Магнитные маркеры для контроля во время хирургического вмешательства
Группа изобретений относится к медицине. Предлагается имплантируемый магнитный маркер, содержащий по меньшей мере один фрагмент материала с большим скачком Баркгаузена (LBJ), содержащий по меньшей мере одну петлю. Маркер в форме катушки развертывается для обозначения участка ткани в теле для последующего хирургического вмешательства, и магнитная система обнаружения с удерживаемым в руке зондом возбуждает маркер при напряженности выше или ниже напряженности перемагничивающего поля, необходимой для бистабильного перемагничивания маркера, вызывая генерирование гармонического отклика в бистабильном или суб-бистабильном режиме. Применение данной группы изобретений обеспечит возможность обнаружения и определения местоположения очага. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 20 ил.
Область изобретения
Настоящее изобретение относится в целом к области контроля во время хирургического вмешательства, конкретнее, к магнитным маркерам, помогающим в определении местоположения очага, подлежащего удалению хирургическим путем, и к системам и способам обнаружения таких маркеров.
Предпосылки 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 удалению хирургическим путем. 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 10 мм, чтобы, таким образом, они являлись деликатными и сводили к минимуму 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. Как правило, маркер удаляется хирургическим путем 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 (radio frequency, RF) и инфракрасного (infra red, 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 дополнительная система, основанная на метках для радиочастотной идентификации (radio frequency identification, RFID), которые были использованы в качестве идентификационных маркеров 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. Дополнительно 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, 16—18 по шкале Гейдж); способность 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.
В документе Sulla (Utilizing Magnetic Microwires For Sensing In Biological Applications, Jnl. of Elec. Eng., VOL 66. NO 7/s, 2015, 161-163) описано использование аморфных микропроводов со стеклопокрытием, демонстрирующих поведение типа большого скачка Баркгаузена, для медицинских применений, в частности, в качестве имплантата, который может быть обнаружен магнитным путем посредством приложения внешнего поля, с использованием бистабильного поведения микропровода. В связи с этим, материалы с «большим скачком Баркгаузена» (Large Barkhausen Jump, LBJ) подвергаются быстрой перемене знака их магнитной поляризации при возбуждении внешним магнитным полем, напряженность которого, противоположная текущей магнитной поляризации провода, превышает предварительно заданное пороговое значение. Таким образом, материал проявляет бистабильное поведение, меняя знак между двумя состояниями магнитной поляризации. Каждая перемена знака намагничивания генерирует магнитный импульс с гармоническими компонентами. Профиль и количество гармоник измеряются (до многих десятков гармоник) для идентификации маркера из других материалов. Sulla пришел к выводу, что для функционального считывания необходим отрезок провода длиной 40 мм, но маркер такой длины не годился бы для определения местоположения очага, поскольку размер многих очагов составляет лишь несколько миллиметров.
Эти условия показывают, что такое поведение большого скачка Баркгаузена, описанное в известном уровне техники, является 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 Hsw для возбуждения бистабильного поведения, что требует считывающих катушек большой площади и большого диаметра в диапазоне десятков сантиметров, которые генерируют большие магнитные поля, позволяющие обнаруживать присутствие провода малого размера в применимом диапазоне. 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 обычно до диаметра менее 20 мм и, таким образом, ограничивает расстояние, на котором может быть обнаружен маркер. Если поле возбуждения также генерируется в зонде, способность обнаружения уменьшается на четвертый или шестой порядок с удалением от зонда. Таким образом, 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 приблизительно 0,5 x 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 провода 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 максимального увеличения отношения сигнал/шум от обнаруживаемых полей очень малой напряженности целесообразно усреднять сигнал в течение ряда циклов. Более высокие частоты допускают большее усреднение без отклика обратной связи для пользователя, который, как представляется, имеет запаздывание или задержку.
Дополнительным недостатком систем такого типа является большая анизотропия отклика от проводов 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 высокие значения напряженности 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 в зависимости от направления доступа.
В совместно рассматриваемой заявке № GB 1801224.5 от автора настоящей заявки, содержание которой полностью включено в данный документ посредством ссылки, описан имплантируемый магнитный маркер, содержащий по меньшей мере один фрагмент магнитного материала, который проявляет большой скачок Баркгаузена (LBJ) на своей кривой намагничивания, но где маркер возбуждают при напряженности ниже напряженности перемагничивающего поля, необходимой для инициирования поведения бистабильного перемагничивания материала с LBJ маркера. Длина маркера также может быть меньше критической длины, необходимой для инициирования поведения бистабильного перемагничивания материала с LBJ. Концепции «критической длины» и «перемагничивающего поля» для проводов с LBJ известны, например, из работы Vazquez (A soft magnetic wire for sensor applications., J. Phys. D: Appl. Phys. 29 (1996) 939–949). Маркер в заявке GB1801224.5GB использует недавно признанный «суб-бистабильный» режим возбуждения для его материала с LBJ, который вызывает считывание измеримого гармонического отклика, даже когда напряженность возбуждающего поля ниже напряженности «перемагничивающего поля», традиционно считавшейся необходимой для инициации классического поведения бистабильного перемагничивания и гармонического отклика.
Маркеры в известном уровне техники используют прямые куски провода с LBJ. Причина этого заключается в том, что классическое перемагничивающее поведение происходит посредством эффекта каскада или домино, при котором все магнитные домены в проводах с LBJ переворачиваются одновременно, и, таким образом, выравнивание всех доменов относительно возбуждающего магнитного поля является важным аспектом. Домены, которые по существу не выровнены относительно поля, не будут переворачиваться или перемагничиваться, это означает что бистабильное поведение магнитного отклика, при котором все домены подвергаются быстрой перемене знака намагничивания, не может быть реализовано, таким образом приводя к использованию прямых проводов для обнаружения. Использование любой другой конфигурации будет алогичным на основании литературы известного уровня техники.
Однако, когда прямой кусок провода с LBJ приводят в возбуждение, магнитный отклик, который он предоставляет, является направленным, то есть существует больший отклик вдоль оси провода и значительно меньший отклик в направлении, перпендикулярном проводу. По этой причине авторы настоящего изобретения в совместно рассматриваемой патентной заявке № GB 1801224.5, которая использует недавно признанный «суб-бистабильный» режим возбуждения для маркера, содержащего материал с LBJ, описано, что длина диполя материала с LBJ в направлении поля возбуждения является важным параметром для обеспечения гармонического отклика и обнаружения. Следовательно, авторы настоящего изобретения предлагают обеспечить несколько проводов, например, расположенных в виде треноги, так что длина диполя в любом заданном направлении является по существу одинаковой. Это позволяет достичь более равномерного отклика и предоставляет возможность измерения расстояния от маркера до зонда обнаружения.
