RU2295913C2

RU2295913C2 - Device for localizing ferromagnetic inhomogeneity in non-magnetic media

Info

Publication number: RU2295913C2
Application number: RU2005102150/14A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Пудов (RU); Владимир Иванович Пудов; Сергей Александрович Коротких (RU); Сергей Александрович Коротких; Евгений Валерьевич Бобыкин (RU); Евгений Валерьевич Бобыкин
Original assignee: Владимир Иванович Пудов; Сергей Александрович Коротких
Priority date: 2005-01-28
Filing date: 2005-01-28
Publication date: 2007-03-27
Also published as: RU2005102150A

Abstract

FIELD: medical engineering.

SUBSTANCE: device has handle and non-magnetic metal protective casing having two sensitive elements mounted on non-magnetic panel in one plane, in perpendicular to its longitudinal axis, in parallel to each other. The elements are manufactured from permalloy cores and coils which windings are connected to each other in gradientometric way and function as excitation and measuring windings. Magnetizing coil is mounted between the sensitive elements in perpendicular to the first pair the sensitive elements, The second pair sensitive elements is additionally introduced into design. The elements are manufactured from permalloy cores and coils which windings are connected to each other in gradientometric way and function as excitation and measuring windings. Besides, the magnetizing coil is manufactured on ferrite rings.

EFFECT: high accuracy and reliability of measurement data.

3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области медицины, в частности к оперативной хирургии, и предназначено для локализации ферромагнитной неоднородности в виде инородных тел - частиц, стружек, предметов при хирургическом удалении их тканей и органов человека, а также может быть использовано для неразрушающего контроля качества материалов, в частности для локализации и измерения ферромагнитной неоднородности в виде инородной примеси или структурных изменений, связанных с образованием ферромагнитной фазы в немагнитных сталях.The invention relates to medicine, in particular to surgical surgery, and is intended for the localization of ferromagnetic heterogeneity in the form of foreign bodies - particles, shavings, objects during the surgical removal of their tissues and human organs, and can also be used for non-destructive quality control of materials, in particular for localization and measurement of ferromagnetic heterogeneity in the form of a foreign impurity or structural changes associated with the formation of a ferromagnetic phase in non-magnetic steels.

Тяжелые травмы тканей и органов человека, связанные с внедрением ферромагнитных неоднородностей, требуют оперативного хирургического вмешательства. В этой связи основное значение приобретает точность определения их местоположения. Основные методы диагностики - рентгеновский, ультразвуковой - часто оказываются мало информативными в решении данной проблемы из-за кровоизлияния, труднодоступного размещения неоднородности, его малого геометрического размера или малого операционного поля [Гундорова Р.А., Вериго Е.Н., Полякова Л.Я. Клинические особенности и диагностика осколочных ранений орбиты. - Офтальмохирургия, 1999, №1, с.32-38].Severe injuries to human tissues and organs associated with the introduction of ferromagnetic heterogeneities require surgical intervention. In this regard, the accuracy of determining their location is of primary importance. The main diagnostic methods - x-ray, ultrasound - often turn out to be little informative in solving this problem due to hemorrhage, inaccessible placement of heterogeneity, its small geometric size or small surgical field [Gundorova R.A., Verigo E.N., Polyakova L.Ya . Clinical features and diagnosis of fragmentation wounds of the orbit. - Ophthalmosurgery, 1999, No. 1, p. 32-38].

Сложность локализации ферромагнитной неоднородности вблизи важных органов, сосудов, нервов человека, его смещение из-за подвижности тканей как до, так и во время операции ставят даже опытного хирурга в затруднительное положение. Поэтому без специальной диагностической аппаратуры хирургическое вмешательство, как бы хорошо оно ни было подготовлено, вследствие неоправданно глубокого или широкого рассечения тканей, разнообразных уточняющих манипуляций хирургическим инструментом и других ошибок, связанных с определением места расположения внедренной неоднородности, является нередкой причиной операционного травматизма и тяжелых послеоперационных осложнений.The complexity of localizing ferromagnetic heterogeneity near important organs, vessels, and nerves of a person, its displacement due to tissue mobility both before and during the operation put even an experienced surgeon in a difficult position. Therefore, without special diagnostic equipment, a surgical intervention, no matter how well prepared, due to unreasonably deep or wide dissection of tissues, various specifying manipulations with a surgical instrument and other errors associated with determining the location of an embedded heterogeneity, is a frequent cause of surgical injury and severe postoperative complications .

