Магниторезонансный безопасный зонд низкой стоимости для измерения температуры

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения температуры в магниторезонансной среде. Зонд 130 для измерения температуры для использования в магниторезонансной среде содержит удлиненную подложку 202, по меньшей мере одну электропроводящую трассу 200, 200a, 200b, 200a', 200b' с высоким сопротивлением, напечатанную по меньшей мере на одном термисторе 204, который расположен на подложке и электрически соединен с трассой. Термистор выполнен с возможностью размещения в тепловом взаимодействии с пациентом в магниторезонансной среде. В некоторых вариантах реализации печатная трасса может быть выполнена на основе углерода, кремния или может представлять собой легированный полупроводниковый материал. Технический результат – повышение точности и информативности получаемых данных. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

[001] Настоящее изобретение в целом относится к устройству мониторинга температуры и способу, который может осуществляться в магниторезонансной (МР) среде. В частности, при небольших затратах оно может быть использовано совместно с немагнитными печатными трассами с высоким сопротивлением, работающими возле сканера магниторезонансной томографии, и будет описано с особым акцентом на это. Однако следует понимать, что оно также применимо при решении других задач и не обязательно ограничено вышеуказанным применением.

[002] Устройства мониторинга температуры следует использовать в МР-средах для мониторинга состояния пациента. Принятые в настоящее время способы включают использование оптоволоконного зонда. При этом с чувствительным элементом, размещенным на пациенте, соединяют оптоволоконный кабель, который также соединяют с устройством мониторинга пациента. Однако данные оптоволоконные кабели являются дорогостоящими, могут быть чувствительными к механическим воздействиям, а также могут быть подвержены влиянию ошибок, являющихся результатом изменений в материале датчика на атомном уровне вследствие сильных магнитных полей. Использование традиционного термистора в МР-среде может потребовать использования распределенного или дискретного кабеля с высоким сопротивлением для соединения датчика с монитором с целью преодоления радиочастотных тепловых воздействий и рисков получения ожогов, связанных с МР-средой. Данные кабели с высоким сопротивлением являются дорогостоящими и не полностью устраняют риск получения пациентами ожогов. В дополнение, данные кабели сложны в изготовлении, подвержены воздействию трибоэлектрических эффектов, страдают от индуктивных наводок, избыточной паразитной емкости и являются гиперчувствительными к движению пациента. Например, ферромагнитные материалы, содержащиеся в конструкции устройства мониторинга температуры, могут привести к втягиванию кабеля в МРТ-сканер, что может поранить пациентов и пользователей или заставить элемент оборудования превратиться в неуправляемый летящий предмет. Дополнительно, радиочастотная область, создаваемая МРТ-сканером, может генерировать токи в традиционном кабеле, используемом с традиционным термистором, или приводить к появлению «горячих точек», которые могут вызвать повышение температуры поверхности, достаточное для превышения нормативных значений, и вызвать дискомфорт пациента или риск получения ожога. Кроме того, помехи МРТ-градиента от МР-сканера также могут индуцировать токи в традиционных кабелях и термисторах, а также в точках соединения, создающих дополнительный компонент длины волны помехи, который потенциально выдает ложное считывание температуры.

[003] В настоящей заявке описано новое и улучшенное устройство мониторинга температуры для использования в МР-среде, направленное на устранение вышеуказанных недостатков и др.

[004] В соответствии с одним аспектом, предусмотрен зонд для измерения температуры для использования в магниторезонансной среде. Печатный проводник содержит удлиненную подложку, по меньшей мере одну электропроводящую трассу с высоким сопротивлением, выполненную на подложке, и по меньшей мере один термистор, расположенный на подложке и электрически соединенный с трассой, при этом термисторы выполнены с возможностью размещения в тепловом взаимодействии с пациентом в магниторезонансной среде.

[005] В соответствии еще с одним аспектом, описана магниторезонансная система. Система содержит магниторезонансный сканер и зонд для измерения температуры, как указано в предыдущих абзацах, при этом зонд для измерения температуры расположен в области исследования магниторезонансного сканера.

