Системы и способы обнаружения магнитных маркеров для контроля во время хирургического вмешательства
Группа изобретений относится к медицинской технике. В системе обнаружения и способе используется имплантируемый маркер, содержащий по меньшей мере один фрагмент материала с большим скачком Баркгаузена (LBJ). Маркер применяется для обозначения участка ткани в теле для последующего хирургического вмешательства, и магнитная система обнаружения содержит удерживаемый рукой зонд для возбуждения маркера при напряженности ниже напряженности перемагничивающего поля для бистабильного перемагничивания маркера, вызывая генерирование гармонического отклика в суб-бистабильном режиме, что обеспечивает возможность обнаружения и определения местоположения маркера. Имплантированный маркер также может иметь длину, меньше критической длины, необходимой для инициации бистабильного перемагничивания в материале с LBJ. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 14 ил., 3 табл.
Область изобретения
Данное изобретение относится в целом к области контроля во время хирургического вмешательства, конкретнее, к системам и способам обнаружения маркеров, которые помогают в определении местоположения в теле, например, очага, подлежащего хирургическому удалению.
Предпосылки создания изобретения
Маркеры применяются для направления хирургов к области, представляющей интерес, во время процедуры хирургического вмешательства, там, где участок, представляющий интерес, не является физически видимым или пальпируемым, например, новообразование малого размера, которое подлежит оперативному удалению. В идеальном случае такой маркер будет развертываемым посредством иглы малого калибра, например, 18-14 по шкале Гейдж, для снижения травмирования пациента. Как правило, такие маркеры имеют длину менее 5 мм, чтобы, таким образом, они являлись деликатными и минимизировали травмы. Маркер может быть размещен во время биопсии или другой хирургической процедуры на участке, представляющем интерес, в теле, например, злокачественном опухолевом очаге. Маркер располагают под визуальным контролем, например, посредством ультразвука или рентгенографии/маммографии. Во время последующего хирургического вмешательства маркер обнаруживают и определяют его местоположение с применением удерживаемого в руке зонда, который обеспечивает слышимую, визуальную или другую обратную связь для хирурга для контроля во время хирургического вмешательства. Обычно маркер оперативно удаляется вместе с окружающей тканью.
Один такой подход заключается в применении маркера, содержащего радиоизотоп, такой как йод-90, который может быть обнаружен с применением удерживаемого рукой зонда для обнаружения гамма-излучения. Однако использование радиоактивных материалов строго регламентировано, что делает затруднительной программу введения имплантируемого источника радиоактивного излучения везде, кроме крупнейших центров академических клиник.
В документе US 2017/252124 (Cianna Medical) описана система определения местоположения, которая использует комбинацию радиочастоты (RF) и инфракрасного (IR) излучения для обнаружения маркера в виде имплантируемой радиолокационной антенны. Однако данная система ограничена малой глубиной проникновения в ткань инфракрасного излучения, необходимостью тесного контакта с тканью для хорошего распространения инфракрасного излучения и отсутствием надежности, часто связанным с имплантируемым устройством, содержащим антенны и электронные схемы.
В документе US 2015/264891 (Health Beacons) описана другая система, основанная на метках для радиочастотной идентификации (RFID), которые используются как идентификационные маркеры для домашних животных и домашнего скота. Недостаток этого подхода заключается в том, что метка RFID малого размера представляет собой дипольную антенну, которая имеет «зоны нечувствительности» при осуществлении доступа перпендикулярно оси диполя. Это может вызывать замешательство хирургов, применяющих эту систему для определения местоположения очага. Уменьшение размеров метки RFID, достаточное для удобной клинической имплантации также является затруднительным.
Дополнительный подход описан в ранее опубликованных заявках на патенты (например, WO 2011/067576, WO 2014/032235 и WO 2014/140567), принадлежащих заявителю, в котором используют магнитные поля и магнитный маркер с высокой магнитной восприимчивостью. Удерживаемый рукой зонд генерирует переменное поле, которое возбуждает магнитно-чувствительный маркер, и обнаруживает магнитное поле отклика. Данный подход является эффективным для более глубоко считывания и устраняет недостатки подходов с использованием RF. Однако эти системы будут обнаруживать любой магнитно-чувствительный материал в непосредственной близости от зонда, например, ферромагнитный хирургический инструмент или другое металлическое имплантированное устройство. Это означает, что для эффективной работы их необходимо использовать с неферромагнитными хирургическими инструментами и вдали от других металлических имплантатов. Кроме того, такой зонд может реагировать на суспензии наночастиц оксида железа, используемые для обнаружения сигнального узла при раке молочной железы.
Поэтому оказалось проблематичным обеспечить маркер и систему обнаружения, которая обладает всеми свойствами, необходимыми для определения местоположения очагов, а именно: маркер малого размера (длиной менее 10 мм); способность доставки маркера через иглу малого калибра (например, 18-16 по шкале Гейдж); возможность обнаружения маркера с помощью удерживаемого рукой зонда; и надежность при имплантации и хирургическом удалении, вместе с системой обнаружения, выполненной с возможностью дифференцирования маркера очага от других магнитно-чувствительных материалов.
Известно, что в области дистанционного наблюдения за перемещением предметов с использованием электронных средств (EAS) известны технологии улучшения отношения сигнал/шум (SNR) магнитного обнаружения и улучшения специфичности обнаружения в присутствии других материалов. Например, в документе US 4510489 описана метка с полоской магнитострикционного ферромагнитного материала, которая генерирует отклик при резонансной частоте. В других метках используются магнитоакустический резонанс или другие нелинейные свойства магнитных материалов. Однако для данных маркеров обычно необходима минимальная длина, по меньшей мере от 30 до 40 мм, чтобы генерировать измеримый отклик в воздействующих полях с напряженностью от низкой до средней, что значительно превышает длину, приемлемую для имплантируемого маркера.
В документе US 4660025, выданном Humphrey, описано использование аморфной проволоки с большим скачкообразным изменением Баркгаузена на своей кривой намагничивания как части системы наблюдения за перемещением предметов с использованием электронных средств. Данные материалы с «большим скачком Баркгаузена» (LBJ) подвергаются быстрой перемене знака их магнитной поляризации при возбуждении внешним магнитным полем, напряженность которого, противоположная текущей поляризации проволоки, превышает предварительно заданное пороговое значение. Следовательно, материал проявляет бистабильное поведение, меняя знак между двумя состояниями магнитной поляризации. Каждая перемена знака намагниченности генерирует магнитный импульс с гармоническими компонентами. Профиль и количество гармоник измеряются (до многих десятков гармоник) для идентификации маркера из других материалов. Оптимальная длина маркеров описывается в диапазоне от 2,5 до 10 см, опять же, по существу, за пределами длины, необходимой для имплантируемого маркера. Преимущество этого подхода состоит в том, что он предусматривает один фрагмент материала, который генерирует сильный магнитный отклик.
В документе Sulla (Utilizing Magnetic Microwires For Sensing In Biological Applications, Jnl. of Elec. Eng., VOL 66. NO 7/s, 2015, 161-163) описаны аморфные микропровода со стеклопокрытием для медицинских применений, в частности, в качестве имплантата, который может быть обнаружен магнитным путем посредством приложения внешнего поля, опять же с использованием бистабильного поведения типа большого скачка Баркгаузена. В нем сделаны выводы, что для функционального считывания требуется фрагмент проволоки длиной 40 мм.
Однако для того, чтобы увидеть данное бистабильное поведение, необходимо удовлетворить два критерия: длина проволоки должна превышать значение «критической длины», которое для многих микропроводов обычно составляет более 25 мм; и напряженность поля должна превышать пороговое значение напряженности «перемагничивающего поля» HSW. Кроме того, бистабильное поведение наилучшим образом работает при частотах менее 3 кГц.