Одно из наиболее перспективных видов специальной диагностики является феррозондовая [Пудов В.И., Реутов Ю.Я., Корзунин Г.С., Коротких С.А. Локализация и удаление инородных ферромагнитных тел с помощью феррозондового полюсоискателя ПФ-02. - Медицинская техника, 1996, №6, с.28-33], позволяющая проводить операции, где процент извлекаемости ферромагнитной неоднородности во много раз выше, чем при традиционных методах.One of the most promising types of special diagnostics is flux-gate [Pudov V.I., Reutov Yu.Ya., Korzunin G.S., Korotkikh S.A. Localization and removal of foreign ferromagnetic bodies using a PF-02 flux-gate pole detector. - Medical technology, 1996, No. 6, p. 28-33], which allows operations where the recoverability of ferromagnetic heterogeneity is many times higher than with traditional methods.

Однако существующие конструкции феррозондовых датчиков не позволяют повысить эффективность использования феррозондовой диагностики для ряда операций, например при детских операциях, связанных с локализацией мелких ферромагнитных неоднородностей или при их локализации в глазной полости, в орбите глаза, то есть на малом операционном поле и т.д. Такого рода операции требуют создания особых конструкций феррозондовых устройств - малых по размеру, но в то же время имеющих высокую чувствительность рабочих элементов.However, the existing designs of flux-gate sensors do not allow increasing the efficiency of flux-gate diagnostics for a number of operations, for example, in pediatric operations related to the localization of small ferromagnetic inhomogeneities or when they are localized in the eye cavity, in the orbit of the eye, that is, in a small surgical field, etc. Such operations require the creation of special designs of flux-gate devices - small in size, but at the same time having high sensitivity of the working elements.

Для решения данной проблемы предложен новый вид устройства, в основе которого лежит феррозондовый принцип действия.To solve this problem, a new type of device is proposed, which is based on the flux-gate principle of operation.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому результату и взятому за прототип является известное устройство для локализации инородного ферромагнитного тела в тканях и органах человека [Пудов В.И., Реутов Ю.Я., Коротких С.А. Патент RU №2132639. Бюл. изобр. 1999, №19, II ч.].The closest to the claimed device in technical essence and the achieved result and taken as a prototype is a known device for localizing a foreign ferromagnetic body in human tissues and organs [Pudov V.I., Reutov Yu.Ya., Korotkikh S.A. Patent RU No. 2132639. Bull. fig. 1999, No. 19, II hour].

Устройство выполнено в виде феррозондового датчика, содержащего ручку и металлический немагнитный защитный корпус, в котором установлены на немагнитной панели в одной плоскости ортогонально продольной оси датчика параллельно друг другу два чувствительных элемента, состоящие из пермаллоевых сердечников и катушек, обмотки которых соединены между собой градиентометрически и выполняют функции обмоток возбуждения и измерительной.The device is made in the form of a flux-gate sensor containing a handle and a metal non-magnetic protective case, in which two sensitive elements consisting of permalloy cores and coils, the windings of which are interconnected gradiometrically and are mounted on the non-magnetic panel in the same plane as the orthogonal longitudinal axis of the sensor excitation and measuring winding functions.

В этом случае локализация ферромагнитных неоднородностей осуществляется по их магнитному полю рассеяния, образовавшегося в результате формирования остаточной намагниченности материала, которая большей частью не превышает величины напряженности магнитного поля Земли ≅40 А/м.In this case, the localization of ferromagnetic inhomogeneities is carried out by their magnetic scattering field, which is formed as a result of the formation of the residual magnetization of the material, which for the most part does not exceed the magnitude of the Earth’s magnetic field ≅40 A / m.

Поэтому основной недостаток известного устройства связан с ограничением локализации ряда ферромагнитных неоднородностей, в частности мелких по размеру, слабомагнитных и т.д.Therefore, the main disadvantage of the known device is associated with the limited localization of a number of ferromagnetic inhomogeneities, in particular small ones, weakly magnetic, etc.

Конструкционные особенности данного устройства не позволяют радикально увеличить его чувствительность, что снижает с возрастанием расстояния до неоднородности достоверность и точность ее локализации.The structural features of this device do not allow a radical increase in its sensitivity, which reduces the reliability and accuracy of its localization with increasing distance to heterogeneity.

