RU2808145C1

RU2808145C1 - System and method of detecting magnetic markers for surgical guidance

Info

Publication number: RU2808145C1
Application number: RU2023100083A
Authority: RU
Inventors: Тициано АГОСТИНЕЛЛИ; Саймон Ричард ХЭТТЕРСЛИ
Original assignee: Эндомагнетикс Лимитед
Priority date: 2020-06-08
Filing date: 2021-05-18
Publication date: 2023-11-23

Abstract

FIELD: medical equipment.

SUBSTANCE: detecting a magnetic marker involves the excitation unit generating a magnetic excitation field including a first excitation component at a first frequency and a second excitation component at a second frequency, and detecting by a magnetic field sensor a response magnetic field comprising a first response component at a first frequency and a second response component at a second frequency. The magnetic marker is configured to respond nonlinearly to the excitation signal. A primary portion of the first response component and a primary portion of the second response component are generated by the magnetic marker in response to the magnetic excitation field, and a secondary portion of the first response component and a secondary portion of the second response component are generated by the at least one secondary magnetic source in response to the magnetic excitation field.

EFFECT: group of inventions makes it possible to increase the efficiency of magnetic marker detection.

17 cl, 8 dwg

Description

Область изобретенияField of invention

Данное изобретение в целом относится к области хирургического наведения, более конкретно к системам и способам обнаружения маркеров и индикаторов, которые помогают определить некоторую область в теле, например, поражение для хирургического иссечения.This invention relates generally to the field of surgical guidance, and more particularly to systems and methods for detecting markers and indicators that help identify an area in the body, such as a lesion, for surgical excision.

Предпосылки создания изобретенияPrerequisites for creating the invention

Маркеры используют для того, чтобы при хирургической операции навести хирурга на нужную зону, когда нужная область, например небольшая опухоль, которую необходимо удалить, физически не видна или не прощупывается. Маркер может быть установлен в нужную область тела, например, в раковое поражение, во время биопсии или другой хирургической операции. В идеале такой маркер можно вводить через иглу малого калибра. Маркер устанавливают под визуальным контролем, например, с использованием ультразвука или рентгено/маммографии. Во время последующей операции маркер обнаруживают и локализуют с использованием ручного зонда, который обеспечивает звуковую, визуальную или другую обратную связь с хирургом для наведения при операции. Обычно маркер иссекают вместе с окружающей тканью.Markers are used to guide the surgeon to the desired area during surgery when the desired area, such as a small tumor that needs to be removed, is not physically visible or palpable. The marker can be placed in a desired area of the body, such as a cancerous lesion, during a biopsy or other surgery. Ideally, such a marker can be inserted through a small-gauge needle. The marker is placed under visual guidance, for example using ultrasound or x-ray/mammography. During subsequent surgery, the marker is detected and localized using a hand-held probe that provides audio, visual or other feedback to the surgeon for surgical guidance. Typically, the marker is excised along with the surrounding tissue.

Маркер также можно использовать для обозначения лимфатического узла перед курсом неоадъювантной терапии. Таким образом, узел может быть легко идентифицирован после неоадъювантной терапии для удаления, даже если фиброз от терапии затронул лимфатические сосуды, так что обычные лимфатические индикаторы не могут поступать в дренирующие лимфатические узлы.The marker can also be used to identify the lymph node before neoadjuvant therapy. Thus, a node can be easily identified after neoadjuvant therapy for removal even if fibrosis from therapy has affected the lymphatic vessels such that conventional lymphatic indicators cannot reach the draining lymph nodes.

Одним из таких подходов к маркировке опухолей является использование маркера, содержащего радиоизотоп, такой как йод 90, который можно обнаружить с использованием переносного зонда для обнаружения гамма-излучения, например счетчика Гейгера. Однако использование радиоактивных материалов строго регулируется, что затрудняет развертывание программы радиоактивных зерен во всех больничных центрах, за исключением крупнейших академических центров.One such approach to marking tumors is to use a marker containing a radioisotope such as iodine 90, which can be detected using a portable gamma detection probe such as a Geiger counter. However, the use of radioactive materials is highly regulated, making it difficult to deploy a radioactive grain program at all but the largest academic centers in hospital centers.

Еще один подход, рассмотренный в ранее опубликованных патентных заявках Заявителя (например, WO 2011/067576, WO 2014/013235 и WO 2014/140567), использует магнитные поля и магнитный маркер с высокой магнитной восприимчивостью. Ручной зонд генерирует переменное поле, которое возбуждает чувствительный к магнитному полю маркер и обнаруживает ответное магнитное поле.Another approach, discussed in Applicant's previously published patent applications (eg WO 2011/067576, WO 2014/013235 and WO 2014/140567), uses magnetic fields and a magnetic marker with high magnetic susceptibility. The hand-held probe generates an alternating field that excites a magnetic field-sensitive marker and detects a reciprocal magnetic field.

Также при хирургической операции могут использоваться маркеры, которые являются жидкими или переносимыми жидкостью, например, для обнаружения сигнальных лимфатических узлов для биопсии. Такие маркеры могут быть отнесены к «индикаторам». Биопсия сигнального лимфатического узла является важным методом, используемым для определения стадии некоторых видов рака, то есть для оценки метастазирования при определенных типах рака, в особенности рака молочной железы. Индикатор можно вводить рядом с раковой опухолью. Затем частицы индикатора попадают в лимфатическую систему и поступают в дренирующие лимфатические узлы, где они накапливаются. Затем узлы могут быть обнаружены либо визуально при изменении цвета узла, либо с использованием ручного зонда, чтобы их можно было вырезать для оценки на патологию. Узлы, идентифицированные таким образом, называются «сигнальными» узлами, потому что именно их может затронуть метастазирование. Хирургическая операция по их выявлению и удалению известна как биопсия сигнального лимфатического узла.Markers that are liquid or fluid-borne may also be used during surgery, for example to locate sentinel lymph nodes for biopsy. Such markers can be classified as “indicators”. Sentinel lymph node biopsy is an important method used to determine the stage of certain types of cancer, that is, to assess metastasis in certain types of cancer, especially breast cancer. The tracer can be injected near the cancerous tumor. The indicator particles then enter the lymphatic system and enter the draining lymph nodes, where they accumulate. The nodes can then be detected either visually by changing the color of the node or using a hand probe so they can be excised for evaluation for pathology. Nodes identified in this way are called “sentinel” nodes because they are the ones most likely to be affected by metastasis. The surgery to identify and remove them is known as a sentinel lymph node biopsy.

Как правило, две эти процедуры, иссечение опухоли и иссечение лимфатических узлов, происходят в рамках одной операции. Таким образом, индикатор и маркер могут присутствовать в молочной железе одновременно.Typically, these two procedures, tumor excision and lymph node dissection, occur in one operation. Thus, the indicator and marker can be present in the mammary gland simultaneously.

Как указано выше, один из подходов заключается в использовании жидкого маркера, содержащего радиоизотоп, например коллоид серы технеция 99m. Коллоидные частицы с радиоактивной меткой накапливаются в дренирующих лимфатических узлах, которые затем можно идентифицировать с использованием портативного гамма-зонда (счетчика Гейгера) для удаления. Однако период полураспада технеция-99m составляет всего 6 часов, поэтому его необходимо вводить незадолго до операции, что создает трудности при планировании. Он также может иметь сложную цепочку поставок и может быть недоступен для изолированных больниц. Также могут быть перебои в поставках, если реактор, производящий изотоп, не работает в данный момент времени.As stated above, one approach is to use a liquid marker containing a radioisotope, such as technetium 99m sulfur colloid. Radioactively labeled colloidal particles accumulate in the draining lymph nodes, which can then be identified using a handheld gamma probe (Geiger counter) for removal. However, the half-life of technetium-99m is only 6 hours, so it must be administered shortly before surgery, creating planning difficulties. It may also have a complex supply chain and may not be available to isolated hospitals. There may also be supply disruptions if the reactor producing the isotope is not operating at a given time.

Еще один подход заключается в использовании суспензии супер парамагнитных наночастиц оксида железа. Эти частицы не имеют периода полураспада, что означает, так что они могут быть доступны в любой больнице и могут быть введены за несколько дней до операции, что делает планирование более удобным.Another approach is to use a suspension of super paramagnetic iron oxide nanoparticles. These particles have no half-life, which means they can be available in any hospital and can be administered several days before surgery, making planning more convenient.

Наночастицы могут быть обнаружены магнитным зондом, таким как описанный выше ручной зонд. Однако такой зонд может реагировать как на магнитный маркер, так и на суспензию наночастиц оксида железа. В частности, часть суспензии наночастиц может оставаться в зоне инъекции вблизи очага поражения. Желательно проводить процедуру удаления поражения и биопсию сигнального лимфатического узла в рамках одной операции, однако создание системы обнаружения, способной отличить маркер поражения от других магниточувствительных материалов оказалось проблематичным. Это показано на фиг. 1А.Nanoparticles can be detected with a magnetic probe, such as the handheld probe described above. However, such a probe can respond to both a magnetic marker and a suspension of iron oxide nanoparticles. In particular, part of the nanoparticle suspension may remain in the injection zone near the lesion. It is desirable to perform the lesion excision procedure and sentinel lymph node biopsy in a single operation, but creating a detection system capable of distinguishing the lesion marker from other magnetically sensitive materials has proven problematic. This is shown in Fig. 1A.

Другие магниточувствительные материалы включают хирургические инструменты, изготовленные из металла. Существует необходимость в разработке магнитных маркеров или индикторов, которые можно обнаружить в присутствии металлических инструментов. Это показано на фиг. 1В.Other magnetically sensitive materials include surgical instruments made of metal. There is a need to develop magnetic markers or indicators that can be detected in the presence of metal tools. This is shown in Fig. 1B.

Само человеческое тело обладает магнитным откликом, который может помешать обнаружению магнитного маркера, потому что вода, которая является основным компонентом тканей человека, может давать диамагнитный отклик. Как правило, во время процедуры локализации введенный маркер окружает большое количество тканей человека. Таким образом, преимущественным является маркер, который можно точно локализовать, отстроившись от фонового сигнала, исходящего от человеческого тела. Это показано на фиг. 1С.The human body itself has a magnetic response that may interfere with the detection of a magnetic marker because water, which is a major component of human tissue, can produce a diamagnetic response. Typically, during the localization procedure, the injected marker surrounds a large amount of human tissue. Thus, it is advantageous to have a marker that can be accurately localized by tuning out the background signal emanating from the human body. This is shown in Fig. 1C.

