DE10125327C2 - Vorrichtung und Verfahren zum Schützen vor Magnetfeldern - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung und ein Verfahren zum Schützen einer Schaltung in einem Magnetfeld hoher Stärke.

Hintergrund der Erfindung

Zur Feinstdiagnose verschiedener Teile eines Körpers (z. B. weichen Gewebes) ohne die Verwendung von Röntgenstrahlen wird Magnetresonanz-Bildgebung (MRI) eingesetzt. Ein MRI-Scanner entwickelt ein großes und sehr starkes Magnetfeld, in welchem der Patient angeordnet wird. Eine HF-Antenne wird verwendet, um ein HF-Signal in den Körper zu senden. Wenn das HF-Signal die korrekte Frequenz hat, richten sich Protonen im Körper vorüber­ gehend miteinander aus und emittieren ein HF-Signal, das schwä­ cher ist als das von der Antenne gesendete HF-Signal. Diese Rücksignale werden mit Hilfe eines Computers, der mit dem Scan­ ner verbunden ist, in Bilder umgesetzt.

Das vom Körper abgegebene HF-Signal ist so schwach, dass ein aus der Umwelt kommendes HF-Signal der selben Frequenz (z. B. das Signal einer kleinen Radiostation) in einem ungeschützten Milieu die besagten Rücksignale verwaschen würde. Deswegen wer­ den MRI-Scanner in einer "MRI-Suite" installiert, d. h. in einer eigens dafür hergerichteten Räumlichkeit, und werden mit einer Hochfrequenz- oder Faraday-Abschirmung umgeben, um sie vor äu­ ßerer HF-Störstrahlung zu schützen. Die meisten elektronischen Einrichtungen emittieren jedoch in gewissem Grade HF-Signale im betrachteten Frequenzbereich. Insbesondere Computer emittieren ein HF-Signal, welches stärker ist als das vom Körper kommende Signal. Deswegen müssen die Gerätschaften in einer MRI- Räumlichkeit so modifiziert werden, dass sie keine HF-Signale abstrahlen, die das vom Körper emittierte Signal beeinträchti­ gen.

Beim Vorhandensein eines von außen angelegten Magnetfeldes richten sich Protonen im Körper mit dem Magnetfeld aus und prä­ zedieren mit einer speziellen Frequenz. Um das magnetische Mi­ lieu zu schaffen, in welchem die Atomkerne ein genügend starkes Signal zum Auslesen emittieren, ist ein statisches Magnetfeld mit hoher Stärke erforderlich. Die so genannte Magnetresonanz entsteht, wenn die besagten Protonen durch HF-Wellen angeregt werden, welche dieselbe Frequenz haben, mit der die Protonen präzedieren. Bei medizinischer Bildgebung betragen die verwen­ deten Feldstärken typischerweise 1,5 Tesla (T), was etwa das 30.000-fache der Stärke des Erdmagnetfeldes ist. Ein solches Feld ist so stark, dass es schwere Bodenpolierer und Putzeimer in den Innenraum (d. h. in die "Bohrung") des Magneten zieht, Krankentragen quer durch den Raum zieht und stählerne Sauer­ stoffflaschen in fliegende Geschosse verwandelt. Solche Effekte haben schon zu Verletzungen mit Todesfolge geführt. Bekannt ge­ worden ist auch, dass kleinere Objekte (z. B. Funkrufempfänger, Haarklemmen und Schreibstifte) in der magnetischen Räumlichkeit fort von den sie tragenden Personen gezogen werden. Die Anzie­ hungskraft des Magneten auf ferromagnetische Objekte ist die augenfälligste Gefahr, die von dem hohen statischen Magnetfeld eines MRI-Scanners ausgeht.

MRI-Räumlichkeiten müssen gründlich überwacht werden, da alles umgebende Eisen paramagnetisch ist und somit der Wirkung von Magnetfluss ausgesetzt ist. Manchmal ist es notwendig, Rohrlei­ tungen und elektrische Verkabelung neu zu verlegen und alle stationären umgebenden Eisenteile (z. B. Baustahl, Fußbodenbe­ lag, Betonarmierungsstäbe) aus der Räumlichkeit zu entfernen.

Für Hilfsgeräte, die in einer MRI-Räumlichkeit betrieben wer­ den, gibt es drei Auflagen. Diese Auflagen sind: 1) dass die anziehende Wirkung der Magnetfelder auf die Hilfsgeräte keine Gefahr darstellt; 2) dass die Hilfsgeräte innerhalb des Magnet­ feldes richtig funktionieren, und 3) dass die Hilfsgeräte ihrerseits keine Eigenwirkungen auf die Qualität des erzeugten Bildes ausüben.

Einige der wichtigeren Herausforderungen bei der Überwachung von Patienten in einer MRI-Räumlichkeit stellen sich durch die beiden großen HF-Spulen, die den Patienten umgeben. Im allge­ meinen sendet die äußere Spule die HF-Strahlung, während die innere Spule die vom Patienten emittierte HF-Strahlung emp­ fängt. Wie oben erwähnt, muss die MRI-Räumlichkeit abgeschirmt werden vor äußerer HF-Störstrahlung, die den HF-Empfang beein­ trächtigen kann. Die HF-Abschirmung der MRI-Räumlichkeit kann erfolgen durch Auskleidung der Wände und Fenster mit durchge­ henden Blechen oder Drahtnetzen, typischerweise aus Kupfer. Mo­ nitore und Kabel müssen abgeschirmt werden, um zu verhindern, dass diese Einrichtungen HF in den Raum bringen. Kabel können beispielsweise mit einer dünnen Aluminiumfolie oder mit Kupfer­ drahtgewebe umwickelt werden, und zur Umschließung elektrischer Einrichtungen können kleine Kupferkästen verwendet werden.

