用于被引入到人类的循环系统中的压力传感器的制作方法

1.本发明涉及一种用于被引入到人类的循环系统中的压力传感器。本发明还涉及分别包括压力传感器的支架、肝分流设备、用于治疗脑动脉瘤的线丝和心脏瓣膜。此外，本发明涉及用于无线读出压力传感器的读取系统、方法和计算机程序。


背景技术：

2.us2007/0236213a1描述了基本上基于具有附着磁化材料的机械谐振器的压力感测。磁场可以与磁化材料相互作用并启动机械振荡。然后，由振荡机械结构通过记录时变场来检测机械振荡。记录设备可以是线圈或其它合适的磁力计。这种设备上的外部压力可以改变有效弹簧常数，并因此导致可以被检测的谐振频率的变化。因此形成压力传感器。
3.虽然这在原理上起作用，但是它有若干缺点，并且不适于足够精确地测量患者深处的压力，并且不适于使用足够小的设备。主要问题是使用机械谐振器。通常，机械谐振中可达到的最大可能品质因数对于有效操作而言太低。有一些像熔凝硅石的材料会在振荡中提供高品质因数。这些材料通常相当硬并且不允许足够高的振荡振幅(足够高的角度)有效，即不允许生成足够大的场变化。下一个问题是因为只有弹性参数被修改，所以谐振频率对外部压力的灵敏度低。这与低品质因数相结合导致对相当高的信噪比的需要，这继而又导致对大量磁性材料的需要，这使得传感器很大。
4.此外，已经存在可植入的压力传感器，例如由cardiomems开发并在us7,147,604 b1中公开的那些。这些传感器的工作原理是使用谐振lc(电感器-电容器)设备。谐振频率通过由压力所引发的机械移动而偏移，这继而又改变l或c值(或两者)。当该系统工作时，它不能按比例缩小到被引入到人类的循环系统中所需要的尺寸。主要原因是在us7,147,604b1中，可检测信号与压力传感器的线圈的半径的高功率成比例。这对按比例缩小压力传感器提出了严格的限制。


技术实现要素：

5.因此，本发明的一个目的是提供一种用于被引入到人类的循环系统中的压力传感器，该压力传感器非常小并且仍然允许高质量的压力测量。本发明还涉及分别包括压力传感器的支架、肝分流设备、用于治疗脑动脉瘤的线丝(wire)和心脏瓣膜。此外，本发明涉及用于无线地读出压力传感器的读取系统、方法和计算机程序。
6.在本发明的第一方面中，提出了一种用于被引入到人类的循环系统中的压力传感器，其中该压力传感器是无源传感器，该无源传感器被配置为由被放置在人类外部的读取系统无线地读出，其中该压力传感器包括壳体，该壳体具有扩散阻挡层，该扩散阻挡层覆盖该壳体的至少一部分并且被配置为维持该壳体内的预定压力，其中该压力传感器包括在该壳体内的磁机械振荡器，该磁机械振荡器具有提供永久磁矩的磁性物体，其中该磁机械振荡器被配置为将外部磁或电磁激励场转换成该磁性物体的机械振荡，其中该壳体的至少一部分是柔性的以用于允许将外部压力变化转换成该磁性物体的机械振荡的变化。
7.由于压力传感器使用主要使用磁来存储振荡能量的磁-机械振荡器，因此利用适合于被引入到人类的循环系统中的非常小的压力传感器，可以同时实现高品质因数、高振荡振幅和对外部影响的高灵敏度。
8.压力传感器的尺寸优选地使得它们能够被引入到主肺动脉外部的循环系统中。优选地，压力传感器具有细长形状，该细长形状具有小于或等于5mm的的最大尺寸，进一步优选地小于或等于4mm，以及小于或等于1mm的最小尺寸。这些尺寸优选地是指压力传感器的纵向方向和横向方向。因此，优选地，在纵向方向上，压力传感器的尺寸小于或等于5mm，进一步优选地小于或等于4mm，并且在横向方向上，压力传感器的尺寸小于或等于1mm。
9.在优选实施例中，压力传感器包括外部生物相容性涂层。此外，优选地，壳体的柔性部分包括波纹管，用于允许将外部压力变化转换成磁性物体的机械振荡的变化。波纹管特别适于允许将外部压力变化转换成磁性物体的机械振荡的变化，因为它们提供足够用于压力测量的柔性，即使涂覆有例如扩散阻挡层和/或生物相容性涂层。波纹管可以由如硅橡胶之类的相当柔性的材料制成。
10.压力传感器还可以包括在波纹管上方的外罩。外罩可以被用来避免血凝块形成。外罩优选地足够软以允许波纹管响应于外部压力而改变。
11.扩散阻挡层优选地包括金属。例如，它可以作为金属涂层而被提供在压力传感器的壳体上。
12.在一个实施例中，压力传感器还包括外部线丝笼架，该外部线丝笼架附着到壳体的外部，用于允许壳体的外部与血管壁保持距离。线丝笼架可以有利地直接递送到血管中，其中笼架可以固定压力传感器而不阻塞血管腔。笼架可以包括环形或盘形中心部分，从该中心部分中突出弯曲腿。它可以由线丝材料制成，例如镍钛诺，这是因为它具有高柔性和良好的生物相容性。也可以使用其它材料，如不锈钢或聚合物。线丝的替代方案是由片材切割出的结构，可以使用模具工具和热处理将其制成弯曲形状。特别是对于聚合物，注模也是可行的。为了连接到传感器壳体，环形或盘形结构可以用作笼架与传感器壳体之间的接口。环形结构可以在圆柱形壳体上被开缝，并且可以通过弹簧力和/或通过胶合或焊接而被固定。盘形结构可以被胶合或焊接到压力传感器上。
13.在优选实施例中，磁性物体被布置在壳体内，以使得如果外部磁或电磁激励场正作用在磁性物体上，则磁性物体可旋转离开平衡取向，其中压力传感器还包括恢复扭矩单元，该恢复扭矩单元被适配为提供恢复扭矩，以在外部磁或电磁激励场已将磁性物体旋转离开平衡取向时迫使磁性物体返回到平衡取向中，从而允许磁性物体以谐振频率进行机械振荡，其中压力传感器被配置为使得外部压力变化被转换成谐振频率的变化。
14.恢复扭矩单元可以包括：另一个磁性物体，用于在磁性物体的位置处生成磁场以使得它提供恢复扭矩；和/或用于提供恢复扭矩的扭矩弹簧机构。此外，除了该磁性物体之外，该另一个磁性物体(如果存在的话)优选地是永磁体。此外，磁性物体优选地是磁性球体。该另一个磁性物体，如果存在，也可以是磁性球体。然而，磁性物体以及如果存在的另一个磁性物体也可以具有另一形状。例如，它们可以是圆柱形的。磁性物体优选地被附着到细丝的一个端部，其中细丝的另一个端部附着到壳体。另一个磁性物体，如果存在，也可以附着到细丝的一个端部，其中细丝的另一个端部可以附着到壳体。然而，另一个磁性物体也可以是固定的。
15.在一个实施例中，磁性物体和/或壳体的内部涂覆有光滑的不粘材料。优选地，光滑的不粘材料是石墨。该另一个磁性物体也可以涂覆有光滑的不粘材料。优选地，如果在干燥条件下(即未润滑)的摩擦系数低于0.2且进一步优选低于0.1，则不粘材料被认为是“光滑的”。
