DE19626596C2 - Magnetfeld-Erfassungssystem für den Schutz von elektronischen Geräten - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft eine Schaltung und ein Verfahren zum Schutz eines transportierbaren Elektroniksystems in Anwesenheit eines magnetischen Feldes.

Magnetresonanzabbildungs-Systeme (MRI-System; MRI = Magnetic Resonance Imaging) weisen große Magnetspulenstrukturen auf, welche in ihrer unmittelbaren Umgebung starke Magnetfelder hervorrufen. Innerhalb einer Öffnung in der Spulenstruktur (wo ein Patient plaziert ist) können Feldstärken im Bereich von 2.000 Gauss-15.000 Gauss auftreten. Obwohl die Feld­ intensität mit zunehmendem Abstand von der Spulenstruktur schnell abnimmt, ist es bekannt, daß innerhalb des MRI-HF- Gehäuses (HF = Hochfrequenz) noch hohe magnetische Restfel­ der vorhanden sind. Aus diesem Grund wird große Sorgfalt da­ rauf verwendet, um sicherzustellen, daß es keinen magneti­ schen Gegenständen ermöglicht wird, in das MRI-HF-Gehäuse zu kommen oder in die Umgebung der MRI-Spulenstruktur gebracht zu werden.

Gegenwärtig werden gewisse Patientendiagnoseverfahren ausge­ führt, während sich der Patient innerhalb der MRI-Einheit befindet. Während solcher Verfahren ist es notwendig, daß die Lebenszeichen der Patienten überwacht werden. Bei be­ kannten Systemen mußte eine Überwachungsausrüstung in vorher festgelegten Bereichen positioniert sein, um sichere Magnet­ feldpegel aufzuweisen, woraus eine begrenzte Flexibilität bei der Verwendung einer derartigen Ausrüstung resultiert.

Obwohl es vorgezogen wird, daß gewisse elektronische Über­ wachungsgeräte innerhalb des MRI-HF-Gehäuses behalten wer­ den, besteht immer eine Gefahr, daß ein Techniker als Folge des Bewegens der elektronischen Ausrüstung dieselbe in einen Bereich mit einer hohen Feldintensität bringt. Ein derarti­ ges Feld kann entweder einen Schaden an der Ausrüstung ver­ ursachen oder die Patientensignale, die verarbeitet werden, auf eine derartige Art und Weise verzerren, daß die Lebens­ zeichen des Patienten entweder verschleiert werden oder, daß sich die Patientensignale derart verändern, daß unkorrekter­ weise eine Notfallsituation angezeigt wird oder, was viel­ leicht noch schlimmer ist, daß ein Notfallsignal als fal­ scher Normalzustand verschleiert wird.

Aus der US-5,256,960 ist eine Vorrichtung zur Messung der elektromagnetischen Feldstrahlung bekannt, bei der das Aus­ gangssignal der Meßschaltung mit einer vorbestimmten Schwel­ le verglichen werden kann, woraufhin ein Alarm ausgelöst werden kann, wenn das Ausgangssignal die vorbestimmte Schwelle überschreitet.

Die US-4,954,812 bezieht sich auf eine Alarmgebereinrich­ tung, bei der ein Alarm erzeugt wird, wenn ein die Summe verschiedener Rotationskomponenten eines Magnetfelds anzei­ gendes Ausgangssignal ein vorbestimmtes Schwellensignal übersteigt.

Die US-3,418,572 beschreibt eine Vorrichtung zum Lokalisie­ ren leitfähiger Strukturen unter Verwendung eines unmodu­ lierten Signals, das von der Struktur, die lokalisiert wer­ den soll, abgestrahlt wird, um eine Signalisierungseinrich­ tung zu aktivieren und zu steuern, um ein akustisches Signal auszugeben, dessen Frequenz proportional zu der Stärke des Signals ist, das von der Signalisierungseinrichtung empfan­ gen wird.

