RU2806618C2 - Pressure sensor for introduction to the human circular system - Google Patents

Pressure sensor for introduction to the human circular system Download PDF

Info

Publication number
RU2806618C2
RU2806618C2 RU2022101100A RU2022101100A RU2806618C2 RU 2806618 C2 RU2806618 C2 RU 2806618C2 RU 2022101100 A RU2022101100 A RU 2022101100A RU 2022101100 A RU2022101100 A RU 2022101100A RU 2806618 C2 RU2806618 C2 RU 2806618C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
magnetic
pressure sensor
pressure
sensor
magnetic object
Prior art date
Application number
RU2022101100A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2022101100A (en
Inventor
Бернард ГЛАЙХ
Юрген Эрвин РАМЕР
Original Assignee
Конинклейке Филипс Н.В.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Конинклейке Филипс Н.В. filed Critical Конинклейке Филипс Н.В.
Publication of RU2022101100A publication Critical patent/RU2022101100A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2806618C2 publication Critical patent/RU2806618C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: pressure sensor for insertion into the human circulatory system, a method for measuring pressure, an implantable medical device, and a pressure sensor reading system. The pressure sensor is a passive sensor and contains a housing, a magnetomechanical oscillation generator, a torque recovery unit. The body contains a diffusion-blocking layer covering a part of the body and configured to maintain a predetermined pressure inside the body. The oscillation generator is designed to convert an external magnetic or electromagnetic excitation field into a mechanical oscillation of a magnetic object and contains a magnetic object that provides a constant magnetic torque inside the housing. The housing part is flexible to allow changes in external pressure to be converted into changes in the mechanical vibration of the magnetic object. The magnetic object is positioned inside the housing in such a way that it can rotate beyond the equilibrium orientation if an external magnetic or electromagnetic excitation field acts on the magnetic object. The torque recovery unit contains an additional magnetic object for creating a magnetic field in such a position of the magnetic object that it provides a restoring torque. The torque recovery unit is configured to provide a recovery torque to return the magnetic object to an equilibrium orientation. The pressure sensor is designed in such a way that changes in external pressure can be converted into changes in resonant frequency. The implantable medical device includes a pressure sensor. The reading system contains a field generator, a converter, a processor and is designed for wireless reading of pressure sensor readings. The field generator is designed to generate a magnetic or electromagnetic excitation field to induce mechanical oscillations of the magnetic object of the pressure sensor. The transducer is designed to convert the magnetic or electromagnetic field generated by induced mechanical vibrations of the magnetic object of the pressure sensor into electrical response signals. The processor is designed to determine the pressure value based on electrical response signals. The processor is configured to apply a compensation algorithm to correct the determination of the pressure value for the dependence of the electrical response signals on the distance between the pressure sensor and the field generator, the phase of the mechanical oscillation of the magnetic object, the orientation of the housing relative to the reading system, the amplitude of the mechanical oscillation of the magnetic object. When executing the method, an excitation field is generated to induce mechanical oscillations of the magnetic object of the pressure sensor. Transform the field into response signals. The pressure value is determined based on the electrical response signals.
EFFECT: pressure measurement sensor is provided for introduction into a human circulatory system, improving the accuracy of pressure measurement using such a sensor.
15 cl, 34 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates

Изобретение относится к датчику давления для введения в систему кровообращения человека. Изобретение также относится к стенту, печеночному шунтирующему устройству, проволоке для лечения аневризмы головного мозга и сердечному клапану, соответственно, содержащим датчик давления. Кроме того, изобретение относится к системе считывания, способу и компьютерной программе для беспроводного считывания показаний датчика давления.The invention relates to a pressure sensor for insertion into the human circulatory system. The invention also relates to a stent, a hepatic bypass device, a wire for the treatment of a cerebral aneurysm and a heart valve, respectively, containing a pressure sensor. The invention further relates to a sensing system, method and computer program for wirelessly sensing a pressure sensor.

Уровень техникиState of the art

В патентном документе US 2007/0236213 А1 описано измерение давления, основанное, главным образом, на механических резонаторах с прикрепленным намагниченным материалом. Магнитное поле может взаимодействовать с намагниченным материалом и запускать механические колебания. Затем механические колебания детектируют посредством регистрации изменяющегося во времени поля за счет колеблющейся механической структуры. Регистрирующее устройство может представлять собой катушку или другой подходящий магнитометр. Внешнее давление на такое устройство может изменить действительные постоянные пружины и, следовательно, привести к изменению резонансной частоты, которая может быть детектирована. Таким образом формируют датчик давления.Patent document US 2007/0236213 A1 describes pressure measurement based primarily on mechanical resonators with attached magnetized material. A magnetic field can interact with a magnetized material and trigger mechanical vibrations. Mechanical vibrations are then detected by recording a time-varying field due to the oscillating mechanical structure. The recording device may be a coil or other suitable magnetometer. External pressure on such a device may change the actual spring constants and therefore result in a change in the resonant frequency that can be detected. In this way a pressure sensor is formed.

Хотя в принципе такая система работает, она имеет ряд недостатков и не подходит для измерения давления глубоко в организме пациента с достаточной точностью и с помощью достаточно малого устройства. Основная проблема заключается в использовании механического резонатора. Как правило, максимально возможная добротность (фактор качества), достижимая в механических резонаторах, слишком низка для эффективной работы. Существуют некоторые материалы, такие как плавленый кварц, которые обеспечивают высокую добротность при колебании. Эти материалы обычно довольно твердые и не позволяют получить достаточно высокую амплитуду колебаний (достаточно большой угол) для эффективной работы, т.е. для создания достаточно большой вариации поля. Следующей проблемой является низкая чувствительность резонансной частоты к внешнему давлению, поскольку изменяются только упругие параметры. Это в сочетании с низкой добротностью приводит к необходимости достаточно высокого отношения сигнал / шум, что в свою очередь приводит к необходимости большого количества магнитного материала, что делает датчик большим.Although this system works in principle, it has a number of disadvantages and is not suitable for measuring pressure deep in a patient's body with sufficient accuracy and with a small enough device. The main problem is the use of a mechanical resonator. Typically, the maximum possible quality factor (quality factor) achievable in mechanical resonators is too low to operate effectively. There are some materials, such as fused silica, that provide high vibration quality. These materials are usually quite hard and do not allow for a high enough vibration amplitude (a large enough angle) to work effectively, i.e. to create a sufficiently large field variation. The next problem is the low sensitivity of the resonant frequency to external pressure, since only the elastic parameters change. This, combined with the low quality factor, results in the need for a fairly high signal-to-noise ratio, which in turn results in the need for a large amount of magnetic material, making the sensor large.

Более того, уже существуют имплантируемые датчики давления, например, разработанные компанией CardioMems и раскрытые в патентном документе US 7,147,604 В1. Эти датчики работают по принципу резонансного LC (индуктивно-емкостного) устройства. Резонансная частота смещается под действием механического движения, вызванного давлением, что, в свою очередь, изменяет значение L или С (или и то, и другое). Хотя эта система работает, она не может быть уменьшена до размеров, необходимых для введения в систему кровообращения человека. Основная причина заключается в том, что в патентном документе US 7,147,604 В1 детектируемый сигнал устанавливается пропорционально большой мощности радиуса катушки датчика давления. Это создает жесткое ограничение для уменьшения размеров датчика давления.Moreover, implantable pressure sensors already exist, for example those developed by CardioMems and disclosed in US patent document 7,147,604 B1. These sensors operate on the principle of a resonant LC (inductive capacitance) device. The resonant frequency is shifted by mechanical motion caused by pressure, which in turn changes the value of L or C (or both). Although this system works, it cannot be reduced to the size needed to be introduced into the human circulatory system. The main reason is that in US Pat. No. 7,147,604 B1, the detected signal is set to be proportional to the large radius power of the pressure sensor coil. This creates a severe constraint on downsizing the pressure sensor.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention

Поэтому целью настоящего изобретения является создание датчика давления, который предназначен для введения в систему кровообращения человека, имеет очень малые размеры и, тем не менее, обеспечивает высококачественное измерение давления. Изобретение также относится к стенту, печеночному шунтирующему устройству, проволоке для лечения аневризмы головного мозга и сердечному клапану, соответственно, содержащим датчик давления. Кроме того, изобретение относится к системе считывания, способу и компьютерной программе для беспроводного считывания показаний датчика давления.It is therefore an object of the present invention to provide a pressure sensor which is designed to be inserted into the human circulatory system, has a very small size and yet provides high quality pressure measurement. The invention also relates to a stent, a hepatic bypass device, a wire for the treatment of a cerebral aneurysm and a heart valve, respectively, containing a pressure sensor. The invention further relates to a sensing system, method and computer program for wirelessly sensing a pressure sensor.

В первом аспекте настоящего изобретения предложен датчик давления для введения в систему кровообращения человека, причем датчик давления представляет собой пассивный датчик, выполненный с возможностью беспроводного считывания его показаний с помощью системы считывания, размещенной снаружи человека, при этом датчик давления содержит корпус с блокирующим диффузию слоем, который покрывает по меньшей мере часть корпуса, и который выполнен с возможностью поддержания предварительно заданного давления внутри корпуса, при этом датчик давления содержит внутри корпуса магнитомеханический генератор колебаний с магнитным объектом, обеспечивающим постоянный магнитный момент, причем магнитомеханический генератор колебаний выполнен с возможностью преобразования внешнего магнитного или электромагнитного поля возбуждения в механическое колебание магнитного объекта, при этом по меньшей мере часть корпуса является гибкой для обеспечения возможности преобразования изменений внешнего давления в изменения механического колебания магнитного объекта, причем магнитный объект расположен внутри корпуса таким образом, что он может поворачиваться за пределы равновесной ориентации, если на магнитный объект действует внешнее магнитное или электромагнитное поле возбуждения, при этом датчик давления дополнительно содержит блок восстановления крутящего момента, выполненный с возможностью обеспечения восстанавливающего крутящего момента, чтобы вернуть магнитный объект в равновесную ориентацию, если внешнее магнитное или электромагнитное поле возбуждения повернуло магнитный объект из равновесной ориентации, чтобы обеспечить механическое колебание магнитного объекта с резонансной частотой, причем блок восстановления крутящего момента содержит дополнительный магнитный объект, являющийся постоянным магнитом, для создания магнитного поля в таком положении магнитного объекта, чтобы он обеспечивал восстанавливающий крутящий момент, причем датчик давления выполнен таким образом, что изменения внешнего давления могут быть преобразованы в изменения резонансной частоты.In a first aspect of the present invention, there is provided a pressure sensor for insertion into the human circulatory system, wherein the pressure sensor is a passive sensor capable of being wirelessly read by a sensing system located externally to the person, wherein the pressure sensor comprises a housing having a diffusion blocking layer, which covers at least a portion of the housing, and which is configured to maintain a predetermined pressure inside the housing, wherein the pressure sensor contains, inside the housing, a magnetomechanical oscillator with a magnetic object providing a constant magnetic moment, wherein the magnetomechanical oscillation generator is configured to convert an external magnetic or an electromagnetic excitation field into mechanical vibration of a magnetic object, wherein at least a portion of the housing is flexible to allow changes in external pressure to be converted into changes in mechanical vibration of the magnetic object, wherein the magnetic object is located within the housing such that it can be rotated beyond an equilibrium orientation, if the magnetic object is subject to an external magnetic or electromagnetic excitation field, wherein the pressure sensor further comprises a torque restoration unit configured to provide a restoring torque to return the magnetic object to an equilibrium orientation if the external magnetic or electromagnetic excitation field has rotated the magnetic object out of equilibrium orientation to provide mechanical oscillation of the magnetic object at a resonant frequency, wherein the torque restoration unit includes an additional magnetic object, which is a permanent magnet, for creating a magnetic field in such a position of the magnetic object that it provides restoring torque, and the pressure sensor is configured in such a way that changes in external pressure can be converted into changes in resonant frequency.

Поскольку в датчике давления используется магнитомеханический генератор колебаний (осциллятор), который в основном использует магнетизм для накопления энергии колебаний, одновременно может быть достигнута высокая добротность, высокая амплитуда колебаний и высокая чувствительность к внешним воздействиям при использовании датчика давления с очень малыми размерами, подходящего для введения в систему кровообращения человека.Since the pressure sensor uses a magnetomechanical oscillator (oscillator), which mainly uses magnetism to store vibration energy, high quality factor, high vibration amplitude and high sensitivity to external influences can be achieved at the same time by using a pressure sensor with a very small size suitable for insertion into the human circulatory system.

Размеры датчика давления предпочтительно таковы, что его можно вводить в систему кровообращения вне главной легочной артерии. Предпочтительно датчик давления имеет удлиненную форму с максимальным размером, меньшим или равным 5 мм, еще более предпочтительно, чтобы он был меньше или равен 4 мм, а минимальный размер был меньше или равен 1 мм. Эти размеры преимущественно относятся к продольному направлению и поперечному направлению датчика давления. Таким образом, предпочтительно, в продольном направлении размер датчика давления меньше или равен 5 мм, еще более предпочтительно меньше или равен 4 мм, а в поперечном направлении размер датчика давления меньше или равен 1 мм.The dimensions of the pressure sensor are preferably such that it can be introduced into the circulatory system outside the main pulmonary artery. Preferably, the pressure sensor has an elongated shape with a maximum size less than or equal to 5 mm, even more preferably less than or equal to 4 mm, and a minimum size less than or equal to 1 mm. These dimensions mainly refer to the longitudinal direction and transverse direction of the pressure sensor. Thus, preferably, in the longitudinal direction, the size of the pressure sensor is less than or equal to 5 mm, even more preferably, less than or equal to 4 mm, and in the transverse direction, the size of the pressure sensor is less than or equal to 1 mm.

В предпочтительном варианте осуществления датчик давления содержит внешнее биосовместимое покрытие. Кроме того, предпочтительно гибкая часть корпуса содержит сильфон, для обеспечения возможности преобразования изменений внешнего давления в изменения механического колебания магнитного объекта. Сильфон особенно подходит для обеспечения возможности преобразования изменений внешнего давления в изменения механических колебаний магнитного объекта, поскольку он обеспечивает гибкость, достаточную для измерения давления, даже если он покрыт, например, блокирующим диффузию слоем и/или биосовместимым покрытием. Сильфон может быть изготовлен из довольно гибкого материала, такого как силиконовый каучук.In a preferred embodiment, the pressure sensor comprises an external biocompatible coating. In addition, preferably the flexible housing portion includes a bellows to enable changes in external pressure to be converted into changes in mechanical vibration of the magnetic object. The bellows is particularly suitable for allowing changes in external pressure to be converted into changes in the mechanical vibrations of a magnetic object, since it provides flexibility sufficient to measure pressure even if it is coated, for example, with a diffusion blocking layer and/or a biocompatible coating. The bellows can be made from a fairly flexible material such as silicone rubber.

Датчик давления может дополнительно содержать внешний чехол поверх сильфона. Внешний чехол можно использовать, чтобы избежать образования сгустков крови (тромбов). Внешний чехол предпочтительно достаточно мягкий, чтобы позволить сильфону изменяться в ответ на внешнее давление.The pressure sensor may further comprise an outer casing over the bellows. An outer cover can be used to prevent blood clots (thrombi) from forming. The outer casing is preferably soft enough to allow the bellows to change in response to external pressure.

Блокирующий диффузию слой преимущественно содержит металл. Например, он может быть выполнен в виде металлического покрытия на корпусе датчика давления.The diffusion blocking layer predominantly contains metal. For example, it can be in the form of a metal coating on the housing of the pressure sensor.

В одном варианте осуществления датчик давления дополнительно содержит внешний проволочный каркас, прикрепленный к внешней стороне корпуса для обеспечения возможности сохранения расстояния между внешней стороной корпуса и стенкой сосуда. Проволочный каркас может быть предпочтительным для непосредственной доставки в сосуд, при этом каркас может фиксировать датчик давления, не блокируя просвет сосуда. Каркас может содержать кольцеобразную или дискообразную центральную часть, из которой выступают изогнутые ножки. Он может быть изготовлен из проволочного материала, например нитинола, благодаря его высокой гибкости и хорошей биосовместимости. Также можно использовать другие материалы, такие как нержавеющая сталь или полимеры. Альтернативой проволоке являются структуры, вырезанные из листовых материалов, которым можно придать согнутую форму с помощью пресс-формы и термообработки. Особенно для полимеров также возможно литье под давлением. Для соединения с корпусом датчика кольцеобразная или дискообразная структура может действовать в качестве интерфейса между каркасом и корпусом датчика. Кольцеобразная структура может быть прорезана на цилиндрическом кожухе и может быть закреплена за счет усилия пружины и/или посредством склеивания или сварки. Дискообразная структура может быть приклеена или приварена к датчику давления.In one embodiment, the pressure sensor further includes an outer wire frame attached to the outside of the housing to allow a distance between the outside of the housing and the wall of the vessel to be maintained. A wire frame may be preferred for direct delivery into the vessel, and the frame can support the pressure transducer without blocking the vessel lumen. The frame may contain a ring-shaped or disk-shaped central part from which curved legs protrude. It can be made from a wire material such as nitinol due to its high flexibility and good biocompatibility. Other materials such as stainless steel or polymers can also be used. An alternative to wire are structures cut from sheet materials that can be bent into shape using a mold and heat treatment. Especially for polymers, injection molding is also possible. For connection to the sensor body, a ring or disk-shaped structure may act as an interface between the frame and the sensor body. The ring-shaped structure may be slotted into the cylindrical casing and may be secured by spring force and/or by gluing or welding. The disc-shaped structure can be glued or welded to the pressure sensor.

Магнитный объект расположен внутри корпуса таким образом, что он может поворачиваться за пределы равновесной ориентации, если на магнитный объект действует внешнее магнитное или электромагнитное поле возбуждения, при этом датчик давления дополнительно содержит блок восстановления крутящего момента, выполненный с возможностью обеспечения восстанавливающего крутящего момента, чтобы вернуть магнитный объект в равновесную ориентацию, если внешнее магнитное или электромагнитное поле возбуждения повернуло магнитный объект из равновесной ориентации, чтобы обеспечить механические колебания магнитного объекта с резонансной частотой, при этом датчик давления выполнен таким образом, что изменения внешнего давления преобразуются в изменения резонансной частоты.The magnetic object is located within the housing such that it can rotate beyond its equilibrium orientation if the magnetic object is subjected to an external magnetic or electromagnetic excitation field, wherein the pressure sensor further comprises a torque recovery unit configured to provide a recovery torque to return a magnetic object to an equilibrium orientation if an external magnetic or electromagnetic excitation field has rotated the magnetic object from an equilibrium orientation to cause the magnetic object to mechanically oscillate at a resonant frequency, wherein the pressure sensor is configured such that changes in the external pressure are converted to changes in the resonant frequency.

Блок восстановления крутящего момента содержит дополнительный магнитный объект для создания магнитного поля в таком положении магнитного объекта, чтобы он обеспечивал восстанавливающий крутящий момент. Более того, помимо магнитного объекта, также дополнительный магнитный объект представляет собой постоянный магнит. Кроме того, магнитный объект предпочтительно представляет собой магнитную сферу. Также, дополнительный магнитный объект может представлять собой магнитную сферу. Однако магнитный объект и также дополнительный магнитный объект также могут иметь другую форму. Например, они могут быть цилиндрическими. Магнитный объект предпочтительно прикреплен к одному концу нити, при этом другой конец нити прикреплен к корпусу. Также дополнительный магнитный объект может быть прикреплен к одному концу нити, при этом другой конец нити может быть прикреплен к корпусу. Однако дополнительный магнитный объект также может быть зафиксирован.The torque restoration unit includes an additional magnetic object for generating a magnetic field at a position of the magnetic object such that it provides restoring torque. Moreover, in addition to the magnetic object, the additional magnetic object is also a permanent magnet. Moreover, the magnetic object is preferably a magnetic sphere. Also, the additional magnetic object may be a magnetic sphere. However, the magnetic object and also the additional magnetic object may also have a different shape. For example, they can be cylindrical. The magnetic object is preferably attached to one end of the thread, with the other end of the thread attached to the housing. Also, an additional magnetic object can be attached to one end of the thread, while the other end of the thread can be attached to the body. However, an additional magnetic object can also be captured.

В одном варианте осуществления магнитный объект и/или внутренняя часть корпуса покрыты скользким и нелипким материалом. Предпочтительно скользкий и нелипкий материал представляет собой графит. Также дополнительный магнитный объект может быть покрыт скользким и нелипким материалом. Предпочтительно, нелипкий материал считается "скользким", если коэффициент трения в сухом состоянии, т.е. без смазки, составляет менее 0,2 и еще более предпочтительно - менее 0,1.In one embodiment, the magnetic object and/or the interior of the housing is coated with a slippery and non-stick material. Preferably, the slippery and non-stick material is graphite. Also, the additional magnetic object may be coated with a slippery and non-stick material. Preferably, a non-stick material is considered "slippery" if the coefficient of friction is dry, i.e. without lubrication, is less than 0.2 and even more preferably less than 0.1.

Как правило, если датчик давления был введен в тело человека, может возникнуть проблема, если тело необходимо сканировать с помощью сканера магнитно-резонансной томографии (МРТ). Указанная проблема не представляет опасности для организма, т.е. для пациента, поскольку датчик давления относительно мал и, следовательно, вызывает лишь небольшие усилия и крутящие моменты, которые не представляют угрозы для пациентов. Аналогичным образом, магнитно-резонансное изображение, полученное с помощью сканера МРТ, также не может быть испорчено, поскольку датчик давления имеет очень малые размеры.Typically, if a pressure sensor has been inserted into a person's body, a problem may arise if the body needs to be scanned using a magnetic resonance imaging (MRI) scanner. This problem does not pose a danger to the body, i.e. for the patient, since the pressure sensor is relatively small and therefore causes only small forces and torques that do not pose a threat to patients. Similarly, the magnetic resonance image produced by an MRI scanner cannot be damaged either because the pressure sensor is very small in size.

Однако во многих клинических сканерах МРТ используют высокую напряженность поля более 1,5 Тл, и сильное магнитное поле может разрушить датчик давления, изменив намагниченность магнитного объекта или повредив механическую конструкцию внутри устройства. По этой причине в одном варианте осуществления датчик давления сконструирован таким образом, что магнитный объект может быть выровнен с внешним магнитным полем независимо от положения и ориентации датчика давления во внешнем магнитном поле. Например, датчик давления может содержать внешний кожух, охватывающий корпус, при этом корпус может вращаться внутри охватывающего кожуха, при этом датчик давления выполнен таким образом, что изменения внешнего давления за пределами охватывающего кожуха преобразуются в изменения внешнего давления, происходящие снаружи корпуса и внутри охватывающего кожуха. Внешний кожух может быть сферическим или эллиптическим. Кроме того, внешний кожух также может быть заполнен текучей средой, причем указанная текучая среда предпочтительно является высоковязкой текучей средой. Термин "высоковязкий" предпочтительно относится к вязкости, которая такова, что при плотности магнитного потока в 0,1 Тл максимальная скорость вращения устройства ограничена менее чем 10000 градусами в секунду или угловой скоростью не выше 160 с-1. Для типичных конфигураций устройства это означает, что вязкость составляет от 1 до 100 Па, как минимум. Основным определяющим фактором является объемная доля магнитно-твердого материала. Существует также максимальная полезная вязкость, которая примерно в 100-1000 раз превышает минимальную полезную вязкость.However, many clinical MRI scanners use high field strengths of more than 1.5 Tesla, and the strong magnetic field can destroy the pressure sensor by changing the magnetization of the magnetic object or damaging the mechanical structure within the device. For this reason, in one embodiment, the pressure sensor is designed such that the magnetic object can be aligned with the external magnetic field regardless of the position and orientation of the pressure sensor in the external magnetic field. For example, the pressure sensor may include an outer casing surrounding a housing, wherein the housing may rotate within the female casing, wherein the pressure sensor is configured such that changes in external pressure outside the female casing are converted to changes in external pressure occurring outside the housing and inside the female casing . The outer casing may be spherical or elliptical. In addition, the outer casing may also be filled with a fluid, said fluid preferably being a highly viscous fluid. The term "highly viscous" preferably refers to a viscosity that is such that at a magnetic flux density of 0.1 Tesla, the maximum rotational speed of the device is limited to less than 10,000 degrees per second or an angular velocity of no more than 160 s -1 . For typical device configurations, this means a viscosity of 1 to 100 Pa as a minimum. The main determining factor is the volume fraction of the magnetically hard material. There is also a maximum useful viscosity, which is approximately 100-1000 times the minimum useful viscosity.

Кожух может быть, например, очень мягким кожухом, заполненным текучей средой, или кожухом с отверстиями, чтобы эффективно преобразовывать изменения внешнего давления в изменения механических колебаний магнитного объекта. Предпочтительно кожух считается "очень мягким", если изменение давления внутри кожуха не отклоняется более чем на 0,2 мбар (20 Па) от внешнего давления в масштабе времени ожидаемого изменения давления, которое обычно составляет от 0,01 до 1 с. Самое твердое известное вещество, приведенное в правильную форму при достаточной малой толщине, может образовывать "очень мягкий" кожух. Тогда кожух предпочтительно включает в себя структуры, которые действуют как сильфон.The casing may be, for example, a very soft casing filled with a fluid, or a casing with openings to effectively convert changes in external pressure into changes in mechanical vibrations of the magnetic object. Preferably, the housing is considered "very soft" if the pressure change within the housing does not deviate more than 0.2 mbar (20 Pa) from the external pressure on the time scale of the expected pressure change, which is typically 0.01 to 1 s. The hardest known substance, brought into the correct form at a sufficiently small thickness, can form a "very soft" casing. The casing then preferably includes structures that act as a bellows.

Магнитный объект предпочтительно представляет собой магнитную сферу, которая прикреплена к одному концу нити, при этом другой конец нити прикреплен к внутренней части корпуса, причем в одном варианте осуществления нить имеет длину, составляющую по меньшей мере Пи/4 диаметра магнитной сферы. Если также дополнительный магнитный объект представляет собой магнитную сферу, он может быть прикреплен к одному концу другой нити, при этом другой конец другой нити прикреплен к корпусу. Предпочтительно также, чтобы другая нить имела длину, составляющую по меньшей мере Пи/4 диаметра, в данном случае, другой магнитной сферы. Эти длины нитей обеспечивают свободное выравнивание магнитных объектов с внешним магнитным полем. Магнитная сфера и другая магнитная сфера предпочтительно имеют одинаковый диаметр.The magnetic object is preferably a magnetic sphere that is attached to one end of the thread, with the other end of the thread attached to the interior of the housing, wherein in one embodiment the thread has a length of at least Pi/4 the diameter of the magnetic sphere. If also the additional magnetic object is a magnetic sphere, it may be attached to one end of the other thread, with the other end of the other thread attached to the body. It is also preferable that the other thread has a length of at least Pi/4 the diameter of, in this case, the other magnetic sphere. These filament lengths ensure free alignment of magnetic objects with the external magnetic field. The magnetic sphere and the other magnetic sphere preferably have the same diameter.

Более того, в одном варианте осуществления магнитный объект представляет собой магнитную сферу, которая прикреплена к одному концу нити, при этом другой конец нити прикреплен к блоку изменения длины, выполненному с возможностью изменения длины нити и прикрепленному к внутренней части корпуса. Блок изменения длины может представлять собой, например, блок намотки. Блок намотки может содержать наматывающий механизм. Предпочтительно, датчик давления выполнен таким образом, чтобы длина нити от магнитной сферы до блока изменения длины имела возможность регулировки таким образом, чтобы она была равна предварительно заданной длине. Например, нить и/или блок изменения длины могут содержать стопор, расположенный и выполненный с возможностью остановки, в то время как блок изменения длины укорачивает длину нити, дальнейшего укорачивания нити, если длина нити от магнитной сферы до блока изменения длины достигла предварительно заданной длины. В одном варианте осуществления стопор расположен и выполнен с возможностью остановки намотки нити, если длина нити от магнитной сферы до блока намотки достигла предварительно заданной длины.Moreover, in one embodiment, the magnetic object is a magnetic sphere that is attached to one end of the thread, with the other end of the thread attached to a length changing block configured to change the length of the thread and attached to the interior of the housing. The length changing unit may be, for example, a winding unit. The winding unit may include a winding mechanism. Preferably, the pressure sensor is designed in such a way that the length of the thread from the magnetic sphere to the length changing unit can be adjusted so that it is equal to a predetermined length. For example, the thread and/or length changing unit may include a stopper located and configured to stop while the length changing unit shortens the length of the thread, further shortening the thread if the length of the thread from the magnetic sphere to the length changing block has reached a predetermined length. In one embodiment, the stopper is located and configured to stop winding the thread if the length of the thread from the magnetic sphere to the winding unit has reached a predetermined length.

В одном варианте осуществления блок изменения длины содержит пружину, имеющую усилие пружины, причем пружина выполнена таким образом, и нить прикреплена к пружине таким образом, что усилие пружины выталкивает нить из корпуса датчика давления в блок изменения длины, чтобы сократить длину нити в корпусе датчика давления, и при этом длина нити в корпусе датчика давления может быть увеличена, если сила, действующая на магнитный объект, вытягивает нить из блока изменения длины противоположно усилию пружины. Блок изменения длины может содержать стопор, выполненный и расположенный с возможностью ограничения релаксации пружины таким образом, чтобы нить внутри корпуса датчика давления имела предварительно заданную длину, если никакая сила не действует противоположно усилию пружины.In one embodiment, the length change unit includes a spring having a spring force, the spring being configured and the thread attached to the spring such that the spring force pushes the thread out of the pressure sensor housing and into the length change unit to shorten the length of the thread in the pressure sensor body. , and in this case the length of the thread in the pressure sensor housing can be increased if the force acting on the magnetic object pulls the thread out of the length change block opposite to the spring force. The length changing unit may include a stopper configured and positioned to limit relaxation of the spring so that the thread inside the pressure sensor housing has a predetermined length if no force acts opposite to the spring force.

В предпочтительном варианте осуществления датчик давления выполнен с возможностью компенсации зависимости резонансной частоты от температуры. В частности, датчик давления содержит компенсационный элемент, который выполнен с возможностью изменения резонансной частоты в первом частотном направлении в зависимости от изменения температуры, которое противоположно второму частотному направлению, в котором резонансная частота датчика давления была бы изменена в зависимости от изменения температуры, если бы компенсационный элемент не был частью датчика давления. Поскольку измерительное устройство содержит компенсационный элемент, который выполнен с возможностью изменения резонансной частоты в первом частотном направлении в зависимости от изменения температуры, которое противоположно второму частотному направлению, в котором резонансная частота была бы изменена в зависимости от изменения температуры, если бы компенсационный элемент не был частью датчика давления, вызванные температурой сдвиги резонансной частоты могут быть уменьшены или даже устранены. Первое частотное направление представляет собой направление к более высоким или более низким частотам, а противоположное второе частотное направление представляет собой направление к более низким или более высоким частотам, соответственно.In a preferred embodiment, the pressure sensor is configured to compensate for the dependence of the resonant frequency on temperature. In particular, the pressure sensor includes a compensation element that is configured to change a resonant frequency in a first frequency direction depending on a change in temperature, which is opposite to a second frequency direction in which the resonant frequency of the pressure sensor would be changed depending on a change in temperature if the compensation the element was not part of the pressure sensor. Because the measuring device includes a compensation element that is configured to change a resonant frequency in a first frequency direction depending on a change in temperature, which is opposite to a second frequency direction in which the resonant frequency would be changed depending on a change in temperature if the compensation element were not part pressure sensor, temperature-induced shifts in the resonant frequency can be reduced or even eliminated. The first frequency direction represents the direction towards higher or lower frequencies, and the opposite second frequency direction represents the direction towards lower or higher frequencies, respectively.

Предпочтительно компенсационный элемент содержит магнитный материал, который изменяет свою намагниченность и, следовательно, резонансную частоту в зависимости от температуры, при этом магнитный материал выбран и расположен внутри датчика давления, в частности внутри корпуса, таким образом, что направление изменения резонансной частоты является первым частотным направлением. Компенсирующий магнитный материал предпочтительно расположен рядом с магнитным объектом и/или рядом с дополнительным магнитным объектом, если таковой имеется. Это позволяет сконструировать датчик давления таким образом, чтобы нежелательная температурная зависимость могла быть значительно уменьшена или даже устранена технически относительно простым способом и без необходимости большого пространства внутри корпуса.Preferably, the compensation element comprises a magnetic material that changes its magnetization and therefore its resonant frequency depending on the temperature, wherein the magnetic material is selected and located inside the pressure sensor, in particular inside the housing, such that the direction of change of the resonant frequency is the first frequency direction . The compensating magnetic material is preferably located adjacent to the magnetic object and/or adjacent to the additional magnetic object, if present. This makes it possible to design a pressure sensor in such a way that undesirable temperature dependence can be significantly reduced or even eliminated in a technically relatively simple manner and without the need for large space inside the housing.

В одном варианте осуществления магнитный объект представляет собой магнитную сферу, которая прикреплена к одному концу нити, при этом другой конец нити непосредственно или опосредованно прикреплен к корпусу, при этом магнитная сфера содержит сквозное отверстие, проходящее через центр тяжести магнитного объекта, при этом один конец нити расположен и зафиксирован в указанном сквозном отверстии. Это крепление лишь на малую долю уменьшает магнитный дипольный момент и, следовательно, сохраняет хороший сигнал. Форма магнитного объекта не сильно изменяется, что может быть важно в случае сфер.In one embodiment, the magnetic object is a magnetic sphere that is attached to one end of the thread, wherein the other end of the thread is directly or indirectly attached to the housing, wherein the magnetic sphere includes a through hole passing through the center of gravity of the magnetic object, wherein one end of the thread located and fixed in the specified through hole. This mount only reduces the magnetic dipole moment by a small fraction and therefore maintains a good signal. The shape of a magnetic object does not change much, which may be important in the case of spheres.

Кроме того, в одном варианте осуществления магнитный объект представляет собой магнитную сферу, которая прикреплена к одному концу нити, при этом другой конец нити непосредственно или опосредованно прикреплен к корпусу, при этом один конец нити зажат между двумя магнитными компонентами магнитного объекта, которые образуют магнитный объект. Этот способ крепления дает результаты почти такие же хорошие, как способ крепления через отверстие, но не требует специального оборудования для изготовления.Additionally, in one embodiment, the magnetic object is a magnetic sphere that is attached to one end of the thread, wherein the other end of the thread is directly or indirectly attached to the housing, wherein one end of the thread is sandwiched between two magnetic components of the magnetic object that form the magnetic object . This method of fastening gives results almost as good as the through-hole method, but does not require special equipment to manufacture.

В одном варианте осуществления магнитный объект представляет собой магнитную сферу, которая приклеена к одному концу нити, при этом другой конец нити непосредственно или опосредованно прикреплен к корпусу. Этот способ технически очень прост и полностью использует магнитный объект.In one embodiment, the magnetic object is a magnetic sphere that is glued to one end of the thread, with the other end of the thread attached directly or indirectly to the housing. This method is technically very simple and makes full use of a magnetic object.

Более того, в одном варианте осуществления магнитный объект представляет собой магнитную сферу, прикрепленную к немагнитному объекту, причем указанный немагнитный объект прикреплен к одному концу нити, при этом другой конец нити непосредственно или опосредованно прикреплен к корпусу. Кроме того, это позволяет относительно просто прикрепить нить к магнитному объекту.Moreover, in one embodiment, the magnetic object is a magnetic sphere attached to a non-magnetic object, wherein said non-magnetic object is attached to one end of the thread, while the other end of the thread is directly or indirectly attached to the housing. It also makes it relatively easy to attach the thread to a magnetic object.

В другом аспекте настоящего изобретения предусмотрен стент, содержащий датчик давления. Например, датчик давления может быть расположен на дистальной стороне стента для индикации рестеноза внутри стента. В одном варианте осуществления стент содержит несколько датчиков давления, чтобы, например, отслеживать падение давления на всем стенте или на его части в качестве параметра для рестеноза в стенте. Раннее выявление позволяет скорректировать медикаментозное лечение или своевременно провести повторное стентирование, тем самым избегая незапланированной госпитализации.In another aspect of the present invention, a stent comprising a pressure sensor is provided. For example, a pressure sensor may be located on the distal side of the stent to indicate restenosis within the stent. In one embodiment, the stent includes multiple pressure sensors to, for example, monitor pressure drop across the entire stent or a portion thereof as a parameter for in-stent restenosis. Early detection allows for adjustment of drug treatment or timely re-stenting, thereby avoiding unplanned hospitalization.

В другом аспекте настоящего изобретения предусмотрено печеночное шунтирующее устройство, содержащее датчик давления. Например, датчик давления может быть расположен на проксимальной стороне шунтирующего устройства, чтобы отслеживать, происходит ли снижение давления, т.е. открыт ли шунт. Также печеночное шунтирующее устройство может содержать несколько датчиков давления, в частности, для отслеживания падения давления. Кроме того, и здесь раннее выявление позволяет скорректировать медикаментозное лечение или своевременно провести повторное стентирование, тем самым избегая незапланированной госпитализации.In another aspect of the present invention, there is provided a hepatic shunt device comprising a pressure sensor. For example, a pressure sensor may be located on the proximal side of the shunt device to monitor whether a decrease in pressure occurs, i.e. Is the shunt open? Also, the hepatic shunt device may contain several pressure sensors, in particular to monitor pressure drop. In addition, here too, early detection makes it possible to adjust drug treatment or timely re-stenting, thereby avoiding unplanned hospitalization.

В другом аспекте настоящего изобретения предусмотрена проволока для лечения аневризмы головного мозга, которая содержит датчик давления. Проволока может быть использована для мотка, что должно привести к свертыванию крови для заполнения пространства аневризмы. Датчик давления может быть использован для индикации того, действительно ли происходит свертывание крови, т.е. уменьшается ли вариация (изменение) пульсирующего артериального давления.In another aspect of the present invention, a wire for treating a cerebral aneurysm is provided that includes a pressure transducer. The wire can be used to skein, which should cause blood to clot to fill the aneurysm space. A pressure sensor can be used to indicate whether blood clotting is actually occurring, i.e. whether the variation (change) in pulsating blood pressure decreases.

В другом аспекте настоящего изобретения предусмотрен сердечный клапан, содержащий датчик давления. Например, первый датчик давления может быть размещен на проксимальной стороне, а второй датчик давления может быть размещен на дистальной стороне сердечного клапана, чтобы отслеживать падение давления по фазам сердцебиения. Из отслеживаемого динамического изменения давления можно извлечь информацию о функционировании клапана. Датчик локализации также может быть размещен непосредственно на подвижной части клапана, чтобы не только передавать информацию о давлении, но и информацию о перемещении посредством пространственной локализации и определения ориентации датчика.In another aspect of the present invention, a heart valve is provided including a pressure sensor. For example, a first pressure sensor may be placed on the proximal side and a second pressure sensor may be placed on the distal side of the heart valve to monitor the pressure drop through the phases of the heartbeat. From the monitored dynamic pressure change, information about the valve's performance can be extracted. A localization sensor can also be placed directly on the moving part of the valve to not only convey pressure information, but also motion information through spatial localization and sensor orientation determination.

В другом аспекте настоящего изобретения предусмотрена система считывания для беспроводного считывания показаний датчика давления по любому из п.п. 1-11, причем система считывания содержит:In another aspect of the present invention, there is provided a sensing system for wirelessly sensing a pressure sensor according to any one of claims. 1-11, and the reading system contains:

- генератор поля для генерации магнитного или электромагнитного поля возбуждения для индуцирования механических колебаний магнитного объекта датчика давления,- a field generator for generating a magnetic or electromagnetic excitation field for inducing mechanical vibrations of the magnetic object of the pressure sensor,

- преобразователь для преобразования магнитного или электромагнитного поля, генерируемого индуцированными механическими колебаниями магнитного объекта датчика давления, в электрические сигналы отклика,- a transducer for converting the magnetic or electromagnetic field generated by the induced mechanical vibrations of the magnetic object of the pressure sensor into electrical response signals,

- процессор для определения значения давления на основе электрических сигналов отклика, причем процессор выполнен с возможностью применения алгоритма компенсации, чтобы корректировать определение значения давления для зависимости электрических сигналов отклика по меньшей мере от одного из следующего:- a processor for determining a pressure value based on the electrical response signals, wherein the processor is configured to apply a compensation algorithm to adjust the determination of the pressure value for dependence of the electrical response signals on at least one of the following:

a) расстояние между датчиком давления и генератором поля;a) distance between pressure sensor and field generator;

b) фаза механического колебания магнитного объекта;b) phase of mechanical oscillation of a magnetic object;

c) ориентация корпуса относительно системы считывания; иc) orientation of the housing relative to the reading system; And

d) амплитуда механического колебания магнитного объекта.d) amplitude of mechanical vibration of a magnetic object.

Генератор поля и преобразователь могут быть двумя отдельными блоками или они могут быть объединены, причем, если генератор поля и преобразователь объединены, одни и те же катушки могут использоваться для генерации магнитного или электромагнитного поля возбуждения и для преобразования магнитного или электромагнитного поля, генерируемого индуцированным механическим колебанием магнитного объекта датчика давления, в электрические сигналы отклика.The field generator and transducer may be two separate units, or they may be combined, and if the field generator and transducer are combined, the same coils may be used to generate the magnetic or electromagnetic excitation field and to convert the magnetic or electromagnetic field generated by the induced mechanical oscillation magnetic pressure sensor object, into electrical response signals.

