使用壓電陶瓷隔膜裝置的自動非磁性醫療監測儀的製作方法

2023-05-06 21:08:11 7

專利名稱：使用壓電陶瓷隔膜裝置的自動非磁性醫療監測儀的製作方法
技術領域：
本申請涉及診斷成像技術。本申請在存在用於產生強磁場的磁共振成像掃描儀的 情況下所使用的附件安全中有具體應用，並且將具體參考其進行描述。然而，應當理解本申 請還在不存在強磁場的情況下用於更多的傳統設施，並且本申請不限於上述應用。
背景技術：
常規的磁共振成像(MRI)使用強磁場以排列在成像區域中的對象中的偶極子。通 常，對容納MRI磁體的房間進行磁屏蔽，以便防止強磁場幹擾其它磁敏感裝置。這種強磁場 的一種潛在危險的副作用是其對附近鐵磁材料所施加的物理吸引力。如果將金屬物體置於 非常接近磁體處，將使得該物體以極大的速度朝向磁體推進，從而具有傷害附近的人、磁體 和物體本身的風險。因此，當磁體以一磁場操作時，金屬物體或含有金屬成分的物體必須與 該磁體保持一段安全距離。即使磁吸引力不足以使裝置整體物理移位，磁場仍能夠施加影 響裝置操作的力和扭矩。另一個副作用在於磁場能夠損壞磁敏感儀器並使它們過早地發生故障。即使在物 理吸引力沒有危險的距離處，仍然存在某些磁場，並且這些磁場能夠影響敏感部件。這可能 是暫時的故障，並且該裝置一旦被從磁場中移開就正常操作，但是也可能引起永久的損壞， 諸如永磁體的變形導致永久故障。在運動的電磁零件或含鐵零件上的磁力會引起導致永久 故障的額外負載。例如，自動血壓監測儀包含通常由非MRI安全部件驅動的泵。目前，自動無創血壓 裝置和氣體監測儀使用由電磁發動機驅動的離心泵或蠕動泵。在這些裝置中操作的閥由電 磁螺線圈致動。為了安全，這些監測儀必須與磁體保持一定的安全距離。如果在MRI裝置 中的患者需要血壓監測，需要長的管子或軟管從監測儀的泵和閥部分延伸至安置於患者身 上的袖帶、面罩或其他感測器，這給患者和醫護人員帶來了需要應對的物理障礙。由於是在 MRI房間周圍操縱監測儀和患者，軟管對有效的工作流程產生負面的影響。此外，在監測儀 中的部件仍然在MR房間內並且受到磁場的影響，並且趨向於過早地發生故障。過去，已經 為這些裝置指定了 「MR條件」等級，其中，這些裝置標記有允許的最大磁場暴露。這可以轉 換為與具有恆定Btl場的MRI機器的安全距離。為了保護敏感部件免受磁場影響，有時使用鐵磁屏蔽。雖然這些屏蔽幫助保護部 件免受損壞，但它們並不是完全阻隔磁場的，並且它們存在增加的物理吸引力風險，因此必 須保持離開一段安全距離。雖然屏蔽能夠幫助緩解敏感部件的過早故障，仍必須將長的軟 管從MRI裝置內的患者延伸至監測儀。本申請提供了新的、改進的MRI安全裝置，其克服了上述問題及其他問題。

發明內容
根據一方面，提供了一種磁共振系統。主磁體在成像區域中產生基本均勻的主磁 場。梯度線圈組件在主磁場上施加梯度磁場，從而對主磁場進行空間編碼。射頻組件在成
4像區域中的對象的選定的偶極子中誘發磁共振，並從成像區域接收磁共振信號。自動非磁 性監測儀測量並顯示對象的參數。根據另一方面，提供了一種MRI安全血壓監測儀。壓力袖帶向患者的動脈施加壓 力。第一換能器感測在壓力作用下動脈內的可聽事件。壓電陶瓷蠕動泵對壓力袖帶加壓。 第一高壓驅動器驅動該壓電泵。第二換能器感測施加於壓力袖帶的壓力。第一壓電陶瓷隔 膜閥以受控的、線性速率從壓力袖帶釋放壓力。第二高壓驅動器驅動第一壓電隔膜閥。氣 動連接至少連接泵和壓力袖帶。控制電路至少控制泵和隔膜閥。電源至少向第一高壓驅動 器和第二高壓驅動器提供功率。根據另一方面，提供了一種在磁場中得到對象血壓的方法。利用磁共振成像裝置 的主磁體產生主磁場。通過閉合第一線性壓電陶瓷隔膜閥，閉合第二壓電陶瓷隔膜排放閥 (dump valve)，以及致動壓電陶瓷泵來對位於主磁場中的壓力袖帶充氣。通過打開第一閥 並關閉泵，從壓力袖帶釋放空氣來讀取壓力。