JP6799919B2 - 磁気検出器 - Google Patents

Description

（関連出願）
本願は、同時に出願された、代理人管理番号第ＥＮＤ−００６を有する米国特許出願に関連しており、その内容の全体は、参照により本明細書中に援用される。

本発明は、概して、手術準備のために組織の位置を確認する、より具体的には、切除する組織中の磁性マーカーを検出する、医療機器の分野に関する。

近年、手術に備えた癌の病期分類において、センチネルリンパ節の局在化時に磁性ナノ粒子を検出する磁性センサプローブを使用することによって、外科医がセンチネルリンパ節の位置を確認する作業は容易になっている。さらに、磁性マーカーを検出するためにプローブを使用することによって、切除された組織の病理顕微鏡検査後に生検部位をより簡単に再配置できるようになっている。

これらのシステムに使用するセンサプローブの発明者は、センサ内のコイルが相互に移動することを引き起こし、磁性ナノ粒子からの信号検出に対するユーザの能力を減少させる、熱効果を低減すること、身体自体に起因する反磁性応答によって引き起こされる干渉を低減すること、およびセンサプローブ近くの物体に誘導される渦電流によって引き起こされる干渉を低減することによって、その設計の改善を求める。加えて、これら各種機能改善は、高度感度のより小さなプローブを用いて達成することが望ましい。

本発明は、この必要性に対処する。

一側面では、本発明は、磁性マーカーを検出するためのプローブに関する。一実施形態では、プローブは、第１の端部および第２の端部を有するプローブコアであって、プローブコアは、ワイヤのコイルを収容するための２つの領域を画定し、領域の一方は、円筒状のプローブコアの第１の端部に隣接する、プローブコアと、２つの検知コイルであって、検知コイルのそれぞれ１つが、それぞれ１つの領域内に配置されている、検知コイルと、２つの駆動コイルであって、駆動コイルのそれぞれ１つが、それぞれ１つの領域内に位置する、２つの検知コイルとを含み、領域は、１つのコイルの直径に等しいまたはそれを上回る距離で分離される。別の実施形態においては、磁性マーカーは、磁性ナノ粒子を含む。さらに別の実施形態において、２つの駆動コイルのセットおよび２つの検知コイルのセットのうちの一方は、勾配計として接続され、２つの駆動コイルのセットおよび２つの検知コイルのセットのうちの他方は、直列接続される。さらに別の実施形態では、プローブコアの領域は、ワイヤのコイルを収容するための２つのチャネルを画定し、１つのチャネルは、円筒状プローブコアの第１の端部に隣接し、検知コイルのそれぞれ１つは、それぞれ１つのチャネル内に配置され、駆動コイルのそれぞれ１つは、チャネルのそれぞれ１つの中でそれぞれの検知コイルと同位置となり、駆動コイルは、直列に接続され、また検知コイルは、逆直列に接続される。

一実施形態では、駆動コイルは、検知コイルの上に巻かれる。別の実施形態では、プローブコアの領域は、ワイヤのコイルを収容する２つのチャネルを画定し、チャネルの１つは、円筒状のプローブコアの第１の端部に隣接し、検知コイルのそれぞれ１つは、チャネルのそれぞれ１つの中に配置し、駆動コイルのそれぞれ１つは、チャネルのそれぞれ１つの中でそれぞれの検知コイルと同位置となり、駆動コイルは、逆直列に接続され、検知コイルは、直列に接続される。さらに別の実施形態では、プローブの領域は、ワイヤのコイルを収容する４つのチャネルを画定し、チャネルのそれぞれ２つがそれぞれの領域内に配置し、チャネルの２つが円筒状プローブコアの第１の端部に隣接し、検知コイルのそれぞれ１つが各領域内でそれぞれのチャネル内に配置し、各駆動コイルがそれぞれの領域内のそれぞれ１つのチャネルに配置し、同じチャネル内に２つのコイルが位置することなく、駆動コイルは、直列に接続され、検知コイルは、逆直列に接続される。

一実施形態では、プローブの領域は、ワイヤのコイルを収容する４つのチャネルを画定し、チャネルのそれぞれ２つがそれぞれの領域内に配置し、チャネルの２つが円筒状プローブコアの第１の端部に隣接し、検知コイルのそれぞれ１つが各領域内でそれぞれのチャネル内に配置し、各駆動コイルがそれぞれの領域内のそれぞれ１つのチャネルに配置し、同じチャネル内に２つのコイルが位置することなく、駆動コイルは、逆直列に接続され、検知コイルは、直列に接続される。別の実施形態では、プローブの第１の端部から第２の端部までのコイルの順序は、検知コイル、駆動コイル、検知コイル、および駆動コイルである。さらに別の実施形態では、プローブの第１の端部から第２の端部までのコイルの順序は、駆動コイル、検知コイル、駆動コイル、および検知コイルである。

一実施形態では、プローブの第１の端部から第２の端部までのコイルの順序は、検知コイル、駆動コイル、駆動コイル、および検知コイルである。さらに別の実施形態では、プローブの第１の端部から第２の端部までのコイルの順序は、駆動コイル、検知コイル、検知コイル、および駆動コイルである。さらに別の実施形態では、検知コイルおよび駆動コイルは、異なる直径を有する。別の実施形態では、検知コイルおよび駆動コイルは異なる巻数を有する。

