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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Erkennungsvorrichtung für magnetisches
Fluid, welches dazu verwendet wird, zu messen, wie ein magnetisches
Fluid, das einen Paramagnetismus aufweist und welches in ein Gebiet
benachbart einem bösartigen
Tumor eingespritzt worden ist, sich verteilt hat, nachdem eine feste
Zeitdauer vergangen ist, um einen Hinweis zu erhalten zum Identifizieren
von Markierungslymphknoten, welche Lymphknoten sind, die sich an
der stromabwärts
liegenden Seite des Orts des bösartigen
Tumors in Bezug auf die Flussrichtung der Gewebe- bzw. Lymphflüssigkeit
befinden und die sich am nächsten
an dem betroffenen Bereich entlang der Lymphgefäße befinden, welche den Strömungsweg
der Lymphflüssigkeit
darstellen.
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Genauer
gesagt, betrifft die vorliegende Erfindung ein Nachweisverfahren
für magnetisches Fluid
und eine Nachweisvorrichtung für
magnetisches Fluid, welche die Verzerrung der lokalen Magnetfeldverteilung
messen können,
die sich aus der Tatsache ergibt, dass die spezifische magnetische Permeabilität eines
magnetischen Fluids, das einen Paramagnetismus zeigt, welches in
Gewebe eingespritzt worden ist, höher ist als diejenige der umgebenden
Substanz und welche auf eine nicht-invasive Art Orte identifiziert,
an denen große
Mengen des magnetischen Fluids verbleiben, ohne durch ein externes
magnetisches Rauschen beeinträchtigt
zu werden, und zwar durch Verwenden eines magnetischen Fluids, das
einen Paramagnetismus aufweist, wie beispielsweise Feridex, welches
eine Art Eisenoxid-Kolloid ist, die als ultra-paramagnetische feine Teilchen bekannt
sind, die als ein magnetischer Marker verwendet werden, oder durch
Verwenden einer paramagnetischen Flüssigkeit, wie beispielsweise
einem MnZn-Ferrit, einem Fe3O4-Magnetit
oder dergleichen, und folgendem Einspritzen dieses magnetischen
Fluids, das einen Paramagnetismus aufweist, von der Außenseite
in lebende Gewebe, durch welche Flüssigkeiten fließen können, dann
Anlegen eines Gleichstrom- oder Wechselstrom-Magnetfelds an die
Gewebe, welche das Messobjekt darstellen, so dass das magnetische
Fluid angeregt wird, und letztendliches Messen des lokalen Magnetfeldgradienten.
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2. Beschreibung des verwandten
Standes der Technik
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Herkömmlicherweise
muss bei chirurgischen Operationen, die an Brustkrebs, Lungenkrebs,
Speiseröhrenkrebs
und dergleichen durchgeführt
werden, nicht nur das Gebiet des bösartigen Tumors entfernt werden,
sondern es müssen
auch alle den Ort des bösartigen
Tumors umgebende Lymphknoten entfernt werden, das heißt, gereinigt
werden, vom Gesichtspunkt des Verhinderns eines Wiederkehrens des
Krebses aufgrund von Metastasen aus. Der Grund für eine solche Reinigung der
umgebenden Lymphknoten ist, dass sich die Krebszellen, die sich von
dem betroffenen Gebiet lösen,
flussabwärts
mit dem Fluss der Lymphflüssigkeit
mitgetragen werden, welcher durch die Lymphgefäße fließt, was zu Metastasen des Krebses
führt.
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Jedoch
besteht im Fall einer Entfernung der umgebenden Lymphknoten die
Gefahr, dass dies eine Immununterdrückung im konvaleszenten Patienten
erzeugen wird, so dass es wünschenswert
ist, auf eine solche Entfernung zu verzichten, falls dies möglich ist.
Dementsprechend wurde ein Ablauf erfunden, der als Markierungslymphknotenbiopsie
ausgedacht worden ist. Markierungslymphknoten beziehen sich auf
Lymphknoten, die von denjenigen Lymphknoten dem Ort des bösartigen
Tumors am nächsten
entlang des Lymphflüssigkeitsflusspfads liegen,
die an der flussabwärts
gerichteten Seite des Orts des bösartigen
Tumors in Bezug auf die Flussrichtung der Lymphflüssigkeit
positioniert sind. Die Markierungslymphknotenbiopsie bezieht sich
auf eine Biopsie, bei der Markierungslymphknoten entfernt und untersucht
werden, um zu bestimmen, ob oder ob nicht Krebszellen in diesen
Lymphknoten vorhanden sind. Falls Krebszellen die Markierungslymphknoten
nicht erreicht haben, hat sich der bösartige Tumor nicht bis zu
einem Stadium weiterentwickelt, bei dem eine Krebsmetastase auftritt.
Dementsprechend sind Krebszellen natürlich nicht zu irgendeiner
der anderen Lymphknoten gewandert, die sich sogar noch weiter flussabwärts in der
Richtung des Flusses der Lymphflüssigkeit
befinden, so dass keine Notwendigkeit besteht, die Lymphknoten zu reinigen.
Insbesondere in diesem Fall werden Lymphknoten außer den
Markierungslymphknoten erhalten.
