WO1990000030A1 - Messonde zur lokalisierung von metallischen teilen im menschlichen oder tierischen körper - Google Patents

Messonde zur lokalisierung von metallischen teilen im menschlichen oder tierischen körper Download PDF

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WO1990000030A1
WO1990000030A1 PCT/CH1989/000111 CH8900111W WO9000030A1 WO 1990000030 A1 WO1990000030 A1 WO 1990000030A1 CH 8900111 W CH8900111 W CH 8900111W WO 9000030 A1 WO9000030 A1 WO 9000030A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
circuit
measuring
frequency
probe
measuring probe
Prior art date
Application number
PCT/CH1989/000111
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Pekka Nyberg
Thomas Weber
Original Assignee
Koch Elektronik + Apparatebau Ag
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 Koch Elektronik + Apparatebau Ag filed Critical Koch Elektronik + Apparatebau Ag
Publication of WO1990000030A1 publication Critical patent/WO1990000030A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/08—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices
    • G01V3/10—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils
    • G01V3/101—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils by measuring the impedance of the search coil; by measuring features of a resonant circuit comprising the search coil
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/06—Devices, other than using radiation, for detecting or locating foreign bodies ; determining position of probes within or on the body of the patient

Definitions

  • the invention relates to a measuring probe for locating metallic parts or particles in the human or animal body, and a method for locating metallic objects according to the preambles of claims 1 and 7, respectively.
  • Such a device is known for example from GB-PS 994,400, which contains a measuring probe with a measuring coil which is connected to an evaluation circuit. Further devices of this type are known from PCT application WO 86/02539 and US Pat. No. 4,416,289.
  • the devices of the type mentioned In order to enable practical use, predominantly in the operating room, various general conditions and requirements are specified for the devices of the type mentioned.
  • the devices should be able to be operated independently of the mains, external 10 interference such as temperature, metallic objects, vibrations etc. should not have any influence on the measurement
  • the device and especially the probe should be handy and a large measuring range should be possible.
  • manufacturing factors must also be taken into account, for example
  • the device according to GB-PS 994,400 takes external disturbances into account and partially adjusts itself to such disturbances with regard to sensitivity.
  • the adjustment takes place with a relatively large time constant, so that the location may take a lot of time.
  • a probe adapted to the measuring device can no longer be replaced without requiring a new adjustment.
  • the measuring principle used requires a relatively large measuring coil with a ferrite core and thus leads to a probe that is difficult or impossible to use in the field of surgery.
  • Another disadvantage of these and other known probes is that the measuring line and usually also the probe necessarily require shielding.
  • the method according to the invention uses an oscillator oscillation which, however, is not permanently maintained, but regularly tears off in whole or in part, so that the energy consumption is kept as low as possible. At the same time, a very high sensitivity of the probe is achieved. It is possible to localize not only larger objects, but also small metal particles.
  • the oscillator circuit is contained in the probe itself, so that the probe is calibrated and can be used together with various measuring devices. The high sensitivity of the measuring probe created by the measuring method permits a correspondingly small dimensioning of the components and thus of the entire probe.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a measuring probe
  • Fig. 2 shows a circuit diagram of the oscillator circuit
  • Fig. 3 shows schematically in a block diagram the structure of a device according to the invention.
  • Fig. 4 shows a possible waveform of the oscillator in operation.
  • FIG. 5 shows a circuit example for the measuring probe and the evaluation position.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a measuring probe 1, which contains an oscillator circuit, which is preferably provided on a circuit board 2 (printed circuit).
  • a measuring coil 5 is wound around a relatively short ferrite core 4.
  • the ferrite core has a relatively small diameter of approx. 4 mm.
  • a feedback coil 6 is wound around the same ferrite core 4.
  • the printed circuit board 2 contains contacts or contact rows 8, 9 which on the one hand serve to connect these two coils 5, 6 and on the other hand are connected to a measuring line 3.
  • This measuring line 3 connects the probe 1 to the evaluation circuit of the device and at the same time serves to supply power to the probe 1.
  • a button 7 is preferably provided at an ergonomically suitable location of the measuring probe, which switches the probe and the measuring circuit into operation and in initialized the adjustment of the evaluation circuit in a manner to be explained later.
  • the geometry of the probe in particular also the arrangement of the two coils 5, 6, can vary.
  • FIG. 2 shows the oscillator circuit contained in the probe in a possible embodiment. Contrary to conventional probes, not only the measuring track but also the entire oscillator circuit is accommodated in the probe itself.
  • a first capacitor 20 forms a resonant circuit together with the measuring coil 5.
  • An RC element 22, 24 is used to stabilize the operating point of a transistor 25.
  • This transistor 25 in an emitter circuit is coupled at its base to the measuring coil 5 via the feedback coil 6.
  • the two coils 5, 6 are preferably wound in the same direction.
  • the winding connections with the same polarity are identified by the dots in the drawing.
  • the transistor is emitter-side via a second resistor 23 is connected to the terminal 19, which is preferably grounded, and the connection of the transistor base via the capacitor 22 to the supply causes an additional, slight feedback, which increases the sensitivity of the circuit, and a second capacitor 21 stabilizes or decouples the circuit
  • the circuit can be connected to the supply connection 18 or the supply not visible here by means of the button 7.
  • the degree of feedback can be determined by the ratio of the two coils 5, 6, the mutual arrangement of the Spuien on the ferrite core and its dimensioning varies become.
  • the magnetic field of the measuring coil 5 (and also of the feedback coil 6) is known to be influenced and subsequently damped the resonant circuit. Subsequently, the change in the current consumption by the measuring probe serves as the measuring signal (see below).
  • This frequency shift for the detection of such objects is preferably evaluated by means of an evaluation circuit downstream of the probe, to which the probe is connected via a measuring line. Since the entire oscillator circuit is built into the measuring probe itself, each probe can be compared individually and the degree of feedback can be determined. In this way, the "standardized" probes can be used together with various evaluation circuits.
  • this measure eliminates the need to shield the measuring line 3.
