專利名稱：用于加熱磁性材料的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于加熱位于在作用區(qū)域內(nèi)的內(nèi)切球的中心區(qū)域中的磁性材料的裝置及其對應的方法。此外，本發(fā)明涉及一種計算機程序。
背景技術(shù)：
從WO 2004/018039A1知道這一種類的裝置，其特別描述了一種用于通過改變磁性或可磁化物質(zhì)的磁化來局部加熱對象的靶標區(qū)域的系統(tǒng)和方法。生成磁場，使得其磁場強度在空間中以這樣的方式變化，即在靶標區(qū)域(也被稱為作用區(qū)域)中形成具有低磁場強度的第一子區(qū)和圍繞該第一子區(qū)且具有較高磁場強度的第二子區(qū)。隨后，以給定頻率在使得粒子由于磁化強度的頻率變化被加熱到所需溫度的持續(xù)時間內(nèi)改變兩個子區(qū)在靶標區(qū)域中的空間位置。從《Nature》第435 卷第 1214-1217 頁(2005)中的由 Gleich,B.和 Weizenecker, J.發(fā)表的"Tomographic imaging using the nonlinear response of magnetic particles”知道所謂的磁性粒子成像(MPI)裝置和方法。在所公開的文本中描述的用于磁性粒子成像(MPI)的裝置和方法利用了小磁性粒子的非線性磁化曲線。記錄依賴于檢查區(qū)中的磁化強度的信號，所述磁化已經(jīng)受到子區(qū)的空間位置的位移影響，且從這些信號中提取出與磁性粒子在檢查區(qū)中的空間分布有關(guān)的信息，從而形成檢查區(qū)的圖像。這樣的裝置具有以下優(yōu)點其可被用于以非破壞性的方式檢查任意檢查對象(例如人體)，且不帶來任何傷害，同時在靠近和遠離檢查對象的表面地方都具有高空間分辨率。若干材料能夠在MPI中給出好的信號，例如Resovist Q為了使磁性粒子對ac磁場反應，不同機制可以是可靠的(1)在單疇粒子情況下的尼爾(N6el)旋轉(zhuǎn)，( 幾何布朗 (Brownian)旋轉(zhuǎn)，以及(3)對于多疇粒子的疇壁移動。對于MPI，磁性粒子最適合于尼爾旋轉(zhuǎn)，這允許對外部場的快速響應，從而使得非線性磁化響應能夠在許多諧波下進行分析。磁熱療表示在局部溫度超過42-45°C的窗口的情況下可導致腫瘤細胞凋亡(熱消融)的局部加熱效應。組合其他癌癥處置療法(例如短距離放療)，局部適度加熱可提升該組合方法的功效。局部加熱可由于在腫瘤細胞中或者在腫瘤細胞鄰近中存在磁性納米粒子而實現(xiàn)。通常在腫瘤內(nèi)施予磁性納米粒子。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的為提供一種用于加熱位于作用區(qū)域內(nèi)的內(nèi)切球的中心區(qū)域中的磁性材料的裝置及其對應的方法，所述裝置和方法提供被高度聚焦在待加熱的中心區(qū)域上的優(yōu)化的加熱條件。在本發(fā)明的第一方面，提供一種用于加熱位于作用區(qū)域內(nèi)的內(nèi)切球的中心區(qū)域中的磁性材料的裝置，所述裝置包括-選擇器件，用于生成其磁場強度具有空間圖案的磁選擇場，從而使得在所述作用區(qū)域中形成具有低磁場強度的第一子區(qū)和具有較高磁場強度的第二子區(qū)；
-驅(qū)動器件，用于借助磁驅(qū)動場來改變所述作用區(qū)域中的兩個子區(qū)的空間位置，從而使得所述磁性材料的磁化強度發(fā)生局部改變；以及-控制器件，用于控制所述驅(qū)動器件以使得所述內(nèi)切球的中心區(qū)域被加熱的持續(xù)時間和頻率沿著圍繞所述內(nèi)切球的一序列位置來改變所述第一子區(qū)的空間位置。在本發(fā)明的又一方面，提供一種對應的方法。再進一步，在發(fā)明的另一方面，提供一種包括程序代碼模塊的計算機程序，所述程序代碼模塊用于當在計算機上執(zhí)行所述計算機程序時，使計所述算機控制根據(jù)本發(fā)明的裝置以執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟。本發(fā)明的優(yōu)選實施例在從屬權(quán)利要求中進行了定義。應當理解的是，所要求保護的方法具有與所要求保護的設(shè)備相類似和/或完全相同的優(yōu)選實施例，并且同樣在從屬權(quán)利要求中進行了定義。本發(fā)明基于以下考慮和認知。使用磁性粒子，作為磁場頻率和幅值的函數(shù)的特定功率損耗可由P(v，H)= X ”(V)H2V [W/g]計算出，其中X ”(V)表示磁性納米粒子的磁化率的復部。熱生
