CN1984600A - 生理传感器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在一磁共振设备中记录电检测信号的生理传感器系统(1)，其具有至少一个检测电极(3，4，5，14，15，61)、一布置在一靠近患者布置的屏蔽外壳(2)内的信号放大装置(6)与一用于处理所述检测信号的信号处理单元(11)，其中，所述检测电极(3，4，5，14，15，61)通过一电缆连接(26)与所述信号放大装置(6)相连，其中，所述电缆连接(26)具有一低阻抗导线(35，41)，所述低阻抗导线的一第一末端通过一第一电阻器(33)与所述检测电极(x)相连，一第二末端通过一第二电阻器(37)与所述信号放大装置(6)相连，其中，所述电阻器(33，37)的电阻至少与皮肤(60)和所述检测电极(3，4，5，14，15，61)之间的电阻为同一数量级。由感应电流引起的发热会集中在所述电阻器(33，37)上，因而对于患者不存在被烧伤的危险。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在一磁共振设备中记录电检测信号的生理传感器系统，其具有至少一个检测电极、一设置在一靠近患者放置的屏蔽外壳内的信号放大装置与一用于处理检测信号的信号处理单元，其中，所述检测电极通过一电缆连接与所述信号放大装置相连。
背景技术
这样一种生理传感器系统用于在借助磁共振设备对患者进行检查时就地记录生理检测信号。在检测信号的基础上例如可以形成心电图(ECG)，借助后者可以获悉检查过程中有关心动时相的情况，并对MR检测序列和心脏活动进行同步。
这样，通过对心脏状况的持续探测就可以控制磁共振设备的图像记录操作。如果用磁共振图像显示例如心脏的某一瓣膜状态，通过心电图信号就可以精确探测出心脏处于预期的瓣膜状态的那一瞬间，并由此开始进行同步图像记录，即例如触发对其的图像记录操作。
DE 100 47 365 A1中公布了一种生理传感器系统，这种生理传感器系统用于在一对记录结果有不利影响的环境中，尤其在一磁共振设备内，记录电检测信号。这种生理传感器系统具有多个检测电极以及一信号放大装置、一供电设备与一用于转换信号并将信号传输至一外部信号处理装置和/或控制装置的电子装置，其中，检测电极和信号放大装置布置在一第一屏蔽外壳内，供电设备和电子装置布置在一第二屏蔽外壳内。此外，信号放大装置通过一屏蔽的和/或绞合的电缆连接与电子装置和供电设备相连或可以相连。
US 5 782 241和US 6 052 614中公布了相似类型的生理传感器系统，在这些生理传感器系统中，所有与检测信息记录和预处理操作有关的部件均布置在一须安放在患者身上的外壳内。由此产生的缺点是，由于系统的结构尺寸相当大，而检测电极又被集成在外壳中，因此必须将传感器系统安放在靠近患者心脏的位置上。这种情况所导致的不利结果是，传感器系统至少部分位于成像区，亦即记录磁共振图像的区域内，从而对磁共振图像至少产生不利影响。
EP 0 173 130 A1中公布了一种磁共振断层摄影装置，在这种磁共振断层摄影装置中，电极通过电缆连接与一布置在所述磁共振设备外的放大装置相连。检测信号从这个与所述磁共振设备一起布置在一高频室内的放大装置出发，通过光波导连接被传输到一布置在所述高频室外的处理装置上。
DE 696 28 354 T2、DE 34 30 625 A1和DE 33 27 731 A1中公布了其他类型的、特别在磁共振成像时用于获取心电图信号的装置。所述文献对布置在人体电极和放大器之间、并包含一保护电阻器的电缆连接进行了说明。