В предпочтительном варианте осуществления процессор выполнен с возможностью применения алгоритма компенсации, чтобы скорректировать определение значения давления для зависимости резонансной частоты по меньшей мере от одного из а) расстояния между датчиком давления и генератором поля и b) синфазного возбуждения катушки.In a preferred embodiment, the processor is configured to apply a compensation algorithm to adjust the determination of the pressure value for the dependence of the resonant frequency on at least one of a) the distance between the pressure sensor and the field generator and b) the common mode excitation of the coil.

Большой магнитный момент магнитного объекта желателен, поскольку он создаст более сильный отклик для улавливания преобразователем, который может содержать соответствующие воспринимающие катушки. Однако большой магнитный момент означает большую восстанавливающую силу, а это значит, что результирующее колебательное движение будет иметь большую амплитуду. Когда происходят большие колебания, при большом угловом смещении восстанавливающая сила уменьшается. Следовательно, для такого колебания частота отклика будет зависеть от восстанавливающей силы, которая зависит от расстояния между катушками генератора поля и датчика давления. Для решения этой проблемы процессор может быть выполнен с возможностью корректировки определения значения давления для зависимости резонансной частоты от расстояния между датчиком давления и генератором поля.A large magnetic moment of a magnetic object is desirable because it will create a stronger response to be picked up by the transducer, which may contain suitable sensing coils. However, a large magnetic moment means a large restoring force, which means that the resulting oscillatory motion will have a large amplitude. When large oscillations occur, the restoring force decreases with large angular displacement. Therefore, for such an oscillation, the response frequency will depend on the restoring force, which depends on the distance between the field generator and pressure sensor coils. To solve this problem, the processor may be configured to adjust the determination of the pressure value for the dependence of the resonant frequency on the distance between the pressure sensor and the field generator.

Внутрисосудистое давление меняется в течение сердечного цикла. Обычная частота сердечных сокращений у человека обычно составляет от 50 до 90 ударов в минуту с возможными максимумами до 200 ударов в минуту. Для определения минимумов и максимумов давления во время сердечного цикла частота измерений не должна быть меньше примерно 5 Гц. Предпочтительно, частота измерения составляет от 10 до 20 Гц, наиболее предпочтительно выше 40 Гц. С другой стороны, для обеспечения хорошего отношения сигнал / шум предпочтительна очень высокая добротность Q генератора колебаний, при этом высокая добротность Q означает медленное затухание. Следовательно, когда на датчик передается следующий импульс измерения, колебания от предыдущего импульса измерения могут быть не полностью погашены, и они могут повлиять на измерение. Таким образом, компенсируя это синфазное возбуждение катушки, можно лучше сочетать высокую добротность с частотой измерения, достаточно большой, чтобы обеспечить измерение сердечных минимумов и максимумов.Intravascular pressure changes during the cardiac cycle. The normal human heart rate is usually between 50 and 90 beats per minute, with possible maximums of up to 200 beats per minute. To determine pressure minima and maxima during the cardiac cycle, the measurement frequency should not be less than approximately 5 Hz. Preferably, the measurement frequency is from 10 to 20 Hz, most preferably above 40 Hz. On the other hand, to ensure a good signal-to-noise ratio, a very high quality factor Q of the oscillator is preferred, with a high quality factor Q meaning slow attenuation. Therefore, when the next measurement pulse is transmitted to the sensor, the fluctuations from the previous measurement pulse may not be completely canceled out, and they may affect the measurement. Thus, by compensating for this common-mode excitation of the coil, it is possible to better combine a high quality factor with a measurement frequency large enough to provide measurements of cardiac minima and maxima.

В другом аспекте настоящего изобретения предусмотрен способ измерения давления для выполнения измерения с использованием датчика давления по любому из п.п. 1-11, причем способ измерения давления содержит:In another aspect of the present invention, there is provided a pressure measurement method for performing a measurement using a pressure sensor according to any one of claims. 1-11, wherein the pressure measurement method comprises:

- генерирование магнитного или электромагнитного поля возбуждения для индуцирования механических колебаний магнитного объекта датчика давления,- generating a magnetic or electromagnetic excitation field to induce mechanical vibrations of the magnetic object of the pressure sensor,

- преобразование магнитного или электромагнитного поля, генерируемого индуцированными механическими колебаниями магнитного объекта датчика давления, в электрические сигналы отклика,- conversion of the magnetic or electromagnetic field generated by the induced mechanical vibrations of the magnetic object of the pressure sensor into electrical response signals,

- определение значения давления на основе электрических сигналов отклика, причем на этапе определения значение давления корректируют для зависимости электрических сигналов отклика по меньшей мере от одного из следующего:- determining the pressure value based on the electrical response signals, wherein in the determining step, the pressure value is adjusted to depend on the electrical response signals from at least one of the following:

a) расстояние между датчиком давления и генератором поля;a) distance between pressure sensor and field generator;

b) фаза механического колебания магнитного объекта;b) phase of mechanical oscillation of a magnetic object;

c) ориентация корпуса относительно системы считывания; иc) orientation of the housing relative to the reading system; And

d) амплитуда механического колебания магнитного объекта.d) amplitude of mechanical vibration of a magnetic object.

Кроме того, в другом аспекте настоящего изобретения предусмотрена компьютерная программа, которая содержит программное кодовое средство для побуждения системы считывания по п. 13 осуществлять этапы способа измерения давления, когда компьютерная программа выполняется на компьютере, управляющем системой считывания.Moreover, in another aspect of the present invention, there is provided a computer program that includes software code for causing the sensing system of claim 13 to carry out the steps of a pressure sensing method when the computer program is executed on a computer controlling the sensing system.

Следует понимать, что датчик давления по п. 1, имплантируемое устройство по п. 12, в частности, стент, печеночное шунтирующее устройство, проволока и сердечный клапан, система считывания по п. 13, способ измерения давления по п. 14 и долговременный носитель, содержащий компьютерную программу по п. 15, имеют аналогичные и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления, в частности, как они определены в зависимых пунктах.It should be understood that the pressure sensor of claim 1, the implantable device of claim 12, in particular the stent, hepatic bypass device, wire and heart valve, the sensing system of claim 13, the pressure measuring method of claim 14 and the durable storage medium, containing a computer program according to claim 15, have similar and/or identical preferred embodiments, in particular as defined in the dependent claims.

Следует понимать, что предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения также может быть любая комбинация зависимых пунктов формулы изобретения или вышеуказанных вариантов осуществления с соответствующим независимым пунктом формулы.It should be understood that a preferred embodiment of the present invention may also be any combination of dependent claims or the above embodiments with a corresponding independent claim.

Эти и другие аспекты настоящего изобретения станут очевидными и будут разъяснены со ссылкой на варианты осуществления, описанные ниже.These and other aspects of the present invention will become apparent and will be explained with reference to the embodiments described below.

Краткое описание чертежейBrief description of drawings

На нижеследующих чертежах показаны:The following drawings show:

на фиг. 1 схематично и в качестве примера показан вариант осуществления датчика давления в ситуации с первым внешним давлением,in fig. 1 schematically and by way of example shows an embodiment of a pressure sensor in a situation with a first external pressure,

на фиг. 2 схематично и в качестве примера показан вариант осуществления фиг. 1 в ситуации, когда второе давление больше первого давления,in fig. 2 shows schematically and by way of example the embodiment of FIG. 1 in a situation where the second pressure is greater than the first pressure,

на фиг. 3 схематично и в качестве примера показаны различные варианты осуществления датчика давления с сильфоном,in fig. 3 schematically and by way of example shows various embodiments of a pressure sensor with a bellows,

на фиг. 4 схематично и в качестве примера показан дополнительный вариант осуществления датчика давления,in fig. 4 schematically and by way of example shows an additional embodiment of a pressure sensor,

на фиг. 5 схематично и в качестве примера показаны дополнительные варианты осуществления датчика давления с сильфоном,in fig. 5 schematically and by way of example shows additional embodiments of a pressure sensor with a bellows,

на фиг. 6 и 7 схематично и в качестве примера показан вариант осуществления проволочного направителя с датчиком давления,in fig. 6 and 7 show schematically and by way of example an embodiment of a guide wire with a pressure sensor,

на фиг. 8 схематично и в качестве примера показан вариант осуществления стента с датчиками давления,in fig. 8 schematically and as an example shows an embodiment of a stent with pressure sensors,

на фиг. 9 схематически и в качестве примера показан вариант осуществления сердечного клапана с датчиками давления,in fig. 9 schematically and by way of example shows an embodiment of a heart valve with pressure sensors,

на фиг. 10 схематично и в качестве примера показан вариант осуществления проволоки для лечения аневризмы головного мозга с датчиками давления,in fig. 10 schematically and by way of example shows an embodiment of a wire for the treatment of a cerebral aneurysm with pressure sensors,

на фиг. 11 схематично и в качестве примера показан вариант осуществления печеночного шунта с датчиками давления,in fig. 11 schematically and as an example shows an embodiment of a hepatic shunt with pressure sensors,

на фиг. 12 схематично и в качестве примера показан вариант осуществления датчика давления,in fig. 12 schematically and by way of example shows an embodiment of a pressure sensor,

на фиг. 13 схематично и в качестве примера показан вариант осуществления с фиг. 1 в ситуации с большим внешним магнитным полем,in fig. 13 shows schematically and by way of example the embodiment of FIG. 1 in a situation with a large external magnetic field,

на фиг. 14 показан вариант осуществления датчика давления со сферическим внешним кожухом,in fig. 14 shows an embodiment of a pressure sensor with a spherical outer casing,

на фиг. 15 схематично и в качестве примера показан вариант осуществления датчика давления с эллиптическим внешним кожухом,in fig. 15 schematically and by way of example shows an embodiment of a pressure sensor with an elliptical outer casing,

на фиг. 16 схематично и в качестве примера показан дополнительный вариант осуществления датчика давления с относительно длинными нитями,in fig. 16 shows schematically and by way of example an additional embodiment of a pressure sensor with relatively long filaments,

на фиг. 17 схематично и в качестве примера показан вариант осуществления измерительного (чувствительного) устройства с блоками намотки и стопорами,in fig. 17 schematically and as an example shows an embodiment of a measuring (sensing) device with winding blocks and stoppers,

на фиг. 18 схематично и в качестве примера показан вариант осуществления блока намотки,in fig. 18 schematically and by way of example shows an embodiment of a winding unit,

на фиг. 19 схематично и в качестве примера показан вариант осуществления датчика давления с температурной компенсацией,in fig. 19 schematically and by way of example shows an embodiment of a temperature compensated pressure sensor,

на фиг. 20 и 21 схематично и в качестве примера показана система детектирования для считывания резонансной частоты датчика,in fig. 20 and 21 show schematically and by way of example a detection system for reading the resonant frequency of a sensor,

на фиг. 22 схематично и в качестве примера показаны импульсы возбуждения и результирующие индуцированные напряжения,in fig. 22 shows schematically and by way of example the excitation pulses and the resulting induced voltages,

на фиг. 23 схематично и в качестве примера показан массив из нескольких катушек, встроенный в матрас кровати пациента системы визуализации,in fig. 23 is a schematic and exemplary illustration of a multi-coil array built into the mattress of an imaging system patient bed,

на фиг. 24 схематично и в качестве примера показаны катушки системы детектирования,in fig. 24 schematically and as an example shows the coils of the detection system,

на фиг. 25 показан частотный спектр, используемый для определения резонансной частоты,in fig. Figure 25 shows the frequency spectrum used to determine the resonant frequency,

на фиг. 26 схематично и в качестве примера показан аналоговый фильтр приема,in fig. 26 schematically and as an example shows an analog reception filter,

на фиг. 27 в качестве примера показана частотная характеристика полосы пропускания фильтра Чебышева II рода,in fig. 27 shows, as an example, the frequency response of the passband of a type II Chebyshev filter,

на фиг. 28 схематично и в качестве примера показана калибровочная установка для калибровки датчика давления,in fig. 28 schematically and as an example shows a calibration installation for calibrating a pressure sensor,

на фиг. 29 в качестве примера показана зависимость детектируемой частоты отклика датчика от измеренного эталонного давления,in fig. 29 shows as an example the dependence of the detected response frequency of the sensor on the measured reference pressure,

на фиг. 30 в качестве примера показаны i) согласование детектируемой частоты отклика датчика с измеренным эталонным давлением и ii) калибровочная кривая,in fig. 30 shows as an example i) the matching of the detected frequency response of the sensor to the measured reference pressure and ii) the calibration curve,

на фиг. 31 в качестве примера показаны результаты моделирования чувствительности датчика,in fig. 31 shows the results of modeling the sensitivity of the sensor as an example,

на фиг. 32 в качестве примера показан уровень шума при измерении давления,in fig. 32 shows the noise level when measuring pressure as an example,

на фиг. 33 показана измеренная зависимость амплитуды сигнала в разных гармониках от ориентации датчика относительно одной приемо-передающей катушки, иin fig. Figure 33 shows the measured dependence of the signal amplitude in different harmonics on the orientation of the sensor relative to one transceiver coil, and

на фиг. 34 схематично и в качестве примера показан дополнительный вариант осуществления датчика давления.in fig. 34 illustrates schematically and by way of example an additional embodiment of a pressure sensor.

Осуществление изобретенияCarrying out the invention

На фиг. 1 схематично и в качестве примера показан вариант осуществления датчика 501 давления для введения в систему кровообращения человека. Датчик 501 давления содержит магнитомеханический резонатор с двумя магнитными элементами 507, 508.In fig. 1 schematically and exemplarily illustrates an embodiment of a pressure sensor 501 for insertion into the human circulatory system. The pressure sensor 501 contains a magnetomechanical resonator with two magnetic elements 507, 508.

Магнитный элемент 508 подвешен на нити 506 и, таким образом, может свободно совершать вращательное движение вокруг главной оси резонатора. В этом варианте осуществления дополнительный магнитный объект 507 зафиксирован. Однако в другом варианте осуществления дополнительный магнитный элемент также может быть подвешен на нити и, таким образом, может свободно совершать вращательное движение вокруг главной оси резонатора.The magnetic element 508 is suspended from the thread 506 and is thus free to rotate around the main axis of the resonator. In this embodiment, the additional magnetic object 507 is fixed. However, in another embodiment, the additional magnetic element may also be suspended on a thread and thus free to rotate around the main axis of the resonator.

В равновесии магниты 507, 508, соответственно, выровнены с антипараллельной ориентацией их намагниченности. Импульс внешнего магнитного поля может быть использован для запуска резонансных вращательных колебаний. Сила притяжения определяет резонансную частоту колебаний, которая для сферического подвешенного магнита определяется как:At equilibrium, magnets 507, 508 are respectively aligned with an antiparallel orientation of their magnetization. An external magnetic field pulse can be used to trigger resonant rotational oscillations. The force of attraction determines the resonant frequency of vibration, which for a spherical suspended magnet is defined as:

где MS - намагниченность насыщения магнитного материала, ρ - его плотность, r - диаметр сферы и В - поле, создаваемое неподвижным (зафиксированным) магнитом. Его можно аппроксимировать в качестве поля диполяwhere M S is the saturation magnetization of the magnetic material, ρ is its density, r is the diameter of the sphere and B is the field created by a stationary (fixed) magnet. It can be approximated as a dipole field

где m - магнитный момент магнита.where m is the magnetic moment of the magnet.

Изменение поля, создаваемое колеблющимся магнитным элементом, может быть детектировано с помощью индуцированного напряжения в одной или нескольких детекторных катушках преобразователя, который выполнен с возможностью преобразования магнитного или электромагнитного поля, создаваемого механическими колебаниями магнитного объекта датчика давления, в электрические сигналы отклика. Временная кривая детектируемого сигнала (см. фиг. 13) может быть подвергнута преобразованию Фурье для получения спектра (см. фиг. 16), который позволяет определить резонансную частоту.The change in field produced by the oscillating magnetic element may be detected by an induced voltage in one or more detector coils of the transducer, which is configured to convert the magnetic or electromagnetic field generated by the mechanical vibrations of the magnetic object of the pressure sensor into electrical response signals. The time curve of the detected signal (see FIG. 13) can be Fourier transformed to obtain a spectrum (see FIG. 16), which allows the resonant frequency to be determined.

Из-за низких резонансных частот в несколько кГц магнитные поля не экранируются металлом, и поэтому все неферромагнитные металлы могут быть использованы в качестве конструкционных материалов или материалов для покрытий. Аналогичным образом, датчик может быть помещен в неферромагнитные металлические предметы без влияния на его работу, если толщина металла не сильно превышает глубину поверхностного слоя (скин-слоя). На этих частотах для очень хороших проводников, таких как медь, глубина поверхностного слоя составляет порядка одного миллиметра, в то время как для нитинола глубина поверхностного слоя составляет около 10 миллиметров.Due to low resonant frequencies of a few kHz, magnetic fields are not shielded by the metal, and therefore all non-ferromagnetic metals can be used as structural or coating materials. Likewise, the sensor can be placed in non-ferromagnetic metal objects without affecting its performance, as long as the thickness of the metal does not greatly exceed the depth of the surface layer (skin layer). At these frequencies, for very good conductors such as copper, the surface layer depth is on the order of one millimeter, while for nitinol the surface layer depth is about 10 millimeters.

Базовый магнитомеханический генератор колебаний содержит два магнитных элемента, причем в равновесии магнитные элементы выровнены с антипараллельной намагниченностью. Импульс внешнего поля может быть использован для запуска вращательного колебания подвешенной сферы вокруг главной оси резонатора, при этом другая сфера, т.е. дополнительный магнитный объект, зафиксирована. Если в другом варианте осуществления также другая сфера подвешена в свободном пространстве и может совершать вращательные колебания, обе сферы могут совершать резонансные встречные колебания.A basic magnetomechanical oscillator contains two magnetic elements, and in equilibrium the magnetic elements are aligned with antiparallel magnetization. An external field pulse can be used to trigger rotational oscillation of a suspended sphere around the main axis of the resonator, while another sphere, i.e. additional magnetic object, fixed. If, in another embodiment, also another sphere is suspended in free space and can perform rotational oscillations, both spheres can perform resonant counter-oscillations.

В патентном документе US 2007/0236213 А1 описаны, главным образом, механические резонаторы с прикрепленным намагниченным материалом. Магнитное поле может взаимодействовать с намагниченным материалом и запускать механические колебания. Затем механические колебания детектируют посредством регистрации изменяющегося во времени поля за счет колеблющейся механической структуры. Регистрирующее устройство может представлять собой катушку или другой подходящий магнитометр. Внешнее давление на такое устройство может изменить действительные постоянные пружины и, следовательно, привести к изменению резонансной частоты, которая может быть детектирована. Таким образом формируют датчик давления.Patent document US 2007/0236213 A1 describes primarily mechanical resonators with attached magnetized material. A magnetic field can interact with a magnetized material and trigger mechanical vibrations. Mechanical vibrations are then detected by recording a time-varying field due to the oscillating mechanical structure. The recording device may be a coil or other suitable magnetometer. External pressure on such a device may change the actual spring constants and therefore result in a change in the resonant frequency that can be detected. In this way a pressure sensor is formed.

Хотя в принципе такая система работает, она имеет, как также упоминалось выше, ряд недостатков и не подходит для измерения давления глубоко в организме пациента с достаточной точностью и с помощью достаточно малого устройства. Основная проблема заключается в использовании механического резонатора. Как правило, максимально возможная добротность (фактор качества), достижимая в механических резонаторах, слишком низка для эффективной работы. Существуют некоторые материалы, такие как плавленый кварц, которые обеспечивают высокую добротность при колебании. Эти материалы обычно довольно твердые и не позволяют получить достаточно высокую амплитуду колебаний (достаточно большой угол) для эффективной работы, т.е. для создания достаточно большой вариации поля. Следующей проблемой является низкая чувствительность резонансной частоты к внешнему давлению, поскольку изменяются только упругие параметры. Это в сочетании с низкой добротностью приводит к необходимости достаточно высокого отношения сигнал / шум, что в свою очередь приводит к необходимости большого количества магнитного материала, что делает датчик большим. Еще одной проблемой устройства, раскрытого в US 2007/0236213 А1, является встраивание высокопрочного постоянного магнита в устройство. Лучшими постоянными магнитами являются магниты спеченного типа. Они несовместимы с производственным процессом микроэлектромеханических систем (МЭМС). Таким образом, либо производство является сложным, либо необходимо использовать магнитный материал низшего качества. Положительным фактором является относительно высокая рабочая частота датчика, раскрытая в патентном документе US 2007/0236213 А1. Недостатком является то, что шум в корпусе также увеличивается с частотой, и выше нескольких сотен кГц усиление больше не наблюдается. Так что заявленные гигагерцовые резонансные частоты не помогают. Для работы на высокой частоте также требуется быстрое переключение из режима передачи в режим приема, что является технически сложной задачей. Еще одной проблемой решения из US 2007/0236213 А1 является долговечность. При достаточно высокой величине произведения амплитуды и частоты материал пружины подвергается значительному напряжению, что может привести к поломке.Although such a system works in principle, it has, as also mentioned above, a number of disadvantages and is not suitable for measuring pressure deep in the patient's body with sufficient accuracy and using a small enough device. The main problem is the use of a mechanical resonator. Typically, the maximum possible quality factor (quality factor) achievable in mechanical resonators is too low to operate effectively. There are some materials, such as fused silica, that provide high vibration quality. These materials are usually quite hard and do not allow for a high enough vibration amplitude (a large enough angle) to work effectively, i.e. to create a sufficiently large field variation. The next problem is the low sensitivity of the resonant frequency to external pressure, since only the elastic parameters change. This, combined with the low quality factor, results in the need for a fairly high signal-to-noise ratio, which in turn results in the need for a large amount of magnetic material, making the sensor large. Another problem with the device disclosed in US 2007/0236213 A1 is the integration of a high strength permanent magnet into the device. The best permanent magnets are the sintered type. They are not compatible with the microelectromechanical systems (MEMS) manufacturing process. Thus, either the production is complex or the magnetic material of inferior quality must be used. A positive factor is the relatively high operating frequency of the sensor, disclosed in patent document US 2007/0236213 A1. The downside is that the noise in the enclosure also increases with frequency, and above a few hundred kHz there is no more gain observed. So the stated gigahertz resonant frequencies do not help. High frequency operation also requires rapid switching from transmit to receive mode, which is technically challenging. Another problem with the solution from US 2007/0236213 A1 is durability. If the product of amplitude and frequency is high enough, the spring material is subjected to significant stress, which can lead to failure.

Этих проблем позволяет избежать конструкция, предложенная, например, на фиг. 1. Поскольку энергия накапливается в основном в магнитном поле, относительно легко достичь высокой добротности. Также возможны высокие амплитуды колебаний. Тонкая нить не подвергается сильному износу. Резонанс можно легко изменить, изменив магнитное поле путем механического перемещения магнитов относительно друг друга. Это также легко согласуется с изменением давления (с использованием материалов с правильной податливостью и правильной формы, как описано ниже), поэтому может быть достигнуто довольно высокое изменение частоты. Датчик может быть изготовлен из наилучшего доступного магнитного материала, причем объемная доля магнитного материала высока.These problems can be avoided by the design proposed, for example, in Fig. 1. Since energy is mainly stored in the magnetic field, it is relatively easy to achieve high quality factor. High vibration amplitudes are also possible. The thin thread is not subject to much wear. Resonance can be easily changed by changing the magnetic field by mechanically moving the magnets relative to each other. This is also easily matched to pressure changes (using materials with the right compliance and the right shape, as described below), so a fairly high frequency change can be achieved. The sensor can be made from the best available magnetic material, and the volume fraction of the magnetic material is high.

Уже существуют, как также объяснялось выше, имплантируемые датчики давления, например, разработанные компанией CardioMeMS и раскрытые в патентном документе US 7147604 В1. Эти датчики работают по принципу резонансного LC (индуктивно-емкостного) устройства. Резонансная частота смещается под действием механического движения, вызванного давлением, что, в свою очередь, изменяет значение L или С (или и то, и другое). Хотя эта система работает, ее нельзя уменьшить до размеров, необходимых для предполагаемых применений. Это неотъемлемая проблема LC-генератора колебаний. При уменьшении размеров уровень мощности, который может генерироваться генератором колебаний, и динамический дипольный момент, генерируемый мощностью, уменьшаются. Это можно увидеть в следующем уравнении. Добротность резонатора не может быть выше добротности катушки. Аппроксимацию добротности катушки можно записать в виде:There already exist, as also explained above, implantable pressure sensors, for example those developed by CardioMeMS and disclosed in patent document US 7147604 B1. These sensors operate on the principle of a resonant LC (inductive capacitance) device. The resonant frequency is shifted by mechanical motion caused by pressure, which in turn changes the value of L or C (or both). Although this system works, it cannot be scaled down to the size required for the intended applications. This is an inherent problem with an LC oscillator. As the size decreases, the level of power that can be generated by the oscillator and the dynamic dipole moment generated by the power are reduced. This can be seen in the following equation. The quality factor of the resonator cannot be higher than the quality factor of the coil. The approximation of the quality factor of the coil can be written as:

где ω - частота, μ0 - магнитная проницаемость вакуума, ρ - удельное сопротивление, τ - доля радиуса, состоящего из проводника, и r - радиус катушки. Предполагается, что катушка имеет цилиндрическую форму с диаметром, соответствующим высоте. Для медной катушки диаметром 1 мм при частоте 100 кГц добротность составляет около 1. Такая катушка явно не будет работать. Для катушек диаметром 1 см (или более), используемых компанией CardioMeMS, добротность превышает 100 при 100 кГц и превышает 1000 при 1 МГц. Приведенная выше формула осуществляет переоценку практически достижимых значений добротности Q, поскольку предполагает, что весь объем заполнен проводящим материалом, и пренебрегает эффектом близости и скин-эффектом, а также потерями в конденсаторе. Тем не менее, эти значения приводят к созданию работающей системы. В патентном документе US 7147604 В1 указана измеренная добротность, составляющая 48 в диапазоне от 1 до 100 МГц. Поскольку динамический дипольный момент LC-генератора колебаний представляет собой добротность Q, умноженную на внешнее магнитное поле, умноженное на объем, сигнал устанавливается пропорционально r5, в то время как в случае механического генератора колебаний (энергия, запасенная в упругости) сигнал устанавливается пропорционально r3, а в случае вариантов осуществления, описанных, например, со ссылкой на фиг. 1 (магнитомеханический генератор колебаний, энергия, запасенная в магнитном поле), сигнал устанавливается пропорционально r2, а частота обратно пропорциональна линейным размерам. Таким образом, представленное здесь предложение очень хорошо подходит для миниатюризации датчиков.where ω is the frequency, μ 0 is the magnetic permeability of the vacuum, ρ is the resistivity, τ is the fraction of the radius consisting of the conductor, and r is the radius of the coil. It is assumed that the coil has a cylindrical shape with a diameter corresponding to the height. For a copper coil with a diameter of 1 mm at a frequency of 100 kHz, the quality factor is about 1. Such a coil obviously will not work. For the 1 cm (or larger) diameter coils used by CardioMeMS, the quality factor is greater than 100 at 100 kHz and greater than 1000 at 1 MHz. The above formula overestimates practically achievable values of quality factor Q, since it assumes that the entire volume is filled with conductive material, and neglects proximity and skin effects, as well as losses in the capacitor. However, these values result in a working system. Patent document US 7147604 B1 shows a measured quality factor of 48 in the range from 1 to 100 MHz. Since the dynamic dipole moment of an LC oscillator is the quality factor Q times the external magnetic field times the volume, the signal is set proportional to r 5 , while in the case of a mechanical oscillator (energy stored in elasticity) the signal is set proportional to r 3 , and in the case of embodiments described, for example, with reference to FIGS. 1 (magnetomechanical oscillation generator, energy stored in a magnetic field), the signal is set proportional to r 2 , and the frequency is inversely proportional to the linear dimensions. Thus, the proposal presented here is very well suited for sensor miniaturization.

В варианте осуществления с неподвижной (зафиксированной) сферой неподвижная сфера может иметь диаметр 620 мкм, тогда как колеблющаяся сфера 108 может иметь диаметр 500 мкм. Магнитный момент колеблющейся сферы 108 может составлять m≈70 мкАм2, базовая частота может составлять ƒ0≈2 кГц, а добротность может быть примерно Q≈500. Отношение сигнал / шум (SNR, от англ. signal to noise ratio) зависит от расстояния между а) катушкой, используемой для считывания резонансной частоты, и b) измерительным (чувствительным) устройством, а также от параметров катушки. Для портативной катушки диаметром 10 см с 200 витками и сопротивлением 10 Ом теоретически достижимое отношение сигнал / шум на расстоянии около 30 см и при длительности выборки в 0,1 с составляет примерно 4000. Однако типичные значения отношения сигнал / шум демонстрационного образца с неподвижной сферой могут составлять от 10 до 100, если практически не были приняты меры по подавлению фонового сигнала. Таким образом, шум в основном определяется флуктуациями гармоник сетевого источника питания. Для диаметров в половину сферы, т.е., например, 250 мкм для колеблющейся сферы, магнитный момент может составлять m≈9 мкАм2, базовая частота может составлять ƒ0≈4 кГц, добротность может оставаться неизменной, а теоретическое отношение сигнал / шум может упасть примерно до 1000.In a stationary (fixed) sphere embodiment, the stationary sphere may have a diameter of 620 microns, while the oscillating sphere 108 may have a diameter of 500 microns. The magnetic moment of the oscillating sphere 108 may be m≈70 μAm 2 , the base frequency may be ƒ 0 ≈2 kHz, and the quality factor may be approximately Q≈500. The signal to noise ratio (SNR) depends on the distance between a) the coil used to read the resonant frequency and b) the measuring (sensitive) device, as well as the parameters of the coil. For a 10 cm diameter portable coil with 200 turns and 10 ohm resistance, the theoretically achievable SNR at a distance of about 30 cm and with a sampling duration of 0.1 s is approximately 4000. However, typical SNR values of a fixed sphere demonstrator may range from 10 to 100, if practically no measures have been taken to suppress the background signal. Thus, the noise is mainly determined by the harmonic fluctuations of the mains power supply. For half-sphere diameters, i.e. 250 µm for an oscillating sphere, for example, the magnetic moment may be m≈9 µAm 2 , the base frequency may be ƒ 0 ≈4 kHz, the quality factor may remain unchanged, and the theoretical signal-to-noise ratio may drop to around 1000.

Существует несколько способов прикрепления нити к подвижному магнитному объекту.There are several ways to attach a thread to a moving magnetic object.

Например, можно использовать крепление в сквозном отверстии. В этом случае отверстие просверливают через центр тяжести и примерно перпендикулярно намагниченности. Хотя материал магнита твердый и хрупкий, существует несколько способов сверления отверстий, таких как импульсная лазерная или электроразрядная механическая обработка (EDM, от англ. electrical discharge machining). Нить пропускается через отверстие и приклеивается в нужном месте. Пропускание лучше всего производить с помощью процесса вакуумного всасывания. Можно использовать несколько типов клея. Экономичными являются клеи легкого отверждения. Они должны иметь низкую вязкость, чтобы заполнить отверстие с нитями просто за счет капиллярной силы. В качестве альтернативы или в дополнение нить может быть прикреплена к магнитному объекту механическими средствами. Например, за счет узла в нити или какой-либо другой толстой части нити, такой как капля клея или образованный за счет тепла (расплавленный) шарик. Последнее особенно легко изготавливается из волокон сверхмолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Этот способ крепления лишь на малую долю уменьшает магнитный дипольный момент и, следовательно, подстраивает хороший сигнал. Форма магнитного объекта не сильно изменяется, что может быть важно в случае сфер.For example, you can use a through-hole mount. In this case, the hole is drilled through the center of gravity and approximately perpendicular to the magnetization. Although the magnet material is hard and brittle, there are several ways to drill holes, such as pulsed laser or electrical discharge machining (EDM). The thread is passed through the hole and glued in the right place. Passing is best done using a vacuum suction process. Several types of glue can be used. Light-curing adhesives are economical. They must have a low viscosity to fill the filament hole simply by capillary force. Alternatively or in addition, the thread may be attached to the magnetic object by mechanical means. For example, through a knot in the thread or some other thick part of the thread, such as a drop of glue or a (molten) ball formed by heat. The latter is especially easily made from supermolecular polyethylene (UHMWPE) fibers. This mounting method only reduces the magnetic dipole moment by a small fraction and, therefore, produces a good signal. The shape of a magnetic object does not change much, which may be important in the case of spheres.

Также можно использовать зажимное крепление. В этом случае магнитный объект разделяется по меньшей мере на два компонента. Предпочтительно создается плоскость разделения, ортогональная намагниченности и параллельная направлению прикрепления нити. Нить помещается на эту плоскость. Точное выравнивание не требуется. Вторая магнитная часть помещается сверху. Магнитные детали обычно удерживаются вместе магнитными силами. Наконец, наносится клей, чтобы закрепить все на своих местах. Предпочтительные типы клея такие же, как и для процесса крепления в сквозном отверстии. Кроме того, можно выточить канавку в одном или обоих магнитных объектах, чтобы уменьшить общий зазор между магнитными объектами. Этот способ дает результаты почти такие же хорошие, как способ с использованием сквозного отверстия, но не требует специального оборудования для изготовления. Обычно магнитные подобьекты создают не путем разделения одного полного магнитного объекта, а путем стачивания двух (идентичных) магнитных объектов. Недостатком является то, что этот процесс более расточителен, так как используются два исходных объекта, и процесс также может быть несколько более трудоемким.A clamp mount can also be used. In this case, the magnetic object is separated into at least two components. Preferably, a separation plane is created that is orthogonal to the magnetization and parallel to the direction of filament attachment. The thread is placed on this plane. Precise alignment is not required. The second magnetic part is placed on top. Magnetic parts are usually held together by magnetic forces. Finally, glue is applied to secure everything in place. The preferred types of adhesive are the same as for the through-hole fastening process. Additionally, a groove can be machined into one or both of the magnetic objects to reduce the overall gap between the magnetic objects. This method produces results almost as good as the through-hole method, but does not require special equipment to manufacture. Typically, magnetic sub-objects are created not by dividing one complete magnetic object, but by grinding together two (identical) magnetic objects. The downside is that this process is more wasteful since two input objects are used, and the process can also be somewhat more labor intensive.

Самый дешевый способ - это непосредственное прикрепление нити к магнитному объекту с помощью подходящего клея. Магнитный объект удерживают и выравнивают с помощью какого-то инструмента. Обе функции могут быть реализованы с помощью подходящих магнитных полей. Инструмент может иметь форму воронки с нитью, проходящей через воронку, при этом магнитный объект прикрепляют к отверстию воронки за счет магнитных сил. Клей наносят в воронку и отверждают. Затем узел извлекают из инструмента и ненужную часть нити обрезают. Этот способ может быть очень дешевым и полностью использует магнитный объект. Недостатком является то, что добавляется значительное количество материала, что снижает частоту колебаний и требует места в готовом устройстве.The cheapest way is to directly attach the thread to a magnetic object using a suitable adhesive. The magnetic object is held and aligned using some kind of tool. Both functions can be realized using suitable magnetic fields. The tool may be shaped like a funnel with a thread running through the funnel, with a magnetic object being attached to the opening of the funnel by magnetic forces. The glue is applied into the funnel and cured. Then the knot is removed from the tool and the unnecessary part of the thread is cut off. This method can be very cheap and makes full use of the magnetic object. The disadvantage is that a significant amount of material is added, which reduces the vibration frequency and takes up space in the finished device.

В другом варианте осуществления может быть использована структура для крепления и дополнительного приклеивания. Можно прикрепить нить к магнитному объекту, сначала прикрепив ее к немагнитному объекту, а затем приклеив немагнитный объект к магнитному. Немагнитный объект может быть изготовлен методом литья под давлением или эквивалентным дешевым способом. Форма немагнитного объекта должна обеспечивать возможность простого крепления нити, т.е. он может иметь отверстие или зажимной механизм, возможно, даже такой простой, как канавка. Затем немагнитный объект приклеивают к магнитному объекту. В качестве альтернативы он может быть зажат или привинчен к магнитному объекту. Этот способ прост и дешев, но для некоторых применений может потребоваться слишком много дополнительного пространства.In another embodiment, a structure for fastening and additional gluing may be used. You can attach a thread to a magnetic object by first attaching it to a non-magnetic object, and then sticking the non-magnetic object to a magnetic object. The non-magnetic object may be manufactured by injection molding or an equivalent low-cost method. The shape of the non-magnetic object should allow the thread to be easily attached, i.e. it may have a hole or a clamping mechanism, perhaps even something as simple as a groove. The non-magnetic object is then glued to the magnetic object. Alternatively, it can be clamped or screwed to a magnetic object. This method is simple and cheap, but some applications may require too much extra space.

В принципе, все рассмотренные способы крепления нити к магнитному объекту применимы таким же образом к креплению нити к корпусу. Однако, поскольку с материалом корпуса обычно проще работать, способ сквозного отверстия может быть хорошим выбором. Зажатие также является хорошим вариантом. Это может быть дешевле, но может быть сложнее осуществить окончательную герметизацию.In principle, all the considered methods of attaching a thread to a magnetic object apply in the same way to attaching a thread to a body. However, since the body material is usually easier to work with, the through-hole method may be a good choice. Clamping is also a good option. This may be cheaper, but may be more difficult to achieve the final seal.

По меньшей мере часть корпуса является гибкой для обеспечения возможности преобразования изменений внешнего давления в изменения механических колебаний магнитного объекта. Предпочтительно корпус содержит отклоняемую мембрану, как схематично и в качестве примера показано на фиг. 1 и 2. Отклонение зависит от давления, приложенного к датчику, и изменяет расстояние между сферами. Уменьшение расстояния приводит к увеличению резонансной частоты, и наоборот. На фиг. 1 и 2 можно увидеть основной принцип работы датчика давления. Увеличение давления отклоняет мембрану 515 и уменьшает расстояние между сферами 507, 508, что приводит к увеличению резонансной частоты. На фиг. 1 и 2 дополнительно показаны корпус 502 и нить 506, с помощью которой магнитная сфера 508 прикреплена к мембране 515. На фиг. 1 давление, действующее на мембрану, и резонансная частота меньше, чем на фиг. 2.At least a portion of the housing is flexible to allow changes in external pressure to be converted into changes in mechanical vibrations of the magnetic object. Preferably the housing includes a deflectable membrane, as shown schematically and by way of example in FIG. 1 and 2. The deflection depends on the pressure applied to the sensor and changes the distance between the spheres. Decreasing the distance leads to an increase in the resonant frequency, and vice versa. In fig. 1 and 2 you can see the basic operating principle of the pressure sensor. An increase in pressure deflects the membrane 515 and reduces the distance between the spheres 507, 508, which results in an increase in the resonant frequency. In fig. 1 and 2 further show the housing 502 and the thread 506 by which the magnetic sphere 508 is attached to the membrane 515. FIG. 1, the pressure acting on the membrane and the resonant frequency are less than in FIG. 2.

На фиг. 3 показаны конструкции сильфонов, т.е. дополнительные варианты исполнения датчика давления с сильфоном. Сильфон поддается силам, возникающим в результате давления, действующего на датчик, т.е. увеличение давления сжимает сильфон и уменьшает межсферное расстояние. На фиг. 3А показана первая конструкция сильфона. Сильфон 703 предназначен для использования пространства, доступного вокруг нити 706, без увеличения внешнего диаметра датчика, при этом увеличение давления сжимает сильфон 703 и уменьшает расстояние между магнитными сферами 707, 708, что приводит к увеличению резонансной частоты. На фиг. 3А дополнительно показан корпус 702 и неподвижная магнитная сфера 707 датчика 701 давления. Датчик 701 давления дополнительно содержит тонкое металлическое покрытие 717, действующее в качестве диффузионного барьера, т.е. блокирующего диффузию слоя. Следует отметить, что все варианты осуществления настоящего изобретения содержат блокирующий диффузию слой, даже если он явно не показан на всех чертежах по соображениям ясности.In fig. 3 shows the designs of bellows, i.e. additional versions of the pressure sensor with a bellows. The bellows is subject to forces resulting from the pressure acting on the sensor, i.e. an increase in pressure compresses the bellows and reduces the intersphere distance. In fig. 3A shows a first bellows design. The bellows 703 is designed to utilize the space available around the filament 706 without increasing the outer diameter of the sensor, whereby the increase in pressure compresses the bellows 703 and reduces the distance between the magnetic spheres 707, 708, resulting in an increase in the resonant frequency. In fig. 3A further shows the housing 702 and stationary magnetic sphere 707 of the pressure sensor 701. The pressure sensor 701 further includes a thin metal coating 717 that acts as a diffusion barrier, i.e. diffusion blocking layer. It should be noted that all embodiments of the present invention include a diffusion blocking layer, even if it is not explicitly shown in all drawings for reasons of clarity.

На фиг. 3В показан датчик 801 с покрытием, который аналогичен датчику давления, показанному на фиг. 3А, с дополнительным гладким и мягким чехлом 818 поверх сильфона, чтобы избежать образования сгустков крови. Также датчик 801 содержит сильфон 803, предназначенный для использования пространства, доступного вокруг нити, без увеличения внешнего диаметра датчика, при этом увеличение давления сжимает сильфон 803 и уменьшает расстояние между магнитными сферами 807, 808, что приводит к увеличению резонансной частоты. На фиг. 3В дополнительно показан корпус 802 и неподвижная магнитная сфера 807 датчика 801 давления. Датчик 801 давления дополнительно содержит тонкое металлическое покрытие 817, действующее в качестве диффузионного барьера, т.е. блокирующего диффузию слоя.In fig. 3B shows a coated sensor 801 that is similar to the pressure sensor shown in FIG. 3A, with an additional smooth and soft 818 cover over the bellows to avoid blood clots. The sensor 801 also includes a bellows 803 designed to utilize the space available around the filament without increasing the outer diameter of the sensor, whereby the increase in pressure compresses the bellows 803 and reduces the distance between the magnetic spheres 807, 808, resulting in an increase in the resonant frequency. In fig. 3B further shows the housing 802 and stationary magnetic sphere 807 of the pressure sensor 801. The pressure sensor 801 further includes a thin metal coating 817 that acts as a diffusion barrier, i.e. diffusion blocking layer.

