УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ И АКТИВАЦИИ АКТИВНОГО ВЕЩЕСТВА Российский патент 2015 года по МПК A61B5/06 A61B19/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к устройству и способу для перемещения целевого элемента, который содержит магнитный материал и активное вещество, по объекту, размещения упомянутого целевого элемента в предварительно заданном положении внутри объекта и активации активного вещества. Кроме того, настоящее изобретение относится к компьютерной программе для реализации упомянутого способа в компьютере и для управления упомянутым устройством.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Формирование изображений с помощью магнитных частиц (MPI) является развивающимся способом медицинского формирования изображений. Первые версии MPI были двумерными в том смысле, что производили двумерные изображения. Перспективные версии будут трехмерными (3-мерными). Зависящее от времени или 4-мерное изображение нестатического объекта может быть создано посредством объединения временной последовательности 3-мерных изображений в кинофрагмент, при условии что объект не претерпевает значительных изменений в течение сбора данных для одного 3-мерного изображения.

Способ MPI является реконструктивным способом формирования изображений, подобным компьютерной томографии (КТ) или магнитно-резонансной томографии (МРТ). Соответственно, в способе MPI изображение объема интереса объекта формируется в два этапа. Первый этап, называемый сбором данных, выполняют с использованием сканера MPI. Сканер MPI содержит средство для формирования статического магнитного градиентного поля, называемого «полем выбора», которое содержит одну свободную от поля точку (FFP) в изоцентре сканера. Кроме того, сканер содержит средство для формирования зависящего от времени, пространственно почти однородного магнитного поля. Фактически данное поле получают суперпозицией быстро изменяющегося поля с небольшой амплитудой, называемого «полем возбуждения», и медленно изменяющегося поля с большой амплитудой, называемого «фокусирующим полем». Посредством сложения зависящих от времени поля возбуждения и фокусирующего поля со статическим полем выбора свободную от поля точку (FFP) можно перемещать вдоль предварительно заданной траектории свободной от поля точки (FFP) по всему объему сканирования, окружающему изоцентр. Сканер содержит также компоновку из по меньшей мере одной, например трех, приемных катушек и может записывать любые напряжения, наводимые в данных катушках. Для сбора данных объект, изображение которого должно быть сформировано, помещают в сканере таким образом, чтобы объем интереса объекта охватывался полем обзора сканера, которое является поднабором объема сканирования.

Объект должен содержать магнитные наночастицы; если объект является животным или пациентом, то контрастное вещество, содержащее упомянутые частицы, вводят в животное или пациента перед сканированием. В течение сбора данных сканер MPI направляет свободную от поля точку (FFP) вдоль преднамеренно выбранной траектории, которая прослеживает объем сканирования или, по меньшей мере, поле обзора. Магнитные наночастицы внутри объекта испытывают воздействие изменяющегося магнитного поля и реагируют изменением своей намагниченности. Изменяющаяся намагниченность наночастиц наводит зависящее от времени напряжение в каждой из приемных катушек. Данное напряжение дискретизируется в приемнике, ассоциированном с приемной катушкой. Отсчеты, выдаваемые приемниками, записываются и составляют собранные данные. Параметры, которые управляют деталями сбора данных, составляют протокол сканирования.

На втором этапе формирования изображения, называемом реконструкцией изображения, изображение вычисляется или реконструируется по данным, собранным на первом этапе. Изображение является дискретным 3-мерным массивом данных, который представляет дискретизированную аппроксимацию позиционно-зависимой концентрации магнитных наночастиц в поле обзора. Реконструкция выполняется, как правило, компьютером, который исполняет подходящую компьютерную программу. Компьютер и компьютерная программа реализуют алгоритм реконструкции. Алгоритм реконструкции основан на математической модели сбора данных. Как в случае со всеми реконструктивными способами формирования изображений, данная модель является интегральным оператором, который работает на собранных данных; при этом алгоритм реконструкции стремится отменить, насколько возможно, действие модели.

Упомянутые устройство и способ MPI дают преимущество в том, что данные устройство и способ можно применять для исследования произвольных объектов исследования, например тела человека, неразрушающим способом и без причинения какого-либо повреждения и с высоким пространственным разрешением как вблизи к поверхности, так и на удалении от поверхности объекта исследования. Упомянутые схема и способ, в общем, известны и впервые описаны в заявке DE 10151778 A2 и в работе Gleich, B. and Weizenecker, J. (2005), «Tomographic imaging using the nonlinear response of magnetic particles», Nature, vol. 435, pp. 1214-1217. Компоновка и способ для формирования изображений магнитных частиц (MPI), описанные в приведенной публикации, используют преимущество нелинейной кривой намагничивания небольших магнитных частиц.

Вышеописанный метод MPI можно применять в различных областях, в частности в медицине и ветеринарии. Представляющим интерес применением было бы также применение в области брахитерапии или других областях локальной терапии, в которых вышеупомянутый метод MPI еще не использовали.

Брахитерапия является формой лучевой терапии, в которой источники радиоактивного излучения (часто называемые «радиоактивными зернами») помещают внутри тела человека или животного для лечения, например, рака предстательной железы или шейки матки. В рамках данного способа небольшие радиоактивные зерна имплантируют непосредственно в область опухоли, чтобы облучать радиоактивным излучением опухолевую ткань. Поэтому брахитерапию применяют для внутреннего облучения тканей тела, при этом облучение ограничено только областью самой опухолевой ткани.

Данный способ и система лечения методом брахитерапии известны, например, из заявки WO 2008/145377 A1. При использовании данного способа радиоактивные зерна имплантируют в тело по полым каналам лечения, что является обычным методом при использовании существующих способов брахитерапии. Размещение полых каналов лечения и величину дозы радиоактивного излучения, подлежащую испусканию, планируют до хирургического вмешательства, в специальном плане лечения.

В существующем состоянии брахитерапия является инвазивным способом, который требует сложного хирургического вмешательства для имплантации радиоактивных зерен. Типичными проблемами, которые возникают с упомянутыми способами, обычно являются сложность точного задания на этапе планирования, положения зерен и величины дозы радиоактивного излучения, подлежащей испусканию, чтобы не оказать вредного воздействия на здоровую ткань, окружающую опухоль, подлежащую воздействию. Кроме того, недостаток известных способов брахитерапии заключается в том, что после терапии требуется второе хирургическое вмешательство для удаления имплантированных радиоактивных зерен.

Кроме того, известны другие медицинские применения, которые подобны вышеупомянутому способу брахитерапии и в рамках которых лекарство или лекарственный препарат необходимо точно разместить в точно заданном специальном месте или ограниченной области внутри тела. В частности, в рамках терапевтического лечения инсультов упомянутое локально ограниченное лекарственное лечение является представляющей интерес и сложной задачей. В соответствии с существующими методами упомянутую задачу обычно выполняют подобно известным способам брахитерапии, посредством очень точного введения или имплантации лекарства или лекарственного препарата непосредственно в желаемое положение. И вновь до настоящего времени не существует известных надежных неинвазивных способов для применений данного типа, так что вышеупомянутые способы часто требуют сложных, трудоемких и даже опасных хирургических вмешательств внутри объекта, подвергаемого лечению.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является создание усовершенствованных устройства и способа для неинвазивного и точного воздействия на локально ограниченную зону внутри объекта, в частности для применения при брахитерапии или лечении инсультов.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается устройство, содержащее:

- средство выбора, содержащее блок генератора сигнала поля выбора и элементы поля выбора, в частности магниты или катушки поля выбора, для формирования магнитного поля выбора, имеющего такую диаграмму в пространстве его напряженности магнитного поля, что в поле обзора формируются первая субзона, имеющая низкую напряженность магнитного поля, и вторая субзона, имеющая более высокую напряженность магнитного поля,

- средство возбуждения, содержащее блок генератора сигнала поля возбуждения и катушки поля возбуждения, для изменения положения в пространстве двух субзон в поле обзора посредством магнитного поля возбуждения таким образом, чтобы намагниченность магнитного материала локально изменялась, и

- средство управления для управления упомянутым блоком генераторов сигналов поля возбуждения, чтобы формировать и подавать управляющие токи в катушки поля возбуждения для формирования соответствующего магнитного поля для перемещения целевого элемента по объекту в направлении, заданном командами перемещения, для размещения целевого элемента в желаемом, предварительно заданном положении внутри объекта и для активации активного вещества, когда целевой элемент достиг упомянутого желаемого положения.