导电体内通常会形成作为MR检测序列基础的电磁场。与用于检测例如心电图的电极相连的电缆连接也是这样一种导电体，因此，当基本磁场强度较大(例如大于1T)而没有采取相应措施时，就会影响到对心动时相作出准确有效的测定。此外，检测电极和电缆连接的布置方式须满足下列条件，即，应避免与患者有接触的部件由于其内部的感应电磁场而产生不允许的发热。生理传感器系统要满足的另一个要求是必须使用非渗透(non-permeable)材料，否则就会对磁共振图像形成干扰。这尤其在实施电极夹具时会遇到困难。电极夹具通常用于借助一箝位触点建立与一次性粘贴电极的电接触。其弹性无法借助用磁性材料制成的普通弹簧实现。
MR检测序列包括被射入磁共振设备的成像区、用于产生MR响应信号的高频信号和利用梯度场对MR响应信号的频率和相位进行位置编码的高频信号。受高频信号影响而产生的感应电流可以从检测电极流向患者，在此过程中，检测电极和患者皮肤之间10kΩ的电阻会引起应加以限制的局部发热。例如通过电缆连接内一高阻导线可以限制局部发热，高阻导线限制传导电流，从而使其间产生的耗散热分散到整个导线上。已知的非渗透高阻导线有碳导线和不锈钢导线。碳导线由掺杂了碳粉的合成橡胶制成，因而具有导电性。通过调节碳的含量可以达到10kΩ/m的预期电阻值。不锈钢导线由缠绕在一绝缘载线上的很细的不锈钢丝制成。通过调节导线长度仍然可以达到预期的电阻值。此外，不锈钢导线通过绕线时所产生的电感可以有效阻止内部形成高频电场。但这样也会由于梯度场而捕获更多的磁干扰。与此不同的是，碳导线对磁干扰的灵敏度要低些，但对高频电干扰有较高的灵敏度。由于通过低通滤波器可以很有效地将高频干扰和低频心电图有用信号相分离，因此就这点而言，碳导线比不锈钢导线更有利。但是在由碳导线到电子放大装置或电极夹具的材料过渡区内存在发生非线性接触的危险，从而导致高频干扰被部分整流。高频干扰以包络线信号的形式毫无阻碍地通过低通滤波器，并与心电图信号一起被放大。这种效应也曾在带有用碳-热固性材料制成的电极夹具的不锈钢导线上出现过。视材料过渡区的不同质量而定，干扰耦合程度最高可达心电图信号内QRS波振幅的数倍，因而必须剔除低质量的导线。此外，这种不良效应在使用过程中会逐渐加剧，使导线的使用寿命受到限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种在一生理传感器系统上用于连接一检测电极与一信号放大装置的电缆连接，所述电缆连接与磁共振设备的电磁场之间的交互作用不会引起与患者有接触的部件的发热，也没有前文所述的、例如像碳-金属-过渡区这样的不足之处。
有关开篇所提到的生理传感器系统的目的通过下述方法而达成，即，所述电缆连接具有一低阻抗导线，所述低阻抗导线的一第一末端通过一第一电阻器与所述检测电极相连，一第二末端通过一第二电阻器与所述信号放大装置相连，其中，所述电阻器的电阻至少与皮肤和检测电极之间的电阻为同一数量级。
本发明允许使用价格低廉的低阻抗导线，例如铜绞线，来连接检测电极和信号放大装置。感应电流主要会使电阻器产生余热，但鉴于电阻器的布置方式，这种余热并不会对患者构成妨碍。低阻抗导线优选以焊接的方式与电阻器相连，在此情况下，由于不会出现电跃迁现象，因而也就不存在干扰耦合的问题。
通过本发明的实施方案无论在基本磁场强度较大(大于1T)的情况下，还是在大功率序列，例如高频功率和梯度功率增大的情况下，都能顺利地生成心电图信号。而用开篇所提到的心电图信号获取装置则无法同样顺利地做到这一点。
