устройство и способ измерения локальной скорости жидкости

Формула изобретения

1. Устройство (10) измерения локальной скорости жидкости, содержащей магнитный материал (100), в сосуде (80) в пределах области (300) действия, содержащее:

- средство (210) выбора для генерации магнитного поля (211) выбора, обладающего в пространстве такой структурой напряженности магнитного поля, что в области (300) действия формируются первая субзона (301), имеющая низкую напряженность магнитного поля, и вторая субзона (302), имеющая более высокую напряженность магнитного поля,

- средство (220) возбуждения для изменения местоположения в пространстве двух субзон (301, 302) в области (300) действия посредством возбуждающего магнитного поля (221), так чтобы намагничивание магнитного материала (100) изменялось локально,

- средство (230) приема для получения сигналов обнаружения, причем сигналы обнаружения зависят от намагниченности в области (300) действия и на намагниченность влияет изменение местоположения в пространстве первой и второй субзон (301, 302),

- средство управления для управления средством (220) возбуждения, чтобы изменять местоположение в пространстве первой субзоны (301) так, чтобы она следовала за сосудом, и для управления средством (230) приема, чтобы получить, по меньшей мере, два сигнала обнаружения в различных местоположениях (S₁, S₂) первой субзоны (301) вдоль сосуда (80), в то время как шарик (82) вещества (81), содержащего упомянутый магнитный материал (100), проходит упомянутые различные местоположения (S₁, S₂), и

- средство (75) корреляции для корреляции двух из, по меньшей мере, двух сигналов обнаружения и для определения на основе коррелированного сигнала обнаружения и известного расстояния (d) между местоположениями (S₁ , S₂) первой субзоны (301), в которых упомянутые сигналы обнаружения были получены, локальной скорости жидкости.

2. Устройство (10) по п.1:

в котором упомянутое средство (76) управления выполнено с возможностью управления средством (230) приема, чтобы получить, по меньшей мере, два сигнала обнаружения в различных местоположениях (S₁, S₂) первой субзоны (301) вдоль сосуда (80), в то время как шарик (82) контрастного вещества, содержащего упомянутый магнитный материал (100), проходит упомянутые различные местоположения (S₁, S₂ ).

3. Устройство (10) по п.1,

в котором упомянутое средство (76) управления выполнено с возможностью управления средством (230) приема, чтобы получить множество сигналов обнаружения в различных местоположениях (S₁, S₂) первой субзоны (301) вдоль сосуда (80), и упомянутое средство (75) корреляции выполнено с возможностью множественной корреляции различных двух сигналов обнаружения из множества сигналов обнаружения и для множественного определения из коррелированного сигнала обнаружения и известного расстояния между местоположениями (S₁ , S₂) первой субзоны (301), в которой упомянутые сигналы обнаружения были получены, локальной скорости жидкости в различных местоположениях (S₁, S₂) вдоль сосуда (80).

4. Устройство (10) по п.1,

в котором упомянутое средство (76) управления выполнено с возможностью использования схемы прохождения сосуда (80), вдоль которого должны быть получены, по меньшей мере, два сигнала обнаружения, и использования упомянутой схемы прохождения для управления средством возбуждения.

5. Устройство (10) по п.4,

в котором упомянутое средство (76) управления выполнено с возможностью управления средством (220) возбуждения и средством (230) приема для получения упомянутой схемы прохождения.

6. Устройство (10) по п.5,

в котором упомянутое средство (76) управления выполнено с возможностью управления средством (220) возбуждения и средством (230) приема, чтобы получать сигналы обнаружения в различных местоположениях (S₁, S₂) первой субзоны (301) в упомянутой области (300) действия, в то время как шарик (82) из вещества (81), в частности, контрастного вещества, содержащий упомянутый магнитный материал (100), проходит упомянутые различные местоположения (S₁, S₂), и

дополнительно содержит средство (77) сегментации для сегментации сосудов (80) из упомянутых полученных сигналов обнаружения, чтобы получить упомянутую схему прохождения.

7. Устройство (10) по п.6,

дополнительно содержащее средство фокусировки для изменения местоположения в пространстве области (300) действия посредством фокусирующего магнитного поля, в котором средство управления выполнено с возможностью управления средством фокусировки для перемещения области действия для получения упомянутой схемы прохождения.

8. Устройство (10) по п.6,

дополнительно содержащее средство (74) реконструкции для реконструкции изображения на основе концентрации упомянутой области действия из упомянутого сигнала обнаружения, полученного в различных местоположениях первой субзоны (301) в упомянутой области действия.

9. Устройство (10) по п.1 и/или 7,

в котором упомянутое средство (76) управления выполнено с возможностью управления средством (220) возбуждения и/или средством фокусировки для изменения местоположения в пространстве первой субзоны (301) таким образом, чтобы она, по существу, двигалась в направление вдоль ожидаемого перемещения жидкости в сосуде (80).

10. Устройство (10) по п.1 и/или 7,

в котором упомянутое средство (76) управления выполнено с возможностью управления средством (220) возбуждения и/или средством фокусировки для изменения местоположения в пространстве первой субзоны (301) таким образом, чтобы она, по существу, двигалась по поверхности известного объекта.

