KR20190090720A - 수술 유도를 위한 자기 마커를 감지하는 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR20190090720A
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Abstract

감지 시스템 및 방법은 적어도 하나의 거대 바크하우젠 도약(LBJ: large Barkhausen jump) 물질을 포함하는 체내 삽입 가능한 가능한 자기 마커를 사용한다. 마커는 후속의 수술을 위해 신체 내부의 조직 부위를 표시하기 위해 배치되며, 자기 감지 시스템은 마커를 감지하고 국소화할 수 있도록 서브-쌍안정 모드에서 생성되는 고조파 응답을 야기하는 마커의 쌍안정 스위칭을 위해 스위칭 필드 미만에서 마커를 여자시키기 위한 휴대용 프로브를 포함한다. 체내 삽입된 마커는 또한 거대 바크하우젠 도약(LBJ) 물질의 쌍안정 스위칭을 개시하는데 필요한 임계 길이보다 짧을 수 있다.

Description

수술 유도를 위한 자기 마커를 감지하는 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR DETECTING MAGNETIC MARKERS FOR SURGICAL GUIDANCE}
본 발명은 일반적으로는 수술 유도(surgical guidance), 더 자세하게는 예를 들면 수술적 절제술을 위한 병변과 같은 신체 내부의 위치를 특정하기 위한 마커들(markers)을 감지하기 위한 시스템 및 방법과 관련된다
마커들(markers)은 외과적 수술 동안 관심 영역(region of interest)로 외과의를 유도하기 위해 사용되며, 상기 관심 부위는 예를 들면 절제될(excised) 필요가 있는 작은 종양과 같이 물리적으로 보이지 않고 촉진되지 않는 관심 부위일 수 있다. 마커는 생체검사(biopsy) 또는 다른 외과적 시술 동안 예를 들면 암 병변과 같은 신체 내의 관심 부위에 배치될 수 있다. 마커는 초음파 영상 진단기기 또는 엑스레이/유방 엑스레이(mammography) 진단기기와 같은 영상 유도하에 배치된다. 이 후의 수술 동안, 외과의의 수술을 유도하기 위해 청각적, 시각적 또는 다른 피드백을 제공하는 휴대용 프로브(handheld probe)를 이용하여 마커는 감지되고 국소화된다(localised). 일반적으로 마커는 주변 조직과 함께 절제된다.
그러한 접근법 중 한가지는 휴대용 감마선 감지 프로브를 이용해 감지될 수 있는 요오드(Iodine) 90과 같은 방사성동위원소를 포함하는 마커를 사용하는 것이다. 그러나, 방사성 물질의 사용은 엄격히 규제되어, 대형 대학 병원들을 제외하고는 방사성 핵종(radioactive seed) 프로그램을 설정하는 것은 쉽지 않다.
Cianna Medical사의 미국 특허 출원 공개 제2017/252124호는 체내 삽입형 레이더 안테나 형태의 마커를 감지하기 위해 무선 주파수(RF: radio frequency) 및 적외선(IR: infrared) 조합을 사용하는 국소화(localization) 시스템을 개시한다. 그러나, 상기 시스템은 적외선(IR) 방사의 낮은 조직 침투 깊이, 향상된 적외선(IR) 전파를 위해 충실한 조직 접촉의 필요성 및 안테나와 전자적 회로를 포함하는 체내 삽입형 장치와 종종 관련된 강건성(robustness)의 부족으로 인해 한계가 있다.
Health Beacons사의 미국 특허 출원 공개 제2015/264891호는 애완 동물 및 가축을 위한 마커를 분별하기 위해 사용되어 온 RFID(radio frequency identification) 태그에 기반한 시스템을 개시한다. 이러한 접근법의 단점은 쌍극자 축들(dipole axis)에 수직하는 방향으로 접근할 때 소형 RFID 태그가 '음영 지역들(deadspots)'을 갖는 쌍극자 안테나를 구성한다는 점이다. 편리한 임상적 체내삽입을 위해 충분하도록 RFID 태그를 소형화하는 것 또한 어려운 일이다.
추가적인 접근법이 본 출원인의 특허 출원들, 예를 들어 국제 특허 출원 공개 제2011/067576호, 제2014/032235호 및 제2014/140567호에서 논의되고, 상기 접근법은 자기장 및 고 자화율(magnetic susceptibility)을 가지는 자성(magnetic) 마커를 사용한다. 휴대용 프로브는 자기적으로 반응하는 마커를 여자(excitation)시키는 교번 자장(alternating field)을 생성하고, 반응하는 자기장을 감지한다. 이러한 접근법은 RF 접근법의 단점을 제거하고 더 깊은 곳의 감지에 효과적이다. 그러나, 이러한 시스템들은 강자성 수술 도구 또는 다른 금속성 체내 삽입형 장치와 같은 프로브 부근의 자기적으로 반응하는 어떤 물질도 감지할 수 있다. 이 방법들은 효과적인 수술을 위해서 비 강자성 수술 도구와 함께 사용되거나 다른 금속성 체내 삽입형 장치들로부터 멀리 떨어져서 사용될 필요가 있다. 추가적으로, 이러한 프로브는 유방암에서 감시림프절(sentinel node) 감지에 사용되는 산화철 나노파티클 현탁액에 반응할 수 있다.
따라서, 병변 국소화에 요구되는 모든 성질들, 예를 들어 휴대용 프로브를 이용한 마커의 감지 능력 및 자기적으로 반응하는 다른 물질들로부터 병변 마커를 구별 가능한 감지 시스템과 함께 사용되면서 작은 크기(<10mm의 길이)의 마커, 작은 니들(needle)(예를 들어, 16g~18g)을 통한 마커의 전달 가능성, 체내 삽입 및 외과적 제거를 위한 강건성을 보유한 마커 및 감지 시스템을 제공하는 것이 문제가 된다.
원격 전자식 도난 방지 감시(EAS: electronic article surveillance) 분야에서, 다른 물질들의 감지에 대한 특이도를 향상시키고 자기 감지의 신호대잡음비(SNR)에 대한 신호를 향상시키기 위한 기술들이 알려져 있다. 예로 들면, 미국 특허 등록 제4510489호는 공진 주파수에서 응답을 발생시키는 자왜(magnetostrictive) 강자성 물질 스트립(strip)으로 구성된 태그를 기술한다. 다른 태그들은 자기 음향 공명(magneto-acoustic resonance) 또는 자성 물질의 다른 비 선형 특성을 이용한다. 그러나 이러한 마커들은 최소로부터 중간 조사 영역(interrogation field)에서 측정 가능한 응답을 생성하기 위해 체내 삽입형 마커들에서 허용 가능한 길이보다 큰 일반적으로 최소 30~40mm의 길이를 필요로 한다.
Humphrey의 미국 등록 특허 제4660025호는 전자식 도난 방지 감시 시스템의 부분으로서 자화 곡선에서 거대 바크하우젠(Barkhausen) 불연속을 가지는 비정질 와이어(amorphous wire)의 사용을 개시한다. 이러한 '거대 바크하우젠 도약(LBJ: Large Barkhausen Jump)' 물질은 와이어의 순시 자기 분극에 대항하는 필드 강도(field strength)가 소정의 임계 값을 초과하는 외부 자기장에 의해 여자될 때 자기 분극(magnetic polarization)의 빠른 반전을 겪게 된다. 따라서, 이런 물질은 두 개의 자기 분극 상태에서 전환하는 쌍안정 거동(bistable behaviour)을 보인다. 자화의 각 전환은 고조파(harmonic) 성분을 갖는 자기 펄스를 생성한다. 다른 물질들로부터 마커를 식별하기 위해 고조파들의 프로파일과 수가 (수십 배의 고조파까지) 측정된다. 마커의 최적 길이는 2.5~10 cm로 설명되며, 체내 삽입형 마커를 위해 요구되는 길이를 실질적으로 벗어난다. 이 접근법은 강한 자기 반응(magnetic response)을 생성하는 단일 물질을 포함하는 이점을 가진다.
Sulla의 논문(Utilizing Magnetic Microwires For Sensing In Biological Applications, Jnl. of Elec. Eng., VOL 66. NO 7/s, 2015, 161-163)은 의료 분야 특히 외부 필드를 인가하여 자기적으로 감지 가능한 체내 삽입물로서 거대 바크하우젠 도약 형태의 쌍안정 거동을 이용하고, 유리로 코팅된 비정질 마이크로 와이어를 설명한다.
그러나, 이러한 쌍안정 거동을 보이기 위해서는 두 가지 기준을 충족해야 한다. 와이어의 길이는 '임계 길이(critical length)'를 초과해야 하며, 많은 마이크로 와이어들의 경우 일반적으로 25 mm를 초과한다. 그리고 자계는 임계 '스위칭 필드(switching field)'인 HSW를 초과해야 한다. 추가적으로, 쌍안정 거동은 3 kHz 미만의 주파수에서 가장 잘 작동한다.
Von Gutfeld의 미국 등록 특허 제6230038호는 방사선 치료를 유도하기 위해 종양을 표시하기 위해 비선형 응답을 가지는 자성 와이어의 사용을 설명한다. 상기 마커는 자화 곡선의 비 선형 영역으로 구동되는 철계 물질(ferrous material) 또는 쌍안정 거동을 보이기 위해 구동되는 쌍안정 LBJ 와이어를 포함한다. 이러한 접근법은 마커를 비 선형 거동으로 구동하기 위해 충분히 큰 자계를 형성하기 위하여 환자 주위에 거대한 코일들을 가진 거대한 외부 장치를 필요로 한다. 그러한 장치는 악성 종양 수술 중에 수술장을 어둡게 한다.
