JP2013169382A - 磁化検出装置及び磁化検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プローブと温度が異なる被検体の磁性流体を検出する場合に、磁性流体の検出信号に磁気センサの温度変化による信号が紛れ込むことのない磁化検出装置を提供する。
【解決手段】
プローブ部３は、前後方向に磁束を発生させる電磁石１１と、電磁石１１の磁界に対して対称に配置された２つの磁気センサ１３，１５と、３軸加速度センサ１７を備える。励磁駆動回路２９は、電磁石１１を交流励磁する。差動増幅器１９は、磁気センサ１３，１５の差分信号を出力し、同期検波回路２１は、磁気センサの差分信号を同期検波して検波出力信号を出力する。検波出力信号は、ＡＤＣ２３でＡ／Ｄ変換されてマイコン２５へ入力される。マイコン２５は、検波出力信号を微分して磁化検出するとともに、プローブ部３の前後方向の加速度が所定以上であれば、磁化検出を抑止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、微量な磁性体を磁化させて検出する磁化検出装置及び磁化検出方法に関する。

癌の主要な転移経路として、原発巣から遊離した癌細胞が搬送される流れによって、血行性転移とリンパ行性転移がある。このうち、リンパ行性転移は、リンパの流れに沿って進行するという性質がある。癌発生の部位によって、転移を起こしやすいリンパ節が分かっており、系統立てて所属リンパ節と呼ばれている。そこで腫瘍の取り残しをできる限り減らすという目的で、癌細胞が転移している可能性がある所属リンパ節を予防的に全て切除するリンパ節郭清が行われてきた。

しかし、手術後の後遺症を軽減し、患者の生活の質（ＱＯＬ）を高めるためには、必要以上にリンパ節を切除しないことが好ましい。そこで腫瘍部位から最初に癌細胞が流れ着くリンパ節（Sentinel Lympa Node,センチネルリンパ節と呼ばれる）を術中に切除し、迅速に病理検査を行って、転移の有無を判断する。そしてセンチネルリンパ節に転移がなければ、リンパ節郭清を省略する手術が行われるようになった。

センチネルリンパ節を容易にかつ精度よく検出する方法として、腫瘍周囲にトレーサ物質（マーカとも呼ばれる）を注入して、トレーサ物質がセンチネルリンパ節に蓄積されることを利用する。このようなトレーサ物質として、蛍光物質、放射性物質、磁性物質が考えられる。

しかし蛍光物質の場合には、励起光を照射して蛍光を検出する際に、肺の内部のように着色されている部位では検出が困難である。また放射性物質の場合には、取り扱いが困難であり、管理区域が制限されることから普及の課題がある。

トレーサ物質として磁性流体を用いる場合には、蛍光物質や放射性物質のような欠点がなく、励磁用磁石と磁気センサにより磁性流体を検出する磁化検出装置（磁性流体検出装置）が特許文献１に記載されている。

この従来技術の装置は、図３に示すように、離れた位置の磁性流体である測定対象物１０９を十分磁化するための励磁用磁石１０１と、この励磁用磁石１０１に近接した２個の磁気センサ１０３，１０５を備えている。地磁気など外部磁界の影響を除去して検出感度を高めるために、磁気センサ１０３，１０５の出力を差動増幅器１０７へ入力して、出力差を増幅している。磁気センサとしては、励磁用磁石に近接していることから、磁気飽和することなく、高感度な磁化検出を行うために、半導体のホール素子を用いるのが適している。

特許第３８４７６９４号公報

しかしながら、上記従来の磁化検出装置の磁気センサとして、ホール素子を使用した場合、磁化検出装置と温度が異なる被検体に検出部を接触させると、磁性流体の検出信号と、２つのホール素子の温度差による信号とが区別がつかないという問題点があった。

以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、磁化検出装置と温度が異なる被検体内部の磁性流体を検出する場合であっても、磁性流体の検出信号に磁気センサの温度変化による信号が紛れ込むことのない磁化検出装置及び磁化検出方法を提供することである。

