用于检测磁粒子的传感器的制作方法

本申请要求2014年1月31日提交的标题为“用于检测磁粒子的传感器(Sensor for Detection of Magnetic Particles)”的澳大利亚临时专利申请No.2014900294的优先权，该申请的内容整个地通过引用并入。

技术领域

本申请涉及磁粒子的检测，在一个特定实施例中，涉及身体中的磁粒子的检测。

背景技术：

在许多医学应用中，能够检测或追踪身体的某些组成部分的位置是有用的，从该位置可以推导与患者的状态或健康相关的信息。

一种方法包括将其方位能够从身体外部检测的示踪物元素注射到身体中。示踪物元素的位置和移动提供有用的信息。

在一些应用中，示踪物是当从外部源探询时给感兴趣的组织上色的染料。

在一些其他的应用中，示踪物元素是其存在可以通过对同位素发射的辐射的检测来进行检测的放射性同位素。此种同位素的一个例子是氟脱氧葡萄糖。在使用中，同位素被注射入患者，并且被允许如本领域技术人员将理解的那样集中到感兴趣的组织中。在容许的时间段之后，示踪物的位置被检测，提供关于示踪物集中到的组织的信息。

现有技术中的许多技术的缺点包括放射性元素的使用和/或对于大型的昂贵的检测设备的需要。

技术实现要素：

根据第一方面，提供了一种用于测量通量密度的磁传感器，该磁传感器包括：至少一个隧穿磁阻器；支持电路；以及至少一个输出，其用于输出与所述至少一个隧穿磁阻器的电阻成比例的输出信号。

根据第二方面，提供了一种用于检测磁粒子的传感器探头，该传感器探头包括：根据第一方面的至少一个磁传感器，其用于感测周围磁场中的波动；电磁体，其支持所述至少一个磁传感器；以及信号输出器输入，其用于从信号发生器接收信号，所述信号用于在电磁体中产生电流，从而产生形成周围磁场的至少一部分的传感器探头磁场。

根据第三方面，提供了一种磁探头系统，该磁探头系统包括：根据第二方面的传感器探头；信号发生器，其用于产生用于输入到传感器探头的信号发生器输入的信号；以及信号处理器，其用于接收输出信号，并且提供磁粒子的存在的指示。

根据第四方面，提供了一种处理从根据第三方面的磁探头系统的输出接收的信号的方法，该方法包括：从磁传感器的输出接收所述信号；从所述信号滤除低频分量以提供滤波信号；使滤波信号偏置以提供偏置信号；对偏置信号进行整流以提供整流偏置信号；以及将整流偏置信号与阈值进行比较。

根据第五方面，提供了一种使用根据第三方面的磁探头系统检测磁粒子的存在的方法，该方法包括：产生使电磁体感应磁场的信号；对从磁传感器的输出接收的输出信号进行处理；并且如果整流偏置信号满足或超过阈值，则指示存在磁粒子。

