локатор инородных тел

Формула изобретения

Локатор инородных тел, включающий генератор переменного тока с подключенной к его входу катушкой возбуждения, последовательно соединенной с резистором, один из концов которого заземлен, две приемные катушки, размещенные соосно с катушкой возбуждения по обе стороны от нее и соединенные между собой градиентометрически, при этом их первые концы заземлены, а вторые соединены со входом первого усилителя, выход которого соединен со входом синхронного детектора, соединенного через первый ключ со входом второго усилителя, выход которого соединен со стрелочным индикатором, отличающийся тем, что приемные катушки выполнены в виде феррозондовых преобразователей и он снабжен дополнительным генератором переменного тока, первый выход которого через конденсатор соединен со вторыми концами приемных катушек, а второй выход - с синхронизирующим входом синхронного детектора, дополнительным синхронным детектором, вход которого соединен с выходом первого усилителя, и умножителем частоты, выход которого соединен с синхронизирующим входом дополнительного синхронного детектора, при этом первый вход умножителя частоты соединен с резистором катушки возбуждения, а второй его вход соединен со вторым входом дополнительного генератора переменного тока, и выход дополнительного синхронного детектора соединен со входом второго усилителя через второй ключ.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине, в частности к общей и глазной хирургии, и может быть использовано для локализации инородных предметов при хирургическом извлечении их из тканей человека, а также может быть использовано в ветеринарии, пищевой промышленности и т.п.

Применяемые для этих целей традиционные методы уточняющей диагностики (рентгеновский, ультразвуковой и др.) могут привести к необоснованному операционному травматизму.

Для поиска металлических предметов в немагнитной неэлектропроводящей среде применяют феррозондовую аппаратуру, предназначенную для измерения величины магнитного поля и его градиентов. Известен медицинский феррозондовый полюсоискатель, используемый для проведения операций по удалению ферромагнитных объектов из тела человека [1], включающий размещенные в одной плоскости и параллельно друг другу катушки с пермалоевыми сердечниками, соединенные градиентометрически и подключенные к измерительному блоку. Феррозондовый полюсоискатель позволяет измерять градиент магнитного поля рассеяния ферромагнитного объекта, находящегося в теле человека, предварительно намагниченного сильным постоянным полем. Прибор дает возможность локализовать этот объект и по имеющимся у него магнитным полюсам, определить его пространственную ориентацию, что является его существенным достоинством. Вторым достоинством прибора является малый диаметр чувствительного элемента феррозондового преобразователя (менее 1 мм), что позволяет изготовить его поисковый зонд диаметром не более 2 мм. Используя такой зонд, можно с достаточной точностью локализовать небольшие ферромагнитные частицы, а также по имеющимся у них магнитным полюсам определить их пространственную ориентацию. Феррозондовый полюсоискатель обладает высокой чувствительностью к градиенту магнитного поля, что позволяет обнаружить ферромагнитную инъекционную иглу на расстоянии 50 мм, швейную иглу на расстоянии 100 мм, унифицированную пулю (диаметром 7,62 мм) с расстояния 30-50 мм.

Но использование высокой чувствительности прибора не всегда возможно, поскольку она ограничена реальной магнитной обстановкой, существующей в помещении, где проводится операция. Размещенные в помещении приборы, оборудование, арматура перекрытий и стен самого здания искажают магнитное поле Земли. Градиенты магнитного поля, обусловленные наличием данных предметов в местах проведения операций влияют на измерения феррозондовым полюсоискателем. Поэтому при изменении ориентации или положения его чувствительного элемента в пространстве возникает “ложный” сигнал, пропорциональный этим градиентам, снижающий возможности использования прибора. Для успешной работы с прибором необходимо создавать благоприятную для работы магнитную обстановку либо уменьшать чувствительность прибора до такой степени, чтобы градиент внешнего магнитного поля не давал существенного вклада в полезный сигнал. Кроме того, при работе с феррозондовым полюсоискателем необходимо пользоваться хирургическим инструментом: ранорасширители, зажимы, пинцеты и др., изготовленными из немагнитного материала (титан, нержавеющая сталь, стекло).

Основным недостатком феррозондового полюсоискателя, при его высокой чувствительности к ферромагнитным объектам, является невозможность обнаружения с его помощью немагнитных металлических объектов.