16.通常，如果压力传感器已经被引入到人体中，则如果在磁共振成像(mri)扫描仪中扫描身体可能是有问题的。因为压力传感器相对较小，并且因此只引起很小的力和扭矩，所以该问题不是对身体(即对患者)的危险，这对患者不是威胁。同样地，由于压力传感器相对较小，所以由mri扫描仪生成的mr图像也不会受损。然而，在许多临床mri扫描仪中使用大于1.5t的高场强，并且强磁场可能通过改变磁性物体的磁化或通过损坏设备内的机械布置而破坏压力传感器。为此原因，在一个实施例中，压力传感器被构造成使得磁性物体可与外部磁场对准，而不管压力传感器在外部磁场中的位置和取向。例如，压力传感器可以包括包围壳体的外壳，其中壳体在包围外壳内是可旋转的，其中压力传感器被配置为使得包围外壳外的外部压力变化被传递到壳体外部且包围外壳内部的外部压力变化。外壳可以是球形或椭圆形。此外，外部外壳也可以填充有流体，其中流体优选地是高粘性流体。术语“高粘性”优选地是指在0.1t的磁通密度下，设备的最大旋转速度限制在10000度/秒以下或角速度不高于160l/s的粘度。对于典型的设备配置，这转化为最小1与100pas之间的粘度。主要确定因数是硬磁材料的体积分数。还存在最大可用粘度，其是最小可用粘度的约100至1000倍。
17.外壳可以是例如填充有流体的非常软的外壳或具有开口的外壳，以便有效地将外部压力变化转换为磁性物体的机械振荡的变化。优选地，如果在通常在0.01s与1s之间的预期压力变化的时间尺度上，外壳内部的压力变化与外部压力的偏差不超过0.2mbar(20pa)，则外壳被认为是“非常软的”。以足够低的厚度形成正确形状的最硬的已知物质可以形成“非常软的”外壳。然后，外壳优选地结合了用作波纹管的结构。
18.磁性物体优选地是附着到细丝的一个端部的磁性球体，其中细丝的另一个端部附着到壳体的内部，其中在一个实施例中，细丝具有磁性球体的直径的至少π/4的长度。如果另一个磁性物体也是磁性球体，则它可以附着到另一个细丝的一个端部，其中另一个细丝的另一个端部附着到壳体。在这种情况下，优选地，另一个细丝也具有另一个磁性球体的直径的至少π/4的长度。这些长度的细丝允许磁性物体与外部磁场自由对准。磁性球体和另一个磁性球体优选地具有相同的直径。
19.此外，在一个实施例中，磁性物体是附着到细丝的一个端部的磁性球体，其中细丝的另一个端部附着到长度改变单元，该长度改变单元被配置为允许改变细丝的长度并被附着到壳体的内部。长度改变单元可以是例如卷绕单元。卷绕单元可以包括绕卷机构。优选地，该压力传感器被适配成使得从该磁性球体到该长度改变单元的细丝长度是可调整的，以使得它等于预定义长度。例如，细丝和/或长度改变单元可以包括止动件，该止动件被布置和配置为：如果从磁性球体到长度改变单元的细丝长度已经达到预定义长度，则在长度改变单元缩短细丝长度的同时停止细丝的进一步缩短。在一个实施例中，止动件被布置和配置为如果从磁性球体到卷绕单元的细丝长度已经达到预定义长度，则停止细丝的绕卷。
20.在一个实施例中，长度改变单元包括具有弹簧力的弹簧，其中该弹簧被配置成使得该细丝被附着到弹簧上，使得弹簧力迫使细丝离开压力传感器的壳体并且进入到该长度改变单元中，以便缩短细丝在压力传感器的壳体内的长度，并且如果作用在磁性物体上的
力抵抗弹簧力而将细丝从长度改变单元中拉出，则细丝在压力传感器的壳体内的长度是可增加的。长度改变单元可以包括止动件，该止动件被配置和布置为限制弹簧的松弛，以使得如果没有力作用抵抗弹簧力，则压力传感器的壳体内的细丝具有预定义长度。
21.在优选实施例中，压力传感器被配置为补偿谐振频率对温度的依赖性。特别地，压力传感器包括补偿元件，该补偿元件被适配为取决于温度变化而在第一频率方向上修改谐振频率，第一频率方向与第二频率方向相反，如果补偿元件不是压力传感器的一部分，则取决于温度变化，压力传感器的谐振频率会在第二频率方向被修改。由于测量设备包括补偿元件，该补偿元件被适配为取决于温度变化而在第一频率方向上修改谐振频率，该第一频率方向与第二频率方向相反，如果补偿元件不是压力传感器的一部分，则取决于温度变化，压力传感器的谐振频率会在第二频率方向上被修改，可以减小或者甚至消除温度引发的谐振频率的偏移。第一频率方向是朝向较高或较低频率的方向，而相反的第二频率方向分别是朝向较低或较高频率的方向。
22.优选地，补偿元件包括磁性材料，该磁性材料改变其磁化，并且从而随温度改变谐振频率，其中挑选磁性材料并将其布置在压力传感器内，特别是布置在壳体内，以使得谐振频率的修改方向是第一频率方向。补偿磁性材料优选地被布置得邻近磁性物体和/或邻近另一个磁性物体(如果存在的话)。这允许设计压力传感器，以使得可以以技术上相对简单的方式显著地减小或甚至消除不希望的温度依赖性，并且在壳体内不需要很多空间。
23.在一个实施例中，磁性物体是附着到细丝的一个端部的磁性球体，其中细丝的另一个端部直接地或间接地附着到壳体，其中磁性球体包括穿过磁性物体的重心的通孔，其中细丝的一个端部被布置并固定在通孔中。这种附着仅将磁偶极矩减小一小部分，并且因此保持良好的信号。磁性物体的形状没有太多改变，这在球体的情况下可能是重要的。
24.此外，在一个实施例中，磁性物体是附着到细丝的一个端部的磁性球体，其中细丝的另一个端部直接地或间接地附着到壳体，其中细丝的一个端部被夹在磁性物体的两个磁性组件(形成磁性物体)之间。这种附着方法产生的结果几乎与通孔附着方法一样好，但不需要用于制造的专用装备。
25.在一个实施例中，磁性物体是胶合到细丝的一个端部的磁性球体，其中细丝的另一个端部直接地或间接地附着到壳体。该方法在技术上非常简单并且充分地使用磁性物体。
26.此外，在一个实施例中，磁性物体是附着到非磁性物体的磁性球体，并且非磁性物体附着到细丝的一个端部，其中细丝的另一个端部直接地或间接地附着到壳体。这也允许将细丝相对简单地附着到磁性物体上。
27.在本发明的另一方面，提供了一种包括压力传感器的支架。例如，压力传感器可以被布置在支架的远侧上以指示支架内再狭窄。在一个实施例中，支架包括若干压力传感器，以便例如监测整个支架或支架的一部分上的压降作为支架内再狭窄的参数。早期检测允许调整药物治疗或及时重新置入支架，从而避免计划外住院治疗。
28.在本发明的另一方面，提供了一种包括压力传感器的肝分流设备。例如，压力传感器可以被布置在分流设备的近侧，以便监测减压是否起作用，即分流设备是否打开。肝分流设备也可以包括若干压力传感器，特别地用于监测压降。此外，在这里早期检测还允许调整药物治疗或及时重新植入支架，从而避免计划外住院治疗。
29.在本发明的另一方面，提供了一种用于治疗脑动脉瘤的线丝，其包括压力传感器。该线丝可以被用于线圈盘绕(coiling)，其将导致血液凝固以填充动脉瘤空间。压力传感器可以被用于指示凝血是否真正发生，即脉动血压变化减少。
30.在本发明的另一方面，提供了一种包括压力传感器的心脏瓣膜。例如，第一压力传感器可以被放置在心脏瓣膜的近侧，并且第二压力传感器可以被放置在心脏瓣膜的远侧，以便监测心跳阶段的压降。根据监测到的动态压力变化，可以提取关于瓣膜功能的信息。定位传感器也可以被直接地放置在瓣膜的可移动部分上，以便不仅递送压力信息，而且经由传感器的取向的确定和空间定位而递送运动信息。
31.在本发明的另一方面中，提供了一种如权利要求1至15中任一项所限定的用于无线地读出压力传感器的读取系统，其中该读取系统包括：
[0032]-场生成器，用于生成磁或电磁激励场，该磁或电磁激励场用于感应压力传感器的磁性物体的机械振荡，
