用于对身体组织进行无创实时磁共振分析的系统和手持探头的制作方法

本发明涉及使用核磁共振(nmr)对身体组织进行分析和检测。

背景技术：

核磁共振是众所周知用于医疗成像(mri)中的无创方法。其对于放射学诊断的有效性是基于组织的水含量对rf脉冲序列的不同响应来区别不同类型的组织的能力的结果。具体地说，mr图像中的对比度是组织在被称为t1和t2的rf激励之后的不同松弛时间的结果。

us2015/0018638提供了用于基于使用0.15特斯拉至0.5特斯拉的范围内的相对较低的恒定磁场执行的nmr(核)松弛技术来对血液相关参数进行无创测量的技术。具有相对较低的射频的多个电磁激励脉冲序列被应用于放置在磁场中的活组织上，并且被检对象的血液相关参数使用响应于施加的激励序列从组织接收的多个核自旋回波信号来确定，从而使得可以改进获得的信号的准确度，并且大幅缩短该过程的持续时间。

us2015/0018638中描述的设备本质上是轮廓缩小的nmr系统，该系统被配置为仅测量患者的单个肢体，而不是整个身体，并且需要将该肢体插入到被一对永久磁铁包围的容器中。

以色列凯撒利亚的dunemedicaldevicesltd.制造并且获得专利的marginprobe^tm公开了容纳专有的边缘场传感器(ffs)的一次性探头单元。外科医生将探头应用于标本，并且ffs感测生物电性质的微小差异，使得它能够准确地捕捉组织的电磁特征(健康或生癌)。marginprob系统背后的技术是基于rf波谱学的原理，通过rf波谱学，组织被置于磁场之下，使得可以测量组织对该场的响应，从而得到电磁“特征”。定位在探头的末端处的传感器既发射精确控制的电磁场，又捕捉组织的响应。

us2007/222433公开了安装在探头本体上的传感器阵列，该探头本体具有可以被插入通过微创孔径以用于对身体组织进行nmr映射的远端部分。

还参考giuliogambarota等人在journalofmagneticresonanceimaging29:982-986(2009)上的标题为“nmrpropertiesofhumanmediumnerveat3t:protondensity,t1,t2,andmagnetizationtransfer(在3t：质子密度、t1、t2和磁化转移下的人类正中神经的nmr性质)”的文章。该文章讨论了对mirt相关性质(比如质子密度(pd)、t1和t2松弛时间以及人类正中神经中的3t时的磁化转移(mt))进行测量以便区别神经和肌肉组织。作者得出结论，正中神经和肌肉组织之间的区别是困难的。

需要一种使得可以在外科手术期间实时地确定组织类型的便携式探头。这样的探头将使得可以区别在外科手术期间可以被安全地切割并且其后将治愈的身体组织(比如一个手上的肌肉、筋等)和另一方面在外科手术期间不应被损坏并且其疏忽的损坏可能是永久性的神经。该需要尚未被解决，现有技术仍不太满足该需要。

技术实现要素：

因此本发明的目的是提供一种使得可以在外科手术期间实时确定组织类型的便携式探头。

该目的根据本发明通过具有相应的独立权利要求的特征的系统和探头来实现。

根据本发明的系统使得可以基于记录和分析t1和t2松弛曲线来区别神经组织和其他组织类型(比如肌肉等)。为此，该系统包括探头，该探头包括在探头的表面处创建0.05特斯拉-0.5特斯拉的范围内的磁场的永久磁铁和rf线圈。该探头被放置在组织上，并且整个t1和t2松弛曲线以及磁化转移系数被记录。松弛曲线数据使得能够实时地区别肌肉和神经，这在图像中是不可能的。具体地说，通过使用统计处理来最佳地拟合松弛曲线以逼近分别用于t1和t2的单指数和多指数函数。然后基于随着持续使用而累积的日益增长的数据库以及现有技术的聚类算法来对所得的时间常数和针对不同指数的权重进行分析。