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Jedoch
ist es nicht immer der Fall, dass die Lymphknoten, die sich am nächsten zum
Ort des bösartigen
Tumors in Bezug auf den Abstand befinden, diese Markierungslymphknoten
sind. Die Lymphknoten, welche sich abstandsmäßig am nächsten befinden, sind Lymphknoten,
die sich flussaufwärts
in Bezug auf die Richtung des Flusses der Lymphflüssigkeit
befinden, und diese Lymphknoten sind nicht notwendigerweise die
Markierungslymphknoten. Dies hängt
in großem
Maße davon
ab, wie die Lymphgefäße, welche
die Flusskanäle
der Lymphflüssigkeit
bilden, verbunden sind. Ferner ist die Lymphflüssigkeit farblos und lichtdurchlässig, und
die Lymphgefäße sind
zudem extrem fein, so dass eine Identifizierung der Markierungslymphknoten
aus der Richtung des Flusses der Lymphflüssigkeit und der Positionsbeziehung
der Lymphknoten durch Sichtuntersuchung während der beschränkten Zeit,
die während
der chirurgischen Operation verfügbar
ist, so gut wie unmöglich
ist.
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In
der letzten Zeit sind in den Vereinigten Staaten Verfahren unter
der Verwendung radioaktiver Isotope und Farbstoffe erdacht worden,
um die Positionen der Markierungslymphknoten zu identifizieren,
und solche Verfahren sind bereits als Biopsie-Verfahren für Brustkrebs
praktisch verwendet worden. Bei solchen Verfahren wird ein radioaktives Isotop
oder ein Farbstoff als ein Marker im Bereich nahe des bösartigen
Tumors verwendet, und eine Flüssigkeit,
die dieses Isotop oder diesen Farbstoff enthält, wird eingespritzt, und
Markierungslymphknoten werden durch Untersuchen der Position des
radioaktiven Isotops oder des durch den Farbstoff eingefärbten Gebiets
identifiziert, nachdem eine feste Zeitdauer vergangen ist. Es ist
notwendig, dass die Teilchengröße des Markers
ungefähr
10 Nanometer oder weniger beträgt,
welches eine Größe ist,
die einfach flussabwärts
durch den Fluss der Lymphflüssigkeit
durch die Lymphgefäße hindurchgedrückt werden
kann. Die Position eines radioaktiven Isotops kann einfach unter
Verwendung eines Miniatur-Geigerzählers untersucht
werden, und die Akkumulationsmenge kann auch grob durch die Strahlungsintensität abgeschätzt werden.
Dementsprechend haben es solche Verfahren möglich gemacht, Markierungslymphknoten
mittels einer einfachen Untersuchung unter Verwendung der Tatsache
zu identifizieren, dass dieser Marker die größte Ansammlung in den Markierungslymphknoten
als einen Nachweis zeigt.
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In
Japan jedoch ist die Verwendung radioaktiver Isotope in Krankenhäusern durch
das Gesetz beschränkt,
und die Zahl der Krankenhäuser,
die eine Erlaubnis bekommen haben, solche Isotope zu verwenden,
ist extrem klein. Dementsprechend gibt es Schwierigkeiten in der
Verbreitung der Markierungslymphknotenbiopsie-Verfahren, die radioaktive Isotope als
Marker verwenden. Im Fall von Farbstoffen kann es ferner Fälle geben,
in denen eine Unterscheidung schwierig ist, und zwar abhängig von
dem Zustand des lebenden Gewebes. Da beispielsweise Lymphknoten
in der Lunge aufgrund des Absetzens von Kohlenstoffteilchen schwarz
sind, ist eine optische Unterscheidung für den Fall von Farbstoffen
extrem schwierig.
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Ferner
ist ein SQUID-Magnetflussmesser unter Verwendung einer supraleitenden
Quanteninterterenzvorrichtung (im folgenden als „SQUID" abgekürzt), welche einen Magnetfluss
von ca. einem Milliardstel des Erdmagnetismus mit hoher Empfindlichkeit
messen kann, in verschiedenen Gebieten verwendet worden, und in
den letzten Jahren ist ein Hochtemperatur-Supraleitungs-SQUID praktisch
verwendet worden, der durch Kühlen
bei der Temperatur flüssigen
Stickstoffs verwendet werden kann. Ein Verfahren zum Identifizieren
von Markierungslymphknoten durch Verwendung eines magnetischen Fluids,
das feine Magnetteilchen mit Restmagnetisierungseigenschaften als
einem magnetischen Marker enthält,
zeitweises Magnetisieren dieses magnetischen Fluids mittels eines
starken Magnetfelds von Außen
und Identifizieren der Markierungslymphknoten durch Verwenden der
Tatsache, dass das Magnetfeld, das sich von der Restmagnetisierung
abhebt, für
eine kurze Zeit aufrecht erhalten wird, ist von Mister Saburo Tanaka
et al. der Toyohashi Technischen und Wissenschaftlichen Universität am 25.
Januar 2000 vorgeschlagen worden. Details sind niedergelegt in „Applications
of High-Temperature
Superconducting SQUID Microscopes in the Fields of Biotechnology
and Medicine", 66th
Research Conference Materials of the 146th Committee for Superconducting
Electronics of the Japanese Society for the Promotion of Technology.
Gemäß der Homepage
des Chubu Science and Technology Center (Ltd.) (http://www.shatchy.ne.jp/ctsc/index/contents/chubukensa
ku/) wird dies gegenwärtig
(mit Stand vom 08. Oktober 2001) als Teil einer Forschungsarbeit
untersucht, die von der japanischen Gesellschaft zur Förderung
von Fahrrädern
durchgeführt
wird. Jedoch beinhaltet dieses Verfahren viele wie weiter unten
beschriebene Probleme.
