Феррозондовый полюсоискатель

 

Изобретение предназначено для локализации ферромагнитных инородных предметов, расположенных в труднодоступных местах, глубоко в тканях и органах человека и может быть использовано в медицине, в частности в общей хирургии, а также для неразрушающего контроля качества материалов и в других областях. Феррозондовый полюсоискатель содержит генератор возбуждения, феррозондовые датчики с чувствительными полуэлементами, размещенными в одном корпусе, полосовые фильтры, усилители напряжений, фазовращатели, синхронные детекторы, усилители напряжений световых индикаторов, световые индикаторы, переключатель, стрелочный индикатор, двухпериодный выпрямитель, генератор частоты, управляемый напряжением, звуковой индикатор. Устройство обеспечивает повышение точности и достоверности локализации ферромагнитных предметов, эффективности применения феррозондовых полюсоискателей, снижение операционной травматичности. 2 ил.

Изобретение относится к поисковой технике, к медицине, в частности к общей хирургии, и предназначено для локализации ферромагнитных инородных предметов, расположенных в труднодоступных местах, глубоко в тканях и органах человека, а также может быть использовано для неразрушающего контроля качества материалов и в других областях.

Проникающие ранения, связанные с внедрением ферромагнитных инородных предметов (тел) глубоко в ткани и органы человека, требуют оперативного хирургического вмешательства. В связи с этим основное значение приобретает точность определения местоположения инородного предмета, а известные технические средства уточняющей диагностики (рентгеновский, ультразвуковой и др.) малоэффективны и приводят к излишней необоснованной операционной травматичности.

Одним из перспективных технических средств, применяемых в этих целях в медицине, являются феррозондовые полюсоискатели, которые предназначены для отыскания магнитных полюсов по неоднородности магнитного поля, максимальная величина которой сконцентрирована вблизи магнитного полюса ферромагнитного предмета.

Однако использование применяемых в медицинской практике феррозондовых полюсоискателей для ряда хирургических операций проблематично.

Предлагаемый в заявленном изобретении феррозондовый полюсоискатель существенно расширяют функциональные и технические возможности полюсоискателей и значительно устраняет возникшие проблемы, позволяя осуществлять локализацию ферромагнитных инородных предметов, расположенных в труднодоступных местах, глубоко в тканях и органах человека.

Известно техническое применение феррозондового устройства для неразрушающего контроля качества материалов [1].

Устройство содержит генератор возбуждения переменного напряжения, феррозондовые датчики с чувствительными полуэлементами, измерительные обмотки которых соединены последовательно-встречно, полосовой фильтр, усилитель напряжения, синхронный фазовый детектор, электроизмерительное пороговое устройство.

Известное устройство работает следующим образом.

генератор возбуждения формирует переменное напряжение, которое поступает на обмотки возбуждения феррозондовых датчиков. Создаются переменные магнитные поля, которые периодически доводят сердечники датчиков до насыщения. В отсутствие вблизи датчиков внешнего постоянного магнитного поля (ферромагнитных частиц) ЭДС, наводимые в измерительных обмотках датчиков, взаимно скомпенсированы. По этой причине напряжения сигналов на выходах измерительных обмоток близки к нулю. При появлении вблизи одного из феррозондовых датчиков неоднородного постоянного магнитного поля (ферромагнитной частицы) на один из сердечников датчика будет действовать большее поле, чем на другой. В результате этого ЭДС, наводимые в измерительных обмотках датчика, уже не будут равны друг другу, и на выходе обмоток появится напряжение сигнала, отличающееся от нуля. Это напряжение поступает на вход полосового фильтра, где выделяется полезный сигнал (вторая гармоника), который поступает на вход усилителя напряжения полезного сигнала. Усиленное напряжение сигнала детектируется синхронным фазовым детектором второй гармоники и поступает на электроизмерительное пороговое устройство, которое фиксирует присутствие в материале ферромагнитной частицы, в результате этого материал бракуется. Величина сигнала, поступающая на электроизмерительное устройство, пропорциональна градиенту напряженности постоянного магнитного поля, действующего на феррозондовый датчик вдоль его продольной оси.

Устройство обладает недостатками, которые затрудняют его широкое использование.

1. Устройство стационарное и имеет специальное экранирование для получения высокой чувствительности.

2. Феррозондовые датчики устройства имеют отдельные обмотки возбуждения, увеличивающие диаметр датчиков (15 мм), а это затрудняет использование такого датчика в малотравматичных операциях или когда операционное поле ограничено, например в глазной хирургии.

