在mpi装置中使用的磁性设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种能够由磁性粒子成像装置来定位和移动的磁性设备。本发明还涉及一种用于移动和定位这样的磁性设备的装置和方法。
【背景技术】
[0002]磁操纵是实现患者内的设备的无接触操纵的有前景的途径。范例是能够被引导进入期望的方向的磁性导管尖端或者能够局部地递送药物或收集信息的磁性药丸(magneticpills)，例如磁性引导的胶囊内窥镜(MGCE)。这些途径实现更安全和更舒适的介入过程。然而，现有的磁操纵系统需要大的专用场施加器。例如，Carpi等人的“Cont1llednavigat1n of endoscopic capsules: Concept and preliminary experimentalinvestigat1ns”，IEEE Trans.B1.Med.Eng.,第 54 卷，第 11 号，第 2028-2036 页(2007 年11 月)以及“Magnetic Maneuvering of Endoscopic Capsules by Means of a RoboticNavigat1n System，，，IEEE Transact1ns on b1medical engineering 第 56 卷，第 5 号(2009年5月)描述了一种被布置有磁性外壳的无线胶囊内窥镜，其用于由机器人磁性导航系统操纵和监视。
[0003]磁性粒子成像(MPI)是一种新兴的医学成像模态。第一版本的MPI由于其产生二维图像因而是二维的。较新版本的是三维的(3D)。假如在对于单个3D图像的数据采集期间对象没有显著变化，则通过将3D图像的时间序列组合为影片能够创建非静态对象的四维图像。
[0004]MPI是重建式成像方法，如计算机断层摄影(CT)或磁共振成像(MRI)。因此，对象的感兴趣体积的MP图像是通过两个步骤来生成的。第一步骤(也被称为数据采集)是使用MPI扫描器来执行的。MPI扫描器具有生成静态磁梯度场的器件，所述静态磁梯度场被称为“选择场”，其在扫描器的等中心处具有(单)无场点(FFP)或场自由线(FFL)。此外，该FFP (或者FFL ;下文中提及“FFP”应被宽泛地理解为意味着FFP或FFL)由具有低磁场强度的第一子区包围，所述第一子区继而由具有较高磁场强度的第二子区包围。另外，扫描器具有用于生成时间相关的、空间中接近均匀磁场的器件。实际上，该场是通过将具有小的幅值的快速变化的场(被称为“驱动场”)以及具有大的幅值的缓慢变化的场(被称为“聚焦场”)叠加来获得的。通过将时间相关的驱动场和聚焦场添加到静态选择场上，可以将FFP沿预定的FFP路径贯穿围绕等中心的“扫描体积”移动。扫描器还具有一个或多个(例如三个)接收线圈的布置并且能够记录这些线圈中感应的任何电压。针对数据采集，要被成像的对象被放置于扫描器之内，使得对象的感兴趣体积被扫描器的视场包围，所述视场是扫描的体积的子集。
[0005]所述对象必须包括磁性纳米粒子或其他磁性非线性材料；如果所述对象为动物或患者，则在扫描之前将包括这样的粒子的造影剂施予给所述动物或患者。在数据采集期间，MPI扫描器沿描绘出/覆盖扫描的体积(或者至少视场)的仔细选择的路径来移动FFP。对象内的磁性纳米粒子经历变化的磁场并且通过改变其磁化来做出响应。纳米粒子的变化的磁场在每个接收线圈中感应时间相关的电压。该电压在与所述接收线圈相关联的接收器中被采样。由所述接收器输出的样本被记录并且构成采集的数据。控制数据采集的细节的参数组成“扫描协议”。
[0006]在第二步骤的图像生成(被称为图像重建)中，根据在第一步骤中采集的数据计算或重建图像。所述图像是数据的离散3D阵列，其表示对视场中的磁性纳米粒子的位置相关的浓度的采样近似。所述重建一般由计算机执行，所述计算机运行合适的计算机程序。计算机和计算机程序实现重建算法。重建算法是基于数据采集的数学模型的。与所有重建式成像方法一样，该模型能够被公式化为作用在采集的数据上的积分算子；所述重建算法试图在可能的程度上恢复所述模型的动作。
[0007]这样的MPI装置和方法具有如下的优点:它们能够用于以非破坏性的方式并且以高的空间分辨率来在接近检查对象的表面和远离检查对象的表面两者处检查任意的检查对象(例如人类身体)。这样的装置和方法是众所周知的并且最早在DE 10151778A1中描述，以及在 Gleich, B.和 Weizenecker, J.(2005 年)在 Nature,第 435 卷，第 1214-1217 页，αTomographicimaging using the nonlinear response of magnetic particles，，中描述，其中还总体描述了重建原理。在该文献中描述的用于磁性粒子成像(MPI)的装置和方法充分利用小的磁性粒子的非线性磁化曲线。
[0008]US 2012/0157823公开了一种用于控制通过对象的导管的移动并且用于定位对象内的导管的装置，所述导管包括在其端部处或接近其端部处的磁性元件。本发明应用MPI的原理和硬件用于导管定位和导管移动两者，并且提供合适的控制器件以控制信号发生器单元来生成和提供通向各个场线圈的控制电流以生成合适的磁场，用于移动导管沿由移动指令指示的方向通过对象并且用于定位对象内的导管。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是提供一种磁性设备，所述磁性设备既能够使用MPI来定位并且能够由施加在MPI装置中的磁场所生成的磁力来操纵。
