CN104363821B - 使用形状记忆致动器的自动非磁性医学监视器 - Google Patents

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Abstract

当在磁共振(MR)扫描器的膛中或靠近磁共振(MR)扫描器的膛的医学设备中采用阀门时，与MR相容的材料用于使所述阀门对由所述MR扫描器生成的强磁场的易感性最小化。与MR相容的致动器包括形状记忆合金(SMA)丝或构件(12)，所述形状记忆合金(SMA)丝或构件(12)通过应用恒定功率信号来进行致动。通过控制电路(50)来供应所述恒定功率信号，使用来源于测量的电流反馈信号和电压反馈信号的功率反馈信号来生成所述恒定功率信号。一旦致动所述SMA构件，则所述功率信号能够被减小并且被脉宽调制，以将所述SMA构件维持在激活状态，所述激活状态反过来将所述阀门维持在关闭状态直到所述功率信号被终止。

Description

使用形状记忆致动器的自动非磁性医学监视器
技术领域
本申请具体应用于与磁共振(MR)相容的患者监测设备，所述与磁共振(MR)相容的患者监测设备包括形状记忆合金(SMA)部件。然而，应当理解，所描述的技术也可以应用于其他患者监测设备、其他磁性设备系统或其他SMA激活技术。
背景技术
诸如血压袖带等的传统的患者监测设备包括易感于磁场的金属部件(例如，铁、镍、钴等)。当扫描器在操作时，包括这样的金属的患者监测设备能够受MR扫描器的大磁体影响。例如，包括铁磁部件的血压袖带阀门能够被影响，使得在MR扫描期间阀门进入关闭状态，并且袖带担当患者手臂上的止血带。此外，诸如泵等的耦合到患者的外围设备的铁磁部件(其旨在扫描期间保持在MR扫描器外部)能够被拉到MR扫描器的磁体。取决于对磁体的吸引力的量级、外围设备的尺寸和重量等，外围设备能够对区域中的其他器械、MR扫描器和/或患者带来伤害。
如已知的“铁弹”能够对昂贵的医学器械带来伤害以及患者损伤。实际上，任何铁质材料对患者安全都能够有害的。例如，是钢厂或其他相似环境的雇员的患者可以在其(一只或两只)眼睛里具有微小的金属碎屑，在MR扫描之前该情况未被检测到。仅在已经激活了MR扫描器磁体时才检测到这些铁弹，这给患者带来巨大不适。在上述血压袖带范例中，由MR扫描器磁体生成的磁场能够拉动在袖带中闭合的气动阀门。在MR扫描期间这能够导致患者不适，以及临床医生要求或期望的生命体征信息的缺乏。
到目前为止，归因于通常要求的慢致动时期来激活这样的合金以实现期望的响应，尝试使MR安全患者监测设备已经不考虑形状记忆合金金属。在患者监测设备的情况下，在周期性地和频繁地期望患者生命体征测量结果的情况下，慢致动时间是不可接受的。
发明内容
本申请涉及新的和改进的系统和方法，所述新的和改进的系统和方法便于在与MR相容的患者监测设备中的形状记忆合金部件的快速激活，其克服了以上提到的问题和其他问题。
根据一个方面，一种用于致动与磁共振(MR)相容的阀门的阀门致动器，所述阀门致动器包括形状记忆合金(SMA)构件，所述形状记忆合金(SMA)构件在压下阀门柱塞以与在与MR相容的阀门中的阀门座配合。所述阀门致动器还包括控制电路，所述控制电路将功率信号提供到SMA构件，以致动SMA构件并且将SMA构件维持在激活状态。
根据另一方面，一种致动与磁共振(MR)相容的阀门的方法包括将恒定功率信号提供到形状记忆合金(SMA)构件，所述形状记忆合金(SMA)构件在被致动时压下阀门柱塞以与在与MR相容的阀门中的阀门座配合。所述方法还包括监测至少一个阀门参数，以检测阀门何时被关闭，以及基于检测到阀门被关闭来调节功率信号，以将SMA构件维持在激活状态，同时减少功耗。