На фиг. 3С показан датчик 901 давления, который аналогичен датчику давления, показанному на фиг. 3В, дополнительно с 3-элементным проволочным каркасом 920 для прямой доставки в сосуд. Каркас фиксирует датчик, не перекрывая просвет сосуда. Таким образом, также в этом варианте осуществления гладкий и мягкий чехол 918 присутствует поверх сильфона 903, чтобы избежать образования сгустков крови. Сильфон 903 предназначен для использования пространства, доступного вокруг нити, без увеличения внешнего диаметра датчика, при этом увеличение давления сжимает сильфон 903 и уменьшает расстояние между магнитными сферами 907, 908, что приводит к увеличению резонансной частоты. На фиг. 3С дополнительно показан корпус 902 и неподвижная магнитная сфера 907 датчика 901 давления. Датчик 901 давления дополнительно содержит тонкое металлическое покрытие 917, действующее в качестве диффузионного барьера, т.е. блокирующего диффузию слояIn fig. 3C shows a pressure sensor 901, which is similar to the pressure sensor shown in FIG. 3B, additionally with a 3-piece 920 wire frame for direct delivery to the vessel. The frame fixes the sensor without blocking the lumen of the vessel. Thus, also in this embodiment, a smooth and soft cover 918 is present over the bellows 903 to avoid the formation of blood clots. The bellows 903 is designed to utilize the space available around the filament without increasing the outer diameter of the sensor, whereby the increase in pressure compresses the bellows 903 and reduces the distance between the magnetic spheres 907, 908, resulting in an increase in the resonant frequency. In fig. 3C further shows the housing 902 and stationary magnetic sphere 907 of the pressure sensor 901. The pressure sensor 901 further includes a thin metal coating 917 that acts as a diffusion barrier, i.e. diffusion blocking layer

Сильфон может быть изготовлен различными способами. Во-первых, сильфон может быть изготовлен из довольно гибкого материала, такого как силиконовый каучук (см. Фиг. 4). На самом деле это может быть просто кусок силиконового каучука. На фиг. 4 датчик 1001 давления содержит цилиндрический корпус 1002, имеющий открытые концы, закрытые с помощью каучуковых элементов 1009, 1003, причем первый каучуковый элемент 1009 удерживает неподвижную магнитную сферу 1007, а второй каучуковый элемент 1003 удерживает вращательно-колебательную магнитную сферу 1008 с помощью нити 1006. Цилиндрический каучуковый элемент 1003 действует как компенсатор расширения вместо сильфона.The bellows can be manufactured in various ways. First, the bellows can be made from a fairly flexible material such as silicone rubber (see FIG. 4). In fact, it may just be a piece of silicone rubber. In fig. 4, the pressure sensor 1001 includes a cylindrical body 1002 having open ends closed by rubber elements 1009, 1003, the first rubber element 1009 holding a stationary magnetic sphere 1007, and the second rubber element 1003 holding a rotating-oscillating magnetic sphere 1008 using a thread 1006. The cylindrical rubber element 1003 acts as an expansion joint instead of a bellows.

Однако при включении по меньшей мере одного диффузионно-плотного слоя в сильфон, т.е. при покрытии сильфона блокирующим диффузию слоем, например, как описано выше со ссылкой на фиг. 3А-3С, простая трубка обычно слишком жесткая. Поэтому предпочтительна настоящая сильфонная структура. Сильфоны хорошо известны, и возможны сильфоны различной формы. Особенно хорошо подходит для применения в датчиках давления структура типа "оригами". Существует несколько способов изготовления сильфона. Его можно просто изготовить в процессе литья под давлением. Это имеет то преимущество, что сильфон может быть изготовлен вместе с кожухом за один этап. Однако, поскольку мембрана должна быть очень тонкой, производственный процесс является сложным. Альтернативой является создание только внутреннего свободного пространства сильфона в производственном процессе, таком как литье под давлением или даже процесс токарной обработки или фрезерования. Материал должен быть легко растворимым, как поливиниловый спирт или полистирол. Также подходят некоторые металлы, такие как алюминий, железо или медь. На этот материал наносят сильфонную структуру, а внутреннюю структуру удаляют подходящим растворителем и/или за счет применения тепла. Многие процессы осаждения подходят для создания сильфона. Например, благородный металл (золото, палладий и т.д.) может быть нанесен электрохимически. Металлы, соединения и полимеры могут быть термически осаждены в вакууме. Подходят процессы распыления, а также химическое осаждение из газовой фазы (CVD, от англ. chemical vapor deposition). Многие другие, такие как простая окраска, тоже могут сработать. Хотя сильфон из чистого металла будет работать, лучше всего сочетать металл с полимером, потому что это дает менее жесткий сильфон. Также представляется эффективным встраивание по меньшей мере двух или более очень тонких металлических слоев. Так, например, хорошо сначала осадить (распылить) слой золота-палладия, затем использовать процесс CVD для осаждения парилена С (поли-пара-ксилилена), а затем снова осадить сверху посредством распыления сплав золота. Это позволяет диффузионному барьеру функционировать, даже если в металлическом слое появляется несколько трещин, поскольку газу приходится диффундировать на большое расстояние в париленовом слое, который уже достаточно устойчив к диффузии. Сверху могут или не могут быть предусмотрены дополнительные слои для увеличения биосовместимости, т.е. каждый из описанных вариантов осуществления может содержать один или несколько внешних биосовместимых слоев. Вместо использования внутренней формы также возможно использование внешних форм. Они должны расколоться, чтобы освободить сильфон, но могут быть использованы повторно несколько раз. Способы физического осаждения могут не очень хорошо подходить для этого производственного процесса, но, например, подходят химическое осаждение и электрохимическое осаждение. Другие процессы осаждения, упомянутые выше, могут быть использованы после извлечения (незаконченного) сильфона из формы.However, when including at least one diffusion-dense layer in the bellows, i.e. by coating the bellows with a diffusion blocking layer, for example as described above with reference to FIG. 3A-3C, a simple tube is usually too hard. Therefore, a true bellows structure is preferred. Bellows are well known, and bellows of various shapes are possible. The origami-type structure is particularly suitable for use in pressure sensors. There are several ways to make a bellows. It can be simply manufactured through the injection molding process. This has the advantage that the bellows can be manufactured together with the casing in one step. However, since the membrane must be very thin, the manufacturing process is complex. An alternative is to create only the internal headspace of the bellows in a manufacturing process such as an injection molding or even a turning or milling process. The material should be easily soluble, such as polyvinyl alcohol or polystyrene. Some metals such as aluminum, iron or copper are also suitable. A bellows structure is applied to this material and the internal structure is removed with a suitable solvent and/or by the application of heat. Many deposition processes are suitable for creating a bellows. For example, a noble metal (gold, palladium, etc.) can be deposited electrochemically. Metals, compounds and polymers can be thermally deposited in a vacuum. Sputtering processes are suitable, as well as chemical vapor deposition (CVD, from chemical vapor deposition). Many others, such as simple painting, can also work. Although a pure metal bellows will work, it is best to combine the metal with a polymer because it produces a less rigid bellows. It also appears to be effective to embed at least two or more very thin metal layers. So, for example, it is good to first deposit (spray) a layer of gold-palladium, then use the CVD process to deposit parylene C (poly-para-xylylene), and then sputter-deposit the gold alloy on top again. This allows the diffusion barrier to function even if several cracks appear in the metal layer, since the gas has to diffuse over a long distance in the parylene layer, which is already quite resistant to diffusion. Additional layers may or may not be provided on top to increase biocompatibility, e.g. each of the described embodiments may comprise one or more outer biocompatible layers. Instead of using an internal form, it is also possible to use external forms. They must crack to release the bellows, but can be reused several times. Physical deposition methods may not be well suited for this manufacturing process, but chemical deposition and electrochemical deposition, for example, are suitable. Other deposition processes mentioned above can be used after the (unfinished) bellows is removed from the mold.

Как описано выше, существует множество способов нанесения покрытия на датчик. Особенно полезно еще раз покрыть конечный датчик металлом, например, как описано выше со ссылкой на фиг. 3А-3С. Это делает все возможные соединения диффузионно плотными. Здесь снова полезны физическое или химическое осаждения из газовой фазы. Поверх этого слоя (или в качестве альтернативы) при необходимости может быть нанесено биосовместимое покрытие, такое как парилен С. В противном случае покрытие из благородного металла или титана уже обеспечивает хорошую биосовместимость.As described above, there are many ways to coat a sensor. It is particularly useful to recoat the end sensor with metal, for example as described above with reference to FIG. 3A-3C. This makes all possible connections diffusion tight. Here again physical or chemical vapor deposition is useful. On top of this layer (or alternatively), if necessary, a biocompatible coating such as Parylene C can be applied. Otherwise, a noble metal or titanium coating already provides good biocompatibility.

Как показано на фиг. 3В и 10С, чтобы избежать образования сгустков крови на довольно острых краях сильфона, может быть добавлен гладкий и мягкий верхний слой 818, 918. Пустота между мягким слоем 818, 918 и сильфоном может быть заполнена текучей средой, например водой или силиконовым маслом.As shown in FIG. 3B and 10C, to avoid the formation of blood clots on the rather sharp edges of the bellows, a smooth and soft top layer 818, 918 may be added. The void between the soft layer 818, 918 and the bellows may be filled with a fluid, such as water or silicone oil.

На фиг. 3С показан датчик 901 с 3-элементным проволочным каркасом 920 для прямой доставки в сосуд. Каркас фиксирует датчик, не перекрывая просвет сосуда. Каркас обычно состоит из кольцеобразной или дискообразной центральной части, из которой выступают изогнутые ножки. Он может быть изготовлен из проволочного материала, например нитинола, благодаря его высокой гибкости и хорошей биосовместимости. Другие материалы, такие как нержавеющая сталь или полимеры, также подойдут. Альтернативой проволоке могут быть структуры, вырезанные из листовых материалов, которым затем будет придана изогнутая форма с помощью пресс-формы и термообработки. Также было бы возможно литье под давлением, особенно для полимеров. Для соединения с кожухом датчика кольцеобразная или дискообразная структура действует как интерфейс между каркасом и кожухом датчика. Кольцеобразная структура может быть прорезана на цилиндрическом кожухе и может быть закреплена за счет усилия пружины и/или посредством склеивания или сварки. Дискообразная структура может быть приклеена или приварена к датчику.In fig. 3C shows a sensor 901 with a 3-element wire frame 920 for direct delivery into a vessel. The frame fixes the sensor without blocking the lumen of the vessel. The frame usually consists of a ring-shaped or disk-shaped central part from which curved legs protrude. It can be made from a wire material such as nitinol due to its high flexibility and good biocompatibility. Other materials such as stainless steel or polymers will also work. An alternative to wire is structures cut from sheet materials, which are then shaped into curves using a mold and heat treatment. Injection molding would also be possible, especially for polymers. For connection to the sensor housing, a ring or disk-shaped structure acts as an interface between the frame and the sensor housing. The ring-shaped structure may be slotted into the cylindrical casing and may be secured by spring force and/or by gluing or welding. The disc-shaped structure can be glued or welded to the sensor.

Чтобы избежать сил, возникающих в результате контакта со стенкой сосуда, каркас 920 соединяется только с одной частью датчика 901 и защищает пространство вокруг другой части (см. Фиг. 3С). Он может быть соединен либо с частью, содержащей неподвижный магнитный элемент, либо с частью с вращаемым магнитом. Конструкция каркаса может также содержать спиральные структуры (однопроволочные или многопроволочные) или сетчатые структуры. Эти структуры могут быть оптимизированы для сжатия, например, во время трансвенозной доставки через тонкую иглу.To avoid forces resulting from contact with the vessel wall, the frame 920 connects to only one part of the sensor 901 and protects the space around the other part (see Fig. 3C). It may be connected to either a part containing a stationary magnetic element or a part containing a rotating magnet. The frame structure may also contain helical structures (single-wire or multi-wire) or mesh structures. These structures can be optimized for compression, for example, during transvenous delivery through a fine needle.

На фиг. 5A-5D показаны схематично и в качестве примера дополнительные варианты осуществления датчика давления. Здесь представлена симметричная конструкция датчика для минимизации связи крутящего момента с окружающей средой. На фиг. 5А и 5В показан симметричный датчик 1101 при низком (фиг. 5А) и высоком (фиг. 5В) давлении. Симметричный датчик 1101 содержит цилиндрический корпус 1102, причем на противоположных концах корпуса 1102 расположены сильфоны 1103, 1104, т.е. торцевые поверхности корпуса 1102 удерживаются сильфонами 1103, 1104. К торцевым поверхностям магнитные сферы 1107, 1108 прикреплены с помощью соответствующих нитей 1105, 1106, причем магнитные сферы, как и в других вариантах осуществления, являются постоянными магнитами. Внешняя поверхность корпуса 1102 снабжена тонким металлическим покрытием 1117, действующим в качестве диффузионного барьера, т.е. внешняя поверхность корпуса 1102 снабжена блокирующим диффузию слоем 1117. На фиг. 5С и 5D показан дополнительный вариант 1201 осуществления, который соответствует варианту 1101 осуществления, но, кроме того, имеет крепление 1220 проволочного каркаса для сохранения расстояния от стенки сосуда. Для окончательной конструкции открытые концы проволоки должны быть соединены, чтобы избежать захвата отдельных проволок структурами сосуда во время доставки по потоку. Таким образом, также в этом варианте осуществления присутствует симметричная конструкция датчика, чтобы минимизировать связь крутящего момента с окружающей средой. На фиг. 5С и 5D показан симметричный датчик 1201 при низком (фиг. 5С) и высоком (фиг. 5D) давлении. Симметричный датчик 1201 содержит цилиндрический корпус 1202, причем на противоположных концах корпуса 1202 расположены сильфоны 1203, 1204, т.е. торцевые поверхности корпуса 1202 удерживаются сильфонами 1203, 1204. К торцевым поверхностям с помощью соответствующих нитей прикреплены магнитные сферы 1207, 1208, причем магнитные сферы, как и в других вариантах осуществления, представляют собой постоянные магниты. Внешняя поверхность корпуса 1202 снабжена тонким металлическим покрытием 1217, действующим в качестве диффузионного барьера, т.е. внешняя поверхность корпуса 1202 снабжена блокирующим диффузию слоем 1217.In fig. 5A-5D show schematically and by way of example additional embodiments of a pressure sensor. Here, a symmetrical sensor design is presented to minimize coupling of torque to the environment. In fig. 5A and 5B show a symmetrical sensor 1101 at low (FIG. 5A) and high (FIG. 5B) pressure. The symmetrical sensor 1101 contains a cylindrical housing 1102, with bellows 1103, 1104 located at opposite ends of the housing 1102, i.e. the end surfaces of the housing 1102 are held by bellows 1103, 1104. Magnetic spheres 1107, 1108 are attached to the end surfaces by means of corresponding threads 1105, 1106, and the magnetic spheres, as in other embodiments, are permanent magnets. The outer surface of the housing 1102 is provided with a thin metal coating 1117 that acts as a diffusion barrier, i.e. the outer surface of the housing 1102 is provided with a diffusion blocking layer 1117. In FIG. 5C and 5D show an additional embodiment 1201 that corresponds to embodiment 1101 but also has a wire frame attachment 1220 to maintain distance from the vessel wall. For the final design, the open ends of the wires must be joined to avoid the individual wires becoming entangled in the vessel structures during delivery through the stream. Thus, also in this embodiment, a symmetrical sensor design is present to minimize the coupling of torque to the environment. In fig. 5C and 5D show a symmetrical sensor 1201 at low (FIG. 5C) and high (FIG. 5D) pressure. The symmetrical sensor 1201 contains a cylindrical housing 1202, with bellows 1203, 1204 located at opposite ends of the housing 1202, i.e. the end surfaces of the housing 1202 are held by bellows 1203, 1204. Magnetic spheres 1207, 1208 are attached to the end surfaces using suitable threads, the magnetic spheres being permanent magnets as in other embodiments. The outer surface of the housing 1202 is provided with a thin metal coating 1217 that acts as a diffusion barrier, i.e. the outer surface of the housing 1202 is provided with a diffusion blocking layer 1217.

Датчики давления, описанные выше, могут быть встроены, например, в проволочный направитель 1310, как схематично и в качестве примера показано на фиг. 6 и 7. Концы проволочного направителя 1310 могут быть приварены к корпусу 1302 датчика 1301 давления с неподвижной магнитной сферой 1307 и вращающейся магнитной сферой 1308, прикрепленной к мембране 1304 с помощью нити 1306. Корпус 1302 содержит по меньшей мере одно отверстие 1303, которое можно рассматривать как вентиляционные отверстия, для обеспечения соединения по текучей среде с областью за пределами корпуса 1302, чтобы обеспечить возможность измерения давления. Размеры, показанные на фиг. 6 и 7 приведены только в качестве примера. Размеры также могут быть разными. Однако показанные размеры подходят для применения датчика давления фракционного резерва кровотока. Применение правил масштабирования к наблюдаемому отношению сигнал / шум демонстрационного образца показывает, что указанные размеры обеспечат достаточное отношение сигнал / шум и точность для дистанционной работы на расстояниях, достаточно больших, чтобы полностью проникнуть в пациента. Таким образом, датчик давления может быть встроен в проволочный направитель, тем самым создавая проволоку сдатчиком давления.The pressure sensors described above may be incorporated, for example, into guide wire 1310, as shown schematically and by way of example in FIG. 6 and 7. The ends of the guide wire 1310 may be welded to the housing 1302 of the pressure sensor 1301 with a stationary magnetic sphere 1307 and a rotating magnetic sphere 1308 attached to the membrane 1304 by a thread 1306. The housing 1302 includes at least one hole 1303 that can be viewed as vents to provide fluid connection to an area outside of housing 1302 to enable pressure measurement. The dimensions shown in Fig. 6 and 7 are given as an example only. Sizes may also vary. However, the dimensions shown are suitable for use with a fractional flow reserve pressure sensor. Applying the scaling rules to the observed signal-to-noise ratio of the demonstrator indicates that the specified dimensions will provide sufficient signal-to-noise ratio and accuracy for remote operation at distances large enough to completely penetrate the patient. In this way, a pressure sensor can be built into the guide wire, thereby making the wire a pressure sensor.

Может оказаться полезным подключить датчики давления к другим имплантируемым устройствам (см. Фиг. 8), например, для отслеживания падения давления на стенте 1401. Это может быть полезно для характеризации профилей давления внутри и вокруг стентов, например, для детектирования закупорки или для отслеживания прогрессирования заболевания. На фиг. 8 показана встраивание в стент датчика 1403 давления с реалистичной шкалой размеров (длина стента = 30 мм, диаметр стента = 4 мм, диаметр проволоки = 0,2 мм, длина датчика = 1,2 мм, диаметр датчика = 0,5 мм), причем на фиг. 8А показаны два датчика 1403 на входе и выходе стента 1402, которые могут использоваться для отслеживания падения давления на стенте 1402 и, следовательно, возможной закупорки. На фиг. 8В показано, что неподвижная часть датчика 1403 должна быть соединена с проволочной рамкой 1402. Можно добавить покрывающий материал, чтобы придать датчику более обтекаемую форму для лучшего встраивания в стент (не показан). На фиг. 8С показан вид внутрь стента 1402. Подвижную сенсорную часть можно слегка наклонить внутрь сосуда, чтобы избежать или задержать разрастание ткани.It may be useful to connect pressure sensors to other implantable devices (see FIG. 8), for example, to monitor the pressure drop across the stent 1401. This may be useful for characterizing pressure profiles in and around stents, for example, to detect blockages or to monitor progression diseases. In fig. 8 shows the integration of a pressure sensor 1403 into a stent with a realistic size scale (stent length = 30 mm, stent diameter = 4 mm, wire diameter = 0.2 mm, sensor length = 1.2 mm, sensor diameter = 0.5 mm), and in Fig. 8A shows two sensors 1403 at the inlet and outlet of the stent 1402 that can be used to monitor pressure drop across the stent 1402 and therefore possible blockage. In fig. 8B shows that the stationary portion of the sensor 1403 must be coupled to the wire frame 1402. A covering material can be added to give the sensor a more streamlined shape for better integration into a stent (not shown). In fig. 8C is a view of the interior of the stent 1402. The movable sensing portion can be tilted slightly toward the interior of the vessel to avoid or delay tissue proliferation.

Области применения - это коронарные стенты, агенты при аневризмах (мониторинг давления может помочь обнаружить эндоподтекание), трансяремные внутрипеченочные портосистемные шунты (TIPS, от англ. transjugular intrahepatic portosystemic shunt) или стенты, используемые при заболеваниях периферических сосудов. Как и выше, кольцеобразная или дискообразная структура может действовать в качестве интерфейса между устройством и датчиком со всеми вариантами крепления, упомянутыми выше. Аналогичное крепление может быть применено к другим внутренним устройствам, например, к проволочным намоткам, шунтирующим трансплантатам или трансмуральным устройствам Амплатцер (англ. Amplatzer). Для более крупных устройств, таких как проволочные на правители, проводники сдатчиком давления ФРК (фракционный резерв кровотока, или FFR, от англ. fractional flow reserve), катетеры, большие шунтирующие трансплантаты или искусственные сердечные клапаны, в устройстве можно просверлить отверстие для размещения датчика. Внутри отверстия опять же прикреплена только одна сторона датчика, например, посредством клея или зажима, в то время как другая сторона может свободно перемещаться, например, в текучей среде или непосредственно в крови. Текучая среда может быть либо несмешивающегося типа, например силиконовое масло или перфорированные поливинилэфиры, либо она может быть отделена от крови дополнительной тонкой и гибкой мембраной, либо возможны оба варианта.Applications include coronary stents, aneurysm agents (pressure monitoring can help detect endoleaks), transjugular intrahepatic portosystemic shunts (TIPS), or stents used in peripheral vascular disease. As above, a ring or disk-shaped structure can act as an interface between the device and the sensor with all the mounting options mentioned above. Similar attachment can be applied to other internal devices, such as coil wires, shunt grafts, or Amplatzer transmural devices. For larger devices, such as wire guides, fractional flow reserve guidewires, catheters, large bypass grafts, or artificial heart valves, a hole can be drilled into the device to accommodate the sensor. Within the opening, again only one side of the sensor is attached, for example by means of an adhesive or clamp, while the other side is free to move, for example in a fluid or directly in the blood. The fluid may be either an immiscible type, such as silicone oil or perforated polyvinyl ethers, or it may be separated from the blood by an additional thin and flexible membrane, or both.

Во всех клинических применениях используется тот факт, что датчик является пассивным и имеет малые размеры. Он может быть помещен внутрь человеческого тела, в то время как система считывания может детектировать его беспроводным образом без контакта с телом и на расстоянии. Для большинства применений клинического мониторинга датчик должен оставаться стабильным в организме человека в течение нескольких месяцев или нескольких лет. Однако для проволочных направителей и катетеров стабильность должна быть обеспечена только в течение нескольких часов. Для датчика, введенного трансвенозным образом, также может быть достаточной стабильность в течение нескольких недель, поскольку периодически могут поставляться новые датчики.All clinical applications take advantage of the fact that the sensor is passive and small in size. It can be placed inside the human body, while the sensing system can detect it wirelessly without contact with the body and from a distance. For most clinical monitoring applications, the sensor must remain stable in the human body for several months or several years. However, for guidewires and catheters, stability should only be ensured for a few hours. For a transvenously inserted transducer, stability over several weeks may also be sufficient as new transducers may be supplied periodically.

На фиг. 9 схематично и в качестве примера показан вариант осуществления сердечного клапана 2000, объединенного со стентом, причем на фиг. 9 материал стента обозначен ссылочным обозначением 2011. Сердечный клапан 2000 содержит клапанную структуру 2001 с неподвижной частью 2002 и подвижной частью 2004. Сердечный клапан 2000 содержит датчики давления в соответствии с описанными вариантами осуществления. Первый датчик 2020 давления расположен на стороне низкого давления неподвижной части 2002 клапана 2000. Кроме того, второй датчик давления 2008 расположен на подвижной части 2004 клапана 2000. Эти два датчика давления прикреплены к внешним стенкам клапана 2000. Однако датчики давления также могут быть встроены в клапанную структуру, причем в этом случае внутри клапанной структуры имеется пространство, закрытое мембраной и заполненное текучей средой, причем соответствующий датчик давления расположен в этом пространстве. Через мембрану и текучую среду внешнее давление приводит к изменению давления в положении соответствующего датчика давления внутри соответствующей полости. На фиг. 9 третий датчик 2007 давления расположен в полости 2005, закрытой мембраной 2003, на стороне низкого давления внутри неподвижной части клапана 2000. Четвертый датчик 2010 давления расположен в пространстве внутри подвижной части 2004 клапана 2000, причем это пространство также заполнено текучей средой и закрыто мембраной 2021. Дополнительный датчик 2009 давления может быть размещен в полости 2006 неподвижной части клапанной структуры на стороне высокого давления, причем также в этом случае полость заполнена текучей средой и закрыта мембраной 2014.In fig. 9 schematically and by way of example shows an embodiment of a heart valve 2000 integrated with a stent, with FIG. 9, the stent material is designated by reference numeral 2011. The heart valve 2000 includes a valve structure 2001 with a stationary portion 2002 and a movable portion 2004. The heart valve 2000 includes pressure sensors in accordance with the described embodiments. A first pressure sensor 2020 is located on the low pressure side of the stationary portion 2002 of the valve 2000. In addition, a second pressure sensor 2008 is located on the movable portion 2004 of the valve 2000. These two pressure sensors are attached to the outer walls of the valve 2000. However, the pressure sensors may also be built into the valve body. structure, in which case there is a space inside the valve structure, closed by a membrane and filled with a fluid, and a corresponding pressure sensor is located in this space. Through the membrane and fluid, external pressure causes a change in pressure at the position of the corresponding pressure sensor within the corresponding cavity. In fig. 9, a third pressure sensor 2007 is located in a cavity 2005 covered by a membrane 2003 on the low pressure side within a stationary portion of the valve 2000. A fourth pressure sensor 2010 is located in a space within a movable portion 2004 of the valve 2000, which space is also filled with fluid and covered by a membrane 2021. An additional pressure sensor 2009 may be placed in the cavity 2006 of the stationary part of the valve structure on the high pressure side, again in this case the cavity is filled with fluid and closed by a membrane 2014.

На фиг. 10 схематично и в качестве примера показан вариант осуществления проволоки для лечения аневризмы головного мозга. Проволока 2100 содержит датчики давления в соответствии с описанными вариантами осуществления. В частности, первый датчик 2104 давления может быть расположен на первом конце проволоки 2100 с одной стороны этого первого конца. Кроме того, дополнительный датчик 2101 давления может быть прикреплен ко второму концу проволоки 2100, и на промежуточном участке проволоки 2100 может быть установлен дополнительный датчик 2103 давления, при этом проволока 2100 может содержать внутреннюю полость, в которой расположен датчик 2103 давления, при этом внутренняя полость имеет соединение по текучей среде с областью за пределами проволоки 2100 через отверстия 2102.In fig. 10 shows schematically and by way of example an embodiment of a wire for treating a cerebral aneurysm. Wire 2100 contains pressure sensors in accordance with the described embodiments. In particular, the first pressure sensor 2104 may be located at the first end of the wire 2100 on one side of the first end. In addition, an additional pressure sensor 2101 may be attached to the second end of the wire 2100, and an additional pressure sensor 2103 may be mounted at an intermediate portion of the wire 2100, wherein the wire 2100 may include an internal cavity in which the pressure sensor 2103 is located, wherein the internal cavity has a fluid connection to the area outside the wire 2100 through holes 2102.

На фиг. 11 схематично и в качестве примера показан вариант осуществления печеночного шунтирующего устройства 2200, содержащего проволочную структуру 2203. В этом варианте осуществления проволочная структура 2203 имеет первую часть 2201, окруженную облицовочным материалом, и оголенную вторую часть 2202. В этом варианте осуществления первая часть 2201 облицована с использованием ПТФЭ (политетрафторэтилена). Более того, в этом варианте осуществления первая часть 2201 проволочной структуры имеет отдельные проволоки, тогда как во второй части 2202 проволочной структуры 2203 проволоки переплетены. Печеночное шунтирующее устройство 2200, которое также можно просто назвать печеночным шунтом, содержит несколько датчиков давления. Например, первый датчик 2204 давления расположен рядом с соответствующей проволокой первой части 2201 проволочной структуры 2203 внутри трубки из ПТФЭ. Второй датчик 2205 давления расположен "в проволоке" внутри трубки из ПТФЭ, т.е. датчик 2205 давления расположен между двумя концами соответствующей проволоки проволочной структуры 2203. Третий датчик 2206 давления расположен между двумя соседними проволоками проволочной структуры 2203 внутри трубки из ПТФЭ и также соединен с этими проволоками. Проволоки проволочной структуры 2203 имеют волнообразную форму, при этом между пиками или провалами соответствующей формы волны расположен дополнительный датчик 2207 давления, при этом датчик давления, например, может быть соединен с двумя соседними пиками или провалами соответствующей формы волны.In fig. 11 schematically and by way of example shows an embodiment of a hepatic bypass device 2200 comprising a wire structure 2203. In this embodiment, the wire structure 2203 has a first portion 2201 surrounded by a lining material and an exposed second portion 2202. In this embodiment, the first portion 2201 is lined with using PTFE (polytetrafluoroethylene). Moreover, in this embodiment, the first wire structure portion 2201 has individual wires, whereas in the second wire structure portion 2202, the wires 2203 are intertwined. The hepatic shunt device 2200, which may also simply be called a hepatic shunt, contains multiple pressure sensors. For example, the first pressure sensor 2204 is located adjacent to the corresponding wire of the first portion 2201 of the wire structure 2203 within the PTFE tube. The second pressure sensor 2205 is located "in wire" inside the PTFE tube, i.e. a pressure sensor 2205 is located between the two ends of the corresponding wires of the wire structure 2203. A third pressure sensor 2206 is located between two adjacent wires of the wire structure 2203 inside the PTFE tube and is also connected to these wires. The wires of the wire structure 2203 have a wave-like shape, with an additional pressure sensor 2207 located between the peaks or valleys of the corresponding waveform, wherein the pressure sensor, for example, can be connected to two adjacent peaks or valleys of the corresponding waveform.

На фиг. 11 показан дополнительный датчик 2208 давления рядом с проволокой проволочной структуры 2203 внутри трубки из ПТФЭ. Также оголенная часть 2202 проволочной структуры 2203 может содержать датчики давления. Например, датчик 2209 давления может быть расположен между двумя соседними переплетенными проволоками и соединен с этими соседними переплетенными проволоками. Дополнительный датчик 2210 давления может быть расположен рядом с проволокой, а датчик 2211 давления может быть расположен между двумя пиками или провалами формы волны соответствующей проволоки проволочной структуры 2203 и соединен с ними.In fig. 11 shows an additional pressure sensor 2208 adjacent to a wire structure 2203 within a PTFE tube. Also, the exposed portion 2202 of the wire structure 2203 may contain pressure sensors. For example, pressure sensor 2209 may be positioned between two adjacent woven wires and connected to those adjacent woven wires. An additional pressure sensor 2210 may be located adjacent to the wire, and a pressure sensor 2211 may be positioned between and coupled to two peaks or valleys in the corresponding wire waveform of the wire structure 2203.

Следует отметить, что на фиг. 8-11 расположение датчиков давления приведено только в качестве примера, т.е. также большее или меньшее количество датчиков давления может быть расположено в том же или других положениях на соответствующем устройстве или внутри него. Также возможно, что соответствующее устройство содержит только один датчик давления. Один или несколько датчиков давления соответствующего устройства являются датчиками давления в соответствии по меньшей мере с одним из описанных вариантов осуществления.It should be noted that in FIG. 8-11 the location of the pressure sensors is given as an example only, i.e. also, more or fewer pressure sensors may be located in the same or different positions on or within the corresponding device. It is also possible that the corresponding device contains only one pressure sensor. The one or more pressure sensors of the corresponding device are pressure sensors in accordance with at least one of the described embodiments.

В дальнейшем предполагается, что длина датчика всегда примерно в два раза больше диаметра. Все датчики диаметром 0,3 мм и более позволят отслеживать давление в режиме реального времени (более 10 показаний в секунду) на расстоянии более 30 см с погрешностью давления менее 1 мбар и диапазоном давления не менее 400 мбар. Эти параметры позволяют измерять артериальное давление с клинически значимой точностью.In the following, it is assumed that the length of the sensor is always approximately twice the diameter. All sensors with a diameter of 0.3 mm or larger will allow real-time pressure monitoring (more than 10 readings per second) over a distance of more than 30 cm with a pressure error of less than 1 mbar and a pressure range of at least 400 mbar. These parameters allow you to measure blood pressure with clinically relevant accuracy.

Датчик может быть встроен, например, в проволочный направитель, как объяснено выше со ссылкой на фиг. 6 и 7. Типичные диаметры проволочных направителей варьируются от 0,33 до 1,0 мм, т.е. для тонкой проволоки с датчиками давления диаметр датчика должен быть около 0,3 мм или меньше. Таким образом, был бы возможен диаметр сферы 0,25 мм, что привело бы к приведенным выше оценкам частоты, отношения сигнал / шум и добротности. Теоретически достижимого отношения сигнал / шум ~ 1000 на расстоянии 30 см было бы достаточно для всех ситуаций считывания. При больших диаметрах проволоки можно использовать сферы большего размера, что снижает потребность в оптимальном подавлении фона. Таким образом, диаметры датчиков от 0,3 до 1,0 мм полезны для встраивания в проволочные направители.The sensor may be built into, for example, a guide wire, as explained above with reference to FIG. 6 and 7. Typical guide wire diameters range from 0.33 to 1.0 mm, i.e. For thin wire with pressure sensors, the sensor diameter should be about 0.3mm or less. Thus, a sphere diameter of 0.25 mm would be possible, leading to the above estimates of frequency, signal-to-noise ratio, and quality factor. A theoretically achievable signal-to-noise ratio of ~1000 at 30 cm would be sufficient for all sensing situations. With larger wire diameters, larger sphere sizes can be used, reducing the need for optimal background suppression. Thus, sensor diameters between 0.3 and 1.0 mm are useful for integration into guide wires.

Датчик также может быть встроен в катетер. Здесь, при размещении датчика в просвете катетера, применяется тот же аргумент, что и для проволочного направителя. Может потребоваться разместить датчики в материале стенки катетера, что приведет к более жестким ограничениям по размеру. Возможно, будет целесообразно создать датчик с диаметром сферы 0,1 мм, но возрастут усилия по удалению фонового сигнала, и/или будет уменьшено расстояние, на котором датчик может быть надежно считан. В качестве альтернативы, усреднение, синхронизированное с сердечным ритмом, может быть использовано для улучшения отношения сигнал / шум, однако за счет разрешения по времени. Таким образом, диаметры датчиков от 0,1 до 1,0 мм полезны для встраивания в катетер.The sensor can also be built into the catheter. Here, when placing the sensor in the catheter lumen, the same argument applies as for the guidewire. Sensors may need to be embedded in the catheter wall material, resulting in tighter size restrictions. It may be feasible to create a sensor with a sphere diameter of 0.1 mm, but the effort to remove the background signal will be increased and/or the distance over which the sensor can be reliably read will be reduced. Alternatively, heart rate-synchronized averaging can be used to improve signal-to-noise ratio, but at the expense of time resolution. Thus, probe diameters between 0.1 and 1.0 mm are useful for catheter integration.

Датчик также может быть размещен на стенте. Чтобы свести к минимуму влияние на кровоток через стент, диаметр датчика не должен быть намного больше диаметра проволоки. Типичный диаметр проволоки стента составляет от 0,2 до 0,5 мм. Таким образом, это был бы полезный диапазон для диаметров датчиков. Однако также может быть встроен датчик большего размера, опционально с дополнительным обтекаемым чехлом.The sensor can also be placed on a stent. To minimize the effect on blood flow through the stent, the diameter of the probe should not be much larger than the diameter of the wire. Typical stent wire diameter is 0.2 to 0.5 mm. So this would be a useful range for sensor diameters. However, a larger sensor can also be integrated, optionally with an additional streamlined cover.

Также возможно вводить датчик с помощью шприца, при этом датчик может быть вставлен в сосуд меньшего размера в области легких или печени без риска для пациента. Типичный диаметр датчика для введения составляет от 0,3 до 1,0 мм. Размер каркаса необходимо адаптировать под диаметр сосуда, в котором должен быть установлен датчик оптимальным образом. Предпочтительно диаметр каркаса должен быть больше 1 мм, поскольку в сосудах меньшего размера давление может отклоняться от требуемого давления, присутствующего в более крупном питающем сосуде. Чтобы упростить доставку через иглу в венозную систему, каркас должен быть сжимаемым в радиальном направлении до диаметра кожуха датчика.It is also possible to insert the sensor using a syringe, and the sensor can be inserted into a smaller vessel in the lung or liver area without risk to the patient. Typical insertion probe diameters range from 0.3 to 1.0 mm. The size of the frame must be adapted to the diameter of the vessel in which the sensor is to be optimally installed. Preferably, the diameter of the frame should be greater than 1 mm, since in smaller vessels the pressure may deviate from the required pressure present in the larger supply vessel. To facilitate delivery through the needle into the venous system, the frame must be radially compressible to the diameter of the transducer housing.

Поскольку датчик давления содержит магнитный объект, подобный постоянному магниту, может возникнуть проблема при сканировании тела с помощью сканера МРТ. Проблема может не представлять опасности для организма, т.е. для пациента, поскольку датчик давления мал и, следовательно, вызывает лишь небольшие усилия и крутящие моменты, которые не представляют угрозы для пациентов. Аналогичным образом, магнитно-резонансное изображение, полученное с помощью сканера МРТ, также не может быть испорчено, поскольку датчик давления имеет очень малые размеры. Однако во многих клинических сканерах МРТ используют высокую напряженность поля более 1,5 Тл, и сильное магнитное поле может разрушить датчик давления, изменив намагниченность магнитного объекта или повредив механическую конструкцию в датчике давления. Это будет описано более подробно со ссылкой на фиг. 12 и 13.Because the pressure sensor contains a magnetic object, like a permanent magnet, there may be a problem when scanning the body with an MRI scanner. The problem may not pose a danger to the body, i.e. for the patient, since the pressure sensor is small and therefore causes only small forces and torques that do not pose a threat to patients. Similarly, the magnetic resonance image produced by an MRI scanner cannot be damaged either because the pressure sensor is very small in size. However, many clinical MRI scanners use high field strengths greater than 1.5 Tesla, and the strong magnetic field can destroy the pressure sensor by changing the magnetization of the magnetic object or damaging the mechanical structure in the pressure sensor. This will be described in more detail with reference to FIG. 12 and 13.

На фиг. 12 схематично и в качестве примера показан датчик 1 давления без защиты от поля магнитно-резонансной томографии. Датчик 1 давления имеет две магнитные сферы 7, 8, подвешенные с помощью соответствующей нити 5, 6, которая прикреплена к корпусу 2 в соответствующих точках 3, 4 крепления. При возбуждении колеблющимся внешним магнитным полем сферы 7, 8 начинают встречное вращательное колебание вокруг оси нити. Это резонансное колебание создает поле, которое может быть зарегистрировано на расстоянии. Корпус 2 является частично гибким, так что расстояние между двумя сферами 7, 8 и, следовательно, резонансная частота изменяются в зависимости от внешнего давления. Гибкая часть корпуса 2 не выделена на фиг. 12 по соображениям наглядности.In fig. 12 schematically and by way of example shows a pressure sensor 1 without protection from the magnetic resonance imaging field. The pressure sensor 1 has two magnetic spheres 7, 8, suspended by means of a corresponding thread 5, 6, which is attached to the body 2 at the corresponding attachment points 3, 4. When excited by an oscillating external magnetic field, spheres 7, 8 begin a counter rotational oscillation around the axis of the thread. This resonant vibration creates a field that can be detected at a distance. The housing 2 is partially flexible so that the distance between the two spheres 7, 8 and hence the resonant frequency changes depending on the external pressure. The flexible part of the housing 2 is not highlighted in FIG. 12 for clarity reasons.

На фиг. 13 датчик 1 давления с фиг. 12 помещен в сильное магнитное поле в осевом направлении 9. Это заставляет сферы 7, 8 ориентироваться в направлении магнитного поля. Однако в этой реализации нити 5, 6 слишком короткие, чтобы полностью выровнять сферы 7, 8. Если корпус 2 датчика не может двигаться, либо нити 5, 6 обрываются, либо, учитывая очень сильное магнитное поле высокопольных сканеров МРТ, сферы 7, 8 меняют направление намагничивания, делая устройство 1 неработоспособным.In fig. 13 pressure sensor 1 from Fig. 12 is placed in a strong magnetic field in the axial direction 9. This causes the spheres 7, 8 to be oriented in the direction of the magnetic field. However, in this implementation, the threads 5, 6 are too short to fully align the spheres 7, 8. If the sensor body 2 cannot move, either the threads 5, 6 break or, given the very strong magnetic field of high-field MRI scanners, the spheres 7, 8 change direction of magnetization, making device 1 inoperable.