[0033]-换能器，用于将由压力传感器的磁性物体的感应的机械振荡所生成的磁或电磁场转换成电响应信号，
[0034]-处理器，用于基于电响应信号来确定压力值。
[0035]
场生成器和换能器可以是两个分离的单元，或者它们可以是集成的，其中，如果场生成器和换能器是集成的，则相同的线圈可以被用于生成磁或电磁激励场，并用于将由压力传感器的磁性物体的感应的机械振荡所生成的磁或电磁场转换成电响应信号。
[0036]
在优选实施例中，处理器被配置为应用补偿算法，以便针对谐振频率对以下中的至少一项的依赖性来校正压力值确定：a)压力传感器与场生成器之间的距离；和b)同相线圈激励。
[0037]
磁性物体的大磁矩是期望的，因为它会产生更强的响应以被换能器拾取，该换能器可以包括对应的拾取线圈。然而，大的磁矩意味着大的恢复力，这意味着所产生的振荡运动会具有大的振幅。当发生大的振荡时，在大的角位移处，恢复力减小。因此，对于这种振荡，响应频率将取决于恢复力，该恢复力取决于场生成器的线圈与压力传感器之间的距离。为了解决这个问题，处理器可以被适配为针对谐振频率对压力传感器与场生成器之间的距离的依赖性来校正压力值确定。
[0038]
在心跳周期期间，导管内压力发生变化。人类的常规心率通常约为每分钟50至90次，可能的最大值高达每分钟200次。为了确定心跳周期期间的压力最小值和最大值，测量频率不应小于大约5hz。优选地，测量频率高于10hz至20hz，最优选高于40hz。另一方面，为了具有良好的信噪比，振荡器的非常高的q因数是优选的，其中高q因数意味着缓慢衰减。因此，当下一个测量脉冲被发送到传感器时，来自前一个测量脉冲的振荡可能没有被完全消除，并且它们将影响测量。因此，通过补偿该同相线圈激励，高q因数可以更好地与足够大以允许测量心跳最小值和最大值的测量频率组合。
[0039]
在本发明的另一个方面中，提出了一种用于通过使用如权利要求1至15中任一项所限定的压力传感器来执行测量的压力测量方法，其中该压力测量方法包括：
[0040]
–
生成磁或电磁激励场，该磁或电磁激励场用于感应压力传感器的磁性物体的机械振荡；
[0041]-将由压力传感器的磁性物体的感应的机械振荡所生成的磁或电磁场转换成电响
应信号；
[0042]-基于所述电响应信号来确定压力值。
[0043]
此外，在本发明的另一方面中，提出了一种计算机程序，其包括程序代码部件，当计算机程序在控制读取系统的计算机上运行时，该程序代码部件用于使如权利要求20所限定的读取系统执行压力测量方法的步骤。
[0044]
应当理解，权利要求1的压力传感器、权利要求16的支架、权利要求17的肝分流设备、权利要求18的线丝、权利要求19的心脏瓣膜、权利要求20的读取系统、权利要求22的压力测量方法以及权利要求23的计算机程序具有类似和/或相同的优选实施例，特别是如从属权利要求中所限定的。
[0045]
应当理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求或上述实施例与相应独立权利要求的任何组合。
[0046]
参考下面描述的实施例，本发明的这些和其它方面将变得显而易见。
附图说明
[0047]
在以下附图中：
[0048]
图1示意性地且示例性地示出了在具有第一外部压力的情形下的压力传感器的实施例，
[0049]
图2示意性地且示例性地示出了在第二压力大于第一压力的情形下的图1的实施例，
[0050]
图3示意性地且示例性地示出了具有波纹管的压力传感器的不同实施例，
[0051]
图4示意性地且示例性地示出了压力传感器的另一个实施例，
[0052]
图5示意性地且示例性地示出了具有波纹管的压力传感器的另一个实施例，
[0053]
图6和图7示意性地且示例性地示出了具有压力传感器的导丝的实施例，
[0054]
图8示意性地且示例性地示出了具有压力传感器的支架的实施例，
[0055]
图9示意性地且示例性地示出了具有压力传感器的心脏瓣膜的实施例，
[0056]
图10示意性地且示例性地示出了用于利用压力传感器治疗脑动脉瘤的线丝的实施例，
[0057]
图11示意性且示例性地示出了具有压力传感器的肝分流管的实施例，
[0058]
图12示意性地且示例性地示出了压力传感器的实施例，
[0059]
图13示意性地且示例性地示出了在具有高外部磁场的情形下的图1的实施例，
[0060]
图14示出了具有球形外部外壳的压力传感器的实施例，
[0061]
图15示意性地且示例性地示出了具有椭圆形外部外壳的压力传感器的实施例，
[0062]
图16示意性地且示例性地示出了具有相对长的细丝的压力传感器的另一个实施例，
[0063]
图17示意性地且示例性地示出了具有卷绕单元和止动件的感测设备的实施例，
[0064]
图18示意性地且示例性地示出了卷绕单元的实施例，
[0065]
图19示意性地且示例性地示出了具有温度补偿的压力传感器的实施例，
[0066]
图20和图21示意性地且示例性地示出了用于读出传感器的谐振频率的检测系统，
[0067]
图22示意性地且示例性地示出了激励脉冲和产生的感应电压，
[0068]
图23示意性地且示例性地示出了集成在成像系统的患者床的床垫中的多线圈阵列，
[0069]
图24示意性地且示例性地示出了检测系统的线圈，
[0070]
图25示出了用于确定谐振频率的频谱，
[0071]
图26示意性地且示例性地示出了模拟接收滤波器。
[0072]
图27示例性地示出了切比雪夫类型ii带通频率响应，
[0073]
图28示意性地且示例性地示出了用于校准压力传感器的校准设置，
[0074]
图29示例性地示出了检测到的传感器响应频率与测量到的参考压力的关系，
[0075]
图30示例性地示出了i)检测到的传感器响应频率与测量到的参考压力的对准，以及ii)校准曲线，
[0076]
图31示例性地示出了针对传感器灵敏度的仿真结果，
[0077]
图32示例性地图示出了压力测量的噪声水平，
[0078]
图33示出了在相对于单个发射-接收线圈的传感器取向上的不同谐波中的信号振幅的测量到的相关性，以及
[0079]
图34示意性地且示例性地示出了压力传感器的另一个实施例。
具体实施方式
[0080]
图1示意性地且示例性地示出了用于被引入到人类的循环系统中的压力传感器501的实施例。压力传感器501包括具有两个磁性元件507、508的磁机械谐振器。
[0081]
磁性元件508被悬挂在细丝(filament)506上，并且因此自由地围绕谐振器主轴执行旋转运动。在该实施例中，另一个磁性物体507是固定的。然而，在另一个实施例中，另一个磁性元件也可以被悬挂在细丝上，并且因此可以自由地围绕谐振器主轴执行旋转运动。
[0082]
处于平衡状态时，磁体507、508分别与其磁化的反平行取向对准。外部磁场脉冲可以被用来启动谐振旋转振荡。吸引力确定振荡的谐振频率，对于球形悬挂磁体，该谐振频率由下式给出：
[0083][0084]
