JP6268325B1 - 磁性体定量装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
検体内の磁性体を定量するにあたり、検体の配置された位置による検出結果への影響を抑制して高精度の検出結果を得ることができる磁性体定量装置を提供する。
【解決手段】
第一交流励起磁場を発生させる第一電磁石２と、ピックアップコイル５を備えた磁性体定量装置１において、直流励起磁場を発生させる１対の永久磁石４ａ、４ｂと、第二交流励起磁場を発生させる第二電磁石３を備え、１対の永久磁石４ａ、４ｂは、第一電磁石２と同軸芯上で、あいだに磁性体配置部１０２が位置するよう配設され、第一電磁石２、第二電磁石３及び永久磁石４ａ、４ｂは、磁性体配置部１０２で重畳的に印加される磁場の強度がピックアップコイル５から離れるほど上昇するよう構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁性体、特に生体組織内の磁性体を定量するための装置及びその製造方法に関する。

従来、生体内に磁性体を注入して、特定部位や組織の磁性体の磁気を検出することによって、生体の状態を確認、特定することが行われている。例えば、乳癌の治療では、センチネルリンパ節（sentinel lymph node）生検をすることで、癌細胞の転移を確認することが行われている。この際、摘出されたリンパ節のうち、どのリンパ節がセンチネルリンパ節であるかを特定する必要がある。センチネルリンパ節を特定する手法として、病変部に磁性流体を注入し、しかるべき時間経過後、注入した磁性流体の磁気を検出して行うものが知られている。

このような生体組織内の磁性体から磁気を検出する装置としては、磁気プローブ（例えば、特許文献１）や、ＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum Interference Device、超伝導量子干渉計）を用いた磁気特性測定装置（例えば、特許文献２）が知られている。磁気プローブは、手持ち可能な小型の製品も存在し、対象とする磁性体を検出することができる。また、ＳＱＵＩＤを用いた磁気特性測定装置は高感度で、極小な磁性体（ｎｇオーダー）の検出をすることができる。また、特許文献３には、超常磁性体の測量装置として、磁性体の非線形磁化特性を利用することで、測定対象に交流磁場を印加した状態で、直流磁場を印加した場合としない場合の検出値の差分から、測定対象から生体組織等の線形磁化特性を有する常磁性体等の影響を排除して磁性体を検知するものが記載されている。

また、強磁性体や超常磁性体は、印加した磁場に対して非線形な磁化特性を示し、任意の強度の直流磁場と交流磁場によって磁化させると、交流磁場の周波数成分の２倍、４倍といった偶数倍の高調波成分が発生することが知られている（非特許文献１参照）。

国際公開第２０１７／０８１７８３号公報 特開２０１４−２１９３７１号公報 欧州特許出願公開第２７３５８７９号公報

J.B. Weaver et al "Frequency distribution of the nanoparticle magnetization in the presence of a static as well as a harmonic magnetic field", Medical Physics, Vol.35, No.5, May 2008 p.1988-1994

しかしながら、磁気プローブによる磁気の検出では、生体組織内の磁性体の分布や、使用者によるプローブの接触方法に依存して検出値が変化するため、生体組織内に含まれる磁性体の量を絶対的に測定（μｇなどの質量表示）することはできない。また、ＳＱＵＩＤを用いた磁気特性測定装置では、使用に際して液体ヘリウム・液体窒素などの冷媒が必要となり、装置も大型であるため、導入・運用にコストがかかる。さらに、いずれの装置も、検出の目的である鉄などの磁性体（強磁性体・超常磁性体）だけでなく、検体の生体組織等が有する常磁性体や反磁性体も含めて検出してしまうため、磁性体を正確に定量することが困難である。特許文献３の装置は、常磁性体や反磁性体の影響を排除して定量可能であるとしても、磁性体の分布や検体の配置によっては、検出値が異なるおそれがある。

検体の配置による検出値への影響は、図９で示すような問題として理解することができる。図９において、５１は定量対象物である磁性体、５２は交流励起磁場を発生させて磁性体５１を磁化させる磁場励起コイル、５３は磁化された磁性体５１から生じる磁場を検出するピックアップコイルであって、該ピックアップコイル５３は、互いに逆巻きの一対のコイル５３ａ、５３ｂからなる。図９（Ａ）〜（Ｃ）は、磁場励起コイル５２による交流励起磁場が同位相のときの、磁性体５１の有無及び配置によるピックアップコイル５３の検出値への影響を模式的に示している。ピックアップコイル５３は、各コイル５３ａ、５３ｂそれぞれの磁力線Ｌの本数の変化（磁束の変化）に基づいて、磁性体５１の磁場を検出するように構成されている。図９（Ｂ）で表されるように、磁性体５１がコイル５３ａ、５３ｂから等距離の中央位置に配された場合には、コイル５３ａ、５３ｂを通過する磁力線Ｌの数は、いずれも３本である。しかし、図９（Ｃ）では、磁性体５１がコイル５３ａ側に偏倚して配されたことに伴い、コイル５３ａを通過する磁力線Ｌの数は５本であるのに対し、コイル５３ｂを通過する磁力線Ｌの数は３本となっている。したがって、磁性体５１の質量自体は図９（Ｂ）と（Ｃ）で変わらないにもかかわらず、磁性体５１の配置の違いによってピックアップコイル５３での検出値が異なってしまうこととなる。