根据另一方面，一种致动形状记忆合金(SMA)构件以关闭与磁共振(MR)相容的阀门的控制电路包括驱动器，所述驱动器将恒定功率信号提供到SMA构件，以致动SMA构件并且引起SMA构件收缩并压下阀门柱塞以关闭阀门。所述控制电路还包括乘法器，所述乘法器将测量的反馈电流乘以测量的电压电流，以生成反馈功率信号，所述反馈功率信号用于维持恒定功率信号。控制电路被配置为响应于阀门被关闭的指示来减小并脉宽调制功率信号以节省功率，并且将SMA构件维持在激活状态。
在阅读和理解下面的详细描述的基础上，本领域普通技术人员将认识到本发明的其他优点。
本发明可以采取各种部件和部件的布置，以及各种步骤和步骤的安排的形式。提供附图是出于图示各个方面的目的，并且不应被解释为对本发明的限制。
附图说明
图1图示了根据本文描述的各个方面的具有形状记忆合金(SMA)构件(例如，弹簧)的阀门的横截面视图，所述形状记忆合金(SMA)构件被控制为打开和关闭与MR相容的阀门，在患者扫描期间在MR扫描器的膛中能够采用所述与MR相容的阀门。
图2图示了根据本文描述的各个方面的在关闭位置(例如，在SMA弹簧致动之后)的阀门的横截面视图。
图3图示了根据本文描述的各个方面的致动SMA弹簧(图1和图2)并且保护其免于功率激增和/或其他损害事件的控制电路。
图4图示了根据本文描述的各个方面的控制在与MR相容的阀门配件中的SMA弹簧的方法，在泵、血压袖带或任何其他设备中能够采用所述与MR相容的阀门配件，所述泵、血压袖带或任何其他设备被安置在或靠近MR扫描器的膛中。
具体实施方式
在磁共振成像(MRI)中，强大的磁场能够干扰、损害、引起过早失效以及吸引特定的非MR安全器械。本文描述的系统和方法缓解了对于电磁敏感的部件的需要，支持MR安全形状记忆合金元件。例如，在MR扫描期间所描述的阀门能够被安置靠近患者而没有损害阀门，危害患者或临床医生或MR机器的担忧。
与传统阀门相比，采用形状记忆材料的MR安全阀门是非磁性的，并且因此缓解了被拉到MR扫描器的膛中的危险。其可靠性不受强磁场的影响，并且其不要求额外的磁屏蔽，所述额外的磁屏蔽可以加大成本和重量，并且给患者、临床医生以及器械增加来自阀门部件朝向MR机器的磁场被拉入的风险。由于在MR流程期间MR安全器械可以被带到更靠近MR机器和患者，因此与MR相容的阀门也缓解了对长软管和缆线的需要。此外，相对于压电陶瓷材料，所描述的MR安全阀门提供减小的电噪声排放、重量以及功耗。根据一个方面，提供一种控制电路，所述控制电路加速形状记忆材料的致动，并且保护所述材料免于由功率供应变化引起的损害。
用这种方式，所描述的范例便于使用形状记忆致动器(例如，SMA弹簧或丝)以关闭气动阀门。形状记忆元件用于抵触阀门弹簧。驱动器电路快速、安全并重复地引起形状记忆致动器起作用。所描述的发明使在MR环境中操作阀门而没有来自过度磁场的对器械的损害的风险成为可能。这也消除了器械被拉到膛中的危险，并且应用于在MR环境中的患者监测以及任何形式的机电切换，包括在MR环境中的气动功率切换。
图1图示了根据本文描述的各个方面的具有形状记忆合金(SMA)构件(例如，弹簧)12的阀门10的横截面视图，所述形状记忆合金(SMA)构件12被控制为打开和关闭与MR相容的阀门，在患者扫描期间在MR扫描器的膛中能够采用所述与MR相容的阀门。例如，在血压袖带中可以采用所述阀门，所述血压袖带在MR扫描期间监测患者的血压。在其他实施例中，在其他气动或液压阀门或柱塞(例如，静脉滴注调整器等)中采用所述阀门。在压电陶瓷上的形状记忆材料或其他与MR相容的解决方案的优点包括更低的成本和更不复杂的驱动电路。所描述的阀门和/或泵能够不使用额外的磁屏蔽而在高磁场中操作。这样的阀门和/或泵使能够在MRI环境中无创监测血压、呼出气体以及麻醉气体。它们也可以用于创建与MR相容的电子开关和阀门。图1的阀门配件10用非磁性材料代替例如在MR环境中使用的患者监视器和/或外围设备中的传统的磁性电机和螺线管部件，同时提高性能。