附图说明

将参照附图来描述实施例，在附图中：

图1A——示出根据一个实施例的具有一个磁阻器的磁传感器；

图1B——示出根据另一个实施例的具有一个磁阻器的磁传感器；

图1C——示出根据另一个实施例的具有一个磁阻器的磁传感器；

图1D——示出根据另一个实施例的具有一个磁阻器的磁传感器；

图2——示出根据一个实施例的具有两个磁阻器的磁传感器；

图3——示出根据一个实施例的具有四个磁阻器的磁传感器；

图4A——示出具有四个磁阻器和支持电路的磁传感器的一个实施例；

图4B——示出具有四个磁阻器和支持电路的磁传感器的另一个实施例；

图5——示出传感器探头的一个实施例；

图6——示出传感器探头的另一个实施例；

图7A——示出磁芯的一个实施例；

图7B——示出磁芯的另一个实施例；

图7C——示出磁芯的另一个实施例；

图7D——示出磁芯的另一个实施例；

图8——示出对于不同磁芯形状的通量密度对距离的曲线图；

图9A——示出电磁体产生的电磁场的示例波形；

图9B——示出磁粒子响应于暴露于图9A的电磁场而产生的磁场的波形；

图9C——示出磁传感器测量的磁场的波形；

图10——示出处理磁传感器测量的信号的方法的一个实施例的流程图；

图11A——示出根据一个实施例的用于处理磁传感器测量的信号的布置的示意图；

图11B——示出根据另一个实施例的用于处理磁传感器测量的信号的布置的示意图；

图12A——示出信号处理器的一个实施例的电路示意图；

图12B——示出图12A的电路的PCB布局；

图13——示出用于连接到传感器探头的主单元；

图14A——示出包括传感器探头和主单元的磁探头系统的一个实施例；

图14B——示出包括传感器探头和主单元的磁探头系统的另一个实施例，传感器探头包含信号处理器，主单元包含信号发生器；

图14C——示出包括传感器探头和主单元的磁探头系统的另一个实施例，传感器探头包含信号发生器，主单元包含信号处理器；

图14D——示出仅包括传感器探头的磁探头系统的另一个实施例，传感器探头包含信号发生器和信号处理器；

图15——示出传感器探头中的信噪比对进入电磁体的电流的曲线图；

图16——示出传感器探头对实验中的每个切除结节测量的信号中的最大变化；

图17——示出对另一个实验中的12个切除结节中的每个的探头信号的曲线图；

图18——示出输出信号和结节离探头尖端的距离之间的关系；

图19——示出测量一个磁纳米粒子量范围的输出信号的曲线图；

图20——示出关于磁控探头的横向灵敏度曲线；

图21——是探头的另一个实施例的示意图；

图22A——是2传感器偏置设计的另一个实施例的示意图；

图22B——是4传感器偏置设计的另一个实施例的示意图；

图23A——是示出具有参照图2和3描述的传感器布置的探头的实施例的操作原理的示图；

图23B——是示出具有图22B的偏置传感器布置的探头的操作原理的示图；

图24——是探头系统的另一个实施例的电路示意图；以及

图25——示出被封装在连接有探头的金属壳体中的所述系统的实施例。

具体实施方式

现在参照图1，示出了根据一个方面的用于测量通量密度的磁传感器100。磁传感器100包括至少一个磁阻器10。在一个实施例中，磁阻器10是自旋隧穿结(STJ)器件。在另一个实施例中，磁阻器10是磁隧穿结(MTJ)器件。在一个实施例中，磁阻器10具有大于50％的磁阻。

磁传感器100还包括如下面将更详细地描述的为磁阻器10提供支持电路的电路20。还设有输出表示磁阻器的性质变化的信号的输出30。

在一个实施例中，如图1A所示，磁传感器100包括一个磁阻器10与电路20，电路20包括单个固定电阻器22。输出30设在磁阻器10和电路20之间的结点处。

在另一个实施例中，如图1B所示，磁传感器100包括一个磁阻器10与电路20，电路20包括电流源23。在该实施例中，输出30由V+结点30a和V-结点30b之间的磁阻器10上的电位差提供。

在另一个实施例中，如图1C所示，磁传感器100包括一个磁阻器10与电路20，电路20包括电流源23。在该实施例中，输出30由V+结点30a和V-结点30b之间的磁阻器10上的电位差提供。

在另一个实施例中，磁传感器100包括一个磁阻器10与电路20，电路20包括三个值已知的固定电阻器22。如图1D所示，所有的电阻器10、22都被布置为四分之一有源元素惠斯登电桥40。在该实施例中，输出30由所示的V+结点30a和V-结点30b提供。

在另一个实施例中，如图2所示，磁传感器100包括两个磁阻器10、电路20以及输出30，电路20包括两个值已知的固定电阻器22，输出30由V+结点30a和V-结点30b提供。

磁传感器100可以包括若干个磁阻器，包括1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、10-15个以及多于15个。磁传感器可以根据应用的要求而被设计有期望数量的磁阻器。例如，具有单个磁阻器的磁传感器的灵敏度低于多个传感器，但是最便宜。在该布置中，电路的其他组件的电阻的精度和稳定性可以更高。具有两个磁敏元件的磁传感器较单磁阻器器件来说改进了信噪比和灵敏度。具有四个磁阻器的磁传感器尽管成本更高，但是灵敏度、稳定性和信噪比更高。

在一个实施例中，如图3所示，磁阻器布置成全有源元素惠斯登电桥构造40。

在该实施例中，磁阻器10由第一磁阻器11、第二磁阻器12、第三磁阻器13和第四磁阻器14提供。第一磁阻器11的第一端11a连接到供电电压V_CC，第一磁阻器11的第二端11b连接到第一结点V+；第二磁阻器12的第一端12a连接到电力点V_EE，V_EE不等于V_CC，使得电位存在于它们之间；第一磁阻器11和第二磁阻器12形成第一支线41。第三磁阻器13的第一端13a连接到V_EE，第三磁阻器13的第二端13b连接到第二结点44，第四磁阻器14的第一端14a连接到第二结点44，第四磁阻器14的第二端14b连接到V_CC，第三磁阻器和第四磁阻器形成第二支线42。

在该实施例中，输出30由点V+(30a)和V-(30b)处的第一结点43和第二结点44之间的电位差提供。这提供了与磁阻器测量的通量密度成比例的度量。

磁阻器可能因暴露于高磁通量而受损。该应用中使用的磁阻器通常具有大约12V的阈值，在该阈值之后它们可能受损。在另一个实施例中，如图4A所示，恒流源可以被利用，以使得每个磁阻器上的压降限于小于12V，同时仍被允许根据磁场变化。这可以被测量为如图4A所示的惠斯登电桥40上的V+和V-处的压降的变化，提供输出30。

图4A的布置的另一个实施例在图4B中示出。在该实施例中，惠斯登电桥40与图4A中的惠斯登电桥相同，但是电路20包括电压调节器21和值已知的固定电阻器22。在该实施例中，电路由正轨V_CC和负轨V_EE供电。在该特定实施例中，供给惠斯登电桥40的电流经由电压调节器21以及固定电阻器或电阻器网络22控制。磁阻器10上的压降随着磁通量变化而变化，电流的控制确保正常操作期间任何磁阻器10上的最大压降限于小于12V。磁传感器100的输出然后被取作结点V+和结点V-之间的电位差。

根据另一个方面，提供了与参照图1至4B描述的磁传感器100一起使用的传感器探头200。在一个实施例中，传感器探头200包括支持上述磁传感器之一的电磁体，以及用于从该信号发生器接收信号的信号发生器输入，所述信号用于在电磁体中产生电流，从而产生磁场。