11. Способ измерения локальной скорости жидкости, содержащей магнитный материал (100), в сосуде (80) в пределах области (300) действия, содержащий этапы, на которых:

- генерируют магнитное поле (211) выбора, имеющее в пространстве структуру напряженности своего магнитного поля, так чтобы в области (300) действия формировались первая субзона (301), имеющая низкую напряженность магнитного поля, и вторая субзона (302), имеющая более высокую напряженность магнитного поля,

- изменяют местоположение в пространстве этих двух субзон (301, 302) в области (300) действия посредством возбуждающего магнитного поля (221), так чтобы намагниченность магнитного материала (100) изменялась локально,

- получают сигналы обнаружения, причем сигналы обнаружения зависят от намагниченности в области (300) действия и на намагниченность влияет изменение местоположения в пространстве первой и второй субзон (301, 302),

- управляют изменением местоположения в пространстве первой субзоны (301) так, чтобы она следовала за сосудом,

- получают, по меньшей мере, два сигнала обнаружения в различных местоположениях (S₁ , S₂) первой субзоны (301) вдоль сосуда (80), в то время как шарик (82) вещества (81), содержащего упомянутый магнитный материал (100), проходит упомянутые различные местоположения (S₁, S₂),

- коррелируют два из этих, по меньшей мере, двух сигналов обнаружения и

- определяют из коррелированного сигнала обнаружения и известного расстояния (d) между местоположениями (S₁, S₂ ) первой субзоны (301), в котором упомянутые сигналы обнаружения были получены, локальную скорость жидкости.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству и соответствующему способу измерения локальной скорости жидкости, содержащей магнитный материал, в сосуде в пределах области действия. Дополнительно, настоящее изобретение относится к компьютерной программе.

Уровень техники изобретения

Устройство получения изображения с использованием магнитных частиц (MPI) известно из немецкой патентной заявки DE 10151778 A1. В устройстве, описанном в этой публикации, прежде всего, создается магнитное поле, обладающее пространственным распределением напряженности магнитного поля, так что в зоне проведения исследования формируются первая субзона, имеющая относительно низкую напряженность магнитного поля, и вторая субзона, имеющая относительно высокую напряженность магнитного поля. Местоположение субзон в пространстве в зоне исследования затем смещается, так что намагниченность частиц в зоне исследования локально изменяется. Регистрируются сигналы, которые зависят от намагниченности в зоне исследования, причем на намагниченность влияет смещение в местоположении в пространстве субзон, и из этих сигналов извлекается информация, касающаяся пространственного распределения магнитных частиц в зоне исследования, так чтобы могло быть сформировано изображение зоны исследования. Такое устройство обладает тем преимуществом, что оно может использоваться для исследования произвольных объектов исследования, например человеческого тела, неразрушающим способом и без нанесения ущерба и при высокой пространственной разрешающей способности как вблизи поверхности, так и на удалении от поверхности объекта исследования.

Подобное устройство и способ известны из публикации Gleich, B. и Weizenecker, J. (2005), "Tomographic imaging using nonlinear response of magnetic particles", Nature, том 435, стр. 1214-1217. Устройство и способ получения изображения с использованием магнитных частиц, описанные в этой публикации, для достижения преимущества используют нелинейную кривую намагничивания мелких магнитных частиц.

Рынок получения кардиографических изображений является очень притягательным. В частности, очень важно получение изображений коронарных сосудов. Хотя MPI обладает достаточной разрешающей способностью по времени, пространственная разрешающая способность с помощью доступных в настоящее время индикаторных веществ недостаточна, чтобы напрямую диагностировать стеноз.

Сущность изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в обеспечении устройства и соответствующего способа измерения локальной скорости жидкости, содержащей магнитный материал, в сосуде в пределах области действия, которые особенно пригодны для измерения локальной скорости крови в коронарных артериях.

В первом варианте настоящего изобретения представляется устройство, содержащее:

- средство выбора для генерации магнитного поля выбора, обладающего такой пространственной структурой его напряженности магнитного поля, что в области действия формируются первая субзона, имеющая низкую напряженность магнитного поля, и вторая субзона, имеющая более высокую напряженность магнитного поля,

- средство возбуждения для изменения местоположения в пространстве этих двух субзон в области действия посредством возбуждающего магнитного поля, так чтобы намагниченность магнитного материала изменялась локально,

- средство приема для получения сигналов обнаружения, причем сигналы обнаружения зависят от намагниченности в области действия и на намагниченность влияет изменение в местоположении в пространстве первой и второй субзон,

- средство управления для управления средством возбуждения, чтобы изменять местоположение в пространстве первой субзоны так, чтобы она следовала за сосудом, и для управления средством приема, чтобы получать, по меньшей мере, два сигнала обнаружения в различных местоположениях первой субзоны вдоль сосуда в то время, как шарик вещества, содержащего упомянутый магнитный материал, проходит упомянутые различные местоположения, и

- средство корреляции для корреляции двух из, по меньшей мере, двух сигналов обнаружения и для определения из коррелированного сигнала обнаружения и известного расстояния между местоположениями первой субзоны, в которых были получены упомянутые сигналы обнаружения, локальной скорости жидкости.