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Wenn
der Teilchendurchmesser der magnetischen Teilchen kleiner wird,
nimmt auch die Größe der Restmagnetisierung
ab. Im Fall einer Teilchengröße (Durchmesser)
von 10 Nanometern oder weniger, was einen einfachen Fluss durch
das Lymphgewebe erlaubt, sind die Restmagnetisierungseigenschaften
fast vollständig
im Falle fast aller bekannten magnetischen Materialien verloren,
so dass ein Magnetsensor mit ultrahoher Empfindlichkeit verwendet werden
muss, um den extrem schwachen Restmagnetismus zu messen. Da ein
extrem schwaches Magnetfeld gemessen wird, und die Messung auch
den Effekten eines magnetischen Umgebungsrauschens unterworfen ist,
müssen
die Messungen in einem magnetisch abgeschirmten Hochleistungsraum
durchgeführt
werden. Nicht nur sind solche magnetisch abgeschirmten Räume teuer,
sondern das durch andere notwendige medizinische Ausrüstung ausgestrahlte
magnetische Rauschen erzeugt auch eine Interferenz, so dass ein
solches Verfahren unbequem ist.
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Ferner
muss sogar dann, falls der ultrahochempfindliche Magnetsensor, der
in einem Hochtemperatur-Supraleitungs-SQUID verwendet wird, die Abkühlung bei
der Temperatur flüssigen
Stickstoffs geschehen, so dass die Sensoreinheit vergrößert wird
und auch ein erhebliches Gewicht aufweist, und zwar gleich, ob das
verwendete Kühlsystem
ein Flüssigkeitskühlsystem
oder eine Kühlanlage
ist, welche den Wärmezyklus
eines Kühlmediums
verwendet. Dementsprechend kann ein solches System nicht mit einer
Hand geführt
und bedient werden.
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Ferner
muss die Magnetisierung des magnetischen Fluids so durchgeführt werden,
dass die Richtung der Restmagnetisierung entlang der Richtung des
Flusses der Lymphgefäße ausgerichtet
ist. Wird dies nicht gemacht, wird die Richtung des magnetischen
Moments schnell ungeordnet als ein Ergebnis der Eigenschaften der
Flüssigkeits-
und Molekular-Bewegung, so dass sich das magnetische Moment als
ganzes verringert, wodurch eine Messung unmöglich wird. Um die Richtung
der Magnetisierung des magnetischen Fluids für eine lange Zeitdauer aufrechtzuerhalten,
muss eine Anregung mit einer Magnetspule durchgeführt werden,
welche um die Lymphgefäße herumgewickelt
ist. Jedoch sind die tatsächlichen
Lymphgefäße selbst
durch optische Betrachtung schwer zu unterscheiden, und sogar unter
der Annahme, dass eine optische Unterscheidung möglich ist, beinhaltet dieses
Verfahren Arbeitsschritte wie das Entfernen von Gewebe und eine
Befestigung, die benötigt
wird, um die Spule zu wickeln. Darüber hinaus ist dieses Verfahren
nicht praktisch geeignet im Hinblick auf die Schwierigkeit von Isolationsmaßnahmen,
die verlangt werden, um den Anregungsstrom, welcher ein großer Strom
ist, daran zu hindern, durch den menschlichen Körper zu fließen.
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Währenddessen
zeigt ein ultra-paramagnetisches Fluid, welches den Paramagnetismus
eines Eisenoxid-Kolloids besitzt, welches unter dem Markennamen
Ferrumoxides und durch den Formulierungsnamen Feridex bekannt ist,
einen schattenerzeugenden Effekt in der Kernspinresonanztomographie
oder MRI. Die Neigung dieser Substanz ist, sich in der Leber anzuhäufen beziehungsweise
zu akkumulieren, wird in Leberkontrastmedien für die lokale Diagnose von Leberkrebs
verwendet, und dieses Mittel ist durch die Entscheidung des First
Survey Council for New Drugs und die Special Council for Drugs genehmigt
worden. Neben Feridex umfassen andere bekannte feine magnetische
Teilchen MnZn-Ferrite, Fe3O4-Magnetite und dergleichen;
jedoch ist nur Feridex in Bezug auf Nebenwirkungen auf den menschlichen
Körper
getestet worden und hat eine Genehmigung erlangt.
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Theoretisch
würde es
möglich
scheinen, die Positionen von Markierungslymphknoten in drei Dimensionen
durch Einspritzen dieser existierenden magnetischen Fluide in Gebiete
in der Nähe
bösartiger
Tumore zu identifizieren und dann Bilder durch MRI zu erhalten,
nachdem eine feste Zeitdauer vergangen ist. In vielen Fällen jedoch
muss der Brustkorb geöffnet
werden, um das magnetische Fluid in das Gebiet nahe einem bösartigen
Tumor zu injizieren, und aufgrund der Flussgeschwindigkeit der Lymphflüssigkeit
muss eine MRI-Bildaufnahme innerhalb von wenigen Minuten nach der
Injektion durchgeführt werden.
Da die MRI-Vorrichtung selbst ein starkes Magnetfeld erzeugt, muss
diese Vorrichtung fern von Ausrüstung
und Instrumenten gehalten werden, welche einen Magnetismus aufweisen,
und kann daher nicht im Operationssaal aufgebaut werden. Weil darüber hinaus
die Lymphknoten über
einen weiten Bereich verteilt sind, muss der Bildgebungsbereich
der Schnittbilder auch über
einen breiten Bereich festgesetzt werden, so dass sich die Bildgebungszeit
erhöht.
Zusätzlich
kann eine solche Bildgebung nicht innerhalb einiger Minuten auf
die Injektion folgend abgeschlossen werden. Aus diesen und anderen Gründen wird
dieses Verfahren nicht dazu verwendet, die Positionen von Markierungslymphknoten
zu identifizieren.
