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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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In der Human- und Veterinärmedizin ist es oftmals erforderlich, den Verlauf von Größenänderungen eines Organs während eines bestimmten Zeitraumes zu erfassen, um Rückschlüsse auf die Intensität der Ursache einer Organveränderung schließen zu können oder aber um den für die Vornahme eines chirugischen Eingriffes günstigen Zeitpunkt ermitteln zu können. So ist es beispielsweise im Bereich der Geburts-Medizin wichtig, die Eröffnung des Muttermundes genau zu erfassen, um z. B. eine Geburtsverzögerung zu diagnostizieren.
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Es sind bereits zwei magnetische Verfahren zur Messung und Überwachung der fortschreitenden Erweiterung der Uterusöffnung bekannt.
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Das eine Verfahren, welche auf Xerox University DD 143 393 Microfilms, Ann Arbor, Michigan 48 108, von David Allan Rice unter dem Titel "Mechanism and measurement of cervical dilatation" beschrieben wird, verwendet zwei Sonden, eine Meßsonde und eine Emfangssonde, die an zwei gegenüberliegenden Punkten des Muttermundes befestigt werden. Die Entfernungsmessung beruht dann auf der gesetzmäßigen Abnahme der magnetischen Feldstärke mit dem Sondenabstand. Nachteilig an diesem Verfahren ist die Notwendigkeit, die Sonden so an die Lippen des Gebärmuttermundes zu befestigen, daß diese sich nicht gegeneinander drehen können. Auch Schrägstellungen der Achsen dieser Sonden, die sich während des fortschreitenden Öffnens des Muttermundens einstellen könnten, würden das Meßergebnis verfälschen. Eine derartige lagesichere Befestigung der Sonden an den Muttermundlippen ist nicht möglich.
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Bei einem weiteren magnetischen Verfahren, welches in der Zeitschrift Medical Instrumentation, Vol. 11, Nr. 1, Januar-Februar 1977 von Timothy J. Kriewall und Bruce A. Work, Jr., unter dem Titel "Measuring cervical dilatation in human parturition using the Hall effect" beschrieben wird, werden zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Hallsonden zur Ausmessung des Feldes eines Permanentmagneten verwendet. Auch in diesem Falle beruht also die Entfernungsmessung auf der Veränderlichkeit des Feldgradienten mit sich ändernder Entfernung der Sonden von dem Permanentmagneten. Dieses System ist insofern nachteilig, weil eine genaue Entfernungserfassung nur dann erfolgen kann, wenn sich die Sonden in einer einzigen, definierten Ebene relativ zueinander bewegen. Jede Drehung oder Kippung der Sonden im Verlauf der fortschreitenden Muttermundserweiterung verfälscht das Meßergebnis. Hinzu kommt, daß die Messung mit zunehmendem Abstand der beiden Sonden ungenau wird, weil der Einfluß des überlagerten Magnetfeldes der Erde zunimmt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur punktuellen Messung des Abstandes der Grenzflächen von Objekten, insbesondere solchen der Human- und Veterinärmedizin zu schaffen, die zur genauen Messung des punktuellen Abstandes von Grenzflächen lediglich zwei Sonden, jedoch kein Permanentfeld benötigt, wobei das Meßergebnis bezüglich möglicher Dreh- und Kippbewegungen der Sonden zueinander invariant sein soll. Ferner soll die erfindungsgemäße Einrichtung auf die Entfernungen oberhalb der bisher durch ähnliche Einrichtungen sicher anzeigen.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die technische Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Es handelt sich hier also um ein modifiziertes magnetisches Verfahren, das es ermöglicht, die Bestimmung der Entfernung zweiter Sonden voneinander unabhängig von dem Medium zwischen diesen Sonden, solange dieses nur eine relative Permeabilität von 1 hat, vorzunehmen. Diese Permeabilität ist jedoch für den wichtigsten Fall der Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung, im oder am menschlichen Körper, stets gegeben. Die Sonden innerhalb der erfindungsgemäßen Einrichtung, die lediglich aus drei Induktivitäten bestehen, deren Achsen entsprechend den Achsen eines orthogonalen räumlichen Koordinatensystems angeordnet sein müssen, können sehr klein bemessen werden. Die Sonden lassen sich ohne weiteres an zahlreichen Organen des menschlichen und auch des tierischen Körpers befestigen, um Abstandsmessungen vornehmen zu können.
