Устройство и способ для воздействия на и/или обнаружения магнитных частиц

Устройство и способ для воздействия на и/или обнаружения магнитных частиц

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к устройству и способу для воздействия на и/или обнаружения магнитных частиц в поле зрения. Кроме того, настоящее изобретение относится к компьютерной программе для реализации упомянутого способа на компьютере, а также для управления таким устройством. Настоящее изобретение относится в частности к области визуализации с помощью магнитных частиц.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Визуализация с помощью магнитных частиц (MPI, magnetic particle imaging) является развивающимся медицинским методом визуализации. Первые версии визуализации с помощью магнитных частиц были двумерными в том, что они давали двумерные изображения. Более новые версии являются трехмерными (3D). Четырехмерное изображение нестатического объекта может быть создано путем объединения временной последовательности трехмерных изображений в видеоролик, при условии, что объект не меняется значительно во время сбора данных для одного трехмерного изображения.

Визуализация с помощью магнитных частиц является реконструктивным методом визуализации, так же как и компьютерная томография (CT) или магнитно-резонансная томография (MRI, Magnetic Resonance Imaging). Соответственно полученное с помощью магнитных частиц изображение интересующего объема объекта генерируется в два этапа. Первый этап, называемый сбором данных, выполняется с использованием сканера визуализации с помощью магнитных частиц. Сканер визуализации с помощью магнитных частиц имеет средство для генерирования статического магнитного градиентного поля, называемого "полем выбора", которое имеет (единственную) точку вне поля (FFP, field-free point) в изоцентре сканера. Более того, эта FFP окружена первой подзоной с низкой напряженностью магнитного поля, которая в свою очередь окружена второй подзоной с более высокой напряженностью магнитного поля. В дополнение к этому сканер имеет средство для генерирования зависящего от времени, пространственно почти однородного магнитного поля. На самом деле, это поле получается путем наложения быстро меняющегося поля с небольшой амплитудой, называемого "поле возбуждения", и медленно меняющегося поля с большой амплитудой, называемого "фокусирующее поле". Посредством добавления зависящих от времени поля возбуждения и фокусирующего поля к статическому полю выбора, FFP может быть перемещена вдоль заданной траектории FFP во всем "объеме сканирования", окружающем изоцентр. Сканер также имеет конструкцию из одной или более, например, из трех приемных катушек и может записывать любые напряжения, индуцированные в этих катушках. Для сбора данных объект, подлежащий визуализации, помещают в сканер так, чтобы интересующий объем объекта был заключен в поле зрения сканера, которое является подмножеством объема сканирования.

Объект должен содержать магнитные наночастицы; если объект является животным или пациентом, животному или пациенту до начала сканирования вводят контрастное вещество, содержащее такие частицы. Во время сбора данных сканер визуализации с помощью магнитных частиц перемещает FFP вдоль специально выбранной траектории, которая очерчивает/охватывает объем сканирования или по меньшей мере поле зрения. Магнитные наночастицы внутри объекта испытывают воздействие изменяющегося магнитного поля и отвечают путем изменения их намагниченности. Изменение намагниченности наночастиц индуцирует зависящее от времени напряжение в каждой из приемных катушек. Это напряжение оцифровывается в приемнике, связанном с приемной катушкой. Оцифрованные с помощью приемников данные записываются и составляют собранные данные. Параметры, которые управляют деталями сбора данных, составляют "протокол сканирования".

На втором этапе формирования изображения, называемом реконструкцией изображения, изображение вычисляется или реконструируется из данных, полученных на первом этапе. Изображение является дискретным трехмерным массивом данных, который представляет собой оцифрованное приближение к зависящей от положения концентрации магнитных наночастиц в поле зрения. Восстановление обычно проводится с помощью компьютера, который выполняет подходящую компьютерную программу. Компьютер и компьютерная программа реализуют алгоритм реконструкции. Алгоритм реконструкции основан на математической модели сбора данных. Как и все способы реконструктивной визуализации, эта модель может быть сформулирована в виде интегрального оператора, который воздействует на полученные данные; алгоритм реконструкции пытается отменить, по мере возможности, действие модели.