В дополнительном варианте настоящего изобретения представлены соответствующий способ и компьютерная программа, содержащая средство управляющей программы, чтобы заставить компьютер управлять устройством, соответствующим п.1 формулы изобретения, для выполнения этапов способа согласно п.9 формулы изобретения, 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 в качестве заявленного устройства и как определено в зависимых пунктах формулы изобретения.

Настоящее изобретение основано на идее измерения локальных скоростей жидкости в сосуде, например крови в коронарных артериях, посредством слежения за флюктуациями жидкости (содержащей магнитные частицы) в шарике.

По существу, в варианте осуществления перемещение флюктуации концентрации прослеживается, используя MPI. Для этого применяется первый шарик и местоположение коронарных сосудов определяется для различных фаз сердечных сокращений, используя изображения сердца, даваемые первым шариком. После сегментации интересующих коронарных артерий генерируется последовательность фокусирующего поля, следующая за коронарными артериями с высокой скоростью (например, 10 м/с). Вдоль траектории фокусирующего поля регистрируются изображения MPI, используя возбуждающее поле с основными компонентами, в идеале, расположенными вдоль коронарной артерии. Изображения реконструируются в режиме реального времени и траектория фокусирующего поля корректируется, чтобы поддерживать наивысшую интенсивность приблизительно в середине поля зрения.

В дополнительном варианте осуществления локальная скорость крови определяется, выбирая два воксела и максимизируя корреляцию между сигналом в первом вокселе и сдвинутым по времени сигналом во втором вокселе. Определенный сдвиг по времени вместе с расстоянием между вокселами позволяет определить скорость. Предпочтительно это делается для всех пар вокселов с достаточно коротким расстоянием между ними. Полученные в результате скорости могут отображаться поверх изображения с использованием концентрации с помощью цветового кодирования.

Предпочтительно, упомянутое средство управления выполнено с возможностью управления средством приема для получения множества сигналов обнаружения в различных местоположениях первой субзоны вдоль сосуда, и упомянутое средство корреляции выполнено с возможностью множественной корреляции двух различных сигналов обнаружения из множества сигналов обнаружения и для множественного определения локальной скорости жидкости в различных местоположениях вдоль сосуда исходя из коррелированного сигнала обнаружения и известного расстояния между местоположениями первой субзоны, в которых упомянутые сигналы обнаружения были получены. Это улучшает точность измерения.

Дополнительно, предпочтительно, чтобы упомянутое средство управления было выполнено с возможностью использования схемы прохождения сосуда, вдоль которого должны быть получены, по меньшей мере, два сигнала обнаружения, и с возможностью использования упомянутой схемы прохождения для управления средством возбуждения. Эта схема прохождения может быть получена заранее, например, с помощью другого средства получения изображения, такого как магниторезонансная (MR) или компьютерная томография (СТ), или может быть получена устройством MPI до того, как будет выполнено измерение скорости жидкости в сосуде.

Также возможно, что упомянутое средство управления выполнено с возможностью управления средством возбуждения и средством приема сигналов обнаружения в различных местоположениях первой субзоны в упомянутой области действия, в то время как шарик вещества, в частности контрастного вещества, содержащий упомянутый магнитный материал, проходит через упомянутые различные местоположения, и

дополнительно содержит средство сегментации для сегментации сосудов на основе упомянутых полученных сигналов обнаружения, чтобы получить упомянутую схему прохождения.

Кроме того, может быть обеспечено средство фокусировки, чтобы изменять местоположение в пространстве области действия посредством фокусирующего магнитного поля, и средство управления может быть выполнено с возможностью управления средством фокусировки, чтобы перемещать область действия для получения упомянутой схемы прохождения. Такое фокусирующее поле имеет такое же (или подобное) пространственное распределение, как возбуждающее поле. Отдельное (предпочтительно) или то же самое средство (например, катушки) может использоваться в качестве средства фокусировки и средства возбуждения. Основное различие заключается в том, что для фокусирующего поля частоты намного ниже (например, ниже 1 кГц, как правило ниже 100 Гц), чем для возбуждающего поля, но амплитуды фокусирующего поля намного выше (например, 200 мТ по сравнению с 20 мТ для возбуждающего поля). Эти поля используются для перемещения FFP в желаемое местоположение. Возбуждающее поле требуется в дополнение к фокусирующему полю, так как сигнал обнаружения, который может быть получен только с помощью фокусирующего поля, не может быть использован для желаемой цели, поскольку частоты, создаваемые в интересующем объекте, слишком низкие (как правило, ниже 10 кГц). Предпочтительно, средство реконструкции обеспечивается в дополнение к реконструкции изображения на основе концентраций в упомянутой области действия из упомянутого сигнала обнаружения, полученного в различных местоположениях первой субзоны в упомянутой области действия. Информация об измеренной скорости может затем указываться, например, в таком изображении на основе концентраций.