이러한 조건들은 다음과 같은 이유들 때문에 선행 기술에서 설명된 거대 바크하우젠 도약 거동을 병변 국소화(lesion localisation) 마커로서 사용하기에 부적합하게 한다.
- 대부분의 그러한 물질들의 거대 바크하우젠 도약을 위해 요구되는 임계 길이는 5~10 mm이상으로서, 오직 수 mm의 크기를 가질 수 있는 작은 병변들을 편리하게 표시(marking)하기에는 너무 크게 된다.
- 스위칭 필드는 쌍안정 거동을 구동하기 위해 임계값 이상이어야 한다. 도난 방지 감시 분야에서는, 거대 면적 여자 및 센싱 코일은 큰 자기장을 발생시키는 수십 센티미터 범위의 직경을 사용하여 1 미터 이상의 범위에서 작은 와이어의 존재를 검출할 수있다. 그러나, 수술 유도를 위해서는 휴대용 또는 로봇 유도 감지 프로브를 통해 훨씬 더 정확한 마커의 국소화가 필요하다. 이는 감지 코일의 크기를 직경 20 mm 미만으로 제한함으로써 마커를 감지할 수 있는 거리를 제한한다. 감지 민감도는 코일로부터의 거리의 (근접 필드에서) 2 차 또는 (원거리 필드에서) 3 차에 따라 더 감소한다. 구동 필드가 프로브에서 생성되는 경우, 프로브로부터의 거리에 따라 4 차 또는 6 차마다 감지 능력이 감소한다. 따라서, 미국 등록 특허 제4660025호는 0.6~4.5 Oe(0.06~0.45 mT)의 스위칭 필드로 여자되는 EAS 마커들을 개시하고 미국 등록 특허 제6230038호는 최소 1 Oe의 스위칭 필드에서 여자되는 것을 개시하는 반면, 휴대용 프로브로부터 약 40 mm에서 생성될 수 있는 필드들은 전류, 전압, 전력 및 온도 범위 제한들이 고려된 경우 0.5 x 10-3 ~ 0.05 Oe (0.05 - 5 μT)의 범위에 존재하여, 즉 크기가 1차에서 2차까지 낮다.
- 일부 LBJ 재료의 경우 LBJ 응답이 시작되는 필드가 주파수와 함께 증가하므로 와이어들은 더 높은 주파수에서 여자되기 더 어렵다. 이러한 이유로, 종래 기술은 3 kHz 이하, 바람직하게는 1 kHz보다 낮은 주파수를 특정한다. 이는 검출되는 매우 작은 필드에서 신호대잡음비를 최대화하기 위해 여러 사이클에 걸쳐 신호를 평균하는 것이 바람직한 수술 유도에는 바람직하지 않다. 더 높은 주파수는 랙(lag) 또는 지연(delay)을 갖는 것처럼 보이는 사용자에 대한 평균 피드백 응답이 없이 더 많은 평균을 허용한다.
EAS 시스템의 다른 단점은 마커 와이어들로부터의 응답의 큰 이방성(anisotropy)이다. 즉, 축 방향의 응답이 횡 방향의 응답보다 훨씬 크다. EAS 분야에서, 시스템이 감지기와의 거리가 아니라 마커의 존재를 감지하면 되므로 이것은 문제가 되지 않기 때문에, 거대한 코일과 높은 필드 강도로 인해 만족스러운 EAS 감지가 가능하다. 그러나 휴대용 프로브를 이용한 외과 유도에서는, 접근 방향에 따라 프로브로부터 서로 다른 거리에서 마커가 나타나므로, 접근 방향에 따라 변화하는 응답이 사용자에게 혼란을 줄 수 있다.
따라서, 다른 자성적으로 응답하는 물질들로부터 병변 마커를 구별할 수 있는 시스템과 함께 병변 국소화를 위해 마커에 요구되는 모든 요건, 작은 크기(< 10 mm 길이), 작은 니들(예를 들어, 16 g ~ 18 g)을 통한 전달 가능성, 비교적 높은 주파수( > 1 kHz)를 사용하는 휴대용 프로브를 이용한 감지 가능성, 어떤 감지 방향으로부터도 실질적으로 균일한 응답을 제공하는 능력 및 체내 삽입 및 수술 제거를 위한 강건성을 충족하는 체내 삽입형 마커를 제공하는 것이 필요하다.
본 발명의 첫번째 양태에 따르면, 마커를 국소화하기 위한 감지 시스템이 제공되며, 상기 감지 시스템은 자화 곡선에서 거대 바크하우젠 도약(LBJ: Large Barkhausen Jump)을 나타내는 자성 물질의 적어도 하나의 조각을 포함하는 적어도 하나의 체내 삽입 가능한 마커; 교번 자기장으로 상기 마커를 여자(excite)시키도록 배치된 적어도 하나의 구동 코일 및 상기 여자된 마커로부터 수신된 신호를 감지하도록 배치된 적어도 하나의 감지 코일; 상기 적어도 하나의 구동 코일을 통해 교번 자기장을 구동하도록 배치된 자기장 발생기; 및 상기 감지 코일로부터 상기 신호를 수신하고 상기 수신된 신호에서 구동 주파수의 하나 이상의 고조파를 감지하도록 배치된 적어도 하나의 감지기를 포함하고, 상기 적어도 하나의 구동 코일은 상기 마커의 거대 바크하우젠 도약(LBJ) 물질의 상기 쌍안정 스위칭 거동(bistable switching behaviour)을 개시하는데 필요한 스위칭 필드(switching field) 미만에서 상기 마커를 여자시킨다.
LBJ 물질, 쌍안정(bistable) 스위칭 물질 또는 자화 곡선에서 불연속적인 변화가 큰 물질로 알려진 거대 바크하우젠 도약(LBJ: Large Barkhausen Jump) 물질은 상기 물질의 순시 분극에 대항하는 전계 강도가 소정의 임계 값, 스위칭 필드(HSW)를 초과하는 외부 자기장에 의해 여자될(excited) 때 자기 분극의 신속한 전환("쌍 안정 스위칭" 거동)을 겪는다. 본 발명에서, 마커는 측정 가능한 고조파 응답이 여자 필드가 '스위칭 필드' 보다 낮을 때 조차도 감지 가능하게하는 거대 바크하우젠 도약(LBJ) 물질을 위해 "서브-쌍안정(sub-bistable)" 여자 모드를 이용한다.
일반적으로, 이 쌍안정 스위칭 거동은 임계 길이의 물질 길이를 필요로 한다. 상기 감지 시스템의 체내 삽입 가능한 마커는 신속한 전환에 필요한 임계 길이 이하로 제공되는 것이 바람직하며 일반적으로 25 mm 미만이고, 보다 바람직하게는 10 mm 보다 작으며, 특히 5 mm 보다 작고, 이것은 편리한 체내 삽입과 작은 병변의 표시를 위해 마커의 크기를 줄이기 위해 바람직하다. 마커는 측정되는 고조파 응답이 LBJ 물질의 길이가 쌍안정 모드에 도달하기위한 '임계 길이' 미만인 경우에도 감지 가능하도록, 거대 바크하우젠 도약 물질을 위한 "서브-쌍안정" 여자 모드를 사용한다.
바람직하게는, 마커는 신체에 삽입되는 물질의 양이 최소화되도록 5mg 미만의 거대 바크하우젠 도약(LBJ) 물질을 포함한다. 상기 물질은 와이어(wire)의 형태로 제공될 수있다. 이러한 물질의 예는 철-, 코발트- 및 니켈-이 풍부한 유리 코팅된 비정질(amorphous) 마이크로 와이어, 철-실리콘-붕소 기반 비정질 마이크로 와이어, 철-코발트 기반 비정질 마이크로 와이어 및/또는 벌크 금속 유리 와이어를 포함하지만 이에 한정되지 않고, 거대 바크하우젠 도약(LBJ) 응답이 여자되게 적합한 임의의 물질일 수 있다. 와이어는 코팅 및/또는 중공 튜브(hollow tube) 내부에 제공되거나, 초기 소형 구성으로부터 확장된 배치 구성으로 배치 가능할 수 있다. 바람직하게, 마커를 체내 삽입하는 것과 관련된 외상 및 통증을 최소화하기 위해 마커는 내경이 2 mm 미만인 바늘로부터 배치될 수있다.
본 발명에서 사용하기 위한 마커는 신체 내부에 삽입되어 교번 자기장에 의해 조사(interrogation)될 때 마커로부터의 고조파 응답의 크기가 마커에 대해 임의의 방향에서 측정될 때 실질적으로 동일하도록 구성되고, 즉, 마커는 균일한 자기 응답을 제공하고 프로브와 마커 사이의 거리를 결정할 수 있도록 모든 감지 방향에서 유사한 자기 쌍극자(dipole) 길이를 제공한다. 바람직하게는, 마커는 배치된 마커의 최대 치수의 적어도 50 %의 자기 쌍극자 길이를 갖는 와이어 폼 형상을 포함한다.