一実施形態では、プローブはさらに、第３の駆動コイルを有し、第３の駆動コイルは、単一のソレノイド駆動コイルを形成するように第１および第２の駆動コイルとの間に直列に接続され、第１および第２の駆動コイルとの間に配置され、検知コイルのそれぞれ１つが単一のソレノイド駆動コイルのそれぞれの端部の近くに位置する。別の実施形態では、単一のソレノイド駆動コイルの各巻きは、同じ直径である。さらに別の実施形態では、単一のソレノイド駆動コイルの長手方向の中央巻きが、ソレノイド駆動コイルの両端上の巻きよりも大きな直径を有する。別の実施形態では、単一のソレノイド駆動コイルの各巻きは、同じ間隔で離れる。さらに別の実施形態では、単一のソレノイド駆動コイルの長手方向の中心での巻きが、両端上の巻きよりも大きい間隔を有する。

一実施形態では、プローブコアは、実質的に≧２０×１０^−６ｍ^２／秒の熱拡散率および実質的に＜３×１０^−５／℃の熱膨張係数を有する材料を含む。別の実施形態では、プローブコアは、実質的に≧５０×１０^−６ｍ^２／秒の熱拡散率および実質的に＜５×１０^−６／℃の熱膨張係数を有する材料を含む。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
磁性マーカーを検出するためのプローブであって、
第１の端部および第２の端部を有するプローブコアであって、前記プローブコアは、ワイヤのコイルを収容するために２つの領域を画定し、前記領域の片方が円筒状プローブコアの前記第１の端部に隣接する、プローブコアと、
２つの検知コイルであって、前記検知コイルのそれぞれ１つが、前記領域のそれぞれ１つに位置する、２つの検知コイルと、
２つの駆動コイルであって、前記駆動コイルのそれぞれ１つが、前記領域のそれぞれ１つに位置する、２つの駆動コイルと
を含み、
前記領域は、前記コイルの１つの直径と等しいまたはそれを上回る距離で分離される、プローブ。
（項目２）
前記磁性マーカーは、磁性ナノ粒子を含む、項目１に記載のプローブ。
（項目３）
前記２つの駆動コイルの組のうちの一方および前記２つの検知コイルの組が勾配計として接続され、前記２つの駆動コイルの組の他方および前記２つの検知コイルの組が直列に接続される、項目１に記載のプローブ。
（項目４）
前記プローブコアの前記領域は、ワイヤのコイルを収容するために２つのチャネルを画定し、前記チャネルの１つが前記円筒状プローブコアの第１の端部に隣接し、
前記検知コイルのそれぞれ１つは、前記チャネルのそれぞれ１つに配置され、
前記駆動コイルのそれぞれ１つは、前記チャネルのそれぞれ１つ内でそれぞれの前記検知コイルと同位置にあり、
前記駆動コイルは、直列に接続され、
前記検知コイルは、逆直列に接続される、
項目１に記載のプローブ。
（項目５）
前記駆動コイルは、前記検知コイルの上に巻かれる、項目１に記載のプローブ。
（項目６）
前記プローブコアの領域は、ワイヤのコイルを収容するために２つのチャネルを画定し、前記チャネルの１つは、前記円筒状プローブコアの第１の端部に隣接し、
前記検知コイルのそれぞれ１つは、前記チャネルのそれぞれ１つに配置され、
前記駆動コイルのそれぞれ１つは、前記チャネルのそれぞれ１つ内でそれぞれの前記検知コイルと同位置にあり、
前記駆動コイルは、逆直列に接続され、
前記検知コイルは、直列に接続される、
項目１に記載のプローブ。
（項目７）
前記プローブの領域は、ワイヤのコイルを収容するために４つのチャネルを画定し、前記チャネルのそれぞれ２つは、前記領域のそれぞれに配置され、
前記チャネルの２つは、前記円筒状のプローブコアの第１の端部に隣接して配置され、
前記検知コイルのそれぞれ１つは、前記領域のそれぞれ１つの、前記チャネルのそれぞれ１つに配置され、
前記駆動コイルのそれぞれ１つは、前記領域のそれぞれ１つの、前記チャネルのそれぞれ１つに配置され、
どの２つのコイルも、同じチャネルを占有せず、
前記駆動コイルは、直列に接続され、
前記検知コイルは、逆直列に接続される、
項目１に記載のプローブ。
（項目８）
前記プローブの領域は、ワイヤのコイルを収容するために４つのチャネルを画定し、前記チャネルのそれぞれ２つは、前記領域のそれぞれに配置され、
前記チャネルの２つは、前記円筒状のプローブコアの第１の端部に隣接して配置され、
前記検知コイルのそれぞれ１つは、前記領域のそれぞれ１つの、前記チャネルのそれぞれ１つに配置され、
前記駆動コイルのそれぞれ１つは、前記領域のそれぞれ１つの、前記チャネルのそれぞれ１つに配置され、
どの２つのコイルも、同じチャネルを占有せず、
前記駆動コイルは、逆直列に接続され、
前記検知コイルは、直列に接続される、
項目１に記載のプローブ。
（項目９）
前記プローブの前記第１の端部から前記第２の端部までの前記コイルの順序は、検知コイル、駆動コイル、検知コイル、および駆動コイルである、項目７に記載のプローブ。
（項目１０）
前記プローブの前記第１の端部から前記第２の端部までの前記コイルの順序は、検知コイル、駆動コイル、検知コイル、および駆動コイルである、項目８に記載のプローブ。
（項目１１）
前記プローブの前記第１の端部から前記第２の端部までの前記コイルの順序は、駆動コイル、検知コイル、駆動コイル、および検知コイルである、項目７に記載のプローブ。
（項目１２）
前記プローブの前記第１の端部から前記第２の端部までの前記コイルの順序は、駆動コイル、検知コイル、駆動コイル、および検知コイルである、項目８に記載のプローブ。
（項目１３）
前記プローブの前記第１の端部から前記第２の端部までの前記コイルの順序は、検知コイル、駆動コイル、駆動コイル、および検知コイルである、項目７に記載のプローブ。
（項目１４）
前記プローブの前記第１の端部から前記第２の端部までの前記コイルの順序は、検知コイル、駆動コイル、駆動コイル、および検知コイルである、項目８に記載のプローブ。
（項目１５）
前記プローブの前記第１の端部から前記第２の端部までの前記コイルの順序は、駆動コイル、検知コイル、検知コイル、および駆動コイルである、項目７に記載のプローブ。
（項目１６）
前記プローブの前記第１の端部から前記第２の端部までの前記コイルの順序は、駆動コイル、検知コイル、検知コイル、および駆動コイルである、項目８に記載のプローブ。
（項目１７）
前記検知コイルおよび前記駆動コイルは、異なる直径を有する、項目７に記載のプローブ。
（項目１８）
前記検知コイルおよび前記駆動コイルは、異なる直径を有する、項目８に記載のプローブ。
（項目１９）
前記検知コイルおよび前記駆動コイルは、異なる巻数を有する、項目７に記載のプローブ。
（項目２０）
前記検知コイルおよび前記駆動コイルは、異なる巻数を有する、項目８に記載のプローブ。
（項目２１）
第３の駆動コイルであって、前記第３の駆動コイルは、単一のソレノイド駆動コイルを形成するように、前記第１の駆動コイルおよび前記第２の駆動コイルとの間に直列接続され、前記第１の駆動コイルおよび前記第２の駆動コイルとの間に配置される、第３の駆動コイルをさらに含み、
前記検知コイルのそれぞれ１つは、前記単一のソレノイド駆動コイルのそれぞれの端部の近くに位置する、項目１に記載のプローブ。
（項目２２）
前記単一のソレノイド駆動コイルの各巻きは、同じ直径である、項目２１に記載のプローブ。
（項目２３）
前記単一のソレノイド駆動コイルの長手方向の中心での巻きは、両端の巻きよりも大きい直径を有する、項目２１に記載のプローブ。
（項目２４）
前記単一のソレノイド駆動コイルの各巻きは、同じ間隔を有する、項目２１に記載のプローブ。
（項目２５）
前記単一のソレノイド駆動コイルの長手方向の中心での巻きは、両端の巻きよりも大きい間隔を有する、項目２１に記載のプローブ。
（項目２６）
前記プローブコアは、実質的に≧２０×１０ ^−６ ｍ ^２ ／秒の熱拡散率および実質的に＜３×１０ ^−５ ／℃の熱膨張係数を有する材料を含む、項目１に記載のプローブ。
（項目２７）
前記プローブコアは、実質的に≧５０×１０ ^−６ ｍ ^２ ／秒の熱拡散率および実質的に＜５×１０ ^−６ ／℃の熱膨張係数を有する材料を含む、項目１に記載のプローブ。

