(57)【要約】【課題】地磁気の影響を受けることなく、検出可能距離を向上した磁性流体検出素子を提供する。【解決手段】棒状軟磁性フェライト１と、棒状軟磁性フェライト１に巻かれた交流励磁コイル２と、棒状軟磁性フェライト１の両端に配置されて前記棒状軟磁性フェライト１の軸方向の交流磁界成分に対して磁気検出感度を有する磁気センサ３ａ、３ｂにより磁性流体検出素子を構成する。棒状軟磁性フェライトの高透磁率特性により励磁磁界および測定磁界の収束が行え、交流計測で地磁気の影響を受けない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状軟磁性フェライト１と、前記棒状軟磁性フェライト１に巻かれた交流励磁コイル２と、前記棒状軟磁性フェライト１の両端に配置されて前記棒状軟磁性フェライト１の軸方向の交流磁界成分に対して磁気検出感度を有する磁気センサ３ａ、３ｂにより構成され、前記磁気センサ３ａ近傍に存在する測定対象物体４中に局在する磁性流体５が滞留する領域６の存在を検出して位置を同定することを目的とし、前記交流励磁コイル２に通流された交流電流によって交流磁界を発生し、前記棒状軟磁性フェライト１が周囲媒質に比べて高透磁率である特性を利用して前記交流励磁コイル２に発生させた磁界を前記棒状軟磁性フェライト１の両端部に空間的に収束させて前記測定対象物体４に対する交流励磁を行い、前記測定対象物体４中に前記磁性流体５が滞留する前記領域６が存在した場合には前記磁性流体５が前記磁性流体の高透磁率特性のために磁化され、発生した磁界が前記棒状軟磁性フェライト１の高透磁率特性で前記磁気センサ３ａ側に収束される一方で、前記棒状軟磁性フェライト１の前記磁気センサ３ｂ側の端面では等磁束密度となる性質を利用して、前記磁気センサ３ａと前記磁気センサ３ｂの磁気検出出力に差が生じることを利用することを特徴とする磁性流体検出素子。
【請求項２】
磁気センサ３ａ、３ｂがホール素子であることを特徴とする請求項１に記載の磁性流体検出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、腫瘍の原発巣からリンパ管に入った腫瘍細胞が最初に到達する可能性が最も高いリンパ節であるセンチネルリンパ節（Sentinel Lymph Node）を同定する根拠として、腫瘍近傍に注入した磁性を有する磁性流体が所定時間後にどのように分布しているかを測定するための磁性流体検出装置に使用され、磁性流体の滞留する領域が測定対象物体中に存在するか否か判定し、かつ磁性流体の滞留する領域が測定対象物体中に存在する場合にその位置を同定することを目的とした磁性流体検出素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、早期癌の発見率が著しく向上したため早期癌の切除手術は頻繁に行われている。一般に、早期癌の手術では、病変部の切除に加えて当該病変部の周囲に存在する癌の転移可能性が高い複数個のリンパ節を切除する郭清（かくせい）が行われることが多い。また、早期癌の手術で郭清された複数のリンパ節に対しては術後に病理検査が行なわれ、リンパ節への癌の転移の有無を確認して術後の治療方針などを決定している。これは手術中に検査を行うには対象となるリンパ節の個数が多いためである。従って、手術段階において、リンパ節への癌の転移の有無は不明であり、このため、早期癌の手術は、病変部近傍に存在する複数個のリンパ節を全て切除するため、患者の負担が大きい。
【０００３】
近年、患者のＱＯＬ（Quality of Life）及び癌切除手術における根治性の両立が求められるようになっている。そのための手法の一つとして、癌の転移がないのであれば可能な限り無用なリンパ節切除を防ぐ、センチネルリンフノード・ナビゲーション・サージェリ（ Sentinel Lymph Node Navigation Surgery )が注目されている。以下、簡単にセンチネルリンフノード・ナビゲーション・サージェリについて説明する。
【０００４】
癌はリンパ節に転移する場合、病変部からリンパ管を経由してリンパ節に転移することが最近の研究により解明されている。従って、癌がリンパ節に転移している場合には、必ずセンチネルリンパ節に転移があると考えられる。ここで、センチネルリンパ節（ Sentinel Lymph Node )とは、癌の原発巣からリンパ管に入った癌細胞が最初に到達するリンパ節のことである。
【０００５】
上記の目的のため、早期癌の手術においては癌切除術中にセンチネルリンパ節を見つけ、生検し、迅速病理検査を行うことにより、リンパ節への癌の転移の有無を判定することができる。センチネルリンパ節に転移した癌細胞が発見されない場合には、残りのリンパ節の切除が不用となる。一方、センチネルリンパ節に転移した癌細胞が発見された場合には、転移状況に応じて、病変部近傍の複数個のリンパ節を切除することになる。