  • the measuring line between the probe and the device is decoupled from the evaluation circuit with regard to high-frequency signals. Since the oscillator circuit is balanced within the probe, long measuring lines can also be used, since inductive and capacitive interference from the measuring line is largely switched off.
  • FIG. 3 shows an embodiment of the device including the evaluation circuit in a block diagram.
  • the described measuring probe (S) 1 and the evaluation circuit are supplied by a supply (B) 15.
  • a current sensor (IS) 28 determines whether a current is being drawn through the measuring probe 1 and switches on the supply of the evaluation circuit only under this condition (indicated by arrow V). It is thereby achieved that both the supply of the probe and that of the evaluation circuit only by holding down the button 7 [Fig. 2] is switched on.
  • a voltage controlled oscillator (VCO) 14 is connected to a calibration circuit (A) 13.
  • An interference detector (ID) 12 is connected on the input side to the measuring probe 1 on the one hand via a high pass (HP) 27 and on the other hand to this VCO 14.
  • This interference detector generates, for example, one pulse per second between the VCO signal and the useful signal during the measurement. A frequency increase of these impulses thus indicates a greater frequency difference between the useful and reference signal and thus an approach to the metal part.
  • the frequency comparator is in turn also connected on the input side via the high-pass filter (HP) 27 to the measuring probe 1 and the VCO 14. The high pass 27 serves to filter out the low-frequency useful signal.
  • TP low-pass filter
  • the oscillator circuit is operated in accordance with the method according to the invention.
  • feedback is provided such that the feedback loop gain is greater than one, ie the oscillation amplitude remains constant after being switched on without being influenced.
  • the measurement is directly evaluated during the measurement Change in the resonance frequency or the amplitude of the resonant circuit.
  • the feedback is selected such that the oscillation periodically breaks off at least partially.
  • the method according to the invention does not use the direct frequency shift or change in amplitude of the oscillating circuit, but an indirect useful signal, namely the low-frequency oscillation periods which are brought about by a corresponding oscillator circuit.
  • the resonant circuit or the oscillation amplitude is damped by the probe approaching a metal part.
  • This change in amplitude influences the feedback of the resonant circuit, as is shown, for example, in FIG. 2, and thus the low-frequency signal.
  • the low frequency is shifted, which makes it available as a secondary (dependent) measurement variable.
  • FIG. 4 shows a typical signal form of the oscillator at the node designated K in FIG. 2 with "critical" feedback of the two coils 5, 6.
  • the amplitude of the oscillator oscillation is in Dependence of the time t is shown.
  • the maximum amplitude, corresponding to a supply voltage of 5 V, is of the order of 4 V.
  • the resonant circuit frequency is approximately 1 MHz.
  • the oscillation periodically ceases and only begins to rock again after a period of time T2 and to cease again after a period of time T1. It is not necessary within the scope of the inventive concept that the oscillation stops completely, but a decrease in the amplitude during the time period T2 is sufficient.
  • the partial or total interruption of the oscillation caused by appropriate feedback leads to oscillation periods T1 which occur, for example, at a low frequency of approximately 4 kHz.
  • the ratio of T2 to Tl can be influenced by the amount of feedback and the corresponding design of the oscillator circuit (adjustment during manufacture).
  • the low-frequency vibration is influenced by the inductive influence of a metal part on the resonant circuit and subsequently on the degree of feedback, and is shifted in the order of magnitude from one to a few hundred Hertz. If the metal part is approached very closely, a frequency shift in the order of magnitude of one to several kilohertz is effected. As has been shown experimentally, it is possible to vary the operating frequencies over a wide range without adversely affecting the sensitivity of the circuit.
  • great importance must be attached to the low-frequency signal curve. Good results are achieved, for example, with a ratio T2-T1 equal to 0.1 to 0.3.
  • a high sensitivity with regard to the inductive curve can also be achieved with other, non-continuous signals.
  • the operating signal is to be optimized with regard to the shortest possible operating phases (energy consumption) and signal course (high sensitivity). For example, it can be provided that the oscillator oscillates only sporadically, in that T2 is greater than T1 - left
  • the method according to the invention is not limited to the explained oscillator circuit or the signal curve shown.
  • the circuit according to FIG. 2 offers the possibility of simple adjustment and easy adjustment of the desired degree of feedback.
  • buttons 7 provided on the probe which serves to interrupt the feed or measuring line 3 within the scope of the method according to the invention.
  • the supply of the evaluation circuit is preferably also switched on and off by this button. For the time being, this ensures that the oscillator or evaluation circuit only consumes energy during actual operation.
  • a new adjustment of the sensitivity of the measuring circuit is achieved or interference from surrounding materials or other short-term disturbances are reduced.
  • the button is used to initialize a semi-automatic adjustment device.
  • the adjustment circuit 13 which forms part of the evaluation circuit, is activated at the same time.
  • the adjustment circuit 13 in turn effects the tuning of the VCO 14, which settles to the low frequency of the probe in less than one second, for example 300 msec.
  • the control of the VCO 14 is switched in such a way that external influences are also corrected with a slow time constant.
  • a brief release of the user-friendly button 7 on the measuring probe enables an immediate readjustment and thus the compensation of interference. This enables a much faster location than with conventional devices.
  • the probe is preferably provided with an optical display, for example an LED display, which is controlled by the evaluation circuit. Since the probe is intended to be in the user's field of vision, the location of metal particles, for example during an operation, can be followed optically, which also serves to quickly and precisely locate a foreign body in the human or animal body.
  • an optical display for example an LED display
  • FIG. 5 shows a detailed circuit example of the invention.
  • the circuit parts shown in FIG. 3 are each indicated here by dash-dotted lines and have corresponding reference numerals.
  • the power supply is preferably carried out via a combination of a battery accumulator (6V) and solar cells.
  • a corresponding battery monitor 31 shows the state of charge of the batteries on the device by means of an LED display.