Такие устройство и способ визуализации с помощью магнитных частиц имеют то преимущество, что они могут быть использованы для изучения произвольных объектов экспертизы, например, человеческих тел, неразрушающим образом и с высоким пространственным разрешением, как вблизи от поверхности, так и вдали от поверхности объекта экспертизы. Такие устройство и способ в целом известны и были впервые описаны в патенте DE 101 51 778 A1 и в публикации Gleich, B. and Weizenecker, J. (2005), “Tomographic imaging using the nonlinear response of magnetic particles” in Nature, vol. 435, pp. 1214-1217, в которой также в целом описан принцип реконструкции. Устройство и способ для визуализации с помощью магнитных частиц (MPI), описанные в этой публикации, используют нелинейную кривую намагничивания малых магнитных частиц.

Как правило, в устройстве визуализации с помощью магнитных частиц формируется градиентное магнитное поле (т.е. магнитное поле выбора) с таким пространственным распределением напряженности магнитного поля, что поле зрения включает в себя первую подобласть с более низкой напряженностью магнитного поля (например, FFP), адаптированной таким образом, что намагниченность магнитных частиц, расположенных в первой подобласти, не насыщена, и вторую подобласть с более высокой напряженностью магнитного поля, адаптированной таким образом, что намагниченность магнитных частиц, расположенных во второй подобласти, является насыщенной. Вследствие нелинейности кривой характеристики намагничивания магнитных частиц намагниченность, и тем самым магнитное поле, создаваемое магнитными частицами, показывает высшие гармоники, которые, например, могут быть обнаружены с помощью детекторной катушки. Оцененные сигналы (высшие гармоники сигналов) содержат информацию о пространственном распределении магнитных частиц, которые снова могут быть использованы, например, в медицинских целях, для визуализации пространственного распределения магнитных частиц и/или для других применений.

Таким образом, устройство визуализации с помощью магнитных частиц и способ визуализации с помощью магнитных частиц в целом основываются на новом физическом принципе (т.е. на принципе, называемом визуализация с помощью магнитных частиц), который отличается от других известных обычных способов медицинской визуализации, таких как, например, локальный магнитный резонанс (LMR) или ядерный магнитный резонанс (NMR). В частности, этот новый принцип визуализации с помощью магнитных частиц, в отличие от способов локального магнитного резонанса и ядерного магнитного резонанса, не использует влияние материала на характеристики магнитного резонанса протонов, а непосредственно определяет намагниченность магнитного материала (магнитных частиц) за счет использования нелинейности характеристической кривой намагничивания. В частности, способ визуализации с помощью магнитных частиц использует высшие гармоники сгенерированных магнитных сигналов, которые являются результатом нелинейности характеристической кривой намагничивания в той ее области, где намагниченность изменяет свое состояние с ненасыщенного на насыщенное.

Как объяснялось выше, в устройстве визуализации с помощью магнитных частиц используются несколько катушек для генерирования и манипулирования желаемым четко определенным магнитным полем. Следовательно, для возбуждения упомянутых различных катушек используются управляющие сигналы. Однако различные катуши соединены таким образом, чтобы управляющие сигналы, подаваемые в канал, компенсировали связи между катушками. Это приводит к тому, что управляющие сигналы, подаваемые в канал, показывают биения на графике сигнала как функции времени, которые могут отличаться по максимальной амплитуде.

Перед подачей в канал управляющий сигнал, как правило, усиливается усилителем. Однако, усилитель может не справиться с максимальной амплитудой, присутствующей из-за биений в управляющем сигнале. Если максимальная амплитуда, присутствующая в управляющем сигнале, превышает верхний предел усилителя, канал не получает необходимый управляющий сигнал, что приводит к неоптимальным результатам в магнитном поле.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является создание такого устройства и способа для воздействия и/или обнаружения магнитных частиц в поле зрения, которое позволяло бы усиливать управляющие сигналы независимо от того, превышают ли максимальные амплитуды управляющих сигналов верхний предел усилителя, который используется для усиления управляющих сигналов.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения представлено устройство, включающее в себя:

- средство выбора, включающее в себя блок генерирования сигнала поля выбора и элементы поля выбора для генерирования магнитного поля выбора, имеющего такую картину линий напряженности магнитного поля в пространстве, что первая подзона, имеющая низкую напряженность магнитного поля, где намагниченность магнитных частиц является ненасыщенной, и вторая подзона, имеющая более высокую напряженность магнитного поля, где намагниченность магнитных частиц является насыщенной, формируются в поле зрения,

- приводное средство, включающее в себя блок генерирования сигнала поля возбуждения и катушки поля возбуждения для изменения положения в пространстве двух подзон в поле зрения посредством магнитного поля возбуждения так, чтобы намагниченность магнитных частиц изменялась локально,

в котором упомянутый блок генерирования сигнала поля возбуждения выполнен с возможностью обеспечения зависящего от времени осциллирующего тока поля возбуждения для каждой катушки поля возбуждения для приведения в действие соответствующей катушки поля возбуждения, причем каждый ток поля возбуждения имеет одну или более отдельных частот осцилляции и одну или более отдельных амплитуд тока и генерируется соответствующим напряжением поля возбуждения на катушке поля возбуждения, причем каждое напряжение поля возбуждения генерируется суперпозицией ряда компонентов напряжения поля возбуждения, включающих в себя компонент напряжения поля возбуждения на катушке поля возбуждения, в котором компонент напряжения поля возбуждения, соответствующий конкретной катушке поля возбуждения, включает в себя один или более подкомпонентов, имеющих отдельные амплитуды напряжения и имеющих ту же самую отдельную частоту осцилляции, что и у соответствующего тока поля возбуждения упомянутой конкретной катушки поля возбуждения.

В следующем аспекте настоящего изобретения представлен соответствующий способ.

В еще одном аспекте настоящего изобретения представлен соответствующий блок генерирования сигнала поля возбуждения для использования в определенном выше устройстве.

Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понимать, что заявленный способ, заявленный блок генерирования сигнала поля возбуждения и заявленная компьютерная программа имеют сходные и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления с заявленным устройством, и как это определено в зависимых пунктах формулы изобретения.

Настоящее изобретение основано на идее управлять выходом блоков генерирования поля возбуждения, в частности, усилителя, обычно включаемого в каждый блок генерирования поля возбуждения, так что напряжения поля возбуждения генерируются для приведения в действие катушки поля возбуждения таким образом, чтобы через катушки поля возбуждения проходили желаемые токи поля возбуждения, посредством которых точка вне поля (FFP), то есть первая подзона, перемещалась бы вдоль заданного пути (траектории), например, траектории Лиссажу. Количество отдельных частот осцилляции и отдельных амплитуд тока в токах поля возбуждения зависит от желаемой траектории.

Например, для траектории Лиссажу каждый ток поля возбуждения включает в себя одну частоту осцилляции и одну или две амплитуды тока (например, две амплитуды, если ток поля возбуждения включает в себя синусоидальный элемент и косинусоидальный элемент с одной и той же частотой осцилляции). Соответственно, для каждой возбуждающей катушки соответствующее напряжение поля возбуждения генерируется как суперпозиция ряда компонентов напряжения поля возбуждения. Таким образом, в случае трех катушек поля возбуждения напряжение поля возбуждения включает в себя три компонента напряжения поля возбуждения. Каждый компонент напряжения поля возбуждения, соответствующий конкретной катушке поля возбуждения, включает в себя один или более подкомпонентов. Каждый подкомпонент имеет отдельную амплитуду напряжения и отдельную частоту осцилляции, где упомянутая отдельная частота осцилляции соответствует частоте осцилляции соответствующего тока поля возбуждения упомянутой конкретной катушки поля возбуждения. Другими словами, для различных частот осцилляции различных токов поля возбуждения в напряжении поля возбуждения обеспечиваются соответствующие подкомпоненты напряжения, имеющие соответствующие частоты осцилляции.

