专利名称：用于探测和/或定位作用区域中的磁性材料的设备和方法
技术领域：
本发明涉及用于探测和/或定位作用区域中的磁性材料的设备。本发明还涉及对应的方法和用于控制该设备的计算机程序。
背景技术：
从德国专利申请DE10151778A1已知此种设备。在该公开中描述的设备中，首先， 生成具有磁场强度的空间分布的磁场，使得具有相对低的磁场强度的第一子区和具有相对高的磁场强度的第二子区形成于检查区中。然后移动检查区域中的子区在空间中的位置， 使得局部改变检查区中的粒子的磁化(magnetization)。记录取决于检查区中的磁化的信号，该磁化已受到子区的空间中的位置移动的影响，并且从这些信号提取关于检查区中的磁性粒子的空间分布的信息，使得能够形成检查区的图像。该设备具有的优点是，其能够用于以非毁坏方式、且不引起任何损伤、并以高空间分辨率来检查任意检查对象，例如人体， 既可以靠近检查对象的表面进行检查，也可以远离检查对象的表面进行检查。从 Gleich, B.禾口 Weizenecker, J. (2005) , "Tomographic imaging using thenonlinear response of magnetic particles，，，nature, vol. 435, 2005 年 6 月 30 日， PP. 1214-1217已知类似的设备和方法。该公开中描述的用于磁性粒子成像(MPI)的设备和方法利用小磁性粒子的非线性磁化曲线。MPI是用于对磁性纳米粒子的分布进行成像的方法，其结合高灵敏度和快速动态成像的能力，使得其成为用于医学成像应用的有前景的候选者。MPI应用基于局域化的激发过程的动态移位的信号编码的新方法，并且容许快速的体成像。然而，与诸如MRI和CT 的已建立的成像形式相比，还没有发现简单的数学变换以根据获取的数据重建图像。因此， MPI图像重建需要描述系统对粒子的给定空间分布的响应，即将粒子位置绘制为频率响应， 的“系统函数”的知识。为了解决重建问题，需要对系统函数求逆(invert)，通常需要一些正则化方案(regularization scheme)。通过测量对应于图像像素或体素(voxel)的数量的大数量的空间位置处的点状样品的磁化响应，能够实验上确定系统函数。此校准程序需要非常长的获取时间并且还提供受噪声污染的系统函数。归因于系统函数矩阵的大的大小，解决求逆重建问题也是非常耗时的并且需要大量的计算机内存。

发明内容
本发明的目的是提供用于探测和/或定位作用区域中的磁性材料的设备和方法， 通过该设备和方法，需要较少的用于获取系统函数的系统函数数据和/或用于图像重建的时间，和/或通过该设备和方法，需要较少的用于存储系统函数的系统函数数据的存储空间。在本发明的第一方面，描绘了一种如权利要求1中限定的设备，包括-选择装置，用于生成磁选择场，所述磁选择场具有其自己的磁场强度在空间中的
5图案，使得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形成于所述作用区域中，-驱动装置，用于借助于磁驱动场来改变所述作用区域中的所述两个子区在空间中的位置，使得所述磁性材料的磁化局部地改变，-接收装置，用于获取探测信号，所述探测信号依赖于所述作用区域中的磁化，所述磁化受到所述第一子区和所述第二子区在空间中的位置的改变的影响，-存储装置，用于存储所述设备的系统函数的系统函数数据的子集，所述系统函数包括系统函数数据集，所述系统函数数据集描述以下量之间的关系所述磁性材料的空间位置、所述设备的系统响应、以及所述第一子区为获取所述系统函数数据而移动的轨迹，以及-重建装置，用于使用关于所述系统函数的结构的附加知识，根据所述探测信号和所述系统函数数据的所存储的子集来重建所述作用区域中的所述磁性材料的空间分布。