Die Wirkung des Magnetfeldes in der MRI-Räumlichkeit auf Gerät­ schaften hängt ab von der Stärke des Magneten, von der Nähe der Gerätschaften zum Magneten sowie von der Menge des vorhandenen ferromagnetischen Materials und von den Einzelheiten der in den Geräten verwendeten Schaltung. Das Magnetfeld wird schwächer, wenn ein Objekt von der Bohrung des Magneten fortbewegt wird. Typischerweise wird empfohlen, ferromagnetische Materialien mehrere Fuß jenseits des Punktes zu halten, an dem das Magnet­ feld unter den Wert von 50 Gauß fällt.

Im allgemeinen können elektronische Gerätschaften innerhalb der MRI-Räumlichkeit platziert werden, wenn man ihre paramagneti­ schen Bestandteile durch nicht-magnetischen Edelstahl, Messing, Aluminium oder Kunststoff ersetzt. Jedoch bleibt auch mit der reduzierten Eisenbelastung noch viel von der kleineren empfind­ licheren Instrumentierung in den Geräten ferromagnetisch und empfänglich für das Magnetfeld. Somit kann es vorkommen, dass das Funktionsvermögen und die Genauigkeit von Gerätschaften in­ nerhalb der Räumlichkeit immer noch beeinträchtigt ist. Bei­ spielsweise kann jeder Geräteteil, der Transformatoren oder Drosselspulen benutzt, in einem Magnetfeld hoher Stärke Fehl­ funktionen oder Schaden erleiden.

MRI-Magnetfelder können bewirken, dass die Kerne von Transfor­ matoren oder Drosselspulen gesättigt werden. Die Sättigung von Transformator- oder Drosselspulen-Kernen reduziert deren Perme­ abilität (Induktivität) und erlaubt Überströme, die den Trans­ formator oder die Drosselspule durchbrennen lassen können. Dem­ entsprechend werden, wenn möglich, Patienten-Überwachungsgeräte im allgemeinen außerhalb der MRI-Räumlichkeit gehalten, und es wird eine externe Stromversorgungsquelle verwendet.

Neuerdings gibt es MRI-Einrichtungen mit offenem Magneten, so dass komplizierte neurochirurgische Verfahren innerhalb einer MRI-Räumlichkeit durchgeführt werden können, wobei sich der Pa­ tient und der Chirurg innerhalb des Magneten befinden. Schon die Natur dieser Verfahren verstärkt die Notwendigkeit zur prä­ zisen und genauen Patientenüberwachung (z. B. Invasiv-, Herz­ schlag- und Atmungs-Überwachungsgeräte) in dichter Nähe zur Bohrung des Magneten, wo das stärkste Magnetfeld existiert.

Für den Einsatz in der MRI-Räumlichkeit gibt es speziell kon­ struierte Anästhesiegeräte. In derartigen Geräten sind die meisten ferromagnetischen Teile durch Messing, Aluminium, nicht-magnetischem Edelstahl und Kunststoff ersetzt, um Anzie­ hungskräfte zu minimieren. Insbesondere sind der Rahmen, das Chassis und die Einschübe aus Aluminium hergestellt. Außerdem sind viele Kleinteile, einschließlich Verbindungselemente und Federn, entweder aus Aluminium oder aus nicht-magnetischem Edelstahl gebildet.

In der MRI-Räumlichkeit können zur Ventilation sowohl Umlauf- als auch Neubeatmungs-Anästhesiesysteme verwendet werden. Kri­ tisch bei solchen Anästhesiesystemen sind Strömungssensoren zum Messen des Atemdurchsatzes. Ultraschall-Strömungssensoren sind fest zu den bevorzugten Durchflussmessern bei Strömungen gewor­ den, wo Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit wichtig sind. Ultraschall-Strömungssensoren, die mit Flugzeitmessung (Laufzeitmessung) arbeiten, messen die Laufzeitdifferenz zwischen Impulsen, die mit der Strömung gesendet werden, und Im­ pulsen, die gegen die Strömung gesendet werden. Die Messung ba­ siert auf dem Prinzip, dass sich der Ultraschall stromaufwärts langsamer ausbreitet als stromabwärts.

Wenn immer eine Strömung vorhanden ist, gibt es eine Laufzeit­ differenz zwischen stromaufwärts gesendeten Ultraschallimpulsen und stromabwärts gesendeten Ultraschallimpulsen im Atemstrom­ weg. Diese Differenz wird benutzt, um die Strömungsgeschwindig­ keit zu berechnen, die dann mit der Querschnittsfläche des Strömungsweges multipliziert wird, um das Strömungsvolumen zu erhalten. Vorzugsweise sind die beiden Wandler piezokeramisch und im Weg einer Gasströmung angeordnet, um abwechselnd Schall­ wellen zueinander hin zu senden.

Die piezoelektrischen Wandler sind typischerweise über zwei einander angepasste Standardtransformatoren, die Eisenkern und Drahtwicklung aufweisen, mit Sende- und Empfangsschaltungen ge­ koppelt. Transformatoren sind empfänglich für Sättigung aus dem Magnetfeld der MRI-Einrichtung. D. h., das Magnetfeld der MRI- Einrichtung kann bewirken, dass der Kern des Transformators in die Sättigung gelangt.

Wenn sich die Permeabilität des Kerns vermindert, sinkt der Wirkungsgrad der Energieübertragung im Transformator, und die Impedanzen der Transformatorwicklungen nehmen ab. Beide dieser Änderungen treffen den Betrieb der Transformatoren, die Energie an die piezoelektrischen Wandler geben und/oder von ihnen empfangen, und beeinträchtigen daher den Betrieb des Ultra­ schall-Strömungssensors. Die Sättigung des Transformatorkerns verhindert die Erzeugung induktiver Spannung, und Überströme können einen Leistungstransformator durchbrennen lassen.

Die Funktion eines Magnetkerns verschlechtert sich im allgemei­ nen graduell bis zum Erreichen des Sättigungsflusswertes des Kerns. Wenn dieser Wert erreicht ist, geht der Kern in die Sät­ tigung, und die Permeabilität des Kerns nähert sich der Permea­ bilität der Luft. Für Eisenkernstrukturen kann dies eine be­ trächtliche Änderung der Kernpermeabilität bedeuten. Diese große Änderung in der Kernpermeabilität bewirkt, dass der Gasströ­ mungswandler bei einer kleinen Zunahme des externen Magnetfel­ des vom genauen in einen sehr ungenauen Betrieb übergeht. Zu­ sammenfassend gesagt verhindert eine Sättigung des Transforma­ tors die Erzeugung induktiver Spannung, und Überströme können den Leistungstransformator durchbrennen lassen und den Betrieb des Sensors beeinträchtigen.

