CN114624097A - 一种扭簧法磁致扭矩测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于植入医疗器械检测技术领域，具体涉及磁共振成像设备中植入物磁致扭矩测量装置及方法。本发明装置主要包括传动轴、齿轮组、旋钮、指针、可拆卸扭簧组、载物盘、量角器及核磁兼容照相机。该装置通过更换可拆卸扭簧组改变装置的测量范围；通过升降台调整载物盘高度；通过齿轮组放大旋钮的旋转角度；通过核磁兼容照相机记录载物盘的偏转角。该装置提供了可拆卸扭簧组，适用于测量大多数样品；提供了高度可调整的载物盘，可应用于不同中心高度的核磁共振成像设备。该装置可操作性良好、易于携带且设计制作成本低。本扭簧法磁致扭矩测量装置为植入医疗器械的磁共振兼容性验证提供了便利。

Description

一种扭簧法磁致扭矩测量装置及方法

技术领域

本发明属于植入医疗器械检测技术领域，具体涉及磁共振成像设备中植入物磁致扭矩测量装置及方法。

背景技术

二十世纪八十年代以来，磁共振成像作为医学影像检查手段得以广泛应用并逐渐普及；与此同时，植入式医疗器械的临床应用也在不断增加。但是，由于部分植入物制作过程中添有铁磁性材料，在核磁影像应用过程中有产生致热及位移的可能；对植入物携带者进行磁共振检查时具有一定潜在风险。美国材料实验协会发布的标准ASTM F2213-06(中国行业标准YY/T0987.5-2016等同转化)规定了植入物磁致扭矩的测量方法，其中介绍了磁致扭矩定量测量的扭簧法磁致扭矩测量装置。

然而，该标准中对于扭簧法磁致扭矩的测量装置的描述较为简略，并没有详细介绍装置使用的材料、提高精度的方法及验证计算结果精度的方法。同时，该标准中规定的最大偏转角度及扭簧的特性，在某种程度上限制了单个测量装置扭矩的可测量的范围，导致单个测量装置测量的植入物类型有限。

发明内容

为了解决现有测量装置的不足，本发明的目的在于提供一种磁致扭矩测量装置及方法，以满足大多数不同体积、质量植入物的磁致扭矩的测试需求，并降低手动调节角度时的精度需求，同时使用核磁兼容照相机提高角度读取的准确性，并提供验证扭矩计算值精度的方式。

本发明提供的磁致扭矩测量装置，包括：

矩形外框架11及固定在矩形外框架上的五个传动轴A、B、C、A’、B’；其中，第一传动轴A、第二传动轴B和第四传动轴A’、第五传动轴B’为短轴，第一传传动轴A、第二传动轴B的上端依次固定于矩形外框架的上框架，第四传动轴A’、第五传动轴B’下端依次固定于矩形外框架的下框架上，两两上下对称，且第一传动轴A与第四传动轴A’，第二传动轴B与第五传动轴B’同轴；第三传动轴C为长轴，其两端固定于矩形外框架的上、下框架；

两个齿轮组；其中，第一齿轮组有四个齿轮1、2、3、4；第二齿轮组也有四个齿轮1’、2’、3’、4’；第一齿轮组中，第一齿轮1固定于第一传动轴A上，第二齿轮2和第四齿轮4固定于第二传动轴B上并可同步转动，第三齿轮3固定于第三传动轴C上；第一齿轮1与第二齿轮2啮合，第三齿轮3与第四齿轮4啮合；第二齿轮组中，第五齿轮1’、第六齿轮2’、第七齿轮3’、第八齿轮4’与第一齿轮组中的第一齿轮1、第二齿轮2、第三齿轮3、第四齿轮4依次对称设置，并以同样的方式固定于第四传动轴A’、第五传动轴B’、第三传动轴C上；即，第五齿轮1’固定于第四传动轴A’上，第六齿轮2’和第八齿轮4’固定于第二传动轴B’上并可同步转动，第七齿轮3’固定于第三传动轴C上；

升降台12，设置于第四传动轴A’上端，并与第四传动轴A’同轴；升降台设有调节钮13，用于调整下端可拆卸扭簧的高度，以改变载物盘的高度，使其适用于磁体中心高度不同的磁共振成像设备；