В соответствии с другим вариантом осуществления упомянутое средство управления выполнено с возможностью управления средством возбуждения и/или средством фокусировки, чтобы изменять местоположение в пространстве первой субзоны, так чтобы оно перемещалось, по существу, в направлении вдоль ожидаемого перемещения жидкости в сосуде. Это имеет то преимущество, что за сосудом необходимо следовать с намного меньшей точностью, так как область чувствительности, поперечная к направлению перемещения, является относительно широкой.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления упомянутое средство управления выполнено с возможностью управления средством возбуждения и/или средством фокусировки, чтобы изменять местоположение в пространстве первой субзоны, так чтобы перемещаться, по существу, по поверхности известного объекта, например поверхности сердца. Направление перемещения затем, в целом, происходит в касательном направлении к поверхности (например, сердца). Этот вариант осуществления, в частности, особенно полезен в случае, если схема прохождения, например коронарных артерий, неизвестна, а поверхность объекта, например сердца, известна. Для этой цели предпочтительно используются двумерные (радиальные) последовательности MPI.

Краткое описание чертежей

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

Фиг.1 - схематическое представление принципиальной планировки устройства для получения изображений с использованием магнитных частиц (MPI),

Фиг.2 - пример линейной структуры поля, создаваемого устройством, соответствующим настоящему изобретению,

Фиг.3 - увеличенное представление магнитной частицы, присутствующей в области действия,

Фиг.4a и 4b - кривые намагничивания таких частиц,

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

Фиг.6 - часть сосудистого дерева, иллюстрирующая настоящее изобретение.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 представлен произвольный объект, который должен исследоваться посредством устройства 10 MPI. Ссылочная позиция 350 на фиг.1 обозначает объект, в данном случае человека или животное, который размещается на столе 351 для пациента, только верхняя часть которого видна на чертеже. Перед применением способа, соответствующего настоящему изобретению, магнитные частицы 100 (не показаны на фиг.1) располагаются в области 300 действия устройства 10, составляющего изобретение. Особенно перед терапевтическим и/или диагностическим лечением, например, опухоли магнитные частицы 100 помещаются в область 300 действия, например, посредством жидкости (не показана), содержащей магнитные частицы 100, которая вводится в тело пациента 350.

Как пример варианта осуществления, соответствующего настоящему изобретению, на фиг.2 представлено устройство 10, содержащее множество катушек, формирующих средство 210 выбора, дальность действия которого определяет область 300 действия, которую также называют областью 300 лечения. Например, средство 210 выбора устанавливается выше и ниже пациента 350 или выше и ниже поверхности стола. Например, средство 210 выбора содержит первую пару катушек 210', 210", каждая из которых содержит две одинаково сконструированные обмотки 210' и 210", расположенные коаксиально выше и ниже пациента 350, и через которые пропускаются равные токи, специально в противоположных направлениях. Первая пара катушек 210', 210" в дальнейшем вместе называются средством 210 выбора. Предпочтительно, в этом случае используются постоянные токи. Средство 210 выбора создает магнитное поле 211 выбора, которое обычно является градиентным магнитным полем, представленным на фиг.2 силовыми линиями. Оно имеет, по существу, постоянный градиент в направлении (например, вертикальной) оси пары катушек средства 210 выбора и достигает нулевого значения в точке на этой оси. Начиная с этой свободной от поля точки (совокупно показанной на фиг.2), напряженность магнитного поля 211 выбора увеличивается во всех трех пространственных направлениях по мере увеличения расстояния от свободной от поля точки. В первой субзоне 301 или области 301, которая обозначена пунктирной линией вокруг свободной от поля точки, напряженность поля настолько мала, что намагниченность частиц 100, присутствующих в этой первой субзоне 301, не входит в насыщение, тогда как намагниченность частиц 100, присутствующих во второй субзоне 302 (вне области 301), находится в состоянии насыщения. Свободная от поля точка или первая субзона 301 области 300 действия предпочтительно является пространственно когерентной зоной; она может быть также точкообразной зоной или же линейной или плоской зоной. Во второй субзоне 302 (то есть, в остаточной части области 300 действия за пределами первой субзоны 301), напряженность магнитного поля достаточно велика, чтобы удерживать частицы 100 в состоянии насыщения. Изменяя местоположение этих двух субзон 301, 302 в пределах области 300 действия, (полная) намагниченность в области 300 действия изменяется. Измеряя намагниченность в области 300 действия или физические параметры, зависящие от намагниченности, может быть получена информация о пространственном распределении магнитных частиц в области действия. Чтобы изменить относительное пространственное местоположение этих двух субзон 301, 302 в области 300 действия, дополнительное магнитное поле, так называемое возбуждающее магнитное поле 221, накладывается на поле 211 выбора в области 300 действия или, по меньшей мере, в части области 300 действия.