В основу изобретения положена задача повышения эффективности диагностики внедренной в немагнитные среды ферромагнитной неоднородности путем создания комплексного феррозондового устройства, обеспечивающего значительное повышение достоверности и точности ее локализации, в том числе небольшой по размерам или слабомагнитной.The basis of the invention is the task of increasing the efficiency of diagnostics of ferromagnetic heterogeneity embedded in non-magnetic media by creating a complex flux-gate device that provides a significant increase in the reliability and accuracy of its localization, including small or weakly magnetic ones.

Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве, содержащем ручку и металлический немагнитный защитный корпус, в котором установлены на немагнитной панели в одной плоскости ортогонально его продольной оси параллельно друг другу два чувствительных элемента, состоящие из пермаллоевых сердечников и катушек, обмотки которых соединены между собой градиентометрически и выполняют функции обмоток возбуждения и измерительной, согласно изобретению между чувствительными элементами установлена намагничивающая катушка. При этом:The problem is solved in that in the known device containing a pen and a metal non-magnetic protective casing, in which two sensitive elements consisting of permalloy cores and coils, the windings of which are interconnected, are mounted on a non-magnetic panel in the same plane orthogonal to its longitudinal axis, parallel to each other according to the invention, a magnetizing coil is installed between the sensing elements. Wherein:

- дополнительно установлена ортогонально первой паре чувствительных элементов вторая пара чувствительных элементов, состоящая из пермаллоевых сердечников и катушек, обмотки которых соединены между собой градиентометрически и выполняют функции обмоток возбуждения и измерительной;- additionally installed orthogonally to the first pair of sensing elements, the second pair of sensing elements, consisting of permalloy cores and coils, the windings of which are connected gradiometrically and perform the functions of excitation and measuring windings;

- намагничивающая катушка выполнена на ферритовых кольцах.- the magnetizing coil is made on ferrite rings.

Снабжение заявляемого устройства намагничивающей катушкой повысило достоверность и точность локализации ферромагнитной неоднородности за счет возможности ее локального намагничивания и, как следствие, увеличения величины ее магнитного поля рассеяния до уровня восприятия чувствительными элементами устройства, при этом обеспечило возможность осуществления двойного контроля неоднородности за счет работающей в разных режимах возбуждения намагничивающей катушки и установления чувствительных элементов устройства с обзором на ±180°, а также существенно расширило функциональные возможности устройства за счет увеличения областей для его практического использования и расширения номенклатуры контролируемой неоднородности.The supply of the claimed device with a magnetizing coil increased the reliability and accuracy of localization of the ferromagnetic heterogeneity due to the possibility of its local magnetization and, as a result, the increase of its magnetic scattering field to the level of perception by the sensitive elements of the device, while providing the possibility of double monitoring of the heterogeneity due to operating in different modes excitation of the magnetizing coil and the establishment of sensitive elements of the device with an overview of ± 180 °, and also significantly expanded the functionality of the device by expanding areas for its practical use and expanding the range of controlled heterogeneity.

На чертеже представлено в разных вариантах заявляемое устройство: а - для оперативной хирургии; б - для ферритометрии, неразрушающего контроля материалов.The drawing shows in different embodiments the claimed device: a - for surgical surgery; b - for ferritometry, non-destructive testing of materials.

Устройство выполнено в виде комплексного феррозондового преобразователя магнитного поля, содержащего ручку 1, металлический немагнитный защитный корпус 2, в котором установлены на немагнитной панели 3 в одной плоскости ортогонально его продольной оси параллельно друг другу два чувствительных элемента 4, 4', состоящие из пермаллоевых сердечников и катушек, обмотки которых соединены между собой градиентометрически и выполняют функции обмоток возбуждения и измерительной, при этом между чувствительными элементами 4, 4' установлена намагничивающая катушка 5, выполненная на ферритовых кольцах 6 (для снижения ее размеров и увеличения величины электромагнитного поля) и дополнительно установлена ортогонально первой паре чувствительных элементов 4, 4' вторая пара 7, 7', состоящая из пермаллоевых сердечников и катушек, обмотки которых соединены между собой градиентометрически и выполняют функции обмоток возбуждения и измерительной.The device is made in the form of a complex flux-gate magnetic field transducer containing a pen 1, a metal non-magnetic protective casing 2, in which two sensitive elements 4, 4 ', consisting of permalloy cores and installed on the non-magnetic panel 3 in the same plane orthogonal to its longitudinal axis coils, the windings of which are connected gradiometrically and perform the functions of excitation and measuring windings, while a magnetization is installed between the sensing elements 4, 4 ' the coil 5, made on ferrite rings 6 (to reduce its size and increase the magnitude of the electromagnetic field) and is additionally installed orthogonal to the first pair of sensitive elements 4, 4 ', the second pair 7, 7', consisting of permalloy cores and coils, the windings of which are connected between themselves gradiometric and perform the functions of field windings and measuring.