В документе US 6230038, выданном Von Gutfeld, описано применение магнитной проволоки с нелинейным откликом для обозначения новообразования для контроля лечения с помощью лучевой терапии. Маркер содержит либо ферромагнитный материал, который возбуждается в нелинейной области его кривой намагничивания, либо бистабильную проволоку с LBJ, которая при возбуждении проявляет бистабильное поведение. Данный подход требует большого наружного устройства, окружающего пациента, с большими катушками для генерирования поля с достаточно высокой напряженностью для возбуждения маркер в нелинейное поведение. Такое устройство может заслонять место хирургического вмешательства во время хирургического вмешательства по удалению злокачественной опухоли.
Эти условия делают такое поведение большого скачка Баркгаузена, описанное в известном уровне техники, неподходящим для использования в качестве маркера для определения местоположения очага по следующим причинам:
Критическая длина, требуемая для большого скачка Баркгаузена, большинства таких материалов превышает 5-10 мм, делая их слишком большими для удобного обозначения очагов малого размера, которые могут иметь размер лишь в несколько миллиметров.
Напряженность перемагничивающего поля должна быть выше порогового значения для возбуждения бистабильного поведения. В применениях для наблюдения за перемещением предметов могут использоваться катушки возбуждения и считывающие катушки большой площади с диаметрами в диапазоне десятков сантиметров, которые генерируют большие магнитные поля, позволяющие обнаруживать присутствие проволоки малого размера в радиусе от одного метра или более. Однако для контроля во время хирургического вмешательства требуется гораздо более точное определение местоположения маркера с помощью удерживаемого рукой или направляемого роботом зонда обнаружения. Это ограничивает размер катушек обнаружения до диаметра менее 20 мм и, таким образом, ограничивает расстояние, на котором может быть обнаружен маркер. Чувствительность обнаружения дополнительно уменьшается в соответствии со вторым порядком (в ближнем поле) или третьим порядком (в дальнем поле) расстояния от катушек. Если поле возбуждения также генерируется в зонде, способность обнаружения уменьшается на четвертый или шестой порядок с удалением от зонда. Следовательно, в то время как в документе US 4660025 описаны маркеры для EAS, возбуждаемые перемагничивающими полями с напряженностью 0,6-4,5 Э (0,06-0,45 мТл), а в документе US 6230038 - перемагничивающими полями с напряженностью по меньшей мере 1 Э, поля, которые могут генерироваться в радиусе 40 мм от удерживаемого рукой зонда, имеют напряженность в диапазоне 0,5×10-3-0,05 Э (0,05-5 мкТл) когда приняты во внимание ограничения по току, напряжению, мощности и температурному диапазону, т.е. ниже на один-два порядка величины.
Для некоторых материалов с LBJ поле, при котором инициируется отклик LBJ, увеличивается вместе с частотой, что означает, что проволоки сложнее возбуждаются при более высоких частотах. По этой причине в известном уровне техники определены частоты ниже 3 кГц и предпочтительно значительно ниже 1 кГц. Это является нежелательным для контроля во время хирургического вмешательства, когда для максимизации отношения сигнал/шум от обнаруживаемых полей очень малой напряженности желательно усреднять сигнал в течение ряда циклов. Более высокие частоты допускают большее усреднение без усредненного отклика обратной связи для пользователя, который, как представляется, имеет запаздывание или задержку.
Еще одним недостатком систем EAS является большая анизотропия отклика от проволок маркера, что означает, что отклик в осевом направлении намного больше, чем отклик в поперечном направлении. В приложении для EAS это не представляет проблемы, поскольку системе необходимо только считывать присутствие маркера, а не его расстояние от датчика, и поэтому большие катушки и высокая напряженность поля обеспечивают удовлетворительное обнаружение EAS. Однако, при осуществлении контроля во время хирургического вмешательства посредством удерживаемого в руке зонда, отклик, который меняется в зависимости от направления доступа, будет вводить пользователя в заблуждение, поскольку расстояние от маркера до зонда будет казаться изменяющимся зависимости от направления доступа.
Следовательно, остается потребность в обеспечении имплантируемого маркера, который отвечает всем требованиям к маркеру для определения местоположения очагов, включая малый размер (менее 10 мм в длину); возможность доставки посредством малой иглы (например, 18-16 по шкале Гейдж); возможность обнаружения посредством применения удерживаемого рукой зонда с использованием относительно высоких частот (более 1 кГц), возможность обеспечения по существу однородного отклика в любом направлении обнаружения, и надежность при имплантации и хирургическом удалении, вместе с системой, выполненной с возможностью дифференцирования маркера очага от других магнитно-чувствительных материалов. Настоящее изобретение направлено на удовлетворение данной потребности.
Сущность изобретения
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предусмотрена система обнаружения для определения местоположения маркера, при этом система содержит:
по меньшей мере один имплантируемый маркер, при этом имплантируемый маркер содержит по меньшей мере один фрагмент магнитного материала, который проявляет большой скачок Баркгаузена (LBJ) на своей кривой намагничивания;
по меньшей мере одну катушку возбуждения, выполненную с возможностью возбуждения маркера переменным магнитным полем, и по меньшей мере одну считывающую катушку, выполненную с возможностью обнаружения сигнала, принимаемого от возбужденного маркера;
генератор магнитного поля, выполненный с возможностью возбуждения переменного магнитного поля с помощью по меньшей мере одной катушки возбуждения; и
по меньшей мере один датчик, выполненный с возможностью приема сигнала от считывающей катушки и обнаружения одной или более гармоник задающей частоты в принимаемом сигнале, при этом по меньшей мере одна катушка возбуждения выполнена с возможностью возбуждения маркера с напряженностью ниже напряженности перемагничивающего поля, необходимого для инициации поведения бистабильного перемагничивания материала с LBJ маркера.
Материалы с большим скачком Баркгаузена, также известные как материал с LBJ, материал с бистабильным перемагничиванием или материал с большими скачкообразными изменениями на своей кривой намагничивания, подвергаются быстрой перемене знака их магнитной поляризации (поведение «бистабильного перемагничивания») при возбуждении внешним магнитным полем, напряженность которого, противоположная текущей поляризации материала, превышает предварительно заданное пороговое значение напряженности перемагничивающего поля HSW. В настоящем изобретении маркер использует «суб-бистабильный» режим возбуждения для его материала с LBJ, который вызывает считываемый измеримый гармонический отклик, даже когда напряженность возбуждающего поля ниже напряженности «перемагничивающего поля».
В целом, для данного поведения бистабильного перемагничивания также необходима длина материала, равная критической длине. Имплантируемый маркер системы обнаружения предпочтительно обеспечен с длиной меньше критической длины, необходимой для быстрой перемены знака, в целом составляя менее 25 мм, более предпочтительно менее 10 мм, в частности менее 5 мм, это является предпочтительным для уменьшения размера маркера для удобной имплантации и обозначения очагов малого размера. Маркер использует «суб-бистабильный» режим возбуждения для его материала с LBJ, который вызывает считываемый измеримый гармонический отклик, даже когда длина материала с LBJ меньше его «критической длины» для достижения бистабильного режима.