在得到壓力讀數之後，通過打開第二閥從袖帶 中釋放殘留的空氣。一個優勢在於能夠在高磁場環境中監測患者血壓而無需使用長軟管。另一個優勢在於能夠在高磁場環境中監測施予的氣體而無需使用長軟管，其中， 壓電陶瓷泵抽取採樣氣體所需的真空。另一個優勢在於增加了部件在高磁場環境中的壽命。另一個優勢在於增加了靈活性和患者使用的方法(patient access)。另一個優勢在於減少了 MRI裝置附近的鐵磁材料。另一個優勢在於增加了患者和醫護人員的安全性。通過閱讀和理解下面的詳細說明，本領域技術人員將了解本發明的進一步優勢。


本發明可以採用不同部件和部件的布置的形式，以及採用不同步驟和步驟的布置 的形式。附圖僅用於圖示說明優選實施例，並且不應解釋為是對本發明的限制。圖1是具有MR安全醫療監測儀的磁共振成像設備的圖解說明；圖2是根據本申請的血壓監測儀的圖解說明；圖3圖示說明了用於MR安全醫療監測儀的閥；圖4圖示說明了用於MR安全監測儀的泵；圖5是MR安全閥的備選實施例。
具體實施例方式參考圖1，描述了磁共振掃描儀10。磁共振掃描儀10能夠是包括垂直主磁體組件 12的開放式場系統。主磁體組件12生成沿成像區域的垂直軸定向的基本恆定的主磁場。盡 管為幫助可視化部分地圖示說明了垂直主磁體組件12，應當理解的是，也可以預期諸如圓 柱和其他構造的其他磁體布置。開放式系統中的主磁體12可以具有大約2500高斯(0. 25T) 到10，000高斯(1. 0T)的場強。孔腔型系統可以產生15，000高斯(1. 5T)到70，000高斯 (7. 0T)或更高的磁場。通常，在較低場強處，5高斯線是較接近的，在高場強處更大，但是5 高斯線也可以隨著諸如屏蔽和構造的因素而變化。
5
梯度線圈組件14在成像區域中生成磁場梯度，從而對主磁場進行空間編碼。優選 地，磁場梯度線圈組件14包括配置為在三個正交方向(通常為縱向或者ζ、橫向或者χ以及 垂直或者y方向)生成磁場梯度脈衝的線圈段。射頻線圈組件16產生射頻脈衝，用於在對象的偶極子中激發共振。射頻線圈組件 16還用於檢測從成像區域發出的共振信號。射頻線圈組件16是對整個成像區域進行成像 的發送/接收線圈，然而，也可以預期本地發送/接收線圈或本地的專用接收線圈。梯度脈衝放大器18向磁場梯度組件14輸送受控電流以生成選定的磁場梯度。射 頻發射器20，優選為數字的，向射頻線圈組件16施加射頻脈衝或脈衝分組以激發選定的共 振。將射頻接收器22耦合到線圈組件16或分立的接收線圈以接收和解調所誘發的共振信 號。為了採集對象的共振成像數據，將對象放置在成像區域中。序列控制器24與梯度 放大器18和射頻發射器20通信以補充對感興趣區域的光學操作。例如，序列控制器20生 成選定的重複回波穩態或其他共振序列，對這些共振空間編碼，選擇性地操作或擾亂共振， 或者另外產生選定的表徵對象的磁共振信號。所產生的共振信號由RF線圈組件16或本地 線圈(未示出)檢測，傳送至射頻接收器22，解調並存儲於k空間存儲器26中。由重建處 理器28對成像數據進行重建，從而生成存儲在圖像存儲器30中的一幅或更多幅圖像表示。 在一個適當的實施例中，重建處理器28執行傅立葉逆變換重建。所得到的圖像表示由視頻處理器32處理並顯示在裝備有人可讀顯示器的用戶接 口 34上。優選地，接口 34是個人計算機或工作站。除了生成視頻圖像，圖像表示能夠由打 印機驅動器處理並列印、在計算機網絡或網際網路等上傳輸。優選地，用戶接口 34還允許放 射學家或其他操作人員與序列控制器24通信以選擇磁共振成像序列、修改成像序列、執行 成像序列等。便攜監測儀40與患者一同位於磁場中。在圖示說明的實施例中，監測儀40是血 壓監測儀，並且通過至少一個空氣軟管44連接至常規的壓力袖帶42。下面描述了雙軟管系 統。然而，應當理解，能夠測量任何參數，並且本申請不必要具體限於血壓監測儀。