利用由一个或多个电永磁体阵列产生的磁梯度来获得图像和操纵对象的方法与流程

交叉引用及优先权

本专利申请要求于2018年6月22日提交的、名称为“methodforacquiringanimageandmanipulatingobjectswithmagneticgradientsproducedbyoneormoreelectropermanentmagnetarrays”、临时专利申请序列号为62/688,568的美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。

公开的实施方式提供了用于对人及其它有生命和无生命的对象进行成像以及对人和其它动物进行治疗的方法和装置。

背景技术：

电永磁体可以用于在样品中建立净磁化(netmagnetization)，从而有助于用于磁共振成像(magneticresonanceimaging，mri)的图像生成过程。在传统的mri系统中，永磁体或超导线圈磁体用于在样品中建立净磁化。电激活的磁梯度线圈用于在样品上施加瞬态磁场不均匀性(transientmagneticnon-uniformity)，这对图像生成过程至关重要，因为磁梯度建立了空间位置与磁场强度和方向之间的关系。

技术实现要素：

公开的实施方式提供了用于在感兴趣的区域内产生或修改磁场的装置和方法，所述装置包括多个电永磁体，所述多个电永磁体配置为执行建立准静态磁场的动作和施加瞬态磁场不均匀性的动作两者。

概念1：一种用于对视场内的一个或多个对象进行成像的装置，其中，所述装置包括：

至少一个包括至少两个电永磁体的阵列；以及

控制器，所述控制器用于控制由所述至少一个阵列产生磁场，

其中，所述阵列的磁配置能够改变，以便在所述视场中产生磁轮廓，所述磁轮廓构成用于重建所述对象的图像的基组。

概念2：如概念1所述的装置，其中，所述基组的至少一些构件彼此正交。

概念3：如概念1所述的装置，其中，所述磁轮廓中的至少一个磁轮廓是非线性的且具有沿所述视场内的任何方向的位置。

概念4：如概念1所述的装置，其中，所述磁轮廓推进所述视场中的至少一个对象、使所述视场中的至少一个对象旋转或致动所述视场中的至少一个对象。

概念5：如概念1所述的装置，其中，所述磁轮廓用于改变所述对象的磁化方向。

概念6：如概念1所述的装置，其中，所述视场中的所述磁轮廓的测量用于选择所述至少一个阵列中的电永磁体的磁化。

概念7：一种用于成像或移动或致动视场内的对象的方法，所述方法包括：

将磁脉冲序列施加于至少一个包括至少两个电永磁体的阵列，以便控制由所述至少一个阵列产生磁场；

改变所述阵列的磁配置以便在所述视场中产生磁轮廓，所述磁轮廓构成用于重建所述对象的图像的基组，

其中，所述视场内的所述磁轮廓具有关于位置为非线性的幅度。

概念8：如概念7所述的方法，其中，所述基组的至少一些构件彼此正交。

概念9：如概念7所述的方法，其中，所述磁轮廓中的至少一个磁轮廓是非线性的且具有沿所述视场内的任何方向的位置。

概念10：如概念7所述的方法，其中，所述磁轮廓推进所述视场中的至少一个对象、使所述视场中的至少一个对象旋转或致动所述视场中的至少一个对象。

概念11：如概念7所述的方法，其中，所述磁轮廓用于改变所述对象的磁化方向。

概念12：如概念7所述的方法，其中，所述视场中的所述磁轮廓的测量用于选择所述至少一个阵列中的电永磁体的磁化。

概念13：一种用于利用一个或多个电永磁体阵列来改变视场内的对象的磁化角度的方法，所述方法包括：

将磁脉冲序列施加于至少一个包括至少两个电永磁体的阵列，以便控制由所述至少一个阵列产生磁场；

改变所述阵列的磁配置以便在所述视场中产生磁轮廓，所述磁轮廓构成用于重建所述对象的图像的基组，

其中，所述视场内的所述磁轮廓具有关于位置为非线性的幅度。

概念14：如概念13所述的方法，其中，所述基组的至少一些构件彼此正交。