本発明の構造および機能は、添付の図面と併せて本明細書に記載の説明から最良に理解することができる。図面は、必ずしも一定の縮尺ではなく、代わりに、例示的な原則を重視するものである。図面は、全面的に例示的であると見なすべきであり、本発明を限定する意図はなく、本発明の範囲は、特許請求の範囲のみによって定義される。

図１は、本発明に従って構成されたプローブの一実施形態のブロック図である。 図２は、本発明に従って構成されたプローブの別の実施形態のブロック図である。 図３は、図２のプローブの実施形態に対する断面図である。 図４は、本発明に従って構成された、ソレノイドコイルを用いたプローブの別の実施形態のブロック図である。 図５（ａ〜ｄ）は、４つのソレノイドコイル構成の断面図である。 図６ａは、両末端に追加のコイルを有するソレノイドコイルの断面図である。 図６ｂは、図６ａのソレノイドコイルにより発生される磁場のグラフである。 図７は、ヘルムホルツコイルの実施形態の断面図である。 図８は、一次磁場と二次磁場の変調と、それによって得られた周波数スペクトルのグラフである。 図９は、図８に示した二次磁場の作成に使用するための二次磁場発生器の一実施形態である。 図１０は、図８に示した二次磁場の作成に使用するための二次磁場発生器の一実施形態である。 図１１および１２は、表１および２をそれぞれに表示し、それらは下記の説明で参照される。 図１１および１２は、表１および２をそれぞれに表示し、それらは下記の説明で参照される。

最初に、コイルの大きさを低減しながら、その感度を向上させるためには、コイル間の幾何学的形状における相対的変化、特に、軸方向の移動およびコイルの大きさにおける任意の変化に非常に敏感であるプローブの操作に対するいかなる熱の影響も低減することが重要である。対処しなければならない熱の影響の１つは、プローブの先端が温かい身体に接触し、身体に最も近いコイルがより遠いコイルよりも高い温度を経験する際のコイル配置における任意の非対称拡大である。コイル形成部またはプローブ本体の低熱膨張係数を維持しながら、コイル間の温度差を低減することによって、この感度を低減させることが可能となる。換言すれば、温度勾配を一方の端部に熱入力によって維持することができないように、コイル間のいかなる温度差も迅速に均一化することが重要である。