成是兩種不同現(xiàn)象的結(jié)果1、在磁性粒子內(nèi)部的磁化強度的尼爾反轉(zhuǎn)(熱弛豫驅(qū)動)；2、在流體懸浮中的磁性粒子的布朗旋轉(zhuǎn)(相對周邊)。在熱療試驗中使用的典型值為粒子尺寸10-25nm，頻率400kHz，幅值10kA/m。熱療的一個問題是其與具有25kHz的操作基頻的磁性粒子成像的兼容性。第一個選項是移動到較高頻率以在單位時間產(chǎn)生更多的熱。然而這將需要MPI調(diào)節(jié)到較高頻率， 而這將導致信號生成損耗，所述信號生成損耗歸因于在相關(guān)粒子中更低的有效各向異性的必要性。第二個選項將是移動到較高的幅值，然而已經(jīng)知道的是，對于MPI的頻率范圍(即 25kHz)，在復磁化率中布朗運動為主要貢獻，一旦超出最小場幅值閾值，則所述幅值將不增加。而且，對于過高的幅值，磁性熱療失去了其成為焦點技術(shù)的能力。應當注意的是，IOmT 是在完整成像體積中的期望的全部場振幅。因此場值應當被減小而不是增加。以這一方式，將一點暴露給“熱”更長時間將是可能的。結(jié)果是雙重的(1)從工作流程這一點來看，處置時間將相應增加，以及⑵因為熱泄露到臨近組織中，所以熱遞送的焦點方面將逐漸消失，這僅可以通過具有導致更長處置時間的較低占空比的操作來克服。本發(fā)明主要依賴懸浮的磁性粒子的布朗旋轉(zhuǎn)自由度。假定在腫瘤內(nèi)遞送磁性粒子，可定義作為時間的函數(shù)的無場點(FFP ；對應于具有低磁場強度的第一子區(qū))的一序列空間位置，這將能夠以一致的方式使在特定區(qū)域(特別是在中心區(qū)域)中的累積磁矢量旋轉(zhuǎn)。這樣一個基本序列圍繞所定義的區(qū)域旋轉(zhuǎn)，在所定義的區(qū)域中存在磁性粒子且最終在所定義的區(qū)域加熱效應將被聚焦。加熱功率將與粒子的旋轉(zhuǎn)頻率成比例。假定取決于流體動力學直徑(τ = 4 π nr3/kT)的對應布朗弛豫的Debye時間常量約為幾到幾十kHz，將以相似的旋轉(zhuǎn)粒子頻率生成最大的加熱功率。一個感興趣的方面是 MPI的基頻同樣約為例如25kHz。因而，根據(jù)本發(fā)明，提出一系列旋轉(zhuǎn)聚焦加熱序列(特別是對于MPI，由此不再一定需要用于信號檢測的接收器件和用于從所述檢測信號進行圖像生成的處理器件)，這允許良好的局部加熱，例如用于局部癌癥療法。
旋轉(zhuǎn)序列被定義為作為時間的函數(shù)的無場點的空間位置。假如，這一位置位于磁性材料在原點的球體上。在3D空間，所述無場點以類似電子圍繞其原子核旋轉(zhuǎn)的方式圍繞磁性材料“旋轉(zhuǎn)”。因為磁性材料被暴露給不斷改變其方向的恒定磁場(即處于與無場點相對的方向)，磁化強度矢量將(努力)對準這個場。有效的磁場強度是MPI中的梯度場和旋轉(zhuǎn)球體的半徑的函數(shù)。在尼爾內(nèi)部重新排列和布朗粒子旋轉(zhuǎn)之間的競爭中，兩者的自由度可被激勵。很明顯，因為在高各向異性下晶格內(nèi)的磁化強度矢量受挫，所以更大的磁性核心尺寸具有有利于布朗粒子旋轉(zhuǎn)的趨勢，從而不允許在測量的時間幀內(nèi)進行尼爾內(nèi)部重新排列(失去超順磁性)。結(jié)果，最有效的熱生成機制可被最大化激勵。在優(yōu)選的實施例中，磁性粒子的試料從化學合成或物理分離進行優(yōu)化以有利于布朗粒子旋轉(zhuǎn)。這優(yōu)選地通過被熱阻塞的納米粒子來實現(xiàn)。檢查這個的方式為如下超順磁性是在例如MRI造影劑之后的基本效果。如果磁性核心直徑和/或磁各向異性增加(物理上等同于比起熱能量k. T與產(chǎn)物 K. V相等的“能量”的增加)，磁化可被熱阻塞。事實上，這意味著，尼爾內(nèi)部重新排列不再可能，且布朗旋轉(zhuǎn)將占主導地位(前提是操作的頻率范圍符合這一基頻 kHz)。對于鐵氧粒子，這一轉(zhuǎn)變通常發(fā)生在20到40nm左右?？僧a(chǎn)生較大粒子的試料和具有實質(zhì)多分散性 (例如具有較大粒子的重要餾分)的試料。結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明，MPI被轉(zhuǎn)變?yōu)椴诲e的方法以通過旋轉(zhuǎn)序列設(shè)計來提供和局部聚焦最佳加熱條件。這防止處置中將遞送高度分餾，這對于最佳的工作流程是必不可少的。根據(jù)優(yōu)選實施例，控制器件適合于控制驅(qū)動器件以沿著圍繞所述內(nèi)切球的二維序列的位置(特別是沿著圓)改變第一子區(qū)的空間位置。根據(jù)替代實施例，控制器件適合于控制驅(qū)動器件以沿著圍繞所述內(nèi)切球的三維序列的位置(特別是在球體上)改變第一子區(qū)的空間位置。二維軌跡(優(yōu)選在匹配MPI系統(tǒng)的星座的平面)的一個主要優(yōu)點是僅具有兩個電流的簡單控制機制。三維軌跡的一個主要優(yōu)點是，圓形旋轉(zhuǎn)可在第三個維度上調(diào)制。結(jié)果， 如果任何磁性材料將沿著無場點的路徑給出(因而在感興趣點之外，即在那個圓/球體或者腫瘤的原點之外)，那么將有效地占空循環(huán)(duty cycled)這種材料的重定向，從而使得在感興趣點(=腫瘤)之外將生成更少的熱。優(yōu)選地，控制器件適合于控制驅(qū)動器件以恒定角速率改變第一子區(qū)的空間位置。 這使得簡單實現(xiàn)成為可能。另外，磁化強度矢量將以恒定角速率連續(xù)旋轉(zhuǎn)，這導致最佳的加熱效率。而且，在有利實施例中，控制器件適合于控制驅(qū)動器件以在1到IOOkHz的范圍內(nèi) (特別是在10到30kHz的范圍內(nèi))的頻率改變第一子區(qū)的空間位置。優(yōu)選地，將使用匹配 MPI成像的頻率，從而使得系統(tǒng)可從成像模式切換到加熱模式。在旋轉(zhuǎn)模式的情況下，特征時間常量將約為數(shù)十微秒，這將頻率限制到數(shù)十kHz。在25kHz區(qū)域的頻率是良好的折中。根據(jù)優(yōu)選實施例，在加熱試驗之前和/或之后通過提供用于采集檢測信號的接收器件和用于重建圖像的處理器件(如在MPI裝置中常規(guī)提供的那樣)，來成像或者監(jiān)測磁性粒子的存在。諸如在MPI和熱療處置中的操作頻率、場梯度和場幅值的儀器化方面現(xiàn)在可以是可比較的，從而使得所有功能能夠通過使用相同裝置來執(zhí)行。