Предпочтительно, блок генерирования сигнала поля возбуждения выполнен с возможностью генерирования упомянутого напряжения поля возбуждения таким образом, что каждый компонент напряжения поля возбуждения включает в себя первый подкомпонент, имеющий форму функции косинуса и косинусоидально изменяющуюся амплитуду напряжения, и второй подкомпонент, имеющий форму функции синуса и синусоидально изменяющуюся амплитуду напряжения, причем оба подкомпонента имеют одну и ту же частоту осцилляции. Например, в практичном и простом варианте осуществления каждое напряжение поля возбуждения в целом имеет следующий вид:

Um(t)=

Umx01 cos (ωxt)+Umx02 sin (ωxt)+ Umy01 cos (ωyt)+Umy02 sin (ωyt)+ Umz01 cos (ωzt)+Umz02 sin (ωzt)

где m=x, y, z в зависимости от соответствующей катушки поля возбуждения, ω является соответствующей частотой осцилляции, а U_mn01 и U_mn02, n=x, y, z являются соответствующими амплитудами напряжения.

В этом варианте осуществления каждое напряжение поля возбуждения U_m(t) включает в себя три компонента (по одному для каждой из трех различных частот осцилляции ω_x, ω_y, ω_z трех различных токов поля возбуждения трех различных катушек поля возбуждения), например, компонент для частоты осцилляции ω_x равен U_mx01 cos (ω_xt)+U_mx02 sin (ω_xt), и каждый из упомянутый трех компонентов включает в себя два подкомпонента, например, частоты осцилляции ω_x этих двух подкомпонентов равны U_mx01 cos (ω_xt) и U_mx02 sin (ω_xt). Следует, однако, отметить, что при наличии большего или меньшего числа катушек поля возбуждения, например, для большего или меньшего числа различных направлений или для направлений, отличающихся от направлений x, y, z, каждое напряжение поля возбуждения в целом также включает в себя большее или меньшее число компонентов с соответствующими частотами осцилляции.

С помощью этого варианта осуществления может быть легко реализована желаемая траектория для перемещения точки вне поля (то есть первой подзоны), например, траектория Лиссажу. В других вариантах осуществления, например, для реализации других траекторий, как упоминалось выше, большее число подкомпонентов (имеющих отдельные частоты осцилляции и амплитуды напряжения) складываются вместе в каждом компоненте напряжения поля возбуждения. Кроме того, следует отметить, что в приведенных выше уравнениях может быть добавлено больше компонентов, если используется более трех катушек поля возбуждения.

В одном варианте осуществления предлагается, чтобы упомянутый блок генерирования сигнала поля возбуждения был выполнен с возможностью генерирования упомянутого напряжения поля возбуждения таким образом, что по меньшей мере один, в частности, каждый, компонент напряжения поля возбуждения включает в себя суперпозицию двух или более подкомпонентов, где первый подкомпонент имеет частоту, соответствующую частоте осцилляции соответствующего тока поля возбуждения упомянутой конкретной катушки поля возбуждения, и по меньшей мере один, в частности каждый, дополнительный подкомпонент имеет частоту, соответствующую различным кратным для упомянутой частоты осцилляции соответствующего упомянутого тока поля возбуждения. В этом варианте осуществления настоящее изобретение предлагает добавить высшие гармоники к управляющему сигналу, который должен быть усилен. Высшие гармоники, предпочтительно целочисленно кратные, добавляются таким образом, чтобы максимальная амплитуда управляющего сигнала, подаваемого на усилитель, не превышала верхний предел усилителя. После усиления предпочтительно используется фильтр для фильтрации усиленных высших гармоник. Результирующий сигнал выглядит так, как будто усилитель усилил исходный управляющий сигнал (с максимальной амплитудой, превышающей верхний предел усилителя). Таким образом, изобретение обеспечивает усиление сигналов, превышающих верхний предел усилителя, который используется для усиления.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления упомянутые дополнительные подкомпоненты имеют частоту, соответствующую увеличивающимся нечетным гармоникам упомянутой частоты осцилляции упомянутого соответствующего тока поля возбуждения. В одном варианте осуществления упомянутые подкомпоненты являются комбинациями синусоидальных и косинусоидальных элементов, которые должны быть заменены другими функциями той же периодичности. Функция синуса является четной, а функция косинуса является нечетной. При замене их другими функциями с той же периодичностью, а также с той же четностью, соответственно, анализ Фурье приводит к функциям, имеющим только нечетные кратные для одной и той же частоты осцилляции (т.е. к нечетным гармоникам). Однако, следует отметить, что другие варианты осуществления, т.е. варианты осуществления, использующие также (или только) четные гармоники, также возможны.

