• 专利附录
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  • 权利要求
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  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:

    公开号:WO1986002539A1
    申请号:PCT/CH1985/000158
    申请日:1985-10-29
    公开日:1986-05-09
    发明作者:Pekka Johannes Nyberg；Thomas Weber
    申请人:Pekka Johannes Nyberg；Thomas Weber；
    IPC主号:G01V3-00
    专利说明:
    [0001] VORRICHTUNG ZUR LOKALISIERUNG VON METALLISCHEN GEGENSTAENDEN IM MENSCHLICHEN ODER TIERISCHEN KOERPER.
    [0002] Die Erfindung betrifft ein Gerät gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
    [0003] Die Lokalisierung von metallischen Gegenständen, die entweder beabsichtigt durch ärztliche Massnahmen oder unfailmässig in den menschlichen oder tierischen Körper gelangen, erfolgt entweder durch Röntgenabbildüng oder durch Ultraschalluntersuchung. Zur genauen räumlichen Ortung eines solchen Fremdkörpers werden vor der geplanten operativen Entfernung mehrere gezielte Röntgenaufnahmen angefertigt. Während des Eingriffes sind häufig erneute Röntgenaufnahmen oder Durchleuchtungen d.h. die Verwendung von Bildverstärkern nötig, insbesondere dann, wenn es sich um kleinere rietall teile handelt. Diese Art röntgenunterstützte Operation setzt den Patienten und das Operationsteam nicht nur einer erhöhten Strahlenbelastung aus, auch die Operation wird durch einen beträchtlichen apparativen Aufwand kompliziert und zeitlich mitunter bis zur Belastungsgrenze für alle Beteiligten ausgedehnt. Nicht selten müssen die Operationen sogar erfolglos abgebrochen werden, da im blutenden Gewebe kleine Metallpartikel optisch unaufspürbar sein können. Um die Traumatisation des Gewebes durch die Operation möglichst gering zu halten, ist eine rasche und sichere Lokalisierung eines gesuchten Fremdkörpers in jedem Falle sehr erwünscht.
    [0004] Bekannt sind Metalldetektoren, wie sie zum Aufspüren von meist im Boden vergrabenen Metalls vorgesehen sind. Auch sind Metalldetektoren bekannt, mit denen in Wänden Leitungen oder in Betonwänden Eisenarmierungen detektiert werden können. Alle diese Geräte eignen sich jedoch aus verschiedenen Gründen nicht für den Einsatz im Operationssaal. Die in Operationssälen verwendete ausgefeilte, komplizierte und teure Röntgenbildverstärker-Technik und das völlige Fehlen von Metalldetektoren, deutet darauf hin, dass der Einsatz von bekannten Metalldetektoren im Operationssaal ungeeignet sein muss.
    [0005] Es ist Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zu schaffen, die sich zum Lokalisieren von in menschlichem oder tierischem Gewebe bzw. von in menschlichen oder tierischen Körpern befindlichen Metallgegenständen besonders eignet. Die Eignung soll auch die während Operationen sehr geschätzte einfache Handhabung mit umfassen.
    [0006] Die Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angegebene Erfindung gelöst.
    [0007] Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung wird nun mit Hilfe der nachfolgend aufgeführten Figuren eingehend diskutiert. Figur 1 zeigt als bspw. Ausführungsform ein batteriebetriebenes Gerät mit Handsonde, wie es sich für den Einsatz im Operationssall eignet;
    [0008] Figur 2 zeigt in schematisierter Darstellung einen Sondenkopf der Vorrichtung aus einem Schalenkern bestehend, mit den zugehörigen magnetischen Feldlinien;
    [0009] Figur 3 zeigt in schematisierter Darstellung einen Sondenkopf der Vorrichtung aus einem Ferritstab bestehend, mit den zugehörigen magnetischen Feldlinien;
    [0010] Figur 4 zeigt in Blackbox-Darstellung die prinzipielle
    [0011] Schaltung, wie sie in der Vorrichtung gemäss Erfindung verwendet wird;
    [0012] Figur 5 zeigt im Blockschaltbild eine spezielle Ausführungsform der Beschal tung der Vorrichtung gemäss Erfindung;
    [0013] Figur 6 zeigt das Schaltbild einer speziellen Ausführungsform des Oszillators gemäss Erfindung.