Наиболее близким по функциональным и техническим возможностям к заявляемому устройству является известное устройство - феррозондовый плюсоискатель ПФ-01 [2].

Устройство содержит генератор возбуждения, феррозондовый датчик с чувствительными полуэлементами, полосовой фильтр, усилитель напряжения, фазовращатель, синхронный детектор, стрелочный индикатор.

Устройство-прототип работает следующим образом.

Генератор возбуждения вырабатывает переменный ток, поступающий в обмотки датчика. Создается переменное магнитное поле, периодически доводящее сердечники до насыщения. В отсутствие вблизи рабочего конца датчика неоднородного магнитного поля (ферромагнитного предмета) ЭДС, наводимые в измерительных обмотках датчика, взаимно скомпенсированы. Поэтому напряжение сигнала на выходе измерительных обмоток близко к нулю. При поднесении рабочего конца датчика к ферромагнитному предмету на один из чувствительных полуэлементов (сердечников) будет действовать большее поле, чем на другой. В результате этого ЭДС, наводимые в измерительных обмотках, уже не равны друг другу и на выходе обмоток появится напряжение сигнала, отличающееся от нуля. Это напряжение сигнала поступает на вход полосового фильтра, где выделяется полезный сигнал (вторая гармоника), этот сигнал поступает на вход усилителя напряжения полезного сигнала, усиленный сигнал с выхода усилителя поступает через фазовращатель на вход однополупериодного синхронного детектора, а с его выхода напряжение полезного сигнала подается на стрелочный индикатор, показания которого является мерой продольного градиента продольной компоненты магнитного поля (поля рассеяния ферромагнитного инородного предмета) относительно продольной оси датчика.

Однако это известное устройство-прототип обладает недостатками, снижающими эффективность его применения, а именно: 1. Для ряда хирургических операций по локализации ферромагнитного инородного предмета использовать устройство - проблематично, т.е. устройство недостаточно универсально.

2. Отсутствие дополнительных удобных средств контроля за достоверностью локализации ферромагнитного предмета, позволяющих, не отвлекая хирурга, проводить эффективное сканирование тканей и органов человека.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства для локализации ферромагнитных инородных предметов, расположенных в труднодоступных местах, глубоко в тканях и органах человека, при одновременном повышении точности и достоверности локализации ферромагнитных предметов, и эффективности применения феррозондовых полюсоискателей, снижении операционной травматичности.

Поставленная задача достигается за счет технического результата, который может быть получен при осуществлении изобретения, а именно - существенное расширение функциональных и технических возможностей полюсоискателя, за счет создания дополнительных электронных каналов с феррозондовыми датчиками, повышение точности и достоверности локализации ферромагнитных предметов за счет конструкции датчиков и дополнительного контроля с помощью световой и звуковой индикации.

Технический результат достигается за счет того, что известный полюсоискатель, содержащий генератор возбуждения феррозондовый датчик с чувствительными полуэлементами, первый полосовой фильтр, первый усилитель напряжения, первый фазовращатель, первый синхронный детектор, стрелочный индикатор, дополнительно содержит второй и третий феррозондовые датчики с чувствительными полуэлементами, второй и третий полосовые фильтры, второй и третий усилители напряжения, второй и третий фазовращатели, второй и третий синхронные детекторы, первый, второй и третий усилители напряжений световых индикаторов, первый, второй и третий световые индикаторы, переключатель, двухполупериодный выпрямитель, генератор частоты, управляемый напряжением, звуковой индикатор. Причем дополнительные второй и третий феррозондовые датчики выполнены воспринимающими в ортогональных плоскостях поперечный градиент продольной компоненты магнитного поля относительно продольной оси датчика; возбуждающие обмотки чувствительных полуэлементов дополнительного второго датчика подключены к выходу генератора возбуждения, а измерительные обмотки - к входу второго полосового фильтра, его выход к входу второго усилителя напряжения полезного сигнала, выход которого присоединен к входу второго фазовращателя, а его выход - к сигнальному входу второго синхронного детектора, а управляемый вход детектора к одному из выходов генератора тока возбуждения, выход второго синхронного детектора присоединен к одному из входов переключателя и к входу второго усилителя напряжения световой индикации, а выход усилителя к второму световоду индикатору; возбуждающие обмотки чувствительных полуэлементов дополнительного третьего датчика подключены также к выходу генератора тока возбуждения, а измерительные обмотки к входу третьего полосового фильтра, его выход к входу третьего усилителя напряжения полезного сигнала, выход которого присоединен к входу третьего фазовращателя, а его выход - к сигнальному входу третьего синхронного детектора, а управляемый вход детектора к одному из выходов генератора тока возбуждения, выход третьего синхронного детектора присоединен к одному из входов переключателя и к входу третьего усилителя напряжения световой индикации, а выход усилителя - к третьему световому индикатору; один из входов переключателя присоединен к выходу первого синхронного детектора и к входу первого усилителя напряжения световой индикации, а выход усилителя к первому световоду индикатору; выход переключателя присоединен к стрелочному индикатору и к входу двухполупериодного выпрямителя, а его выход к входу генератора частоты, управляемого напряжением, выход которого присоединен к звуковому индикатору.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства - полюсоискателя, а на фиг. 2 - двухкомпонентный датчик, предназначенный для малотравматичных операций.