  • the evaluation circuit is preferably made using integrated circuits. constructed, preferably using a PLL circuit. This PLL circuit can preferably be calibrated with a potentiometer in order to achieve an adaptation to the probes that are matched in terms of manufacture. Of course, it is possible to compare probes and devices during manufacture and thus achieve the desired interchangeability of the probes.
  • the power consumption of the probe or the evaluation circuit is on the one hand through the use of CMOS technology and largely avoidance of analog elements and on the other hand through the The on / off principle of the process is kept low.
  • the measuring signal delivered by the probe 1 is converted into a square-wave signal 30.
  • the frequency shift caused by the inductive action can be digitally evaluated with a conventional frequency comparator.
  • the square wave signal supplied by the voltage-controlled oscillator VCO 14 serves as the reference frequency and is tuned to the "quiescent frequency" of the balanced probe when the probe is switched on, ie by pressing the button 7. On the.
  • Frequency comparator 16 and the low-pass filter 11 automatically adapt the VCO 14 to frequency shifts in the measurement signal, but only with a large time constant, so the VCO 14 basically lasts for minutes when switched on after the frequency has been compared. In other words, only slow changes, for example temperature fluctuations, are tracked.
  • the evaluation circuit is constructed in a largely customary manner and translates the measurement variable into an acoustic and / or optical warning or control signal.
  • the location is carried out, for example, by increasing the frequency of the acoustic signal emitted via a loudspeaker, but can also be used directly for controlling automatic location devices.
  • the measuring probe is passed over the area in question.
  • the probe 1 and the evaluation circuit are switched on, ie the oscillator is made to vibrate, and the VCO 14 is simultaneously tuned to the same frequency. While the VCO 14 maintains this frequency, the frequency of the useful signal is changed by the probe approaching the foreign body, which is indicated acoustically and optically by the evaluation circuit.
  • the evaluation circuit preferably contains a direction detection 10 [FIG. 5], which it allows, by means of an optical display distinguish between approaching or removing the probe from the metal part in certain areas.
  • An optical display 26 also takes place on the probe, for example by means of an LED or a numerical display which contains information about the size or distance of the foreign body.
  • the button is released and pressed again at certain intervals, which leads to a new adjustment of the VCO frequency and thus compensates for interference or adapts the required measurement sensitivity.
  • the button is also possible to provide a setting option for certain measuring sensitivities directly on the evaluation circuit.
  • the change in the high-frequency oscillation frequency caused by the detuning of the oscillating circuit can also be measured and used for the evaluation.
  • the measuring line must then also transmit the RF signal, and of course the oscillator circuit must not have RF decoupling.

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Abstract

Die Messonde (1) enthält eine in sich abgleichbare Oszillatorschaltung mit einer Messspule (5) und einer Rückkoppelungsspule (6). Die Messspule bildet Teil eines LC-Schwingkreises. Das erfindungsgemässe Messverfahren sieht vor, die Messonde so zu betrieben, dass der Oszillator derart abgestimmt ist, dass die Schwingung periodisch abreisst und erst nach einer gewissen Verzögerungszeit wieder anschwingt. Messgrösse bildet die (Nieder-)Frequenz der Schwingungsperioden. Durch Annäherung der Sonde (1) an einen metalischen Teil wird der Schwingkreis bedämpft. Die in der Folge verursachte Frequenzverschiebung der Schwingungsperioden wird durch eine Auswertschaltung gemessen und optisch und/oder akustisch angezeigt oder für eine Steuerung verwendet. Dadurch ist eine schnelle und sichere Ortung eines Metallteils unter Verwendung einer Sonde mit kleinen Dimensionen möglich.

Description

M E S S O N D E Z U R L O K A L I S I E R U N G
V O N M E T A L L I S C H E N T E I L E N
I M M E N S C H L I C H E N O D E R
T I E R I S C H E N K Ö R P E R
Die Erfindung bezieht sich auf eine Mess-Sonde zum Lokalisieren von metallischen Teilen oder Partikeln im menschlichen oder tieri¬ schen Körper sowie ein Verfahren zum Orten metallischer Gegen¬ stände gemäss den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 7.
Zur Lokalisieπing von metallischen Objekten, die beabsichtigt durch ärztliche Massnahmen oder unfallmässig in den menschlichen oder tierischen Körper gelangen sind verschiedene Vorrichtungen bekannt. Um die früher notwendigen, aufwendigen Röntgen- oder Ultraschallaufnahmen überflüssig zu machen, wurden Geräte ent¬ wickelt die mittels induktiver Messmethoden ein Lokalisieren der Gegenstände ermöglichten. Gleichzeitig haben solche Messmethoden den Vorteil, dass sie die direkte Ortung am Körper erlauben und diese nicht indirekt über eine Bildbetrachtung erfolgen muss.
Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus der GB-PS 994,400 bekannt, welche eine Mess-Sonde mit einer Mess-Spule enthält, die mit einer Auswertschaltung verbunden ist. Weitere Vorrichtungen dieser Art sind bekannt aus der PCT-Anmeldung WO 86/02539 und der US-Patentschrift 4,416,289.
Um den praktischen Einsatz, vorwiegend im Operationssaal, zu er¬ möglichen, sind den Vorrichtungen der genannten Art verschiedene Rahmenbedinguήgen und Anforderungen vorgegeben. Die Vorrich¬ tungen sollen netzunabhängig betrieben werden können, äussere 10 Störeinflüsse wie Temperatur, metallische Gegenstände, Erschütte- rungen etc. sollen auf das Messen keinen Einfluss nehmen, die
~~~ Vorrichtung und insbesondere die Sonde sollen handlich sein und es soll ein grosser Messbereich möglich sein. Daneben sind auch herstellungstechnische Faktoren zu berücksichtigen, bspw. eine
15 einfache Serienproduktion, grosse Abgleichgenauigkeit ab Werk und präzise Funktion über längere Zeit, Wartungsfreundlichkeit, etc.