마커의 임의의 방향으로부터의 균일한 고조파 응답은 다수의 상이한 마커의 기하학적 구조에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 마커는 3 개의 직교하는 x, y 및 z 축들을 따라 제공된 거대 바크하우젠 도약(LBJ) 자성 물질의 길이를 포함할 수 있다. 마커는 각 방향으로 재료의 길이를 제공하기 위해 다른 형태로 구부러지거나 함께 결합된 별도의 길이를 가질 수 있다. 바람직하게는, 상이한 길이들 사이의 각도는 60° ~ 120°, 보다 바람직하게는 90° ~ 110°이다. 마커가 초기의 소형 구성으로부터 확장된 배치 구성으로 전개 가능한 실시예에서, 임의의 방향으로부터 균일한 고조파 응답을 제공해야 하는 것은 후자의 구성이다.
감지 시스템은 바람직하게는 수신된 고조파 신호를 처리하고 감지 코일에 대한 마커의 위치에 대한 사용자에게 지시, 예를 들면 감지 코일에 대한 마커의 근접도, 거리, 근원 방향 또는 지향 방향의 각 표시와 관련하여 사용자에게 적어도 하나의 표시기를 제공하는 출력 모듈을 포함한다.
보다 바람직하게는, 시스템은 하나 이상의 홀수 고조파(예를 들어, 3번째 및 5 번째), 짝수 고조파(예를 들어, 2 번째, 4 번째 및 6번째)의 조합 또는 홀수 및 짝수 고조파의 조합, 또는 고조파들의 서로에 대한 비율 또는 고조파들의 기본 주파수에 대한 비율과 같은 마커의 고조파 응답의 하나 이상의 양상을 처리한다. 감지된 신호를 향상시키기 위해 적절한 필터가 제공될 수 있다.
출력 모듈은 시각 디스플레이 또는 사운드 생성기를 포함할 수 있다.
본 발명의 이러한 양태의 바람직한 실시예에서, 구동 및 감지 코일은 사용자를위한 시스템의 설정을 간단하게하기 위해 휴대용 프로브 내부에 제공된다.
대안적으로는, 오직 감지 코일만 휴대용 프로브 내부에 제공될 수 있다. 이 실시예에서, 더 큰 구동 코일이 마커 부위에서 증가된 자기장을 생성할 수 있도록 프로브 외부에 제공될 수있다. 예를 들어, 구동 코일은 환자의 근방 또는 아래에 배치하기 위해 패드 내에 제공될 수 있다.
본 발명의 두 번째 양상에 따르면, 이식 가능한 마커를 감지하는 방법이 제공되며, 상기 체내 삽입 가능한 마커는 자화 곡선에서 거대 바크하우젠 도약(LBJ)을 나타내는 자성 물질의 적어도 하나의 조각을 포함하고, 상기 방법은 마커를 여자시키기 위해 상기 마커에 교번 자기장을 인가하는 동작, 상기 마커의 거대 바크하우젠 도약(LBJ) 물질의 쌍안정 스위칭 거동을 개시하는 데 필요한 스위칭 필드 미만의 크기인 필드; 스위칭 필드 미만에서 마커의 자화 변화에 의해 야기되는 여자된 마커로부터 수신된 신호의 구동 주파수의 하나 이상의 고조파를 검출하는 동작을 포함한다.
스위칭 필드 미만에서 마커를 여자시키기 위한 교번 자기장의 인가는 마커에 대해 서브-쌍안정 응답을 야기한다.
바람직하게는, 구동 주파수는 1 kHz 이상이고, 바람직하게는 1 ~ 100 kHz 범위, 특히 10 ~ 40 kHz 범위이다.
상기 방법은 마커의 위치와 관련된 출력을 제공하기 위해 마커의 고조파 응답의 양상을 측정하는 동작을 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 이것은 하나 이상의 홀수 고조파 또는 짝수 고조파의 진폭 또는 두 가지의 조합, 이들 고조파들의 서로 또는 기본 주파수에 대한 비율일 수 있다.
신호의 적절한 필터링 및 처리는 상기 방법에 의해 제공되는 출력을 향상시키기 위해 제공될 수 있다.
상이한 길이 및/또는 기하 구조를 가지는 다수의 마커가 각 마커들의 고조파 응답이 다른 것과 구별될 수 있도록 상기 방법에서 사용될 수 있다.
본 발명을 보다 잘 이해하고 그것이 어떻게 실시될 수 있는지를 보다 명확하게 나타내기 위해, 단지 예시로서 첨부된 도면을 참조할 것이다.
도 1a는 종래 기술에 따른 LBJ 와이어에 대한 자화 곡선이다.
도 1b는 사인파 필드에 의해 여자될 때, 도 1a의 LBJ 와이어의 시간 영역 응답이다.
도2는 상이한 크기의 여자 필드를 가지는 LBJ 와이어에 대한 서브-쌍안정 및 쌍안정 거동을 조사하기 위해 사용되는 구성들을 도시한다.
도 3a는 로그-로그 및 로그-선형 스케일 두가지로 도시된 100 Hz 여자 필드의 크기가 증가함에 따라 LBJ 와이어로부터의 제 3 고조파(H3) 응답(임의의 유닛)을 도시한다.
도 3b는 사인파에 의해 구동될 때 도 3a의 상단 그래프의 지점 A에서의 서브-쌍안정 영역에서의 시간 영역 응답을 도시한다.
도 3c는 사인파에 의해 구동될 때 도 3a의 그래프의 지점 B에서의 쌍안정 영역에서의 시간 영역 응답을 도시한다.
도 3d는 100 Hz 여자 주파수에서 서브-쌍안정 및 쌍안정 스위칭 모드의 LBJ 와이어로부터의 주파수 영역 응답이다.
도 4는 10 kHz 여자 주파수에서 서브-쌍안정 및 쌍안정 스위칭 모드의 대체 LBJ 와이어로부터의 주파수 영역 응답 및 주파수 도메인 곡선의 위치 A의 동일한 와이어에 대한 시간 영역 응답이다.
도 5는 물질의 임계 길이가 약 40 mm이고, 마커의 길이가 3 mm이고, 여자 필드의 주파수가 증가함에 따라 응답이 증가하는 것을 나타내는, 코발트-철 비정질 LBJ 마이크로 와이어로부터의 제 3 고조파 응답을 도시한다.
도 6a는 100 Hz에서 여자 필드가 증가함에 따라 LBJ 와이어와 비교된 정상적인 비정질 금속 와이어로부터의 제 3 고조파(H3) 응답을 도시한다.
도 6b는 도 6a의 그래프의 지점 C에서의 비-LBJ 정상 비정질 금속 와이어로부터의 시간 영역 응답을 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 감지 시스템의 실시예의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 감지 시스템의 블록도이다.
도 9a 내지 9i는 본 발명과 함께 사용하기 위한 마커에 대한 다양한 구성을 도시한다.
도 10은 도 9h의 마커에 대한 삼각대 다리들 사이의 각도에 대한 최소 자기 마커 응답에 대한 최대 자기 마커 응답 비율의 변화를 도시한다.
도 11은 주요 치수가 감지 방향으로 와이어의 가장 긴 범위임을 결정하기 위해 조사된 본 발명에 사용되는 마커의 3 가지 형태의 개략도이다.
도 12a 내지 도 12e는 배치 시스템과 함께 도 9a에 따른 마커를 도시한다.
도 12f는 본 발명과 함께 사용하기 위한 소성 변형 가능한 마커를 도시한다.
도 13a는 감지 프로브에 대한 상이한 방향의 범위에서도 도 9g의 마커로부터 다수의 제3 고조파 반응의 곡선을 도시하고, 도 13b는 도 13a의 그래프를 생성하기 위해 검사된 감지 프로브에 대한 마커의 방향들을 도시한다.
도 14는 본 발명에 따른 감지 시스템의 다른 실시예의 개략도이다.
본 발명은 신체 내의 표적 부위를 표시(marking)하기 위해 체내 삽입 가능한 자성 마커(magnetic marker)에 관한 것이며, 이후 휴대용 프로브를 사용하여 감지되고 국소화(localised) 될 수 있다. 본 발명은 체내에 삽입된 마커의 위치를 찾는 국소화하는 감지 시스템 및 방법을 제공한다.
마커는 신체 내부에 표시가 필요한 부위에 삽입될 수 있다. 필요한 부위는, 예를 들어 종양 또는 다른 병변 또는 연조직의 관심 부위(site of interest) 일 수 있다. 예로는 병변, 악성 병변 및 림프절이 포함되지만 이에 국한되지 않는다. 마커는 병변 또는 그 근처에 배치될 수 있으며, 연조직 육종(sarcoma)의 경계부(margin)와 같은 수술 부위의 주위를 표시하기 위해 복수의 마커가 배치될 수 있다.
본 발명의 감지 시스템 및 방법은 LBJ 물질을 위해 이전에는 인식되지 않은 다른 여자(excitation) 모드를 이용한다. 본 발명자들은 놀랍게도, 와이어(wire) 길이가 '임계 길이(critical length)' 미만이고 여자 필드가 '스위칭 필드(switching field)' 미만인 경우에도, 마커에 통합된 LBJ 물질에 대한 다른 여자 모드가 측정 가능한 고조파(harmonic) 응답을 생성한다는 것을 발견했다. LBJ 와이어의 '임계 길이' 및 '스위칭 필드'의 개념은 예를 들어 Vazquez의 논문(A soft magnetic wire for sensor applications., J. Phys. D: Appl. Phys. 29 (1996) 939-949)으로부터 알려져 있다. 더욱이, 본 발명에서 측정된 효과는 더 높은 여자 주파수에서 크기가 증가하고 3 kHz보다 훨씬 높은 주파수에서 작동될 수 있다. 이러한 실현은 병변 부위를 표시하기 위해 체내 삽입 형 자기 마커를 사용하는 이전 시스템보다 우수한 특성을 갖는 새로운 유형의 감지 시스템을 제공하는 것을 가능하게 했다.
