专利名称：用于测量作用区域中的磁性材料的设备和方法
技术领域：
本发明涉及用于测量第三介质中的少量第一介质和/或第一介质中的少量物质的设备。此外，本发明涉及用于测量第三介质中的少量第一介质和/或第一介质中的少量物质的方法。
背景技术：
/A Biederer,S.禾口 Gleich，B. (2008),"A Spectrometer for Magnetic Particle Imaging”in IFMBE Proceedings, Volume 22，pp. 2313-2316 已知此种设备。在该公开中描述的设备中，使用没有空间编码的磁性粒子成像扫描仪。分光计包括发送线圈和接收线圈， 发送线圈用于将随时间变化的磁场施加于待测量的探针的纳米粒子上，接收线圈用于探测探针室中的粒子的磁化。分光计探测探针室中的磁性粒子的浓度，因为磁化水平与浓度线性地成比例。然而，此方法仅测量磁性粒子的浓度。此外，常规地使用放射性标记的分子来测量流体或固体材料中的小的量和浓度， 如医学、生物测定、药物设备研发中所需要的。放射性标记的分子的优点是高灵敏度和取决于特定同位素的容许定量测量的低背景信号水平。缺点也取决于同位素，并且与材料的毒性有关。实践中，必须采取专门的实验预防，并且经常必须请求管理许可来监控实验实践。 这将该技术的应用限制于特定位置和受过训练的人。从而，为安全，这些方法需要合适的基础结构，并且这些方法产生危险的废物。磁性粒子成像(MPI)是广泛已知的，例如从德国专利申请DE10151778A1已知。MPI 是用于对磁性纳米粒子的分布进行成像的方法，其结合高敏感性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系统测量对应于图像像素或体素的大量空间位置处的点状样本的磁化响应。然而，此系统和方法是耗时的、复杂且昂贵的。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的设备和方法，用于快速、精确且安全地测量一种介质中的少量的另一介质和/或介质中的少量的物质，无需使用放射性标记的分子。根据本发明的一方面，提出了一种用于测量第三介质中的少量的第一介质和/或所述第一介质中的少量的物质的设备，所述第三介质包括所述第一介质和第二介质，所述第二介质包括已知浓度的磁性材料，其中，所述设备包括-磁性装置，用于在作用区域中提供可变磁场，其中，设置所述第三介质的探针用于测量，-接收装置，用于在施加所述可变磁场后获取所述作用区域中的所述探针的磁化的探测信号，以及-评估装置，用于评估所述探测信号并将所述探测信号与至少一个校准样本的磁化的校准测量结果进行比较，以推导关于所述第三介质中的所述第一介质的量和/或所述第一介质中的所述物质的量的信息。
根据本发明的第二方面，提出了一种用于测量第三介质中的少量的第一介质和/ 或所述第一介质中的少量的物质的方法，所述第三介质包括所述第一介质和第二介质，所述第二介质包括已知浓度的磁性材料，其中，所述方法包括如下步骤-在作用区域中生成可变磁场，其中，设置所述第三介质的探针用于测量，
-在施加所述磁场后获取所述作用区域中的所述探针的磁化的探测信号，以及-将所述探测信号与至少一个校准样本的磁化的校准测量结果进行比较，以推导关于所述第三介质中的所述第一介质的量和/或所述第一介质中的所述物质的量的信息。通过将探测信号与至少一个校准样本的校准测量结果进行比较，测量少量的介质或另一介质中的物质是可能的，其中，第一介质或物质分别不包括标记的分子或指示剂材料。由此能够体外或在患者身体中非常精确地测量一种介质中另一种介质的量和/或另一种介质中物质的量。总的来说，此设备和方法容许快速、精确且安全的操作、本质上无辐射和无毒性的介质或物质浓度的可靠量化。此外，通过本发明，此生物样本中存在低水平的磁指示剂，并且该环境导致低样本中噪声。此外，减小了危险废物，该方法易于使用，因为不必增加发光闪烁液(scintillation cocktail)，并且其适用于液相和固相中的直接测量。本发明涉及与使用指示剂材料相关的新的方面，该指示剂材料能够用于MPS(磁性粒子分光术)和MPI中。在此技术中，在施加多维ac磁场时，对体内指示剂的局部磁性响应执行非线性磁分光术。对于对ac磁场起反应的磁性粒子，不同机制可以起作用(1)单畴粒子的情况下的Neel旋转，(2)几何Brownian旋转，以及(3)多畴粒子的畴壁运动。对于MPI，针对Neel旋转优化磁性粒子，其容许对外部场的快速响应，使得能够以好数量的谐波来分析非线性磁化响应。这些机制导致测得的体素中指示剂粒子的平均数量或粒子浓度的可靠的量化。许多指示剂材料可用，这些材料在MPS/MPI中给出好的信号，这些材料称作超顺磁铁氧化物(SPIO)材料，诸如Resovist 。这些材料是商业上可用的并且被同意用于人类亲本管理(parental administration)，诸如MRI成像对比剂。该材料包括胶状稳固的单畴磁性纳米粒子。根据本发明的优选实施例，优选地，所述磁化装置被配置为生成具有其自己的磁场强度的空间图案的磁选择场，使得在作用区域中形成具有低磁场强度的第一子区和具有较高磁场强度的第二子区，其中，驱动装置被配置为借助于磁驱动场来改变所述作用区域中的所述两个子区的空间位置，使得所述磁性材料的磁化局部地改变。通过生成磁选择场， 分别测量磁性粒子或磁性指示剂材料的空间分布并提供构图的系统是可能的。此实施例组合磁性粒子分光计(MPS)和磁性粒子成像(MPI)扫描仪。