上記問題点を解決するために本発明は、互いに直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の内、Ｙ軸方向に磁束を発生させる励磁用磁石（１１）と、Ｙ軸方向に励磁用磁石（１１）を介して配置された２つの磁気センサ（１３，１５）と、加速度センサ（１７）とを備えるプローブ部（３）と、２つの磁気センサ（１３，１５）の出力の差分を出力する差動増幅器（１９）と、差動増幅器（１９）の出力に基づいて磁化検出する磁化検出部（２５）と、加速度センサ（１７）がＹ軸方向に所定以上の加速度を検出している場合に、磁化検出部（２５）における磁化検出を抑止する検出抑止部（２５）とを備えたことを要旨とする磁化検出装置（１）である。

また本発明は、前記磁化検出装置において、２つの磁気センサ（１３，１５）としては、それぞれホール素子を用いたことを要旨とする。

また本発明は、前記磁化検出装置において、励磁用磁石（１１）は、交流磁界を発生させる電磁石であり、磁化検出部（２５）は、差動増幅器（１９）の出力を同期検波（２１）した検波出力信号を微分して磁化検出することを要旨とする。

また本発明は、前記磁化検出装置において、検出抑止部（２５）は、加速度センサ（１７）がＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向のいずれででも所定以上の加速度を検出していない場合に、磁化検出部（２５）における磁化検出を抑止することを要旨とする。

また本発明は、互いに直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の内、Ｙ軸方向に磁束を発生させる励磁用磁石（１１）と、Ｙ軸方向に励磁用磁石（１１）を介して配置された２つの磁気センサ（１３，１５）と、加速度センサ（１７）とを備えるプローブ部（３）の検出信号に基づいて磁化を検出する磁化検出方法であって、励磁用磁石から交流磁界を発生させるステップと、２つの磁気センサにより磁界を検出するステップと、２つの磁気センサの出力差を増幅するステップと、出力差に基づいて磁化検出するステップと、加速度センサがＹ軸方向に所定以上の加速度を検出している場合に、磁化検出を行わないステップとを備えたことを要旨とする。

本発明によれば、磁化検出装置と温度が異なる被検体内部の磁性流体を検出する場合であっても、磁性流体の検出信号に、磁気センサの温度変化による信号が紛れ込むことのない磁化検出装置及び磁化検出方法を提供することができるという効果がある。

本発明に係る磁化検出装置の実施形態を説明する制御ブロック図である。 （ａ）は、磁化検出装置の斜視図、（ｂ）は、磁化検出装置の平面図である。 磁化検出装置の検出原理を説明する図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る磁化検出装置の実施形態の要部を説明する制御ブロック図である。図２（ａ）は、本発明に係る磁化検出装置の外観を示す斜視図、図２（ｂ）は平面図である。図１、２に示すように、本発明に係る磁化検出装置１の外観は、略円柱状のプローブ部３と、プローブ部３に接続する扁平直方体形状の計測回路部５からなる。

磁化検出装置１の利用者は、プローブ部３の先端部を被検体の表面に沿って動かしながら、計測回路部５の上面に配置された表示部７、９に表示される検出信号の表示を見て、磁性流体の位置を探すことにより、測定対象物１０９の位置を検出する。ここで、表示部７は、バーグラフ表示のデジタルメータ、表示部９は、数字表示のデジタルメータである。表示部７，９の少なくとも一方を備えることが好ましい。尚、表示部として従来の指針を有するアナログメータであってもよいが、後述する励磁用磁石からの影響を避けるために磁気シールドするのが好ましい。

図１に示すように、プローブ部３には、円筒状の外皮の中に、励磁用磁石としての電磁石１１、電磁石１１の磁界に対して対称に配置された２個の磁気センサ１３，１５、３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）方向の加速度を検出する３軸加速度センサ１７が収容されている。

図２に示すように、本実施形態では、プローブ部３に付与された座標系を用いる。プローブ部３の前方（被検体の方向）を＋Ｙ方向、プローブ部３の右方向を＋Ｘ方向、上方を＋Ｚ方向としている。