В области поражения может присутствовать несколько маркеров. Например, биопсийный маркер может быть предварительно помещен для наблюдения за развитием опухолевой массы с течением времени посредством маммографии или ультразвукового сканирования. Желательно, чтобы зонд, адаптированный для локализации поражения во время операции, был чувствителен только к маркеру, помещенному для этой цели. Это показано на фиг. 1D.Several markers may be present in the affected area. For example, a biopsy marker may be pre-placed to monitor the development of a tumor mass over time through mammography or ultrasound scanning. It is desirable that the probe adapted to localize the lesion during surgery be sensitive only to the marker placed for that purpose. This is shown in Fig. 1D.

Если для маркировки определенного лимфатического узла используется магнитный маркер, и магнитный же индикатор используется для картирования и идентификации других сигнальных лимфатических узлов, то может быть один или несколько лимфатических узлов, в которых есть магнитный маркер и магнитный индикатор. Полезно иметь возможность локализовать и идентифицировать, какие лимфатические узлы маркированы, а какие содержат только индикатор. Также может быть полезно иметь возможность определить количество индикатора в узле даже в присутствии маркера. Таким образом, необходимо различать маркер и индикатор внутри лимфатического узла. Это показано на фиг. 1Е.If a magnetic marker is used to mark a specific lymph node, and a magnetic tracer is used to map and identify other sentinel lymph nodes, then there may be one or more lymph nodes that have a magnetic marker and a magnetic tracer. It is useful to be able to localize and identify which lymph nodes are marked and which contain only tracer. It may also be useful to be able to determine the amount of indicator in a node even in the presence of a marker. Thus, it is necessary to distinguish between a marker and an indicator within the lymph node. This is shown in Fig. 1E.

Одним из предлагаемых решений вышеуказанных проблем является использование маркера, который нелинейно реагирует на возбуждающее магнитное поле. Можно проанализировать полный гармонический отклик, чтобы отличить маркер от индикаторов, металлических инструментов, тела или других маркеров, которые имеют другой, и обычно более линейный, отклик при той же напряженности поля.One proposed solution to the above problems is to use a marker that responds nonlinearly to the exciting magnetic field. The total harmonic response can be analyzed to distinguish a marker from indicators, metal instruments, a body, or other markers that have a different, and usually more linear, response at the same field strength.

Материалы с большим разрывом Баркгаузена на кривой намагничивания, иначе материалы с «большим скачком Баркгаузена» (БСБ) претерпевают быстрое изменение своей магнитной поляризации при возбуждении внешним магнитным полем, напряженность которого, противодействующая мгновенной магнитной поляризации провода, превышает заданное пороговое значение, также известное как переключающее поле. Таким образом, маркер проявляет бистабильное поведение, переключаясь между двумя состояниями магнитной поляризации. Каждое изменение намагниченности генерирует магнитный импульс с гармоническими составляющими. Чтобы отличить маркер от других материалов измеряют профиль и количество гармоник (до многих десятков гармоник).Materials with a large Barkhausen discontinuity in the magnetization curve, otherwise known as Large Barkhausen Jump (LBJ) materials, undergo a rapid change in their magnetic polarization when excited by an external magnetic field whose strength, counteracting the instantaneous magnetic polarization of the wire, exceeds a predetermined threshold value, also known as switching field. Thus, the marker exhibits bistable behavior, switching between two states of magnetic polarization. Each change in magnetization generates a magnetic pulse with harmonic components. To distinguish the marker from other materials, the profile and number of harmonics (up to many tens of harmonics) are measured.

Было показано (например, в СА 3031282 А1), что некоторые материалы БСБ могут демонстрировать сильный нелинейный отклик, даже когда маркер короче критической длины и/или возбуждается ниже переключающего поля. Маркеры, изготовленные из таких материалов, известны как суббистабильные маркеры. Также для различения более линейных вторичных сигналов могут быть рассмотрены другие маркеры с меньшим уровнем или другим типом нелинейности их магнитного отклика. Например, нелинейность может быть результатом включения в маркер нелинейного электронного компонента, такого как диод.It has been shown (eg in CA 3031282 A1) that some BSB materials can exhibit a strong nonlinear response even when the marker is shorter than the critical length and/or is excited below the switching field. Markers made from such materials are known as sub-bistable markers. Also, other markers with a lower level or different type of nonlinearity in their magnetic response may be considered to distinguish more linear secondary signals. For example, nonlinearity may result from the inclusion of a nonlinear electronic component, such as a diode, in the marker.

В идеале возбуждающее магнитное поле, генерируемое магнитным зондом (поле возбуждения), должно включать только одну частотную составляющую на основной частоте. Для достижения больших расстояний обнаружения также желательны сильные магнитные поля. Однако сложно создать переменное магнитное поле вокруг зонда как с высокой напряженностью поля, так и с чистым одночастотным синусоидальным сигналом на желаемой частоте. Когда усилитель управляется мощностью, достаточной для создания сильного поля, обычно в синусоидальный сигнал вносятся некоторые искажения или нечеткости, что приводит к добавлению гармоник частоты возбуждения.Ideally, the excitation magnetic field generated by the magnetic probe (excitation field) should include only one frequency component at the fundamental frequency. To achieve long detection distances, strong magnetic fields are also desirable. However, it is difficult to create an alternating magnetic field around the probe with both high field strength and a pure single-frequency sine wave signal at the desired frequency. When an amplifier is driven with enough power to produce a high field, it is common for some distortion or ambiguity to be introduced into the sine wave signal, resulting in added harmonics of the driving frequency.

Гармонические составляющие в возбуждающем поле могут вызвать отклик любого линейного индикатора или маркеров на тех же гармонических частотах. Это приводит к помехам гармонического сигнала, создаваемым нелинейным маркером, и может затруднить его обнаружение и определение его характеристик, как показано на фиг. 2.Harmonic components in the excitation field can cause any linear indicator or markers to respond at the same harmonic frequencies. This results in harmonic signal interference generated by the nonlinear marker and can make it difficult to detect and characterize, as shown in FIG. 2.

Операционные усилители с низким уровнем искажений могут обеспечить гармонические искажения около -120 дБ, где гармонические искажения представляют собой отношение среднеквадратичного значения интересующей гармоники (2-й, 3-й и т. д.) к среднеквадратичному значению уровня сигнала. Однако такие малые искажения достигаются только при токах в десятые доли мА, которые, как правило, слишком малы. В таких усилителях обычно также используются резистивные нагрузки, в то время как в магнитных пробниках обычно используются индуктивные нагрузки. Кроме того, гармонические искажения операционных усилителей обычно измеряются по напряжению, а не по току. Однако в данной заявке соответствующее гармоническое искажение - это искажение магнитного поля, которое генерируется током, а не напряжением. Поэтому не так просто производить высокочистые поля возбуждения с использованием готовых электронных компонентов.Low distortion op amps can provide harmonic distortion around -120 dB, where harmonic distortion is the ratio of the rms value of the harmonic of interest (2nd, 3rd, etc.) to the rms value of the signal level. However, such low distortions are achieved only with currents of tenths of mA, which, as a rule, are too small. Such amplifiers typically also use resistive loads, while magnetic probes typically use inductive loads. Additionally, harmonic distortion of op amps is typically measured in voltage rather than current. However, in this application, the corresponding harmonic distortion is a magnetic field distortion that is generated by current rather than voltage. Therefore, it is not easy to produce high-purity excitation fields using off-the-shelf electronic components.

Типичное оптимизированное гармоническое искажение поля возбуждения в магнитном зонде, таком, который, например, описан в WO 2011/067576, WO 2014/013235 или WO 2014/140567, может находиться в диапазоне от -70 дБ до -100 дБ на интересующих частотах. Это указывает на то, что гармонические составляющие менее чем в 10000-100000 раз меньше, чем сигнал возбуждения, что приемлемо для большинства технических решений, которые основываются на линейном обнаружении, или даже для аудиосистем высокого класса. Однако в данной заявке такой уровень гармонических искажений возбуждения, когда они отражаются от линейного магнитного материала рядом с зондом, легко может быть таким же большим, как сигнал от нелинейного маркера на некотором расстоянии от зонда. Таким образом, существует потребность в создании системы, способной отличить нелинейный маркер от других материалов, чувствительных к магнитному полю, даже с искаженным полем возбуждения. Настоящее изобретение направлено на удовлетворение этой потребности.A typical optimized harmonic distortion of the excitation field in a magnetic probe, such as that described for example in WO 2011/067576, WO 2014/013235 or WO 2014/140567, may range from -70 dB to -100 dB at the frequencies of interest. This indicates that the harmonic components are less than 10,000 to 100,000 times smaller than the drive signal, which is acceptable for most designs that rely on linear detection, or even for high-end audio systems. However, in this application, this level of excitation harmonic distortion, when reflected from a linear magnetic material near the probe, can easily be as large as the signal from a nonlinear marker some distance from the probe. Thus, there is a need to create a system capable of distinguishing a nonlinear marker from other magnetic field sensitive materials, even with a distorted excitation field. The present invention addresses this need.

Краткое изложение изобретения.Brief summary of the invention.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложен способ обнаружения маркера по п. 1.According to a first aspect of the present invention, a marker detection method according to claim 1 is provided.

Дополнительные признаки изложены в зависимых пунктах формулы изобретения.Additional features are set out in the dependent claims of the invention.

Краткое описание чертежей.Brief description of the drawings.

Для лучшего понимания настоящего изобретения и для того, чтобы более четко показать, как его можно реализовать, сделана ссылка, только в качестве примера, на прилагаемые чертежи, на которых:For a better understanding of the present invention and to show more clearly how it can be implemented, reference is made, by way of example only, to the accompanying drawings, in which:

Фиг. 1А - 1Е представляют собой иллюстрации, показывающие примеры использования для варианта осуществления;Fig. 1A to 1E are illustrations showing usage examples for the embodiment;

Фиг. 2 представляет собой ряд графиков, показывающих влияние гармонической составляющей на поле возбуждения;Fig. 2 is a series of graphs showing the effect of the harmonic component on the excitation field;

Фиг. 3 представляет собой схематическое изображение системы магнитного обнаружения в соответствии с вариантом осуществления;Fig. 3 is a schematic diagram of a magnetic detection system according to an embodiment;

Фиг. 4 представляет собой схематическое изображение системы магнитного обнаружения в соответствии с вариантом осуществления;Fig. 4 is a schematic diagram of a magnetic detection system according to an embodiment;

Фиг. 5А представляет собой график, показывающий кривую намагничивания типового маркера;Fig. 5A is a graph showing the magnetization curve of a typical marker;

Фиг. 5В представляет собой график, показывающий магнитный отклик на оси времени;Fig. 5B is a graph showing the magnetic response on a time axis;

Фиг. 5С представляет собой график, показывающий магнитный отклик на оси частоты;Fig. 5C is a graph showing magnetic response on a frequency axis;

Фиг. 6А представляет собой график, показывающий кривую намагничивания типового индикатора;Fig. 6A is a graph showing a magnetization curve of a typical indicator;

Фиг. 6В представляет собой график, показывающий магнитный отклик на оси времени;Fig. 6B is a graph showing the magnetic response on a time axis;

Фиг. 6С представляет собой график, показывающий магнитный отклик на оси частоты;Fig. 6C is a graph showing magnetic response on a frequency axis;

Фиг. 7 представляет собой схематическое изображение системы магнитного обнаружения в соответствии с вариантом осуществления; а такжеFig. 7 is a schematic diagram of a magnetic detection system according to an embodiment; and

Фиг. 8 представляет собой блок-схему, показывающую способ в соответствии с вариантом осуществления.Fig. 8 is a flowchart showing a method according to an embodiment.