根据本发明的实施例，进一步优选地，所述校准样本包括已知体积的所述第二介质。具有已知体积的校准样本的优点是待测量的探针的磁化的获取的探测信号能够与所述第二介质中的磁性材料的量关联。这提供高精度侧测量。进一步优选地，根据本发明，所述至少一个校准样本包括多个校准样本，所述多个校准样本具有不同浓度的所述磁性材料。多个校准样本的优点是从多个校准样本推导的校准因子更精确，因为校准因子与磁性材料的有效浓度成比例。根据本发明的实施例，优选地，所述至少一个校准样本包括多个校准样本，所述多个样本具有不同体积的所述第二介质。具有不同体积的不同校准样本的优点是从这些测量推导的校准因子更精确。此外，校准因子的测量更容易，因为能够通过将限定体积增加至一个校准样本以提供不同体积的第二介质来制备不同的探针。此外，能够通过将限定的体积注入到生物组织中以提供不同的校准样本来提供校准样本，例如通过将介质经皮注入到患者体内。进一步优选地，根据本发明，所述磁场是均勻的交变磁场。该磁场的优点是磁场在作用区域中仅具有一个空间分量并且因此评估磁性材料的磁化的信号的努力减小了。从而能够简化根据探测信号来计算浓度的计算公式，由此能够减小时间消耗和所需的计算机存储器的量。在本发明的另一优选实施例中，所述接收装置被配置为根据磁偶极矩的一个谐波的幅度来推导所述探测信号。这是有利的，因为能够简化接收装置和评估探测信号的评估装置并且对信号的评估是较不耗时的。根据本发明，进一步优选地，所述磁场包括一个磁场强度。一个磁场强度的优点是能够简化磁化装置，并且对探测信号的评估是较不耗时的，并且能够简化用于获取探测信号的接收装置。在本发明的另一实施例中，所述磁场包括不同的磁场强度。使用不同的磁场强度的优点 是探针的测量结果更精确。优选地，根据本发明，所述磁性材料包括磁性纳米粒子，特别是胶状稳固的单畴磁性纳米粒子。此外，磁性标记的分子能够选择为用于专门应用并且能够用于生物组织或患者身体中的化学反应的测量和/或用于与该化学反应组合。根据另一实施例，所述第一介质是医学或生物试样且所述第一介质中的所述物质是活性药物物质。优选地，根据本发明，通过将所述第二介质注入到所述第三介质中来提供所述至少一个校准样本。将所述第二介质注入到所述第三介质中的优点是，能够通过在一个样本中顺序地注入第二介质的限定部分，以减小的努力制备校准样本，并且能够在患者身体中作为经皮样本制备校准样本。
本发明的这些和其它方面从根据以下描述的实施例将变得明显，并且将参照那些实施例来阐述本发明的这些和其它方面。附图如下图1示出了根据本发明的磁性粒子分光计设备的示意图；图2示出了存在于作用区域中的磁性粒子的放大的视图；
图3a、b和c示出了该粒子的磁化特性；图4示出了示例根据本发明的方法的示意图；以及图5示出了具有不同体积的校准样本的磁性偶极子测量结果。
具体实施例方式图1示出了待借助于根据本发明的磁性粒子分光计(MPS)设备10检查的物体。 MPS设备10包括发送线圈12和接收线圈14，它们彼此同轴地布置。接收线圈14同轴地布置在发送线圈12内。发送线圈和接收线圈相对于公共轴16轴对称。探针18设置在接收线圈14内的轴16上。发送线圈12生成磁场20，该磁场在发送线圈12内是均勻的并且关于轴16轴对称。探针18设置在探针室22中，探针室22位于接收线圈的中心。发送线圈12配置为在探针室22内提供均勻可变的磁场。接收线圈14配置为接收来自分别布置在探针室22和探针28中的粒子100(图1中未示出)的磁化响应。图1 中，探针是任意物体，然而，此探针18能够是体外样本或布 置在探针室22内的人或动物患者。探针18包括磁性粒子100，磁性粒子100例如借助于包括磁性粒子100的液体(未示出)或注入到样本或患者身体中的指示剂材料设置于探针22中。在另一实施例中，设备10设置有至少一个附加发送线圈和/或至少一个附加永磁体，以提供磁选择场并局部改变粒子100的磁化。图2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场20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。另一合适的材料在例如EP1738773和EP1738774中描述，其中，描述了对MPI优化的磁性纳米粒子，即包括磁性纳米粒子的基于Fe氧化物的SPIO (即超顺磁纳米粒子)，特别是胶状地稳固的单畴磁性纳米粒子。图3a示出了具有粒子100的分散体中的磁化特性，即粒子100 (图3a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未饱禾口。图3a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3a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+H。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。接下来，将描述信号生成。MPS(以及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)，其具有与驱动场不同的较高次谐波的频谱。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 MPS。实验上，经由接收线圈14中感生的电压来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