Bekannte Vorrichtungen zeigen hinsichtlich diesen Anforderungen 20 Probleme, indem sie beispielsweise ~~ eine ungenügende Sensitivität aufweisen, bei grossen Messbereichen manuell am Gerät umgeschal¬ tet werden müssen und vor allem auch unhandliche Sonden aufwei¬ sen. Grundsätzlich kommen verschiedene Messverfahren zur Detek- tioπ von Metallstücken für die erwähnten Anwendungen in Frage, * 25 doch zeigt sich, dass Messverfahren, Sondengeometrie und Eignung der Vorrichtung für den praktischen Einsatz in sehr direktem Zusammenhang stehen. Wenngleich bekannte Vorrichtungen diesen Schwierigkeiten zum Teil Rechnung tragen ist allen der Nachteil gemeinsam dass die Sonde zu gross und damit im praktischen Ein- 30 satz ungeeignet ist. Des weiteren müssen die Mess-Sonden dieser Vorrichtungen jeweils zusammen mit dem eigentlichen Messgerät abgeglichen werden und auf dieses abgestimmt sein, so dass keine Austauschbarkeit der Sonden besteht, was gerade im medizinischen Sektor, bspw. bei der Sterilisation, grosse Probleme mit sich bringt. Ausserdem erfordern die bekannten Messmethoden mit permanent schwingenden Oszillatoren einen relativ grossen Ener¬ gieverbrauch, so dass die Geräte entweder netzabhängig sind oder ein häufiges Auswechseln der Akkumulatoren nötig ist. Induktive Messvorrichtuπgen zum genauen Lokalisieren metallischer Objekte finden aufgrund dieser Nachteile deshalb bis heute im Bereich medizinischer Anwendungen keinen oder nur beschränkten Einsatz.
Die Vorrichtung gemäss der GB-PS 994,400 berücksichtigt äussere Störeinflüsse und passt sich bezüglich Sensitivität solchen Störun¬ gen teilweise an. Die Anpassung erfolgt jedoch mit einer relativ grossen Zeitkonstante, so dass die Ortung unter Umständen viel Zeit beansprucht. Des weiteren kann auch bei dieser Vorrichtung eine an das Messgerät angepasste Sonde nicht mehr, ohne einen erneuten Abgleich erforderlich zu machen, ausgewechselt werden. Gleichzeitig bedarf das verwendete Messprinzip eine relativ grosse Mess-Spule mit Ferritkern und führt damit zu einer im Bereich der Chirurgie nur schlecht bzw. nicht einsetzbaren Sonde. Ein weiterer Nachteil dieser und anderer bekannter Sonden besteht darin, dass die Messleitung und üblicherweise auch die Sonde notwendigerweise eine Abschirmung erfordern.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein eina Vorrichtung zu schaffen, welche obengenannte Nachteile vermeidet, einfach in der Fertigung ist, eine sehr empfindliche Sonde mit kleinen Dimensionen ermög¬ licht, im Betrieb einen kleinen Energieverbrauch aufweist, wobei die Sonde am Messgerät jederzeit austauschbar ist.
Des weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Messverfahren vorzusehen, das eine automatische und manuelle Anpassung der Sensitivität über einen grossen Messbereich erlaubt, Störeinflüsse bei der Ortung berücksichtigt und eine schnelle Ortung zulässt. Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patent¬ anspruches 1 bzw. 7 genannten Merkmale gelöst.
Das Verfahren gemäss der Erfindung verwendet eine Oszillator¬ schwingung, die jedoch nicht permanent aufrechterhalten wird, sondern regelmässig ganz oder teilweise abreisst, so dass der Energieverbrauch möglichst tief gehalten wird. Gleichzeitig wird dadurch eine sehr hohe Sensitivität der Sonde erreicht. Es ist damit möglich nicht nur grössere Objekte, sondern auch kleine Metalipartikel zu lokalisieren. Die Oszillatorschaltung ist in der Sonde selber enthalten, so dass die Sonde für sich abgeglichen ist und zusammen mit verschiedenen Messgeräten eingesetzt werden kann. Die durch das Messverfahren geschaffene hohe Empfindlich- keit der Mess-Sonde erlaubt eine entsprechend kleine Dimensionie- rung der Bauelemente und damit der ganzen Sonde.
Anhand der nachfolgenden Figuren sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Verfahrens und der Vorrichtung näher erläu¬ tert.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Mess-Sonde
Fig. 2 zeigt ein Schaltschema der Oszillatorschaltung
Fig. 3 zeigt schematisch in einem Blockdiagramm den Aufbau einer Vorrichtung nach der Erfindung.
Fig. 4 zeigt eine mögliche Signalform des Oszillators im Betrieb.
Fig. 5 zeigt ein Schaltungsbeispiel für die Mess-Sonde und die Auswertsehaltuπg. In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Mess-Sonde 1 darge¬ stellt, welche eine Oszillatorschaltung enthält, die vorzugsweise auf einer Platine 2 (gedruckte Schaltung) vorgesehen wird. Am verjüngten Ende der Sonde 1 ist eine Mess-Spule 5 um einen rela¬ tiv kurzen Ferritkern 4 gewickelt. Der Ferritkern besitzt einen relativ kleinen Durchmesser von ca. 4 mm. Eine Rückkoppelungs- spule 6 ist um den gleichen Ferritkern 4 gewickelt. Die Leiterplat- te 2 enthält - neben den nur schematisch angedeuteten Schal¬ tungselementen SE der Oszillatorschaltung - Kontakte bzw. Kon¬ taktreihen 8, 9, die einerseits dem Anschluss dieser beiden Spulen 5, 6 dienen und andererseits mit einer Messleitung 3 verbunden sind. Diese Messleitung 3 verbindet die Sonde 1 mit der Auswert- Schaltung der Vorrichtung und dient gleichzeitig der Stromversorgung der Sonde 1. An einer ergonomisch geeigneten Stelle der Mess-Sonde ist vorzugsweise ein Taster 7 vorgesehen, welcher die Sonde sowie die Messschaltung in Betrieb setzt und in einer später zu erläuternden Weise den Abgleich der Auswertschal- tung initialisiert. Selbstverständlich kann die Geometrie der Sonde, insbesondere auch die Anordnung der beiden Spulen 5, 6 variieren.