優(yōu)選的磁性粒子包括單疇磁性納米粒子，特別是膠質(zhì)穩(wěn)定的單疇磁性納米粒子。進一步優(yōu)選的是，單疇磁性納米粒子，特別是膠質(zhì)穩(wěn)定的單疇磁性納米粒子被封裝入具有內(nèi)部體積的且粘度等于或類似于被疏水膜分隔的水的粘度的脂質(zhì)體、聚合物囊泡 (polymersomes)或小泡(vesicles)中，其中，磁性粒子被布置于所述內(nèi)部體積中。


本發(fā)明的這些和其他方面將參考下面描述的實施例變得明了并且將得到闡述。在下面的附圖中圖1示出了磁性粒子成像(MPI)裝置的總布置圖的示意圖；圖2示出了由根據(jù)本發(fā)明的裝置產(chǎn)生的場線圖案的示例；圖3示出了存在于作用區(qū)域中的磁性粒子的放大視圖；圖如和4b示出了這種粒子的磁化特性；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的儀器的實施例的框圖；圖6示出了二維序列的示例的圖表；圖7示出了三維序列的示例的圖表；圖8示出了三維序列的另一示例的圖表；圖9示出了示出一種多分散材料的高斯分布的圖表；以及圖10示出了示出作為磁性核心直徑的函數(shù)的功率生成的圖表。
具體實施例方式圖1示出了由MPI裝置10檢查的任意對象。圖1中的附圖標記350指示了被放置在患者臺351上的對象(在這一實例中是人類或動物患者)，所述患者臺僅被顯示出其頂部。在應用根據(jù)本發(fā)明的方法之前，磁性粒子100(在圖1中未示出)被布置在本發(fā)明的裝置10的作用區(qū)域300中。尤其在對例如腫瘤的治療和/或診斷處置之前，磁性粒子100 被放置在作用區(qū)域300中，例如通過注射入患者350的身體中的包括磁性粒子100的液體 (未示出)。作為本發(fā)明的實施例的示例，圖2中示出的裝置10包括多個形成選擇器件210的線圈，所述線圈的范圍定義了作用區(qū)域300(也被稱為處置區(qū)域300)。例如，選擇器件210 被布置在患者350的上面和下面，或者在臺面的上面和下面。例如，選擇裝置210包括第一對線圈210、、210、、，每對線圈包括兩個相同構(gòu)造的繞組210、、210、、，所述繞組210、、210、、 被同軸地布置在患者350的上面和下面且通過相等的(尤其是相反方向的)電流。在下文， 第一線圈對210\210”統(tǒng)稱為選擇器件210。優(yōu)選地，在這一實例中使用直流。選擇器件 210生成磁選擇場211，其通常為在圖2中通過場線表示的梯度磁場。其在選擇器件210的線圈對的(例如，垂直)軸方向具有基本恒定的梯度，且在該軸上的某點值為零。從無場點 (圖2中未單獨示出)開始，隨著距離無場點的距離增加，磁選擇場211的場強在所有三個空間方向上增加。在由無場點周圍的虛線表示的第一子區(qū)301或區(qū)域301中，場強是如此之小，使得存在于該第一子區(qū)301中的粒子100的磁化強度并未飽和，而存在于第二子區(qū)中 302(在區(qū)域301之外)中的粒子100的磁化強度處于飽和的狀態(tài)。作用區(qū)域300中的無場點或第一子區(qū)301優(yōu)先為空間相干區(qū)域；其還可以是點狀區(qū)域，或者是線狀區(qū)域或片狀區(qū)域。在第二子區(qū)302(即在作用區(qū)域300中第一子區(qū)301之外的剩余部分)中，磁場強度強到足以使粒子100保持處于飽和狀態(tài)。通過改變在作用區(qū)域300中的兩個子區(qū)301、302 的位置，作用區(qū)域300中的(總體)磁化強度改變了。通過測量作用區(qū)域300中的磁化強度或受磁化強度影響的物理參數(shù)，可以獲得關(guān)于在作用區(qū)域中的磁性粒子的空間分布的信息。為了改變在作用區(qū)域300中的兩個子區(qū)301、302的相對空間位置，將另一磁場(所謂的磁驅(qū)動場221)疊加在作用區(qū)域300中的選擇場211上或作用區(qū)域300中的至少一部分上。圖3示出了與本發(fā)明的裝置10 —起使用的這種類型的磁性粒子100的示例。其包括例如具有軟磁層102的球形基底101，所述球形基底例如是玻璃的，所述軟磁層例如具有5nm的厚度且例如由鐵鎳合金(例如透磁合金)組成。這一層可被覆蓋，例如，借助保護粒子100抵抗化學和/或物理侵襲環(huán)境(例如酸)的涂層103來覆蓋。