Однако предоставление приемлемого маркера, обладающего требуемым равномерным откликом с одинаковой длиной диполя в каждом направлении, все-таки сталкивается с рядом проблем. В связи с этим имплантируемый маркер для определения местоположения очага обычно вводят посредством устройства развертывания с малым диаметром, которое требует, чтобы маркер имел способность изменения конфигурации от менее 2 мм до своей окончательной формы с одинаковой длиной диполя в каждом направлении. Расположение материала в виде треноги или другой 3D формы с одинаковой длиной диполя в каждом направлении дает в результате маркер, обладающий тонкими секциями, делающими его хрупким или чувствительным к движению. Если маркер окажется неспособным развернуться правильно, то отклик будет неравномерным и неточным.
Следовательно, существует потребность в более надежном маркере, и который предпочтительно не нуждается в изменении конфигурации при развертывании.
Настоящее изобретение направлено на удовлетворение данной потребности.
Сущность изобретения
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предлагается магнитный маркер, содержащий:
по меньшей мере один имплантируемый маркер, причем имплантируемый маркер содержит по меньшей мере один фрагмент магнитного материала, который проявляет большой скачок Баркгаузена (LBJ) на своей кривой намагничивания, при этом материал с LBJ содержит по меньшей мере одну петлю с частичным перекрытием, причем указанную по меньшей мере одну петлю поддерживают во время обнаружения маркера.
В предпочтительном варианте осуществления маркер содержит по меньшей мере один фрагмент материала с LBJ, имеющий по меньшей мере два полных витка, предпочтительно больше, для формирования катушки или спирали.
Авторы настоящего изобретения удивительным образом обнаружили, что катушка из провода с LBJ создает измеряемый гармонический отклик в дополнение к прямому проводу с LBJ. Для более сильных полей и катушек с большим диаметром это является откликом на перемагничивание, который качественно подобен классическому бистабильному перемагничиванию, описанному в известном уровне техники. Однако в более слабых полях и с катушками с меньшим диаметром отклик является «суб-бистабильным», как описано в совместно рассматриваемой патентной заявке № GB1801224.5 от автора настоящей заявки.
Кроме этого, хотя один прямой провод с LBJ предоставляет отклик в осевом направлении, который значительно больше отклика в поперечном направлении (перпендикулярном оси), авторы настоящего изобретения более удивительным образом обнаружили, что катушка из провода с LBJ при возбуждении в бистабильном или суб-бистабильном режиме имеет больший отклик в поперечном направлении, чем отклик в осевом направлении, даже когда ее длина в несколько раз превышает его диаметр.
Маркер согласно настоящему изобретению может содержать катушку или спираль из материала с LBJ, имеющую любое количество полных оборотов или витков. Диаметр и/или шаг катушек может изменяться для регулировки отклика, включая отношение отклика в поперечном направлении к отклику в осевом направлении, для предоставления более равномерного отклика. Например, маркер может быть образован из витков с идентичным шагом или витки могут иметь изменяющийся шаг вдоль продольной оси или длины маркера. Подобным образом, маркер может быть образован из витков с идентичным диаметром или диаметр витков может изменяться вдоль длины маркера, например, для предоставления маркера, имеющего форму конуса, бочкообразную форму или форму песочных часов.
Предпочтительно обеспечить по меньшей мере один осевой элемент, содержащий по меньшей мере один фрагмент материала с LBJ, проходящий по меньшей мере частично через центр маркера в форме катушки для регулировки отношения отклика в поперечном направлении к отклику в осевом направлении маркера с целью обеспечения более равномерного отклика. По меньшей мере один осевой элемент может иметь форму отдельного фрагмента материала, введенного через катушку, или может быть выполнен непрерывно с катушкой на одном или обоих концах маркера.
Маркер согласно настоящему изобретению также может содержать несколько катушек. Несколько катушек могут быть переплетены между собой или могут содержать катушку, имеющую витки с меньшим диаметром, находящуюся внутри катушки, имеющей витки с большим диаметром. В разных катушках шаг может различаться, но предпочтительно он является одинаковым для обеспечения тесного сплетения нескольких катушек.
Маркер также может быть оснащен по меньшей мере одним элементом для сцепления с тканью, предназначенным для помощи в креплении маркера к ткани в области очага. Например, один конец или оба конца маркера в форме катушки могут быть оснащены крючком или зубцом, предпочтительно выполненным в виде одного целого с маркером.
Предпочтительно маркер содержит меньше 5 мг материала с LBJ. Материал может быть обеспечен в форме провода, смотанного в катушку с необходимым шагом и диаметром. 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.
Предпочтительно маркер может быть выполнен с возможностью развертывания из иглы, имеющей внутренний диаметр менее 2 мм. Более предпочтительно соотношение сторон маркера перед развертыванием составляет более 3. Предпочтительно чтобы маркер в форме катушки мог быть развернут в свою окончательную форму, не прибегая к изменению формы, тем самым уменьшая вероятность неправильного развертывания маркера, что может повлиять на точность и однородность любого обнаруженного отклика от маркера.
Провода могут иметь покрытие или могут быть расположены внутри корпуса. Предпочтительно провод с LBJ имеет покрытие или расположен внутри трубы из немагнитного материала для обеспечения композитных свойств, таких как прочность, жесткость, гибкость и биосовместимость. Например, провод может быть покрыт полимерным покрытием, таким как FEP, парилен, PTFE, ETFE, PE, PET, PVC или силикон, или покрыт герметизирующим материалом на основе эпоксидной смолы. В качестве альтернативы провод может быть заключен в трубку перед тем, как из него сформируют требуемый маркер в форме катушки. Подходящие материалы для трубки включают нитинол, титан, нержавеющую сталь и другие биосовместимые сплавы. Предпочтительно материал является немагнитным и обладает сравнительно низкой проводимостью. Более предпочтительно корпус выполнен из материала, обладающего удельным сопротивлением, превышающим 2 x 10-7 Ом·м. Удельное сопротивление также можно увеличить посредством выборочного разрезания трубки, например, посредством вырезания спирали прерывистой лазерной резкой. Это также может способствовать наматыванию трубки.
Трубка, особенно если она выборочно разрезана, может быть дополнительно покрыта или размещена в биосовместимой оболочке перед наматыванием в катушку и/или маркер в форме катушки можно разместить или оснастить покрытием в подобной оболочке. Предпочтительно эта оболочка также является изоляционным слоем.
Корпус маркера может быть сформирован из литого или экструдированного материала. Например, полимер может быть экструдирован вокруг магнитного провода для формирования покрытого провода, которому затем можно придать форму петли. Подходящие материалы для покрытия или литья поверх включают PEEK, PEKK, полиэтилен, полипропилен, сложный полиэфир, полиуретан, полиимид, полиэфирблокамид, полиамид, PTFE, FEP и силиконы.