Bekannte Vorrichtungen können aufgrund der ihnen immanenten Messprinzipien nicht einfach in ihren Dimensionen verkleinert werden, da dann das eigentliche Ziel, nämlich eine Ortung auch kleiner Metallteile wegen der damit einhergehenden, reduzierten Sensitivität nicht mehr möglich ist. Um den gestellten Anforderun- gen an Sensitivität, geringe Störanfälligkeit, kleine Geometrie und einfache Auswechselbarkeit der Sonde, etc. Rechnung tragen zu können, ist sowohl die elektronische Schaltung, insbesondere dieje¬ nige des Oszillators, als auch das Messverfahren von Bedeutung. Die erfinderische Idee geht davon aus, dass die eingangs erwähn- ten Aufgaben in ihrer Gesamtheit nur gelöst werden können, wenn Messverfahren und Aufbau der Sonde in idealer Weise aufeinander abgestimmt sind. Wenn im folgenden der Übersichtlichkeit halber die Ausführungen bezüglich der Mess-Sonde und dem Messverfah¬ ren getrennt dargestellt werden, müssen diese immer auch im ge¬ meinsamen Zusammenhang von Verfahren und Vorrichtung verstan¬ den werden.
Figur 2 zeigt die in der Sonde enthaltene Oszillatorschaltung in einer möglichen Ausführungsform. Entgegen herkömmlichen Sonden wird nicht nur die Mess-Spu e sondern die ganze Oszillatorschal¬ tung in der Sonde selber untergebracht. Erkennbar sind die Mess- Spule 5 und die Rückkoppelungsspule 6, der Taster 7 sowie die Anschlüsse 18, 19 für die Messleitung 3 [Fig. 1]. Ein erster Kon¬ densator 20 bildet zusammen mit der Messspule 5 einen Schwing¬ kreis. Ein RC-Glied 22, 24 dient der Arbeitspunktstabilisierung eines Transistors 25. Dieser Transistor 25 in Emitterschaltung ist an seiner Basis über die Rückkoppelungsspule 6 mit der Messspule 5 gekoppelt. Um die Phasenbedingung der Oszillatorschaltung für die Resonanzfrequenz zu "erfüllen, werden die beiden Spulen 5, 6 vorzugsweise gleichsinnig gewickelt. Die Wicklungsanschlüsse mit gleicher Polarität sind in der Zeichnung durch die Punkte gekenn¬ zeichnet. Der Transistor ist emitterseitig über einen zweiten Wi- derstand 23 mit dem Anschluss 19 verbunden, der vorzugsweise auf Masse liegt. Die Verbindung der Transistorbasis über den Konden¬ sator 22 zur Speisung bewirkt eine zusätzliche, leichte Rückkopp¬ lung, was eine grössere Empfindlichkeit der Schaltung bewirkt. Ein zweiter Kondensator 21 stabilisiert bzw. entkoppelt die Schaltung HF-mässig. Mittels dem Taster 7 kann die Schaltung mit dem Spei- sungsanschluss 18 bzw. der hier nicht sichtbaren Speisung verbun¬ den werden. Das Mass der Rückkopplung kann durch Übersetzungs¬ verhältnis der beiden Spulen 5, 6, die gegenseitige Anordnung der Spuien auf dem Ferritkern sowie dessen Dimensionierung variiert werden. Gute Resultate werden bspw. bei einem Windungsverhältnis von 25 : 10 zwischen der Mess- 5 und der Rückkopplungsspule 6, einem Kondensator 20 von 1 nF, einem Kondensator 22 von 100 nF und Widerständen R24 = 150 kΛ bzw. R23 = 100 Ω, erreicht.
Bringt man einen metallischen Gegenstand in den Bereich des ver¬ jüngten Endes der Sonde 1 bzw. letztere in die Nähe eines metalli¬ schen Objektes, so wird bekannterweise das Magnetfeld der Mess- spule 5 (und auch der Rückkoppelungsspule 6) beeinflusst und in der Folge der Schwingkreis bedämpft. Als Messignal dient in der Folge die Änderung der Stromaufnahme durch die Mess-Sonde (vgl. unten). Vorzugsweise wird diese Frequenzverschiebung zur Detekti- on solcher Gegenstände mittels einer der Sonde nachgeschalteten Auswertschaltung, mit welcher die Sonde über eine Messleitung verbunden ist, ausgewertet. Da die ganze Oszillatorschaltung in der Mess-Sonde selber eingebaut ist, lässt sich jede Sonde für sich ab¬ gleichen und das Mass der Rückkopplung festlegen. Derart können die "genormten" Sonden zusammen mit verschiedenen Auswertschal- tungen verwendet werden. Gleichzeitig entfällt durch diese Mass- nahme die Notwendigkeit der Abschirmung der Messleitung 3. Vor¬ zugsweise ist die Messleitung zwischen der Sonde und dem Gerät mit der Auswertschaltung bezüglich hochfrequenten Signalen ent¬ koppelt. Da die Oszillatorschaltung in sich innerhalb der Sonde abgeglichen ist, können auch lange Messleitungen verwendet wer¬ den, da induktive und kapazitive Störungen durch die Messleitung weitgehend ausgeschaltet sind.