본 발명은 LBJ 물질의 알려진 쌍안정 거동(bistable behaviour)에 추가하여 이전에는 미 확인된 "서브-쌍안정(sub-bistable)" 거동의 발명자의 실현 및 활용에 기반한다.
도 1a의 자화 곡선은 미국 등록 특호 제4660025에 개시된 선행 기술의 LBJ 와이어를 위한 것이다. 이것은 지시 부호 '25'로 표시된 스위칭 필드가 초과되면 자화의 특성 전환(reversal)을 보인다. 충분히 높은 필드에 의해 여자될 때, 특성 펄스는 시간 영역에서 보인다(그림 1b 참조). 펄스는 때로는 구동 신호가 완전히 필터링되지 않을 때 볼 수 있는 사인파(sine wave) 위에 중첩되어 보인다. 자화 곡선에 따르면, 스위칭 필드(25)보다 낮은 여자 필드 H는 규모의 작은 변화인 '24'에서 '25'로 이동하는 효과를 제외하고는 자화 B에 거의 또는 전혀 변화를 일으키지 않을 것이며, B의 극성에는 변화가 없다.
본 발명자들은 이 곡선이 교번 자기장에 배치될 때 LBJ 물질의 거동을 완벽히 묘사하지는 않는 것을 발견했다. 예를 들어, 임계 길이 이상의 코발트-철 비정질(cobalt-iron amorphous) LBJ 마이크로 와이어가 도 1a의 배치에 따라 100 Hz에서 교번 자기장으로 여자될 때, 제3 고조파(harmonic)(H3) 응답은 도 3a에 도시된 것과 같다. 여기에서, H3은 마커 반응의 고조파 량을 대표하는 것으로 여겨진다. H3 응답이 잡음과 구별 가능하면, 그것은 여자 필드에 대하여 거의 선형 관계로 증가한다. 이는 스위칭 필드에 도달할 때까지 계속되며, 이 지점에서 쌍안정 스위칭이 시작될 때 응답의 크기는 크게 증가한다. 이 시점에서 임계 길이 이상의 LBJ 와이어가 정상적으로 식별될 수 있다. 로그 선형 및 로그 로그 스케일은 모드 변경을 명확하게 보여준다. 그러나 도 3a는 "서브-쌍안정" 모드를 사용함으로써, 필드가 쌍안정 거동에 요구되는 스위칭 필드보다 필드의 크기가 거의 2 배 낮은 경우에도 마커를 감지할 수 있음을 보여준다. 이는 주어진 구동 필드에 대해 마커가 프로브에서 훨씬 더 먼 거리에서 감지될 수 있음을 의미한다.
도 2는 서로 다른 크기의 여자 필드를 가진 LBJ 와이어에 대한 서브- 쌍안정 및 쌍안정 거동을 조사하는데 사용된 구성들을 도시한다. 도 3a는 100Hz 여자 필드의 크기가 증가함에 따라 LBJ 와이어로부터의 제3 차 고조파(H3) 응답(임의 단위)을 로그-로그 및 로그-선형 스케일로 도시한다.
도 3b는 사인파에 의해 구동될 때의 서브-쌍안정 영역에서의 시간-도메인 응답을 보여준다. 이는 자화가 반전됨에 따라(도 3c 참조) 고전적인 짧은 펄스를 나타내는 쌍안정 시간 영역 응답과 달리 왜곡된 사인파로 나타난다. 주파수 영역에서, 종래 기술에서 보인 쌍안정 모드의 풍부한 고조파는 서브-쌍안정 모드의 덜 풍부한 고조파 응답과 대조된다(도 3d 참조). 그러나, 그러한 고조파 응답은 비-쌍안정 비정질 와이어 으로부터의 응답보다 여전히 풍부하며, 본 발명자는 놀랍게도 와이어의 길이가 '임계 길이' 미만이고 여자 필드가 '스위칭 필드' 미만일 때조차 마커를 정확하게 식별하는데 이러한 응답이 사용될 수 있다는 것을 발견했다.
수 밀리미터의 임계 길이를 갖는 유리로 코팅 된 마이크로 와이어들을 포함하는 다른 LBJ 와이어에서도 유사한 거동이 관찰되었다. 도 4는 10kHz 여자 주파수에서 "서브-쌍안정" 및 쌍안정 스위칭 모드에서 다른 LBJ 와이어로부터의 주파수 도메인 응답과 주파수 도메인 커브의 A 위치에서 동일한 와이어에 대한 시간 도메인 응답을 나타낸다. 이 와이어는 도 2의 동일한 실험 배치를 사용하여 10 kHz로 여자된 유리로 코팅된 3 mm 길이의 마이크로 와이어(내부 직경 15 um, 외부 직경 32 um)이다.
유사한 "서브-쌍안정" 응답은 임계 길이보다 짧은 와이어에서도 관찰된다. 예를 들어, 도 5는 재료의 임계 길이가 약 40 mm이고 마커에서 마이크로 와이어의 길이가 3 mm 인 코발트-철 비정질 LBJ 마이크로 와이어의 응답을 보여준다. 마커는 너무 작아서 쌍안정 거동을 보여줄 수 없다. 그러나, 그것은 서브-쌍안정 고조파 응답을 보여주며, H3 응답의 크기는 최소 10 kHz까지 주파수 증가에 따라 증가한다.
LBJ 자화 곡선을 갖지 않는 다수의 철 및 비정질 자성 물질들이 충분히 높은 필드로 여자되면 고조파 응답을 생성할 수 있다는 것은 당 업계에 공지되어 있다. 그러나, 여기에서 식별되는 서브- 쌍안정 효과는 '비 LBJ' 물질에는 나타나지 않는다. 따라서, 마커가 적어도 일부 LBJ 물질을 포함하는 것이 본 발명에서 요구된다. 6a는 도 3a에 도시된 LBJ 와이어를 LBJ를 갖지 않는 유사한 형상의 비정질 금속 와이어와 자화 곡선에서 비교한다. 여기에서 보면, 낮은 필드에서의 응답은 LBJ 와이어로부터의 서브-쌍안정 응답보다 1에서 2 차 정도 더 작다. 또한, 스위칭 필드에서 거동의 급격한 변화는 비 LBJ 와이어에서는 보이지 않으며, 낮은 구동 필드에서는 응답이 너무 작아 노이즈와 구별되지 않는다. 이것은 마커가 프로브로부터 떨어진 거리에서 감지되는 능력을 제한할 것이다.
도 6a의 지점 C에서 보이는 시간 영역 응답은 도 6b에서 보여진다. 명확하게 쌍안정 거동이 없거나, 도 3c의 특징적인 펄스가 보이지 않는다.
따라서, 본 발명은 후속 수술을 위해 체내의 조직 부위를 표시하기 위해 사용되는 거대 바크하우젠 도약 물질(LBJ)의 적어도 하나의 조각을 포함하는 체내 삽입 가능한 자기 마커 및 상기 마커를 여자시키기 위한 구동 코일을 포함하는 자기 감지 시스템을 필요로 한다.시스템은 구동 코일이 마커의 쌍 안정 스위칭을 위한 스위칭 필드 미만의 교번 자기장으로 마커를 여자시키면, 마커의 감지 및 국소화 가능한 고조파 응답이 생성되는 것을 특징으로 한다.
첨부된 도면의 도 7은 본 발명에 따른 감지 시스템 및 마커의 일 실시예의 개략도를 도시한다. 감지 시스템(1)은 베이스 유닛(4)에 연결된 프로브(2)를 포함한다. 프로브는 자기 마커(6)를 여자시키기 위해 교번 자기장을 생성하는 하나 이상의 구동 코일을 포함한다. 마커는 거대 바크하우젠 자화 곡선에서 거대 바크하우젠 불연속성을 갖는 적어도 하나의 자성 마커 물질 일부를 포함하고, 상기 물질은 거대 바크하우젠 도약 물질, LBJ 물질, 쌍안정 스위칭 물질 또는 자화 곡선에서 불연속적인 변화가 큰 물질로도 알려져 있다. LBJ 물질은 상기 길이의 물질의 순시 자기 분극에 반대되는 자계 강도가 소정의 임계 값을 초과하는 외부 자기장에 노출될 때, 스위칭 필드 H_SW는 자기 분극의 급속한 전환을 겪는다. 이러한 자화 전환은 풍부한 고조파 성분을 갖는 자기 펄스를 생성한다. 통상적으로, 마커는 소위 '임계 길이' 이상으로 크기가 정해지고, 그것은 자화가 완전한 쌍안정 전이를 겪거나 중요한 고조파 응답을 생성하는데 필요한 '반전(flipping)' 거동을 할 수 있는 길이이다. 그러나, 본 발명자들은 임계 길이보다 상당히 낮은 경우 및/또는 스위칭 필드 H_SW보다 낮은 경우 마커들로부터 고조파 응답이 획득될 수 있다는 것을 발견하였고, 이는 체내 삽입 가능한 마커의 국소화에 사용되기 유리하다.