當測量 血壓時，對袖帶42充氣，從而在患者身上(通常為患者的二頭肌)施加可測量的壓力。對 袖帶42充氣從而使得袖帶42的壓力增加到高於患者動脈收縮壓的壓力。這暫時阻斷了血 流通過臂動脈。然後允許空氣以恆定速率從袖帶中放出。當血液開始流入臂動脈時，換言 之，當袖帶42或在臂上的其他感測器檢測到脈搏時，監測儀40記錄壓力值作為患者的收縮 壓。空氣繼續從袖帶42放出直到袖帶再也無法檢測到脈搏為止，並將脈搏消失時的壓力值 記錄為患者的舒張壓。參考圖2，更詳細地示出了血壓監測儀40，包括使上述測量可行的部件。為了增加 袖帶42中的壓力，泵46從大氣中抽取空氣並將其泵入袖帶42。隨著對袖帶42充氣，系統 閉合使得袖帶42內的壓力增加。在圖3圖示說明的實施例中，泵46是壓電泵，並且更具體 而言，是蠕動壓電陶瓷致動泵，但是也可以預期其他類型的壓電泵。壓電元件46a在箭頭所 指示的方向上膨脹和收縮。隨著致動壓電元件，其使得柔性隔膜46b彎曲。隨著隔膜46b彎 曲，其減少了泵腔46c的體積，由此從腔經由出口止回閥46d泵送流體。隨著壓電元件46a 鬆弛，泵腔46c的體積增加並且通過入口止回閥46e抽入流體。止回閥46d、46e兩者都是 壓力致動的單向閥，其防止逆流通過泵腔46c。泵46的壓電元件46a由相關的高壓驅動器
648驅動。驅動器48受監測儀控制器50控制。為了感測血液是否在臂動脈中流動，使第一換能器52位於袖帶42內或袖帶42的 附近。當血液開始流動時，伴隨著由湍流血流生成並由換能器52檢測的特徵音(第一柯氏 音)。第二換能器54測量袖帶42的壓力。在泵46對袖帶42充氣加壓之後，空氣經由線性 閥56從袖帶42放出。在圖4圖示說明的實施例中，線性閥56是壓電陶瓷隔膜閥。壓電元 件56a如箭頭所指示地膨脹和收縮。隨著壓電元件膨脹，其迫使閥元件56b開始與閥座56c 接觸，從而密封閥56。當壓電元件56a鬆弛時，閥56打開並且流體能夠通過閥56流動。任 選地，可以使用操縱器操作的壓電閥。線性閥56具有與其自身相關的高壓驅動器58，高壓 驅動器58也由監測儀控制器50控制。任選地，線性閥可以由雙金屬元件56a驅動，其中， 所測量的電流生成熱能並引起已知的彎曲。然後，閥允許(流體)以已知的流動速率通過。 這種類型也是非磁性的，但是不需要附加的高壓驅動器。當袖帶42的壓力在患者的收縮壓和舒張壓之間時，由於動脈壓伴隨著患者心臟 的搏動而不斷躍至袖帶壓力之上和回落至袖帶壓力之下，血流將是湍流的。只要袖帶42的 壓力在收縮壓和舒張壓之間，第一換能器52就能夠檢測到湍流血流。一旦袖帶壓力下降到 收縮壓以下，通過臂動脈的流動不再是湍流的，這是由於動脈不再被壓縮。不能檢測到進一 步的聲音。當第一換能器52不再檢測到任何聲音時，發生這種情況時由第二換能器54所 報告的壓力被記錄為舒張壓。一旦記錄了舒張壓，排放閥60就打開將袖帶42中的殘留空氣釋放到大氣中。在 一個實施例中，如線性閥56—樣，排放閥60是壓電陶瓷隔膜閥。相似地，排放閥60由其自 身的高壓驅動器62驅動。監測儀控制器50控制所有的驅動器48、58、62以執行上面詳細 描述的過程。在袖帶42充氣過程中，泵46開啟並閉合線性閥56和排放閥60兩者。在血 壓測量過程中，將泵46關閉，打開線性閥56，並保持排放閥60閉合。一旦讀取了舒張壓，以 及在不使用期間，將泵46關閉，並且閥56、60兩者都打開。如果監測儀40未能完成讀取， 控制器50可以立即再次開始該過程。任選地，排放閥可以由雙金屬元件驅動而無需附加的 高壓驅動器，所述雙金屬元件將電轉化為熱能從而引起運動和閥致動。如前面所述的，該過程受到監測儀控制器50的控制。優選地，用戶可以利用用戶 接口 64與監測儀控制器50接口連接。用戶可以定製即時讀數，或者設置定期讀數，並回顧 存儲於監測儀存儲器66中的近期壓力讀數。