Um sicherzustellen, dass die Gasströmungswandler nicht in einer Situation verwendet werden, in der das externe Magnetfeld die oben erwähnten Probleme hervorrufen könnte, wäre es vorteil­ haft, eine Abschirmung und ein Verfahren zum Abschirmen der Transformatoren vorzusehen. Es wäre auch günstig, einen Weg zu finden, um die magnetische Feldstärke im Umfeld der Transforma­ toren zu messen, um das Vorhandensein eines kritischen externen Magnetfeldes anzuzeigen.

Aus DE 196 11 174 C1 ist ein Messwertaufnehmer mit einem Ein­ gangstransformator und einem Ausgangstransformator bekannt, wo­ bei die Transformatoren zur Abschirmung gegenüber kapazitiver und induktiver Kopplung teilweise von einem geerdeten Abschirm­ blech umgeben sind.

Weiterhin ist aus DE 44 05 408 C1 ein Metallgehäuse für den Einbau elektronischer Bauteile bekannt, das die darin befindli­ chen elektronischen Bauteile gegen elektrische und magnetische Störfelder abschirmt.

Ein ähnliches Abschirmgehäuse ist auch aus DE-OS 25 14 583 be­ kannt.

Schließlich ist aus DE 195 45 559 A1 zu entnehmen, dass es be­ kannt ist, sowohl Kabel als auch Gerätegehäuse elektromagne­ tisch abzuschirmen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine verbes­ serte Anordnung bzw. ein entsprechendes Verfahren zum Schützen einer Mehrzahl von Transformatoren in einer magnetischen Räum­ lichkeit anzugeben.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. - hinsichtlich des Verfahrens - durch die Merkmale des Anspruchs 16 gelöst.

Kurz gesagt, sorgen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegen­ den Erfindung für das Abschirmen einer Schaltung in einem Mag­ netfeld, sie schützen zwei oder mehr Transformatoren vor dem Erreichen eines Sättigungszustandes in einem Magnetfeld, und sie sorgen für eine Anzeige eines Zustandes, in welchem eine Schaltung einem Magnetfeld ausgesetzt wird, das die Schaltung ungenau machen würde.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält eine beispielgebende Anordnung zum Schützen von Transformato­ ren, die sich in einer magnetischen Räumlichkeit befinden und elektrische Energie von einer Energiequelle an eine Verarbei­ tungsschaltung übertragen, eine magnetische Abschirmung, welche die Transformatoren derart umschließt, dass sie Störeinflüsse von Umgebungsmagnetfluss auf den Transformator verhindert.

Als eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird ein beispielgebendes Verfahren zum Schutz zweier oder mehrerer Transformatoren in einer magnetischen Räumlichkeit beschrieben. Die Transformatoren übertragen elektrische Energie von einer Energiequelle an eine Verarbeitungsschaltung. Gemäß dem Verfah­ ren werden die beiden Transformatoren in einer magnetischen Ab­ schirmung eingeschlossen, die störende Einwirkungen eines Umge­ bungsmagnetflusses auf die Transformatoren verhindert, und die Transformatoren werden in einem Hochfrequenz (HF) abschirmenden Gehäuse eingeschlossen, welches verhindert, dass HF-Signale in das Gehäuse eindringen und aus dem Gehäuse austreten können. Das Verfahren kann außerdem beinhalten, innerhalb der magneti­ schen Abschirmung, vorzugsweise zwischen dem ersten und dem zweiten Transformator, einen Magnetsensor anzuordnen, der den Betrag des Magnetflusses innerhalb der magnetischen Abschirmung misst. Der Magnetsensor kann mit einer Warnschaltung gekoppelt werden, um anzuzeigen, wann der Betrag des Magnetflusses inner­ halb der magnetischen Abschirmung eine vorbestimmte Schwelle übersteigt. Außerdem kann das Verfahren beinhalten, die magne­ tische Abschirmung an einem Anästhesiegerät zu befestigen, das ausgelegt ist für einen Betrieb in einer MRI-Räumlichkeit nahe an einem MRI-Scanner.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schützt ein Gehäuse zwei oder mehr Transformatoren, die elek­ trische Energie von einer Energiequelle an eine Verarbeitungs­ schaltung übertragen, vor einer Sättigung durch Umgebungsmag­ netfluss. Das Gehäuse enthält die Transformatoren und ein ers­ tes und ein zweites Abschirmteil. Das erste Abschirmteil um­ schließt die Transformatoren teilweise und enthält eine erste abschirmende Schicht bzw. Lage aus einem Material (z. B. Ei­ sen), das permeabel für den Umgebungsmagnetfluss ist. Das zwei­ te Abschirmteil umschließt den Transformator ebenfalls teilwei­ se und enthält eine zweite abschirmende Lage aus einem Material (z. B. Eisen) das permeabel für den Umgebungsmagnetfluss ist. Das erste und das zweite Abschirmteil sind so ausgelegt, dass sie aneinander passen, um den Transformator zumindest im we­ sentlichen vollständig zu umschließen und einen um den Trans­ formator herumgehenden Nebenschluss für den Magnetfluss bilden. Diese Ausführungsform der Erfindung enthält auch einen Sensor, der innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, um den auf den Transformator einwirkenden Magnetfluss zu messen, sowie eine Warnschaltung zum Bestimmen des Magnetflusses und zum Anzeigen, wann der Magnetfluss eine vorbestimmte Schwelle überschreitet. Vorzugsweise enthält die Verarbeitungsschaltung einen Strö­ mungssensor, der den Atemdurchsatz einer Person in einer MRI- Räumlichkeit mißt.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird in Verbindung mit den nachstehend aufgeführ­ ten Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Elemente mit je­ weils gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind.

