DE202019100330U1

DE202019100330U1 - Device for the magnetic imaging of materials

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Publication number: DE202019100330U1
Application number: DE202019100330.8U
Authority: DE
Original assignee: Magsens Unternehmergesellschaft (haftungsbeschrankt); Magsens Unternehmergesellschaft Haftungsbeschraenkt
Current assignee: Magsens Unternehmergesellschaft (haftungsbeschrankt); Magsens Unternehmergesellschaft Haftungsbeschraenkt
Priority date: 2019-01-22
Filing date: 2019-01-22
Publication date: 2019-04-10
Anticipated expiration: 2029-01-23

Abstract

Vorrichtung zur gleichzeigen lokalen Vermessung der permanenten und induzierten Magnetisierung einer Probe durch simultane räumliche und zeitliche Messung der horizontalen und vertikalen Magnetfeldgradienten in Kombination mit einer Spule zur Erzeugung eines anregenden Magnetfelds. Das System besteht dabei aus einer portablen Sonde und einer Auswert- und Steuereinheit. Die Messsonde kann das Magnetfeld mindestens in zwei Achsen vermessen. Sie enthält mindestens acht, jeweils auf einem gemeinsamen Träger, in 3D übereinander und nebeneinander angeordnete Miniatur - Halbleiter - Magnetometer. Die Auswert- und Steuereinheit steuert die Anregung der Spule und das Auslesen der Magnetometer angepasst an die gewählte aktive oder passive Messmethode. Zusätzlich enthält sie mindestens einen Prozessor zur nahezu Echtzeitanalyse der magnetischen Messergebnisse und bildet zusammen mit der Sonde ein quasi bildgebendes System.

Device for simultaneously local measurement of the permanent and induced magnetization of a sample by simultaneous spatial and temporal measurement of the horizontal and vertical magnetic field gradients in combination with a coil for generating an exciting magnetic field. The system consists of a portable probe and an evaluation and control unit. The measuring probe can measure the magnetic field at least in two axes. It contains at least eight, each on a common support, in 3D one above the other and juxtaposed miniature semiconductor magnetometers. The evaluation and control unit controls the excitation of the coil and the reading of the magnetometer adapted to the selected active or passive measurement method. In addition, it contains at least one processor for almost real-time analysis of the magnetic measurement results and together with the probe forms a quasi-imaging system.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur räumlich bildgebenden magnetischen Analyse von Körpern.The invention relates to a device and a method for the spatially-imaging magnetic analysis of bodies.

Magnetometer können auf unterschiedliche Weise dazu eingesetzt werden, verschiedene Materialen zu charakterisieren oder Gegenstände z.B. im Boden zu detektieren. Bisher haben sich in der Wissenschaft, Medizin und Technik sowohl Verfahren zur passiven Messung der Magnetisierung als auch aktive Methoden etabliert. Typische aktive Verfahren basierend auf künstlich induzierter Magnetisierung verwenden Spulensysteme, um von außen Magnetfelder an die Probe anzulegen. Dabei wurden bisher entweder Magnetometer oder Spulen zum Vermessen des Antwortsignals verwendet. Zur Verbesserung der Messgenauigkeit und Unterdrückung von Störungen z.B. durch das Erdfeld werden in vielen Anwendungsgebieten wie der Geophysik häufig Magnetometer in Gradiometer-Anordnung verwendet. Dabei werden mindestens zwei ein- oder mehrachsige Magnetometer neben- bzw. übereinander angeordnet, um anhand einer Gradientenmessung räumliche Änderungen im Magnetfeld durch die Probe von zeitlichen Änderungen des Hintergrundfelds zu unterscheiden.Magnetometers can be used in different ways to characterize different materials or objects e.g. detect in the ground. So far, methods for passive measurement of magnetization as well as active methods have been established in science, medicine and technology. Typical active methods based on artificially induced magnetization use coil systems to externally apply magnetic fields to the sample. In the past, either magnetometers or coils were used to measure the response signal. To improve the measurement accuracy and suppress interference, e.g. the earth field often uses magnetometers in gradiometer arrangement in many fields of application such as geophysics. In this case, at least two mono- or multi-axis magnetometers are arranged side by side or one above the other in order to distinguish spatial changes in the magnetic field by the sample from temporal changes of the background field on the basis of a gradient measurement.