【０００６】
早期癌の手術は、前記センチネルリンフノード・ナビゲーション・サージェリを行なうことで、リンパ節に癌が転移していない患者において、癌の転移のない無用なリンパ節切除が行われることがなく、患者に対する負担を軽減することができる。また、センチネルリンフノード・ナビゲーション・サージェリは、例えば乳癌に限らず、消化器などの開腹手術、或いは腹腔鏡を用いた肺がん手術などにも適用される。
このセンチネルリンフノード・ナビゲーション・サージェリにおいては、センチネルリンパ節を容易にかつ精度良く検出できる検出装置が強く求められている。
上記検出装置のうち磁界を用いた事例としては、例えば、日本国特許第4090722号、日本国特許第3897694号、日本国特許第4163604号、日本国特許第3960558号などで提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第4090722号公報
【特許文献２】特許第3897694号公報
【特許文献３】特許第4163604号公報
【特許文献４】特許第3960558号公報
【０００８】
特許文献１の特許第4090722号特許公報によれば、２つ以上の磁気センサと励磁手段からなる磁性流体検出素子を用いた装置が提案されている。励磁手段は直流磁界または交流磁界を発生させ、複数のセンサ出力の差信号を基に磁性流体が滞留したセンチネルリンパ節を検出している。センチネルリンパ節に滞留する磁性流体の鉄の総量は100μｇ程度と微量であるため、１ｋガウスで励磁してもセンサで計測する磁界の差は50ミリガウス程度と極めて小さい。このため、直流磁界を発生させる場合には地磁気（350ミリガウス程度）の影響を受けやすく、手術室での利用に困難があった。また、交流磁界を励磁する場合には励磁磁界強度は１桁低下してしまうため5ミリガウス程度の差になってしまう欠点があった。これは差を大きくするにはセンサ間の距離を離さなければならないが、特許第4090722号特許公報記載の第２図のように測定対象に近い励磁手段の片側に配置する場合にはセンサ間の距離を大きくするとセンサ先端部が大きくなり、実用に適さない欠点があった。また、励磁手段を挟んでセンサ間の距離を大きくとると、励磁手段からの距離も離れてしまうために十分な励磁強度での励磁が行えず感度が低下してしまう欠点があった。
【０００９】
特許文献２の特許第3897694号特許公報によれば、２つ以上の磁気センサと振動する磁石による励磁手段を用いる装置が提案されている。この方法は直流磁界を発生する磁石を用いているが、空間的に振動しているため、測定対象を交流磁界で励磁することが可能である。それ故、特許文献１の装置の欠点を改善し、地磁気下においても影響を受けることなく、磁性流体の検出を行うことができる。しかしながら、磁石を使うのであるから、複数のセンサは測定対象側に配置しなければならず、センチネルリンパ節の同定精度を向上させるためにセンサ先端部の大きさを小さくすると、センサ間の距離が6ミリ程度に制約されてしまい、センチネルリンパ節が体表面から離れた位置に存在するとセンサ出力の差をとると殆ど優位な差がなくなってしまうため、検出可能距離は最大3ミリに制約されてしまう欠点があった。
【００１０】
特許文献３の特許第4163604号特許公報によれば、励磁手段と複数の振動するコイルを具備し、直流磁界中でコイルを振動させることで磁気センサの一種であるサーチコイルとして機能させる装置が提案されている。しかし、サーチコイルの出力信号は、コイル断面積Ｓと巻き数ｎ、磁束密度の時間微分、すなわちコイルの振動周波数ｆに比例する。従って、センサ先端部の大きさを保ったままセンサ感度を上げるには、巻き数を増やすか、コイルの振動速度を上げる必要があった。しかし、もともと小さなセンサ先端部に格納できる大きさで巻き数を増やすのには限界があり、機械的に振動させているので周波数にも上限が存在した。結果として、センチネルリンパ節の検出距離は3ミリであった。
【００１１】