В одном варианте осуществления маркер согласно настоящему изобретению включает корпус, содержащий одну или более нитей материала, намотанных вокруг магнитного материала, например, в форме спирали, для формирования более надежной конструкции перед образованием окончательной формы маркера. Предпочтительно окружающий материал полностью заключает в себе материал магнитного маркера. Нити окружающего материала могут быть сформированы из одного материала или из более, чем одного типа материала, для получения другого профиля свойств материала, таких как прочность, жесткость, удельное сопротивление или эхогенность. Окружающий материал может быть намотан одним слоем или несколькими слоями в пределах объема настоящего изобретения. Подобным образом слои могут быть намотаны в виде переменных сторон или направлениях и могут содержать разные материалы или поперечные сечения и дополнительно могут быть оснащены покрытием или размещены в биосовместимой оболочке перед наматыванием в катушку и/или маркер в форме катушки можно разместить или оснастить покрытием в подобной оболочке.
Таким образом, маркер состоит из катушки, которую можно развернуть из иглы в ее окончательную форму, не прибегая к изменению формы. Однако в альтернативном варианте осуществления маркер может содержать упруго деформируемую трубку, содержащую провод с LBJ, так что катушка при развертывании увеличивается до большего размера.
Следует понимать, что поперечное сечение маркера не ограничено конкретной формой. Например, поперечное сечение маркера может быть круглым, прямоугольным или треугольным. Может быть предпочтительным обеспечить маркер, имеющий сечение с по существу прямой стороной, например, прямоугольный или треугольный, чтобы обеспечить углы, под которыми магнитный отклик будет увеличенным по сравнению с другими углами, например, когда прямая секция выровнена с полем возбуждения.
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 и позволяет определять расстояние между зондом и маркером.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предлагается система обнаружения для определения местоположения маркера, при этом система содержит:
магнитный маркер согласно первому аспекту настоящего изобретения;
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.
В зависимости от размера и конфигурации маркера, катушка возбуждения может возбуждать маркер при напряженности выше порогового значения, инициирующего бистабильное перемагничивающее поведение материала с LBJ. В качестве альтернативы и более предпочтительно по меньшей мере одна катушка возбуждения возбуждает маркер при напряженности ниже напряженности перемагничивающего поля, необходимой для инициации поведения бистабильного перемагничивания материала с LBJ маркера.
Предпочтительно гармонический отклик используется для определения местоположения/расстояния/приближенности маркера от зонда. Более предпочтительно отношение максимального гармонического отклика к минимальному с направлением составляет менее 3.
В предпочтительном варианте осуществления данного аспекта настоящего изобретения, как катушка возбуждения, так и считывающая катушка предусмотрены в удерживаемом рукой зонде. В качестве альтернативы в удерживаемом рукой зонде может быть предусмотрена только считывающая катушка. В данном варианте осуществления снаружи зонда может быть обеспечена более крупная катушка возбуждения для обеспечения генерирования увеличенного магнитного поля на участке маркера. Например, катушка возбуждения может быть обеспечена внутри опоры для размещения возле пациента или под ним.
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 и/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 соотношения этих гармоник друг с другом, или с основной частотой. Подходящие фильтры могут быть обеспечены для выделения задающего и считываемого сигналов.
Модуль вывода данных может содержать визуальное устройство отображения или генератор звука.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предлагается способ обнаружения имплантируемого маркера, причем имплантируемый маркер содержит по меньшей мере один фрагмент магнитного материала, который проявляет большой скачок Баркгаузена (LBJ) на своей кривой намагничивания, при этом материал с LBJ содержит по меньшей мере одну петлю с частичным перекрытием, поддерживаемую в маркере во время его обнаружения, причем способ включает приложение переменного магнитного поля к маркеру для того, чтобы возбудить маркер с целью инициирования бистабильного или суб-бистабильного перемагничивающего поведения материала с LBJ маркера; и обнаружение одной или более гармоник задающей частоты сигнала, принятого от возбужденного маркера, вызванного изменением в намагниченности маркера.
Предпочтительно маркер возбуждают при напряженности ниже напряженности перемагничивающего поля, необходимой для инициации бистабильного перемагничивания, при этом 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, соотношения данных гармоник друг с другом или с основной частотой. Подходящие фильтрование и обработка сигналов могут быть предусмотрены для выделения выходных данных, обеспечиваемых способом.
Краткое описание графических материалов
Для лучшего понимания настоящего изобретения и более ясного представления того, как оно может быть осуществлено, далее будет сделана ссылка только в качестве примера на прилагаемые графические материалы, на которых:
на фиг. 1A показано схематическое изображение системы обнаружения для использования с маркером согласно изобретению, причем система обнаружения относится к известному уровню техники;
на фиг. 1B более подробно показаны компоненты системы обнаружения, изображенной на фиг. 1A;
на фиг. 2 показано использование системы обнаружения для определения местоположения имплантированного маркера;
на фиг. 3A и 3B показан третий гармонический отклик (H3) (в произвольных единицах) от провода с LBJ по мере увеличения величины напряженности возбуждающего поля с частотой 100 Гц, изображенный как на линейно-логарифмической шкале, так и на дважды логарифмической шкале, соответственно;
на фиг. 3C показан отклик на интервале времени в суб-бистабильной области в точке A на верхнем графике по фиг. 3A при возбуждении синусоидальной волной;
на фиг. 3D показан отклик на интервале времени в бистабильной области в точке B на графике по фиг. 3A при возбуждении синусоидальной волной;
на фиг. 3E показан отклик в диапазоне частот от провода с LBJ в суб-бистабильном и бистабильном режимах перемагничивания с частотой возбуждения 100 Гц;
на фиг. 4 показана структурная схема магнитной системы обнаружения для использования с маркером согласно настоящему изобретению;
на фиг. 5A и 5B показано устройство развертывания, предназначенное для развертывания маркера согласно настоящему изобретению;
на фиг. 6A—6D показаны варианты осуществления маркера согласно настоящему изобретению;
на фиг. 7A—7C показаны дополнительные варианты осуществления маркера согласно настоящему изобретению;
на фиг. 8A и 8B показаны альтернативные варианты осуществления маркера согласно настоящему изобретению, причем каждый маркер имеет переменный шаг;
на фиг. 9A—9C показаны дополнительные варианты осуществления маркера согласно настоящему изобретению, при этом маркеры имеют витки с переменным диаметром вдоль длины катушки;
на фиг. 10A и 10B показаны еще дополнительные варианты осуществления маркера согласно настоящему изобретению, при этом маркеры включают несколько переплетенных катушек;
на фиг. 11A и 12A показаны виды сбоку и на фиг. 11B и 12B показаны виды с торца маркера согласно альтернативным вариантам осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 13 показан еще один вариант осуществления маркера согласно настоящему изобретению;
на фиг. 14 показан еще дополнительный вариант осуществления маркера согласно настоящему изобретению;
на фиг. 15A и 15B показан другой вариант осуществления маркера согласно изобретению, при этом магнитный материал является частью многожильного провода или плетеного жгута;
на фиг. 16A и 16B показан еще один вариант осуществления маркера согласно изобретению, при этом магнитный материал находится внутри трубчатого корпуса;
на фиг. 17A и 17B показан еще дополнительный вариант осуществления маркера согласно изобретению, при этом магнитный материал оснащен покрытием;
на фиг. 18A—18C показаны примеры возможных поперечных сечений маркера согласно настоящему изобретению;
на фиг. 19A показан гармонический отклик маркера согласно известному уровню техники с проводом, лежащим вдоль оси 0–180° на графике;
на фиг. 19B показан гармонический отклик от маркера, изображенного на фиг. 6A, с проводом, лежащим вдоль оси 0–180° на графике;
на фиг. 19C показан гармонический отклик от маркера, изображенного на фиг. 6B, с проводом, лежащим вдоль оси 0–180° на графике;
на фиг. 19D показан гармонический отклик от маркера по фиг. 7B с проводом, лежащим вдоль оси 0–180° на графике; и
на фиг. 20 показан магнитный отклик H3 маркера в зависимости от расстояния от зонда для маркера по фиг. 7B, где каждая линия является одной ориентацией, и изображены ориентации под углами 0, 30, 45, 60 и 90 градусов относительно продольной оси маркера.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение относится к магнитному маркеру, который может быть имплантирован для обозначения участка в теле, например, участка очага, и затем может быть обнаружен, и его местоположение может быть определено с применением удерживаемого рукой зонда. Настоящее изобретение также описывает систему обнаружения и способ определения местоположения имплантированного маркера в теле.
