专利名称：用于影响和/或探测磁性颗粒的设备和方法磁性颗粒成像(MPI)是新兴的医学成像形态。MPI的最先形式是二维的，因为它们产生二维图像。未来的形式将是三维的(3D)。只要对象在单个3D图像的数据采集期间不显著改变，则通过将时间序列的3D图像组合为影片，能够创建非静态对象的时间相关的或 4D图像。MPI是重建成像方法，如计算机断层摄影(CT)或磁共振成像(MRI)。因此，以两个步骤生成对象的感兴趣的体积的MP图像。使用MPI扫描仪执行称作数据采集的第一步骤。 MPI扫描仪具有生成静态磁梯度场的构件，该静态磁梯度场称作“选择场”，其在扫描仪的等深点具有单个无场点。另外，扫描仪具有生成时间相关的且空间上几乎均勻的磁场的构件。 实际上，通过将称作“驱动场”的具有小幅度且迅速改变的场和称作“聚焦场”的具有大幅度且缓慢变化的场相叠加，获得此场。通过将时间相关的驱动和聚焦场添加至静态选择场， FFP可以沿预定的FFP轨迹在围绕等深点的整个扫描体积中移动。扫描仪也具有一或多个接收线圈构成的装置，并且能够记录在这些线圈中感生的任何电压，多个例如是三个。对于数据采集，将待成像的对象放置在扫描仪中，使得由扫描仪的视场围住对象的感兴趣的体积，其是扫描体积的子集。对象必须包含磁性纳米颗粒；如果对象是动物或患者，在在扫描之前将包含该颗粒的对比剂施予动物或患者。在数据采集期间，MPI扫描仪沿跟踪出扫描体积或至少跟踪出视场的故意选择的轨迹操纵FFP。对象内的磁性纳米颗粒经历改变的磁场并且通过改变它们的磁化进行响应。纳米颗粒的改变的磁化在每个接收线圈中感生出时间相关的电压。 在接收器中与接收线圈相关地对此电压进行采样。接收器输出的样本被记录并构成采集的数据。控制数据采集的细节的参数构成扫描协议。在称作图像重建的图像生成的第二步骤中，根据在第一步骤中采集的数据来计算或重建图像。图像是离散3D数据阵列，该离散3D数据阵列表示对视场中磁性纳米颗粒的位置相关的浓度的采样近似。重建通常由执行合适的计算机程序的计算机执行。计算机和计算机程序实现重建算法。重建算法基于数据采集的数学模型。如所有重建成像方法那样， 此模型是作用于采集的数据的积分算子；重建算法试图尽可能逆转模型的作用。该MPI设备和方法具有的优点是它们能够用于以无损方式检查例如人体的任意检查对象，而不会引起任何损伤并具有高空间分辨率，既可以靠近检查对象的表面也可以远离该表面。该装置和方法通常是已知的并且首先在DE10151778A1中和Gleich，B.和 ffeizenecker, J. (2005),"Tomographic imaging using the nonlinear response of magnetic particles",nature, vol. 435,pp. 1214-1217 中描述。该公开中描述的用于磁性颗粒成像(MPI)的装置和方法利用小磁性颗粒的非线性磁化曲线。^T. Knopp ifei!"Trajectory analysis for magnetic particle imaging", Phys. Med. Biol. 54 (2009) 385-397中，对移动无场点通过视场的不同轨迹进行了模拟。目的是提供用于磁性颗粒成像扫描仪的设计的强制信息。在轨迹应用于数据采集中时，关于密度、速度和图像质量对轨迹进行比较。特别是，将李萨尔轨迹与四个其它的轨迹类型进行比较。总的来说，李萨尔轨迹产生极优的图像质量并且胜过笛卡尔和螺旋采样图案。实践中， 能够利用仅两个专用频率来实现李萨尔轨迹和笛卡尔轨迹。其优点是，能够对用于两个驱动场线圈的信号进行带通滤波以补偿可用放大器的谐波畸变。利用已知的MPI设备和方法，用于移动FFP的轨迹是固定的，主要是因为，归因于驱动线圈和用于驱动场信号生成器中的相应滤波器的共振匹配，用于实现李萨尔轨迹的稍微不同的传输频率是固定的。这导致固定的分辨率和重复时间。通常，期望高的分辨率，为该目的，通常使用仅稍微不同的高传输频率来施加密集的李萨尔轨迹。