图5示出了传感器探头200的实施例的示意图，传感器探头200包括电磁体210和信号发生器输入213，磁传感器100在电磁体210的尖端。

图6示出了传感器探头200的另一个实施例。在该实施例中，电磁体210由围绕芯211的导电线圈212提供。芯211具有容纳轴214的芯孔口211a，轴214在一个实施例中是包含用在信号分析中的组件的印刷电路板，在另一个实施例中是仅包含用于磁传感器100的电路的印刷电路板。

在该实施例中，轴214使磁传感器100连接到其尖端，电磁体210位于尖端，并且包围磁传感器。信号发生器输入213由与线圈212的连接提供，以接收下面将更详细描述的信号发生器(该视图中未示出)产生的信号。

在一个实施例中，磁传感器100是安装在小外形集成电路封装中的或印刷电路板上的裸芯片，形成传感器探头200的尖端。在一个实施例中，传感器探头的尖端的直径小于或等于大约10mm。

芯211可以是任何合适的磁材料。在一个实施例中，芯211是铁，具有高相对磁导率。在一个实施例中，相对磁导率m_r大于100。在一些实施例中，芯211是圆柱体。在其他实施例中，芯211是线筒形状。图7A至7D示出了根据不同实施例的芯构造。在如图7A所示的一个实施例中，芯211基本上呈圆柱形。在如图7B所示的另一个实施例中，芯211是线筒形状。在如图7C所示的另一个实施例中，芯211也是线筒形状。在如图7D所示的另一个实施例中，芯211是没有孔口的实心芯。

如本领域技术人员将理解的，芯的形状和构造影响场模式。例如，实心芯的边缘处的通量大于空心芯的边缘处的通量，然而，对于空心芯，在离芯更远的距离处，通量可能更大。通过调整芯211的形状，可以按照需要调整通量图。例如，对于线筒形状的芯，通量密度的探测可以比圆柱形芯的通量密度的探测更远。

图8示出了对于变化的芯形状比较通量密度(A.U.)对磁粒子离探头尖端的距离(mm)的曲线图。可以看出，在探头尖端，实心芯700的通量密度高于圆柱体芯和线筒芯720两者的通量密度。虽然实心芯700的通量密度随着离探头的尖端的距离增大而减小，但是圆柱体710和线筒720这两种形状的通量密度随着距离一直增大到最大值(对于直径为9mm、孔径为4mm的圆柱体或线筒，为3.25mm)一开始会有所增长，从而确保传感器100在通量密度低于样品的区域中，如果样品被放置在该区域内的话。

电磁体210产生的磁场由经由信号发生器输入213输入到电磁体的信号控制。该信号由信号发生器产生以生成期望特性的时变磁场。在一个实施例中，磁场是单向的(平行于或反平行于传感器探头的感测轴)。在另一个实施例中，磁场是双向的(在平行于传感器探头的感测轴和反平行于传感器探头的感测轴之间波动)。在一个实施例中，产生的磁场具有50:50占空比与足以使全部磁粒子在1秒时间帧内对齐的通量密度。

期望产生的磁场的类型取决于诸如以下的因素：将被检测的磁粒子的质量、以及粒子将被插入和安置在其中的介质的类型。粒子的“质量”是指全部粒子将被外部施加的场磁化并且一旦该外部施加的场已经被移除、就松弛到整体非磁化状态(所谓的“超顺磁性”)的能力。在本申请中，如果粒子具有短的磁化时间和松弛时间(例如短于1ms)，则它们被认为具有高质量。这些性质一般在粒子直径小于20nm时得以实现。

粒子具有两种松弛方法——Néel或Brownian。衰减时间被观察为Néel和Brownian两个组件的组合；然而，最短时间通常是最主要的。高质量粒子将以胶态的或固定化(immobilise)的(例如，干燥的或冻结的)形式快速衰减，因为用于固定化粒子的Néel松弛时间非常短，但是低质量粒子(>20nm)当被固定化时将经由长得多的Néel松弛时间衰减，因此在胶体中表现为超顺磁性，但是当被固定化时是亚铁磁性的。

如果使用的粒子是高质量，则单向或双向场均可以被使用，但是如果粒子是低质量，则在粒子保持移动(因此经由快速Brownian机制衰减)的环境中只有单向场可以被使用。如果低质量粒子被使用并且粒子在它们被施加期间被固定化，则双向场被使用，否则来自粒子的信号在信号管理期间将被滤除。当粒子存在时传感器探头的作为结果得到的信号将是电磁体产生的电磁场和粒子响应场的叠加。

下表1示出了对于给定的粒子松弛时间和介质类型的期望的场的类型。

表1

指出，用于低质量粒子的阈值大小取决于粒子组成(例如，磁化率、矫顽力和迟滞现象)。使用的数据是关于未经涂布的磁纳米粒子的。

图9A示出了电磁体210产生的电磁场的一种形式的表示，在该例子中示出了基本方波形状的双向或二态场。图9B示出了粒子响应于暴露于图9A的磁场而产生的磁场。作为结果得到的磁场在图9C中示出。该信号是从如前所述的磁传感器100的输出30提供的，其中，输出在一个实施例中是根据一个或多个磁阻器10检测的磁通量的变化而变化的电压信号。这个被检测的磁场是如图9A所示的电磁体210产生的磁场和粒子响应于该磁场而产生的磁场(图9B)的叠加。