Fig. 1 zeigt in auseinandergezogener perspektivischer Dar­ stellung eine Magnetfluss-Abschirmvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung des Deckels der Magnetfluss-Abschirmvorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 zeigt die in Fig. 1 dargestellte Abschirmvorrich­ tung von unten;

Fig. 4 ist eine Schnittansicht der Abschirmvorrichtung entlang der Linie 4-4 in Fig. 3;

Fig. 5 ist eine Schnittansicht der Abschirmvorrichtung entlang der Linie 5-5 der Fig. 3;

Fig. 6 ist eine auseinandergezogene Darstellung eines bei­ spielgebenden Elektronikgehäuses, das mit der Ab­ schirmvorrichtung nach Fig. 1 verwendet wird;

Fig. 7 ist eine perspektivische Darstellung eines Strö­ mungssensorgehäuses und eines Elektronikgehäuses gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung, und

Fig. 8 ist eine Seitenansicht eines beispielgebenden Anäs­ thesiegerätes, das ausgelegt ist zur Verwendung in einem Magnetfeld hoher Stärke, gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Es sei nun ausführlicher auf die verschiedenen Figuren einge­ gangen. In der Fig. 1 ist eine beispielgebende Magnetfluss- Abschirmvorrichtung 10 dargestellt (im folgenden kurz als "Mag­ netabschirmung" bezeichnet). Die Magnetabschirmung 10 enthält ein oberes Teil 12 und ein unteres Teil 14, die eine Transfor­ matorschaltung umschließen, welche einen ersten und einen zwei­ ten Transformator 16 und 18 aufweist. Die Magnetabschirmung 10 ist vorzugsweise so orientiert, dass ihre lange Achse (z. B. Länge) ausgerichtet ist mit einer Achse maximaler magnetischer Empfindlichkeit des ersten und des zweiten Transformators 16, 18. Die Transformatoren sind von allgemein bekannter, dem Fach­ mann geläufiger Art und enthalten vorzugsweise zwei Drahtspu­ len, die von einander isoliert sind und auf einen gemeinsamen laminierten Kern gewickelt sind, der aus einem Material be­ steht, das für Magnetfluss permeabel ist (z. B. Eisen).

In bevorzugten Ausführungsformen sind die Transformatoren 16, 18 hochtransformierende Transformatoren, in denen sich Energie von einer Niederspannungswicklung auf eine Hochspannungswick­ lung überträgt. Die Signalübertragung zu und von den Transfor­ matoren 16, 18 erfolgt vorzugsweise über Anschlussstifte (Fig. 4), die von den Transformatoren 16, 18 abstehen, wie es unten ausführlicher beschrieben wird. Der Typ der Transformatoren und ihrer Anschlusselemente hängt jedoch vom Zweck der Transforma­ toren ab. Während die Magnetabschirmung 10 im dargestellten Fall zwei Transformatoren umschließt, versteht es sich jedoch, dass die Anzahl der Transformatoren abhängig ist von den jewei­ ligen Verwendungsarten und Erfordernissen der Transformatoren und der mit ihnen verbundenen Schaltungen.

Die Magnetabschirmung 10 ist vorzugsweise aus einem warm ge­ walzten niedriggekohlten Stahl hergestellt, der eine relativ geringe Permeabilität hat. Die Magnetabschirmung 10 bildet ei­ nen um die Transformatoren 16, 18 herumgehenden Nebenschluss für den Umgebungsmagnetfluss außerhalb der Magnetabschirmung 10. Genauer gesagt leitet die Magnetabschirmung 10 den Magnet­ fluss um die Transformatorkerne herum. Die Magnetabschirmung 10 ist vorzugsweise so konstruiert, dass mit einer minimalen Menge an Stahl der Magnetfluss innerhalb der Abschirmung 10 reduziert wird.

Das Unterteil 14 der Abschirmung 10 hat eine im wesentlichen ebene Grundplatte 20 und Wände 22, die eine Vertiefung 24 zur Aufnahme der Transformatoren 16, 18 definieren. Die Wände 22 stehen von der Grundplatte 20 nach oben und haben eine obere Lippe 26, die den Umfang der Vertiefung 24 eingrenzt. Die Transformatoren 16, 18 stehen vorzugsweise über Löcher 28 (Fig. 3) in der Grundplatte 20 des Unterteils 14 mit einer Energiequelle und einer Verarbeitungsschaltung in Verbindung, wie unten ausführlicher beschrieben. Das Unterteil 14 weist ferner abstehende Laschen 32, 34, 36, 38 auf, die an anderen Objekten befestigt werden können. Die Laschen 32 und 34 bei­ spielsweise stehen von den Enden der oberen Lippe 26 ab, um an ähnlichen Laschen befestigt zu werden, die am Oberteil 12 abstehen, wie unten ausführlicher beschrieben. Die Laschen 36, 38 stehen von der Grundplatte 20 ab und dienen zum Befestigen der Magnetabschirmung 10 an einem anderen Objekt, wie z. B. einem Elektronikgehäuse oder einem Anästhesiegerät, wie unten aus­ führlicher beschrieben. Jede Lasche 32, 34, 36, 38 kann ein Durchgangsloch 31 enthalten, als Hilfe zum Befestigen der La­ sche am Oberteil 12 oder an einem Elektronikgehäuse, wie weiter unten beschrieben.

Das Oberteil 12 hat ein Dach 40 und Wände 42, die eine Vertie­ fung zur Aufnahme der Transformatoren 16, 18 definieren. Die Wände 42 stehen vom Dach 40 nach unten und enthalten eine unte­ re Lippe 44, die vorzugsweise mit der oberen Lippe 26 des Un­ terteils 14 ausgerichtet ist. An zwei Seiten des Oberteils 12 stehen Laschen 48, 50 ab. Die Laschen 48, 50 haben vorzugsweise ähnliche Größe und Gestalt wie die Laschen 32 und 34 des Unter­ teils 14. Wie in Fig. 1 gezeigt, fluchten die Laschen 32, 34 des Unterteils vorzugsweise mit den Laschen 48, 50 des Ober­ teils 12.