特許文献４の特許第3960558号特許公報によれば、励磁手段として永久磁石を用い、１つの磁気センサを用いる装置が提案されている。検出距離を伸ばすためにネオジウム磁石等の永久磁石を用いれば、感度は５倍程度向上することができる。しかし、本質的に特許文献１の欠点を解消するには至らない。地磁気の影響を受けやすく、直流磁石なので、測定対象と測定位置の距離で出力値が決まるので、手にセンサを持って測定を行うには熟練を要する欠点を有している。また、周囲に手術台や医療用器具、生体情報モニタ等の磁性体が存在すると、地磁気による帯磁によって測定値が変動してしまう。また、強力な直流磁石は周囲の磁性体に吸着し、医療事故の原因になる可能性が極めて高い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述したように、特許文献１から特許文献４までの先行技術には、地磁気の影響を受け易いことと、検出可能距離が3ミリと短いという欠点が存在している。本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、地磁気の影響を受けずに100μｇの鉄量を持った磁性流体滞留領域を10ミリ以上離れた距離で検出することができる磁性流体検出素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明による第１の磁性流体検出素子は、棒状軟磁性フェライト１と、前記棒状軟磁性フェライト１に巻かれた交流励磁コイル２と、前記棒状軟磁性フェライト１の両端に配置されて前記棒状軟磁性フェライト１の軸方向の交流磁界成分に対して磁気検出感度を有する磁気センサ３ａ、３ｂにより構成され、前記磁気センサ３ａ近傍に存在する測定対象物体４中に局在する磁性流体５が滞留する領域６の存在を検出して位置を同定することを目的とし、前記交流励磁コイル２に通流された交流電流によって交流磁界を発生し、前記棒状軟磁性フェライト１が周囲媒質に比べて高透磁率である特性を利用して前記交流励磁コイル２に発生させた磁界を前記棒状軟磁性フェライト１の両端部に空間的に収束させて前記測定対象物体４に対する交流励磁を行い、前記測定対象物体４中に前記磁性流体５が滞留する前記領域６が存在した場合には前記磁性流体５が前記磁性流体の高透磁率特性のために磁化され、発生した磁界が前記棒状軟磁性フェライト１の高透磁率特性で前記磁気センサ３ａ側に収束される一方で、前記棒状軟磁性フェライト１の前記磁気センサ３ｂ側の端面では等磁束密度となる性質を利用して、前記磁気センサ３ａと前記磁気センサ３ｂの磁気検出出力に差が生じることを利用することを特徴としている。
また、本発明による第２の磁性流体検出素子は、請求項１に記載の磁気センサ３ａ、３ｂがホール素子であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の第１の磁性流体検出素子は、棒状軟磁性フェライト１に巻かれた交流励磁コイル２に交流電流を通流させることにより交流磁界を発生させて交流励磁を行うことができ、棒状軟磁性フェライト１の両端部にそれぞれ配置された棒状軟磁性フェライト１の軸方向の磁界に対する検出感度を有する磁気センサ３ａおよび３ｂの出力を外部の差動増幅器に供給して差電圧を求め、ＤＣサーボにより直流成分を除去し、さらに増幅を行って、励磁周波数で同期検波を行い、振幅成分を取り出すことができる。先行技術で測定の障害となった地磁気成分は直流成分であるので、磁気センサ３ａ、３ｂに磁気勾配による直流誤差が残留してもＤＣサーボにより除去されるので測定結果に影響を与えない特有の効果を奏する。
【００１５】
また、走行する自動車の車軸やエンジンなどの高透磁率材料には地磁気が収束して帯磁している。自動車が地磁気中を移動することで、地磁気収束点も移動するため、環境磁気ノイズが発生する。直流き電方式の電車の架線と線路には互いに逆向きに大電流が流れており、この電流によって磁界が発生しているが、電車の加減速に伴って架線電流が変動するために環境磁気ノイズが発生する。これらの環境磁気ノイズの主成分は直流から100Hz程度の周波数帯域に分布している。第１の磁性流体検出素子の交流励磁コイル２に流れる交流電流の周波数を300Hz以上高い周波数にすることで、上述した外付けの同期検波処理により前記環境磁気ノイズの影響を受けずに測定を行うことができるという特有の効果を奏する。
【００１６】
さらに、本発明の第１の磁性流体検出素子であれば、棒状軟磁性フェライト１が有する高透磁率特性によって、交流励磁コイル２によって発生した励磁用磁界が棒状軟磁性フェライト１に収束されるため、棒状軟磁性フェライト１の軸方向により強い励磁用磁界を発生させることができる。さらに、前記測定対象物体４中に前記磁性流体５が滞留する前記領域６が存在している場合には、前記磁性流体５が前記磁性流体の高透磁率特性のために磁化され、磁界を発生する。この磁性流体５の磁化によって発生された磁界が前記棒状軟磁性フェライト１の高透磁率特性によって前記磁気センサ３ａ側に収束される一方で、前記棒状軟磁性フェライト１の前記磁気センサ３ｂ側の端面では等磁束密度となって磁界が発生する性質があるので、前記磁気センサ３ａと前記磁気センサ３ｂの出力に差を生じさせることができるという特有の効果を奏する。
