание сигнала, полученное из пустого измерения SF. на Фиг. 18В показано содержание сигнала, полученное из пустых измерений, рассеянных при получении SF. На Фиг. 18С показано содержание сигнала, измеренное с помощью калибровочного образца. На Фиг. 18D показано значение SNR, полученное из Фиг. 18C/Фиг. 18A. На Фиг. 18С показано значение SNR, полученное из Фиг. 18C/Фиг. 18B.

Чтобы увеличить SNR при калибровочном сканировании, последовательность получения объема повторяется несколько раз (например, 50) в каждом из положений робота. Описанная выше обработка предпочтительно применяется после усреднения результатов этих измерений. Чтобы дополнительно увеличить временную разрешающую способность измеренных изменений фонового сигнала, описанная выше обработка может применяться к неусредненным данным. В принципе, могут также оцениваться изменения в течение одного времени повторения последовательности.

Таким образом, изменения фона могут идентифицироваться в различных временных масштабах и эта информация может применяться для оптимизации пороговой обработки и весовой обработки частотных составляющих, предназначенных для реконструкции.

Настоящее изобретение может дополнительно применяться для удаления фона при сканировании объектов (видеосканировании). Фоновые данные могут быть получены перед и после того, как пациент или объект помещен в сканер. Интерполяция между двумя измерениями позволяет коррекцию фона для данных объекта. Дополнительно, аналогично SF, частотные составляющие с флюктуациями во время интервалов измерения фона могут быть идентифицированы и соответственно обработаны.

Вычитание фона является критичным признаком в MPI, чтобы обеспечить приличное качество сигнала с точки зрения несовершенства сканера и ложных сигналов, получаемых приемной системой. Настоящее изобретение обеспечивает решение для эффективных измерений фона и его вычитания.

Хотя на чертежах и в предшествующем описании изобретение было представлено и подробно описано, такое представление и описание следует считать иллюстративными или примерами, не создающими ограничений; изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. При осуществлении заявленного изобретения, исходя из изучения чертежей, раскрытия, и приложенной формулы изобретения, специалистами в данной области техники в дополнение к раскрытым вариантам осуществления могут быть поняты и осуществлены другие варианты.

В формуле изобретения слово ʺсодержащееʺ не исключает другие элементы или этапы, и единственное число не исключает множественное число. Одиночный элемент или другой блок могут выполнить функции нескольких позиций, упомянутых в формуле изобретения. Простой факт, что определенные критерии повторяются во взаимно зависимых разных пунктах формулы изобретения, не указывает, что объединение этих критериев не может использоваться для достижения преимущества.

Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничение ее объема.

1. Устройство (100) обнаружения магнитных частиц в поле (28) зрения, причем упомянутое устройство содержит:

- средство выбора, содержащее блок (110) генератора сигналов поля выбора и элементы (116) поля выбора для создания магнитного поля (50) выбора, имеющего такую пространственную структуру его напряженности магнитного поля, что в поле (28) зрения формируются первая подзона (52), имеющая низкую напряженность магнитного поля, где намагничивание магнитных частиц не доходит до насыщения, и вторая подзона (54), имеющая более высокую напряженность магнитного поля, где намагниченность магнитных частиц доходит до насыщения,

- средство (120) возбуждения, содержащее блок (122) генератора сигнала возбуждающего поля и катушки (124; 125, 126, 127) возбуждающего поля для изменения положения в пространстве двух подзон (52, 54) в поле (28) зрения посредством возбуждающего магнитного поля, чтобы намагничивание магнитного материала изменялось локально,

- приемное средство, содержащее по меньшей мере один блок (140) приема сигнала и по меньшей мере одну приемную катушку (148) для получения сигналов обнаружения, причем сигналы обнаружения зависят от намагничивания в поле (28) зрения и на намагничивание влияют изменения положения первой и второй подзон (52, 54) в пространстве, и

- средство (152) реконструкции для реконструкции изображения поля (28) зрения из сигналов обнаружения, причем спектр упомянутых сигналов обнаружения включает в себя множество частотных составляющих, при этом одна или более из упомянутых частотных составляющих выбираются и/или взвешиваются путем использования коэффициента качества конкретного сигнала частотной составляющей, полученного из результатов измерений фоновых сигналов, причем для реконструкции изображения используются только выбранные и/или взвешенные частотные составляющие.