Предпочтительно, маркер содержит менее 5 мг материала с LBJ с целью минимизации количества материала, имплантируемого в тело. Материал может быть предусмотрен в виде проволоки. Примеры таких материалов включают, но без ограничения, аморфные микропровода со стеклопокрытием, с высоким содержанием железа, кобальта и никеля, аморфные микропровода на основе системы железо-кремний-бор, аморфные микропровода на основе системы железо-кобальт и/или объемные провода из стекловидного металла, но могут быть подходящими любые материалы, в которых может быть возбужден отклик с LBJ. Проволоки могут быть покрыты и/или предусмотрены внутри полых трубок и/или могут быть выполнены с возможностью развертывания из начальной, компактной конфигурации в увеличенную, развернутую конфигурацию. Предпочтительно, маркер может быть выполнены с возможностью развертывания из иглы, имеющей внутренний диаметр менее 2 мм с целью минимизации травмы и боли, связанных с имплантацией маркера.
Маркер для применения в настоящем изобретении предпочтительно выполнен таким образом, что при имплантации в тело величина гармонического отклика от маркера при воздействии переменного магнитного поля является по существу одинаковой при измерении в любом направлении относительно маркера, то есть маркер обеспечивает подобную длину магнитного диполя в любом направлении считывания, с обеспечением, таким образом, однородного магнитного отклика и обеспечением возможности определения расстояния между зондом и маркером. Предпочтительно, маркер предусматривает проволокоподобную форму с длиной магнитного диполя по меньшей мере 50% от максимального размера развернутого маркера.
Однородный гармонический отклик в любом направлении маркера может быть достигнут посредством некоторого количества различных геометрий маркера. Например, маркер может содержать отрезки магнитного материала с LBJ, предусмотренные вдоль трех ортогональных осей x, y и z. Маркер может быть изогнут с образованием различных конфигураций для обеспечения отрезков материала в каждом направлении или может иметь отдельные отрезки, соединенные вместе. Предпочтительно, угол между разными отрезками составляет 60°-120°, более предпочтительно 90-110°. В варианте осуществления, в котором маркер выполнен с возможностью развертывания из начальной, компактной конфигурации в увеличенную, развернутую конфигурацию, именно последняя конфигурация должна обеспечивать однородный гармонический отклик в любом направлении.
Система обнаружения предпочтительно содержит модуль вывода данных для обработки принятого гармонического сигнала и обеспечения по меньшей мере одного указателя для пользователя, относящегося к местоположению маркера относительно считывающей катушки, например, указателя близости, расстояния, направления или ориентации маркера относительно считывающей катушки.
Более предпочтительно, система обрабатывает один или более аспектов гармонического отклика маркера, таких как величина одной или более нечетных гармоник (например, 3-ей и 5-ой), четных гармоник (например, 2-ой, 4-ой и 6-ой), или комбинация обеих, или отношение данных гармоник друг к другу или к основной частоте. Подходящие фильтры могут быть предусмотрены для выделения считываемых сигналов.
Модуль вывода данных может содержать визуальное устройство отображения или генератор звука.
В предпочтительном варианте осуществления данного аспекта настоящего изобретения, как катушка возбуждения, так и считывающая катушка предусмотрены в удерживаемом рукой зонде для упрощения настройки системы для пользователя.
Альтернативно, в удерживаемом рукой зонде может быть предусмотрена только считывающая катушка. В данном варианте осуществления снаружи зонда может быть предусмотрена более крупная катушка возбуждения для обеспечения генерирования увеличенного магнитного поля на участке маркера. Например, катушка возбуждения может быть предусмотрена внутри опоры для размещения возле пациента или под ним.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предусмотрен способ обнаружения имплантируемого маркера, при этом имплантируемый маркер содержит по меньшей мере один фрагмент магнитного материала, который проявляет большой скачок Баркгаузена (LBJ) на своей кривой намагничивания, при этом способ включает приложение переменного магнитного поля к маркеру с возбуждением маркера, при этом напряженность поля имеет величину, ниже напряженности перемагничивающего поля, необходимой для инициации поведения бистабильного перемагничивания материала с LBJ маркера; и обнаружение одной или более гармоники задающей частоты сигнала, принятого от возбужденного маркера, вызванного изменением в намагниченности маркера при напряженности ниже напряженности его перемагничивающего поля.
Приложение переменного магнитного поле с возбуждением маркера при напряженности ниже напряженности перемагничивающего поля приводит к суб-бистабильному отклику, обнаруживаемому для маркера.
Предпочтительно, задающая частота составляет более 1 кГц, предпочтительно находится в диапазоне 1-100 кГц, в частности, 10-40 кГц.
Способ предпочтительно включает измерение аспекта гармонического отклика маркера с обеспечением выходных данных, относящихся к местоположению маркера. Например, это может быть амплитуда одной или более нечетных гармоник, четных гармоник или комбинация обеих, отношение данных гармоник друг к другу или к основной частоте. Подходящие фильтрование и обработка сигналов могут быть предусмотрены для выделения выходных данных, обеспечиваемых способом.
В способе может применяться некоторое количество маркеров с разными длинами и/или геометрией, таким образом, гармонический отклик каждого из маркеров может отличаться от других.
Краткое описание графических материалов
Для лучшего понимания настоящего изобретения и более ясного представления о том, как оно может быть осуществлено, теперь только в качестве примера будет сделана ссылка на прилагаемые графические материалы, на которых:
на фиг. 1A показана кривая намагничивания проволоки с LBJ согласно известному уровню техники;
на фиг. 1B показан отклик на интервале времени проволоки с LBJ по фиг. 1A при возбуждении синусоидальным полем;
на фиг. 2 показаны компоненты, используемые для исследования суб-бистабильного и бистабильного поведения проволоки с LBJ с возбуждающими полями разной величины;
на фиг. 3A показан третий гармонический отклик (H3) (в произвольных единицах) от проволоки с LBJ при увеличении величины напряженности возбуждающего поля с частотой 100 Гц, показанный как на линейно-логарифмической, так и на дважды логарифмической шкале;
на фиг. 3B показан отклик на интервале времени в суб-бистабильной области в точке A на верхнем графике на фиг. 3A при возбуждении синусоидальной волной;
на фиг. 3C показан отклик на интервале времени в бистабильной области в точке B на графике на фиг. 3A при возбуждении синусоидальной волной;
на фиг. 3D показан отклик в диапазоне частот от проволоки с LBJ в суб-бистабильном и бистабильном режимах перемагничивания с частотой возбуждения 100 Гц;
на фиг. 4 показан отклик в диапазоне частот от альтернативной проволоки с LBJ в суб-бистабильном и бистабильном режимах перемагничивания с частотой возбуждения 10 кГц, и отклик на интервале времени для той же проволоки в положении A на кривой в диапазоне частот;
на фиг. 5 показан третий гармонический отклик от железокобальтового аморфного микропровода с LBJ, где критическая длина материала составляет приблизительно 40 мм, а длина маркера составляет 3 мм, демонстрирующий увеличение отклика при увеличении частоты возбуждающего поля;
на фиг. 6A показан третий гармонический (H3) отклик от нормальной аморфной металлической проволоки в сравнении с проволокой с LBJ при увеличении частоты возбуждающего поля на 100 Гц;
на фиг. 6B показан отклик на интервале времени от нормальной аморфной металлической проволоки в точке C на графике на фиг. 6A;
на фиг. 7 показана структурная схема варианта осуществления системы обнаружения согласно настоящему изобретению;
на фиг. 8 показана структурная схема магнитной системы обнаружения согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 9A-9I показаны различные конфигурации для маркера для применения согласно настоящему изобретению;
на фиг. 10 показано изменение отношения максимума к минимуму отклика магнитного маркера с углом между ногами треноги для маркера по фиг. 9H;
на фиг. 11 показана структурная схема трех форм маркера для использования с настоящим изобретением, которые исследовали для определения того, что ключевой размер является самой длинной протяженностью проволоки в направлении считывания;
на фиг. 12A-12E показаны маркеры согласно фиг. 9A вместе с системой развертывания;
на фиг. 12F показан пластически деформируемый маркер для применения согласно настоящему изобретению;
на фиг. 13A показаны несколько третьих гармонических откликов, полученных от маркера по фиг. 9G в ряде различных ориентаций относительно зонда обнаружения и на фиг. 13B показаны ориентации маркера относительно зонда обнаружения, которые были испытаны с получением графиков по фиг. 13A; и
на фиг. 14 показана структурная схема альтернативного варианта осуществления системы обнаружения согласно настоящему изобретению.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение относится к магнитному маркеру, который может быть имплантирован для обозначения целевого участка в теле, и затем может быть обнаружен, и его местоположение может быть определено с применением удерживаемого рукой зонда. Настоящее изобретение предусматривает систему обнаружения и способ определения местоположения имплантированного маркера в теле.