對于這種粒子100 的磁化強度飽和所要求的磁選擇場211的磁場強度取決于多種參數(shù)，例如粒子100的直徑、 磁性層102所使用的磁性材料和其他參數(shù)。在例如10 μ m直徑的實例中，然后要求近似800A/m (對應于近似ImT的通量密度) 的磁場，然而在100 μ m直徑的實例中，80A/m的磁場足夠了。當選擇了具有較低飽和磁化強度的材料的涂層102時，或者當層102的厚度減小時，將獲得更加小的值。針對優(yōu)選的磁性粒子100的進一步細節(jié)，DE 10151778的對應部分，尤其是要求DE 10151778的優(yōu)先權(quán)的EP 1304542A2的段落16到20和段落57到61在此以引用方式并入本文。另一個適合的材料例如在EP 1738773和EP 1738774中描述了，其中描述了為MPI 進行優(yōu)化的磁性納米粒子，即基于膠質(zhì)鐵氧化物的SPIO (即超順磁性的納米粒子)。其他適合的材料包括單疇磁性納米粒子，特別是膠質(zhì)穩(wěn)定的單疇磁性納米粒子。進一步優(yōu)選的是， 單疇磁性納米粒子，特別是膠質(zhì)穩(wěn)定的單疇磁性納米粒子被封裝入具有內(nèi)部體積的且粘度等于或類似于被疏水膜分隔的水的粘度的脂質(zhì)體、聚合物囊泡或小泡中，其中，磁性粒子被布置于所述內(nèi)部體積中。第一子區(qū)301的尺寸一方面取決于磁選擇場211的梯度的強度，另一方面取決于飽和所需要的磁場的場強。對于處于80A/m的磁場強度和總計160 103A/m2的磁選擇場211 的場強的梯度(在給定空間方向)下磁性粒子100的完全飽和，其中所述粒子100的磁化強度未飽和的第一子區(qū)301 (在給定空間方向)具有約Imm的尺寸。當將另一磁場(下文稱為磁驅(qū)動場221)疊加在作用區(qū)域300中的磁選擇場210上時，第一子區(qū)301相對于第二子區(qū)302在這一磁驅(qū)動場221的方向上移位了 ；這一移位的程度隨著磁驅(qū)動場221的強度增加而增加。當所疊加的磁驅(qū)動場221在時間上是可變時，第一子區(qū)301的位置相應地在時間和空間上進行變化。比起在磁驅(qū)動場221變化的頻帶內(nèi)， 在另一個頻帶內(nèi)(移位到較高頻率)從位于第一子區(qū)301中的磁性粒子100接收或檢測信號是更有利的。這是可能的，因為由于在作用區(qū)域300中的磁性粒子100的磁化強度的改變導致磁化特性的非線性，出現(xiàn)磁驅(qū)動場221的頻率的更高次諧波的頻率分量。為了對于任何給定空間方向生成這些磁驅(qū)動場221，提供了三個另外的線圈對，即第二線圈對220\第三線圈對220”和第四線圈對22(Τ”，統(tǒng)稱為驅(qū)動器件220。例如，第二線圈對22(Τ生成在第一線圈對210\210”或選擇器件210的線圈軸的方向上(即例如垂直地)延伸的磁驅(qū)動場221的分量。為這個目的，繞組或第二線圈對22(Τ通過相同方向的相等電流。借助第二線圈對22(Τ可實現(xiàn)的效果原則上也可通過在第一線圈對210\210” 上的相反、相等電流上疊加同一方向的電流以使在一個線圈上的電流減小及在另一個線圈上的電流增大來實現(xiàn)。然而，尤其為了具有更高信噪比的信號譯碼，當通過選擇器件210和驅(qū)動器件220的分別的線圈對生成時間恒定(或準穩(wěn)定)的選擇場211(也被稱為梯度磁場)和時間可變的垂直磁驅(qū)動場時可能是更有利的。為了生成在空間的不同方向上(例如在作用區(qū)域300(或患者350)的縱向方向上垂直地)延伸的磁驅(qū)動場221的分量，提供另兩個線圈對220”、220”\如果He lmho Itz 類型的第三線圈對22(Τ、和第四線圈對22(Τ ~、(如同選擇器件210和驅(qū)動器件220的線圈對)被用于這一目的，這些線圈對將不得不被布置到處置區(qū)域的左邊和右邊，或者在這一區(qū)域的前邊和后邊。這將影響作用區(qū)域300或處置區(qū)域300的可及性(accessibility)。 因此，第三線圈對或線圈220”和/或第四磁性線圈對或線圈也被布置在作用區(qū)域 300的上邊和下邊，因此，它們的繞組配置必須不同于第二線圈對22(Τ的繞組配置。然而， 這一類型的線圈可從具有開放磁體的磁共振儀器(開放MRI)的領(lǐng)域知曉，在所述儀器中射頻(RF)線圈對被放置在處理區(qū)域中的上邊和下邊，所述RF線圈對能夠生成水平的、時間可變的磁場。因此，本文無需贅述這樣的線圈構(gòu)造。根據(jù)本發(fā)明的裝置10的這一實施例還包括在圖1中僅示意性示出的接收器件 230。接收器件230通常包括能夠檢測由在作用區(qū)域300中的磁性粒子100的磁化強度圖案感應的信號的線圈。然而，從磁共振儀器的領(lǐng)域應該知道這一類的線圈，在所述磁共振儀器中例如射頻(RF)線圈對被放置在作用區(qū)域300周圍以具有盡可能高的信噪比。因而，本文無需贅述這樣的線圈構(gòu)造。應當注意的是，不是必需這樣的接收器件230來執(zhí)行本發(fā)明要求的方法。僅僅在需要在對磁性材料100加熱之外的成像時，在裝置中將提供這樣的接收裝置230。在用于圖1示出的選擇器件210的替代實施例中，可使用永磁體(未示出)生成梯度磁選擇場211。