2. Устройство по п. 1,

в котором упомянутое средство (152) реконструкции выполнено с возможностью выбора частотных составляющих, используя порог качества сигнала, причем выбираются только те частотные составляющие, которые имеют коэффициент качества сигнала выше упомянутого порога качества сигнала.

3. Устройство по п. 1,

в котором упомянутое средство (152) реконструкции выполнено с возможностью взвешивания всех или выбранных частотных составляющих посредством их коэффициента качества конкретного сигнала частотной составляющей.

4. Устройство по п. 1,

при этом упомянутое устройство выполнено с возможностью осуществления измерений фоновых сигналов, рассеянных среди результатов измерений системной функции, и получения упомянутых коэффициентов качества сигнала из упомянутых результатов измерений фоновых сигналов.

5. Устройство по п. 4,

при этом упомянутое устройство выполнено с возможностью осуществления измерений фоновых сигналов в течение временных интервалов, более продолжительных, чем измерения системной функции.

6. Устройство по п. 4 или 5,

в котором упомянутое средство (152) реконструкции выполнено с возможностью удаления медленно меняющихся фоновых сигналов из результатов измерений системной функции, определяя фоновые сигналы на конкретных частотах из упомянутых результатов измерений фоновых сигналов и вычитая эти фоновые сигналы на конкретных частотах из соответствующих частотных составляющих упомянутых результатов измерений системной функции.

7. Устройство по п. 6,

в котором упомянутое средство (152) реконструкции выполнено с возможностью интерполяции упомянутых результатов измерений фоновых сигналов и использования интерполированных результатов измерений фоновых сигналов для определения упомянутых фоновых сигналов на конкретных частотах.

8. Устройство по п. 6,

при этом устройство выполнено с возможностью повторения упомянутых результатов измерений фоновых сигналов, рассеянных среди результатов измерений системной функции, и усреднения полученных результатов измерений фоновых сигналов, причем упомянутое средство (152) реконструкции выполнено с возможностью определения упомянутых фоновых сигналов на конкретных частотах из упомянутых усредненных результатов измерений фоновых сигналов.

9. Устройство по п. 4,

при этом упомянутое устройство выполнено с возможностью повторения упомянутых измерений фоновых сигналов в различных временных масштабах.

10. Устройство по п. 4,

при этом упомянутое устройство выполнено с возможностью осуществления упомянутого измерения фоновых сигналов перед и/или после приема обнаруженных сигналов для реконструкции изображения поля зрения.

11. Устройство по п. 1,

при этом упомянутое устройство выполнено с возможностью осуществления калибровочных измерений, причем первое калибровочное измерение выполняется в то время, когда магнитный образец движется через поле зрения, и второе калибровочное измерение выполняется без магнитного материала в поле зрения.

12. Устройство (100) по п. 1, содержащее:

средство (120) выбора и фокусировки, включающее в себя упомянутое средство выбора, для формирования магнитного поля (50) выбора и фокусировки, имеющего такую пространственную структуру его напряженности магнитного поля, что в поле (28) зрения формируются первая подзона (52) и вторая подзона (54), и для изменения положения в пространстве поля (28) зрения внутри области (230) обследования, причем упомянутое средство выбора и фокусировки содержит по меньшей мере один набор катушек (114; 113, 115-119) выбора и фокусировки и блок (112) генератора поля выбора и фокусировки для формирования токов поля выбора и фокусировки, которые должны подаваться в упомянутый по меньшей мере один набор катушек (114; 113, 115-119) поля выбора и фокусировки для управления формированием упомянутого магнитного поля выбора и фокусировки,

при этом упомянутый по меньшей мере один набор катушек поля выбора и фокусировки содержит