量角器14，黏贴固定于升降台上面，量角器与第四传动轴A’同轴，量角器用于测量载物盘的偏转角；

调节带15，为四条，其上端通过连接片与所述上端可拆卸扭簧连接，下端与载物盘边缘固定连接；每条调节带上印有标尺刻度；所述调节带下端设有一调节扣，可根据升降台高度改变调整调节带长度；

载物盘16，固定于所述下端可拆卸扭簧的上方，所述载物盘用于固定样品；载物盘上设有两个指示标记，用于配合读取载物盘的偏转角度；

核磁兼容照相机17，通过核磁兼容照相机支架18固定于矩形外框架的中部位置，用于拍摄载物盘的偏转角度；

可拆卸扭簧组，包括上端可拆卸扭簧19和下端可拆卸扭簧20；所述上端可拆卸扭簧19，固定于所述第一传动轴A的下端，随所述第一齿轮1的转动而转动；所述下端可拆卸扭簧20，以同样的方式固定于所述升降台上，随升降台的转动而转动；

旋钮21，同轴固定于第三传动轴C中间部位，旋钮上刻有角度标线,用于显示旋钮控制载物盘旋转的角度，旋转旋钮通过第三传动轴C带动齿轮组旋转；

指针22，其上端固定于矩形外框架的上梁架上，垂直向下，下端对准旋钮边缘；当旋钮转动时，所述指针22可根据刻度读取载物盘的角度变化。

本发明中，所述矩形外框架，由两块平板及四根支柱组成；所述指针、所述核磁兼容照相机支架及传动轴A、A’、B、B’、C均固定于该矩形外框架上。

本发明中，所述可拆卸扭簧组一共有多组，例如为2-5组；每组为两个相同的扭簧，以使所述可拆卸扭簧组的测量范围为可满足植入医疗器械的测量需求。

本发明中，所述核磁兼容照相机支架，可拆卸，且高度可调，使核磁兼容照相机镜头聚焦于量角器。

本发明中，所述载物盘上均匀分布有钻孔，当用细线固定待测样品时，便于穿过并固定待测样品。

本发明的磁致扭矩测量装置，可用于测量位于磁共振成像设备内样品的磁致扭矩，具体步骤为：

第一步：根据被测样品的质量(m)及最大线性尺寸(L_最大)计算得出样品的最恶劣重力矩(τ_最恶劣＝m·L_最大·g)，根据最恶劣重力矩选择合适的可拆卸扭簧组并安装至测量装置上(如图3所示)；

第二步：旋转升降台调节钮调整载物盘的高度，使其与已知磁场中心高度一致；同步调整四条调节带长度，使其紧绷；

第三步：将被测样品用细线固定在载物盘上，并将试验装置置于磁共振成像设备的病床上，使用磁共振设备内置的十字定位，移动病床使被测样品的中心定位至磁体中央；

第四步：如图4所示，测试人员从箭头所示的方向进入到测试舱中，转动旋钮对载物盘的角度进行调节，使被测样品的一个轴C与磁体线圈的Z轴重合(如图4、10所示)；

第五步：旋转旋钮90°，使得载物盘旋转10°(角度放大原理见具体实施方式)，继续旋转直至载物盘旋转360°，并使用核磁兼容照相机记录每次旋转前后载物盘的角度偏转变化；

第六步：根据每次载物盘前后角度的变化，计算得出被测样品的偏转角(Δθ＝θ_后-θ_前)，并根据公式τ＝k·Δθ计算得样品的磁致扭矩(共36个)；

第七步：复核第六步计算所得磁致扭矩，如若所有计算值的相对误差均在规定的范围内，则继续使用所选扭簧组，并改变被测样品的固定方向，使其另外一个轴(A或B)在初始测量位与Z轴重合，并重复步骤四至六；如若有计算值超过相对误差，则替换使用更大或者更小的可替换扭簧组，不改变样品的固定方向，重复步骤四至六，直至满足相对误差的要求。

进一步地，所述复核第六步计算所得磁致扭矩(即复核偏转角测量结果)，包括：

所述载物盘上端中心设计一物理接口(如图6所示)，该物理接口用于在非磁共振成像环境中连接扭矩螺丝刀(如图7所示)(注：扭矩螺丝刀为一种扭矩测量装置，测量时需与物理接口连接并旋转)；