在本发明的第二方面，描绘了一种如权利要求12中限定的设备，包括-选择装置，用于生成磁选择场，所述磁选择场具有其自己的磁场强度在空间中的图案，使得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形成于所述作用区域中，-驱动装置，用于借助于磁驱动场来改变所述作用区域中的所述两个子区在空间中的位置，使得所述磁性材料的磁化局部地改变，-接收装置，用于获取探测信号，所述探测信号依赖于所述作用区域中的磁化，所述磁化受到所述第一子区和所述第二子区在空间中的位置的改变的影响，其中，所述接收装置配置为通过在所述磁性材料的探针连续地放置在所述作用区域中的多个不同位置时对信号进行探测来仅获取所述设备的系统函数的所述系统函数数据的子集，所述系统函数包括系统函数数据集，所述系统函数数据集描述以下量之间的关系所述磁性材料的空间位置、所述设备的系统响应、以及所述第一子区为获取所述系统函数数据而移动的轨迹。在本发明的另一方面，描绘例如权利要求13和14所述的对应方法。在本发明的另一方面，提供了一种计算机程序，所述计算机程序包括程序代码装置，当在计算机上执行所述计算机程序时，所述程序代码装置使得所述计算机控制如权利要求1或12所述的设备来执行如权利要求13或14所述的方法的步骤。从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。应当理解，所声称的方法具有与所述声称的设备的且与独立权利要求中所限定的类似和/或相同的优选实施例。本发明基于不必获得并存储完整的系统函数的想法。根据对信号编码处理的理论理解，获得了对系统函数的结构的了解，其用于加速系统函数获取和/或甚至模拟系统函数的部分或全部。关于矩阵结构的信息已经用于找出更紧凑的系统函数描绘，帮助减小内存需求并加速重建。最终，导致从数据至图像的数学变换的识别能够用于加速重建过程。根据本发明的第一方面，利用此通用想法来减小用于存储系统函数数据的存储空间。特别是，仅存储系统函数的子集，并且仅存储的系统函数数据的此子集用于作用区域中的磁性材料的空间分布的重建。例如，在根据接收装置获得的探测信号进行的图像的重建中。另外，关于系统函数的结构的知识用于重建中。如优选实施例中限定的，此知识能够包括，发生于系统函数的频率分量中的简单的空间对称性，通过解析函数对频率分量的空间依赖性的描绘，或关于空间分量的谱冗余的信息。能够从MPI编码方案的解析分析或编码处理的模拟推导此知识，MPI编码方案的解析分析或编码处理的模拟均针对设备、具有低磁场强度的第一子区(也称作“无场点”，FFP)的运动轨迹和磁性材料的组合，设备即扫描仪机构。使用关于系统函数的空间性质的知识容许仅获取空间上减小的系统函数，根据本发明的第二方面利用此知识。由此，也能够加速校准程序。通常，使用关于系统函数的谱性质的知识容许减小系统函数矩阵的大小，由此加速数据获取、处理和重建过程。根据优选实施例，接收装置配置为通过在所述磁性材料的探针连续地 (subsequently)放置在所述作用区域中的多个不同位置时对信号进行探测来仅获取所述设备的系统函数的所述系统函数数据的所述子集。除根据本发明，探针不移动至覆盖作用区域的网格的所有位置，而仅仅是其点的减小集的事实外，此类获取与来自(真实)检查对象例如患者的信号的获取没有多大不同，特别是对于通过作用区域的FFP的运动，即对于使用的轨迹。对于用以放置探针来获取信号以获取系统函数数据的所述子集的位置，存在许多不同选项。根据有利实施例，多个位置定位于所述作用区域的四分区或八分区中，或以交错 (interleaved)方式分布在作用区域上。优选地，所述重建装置配置为首先根据所述系统函数数据集的所存储的子集来重建完整的系统函数，并且配置为然后使用所重建的完整的系统函数数据集根据所述探测信号来重建所述磁性材料的所述空间分布。重建后，完整的系统函数也能够存储在存储装置中用于以后重建。替代地，所述重建装置配置为在所述磁性材料的所述空间分布的重建期间快速重建系统函数数据，所述系统函数数据是重建所述磁性材料的所述空间分布所需要的，但是未包含在所述系统函数数据集的所存储的子集中。虽然这两个替代实施例的第一实施例具有的优点是实际重建较快，其特别适用于连续的(subsequent)重建，但是后面的实施例具有明确地需要较小的存储空间的优点。如上面解释的，利用附加知识进行完整系统函数数据(或至少用于重建磁性材料的空间分布所需的系统函数数据)的重建。在优选实施例中，利用存在于系统函数的频率分量中的空间对称性，特别是空间镜像对称性。