物質は、高い熱拡散率を有する場合、物質がその体積熱容量、つまり、「熱バルク」と相対的に速く熱を伝導するので、熱は、物質を通って急速に移動する。したがって、コイル形成部（プローブコア材料）には、できるだけ迅速にコイル間の温度を均一にするために、高い熱拡散率を有する材料が望ましい。さらに、好適な材料は、非磁性、非導電性であり、比較的低い熱膨張係数を有する必要がある。低熱膨張係数は、コイルの相対位置に影響を与える、軸方向および半径方向の膨張を低減するために必要である。表１は、様々な材料の関連特性を示す。

一実施形態では、材料は、好ましくは、実質的に≧２０×１０^−６ｍ^２／秒の熱拡散率および実質的に＜３×１０^−５／℃の熱膨張係数を有する。より好ましくは、材料は、実質的に≧５０×１０^−６ｍ^２／秒の熱拡散率および実質的に＜５×１０^−６／℃の熱膨張係数を有する。このような材料として、ホウケイ酸ベースの機械加工可能なセラミックのようなガラス系のセラミック、例えば、Ｍａｃｏｒ（Ｒ）（Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｉｎｃ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ）、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、炭化ケイ素等の非ガラス系のセラミック、窒化ホウ素と窒化アルミニウムの複合体であるＳｈａｐａｌ−Ｍ（Ｔｏｋｕｙａｍａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ， Ｓｈｕｎａｎ Ｃｉｔｙ， Ｊａｐａｎ）等の複合セラミック、ならびにカーボンおよびガラス充填複合材料、例えば、ガラスまたはカーボン充填ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）が挙げられ得る。

また、機械的変形に起因するコイルの位置変化を回避するために、材料が高い剛性を有することが有利である。一実施形態では、材料は、≧４０ＧＰａ、好ましくは、≧８０ＧＰａのヤング率を有し、材料に対する他の制限を考慮した上で、材料は、実現可能な限りできるだけ高い靭性を有する。セラミックにおいて、この用途では、確率の高い故障は、エネルギー（または衝撃）による脆性破壊、例えば、プローブの衝突または落下のときの脆性破壊である。この場合、関連する材料特性は、靭性
であり、他のプローブ情報とともに、表２にまとめられる。

温度変化に対するプローブの感度は、プローブの外部からプローブへの熱伝達を最小化することによってさらに低減される。これは、ケースに高い導電性高分子材料を使用することによって達成され、それによって、ケースの内面は、等温面に近くなり、結果として、プローブ内の温度勾配を最小化し、空気の絶縁層、あるいはエアロゲルまたはプローブコアまたは形成部および巻線の周りの真空間隙等の絶縁性の高い材料を提供する。材料の選択に加えて、コイル構成も、熱効果を低減するように選択することができる。

一実施形態では、プローブは、２つの検知コイルと２つの駆動コイルを有するコイル形成部を含む。検知および駆動コイルは、２対として配置され、それぞれが１つの検知コイルおよび１つの駆動コイルから成り、相互に近接している。プローブの磁性検知性能は、１対の検知および駆動コイルをプローブの検知端部に近く配置し、２対目のコイルを１対目のコイルから軸距離で離れるように配置することによって、最大化される。距離は、好ましくは、最小コイルの直径より大きく、より好ましくは、対の最大コイルの直径より大きい。一例として、一実施形態では、最大コイルの直径が１５ｍｍであり、別の実施形態では、直径は、１２ｍｍである。また、コイルの各対は、駆動コイルによって発生される電界によって、検知コイルのそれぞれに誘導される電圧がほぼ等しくかつ反対であるように配置される。例えば、２つの検知／駆動コイルの対Ｓ１、Ｄ１およびＳ２、Ｄ２がある場合、少なくとも１つのコイル直径で区切られ、Ｄ１およびＤ２からの組み合わせた駆動電界によりＳ１に誘導される電流は、Ｄ１およびＤ２からの組み合わせの駆動電界によりＳ２に誘導される電流とほぼ等しくかつ反対である。好ましくは、検知コイルは、遠方場供給源の効果を最小化するために一次勾配計のように配置される。

プローブ４の一実施形態では（図１）、各駆動コイル１０、１０′が１つの検知コイル１６、１６′と同位置にあるように、コイル１０、１０′、１６、１６′が同位置にある。検知および駆動コイルの配置は、いずれの順序を使用してもよい。一実施形態では、駆動コイルが暖かくなる際にオーム加熱の原因による駆動コイルの熱膨張からのいかなる効果も最小化するために、駆動コイルが、検知コイルの上に巻かれる。この配置は、非常に小さい直径で熱効果が感度よりも重要ではない場合に有用である（例えば、＜１５ｍｍ）。この構成は、特定の直径および駆動コイルと検知コイルとの間隔を必要としないので、非常に小さい外径プローブでの使用に適切である。一実施形態では、このプローブは、１５ｍｍ未満の直径を有し、または、１０ｍｍ未満の直径さえ有する。

プローブ６の別の実施形態では（図２）、駆動コイル１０、１０′および検知コイル１６、１６′をずらして、駆動コイル１０、１０′を分離し、検知コイル１６、１６′を２つの部分に分割する。各対の検知コイルに対して駆動コイルの間隔は、１対のコイルの相互インダクタンスに対して２つのコイルの大きい方の膨張効果を最小化するように、選択される。これは、熱膨張の効果を最小化するのにさらに役立つ。この配置は、感度が距離が大きくなればなるほどゆっくり低下するため、改善された検知を提供する。この構成において、検知コイルは、検知距離を最大化するために、プローブの検知端部に最も近い。この構成において、検知端部から、コイルの順序は、ＳＤ−ＳＤであり、Ｄは、駆動コイルを表し、Ｓ、は検知コイルを表す。図３を参照すると、プローブ２０の一実施形態の断面図を示し、ハウジング２４、温度バリア２６、およびその中にコイル１０、１０′、１６、１６′が形成された円周方向の溝２８を有するコイル形成部またはプローブコア３０を含む。