【００１７】
また、本発明の第２の磁性流体検出素子であれば、磁気センサ３ａ、３ｂがホール素子であるため、ダイナミックレンジが大きく取れ、励磁磁界を強くしても飽和しにくいという特有の効果を奏する。
【００１８】
また、本発明の第２の磁性流体検出素子であれば、磁気センサ３ａ、３ｂがホール素子であるため、感磁面の面積を小さくすることができるので、磁性流体検出素子の先端部の面積を小さく製作することができ、ひいては素子全体を小型化、軽量化することができるという特有の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本件発明の第１の磁性流体検出素子の構成を示す説明図である。
【図２】本発明の第１実施例において製作した磁性流体検出素子の外観写真である。
【図３】本発明の第１実施例の第２の磁性流体検出素子の内部構成を示す図である。
【図４】本発明の第１実施例における磁性流体素子と外付けシステムの概略説明図である。
【図５】本発明の第１実施例における測定結果の１例である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１は本件発明の第１、および第２の磁性流体検出素子の実施例の構造を説明する図である。図１における構成要素の番号は請求項１の構成要素の番号に一致している。１は棒状軟磁性フェライト、２は交流電流が通流される交流励磁コイルである。磁気センサ３ａおよび３ｂは棒状軟磁性フェライトの軸方向の磁界に対する感磁力を有する磁気センサである。特に本件発明の第２の磁性流体検出素子においては磁気センサ３ａ、３ｂはホール素子で構成されている。
【００２２】
図２は実際に製作された本件発明の第２の磁性流体検出素子の写真である。プリント基板上に動かないように固定されている。図２における構成要素の番号は請求項１の構成要素の番号に一致しており、番号に関する説明を繰り返さない。磁気センサ３ａおよび３ｂは棒状軟磁性フェライトの軸方向の磁界に対する感磁力を有する磁気センサである。
【００２３】
図２における磁気センサ３ａ、３ｂは、図３に示すようにホール素子１０が電流駆動回路１１、差動増幅回路１２とともに組み込まれている。電源、グランド、信号出力の３端子構成でパッケージに封入されている。一般にホール素子の電気抵抗は温度によって変化しやすいが、ホール素子１０に対して電流駆動回路１１が定電流を供給することにより、温度によって測定値が変動することを防止している。入力バイアス電流の小さな差動増幅回路１２によって微小なホール電圧の差を精確に求めて増幅している。また、差動増幅器のリファレンス電圧を電源電圧Ｖｃｃの１／２に設定することで、単電源でもバイポーラで磁界測定が行えるように設計されている。
【００２４】
以上が本件発明の第１、および第２の磁性流体検出素子の実施例の具体的な構造である。
次に本件発明の第１、および第２の磁性流体検出素子を接続して測定するための外付け回路について説明する。
【００２５】
図４は本件発明の第１、および第２の磁性流体検出素子に接続して磁性流体検出測定を実施する場合に用いる外付け回路を含んだシステムの概略ブロック構造である。本件発明の第１、および第２の磁性流体検出素子の部分は棒状軟磁性フェライト１、交流励磁コイル２、磁気センサ３ａ、３ｂで構成されており、その他の部分が外付け回路部分である。
【００２６】
汎用ロジック回路で構成されたDDS(Direct Digital Synthesizer)20は励磁周波数のサイン波と同じ周波数で同期して出力される位相遅延された矩形波を出力しており、低域濾過器(LPF：Low Pass Filter)21にサイン波を供給している。低域濾過器(LPF：Low Pass Filter)21ではサイン波の高調波成分をカットしたのち、電流駆動アンプ22に供給している。電流駆動アンプ22は励磁コイル2に交流電流を供給することで、交流磁界を発生している。発生された励磁用交流磁界は、棒状軟磁性フェライト１の透磁率特性のためにフェライト内部に引き込まれて収束する。その結果、棒状軟磁性フェライト１の軸方向に発生する磁界の磁束密度が高くなり、空芯コイルに比して高い磁束密度で励磁を行うことができるのみならず、測定に無関係な部分の磁束密度を下げ、非測定対象物との磁気的干渉を小さく抑える作用が生じるのである。さらに磁気センサ３ａ側の近傍に存在している測定対象物体４の中に磁性流体５を滞留した領域６が存在している場合には、磁性流体５の高透磁率特性により磁性流体５が磁化することによって発生する磁界を棒状軟磁性フェライト１の透磁率特性を利用してフェライト内に引き込むことで、磁気センサ３ａに鎖交する磁界の磁束密度を高くすることができ、フェライト内に引き込まれた磁束は均質になる性質を利用して反対側のフェライト端面から出る磁束密度を分散させることができ、この効果によって磁気センサ３ａ、３ｂの出力信号振幅に大きな差が生じるようになるのである。