In Figur 3 ist nun ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung inklusi¬ ve der Auswertschaltung in einem Blockschema dargestellt. Die beschriebene Mess-Sonde (S) 1 sowie die Auswertschaltung werden durch eine Speisung (B) 15 versorgt. Ein Stromsensor (IS) 28 stellt fest, ob durch die Mess-Sonde 1 ein Strom gezogen wird und schaltet die Versorgung der Auswertschaltung nur unter dieser Bedingung ein (angedeutet durch den Pfeil V). Dadurch wird er¬ reicht, dass sowohl die Speisung der Sonde als diejenige der Aus¬ wertschaltung nur durch Niederhalten des Tasters 7 [Fig. 2] einge- schaltet ist. Ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) 14 ist mit einer Ab gieichschaltung (A) 13 verbunden. Ein Interferenzdetektor (ID) 12 ist eingangsseitig einerseits über einen Hochpass (HP) 27 mit der Mess-Sonde 1 und andererseits mit diesem VCO 14 ver¬ bunden. Ausgangsseitig besteht eine Verbindung zu einer Anzeige- Schaltung (D) 17. Dieser Interferenzdetektor erzeugt beispielsweise pro Hertz Differenz zwischen VCO-Signal und Nutzsignal bei der Messung einen Impuls pro Sekunde. Eine Frequenzzunahme dieser Impulse deutet somit eine grössere - Frequenzdϊfferenz zwischen Nutz- und Referenzsignal und damit ein Annähern an den Metall- teil an. Der Frequenzkomparator ist seinerseits eingangsseitig ebenfalls über den Hochpass (HP) 27 mit der Mess-Sonde 1 und dem VCO 14 verbunden. Der Hochpass 27 dient dem herausfiltern des niederfrequenten Nutzsignals. Ausgangsseitig besteht über einen Tiefpass (TP) 11 eine Verbindung mit dem VCO 14 und zur Ab- gieichschaltung 13. Es handelt sich dabei um einen extremen Tief¬ pass mit einer Zeitkonstante in der Grössenordnung von einer bis mehreren Minuten. Beim Einschalten wird dieser Tiefpass durch die Ab gieichschaltung 13 überbrückt um den dann gewünschten schnel¬ len Ab gleich zu erlauben.
Um die durch Annähern an metallische Gegenstände erwähnte Be- dämpfung bzw. Verstimmung des Schwingkreises problemlos aus¬ werten zu können, wird die Oszillatorschaltung entsprechend dem erfindungsgemässen Verfahren betrieben. Bei herkömmlichen Induk¬ tionsmessmethoden wird eine Rückkopplung derart vorgesehen, dass Rückkopplungsschleifenverstärkung grösser als Eins ist, d.h. die Schwingungsamplitude nach einer Einschaltphase ohne Beeinflussung konstant bleibt. Ausgewertet wird bei der Messung direkt die Ver- änderung der Resonanzfrequenz oder der Amplitude des Schwingkreises. Um einerseits den Energieverbrauch der Schaltung möglichst tief zu halten und andererseits möglichst deutliche Mess¬ resultate zu erhalten, wird demgegenüber gemäss der Erfindung die Rückkopplung so gewählt, dass die Schwingung periodisch minde¬ stens teilweise abreisst. Dies wird durch gegenseitiges Positionieren der beiden Spulen 5, 6 auf dem Ferritkern 4 und der damit mögli¬ chen Einstellung der Rückkopplung erreicht. Wie Messresultate zeigen, wird gegenüber herkömmlichen Betriebsarten eine wesent- lieh deutlichere Beeinflussung des Schwingkreisverhaltens erzielt, was eine relativ einfache Auswertschaltung erlaubt, zu genauerem Lokalisieren führt und zudem eine kleine Dimensionierung- der Mess-Sonde erlaubt.
Das erfindungsgemässe Verfahren benützt im Gegensatz zu her¬ kömmlichen Messverfahren nicht die direkte Frequenzverschiebung bzw. Amplitudenänderung des Schwingkreises, sondern ein indirek¬ tes Nutzsignal, nämlich die niederfrequenten Schwingungsperioden, die durch eine entsprechende Oszillatorschaltung bewirkt werden. Es wird mit anderen Worten durch Annähern der Sonde an einen Metallteil der Schwingkreis bzw. die Schwingungsamplitude be¬ dämpft. Diese Amplitudenänderung beeinflusst die Rückkopplung des Schwingkreises wie er beispielsweise in Figur 2 dargestellt ist und damit das niederfrequente Signal. In der Folge wird die Nie¬ derfrequenz verschoben, was diese als sekundäre (abhängige) Mess¬ grösse verfügbar macht. Durch Verwendung dieser Messgrösse können gegenüber bekannten Messmethoden eine grössere Sensiti¬ vität und wesentlich genauere Resultate erzielt werden.
Figur 4 zeigt eine typische Signalform des Oszillators am in Figur 2 mit K bezeichneten Knoten bei "kritischer" Rückkopplung der beiden Spulen 5, 6. Die Amplitude der Oszillatorschwingung ist in Abhängigkeit der Zeit t dargestellt. Die maximale Amplitude liegt, entsprechend einer Speisespannung von 5 V, in der Grössenordnung von 4 V. Die Schwingkreisfrequenz beträgt ca. 1 MHz. Wie aus der Figur ersichtlich ist, reisst die Schwingung periodisch ab und beginnt sich jeweils erst nach einer Zeitspanne T2 wieder aufzu¬ schaukeln und nach einer Zeitspanne Tl wieder abzureissen. Dabei ist es im Rahmen des Erfindungsgedankens nicht erforderlich, dass die Schwingung ganz abreisst, sondern es genügt eine Abnahme der Amplitude während der Zeitspanne T2. Das durch entsprechende Rückkopplung bewirkte teilweise oder ganze Unterbrechen der Schwingung führt zu Schwingungsperioden Tl, die bspw. mit einer Niederfrequenz von ca. 4 kHz auftreten. Das Verhältnis von T2 zu Tl kann durch das Mass der Rückkopplung und entsprechende Auslegung der Oszillatorschaltung beeinflusst werden (Abgleich bei der Herstellung). Die niederfrequente Schwingung wird durch den induktiven Einfluss eines Metallteils auf den Schwingkreis und in der Folge auf das Mass der Rückkopplung beeinflusst und in der Grössenordnung von einem bis einigen hundert Hertz verschoben. Bei sehr starker Annäherung an den Metallteil wird eine Frequenz- Verschiebung in der Grössenordnung von einem bis mehreren Kilo¬ hertz bewirkt. Wie sich experimentell zeigt, ist es möglich die Be¬ triebsfrequenzen in weiten Bereichen zu variieren, ohne dass da¬ durch die Sensitivität der Schaltung negativ beeinflusst würde. Je grösser T2 gewählt wird, desto geringer ist .der Energiebedarf des Oszillators. Um eine möglichst optimale Sensitivität der Sonde zu erreichen, ist grosses Gewicht auf den niederfrequenten Signalver¬ lauf zu legen. Gute Resultate werden beispielsweise bei eine Ver¬ hältnis T2 - Tl gleich 0.1 bis 0.3 erreicht. Grundsätzlich kann auch bei anderen, nichtstetigen Signalen eine hohe Sensitivität bezüglich dem induktiven Verlauf erreicht werden. Entsprechend ist das Betriebssignal also hinsichtlich möglichst kurzen Betriebs¬ phasen (Energieverbrauch) und Signaiverlauf (hoher Sensitivität) zu optimieren. So kann beispielsweise vorgesehen werden, dass der Oszillator nur sporadisch anschwingt indem T2 grösser als Tl - l i ¬
angesetzt wird. Günstige Messfrequenzen liegen für die hochfre¬ quente Schwingung im Bereich von 100 kHz bis einige Megahertz, für das niederfrequente Signal zwischen 1 bis 10 kHz.