Folglich besteht ein Bedarf nach einer elektronischen Aus­ rüstung, die innerhalb eines HF-Gehäuses einer MRI-Einheit plaziert werden kann, und die außerdem auf eine Art und Wei­ se arbeitet, die sicherstellt, daß genaue Signale der Le­ benszeichen des Patienten erzeugt werden. Ferner besteht ein Bedarf, die elektronische Ausrüstung für den Fall zu schüt­ zen, daß ein Techniker dieselbe zu nahe an die MRI-Einheit bringt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schaltung zum Schutz von Elektroniksystemen sowie ein Ver­ fahren zum Schutz von Elektroniksystemen zu schaffen, welche Elektroniksysteme sicher und flexibel vor zu hohen elektro­ magnetischen Feldern schützen.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren nach Anspruch 8 gelöst. Bevorzugte Ausgestal­ tungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Eine Schutzschaltung steuert in Anwesenheit eines elektroma­ gnetischen Feldes mit einem hohen Pegel eine elektronische Ausrüstung. Die Schutzschaltung weist eine Feldsensoranord­ nung auf, welche Ausgabesignale liefert, die magnetische Feldstärkekomponenten anzeigen, die entlang der drei ortho­ gonalen räumlichen Achsen ausgerichtet sind. Eine Vektorum­ wandlerschaltung ist mit den Feldsensoren verbunden und lie­ fert eine Ausgabe mit einer Größe, die die Vektorsumme der elektromagnetischen Feldstärkekomponenten anzeigt. Eine er­ ste Anzeigevorrichtung reagiert auf eine Ausgabe von dem Vektorumwandler, der eine erste Schwelle erreicht, um ein Warnsignal kundzutun, daß die magnetische Feldstärke einen Warnpegel erreicht hat. Eine zweite Anzeigevorrichtung rea­ giert auf eine Ausgabe von dem Vektorumwandler, der eine zweite Schwelle erreicht, die höher als die erste Schwelle ist, um die elektronische Ausrüstung zu sperren. Eine weite­ re Schaltungsanordnung ist geschaffen, um die elektronische Ausrüstung wieder freizugeben, falls dieselbe aus dem Be­ reich bewegt wird, in dem das Magnetfeld die erste Schwelle übersteigt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung, die eine MRI-Einheit und ein transportierbares elektronisches Überwa­ chungssystem zeigt, das an einem Patienten befe­ stigt ist.

Fig. 2 ein Diagramm einer Schutzschaltung, die die Erfin­ dung derselben ausführt.

Fig. 3 ferner ein Ausführungsbeispiel eines Abschnitts der Schutzschaltung, die mehrere Alarmzustands-Anzeigen ermöglicht.

In Fig. 1 erzeugt ein MRI 10, wenn es betrieben wird, inner­ halb seines Kerns 12 ein elektromagnetisches Feld mit einer hohen Intensität. Das Magnetfeld erstreckt sich auch außer­ halb des Kerns, wie es durch Feldlinien 14 und 16 darge­ stellt ist. Ein auf Rädern befestigter Transportwagen 18 weist eine Elektronikausrüstung 20, die auf demselben befe­ stigt ist, zum Überwachen der Lebenszeichen eines Patienten 21 auf. Die Elektronikausrüstung 20 ist mit einer Schutz­ schaltung versehen, wobei die Details derselben in Fig. 2 gezeigt sind. Wenn der Transportwagen 18 in die Nähe der MRI-Einheit 10 manövriert wird, ist es möglich, daß ein Techniker bewirken kann, daß die Elektronikausrüstung 20 zu nahe an den Magneten herankommt, und daß dieselbe sehr hohen Feldstärken ausgesetzt wird.

Eine Schutzschaltung innerhalb der Elektronikausrüstung 20 ist in Fig. 2 gezeigt, wobei dieselbe drei Hallbauelement- Feldsensoren 22, 24 und 26 aufweist, die jeweils orientiert sind, um die Feldstärkekomponenten zu erfassen, die nach den Achsen eines Kartesischen Koordinatensystems ausgerichtet sind, das der Anordnung der Sensoren 22, 24 und 26 zugeord­ net ist. Der Hallsensor 22 ist derart orientiert, um eine Signalausgabe zu liefern, die eine Feldkomponente anzeigt, die entlang der X-Achse (siehe Fig. 1) orientiert ist. Der Hallsensor 24 ist positioniert, um eine Signalausgabe zu liefern, die eine Feldkomponente anzeigt, die entlang der Y-Achse orientiert ist, und der Hallsensor 26 ist positio­ niert, um eine Signalausgabe zu liefern, die eine Feldkom­ ponente anzeigt, die entlang der Z-Achse orientiert ist.