Маркер может быть имплантирован в место, требующее обозначения, в теле. Это может быть, например, новообразование, или иной очаг, или участок, представляющий интерес, в мягкой ткани. Примеры включают, но без ограничения, доброкачественные опухолевые очаги, злокачественные опухолевые очаги и лимфоузлы. Маркер может быть размещен в очаге или возле него, или множество маркеров могут быть размещены для обозначения границ или периметра участка хирургического вмешательства, например, границ саркомы мягких тканей.
Система обнаружения и способ согласно настоящему изобретению используют другой режим возбуждения материалов с LBJ, который не был известен до этого. Авторы настоящего изобретения неожиданно для себя обнаружили, что другой режим возбуждения материалов с LBJ, включенных в маркер, предоставляет измеримый гармонический отклик, даже когда длина проволоки не превышает «критическую длину» и напряженность возбуждающего поля не превышает напряженность «перемагничивающего поля». Концепции «критической длины» и «перемагничивающего поля» для проволок с LBJ известны из работы Vazquez (A soft magnetic wire for sensor applications., J. Phys. D: Appl. Phys. 29 (1996) 939–949). Кроме того, эффект, измеряемый в настоящем изобретении, увеличивается по величине при более высоких частотах возбуждения и может работать при частотах значительно выше 3 кГц. Этот вариант реализации обеспечил новый тип предоставляемой системы обнаружения, имеющий превосходящие качества по сравнению с предыдущими системами, в которых использовались имплантируемые магнитные маркеры для обозначения участка очага.
Настоящее изобретение основано на реализации и применении авторами настоящего изобретения ранее неустановленного «суб-бистабильного» поведения в дополнение к известному бистабильному поведению материалов с LBJ.
Кривая намагничивания на фиг. 1A относится к проволоке с LBJ согласно известному уровню техники (US 4660025). Здесь показана перемена знака характеристики намагниченности после превышения напряженности перемагничивающего поля, обозначенной номером «25». При возбуждении полем с достаточно высокой напряженностью видны импульсы характеристики на интервале времени (см. фиг. 1B). Иногда отмечают, что импульсы накладываются на синусоидальную волну, что можно видеть, когда задающий сигнал не отфильтрован полностью. Согласно кривой намагничивания напряженность H возбуждающего поля ниже напряженности 25 перемагничивающего поля не приведет или приведет к незначительному изменению в намагниченности B, за исключением эффекта перемещения из «24» в «25», незначительному изменению в величине, но не приведет к изменению полярности B.
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что эта кривая не полностью описывает поведение материала с LBJ при помещении в переменное магнитное поле. Например, когда фрагмент железокобальтового аморфного микропровода с LBJ больше критической длины возбуждают переменным магнитным полем с частотой 100 Гц согласно конфигурации на фиг. 1A, третий гармонический отклик (H3) показан на фиг. 3A. Здесь H3 взят в качестве примера содержания гармоник отклика маркера. Когда отклик H3 отличим от шума, он возрастает в приблизительно линейном соотношении с напряженностью возбуждающего поля. Это продолжается, пока не будет достигнута напряженность перемагничивающего поля, в момент которой отклик значительно увеличивается в величине, когда инициируется бистабильное перемагничивание. В этой точке проволока с LBJ, имеющая длину больше критической длины, обычно поддается идентификации. Линейно-логарифмическая и дважды логарифмическая шкалы ясно показывают изменение режима. Однако на фиг. 3A показано, что с применением «суб-бистабильного» режима маркер может быть обнаружен, даже когда напряженность поля по величине на 2 порядка ниже напряженности перемагничивающего поля, необходимой для бистабильного поведения. Это означает, что в случае заданного поля возбуждения маркер может быть обнаружен на значительно большем расстоянии от зонда.
На фиг. 2 показаны компоненты, используемые для исследования суб-бистабильного и бистабильного поведения проволоки с LBJ с возбуждающими полями разной величины. На фиг. 3A показан третий гармонический отклик (H3) (в условных единицах) от проволоки с LBJ при увеличении величины напряженности возбуждающего поля с частотой 100 Гц, показанный как на линейно-логарифмической, так и на дважды логарифмической шкале.
На фиг. 3B показан отклик на интервале времени в суб-бистабильной области при возбуждении синусоидальной волной. Он изображен в виде искаженной синусоидальной волны, в отличие от суб-бистабильного отклика на интервале времени, который выглядит как классические короткие импульсы при перемене знака намагниченности (см. фиг. 3C). В диапазоне частот, бистабильный режим с большим содержанием гармоник, показанный в известном уровне техники, отличается от гармонического отклика суб-бистабильного режима с меньшим содержанием гармоник (см. фиг. 3D). Однако такой гармонический отклик по-прежнему имеет большее содержание, чем отклик от небистабильных аморфных проволок, и авторы настоящего изобретения неожиданно для себя обнаружили, что этот отклик может быть использован для точной идентификации маркера, даже когда длина проволоки меньше «критической длины» и напряженность возбуждающего поля ниже напряженности «перемагничивающего поля».
Подобное поведение также наблюдалось для других проволок с LBJ, включая микропровода со стеклопокрытием, имеющие критические длины, составляющие несколько миллиметров. На фиг. 4 показан отклик в диапазоне частот от другой проволоки с LBJ в «суб-бистабильном» и бистабильном режимах перемагничивания с частотой возбуждения 10 кГц, и отклик на интервале времени для той же проволоки в положении A на кривой в диапазоне частот. Проволока представляет собой микропровод со стеклопокрытием длиной 3 мм (внутренний диаметр 15 мкм, наружный 32 мкм), возбужденный при частоте 10 кГц с использованием той же экспериментальной конфигурации, как на фиг. 2.
Подобный «суб-бистабильный» отклик также виден в случае проволоки, имеющей длину, которая меньше критической длины. Например, на фиг. 5 показан отклик от фрагмента железокобальтового аморфного микропровода с LBJ, где критическая длина материала составляет приблизительно 40 мм, а длина микропровода в маркере составляет 3 мм. Маркер, таким образом, является слишком маленьким для проявления бистабильного поведения. Однако он проявляет суб-бистабильный гармонический отклик, и величина отклика H3 увеличивается вместе с растущей частотой по меньшей мере до 10 кГц.