其中ms是磁性材料的饱和磁化，ρ是其密度，r是球体直径，并且b是由固定磁体产生的场。它可以近似为偶极场。
[0085][0086]
其中m是磁体的磁矩。
[0087]
由振荡磁性元件所生成的场变化可以经由换能器的一个或多个检测线圈中的感应电压来检测，该换能器被配置为将由压力传感器的磁性物体的机械振荡所生成的磁或电磁场转换成电响应信号。检测信号的时间轨迹(参见图13)可以被傅立叶变换以获得频谱(参见图16)，这使得能够确定谐振频率。
[0088]
由于几khz的低谐振频率，磁场不被金属屏蔽，并且因此所有非铁磁金属都可以被用作结构或涂层材料。同样地，只要金属厚度没有强烈地超过趋肤深度，传感器就可以被放
置在非铁磁性金属物体中而不影响其操作。在这些频率处，对于非常好的导体，如铜，趋肤深度是1毫米量级，而对于镍钛诺，趋肤深度是10毫米左右。
[0089]
基本磁机械振荡器包含两个磁性元件，其中，处于平衡状态时，磁性元件与反平行磁化对准。外部场脉冲可以被用来启动悬挂球体围绕谐振器主轴的旋转振荡，其中另一球体(即，另一个磁性物体)是固定的。如果在另一个实施例中，另一个球体也悬挂在自由空间中并且可以执行旋转振荡，则两个球体都可以执行谐振反向振荡(resonance counter-oscillation)。
[0090]
us2007/0236213a1基本上描述了具有附着的磁化材料的机械谐振器。磁场可以与磁化材料相互作用并启动机械振荡。然后，由振荡机械结构通过记录时变场来检测机械振荡。记录设备可以是线圈或其它合适的磁力计。这种设备上的外部压力可以改变有效弹簧常数，并因此导致可以被检测的谐振频率的变化。因此形成压力传感器。
[0091]
虽然这在原理上起作用，但是如上所述，它有若干缺点，并且不适于足够精确地测量患者深处的压力，并且不适于使用足够小的设备。主要问题是使用机械谐振器。通常，机械谐振中可达到的最大可能品质因数对于有效操作而言太低。有一些像熔凝硅石的材料会在振荡中提供高品质因数。这些材料通常相当硬并且不允许足够高的振荡振幅(足够高的角度)有效，即不允许生成足够大的场变化。下一个问题是因为只有弹性参数被修改，所以谐振频率对外部压力的灵敏度低。这与低品质因数相结合导致对相当高的信噪比的需要，这继而又导致对大量磁性材料的需要，这使得传感器很大。us2007/0236213 a1中公开的设备的另一个问题是将高强度永磁体集成到该设备中。最好的永磁体是烧结类型。这些与mems生产工艺不兼容。因此，要么生产复杂，要么必须使用较差的磁性材料。正因数是us2007/0236213 a1中公开的传感器的相对高的操作频率。不利的一面是本体中的噪声也随着频率而增加并且在几百khz以上，没有更多的增益。因此，要求保护的ghz谐振频率没有帮助。高频操作还需要从发送到接收模式的快速切换，这在技术上具有挑战性。us2007/0236213 a1的另一个问题是耐久性。在足够高的振幅-时间-频率乘积下，弹簧材料受到相当大的应力，这可能导致断裂。
[0092]
通过例如图1中提出的设计来避免这些问题。由于能量主要被存储在磁场中，因此相对容易获得高品质因数。高振荡振幅也是容易可能的。薄的细丝不会受到强烈的磨损。通过磁体相对于彼此的机械移动来改变磁场，可以容易地改变谐振。这也容易与压力变化相匹配(使用下面讨论的正确的柔度(compliance)和正确的形状材料)，因此可以达到非常高的频率变化。传感器可以由最好的可用磁性材料制成，并且磁性材料的体积分数很高。
[0093]
同样如上面所解释的，已经存在可植入的压力传感器，例如由cardiomems开发并在us7,147,604b1中公开的那些。这些传感器的工作原理是使用谐振lc(电感器-电容器)设备。谐振频率通过由压力所引发的机械移动而偏移，这继而又改变l或c值(或两者)。当该系统工作时，它不能按比例缩小到预想应用所需的尺寸。这是lc振荡器的固有问题。通过减小大小，可以在振荡器处生成的功率电平和由功率所生成的动态偶极矩减小。这可以在下面的等式中看出。谐振器的品质因数不能高于线圈的品质因数。线圈品质因数的近似值可以被写为：
[0094]
[0095]
其中ω是频率，μo是真空磁导率，ρ是电阻率，τ是由导体构成的半径的分数，并且r是线圈的半径。假定线圈是圆柱形的，其直径与高度匹配。对于100khz处的1mm直径铜线圈，得到大约1的品质因数。这显然不能工作。对于由cardiomems所使用的1em(或更大)线圈，品质因数在100khz处高于100，并且在1mhz处高于1000。上述公式高估了实际可达到的q值，因为它假设所有体积都填充有导电材料，并且忽略了邻近效应和皮肤效应以及电容器中的损耗。然而，这些值导致了一个工作系统。us7,147,604b1陈述了在1mhz与100mhz之间测量到的品质因数48。由于lc振荡器的动态偶极矩是外部磁场乘以体积的q倍，所以信号与r5成比例，而在机械振荡器(以弹性存储的能量)的情况下，信号与r3成比例，并且在例如参考图1描述的实施例(磁机械振荡器，以磁场存储的能量)的情况下，信号与r2成比例，因为频率与线性大小成反比。因此，本文所提出的建议非常适合于传感器小型化。
[0096]
在具有固定球体的实施例中，固定球体可以具有620μm的直径，而振荡球体108可以具有500μm的直径。振荡球体108的磁矩可以是m≈70μam2，基频可以是f0≈2khz，并且品质因数可以粗略地是q≈500。snr取决于a)用于读出谐振频率的线圈与b)感测设备之间的距离以及线圈参数。对于具有10cm直径、200个绕组和10欧姆电阻的手持线圈，在大约30cm的距离和0.1s的采样持续时间下理论上可达到的snr约为4000。然而，如果几乎没有实现针对背景信号抑制的测量，则具有固定球体的演示器的典型snr值可以在10与100之间。因此，噪声主要由主电源谐波的波动来确定。对于一半球体直径，即，例如对于振荡球体的250μm，磁矩可以是m≈9μam2，基频可以是f0≈4khz，品质因数可以保持不变，并且理论snr可以下降到大约1000。
[0097]
如何将线附着到可移动磁性物体上有几种方式。
[0098]
例如，可以使用通孔附着。在这种情况下，穿过重心并大致垂直于磁化钻孔。尽管磁体材料是硬而脆的，但是有几种钻孔的方法，如脉冲激光或放电加工(edm)。线穿过孔并粘合就位。最好使用真空抽吸过程来完成穿过。可以使用几种类型的胶。经济的是光固化胶。它们应具有低粘度，以便简单地通过毛细力用线填充孔。替代地或附加地，线可以通过机械部件而被固定到磁性物体。例如，通过在线中具有结或在线中具有一些其它厚的部分，如胶滴或热生成的(熔化的)珠。后者特别容易由uhmwpe纤维制成。这种附着方法仅将磁偶极矩减小一小部分，并且因此保持良好的信号。磁性物体的形状没有太多改变，这在球体的情况下可能是重要的。
[0099]