고조파 접근법은 또한 마커의 감지를 허용하는 반면에, 표유 자계(stray field), 조직에서의 반자성 응답 및 와상 전류(eddy current)와 같은 기본 주파수에서의 잡음원에 상대적으로 영향을받지 않는다.
감지 시스템의 프로브(2)는 마커의 자화 변화에 의해 야기된 자기장의 변화를 감지하도록 배치된 하나 이상의 감지 코일을 더 포함한다.
모든 전형적인 병변 또는 관심 부위에서 마커를 감지하기 위해, 프로브는 적어도 30 mm, 바람직하게는 40 mm 이상, 보다 바람직하게는 50 mm 이상의 감지 깊이를 가져야 한다. 이상적으로 프로브는 마커에 접근하는 방향에 관계없이 동일한 응답 크기를 제공한다. 이는 프로브와 관련하여 마커의 위치에 대해 외과의에게 일관된 피드백을 제공하기 위한 것이다.
첨부된 도면의 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 감지 시스템(10)의 블록도를 도시한다. 주파수 발생기(100), 예를 들어 발진기 또는 파형 발생기(fD는 0.5 내지 30 kHz)는 바람직하게는 하나 이상의 구동 코일(102)을 여자시키는 사인파 교류 신호를 발생시킨다. 사인파 신호는 감지 코일이 잘못된 고조파 신호를 감지하지 않도록 구동 필드의 고조파 성분을 최소화한다. 하나 이상의 구동 코일은 적어도 하나의 거대 바크하우젠 도약 물질(LBJ)을 포함하는 자기 마커(6)를 포함하는 조직 내부로 도달하는 교번 자기장을 생성한다.
교번 자기장은 마커(6)를 여자시키고 마커의 자화는 필드의 고조파 성분 생성을 유도한다. 마커의 배치에 따라, 고조파는 홀수 고조파(3번째, 5 번째, 7 번째 등) 또는 짝수 고조파(2 번째, 4 번째, 6 번째 등) 또는 홀수 및 짝수 고조파의 조합일 수 있다. 마커는 하나 이상의 고조파 주파수의 크기를 직접 측정하거나 하나 이상의 고조파의 크기와 다른 주파수의 크기에 대한 비율 또는 기본 주파수의 크기에 대한 비율을 측정하여 감지된다.
마커로부터의 응답은 감지 전압 또는 전류를 생성하기 위해 하나 이상의 감지 코일(104)에 의해 감지된다. 바람직하게는 감지 코일은 휴대용(handheld) 또는 로봇 프로브 내에 위치한다. 하이 패스 필터 또는 노치 필터(106)는 결과적 신호가 구동 주파수에서 최소의 내용을 가지고 신호의 높은 고조파 성분, 예를 들어 두 번째, 세 번째, 네 번째, 다섯 번째 또는 일곱 번째 고조파 또는 이들의 조합을 포함하도록 구동 주파수에서 감지 신호의 적어도 일 성분을 필터링하거나 감쇠시키도록 배치될 수 있다. 상기 필터는 예를 들어 커패시터, 인덕터 및 저항기의 공지된 배치를 포함하는 수동 LCR 유형 필터 형태 또는 예를 들어 하나 이상의 op-amp에 기반한 공지된 배치를 포함하는 능동 필터의 형태를 취할 수 있다.
필터링된 신호는 상기 신호의 하나 이상의 고조파 성분을 증폭하고 신호를 프로브로부터 마커까지의 거리 측정치로 변환(110)하는 고조파 감지 회로(108)에 공급될 수 있다. 사용자 디스플레이 및 사운드 생성기(112)는 예를 들어 마커의 근접도 또는 자기 신호의 세기를 나타내는 시각 및 오디오 출력을 사용자에게 제공한다. 시스템은 마커의 근접, 크기, 거리 또는 방향 또는 이들의 조합을 나타낼 수 있다.
구동 코일(102)로부터의 구동 신호는 교번 자기장이 희망하는 여자 또는 구동 주파수에 주로 있도록, 구동 신호의 임의의 고조파 부분을 감쇠시키기 위해 필터(101)에 의해 전자적으로 필터링 될 수 있다. 이것은 고조파 응답으로 잘못 해석될 수 있는 고주파에서의 거짓된 응답을 방지하는 데 도움이 된다. 원한다면, 중첩/변조하거나 또는 서로 다른 시간에 서로 다른 주파수가 생성되도록 신호를 멀티플렉싱하여 더 복잡한 자기 신호를 생성하기 위해 둘 이상의 구동 주파수가 추가될 수 있다.
구동 주파수는 100 Hz ~ 100 kHz 범위일 수 있다. 100 kHz방향의 더 높은 주파수는 감지된 신호를 최대화하는데 유리하다(도 1G 참조). 더 높은 주파수는 또한 사용자에게 '실시간' 출력을 계속 제공하면서 노이즈 억제를 향상시키기 위해 감지 중에 초당 더 많은 사이클이 평균화되는 것을 가능하게 한다. 즉, 초당 최소 10 번 출력 신호를 업데이트한다. 따라서, 잡음 억제를 위해 적어도 1000 Hz, 바람직하게는 적어도 10 kHz의 주파수가 바람직하다. 사용자에게 명백한 '실시간' 응답을 제공하기 위해, 출력은 적어도 0.1 초마다 업데이트 되어야 한다. 1 kHz의 주파수는 사용자에 대한 각 업데이트 사이에 100 사이클을 평균화할 수 있으며, 10 kHz는 사용자에 대한 각 업데이트 사이에 1000 사이클을 평균화할 수 있다.
구동 주파수를 낮추면 또한 장점이 생길 수 있으며, 마커(예: 높은 전도성을 가진 경우 와상 전류가 발생하는 경향이있는 경우)와 주변 조직의 와상 전류 감소를 모두 포함한다. 감소된 와상 전류 손실을 위해, 30 kHz 미만의 주파수가 유리하다. 또한, 수술실 환경에서 전자기 간섭 신호는 100 kHz 이상의 주파수에서 보다 자주 경험되므로, 관심 고조파가 100 kHz 미만이 되도록 구동 주파수를 선택하면 유익할 수 있다.
전술한 것처럼, 본 발명의 제 1 양태에 따른 감지 시스템의 마커는 각각 자화 곡선의 거대 바크하우젠 불연속에 의해 생성된 교번 자기장에 대한 고조파 또는 비선형 응답을 제공하는 하나 이상의 길이의 물질("자성 마커 물질")을 포함한다. 이러한 물질의 예로는, 철-, 코발트- 및 니켈-이 풍부한 유리 코팅된 비정질 마이크로 와이어, 철-실리콘-붕소 기반 비정형 마이크로 와이어, 철-코발트 기반 비정질 마이크로 와이어 및 벌크 금속 유리 와이어가 있다.
도 9a 내지 도 9h에 도시된 마커의 예들은, 교번 자기장에 대한 고조파 응답이, 예를 들어 마커 물질의 단일 직선 길이의 것보다 임의의 주어진 방향으로부터 보다 균일하도록 배치되고, 그 결과 외과의로 하여금 프로브를 사용하여 쉽게 국소화할 수 있다.
도 9a에서, 마커(6)는 4 면체의 3 개 또는 4 개의 테두리(6a, 6b, 6c)를 설명하기 위해 구부러진 자성 마커 물질의 길이를 포함한다. 그렇게함으로써, 마커의 고조파 신호 응답은 주어진 감지 방향으로부터 더 균일해진다. 또 다른 양태에서, 배치되기 전에 마커가 외부 튜브의 안쪽으로 보다 쉽게 채워지도록, 굴곡부(6d)의 반경은 더 커질 수 있다.
도 9b에서, 마커는 일단부(6f)가 중심부를 향해 반경 방향으로 구부려진 이후, 원의 축을 따르는 일부분(6g)을 형성하기 위해 실질적으로 90°로 구부린 원(6e)의 일부분으로 구부러진 자기 마커 재료의 길이를 포함한다.
도 9c에서, 마커(6)는 3 개의 직교 축 x, y 및 z를 따라 배치된 자성 마커 물질의 길이를 포함하여 '잭(jack)'의 형상을 형성한다. 도 9d에서, 마커는 직선의 중앙 부위(6h) 및 각각의 단부에서 중앙 부위 및 각자로부터 직각으로 구부러진 2 개의 추가 부위(6i, 6j)를 가지는 자기 마커 물질의 길이를 포함한다. 또 다른 양태에서, 마커가 보다 쉽게 외부 튜브 안쪽으로 삽입될 수 있도록 굴곡부(6k)의 반경은 더 커질 수 있다.
도 9e에서, 마커(6)는 원형의 정상파 형태의 자성 마커 물질의 길이를 포함한다. 즉, 균일한 파형으로 형성된 후 단부들을 결합하여 평면 상에서 원을 형성하도록 둥글게 구부려진다.
도 9f에서, 마커는 와이어 단부들(6o)이 서로 모아지거나 서로에게 근접하지만 결합되지 않는 타원형(elliptical) 또는 계란형(oval shaped)의 길이의 자성 마커 물질(6n)을 포함한다. 장축의 단부들에서 타원 또는 계란형의 두 부분은 타원의 평면에서 약 90°로 구부려진다. 구부려진 부분은 타원 또는 계란형 영역의 대략 1/4 내지 1/3을 구성한다.
도 9g에서, 마커는 실질적으로 직각 삼각대(tripod) 또는 직육면체의 꼭지점을 형성하도록 서로에게 직각으로 배치된 자기 마커 물질의 3개의 길이(6t, 6u, 6v)를 포함한다. 3개의 길이는 배치되기 전에 각 길이들이 서로 평행하게 놓이게 하는 결합부(6w)로 결합된 후, 직각 삼각대를 형성하도록 재배치된다.
