CN101057155A - 磁场剂量仪 - Google Patents

Abstract

一种用于测量在磁场中的暴露量和/或在磁场变化中的暴露量的便携式设备。设备(10)包括用于测量瞬时磁场强度的第一传感器(14)，以及第二传感器(15)，它位于与第一传感器相邻之处并与其以相同的方向定向，用于提供指示磁场的时间变化率的输出。积分器(22)对从第二传感器(15)输出的变化率关于时间求积分，以导出磁场的相对变化。处理器(20)被连接到至少第一传感器和积分器的输出端。如果输出在第一传感器的正常工作范围内，则处理器有选择性地提供对来自第一传感器的输出的磁场强度的指示，否则，提供对来自积分器的输出的磁场强度的指示。存储器(24)连接到第二传感器(15)的输出端，用于存储在磁场变化中的累积的暴露量。三对第一和第二传感器可以在各自正交的方向上定向。

Description

磁场剂量仪

技术领域

本发明涉及一种用于测量和记录在磁场中的瞬时和/或累积的暴露量(exposure)的方法和设备。在一个优选的实施例中，本发明是一种便携式装置，提供了对磁场、磁场梯度和穿过这种场的运动的人体和非固定的测定，并且能够测量宽范围的磁场强度。

背景技术

重复和/或长期暴露在静态磁场和静态磁场梯度中会在若干职业中职业地发生，例如包括使用核磁共振成像(MRI)的医院的技师、实验高能物理学的研究者、以及炼铝工人。虽然静态磁场被认为远不如电离辐射有害，但反复地暴露在强磁场中通常会以来自制订规章的团体的建议性警示和限制职业性暴露的建议来对待。例如，英国的国家辐射保护委员会(NRPB)的指导建议：如果只有四肢而不是头或躯干被暴露在磁场中，则限制时间加权的暴露为每8小时工作日0.2T。

另外，当人体穿过静态磁场运动时，尤其是那些空间发生变化的(如同大部分情形一样)磁场时，会在人体中感生出电流。人体在电学术语中实际上是传导电介质组织的不均匀阵列。这些电流会扰乱生理功能(例如，见John F.Schenck的“Satety of Strong，Static MagneticFields(强静态磁场的安全)”，J.Magn.Reson.Imag.12：2-19，2000)。

电离辐射(诸如X射线)的测定是已知的，并且已经被开发出来。现有技术中已说明了多种电磁剂量仪。例如，美国专利4,672,309和6,486,664描述了监控射频电磁暴露、即高频暴露的装置。

在静态磁场梯度中的暴露发生在人穿过空间不均匀的静态磁场而移动时，或者当该静态磁场从一个值切换到另一个值时。这两种效应的结合也是可能的。MRI磁体中和周围的磁场提供了磁场空间变化的一个例子。MRI磁体有一个通常在结构中心的体积(volume)，产生强的并且非常均匀的静态磁场，但是磁场中的强的、长时间的梯度存在于该中心区域的外部。某些病人当移动到MRI扫描器中时，或者在进入扫描器期间移动他们的头部时，或者一旦在MRI扫描器中，会体验到不舒服的感觉。根据报告的感觉包括坠落感、磁性闪光(magnetosphene)、丧失本体感受(proprioreception)、嘴中的金属味道或肌肉抽搐(末梢神经刺激)。

当场梯度被切换时也有相似的作用。场梯度是由在MRI机器中使用的装置在静态磁场的z分量产生的线性场梯度。这些梯度被用来对NMR信号进行空间编码并产生图像。它们在产生图像期间规律地被切换。

穿过空间变化的磁场的运动会在体内感生明显的涡流(L.Feng，H.Zhao和S.Crozier，“Induced fields by body movement andhead-shake in High-Field MRI(在高磁场MRI中由身体运动和摇头所感生的场)”，J.Magn.Reson.161/1 pp99-107，2003)。检察体内这种场感应是有用的，体内的感生场的计算以及关于4特斯拉MRI磁系统的示例性仿真见S.Crozier和L.Feng，“Numerical evaluation0f the fields induced by body motion in or near high-field MRIscanners(高磁场MRI扫描器中或附近由身体运动感生的场的数值分析)”，Progress in Biophysics and Molecular Biology，Volume 87，Issues 2-3，February-April 2005，第267-278页。