駆動／検知の各対で相対的な配置を維持する他の実施形態も本発明の範囲内に入る。これらの実施形態は、対の様々な順序および対称性を含み、例えば、ＳＤ−ＤＳ、ＤＳ−ＤＳ、およびＤＳ−ＳＤ、ならびにコイル対間の様々な間隔が挙げられる。いずれの場合も、コイルは、駆動コイル対または検知コイル対の片方が勾配計を形成するように接続される。検知コイルまたは駆動コイルの他方の対は、直列に配線され、すなわち、同様な意味で、簡単な磁力計を形成するように配線される。より高次の勾配計が、コイルの組のいずれかに使用可能であり、いずれの場合も、駆動コイルの組の勾配計の次数は、検知コイルの組の勾配計の次数と、１次異ならなければならない。例えば、検知コイルは、二次勾配計を形成し、駆動コイルは、一次（または三次）勾配計を形成し得る。

一実施形態では、巻線は、コイル巻線の外側の層が電子機器の接地電位に近いように電子回路とともに配置される。これは、接地電位であると仮定されたプローブと患者の身体との間の容量性結合を最小化する。

さらなる実施形態は、上記のいずれかと組み合わせて、検知コイル（駆動コイルよりも）を２つの直径のうち大きい方にすることを含む。細いワイヤを検知コイルに使用する場合（小さな電流しか流れないため）、駆動および検知コイルの平均直径を、検知コイル／駆動コイル対の特定の配置内で最大化できるようにするため、検知コイルをその２つの中で大きい方にすることは有利である。直径を増大させ、したがって、コイルの面積も増大させることは、磁性センサの感度を増加させる。より太いワイヤは、オーム加熱を最小化するために、駆動コイルに使用してもよい。

さらに、プローブの直径を小さくすると、磁性感度は、近接場で相応にｒ^４だけ減少され（駆動磁場は、ｒ^２で降下し、また、検知能力もｒ^２で降下する）、遠方磁場では、ｒ^６で減少される。したがって、より小さい直径のプローブにおいて同様な磁性感度を維持するために、コイルの巻数は、特に、検知コイルの場合、増加される。しかしながら、副作用として、これは同じだけいかなる雑音またはドリフトも拡大する。したがって、温度変化に起因するコイル形状の変化によるドリフトが拡大することを予想すべきである。

しかしながら、ずれたコイル配置およびＳｈａｐａｌ−Ｍコイルコアを使用することによって、温かい身体との接触による熱ドリフトは、許容範囲内に維持することができる。例えば、ずれたコイル配置の小径プローブでは、３７℃の温かい身体との接触に応答した信号変化は、従来のシステムのうちの１つにおける同等な信号変化の約８６％である。小さいプローブが２倍のコイル巻きを有するため、信号変化は、したがって、これよりはるかに大きいはずである。

さらなる実施形態では（図４）、ソレノイド３１が励振（駆動）コイルとして使用され、２つの検知コイル３４は、ソレノイド３１内に配置される。検知コイル３４は、ソレノイド３１の端部に近すぎない限り、ソレノイド３１から実質的に均一な磁場を経験するであろう。この構成の利点は、ソレノイド３１に対して小さい動き、例えば、熱膨張に起因した動きは、検知コイル３４の（磁性）バランスに影響を及ぼさないということである。さらに、ソレノイドは、全てのコイルにわたる温度の均一化を助けるために、検知コイルおよびコイルコアに追加の熱伝導経路も提供するであろう。ワイヤの太さを選択することによって、ソレノイドのオーム加熱効果を最小化できる。ソレノイドコイルはまた、検知コイル用静電シールドを形成する。

ソレノイドの両端に近いところで磁場が均一であればあるほど、検知コイルは、プローブの端部により近く配置可能であり、感度もより良くなる。ソレノイドの両端部における磁場の均一性は、コイルを適切に設計することによって最適化され、例えば、間隔、直径、間隔と直径との両方、またはソレノイドコイルの形状を変更することが挙げられる（図５（ａ〜ｄ））。このようなソレノイドの設計および製造は、当業者に既知である。

特定の実施例を図６ａに示し、またグラフ（図６ｂ）として、得られた正常化磁場強度をモデル化した結果を示す。２つのコイル４０、４０′をソレノイド４４の端部に追加することによって、長さに沿った磁場（４６）の均一性は、単独ソレノイドの磁場（５０）よりも向上することができる。ソレノイド駆動コイルの特別な構成は、駆動コイルがヘルムホルツコイルの対から形成され、コイル間の分離ｌは、コイルの半径（ｒ）と実質的に等しいものである（図７）。ヘルムホルツコイルは周知の構成であり、２つのコイルの間に一定磁場の領域を提供し、この領域は、別の分離対半径比率を有する、いずれの他のコイル構成よりも、長く延在する。