1.一种用于测量第三介质O06)中的少量的第一介质(20 和/或所述第一介质 (202)中的少量的物质的设备(10)，所述第三介质(206)包括所述第一介质(20 和第二介质004)，所述第二介质(204)包括已知浓度的磁性材料，其中，所述设备包括-磁性装置(12)，用于在作用区域0 中提供可变磁场(20)，其中，设置所述第三介质 (206)的探针(18 ；208)用于测量，-接收装置(14)，用于在施加所述可变磁场00)后获取所述作用区域0 中的所述探针(12)的磁化的探测信号，以及-评估装置014)，用于评估所述探测信号并将所述探测信号与至少一个校准样本的磁化的校准测量结果进行比较，以推导关于所述第三介质O06)中的所述第一介质(202) 的量和/或所述第一介质O02)中的所述物质的量的信息。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述磁化装置(1 被配置为生成具有其自己的磁场强度的空间图案的磁选择场，使得在所述作用区域0 中形成具有低磁场强度的第一子区和具有较高磁场强度的第二子区，其中，驱动装置被配置为借助于磁驱动场来改变所述作用区域0 中的所述两个子区的空间位置，使得所述磁性材料的磁化局部地改变。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述校准样本包括已知体积的所述第二介质(204)。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少一个校准样本包括多个校准样本，所述多个校准样本具有不同浓度的所述磁性材料。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少一个校准样本包括多个校准样本，所述多个校准样本具有不同体积的所述第二介质(204)。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述磁场OO)是均勻的交变磁场。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述接收装置(14)被配置为根据磁偶极矩的一个谐波的幅度来推导所述探测信号。
8.根据权利要求1至8中的任一项所述的设备，其特征在于，所述磁场包括一个磁场强度。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述磁场包括不同的磁场强度。
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述磁性材料包括磁性纳米粒子，特别是胶状稳固的单畴磁性纳米粒子。
11.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一介质是医学或生物试样且所述第一介质中的所述物质是活性药物物质。
12.一种用于测量第三介质O06)中的少量的第一介质(20 和/或所述第一介质 (202)中的少量的物质的方法，所述第三介质(206)包括所述第一介质(20 和第二介质 004)，所述第二介质(204)包括已知浓度的磁性材料，其中，所述方法包括如下步骤-在作用区域0 中生成可变磁场(20)，其中，设置所述第三介质Q06)的探针(18 ； 208)用于测量，-在施加所述磁场00)后获取所述作用区域0 中的所述探针(18 ；208)的磁化的探测信号，以及-将所述探测信号与至少一个校准样本的磁化的校准测量结果进行比较，以推导关于所述第三介质O06)中的所述第一介质O02)的量和/或所述第一介质O02)中的所述物质的量的信息。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，从多个校准样本推导所述校准测量结果，所述多个校准样本具有不同浓度的所述磁性材料。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述至少一个校准样本包括具有不同体积的多个校准样本。
15.根据权利要求12至14中的任一项所述的方法，其中，通过将所述第二介质(204) 注入到所述第三介质O06)中来提供所述至少一个校准样本。
全文摘要
本发明涉及一种用于测量第三介质(206)中的少量的第一介质(202)和/或所述第一介质(202)中的少量的物质的设备(10)，所述第三介质(206)包括所述第一介质(202)和第二介质(204)，所述第二介质(204)包括已知浓度的磁性材料，其中，所述设备包括磁性装置(12)，用于在作用区域(22)中提供可变磁场(20)，其中，设置所述第三介质(206)的探针(18；208)用于测量，接收装置(14)，用于在施加所述可变磁场(20)后获取所述作用区域(22)中的所述探针(12)的磁化的探测信号，以及-评估装置(214)，用于评估所述探测信号并将所述探测信号与至少一个校准样本的磁化的校准测量结果进行比较，以推导关于所述第三介质(206)中的所述第一介质(202)的量和/或所述第一介质(202)中的所述物质的量的信息。
文档编号G01R33/12GK102348994SQ201080011029
公开日2012年2月8日 申请日期2010年3月1日 优先权日2009年3月9日
发明者G·尼撒托, H·M·B·伯芬 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司