为了确定粒子是否已经在传感器探头的影响区域内被检测到，对输出30处提供的如图9C所示的输出信号进行处理以使与归因于纳米粒子/磁粒子的磁场相关联的信号与背景噪声隔离。在该应用中，背景噪声包括与地球的磁场和电磁体产生的磁场相关联的信号。磁传感器中的任何不平衡，诸如零场传感器电阻中的不匹配或者由于传感器探头尖端处的热梯度而导致的不平衡，可能影响磁阻器电阻。

在传感器探头200的其他实施例中，磁传感器100被安置在电磁体芯211内部、孔口211a中，而不是尖端处。在一些应用中，在高磁场中，磁阻器10可以变得饱和。已经发现，电磁体芯孔口211a内的空间可以提供对电磁体210产生的外部磁场的一些屏蔽。磁传感器100在电磁体芯孔口211a内部被安置得越靠内，磁传感器100中的磁阻器10被屏蔽得越多，并且在不使磁阻器10饱和的情况下可使外部磁场越高。因此在一些实施例中，磁传感器100能够被安置在电磁体芯孔口211a内部离尖端不同的距离处。这样，磁传感器100的位置可以针对给定设置进行优化。在一些实施例上，传感器探头200在设置位置处设有单个磁传感器100，用户可以针对所需的应用相应地选择传感器探头。在其他实施例中，磁传感器100能够通过任何合适的手段在电磁体芯孔口211a内上下移动。仍然在其他实施例中，传感器探头200设有安置在磁芯孔口211a内离尖端不同距离处的多个磁传感器100，每个磁传感器100能够被选择性地切入和切出电路，从而允许选择所需位置处的磁传感器以针对特定应用优化传感器探头200。

将意识到，在这些实施例中，所有的磁阻器10全都暴露于同一外部磁场。

在另一个实施例中，确定最佳线圈电流，并且使用该电流来确保从磁控传感器接收的信号不被周围电磁场削弱或以其他方式干扰。下面在示例实验设置的描述中更详细地描述其的特定例子。

在一个实施例中，如图10所示，在步骤300，接收来自磁传感器100的输出30的信号。在第一滤波步骤310中，使用低通、高通或组合带通滤波器来滤除不想要的频率分量。这移除了通过相对于地球磁场的通量矢量移动传感器探头而产生的信号以及高频噪声。在一个实施例中，在步骤320，使该信号偏置以移除如上所述的任何内部的或引入的桥偏置以生成偏置信号，并且在步骤330中，对作为结果得到的滤波AC信号进行整流。这生成了整流偏置信号，在一个实施例中，整流偏置信号是与传感器探头200或更具体地磁传感器100检测的信号在移除背景噪声之后的正振幅成比例的DC信号。

然后在步骤340中将该振幅与检测阈值进行比较，如果振幅满足或超过阈值，则在步骤350，给予粒子存在的指示。该指示可以采取任何手段，包括来自显示与检测的粒子量成比例的变化电压的伏特计的读数，或者作为音频信号，其中音高和振幅与该信号以及因此检测的粒子量成比例。在其他实施例中，给予表示粒子的阈值量的检测的定常指示，诸如单声哔哔声或开启的灯。在另一实施例中，检测信号被作为用户可检测到的传感器探头的振动提供。该振动可以是设置的振动，或者可以随着检测的粒子的量增加而增大。

在一些实施例中，仅使用模拟组件来对从传感器探头200/磁传感器100输出的信号进行处理。在其他实施例中，使用模拟预处理来对该信号进行处理，接着使用例如微处理器进行数字处理。

就纯模拟处理来说，在一个实施例中，使用快速响应低通滤波器(诸如Sallen-Key低通滤波器)将背景分量与信号的其余部分分离。然后从原始信号减去该分量以从粒子和/或电磁体210仅留下信号。然后对该(现在正确地偏置的)时变信号进行整流和滤波以生成等于预整流信号的正振幅的DC信号。然后经由手动控件使该DC信号偏置，然后使用数据采集软件对该小信号进行分析或处理，或者如前所述将该小信号直接反馈给用户。

图11A是执行上述处理方法的信号处理器400的主要组件的示意图。在该实施例中，处理器输入410接收来自传感器探头200的输出信号。然后对该信号进行划分，并且使用低通滤波器420(诸如快速响应低通滤波器，诸如Sallen-Key低通滤波器)对一个部分进行滤波，然后在减法器430处从原始信号减去该部分以仅留下由粒子和/或电磁体210产生的任何信号。

然后整流器440对该信号进行整流，然后第二低通滤波器450对该信号进行滤波以生成等于预整流信号的正振幅的DC信号。然后经由手动控件460(例如，电位计)使该DC信号偏置，然后处理器480(例如在个人计算机装置中)或诸如电位计的模拟装置(未示出)对从第二减法器470输出的作为结果得到的信号进行分析以指示磁粒子的存在或不存在。

在先使用模拟预调整对信号进行处理、接着再进行数字处理的其他方法中，使用其中f₀被设置为电磁体210的驱动频率的带通滤波器对来自传感器探头200的信号进行滤波，并且使该信号偏置以移除任何DC电平背景。然后使该信号经过参考电磁体210的频率的锁相放大器。锁相放大器的输出将与输入处的信号的振幅成比例，因此表示来自传感器探头200的信号的偏置和整流版本。在该处理实施例中，输出信号的信噪比很大。处理器(诸如微控制器)然后对该信号进行处理，用户可以通过该处理器设置检测的期望阈值水平。