Каждый компонент напряжения поля возбуждения преимущественно включает в себя суперпозицию от двух до десяти подкомпонентов, в частности, от трех до пяти подкомпонентов. Добавление большего числа подкомпонентов обычно не оказывает существенного влияния, так как используемые усилители имеют верхний предел частоты.

В предпочтительной примерной реализации каждое напряжение поля возбуждения U ˜ m ( t ) ​ в целом имеет следующий вид:

U ˜ m ( t ) ​ = U ˜ m x ( t ) ​ + U ˜ m y ( t ) + U ˜ m z ( t ) ,

где каждый компонент U ˜ m n ( t ) ​ имеет следующий вид:

где κ является так называемым параметром коррекции.

В этом варианте осуществления каждый компонент напряжения поля возбуждения U ˜ m n ( t ) ​ включает в себя четыре подкомпонента, один подкомпонент для основной частоты (обозначаемой здесь как ω_n и входящей в параметр β) и еще три подкомпонента для высших гармоник той же основной частоты. Как упоминалось выше, количество компонентов (в данном случае три) может быть различным, в зависимости от количества катушек поля возбуждения, а также количество подкомпонентов (в данном случае четыре) в каждом компоненте может отличаться от четырех и может также быть различным в каждом компоненте, хотя предпочтительно оно равно для всех компонентов.

В этой реализации упомянутый параметр коррекции κ имеет значение в интервале от 0 до 1, в частности, в интервале от 0,3 до 0,7, и предпочтительно имеет одинаковое заранее заданное значение для всех подкомпонентов или различные значения для различных подкомпонентов и/или различных членов упомянутых подкомпонентов.

В одном варианте осуществления блок генерирования сигнала поля возбуждения дополнительно включает в себя блок управления генерированием поля возбуждения для управления генерированием упомянутого напряжения поля возбуждения таким образом, что один или более, в частности, все дополнительные подкомпоненты, имеющие частоту, соответствующую различным кратным для упомянутой частоты осцилляций упомянутого соответствующего тока поля возбуждения добавляются с переключением к первому подкомпоненту только в заранее определенные периоды времени и/или при заранее заданных условиях, в частности, если амплитуда напряжения поля возбуждения превышает заранее заданный порог напряжения поля возбуждения. Таким образом, такие подкомпоненты, как правило, добавляются к подкомпоненту с основной частотой только тогда, когда это необходимо.

Предпочтительно, упомянутый блок управления генерированием поля возбуждения выполнен с возможностью переключать добавление одного или более дополнительных подкомпонентов в те моменты времени, в которые соответствующий подкомпонент имеет значение функции, существенно равное нулю, чтобы избежать дополнительных возмущающих воздействий на желаемые токи поля возбуждения, например, добавления некорректных компонентов.

С помощью устройства в соответствии с настоящим изобретением становятся возможными различные применения. Например, инструментами или медицинским зондом, снабженными магнитными частицами, можно манипулировать (перемещать) путем использования магнитных полей. Кроме того, может выполняться визуализация. С этой целью устройство дополнительно включает в себя средство приема, содержащее по меньшей мере один блок приема сигнала и по меньшей мере одну приемную катушку для получения сигналов обнаружения, которые зависят от намагниченности в поле зрения, которая зависит от изменения положения в пространстве первой и второй подзон.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие аспекты настоящего изобретения станут очевидны из и будут разъяснены со ссылкой на вариант (варианты) осуществления, описанные ниже. На следующих чертежах

Фиг.1 показывает первый вариант осуществления устройства визуализации с помощью магнитных частиц,