本发明的目的是提供用于影响和/或探测视场中的磁性颗粒的设备和方法，该设备和方法容许改变采样轨迹和得到的分辨率，而无需硬件修改。本发明的另一目的是提供用于在计算机上实施所述方法和用于控制该设备的计算机程序。在本发明的第一方面，介绍了一种用于影响和/或探测视场中的磁性颗粒的设备，所述设备包括-选择构件，包括用于生成磁选择场的选择场信号生成器单元和选择场元件，所述磁选择场具有其磁场强度的空间图案，使得在所述视场中形成具有低磁场强度的第一子区和具有较高磁场强度的第二子区；-驱动构件，包括驱动场信号生成器单元和驱动场线圈，所述驱动场信号生成器单元和所述驱动场线圈用于借助于磁驱动场来改变所述两个子区在所述视场中的空间位置以使得所述磁性材料的磁化局部地改变；以及-控制构件，用于控制所述驱动场信号生成器单元，以生成驱动电流来使得所述驱动场线圈生成磁驱动场，使得所述第一子区沿多个P预定低密度轨迹移动，所述多个P预定低密度轨迹均具有不同地位于所述视场内的闭合曲线的形式，其中，每个驱动电流具有驱动电流频率和驱动电流相位，其中，所述驱动电流生成为使得它们的驱动电流频率相等或具有在从0. 5至0. 98 的范围中的频率比，并且使得至少一个驱动电流的所述驱动电流相位对于所述多个P低密度轨迹不同，导致在沿所述多个P预定低密度轨迹移动后，通过所述第一子区对所述视场实现高密度采样。在本发明的另一方面，描绘了对应的方法。在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。应当理解，所声明的方法和所声明的计算机程序与所声明的和在从属权利要求中限定的设备具有相类似和/或相同的优选实施例。本发明基于不使用单个固定轨迹来移动FFP通过视场并以高密度对其进行采样， 而是使用低密度轨迹的想法，低密度轨迹移动FFP沿不同路径通过视场，使得最终，以期望的密度，例如以与已知的单个李萨尔轨迹相同的高密度对视场进行采样。为实现这个，例如，使用相同的低密度轨迹，但是轨迹具有不同相位。所使用的低密度轨迹的密度和空间移位能够由提供给驱动线圈用于生成所需的 (均勻的)磁驱动场的驱动电流的驱动电流频率和驱动电流相位控制。因此，通过对通过控制单元的驱动电流的驱动电流频率和驱动电流相位的合适控制，能够控制磁驱动场，并且从而控制通过视场的FFP的路径。因此，为选择(并改变)采样密度、用于轨迹的重复时间的变化和视场内的轨迹的形式和路径，无需主要的硬件修改(或根本无需硬件修改)。以此模式，驱动电流频率具有在从0. 5至0. 98的范围内的频率比，其意指轨迹是低密度轨迹，因为具有0. 98以上的频率比的轨迹被视为高密度轨迹。本发明也容许对所有(两个或三个)驱动电流，即对所有成像方向使用相同驱动电流频率，并容许在每个轨迹改变视场内的轨迹的形式和路径后改变驱动电流之间的相位差。相同驱动电流频率的使用具有的优点是，与使用不同驱动电流频率的情况相比，需要较少调谐(特别是仅一次)的滤波器和放大器。本发明提供进一步的优点，即例如能够使用单个低密度轨迹来进行单个(快速) 低密度扫描，并且随后，例如对于期望的区域，通过使用多个低密度轨迹或使用单个(常规)高密度轨迹，进行(低)高密度扫描，该多个低密度轨迹具有从一个轨迹至相邻轨迹修改的驱动电流相位。虽然通常，任何种类的形式的任何种类的轨迹能够用于形成能够被施加的闭合曲线，但是根据优选实施例，驱动电流是正交正弦驱动电流，并且轨迹特别具有李萨尔曲线的形式。该驱动电流和轨迹能够分别被容易地生成和修改，例如由用户控制或预设，并容易地容许对采样密度进行控制，优选地利用相当均勻地分布的采样点。优选地，驱动电流是lebinGnfit+cpO的形式，其中，i为驱动电流幅度，Cp1为驱动电流相位，fi为驱动场频率且i表示提供有驱动电流Ii的所述驱动场线圈引起的所述磁驱动场的方向，其中，所述驱动电流频率fi均相等，或其中，所述驱动电流频率|具有第一Jl频率比H，并且所述驱动电流频率 具有第二频率比I，N为小于50，特别是小于20 N/N +