也可以使用夹具附着。在这种情况下，磁性物体被分割成至少两个组件。优选地，生成垂直于磁化并平行于线附着方向的分割平面。线，即细丝，被放置在该平面上。不需要精确对准。第二磁性部分被放置在顶部。磁性部分通常通过磁力而被保持在一起。最后，应用胶水以将所有物品固定就位。优选的胶水类型与通孔附着过程中的相同。此外，可以在一个或两个磁性物体中研磨凹槽以减小磁性物体之间的总间隙。该方法产生的结果几乎与通孔方法一样好，但不需要专门的制造设备。通常，磁性子物体不是通过分割单个完整磁性物体而制成的，而是通过研磨两个(相同的)磁性物体而制成的。不利的一面是，当使用两个初始物体时，这个过程是更浪费的，并且它也可能是稍微更劳动密集的。
[0100]
最便宜的方法是使用合适的胶水将线顶部直接附着到磁性物体上部。磁性物体在某种工具中被保持和对准。两种功能都可以通过适当的磁场来实现。工具可以是具有穿过漏斗的线的漏斗形状，并且磁性物体通过磁力而被附着到漏斗开口。将胶水应用到漏斗中
并固化。然后从工具中取出组装，并切割线的不需要部分。该方法可以非常便宜并且充分地使用磁性物体。缺点是增加了相当多的材料，降低了振荡频率并且在完成的设备中需要空间。
[0101]
在另一个实施例中，可以使用用于附着的结构和附加胶合。可以通过首先将线附着到非磁性物体上、然后将非磁性物体胶合到磁性物体上来将线附着到磁性物体上。非磁性物体可以通过注模或等效的廉价工艺来制造。非磁性物体的形状应该允许简单的线附着，即，它可以具有孔或夹持机构，甚至可以简单地具有凹口。然后将非磁性物体胶合到磁性物体上。替代地，它可以被夹持或拧紧到磁性物体上。该方法简单且便宜，但是对于一些应用而言可能需要过多的附加空间。
[0102]
原则上，所讨论的用于线-磁性物体附着的所有方法都以相同的方式应用于线-壳体附着。然而，由于壳体材料通常更易于使用，所以通孔方法可能是好的选择。夹持也是一种好的选择。这可能更便宜但可能更难以最终密封。
[0103]
壳体的至少一部分是柔性的，以允许将外部压力变化转换成磁性物体的机械振荡的变化。优选地，壳体包括如图1和图2中示意性地且示例性地示出的可偏转隔膜。偏转取决于施用在传感器上的压力并改变球间距离。距离的减小导致谐振频率的增加，反之亦然。在图1和图2中可以看到基本的压力传感器工作原理。压力的增加使隔膜515偏转并减小球体507、508之间的距离，导致谐振频率的增加。图1和图2还示出了壳体502和细丝506，磁性球体508经由该细丝506而附着到隔膜515。在图1中，作用在隔膜上的压力和谐振频率小于图2中的压力和谐振频率。
[0104]
图3示出了波纹管设计，即具有波纹管的压力传感器的另外的实施例。波纹管屈服于由作用在传感器上的压力所产生的力，即压力增加压缩波纹管并减小球间距离。图3a示出了第一波纹管设计。波纹管703被设计成使用细丝706周围可用的空间而不增加传感器直径，其中压力的增加压缩波纹管703并减小磁性球体707、708之间的距离，导致谐振频率的增加。图3a还示出了压力传感器701的壳体702和固定磁性球体707。压力传感器701还包括用作扩散屏障的薄金属涂层717，即扩散阻挡层。应当注意，即使出于清楚的原因没有在所有图中显式示出，本发明的所有实施例也都包括扩散阻挡层。
[0105]
图3b示出了涂覆的传感器801，其类似于图3a中所示的压力传感器，在波纹管818的上方具有附加的平滑且柔软的罩(cover)以避免血凝块形成。传感器801还包括波纹管803，波纹管803被设计成使用细丝周围可用的空间而不增加传感器直径，其中压力的增加压缩波纹管803并减小磁性球体807、808之间的距离，导致谐振频率的增加。图3b还示出了压力传感器801的壳体802和固定的磁性球体807。压力传感器801还包括用作扩散屏障的薄金属涂层817，即扩散阻挡层。
[0106]
图3c示出了压力传感器901，其类似于图3b中所示的压力传感器，附加地，具有用于直接递送到血管中的3元件线丝笼架(wire cage)920。笼架在不阻塞血管腔的情况下固定传感器。因此，同样在该实施例中，在波纹管903上方存在平滑且柔软的罩918以避免血凝块形成。波纹管903被设计成使用细丝周围可用的空间而不增加传感器直径，其中压力的增加压缩波纹管903并减小磁性球体907、908之间的距离，从而导致谐振频率的增加。图3c还示出了压力传感器901的壳体902和固定的磁性球体907。压力传感器901还包括用作扩散屏障的薄金属涂层917，即扩散阻挡层。
[0107]
可以以不同的方式制成波纹管。首先，波纹管可以由像硅橡胶之类的相当柔软的材料制成(参见图4)。实际上，它可以仅仅是一片硅橡胶。在图4中，压力传感器1001包括圆柱形壳体1002，该圆柱形壳体1002具有通过使用橡胶元件1009、1003封闭的开口端部，其中第一橡胶元件1009保持固定的磁性球体1007，并且第二橡胶元件1003经由细丝1006保持可旋转振荡磁性球体1008。圆柱形橡胶元件1003用作膨胀接头而不是波纹管。
[0108]
然而，当将至少一个扩散致密层结合到波纹管时，即，例如如上面参考图3a至图3c所述，当用扩散阻挡层涂覆波纹管时，简单的管子通常太硬。因此，实际的波纹管结构是优选的。波纹管是公知的，并且不同形状的波纹管是可能的。特别地，“origami”型结构非常适合于压力传感器应用。存在若干方法来制造波纹管。它可以简单地在注模工艺中被制造。这具有以下优点：波纹管可以在单个步骤中与外壳一起被制造。然而，由于隔膜需要非常薄，因此制造工艺具有挑战性。一种替代方案是在如注模甚至车削或铣削工艺之类的生产工艺中仅产生波纹管的内部自由空间。该材料应易于溶解，如聚乙烯醇或聚苯乙烯。一些金属也是适合的，如铝、铁或铜。在该材料上沉积波纹管结构，并通过适合的溶剂和/或施加热量而除去内部结构。许多沉积工艺适于生成波纹管。例如，可以以电化学的方式沉积贵金属(金、钯等)。金属、化合物和聚合物可以在真空中被热沉积。溅射工艺以及化学气相沉积是适合的。许多其它工艺，像简单的喷涂也可以起作用。虽然纯金属波纹管起作用，但是最好将金属与聚合物组合，因为它给出较小刚性的波纹管。集成至少两个或更多非常薄的金属层也是有效的。因此，例如，最好首先沉积(溅射)金钯层，然后使用cvd工艺沉积聚对亚苯基二甲基-c，然后再次在顶部溅射金合金。即使在金属层中出现少量裂纹，这也允许扩散屏障起作用，因为气体必须在聚对亚苯基二甲基层中扩散很长的距离，聚对亚苯基二甲基层已经非常耐扩散。在顶部可以有或可以没有附加层以增强生物相容性，即每个所述实施例可以包括一个或几个外部生物相容性层。代替使用内模，也可以使用外模。它们必须分割开以释放波纹管，但是可以重复使用多次。物理沉积方法对于该生产工艺可能工作得不太好，但是例如化学沉积和电化学沉积是适合的。一旦(未完成的)波纹管从模具中被移除，则可以使用如上面所提及的其它沉积工艺。
[0109]
如上所述，有许多方法来涂覆传感器。例如，如上面参考图3a至图3c所述，用金属再次涂覆最终传感器是特别有用的。这使得所有可能的接头扩散紧密。在这里，物理或化学气相沉积也是有用的。如果需要，可以在该层的顶部(或作为替代)沉积生物相容性涂层，如聚对亚苯基二甲基-c。另外，贵金属或钛涂层已经提供了良好的生物相容性。