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Um
die Markierungslymphknoten-Biopsien beliebter zu machen, ist es
notwendig, es zu ermöglichen,
die Positionen solcher Lymphknoten in einer kurzen Zeit durch ein
nicht-invasives Messverfahren unter Verwendung eines magnetischen
Fluids als einem Marker zu identifizieren, und zwar ohne Verwendung
radioaktiver Isotope. Jedoch gibt es für den Fall von Verfahren, welche
den Restmagnetismus eines magnetischen Fluids messen, viele theoretische
und praktische Beschränkungen.
Die Gründe
für diese Beschränkungen
sind die folgenden. Wenn sich die Teilchengröße verringert, werden auch
die Restmagnetismuseigenschaften abnehmen, so dass die magnetische
Signalstärke,
die gemessen wird, abfällt
und sich das Problem eines magnetischen Umgebungsrauschens verstärkt. Zusätzlich sind
einige physikalische Unbequemlichkeiten dem Verfahren zugehörig, das
dazu verwendet wird, die Anregungsspule an dem lebenden Gewebe zu
befestigen. Weil darüber hinaus
das magnetische Fluid eine Flüssigkeit
ist, wird die Ausrichtung des magnetischen Moments auf eine Magnetisierung
folgend als ein Ergebnis der Molekularbewegung der feinen Magnetteilchen
schnell ungerichtet, so dass die Magnetfeldstärke gedämpft wird.
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Die
japanische Patentveröffentlichung
Nummer 08-098819 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum
Analysieren der Form und Bewegung des Verdauungsapparats.
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US-A-4427943
beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Lokalisieren und
Verfolgen magnetischer Objekte und Quellen, welches den nächsten Stand
der Technik darstellt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist wie in den angehängten Ansprüchen definiert.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Erkennungsvorrichtung
für magnetisches Fluid
bereitzustellen, welche die Verzerrung der lokalen Magnetfeldverteilung
messen kann, die sich aus der Tatsache ergibt, dass die spezifisch
magnetische Permeabilität
eines magnetischen Fluids, das einen Paramagnetismus aufweist, welches
in lebende Gewebe injiziert wird, höher ist als diejenige der umgebenden
Substanz, und zwar durch Anlegen eines Gleichstrom- oder Wechselstrom-Magnetfelds
von außen
an solche Gewebe, in welche ein magnetisches Fluid injiziert worden
ist, so dass das magnetische Fluid angeregt wird, und dann durch
Messen des lokalen Magnetfeldgradienten derjenigen Magnetfeldkomponente,
die zum Anregungsmagnetfeld senkrecht steht, und welcher daher auf
nicht-invasive Art Teile des lebenden Gewebes identifizieren kann, in
welchem sich eine große
Menge des magnetischen Fluids angesammelt hat, ohne von äußerem magnetischen
Rauschen beeinträchtigt
zu werden.
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Ferner
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Erkennungsvorrichtung
für magnetisches
Fluid bereitrustellen, welche ein magnetisches Fluid als einen Marker
verwendet und welche die Anwesenheit des magnetischen Fluids auf
der Grundlage der Veränderung
bzw. Schwankung des Gradienten der Wechselstrom-Magnetfeldkomponente erfassen kann,
die sich aus der Tatsache ergibt, dass die spezifische magnetische
Permeabilität
des magnetischen Fluids höher
ist als diejenige der umgebenden Substanzen, so dass die Verteilung
des Magnetfelds, das zum Zwecke der Anregung angelegt worden ist, verzerrt
wird, wodurch es möglich
gemacht wird, die Positionen von Markierungslymphknoten einfach
und in kurzer Zeit ohne Verwendung eines radioaktiven Isotops zu
identifizieren.
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Ferner
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Erkennungsvorrichtung
für magnetisches
Fluid bereitrustellen, welche verlässlich abschätzen bzw.
bewerten kann, ob oder ob nicht die jeweiligen Lymphknoten Markierungslymphknoten sind, und
zwar ohne jegliche Unbequemlichkeit sogar dann nicht, wenn die Lymphknoten
schwarz sind, so dass eine Unterscheidung im Fall eines Farbstoffs schwierig
ist.
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Es
ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Erkennungsvorrichtung
für magnetisches
Fluid bereitzustellen, welche ein magnetisches Fluid mit hoher Empfindlichkeit
erfassen kann, während
sie magnetisches Umgebungsrauschen auslöscht, und zwar durch Festsetzen
des Abstands zwischen den Magnetfeldmesspunkten an im wesentlichen
der gleichen Größe eines
Lymphknotens.
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Es
ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Erkennungsvorrichtung
für magnetisches
Fluid bereitzustellen, welche einen Magnetfluss unter Verwendung
eines preiswerten Magnetfeldsensors mit einer niedrigen Empfindlichkeit
durch Erhöhen
der Intensität
des angelegten Magnetfelds erkennen kann, so dass die Markierungslymphknotenbiopsien
beliebter gemacht werden können.
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Die
erfindungsgemäße Erkennungsvorrichtung
für magnetisches
Fluid weist auf: eine Erregereinrichtung, welche ein Gleichstrom-
oder Wechselstrom-Magnetfeld zum Zwecke einer Anregung des magnetischen
Fluids an ein Messobjekt in einer Substanz, wie einem lebenden Gewebe,
anlegt, in welcher ein Fluid fließen kann und in welches ein
magnetisches Fluid, das einen Magnetismus aufweist, eingespritzt
worden ist; Messvorrichtungen, welche die Änderung bzw. Schwankung in
der Magnetfeldstärke
messen, die durch das Magnetfeld bewirkt wird, welches durch die
Erregervorrichtung an zwei oder mehr Orten angelegt wird; einen
Differenzverstärker,
welcher Signale von den Messvorrichtungen in den zwei oder mehr
Orten empfängt
und das Differenzsignal verstärkt;
eine Berechnungseinheit, welche Signale vom Differenzverstärker empfängt und den
Absolutwert oder Amplitudenwert der Signalstärke berechnet; und eine Anzeigevorrichtung,
welche Signale von der Berechnungseinheit empfängt und einen numerischen Wert
oder eine Wellenform anzeigt. Diese Vorrichtung ist daran angepasst,
Orte aufzufinden, an denen sich die größten Mengen des magnetischen
Fluids innerhalb der Substanz angesammelt haben, und zwar durch
Messen der Verzerrung der lokalen Magnetfeldverteilung, die durch
die Tatsache bewirkt wird, dass die spezifische magnetische Permeabilität des magnetischen
Fluids höher ist
als diejenige der umgebenden Substanz.