一般来说，这种仿真表明：典型的身体运动所感生的磁场幅度小于由MRI情况下的梯度线圈切换所感生的具有潜在的负面健康影响的幅度，但与其具有相似的幅度。

有许多已知类型的装置来测量磁场强度，分别被称为剂量仪、特斯拉仪(teslameter)、高斯计(gaussmeter)和磁通计(fluxmeter)。其中一些不是便携式的，或者并不适于非固定的应用。这样，它们适合由可能会经常由于其工作而在磁体周围移动的人测量在磁场中身体的暴露量。

这些便携式的磁力计通常使用霍尔效应传感器或“霍尔探测器”来感应磁场，因为这些探测器可以用较小的尺寸制造。然而，很多霍尔探测器的缺点在于它们由于磁饱和而具有有限的动态范围。因此，它们不能精确地测量或记录高磁场强度。虽然有些霍尔探测器具有宽的工作范围，但它们往往体积大、价格贵并且在低磁场强度下分辨率低。

大多数剂量仪被设计用来测量瞬时磁场强度，并且不记录在磁场中的累积暴露量。

此外，如上略述，磁场强度的变化，例如由切换或时变磁场或穿过静态场梯度的运动所引起的磁场强度变化，也可能具有对人体有害的影响。已知的剂量仪通常不能对人所经历的磁场变化提供足够的或令人满意的测量和/或记录。

本发明的一个目标是提供一种改进的方法和设备，用来测量并记录在磁场中瞬时和/或累积的身体暴露量。

发明内容

以一种广泛的形式，本发明提供了一种用于测量磁场强度的设备，包括：

第一传感器，用来测量瞬时磁场强度；

第二传感器，位于与第一传感器相邻之处并与第一传感器以相同的方向定向，以提供指示磁场的时间变化率的输出；

积分器，有效地对从第二传感器输出的变化率关于时间求积分，以导出磁场中的相对变化；以及

处理器，被连接到至少第一传感器和积分器的输出端；

其中处理器根据磁场强度的值，有选择性地提供对来自第一传感器或积分器的输出的磁场强度的指示。

在另一种方式中，本发明提供了测量磁场强度的方法，包括以下步骤：

用第一传感器测量瞬时磁场强度；

用位于与第一传感器相邻之处并与第一传感器以相同的方向定向的第二传感器测量磁场的变化率；

对从第二传感器输出的变化率关于时间求积分，以导出磁场中的相对变化，并且

根据磁场强度的值，有选择性地提供对来自第一传感器装置或积分器的输出的磁场强度的指示。

在一个优选的实施例中，第一传感器是霍尔效应传感器或霍尔探测器，其直接测量它所暴露的磁场。第二传感器包含线圈装置，它响应于磁场的时间变化率在其中感生出电流或电压。积分器是连接到该线圈装置的输出端的模拟或数字积分器。该线圈输出端被积分以给出磁场中的变化。

在使用中，通过积分得到的磁场相对变化参照当处于其有效范围内时由第一传感器提供的绝对值被变得有意义或有用。

该处理器典型地是具有适当的软件或固件的微处理器。在霍尔探测器的正常工作范围内，微处理器选择霍尔探测器的输出作为磁场强度的指示。然而，当超过预定的磁场强度，霍尔探测器饱和、或者停止在高磁场强度中响应时，该微处理器选择积分器的输出作为磁场强度的测量，使用霍尔探测器的不饱和输出作为该积分器的起点。

通过这种方式，该设备可以在很宽的磁场强度范围内提供精确的测量。特别地，该设备能够使用霍尔探测器在低磁场强度下获得高分辨率，而并不限于霍尔探测器的正常工作范围。此外，通过结合使用霍尔探测器和线圈，该设备具有宽的动态范围，在从0Hz(DC)到几十千赫的带宽范围内可操作。

典型地，当积分器的输出低于预定的磁场强度，即回到霍尔探测器的操作范围内时，微处理器转换回到霍尔探测器的输出作为磁场强度的测量。积分器的输出也被重新设置或者与霍尔探测器的输出相关。