Um magnetische Messungen als bildgebendes Verfahren zu verwenden, können die Messungen räumlich aufgelöst durchgeführt werden und die ortsabhängige Intensität des Magnetfelds direkt als 2D Bild dargestellt werden. Dies wird z.B. bereits zur kleinskaligen technischen Vermessung von magnetischen Datenträgern oder der Polflächen von Magneten verwendet. Dies ist entweder durch magneto-optische Verfahren oder durch ein Array aus Miniatur-Halbleitermagnetometern möglich. Magneto-optische Systeme ermöglichen zwar eine sehr hohe räumliche Auflösung (ca. 25 µm), haben dafür jedoch eine geringe magnetische Sensitivität (ca. 10 µT) und zeitliche Auflösung (> 1 Hz). Die typische Sensorfläche liegt im Bereich von ca. 5 cm x 5 cm. Kommerziell verfügbare Magnetometer Arrays basieren auf einer Anordnung von Halbleiter Hall-Sensoren die einen gemeinsamen Chip bilden. Diese Sensoren haben im Vergleich zu magneto-optischen Instrumenten eine etwas höhere zeitliche Auflösung (> 5 Hz), eine vergleichbare magnetische Sensitivität (ca. 10 µT), dafür aber eine geringere räumliche Auflösung (ca. 100 µm) und maximale Sensorfläche (> 2 cm x 2 cm). Aufgrund der geringen zeitlichen Auflösung und Sensitivität ist eine Kombination solcher Messsysteme mit Anrege-Spulen für Methoden auf Basis von induzierter Magnetisierung praktisch nicht möglich. Messtechnisch ist man daher begrenzt auf die passive Bestimmung der Magnetisierung.In order to use magnetic measurements as an imaging method, the measurements can be carried out spatially resolved and the location-dependent intensity of the magnetic field can be represented directly as a 2D image. This is e.g. already used for the small-scale technical measurement of magnetic data carriers or the pole faces of magnets. This is possible either by magneto-optical methods or by an array of miniature semiconductor magnetometers. Although magneto-optical systems allow a very high spatial resolution (about 25 μm), they have a low magnetic sensitivity (about 10 μT) and temporal resolution (> 1 Hz). The typical sensor area is in the range of approx. 5 cm x 5 cm. Commercially available magnetometer arrays are based on an array of semiconductor Hall sensors that form a common chip. Compared to magneto-optical instruments, these sensors have a slightly higher temporal resolution (> 5 Hz), a comparable magnetic sensitivity (about 10 μT), but a lower spatial resolution (about 100 μm) and maximum sensor area (> 2 cm x 2 cm). Due to the low temporal resolution and sensitivity, a combination of such measuring systems with exciting coils for methods based on induced magnetization is practically impossible. Metrology is therefore limited to the passive determination of the magnetization.