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Ferner
legt in einer bestimmten Ausführungsform
die Anregungsvorrichtung ein Gleichstrom- oder Wechselstrom-Magnetfeld
zur Anregung des magnetischen Fluids an lebendes Gewebe an, in welches
ein magnetisches Fluid, das einen Magnetismus aufweist, in Gebiete
in der Nähe
eines bösartigen
Tumors injiziert worden ist. In dieser Vorrichtung werden Markierungslymphknoten,
welche Orte darstellen, an denen sich die größte Menge des oben angemerkten
magnetischen Fluids angesammelt hat, durch Messen der Verzerrung
der lokalen Magnetfeldverteilung identifiziert, die durch die Tatsache
erzeugt wird, dass die spezifische magnetische Permeabilität des oben
angesprochenen magnetischen Fluids höher ist als diejenige des umgebenden
Gewebes.
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Diese
und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden
klarer aus der folgenden Beschreibung ersichtlich, die sich auf
die beiliegenden Zeichnungen bezieht.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Flussdiagramm, das den Betrieb eines Erkennungsverfahrens für magnetisches Fluid
gemäß einer
Ausführung
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 ist
ein Blockdiagramm, welches den Aufbau der Erkennungsvorrichtung
für magnetisches Fluid
zeigt, die gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
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3 ist
ein erklärendes
Diagramm, welches die Messprinzipien der vorliegenden Erfindung darstellt;
und
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4 ist
ein Diagramm, welches den dreidimensionalen schematischen Aufbau
eines Falls zeigt, welcher das Magnetfeldanregungsmittel 4,
ein Messmittel 5 und ein Messmittel 6 der Erkennungsvorrichtung
für magnetisches
Fluid umfasst, die in 2 gezeigt ist.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird weiter unten mit Bezug auf die beigelegten
Figuren genauer beschrieben. Ferner werden die gleichen oder entsprechende
Teile in den Figuren mit den gleichen Symbolen bezeichnet, und eine
Beschreibung dieser Teile wird ausgelassen.
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3 ist
ein Diagramm, welches das Messprinzip der vorliegenden Erfindung
darstellt.
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Bezugnehmend
auf 3 weisen fast alle organischen Bestandteile, welche
den lebenden Körper
aufbauen, als auch nichtmagnetische Metalle, wie beispielsweise
Kupfer und Aluminium, eine spezifische magnetische Permeabilität von ca.
1 auf und bewirken daher fast keine Verzerrung von Magnetfeldern.
Andererseits wird im Fall eines magnetischen Fluids, das einen Paramagnetismus
aufweist, das umgebende Magnetfeld wie in 3 gezeigt
als ein Ergebnis der Anwesenheit von feinen magnetischen Teilchen
mit einer spezifischen magnetischen Permeabilität größer als 1 angezogen, so dass
sich ein Verzerrungseffekt am Magnetfeld ergibt.
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3 zeigt,
wie das angelegte magnetische Feld in Fällen verzerrt wird, bei denen
eine Anhäufung
stillstehenden magnetischen Fluids innerhalb einer Substanz 1 vorhanden
ist, wenn ein horizontales äußeres Magnetfeld
an die Substanz 1 als Ganzes angelegt wird.
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Die
Verzerrung des Magnetfelds tritt nur auf, während das magnetische Fluid
durch Anlegen eines Magnetfelds von außen angeregt wird. Geringfügige Restmagnetisierungseigenschaften
werden gezeigt, wenn die Teilchengröße der feinen magnetischen Teilchen
größer als
10 Nanometer beträgt;
jedoch ist die Stärke
der Restmagnetisierung schwach im Vergleich zur Stärke des
Anregungsmagnetfelds, so dass ein ultrahochempfindlicher Magnetsensor,
wie beispielsweise ein SQUID („superconducting
quantum interference device")
benötigt
wird, um das Restmagnetfeld zu erkennen.
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Falls
andererseits die Größe der spezifischen
magnetischen Permeabilität μ ungefähr 3 bis
5 beträgt,
kann der magnetverzerrende Effekt des oben angesprochenen paramagnetischen
Materials sogar von preiswerten Magnetsensoren mit schlechter Empfindlichkeit,
wie beispielsweise einem Hall-Element oder einem Magnetwiderstandselement,
gemessen werden.
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1 ist
ein Blockdiagramm, das den Betrieb des Erkennungsverfahrens für magnetisches Fluid
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Bezugnehmend
auf 1 wird als erstes im Einspritz- beziehungsweise
Injektionsschritt S1 ein magnetisches Fluid 2, das einen
Paramagnetismus aufweist, von außen in die Substanz 1 (lebendes
Gewebe) eingespritzt, in welcher ein Fluid fließen kann. Als nächstes wird,
im Anregungsschritt S2, ein Gleichstrom- oder Wechselstrom-Magnetfeld
angelegt, welches dazu verwendet wird, das oben genannte magnetische
Fluid 2 anzuregen. Ferner wird die Magnetfeldstärke der
Komponente in der gleichen Magnetfeldrichtung, die senkrecht zum
angelegten Magnetfeld ist, an zwei oder mehr Orten gemessen, die
sich in enger Nähe
zueinander befinden. Im Verstärkungsschritt
S4 wird der Unterschied zwischen den in dem oben genannten Messschritt
gemessenen Signale verstärkt.