- по меньшей мере одну внутреннюю катушку (113, 115) поля выбора и фокусировки, сформированную как замкнутый контур вокруг оси (115а) внутренней катушки первой внутренней катушки (115) поля выбора и фокусировки, и

- группу по меньшей мере из двух внешних катушек (116-119) поля выбора и фокусировки, расположенных на большем расстоянии от упомянутой оси (115а) внутренней катушки, чем упомянутая по меньшей мере одна внутренняя катушка (113, 115) поля выбора и фокусировки, и в других угловых положениях, каждая из которых формируется как замкнутый контур вокруг соответствующей оси (116а-119а) внешней катушки.

13. Способ обнаружения магнитных частиц в поле (28) зрения, причем упомянутый способ содержит этапы, на которых:

- формируют магнитное поле (50) выбора, имеющее такую пространственную структуру его напряженности магнитного поля, что в поле (28) зрения формируются первая подзона (52), имеющая низкую напряженность магнитного поля, где намагничивание магнитных частиц не доходит до насыщения, и вторая подзона (54), имеющая более высокую напряженность магнитного поля, где намагниченность магнитных частиц доходит до насыщения,

- изменяют положение в пространстве двух подзон (52, 54) в поле (28) зрения посредством магнитного возбуждающего поля, чтобы намагничивание магнитного материала изменялось локально,

- получают сигналы обнаружения, причем сигналы обнаружения зависят от намагничивания в поле (28) зрения и на намагничивание влияют изменения положения первой и второй подзон (52, 54) в пространстве, и

- реконструируют изображение поля (28) зрения из сигналов обнаружения, причем спектр упомянутых сигналов обнаружения включает в себя множество частотных составляющих, среди которых одна или более из упомянутых частотных составляющих выбираются и/или взвешиваются путем использования коэффициента качества конкретного сигнала частотной составляющей, полученного из результатов измерений фоновых сигналов, причем для реконструкции изображения используются только выбранные и/или взвешенные частотные составляющие.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к первой микромагнитометрической системе для обнаружения присутствия сверхмалых количеств магнитных частиц вплоть до одиночной магнитной частицы или одиночного магнитного объекта нано- или микромасштаба.

Изобретение относится к электрохимии и физике магнетизма, в частности к электролитической диссоциации некоторых растворов, ионы которых существенно отличаются по их атомной массе.

Изобретение относится к области измерения магнитных полей и касается оптического магнитометра. Магнитометр включает генератор низкой частоты, конденсатор, по меньшей мере одну катушку электромагнита, активный материал виде кристалла карбида кремния, содержащий по меньшей мере один спиновый центр на основе вакансия кремния с основным квадрупольным состоянием, помещенный внутрь катушки, источник постоянного тока, синхронный детектор, блок управления, оптическую систему из полупрозрачного зеркала, зеркала, светофильтра, линзы и объектива, лазер, излучающий в ближней инфракрасной области, и фотоприемник.

Изобретение относится к неразрушающему контролю металлов и сплавов, а именно к методам контроля фазового состава, и может быть использовано в металлургии, металлообработке, машиностроении, авиастроении для контроля качества продукции и стабильности технологических процессов.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения уровня, мгновенной и интегральной насыпной плотности груза в полувагонах железнодорожного транспорта, обнаружения негабаритного груза, выявления отклонений от сортности, а также для построения распределения уровня (насыпной плотности) по длине полувагона.

Использование: для неразрушающего определения относительной магнитной проницаемости деталей, выполненных из ферромагнитного материала. Сущность изобретения заключается в том, что при индуцировании магнитного поля индуктором 2 измеряют его магнитодвижущую силу с помощью датчика 6 и амплитуды магнитной индукции на противоположных концах магнитных полюсов индуктора Винд и в промежутке между ними Впов и определяют значение относительной магнитной проницаемости ферромагнитной детали с помощью соотношения: технический результат: повышение точности и быстродействия определения относительной магнитной проницаемости.

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой устройство для измерения магнитных характеристик образцов из листовой электротехнической стали произвольной формы.