Um zusätzlich eine zuverlässige Tiefeninformation zu erhalten, reicht eine Messung in einer Ebene wie bei den zuvor beschriebenen Systemen nicht aus. Erst eine in drei Dimensionen aufgelöste räumliche Messung erlaubt eine aussagekräftige Bestimmung der Tiefe und 3D Form eines Objekts durch mathematische Inversionsalgorithmen. Um feine Strukturen auflösen zu können, sind magnetische, empfindliche Sensoren nötig. In der Praxis z.B. in der Geophysik kommen meist Fluxgate oder Overhauser Magnetometer mit einer hohen Empfindlichkeit (besser 1 nT) in einer Gradiometer Anordnung zum Einsatz. Aufgrund der Sensorgröße (typisch größer als 3 cm x 3 cm x 3 cm), der Möglichkeit der gegenseitigen Beeinflussung und des Preises dieser Sensoren wird bei handelsüblichen Systemen zumeist ein Sensorabstand von mehr als 30 cm gewählt. Dadurch ist die räumliche Auflösung sehr begrenzt (< 30 cm). Besonders Fluxgate Magnetometer erlauben eine deutlich höhere Abtastrate (> 1 kHz) als z.B. magneto-optische Sensoren. Diese 3D auflösenden Messsysteme werden zumeist zur Untersuchung großflächiger Areale z.B. in der archäologischen Prospektion eingesetzt. Daher wird die zu untersuchende Fläche nacheinander in Sektionen untersucht.In addition, to obtain a reliable depth information, a measurement in a plane as in the systems described above is not sufficient. Only a spatial measurement resolved in three dimensions allows a meaningful determination of the depth and 3D shape of an object through mathematical inversion algorithms. In order to resolve fine structures, magnetic, sensitive sensors are needed. In practice, e.g. In geophysics mostly Fluxgate or Overhauser magnetometers with a high sensitivity (better 1 nT) are used in a gradiometer arrangement. Due to the sensor size (typically greater than 3 cm x 3 cm x 3 cm), the possibility of mutual interference and the price of these sensors is usually selected in commercial systems, a sensor distance of more than 30 cm. As a result, the spatial resolution is very limited (<30 cm). Especially fluxgate magnetometers allow a much higher sampling rate (> 1 kHz) than e.g. magneto-optical sensors. These 3D resolution measuring systems are mostly used to examine large areas, e.g. used in archaeological prospecting. Therefore, the area to be examined is examined sequentially in sections.

Die hier vorliegende Erfindung kombiniert eine hochauflösende zeitliche und räumliche Vermessung des lokalen Magnetfelds in einer kompakten Sonde. Durch eine integrierte Anregungsspule können sowohl aktive als auch passive Messmethoden gleichzeitig verwendet werden. Die einzelnen Halbleiter Magnetometer in der Sonde sind dabei in 3D übereinander und nebeneinander angeordnet um eine gleichzeitige räumliche 3D Vermessung des Magnetfelds zu ermöglichen. Dadurch wird eine 3D Charakterisierung der gemessenen Anomalien möglich. Durch den Einsatz von billigen und kleinen Sensoren (typische Sensormaße unter 5 mm) auf Basis des magnetischen Tunnelwiderstands (TMR) oder des anisotropen magnetoresistiven Effekts (AMR) ist es möglich, wirtschaftlich Sensorabstände von unter 1 cm und damit entsprechend hohe räumliche Auflösung zu realisieren. Gleichzeitig können dabei Sonden konzipiert werden, die eine deutlich größere aktive Fläche als magneto-optische Systeme haben. Geometrie und Größe der Sonde können dabei relativ frei gestaltet werden. AMR und TMR Sensoren können mit typischen Abtastraten im kHz-Bereich betrieben werden. Dadurch kann die Sonde direkt über das zu untersuchende Objekt geführt werden, ohne das räumliches Aliasing das Messergebnis beeinflusst. Zugleich sind durch die hohen Abtastraten Suszeptibilitäts- und Induktionsmessungen in Verbindung mit einer Spule zur Anregung möglich. Eine verbundene Auswerteeinheit mit einem integrierten Prozessor erlaubt durch mathematische Inversionsverfahren in nahezu Echtzeit aus dem von den einzelnen Sensoren gemessenen Magnetfeld eine räumliche Repräsentation der gemessenen Anomalien zu errechnen und ggf. auch dem Nutzer anzuzeigen.The present invention combines a high-resolution temporal and spatial measurement of the local magnetic field in a compact probe. Through an integrated excitation coil both active and passive measurement methods can be used simultaneously. The individual semiconductor magnetometers in the probe are arranged in 3D one above the other and next to one another in order to enable a simultaneous 3D spatial measurement of the magnetic field. This allows a 3D characterization of the measured anomalies. By using cheap and small sensors (typical sensor sizes below 5 mm) based on the magnetic tunnel resistance (TMR) or the anisotropic magnetoresistive effect (AMR), it is possible to economically realize sensor spacings of less than 1 cm and thus correspondingly high spatial resolution. At the same time, probes can be designed that have a significantly larger active area than magneto-optical systems. Geometry and size of the probe can be made relatively free. AMR and TMR sensors can operate at typical sample rates in the kHz range. This allows the probe to be guided directly over the object to be examined, without the spatial aliasing affecting the measurement result. At the same time, susceptibility and induction measurements in conjunction with a coil for excitation are possible due to the high sampling rates. A connected evaluation unit with an integrated processor allows a mathematical inversion method in almost real time from the magnetic field measured by the individual sensors a spatial To calculate the representation of the measured anomalies and possibly also to show the user.