Для локализации в биологических объектах как ферромагнитных, так и цветных металлов используют вихретоковые преобразователи магнитного поля.

Положенные в их основу вихретоковые методы основаны на анализе электромагнитного поля вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля. Плотность вихревых токов в объекте зависит от геометрии и электромагнитных параметров объекта, а также от взаимного расположения измерительного вихретокового преобразователя и объекта. В качестве преобразователя используют обычно индукционные катушки. Синусоидальный (или импульсный) ток, создаваемый в катушке возбуждения преобразователя, создает электромагнитное поле, которое возбуждает вихревые токи в электропроводящем объекте. Электромагнитное поле вихревых токов объекта воздействует на приемные катушки преобразователя, наводя в них ЭДС или изменяя их полное электрическое сопротивление. Регистрируя ЭДС или сопротивление катушки, получают информацию о свойствах объекта и положении преобразователя относительно него.

Наиболее близким к заявляемому является вихретоковый локатор инородных тел, включающий катушку возбуждения, подключенную к генератору переменного тока, которая создает переменное магнитное поле возбуждения, воздействующее на обследуемый объект [2]. Две приемные катушки, размещенные соосно с катушкой возбуждения по обе стороны от нее, соединены градиентометрически для вычитания сигналов, наведенных полем возбуждения. Выходы приемных катушек через компенсатор напряжения, наводимого в них, соединены со входом усилителя, выход которого соединен со входом синхронного детектора, управляемого генератором переменного тока. После синхронного детектирования сигнал усиливается усилителем постоянного тока и подается на стрелочный индикатор со средним нулевым положением стрелки.

Суть работы вихретокового локатора инородных тел заключается в том, что на обследуемый объект воздействуют переменным магнитным полем, создаваемым катушкой возбуждения, которая индуцирует в металлическом объекте переменный магнитный момент. Поле рассеяния этого объекта измеряется приемными катушками, размещенными соосно относительно катушки возбуждения и соединенными градиентометрически, чтобы сигнал, наводимый в них катушкой возбуждения, был равен нулю. По амплитуде выходного сигнала вихретокового преобразователя определяют местоположение искомого объекта, а по фазе сигнала, измеряемой относительно фазы тока катушки возбуждения, определяют, является металл ферро- или неферромагнитным. Это обусловлено тем, что направление наведенного магнитного момента ферромагнитного объекта совпадает с направлением намагничивающего поля и его величина возрастает в области расположения ближайшей приемной катушки. Магнитный момент немагнитного металлического объекта, индуцируемый в нем вихревыми токами, направлен в противоположную намагничивающему полю сторону, что приводит к уменьшению величины намагничивающего поля. Таким образом, вихретоковый локатор инородных тел позволяет обнаруживать как ферромагнитные, так и неферромагнитные металлические объекты, а также различать их по фазе выходного сигнала. Другим достоинством этого локатора по сравнению с феррозондовым полюсоискателем является независимость его выходного сигнала от пространственной ориентации его зонда в неоднородном постоянном магнитном поле, которое ограничивает порог чувствительности феррозондового полюсоискателя. Следовательно, вихретоковый локатор инородных тел обладает большей помехозащищенностью по сравнению с феррозондовым полюсоискателем при работе в реальной обстановке. Так, с помощью вихретокового локатора можно работать на расстоянии 0,3 м от массивных конструкций, выполненных из ферромагнитных или цветных металлов, что невозможно с помощью феррозондового полюсоискателя.

Чувствительность вихретокового локатора инородных тел ограничена лишь внешними электромагнитными помехами промышленного происхождения, спектр которых находится в узкой рабочей полосе локатора (несколько Гц) с центральной частотой, равной рабочей частоте катушки возбуждения.

В вихретоковом локаторе инородных тел предусмотрены два режима работы. В первом режиме измеряется синфазная с током возбуждения составляющая полезного сигнала, что позволяет по изменению направления отклонения стрелки индикатора судить, как было сказано выше о материале обследуемого объекта.