不仅能够通过实际测量获得该镜像对称性， 而且能够使用轨迹(并且其对称性)、粒子磁化曲线和设备的机构(和其对称性)的知识根据理论考虑来获得该镜像对称性，设备的机构具体是其选择装置、驱动装置和接收装置。例如对于具有朗之万粒子的李萨如轨迹，观察到了具有良好限定的频率相关宇称的空间镜像对称性。对于2D成像的情况，这意味着需要测量并存储完整系统函数的仅四分之一。根据另一实施例，所述重建装置配置为使用具有减小数量的谱分量的系统函数来重建所述作用区域中的所述磁性材料的所述空间分布，所述具有减小数量的谱分量是通过对系统函数数据的所存储的子集的具有类似空间信息的频率分量进行求和而获得的。因为多个驱动场频率包含于无场点运动中，所以非线性粒子响应生成的信号包含频率的和与差。各频率分量共享相同的空间图案并且因此能够进行组合而无信息损失。这导致系统函数矩阵中减小数量的行，这意味着初始地仅需要并存储完整系统函数数据的子集。在另一实施例中，所述重建装置配置为通过沿空间维度施加数学变换并求解在所述变换后引起的稀疏得多的重建问题来生成所述系统函数的约化表示(reduced representation) 0变换操作的类型基于系统函数中谱分量的空间图案的函数形式 (functional form)的知识。对于FFP的李萨如轨迹，谱分量接近地与第二类切比雪夫函数相关。因此，切比雪夫变换足够获得系统函数矩阵和重建问题的稀疏描绘，这节省内存并加速重建。换句话说，归因于此接近关系，能够由相应展开的仅一些系数来近似每个频率分量。优选地，通过所述完整系统函数的变换来生成所述系统函数的所述约化表示。根据此实施例的实际实施，首先获得完整的系统函数数据，并且从其确定约化表示的系数，例如通过使用多项式进行的功能描述。这节省用于重建的存储空间和努力。根据此实施例的另一实际实施，首先仅获得函数数据的子集，根据该子集，再现完整系统函数数据以确定函数描述。替代地，函数描述，例如多项式，能够配置为如以下描述的获得子集。在另一实施例中，所述接收装置配置为在所述作用区域的选择的点处直接测量所述系统函数的所述约化表示，并且，所述重建装置配置为根据所述系统函数的所述测量的约化表示来确定用于描述空间依赖关系的所述解析函数的系数。选择子集的点，使得能够尽可能容易地确定函数描述的系数。应当注意，本发明不仅具体化于所声明的设备、方法、和计算机程序中，而且也具体化于处理装置中，这些装置能够以硬件、软件或其混合具体化，它们用作根据本发明的设备中的重建装置。从而，本发明也指处理装置，用于根据探测信号和系统函数数据的存储的子集，使用关于系统函数的结构的附加知识，重建作用区域中的磁性材料的空间分布。此外，本发明还指对应的处理方法和用于执行所述方法的相应的计算机程序。


根据以下描述的实施例，本发明的这些和其它方面将变得明显，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。附图中图1示出了根据本发明的设备；图2示出了根据本发明的设备产生的场线图案的范例；图3示出了存在于作用区域中的磁性粒子的放大视图；图4a和4b示出了该粒子的磁化特性；图5示出了根据本发明的设备的框图；图6示出了时间相关的探测信号s (t)和其频谱Sn ；图7示出了针对不同驱动场的粒子磁化响应M(t)、获取的时间信号s (t)、和幅度频谱分量Sn和粒子磁化曲线；图8示出了示例理想粒子响应和选择场偏移之间的关系的图示；图9示出了示例针对谐波驱动场和恒定梯度选择场的组合的频谱信号分量的空间相关性的图示；图10示出了示例理想粒子磁化关于Hz场分量的导数的图示；图11示出了示例对沿ζ方向上的中心线的ID FFP运动在不同谐波处的理想粒子系统函数的图示；图12示出了示例对具有M/25的χ/ζ频率比率的2D李萨如(Lissajous)FFP运动的理想粒子系统函数的连续频率分量的图示；图13示出了 2D切比雪夫(chebyshev)函数的图表；图14示出了针对第一 256基集(basis set)分量的正交性曲线；图15示出了根据切比雪夫和系统函数分量展开的64X64采样图像和重建；以及图16-19示例了根据已知方法和根据本发明的实施例的用于重建的系统函数矩阵或其部分的使用。