そこで、生体組織内の磁性体の分布や検体の配置によらず、磁性体からの磁場信号を高精度で検出可能な磁性体の測定装置が求められており、これらに本発明が解決せんとする課題がある。

本発明は、上記の課題を解決するため鋭意創作されたものであって、請求項１の発明は、所定の磁性体配置部に配された磁性体の質量を定量するにあたり、第一交流励起磁場を発生させて前記磁性体配置部に配された磁性体を磁化する同軸芯上に配された１対の第一磁場励起コイルと、前記一対の第一磁場励起コイルのあいだに同軸芯上に配されて電磁誘導されるピックアップコイルと、前記磁性体が磁化されることによって発生する磁場信号を、前記ピックアップコイルを通じて検出する検出部と、前記検出部の検出値に基づいて前記磁性体配置部に配された磁性体の質量を定量する定量部を備えた磁性体定量装置であって、該磁性体定量装置は、直流励起磁場を発生させて前記磁性体配置部に配された磁性体を磁化する１対の永久磁石と、第二交流励起磁場を発生させて前記磁性体配置部に配された磁性体を磁化する第二磁場励起コイルと、前記定量部で定量した磁性体の質量の定量値を表示する表示部をさらに備えており、前記１対の永久磁石は、前記第一磁場励起コイルと同軸芯上で、あいだに前記磁性体配置部が位置するよう配設され、前記磁性体配置部に配された磁性体には、第一交流励起磁場と、第二交流励起磁場と、直流励起磁場とが重畳的に印加され、前記第一磁場励起コイル、第二磁場励起コイル及び前記永久磁石は、前記磁性体配置部で重畳的に印加される磁場の強度が前記ピックアップコイルから離れるほど上昇するよう構成されることで、前記磁性体配置部に配された磁性体が前記ピックアップコイルから離れるほど強く磁化されるよう構成されていることを特徴とする磁性体定量装置である。
請求項２の発明は、前記検出部は、磁性体が磁化されることによって発生する磁場信号を検出するにあたり、周波数が前記第一交流励起磁場及び第二交流励起磁場が重畳した重畳交流励起磁場の周波数の２倍の高調波を同期検波し、前記定量部は、同期検波の結果に基づいて磁性体を定量することを特徴とする請求項１記載の磁性体定量装置である。
請求項３の発明は、所定の磁性体配置部に配された磁性体の質量を定量するにあたり、第一交流励起磁場を発生させて前記磁性体配置部に配された磁性体を磁化する１対の第一磁場励起コイルと、前記一対の第一磁場励起コイルのあいだに配されて電磁誘導されるピックアップコイルと、前記磁性体が磁化されることによって発生する磁場信号を、前記ピックアップコイルを通じて検出する検出部と、前記検出部の検出値に基づいて前記磁性体配置部に配された磁性体の質量を定量する定量部を備えた磁性体定量装置の製造方法であって、該製造方法は、前記第一磁場励起コイル及び前記ピックアップコイルを同軸芯上に配し、直流励起磁場を発生させて前記磁性体配置部に配された磁性体を磁化する１対の永久磁石と、第二交流励起磁場を発生させて前記磁性体配置部に配された磁性体を磁化する第二磁場励起コイルを設けるに際して、第一磁場励起コイルによって第一交流励起磁場、第二磁場励起コイルによって第二交流励起磁場、永久磁石によって直流励起磁場を印加した状態で、磁性体配置部内の任意の位置に磁性体を移動させるとともに、前記検出部によって移動後の検出値を検出する検出工程と、該検出値が移動後に予め設定された所定範囲内に収まらない場合に、前記第一磁場励起コイルと、前記第二磁場励起コイルと、前記永久磁石と、前記ピックアップコイルの形状及び／又は配置を調節する調節工程を有しており、検出工程の検出値が磁性体配置部内全域で所定範囲内に収まるまで検出工程及び調節工程を繰り返すことを特徴とする磁性体定量装置の製造方法である。

請求項１、３の発明とすることで、磁性体配置部内に検体を配置した場合に、検体の配置された位置や検体内での磁性体の偏在による検出信号への影響を抑えて、一様な検出結果を得ることが可能となる。
請求項２の発明とすることで、信号強度の大きい第２高調波信号を検出するため、検体の常磁性や反磁性の線形磁化特性を有する物質による影響を抑え、高感度の測定が可能となる。