使用扭矩螺丝刀连接所述物理接口，旋转扭矩螺丝刀，重现置于磁体中心载有待测物的该装置载物盘的偏转角度；

记录扭矩螺丝刀在各个偏转角度时的扭矩读数；

将扭矩螺丝刀测得的扭矩与由偏转角度计算而得的磁致扭矩进行对比，计算得相对误差。

该装置区别于现有的扭簧法测量装置中扭簧不可替换、量程有限、载物盘高度不可调整的情景，该类现有测量装置往往需要制作多个不同规格的装置以适用各类的样品。而本发明所设计的扭簧法磁致扭矩测量装置提供了可拆卸的扭簧组用以扩大弹性系数范围，因而适用于测量大多数样品，尤其是植入器械。本发明提供的升降台使得载物盘的高度可以调整，因而适用于磁场中心高度不一的不同的磁共振成像系统。本发明提供的偏转角测量结果复核方法，可帮助测试人员确认测试结果准确性，并根据需要更换可拆卸扭簧组。本装置采用的核磁照相机可在光线偏暗的检查仓内部清晰准确地记录到实际的偏转角度，减小测试人员钻入磁体舱内读数的视角问题而造成的读数误差。该装置可操作性良好、易于携带且设计制作成本低。本扭簧法磁致扭矩测量装置为植入医疗器械的磁共振兼容性验证提供了便利。

附图说明

图1为扭簧法磁致扭矩测量装置示意图。

图2为可拆卸扭簧组。

图3为可拆卸扭簧连接示意图。扭簧的两端均用此方式连接于传动轴、升降台及载物盘上。

图4为测量装置置于磁共振成像设备内部示意图。

图5为角度调节旋钮放大图。

图6为扭矩螺丝刀复核扭矩示意图。

图7为扭矩螺丝刀图例。测量时需与物理接口连接并旋转。

图8为核磁兼容照相机放大图。

图9为升降台示意图。

图10为样品坐标轴示意图。

图中标号：1、2、3、4、1’、2’、3’、4’为齿轮，A、B、C、A’、B’为传动轴，11为矩形外框架，12为升降台，13为升降台调节钮，14为量角器，15为调节带，16为载物盘，17为核磁兼容照相机，18为核磁兼容照相机支架，19为上端可拆卸扭簧，20为下端可拆卸扭簧，21为旋钮，22为指针。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

为使图面简洁，图例中仅标出了与本发明相关的部分，这些部分并不是本装置作为产品的全部实际结构。

本发明各构件之间的连接方式包括螺栓连接、胶接、轴毂连接、穿孔固定和可拆卸连接(扭簧组)。所述传动轴A、B、A’、B’、C与矩形外框架之间为螺栓连接；调节带与载物盘及连接片之间为穿孔固定；量角器与升降台之间为胶接；各齿轮与传动轴之间为轴毂连接；可拆卸齿轮与载物盘、升降台、连接片及传动轴A之间为可拆卸连接(如图3所示)。

本发明提供一种扭簧法磁致扭矩测试装置的具体实施例，如图1至图9所示，包括第一齿轮1，第二齿轮2，第三齿轮3，第四齿轮4；第二齿轮2与第一齿轮1啮合；第四齿轮4与第三齿轮3啮合；与齿轮1、2、3、4对称的另一组齿轮1’、2’、3’、4’以同样的方式啮合；可拆卸扭簧组；矩形外框架；指针；旋钮；传动轴C；传动轴B；传动轴A；传动轴A’；传动轴B’；量角器；调节带；核磁兼容照相机；载物盘。

由于磁场具有方向性，当置于磁共振成像设备内的待测样品方位与磁场间的夹角不同时，其所受的磁致扭矩大小亦不同。为测得最大磁致扭矩，需将样品在0-360°范围内每旋转10°测量一次其偏转角度。具体地，如图3所示，测试人员从箭头所示的方向进入到测试舱内，使用旋钮对载物盘的角度进行调节，每次旋转前后都使用核磁兼容照相机记录载物盘的偏转角度。在本装置使用的齿轮组中，第一齿轮1与第二齿轮2啮合，第三齿轮3与第四齿轮4啮合，第二齿轮2与第三齿轮3同步转动，即角速度(w₂＝w₃)相同。四个齿轮的齿数分别为Z1＝180(个),Z2＝60(个),Z3＝60(个),Z4＝20(个)。齿轮传递时，齿轮数与轮的半径成正比，与角速度成反比，即：