具体实施例方式图1示出了借助于根据本发明的设备10检查的任意对象。图1中的参考数字350 表示对象，在此情况下对象为人或动物患者，其布置在患者台上，仅示出了患者台的顶部部分。在应用根据本发明的方法之前，磁性粒子100(图1中未示出)布置在创新设备10的作用区域300中。特别是在例如对肿瘤的治疗和/或诊断处理之前，将磁性粒子100安置在作用区域300中，例如借助于包括磁性粒子100的液体(未示出)，该液体被注入患者350 体内。作为本发明的实施例的范例，图2中示出了设备10，设备10包括形成选择装置 210的多个线圈，选择装置210的范围限定也称作处理区域300的作用区域300。例如，选择装置210布置在患者350之上和患者350之下，或台顶部之上和台顶部之下。例如，选择装置210包括第一对线圈210’、210”，每个线圈包括两个相同构建的绕组210’和210”，两个绕组同轴布置在患者350之上和患者350之下，并且有相等的电流穿过，特别是在相反方向上。以下，第一线圈对210’、210” 一起称作选择装置210。优选地，在此情况下使用直流电。选择装置210生成磁选择场211，磁选择场211通常为图2中由场线描绘的梯度磁场。 其在选择装置210的线圈对的(例如竖直)轴的方向上具有基本恒定的梯度，并且在此轴上的点达到零值。从此无场点开始(图2中未单独示出)，磁选择场211的场强在所有三个空间方向上随距无场点的距离增大而增大。在由围绕无场点的虚线表示的第一子区301或区域301中，场强很小，使得存在于该第一子区301中的粒子100的磁化未饱和，而存在于第二子区302(区域301外部)中的粒子100的磁化处于饱和状态。作用区域300的无场点或第一子区301优选地是空间相干区，其也可以是点状区域或是线状或平面区域。在第二子区302 (即在第一子区301外部的作用区域300的其余部分中)，磁场强度足够强，以保持粒子100处于饱和状态。通过改变作用区域300内的两个子区301、302的位置，作用区域300中的(总的)磁化发生改变。通过测量作用区域300中的磁化或受磁化影响的物理参数，能够获得关于作用区域中的磁性粒子的空间分布的信息。为了改变作用区域300中的两个子区301、302的相对空间位置，将所谓的磁驱动场221的另一磁场叠加于作用区域 300中或作用区域300的至少部分中的选择场211上。图3是出了与本发明的设备10 —起使用的种类的磁性粒子100的范例。其包括例如球形基底101，球形基底101例如为玻璃制成的，该玻璃设置有例如5nm厚的软磁层102 并且包括例如铁-镍合金(例如，镍铁导磁合金)。此层可以例如借助于涂层103覆盖，涂层103保护粒子100免受化学和/或物理侵蚀环境，例如酸。该粒子100的磁化的饱和所需的磁选择场211的磁场强度取决于各种参数，例如粒子100的直径，所使用的用于磁性层 102的磁性材料以及其它参数。在例如10 μ m的直径的情况下，于是需要约800A/m(对应于约ImT的通量密度) 的磁场，而在100 μ m的直径的情况下，80A/m的磁场足够了。在选择具有更低饱和磁化的材料的涂层102或在层102的厚度减小时，甚至获得了更小的值。对于优选磁性粒子100的进一步的细节，通过引用于此并入了 DE10151778的对应部分，特别是要求DE10151778的优先权的EP1304542A2的16至20段和57至61段。第一子区301的大小一方面取决于磁选择场211的梯度的强度，并且另一方面取决于饱和所需的磁场的场强。为使磁性粒子100在80A/m的磁场强度和达160103A/m2的磁选择场211的场强的梯度(在给定的空间方向上)的情况下足够饱和，其中粒子100的磁化未饱和的第一子区301具有约Imm的尺寸(在给定空间方向上)。当以下称作磁驱动场221的另一磁场叠加于作用区域300中的磁选择场210 (或梯度磁场210)上时，第一子区301相对于第二子区302在此磁驱动场221的方向上移动； 此移动的范围随磁驱动场221的强度的增大而增大。当叠加的磁驱动场221随时间可变时， 第一子区301的位置因此随时间和空间变化。从设置于第一子区301中的磁性粒子100接收和探测除磁驱动场221变量的频带以外的另一频带(移动至较高频率)中的信号是有利的。