RU2806338C2 - Implantable pressure sensor, system and method for pressure measuring - Google Patents
Implantable pressure sensor, system and method for pressure measuring Download PDFInfo
- Publication number
- RU2806338C2 RU2806338C2 RU2021101006A RU2021101006A RU2806338C2 RU 2806338 C2 RU2806338 C2 RU 2806338C2 RU 2021101006 A RU2021101006 A RU 2021101006A RU 2021101006 A RU2021101006 A RU 2021101006A RU 2806338 C2 RU2806338 C2 RU 2806338C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- chamber
- membrane
- permanent magnet
- pressure sensor
- pressure
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates
Данное изобретение относится к измерению давления и, в частности, к использованию удаленного и пассивного датчика давления, например имплантируемого датчика давления.This invention relates to pressure measurement and, in particular, to the use of a remote and passive pressure sensor, such as an implantable pressure sensor.
Уровень техникиState of the art
Измерение давления крови важно в медицине.Measuring blood pressure is important in medicine.
В последние десятилетия, например, измерение артериального давления в коронарных артериях проводным способом стало важным инструментом для оценки тяжести стеноза, например, при процедуре фракционного резерва кровотока, (FFR, англ. fractional flow reserve). Это включает в себя коронарную катетеризацию, во время которой катетер вводится в бедренную (паховая область) или в лучевую (запястье) артерии с помощью интродьюсера и проволочного направителя. При FFR используется маленький датчик на конце провода для измерения давления, температуры и потока, чтобы точно определить тяжесть поражения. Это делается во время максимального кровотока (гиперемии), который можно вызвать путем инъекции подходящих фармацевтических препаратов.In recent decades, for example, wire-based blood pressure measurements in the coronary arteries have become an important tool for assessing the severity of stenosis, such as in fractional flow reserve (FFR) procedures. This involves coronary catheterization, during which a catheter is inserted into the femoral (groin) or radial (wrist) artery using an introducer sheath and guide wire. FFR uses a small sensor at the end of a wire to measure pressure, temperature and flow to accurately determine the severity of the lesion. This is done at a time of maximum blood flow (hyperemia), which can be induced by injecting suitable pharmaceuticals.
Также были предложены и коммерчески внедрены имплантируемые легочные датчики давления для измерения давления в правом отделе сердца.Implantable pulmonary pressure sensors have also been proposed and commercialized to measure right heart pressure.
Основная проблема процедуры FFR - отсутствие действительного беспроводного решения, способствующего быстрому рабочему процессу. Кроме того, хотелось бы иметь более одного датчика на проволочном направителе, и было бы полезно, если бы имелась возможность точной локализации датчиков.The main problem with the FFR procedure is the lack of a true wireless solution to facilitate a fast workflow. In addition, it would be desirable to have more than one sensor on the guidewire, and it would be useful if it were possible to accurately localize the sensors.
В случае других применений, например, для мониторинга давления при аневризмах, достаточно маленького беспроводного технического решения также пока нет.For other applications, such as pressure monitoring in aneurysms, a small wireless solution is not yet available.
Один из беспроводных подходов включает в себя использование индукционных катушек как части имплантируемого датчика для установления связи с внешним контроллером. Эти катушки должны иметь диаметр около 1 мм, и по этой причине они слишком велики для некоторых типов доставки и мест имплантации.One wireless approach involves using induction coils as part of an implantable sensor to communicate with an external controller. These coils must have a diameter of about 1 mm and for this reason they are too large for some types of delivery and implantation sites.
Также были предложены датчики на основе ультразвука, но они не работают во всех частях тела (например, в легких), и для считывания данных необходим прямой контакт с кожей, что часто не реализуемо на практике.Ultrasound-based sensors have also been proposed, but they do not work in all parts of the body (for example, in the lungs), and reading data requires direct contact with the skin, which is often not feasible in practice.
В статье И Лим Тан (Ее Lim Tan) и др., «Разработка, изготовление и реализация беспроводного пассивного имплантируемого датчика давления на основе магнитных гармонических полей высокого порядка (Design, Fabrication, and Implementation of a Wireless Passive Implantable Pressure Sensor Based on Magnetic Higher-Order Harmonic Fields)», Биодатчики, 2011, 1, 134-152, ISSN 2079-6374, раскрывается датчик давления, использующий магнитомягкий материал и полоску из постоянных магнитов для создания магнитной сигнатуры, которая зависит от разделения двух элементов. Разделение изменяется за счет воспринимаемого давления. Это создает слабый сигнал (в результате фактора размагничивания) и, следовательно, его сложно миниатюризировать.In the article by Yi Lim Tan et al., “Design, Fabrication, and Implementation of a Wireless Passive Implantable Pressure Sensor Based on Magnetic Higher” -Order Harmonic Fields," Biosensors, 2011, 1, 134-152, ISSN 2079-6374, discloses a pressure sensor that uses a soft magnetic material and a strip of permanent magnets to create a magnetic signature that depends on the separation of two elements. Separation is modified by perceived pressure. This creates a weak signal (as a result of the demagnetization factor) and is therefore difficult to miniaturize.
Остается потребность в миниатюрном беспроводном решении для удаленного пассивного измерения давления.There remains a need for a miniaturized wireless solution for remote passive pressure measurement.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Изобретение определяется формулой изобретения.The invention is defined by the claims.
Согласно примерам, соответствующим одному из аспектов изобретения, обеспечен беспроводной датчик давления, содержащий:According to examples in accordance with one aspect of the invention, there is provided a wireless pressure sensor comprising:
закрытую камеру, содержащую по меньшей мере одну мембрану, образующую часть внешней стенки камеры;a closed chamber containing at least one membrane forming part of the outer wall of the chamber;
первый постоянный магнит, расположенный внутри камеры и соединенный по меньшей мере с одной мембраной; иa first permanent magnet located inside the chamber and connected to at least one membrane; And
второй постоянный магнит, расположенный внутри камеры,a second permanent magnet located inside the chamber,
причем по меньшей мере один из первого и второго постоянных магнитов выполнен с возможностью совершать вращательное движение вокруг оси вращения, при этом по меньшей мере часть магнитного момента ориентирована перпендикулярно оси вращения.wherein at least one of the first and second permanent magnets is configured to perform rotational motion around the axis of rotation, with at least a portion of the magnetic moment oriented perpendicular to the axis of rotation.
Этот датчик давления содержит два постоянных магнита, при этом по меньшей мере один является подвижным, чтобы совершать вращение. Расстояние разделения между двумя постоянными магнитами является функцией внешнего давления (т.е. внешнего относительно камеры), так как это деформирует мембрану, которая, в свою очередь, перемещает два постоянных магнита относительно друг друга. Может иметься только одна мембрана, с которой соединен первый постоянный магнит, но вместо этого могут иметься две мембраны, каждая из которых соединена с соответствующим постоянным магнитом.This pressure sensor contains two permanent magnets, at least one of which is movable to rotate. The separation distance between two permanent magnets is a function of external pressure (i.e. external to the chamber), as this deforms the membrane, which in turn moves the two permanent magnets relative to each other. There may be only one membrane to which the first permanent magnet is connected, but instead there may be two membranes, each of which is connected to a corresponding permanent magnet.
Во всех случаях расстояние разделения изменяется из-за отклонения мембран, и это влияет на способ взаимодействия их магнитных полей и, следовательно, влияет на магнитомеханическую резонансную частоту. Таким образом, давление можно измерять на основании компонентов резонансной частоты в регистрируемом магнитном поле, в частности, вызванном вращательными колебательными движениями незакрепленного постоянного магнита.In all cases, the separation distance changes due to the deflection of the membranes, and this affects the way their magnetic fields interact and therefore affects the magnetomechanical resonant frequency. Thus, pressure can be measured based on the resonant frequency components in the detected magnetic field, in particular caused by the rotational oscillatory movements of a loose permanent magnet.