附图说明

为了理解本发明并且领会本发明在实践中是如何实现的，现在将仅以非限制性实施例的方式来参照附图对实施方案进行描述，在附图中：

图1是示出根据本发明的系统的功能的框图；

图2a、2b和2c是对于说明本发明的操作有用的图形表示；

图3是用于图1的系统中的探头的图片表示；

图4用图片示出图2所示的探头的磁源单元的细节；以及

图5a至5f是示出具有不同几何结构的磁源单元的示意性表示。

具体实施方式

图1是示出根据本发明的系统10的功能的框图，系统10用于对被检对象的组织进行无创分析以便区别不同类型的组织。系统10包括图3和4中用图片示出的手持探头15，该探头15具有外壳16，外壳16由非铁磁性材料形成，并且在外壳的工作端17处具有预定截面。外壳内的磁场源单元18被配置为在一体积的组织内产生基本上一致的时不变的磁场，该磁场具有与外壳在工作端17处的截面相等的截面，并且具有0.05特斯拉至0.5特斯拉的范围内的磁场强度。设置在磁场源单元18内的是至少一个感应线圈19，该感应线圈19被配置为接收通常在2mhz-20mhz的范围内的特定频率范围内的rf激励信号(激励频率与磁场强度相关)，以使得对于每个特斯拉的磁场强度，rf激励信号为42mhz。感应线圈通过在基本上垂直于磁场的方向的方向上产生电磁激励信号来对磁场和rf激励信号做出响应，从而使活组织的片磁化。所述片具有是磁场强度的预定函数的深度和厚度，由此只有被如此激励的片中的活组织对核自旋回波信号产生电磁响应。

信号发生器20被耦合到感应线圈19，并且被配置为产生rf激励频率，该rf激励频率是被探头10激励的组织的片的相应电磁响应的函数。同样地，接收器单元21被耦合到感应线圈19，并且被配置为从感应线圈19接收电磁响应并且产生指示电磁响应的测得数据。控制单元25被连接到信号发生器20或者包含信号发生器20以便产生激励rf信号的预定时间模式，控制单元25被进一步连接到接收器单元21，并且对电磁响应做出响应以用于对测得数据进行处理并且从活组织提取指示核自旋回波信号的数据，以确定松弛时间并且从松弛时间确定被探头激励的组织的类型。

在一些实施方案中，感应线圈19经由双工器26被共同地耦合到信号发生器20和接收器单元21以使得所述至少一个感应线圈施加rf激励频率并且在不同时隙内接收响应。

在一些实施方案中，外壳16在工作端17处的截面是具有2mm-30mm的直径的圆柱形。在付诸实践的原型中，外壳16在其工作端17处的直径为20mm，并且被允许在42mt-64mt的磁场强度下对深达3.2mm-9.5mm之间的深度的组织进行分析。

为了对身体组织的连续深度处的多个片激励响应信号并且从这些片接收响应信号，可以利用可以互补的或可以组合使用的两种不同的方法。两种方法都依赖于经由探头15产生并且应用不同频率的信号，每个频率适于使组织的其深度和厚度是磁场强度的预定函数的不同片磁化。在一种方法中，提供多于一个的感应线圈，每个感应线圈被配置为接收相互不同的频率范围内的相应的rf激励信号以使得组织的不同切片被同时激励。在另一方法中，信号发生器20产生连续地施加于同一感应线圈的时变激励信号。同样地，尽管在图1中，同一感应线圈被用来既施加激励信号，又接收响应信号，双工器26用于适当地引导信号流，多个感应线圈可以被交替地使用：一个发射，一个接收，由此消除了对于双工器26的需要。在任一方法中，控制单元25包括脉冲编程器27，该脉冲编程器27被耦合到信号发生器20以用于获得如下面参照附图的图2a至2c描述的正确的时变激励信号。信号发生器20和脉冲编程器27一起构成信号处理器28。

图3和4示出磁场源单元18的实施方案，磁场源单元18包括两个都是第一磁极性的一对外弓形段30以及两个都是与第一磁极性相反的第二磁极性的一对内段31，该对外段30和该对内段31限定环形间隙32。至少一个感应线圈19被设置在外段和内段之间的环形间隙32内。外段30和内段31具有位于不同半径的圆上的相应轮廓，外段的半径优选地小于10mm。内段31可以在高度上短于外段30，在这种情况下，它们可以被支撑以使得内段和外段的相应端面是共面的。当提供多个线圈时，它们可以与内段和外段之间的环形间隙32成竖直堆叠布置。

图5a至5f是示出具有不同几何结构的磁源单元18的示意性表示。在所有情况下，一个或更多个线圈被安装在磁源单元18的工作端处，该工作端被紧靠患者的组织保持，或者在一些情况下，患者的组织被插入到该工作端中。由此，在图5a中，示出了具有大体金字塔形状和线圈19的磁源单元18，该形状具有4mm-25mm之间的顶端33，线圈19被设置在顶端33处。图5b示出了具有圆锥形形状的磁源单元18，线圈19被设置在4mm-30mm之间的直径的截断末端34处。这些磁源单元18中的任何一个都代替图3所示的探头的头部。图5c示出了具有香蕉35的大体形状的磁源单元18，在该形状的中间以及在该形状的相对端处，提供相应的线圈19。末端间尺寸为50mm-300mm之间。图5d示出了具有空心面包圈36的大体形状的磁源单元18，沿着该形状的内表面，提供相应的线圈19，四个这样的线圈被示出，每个线圈在50mm-300mm之间的尺寸的面包圈的相互垂直的内径的相对端处。图5e示出了分别具有内筒37和外筒38的磁源单元(18)，线圈19被安装在4mm-30mm之间的直径的内筒37的端部处。图5f示出了具有间隔50mm-300mm之间的相对侧壁39和40的磁源单元18，其中每个侧壁支撑线圈19，并且患者的肢体可以被插入到它们之间。在所有情况下，为清晰起见示出了单个线圈19，要理解的是，在实践中，多个线圈可以被利用。