在一个实施例中，尽管可以采用显示关于温度的电阻变化的任何适当的SMA，SMA构件或弹簧12是镍钛诺(例如，镍钛)丝、条、带等，其经由紧固件16被耦合到阀门主体14。紧固件可以是机械、化学或任何其他适当类型的紧固件。当对丝进行加热时，镍钛诺丝的电阻改变，并且丝缩小。当SMA弹簧经由丝的收缩压下柱塞18时，SMA弹簧覆盖关闭阀门的柱塞18。在一个实施例中，超压弹簧(未示出)被提供在SMA弹簧12与柱塞18的顶表面之间。
在横截面中被示出为在柱塞杆任意侧上的多个点的阀门弹簧20将柱塞向上偏置，以将阀门维持在打开状态直到SMA弹簧被激活。在阀门10是气动阀门处的瓶中，阀门弹簧20可以是任选的。当SMA弹簧被激活时，SMA弹簧向下推动柱塞以关闭阀门，并且通过对着阀门座24推动柱塞头22来阻止空气(或一些其他气体或液体)流。传感器26(例如，位置传感器、压力传感器或任何其他适当的传感器)也被包括以用于确定阀门是打开的还是关闭的。一旦传感器向控制电路50指示阀门被关闭，则由控制电路供应到SMA弹簧的功率从恒定功率级别(例如，3W或某些其他适当的功率级别)切换到脉宽调制的功率级别(例如，具有在近似0W与3W之间的功率级别的脉冲等)，以减少功耗并且防止对弹簧的损害。在另一实施例中，针对阀门和/或在其中采用阀门的设备的操作的持续时间来维持恒定功率级别。
也已知为SMA的形状记忆合金、智能金属、记忆金属、记忆合金、肌肉丝、智能合金)是记得其原始、冷锻造形状的合金，通过加热所述合金回到变形前的形状。通过外电源或通过让电流经过材料可以应用加热。形状记忆合金包括但不限于：铜-锌-铝-镍、铜-铝-镍、铍-铜、铜青铜以及镍-钛。记忆形状合金元件的激活取决于元件的温度，并且涉及元件材料的状态变化。元件的电阻率随元件的状态改变而改变。
图2图示了根据本文描述的各个方面的在关闭位置(例如，在SMA弹簧的致动之后)的阀门10的横截面视图。阀门包括SMA弹簧12，所述SMA弹簧12经由紧固件16被耦合到阀门主体14。经致动的SMA弹簧将柱塞18向下偏置，以将阀门维持在关闭状态。阀门弹簧20将柱塞向上偏置，以当SMA弹簧未被激活时将阀门维持在打开状态。当SMA弹簧被激活时，SMA弹簧向下推动柱塞，以关闭阀门并且通过对着阀门座24推动柱塞头22来阻止空气(或一些其他气体或液体)流。传感器26也被包括以用于确定阀门是打开的还是关闭的。
图3图示了根据本文描述的各个方面的致动SMA弹簧(图1和图2)并且保护其免于功率激增和/或其他损害事件的控制电路50。所述电路包括：高侧电流监视器，其监测负载电流，所述高侧电流监视器包括放大器52；负载电压反馈点54；乘法器56，其将负载电流和负载电压相乘；通道元件58，其将电流和电压递送到负载R2(例如，SMA丝12)；和误差放大器60以及通道元件驱动器R1。