在磁共振技术中，由于磁场强度、高频功率和梯度功率的增大，开篇所提到的装置无法确保能获得无干扰和无危害的使用效果。目前，商业用磁共振设备的当前上限为3T，在临床试验中也使用磁场强度较大(例如7T)的磁共振设备。使用的共振频率相应地为120MHz至280MHz。在这些框架条件下，当频率很高时，电缆的绝缘层起到的是特高频电磁介电通道的作用。即便是相当短的导线也获得了天线的功能，可以非常有效地从高频场中获取能量，并以电流的形式将其传输到患者身上的心电图电极上。屏蔽外壳会受涡流影响而发热。对患者而言不利的后果例如有设指导体的区域被烧伤。为避免这种现象的发生应采取安全措施。此外，由心电图触发的、一定情况下有必要进行的磁共振检查也有可能出现错误或无法进行。正是在开篇所提到的只带有一个电阻器的布置方案中会出现这样一个问题，即，在获取心电图结果时，电流只在一个点上受到电阻的限制。但当频率很高(≥120MHz)时，通向另一端的导线段仍然会输入耦合足够的能量来感应出很高的高频电压。尽管导线和外壳上均覆有绝缘层，电容耦合电流还是会流经患者身体，并对其造成伤害。根据本发明，通过使用两个电阻器并将其布置在相对的两端上，可以使有效导线段减半，电流在特别临界的位置上受到限制。这种将串联电阻器分成空间上相分离的两个电阻器的方法将例如现代心脏磁共振检查的现状和要求考虑在内，因而极具优势。
根据本发明的一种特别的实施方案，使用至少两个检测电极，其中，每个电缆连接与信号放大装置的连接方式须满足下列条件，即，第二电阻器的末端在信号放大装置一侧通过一穿通电容器进入屏蔽外壳，从而与屏蔽外壳间建立起高频连接。通过使用两个带有电缆连接的检测电极，以及通过借助屏蔽外壳和患者皮肤对两个电缆连接进行高频短接，可以使磁共振设备成像区内的导线连接具有高频天线式的结构。根据本发明的这种电阻器使用方法虽然会将高频信号功率大幅输入耦合进这种配置内，但可以使患者免受烧伤的威胁。
根据本发明的另一种实施方案，第二电阻器通过一夹具与检测电极相连，所述夹具具有一用于布置第一电阻器的空隙。第一电阻器优选布置在远离患者的一侧上，这样就不会有热耦合或者只有少量热耦合从电阻器传向患者。优选通过在所述夹具的一夹持区以及所述夹持区和第一电阻器的一焊接区之间的区域上镀锌来建立第一电阻器与检测电极之间的电连接。
从属权利要求所述的特征为本发明的其他有利实施例。
附图说明
下面借助附图1至3对本发明的几个实施例进行说明，其中：
图1为一本发明的传感器系统的原理图；
图2为信号放大装置的一实施例；以及
图3、4为一用于夹持一检测电极的电镀夹具的图示。
具体实施方式
图1以原理图形式显示本发明的生理传感器系统的一个实施例。所述传感器系统包括一第一屏蔽外壳2，所述外壳须靠近患者布置，在所示实施例中，其上布置有三个电极3、4、5，这些电极设计用于例如记录一心电图。此外，所述第一外壳2内还布置有一信号放大装置6，所述信号放大装置用于放大由电极3、4、5传送的信号。检测信号通过一屏蔽电缆或一双绞线7被传输到一布置在一第二屏蔽外壳9内的信号转换模块8上。所述信号经转换后通过一信号传输模块10被传输到一外部信号处理单元和/或控制单元11上。此外，所述第二外壳9内还布置有一为整个传感器系统供电的供电设备12。
在图1所示的实施例中还布置有一第二第一外壳13，其上同样布置有两个电极14、15。这些电极设计用于例如记录脑电图(EEG)检测信号。当然，也可以布置两个以上的电极。在所述第一屏蔽外壳13中同样布置有一信号放大装置16，所述信号放大装置对信号进行就地放大，亦即直接在检测位置上放大信号。这部分信号通过一屏蔽电缆或一双绞线17同样也被传输到信号转换模块8上，并接受相应处理。