В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения предлагается соответствующий способ.

В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения предлагается соответствующий целевой элемент для применения в вышеупомянутом устройстве, при этом упомянутый целевой элемент содержит магнитный материал и активное вещество, причем упомянутое активное вещество можно активировать магнитным полем.

В соответствии с еще одним дополнительным аспектом настоящего изобретения предлагается компьютерная программа, содержащая средство программного кода для побуждения компьютера управлять устройством в соответствии с настоящим изобретением таким образом, чтобы выполнять этапы способа в соответствии с настоящим изобретением, когда упомянутая компьютерная программа выполняется в компьютере.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понимать, что заявленный целевой элемент, заявленный способ и заявленная компьютерная программа имеют сходные и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления, подобно заявленному устройству и как определяется в зависимых пунктах формулы изобретения.

Авторами настоящего изобретения было установлено, что основное ограничение известных методов брахитерапии и лечения инсультов, а именно сложность, трудоемкость и инвазивность хирургического вмешательства, можно преодолеть с помощью предлагаемой технологии MPI. Следовательно, авторы настоящего изобретения нашли решение, касающееся использования частей известных устройства и способа MPI, посредством добавления средства управления для получения возможности перемещения целевого элемента, который содержит магнитный материал и активное вещество, по объекту в направлении, заданном командами перемещения, для размещения упомянутого целевого элемента в желаемом положении и для активации активного вещества, когда целевой элемент достиг упомянутого желаемого (предварительно заданного) положения. В частности, некоторые (или все) полевые катушки известного устройства MPI служат для формирования соответствующих магнитных полей, при этом вновь разработанное средство управления предназначено для управления соответствующими блоками генераторов сигналов, чтобы формировать и подавать управляющие токи в соответствующие полевые катушки и тем самым формировать подходящие магнитные поля для перемещения целевого элемента по объекту и активации активного вещества целевого элемента.

Следовательно, авторы настоящего изобретения изобрели устройство и способ, при применении которых активные вещества, например радиоактивные зерна или лекарственные препараты, можно точно и неинвазивно размещать внутри объекта и затем можно активировать посредством магнитного поля. Термин «активное вещество», в соответствии с определением в настоящем изобретении, содержит любое медицинское, фармацевтическое, физическое или радиоактивное вещество или субстанцию.

Упомянутый метод особенно полезен для применения при брахитерапии и лечении инсультов, при этом необходимые радиоактивные зерна или лекарства лизисного действия можно очень точно размещать и локально активировать с помощью предложенного устройства. Благодаря способности MPI к отслеживанию таких объектов, как целевой элемент, появляется практическая возможность размещения упомянутого целевого элемента с помощью внутриартериальной инъекции.

В противоположность известным методам брахитерапии и лечения инсультов, как пояснялось выше, предложенные устройство и способ MPI допускают очень точное, локально ограниченное воздействие внутри объекта без причинения вреда или ущерба какой-либо нежелательной окружающей области. Лечебное воздействие является неинвазивным и в случае пациента-человека или животного намного более комфортным для пациента, так как никаких сложных хирургических вмешательств не требуется. Кроме того, процедура с использованием устройства в соответствии с настоящим изобретением выполнима намного быстрее, чем способы, известные в данной области, так как магнитные поля можно изменять очень быстро, и поэтому целевой элемент, содержащий магнитный материал и активное вещество, можно перемещать по объекту и размещать в желаемом положении за очень короткое время. Кроме того, в случае пациента-человека или животного активное вещество транспортируется вместе с целевым элементом по артериям и венам и поэтому может легко и точно достигать каждой желаемой точки в теле пациента. Данная возможность является большим преимуществом в сравнении со способом, известным в данной области, в соответствии с которым лекарственные препараты или радиоактивные зерна требуется имплантировать в процессе сложного хирургического вмешательства. Кроме того, значительно облегчается процедура планирования и повышается точность размещения.

Даже в случае если целевой элемент размещается в неправильном положении, положение можно легко скорректировать с использованием магнитных полей в устройстве MPI в соответствии с настоящим изобретением. Кроме того, что касается безопасности, применение упомянутых целевых элементов надежно и безопасно, так как активное вещество не активируется до того, как целевой элемент достигнет желаемого положения, что делает невозможной ситуацию, в которой лекарственный препарат или радиоактивные зерна проявят свое действие в неправильном положении.

Таким образом, настоящее изобретение предлагает устройство и способ, которые применимы, в частности, для задач брахитерапии и лечения инсультов, которые неинвазивны, следовательно, удобны для пациента и быстро и легко применяются.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления обеспечивают средство активации для изменения положения в пространстве двух субзон в поле обзора посредством магнитного поля, в течение такого времени и/или с такой частотой, что магнитный материал целевого элемента в поле обзора нагревается так, что активное вещество локально активируется. Данное решение означает, что, при приложении магнитного поля с некоторой частотой, предпочтительно радиочастотного (РЧ) поля, магнитный материал, содержащийся в целевом элементе, совершает вынужденные колебания. Когда под действием РЧ поля изменяется положение в пространстве первой субзоны, намагниченность магнитного материала упомянутых целевых элементов, которые располагаются в первой субзоне или которые мигрируют из первой во вторую субзону или наоборот, изменяется. Из-за упомянутого изменения намагниченности возникают потери тепла, например, вследствие известных гистерезисных эффектов или подобных гистерезису эффектов в магнитном материале, вследствие инициирования перемещений частиц или вследствие других фрикционных эффектов, и поэтому температура всего целевого элемента в целом повышается. Поскольку, когда намагниченность изменяется только один раз, выделяется лишь сравнительно небольшое количество тепла, то для активации активного вещества требуется РЧ поле сравнительно высокой частоты. Кроме частоты РЧ поля суммарная мощность нагревания зависит также от амплитуды РЧ поля, магнитного материала внутри целевого элемента и размера целевого элемента, соответственно, размера или количества магнитного материала.

Если активное вещество, например, защищено покрытием, то покрытие может расплавляться или разжижаться вследствие нагревания, так что активное вещество активируется, соответственно, высвобождается из своего защитного покрытия и может проникать в желаемую ткань, что допускает локальную терапию. Благодаря свойствам системы MPI активацию активных веществ можно осуществлять с высокой селективностью и точностью. Магнитное частотное поле, которое прикладывают для активации активного вещества, не обязательно следует точно фокусировать на желаемом целевом элементе, так как вынужденные колебания совершает и, следовательно, нагревается магнитный материал только целевых элементов, которые помещены в свободную от поля точку (FFP). Целевые элементы, которые находятся вне свободной от поля точки (FFP), испытывают воздействие магнитного поля более высокой напряженности так, что магнитный материал в данных зонах находится в состоянии насыщения и поэтому не приводится в состояние колебаний приложенным РЧ полем. Таким образом, активное вещество можно активировать с очень высокой селективностью, и целевые элементы, которые размещены неточно, не причиняют вреда или не влияют на лечение отрицательным образом.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления обеспечивают средство активации для формирования в поле обзора такого вращающегося магнитного поля, что активное вещество отделяется от целевого элемента под действием вращательных сил. Посредством приложения вращающегося магнитного поля вокруг целевого элемента могут быть созданы потоки текучей среды со скоростью более чем 10 м/с. При этом целевой элемент принуждается к очень быстрому вращательному движению, так что активное вещество отделяется от целевого элемента вследствие появления вращательных сил. Данный метод активации отличается от вышеописанного метода, в соответствии с которым магнитный материал разжижается в результате нагревания, чтобы активировать активное вещество. Еще одной дополнительной возможностью активации активного вещества является применение магнитно возбуждаемых движителей, действие которых может быть основано, например, на магнитострикции, для активного перемещения активного вещества из целевого элемента.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления обеспечивают средство фокусировки, которое содержит блок генератора сигнала фокусирующего поля и катушки фокусирующего поля, для изменения положения в пространстве поля обзора посредством магнитного фокусирующего поля. Данное фокусирующее поле имеет пространственное распределение, идентичное или подобное полю возбуждения. Фокусирующее поле используют, в основном, для перемещения положения поля обзора. Данное перемещение необходимо, в частности, потому, что поле обзора имеет очень ограниченный размер, так что если целевой элемент требуется переместить на большее расстояние внутри объекта, то фокусирующее поле должно перемещать в пространстве положение поля обзора для активного перемещения и отслеживания целевого элемента по всему его пути, пока целевой элемент не придет в желаемое положение. Другими словами, фокусирующее поле заменяет активное механическое перемещение объекта. Это означает, что в случае с пациентом-человеком пациента потребовалось бы перемещать физически, чтобы перемещать поле обзора, если не обеспечить средство формирования фокусирующего поля.