Подробное описание изобретения.Detailed description of the invention.

Настоящее изобретение относится к системе обнаружения и способу определения характеристик маркера и, более конкретно, магнитного маркера, который можно имплантировать для маркировки целевой области в организме, а также к обнаружению и локализации имплантированного маркера с использованием ручного зонда.The present invention relates to a detection system and method for determining the characteristics of a marker and, more specifically, a magnetic marker that can be implanted to mark a target area in the body, as well as detecting and locating the implanted marker using a hand-held probe.

Маркер может быть имплантирован в область, требующую маркировки в организме. Это может быть, например, опухоль или другое поражение или нужная область в мягких тканях. Примеры включают доброкачественные поражения, раковые поражения и лимфатические узлы, но не ограничиваются ими. Маркер можно поместить в место поражения или рядом с ним, или несколько маркеров можно поместить для обозначения краев или периметра области хирургического вмешательства, например, краев опухоли или саркомы мягких тканей.The marker can be implanted in an area that requires marking in the body. This could be, for example, a tumor or other lesion or a desired area in the soft tissue. Examples include, but are not limited to, benign lesions, cancerous lesions, and lymph nodes. A marker may be placed at or near the site of a lesion, or multiple markers may be placed to mark the edges or perimeter of a surgical site, such as the edges of a tumor or soft tissue sarcoma.

На фиг. 3 прилагаемых чертежей показано схематическое изображение варианта осуществления системы обнаружения и маркера согласно настоящему изобретению. Система обнаружения 1 содержит зонд 10, соединенный с базовым блоком 4. Зонд 10 имеет катушку возбуждения или катушки возбуждения, которая генерирует или которые генерируют переменное магнитное поле для возбуждения магнитного маркера 6. Рядом с маркером 6 может также находиться магнитный индикатор 7.In fig. 3 of the accompanying drawings shows a schematic illustration of an embodiment of a detection and marker system according to the present invention. The detection system 1 includes a probe 10 coupled to a base unit 4. The probe 10 has an excitation coil or coils that generates or which generate an alternating magnetic field to excite the magnetic marker 6. A magnetic indicator 7 may also be located adjacent to the marker 6.

Маркер 6 содержит по меньшей мере один кусок магниточувствительного материала и может иметь нелинейную магнитную восприимчивость. Намагниченность материала может нелинейно реагировать на внешнее магнитное поле. Материал может иметь большой скачок Баркгаузена на кривой намагничивания, который также может быть известен как материал с большим скачком Баркгаузена, материал БСБ, бистабильны переключающий материал или материал с большими нелинейностями на кривой намагничивания. Например, когда материал БСБ подвергается воздействию внешнего магнитного поля, напряженность поля которого, противодействующая мгновенной магнитной поляризации указанного отрезка материала, превышает заданное пороговое значение, переключающее магнитное поле H_sw, его магнитная поляризация подвергается быстрому реверсивному изменению. Это изменение намагниченности генерирует магнитный импульс с интенсивными гармоническими составляющими.The marker 6 contains at least one piece of magnetically sensitive material and may have a non-linear magnetic susceptibility. The magnetization of a material can respond nonlinearly to an external magnetic field. The material may have a large Barkhausen jump in the magnetization curve, which may also be known as a large Barkhausen jump material, a BSB material, a bistable switching material, or a material with large nonlinearities in the magnetization curve. For example, when a BSB material is exposed to an external magnetic field whose field strength, counteracting the instantaneous magnetic polarization of the specified piece of material, exceeds a predetermined threshold value switching the magnetic field H _sw , its magnetic polarization undergoes a rapid reversal change. This change in magnetization generates a magnetic pulse with intense harmonic components.

Индикатор 7 представляет собой жидкость, содержащую магнитные наночастицы. Например, индикатор 7 может содержать наночастицы оксида железа. Наночастицы можно описать как суперпарамагнитные наночастицы. Когда индикатор 7 подвергается воздействию внешнего поля, магнитный отклик может быть по существу линейным, то есть намагниченность индикатора 7 прямо пропорциональна приложенному полю. Магнитный отклик индикатора 7 может быть по существу линейным, когда напряженность внешнего поля находится в определенном диапазоне. Когда сила внешнего магнитного поля выше определенного линейного порога, может возникнуть насыщение намагниченности индикатора 7, что приводит к нелинейному магнитному отклику.Indicator 7 is a liquid containing magnetic nanoparticles. For example, indicator 7 may contain iron oxide nanoparticles. Nanoparticles can be described as superparamagnetic nanoparticles. When the indicator 7 is exposed to an external field, the magnetic response may be substantially linear, that is, the magnetization of the indicator 7 is directly proportional to the applied field. The magnetic response of the indicator 7 may be substantially linear when the external field strength is within a certain range. When the strength of the external magnetic field is above a certain linear threshold, saturation of the magnetization of the indicator 7 may occur, resulting in a nonlinear magnetic response.

Зонд 10 системы обнаружения дополнительно содержит одну или несколько сенсорных катушек, предназначенных для обнаружения изменений в магнитном поле, вызванных изменением намагниченности маркера 6 и/или индикатора 7.The detection system probe 10 further includes one or more sensor coils configured to detect changes in the magnetic field caused by changes in the magnetization of the marker 6 and/or indicator 7.

Для обнаружения маркера 6 в типичном поражении или нужной области зонд 10 должен иметь глубину обнаружения не менее 30 мм, предпочтительно более 40 мм и еще предпочтительнее более 50 мм. В идеале маркер 6 выдает одинаковую величину отклика независимо от направления приближения к маркеру 6. Это необходимо для обеспечения устойчивой обратной связи с хирургом касательно расположения маркера 6 относительно зонда 10.To detect marker 6 in a typical lesion or area of interest, probe 10 must have a detection depth of at least 30 mm, preferably greater than 40 mm, and even more preferably greater than 50 mm. Ideally, marker 6 produces the same magnitude of response regardless of the direction of approach to marker 6. This is necessary to provide stable feedback to the surgeon regarding the location of marker 6 relative to probe 10.

Фиг. 4 иллюстрирует типовой зонд 10 более подробно. Зонд 10 обнаружения содержит катушку 102 возбуждения для создания магнитного поля возбуждения и сенсорную катушку для обнаружения ответного магнитного поля.Fig. 4 illustrates a typical probe 10 in more detail. The detection probe 10 includes a drive coil 102 for producing a drive magnetic field and a sensing coil for detecting a response magnetic field.

Катушка 102 возбуждения выполнена с возможностью создания магнитного поля возбуждения посредством поданного электрического тока, содержащего сигнал возбуждения. Магнитное поле возбуждения представляет собой переменное магнитное поле, генерируемое с основной частотной составляющей f₁. Магнитное поле возбуждения может дополнительно содержать одну или несколько дополнительных частотных составляющих f_n. Одна или несколько дополнительных составляющих частот f_n могут быть паразитными или нежелательными составляющими частот. Некоторые или все дополнительные частотные составляющие f_n могут быть частотами гармоник основной частоты f₁.The excitation coil 102 is configured to generate a magnetic excitation field through the supplied electric current containing the excitation signal. The excitation magnetic field is an alternating magnetic field generated with a fundamental frequency component f ₁ . The excitation magnetic field may further comprise one or more additional frequency components f _n . One or more additional frequency components f _n may be spurious or unwanted frequency components. Some or all of the additional frequency components f _n may be harmonic frequencies of the fundamental frequency f ₁ .

Базовый блок 4 и зонд 10 могут дополнительно содержать генератор и усилитель 100 синусоидальных колебаний, а также фильтр гармоник и схему 101 возбуждения, выполненные с возможностью генерирования сигнала возбуждения на основной частоте f₁. Генератор и усилитель 100 синусоидальных колебаний выполнены с возможностью генерирования и усиления сигнала возбуждения переменного тока, имеющего основную частоту f₁. Сигнал возбуждения может генерироваться с одной или несколькими паразитными составляющими частот f_n. Дополнительные составляющие частот могут быть введены путем усиления сигнала возбуждения. Фильтр гармоник и схема 101 возбуждения колебаний выполнены с возможностью фильтрации сигнала возбуждения и подачи сигнала возбуждения на катушку 102 возбуждения. Фильтр гармоник выполнен с возможностью уменьшения одной или нескольких дополнительных частотных составляющих f_n в сигнале возбуждения. Фильтр гармоник может быть режекторным фильтром, настроенным на конкретную гармонику. Отфильтрованный сигнал возбуждения подается на катушку 102 возбуждения для создания возбуждающего поля.The base unit 4 and probe 10 may further comprise a sine wave generator and amplifier 100, as well as a harmonic filter and a drive circuit 101 configured to generate a drive signal at a fundamental frequency f ₁ . The sine wave generator and amplifier 100 are configured to generate and amplify an alternating current excitation signal having a fundamental frequency f ₁ . The excitation signal may be generated with one or more spurious frequency components _fn . Additional frequency components can be introduced by amplifying the excitation signal. The harmonic filter and the vibration excitation circuit 101 are configured to filter the excitation signal and supply the excitation signal to the excitation coil 102 . The harmonic filter is configured to reduce one or more additional frequency components f _n in the excitation signal. The harmonic filter may be a notch filter tuned to a specific harmonic. The filtered excitation signal is supplied to the excitation coil 102 to create an excitation field.

Базовый блок может дополнительно содержать один или несколько процессорных блоков, например, микроконтроллер и/или программируемую пользователем вентильную матрицу (ППВМ). Базовый блок может дополнительно содержать блок памяти, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Блок памяти может быть, например, сформирован из SDRAM или любой подходящей энергозависимой или энергонезависимой памяти. Микроконтроллер может дополнительно управлять памятью компьютера и взаимодействовать с ней. Микроконтроллером может быть, например, микроконтроллер STM32F769 фирмы STM Electronics или любой другой подходящий микроконтроллер. Микроконтроллер и ППВМ могут генерировать синусоидальный сигнал возбуждения, который затем перед усилением преобразуется ЦАПом в аналоговый сигнал, например, с использованием операционного усилителя.The base unit may further comprise one or more processing units, such as a microcontroller and/or a field programmable gate array (FPGA). The base unit may further comprise a memory unit, an analog-to-digital converter (ADC), and a digital-to-analog converter (DAC). The memory unit may, for example, be formed from SDRAM or any suitable volatile or non-volatile memory. The microcontroller can additionally manage and communicate with the computer's memory. The microcontroller may be, for example, an STM32F769 microcontroller from STM Electronics or any other suitable microcontroller. The microcontroller and FPGA can generate a sinusoidal excitation signal, which is then converted to an analog signal by a DAC, for example using an operational amplifier, before being amplified.