本発明の実施形態の磁性体定量装置の概略図である。 本発明の実施形態の磁性体定量装置の変形例を示す概略図である。 本発明の実施形態の磁性体定量装置の機構を表す模式図である。 実施例１の磁性体定量装置の概略図である。 実施例１の磁性体定量装置の磁性体配置部付近の検出値を示すグラフである。 実施例１の磁性体定量装置と比較用装置の検出値を示すグラフであって、（Ａ）はＲ＝０におけるＺの変化による検出値の変化、（Ｂ）はＺ＝０におけるＲの変化による検出値の変化を示すものである。 （Ａ）〜（Ｃ）複数の形状の磁性体サンプルの配置を示す模式図である。 実施例１の磁性体定量装置において、Ｒ＝０におけるＺ方向の直流励起磁場と交流励起磁場のそれぞれの磁束密度を示したグラフである。 （Ａ）〜（Ｃ）従来技術において、磁性体の配置によって検出値が異なることを示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。１は、生体組織内の磁性体を定量する磁性体定量装置である。該磁性体定量装置１は、第一交流励起磁場を発生させる１対の第一磁場励起コイルであるヘルムホルツコイル２と、第二交流励起磁場を発生させる第二磁場励起コイルである一対の磁場補正コイル３と、一対の永久磁石４と、互いに逆巻きな１対のコイルからなるピックアップコイルであるグラジオメータ５と、ヘルムホルツコイル２及び磁場補正コイル３にそれぞれ交流電流を印加する交流電源６と、グラジオメータ５への誘導電圧を検出することで定量対象の磁性体１０１が磁化されることによって発生する磁場信号を検出する検出部７と、検出された磁場信号に基づいて定量対象の磁性体１０１を定量する定量部８と、定量値を表示する表示部９と、を備えて構成されている。磁性体１０１は、一対の永久磁石４のあいだの所定の磁性体配置部１０２に配されて、交流電源６によってヘルムホルツコイル２及び磁場補正コイル３に交流電流が印加されることでそれぞれ発生する第一交流励起磁場及び第二交流励起磁場、並びに一対の永久磁石４によって発生する直流励起磁場が重畳的に印加されて磁化される。

磁性体１０１は、磁性体定量装置１によって定量される定量対象であって、検体１０３である生体組織内の磁性粒子である。例えば、乳癌の癌細胞の転移を確認するためにセンチネルリンパ節を特定するにあたり、磁性流体としてリゾビスト（登録商標）を投与してセンチネルリンパ節を摘出した場合には、摘出したセンチネルリンパ節が検体１０３に該当し、リゾビストに含有される超常磁性酸化鉄が磁性体１０１に該当する。

本実施形態の磁性体定量装置１は、例えば２０ｍｍ以下の生体切片の検体１０３を対象とすることができる。しかし、装置全体をスケールアップすれば、生体切片に限らず、特定の部位全体、あるいは生体全体を磁性体配置部１０２に配して磁性体１０１を定量することもできる。したがって、磁性体定量装置１は、必ずしも特定の大きさの検体１０３に用いられるものに限定されるものではない。

ヘルムホルツコイル２は、２つの同一のコイルを、コイル間の距離が各コイルの半径と等しくなるよう同軸芯上に配して直列に接続したコイルであって、一様性の高い磁場を発生させることができるコイルとして周知のものである。ヘルムホルツコイル２は交流電源６に接続されていて、交流電源６から交流電流が印加されることで第一交流励起磁場を発生させる。したがって、ヘルムホルツコイル２によって発生する第一交流励起磁場は一様性が高く、磁性体配置部１０２の範囲内では、磁性体１０１が第一交流励起磁場によって磁化された場合に、磁性体１０１の磁力はほぼ均一なものとなる。

１対のコイルからなる磁場補正コイル３は、ヘルムホルツコイル２と同軸芯上に配されている。一対の磁場補正コイル３のコイルは、巻き方向が同一方向であり、直列に接続されている。磁場補正コイル３は、交流電源６に接続されていて、交流電源６から交流電流が印加されることで第二交流励起磁場を発生させる。第二交流励起磁場は、第一交流励起磁場と異なり非一様な磁場であって、後述する直流励起磁場とともに、磁性体配置部１０２内の磁場を、グラジオメータ５から離間するほど強くするよう、調整されている。このような第二交流励起磁場の調整方法としては、磁場補正コイル３のコイル半径や、軸芯方向の位置を後述する方法によって適宜調節すればよい。なお、磁場補正コイル３は必ずしも一対のコイルとする必要はなく、例えば、図２に示されるように、磁性体配置部１０２の近傍に一つのコイルを配したものとすることもできる。また、必要に応じてさらにコイルの数を増やすこともできる。

永久磁石４は、ネオジム等の強磁性の希土類磁石が好適であって、ヘルムホルツコイル２と同軸芯上に、磁性体配置部１０２を挟んで配される第一磁石４ａと、第二磁石４ｂからなる。第一磁石４ａは、グラジオメータ５の一対のコイルの中心付近に配される一方、第二磁石４ｂは、ヘルムホルツコイル２の一方のコイルの軸芯方向外側に配されている。第一磁石４ａと第二磁石４ｂは、異なる磁極の磁極面が互いに対向するように配されている。本実施の形態では、第一磁石４ａの第二磁石４ｂ側の磁極面がＮ極、第二磁石４ｂの第一磁石４ｂ側の磁極面がＳ極となるように配されているが、これと反対に、第一磁石４ａの第二磁石４ｂ側の磁極面がＳ極、第二磁石４ｂの第一磁石４ｂ側の磁極面がＮ極となるように配してもよい。これによって、第一磁石４ａから第二磁石４ｂに向けて直流励起磁場が生じ、あいだの磁性体配置部１０２に配された磁性体１０１が磁化されることとなる。