Jeder Hallsensor 22, 24 und 26 führt seine jeweilige Ausgabe einem Vektorumwandler 28 zu, welcher wiederum eine Span­ nungsausgabe liefert, deren Wert gleich der Quadratwurzel der Summe der quadrierten Werte jeder Sensorausgabe ist. Das resultierende Potential auf einer Leitung 30 ist gleich dem Absolutwert der Vektorsumme der X-, Y- und Z-Feldkomponente, die durch die Hallsensoren 22, 24 und 26 erfaßt werden. Der Vektorumwandler 28 ist eine handelsüblich erhältliche Schal­ tung und weist drei Vektorumwandlermodule AD637 auf, die von Analog Devices Inc. erhältlich sind.

Die Vektorumwandlerausgabe wird an Komparatoren 32 und 34 angelegt. Ferner werden zwei Referenzspannungen A und B an die Komparatoren 32 und 34 angelegt, wobei es die Referenz­ spannungen ermöglichen, daß deren Ausgaben einen Stufenwert zeigen, wenn eine Spannung auf der Leitung 30 eine jeweilige Referenzspannung überschreitet. Der Komparator 34 zeigt eine Hysterese, welche bewirkt, daß seine Ausgabe, sobald diese hoch ist, hoch bleibt, bis sein Eingangspegel auf einen Pe­ gel reduziert wird, der ein Einstellwert ist, der niedriger als der Eingangspegel ist, welcher bewirkt hatte, daß seine Ausgabe in den hohen Zustand übergeht.

Die Referenzspannung A ist auf einen Pegel eingestellt, der eine Ausgabe von dem Vektorumwandler 28 anzeigt, wenn der erfaßte Vektor-Feldstärkenwert einen Warnzustand erreicht. Wenn das Potential der Leitung 30 die Referenzspannung A übersteigt, steigt folglich die Ausgabe des Komparators 30 auf einen hohen Pegel an, wodurch bewirkt wird, daß ein Transistor 36 leitend wird. Als Ergebnis leuchtet ein gelbes Anzeigevorrichtungslicht auf und liefert eine Warnung, daß die Feldstärke in der Umgebung der elektronischen Ausrüstung 20 einen Warnzustand erreicht hat.

Die Spannungsreferenz B ist auf einen höheren Pegel als der Spannungspegel A eingestellt und zeigt eine Signalausgabe von dem Vektorumwandler 28 an, die auftritt, wenn die erfaß­ te Vektorfeldstärke einen Pegel erreicht hat, bei dem die Ausrüstung Schaden nimmt oder eine deutliche Signalver­ schlechterung auftreten kann. Unter einer derartigen Bedin­ gung liefert der Komparator 32 eine hohe Ausgabe, welche Transistoren 42 und 44 leitend macht. Das Leiten des Transi­ stors 42 schaltet ein rotes Abschaltanzeigevorrichtungslicht 46 ein. Das Leiten des Transistors 44 liefert eine negative Spannungsschwankung auf einer Kollektorleitung 45, welche durch einen An/Aus-Steuereingang (nicht gezeigt) der elek­ tronischen Ausrüstung 20 als ein Abschaltsignal erkannt wird. Als Reaktion darauf schaltet die elektronische Ausrü­ stung ihren Betrieb ab, bis wieder eine positive Spannungs­ verschiebung auf der Kollektorleitung 45 erfaßt wird.

Falls die Bedienungsperson daraufhin die elektronische Aus­ rüstung 20 aus einer Region mit einer hohen Feldstärke ent­ fernt, derart, daß die Ausgabe auf der Leitung 30 mindestens um den Hysteresepegel in dem Komparator 32 unter die Refe­ renzspannung A fällt, fällt die Ausgabe des Komparators auf einen niedrigen Pegel. Dieser Vorgang macht die Transistoren 42 und 44 nicht-leitend, wodurch das Abschaltanzeigevorrich­ tungslicht 46 abgeschaltet und die elektronische Ausrüstung 20 eingeschaltet werden.