Diese Messvorrichtung bringt eine Verbesserung in verschiedenen Anwendungsfeldern. Eine Möglichkeit ist die bildgebende Detektion im medizinischen Bereich. Die Sonde ist dabei in der Form und Handhabung ähnlich zu bereits etablierten Ultraschall-Sonden. Das System erlaubt z.B. die Erkennung einer Ansammlung von magnetischem Kontrastmittel im menschlichen Körper. Solche superparamagnetischen Kontrastmittel wurden ursprünglich für die Magnetresonanztomographie entwickelt. Superparamagnetische Materialen zeichnen sich dadurch aus, keine bleibende Magnetisierung zu halten, wenn ein zuvor angelegtes Magnetfeld abgeschaltet wurde. In Verbindung mit einer magnetischen Sonde und einer Spule zum Erzeugen eines anregenden Magnetfelds werden diese Kontrastmittel auch zur magnetischen Identifizierung von Wächterlymphknoten in der Krebsdiagnostik eingesetzt. Diese Lymphknoten werden dann im Rahmen der Diagnostik zur Analyse operativ entfernt. Bisher wurden dazu lediglich Systeme mit einem einzelnen Magnetometer oder einer Empfängerspule als Sensor verwendet. Diese, einem Metalldetektor ähnlichen Systeme sind nicht bildgebend und ermitteln nur die Stärke des vom Sensor gemessenen Signals. Zur Lokalisation von Ansammlungen des Kontrastmittels müssen diese Sonden vom Nutzer mehrfach über die betroffenen Stellen geführt werden, um das Maximum des gemessenen Signals manuell zu bestimmen. Die gesuchte Stelle liegt beim Erreichen des Maximums direkt an der Sonde. Das hier vorgestellte Verfahren liefert dem Nutzer stattdessen eine bildliche Darstellung des vom Kontrastmittel erzeugten magnetischen Signals auf einem Monitor. Damit lässt sich die Verteilung des Kontrastmittels direkt abbilden und zusätzlich liefert das hier vorgestellte System auch eine Tiefeninformation. Dies hilft Fehldetektionen auszuschließen, weil der Chirurg zusätzliche Informationen über die Form und Tiefe der Kontrastmittel - Ansammlung erhält. Dadurch ist eine deutlich schnellere und sicherere Lokalisation sowohl im operativen als auch präoperativen Bereich möglich.This measuring device brings an improvement in various fields of application. One possibility is imaging detection in the medical field. The probe is similar in shape and handling to already established ultrasonic probes. The system allows e.g. the detection of accumulation of magnetic contrast in the human body. Such superparamagnetic contrast agents were originally developed for magnetic resonance imaging. Superparamagnetic materials are characterized by not holding a permanent magnetization when a previously applied magnetic field has been switched off. In conjunction with a magnetic probe and a coil to generate a stimulating magnetic field, these contrast agents are also used for the magnetic identification of sentinel lymph nodes in cancer diagnostics. These lymph nodes are then surgically removed for diagnostic purposes. So far, only systems with a single magnetometer or a receiver coil have been used as a sensor. These systems, similar to a metal detector, are non-imaging and only measure the strength of the signal measured by the sensor. For the localization of accumulations of the contrast agent, these probes must be repeatedly guided by the user over the affected areas to manually determine the maximum of the measured signal. The location you are looking for is directly at the probe when you reach the maximum. Instead, the method presented here provides the user with a pictorial representation of the magnetic signal generated by the contrast agent on a monitor. In this way, the distribution of the contrast agent can be imaged directly and, in addition, the system presented here also provides depth information. This helps to eliminate misdetection because the surgeon receives additional information about the shape and depth of the contrast agent accumulation. This allows a much faster and safer localization in both the operative and preoperative area.