В уровне техники известно, что ряд ферромагнитных и аморфных магнитных материалов, которые не имеют кривой намагничивания с LBJ, могут производить гармонический отклик при возбуждении полем с достаточно высокой напряженностью. Однако суб-бистабильный эффект, установленный в настоящем документе, не виден в случае материалов «без LBJ». Соответственно, согласно настоящему изобретению необходимо, чтобы маркер содержал по меньшей мере какой-либо материал с LBJ. На фиг. 6A показано сравнение проволоки с LBJ, показанной на фиг. 3A, с аморфной металлической проволокой похожей формы, не имеющей LBJ на своей кривой намагничивания. Здесь, отклик на воздействие полей с низкой напряженностью на один-два порядка по величине меньше суб-бистабильного отклика от проволоки с LBJ. В дополнение, резкое изменение в поведении перемагничивающего поля не видно в случае проволоки без LBJ и в полях возбуждения с меньшей напряженностью, отклик является слишком маленьким, чтобы отличить его от шума. Это может ограничить возможность обнаружения маркера на расстоянии от зонда.
Отклик на интервале времени, видный в точке C на фиг. 6A, показан на фиг. 6B. Очевидно, что на фиг. 3C не видно ни бистабильного поведения, ни импульсов характеристики.
Таким образом, в настоящем изобретении требуется имплантируемый магнитный маркер, содержащий по меньшей мере один фрагмент материала с большим скачком Баркгаузена (LBJ), который размещают для обозначения участка ткани в теле для последующего хирургического вмешательства, и магнитная система обнаружения, содержащая катушку возбуждения для возбуждения маркера. Система характеризуется тем, что, когда катушка возбуждения возбуждает маркер переменным магнитным полем с напряженностью ниже напряженности перемагничивающего поля для бистабильного перемагничивания маркера, генерируется гармонический отклик, который обеспечивает возможность обнаружения и определения местоположения маркера.
На фиг. 7 на прилагаемых графических материалах показана структурная схема варианта осуществления системы обнаружения и маркера согласно настоящему изобретению. Система 1 обнаружения содержит зонд 2, соединенный с основным устройством 4. Зонд имеет одну или более катушек возбуждения, которые генерируют переменное магнитное поле для возбуждения магнитного маркера 6. Маркер содержит по меньшей мере один фрагмент материала магнитного маркера, имеющего большое скачкообразное изменение Баркгаузена на своей кривой намагничивания, также известного как материал с большим скачком Баркгаузена, материал с LBJ, материал с бистабильным перемагничиванием или материал с большими скачкообразными изменениями на своей кривой намагничивания. Когда материал с LBJ подвергают внешнему магнитному полю, напряженность которого, противоположная текущей магнитной поляризации материала указанной длины, превышает предварительно заданное пороговое значение напряженности перемагничивающего поля HSW, его магнитная поляризация подвергается быстрой перемене знака. Данная перемена знака намагниченности генерирует магнитный импульс с компонентами с большим содержанием гармоник. Традиционно, маркеры имеют размер, превышающий так называемую «критическую длину», являющуюся длиной, при которой намагниченность может подвергаться поведению полного бистабильного перехода или «переворачивания», необходимого для генерирования значительного гармонического отклика. Однако авторы настоящего изобретения обнаружили, что гармонический отклик может быть получен от маркеров, имеющих длину значительно меньше их критической длины и/или напряженность меньше напряженности перемагничивающего поля HSW, и это является преимущественным для использования в определении местоположения имплантируемого маркера.
Гармонический подход также обеспечивает возможность обнаружения маркера, при этом являясь относительно невосприимчивым к источникам шума на основной частоте, таким как поля рассеяния, диамагнитный отклик от ткани и вихревые токи.
Зонд 2 системы обнаружения дополнительно содержит одну или более считывающих катушек, выполненных с возможностью обнаружения изменений в магнитном поле, вызванных изменением в намагниченности маркера.
Для обнаружения маркеров в любом типичном очаге или участке, представляющем интерес, зонд должен иметь глубину обнаружения по меньшей мере 30 мм, предпочтительно более 40 мм и более предпочтительно более 50 мм. В идеале зонд обеспечивает одинаковую величину отклика вне зависимости от направления, в котором приближаются к маркеру. Это необходимо для обеспечения постоянной обратной связи хирургу касательно местоположения маркера относительно зонда.
На фиг. 8 на прилагаемых графических материалах показана структурная схема магнитной системы 10 обнаружения согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Генератор 100 частоты, например генератор колебаний или генератор сигналов специальной формы (fD составляет от 0,5 до 30 кГц), генерирует предпочтительно синусоидальный переменный сигнал, который возбуждает одну или более катушек 102 возбуждения. Синусоидальный сигнал минимизирует гармонические компоненты в поле возбуждения, так что считывающая катушка не обнаруживает паразитных гармонических сигналов. Одна или более катушек возбуждения генерируют переменное магнитное поле, которое проходит в ткань, содержащую магнитный маркер 6, содержащий по меньшей мере один фрагмент материала с большим скачком Баркгаузена (LBJ).
Переменное магнитное поле возбуждает маркер 6, и намагничивание маркера приводит к генерированию гармонических компонентов в поле. В зависимости от расположения маркера, гармоники могут представлять собой нечетные гармоники (3-ю, 5-ю, 7-ю и т. д.), или четные гармоники (2-ю, 4-ю, 6-ю и т.д), или комбинацию из нечетных и четных гармоник. Маркер обнаруживают путем измерения величины одной или более частот гармоник непосредственно или путем измерения отношения величины одной или более гармоник к другим или к величине основной частоты.
Отклик от маркера обнаруживают посредством одной или более считывающих катушек 104 с генерированием напряжения или тока считывания. Предпочтительно считывающие катушки находятся в удерживаемом рукой или роботизированном зонде. Фильтр верхних частот или узкополосный режекторный фильтр 106 может быть выполнен с возможностью отфильтровывания или ослабления по меньшей мере компонентов сигнала считывания в задающей частоте таким образом, что результирующий сигнал имеет минимальное содержание в задающей частоте и содержит компоненты более высоких гармоник сигнала, например, гармоник второго, третьего, четвертого, пятого или седьмого порядка или их комбинации. Фильтр может иметь тип пассивного LCR-фильтра, содержащего известную конфигурацию из, например, конденсаторов, катушек индуктивности и резисторов, или активного фильтра, содержащего известную конфигурацию, например, на основе одного или более операционных усилителей.
Отфильтрованный сигнал может быть подан на схему 108 обнаружения гармоник, которая усиливает один или более гармонических компонентов сигнала и преобразует сигнал 110 для измерения расстояния от зонда до маркера. Пользовательское устройство отображения или генератор 112 звука обеспечивают визуальный и звуковой вывод для пользователя, указывающий, например, на близость маркера или величину магнитного сигнала. Система может указывать на близость, размер, расстояние, направление или ориентацию маркера или их комбинации.
Сигнал возбуждения от катушек 102 возбуждения может быть электронным образом отфильтрован с помощью фильтров 101 для ослабления любых гармонических частей сигнала возбуждения таким образом, что переменное магнитное поле имеет, главным образом, требуемую частоту возбуждения или задающую частоту. Это способствует устранению паразитных откликов на более высоких частотах, которые могут быть ошибочно интерпретированы как гармонические отклики. При необходимости может быть добавлена более чем одна задающая частота для создания более сложного магнитного сигнала, либо путем наложения/модуляции, либо путем мультиплексирования сигналов таким образом, что разная частота генерируется в разные моменты времени.