这是可能的，因为归因于作用区域300中的磁性粒子100的磁化作为磁化特性的非线性的结果而发生的改变，发生磁驱动场221频率的较高次谐波的频率分量(component)。为了针对空间中的任意给定方向生成这些磁驱动场221，提供了三个另外的线圈对，即第二线圈对220’、第三线圈对220”以及第四线圈对220”’，以下它们一起称作驱动装置220。例如，第二线圈对220’生成磁驱动场221的分量，该分量在第一线圈对210’、210” 或选择装置210的线圈轴线的方向上延伸，即例如竖直地。为此目的，第二线圈对220’的绕组由相同方向上的相等电流穿过。借助于第二线圈对220’能够实现的效果原理上也能够通过将相同方向上的电流叠加于第一线圈对210’、210”的相反相等电流上，使得一个线圈中的电流降低，而其它线圈中的电流增大来实现。然而，并且特别是，为以较高信噪比进行信号解释的目的，在通过选择装置210和驱动装置220的分开的线圈对生成时间恒定(或准恒定)的选择场211 (也称作梯度磁场)和时间可变的竖直磁驱动场时，其可以是有利的。设置两个另外的线圈对220”、220”’，以生成在空间中不同方向上延伸的磁驱动场 221的分量，例如水平地在作用区域300(或患者350)的纵向方向上和与其垂直的方向上。 如果亥姆霍兹类型的第三和第四线圈对220”、220”’ (如用于选择装置210和驱动装置220 的线圈对)用于此目的，将必需将这些线圈对分别布置于处理区域的左边和右边，或此区域的前面和后面。这将影响作用区域300或处理区域300的可接近性。因此，第三和/或第四磁线圈对或线圈220”、220”’也布置于作用区域300以上或以下，并且因此它们的缠绕配置必需不同于第二线圈对220’的缠绕配置。然而，从具有开口(open)磁体的磁共振设备(开口 MRI)领域已知此类型的线圈，该设备中，射频(RF)线圈对位于处理区域以上或以下，所述RF线圈对能够生成水平、时间上可变的磁场。因此，不必于此进一步详述该线圈的结构。根据本发明的设备10还包括于图1中仅示意性地示出的接收装置230。接收装置 230通常包括能够探测由作用区域300中的磁性粒子100的磁化图案(pattern)感生的信号的线圈。然而，从磁共振设备的领域已知此类型的线圈，其中，例如射频(RF)线圈对位于作用区域300的周围，以使信噪比尽可能高。因此，不必于此进一步详述该线圈的结构。在图1中所示的选择装置210的替代实施例中，永磁体(未示出)能够用于生成梯度磁选择场211。在该(相对)永磁体(未示出)的两个极之间的空间中，形成了类似于图2的磁场的磁场，即，在相对极具有相同极性时。在根据本发明的设备的另一替代实施例中，选择装置210包括至少一个永磁体和至少一个如图2描绘的线圈210’、210”。通常用于选择装置210、驱动装置220和接收装置230的不同部件中或用于它们的不同部件的频率范围一般来说如下由选择装置210生成的磁场随时间根本不发生变化或变化相当慢，优选地在约IHz和约IOOHz之间。由驱动装置220生成的磁场优选地在约 25kHz和约IOOkHz之间变化。接收装置敏感的磁场变化优选地在约50kHz至约IOMHz的频率范围中。图如和4b示出了具有粒子100的分散体中的磁化特性，即粒子100 (图如和4b 中未示出)的磁化M作为粒子100所在的位置处的场强H的函数的变化。发现在场强+H。 以上和场强-H。以下，磁化M不再改变，这意味着达到了饱和磁化。在值+H。和-H。之间，磁化M未饱和。图如示例粒子100所在的位置正弦磁场H(t)的影响，在该位置处，得到的正弦磁场H(t)的绝对值(S卩“粒子100所看到的”)低于使粒子100磁性饱和所需的磁场强度，即在磁场不再起作用的情况下。此条件下单个粒子100或多个粒子100的磁化以磁场H (t)的频率的节奏在其饱和值之间往复。得到的磁化的时间变化由图如的右手侧上的符号M(t) 表示。发现磁化也周期性地改变并且该粒子的磁化周期性地反转。曲线的中心部分处的虚线部分表示磁化M(t)作为正弦磁场H(t)的场强的函数的近似平均变化(mean variation)。作为与此中心线的偏离，在磁场H从-H。