由公式(1)、(2)可得：

Z_i：齿数；θ_i：角度。i＝1，2，3，4。

即旋转角度从第一齿轮1到第四齿轮4放大了九倍。旋转旋钮90°即可控制载物盘旋转10°。

测试人员根据所述核磁兼容照相机拍摄到的载物盘磁场加载前后角度的变化，算得样品的偏转角，并根据公式(4)计算样品的磁致扭矩：

τ＝k·Δθ (4)

τ：磁致扭矩，k:扭簧弹性系数，Δθ：载物盘偏转角。

本发明使用的齿轮材料为POM，齿轮尺寸分别为：第一齿轮1：GB 1M 180T 14.5PA12FW；第二齿轮2：GB 1M 60T 14.5PA 12FW；第三齿轮3：GB 2M 60T 20PA 12FW；第四齿轮4：GB 2M 20T 20PA 12FW。

本发明使用的扭簧材料为磷青铜，扭簧规格如表1：

表1.扭簧规格及对应的扭矩测量范围

该可替换扭簧组的扭矩测量范围为：0.0207N·mm至201.75N·mm。

进一步地，所发明装置还提供了验证测量结果准确性的方法：将样品及装置转移至无磁场的环境中，使用扭矩螺丝刀旋转载物盘，重现样品在磁场中的偏转角τ_测量，测得扭矩并与使用公式(4)计算所得值比较，使用公式：

Δτ＝|τ-τ_测量|，δ：相对误差，τ_测量：使用扭矩螺丝刀测量的扭矩值。

求得相对误差。当相对误差低于6.6807％时，公式(4)计算所得磁致扭矩及此时偏转角将被记录；当相对误差高于6.6807％时，所用扭簧组不适用，应替换扭簧组，重新测量。其中，6.6807％为三西格玛水平的缺陷率。

本测量装置所述调节带材料为涤纶；调节扣、栽样盘材料为轻质塑料；矩形外框架、指针、旋钮、传动轴及量角器所用材料为工程塑料。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，可做出改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种磁致扭矩测量装置，其特征在于，包括：

矩形外框架（11）及固定在矩形外框架上的五个传动轴（A、B、C、A’、B’）；其中，第一传动轴（A）、第二传动轴（B）和第四传动轴（A’）、 第五传动轴（B’）为短轴，第一传传动轴（A）、第二传动轴（B）的上端依次固定于矩形外框架的上框架，第四传动轴（A’）、 第五传动轴（B’）下端依次固定于矩形外框架的下框架上，两两上下对称，且第一传动轴（A）与第四传动轴（A’），第二传动轴（B）与第五传动轴（B’）同轴；第三传动轴（C）为长轴，其两端固定于矩形外框架的上、下框架；

两个齿轮组；其中，第一齿轮组有四个齿轮(1、2、3、4)；第二齿轮组也有四个齿轮( 1’、2’、3’、4’)； 第一齿轮组中，第一齿轮(1)固定于第一传动轴(A)上，第二齿轮(2)和第四齿轮(4)固定于第二传动轴(B)上并可同步转动，第三齿轮(3)固定于第三传动轴(C)上；第一齿轮(1)与第二齿轮(2)啮合，第三齿轮(3)与第四齿轮(4)啮合；第二齿轮组中，第五齿轮(1’)、第六齿轮(2’)、第七齿轮(3’)、第八齿轮(4’)与第一齿轮组中的第一齿轮(1)、第二齿轮(2)、第三齿轮(3)、第四齿轮(4)依次对称设置，并以同样的方式固定于第四传动轴(A’)、第五传动轴(B’)、第三传动轴(C)上；即，第五齿轮(1’)固定于第四传动轴(A’)上，第六齿轮(2’)和第八齿轮(4’)固定于第二传动轴(B’)上并可同步转动，第七齿轮(3’)固定于第三传动轴(C)上；

升降台(12)，设置于第四传动轴(A’)上端，并与第四传动轴(A’）同轴；升降台设有调节钮(13)，用于调整下端可拆卸扭簧的高度，以改变载物盘的高度，使其适用于磁体中心高度不同的磁共振成像设备；

量角器(14)，黏贴固定于升降台上面，量角器与第四传动轴（A’）同轴，量角器用于测量载物盘的偏转角；

调节带(15)，为四条，其上端通过连接片与所述上端可拆卸扭簧连接，下端与载物盘边缘固定连接；每条调节带上印有标尺刻度；所述调节带下端设有一调节扣，可根据升降台高度改变调整调节带长度；