Сенсорная катушка 104 выполнена с возможностью генерирования электрического воспринятого сигнала в ответ на изменяющееся внешнее магнитное поле. Сенсорная катушка 104 выполнена с возможностью обнаружения ответного магнитного поля, генерируемого магнитным материалом в ответ на магнитное поле возбуждения. В частности, сенсорная катушка 104 выполнена с возможностью обнаружения ответного магнитного поля, создаваемого маркером 6 и/или индикатором 7.The sensor coil 104 is configured to generate an electrical sensed signal in response to a changing external magnetic field. The sensor coil 104 is configured to detect a response magnetic field generated by the magnetic material in response to the excitation magnetic field. In particular, the sensor coil 104 is configured to detect a response magnetic field generated by the marker 6 and/or indicator 7.

Зонд 10 обнаружения дополнительно содержит электронный фильтр, например режекторный фильтр 106, и блок 108 обнаружения и усиления содержания гармоник. Для улучшения восприятия других частотных составляющих f_n электронный фильтр 106 может быть выполнен с возможностью уменьшения или удаления основной частоты f₁ из воспринятого сигнала. Блок 108 обнаружения и усиления содержания гармоник может дополнительно усиливать одну или несколько дополнительных частотных составляющих f_n, например, соответствующих одной или нескольким частотам гармоник основной частоты f₁. Блок также может подавлять некоторые нежелательные частотные составляющие. Функционирование компонентов для обработки воспринятого сигнала будет более подробно описано ниже.The detection probe 10 further includes an electronic filter, such as a notch filter 106, and a harmonic content detection and amplification unit 108. To improve the perception of other frequency components f _n, the electronic filter 106 may be configured to reduce or remove the fundamental frequency f ₁ from the sensed signal. The harmonic content detection and amplification unit 108 may further amplify one or more additional frequency components f _n , for example, corresponding to one or more harmonic frequencies of the fundamental frequency f ₁ . The block can also suppress some unwanted frequency components. The operation of the components for processing the sensed signal will be described in more detail below.

На фиг. 5А показана возможная кривая намагничивания магнитного маркера 6. Кривая показывает уровень намагничивания маркера 6 в зависимости от силы приложенного внешнего магнитного поля. Маркер 6 может содержать по меньшей мере один кусок материала с большим скачком Баркгаузена (БСБ). Как описано выше, материал БСБ может давать нелинейную кривую намагничивания. Согласно кривой намагничивания, возбуждающее поле Н, меньшее, чем переключающее поле 25, приведет к небольшому изменению или отсутствию изменения намагниченности В, за исключением эффекта перехода от «24» к «25», где есть небольшое изменение величины, но без изменения полярности В. Кривая показывает изменение намагниченности после превышения значения переключающего поля, обозначенного номером «25». Кривая показывает эффект гистерезиса, с дальнейшим изменением намагниченности после превышения значения переключающего поля, обозначенного номером «30». Таким образом, реверсивное изменение происходит во времени регулярно, с тем же периодом времени, что и частота возбуждения.In fig. 5A shows a possible magnetization curve of the magnetic marker 6. The curve shows the level of magnetization of the marker 6 depending on the strength of the applied external magnetic field. Marker 6 may contain at least one piece of large Barkhausen jump (LBS) material. As described above, the BSB material can produce a non-linear magnetization curve. According to the magnetization curve, an exciting field H less than a switching field 25 will result in little or no change in magnetization B, except for the effect of the transition from "24" to "25" where there is a small change in magnitude but no change in the polarity of B. The curve shows the change in magnetization after exceeding the switching field value indicated by the number “25”. The curve shows the effect of hysteresis, with a further change in magnetization after exceeding the value of the switching field, indicated by the number "30". Thus, the reversal change occurs regularly over time, with the same period of time as the excitation frequency.

На фиг. 5В показан типичный воспринятый сигнал, соответствующий кривой намагничивания на фиг. 5А. При возбуждении маркера 6 переменным полем достаточно большой амплитуды на оси времени наблюдаются импульсы, соответствующие перемагничиванию. Импульсы могут накладываться на синусоиду, если паразитное магнитное поле возбуждения, связанное с сенсорными катушками, не отфильтровывается полностью. Как более подробно рассмотрено ниже, материал, имеющий линейный магнитный отклик, будет создавать синусоидальный воспринятый сигнал на той же частоте, что и магнитное поле возбуждения. Для сравнения, нелинейный отклик маркера 6 создает гармонические частотные составляющие в воспринятом сигнале, которые объединяются в суперпозицию для создания результирующего импульсного сигнала.In fig. 5B shows a typical sensed signal corresponding to the magnetization curve in FIG. 5A. When marker 6 is excited by an alternating field of sufficiently large amplitude, pulses corresponding to magnetization reversal are observed on the time axis. Pulses may overlap the sine wave if the stray magnetic excitation field associated with the sense coils is not filtered out completely. As discussed in more detail below, a material that has a linear magnetic response will produce a sinusoidal sensed signal at the same frequency as the excitation magnetic field. In comparison, the nonlinear response of marker 6 produces harmonic frequency components in the sensed signal that combine into a superposition to create the resulting pulse signal.

На фиг. 5С показана частотная характеристика воспринятого сигнала, соответствующего кривой намагничивания, представленной на фиг. 5А. В ответ на магнитное поле возбуждения по существу на основной частоте (f₁) воспринятый сигнал содержит по меньшей мере одну дополнительную частотную составляющую на более высокой гармонической частоте. Как показано, воспринятый сигнал может содержать значительную составляющую по меньшей мере на каждой из гармонических частот со 2-й по 10-ю (f₁-f₁₀) по отношению к основной частоте. Также могут присутствовать высокочастотные компоненты.In fig. 5C shows the frequency response of the sensed signal corresponding to the magnetization curve shown in FIG. 5A. In response to a magnetic excitation field at substantially the fundamental frequency (f ₁ ), the sensed signal contains at least one additional frequency component at a higher harmonic frequency. As shown, the sensed signal may contain a significant component at at least each of the 2nd through 10th harmonic frequencies (f ₁ -f ₁₀ ) relative to the fundamental frequency. High frequency components may also be present.

Маркер 6 может быть выполнен с возможностью обеспечения существенного отклика на определенной гармонической частоте (f_x). Такая гармоническая частота f_x может использоваться для различения части воспринятого сигнала, генерируемого маркером 6, и другой части, генерируемой одним или несколькими вторичными источниками магнитного поля. Гармоническая частота f_x может использоваться для различения маркера 6 и индикатора 7. В некоторых реализациях для различения маркера 6 и индикатора 7 может использоваться частота третьей гармоники (f₁).Marker 6 may be configured to provide a significant response at a certain harmonic frequency (f _x ). Such harmonic frequency f _x can be used to distinguish between a portion of the sensed signal generated by marker 6 and another portion generated by one or more secondary magnetic field sources. The harmonic frequency f _x may be used to differentiate between marker 6 and indicator 7. In some implementations, the third harmonic frequency (f ₁ ) may be used to distinguish between marker 6 and indicator 7.

В ответном магнитном поле, генерируемом маркером 6, отношение между основной частотной характеристикой и конкретной гармонической частотой f_x может обозначаться как коэффициент отклика маркера или первичный коэффициент отклика. Коэффициент отклика маркера может быть приблизительно равен 100 или может быть меньше 100. В некоторых реализациях коэффициент отклика маркера до применения какого-либо фильтра может быть меньше 50, например, может быть приблизительно равен 30.In the response magnetic field generated by the marker 6, the relationship between the fundamental frequency response and the specific harmonic frequency f _x may be referred to as the marker response coefficient or the primary response coefficient. The token response factor may be approximately 100 or may be less than 100. In some implementations, the token response factor before any filter is applied may be less than 50, for example, may be approximately 30.

Вместо работы в бистабильном режиме нелинейный маркер может работать в суббистабильном режиме. Как описано выше, некоторые материалы БСБ действительно могут демонстрировать нелинейный отклик в полях, меньших, чем переключающее поле (например, отклик третьей гармоники Н₃), который почти на 2 порядка больше, чем у материалов, не являющихся БСБ. Это может обеспечить обнаружение маркера, который находится дальше от зонда 10, где поля возбуждения обычно малы.Instead of operating in bistable mode, a nonlinear marker can operate in sub-bistable mode. As described above, some BSB materials can indeed exhibit a nonlinear response in fields smaller than the switching field (for example, the third harmonic response of H ₃ ), which is almost 2 orders of magnitude greater than that of non-BSB materials. This may allow detection of a marker that is further away from the probe 10, where excitation fields are typically small.

На фиг. 6А показана типичная кривая намагничивания магнитного индикатора 7. Кривая показывает уровень намагниченности индикатора 7 в зависимости от силы приложенного внешнего магнитного поля. Магнитный отклик индикатора 7 является по существу линейным при слабых возбуждающих полях. В более сильных внешних магнитных полях может возникнуть насыщение намагниченности индикатора 7, поскольку наночастицы в индикаторе 7 полностью выравниваются с внешним магнитным полем. Магнитный отклик индикатора 7 является линейным в слабом возбуждающем поле и может стать нелинейным в ответ на более сильное возбуждающее поле. Согласно кривой намагничивания, синусоидальное возбуждающее поле Н, имеющее амплитуду ниже определенного линейного порога, приведет к соответствующей синусоидальной намагниченности М. Возбуждающее поле, имеющее амплитуду выше линейного порога, может вызвать искажения в соответствующей намагниченности, т.е. нелинейность. Кроме того, если центральная часть кривой намагничивания не является линейной (т.е. имеет постоянный градиент), то могут возникать дополнительные нелинейные искажения соответствующей намагниченности.In fig. 6A shows a typical magnetization curve of a magnetic indicator 7. The curve shows the level of magnetization of the indicator 7 as a function of the strength of the applied external magnetic field. The magnetic response of the indicator 7 is essentially linear at weak excitation fields. In stronger external magnetic fields, saturation of the magnetization of indicator 7 may occur as the nanoparticles in indicator 7 become completely aligned with the external magnetic field. The magnetic response of indicator 7 is linear in a weak excitation field and may become nonlinear in response to a stronger excitation field. According to the magnetization curve, a sinusoidal driving field H having an amplitude below a certain linear threshold will result in a corresponding sinusoidal magnetization M. A driving field having an amplitude above a linear threshold can cause distortions in the corresponding magnetization, i.e. nonlinearity. In addition, if the central part of the magnetization curve is not linear (i.e., has a constant gradient), then additional nonlinear distortions of the corresponding magnetization may occur.