Die Fig. 2 zeigt die Unterseite des in Fig. 1 dargestellten De­ ckels bzw. Oberteils 12. Wie gezeigt, enthält der Deckel eine Öffnung 54, durch die sich Drähte 56 erstrecken, wie unten aus­ führlicher beschrieben wird. Innerhalb der Abschirmung 10 und vorzugsweise an der Unterseite des Oberteils 12 ist ein Magnet­ sensor 58 befestigt. Der Magnetsensor 58 misst den an seinem Ort bestehenden Magnetfluss und ist vorzugsweise so angeordnet, dass er zwischen den Kernen des ersten und des zweiten Trans­ formators 16, 18 liegt, wenn die Magnetabschirmung 10 geschlos­ sen ist.

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, ist der Sensor 58 mit Dräh­ ten 56 verbunden, die sich vom Sensor 58 durch die im Deckel (Oberteil 12) befindliche Öffnung 54 erstrecken. Die Drähte 56 gehen zu einer externen Schaltung 60, die den vom Sensor 58 ge­ messenen Magnetfluss ausliest und eine Anzeige liefert (z. B. mittels LED-Anzeigern, Schallzeichen oder anderen Zeichen), wenn der Magnetfluss stark genug ist, um den Betrieb der Trans­ formatoren 16, 18 zu beeinträchtigen. Wie oben erwähnt, nimmt bei einer Erhöhung des Magnetflusses in den Kernen der Trans­ formatoren 16, 18 die Permeabilität des Kernmaterials ab, wo­ durch der Übertragungswirkungsgrad der Transformatoren 16, 18 und auch die Impedanzen der Transformatorwicklungen reduziert werden. Diese Reduzierungen wirken sich auf den Betrieb der Schaltungsanordnung aus, die Energie in die Transformatoren 16, 18 treiben und/oder von ihnen empfangen. In einer bevorzugten Ausführungsform empfängt ein mit Ultraschall arbeitender Strö­ mungssensor Energie von den Transformatoren 16, 18. Der Strö­ mungssensor enthält zwei Wandler, die Ultraschallimpulse mit der Strömung und gegen die Strömung eines von einem Patienten kommenden Atemgases senden und empfangen. Die Wandler des Ul­ traschall-Strömungssensors empfangen Spannungsbursts von den Transformatoren 16, 18. Vermindert sich infolge übermäßigen Magnetflusses die Energieübertragung von den Transformatoren 16, 18, wird der Betrieb der Wandler beeinträchtigt, wie eben­ falls weiter unten beschrieben wird.

Der Magnetsensor 58 ist innerhalb und nicht außerhalb der Ab­ schirmung angeordnet, so dass er das die Transformatoren 16, 18 umgebende Magnetfeld genauer messen kann. Wie gezeigt, ist der Sensor 58 vorzugsweise so positioniert, dass er mit der Achse größter Empfindlichkeit der Transformatoren 16, 18 ausgerichtet ist. In dieser Position kann der Sensor 58 den Betrag des Mag­ netflusses entlang derjenigen Richtung feststellen, die für die Transformatoren 16, 18 am kritischsten ist. Im Betrieb empfängt die externe Schaltung 60 eine Ausgangsspannung vom Magnetsensor 58. Wenn die Ausgangsspannung des Sensors 58 in der einen oder anderen Richtung um ein vorbestimmtes Maß von einem die Feld­ stärke Null anzeigenden Nominalwert abweicht, signalisiert die externe Schaltung 60 einen Störzustand, was anzeigt, dass der kritische Betrag der Magnetfeldstärke innerhalb der Magnetab­ schirmung 10 überschritten ist. Diese Störanzeige bedeutet, dass der Wandlerausgang wegen der Stärke des die Transformato­ ren 16, 18 umgebenden Magnetfeldes wahrscheinlich instabil ist.

Die Fig. 3 zeigt das Unterteil 14 der Magnetabschirmung in ei­ ner Ansicht von unten. Wie gezeigt, enthält das Unterteil 14 die im wesentlichen ebene Grundplatte 20 mit den abstehenden Laschen 36, 38. Das in Fig. 3 gezeigte Unterteil 14 hat außer­ dem Laschen 32 und 34, die von seinen Seiten abstehen. Die La­ schen des Unterteils 14 und des Oberteils 12 sind nicht ent­ scheidend für die bevorzugten Ausführungsformen und veranschau­ lichen lediglich ein Beispiel für Mittel zum Befestigen des Oberteils 12 am Unterteil 14 und zum Befestigen des Unterteils an einem anderen Objekt (z. B. an einer PC-Platine, einem HF- Abschirmgehäuse, einem Anästhesiegerät), wie unten ausführli­ cher beschrieben wird.

Wie oben erwähnt, enthält die Grundplatte 20 des Unterteils 14 auch Öffnungen 28. Die Öffnungen 28 sind vorzugsweise mit An­ schlussstiften 62 ausgerichtet, die von den Transformatoren 16 und 18 abstehen. Die Stifte 62 werden gewöhnlich verwendet, um Eingangs- und Ausgangssignale zu und von den Transformatoren 16, 18 zu übertragen, wie es sich für einen Fachmann leicht versteht. Es genügt zu erwähnen, dass die Stifte 62 verwendet werden für die Übertragung von Signalen zwischen den Transfor­ matoren 16, 18 und einer Energiequelle oder einer Verarbei­ tungsschaltung (z. B. Ultraschall-Strömungssensoren, piezo­ elektrischen Wandlern). Zwischen den Stiften 62 und den Innen­ wandungen der Öffnungen 28 ist jeweils eine isolierende Hülse oder Schicht (z. B. aus Kunststoff) angeordnet, um für eine zu­ sätzliche Isolation der Stifte 62 zu sorgen. Die Isolatoren können mittels irgendwelcher bekannter Anheftmethoden (z. B. Klebstoff, Heißsiegelung) an den Öffnungen 28 oder an den Stif­ ten 62 befestigt werden.