도 9h에서, 마커는 삼각대의 다리들 사이에 비 직교하는 각도를 가지는 삼각대를 형성하도록 배치된 자기 마커 물질의 3개 길이(6x, 6y, 6z)를 포함한다. 3 개의 길이는 배치되기 전에 각 길이들이 서로 평행하게 놓이게 하는 결합부(6w)로 결합된 후, 직각 삼각대를 형성하도록 재배치된다.
도 9i에서, 마커는 자기 물질의 3 개 길이(6x', 6y', 6z')를 그들 자신의 생체 적합성 장벽(7) 내에 포함한다. 삼각대는 3 개의 길이가 유지된 채로 삼각대를 형성하는 3 개의 부분적 껍질 다리를 가지고, 상단에서 완성된 튜브로 제작된다.
바람직하게는, 다리들 사이의 각도는 고조파 자기 응답이 임의의 방향으로부터 가능한 균일하도록 선택된다. 예를 들어, 세 개의 5 mm 길이의 코발트-철 비정질 LBJ 마이크로 와이어로 형성된 삼각대가 아래 표에 보여진다. 삼각대는 균등한 간격을 가지는 3 개의 다리를 가지며, 다리들 사이의 각도는 다양하고 그림 2의 배치를 사용하여 테스트된다.
아래의 표 1과 도 10은 도 9h의 마커에서 최대 및 최소 자기 고조파 응답 비율이 다리들 사이의 각도 ø에 따라 어떻게 변하는지를 설명한다. 이상적인 균일 한 응답은 1의 비율로 표시된다. 표와 도면은 도 9h의 마커에 대한 삼각대 다리들 사이의 각도에 대해 최소 자기 마커 응답에 대한 최대 자기 마커 응답 비율의 변화를 보여준다. 도면은 다리 사이의 각도가 60˚ ~ 110˚ 범위일 때, 더 바람직하게는 각도가 90˚ ~ 120˚ 사이인 경우에 응답의 균일 성이 최적임을 보여준다.
삼각대 다리 사이의 각도, ø 최대 및 최소 H3 응답의 비율(20 mm 거리에서)
38˚ 6.8
60˚ 3.2
90˚ 1.7
97˚ 2.0
109˚ 2.1
120˚ 8.3
본 명세서에 기술된 실시예들에서 (자화 곡선에서 거대 바크하우젠 불연속을 갖는 물질로부터 형성되는) 자성 마커 물질의 길이들 또는 길이는 다음 형태 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
a) 고체(solid) 와이어의 길이
b) 코어 직경이 5 내지 100 마이크로 미터이고 코팅 두께가 0.5 내지 40 마이크로 미터 인 유리-코팅된 마이크로 와이어
c) 고체 와이어 또는 유리-코팅된 마이크로 와이어의 길이의 묶음, 또는
d) 중공(hollow) 튜브
도 9a ~ 9i의 마커들 중 임의의 마커는 자성 마커 물질의 조각들을 결합하거나 둘러싸고, 마커의 최종 형상을 형성하기 위해, 추가적인 물질들과 함께 하나 이상의 자성 마커 물질의 조각을 포함할 수 있다. 마커는 튜브, 튜브들 또는 마커의 자성 물질의 길이가 유지되는 다른 재료의 전체 또는 부분 껍질을 포함할 수 있다. 자성 물질은 또한 다른 생체 적합성 물질 내에 코팅되거나 둘러싸일 수 있다.
껍질은 마커가 배치 장치 내부에 있을 때의 초기 모양과 구성으로부터 마커가 배치 장치를 벗어나 조직에 위치한 최종 위치로 배포하는 데 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 자성 마커 물질을 함유하는 튜브들 또는 튜브 또는 껍질은 니티놀(Nitinol) 합금과 같은 생체 적합성 형상 기억 합금을 포함할 수 있으며, 이 합금은 배치 장치를 떠나 체온에 노출될 때 물질이 형상 전이를 수행하고, 좁은 게이지 바늘, 예를 들어 14 g ~ 18 g, 안에 들어갈 수 있는 선-배치된(pre-deployed) 모양으로부터 예를 들어 도 9a 내지 9i 중 어느 하나에 기술된 것처럼 최종-배치된 형상으로 재구성된다.
또 다른 예에서, 자성 마커 물질을 포함하는 튜브들 또는 튜브는, 예를 들어 초 플라스틱 니티놀 합금 또는 스프링 물질과 같은 생체 적합성의 탄성 변형 가능한 재료를 포함하여, 신체 내부에 배치될 때 예를 들어 14 g ~ 18 g의 좁은 게이지 바늘 내부에 맞는 선-배치된 형태로부터 도 9a 내지 9i 중 어느 하나에 기술된 것과 같은 최종 배치된 형상으로 변형되는 것처럼 물질의 탄성을 통해 탄력적으로 재구성되도록 한다.
추가적인 예로서, 자성 마커 물질을 포함하는 튜브 또는 껍질은 316 스테인리스 강, 티타늄, 티타늄 합금 또는 이와 유사한 것과 같은 생체 적합성 소성 변형 가능한(plastically deformable) 물질을 포함하여, 신체 내부에 배치될 때 14 g ~ 18 g의 좁은 게이지 바늘 내부에 맞는 선-배치된 형태로부터 도 12f에 도시된 것처럼 최종 배치된 형상으로 소성 변형된다.
또한, 껍질은 초음파 진단 또는 X 선 영상 촬영 또는 유방 X 선 촬영 중 향상된 가시성을 제공하도록 기능할 수 있다. 예를 들어, 껍질과 껍질 내부 공간의 밀도 차이는 향상된 에코(echo) 발생능을 제공하며, 내부의 마커 물질보다 더 큰 질량을 가지는 경우, 껍질 물질은 X 선에 대한 가시성이 향상된다. 이것은 예를 들어 영상에서 볼 수 있는 질량 또는 크기가 매우 작은 유리 코팅 마이크로 와이어와 같은 자성 물질이 미세한 와이어일 때 특히 유리하다.
유리하게는, 마커는 MRI 촬영에서 가시적이지만, 10 mm 이상, 바람직하게는 5 mm 이하, 보다 바람직하게는 2 mm 이하의 마커를 넘어서 연장되는 자화율 인공물(susceptibility artifacts)을 형성하지 않는다. 자화율 인공물은 마커를 둘러싼 영역에서 영상이 왜곡되어 주변 조직을 관찰하는 것을 어렵게 하므로 바람직하지 않다. 예를 들어, 마커로부터 5 mm 연장된 인공물은 MRI 촬영에서 직경이 약 10 mm 인 유방 조직의 영역을 불분명하게 할 수 있다. 수술 전에 종양을 축소시키기 위한 새로운 보조 화학 요법 과정 중에, 임상의는 MRI를 사용하여 시간 경과에 따른 종양의 크기를 모니터링하고 이후의 외과적 절제를 위해 종양을 표시하고자 할 수 있다. 따라서, 인공물이 최소한의 종양의 부피를 가리도록 하기 위해 인공물의 범위를 최소화하는 것이 중요하다.
따라서 또 다른 양태에서, 감지 시스템 및 방법은 자성 합금의 10 mg 미만, 바람직하게는 5 mg 미만, 더 바람직하게는 2 mg 미만의 낮은 질량과 상기 합금의 낮은 포화 자화를 결합하는 자성 마커 물질 로부터 형성된 마커를 사용할 수 있다. 낮은 질량 및 낮은 포화 자화의 결합은 MRI에서 마커가 일반적으로 마커 주변의 수 mm 정도의 작은 아티팩트를 생성한다는 것을 의미한다.
아래의 표 2는 도 11에 보여진 3 개의 마커 와이어 모양(직선, 곡선 및 U 자형)의 응답을 보여 주며, 중요한 치수는 감지 방향으로 와이어의 최장 범위라는 것을 보여준다. A 방향(도 11 참조)에서, 각 경우에 생성될 수 있는 최대 자기 쌍극자가 동일하므로, 직선 및 곡선 샘플들은 곡선 마커의 와이어 길이가 더 길더라도 감지 거리가 동일하다. 유사하게, U자형 샘플은 A 방향으로 동일한 쌍극자 길이를 가지므로 동일한 거리에서 감지 가능하다.
B 방향에서 해당 방향의 쌍극자 길이는 최소이며 감지 거리는 3 개 샘플 모두에 대해 크게 감소한다. 그러나, 곡선형 및 U자형 샘플의 쌍극자 길이가 다소 증가하여 감지 성능이 약간 향상된다.
직선의 경우, 응답은 쌍극자에서와 같이 넓게 형성되며, 축에서 또는 축 근처에서 더 큰 응답(그리고 더 큰 감지 거리)을 가지고, 축을 가로지르는 부분에서 훨씬 더 작은 응답을 갖는다. 응답의 크기는 감지 필드의 방향에서 자기 쌍극자의 길이와 관련된다. 와이어의 축에서 쌍극자 길이는 와이어 길이와 같고, 가로지로는 방향으로는 쌍극자 길이는 일반적으로 10 ~ 200 마이크론 사이인 와이어 직경보다 훨씬 작다.