概念15：如概念13所述的方法，其中，所述磁轮廓中的至少一个磁轮廓是非线性的且具有沿所述视场内的任何方向的位置。

概念16：如概念13所述的方法，其中，所述磁轮廓推进所述视场中的至少一个对象、使所述视场中的至少一个对象旋转或致动所述视场中的至少一个对象。

概念17：如概念13所述的方法，其中，所述磁轮廓用于改变所述对象的磁化方向。

概念18：如概念13所述的方法，其中，所述视场中的所述磁轮廓的测量用于选择所述至少一个阵列中的电永磁体的磁化。

附图说明

详细的描述特别地参考以下附图，其中：

图1示出了用于公开的实施方式的基础元件的示例，所述基础元件包括其磁化可以改变的一种或多种可磁化材料。

图2示出了根据公开的实施方式的多个电永磁体，所述多个电永磁体以与视场相邻的二维阵列放置。

图3示出了根据公开的实施方式的图2的二维阵列中的所述多个电永磁体，其中，该电永磁体阵列中的一行已经在经受电流之后消磁，从而对视场中的质子所经历的磁场施加不均匀性。

图4是根据公开的实施方式的图2和图3的处于各种磁化状态的阵列的端视图。

图5示出了根据公开的实施方式的示例，在该示例中，两组电永磁体阵列的磁化最初对样本施加磁场导致净磁化。

图6是示出根据公开的实施方式的成像和可选地指导治疗的方法的流程图。

具体实施方式

如上面解释的，电永磁体可以用于在待成像的样品中建立净磁化，从而有助于用于mri的图像生成过程。对于图像生成过程来说，使用电激活的磁梯度线圈对样品施加瞬态磁场不均匀性是至关重要的。这是因为磁梯度建立了空间位置与磁场强度和方向之间的关系。

公开的实施方式提供了用于出于成像和图像引导治疗的目的而施加磁梯度的装置和方法。如图1所示，公开的实施方式利用基础元件100，该基础元件100可以被认为是公开的实施方式的构造块(buildingblock)，并且该基础元件100包括其磁化可以改变的一种或多种可磁化材料110。这种改变可以包括例如磁化强度的改变、磁化极化方向(magnetizationpolarizationdirection)的改变、以及可磁化材料110中的磁化的完全消除。

在概念上，基础元件100可以被认为是公开的装置的构造块，并且在本文中也可以指“电永磁体”。出于本说明书公开的目的，术语“电永磁体”被定义为导电的且可磁化的部件和/或在导电部件中的电流停止后保持大量(例如，最大值的10％)磁化的材料。此外，出于本说明书公开的目的，术语“导电”包括导电材料和超导材料。

在图1中，所述一种或多种可磁化材料110的磁化由线圈120产生或以其它方式修改，线圈120具有连接至一个或多个电压发生器或电流发生器(未示出)的电引线130和140，所述一个或多个电压发生器或电流发生器又由计算机(也未示出)控制。线圈120和可磁化材料110可以封闭在护罩(shield)150内。应当理解，一旦可磁化材料110被磁化，则该材料构成“磁体”，因此，图1中包括的字母n和s被置于可磁化材料110上，以便表示磁取向的示例，所述磁取向即已通过借助电引线130和140提供通过线圈120的电流来磁化材料之后存在的磁北和磁南。

根据本发明的该公开内容和技术实用性，应当理解，术语“可磁化材料”是指可以包含具有不同矫顽力和磁特性及电特性的物质的材料，例如，硬磁体和软磁体以及压电材料、磁电材料及铁电材料。还应当理解，这些材料可以同心地布置在可磁化材料110内，可以沿着可磁化材料110纵向布置，可以沿磁体直径径向地(diametrically)布置，可以均匀地或不均匀地分散在整个磁体中，或者可以是以上述排序的任何组合布置。

例如，可磁化材料110可以实施为alnico合金或ndfeb合金的圆柱形杆或方形杆。可磁化材料110的磁化可以通过施加经过包括引线130和引线140的线圈120的电流来改变。

根据本发明的该公开内容和技术实用性，应当理解，线圈120可以具有除简单绕组之外的配置，例如其绕组沿不同方向的线圈(可能对保护有用)、或者其绕组非均匀的线圈(如“指纹”图案)。