任選地，監測儀40中包括無線收發器68，從 而使得控制器50可以將讀數傳送至遠程工作站，諸如房間內、操作人員工作站、或護士工 作站、或監測儀處理單元70。適當的電源72 (如電池、AC適配器或從MR系統汲取功率的系 統)向監測儀40提供功率。優選地，監測儀40裝備有能夠在空閒時插入牆壁插座，但在使 用時無線的可充電電池，如非磁性鋰離子電池。通過使用陶瓷壓電元件，在監測儀40中沒有電磁敏感部件。因此，能夠為其給定 「MR安全」等級並消除了 MR裝置10的場中的患者對從監測儀40引導至患者的延伸線纜和 管子的需要。壓電設計同樣適用於無線、便攜、桌上和安裝在基架上的血壓監測儀，但是尤 其適用於能夠與患者一起進入MR裝置孔腔的監測儀。任選地，利用電磁幹擾屏蔽74對監 測儀進行屏蔽，以防止監測儀40對圖像採集或圖像質量產生負面影響。另外，監測儀控制 器50和存儲器66被屏蔽於磁場之外。在另一實施例中，氣體監測儀(諸如測量呼氣末CO2或輸送麻醉氣體的監測儀)配置有用於MRI系統的壓電陶瓷泵和閥。在氣體監測儀中，將呼吸面罩放置在患者嘴上方。 壓電蠕動泵從面罩或相關排出線泵送氣體。操作壓電閥以移動定量體積的排出氣體進入分 析腔，在分析持續時間內使得氣體保留在腔內，並且在分析之後排出氣體。其他類型的磁場安全泵和閥也是可以預期的。如在圖5中圖示說明的，雙金屬元 件80由加熱器82加熱並允許冷卻以使得其沿箭頭所指示的方向移動塞子84。塞子84使 得隔膜86彎曲並使得它在打開和閉合位置之間致動閥座88。類似地，雙金屬元件80的交 替加熱和冷卻能夠對蠕動泵的隔膜進行泵送。也可以預期其他類型MR安全閥和泵。已經參考優選實施例描述了本發明。本領域技術人員在閱讀和理解前述詳細描述 的情況下可以對其進行修改和變更。只要這些修改和變更包含在所附權利要求及其等同的 範圍內，本發明意欲解釋為包括所有這些修改和變更。
權利要求
一種磁共振系統，包括主磁體(12)，其用於在檢查區域中產生基本均勻的主磁場；梯度線圈組件(14)，其用於在所述檢查區域中的所述主磁場上施加梯度磁場，從而對所述主磁場進行空間編碼；射頻組件(16)，其用於在所述檢查區域中的對象的選定偶極子中誘發磁共振，並接收所述磁共振；自動非磁性監測儀(40)，其至少部分設置在所述檢查區域中，以測量並顯示所述對象的至少一個生理參數。
1.一種磁共振系統，包括主磁體(12)，其用於在檢查區域中產生基本均勻的主磁場；梯度線圈組件(14)，其用於在所述檢查區域中的所述主磁場上施加梯度磁場，從而對 所述主磁場進行空間編碼；射頻組件(16)，其用於在所述檢查區域中的對象的選定偶極子中誘發磁共振，並接收 所述磁共振；自動非磁性監測儀(40)，其至少部分設置在所述檢查區域中，以測量並顯示所述對象 的至少一個生理參數。
2.如權利要求1所述的磁共振系統，其中，所述監測儀(40)包括設置在所述檢查區域 中的泵(46)。
3.如權利要求2所述的磁共振系統，其中，所述泵包括壓電陶瓷蠕動泵(46)。
4.如權利要求？所述的磁共振系統，還包括高壓驅動器(48)，其用於設置在所述檢查區域中的所述壓電泵(46)。
5.如權利要求1所述的磁共振系統，其中，所述監測儀(40)包括設置在所述檢查區域 中的至少一個閥(56)。
6.如權利要求5所述的磁共振系統，其中，所述至少一個閥包括壓電陶瓷隔膜閥(56)。
7.如權利要求6所述的磁共振系統，其中，還包括 高壓驅動器(58)，其用於所述壓電隔膜閥(56)。
8.如權利要求1所述的磁共振系統，其中，所述非磁性監測儀(40)包括血壓監測儀 (40)和氣體分析監測儀中的一個。