Selbstverständlich ist das erfindungsgemässe Verfahren nicht auf die erläuterte Oszillatorschaltung oder den dargestellten Siganlver- lauf beschränkt. Die Schaltung gemäss Figur 2 bietet jedoch die Möglichkeit eines einfachen Abgleichs und problemloser Verstellung des gewünschten Rückkopplungsgrades.
Einen zusätzlichen Vorteil bietet der an der Sonde vorgesehene Taster 7, der im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens der Unterbrechung der Speise- bzw. Messleitung 3 dient. Vorzugsweise wird durch diesen Taster auch die Versorgung der Auswertschal¬ tung zu- und abgeschaltet. Vorerst ist dadurch gewährleistet, dass nur im eigentlichen Betrieb ein Energieverbrauch der Oszillator¬ bzw. Auswertschaltung erfolgt. Gleichzeitig wird durch ein Unter- brechen der Leitung eine neue Anpassung der Empfindlichkeit der Mess-Schaltung erzielt bzw. Störeinflüsse von Umgebungsmateriali¬ en oder andere kurzfristig auftretende Störungen reduziert.
Im Gegensatz zu der einleitend erwähnten Vorrichtung gemäss GB 994 400, die einen vollautomatischen Abgleich bezweckt, wird mit dem Taster eine halbautomatische Abgleicheinrichtung initialisiert. Durch Einschalten der Sonde, d.h. durch Drücken des Tasters, wird gleichzeitig die Abgleichschaltung 13, die Teil der Auswertschal- tung bildet, aktiviert. Die Abgleichschaltung 13 bewirkt ihrerseits das Abstimmen des VCO 14, der in weniger als einer Sekunde, bspw. 300 msec, auf die Niederfrequenz der Sonde einschwingt. Die Ansteuerung des VCO 14 ist so geschaltet, dass äussere Einflüsse mit einer langsamen Zeitkonstante ebenfalls auskorrigiert werden. Entsprechend der Erfinduπgsaufgabe ermöglicht ein kurzzeitiges Loslassen des bedienerfreundlichen Tasters 7 an der Mess-Sonde einen sofortigen Neuabgleich und damit den Ausgleich von Störein¬ flüssen. Damit wird eine wesentlich schnellere Ortung als mit herkömmlichen Geräten ermöglicht.
Vorzugsweise ist die Sonde mit einer optischen Anzeige, beispiels¬ weise einer LED-Anzeige, die durch die Auswertschaltung ange- steuert wird, versehen. Da sich die Sonde bestimmungsgemäss im Sichtbereich des Anwenders befindet, kann die Ortung von Metall¬ partikeln, bspw. während einer Operation, optisch mitverfolgt werden, was ebenfalls dem- schnellen, präzisen Lokalisieren eines Fremdkörpers im menschlichen oder tierischen Körper dient.
Figur 5 zeigt ein detailliertes Schaltungsbeispiel der Erfindung. Die anhand von Figur 3 dargestellten Schaltungsteile sind hier jeweils durch strichpunktierte Linien angedeutet und weisen entsprechende Bezugsziffern auf. Vorzugsweise erfolgt die Stromversorgung über eine Kombination von einem Batterie-Akkumulator (6V) und Solar¬ zellen. Eine entsprechende Batterieüberwachung 31 zeigt mittels einer LED-Anzeige den Ladezustand der Batterien am Gerät an. Wie aus dem Schaltschema leicht ersichtlich ist, wird die Auswert- schaltung vorzugsweise unter Verwendung integrierter Schaltungen. aufgebaut, wobei vorzugsweise eine PLL-Schaltung verwendet wird. Vorzugsweise ist diese PLL-Schaltung mit einem Potentiometer abgleichbar um eine Anpassung an die herstellungsmässig abgegli¬ chenen Sonden zu erreichen. Selbstverständlich ist es möglich, Sonden und Geräte bei der Herstellung abzugleichen und so die gewünschte Austauschbarkeit der Sonden zu erreichen. Der Stromverbrauch der Sonde bzw. der Auswertschaltung wird einer¬ seits durch den Einsatz von CMOS-Technologie sowie weitgehende Vermeidung von analogen Elementen und andererseits durch das Ein-/Ausschaltprinzip des Verfahrens gering gehalten. Das durch die Sonde 1 gelieferte Messigπal wird in ein Rechtecksignal 30 gewandelt. So lässt sich mit einem üblichen Frequenzkomparator die durch die induktive Einwirkung verursachte Frequenzverschie- bung digital auswerten. Als Referenzfrequenz dient das durch den spannungs gesteuerten Oszillator VCO 14 gelieferte Rechtecksignal, das beim Einschalten der Sonde, d.h. durch Drücken des Tasters 7, auf die "Ruhefrequenz" der abgeglichenen Sonde abgestimmt wird. Über den. Frequenzkomparator 16 und den Tiefpass 11 erfolgt eine automatische Anpassung des VCO 14 an Frequenzverschiebungen des Messignals, allerdings nur mit grösser Zeitkonstante, so τ_ass der VCO 14 die beim Einschalten ab geglichene- Frequenz grundsätz¬ lich minutenlang hält. Es werden mit anderen Worten nur langsame Änderungen, beispielsweise Temperaturschwankungen, nachgeführt.
