Устройство для локализации ферромагнитной неоднородности в немагнитных средах

Устройство для локализации ферромагнитной неоднородности в немагнитных средах

Реферат

Изобретение относится к области медицины, в частности к оперативной хирургии, и предназначено для локализации ферромагнитной неоднородности в виде инородных тел - частиц, стружек, предметов при хирургическом удалении их тканей и органов человека, а также может быть использовано для неразрушающего контроля качества материалов, в частности для локализации и измерения ферромагнитной неоднородности в виде инородной примеси или структурных изменений, связанных с образованием ферромагнитной фазы в немагнитных сталях.

Тяжелые травмы тканей и органов человека, связанные с внедрением ферромагнитных неоднородностей, требуют оперативного хирургического вмешательства. В этой связи основное значение приобретает точность определения их местоположения. Основные методы диагностики - рентгеновский, ультразвуковой - часто оказываются мало информативными в решении данной проблемы из-за кровоизлияния, труднодоступного размещения неоднородности, его малого геометрического размера или малого операционного поля [Гундорова Р.А., Вериго Е.Н., Полякова Л.Я. Клинические особенности и диагностика осколочных ранений орбиты. - Офтальмохирургия, 1999, №1, с.32-38].

Сложность локализации ферромагнитной неоднородности вблизи важных органов, сосудов, нервов человека, его смещение из-за подвижности тканей как до, так и во время операции ставят даже опытного хирурга в затруднительное положение. Поэтому без специальной диагностической аппаратуры хирургическое вмешательство, как бы хорошо оно ни было подготовлено, вследствие неоправданно глубокого или широкого рассечения тканей, разнообразных уточняющих манипуляций хирургическим инструментом и других ошибок, связанных с определением места расположения внедренной неоднородности, является нередкой причиной операционного травматизма и тяжелых послеоперационных осложнений.

Одно из наиболее перспективных видов специальной диагностики является феррозондовая [Пудов В.И., Реутов Ю.Я., Корзунин Г.С., Коротких С.А. Локализация и удаление инородных ферромагнитных тел с помощью феррозондового полюсоискателя ПФ-02. - Медицинская техника, 1996, №6, с.28-33], позволяющая проводить операции, где процент извлекаемости ферромагнитной неоднородности во много раз выше, чем при традиционных методах.

Однако существующие конструкции феррозондовых датчиков не позволяют повысить эффективность использования феррозондовой диагностики для ряда операций, например при детских операциях, связанных с локализацией мелких ферромагнитных неоднородностей или при их локализации в глазной полости, в орбите глаза, то есть на малом операционном поле и т.д. Такого рода операции требуют создания особых конструкций феррозондовых устройств - малых по размеру, но в то же время имеющих высокую чувствительность рабочих элементов.

Для решения данной проблемы предложен новый вид устройства, в основе которого лежит феррозондовый принцип действия.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому результату и взятому за прототип является известное устройство для локализации инородного ферромагнитного тела в тканях и органах человека [Пудов В.И., Реутов Ю.Я., Коротких С.А. Патент RU №2132639. Бюл. изобр. 1999, №19, II ч.].

Устройство выполнено в виде феррозондового датчика, содержащего ручку и металлический немагнитный защитный корпус, в котором установлены на немагнитной панели в одной плоскости ортогонально продольной оси датчика параллельно друг другу два чувствительных элемента, состоящие из пермаллоевых сердечников и катушек, обмотки которых соединены между собой градиентометрически и выполняют функции обмоток возбуждения и измерительной.

В этом случае локализация ферромагнитных неоднородностей осуществляется по их магнитному полю рассеяния, образовавшегося в результате формирования остаточной намагниченности материала, которая большей частью не превышает величины напряженности магнитного поля Земли ≅40 А/м.

Поэтому основной недостаток известного устройства связан с ограничением локализации ряда ферромагнитных неоднородностей, в частности мелких по размеру, слабомагнитных и т.д.

Конструкционные особенности данного устройства не позволяют радикально увеличить его чувствительность, что снижает с возрастанием расстояния до неоднородности достоверность и точность ее локализации.

В основу изобретения положена задача повышения эффективности диагностики внедренной в немагнитные среды ферромагнитной неоднородности путем создания комплексного феррозондового устройства, обеспечивающего значительное повышение достоверности и точности ее локализации, в том числе небольшой по размерам или слабомагнитной.

Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве, содержащем ручку и металлический немагнитный защитный корпус, в котором установлены на немагнитной панели в одной плоскости ортогонально его продольной оси параллельно друг другу два чувствительных элемента, состоящие из пермаллоевых сердечников и катушек, обмотки которых соединены между собой градиентометрически и выполняют функции обмоток возбуждения и измерительной, согласно изобретению между чувствительными элементами установлена намагничивающая катушка. При этом:

- дополнительно установлена ортогонально первой паре чувствительных элементов вторая пара чувствительных элементов, состоящая из пермаллоевых сердечников и катушек, обмотки которых соединены между собой градиентометрически и выполняют функции обмоток возбуждения и измерительной;

- намагничивающая катушка выполнена на ферритовых кольцах.

Снабжение заявляемого устройства намагничивающей катушкой повысило достоверность и точность локализации ферромагнитной неоднородности за счет возможности ее локального намагничивания и, как следствие, увеличения величины ее магнитного поля рассеяния до уровня восприятия чувствительными элементами устройства, при этом обеспечило возможность осуществления двойного контроля неоднородности за счет работающей в разных режимах возбуждения намагничивающей катушки и установления чувствительных элементов устройства с обзором на ±180°, а также существенно расширило функциональные возможности устройства за счет увеличения областей для его практического использования и расширения номенклатуры контролируемой неоднородности.