根据本发明的该公开内容和技术实用性，应当理解，可以通过电流源或电压源(理解为包括在图1中但未示出)施加电流。还应当理解，该电流可以受计算机的控制(在图1中也未示出，但应理解为存在)。此外，应当理解，电流方向、幅度、持续时间、频率和占空比都可以以高分辨率来调整。

如图1所示，护罩150可以定位成保护包括在基础元件100中的其它元件，使其免受由线圈120产生的电磁波的电分量和/或磁分量影响。另外地或可替选地，护罩150可以保护线圈120，使其免受基础元件100附近的其它线圈的影响(例如，理解为存在但未在图1中示出的射频线圈)。

根据本发明的该公开内容和技术实用性，应当理解，可磁化材料110的磁化状态可以通过除电线圈120之外的其它手段改变。例如，如果材料110是磁电的，则向可磁化材料110施加电压可以用于改变可磁化材料110的磁化。

图2示出了现在被磁化为电永磁体210的基础元件100可以如何被配置成在视场230附近的一个或多个电永磁体阵列220，视场230可以包括待成像的对象或材料。因此，如图2所示，所有的电永磁体210可以沿相同的方向被磁化，从而在样品210上施加具有复合磁化240的磁场。更具体地，图2示出了电永磁体210的二维阵列220与包括质子或其它感兴趣的可磁化粒子(例如，电子、氮原子、含铁粒子)的视场230相邻。应当理解，粒子可以嵌入组织(活的或无生命的)或其它块状形式(例如固体或液体)中。

应当理解，出于本发明的目的，所有类型的可磁化粒子可以被称为“质子”，但是应当理解，本文中描述的相同的成像、移动、推进、旋转和/或致动操作将适用于如上所述的其它类型的可磁化粒子。尽管未示出通向每个电永磁体的电引线，但应当理解，存在这些引线。如在电永磁体210上的n和s所示，所有的电永磁体都已经沿一个方向被磁化，这在存在于视场(field-of-view，fov)240内的质子中产生净磁化矢量。根据在本发明的该公开内容和技术实用性，应当理解，术语“视场”(或fov)是指用户(例如，希望辨别患者疾病的医生、或者希望检测有害污染物的水果检查员)感兴趣的空间区域。

该对象230的净磁化240可以对于磁共振成像是有用的，其充当准静态磁场，如发明人irvingweinberg和aleksandarnacev的、名称为“methodandapparatusformanipulatingelectropermanentmagnetsformagneticresonanceimagingandimageguidedtherapy”的美国专利公开5,522,517中描述的，该专利公开通过引用并入本文中。

通过连续施加经过围绕电永磁体210的线圈的电流可以提高准静态磁场的均匀性，其中，使用fov中的磁力计、或通过测量自由感应衰减的线宽或来自fov中质子的其它信号来测量均匀性。

当由线圈产生瞬态磁梯度时，用于fov中的对象的mr图像重建过程是众所周知的。在us20170227617(例如，第37段)中预期了应用电永磁体来产生瞬态磁梯度。现在公开的创新表示如本文中所解释的发明构思的另外的改进。图3示出了电永磁体阵列300的瞬态，其中，电永磁体中的一行电永磁体的磁化已经瞬时变化至与其它行不同的值，从而在fov310上建立磁梯度，该磁梯度可以用于帮助收集重建fov310中的对象的图像所需的数据。

因此，图3示出了阵列300，阵列300可以被认为是与图2的阵列220相同的配置，但是电永磁体阵列中的一行已经在经受电流之后消磁，从而对fov310内的质子所经历的磁场施加不均匀性。