Verschiedene Lösungen mit magnetischen Nanopartikeln befinden sich auch in der Erprobung als Bestandteil von lokalen Hyperthermie Therapieformen. Dabei wird die entsprechende Lösung z.B. durch direkte Injektion in Tumore eingebracht und durch hochfrequente externe Magnetfelder erhitzt um gezielt Zellen abzutöten. Für den Erfolg dieser Therapien ist unter anderem eine ausreichend hohe lokale Konzentration an magnetischen Nanopartikeln im Zielgewebe nötig. Das hier vorgestellte System ist nicht nur optimal geeignet die lokale Konzentration zu ermitteln, sondern ermöglicht auch eine bildgebene Lokalisierung dieser Therapeutika. Bisher wird dafür zumeist auf Magnetresonanztomograpen zurückgegriffen, die jedoch durch das extrem starke Magnetfeld ungewollte Nebeneffekte auslösen können.Various magnetic nanoparticle solutions are also under development as part of local hyperthermia therapies. The corresponding solution is e.g. introduced by direct injection into tumors and heated by high-frequency external magnetic fields to kill targeted cells. Among other things, a sufficiently high local concentration of magnetic nanoparticles in the target tissue is necessary for the success of these therapies. The system presented here is not only optimally suited to determine the local concentration, but also allows image-localization of these therapeutics. Up to now magnetic resonance tomograpenes have been used for the most part, but they can cause unwanted side effects due to the extremely strong magnetic field.

Darüber hinaus ist es auch möglich, Implantate mit vom umgebenen Gewebe erheblich verschiedener Leitfähigkeit, Suszeptibilität oder Magnetisierung bildgebend zu lokalisieren und abzubilden. Mögliche Anwendungen ergeben sich z.B. in der Orthopädie zur Kontrolle von Prothesen oder verschiedener Stifte und Schrauben, ohne auf strahlenbasierte Tomographie - Methoden zurückgreifen zu müssen. Besonders für medizinische Anwendungen ist auch eine Kombination der magnetischen Sonde mit einer bildgebenden Ultraschallsonde möglich. Dadurch können die detektierten magnetischen Signaturen direkt dem per Ultraschall abgebildeten Gewebe zugeordnet werden.In addition, it is also possible to image-localize and image implants with considerably different conductivity, susceptibility or magnetization from the surrounding tissue. Possible applications arise e.g. in orthopedics for the control of prostheses or various pens and screws, without resorting to radiation - based tomography methods. Especially for medical applications, a combination of the magnetic probe with an ultrasound imaging probe is possible. As a result, the detected magnetic signatures can be assigned directly to the tissue imaged by ultrasound.

Es ist auch möglich, ein solches System unter Fahrzeugen oder Drohnen zu montieren, um im Boden befindliche Objekte (z.B. Minen) zu detektieren. Bisher für Bodenerkundung eingesetzte Systeme dienen zur großflächigen Erkundung mit relativ geringer räumlicher Auflösung und großen Sensorabständen. Diese Geräte verzichten auch auf die aktive Erzeugung eines anregenden Magnetfelds und beschränken sich auf passive Detektionsmethoden. Während dies z.B. zur archäologischen Prospektion ausreicht, ist die geringe räumliche Auflösung und Beschränkung auf passive Messungen nicht hinreichend, um kleine Körper im Untergrund zu lokalisieren. Die hier beschriebene Erfindung ermöglicht lokale, räumlich hochauflösende bildgebende Untersuchungen des Untergrunds. Durch die Kombination unterschiedlicher Messverfahren in einem Sensor ist es bei der Auswertung möglich, sowohl die Magnetisierung als auch Leitfähigkeit oder Suszeptibilität gleichzeitig zu berücksichtigen. Dies ermöglicht die Unterscheidung zwischen verschiedenen Materialen und erhöht damit direkt die Messsicherheit bei der Detektion unterschiedlicher Materialen.It is also possible to mount such a system under vehicles or drones to detect underground objects (e.g., mines). Previously used for soil exploration systems are used for large-scale exploration with relatively low spatial resolution and large sensor distances. These devices also eliminate the active generation of a stimulating magnetic field and are limited to passive detection methods. While this is e.g. is sufficient for archaeological prospection, the low spatial resolution and restriction to passive measurements is not sufficient to localize small bodies in the underground. The invention described here allows local, spatially high-resolution imaging studies of the subsurface. By combining different measuring methods in one sensor, it is possible during the evaluation to take into account both magnetization and conductivity or susceptibility at the same time. This makes it possible to distinguish between different materials and thus directly increases the measuring reliability when detecting different materials.