Катушки магнитного фокусирующего поля можно применять для перемещения целевого элемента по объекту таким же образом, как катушки магнитного поля возбуждения, или еще удобнее. Данные катушки способны формировать достаточно однородные поля в различных направлениях с достаточно высокой скоростью и с достаточно большими напряженностями поля, которые требуются для перемещения целевого элемента. Поэтому применение данных катушек фокусирующего поля обеспечивает высокую степень гибкости, так как их можно формировать в любом направлении.

Как уже упоминалось выше, фокусирующее поле имеет пространственное распределение, идентичное или подобное полю возбуждения. Можно даже применять магнитные катушки, идентичные катушкам, применяемым для формирования магнитного поля возбуждения. Основное различие состоит в том, что частоты фокусирующего поля намного ниже (например, <1 кГц, обычно <100 Гц), чем частоты поля возбуждения, но амплитуды фокусирующего поля намного больше (например, 200 мТ в сравнении с 20 мТ для поля возбуждения).

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения вышеупомянутое средство активации реализуют упомянутым средством возбуждения или упомянутым средством фокусировки. Поскольку, как уже упоминалось выше, средство возбуждения или средство фокусировки очень сходны, оба средства можно использовать для формирования вышеупомянутого магнитного поля с некоторой частотой, которое служит для нагревания магнитного материала внутри целевого элемента, чтобы активировать активное вещество.

В соответствии с еще одним дополнительным вариантом осуществления устройство дополнительно содержит:

- средство приема, которое содержит по меньшей мере один блок приема сигналов и по меньшей мере одну приемную катушку для получения сигналов обнаружения, при этом упомянутые сигналы обнаружения зависят от намагниченности в поле обзора, причем на упомянутую намагниченность влияет изменение положения в пространстве первой и второй субзон, и

- средство обработки для обработки сигналов обнаружения, получаемых, когда прикладывают соответствующие магнитные поля, для определения положения целевого элемента внутри объекта по обработанным сигналам обнаружения. При применении средства приема и принципов системы MPI целевой элемент можно локализовать и сформировать его изображение с помощью полученных сигналов обнаружения. Тем самым перемещение и локализацию целевых элементов можно выполнять устройством в соответствии с настоящим изобретением попеременно и почти одновременно, без дополнительного оборудования, например дополнительного аппаратного обеспечения для локализации, например, системы камеры или рентгеновской системы. Для локализации применимы известные принципы MPI формирования изображений магнитных частиц внутри объекта, например описанные в вышеупомянутых документах. Из этого следует, что в таком случае блок управления формирует управляющие команды для блоков генераторов сигналов, чтобы формировать и подавать управляющие токи в соответствующие полевые катушки для формирования соответствующих магнитных полей для формирования изображений целевого элемента.

Приведенное решение особенно полезно, так как дает устройству и способу в соответствии с настоящим изобретением возможность легко проверять правильность перемещения и положение целевого элемента в течение его перемещения по объекту, без применения другого способа формирования изображений, например рентгеноскопии или КТ. Поскольку никакой рентгеноскопии или КТ не требуется, то снижается также доза рентгеновского облучения пациента, и, кроме того, для выполнения упомянутой функции не требуется дополнительного аппаратного обеспечения.

Поскольку сигналы могут быть очень точно обнаружены и получены средством приема, то целевой элемент можно надежно устанавливать и заданное положение можно легко проверять и корректировать при необходимости.

Как уже упоминалось выше, сам целевой элемент, который используют в вышеописанном устройстве и способе, предпочтительно содержит магнитный материал и активное вещество, при этом упомянутое активное вещество можно активировать посредством магнитного поля. Таким образом, активное вещество является, например, лекарством лизисного действия или радиоактивным зерном. С другой стороны, следует отметить, что активное вещество может быть также любым другим веществом. Кроме того, предпочтителен целевой элемент, в котором активное вещество располагается во внутренней части магнитного материала, в покрытии, окружающем магнитный материал, или матрице вместе с магнитным материалом. Если активное вещество расположено во внутренней части магнитного материала, то магнитный материал обладает функцией изоляции активного вещества от внешней области, чтобы, например, в случае с радиоактивным зерном целевой элемент не излучал радиоактивное излучение, прежде чем радиоактивное зерно активируют, соответственно, прежде чем магнитный материал покрытия разжижается в результате нагревания.

Если активное вещество расположено в матрице вместе с магнитным материалом, то матрица может быть выполнена, например, из липида, который расправляется из-за нагревания. В случае с радиоактивным материалом материал распределен в матрице более однородно по целевому элементу, и ионизирующее излучение может проникать в ткань. Элемент 71Ge является наиболее перспективным возможным радиоактивным изотопом, так как эффективно экранируется железом (K-край) и неглубоко проникает в ткань, что делает упомянутый элемент пригодным для локальной терапии. В случае лекарства химический препарат диффузно выходит из целевого элемента после того, как магнитный материал покрытия разжижают или расплавляют.

Кроме того, следует отметить, что решающую роль играет размер целевого элемента. С одной стороны, целевой элемент можно перемещать тем быстрее, чем больше размер целевого элемента, соответственно, чем больше магнитного материала содержится в целевом элементе. Целевой элемент также тем легче отслеживать, чем больше размер целевого элемента. С другой стороны, поскольку в случае пациента-человека целевой элемент перемещают по венам и артериям, то целевой элемент не может превосходить характерного размера 1 мм. Как оказалось, наиболее подходящими являются размеры 70-150 мкм.

В общем, возможны разные формы целевых элементов. В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения целевой элемент имеет сферическую, эллипсоидальную, спиральную, прямоугольную, стержнеобразную или кубовидную форму. Реализация целевого элемента в форме тонкого стержня дает преимущество в том, что целевой элемент, благодаря данной геометрической форме, может содержать большое количество магнитного материала, и при этом можно исключить блокирование обследуемого сосуда, если диаметр сосуда больше, чем диаметр стержня. С другой стороны, спиральная форма целевого элемента также очень удобна, так как в данном случае целевой элемент можно перемещать с помощью вышеупомянутого вращающегося магнитного поля. В данном случае направление перемещения ортогонально плоскости вращения магнитного поля.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Вышеупомянутые и другие аспекты настоящего изобретения будут очевидны из пояснения на примере нижеописанных вариантов осуществления. На нижеследующих чертежах

фиг.1 - первый вариант осуществления устройства MPI (формирования изображений магнитных частиц),

фиг.2 - пример диаграммы поля выбора, создаваемой устройством, представленным на фиг.1,

фиг.3 - второй вариант осуществления устройства MPI,

фиг.4 - блок-схема первого варианта осуществления устройства MPI в соответствии с настоящим изобретением,

фиг.5 - блок-схема второго варианта осуществления устройства MPI в соответствии с настоящим изобретением,

фиг.6 - упрощенная блок-схема способа в соответствии с настоящим изобретением,

фиг.7a - первый вариант осуществления целевого элемента в соответствии с настоящим изобретением, и

фиг.7b - второй вариант осуществления целевого элемента в соответствии с настоящим изобретением.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Перед подробным объяснением настоящего изобретения требуется подробно разъяснить основы формирования изображений магнитных частиц со ссылкой на фиг.1-3. В частности, далее приведено описание двух вариантов осуществления сканера MPI для медицинской диагностики. В дальнейшем выделены сходства и различия между двумя вариантами осуществления.