Этот подход к измерению, основанный на вращательных колебаниях, обеспечивает работу с высокой чувствительностью, а также позволяет миниатюризировать датчик, например, для применения в качестве имплантируемого датчика с дистанционным считыванием данных.This rotational sensing approach allows for high sensitivity performance and also allows for miniaturization of the sensor, for example for use as an implantable sensor with remote sensing.
В одной из компоновок один из первого и второго постоянных магнитов может совершать вращательное движение, а другой из первого и второго постоянных магнитов неподвижен. Это означает, что имеется только одна подвижная деталь. Однако предусмотрена возможность перемещения обоих постоянных магнитов, при этом результирующее влияние на генерируемое магнитное поле по-прежнему будет регистрируемым.In one arrangement, one of the first and second permanent magnets is rotatable and the other of the first and second permanent magnets is stationary. This means that there is only one moving part. However, it is possible to move both permanent magnets and the resulting effect on the generated magnetic field will still be detectable.
Два постоянных магнита выравниваются, при этом, например, их полюса являются противоположно направленными, а именно - в стабильном состоянии, которое затем нарушается внешним полем. Это означает, что два магнита притягиваются друг к другу.Two permanent magnets are aligned, with their poles, for example, in opposite directions, namely in a stable state, which is then disturbed by an external field. This means that two magnets are attracted to each other.
Подвижный постоянный магнит совершает вращательные колебания в магнитном поле другого постоянного магнита. Местное магнитное поле зависит от близости магнитов, что затем определяет резонансную частоту колебаний.A moving permanent magnet performs rotational oscillations in the magnetic field of another permanent magnet. The local magnetic field depends on the proximity of the magnets, which then determines the resonant frequency of the oscillations.
Отметим, что этот датчик давления - только удаленная часть всей системы. Возбуждение с резонансом и считывание осуществляется отдельным удаленным устройством.Note that this pressure sensor is only a remote part of the entire system. Excitation with resonance and readout is carried out by a separate remote device.
Мембрана, например, выполнена из эластомера или структурированного металлического листа. В ответ на внешнее давление она деформируется, изменяя расстояние разделения.The membrane is, for example, made of an elastomer or a structured metal sheet. In response to external pressure, it deforms, changing the separation distance.
Камера может быть цилиндром, при этом мембрана образует один торец цилиндра, или мембрана может находиться на каждом торце цилиндра.The chamber may be a cylinder, with the membrane forming one end of the cylinder, or the membrane may be at each end of the cylinder.
Цилиндр особенно подходит для миниатюрного датчика, например, для прохождения по каналу, такому как кровеносный сосуд.The barrel is particularly suitable for a miniature sensor, for example for passing through a channel such as a blood vessel.
Указанный по меньшей мере один из первого и второго постоянных магнитов может иметь осесимметричную форму, такую как сфера или цилиндр. Таким образом, вращение не вызывает физической вибрации. Оба постоянных магнита могут иметь одинаковую форму или они могут различаться. Сферический магнит является предпочтительным, поскольку его легко изготовить с требуемыми размерами и допусками.Said at least one of the first and second permanent magnets may have an axisymmetric shape, such as a sphere or a cylinder. Thus, rotation does not cause physical vibration. Both permanent magnets may have the same shape, or they may differ. A spherical magnet is preferred because it is easy to manufacture to the required dimensions and tolerances.
Внутрь цилиндра указанный по меньшей мере один из первого и второго постоянных магнитов вставлен с окружением пространством, так что он колеблется в пространстве без фрикционного контакта с поверхностью. По меньшей мере один из первого и второго постоянных магнитов вынужден вращаться из-за сил притяжения между двумя магнитами. Таким образом, движение постоянных магнитов не требует, чтобы датчик занимал дополнительное пространство.Inside the cylinder, said at least one of the first and second permanent magnets is inserted surrounded by space so that it oscillates in space without frictional contact with the surface. At least one of the first and second permanent magnets is forced to rotate due to attractive forces between the two magnets. Thus, the movement of the permanent magnets does not require the sensor to take up additional space.
Второй постоянный магнит, например, соединен с камерой посредством жесткого соединения, а первый постоянный магнит соединен с мембраной посредством проволоки или нити.The second permanent magnet is, for example, connected to the chamber by means of a rigid connection, and the first permanent magnet is connected to the membrane by means of a wire or thread.
Эта проволока или нить, например, за счет магнитной силы притяжения удерживается натянутой между двумя постоянными магнитами. Эта сила, например, на один или более порядков больше, чем сила тяжести. Таким образом, датчик может работать в любой ориентации. Проволока или нить будут удерживаться под растягивающей нагрузкой магнитными силами. Эти силы также центрируют по меньшей мере один из первого и второго постоянных магнитов и, таким образом, обеспечивают вращение вокруг неподвижной оси.This wire or thread, for example, is held taut between two permanent magnets by a magnetic force of attraction. This force is, for example, one or more orders of magnitude greater than the force of gravity. Thus, the sensor can operate in any orientation. The wire or thread will be held under tensile load by magnetic forces. These forces also center at least one of the first and second permanent magnets and thus cause rotation about a fixed axis.
Первый постоянный магнит, например, приклеен внутрь цилиндра, тогда как второй постоянный магнит подвешен на проволоке или нити. Проволока или нить обеспечивает фиксированное расстояние между мембраной и вторым постоянным магнитом, потому что она остается натянутой, но может закручиваться, чтобы обеспечивать резонансные колебания. Отметим, что в альтернативной компоновке постоянный магнит, связанный с мембраной, может быть неподвижным, а постоянный магнит, связанный с камерой, может свободно вращаться.The first permanent magnet, for example, is glued inside a cylinder, while the second permanent magnet is suspended from a wire or thread. The wire or thread provides a fixed distance between the membrane and the second permanent magnet because it remains taut but can twist to produce resonant vibrations. Note that in an alternative arrangement, the permanent magnet associated with the membrane may be stationary and the permanent magnet associated with the chamber may be free to rotate.
Датчик, например, имеет внешнюю форму, обеспечивающую возможность его установки в цилиндр с диаметром 1 мм, например, с диаметром 0,5 мм, например, с диаметром 0,3 мм.The sensor, for example, has an external shape that allows it to be installed in a cylinder with a diameter of 1 mm, for example with a diameter of 0.5 mm, for example with a diameter of 0.3 mm.
Такие уровни миниатюризации делают устройство особенно подходящим для имплантации в тело.These levels of miniaturization make the device particularly suitable for implantation into the body.
Изобретение также обеспечивает систему измерения давления, содержащую:The invention also provides a pressure measurement system comprising:
датчик давления, как раскрыто выше;a pressure sensor as disclosed above;
компоновку катушек возбуждения для беспроводного индуцирования резонансных вращательных колебаний по меньшей мере одного из первого и второго постоянных магнитов путем генерирования магнитного поля.arranging field coils to wirelessly induce resonant rotational oscillations of at least one of the first and second permanent magnets by generating a magnetic field.
Общая система имеет систему внешнего возбуждения. Она может представлять собой катушку, окружающую датчик давления (например, окружающую часть тела пациента, в которую имплантирован датчик давления), или просто размещаемую на теле, или катушки для размещения с каждой стороны датчика давления. Местоположение имплантированного датчика давления может быть определено, например, посредством рентгеновского излучения, но вместо этого оно может быть определено на основании самого измерения.The general system has an external excitation system. It may be a coil surrounding the pressure sensor (eg, surrounding the part of the patient's body in which the pressure sensor is implanted), or simply placed on the body, or coils to be placed on each side of the pressure sensor. The location of the implanted pressure sensor may be determined, for example, by x-rays, but may instead be determined based on the measurement itself.
Внешняя катушка (или катушки) генерирует осциллирующие магнитные поля с низкой напряженностью для возбуждения вращательных механических колебаний.An external coil (or coils) generates low-strength oscillating magnetic fields to excite rotary mechanical vibrations.