Задающая частота может быть в диапазоне от 100 Гц до 100 кГц. Более высокие частоты вплоть до 100 кГц являются преимущественными для максимизации считываемого сигнала (см. фиг. 1g). Более высокая частота также обеспечивает усреднение большего количества циклов в секунду во время обнаружения для улучшения подавления шума, при этом по-прежнему предоставляя вывод «в режиме реального времени» для пользователя, т. е. обновляя выходной сигнал по меньшей мере 10 раз в секунду. Следовательно, для подавления шума желательна частота по меньшей мере 1000 Гц и предпочтительно по меньшей мере 10 кГц. Для предоставления наглядного отклика «в режиме реального времени» для пользователя, выходной сигнал необходимо обновлять по меньшей мере каждую 0,1 с. Частота 1 кГц обеспечивает усреднение 100 циклов между каждым обновлением для пользователя, а частота 10 кГц обеспечивает в среднем 1000 циклов между каждым обновлением для пользователя.
Также могут быть получены преимущества от более низкой задающей частоты, и они включают уменьшенные потери на вихревые токи как в маркере (в случаях, когда он подвержен вихревым токам, например, если он имеет высокую проводимость), так и от окружающей ткани. Частота менее 30 кГц является преимущественной для уменьшения потерь на вихревые токи. Также, в среде операционной сигналы, вызывающие электромагнитные помехи, чаще наблюдаются при частотах выше 100 кГц, и, таким образом, может быть благоприятным выбор задающей частоты так, чтобы гармоники, представляющие интерес, имели частоту ниже 100 кГц.
Как упомянуто выше, каждый из маркеров системы обнаружения согласно первому аспекту настоящего изобретения содержит один или более отрезков материала («материала магнитного маркера»), которые обеспечивают гармонический или нелинейный отклик на переменное магнитное поле, получаемое за счет большого скачкообразного изменения Баркгаузена на кривой намагничивания. Примеры таких материалов включают аморфные микропровода со стеклопокрытием, с высоким содержанием железа, кобальта и никеля, аморфные микропровода на основе системы железо-кремний-бор, аморфные микропровода на основе системы железо-кобальт и объемные проволоки из стекловидного металла.
Примеры маркера, изображенные на фиг. 9A–9H, выполнены таким образом, что гармонический отклик на переменное магнитное поле является более однородным в любом заданном направлении по сравнению, например, с одним прямым отрезком материала маркера, обеспечивая, таким образом, маркер, местоположение которого легче определить хирургу с помощью зонда.
На фиг. 9A маркер 6 содержит отрезок материала магнитного маркера, изогнутый для описания трех или четырех ребер 6a, 6b, 6c тетраэдра. В результате этого отклик гармонического сигнала маркера является более однородным в любом заданном направлении считывания. В дополнительном аспекте радиусы изгибов 6d могут быть больше для обеспечения возможности более простой упаковки маркера в наружную трубку перед развертыванием.
На фиг. 9B маркер содержит отрезок материала магнитного маркера, изогнутый на части окружности 6e, при этом один конец 6f изогнут радиально к центру, а затем изогнут по существу под углом 90° с образованием части 6g вдоль оси окружности.
На фиг. 9C маркер 6 содержит отрезки материала магнитного маркера, расположенные вдоль трех ортогональных осей x, y и z с образованием формы «распорки».
На фиг. 9D маркер содержит отрезок материала магнитного маркера с прямой центральной секцией 6h и двумя дополнительными секциями 6i, 6j, по одной на каждом конце, изогнутыми ортогонально относительно друг друга и центральной секции. В дополнительном аспекте радиусы изгибов 6k могут быть больше для обеспечения возможности более простой вставки маркера в наружную трубку.
На фиг. 9E маркер 6 содержит отрезок материала магнитного маркера в форме круговой стоячей волны, т.е. образованного в форме однородной волны, а затем согнутого в кольцо для соединения концов и формирования окружности в виде сверху.
На фиг. 9F маркер содержит отрезок материала 6n магнитного маркера эллиптической или овальной формы, при этом концы 60 проволоки соединены или находятся близко друг к другу, но не соединены. Две части эллипса или овала на концах его большой оси изогнуты под углом приблизительно 90° относительно плоскости эллипса. Изогнутые части составляют от приблизительно четверти до трети площади эллипса или овала.
На фиг. 9G маркер содержит три отрезка материала 6t, 6u, 6v магнитного маркера, расположенных ортогонально относительно друг друга для образования по существу ортогональной треноги или вершины кубоида. Три отрезка соединены с соединительной секцией 6w, которая обеспечивает параллельное расположение отрезков относительно друг друга перед развертыванием, а затем повторное развертывание с образованием ортогональной треноги.
На фиг. 9H маркер содержит три отрезка материала 6x, 6y, 6z магнитного маркера, расположенных с образованием треноги с неортогональным углом между ногами треноги. Три отрезка соединены с соединительной секцией 6w, которая обеспечивает параллельное расположение отрезков относительно друг друга перед развертыванием, а затем повторное развертывание с образованием треноги.
На фиг. 9I маркер содержит три отрезка магнитного материала 6x′, 6y′, 6z′ внутри их собственного биосовместимого барьера 7. Тренога была изготовлена из трубки, цельной в верхней части, с тремя ногами частичной оболочки, образующими треногу, внутри которой удерживаются три отрезка.
Предпочтительно угол между ногами выбран таким образом, что гармонический магнитный отклик является максимально однородным в любом направлении. Например, треноги, образованные из трех 5 мм отрезков железокобальтового аморфного микропровода с LBJ, показаны в таблице ниже. Треноги являются однородными с тремя равноотстоящими ногами, но угол между ногами изменяется при испытании с использованием конфигурации согласно фиг. 2.
В таблице 1 ниже и на фиг. 10 показано изменение отношения максимума к минимуму магнитного гармонического отклика от маркера согласно фиг. 9H с изменением внутреннего угла ∅ между ногами. Идеально однородный отклик будет обозначен отношением, равным 1. В таблице и на фигуре показано изменение отношения максимума к минимуму отклика магнитного маркера с углом между ногами треноги для маркера по фиг. 9H. На фигуре показано, что однородность отклика является оптимальной, когда угол между ногами находится в диапазоне от 60° до 110°, и более предпочтительно когда угол составляет от 90° до 120°.
Таблица 1
| Угол между ногами треноги, ∅ | Отношения максимума к минимуму H3 отклика (на расстоянии 20 мм) |
| 38° | 6,8 |
| 60° | 3,2 |
| 90° | 1,7 |
| 97° | 2,0 |
| 109° | 2,1 |
| 120° | 8,3 |
Отрезок или отрезки материала магнитного маркера (образованные из материала с большим скачкообразным изменением Баркгаузена на своей кривой намагничивания) в описанных в настоящем документе примерах могут иметь любую из следующих форм:
a) отрезок одножильного провода;
b) микропровод со стеклопокрытием с жилой диаметром от 5 до 100 микрометров и толщиной покрытия от 0,5 до 40 микрометров;
c) пучок отрезков одножильного провода или микропровода со стеклопокрытием; или
d) полая трубка;
Любой из маркеров согласно фиг. 9A—9I может содержать более одного фрагмента материала магнитного маркера вместе с дополнительным материалом для соединения или охватывания фрагментов материала магнитного маркера и формирования конечной формы маркера. Маркер может содержать трубку, трубки или цельную или частичную оболочку из другого материала, внутри которых удерживаются отрезки магнитного материала маркера. Магнитный материал может быть покрыт дополнительным биосовместимым материалом или размещен внутри него.
Оболочка также может выполнять функцию способствования развертыванию маркера из начальной формы и конфигурации, когда он находится внутри устройства развертывания, в конечное положение, когда маркер вышел из устройства развертывания и находится в ткани. Например, трубка, или трубки, или оболочка, содержащие материал магнитного маркера, могут содержать биосовместимый сплав с памятью формы, такой как сплав нитинола, сплав, изготавливаемый таким образом, что при покидании устройства развертывания и подвергании температуре тела материал осуществляет смену формы и перестраивается из формы до развертывания, в которой он может помещаться в игле малого калибра, например, 18-14 по шкале Гейдж, в конечную развернутую форму, описанную, например, на любой из фиг. 9A-9I.