На фиг. 1A и 1B прилагаемых графических материалов показаны структурные схемы примера системы обнаружения согласно известному уровню техники, которая может быть использована для обнаружения маркера согласно настоящему изобретению. Система обнаружения содержит зонд 2, соединенный с основным устройством 4. Зонд имеет одну или более катушек 8 возбуждения (см. фиг. 1B), которые генерируют переменное магнитное поле для возбуждения магнитного маркера 6. Зонд 2 системы обнаружения дополнительно содержит одну или более считывающих катушек 10, выполненных с возможностью обнаружения изменений в магнитном поле, вызванных изменением в намагниченности маркера.
На фиг. 2 показано, как маркер 6 может быть имплантирован в грудь пациента и затем его местоположение может быть обнаружено с помощью зонда 2.
Целесообразно обеспечить усовершенствованные маркеры для улучшенного определения местоположения зондом. В совместно рассматриваемой заявке № GB 1801224.5 от автора настоящей заявки описан один такой маркер. 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 (или материал с LBJ). 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 намагничивания 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, в недавно признанном «суб-бистабильном» режиме и что это является преимущественным для использования в определении местоположения имплантируемого маркера.
На фиг. 3A—3E показано это бистабильное и так называемое «суб-бистабильное» поведение материала с LBJ, который может быть внедрен в имплантируемый маркер. на фиг. 3A и 3B показан третий гармонический отклик (H3) (в произвольных единицах) от провода с LBJ по мере увеличения величины напряженности возбуждающего поля с частотой 100 Гц, изображенный как на линейно-логарифмической шкале, так и на дважды логарифмической шкале, соответственно. Как продемонстрировано, когда фрагмент железокобальтового аморфного микропровода с LBJ больше критической длины возбуждают переменным магнитным полем с частотой 100 Гц, третий гармонический отклик (H3) изображен 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 (область B на фиг. 3A). В этой точке провод с LBJ, имеющий длину больше критической длины, обычно поддается идентификации. Линейно-логарифмическая шкала и дважды логарифмическая шкала ясно показывают изменение режима. Однако на фиг. 3A показано, что с применением «суб-бистабильного» режима (область A на фиг. 3A), 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. 3C показан отклик на интервале времени в суб-бистабильной области при возбуждении синусоидальной волной. Он изображен в виде искаженной синусоидальной волны, в отличие от бистабильного отклика на интервале времени, который выглядит как классические короткие импульсы при перемене знака намагниченности (см. фиг. 3D). В диапазоне частот, бистабильный режим с большим содержанием гармоник отличается от гармонического отклика суб-бистабильного режима с меньшим содержанием гармоник (см. фиг. 3E). Однако такой гармонический отклик по-прежнему имеет большее содержание, чем отклик от не бистабильных аморфных проводов, и, таким образом, этот отклик может быть использован для точной идентификации маркера, даже когда длина провода меньше «критической длины» и напряженность возбуждающего поля ниже напряженности «перемагничивающего поля».
На фиг. 4 на прилагаемых графических материалах показана структурная схема магнитной системы обнаружения, которая может быть использована для определения местоположения маркера согласно известному уровню техники или согласно изобретению. Генератор 12 частоты, например, генератор колебаний или генератор сигналов специальной формы (fD составляет от 100 Гц до 50 кГц) генерирует предпочтительно синусоидальный переменный сигнал, который возбуждает одну или более катушек 8 возбуждения. 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 посредством измерения величины одной или более частот гармоник непосредственно или посредством измерения отношения величины одной или более гармоник к другим или к величине основной частоты.
Отклик от маркера обнаруживают посредством одной или более считывающих катушек 10 с генерированием напряжения или тока считывания. Считывающие катушки могут находиться в удерживаемом рукой или роботизированном зонде. Фильтр верхних частот или узкополосный режекторный фильтр 14 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 принимать вид пассивного фильтра с типом LCR, 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 16 обнаружения гармоник, которая усиливает один или более гармонических компонентов сигнала и преобразует сигнал 18 для измерения расстояния от зонда до маркера. Пользовательское устройство отображения и генератор 20 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.
Когда прямой кусок провода с LBJ приводят в возбуждение, магнитный отклик, который он предоставляет, является направленным, то есть существует больший отклик вдоль оси провода и значительно меньший отклик в направлении, перпендикулярном проводу. По этой причине в совместно рассматриваемой заявке № GB 1801224.5 от авторов настоящего изобретения описано, что длина диполя материала с LBJ в направлении поля возбуждения является важным параметром для обеспечения гармонического отклика и обнаружения, и описано использование нескольких проводов, например, расположенных в виде треноги, так что длина диполя в любом заданном направлении является по существу одинаковой. Однако такие маркеры имеют тонкие секции, делающие их хрупкими или чувствительными к движению. Это может затруднить приемлемое развертывание маркера.