图4是在已经修改特定的电永磁体的磁化之后，图3的阵列300的端面视图。因此，应当理解，多个阵列300可以放置在fov附近(例如，在一米内)。因此，图4示出了可以如何修改电永磁体阵列400、410和420的磁配置，以便表示可以用于导致在附近的fov(未示出)上施加广义梯度的基组(basisset)的构件。图4是处于各种磁化状态的阵列220的端视图，其包括状态410和420以及等效于图3的阵列300的状态400。应当理解，可以实现许多磁化状态，包括电永磁体中的一个或多个电永磁体在与其它电永磁体相反的方向上被极化的状态，以及包括电永磁体中的一个或多个电永磁体被极化成没有净磁化或具有降低的磁化的状态。还应当理解，阵列的磁化状态可以在附近的fov(未示出)中的质子上施加不均匀的梯度。

本发明的技术实用性是由于通过使用电永磁体阵列来执行建立准静态磁场的动作和施加瞬态磁场不均匀性的动作两者而在fov中产生或修改磁场的能力产生的。

在传统的mri中，由梯度线圈在fov上产生的磁场的幅度随着在fov上的沿所有三个方向的位置而线性变化。与传统mri不同，根据公开的实施方式产生的磁梯度可以是非线性的。此外，梯度非线性化可以沿三个方向中的任何一个方向或全部方向实现。

结果，例如，公开的实施方式可以用于在除mri之外的成像场中提供非线性基组，例如编码孔。可以使用非线性基组来提高基组的构件的正交性。可以在mri中使用正交基组来更有效地编码重建图像所需的空间信息，如在压缩传感(compressedsensing)的子场中所理解的。

因此，图5示出了两个电永磁体阵列500和510的配置，这两个电永磁体阵列500和510处于在放置在视场520内的对象中建立磁化矢量530的状态。因此，图5示出了电永磁体阵列500和510的元件如何可以(分别)瞬时改变至状态540和550，以便实现fov560内的对象的磁化矢量从其先前状态530至新状态570的重新定向(或“倾斜”)。应当理解，这种重新定向可以取代对用于磁共振成像的脉冲序列中的质子磁化矢量的射频重定向的需要。减少体内射频沉积通常是监管机构的首选。

因此，如图5所示，两组电永磁体阵列500、510的磁化最初在fov520中的样品上施加磁场，从而产生净磁化530。在稍后的时间，在组500和510的每一个组中的一行上的电永磁体可以分别反转至配置540和550。该反转可以借助施加通过线圈的电流来实现，该电流沿一个方向传送，以便产生与可磁化材料中的现有磁场相反的磁场。在某些行中，这种电流的施加以及随后的电永磁体极性的反转使fov560中的样品中的净磁化570相对于其先前取向520倾斜。

图6是提供的根据公开的实施方式的用于成像和可选地指导治疗的方法的流程图。如图6所示，如在mri场中的常见做法，该方法可以通过在610处启动脉冲序列开始；然而，还应当理解，可以在脉冲序列启动之前或之后有附加操作(例如，在fov中定位对象(例如患者或患者的部位)、向患者施用磁粒子等)。然后控制行进至620，在620处可以激励电永磁体阵列，以便在fov内产生磁场b0，磁场b0在fov内的对象中产生净磁化(m)。在这里，应当理解，激励电磁体包括通过线圈(例如，图1中所示的线圈120或绕可磁化材料110卷绕的类似物)传送电流。

根据公开的实施方式，应当理解，磁场b0可以是相对均匀的(例如，如在双侧阵列的情况下，百万分之几，)或相对不均匀(如在单侧阵列中可能是这种情况)。然后控制行进至630，在630处可以改变阵列中的所选电永元件的磁化，以便改善b0的均匀性或其它期望属性。这种改变可以在测量b0之后接着执行(例如，利用磁力计)，这可以通过优化方案(例如，基于牛顿的优化)公知。

根据公开的实施方式，应当理解，在630处执行的操作可以(可选地)在620处执行的操作之前，并且620处的操作的重复可以发生在630处的操作之后。随后，可以执行640处的操作，其中，可以改变阵列中的所选电永元件的磁化，以便瞬时地使磁化矢量(m)倾斜至与先前b0不同的角度。此后，控制可以行进至650，在650处可以改变阵列中的所选电永元件的磁化，以便在fov内产生磁梯度，该磁梯度利用在重建fov中的对象的图像时有用的信息来编码m。随后，控制行进至660，在660处可以改变阵列中的所选电永元件的磁化，以便在fov内产生磁梯度，以用于fov中的对象的推进、旋转或其它激活(例如，加热或释放药物)。