Изобретение относится к магнитным измерениям и предназначено для измерения вебер-амперной характеристики электротехнического изделия. Техническим результатом заявляемого способа является повышение точности измерения за счет учета температурной погрешности.

Изобретение относится к области экспериментальной физики и предназначено для определения компонент вектора спина, преобладающего в пучке частиц. Предложенное устройство детектирования спина состоит из вращателя (1) спина с переключаемой катушкой (5), отклоняющего устройства (7), детектора (9) спина и коммутационного блока (15), обеспечивающего возможность переключения состояний возбуждения катушки (5).

Изобретение относится к магнитоизмерительной технике и может быть использовано при исследовании магнитных свойств веществ и материалов в следующих областях: физика магнитных явлений, геофизика.

Изобретения относятся к определению магнитного свойства каждого магнитного материала, входящего в состав листа бумаги, перемещаемого по транспортному пути, и определению этих магнитных материалов. Сущность: устройство содержит модуль магнитного детектора, который создает на транспортном пути магнитное поле смещения. Направление этого магнитного поля наклонено под заданным углом к транспортной поверхности для листа бумаги. Модуль детектирует магнитный заряд магнитных материалов посредством обнаружения вариаций магнитного поля смещения. Устройство содержит также модуль намагничивания, который расположен выше по потоку относительно модуля магнитного детектора в указанном направлении перемещения и намагничивает магнитные материалы посредством создания на транспортном пути магнитного поля намагничивания, ориентированного в направлении, отличном от направления магнитного поля смещения. В положении, где модуль магнитного детектора детектирует намагниченность, магнитные материалы находятся в состоянии, в котором магнитные материалы намагничены во взаимно различных направлениях в соответствии с их коэрцитивной силой. Технический результат: создание малогабаритного устройства, способного определять несколько типов разных материалов. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 17 ил.

Изобретение относится к магнитным измерениям и предназначено для измерения вебер-амперных характеристик электротехнических устройств. В устройство измерения вебер-амперных характеристик электротехнических устройств, содержащее источник питания, намагничивающую обмотку, нанесенную на испытуемый образец, измерительный шунт, причем к выходу источника питания присоединено масштабирующее устройство, усилитель, дифференциатор, нуль-орган, аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, дополнительно введены согласно изобретению шесть амплитудных детекторов, коммутатор, первый и второй многополосный фильтр, первое и второе устройства выборки и хранения, персональный компьютер, блок модели. В основе разработанного устройства измерения вебер-амперных характеристик электротехнических устройств лежит метод натурно-модельного эксперимента для определения вебер-амперной характеристики электротехнического изделия. Технический результат – расширение функциональных возможностей устройства измерений вебер-амперных характеристик электротехнических устройств. 2 ил.