除此之外，所述第二屏蔽外壳9上还连接有一传感元件18，在所示实施例中，所述传感元件为一柔性胸环，借助所述胸环可以记录患者的呼吸情况。所述胸环内具有一定体积的可压缩空气19，这部分空气随着患者胸腔的起伏会相应地压缩或膨胀。不断变化的压力通过一气动连接管20被传输到信号转换模块8内一相应的传感器上。一个指环形状的第二传感元件21连接在所述第二外壳9上，借助所述传感元件，并且通过血液的光吸收，可以对患者的外周脉搏进行检测。这些记录下来的非电检测信息(借助传感元件18记录下来的信息也是非电检测信息)通过光纤线22被传输到信号转换模块8中一相应的传感元件上。
图2以放大的原理图形式显示具有一电路配置25的第一外壳2。在所示实施例中，电极3、4、5通过短电缆连接26可移动地与外壳2电连接在一起。心电图电极(或者还有脑电图电极)贴在一图中未显示的患者身上，并根据需要导出的心脏信号确定其具体位置。电极3和4用于记录检测信号，电极5接外壳，作参照用。电极3和4的后面连接有两个运算放大器27和一个用于形成差分信号的共用第二运算放大器29。由于在所述的两个电极3、4之间只能探测出一个信号，因而只布置有一个信号输出端24。
此外，鉴于三个电极3、4、5的不同定位，存在三种信号导出的可能性，即“左臂-右臂”、“左腿-右臂”和“左腿-左臂”。与所示实施例不同，这些被导出的信号可以以多个差分信号的形式通过多个输出端24输出。使用屏蔽电缆连接进行信号的输出或传输。
电缆连接26的一第一末端上各有一夹具31，所述夹具借助于其上的一夹持区可连接到各检测电极3、4、5上。所述夹具用于建立检测电极3、4、5与一靠近电极3、4、5布置的第一电阻器33之间的电连接。电缆连接26的优选长度须符合下列条件，即，当电极3、4、5布置在磁共振设备一成像区的中心的附近时，信号放大装置6的布置位置靠近所述成像区的边缘区。所述电缆连接的长度例如为10cm至20cm。这段距离上的电连接借助一低阻抗导线35而实现，所述导线的第一末端与电阻器33焊接在一起，第二末端与一电阻器37焊接在一起。电缆连接26在电阻器37后面穿过一穿通(feedthrough)电容器39进入屏蔽外壳2的内部。穿通电容器39使引出电缆26和外壳2之间建立起一种高频连接，从而也在其他电缆连接26和其他检测电极3、4、5之间建立起高频连接。穿通电容器39由所述引出电缆的导电体与一布置在外壳2上的管状导体构成。为提高电容量，所述引出电缆和管状导体之间的间隙中充填有一高介电常数∈r型电介质。可购得的穿通电容器有带引线的离散型穿通电容器和表面贴装型穿通电容器。
如开篇提到的DE 100 47 365 A1中所说明的那样，这种短电缆连接例如用在一信号放大装置6、16上。电缆连接26的核心部件是由带外包层的铜绞线制成的导线，其两端带有47kΩ的串联电阻器。导线长度若符合上文所述的长度，则不存在燃烧危险。所述串联电阻器优选集成在所述夹具和放大器的电子组件上。电阻值可与导线长度相匹配。
图3、图4分别显示一夹具的俯视图和侧视图，所述夹具用于夹持一普通的一次性自粘电极。图3显示一低阻抗导线41，所述导线被一绝缘套管43围绕。钳形夹具45由热稳定型塑料制成。所述夹具具有一夹持区47，用于夹持检测电极的一触针，从而建立检测电极与所述导线41之间的电连接。这种电接触借助一在图3中用阴影线表示的镀锌区49而实现。所述镀锌区通向夹具45的一手柄部51A，导线41通入所述手柄部。手柄部51A具有一用于布置所述第一电阻器33的空隙，所述第一电阻器的两端分别与导线41和镀锌区49焊接在一起。夹具45具有四个朝弹力方向对称布置的回形弯曲区53A、...53D。压紧手柄部51A、51B时产生在夹持区47的弹力在绘图平面上垂直于对称轴55。焊接点57A、57B能使导线41和检测电极之间达到大面积的良好接触。