Фиг.2 показывает пример структуры поля выбора, создаваемого устройством, показанным на Фиг.1,

Фиг.3 показывает второй вариант осуществления устройства визуализации с помощью магнитных частиц,

Фиг.4 показывает блок-схему устройства визуализации с помощью магнитных частиц в соответствии с настоящим изобретением

Фиг.5 показывает схему, иллюстрирующую типичный сигнал выходного напряжения источника тока поля возбуждения,

Фиг.6 показывает параметры λ_s3, λ_s5 и λ_s7 как функцию параметра коррекции κ, и

Фиг.7 изображает диаграмму, иллюстрирующую сигнал выходного напряжения источника тока поля возбуждения после коррекции в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Прежде чем будут объяснены детали настоящего изобретения, основы визуализация с помощью магнитных частиц будут объяснены более подробно со ссылкой на Фиг.1-4. В частности, будут описаны два варианта осуществления сканера визуализации с помощью магнитных частиц для медицинской диагностики. Также будет дано неформальное описание сбора данных. Будут отмечены сходства и различия между двумя вариантами осуществления.

Первый вариант осуществления 10 сканера визуализации с помощью магнитных частиц, показанный на Фиг.1, имеет три пары 12, 14, 16 коаксиально параллельных круговых катушек, расположение которых показано на Фиг.1. Эти пары 12, 14, 16 катушек служат для генерирования поля выбора, а также возбуждающего и фокусирующего полей. Оси 18, 20, 22 трех пар 12, 14, 16 катушек являются взаимно ортогональными и пересекаются в одной точке, обозначенной как изоцентр 24 сканера 10 визуализации с помощью магнитных частиц. В дополнение к этому, эти оси 18, 20, 22 служат в качестве осей трехмерной декартовой системы координат x-y-z, прикрепленной к изоцентру 24. Вертикальная ось 20 называется осью у, так что оси x и z являются горизонтальными. Пары 12, 14, 16 катушек называются в соответствии с их осями. Например, пара 14 у-катушек образована катушками сверху и снизу сканера. Более того, катушка с положительной (отрицательной) y-координатой называется y⁺-катушкой (y^--катушкой), и аналогично для остальных катушек. Когда это представляется более удобным, оси координат и катушки будут промаркированы как x₁, x₂, и x₃ вместо x, y, и z.

Сканер 10 может быть настроен так, чтобы направлять заранее заданный, зависящий от времени электрический ток через каждую из этих катушек 12, 14, 16, и в любом направлении. Если ток течет по часовой стрелке вокруг катушки, если смотреть вдоль оси этой катушки, он будет рассматриваться как положительный, а в противном случае - как отрицательный. Для генерирования статического поля выбора через z⁺-катушку пропускается постоянный положительный ток I^S, а через z-катушку - постоянный отрицательный ток -I^S. Пара z-катушек 16 тогда действует как пара антипараллельных круговых катушек.

Здесь следует отметить, что расположение осей и номенклатура, данная осям в этом варианте осуществления, являются только примером и могут также быть различными в других вариантах осуществления. Например, в практических вариантах осуществления вертикальная ось часто рассматривается как ось z, а не ось y, как в настоящем варианте осуществления. Это, однако, не меняет в целом функцию и работу устройства и эффект настоящего изобретения.

Магнитное поле выбора, которое обычно представляет собой градиентное магнитное поле, представлено на Фиг.2 силовыми линиями 50. Оно имеет существенно постоянный градиент в направлении (например, горизонтальном) оси z 22 пары z-катушек 16, генерирующей поле выбора, и достигает нулевого значения в изоцентре 24 на этой оси 22. Начиная с этой точки вне поля (не показанной отдельно на Фиг.2), напряженность магнитного поля выбора 50 увеличивается во всех трех пространственных направлениях по мере удаления от точки вне поля. В первой подзоне или области 52, которая обозначена пунктирной линией вокруг изоцентра 24, напряженность поля настолько мала, что намагниченность частиц, находящихся в этой первой подзоне 52, является ненасыщенной, в то время как намагниченность частиц, присутствующих во второй подзоне 54 (вне области 52), находится в состоянии насыщения. Во второй подзоне 54 (т.е. в остаточной части поля зрения 28 сканера снаружи от первой подзоны 52) напряженность магнитного поля выбора достаточно велика, чтобы удерживать магнитные частицы в состоянии насыщения.