Полюсоискатель содержит (фиг.1) генератор возбуждения 1, феррозондовые датчики 2, 14, 21 с чувствительными полуэлементами, размещенными в одном корпусе, полосовые фильтры 3, 15, 22, усилители напряжений 4, 16, 23 фазовращатели 5, 17, 24, синхронные детекторы 6, 18, 25, усилители напряжений световых индикаторов 7, 19, 26 световые индикаторы 8, 20, 27, переключатель 9, стрелочный индикатор 10, двухполупериодный выпрямитель 11, генератор частоты 12, управляемый напряжением, звуковой индикатор 13.

Генератор возбуждения 1 подключен выходами к первому 2, второму 14 и третьему 21 феррозондовым датчикам и к управляемым входам первого 6, второго 18 и третьего 25 синхронных детекторов, измерительные обмотки чувствительных полуэлементов первого 2, второго 14 и третьего 21 датчиков присоединены соответственно к входам первого 3, второго 15 и третьего 22 полосовых фильтров, а выходы этих фильтров соответственно к входам первого 4, второго 16 и третьего 23 усилителей напряжений полезных сигналов, выходы которых присоединены к входам первого 5, второго 17 и третьего 24 фазовращателей, а их выходы соответственно к сигнальным входам первого 6, второго 18 и третьего 25 синхронных детекторов, выходы которых присоединены к входом переключателя 9 и к входам первого 7, второго 19 и третьего 26 усилителей напряжений световых индикаторов, выходы усилителей присоединены к входам первого 8, второго 20 и третьего 27 световых индикаторов, выход переключателя 9 присоединен к стрелочному индикатору 10 и к входу двухполупериодного выпрямителя 11, а его выход к входу генератора частоты 12, управляемого напряжения, а выход генератора к звуковому индикатору 13.

Следует отметить, что датчики 14 и 21 разнесены друг от друга и находятся в разных плоскостях, каждый из них контролирует сектор величиной в 180^o, при этом величины выходного сигнала этих датчиков различны, поскольку полуэлементы датчиков не идентичны и отличаются друг от друга по размерам сердечников и параметрам измерительных обмоток.

Полюсоискатель работает следующим образом.

Генератор возбуждения 1 вырабатывает переменный ток, поступающий в обмотки первого 2, второго 14 и третьего 21 феррозондовых датчиков. Создаются переменные магнитные поля, периодически доводящие чувствительные полуэлементы (сердечники) этих датчиков до насыщения. В отсутствие вблизи первого 2, второго 14 и третьего 21 датчиков ферромагнитных предметов ЭДС, наводимые в измерительных обмотках первого 2, второго 14 и третьего 21 датчиков, взаимно скомпенсированы (в каждом датчике). Поэтому напряжения сигналов на выходах измерительных обмоток датчиков 2, 14 и 21 близки к нулю.