На фиг.3 представлен пример магнитной частицы 100 того вида, который используется вместе с устройством 10, соответствующим настоящему изобретению. Она содержит, например, сферическое основание 101, например, из стекла, которое снабжается слоем 102 из мягкого магнитного материала, с толщиной, например, 5 нм и состоящего, например, из железно-никелевого сплава (например, пермаллоя). Этот слой может быть покрыт, например, посредством покрывающего слоя 103, который предохраняет частицу 100 от химически и/или физически агрессивных сред, например от кислот. Напряженность магнитного поля магнитного поля 211 выбора, требующаяся для намагниченности насыщения таких частиц 100, зависит от различных параметров, например от диаметра частиц 100, используемого магнитного материала для магнитного слоя 102 и других параметров.

В случае, например, диаметра 10 нм требуется магнитное поле с напряженностью приблизительно 800 A/м (приблизительно соответствующей магнитной индукции 1 мT), тогда как в случае диаметра 100 нм достаточна напряженность магнитного поля 80 A/м. Еще меньшие значения получаются, когда выбирается покрытие 102 материалом, имеющим более низкую намагниченность насыщения, или когда уменьшается толщина слоя 102.

Для получения дополнительных подробностей о предпочтительных магнитных частицах 100 соответствующие части DE 10151778 настоящим введены сюда посредством ссылки, в частности параграфы 16-20 и параграфы 57-61 европейской заявки EP 1304542 A2, имеющей приоритет над DE 10151778.

В соответствии с настоящим изобретением, в частности, для получения изображений коронарных артерий могут использоваться также другие магнитные частицы, например контрастное вещество, предлагаемое на рынке под названием Resovist.

Размер первой субзоны 301 зависит, с одной стороны, от градиента магнитного поля 211 выбора и, с другой стороны, от напряженности магнитного поля, требующегося для насыщения. Для достаточного насыщения магнитных частиц 100 при напряженности магнитного поля 80 A/м и градиенте (в заданном направлении пространства) напряженности магнитного поля 211 выбора, достигающем 160×10³ A/м ², первая субзона 301, в которой намагниченность частиц 100 не входит в насыщение, имеет размеры приблизительно 1 мм (в заданном направлении пространства).

Когда дополнительное магнитное поле, в дальнейшем называемое магнитным полем 221 возбуждения, накладывается на магнитное поле 210 выбора (или градиентное магнитное поле 210) в области 300 действия, первая субзона 301 смещается относительно второй субзоны 302 в направлении этого магнитного поля 221 возбуждения; степень этого смещения увеличивается по мере увеличения напряженности магнитного поля 221 возбуждения. Когда наложенное магнитное поле 221 возбуждения является переменным во времени, местоположение первой субзоны 301 изменяется соответственно во времени и в пространстве. Предпочтительно принять или обнаружить сигналы от магнитных частиц 100, расположенных в первой субзоне 301 в полосе частот (смещенной в сторону более высоких частот), отличной от полосы частот изменений магнитного поля 221 возбуждения. Это возможно, потому что частотные составляющие высших гармоник частоты магнитного поля 221 возбуждения возникают благодаря изменению намагниченности магнитных частиц 100 в области 300 действия в результате нелинейности кривых намагниченности.

Чтобы создать эти магнитные поля 221 возбуждения для любого заданного направления в пространстве, обеспечиваются три дополнительных пары катушек, а именно вторая пара катушек 220', третья пара катушек 220" и четвертая пара катушек 220'", которые здесь далее вместе называются средством 220 возбуждения. Например, вторая пара катушек 220' создает компонент магнитного поля 221 возбуждения, направленный по оси катушек первой пары катушек 210', 210" или средства 210 выбора, то есть, например, вертикально. С этой целью обмотки второй пары катушек 220' питаются равными токами в одном и том же направлении. Эффект, который может быть достигнут посредством второй пары катушек 220', может в принципе быть также достигнут наложением токов в одном и том же направлении на противоположные равные токи в первой паре катушек 210', 210", так чтобы ток уменьшался в одной катушке и увеличивался в другой катушке. Однако, и специально для цели интерпретации сигнала с более высоким отношением "сигнал-шум", может быть предпочтительным, когда постоянное во времени (или квазипостоянное) поле 211 выбора (также называемое градиентным магнитным полем) и переменное во времени вертикальное магнитное поле возбуждения создаются отдельными парами катушек средства 210 выбора и средства 220 возбуждения.

Две дополнительные пары катушек 220", 220'" обеспечиваются для создания компонент магнитного поля 221 возбуждения, которые проходят в другом направлении в пространстве, например горизонтально в продольном направлении области 300 действия (или пациента 350) и в направлении, перпендикулярном ему. Если для этой цели были использованы третья и четвертая пары катушек 220", 220'" типа катушек Гельмгольца (подобных парам катушек для средства 210 выбора и средства 220 возбуждения), эти пары катушек должны будут устанавливаться с левой стороны и с правой стороны от области лечения или впереди и позади этой области соответственно. Это должно влиять на доступность области 300 действия или области 300 лечения. Поэтому, третья и/или четвертая пары магнитных катушек или катушки 220", 220'" также устанавливаются выше и ниже области 300 действия и поэтому конфигурация их намотки должна отличаться от конфигурации намотки второй пары катушек 220'. Катушки этого вида, однако, известны из области устройств магнитного резонанса с разомкнутыми магнитами (открытое MRI), в которых пара радиочастотных (RF) катушек располагается выше и ниже области лечения, причем упомянутая пара радиочастотных катушек способна создавать горизонтальное, переменное во времени магнитное поле. Поэтому здесь нет необходимости дополнительно разъяснять конструкцию таких катушек.