如图示的，所述电路也包括分压器，所述分压器包括电阻器R3和R4。乘法器56评估被递送到负载(例如，镍钛诺丝)的电流(I)和电压(V)，并且将控制输入电压的反馈信号提供到误差放大器60。分压器生成电压反馈信号，同时穿过R1的电流提供电流反馈信号。将反馈信号进行相乘56，并且提供到误差放大器60以允许恒定功率被递送到负载。与传统的SMA致动方法相比，所述传统SMA致动方法仅控制电压或电流中的一个，所描述的电路50控制电流和电流二者，并且经由乘法器56来控制功率以提供恒定功率级别。一旦SMA弹簧被收缩并且柱塞被压下以关闭阀门，则维持恒定功率级别或备选地减小恒定功率级别，并且应用脉宽调制以节省功率。即使当在激活状态保持时期控制输入被脉宽调制以节省功率时，电路响应被调谐以允许控制。所描述的电路使用应用的电流乘以应用的电压的反馈，产生应用的功率反馈来激励SMA弹簧。通过在所有激活和转换状态中应用最大激活功率，该特征允许一致和快速的激活。
当对SMA弹簧12加热时，电阻增加，使得穿过弹簧的电压增加，而通过弹簧的电流减小。在该事件中，乘法器将恒定功率提供到SMA弹簧，但在可接受的极限之内避免对SMA弹簧的损害。在一个实施例中，针对预定时间段乘法器以近似1V的控制输入提供近似3W的功率，并且然后所供应的功率控制信号被脉宽调制在0V与1V之间，以将弹簧维持在加热和收缩状态，同时管理功耗。在另一实施例中，针对期望的时间段乘法器以近似1V的控制信号提供近似3W的功率，在这之后阀门被允许打开。在任何事件中，限制通过负载的功率以防止SMA弹簧的烧毁和/或过度收缩。
图4图示了根据本文描述的各个方面的控制在泵、血压袖带或任何其他设备中能够采用的与MR相容的阀门配件中的SMA弹簧的方法，所述泵、血压袖带或任何其他设备被安置在MR扫描器的膛中或靠近MR扫描器的膛。在100处，恒定功率级别被供应到SMA弹簧。在一个范例中，功率级别在近似2-5W的范围内。在另一范例中，功率级别为近似3W。在102处，监测一个或多个阀门参数。例如，能够监测在阀门或在其中采用阀门的血压袖带中的压力。在另一范例中，柱塞位置被监测，以便于确定阀门是否在打开状态或关闭状态。
在104处，检测触发事件。例如，一旦确定压力已经超过预定的压力阈值，则确定阀门被关闭。在另一范例中，柱塞的位置指示阀门关闭的确定被用作触发事件。在106处，基于触发事件的检测，被供应到SMA弹簧以致动SMA弹簧的恒定功率被减小并且被脉宽调制(例如，具有在近似0W与3W之间的功率级别或某些其他适当减小的功率级别的脉冲)，以控制功耗，同时将SMA弹簧维持在其激活状态(例如，在所描述的范例中收缩)。在一个实施例中，预定的时间段(例如，在毫秒、秒等的量级上)被递减计数在触发事件的检测与所供应的功率的调节之间。在108处，基于预定的操作时间段的结束，中止到SMA弹簧的功率。例如，预定的操作时间段可以为近似40秒，以使患者的血压允许被测量。在任何事件中，操作时间段表示阀门保持关闭以在采用它的设备中执行其功能的近似时间量。
已经参考若干实施例描述了本发明。他人在阅读和理解以上具体实施方式的情况下可能想到修改或替代。本文旨在将本发明解释为包括所有这种修改和替代，只要它们落入权利要求书及其等价方案的范围之内。

Claims (15)

1.一种用于致动与磁共振(MR)相容的阀门的阀门致动器，包括：
形状记忆合金(SMA)构件(12)，所述形状记忆合金(SMA)构件在(12)被致动时压下阀门柱塞(18)，以与在所述与MR相容的阀门中的阀门座(24)配合；以及
控制电路，其将功率信号提供到所述SMA构件(12)，以致动所述SMA构件并且将所述SMA构件维持在激活状态；以及
传感器(26)，其检测所述柱塞何时在关闭位置，并且向所述控制电路指示所述阀门被关闭；
其中，所述控制电路(50)响应于所述阀门被关闭的指示来减小并且脉宽调制所述功率信号。
2.根据权利要求1所述的阀门致动器，其中，所述SMA构件是镍钛诺丝，所述镍钛诺丝在被致动时收缩并且将所述柱塞向下偏置；并且