系统10可以利用多个探头15，每个探头被定向成激励身体组织的不同部分。

已经描述了系统10和探头15的部件，我们现在将具体参照图2a至2c来简要地描述控制单元25执行测量和分析的方式。

在本发明的实施方案中，控制单元25被实时地配置为：访问表征多组松弛曲线的预定数据，每组定义对应于特定的已知组织类型并且以相应的预定时间常数t1和t2呈指数地衰减的至少两个特性曲线；实时地对测得数据进行分析以确定测得数据与哪组松弛曲线最佳地拟合以便识别对应于测得数据的组织类型。

下面描述时间常数t1和t2的推导，要理解的是，特性曲线具有不同的时间常数t1和t2，时间常数t1和t2是特定类型的身体组织的特性。每种不同类型的身体组织的松弛曲线是离线确定的，并且表示时间常数t1和t2的数据被存储在控制单元25的存储器中并且被进行统计处理。在实际测量期间，每个组织片返回给探头的响应信号被与适当的指数函数最佳地拟合，得到时间常数的估计，于是可以建立哪种组织类型对应于通过对正被测量的片进行拟合而获得的时间常数。

应注意，两个或更多个松弛曲线(每个具有被存储在控制单元25的存储器中的预定时间常数)的同时匹配使最佳拟合过程的收敛加速。由于这个原因，存在有必要使用两个或更多个松弛曲线的许多外科应用。在许多这样的过程中，时间是极其重要的，并且两个或更多个松弛曲线的使用使得可以在不到5秒内确定组织类型。但是还存在时间不太关键的应用。例如，探头可以被用于无创诊断过程中，在无创诊断过程中，诊断医生可能等得起明显更长的时间，甚至是一分钟或更长。在这样的应用中，使测得的响应与两个曲线最佳地拟合可能不是必要的，而是可以独自使用t1特性，因为尽管它比与t2特性匹配慢，但是可能足以识别组织类型，而t2虽然更快但靠其本身不能识别。

a.利用脉冲反向的t1测量

测量的目的是定量地测量材料的自旋松弛时间t1。在测量开始时，在应用脉冲之前，系统处于热平衡的状态，在该状态下，磁化被对齐在被称为b0的外部磁场的方向上。第一脉冲操作来使磁化反向以使得它被对齐在与磁场相反的方向上。结果，系统力图返回到平衡，由此系统返回到平衡所花费的时间被称为t1。第二脉冲和第三脉冲的目的是测量第一脉冲之后的时间t时的磁化状态。测量是在通过组合90°和180°脉冲而产生的回波信号的帮助下执行的。用不同的t值重复该脉冲系列生成图2所示的曲线，从该曲线可以推导时间常数t1。

b.通过180°脉冲系列的t2测量

该测量的目的是定量地测量磁共振的信号衰减时间，该时间被称为t2。该衰减是形成旋进频率的传播并且使信号衰减的材料中的局部磁场和自旋的结果。该测量可以在不需要使用图2c所示的脉冲系列进行一系列测量的情况下在单次测量中进行。s.meiboom和d.gil在rev.sci.instrum.29，688(1958年)上的“modifiedspin-echomethodformeasuringnuclearrelaxationtimes(用于测量核松弛时间的改进的自旋回波方法)”公开了合适的算法。该系列从垂直于外部场的方向移动磁化的90°脉冲开始。磁化现在围绕外部场轴进行旋转(旋进)。为了不受制于外部场的不均一性，使用被称为回波的180°脉冲，在该脉冲开始时，由于外部场没有一致性而造成的扩频被取消，并且所有自旋都被对齐并且形成强信号。使用180°脉冲系列，可以生成回波系列，由此在回波脉冲的持续时间内从回波开始时的信号测量获得如图2b所示的衰减曲线，在该曲线中，衰减的时间常数被称为t2。

根据本发明的控制单元可以是被适当编程的计算机。同样地，本发明设想计算机可读取的用于执行本发明方法的计算机程序。本发明进一步设想有形地包含机器可执行的用于执行本发明方法的指令的程序的机器可读存储器。

参照一个或更多个实施方案描述的特征是作为实施例描述的，而不是作为对这些实施方案的限制。由此，除非另有陈述，或者除非特定的组合明显不能采纳的，认为仅参照一些实施方案描述的可选特征同样地也可适用于所有其他的实施方案。