Dann wird im Berechnungsschritt S5 der Absolutwert des verstärkten Signals
aus dem obigen Verstärkungsschritt
S4 berechnet, wenn ein Gleichstrom-Magnetfeld im obigen Anregungsschritt
S2 angelegt wurde, oder der Amplitudenwert des im obigen Verstärkungsschritt
S4 verstärkten
Signals wird berechnet, wenn im obigen Anregungsschritt S2 ein Wechselstrom-Magnetfeld
angelegt wurde. Im Suchschritt S6 wird eine wiederholte Suche nach
dem Teil der Substanz durchgeführt, bei
dem der obige Berechnungsschritt S5 einen Maximalwert zeigt, wobei
diese Suche erreicht wird durch ineinandergreifendes Bewegen des
in dem obigen Anregungsschritt S2 angeregten Teils und des in dem
obigen Messschritt S3 gemessenen Teils.
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In
der obigen Ausführungsform
kann der Teil identifiziert werden, der die größte Verzerrung der lokalen
Magnetfeldverteilung zeigt, die sich aus der Tatsache ergibt, dass
die spezifische magnetische Permeabilität des obigen magnetischen Fluids 2 höher ist
als diejenige der umgebenden Substanz. Insbesondere kann der Teil
identifiziert werden, bei dem sich die größte Menge magnetischen Fluids
innerhalb der Substanz angehäuft
hat. In konkreten Ausdrücken
kann, in dem obigen Suchschritt S6, eine Bewertung durch den Benutzer
dadurch erleichtert werden, dass ein Anzeigeverarbeiten durchgeführt wird,
das eine Umwandlung in numerische Werte oder einen Graphen umfasst.
Alternativ kann, in dem Fall, bei dem der Absolutwert des Signals
oder des Anregungsmagnetfelds ein Wechselstrom-Magnetfeld ist, der Teil der Substanz,
bei der der obige Berechnungsschritt S5 einen Maximalwert zeigt,
aufgefunden werden unter Verwendung des Hörsinns des Bedieners durch
Ausgeben eines Geräuschs,
wobei die Frequenz, Intensität
oder ein Geräuschintervall dieses
Geräuschs
sich auf der Grundlage des Amplitudenwerts des Signals verändert.
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Um
dies genauer zu beschreiben, können Teile
des Gewebes, in welchem sich eine große Menge des magnetischen Fluids
angehäuft
hat, identifiziert werden durch Verändern der Positionen der Magnetfeldanwendung
und der Magnetfeldstärkenmessung,
um den Teil aufzufinden, bei dem die größte Veränderung in numerischen Werten
oder die größte Veränderung
in der Wellenform auftritt. Die Positionen der Markierungslymphknoten
können
durch Einspritzen eines magnetischen Fluids in Orte bösartiger Tumore
und ein darauf folgendes Verwenden des erfindungsgemäßen Erkennungsverfahrens
für magnetisches
Fluid auf die umgebenden Lymphknoten identifiziert werden, nachdem
eine feste Zeitdauer vergangen ist.
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Beispielsweise
können
Orte, an denen das magnetische Fluid vorhanden ist, ohne jeden Effekt des
magnetischen Umgebungsrauschens durch Verstärken des Unterschieds zwischen
den zwei Magnetsensorausgaben durch eine Verstärkungsrate von 1.000 x bis
10.000 x für
den Fall gemessen werden, bei dem die angelegte Magnetflussdichte
auf ca. 800 Gaus bis 1.300 Gaus (ca. 0,08 Tesla bis 0,13 Tesla) festgesetzt
wird und die Magnetfeldkomponente senkrecht zum angelegten Magnetfeld
an um 5 Millimeter beabstandeten Positionen gemessen wird, und zwar
unter Verwendung von Messmitteln wie beispielsweise einem Hall-Element
oder einem Magnetwiderstandselement. Für den Fall, dass Lymphknoten
das zu untersuchende Objekt sind, kann die größte Verringerung im Effekt
des magnetischen Umgebungsrauschens durch Einstellen des Abstands
zwischen den zwei Sensoren auf ca. 5 Millimeter bis 10 Millimeter
erreicht werden.
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2 ist
ein Blockdiagramm, welches die Erkennungseinheit für magnetisches
Fluid zeigt, die eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung konkreter darstellt.
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Bezugnehmend
auf 2 ist eine Anregungsvorrichtung 4 ein
Funktionsblock, welcher ein Gleichstrom- oder Wechselstrom-Anregungsmagnetfeld
an einen Bereich 3 anlegt, welcher das zu messende Objekt
darstellt, in welches das magnetische Fluid 2, das einen
Paramagnetismus aufweist, von außen in die Substanz 1 (lebendes
Gewebe), in welchem ein Fluid fließen kann, eingespritzt worden
ist. Das Objekt dieses Funktionsblocks ist die Anregung des obigen
magnetischen Fluids 2. Um dies genauer zu beschreiben,
kann, wenn ein Gleichstrom-Magnetfeld angelegt wird, ein Neodym-Magnet
verwendet werden, um das Magnetfeld anzulegen, das für eine Anregung
verwendet wird. Ferner kann eine Magnetflussdichte von ca. 1 Tesla
erzeugt werden durch Bilden eines magnetischen Kerns mit einem Durchmesser
von ca. 10 Millimetern unter Verwendung eines amorphen oder Nanoteilchen-Magnetmaterials mit
einem kleinen Kernverlust, dessen spezifische magnetische Permeabilität μ sich in
der Größenordnung
von 10.000 bis 100.000 bewegt, und durch Anlegen eines Gleichstroms
oder Wechselstroms mit einer Stromstärke oder einer Stromamplitude
von ca. 10 Milliampere an eine Magnetspule mit ca. 80 Windungen.