Следует отметить, что два варианта осуществления сканера MPI, представленного на фиг.1-3, содержат также признаки, которые не обязательно все должны присутствовать в устройстве и способе в соответствии с настоящим изобретением. Три упомянутые фигуры предназначены, чтобы дать читателю понятное представление об основных принципах MPI. Например, средства приема и обработки, которые применяют для получения сигналов обнаружения и для реконструкции данных изображения по упомянутым сигналам, могут, но не обязательно должны содержаться в соответствии с настоящим изобретением. Тем не менее, ниже приведено содержательное описание сбора данных. Кроме того, для настоящего изобретения не обязательно вышеупомянутое и нижеописанное средство фокусировки.

Первый вариант 10 осуществления сканера MPI, представленный на фиг.1, содержит три хорошо заметных пары 12, 14, 16 коаксиальных параллельных кольцевых катушек, при этом каждая пара расположена, как показано на фиг.1. Упомянутые пары 12, 14, 16 катушек служат для формирования поля выбора, а также поля возбуждения и фокусирующего поля. Оси 18, 20, 22 трех пар 12, 14, 16 катушек взаимно ортогональны и пересекаются в одной точке, обозначенной как изоцентр 24 сканера 10 MPI. Кроме того, упомянутые оси 18, 20, 22 служат осями 3-мерной прямоугольной системы x-y-z-координат, связанной с изоцентром 24. Вертикальная ось 20 названа y-осью, и поэтому x- и z-оси являются горизонтальными. Пары 12, 14, 16 катушек также называют по их осям. Например, пара 14 y-катушек сформирована катушками сверху и снизу сканера. Кроме того, катушка с положительной (отрицательной) y-координатой называется y⁺-катушкой (y^--катушкой), и то же самое относится к остальным катушкам.

Сканер 10 может быть настроен на направление предварительно заданного, зависящего от времени электрического тока через каждую из упомянутых катушек 12, 14, 16 и в любом направлении. Если ток протекает в катушке по часовой стрелке, при наблюдении вдоль оси данной катушки, то ток будет считаться положительным, а в ином случае отрицательным. Для формирования статического поля выбора обеспечивают протекание постоянного положительного тока I^s через z⁺-катушку и обеспечивают протекание тока - I^s через z^--катушку. В таком случае пара 16 z-катушек работает как пара антипараллельных кольцевых катушек.

Магнитное поле выбора, которое обычно является градиентным магнитным полем, представлено на фиг.2 силовыми линиями 50 поля. Упомянутое поле имеет, по существу, постоянный градиент в направлении (например, горизонтальной) z-оси 22 пары 16 z-катушек, формирующей поле выбора, и достигает нулевого значения в изоцентре 24 на оси 22. Начиная с данной свободной от поля точки (не показанной в отдельности на фиг.2), напряженность поля магнитного поля 50 выбора усиливается во всех трех пространственных направлениях по мере того, как увеличивается расстояние от свободной от поля точки. В первой субзоне или области 52, которая обозначена штриховой линией вокруг изоцентра 24, напряженность поля настолько мала, что намагниченность магнитного материала, соответственно, магнитных частиц, присутствующих в данной первой субзоне 52, не насыщена, а намагниченность частиц, присутствующих во второй субзоне 54 (снаружи области 52), находится в состоянии насыщения. В предпочтительном варианте свободная от поля точка или первая субзона 52 поля обзора 28 сканера является пространственно когерентным участком; упомянутый участок может быть также точечным участком, линейным или плоским участком. Во второй субзоне 54 (т.е. в остальной части поля обзора 28 сканера снаружи первой субзоны 52) напряженность магнитного поля в поле выбора является достаточно сильной, чтобы поддерживать магнитный материал, который в соответствии с настоящим изобретением является частью целевого элемента 60, 70, в состоянии насыщения.

При изменении положения двух субзон 52, 54 внутри поля обзора 28 (общая) намагниченность в поле обзора 28 изменяется. Посредством измерения намагниченности в поле обзора 28 или физических параметров, испытывающих влияние намагниченности, можно получить информацию относительно пространственного распределения магнитного материала в поле обзора 28 и тем самым информацию относительно пространственного распределения целевых элементов 60, 70 в поле обзора 28. Для изменения относительного пространственного положения двух субзон 52, 54 в поле обзора 28 на поле 50 выбора в поле обзора 38 или, по меньшей мере, в части поля обзора 28 накладывают дополнительные магнитные поля, т.е. магнитное поле возбуждения и, если применимо, магнитное фокусирующее поле.

Для формирования поля возбуждения обеспечивают пропускание зависящего от времени тока I^D ₁ через обе x-катушки 12, зависящего от времени тока I^D ₂ через обе y-катушки 14 и зависящего от времени тока I^D ₃ через обе z-катушки 16. Таким образом, каждая из трех пар катушек действует как пара параллельных кольцевых катушек. Аналогично для формирования фокусирующего поля обеспечивают пропускание зависящего от времени тока I^F ₁ через обе x-катушки 12, тока I^F ₂ через обе y-катушки 14 и тока I^F ₃ через обе z-катушки 16.

Следует отметить, что пара z-катушек 16 является особой: она формирует не только свою долю поля возбуждения и фокусирующего поля, но и поле выбора. Ток, протекающий через z^±-катушку, равен I^D ₃+I^F ₃+I^s. Ток, протекающий через остальные два пары 12, 14 катушек, равен I^D _k+I^F _k, k=1, 2. Благодаря своей геометрии и симметрии три пары 12, 14, 16 катушек хорошо развязаны. Данное свойство является желательным.

Благодаря формированию парой антипараллельных кольцевых катушек поле выбора характеризуется осевой симметрией относительно z-оси, и его z-компонента является почти линейной по z и независимой от x и y в объеме значительного размера вокруг изоцентра 24. В частности, поле выбора имеет единственную свободную от поля точку (FFP) в изоцентре. Напротив, вклады в поле возбуждения и фокусирующее поле, которые формируются парами параллельных кольцевых катушек, являются пространственно почти однородными в объеме значительного размера вокруг изоцентра 24 и параллельными оси соответствующей пары катушек. Поле возбуждения и фокусирующее поле, совместно сформированные всеми тремя парами параллельных кольцевых катушек, являются пространственно почти однородными и могут создаваться в любом направлении и с любой напряженностью, вплоть до некоторой максимальной напряженности. Поле возбуждения и фокусирующее поле также зависят от времени. Различие между фокусирующим полем и полем возбуждения состоит в том, что фокусирующее поле изменяется во времени медленно и имеет большую амплитуду, а поле возбуждения изменяется быстро и имеет небольшую амплитуду. Упомянутые поля рассматриваются различным образом по существующим причинам физического и биомедицинского характера. Быстро изменяющееся поле большой амплитуды будет трудно формируемым и опасным для пациента.

Вариант 10 осуществления сканера MPI может содержать одну дополнительную пару, предпочтительно три дополнительных пары, параллельных кольцевых катушек, также ориентированных вдоль x-, y- и z-осей. Данные пары катушек, которые не показаны на фиг.1, служат приемными катушками. Данные приемные катушки требуются в настоящем варианте осуществления только в том случае, если следует собирать сигналы приема и требуется отображать собранные данные. Однако данное решение не всегда имеет отношение к делу, так как главными целями настоящего изобретения являются перемещение и размещение целевого элемента и активация активного вещества.

Однако если приемные катушки обеспечены, то магнитное поле, созданное постоянным током, протекающим через одну из пар упомянутых приемных катушек, является пространственно почти однородным в пределах поля обзора и параллельным оси соответствующей пары катушек. Предполагается, что приемные катушки достаточно развязаны. Зависящее от времени напряжение, наводимое в приемной катушке, усиливается и дискретизируется приемником, присоединенным к данной катушке. Точнее, для охвата очень большого динамического диапазона данного сигнала приемник берет отсчеты разности между принятым сигналом и опорным сигналом. Передаточная функция приемника не равна нулю в диапазоне от постоянного тока до точки, в которой расчетный уровень сигнала опускается ниже уровня шума.