Устройство 10, соответствующее настоящему изобретению, дополнительно содержит средство 230 приема, показанное на фиг.1 только схематически. Средство 230 приема обычно содержит катушки, способные обнаруживать сигналы, индуцированные структурой намагниченности магнитных частиц 100 в области 300 действия. Катушки этого вида, однако, известны из области устройств магнитного резонанса, в которых, например, пара радиочастотных (RF) катушек располагается вокруг области 300 действия, чтобы иметь отношение "сигнал-шум" как можно более высоким. Поэтому здесь нет необходимости дополнительно объяснять конструкцию таких катушек.

В альтернативном варианте осуществления для средства 210 выбора, показанного на фиг.1, для создания градиентного магнитного поля 211 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 когда противоположные полюса имеют одну и ту же полярность. В другом альтернативном варианте осуществления устройства, соответствующего настоящему изобретению, средство 210 выбора содержит, по меньшей мере, один постоянный магнит и, по меньшей мере, одну катушку 210', 210", как показано на фиг.2.

Частотные диапазоны, обычно используемые для средства 210 выбора, средства 220 возбуждения и средства 230 приема или для других компонент примерно являются следующими: магнитное поле, создаваемое средством 210 выбора, либо не изменяется вообще во времени, либо изменяется сравнительно медленно, предпочтительно между приблизительно 1 Гц и приблизительно 100 Гц. Магнитное поле, создаваемое средством 220 возбуждения, изменяется, предпочтительно, между приблизительно 25 кГц и приблизительно 100 кГц. Изменения магнитного поля, к которым, как предполагается, средство приема должно быть чувствительным, предпочтительно находятся в частотном диапазоне от приблизительно 50 кГц до приблизительно 10 МГц.

На фиг.4a и 4b показана характеристика намагниченности, то есть изменение намагниченности М частицы 100 (не показана на фиг. 4a и 4b) как функции напряженности поля H в месте расположения такой частицы 100 с дисперсией для таких частиц. Представляется, что достигается состояние намагниченности М, в котором она не изменяется при напряженности поля выше +H _c и ниже напряженности поля -H_c, что означает, что достигнута намагниченность насыщения. Намагниченность М не соответствует насыщению между значениями +H_C и -H _c.

На фиг.4a показано действие синусоидального магнитного поля H(t) в месте расположения частицы 100, где абсолютные значения результирующего синусоидального магнитного поля H(t) (то есть "ощущаемого частицей 100") ниже, чем напряженность магнитного поля, требующаяся, чтобы магнитно ввести в насыщение частицу 100, то есть в случае когда никакое дополнительное магнитное поле не действует. Намагниченность частицы 100 или частиц 100 для этого режима меняется вперед-назад между ее значениями насыщения с частотой магнитного поля H(t). Результирующее изменение во время намагничивания обозначается как эталонная М(t) на правой стороне фиг.4a. Как представляется, намагниченность также периодически изменяется и намагниченность такой частицы периодически полностью меняется на обратную.

Пунктирная часть линии в центре кривой обозначает приблизительное среднее изменение намагниченности М(t) как функции напряженности синусоидального магнитного поля H(t). Как отклонение от этой центральной линии, намагниченность проходит немного вправо, когда магнитное поле H увеличивается от -H_c до +H_C, и немного влево, когда магнитное поле H уменьшается от +H_C до -H_c. Этот известный эффект называют гистерезисным эффектом, который лежит в основе механизма создания теплоты. Площадь гистерезисной поверхности, которая формируется между путями прохождения кривой, форма и размеры которой зависят от материала, является критерием создания теплоты при изменении намагниченности.

На фиг.4b показано действие синусоидального магнитного поля H(t), на которое накладывается статическое магнитное поле H_l. Поскольку намагниченность находится в состоянии насыщения, синусоидальное магнитное поле H(t) на нее фактически не влияет. В этой области намагниченность М(t) остается постоянной во времени. Следовательно, магнитное поле H(t) не вызывает изменение состояния намагниченности.