와이어 샘플 A 방향의 자기 쌍극자 길이(mm) A 방향으로부터 최대 감지 거리(mm) B 방향의 자기 쌍극자 길이(mm) B 방향으로부터 최대 감지 거리(mm)
직선 5 27 0.1 8
곡선 5 27 0.5 9.5
U자형 5 27 1 11
또한, 자성 물질의 고조파 응답은 둘러싸는 물질에서 발생된 대향하는 와상 전류로 인해 감소될 수 있다. 고조파 응답의 감소는 더 큰 거리에서 감지되는 마커의 능력에 영향을 미친다. 대향하는 와성 전류는 주변 물질의 증가된 저항, 예를 들면 증가된 물질 저항(아래 표 3 참조), 더 얇은 벽(walled) 재료, 부분적인 껍질 등과 함께 감소된다.
격납 물질(Housing Material) 격납 직경(mm) 격납 길이(mm) 격납 물질 저항성(Ωm) 구리에 대비한 H3 응답
구리 0.29 4 1.7x10-8 1
316 스테인리스강 0.50 4 7.4x10-7 16
티타늄 0.51 4 5.2x10-7 17
니티놀 0.33 4 7.6x10-7 19
Endomagnetics Limited 사의 국제 특허 공개 제2016/193753호는 감지 방향의 물질의 양이 중요한 요소인 마커를 개시하고, 따라서 균일한 응답을 얻기 위해 임의의 방향의 물질의 양은 비슷해야한다는 것, 즉 구체가 이상적이어야한다는 것을 제안한다. 이것은 감지되는 속성이 물질의 대량 자화율일 때는 정확하다. 그러나, 본 발명에서 감지 방향에서 물질의 양은 응답의 크기를 예측하지 못한다. 예를 들어, 곡선 마커는 직선 마커보다 A 방향에 더 많은 물질을 가지지만, 더 큰 응답을 갖느 않는다. 본 발명에서, 응답의 크기는 감지 방향으로 제공될 수있는 최대 자기 쌍극자 길이에 의해 결정된다. 따라서, 본 발명의 일 양태에서, 방법 및 시스템은 균일한 자기 응답을 제공하기 위해 임의의 감지 방향으로 유사한 자기 쌍극자 길이를 제공하는 배치된 마커를 사용한다.
도 12a 내지 도 12f는 배치 시스템(200)과 함께 도 9a에 도시된 예시에 따른 마커(6)의 추가적인 상세를 도시한다. 마커는 외부 튜브 형태의 껍질(8) 및 내부 자성 마커 물질(6)을 포함한다. 외부 껍질은 생체 적합성을 유지하기 위해 자성 마커 물질과 신체 조직 사이에 장벽을 제공하도록 기능할 수있다. 따라서, 튜브 형태의 껍질은 예를 들어 니티놀, 티타늄 또는 폴리머로와 같은 생체 적합성 재료로부터 전형적으로 형성된다. 유익하게, 생체 적합성을 유지하기 위해, 튜브형 껍질의 단부들은 폐쇄된다.
도 12a는 자성 마커 물질(6)의 하나 이상의 연속 조각으로부터 형성된 자성 마커를 도시하고, 도 12b는 예를 들어 마커의 조립을 용이하게하기 위해 자성 마커 물질(6)의 하나 이상의 이산된(discrete) 조각으로부터 형성된 자성 마커를 도시한다.
도 12c는 바늘(202) 및 플런저(204)를 포함하는 배치 장치(200)를 도시한다. 사용 시, 바늘은 영상 유도 하에서 표적 조직 내부로 삽입된다. 배치 장치는 플런저의 가압시에 자성 마커가 바늘의 단부로부터 표적 조직으로 전개되도록 배치된다.
도 12d는 플런저(204)와 함께 바늘(202) 내부의 도12b의 자기 마커(6)를 포함하는 배치 장치(200)의 말단부의 상세를 도시한다. 자기 마커는 길쭉한 스트레이트 형상이지만 배치시 껍질(8)의 탄성 또는 예를 들어, Nitinol 물질로 달성 가능한 형상 메모리와 같은 껍질 물질(8)의 형상 변화 특성을 통해 도 12b에 도시된 형상으로 재구성된다.
도 12e는 전개 이전에 마커가 평평한 'Z'자 형상과 같이 자체적으로 접혀진 도 12b의 마커의 다른 구성을 보여준다. 배치시, 도 12b의 구성으로 재구성된다.
도 12f는 소성 변형 가능한 자성 마커를 도시하며, 상기 자성 마커는 각각 생체 적합성 장벽 내에 있는 하나 이상의 이산된 자성 물질 조각을 포함한다. 이러한 이산된 생체 적합성 조각들을 유지하는 외부 껍질은 그 배치된 형태를 형성하기 위해 배치시에 소성 변형될 수있다.
형태 전이를 가지는 유사한 유형의 껍질을 사용함으로써, 도 9a 내지 9i의 예시들 중 임의의 것이 유사하게 바늘 내부에 맞도록 구성된 후, 도 9a 내지 도 9i에 도시된 것처럼 최종 마커 형상을 형성하기 위해 형태 전이를 통해 재구성할 수 있음이 명백할 것이다.
도 13a는 감지 프로브에 대해 상이한 방향 범위에서 도 9g의 마커(직각 삼각대)로부터의 만곡된 다수의 제 3 고조파 응답을 도시한다. 도 13b는도 13a의 그래프를 생성하기 위해 시험된 감지 프로브에 대한 마커의 방향을 도시한다. 상이한 방향에서의 응답은 마커의 방향에 관계없이 프로브로부터 마커까지의 거리가 계산될 수 있도록 실질적으로 유사하다. 이것은 또한 신호 레벨이 근원 방향(orientation)이나 지향 방향(direction)에 따라 변하지 않으므로 사용자에게 덜 혼란스러운 신호를 제공한다.
도 14는 본 발명에 따른 감지 시스템의 또 다른 실시예를 도시하며, 여기서 구동 코일은 프로브 내부에 있지 않지만 다른 곳, 예를 들면 수술 과정 중 환자의 아래 또는 근처의 패드(300)에 별개로 배치된다. 코일은 환자의 아래 또는 근처에 배치된 코일을 포함하는 패드 형태일 수 있다. 이러한 방식으로, 코일의 크기는 휴대용 프로브의 크기에 의해 제한되지 않고, 마커 부위에서 더 높은 자기장을 생성하기 위해 보다 큰 예를 들어 100 mm ~ 500 mm의 직경을 가질 수 있다.
구동 코일은 예를 들어 감지기 베이스 유닛과 같은 구동 발진기에 별개로 연결된다.
본 발명은 체내 삽입 가능한 마커를 위한 새로운 감지 시스템 및 방법을 제공하며, 마커는 쌍안정 스위칭 필드보다 낮은 필드에서 여자되는 적어도 하나의 LBJ 자성 물질 및 마커의 위치와 방향을 결정하기 위해 임의의 방향으로부터 측정된 생성된 고조파를 포함한다. 마커는 쌍안정 스위칭 거동을 가능하게 하는데 필요한 LBJ 물질의 임계 길이 미만으로 제공될 수도 있다.

Claims (15)

  1. 신체 내의 마커의 위치를 감지하는 시스템으로서,
    자화 곡선에서 거대 바크하우젠 도약(LBJ: Large Barkhausen Jump)을 나타내는 자성 물질의 적어도 하나의 조각을 포함하는 적어도 하나의 체내 삽입 가능한 마커;
    교번 자기장으로 상기 마커를 여자(excite)시키도록 배치된 적어도 하나의 구동 코일 및 여자된 상기 마커로부터 수신된 신호를 감지하도록 배치된 적어도 하나의 감지 코일;
    상기 적어도 하나의 구동 코일을 통해 교번 자기장을 구동하도록 배치된 자기장 발생기; 및
    상기 감지 코일로부터 상기 신호를 수신하고 상기 수신된 신호에서 구동 주파수의 하나 이상의 고조파를 감지하도록 배치된 적어도 하나의 감지기를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 구동 코일은 상기 마커의 거대 바크하우젠 도약(LBJ) 물질의 쌍안정 스위칭 거동(bistable switching behaviour)을 개시하는데 필요한 스위칭 필드(field) 미만에서 상기 마커를 여자시키는 감지 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 체내 삽입 가능한 마커는 자화 곡선에서 거대 바크하우젠 도약(LBJ)을 나타내고, 5 mg 미만으로 구성되는 자성 물질의 적어도 하나의 조각을 포함하는 감지 시스템.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 체내 삽입 가능한 마커는 자화 곡선에서 거대 바크하우젠 도약(LBJ)을 나타내고, 거대 바크하우젠 도약(LBJ) 물질에서 쌍안정 스위칭을 개시하는데 필요한 임계 길이보다 짧은 자성 물질의 적어도 하나의 조각을 포함하는 감지 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 마커는 길이가 25 mm 미만이고, 바람직하게는 10 mm 미만인 감지 시스템.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 마커는 체내 삽입 상태에서 교번 자장에 의해 조사될 때 상기 마커로부터의 고조파 응답의 크기가 실질적으로 동일하도록 구성된 비정질(amorphous) 거대 바크하우젠 도약(LBJ) 물질 또는 거대 바크하우젠 도약(LBJ) 와이어(wire)의 적어도 하나의 조각을 포함하고, 상기 마커에 대한 임의의 방향으로부터 측정된 최소 고조파 응답에 대한 최대 고조파 응답의 비율은 4 이하인 감지 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 마커는 적어도 직교하는 x, y 및 z 축들을 따라 실질적으로 거대 바크하우젠 도약(LBJ) 물질의 길이들을 포함하는 감지 시스템.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 거대 바크하우젠 도약(LBJ) 물질은 코팅되거나 중공 튜브(hollow tube) 내부에 제공되는 감지 시스템.