的正整数。从而，简单地通过选择参数N，能够选择密度。多个ρ预定低密度轨迹优选地大于2，特别是大于10，更优选地在从10至200的范围中，特别是在从50至100的范围中。根据另一实施例，针对所述多个ρ预定低密度轨迹在从0°至360°的相位范围上分布至少一个驱动电流Ii的所述驱动电流相位Cp1，特别是相等地分布所述至少一个驱动电流Ii的所述驱动电流相位Cp1。相等分布的优点是，感兴趣的域被相等地密集采样。取决于应用的种类和根据本发明的设备的使用，此外，可以提供通常已知的构件， 诸如-聚焦构件，所述聚焦构件包括用于借助于磁聚焦场来改变所述视场的所述空间位置的聚焦场信号生成器单元和聚焦场线圈；和/或-接收构件，包括用于采集探测信号的至少一个信号接收单元和至少一个接收线圈，所述探测信号取决于所述视场中的磁化，所述磁化受到所述第一子区和所述第二子区的所述空间位置的改变的影响，以及-处理构件，用于处理所述探测信号，特别是用于根据所述探测信号重建图像和/ 或用于定位所述视场内的所述磁性颗粒，特别是放置在所述视场内的对象内的所述磁性颗粒。


参照以下描述的实施例，本发明的这些和其它方面是明显的，并且将参照以下描述的实施例阐述本发明的这些和其它方面。以下附图中图1示出了 MPI设备的第一实施例；图2示出了图1中所示的设备产生的选择场图案的范例；图3示出了 MPI设备的第二实施例；图4示出了根据本发明的MPI设备的框图；图5示出了高密度轨迹和低密度轨迹；图6示出了具有不同相位和不同频率的多个低密度轨迹；图7示出了图6中所示的多个低密度轨迹的叠加；图8示出了具有不同相位和相同频率的多个低密度轨迹；图9示出了图8中示出的多个低密度轨迹的叠加。

这些文献中，通常也能够发现MPI方法的更多细节。数据采集在时间ts开始并且在时间te结束。在数据采集期间，X、y和ζ线圈对 12、14、16生成位置和时间相关的磁场、所施加的场。通过引导合适的电流通过线圈，可以实现这个。有效地，驱动和聚焦场推动附近的选择场，使得FFP沿跟踪出扫描体积——视场的超集的预选择的FFP轨迹移动。施加的场对患者中的磁性纳米颗粒进行定向。随施加的场改变，得到的磁化也改变，然而其非线性地响应于施加的场。改变的施加的场和改变的磁化的和在沿&轴的接收线圈对的端子上感生出时间相关的电压Vk。相关的接收器将此电压转换为其采样和输出的信号Sk (t)。接收或探测磁驱动场变化的频带外的另一频带(移动至较高频率)中的来自位于第一子区52中的磁性颗粒的信号是有利的。因为由于作为磁化特性的非线性化的结果，扫描仪的视场观中的磁性颗粒的磁化改变，导致磁驱动场频率的较高谐波的频率分量发生， 所以这是可能的。如图1中所示的第一实施例10，图3中所示的MPI扫描仪的第二实施例30具有三个圆的并且相互正交的线圈对32、34、36，但是这些线圈对32、34、36仅生成选择场和聚焦场。仍生成选择场的ζ线圈36填充有铁磁材料37。此实施例30的ζ轴42竖直取向，而 χ和y轴38、40水平取向。扫描仪的孔46平行于χ轴38，并且从而垂直于选择场的轴42。 由沿χ轴38的螺线管(未示出)和沿两个其余轴40、42的鞍形线圈对(未示出)生成驱动场。这些线圈绕形成孔的管缠绕。驱动场线圈也用作接收线圈。接收线圈拾取的信号通过抑制由施加的场引起的贡献的高通滤波器发送。