图4为图3所示的夹具45的一侧视图，其中，一检测电极61贴在一患者的皮肤60上，所述检测电极的触针63夹在所述夹具的夹持区内。为说明电阻器33的布置情况，图中未显示夹紧部51的外侧区域，从而能清楚显示远离患者的电阻器33在所述夹具中的布置情况。为简化检测电极61的夹持操作，夹具45在其夹持区区域内如楔子般逐渐变细。一充填有Ag/AgCl的泡沫材料或一Ag/AgCl凝胶块可以改善检测电极61和皮肤60之间的电接触，并使二者间产生开篇所提到的约10kΩ的电阻。
Claims (9)
1.一种用于在一磁共振设备中记录电检测信号的生理传感器系统(1)，所述生理传感器系统具有至少一个检测电极(3，4，5，14，15，61)、一设置在一靠近患者放置的屏蔽外壳(2)内的信号放大装置(6)与一用于处理所述检测信号的信号处理单元(11)，其中，所述检测电极(3，4，5，14，15，61)通过电缆连接(26)与所述信号放大装置(6)相连，
其特征在于，
所述电缆连接(26)具有一低阻抗导线(35，41)，所述低阻抗导线的一第一末端通过一第一电阻器(33)与所述检测电极(x)相连，一第二末端通过一第二电阻器(37)与所述信号放大装置(6)相连，其中，所述电阻器(33，37)的电阻至少与皮肤(60)和所述检测电极(3，4，5，14，15，61)之间的电阻为同一数量级。
2.根据权利要求1所述的生理传感器系统(1)，其特征在于，
所述电缆连接(26)的长度符合下列条件，即，当所述检测电极(3，4，5，14，15，61)布置在所述磁共振设备一成像区的中心的附近时，所述信号放大装置(6)的位置靠近所述成像区的边缘区。
3.根据上述权利要求中任意一项权利要求所述的生理传感器系统(1)，其特征在于，
所述电缆连接(26)的长度为10cm至20cm。
4.根据上述权利要求中任意一项权利要求所述的生理传感器系统(1)，其特征在于，
所述低阻抗导线(35，41)为一带外包层的铜绞线。
5.根据上述权利要求中任意一项权利要求所述的生理传感器系统(1)，其特征在于，
所述第二电阻器(37)的末端在所述信号放大装置(6)一侧通过一穿通电容器(39)进入所述屏蔽外壳(2)，从而与所述屏蔽外壳(2)间建立起高频连接。
6.根据上述权利要求中任意一项权利要求所述的生理传感器系统(1)，其特征在于，
所述电缆连接(26)通过一夹具(45)与所述检测电极(3，4，5，14，15，61)相连，所述夹具具有一用于布置所述第一电阻器(33)的空隙。
7.根据上述权利要求中任意一项权利要求所述的生理传感器系统(1)，其特征在于，
通过在所述夹具(45)的一夹持区(47)上镀锌来建立所述第一电阻器(33)和所述检测电极(3，4，5，14，15，61)之间的电连接。
8.根据上述权利要求中任意一项权利要求所述的生理传感器系统(1)，其特征在于，
所述夹具(45)的弹力借助四个弯曲区(53A，...53D)而产生，所述弯曲区特别呈回形，并朝所述弹力的方向对称布置。
9.根据上述权利要求中任意一项权利要求所述的生理传感器系统(1)，其特征在于，
所述导线(35，41)、所述电阻器(33，37)和所述镀锌夹持区(47)之间的至少一个电连接为一焊接连接。
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