Одним из решений этой проблемы является размещение корпуса датчика давления во внешнем вмещающем корпусе 10, 110, который предпочтительно представляет собой сферический или эллипсоидальный кожух, например, заполненный высоковязкой текучей средой, так что весь корпус со сферами может переориентироваться для выравнивания намагниченности сфер с внешним полем и, таким образом, избежать повторного намагничивания. Сферический внешний корпус 110 допускает произвольную переориентацию датчика и, таким образом, может также использоваться для более простой конструкции датчика с одной неподвижной сферой 107 и другой сферой 108, колеблющейся на нити 106, как схематично показано на фиг. 14. На фиг. 14 датчик 111 давления сформирован с использованием более простого магнитомеханического генератора 101 колебаний (осциллятора), который содержит корпус 102, содержащий неподвижную сферу 107 и другую сферу 108, колеблющуюся на нити 106, внутри сферического внешнего кожуха 110. Для конструкции, показанной на фиг. 13, в зависимости от длины нитей 5, 6, было бы достаточно частичной переориентации датчика 1, и внешний кожух 10 мог бы быть более эллипсоидальным, т.е. мог бы быть выполнен меньшим в одном или двух направлениях, как схематично показано на фиг. 15, на которой датчик давления обозначен ссылочным обозначением 11.One solution to this problem is to house the pressure sensor housing in an outer housing 10, 110, which is preferably a spherical or ellipsoidal housing, for example filled with a highly viscous fluid, so that the entire housing and spheres can be reoriented to align the magnetization of the spheres with the external field and , thus avoiding re-magnetization. The spherical outer housing 110 allows for arbitrary reorientation of the sensor and thus can also be used for a simpler sensor design with one stationary sphere 107 and another sphere 108 oscillating on a string 106, as schematically shown in FIG. 14. In FIG. 14, pressure sensor 111 is formed using a simpler magnetomechanical oscillator 101, which includes a housing 102 containing a stationary sphere 107 and another sphere 108 oscillating on a string 106, inside a spherical outer casing 110. For the design shown in FIG. 13, depending on the length of the threads 5, 6, a partial reorientation of the sensor 1 would be sufficient, and the outer casing 10 could be more ellipsoidal, i.e. could be made smaller in one or two directions, as schematically shown in FIG. 15, in which the pressure sensor is designated by reference numeral 11.

Датчик давления выполнен таким образом, что изменения внешнего давления за пределами охватывающего кожуха преобразуются в изменения внешнего давления, происходящие снаружи корпуса и внутри охватывающего кожуха. Например, внешний кожух может представлять собой очень мягкий кожух, заполненный текучей средой, или кожух с отверстиями, чтобы эффективно преобразовывать изменения внешнего давления в изменения механических колебаний магнитного объекта.The pressure sensor is designed in such a way that changes in external pressure outside the female casing are converted into changes in external pressure occurring outside the housing and inside the female casing. For example, the outer casing may be a very soft casing filled with fluid, or a casing with openings to effectively convert changes in external pressure into changes in mechanical vibrations of the magnetic object.

Дополнительный кожух 10, 110 обеспечивает возможность переориентации корпуса 2, 102 для выравнивания намагниченности сферы с внешним полем, при этом на фиг. 14 показан сферический кожух 10, обеспечивающий свободную переориентацию датчика и, следовательно, также подходящий для конструкций, например, с неподвижной магнитной сферой, и при этом на фиг. 15 требуемый наклон возможен в корпусе 110, который сплющен в одном или двух направлениях, т.е. имеет меньший диаметр, чем сфера 10 на фиг. 14. Эллиптический корпус 110 особенно удобен для датчиков с двумя сферами 7, 8, подвешенными на нитях 5, 6.The additional casing 10, 110 makes it possible to reorient the housing 2, 102 to align the magnetization of the sphere with the external field, while in FIG. 14 shows a spherical housing 10 allowing free reorientation of the sensor and therefore also suitable for designs with, for example, a fixed magnetic sphere, while FIG. 15, the required tilt is possible in a housing 110 that is flattened in one or two directions, i.e. has a smaller diameter than sphere 10 in FIG. 14. The elliptical body 110 is especially suitable for sensors with two spheres 7, 8 suspended on threads 5, 6.

На фиг. 16 датчик 201 давления с нитями 205, 206 удлинен по сравнению с датчиком 1 давления, показанным на фиг. 12 и 13, тогда как диаметр трубки остается постоянным. Таким образом, для сфер 207, 208 достаточно места для выравнивания с внешним магнитным полем произвольного направления. Минимальная длина струны равна Пи/4 диаметра сферы 207, 208. Единственная проблема, которая может возникнуть, заключается в том, что поле изменялось так, чтобы намотать нить 205, 206 вокруг сферы (сфер) 207, 208. Чтобы сделать это маловероятным, сферы 207, 208 и внутренняя часть корпуса 202 могут быть покрыты скользким и нелипким материалом, таким как графит. Нити 205, 206 прикреплены к корпусу 202 в точках 203, 204 крепления.In fig. 16, the pressure sensor 201 with threads 205, 206 is elongated compared to the pressure sensor 1 shown in FIG. 12 and 13, while the diameter of the tube remains constant. Thus, there is enough space for the spheres 207, 208 to align with an external magnetic field of any direction. The minimum string length is Pi/4 the diameter of the sphere 207, 208. The only problem that might arise is that the field was changed to wrap the string 205, 206 around the sphere(s) 207, 208. To make this unlikely, the spheres 207, 208 and the interior of housing 202 may be coated with a slippery and non-stick material such as graphite. The threads 205, 206 are attached to the body 202 at attachment points 203, 204.

На фиг. 17, на котором схематично и в качестве примера показан другой вариант осуществления, нити 305, 306 датчика 301 давления сами по себе слишком короткие, чтобы сделать устройство устойчивым к магнитно-резонансной томографии. Однако к соответствующей нити 305, 306 и к корпусу 302 прикреплен соответствующий блок 314, 315 намотки. Если силы, действующие на соответствующую нить 305, 306, становятся слишком большими, этот блок 314, 315 высвобождает большую длину нити 305, 306. Следовательно, соответствующая сфера 307, 308 может свободно вращаться, и проблема решена. Для нормальной работы за пределами поля аппарата МРТ необходимо точно определить длину нити 305, 306. Это осуществляют с помощью стопора 311, 312, который может быть прикреплен к нити 305, 306, или с помощью какого-либо стопора в блоке намотки.In fig. 17, which shows schematically and by way of example another embodiment, the filaments 305, 306 of the pressure sensor 301 are themselves too short to make the device resistant to magnetic resonance imaging. However, attached to the corresponding thread 305, 306 and to the body 302 is a corresponding winding unit 314, 315. If the forces acting on the corresponding thread 305, 306 become too large, this block 314, 315 releases a larger length of thread 305, 306. Therefore, the corresponding sphere 307, 308 can rotate freely, and the problem is solved. For normal operation outside the field of the MRI machine, it is necessary to accurately determine the length of the filament 305, 306. This is done using a stopper 311, 312, which can be attached to the filament 305, 306, or using some kind of stopper in the winding unit.

На фиг. 18 показан один возможный блок 414 намотки. Он содержит пружинящий материал 422, который удерживает нить 405 посредством шкива 427 и точки 426 крепления. Когда усилие на нити 405 низкое, пружина 422 останавливается некоторыми из стопоров 424, 425. Пружина 422 давит на стопоры 424, 425, и, следовательно, длина нити 405 фиксирована. Если усилие становится больше, материал 422 пружины изгибается и доступная длина внутри корпуса 420 увеличивается. Эта конструкция предпочтительно допускает удлинение нити до 1,5 радиусов сфер. Это означает, что этого достаточно независимо от длины нити внутри корпуса 420. Нить 405 направляется из корпуса 420 в корпус измерительного (чувствительного) устройства через отверстие 421 корпуса. Пружина прикреплена к корпусу 420 в точке 423 крепления пружины.In fig. 18 shows one possible winder 414. It contains a spring material 422 that holds the thread 405 through a pulley 427 and an attachment point 426. When the force on the thread 405 is low, the spring 422 is stopped by some of the stops 424, 425. The spring 422 presses against the stops 424, 425, and therefore the length of the thread 405 is fixed. If the force becomes greater, the spring material 422 flexes and the available length within the housing 420 increases. This design preferably allows the thread to be extended up to 1.5 sphere radii. This means that it is sufficient regardless of the length of the filament inside the housing 420. The filament 405 is directed from the housing 420 into the body of the measuring (sensing) device through the opening 421 of the housing. The spring is attached to the housing 420 at a spring attachment point 423.

Описанные датчики давления предпочтительно выполнены с возможностью компенсации зависимости резонансной частоты от температуры. Эта конфигурация датчиков давления для компенсации температурных сдвигов резонансной частоты будет описана ниже со ссылкой на фиг. 19.The described pressure sensors are preferably configured to compensate for the dependence of the resonant frequency on temperature. This configuration of pressure sensors for compensating for temperature shifts in resonant frequency will be described below with reference to FIGS. 19.

Также на фиг. 19 датчик 3001 давления содержит корпус 3002 и магнитный объект 3004, расположенный внутри корпуса 3002 таким образом, что он может поворачиваться за пределы равновесной ориентации, если на магнитный объект 3004 действует внешний магнитный момент. Датчик 3001 давления дополнительно содержит блок 3003 восстановления крутящего момента, выполненный с возможностью обеспечения восстанавливающего крутящего момента, чтобы вернуть магнитный объект 3004 в равновесную ориентацию, если внешняя магнитная сила повернула магнитный объект 3004 из равновесной ориентации, чтобы обеспечить возможность вращательного колебания магнитного объекта 3004, возбуждаемого внешним магнитным моментом. В этом варианте осуществления корпус 3002 является цилиндрическим, а магнитный объект 3004 может вращаться вокруг воображаемой оси вращения, проходящей по центру магнитного объекта 3004, при этом магнитный объект 3004 является вращательно-симметричным относительно воображаемой оси вращения. В частности, в этом варианте осуществления магнитный объект 3004 представляет собой магнитную сферу.Also in FIG. 19, pressure sensor 3001 includes a housing 3002 and a magnetic object 3004 located within the housing 3002 such that it can rotate beyond its equilibrium orientation if the magnetic object 3004 is subjected to an external magnetic moment. The pressure sensor 3001 further includes a torque recovery unit 3003 configured to provide a recovery torque to return the magnetic object 3004 to an equilibrium orientation if an external magnetic force has rotated the magnetic object 3004 out of the equilibrium orientation to allow rotational oscillation of the magnetic object 3004 excited external magnetic moment. In this embodiment, the housing 3002 is cylindrical, and the magnetic object 3004 can rotate about an imaginary axis of rotation through the center of the magnetic object 3004, wherein the magnetic object 3004 is rotationally symmetric about the imaginary axis of rotation. Specifically, in this embodiment, the magnetic object 3004 is a magnetic sphere.

Блок 3003 восстановления крутящего момента содержит дополнительный магнитный объект 3003 для обеспечения восстанавливающего крутящего момента. В частности, магнитный объект 3004 прикреплен к одному концу нити 3007, при этом другой конец нити 3007 прикреплен к корпусу 3002. Нить 3007 выполнена с возможностью предотвращения соприкосновения магнитного объекта 3004 с дополнительным магнитным объектом 3003 из-за их магнитного притяжения и обеспечения возможности вращательного колебания магнитного объекта 3004. В этом варианте осуществления дополнительный магнитный объект 3003 неподвижно прикреплен к корпусу 3002 с помощью клея 3009.The torque recovery unit 3003 includes an additional magnetic object 3003 for providing recovery torque. Specifically, a magnetic object 3004 is attached to one end of the thread 3007, while the other end of the thread 3007 is attached to the housing 3002. The thread 3007 is configured to prevent the magnetic object 3004 from contacting the additional magnetic object 3003 due to their magnetic attraction and allowing rotational vibration magnetic object 3004. In this embodiment, an additional magnetic object 3003 is permanently attached to the housing 3002 using adhesive 3009.

Магнитный объект 3004 образует первый магнитный диполь, дополнительный магнитный объект 3003 образует второй магнитный диполь, причем магнитный объект 3004 и дополнительный магнитный 3003 расположены так, что в равновесной ориентации первый и второй диполи направлены в противоположном направлении. Первый магнитный объект 3004 и второй магнитный объект 3003 представляют собой постоянные магниты, причем в равновесной ориентации северный полюс магнитного объекта 3004 обращен к южному полюсу дополнительного магнитного объекта 3003, и наоборот.The magnetic object 3004 forms a first magnetic dipole, the additional magnetic object 3003 forms a second magnetic dipole, and the magnetic object 3004 and the additional magnetic 3003 are arranged such that in the equilibrium orientation the first and second dipoles point in opposite directions. The first magnetic object 3004 and the second magnetic object 3003 are permanent magnets, with the north pole of the magnetic object 3004 facing the south pole of the additional magnetic object 3003 in equilibrium orientation, and vice versa.

Корпус 3002 является цилиндрическим, причем цилиндрический корпус 3002 содержит две торцевые поверхности 3030, 3031, и при этом дополнительный магнитный объект 3003 неподвижно прикреплен к первой торцевой поверхности 3030, а конец нити 3007, который противоположен концу, прикрепленному к магнитному объекту 3004, прикреплен ко второй торцевой поверхности 3031 цилиндрического корпуса 3002.The housing 3002 is cylindrical, wherein the cylindrical body 3002 includes two end surfaces 3030, 3031, and wherein an additional magnetic object 3003 is fixedly attached to the first end surface 3030, and the end of the thread 3007, which is opposite to the end attached to the magnetic object 3004, is attached to the second end surface 3031 of the cylindrical body 3002.

В этом варианте осуществления вторая торцевая поверхность 3031 корпуса 3002 образована гибкой частью 3008 стенки корпуса 3002, причем магнитный объект 3004 прикреплен к гибкой части 3008 с помощью нити 3007 таким образом, что внешнее давление, действующее на гибкую часть 3008 снаружи корпуса 3002, приводит к изменению расстояния между магнитным объектом 3004 и дополнительным магнитным объектом 3003. Из-за этого изменения расстояния, вызванного внешним давлением, изменяется напряженность магнитного поля, создаваемого дополнительным магнитным объектом 3003 в положении магнитного объекта 3004, и, следовательно, изменяется резонансная частота. Таким образом, резонансная частота изменяется в зависимости от внешнего давления таким образом, что датчик 3001 давления может использоваться для измерения внешнего давления в качестве другой физической величины. Таким образом, гибкая часть 3008 стенки корпуса 3002 может рассматриваться как измерительный элемент, который выполнен с возможностью изменения резонансной частоты в зависимости от внешнего давления.In this embodiment, the second end surface 3031 of the housing 3002 is formed by a flexible portion 3008 of the wall of the housing 3002, wherein a magnetic object 3004 is attached to the flexible portion 3008 by a thread 3007 such that external pressure acting on the flexible portion 3008 from outside the housing 3002 causes a change distance between the magnetic object 3004 and the additional magnetic object 3003. Due to this change in distance caused by external pressure, the strength of the magnetic field generated by the additional magnetic object 3003 at the position of the magnetic object 3004 changes, and therefore the resonant frequency changes. Thus, the resonant frequency changes depending on the external pressure so that the pressure sensor 3001 can be used to measure the external pressure as another physical quantity. Thus, the flexible wall portion 3008 of the housing 3002 can be considered as a measuring element that is configured to change the resonant frequency depending on the external pressure.

Датчик 3001 давления дополнительно содержит магнитный материал 3005, 3006, расположенный рядом с дополнительным магнитным объектом 3003. Этот магнитный материал 3005, 3006 влияет на магнитное поле, создаваемое дополнительным магнитным объектом 3003, при этом влияние магнитного материала 3005, 3006 зависит от температуры для изменения напряженности магнитного поля в положении магнитного объекта 3004 и, следовательно, для изменения резонансной частоты, если температура изменяется. Магнитный материал 3005, 3006 выполнен таким образом, что его намагниченность уменьшается с повышением температуры. Более того, магнитный материал 3006 выполнен таким образом, что его направление намагничивания противоположно направлению намагничивания дополнительного магнитного объекта 3003, а магнитный материал 3005 выполнен таким образом, что его направление намагничивания и направление намагничивания дополнительного магнитного объекта 3003 совпадают. Магнитные материалы 3005, 3006, которые являются магнитно-мягкими материалами, следовательно, влияют на резонансную частоту в зависимости от температуры в противоположных частотных направлениях, т.е. один из этих магнитных материалов приводит к изменению в сторону более высоких частот в зависимости от повышения температуры, а другой из этих магнитных материалов приводит к изменению в сторону более низких частот с повышением температуры.The pressure sensor 3001 further includes magnetic material 3005, 3006 located adjacent to the additional magnetic object 3003. This magnetic material 3005, 3006 influences the magnetic field generated by the additional magnetic object 3003, wherein the influence of the magnetic material 3005, 3006 depends on temperature to change the strength magnetic field at the position of the magnetic object 3004 and therefore to change the resonant frequency if the temperature changes. The magnetic material 3005, 3006 is designed such that its magnetization decreases with increasing temperature. Moreover, the magnetic material 3006 is configured such that its magnetization direction is opposite to the magnetization direction of the additional magnetic object 3003, and the magnetic material 3005 is configured such that its magnetization direction and the magnetization direction of the additional magnetic object 3003 are the same. The magnetic materials 3005, 3006, which are soft magnetic materials, therefore affect the resonant frequency as a function of temperature in opposite frequency directions, i.e. one of these magnetic materials leads to a change towards higher frequencies as the temperature increases, and the other of these magnetic materials leads to a change towards lower frequencies as the temperature increases.

Датчик давления предпочтительно выполнен таким образом, что резонансная частота не зависит от температуры. Однако, например, гибкая часть 3008 стенки корпуса, которая может быть образована мембраной, может иметь зависящую от температуры гибкость, так что резонансная частота может в целом также зависеть от температуры. Также другие части датчика давления могут зависеть от температуры, причем эта зависимость также может влиять на резонансную частоту. Чтобы компенсировать этот нежелательный, зависящий от температуры сдвиг частоты, магнитные материалы 3005, 3006 могут быть выполнены такими, чтобы они обеспечивали тот же сдвиг частоты в противоположном частотном направлении в зависимости от изменения температуры. В частности, магнитные материалы 3005, 3006 могут быть выбраны и расположены таким образом, чтобы устранялась любая температурная зависимость резонансной частоты датчика 3001 давления. Также возможно, что только один из магнитных материалов, т.е. только магнитный материал, уменьшающий резонансную частоту с повышением температуры, или только материал, увеличивающий резонансную частоту с повышением температуры, используется для уменьшения или даже устранения температурной зависимости резонансной частоты датчика 3001 давления. Один или оба магнитных материала 3005, 3006 можно рассматривать как компенсационные элементы для компенсации вызванного температурой сдвига резонансной частоты.The pressure sensor is preferably designed in such a way that the resonant frequency is independent of temperature. However, for example, the flexible housing wall portion 3008, which may be formed by the membrane, may have temperature-dependent flexibility so that the resonant frequency may also generally be temperature dependent. Also, other parts of the pressure sensor may be affected by temperature, and this dependence may also affect the resonant frequency. To compensate for this unwanted temperature-dependent frequency shift, the magnetic materials 3005, 3006 can be designed to provide the same frequency shift in the opposite frequency direction depending on the temperature change. In particular, the magnetic materials 3005, 3006 may be selected and positioned to eliminate any temperature dependence of the resonant frequency of the pressure sensor 3001. It is also possible that only one of the magnetic materials, i.e. only a magnetic material that decreases the resonant frequency with increasing temperature, or only a material that increases the resonant frequency with increasing temperature, is used to reduce or even eliminate the temperature dependence of the resonant frequency of the pressure sensor 3001. One or both of the magnetic materials 3005, 3006 can be considered as compensation elements to compensate for temperature-induced resonant frequency shift.

Фиг. 20 схематично и в качестве примера иллюстрирует систему 1501 детектирования для детектирования резонансной частоты соответствующего датчика, для считывания показаний соответствующего датчика, т.е. систему считывания для беспроводного считывания показаний соответствующего датчика давления. На фиг. 21 показан в качестве примера прототип системы 1501 детектирования. Система 1501 детектирования содержит, главным образом, по меньшей мере один генератор магнитных полей и по меньшей мере один датчик магнитных полей, т.е. преобразователь для преобразования магнитного или электромагнитного поля, генерируемого индуцированными колебаниями магнитного объекта датчика давления, в электрические сигналы отклика. Полоса рабочих частот находится в диапазоне низких кГц и должна быть достаточно широкой, чтобы охватывать отклики нескольких датчиков, работающих параллельно на разных частотах, и, возможно, также высшие гармоники резонансной частоты датчика, например, для улучшения отношения сигнал / шум. Амплитуды поля передачи составляют максимум несколько миллитесла, тогда как амплитуды поля, подлежащие детектированию, составляют от 1/10 нТл до нескольких нТл. Могут применяться множество различных генераторов поля (колеблющиеся постоянные магниты, катушки с сердечниками / без сердечников, магнитострикционные модуляторы поля, …), а также множество различных магнитометров (основанные на эффект Холла, магниторезистивные датчики различных видов, магниторезонансные датчики, сверхпроводящие магнитометры (SQUID, от англ. superconducting quantum interference device) и т.д.). Технически самыми простыми системами являются проводящие петли без сердечника для передачи и приема магнитных полей. Катушки, как правило, достаточно хороши для применения в датчиках. Катушка для генерации магнитного поля может также использоваться для приема магнитного поля. Однако для этих задач можно использовать разные катушки, что дает некоторое преимущество. На фиг. 20 и 21 показана система детектирования, представляющая собой одноканальную приемо-передающую систему, причем множество каналов могут работать параллельно для получения пространственной информации.Fig. 20 schematically and exemplarily illustrates a detection system 1501 for detecting a resonant frequency of a corresponding sensor, for reading the corresponding sensor, i.e. reading system for wireless reading of the corresponding pressure sensor. In fig. 21 shows a prototype detection system 1501 as an example. The detection system 1501 primarily comprises at least one magnetic field generator and at least one magnetic field sensor, i.e. a transducer for converting the magnetic or electromagnetic field generated by the induced vibrations of the magnetic object of the pressure sensor into electrical response signals. The operating frequency band is in the low kHz range and must be wide enough to cover the responses of multiple sensors operating in parallel at different frequencies, and perhaps also the higher harmonics of the sensor's resonant frequency, for example to improve the signal-to-noise ratio. Transmission field amplitudes are a few milliteslas at most, while field amplitudes to be detected range from 1/10 nT to several nT. Many different field generators can be used (oscillating permanent magnets, coils with/without cores, magnetostrictive field modulators, ...), as well as many different magnetometers (based on the Hall effect, magnetoresistive sensors of various types, magnetic resonance sensors, superconducting magnetometers (SQUID, from English superconducting quantum interference device), etc.). Technically, the simplest systems are coreless conductive loops for transmitting and receiving magnetic fields. The coils are generally good enough for sensor applications. The magnetic field generating coil can also be used to receive the magnetic field. However, different coils can be used for these tasks, which provides some advantage. In fig. 20 and 21 show a detection system that is a single-channel transceiver system, where multiple channels can operate in parallel to obtain spatial information.

На фиг. 20 система 1501 детектирования содержит передающую катушку 1503, которая подключена к микроконтроллеру 1507 через цифро-аналоговый преобразователь 1506 (ЦАП) и аудиоусилитель 1502 для генерации внешнего магнитного момента для датчика 1520 давления, который может быть любым из описанных датчиков давления. Приемная катушка 1504 также подключена к микроконтроллеру 1507 через усилитель 1505 с низким уровнем шума и аналого-цифровой преобразователь 1508 (АЦП) для считывания резонансной частоты. Микроконтроллер 1507 соединен с дисплейным компьютером 1509. Микроконтроллер 1507 выполнен, например, с возможностью генерации и приема сигналов, оценки и управления частотой и, опционально, измерения эталонного давления. На фиг. 21 также показано устройство развязки передачи / приема.In fig. 20, detection system 1501 includes a transmit coil 1503 that is coupled to a microcontroller 1507 via a digital-to-analog converter (DAC) 1506 and an audio amplifier 1502 to generate an external magnetic torque for a pressure sensor 1520, which may be any of the described pressure sensors. The receive coil 1504 is also connected to the microcontroller 1507 through a low noise amplifier 1505 and an analog-to-digital converter (ADC) 1508 to sense the resonant frequency. The microcontroller 1507 is coupled to a display computer 1509. The microcontroller 1507 is configured, for example, to generate and receive signals, estimate and control frequency, and optionally measure a reference pressure. In fig. 21 also shows a transmit/receive decoupler.

Микроконтроллер 1507 генерирует импульсы передачи (см. верхнюю линию 1350 на фиг. 22), которые усиливаются с помощью аудиоусилителя 1502 и затем передаются на передающую катушку 1503, которую также можно назвать катушкой возбуждения. В этой реализации используется отдельная приемная катушка 1504, которая развязана с передающей катушкой 1503 посредством двух дополнительных развязывающих катушек 1510, которые не показаны на фиг. 20 по соображениям ясности. Принимаемый сигнал подается в усилитель 1505 с низким уровнем шума и передается в АЦП 1508 микроконтроллера 1507, где временная кривая, обычно составляющая 1/20 секунды, дискретизируется со скоростью около 20 квыб./с. На фиг. 22 показано, помимо импульсов 1350 передачи, которые также можно назвать импульсами возбуждения, индуцированное напряжение 1351 в приемной катушке 1504 из-за колебания сферы в датчике и, следовательно, из-за отклика датчика. Интервал между импульсами 1350 возбуждения может непрерывно регулироваться микроконтроллером 1507.The microcontroller 1507 generates transmit pulses (see top line 1350 in FIG. 22), which are amplified by an audio amplifier 1502 and then transmitted to a transmit coil 1503, which may also be called a drive coil. This implementation uses a separate receive coil 1504 that is decoupled from the transmit coil 1503 via two additional decoupler coils 1510, which are not shown in FIG. 20 for reasons of clarity. The received signal is fed into a low-noise amplifier 1505 and sent to the ADC 1508 of the microcontroller 1507, where the time curve, typically 1/20 of a second, is sampled at a rate of about 20 ksa/s. In fig. 22 shows, in addition to the transmit pulses 1350, which may also be called excitation pulses, the induced voltage 1351 in the receive coil 1504 due to the oscillation of the sphere in the sensor and, therefore, due to the response of the sensor. The interval between excitation pulses 1350 may be continuously adjusted by microcontroller 1507.

Ниже будут рассмотрены преимущества системы с несколькими катушками. В системе с одной катушкой относительная ориентация датчика относительно катушки может быть такой, что катушка не может управлять колебаниями магнитной сферы, а также не может считывать изменение генерируемого поля. Таким образом, чтобы пользователю избежать необходимости переориентирования системы считывания относительно датчика, может быть желательна система с несколькими катушками. Катушки должны иметь различное распределение пространственной чувствительности, чтобы иметь возможность генерировать оптимальный вектор поля возбуждения во всех ситуациях. Использование нескольких катушек, кроме того, позволяет локализовать датчик путем определения положения и ориентации колеблющегося магнитного диполя в пространстве. Различные амплитуды принимаемых сигналов вместе с известными чувствительностями катушечных элементов могут быть согласованы с дипольной моделью для определения параметров положения и ориентации. Пример системы с несколькими катушками для реализации в подушке или матрасе показан на фиг. 23. При наличии множества доступных приемных катушек и каналов дополнительная информация также может быть использована для улучшения подавления фонового сигнала, как описано ниже.The advantages of a multi-coil system will be discussed below. In a single coil system, the relative orientation of the sensor relative to the coil may be such that the coil cannot control the oscillations of the magnetic sphere, nor can it sense the change in the generated field. Thus, to avoid the user having to reorient the sensing system relative to the sensor, a multi-coil system may be desirable. The coils must have different spatial sensitivity distributions to be able to generate the optimal excitation field vector in all situations. The use of multiple coils, in addition, allows the sensor to be localized by determining the position and orientation of the oscillating magnetic dipole in space. The different amplitudes of the received signals, together with the known sensitivities of the coil elements, can be matched to a dipole model to determine position and orientation parameters. An example of a multiple coil system for implementation in a pillow or mattress is shown in FIG. 23. With multiple receive coils and channels available, additional information can also be used to improve background suppression, as described below.

На фиг. 23 несколько катушек 1652 образуют массив из нескольких катушек, который встроен в матрас 1651 кровати пациента системы 1650 визуализации, подобной системе с С-дугой. Катушки 1652 преимущественно представляют собой алюминиевые катушки с поглощением рентгеновского излучения менее 10 процентов. Поэтому не требуется увеличивать дозу для пациента, если используются катушки 1652.In fig. 23, multiple coils 1652 form a multi-coil array that is built into the patient bed mattress 1651 of an imaging system 1650 similar to a C-arm system. 1652 coils are predominantly aluminum coils with x-ray absorption of less than 10 percent. Therefore, there is no need to increase the patient dose if 1652 coils are used.

Ниже передающая система на основе катушки системы детектирования будет описана в качестве примера более подробно. Передающая система на основе катушки содержит усилитель передачи и передающую катушку. Опционально также имеется согласующая схема и "заглушающая" схема. Поскольку форма передаваемого сигнала не очень критична при применении датчика, для этой задачи подходит множество усилителей (класса А, класса В, класса АВ, класса D и т.д., в которых используются транзисторы, вакуумные трубки, тиристоры и многие другие компоненты). Поскольку качество сигнала не является критичным, можно выбрать топологию усилителя с наименьшими потерями, которая представляет собой полумостовой или полномостовой усилитель, использующий переключатели с низким сопротивлением включения. Предпочтительными переключателями являются транзисторы типа MOSFET или IGBT. Согласующая схема в простейшем случае представляет собой простой конденсатор, последовательно подключенный к катушке индуктивности. При условии, что усилитель работает с достаточным напряжением питания, такой согласующий конденсатор может быть опущен или емкость может быть выбрана настолько высокой, чтобы резонансная частота катушки с конденсатором была значительно ниже рабочей частоты. Согласующая схема представляет интерес по другой причине. Медицинское оборудование всегда должно работать безопасным образом, поэтому представляет интерес снижение напряжения. Размещая конденсатор в середине катушки так, чтобы ток протекал через одну секцию катушки, затем через согласующий конденсатор, а затем во вторую секцию катушки, можно уменьшить пиковые перепады напряжения. Это еще более верно, если катушка разделена на несколько секций, каждая из которых соединена с соответствующим конденсатором. Это превращает катушку и согласующую схему в объединенный блок. Амплитудой поля удобно управлять с помощью широтно-импульсной модуляции, т.е. усилитель увеличивает / уменьшает ток через катушку только на долю цикла или быстро переключается между увеличением/уменьшением тока. Поскольку точная форма сигнала менее важна для применения датчика, ее лучше всего достичь, изменив состояние только 2 раза в течение полуволны (или 1 раз в случае полной мощности, когда длина импульса идентична длине полуволны). В идеале усилитель должен иметь возможность не только увеличивать или уменьшать ток, но и поддерживать его более или менее постоянным или на уровне, требуемом согласующей схемой. Это достигается правильной последовательностью переключения транзисторов в полумостовой или полномостовой схеме. Как правило, напряжение питания усилителя должно быть довольно низким и находиться в диапазоне ниже 50 В. Кроме того, согласующая схема должна быть настроена таким образом, чтобы не превышать этот предел в 50 В в любых двух точках. В обоих случаях даже лучше не превышать 24 В. Это означает, что количество витков должно быть минимальным. Однако пиковые рабочие токи должны превышать 10 А, лучше 100 А.Below, the transmission system based on the detection system coil will be described in more detail by way of example. The coil-based transmission system includes a transmission amplifier and a transmission coil. Optionally there is also a matching circuit and a “jamming” circuit. Since the shape of the transmitted signal is not very critical in the sensor application, a variety of amplifiers (Class A, Class B, Class AB, Class D, etc., using transistors, vacuum tubes, thyristors and many other components) are suitable for this task. Since signal quality is not critical, the lowest-loss amplifier topology can be selected, which is a half-bridge or full-bridge amplifier using low-resistance switches. The preferred switches are MOSFET or IGBT type transistors. The matching circuit in the simplest case is a simple capacitor connected in series to an inductor. Provided that the amplifier is operated with sufficient supply voltage, such a matching capacitor may be omitted or the capacitance may be chosen so high that the resonant frequency of the capacitor coil is well below the operating frequency. The matching circuit is of interest for another reason. Medical equipment must always operate in a safe manner, so voltage reduction is of interest. By placing the capacitor in the middle of the coil so that current flows through one coil section, then through the matching capacitor, and then into the second coil section, voltage peaks can be reduced. This is even more true if the coil is divided into several sections, each of which is connected to a corresponding capacitor. This turns the coil and matching network into an integrated unit. It is convenient to control the field amplitude using pulse-width modulation, i.e. the amplifier increases/decreases the current through the coil for only a fraction of a cycle, or quickly switches between increasing/decreasing current. Since the exact waveform is less important to the sensor application, it is best achieved by changing state only 2 times during a half-wave (or 1 time in the case of full power, where the pulse length is identical to the half-wave length). Ideally, the amplifier should be able not only to increase or decrease the current, but also to maintain it more or less constant or at the level required by the matching network. This is achieved by the correct switching sequence of transistors in a half-bridge or full-bridge circuit. Typically, the amplifier supply voltage should be fairly low and in the range below 50 V. Additionally, the matching network should be configured so as not to exceed this 50 V limit at any two points. In both cases it is even better not to exceed 24 V. This means that the number of turns should be kept to a minimum. However, peak operating currents should exceed 10 A, preferably 100 A.

Ниже будет описана изоляция передачи / приема. Важно, чтобы не слишком много шума от передающей системы, т.е. от генератора поля, поступало в приемную систему, т.е. в преобразователь для преобразования магнитного или электромагнитного поля, генерируемого индуцированными механическими колебаниями магнитного объекта датчика давления, в электрические сигналы отклика, в то время как передающая система не находится в режиме передачи, т.е. поле возбуждения не генерируется. Кроме того, усилитель передачи не должен закорачивать принимаемый сигнал или даже частично уменьшать его. Для достижения этой цели существует несколько возможностей. Если у нас разные передающая и приемная катушки, то указанные две катушки могут быть развязаны геометрически (см. Фиг. 24).Transmission/reception isolation will be described below. It is important that there is not too much noise from the transmission system, i.e. from the field generator, entered the receiving system, i.e. into a transducer for converting the magnetic or electromagnetic field generated by the induced mechanical vibrations of the magnetic object of the pressure sensor into electrical response signals while the transmitting system is not in transmitting mode, i.e. no excitation field is generated. In addition, the transmission amplifier should not short-circuit the received signal or even partially attenuate it. There are several possibilities to achieve this goal. If we have different transmitting and receiving coils, then these two coils can be decoupled geometrically (see Fig. 24).

На фиг. 24 показана реализация конструкции градиентометрической приемной катушки для подавления передаваемого и фонового сигнала в приемном тракте. Здесь были выбраны большие катушки 1452, которые позволили считывать показания датчика на расстоянии около 30 см над верхней катушкой. В градиентометрической конструкции используется способ геометрической развязки: петли 1451 передающей катушки соединены для создания параллельных полей, тогда как петли 1450 приемной катушки соединены для приема градиентов поля и подавления однородных полей. Эта приемо-передающая система обеспечивает внутреннюю геометрическую развязку за счет использования параллельных передающих петель и антипараллельных приемных петель, причем это может быть названо градиентометрической конфигурацией. Это приводит к внутренней геометрической связи. Эта система с катушками без сердечника отличается высокой линейностью. На фиг. 24 также показан блокиратор 1455 постоянного тока с аудиоусилителем 1454 и фильтром 1453 передачи нижних частот. Нижняя часть фиг. 24 иллюстрирует внешние витки приемной катушки 1450 и внутренние витки передающей катушки 1451.In fig. Figure 24 shows the implementation of the design of a gradiometric receiving coil for suppressing the transmitted and background signal in the receiving path. Here, large 1452 coils were chosen, which allowed the sensor to be read at a distance of about 30 cm above the top coil. The gradiometric design uses a geometric decoupling technique: transmit coil loops 1451 are coupled to produce parallel fields, while receiver coil loops 1450 are coupled to receive field gradients and suppress uniform fields. This transmit/receive system provides internal geometric isolation through the use of parallel transmit loops and antiparallel receive loops, which can be called a gradiometric configuration. This leads to an internal geometric connection. This coreless coil system is highly linear. In fig. 24 also shows a DC blocker 1455 with an audio amplifier 1454 and a low pass filter 1453. Bottom part of Fig. 24 illustrates the outer turns of the receive coil 1450 and the inner turns of the transmit coil 1451.

В частности, на фиг. 24 нижнее левое изображение представляет собой крупный план средней части верхнего узла катушек. На нижнем левом изображении видно, что на самом деле только 1 виток передающей катушки 1451 выглядывает снизу. Остальное скрыто приемной катушкой, намотанной с помощью гораздо более тонкой проволоки. Схема 1455 блокировки постоянного тока используется просто для предварительного формирования сигнала перед аудиоусилителем, поскольку сигнал для аудиоусилителя может генерироваться простым ШИМ-выходом. Фильтр 1553 нижних частот представляет собой фильтр между выходом аудиоусилителя 1454 и передающей катушкой 1451. У него есть две цели. Во-первых, он позволяет избежать введения высокочастотного шума, во-вторых, позволяет объединить два выходных канала аудиоусилителя в один.In particular, in FIG. 24, the bottom left image is a close-up of the middle portion of the top coil assembly. In the bottom left image you can see that there is actually only 1 turn of the 1451 transmit coil peeking out from the bottom. The rest is hidden by a receiving coil wound with much thinner wire. The DC blocking circuit 1455 is simply used to precondition the signal before the audio amplifier, since the signal for the audio amplifier can be generated by a simple PWM output. The low pass filter 1553 is a filter between the output of the audio amplifier 1454 and the transmit coil 1451. It has two purposes. Firstly, it avoids the introduction of high-frequency noise, and secondly, it allows you to combine two output channels of an audio amplifier into one.

Геометрическая развязка не всегда возможна, особенно если используется массив передатчиков и приемников. В этом случае может быть введен трансформатор с выводами, подключенными как к схеме передачи, так и к схеме приема. Этот трансформатор обеспечивает развязку приемо-передающей системы. Это трансформаторное решение можно использовать даже в том случае, если используется объединенная передающая / приемная катушка. Трансформатор может быть заменен емкостной (или даже резистивной) развязывающей сетью как с объединенной, так и с отдельными передающей / приемной катушками. Недостатком способов компенсации является то, что они требуют довольно большого пространства, увеличивают шум и в случае емкостной развязки сужают частотный диапазон работы системы детектирования. Более надежным и дешевым решением является добавление схемы, которая полностью заглушает усилитель передачи во время приема. Для этого на выход усилителя могут быть добавлены антипараллельные диоды. Особенно полезны диоды с низкой емкостью при нулевом напряжении, такие как PIN-диоды. Это обеспечивает высокий импеданс при отсутствии тока. Для дальнейшего усиления этого на выходе усилителя может быть установлен электронный переключатель, закорачивающий все остаточные сигналы шума во время приема. Диоды по-прежнему обеспечивают требуемый высокий импеданс. Также возможно сконструировать специальный усилитель, который полностью бесшумен и обеспечивает высокий импеданс в нерабочем состоянии. С помощью полумостовой и полномостовой конструкций это может быть достигнуто за счет абсолютного отсутствия переключения в любом компоненте во время приема, использования транзисторов с низкой выходной емкостью, наличия примерно половины напряжения питания на выходе (выходах) в режиме приема, отсутствия шума от входных разъемов (оптическая изоляция) и наличия напряжения питания с высокой степенью фильтрации (сильная фильтрация или отсутствие переключения источника питания во время приема).Geometric isolation is not always possible, especially if an array of transmitters and receivers is used. In this case, a transformer can be introduced with terminals connected to both the transmitting and receiving circuits. This transformer provides decoupling of the transmitting and receiving system. This transformer solution can be used even if a combined transmit/receive coil is used. The transformer can be replaced by a capacitive (or even resistive) isolation network with either combined or separate transmit/receive coils. The disadvantage of compensation methods is that they require a fairly large space, increase noise and, in the case of capacitive decoupling, narrow the frequency range of the detection system. A more reliable and cheaper solution is to add a circuit that completely mutes the transmit amplifier during reception. To do this, antiparallel diodes can be added to the output of the amplifier. Diodes with low zero-voltage capacitance, such as PIN diodes, are especially useful. This provides high impedance in the absence of current. To further enhance this, an electronic switch can be installed at the output of the amplifier, short-circuiting any residual noise signals during reception. The diodes still provide the required high impedance. It is also possible to design a special amplifier that is completely silent and provides high impedance when not operating. With half bridge and full bridge designs this can be achieved by having absolutely no switching in any component during receive, using low output capacitance transistors, having approximately half the supply voltage at the output(s) in receive mode, having no noise from the input jacks (optical isolation) and the presence of a highly filtered supply voltage (high filtering or no switching of the power supply during reception).