В качестве примера в устройстве использованы чувствительные элементы с рабочими параметрами 2×0,6 мм и 1,8×0,5 мм.As an example, the device uses sensitive elements with operating parameters of 2 × 0.6 mm and 1.8 × 0.5 mm.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

При прохождении по обмоткам намагничивающей катушки 5 переменного тока заданной частоты (от генератора блока питания прибора) создается переменное электромагнитное поле, которое, воздействуя на ферромагнитный материал неоднородности, вызывает в нем вихревые токи. Они формируют вторичное электромагнитное поле, магнитная составляющая которого уже в зависимости от геометрической формы неоднородности определенным образом намагничивает ее материал. В результате чего вокруг неоднородности образуется достаточно сильное магнитное поле рассеяния по сравнению с полем при остаточной намагниченности материала. В феррозондовом преобразователе при прохождении по обмоткам возбуждения его чувствительных элементов 4, 4' и 7, 7', переменного тока с частой 50 Гц (от генераторов возбуждения) создается переменное магнитное поле, которое периодически доводит сердечники чувствительных элементов 4, 4' и 7, 7' до насыщения. В отсутствие ферромагнитной неоднородности малые величины ЭДС, наводимые в измерительных обмотках чувствительных элементов 4, 4' и 7, 7' от воздействия магнитного поля намагничивающей катушки 5, взаимно компенсируются, поскольку элементы работают по схеме градиентометра, и выходные сигналы, фиксируемые индикаторами прибора, будут отсутствовать. Причем на первую пару 4, 4' и вторую пару 7, 7' чувствительных элементов, установленных ортогонально друг к другу (±180° контроля) и к силовым линиям магнитного поля намагничивающей катушки 5, действуют только малые его величины, которые компенсируются, не снижая чувствительности элементов 4, 4' и 7, 7' даже к небольшой по размерам ферромагнитной неоднородности. При поднесении рабочего конца устройства к зоне расположения максимально намагниченной неоднородности ее магнитное поле рассеяния будет воздействовать на чувствительные элементы 4 и 7, в результате этого в их измерительных обмотках появится ЭДС, отличающаяся от чувствительных элементов 4' и 7'. Разницы величин ЭДС, передаваемые в виде выходных сигналов на индикаторы прибора, информируют об обнаружении неоднородности и позволяют установить ее форму и ориентацию относительно рабочего конца устройства. В физическом смысле данные величины ЭДС являются мерой продольных градиентов нормальной и тангенциальной компонент магнитного поля рассеяния ферромагнитной неоднородности, направленных относительно продольной оси устройства.When passing through the windings of a magnetizing coil 5 of an alternating current of a given frequency (from the generator of the device’s power supply unit), an alternating electromagnetic field is created, which, acting on the ferromagnetic material of the inhomogeneity, causes eddy currents in it. They form a secondary electromagnetic field, the magnetic component of which, depending on the geometric shape of the inhomogeneity, magnetizes its material in a certain way. As a result, a rather strong magnetic field of scattering is formed around the inhomogeneity in comparison with the field with residual magnetization of the material. When passing through the field windings of its sensitive elements 4, 4 'and 7, 7', an alternating current with a frequency of 50 Hz (from excitation generators) creates an alternating magnetic field in the flux-gate transducer, which periodically brings the cores of the sensitive elements 4, 4 'and 7, 7 'to saturation. In the absence of ferromagnetic inhomogeneity, small EMF values induced in the measuring windings of the sensitive elements 4, 4 'and 7, 7' from the action of the magnetic field of the magnetizing coil 5 are mutually compensated, since the elements work according to the gradiometer circuit, and the output signals recorded by the instrument indicators will be absent. Moreover, on the first pair 4, 4 'and the second pair 7, 7' of sensing elements installed orthogonally to each other (± 180 ° of control) and to the magnetic field lines of the magnetizing coil 5, only its small values act, which are compensated without decreasing the sensitivity of the elements 4, 4 'and 7, 7' even to a small-sized ferromagnetic inhomogeneity. When the working end of the device is brought up to the zone of the location of the maximum magnetized inhomogeneity, its magnetic scattering field will affect the sensitive elements 4 and 7, as a result of which an emf will appear in their measuring windings, which differs from the sensitive elements 4 'and 7'. Differences in the magnitude of the EMF transmitted in the form of output signals to the indicators of the device inform about the detection of heterogeneity and allow you to set its shape and orientation relative to the working end of the device. In the physical sense, these values of the EMF are a measure of the longitudinal gradients of the normal and tangential components of the magnetic field of scattering of the ferromagnetic heterogeneity, directed relative to the longitudinal axis of the device.