[0110]
如图3b和图10c中所示，可以添加平滑且柔软的顶层818、918以避免在波纹管的相当尖锐的边缘处形成血凝块。软层818、918与波纹管之间的空隙(void)可以由流体(例如水或硅油)填充。
[0111]
图3c示出了具有用于直接递送到血管中的3元件线丝笼架920的传感器901。笼架在不阻塞血管腔的情况下固定传感器。笼架通常由环形或盘形中心部分组成，从该中心部分中突出弯曲腿。它可以由线丝材料制成，例如镍钛诺，这是因为它具有高柔性和良好的生物相容性。如不锈钢或聚合物之类的其它材料也可以起作用。线丝的替代方案可以是由片材切割出的结构，然后使用模具工具和热处理将其制成弯曲形状。特别是对于聚合物，注模也是可行的。为了连接到传感器外壳，环形或盘形结构用作笼架与传感器外壳之间的接口。环形结构可以在圆柱形外壳上被开缝，并且可以通过弹簧力和/或通过胶合或焊接而被固
定。盘形结构可以被胶合或焊接到传感器上。
[0112]
为了避免血管壁接触产生的力，笼架920仅连接到传感器901的一部分，并保护另一部分周围的空间(参见图3c)。它可以连接到包含固定磁性元件的部分，或者可以连接到具有可旋转磁体的部分。笼架设计也可以包含螺旋结构(单线丝或多线丝)或网格状结构。这些结构可以被优化用于例如在通过细针经静脉递送期间被压缩。
[0113]
图5a至图5d示意性地且示例性地示出了压力传感器的另外的实施例。在这里，提出了一种使与环境的扭矩耦合最小化的对称传感器设计。在图5a和图5b中，示出了处于低压(图5a)和高压(图5b)的对称传感器1101。对称传感器1101包括圆柱形壳体1102，其中波纹管1103、1104位于壳体1102的相对端部处，即壳体1102的端面由波纹管1103、1104保持。磁性球体1107、1108经由相应的细丝1105、1106而被附着到端面，其中磁性球体与其它实施例中一样是永磁体。壳体1102的外表面提供有用作扩散屏障的薄金属涂层1117，即壳体1102的外表面被提供有扩散阻挡层1117。图5c和图5d示出了另一个实施例1201，其对应于实施例1101，但是另外具有线丝笼架附件1220以保持与血管壁的距离。对于最终设计，应连接开放线丝端部，以避免在基于流动的递送过程中单根线丝被血管结构卡住。因此，在该实施例中也存在对称的传感器设计，以便使与环境的扭矩耦合最小化。在图5c和图5d中，示出了处于低压(图5c)和高压(图5d)的对称传感器1201。对称传感器1201包括圆柱形壳体1202，其中波纹管1203、1204位于壳体1202的相对端部处，即壳体1202的端面由波纹管1203、1204保持。磁性球体1207、1208经由相应的细丝而被附着到端面，其中磁性球体与其它实施例中一样是永磁体。壳体1202的外表面被提供有用作扩散屏障的薄金属涂层1217，即壳体1202的外表面被提供有扩散阻挡层1217。
[0114]
上述压力传感器可以被集成在例如导丝1310中，如图6和图7中示意性且示例性所示。导丝1310的端部可以被焊接到压力传感器1301的壳体1302，其中固定磁性球体1307和可旋转磁性球体1308经由细丝1306而被附着到隔膜1304。壳体1302包括至少一个开口1303，该开口可以被视为通气端口，用于提供到壳体1302的外部的流体连接，以便允许测量压力。图6和图7中所示的尺寸仅是示例性的。尺寸也可以不同。然而，所示尺寸非常适合于分流储备压力传感器应用。对观察到的演示器snr应用缩放定律表明，所指示的尺寸将会对于在足够大以完全穿透患者的距离处的远程操作给出足够的snr和准确度。因此，压力传感器可以被集成到导丝中，从而生成压力线丝。
[0115]
将压力传感器连接到其它可植入设备(参见图8)例如以监测支架1401上方的压降可能是有用的。这对于表征支架内和支架周围的压力分布，例如以检测堵塞或用于监测疾病进展，可以是有用的。图8示出了具有实际尺度(支架长度＝30mm，支架直径＝4mm，线丝直径＝0.2mm，传感器长度＝1.2mm，传感器直径＝0.5mm)的压力传感器1403的支架集成，其中图8a示出了在支架1402的入口和出口处的两个传感器1403，这两个传感器1403可以被用来监测支架1402上方的压降以及由此的潜在堵塞。图8b示出了传感器1403的固定部分需要被连接到线框架1402。为了更好地集成到支架(未示出)中，可以添加覆盖材料以给予传感器更流线型的形式。图8c示出了进入支架1402中的视图。可移动传感器部分可以稍微倾斜进入到血管中以避免或延迟组织过度生长。
[0116]
应用为冠状动脉支架、动脉瘤支架(压力监测可以帮助检测内漏)、经颈静脉肝内门体分流术(tips)或外周血管疾病中使用的支架。如上，圆形或盘形结构可以用作设备与
传感器之间的接口，具有上述所有附件选择。类似的附件可以被应用于其它体内设备，例如绕线、分流移植物或透壁amplatzer设备。对于较大的设备，诸如导丝、ffr压力线丝、导管、大分流移植物或人造心脏瓣膜，可以在设备中钻孔以容纳传感器。在孔内部，再次仅附着传感器的一侧，例如通过胶合或通过夹持而被附着，而另一侧例如在流体中或直接在血液中自由移动。流体可以是非混合类型的，诸如硅油或全氟化聚乙烯醚，或者它可以通过附加的薄且柔软的隔膜而与血液分离，或者两者。
[0117]
所有临床应用都利用了传感器是无源的和小的事实。它可以被放置在人体内，而读出系统可以在没有身体接触的情况下从远处无线地检测它。对于大多数临床监测应用，传感器需要在人体内稳定数月到数年。然而，对于导丝和导管，仅需要在几小时内提供稳定性。对于经静脉注入的传感器，几周的稳定性也是足够的，因为可以不时地递送新的传感器。
[0118]
图9示意性示例性地示出了与支架组合的心脏瓣膜2000的实施例，其中在图9中，支架材料由附图标记2011来标示。心脏瓣膜2000包括具有非移动部分2002和移动部分2004的瓣膜结构2001。心脏瓣膜2000包括根据所述实施例的压力传感器。第一压力传感器2020被布置在瓣膜2000的非移动部分2002的低压侧上。此外，第二压力传感器2008被布置在瓣膜2000的移动部分2004上。这两个压力传感器被附着到瓣膜2000的外壁上。然而，压力传感器也可以被集成到瓣膜结构中，其中在这种情况下，在瓣膜结构内存在由隔膜覆盖并填充有流体的空间，其中相应的压力传感器被布置在该空间内。经由隔膜和流体外部压力导致相应压力传感器在相应腔内的位置处的压力变化。在图9中，第三压力传感器2007被布置腔2005内，该腔2005由位于瓣膜2000的非移动部分内的低压侧的隔膜2003覆盖。第四压力传感器2010被布置在瓣膜2000的移动部分2004内的空间中，其中该空间也填充有流体并由隔膜2021覆盖。另一个压力传感器2009可以被布置该瓣膜结构的非移动部分在高压侧的腔2006内，其中在这种情况下，该腔也填充有流体并被隔膜2014覆盖。