图11B是实现上述处理方法的信号处理器400的主要组件的示意图。在该实施例中，处理器输入410接收来自传感器探头200的输出信号。该信号在被锁相放大器492处理之前经过带通滤波器491。然后快速响应低通滤波器(诸如Sallen-Key低通滤波器450)对来自492的输出进行滤波以生成稳定的DC信号。

然后经由手动控件460(例如，电位计)使该DC信号450b偏置，然后处理器480或诸如电位计的模拟装置(未示出)对从第二减法器470输出的作为结果得到的信号进行分析以指示磁粒子的存在或不存在。在另一个实施例中，处理器480直接对低通滤波器450的输出450a进行分析，并且通过数字处理来执行偏置。

结果的指示可以通过各种手段提供给用户，包括屏幕490b上的指示、照明元件490c的启动、或者通过发出音频指示490a、或者以上的任何组合。

输出493a是处理器/PC(480)生成的交流信号的例子，并且包含诸如波形(例如方形或正弦形)和频率(例如180Hz方波)的信息。方框493提供信号493a的电流放大以及对输出信号493a的极性的调整(例如，以得到双向交流电流)。该放大信号然后被施加于电磁体210。方框493可以是任何合适的电路，包括电流放大器或电流驱动器(诸如h桥)。

图12A示出了上述信号处理器400的一个实施例的电路示意图的例子。

图12B示出了图12A的信号处理器电路的印刷电路板(PCB)布局的例子。

图13示出了主单元500的一个实施例，主单元500包括壳体510，壳体510包含上述各种系统和组件。在该实施例中，专用电源供应器(诸如存放在电池隔室520中的电池)允许主单元是便携的并且被远离其他电源供应器操作。在其他实施例中，主单元能够被插入到外部电源(诸如输电干线或供电电力)中，在其他实施例中，两种形式的电力被作为选项提供。产生将被提供给电磁体的信号所需的电路以及信号处理器400所需的电路和组件被容纳在电路隔室530中。主单元500的将信号提供给传感器探头200以给电磁体通电的主单元输出560被提供用来接收来自传感器探头200的连接器。来自传感器探头200的输出(具体地说，磁传感器100的输出30)的信号经由合适的连接器施加于主单元输入550。如前所述，该信号施加于信号处理器400的输入。

壳体510在一个实施例中由导电材料(诸如钢或铝)制成，以为电组件屏蔽外部噪声。在一个实施例中，提供通风孔来移除由电池的操作产生的热量。在一个实施例中，还可以提供冷却风扇。

在一些实施例中，可以在主单元500上提供不同类型的反馈，诸如虚拟显示器540和/或音频扬声器590。还提供线圈控制开关570和主单元开/关开关580。

图14A示出了磁探头系统600的实施例，磁探头系统600包括主单元500和传感器探头200。在该布置中，如前所述，传感器探头200经由到主单元输入550(探头进)和主单元输出560(线圈进)的各自的连接器而连接到主单元500。

在如图14B所示的另一个实施例中，传感器探头200本身包含用于对磁传感器100测量的信号进行处理的信号处理器400。在该实施例中，传感器探头200连接到主单元500，主单元500在该实施例中仅包含用于产生激励传感器探头200中的电磁体210的信号的信号发生器电路。在该实施例中，传感器探头200还包括指示磁粒子的存在的传感器探头指示器220。在一个实施例中，传感器探头指示器220是虚拟显示器。在另一个实施例中，传感器探头指示器220是音频发生器，在另一个实施例中，传感器探头指示器220是当检测到磁粒子时使传感器探头振动以向用户提供触觉反馈的振动器。因此在该实施例中，磁探头系统600由仅充当信号发生器的主单元500以及合并信号处理器400的传感器探头200提供。

在如图14C所示的另一个实施例中，磁探头系统600也包括传感器探头200和主单元500，但是在该实施例中，传感器探头200包含产生激励电磁体210以产生磁场的信号的信号发生器。主单元500仅包含用于从传感器探头200接收测量的信号并且对该信号进行处理的信号处理器400。在该实施例中，传感器探头200经由主单元输入550连接到主单元500。在该实施例中，主单元500还具有用于向用户指示磁粒子的存在的显示器540。

在如图14D所示的又一个实施例中，磁探头系统600仅由传感器探头200提供，传感器探头200使信号发生器和信号处理器400集成在它内。在该实施例中，因此不需要外部主单元500。

下面描述本文中所描述的各个方面的特定实现，包括其对于实验对象的应用。

下面是就从猪模型移除的淋巴结对使用传感器探头200的实施例的示例实验设置和过程的描述。

探头设置：四个STJ-201磁阻器10呈惠斯登电桥构造，附连到形成在磁传感器100的尖端处的简单印刷电路板。如下面进一步描述的，磁传感器100经由中心孔口被放置在电磁体芯211线筒的内部。传感器尖端的位置与孔口开口211a齐平，但是由于90匝电磁体线圈创建的相对较低的通量，传感器没有达到饱和。在其他示例实验中，使用480匝线圈，传感器尖端位于线筒内部更远处以防止传感器饱和。电磁体210和传感器尖端形成探头200的尖端。