При необходимости устройство может также работает в режиме возбуждения обмотки намагничивающей катушки 5 постоянным током. Причем в этом режиме можно дополнительно перепроверять результаты локализации ферромагнитной неоднородности, путем временного отключения намагничивающей катушки 5 и исследования неоднородности уже при приобретенной ею в этот момент намагниченности, величина которой значительно выше, чем при сформировавшейся остаточной намагниченности неоднородности, но меньше, чем при ее максимальном намагничивании.If necessary, the device can also work in the excitation mode of the winding of the magnetizing coil 5 with direct current. Moreover, in this mode, it is possible to additionally double-check the results of localization of the ferromagnetic heterogeneity by temporarily turning off the magnetizing coil 5 and investigating the heterogeneity even with the magnetization acquired at that moment, the magnitude of which is much higher than with the formed residual magnetization of the inhomogeneity, but less than with its maximum magnetization .

Таким образом, заявляемое устройство позволяет на качественно новом уровне повысить эффективность диагностики ферромагнитной неоднородности при оперативной хирургии, ферритометрии, неразрушающем контроле материалов. Благодаря предложенной комплексной конструкции устройства значительно увеличивается достоверность и точность локализации ферромагнитной неоднородности, в том числе небольшой по размеру или слабомагнитной, за счет возможности локального намагничивания неоднородности и, как следствие, увеличения величины ее магнитного поля рассеяния до уровня восприятия чувствительными элементами устройства, а также осуществления ее двойного контроля при ±180° сфере обзора. Приобретение устройством новых функциональных возможностей позволило существенно расширить области для его практического использования и диапазон номенклатуры контролируемой неоднородности.Thus, the claimed device allows at a qualitatively new level to increase the efficiency of diagnosis of ferromagnetic heterogeneity in surgical surgery, ferritometry, non-destructive testing of materials. Thanks to the proposed complex design of the device, the reliability and accuracy of localization of ferromagnetic heterogeneity, including small or weakly magnetic ones, is significantly increased due to the possibility of local magnetization of the heterogeneity and, as a result, an increase in its magnetic scattering field to the level of perception by sensitive elements of the device, as well as dual control at ± 180 ° field of view. The acquisition of new functional capabilities by the device made it possible to significantly expand the areas for its practical use and the range of controlled heterogeneity nomenclature.

Claims

1. A device for the localization of ferromagnetic heterogeneity in non-magnetic media, containing a flux-gate transducer, including a metal non-magnetic protective casing, in which two sensing elements consisting of permalloy cores and coils are mounted on a non-magnetic panel in one plane orthogonal to its longitudinal axis parallel to each other whose windings are interconnected gradiometrically and perform the functions of excitation and measuring windings, with the possibility of their connection to the generator excitation of alternating current, characterized in that a magnetizing coil is installed between the sensitive elements with the possibility of its connection to the generator of the power supply.

2. The device according to claim 1, characterized in that it is additionally installed orthogonally to the first pair of sensing elements, the second pair of sensing elements, consisting of permalloy cores and coils, the windings of which are connected gradiometrically and perform the functions of excitation and measuring windings, with the possibility of connecting them to an alternating current excitation generator.

3. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the magnetizing coil is made on ferrite rings.