[006] В соответствии еще с одним аспектом, описан способ мониторинга температуры пациента во время МРТ. Способ включает печать электропроводящей трассы с высоким сопротивлением на удлиненной подложке и электрическое соединение по меньшей мере одного термистора, расположенного на подложке, с трассой.

[007] Еще одно преимущество заключается в устранении содержания ферромагнитного материала.

[008] Еще одно преимущество заключается в снижении рисков получения ожога для пациента.

[009] Еще одно преимущество заключается в возможности дезинфекции термистора зонда.

[0010] Еще одно преимущество заключается в улучшенном уходе за пациентом.

[0011] Другие дополнительные преимущества станут ясными специалисту в данной области техники после ознакомления и понимания нижеследующего подробного описания.

[0012] Изобретение может принимать вид различных компонентов и схем размещения компонентов, и различных этапов и порядка этапов. Чертежи служат лишь в целях иллюстрации предпочтительных вариантов реализации и не должны рассматриваться в качестве ограничения настоящего изобретения.

[0013] Фигура 1 схематически показывает магниторезонансную (МР) систему с устройством мониторинга температуры, функционирующим внутри МР-сканера.

[0014] Фигура 2a представляет собой вид в поперечном сечении, схематически показывающий подложку с печатной трассой с подходящими термисторами.

[0015] Фигура 2b представляет собой вид сбоку в частичном разрезе, схематически показывающий чувствительный к температуре термистор и эталонный элемент на противоположных сторонах подложки.

[0016] Фигура 2c представляет собой вид сверху, схематически показывающий две печатные трассы с чувствительным к температуре термистором и эталонным элементом на одной поверхности подложки.

[0017] Фигура 2d показывает схему для преобразования выходных данных термистора в температуру.

[0018] Фигура 3 схематически показывает печатную трассу и устройство измерения температуры термистора в защитном корпусе или катетере, показанном в разрезе.

[0019] Фигура 4 схематически показывает множество температурных датчиков, расположенных на одной подложке, причем линии отрыва на удлиненной подложке обеспечивают возможность расположения датчиков во множестве расположений.

[0020] Фигура 5 показывает способ мониторинга показаний температуры пациента во время МРТ с помощью описанного в настоящем документе печатного проводника.

[0021] Как показано на фиг. 1, магниторезонансная среда содержит магниторезонансный (МР) сканер 100, расположенный в помещении 102, изолированном от радиочастот (которое схематически обозначено прямоугольником, образованным пунктирными линиями, который окружает МР-сканер 100). Например, проволочная сетка или фольга образуют клетку Фарадея или другие радиочастотные экранирующие конструкции, встроенные или расположенные на стенах, потолке и полу МР-помещения, в котором находится МР-сканер 100. На фиг. 1 показан схематический вид сбоку в разрезе МР-сканера 100, который содержит корпус 104, вмещающий основные магнитные спирали 106 (как правило, сверхпроводящие и содержащиеся в подходящей криогенной защитной оболочке, которая не показана, хотя также предполагаются резистивные магнитные спирали), которые генерируют статическое (B0) магнитное поле в туннеле 108 или другой области исследования. Корпус 104 также содержит градиентные катушки 120 магнитного поля для наложения градиентов магнитного поля на статическое (B0) магнитное поле. Данные градиенты имеют множество применений, известных из уровня техники, такие как пространственно кодирующий магнитный резонанс, повреждающий магнитный резонанс и так далее. Визуализируемый субъект, такой как пациент 122, показанный в качестве иллюстрации, или животное (для применений в области ветеринарной визуализации) и т.п., помещается в область исследования (внутрь туннеля 108 в иллюстративном варианте) с помощью подходящего ложа 124 или другого устройства для поддержания/перемещения пациента. МР-сканер может содержать множество известных дополнительных компонентов, которые для упрощения не показаны, такие как шиммы магнитного поля, цельная радиочастотная (РЧ) катушка, расположенная в корпусе 104, и так далее. Кроме того, МР-сканер, как правило, содержит множество вспомогательных или добавочных компонентов, которые также для упрощения не показаны, таких как, например, источники питания для основного магнита 106 и градиентных катушек 120 магнитного поля, местные РЧ-катушки (например, поверхностные катушки, катушка для головы или катушка для конечности и т.п.), РЧ-передатчик и РЧ-приемное аппаратное средство, а также различные системы управления и восстановления изображений. Более того, следует понимать, что иллюстративный МР-сканер 100, который представляет собой сканер типа с горизонтальным туннелем, служит только лишь в качестве примера, и что в более общем смысле, описанные безопасные МР-кабели и электроды подходящим образом реализованы совместно с любым другим типом МР-сканера (например, сканером с вертикальным туннелем, сканером с открытым туннелем или т.п.).