增大至+H。时， 磁化稍微向右延伸，在磁场H从埤下降至-H。时，磁化稍微向左延伸。此已知效果称作滞后效应，其是生成热的机制的基础。在曲线的路径之间形成的且形状和大小取决于材料的滞后表面区是在磁化变化时生成热的量度。图4b示出了正弦磁场H(t)的影响，静态磁场H1叠加于该正弦磁场上。因为磁化处于饱和状态，所以其实际上不受正弦磁场H(t)的影响。磁化M(t)在此区随时间保持恒定。结果，磁场H(t)不引起磁化状态的改变。图5示出了图1中所示的设备10的框图。线圈对210’、210”示意性地示于图5 中，并且为清楚起见由标记210表示。线圈对(第一磁性装置)210供应有来自可控电流源 32的DC电流，所述电流源由控制单元76控制。控制单元76连接至计算机12，计算机12 耦接至用于显示检查区中的磁性粒子的分布的监视器13和输入单元14，输入单元14例如是键盘14。线圈对(第二磁性装置)220 ’、220 ”、220 ”’连接至电流放大器41、51、61，线圈对从这些放大器接收它们的电流。电流放大器41、51、61在每一种情况下依次连接至AC电流源 42、52、62，电流源限定待放大的电流Ix、Iy、Iz的时间过程。AC电流源42、52、62由控制装置76控制。接收线圈(接收装置)230也示意性地示于图5中。接收线圈230中感生的此信号馈入滤波器单元71，借助于该滤波器单元对信号进行滤波。此滤波的目的是将由检查区中的磁化引起的测得值与其它干扰信号分开，检查区中的磁化受两个部分区域(301、302) 的位置的变化的影响。为此目的，滤波器单元71设计为例如使得时间频率比用以操作线圈对220’、220”、220”’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 71。信号于是经由放大器单元72传输至模拟/数字转换器73 (ADC)。由模拟/数字转换器73产生的数字化信号馈入图像处理单元(也称作重建装置)74，图像处理单元根据这些信号和相应的信号的接收期间检查区中的第一磁场的第一部分区域301所呈现的且图像处理单元74从控制装置76获得的相应的位置来重建磁性粒子的空间分布。重建的磁性粒子的空间分布最终经由控制装置76传输至计算机12，计算机12将该分布显示于监视器13 上。设备还包括存储装置75，例如硬盘或半导体存储器，耦接至图像处理单元74用于存储所获取的探测信号和设备10的系统函数数据。设置存储装置75用于存储设备的系统函数的系统函数数据的子集。设置重建装置74 (图像处理单元74)用于利用关于系统函数的结构的附加知识，根据探测信号和所存储的系统函数数据的子集来重建作用区域300中的磁性材料100的空间分布。如以上解释的，MPI基于局域化的激发过程的动态移位应用信号编码的新方法，并且容许快速的体成像。然而，与诸如MRI和CT的已建立的成像形式相比，还没有发现简单的数学变换以根据获取的数据重建图像。因此，MPI图像重建需要描述系统对粒子的给定空间分布的响应，即将粒子位置绘制为频率响应，的“系统函数”的知识。为了解决重建问题，需要对系统函数求逆，通常需要一些正则化方案(regularization scheme) 0迄今，通过测量对应于图像像素或体素(voxel)的数量的大数量的空间位置的点状样品的磁化响应，能够实验上确定系统函数。此校准程序需要非常长的获取时间并且还提供受噪声污染的系统函数。归因于系统函数矩阵的大的大小，解决求逆重建问题也是非常耗时的并且需要大量的计算机内存。从信号编码过程的理论理解来说，人们期望获得系统函数的结构的知识。此知识能够用于加速系统函数获取或甚至模拟部分或所有系统函数。关于矩阵结构的信息还能够有助于找出更紧凑的系统函数描绘，有助于减小内存需求并加速重建。最终，识别导致从数据至图像的数学变换将大大简化重建过程。接下来，将描述信号生成。MPI中的信号生成的基本原理依赖于铁磁粒子对施加的磁场H的非线性磁化响应M (H)。足够幅度的振荡驱动场Hd (t)导致粒子的磁化响应M(t)， 其具有比驱动场更高的不同的谐波的频谱。如果，例如，使用谐波驱动场，则驱动场频谱仅包含基频，而粒子响应也包含多个基频。包含在这些较高次谐波中的信息用于MPI。实验上，经由接收线圈中感生的电压测量粒子磁化中时间相关的变化。假定具有灵敏度SJr)的单个接收线圈，则根据法拉第定律，变化的磁化感生电压