На фиг. 6В показан типичный воспринятый сигнал, соответствующий кривой намагничивания, представленной на фиг. 6А. Когда индикатор 7 возбуждается переменным полем с амплитудой ниже линейного порога, воспринятый сигнал линейно соответствует возбуждающему полю. Там, где переменное поле имеет синусоидальную форму, воспринятый сигнал имеет соответствующую синусоидальную форму. При возбуждении индикатора 7 переменным полем достаточно большой амплитуды на оси времени могут наблюдаться импульсы, соответствующие насыщению намагниченности индикатора 7. Нелинейный отклик создает одну или несколько гармонических частотных составляющих в воспринятом сигнале, которые объединяются в суперпозицию для создания результирующего импульсного сигнала.In fig. 6B shows a typical sensed signal corresponding to the magnetization curve shown in FIG. 6A. When the indicator 7 is excited by an alternating field with an amplitude below the linear threshold, the sensed signal corresponds linearly to the exciting field. Where the alternating field has a sinusoidal shape, the received signal has a corresponding sinusoidal shape. When the indicator 7 is excited by an alternating field of sufficiently large amplitude, pulses can be observed on the time axis corresponding to the saturation of the magnetization of the indicator 7. The nonlinear response creates one or more harmonic frequency components in the received signal, which are combined into a superposition to create the resulting pulse signal.

Фиг. 6С иллюстрирует частотную характеристику воспринятого сигнала, соответствующего кривой намагничивания фиг. 6А. Как можно видеть, в ответ на магнитное поле возбуждения с малой амплитудой, по существу, на основной частоте (f₁), воспринятый сигнал содержит в основном основную частоту (f₁). В ответ на магнитное поле возбуждения с большой амплитудой, по существу, на основной частоте (f₁), воспринятый сигнал содержит по меньшей мере одну дополнительную частотную составляющую на более высокой гармонической частоте. Как показано, воспринятый сигнал может содержать значительную составляющую по меньшей мере на любой из гармонических частот со 2-й по 10-ю (f₂-f₁₀) по отношению к основной частоте. В частности, может быть значительная составляющая в нечетных частотах гармоник, в частности, в третьей гармонике. Также могут присутствовать высокочастотные компоненты.Fig. 6C illustrates the frequency response of a sensed signal corresponding to the magnetization curve of FIG. 6A. As can be seen, in response to a low amplitude excitation magnetic field at substantially the fundamental frequency (f ₁ ), the sensed signal contains substantially the fundamental frequency (f ₁ ). In response to a high amplitude excitation magnetic field at substantially the fundamental frequency (f ₁ ), the sensed signal contains at least one additional frequency component at a higher harmonic frequency. As shown, the sensed signal may contain a significant component at at least any of the 2nd through 10th harmonic frequencies (f ₂ -f ₁₀ ) relative to the fundamental frequency. In particular, there may be a significant component in the odd frequency harmonics, particularly the third harmonic. High frequency components may also be present.

Гармонические частотные составляющие в воспринятом сигнале, генерируемом индикатором 7, могут мешать обнаружению гармонических частотных составляющих, генерируемых маркером 6, и могут препятствовать точному обнаружению маркера 6.Harmonic frequency components in the sensed signal generated by indicator 7 may interfere with the detection of harmonic frequency components generated by marker 6 and may prevent accurate detection of marker 6.

Как описано выше, маркер 6 может быть выполнен с возможностью обеспечения существенного отклика на гармонической частоте f_x. Гармоническая частота f_x может использоваться для различения части воспринятого сигнала, генерируемого маркером 6, и части, генерируемой одним или несколькими вторичными источниками магнитного поля. Однако генерирование индикатором 7 воспринятой составляющей сигнала на гармонической частоте f_x может препятствовать точному обнаружению маркера 6. Генерирование магнитного поля возбуждения с амплитудой ниже линейного порога для индикатора 7 может уменьшить генерирование индикатором 7 гармонических частотных составляющих. В частности, использование магнитного поля возбуждения с малой амплитудой может уменьшить генерирование индикатором 7 частотных составляющих третьей гармоники.As described above, marker 6 may be configured to provide a significant response at the harmonic frequency f _x . The harmonic frequency f _x can be used to distinguish between the portion of the sensed signal generated by marker 6 and the portion generated by one or more secondary magnetic field sources. However, the generation of a sensed signal component at the harmonic frequency f _x by the indicator 7 may prevent accurate detection of the marker 6. Generating a magnetic excitation field with an amplitude below the linear threshold for the indicator 7 may reduce the generation of harmonic frequency components by the indicator 7. In particular, using a low amplitude excitation magnetic field can reduce the indicator's generation of 7 third harmonic frequency components.

В ответном магнитном поле, генерируемом индикатором 7, отношение между основной частотой отклика и частотой третьей гармоники может обозначаться как вторичный коэффициент отклика.In the response magnetic field generated by the indicator 7, the ratio between the fundamental response frequency and the third harmonic frequency can be designated as the secondary response coefficient.

На фиг. 7 показана блок-схема системы 1 магнитного обнаружения согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Система 1 магнитного обнаружения содержит генератор 110 частоты. Примером генератора 110 частоты является осциллятор или генератор формы волны. Генератор 110 частоты выполнен с возможностью генерирования переменного сигнала. Сигнал может быть синусоидальным. Частота f_D сигнала может находиться в диапазоне от 100 Гц до 100 кГц. Примером генератора частоты является микроконтроллер, выдающий синусоидальный сигнал, который затем преобразуется в аналоговый сигнал цифро-аналоговым преобразователем и фильтруется фильтром нижних частот для сглаживания сигнала.In fig. 7 is a block diagram of a magnetic detection system 1 according to an embodiment of the present invention. The magnetic detection system 1 includes a frequency generator 110. An example of frequency generator 110 is an oscillator or waveform generator. The frequency generator 110 is configured to generate an alternating signal. The signal can be sinusoidal. The frequency f _D of the signal can be in the range from 100 Hz to 100 kHz. An example of a frequency generator is a microcontroller that outputs a sine wave signal, which is then converted to an analog signal by a digital-to-analog converter and filtered with a low-pass filter to smooth the signal.

Генерируемый сигнал возбуждает катушку или катушки 120 возбуждения. Катушка или катушки возбуждения генерирует или генерируют переменное магнитное поле. Генерируемое поле распространяется в ткань, содержащую магнитный маркер 6, содержащий по меньшей мере один кусок материала с большим скачком Баркгаузена (БСБ). Синусоидальный сигнал может свести к минимуму гармонические составляющие в переменном магнитном поле, однако переменный сигнал и/или генерируемое переменное магнитное поле могут содержать одну или несколько паразитных высокочастотных составляющих. Переменное магнитное поле может содержать одну или несколько гармонических составляющих. Соотношение между основной частотой и частотой гармоники f_x в генерируемом переменном магнитном поле может обозначаться как коэффициент возбуждения.The generated signal excites the drive coil or coils 120. The field coil or coils generate or generate an alternating magnetic field. The generated field propagates into tissue containing a magnetic marker 6 containing at least one piece of large Barkhausen shock (LBH) material. A sine wave signal can minimize harmonic components in an alternating magnetic field, but the alternating signal and/or the generated alternating magnetic field may contain one or more spurious high-frequency components. An alternating magnetic field may contain one or more harmonic components. The relationship between the fundamental frequency and the harmonic frequency f _x in the generated alternating magnetic field can be referred to as the excitation coefficient.

Сигнал возбуждения, генерируемый генератором 110 частоты, может электронно фильтроваться для ослабления гармонических частей сигнала возбуждения, так что переменное магнитное поле в основном соответствует требуемой частоте возбуждения. Это помогает избежать паразитных откликов на более высоких частотах, которые могут быть ошибочно интерпретированы как гармонические отклики. Фильтрация и обработка сигнала возбуждения могут значительно уменьшить составляющую частоты гармоники f_xна несколько порядков. Частота гармоники f_x может быть в 10³ или 10⁴ раз меньше, чем составляющая основной частоты. То есть значение коэффициента возбуждения может находиться в диапазоне от 10³ до 10⁴ или выше. Однако даже такая малая составляющая на частоте гармоники f_x может помешать точному обнаружению маркера 6.The drive signal generated by frequency generator 110 may be electronically filtered to attenuate the harmonic portions of the drive signal so that the alternating magnetic field substantially corresponds to the desired drive frequency. This helps avoid spurious responses at higher frequencies that can be mistakenly interpreted as harmonic responses. Filtering and processing the excitation signal can significantly reduce the harmonic frequency component f _x by several orders of magnitude. The harmonic frequency f _x can be 10 ³ or 10 ⁴ times less than the fundamental frequency component. That is, the value of the excitation coefficient may be in the range of 10 ³ to 10 ⁴ or higher. However, even such a small component at harmonic frequency f _x may prevent accurate detection of marker 6.

Переменное магнитное поле возбуждает маркер 6, и намагничивание маркера 6 приводит к генерированию гармонических составляющих в поле отклика. В зависимости от расположения маркера 6 гармоники могут быть нечетными гармониками (3-я, 5-я, 7-я и т.д.) или четными гармониками (2-я, 4-я, 6-я и т.д.) или комбинацией нечетных и четных гармоник. Маркер 6 можно обнаружить путем непосредственного измерения величины одной или нескольких частот гармоник или путем измерения отношения величины одной или нескольких гармоник к другим гармоникам или к величине основной частоты.An alternating magnetic field excites marker 6, and magnetization of marker 6 leads to the generation of harmonic components in the response field. Depending on the location of marker 6, the harmonics can be odd harmonics (3rd, 5th, 7th, etc.) or even harmonics (2nd, 4th, 6th, etc.) or a combination of odd and even harmonics. Marker 6 can be detected by directly measuring the magnitude of one or more harmonic frequencies, or by measuring the ratio of the magnitude of one or more harmonics to other harmonics or to the magnitude of the fundamental frequency.