Во втором режиме измеряется квадратурная составляющая полезного сигнала, которая пропорциональна магнитным потерям в обследуемом объекте, связанным с процессами перемагничивания и индуцированным вихревыми токами. Введение такого режима обусловлено необходимостью обнаружения металлических объектов, изготовленных из композиционных материалов. Квадратурная составляющая, как было сказано ранее, обусловленная электромагнитными потерями в обследуемом объекте всегда имеет один знак. Это позволяет обнаруживать объекты, изготовленные из композиционных материалов, содержащих как ферромагнитный, так и неферромагнитный металл.

Однако чувствительность вихретокового локатора инородных тел уступает чувствительности феррозондового полюсоискателя в случае обнаружения ферромагнитных объектов.

Кроме того, выполнение приемных элементов в виде индуктивного преобразователя магнитного поля значительно по сравнению с феррозондовым полюсоискателем увеличивает габариты этих элементов, а следовательно, и габариты поискового зонда, что снижает точность локализации обследуемого объекта.

В основу изобретения положена задача создания локатора инородных тел, позволяющего распознавать сорт металла, при повышении чувствительности локатора, в особенности к ферромагнитным объектам, и точности локализации инородного тела.

Поставленная задача решается тем, что в локаторе инородных тел, включающем генератор переменного тока с подключенной к его выходу катушкой возбуждения, создающей переменное магнитное поле, воздействующее на обследуемый объект, последовательно соединенной с резистором, один из концов которого заземлен, две приемные катушки, размещенные соосно с катушкой возбуждения по обе стороны от нее и соединенные между собой градиентометрически, при этом их первые концы заземлены, а вторые - соединены со входом первого усилителя, выход которого соединен со входом синхронного детектора, соединенного через первый ключ со входом второго усилителя, выход которого соединен со стрелочным индикатором, приемные катушки выполнены в виде феррозондовых преобразователей, и он снабжен дополнительным генератором переменного тока, первый выход которого через конденсатор соединен со вторыми концами приемных катушек, а второй выход - с синхронизирующим входом синхронного детектора. Кроме того, локатор инородных тел снабжен дополнительным синхронным детектором, вход которого соединен с выходом первого усилителя, и умножителем частоты, выход которого соединен с синхронизирующим входом дополнительного синхронного детектора. Первый вход умножителя частоты соединен с резистором катушки возбуждения, а второй его вход соединен со вторым входом дополнительного генератора переменного тока. При этом выход дополнительного синхронного детектора соединен со входом второго усилителя через второй ключ.

Выполнение приемных катушек в виде феррозондовых преобразователей и снабжение локатора инородных тел дополнительным генератором переменного тока и дополнительным синхронным детектором и умножителем частоты позволило уменьшить диаметр поискового зонда до размеров зонда феррозондового полюсоискателя ( 2 мм), что повысило чувствительность прибора, а дополнительные элементы и новые связи между элементами схемы прибора позволили сохранить возможность определять как ферро-, так и неферромагнитные металлические объекты, при увеличении чувствительности локатора и точности локализации за счет снижения размеров поискового зонда и повышения помехоустойчивости.

На фиг.1 представлена блок-схема локатора инородных тел.; на фиг.2 - конструктивное выполнение зонда.

Локатор инородных тел включает генератор 1 переменного тока с подключенной к его выходу катушкой 2 возбуждения, создающей переменное магнитное поле, воздействующее на исследуемый объект, последовательно соединенной с резистором 3, один из концов которого заземлен. Локатор содержит две приемные катушки 4, 5, выполненные в виде феррозондовых преобразователей и размещенные соосно с катушкой 2 возбуждения по обе стороны от нее, соединенные между собой градиентометрически. Первые концы катушек 4, 5 заземлены, а вторые соединены со входом первого усилителя 6, выход которого соединен со входом синхронного детектора 7, соединенного через первый ключ 8 со входом второго усилителя 9, выход которого соединен со стрелочным индикатором 10. Локатор инородных тел снабжен дополнительным генератором 11 переменного тока, первый выход которого через конденсатор 12 соединен со вторыми концами приемных катушек 4, 5, а второй выход - с синхронизирующим входом синхронного детектора 7, а также дополнительным синхронным детектором 13, вход которого соединен с выходом усилителя 6 и умножителем 14 частоты, выход которого соединен с синхронизирующим входом дополнительного синхронного детектора 13. Первый вход умножителя 14 частоты соединен с резистором 3, а второй его вход соединен со вторым входом дополнительного генератора 11 переменного тока. При этом выход дополнительного синхронного детектора 13 соединен со входом второго усилителя 9 через второй ключ 15. Посредством замыкания 8 или 15 ключей осуществляют, соответственно, локализацию ферромагнитного или композиционного объекта, включающего ферро- и неферромагнитный материал.