При изменении положения двух подзон 52, 54 (в том числе точки вне поля) в пределах поля зрения 28 изменяется (общая) намагниченность в поле зрения 28. Путем определения намагниченности в поле зрения 28 или физических параметров, зависящих от намагниченности, может быть получена информация о пространственном распределении магнитных частиц в поле зрения 28. Для того, чтобы изменить относительное пространственное положение двух подзон 52, 54 (в том числе точки вне поля) в поле зрения 28, на поле выбора 50 накладываются дополнительные магнитные поля, т.е. магнитное поле возбуждения, и, если это применимо, магнитное фокусирующее поле.

Чтобы сгенерировать поле возбуждения, через обе х-катушки 12 пропускается зависящий от времени ток I^D ₁, через обе у-катушки 14 пропускается зависящий от времени ток I^D ₂, и через обе z-катушки 16 пропускается зависящий от времени ток I^D ₃. Таким образом, каждая из трех пар катушек действует как пара параллельных круговых катушек. Аналогично, чтобы сгенерировать фокусирующее поле, через обе х-катушки 12 пропускается зависящий от времени ток I^F ₁, через обе у-катушки 14 пропускается зависящий от времени ток I^F ₂, и через обе z-катушки 16 пропускается зависящий от времени ток I^F ₃.

Следует отметить, что пара z-катушек 16 является особенной: она генерирует не только свою долю возбуждающего и фокусирующего полей, но также и поле выбора (конечно, в других вариантах осуществления могут быть предусмотрены отдельные катушки). Ток, протекающий через z^±-катушки, равен I^D ₃+I^F ₃±I^S. Ток, протекающий через остальные две пары катушек 12 и 14, равен I^D _k+I^F _k, k=1, 2. Вследствие их геометрии и симметрии, три пары катушек 12, 14, 16 должны быть отделены как можно лучше, чего в действительности зачастую недостаточно.

Будучи сгенерированным парой антипараллельных круговых катушек, поле выбора является вращательно симметричным относительно оси z, и его z-компонента близка к линейной в z и не зависит от х и у в значительном объеме вокруг изоцентра 24. В частности, поле выбора имеет одну точку вне поля (FFP) в изоцентре. В противоположность этому, вклады в возбуждающее и фокусирующее поля, которые генерируются парами параллельных круговых катушек, пространственно почти однородны в значительном объеме вокруг изоцентра 24 и параллельны оси соответствующей пары катушек. Возбуждающее и фокусирующее поля, совместно генерируемые всеми тремя парами параллельных круговых катушек, пространственно почти однородны и им можно придать любое направление и напряженность, вплоть до некоторой максимальной напряженности. Возбуждающее и фокусирующее поля являются также зависящими от времени. Разница между фокусирующем полем и возбуждающим полем в том, что фокусирующее поле изменяется во времени медленно и может иметь большую амплитуду, а поле возбуждения изменяется быстро и имеет малую амплитуду. Существуют физические и биомедицинские причины обрабатывать эти поля по-разному. Быстро меняющееся поле с большой амплитудой было бы трудно сгенерировать и оно было бы потенциально опасным для пациента.

В практическом варианте осуществления FFP можно рассматривать как математическую точку, в которой магнитное поле предполагается равным нулю. Напряженность магнитного поля возрастает с увеличением расстояния от FFP, причем скорость этого возрастания может быть различной для различных направлений (в зависимости, например, от конкретной конструкции устройства). До тех пор, пока напряженность магнитного поля не превышает напряженности поля, необходимой для приведения магнитных частиц в состояние насыщения, частица активно участвует в генерировании сигнала, измеряемого с помощью устройства; в противном случае частицы являются насыщенными и не генерируют никакого сигнала.