Переменное магнитное поле также может возбуждать индикатор 7. Распределение индикатора в пространстве обычно неизвестно. Однако если амплитуда переменного магнитного поля в объеме, окружающем зонд 10, ниже линейного порога для любого индикатора 7, то магнитный отклик индикатора 7 является линейным, не зависящим от распределения индикатора в пространстве. Намагничивание индикатора приводит к генерированию поля отклика с большой основной частотной составляющей в ответ на большую основную частотную составляющую магнитного поля возбуждения. Кроме того, линейный отклик индикатора 7 может привести к появлению одной или нескольких высокочастотных составляющих в ответ на паразитные высокочастотные составляющие в магнитном поле возбуждения. Таким образом, поле отклика, генерируемое индикатором 7, может включать в себя одну или несколько гармонических частотных составляющих вследствие наличия гармонических частотных составляющих в магнитном поле возбуждения.An alternating magnetic field can also excite indicator 7. The distribution of the indicator in space is usually unknown. However, if the amplitude of the alternating magnetic field in the volume surrounding the probe 10 is below the linear threshold for any indicator 7, then the magnetic response of the indicator 7 is linear, independent of the distribution of the indicator in space. Magnetization of the indicator results in the generation of a response field with a large fundamental frequency component in response to a large fundamental frequency component of the excitation magnetic field. In addition, the linear response of the indicator 7 may result in one or more high-frequency components appearing in response to spurious high-frequency components in the excitation magnetic field. Thus, the response field generated by the indicator 7 may include one or more harmonic frequency components due to the presence of harmonic frequency components in the excitation magnetic field.

Поле отклика от маркера 6 и индикатора 7 обнаруживается сенсорной катушкой или сенсорными катушками 130 для генерирования сенсорного напряжения или тока. Сенсорные катушки 130 могут быть размещены в ручном или роботизированном зонде, например, зонде 10. Для фильтрации или ослабления по меньшей мере составляющих сенсорного сигнала на частоте возбуждения может быть установлен электронный фильтр 140, так что результирующий сигнал имеет минимальную составляющую на частоте возбуждения и содержит высшие гармонические составляющие сигнала, например гармоники второго, третьего, четвертого, пятого или седьмого порядка или их комбинации. Фильтр 140 может иметь форму пассивного LCR фильтра известной конструкции, например, из конденсаторов, катушек индуктивности и резисторов, или активного фильтра известной конструкции, например, на основе операционного усилителя или операционных усилителей.The response field from marker 6 and indicator 7 is detected by the sensor coil or coils 130 to generate a sensor voltage or current. The sensor coils 130 may be placed in a manual or robotic probe, such as probe 10. An electronic filter 140 may be installed to filter or attenuate at least components of the sensor signal at the driving frequency such that the resulting signal has a minimum component at the driving frequency and contains higher harmonic components of a signal, such as second-, third-, fourth-, fifth-, or seventh-order harmonics, or combinations thereof. Filter 140 may take the form of a passive LCR filter of known design, such as capacitors, inductors, and resistors, or an active filter of known design, such as an operational amplifier or operational amplifiers.

Отфильтрованный сигнал может подаваться на блок 150 обнаружения гармоник, который улучшает отношение сигнал/шум одной или нескольких гармонических составляющих сигнала и преобразует сигнал в величину расстояния от зонда 10 до маркера 6. Блок 150 обнаружения гармоник может быть выполнен с возможностью фильтрации паразитных гармонических откликов, генерируемых индикатором 7. Блок 150 обнаружения гармоник может выполнять несколько рабочих этапов. Функции блока 150 обнаружения гармоник могут осуществляться микроконтроллером и ППВМ, как описано выше.The filtered signal may be provided to a harmonic detection unit 150, which improves the signal-to-noise ratio of one or more harmonic components of the signal and converts the signal into a distance value from the probe 10 to the marker 6. The harmonic detection unit 150 may be configured to filter spurious harmonic responses generated by indicator 7. The harmonic detection unit 150 may perform several operating steps. The functions of the harmonic detection unit 150 may be performed by a microcontroller and an FPGA as described above.

Блок 150 обнаружения гармоник может быть выполнен с возможностью осуществления взаимной корреляции для уменьшения шума 151. Блок 150 обнаружения гармоник может быть выполнен с возможностью разделения сигнала на частотные составляющие посредством взаимной корреляции 151. Например, взаимная корреляция 151 может разделить сигнал на сигнал 152 основной гармоники и по меньшей мере один сигнал 153 n-й гармоники.The harmonic detection unit 150 may be configured to perform cross-correlation to reduce noise 151. The harmonic detection unit 150 may be configured to separate the signal into frequency components through cross-correlation 151. For example, cross-correlation 151 may separate the signal into fundamental harmonic signal 152 and at least one nth harmonic signal 153.

Блок 150 обнаружения гармоник может определять поправочный коэффициент 154. Поправочный коэффициент 154 может соответствовать воспринятому сигналу, который генерируется индикатором 7. Поправочный коэффициент 154 может соответствовать выбранной n-й гармонической частотной составляющей, генерируемой индикатором 7. Путем удаления поправочного коэффициента 154 из сигнала 153 n-й гармоники блок 150 обнаружения гармоник может выделить сигнал 155 от нелинейного маркера. В частности, блок 150 обнаружения гармоник может выделить сигнал n-й частоты, генерируемый маркером 6.The harmonic detection unit 150 may determine a correction factor 154. The correction factor 154 may correspond to a sensed signal that is generated by the indicator 7. The correction factor 154 may correspond to a selected nth harmonic frequency component generated by the indicator 7. By removing the correction factor 154 from the n- signal 153 th harmonics, harmonic detection unit 150 can extract signal 155 from the non-linear marker. In particular, the harmonic detection unit 150 can extract the nth frequency signal generated by the marker 6.

Поправочный коэффициент 154 может быть определен на основе сигнала 152 основной гармоники. Поправочный коэффициент 154 может быть дополнительно основан на коэффициенте возбуждения, представляющем собой отношение основной частоты и частоты n-й гармонической составляющей в магнитном поле возбуждения. В некоторых реализациях поправочный коэффициент 154 может быть дополнительно основан на характеристическом спектральном отклике линейного индикатора и нелинейного маркера. Блок 150 обнаружения гармоник может уменьшать сигнал 152 основной гармоники за счет коэффициента возбуждения для определения поправочного коэффициента 154. Этот практический подход особенно справедлив, пока индикатор примерно в 10 раз более линейный, чем маркер. Эту линейность можно оценить по соответствующему гармоническому искажению.The correction factor 154 may be determined based on the fundamental signal 152 . The correction factor 154 may further be based on an excitation factor, which is the ratio of the fundamental frequency and the frequency of the nth harmonic component in the excitation magnetic field. In some implementations, the correction factor 154 may be further based on the characteristic spectral response of the linear indicator and non-linear marker. The harmonic detection unit 150 may reduce the fundamental signal 152 by the excitation factor to determine the correction factor 154. This practical approach is particularly valid as long as the indicator is about 10 times more linear than the marker. This linearity can be assessed by the corresponding harmonic distortion.

Поправочный коэффициент 154, соответствующий n-й гармонической частотной составляющей, генерируемой индикатором 7, может быть выражен через основную частотную составляющую, генерируемую индикатором 7, с использованием вторичного коэффициента отклика, описанного выше. Кроме того, основная частотная составляющая, генерируемая индикатором 7, и основная частотная составляющая, генерируемая маркером 6, вместе составляют весь сигнал 152 основной гармоники. Часть n-й гармонической частотной составляющей, генерируемой индикатором 7, может быть поэтому привязана к сигналу 152 основной гармоники через вторичный коэффициент отклика. Дополнительная часть n-й гармонической частотной составляющей, генерируемой индикатором 7, может быть привязана к n-й гармонической частотной составляющей, генерируемой маркером 6, через вторичный коэффициент отклика и коэффициент отклика маркера.The correction factor 154 corresponding to the nth harmonic frequency component generated by the indicator 7 can be expressed in terms of the fundamental frequency component generated by the indicator 7 using the secondary response factor described above. In addition, the fundamental frequency component generated by the indicator 7 and the fundamental frequency component generated by the marker 6 together constitute the entire fundamental signal 152. A portion of the nth harmonic frequency component generated by the indicator 7 can therefore be coupled to the fundamental signal 152 via a secondary response gain. An additional portion of the nth harmonic frequency component generated by indicator 7 can be linked to the nth harmonic frequency component generated by marker 6 through the secondary response coefficient and the marker response coefficient.

В той мере, в какой магнитный отклик индикатора 7 является линейным, вторичный коэффициент отклика является по существу таким же, как и коэффициент возбуждения, независимо от пространственного изменения поля возбуждения и пространственного распределения индикатора вокруг зонда 10. То есть значение вторичного коэффициента отклика может быть в диапазоне от 10³ до 10⁴ или выше. Можно определить, что часть n-й гармонической частотной составляющей, генерируемой индикатором 7, которая основана на вторичном коэффициенте отклика и коэффициенте отклика маркера, незначительна из-за большого несоответствия между вторичным коэффициентом отклика и коэффициентом отклика маркера.To the extent that the magnetic response of the indicator 7 is linear, the secondary response coefficient is substantially the same as the excitation coefficient, regardless of the spatial variation of the excitation field and the spatial distribution of the indicator around the probe 10. That is, the value of the secondary response coefficient may be range from 10 ³ to 10 ⁴ or higher. It can be determined that the portion of the nth harmonic frequency component generated by the indicator 7, which is based on the secondary response coefficient and the marker response coefficient, is insignificant due to the large discrepancy between the secondary response coefficient and the marker response coefficient.

В результате поправочный коэффициент 154 может быть определен с высокой степенью точности на основе только сигнала 152 основной гармоники и коэффициента возбуждения сигнала возбуждения.As a result, the correction factor 154 can be determined with a high degree of accuracy based only on the fundamental signal 152 and the excitation factor of the excitation signal.

Блок 150 обнаружения гармоник может быть выполнен с возможностью удаления поправочного коэффициента 154 из сигнала 153 n-й гармоники, чтобы выделить сигнал 155 от нелинейного маркера. Сигнал 155 от нелинейного маркера может обозначаться как сигнал обнаружения. Аналогичная методика может быть применена для подавления паразитных сигналов, возникающих от других источников, отличных от индикатора 7. Например, линейный сигнал может исходить от металлических предметов, находящихся в непосредственной близости от зонда 10 во время операции, от тела пациента, от рук хирурга или от маркера для биопсии. Блок 150 обнаружения гармоник может подавлять любые такие сигналы, которые настолько малы, что не переполняют электронные компоненты в схемах датчиков.The harmonic detection unit 150 may be configured to remove the correction factor 154 from the nth harmonic signal 153 to isolate the signal 155 from the non-linear marker. The signal 155 from the non-linear marker may be referred to as a detection signal. A similar technique can be used to suppress spurious signals arising from sources other than indicator 7. For example, the linear signal can come from metal objects in close proximity to the probe 10 during surgery, from the patient's body, from the surgeon's hands, or from marker for biopsy. The harmonic detection unit 150 may suppress any such signals that are small enough to not overwhelm the electronic components in the sensor circuits.