优选地，该设备具有多对第一和第二传感器，在多个方向上定向，典型地，一对传感器在三个正交方向中的一个方向上定向。通过具有多对传感器，多个方向的磁场和磁场梯度可以被感知，允许计算幅度和方向。

典型地，该设备(包括其电池或电源)为非磁性的，从而在高磁场环境中有用。

优选地，该设备还包括连接到第一传感器、第二传感器和积分器中的一个或多个的输出端的存储装置，用于记录在磁场中和/或磁场变化率中的累积的暴露量。所述存储装置也可以记录峰值、时间加权平均暴露量，以及在预定值上的暴露时间，从而增加该设备的多功能性。(这些值可以由独立的处理器来计算，它从所述存储装置接收测量数据)。

优选地，该设备是便携式的，并且能够戴在人身上。所述传感器可以与该设备的其它部分分开。

在另一种方式中，本发明提供了一种用于记录在磁场变化中的暴露量的设备，包括

便携式传感器，适于被人携带，以测量这个人所暴露的磁场的变化，以及

存储装置，其连接到所述传感器的输出端，用于记录磁场的累积变化。

典型地，所述传感器包括线圈装置，所述线圈装置响应于磁场的时间变化率。

为了使本发明更充分地被理解并付诸实现，将参照附图通过示例描述一个优选的实施例。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的剂量仪的方框图；

图2是图1的剂量仪的另一个方框图；

图3是由图1的剂量仪所测量的磁场强度和磁场变化的图。

具体实施方式

在一个优选的实施例中，本发明是测量在磁场中和/或磁场变化率中的暴露量的便携式剂量仪。更具体地说，该剂量仪能够非固定地监控在宽范围的静态磁场中的瞬时和累积的暴露量。它还监控和测量监控人员所暴露的静态磁场梯度的累积量，从而提供了磁场梯度的测定。

剂量仪的电气方框图在图1中示出。剂量仪10包括三个传感器电路11、12、13，每个对应于x、y、z轴中的一个。在图1中只详细示出了一个传感器电路11，应该理解其它两个传感器12、13也有类似的结构。

每个传感器电路11、12、13包括第一和第二传感器。在传感器电路11中，第一传感器是霍尔效应传感器14(或霍尔探测器)，用于感知一个方向上的静态磁场。与霍尔效应传感器14在同一处的是线圈15，它由至少一圈导线构成。线圈15的作用是通过法拉第感应原理感知磁场梯度或变化。

所述一对传感器14、15在相同的方向上定向。电路11、12、13的所述三对传感器最好在三个各自正交的方向上定向，从而使得该静态磁场和场梯度的幅度和方向都能够被测量并如下方式被累积地记录。

静态霍尔效应传感器14提供了小(瞬时)磁场强度的直接测量。其模拟输出通过模/数(“ADC”)转换器16转换为数字形式，并被馈送给微处理器20的数字输入/输出电路17。

由霍尔效应传感器14感知的任何磁场变化将在线圈15中感生出一个电流，它进而产生线圈两端的电压。这通常是一个小电压，它在缓冲放大器21中被缓冲和放大。

然后放大器21的输出由使用低漂移模拟电路的积分器22来积分，以给出磁场强度从已知的起点开始的变化。该静态场传感器14为从线圈15导出的磁场变化提供了已知的起点。积分器22可以在任何时刻由控制剂量仪10操作的微处理器20重新设置。

线圈15的经过放大的输出以及其来自积分器22的积分被馈送给ADC 23，在这里被数字化并输入到微处理器20。这样，磁场强度和磁场强度的变化都被测量了。

然而，霍尔效应传感器的范围是有限的。静态霍尔效应传感器14提供了小磁场强度的精确测量，但是可能会在高磁场中饱和或者停止响应。当磁场强度在霍尔效应传感器的工作范围内时，微处理器20选择传感器14的输出作为磁场强度测量。当磁场强度超过一个预定的值(通常被设为稍低于传感器14的指定操作上限)时，微处理器20选择线圈15的经过积分的输出作为磁场强度测量。(当磁场强度在霍尔效应传感器的工作范围内时，所述经过积分的输出相对于霍尔效应传感器14的输出被有规则地校准)。