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Eine
Messvorrichtung 5 und eine Messvorrichtung 6 sind
Funktionsblöcke,
welche die Komponente des gleichen Magnetfelds messen, das senkrecht
zum angelegten Magnetfeld steht, und zwar an zwei oder mehr Orten,
die sich in enger Nachbarschaft zueinander befinden. Wenn das magnetische Fluid
eine Feridex-Konzentration
von 1.000 bis 10.000 ppm aufweist, können diese funktionalen Blöcke unter
Verwendung von Hall-Elementen oder Magnetwiderstandselementen als
Magnetsensoren aufgebaut werden, welche eine Magnetflussauflösung von
einigen 10 Mikrogaus aufweisen.
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Ein
Differenzverstärker 7 ist
ein Funktionsblock, welcher die Signale von der obigen Messvorrichtung 5 und
der obigen Messvorrichtung 6 empfängt, und welcher das Differenzsignal
verstärkt. Wenn
das magnetische Fluid eine Feridex-Konzentration von 1.000 bis 10.000
ppm aufweist, kann ein Ausgangssignal mit einem Pegel von mehreren
Volt erlangt werden durch Einstellen einer Verstärkungsrate des Differenzverstärkers auf
ca. 1.000 x bis 10.000 x.
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Falls
der Abstand zwischen den Magnetwiderstandselementen auf ca. 5 Millimeter
bis 10 Millimeter festgesetzt wird, wird ein kommerzielles Wechselstromrauschen,
welches fast das gesamte magnetische Umgebungsrauschen ausmacht,
die Messung nicht beeinträchtigen.
Der Grund dafür
ist der folgende: Die Rauschquellen befinden sich nämlich erheblich
weiter entfernt als das Messobjekt, und da das magnetische Rauschen
in ungefähr
der gleichen Intensität
in jede der Messvorrichtung 5 und der Messvorrichtung 6 hinzugemischt
wird, löschen
sich diese Rauschkomponenten im wesentlichen gegeneinander aus,
wenn der Unterschied zwischen den zwei Signalen genommen wird. Falls
andererseits eine Ansammlung des magnetischen Fluids 2 ausreichend
nahe an einer der Messvorrichtungen 5 oder 6 liegt,
wird eine Magnetfeldkomponente erzeugt, die senkrecht zum angelegten
Magnetfeld ist, wie in 3 als ein Ergebnis des Verzerrungseffekts
erzeugt, der auf das angelegte Magnetfeld durch das magnetische
Fluid 2 ausgeübt
wird, so dass ein räumlicher
Magnetgradient erzeugt wird; dementsprechend erhält man ein Differenzsignal
durch den Differenzverstärker 7 mit
einem ausreichenden Signal-zu-Rausch-Verhältnis.
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Eine
Berechnungseinheit 8 ist ein Funktionsblock, welcher das
Signal von dem obigen Differenzverstärker 7 empfängt und
welcher den Absolutwert der Signalstärke berechnet, wenn das Anregungsmagnetfeld
ein Gleichstrom-Magnetfeld ist, oder den Amplitudenwert des verstärkten Differenzsignals, wenn
das Anregungsmagnetfeld ein Wechselstrom-Magnetfeld ist. Dieser
Funktionsblock kann einfach realisiert werden mittels einer Vollwellen-Rechteckschaltung
oder einer synchronisierten Erkennungsschaltung unter Verwendung
von Transistoren oder Dioden.
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Eine
Anzeigevorrichtung 9 ist ein Funktionsblock, welcher Signale
von der obigen Berechnungseinheit 8 empfängt und
diese Signale in eine sichtbare Anzeige umwandelt, um numerische
Werte oder Wellenformen anzuzeigen.
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Ferner
ist eine akustische Umwandlungsvorrichtung (Lautsprecher) 10 ein
Funktionsblock, welcher Signale von der obigen Berechnungseinheit 8 empfängt und
welcher Geräusche
ausgibt, die sich in der Frequenz, Intensität oder dem Geräuschintervall dieses
Geräuschs
proportional zum Absolutwert der Signalstärke ändern, wenn das Anregungsmagnetfeld
ein Gleichstrom-Magnetfeld ist, oder proportional zum Amplitudenwert
des verstärkten
Differenzsignals, wenn das Anregungsmagnetfeld ein Wechselstrom-Magnetfeld
ist, um es dem Benutzer zu ermöglichen,
den Teil der Substanz 1 nur unter Verwendung seines Gehörsinns aufzufinden,
in welchem sich die größte Menge
des magnetischen Fluids 2 angehäuft hat. Als ein Ergebnis können die
Bedienungseigenschaften des Betriebs, der verwendet wird, um die Orte
zu identifizieren, an denen sich die größte Menge des magnetischen
Fluids 2 innerhalb der Substanz 1 angehäuft hat,
wesentlich verbessert werden.