電磁石１１は、円柱状のプローブ部３の軸（Ｙ軸）と一致する位置に軸を有する円柱状の軟磁性体を用いた磁心１１ａと、この磁心１１ａの周りに巻回された励磁コイル１１ｂとを備えている。本実施形態では、高感度で磁性流体を検出できるように、励磁用磁石は、交流駆動の電磁石としたが、励磁用磁石として、永久磁石、或いは直流駆動の電磁石であってもよい。但し、励磁用磁石として、永久磁石を用いる場合には、後述する励磁駆動回路２９は不要となる。また、励磁用磁石として、直流駆動の電磁石１１を用いる場合には、励磁駆動回路２９は直流の駆動電流を供給することは言うまでもない。

電磁石１１の前後には、電磁石１１が発生する磁界に対して対称に磁気センサ１３，１５が配置されている。この配置により、磁気センサ１３，１５が検出する電磁石１１の磁束密度は等しくなる。尚、磁気センサ１３，１５を共に電磁石１１の前方に、電磁石１１が発生する磁界に対して対称に配置してもよい（図３（ａ）参照）。

磁気センサ１３，１５には、市販のリニアホールＩＣを利用している。リニアホールＩＣは、ホール素子と増幅器を集積化し、磁束密度に比例したアナログ電圧を出力するものである。尚、磁気センサ１３，１５として、それぞれ単体のホール素子（４端子素子）を用いて構成する場合には、一対の電流駆動端子間に素子供給者が規定する直流電流を流し、一対の電圧検出端子間の電圧を差動増幅器へ入力することにより、磁束密度に比例したアナログ電圧が得られる。このアナログ電圧が、図１の磁気センサ１３，１５の出力に相当する。

計測回路部５は、磁気センサ１３，１５の出力の差分を増幅する差動増幅器１９と，差動増幅器１９の出力を同期検波する同期検波回路２１と、同期検波回路２１の出力をＡ／Ｄ変換するアナログ・デジタル変換器（以下、ＡＤＣと略す）２３と、ＡＤＣ２３の出力を処理するマイクロコンピュータ（以下、マイコンと略す）２５を備えている。

また、計測回路部５は、マイコン２５がデジタル出力する励磁信号をアナログ励磁信号に変換するデジタル・アナログ変換器（以下、ＤＡＣと略す）２７と、アナログ励磁信号を電流増幅した交流電流を励磁コイル１１ｂへ供給する励磁駆動回路２９とを備えている。マイコン２５は、励磁用の交流電流と同じ周期の参照信号５１を同期検波回路２１へ出力する。

また、計測回路部５は、３軸加速度センサ１７が検出する３軸方向のアナログ加速度信号をデジタル信号に変換するＡＤＣ３１を備えている。また、マイコン２５は、ＡＤＣ２３の出力の微分値を演算して磁化検出結果として表示部７，９へ出力するとともに、ケーブル５３を介して、外付けのノートパソコン等の記録表示装置３３へ磁化検出結果を出力可能となっている。また、マイコン２５は、ＡＤＣ３１から入力されるデジタル加速度信号に基づいて、磁化検出するか、磁化検出を抑止するかの制御を行う磁化検出部である。

次に、本実施の形態の磁化検出装置１の動作を説明する。磁化検出装置１は、マイコン２５が発生する励磁信号により、励磁駆動回路２９が励磁コイル１１ｂへ交流励磁電流を供給する。これにより、電磁石１１は、外部へ交流磁界を与える。この磁界の方向は、プローブ部３の先端部で、プローブ部３の軸方向（Ｙ軸）と一致する方向である。この交流磁界は、磁気センサ１３，１５により検出され、磁気センサ１３，１５は、それぞれ磁界に比例した電圧を出力する。差動増幅器１９は、磁気センサ１３，１５の出力差に比例した電圧を増幅して出力する。このとき、測定対象物となる磁性流体が存在しない場合には、電磁石１１が発生する磁界に歪みは発生せず、電磁石の磁界に対して対称に配置された磁気センサ１３，１５の出力には差が無く、差動増幅器１９の出力はゼロとなる。