权利要求
1.一种用于探测和/或定位作用区域(300)中的磁性材料(100)的设备(10)，所述设备(10)包括-选择装置010)，用于生成具有其自己的磁场强度在空间中的图案的磁选择场 011)，使得在所述作用区域(300)中形成具有低磁场强度的第一子区(301)和具有较高磁场强度的第二子区(302)，-驱动装置020)，用于借助于磁驱动场(221)来改变所述作用区域(300)中的所述两个子区(301、30幻在空间中的位置，使得所述磁性材料(100)的磁化局部地改变，-接收装置030)，用于获取探测信号，所述探测信号依赖于所述作用区域(300)中的磁化，所述磁化受到所述第一子区和所述第二子区(301、30幻在空间中的位置的改变的影响，-存储装置(75)，用于存储所述设备的系统函数的系统函数数据的子集，所述系统函数包括系统函数数据集，所述系统函数数据集描述以下量之间的关系所述磁性材料的空间位置、所述设备的系统响应、以及所述第一子区(301)为获取所述系统函数数据而移动的轨迹，以及-重建装置(74)，用于使用关于所述系统函数的结构的附加知识，根据所述探测信号和所述系统函数数据的所存储的子集来重建所述作用区域(300)中的所述磁性材料(100) 的空间分布。
2.如权利要求1所述的设备(10)，其中，所述接收装置(230)配置为通过在所述磁性材料的探针连续地放置在所述作用区域(300)中的多个不同位置时对信号进行探测来仅获取所述设备的系统函数的所述系统函数数据的所述子集。
3.如权利要求2所述的设备(10)，其中，所述多个位置定位于所述作用区域(300)的四分区或八分区中。
4.如权利要求2所述的设备(10)，其中，所述多个位置以交错方式分布在所述作用区域(300)上。
5.如权利要求1所述的设备(10)，其中，所述重建装置(74)配置为首先根据所述系统函数数据集的所存储的子集来重建完整的系统函数，并且然后使用所重建的完整的系统函数数据集根据所述探测信号来重建所述磁性材料的所述空间分布。
6.如权利要求1所述的设备(10)，其中，所述重建装置(74)配置为在所述磁性材料(100)的所述空间分布的重建期间快速重建系统函数数据，所述系统函数数据是重建所述磁性材料(100)的所述空间分布所需要的，但是未包含在所述系统函数数据集的所存储的子集中。
7.如权利要求5或6所述的设备(10)，其中，所述重建装置(74)配置为通过利用存在于所述系统函数的频率分量中的空间对称性，特别是空间镜像对称性，来重建系统函数数据。
8.如权利要求1所述的设备(10)，其中，所述重建装置(74)配置为使用具有减小数量的谱分量的系统函数来重建所述作用区域(300)中的所述磁性材料(100)的所述空间分布，所述减小数量的谱分量是通过对系统函数数据的所存储的子集的具有类似空间信息的频率分量进行求和而获得的。
9.如权利要求1所述的设备(10)，其中，所述重建装置(74)配置为通过沿空间维度施加数学变换并求解在所述变换后引起的稀疏得多的重建问题来生成所述系统函数的约化表示。
10.如权利要求9所述的设备(10)，其中，所述重建装置(74)配置为通过所述完整的系统函数的变换来生成所述系统函数的所述约化表示。
11.如权利要求9所述的设备(10)，其中，所述接收装置(230)配置为在所述作用区域的选择的点处直接测量所述系统函数的所述约化表示，并且其中，所述重建装置(76)配置为根据所述系统函数的所述测量的约化表示来确定用于描述空间依赖关系的所述解析函数的系数。