  8. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 마커는 초기 소형의 구성으로부터 확장되어 배치되는 구성으로 전개되는 감지 시스템.
  9. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 구동 코일 및 상기 감지 코일 중 적어도 하나는 휴대용(handheld) 프로브 내부에 제공되는 감지 시스템.
  10. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 수신된 고조파 신호를 처리하고 상기 감지 코일에 대한 상기 마커의 위치와 관련된 적어도 하나의 표시를 사용자에게 제공하는 출력 모듈을 더 포함하는 감지 시스템.
  11. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    하나 이상의 홀수 고조파 또는 하나 이상의 짝수 고조파 또는 짝수 고조파와 홀수 고조파의 조합 또는 고조파들의 서로에 대한 비율 또는 고조파들의 기본 주파수에 대한 비율로부터 선택된 마커의 고조파 응답의 하나 이상의 양상을 처리하는 감지 시스템.
  12. 자화 곡선에서 거대 바크하우젠 도약(LBJ: Large Barkhausen Jump)를 나타내는 자성 물질의 적어도 하나의 조각을 포함하는 적어도 하나의 체내 삽입 가능한 마커에 교번 자기장을 인가하는 동작, 상기 마커는 거대 바크하우젠 도약(LBJ) 물질의 쌍안정 스위칭 거동을 개시하는데 필요한 스위칭 필드(HSW) 미만으로 여자되고; 및
    스위칭 필드 미만에서 상기 마커의 자화의 변화에 의해 야기되는 여자된 마커로부터 수신된 신호의 구동 주파수의 적어도 하나 이상의 고조파를 감지하는 동작을 포함하는 신체 내부의 마커 감지 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 구동 주파수는 1 kHz를 초과하는 신체 내부의 마커 감지 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 구동 주파수의 범위는 1 kHz 이상 100 kHz 이하인 신체 내부의 마커 감지 방법.
  15. 제12항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마커의 위치에 관련된 출력을 제공하기 위해 상기 마커의 고조파 응답의 양상을 측정하는 동작을 더 포함하는 신체 내부의 마커 감지 방법.
KR1020190009699A 2018-01-25 2019-01-25 수술 유도를 위한 자기 마커를 감지하는 시스템 및 방법 KR102287648B1 (ko)

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Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2581127B2 (es) * 2016-04-13 2017-05-04 Universidad Complutense De Madrid Etiqueta, sistema y método para la detección de objetos a larga distancia
NL2024545B1 (en) 2019-12-20 2021-09-02 Sirius Medical Systems B V Magnetic field probe for determining an angular disposition of an implantable marker
USD934428S1 (en) * 2020-02-10 2021-10-26 Endomagnetics Ltd Tetrahedral marker
USD935028S1 (en) * 2020-02-23 2021-11-02 Endomagnetics Ltd Four sided tetrahedral
GB2595858B (en) * 2020-06-08 2022-06-22 Endomagnetics Ltd Systems and methods for detecting magnetic markers for surgical guidance
US11166782B1 (en) * 2020-07-19 2021-11-09 Sirius Medical Systems B.V. Implantable marker and a method of implanting markers
GB2598603B (en) * 2020-09-04 2023-02-15 Endomagnetics Ltd Systems and methods for detecting magnetic markers for surgical guidance
CN117098495A (zh) * 2021-07-30 2023-11-21 玛特里克细胞研究所株式会社 磁性标记集、磁性标记配置方法
GB2612598B (en) 2021-11-03 2024-03-20 Endomagnetics Ltd Magnetic markers for imaging and surgical guidance
GB2612597A (en) * 2021-11-03 2023-05-10 Endomagnetics Ltd Improvements in or relating to implantable ferromagnetic markers
WO2024039560A1 (en) * 2022-08-16 2024-02-22 Devicor Medical Products, Inc. Biopsy site marker having expandable portion
US20240058093A1 (en) * 2022-08-16 2024-02-22 Devicor Medical Products, Inc. Biopsy site marker having movable portions

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2809870B2 (ja) * 1990-11-27 1998-10-15 ユニチカ株式会社 磁気マーカ
US6230038B1 (en) * 1999-02-01 2001-05-08 International Business Machines Corporation Imaging of internal structures of living bodies by sensing implanted magnetic devices
US20030085809A1 (en) * 1999-09-10 2003-05-08 Advanced Coding Systems Ltd. Glass-coated amorphous magnetic microwire marker for article surveillance
US20160354178A1 (en) * 2015-06-04 2016-12-08 Endomagnetics Ltd Marker Materials and Forms for Magnetic Marker Localization (MML)

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4222517A (en) * 1978-09-18 1980-09-16 Samuel Cornelious Evans Magnetic marker
US4510489A (en) 1982-04-29 1985-04-09 Allied Corporation Surveillance system having magnetomechanical marker
US4660025A (en) * 1984-11-26 1987-04-21 Sensormatic Electronics Corporation Article surveillance magnetic marker having an hysteresis loop with large Barkhausen discontinuities
TW265440B (ko) * 1993-04-30 1995-12-11 Ibm
US5801630A (en) * 1996-11-08 1998-09-01 Sensormatic Electronics Corporation Article surveillance magnetic marker having an hysteresis loop with large barkhausen discontinuities at a low field threshold level
US6337627B1 (en) * 2000-10-27 2002-01-08 International Business Machines Corporation System of providing medical treatment
US7135978B2 (en) * 2001-09-14 2006-11-14 Calypso Medical Technologies, Inc. Miniature resonating marker assembly
US7289839B2 (en) * 2002-12-30 2007-10-30 Calypso Medical Technologies, Inc. Implantable marker with a leadless signal transmitter compatible for use in magnetic resonance devices
US7324915B2 (en) * 2005-07-14 2008-01-29 Biosense Webster, Inc. Data transmission to a position sensor
WO2007028035A2 (en) * 2005-09-01 2007-03-08 Proteus Biomedical, Inc. Implantable zero-wire communications system
US20070225595A1 (en) * 2006-01-17 2007-09-27 Don Malackowski Hybrid navigation system for tracking the position of body tissue
WO2008020148A2 (en) * 2006-08-17 2008-02-21 Maganetix Ltd Dual-function deactivatable magnetic marker and reading and deactivation method for same
ES2317769B1 (es) * 2006-12-15 2010-02-03 Micromag 2000, S.L. Etiqueta magnetoacustica basada en micro-hilo magnetico, y metodo de obtencion de la misma.
CN201005704Y (zh) * 2007-02-15 2008-01-16 包头奥普德电子科技有限公司 体内植入式生化参数自动监测系统装置
CN102196782B (zh) * 2008-10-31 2014-04-30 皇家飞利浦电子股份有限公司 在医学过程中进行电磁跟踪的方法和系统
US8973584B2 (en) 2009-02-13 2015-03-10 Health Beacons, Inc. Method and apparatus for locating passive integrated transponder tags
KR20170026657A (ko) * 2009-04-27 2017-03-08 스미스 앤드 네퓨, 인크. 랜드마크를 식별하는 시스템 및 방법
US9386942B2 (en) * 2009-06-26 2016-07-12 Cianna Medical, Inc. Apparatus, systems, and methods for localizing markers or tissue structures within a body
US10634741B2 (en) 2009-12-04 2020-04-28 Endomagnetics Ltd. Magnetic probe apparatus
US20130053620A1 (en) * 2011-08-26 2013-02-28 Actium BioSystems, LLC Apparatus for the generation of an energy field for the treatment of cancer in body cavities and parts that are cavity-like
CN202794106U (zh) * 2012-04-06 2013-03-13 南京航空航天大学 基于巴克豪森原理的应力检测装置
CN104885481B (zh) * 2012-07-09 2018-05-29 Med-El电气医疗器械有限公司 电磁骨骼传导听力设备
US20140018663A1 (en) * 2012-07-16 2014-01-16 Endomagnetics Ltd. Magnetic Marker for Surgical Localization
WO2014032235A1 (zh) 2012-08-29 2014-03-06 华为技术有限公司 模块化天线装置及其配置方法
US11426256B2 (en) 2016-03-03 2022-08-30 Cianna Medical, Inc. Implantable markers, and systems and methods for using them
EP2967428B1 (en) * 2013-03-13 2019-05-29 Endomagnetics Ltd. Magnetic detector
IL231428A0 (en) * 2013-03-15 2014-08-31 Creative Team Instr Ltd Dental implant location finder
US20150196369A1 (en) * 2014-01-14 2015-07-16 Neil Glossop System, method and device employing fiducials for medical intervention

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2809870B2 (ja) * 1990-11-27 1998-10-15 ユニチカ株式会社 磁気マーカ
US6230038B1 (en) * 1999-02-01 2001-05-08 International Business Machines Corporation Imaging of internal structures of living bodies by sensing implanted magnetic devices
US20030085809A1 (en) * 1999-09-10 2003-05-08 Advanced Coding Systems Ltd. Glass-coated amorphous magnetic microwire marker for article surveillance
US20160354178A1 (en) * 2015-06-04 2016-12-08 Endomagnetics Ltd Marker Materials and Forms for Magnetic Marker Localization (MML)

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