Система может дополнительно содержать контроллер, выполненный с возможностью:The system may further comprise a controller configured to:
управления компоновкой катушек возбуждения для индуцирования и поддержания резонансных колебаний другого магнита из первого и второго постоянных магнитов; иcontrolling the arrangement of the field coils to induce and maintain resonant oscillations of another magnet from the first and second permanent magnets; And
измерения магнитного поля, изменяемого резонансными колебаниями.measurements of a magnetic field modified by resonant oscillations.
Таким образом, можно обнаруживать резонансные колебания, при этом их частота коррелирует с воспринимаемым давлением.In this way, resonant oscillations can be detected, with their frequency being correlated with the perceived pressure.
Контроллер может быть выполнен с возможностью управления компоновкой катушек возбуждения, чтобы индуцировать и поддерживать резонансные колебания за счет применения прерывистого внешнего магнитного поля.The controller may be configured to control the arrangement of the drive coils to induce and maintain resonant oscillations through the application of an intermittent external magnetic field.
Таким образом, резонансные колебания поддерживают, чтобы преодолевать фрикционные и другие потери, которые в противном случае гасили бы колебания.In this way, resonant oscillations are maintained to overcome frictional and other losses that would otherwise dampen the oscillations.
Контроллер может быть выполнен с возможностью измерения магнитного поля между активными периодами прерывистого внешнего поля, или во время активных периодов прерывистого внешнего поля, или во время непрерывного внешнего поля. Таким образом, может иметь место повторяющаяся последовательность возбуждения и измерения или же одновременное возбуждение и измерение.The controller may be configured to measure the magnetic field between active periods of an intermittent external field, or during active periods of an intermittent external field, or during a continuous external field. Thus, there may be a repeated sequence of excitation and measurement, or simultaneous excitation and measurement.
Компоновка катушек возбуждения может содержать по меньшей мере 3 неколлинеарные катушки для индуцирования и поддержания резонансных колебаний и по меньшей мере 3 неколлинеарные катушки для измерения магнитного поля. Таким образом, использование множества катушек гарантирует, что допустимой может быть любая ориентация датчика давления относительно поля возбуждения.The drive coil arrangement may comprise at least 3 non-collinear coils for inducing and maintaining resonant oscillations and at least 3 non-collinear coils for measuring the magnetic field. Thus, the use of multiple coils ensures that any orientation of the pressure sensor relative to the excitation field can be valid.
Контроллер может быть выполнен с возможностью использования одной и той же катушки или одних и тех же катушек для индуцирования резонансных колебаний, что и для измерения магнитного поля. Это обеспечивает низкую стоимость комплекта оборудования. Конечно, при необходимости можно использовать отдельные катушки.The controller may be configured to use the same coil or coils for inducing resonant oscillations as for measuring the magnetic field. This ensures a low cost of the equipment set. Of course, you can use separate coils if necessary.
Система может содержать множество датчиков давления, каждый с разными резонансными частотами.The system may contain multiple pressure sensors, each with different resonant frequencies.
Они могут использоваться для измерения давления в нескольких местах, и различные места могут быть идентифицированы на основе известного диапазона резонансных частот, которые они создают.They can be used to measure pressure at multiple locations, and different locations can be identified based on the known range of resonant frequencies they produce.
Изобретение также обеспечивает систему катетера или проволочного направителя, содержащую:The invention also provides a catheter or guidewire system comprising:
катетер или проволочный направитель; иcatheter or guide wire; And
систему, как раскрыто выше, в которой на катетере или проволочном направителе предусмотрен датчик давления.a system as disclosed above, in which a pressure sensor is provided on the catheter or guidewire.
Может иметься один датчик давления, расположенный на конце, или может быть иметься множество датчиков давления, расположенных вдоль катетера или проволочного направителя.There may be a single pressure sensor located at the tip, or there may be multiple pressure sensors located along the catheter or guide wire.
Изобретение также обеспечивает способ измерения давления, включающий в себя следующее:The invention also provides a method for measuring pressure, including the following:
используют компоновку катушек возбуждения, чтобы беспроводным образом возбуждать в датчике давления резонансные колебания, причем датчик давления содержит:use a drive coil arrangement to wirelessly excite resonant oscillations in the pressure sensor, the pressure sensor comprising:
закрытую камеру, содержащую по меньшей мере одну мембрану, образующую часть внешней стенки камеры;a closed chamber containing at least one membrane forming part of the outer wall of the chamber;
первый постоянный магнит, расположенный внутри камеры и соединенный по меньшей мере с одной мембраной;a first permanent magnet located inside the chamber and connected to at least one membrane;
второй постоянный магнит, расположенный внутри камеры, причем по меньшей мере один из первого и второго постоянных магнитов может совершать вращательное движение вокруг оси вращения, при этом по меньшей мере часть магнитного момента ориентирована перпендикулярно оси вращения, один из постоянных магнитов является возбуждаемым в резонансные колебания;a second permanent magnet located inside the chamber, wherein at least one of the first and second permanent magnets can perform rotational motion around the axis of rotation, with at least part of the magnetic moment oriented perpendicular to the axis of rotation, one of the permanent magnets being excited into resonant oscillations;
измеряют магнитное поле, изменяемое резонансными колебаниями; и определяют давление по частоте изменения измеряемого магнитного поля.measure the magnetic field changed by resonant oscillations; and determine the pressure based on the frequency of changes in the measured magnetic field.
Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны и объяснены со ссылкой на вариант (варианты) осуществления, раскрываемые ниже.These and other aspects of the invention will be apparent and explained with reference to the embodiment(s) disclosed below.
Краткое описание чертежейBrief description of drawings
Для лучшего понимания изобретения и более ясного представления того, как его можно реализовать на практике, рассмотрим теперь, только в качестве примера, прилагаемые чертежи, на которых:For a better understanding of the invention and a clearer idea of how it may be put into practice, let us now consider, by way of example only, the accompanying drawings, in which:
на фиг.1 показана система измерения давления;Fig. 1 shows a pressure measurement system;
на фиг.2 более подробно показан датчик давления;Figure 2 shows the pressure sensor in more detail;
на фиг.3 показано устройство, объединяющее компоновку катушек возбуждения, рентгеновскую систему и стол пациента.Fig. 3 shows a device combining the excitation coil arrangement, the X-ray system and the patient table.
на фиг.4 показан первый пример возможной компоновки катушек возбуждения.Fig. 4 shows a first example of a possible arrangement of field coils.
на фиг.5 показан второй пример возможной компоновки катушек возбуждения.Fig. 5 shows a second example of a possible arrangement of field coils.
на фиг.6 показан третий пример возможной компоновки катушек возбуждения, иFig. 6 shows a third example of a possible arrangement of field coils, and
на фиг.7 показан способ измерения давления.Fig. 7 shows a method for measuring pressure.
Осуществление изобретенияCarrying out the invention
Изобретение будет раскрыто с рассмотрением чертежей.The invention will be disclosed with reference to the drawings.
Следует понимать, что подробное описание и конкретные примеры, раскрывающие примерные варианты осуществления устройства, систем и способов, предназначены только для иллюстративных целей и не предназначены для ограничения объема изобретения. Эти и другие признаки, аспекты и преимущества устройства, систем и способов согласно настоящему изобретению станут более понятными из последующего описания, прилагаемой формулы изобретения и сопроводительных чертежей. Следует понимать, что чертежи являются схематичными и выполнены не в масштабе. Также следует понимать, что одни и те же ссылочные позиции используются на чертежах для обозначения одинаковых или подобных деталей.It should be understood that the detailed description and specific examples disclosing exemplary embodiments of the apparatus, systems and methods are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the invention. These and other features, aspects and advantages of the apparatus, systems and methods of the present invention will become more apparent from the following description, appended claims and accompanying drawings. It should be understood that the drawings are schematic and not to scale. It should also be understood that the same reference numbers are used throughout the drawings to denote the same or similar parts.