12.一种用于探测和/或定位作用区域(300)中的磁性材料(100)的设备(10)，特别是根据权利要求1所述的设备，所述设备(10)包括-选择装置(210)，用于生成具有其自己的磁场强度在空间中的图案的磁选择场 (211)，使得在所述作用区域(300)中形成具有低磁场强度的第一子区(301)和具有较高磁场强度的第二子区(302)，-驱动装置(220)，用于借助于磁驱动场(221)来改变所述作用区域(300)中的所述两个子区(301、302)在空间中的位置，使得所述磁性材料(100)的磁化局部地改变，以及-接收装置(230)，用于获取探测信号，所述探测信号依赖于所述作用区域(300)中的磁化，所述磁化受到所述第一子区和所述第二子区(301、302)在空间中的位置的改变的影响，其中，所述接收装置(230)配置为通过在所述磁性材料的探针连续地放置在所述作用区域(300)中的多个不同位置时对信号进行探测来仅获取所述设备的系统函数的所述系统函数数据的子集，所述系统函数包括系统函数数据集，所述系统函数数据集描述以下量之间的关系所述磁性材料的空间位置、所述设备的系统响应、以及所述第一子区(301)为获取所述系统函数数据而移动的轨迹。
13.一种用于探测和/或定位作用区域(300)中的磁性材料(100)的方法，所述方法包括以下步骤-生成具有其自己的磁场强度在空间中的图案的磁选择场(211)，使得在所述作用区域(300)中形成具有低磁场强度的第一子区(301)和具有较高磁场强度的第二子区(302)，-借助于磁驱动场(221)来改变所述作用区域(300)中的所述两个子区(301、302)在空间中的位置，使得所述磁性材料(100)的磁化局部地改变，-获取探测信号，所述探测信号依赖于所述作用区域(300)中的磁化，所述磁化受到所述第一子区和所述第二子区(301、302)在空间中的位置的改变的影响，-存储用于探测和/或定位所述作用区域(300)中的所述磁性材料(100)的所述设备 (10)的系统函数的系统函数数据的子集，所述系统函数包括系统函数数据集，所述系统函数数据集描述以下量之间的关系所述磁性材料的空间位置、所述设备的系统响应、以及所述第一子区(301)为获取所述系统函数数据而移动的轨迹，以及_使用关于所述系统函数的结构的附加知识，根据所述探测信号和所述系统函数数据的所存储的子集来重建所述作用区域(300)中的所述磁性材料(100)的所述空间分布。
14.一种用于探测和/或定位作用区域(300)中的磁性材料(100)的方法，特别是根据权利要求13所述的方法，所述方法包括以下步骤-生成具有其自己的磁场强度在空间中的图案的磁选择场(211)，使得在所述作用区域(300)中形成具有低磁场强度的第一子区(301)和具有较高磁场强度的第二子区(302)， -借助于磁驱动场(221)来改变所述作用区域(300)中的所述两个子区(301、302)在空间中的位置，使得所述磁性材料(100)的磁化局部地改变，-获取探测信号，所述探测信号依赖于所述作用区域(300)中的磁化，所述磁化受到所述第一子区和所述第二子区(301、30幻在空间中的位置的改变的影响，以及其中，通过在所述磁性材料的探针连续地放置在所述作用区域(300)中的多个不同位置时对信号进行探测来仅获取用于探测和/或定位所述作用区域(300)中的所述磁性材料 (100)的所述设备(10的所述系统函数的所述系统函数数据的子集，所述系统函数包括系统函数数据集，所述系统函数数据集描述以下量之间的关系所述磁性材料的空间位置、所述设备的系统响应、以及所述第一子区(301)为获取所述系统函数数据而移动的轨迹。
15.一种计算机程序，包括程序代码装置，当在计算机上执行所述计算机程序时，所述程序代码装置使得所述计算机控制如权利要求1或12所述的设备来执行如权利要求13或 14所述的方法的步骤。
全文摘要
在磁性粒子成像(MPI)中，重建需要所谓的系统函数的知识。此函数描述空间位置和频率响应之间的关系。为了获得合理的分辨率和视场，系统函数变得相当大，导致对系统函数的大的获取时间和重建期间高的内存需求。本发明提出了通过利用矩阵的结构性质来减小系统函数矩阵的大小。该性质例如是减小列的数量的空间对称性和减小行的数量的不同频率处的相同响应。在其它实施例中，能够使用合适的基函数将矩阵变换为稀疏描绘。
文档编号G01R33/28GK102245095SQ200980149191
公开日2011年11月16日 申请日期2009年11月27日 优先权日2008年12月8日
发明者B·格莱希, J·E·拉米尔, J·魏岑埃克 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司