コイルとその構造および位置を操作することに加えて、さらなる実施形態は、酸化鉄ナノ粒子からの信号および他の金属物体からの信号を区別する課題に対処する。本実施形態では、第２の変動駆動磁場は、一次駆動磁場よりも低い周波数で発生し、一次駆動磁場に匹敵するまたはそれを上回る強度となる。二次駆動磁場は、磁性ナノ粒子の感受性を変調し、周波数ｆ_０±２ｎｆ_１で検知コイルによって受信されるスペクトルにおける追加の周波数成分を生成し、ｆ_０は、一次駆動磁場周波数であり、ｆ_１は、二次駆動磁場周波数であり、ｎは、整数である（図８）。磁性ナノ粒子の存在は、一次および二次駆動周波数を混合した結果である、これらの追加周波数を分析することによって検出することができる。

一実施形態では、ｆ_０±２ｆ_１におけるサイドローブの振幅は、磁性ナノ粒子の存在を検出するために測定される。別の代替実施形態では、サイドローブの振幅Ａ_{ｆ０±２ｆ１}と基本周波数の振幅Ａ_ｆ０との比率（Ａ_{ｆ０±２ｆ１}／Ａ_ｆ０）が測定される。周波数の有利な組み合せをもたらす、他の実施形態も可能である。これらの成分は、コイル構造と幾何学的不均衡、温度効果、および渦電流に対しても感受性が低いまたは場合によっては感受性が無い。したがって、適切な信号処理によって、コイル構造および幾何学的不均衡、温度感受性、および金属物体からの望ましくない妨害を低減または排除することができる。

実際には、完全な電磁バランスのために必要な構造の幾何学的な対称性は、最先端かつ費用効率的な構造の制限内で達成することが非常に困難であり、通常は、ある程度の残留不均衡が存在する。また、コイルによって経験される温度変動、特に不均一な変化、例えば、プローブの端部（一方のコイルの近くに）が温かい身体に接触する際に生じる変化は、コイルの形状が熱膨張のために僅かに異なる結果として、コイル内で追加の動的な不均衡を生成する。

コイル内でのこれらの不均衡は、基本的な一次駆動周波数ｆ_０で妨害信号として現れ、検知コイルが駆動コイルから非キャンセル残留直接磁性信号を検出することが原因となる。しかしながら、二次周波数ｆ_１から生じた、混合または変調周波数ｆ_０±２ｎｆ_１のいかなる信号も、ｆ_１に対するナノ粒子の磁性応答のみによって生成され、したがって、これらの周波数では、いかなるコイルの不均衡によって引き起こされる妨害信号成分も存在しない。したがって、検知コイルによって受信された信号全体からこれらの成分を抽出することによって、これらの周波数成分は、ナノ粒子の存在を検出し、構造の不備によって生じたものであろうと、熱誘導の変形によって生じたものであろうと、コイルの磁性不均衡によって生じる妨害からそれらを区別するために使用することができる。

さらに、プローブからの駆動磁場は、任意の導電性物体、例えば、十分に近い金属面における渦電流を誘導し、渦電流によって生成された磁場は、その後、外部信号として検知コイルによって捕捉され得る。しかしながら、前述の不均衡と同様に、渦電流によって生成された信号との周波数混合は存在しない。したがって、混合または変調周波数ｆ_０±２ｎｆ_１は、渦電流によって生成されたいずれの磁場の成分も全く示さず、それは非強磁性材料をナノ粒子と区別することができることを意味する。したがって、検知コイルによって受信された信号全体からこれらの成分を抽出することによって、これらのｆ_ｉ周波数成分は、ナノ粒子の存在を検出し、非強磁性材料を区別するためにそれらを使用することができる。ナノ粒子がサイドローブを生成するため、サイドローブの存在は、ナノ粒子の存在を示し、ナノ粒子の存在を測定する１つの数値を得る方法は、サイドローブの振幅を測定することによって得られる。サイドローブの振幅が大きいほど、より多くのナノ粒子が特定されている。信号における雑音に対して調整するためには、サイドローブの振幅Ａ_{ｆ０±２ｎｆ１}と、基本周波数の振幅Ａ_ｆ０との比率（Ａ_{ｆ０±２ｎｆ１}／Ａ_ｆ０）（ｎは、整数である）を用いることによって、ナノ粒子の存在の測定を正規化することが可能である。

渦電流に対してシステムの感度を排除する追加の利点は、高い周波数で磁性ナノ粒子の増加した感度を有利に利用するために、一次駆動周波数を増加させることができるということである。例えば、周波数は、１０ｋＨｚより有意に高く増加させてもよく、例えば、５０ｋＨｚまたは１００ｋＨｚあるいは２５０ｋＨｚまたはそれを上回ってもよい。しかしながら、強磁性材料は、渦電流と磁性の応答との両方を示し、ナノ粒子に類似の非線形磁性特性を有する。したがって、応答の磁性部分は、磁性ナノ粒子から簡単に区別できない。

磁性ナノ粒子が非直線的な周波数応答を有するため、粒子の応答は、線形効果を有する物体の反磁性効果と区別することができる。したがって、本発明はまた、反磁性効果を排除するために使用されることができる。

二次駆動磁場の使用は、コイルの実施形態のいずれかとともに使用するのに適切であり、任意の所与の実施形態では、磁場の検出がコイルの不均衡に対して感度が非常に低いであろう。このシステムは、基本周波数を効果的にフィルタで排除することができることを前提として、バランスのとれたコイル配置を必要としないが、実際には、他の理由、例えば、入力電子機器の飽和を回避するためにそれは望ましいこともある。