[0022] При работе, основной магнит 106 функционирует для генерирования статического B0 магнитного поля в области 108 исследования. РЧ-импульсы генерируются РЧ-системой (содержащей, например, передатчик и одну или более РЧ-катушек, расположенных в туннеле или цельной РЧ-катушке в корпусе 104) на ларморовой частоте (т.е. магниторезонансной частоте) для подлежащих возбуждению частиц (как правило, протонов, хотя могут возбуждаться другие частиц, например, в МР-спектроскопии или применениях в многоядерной МР-визуализации). Эти импульсы возбуждают ядерный магнитный резонанс (ЯМР) в целевых частицах (например, протонах) субъекта 122, которые обнаруживаются подходящей РЧ-системой обнаружения (например, магниторезонансной катушкой или катушками, а также подходящим электронным приемником). Градиенты магнитного поля, как правило, применяются градиентными катушками 120 перед возбуждением или во время возбуждения, во время периода задержки (например, время задержки эхо-импульса или эхо-сигнала) перед считыванием и/или во время считывания с целью пространственного кодирования ЯМР-сигналов. Процессор восстановления изображений применяет подходящий алгоритм восстановления, согласующийся с выбранным пространственным кодированием, с целью генерирования магниторезонансного изображения, которое после этого может быть отображено, выведено, объединено или контранстировано с другими МР-изображениями и/или изображениями с других способов визуализации, или использоваться иным образом.

[0023] Так же как показано на фиг. 1 и с дальнейшей ссылкой на фиг. 2a-2c, в качестве добавочной части к МР-процедуре, измерения температуры осуществляются с помощью зонда 130 измерения температуры. На иллюстративной фиг. 1 изображен печатный проводник для зонда 130 измерения температуры, соединенный с монитором 132 (находящимся за пределами или, при необходимости, внутри МР-камеры 102) и находящийся на пациенте 122. У зонда 130 измерения температуры может быть достаточно низкое потребление энергии, так что функция температуры может быть интегрирована в схему 128 управления и обработки с питанием от батареи, которая связывается беспроводным образом 134 (показанным пунктирной линией от схемы управления и обработки с питанием от батареи к монитору) с монитором 132. Зонд 130 измерения температуры с печатным кабелем 126 с проводящей трассой и схемой 128 управления и обработки с питанием от батареи может записывать поверхностные или инвазивные измерения температуры пациента 122. Кроме того, печатный кабель 126 с проводящей трассой может быть встроен в другие кабели, в частности для поверхностного использования.

[0024] На фиг. 2a-2c показана печатная электрическая трасса 200 с управляемым сопротивлением напечатана на гибкой, МР нейтральной подложке 202 для образования плоского соединительного кабеля 126 между термистором 204 надо пациентом 122 и чувствительным монитором 128. Подложка 202 может представлять собой любой гибкий магниторезонансный инертный плоский материал, такой как пленка на основе полимерной смолы или пленка «Майлар». Материал подложки 202 выбирают так, чтобы выбросы протонов не ухудшали МР-изображение. В различных вариантах реализации проводящая трасса 200 выполнена чернилами на основе углерода. Проводящая трасса 200, при необходимости или в частном случае, может быть выполнена на основе кремния или из легированного полупроводникового материала. Кроме того, печатные проводящие трассы 200 и термисторы 204 должны быть неферромагнитными для препятствования искажению магнитных полей и препятствования непредвиденному воздействию магнитного поля и градиента на зонд.