[0119]
图10示意性地且示例性地示出了用于治疗脑动脉瘤的线丝的实施例。线丝2100包括根据所述实施例的压力传感器。特别地，第一压力传感器2104可以被布置在线丝2100的第一端部处，在该第一端部的一侧。此外，另一压力传感器2101可以被附着到线丝2100的第二端部，并且在线丝2100的中间部分内可以安装另一压力传感器2103，其中线丝2100可以包括内腔，压力传感器2103被布置在该内腔中，其中该内腔具有经由开口2102到线丝2100的外部的流体连接。
[0120]
图11示意性地且示例性地示出了包括线丝结构2203的肝分流设备2200的实施例。在该实施例中，线丝结构2203具有被衬里材料包围的第一部分2201和裸露的第二部分2202。在该实施例中，第一部分2201通过使用ptfe(聚四氟乙烯)作衬里。此外，在该实施例中，线丝结构的第一部分2201具有分离的线丝，而在线丝结构2203的第二部分2202中，线丝是交织的。肝分流设备2200也可以被称为肝分流，其包括数个压力传感器。例如，第一压力传感器2204被布置得与ptfe管内的线丝结构2203的第一部分2201的相应线丝相邻。第二压力传感器2205被布置在ptfe管内的“线丝”中，即压力传感器2205被布置在线丝结构2203的相应线丝的两端部之间。第三压力传感器2206被布置在ptfe管内的线丝结构2203的两个相邻线丝之间，并且也连接到这些线丝。线丝结构2203的线丝具有波形形状，其中另一压力传感器2207被布置在相应波形的波峰或波谷之间，其中例如，压力传感器可以被连接到相应
波形的两个相邻波峰或波谷。
[0121]
图11示出了与ptfe管内的线丝结构2203的线丝相邻的另一个压力传感器2208。线丝结构2203的裸露部分2202也可以包括压力传感器。例如，压力传感器2209可以被布置在两个相邻的交织线丝之间并连接到这些相邻的交织线丝。另一个压力传感器2210可以被布置得与线丝相邻，并且压力传感器2211可以被布置在线丝结构2203的相应线丝的波形的两个波峰或波谷之间并且连接到这两个波峰或波谷。
[0122]
应当注意，在图8至图11中，压力传感器的布置仅是示例性的，即，更多或更少的压力传感器也可以被布置在相应设备处或相应设备内的相同或其它位置处。相应的设备也可以仅包括单个压力传感器。相应设备的一个或数个压力传感器是根据所述实施例中的至少一者。
[0123]
在下文中，假设传感器长度总是大约为直径的两倍。具有0.3mm或更大直径的所有传感器将实现以低于1mbar的压力准确度和至少400mbar的压力范围、在大于30cm的距离处的实时压力监测(每秒超过10个读数)。这些参数实现以临床相关准确度对血压的测量。
[0124]
传感器可以被集成到导丝中，例如，如上面参考图6和图7所解释的。典型的导丝直径范围在0.33mm与1.0mm之间，即对于细的压力线丝，传感器直径应为大约0.3mm或更小。因此，0.25mm的球体直径将是可行的，从而导致对频率、snr和q因数的上述估计。在30cm的距离处的理论上可实现的大约1000的snr对于所有读出情形都将是足够的。对于大的线丝直径，可以采用较大的球体，因此减少了对最佳背景抑制的需要。因此，0.3mm与1.0mm之间的传感器直径可用于导丝集成。
[0125]
传感器也可以被集成到导管中。在这里，当将传感器放置在导管腔中时，适用与导丝所应用的相同自变数。可能希望将传感器放置在导管壁的材料中，这将导致更强的大小约束。可以可行的是构建具有0.1mm的球体直径的传感器，但是背景信号去除的努力将增加和/或可以可靠地读出传感器的距离将减小。替代地，与心跳同步的平均可用于snr改善，然而是以时间分辨率为代价。因此，0.1mm与1.0mm之间的传感器直径可用于导管集成。
[0126]
传感器也可以被放置在支架上。为了使对通过支架的血流的影响最小化，传感器直径不应该比线丝直径大得多。典型的支架线丝直径在0.2mm与0.5mm之间。因此，这会是传感器直径的有用范围。然而，也可以集成更大的传感器，可选地具有附加的流线型罩。
[0127]
还可以用注射器注射传感器，其中传感器可以被卡在肺或肝区域中的较小血管中，而对患者没有危险。用于注射的典型传感器直径将在0.3mm与1.0mm之间。需要根据传感器应被最佳放置的血管直径调整笼架大小。优选地，笼架直径将大于1mm，因为在较小的血管中，压力可能偏离存在于较大供养血管中的所需压力。为了简化通过针进入静脉系统的递送，笼架应在径向方向上可压缩到传感器外壳的直径。
[0128]
由于压力传感器包括如永磁体的磁性物体，因此如果在mri扫描仪中扫描身体可能是有问题的。因为压力传感器很小，并且因此只引起很小的力和扭矩，该问题可能不是对身体(即对患者)的危险，这对患者不是威胁。同样地，由于压力传感器非常小，所以由mri扫描仪生成的mr图像也不会受损。然而，在许多临床mri扫描仪中使用大于1.5t的高场强，并且强磁场可能通过改变磁性物体的磁化或通过损坏压力传感器内的机械布置而破坏压力传感器。这将参考图12和图13更详细地描述。
[0129]
图12示意性地且示例性地示出了没有mri场抗扰度的压力传感器1。压力传感器1
具有两个磁性球体7、8，这两个磁性球体都通过使用相应的细丝5、6而被悬挂，细丝5、6在相应的附着点3、4处被附着到壳体2。当被振荡的外部磁场激励时，球体7、8开始围绕细丝轴反向旋转振荡。该谐振振荡产生场，可以从一定距离记录该场。壳体2是部分柔性的，因而两个球体7、8之间的距离以及因此谐振频率取决于外部压力而变化。为了清楚起见，壳体2的柔性部分在图12中未突出显示。
[0130]
在图13中，图12的压力传感器1在轴向方向9上被带入到强磁场中。这迫使球体7、8将其自身定向在磁场的方向上。然而，在该实现中，细丝5、6太短而不能完全对准球体7、8。如果传感器壳体2不能移动，或者细丝5、6折断，或者假定高强场mri扫描仪的非常强的磁场，则球体7、8改变它们的磁化方向，使得设备1不能工作。
[0131]
该问题的一个解决方案是将压力传感器的壳体放置在外部外壳壳体10、110中，其优选为例如填充有高粘性流体的球形或椭圆形外壳，以使得具有球体的整个壳体可以重新定向以使球体的磁化与外部场对准，从而避免重新磁化。球形外部壳体110允许传感器的任意重新定向，并且因此也可以被用于更简单的传感器设计，其中一个球体107被固定，而另一个球体108在细丝106上振荡，如图14中示意性所指示。在图14中，通过使用较简单的磁机械振荡器101形成压力传感器111，其包括壳体102，该壳体102包括了在球形外部外壳110内的固定球体107和可在细丝106上振荡的另一球体108。对于图13中所示的设计，取决于细丝5、6的长度，传感器1的部分重新定向将是足够的，并且外部外壳10可以是更椭圆的，即在一个或两个方向上更小，如图15中示意性所指示，其中压力传感器由附图标记11来标示。
[0132]