在這樣的(相對的)永磁體(未示出)的兩極之間的空間中，形成了類似圖2中磁場的磁場，即，其中相對的極具有相同的極性。在根據(jù)本發(fā)明的裝置的另一個替代實施例中，如圖2中描繪的那樣，選擇器件210包括至少一個永磁體和至少一個線圈21(Τ、 210”兩者。通常用于選擇器件210、驅(qū)動器件220和接收器件230的不同部件的或用在所述不同部件中的頻率范圍大致如下由選擇器件210生成的磁場在所有時間內(nèi)都不變化或者變化相對緩慢，優(yōu)選在約IHz和約IOOHz之間。由驅(qū)動器件220生成的磁場優(yōu)選在約25kHz 和約IOOkHz之間變化。接收裝置敏感的磁場變化優(yōu)選在約50kHz到IOMHz之間的頻率范圍內(nèi)。圖如和4b示出了在這種粒子的分散體中的磁化特性，即作為在一粒子100的位置處的場強H的函數(shù)的該粒子100磁化強度M的變化(在圖如和4b中未示出)。其中可看出，磁化強度M在場強+H。之上和場強-H。之下不再變化，這意味著達到飽和磁化強度。 磁化強度M在值+H。和-H。之間是不飽和的。圖如示出了在粒子100的位置處的正弦磁場H(t)的效應，其中在所述位置產(chǎn)生的正弦磁場H(t)的絕對值(即“通過粒子100看到”)低于磁化飽和粒子100所要求的磁場強度，即在所述位置沒有有效的其他磁場的情況下。在這一條件下的一個或多個粒子100 的磁化強度隨著磁場H(t)的頻率的節(jié)奏在其飽和值之間往復變化。圖如的右手側(cè)的附圖標記M(t)指示了磁化強度隨著時間的結(jié)果變化。其中可看出，磁化強度同樣周期性改變， 且這種粒子的磁化強度是周期性反轉(zhuǎn)的。在曲線的中間的虛線部分指示了作為正弦磁場H(t)的場強的函數(shù)的磁化強度 M(t)的近似平均值變化。隨著偏離開該中心線，當磁場H從-H。增加到+H。時，磁化強度向右輕度延伸；且當磁場H從+H。降低到-H。時，磁化向左輕度延伸。這一已知的效應被稱為對應熱生成的機制下的磁滯效應。在曲線路徑之間形成且其形狀和大小取決于材料的磁滯表面區(qū)域是基于磁化強度變化的熱生成的測度。圖4b示出了在其上疊加有靜態(tài)磁場Hl的正弦磁場H(t)的效應。因為磁化強度處于飽和狀態(tài)，所以其實際上未受正弦磁場的影響。磁化M(t)在這一區(qū)域中隨著時間保持恒定。因此，磁場H(t)并未引起磁化狀態(tài)的改變。圖5示出了圖1所示的裝置10的框圖。在圖5中示意性示出選擇器件210。優(yōu)選地，選擇器件210與三個磁選擇場生成器件(特別是線圈、永磁體或線圈和永磁體的組合) 一起提供。所述三個磁選擇場生成器件優(yōu)選被布置使得對于每個空間方向提供一個磁選擇場生成器件。如果在實施例中提供線圈對作為磁選擇場生成器件，所述線圈對被提供來自可控電流源32的DC電流，所述電流源32由控制器件76控制。為了獨立設(shè)置在所需方向上的選擇場211的梯度強度，重疊的電流被重疊在線圈對的至少一個上，其中，相對的線圈的重疊電流在方向上相反。在優(yōu)選的實施例中，控制器件76進一步控制以使選擇場211的所有三個空間部分的場強總和及梯度強度總和保持在預定水平。如果在實施例中提供永磁體取代線圈對作為磁選擇場生成器件，電流源32需要被致動器件32、(例如電機)替代，所述致動器件32、能夠機械地移動永磁體以根據(jù)由控制器件76提供的控制信號設(shè)置所需方向上的梯度強度?？刂破骷?6反過來連接到與用于顯示在檢查區(qū)中的磁性粒子的分布的監(jiān)視器13 和輸入單元14(例如鍵盤)耦接的計算機12。用戶因而能夠設(shè)置具有最高分辨率的所需方向，并反過來接收在監(jiān)視器13上的作用區(qū)域的相應圖像。如果其中需要最高分辨率的關(guān)鍵方向偏離于用戶首先設(shè)置的方向，則用戶還可以手動改變這一方向以產(chǎn)生具有改進成像分辨率的另一圖像。這一分辨率改進過程也可由控制器件76和計算機12自動運行。在這一實施例中的控制器件76設(shè)置在自動估計的或由用戶依照初始值設(shè)置的第一方向上的梯度場。梯度場的方向然后階梯式地變化，直到由此接收的圖像的分辨率(其由計算機12進行比較)是最大的(相應無法再提高)。因此，可相對自動適應地找到最關(guān)鍵的方向以接收盡可能高的分辨率。線圈對(第二磁性器件)220\220…、220、…連接到電流放大器41、51、61，所述線圈對接收來自所述電流放大器的電流。電流放大器41、51、61反過來在每種情況下連接到定義將被放大的電流Ix、Iy、Iz的時間來源的AC電流源42、52、62。AC電流源42、52、62 由控制器件76控制。在圖5中還示意性示出了(非必需的)接收線圈(接收器件)。從接收線圈230 感應的信號被饋送到濾波單元71，借助濾波單元71濾波所述信號。這一濾波度受到兩部分區(qū)域(301、302)的位置的改變影響。為這一目的，濾波單元71例如可這樣設(shè)計其時間頻率小于操作線圈對22(Τ、22(Τ\22(Τ—的時間頻率或者小于線圈對的這些時間頻率的兩倍的信號無法通過濾波單元71。這些信號然后通過放大器單元72被傳輸?shù)侥?/數(shù)轉(zhuǎn)換器73 (ADC)。