其中，所述控制电路(50)将恒定功率供应到所述镍钛诺丝，以致动所述镍钛诺丝。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的阀门致动器，其中，所述传感器(26)是检测所述柱塞在关闭位置或打开位置的位置传感器或确定当所述阀门中的压力超过预定的压力阈值时所述阀门在关闭状态的压力传感器。
4.根据权利要求1或2中的任一项所述的阀门致动器，其中，所述控制电路(50)测量电流反馈信号和电压反馈信号，并且包括乘法器(56)，所述乘法器(56)将所述电流反馈信号和所述电压反馈信号相乘，以生成功率反馈信号，所述功率反馈信号用于在致动期间将恒定功率信号提供到所述SMA构件(12)。
5.根据权利要求1或2中的任一项所述的阀门致动器，其中，所述SMA构件(12)包括以下中的至少一种：
铜-锌-铝-镍；
铜-铝-镍；
铍-铜；
铜青铜；以及
镍-钛。
6.根据权利要求1或2中的任一项所述的阀门致动器，还包括阀门弹簧(20)，所述阀门弹簧(20)将所述柱塞对着所述SMA构件(12)向上偏置。
7.根据权利要求1或2中的任一项所述的阀门致动器，被采用在与MR相容的血压监测系统中。
8.一种致动与磁共振(MR)相容的阀门的方法，包括：
将恒定功率信号提供到形状记忆合金(SMA)构件(12)，所述形状记忆合金(SMA)构件(12)在被致动时压下阀门柱塞(18)，以与在所述与MR相容的阀门中的阀门座(24)配合；
监测至少一个阀门参数，以检测所述阀门何时被关闭；
基于检测到所述阀门被关闭来调节所述功率信号，以将所述SMA构件维持在激活状态，同时减少功耗。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述SMA构件是镍钛诺丝，所述镍钛诺丝在被致动时收缩并且将所述柱塞向下偏置。
10.根据权利要求8或9中的任一项所述的方法，其中，所述至少一个阀门参数是以下中的一个或多个：
柱塞位置；以及
所述阀门中的压力，并且还包括基于检测被监测的压力已经超过预定的压力阈值来确定所述阀门被关闭。
11.根据权利要求8或9中的任一项所述的方法，其中，调节所述功率信号包括减小和脉宽调制所述功率信号。
12.根据权利要求8或9中的任一项所述的方法，其中，提供恒定功率信号包括：
测量电流反馈信号和电压反馈信号；
将所述电流反馈信号乘以所述电压反馈信号，以生成功率反馈信号；并且
采用所述功率反馈信号以在致动期间生成所述恒定功率信号到所述SMA构件(12)。
13.根据权利要求8或9中的任一项所述的方法，其中，所述SMA构件(12)包括以下中的至少一种：
铜-锌-铝-镍；
铜-铝-镍；
铍-铜；
铜青铜；以及
镍-钛。
14.一种致动形状记忆合金(SMA)构件(12、R2)以关闭与磁共振(MR)相容的阀门(10)的控制电路(50)，包括：
驱动器(58)，其将恒定功率信号提供到所述SMA构件以致动所述SMA构件，并且引起SMA构件收缩，并且压下阀门柱塞以关闭所述阀门；以及
乘法器(56)，其将测量的反馈电流乘以测量的电压电流，以生成反馈功率信号，所述反馈功率信号用于维持所述恒定功率信号；
其中，所述控制电路被配置为响应于所述阀门被关闭的指示来减小并且脉宽调制所述功率信号以节省功率，并且将所述SMA构件维持在激活状态。
15.根据权利要求14所述的控制电路，其中，所述SMA构件(12、R2)是镍钛诺丝，所述镍钛诺丝在被致动时将阀门柱塞向下偏置以关闭所述阀门，并且将所述阀门维持在关闭状态直到所述功率信号被终止。
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