Изобретением обеспечен беспроводной датчик давления, содержащий два постоянных магнита. По меньшей мере один может свободно колебаться во вращательном движении. Колебания происходят на резонансной частоте, которая является функцией воспринимаемого давления, влияющего на расстояние между двумя постоянными магнитами. Эту частоту колебаний можно измерить дистанционно.The invention provides a wireless pressure sensor comprising two permanent magnets. At least one is free to oscillate in a rotational motion. The oscillations occur at a resonant frequency, which is a function of the perceived pressure affecting the distance between the two permanent magnets. This vibration frequency can be measured remotely.
На фиг.1 показана система 10 измерения давления, содержащая датчик 20 давления, который воспринимает местное давление. Датчик 20 давления является беспроводным и не требует местного источника питания. Он модулирует генерируемое магнитное поле в зависимости от воспринимаемого давления. В частности, он входит в состояние механического резонансного колебания, вызванного внешним электромагнитным полем, и этот механический резонанс может быть обнаружен по его влиянию на магнитное поле, создаваемое самим датчиком 20. Датчик 20 давления в этом примере находится на конце стержня 21 для медицинского вмешательства, то есть катетера или проволочного направителя. Это может быть каким-либо положением вдоль стержня или, фактически, вдоль стержня может находиться несколько датчиков давления. Вместо этого датчик давления может быть постоянно имплантированным устройством, например, частью агента или медицинской спирали.1 shows a pressure measurement system 10 including a pressure sensor 20 that senses local pressure. The pressure sensor 20 is wireless and does not require a local power source. It modulates the generated magnetic field depending on the perceived pressure. In particular, it enters into a state of mechanical resonance oscillation caused by an external electromagnetic field, and this mechanical resonance can be detected by its effect on the magnetic field generated by the sensor 20 itself. The pressure sensor 20 in this example is located at the end of the medical intervention rod 21, that is, a catheter or guide wire. This could be any position along the rod or, in fact, there could be multiple pressure sensors along the rod. Instead, the pressure sensor may be a permanently implanted device, such as part of an agent or medical coil.
Система 10 имеет компоновку 30 катушек возбуждения для беспроводного создания магнитно-индуцированного механического резонанса.System 10 has a 30 drive coil arrangement for wirelessly generating magnetically induced mechanical resonance.
Компоновка катушек возбуждения может являться одной катушкой (что означает один или множество отдельных витков, но все они расположены параллельно друг другу и вокруг общей оси), или она может быть множеством катушек с параллельной или непараллельной ориентацией.The field coil arrangement may be a single coil (meaning one or many individual turns, but all arranged parallel to each other and around a common axis), or it may be a plurality of coils with parallel or non-parallel orientation.
На фиг.1 схематично показана компоновка 30 катушек возбуждения сбоку от датчика 20 давления. Вместо этого она может окружать датчик давления (например, окружать часть тела пациента, в которую имплантирован датчик давления). Катушек может быть более одной, при этом все катушки расположены и намотаны в одной плоскости, образуя массив. Этот массив катушек может быть размещен под пациентом (например, пациент лежит на плоской конструкции). Однако существует множество способов размещения системы катушек возбуждения. Другой пример - использование катушек, намотанных на магнитомягкие (ферритовые) стержни, расположенные сбоку (по бокам) от пациента.Figure 1 schematically shows the arrangement 30 of excitation coils on the side of the pressure sensor 20. Instead, it may surround the pressure sensor (eg, surround the part of the patient's body in which the pressure sensor is implanted). There can be more than one coil, with all coils located and wound in the same plane, forming an array. This coil array can be placed under the patient (eg, the patient lies on a flat structure). However, there are many ways to arrange the field coil system. Another example is the use of coils wound on soft magnetic (ferrite) rods located at the side(s) of the patient.
Требуемый размер внешней катушки зависит от используемой технологии. Общий диаметр массива плоских катушек может, например, иметь тот же порядок величины, что и максимальное расстояние измерения. Катушки меньшего размера требуют большей мощности и, возможно, приемного усилителя с меньшим шумом. Катушки, в которых используется сердечник из магнитомягкого материала, могут быть намного меньше в диаметре. Например, каждая катушка может иметь диаметр около одной десятой максимального расстояния.The required external coil size depends on the technology used. The overall diameter of the flat coil array may, for example, be of the same order of magnitude as the maximum measurement distance. Smaller coils require more power and possibly a less noisy receiving amplifier. Coils that use a core made of soft magnetic material can be much smaller in diameter. For example, each coil may have a diameter of about one-tenth the maximum distance.
Чтобы активировать компоновку 30 катушек возбуждения для создания переменного электромагнитного поля, используют контроллер 40. Кроме того, контроллер анализирует обнаруженное магнитное поле, в частности, для определения механической резонансной частоты датчика давления, которая зависит от воспринимаемого местного давления.A controller 40 is used to activate the drive coil arrangement 30 to produce an alternating electromagnetic field. In addition, the controller analyzes the detected magnetic field, particularly to determine the mechanical resonant frequency of the pressure sensor, which is dependent on the sensed local pressure.
В типовом (но не единственно возможном) применении датчик 20 давления имплантируют в сосуд 22 или орган субъекта. Чтобы разместить датчик давления в требуемом месте, местоположение можно идентифицировать и отслеживать с помощью систем визуализации, таких как рентген. Компоновку катушек возбуждения можно разместить в соответствующем месте. Альтернативно, датчик давления может быть перемещен в требуемое место на основании регистрации внешней катушкой 30 положения магнитного поля, создаваемого датчиком 20 давления.In a typical (but not the only possible) application, the pressure sensor 20 is implanted into a vessel 22 or organ of a subject. To place the pressure sensor at the desired location, the location can be identified and tracked using imaging systems such as X-ray. The field coil arrangement can be placed in an appropriate location. Alternatively, the pressure sensor may be moved to a desired location based on the external coil 30's detection of the position of the magnetic field generated by the pressure sensor 20.
Контроллер 40 использует внешнюю катушку 30 (или катушки) для генерирования колебательных полей малой напряженности для возбуждения резонанса, а также для поддержания резонансных колебаний. В примере на фиг.1 эта же компоновка катушек возбуждения используется для измерения магнитного поля, изменяемого резонансными колебаниями. Альтернативно можно использовать отдельную катушку или катушки для обнаружения изменяемого магнитного поля, генерируемого колебаниями.The controller 40 uses an external coil 30 (or coils) to generate low-strength oscillatory fields to excite resonance as well as maintain resonant oscillations. In the example in Fig. 1, the same arrangement of excitation coils is used to measure the magnetic field modified by resonant oscillations. Alternatively, a separate coil or coils can be used to detect the changing magnetic field generated by the oscillations.
Контроллер может индуцировать и поддерживать резонансные колебания, прикладывая импульсное переменное поле, и может измерять магнитное поле между импульсами. Таким образом, возникает последовательность возбуждения и измерения.The controller can induce and maintain resonant oscillations by applying a pulsed alternating field, and can measure the magnetic field between pulses. Thus, a sequence of excitation and measurement occurs.
На фиг.2 более подробно показан пример датчика 20 давления.FIG. 2 shows an example of a pressure sensor 20 in more detail.
Он содержит закрытую камеру 24, образованную металлическим или полимерным корпусом. Часть внешней стенки камеры образует деформируемая мембрана 25. Она может представлять собой, например, эластомер или структурированную металлическую фольгу. Камера заполнена газом (например, воздухом) или вакууммирована.It contains a closed chamber 24 formed by a metal or polymer housing. Part of the outer wall of the chamber is formed by a deformable membrane 25. It can be, for example, an elastomer or a structured metal foil. The chamber is filled with gas (for example, air) or evacuated.
В представленном примере камера представляет собой цилиндр, а мембрана 25 образует торцевую стенку. В альтернативном примере обе торцевые стенки могут быть образованы мембраной, при этом две мембраны смещаются вовнутрь по направлению друг к другу в ответ на повышение внешнего давления.In the example shown, the chamber is a cylinder and the membrane 25 forms the end wall. In an alternative example, both end walls may be formed by a membrane, with the two membranes moving inward toward each other in response to increased external pressure.