ここで、測定対象物１０９、例えば磁性流体が図１の示すように存在した場合には、磁性流体近傍の磁束密度が高まることにより、磁界が歪められ、磁気センサ１３，１５の間に出力差が生じることになる。その結果、差動増幅器１９によって出力差が増幅される。ただし、磁気センサ１３，１５の出力差の原因となる測定対象物１０９が微量なので、磁気センサ１３，１５の出力に対する出力差の比率は極めて小さい。このため、本実施形態では、励磁用磁石を電磁石１１として交流駆動し、磁気センサ１３，１５の出力差を増幅後、同期検波回路２１で同期検波することで、Ｓ／Ｎ比の高い検出を行っている。

本実施の形態では、電磁石１１から交流磁界を印加しているので、差動増幅器１９の出力も印加した交流磁界の周波数と同じ周波数の交流信号となる。そして、測定対象物１０９とプローブ部３との距離、プローブ部３の移動方向及び移動速度に応じて、差動増幅器１９が出力する交流信号が振幅変調された波形となる。同期検波回路２１は、マイコン２５が出力する参照信号を利用して、交流信号を同期検波して、直流の検波出力信号を出力する。磁性流体を検出するための周波数成分は、プローブ部３を測定対象物１０９に対して移動させる周波数なので、極めて低く直流に近い成分である。このため、同期検波を行うことによって、ホール素子特有の１／ｆゆらぎ雑音中に検出信号が埋もれることなく、感度よく検出することができる。

３軸加速度センサ１７が検出する３軸方向のアナログ加速度信号は、ＡＤＣ３１によりそれぞれデジタル加速度信号に変換されて、マイコン２５へ入力される。マイコン２５は３軸方向のデジタル加速度信号の大きさを判断して、ＡＤＣ２３の出力信号に対して微分演算を行って磁化検出信号として出力するか、磁化検出を抑止するかの制御を行う。次に示す表１に、この制御判断に用いるデシジョンテーブルの例を示す。

即ち、前後方向の加速度であるＹ軸加速度αy の絶対値（｜αy ｜）が第一の所定加速度α1 （α1 は正の値）以上であれば、Ｘ軸加速度αx の絶対値（｜αx ｜）及びＺ軸加速度αz の絶対値（｜αz ｜）に関わらず、磁化検出を行わない。

｜αy ｜がα2 未満であれば、｜αx ｜または｜αz ｜が第２の所定加速度α2 以上であれば、磁化検出を可能とする。そして、３軸の加速度の絶対値が全て、第２の所定加速度α2 未満であれば、３軸方向の加速度が実質的にゼロと判断して、磁化検出を行わない。ここで、第一の所定加速度α1 は、磁化検出装置１を手持ちして動かしている場合を判断する加速度であり、実験的に求めるものとする。例えば、磁化検出装置１を手持ちして動かす場合の加速度を何回か測定する実験を行って、測定値の平均値を割引して、α1 を設定してもよい。

また、第２の所定加速度α2 は、プローブ部３が実質的に動いていない状態を判断するための加速度であり、実験的に求めるものとする。例えば、磁化検出装置１を手持ちして、静止させたつもりの状態における加速度を何回か測定する実験を行って、測定値の平均値にある程度の余裕を加えて、α2 を設定してもよい。また、α1 ＝α2 と設定すると、制御が簡単になる。

また、表１の条件を満たさない加速度が検出されたの場合には、直前のデシジョンテーブルによる判断結果である磁化検出抑止、或いは磁化検出可能の状態を継続することにする。

表１のデシジョンテーブルにより、プローブ部３を前方へ動かして被検体に近づけ、更に接触させた場合には、｜αy ｜がα1 以上になるので、磁化検出は抑止される。これにより、プローブ部３とは温度が異なる被検体にプローブ部３を接触させたときに、磁気センサ１３，１５の温度差に変化が生じ、温度差の変化による出力の変化が生じても、誤って磁性流体の磁化検出結果として出力されることはない。従来の磁化検出装置では、２個の磁気センサに温度差の変化が生じると、温度差の変化に基づく検出信号が出力されていたので、温度差の変化による信号と磁性流体の検出による信号とが区別できなかった。