由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器73產(chǎn)生的數(shù)字化信號被饋送到圖像處理單元(也被稱為重建器件)74，所述圖像處理單元74從這些信號和假設(shè)在接收相應信號期間在檢查區(qū)中的第一磁場的第一部分區(qū)域301的相應位置中重建磁性粒子的空間分布，所述相應位置是圖像處理單元74從控制器件76中獲得的。所重建的磁性粒子的空間分布最終經(jīng)由控制器件76被傳輸?shù)接嬎銠C12中，并在監(jiān)視器13中顯示這一空間分布。在WO 2004/018039Α中描述了這樣一種裝置(沒有接收器件)用于在對象的區(qū)域上應用局部加熱。其中特別描述了，當在第一子區(qū)域的空間位置輕微改變時，放置在第一子區(qū)域中的或者從第一子區(qū)域遷移到第二子區(qū)域中(或反之亦然)的那些粒子的磁化強度改變。因為磁化強度的這一改變，發(fā)生了熱損耗，例如，歸因于在粒子中的磁滯效應或類磁滯效應，或者歸因于粒子運動的開始，并且粒子周圍的介質(zhì)溫度在加熱區(qū)域中升高。當磁場的第一子區(qū)域在整個靶標區(qū)域中移位時，加熱區(qū)域?qū)诎袠藚^(qū)域。第一子區(qū)域越小，盡可能小的加熱區(qū)域的尺寸將越小。因為當磁化強度僅改變一次時僅產(chǎn)生相對小量的熱，所以磁化強度必須改變多次。改變的必要次數(shù)(即在給定時間間隔內(nèi)的頻率)和在加熱區(qū)域中粒子周圍的介質(zhì)的關(guān)聯(lián)溫度上升取決于粒子的濃度，取決于每次改變產(chǎn)生的熱(其本身取決于粒子結(jié)構(gòu)和磁性反轉(zhuǎn)的速度)以及加熱區(qū)域周圍的區(qū)域中的熱消散。關(guān)于加熱應用的總體方面的更多細節(jié)請參考WO 2004/018039Α，其中的總體方面的描述以應用方式并入本文。已知的加熱效應主要利用了上面描述的尼爾效應。相反，本發(fā)明主要依賴懸浮的磁性粒子的布朗旋轉(zhuǎn)自由度。因此，根據(jù)本發(fā)明，用于控制驅(qū)動器件220的控制器件76被布置成以使得內(nèi)切球的中心區(qū)域被加熱的持續(xù)時間和頻率沿著圍繞內(nèi)切球的一序列位置改變第一子區(qū)301(FFP)的空間位置。這示意性在圖6上示出，其中示出了圍繞中心區(qū)域401 的FFP 301的位置的二維連續(xù)旋轉(zhuǎn)序列400，例如腫瘤位于且磁性材料100被放置在中心區(qū)域401中。內(nèi)切球優(yōu)選具有與圓形序列400相同的直徑，但也可以具有更小的直徑(而非更大的直徑)。通過重疊在AC場的選擇場來生成作為時間的函數(shù)的旋轉(zhuǎn)序列400，所述選擇場的無場點位于磁性材料的位置。AC場是正交的(90度相移)Hx = Heff cos (cot) ；Hy = Heff cos (ω t+π/2) = Heff sin (ω t)，其中Heff等于梯度選擇場和顯現(xiàn)無場點的有效時間演化的旋轉(zhuǎn)圓的半徑的乘積。頻率和有效場Heff的組合可根據(jù)對應最大熱生成的特定磁性粒子試料來進行優(yōu)化。頻率和有效場被轉(zhuǎn)變以對應在特定磁性粒子試料中的最大熱生成。從相反方向，改變化學反應來制造那些粒子將是最困難的。熱生成與有效場和頻率的平方成比例，然而復合磁化率也是頻率的函數(shù)以及尼爾/布朗再磁化的時間常量的函數(shù)。因此可以預見到的是， 對于其他每個試料可以發(fā)現(xiàn)最適宜的參數(shù)。應當注意的是，通過在系統(tǒng)中的梯度場和無場點沿其周圍運動的內(nèi)切球的直徑來設(shè)定有效場。這一有效場應當盡可能大，但是在實際中將被限制在 5-10-20mT。
在另一個實施例中使用了連續(xù)的3D序列。在這一實施例中，旋轉(zhuǎn)序列最終使其無場點位于球體上，但覆蓋了 3D上的整個球體，可通過以下來達到Hx = Heff cos( lt) cos(co2t) ；Hy = Heff cos (ω sin (ω 2t) ；Hz = Heff cos (ω 2t)，其中 ω ！禾日 ω 2 僅略微不同(例如)，且Heff等于梯度選擇場和旋轉(zhuǎn)球體的半徑的乘積。再而，頻率和有效場Heff的組合可根據(jù)對應最大熱生成的特定磁性粒子試料來進行優(yōu)化。以上關(guān)于優(yōu)化的意見在此同樣適用。在2D或3D中可使用更加復合的序列，只要相應地，內(nèi)切特征對應于圓或球體。在圖7和8中描繪了包括參量的2D和3D時間路徑410、420的兩個示例。為了不使諸如傳輸和接收濾波器的設(shè)備的設(shè)計方面變得復雜，涉及參量路徑的頻率優(yōu)選被限制在一對僅略微不同的基頻(與上面提到的Q1* ω2相比)上。結(jié)果，在中心401的磁性粒子100的磁化強度矢量的有效轉(zhuǎn)矩(或者更通俗地說是操作)現(xiàn)在通過在那一位置的有效磁場中的調(diào)制來調(diào)制。這一自由度給出對應頻率的優(yōu)化的附加參數(shù)，以及給出對應最大熱生成的有效場。 