В дополнительном примере трубка или трубки, содержащие материал магнитного маркера, содержат биосовместимый упруго деформируемый материал, такой как сверхпластичный сплав нитинола или пружинный материал, так что, когда его разворачивают в теле, он упруго перестраивается, за счет, например, эластичности материала, из формы до развертывания, в которой он может помещаться в игле малого калибра, например, 18-14 по шкале Гейдж, в конечную развернутую форму, описанную, например, на любой из фиг. 9A-9I.
В дополнительном примере трубка или оболочка, содержащая материал магнитного маркера, содержит биосовместимый пластически деформируемый материал, такой как нержавеющая сталь марки 316, титан, титановый сплав или тому подобное, так что, когда его разворачивают в теле, он пластически деформируется из формы до развертывания, в которой он может помещаться в игле малого калибра, например, 18-14 по шкале Гейдж, в конечную развернутую форму, показанную, например, на фиг. 12F.
Кроме того, оболочка может выполнять функцию обеспечения улучшенной видимости под ультразвуком, или рентгенографией, или маммографией. Например, разность в плотности оболочки и пространства внутри оболочки обеспечивает улучшенную эхогенность, и материал оболочки, если он имеет большую массу материала, чем материал маркера внутри, обеспечит улучшенную видимость при рентгенографии. Это является особенно преимущественным, когда магнитный материал представляет собой тонкую проволоку, например, микропровод со стелкопокрытием, который имеет очень маленькую массу или видимый размер при получении изображения.
Преимущественно, маркер является видимым при МРТ, но не образует артефакт восприимчивости, проходящий за пределы маркера более чем на 10 мм, предпочтительно не более чем на 5 мм и более предпочтительно не более чем на 2 мм. Артефакты восприимчивости являются нежелательными, поскольку они искажают изображение в области, окружающей маркер, затрудняя осмотр окружающей ткани. Например, артефакт, проходящий на 5 мм от маркера, может заслонять при МРТ сферу ткани молочной железы диаметром приблизительно 10 мм. Во время курса неоадъювантной химиотерапии для уменьшения новообразования перед хирургическим вмешательством лечащие врачи могут пожелать отслеживать размер новообразования с течением времени с помощью МРТ, а также обозначить новообразование для дальнейшего хирургического удаления. Следовательно, минимизация протяженности артефакта важна для того, чтобы, таким образом, артефакт заслонял минимальный объем новообразования.
Следовательно, в дополнительном аспекте, в системе и способе обнаружения может применяться маркер, образованный из магнитного материала маркера, сочетающего низкую массу магнитного сплава, менее 10 миллиграмм, предпочтительно менее 5 миллиграмм и более предпочтительно менее 2 миллиграмм) и низкое магнитное насыщение сплава. Сочетание низкой массы и низкого магнитного насыщения означает, что маркер образует малый артефакт при МРТ, как правило, порядка нескольких миллиметров вокруг маркера.
В таблице 2 ниже показаны отклики трех форм проволоки маркера (прямой, изогнутой и U-образной), показанных на фиг. 11, и показано, что ключевой размер является самой длинной протяженностью проволоки в направлении считывания. В направлении A (см. фиг. 11) прямые и изогнутые образцы имеют одинаковое расстояние считывания, даже если длина проволоки в изогнутом маркере больше, потому что максимальный магнитный диполь, который может быть создан в каждом случае, является одинаковым. Точно так же U-образный образец может быть обнаружен с того же расстояния, поскольку он имеет ту же длину диполя в направлении A.
В направлении B: длина диполя в указанном направлении минимальна, и расстояние считывания значительно уменьшается для всех трех образцов. Тем не менее, наблюдается небольшое увеличение длины диполя для изогнутых и U-образных образцов, что приводит к немного лучшей способности к обнаружению.
Для прямой проволоки отклик имеет широкую форму, подобную диполю, с большим откликом (и большим расстоянием считывания) на оси или около нее и намного меньшим откликом поперечно к оси. Величина отклика связана с длиной магнитного диполя в направлении поля обнаружения. На оси проволоки, длина диполя равна длине проволоки, и поперечно, длина диполя приблизительно равна диаметру проволоки, который значительно меньше, как правило, от 10 до 200 микрон.
Таблица 2
| Образец проволоки | Длина магнитного диполя в направлении A (мм) | Максимальное расстояние считывания в направлении A (мм) | Длина магнитного диполя в направлении B (мм) | Максимальное расстояние считывания в направлении B (мм) |
| Прямая | 5 | 27 | 0,1 | 8 |
| Изогнутая | 5 | 27 | 0,5 | 9,5 |
| U-образная | 5 | 27 | 1 | 11 |
Дополнительно, гармонический отклик магнитного материала может быть снижен из-за противодействующего вихревого тока, генерируемого в охватывающем материале. Снижение гармонического отклика, в свою очередь, влияет на способность маркеров к обнаружению на больших расстояниях. Противодействующий вихревой ток уменьшается при увеличенном сопротивлении окружающего материала, например увеличенном удельном сопротивлении материала (см. таблицу 3 ниже), материале с более тонкими стенками, частичных оболочках и т.д.
Таблица 3
| Материал корпуса | Диаметр корпуса (мм) | Длина корпуса (мм) | Удельное сопротивление материала корпуса (Ом·м) | Отклик H3 относительно меди |
| Медь | 0,29 | 4 | 1,7×10-8 | 1 |
| Нержавеющая сталь марки 316 | 0,50 | 4 | 7,4×10-7 | 16 |
| Титан | 0,51 | 4 | 5,2×10-7 | 17 |
| Нитинол | 0,33 | 4 | 7,6×10-7 | 19 |
В документе WO 2016/193753 (Endomagnetics Limited) описаны маркеры, в которых количество материала в направлении считывания является существенным фактором, и, следовательно, предполагается, что для получения однородного отклика, количество материала в любом направлении должно быть одинаковым, то есть сфера должна быть идеальной. Это является верным, когда обнаруживаемое свойство является общей восприимчивостью материала. Однако в настоящем изобретении количество материала в направлении считывания не определяет потенциальный размер отклика. Например, изогнутый маркер может иметь больше материала в направлении A, чем прямой маркер, но не больший отклик. В настоящем изобретении величина отклика определяется максимальной длиной магнитного диполя, которая может быть обеспечена в направлении считывания. Таким образом, в одном аспекте настоящего изобретения в способе и системе используется развернутый маркер, который обеспечивает одинаковую длину магнитного диполя в любом направлении считывания, чтобы обеспечить однородный магнитный отклик.
На фиг. 12A-12F показаны дополнительные подробности маркера 6 согласно примеру, показанному на фиг. 9A, вместе с системой 200 развертывания. Маркер содержит наружную трубчатую оболочку 8 и внутренний материал 6 магнитного маркера. Наружная оболочка может иметь функцию барьера между материалом магнитного маркера и тканью тела для сохранения биосовместимости. Трубчатая оболочка обычно образована из биосовместимого материала, например, нитинола, титана или полимера. Преимущественно для сохранения биосовместимости, концы трубчатой оболочки являются закрытыми.
На фиг. 12A показан магнитный маркер, образованные из единственного непрерывного фрагмента материала 6 магнитного маркера, а на фиг. 12B показан магнитный маркер, образованный из более чем одного отдельного фрагмента материала 6 магнитного маркера, например, для упрощения сборки маркера.