При приближении корпуса феррозондовых датчиков 2, 14 и 21 к неоднородному магнитному полю (к полю рассеяния феромагнитного инородного предмета) на один из чувствительных полуэлементов (сердечников) одного из датчиков (например, первого 2) будет действовать больше поле, чем на другой. В результате этого ЭДС, наводимые в измерительных обмотках первого датчика 2, уже не равны друг другу и на выходе обмоток появится напряжение сигнала, отличающееся от нуля. Это напряжение сигнала поступает на вход первого полосового фильтра 3, где выделяется полезный сигнал (вторая гармоника), этот сигнал поступает на вход первого усилителя 4 напряжения полезного сигнала, усиленный сигнал с выхода усилителя 4 поступает на вход первого фазовращателя 5, а с его выхода на сигнальный вход первого двухполупериодного синхронного детектора 6, после детектирования напряжение сигнала с выхода детектора 6 поступает на вход первого усилителя 7 напряжения световой индикации, а с выхода усилителя 7 на первый световой индикатор 8, информируя о локализации ферромагнитного предмета в плоскости первого датчика 2, и на один из входов переключателя 9, если переключатель 9 установлен в первое положение (первый канал), с выхода переключателя 9 напряжение полезного сигнала поступает на стрелочный индикатор 10, информируя о полярности и расстоянии (условном) до локализуемого ферромагнитного предмета, и на вход двухполупериодного выпрямителя 11, а с выхода выпрямителя 11 - на вход генератора частоты 12, управляемого напряжением, с его выхода - на звуковой индикатор 13, дополнительного информируя о локализации инородного ферромагнитного предмета.

В этом случае величина сигнала, поступающего на индикаторы прибора, является мерой продольного градиента продольной компоненты магнитного поля относительно продольной оси датчика 2.

При воздействии неоднородного магнитного поля (поля рассеяния ферромагнитного предмета) на второй феррозондовый датчик 14 на измерительных обмотках датчика 14 также появится напряжение сигнала, отличающееся от нуля.

Это напряжение сигнала поступает на вход второго полосового фильтра 15, где выделяется полезный сигнал (вторая гармоника), а с выхода фильтра 15 на вход второго усилителя 16 напряжения полезного сигнала, с выхода усилителя 16 усиленный сигнал поступает на вход второго фазовращателя 17, а с его выхода на сигнальный вход второго двухполупериодного синхронного детектора 18, с выхода детектора 18 напряжение сигнала поступает на вход второго усилителя 19 напряжения световой индикации и на второй световой индикатор 20, информируя о локализации ферромагнитного предмета в плоскости второго датчика 14, а также на один из входов переключателя 9 при установлении переключателя 9 во второе положение (второй канал), с выхода переключателя 9 напряжение полезного сигнала поступает на вход стрелочного индикатора 10 и на вход двухполупериодного выпрямителя 11, а с его выхода - на вход генератора частоты 12, управляемого напряжением, а с выхода генератора - на звуковой индикатор 13.

В этом случае величина сигнала, поступающего на индикаторы прибора, является мерой поперечного градиента продольной компоненты магнитного поля относительно продольной оси датчика 14.

При воздействии поля рассеяния ферромагнитного предмета на третий феррозондовый датчик 21 на его измерительных обмотках также появится напряжение сигнала, отличающееся от нуля. Это напряжение сигнала поступает на вход третьего полосового фильтра 22, где выделяется полезный сигнал, а с выхода - фильтра - на вход третьего усилителя 23 напряжения полезного сигнала, с выхода усилителя усиленный сигнал поступает на вход третьего фазовращателя 24, а с его выхода - на сигнальный вход третьего двухполупериодного синхронного детектора 25, с выхода детектора напряжение сигнала поступает на вход третьего усилителя 26 напряжения световой индикации и на третий световой индикатор 27, информируя о локализации ферромагнитного предмета в плоскости третьего датчика 21, а также на один из входов переключателя 9 при установлении переключателя 9 в третье положение (третий канал), с выхода переключателя 9 напряжение полезного сигнала поступает на вход стрелочного индикатора 10 и на вход двухполепериодного выпрямителя 11, а с его выхода - на вход генератора частоты 12, управляемого напряжением, а с выхода генератора - на звуковой индикатор 13.

В этом случае величина сигнала, поступающего на индикаторы прибора, является мерой поперечного градиента продольной компоненты магнитного поля относительно продольной оси датчика 21.

Таким образом, при работе полюсоискателя на любом канале, сигнал, поступающий на световой индикатор, информирует в какой плоскости локализуется ферромагнитный предмет, на стрелочный индикатор - о полярности и расстоянии (условном) до локализуемого предмета, на звуковой индикатор - о дополнительной достоверности локализации ферромагнитного предмета и расстоянии (условном) до этого предмета (по изменяющейся тональности звука).

В случае использования двухкомпонентного датчика, предназначенного для малотравматичных операций (фиг.2).

Устройство работает следующим образом.