應當再次注意的是，最大熱生成對于維持由磁性材料的局部存在而創(chuàng)建的暗含的焦點是必不可少的。如在此描述的有效占空循環(huán)可能對于磁性粒子試料是適當?shù)模遣煌耆ヅ溆糜贛PI成像的粒子操作頻率。因而，如上面解釋的那樣，所有軌跡的共同特性是其包括在腫瘤的位置周圍形成的內(nèi)切球。結(jié)果，在那一位置的任何磁性材料的磁化強度將具有旋轉(zhuǎn)特性。優(yōu)選地，將使用匹配MPI成像的頻率，從而使得系統(tǒng)可從成像模式切換到加熱模式。在旋轉(zhuǎn)模式的情況下，特性時間常量將約為數(shù)十微秒，其將頻率限制的數(shù)十kHz。因而 25kHz是一個良好的折中。對于2D情況的圓，將使用在相位上補償(π /2)的相同頻率。極坐標 r = r ； θ = 2 π ft 等于 χ = r cos (2 π f. t) ;y = r cos (2 nf.t+π /2)。對于3D情況，將優(yōu)選使用匹配MPI成像的頻率，從而使得系統(tǒng)可輕易在成像模式和加熱模式之間切換。從2D進行到3D的構(gòu)思的關(guān)鍵是將在圓形軌跡上的任何附加加熱效應(因為FFP 局部切換)擴散到球體軌跡上，以使總體加熱被更有效地聚焦在中心上。導致在圓形軌跡上的那些附加加熱效應的任何無意再磁化過程將因此具有有效地占空循環(huán)，以使在這種特定位置的平均熱生成將減小。重要的是要注意，在FFP的位置上可能存在一些加熱效應(歸因于磁性材料的尼爾旋轉(zhuǎn)，只要存在)。然而，根據(jù)本發(fā)明，在由FFP(即在腫瘤的位置上)的軌跡形成的圓/ 球體內(nèi)的加熱將實質(zhì)上更加有效。后者的加熱效應歸因于粒子的布朗旋轉(zhuǎn)。事實是，發(fā)生在FFP的位置和軌跡上的附加加熱是實際上有利的，因為其將抑制從中心腫瘤位置的熱泄
Mo這里的一個特別示例是同時使用兩種造影劑。第一種劑可以是用于在成像模式的 MPI的經(jīng)靜脈注射的標準血池劑，而第二種是用于處置的例如在腫瘤內(nèi)施予的造影劑。第一種劑將存在于腫瘤內(nèi)或附近，甚至可能略微在腫瘤內(nèi)或附近聚積，以強調(diào)腫瘤的位置，而第二種在處置的時間幀內(nèi)固定于腫瘤內(nèi)。在這一情況下重要的是，任何由于第一種劑的材料的加熱保持在最小量。
優(yōu)選的是，磁性粒子應當必不可少地被解除束縛。這意味著，固定在例如細胞(主動靶向)內(nèi)的粒子可具有有限的加熱能力。然而，自由移動的粒子，或者被包含在脂質(zhì)體或乳劑內(nèi)的粒子將具有優(yōu)良的加熱能力，前提是粒子所在的介質(zhì)的粘度與水的粘度相等或相近。歸因于運作模式的改變(布朗旋轉(zhuǎn)而不是尼爾旋轉(zhuǎn))的另一個重要的效應是歸因于磁性粒子的多分散性(因為其通常由化學合成而來)，為了有效加熱布朗旋轉(zhuǎn)并不是特別束縛于尺寸-頻率的組合。在圖9和10中的圖表給出了一些解釋。假設(shè)，多分散材料的高斯分布如在圖9中所示的那樣，圖9示出了對比磁性核心直徑的分餾分布，其中具有平均值20nm和標準偏差5nm。X軸示出了以納米為單位的磁性核心直徑D，Y軸示出了分布或分餾的強度(cfr% )。在這一分布下的整數(shù)應當是等于1 = 100%。圖10示出了圖示說明作為磁性核心直徑的函數(shù)的功率生成的圖表。X軸示出了磁性核心直徑D ；Y軸示出了每單位密度的分餾功率損耗Pfflli，每單位密度的分餾功率損耗P
從對應給定磁性核心直徑的每單位密度功率損耗(W/g)和分布的強度的乘積計算出來。 在這一曲線下的積分給出材料的每單位密度的總功率損耗(W/g)。三個曲線對應于僅尼爾、 僅布朗和兩者的組合(平均)。詞語“平均”指的是對應在后一情況下的尼爾和布朗的時間常數(shù)的比重 Teff = τ N τ Β/( τ N+ τ J。如果對所有材料進行積分，對應整個磁性材料的積分后的功率密度，在布朗旋轉(zhuǎn)的情況下大致高出在尼爾情況下的數(shù)量，例如76W/g對llW/g，與平均62W/g進行比較(飽和磁化強度Ms = 230kA/m/磁場H = 10kA/m)。還可在《Magnetism in Medicine》第 4· 6 章/Rosensweig 2002, JMMM 252，370—74 中發(fā)現(xiàn)的基本方程是每單位重量材料的磁性材料的損耗功率密度由以下給出(以線性逼近形式)ΡΝ/Β =X " rff/P，其是頻率f和所應用的場H的函數(shù)。這一方程與材料的密度成比例。

磁化率的虛部由以下給出:
權(quán)利要求