На фиг. 5A и 5B показан пример системы развертывания согласно известному уровню техники, которая может быть использована для доставки маркера к участку хирургического вмешательства. На фиг. 5A показано устройство 200 развертывания, содержащее иглу 202 и поршень 204. В процессе использования 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. 5B показан подробный вид дальнего конца устройства 200 развертывания, вмещающего магнитный маркер 6 в игле 202 вместе с поршнем 204.
Правильное развертывание маркера 6 из иглы является критично важным, поскольку в ином случае будет нарушено сходство или идентичность длины диполя в каждом направлении, что приведет к неравномерному и неточному отклику.
Настоящее изобретение обеспечивает усовершенствованные маркеры, содержащие материал с LBJ, которые могут быть обнаружены с помощью их традиционного бистабильного поведения или с помощью недавно идентифицированного «суб-бистабильного» режима. Авторы настоящего изобретения удивительным образом обнаружили, что маркеры, имеющие материал с LBJ, которому придана форма катушки или петли, создают измеримый гармонический отклик. Это было неожиданным, поскольку классическое перемагничивающее поведение происходит посредством эффекта каскада или домино, при котором все магнитные домены в проводах с LBJ переворачиваются одновременно, и, таким образом, выравнивание всех доменов относительно возбуждающего магнитного поля является важным аспектом. Домены, которые по существу не выровнены относительно поля, не будут переворачиваться или перемагничиваться, таким образом приводя к использованию прямых проводов для обнаружения. Таким образом, специалист будет рассматривать использование любой другой конфигурации как алогичное на основании литературы известного уровня техники. Маркеры в форме катушки согласно изобретению демонстрируют отклик на перемагничивание, который качественно подобен классическому бистабильному перемагничиванию, описанному в известном уровне техники, при более сильных полях и катушках с большим диаметром, в то время как для менее сильных полей и катушек с меньшим диаметром отклик является «суб-бистабильным», как описано в заявке GB1801224.5.
Кроме этого, хотя один прямой провод с LBJ предоставляет отклик в осевом направлении, который значительно больше отклика в поперечном направлении (перпендикулярном оси), авторы настоящего изобретения удивительным образом обнаружили, что катушка из провода с LBJ при возбуждении в суб-бистабильном режиме (и безусловно в бистабильном режиме) имеет больший отклик в поперечном направлении, чем отклик в осевом направлении, даже когда ее длина в несколько раз превышает его диаметр.
На фиг. 6A—6D показаны разные варианты осуществления маркера 6 согласно настоящему изобретению. Каждый маркер 6 содержит катушку 6a из магнитного материала. На фиг. 6A показана простая катушка из магнитного материала маркера. На фиг. 6B показана катушка 6a с дополнительным фрагментом магнитного материала, например, в форме стержня провода 6b, помещенного в осевом направлении внутрь катушки. На фиг. 6C показана катушка 6a, где один конец катушки сложен назад в центр катушки с образованием осевого элемента 6c внутри катушки. На фиг. 6D показан дополнительный вариант осуществления, в котором оба конца катушки 6a сложены назад через и в направлении к центру катушки с образованием осевых элементов 6d, 6e внутри катушки. Эти осевые элементы внутри катушки увеличивают величину магнитного отклика в осевом направлении, что может быть использовано для получения необходимой однородности или асимметрии отклика.
На фиг. 7A—7C изображены маркеры в форме катушки согласно настоящему изобретению с другим шагом катушки 6a по сравнению с плотным шагом, изображенным на фиг. 6A—6D. На фиг. 7C изображен маркер 6 в форме катушки, в котором концы 6f, 6g продлеваются в осевом направлении снаружи катушки. Удлиненные концы увеличивают величину магнитного отклика в осевом направлении, что может быть использовано для получения необходимой однородности или асимметрии отклика.
На фиг. 8A и 8B показаны варианты осуществления маркера в форме катушки согласно настоящему изобретению, в котором шаг катушки изменяется на протяжении ее длины. На фиг. 8A показана катушка, в которой центральная область 6h имеет меньший шаг и наружные области 6i имеют больший шаг. Для сравнения, на фиг. 8B показан маркер в форме катушки, в которой центральная область 6j имеет больший шаг и наружные области 6k имеют меньший шаг. Следует понимать, что шаг может изменяться любым образом вдоль длины маркера прерывистым или плавным способами в пределах объема настоящего изобретения. Как можно видеть из значений, представленных далее в таблице 1, увеличение шага приводит к увеличению величины магнитного отклика в осевом направлении относительно отклика в поперечном направлении. Это также может быть использовано для получения необходимой однородности или асимметрии отклика.
На фиг. 9A—9C показаны альтернативные варианты осуществления маркера согласно настоящему изобретению, при этом диаметр маркера изменяется вдоль длины маркера. Например, на фиг. 9A диаметр витков катушки уменьшается от одного конца катушки к другому с образованием маркера в форме конуса. На фиг. 9B диаметр витков катушки уменьшается от обоих концов катушки к центру с образованием маркера в форме песочных часов. На фиг. 9C диаметр витков катушки увеличивается от обоих концов катушки к центру с образованием маркера бочкообразной формы. Изменение диаметра витков маркера в форме катушки вдоль ее длины является преимущественным для модификации магнитного отклика с разных направлений. Маркеры в форме катушки, имеющие и разные диаметры, и разные шаги, находятся в рамках объема настоящего изобретения. Увеличение количества катушек и их диаметра суммарно увеличивают величину отклика, хотя присутствуют некоторые потери из-за близости катушек друг к другу. Таким образом, при необходимости эти расположения могут быть использованы для модификации однородности магнитного отклика.
Дополнительные варианты осуществления маркера согласно настоящему изобретению изображены на фиг. 10A и 10B, при этом маркер оснащен несколькими катушками, комбинированными или взаимно переплетенными внутри маркера. На фиг. 10a показан маркер с двумя катушками 61, 6m и на фиг. 10B изображен маркер с тремя катушками 6n, 6o, 6p. Каждая из комбинированных катушек может иметь разный диаметр и/или шаг в пределах объема настоящего изобретения. Однако предпочтительно чтобы несколько катушек имели похожие значения диаметра и шага, так чтобы их можно было тесно переплести между собой, как изображено на фиг. 10A и 10B, для максимального увеличения эффективного использования пространства в оболочке маркера. Дополнительные катушки увеличивают величину отклика приблизительно суммарным образом, хотя присутствуют некоторые потери из-за близости катушек друг к другу.