Изобретение относится к области измерения магнитного момента (ММ), а именно к измерению магнитных моментов объектов путем измерения составляющих индукции магнитных полей в условиях наличия естественных и промышленных помех. Отличительная особенность способа заключается в том, что производятся измерения разности сигналов между двумя парами магнитоизмерительных датчиков, установленными в противоположных, симметрично расположенных точках относительно центра координат объекта. По результатам измерения разности одноименных составляющих магнитных полей и известных координат положения магнитоизмерительных датчиков относительно центра объекта определяют составляющие мультипольных магнитных моментов. С помощью системы контуров, расположенных вокруг объекта, имитируют условия нахождения объекта в любой широтной зоне и определяют искомые магнитные моменты индуцированной и остаточной намагниченности в этой зоне. Технический результат – повышение помехозащищенности и точности измерения составляющих мультипольных магнитных моментов объектов. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к неразрушающему контролю металлов и сплавов, а именно к устройствам, предназначенным для автоматизированного экспресс-контроля состава сплавов на основе железа, а именно содержания ферритной фазы в различных марках стали при литье и, прежде всего, в стальных пробах и калибровочных образцах. Устройство контроля фазового состава стали содержит источник переменного тока, состоящий из генератора синусоидального напряжения и усилителя переменного напряжения, блок, регистрирующий результат измерения и датчик тока. Согласно изобретению устройство дополнительно содержит индикатор, отображающий результат измерения, микроконтроллер, выполняющий функции генератора синусоидального напряжения и блока, регистрирующего результат измерения, позволяющий реализовать функции цифровой обработки сигналов, записи данных, их вывода на индикатор и передачи данных, при этом в качестве усилителя переменного напряжения используется отдельный усилитель мощности, представляющий собой каскадное включение усилителя напряжения, управляющим элементом которого является операционный усилитель, и каскада на комплементарных транзисторных сборках, питание которого подключено к выходам выпрямителей ±25 В, вход усилителя мощности подключен к выходу цифроаналогового преобразователя микроконтроллера, а выход к обмотке возбуждения первичного преобразователя, при этом первичный преобразователь представляет собой обмотку возбуждения и измерительную обмотку, расположенные коаксиально, причем выход измерительной обмотки подключен к предварительному усилителю, понижающий трансформатор, вторичные обмотки которого подключены к входам выпрямителей напряжения ±25 В, стабилизаторы напряжения +3,3 В и +5 В, входы которых подключены к выходу выпрямителя напряжения +25 В, отдельные предварительные усилители сигнала с датчика тока и сигнала с измерительной обмотки, входы которых подключены соответственно к датчику тока и измерительной обмотке, а выходы к двум каналам аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера. Изобретение обеспечивает повышение надежности и достоверности автоматического измерения содержания ферритной фазы в образце или пробе, погрешность измерения ферритной фазы в пределах ±3%. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электрическим испытаниям транспортных средств. В способе испытаний электрооборудования автотранспортных средств на восприимчивость к внешнему электромагнитному полю испытываемое электрооборудование устанавливают в бортовую сеть транспортного средства и подвергают воздействию внешнего излучения с заданными параметрами. На каждой частоте воздействующего излучения транспортное средство позиционируется в горизонтальной плоскости по отношению к внешнему источнику электромагнитного поля в диапазоне определенных углов. Во время испытаний угловая скорость вращения транспортного средства относительно внешнего источника излучения не должна превышать 5 град/с. При этом минимальное расстояние между внешним источником излучения и транспортным средством выбирается исходя из максимального линейного размера транспортного средства в горизонтальной плоскости и угла главного лепестка диаграммы направленности в горизонтальной плоскости внешнего источника излучения. Повышается полнота определения помехоустойчивости. 2 ил.

Изобретение относится к устройству и способу обнаружения магнитных частиц в поле зрения, которые позволяют удаление фоновых сигналов. Устройство содержит: средство выбора, содержащее блок генератора сигналов поля выбора и элементы поля выбора для создания магнитного поля выбора, имеющего такую пространственную структуру его напряженности магнитного поля, что в поле зрения формируются первая подзона, имеющая низкую напряженность магнитного поля, где намагничивание магнитных частиц не доходит до насыщения, и вторая подзона, имеющая более высокую напряженность магнитного поля, где намагниченность магнитных частиц доходит до насыщения, средство возбуждения, содержащее блок генератора сигнала возбуждающего поля и катушки возбуждающего поля для изменения положения в пространстве двух подзон в поле зрения посредством возбуждающего магнитного поля, чтобы намагничивание магнитного материала изменялось локально, приемное средство, содержащее блок приема сигнала и приемную катушку для получения сигналов обнаружения, причем сигналы обнаружения зависят от намагничивания в поле зрения и на намагничивание влияют изменения положения первой и второй подзон в пространстве, и средство реконструкции для реконструкции изображения поля зрения из сигналов обнаружения, причем спектр упомянутых сигналов обнаружения включает в себя множество частотных составляющих, при этом одна или более из упомянутых частотных составляющих выбираются иили взвешиваются путем использования коэффициента качества конкретного сигнала частотной составляющей, полученного из результатов измерений фоновых сигналов, причем для реконструкции изображения используются только выбранные иили взвешенные частотные составляющие. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 18 ил.

Наверх