В некоторых вариантах осуществления генератор 110 частоты может быть выполнен с возможностью изменения амплитуды сигнала возбуждения во времени. Амплитуда переменного магнитного поля, генерируемого катушками 120 возбуждения, может изменяться во времени. Таким образом, можно возбуждать магнитным полем различные части объема вокруг зонда 10 в разное время. Блок 150 обнаружения гармоник может быть выполнен с возможностью вычисления множества поправочных коэффициентов 154 в разное время, соответствующих разным амплитудам сигнала возбуждения. Вычисленное множество поправочных коэффициентов 154 может быть собрано в массив поправочных коэффициентов. На основе массива поправочных коэффициентов может быть выделен сигнал 155 от нелинейного маркера. В этом случае система может более точно подавлять паразитные сигналы от вторичного источника, которые неравномерно распределены вокруг зонда 10.In some embodiments, frequency generator 110 may be configured to vary the amplitude of the drive signal over time. The amplitude of the alternating magnetic field generated by the field coils 120 may vary over time. In this way, it is possible to excite different parts of the volume around the probe 10 with a magnetic field at different times. The harmonic detection unit 150 may be configured to calculate a plurality of correction factors 154 at different times corresponding to different amplitudes of the drive signal. The calculated plurality of correction factors 154 may be collected into an array of correction factors. Based on the array of correction factors, the signal 155 from the nonlinear marker can be extracted. In this case, the system can more accurately suppress spurious signals from the secondary source that are unevenly distributed around the probe 10.

Блок 150 обнаружения гармоник может быть дополнительно выполнен с возможностью преобразования 156 сигнала 155 n-й гармоники маркера для получения величины расстояния от зонда 10 до маркера 6. Пользовательский дисплей и звуковой генератор 160 обеспечивают вывод пользователю визуальной и звуковой информации, указывающей, например, близость маркера 6 или величину магнитного сигнала. Система может отображать близость, размер, расстояние/направление или ориентацию маркера 6 или их комбинации.The harmonic detection unit 150 may be further configured to convert 156 the marker's nth harmonic signal 155 to obtain a distance value from the probe 10 to the marker 6. The user display and sound generator 160 provide visual and audio information to the user indicating, for example, the proximity of the marker. 6 or the magnitude of the magnetic signal. The system may display the proximity, size, distance/direction or orientation of the marker 6 or combinations thereof.

Путем генерирования поправочного коэффициента, соответствующего n-й гармонической частотной составляющей, генерируемой индикатором 7, и выделения n-й гармонической частотной составляющей, генерируемой маркером 6, система 1 магнитного обнаружения может обеспечить значительно улучшенное отображение близости, размера и т.д. маркера 6. Система 1 магнитного обнаружения может точно различать маркер 6 и индикатор 7, даже если сигнал возбуждения не имеет чистой одночастотной синусоидальной формы. Система 1 магнитного обнаружения может повысить точность локализации маркера 6 и обеспечить более точное удаление соответствующего поражения. Таким образом, система 1 магнитного обнаружения может снизить вероятность удаления избыточной ткани, позволяя хирургу более точно определить степень поражения, соответственно улучшая период восстановления и результат хирургического лечения.By generating a correction factor corresponding to the nth harmonic frequency component generated by the indicator 7 and highlighting the nth harmonic frequency component generated by the marker 6, the magnetic detection system 1 can provide significantly improved display of proximity, size, etc. marker 6. The magnetic detection system 1 can accurately distinguish between the marker 6 and the indicator 7 even if the excitation signal does not have a pure single-frequency sinusoidal waveform. The magnetic detection system 1 can improve the localization accuracy of the marker 6 and provide more accurate removal of the corresponding lesion. Thus, the magnetic detection system 1 can reduce the likelihood of removing excess tissue, allowing the surgeon to more accurately determine the extent of the lesion, thereby improving the recovery period and surgical outcome.

В других случаях система 1 магнитного обнаружения может обеспечить более точное отображение размера или количества магнитного маркера, причем магнитный маркер может соответствовать образцу любого материала, обеспечивающего нелинейный магнитный отклик. Система 1 магнитного обнаружения может улучшить определение размера или количества, даже когда сигнал возбуждения включает в себя паразитную частотную составляющую в дополнение к желаемой основной частотной составляющей.In other cases, the magnetic detection system 1 may provide a more accurate indication of the size or quantity of the magnetic marker, and the magnetic marker may correspond to a sample of any material that provides a non-linear magnetic response. The magnetic detection system 1 can improve size or quantity detection even when the excitation signal includes a spurious frequency component in addition to the desired fundamental frequency component.

Кроме того, извлечение n-й гармонической частотной составляющей, генерируемой маркером 6, вместе со знанием его спектральной характеристики эквивалентно извлечению гармонических частотных составляющих, генерируемых индикатором 7. Это можно использовать для определения количества индикатора 7 вблизи зонда 10 или расстояния индикатора 7 от зонда 10, даже при наличии маркера 6, который создает как n-ую гармоническую частоту, так и основную гармоническую частотную составляющую.In addition, extracting the nth harmonic frequency component generated by marker 6, together with knowledge of its spectral response, is equivalent to extracting the harmonic frequency components generated by indicator 7. This can be used to determine the amount of indicator 7 near probe 10 or the distance of indicator 7 from probe 10. even with marker 6, which creates both the nth harmonic frequency and the fundamental harmonic frequency component.

Каждый из маркеров описанной выше системы обнаружения может содержать один или несколько отрезков материала («материал магнитного маркера»), который дает гармонический или нелинейный отклик на переменное магнитное поле, создаваемое большим скачком Баркгаузена на кривой намагничивания. Примеры таких материалов включают аморфные, в стеклянной оболочке, микропровода с высоким содержанием железа, кобальта и никеля, аморфные микропровода на основе железа-кремния-бора, аморфные микропровода на основе железа-кобальта и объемные проводники из металлического стекла.Each of the markers of the detection system described above may contain one or more pieces of material ("magnetic marker material") that provides a harmonic or nonlinear response to the alternating magnetic field created by a large Barkhausen jump in the magnetization curve. Examples of such materials include amorphous glass-clad microwires with high iron-cobalt-nickel content, amorphous iron-silicon-boron microwires, amorphous iron-cobalt microwires, and bulk metallic glass conductors.

В некоторых вариантах осуществления длина или длины материала магнитного маркера (сформированного из материала с большим скачком Баркгаузена на кривой намагничивания) могут содержать отрезок сплошного проводника (длиной <10 мм) диаметром <2 мм, так что маркер может быть доставлен через маленькую иглу; микропровод в стеклянной оболочке с диаметром сердечника, например, от 5 до 100 микрометров и толщиной оболочки, например, от 0,5 до 40 микрометров; пучок из 2-х и более отрезков сплошного проводника или микропровода в стеклянной оболочке; или полую трубку.In some embodiments, the length or lengths of magnetic marker material (formed from a material with a large Barkhausen jump in the magnetization curve) may comprise a length of solid conductor (<10 mm long) with a diameter <2 mm such that the marker can be delivered through a small needle; a glass-clad microwire with a core diameter of, for example, 5 to 100 micrometers and a shell thickness of, for example, 0.5 to 40 micrometers; a bundle of 2 or more sections of a solid conductor or microwire in a glass shell; or a hollow tube.

Любой из маркеров может содержать более одного куска материала магнитного маркера вместе с дополнительным материалом для соединения или охватывания частей материала магнитного маркера и формирования окончательной формы маркера. Маркер может содержать трубку, трубки или сплошную или частичную оболочку из другого материала, внутри которой удерживаются отрезки магнитного материала маркера. Маркер может содержать электронные компоненты, например катушки, диоды и транзисторы. Например, LC-цепь (комбинация конденсатора и катушки индуктивности) с диодом может давать нелинейный отклик. Магнитный материал также может быть покрыт или заключен в дополнительный биосовместимый материал. Например, трубка или оболочка, содержащая материал магнитного маркера, содержит биосовместимый пластически деформируемый материал, такой как нержавеющая сталь 316, титан, нитинол, титановый сплав и т.п.Any of the markers may comprise more than one piece of magnetic marker material along with additional material to join or enclose portions of the magnetic marker material and form the final shape of the marker. The marker may contain a tube, tubes, or a complete or partial shell of another material within which pieces of magnetic marker material are retained. The marker may contain electronic components such as coils, diodes and transistors. For example, an LC circuit (a combination of capacitor and inductor) with a diode may produce a non-linear response. The magnetic material may also be coated or encased in additional biocompatible material. For example, the tube or shell containing the magnetic marker material comprises a biocompatible plastically deformable material such as 316 stainless steel, titanium, nitinol, titanium alloy, and the like.

В некоторых вариантах блок возбуждения может содержать катушку возбуждения или катушки возбуждения. Также переменное магнитное поле может создаваться, например, вращающимся постоянным магнитом. Сенсорный блок может содержать сенсорную катушку или сенсорные катушки или, как вариант, твердотельный магнитометр. В некоторых реализациях сенсорный блок может содержать любой подходящий магнитный датчик, например, датчик Холла, МЭМС-датчик, магнитотранзистор/магнитодиод, СКВИД-магнитометр, АМР-датчик или ГМР-датчик.In some embodiments, the excitation unit may include an excitation coil or coils. Also, an alternating magnetic field can be created, for example, by a rotating permanent magnet. The sensing unit may contain a sensing coil or sensing coils or, alternatively, a solid state magnetometer. In some implementations, the sensor unit may comprise any suitable magnetic sensor, such as a Hall effect sensor, a MEMS sensor, a magnetotransistor/magnetiodiode, a SQUID magnetometer, an AMR sensor, or a GMR sensor.

Частота возбуждения может находиться в диапазоне от 100 Гц до 100 кГц. Более высокие частоты, близкие к 100 кГц, могут быть хороши для максимизации воспринятого сигнала. Более высокая частота может также позволить усреднить больше циклов в секунду во время обнаружения, чтобы улучшить подавление шума, в то же время предоставляя пользователю вывод информации «в реальном времени», т.е. обновление выходного сигнала по меньшей мере 10 раз в секунду. Следовательно, для подавления шума может быть желательной частота по меньшей мере 1000 Гц, предпочтительно по меньшей мере 10 кГц. Например, чтобы дать пользователю различимый отклик «в реальном времени», может потребоваться обновление выходных данных по меньшей мере каждые 0,1 с. Частота 1 кГц позволяет усреднить 100 циклов между каждым обновлением для пользователя, а 10 кГц позволяет усреднить 1000 циклов между каждым обновлением для пользователя.The excitation frequency can be in the range from 100 Hz to 100 kHz. Higher frequencies closer to 100 kHz may be good for maximizing the received signal. A higher frequency may also allow more cycles per second to be averaged during detection to improve noise suppression, while still providing the user with "real time" information output, i.e. update the output signal at least 10 times per second. Therefore, a frequency of at least 1000 Hz, preferably at least 10 kHz, may be desirable for noise suppression. For example, to provide the user with a discernible "real-time" response, the output may need to be updated at least every 0.1 s. A frequency of 1 kHz allows 100 cycles to be averaged between each update for a user, and 10 kHz allows for an average of 1000 cycles between each update for a user.