这在图3中阐释，它是霍尔效应传感器的输出电压和在与霍尔传感器相邻的线圈中感生出的电压的时间序列图，后者与磁场的变化率成正比(dB/dt)。同样被示出的是线圈电压的积分结果(deltaB)，它被缩放并被叠加到霍尔传感器输出端。当健康护理工作人员在4TMRI磁体周围行走时该数据被采集。可以看到，通过有选择性地利用deltaB输出，剂量仪可以在远远超过霍尔效应传感器的正常工作范围时测量磁场强度，但仍保持了霍尔效应传感器在低磁场强度下的高分辨率。

也就是说，来自场梯度传感器15的输出被积分，以给出静态磁场中的变化，并在饱和或超过范围之前与来自霍尔效应传感器14的读数相结合。微处理器20计算出被累积记录的整体静态磁场。这一具有优点的特征允许剂量仪10作为多范围装置，它能够容纳和精确地测量远离强源的小磁场值和靠近源的非常高的磁场，从而克服了仅基于霍尔效应传感器的静态场剂量仪装置的局限性，并且给出了较大的动态测量范围，如在MRI剂量仪和其它应用中所要求的。

微处理器20也测量和记录在场梯度中的累积的暴露量(从放大器21的输出端的直接读数得到)。

微处理器20可以被编程以提供定制的报告，如峰值场和/或梯度暴露量、磁场强度和/或梯度的加权平均、在超过一个预选值上的磁场强度和/或梯度中的暴露时间。当一个或多个这种暴露参数超过了预选的限度时，微处理器20也可以被编程以产生警告。

剂量仪10可以作为很小的用电池供电的便携式装置被制造，它可以被封装在紧凑的塑料外壳中，并由个人携带或佩戴。该剂量仪的所有组件都是非磁性的，使得它能够被用在高强度的磁场中。

剂量仪10的另一个方框图在图2中示出。(剂量仪10的电路图可以在相关的澳大利亚专利申请No.2004905579中找到，其公开内容在这里被引入作为参考。)

如图2所示，电池和电池管理系统形式的电源被用来允许该装置作为非固定的装置被方便地使用。这种应用的要求包括非磁性构造、多电压输出和高效率。(商业上可提供的原电池和电池通常被封装在铁磁性材料中，并且如果被带到高静态磁场附近可能会引起严重的冲击(ballistic)危险。)使用了基于锂离子化学的电池，因为它避免了带有铁磁性部件的电池的缺点。这种电池可以以很小的物理尺寸来提供，适合袖珍式或带子佩戴式装置。

该优选实施例中的电子器件的不同属性规定了该仪器内的多电压供给或干线(rail)。模拟放大器、霍尔传感器和微控制器集成电路要求不同的电源电压以供操作。对这种问题的常规解决方案是使用开关式电源转换器。这种技术是基于当施加交变电流时电感器的电特性。适用于这种功能的电感器具有铁粉核心(铁氧体)，其磁性特性在高静态磁场中会饱和。为避免这种不相容性，最好使用无电感器或开关电容电源。这种技术的效率可以比得上基于电感器的技术，并且用在这种实现方式中的部件将容忍很大的静态和交变磁场。

参照图1，剂量仪10还包括适当的数据存储介质，最好同时包括一个固定的内部存储器24和一个可移动存储器25，如闪存。该剂量仪10也可以具有显示器26，如LCD，以及与计算机或系泊部位(docking station)进行外部通信的端口27。当安装了显示器时，剂量仪10可以用作场或场梯度映射系统。

上述说明只描述了本发明的一个实施例，对本领域技术人员而言很显然可以对其进行修改而不会背离本发明的范围。

例如，上述实施例使用了低漂移模拟积分器。然而，信号可以被数字化并采用替代技术进行数字积分，以获得积分结果。

此外，霍尔效应传感器可以用适当的磁致伸缩装置或其它磁场感知单元来代替。

在所示的实施例中，传感器14、15与微处理器20共同位于剂量仪的外壳内。在一种作为替代的实施例中，霍尔传感器和环路传感器被放置得远离剂量仪的电子器件。例如，传感器14、15可以被别在衬衣衣领上，从而给出了头部暴露量的估计；同时该剂量仪的其它部分可以被放在口袋中，与传感器输出进行通信。