На фиг.5 представлена блок-схема устройства 10, показанного на фиг.1. Средство 210 выбора схематично показано на фиг.5. Предпочтительно, средство 210 выбора снабжается тремя магнитными средствами генерации магнитного поля выбора, в частности катушками или постоянными магнитами или комбинацией катушек и постоянных магнитов. Упомянутые три средства генерации магнитного поля выбора предпочтительно устанавливаются таким образом, что для каждого пространственного направления обеспечивается одно средство генерации магнитного поля выбора. Если в варианте осуществления в качестве средства генерации магнитного поля выбора обеспечиваются пары катушек, то пары катушек питаются постоянным током от управляемого источника 32 тока, причем упомянутый источник 32 тока управляется средством 76 управления. Чтобы индивидуально установить градиентную напряженность поля 211 выбора в желаемом направлении, налагаемый ток накладывается, по меньшей мере, в одной из пар катушек, в которой налагаемый ток противоположных катушек ориентируется противоположно. В предпочтительном варианте осуществления средство 76 управления дополнительно управляет тем, что сумма напряженности поля и сумма градиентной напряженности всех трех пространственных долей поля 211 выбора сохраняется на заданном уровне.

Если в варианте осуществления взамен пар катушек в качестве средства генерации магнитного поля выбора обеспечиваются постоянные магниты, то источник 32 тока необходимо заменить на средство 32' привода, например электродвигатель, который способен механически перемещать постоянные магниты, чтобы установить градиентную напряженность в желаемом направлении в соответствии с управляющими сигналами, обеспечиваемыми средством 76 управления.

Средство 76 управления, в свою очередь, соединяется с компьютером 12, который подключается к монитору 13 для отображения распределения магнитных частиц в области исследования и устройству 14 ввода, например к клавиатуре. Поэтому пользователь имеет возможность установить желаемое направление самой высокой разрешающей способности и, в свою очередь, принимает соответствующее изображение области действия на мониторе 13. Если критическое направление, для которого необходима самая высокая разрешающая способность, отклоняется от направления, первоначально установленного пользователем, пользователь все равно может изменить направление вручную, чтобы создать дополнительное изображение с улучшенной разрешающей способностью при получении изображения. Этот процесс улучшения разрешающей способности может также управляться автоматически средством 76 управления и компьютером 12. Средство 76 управления в этом варианте осуществления устанавливает градиентное поле в первом направлении, которое автоматически оценивается или устанавливается пользователем как начальное значение. Направление градиентного поля затем ступенчато варьируется до тех пор, пока разрешающая способность полученных таким образом изображений, которые сравниваются компьютером 12, не станет максимальной, соответственно, больше не улучшаясь. Самое критическое направление поэтому может быть соответственно настроено автоматически, чтобы получить максимально возможную разрешающую способность.

Пары катушек (второе магнитное средство) 220', 220", 220'" соединяются с усилителями 41, 51, 61 тока, от которых они получают свои питающие токи. Усилители 41, 51, 61 тока, в свою очередь, в каждом случае соединяются с источником 42, 52, 62 переменного тока, который определяет временной порядок токов Ix, Iy, Iz, которые должны усиливаться. Источниками 42, 52, 62 переменного тока управляет средство 76 управления.

На фиг.5 также схематично показана принимающая катушка (средство приема). Сигналы, индуцированные в принимающей катушке 230, подаются на блок 71 фильтра, посредством которого сигналы фильтруются. Цель этой фильтрации состоит в отделении измеренных значений, которые создаются намагничиванием в области исследования, находящейся под воздействием изменения в местоположении двух частей-областей (301, 302), от остальных, помеховых сигналов. С этой целью блок 71 фильтра может быть разработан, например, таким образом, что сигналы, имеющие временные частоты, которые меньше, чем временные частоты, с которыми работают пары катушек 220', 220", 220'", или меньше, чем удвоенные эти временные частоты, не проходят через блок 71 фильтра. Сигналы затем передаются через блок 72 усилителя на аналого-цифровой преобразователь 73 (ADC). Оцифрованные сигналы, созданные аналого-цифровым преобразователем 73, подаются на блок 74 обработки изображений (также называемый средством реконструкции), который реконструирует пространственное распределение магнитных частиц из этих сигналов и соответствующее местоположение, которое первая часть-область 301 первого магнитного поля в области исследования предполагала во время получения соответствующего сигнала и которое блок 74 обработки изображений получает от средства 76 управления. Наконец, реконструированное пространственное распределение магнитных частиц передается через средство 76 управления на компьютер 12, который отображает его на мониторе 13.

В соответствии с настоящим изобретением средство 76 управления выполнено с возможностью управления средством возбуждения, то есть парами катушек 220', 220", 220'", чтобы изменять местоположение в пространстве первой субзоны 301, то есть FPP, так чтобы оно следовало сосуду 80 (смотрите фиг.6), который располагается в пределах области 300 действия и внутри которого протекает жидкость, содержащая магнитный материал. Например, сосуд 80 может быть коронарной артерией, внутри которой течет кровь, скорость которой должна быть измерена. Средство 76 управления дополнительно выполнено с возможностью управления средством приема, то есть принимающей катушкой 230, чтобы получить, по меньшей мере, два сигнала обнаружения в различных местоположениях S₁, S₂ FFP 301 вдоль сосуда 80, то есть FFP перемещается (один или несколько раз) в местоположения S₁, S₂ и каждый раз, когда получен сигнал обнаружения. Текучая среда в части сосуда, расположенной в области 300 действия (например, кровь в артерии), содержит контрастное вещество 81, содержащее описанный выше магнитный материал, который реагирует на возбуждение сигнала MPI. Предпочтительно, сигналы обнаружения получаются в то время, когда шарик 82 упомянутого контрастного вещества 81 проходит через упомянутые местоположения S₁, S₂. В частности, флюктуации шарика обнаруживаются в упомянутых местоположениях.