Вариант 10 осуществления сканера MPI, показанный на фиг.1, содержит цилиндрический туннель 26 вдоль z-оси 22, т.е. вдоль оси поля выбора. Все катушки размещены снаружи данного туннеля 26. Для сбора данных пациента (или объект), изображение которого должно быть сформировано (или который должен быть подвержен воздействию), размещают в туннеле 26 таким образом, чтобы объем интереса пациента, то есть объем пациента (или объекта), изображение которого следует сформировать (или на который следует воздействовать), вмещался полем обзора 28 сканера, то есть объем сканера, изображение содержимого которого может формировать сканер. Пациента (или объект) размещают, например, на столе для пациента. Поле обзора 28 является геометрически простым изоцентрическим объемом во внутренней области туннеля 26, например кубом, шаром или цилиндром. Кубическое поле обзора 28 показано на фиг.1.

Размер первой субзоны 52 зависит, с одной стороны, от мощности градиента магнитного поля выбора и, с другой стороны, от напряженности поля магнитного поля, необходимого для насыщения. Для достаточного насыщения магнитного материала при напряженности 80 А/м магнитного поля и градиенте (в заданном пространственном направлении) 50×10³ А/м² напряженности поля магнитного поля выбора первая субзона 52, в которой намагниченность частиц не насыщена, имеет размер приблизительно 1 мм (в заданном пространственном направлении).

Предполагается, что объем интереса пациента должен в соответствии с настоящим изобретением вмещать по меньшей мере один, предпочтительно большее количество целевых элементов 60, 70, которые содержат магнитный материал 62, 72 и активное вещество 61, 71. Теоретически только одного целевого элемента будет достаточно, если требуется лишь небольшая доза лекарства или радиоактивного излучения. Однако из практических соображений обычно обеспечивают большее количество целевых элементов 60, 70, так как некоторые целевые элементы 60, 70 могут потеряться в теле. Однако потеря некоторых целевых элементов 60, 70 не представляет опасности для пациента, так как активные вещества 61, 71 упомянутых элементов не активируются радиочастотным (РЧ) магнитным полем.

Целевые элементы 60, 70 помещаются в объеме интереса перед терапевтическим и/или диагностическим воздействием, например, на опухоль, например с помощью жидкости, содержащей целевые элементы 60, 70, которую инъецируют в тело пациента (объекта) или вводят в пациента другим способом, например перорально.

Сбор данных начинается в момент t_s времени и заканчивается в момент времени t_e. В течение сбора данных пары 12, 14, 16 x-, y- и z-катушек формируют магнитное поле, зависящее от положения и времени, так называемое приложенное поле. Данную задачу решает направление подходящих токов через катушки. Фактически поле возбуждения и фокусирующее поле сдвигают поле выбора таким образом, что свободная от поля точка (FFP) перемещается вдоль предварительно выбранной траектории свободной от поля точки (FFP), которая прослеживает объем сканирования, расширенный вариант поля обзора. Приложенное поле ориентирует магнитный материал 62, 72 внутри целевых элементов 60, 70 в пациенте. Когда приложенное РЧ поле изменяется, полученная намагниченность также изменяется, однако намагниченность нелинейно реагирует на приложенное РЧ поле. Сумма изменяющегося приложенного поля и изменяющейся намагниченности наводит зависящее от времени напряжение V_k на выводах пары приемных катушек по оси x_k-оси. Соответствующий приемник преобразует данное напряжение в сигнал S_k(t), который упомянутый приемник дискретизирует и выводит.

Прием и обнаружение сигналов от целевых элементов 60, 70, находящихся в первой субзоне 52, целесообразно выполнять в полосе частот, отличающейся (сдвинутой в сторону более высоких частот) от полосы частот колебаний магнитного поля возбуждения. Данный подход возможен потому, что вследствие изменения намагниченности магнитного материала 62, 72 внутри целевых элементов 60, 70 в поле обзора 28 сканера, в результате нелинейности характеристик намагниченности, появляются частотные составляющие более высоких гармоник частоты магнитного поля возбуждения.

Подобно первому варианту 10 осуществления, показанному на фиг.1, второй вариант 30 осуществления сканера MPI, представленный на фиг.3, содержит три пары 32, 34, 36 кольцевых и взаимно ортогональных катушек, но данные пары 32, 34, 36 катушек формируют только поле выбора и фокусирующее поле. Z-катушки 36, которые и в данном случае формируют поле выбора, наполнены ферромагнитным материалом 37. Z-ось 42 данного варианта 30 осуществления ориентирована вертикально, а x- и y-оси 38, 40 ориентированы горизонтально. Туннель 46 сканера параллелен x-оси 38 и, следовательно, перпендикулярен оси 42 поля выбора. Поле возбуждения формируется соленоидом (не показанным) вдоль x-оси 38 и парой отклоняющих катушек (не показанных) вдоль двух остальных осей 40, 42. Упомянутые катушки намотаны на трубку, которая формирует туннель. Катушки поля возбуждения служат также приемными катушками. Сигналы, снимаемые приемными катушками, передаются через фильтр высоких частот, который подавляет вклад, обусловленный приложенным полем.

Отдельные типичные параметры данного варианта осуществления имеют следующие значения: Z-градиент поля выбора, G, имеет мощность G/μ₀=2,5 Т/м, где μ₀ означает магнитную проницаемость вакуума. Формируемое поле выбора либо совсем не изменяется во времени, либо изменение является сравнительно медленным, предпочтительно, с частотой от приблизительно 1 Гц до приблизительно 100 Гц. Спектр временных частот поля возбуждения сконцентрирован в узкой полосе вблизи 25 кГц (до, приблизительно 100 кГц). Полезный частотный спектр принятых сигналов находится в пределах от 50 кГц до 1 МГц (в конечном счете до приблизительно 10 МГц). Туннель имеет диаметр 120 мм. Наибольший куб 28, который вмещается в туннель 46, имеет длину ребра 120 мм/ $$\sqrt{2}$$ ≈84 мм.

Как показано в вышеприведенных вариантах осуществления, с помощью катушек одних и тех же пар катушек и путем подачи в данные катушки соответственно сформированных токов можно формировать различные магнитные поля. Однако и, в частности, с целью интерпретации сигналов с более высоким отношением сигнала к шуму, возможно, предпочтительным является вариант, в котором постоянное (или квазипостоянное) во времени поле выбора и переменные во времени поле возбуждения и фокусирующее поле формируются отдельными парами катушек. В общем, для данных катушек можно применить пары катушек Гельмгольца, которые являются общеизвестными, например, в области техники магнитно-резонансных устройств с открытыми магнитами (открытой магнитно-резонансной томографии (МРТ)), где пара РЧ катушек размещена над и под областью интереса, при этом упомянутая пара РЧ катушек способна формировать переменное во времени магнитное поле. Поэтому конструкция упомянутых катушек не требует дополнительного объяснения в настоящей заявке.

В альтернативном варианте осуществления для формирования поля выбора можно применить постоянные магниты (не показанные). В пространстве между двумя полюсами данных (противоположных) постоянных магнитов (не показанных) формируется магнитное поле, которое подобно полю, показанному на фиг.2, то есть когда противоположные полюса имеют одинаковую полярность. В другом альтернативном варианте осуществления поле выбора можно формировать комбинацией из по меньшей мере одного постоянного магнита и по меньшей мере одной катушки.

На фиг.4 и 5 представлена общая блок-схема устройства 10 MPI в соответствии с первым и вторым вариантами осуществления настоящего изобретения. Вышеописанные общие принципы формирования изображений с помощью магнитных частиц действительны и применимы также к данным вариантам осуществления, если не указано иначе. Например, средства приема и обработки, которые, как уже упоминалось выше, не обязательны для устройства в соответствии с настоящим изобретением, не содержатся в первом варианте осуществления в соответствии с настоящим изобретением (смотри фиг.4). Устройство в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, соответственно, не использует метод сбора данных MPI и формирования изображений MPI. Вышеупомянутое средство фокусировки, которое также не обязательно для настоящего изобретения, также не содержится в первом варианте осуществления. В противоположность первому варианту осуществления второй вариант осуществления настоящего изобретения (представленный на фиг.5) содержит все вышеупомянутые средства: средство приема, средство обработки и средство фокусировки.