Ниже обсуждается приемная система на основе катушки системы детектирования. Усилитель приема должен быть малошумящего типа. Однако требования не настолько высоки, чтобы требовалось использовать необычные приемные транзисторы. Стандартные малошумящие биполярные или кремниевые транзисторы JFET обычно достаточно хороши. Единственные особые характеристики заключаются в том, что усилитель должен выдерживать импульсы передачи и начинает работать вскоре после импульса передачи. Есть несколько способов достичь этой цели. В случае развязанных передающей / приемной систем (включая объединенную передающую / приемную катушку с развязывающей сетью), усилитель приема не нуждается в особых характеристиках для достижения этой цели. Если развязка отсутствует, усилитель может быть настроен на импульс передачи. Это можно сделать, добавив подходящий конденсатор на вход усилителя и антипараллельные диоды на втором выводе. Это обеспечивает подходящий высокий импеданс в случае передачи и закорачивает все на высокие напряжения до безвредных уровней для усилителя. Естественно, добавленный конденсатор должен быть рассчитан на максимальное напряжение передачи. Значение емкости должно быть настолько высоким, чтобы сигнал на усилителе не слишком сильно уменьшался в случае приема. Для усилителя на базе JFET это, как правило, не является критичным. Антипараллельные диоды могут быть дополнены или заменены подходящим электронным переключателем, таким как оптрон с транзисторным (MOSFET) выходом. Это дает преимущество для дальнейшего снижения входного напряжения. Если все сделано правильно, усилитель приема не будет насыщен и будет функционировать сразу после того, как передаваемый сигнал достаточно ослабнет.The receiving system based on the detection coil is discussed below. The reception amplifier must be of a low noise type. However, the requirements are not so high that it requires the use of unusual receiving transistors. Standard low noise bipolar or silicon JFET transistors are usually good enough. The only special characteristics are that the amplifier must withstand the transmit pulses and begins to operate shortly after the transmit pulse. There are several ways to achieve this goal. In the case of decoupled transmit/receive systems (including a combined transmit/receive coil with an isolation network), the receive amplifier does not need special characteristics to achieve this goal. If there is no decoupling, the amplifier can be configured for a transmit pulse. This can be done by adding a suitable capacitor at the input of the amplifier and anti-parallel diodes at the second pin. This provides a suitably high impedance in case of transmission and shorts everything at high voltages to harmless levels for the amplifier. Naturally, the added capacitor must be rated for the maximum transmission voltage. The capacitance value should be so high that the signal at the amplifier does not decrease too much when receiving. For a JFET based amplifier this is usually not critical. The antiparallel diodes can be supplemented or replaced with a suitable electronic switch such as a MOSFET output optocoupler. This has the advantage of further reducing the input voltage. If done correctly, the receiving amplifier will not be saturated and will function as soon as the transmitted signal is sufficiently attenuated.

Ниже будет более подробно рассмотрен интерфейс для цифровой системы, причем сначала описывается вывод и обработка цифрового сигнала. Хотя аналоговая система таймера может генерировать выходные сигналы, обычно используется цифровая система, такая как цифровой сигнальный процессор (DSP, от англ. digital signal processor) или программируемая пользователем вентильная матрица (FPGA, от англ. field programmable gate array). В зависимости от типа выходного усилителя могут использоваться различные выходы. Для аналогового усилителя может использоваться некоторый тип АЦП. Поскольку качество выходного сигнала не очень критично, может быть достаточно простого аналогового выхода ШИМ-типа. Цифровые усилители лучше всего подключать с помощью цифровой выходной линии. Однако для них также можно использовать аналоговый выход и реализовать генератор схемы (паттерна) переключения на усилителе. С наилучшим согласующим усилителем, с полумостовой или полномостовой схемой, наиболее подходящим является создание схемы переключения непосредственно в цифровой системе. Кроме того, схемы переключения для защиты входа приемного усилителя и подавления шума на выходе усилителя передачи также могут генерироваться непосредственно цифровой системой. Общей особенностью всех вариантов выхода является то, что они должны быть достаточно быстрыми, чтобы точно сохранять фазы при различных возбуждениях одного датчика или между разными датчиками. Таким образом, на выходе должна быть возможность переключения обновлений на растре чаще чем 1/10 полного периода времени, лучше - чаще чем 1/100 полного периода времени. Для датчика, скажем, в 2 кГц это означает обновление растра с частотой более 220 кГц, даже лучше 200 кГц. Это не означает, что каждый раз в точках растра должны быть возможны изменения состояния переключения. Так, например, возможно иметь последовательный интерфейс для каждого усилителя, который передает новое состояние переключения усилителю, и протокол для выполнения этого изменения в конкретное время по тому же последовательному интерфейсу. Это особенно полезно для усилителя такого типа, который по умолчанию не функционирует во время фазы приема. Для этого может быть реализован 1-битный последовательный интерфейс, для которого требуется только один оптрон на усилителе. Это позволяет легко достичь шумозащищенности со стороны цифровой передачи, так как паразитная емкость в одном оптроне может быть очень низкой.The interface to the digital system is discussed in more detail below, first describing the output and processing of the digital signal. Although an analog timer system can generate output signals, a digital system such as a digital signal processor (DSP) or field programmable gate array (FPGA) is typically used. Depending on the type of output amplifier, different outputs can be used. For an analog amplifier, some type of ADC may be used. Since the quality of the output signal is not very critical, a simple PWM-type analog output may be sufficient. Digital amplifiers are best connected using a digital output line. However, you can also use the analog output for them and implement a switching circuit generator on the amplifier. With the best matching amplifier, half bridge or full bridge, it is most appropriate to create the switching circuit directly in the digital system. In addition, switching circuits for protecting the input of the receiving amplifier and suppressing noise at the output of the transmitting amplifier can also be generated directly by the digital system. A common feature of all output options is that they must be fast enough to accurately maintain phases across different excitations of the same sensor or between different sensors. Thus, the output should be able to switch updates on the raster more often than 1/10 of the full time period, better - more often than 1/100 of the full time period. For a sensor at, say, 2 kHz, this means refreshing the raster at more than 220 kHz, even better than 200 kHz. This does not mean that switching state changes must be possible at raster points every time. So, for example, it is possible to have a serial interface for each amplifier that communicates a new switching state to the amplifier, and a protocol for making that change at a specific time over the same serial interface. This is especially useful for this type of amplifier, which by default does not function during the receive phase. A 1-bit serial interface can be implemented for this, requiring only one optocoupler on the amplifier. This makes it easy to achieve noise immunity on the digital side, since the parasitic capacitance in a single optocoupler can be very low.

Ниже будет рассмотрен аналого-цифровой интерфейс. Аналого-цифровое преобразование является довольно стандартным. Поскольку сигнал имеет низкую полосу пропускания, по меньшей мере мере если используется только один датчик, можно было бы микшировать сигнал до тока, близкого к постоянному току, и осуществлять выборку этого сигнала (сэмплировать этот сигнал). Однако сигнал датчика имеет довольно низкую частоту, обычно ниже 10 кГц. Сегодня существует множество подходящих микросхем АЦП для непосредственного осуществления выборки. Тем более, что цифровая обработка сигналов очень плоха по сравнению с аналоговыми фильтрами, лучше всего использовать в АЦП сильно избыточную выборку. Следует использовать как минимум в 10 раз большую частоту датчика, но в 100 или 1000 раз - также являются допустимыми вариантами. Сильно избыточная выборка упрощает и удешевляет конструкцию входного фильтра АЦП, поскольку должна проходить только частота сигнала датчика, в то время как выше частоты Найквиста сигнал проходить не должен. Однако фильтрация ниже частоты датчика также полезна, чтобы избежать там обычных высоких фоновых сигналов. Высокий фоновый сигнал может уменьшить возможное усиление перед АЦП, увеличивая вклад шума АЦП. Шум АЦП (количество эффективных битов) и выборки должны соответствовать требуемому динамическому диапазону и ожиданиям шума. Это означает, что АЦП не должен находиться в состоянии насыщения при наличии максимального ожидаемого сигнала и всех шумовых компонент. Одновременно шум дискретизации АЦП должен быть настолько низким, чтобы общий шум не увеличивался. Здесь шум означает все нежелательные компоненты зарегистрированного сигнала, возникающие из реальных источников шума, таких как сопротивление катушек или поведение усилителя приема. Он также включает в себя компоненты помех, которые не могут быть устранены подходящей фильтрацией и вычитанием фонового сигнала. Обычно с современными микросхемами АЦП это требование может быть выполнено, например, посредством 18-битных АЦП со скоростью 2 Мвыб./с. Для экономии средств может быть полезно использовать АЦП с более низкими характеристиками, но добавить регулятор усиления, чтобы все равно достичь хорошей общей производительности.The analog-to-digital interface will be discussed below. Analog to digital conversion is fairly standard. Since the signal has low bandwidth, at least if only one sensor is used, it would be possible to mix the signal to near DC current and sample that signal. However, the sensor signal has a fairly low frequency, typically below 10 kHz. Today, there are many suitable ADC chips available for direct sampling. Moreover, digital signal processing is very poor compared to analog filters, it is best to use highly oversampled ADCs. At least 10 times the sensor frequency should be used, but 100 or 1000 times are also valid options. Highly oversampling simplifies and reduces the cost of the ADC input filter design, since only the sensor signal frequency must pass, while the signal must not pass above the Nyquist frequency. However, filtering below the sensor frequency is also useful to avoid the usual high background signals there. A high background signal can reduce the available gain in front of the ADC, increasing the noise contribution of the ADC. The ADC noise (effective bits) and samples must meet the required dynamic range and noise expectations. This means that the ADC should not saturate when the maximum expected signal and all noise components are present. At the same time, the ADC sampling noise must be so low that the overall noise does not increase. Here, noise refers to all the unwanted components of the recorded signal that arise from real noise sources, such as coil resistance or the behavior of the receiving amplifier. It also includes interference components that cannot be eliminated by suitable filtering and background subtraction. Typically, with modern ADC chips, this requirement can be met, for example, by using 18-bit ADCs at 2 MS/s. To save money, it may be useful to use a lower specification ADC but add a gain control to still achieve good overall performance.

Ниже будет обсуждаться обработка данных. Перед оценкой данных необработанные данные АЦП должны быть обработаны. Поскольку желательной является сильно избыточная выборка, первым этапом обработки может быть этап прореживания. Главное преимущество этого состоит в уменьшении размера данных и, следовательно, необходимой вычислительной мощности для дальнейших этапов. Опционально этап прореживания может включать в себя другие фильтры, т.е. полосовые фильтры вокруг ожидаемой частоты сигнала. Это может упростить дальнейшие этапы обработки и уменьшить динамический диапазон сигнала, что, в свою очередь, может сэкономить вычислительную мощность (переменные с меньшим количеством битов). Еще одним опциональным этапом обработки данных является применение обратного нелинейного фильтра для уменьшения нелинейности приемной системы. Это означает, что измеряется нелинейность полной приемной системы и создается вычислительный фильтр для устранения эффекта нелинейности. Это особенно полезно, если используются недорогие компоненты, поскольку они, как правило, имеют более нелинейное поведение. Этот нелинейный фильтр может альтернативно использоваться на первом этапе обработки. Если используется более одного принимаемого сигнала, то выполняются дополнительные этапы обработки сигнала. Если по меньшей мере один канал приема не детектирует сигнал датчика и, таким образом, обеспечивает измерение фонового сигнала, этот (и все другие подобные сигналы) коррелируются с сигналом приема, и коррелирующие компоненты вычитаются из каналов, несущих сигнал. Это вычитание может быть выполнено во временной или частотной области или в сочетании того и другого. Если каналы без сигнала датчика отсутствуют, можно использовать стратегию обработки данных, иногда называемую "виртуальным градиентометром". Он разлагает множество каналов на виртуальные каналы, которые представляют собой линейные комбинации физических каналов, чтобы минимизировать помехи сигналов, которые не генерируются датчиком. Коэффициенты для линейных комбинаций могут быть найдены путем корреляции сигналов каналов, исключая полосу сигналов датчиков.Data processing will be discussed below. Before data evaluation, the raw ADC data must be processed. Since highly oversampling is desired, the first processing step may be a thinning step. The main advantage of this is to reduce the size of the data and therefore the required computing power for further steps. Optionally, the thinning step may include other filters, e.g. bandpass filters around the expected signal frequency. This can simplify further processing steps and reduce the dynamic range of the signal, which in turn can save processing power (variables with fewer bits). Another optional data processing step is the use of an inverse nonlinear filter to reduce the nonlinearity of the receiving system. This means that the nonlinearity of the complete receiving system is measured and a computational filter is created to remove the effect of the nonlinearity. This is especially useful if low-cost components are used, as they tend to have more non-linear behavior. This non-linear filter can alternatively be used in the first stage of processing. If more than one received signal is used, then additional signal processing steps are performed. If at least one receive channel does not detect a sensor signal and thus provides a measurement of the background signal, this (and all other such signals) are correlated with the receive signal and the correlated components are subtracted from the channels carrying the signal. This subtraction can be done in the time domain or the frequency domain, or a combination of both. If there are no channels without a sensor signal, a data processing strategy sometimes called a "virtual gradiometer" can be used. It decomposes multiple channels into virtual channels, which are linear combinations of physical channels, to minimize interference from signals that are not generated by the sensor. The coefficients for linear combinations can be found by correlating the channel signals, excluding the sensor signal band.

Кроме того, ниже будет разъяснено осуществление оценки данных. Поскольку изменение давления на датчике изменяет расстояние между магнитными сферами и, следовательно, резонансную частоту магнитомеханического генератора колебаний, частота является основным параметром, который необходимо извлечь из полученного сигнала датчика. Из-за высокой добротности резонатора (постоянная времени до секунд) последующие импульсы возбуждения обычно воспроизводятся до полного затухания колебаний (см. Фиг. 22) и, следовательно, необходимо иметь правильную фазу и момент времени для усиления существующего колебания. Это требует извлечения частоты в реальном времени между последовательными возбуждениями. Частота может быть извлечена либо с помощью алгоритма сравнения, который минимизирует разности фаз между измеренным сигналом и предварительно вычисленными временными кривыми, охватывающими диапазон частот, либо с помощью анализа Фурье, который является предпочтительным способом. Информация о частоте с высоким разрешением может быть получена путем дополнения нулями (англ. zero padding) временной области или интерполяции частотной области и последующей локализации резонансного пика в спектре либо с использованием способа нахождения пика, либо с помощью процедуры подбора кривой. Для дальнейшего повышения точности и надежности определения частоты в оценку могут быть включены высшие гармоники детектируемого резонансного сигнала (см. спектр в правом верхнем углу фиг. 25), например, с использованием взвешенной оценки частоты на основе нескольких гармоник или путем проверки согласованности определения частоты между несколькими гармониками.In addition, the implementation of data evaluation will be explained below. Since changing the pressure across the sensor changes the distance between the magnetic spheres and therefore the resonant frequency of the magnetomechanical oscillator, frequency is the main parameter that needs to be extracted from the received sensor signal. Due to the high quality factor of the resonator (time constant up to seconds), subsequent excitation pulses are usually reproduced until the oscillations are completely damped (see Fig. 22) and, therefore, it is necessary to have the correct phase and timing to amplify the existing oscillation. This requires real-time frequency extraction between successive excitations. Frequency can be extracted either by a comparison algorithm that minimizes phase differences between the measured signal and precomputed time curves covering a range of frequencies, or by Fourier analysis, which is the preferred method. High-resolution frequency information can be obtained by zero padding the time domain or interpolating the frequency domain and then locating the resonant peak in the spectrum using either a peak finding technique or a curve fitting procedure. To further improve the accuracy and reliability of the frequency determination, the higher harmonics of the detected resonant signal (see spectrum in the upper right corner of Fig. 25) can be included in the estimation, for example, using a weighted frequency estimate based on several harmonics, or by checking the consistency of the frequency determination between several harmonics.

В примере, к которому относится фиг. 25, сигнал вторых гармоник на порядок меньше сигнала базовой частоты. Поэтому требуется более качественная фильтрация. Различные этапы фильтрации могут быть использованы для оптимизации сигнала на резонансной частоте и его высших гармониках, таких как аналоговые фильтры возбуждения, такие как блокиратор постоянного тока (постоянной составляющей) и фильтр нижних частот, аналоговые фильтры приема, такие как полосовые фильтры, и цифровые фильтры приема, такие как фильтры с бесконечной импульсной характеристикой (IIR-фильтры, от англ. infinite impulse response) для обработки в реальном времени (фильтр Чебышева II рода шестого порядка). На фиг. 25 центральное положение резонансного пика f0 определяется по самому большому пику в отфильтрованном спектре. Из f0 вычисляется момент времени следующих синфазных импульсов возбуждения. Частота повторения системы составляет от 5 до 30 Гц, обеспечивая отслеживание частотной характеристики в реальном времени (см. Фиг. 32).In the example to which FIG. 25, the second harmonic signal is an order of magnitude smaller than the base frequency signal. Therefore, better filtration is required. Various filtering stages can be used to optimize the signal at the resonant frequency and its higher harmonics, such as analog excitation filters such as DC blocker and low pass filter, analog receive filters such as bandpass filters, and digital receive filters , such as filters with infinite impulse response (IIR filters, from the English infinite impulse response) for real-time processing (Chebyshev filter of the second kind of the sixth order). In fig. 25, the central position of the resonant peak f0 is determined by the largest peak in the filtered spectrum. From f0 the instant of time of the next in-phase excitation pulses is calculated. The system's repetition rate ranges from 5 to 30 Hz, providing real-time frequency response tracking (see Figure 32).

На фиг. 25 показан спектр сигнала с цифровой полосовой фильтрацией и без нее (1051 и 1050, соответственно). Отмеченные точки находятся в диапазоне, выбранном для оценки. Разные точечные символы представляют разные типы фильтров, которые на самом деле не демонстрируют существенной разницы и поэтому могут быть проигнорированы. На фиг. 26 полосовой фильтр 1054 присоединен к коммерческому усилителю 1053 звукового диапазона с низким уровнем шума, причем типа DLPVA-100-BUN-S фирмы FEMTO Messtechnik GmbH. На фиг. 27 фактический спектр подавления 40 дБ цифрового фильтра сравнивается с диапазоном выбранной полосы. Эти две реализации не демонстрируют заметной разницы. Отображаемый фильтр применяется к данным, показанным на фиг. 25, что приводит к разности между 1050 и 1051.In fig. Figure 25 shows the spectrum of the signal with and without digital bandpass filtering (1051 and 1050, respectively). The marked points are within the range selected for evaluation. Different dot symbols represent different types of filters, which don't really show a significant difference and can therefore be ignored. In fig. 26 bandpass filter 1054 is connected to a commercial low noise audio amplifier 1053, type DLPVA-100-BUN-S from FEMTO Messtechnik GmbH. In fig. 27 the actual rejection spectrum of a 40 dB digital filter is compared with the range of the selected band. The two implementations show no noticeable difference. The displayed filter is applied to the data shown in FIG. 25, which results in a difference between 1050 and 1051.

Исходя из определенной частоты и известной временной отметки принимаемых сигналов, можно рассчитать правильный момент времени для следующего блока импульсов возбуждения. Количество и длительность импульсов возбуждения подбирают таким образом, чтобы генерировать колебания с достаточно высокой амплитудой для получения достаточного сигнала в приемных катушках.Based on the specific frequency and known time stamp of the received signals, the correct timing for the next block of excitation pulses can be calculated. The number and duration of excitation pulses are selected in such a way as to generate oscillations with a sufficiently high amplitude to obtain a sufficient signal in the receiving coils.

Для калибровки датчика давления необходимо получить частотную характеристику для многих четко определенных давлений, действующих на датчик. С этой целью высококачественный датчик давления может быть подключен к камере давления, содержащей датчик (см. фиг. 28 и 29). На основе одного или нескольких измерений в соответствующем диапазоне давлений (до 400 мбар выше давления окружающей среды для безопасного охвата диапазона артериального давления) можно определить калибровочную кривую зависимости частоты от давления, как показано на фиг. 30. В зависимости от свойств датчика может быть достаточно простой подгонки к калибровочной кривой. Однако реальный датчик может демонстрировать гистерезисное поведение, динамический отклик мембраны или других механических элементов датчика или температурную зависимость. Таким образом, может потребоваться подогнать модель, основанную на физических параметрах датчика, к измеренным данным калибровки, чтобы получить высокоточную калибровку датчика.To calibrate a pressure sensor, it is necessary to obtain a frequency response for many well-defined pressures acting on the sensor. For this purpose, a high quality pressure sensor can be connected to a pressure chamber containing the sensor (see FIGS. 28 and 29). Based on one or more measurements over an appropriate pressure range (up to 400 mbar above ambient pressure to safely cover the blood pressure range), a frequency-pressure calibration curve can be determined, as shown in FIG. 30. Depending on the properties of the sensor, a simple fit to the calibration curve may be sufficient. However, a real sensor may exhibit hysteresis behavior, dynamic response of the membrane or other mechanical elements of the sensor, or temperature dependence. Thus, it may be necessary to fit a model based on the physical parameters of the sensor to the measured calibration data to obtain a highly accurate sensor calibration.

На фиг. 28 схематично и в качестве примера показана калибровочная установка для калибровки датчика давления, причем калибровочная установка содержит аппликатор 1070 давления, камеру 1071 давления, датчик 1072 эталонного давления, который может быть коммерческим датчиком давления и блок 1073 регистрации и отображения данных. Аппликатор 1070 давления прикладывает конкретное давление, измеренное датчиком 1072 эталонного давления, в то время как резонансная частота измеряется таким образом, что во время этой процедуры калибровки измеренные резонансные частоты могут быть присвоены фактическим значениям давления. На фиг. 29 схематично показан блок 1073 регистрации и отображения данных, показывающий измеренное эталонное давление 991 и измеренную частоту 990 отклика датчика, т.е. на фиг. 29 показано отображение в реальном времени детектированной частоты отклика датчика в зависимости от давления, измеренного с использованием коммерческого датчика эталонного давления. На фиг. 30 в нижней части показана соответствующая калибровочная кривая 890, а в верхней части - сравнение между эталонным давлением 892 и резонансной частотой 891, которые находятся в хорошем соответствии. Чувствительность этой примерной калибровочной кривой составляет 0,17 Гц/мбар, что соответствует, если предполагается разрешение по частоте около 20 МГц, разрешению по давлению около 0,1 мм.рт.ст.In fig. 28 schematically and by way of example shows a calibration apparatus for calibrating a pressure sensor, the calibration apparatus including a pressure applicator 1070, a pressure chamber 1071, a reference pressure sensor 1072, which may be a commercial pressure sensor, and a data recording and display unit 1073. The pressure applicator 1070 applies the specific pressure measured by the reference pressure sensor 1072 while the resonant frequency is measured such that during this calibration procedure the measured resonant frequencies can be assigned to actual pressure values. In fig. 29 is a schematic diagram of a data recording and display unit 1073 showing a measured reference pressure 991 and a measured sensor response frequency 990, i.e. in fig. 29 shows a real-time display of the detected sensor response frequency as a function of pressure measured using a commercial reference pressure sensor. In fig. 30, the bottom portion shows the corresponding calibration curve 890, and the top portion shows a comparison between the reference pressure 892 and the resonant frequency 891, which are in good agreement. The sensitivity of this example calibration curve is 0.17 Hz/mbar, which corresponds, if a frequency resolution of about 20 MHz is assumed, to a pressure resolution of about 0.1 mmHg.

Чувствительность датчика определяется величиной изменения частоты на изменение давления. Это зависит от нескольких параметров, таких как конструкция датчика, жесткость мембраны, размер магнитных элементов и расстояние между магнитными элементами. Для данной конструкции и размера датчика моделирование позволяет определить оптимальное расстояние между магнитными элементами, а также требуемые свойства мембраны для оптимального отклонения в зависимости от приложенного давления. На фиг. 31 показан пример моделирования, предсказывающий чувствительность датчика в интересующем диапазоне частот для двух размеров датчика. На этой фигуре кривая 437 соответствует демонстрационному образцу, а кривая 438 соответствует описанному выше целевому размеру для применения для фракционного резерва кровотока (FFR, от англ. fractional flow reserve).The sensitivity of the sensor is determined by the magnitude of the change in frequency per change in pressure. This depends on several parameters such as the design of the sensor, the stiffness of the membrane, the size of the magnetic elements and the distance between the magnetic elements. For a given sensor design and size, modeling can determine the optimal distance between magnetic elements, as well as the required membrane properties for optimal deflection as a function of applied pressure. In fig. Figure 31 shows an example simulation predicting sensor sensitivity over the frequency range of interest for two sensor sizes. In this figure, curve 437 corresponds to the demonstration sample, and curve 438 corresponds to the target size described above for use in fractional flow reserve (FFR).

Помимо относительной чувствительности датчика, определенной выше, абсолютная чувствительность или разрешение по давлению зависят от уровня шума при определении частоты. В примере, показанном на фиг. 32, уровень шума составляет около 0,2 Гц и ограничивает разрешение датчика примерно до 1 мбар, при этом кривая 441 показывает частотную характеристику датчика, а кривая 442 показывает измеренное эталонное давление. На фиг. 32 показан уровень шума на начальном демонстрационном образце, который ограничивает разрешение по давлению примерно до 1 мбар. Этого уже достаточно для большинства медицинских применений. Улучшенные стратегии удаления фонового шума могут еще больше увеличить разрешение.In addition to the relative sensitivity of the sensor as defined above, the absolute sensitivity or pressure resolution depends on the noise level when determining the frequency. In the example shown in FIG. 32, the noise level is about 0.2 Hz and limits the resolution of the sensor to about 1 mbar, with curve 441 showing the frequency response of the sensor and curve 442 showing the measured reference pressure. In fig. Figure 32 shows the noise level of the initial demonstrator, which limits the pressure resolution to approximately 1 mbar. This is already sufficient for most medical applications. Improved background noise removal strategies can further increase resolution.

Процессор системы считывания для беспроводного считывания показаний соответствующего датчика давления может быть выполнен с возможностью применения алгоритма компенсации, чтобы скорректировать определение значения давления для зависимости резонансной частоты по меньшей мере от одного из а) расстояния между датчиком давления и генератором поля и b) синфазного возбуждения катушки. Эта компенсация будет более подробно разъяснена ниже.A sensing system processor for wirelessly sensing a corresponding pressure sensor may be configured to apply a compensation algorithm to adjust the pressure value determination for a resonant frequency dependent on at least one of a) the distance between the pressure sensor and the field generator and b) the common-mode drive of the coil. This compensation will be explained in more detail below.

Здесь представлены способы компенсации влияния расстояния, а также ориентации на частоту в магнитомеханическом резонаторе для измерения положения и параметра, т.е. давления. Эта компенсация требуется только тогда, когда измеряется физический параметр, такой как давление, и информация кодируется в частоте генератора колебаний. Для локализации генератора колебаний, которая будет объяснена ниже, частотные эффекты либо нерелевантны, т.е. не имеют значения (кодирование чувствительности обсуждается ниже), либо незначительны (кодирование градиентного поля также обсуждается ниже). Для локализации с использованием способа градиентного поля, который также воздействует на частоту датчика, эти компенсации не требуются, так как необходимо оценить только изменение частоты за субсекундный период времени. Это изменение не сильно зависит от амплитуды колебаний.Presented here are methods for compensating for the effects of distance as well as orientation on frequency in a magnetomechanical resonator for measuring position and parameter, i.e. pressure. This compensation is only required when a physical parameter such as pressure is being measured and the information is encoded into the frequency of the oscillator. For the localization of the oscillator, which will be explained below, frequency effects are either irrelevant, i.e. either irrelevant (sensitivity coding is discussed below) or negligible (gradient field coding is also discussed below). For localization using the gradient field method, which also affects the sensor frequency, these compensations are not required, since only the change in frequency over a subsecond period of time needs to be estimated. This change does not depend much on the amplitude of the oscillations.

Сигнал магнитомеханических генераторов колебаний детектируется по напряжению ui(t) индуцированному в i-ой катушке в результате изменения поля из-за колебательного движения магнитного момента m(t) подвешенной магнитной сферы в положении r0:The signal of magnetomechanical oscillation generators is detected by the voltage u i (t) induced in the i-th coil as a result of a change in the field due to the oscillatory motion of the magnetic moment m(t) of the suspended magnetic sphere in position r 0 :

где BS,i(r) - чувствительность i-ой детекторной катушки в положении r, которое в основном остается постоянным с течением времени. На последнем этапе магнитный момент был заменен с помощьюwhere B S,i (r) is the sensitivity of the i-th detector coil at position r, which basically remains constant over time. At the last stage, the magnetic moment was replaced using

где - единичный вектор, описывающий пространственную ориентацию намагниченности, Msat - намагниченность насыщения используемого материала (обычно от 1,30 до 1,45 Тл/μ0 для NdFeB), a Vsphere - объем магнитного объекта.Where is a unit vector describing the spatial orientation of the magnetization, M sat is the saturation magnetization of the material used (usually from 1.30 to 1.45 T/μ 0 for NdFeB), and V sphere is the volume of the magnetic object.

Из (4) следует, что для индуцирования высокого напряжения в приемных катушках желательно иметь большой динамический магнитный момент. Поскольку в большинстве применений объем сфер должен быть небольшим, сигнал может быть увеличен за счет использования большой амплитуды колебаний, приводящей к большому . Однако восстанавливающий крутящий момент не увеличивается линейно с углом ϕ (т.е. амплитудой колебаний) между восстанавливающим полем Brest, создаваемым неподвижной сферой, и намагниченностью m колеблющейся сферы:From (4) it follows that in order to induce a high voltage in the receiving coils, it is desirable to have a large dynamic magnetic moment. Since the volume of the spheres must be small in most applications, the signal can be increased by using a large amplitude of oscillation, resulting in a large . However, the restoring torque does not increase linearly with the angle ϕ (i.e. the amplitude of oscillation) between the restoring field B rest created by the stationary sphere and the magnetization m of the oscillating sphere:

Учитывая крутящий момент, обусловленный трением с коэффициентом С затухания, и крутящий момент, необходимый для углового ускорения сферы с массой ms и радиусом rs, , можно составить уравнение движения:Considering the torque due to friction with damping coefficient C, and the torque required for the angular acceleration of a sphere with mass m s and radius r s , , we can create an equation of motion:

Аппроксимация малого угла sin ϕ≈ϕ и замена m=MsatVsphere приводят кApproximation of the small angle sin ϕ≈ϕ and replacement m=M sat V sphere lead to

Высокая добротность системы обеспечивает возможность дальнейшей аппроксимации С≈0 и позволяет вычислить угловую резонансную частоту как:The high quality factor of the system makes it possible to further approximate C≈0 and allows one to calculate the angular resonant frequency as:

Поскольку микрогенераторы колебаний обычно приводятся до амплитуд, намного превышающих 10°, эта аппроксимация в общем случае неверна. Для больших углов восстанавливающий крутящий момент меньше, и, следовательно, происходит уменьшение частоты, что приводит к зависящей от амплитуды частоте ω(ϕmax)=ω0 k(ϕmax), с k(ϕmax)<1. Изменение восстанавливающего крутящего момента во время колебания, кроме того, вносит нелинейность в отклик датчика, что проявляется в наличии высших гармоник базовой частоты в спектре.Since microoscillators are typically driven to amplitudes much greater than 10°, this approximation is generally incorrect. For larger angles, the restoring torque is smaller and hence the frequency decreases, resulting in an amplitude-dependent frequency ω(ϕ max )=ω 0 k(ϕ max ), with k(ϕ max )<1. A change in the restoring torque during oscillation also introduces nonlinearity into the sensor response, which is manifested in the presence of higher harmonics of the base frequency in the spectrum.

В дополнение к нелинейному восстанавливающему моменту сила между двумя магнитными сферами зависит от взаимной ориентации их намагничивания:In addition to the nonlinear restoring torque, the force between two magnetic spheres depends on the relative orientation of their magnetization:

Для данной конструкции датчика сила всегда направлена вдоль вектора соединения двух магнитных сфер, однако ее величина стремится к нулю при амплитуде колебаний 90° и даже переходит от притяжения к отталкиванию при более высоких углах. Если нить, на которой подвешена сфера, удлиняется из-за приложенной силы, то уменьшение средней силы при высоких амплитудах колебаний увеличивает расстояние между сферами, уменьшая Brest и, следовательно, частоту колебаний. Не только нить может изменять свою длину, но и потенциально другие структуры в датчике.For this sensor design, the force is always directed along the vector of connection of the two magnetic spheres, but its magnitude tends to zero at an oscillation amplitude of 90° and even changes from attraction to repulsion at higher angles. If the thread on which the sphere is suspended elongates due to the applied force, then the decrease in the average force at high vibration amplitudes increases the distance between the spheres, reducing B rest and, therefore, the frequency of vibration. Not only can the filament change its length, but potentially other structures in the sensor as well.

Если бы поля возбуждения, создаваемые передающими катушками, имели постоянную амплитуду, амплитуда ϕmах колебаний уменьшалась бы с увеличением расстояния между катушкой и датчиком (уменьшение поля возбуждения) и, следовательно, частота уменьшалась бы. Амплитуда также зависит от относительной ориентации между катушками и датчиком, как показано на фиг. 33.If the excitation fields created by the transmitting coils had a constant amplitude, the amplitude ϕ max of oscillations would decrease with increasing distance between the coil and the sensor (decreasing the excitation field) and, therefore, the frequency would decrease. The amplitude also depends on the relative orientation between the coils and the sensor, as shown in FIG. 33.

На фиг. 33 показана измеренная зависимость амплитуды сигнала в различных гармониках от ориентации датчика относительно одной приемопередающей катушки. Если поле возбуждения выровнено параллельно ориентации магнитного диполя, возбуждения не происходит, и сигнал равен нулю. При ортогональном выравнивании поля и диполя достигается наибольшая амплитуда колебаний. Следует отметить, что пространственная структура четных гармоник выровнена ортогонально относительно нечетных гармоник. Это видно по нулю амплитуды 2-й гармоники при ориентации, соответствующей максимуму в базовом сигнале (1-ой гармонике) и 3-й гармонике. График отношения амплитуд (центральный график) подчеркивает эту разницу в зависимостях ориентации: отношение 2-й гармоники к 1-й гармонике изменяется от нуля до максимального значения (или сингулярности), в то время как отношение 3-й гармоники к 1-й гармонике является постоянным. Знание того, что динамический отклик на четных гармониках ориентирован ортогонально к динамическому отклику на нечетных гармониках, может быть использовано для определения 3-го угла ориентации датчика.In fig. Figure 33 shows the measured dependence of the signal amplitude in various harmonics on the orientation of the sensor relative to one transceiver coil. If the excitation field is aligned parallel to the orientation of the magnetic dipole, no excitation occurs and the signal is zero. With orthogonal alignment of the field and dipole, the largest amplitude of oscillations is achieved. It should be noted that the spatial structure of the even harmonics is aligned orthogonally relative to the odd harmonics. This can be seen by the zero amplitude of the 2nd harmonic at an orientation corresponding to the maximum in the base signal (1st harmonic) and the 3rd harmonic. The amplitude ratio plot (center plot) highlights this difference in orientation relationships: the ratio of the 2nd harmonic to the 1st harmonic varies from zero to a maximum value (or singularity), while the ratio of the 3rd harmonic to the 1st harmonic is permanent. Knowing that the dynamic response at even harmonics is oriented orthogonal to the dynamic response at odd harmonics can be used to determine the 3rd orientation angle of the sensor.

Таким образом, наивное определение частоты приведет к показаниям, которые зависят не только от физической величины, но также от положения и ориентации датчика. Как правило, это нежелательно, и поэтому предпочтительно используются механизмы для уменьшения этого эффекта.Thus, a naive determination of frequency will result in readings that depend not only on the physical quantity, but also on the position and orientation of the sensor. This is generally undesirable and mechanisms are therefore preferably used to reduce this effect.

Существует две стратегии смягчения этого эффекта. Одна из них заключается в обеспечении того, чтобы амплитуда колебаний оставалась постоянной для всех допустимых положений и ориентаций (т.е. в поле зрения). Другая заключается в вычислении виртуальной частоты по одному или нескольким показаниям частоты, где виртуальное показание не зависит от амплитуды колебаний. Выбранная виртуальная частота может быть резонансной частотой с очень низкой амплитудой, т.е. частотой с нулевой амплитудой, как указано в уравнении (8). Естественно, можно использовать комбинацию этих двух стратегий.There are two strategies to mitigate this effect. One is to ensure that the amplitude of the oscillation remains constant for all valid positions and orientations (i.e., in the field of view). Another is to calculate the virtual frequency from one or more frequency readings, where the virtual reading is independent of the amplitude of the oscillations. The selected virtual frequency may be a resonant frequency with very low amplitude, i.e. frequency with zero amplitude as given in equation (8). Naturally, a combination of these two strategies can be used.

Ниже будет описано управление амплитудой колебаний, в котором используют положение и ориентацию датчика давления, известные из локализации.Below will be described the control of the amplitude of oscillations, which uses the position and orientation of the pressure sensor, known from localization.

Концептуально самый простой способ скорректировать сдвиг частоты - это использовать известное положение и ориентацию относительно массива передающих / приемных катушек. Это положение может быть получено с помощью кодирования чувствительности или кодирования градиентного поля или их комбинации, описанных ниже. Когда положение и ориентация известны, можно определить абсолютный динамический дипольный момент. Обычно динамический дипольный момент уже является подходящим параметром при определении положения. В противном случае он выводится из известной чувствительности катушек при относительном положении и ориентации датчика и зарегистрированном уровне сигнала, как указано в уравнении (3). По динамическому дипольному моменту и известному статическому дипольному моменту датчика можно вывести амплитуду колебаний. (Если статический дипольный момент датчика ранее неизвестен, его можно вывести из нескольких динамических дипольных моментов, измеренных при разных амплитудах возбуждения, как достигнутый или экстраполированный максимально возможный динамический дипольный момент.) Теперь амплитуду поля передачи можно регулировать для достижения предварительно заданного максимального угла ϕmax колебаний. Немного более простой, но также немного менее надежный способ состоит в том, чтобы просто отрегулировать передаваемую амплитуду до такого значения, чтобы компонента поля возбуждения на датчике всегда была постоянной. Обычно в процессе возбуждения доминирует одна направленная компонента поля (амплитуда в одном направлении относительно датчика). Амплитуда зависит от различных одновременных токов возбуждения в нескольких катушках возбуждения. Амплитуда и фаза тока в катушках регулируются таким образом, чтобы обеспечить требуемую амплитуду в требуемом положении и требуемой ориентации. Как это делается, хорошо известно в области электромагнетизма. Поскольку решение этой проблемы и предыдущий способ регулировки передаваемых амплитуд являются неоднозначными, используется по меньшей мере один второй критерий для текущей оптимизации. "Неоднозначный" в данном контексте означает, что множество комбинаций амплитуд и фаз в токах передающей катушки имеют один и тот же желаемый результат. Вторым критерием обычно является минимизация нежелательного побочного эффекта возбуждения. Примерами нежелательного побочного эффекта являются общая рассеиваемая мощность, максимальная рассеиваемая мощность в одной катушке, максимальная температура в одной катушке (которая также зависит от истории возбуждения), нагрев или силы в окружающих объектах. Естественно, для этой оптимизации можно использовать любой другой связанный критерий или комбинации. Также допустимо использовать не оптимальное, а просто первое допустимое решение, найденное конкретным алгоритмом оптимизации (например, градиентным спуском или имитацией отжига и т.д.).Conceptually, the simplest way to correct for frequency offset is to use a known position and orientation relative to the transmit/receive coil array. This position can be obtained using sensitivity encoding or gradient field encoding or a combination thereof, described below. Once the position and orientation are known, the absolute dynamic dipole moment can be determined. Usually the dynamic dipole moment is already a suitable parameter when determining the position. Otherwise, it is derived from the known sensitivity of the coils given the relative position and orientation of the sensor and the recorded signal level, as given in equation (3). From the dynamic dipole moment and the known static dipole moment of the sensor, the oscillation amplitude can be deduced. (If the static dipole moment of the sensor is previously unknown, it can be inferred from several dynamic dipole moments measured at different excitation amplitudes as the achieved or extrapolated maximum possible dynamic dipole moment.) The amplitude of the transmission field can now be adjusted to achieve a predefined maximum oscillation angle ϕmax . A slightly simpler, but also slightly less reliable method is to simply adjust the transmitted amplitude to such a value that the excitation field component at the sensor is always constant. Typically, the excitation process is dominated by one directional field component (amplitude in one direction relative to the sensor). The amplitude depends on the different simultaneous excitation currents in several excitation coils. The amplitude and phase of the current in the coils are adjusted to provide the required amplitude at the required position and orientation. How this is done is well known in the field of electromagnetism. Since the solution to this problem and the previous method for adjusting the transmitted amplitudes are ambiguous, at least one second criterion is used for the current optimization. "Ambiguous" in this context means that many combinations of amplitudes and phases in the transmitting coil currents have the same desired result. The second criterion is usually to minimize the unwanted side effect of arousal. Examples of unwanted side effects are total power dissipation, maximum power dissipation in a single coil, maximum temperature in a single coil (which also depends on the drive history), heat or forces in surrounding objects. Naturally, any other related criterion or combinations can be used for this optimization. It is also acceptable to use not the optimal solution, but simply the first feasible solution found by a specific optimization algorithm (for example, gradient descent or simulated annealing, etc.).

Ниже будет описано определение частоты с нулевой амплитудой, при котором используют положение и ориентацию датчика давления, известные из процедуры локализации.Zero amplitude frequency detection using the position and orientation of the pressure sensor known from the localization procedure will be described below.