На фиг. 11A—13 показаны дополнительные варианты осуществления маркера, в которых присутствуют дополнительные элементы для способствования сцеплению с тканью после того, как маркер был имплантирован в пациента. Примеры включают крючок, или зубец, или конические формы катушки и находятся на одном или обоих концах маркера, или выступают со стороны маркера. Например, на фиг. 11A и 11B показан маркер в форме катушки, при этом концы катушки проходят в противоположную сторону от катушки 6 для обеспечения элементов 6q для сцепления. На фиг. 12A—12B показано, что форма этих концов образует элемент 6r для сцепления в виде крючка. Элементы могут быть выполнены из того же материала, что и катушка или из другого материала. Элементы могут быть дополнительно выполнены с возможностью сжатия внутри устройства развертывания маркера и затем, упруго или посредством изменения эффекта запоминания формы, переходить в свою окончательную форму при развертывании. Такие элементы могут быть приспособлены для способствования сцеплению с конкретным типом ткани. Например, катушка с большим диаметром или катушка конической формы, такая как изображена на фиг. 13, может быть предпочтительной для размещения в просвете, кровеносном сосуде или в дыхательных путях в легком. Элементы в форме зубца могут быть предпочтительными для размещения в ткани груди или полости, образованной при биопсии.
На фиг. 14 изображен еще один вариант осуществления маркера согласно изобретению, в котором меньшая катушка 6s сочетается с катушкой 6t, имеющей больший наружный диаметр, внутри маркера. Это является преимущественным для предоставления большего количества магнитного материала в том же ограниченном пространстве, определенном иглой малого калибра для доставки. Опять же катушки могут иметь разные значения диаметра и шага в пределах объема настоящего изобретения, но предпочтительно имеют тесную намотку с минимальным пространством между каждым витком в катушке для максимального увеличения эффективного использования пространства в оболочке маркера.
Магнитный материал с LBJ, намотанный в катушку, как описано в данном документе, можно комбинировать с другими материалами для улучшения маркера. Например, маркер может быть упакован внутри других материалов. В связи с этим, маркеры для имплантации должны быть и биосовместимыми для предотвращения реакции с тканью тела, и надежными. Некоторые предпочтительные магнитные материалы являются тонкими (провода диаметром менее 0,15 мм) и содержат не биосовместимые материалы. Следовательно, для улучшения биосовместимости и надежности маркера, предпочтительно обеспечить корпус или покрытие для магнитного материала. На фиг. 15A—18B прилагаемых графических материалов показаны альтернативные комбинации магнитного материала с другими материалами для формирования упакованного маркера. Это может иметь форму покрытия 22, как изображено на фиг. 17A—17B. Например, магнитный провод может быть покрыт полимерным покрытием, таким как FEP, парилен, PTFE, ETFE, PE, PET, PVC или силикон, или покрыт герметизирующим материалом на основе эпоксидной смолы. В качестве альтернативы или дополнительно магнитный материал может быть заключен в трубку 24 перед тем, как ему придадут необходимую форму маркера, как изображено на фиг. 16A и 16B (изображено в предварительно сформированном состоянии). Это расположение улучшает надежность магнитного материала. Подходящие материалы для трубки включают нитинол, титан, нержавеющую сталь и другие биосовместимые сплавы. Предпочтительно материал является немагнитным и обладает сравнительно низкой проводимостью, чтобы не влиять на магнитный отклик маркера. Предпочтительно удельное объемное сопротивление превышает 2 x 10-7 Ом·м (Ом – метров) для того, чтобы свести к минимуму образование вихревых токов внутри корпуса, что может повлиять на магнитный отклик.
В предпочтительном варианте осуществления биосовместимое и изоляционное покрытие или оболочка, такие как FEP, парилен, PTFE, ETFE, PE, PET, PVC или силикон, дополнительно окружают трубку 24. Этот изоляционный слой препятствует проводимости между витками катушек, дополнительно уменьшая воздействия вихревого тока на магнитный отклик маркера.
В таблице 2, представленной далее, показано влияние проводимости материала трубки на гармонический отклик для прямых отрезков провода с LJB в разных материалах трубки. Сигнал от провода с LBJ в медной трубку с удельным сопротивлением материала, составляющим 0,17 x 10-7 Ом·м, по меньшей мере в 16 раз меньше сигнала от подобных проводов в трубках, изготовленных из других материалов с более высоким удельным сопротивлением, превышающим 2 x 10-7 Ом·м. Использование выборочного разрезания трубки, такого как вырезание спирали прерывистой лазерной резкой, что также обеспечивает гибкость намотки, также может использоваться для увеличения сопротивления и уменьшения образования вихревых токов. Полимерное покрытие может быть нанесено до или после того, как материалу или трубке придадут форму катушки.
В предпочтительном варианте осуществления корпус маркера может быть выполнен из литого или экструдированного материала. Например, полимер может быть экструдирован вокруг магнитного провода для образования покрытого провода, которому затем можно придать форму петли или катушки. Любой из вариантов осуществления, представленных выше, также может быть покрыт сверху полимером методом литья для образования маркера. Преимущество такого варианта осуществления заключается в том, что полимер может обеспечить биосовместимость, а также делает процесс изготовления проще и дешевле. Использование полимеров также сводит к минимуму любые воздействия вихревого тока, наблюдаемые с металлическими покрытиями или корпусами, которые могут влиять на магнитный отклик. Подходящие материалы для покрытия или литья поверх включают PEEK, PEKK, полиэтилен, полипропилен, сложный полиэфир, полиуретан, полиимид, полиэфирблокамид, полиамид, PTFE, FEP, PET и силиконы.
В другом предпочтительном варианте осуществления маркер согласно настоящему изобретению содержит корпус, содержащий одну или более нитей материала 26, намотанных вокруг магнитного материала с образованием более надежной конструкции перед образованием окончательной формы маркера. На фиг. 15A и 15B изображен, например, фрагмент материала 6 маркера с 6 нитями другого материала 26a-f, намотанными вокруг него в виде спирали (см. фиг. 15B). Окружающий материал может иметь форму проводов с круглым, прямоугольным или другим поперечным сечением. Предпочтительно окружающий материал полностью заключает в себе материал магнитного маркера. Нити окружающего материала могут быть сформированы из одного материала или из более, чем одного типа материала, для получения другого профиля свойств материала, таких как прочность, жесткость, удельное сопротивление, магнитный отклик, непроницаемость для радиоизлучения или эхогенность. Окружающий материал может быть намотан одним слоем или несколькими слоями в пределах объема настоящего изобретения. Подобным образом, слои могут быть намотаны в другие стороны или направления и могут содержать разные материалы или поперечные сечения. Подходящие материалы для окружающего материала включают описанные выше относительно варианта осуществления трубки по фиг. 16A и 16B. Различные виды жгутов или плетения, включающие магнитный материал в форме провода, также могут быть предусмотрены в пределах объема настоящего изобретения.
В любом из вышеописанных вариантов осуществления маркер может содержать упруго деформируемый элемент (трубку, жилы провода или покрытие), содержащий провод с LBJ, так что катушка при развертывании увеличивается до большего размера. Увеличение размера может быть инициировано эластично посредством упруго деформируемого материала или посредством материала с эффектом запоминания формы, такого как нитинол.