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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel einer derartigen Einrichtung näher beschrieben. Es zeigt
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Fig. 1 eine schematische Darstellung der die Induktivitäten darstellenden Wicklungen einer Sende- oder Empfangssonde,
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Fig. 2 die Stirnansicht eines Wickelkernes zum Aufbringen der Induktivitäten gem. Fig. 1,
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Fig. 3 die perspektivische Darstellung eines Wickelkernes gem. Fig. 2 mit eingezeichnetem Zentimeter-Maßstab zur Veranschaulichung der Größenordnung,
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Fig. 4 eine erfindungsgemäße Sonde im Schutzgehäuse, im unvergossenen Zustand,
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Fig. 5 ein Blockschaltbild der Steuerung der Sendesonde,
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Fig. 6 ein Blockschaltbild der Steuerung der Empfangssonde und
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Fig. 7 ein Flußdiagramm der Sondensteuerung und des Rechenprogrammes.
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Gem. Fig. 1 dient als Sonde eine Anordnung von Induktivitäten 1, 2 und 3, die in einem orthogonalen Raumkoordinatensystem angeordnet sind. Diese Induktivitäten 1, 2 und 3 entsprechen den nicht dargestellten, in gleicher Weise angeordneten Induktivitäten einer Empfangssonde, die identisch mit der Sendesonde aufgebaut ist.
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Jede Induktivität 1, 2 oder 3 stellt einen magnetischen Dipol dar, dessen im Nahfeld erzeugte magnetische Feldstärke gemessen werden kann.
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Innerhalb der erfindungsgemäßen Einrichtung werden die Induktivitäten 1, 2 und 3 der Sendesonde nacheinander, ohne Überlappung mit einer sinusförmigen Spannung von 50 KHz erregt.
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Gem. Fig. 1 erstrecken sich die Achsen der drei Induktivitäten L x , L y und L z , die auf einen aus drei mit mittiger Durchdringung senkrecht aufeinander stehenden Zylindern 1, 2 und 3 gewickelt sind, der aus Fig. 3 ersichtlich ist, mit ihren Längsachsen in Richtung von drei Koordinatenachsen eines orthogonalen Raumkoordinatensystems. Die drei sich kreuzenden Wickelzylinder 1, 2 und 3 bilden, wie Fig. 3 zeigt, einen sternförmigen Wickelkörper mit sechs Armen, deren jeder mit einer Induktionsspule (in Fig. 1 als Indutivität L bezeichnet) bewickelt ist. Um diesem mechanischen Aufbau Rechnung zu tragen, sind die Induktivitäten L in Fig. 1 auf ihrer zugehörigen Koordinatenachse in zwei Teilwicklungen unterteilt schematisch dargestellt.
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Der Aufbau des Wickelkörpers geht aus der schematischen Darstellung gem. Fig. 2 hervor. Danach sind in den Bohrungen 4 eines jeden der Wickelkerne 1, 2 und 3, Kerne 5 aus magnetisierbarem Material angeordnet, wie dies beispielsweise unter der Bezeichnung "Ferrocube" bekanntgeworden ist. Weiterhin trägt jede Wickelkernhälfte eine Wicklung 6. Da die erfindungsgemäße Sonde möglichst kleine Abmessungen haben soll, werden hier beispielsweise Wicklungen 6, bestehend aus einhundertfünfundsiebzig Windungen aus einem Kupferlackdraht von nur 0,05 mm Durchmesser verwendet. Die Schaltung der einzelnen Wicklungen 6 folgt aus Fig. 1, wobei die Anschlüsse über ein dreiadriges abgeschirmtes Kabel mit der jeweiligen Meßapparatur, die hier nicht dargestellt worden ist, verbunden ist.
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Fig. 4 zeigt die erfindungsgemäße Sonde im Schutzgehäuse, wobei jedoch die Anschlüsse noch nicht vergossen sind, wie es später für den praktischen Einsatz der Sonde erforderlich ist.