【００２７】
磁気センサ３ａ、３ｂの出力信号は、差動増幅器23に供給され、差電圧が演算され、増幅される。ここで、差動増幅器23の出力には、磁気センサ３ａ、３ｂの測定位置が異なることによって地磁気勾配の影響による直流オフセットが存在しているが、差動増幅器23の出力が積分器24に供給されて、積分器24の反転出力が差動増幅器23のリファレンス入力に供給されることで、長時間の累積誤差がゼロとなるようなネガティブ・フィード・バックが構成されることで、直流磁界成分を取り去るＤＣサーボが構成されている。前記ＤＣサーボによって直流成分が除去された差動増幅器23の出力は増幅器25に供給され、増幅されたあとで、乗算器26に供給されている。乗算器26には前記DDS(Direct Digital Synthesizer)20によって発生された励磁周波数と同一の周波数で位相調整された矩形波が供給されており、同期検波を行っている。同期検波によって、乗算器26からは入力サイン波の絶対値が出力され、Ａ／Ｄコンバータ27に供給されて、アナログ信号からディジタル信号に変換されて、パーソナルコンピュータ28に供給される。以上により測定値はディジタル化されてパーソナルコンピュータ28内のメモリやストレージに記録されるのである。
【００２８】
図４に記載しているように、直径１０ミリ、長さ３２ミリの円筒形形状の棒状軟磁性フェライトを使用して、直径１ミリのエナメル線を５０ターン巻いて交流励磁コイルを構成し、インダクタンスを測定したところ１００μＨであった。この交流励磁コイルに300ミリアンペアの交流電流を印加したところ、フェライト端面において約９０ガウスの磁束密度の交流磁界が発生した。鉄総量１００μｇの磁性流体を含んだサンプルを作成し、測定した結果を図５に示す。
各測定位置ではサイン波４００周期分の同期検波測定値を計測している。測定対象物体（サンプル）から３００ミリ離して測定した値を無限遠における測定値として取扱い、各測定距離における測定値から無限遠における測定値をオフセットとして差引いた上で、logスケールに変換している。図５のグラフの横軸はサンプルと磁気センサ３ａの距離を示している。単位はミリメートルである。グラフの縦軸はlogスケールに変換した後でdBに変換した値である。測定は２回実施した。２回とも１０ミリまで離しても検出することができたが、１１ミリ、１２ミリでは有意な値を得ることはできなかった。このことから検出可能距離は従来技術の３ミリから１０ミリに向上したことが確認された。
また、本実施例においては地磁気勾配の影響は確認されなかった。従来技術ではセンサの向きを変えただけで測定値がドリフトを起こしたが、そのような現象は確認されなかった。
【００２９】
以上のように、本件発明の第１、および第２の磁性流体検出素子の実施例１において、地磁気の影響を受けることなく、従来１００μｇの鉄量の磁性流体の滞留部位は距離３ミリまでしか確認できなかったのに対して、１０ミリまで検出できる能力があることが確認できた。これは本件発明の優位性を示している。
また、実施例１においてサンプルと表現している磁性流体が滞留している領域とは具体的にはセンチネルリンパ節を指している。
【００３０】
また、本発明は、以上述べた実施例のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱
しない範囲で種々変形実施可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１  棒状軟磁性フェライト
２  交流励磁コイル
３ａ、３ｂ  磁気センサ
４  測定対象物体
５  磁性流体
６  磁性流体が滞留する領域（センチネルリンパ節）
１０  ホール素子
１１  電流駆動回路
１２  差動増幅回路
２０  ＤＤＳ(Direct Digital Synthesizer)
２１  低域濾過器（LPF : Low Pass Filter）
２２  電流駆動アンプ
２３  差動増幅器
２４  積分器（ＤＣサーボ）
２５  増幅器
２６  乗算器（同期検波回路）
２７  Ａ／Ｄコンバータ
２８  パーソナルコンピュータ（パソコン）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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