第一磁石４ａ、第二磁石４ｂは、いずれも中空なリング状の磁石としている。リング状の磁石とすることにより、検体１０３を磁性体配置部１０２に配するための挿通経路１０４を容易に設けることができる。もっとも、第一磁石４ａ、第二磁石４ｂはリング状の磁石に限られず、例えば中実の円柱磁石とする等、適宜の形状とすることができる。第二磁石４ｂを中実の円柱磁石とした場合には、例えば挿通経路１０４をヘルムホルツコイル２の軸芯方向に対して垂直方向に設ければ、検体１０３を磁性体配置部１０２に配することができる。

永久磁石４によって直流励起磁場が発生するが、この直流励起磁場と、ヘルムホルツコイル２によって発生する第一交流励起磁場と、磁場補正コイル３によって発生する第二交流励起磁場とによって磁性体１０１が磁化されることとなる。すなわち、磁性体１０１には、交流磁場としては第一交流励起磁場と第二交流励起磁場が重畳した重畳交流励起磁場が印加される。そして、磁性体１０１が直流励起磁場と重畳交流励起磁場の印加により磁化されることによって、重畳交流励起磁場の周波数成分の２倍、４倍といった偶数倍の高調波成分が発生することとなる。

グラジオメータ５は、同じコイルを互いに逆巻きにした一対のコイル５ａ、５ｂが直流に接続されて構成されており、その下流で検出部７に接続されている。検体１０３（磁性体１０１）が配されていない場合には、グラジオメータ５のコイル５ａと５ｂとで磁束の変化率が等しくなり、互いの誘導電圧が正負で等しいものとなってキャンセルされ、検出部７では誘導電圧が０Ｖとなって検出されないこととなる。この原理よって、重畳交流励起磁場を検出することなく、磁性体１０１の磁場信号を検出することができる。

理論的には、グラジオメータ５の一対のコイル５ａ、５ｂによって重畳交流励起磁場の信号を完全にキャンセルすることができるが、設計誤差等によって完全にキャンセルできない場合がある。このような場合には、補償コイル１０を設けることができる。補償コイル１０は、一方のヘルムホルツコイル２の軸芯方向外側に位置するよう、グラジオメータ５に直列で接続されており、検体１０３（磁性体１０１）を配さずに重畳交流励起磁場を励起した場合に、検出部７で検出される電圧が０Ｖとなるよう適宜配設される。これによって、グラジオメータ５が第一交流励起磁場の信号をキャンセルして磁性体１０１の磁場のみを検出可能となる。

交流電源６は、ヘルムホルツコイル２及び磁場補正コイル３に、それぞれ同周波数ｆ_０の交流電流を印加する。交流電流の周波数ｆ_０や印加する電流の大きさは、任意に設定可能となっている。したがって、電流の出力を調整することにより、第一交流励起磁場、第二交流励起磁場の磁場強度を所望のものとすることができる。

検出部７は、グラジオメータ５に生じた誘導電圧を検出して増幅する増幅器７ａと、バンドパスフィルタ７ｂと、ロックインアンプ７ｃと、から構成されている。バンドパスフィルタ７ｂは、増幅器７ａによって増幅された誘導電圧の信号から交流電源６が印加する交流電流の周波数ｆ_０の２倍の２ｆ_０の周波数の成分を通過させて、ロックインアンプ７ｃに伝達するよう設けられている。ロックインアンプ７ｃは、交流電源６に設定された周波数ｆ_０の２倍の周波数を参照信号、バンドパスフィルタ７ｂを通じて伝達されたグラジオメータ５に生じた誘導電圧の２ｆ_０の高調波を検出信号として、同期検波することにより、磁性体１０１の磁化によって生じた磁場を検出し、これを定量部８に出力するよう設けられている。なお、検出部７はグラジオメータ５に生じた誘導電流を計測して、同様に定量部８に出力するようにしてもよい。

磁性体１０１は非線形磁化特性を有するため、第一、第二交流励起磁場と直流励起磁場とによって重畳的に磁化させると、重畳交流磁場の周波数成分の２倍（２ｆ_０）、４倍（４ｆ_０）といった偶数倍の高調波成分が発生する。このうち、第２高調波成分（２ｆ_０）がもっとも信号強度が大きいため、本実施の形態では、この第２高調波成分の信号を検出することとしている。このように第２高調波成分を検出することにより、検体１０３に含まれる、線形磁化特性を有する他の常磁性や反磁性の物質に影響されることなく、対象の磁性体１０１の信号のみを検出可能となり、高感度な定量をすることができる。

定量部８は、検出部７のロックインアンプ７ｃから出力された検出値を、予め検出値と磁性体の質量との対応関係から作成された検量線等の参照データに基づいて、検出値から磁性体１０１の質量を定量し、磁性体１０１の質量を表示部９に伝達するよう構成されている。そして、表示部９は、定量部８から伝達された磁性体１０１の質量を表示するものであり、例えばモニターやスクリーン等とすることができる。表示部９の表示から、作業者は検体１０３内の磁性体１０１の質量を適宜確認することができる。