二次駆動磁場の周波数は、一次駆動周波数帯域から十分な周波数分離を提供するように選択される。これは、例えば、一次周波数の０．５％〜１０％の領域、好ましくは、１％〜５％の範囲であってもよい。１００ｋＨｚの一次周波数において、１０Ｈｚ〜１０ｋＨｚの二次周波数、より好ましくは、１００Ｈｚ〜１ｋＨｚが使用されることができる。例えば、一実施形態では、一次周波数が１００ｋＨｚであり、二次は、１ｋＨｚである。有利なことに、二次周波数は、電源周波数の倍数、例えば、ｎ×５０またはｎ×６０Ｈｚであるように選択されてもよく、二次駆動は、電源周波数から導出することができるが、電源周波数が感知を妨げない。例えば、一次周波数は、１０ｋＨｚ、二次周波数が、２００Ｈｚであってもよい。さらに、共振駆動回路は、電源入力の所与の水準に対して磁場強度を最大化するために、一次磁場を発生するために使用されてもよい。センチネルリンパ節生検のような臨床用途においては、関連領域における二次磁場強度は、少なくとも１５マイクロテスラ、より好ましくは、２５マイクロテスラ超が適切である。

一実施形態では、二次磁場は、例えば、移動する永久磁石を有することによって、検知および一次駆動磁場を含む、手持ち式プローブによって生成される。磁石の動きは、例えば、振動、回転、または振動性の動きであってもよい。あるいは、一実施形態では、追加のコイルは、プローブに加えられ、時間により変動する磁場を生成するように駆動される。別の実施形態では、二次磁場は、例えば、患者の近くに配置された装置によって、プローブから離れて生成される。別の実施形態では、磁場は、検知される患者の領域の下に、または隣接して置かれたパッド内で発生される。磁場は、適切な二次磁場を生成するように配置されたコイルまたは複数のコイルによって生成される。単一のコイルが使用されると、コイルの中心で、少なくとも２００ｍｍのコイル直径が望ましく、磁場強度は、２．５ｍＴ（または、Ｈ磁場は、２０００Ａ／ｍ）が望ましく、それによって、プローブを使用する関連領域に十分な二次磁場強度があるようにする。

より詳細には、図９を参照すると、交互二次磁場は、所望の周波数で回転するモータ５４を使用して永久磁石５０、５０′を回転させることによって生成することができる。回転永久磁石は、手持ち式プローブ内に含まれるという利点を有する。このような小型モータ５４は、希土類磁石５０を回転させることができ、それによって、磁石の磁性極性が各回転で変化する。あるいは、図１０を参照すると、二次磁場は、信号発生器によって駆動される手持ち式プローブの背面に位置する駆動コイル６０によって電磁的に生成してもよい。

手順の順序または特定の行為を行う順序は、本教示の記載に従って操作可能である限り、重要なことではないと理解すべきである。さらに、２つまたはそれを上回る手順または行為を同時に行ってもよい。

明確にするために他の要素を排除しながら、本発明の明確な理解に関連する要素を例示するために、本発明の図面および説明は、単純化されたことを理解すべきである。しかしながら、当業者は、排除された要素および他の要素が望ましいこともあると認識するであろう。しかしながら、このような要素が当技術分野において周知であり、本発明のより良い理解を容易にしないため、このような要素についての記載は、本明細書中に提供されていない。なお、図面は例示の目的で提示され、構築用の図面として提示していないことを理解すべきである。省略した詳細および改変または代替の実施形態は、当業者の知識の範囲内である。

本発明は、その精神または本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で具現化されてもよい。したがって、前述の実施形態は、本明細書に記載の本発明を限定するものではなく、全面的に例示と見なされるべきである。したがって、本発明の範囲は、前述の説明ではなく添付の特許請求の範囲によって示し、特許請求の範囲の意味および均等の範囲内に入る、すべての変更が含まれることが意図される。

Claims (16)