在本发明的另一个实施例中，该剂量仪被简单地用来记录在磁场变化中或梯度中的累积暴露量。该实施例使用了上述的线圈传感器，其输出被数字化并被存储在微处理器中。优选地，在磁场强度中的累积暴露量如同被霍尔探测器或同等的装置测量一样也被记录。

本发明的方法和设备也可以用来验证或产生磁体周围的场图。

在本篇说明书全文中，包括权利要求，其上下文允许术语“comprising”或“comprise”在包含的意义下被解释为包括所述的整体而不必排斥其它可能。

Claims (16)

1.一种用于测量磁场强度的设备，包括：

第一传感器，用来测量瞬时磁场强度；

第二传感器，位于与所述第一传感器相邻之处并与第一传感器以相同的方向定向，以提供指示所述磁场的时间变化率的输出；

积分器，用来有效地对从所述第二传感器输出的变化率关于时间求积分，以导出所述磁场的相对变化；以及

处理器，被连接到至少所述第一传感器和所述积分器的输出端；

其中所述处理器根据所述磁场强度的值，有选择性地提供对来自所述第一传感器或所述积分器的输出的磁场强度的指示。

2.如权利要求1中的设备，其中所述设备具有多对第一和第二传感器，它们在多个各自的方向上定向。

3.如权利要求2中的设备，其中所述设备具有三对第一和第二传感器，每对传感器在三个正交方向中的一个相应的方向上定向。

4.如权利要求1中的设备，其中所述第一传感器是霍尔效应传感器。

5.如权利要求1中的设备，其中所述第二传感器包括线圈装置，所述线圈装置响应于所述磁场的时间变化率。

6.如权利要求1中的设备，其中所述积分器被并入到所述处理器中。

7.如权利要求1中的设备，其中如果所述输出在所述第一传感器的正常工作范围内，所述处理器被编程以选择所述第一传感器的输出作为磁场强度的指示，否则，所述处理器选择所述积分器的输出作为磁场强度的测量，使用所述第一传感器的预定的输出作为所述积分的起点。

8.如权利要求1中的设备，还包括连接到所述第一传感器、第二传感器和积分器的一个或多个输出端的存储器，用于记录在磁场中和/或在磁场变化率中的累积的暴露量。

9.如权利要求1中的设备，其中所述设备是便携式的，并适于戴在人身上。

10.如权利要求1中的设备，其中所述设备基本上是用非磁性材料构成的。

11.一种用于测量磁场强度的方法，包括

用第一传感器测量瞬时磁场强度；

用位于与所述第一传感器相邻之处并与第一传感器以相同的方向定向的第二传感器测量所述磁场的变化率；

对从所述第二传感器输出的变化率关于时间求积分，以导出所述磁场的相对变化，以及

根据所述磁场强度的值有选择性地提供对来自所述第一传感器装置或所述积分器的输出的磁场强度的指示。

12.如权利要求11中的方法，其中如果输出在所述第一传感器的正常工作范围内，则所述第一传感器的输出被选择作为磁场强度的指示，否则，所述积分器的输出被选择作为磁场强度的指示。

13.如权利要求11中的方法，其中所述第一传感器在其正常工作范围内的预定输出被用来作为所述积分的起点。

14.如权利要求11中的方法，在当所述积分器的输出已被用作磁场强度的指示一段时间之后，其中当所述第一传感器的输出被选择作为磁场强度的指示时，所述积分器的输出被重新设置，以与所述第一传感器的输出相关。

15.一种用于记录在磁场的变化中的暴露的设备，包括

便携式传感器，适于被人携带，用于测量这个人所暴露的磁场的变化，以及

存储装置，连接到所述传感器的输出端，用于记录所述磁场的累积变化。

16.如权利要求15中的设备，其中所述传感器包括线圈装置，所述线圈装置响应于所述磁场的时间变化率。

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