[0010]本发明的又一个目的是提供一种用于定位和移动这样的磁性设备的装置。
[0011]在本发明的一个方面中，提出了一种磁性设备，所述磁性设备能够由磁性粒子成像装置来定位和移动，所述磁性设备包括:
[0012]-由一个或多个铁磁性力接收元件形成的力接收部分，所述力接收部分能够通过使用磁场来移动和/或定向，
[0013]-由一个或多个软磁性定位元件形成的定位部分，所述定位部分被布置于所述力接收部分内，或者被布置于距所述力接收部分预定距离处，所述定位部分响应于磁场的基本无场区在所述定位部分的位置上的移动而提供响应信号。
[0014]从属权利要求中定义了本发明的优选实施例。
[0015]现有的磁操纵系统需要大的专用场施加器。与此相反，MPI装置能够生成所需要的场和场梯度而无需(基本上)硬件修改并且同时增加了实时设备定位的可能。所提出的磁性设备包括力接收部分和MPI信号生成(定位)部分。所述力接收部分优选地被配置为经受来自磁梯度场的力和力矩。所述定位部分被配置为生成定位信号(即，由MPI装置采集的合适的检测信号，其实现所述磁性设备的定位)。优选地，所述力接收部分被配置为使得其不影响或者不阻止所述MPI装置检测所述定位信号。该设计允许对所述磁性设备进行同时的或交错的成像和操纵。此外，通过移除所述磁性设备的特征信号，能够同时执行对血管内或组织内的粒子的MPI。
[0016]在MPI装置中施加非常强的磁场梯度的可能使得能够在磁性设备上施以非常强的力。这能够例如用于引导自主的设备(如丸剂)通过胃肠道或者用于引导导管的磁性尖端。
[0017]在实施例中，所述定位部分被布置于力接收单元生成磁场的最低畸变的位置，所述磁场被施加用于所述定位部分的定位。这提供了能够获得具有好的质量的来自定位部分的检测信号。
[0018]另外，在实施例中，所述定位部分被布置于所述力接收部分内的中心区中，特别是对称中心区中。利用这种布置，来自所述定位部分的检测信号总体以最优质量被获得并且最少地被来自所述力接收部分的任何信号干扰。
[0019]取决于具体的实现方式，特别是可用的空间和期望的信号准确度，所述一个或多个定位元件包括球体、针、片、粒子或箔的形式的一个或多个软磁性元件。不同的形状具有不同的取向相关的退磁因子。如果在特定方向因子为N>0，则退磁降低了信号响应。只有在场分量与针的轴(N?O处)时，针才递送高的信号。因而，其取向轴能够从取向相关的响应来推断。利用两个正交的针，可以确定不只一个轴，而是空间中的完整取向。片在两个方向上具有好的?目号，这对于定位而目是好的，但是对于取向确定而目不是那么好。软磁性球在所有取向具有等同的退磁因子，并且因而具有非常低的信号。然而，较硬的磁性材料也可以递送好的信号，如果没有退火的话。
[0020]在实施例中，所述一个或多个定位元件包括至少两个软磁性元件，所述软磁性元件相对于彼此被布置于非共面的取向。这使得能够确定所述磁性设备的取向。
[0021]另外，在实施例中，所述定位部分还包括承载体，特别是液体承载体，其允许所述一个或多个定位元件与所施加的磁场对齐。在所述磁性设备的取向要被改变的情况下，例如，如果磁性设备被布置在要在患者的身体内(例如，胃肠道)移动的导管的尖端，对此特别感兴趣的。
[0022]优选地，所述一个或多个力接收元件包括被布置于所述定位部分周围的球的形式的两个或更多个铁磁性元件。这提供了容易实现而有效的力接收部分。
[0023]此外，所述两个或更多个铁磁性元件被布置于高度对称的体(例如角锥体，特别是四面体)的角上。该布置仍是非常简单的，但是具有特定的对称度，降低了所述定位部分处的场畸变。
[0024]在实施例中，所述一个或多个力接收元件包括围绕所述定位部分的由铁磁性材料形成的壳体，所述壳体具有若干开口和/或槽。该实施例允许在身体内容易地进行操作，但是仍使得磁场能够很好地到达定位部分。
[0025]优选地，所述一个或多个力接收元件由退火的软磁性材料制成。这提供了所述定位部分的检测信号不被(或者至少不是很大地)干扰。
[0026]在另一实施例中，所述力接收部分被配置为改变其磁化，特别是在所述磁性设备要被定位时降低其磁化。例如，这能够通过改变具有固定的磁化方向的力接收元件的取向来完成。
[0027]在另一种实现方式中，所述力接收部分包括切换器，特别是致动器或控制器，以改变所述力接收部分的磁化。
[0028]再另外，在实施例中，所述力接收部分由各向异性材料制成，被形成为细长的形式和/或包括一个或多个永磁体。这提供了磁性设备可以在施加的磁场中经受力矩。
[0029]根据另一方面，提出了一种用于定位和移动根据本发明的磁性设备的装置，所述装置包括:
[0030]-选择器件，其包括选择场信号发生器单元和选择场元件，用于生成具有其磁场强度的空间图样的磁选择场，使得在视场中形成具有低磁强度的第一子区(其中，所述磁性设备的软磁性定位元件的磁化不饱和)和具有较高磁场强度的第二子区(其中，所述磁性设备的软磁性定位元件的磁化饱和)，
[0031]-驱动器件，其包括驱动场信号发生器单元和驱动场线圈，用于借助于磁驱动场来改变所述视场中的所述两个子区在空间中的位置，使得所述磁性设备的所述软磁性定位元件的所磁化局部地改变，
[0032]-聚焦器件，其用于改变所述视场的空间中的位置，
[0033]-接收器件，其包括至少一个信号接收单元和至少一个接收线圈，用于采集检测信号，所述检测信号取决于所述视场中的磁化，所述磁化受所述第一区和所述第二区在空间中的位置的改变的影响，
[0034]-处理器件，其用于