Auch ein Einsatz im industriellen Umfeld zur Materialprüfung ist möglich. Es ist dabei möglich, Fehlstellen oder Inhomogenitäten in leitfähigen Materialen bildgebend zu erfassen. Typische Anwendungen sind z.B. die Kontrolle von Kabeln, Drahtseilen, Metallbändern oder Schweißnähten. Weil sowohl aktive als auch passive Messungen mit dem vorgestellten System möglich sind, ist die Anwendung dabei nicht auf ferromagnetische Werkstoffe begrenzt. Bisher werden dafür zumeist Röntgengeräte verwendet, die aufgrund der gefährlichen Strahlung zahlreiche inhärente Nachteile haben.A use in the industrial environment for material testing is possible. It is possible to record defects or inhomogeneities in conductive materials by imaging. Typical applications are e.g. the control of cables, wire ropes, metal bands or welds. Because both active and passive measurements are possible with the presented system, the application is not limited to ferromagnetic materials. So far, X-ray equipment is used for the most part, which have numerous inherent disadvantages due to the dangerous radiation.

Es ist auch eine berührungslose Detektion von stromdurchflossenen Leitern z.B. in Kabelkanälen oder Wänden möglich. Zusätzlich zur Ortung ist es durch die räumliche Auflösung möglich, die Ausmaße des Leiters und anhand der Stärke auch fließenden Strom zu schätzen. Die zeitliche Auflösung ermöglicht es auch, Gleichströme von Wechselströmen zu unterscheiden und ggf. die Frequenz zu ermitteln.It is also a non-contact detection of current-carrying conductors, e.g. possible in cable ducts or walls. In addition to the location, it is possible by the spatial resolution to estimate the dimensions of the conductor and on the basis of the strength of flowing electricity. The temporal resolution also makes it possible to distinguish direct currents from alternating currents and, if necessary, to determine the frequency.

Eine typische Ausgestaltung zur Verwendung in der Medizin oder Technik besteht aus einer Sonde und einer getrennten Auswert- und Anzeigeeinheit. Ein solches System ist beispielhaft in 1 dargestellt. Als Kompromiss zwischen Auflösung, Komplexität und Preis wird in der Sonde (1) in diesem Beispiel ein Sensorabstand von 5 mm bei einer aktiven Sensorfläche von 80 mm x 50 mm (2) verwendet. Als Sensor können entweder ein- oder mehrachsige Magnetometer ICs verwendet werden. Mehrachsige Sensoren ermöglichen zwar ein kompakteres Design aufgrund des größeren Integrationsgrads, dieser führt bei den bisher marktverfügbaren Magnetometern aber zu höherem Rauschen und geringerer Sensitivität. A typical embodiment for use in medicine or technology consists of a probe and a separate evaluation and display unit. Such a system is exemplary in 1 shown. As a compromise between resolution, complexity and price in the probe ( 1 ) uses in this example a sensor pitch of 5 mm with an active sensor area of 80 mm x 50 mm (2). The sensor can be either single or multi-axis magnetometer ICs. Although multi-axis sensors allow for a more compact design due to the greater degree of integration, this leads to higher noise and lower sensitivity in the market-available magnetometers.