磁性体配置部１０２は、グラジオメータ５の近傍で、所定の範囲として設定することができる。本実施の形態では、検体１０３を、挿通経路をグラジオメータ５の軸芯方向に挿通可能なスライド体１０５の先端付近に配して、第二磁石４ｂ側に設けられている挿通経路１０４からスライド体１０５を挿通させることで、検体１０３を磁性体配置部１０２に配置するようになっている。もっとも、このようなスライド体１０５を用いずに、直接磁性体配置部１０２に検体１０３を配置可能な構成とすることも可能であり、適宜の設計のものとすることができる。

このような磁性体定量装置１において、磁性体配置部１０２には、第一交流励起磁場、第二交流励起磁場、直流励起磁場が重畳的に印加されることとなる。そして、重畳的に印加された磁場の強度は、グラジオメータ５から離れるほど上昇するよう、ヘルムホルツコイル２、磁場補正コイル３、永久磁石４、グラジオメータ５が設計されている。一般に、一様な交流磁場が印加されている場合には、グラジオメータ５から磁性体１０１が遠ざかるほど、検出部７で検出される検出信号の強度が小さくなってしまう。そこで、重畳的に印加された磁場の強度を、グラジオメータ５から離れるほど上昇するよう設計することにより、グラジオメータ５から磁性体１０１が離れるほど強く磁化されることとなって、磁性体１０１の配置による検出信号への影響を抑制し、高精度の検出結果を出力することができる。

このような磁性体配置部１０２内で検出信号が一様とする磁性体定量装置１は、次のような方法で製造することができる。まず、ヘルムホルツコイル２とグラジオメータ５を同軸芯上で対称に配置し、交流電源６を起動してヘルムホルツコイル２によって第一交流励起磁場を発生させる。このときに、グラジオメータ５からの検出信号がキャンセルされているかを検出部７の出力から確認する。キャンセルされておらず、グラジオメータ５がバックグラウンドの磁場の影響を受けているような場合には、補償コイル１０を適宜設けてキャンセルされるよう調節する。

次に、磁場補正コイル３と永久磁石４とを配設することとなるが、磁場補正コイル３と永久磁石４の形状、配置については以下の検出工程及び調節工程を繰り返すことによって決定される。まず、検出工程について説明する。任意の位置に磁場補正コイル３及び永久磁石４を配し、交流電源６を起動してヘルムホルツコイル２によって第一交流励起磁場、磁場補正コイル３によって第二交流励起磁場を発生させるとともに、永久磁石４の第一磁石４ａ、第二磁石４ｂによって直流励起磁場を発生させて各磁場が重畳的に発生された状態で、磁性体配置部１０２の任意の位置に磁性体１０１を配置し、検出部７によって検出信号を出力する。その後、磁性体１０１を磁性体配置部１０２の別の位置に移動させて、再度検出部７によって検出信号を出力する。そして、予め設定しておいた所定範囲内（例えば基準値に対して８０％以内）に検出信号が収まっているかを確認し、検出信号が移動後に所定範囲内ではない場合は、次の調節工程に進む。検出信号が移動後に所定範囲内にある場合には、再度磁性体１０１を磁性体配置部１０２のさらに別の位置に移動させて再度検出部７によって検出信号を出力し、検出信号が移動後に所定範囲内にあるかを確認する。そして、検出信号が移動後に所定範囲内ではない場合には、調節工程に進む。このような磁性体１０１の移動と検出信号の確認を繰り返し、最終的に所定の磁性体配置部１０２内において検出信号が所定範囲内にあることが確認されると、磁場補正コイル３と永久磁石４の形状、配置が決定される。

最初の検出工程における磁場補正コイル３及び永久磁石４の配置としては、グラジオメータ５の外側近傍の任意の位置で、直流励起磁場が最小になり、重畳交流励起磁場が最大になるように配置することが望ましい。また、直流励起磁場と重畳交流励起磁場の比率は、設定予定の磁性体配置部１０２において、概ね０．５〜２．０程度になるよう設計することが望ましい。

次に、調節工程について説明する。調節工程では、検出工程の検出結果に基づいて、磁場補正コイル３と、永久磁石４の形状、配置を適宜調節する。具体的には、磁場補正コイル３の半径や位置、永久磁石４の第一磁石４ａ、第二磁石４ｂのそれぞれの大きさ、強度、位置、対向距離などを調節する。調節後は、再度検出工程を行い、検出工程において検出信号が移動前後で等しくなるまで、検出工程と調節工程を繰り返すことにより、磁場補正コイル３と、永久磁石４の形状、配置が最適化され、磁性体配置部１０２内での位置によらず、磁性体１０１によるグラジオメータ５からの検出信号が一様なものとなる。検出信号が一様なものであるということは、すなわち、磁性体配置部１０２に重畳的に印加される磁場の強度は、グラジオメータ５から離れるほど上昇しており、これによって磁性体１０１はグラジオメータ５から離れるほど強く磁化されていることを意味している。