    [0014] Die physische Erscheinung der Vorrichtung, wie sie Figur 1 zeigt, ist ein elektrisches Schalt- und Angabegerät mit einer an einer dünnen elektrischen Zuleitung B0/B1 angeschlossenen stiftförmigen Sonde, die an ihrem Vorderteil einen "Suchkopf" 1A aufweist. Das Angabegerät ist ein vorzugsweise batteriebetriebenes Kästchen 198, mit wenigen Bedienungselementen 1C, 47 und ebenso vorzugsweise mit einer Signαlαngαbe, die den Benutzer visuell nicht in Anspruch nimmt, bspw. einem kleinen Lautsprecher 39 für akustische Signalgebung. So präsentiert sich die Vorrichtung dem Chirurgen, der damit arbeiten soll.
    [0015] Um diese Bedingungen zu erfüllen, muss die Vorrichtung einen hohen Grad an Selbstbedienung oder Automatik aufweisen, hauptsächlich wird an die Empfindlichkeit, an das Langzeitverhalten und den Abgleich, hohe Anforderungen gestellt. Ausserdem soll die Sonde beim Praktizieren trotz hoher Empfindlichkeit in der Detektion von Metallgegenständen möglichst unempfindlich gegen andere Einflüsse, insbesondere gegen solche menschlichen oder tierischen Gewebes sein, das als elektolythal tiges Material elektrisch keineswegs indifferent ist, Beispiel EKG, EEG etc..
    [0016] Die Figuren 2 und 3 zeigen zwei für die Vorrichtung taugliche Sondentypen in stilisierter Darstellung. Die Geometrie der magnetischen Feldlinien ist gegeben durch die Geometrie der ferromagne tischen Spulenkörpern und die Tatsache, dass die magnetischen Feldlinien geschlossen sind.
    [0017] Figur 2 zeigt die Oszillatorspule W in einen Schalenkern von Durchmesser Bc eingebettet, die mit Pfeilen symbolisierten magnetischen Feldlinien erreichen dabei eine relative Wirkungstiefe von ungefähr Tc. In grober Näherung kann die Wir kungstiefe der Sonde in der Grössenordnung des Schalenkerndurchmessers festgelegt werden. Wird jedoch eine dünne, stiftförmige Sonde bevorzugt, so bringt man die Spule W auf einen Ferritstab auf. Die durch den Ferritstab laufenden Feldlinien, die sich ja nota bene schliessen müssen, erreichen bei wesentlich geringerem Durchmesser Bb der Sonde eine vergleichbare Eindringtiefe Tb wie die Tiefe Tc der Schalenkernsonden, dafür sind sie aber wesentlich länger. Figur 4 zeigt die Prinzipschaltung der Vorrichtung gemäss Erfindung als Blockschaltbild, Als Ausgangssignal bzw. Regelgrösse dient die Amplitude des Oszillators. Das Ausgangssignal des offenen Oszillators 1 mit einem Schwingkreis 1A und der entsprechenden Schaltung 1B ist als IST-Wert auf einen von zwei Eingängen (+) oder (-) eines Vergleichers 3 geführt. Der andere. Eingang des Vergleichers 3 ist mit einem Sollwertgeber 4 für den Amplitudensollwert verbunden. Das Differenzsignal in der Grosse der Regelabweichung ist einerseits das über eine Leitung 7 abgegriffene Nutzsignal und andererseits wird es einem Regelglied 5, hier ein I-Regler zugeführt, dessen Ausgangssignal über eine Leitung 6 auf den Oszillator 1 zurückgeführt ist. Bei einer anderen Ausführungsform kann das auszuwertende Nutzsignal anstatt nach der Vergleichschaltung, an der feed-back-Leitung 6, also nach dem Regler abgezweigt werden. Auf diese Weise kann der Oszillator mit befriedigendem Langzeitverhalten in einem Empfindlichkeitsbereich betrieben werden, bei dem die Oszillatoramplitude gerade noch aufrecht erhalten wird und schon bei Annäherung eines kleinen Metallstückes, das ist die beabsichtigte Störung, die auf den Regelkreis via Oszillator einwirken soll, die Spannung abreisst bzw. die Amplitude zusammenbricht. Der Oszillator mit Sonde ist damit ein Teil einer Regelschaltung, die eingehender in Figur 5 dargestellt ist.