Наружный диаметр цилиндра и, следовательно, датчика, может составлять меньше 0,3 мм, например - 0,2 мм, обычно - меньше 1 мм, а предпочтительно - меньше 0,5 мм. В более общем случае (и независимо от конкретной формы) датчик давления может вставляться в цилиндр с внутренним диаметром, указанным выше. Затем датчик давления может быть интегрирован в постоянный имплантат, такой как стент или спираль для аневризмы, или временный имплантат, такой как проволочный направитель или катетер, или он может быть доставлен автономно, например, посредством кровотока, чтобы попасть в легкое.The outer diameter of the cylinder and therefore the sensor may be less than 0.3 mm, for example 0.2 mm, typically less than 1 mm, and preferably less than 0.5 mm. More generally (and regardless of the specific shape), the pressure sensor can be inserted into a cylinder with the inner diameter specified above. The pressure sensor can then be integrated into a permanent implant, such as a stent or aneurysm coil, or a temporary implant, such as a guidewire or catheter, or it can be delivered autonomously, for example through the bloodstream, to the lung.
Датчик давления имеет длину, например, от 1 мм до 5 мм.The pressure sensor has a length, for example, from 1 mm to 5 mm.
Первый постоянный магнит 26 соединен с мембраной удлиненным элементом 27 (например, проволокой или нитью). Второй постоянный магнит 28 соединен с внутренней областью камеры, в частности соединен с закрытым концом, противоположным мембране 25. Второй постоянный магнит прикреплен, например, с помощью клея 29. Таким образом, в этом конкретном примере второй постоянный магнит является статическим (относительно неподвижных частей камеры).The first permanent magnet 26 is connected to the membrane by an elongated element 27 (eg, wire or thread). A second permanent magnet 28 is connected to the interior of the chamber, particularly connected to a closed end opposite the membrane 25. The second permanent magnet is attached, for example, by an adhesive 29. Thus, in this particular example, the second permanent magnet is static (relative to the stationary parts of the chamber ).
Постоянные магниты могут быть сферами, при этом по меньшей мере первый постоянный магнит 26 помещается внутри камеры с зазором со всех сторон. Неподвижный второй постоянный магнит 28 вместе с удлиненным элементом 27 автоматически центрирует вращающийся первый постоянный магнит 26 в устройстве. Таким образом, вращающийся магнит никогда не касается внутренней стороны корпуса. Это обеспечивает высококачественные условия колебаний.The permanent magnets may be spheres, with at least a first permanent magnet 26 placed inside the chamber with clearance on all sides. The stationary second permanent magnet 28, together with the elongated element 27, automatically centers the rotating first permanent magnet 26 in the device. This way the rotating magnet never touches the inside of the housing. This ensures high quality oscillation conditions.
Ось вращения соответствует удлиненной оси проволоки или нити, которая проходит вдоль направления длины камеры. По меньшей мере часть магнитного момента подвижного постоянного магнита 26 ориентирована перпендикулярно оси вращения. Таким образом, магнитная сила, испытываемая магнитом 26, может индуцировать вращающий момент вокруг оси вращения. В представленном примере постоянные магниты представляют собой дипольные магниты, магнитные моменты которых полностью перпендикулярны оси вращения. Как показано, магнитные силы обеспечивают выравнивание магнитов по оси вращения с противоположно направленными магнитными моментами. Притяжение между постоянными магнитами удерживает удлиненный элемент 27 в натянутом состоянии, поэтому удлиненный элемент может быть проволокой или нитью из материала, демонстрирующего податливость.The axis of rotation corresponds to the elongated axis of the wire or thread, which runs along the direction of the length of the chamber. At least part of the magnetic moment of the movable permanent magnet 26 is oriented perpendicular to the axis of rotation. Thus, the magnetic force experienced by the magnet 26 can induce a torque about the rotation axis. In the example presented, the permanent magnets are dipole magnets whose magnetic moments are completely perpendicular to the axis of rotation. As shown, magnetic forces ensure that the magnets are aligned along the axis of rotation with oppositely directed magnetic moments. The attraction between the permanent magnets holds the elongated element 27 in a taut state, so the elongated element may be a wire or thread of a material exhibiting compliance.
Могут использоваться магниты иной формы, такие как цилиндрические магниты или фактически другой формы. Подвижный первый магнит предпочтительно имеет осесимметричную форму относительно оси вращения, так что вращение является уравновешенным. Преимущество показанных сферических магнитов состоит в том, что их можно легко изготавливать с высокой точностью и, следовательно, они легко доступны.Magnets of other shapes may be used, such as cylindrical magnets or actually of a different shape. The movable first magnet preferably has an axisymmetric shape with respect to the axis of rotation, so that the rotation is balanced. The advantage of the spherical magnets shown is that they can be easily manufactured with high precision and are therefore readily available.
Два постоянных магнита не обязательно должны быть одинакового размера, формы или типа. По существу, неподвижный постоянный магнит используется для создания статического поля, с которым взаимодействует поле подвижного постоянного магнита. Подвижный постоянный магнит используется для создания вращательных колебаний и, таким образом, вращающееся поле взаимодействует со стационарным полем неподвижного постоянного магнита.The two permanent magnets do not have to be the same size, shape or type. Essentially, a stationary permanent magnet is used to create a static field with which the field of a moving permanent magnet interacts. A moving permanent magnet is used to create rotational oscillations and thus the rotating field interacts with the stationary field of a stationary permanent magnet.
Два постоянных магнита выровнены противоположно, то есть смежными друг с другом являются пары полюсов север-юг и юг-север. Вращательная жесткость удлиненного элемента (проволоки или нити) может быть выбрана низкой по сравнению с кручением из-за магнитного поля. Между двумя магнитами существует сильное притяжение, и поэтому к проволоке или нити прикладывается напряжение в направлении проволоки или нити. Магнитная сила обычно в несколько сотен раз больше силы тяжести. Таким образом, проволока или нить не нуждается в значительной жесткости и может, например, быть очень тонкой нитью из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (UHMWPE, англ. Ultra High Molecular Weight Polyethylene). Это также означает, что датчик может работать в любой ориентации, поскольку влияние силы тяжести на показания датчика является пренебрежимо малым.The two permanent magnets are oppositely aligned, meaning the pairs of north-south and south-north poles are adjacent to each other. The rotational stiffness of the elongate element (wire or thread) can be chosen to be low compared to the torsion due to the magnetic field. There is a strong attraction between two magnets and therefore a voltage is applied to the wire or thread in the direction of the wire or thread. Magnetic force is usually several hundred times greater than gravity. Thus, the wire or thread does not need significant rigidity and can, for example, be a very thin thread of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE). This also means that the sensor can operate in any orientation since the effect of gravity on sensor readings is negligible.
В представленном примере второй постоянный магнит 28 соединен с фиксированным, статическим угловым положением, а первый постоянный магнит 26 соединен с удлиненным элементом, демонстрирующим податливость (например, проволокой или нитью), который допускает возможность углового вращательного движения.In the illustrated example, the second permanent magnet 28 is coupled to a fixed, static angular position, and the first permanent magnet 26 is coupled to an elongated compliant member (eg, wire or thread) that allows angular rotational motion.
Расстояние разделения между двумя магнитами является функцией внешнего давления (т.е. внешнего по отношению к камере), поскольку это деформирует мембрану 25, которая, в свою очередь, перемещает два постоянных магнита относительно друг друга. Расстояние между постоянным магнитом 26 и мембраной 25 фиксируется удлиненным элементом (проволокой или нитью), который удерживается в натянутом состоянии за счет магнитного притяжения между двумя магнитами.The separation distance between the two magnets is a function of the external pressure (ie external to the chamber) as this deforms the membrane 25, which in turn moves the two permanent magnets relative to each other. The distance between the permanent magnet 26 and the membrane 25 is fixed by an elongated element (wire or thread), which is held taut by the magnetic attraction between the two magnets.