なお、調節工程では、磁場補正コイル３と永久磁石４の形状、配置について調節することとしているが、これに加えてヘルムホルツコイル２とグラジオメータ５の形状や配置を調節してもよい。ただし、これらを調節した場合には大掛かりな調節となるため、磁場補正コイル３と永久磁石４の調節にとどめることが好ましい。さらに、実際には各部材のサイズを変更することは負担が大きいため、配置や対抗距離の調整によって全体の調節を進めることが好ましい。

第１実施形態の磁性体定量装置１の実施例について図４〜図８を参照して説明する。ヘルムホルツコイル２は、半径６２ｍｍ、巻数２９０の一対の磁場励起コイルであって、コイル間の距離は６２ｍｍに設定されている。ヘルムホルツコイル２の軸芯方向をＺ軸（ｍｍ）、水平方向の径方向をＲ軸（ｍｍ）とし、Ｚ軸とＲ軸の交点（原点）を一対のヘルムホルツコイル２のあいだの中央として、各構成の位置関係を説明する。Ｚ軸は、原点に対して磁性体配置部１０２側を正方向として定義する。Ｒ軸は、Ｚ軸の正方向を平面視で反時計回りに９０度回転した方向を正方向として定義する。

ヘルムホルツコイル２は、Ｚ＝±３１の位置に、Ｒ＝０を中心としてＲ＝±６２が外周となるよう対向して設けられている。ヘルムホルツコイル２には、交流電源６によって電流が０．３Ａ、周波数が２．９４４ｋＨｚの交流電流が印加され、これによって第一交流励起磁場が発生する。

磁場補正コイル３は、半径１５．５ｍｍ、巻数５０の一対の磁場励起コイルであって、コイル間の距離は６８ｍｍに設定されている。したがって、磁場補正コイル３は、Ｚ＝±３４の位置に、Ｒ＝０を中心としてＲ＝±１５．５が外周となるよう対向して設けられている。磁場補正コイル３にも、ヘルムホルツコイル２と同様に交流電源６によって電流が０．３Ａ、周波数が２．９４４ｋＨｚの交流電流が印加され、これによって第二交流励起磁場が発生する。

永久磁石４は、いずれもＮ３５のネオジム磁石で、保持力が約９００ｋＡ／ｍ、表面磁束密度が約５６０ｍＴである。第一磁石４ａは半径６ｍｍのリング状磁石であり、Ｚ＝−２で、Ｒ＝０を中心としてＲ＝５を内周、Ｒ＝６を外周とした位置に配されている。第二磁石４ｂは半径６ｍｍのリング状磁石であり、Ｚ＝６１で、Ｒ＝０を中心としてＲ＝５を内周、Ｒ＝６を外周とした位置に配されている。

グラジオメータ５は、半径２１．５ｍｍ、巻数５００の磁場励起コイルであって、Ｚ＝±２０の位置に、Ｒ＝０を中心としてＲ＝±２１．５が外周となるよう対向して設けられている。また、補償コイル１０は、半径１８ｍｍ、巻数２００のコイルであって、−５０≦Ｚ≦−１００の任意の位置に配されている。

このように構成された磁性体定量装置１において、直径３ｍｍの磁性体サンプルを任意のＺ及びＲの位置に移動させ、検出値を測定した結果が、図５のグラフである。このグラフでは、Ｚ＝２５、Ｒ＝０の位置における磁性体サンプルの検出値を基準値（＝１）として、当該基準値に対する相対的な検出値が０．９７、０．９２、・・・、０．７７となる位置をそれぞれ線で繋いで示したものである。Ｒについては、各コイルや磁石が対称に配されているため、結果も正負で対称になると考えられることから、正方向のみを記載してＲ＜０を省略している。この結果によれば、Ｚ＝２５、Ｒ＝０を中心とした半径１０ｍｍの円形状の範囲（（Ｚ−２５）^２＋Ｒ^２≦１０^２を満たす範囲）では、基準値に対して８０％程度に収まる範囲の検出値となることが確認できる。本実施例では磁性体配置部１０２は、このＺ＝２５、Ｒ＝０を中心とした半径１０ｍｍの円形状の範囲と設定されている。

図６は、本実施例における磁性体定量装置１と、磁性体定量装置１から磁場補正コイル３及び永久磁石４を除いた比較用装置１５１との比較を示すグラフである。実線が磁性体定量装置１、破線が比較用装置１５１の検出結果を示している。図５の場合と同様の方法でそれぞれの装置からの検出値をプロットし、図６（Ａ）ではＲ＝０のときに、Ｚを変化させた場合のそれぞれの検出値の変化、図６（Ｂ）ではＺ＝２５のときにＲを変化させた場合のそれぞれの検出値の変化を示している。なお、Ｒ＜０については、対称となるため、省略されている。