传感器尖端的惠斯登电桥由6.25mA的恒流源(由LM317可调整调节器供电)提供电力以防止当磁阻器的电阻改变时磁阻器10上的12V或更大的有害的压降。用于传感器探头200和所有电组件的电力可以由电池源供电，但是对于该实验，使用连接输电干线的DC电源供应器。

驱动信号：由函数发生器生成(但是555计时器也可以被使用)的具有50％占空比的180Hz方波被用于切换被供给DC电磁体线圈电流(IC)的h桥IC(L298N)。由于h桥的性质，IC的方向被切换以在电磁体210(90匝，20mm长，13mm直径，软钢芯，线筒形状)中生成振幅与±IC成比例的180Hz磁场。

调整电子器件：调整电子器件由仪表放大器、高Q Deliyannis带通滤波器、锁相放大器、快速响应Sallen-Key低通滤波器以及手动偏置放大器组成，仪表放大器从传感器桥100接收差分信号，并且将该差分信号转换为单端输出(参考GND)。最终的输出信号是偏置DC信号，该信号经由National Instruments DAQ6009被转换为数字信号，该数据使用以LabVIEW编写的可执行指令记录。

淋巴结样品：使用三个淋巴结样品，全都是在皮下注射磁纳米粒子示踪物(0.5ml剂量，20mg/mL)之后大约2个小时时从猪模型的后腿和腹股沟区域切除的。在切除之前，使用MRI对动物进行成像以确认将磁粒子体内摄取到淋巴系统中。结节样品中的两个n1和n2来自于腘深区，含有经由切除后的T1和T2*MR成像确认的磁示踪物。结节样品n1和n2分别是从左后腿和右后腿移除的。第三个淋巴结样品n3表现为从左后腿移除的单个浅表淋巴结，不含有任何磁纳米粒子——再次由切除后的T1和T2*MR成像确认。所有结节样品在测量之前都在3℃下被存放在福尔马林固定液(40％甲醛)中。

线圈电流的优化：在传感器探头200的本实施例中，来自磁纳米粒子样品的信号幅值与供给电磁体的电流、因此磁化场成比例。如果磁化场太低，则磁纳米粒子的样品可能未被完全磁化，作为结果得到的信号将很小。如果磁化场太高，则传感器将进入非线性区域，并且探头的灵敏度降低。此外，由由于通过h桥切换高线圈电流而导致的热量加热引起的噪声也可以阻碍灵敏度，因为信噪比(SNR)降低。

为了确定用于实验的实施例中的最佳线圈电流，将1mg干燥磁纳米粒子的标准样品放置在离探头尖端设置距离处，并且记录关于一个线圈电流范围的信号。如图15所示，然后将该信号的幅值与噪声水平进行比较以找到SNR。发现信噪比对电磁体电流的曲线图遵循二次函数，因此确定线圈的理想电流在400mA和500mA之间。结果，对于以下实验，使用450mA的线圈电流。指出，在电流低时，由于磁化场很弱，SNR很低，而在电流高时，由于存在高磁场时的显著热噪声以及传感器的非线性性质，SNR开始降低。

测量结节：在该实验中，使用夹具将探头放置到位，并且将结节举到其尖端，但是结果预计与结节被固定到位(例如，仍在身体里)并且探头被举到结节时是相同的。

传感器探头200在离探头尖端大约0.1mm至1mm的距离处测量结节样品n1和n2。在多个方向上测量样品，发现信号强度根据样品的什么部分被测量而改变。这可以用结节样品中的示踪物的不均匀摄取来解释，并且如图18中所证实的，信号强度很大程度上取决于到磁粒子的距离(进一步参见下面)。

在计算机监视器上观察探头信号的变化，该变化指示磁纳米粒子的存在和数量。图16示出了对每个切除的结节测量的信号的最大变化。作为控制，结节样品n3也被举到探头尖端(再次0.1mm至1mm内)，但是没有从背景噪声可辨别的信号被记录。

图16具体地示出了磁强计探头对从猪的左后腿和右后腿移除的腘深结节样品检测的信号的比较。正误差条和负误差条等于背景噪声的标准差的三倍(3snoise)。这些结果指示右后腿腘深淋巴结中的摄取更高，因为信号强度与存在的磁纳米粒子的体积成比例。

在已经进行的进一步的动物实验中，总共12个主要引流结节(即，表示没有癌症的动物中的前哨淋巴结)在猪模型中(在外科手术期间)在体内被测量。

在这些实验中，大小在35至50kg范围内的五头母猪被以20mg/mL剂量在后蹄上方4cm注射10mg的磁纳米粒子。每头猪在注射磁粒子之前和之后被进行术前成像以确定前哨淋巴结的解剖位置(与4只动物中的腘深淋巴结和一只动物中的腹股沟浅淋巴结相同)。

注射后九十分钟，猪牺牲，用外科手术暴露结节。一旦被暴露，每个前哨淋巴结就通过使用在上面段落[00108]到[00112]中描述的磁强计探头被测量至少两次(相对于背景组织信号)。一旦被确认是磁结节(因此，表示SLN)，器官就被移除。在该实验中测量的淋巴结的总结在图17中示出。指出，用于“肯定”结节的切掉标准是探头测量的信噪比(方程1)必须大于2.0(如图17上的点线所示)。

其中，是来自结节的平均信号的幅值；σ是在测量期间探头生成的DC信号的标准差(即，由于电子噪声而导致的DC信号中的波动的度量)。

在测量纵向灵敏度——即，信号随着到源的距离的变化——的另一方法中，使用平移载物台来随着距离的改变而连续地测量，而不是如上述方法中那样手动地改变距离并且测量离散点。