Wenn man sich Fig. 3 zuwendet, ist dort eine digitale Versi­ on der Schaltung, die in Fig. 2 gezeigt ist, dargestellt. Die Ausgabe von dem Vektorumwandler 28 wird an einen Ana­ log/Digital-Wandler (A/D-Wandler) 50 angelegt, welcher wie­ derum seine Ausgabe zu einer Zustandsmaschine 52 liefert. Die Zustandsmaschine 52 kann beispielsweise auf ein Eingabe­ potential von dem A/D-Wandler 50 reagieren, das einer Vek­ torfeldgröße von 30 Gauss entspricht, um ein gelbes Warn­ licht 54 leuchten zu lassen. Zur selben Zeit wird ein hörba­ rer Alarm 56 eingeschaltet, um anzuzeigen, daß die Warnung beachtet werden sollte.

Falls die erfaßte Feldstärkeausgabe von dem A/D-Wandler 50 60 Gauss übersteigt, wird über eine Leitung 58 ein Schwin­ gungssignal an einen Alarm 56 angelegt, wobei das Signal da­ zu dient, den Ton des Alarms 56 mit einer Anfangsfrequenz zu modulieren. Sowie die gemessene Feldstärke zunimmt, nimmt auch die Modulationsfrequenz des Alarms 56 zu, wodurch ange­ zeigt wird, daß die Vorrichtung höheren Feldstärken ausge­ setzt ist. Bei einer angezeigten Feldstärke von 90 Gauss läßt die Zustandsmaschine 52 ein rotes Licht 60 leuchten, welches anzeigt, daß das Abschalten bevorsteht. Wenn eine Ausgabe von dem A/D-Wandler 50 eine Feldstärke von 100 Gauss oder höher kundtut, wird schließlich einem Latch 62 eine Ausgabe zugeführt, welcher eine negativ-gehende Spannungs­ schwankung ausgibt, welche die elektronische Schaltung 20 auf die oben beschriebene Art und Weise sperrt. Lediglich wenn die erfaßte Feldstärke unter einen voreingestellen Pe­ gel fällt, wird der Latch 62 zurückgesetzt, wodurch eine po­ sitivgehende Spannungsschwankung geliefert wird, um den Be­ trieb der elektronischen Ausrüstung 20 wiederherzustellen.

Wie es oben gezeigt ist, berechnet der Vektorumwandler 28 eine Vektorsumme der drei Sensorausgaben durch Berechnen der Quadratwurzel der Summe der Quadrate, wobei derselbe eine zu der Vektorgröße des erfaßten Felds proportionale Spannung sowohl dem Audioalarm und als auch der Zustandsmaschine 52 zuführt. Die Vektorberechnung ermöglicht eine genauere Cha­ rakterisierung eines vorkommenden magnetischen Feldes, als wenn die Komparatoren mit jedem Hallsensor verwendet würden. Der Vektorumwandler 28 berechnet und verwendet bei der Be­ rechnung des Vektorwertes inhärent das Quadrat der Sensor­ spannungen, weshalb derselbe in der Lage ist, bipolare Ma­ gnetfelder mit gleicher Leistungsfähigkeit zu erfassen. Die Ausgabe des Vektorumwandlers 28 kann entweder linear oder logarithmisch sein. In dem letzteren Fall werden die Refe­ renzpotentiale demgemäß eingestellt.

Es ist offensichtlich, daß die vorhergehende Beschreibung lediglich die Erfindung darstellt. Verschiedene Alternativen und Modifikationen können von Fachleuten ausgedacht werden, ohne dabei von der Erfindung abzuweichen. Obwohl beispiels­ weise drei Feldsensoren gezeigt worden sind, können weniger Sensoren geeignet sein (z. B. X und Y), um das gewünschte Feldstärkesignal zu liefern. Ferner können passive Flußrich­ tungskomponenten verwendet werden, um die vorkommenden Fel­ der aufzusummieren, und um die aufsummierten Felder zu einem einzigen Feldsensor zu führen. Obwohl Halleffekt-Bauelemente im Vorhergehenden als bevorzugte Feldsensoren beschrieben worden sind, können andere Magnetometer-Technologien verwen­ det werden, wie z. B. magneto-resistive Bauelemente, Sätti­ gungsinduktivitätsbauelemente, Flußtor-Geräte ("fluxgate"- Geräte) und Lichtwellenleitersensoren, die magneto-optische Materialien verwenden.