На чертеже представлено в разных вариантах заявляемое устройство: а - для оперативной хирургии; б - для ферритометрии, неразрушающего контроля материалов.

Устройство выполнено в виде комплексного феррозондового преобразователя магнитного поля, содержащего ручку 1, металлический немагнитный защитный корпус 2, в котором установлены на немагнитной панели 3 в одной плоскости ортогонально его продольной оси параллельно друг другу два чувствительных элемента 4, 4', состоящие из пермаллоевых сердечников и катушек, обмотки которых соединены между собой градиентометрически и выполняют функции обмоток возбуждения и измерительной, при этом между чувствительными элементами 4, 4' установлена намагничивающая катушка 5, выполненная на ферритовых кольцах 6 (для снижения ее размеров и увеличения величины электромагнитного поля) и дополнительно установлена ортогонально первой паре чувствительных элементов 4, 4' вторая пара 7, 7', состоящая из пермаллоевых сердечников и катушек, обмотки которых соединены между собой градиентометрически и выполняют функции обмоток возбуждения и измерительной.

В качестве примера в устройстве использованы чувствительные элементы с рабочими параметрами 2×0,6 мм и 1,8×0,5 мм.

Устройство работает следующим образом.

При прохождении по обмоткам намагничивающей катушки 5 переменного тока заданной частоты (от генератора блока питания прибора) создается переменное электромагнитное поле, которое, воздействуя на ферромагнитный материал неоднородности, вызывает в нем вихревые токи. Они формируют вторичное электромагнитное поле, магнитная составляющая которого уже в зависимости от геометрической формы неоднородности определенным образом намагничивает ее материал. В результате чего вокруг неоднородности образуется достаточно сильное магнитное поле рассеяния по сравнению с полем при остаточной намагниченности материала. В феррозондовом преобразователе при прохождении по обмоткам возбуждения его чувствительных элементов 4, 4' и 7, 7', переменного тока с частой 50 Гц (от генераторов возбуждения) создается переменное магнитное поле, которое периодически доводит сердечники чувствительных элементов 4, 4' и 7, 7' до насыщения. В отсутствие ферромагнитной неоднородности малые величины ЭДС, наводимые в измерительных обмотках чувствительных элементов 4, 4' и 7, 7' от воздействия магнитного поля намагничивающей катушки 5, взаимно компенсируются, поскольку элементы работают по схеме градиентометра, и выходные сигналы, фиксируемые индикаторами прибора, будут отсутствовать. Причем на первую пару 4, 4' и вторую пару 7, 7' чувствительных элементов, установленных ортогонально друг к другу (±180° контроля) и к силовым линиям магнитного поля намагничивающей катушки 5, действуют только малые его величины, которые компенсируются, не снижая чувствительности элементов 4, 4' и 7, 7' даже к небольшой по размерам ферромагнитной неоднородности. При поднесении рабочего конца устройства к зоне расположения максимально намагниченной неоднородности ее магнитное поле рассеяния будет воздействовать на чувствительные элементы 4 и 7, в результате этого в их измерительных обмотках появится ЭДС, отличающаяся от чувствительных элементов 4' и 7'. Разницы величин ЭДС, передаваемые в виде выходных сигналов на индикаторы прибора, информируют об обнаружении неоднородности и позволяют установить ее форму и ориентацию относительно рабочего конца устройства. В физическом смысле данные величины ЭДС являются мерой продольных градиентов нормальной и тангенциальной компонент магнитного поля рассеяния ферромагнитной неоднородности, направленных относительно продольной оси устройства.

При необходимости устройство может также работает в режиме возбуждения обмотки намагничивающей катушки 5 постоянным током. Причем в этом режиме можно дополнительно перепроверять результаты локализации ферромагнитной неоднородности, путем временного отключения намагничивающей катушки 5 и исследования неоднородности уже при приобретенной ею в этот момент намагниченности, величина которой значительно выше, чем при сформировавшейся остаточной намагниченности неоднородности, но меньше, чем при ее максимальном намагничивании.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет на качественно новом уровне повысить эффективность диагностики ферромагнитной неоднородности при оперативной хирургии, ферритометрии, неразрушающем контроле материалов. Благодаря предложенной комплексной конструкции устройства значительно увеличивается достоверность и точность локализации ферромагнитной неоднородности, в том числе небольшой по размеру или слабомагнитной, за счет возможности локального намагничивания неоднородности и, как следствие, увеличения величины ее магнитного поля рассеяния до уровня восприятия чувствительными элементами устройства, а также осуществления ее двойного контроля при ±180° сфере обзора. Приобретение устройством новых функциональных возможностей позволило существенно расширить области для его практического использования и диапазон номенклатуры контролируемой неоднородности.

1. Устройство для локализации ферромагнитной неоднородности в немагнитных средах, содержащее феррозондовый преобразователь, включающий металлический немагнитный защитный корпус, в котором установлены на немагнитной панели в одной плоскости, ортогонально его продольной оси, параллельно друг другу, два чувствительных элемента, состоящие из пермаллоевых сердечников и катушек, обмотки которых соединены между собой градиентометрически и выполняют функции обмоток возбуждения и измерительной, с возможностью их подключения к генератору возбуждения переменного тока, отличающееся тем, что между чувствительными элементами установлена намагничивающая катушка с возможностью ее подключения к генератору блока питания.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно установлена ортогонально первой паре чувствительных элементов вторая пара чувствительных элементов, состоящая из пермаллоевых сердечников и катушек, обмотки которых соединены между собой градиентометрически и выполняют функции обмоток возбуждения и измерительной, с возможностью их подключения к генератору возбуждения переменного тока.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что намагничивающая катушка выполнена на ферритовых кольцах.