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Wenn
Messungen unter Verwendung der Erkennungseinheit für magnetisches
Fluid, die wie oben beschrieben aufgebaut ist, durchgeführt werden,
wird eine große
Variation im Erkennungssignal in Gebieten erzeugt, bei denen sich
das magnetische Fluid mit einer hohen Konzentration angehäuft hat. Dementsprechend
können,
da sich das magnetische Fluid am schnellsten in Markierungslymphknoten
ansammelt, Markierungslymphknoten schnell, sicher und mit hoher
Genauigkeit identifiziert werden durch Einspritzen eines magnetischen
Fluids in die Nähe eines
bösartigen
Tumors und einem dann folgenden Durchführen von Messungen, nachdem
eine geeignete Zeitdauer vergangen ist.
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Ferner
kann, wie in 4 gezeigt, der Bediener diese
integrierte Vorrichtung einfach in einer Hand halten, falls mindestens
der Teil der oben genannten Anregungsvorrichtung 1, welche
ein Magnetfeld erzeugt, als auch die Messvorrichtung 5 und die
Messvorrichtung 6 als eine integrale Einheit untergebracht sind
und in einem Gehäuse 11 in
Zahnbürstenform,
Stiftform oder Pistolenform untergeracht sind, welches in einer
Hand gehalten werden kann, so dass die Arbeit des Identifizierens
von Markierungslymphknoten, welche das Objekt von Markierungslymphknoten-Biopsien
sind, schnell und sicher durchgeführt werden kann.
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Insbesondere
wenn die Form der Magnetfelderkennungseinheit in einer Zahnbürstenform
vorliegt, können
Messungen in einer komfortablen stehenden Position durchgeführt werden,
so dass die Last für
den Arzt erleichtert wird.
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Ferner
ist die akustische Umwandlungsvorrichtung 10, die in 2 gezeigt
ist, ein funktionaler Block, der dadurch gekennzeichnet, ist, dass
diese Vorrichtung Signale vom Differenzverstärker 7 empfängt und
Geräusche
ausgibt, die sich mit der Frequenz, Intensität oder dem Geräuschintervall
dieses Geräuschs ändern, und
zwar proportional zum Absolutwert der Signalstärke oder proportional zum Amplitudenwert
des verstärkten
Differenzsignals, wenn das Anregungsmagnetfeld ein Wechselstrom-Magnetfeld ist. Falls
ein solcher Funktionsblock vorgesehen ist, wird die differentielle
Magnetfeldstärke
oder -amplitude in ein Geräusch
umgewandelt, sodass der Bediener die Messergebnisse einfach durch
Hören der Änderungen
dieses Geräuschs
aufnehmen kann. Folglich kann der Arzt seine Aufmerksamkeit auf
den Zustand der Messorte richten; dementsprechend wird nicht nur
die Sicherheit verbessert, sondern auch die Last für den Arzt
vermindert.
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Daher
kann in der obigen Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung die Anwesenheit eines magnetischen Fluids
unter Verwendung eines Hall-Elements oder eines Magnetwiderstandselements
gemessen werden, welches ein Magnetsensor ist, der weniger empfindlich
und weniger teuer als ein SQUID ist. Da kein Bedürfnis nach irgendeinem Kühlmittel
besteht, so wie es sich im Fall eines SQUID-Magnetflussmessers ergibt,
ist eine Handhabung einfach, und die Vorrichtung kann mit einem Gewicht
und einer Form aufgebaut werden, die es einfach erlaubt, die Vorrichtung
in einer Hand zu halten. Das System als Ganzes ist auch preiswert,
und es besteht kein Bedarf nach einem abgeschirmten Raum, um das
magnetische Umgebungsrauschen zu verringern.
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Daher
kann die Frage, ob die Lymphknoten, die untersucht werden, Markierungslymphknoten sind
oder nicht, schnell und mit hoher Genauigkeit ohne Verwendung eines
radioaktiven Isotops als einem Marker entschieden werden.
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Ferner
bestehen sogar dann keine Probleme, wenn die Lymphknoten schwarz
und unter Verwendung von Farbstoffen schwierig zu unterscheiden sind.
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Im
Fall des Erkennungsverfahrens für
magnetisches Fluid und der Erkennungsvorrichtung für magnetisches
Fluid gemäß der obigen
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann der Bediener die Vorrichtung einfach
mit einer Hand halten, dementsprechend können die Markierungslymphknoten, die
das Objekt einer Markierungslymphknoten-Biopsie sind, schnell und
einfach während
einer chirurgischen Operation identifiziert werden.
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Insbesondere
in Fällen,
bei denen die Form des Magnetfeld-Erkennungsteils beziehungsweise -detektorteils
eine Zahnbürstenform
aufweist, können
Messungen in einer komfortablen stehenden Position durchgeführt werden,
so dass die Last auf den Arzt verringert wird. Ferner kann der Arzt
als ein Ergebnis der differentiellen Magnetfeldstärke oder
-amplitude, die in ein Geräusch
umgewandelt wird, seine Aufmerksamkeit auf den Zustand der Messorte
richten; dementsprechend wird nicht nur die Sicherheit verbessert,
sondern es wird auch die Last des Arztes verringert.
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Die
oben offenbarte Ausführungsform
ist unter allen Gesichtspunkten ein Beispiel und sollte nicht als
die vorliegende Erfindung beschränkend
angesehen werden. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch
die Ansprüche
angegeben und nicht durch die obige Beschreibung. Es ist vorgesehen,
dass alle Änderungen
in diesem Sinne und dem Umfang, die Äquivalente des Umfangs der
Ansprüche
darstellen, von der vorliegenden Erfindung umfasst sind.
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Nach
dem die bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben
worden sind, sollte es verständlich
sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese genauen Ausführungsformen
beschränkt ist
und verschiedene Änderungen
und Modifikationen davon vom Fachmann durchgeführt werden können, ohne
vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den beiliegenden
Ansprüchen
definiert ist.