Die Fig. 4 und 5 zeigen Schnittansichten der Abschirmung 10 und der Transformatoren 16, 18 gemäß den Schnittlinien 4-4 bzw. 5-5 der Fig. 3. Wie gezeigt, stoßen die untere Lippe 44 des Oberteils 12 und die obere Lippe 26 des Unterteils 14 aneinan­ der, so dass die Wände 22, 42 und die Laschen fluchten. In die­ ser Position ist die Magnetabschirmung 10 geschlossen und um­ schließt die darin befindlichen Transformatoren 16, 18, um ei­ nen um die Transformatoren herumführenden Nebenschluss für Mag­ netfluss zu bilden.

Wie in Fig. 5 gezeigt und oben beschrieben, hat das Oberteil 12 eine Öffnung 54, durch welche Drähte 56 vom Magnetfeldsensor 58 zur externen Schaltung 60 laufen können, die den vom Sensor 58 gemessenen Magnetfluss ausliest und anzeigt, wann der Magnet­ fluss eine vorbestimmte Schwelle überschreitet. Wenn der auf die Transformatoren 16, 18 einwirkende Magnetfluss die vorbe­ stimmte Schwelle übersteigt, was eine eventuelle Sättigung der Transformatoren anzeigen kann, sollten die Magnetschirmung 10 und die Transformatoren 16, 18 in einen Bereich verlegt werden, wo der Magnetfluss geringer ist. In einer MRI-Räumlichkeit kann dies einfach dadurch geschehen, dass man die als Beispiel ge­ zeigte Magnetabschirmung 10 und Transformatoren 16, 18 um ein kleines Stück (z. B. um wenige Zoll) vom MRI-Magneten wegbe­ wegt.

Wie ein Fachmann leicht einsehen kann, geht eine beträchtliche Bedrohung für Überwachungsmaßnahmen in der MRI-Räumlichkeit von den beiden großen HF-Spulen aus, die den Patienten umgeben. Ty­ pischerweise sendet eine äußere Spule das HF-Signal, während eine innere Spule das vom Patienten emittierte HF-Signal emp­ fängt. Weil das vom Patienten emittierte HF-Signal so schwach ist (z. B. etwa 1 × 10^-8 Watt), kann HF-Störstrahlung im Umfeld (z. B. in der MRI-Räumlichkeit) das vom Patienten emittierte HF-Signal verwaschen. Deswegen muss eine MRI-Räumlichkeit abge­ schirmt werden vor äußerer HF-Einstrahlung, wie sie z. B. von Wechselsprech-Funkanlagen, Radiostationen, Fernsehsendern, Piepsern usw. kommen kann und welche den HF-Empfang bei der MRI beeinträchtigen kann. In ähnlicher Weise muss jede in der MRI- Räumlichkeit verwendete Gerätschaft, die HF-Störstrahlung er­ zeugt, ebenfalls hochfrequenzmäßig abgeschirmt sein. Monitore und Kabel müssen abgeschirmt werden, weil HF-Impulse auch in der Lage sind, elektrische Ströme zu induzieren und Störungen innerhalb der elektrischen Gerätschaften zu verursachen.

Ein bevorzugter Weg zum Abschirmen der Magnetabschirmung 10 vor HF-Einflüssen ist in Fig. 6 gezeigt. Wie dargestellt, weist die HF-Abschirmung ein Elektronikgehäuse 64 auf, welches die Mag­ netabschirmung 10 umschließt. Das beispielgebende Elektronikge­ häuse 64 hat einen Gehäusedeckel 66, der einen Gehäusekasten 68 zur Umschließung der Magnetabschirmung 10 zudeckt, ein Filter 70, eine PC-Platine 72 und Verbinderelemente 74. Das Filter 70 trennt hochfrequente HF-Signale, die in der Wandlerschaltung erzeugt werden, von den am Ausgang der Wandlerschaltung gelie­ ferten niedrigfrequenten Datensignalen. Das Filter 70 verhin­ dert, dass die HF das Gehäuse 64 über die Kabel verlassen kann, welche die Wandlerschaltung mit dem Anästhesiegerät verbinden. Die PC-Platine 72 ist an der Magnetabschirmung 10 befestigt, und zwar an den Anschlussstiften 62 der Transformatoren 16, 18. Die PC-Platine 72 ist die Signalverarbeitungsschaltung für den Strömungssensor. Sie liefert die passenden Signale an die Transformatoren, interpretiert die Ergebnisse und sendet die resultierenden Strömungsdaten über ein Kabel an das Anästhesie­ gerät. Die Verbinderelemente 74 enthalten ein erstes Verbinder­ element 76 für den Masseanschluss, ein zweites Verbinderelement 78 zum Anschließen des Strömungssensors und weitere Verbinder­ elemente, die benötigt werden zum Betreiben der Elektronik­ schaltungen, z. B. Transformatoren, Filter, Magnetflusssensor, usw.

Um eine HF-Abschirmung zu bewirken, ist das Elektronikgehäuse 64 aus einer Lage eines Materials gebildet, das HF-Signale re­ flektiert oder absorbiert, z. B. aus Kupfer oder Aluminium. Im gezeigten Fall hat das Elektronikgehäuse 64 eine HF-Abschir­ mung, welche neben den Transformatoren 16, 18 und der Magnetab­ schirmung auch elektronische Einrichtungen und Schaltungen um­ schließt (z. B. Filter 70, PC-Platine 72); es versteht sich je­ doch, dass die HF-Abschirmung eine beliebige Form haben kann, welche die Magnetabschirmung und die Strömungssensor-Schaltung vor HF-Störstrahlung schützt. So könnte die HF-Abschirmung bei­ spielsweise eine dünne Lage aus Aluminiumfolie oder Kupfer sein, welche nur die Magnetabschirmung 10 und die Transformato­ ren 16, 18 umgibt, oder die HF-Abschirmung könnte in Form eines größeren Gehäuses vorgesehen sein, das mehrere elektronische Einrichtungen umschließt. Wie gezeigt, ist die Magnetabschir­ mung 10 mittels Schrauben an der PC-Platine 72 und am Gehäuse­ kasten 68 befestigt. Außerdem sind das Filter 72 und der Gehäu­ sedeckel 66 durch Schrauben mit den Gehäusekasten 68 verbunden. Es versteht sich, dass die genannten Einrichtungen und Schaltungen auch durch andere Mittel befestigt sein können, z. B. durch Stifte, Klammern oder Klebstoff, und dass die Befestigung nicht auf Schrauben beschränkt ist, sondern beliebige Befesti­ gungsmittel umfassen mag, welche die Einrichtungen und Schal­ tungen fest zusammenhalten können.