[0025] Все еще как показано на фиг. 2a-2c, проводящая трасса 200 выполнена с возможностью препятствования образования вихревого тока в трассе и возникновению резистивного нагрева. Трассы могут обладать высоким сопротивлением и могут иметь щелевые отверстия или другие компоненты, которые препятствуют образованию петель вихревого тока. Соединительные зонды напечатаны или нанесены к концу трассы термистора и схемы управления и обработки для упрощения соединения с термистором 204 и схемой 128 управления и обработки. В других вариантах реализации, проводящая печатная трасса может быть твердой или может содержать элементы, такие как перекрестная штриховка, для препятствования генерированию вихревых токов в проводящей печатной трассе. Перекрестная штриховка 206 в трассе 204 улучшает функциональную производительность путем уменьшения индукции токов помех в электроде и резистивных трассах от РЧ и градиентных магнитных полей. Путем печати проводящей трассы и основных соединения термистора температурного зонда 130, улучшается стабильность и воспроизводимость характеристик и маршрутизации подводящего кабеля.

[0026] Термистор 204 представляет собой низкозатратный термистор с высоким сопротивлением, предпочтительно порядка 10000 кОм, настроенный на линейное реагирование в диапазоне температуры тела человека. Сопротивление печатной проводящей трассы 200 может составлять около 8-10 кОм на фут (26-33 кОм·м), что может быть достигнуто путем печати проводящими чернилами около 10 Ом на квадрат. Сопротивление печатной проводящей трассы может быть подогнано лазером для достижения желаемого целевого сопротивления с целью сужения трасс или путем образования продольных прорезей, препятствующих возникновению вихревых токов. Термистор 204 может быть прикреплен с помощью элементов для поверхностного монтажа или с помощью проводящих элементов.

[0027] В варианте реализации, представленном на фиг. 2b-c, чувствительный к температуре термистор 204 и эталонный резистор или термистор 208 соединены петлями с печатными входными и выходными трассами 200a, 200b, которые напечатаны на противоположных сторонах подложки 202. Один из термисторов применяется к пациенту, а эталонный элемент термически изолирован от пациента или выбран таким, который обладает устойчивым сопротивлением во всем интересующем диапазоне температур. Таким образом, сигнал чувствительного к температуре элемента указывает на температуру с индуцированными токами РЧ-поля, а сигнал эталонного элемента указывает на индуцированные токи РЧ-поля, что обеспечивает возможность устранения индуцированных токов РЧ-поля с помощью общего модового фильтра.

[0028] В других вариантах реализации, сопротивление может быть равномерно или неравномерно распределено по печатной проводящей трассе 200 кабеля. Неравномерное распределение может быть достигнуто за счет изменения ширины и/или толщины шаблона печати. Заграждающие или низкочастотные встроенные компоненты цепи, цепи антенны, источники питания, датчики (пьезодатчики, микроэлектромеханические системы (МЭМС), акселерометры) могут быть, при необходимости, включены в печатную проводящую трассу 200 кабеля.

[0029] В другом варианте реализации, представленном на фиг. 2c, схема образована чувствительным к температуре термистором 204 и эталонными элементами 208, например, эталонным резистором, двумя входными трассами 200a, 200b, двумя возвратными трассами 200b, 200b’, соединенными с двумя входными трассами 200a, 200b (соединение не показано), расположенными на одной стороне подложки 202 и схемы 128 обработки и управления.

[0030] Как показано на фиг. 2d, сопротивление термистора изменятся с температурой. Схема 128 обработки и управления преобразует токи или напряжения, протекающие через термисторы, в значения температур для передачи на монитор 132. Схема содержит батарею 250 или другой источник питания за пределами МР-среды. Фильтр 252 делает поправку на шум в сигналах термистора, например, путем вычитания сигнала шума от эталонного элемента 200 из зашумленного сигнала температуры с измеряющего температуру термистора 204. Устройство управления или процессор 254 преобразует полученную температуру в другую температуру, например, с помощью таблицы соответствия, хранящейся в электрически программируемом постоянном запоминающем устройстве (ЭППЗУ) 256. Таблица соответствия может дополнительно возмещать изменения от одного температурного датчика к следующему. РЧ-передатчик 258 передает определенное значение температуры на РЧ-приемник, соединенный с монитором 132. Следует также понимать, что фильтрация и преобразование в температуру может, полностью или частично, выполняться на мониторе 132.