    [0018] Diese Figur 5 zeigt ebenfalls im Blockschaltbild eine spezielle Ausführungsform der Erfindung. Auf eine spezielle Ausführungsform des Oszillators wird später eingegangen. Der Oszillator 1 mit dem den Schwingkreis tragenden Sondenteil 1A und der Verstärkungsschaltung 1B ist über einen Mehrfachschalter 1C auf eine Mehrzahl von Empfindlichkeitsstufen einstellbar. Das Ausgangssignal in der Grössenordnung 2Vpp/200kHz wird auf einen Gleichrichter 2 mit Tiefpasswir kung geführt, dessen Ausgang die Amplitude des Oszillators als IST-Wert abgibt. Im Vergleicher 3 entsteht die Regelabweichung zum Sollwert, die naturgemäss beide Vorzeichen aufweisen kann. Sie wird am Ausgang der Schaltung auf die Leitung 7 abgegeben. Ueber eine verzweigte Leitung 7A wird das Nutzsignal abgeführt und über eine weitere verzweigte Leitung 7B ist der Eingang einer alternativ zu betreibenden Regel schal tung 3 angeschlossen. Die Regelabweichung wird einer Begrenzerschaltung 20 zugeführt, welche eine Gewichtung der positiven und negativen Regelabweichung bewirkt. Das Verhältnis beträgt hier etwa 10:1 zugunsten der positiven Regelabweichung. Die vom Begrenzer 20 abgegebene Spannung wird in einem I-Regelglied integriert. Die Zeitkonstante soll für diesen Anwendungszweck 5 bis 30 Sekunden betragen. Der integrierte Spannungswert wird schliesslich über die Leitung 6 als Stellgrösse auf den Oszillator zurückgeführt.
    [0019] Dem eben beschriebenen Regelkreis sind noch zwei weitere Schaltungen zugeordnet, nämlich eine spezielle Ausführungsform einer Nutzsignal-Auswerteschaltung 30 und eine auf den Regelkreis wirkende Abgleichschaltung 40.
    [0020] Das Auswertesignal wird für den eingangs genannten klinischen Zweck in der Schaltung 38 akustisch umgesetzt. In dieser Ausführungsform wird dazu ein spannungsgesteuerter Oszillator 37 (voltage controlled oscillator VCO) verwendet, dessen Freilauffrequenz VCOfmax über den verstellbaren Abgriff 32 in den Audiobereich gelegt wird. Das auf der Leitung 7A anstehende Nutzsignal wird im Gleichrichter 31 gleichgerichtet und einem der Eingänge einer Addierschaltung 34 zugeführt, ein anderer Eingang erhält das Signal VCOfmax. Das Summensignal wird in einem Verstärker 35 verstärkt und schliesslich an den VCO abgegeben. Der VCO setzt die sich als Amplitudenänderung manifestierende Bedämpfung des Oszillators in eine Frequenzänderung um. Das heisst, bei Annäherung an einen metallischen Körper nimmt die nehmen Frequenz (des VCO, nicht des Sondenoszillators) kontinuierlich ab und beim Entfernen wieder zu.
    [0021] Da vorzugsweise für das Gerät, das arosse bis hinunter zu sehr kleinen Metallgegenständen mit jeweils höchster Empfindlichkeit detektieren soll, verschiedene Empfindlichkeitsstufen vorgesehen sind -der Oszillator wird erfindungsgemäss durch den Regelkreis gerade noch am Schwingen gehalten, sodass schon ein verhäl tnismässig kleines Metallteil die Schwingung abreisst- soll der Regelkreis einfach und leicht auf jeden Empfindlichkeitsgrad abgleichbar sein. Dafür ist eine Abgleichschal tung 40 vorgesehen, die aus zwei Univibratoren (Oneshot) 41,42 mit verschiedenen Zeitkonstanten T, einem logischen Gatter OR 43, das mit einem dazugehörenden elektronischen Schalter 21 verbunden ist, sowie mit einem raschen, zuschaltbaren PI-Regelglied 8 im Hauptregelkreis. Auf dem durch das OR-Gatter 43 geschlauften Signalpfad gelangen die Univibratorsignale auf die Leitung 45, mit welchen Signalen der elektronische Schalter entsprechend den Zeitkonstanten geschaltet ist. Die Schaltung ist bspw. so ausgelegt, dass beim Drücken des Abgleichtasters 47 für ca. zwei Sekunden der langsame I-Regler weggeschaltet und der schnelle (Abgleich-) PI-Regler zugeschaltet wird. Simultan dazu wird der VCO stumm geschaltet (muting), da bei diesem schnellen Abgleich der Kleinlautsprecher zu heulen begänne.