Второй подход, при котором амплитуда не регулируется, но частота преобразуется, например, в частоту с нулевой амплитудой, может быть описан также для случая известного положения относительно массива катушек. Для такого подхода необходима модель датчика. Эта модель описывает отношение частоты и угла колебания непосредственно или в какой-либо эквивалентной форме, такой как частота и сила динамического дипольного момента. Эта модель может быть в таком виде, что частота выражается как частота с нулевой амплитудой минус функция, зависящая от амплитуды колебаний. Могут работать и более сложные описания, например, умножение на поправочный член, подобный k(ϕmax) и введенный после уравнения (6) выше. И частота, и амплитуда могут интерпретироваться как среднее значение или аппроксимирующая кривая в течение предварительно заданного периода интегрирования или предварительно заданной длины последовательности. Поскольку положение и чувствительность катушки известны, амплитуда колебаний может быть определена по зарегистрированным сигналам, как описано выше. Таким образом, поскольку фактическая частота и амплитуда известны, частота с нулевой амплитудой может быть выведена путем инвертирования модельной функции. Инверсия может быть выполнена аналитическим методом или с помощью хорошо известных численных методов. Математически вместо частоты с нулевой амплитудой можно использовать также любую другую связанную величину, например, частоту с амплитудой 10°, а также величины, которые вообще не отражают частоту, например, абсолютное расстояние между сферами. Однако такое преобразование не меняет фундаментального характера этого процесса оценки.The second approach, in which the amplitude is not adjusted but the frequency is converted, for example, to a frequency with zero amplitude, can also be described for the case of a known position relative to the coil array. This approach requires a sensor model. This model describes the relationship between frequency and angle of oscillation directly or in some equivalent form, such as frequency and the strength of a dynamic dipole moment. This model can be in the form that the frequency is expressed as the frequency with zero amplitude minus a function depending on the amplitude of the oscillations. More complex descriptions can also work, such as multiplication by a correction term similar to k(ϕ max ) introduced after equation (6) above. Both frequency and amplitude can be interpreted as an average or fitted curve over a predefined integration period or predefined sequence length. Since the position and sensitivity of the coil are known, the amplitude of the oscillations can be determined from the recorded signals as described above. Thus, since the actual frequency and amplitude are known, the frequency with zero amplitude can be derived by inverting the model function. The inversion can be performed analytically or using well-known numerical methods. Mathematically, instead of a frequency with zero amplitude, you can also use any other related quantity, for example, a frequency with an amplitude of 10°, as well as quantities that do not reflect frequency at all, for example, the absolute distance between spheres. However, such a transformation does not change the fundamental nature of this assessment process.

Обычно даже при использовании способа экстраполяции с нулевой амплитудой для большинства применений предпочтительно вводится какая-либо регулировка амплитуды. Если датчик находится рядом с массивом катушек, можно использовать меньший ток через катушки, чем когда датчик находится дальше от массива. Способ экстраполяции с нулевой амплитудой имеет то преимущество, что он может работать, даже если датчик находится так далеко, что предварительно заданная амплитуда колебаний для способа постоянной амплитуды больше не может поддерживаться из-за ограничений на ток катушки.Generally, even when using the zero amplitude extrapolation method, some kind of amplitude adjustment is preferable for most applications. If the sensor is close to the coil array, less current can be used through the coils than when the sensor is further away from the array. The zero amplitude extrapolation method has the advantage that it can operate even if the sensor is so far away that the preset oscillation amplitude for the constant amplitude method can no longer be maintained due to coil current limitations.

В приведенных выше описаниях предполагалось, что амплитуда колебаний может быть выведена на основе известных положения и ориентации датчика и индуцированного напряжения в приемных катушках. Однако любой другой способ, который может предоставить информацию об амплитуде, может быть использован для компенсации частоты, зависящей от амплитуды, с использованием как постоянного возбуждения, так и способа экстраполяции. Ниже будут представлены некоторые альтернативные способы определения этой амплитуды. Эти способы могут быть полезны, когда доступно только небольшое количество катушек, и точное относительное положение не может быть определено. Сами способы компенсации не будут повторяться в тексте ниже.In the above descriptions it was assumed that the amplitude of the oscillations could be inferred based on the known position and orientation of the sensor and the induced voltage in the receiving coils. However, any other method that can provide amplitude information can be used to compensate for amplitude-dependent frequency using either constant excitation or extrapolation methods. Some alternative ways to determine this amplitude will be presented below. These methods can be useful when only a small number of coils are available and the exact relative position cannot be determined. The compensation methods themselves will not be repeated in the text below.

Ниже будет описано, как можно определить амплитуду колебаний, используя амплитуды гармоник базовой частоты.Below we will describe how the amplitude of oscillations can be determined using the amplitudes of the harmonics of the base frequency.

Одним из способов определения амплитуды колебаний является оценка гармоник индуцированного сигнала в катушках. Будучи нелинейными генераторами колебаний, магнитомеханические датчики генерируют гармоники резонансной частоты в динамическом дипольном моменте. Эти гармоники улавливаются в приемной катушке (приемных катушках). Предпочтительно, следует позаботиться о том, чтобы не подавлять эти кратные базовой частоте значения на этапе выборки и фильтрации. Спектр гармоник зависит от характеристик датчиков. Могут быть датчики, которые преимущественно генерируют нечетные гармоники (при 3ω0, 5ω0, …),а могут быть датчики, которые генерируют четные и нечетные гармоники (при 2ω0, 3ω0, 4ω0, …). Однако могут быть созданы смешанные типы. Динамический дипольный момент нечетных гармоник имеет тенденцию выравниваться с динамическим дипольным моментом основной частоты, в то время как четные гармоники имеют тенденцию выравниваться перпендикулярно динамическому дипольному моменту базовой частоты и перпендикулярно оси вращения. Следовательно, нечетные гармоники концептуально проще всего использовать, потому что отношение, скажем, динамического дипольного момента третьей гармоники к дипольному моменту базовой частоты отражается как соответствующее отношение в зарегистрированных напряжениях в одной катушке, например, оценивается как амплитуды спектральных пиков. Однако, поскольку усиление в приемной системе может зависеть от частоты, предпочтительно применяется поправка для определения истинного отношения динамического дипольного момента 3-й гармоники и динамического дипольного момента базовой частоты. Это отношение может быть измерено в течение предварительно заданного периода интегрирования. Для каждого датчика может быть предусмотрена калибровка этого отношения к амплитуде колебаний или непосредственно к сдвигу частоты и, следовательно, могут быть применены поправки. В случае четных гармоник ситуация несколько сложнее, так как направление динамических дипольных моментов не совпадает с динамическими дипольными моментами базовой частоты. Таким образом, здесь обычно требуется использовать более одной катушки, или ориентацию катушки относительно датчика необходимо определять другими средствами. В то время как при большом наборе катушек (например,>=6) можно восстановить как положение, так и ориентацию датчика, несколько катушек (например, 3-5) должны по меньшей мере позволять восстанавливать ориентацию датчика относительно катушек, используя способы, аналогичные способам определения местоположения, описанным в настоящем документе. Затем истинное отношение динамических дипольных моментов для четных гармоник может быть определено с использованием чувствительностей катушки. Промежуточный этап определения ориентации может быть опущен, и может быть установлена непосредственная карта (сопоставления) отношений амплитуд базовой частоты и амплитуд гармоник в катушках с использованием методов линейной алгебры. Следует понимать, что методы, описанные здесь в частотной области, могут быть сопоставлены с методами в других основаниях, таких как временная область. Во временной области частотный анализ сопоставляется с анализом формы колебаний. Эти методы сопоставления хорошо известны в математической литературе.One way to determine the amplitude of oscillations is to evaluate the harmonics of the induced signal in the coils. As nonlinear oscillators, magnetomechanical sensors generate harmonics at a resonant frequency in a dynamic dipole moment. These harmonics are collected in the pickup coil(s). Preferably, care should be taken not to suppress these multiples of the base frequency during the sampling and filtering stage. The harmonic spectrum depends on the characteristics of the sensors. There may be sensors that predominantly generate odd harmonics (at 3ω 0 , 5ω 0 , ...), and there may be sensors that generate even and odd harmonics (at 2ω 0 , 3ω 0 , 4ω 0 , ...). However, mixed types can be created. The dynamic dipole moment of odd harmonics tends to align with the dynamic dipole moment of the fundamental frequency, while the even harmonics tend to align perpendicular to the dynamic dipole moment of the fundamental frequency and perpendicular to the rotation axis. Therefore, odd harmonics are conceptually the easiest to use because the ratio of, say, the dynamic dipole moment of the third harmonic to the base frequency dipole moment is reflected as a corresponding ratio in the recorded voltages in one coil, for example estimated as the amplitudes of the spectral peaks. However, since the gain in the receiving system can be frequency dependent, a correction is preferably applied to determine the true ratio of the 3rd harmonic dynamic dipole moment to the base frequency dynamic dipole moment. This ratio can be measured over a predetermined integration period. For each sensor, this ratio can be calibrated to the amplitude of the oscillations or directly to the frequency offset and therefore corrections can be applied. In the case of even harmonics, the situation is somewhat more complicated, since the direction of the dynamic dipole moments does not coincide with the dynamic dipole moments of the base frequency. Thus, here it is usually necessary to use more than one coil, or the orientation of the coil relative to the sensor must be determined by other means. While a large set of coils (e.g. >=6) may allow both the position and orientation of the sensor to be recovered, multiple coils (e.g. 3-5) should at least allow the orientation of the sensor relative to the coils to be recovered using methods similar to location determination described in this document. The true ratio of dynamic dipole moments for even harmonics can then be determined using the coil sensitivities. The intermediate step of determining the orientation can be omitted, and a direct map of the ratios of the base frequency amplitudes and the harmonic amplitudes in the coils can be established using linear algebra methods. It should be understood that the methods described here in the frequency domain can be compared with methods in other bases, such as the time domain. In the time domain, frequency analysis is compared with waveform analysis. These matching methods are well known in the mathematical literature.

Ниже будет описано определение амплитуды колебаний на основе огибающей функции во временной области.Determination of the oscillation amplitude based on the envelope function in the time domain will be described below.

Другим способом определения амплитуды колебаний является использование нелинейного поведения затухания сигнала. Затухание датчика обычно нелинейно. Нелинейное затухание означает, что при удвоенной накопленной энергии средняя рассеиваемая мощность датчика не удваивается, а увеличивается в количество раз, большее двух. Причиной этого может быть растяжение нити из-за модуляции силы, описанной выше. Уравнение (9) показывает, что при низких амплитудах колебаний силы притяжения между магнитными объектами по большому счету постоянны, но при более высоких амплитудах это постоянство не сохраняется. Это изменение силы зависит в первом приближении от квадрата амплитуды колебаний, что соответствует аппроксимации косинусоидной функции параболой. Эта квадратичная зависимость является причиной нелинейности рассеяния. Изменяющаяся сила между магнитным объектом периодически растягивает нить (нити), что приводит к рассеянию. Другие эффекты также могут привести к нелинейному поведению. В совокупности эти эффекты приводят к тому, что форма огибающей кривой затухания в течение заданного времени зависит от начальной амплитуды. Таким образом, если датчик имеет постоянную начальную амплитуду колебаний, и расстояние и/или ориентация датчика изменены относительно приемной катушки (приемных катушек), находят масштабированную версию начальной огибающей затухания. Однако при изменении амплитуды возбуждения датчика изменяется не только общая амплитуда кривой затухания, но и ее форма. Это означает, что эффекты амплитуды и эффекты расстояния / ориентации могут быть распутаны, и, следовательно, начальная амплитуда колебаний может быть восстановлена, например, с помощью справочной таблицы предварительно записанных кривых затухания. Это снова приводит к возможности определения частоты с нулевой амплитудой или к управляемому возбуждению с постоянной амплитудой, как описано выше. Для работы этого способа требуется только одна катушка. Однако он несколько чувствителен к перемещению датчика во время регистрации, так что это также изменяет форму огибающей. Поэтому предпочтительно включить в оценку модель вероятных перемещений датчика. Например, если известно, что датчик не будет выполнять быстрые ускорения, полезно скорректировать огибающую кривой затухания с учетом предположения о постоянном движении.Another way to determine the amplitude of the oscillations is to use the nonlinear behavior of the signal attenuation. Sensor attenuation is usually nonlinear. Nonlinear attenuation means that when the accumulated energy is doubled, the average power dissipation of the sensor does not double, but increases by a factor greater than two. The reason for this may be the stretching of the thread due to the force modulation described above. Equation (9) shows that at low oscillation amplitudes, the attractive forces between magnetic objects are largely constant, but at higher amplitudes this constancy is not maintained. This change in force depends, to a first approximation, on the square of the oscillation amplitude, which corresponds to the approximation of the cosine function by a parabola. This quadratic dependence is the reason for the nonlinearity of scattering. The changing force between the magnetic object periodically stretches the thread(s), resulting in dissipation. Other effects can also lead to non-linear behavior. Together, these effects cause the shape of the decay envelope curve over a given time to depend on the initial amplitude. Thus, if the sensor has a constant initial amplitude of oscillation, and the distance and/or orientation of the sensor is changed relative to the receiving coil(s), a scaled version of the initial attenuation envelope is found. However, when the excitation amplitude of the sensor changes, not only the overall amplitude of the attenuation curve changes, but also its shape. This means that amplitude effects and distance/orientation effects can be disentangled, and hence the initial amplitude of the oscillations can be reconstructed, for example, by using a lookup table of pre-recorded decay curves. This again leads to the possibility of zero amplitude frequency detection or constant amplitude controlled excitation as described above. This method only requires one coil to work. However, it is somewhat sensitive to sensor movement during acquisition, so this also changes the shape of the envelope. Therefore, it is preferable to include a model of probable sensor movements in the assessment. For example, if it is known that the sensor will not perform rapid accelerations, it is useful to adjust the decay curve envelope to account for the constant motion assumption.

Определение амплитуды колебаний на основе амплитудного отклика сигнала на изменения полей возбуждения будет объяснено ниже.Determining the amplitude of oscillations based on the amplitude response of the signal to changes in excitation fields will be explained below.

Еще одним способом определения амплитуды колебаний является анализ реакции сигнала датчика на различную силу возбуждения. В этом случае импульсы тока систематически изменяются и оценивается отклик датчика (датчиков) на различные импульсы возбуждения. Ток, длительность и фаза импульса передачи, или их комбинация, могут изменяться. Например, предположим, что имеется два импульса возбуждения. Если расстояние велико, а амплитуда локального поля мала, два импульса предназначены для генерации в два раза большей амплитуды, чем произвел бы один импульс. Однако, если расстояние мало, а локальное поле на датчике велико, амплитуда будет менее, чем в два раза больше амплитуды. Это приводит к характерному снижению напряжения приема по сравнению с ожидаемым в два раза. Таким образом, отношение (отношения) амплитуд (Фурье) принимаемого сигнала датчиков для заданной схемы возбуждения является мерой амплитуды возбуждения и может снова использоваться для экстраполяции на частоту с нулевой амплитудой и/или для получения постоянной амплитуды возбуждения. Кроме того, могут быть оценены и другие величины, такие как частота и время затухания. Отношения этих величин также характерны для амплитуды колебаний и могут быть использованы для экстраполяции на частоту с нулевой амплитудой.Another way to determine the amplitude of oscillations is to analyze the response of the sensor signal to different excitation forces. In this case, the current pulses are systematically varied and the response of the sensor(s) to various excitation pulses is evaluated. The current, duration and phase of the transmit pulse, or a combination thereof, may vary. For example, suppose there are two excitation pulses. If the distance is large and the amplitude of the local field is small, the two pulses are designed to generate twice the amplitude that one pulse would produce. However, if the distance is small and the local field at the sensor is large, the amplitude will be less than twice the amplitude. This leads to a characteristic reduction in the reception voltage by a factor of two compared to the expected one. Thus, the amplitude (Fourier) ratio(s) of the received sensor signal for a given drive pattern is a measure of the drive amplitude and can again be used to extrapolate to a zero-amplitude frequency and/or to obtain a constant drive amplitude. In addition, other quantities such as frequency and decay time can be estimated. The ratios of these quantities are also characteristic of the amplitude of the oscillations and can be used to extrapolate to a frequency with zero amplitude.

Ниже будет описано определение правильного параметра на основе полной модели всех способствующих факторов.Determining the correct parameter based on a complete model of all contributing factors will be described below.

Все способы, описанные выше, являются лишь способами оценки, причем некоторые способы, требуют изменений в передаваемых полевых импульсах. Для осуществления этих оценок не требуется никаких изменений аппаратного обеспечения системы. Поэтому логично реализовать их все. Это может быть сделано путем простого параллельного выполнения оценок и объединения результатов таким образом, чтобы минимизировать шум, т.е. получить средневзвешенное значение в соответствии с относительным шумом. Хотя это относительно просто и легко реализовать, лучших результатов можно ожидать при использовании действительно комплексного математического подхода, который будет описан ниже. С другой стороны, математически сложный подход значительно сложнее реализовать, и для его выполнения может потребоваться слишком много вычислительных ресурсов на экономичном компьютерном оборудовании. Основой для правильного математического подхода является математическая модель датчика. Эта модель предсказывает отклик датчика на поля возбуждения, текущее состояние датчика и измеряемый параметр, т.е. окружающую среду датчика.All the methods described above are only evaluation methods, and some methods require changes in the transmitted field pulses. No changes to the system hardware are required to perform these evaluations. Therefore, it is logical to implement them all. This can be done by simply running the evaluations in parallel and combining the results in a way that minimizes noise, i.e. obtain a weighted average according to the relative noise. Although this is relatively simple and easy to implement, better results can be expected by using a truly comprehensive mathematical approach, which will be described below. On the other hand, a mathematically complex approach is much more difficult to implement and may require too many computational resources on low-cost computer hardware. The basis for a correct mathematical approach is the mathematical model of the sensor. This model predicts the response of the sensor to the excitation fields, the current state of the sensor and the measured parameter, i.e. sensor environment.

Состояние датчика может представлять собой только текущий угол отклонения и скорость вращения подвешенной сферы. Однако, в частности, но не исключительно, для датчиков давления, это может также включать упругое состояние структур, которые могут деформироваться под действием внешних или внутренних изменяющихся сил. Таким образом, необходимо включить модели гистерезиса мембран и нитей. Эта модель может иметь различные математические формы, но наиболее распространенным способом является формулировка этой модели в виде набора дифференциальных уравнений. Затем также должна быть сгенерирована модель передающей и приемной катушек, включая характеристики фильтра и усилителя. Это может быть сформулировано в дифференциальных уравнениях, хотя здесь представление параметров Фурье также не является чем-то необычным, если передающая и приемная системы являются достаточно линейными по своей природе. Наконец, необходимо обеспечить модель чувствительности передачи и приема катушки. Это может быть просто набор пространственных точек с привязанной чувствительностью и алгоритмом интерполяции между точками. Она также может быть основана на моделировании катушек на основе закона Био-Савара. Эта модель теперь может предсказывать отклик датчика по напряжению в любом заданном местоположении и ориентации с заданной историей импульсов возбуждения и внешних параметров. Таким образом, процедура заключается в изменении положения и ориентации датчика, а также в том, чтобы датчик влиял на физические параметры при моделировании таким образом, чтобы зарегистрированный сигнал и моделирование совпадали наилучшим образом. Могут быть использованы многие хорошо известные способы оптимизации, такие как градиентный спуск или случайные блуждания. Совпадение может быть определено как среднеквадратичное значение суммы разности измеренных точек выборки и смоделированных точек выборки. Совпадение будет наилучшим, если эта величина будет наименьшей. Наилучшее совпадение может быть изменено с введением дополнительных ограничений, например, с помощью модели ожидаемых относительных положений и ориентаций или с помощью ограничения на максимальные ожидаемые ускорения датчика и/или модели измеряемых величин, которые, например, дают ограничение на максимальную скорость изменения этих величин. Также могут использоваться дополнительные входные данные для датчика, например с акселерометров в системе с портативными катушками, по меньшей мере для одних независимых входных данных изменения расстояния и ориентации. Поскольку процессы оценки на основе полной модели требуют больших вычислительных затрат, их можно комбинировать с одним или несколькими из предыдущих способов, чтобы обеспечить хорошую начальную точку для дальнейшей оптимизации.The sensor state can only represent the current deflection angle and rotation speed of the suspended sphere. However, particularly but not exclusively for pressure sensors, this may also include the elastic state of structures that may deform under external or internal changing forces. Thus, it is necessary to include membrane and filament hysteresis models. This model can take various mathematical forms, but the most common way is to formulate the model as a set of differential equations. A model of the transmit and receive coils, including filter and amplifier characteristics, must then also be generated. This can be formulated in differential equations, although the Fourier parameter representation here is also not unusual if the transmitting and receiving systems are sufficiently linear in nature. Finally, it is necessary to provide a model of the transmit and receive sensitivity of the coil. This can be simply a set of spatial points with an associated sensitivity and an interpolation algorithm between the points. It can also be based on coil modeling based on Biot-Savart's law. This model can now predict the voltage response of the sensor at any given location and orientation with a given history of excitation pulses and external parameters. Thus, the procedure is to change the position and orientation of the sensor, and to have the sensor influence the physical parameters in the simulation so that the recorded signal and the simulation match best. Many well-known optimization techniques, such as gradient descent or random walks, can be used. Agreement can be defined as the root mean square value of the sum of the difference between the measured sample points and the modeled sample points. The best match will be if this value is the smallest. The best fit may be modified by introducing additional constraints, such as a model of expected relative positions and orientations, or a constraint on the maximum expected accelerations of the sensor and/or a model of the measured quantities, which, for example, provides a constraint on the maximum rate of change of those quantities. Additional sensor inputs, such as from accelerometers in a portable coil system, may also be used for at least one independent distance and orientation change inputs. Because full model-based estimation processes are computationally expensive, they can be combined with one or more of the previous methods to provide a good starting point for further optimization.

Процессор также может быть выполнен с возможностью компенсации гравитационных эффектов, как это будет объяснено ниже.The processor may also be configured to compensate for gravitational effects, as will be explained below.

В датчике давления вес подвижного сегмента датчика может влиять на показания давления: если он находится сверху неподвижной части датчика, он сжимает датчик и, таким образом, приводит к очевидному увеличению давления, если он находится внизу, это приводит к очевидному снижению давления. Сила тяжести (вес) на сфере NdFeB диаметром 0,5 мм составляет около 5 мкН. Для сравнения, изменение силы на цилиндрической задней стороне датчика (консервативно предполагая, что диаметр такой же, как у сферы), создаваемое изменением давления на 1 мбар, составляет около 20 мкН. Таким образом, разность сил между ориентацией датчика в воздухе вверх и вниз ограничила бы точность до 0,5 мбар. Чтобы смягчить эту проблему, может быть применена поправка на основе пространственной ориентации датчика, полученной с помощью одного из способов, описанных для восстановления (положения и) ориентации в настоящем документе. В жидкой среде, такой как кровь, влияние веса может быть сведено к минимуму путем приведения в соответствие плотности сегментов датчика с плотностью жидкости, тогда плавучесть компенсирует силу тяжести.In a pressure sensor, the weight of the movable segment of the sensor can affect the pressure reading: if it is on top of the stationary part of the sensor, it compresses the sensor and thus causes an apparent increase in pressure, if it is located at the bottom, it results in an apparent decrease in pressure. The force of gravity (weight) on a 0.5 mm diameter NdFeB sphere is about 5 µN. In comparison, the change in force on the cylindrical back side of the sensor (conservatively assuming the diameter is the same as a sphere) created by a 1 mbar change in pressure is about 20 µN. Thus, the force difference between the up and down orientation of the sensor in air would limit the accuracy to 0.5 mbar. To mitigate this problem, a correction can be applied based on the spatial orientation of the sensor obtained using one of the methods described for (position and) orientation recovery herein. In a liquid medium such as blood, the effect of weight can be minimized by matching the density of the sensor segments to the density of the liquid so that buoyancy compensates for gravity.

Процессор также может быть выполнен с возможностью компенсации магнитного поля Земли и других эффектов статического поля.The processor may also be configured to compensate for the Earth's magnetic field and other static field effects.

Статические фоновые поля добавляются к полю неподвижного магнитного объекта и, таким образом, модулируют восстанавливающее поле Brest, видимое колеблющимся магнитом. Это изменяет резонансную частоту в соответствии с уравнением (8) и, следовательно, является источником ошибок при измерении посредством изменений частоты генератора колебаний. Это не имеет значения для локализации генератора колебаний. Для магнитных сфер диаметром 0,5 мм, изготовленных из NdFeB с намагниченностью насыщения 1,3 Тл/μ0, поля, создаваемые неподвижной сферой в центре колеблющейся сферы, составляют 16,1 мТл и 6,8 мТл для расстояний от центра до центра 0,75 мм и 1,0 мм, соответственно. Магнитное поле Земли составляет от 25 до 65 мкТл. Разность частот между параллельным и антипараллельным выравниванием компоненты статического поля с максимальным магнитным полем земли в 65 мкТл создаст разность частот около 5 Гц и 9 Гц для вышеуказанных расстояний 0,75 мм и 1,0 мм, соответственно. Что касается типичного разрешения по частоте от 10 до 100 мГц и чувствительности прототипа -0,3 К/Гц для датчика температуры и 20 мбар/Гц для датчика давления, этот расчет в наихудшем случае приводит к существенным ошибкам в измеряемых значениях. Различные стратегии смягчения последствий этого представлены ниже.Static background fields add to the field of a stationary magnetic object and thus modulate the restoring field B rest seen by the oscillating magnet. This changes the resonant frequency according to equation (8) and therefore introduces measurement errors through changes in the frequency of the oscillator. This does not matter for localizing the oscillator. For 0.5 mm diameter magnetic spheres made of NdFeB with a saturation magnetization of 1.3 T/μ 0 , the fields generated by the stationary sphere at the center of the oscillating sphere are 16.1 mT and 6.8 mT for center-to-center distances 0 .75 mm and 1.0 mm, respectively. The Earth's magnetic field ranges from 25 to 65 μT. The frequency difference between parallel and antiparallel alignment of the static field component with a maximum earth magnetic field of 65 µT will create a frequency difference of about 5 Hz and 9 Hz for the above distances of 0.75 mm and 1.0 mm, respectively. Regarding the typical frequency resolution of 10 to 100 MHz and the prototype sensitivity of -0.3 K/Hz for the temperature sensor and 20 mbar/Hz for the pressure sensor, this worst-case calculation leads to significant errors in the measured values. Various mitigation strategies for this are presented below.

Смягчением со стороны датчика является использование конструкции, в которой используются две подвешенные сферы с одинаковым магнитным дипольным моментом и моментом инерции (или подходящим отношением двух величин) вместо одной сферы. Поскольку встречное колебание происходит на одной частоте, эффект статического поля подмагничивания первого порядка, такого как магнитное поле Земли, отменяется.A mitigation on the sensor side is to use a design that uses two suspended spheres with the same magnetic dipole moment and moment of inertia (or a suitable ratio of the two quantities) instead of a single sphere. Since the counter-oscillation occurs at the same frequency, the effect of a static first-order bias field, such as the Earth's magnetic field, is canceled out.

Другая стратегия смягчения последствий заключается в использовании датчиков абсолютного поля в детекторной системе для измерения величины и ориентации статических фоновых полей. На основе ориентации датчика, определенной с использованием способов, описанных в настоящем документе, может быть рассчитана поправка частоты или поля для получения от датчика правильного значения давления, температуры или других параметров. Для измерения статических фоновых полей можно использовать любой датчик магнитного поля с достаточной чувствительностью и занимаемой площадью, который может быть встроен в систему детекторов. Одним из экономически эффективных вариантов могут быть 3-осевые датчики Холла. Альтернативой может быть 3-осевой массив микроботов с температурной компенсацией с четко определенной частотой с нулевой амплитудой. По изменению их соответствующих частот можно определить величину и ориентацию фоновых полей. В идеале их резонансные частоты выбираются таким образом, чтобы они не мешали частоте датчика, представляющего интерес. Вместо поправки на смещение частоты при оценке можно также использовать катушки систем детектирования с несколькими катушками для генерирования малых полей смещения для уравновешивания магнитного поля Земли и других фоновых полей. Если в поле зрения существуют неоднородные поля из-за присутствия ферромагнитного материала, для характеристики пространственных изменений поля можно использовать несколько наборов 3-осевых датчиков магнитного поля. На основе интерполированной карты (сопоставления) фонового поля, полученной на основе этих измерений, может быть вычислена поправка для датчика в известном положении и ориентации, или могут быть применены соответствующие поправочные поля смещения, или используется смесь двух способов введения поправок.Another mitigation strategy is to use absolute field sensors in the detector system to measure the magnitude and orientation of static background fields. Based on the sensor orientation determined using the methods described herein, a frequency or field correction can be calculated to obtain the correct pressure, temperature, or other parameters from the sensor. To measure static background fields, any magnetic field sensor with sufficient sensitivity and footprint that can be integrated into a detector system can be used. One cost-effective option would be 3-axis Hall effect sensors. An alternative would be a 3-axis temperature-compensated microbot array with a well-defined frequency with zero amplitude. By changing their corresponding frequencies, the magnitude and orientation of the background fields can be determined. Ideally, their resonant frequencies are chosen such that they do not interfere with the frequency of the sensor of interest. Instead of correcting for frequency offset, the estimation can also use the coils of multi-coil detection systems to generate small offset fields to balance the Earth's magnetic field and other background fields. If non-uniform fields exist in the field of view due to the presence of ferromagnetic material, multiple sets of 3-axis magnetic field sensors can be used to characterize spatial variations in the field. Based on the interpolated map (mapping) of the background field obtained from these measurements, a correction for the sensor at a known position and orientation can be calculated, or appropriate offset correction fields can be applied, or a mixture of the two correction methods can be used.

Датчики давления, а также маркеры должны иметь высокую добротность и должны иметь большую частотную развертку, чтобы быть чувствительными к измеряемой величине в диапазоне, необходимом для конкретного применения. Высокая добротность особенно важна при высоких амплитудах колебаний, когда генерируется самый высокий сигнал. Поскольку два магнитных объекта обладают сильными силами притяжения, и эти силы сильно возрастают с уменьшением расстояния (до 4-й степени расстояния, см. уравнение (9)), оба свойства могут ухудшиться. Большие силы приводят к относительно сильному натяжению по меньшей мере в одной нити, удерживающей по меньшей мере один магнитный объект. Это натяжение само по себе не ведет к рассеянию. Однако, особенно при больших амплитудах колебаний, силы между магнитными объектами уменьшаются, и, следовательно, натяжение нити периодически уменьшается. Это приводит к периодическому удлинению и укорачиванию нити, что обычно приводит к выделению тепла. Следовательно, мощность извлекают из генератора колебаний. Силы также сильно зависят от расстояния до магнитных объектов и становятся очень большими, если объекты приближаются друг к другу. Такое поведение особенно проблематично для датчиков давления. Сила между магнитными объектами функционально эквивалентна внешнему давлению. Таким образом, если внешнее давление увеличивается, магнитные объекты приближаются, что, в свою очередь, увеличивает кажущееся давление. Этот эффект компенсируется при использовании калибровочной кривой измерений для определения давления, но это может привести к ситуации, когда датчик достигает критической точки, в которой магнитные объекты быстро притягиваются друг к другу и, наконец, соприкасаются. Это приводит к состоянию, когда датчик больше не работает. Этого можно избежать, просто сделав мембрану или сильфон датчика давления более жесткими. Однако это снижает чувствительность датчика, т.е. сдвиг частоты на приложенное давление. Для решения этой проблемы описан способ уменьшения силы и изменения силы. Он состоит только из части магнитного материала, который намагничен в противоположном направлении в сравнении с другим магнитным объектом, как показано на фиг. 34.Pressure sensors, as well as markers, must have a high quality factor and must have a large frequency sweep in order to be sensitive to the measured value in the range required for a particular application. A high quality factor is especially important at high oscillation amplitudes, when the highest signal is generated. Since two magnetic objects have strong attractive forces, and these forces increase greatly with decreasing distance (up to the 4th power of distance, see equation (9)), both properties can deteriorate. Large forces result in relatively strong tension in at least one thread holding at least one magnetic object. This tension in itself does not lead to dissipation. However, especially at large oscillation amplitudes, the forces between the magnetic objects decrease and, consequently, the tension of the thread periodically decreases. This causes the filament to periodically lengthen and shorten, which usually generates heat. Therefore, power is extracted from the oscillator. The forces also depend strongly on the distance from the magnetic objects and become very large as the objects move closer to each other. This behavior is especially problematic for pressure sensors. The force between magnetic objects is functionally equivalent to external pressure. Thus, if external pressure increases, magnetic objects move closer, which in turn increases the apparent pressure. This effect is compensated for by using a measurement calibration curve to determine pressure, but this can lead to a situation where the sensor reaches a critical point in which magnetic objects are quickly attracted to each other and finally touch. This results in a condition where the sensor no longer works. This can be avoided by simply making the pressure sensor diaphragm or bellows more rigid. However, this reduces the sensitivity of the sensor, i.e. frequency shift by applied pressure. To solve this problem, a method for reducing force and changing force is described. It consists of only a piece of magnetic material that is magnetized in the opposite direction compared to another magnetic object, as shown in FIG. 34.

На фиг. 34 датчик 4001 давления содержит магнитный объект 4008, представляющий собой постоянный магнит, подвешенный на нити 4006, которая предпочтительно представляет собой высокопрочную проволоку, к гибкой части 4010 корпуса 4002. Гибкая часть 4010 предпочтительно представляет собой мембрану, которая может быть латексной мембраной. Остальная часть корпуса 4002 может быть изготовлена из металла или полимера. Корпус 4002 может быть заполнен газом или он может обеспечивать вакуумное пространство, при этом внутреннее пространство имеет ссылочное обозначение 4009 на фиг. 34. Дополнительный магнитный объект 4007 прикреплен с помощью клея 4011 к внутренней торцевой поверхности корпуса 4002. Два магнитных объекта 4007, 4008, как правило, намагничены в противоположных направлениях. Однако неподвижный магнитный объект 4007 также содержит часть с обратной ориентацией 4012 намагничивания.In fig. 34, pressure sensor 4001 includes a magnetic object 4008, which is a permanent magnet suspended by a thread 4006, which is preferably a high tensile wire, to a flexible portion 4010 of the housing 4002. The flexible portion 4010 is preferably a membrane, which may be a latex membrane. The remainder of the housing 4002 may be made of metal or polymer. Housing 4002 may be filled with gas or it may provide a vacuum space, the interior space being designated 4009 in FIG. 34. An additional magnetic object 4007 is attached with an adhesive 4011 to the inner end surface of the housing 4002. The two magnetic objects 4007, 4008 are typically magnetized in opposite directions. However, the stationary magnetic object 4007 also includes a reverse magnetization portion 4012.

Таким образом, если задействованы две магнитные сферы, в этом примере по меньшей мере одна сфера получает крышку, намагниченную в противоположном направлении. Крышка расположена рядом с другой магнитной сферой. Если одна сфера неподвижна (зафиксирована), а другая колеблется, лучше всего иметь крышку на неподвижной сфере. Таким образом, динамический дипольный момент датчика не уменьшается. Только частота колебаний немного ниже. Однако также возможно поменять местами исполняемые роли сфер. Противоположно намагниченная часть настолько мала, что на всех рабочих расстояниях суммарная (чистая) сила между магнитными объектами все еще остается притягивающей. Если участок с обратным намагничиванием достаточно мал, условие притяжения может выполняться вплоть до касания магнитных объектов. Существует несколько способов изготовления крышек с противоположным намагничиванием. Один из них состоит в том, чтобы просто добавить немного магнитного материала поверх по меньшей мере одного магнитного объекта. Магнитный материал может быть магнитно-мягким или магнитно-твердым. Это может быть сплошной непрерывный магнитный объект, магнитная краска или что-то среднее. Магнитный материал имеет тенденцию выравниваться таким образом, чтобы он сам по себе образовывал противоположную намагниченность. Кроме того, он также имеет тенденцию прилипать к магнитному объекту. Тем не менее, этот дополнительный материал должен быть приклеен к магнитному объекту, особенно если два основных магнитных объекта могут время от времени касаться друг друга. Чтобы сохранить первоначально желаемую форму, некоторый материал может быть удален с магнитного объекта, подлежащего изменению, например, путем шлифования. Существует альтернативный способ формирования зоны противоположного намагничивания. Ее можно создать просто путем противоположного намагничивания требуемой зоны магнитного объекта. Это может быть достигнуто за счет сильных импульсов тока через проводник вблизи магнитного объекта. Однако это не очень практично из-за чрезмерного нагрева. Этого можно добиться проще, просто нагрев преобразуемую часть магнитного объекта до температуры, близкой или превышающей температуру Кюри. Это приведет к изменению намагниченности. Эффект может быть усилен путем приложения импульсного или постоянного магнитного поля в обратном направлении. Поля могут также включать в себя сильные градиенты при использовании какого-либо магнитно-твердого или магнитно-мягкого материала вблизи зоны воздействия. Поскольку нагрев должен быть достаточно локализованным, повышение температуры должно быть очень быстрым, чтобы общая энергия, вложенная в магнитный объект, была низкой и не приближала его к температуре Кюри целиком. Подходящим источником нагрева может быть лазер. Также могут работать способы резистивного или индуктивного нагрева.Thus, if two magnetic spheres are involved, in this example at least one sphere receives a cap magnetized in the opposite direction. The lid is located next to another magnetic sphere. If one sphere is stationary (fixed) and the other is oscillating, it is best to have a cover on the stationary sphere. Thus, the dynamic dipole moment of the sensor is not reduced. Only the oscillation frequency is slightly lower. However, it is also possible to swap the roles of the spheres. The oppositely magnetized part is so small that at all working distances the total (net) force between the magnetic objects is still attractive. If the area with reverse magnetization is small enough, the attraction condition can be satisfied until the magnetic objects touch. There are several ways to make caps with opposite magnetization. One is to simply add some magnetic material on top of at least one magnetic object. The magnetic material can be soft magnetic or hard magnetic. It could be a solid continuous magnetic object, magnetic paint, or anything in between. Magnetic material tends to align itself so that it itself produces an opposing magnetization. In addition, it also tends to stick to a magnetic object. However, this additional material must be adhered to the magnetic object, especially if the two main magnetic objects may touch each other from time to time. To maintain the originally desired shape, some material may be removed from the magnetic object to be modified, for example by grinding. There is an alternative way to form a zone of opposite magnetization. It can be created simply by oppositely magnetizing the desired zone of a magnetic object. This can be achieved by sending strong current pulses through a conductor near a magnetic object. However, this is not very practical due to excessive heat. This can be achieved more simply by simply heating the converted part of the magnetic object to a temperature close to or above the Curie temperature. This will lead to a change in magnetization. The effect can be enhanced by applying a pulsed or constant magnetic field in the opposite direction. The fields may also include strong gradients when using any hard or soft magnetic material near the affected area. Since the heating must be fairly localized, the temperature increase must be very rapid so that the total energy deposited into the magnetic object is low and does not bring it entirely close to the Curie temperature. A suitable heating source may be a laser. Resistive or inductive heating methods may also work.

Ниже будет объяснено, как может быть локализован датчик давления.It will be explained below how the pressure sensor can be localized.

Для системы слежения необходимо определить ориентацию и трехмерное положение маркера, который также может содержать магнитомеханический генератор колебаний, но также для чисто измерительной системы может потребоваться определить ориентацию и положение генератора колебаний, чтобы обеспечить повышение точности показаний датчика, как обсуждалось выше. Для локализации можно использовать две независимые стратегии локализации. В некоторых ситуациях может быть достаточно одной стратегии, в других ситуациях комбинация обоих способов может быть полезна для повышения точности или выявления систематических ошибок (например, сильный ферромагнетик в рабочей области), которые приводят к противоречащим результатам двух способов.For a tracking system, it is necessary to determine the orientation and three-dimensional position of the marker, which may also contain a magnetomechanical oscillator, but also for a pure measurement system, it may be necessary to determine the orientation and position of the oscillator to provide improved sensor reading accuracy, as discussed above. For localization, two independent localization strategies can be used. In some situations, one strategy may be sufficient; in other situations, a combination of both methods may be useful to improve accuracy or identify systematic errors (for example, a strong ferromagnet in the work area) that lead to conflicting results from the two methods.

Одна стратегия относится к локализации, основанной на чувствительности катушки. Этот подход использует тот факт, что каждая i-ая катушка в массиве катушек имеет разный профиль BS,i(r) пространственной чувствительности в зависимости от ее положения и ориентации. Согласно уравнению (3), один генератор затем создает отклик с характеристической амплитудой для каждой катушки, которая определяется соответствующей ориентацией динамического дипольного момента генератора колебаний относительно BS,i(r). Для восстановления положения и ориентации датчика необходимо определить набор прямых функций, заданных уравнением (4). В конце концов, требуется сопоставление между координатами положения и ориентации 6 маркеров и амплитудами напряжения на базовой частоте или высших гармониках для всех каналов приема. Следующие уравнения описывают, как избавиться от зависимости от времени в уравнении (4), так чтобы было необходимо учитывать только амплитуды. Мы начинаем с включения всех аргументов, т.е. вектора r=(x,y,z)T положения и вектора ϕ=(ϕ, θ, ψ)T ориентации:One strategy relates to localization based on coil sensitivity. This approach takes advantage of the fact that each i-th coil in a coil array has a different B S,i (r) spatial sensitivity profile depending on its position and orientation. According to equation (3), one oscillator then produces a response with a characteristic amplitude for each coil, which is determined by the corresponding orientation of the dynamic dipole moment oscillation generator relative to B S,i (r). To restore the position and orientation of the sensor, it is necessary to determine a set of direct functions given by equation (4). Ultimately, a mapping is required between the position and orientation coordinates of the 6 markers and the voltage amplitudes at the base frequency or higher harmonics for all receiving channels. The following equations describe how to remove the time dependence from equation (4) so that only amplitudes need to be considered. We start by including all the arguments, i.e. vector r=(x,y,z) T position and vector ϕ=(ϕ, θ, ψ) T orientation:

Требуемые профили чувствительности катушки могут быть либо вычислены на основе известных геометрий катушки, измерены в заданных положениях и затем интерполированы, либо определены с помощью того и другого, т.е. модели, которая может быть адаптирована к экспериментальным результатам с соответствующими параметрами подгонки. Для колебания намагниченности явное описание частоты ω и амплитуды α0 колебаний в рамке маркера будетThe required coil sensitivity profiles can either be calculated from known coil geometries, measured at given positions and then interpolated, or determined using both, i.e. model that can be fitted to experimental results with appropriate fitting parameters. For magnetization oscillations, an explicit description of the frequency ω and amplitude α 0 of oscillations in the marker frame will be

где штрих указывает на локальную рамку маркера, при этом были использованы разложения тригонометрических функций для малых амплитуд α0 колебаний. Тогда временное изменение будетwhere the prime indicates the local frame of the marker; expansions of trigonometric functions for small amplitudes α 0 oscillations were used. Then the temporary change will be

где первый член характеризует базовую частотную характеристику, а 2-й член характеризует частотную характеристику 2-й гармоники. Используя матрицы R(ϕ) вращения, можно вычислить намагниченности для общей ориентации в пространстве, т.е. Таким образом, начиная с (11), амплитуды напряжения для базовой частоты и частоты 2-й гармоники могут быть определены какwhere the first term characterizes the basic frequency response, and the 2nd term characterizes the frequency response of the 2nd harmonic. Using the rotation matrices R(ϕ), one can calculate the magnetizations for the general orientation in space, i.e. Thus, starting from (11), the voltage amplitudes for the base frequency and the 2nd harmonic frequency can be defined as

иAnd

соответственно. Соответственно, общее напряжение для i-ой катушки будет составлятьrespectively. Accordingly, the total voltage for the i-th coil will be

Из набора прямых функций (14) и (15) и измеренных амплитуд отклика положение и ориентация маркера могут быть рассчитаны путем решения системы уравнений с использованием нелинейного метода решения (англ. solver), который является стандартным математическим методом. Точность решения будет улучшаться с увеличением количества приемных катушек, а также с увеличением ортогональности (т.е. величины различий) между их соответствующими значениями чувствительности катушек. Несоответствие между 6 неизвестными и большим (или меньшим) числом каналов приема может быть учтено путем решения системы уравнений методом наименьших квадратов.From a set of forward functions (14) and (15) and measured response amplitudes, the position and orientation of the marker can be calculated by solving a system of equations using a nonlinear solver, which is a standard mathematical method. The accuracy of the solution will improve as the number of receiver coils increases, as well as the orthogonality (i.e., the magnitude of the differences) between their respective coil sensitivities increases. The discrepancy between the 6 unknowns and a larger (or smaller) number of receiving channels can be taken into account by solving the system of equations using the least squares method.