1. 身体内に磁性マーカーを検出するための手持ち式プローブであって、
   第１の端部および第２の端部を有する中実の円筒状プローブコアであって、前記中実の円筒状プローブコアは、ワイヤのコイルを収容するための２つの長手方向の領域を画定し、前記領域のうちの一方は、前記中実の円筒状プローブコアの第１の端部に位置している、中実の円筒状プローブコアと、
   ２つの検知コイルであって、前記検知コイルのそれぞれ１つは、前記領域のそれぞれ１つに位置している、２つの検知コイルと、
   ２つの駆動コイルであって、前記駆動コイルのそれぞれ１つは、前記領域のそれぞれ１つに位置している、２つの駆動コイルと
   を含み、
   前記領域は、前記コイルのうちの一方の直径と等しいまたはそれを上回る距離で長手方向に分離され、
   前記駆動コイルおよび前記検知コイルは、前記駆動コイルが磁場を生成し、前記検知コイルが前記生成された磁場に対する前記磁性マーカーの応答を検出するように、各領域において配置されており、
   前記中実の円筒状プローブコアの材料は、非磁性である、プローブ。
2. 前記磁性マーカーは、磁性ナノ粒子を含む、請求項１に記載のプローブ。
3. 前記２つの駆動コイルの組のうちの一方と前記２つの検知コイルの組のうちの一方とは、互いに逆直列に接続されており、前記２つの駆動コイルの組のうちの他方と前記２つの検知コイルの組のうちの他方とは、直列に接続されている、請求項１に記載のプローブ。
4. 前記中実の円筒状プローブコアの領域は、ワイヤのコイルを収容するための２つのチャネルを画定し、前記チャネルのうちの一方は、前記中実の円筒状プローブコアの第１の端部に位置し、
   前記検知コイルのそれぞれ１つは、前記チャネルのそれぞれ１つに位置し、
   前記駆動コイルのそれぞれ１つは、前記チャネルのそれぞれ１つ内でそれぞれの前記検知コイルと同位置にあり、
   前記駆動コイルは、直列に接続され、
   前記検知コイルは、逆直列に接続されている、請求項１に記載のプローブ。
5. 前記駆動コイルは、前記検知コイルの上に巻かれている、請求項１に記載のプローブ。
6. 前記中実の円筒状プローブコアの領域は、ワイヤのコイルを収容するための２つのチャネルを画定し、前記チャネルのうちの一方は、前記中実の円筒状プローブコアの第１の端部に位置し、
   前記検知コイルのそれぞれ１つは、前記チャネルのそれぞれ１つに位置し、
   前記駆動コイルのそれぞれ１つは、前記チャネルのそれぞれ１つ内でそれぞれの前記検知コイルと同位置にあり、
   前記駆動コイルは、逆直列に接続され、
   前記検知コイルは、直列に接続されている、請求項１に記載のプローブ。
7. 磁性マーカーを検出するためのプローブであって、
   第１の端部および第２の端部を有する中実の円筒状プローブコアであって、前記中実の円筒状プローブコアは、ワイヤのコイルを収容するための２つの領域を画定し、前記領域のうちの一方は、前記中実の円筒状プローブコアの第１の端部に位置している、中実の円筒状プローブコアと、
   ２つの検知コイルであって、前記検知コイルのそれぞれ１つは、前記領域のそれぞれ１つに位置している、２つの検知コイルと、
   ２つの駆動コイルであって、前記駆動コイルのそれぞれ１つは、前記領域のそれぞれ１つに位置している、２つの駆動コイルと
   を含み、
   前記領域は、前記コイルのうちの一方の直径と等しいまたはそれを上回る距離で長手方向に分離され、
   前記プローブの領域は、ワイヤのコイルを収容するための４つのチャネルを画定し、前記チャネルのそれぞれ２つは、前記領域のそれぞれに位置し、
   前記チャネルの２つは、前記中実の円筒状プローブコアの第１の端部に位置し、
   前記検知コイルのそれぞれ１つは、前記領域のそれぞれ１つにおける前記チャネルのそれぞれ１つに位置し、
   前記駆動コイルのそれぞれ１つは、前記領域のそれぞれ１つにおける前記チャネルのそれぞれ１つに位置し、
   どの２つのコイルも、同じチャネルを占有せず、
   前記駆動コイルは、直列に接続され、
   前記検知コイルは、逆直列に接続され、
   前記駆動コイルは、磁場を生成し、前記検知コイルは、前記生成された磁場に対する前記磁性マーカーの応答を検出し、
   前記中実の円筒状プローブコアの材料は、非磁性である、プローブ。
8. 前記プローブの前記第１の端部から前記第２の端部に向かう前記コイルの順序は、検知コイル、駆動コイル、検知コイル、駆動コイルである、請求項７に記載のプローブ。
9. 前記検知コイルおよび前記駆動コイルは、異なる直径を有し、前記検知コイルの直径は、前記駆動コイルの直径よりも大きい、請求項３に記載のプローブ。
10. 前記検知コイルおよび前記駆動コイルは、異なる直径を有し、最も大きいコイルの直径は、１５ｍｍ未満である、請求項９に記載のプローブ。
11. 前記検知コイルおよび前記駆動コイルは、異なる巻数を有し、前記駆動コイルのワイヤは、前記検知コイルのワイヤを上回る太さを有する、請求項９に記載のプローブ。
12. 前記検知コイルおよび前記駆動コイルは、異なる巻数を有する、請求項９に記載のプローブ。
13. 前記中実の円筒状プローブコアは、実質的に≧２０×１０^−６ｍ^２／秒の熱拡散率を有する材料を含み、前記熱拡散率は、熱伝導率／（密度×比熱容量）として規定されている、請求項１に記載のプローブ。
14. 前記中実の円筒状プローブコアは、９×１０^−３ＫＪ／ｍよりも大きい靭性Ｇ_ｉｃを有する材料を含み、靭性は、（破壊靭性（Ｋ_ｉｃ））^２／ヤング率として規定されている、請求項１に記載のプローブ。
15. 前記中実の円筒状プローブコアは、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、Ｓｈａｐａｌ−Ｍ、Ｍａｃｏｒ（登録商標）、これらの組み合わせからなるグループから選択されるセラミックを含む、請求項１４に記載のプローブ。
16. 磁性マーカーを検出するためのプローブであって、
    第１の端部および第２の端部を有する中実の円筒状プローブコアであって、前記中実の円筒状プローブコアは、ワイヤのコイルを収容するための２つの領域を画定し、前記領域のうちの一方は、前記中実の円筒状プローブコアの第１の端部に位置している、中実の円筒状プローブコアと、
    ２つの検知コイルであって、前記検知コイルのそれぞれ１つは、前記領域のそれぞれ１つに位置している、２つの検知コイルと、
    ２つの駆動コイルであって、前記駆動コイルのそれぞれ１つは、前記領域のそれぞれ１つに位置している、２つの駆動コイルと
    を含み、
    前記領域は、前記コイルのうちの一方の直径と等しいまたはそれを上回る距離で長手方向に分離され、
    前記駆動コイルは、磁場を生成し、前記検知コイルは、前記生成された磁場に対する前記磁性マーカーの応答を検出し、
    前記中実の円筒状プローブコアの材料は、非磁性である、プローブ。