    [0022] Vorzugsweise ist das Detektiergerät batteriegespiesen. Dazu eignet sich der in Figur 5 abgebildete Netzteil mit dem DC/DC-Wandlerbaustein RC4193 von Raytheon. Eine bevorzugte Ausführungsform des Oszillators ist in Figur 6 gezeigt und zwar betrifft dies speziell die Rückkopplung des Regelkreises zum Oszillator. Zur Verhinderung einer unerwünschten Rückwirkung vom Ausgang auf den Eingang der Einkopplung vom Regelkreis auf den Oszillator, d.h. auf das Einkopplungsnetzwerk, wird an Stelle einer galvanischen Verbindung eine optische Ankopplung an den Oszillator verwendet. Der in der Sonde untergebrachte Schwingkreis 1A mit den Bauelementen L1 und C1 ist für den vorgesehenen Zweck auf eine Frequenz von 150kHz bis 500kHz ausgelegt. Da die Sonde entsprechend ihrem Bestimmungszweck mit lebenswarmem Gewebe zeitweilig in Berührung kommt, empfiehlt es sich für die induktive Wicklung an Stelle von Kupfer ein Material mit einem geringeren Temperatur/Widerstandskoeffizienten zu verwenden, wie bspw. Konstantan etc., um den mit einer Zeitkonstante von T=10 bis 35s relativ langsam eingestellten Regler, der wie gesagt den Oszillator nahe an einem seiner Grenzbereiche eher "kritisch" betreibt, nicht zu überfordern.
    [0023] Beginnend bei der optischen Rückkopplung mit einem Photosender und einem Photoempfänger, wird zur Realisierung des Senders das aus dem Regler 5 bzw. 8 rückgeführte Signal auf der Leitung 6 in einer Photodiode LED umgesetzt. Der Operationsverstärker IC2 ist mit dem Widerstand R16 als spannungsgesteuerte Stromquelle für die Photodiode LED geschaltet. Die variable Leuchtdichte wird von einem photosensitiven Widerstand LDR aufgenommen und steuert den Grad der Mitkopplung des Operationsverstärkers IC1. Das Gegenkopplungsnetzwerk ist durch eine Anzahl variabler Spannungsteiler Trl bis Tr4 realisiert. Ueber die umschaltbaren Seriewiderstände R2 bis R5 kann der Schwingkreis mehr oder weniger lose angekoppelt werden. Die erwähnten Widerstände werden bspw. über einen Mehrebenenschalter S1a/S1b miteinander umgeschaltet. Richtwerte dieser Oszillatorochaltung sind: LDR>R1 wobei LDR 5-500kOhm und R1 100-500hm. Die Empfindlichkeitsobstufung kann beginnen mit Trl ca. 5kOhm/R2-R5 50-1000Ohm, wobei in der genannten Grössenordnung Tr2 bis Tr4 nach Wunsch und Bedarf ausgelegt sein kann. Die Trimmer Trl-4 werden beim Zusammenbau einmal abgeglichen, es sind also reine Einstell- und keine Bedienungsmittel. Der Schwingkreis, das heisst die Induktivität und die Kapazität, sind in der Handsonde untergebracht, welche mit einem abgeschirmten Koaxkabel mit der Regelschaltung verbunden ist.