Феррозондовый датчик помещают в силиконовую трубку и вводят в небольшой разрез тканей человека с последующим перемещением. При пропускании по обмоткам возбуждения чувствительных полуэлементов 29, 30, 31, 32 переменного тока с определенной частотой, создается переменное магнитное поле, периодически доводящее сердечники полуэлементов 29, 30, 31, 32 до насыщения. Когда на полуэлементы 29, 30, 31 и 32 действует только однородное магнитное поле (например, поле Земли), то ЭДС, наводимые в измерительных обмотках полуэлементов 29, 30, 31 и 32 взаимно компенсируются, и выходной сигнал, фиксируемый стрелочным индикатором прибора, будет отсутствовать. При поднесении конца датчика к неоднородности магнитного поля (к инородному ферромагнитному телу, имеющему остаточную намагниченность) на один из полуэлементов 29, 31 будет действовать магнитное поле, большее по величине, чем на другой. В результате этого ЭДС, наводимые в измерительных обмотках полуэлементов 29, 31 будут отличаться друг от друга. Разница величин ЭДС, передаваемая в виде сигнала на стрелочный индикатор прибора, и является мерой неоднородности магнитного поля (создаваемого инородным ферромагнитным телом), действующего на один из чувствительных полуэлементов 29, 31, установленных в горизонтальной плоскости и вертикальной, ортогонально продольной оси датчика, т.е. величина сигнала является мерой продольного градиента поперечной компоненты магнитного поля относительно продольной оси датчика.

Установленная на лицевой панели прибора дополнительная световая индикация указывает, в какой плоскости находится инородное ферромагнитное тело, а так как полуэлементы 29, 31 установлены с зазором от стенки защитного корпуса 28 с одной стороны, а полуэлементы 30, 32 также с другой стороны, то с одной стороны корпуса от одного из полуэлементов 29, 31 будет поступать наибольший по величине сигнал, с противоположной стороны этого же полуэлемента 29 - меньший и обратный по знаку полярности.

Таким образом, данный феррозондовый полюсосикатель позволяет локализовать ферромагнитные инородные предметы, расположенные в труднодоступных местах, глубоко в тканях и органах человека, при этом снижена операционная травматичность.

Формула изобретения

Феррозондовый полюсоискатель, содержащий генератор возбуждения, первый феррозондовый датчик с чувствительными полуэлементами, выполненный воспринимающим продольный градиент продольной компоненты магнитного поля относительно продольной оси датчика, первый полосовой фильтр, первый усилитель напряжения, первый фазовращатель, первый синхронный детектор, стрелочный индикатор, один из выходов генератора тока возбуждения подключен к обмоткам возбуждения чувствительных полуэлементов датчика, измерительные обмотки которого подключены к входу первого полосового фильтра, выход которого подключен к входу первого усилителя напряжения полезного сигнала, выход которого присоединен к входу первого фазовращателя, а его выход - к сигнальному входу первого синхронного детектора, управляющий вход которого подключен к другому выходу генератора возбуждения, отличающийся тем, что дополнительно содержит второй и третий феррозондовые датчики с чувствительными полуэлементами, выполненными каждый воспринимающим поперечный градиент продольной компоненты магнитного поля относительно продольной оси датчика, второй и третий полосовые фильтры, второй и третий усилители напряжения, второй и третий фазовращатели, второй и третий синхронные детекторы, первый, второй и третий усилители напряжений световых индикаторов, первый, второй и третий световые индикаторы, переключатель, двухполупериодный выпрямитель, генератор частоты, управляемый напряжением, звуковой индикатор, причем возбуждающие обмотки чувствительных полуэлементов второго и третьего феррозондовых датчиков подключены к соответствующим выходам генератора возбуждения, а измерительные обмотки - соответственно, к входам второго и третьего полосовых фильтров, выходы которых подключены к входам второго и третьего усилителей напряжения полезного сигнала соответственно, выходы которых соответственно присоединены к входам второго и третьего фазовращателей, а их выходы - к сигнальным входам второго и третьего синхронных детекторов, управляющие входы которых объединены с управляющим входом первого синхронного детектора, выходы синхронных детекторов присоединены к соответствующим входам переключателя и входам первого, второго и третьего усилителей напряжения световой индикации, выходы которых подключены к первому, второму и третьему световым индикаторам, выход переключателя присоединен к стрелочному индикатору и входу двухполупериодного выпрямителя, выход которого подключен к входу генератора частоты, управляемого напряжением, выход которого присоединен к звуковому индикатору.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2