Локализация также может быть выполнена на основе кодирования градиентного поля. Так как локализация чувствительности катушки основана на распределении амплитуды, получаемом массивом катушек, частотами маркеров можно манипулировать для получения независимой информации о положении. С этой целью генерируют неоднородное магнитное поле, в идеале имеющее постоянный градиент поля над рабочим пространством, например, путем подачи низкочастотных токов на выбранные катушки массива катушек. Это дополнительное поле изменяет восстанавливающее поле Brest, действующее на колеблющуюся сферу, и, следовательно, ее частоту (уравнение 9). Из-за неоднородного характера поля изменение частоты будет зависеть от положения и ориентации маркера. Путем последовательного применения нескольких полей кодирования (например, градиента поля, применяемого в 6 различных ориентациях) можно определить все три положения и два из трех параметров ориентации маркера. Оставшийся угол может быть взят из отклика датчика более высокого порядка на внешние магнитные поля, однако, ценой более высокой напряженности поля, необходимой для создания достаточного вклада более высокого порядка. Основная идея кодирования связана с градиентным кодированием в МРТ; таким образом, можно выполнять как частотное, так и фазовое кодирование.Localization can also be performed based on gradient field encoding. Because coil sensitivity localization is based on the amplitude distribution produced by the coil array, marker frequencies can be manipulated to obtain independent position information. For this purpose, a non-uniform magnetic field is generated, ideally having a constant field gradient over the workspace, for example, by applying low-frequency currents to selected coils of the coil array. This additional field changes the restoring field B rest acting on the oscillating sphere, and therefore its frequency (equation 9). Due to the non-uniform nature of the field, the change in frequency will depend on the position and orientation of the marker. By sequentially applying multiple encoding fields (eg, a field gradient applied in 6 different orientations), all three positions and two of the three marker orientation parameters can be determined. The remaining angle can be taken from the higher order sensor's response to external magnetic fields, however, at the cost of the higher field strength required to generate sufficient higher order contribution. The basic coding idea is related to gradient coding in MRI; thus, both frequency and phase encoding can be performed.

Для частотного кодирования неоднородное поле применяют во время считывания сигнала для получения требуемого смещения частоты. Для требуемого пространственного разрешения применяемая напряженность поля кодирования должна быть адаптирована к частотной чувствительности маркера и разрешению по частоте, обеспечиваемому системой. Предполагая, что частотная чувствительность маркера из NdFeB с диаметром сферы 0,5 мм составляет , для пространственного разрешения Δr=1 мм и предполагаемого разрешения по частоте Δƒ=10 мГц будет необходим градиент поля, составляющий примерноFor frequency encoding, a non-uniform field is applied during signal readout to obtain the required frequency offset. For the required spatial resolution, the applied coding field strength must be adapted to the frequency sensitivity of the marker and the frequency resolution provided by the system. Assuming that the frequency sensitivity of an NdFeB marker with a sphere diameter of 0.5 mm is , for a spatial resolution of Δr=1 mm and an expected frequency resolution of Δƒ=10 mHz, a field gradient of approximately

Эта величина градиента примерно в 100 раз меньше градиента типичных систем МРТ. Таким образом, специальные градиентные катушки с водяным охлаждением не требуются, но катушки приемо-передающего массива могут быть использованы для генерации поля.This gradient value is approximately 100 times smaller than the gradient of typical MRI systems. Thus, special water-cooled gradient coils are not required, but transceiver array coils can be used to generate the field.

Для фазового кодирования поле неравномерного кодирования применяется до считывания сигнала, т.е. зависящее от положения смещение частоты применяется только для короткого окна, в течение которого увеличивается зависящее от положения смещение фазы сигнала. В случае, если разрешение по фазе недостаточно для точной локализации, длительность и/или амплитуда импульсов фазового кодирования могут варьироваться при последовательных возбуждениях, так что можно различить неоднозначности в нарастании фазы (больше 2 пи). Таким образом, полную пространственную информацию получают в течение нескольких считываний. Фазовое кодирование с одной неоднородной конфигурацией поля (например, кодирование одной пространственной оси) может быть объединено с частотным кодированием с другой неоднородной конфигурацией поля (например, кодированием ортогональной пространственной оси) для эффективной локализации. Если приблизительное положение маркера уже известно из подхода кодирования чувствительности (который быстрее из-за его параллельного характера), будет достаточно использовать только несколько этапов фазового кодирования, которые обеспечивают недостающие компоненты высокого разрешения (высокую пространственную частоту), но не полную пространственную информацию.For phase encoding, the non-uniform encoding field is applied before the signal is read, i.e. The position-dependent frequency offset is applied only for a short window during which the position-dependent phase offset of the signal increases. In the event that phase resolution is not sufficient for accurate localization, the duration and/or amplitude of the phase encoding pulses can be varied across successive excitations so that ambiguities in the phase rise (greater than 2 pi) can be discerned. In this way, complete spatial information is obtained within a few readings. Phase encoding with one non-uniform field configuration (eg, one spatial axis encoding) can be combined with frequency encoding with another non-uniform field configuration (eg, orthogonal spatial axis encoding) for efficient localization. If the approximate position of the marker is already known from a sensitivity encoding approach (which is faster due to its parallel nature), it will be sufficient to use only a few phase encoding steps, which provide the missing high-resolution components (high spatial frequency) but not the full spatial information.

Как описано в этом описании, сравнение результатов локализации, полученных с помощью кодирования градиентного поля и кодирования чувствительности, может быть использовано для выявления систематических ошибок, например, возникающих в результате фоновых полей. Кроме того, следует отметить, что линейный отклик на низкочастотные внешние поля датчиков, использующих две подвешенные сферы, может быть подавлен; в этом случае отклик более высокого порядка частоты может использоваться для локализации или для проверки работоспособности. Однако чувствительность к полю этих генераторов колебаний намного ниже, так что для кодирования градиентного поля потребуются поля с более высоким градиентом.As described herein, comparison of localization results obtained using gradient field encoding and sensitivity encoding can be used to identify systematic errors, such as those resulting from background fields. In addition, it should be noted that the linear response to low-frequency external fields of sensors using two suspended spheres may be suppressed; in this case, the higher order frequency response can be used for localization or performance testing. However, the field sensitivity of these oscillators is much lower, so higher gradient fields will be required to encode a gradient field.

Ниже будет описано определение параметров и определение положения для сильносвязанных датчиков.Parameter determination and position determination for tightly coupled sensors will be described below.

Определить положение (имеется в виду 3 параметра положения и 3 параметра ориентации) и измерить параметр (например, давление или температуру) особенно сложно, если используется всего несколько катушек. Однако использование всего нескольких катушек является экономически эффективным, а также предпочтительным в некоторых применениях из-за ограничений по пространству. Поэтому желательно модифицировать процедуру детектирования и аппаратное обеспечение таким образом, чтобы работать только с несколькими катушками. Один из способов сделать это - использовать несколько маркеров и/или датчиков связанным образом. "Связанным образом" означает здесь, что несколько датчиков / маркеров, каждый из которых работает с отличной известной частотой, объединены с фиксированной относительной ориентацией в узле. Как правило, датчики крепят к жесткой рамке, но технически в моменты времени проведения оценки необходимо знать только относительные положения датчиков / маркеров. При достаточном количестве датчиков положение можно определить только с помощью двух катушек. Это легче всего увидеть при сравнении с традиционными электромагнитными навигационными системами. Они обычно состоят из нескольких, обычно более 6, передающих катушек и одной приемной катушки, которую располагают и ориентацию которой оценивают. Однако вращение катушки вокруг своей оси (оси динамического дипольного момента) не может быть обнаружено из-за вращательной симметрии катушки. В этом сравнении набор жестко связанных датчиков можно рассматривать как передающий массив, а единственную приемо-передающую катушку - как маркер. Таким образом, можно расположить массив датчиков / маркеров где-нибудь в кольце вокруг оси динамического диполя передающей катушки. Следует отметить, что если катушка не круглая, кольца не являются идеальными кругами в пространстве, но это не меняет аргумента. Таким образом, положение не может быть определено с помощью одной катушки, но с двумя катушками (с непараллельным динамическим дипольным моментом) симметрия нарушается, и может быть определено положение и ориентация массива датчиков / маркеров. Оценку различных сигналов датчиков лучше всего проводить с помощью комплексного модельного подхода, который описан в другом месте настоящего документа. Если кратко, то генерируют модель каждого датчика / маркера в массиве, т.е. в виде дифференциальных уравнений. Эта модель предсказывает отклик датчика на заданное возбуждение. Вместе с моделью передающей / приемной системы (включая усилители, фильтры и катушки) можно предсказать общий отклик массива. Зная импульсы возбуждения в прошлом (обычно необходимо знать только импульсы для нескольких периодов затухания), можно вычислить ожидаемый принятый сигнал для положения датчика и значение параметра. Теперь оптимизируются положение / ориентация датчика, а также физический параметр, который измеряет датчик, чтобы минимизировать разность между вычисленным и фактически принятым сигналом. Также возможно включить предварительные знания в эту процедуру, т.е. разрешить только максимальную скорость перемещения датчиков относительно катушек. Здесь единственное отличие от предыдущего описанного способа состоит в том, что этот процесс выполняется не для одного датчика, а для набора связанных датчиков в массиве или для нескольких массивов одновременно. В массиве датчиков также имеется набор предварительных знаний, а именно относительные положения и ориентации датчиков / маркеров в массиве. Особенно полезно использовать полный параметрический подход или по меньшей мере экстраполяционные подходы частоты с нулевой амплитудой, поскольку трудно обеспечить одновременную работу всех многочисленных датчиков с требуемой амплитудой. Однако подход полной модели требует достаточно больших вычислительных затрат. Чтобы уменьшить необходимую вычислительную мощность, может быть полезно сначала использовать уже объясненные подходы к оценке одного датчика / маркера по отдельности и использовать их результаты в качестве начальных значений для окончательной реконструкции положения и значения на основе полной модели.Determining a position (meaning 3 position parameters and 3 orientation parameters) and measuring a parameter (such as pressure or temperature) is especially difficult if only a few coils are used. However, using just a few coils is cost effective and also preferable in some applications due to space constraints. Therefore, it is desirable to modify the detection procedure and hardware to handle only a few coils. One way to do this is to use multiple markers and/or sensors in a connected manner. "In a connected manner" here means that multiple sensors/markers, each operating at a distinct known frequency, are combined with a fixed relative orientation at a node. Typically, the sensors are attached to a rigid frame, but technically only the relative positions of the sensors/markers need to be known at assessment times. With a sufficient number of sensors, the position can be determined using only two coils. This is most easily seen when compared to traditional electromagnetic navigation systems. They usually consist of several, usually more than 6, transmitting coils and one receiving coil, which is positioned and the orientation of which is assessed. However, the rotation of the coil around its axis (the axis of the dynamic dipole moment) cannot be detected due to the rotational symmetry of the coil. In this comparison, a set of tightly coupled sensors can be thought of as a transmit array, and a single transmit/receive coil as a marker. Thus, it is possible to place the sensor/marker array somewhere in a ring around the axis of the dynamic dipole of the transmitting coil. It should be noted that if the coil is not round, the rings are not perfect circles in space, but this does not change the argument. So the position cannot be determined with a single coil, but with two coils (with a non-parallel dynamic dipole moment), the symmetry is broken and the position and orientation of the sensor/marker array can be determined. Estimation of various sensor signals is best accomplished using an integrated modeling approach, which is described elsewhere in this document. In short, they generate a model of each sensor/marker in the array, i.e. in the form of differential equations. This model predicts the response of a sensor to a given excitation. Together with a model of the transmitting/receiving system (including amplifiers, filters and coils), the overall response of the array can be predicted. Knowing the past excitation pulses (usually only the pulses for a few decay periods need to be known), the expected received signal for the sensor position and the parameter value can be calculated. The position/orientation of the sensor, as well as the physical parameter that the sensor measures, are now optimized to minimize the difference between the calculated and actually received signal. It is also possible to incorporate prior knowledge into this procedure, i.e. allow only the maximum speed of movement of the sensors relative to the coils. The only difference here from the previous described method is that this process is not performed for a single sensor, but for a set of related sensors in an array or for several arrays at the same time. The sensor array also contains a set of prior knowledge, namely the relative positions and orientations of the sensors/markers in the array. It is especially useful to use a full parametric approach, or at least zero-amplitude frequency extrapolation approaches, since it is difficult to ensure that all multiple sensors operate simultaneously at the required amplitude. However, the full model approach requires quite a lot of computational effort. To reduce the required computational power, it may be useful to first use the already explained approaches to estimate one sensor/marker separately and use their results as seeds for the final reconstruction of position and value based on the full model.

Ниже будут объяснены некоторые аспекты калибровки, при этом в первую очередь речь идет о калибровке в присутствии проводящего и магнитно-мягкого ферромагнитного материала.Several aspects of calibration will be explained below, focusing primarily on calibration in the presence of conductive and soft magnetic ferromagnetic material.

Присутствие проводящего и, в частности, магнитно-мягкого ферромагнитного материала может препятствовать локализации за счет искажения полей, создаваемых колеблющимся магнитом маркера или датчика, и/или путем искажения поля (полей), создаваемого передающей катушкой (передающими катушками). В меньшей степени показания датчиков также могут быть изменены, особенно в связи с тем, что точность компенсации амплитудных эффектов может быть снижена. Поэтому желательна процедура калибровки полей. Кроме того, предпочтительно также иметь меру для определения того, что в данный момент могут произойти возмущения поля. Итак, во-первых, обсуждаются способы детектирования проблем, связанных с возмущениями. Как правило, система локализации использует массив передающих / приемных катушек. Катушки могут представлять собой отдельные только передающие и только приемные катушки, или одна и та же катушка может использоваться для обеих функций. В любом случае, в этой конфигурации одна катушка может передавать, а все остальные катушки непосредственно принимать передаваемый сигнал. Принятый сигнал сравнивается с сохраненными эталонными значениями. Если фактический принятый сигнал слишком сильно отклоняется от сохраненных значений, срабатывает какое-либо действие, например предупреждение о неточности, запуск процесса самокалибровки или предложение процесса калибровки, включающего взаимодействие с пользователем, или комбинация указанного. Также возможна передача несколькими катушками одновременно. Импульс передачи должен содержать множество частот. Это может быть достигнуто путем генерации импульсов или с помощью развертки частоты или какого-либо промежуточного звена, хорошо известного в литературе. Частотный анализ важен, так как вихревые токи, протекающие по проводящим структурам, сильно зависят от частоты. Таким образом, существенным изменением может быть то, что отношение принятого сигнала на двух разных частотах превышает некоторый предел. Оно также может быть существенным, если по меньшей мере одна спектральная компонента изменяется на заданную величину. Однако равномерное изменение во всем спектре может быть связано с изменением усиления, например, в усилителе приема. Таким образом, если, например, усилители приема сконструированы таким образом, что вероятны изменения усиления, этот эффект может быть использован для установки нового значения усиления в программном обеспечении для компенсации этого изменения усиления. Указанный аргумент сохраняется аналогичным образом, если ожидается, что произойдет изменение усиления в усилителе передачи, но не в приемном тракте. Здесь, в качестве поправки, передаваемая амплитуда изменяется в вычислительной модели (что приводит к изменению амплитуд колебания датчика и т.д.). Также теоретически возможно измерить импеданс одной катушки и использовать его изменение в качестве индикатора изменений вихретоковой среды. Однако возможность измерения импеданса не приходит естественным образом вместе с электроникой, и требуется специальное оборудование. Для детектирования изменений вихревых токов в окружающей среде можно использовать не только связи катушек, но и известные свойства датчиков / маркеров в рабочем диапазоне. В частности, можно встроить датчики непосредственно в массив передающих / приемных катушек. Полезен даже один датчик / маркер. Например, если в систему встроен один маркер в фиксированном положении относительно катушки (катушек), изменение отклика маркера является показателем измененной вихретоковой среды. Еще более выгодно использовать датчик/ маркер, чувствительный к низкочастотным магнитным полям, но нечувствительный или лишь незначительно чувствительный к другим физическим свойствам, которые могут быстро измениться. Этот маркер указывает не только на статическое магнитное поле, но и на наличие ферромагнитного материала. Для детектирования ферромагнитного материала катушки будут питаться не только током на частотах колебаний датчика / маркера, но и током на гораздо более низкой частоте. Подача тока может осуществляться катушка за катушкой или с использованием нескольких катушек. Если измеренный отклик датчика (т.е. изменение частоты из-за приложенного низкочастотного магнитного поля) не совпадает с сохраненным ожиданием, вполне вероятно, что ферромагнитный материал искажает поле. Если в системе имеется достаточное количество катушек, даже нет необходимости устанавливать датчик / маркер, зависящий от поля, в известном положении. При достаточном количестве катушек положение маркера может быть определено с использованием чувствительности катушек на частоте колебаний датчика / маркера и независимо с использованием чувствительности датчика / маркера к магнитным полям тока, близкого к постоянному току (кодирование градиентного поля). Если положения, полученные посредством двух способов, расходятся, вихретоковая (или ферромагнитная) среда изменилась. Однако еще лучше, если в систему будет встроен не один такой датчик, а несколько. Также лучше иметь их в известных положениях, чем в неизвестных положениях. Но также полезно знать хотя бы только некоторые свойства положений вместо того, чтобы не иметь никакой информации о положениях. Практический способ частичного знания состоит в том, чтобы разместить датчики / маркеры на жесткой структуре, которая обеспечивает известное и стабильное во времени положение и ориентацию относительно друг друга. Такая калибровочная "рамка" с датчиками / маркерами может быть размещена постоянно или время от времени в рабочем объеме системы локализации. Если система локализации обнаруживает относительные положения и ориентации, которые расходятся с ожиданиями, в системе наблюдаются возмущения, вызванные вихревыми токами или ферромагнитным материалом. Если, опять же, датчики / маркеры также чувствительны к магнитным полям тока, близкого к постоянному току, а в массиве катушек достаточно катушек, то относительные положения датчиков / маркеров могут быть определены независимо на очень низких частотах, на которых только ферромагнитный материал вызывает возмущения полей, и на резонансной частоте датчика / маркера, на которой как ферромагнетизм, так и вихревые токи приводят к возмущениям поля. Следовательно, может быть получена информация о природе объектов, вызывающих возмущения, например, если ферромагнитный материал вносит свой вклад в такие возмущения. Опять же, наилучшим подходом для детектирования возмущений является полная математическая модель усилителей передачи / приема, катушек и маркера / датчика (маркеров / датчиков). Эта модель также включает в себя известные положения и ориентации, как абсолютные, так и относительные. На первом этапе все положения / ориентации и физические параметры оптимизируют таким образом, чтобы ошибки были сведены к минимуму. Этот этап включает в себя предварительное знание, например, о маркерах с фиксированным положением, прикрепленных к массиву катушек, и об относительных положениях в потенциальных рамках. В качестве дополнительного примечания, "рамка" не обязательно должна быть введена только для калибровки, но маркер, состоящий из множества генераторов колебаний, сам может действовать в качестве рамки. На втором этапе вычисляется общая взвешенная ошибка между ожидаемыми сигналами и доставленными сигналами. Если ошибка превышает конкретное пороговое значение, делается вывод о том, что какой-то материал вызывает возмущение полей. По характеру ошибки (т.е. если она возникает на компонентах, чувствительных к переменному току, или компонентах, чувствительных к постоянному току) можно определить природу материала, вызывающего возмущения.The presence of conductive and, in particular, soft magnetic ferromagnetic material can interfere with localization by distorting the fields created by the oscillating magnet of the marker or sensor and/or by distorting the field(s) created by the transmitting coil(s). To a lesser extent, sensor readings may also be affected, especially since the accuracy of compensation for amplitude effects may be reduced. Therefore, a field calibration procedure is desirable. In addition, it is also advantageous to have a measure for determining whether field disturbances may currently occur. So, first, methods for detecting disturbance problems are discussed. Typically, a localization system uses an array of transmit/receive coils. The coils may be separate transmit-only and receive-only coils, or the same coil may be used for both functions. In any case, in this configuration one coil can transmit and all other coils can directly receive the transmitted signal. The received signal is compared with stored reference values. If the actual received signal deviates too much from the stored values, some action is triggered, such as an inaccuracy warning, triggering a self-calibration process, or suggesting a calibration process that includes user interaction, or a combination of these. It is also possible to transmit with several coils simultaneously. The transmission pulse must contain multiple frequencies. This can be achieved by generating pulses or using frequency sweep or some intermediate well known in the literature. Frequency analysis is important because eddy currents flowing through conductive structures are highly dependent on frequency. Thus, a significant change may be that the ratio of the received signal at two different frequencies exceeds some limit. It may also be significant if at least one spectral component changes by a given amount. However, a uniform change across the entire spectrum may be due to a change in gain, for example in a receiving amplifier. Thus, if, for example, reception amplifiers are designed in such a way that gain changes are likely, this effect can be used to set a new gain value in software to compensate for this gain change. The above argument holds in the same way if a gain change is expected to occur in the transmit amplifier but not in the receive path. Here, as a correction, the transmitted amplitude changes in the computational model (which leads to changes in the amplitudes of the sensor oscillation, etc.). It is also theoretically possible to measure the impedance of a single coil and use its change as an indicator of changes in the eddy current environment. However, the ability to measure impedance does not come naturally with electronics and requires specialized equipment. To detect changes in eddy currents in the environment, not only coil connections can be used, but also the known properties of sensors/markers in the operating range. In particular, it is possible to embed sensors directly into an array of transmit/receive coils. Even one sensor/marker is useful. For example, if a system incorporates one marker in a fixed position relative to the coil(s), the change in marker response is indicative of a modified eddy current environment. It is even more advantageous to use a sensor/marker that is sensitive to low frequency magnetic fields, but insensitive or only slightly sensitive to other physical properties that can change quickly. This marker not only indicates a static magnetic field, but also the presence of ferromagnetic material. To detect ferromagnetic material, the coils will be powered not only by current at the oscillating frequencies of the sensor/marker, but also by current at a much lower frequency. The current can be supplied coil by coil or using multiple coils. If the measured sensor response (i.e., the change in frequency due to an applied low-frequency magnetic field) does not match the stored expectation, it is likely that the ferromagnetic material is distorting the field. If the system has enough coils, it is not even necessary to install the field dependent sensor/marker at a known position. With enough coils, the position of the marker can be determined using the sensitivity of the coils at the oscillation frequency of the sensor/marker and independently using the sensitivity of the sensor/marker to near-DC current magnetic fields (gradient field encoding). If the positions obtained by the two methods diverge, the eddy current (or ferromagnetic) medium has changed. However, it is even better if not one such sensor is built into the system, but several. It is also better to have them in known positions than in unknown positions. But it is also useful to know at least some of the properties of the provisions instead of having no information about the provisions. A practical way of partial knowledge is to place sensors/markers on a rigid structure that provides a known and time-stable position and orientation relative to each other. Such a calibration “frame” with sensors/markers can be placed permanently or from time to time in the working volume of the localization system. If the localization system detects relative positions and orientations that deviate from expectations, the system experiences disturbances caused by eddy currents or ferromagnetic material. If, again, the sensors/markers are also sensitive to near-DC magnetic fields, and there are enough coils in the coil array, then the relative positions of the sensors/markers can be determined independently at very low frequencies, at which only ferromagnetic material causes disturbances to the fields , and at the resonant frequency of the sensor/marker, at which both ferromagnetism and eddy currents lead to field disturbances. Consequently, information can be obtained about the nature of the objects causing the disturbances, for example if ferromagnetic material contributes to such disturbances. Again, the best approach for detecting disturbances is a complete mathematical model of the transmit/receive amplifiers, coils, and marker/sensor(s). This model also includes known positions and orientations, both absolute and relative. In the first stage, all positions/orientations and physical parameters are optimized so that errors are minimized. This stage includes prior knowledge, for example, of fixed-position markers attached to the coil array and relative positions within potential frames. As an additional note, a "frame" does not need to be introduced just for calibration purposes, but a marker consisting of multiple oscillators can itself act as a frame. In the second step, the total weighted error between the expected signals and the delivered signals is calculated. If the error exceeds a specific threshold value, it is concluded that some material is causing the fields to be disturbed. The nature of the error (i.e. whether it occurs on AC-sensitive components or DC-sensitive components) can determine the nature of the material causing the disturbance.

Последний способ определения наличия возмущений поля также является хорошей начальной точкой для способов компенсации воздействия возмущений поля. Способ проще всего проиллюстрировать, если предположить, что присутствует проводящий материал, вызывающий вихревые токи, но не ферромагнитный материал. При применении описанной выше модели мы получаем правильные положения из оценки сигналов, зависящих от тока, близкого к постоянному току (кодирование градиентного поля), и неправильные положения и амплитуды локального поля на частоте датчика и его гармониках (кодирование чувствительности катушки). Поэтому мы можем искажать высокочастотные поля таким образом, чтобы они соответствовали ожиданиям. После применения искажения все положения и показания датчиков будут улучшены. Полезно не полагаться исключительно на оценку положения, основанную на магнитных полях тока, близкого к постоянному току, поскольку кодирование чувствительности переменного тока намного быстрее. Наиболее важной частью этого способа компенсации является определение правильной модели искажения поля переменного тока. Простое решение состоит в параметризации функции сдвига поля, например, с использованием простых 3D полиномов. Это означает, что значение поля используется не для фактического положения, а для положения, преобразованного 3D полиномами. Это эффективно с вычислительной точки зрения, но может не хватать физического понимания, и неясно, как, например, измерения связи катушек могут быть включены в эту структуру. Поэтому лучше использовать модели, которые ближе к физической реальности. Например, лучше использовать модель поля проводящих пластин вблизи системы катушек, чтобы вызвать требуемые искажения поля. Таким образом, в основном положение, угловая толщина и размер некоторых виртуальных пластин изменяются до тех пор, пока ожидания модели и измеренные данные не совпадут. Как моделировать такие проводящие пластины, хорошо известно в литературе по электромагнитному моделированию. Этот тип моделирования имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что легко включить формы объектов, которые, вероятно, будут встречаться в конкретной среде. Таким образом, если специальное устройство подведено близко к полю зрения, например С-дуга рентгеновского аппарата, и это устройство известно и может быть смоделировано ранее, то системное программное обеспечение должно оптимизировать только точную ориентацию и положение. Еще одним преимуществом является то, что предполагаемое положение объекта, вызывающего возмущения, может отображаться системой, или данные передаются во вторую систему, которая выполняет задачу отображения. Таким образом, пользователю может быть специально указано на объекты, которые мешают измерению, и пользователь может захотеть переместить или удалить их. Во время этого процесса данные о связи катушек действуют по существу как массив детекторов металла. Включение ферромагнитного материала концептуально такое же, как и в случае с проводящим материалом, который создает вихревые токи. Однако моделирование ферромагнитного материала в вычислительном отношении немного сложнее, и, поскольку может отсутствовать определенное исходное положение, определяемое специальными маркерами, оно может не привести к точному положению. Но опять же, лучше всего смоделировать набор ферромагнитных материалов, например в виде листов и стержней, разместить и деформировать их при моделировании вокруг массива катушек. Здесь для модели очень полезно, если будет обеспечена база данных вероятных ферромагнитных объектов. Кроме того, процесс измерения взаимной связи может быть дополнен измерением генерации гармоник в среде катушки. Наличие гармоник является сильным признаком магнитно-мягкого ферромагнитного материала, а измеренные сигналы дают ценную информацию о размере и положении объектов.The latter method of determining the presence of field disturbances is also a good starting point for methods to compensate for the effects of field disturbances. The method is most easily illustrated by assuming that there is a conductive material present that produces eddy currents, but not a ferromagnetic material. By applying the model described above, we obtain correct positions from estimating near-DC current-dependent signals (gradient field encoding) and incorrect local field positions and amplitudes at the sensor frequency and its harmonics (coil sensitivity encoding). Therefore, we can distort high-frequency fields so that they match expectations. After applying the distortion, all sensor positions and readings will be improved. It is useful not to rely solely on position estimation based on near-DC current magnetic fields, since AC sensitivity encoding is much faster. The most important part of this compensation method is determining the correct AC field distortion model. A simple solution is to parameterize the field shift function, for example using simple 3D polynomials. This means that the field value is not used for the actual position, but for the position transformed by the 3D polynomials. This is computationally efficient, but may lack physical understanding, and it is unclear how, for example, coil coupling measurements could be incorporated into this framework. Therefore, it is better to use models that are closer to physical reality. For example, it is better to use a field model of conductive plates in the vicinity of a coil system to induce the required field distortions. So basically the position, angular thickness and size of some virtual plates are changed until the model expectations and the measured data match. How to model such conductive plates is well known in the electromagnetic modeling literature. This type of modeling has the added benefit that it is easy to include shapes of objects that are likely to be encountered in a particular environment. Thus, if a special device is brought close to the field of view, such as the C-arm of an X-ray machine, and this device is known and can be simulated previously, then the system software only needs to optimize the exact orientation and position. Another advantage is that the estimated position of the object causing the disturbance can be displayed by the system, or the data is transmitted to a second system that performs the mapping task. Thus, the user may be specifically pointed out to objects that are interfering with the measurement, and the user may want to move or remove them. During this process, the coil communication data essentially acts as an array of metal detectors. The inclusion of a ferromagnetic material is conceptually the same as with a conductive material that creates eddy currents. However, modeling a ferromagnetic material is a little more computationally complex, and since there may not be a specific starting position defined by special markers, it may not result in an accurate position. But again, it is best to model an array of ferromagnetic materials, such as sheets and rods, and place and deform them in the simulation around an array of coils. Here it is very useful for the model if a database of probable ferromagnetic objects is provided. In addition, the process of measuring mutual coupling can be complemented by measuring the harmonic generation in the coil environment. The presence of harmonics is a strong signature of a soft ferromagnetic material, and the measured signals provide valuable information about the size and position of objects.

Ниже будет описана генерация импульсов возбуждения.The generation of excitation pulses will be described below.

Система предпочтительно содержит программное обеспечение для генерации момента времени и формы импульсов возбуждения. Этот генератор импульсов возбуждения предпочтительно осведомлен о возможностях аппаратного обеспечения. Возможны различные типы усилителей и фильтров. Усилитель одного типа способен генерировать сигнал тока, который точно следует достаточно произвольному пути. В настоящем документе они называются "аналоговыми усилителями". Усилитель другого типа способен только увеличивать ток с предварительно заданной скоростью, уменьшать его с такой же скоростью и делать его более или менее постоянным. По сути, эти усилители подают напряжение с положительным или отрицательным знаком на катушку или действуют как короткое замыкание. В настоящем документе они называются "цифровыми усилителями". Цифровые усилители могут иметь разную скорость переключения, т.е. допустимое количество изменений состояния в единицу времени. Если скорость переключения намного выше скорости колебаний, цифровой усилитель снова действует как аналоговый усилитель. Следовательно, усилитель этого типа можно концептуально рассматривать как аналоговый усилитель. Если скорость переключения примерно такая же, как частота колебаний маркера / датчика, обработка должна быть немного иной. Однако это более сложная ситуация, поэтому все обсуждение будет сосредоточено на этом. Усилитель этого типа имеет некоторые преимущества перед аналоговыми. Главное преимущество заключается в том, что эффективность этого усилителя обычно очень высока, и легко может быть достигнута эффективность 98%. Еще одним преимуществом является то, что взаимодействие с вычислительной системой является очень простым. Между усилителем и катушкой может присутствовать согласующая схема. Простейшая согласующая схема - это просто конденсатор, подключенный последовательно к катушке. При использовании согласующей схемы максимальный ток через катушку при заданном напряжении питания усилителя увеличивается. Однако такая согласующая схема имеет недостаток, заключающийся в блокировании низкочастотных токов. Для некоторых последовательностей могут потребоваться токи низкой частоты. Решения этой проблемы могут быть двоякими. Во-первых, может быть предусмотрена согласующая схема, прозрачная на высоких и низких частотах. Примером такой схемы может быть схема последовательно включенных катушки или катушечного конденсатора, параллельная первому согласующему конденсатору. Другой способ состоит в том, чтобы иметь переключатель, который обходит согласующую схему, и когда требуется ток, близкий к постоянному току, переключатель замыкается. В обходной тракт также может быть встроен конденсатор, если резонансная частота достаточно низка. Точно так же с помощью множества переключателей и конденсаторов можно обеспечить целый ряд различных согласующих частот. Также следует обратить внимание на то, что даже если схема настроена на ток, близкий к постоянному току, некоторый ток на резонансной частоте маркера / датчика все еще доступен. Следует отметить, что необязательно использовать постоянные токи во время считывания. Есть два основных элемента, обеспечивающих эту возможность. Во-первых, не допускается, чтобы постоянные токи мешали считыванию показаний. Существует серьезная проблема, если передающая и приемная катушки объединены. Источник постоянного тока может обеспечить тракт короткого замыкания для сигнала. Этого следует избегать, и правильная согласующая схема позволяет избежать этого. Согласующая схема должна обеспечивать достаточно высокий импеданс между катушкой и источником постоянного тока. Это может быть достигнуто с помощью дополнительной катушки, последовательно соединенной с индуктивностью порядка индуктивности передающей / приемной катушки. Индуктивность может иметь параллельный переключатель для ее закорачивания, если в ней нет необходимости. Существует множество других доступных решений. Второе условие заключается в том, чтобы источник постоянного тока не создавал слишком большого шума, т.е. шум источника тока не препятствовал точному измерению маркеров / датчиков. Это может быть достигнуто с помощью подходящего аналогового фильтра в случае передачи постоянного тока. Этот фильтр может быть обойден во время импульсов передачи переменного тока с помощью подходящего переключателя (например, оптроны с транзистором MOSFET). Также может оказаться целесообразным избегать переключения в источнике постоянного тока во время приема сигнала и просто использовать медленно затухающий ток в катушке. Также может оказаться целесообразным выполнить всего несколько действий по переключению во время приема и просто удалить принятые данные, если они повреждены. Источники поля постоянного тока могут быть также полностью отдельными катушками, или генераторы поля могут быть (движущимися) постоянными магнитами. Это позволяет избежать большинства проблем. Дополнительная проблема, связанная с наличием постоянных токов во время приема сигнала, заключается в том, что катушки могут обеспечивать различную среду для датчиков. Это означает, что, например, некоторые катушки могут быть закорочены для переменных токов, и поле переменного тока больше не проникает в катушки, изменяя значения поля в соседних катушках. Этот эффект необходимо учитывать при вычислении положений и значений датчиков. Два основных элемента поля взаимодействуют с датчиком / маркером. Один из них представляет собой амплитуду тока, близкого к постоянному току, т.е. значение тока, усредненное за время порядка 0,1 секунды (от примерно 0,01 секунды до примерно 1 секунды). Другой представляет собой амплитуду Фурье (как комплексное значение, так как важна фаза) на резонансной частоте датчиков / маркеров. Поэтому первая задача состоит в том, чтобы сопоставить два значения с генерацией последовательности.The system preferably includes software for generating the timing and shape of the excitation pulses. This drive pulse generator is preferably aware of the hardware capabilities. Various types of amplifiers and filters are possible. One type of amplifier is capable of generating a current signal that closely follows a fairly random path. In this document they are referred to as "analog amplifiers". Another type of amplifier is only capable of increasing current at a predetermined rate, decreasing it at the same rate, and making it more or less constant. Essentially, these amplifiers apply a positive or negative voltage to the coil or act as a short circuit. In this document they are referred to as "digital amplifiers". Digital amplifiers can have different switching speeds, i.e. permissible number of state changes per unit of time. If the switching speed is much higher than the oscillation speed, the digital amplifier again acts as an analog amplifier. Therefore, this type of amplifier can be conceptually considered as an analog amplifier. If the switching speed is approximately the same as the marker/sensor oscillation frequency, the processing should be slightly different. However, this is a more complex situation, so the entire discussion will focus on this. This type of amplifier has some advantages over analog ones. The main advantage is that the efficiency of this amplifier is usually very high and 98% efficiency can be easily achieved. Another advantage is that interaction with the computing system is very simple. There may be a matching circuit between the amplifier and the coil. The simplest matching circuit is simply a capacitor connected in series to a coil. When using a matching circuit, the maximum current through the coil at a given amplifier supply voltage increases. However, such a matching circuit has the disadvantage of blocking low-frequency currents. Some sequences may require low frequency currents. Solutions to this problem can be twofold. First, a matching network can be provided that is transparent at high and low frequencies. An example of such a circuit would be a series-connected coil or coil capacitor circuit in parallel with the first matching capacitor. Another method is to have a switch that bypasses the matching circuit, and when close to DC current is required, the switch closes. A capacitor can also be built into the bypass path if the resonant frequency is low enough. Likewise, a variety of different matching frequencies can be provided by using a variety of switches and capacitors. Another thing to note is that even if the circuit is set to near DC current, some current at the resonant frequency of the marker/sensor is still available. It should be noted that it is not necessary to use constant currents during reading. There are two main elements that provide this capability. First, direct currents should not be allowed to interfere with readings. There is a serious problem if the transmit and receive coils are combined. The DC source can provide a short circuit path for the signal. This should be avoided and a proper matching network can avoid this. The matching network must provide a sufficiently high impedance between the coil and the DC source. This can be achieved by using an additional coil in series with an inductance of the order of that of the transmit/receive coil. The inductor may have a parallel switch to short it if it is not needed. There are many other solutions available. The second condition is that the DC source does not create too much noise, i.e. Noise from the current source did not interfere with accurate marker/sensor measurements. This can be achieved by using a suitable analog filter in case of DC transmission. This filter can be bypassed during AC transmission pulses using a suitable switch (eg MOSFET optocouplers). It may also be advisable to avoid switching in the DC source while receiving a signal and simply use a slowly decaying current in the coil. It may also be advisable to perform just a few switching steps during reception and simply delete the received data if it is corrupted. The DC field sources can also be completely separate coils, or the field generators can be (moving) permanent magnets. This avoids most problems. An additional problem associated with the presence of constant currents during signal reception is that the coils may provide a different environment for the sensors. This means that, for example, some coils may be shorted to AC currents and the AC field no longer penetrates the coils, changing the field values in neighboring coils. This effect must be taken into account when calculating sensor positions and values. Two main field elements interact with the sensor/marker. One of them is the amplitude of a current close to direct current, i.e. current value averaged over a time of about 0.1 second (from about 0.01 second to about 1 second). The other is the Fourier amplitude (as a complex value since phase is important) at the resonant frequency of the sensors/markers. So the first task is to match the two values to generate a sequence.

Ниже будет описано сопоставление, если требуется, амплитуд Фурье и токов с конкретной схемой (паттерном) импульсов во временной области.The comparison, if required, of Fourier amplitudes and currents with a specific time domain pulse pattern will be described below.