    [0024] Wenn, wie gesagt der Oszillator "kritisch" am Rande seiner Schwingfähigkeit betrieben wird und eine relativ geringe Störung des Oszillators die Schwingung abreissen lässt, so empfiehlt es sich, die den Schwingkreis tragende Handsonde gegen seitliche Störwirkungen, im Gegensatz zur gewollten stirnseitigen Einwirkung, zu schützen. Dazu wird vorzugsweise die Sonde durch eine enge, sich über ihre gesamte Länge erstreckende Drahtwicklung abgeschirmt, welche an Masse gelegt ist. So lässt sich die Sonde manipulieren, ohne dass der Regelkreis beeinflusst wird.
    权利要求:
    ClaimsP A T E N T A N S P R U E C H E
    1. Vorrichtung zur Lokalisierung von Metallgegenständen im menschlichen oder tierischen Körper, gekennzeichnet durch folgende Prinzipschaltung: der Ausgang eines Oszillators (1) ist mit einem der Eingänge einer SOLL/IST-Wert-Vergleichschal tung (3) verbunden, deren Ausgang mit dem Eingang einer Regelechal tung (5 und/oder 8) verbunden ist und der Ausgang der Regelschaltung (5,8) ist mit einem Eingang des Oszillators (1) verbunden, der den IST-Wert liefert, wobei das Nutzsignal am Ausgang der Vergleichschaltung (3) oder am Ausgang der Regelschaltung (5,3) zu Weiterverarbeitung abgezweigt ist.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen in einer Handsonde (B) angeordneten Oszillatortei 1, enthaltend den Schwingkreis ( 1A), eine am Ausgang des Oszillators (1) angeschlossene SOLL/IST-Wert-Vergleichsschaltung (3), deren Ausgang mit einer Regelschaltung (5,8) und der Ausgang dieser auf den Oszillator (1) zurückgeführt ist.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplung aus dem Regelkreis (5,8) in den Oszillator (1), eine Einrichtung (LED/LDR) zur optischen Uebertragung der Ausgangssignale aus dem Regler aufweist.
    4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur optischen Uebertragung der Ausgangssignale aus dem Regler
    einen Sender folgendermassen:
    ein Operationsverstärker (IC2) mit einer in zwischen Eingang und Ausgang desselben geschalteten Leuchtdiode (LED) und einer zwischen Leuchtdiode (LED) und Eingang des OpAmps angeordneten Eingangsverzweigung;
    und einen Empfänger folgendermassen:
    ein Operationsverstärker (IC1) mit einem an einen der beiden Eingänge geschalteten Spannungsteiler (LDR,R1), wobei das lichtseneible Element der Eingangswiderstand und das andere Element ein feedback-Widerstand ist;
    aufweist.
    5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (L1) des Oszillators (1) aus einem Material mit verringerter Temperatur/Leitfähigkeits-Eigenschaft gefertigt ist.
    6. Vorr i chtung nach Anspruch 5 , dadurch ge kennz e i chne t , dass das Spul enmater i al e i n Konstantandraht ist.
    7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, gekennzeichnet durch eine alternative Regelschaltung mit schal tbaren Parallelschaltungen verschiedener Zeitkonstanten und Regelcharakteristiken.
    8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch zwei durch einen Schalter (21) alternativ schaltbaren Regelschaltungen (5,8) eine mit I-Regelung und Zeitkonstante im Sekundenbereich (5) für den Betrieb und eine mit PIRegelung und Zeitkonstante im Subsekundenbereich (8) für den Abgleich.
    9. Vorrichtung nach Anspruch 1,2,3,7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Nutzsignal am Ausgang des Vergleichers (3) oder des Reglers abgezweigt ist, auf einen spannungsgesteuerten Oszillator (37,VCO) geführt und dessen Ausgang mit einem Lautsprecher verbunden ist.
    10.Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator am Rande seiner Schwingfähigkeit, das heisst, knapp bevor die Amplitude ohne äussere Störung abreiset, betrieben wird.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    引用文献:
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    法律状态:
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    1986-05-28| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1985905198 Country of ref document: EP |
    1986-11-20| WWP| Wipo information: published in national office|Ref document number: 1985905198 Country of ref document: EP |
    1990-03-21| WWG| Wipo information: grant in national office|Ref document number: 1985905198 Country of ref document: EP |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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