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Mit Hilfe des Blockschaltbildes gem. Fig. 5 soll die Funktion der Sendeeinrichtung, die die Erregung der einzelnen Dipole vornimmt, beschrieben werden:
Der Generator 7 erzeugt eine Sinusspannung mit einer Frequenz von 50 KHz. Diese Spannung wird mit einem Demultiplexer, der vom Rechner gesteuert wird (Steuereingänge a 1, a 2) den drei Induktivitäten L xs , L ys , L zs zugeordneten Endstufen (9, 10, 11) zugeführt.
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Der Aufbau der Empfangsanlage geht aus dem Blockschaltbild in Fig. 6 hervor. Danach erfolgt das Ausmessen der einzelnen Feldstärkekomponenten des von den Sendedipolen erzeugten Feldes mit den aus den Induktivitäten L xe , L ye , L ze und der Kapazität C gebildeten Schwingkreisen 13, 14 und 15 gebildeten vorgenommen. Ein nachgeschalteter, vom Rechner über die Steuereingänge a 2 und a 3 gesteuerter Multiplexer 15 legt die an den drei Schwingkreisen 13, 14 und 15 induzierten Spannungen nacheinander an einen sog. "Autoranging Amplifier" 16, dessen Verstärkung über die Steuereingänge a 4, a 5 und a 6 so gesteuert wird, daß stets eine optimale Aussteuerung gegeben ist. Diese Verstärkung kann beispielsweise vom Rechner in folgenden Stufen verändert werden: V = 1024; 128; 8; 0,5. Durch diesen Aufbau des Verstärkers läßt sich der große Dynamikumfang der Eingangsspannung (ca. 60 dB) gut beherrschen. Die Ausgangsspannung des Verstärkers 16 wird einem Effektivwert-Gleichrichter 17 zugeführt, dessen Ausgangsspannung einer vom Rechner über den Eingang a 7 gesteuerten "Sample and Hold"-Einheit zugeführt. Der 8 Bit-Analog-Digitalwandler 19 stellt den digit lisierten Meßwert über den Ausgang 20 dem Rechner zur Verfügung.
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In Fig. 7 ist das Flußdiagramm der erfindungsgemäßen Einrichtung dargestellt, das im folgenden näher erläutert wird:
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Wegen der außerordentlichen Kleinheit der erfindungsgemäßen Einrichtung, deren Größe aus Fig. 4 wegen des dort mit eingezeichneten Vergleichsmaßstabes besonders deutlich hervorgeht, kann diese Einrichtung in vielen Fällen Anwendung finden, in denen bisher eine exakte Abstandsmessung nicht möglich war. Hierzu gehören nicht nur die bereits erwähnten Anwendungsfälle innerhalb und am menschlichen Körper, sondern es können beispielsweise auch Entfernungsmessungen an Objekten, die sich unter Wasser befinden und deshalb nicht ohne weiteres zugänglich sind, vorgenommen werden. Das gleiche gilt für die Dickenbestimmung an geschichteten Medien.
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Der Ablauf der ständigen Erfassung der zu messenden Entfernung der Sonden (Sendesonde und Empfangssonde) einer erfindungsgemäßen Einrichtung wird im folgenden unter Heranziehung des Flußdiagrammes gem. Fig. 7 erläutert. Sämtliche Vorgänge laufen vollautomatisch ab.
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Vorausgeschickt seien die Definitionen der einzelnen Variablen des Computerprogrammes:
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n: Indexzähler der drei Sendedipole L xs , L ys und L zs . L xs : n = 0, L ys : n = 1, L zs : n = 2.
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m: Indexzähler der drei Empfangsdipole L xe , L ye und L ze . L xe : m = 0, L ye : m = 1, L ze : m = 2
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p: Indexzähler des Verstärkungsfaktors v des " Autoranging Verstärkers". Nimmt ab mit stufenweiser Erhöhung der Zählstufe, also
- p = 0 bei v = 1024
p = 1 bei v = 128
p = 2 bei v = 8
p = 3 bei v = 1.