Данный первый вариант осуществления устройства 100, показанный на фиг.4, содержит набор различных катушек для формирования желаемых магнитных полей. Сначала следует описать катушки и их функции в режиме MPI.

Для формирования вышеописанного магнитного градиентного поля выбора обеспечено средство выбора, содержащее набор катушек 116 поля выбора (SF), содержащий, в предпочтительном варианте, по меньшей мере одну пару катушечных элементов. Средство выбора дополнительно содержит блок 110 генератора сигнала поля выбора. В предпочтительном варианте отдельный субблок генератора обеспечен для каждого катушечного элемента (или каждой пары катушечных элементов) набора 116 катушек поля выбора. Упомянутый блок 110 генератора сигнала поля выбора содержит управляемый источник 112 тока поля выбора (обычно включающий в себя усилитель) и блок 114 фильтра, который снабжает соответствующий катушечный элемент поля выбора током поля выбора, чтобы индивидуально настраивать мощность градиента поля выбора в желаемом направлении. В предпочтительном варианте обеспечивается постоянный ток. Если катушечные элементы 116 поля выбора расположены как противоположные катушки, например, на противоположных сторонах поля обзора, то в предпочтительном варианте токи поля выбора противоположных катушек ориентированы противоположно. Блоком 110 генератора сигнала поля выбора управляют посредством блока 150 управления, который в предпочтительном варианте управляет генерированием 110 сигнала поля выбора таким образом, что сумма напряженностей поля и сумма мощностей градиентов всех пространственных фракций поля выбора поддерживается на предварительно заданном уровне.

Для формирования магнитного поля возбуждения устройство 100 дополнительно содержит средство возбуждения, содержащее поднабор катушек поля возбуждения (DF), содержащий в предпочтительном варианте три пары 136a, 136b, 136c противоположно расположенных катушечных элементов поля возбуждения. Катушками поля возбуждения управляют посредством блока 130 генератора сигнала поля возбуждения, содержащего в предпочтительном варианте отдельный субблок генерации сигнала поля возбуждения для каждого катушечного элемента (или, по меньшей мере, каждой пары катушечных элементов) упомянутого набора катушек 136a, 136b, 136c поля возбуждения. Упомянутый блок 130 генератора сигнала поля возбуждения содержит источник 132 тока поля возбуждения (предпочтительно включающий в себя усилитель тока) и блок фильтра 134 для подачи тока поля возбуждения в соответствующую катушку 136a, 136b, 136c поля возбуждения. Источник 132 тока поля возбуждения приспособлен для формирования переменного тока и также управляется посредством блока 150 управления.

Блок 150 управления дополнительно предназначен для управления упомянутыми блоками 110, 130 генераторов сигналов, чтобы формировать и подавать управляющие токи в соответствующие полевые катушки и тем самым формировать соответствующие магнитные поля для перемещения целевого элемента 60, 70 по объекту в направлении, задаваемом командами перемещения, для размещения целевого элемента 60, 70 в желаемом положении внутри объекта и для активации активного вещества 61, 71, когда целевой элемент 60, 70 достиг упомянутого желаемого положения. В первом варианте осуществления, представленном на фиг.4, блок 150 управления предназначен, в частности, для управления блоком 130 генератора сигнала поля возбуждения, чтобы формировать и подавать управляющие токи в катушки 136a, 136b, 136c поля возбуждения и тем самым формировать РЧ поле, которое необходимо для перемещения и размещения целевого элемента 60, 70 в желаемом положении и для активации активного вещества 61, 71, когда целевой элемент 60, 70 достиг желаемого положения. Следовательно, упомянутое РЧ поле накладывается на поле возбуждения в первом варианте осуществления настоящего изобретения.

Для ввода команд перемещения обеспечен интерфейс 162. Упомянутый интерфейс 162 может быть реализован различными способами. Например, упомянутый интерфейс 162 может быть пользовательским интерфейсом, посредством которого пользователь может вручную вводить пользовательские команды, например, с клавиатуры, пульта, посредством джойстика или навигационного инструментария, например, установленного в отдельном компьютере (не показанном). В другом исполнении упомянутый интерфейс 162 является интерфейсом для подключения внешнего устройства для управления перемещением, например, навигационного блока, с использованием которого перемещение целевого элемента 60, 70 запланировано предварительно, например, по данным изображения объекта, предварительно собранным другим способом формирования изображений, например МР (магнитно-резонансным) или КТ (компьютерной томографии). В таком случае интерфейс 162 получает информацию относительно желаемого перемещения и желаемого положения для размещения целевого элемента 60, 70 внутри объекта, и интерфейс 162 или блок 150 управления способен «преобразовывать» упомянутые команды в команды перемещения для соответствующих блоков генераторов сигналов (который в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения является блоком 130 генератора сигнала поля возбуждения).

Посредством интерфейса 162 команды перемещения принимаются из внешнего блока 170 управления перемещением, содержащего устройство 172 отображения, например, для отображения свободно получаемых данных изображения объекта, и орган 174 операторского управления для ввода управляющих команд для планирования перемещения целевого элемента 60, 70.

В ходе практического вмешательства хирург будет планировать вмешательство с использованием блока 170 управления перемещением. Затем план навигации, который, в частности, содержит команды управления перемещением и желаемое положение для размещения целевого элемента 60, 70, подается посредством интерфейса 162 в блок 150 управления устройством 100 MPI. Затем блок 150 управления управляет перемещением целевого элемента 60, 70 внутри объекта.

Следовательно, в сущности, устройство в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения способно перемещать целевой элемент 60, 70 по объекту, в частности управлять направлением перемещения целевого элемента 60, 70 по командам перемещения и управлять размещением целевого элемента 60, 70 в желаемом положении внутри объекта, независимо от того, в какой форме и кем или чем обеспечены команды перемещения.

Как можно видеть из фиг.5, в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения в состав устройства 100 дополнительно включены средство 190 активации, средство фокусировки, средство приема и средство обработки. Активное вещество 61, 71 в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения активируют нагреванием, что дополнительно поясняется в дальнейшем со ссылкой на фиг.7a и 7b.

Для формирования вышеупомянутого РЧ поля обеспечено средство 190 активации, чтобы активировать активное вещество 61, 71, когда целевой элемент 60, 70 достиг своего желаемого положения. Посредством упомянутого РЧ поля магнитный материал 62, 72 целевого элемента 60, 70 в поле обзора нагревают, чтобы локально активировать активное вещество 61, 71. Посредством упомянутого средства 190 активации положение в пространстве двух субзон 52, 54 в поле обзора 28 изменяют в течение такого времени и с такой частотой, чтобы магнитный материал 62, 72 целевого элемента 60, 70 нагревался. Когда под действием РЧ поля положение в пространстве первой субзоны 52 изменяется, намагниченность магнитного материала 62, 72 упомянутых целевых элементов 60, 70, которые располагаются в первой субзоне 52 или которые мигрируют из первой 52 во вторую субзону 54 или наоборот, изменяется. Из-за упомянутого изменения намагниченности возникают потери тепла, например, вследствие известных гистерезисных эффектов или подобных гистерезису эффектов в магнитном материале или вследствие возбуждения перемещений частиц, и поэтому температура всего целевого элемента 60, 70 повышается. Так как, когда намагниченность изменяется только один раз, выделяется лишь сравнительно небольшое количество тепла, то для активации активного вещества 61, 71 требуется РЧ поле сравнительно высокой частоты. Кроме частоты РЧ поля, суммарная мощность нагревания зависит также от амплитуды РЧ поля, магнитного материала 62, 72 внутри целевого элемента 60, 70 и размера целевого элемента 60, 70, соответственно, размера или количества магнитного материала 62, 72.

Как можно видеть из фиг.5, в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения в устройстве 100 содержится средство 148 приема. С помощью упомянутого средства 148 приема можно получать сигналы обнаружения, которые, затем, можно обрабатывать для реконструкции изображения положения и окружающей среды целевого элемента 60, 70. С помощью данного метода формирования изображений на основе MPI перемещение целевого элемента 60, 70 можно отслеживать так, чтобы можно было в любое время визуально проверять текущее положение целевого элемента 60, 70 и при необходимости можно было в любое время корректировать перемещение, заданное в плане навигации. Это дополнительно упрощает работу хирурга и повышает точность размещения целевого элемента 60, 70 внутри объекта. Следовательно, в ходе практического вмешательства перемещение целевого элемента 60, 70 можно приостанавливать через желаемые интервалы, чтобы можно было получить данные о текущем положении на основании сигналов обнаружения, обеспечиваемых средством 148 приема. Поэтому ниже следует привести подробное объяснение обнаружения сигналов.