为了给出该实施例的数个典型的参数选择场的ζ梯度G具有G/ μ ^ = 2. 5T/m的强度，其中μ ^是真空磁导率。生成的选择场随时间根本不会变化或者变化相当慢，优选地在大致IHz和大致IOOHz之间。驱动场的时间频谱集中于25kHz (高至大致100kHz)附近的窄带。接收的信号的有用频谱位于50kHz和IMHz (最终高至大致IOMHz)之间。孔具有 120mm的直径。装配到孔46中的最大的立方体28的变长为120mm/V^=84mm。如以上实施例中所示，通过相同线圈对的线圈并通过给这些线圈提供具有合适地生成的电流，能够生成各磁场。然而，特别是为具有较高信噪比的信号解译的目的，当通过独立线圈对生成时间上恒定的(或准恒定的)选择场和时间上可变化的驱动场和聚焦场时，这是有利的。通常，亥姆霍兹类型的线圈对能够用于这些线圈，它们通常是从具有开放式磁体(开放式MRI)的磁共振设备的领域已知的，在开放式磁体(开放式MRI)中，射频 (RF)线圈对位于感兴趣的区域之上和之下，所述RF线圈对能够生成时间上可变化的磁场。 因此，该线圈的构成不必于此进一步详细阐述。在用于生成选择场的替代实施例中，能够使用永磁体(未示出)。在该(相对的) 永磁体(未示出)的两极之间的空间中，形成了类似于图2中所示的磁场，即当相对极具有相同极性时。在另一替代实施例中，能够通过混合至少一个永磁体和至少一个线圈来生成选择场。图4示出了根据本发明的MPI设备10的一般框图。以上解释的磁性颗粒成像和磁共振成像的一般原理是有效的并且也可应用于此实施例，除非另外解释。图4中所示的设备100的实施例包括用于生成期望磁场的各种线圈组。首先，将解释MPI模式中的线圈和它们的功能。为生成以上解释的磁(梯度)选择场，提供选择构件，该选择构件包括选择场(SF) 线圈组116，优选地包括至少一对线圈元件。选择构件还包括选择场信号生成器单元110。 优选地，给该选择场线圈组116的每个线圈元件(或每对线圈元件)提供独立的生成器子单元。所述选择场信号生成器单元110包括可控选择场电流源112(—般包括放大器)和滤波器单元114，可控选择场电流源112和滤波器单元114给相应选择场线圈元件提供选择场电流以最终在期望的方向上设定选择场的梯度强度。优选地，提供DC电流。如果选择场线圈元件布置为不同极性的(opposed)线圈，例如在视场的相反侧上，则不同极性的线圈的选择场电流优选地相反地(oppositely)取向。选择场信号生成器单元110由控制单元150控制，控制单元150优选地控制选择场电流生成110，使得场强的和与选择场的所有空间片段的梯度强度的和保持在预定水平。为生成磁聚焦场，设备100还包括聚焦构件，该聚焦构件包括聚焦场(FF)线圈组， 优选地包括三对126a、U6b、126c相反地布置的聚焦场线圈元件。所述磁聚焦场通常用于改变作用区域的空间位置。聚焦场线圈受到聚焦场信号生成器单元120控制，聚焦场信号生成器单元120优选地包括用于所述聚焦场线圈组的每个线圈元件(或至少每对线圈元件)的独立的聚焦场信号生成子单元。所述聚焦场信号生成器单元120包括聚焦场电流源 122(优选地包括电流放大器)和滤波器单元124，用于给将用于生成磁聚焦场的线圈126a、 126bU26c的所述子组的相应线圈提供聚焦场电流。聚焦场电流单元120也受到控制单元 150的控制。为生成磁驱动场，设备100还包括驱动构件，驱动构件包括驱动场(DF)线圈的子组，优选地包括三对136a、136b、136c的相反地布置的驱动场线圈元件。驱动场线圈受到驱动场信号生成器单元130的控制，驱动场信号生成器单元130优选地包括用于所述驱动场线圈组的每个线圈元件(或至少每对线圈元件)的独立的驱动场信号生成子单元。