Постоянный магнит 26 способен вращаться, в частности, вокруг оси, определяемой проволокой или нитью 27. Проволока или нить могут быть достаточно тонкими, чтобы крутящие моменты на постоянном магните 26 из-за кручения проволоки или нити могли быть меньше, чем крутящие моменты, испытываемые из-за магнитных сил. Однако это не является существенным. Более жесткая проволока или нить сместит резонансную частоту колебаний к более высокому значению, и, следовательно, регистрируемый сигнал будет иметь более высокую частоту, что может легче обрабатываться. Однако более высокочастотный сигнал даст меньшее изменение частоты на единицу изменения давления.The permanent magnet 26 is capable of rotating, in particular, about an axis defined by the wire or thread 27. The wire or thread can be thin enough so that the torques on the permanent magnet 26 due to twisting of the wire or thread can be less than the torques experienced from - for magnetic forces. However, this is not significant. A stiffer wire or thread will shift the resonant frequency of vibration to a higher value, and therefore the recorded signal will have a higher frequency, which can be more easily processed. However, a higher frequency signal will produce a smaller change in frequency per unit change in pressure.
Резонансная частота примерно обратно пропорциональна линейному размеру резонирующего тела. Следовательно, для устройства диаметром 1 мм резонансная частота составит приблизительно 500 Гц, тогда как для устройства диаметром 0,2 мм частота составит приблизительно 2,5 кГц.The resonant frequency is approximately inversely proportional to the linear size of the resonating body. Therefore, for a device with a diameter of 1 mm, the resonant frequency will be approximately 500 Hz, while for a device with a diameter of 0.2 mm, the frequency will be approximately 2.5 kHz.
Резонансные вращательные колебания запускаются подходящими электромагнитными импульсами, генерируемыми компоновкой 30 катушек возбуждения.Resonant rotational oscillations are triggered by suitable electromagnetic pulses generated by an arrangement of 30 field coils.
Может использоваться сигнал возбуждения с выбранной частотой, которая зависит от резонансной частоты, если она приблизительно известна заранее. Альтернативно, колебания можно запустить с помощью одного короткого импульса возбуждения. Это запускает колебания, которые можно зарегистрировать. Затем можно измерить резонансную частоту, а затем можно синхронизировать следующие импульсы таким образом, чтобы амплитуда колебаний увеличивалась.An excitation signal with a selected frequency may be used, which depends on the resonant frequency if it is approximately known in advance. Alternatively, the oscillations can be triggered with a single short excitation pulse. This triggers vibrations that can be recorded. The resonant frequency can then be measured, and subsequent pulses can then be synchronized so that the amplitude of the oscillations increases.
Альтернативный подход заключается в том, чтобы запустить колебания с помощью длинной последовательности импульсов, которые имеют узкий частотный спектр. Центральную частоту затем можно изменять до тех пор, пока резонанс не будет достаточно хорошо удовлетворяться для приема сигнала от датчика. Затем частоту можно отслеживать. Изменяя длину последовательности импульсов, можно изменять спектральную селективность. Преимущество длинной (спектрально-селективной) последовательности импульсов состоит в том, что для приведения датчика в резонанс требуется меньшая амплитуда магнитного поля. Следовательно, это требует меньших технических затрат на систему передачи/приема и/или может обнаруживать датчик на большем расстоянии от катушки.An alternative approach is to trigger the oscillations using a long train of pulses that have a narrow frequency spectrum. The center frequency can then be varied until the resonance is satisfied well enough to receive a signal from the sensor. The frequency can then be monitored. By changing the length of the pulse sequence, you can change the spectral selectivity. The advantage of a long (spectrally selective) pulse train is that a lower magnetic field amplitude is required to bring the sensor into resonance. Therefore, it requires less technical effort for the transmit/receive system and/or can detect the sensor at a greater distance from the coil.
Недостатком использования спектрально-селективных импульсов является то, что поиск датчика в среднем занимает больше времени.The disadvantage of using spectrally selective pulses is that searching for the sensor takes longer on average.
Таким образом, можно использовать серию импульсов для поддержания резонансных колебаний. Эта серия импульсов затем индуцирует и поддерживает резонансные колебания с прерывистым внешним магнитным полем. Импульсы, используемые для поддержания колебаний, например, имеют длительность, составляющую не менее 1/8 периода колебаний, т.е. 0,25 мс для сферы размером 1 мм (500 Гц) и 0,05 мс для сферы 0,2 мм (2,5 кГц). Импульсы можно было бы сделать еще короче, увеличив амплитуду.In this way, a series of pulses can be used to maintain resonant oscillations. This series of pulses then induces and maintains resonant oscillations with the intermittent external magnetic field. The pulses used to maintain oscillations, for example, have a duration of at least 1/8 of the oscillation period, i.e. 0.25 ms for a 1 mm sphere (500 Hz) and 0.05 ms for a 0.2 mm sphere (2.5 kHz). The pulses could be made even shorter by increasing the amplitude.
Продолжительность колебаний может составлять, например, порядка секунд, например, 2 секунды. Следовательно, максимальное разделение импульсов возбуждения составляет приблизительно 1 секунду. В принципе, продолжительность может быть намного больше, составляя десятки или даже сотни секунд, а промежуток между импульсами возбуждения может быть адаптирован соответствующим образом, при максимальном промежутке, составляющем порядка половины продолжительности колебаний. Однако предпочтительно реализовывать много возбуждений в секунду, чтобы поддерживать резонансный отклик по существу с постоянной амплитудой.The duration of the oscillations can be, for example, of the order of seconds, for example 2 seconds. Therefore, the maximum separation of the excitation pulses is approximately 1 second. In principle, the duration can be much longer, amounting to tens or even hundreds of seconds, and the interval between excitation pulses can be adapted accordingly, with a maximum interval of the order of half the duration of the oscillations. However, it is preferable to implement many excitations per second to maintain a resonant response of substantially constant amplitude.
Например, может потребоваться измерять давление примерно 10 раз в секунду, поэтому целесообразно использовать 10 последовательностей возбуждения в секунду. Например, может потребоваться, чтобы устройства меньшего размера выполняли 50 или более измерений в секунду, и тогда было бы предпочтительно обеспечить большее число возбуждений в секунду. Возбуждение может быть предусмотрено для каждого считываемого сигнала, чтобы считывание выполнялось в одной и той же точке на протяжении колебаний, но это не является обязательным. Между периодом возбуждения и периодом считывания сигнала может иметься любое соотношение.For example, it may be necessary to measure pressure approximately 10 times per second, so it is advisable to use 10 excitation sequences per second. For example, smaller devices may be required to perform 50 or more measurements per second, in which case it would be preferable to provide a higher number of excitations per second. An excitation may be provided for each readout signal so that the readout occurs at the same point throughout the oscillation, but this is not required. There can be any relationship between the excitation period and the signal reading period.
Использование прерывистого сигнала возбуждения обеспечивает последовательное возбуждение и считывание данных. Таким образом, как только начинается вращательное колебание первого постоянного магнита 26, последующие импульсы поля синхронизируются таким образом, чтобы усилить колебание. Колеблющееся магнитное поле, генерируемое датчиком, измеряется между передаваемыми импульсами возбуждения.Using an intermittent drive signal provides sequential drive and data readout. Thus, once the rotational oscillation of the first permanent magnet 26 begins, subsequent field pulses are synchronized so as to intensify the oscillation. The oscillating magnetic field generated by the sensor is measured between transmitted excitation pulses.
Однако, также возможно одновременное возбуждение и считывание, и в этом случае можно использовать непрерывный сигнал возбуждения. Для этого требуется более сложная система приемника.However, it is also possible to drive and read simultaneously, in which case a continuous drive signal can be used. This requires a more complex receiver system.