Также могут быть получены преимущества от более низкой частоты возбуждения, и они включают снижение потерь на вихревые токи как в маркере (в случаях, когда он подвержен вихревым токам, например, если он имеет высокую проводимость), так и от окружающей ткани, и более интенсивное магнитное переключение в маркере. Для снижения потерь на вихревые токи может быть хороша частота менее 50 кГц предпочтительно, менее 30 кГц. В условиях операционной электромагнитные помехи чаще возникают на частотах выше 100 кГц, поэтому может оказаться полезным выбор частоты возбуждения таким образом, чтобы интересующие гармоники были ниже 100 кГц.Benefits from a lower excitation frequency may also be obtained, and these include reduced eddy current losses both in the marker (in cases where it is susceptible to eddy currents, for example if it is highly conductive) and from surrounding tissue, and more intense magnetic switching in the marker. To reduce eddy current losses, a frequency of less than 50 kHz, preferably less than 30 kHz, may be good. In an operating room environment, electromagnetic interference is more likely to occur at frequencies above 100 kHz, so it may be useful to select the excitation frequency such that the harmonics of interest are below 100 kHz.

На фиг. 8 прилагаемых чертежей показана блок-схема, представляющая способ обнаружения магнитного маркера согласно одному из вариантов осуществления. Способ начинается с этапа S01.In fig. 8 of the accompanying drawings is a flowchart illustrating a method for detecting a magnetic marker according to one embodiment. The method starts from step S01.

На этапе S02 генерируют магнитное поле возбуждения. Магнитное поле возбуждения создается блоком возбуждения. Магнитное поле возбуждения содержит первую составляющую возбуждения (DH₁) на первой частоте и вторую составляющую возбуждения (DH_n) на второй частоте. Первая частота может быть первой основной частотой, а вторая частота может быть n-й гармоникой первой частоты.In step S02, a magnetic excitation field is generated. The excitation magnetic field is created by the excitation unit. The excitation magnetic field contains a first excitation component (DH ₁ ) at a first frequency and a second excitation component (DH _n ) at a second frequency. The first frequency may be the first fundamental frequency, and the second frequency may be the nth harmonic of the first frequency.

На этапе S03 обнаруживают ответное магнитное поле. Ответное магнитное поле определяется датчиком магнитного поля. Ответное магнитное поле содержит первую составляющую отклика (SH₁) на первой частоте и вторую составляющую отклика (SH_n) на второй частоте.In step S03, the response magnetic field is detected. The response magnetic field is detected by a magnetic field sensor. The response magnetic field contains a first response component (SH ₁ ) at a first frequency and a second response component (SH _n ) at a second frequency.

SH₁ включает в себя два подкомпонента: маркерный подкомпонент (MH₁) и вторичный подкомпонент (TH₁). SH_n также включает два подкомпонента: маркерный подкомпонент (MH_n) и вторичный подкомпонент (TH_n).SH ₁ includes two subcomponents: a marker subcomponent (MH ₁ ) and a secondary subcomponent (TH ₁ ). SH _n also includes two subcomponents: a marker subcomponent (MH _n ) and a secondary subcomponent (TH _n ).

Маркерные подкомпоненты могут обозначаться как первичные подкомпоненты или первичные части. Вторичные подкомпоненты (или вторичные части) могут приходить от магнитного индикатора или другого источника магнитного сигнала. MH_n - это полезный сигнал от маркера, а TH_n - это нежелательный мешающий сигнал от индикатора или другого вторичного источника.Token subcomponents may be referred to as primary subcomponents or primary parts. Secondary subcomponents (or secondary parts) may come from a magnetic indicator or other magnetic signal source. MH _n is the desired signal from the marker, and TH _n is the unwanted interfering signal from the indicator or other secondary source.

На этапе S04 получают коэффициент возбуждения DF=DH₁/DH_n. Коэффициент возбуждения представляет собой отношение первой составляющей возбуждения и второй составляющей возбуждения в сигнале возбуждения. Коэффициент возбуждения генерируется процессором.At step S04, the excitation coefficient DF=DH ₁ /DH _n is obtained. The drive ratio is the ratio of the first drive component and the second drive component in the drive signal. The excitation coefficient is generated by the processor.

На этапе S05 определяют поправочный коэффициент для компенсации TH_n. Этот поправочный коэффициент соответствует вторичной подкомпоненте в SH_n. Поправочный коэффициент генерируется процессором. Поправочный коэффициент определяют на основе первой составляющей отклика (SH₁) и коэффициента возбуждения (DF).In step S05, a correction factor for compensating TH _n is determined. This correction factor corresponds to the secondary subcomponent in _SHn . The correction factor is generated by the processor. The correction factor is determined based on the first response component (SH ₁ ) and the excitation factor (DF).

На этапе S06 определяют сигнал обнаружения, соответствующий маркерной части второй составляющей отклика. Сигнал обнаружения генерируется процессором. Сигнал обнаружения определяют на основе второй составляющей отклика (SH_n) и ранее определенного поправочного коэффициента.In step S06, a detection signal corresponding to the marker portion of the second response component is determined. The detection signal is generated by the processor. The detection signal is determined based on the second response component (SH _n ) and a previously determined correction factor.

На этапе S07 генерируют выходной сигнал. Выходной сигнал для вывода генерируется процессором. Выходной сигнал основан на силе сигнала обнаружения.In step S07, an output signal is generated. The output signal for output is generated by the processor. The output signal is based on the strength of the detection signal.

Способ завершает этап S08.The method ends with step S08.

Хотя аспекты изобретения описаны здесь на конкретных вариантах его осуществления, следует понимать, что эти варианты являются просто иллюстрацией сущности и практического применения настоящего изобретения. Таким образом, в иллюстративные варианты осуществления могут быть внесены многочисленные модификации, и могут быть разработаны другие устройства без отклонения от объема изобретения, ограниченного прилагаемой формулой изобретения.Although aspects of the invention are described herein in terms of specific embodiments, it should be understood that these embodiments are merely illustrative of the spirit and practice of the present invention. Thus, numerous modifications may be made to the illustrative embodiments and other devices may be developed without departing from the scope of the invention as limited by the appended claims.

Claims

1. A method for detecting a magnetic marker that can be implanted to mark a target area in the body, comprising:

generating, by the excitation unit, a magnetic excitation field comprising a first excitation component at a first frequency and a second excitation component at a second frequency, the second frequency being the nth harmonic of the first frequency;

detecting by the magnetic field sensor a response magnetic field containing a first response component at a first frequency and a second response component at a second frequency, wherein

a primary portion of the first response component and a primary portion of the second response component are generated by the magnetic marker in response to the magnetic excitation field, wherein the magnetic marker produces a non-linear response to the excitation signal, and

a secondary portion of the first response component and a secondary portion of the second response component are generated by at least one secondary magnetic source in response to the excitation magnetic field, the secondary magnetic source producing a linear response to the excitation magnetic field;

determining by the processor an excitation coefficient that is the ratio of a first excitation component and a second excitation component in the excitation signal, the excitation coefficient being approximately equal to the ratio of a secondary portion of the first response component to a secondary portion of the second response component;

determining by the processor, from the first response component and the excitation coefficient, a correction factor corresponding to the secondary part of the second response component;

determining by the processor a detection signal corresponding to a marker portion of the second response component, wherein the detection signal is determined based on the second response component and a correction factor; and

The processor generates an output signal based on the strength of the detection signal.

2. The method according to claim 1, characterized in that the magnetic marker is made of a material having a large Barkhausen jump (LBH) on its magnetization curve.

3. A method as claimed in any one of the preceding claims, wherein the magnetic marker is configured to behave bistablely in response to a sinusoidal excitation signal by switching between two states of magnetic polarization.

4. A method as claimed in any one of the preceding claims, wherein the excitation signal is generated with an amplitude below a threshold amplitude level above which the response of the secondary magnetic source to the excitation signal becomes nonlinear.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the marker response coefficient, which is the ratio between the marker portion of the first response component and the marker portion of the second response component, is less than the secondary response coefficient.

6. The method according to any of the previous claims, characterized in that the determination of the correction factor is additionally based on the second component of the response, the spectral response of the secondary magnetic source and the spectral response of the marker.

7. The method according to claim 6, characterized in that the magnetic marker is made of magnetically sensitive material, designed to provide a marker response coefficient with a value less than 300.

8. The method according to any of the preceding claims, characterized in that the secondary magnetic field source is made of paramagnetic material.

9. The method according to claim 8, characterized in that the secondary magnetic field source contains superparamagnetic iron oxide nanoparticles.

10. The method according to any of the preceding claims, characterized in that the second frequency is a third-order harmonic frequency of the first frequency.

11. The method according to any of the previous paragraphs, further including:

determining, by the processor, a secondary detection signal based on a secondary portion of the first response component and a secondary portion of the second response component; and

generating by the processor, based on the strength of the secondary detection signal, a secondary output signal for output.

12. The method according to any of the preceding claims, characterized in that the secondary source of the magnetic field is a surgical instrument, a biopsy marker or the human body.

13. The method according to any of the previous paragraphs, characterized in that the amplitude of the output signal is related to the proximity of the magnetic marker to the magnetic field sensor.

14. Method according to any one of paragraphs. 11-13, characterized in that the amplitude of the output signal is related to the amount of magnetic material of the magnetic marker or secondary magnetic source.

15. The method according to any of the previous paragraphs, further including:

change by the excitation unit in the amplitude of the excitation magnetic field over time, and

determination by the processor of a set of additional correction factors based on the corresponding set of excitation magnetic field amplitudes and formation of an array of correction factors, while

the detection signal is determined based on the second response component and the generated array of correction factors.

16. The method according to any of the previous paragraphs, characterized in that the excitation coefficient is in the range from 10 ³ to 10 ⁴ and higher.

17. A detection system for detecting a magnetic marker that can be implanted to mark a target area in the body, comprising:

an excitation unit configured to generate a magnetic excitation field comprising a first excitation component at a first frequency and a second excitation component at a second frequency;

a magnetic field sensor configured to detect a magnetic field response comprising a first response component at a first frequency and a second response component at a second frequency, the second frequency being the nth harmonic of the first frequency; wherein

as well as a processor configured to:

determining a drive ratio representing the ratio of a first drive component and a second drive component in the drive signal, wherein the drive ratio is approximately equal to the ratio of a secondary portion of the first response component to a secondary portion of the second response component;

determining from the first response component and the excitation coefficient a correction factor corresponding to the secondary part of the second response component, wherein the correction factor is determined based on the first response component and the excitation coefficient;

determining a detection signal corresponding to a marker portion of the second response component, wherein the detection signal is determined based on the second response component and a correction factor; and

generating an output signal for the user based on the strength of the detection signal.