然后，控制行进至670，在670处，可以使用从fov中的一个或多个对象收集的数据来重建所述对象的图像。可以使用对来自fov中的对象的射频发射敏感的天线来收集所述数据。

根据至少一些公开的实施方式，应当理解，可以以各种顺序重复操作650、660和670，以便实现图像引导的治疗。

根据公开的实施方式，应当理解，静态场可以在660处的操作过程中被设置为零，以便提供用于移动或致动fov中的对象的附加自由度。此外，应当理解，fov可以通过选择具有射频能量或具有改变的磁梯度轮廓(profile)或两者的激发频率来随脉冲序列变化。同样地，应当理解，磁场的变化速率可以足够快以便消除或减少来自周围神经刺激的不适，如名称为“apparatusandmethodfordecreasingbio-effectsofmagneticfields”的美国专利8,466,680、以及通过优先权和通过引用并入的与其相关的专利和专利申请(通过引用整体并入其中)中所描述的。

还应理解，术语“对象”可以包括人和其它有生命的生物以及无生命结构(包括可磁化的粒子或工具)。

应当理解，使用公开的实施方式可以消除对于一个或多个磁梯度线圈对fov中的对象的成像或移动或致动的需要。

此外，应当理解，可以将一个或多个射频天线添加至本文中描述的配置中，以便从fov中的对象产生或收集电磁辐射或磁辐射。

根据本发明的该公开内容和技术实用性，应当理解，电永磁体的磁化的改变可以是快速的(例如，微秒)或者可以是缓慢的(例如，毫秒)，并且对象中磁化的演变可以类似地是快速的或缓慢的。在对象中磁化快速改变的情况下，可以使用诸如螺旋成像的重建方法。

根据本发明的该公开内容和技术实用性，应当理解，组件的动作受计算机的控制，并且可以基于身体部位和目标的磁共振图像自主地瞄准一个或多个目标。

更具体地，应当理解，本文中阐明的操作可以与一个或多个通用计算机结合或在一个或多个通用计算机的控制下实现，该一个或多个通用计算机运行软件算法以提供当前公开的功能并将这些计算机转换成专用计算机。

此外，考虑到上述教导，本领域技术人员将认识到，上述示例性实施方式可以基于编程有合适的计算机程序的一个或多个编程处理器的使用。然而，所公开的实施方式可以使用诸如专用硬件和/或专用处理器的硬件部件等同物来实现。类似地，通用计算机、基于微处理器的计算机、微控制器、光学计算机、模拟计算机、专用处理器、专用电路和/或专用硬连线逻辑可用于构建可替选的等同实施方式。

此外，应当理解，可以使用可存储在有形的非暂时性存储设备(诸如存储指令的非暂时性计算机可读存储设备)中的软件指令来提供上述部件的控制和协作，当在一个或多个编程处理器上执行时，该软件指令实现上面描述的方法操作和所产生的功能。在这种情况下，术语“非暂时性”旨在排除发送的信号和传播的波，但不排除可擦除或依赖于电源以保留信息的存储设备。

考虑到上述教导，本领域技术人员将理解，用于实现上述某些实施方式的程序操作和过程以及相关数据可以使用磁盘存储器以及其它形式的存储设备来实现，其它形式的存储设备包括但不限于非暂时性存储介质(其中非暂时性旨在仅用于排除传播的信号而不排除暂时性的信号，因为暂时性的信号是通过移除电源或明确的擦除动作来擦除的)，所述非暂时性存储介质例如只读存储器(rom)设备、随机存取存储器(ram)设备、网络存储设备、光存储元件、磁存储元件、磁光存储元件、闪存、核心存储器和/或其它等同的不脱离特定实施方式的易失性和非易失性存储技术。这种替选的存储设备应被视为等同设备。

虽然已经描述了特定的说明性实施方式，但显然根据前面的描述，许多替选、修改、置换和变型对于本领域技术人员而言将变得显而易见。因此，如上所述的各种实施方式旨在是说明性的而非限制性的。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。