Die Magnetabschirmung 10 schützt vorzugsweise die Transformato­ ren 16, 18, die mit Verarbeitungsschaltungen in einem Milieu hoher magnetischer Feldstärke (z. B. bei oder oberhalb 1,0 T) verwendet werden. Ein Beispiel für eine Verarbeitungsschaltung ist ein Ultraschall-Strömungssensor. Die Fig. 7 zeigt in per­ spektivischer Ansicht, wie das Elektronikgehäuse nach Fig. 6 elektrisch mit einem Ultraschall-Strömungssensor 80 verbunden ist. Wie gezeigt, umschließt das Elektronikgehäuse 64 die Mag­ netabschirmung 10, die den ersten und den zweiten Transformator 16 und 18 enthält. Das Elektronikgehäuse 64 steht über ein Ka­ bel 82 mit dem Strömungssensor 80 in Verbindung. Das Kabel 82 enthält erforderliche Verbinderelemente und Schaltungsmittel zum Verbinden der Transformatoren 16, 18 mit dem Strömungssen­ sor 80.

In einem Ultraschall-Strömungssensor werden Transformatoren be­ nötigt zum Verstärken und zum Senden und Empfangen von Signa­ len. Bei der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform sind die Transformatoren 16, 18 getrennt von den Wandlern des Ultraschall-Strömungssensors 80 angeordnet, in Anbetracht der unterschiedlichen Magnetflussstärke an verschiedenen Orten re­ lativ zum Magneten in einem MRI-Scanner. Wie der Fachmann weiß, ist der Magnetfluss am stärksten in dichtester Nähe zum Magne­ ten. D. h., je größer der Abstand vom Magneten ist, desto schwä­ cher ist der Magnetfluss. Deswegen arbeiten elektronische Gerä­ te, die empfindlich für Magnetfluss sind, im allgemeinen bes­ ser, wenn sie weiter weg vom Magneten positioniert sind. Die mit dem Ultraschall-Strömungssensor 80 verwendeten Transforma­ toren 16, 18 funktionieren besser, wenn sie nahe am Boden einer MRI-Räumlichkeit angeordnet sind, weil am Boden der Magnetfluss schwächer ist als in der vertikalen Höhe der Bohrung des Magne­ ten.

Der Ultraschall-Strömungssensor 80 jedoch sollte sich nahe am Patienten befinden, um den Atemstrom des Patienten genauer zu messen. Der Atemstrom des Patienten wird nämlich genauer gemes­ sen, wenn der Strömungssensor 80 nahe am Patienten ist, weil dann im Wege vom Patienten zum Sensor 80 weniger Rohr- oder Schlauchleitung liegt als wenn der Sensor 80 am Boden oder wei­ ter weg vom Patienten wäre. Damit also sowohl die Transformato­ ren 16, 18 als auch der Strömungssensor 80 optimal arbeiten, sind der Strömungssensor 80 und die Transformatoren 16, 18 von einander getrennt, so dass der Strömungssensor 80 in dichter Nähe zum Patienten positioniert werden kann und die Transforma­ toren 16, 18 weiter weg vom Magneten angeordnet werden können. Wie oben beschrieben, ist die elektrische Verbindung zwischen den Transformatoren 16, 18 und dem Strömungssensor 80 herge­ stellt über ein Kabel 82, das vorzugsweise vor HF-Einstrahlung abgeschirmt ist und das die Spannung von den Transformatoren 16, 18 an den Strömungssensor 80 und zurück überträgt.

Welche Orte der Strömungssensor 80 und die Transformatoren 16, 18 vorzugsweise einnehmen könnten, lässt sich an einem Beispiel in Verbindung mit einem Anästhesiegerät 84 anhand der Fig. 8 veranschaulichen. Wie gezeigt, ist das Anästhesiegerät 84 mit einem Minimum an ferromagnetischen Bauteilen konstruiert, um Anziehungskräfte zwischen dem Anästhesiegerät 84 und dem MRI- Scanner zu reduzieren, und auch zur Sicherheit von Personen in der MRI-Räumlichkeit. Somit besteht das Anästhesiegerät 84 vor­ zugsweise im wesentlichen aus nicht-ferromagnetischen Materia­ lien wie Edelstahl, Messing, Aluminium und Kunststoff. Das Anästhesiegerät 84 hat nahe seinem Boden einen Batteriekasten 86, der vorzugsweise das in Fig. 6 gezeigte Elektronikgehäuse 64 enthält. Der Batteriekasten 68 ist vorzugsweise ebenfalls vor HF-Einstrahlung abgeschirmt, um die darin enthaltenen elektronischen Einrichtungen zu schützen.

Es versteht sich, dass die Transformatoren 16, 18 und die Mag­ netabschirmung 10 nicht im Elektronikgehäuse 84 untergebracht sein müssen. Jedoch sind die Transformatoren 16, 18 und die Magnetabschirmung 10 vorzugsweise unter HF-Abschirmung an einer vom Magneten entfernten Stelle im Anästhesiegerät 84 angeordnet. Da sich der Magnet eines MRI-Gerätes im allgemeinen wenige Fuß über dem Boden befindet, damit der Patient leichter hinein und herausgebracht und vom Gesundheitspersonal betreut werden kann, dürfte die dem Magneten fernstliegende Stelle des Anäs­ thesiegerätes im allgemeinen ein Ort nächst dem Boden sein, z. B. ein Ort innerhalb des Batteriekastens 86. Der Strömungs­ sensor 80 ist vorzugsweise nahe dem Patienten auf etwa der ver­ längerten Höhe des Patienten angeordnet, wie es z. B. die Fig. 8 mit der dort dargestellten Position des Strömungssensors 80 zeigt. Es versteht sich, dass die Transformatoren 16, 18 in der Magnetabschirmung 10 und der Strömungssensor 80 in der je­ weils gewünschten Weise angeordnet sein können, entsprechend der Vorliebe des Gesundheitspersonals und des Patienten und entsprechend den Gegebenheiten der MRI-Einrichtung.