図６（Ａ）によれば、１５≦Ｚ≦２５、Ｒ＝０の範囲において、磁性体定量装置１の検出値は基準値に対して８０％程度に収まっているのに対して、比較用装置１５１の検出値は基準値に対して６０％程度まで低下していることが分かる。また、図６（Ｂ）によれば、Ｚ＝２５、−１０≦Ｒ≦１０の範囲において、磁性体定量装置１の検出値は基準値に対して９５％程度に収まっているのに対して、比較用装置１５１の検出値は基準値に対して１３０％程度まで上昇していることが分かる。

図６のこれらの結果によれば、磁場補正コイル３及び永久磁石４を本実施例のように設けることにより、これらを設けなかった場合より、検出精度が向上していることが分かる。すなわち、ヘルムホルツコイル２による第一交流励起磁場に加え、磁場補正コイル３による第二交流励起磁場及び永久磁石４による直流励起磁場を重畳的に印加させることで、検体１０３の配置された位置や検体１０３内での磁性体１０１の偏在による検出信号への影響を抑えて、高精度な検出結果を得ることが可能となっていることが確かめられた。

次に、上記の結果が磁性体サンプルの形状や分布に依存したものでないことを確かめるために、上記の磁性体定量装置１で、同じ鉄量を含んだ磁性体サンプルの形状を、図７（Ａ）〜（Ｃ）のように変更した場合の検出値を測定した。それぞれの磁性体サンプルはＺ＝２５、Ｒ＝０を中心となるよう配置されていて、図７（Ａ）は上記のものと同じ直径３ｍｍの磁性体サンプル、図７（Ｂ）は直径２０ｍｍの磁性体サンプル、図７（Ｃ）は直径２０ｍｍで中心の直径１６ｍｍの円の範囲には鉄が含まれていない磁性体サンプルを配置している。これらの測定結果では、図７（Ａ）の検出値を基準値として、図７（Ｂ）では検出値が０．９７、図７（Ｃ）では検出値が０．９１となった。したがって、磁性体定量装置１では形状や分布が異なる３つの磁性体サンプルにおいて、９０％以上の精度の検出結果を得られることが確認できた。このことから、本実施例の磁性体定量装置は、磁性体サンプルの形状や磁性体の偏在による検出信号への影響を抑えて、高精度な検出結果を得ることが可能となっていることが確かめられた。

本実施例の磁性体定量装置における、直流励起磁場と交流励起磁場（第一交流励起磁場及び第二交流励起磁場を合わせたもの）の磁束密度の分布は図８のようになっている。図８は各磁場の、Ｒ＝０における、Ｚの変化による磁束密度の変化を示しており、磁性体配置部１０２である（Ｚ−２５）^２＋Ｒ^２≦１０^２を満たす範囲では、グラジオメータ交流励起磁場と直流励起磁場の比が０．５〜２．０程度になっていることが分かる。

なお、本実施例における各コイルの径及び巻数、永久磁石の強度及びサイズ、並びに各コイル及び永久磁石の配置は、本発明の一例を示したに過ぎず、本発明は本実施例に限定されるものではない。各構成のサイズは磁性体定量装置が対象とする検体の大きさに依存して変化することは当然である。また、一様な検出結果を得られる配置は、各要素を適宜に変更することで、その都度変化するものである。

叙述の如く構成された本発明の実施形態において、所定の磁性体配置部１０２に配された検体１０３内の磁性体１０１の質量を定量するにあたり、磁性体定量装置１は、同軸芯上に配された１対の第一磁場励起コイルであるヘルムホルツコイル２が交流電源６から周波数ｆ_０の交流電流を印加されることで第一交流励起磁場を、第二磁場励起コイルである磁場補正コイル３が交流電源６から周波数ｆ_０の交流電流を印加されることで第二交流励起磁場を、１対の永久磁石４として第一磁石４ａ、第二磁石４ｂとによって直流励起磁場をそれぞれ発生させることで、磁性体配置部に重畳的に磁場が印加されて磁性体１０１が磁化される。そして、ヘルムホルツコイル２のあいだに同軸芯上に配されたピックアップコイルであるグラジオメータ５が電磁誘導されることとなるが、検出部７は、この電磁誘導によって生じた誘導電圧を検出することで磁性体１０１が磁化されることによって発生する磁場信号を検出し、この検出値に基づいて定量部８が磁性体１０１を定量して表示部９に定量値、すなわち磁性体１０１の質量が表示される。この際、ヘルムホルツコイル２、磁場補正コイル３、永久磁石４は、磁性体配置部１０２で重畳的に印加される磁場の強度がグラジオメータ５から離れるほど上昇するよう調節して配設されており、したがって、磁性体配置部１０２に配された磁性体１０１は、グラジオメータ５から離れるほど強く磁化されるようになっている。このことにより、磁性体配置部１０２内に検体１０３を配置した場合に、検体１０３の配置された位置や検体内１０３での磁性体１０１の偏在による検出信号への影響を抑えて、高精度な検出結果を得ることが可能となっている。

また、検出部７は、磁化された磁性体１０１から生じる磁場信号を検出するにあたり、重畳交流励起磁場の周波数ｆ_０の２倍の周波数２ｆ_０の高調波を検出して同期検波し、定量部８は、この同期検波の結果に基づいて磁性体１０１を定量するよう構成されている。これによって、信号強度の大きい第２高調波信号を検出するため、検体の常磁性や反磁性の線形磁化特性を有する物質による影響を抑え、高感度の測定が可能となる。