На фиг. 12C показано устройство 200 развертывания, содержащее иглу 202 и поршень 204. При применении иглу вводят в целевую ткань под визуальным контролем. Устройство развертывания выполнено таким образом, что при нажатии на поршень магнитный маркер развертывается от одного конца иглы в целевую ткань.
На фиг. 12D показан подробный вид дальнего конца устройства 200 развертывания, вмещающего магнитный маркер 6 по фиг 12B в игле 202 вместе с поршнем 204. Магнитный маркер находится в удлиненной прямой конфигурации, но при развертывании принимает конфигурацию, показанную на фиг. 12B, либо посредством эластичности оболочки 8, либо посредством свойства изменения формы материала 8 оболочки, например, эффекта памяти формы, что, таким образом, может быть достигнуто при помощи материала нитинол.
На фиг. 12E показана альтернативная конфигурация маркера по фиг. 12B, где перед развертыванием маркер сложен сам по себе подобно форме уплощенного «Z». При развертывании он принимает конфигурацию по фиг. 12B.
На фиг. 12F показан пластически деформируемый магнитный маркер, в котором находится более одного отдельного фрагмента магнитного материала, каждый из которых находится внутри биосовместимого барьера. Наружная оболочка, удерживающая эти отдельные биосовместимые фрагменты, способна пластически деформироваться при развертывании для образования развернутой формы.
Будет понятно, что при использовании оболочки аналогичного типа с переходом формы можно аналогичным образом сконфигурировать любой из примеров по фиг. 9A—9I, чтобы он соответствовал игле, а затем перестроить с помощью перехода формы с образованием окончательной формы маркера, как показано на фиг. 9А-9I.
На фиг. 13A показаны несколько третьих гармонических откликов, полученных от маркера по фиг. 9G (ортогональной треноги) в ряде различных ориентаций относительно зонда обнаружения. На фиг. 13B показаны ориентации маркера относительно зонда обнаружения, которые были испытаны с получением графиков по фиг. 13A. Отклик в разных ориентациях по существу одинаков, что позволяет рассчитывать расстояние от зонда до маркера независимо от ориентации маркера. Это также обеспечивает менее запутанный сигнал для пользователя, так как уровень сигнала не изменяется с ориентацией или направлением.
На фиг. 14 показан дополнительный вариант осуществления системы обнаружения согласно настоящему изобретению, где катушка возбуждения находится не в зонде, а расположена отдельно в другом месте, например в опоре 300 под пациентом или возле него во время процедуры хирургического вмешательства. Катушка может быть выполнена в форме опоры, содержащей катушку, расположенную под пациентом или вблизи него. Таким образом, размер катушки не ограничен размером удерживаемого рукой зонда и может иметь больший диаметр, например, 100-500 мм для создания более сильного магнитного поля на участке маркера.
Катушка возбуждения отдельно соединена с приводным генератором, например, в основном устройстве датчика.
Настоящее изобретение обеспечивает новые систему и способ обнаружения имплантируемого маркера, при этом маркер содержит по меньшей мере фрагмент магнитного материала с LBJ, который возбуждается при напряженности поля, ниже напряженности бистабильного перемагничивающего поля, и генерируемые гармоники измеряются в любом направлении для определения положения и ориентации маркера. Маркер также может быть предусмотрен с длиной, меньше критической длины материала с LBJ, требуемой для обеспечения поведения бистабильного перемагничивания.
1. Система обнаружения для определения местоположения маркера в теле, при этом система обнаружения содержит:
по меньшей мере один имплантируемый маркер, при этом имплантируемый маркер содержит по меньшей мере один фрагмент магнитного материала, который проявляет большой скачок Баркгаузена (LBJ) на своей кривой намагничивания;
по меньшей мере одну катушку возбуждения, выполненную с возможностью возбуждения маркера переменным магнитным полем, и по меньшей мере одну считывающую катушку, выполненную с возможностью обнаружения сигнала, принимаемого от возбужденного маркера;
генератор магнитного поля, выполненный с возможностью возбуждения переменного магнитного поля с помощью по меньшей мере одной катушки возбуждения; и
по меньшей мере один датчик, выполненный с возможностью приема сигнала от считывающей катушки и обнаружения одной или более гармоник задающей частоты в принимаемом сигнале, при этом по меньшей мере одна катушка возбуждения выполнена с возможностью возбуждения маркера при напряженности ниже напряженности перемагничивающего поля, необходимого для инициации поведения бистабильного перемагничивания материала с LBJ маркера.
2. Система обнаружения по п. 1, отличающаяся тем, что имплантируемый маркер, содержащий по меньшей мере один фрагмент магнитного материала, который проявляет большой скачок Баркгаузена (LBJ) на своей кривой намагничивания, содержит менее 5 мг материала с LBJ.
3. Система обнаружения по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что имплантируемый маркер, содержащий по меньшей мере один фрагмент магнитного материала, который проявляет большой скачок Баркгаузена (LBJ) на своей кривой намагничивания, имеет длину, меньше критической длины, необходимой для инициации бистабильного перемагничивания в материале с LBJ.
4. Система обнаружения по п. 3, отличающаяся тем, что маркер имеет длину менее 25 мм, предпочтительно менее 10 мм.
5. Система обнаружения по любому из пп. 1—4, отличающаяся тем, что маркер содержит по меньшей мере один фрагмент аморфного материала с LBJ или проволоки с LBJ, выполненный таким образом, что при имплантации величина гармонического отклика от маркера при воздействии переменного магнитного поля является по существу одинаковой, с отношением максимума к минимуму, меньшим или равным 4, при измерении в любом направлении относительно маркера.
6. Система обнаружения по п. 5, отличающаяся тем, что маркер содержит отрезки материала с LBJ по существу вдоль по меньшей мере ортогональных осей x, y и z.
7. Система обнаружения по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что материал с LBJ покрыт полой трубкой или предусмотрен внутри нее.
8. Система обнаружения по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что маркер выполнен с возможностью развертывания из начальной, компактной конфигурации в увеличенную, развернутую конфигурацию.
9. Система обнаружения по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна из катушки возбуждения и считывающей катушки предусмотрена в удерживаемом рукой зонде.
10. Система обнаружения по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что дополнительно содержит модуль вывода данных для обработки принятого гармонического сигнала и обеспечения по меньшей мере одного указателя для пользователя, относящегося к местоположению маркера относительно считывающей катушки.
11. Система обнаружения по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что система обрабатывает один или более аспектов гармонического отклика маркера, выбранных из величины одной или более нечетных гармоник, четных гармоник, или комбинации обеих, или отношения данных гармоник друг к другу или к основной частоте.
12. Способ обнаружения маркера в теле, включающий:
приложение переменного магнитного поля к по меньшей мере одному имплантируемому маркеру, содержащему по меньшей мере один фрагмент магнитного материала, который проявляет большой скачок Баркгаузена (LBJ) на своей кривой намагничивания, при этом маркер возбуждают при напряженности ниже напряженности перемагничивающего поля (HSW), необходимой для инициации поведения бистабильного перемагничивания материала с LBJ маркера; и
обнаружение одной или более гармоник задающей частоты сигнала, принятого от возбужденного маркера, вызванного изменением в намагниченности маркера при напряженности ниже напряженности его перемагничивающего поля.
13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что задающая частота составляет более 1 кГц.
14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что задающая частота находится в диапазоне от 1 до 100 кГц.
15. Способ по пп. 12, 13 или 14, отличающийся тем, что дополнительно включает измерение аспекта гармонического отклика маркера с обеспечением выходных данных, относящихся к местоположению маркера.