Помимо средства 148 приема обнаружение сигналов дополнительно обеспечивается блоком 140 приема сигналов, который принимает сигналы, обнаруженные упомянутым средством 148 приема. Упомянутый блок 140 приема сигналов содержит блок 142 фильтра для фильтрации принятых сигналов обнаружения. Цель данной фильтрации состоит в выделении измеренных значений из других, мешающих сигналов. С данной целью блок 142 фильтра может быть спроектирован, например, таким образом, чтобы сигналы, которые имеют временные частоты, которые ниже, чем временные частоты, с которыми работает средство 148 приема, или ниже, чем удвоенные упомянутые временные частоты, не проходили через блок 142 фильтра. Затем сигналы передаются через блок 144 усилителя в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 146. Оцифрованные сигналы, сформированные аналого-цифровым преобразователем 146, передаются в блок 152 обработки изображений (называемый также средством реконструкции) 152, который реконструирует пространственное распределение магнитного материала 62, 72 целевого элемента 60, 70 по данным сигналам и соответствующему положению, которое первая субзона 52 первого магнитного поля в зоне исследования предполагала в течение приема соответствующего сигнала и которое блок 152 обработки изображений получает из блока 150 управления. Реконструированное пространственное распределение магнитного материала 62, 72 целевого элемента 60, 70 передается, в конечном счете, через блок 150 управления в компьютер 154, который отображает его на мониторе 156. Таким образом, изображение можно отображать для демонстрации положения целевых элементов 60, 70 внутри объекта.

Как уже упоминалось выше, устройство 100 в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения дополнительно содержит средство фокусировки. Это средство фокусировки содержит набор катушек фокусирующего поля (FF), предпочтительно, три пары 126a, 126b, 126c противоположно расположенных катушечных элементов фокусирующего поля. Упомянутое магнитное фокусирующее поле обычно используют для изменения положения поля обзора 28 в пространстве. Катушками фокусирующего поля управляют посредством блока 120 генератора сигнала фокусирующего поля, предпочтительно содержащего отдельный субблок генерации сигнала фокусирующего поля для каждого катушечного элемента (или, по меньшей мере, каждой пары катушечных элементов) упомянутого набора катушек фокусирующего поля. Упомянутый блок 120 генератора сигнала фокусирующего поля содержит источник 122 тока фокусирующего поля (предпочтительно содержащий усилитель тока) и блок 124 фильтра для подачи тока фокусирующего поля в соответствующую катушку из упомянутого поднабора катушек 126a, 126b, 126c, который следует использовать для формирования магнитного фокусирующего поля. Блоком 120 тока фокусирующего поля также управляют посредством блока 150 управления.

В общих словах приведенное решение означает, что при дополнительном применении средства фокусировки положение поля обзора 28 в пространстве можно изменять магнитным полем, тогда как в соответствии с первым вариантом осуществления (без средства фокусировки) объект (например, пациента) требуется перемещать вручную, чтобы изменять положение поля обзора 28 в пространстве относительно объекта.

Для итогового описания всей процедуры, которая выполняется устройством 100 в соответствии с настоящим изобретением, процедура, соответственно, способ в соответствии с настоящим изобретением еще раз наглядно представлен на фиг.6 в виде упрощенной блок-схемы.

На первом этапе 201 врачом задается план внесения активных веществ. В случае брахитерапии или лечения инсультов важно точно задавать положения и дозу активных веществ (радиоактивных зерен, соответственно, лекарств лизисного действия), которые должны быть внесены в объект. Дополнительно можно задать план навигации, содержащий, в частности, команды управления перемещением для проведений целевых элементов 60, 70 по объекту.

В соответствии с заданными командами управления перемещением на этапе 202 целевые элементы 60, 70 активно перемещают по объекту. Для данного перемещения блок 150 управления управляет блоками генераторов сигналов, предпочтительно блоком 130, 120 генератора сигнала поля возбуждения или фокусирующего поля, чтобы формировать и подавать управляющие токи в соответствующие полевые катушки для формирования соответствующих магнитных полей. Таким образом, целевой элемент 60, 70 проводится по объекту просто под воздействием механических усилий, т.е. не требуется никакого физического вмешательства объекта.

Во время перемещения целевого элемента 60, 70 его текущее положение постоянно отслеживается. Для данного отслеживания 203 целевой элемент 60, 70 останавливают через желаемые интервалы, и его текущее положение получают посредством применения последовательности MPI, предпочтительно перемещением свободной от поля точки (FFP) вдоль траектории по зоне, в которой в текущий момент может находиться целевой элемент 60, 70. Затем сигналы обнаружения обрабатываются для получения текущего положения целевого элемента 60, 70. Кроме того, сигналы обнаружения можно отображать с использованием метода реконструкции изображения MPI. Затем при необходимости направление перемещения можно скорректировать на основании полученного сигнала слежения.

На этапе 204 целевой элемент 60, 70 окончательно размещают в желаемом положении внутри объекта. Тем самым целевой элемент 60, 70 можно точно установить снова с использованием средства формирования поля возбуждения или фокусирующего поля.

На последнем этапе 205 активное вещество 61, 71, которое содержится в целевом элементе 60, 70, активируется. В предпочтительном варианте активацию выполняют с использованием РЧ поля, которое вынуждает магнитный материал 62, 72 целевого элемента 60, 70 колебаться и тем самым вырабатывает тепло. Вследствие данного нагревания оболочка активного вещества 61, 71 может расплавляться или разжижаться так, что активное вещество 61, 71 может высвобождаться из целевого материала 60, 70 и оказывать свое действие внутри объекта.

На фиг.7a и 7b представлены два разных варианта осуществления целевого элемента 60, 70 в соответствии с настоящим изобретением. В первом варианте осуществления, показанном на фиг.7a, целевой элемент 60 содержит сердцевину, которая содержит активное вещество 61, при этом упомянутая сердцевина покрыта магнитным материалом 62. В качестве магнитного материала 62 обычно используют ферромагнитный материал, например железоникелевый сплав, чистое железо или магнитный оксид железа. Преимущество чистого железа и оксида железа, в сравнении с железоникелевым сплавом, состоит в его высокой способности к разложению в теле человека. Активное вещество 61 может быть, в зависимости от применения, любым веществом, например радиоактивным зерном, применяемым для брахитерапии, или лекарством лизисного действия для лечения инсультов. Активацию активного вещества 61 не обязательно требуется вызывать нагревом, возможен также вариант, в котором, например, магнитный материал 62 может быть растворимым в крови, так что магнитный материал 62 растворяется в крови через некоторое время.

Тот же принцип применим также ко второму варианту осуществления целевого элемента 70 в соответствии с настоящим изобретением. В противоположность первому варианту осуществления магнитный материал 72 и активное вещество 71 расположены различным образом внутри целевого элемента 70. Таким образом, магнитный материал и активное вещество содержатся в матрице 73. Данная матрица 73 может состоять, например, из липида или другой субстанции, которую можно легко разжижать или расплавлять нагреванием или которая может растворяться в крови или жидкости, в которой осуществляется транспорт целевого элемента 70. Все остальные физические принципы, ранее упомянутые в отношении первого варианта осуществления, применимы также ко второму варианту осуществления целевого элемента 70 в соответствии с настоящим изобретением.

Кроме того, следует отметить, что целевой элемент может иметь любую геометрическую форму, так что целевой элемент не обязательно должен иметь сферическую форму, показанную на фиг.7a и 7b. Целевой элемент может иметь, например, сферическую, эллипсоидальную, спиральную, прямоугольную, стержнеобразную или даже кубовидную форму. Реализация целевого элемента в форме тонкого стержня дает преимущество в том, что целевой элемент благодаря данной геометрической форме может содержать большое количество магнитного материала и при этом можно исключить блокирование обследуемого сосуда, если диаметр сосуда больше, чем диаметр стержня.