В дополнительном варианте осуществления поперечное сечение маркера может иметь разные формы, включая круглую, прямоугольную или треугольную, как изображено на фиг. 18A—18C, соответственно. В некоторых случаях маркер, обладающий сечением, в котором есть по существу прямая сторона (например, как на фиг. 18B и 18C), может быть преимущественным для того, чтобы обеспечить углы, под которыми магнитный отклик будет увеличенным по сравнению с другими углами, например, когда прямая секция выровнена с полем возбуждения.
В таблице 1, представленной далее, показаны характеристики маркеров согласно настоящему изобретению и их магнитный отклик H3. Варианты осуществления, изображенные на фиг. 6—10 графических материалов, идентифицированы в столбце 1.
В таблице 2, представленной далее, показано воздействие материала корпуса маркера на величину отклика H3 на расстоянии 20 мм для зонда из прямого отрезка Co-Fe материала с LBJ длиной 4 мм.
В таблице 3, представленной далее, показано изменение величины отклика H3 в зависимости от диаметра на расстоянии 20 мм для маркера с похожими значениями шага катушек, выполненных из нержавеющей стали марки 304 и PET, а также показан увеличенный отклик от катушек, выполненных из материала, в котором меньше противоположных вихревых токов, например, катушек (PET), демонстрирующих увеличение относительного отклика на один виток для одинарных катушек при увеличении диаметра. Это также демонстрирует увеличенный сигнал от катушки с меньшим диаметром, расположенной внутри катушки с большим диаметром (фиг. 14). Все катушки измерены в перпендикулярной ориентации.
На фиг. 19A—19D изображено то, как отклик различных маркеров изменяется с ориентацией оси маркера относительно зонда обнаружения, когда маркер возбуждают при расположении зонда по фиг. 1. В каждом случае продольная ось маркера находится на одной линии с осью 0–180° на фигуре.
На фиг. 19A изображен магнитный отклик от одного железокобальтового аморфного микропровода с LBJ, который относится к известному уровню техники. Гармонический (например, H3) отклик сильнее почти в 40 раз в осевом направлении по сравнению с поперечным направлением обнаружения. Эта асимметрия отклика ожидается от прямого отрезка провода с LBJ на основании литературы известного уровня техники, например, за авторством von Gutfeld (von Gutfeld, RJ и соавт., Amorphous magnetic wires for medical locator applications, Appl Phys. Lett., Vol. 81, No. 10, 2 September 2002), в которой описан отклик в осевом направлении, который во много раз сильнее отклика в поперечном направлении.
На фиг. 19B изображен магнитный отклик от маркера по фиг. 6A, изготовленного из железокобальтового аморфного микропровода с LBJ, где провод с LBJ имеет форму катушки. Согласно традиционной теории провода с LBJ должны быть прямыми для того, чтобы создавать гармонический отклик. Однако, как ни странно, для отрезка провода с LBJ катушка создает сильный гармонический отклик. Еще более удивительным оказалось то, что гармонический отклик в поперечном направлении сильнее гармонического отклика в осевом направлении, что противоречит ожидаемому от физического соотношения сторон (длины и диаметра), который в этом случае равен примерно 6 (см. таблицу 1).
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что такие маркеры можно комбинировать для создания маркера с более оптимальным или предпочтительным профилем гармонического отклика. В частности, предпочтительно, чтобы гармонический отклик на заданном расстоянии от маркера был по существу однородным. Таким образом, например, одинарный прямой провод из известного уровня техники можно скомбинировать с катушкой по фиг. 6A для того, чтобы получить маркер по фиг. 6B.
На фиг. 19C показано изменение гармонического отклика (H3) от такого маркера по фиг. 6B, изготовленного из железокобальтового аморфного микропровода с LBJ, по мере изменения его ориентации относительно зонда. Маркер содержит катушку из тонкой медной трубки, содержащей железокобальтовый аморфный микропровод с LBJ в качестве магнитного материала, причем трубка намотана в катушку с дополнительным отрезком этого провода с LBJ, расположенным в осевом направлении внутри катушки. Катушка имеет диаметр 1,03 мм, длину 6 мм и содержит 17 витков, что равно шагу величиной 0,35 мм. Провод, проходящий в осевом направлении, имеет длину 3,2 мм.
На фиг. 19C показано, что гармонический магнитный отклик является по существу однородным независимо от направления обнаружения, и, в частности, отклик H3 в осевом направлении подобен отклику в поперечном направлении. Таким образом, с помощью соответствующего выбора параметров катушки и выбора дополнительных осевых компонентов, однородность гармонического отклика можно отрегулировать и оптимизировать для получения необходимого профиля отклика в зависимости от направления. Это может быть увеличенный отклик в поперечном направлении или отклик в осевом направлении, но наиболее предпочтительно представляет собой однородный или равный отклик независимо от направления возбуждения или обнаружения. Преимущество однородного отклика заключается в том, что сигнал можно надежным и неизменным образом преобразовать в измеренное расстояние от зонда до маркера. При плохой однородности пользователь будет получать разные измеренные расстояния в зависимости от ориентации маркера относительно зонда, что может приводить в замешательство. Однородность отклика можно оценить, измерив изменение отклика при изменении ориентации маркера относительно зонда и вычислив соотношение максимального и минимального отклика.
В контексте настоящего изобретения однородный отклик означает, что соотношение максимальной и минимальной величины измеряемого отклика (будь это H3 или другой магнитный отклик) составляет меньше 3 и предпочтительно меньше 2. Поскольку магнитный отклик, при обнаружении с использованием расположения, подобного тому, что показано на фиг. 1, уменьшается в зависимости от расстояния в степени от третьей до пятой, если соотношение максимального и минимального магнитного отклика меньше 2, то изменение измеренного расстояния по мере изменения ориентации маркера будет находиться в небольшом диапазоне, как правило, менее ±1-2 мм.
На фиг. 20 изображены графики зависимости магнитного отклика H3 от расстояния (используя конфигурацию по фиг. 1) для маркера по фиг. 7B для нескольких ориентаций маркера. Это показывает, как точность определения расстояния можно поддерживать в пределах ±1-2 мм, независимо от ориентации маркера относительно зонда. В таблице 1, представленной выше, показано соотношение макс:мин величины отклика H3 для некоторого диапазона маркеров, имеющих разные конструкции.
Однородность отклика также можно изменять, регулируя шаг, количество оборотов/витков, длину, диаметр, форму, поперечное сечение и конфигурацию концов катушки, а также изменяя диаметр или шаг витков в разных точках вдоль длины катушки.