В частности, чтобы облегчить одновременное измерение сигнала при обеспечении возбуждения, сигнал, генерируемый в приемнике в ответ на сам сигнал возбуждения, должен быть минимизирован. Это может быть достигнуто путем сочетания аналогового вычитания переданного (отправляемого) сигнала на приемнике (например, за счет использования трансформатора перед приемником, в который попадает часть отправляемого сигнала) и цифрового вычитания. На этапе цифрового вычитания остаточный сигнал отправки в приемнике сначала характеризуется, а затем вычитается цифровым образом из принятого оцифрованного сигнала.In particular, to facilitate simultaneous signal measurement while providing excitation, the signal generated at the receiver in response to the excitation signal itself must be minimized. This can be achieved by a combination of analog subtraction of the transmitted (sent) signal at the receiver (for example, by using a transformer in front of the receiver that receives part of the sent signal) and digital subtraction. In the digital subtraction stage, the residual send signal at the receiver is first characterized and then digitally subtracted from the received digitized signal.
Таким образом, существуют различные способы ввести датчик в резонансные колебания.Thus, there are various ways to introduce the sensor into resonant oscillations.
Также, в магнитном поле, генерируемом парой магнитов, можно разными способами выполнить измерение резонансной частоты, которая зависит от механического вращения подвижного магнита (или вращения обоих магнитов как вращающейся системы, если оба магнита подвижны). Измерение может быть выполнено той же компоновкой катушек возбуждения, что упоминалось выше, или отдельной приемной системой. Приемная система может использовать датчики магнитного поля, отличные от простых катушек, такие как феррозондовые магнитометры, но катушки уже могут обеспечивать требуемую чувствительность.Also, in the magnetic field generated by a pair of magnets, it is possible in different ways to measure the resonant frequency, which depends on the mechanical rotation of the moving magnet (or the rotation of both magnets as a rotating system, if both magnets are moving). The measurement can be performed with the same drive coil arrangement as mentioned above, or with a separate receiving system. The receiving system may use magnetic field sensors other than simple coils, such as fluxgate magnetometers, but the coils may already provide the required sensitivity.
Расстояние разделения между двумя постоянными магнитами влияет на механический отклик подвижного постоянного магнита на внешнее поле, как пояснялось выше. В частности, чем ближе подвижный постоянный магнит к неподвижному постоянному магниту, тем больше сила, создаваемая магнитным полем неподвижного постоянного магнита для выравнивания подвижного постоянного магнита. Эта сила приводит к более высокой резонансной частоте механического резонанса.The separation distance between the two permanent magnets affects the mechanical response of the moving permanent magnet to the external field, as explained above. Specifically, the closer the moving permanent magnet is to the stationary permanent magnet, the greater the force generated by the magnetic field of the stationary permanent magnet to align the moving permanent magnet. This force results in a higher resonant frequency of mechanical resonance.
Взаимодействие между двумя магнитными полями можно обнаружить, и, поскольку существует зависимость от механического движения подвижного постоянного магнита, можно обнаружить резонансную частоту.The interaction between two magnetic fields can be detected, and since there is a dependence on the mechanical motion of the moving permanent magnet, the resonant frequency can be detected.
На фиг.3 показано устройство, объединяющее компоновку 30 катушек возбуждения, систему 40 визуализации (например, рентгеновское устройство с рамой С-типа) и стол 42 пациента. Датчик давления представляет собой датчик, имплантированный пациенту, который лежит на столе. Система визуализации, в данном случае - рентгеновское устройство с рамой С-типа, может использоваться для определения местоположения датчика давления.FIG. 3 shows a device integrating a drive coil arrangement 30, an imaging system 40 (eg, a C-frame X-ray device), and a patient table 42. The pressure sensor is a sensor implanted in a patient who lies on a table. An imaging system, in this case a C-frame X-ray device, can be used to determine the location of the pressure sensor.
Компоновка 30 катушек возбуждения содержит массив перекрывающихся, по существу, плоских катушек 44, образующих массив плоских катушек, встроенных в стол 42 пациента. Катушки, например, изготовлены из алюминия с общей толщиной порядка миллиметров, например, с толщиной менее 2 мм. Поглощение рентгеновского излучения от рентгеновской системы является низким.The drive coil arrangement 30 comprises an array of overlapping substantially planar coils 44 forming a planar coil array integrated into the patient table 42 . The coils are, for example, made of aluminum with an overall thickness of the order of millimeters, for example with a thickness of less than 2 mm. The X-ray absorption from the X-ray system is low.
Катушки могут содержать одиночные петли или плоские спирали, вырезанные из металлического листа. Как отмечалось выше, отдельные катушки, а также размер всей компоновки катушек разработаны с учетом необходимого магнитного поля на датчике и максимального расстояния до датчика.The coils may contain single loops or flat spirals cut from sheet metal. As noted above, the individual coils, as well as the size of the entire coil arrangement, are designed to accommodate the required magnetic field at the sensor and the maximum distance to the sensor.
На фиг.4 показан первый пример возможной компоновки катушек возбуждения, который более ясно представляет компоновку, показанную на фиг.3. Она содержит массив плоских катушек 44.FIG. 4 shows a first example of a possible drive coil arrangement, which more clearly represents the arrangement shown in FIG. 3. It contains an array of 44 flat coils.
На фиг.5 показан второй пример возможной компоновки катушек возбуждения, содержащей массив цилиндрических катушек 46. Они могут содержать катушки с воздушным сердечником или катушки с ферритовым сердечником.5 shows a second example of a possible drive coil arrangement comprising an array of cylindrical coils 46. They may comprise air core coils or ferrite core coils.
На фиг.6 показан третий пример возможной компоновки катушек возбуждения с тремя неколлинеарными катушками 48. В показанном примере магнитные моменты трех катушек взаимно перпендикулярны друг другу. Это повышает свободу датчика давления иметь любую ориентацию направления относительно компоновки катушек возбуждения.Figure 6 shows a third example of a possible field coil arrangement with three non-collinear coils 48. In the example shown, the magnetic moments of the three coils are mutually perpendicular to each other. This increases the freedom of the pressure sensor to have any directional orientation relative to the drive coil arrangement.
Как система возбуждения, так и приемная система могут иметь по меньшей мере три генератора и приемника не колли неарного поля. Однако для многих применений, например, имплантируемых датчиков, данные которых считывают только время от времени, может быть достаточно одноосной системы, особенно если ее можно свободно ориентировать.Both the excitation system and the receiving system may have at least three non-colliary field generators and receivers. However, for many applications, such as implantable sensors where data is only read occasionally, a single-axis system may be sufficient, especially if it can be freely oriented.
Таким образом, понятно, что существует множество возможных конструктивных решений для компоновки катушек возбуждения, и они будут очевидны специалистам в данной области техники.Thus, it will be understood that there are many possible designs for the field coil arrangement, and these will be apparent to those skilled in the art.
Система может быть расширена за счет включения в нее множества датчиков. Это может обеспечить возможность измерения во множестве мест, а также может обеспечить способ восстановления положения датчика, используя относительные амплитуды в приемных системах или относительные амплитуды в системах возбуждения, необходимые для поддержания определенной амплитуды колебаний.The system can be expanded to include multiple sensors. This may provide the ability to measure at multiple locations, and may also provide a way to reconstruct the position of the sensor using relative amplitudes in receiving systems or relative amplitudes in excitation systems necessary to maintain a certain amplitude of oscillation.
Множество датчиков могут работать параллельно, если они настроены на разные резонансные частоты, например за счет использования разных расстояний между постоянными магнитами или разных магнитных свойств в датчиках.Multiple sensors can operate in parallel if they are tuned to different resonant frequencies, for example by using different distances between permanent magnets or different magnetic properties in the sensors.
Может использоваться система с общей катушкой, например, для обеспечения синхронизации и/или формирования импульсов возбуждения таким образом, чтобы все датчики увеличивали свое энергосодержание. В идеале диапазон возможных резонансных частот для различных датчиков тогда не перекрывается, так что приемная система с катушками возбуждения и приема, находящимися в разных положениях, может различать датчики.A common coil system may be used, for example, to provide synchronization and/or shaping of drive pulses such that all sensors increase their energy content. Ideally, the range of possible resonant frequencies for different sensors then does not overlap, so that a receiving system with drive and receive coils in different positions can distinguish between the sensors.