В сущности, настоящее изобретение обеспечивает новые способ и устройство для выполнения данного способа, которые дают возможность с высокой точностью размещать целевые элементы, содержащие активные вещества, внутри объекта и с очень высокой селективностью активировать упомянутые активные вещества. В частности, предложенный метод можно применять в процессе лечебных воздействий типа брахитерапии или лечения инсультов. В противоположность известным методам представленный метод обладает преимуществом в том, что данный метод является неинвазивным и, следовательно, менее сложным для хирурга и поэтому также менее дорогим и демонстрирует даже более высокую точность, чем известные методы. Активные вещества типа радиоактивных зерен или лекарств можно размещать внутри объекта, без необходимости какого-либо хирургического вмешательства. Благодаря известному методу MPI напряженности магнитного поля, которые применяют, оказываются даже меньше, в сравнении с известными методами медицинского формирования изображений типа КТ, МРТ или рентгеноскопии.

Хотя изобретение проиллюстрировано чертежами и подробно поясняется в вышеприведенном описании, приведенные иллюстрации и описание следует считать наглядными или примерными, а не ограничивающими; изобретение не ограничено приведенными вариантами осуществления. При практическом внедрении заявленного изобретения специалистами, после изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения, могут быть созданы и внесены другие изменения в описанные варианты осуществления.

В формуле изобретения выражение «содержащий» не исключает других элементов или этапов, и использование единственного числа не исключает множественного числа. Единственный элемент или другой блок может выполнять функции нескольких элементов, упомянутых в формуле изобретения. Тот факт, что некоторые средства упоминаются во взаимно различающихся, зависимых пунктах формулы изобретения, не означает невозможность эффективного совместного применения упомянутых средств.

Позиции в формуле изобретения нельзя трактовать в смысле ограничения объема притязаний.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к средствам формирования медицинских изображений с помощью магнитных частиц. Устройство для перемещения целевого элемента, который содержит магнитный материал и активное вещество, по объекту его размещения в предварительно определенном положении внутри объекта и активации активного вещества содержит средство выбора, содержащее блок генератора сигнала поля выбора и элементы поля выбора, в частности магниты или катушки поля выбора, для генерирования магнитного поля выбора, имеющего такую картину в пространстве его напряженности магнитного поля, что в поле обзора формируются первая субзона, имеющая низкую напряженность магнитного поля, и вторая субзона, имеющая более высокую напряженность магнитного поля, средство возбуждения, содержащее блок генератора сигнала поля возбуждения и катушки поля возбуждения, и средство управления блоком генератора сигналов поля возбуждения для перемещения целевого элемента по объекту в направлении, предписываемом командами перемещения, для размещения целевого элемента в желаемом положении внутри объекта и для активации активного вещества, когда целевой элемент достиг желаемого положения. Способ перемещения целевого элемента осуществляется при работе устройства. Использование изобретения позволяет повысить точность при неинвазивном размещении внутри объекта и активизировать активные вещества посредством магнитного поля. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство (100) для перемещения целевого элемента (60, 70), который содержит магнитный материал (62, 72) и активное вещество (61, 71), по объекту, размещения упомянутого целевого элемента (60, 70) в предварительно определенном положении внутри объекта и активации активного вещества (61, 71), причем устройство (100) содержит:
- средство выбора, содержащее блок (110) генератора сигнала поля выбора и элементы (116) поля выбора, в частности магниты или катушки поля выбора, для генерирования магнитного поля (50) выбора, имеющего такую картину в пространстве его напряженности магнитного поля, что в поле (28) обзора формируются первая субзона (52), имеющая низкую напряженность магнитного поля, и вторая субзона (54), имеющая более высокую напряженность магнитного поля,
- средство возбуждения, содержащее блок (130) генератора сигнала поля возбуждения и катушки (136а, 136b, 136с) поля возбуждения, для изменения положения в пространстве упомянутых двух субзон (52, 54) в поле (28) обзора посредством магнитного поля возбуждения таким образом, что намагниченность магнитного материала (62, 72) изменяется локально, и
- средство (150) управления для управления упомянутым блоком (130) генератора сигналов поля возбуждения, чтобы генерировать и подавать управляющие токи в катушки (136а, 136b, 136с) поля возбуждения для генерирования надлежащего магнитного поля для перемещения целевого элемента (60, 70) по объекту в направлении, предписываемом командами перемещения, для размещения целевого элемента (60, 70) в желаемом положении внутри объекта и для активации активного вещества (61, 71), когда целевой элемент (60, 70) достиг упомянутого желаемого положения.

2. Устройство (100) по п. 1, в котором обеспечено средство (190) приведения в действие для изменения положения в пространстве упомянутых двух субзон (52, 54) в поле (28) обзора посредством магнитного поля, в течение такого времени и/или с такой частотой, что магнитный материал (62, 72) целевого элемента (60, 70) в поле обзора нагревается так, что активное вещество (61, 71) активируется локально.

3. Устройство (100) по п. 1, в котором обеспечено средство (190) приведения в действие для генерирования в поле (28) обзора такого вращающегося магнитного поля, что активное вещество (61, 71) отделяется от целевого элемента (60, 70) вследствие вращательных сил.

4. Устройство (100) по п. 1, в котором обеспечено средство фокусировки, которое содержит блок (120) генератора сигнала поля фокусировки и катушки (126а, 126b, 126с) поля фокусировки, для изменения положения в пространстве поля (28) обзора посредством магнитного поля фокусировки.

5. Устройство (100) по п. 1 или 4, в котором средство приведения в действие реализовано упомянутым средством возбуждения или упомянутым средством фокусировки.

6. Устройство (100) по п. 1, дополнительно содержащее:
- средство приема, которое содержит по меньшей мере один блок (140) приема сигналов и по меньшей мере одну приемную катушку (148) для получения сигналов обнаружения, причем сигналы обнаружения зависят от намагниченности в поле (28) обзора, причем намагниченность находится под влиянием изменения положения в пространстве первой и второй субзон (52, 54), и
- средство (154) обработки для обработки сигналов обнаружения, получаемых, когда надлежащие магнитные поля прикладывают для определения положения целевого элемента (60, 70) внутри объекта по обработанным сигналам обнаружения.

7. Целевой элемент (60, 70) для применения в устройстве (100) по п. 1, при этом упомянутый целевой элемент (60, 70) содержит магнитный материал (62, 72) и активное вещество (61, 71), при этом упомянутое активное вещество (61, 71) может быть активировано посредством магнитного поля.

8. Целевой элемент (60, 70) по п. 7, в котором упомянутое активное вещество (61, 71) является лекарством лизисного действия или радиоактивным зерном.

9. Целевой элемент (60, 70) по п. 7, в котором упомянутое активное вещество (61, 71) расположено во внутренней части магнитного материала (62), в покрытии, окружающем магнитный материал (62), или в матрице (73) совместно с магнитным материалом (72).

10. Целевой элемент (60, 70) по п. 7, в котором упомянутый целевой элемент имеет сферическую, эллипсоидальную, спиральную, прямоугольную, стержнеобразную или кубовидную форму.

11. Способ перемещения целевого элемента (60, 70), который содержит магнитный материал (62, 72) и активное вещество (61, 71), по объекту, размещения упомянутого целевого элемента (60, 70) в желаемом положении внутри объекта и активации активного вещества (61, 71), причем способ содержит этапы, на которых:
- генерируют магнитное поле (50) выбора, имеющее такую картину в пространстве его напряженности магнитного поля, что в поле (28) обзора формируются первая субзона (52), имеющая низкую напряженность магнитного поля, и вторая субзона (54), имеющая более высокую напряженность магнитного поля,
- изменяют положение в пространстве упомянутых двух субзон (52, 54) в поле (28) обзора таким образом, что намагниченность магнитного материала (62, 72) изменяется локально,
- управляют генерированием надлежащих магнитных полей для перемещения целевого элемента (60, 70) по объекту в направлении, предписываемом командами перемещения, для размещения целевого элемента (60, 70) в желаемом положении внутри объекта и для активации активного вещества (61, 71), когда целевой элемент (60, 70) достиг упомянутого желаемого положения.