Daher werden in der hier beschriebenen Ausgestaltung einachsige TMR Sensoren verwendet. Der Aufbau des Sondenkopfes ist schematisch in 2 abgebildet. Die zur Messung der magnetischen x- und y-Komponenten verwendeten Sensoren (6) und (7) werden auf einer gemeinsamen doppelseitigen Platine untergebracht um die Sonde möglichst kompakt zu halten. Die z-Komponente (8) wird durch senkrecht dazu angebrachte Magnetometer erfasst. Bei Verwendung von dreiachsigen Magnetometern, können alle Sensoren direkt auf einer gemeinsamen Platine montiert werden. Dieser Aufbau erlaubt es, denn lokalen 2D Magnetfeldgradienten zwischen den Sensoren der x- und y-Achse zu ermitteln.Therefore, uniaxial TMR sensors are used in the embodiment described herein. The structure of the probe head is shown schematically in FIG 2 displayed. The sensors used to measure the magnetic x and y components ( 6 ) and ( 7 ) are placed on a common double-sided board to keep the probe as compact as possible. The z component ( 8th ) is detected by magnetometers mounted perpendicular thereto. When using three-axis magnetometers, all sensors can be mounted directly on a common board. This setup allows to determine local 2D magnetic field gradients between the x- and y-axis sensors.

Um den Gradienten in 3D ermitteln zu können, wird derselbe Aufbau parallel zum ersten ein zweites Mal verwendet. Obwohl die Doppelung der x- und y-Komponenten nicht zwingend nötig wäre, lassen sich dadurch die zugehörigen lokalen Gradienten in zwei Ebenen bestimmen und damit Messfehler reduzieren. Außen um diesen Platinen - Stapel befindet sich eine Spule (9) zur Anregung. Die zum Einlesen der Magnetometersignale nötigen Analog - zu Digitalwandler befinden sich zusammen mit den Vorverstärkern und analogen Aliasingfiltern direkt hinter den Sensoren auf einer gemeinsamen Platine (10). Die Daten werden digital an eine Auswert- und Anzeigeeinheit (4) weitergeleitet, die angepasst an den jeweiligen Messmodus aus den Feldgradienten zwischen den Sensoren mithilfe eines numerischen Inversionsverfahrens eine bildgebende Repräsentation des untersuchten Objekts anzeigt. Die Datenübertragung kann entweder drahtlos oder drahtgebunden (3) erfolgen. Das errechnete Bild kann dann über einen integrierten (5) oder extern verbundenen Monitor dargestellt werden. Zur Bedienung wird im vorgestellten Beispiel ein Touchscreen (5) eingesetzt um eine einfache Auswahl der Messvarianten durch den Nutzer zu ermöglichen. Die Leistungselektronik zur Ansteuerung der Spule für aktive Verfahren auf Basis induzierter Magnetisierung befindet sich bei drahtgebundenen Lösungen auch in der Auswert- und Anzeigeeinheit um Störungen der Magnetometer zu vermeiden. Alternativ ist es bei drahtlosen Sonden auch möglich die Ansteuerung der Spule und die benötigen Akkus mit in die Sonde zu integrieren.In order to be able to determine the gradient in 3D, the same structure is used a second time parallel to the first one. Although the duplication of the x and y components would not be absolutely necessary, the associated local gradients can be determined in two levels, thereby reducing measurement errors. Outside this board stack is a coil ( 9 ) to the suggestion. The analogue to digital converters required for reading in the magnetometer signals are located together with the preamplifiers and analog aliasing filters directly behind the sensors on a common board ( 10 ). The data is transmitted digitally to an evaluation and display unit ( 4 ), which, adapted to the respective measurement mode, displays from the field gradients between the sensors an imaging representation of the object being examined by means of a numerical inversion method. Data transmission can be either wireless or wired ( 3 ) respectively. The calculated image can then be processed via an integrated ( 5 ) or externally connected monitor. For operation, in the example presented, a touch screen ( 5 ) are used to allow a simple selection of the measurement variants by the user. The power electronics for driving the coil for active methods based on induced magnetization is in wired solutions in the evaluation and display unit to avoid disturbances of the magnetometer. Alternatively, with wireless probes it is also possible to integrate the control of the coil and the required batteries into the probe.