В приведенном выше примере мембрана прикреплена к подвижному постоянному магниту. Конечно, постоянный магнит, связанный с мембраной, вместо этого может быть неподвижен относительно мембраны, а постоянный магнит, связанный с камерой, может свободно вращаться. Как упоминалось выше, может иметься две мембраны, каждая из которых соединена с одним из постоянных магнитов, так что обе они движутся навстречу друг другу при наличии внешнего давления. Только один из двух постоянных магнитов может быть соединен со своей соответствующей мембраной таким образом, чтобы обеспечить вращательное движение, или же оба могут быть соединены для обеспечения вращательного движения, т.е. они оба могут быть соединены удлиненным элементом (проволокой или нитью) со своей соответствующей мембраной.In the example above, the membrane is attached to a moving permanent magnet. Of course, the permanent magnet associated with the membrane can instead be stationary relative to the membrane, and the permanent magnet associated with the chamber can be free to rotate. As mentioned above, there may be two membranes, each connected to one of the permanent magnets, so that they both move towards each other when external pressure is applied. Only one of the two permanent magnets may be connected to its respective membrane so as to provide rotational motion, or both may be connected to provide rotational motion, i.e. they can both be connected by an elongated element (wire or thread) to their respective membrane.
Изменение резонансной частоты в ответ на полный диапазон давлений, на который рассчитан датчик, например, соответствует изменению частоты с коэффициентом 2. Проволока или нить также будут влиять на крутящий момент, возникающий во время колебаний, поэтому частотная характеристика может быть более значительной в зависимости от выполнения проволоки или нити.A change in resonant frequency in response to the full pressure range for which the sensor is designed, for example, corresponds to a change in frequency by a factor of 2. The wire or thread will also affect the torque generated during oscillation, so the frequency response may be more significant depending on the implementation wire or thread.
Требуемый диапазон давлений составляет, например, от приблизительно 800 мбар (80 кПа, абсолютное давление) до приблизительно 1300 мбар (0,13 МПа, абсолютное давление). Нижний предел, например, соответствует низкому давлению крови на большой высоте (например, в Мехико). При необходимости можно предусмотреть два (или более) конструктивных исполнения, одно - для нормальных высот, а другое - для больших высот, чтобы сузить диапазон давления и, следовательно, повысить чувствительность.The required pressure range is, for example, from approximately 800 mbar (80 kPa absolute pressure) to approximately 1300 mbar (0.13 MPa absolute pressure). The lower limit, for example, corresponds to low blood pressure at high altitude (for example, in Mexico City). If necessary, two (or more) designs can be provided, one for normal heights and one for higher altitudes, to narrow the pressure range and therefore increase sensitivity.
Датчик давления может быть применен к катетеру или проволочному направителю, или он может быть использован в другом применении, таком как датчики давления в легочной артерии, датчики на имплантированных клапанах, датчики давления на стентах или медицинских спиралях.The pressure sensor may be applied to a catheter or guidewire, or it may be used in other applications such as pulmonary artery pressure sensors, sensors on implanted valves, pressure sensors on stents or medical coils.
На фиг.7 показан способ измерения давления, включающий следующее:FIG. 7 shows a pressure measuring method including the following:
на этапе 50 используют компоновку катушек возбуждения для беспроводного возбуждения резонансных колебаний датчика давления, раскрытого выше;at step 50, an arrangement of drive coils is used to wirelessly drive resonant oscillations of the pressure sensor disclosed above;
на этапе 52 измеряют магнитное поле, изменяемое резонансными колебаниями; иat step 52, the magnetic field modified by the resonant oscillations is measured; And
на этапе 54 определяют давление по частоте изменения измеряемого магнитного поля.at step 54, the pressure is determined by the frequency of change of the measured magnetic field.
Модификации раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и реализованы специалистами в данной области техники при практическом применении заявленного изобретения на основании изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а употребление формы единственного числа (неопределенный артикль «а» или «an» в оригинале заявки на английском языке) не исключает множественности. Один процессор или другой устройство может выполнять функции нескольких объектов, указанных в формуле изобретения. Сам факт, что конкретные признаки изложены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих признаков не может эффективно использоваться. Компьютерная программа может храниться/распространяться на подходящем носителе, таком как оптический носитель данных или твердотельный носитель, поставляемый вместе с другим оборудованием или как его часть, но также может распространяться в других формах, например, через Интернет или другие проводные или беспроводные телекоммуникационные системы. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничивающие ее объем.Modifications to the disclosed embodiments may be understood and implemented by those skilled in the art through practice of the claimed invention upon examination of the drawings, description, and appended claims. In the claims, the word “comprising” does not exclude other elements or steps, and the use of the singular form (the indefinite article “a” or “an” in the original English application) does not exclude plurality. One processor or other device can perform the functions of several objects specified in the claims. The mere fact that specific features are set forth in mutually different dependent claims does not mean that a combination of these features cannot be effectively used. The computer program may be stored/distributed on a suitable medium, such as an optical storage medium or solid state media provided with or as part of other equipment, but may also be distributed in other forms, such as via the Internet or other wired or wireless telecommunications systems. Any reference numerals in the claims should not be construed as limiting its scope.
Claims (36)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP18178783.9 | 2018-06-20 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2021101006A RU2021101006A (en) | 2022-07-20 |
| RU2806338C2 true RU2806338C2 (en) | 2023-10-31 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB626624A (en) * | 1945-03-07 | 1949-07-19 | Liquidometer Corp | Improvements in or relating to measuring devices such as barometers |
| US4026276A (en) * | 1976-04-05 | 1977-05-31 | The Johns Hopkins University | Intracranial pressure monitor |
| JP3830528B2 (en) * | 1996-01-30 | 2006-10-04 | ラディ・メディカル・システムズ・アクチェボラーグ | Combined flow, pressure and temperature sensor |
| RU2011113976A (en) * | 2008-09-11 | 2012-10-20 | Эсист Медикал Системз, Инк. (Us) | DEVICE AND METHOD OF DELIVERY OF PHYSIOLOGICAL SENSOR |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB626624A (en) * | 1945-03-07 | 1949-07-19 | Liquidometer Corp | Improvements in or relating to measuring devices such as barometers |
| US4026276A (en) * | 1976-04-05 | 1977-05-31 | The Johns Hopkins University | Intracranial pressure monitor |
| JP3830528B2 (en) * | 1996-01-30 | 2006-10-04 | ラディ・メディカル・システムズ・アクチェボラーグ | Combined flow, pressure and temperature sensor |
| RU2011113976A (en) * | 2008-09-11 | 2012-10-20 | Эсист Медикал Системз, Инк. (Us) | DEVICE AND METHOD OF DELIVERY OF PHYSIOLOGICAL SENSOR |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7401469B2 (en) | Pressure sensing unit, system and method for remote pressure sensing | |
| JP4540929B2 (en) | Portable and insertable passive tags | |
| RU2754312C2 (en) | Systems and methods for detecting magnetic markers for monitoring during surgical intervention | |
| EP1139875B1 (en) | Method and sensor for wireless measurement of physiological variables | |
| JP2009532113A (en) | Telemetry method and apparatus using a magnetically driven MEMS resonant structure | |
| RU2806338C2 (en) | Implantable pressure sensor, system and method for pressure measuring | |
| US11883248B2 (en) | Identifying system for identifying a medical tool like a surgical instrument | |
| RU2806618C2 (en) | Pressure sensor for introduction to the human circular system | |
| CN117883065A (en) | Microdevice for allowing positioning of microdevices | |
| US20240115243A1 (en) | Microdevice and registration apparatus | |
| JP2004195057A (en) | Optical coherence tomographic image measuring instrument using magnetic scanning light probe | |
| WO2024079073A1 (en) | Magneto-mechanical resonators with reduced mutual attraction |