所述驱动场信号生成器单元130包括驱动场电流源132 (优选地包括电流放大器)和滤波器单元， 用于提供驱动场电流给相应驱动场线圈。驱动场电流源132适于生成AC电流并且也受到控制单元150的控制。为信号探测，提供特别是接收线圈的接收构件148和接收由所述接收构件148探测的信号的信号接收单元140。所述信号接收单元140包括用于对所接收的探测信号进行滤波的滤波器单元142。此滤波的目的是分开由检查域中的磁化引起的测量值与其它干扰信号，该磁化受到两个部分区域(52，54)的位置改变的影响。为此目的，滤波器单元142可以设计为例如使得时间频率比用以操作接收线圈148的时间频率小或比这些时间频率的两倍小的信号不通过滤波器单元142。信号于是经由放大器单元144传输至模拟/数字转换器146 (ADC)。模拟/数字转换器146产生的数字化信号馈至图像处理单元(也称作重建构件)152，其根据这些信号和在相应信号的接收期间检查域中的第一磁场的第一部分区域 52所采取的并且所述图像处理单元152从控制单元150获得的相应位置重建磁性颗粒的空间分布。磁性颗粒的重建的空间分布最终经由控制构件150传输至计算机154，计算机154 在其监视器156上显示磁性颗粒的重建的空间分布。从而，能够显示示出检查域的视场中的磁性颗粒的分布的图像。此外，提供输入单元158，例如键盘。用户因此能够设定最高分辨率的期望的方向并且轮流接收监视器156上的作用区域的相应图像。如果最高分辨率所需的关键方向与用户首先设定的方向偏离，则用户仍然能够手动改变方向，以产生具有改善的成像分辨率的另一图像。此分辨率改善处理也能够由控制单元150和计算机154自动操作。此实施例中的控制单元150在第一方向上设定用户自动估计或设定为开始值的梯度场。梯度场的方向于是逐步变化，直至由计算机154比较的由此接收的图像的分辨率最大，各自不再改善。因此能够发现最关键的方向各自自动适应，以接收最高可能分辨率。根据本发明，控制单元150适于控制所述驱动场信号生成器单元130，特别是驱动电流源132，使得其生成驱动电流，用于使得驱动场线圈136、136b、136c生成磁驱动场，使得第一子区52沿多个ρ预定低密度轨迹移动，每个轨迹具有不同地设置于视场观内的闭合曲线的形式。每个驱动电流具有驱动电流频率和驱动电流相位，并且驱动电流生成为使得它们的驱动电流频率相等或具有从0. 5至0. 98的范围中的频率比，并使得至少一个驱动电流的驱动电流相位对多个P低密度轨迹不同，导致在沿所述多个P预定低密度轨迹移动后，通过所述第一子区对视场实现高密度采样。换句话说，根据本发明，不通过沿单个高密度轨迹移动FFP来对视场进行采样，但是该采样不是通过使用均沿不同路径对视场进行采样的一个以上的低密度轨迹，使得沿所述低密度轨迹的FFP的随后移动也最终导致高密度采样。与已知方法相比，根据本发明提出的控制给用户提供较高灵活性，例如以选择期望的分辨率和可用的扫描时间。根据本发明的优选实施例使用的轨迹具有闭合李萨尔曲线的形式，该李萨尔曲线具有低密度。为沿规定的轨迹移动FFP或为改变沿规定轨迹的第一子区52的空间位置，一系列变化电流必须在驱动场线圈136a、136b、136c中流动。在2D李萨尔曲线的情况下，利用正弦驱动场电流控制两个驱动场线圈136a、136b、136c。通过叠加两个正交谐波驱动场生成2D李萨尔曲线。例如，在χ轴的方向上生成磁驱动场的第一驱动场线圈和在y轴的方向上生成磁驱动场的第二驱动场线圈受到控制。利用第一驱动场电流控制第一驱动场线圈，第一驱动场电流具有如下形式


本发明涉及用于影响和/或探测视场中的磁性颗粒的MPI(磁性颗粒成像)设备和方法。不是沿单个时间消耗的高密度轨迹移动FFP(无场点)，提出使用具有前进相位的多个低密度轨迹，其中，每个所述低密度轨迹具有不同地位于视场内的闭合曲线的形式。