1.一種用于加熱位于作用區(qū)域內(nèi)的內(nèi)切球的中心區(qū)域中的磁性材料(100)的裝置 (10)，所述裝置包括-選擇器件010)，用于生成其磁場強度具有空間圖案的磁選擇場011)，從而使得在所述作用區(qū)域(300)中形成具有低磁場強度的第一子區(qū)(301)和具有較高磁場強度的第二子區(qū)(302)；-驅(qū)動器件020)，用于借助磁驅(qū)動場(221)來改變所述作用區(qū)域(300)中的所述兩個子區(qū)(301、30幻的空間位置，從而使得所述磁性材料(100)的磁化強度發(fā)生局部改變；以及-控制器件(76)，用于控制所述驅(qū)動器件Q20)以使得所述內(nèi)切球的中心區(qū)域被加熱的持續(xù)時間和頻率沿著圍繞所述內(nèi)切球的一序列位置改變所述第一子區(qū)(301)的空間位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置(10)，其中，所述控制器件(76)適合于控制所述驅(qū)動器件O20)以沿著圍繞所述內(nèi)切球的二維序列的位置，特別是沿著圓改變所述第一子區(qū)(301)的空間位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置(10)，其中，所述控制器件(76)適合于控制所述驅(qū)動器件(220)以沿著圍繞所述內(nèi)切球的三維序列的位置，特別是在球體上改變所述第一子區(qū)(301)的空間位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置(10)，其中，所述控制器件(76)適合于控制所述驅(qū)動器件(220)以恒定角速率改變所述第一子區(qū)(301)的空間位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置(10)，其中，所述控制器件(76)適合于控制所述驅(qū)動器件O20)以在從1到IOOkHz范圍內(nèi)， 特別是在從10到30kHz范圍內(nèi)的頻率改變所述第一子區(qū)(301)的空間位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置(10)，其還包括-接收器件030)，用于采集檢測信號，所述檢測信號取決于所述作用區(qū)域(300)的磁化強度，所述磁化強度受到所述第一子區(qū)(301)和所述第二子區(qū)(30 的空間位置的改變的影響；以及-處理器件(74)，用于從所采集的檢測信號重建至少所述中心區(qū)域的圖像。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置(10)，其中，所述磁性材料(100)包括單疇磁性納米粒子，特別是膠質(zhì)穩(wěn)定的單疇磁性納米粒子。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置(10)，其中，所述磁性材料(100)包括被封裝入具有內(nèi)部體積的且粘度等于或類似于被疏水膜分隔的水的粘度的脂質(zhì)體、聚合物囊泡或小泡中的單疇磁性納米粒子，特別是膠質(zhì)穩(wěn)定的單疇磁性納米粒子，其中，所述磁性粒子被布置于所述內(nèi)部體積中。
9.一種用于加熱位于作用區(qū)域內(nèi)的內(nèi)切球的中心區(qū)域中的磁性材料(100)的方法，所述方法包括以下步驟-生成其磁場強度具有空間圖案的磁選擇場011)，從而使得在所述作用區(qū)域(300)中形成具有低磁場強度的第一子區(qū)(301)和具有較高磁場強度的第二子區(qū)(302)；-借助磁驅(qū)動場021)來改變所述作用區(qū)域(300)中的所述兩個子區(qū)(301、302)的空間位置，從而使得所述磁性材料(100)的磁化強度發(fā)生局部改變；以及-控制所述驅(qū)動器件O20)以使得所述內(nèi)切球的中心區(qū)域被加熱的持續(xù)時間和頻率沿著圍繞所述內(nèi)切球的一序列位置改變所述第一子區(qū)(301)的空間位置。
10. 一種包括程序代碼模塊的計算機程序，所述程序代碼模塊用于當在計算機上執(zhí)行所述計算機程序時，使所述計算機控制如權(quán)利要求1所述的裝置以執(zhí)行如權(quán)利要求9所述的方法的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于加熱位于作用區(qū)域內(nèi)的內(nèi)切球的中心區(qū)域中的磁性材料(100)的裝置(10)，所述裝置包括選擇器件(210)，用于生成其磁場強度具有空間圖案的磁選擇場(211)，從而使得在所述作用區(qū)域(300)中形成具有低磁場強度的第一子區(qū)(301)和具有較高磁場強度的第二子區(qū)(302)；驅(qū)動器件(220)，用于借助磁驅(qū)動場(221)來改變所述作用區(qū)域(300)中的兩個子區(qū)(301、302)的空間位置，從而使得所述磁性材料(100)的磁化強度發(fā)生局部改變；以及控制器件(76)，用于控制所述驅(qū)動器件(220)以使得所述內(nèi)切球的中心區(qū)域被加熱的持續(xù)時間和頻率沿著圍繞所述內(nèi)切球的一序列位置改變所述第一子區(qū)(301)的空間位置。
文檔編號A61N2/06GK102421359SQ201080020045
公開日2012年4月18日 申請日期2010年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月8日
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