Блок 74 обработки содержит блок 75 корреляции для коррелирования двух сигналов обнаружения. Блок 75 корреляции может, например, быть выполнен таким образом, что он сравнивает два сигнала обнаружения и идентифицирует отличительные точки в сигналах обнаружения, из которых вычисляется запаздывание t, после которого тот же самый сигнал, который был получен в первом местоположении S₁, получен во втором местоположении S₂. Из коррелированного сигнала обнаружения и известного расстояния d между местоположениями S₁, S₂ FFP, в которых были получены упомянутые сигналы обнаружения, а также расчетного запаздывания t между упомянутыми измерениями, может быть затем определена локальная скорость v жидкости (v=d/ t).

В конкретном варианте осуществления блок 75 корреляции выполнен с возможностью определения t=t'-t (t' - время измерения в местоположении S ₂, t - время измерения в местоположении S₁) таким образом, что свертка максимизируется. Чтобы решить это известное выражение, можно применить, например, преобразование Фурье.

Предпочтительно, множество сигналов обнаружения получаются в упомянутых двух (или более) местоположениях S₁, S ₂ вдоль сосуда 80 и различные два сигнала обнаружения из множества сигналов обнаружения коррелируются (предпочтительно, коррелируются множество пар сигналов обнаружения). Из коррелированного сигнала обнаружения и известного расстояния между местоположениями, в которых были получены упомянутые сигналы обнаружения, локальная скорость жидкости в различных местоположениях определяется парой времен (соответствующей количеству пар сигналов обнаружения, используемых для корреляции), предпочтительно, для всех сигналов обнаружения пар вокселов с достаточно коротким расстоянием между ними.

Для следующего сосуда во время получения сигналов обнаружения в варианте осуществления используется схема прохождения сосуда 80 (или полное сосудистое дерево в области действия). Это сосудистое дерево может быть получено заранее, например, другим средством (например, с помощью компьютерной томографии или магниторезонансной томографией) или оно может быть получено на первом этапе MPI и при помощи первого шарика контрастного вещества. В последнем случае сегментация 77 для сегментирования сосудов 80 по полученным сигналам обнаружения, чтобы получить упомянутую схему прохождения, обеспечивается в блоке 74 обработки.

Для изменения местоположения области 300 действия в пространстве посредством фокусирующего магнитного поля может обеспечиваться средство фокусировки (не показано). Это средство фокусировки может быть выполнено таким образом, что FFP следует за сосудами с высокой скоростью. Как правило, в качестве средства фокусировки используются отдельные катушки, но возможно также использовать те же самые катушки, которые используются для средства возбуждения.

В соответствии с вариантом осуществления FFP перемещается вдоль интересующего сосуда(-ов), в частности, используя сосудистое дерево. Для этой цели используются однородные магнитные поля с большой амплитудой (то есть, фокусирующие поля) и низкой скоростью (например, 10 м/с). На эти фокусирующие поля накладываются быстро двигающиеся поля (то есть поля возбуждения со скоростью, например, 1000 м/с).

По физиологическим причинам амплитуда возбуждающих полей возбуждения привода часто не может выбираться достаточно большой, чтобы полностью перемещать FFP вдоль интересующего сосуда (например, коронарной артерии). Следовательно, предпочтительно перемещать FFP вперед-назад вдоль одного и того же сегмента сосуда и измерять сигналы обнаружения от одного и того же сегмента пару раз.

В соответствии с настоящим изобретением изображения могут быть реконструированы в режиме реального времени. Например, может быть реконструировано изображение, на котором могут отображаться вычисленные скорости, например, с использованием цветового кодирования.

Хотя изобретение было проиллюстрировано и подробно описано на чертежах и в предшествующем описании, такие чертежи и описание должны считаться иллюстративными или примерами, не обладающими ограничительной силой; изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. Другие модификации раскрытых вариантов осуществления могут быть предложены и осуществлены специалистами в данной области техники при практической реализации заявленного изобретения, основываясь на изучении чертежей, описания и приложенной формулы изобретения.

В формуле изобретения слово "содержащее" не исключает другие элементы или этапы и единственное число не исключает множественное число. Единый элемент или другой блок может выполнять функции нескольких позиций, изложенных в формуле изобретения. Простой факт, что определенные меры излагаются во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает, что комбинация этих мер не может использоваться для получения преимущества.

Компьютерная программа может храниться/распространяться на соответствующем носителе, таком как оптический носитель данных или твердотельный носитель данных, обеспечиваемый вместе или как часть другого аппаратурного обеспечения, но может также распространяться в других формах, таких как через Интернет или другие проводные или беспроводные системы связи.

Любые ссылочные знаки в формуле изобретения не должны истолковываться как ограничивающие объем изобретения.