Die Auswertschaltung ist in weitgehend üblicher Weise aufgebaut und übersetzt die Messgrösse in ein akustisches und/oder optisches Warn- bzw. Steuer-Signal. Die Ortung erfolgt beispielsweise durch ein Anheben der Frequenz des über einen Lautsprecher abgegebe¬ nen akustischen Signals kann aber auch direkt für die Steuerung automatischer Ortungsvorrichtungen eingesetzt werden.
Um einen metallischen Fremdkörper im Körper zu lokalisieren, wird die Mess-Sonde über die fragliche Stelle geführt. Durch Drücken des Tasters 7 wird die Sonde 1 sowie die Auswertschaltung einge¬ schaltet, d.h. der Oszillator zum Schwingen gebracht, und gleich¬ zeitig der VCO 14 auf die gleiche Frequenz abgeglichen. Während nun der VCO 14 diese Frequenz hält, wird durch Annähern der Sonde an den Fremdkörper die Frequenz des Nutzsignals verändert, was durch die Auswertschaltung akustisch und optisch angezeigt wird. Vorzugsweise enthält die Auswertschaltung eine Richtungser¬ kennung 10 [Fig. 5], die es zulässt, mittels einer optischen Anzeige in gewissen Bereichen ein Annähern oder Entfernen der Sonde zum Metallteil zu unterscheiden. Eine optische Anzeige 26 erfolgt eben¬ falls an der Sonde, bspw. durch eine LED oder eine numerische Anzeige, die Angaben über die Grosse oder Distanz des Fremdkör- pers enthält. Um eine sehr genaue Ortung zu erreichen wird in gewissen Abständen der Taster losgelassen und wieder gedrückt, was zu einem neuen Abgleich der VCO-Frequenz führt und damit Störeinflüsse ausgleicht bzw. die erforderliche Messempfindlichkeit anpasst. Selbstverständlich ist es auch möglich direkt an der Aus- wertschaltung eine Einstellmöglichkeit für bestimmte Messempfind¬ lichkeiten vorzusehen.
Für spezielle Anwendungen kann neben dem niederfrequenten Si- gnal auch die durch die Verstimmung des Schwingkreises bewirkte Veränderung der hochfrequenten Schwingungsfrequenz gemessen und für die Auswertung verwendet werden. Die Messleitung muss dann auch das HF-Signal übertragen und selbstverständlich darf dann auch die Oszillatorschaltung keine HF-Entkoppelung aufwei- sen.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Mess-Sonde zur Lokalisierung metallischer Teile im menschlichen oder tierischen Körper mit einer Induktions- mess-Spule, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess-Sonde (1) eine in sich abgleichbare Oszillatorschaltung mit einem Schwingkreis (5, 20) enthält, die über eine Mess- bzw. 5 Versorgungsleitung (18, 19) mit einer Auswertschaltung verbindbar ist.
2. Mess-Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillatorschaltuπg eine Mess-Spule (5) und eine 10 Rückkoppelungsspule (6) enthält, die um einen gemeinsa¬ men Ferritkern (4) gewickelt sind.
3. Mess-Sonde nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspule (5) Teil , eines LC- 15 Schwingkreises (5, 20) ist, dessen Eingangsspannung mit¬ tels einem Transistor (25) in Emitterschaltung über eine Rückkoppelungsspule (6) verstärkt ist.
4. Mess-Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 20 dadurch gekennzeichnet, dass die Mess-Sonde (1) einen Taster (7) zur Unterbrechung der Mess- bzw. Versorgungs¬ leitung (18, 19) enthält.
5. Mess-Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, 25 dass ein zwischen Kollektor und Speisung geschaltetes RC- Glied (22, 24) den Arbeitspunkt des Transistors (25) fest¬ lagt.
- - lo -
6. Mess-Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess-Sonde (1) eine optische Anzeige enthält, die mit der Auswertschaltung verbindbar ist. 5
7. Verfahren zum Lokalisieren metallischer Teile im menschli¬ chen oder tierischen Körper, gekennzeichnet durch folgen¬ de Verfahrensschritte: a) Eine Oszillatorschaltung wird so geschaltet und be- 10 trieben, dass die Schwingung periodisch ganz oder teilweise abreisst und erst nach einer Verzögerungs¬ zeit (T2 [Fig. 4]) wieder anschwingt. b) Die Frequenz der auftretenden Schwingungsperioden
(Tl [Fig. 4]) wird durch eine Auswertschaltung ge- 15 speichert. c) Die durch eine Relativbewegung der Oszillatorschal¬ tung gegenüber einem metallischen Partikel bewirkte Frequenzverschiebung der Schwingungsperioden (Tl) gegenüber dem gespeicherten Wert wird durch die 20 Auswertschaltung ermittelt und angezeigt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillatorfrequenz zwischen 500 kHz und 5 MHz und 25 die Frequenz der Schwingungsperioden (Tl) zwischen 1 kHz und 10 kHz liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch 30 gekennzeichnet, dass der gespeicherte Wert der Frequenz durch die Auswertschaltung automatisch an langsame Fre¬ quenzänderungen angepasst wird. _ 1? _
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass während dem Annähern an den me¬ tallischen Teil in zeitlichen Abständen ein Schalter (7) betätigt wird und zur Anpassung der Sensitivität die aktu- 5 eile Frequenz der auftretenden Schwingungsperioden (Tl) durch die Auswertschaltung neu gespeichert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Frequenz der auftretenden 10 Schwingungsperioden (Tl) als auch die Frequenz des Oszil¬ latorschwingkreises ausgewertet werden.
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