为了与图18相关地观察距离对测量的影响，通过使用机动平移载物台在测量期间改变样品到探头距离来随着距离的变化测量10mg磁纳米粒子样品(体模)。

为了控制距离，将体模放置在30cm塑料条的一端上，该条的另一端附连到2”平移载物台。通过将100rpm DC电机附连到载物台的微米调整旋钮来移动载物台。在记录响应曲线之前和之后测量点源相对于传感器探头200的平移位置，并且确定距离标尺。结果在图18中示出。指出，拟合所述数据的曲线对于0.0mm<x<7.0mm是真实的，并且是从直径为5.0mm的大致球形样品测量得到的。

将意识到，在本文中所描述的各个方面，传感器100不接触或靠近正被测量的粒子。在一些实施例中，传感器(一个或多个)100和正被测量的粒子之间的距离是单个的磁阻器感测元件100的尺寸的100倍。这包括10倍和20倍之间、20倍和30倍之间、30倍和40倍之间、40倍和50倍之间、10倍和50倍之间、50倍和60倍之间、60倍和70倍之间、70倍和80倍之间、80倍和90倍之间、90倍和100倍之间、50倍和100倍之间。在其他实施例中，传感器(一个或多个)100和正被测量的粒子之间的距离小于单个的磁阻器感测元件10的尺寸的10倍，包括1倍和2倍之间、2倍和3倍之间、3倍和4倍之间、4倍和5倍之间、1倍和5倍之间、6倍和7倍之间、7倍和8倍之间、8倍和9倍之间、9倍和10倍之间、以及5倍和10倍之间。在其他实施例中，传感器(一个或多个)100和正被测量的粒子之间的距离是单个的磁阻器感测元件10的尺寸的100倍至200倍，包括100倍和150倍之间以及150倍和200倍之间。在一些实施例中，传感器(一个或多个)100和正被测量的粒子之间的距离大于单个的磁阻器感测元件10的尺寸的200倍，包括多达300倍、多达400倍和多达500倍。

作为传感器探头200的特性的最终度量，相对于变化的纳米粒子数量的输出信号被测量。对于该实验的设置由用夹具垂直固定到位的传感器探头200组成。在离传感器探头200的1mm固定距离处测量不同数量的四个干燥纳米粒子样品，并且如图19所示，测量磁强计信号的变化。如所预计的，数量和信号之间的关系如应用于数据的最佳拟合所示是线性的。

在以上方法中，使用对输出信号引入显著噪声的原型电子器件来测量传感器探头200的灵敏度，从而降低传感器探头200的引证的灵敏度。为了移除该噪声的影响，对如以上参照图4A和4B描述的MTJ传感器惠斯登电桥40测量传感器探头200的输出(即，不切换磁场、不进行信号调整)。这给予了可用构成传感器探头200的MTJ器件实现的灵敏度的更精确的测量。在该方法中，通过将传感器探头200垂直地夹在保持体模样品的旋转载物台上方来在4.0mm的固定距离处测量三个干燥磁粒子体模。载物台以大约200rpm旋转，并且在示波器上测量来自通过的体模的信号。通过这些数据，可以外推出磁粒子的50μg(0.5mg)的灵敏度限值(其中，信噪比等于2.0)。该结果给予了探头灵敏度的更精确的测量，因为它降低了原型电子器件(例如，被组装在条状板上)对器件的信噪比可能具有的负面影响。还指出，基于图18的数据，如果样品被移至极其贴近探头尖端(<1mm)，则该灵敏度限值可以改进到正好5μg(0.005mg)。

手持探头(诸如伽玛探头或磁强计探头)的空间分辨率是非常重要的特性——特别是如果探头将被用于区分紧邻的磁场来源(即，区分来自附近的磁前哨淋巴结、复杂淋巴环境(比如胃肠道癌症)中的未累及结节)。

为了测量空间分辨率，在离点源(尺寸等于或小于探头的有源感测区域的源)的固定距离处横向地扫描传感器探头200，并且测量输出响应曲线的半高全宽(FWHM)以给出量子化的空间分辨率。

使用与在前面段落[00108]和[00112]中描述的参数相同的参数来测量空间分辨率。为了测量响应曲线，使用置物台垂直地安装传感器探头200，并且将传感器探头200放置在离点源大约0.5mm处(小3mm直径、～10mm³体积体模中的10mg的干燥磁粒子)。如上所述的用于距离测量的自动化载物台再次被用于控制体模相对于传感器探头200尖端的位移。探头尖端的位置在x＝0处，体模被从x＝-6.0到x＝+6.0mm扫描。该处理的结果在图20中示出。从FWHM，确定4.0mm的空间分辨率。该参数很大程度上取决于体模的大小和传感器100的大小，即，如果尖端处的扫描区域从4.0x 2.0mm缩小至1.0x 0.3mm(即，如果单个传感器100被用来代替4个传感器100)，则该空间分辨率可以甚至进一步降至大约1.0mm。