Während zur passiven Messung der Magnetisierung relativ geringe Abtastraten ausreichen, erfordern aktive Methoden deutlich höhere Abtastraten, abhängig von der Anregefrequenz der Spule. Auch um im Rahmen von technischen Anwendungen durch Wechselströme hervorgerufene, hochfrequente Magnetfelder auflösen zu können ist eine höhere Abtastrate notwendig. Zur Anregung kann aufgrund der erleichterten Zulassung und der verfügbaren Hardware die aus dem RFID Bereich etablierte Frequenz von 125 kHz verwendet werden. Um eine zur Anregung synchrone Messung zu ermöglichen, wird die Abtastrate als ganzzahliges Vielfaches der Anregefreuqenz gewählt. In diesem Fall wird z.B. eine Abtastrate von 2,5 kHz gewählt. Um eine hohe Auflösung und gleichzeitig den für technische Anwendungen nötigen Dynamikumfang zu gewährleisten werden Analog - zu Digitalwandler mit 24 Bit verwendet. Bei einem maximalen Messbereich von +/- 1 mT ergibt sich damit eine Auflösung von 0,12 nT/Bit. Zur Digitalisierung der insgesamt einzelnen Magnetometermesswerte kommen mehrere Analog zu Digitalwandler in Kombination mit Multiplexern zum Einsatz. Durch den Einsatz von Multiplexern mehrere Sensoren über denselben Analogteil (Verstärker, Filter, etc.) und Wandler ausgelesen werden. Dadurch können nicht nur die Kosten für die zumeist teuren Analogbauteile eingespart werden, sondern es reduziert auch den Kalibieraufwand für den analogen Teil des Aufbaus.While relatively low sampling rates are sufficient for passive measurement of the magnetization, active methods require significantly higher sampling rates, depending on the exciting frequency of the coil. Also, in order to be able to resolve in the context of technical applications caused by alternating currents, high-frequency magnetic fields, a higher sampling rate is necessary. For excitation, the frequency of 125 kHz established from the RFID range can be used due to the simplified approval and the available hardware. In order to enable a measurement synchronous with the excitation, the sampling rate is selected as an integer multiple of the excitation frequency. In this case, e.g. chosen a sampling rate of 2.5 kHz. To ensure a high resolution and at the same time the dynamic range necessary for technical applications, analogue to digital converters with 24 bits are used. With a maximum measuring range of +/- 1 mT, this results in a resolution of 0.12 nT / bit. To digitize the total individual magnetometer readings, several analogue to digital converters are used in combination with multiplexers. Through the use of multiplexers, several sensors are read out via the same analog part (amplifier, filter, etc.) and converter. As a result, not only can the costs for the usually expensive analog components be saved, but it also reduces the calibration effort for the analog part of the structure.

Claims

Device for simultaneously local measurement of the permanent and induced magnetization of a sample by simultaneous spatial and temporal measurement of the horizontal and vertical magnetic field gradients in combination with a coil for generating an exciting magnetic field. The system consists of a portable probe and an evaluation and control unit. The measuring probe can measure the magnetic field at least in two axes. It contains at least eight, each on a common support, in 3D one above the other and juxtaposed miniature semiconductor magnetometers. The evaluation and control unit controls the excitation of the coil and the reading of the magnetometer adapted to the selected active or passive measurement method. In addition, it contains at least one processor for almost real-time analysis of the magnetic measurement results and forms together with the probe a quasi-imaging system.

System according to the preceding claim, characterized in that in addition an ultrasound unit for imaging is integrated into the measuring probe in order to enable a combined evaluation of the ultrasound and magnetic field measurements.

System according to one of the preceding claims, characterized in that the data transmission between the probe and evaluation and control unit takes place wirelessly and the necessary power supply components and batteries / batteries are directly integrated with the probe.

System according to one of the preceding claims, characterized in that the probe and evaluation and control unit are housed in a common housing.