[0031] В различных вариантах реализации, печатные проводящие трассы 200 подходящим образом выполнены чернилами на основе углерода с конкретным электрическим сопротивлением, наносимыми на плоскую гибкую подложку с заранее установленным электрическим сопротивлением, примененной к плоской гибкой подложке 202, для достижения желаемого сопротивления и тепловых характеристик. Печатные проводящие трассы 200 могут быть нанесены любым способом печати, таким как трафаретная печать. Печатные проводящие трассы 200 могут быть твердыми или могут содержать элементы, такие как штриховка, продольные прорези или т.п.

[0032] На фиг. 3 изображен вид сбоку в разрезе зонда для измерения температуры. Защитный кожух 300 покрывает зонда и может обеспечивать электрическую изоляцию и защиту. Предпочтительно, защитный слой 300 является электроизоляционным по сравнению с материалом печатных проводящих трасс 200, а также неферромагнитным и совместимым с магниторезонансной средой. Для зондов одноразового использования, защитный слой в идеале представляет собой стерилизуемый материал низкой стоимости. Стерилизуемый защитный кожух обеспечивает возможность вставки зонда пациенту во время МР для обеспечения измерения внутренней температуры с целью дополнительной защиты пациента от травмы. Защитный слой 300 может содержать изоляционный слой пены для изоляции схемы от индукции токов помехи в электроде и резистивных трасс от статических и градиентных магнитных полей. И вновь, может быть добавлен эталонный резистор ли термистор 208 для создания синфазного сигнала с целью вычитания из термистора 204 для измерения температуры пациента для возмещения синфазного сигнала. Корпус 300 может представлять собой часть катетера, выполненную с возможностью выполнению других функций.

[0033] Как показано на фиг. 4, зонд 130 для измерения температуры может содержать множество печатных трасс на одной стороне удлиненной подложки 202, множество возвратных трасс (не показаны) на противоположной стороне, множество термисторов 204a, 204b, 204c, и множество эталонных элементов 208a, 208b, 208c. В некоторых вариантах реализации, площадки 220 для присоединения, например, из хлорида серебра, напечатаны на трассах для упрощения соединения с термистором, эталонным элементом и схемой. На удлиненной подложке 202 выполнены линии 210a, 210b отрыва. Линии 210a, 210b отрыва на подложке 202 обеспечивают возможность отсоединения печатных трасс 200a, 200b, 200c с целью выполнения измерений в нескольких местах на различных типах тела пациента.

[0034] Как показано на фиг. 5, сначала подложку отрезают по заданному размеру и печатают на ней проводящие трассы и площадки для соединения. Термистор 204, эталонный элемент 208 и схема 128 соединяют с площадками для соединения. С целью предотвращения получения пациентом ожогов или другой травмы во время МР, температура зонда подвергается мониторингу во время работы. На этапе 400 печатный проводник для зонда 130 для измерения температуры прикрепляют к пациенту 122. Печатный проводник 126 зонда 130 для измерения температуры соединяют с монитором 132 пациента беспроводным образом 134 или посредством проводного соединения. После активации МР-системы 100, на этапе 402, зонд принимает печатной трассой 200 шум, созданный МР-системой 100. Предпочтительно, зонд 130 содержит эталонный элемент 208, например эталонный резистор или эталонный термистор. На этапе 404 ток направляется через термистор 204 и эталонный элемент 208. На этапе 406 токи, протекающие через термистор 204 и эталонный элемент 208, определяют и сравнивают. Ток, протекающий через термистор, указывает на МР индуцированный шум и температуру. Ток, протекающий через эталонный резистор, указывает на МР индуцированный шум. Сравнение тока, протекающего через эталонный элемент 208 и термистор 204, обеспечивает возможность выполнения поправки тока или сигнала с термистора 204 на шум. На этапе 408 сигнал температуры с поправкой преобразуют в температуру, например, с помощью таблицы соответствия. На этапе 410 температура передается и отображается на мониторе 132, например, с помощью РЧ линий передачи.

[0035] Настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты реализации. Очевидно, что модификации и изменения будут ясными для специалистов после ознакомления и понимания предшествующего подробного описания. Предполагается, что в объем изобретения входят все такие модификации и изменения, поскольку они находятся в пределах объема прилагаемой формулы изобретения или ее эквивалентов.