また、プローブ部３に動きがない場合には、３軸方向の加速度が実質的にゼロと判断さて、磁化検出が抑止されるので、センサ信号のドリフトによる誤検出も抑止される。

次に、本実施の形態における磁化検出装置１の使用方法を説明する。予め、被検体には、例えば数十〜百［ｎｍ］のサイズのナノ粒子磁性体が分散された磁性流体が注入されている。磁性流体は、注入位置からリンパの流によりセンチネルリンパ節に蓄積される。この被検体の温度は、プローブ部３の温度よりも高いと仮定する。このような被検体中の磁性流体の位置を磁化検出装置１により検出する。

まずプローブ部３を被検体に近づけて接触させる。このとき、Ｙ軸方向（前後方向）の加速度が大きくなり、｜αy ｜がα1 以上となるので、表示部７，９には、検出表示は出力されない。プローブ部３は、先端部から温度が上昇していくので、先に磁気センサ１３の温度が上昇し、次いで、磁気センサ１５の温度が遅れて上昇する。この間は、磁気センサ１３，１５間の温度差が変化することにより出力が生じる可能性がある。

次いで、プローブ部３の先端部を被検体に接触させた状態で、左右（Ｘ軸方向）上下（Ｚ軸方向）へプローブ部３を動かしながら、測定対象物１０９の位置を探す。このとき、プローブ部３と測定対象物１０９の距離が近づくと、磁気センサ１３，１５の出力差が増加し、遠ざかれば、出力差は減少する。

磁化検出装置１の使用者（検査者）は、表示部７，９に表示される微分値の信号を見ながら測定対象物１０９、即ち、磁性流体の位置を検出することができる。

また、プローブ部３の動きを止めて、３軸加速度センサ１７の加速度検出信号が実質的にゼロになった場合には、磁化検出が抑止される。これにより、動きのない場合の磁気センサ１３，１５の出力信号のドリフトにより磁化検出が出力されることが無くなる。

１ 磁化検出装置
３ プローブ部
５ 計測回路部
７ 表示部
９ 表示部
１１ 電磁石
１３ 磁気センサ
１５ 磁気センサ
１７ ３軸加速度センサ
１９ 差動増幅器
２１ 同期検波回路
２３ ＡＤＣ
２５ マイコン
２７ ＤＡＣ
２９ 励磁駆動回路
３１ ＡＤＣ
３３ 記録表示装置

Claims (5)

1. 互いに直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の内、前記Ｙ軸方向に磁束を発生させる励磁用磁石と、前記Ｙ軸方向に前記励磁用磁石を介して配置された２つの磁気センサと、加速度センサとを備えるプローブ部と、
   前記２つの磁気センサの出力の差分を出力する差動増幅器と、
   前記差動増幅器の出力に基づいて磁化検出する磁化検出部と、
   前記加速度センサが前記Ｙ軸方向に所定以上の加速度を検出している場合に、前記磁化検出部における磁化検出を抑止する検出抑止部と、
   を備えたことを特徴とする磁化検出装置。
2. 請求項１に記載の磁化検出装置であって、
   前記２つの磁気センサとしては、それぞれホール素子を用いたことを特徴とする磁化検出装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の磁化検出装置であって、
   前記励磁用磁石は、交流磁界を発生させる電磁石であり、
   前記磁化検出部は、前記差動増幅器の出力を同期検波した検波出力信号を微分して磁化検出することを特徴とする磁化検出装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の磁化検出装置であって、
   前記検出抑止部は、前記加速度センサが前記Ｘ軸方向、前記Ｙ軸方向、前記Ｚ軸方向のいずれででも所定以上の加速度を検出していない場合に、前記磁化検出部における磁化検出を抑止することを特徴とする磁化検出装置。
5. 互いに直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の内、前記Ｙ軸方向に磁束を発生させる励磁用磁石と、前記Ｙ軸方向に前記励磁用磁石を介して配置された２つの磁気センサと、加速度センサとを備えるプローブ部の検出信号に基づいて磁化を検出する磁化検出方法であって、
   励磁用磁石から交流磁界を発生させるステップと、
   ２つの磁気センサにより磁界を検出するステップと、
   ２つの磁気センサの出力差を増幅するステップと、
   前記出力差に基づいて磁化検出するステップと、
   前記加速度センサが前記Ｙ軸方向に所定以上の加速度を検出している場合に、前記磁化検出を行わないステップと
   を備えたことを特徴とする磁化検出方法。

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