9.如權利要求8所述的磁共振系統，其中，所述監測儀(40)包括血壓監測儀，所述血壓 監測儀還包括設置在所述檢查區域中的泵(46)； 設置在所述檢查區域中的至少一個閥(56)；用於控制高壓驅動器(48、58)的控制器(50)，所述高壓驅動器(48、58)用於驅動所述 泵(46)和所述閥(56)；用於至少存儲血壓讀數和所述血壓讀數被獲取的時間的存儲器(66)；電磁兼容封閉(74)，其在所述控制器(50)和所述存儲器(66)的周圍，以屏蔽放射發射。
10.如權利要求1所述的磁共振系統，其中，所述監測儀(40)還包括 雙金屬元件操作的閥或泵中的至少一個。
11.如權利要求1所述的磁共振系統，其中，所述主磁體在所述檢查區域中產生至少 2500高斯(0. 25T)的磁場。
12.—種MRI安全血壓監測儀，包括壓力袖帶(42)，其用於向患者動脈施加壓力；第一換能器(52)，其用於感測在壓力作用下的所述動脈內的可聽事件； 壓電陶瓷蠕動泵(46)，其對所述壓力袖帶(42)加壓； 第一高壓驅動器(48)，其驅動所述壓電泵(46)；第二換能器(54)，其感測對所述壓力袖帶(42)施加的壓力； 第一壓電陶瓷隔膜閥(56)，其以受控的線性速率從所述壓力袖帶釋放壓力； 第二高壓驅動器(58)，其驅動所述第一壓電隔膜閥(56)； 氣動連接(44)，其至少連接所述泵(46)和所述壓力袖帶(42)； 控制電路(50)，其至少控制所述泵(46)和所述隔膜閥(56)；電源(72)，其至少為所述第一和第二高壓驅動器(48，58)和所述控制電路(50)提供功率。
13.如權利要求12所述的MRI安全血壓監測儀，還包括在至少所述壓電泵(46)和閥(56)周圍的電磁幹擾封閉(74)，所述封閉(74)屏蔽放射發射。
14.如權利要求12所述的MRI安全血壓監測儀，其中， 所述第一壓電閥(56)是線性釋放閥。
15.如權利要求14所述的MRI安全血壓監測儀，還包括第二壓電隔膜閥(60)，其作為從所述監測儀釋放壓力的排放閥；以及 第三高壓驅動器(62)，其用於驅動所述第二壓電隔膜閥(60)。
16.如權利要求15所述的MRI安全血壓監測儀，其中， 兩個閥都是雙金屬致動裝置。
17.一種磁共振系統，包括主磁體(12)，其產生通過檢查區域的主磁場；設置在所述檢查區域中如權利要求12所述的血壓監測儀(40)。
18.一種監測磁場中的對象的方法，包括利用磁共振成像裝置的主磁體(12)產生主磁場； 利用梯度線圈系統(14)向所述檢查區域施加梯度磁場； 利用RF組件(16)向所述檢查區域施加RF脈衝；控制位於所述主磁場中的至少一個閥(56，60)和至少一個泵(46)，以進行下列之一 對血壓袖帶充氣和放氣以及向排出氣體分析器提供定量的呼出氣體樣本。
19.如權利要求18所述的方法，還包括通過閉合第一、線性壓電陶瓷隔膜閥(56)，閉合第二、壓電陶瓷隔膜排放閥(60)並致 動壓電陶瓷泵(46)來對位於所述主磁場中的壓力袖帶(42)充氣；通過打開所述第一閥(56)並關閉所述泵(46)從所述壓力袖帶(42)釋放空氣來讀取 壓力；通過打開所述第二閥(60)來從所述袖帶(42)釋放殘留空氣。
20.如權利要求19所述的方法，其中，所述主磁場大於或等於5000高斯。
21.如權利要求18所述的方法，還包括 將所述血壓測量值無線傳送到遠程位置(70)。
全文摘要
在磁共振成像(MRI)中，強磁場可以幹擾、損壞、引起永久的故障並吸引某些非MR安全儀器。消除了電磁敏感部件以有利於MR安全部件(如陶瓷壓電部件和雙金屬部件)。前述在對患者進行掃描時需要與主磁體(12)保持安全距離(例如大於5高斯線)的儀器現在允許在患者附近，而無需擔心對儀器(40)造成損壞，或威脅患者和醫務人員或MRI裝置(10)。
文檔編號G01R33/20GK101960321SQ200980106525
公開日2011年1月26日 申請日期2009年2月2日 優先權日2008年2月28日
發明者M·納爾遜 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司