Claims (18)

1. Anordnung zum Schützen einer Mehrzahl von Transformatoren in einem Magnetfeld,
mit einem ersten und einem zweiten Transformator (16, 18), die elektrische Energie aus einer Energiequelle an eine Verar­ beitungsschaltung übertragen,
und mit einer Magnetabschirmung (10), welche den ersten und zweiten Transformator (16, 18) umschließt und verhindert, dass Umgebungsmagnetfluss auf die Transformatoren einwirken kann,
gekennzeichnet durch einen Magnetfeldsensor (58), der innerhalb der Abschirmung (10) zwischen dem ersten und dem zweiten Trans­ formator (16, 18) angeordnet ist, um den auf die Transformato­ ren einwirkenden Magnetfluss zu messen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei jeder Transformator (16, 18) eine um einen Kern gewickelte Spule enthält, so dass der Betrieb des ersten und des zweiten Transformators von den mag­ netischen Eigenschaften des Kerns abhängt.

3. Anordnung nach Anspruch 3, wobei der Kern aus einem Mate­ rial besteht, das Eisen enthält.

4. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Magnetabschirmung (10) aus einem Material gebildet ist, das permeabel für den Umge­ bungsmagnetfluss ist, um diesen Fluss im Nebenschluss um die Transformatoren (16, 18) herumzuleiten.

5. Anordnung nach Anspruch 4, wobei das Material der Magnetab­ schirmung (10) warm gewalzten Stahl enthält.

6. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Verarbeitungsschaltung Bestandteil der Anordnung ist und einen Strömungssensor (80) aufweist, der ein mit der Verarbeitungsschaltung verbundenes Sensorelement enthält und zum Messen einer Strömung eines Flu­ ids von einem Patienten ausgelegt ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Verarbeitungsschaltung Bestandteil der Anordnung ist und einen Ultraschall- Strömungssensor (80) enthält, der den Durchsatz einer Atemströ­ mung misst, in dem er die Laufzeit erster und zweiter Ultra­ schallimpulse registriert, die entlang eines Wellenausbrei­ tungsweges mit der und gegen die Atemströmung sendet.

8. Anordnung nach Anspruch 1, ferner enthaltend ein das den ersten und zweiten Transformator (16, 18) umschließendes Gehäu­ se (64), welches eine HF-Abschirmung aufweist, die das Ein- und Austreten von HF-Signalen am Gehäuse blockiert.

9. Anordnung nach Anspruch 1, ferner enthaltend ein HF- Abschirmgehäuse (64), das die Transformatoren (16, 18) und die Magnetabschirmung (10) umschließt und das Ein- und Austreten von HF-Signalen am Gehäuse blockiert.

10. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Transformatoren (16, 18) hochtransformierend sind.

11. Anordnung nach Anspruch 1, ferner enthaltend eine mit dem Magnetfeldsensor (58) verbundene Warnschaltung (60) zum Anzei­ gen, wann der Magnetfluss einen vorbestimmten Schwellenwert ü­ berschreitet.

12. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Transformatoren (16, 18) in einem Magnetfeld, das schwächer ist als 600 Gauß, nicht gesättigt sind.

13. Verwendung einer Anordnung nach Anspruch 1, in Verbindung mit einer Anästhesie-Einrichtung (84) in einer MRI- Räumlichkeit, die ein Magnetresonanz-Bildgebungsgerät mit einem Magneten enthält.

14. Verwendung nach Anspruch 13, wobei die Magnetabschirmung (10) an einem unteren Teil der Anästhesieeinrichtung (84) be­ festigt ist, der distal gegenüber einem proximalen Teil dieser Einrichtung ist, welcher auf ungefähr der vertikalen Höhe des Magneten liegt.

15. Anordnung nach Anspruch 1, ferner enthaltend ein die Transformatoren (16, 18) und die Verarbeitungsschaltung (80) elektrisch verbindendes Kabel (82) und eine Ummantelung, die das Kabel entlang seiner Länge zwischen den Transformatoren und der Verarbeitungsschaltung umschließt und ausgelegt ist zur Bildung einer HF-Abschirmung zwischen dem Kabel und dem umge­ benden Milieu.

16. Verfahren zum Schützen zweier oder mehrerer Transformato­ ren in einem Magnetfeld, wobei die Transformatoren elektrische Energie aus einer Energiequellenschaltung in eine Verarbei­ tungsschaltung übertragen, dadurch gekennzeichnet,
dass die zwei oder mehr Transformatoren in einer Magnetab­ schirmung eingeschlossen werden, die das Einwirken von Umge­ bungsmagnetfluss auf die Transformatoren verhindert,
und dass die zwei oder mehr Transformatoren in einem HF- Abschirmgehäuse eingeschlossen werden, welches das Ein- und Austreten von HF-Signalen am Gehäuse verhindert,
wobei zwischen den Transformatoren in der Magnetabschirmung ein Magnetfeldsensor angeordnet wird, der den Betrag des Magnet­ flusses innerhalb der Magnetabschirmung misst.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das HF-Abschirmgehäuse an einem Anästhesiegerät befestigt wird, das ausgelegt ist für einen Betrieb in einer MRI-Räumlichkeit nahe einem Magnetresonanz-Bildgebungsgerät.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetsensor mit einer Warnschaltung verbunden ist, um an­ zuzeigen, wann der Betrag des Magnetflusses innerhalb der Mag­ netabschirmung einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.