1. Зонд (130) для измерения температуры для использования в магниторезонансной среде, содержащий:

удлиненную подложку (202);

множество резистивных электропроводящих трасс (200, 200a, 200b, 200a', 200b'), напечатанных на подложке;

по меньшей мере один термистор (204), расположенный на подложке и электрически соединенный по меньшей мере с одной из трасс, а также выполненный с возможностью размещения в тепловом взаимодействии с пациентом в магниторезонансной среде;

по меньшей мере один эталонный элемент (208), соединенный с одной из резистивных трасс (200) и содержащий термистор (204a), который термически изолирован от пациента, или резистор (204b); и

схему (128) обработки и управления, электрически соединенную с трассами и выполненную с возможностью комбинирования сигнала температуры с относящимся к МР шумом и сигналом относящегося к МР шума от эталонного элемента (208) методом вычитания.

2. Зонд (130) для измерения температуры по п. 1, в котором трассы (200, 200a, 200b, 200a', 200b') напечатаны с помощью трафаретной печати резистивными проводящими чернилами.

3. Зонд (130) для измерения температуры по одному из пп. 1 и 2, в котором трассы (200) основаны на углероде.

4. Зонд (130) для измерения температуры по одному из пп. 1 и 2, в котором трассы (200) содержат легированный полупроводниковый материал.

5. Зонд (130) для измерения температуры по одному из пп. 1-4, в котором сопротивление по меньшей мере одной электропроводящей трассы с высоким сопротивлением составляет около 26-33 кОм на метр.

6. Зонд (130) для измерения температуры по одному из пп. 1-5, в котором трассы (200) выполнены травлением с получением перекрестной штриховки (206).

7. Зонд (130) для измерения температуры по одному из пп. 1-6, в котором трассы содержат входную трассу, которая обеспечивает электропитание для термистора, и возвратную трассу.

8. Зонд (130) для измерения температуры по п. 7, в котором входные и возвратные трассы расположены на противоположных сторонах подложки.

9. Зонд (130) для измерения температуры по п. 7, в котором входные и возвратные трассы расположены на одной стороне подложки.

10. Зонд (130) для измерения температуры по одному из пп. 1-9, который дополнительно содержит:

множество термисторов (204), расположенных на множестве печатных трасс (200);

линии (210) отрыва на удлиненной подложке (202) для обеспечения возможности отсоединения печатных трасс (200) с целью приспособления расположения множества термисторов для выполнения измерений в нескольких местах, находящихся на теле пациента и имеющих различную форму.

11. Зонд (130) для измерения температуры по одному из пп. 1-10, который дополнительно содержит:

стерилизуемый защитный кожух (300).

12. Зонд (130) для измерения температуры по одному из пп. 1-11, который дополнительно содержит:

площадки для соединения, образованные на трассах, которые выполнены с возможностью электрического соединения с термистором (204).

13. Магниторезонансная система, содержащая:

магниторезонансный сканер (100) и

зонд (130) для измерения температуры по одному из пп. 1-12, в котором термистор (204) и по меньшей мере часть подложки (202), а также по меньшей мере одна трасса расположены в области исследования магниторезонансного сканера.

14. Способ мониторинга температуры в магниторезонансной среде, включающий:

печать множества резистивных электропроводящих трасс (200) на удлиненной подложке (202);

электрическое соединение по меньшей мере одного измеряющего температуру пациента термистора (204) по меньшей мере с одной трассой (200);

соединение эталонного элемента (208) для обнаружения синфазного сигнала для вычитания из сигнала с измеряющего температуру пациента термистора с одной из трасс, причем сигнал, проходящий по трассе от термистора (204), содержит шум и информацию о температуре, а сигнал, проходящий по трассе от эталонного элемента, содержит шум;

наложение термистора (204) и эталонного элемента (208) на пациента;

обработку сигналов от термистора и эталонного элемента для внесения в сигнал термистора поправки на шум (406) и

преобразование сигнала термистора с внесенной поправкой в значение температуры (408).

15. Способ по п. 14, который дополнительно включает:

передачу значения температуры на монитор и отображение значения температуры на мониторе (410).