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Die Variation des Verstärkungsfaktors v ist erforderlich, um eine eindeutige Aussage über die jeweils vorliegende tatsächliche Empfangsspannung zu erhalten. Zeigt beispielsweise das Gerät bei p = 0 also v = 1024, einen Voll-Ausschlag (FF) des AD- Wandlers an, so besteht die Möglichkeit, daß die tatsächliche Empfangsspannung größer ist, als der maximale Ausschlag des Gerätes und mithin nicht angezeigt werden kann. In diesem Falle wird der Verstärkungsfaktor stufenweise herabgesetzt, also zunächst auf p = 1 (v = 128). Zeigt jetzt das Gerät eine Empfangsspannung unterhalb der maximalen Anzeige an, so steht fest, daß diese und nur diese Empfangsspannung, unter Berücksichtigung des Verstärkungsfaktors, dem systemimmanenten Zusammenhang zwischen Sondenabstand und Empfangsspannung entspricht, mithin die tatsächliche Entfernung indiziert wird.
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Sollte auch bei p = 1 immer noch die Maximalanzeige (FF) erfolgen, so wird p fortlaufend stufenweise erhöht, bis eine im Anzeigebereich liegende Anzeige der Empfangsspannung erfolgt.
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In der Stufe A des Flußdiagrammes gem. Fig. 7 werden sämtliche Indexzähler m, n und p auf Null gesetzt. Damit ist die Ausgangsbedingung hergestellt.
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In der Stufe B wird der erste Sendedipol L n mit n = 0 erregt.
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In der Stufe C wird der Empfangsdipol L m mit m = 0 abgefragt, also die Empfangssonde L xe eingeschaltet.
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In der Stufe D wird die Empfangsspannung an L m gemessen. Stellt sich heraus, daß diese Empfangsspannung zu groß ist, also die maximal mögliche Anzeige übersteigt und somit keine Aussage über den tatsächlichen Sondenabstand liefert (Stufe F), so wird p erhöht und damit der Verstärkungsfaktor v verringert. Die Erhöhung von p, die in drei Stufen erfolgt, kann bis zu einem Verstärkungsfaktor von 1 durchgeführt werden. Sobald jedoch bei einem bestimmten Verstärkungsfaktor die gemessene Spannung innerhalb des Anzeigebereiches liegt, ist die Erfassung der Spannung des Empfangsdipols L m beendet und es wird in der
- Stufe F der gemessene Wert der Empfangsspannung gespeichert.
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In der Stufe G wird außerdem die zugehörige Verstärkung p gespeichert.
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In der Stufe H wird danach der nächste Empfangsdipol L m mit m = 1 (Empfangssonde L ye ) eingeschaltet, wobei p wieder auf 0 (v = 1024) gesetzt wird.
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Jetzt wiederholt sich das in den Stufen C-G zuvor abgelaufene Funktionsspiel in der Funktionsstufe I, bis sämtliche Empfangsdipole L m mit m = 0, 1 und 2 abgefragt worden sind. Danach springt das Programm zur Funktionsstufe C zurück. Der Abfragezyklus sämtlicher Empfangsdipole hinsichtlich ihres Empfangsverhältnisses zum ersten Sendedipol L n (L xs ) ist beendet und
- in der Funktionsstufe K wird der nächste Sendedipol L n mit n = 1 eingeschaltet. Es beginnt ein neuer Abfragezyklus der Empfangsdipole L m , wie zuvor beschrieben.
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Die Funktionsstufe L entscheidet darüber, ob erneut zur Funktionsstufe B zurückgeschaltet werden muß, oder nicht. Ist der letzte Abfragezyklus mit n = 2 erreicht, also sämtliche Empfangsdipole L m gegenüber der letzten Sendesonde L ze abgefragt, so liegen in der Funktionsstufe M neun Werte der Empfangsspannungen sowie neun Werte der jeweils zugehörigen Verstärkungsfaktoren vor, und der Rechner kann jetzt das Auswerteprogramm durchführen. Das Rechenergebnis wird in der
- Funktionsstufe N in einem Display digital angezeigt. Gleichzeitig wird ein neuer Meßzyklus durch Rücksprung auf den Beginn der Funktionsstufe A eingeleitet.
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Sämtliche geschilderten Funktionen laufen fortlaufend automatisch ab, so daß eine ständige Anzeige des jeweils gegebenen Sondenabstandes und damit der zu erfassenden Strecke erfolgt.