Также полезно создать программную подсистему, которая выполняет этот точный тип сопоставления, т.е. часть программного обеспечения, которая получает требуемые токи, близкие к постоянному току, и требуемую амплитуду Фурье (и частоту) в качестве входных данных, и которая генерирует последовательности импульсов во временной области. Также желательно, чтобы это программное обеспечение возвращало информацию о том, могут ли требуемые значения быть достигнуты в пределах, налагаемых аппаратными средствами, таких как максимальные токи или максимальный нагрев катушек или нормативные ограничения, например, нагрев пациента или стимуляция периферических нервов. Вместо простой информации типа "да / нет" может быть предоставлена информация о тяжести нежелательных побочных эффектов. Эта информация может быть предоставлена для каждого отдельного канала передачи (для каждой передающей катушки). Дополнительным возвращаемым значением может быть фактический наилучше подобранный выходной постоянный ток и амплитуда (амплитуды) Фурье. Входные данные могут представлять собой не только комбинацию одной частоты и амплитуды Фурье, но также множество амплитуд Фурье на разных частотах. Максимальная длина последовательности импульсов также может быть параметром, который является входными данными для этой функции. Внутренняя обработка заключается в следующем: В случае аналоговых усилителей первый результат может быть сгенерирован просто путем выполнения обратного преобразования Фурье требуемых амплитуд Фурье (и значений постоянного тока) для требуемого времени передачи. Если этот процесс приводит к форме волны, которая не может быть реализована из-за некоторых ограничений, об этом сообщается, и, возможно, для генерации запланирована масштабированная версия. Возможные характеристики фильтра учитываются соответствующей сверткой. Если имеется несколько переключаемых состояний фильтра, все они могут быть протестированы и может быть выбрано то, которое предъявляет наименьшие требования к усилителю. Следует отметить, что существует несколько доступных эвристических подходов, так что в большинстве случаев не все состояния фильтра должны оцениваться. Например, можно опустить фильтры с частотами, далекими от резонансной, если доступны лучшие. Для цифрового усилителя обратное преобразование Фурье (включая эффекты фильтрации) дает хорошую отправную точку для оптимизации. На этом первом этапе аппроксимации результирующие пики во временном спектре аппроксимируются двумя (или, в лучшем случае, несколькими) наклонными областями и плоскими областями между ними. Так, например, полупериод синусоидальной волны, начинающийся с нуля и заканчивающийся нулем, аппроксимируется сначала плоской (нулевой) частью, затем наклонной вверх частью (подъемом), затем плоской частью, затем наклонной вниз частью (спуском) и, наконец, плоской (нулевой) областью. Различные участки расположены во времени таким образом, чтобы достичь приблизительно одной и той же области. После этого первого этапа аппроксимации выполняется второй этап, на котором положения начала наклонной части и плоской части сдвигаются для достижения наилучшего соответствия требуемым Фурье-значениям. Наилучшим вариантом может быть наименьшая сумма квадратов (комплексных) значений разности желаемой и достигнутой Фурье-компонент. Можно использовать все обычные алгоритмы оптимизации, например такие как градиентный спуск.It is also useful to create a software subsystem that performs this exact type of matching, i.e. a piece of software that takes the required near-DC currents and the desired Fourier amplitude (and frequency) as input, and which generates time-domain pulse trains. It is also desirable for this software to return information about whether the required values can be achieved within limits imposed by the hardware, such as maximum currents or maximum coil heating, or regulatory limits such as patient heating or peripheral nerve stimulation. Instead of simple yes/no information, information about the severity of unwanted side effects may be provided. This information can be provided for each individual transmission channel (for each transmit coil). An additional return value may be the actual best-fitted output DC current and Fourier amplitude(s). The input data may not only be a combination of a single frequency and Fourier amplitude, but also multiple Fourier amplitudes at different frequencies. The maximum pulse train length can also be a parameter that is an input to this function. The internal processing is as follows: In the case of analog amplifiers, the first result can be generated simply by performing an inverse Fourier transform of the required Fourier amplitudes (and DC values) for the required transmission time. If this process results in a waveform that cannot be realized due to some limitations, this is reported and perhaps a scaled version is planned for generation. Possible filter characteristics are taken into account by appropriate convolution. If there are several switchable filter states, they can all be tested and the one that places the least demands on the amplifier can be selected. It should be noted that there are several heuristic approaches available, so in most cases not all filter states need to be evaluated. For example, filters with frequencies far from resonant can be omitted if better ones are available. For a digital amplifier, the inverse Fourier transform (including filtering effects) provides a good starting point for optimization. In this first approximation step, the resulting peaks in the time spectrum are approximated by two (or at best several) sloping regions and flat regions in between. So, for example, the half-cycle of a sine wave starting at zero and ending at zero is approximated first by a flat part (zero), then an upward sloping part (rise), then a flat part, then a downward sloping part (descent), and finally a flat part (zero). region. The different sections are arranged in time to reach approximately the same area. After this first approximation step, a second step is performed in which the positions of the start of the inclined part and the flat part are shifted to achieve the best fit to the required Fourier values. The best option may be the smallest sum of squares (complex) values of the difference between the desired and achieved Fourier components. You can use all the usual optimization algorithms, such as gradient descent.

Ниже будет описано сопоставление требуемых Фурье-значений на датчиках / маркерах с токами в катушках.Below we will describe the comparison of the required Fourier values on the sensors / markers with the currents in the coils.

Следующий более высокий уровень абстракции программы генерации импульсов - это часть программного обеспечения, которая требует конкретных Фурье-значений и направлений поля в конкретном положении в качестве входных данных и преобразует их в требования к токам в катушке. Алгоритм оценки обычно обеспечивает некоторую меру положения и ориентации датчиков / маркеров. Положение не является и не должно являться положением в трехмерном пространстве. Однако трехмерное положение является идеальным случаем.The next higher level of abstraction of a pulse generation program is a piece of software that requires specific Fourier values and field directions at a specific position as input and converts them into coil current requirements. The estimation algorithm usually provides some measure of the position and orientation of the sensors/markers. The position is not and should not be a position in three-dimensional space. However, 3D position is the ideal case.

Например, если присутствует только одна катушка, может быть возможно определить значение поля только в чувствительном направлении на датчике. Тем не менее, это также приводит к некоторому виртуальному положению и ориентации в 3D пространстве. Таким образом, эти ситуации не требуют специальной обработки в программном обеспечении. В этом случае преобразование под требования к токам катушки является результатом процесса оптимизации. Существует модель, которая вычисляет по токам в катушках Фурье-компоненты поля в конкретных пространственных положениях. Это является основой для оптимизации, при которой Фурье-компоненты тока катушки оптимизируются таким образом, чтобы генерировать требуемые компоненты поля. Обычно не существует однозначного способа формирования требуемых полей из токов катушки. Также может быть так, что требуемые токи несовместимы с ограничениями в аппаратной системе. Программное обеспечение нижнего уровня возвращает значения, описывающие негативные эффекты, и программное обеспечение использует эту информацию для оптимизации токов. Цель оптимизации состоит в том, чтобы найти хороший компромисс между достигнутыми Фурье-компонентами поля на датчиках / маркерах и негативными эффектами. Это означает, что отклонение от желаемых полей и побочные эффекты объединяются в одно число, и для этого числа определяется максимум или минимум с использованием стандартных алгоритмов оптимизации. Объединенное число может представлять собой взвешенную сумму квадратов. Естественно, для этой сущности можно найти огромное количество рабочих математических комбинаций. Наконец, эта часть программы возвращает вызывающей программе (более высокого уровня) достигнутые поля в положениях и значения качества для ее оптимизации.For example, if only one coil is present, it may be possible to determine the field value only in the sensitive direction on the sensor. However, this also results in some virtual position and orientation in 3D space. Thus, these situations do not require special handling in the software. In this case, the conversion to the coil current requirements is the result of an optimization process. There is a model that calculates the Fourier components of the field in specific spatial positions from the currents in the coils. This is the basis for optimization, in which the Fourier components of the coil current are optimized to generate the required field components. There is usually no clear way to generate the required fields from coil currents. It may also be that the required currents are incompatible with limitations in the hardware system. The lower-level software returns values describing the negative effects, and the software uses this information to optimize the currents. The goal of the optimization is to find a good compromise between the achieved Fourier field components at the sensors/markers and the negative effects. This means that the deviation from the desired fields and side effects are combined into a single number, and a maximum or minimum is determined for that number using standard optimization algorithms. The combined number may be a weighted sum of squares. Naturally, a huge number of working mathematical combinations can be found for this entity. Finally, this part of the program returns to the calling program (higher level) the achieved fields in positions and quality values for its optimization.

Ниже будет описана генерация требуемых Фурье-значений поля для маркеров / датчиков.The generation of the required Fourier field values for markers/sensors will be described below.

На этом уровне абстракции программная система фактически имеет дело с измерениями, которые необходимо выполнить. Итак, входными данными для этой программы являются текущие требования к тому, что должно быть измерено, насколько точно и как быстро. Эти требования зависят от фактического применения датчиков / маркеров и поэтому не являются частью данного документа. Требования могут быть самыми разными. Например, если задействован только один датчик, то требуется, например, как можно точнее измерять одну величину, скажем, каждые 0,1 секунды. Если применение представляет собой решение для отслеживания с несколькими связанными маркерами, желаемый результат может заключаться в том, что, скажем, каждые 0,1 секунды выполняется обновление положения для всего узла маркеров, независимо от того, какие из маркеров / датчиков в нем вносят вклад в сигнал (на основе чувствительности катушки) и что каждую 1 секунду требуется независимая проверка положения с помощью градиентного способа. Эта программа также имеет доступ к текущему состоянию датчиков / маркеров (параметры положения / колебаний и т.д.) и имитационной модели, описанной в другом месте настоящего документа. Исходя из этого могут быть вычислены оптимальные Фурье-значения поля возбуждения, включая направление для каждого датчика / маркера. Эти параметры могут быть переданы на ранее описанные более низкие уровни программного обеспечения (с желаемым исполнением где-то в будущем), чтобы в конечном итоге генерировать токи. В случае с одним датчиком это сработает немедленно, и план может быть записан в буферы аппаратного вывода. Однако, например, для отслеживания узла маркеров, скорее всего, не существует формы импульса, которая идеально возбуждает все отдельные датчики / маркеры. В частности, фаза не подходит для всех отдельных датчиков / маркеров. Поэтому программному обеспечению, возможно, придется попытаться сконцентрировать оптимальное возбуждение только на подмножестве имеющихся датчиков / маркеров и попытаться найти решение, которое дает рабочую последовательность импульсов. Это общий принцип работы оптимизации данного программного обеспечения. Оно пытается изменить требуемое возбуждение различных датчиков и фокусируется на нескольких, чтобы все равно получить желаемый результат. Концептуально самый простой подход состоит в том, чтобы просмотреть все возможные подмножества датчиков / маркеров и проверить, какое подмножество возбуждения дает наилучшую информацию о желаемых параметрах. Поскольку существует множество возможных подмножеств, программе необходимо добавить некоторые эвристические методы для уменьшения сложности. Например, сначала можно наблюдать, какие другие маркеры / датчики тоже возбуждены, если заданный один из них возбужден, и они всегда могут быть сгруппированы вместе. Если найдено подходящее решение, оно может быть записано в выходной буфер. Для включения магнитных полей тока, близкого к постоянному току, может потребоваться дополнительная логика в зависимости от аппаратной реализации. Если аппаратное обеспечение способно применять магнитные поля постоянного тока во время регистрации сигналов, программному обеспечению не нужно делать что-то особенное, кроме применения одного или нескольких градиентов во время считывания. Однако, если градиенты постоянного тока и считывание несовместимы, необходим дополнительный этап оптимизации, который создает правильное поле постоянного тока или градиент в некоторый момент времени между импульсами возбуждения. Логика, лежащая в основе оптимизации, остается прежней. Параметры изменяют до тех пор, пока моделирование не предскажет достаточно хорошее значение измерения для данного случая применения.At this level of abstraction, the software system actually deals with the measurements that need to be made. So the input to this program is the current requirements for what needs to be measured, how accurately and how quickly. These requirements depend on the actual application of the sensors/markers and are therefore not part of this document. Requirements can be very different. For example, if only one sensor is involved, then it is required, for example, to measure one value as accurately as possible, say, every 0.1 second. If the application is a tracking solution with multiple associated markers, the desired result might be that, say, every 0.1 seconds a position update is performed for the entire marker node, regardless of which of the markers/sensors in it contribute to signal (based on coil sensitivity) and that an independent position check using a gradient method is required every 1 second. This program also has access to the current state of the sensors/markers (position/oscillation parameters, etc.) and the simulation model described elsewhere in this document. From this, the optimal Fourier values of the excitation field can be calculated, including the direction for each sensor/marker. These parameters can be passed down to the previously described lower software levels (with the desired execution somewhere in the future) to eventually generate currents. In the case of a single sensor, this will work immediately and the plan can be written to the hardware output buffers. However, for example, for tracking a marker node, there is likely no pulse shape that ideally excites all the individual sensors/markers. In particular, phase is not suitable for all individual sensors/markers. Therefore, the software may have to try to concentrate the optimal excitation on only a subset of the available sensors/markers and try to find a solution that produces a workable pulse sequence. This is the general operating principle of optimization for this software. It tries to change the required excitation of different sensors and focuses on a few to still get the desired result. Conceptually, the simplest approach is to look at all possible subsets of sensors/markers and test which excitation subset provides the best information about the desired parameters. Since there are many possible subsets, the program needs to add some heuristics to reduce complexity. For example, one can first observe which other markers/sensors are also excited if a given one is excited, and they can always be grouped together. If a suitable solution is found, it can be written to the output buffer. Additional logic may be required to enable near-DC magnetic fields, depending on the hardware implementation. If the hardware is capable of applying DC magnetic fields during signal acquisition, the software does not need to do anything special other than apply one or more gradients during readout. However, if the DC gradients and readout are inconsistent, an additional optimization step is required that generates the correct DC field or gradient at some point in time between excitation pulses. The logic behind the optimization remains the same. The parameters are changed until the simulation predicts a good enough measurement value for the application.

Генерация последовательности запуска будет описана ниже.The generation of the startup sequence will be described below.

Алгоритм обычно предполагает, что уже имеется достаточно знаний о доступных датчиках для оптимизации последовательности. Обычно в начале последовательности это доступно не в полном объеме. Например, для данного случая применения (устройства) может быть известно, сколько датчиков / маркеров должно присутствовать в устройстве и в каком диапазоне могут быть частоты. Но точные частоты и положения не известны. Поэтому необходима специальная последовательность запуска, которая пытается найти все возможные датчики во всех возможных положениях. Самая простая из возможных последовательностей запуска выглядит следующим образом. Рабочий объем разделен на пространственную 3D или абстрактную сетку. Абстрактная сетка представляет собой сетку, которую следует использовать, если для полного 3D кодирования недостаточно катушек. Каждая пространственная точка разделена на разные направления. Программа просматривает каждое положение и каждый угол в этом положении и применяет максимальную мощность передачи для заданной частоты и предварительно заданного времени передачи. Затем система регистрирует потенциальные сигналы от датчиков / маркеров. Обычно один импульс передачи возбуждает не только один маркер, но и одновременно множество других. Однако эта процедура гарантирует, что даже датчик / маркер с максимально слабым сигналом также будет обнаружен. Опциональным следующим этапом является возбуждение каждого датчика по отдельности с разной амплитудой. Из этого можно извлечь нелинейные свойства. Еще одним опциональным этапом является возбуждение каждого датчика / маркера в присутствии поля постоянного тока или измерение фазы сигнала после поля постоянного тока (опять же в разных направлениях) для определения чувствительности датчиков / маркеров к магнитным полям постоянного тока. Эти базовые процедуры можно значительно ускорить, если использовать некоторые знания об этой системе. Например, вполне вероятно, что, если в удаленном объеме уже выполняется поиск датчика / маркера, многие или все более близкие объемы приняли максимально возможную амплитуду по меньшей мере для некоторых углов. Поэтому для более близких объемов необходимо применить только несколько оставшихся параметров. Та же логика может быть использована для оценки нелинейного характера датчиков / маркеров или их отклика на магнитные поля постоянного тока.The algorithm usually assumes that there is already enough knowledge about the available sensors to optimize the sequence. This is usually not fully available at the beginning of the sequence. For example, for a given application (device), it may be known how many sensors/markers should be present in the device and in what range the frequencies may be. But the exact frequencies and positions are not known. Therefore, a special startup sequence is needed that tries to find all possible sensors in all possible positions. The simplest possible startup sequence is as follows. The work volume is divided into a 3D spatial or abstract grid. An abstract mesh is a mesh that should be used when there are not enough coils for a full 3D encoding. Each spatial point is divided into different directions. The program looks at each position and each angle at that position and applies the maximum transmit power for a given frequency and preset transmission time. The system then registers potential signals from sensors/markers. Typically, one transmission pulse excites not only one marker, but also many others at the same time. However, this procedure ensures that even the sensor/marker with the weakest possible signal will also be detected. An optional next step is to excite each sensor individually with different amplitudes. Nonlinear properties can be extracted from this. Another optional step is to excite each sensor/marker in the presence of a DC field or measure the phase of the signal after the DC field (again in different directions) to determine the sensitivity of the sensors/markers to DC magnetic fields. These basic procedures can be greatly speeded up by using some knowledge of the system. For example, it is likely that if a distant volume is already being searched for a sensor/marker, many or all of the closer volumes have assumed the maximum possible amplitude for at least some angles. Therefore, for closer volumes, only a few remaining parameters need to be applied. The same logic can be used to evaluate the nonlinear nature of sensors/markers or their response to DC magnetic fields.

Ниже разъясняются стратегии измерений с высоким разрешением по времени.Strategies for high time resolution measurements are explained below.

Для многих случаев применения желательно иметь высокое разрешение по времени. Одним из примеров является измерение внутрисосудистого давления, которое модулируется сердечным циклом, который может достигать частоты до 200 ударов в минуту у человека. Для определения минимумов и максимумов давления во время сердечного цикла требуется минимальная частота измерений около 5 Гц, предпочтительно выше 10-20 Гц, наиболее предпочтительно выше 40 Гц. С другой стороны, для обеспечения хорошего отношения сигнал / шум необходима очень высокая добротность Q генератора колебаний. Высокая добротность Q означает медленное затухание. Следовательно, когда на датчик передается следующий измерительный импульс, колебания от предыдущего измерительного импульса не полностью гаснут, и они могут повлиять на измерение.For many applications, high time resolution is desirable. One example is the measurement of intravascular pressure, which is modulated by the cardiac cycle, which can reach rates of up to 200 beats per minute in humans. To determine pressure minima and maxima during the cardiac cycle, a minimum measurement frequency of about 5 Hz is required, preferably above 10-20 Hz, most preferably above 40 Hz. On the other hand, to ensure a good signal-to-noise ratio, a very high quality factor Q of the oscillator is required. A high quality factor Q means slow attenuation. Therefore, when the next measurement pulse is transmitted to the sensor, the oscillations from the previous measurement pulse are not completely canceled out and they may affect the measurement.

Таким образом, требуются стратегии для достижения высокого разрешения по времени с помощью магнитомеханических генераторов колебаний, как для локализации, так и для определения параметров. Самый простой подход для получения высокого разрешения по времени - просто уменьшить время повторения. Время повторения означает промежуток времени между последовательными импульсами возбуждения. После каждого импульса возбуждения определяют частоту и амплитуду, на основе которых могут быть вычислены физические значения и положение, как описано в другом месте. Однако добротность датчиков / маркеров обычно относительно высокая, и амплитуда колебаний не сильно снижается во время следующего импульса возбуждения. Чтобы всегда получать требуемое возбуждение датчика / маркера, необходимо учитывать фазу следующего возбуждения. Обычно нам требуется "синфазное возбуждение", то есть возбуждение таким образом, чтобы датчик / маркер получал энергию с самого начала импульса возбуждения. Как оптимизировать синхронизацию (выбор моментов времени), описано в другом месте. Синфазное возбуждение сводит к минимуму энергию передачи, и, следовательно, длительность импульса возбуждения может быть сведена к минимуму. Это увеличивает общее отношение сигнал / шум.Thus, strategies are required to achieve high time resolution using magnetomechanical oscillators, both for localization and characterization. The simplest approach to obtain high time resolution is to simply reduce the repetition time. Repetition time refers to the time interval between successive excitation pulses. After each excitation pulse, the frequency and amplitude are determined, from which physical values and position can be calculated, as described elsewhere. However, the quality factor of the sensors/markers is usually relatively high, and the amplitude of the oscillations does not decrease much during the next excitation pulse. To always obtain the required sensor/marker excitation, the phase of the next excitation must be taken into account. Typically we require "in-phase excitation", that is, excitation in such a way that the sensor/marker receives energy from the very beginning of the excitation pulse. How to optimize timing (selection of timings) is described elsewhere. Common-mode excitation minimizes the transmission energy, and hence the duration of the excitation pulse can be minimized. This increases the overall signal to noise ratio.

Высокая частота повторения имеет некоторые недостатки. Во-первых, во время и вскоре после импульсов возбуждения система обычно не может принимать значения, и, следовательно, отношение сигнал / шум может быть не оптимальным.High repetition rates have some disadvantages. First, during and shortly after excitation pulses, the system typically cannot take on values, and therefore the signal-to-noise ratio may not be optimal.

Во-вторых, каждый импульс передачи разрушает некоторые знания о фазе колебания датчиков. Только в том случае, если импульс возбуждения и ориентация датчика строго контролируются и точно известны, информация о фазе может сохраниться в некоторой степени, однако это является технологически сложной задачей. Информация о фазе за более длительный период может быть полезна, так как в ней кодируется информация о средней частоте (следовательно, средней физической величине). Измерение средней физической величины значительно точнее при оценке интервала двойной длины, чем просто независимое выполнение оценки первой половины и второй половины и усреднение двух результатов. Поэтому может оказаться целесообразным иметь не так много импульсов возбуждения, как измерений, а извлекать из одного импульса сигнала более одного значения измерения. Это можно сделать, просто разделив сигнал на несколько частей и оценив каждую часть по отдельности. Этот простой подход не учитывает, что измерения становятся лучше, если используется более длинный набор данных. Чтобы учесть это, набор может быть разделен на иерархию поднаборов, и проводится оценка каждого поднабора в каждой иерархии, а средние значения масштабируются в соответствии с более длинными наборами данных. Так, например, набор данных (один невозмущенный затухающий сигнал) сначала оценивают как единое целое. Затем его разделяют на два, и два разделенных набора данных оценивают отдельно. Затем к каждому результату добавляют одно и то же число, чтобы их среднее значение соответствовало среднему значению полного набора. Этот процесс можно повторить, чтобы в конце получить 4, 8 и так далее поднаборов. Этот подход может быть уточнен математически до оценки на основе полной модели. Для этого создается модель эволюции физического параметра (и, возможно, также включающая в себя пространственное перемещение датчика). Эта модель может быть полиномом определенной степени или какой-либо другой подходящей математической функцией. Функция должна описывать физическую природу измеряемой величины таким образом, чтобы требовалось использовать только небольшое количество параметров. Так, например, когда параметром является кровяное давление, модель может быть лучше в виде ряда Фурье, потому что он описывает форму волны давления сердечного ритма лучше, чем полиномы. Затем параметры изменяют, чтобы как можно лучше согласовать набор измеренных данных. Если в конечном итоге необходимы дискретные точки измерения, их можно просто вычислить, используя выходные данные модели для конкретных моментов времени.Secondly, each transmission pulse destroys some knowledge about the oscillation phase of the sensors. Only if the excitation pulse and the orientation of the sensor are strictly controlled and precisely known, the phase information can be preserved to some extent, however this is a technologically challenging task. Phase information over a longer period can be useful because it encodes information about the average frequency (hence the average physical quantity). Measuring the average physical quantity is much more accurate when estimating a double-length interval than simply estimating the first half and the second half independently and averaging the two results. Therefore, it may be advisable to not have as many excitation pulses as measurement pulses, but to extract more than one measurement value from one signal pulse. This can be done by simply dividing the signal into several parts and evaluating each part separately. This simple approach does not take into account that the measurements get better if a longer data set is used. To account for this, the set can be divided into a hierarchy of subsets and each subset within each hierarchy is scored and the means scaled to fit longer data sets. Thus, for example, a data set (one unperturbed decaying signal) is first evaluated as a whole. It is then split into two, and the two split data sets are evaluated separately. The same number is then added to each result so that their average matches the average of the full set. This process can be repeated to end up with 4, 8, and so on subsets. This approach can be refined mathematically prior to estimation based on the full model. To do this, a model is created for the evolution of the physical parameter (and possibly also including the spatial movement of the sensor). This model may be a polynomial of some degree or some other suitable mathematical function. The function must describe the physical nature of the measured quantity in such a way that only a small number of parameters are required. So, for example, when the parameter is blood pressure, a Fourier series may be better modeled because it describes the pressure waveform of the heart rate better than polynomials. The parameters are then changed to fit the measured data set as best as possible. If discrete measurement points are ultimately needed, they can simply be calculated using the model outputs for specific points in time.

Следует отметить, что все описанные варианты осуществления содержат блокирующий диффузию слой, который покрывает по меньшей мере часть корпуса, и который выполнен с возможностью поддержания предварительно заданного давления внутри корпуса, даже если блокирующий диффузию слой показан не на всех чертежах по соображениям ясности. Также конфигурация датчика давления, обеспечивающая температурную компенсацию резонансной частоты, может быть применена к любому описанному варианту осуществления.It should be noted that all described embodiments include a diffusion blocking layer that covers at least a portion of the housing, and which is configured to maintain a predetermined pressure within the housing, even if the diffusion blocking layer is not shown in all drawings for reasons of clarity. Also, a pressure sensor configuration that provides temperature compensation for the resonant frequency may be applied to any embodiment described.

Другие вариации к раскрытым вариантам осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области при осуществлении заявленного изобретения на основе изучения чертежей, раскрытия и прилагаемых пунктов формулы изобретения.Other variations to the disclosed embodiments may be understood and implemented by those skilled in the art in practicing the claimed invention based on examination of the drawings, disclosure, and appended claims.

В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает других элементов или этапов, а использование единственного числа не исключает множественности.In the claims, the word “comprising” does not exclude other elements or steps, and the use of the singular does not exclude the plurality.

Один блок или устройство может выполнять функции нескольких элементов, указанных в формуле изобретения. Тот факт, что некоторые меры указаны во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих мер не может быть использована с выгодой.One block or device can perform the functions of several elements specified in the claims. The fact that certain measures are stated in mutually different dependent claims does not mean that a combination of these measures cannot be used to advantage.

Определения, такие как определение резонансной частоты на основе индуцированного сигнала, определение давления на основе резонансной частоты, определение калибровочной кривой и т.д., выполняемые одним или несколькими блоками или устройствами, также могут выполняться любым другим количеством блоков или устройств. Управление системой детектирования может быть реализовано в виде программного кода средствами компьютерной программы и/или в виде специального аппаратного обеспечения.Determinations such as determination of resonant frequency based on the induced signal, determination of pressure based on the resonant frequency, determination of the calibration curve, etc., performed by one or more blocks or devices may also be performed by any other number of blocks or devices. Control of the detection system can be implemented in the form of program code using a computer program and/or in the form of special hardware.

Компьютерная программа может храниться / распространяться на подходящем носителе, таком как оптический носитель данных или твердотельный носитель, поставляемый вместе с другим оборудованием или в составе другого оборудования, но также может распространяться в других формах, например через Интернет или другие проводные или беспроводные телекоммуникационные системы.The computer program may be stored/distributed on a suitable medium, such as an optical storage medium or a solid-state medium 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.

Любые ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны толковаться как ограничивающие объем изобретения.Any reference symbols in the claims should not be construed as limiting the scope of the invention.

Изобретение относится к пассивному датчику давления для введения в систему кровообращения человека и для беспроводного считывания его показаний с помощью внешней системы считывания. Датчик давления содержит корпус с блокирующим диффузию слоем для поддержания предварительно заданного давления внутри корпуса и магнитомеханический генератор колебаний с магнитным объектом, обеспечивающим постоянный магнитный момент. Магнитомеханический генератор колебаний преобразует внешнее магнитное или электромагнитное поле возбуждения в механические колебания магнитного объекта, при этом по меньшей мере часть корпуса является гибкой для обеспечения возможности преобразования изменений внешнего давления в изменения механических колебаний магнитного объекта. Датчик давления может иметь очень малые размеры и, тем не менее, может обеспечивать измерение давления высокого качества.The invention relates to a passive pressure sensor for insertion into the human circulatory system and for wireless reading of its readings using an external reading system. The pressure sensor contains a housing with a diffusion-blocking layer to maintain a preset pressure inside the housing and a magnetomechanical oscillator with a magnetic object that provides a constant magnetic moment. The magnetomechanical oscillation generator converts an external magnetic or electromagnetic excitation field into mechanical oscillations of a magnetic object, wherein at least a portion of the housing is flexible to allow changes in external pressure to be converted into changes in mechanical oscillations of the magnetic object. A pressure sensor can be very small and still provide high quality pressure measurements.

Claims (39)

1. Датчик давления для введения в систему кровообращения человека, при этом датчик давления представляет собой пассивный датчик,1. A pressure sensor for insertion into the human circulatory system, wherein the pressure sensor is a passive sensor, выполненный с возможностью беспроводного считывания его показаний системой считывания, размещенной вне человека,made with the possibility of wireless reading of its readings by a reading system located outside the person, при этом датчик давления дополнительно содержит корпус, содержащий блокирующий диффузию слой, покрывающий по меньшей мере часть корпуса и выполненный с возможностью поддержания предварительно заданного давления внутри корпуса,wherein the pressure sensor further comprises a housing containing a diffusion-blocking layer covering at least a portion of the housing and configured to maintain a predetermined pressure inside the housing, причем датчик давления дополнительно содержит магнитомеханический генератор колебаний, содержащий магнитный объект, обеспечивающий постоянный магнитный момент внутри корпуса, при этом магнитомеханический генератор колебаний выполнен с возможностью преобразования внешнего магнитного или электромагнитного поля возбуждения в механическое колебание магнитного объекта,wherein the pressure sensor further comprises a magnetomechanical oscillation generator containing a magnetic object that provides a constant magnetic moment inside the housing, wherein the magnetomechanical oscillation generator is configured to convert an external magnetic or electromagnetic excitation field into a mechanical oscillation of the magnetic object, причем по меньшей мере часть корпуса является гибкой для обеспечения возможности преобразования изменений внешнего давления в изменения механического колебания магнитного объекта,wherein at least a portion of the housing is flexible to allow changes in external pressure to be converted into changes in mechanical vibration of the magnetic object, причем магнитный объект расположен внутри корпуса таким образом, что он может поворачиваться за пределы равновесной ориентации, если на магнитный объект действует внешнее магнитное или электромагнитное поле возбуждения, при этом датчик давления дополнительно содержит:wherein the magnetic object is located inside the housing in such a way that it can rotate beyond the equilibrium orientation if the magnetic object is exposed to an external magnetic or electromagnetic excitation field, wherein the pressure sensor further comprises: блок восстановления крутящего момента, содержащий дополнительный магнитный объект для создания магнитного поля в таком положении магнитного объекта, чтобы он обеспечивал восстанавливающий крутящий момент, причем блок восстановления крутящего момента выполнен с возможностью обеспечения восстанавливающего крутящего момента, чтобы вернуть магнитный объект в равновесную ориентацию,a torque restoration unit comprising an additional magnetic object for generating a magnetic field at a position of the magnetic object such that it provides a restoring torque, wherein the torque restoration unit is configured to provide a restoring torque to return the magnetic object to an equilibrium orientation, при этом датчик давления выполнен таким образом, что изменения внешнего давления могут быть преобразованы в изменения резонансной частоты.wherein the pressure sensor is designed in such a way that changes in external pressure can be converted into changes in the resonant frequency. 2. Датчик давления по п. 1, в котором гибкая часть корпуса содержит сильфон для преобразования изменений внешнего давления в изменения по меньшей мере амплитуды или резонансной частоты механического колебания магнитного объекта.2. The pressure sensor according to claim 1, wherein the flexible housing portion includes a bellows for converting changes in external pressure into changes in at least the amplitude or resonant frequency of mechanical vibration of the magnetic object. 3. Датчик давления по п. 2, дополнительно содержащий внешний чехол поверх сильфона.3. The pressure sensor according to claim 2, additionally containing an outer cover over the bellows. 4. Датчик давления по любому из предшествующих пунктов, в котором блокирующий диффузию слой содержит благородный металл, или титан, или металл, на который нанесено биосовместимое покрытие.4. The pressure sensor as claimed in any one of the preceding claims, wherein the diffusion blocking layer comprises a noble metal or titanium or a metal coated with a biocompatible coating. 5. Датчик давления по любому из предшествующих пунктов, содержащий внешний проволочный каркас, прикрепленный к внешней части корпуса для обеспечения возможности сохранения расстояния от внешней части корпуса до стенки сосуда.5. The pressure sensor according to any one of the preceding claims, comprising an outer wire frame attached to the outside of the housing to enable the distance from the outside of the housing to the wall of the vessel to be maintained. 6. Датчик давления по любому из предшествующих пунктов, в котором магнитный объект и/или внутренняя часть корпуса покрыты скользким и нелипким материалом.6. The pressure sensor as claimed in any one of the preceding claims, wherein the magnetic object and/or the interior of the housing is coated with a slippery and non-stick material. 7. Датчик давления по любому из предшествующих пунктов, сконструированный таким образом, чтобы магнитный объект мог быть выровнен с внешним магнитным полем независимо от положения и ориентации датчика давления во внешнем магнитном поле.7. A pressure sensor as claimed in any one of the preceding claims, designed such that a magnetic object can be aligned with an external magnetic field regardless of the position and orientation of the pressure sensor in the external magnetic field. 8. Датчик давления по п. 7, содержащий внешний кожух, охватывающий корпус, причем корпус выполнен с возможностью поворота внутри охватывающего кожуха, причем датчик давления выполнен таким образом, что изменения внешнего давления за пределами охватывающего кожуха могут быть преобразованы в изменения внешнего давления, происходящие снаружи корпуса и внутри охватывающего кожуха.8. The pressure sensor of claim 7, comprising an outer casing enclosing a housing, wherein the housing is rotatable within the enclosing casing, wherein the pressure sensor is configured such that changes in external pressure outside the enclosing casing can be converted into changes in external pressure occurring outside the housing and inside the surrounding casing. 9. Датчик давления по любому из пп. 7 и 8, в котором магнитный объект представляет собой магнитную сферу, которая прикреплена к одному концу нити, при этом9. Pressure sensor according to any one of paragraphs. 7 and 8, in which the magnetic object is a magnetic sphere that is attached to one end of the thread, wherein либо другой конец нити прикреплен к внутренней части корпуса, при этом нить имеет длину, составляющую по меньшей мере Пи/4 диаметра магнитной сферы,or the other end of the thread is attached to the inside of the housing, the thread having a length of at least Pi/4 the diameter of the magnetic sphere, либо другой конец нити прикреплен к блоку изменения длины, выполненному с возможностью изменения длины нити и прикрепленному к внутренней части корпуса.or the other end of the thread is attached to a length-changing unit configured to change the length of the thread and attached to the inside of the housing. 10. Датчик давления по любому из предшествующих пунктов, выполненный с возможностью компенсации зависимости резонансной частоты от температуры.10. The pressure sensor according to any of the previous paragraphs, configured to compensate for the dependence of the resonant frequency on temperature. 11. Датчик давления по п. 10, содержащий компенсационный элемент, выполненный с возможностью изменения резонансной частоты в первом частотном направлении в зависимости от изменения температуры, которое противоположно второму частотному направлению, в котором резонансная частота датчика давления была бы изменена в зависимости от изменения температуры, если бы компенсационный элемент не был частью датчика давления.11. The pressure sensor according to claim 10, comprising a compensation element configured to change the resonant frequency in a first frequency direction depending on a change in temperature, which is opposite to a second frequency direction in which the resonant frequency of the pressure sensor would be changed depending on a change in temperature, if the compensation element were not part of the pressure sensor. 12. Имплантируемое медицинское устройство, содержащее датчик давления по любому из пп. 1-11, которое предпочтительно представляет собой одно из следующего: печеночное шунтирующее устройство, проволоку для лечения аневризмы головного мозга, искусственный сердечный клапан или стент.12. An implantable medical device containing a pressure sensor according to any one of paragraphs. 1-11, which is preferably one of the following: a hepatic bypass device, a cerebral aneurysm wire, an artificial heart valve, or a stent. 13. Система считывания для беспроводного считывания показаний датчика давления по любому из пп. 1-11, содержащая:13. Reading system for wireless reading of pressure sensor according to any one of claims. 1-11, containing: - генератор поля для генерации магнитного или электромагнитного поля возбуждения для индуцирования механических колебаний магнитного объекта датчика давления,- a field generator for generating a magnetic or electromagnetic excitation field for inducing mechanical vibrations of the magnetic object of the pressure sensor, - преобразователь для преобразования магнитного или электромагнитного поля, генерируемого индуцированными механическими колебаниями магнитного объекта датчика давления, в электрические сигналы отклика,- a transducer for converting the magnetic or electromagnetic field generated by the induced mechanical vibrations of the magnetic object of the pressure sensor into electrical response signals, - процессор для определения значения давления на основе электрических сигналов отклика, причем процессор выполнен с возможностью применения алгоритма компенсации, чтобы корректировать определение значения давления для зависимости электрических сигналов отклика по меньшей мере от одного из следующего:- a processor for determining a pressure value based on the electrical response signals, wherein the processor is configured to apply a compensation algorithm to adjust the determination of the pressure value for dependence of the electrical response signals on at least one of the following: a) расстояние между датчиком давления и генератором поля;a) distance between pressure sensor and field generator; b) фаза механического колебания магнитного объекта;b) phase of mechanical oscillation of a magnetic object; c) ориентация корпуса относительно системы считывания; иc) orientation of the housing relative to the reading system; And d) амплитуда механического колебания магнитного объекта.d) amplitude of mechanical vibration of a magnetic object. 14. Способ измерения давления для выполнения измерения с использованием датчика давления по любому из пп. 1-11,14. A method for measuring pressure for performing a measurement using a pressure sensor according to any one of claims. 1-11, при этом способ измерения давления содержит этапы:In this case, the method for measuring pressure contains the following steps: - генерирование магнитного или электромагнитного поля возбуждения для индуцирования механических колебаний магнитного объекта датчика давления,- generating a magnetic or electromagnetic excitation field to induce mechanical vibrations of the magnetic object of the pressure sensor, - преобразование магнитного или электромагнитного поля, генерируемого индуцированными механическими колебаниями магнитного объекта датчика давления, в электрические сигналы отклика,- conversion of the magnetic or electromagnetic field generated by the induced mechanical vibrations of the magnetic object of the pressure sensor into electrical response signals, - определение значения давления на основе электрических сигналов отклика, причем на этапе определения значение давления корректируют для зависимости электрических сигналов отклика по меньшей мере от одного из следующего:- determining the pressure value based on the electrical response signals, wherein in the determining step, the pressure value is adjusted to depend on the electrical response signals from at least one of the following: a) расстояние между датчиком давления и генератором поля;a) distance between pressure sensor and field generator; b) фаза механического колебания магнитного объекта;b) phase of mechanical oscillation of a magnetic object; c) ориентация корпуса относительно системы считывания; иc) orientation of the housing relative to the reading system; And d) амплитуда механического колебания магнитного объекта.d) amplitude of mechanical vibration of a magnetic object. 15. Долговременный носитель, содержащий компьютерную программу, содержащую программный код, предназначенный для побуждения системы (1501) считывания по п. 13 выполнять этапы способа измерения давления по п. 14, когда компьютерная программа выполняется на компьютере, управляющем системой (1501) считывания.15. A non-transitory medium containing a computer program containing program code for causing the sensing system (1501) of claim 13 to perform the steps of the pressure measurement method of claim 14 when the computer program is executed on a computer controlling the sensing system (1501).
RU2022101100A 2019-06-20 2019-12-10 Pressure sensor for introduction to the human circular system RU2806618C2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP19181528.1 2019-06-20
EP19181514.1 2019-06-21

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2022101100A RU2022101100A (en) 2023-07-20
RU2806618C2 true RU2806618C2 (en) 2023-11-02

Family

ID=

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1181515A (en) * 1966-05-18 1970-02-18 Solartron Electronic Group Improvements in or relating to Force-Measuring Apparatus.
RU2574372C2 (en) * 2011-02-16 2016-02-10 Алфред И. Манн Фаундейшн Фор Сайентифик Рисерч Implanted bypass system and coupled pressure sensors

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1181515A (en) * 1966-05-18 1970-02-18 Solartron Electronic Group Improvements in or relating to Force-Measuring Apparatus.
RU2574372C2 (en) * 2011-02-16 2016-02-10 Алфред И. Манн Фаундейшн Фор Сайентифик Рисерч Implanted bypass system and coupled pressure sensors

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20230400362A1 (en) Implantable device including pressure sensor
Tarjan et al. Electrodeless measurements of the effective resistivity of the human torso and head by magnetic induction
RU2754312C2 (en) Systems and methods for detecting magnetic markers for monitoring during surgical intervention
JP2009532113A (en) Telemetry method and apparatus using a magnetically driven MEMS resonant structure
US20220257138A1 (en) Tracking system and marker device to be tracked by the tracking system for a medical procedure
EP2477539B1 (en) Apparatus and method for measuring the internal pressure of an examination object
RU2806618C2 (en) Pressure sensor for introduction to the human circular system
Mills Measurement of pulsatile flow and flow velocity
RU2806663C2 (en) Tracking system and marker device to be tracked by the tracking system
WO2010019773A2 (en) Smart stent
JP2023528746A (en) Systems and methods for detecting magnetic markers for surgical guidance
Drazan et al. A simple sensing mechanism for wireless, passive pressure sensors
Plewes et al. An inductive method to measure mechanical excitation spectra for MRI elastography
Ruhhammer et al. Magnetic sensor for monitoring of arterial strain
RU2806338C2 (en) Implantable pressure sensor, system and method for pressure measuring
Shi et al. A wireless and power-free micro sensor enabling gastrointestinal pressure monitoring
EP4132346A1 (en) System and method for tracking migration of a structure
CN117916565A (en) Device for detecting the operating state of a medical implant
TARJAN et al. Electrodeless Measurements of the Effective Resistivity of the Human Torsoand
JPS6264338A (en) Position sensor
HENRY et al. SECTION II MONITORING