Вариант осуществления 10 сканера визуализации с помощью магнитных частиц имеет по меньшей мере еще одну пару, предпочтительно еще три пары параллельных круговых катушек, опять же ориентированных вдоль осей x, y и z. Эти пары катушек, которые не показаны на Фиг.1, служат приемными катушками. Как и в случае с парами катушек 12, 14, 16 для возбуждающего и фокусирующего полей, магнитное поле, создаваемое постоянным током, протекающим через одну из этих пар приемных катушек, является пространственно почти однородным в поле зрения и параллельно оси соответствующей пары катушек. Приемные катушки должны быть хорошо разделены. Зависящее от времени напряжение, индуцированное в приемной катушке, усиливается и оцифровывается приемником, подключенным к этой катушке. Более точно, чтобы справиться с огромным динамическим диапазоном этого сигнала, приемник оцифровывает разницу между принятым сигналом и опорным сигналом. Передаточная функция приемника является ненулевой от нуля герц (постоянный ток) вплоть до частоты, на которой ожидаемый уровень сигнала падает ниже уровня шума.

Вариант осуществления 10 сканера визуализации с помощью магнитных частиц, показанный на Фиг.1, имеет цилиндрическое отверстие 26 вдоль оси z 22, т.е. вдоль оси поля выбора. Все катушки размещены снаружи этого отверстия 26. Для сбора данных пациент (или объект), подлежащий визуализации, помещается в отверстие 26 таким образом, чтобы интересующий объем пациента - тот объем пациента (или объекта), который должен быть визуализирован - был заключен в поле зрения 28 сканера, т.е. в тот объем сканера, содержимое которого сканер может визуализировать. Пациент (или объект) помещается, например, на стол. Поле зрения 28 является геометрически простым, изоцентрическим объемом внутри отверстия 26, таким как куб, шар, цилиндр или может иметь произвольную форму. Кубическое поле зрения 28 показано на Фиг.1.

Размер первой подзоны 52 зависит от величины градиента магнитного поля выбора и от напряженности магнитного поля, необходимой для насыщения, что в свою очередь зависит от магнитных частиц. Для достаточного насыщения типичных магнитных частиц в магнитном поле напряженностью 80 А/м с градиентом (в данном пространственном направлении) напряженности магнитного поля выбора величиной 50×10³ A/м², первая подзона 52, в которой намагниченность частиц не достигает уровня насыщения, имеет размеры приблизительно 1 мм (в данном пространственном направлении).

Интересующий объем пациента должен содержать магнитные наночастицы. Перед диагностической визуализацией, например, опухоли, магнитные частицы доставляются в интересующий объем, например, посредством жидкости, включающей в себя магнитные частицы, которая вводится в организм пациента (объекта) или иным образом назначается пациенту, например, перорально.

В целом, существуют различные способы для доставки магнитных частиц в поле зрения. В частности, в случае пациента, в тело которого магнитные частицы должны быть введены, магнитные частицы могут быть введены с помощью хирургических и нехирургических методов, и существуют как методы, которые требуют специальных знаний (как у практикующего врача), так и методы, которые не требуют специальных знаний, например, могут быть выполнены непрофессионалами или обычными специалистами или самим пациентом. Среди хирургических методов имеются потенциально безрисковые и/или безопасные рутинные вмешательства, например, предусматривающие такой инвазивный этап, как инъекция контрастного вещества в кровеносный сосуд (если такую инъекцию вообще следует рассматривать как хирургический метод), т.е. вмешательства, которые не требуют для своего проведения значительной профессиональной медицинской экспертизы, и которые не влекут за собой серьезные риски для здоровья. Кроме того, могут быть применены нехирургические методы, такие как глотание или ингаляция.

Как правило, магнитные частицы предварительно доставляются или предварительно вводятся перед выполнением реальных этапов сбора данных. В вариантах осуществления, однако, возможно также, что дополнительные магнитные частицы доставляются/вводятся в поле зрения.

Вариант осуществления магнитных частиц включает в себя, например, сферическую подложку, например, из стекла, на которой предусмотрен мягкий магн