Приемные катушки 4, 5 и катушка 2 возбуждения расположены в зонде 16, (фиг.2) и помещены в корпус 17 с подводящим проводом 18. При этом приемные катушки 4, 5, выполненные в виде феррозондовых преобразователей, помещены в защитные трубки 19.

Устройство работает следующим образом. На обследуемый объект, находящийся в неэлектропроводной среде (тело человека), при поднесении зонда 16 действует переменное магнитное поле с напряженностью H₁=H₀Sin ₁t, создаваемой катушкой 2 возбуждения, подключенной к генератору 1 переменного тока с частотой ₁, где Н₀=const, амплитуда поля; t - время.

В объекте возникает наведенный магнитный момент (ферро- или парамагнитный), поле рассеяния которого измеряется с помощью двух приемных катушек 4, 5, выполненных в виде феррозондовых преобразователей магнитного поля, обмотка возбуждения которых запитывается от дополнительного генератора 11 переменного тока с частотой ₀. Наведенный полезный сигнал от поля рассеяния обследуемого объекта измеряется на второй гармонике ₀ и равен _1,2= ₀H₁Sin2 ₀t, где H₁ - измеряемое поле рассеяния; ₀=const; t - время.

Приемные катушки 4, 5 включены градиентометрически для вычитания поля возбуждения H₁, и так как они располагаются относительно катушки 2 возбуждения соосно и симметрично относительно, то в отсутствии объекта исследования ₁- ₂=0. При наличии объекта феррозондовые преобразователи находятся на разном расстоянии от него, то, следовательно, _{1 2} и возникает полезный сигнал =₁-₂, который усиливается и подается на дополнительный синхронный детектор 13.

При Н 0, _1,2= ₀Sin ₁t Sin2 ₀t= ₀0,5H₁[Cos(2 ₀- ₁)t-Cos(2 ₀+ ₁); то есть в _1,2 возникают боковые частоты относительно 2 ₀, т.е. частоты 2 _{0 1}.

Выделяя синхронным детектором 13 с частотой синхронизации, равной 2 _{0 1}, полезный сигнал, измеряют величину поля рассеяния обследуемого объекта, пропорциональную сигналу, считываемому с приемных катушек 4, 5, = ₁+ ₂ (частота синхронизации формируется умножителем 14 частоты).

В случае ферромагнитного объекта, намагниченного предварительно постоянным магнитным полем с помощью специального магнитного концентратора [3] (на чертеже не показан), можно измерять величину постоянного наведенного в объекте поля рассеяния.

Если H₁=Const, тогда, _1,2= ₀H₀Sin2 ₀t, то есть сигнал, снимаемый с приемных катушек 4, 5 на частоте 2 ₀, пропорционален измеряемому постоянному магнитному полю Н₀, поэтому для измерения постоянного поля рассеяния используется синхронный детектор 7 с частотой синхронизации .

При извлечении инородного объекта устройство работает следующим образом: зонд 16 подносят к предполагаемому объекту, путем перемещения зонда 16 подтверждают наличие инородного тела. В случае обнаружения последнего с помощью изложенных выше режимов определяют, цветной это металл или ферромагнитный.

В случае, если инородное тело из цветного металла, делают небольшой надрез и концом зонда 16, введенным в этот разрез, локализуют инородное тело с последующим его удалением хирургическим способом, являющимся в данном случае менее травматичным ввиду малых по сравнению с вихретоковым локатором размеров зонда.

Если инородное тело из ферромагнитного металла, то с помощью приемных катушек 4, 5 определяют его пространственное положение (режим 1) по полюсам и производят его извлечение без осуществления разреза.

Список используемой литературы

1. Ю.Ф.Афанасьев. Феррозондовые приборы. Ленинград: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1986.

2. А.А.Литвиненко и др. Вихретоковый локатор инородных тел. Медицинская техника. 1992, №1, с.42-43.

3. Авторское свидетельство СССР №1124962, оп. 23.11.84. Бюл. №43.