如前面参照图1至4B所描述的，在各种实施例中，传感器探头200可以包括安置在传感器探头200的尖端处的一个或多个磁传感器100，这些磁传感器100具有按桥构造安装的1个、2个或4个磁阻器10。在上面段落[00108]到[00112]中描述的实施例中，所有四个磁阻器10都测量来自电磁体和粒子的信号，因此总信号是来自这4个磁阻器10的平均化信号。本领域技术人员将意识到，对于呈桥构造的磁阻器10的某些布置，由4个磁阻器10组成的实施例可以生成由2个磁阻器10组成的实施例生成的信号两倍大的信号。类似地，由2个磁阻器10组成的实施例可以生成由1个磁阻器10组成的实施例生成的信号两倍大的信号。

在包括利用2个或4个磁阻器10的磁传感器100的传感器探头200的一个实施例中，磁传感器100的桥的一个臂安装在传感器探头200的尖端处，该桥的另一个臂远离尖端安装在电磁体210的相对端。该布置的例子在图21中示出。与对齐磁阻器10以使得桥的两个臂有益地增大桥电压(V_B)(如参照图2和图3描述的实施例中那样所示)完全不同，它们被对齐以使得由于一个臂而导致的V_B的变化与另一个臂相反(参见图22A和22B)。通过这样做，探头尖端处的传感器测量的来自电磁体的信号将被探头200后端的传感器测量的信号抵消。因为安装在探头后端的磁阻器10将离探头200的尖端太远以致不能在探头尖端测量来自磁示踪物(例如，在前哨淋巴结中)或其他磁材料的信号，所以该信号将不被抵消。尽管来自探头200尖端处的磁阻器10的信号的幅值将减小(如前所述)，但是信噪比也可能由于使来自电磁体210的大信号衰减而降低。该原理在图23A和23B中例示说明。参照图23A，“磁粒子与电磁体信号比”(S₁)为：

其中，A₁是在不存在示踪物的情况下来自电磁体的桥信号的振幅；A₂是来自电磁体和存在于探头200尖端附近的磁粒子两者的桥信号的振幅。另一方面，用于偏置实施例的磁粒子与电磁体信号比(S₂)(参见图23B)为：

其中，对于偏置实施例，A₃是在不存在示踪物的情况下来自电磁体的桥信号的振幅；A₄是来自电磁体和存在于探头200尖端附近的磁粒子两者的桥信号的振幅。虽然用于前面参照以上段落描述的实施例的磁粒子信号(A₂-A₁)将大于用于提出的偏置实施例的磁粒子信号(A₄-A₃)，但是因为A₁＞＞A₃，所以总的来说，S₂＞S₁。指出，在图23B中，A₃≠0——即，桥的两个臂测量的电磁体信号将不可能相互完全抵消(由于在传感器100的制造、对齐和定位期间每个传感器中的小的差异)。

图24示出了探头的另一个实施例的示意图。该实施例表现出与图12A的实施例的电路的若干个不同之处。在该实施例中，放大器级的数量减少，因此使成本、大小和电噪声减小。按如图24的电路中所示的输入到输出的次序，放大器级包括增益为5V/V的仪表放大器、有源带通滤波器(-2.08V/V增益和大约180Hz的中心频率)、有源滤波器、有源低通滤波器(-3V/V增益和1Hz的拐角频率)、偏置调整放大器(-15V/V增益)以及无源低通滤波器(1Hz的拐角频率)。

所述电路还具有不同的线圈驱动电路，该线圈驱动电路包含H桥，并且通过使用光隔离器与所述电路的其余部分完全电隔离。

微控制器也被设在所述电路中以允许方便地对线圈进行频率设置，并且允许有包括经由例如USB进行模数转换和到PC的数据传送的能力。

为了促进电磁屏蔽，如图25所示，所述电路被容纳在金属包壳中。两个隔离的电源供应器输入可仅经由香蕉插头接入，并且线圈和传感器在包壳的一侧具有对应的RCA和DIN5连接器。输出DC偏置可以通过粗略调整和精细调整来进行控制。输出经由BNC连接器提供。

一旦被提供电力，微控制器就自动地开始以设置频率(185Hz)给线圈提供电力。可以通过调整固件中的值并且重新对微控制器进行编程来改变该频率。重新编程可以通过使用合适的工具(诸如MPLAB、XC32编译器以及pic编程器(ICD或PICKit))来进行。PCB包括与这些编程器兼容的6脚编程头部。

在其他实施例中，通信块可以被提供用来无线地传输数据。任何合适的协议以及相关联的电路和软件可以被使用，包括与Bluetooth^TM、Zigbee^TM或本领域技术人员将理解的其他协议一起使用。

此种实施例可以在如前参照图14D描述的探头中被提供，在图14D中，整个系统被设在探头壳体内，并且可以将测量的数据发送给远程接收器以供用于进行进一步的处理或者被另一个处理器或医学从业者或技术员使用。

在整个说明书和以下权利要求中，除非上下文另有要求，否则词语“包括”和“包含”及其变型将被理解为隐含包括所述的特征或一组特征，但不排除任何其他的特征或一组特征。

本说明书中对任何现有技术的论述并不是，并且不应被看作是，承认任何形式的此种现有技术形成公知常识的一部分的暗示。

本领域技术人员将理解，所描述的各种实施例在使用上不限于所描述的特定应用。各种实施例也不就本文中描述的或描绘的特定元件和/或特征受到限制。将意识到，各个方面不限于所公开的一个实施例或多个实施例，而是在不脱离由权利要求陈述和限定的范围的情况下，能够有许多重排、修改和替代。