На фиг. 19D изображен отклик из варианта осуществления по фиг. 7B, который имеет увеличенный шаг. Маркер содержит катушку из железокобальтового аморфного микропровода с LBJ, имеющую длину 7 мм, диаметр 1,01 мм и 8,5 витков, предоставляя шаг 0,82 мм.
Посредством увеличения шага по сравнению с маркером по фиг. 6A, гармонический отклик (H3) в осевом направлении можно увеличить по сравнению с гармоническим откликом в поперечном направлении для того, чтобы сделать отклик по существу однородным, независимо от направления обнаружения. В этом случае соотношение макс:мин отклика H3 составляет 1,2.
Если увеличивать шаг для улучшения однородности отклика, то будет увеличиваться длина маркера для заданной величины отклика или будет уменьшаться количество витков на заданной длине маркера. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что в этом случае более одной катушки можно комбинировать в форме многозаходной спирали для увеличения отклика, одновременно сохраняя небольшой размер маркера. На фиг. 10A и 10B изображено два таких примера, один с 2 катушками и один с 3 катушками, соответственно, скомбинированными внутри маркера. В этих примерах значения шага комбинированных катушек являются одинаковыми, но следует понимать, что шаг комбинированных катушек можно изменять для получения необходимого профиля отклика.
Настоящее изобретение предлагает новый и усовершенствованный магнитный маркер, который может быть использован в системе и способе обнаружения маркера, тем самым позволяя определять местоположение очага, подлежащего удалению хирургическим путем. Маркер содержит по меньшей мере фрагмент магнитного материала с LBJ, который намотан в катушку, имеющую по меньшей мере один виток, предпочтительно больше витков. Маркер можно привести в возбуждение при напряженности перемагничивающего поля (бистабильный режим) или при напряженности ниже напряженности бистабильного перемагничивающего поля (суб-бистабильный режим) и генерируемые гармоники измеряют в любом направлении для определения положения и ориентации маркера. В вариантах осуществления маркер также может быть предусмотрен с длиной, которая меньше критической длины материала с LBJ, требуемой для обеспечения поведения бистабильного перемагничивания.
1. Магнитный маркер для определения местоположения очага, представляющий собой имплантируемый маркер, содержащий по меньшей мере один фрагмент магнитного материала, который проявляет большой скачок Баркгаузена (LBJ) на своей кривой намагничивания, при этом материал с LBJ содержит по меньшей мере одну петлю с частичным перекрытием, причем указанную по меньшей мере одну петлю поддерживают во время обнаружения маркера.
2. Магнитный маркер по п. 1, отличающийся тем, что маркер содержит по меньшей мере один фрагмент материала с LBJ, имеющий по меньшей мере два полных витка, предпочтительно больше, для формирования катушки или спирали.
3. Магнитный маркер по п. 2, отличающийся тем, что по меньшей мере два витка имеют одинаковый или переменный шаг.
4. Магнитный маркер по п. 2 или 3, отличающийся тем, что по меньшей мере два витка имеют одинаковый или переменный диаметр.
5. Магнитный маркер по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что маркер включает по меньшей мере один осевой элемент, содержащий по меньшей мере один фрагмент материала с LBJ, проходящий по меньшей мере частично через по меньшей мере одну петлю маркера.
6. Магнитный маркер по п. 5, отличающийся тем, что по меньшей мере один осевой элемент имеет форму отдельного фрагмента материала, введенного через по меньшей мере одну петлю, или выполнен в виде одного целого с по меньшей мере одной петлей на одном или обоих концах маркера.
7. Магнитный маркер по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что содержит несколько катушек, при этом несколько катушек переплетены друг с другом или содержат по меньшей мере одну катушку, имеющую витки с меньшим диаметром, находящуюся внутри по меньшей мере одной катушки, имеющей витки с большим диаметром.
8. Магнитный маркер по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что материал с LBJ оснащен покрытием или размещен внутри корпуса, причем покрытие или корпус образованы из материала, обладающего удельным сопротивлением, превышающим 2×10-7Ом⋅м.
9. Магнитный маркер по п. 8, отличающийся тем, что маркер расположен внутри корпуса из нитинола, титана, нержавеющей стали или других биосовместимых сплавов.
10. Магнитный маркер по п. 8 или 9, отличающийся тем, что маркер включает корпус, содержащий одну или более нитей материала, намотанных вокруг магнитного материала, предпочтительно в форме спирали, перед образованием окончательной формы маркера.
11. Магнитный маркер по п. 8, отличающийся тем, что маркер расположен внутри корпуса или покрыт FEP, париленом, PTFE, ETFE, РЕ, PET, PVC, или силиконом, или герметизирующим материалом на основе эпоксидной смолы, или другим биосовместимым полимерным материалом.
12. Магнитный маркер по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что маркер состоит из катушки, которую можно развернуть из иглы в ее окончательную форму, не прибегая к изменению формы.
13. Система обнаружения для определения местоположения магнитного маркера для определения местоположения очага согласно любому из предыдущих пунктов, причем система содержит:
магнитный маркер согласно любому из предыдущих пунктов;
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.
14. Система обнаружения по п. 13, отличающаяся тем, что катушка возбуждения возбуждает маркер при напряженности выше напряженности его перемагничивающего поля для инициирования бистабильного перемагничивающего поведения материала с LBJ или, более предпочтительно, по меньшей мере одна катушка возбуждения возбуждает маркер при напряженности ниже напряженности перемагничивающего поля, необходимого для инициирования поведения бистабильного перемагничивания материала с LBJ маркера.
15. Система обнаружения по п. 13 или 14, отличающаяся тем, что гармонический отклик используется для определения местоположения/расстояния/приближенности маркера от зонда, предпочтительно при этом отношение максимального гармонического отклика к минимальному составляет менее 3.
16. Способ обнаружения магнитного маркера для определения местоположения очага согласно любому из пп. 1-12, причем магнитный маркер содержит по меньшей мере один фрагмент магнитного материала, который проявляет большой скачок Баркгаузена (LBJ) на своей кривой намагничивания, при этом материал с LBJ содержит по меньшей мере одну петлю с частичным перекрытием, поддерживаемую в маркере во время его обнаружения, причем способ включает приложение переменного магнитного поля к маркеру для того, чтобы возбудить маркер с целью инициирования бистабильного или суб-бистабильного перемагничивающего поведения материала с LBJ маркера; и обнаружение одной или более гармоник задающей частоты сигнала, принятого от возбужденного маркера, вызванного изменением в намагниченности маркера.
17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что маркер возбуждают при напряженности ниже напряженности перемагничивающего поля, необходимой для инициирования бистабильного перемагничивания, при этом приложение переменного магнитного поля с возбуждением маркера при напряженности ниже напряженности перемагничивающего поля приводит к обнаружению суб-бистабильного отклика для маркера.