このような磁性体定量装置１は、ヘルムホルツコイル２によって第一交流励起磁場、磁場補正コイルによって第二交流励起磁場、永久磁石４によって直流励起磁場を発生させた状態で、磁性体配置部１０２内の任意の位置に磁性体１０１を移動させるとともに、検出部７によって移動後の検出値を検出する検出工程と、この移動後の検出値が所定範囲内に収まらない場合に、ヘルムホルツコイル２と、磁場補正コイル３と、永久磁石４と、ピックアップコイル５の形状及び／又は配置を調節する調節工程を経て、検出工程の検出値が磁性体配置部１０２内で所定範囲内に収まるまで検出工程及び調節工程を繰り返すことで製造することができる。

本発明は、検体内に含まれる磁性体の定量に係る分野に利用可能である。

１ 磁性体定量装置
２ ヘルムホルツコイル（第一磁場励起コイル）
３ 磁場補正コイル（第二磁場励起コイル）
４ 永久磁石
５ グラジオメータ（ピックアップコイル）
６ 交流電源
７ 検出部
８ 定量部
９ 表示部
１０ 補償コイル
１０１ 磁性体
１０２ 磁性体配置部
１０３ 検体

Claims (3)

1. 所定の磁性体配置部に配された磁性体の質量を定量するにあたり、
   第一交流励起磁場を発生させて前記磁性体配置部に配された磁性体を磁化する同軸芯上に配された１対の第一磁場励起コイルと、
   前記一対の第一磁場励起コイルのあいだに同軸芯上に配されて電磁誘導されるピックアップコイルと、
   前記磁性体が磁化されることによって発生する磁場信号を、前記ピックアップコイルを通じて検出する検出部と、
   前記検出部の検出値に基づいて前記磁性体配置部に配された磁性体の質量を定量する定量部を備えた磁性体定量装置であって、
   該磁性体定量装置は、
   直流励起磁場を発生させて前記磁性体配置部に配された磁性体を磁化する１対の永久磁石と、
   第二交流励起磁場を発生させて前記磁性体配置部に配された磁性体を磁化する第二磁場励起コイルと、
   前記定量部で定量した磁性体の質量の定量値を表示する表示部をさらに備えており、
   前記１対の永久磁石は、前記第一磁場励起コイルと同軸芯上で、あいだに前記磁性体配置部が位置するよう配設され、
   前記磁性体配置部に配された磁性体には、第一交流励起磁場と、第二交流励起磁場と、直流励起磁場とが重畳的に印加され、
   前記第一磁場励起コイル、第二磁場励起コイル及び前記永久磁石は、前記磁性体配置部で重畳的に印加される磁場の強度が前記ピックアップコイルから離れるほど上昇するよう構成されることで、前記磁性体配置部に配された磁性体が前記ピックアップコイルから離れるほど強く磁化されるよう構成されていることを特徴とする磁性体定量装置。
2. 前記検出部は、磁性体が磁化されることによって発生する磁場信号を検出するにあたり、周波数が前記第一交流励起磁場及び第二交流励起磁場が重畳した重畳交流励起磁場の周波数の２倍の高調波を同期検波し、前記定量部は、同期検波の結果に基づいて磁性体を定量することを特徴とする請求項１記載の磁性体定量装置。
3. 所定の磁性体配置部に配された磁性体の質量を定量するにあたり、
   第一交流励起磁場を発生させて前記磁性体配置部に配された磁性体を磁化する１対の第一磁場励起コイルと、
   前記一対の第一磁場励起コイルのあいだに配されて電磁誘導されるピックアップコイルと、
   前記磁性体が磁化されることによって発生する磁場信号を、前記ピックアップコイルを通じて検出する検出部と、
   前記検出部の検出値に基づいて前記磁性体配置部に配された磁性体の質量を定量する定量部を備えた磁性体定量装置の製造方法であって、
   該製造方法は、
   前記第一磁場励起コイル及び前記ピックアップコイルを同軸芯上に配し、
   直流励起磁場を発生させて前記磁性体配置部に配された磁性体を磁化する１対の永久磁石と、第二交流励起磁場を発生させて前記磁性体配置部に配された磁性体を磁化する第二磁場励起コイルを設けるに際して、
   第一磁場励起コイルによって第一交流励起磁場、第二磁場励起コイルによって第二交流励起磁場、永久磁石によって直流励起磁場を印加した状態で、磁性体配置部内の任意の位置に磁性体を移動させるとともに、前記検出部によって移動後の検出値を検出する検出工程と、
   該検出値が移動後に予め設定された所定範囲内に収まらない場合に、前記第一磁場励起コイルと、前記第二磁場励起コイルと、前記永久磁石と、前記ピックアップコイルの形状及び／又は配置を調節する調節工程を有しており、
   検出工程の検出値が磁性体配置部内全域で所定範囲内に収まるまで検出工程及び調節工程を繰り返す
   ことを特徴とする磁性体定量装置の製造方法。

Images