载物盘(16)，固定于所述下端可拆卸扭簧的上方，所述载物盘用于固定样品；载物盘上设有两个指示标记，用于配合读取载物盘的偏转角度；

核磁兼容照相机(17)，通过核磁兼容照相机支架(18)固定于矩形外框架的中部位置，用于拍摄载物盘的偏转角度；

可拆卸扭簧组，包括上端可拆卸扭簧(19)和下端可拆卸扭簧(20)；所述上端可拆卸扭簧(19)，固定于所述第一传动轴(A)的下端，随所述第一齿轮(1)的转动而转动；所述下端可拆卸扭簧(20)，以同样的方式固定于所述升降台上，随升降台的转动而转动；

旋钮(21)，同轴固定于第三传动轴(C)中间部位，旋钮上刻有角度标线,用于显示旋钮控制载物盘旋转的角度，旋转旋钮通过第三传动轴(C)带动齿轮组旋转；

指针(22)，其上端固定于矩形外框架的上梁架上，垂直向下，下端对准旋钮边缘；当旋钮转动时，所述指针(22)可根据刻度读取载物盘的角度变化。

2.根据权利要求1所述的磁致扭矩测量装置，其特征在于，所述矩形外框架由两块平板及四根支柱组成；所述指针、所述核磁兼容照相机支架及五个传动轴均固定于该矩形外框架上。

3.根据权利要求1所述的磁致扭矩测量装置，其特征在于，所述可拆卸扭簧组有多组，每组为两个相同的扭簧，以使所述可拆卸扭簧组的测量范围满足植入医疗器械的测量需求。

4.根据权利要求1所述的磁致扭矩测量装置，其特征在于，所述核磁兼容照相机支架，可拆卸，且高度可调，使核磁兼容照相机镜头聚焦于量角器。

5.根据权利要求1所述的磁致扭矩测量装置，其特征在于，所述载物盘上均匀分布有钻孔，当用细线固定待测样品时，便于穿过并固定待测样品。

6.权利要求1-5之一所述磁致扭矩测量装置测量扭矩的方法，其特征在于，具体步骤为：

第一步：根据被测样品的质量m及最大线性尺寸L _最大 计算得出样品的最恶劣重力矩τ _最恶劣 =m•L _最大 •g ，根据最恶劣重力矩选择合适的可拆卸扭簧组并安装至测量装置上；

第二步：旋转升降台调节钮调整载物盘的高度，使其与已知磁场中心高度一致；同步调整四条调节带长度，使其紧绷；

第三步：将被测样品用细线固定在载物盘上，并将试验装置置于磁共振成像设备的病床上，使用磁共振设备内置的十字定位，移动病床使被测样品的中心定位至磁体中央；

第四步：测试人员进入到测试舱中，转动旋钮对载物盘的角度进行调节，使被测样品的第三传动轴（C）与磁体线圈的Z轴重合；

第五步：旋转旋钮90°，使得载物盘旋转10°，继续旋转直至栽样盘旋转360°，并使用核磁兼容照相机记录每次旋转前后载物盘的角度偏转变化；

第六步：根据每次载物盘前后角度的变化，计算得出被测样品的偏转角：Δθ=θ _后 -θ _前 ，并根据公式τ=k•Δθ计算得样品的磁致扭矩；

第七步：复核第六步计算所得磁致扭矩，如所有计算值的相对误差均在规定的范围内，则继续使用所选扭簧组，并改变被测样品的固定方向，使第一传动轴（A）或第二传动轴（B）在初始测量位与Z轴重合，并重复步骤四至六；如有计算值超过相对误差，则替换使用更大或者更小的可替换扭簧组，不改变样品的固定方向，重复步骤四至六，直至满足相对误差的要求。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述复核第六步计算所得磁致扭矩的操作如下：

在所述载物盘上端中心设计一物理接口，该物理接口用于在非磁共振成像环境中连接扭矩螺丝刀；

使用扭矩螺丝刀连接所述物理接口，旋转扭矩螺丝刀，重现置于磁体中心载有待测物的该装置载物盘的偏转角度；

记录扭矩螺丝刀在各个偏转角度时的扭矩读数；

将扭矩螺丝刀测得的扭矩与由偏转角度计算而得的磁致扭矩进行对比，计算得相对误差。

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