Claims (8)

1. Schaltung zum Schutz eines transportierbaren Elektro­ niksystems in Anwesenheit eines magnetischen Feldes (16) mit einem hohen Pegel, wobei die Schaltung folgen­ de Merkmale aufweist:
eine Felderfassungseinrichtung (22, 24, 26) zum Liefern von Ausgabesignalen, die die Feldstärkekomponenten des magnetischen Feldes (16) anzeigen;
eine Schaltungseinrichtung (28), die mit der Felderfas­ sungseinrichtung verbunden ist und auf die Ausgabesi­ gnale anspricht, um eine Ausgabe mit einer Größe zu liefern, die eine aus den einzelnen Feldstärkekomponen­ ten gebildete resultierende Vektorstärke des magneti­ schen Feldes (16) anzeigt;
eine erste Warneinrichtung (34, 36, 38, 52), die auf eine Ausgabe von der Schaltungseinrichtung (28), die eine erste Schwelle (Ref A) erreicht, anspricht, zum Kundtun eines Signals, daß die Vektorstärke des magne­ tischen Feldes (16) einen Warnpegel erreicht hat; und
eine zweite Warneinrichtung (32, 42, 44, 52), zum Aus­ geben einer Anzeige, bei der das Elektroniksystem ge­ sperrt wird, wenn eine Ausgabe von der Schaltungsein­ richtung (28) eine zweite Schwelle (Ref B) erreicht, die höher als die erste Schwelle ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1,
bei der die zweite Warneinrichtung (32, 42, 44, 52) ferner einen Komparator (32) aufweist, der die Anzeige ausgibt, wenn die Ausgabe von der Schaltungseinrichtung (28) die zweite Schwelle (Referenz B) erreicht, wobei
der Komparator (34) ferner wirksam ist, um die Anzeige nur zu entfernen, wenn die Ausgabe von der Schaltungs­ einrichtung (28) unter die erste Schwelle (Ref A) fällt.

3. Schaltung nach Anspruch 2, bei der die erste Warneinrichtung (52) ferner einen Audioalarm (56) betätigt, wenn die Ausgabe von der Schaltungseinrichtung (28) die erste Schwelle (Ref A) übersteigt, wobei dieselbe ferner den Audioalarm (56) moduliert, um einem Zuhörer zu ermöglichen, Veränderun­ gen der Vektorstärke des magnetischen Feldes (16) zwi­ schen der ersten (Ref A) und der zweiten (Ref B) Schwelle wahrzunehmen.

4. Schaltung nachAnspruch 2 oder 3, bei der die zweite Warneinrichtung ein Warnlicht (60) leuchten läßt, wenn eine dritte Schwelle erreicht wird, die zwischen der ersten (Ref A) und der zweiten (Ref B) Schwelle und zwar näher an der zweiten Schwelle (Ref B) liegt.

5. Schaltung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, bei der die Felderfassungseinrichtung (22, 24, 26) min­ destens drei Hallerfassungsbauelemente aufweist, wobei jedes Bauelement orientiert ist, um eine Feldstärkekom­ ponente zu erfassen, die entlang einer Achse eines dreidimensionalen Kartesischen Koordinatensystems vor­ handen ist.

6. Schaltung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche,
bei der die erste Warneinrichtung (34, 36, 38, 52) und
die zweite Warneinrichtung (32, 42, 44, 52) als Teile einer digitalen Zustandsmaschine (52) konfiguriert sind.

7. Verfahren zum Schutz eines transportierbaren Elektro­ niksystems in Anwesenheit eines magnetischen Feldes mit einem hohen Pegel, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Liefern von Ausgabesignalen, die die Feldstärkekompo­ nenten des magnetischen Feldes anzeigen;
Kombinieren der Ausgabesignale, um eine Vektorausgabe mit einer Größe zu liefern, die eine aus den einzelnen Feldstärkekomponenten gebildete resultierende Vektor­ stärke des magnetischen Feldes anzeigt;
wenn die Vektorausgabe eine erste Schwelle erreicht, Kundtun eines Signals, daß die Vektorstärke des magne­ tischen Feldes einen Warnpegel erreicht hat; und
wenn die Vektorausgabe eine zweite Schwelle erreicht, die höher als die erste Schwelle ist, Ausgeben einer Anzeige, bei der das Elektroniksystem gesperrt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem, nachdem die Anzei­ ge ausgegeben wurde, wenn die Vektorausgabe die zweite Schwelle erreicht, der folgende Schritt durchgeführt wird: Entfernen der Anzeige nur, wenn die Vektorausgabe unter die erste Schwelle fällt.