压力传感器被构造成使得包围外壳外部的外部压力变化被传送到壳体外部且包围外壳内部的外部压力变化。例如，外部外壳可以是填充有流体的非常软的外壳或者是具有开口的外壳，以便有效地将外部压力变化转换为磁性物体的机械振荡的变化。
[0133]
附加外壳10、110使得壳体2、102的重新定向能够使球体磁化与外部场对准，其中图14示出了能够使自由传感器重新定向的球形外壳10，并且因此也适合于具有例如固定磁性球体的设计，并且其中在图15中，所需的倾斜在壳体110内是可能的，该壳体110在一个或两个方向上被展平，即具有比图14中的球体10更小的直径。椭圆形壳体110尤其可用于球体7、8均悬挂在细丝5、6上的传感器。
[0134]
在图16中，具有绳205、206(即细丝205、206)的压力传感器201与图12和图13中所示的压力传感器1相比是细长的，而管直径保持恒定。因此，存在大量空间使球体207、208与任意方向的外部磁场对准。最小绳长是球体207、208的直径的pi/4。可能出现的唯一问题是，场以围绕(多个)球体207、208卷绕细丝205、206的方式改变。为了使这不可能，球体207、208和壳体202的内部可以涂覆有光滑的不粘材料，如石墨。细丝205、206在附着点203、204处被附着到壳体202。
[0135]
在示意性且示例性地示出另一个实施例的图17中，压力传感器301的绳305、306(即细丝)本身太短而不能使设备mri耐受。然而，相应的卷绕单元314、315被附着到相应的绳305、306和壳体302。如果相应的细丝305、306上的力变得太大，则该单元314、315释放更多长度的细丝305、306。因此，相应的球体307、308可以自由地旋转并且解决了该问题。对于mri机器的场外部的正常操作，需要精确地限定细丝305、306的长度。这通过可以被附着到绳305、306的止动件311、312或通过卷绕单元中的某种止动件来实现。
[0136]
在图18中，示出了一个可能的卷绕单元414。它包括通过滑轮427和附着点426来保
持细丝405的弹簧材料422。当细丝405上的力低时，弹簧422被一些止动件424、425止动。弹簧422压靠止动件424、425，并且因此细丝405的长度是固定的。如果力变得更大，则弹簧材料422弯曲并且壳体420内的可用长度增加。这种结构优选地允许高达1.5球半径的细丝伸长(elongation)。这意味着不管壳体420内的细丝长度如何，它都是足够的。细丝405通过壳体开口421被引导出壳体420进入传感设备的壳体中。弹簧在弹簧附着点423处附着到壳体420。
[0137]
所描述的压力传感器优选地被配置为补偿谐振频率对温度的依赖性。下面将参考图19描述用于补偿谐振频率的基于温度的偏移的压力传感器的这种配置。
[0138]
同样在图19中，压力传感器3001包括壳体3002以及被布置在壳体3002内的磁性物体3004，以使得如果外部磁扭矩正作用在磁性物体3004上，则磁性物体3004可旋转离开平衡取向。压力传感器3001还包括恢复扭矩单元3003，该恢复扭矩单元3003被适配为在外部磁力已将磁性物体3004旋转出平衡取向的情况下提供恢复扭矩以迫使磁性物体3004回到平衡取向，以便允许由外部磁性扭矩所激发的磁性物体3004的旋转振荡。在该实施例中，壳体3002是圆柱形的，并且磁性物体3004可围绕中心地横穿磁性物体3004的虚拟旋转轴旋转，其中磁性物体3004相对于虚拟旋转轴旋转对称。特别地，在该实施例中，磁性物体3004是磁性球体。
[0139]
恢复扭矩单元3003包括另一个磁性物体3003用于提供恢复扭矩。特别地，磁性物体3004被附着到细丝3007的一个端部，其中细丝3007的另一个端部附着到壳体3002。细丝3007被适配于防止磁性物体3004由于另一个磁性物体3003的磁性吸引而接触该另一个磁性物体3003，并允许磁性物体3004旋转振荡。在该实施例中，另一个磁性物体3003通过使用胶3009而被固定地附着到壳体3002。
[0140]
磁性物体3004形成第一磁偶极子，另一个磁性物体3003形成第二磁偶极子，并且磁性物体3004和另一个磁性体3003被布置为使得在平衡取向中，第一和第二偶极指向相反的方向。第一磁性物体3004和第二磁性物体3003是永磁体，其中在平衡取向中，磁性物体3004的北极面向另一个磁性物体3003的南极，反之亦然。
[0141]
壳体3002是圆柱形的，其中圆柱形壳体3002包括两个端面3030、3031，并且其中另一个磁性物体3003被固定地附着到第一端面3030，并且与附着到磁性物体3004的端部相对的细丝3007的端部被附着到圆柱形壳体3002的第二端面3031。
[0142]
在该实施例中，壳体3002的第二端面3031由壳体3002的壁的柔性部分3008形成，其中磁性物体3004经由细丝3007而被附着到柔性部分3008，以使得从壳体3002的外部作用在柔性部分3008上的外部压力导致磁性物体3004与另一个磁性物体3003之间的距离的变化。由于由外部压力引起的该距离变化，因此，由另一个磁性物体3003在磁性物体3004的位置处生成的磁场的强度以及因此的谐振频率发生变化。因此，谐振频率取决于外部压力而变化，从而压力传感器3001可以被用于将外部压力作为其他物理量进行测量。壳体3002的壁的柔性部分3008因此可以被认为是测量元件，该测量元件被适配成取决于外部压力来修改谐振频率。
[0143]
压力传感器3001还包括被布置得邻近另一个磁性物体3003的磁性材料3005、3006。该磁性材料3005、3006影响由另一个磁性物体3003所生成的磁场，其中磁性材料3005、3006的影响取决于温度，以便如果温度改变则改变磁性物体3004的位置处的磁场强
度，并且因此改变谐振频率。磁性材料3005、3006被适配成使得其磁化随着温度的增加而降低。此外，磁性材料3006被适配成使得其磁化方向与另一个磁性物体3003的磁化方向相反，并且磁性材料3005被适配成使得其磁化方向与另一个磁性物体3003的磁化方向相同。因此，作为软磁材料的磁性材料3005、3006取决于温度在相反的频率方向上影响谐振频率，即，这些磁性材料中的一种取决于温度的增加导致朝向更高频率的变化，而这些磁性材料中的另一种随着温度的增加导致朝向更低频率的变化。
[0144]
压力传感器优选地被配置成使得谐振频率不取决于温度。然而，例如，壳体的壁的柔性部分3008可以由隔膜形成，其可以具有依赖于温度的柔性，以使得谐振频率通常也可以取决于温度。压力传感器的其它部分也可以能取决于温度，其中这种依赖性也可能影响谐振频率。为了补偿这种不希望的依赖于温度的频移，磁性材料3005、3006可以被定制，以使得它们取决于温度变化而在相反的频率方向上提供相同的频移。特别地，磁性材料3005、3006可以被挑选并被布置成使得消除压力传感器3001的谐振频率的任何温度依赖性。也可以仅使用磁性材料中的一种，即仅使用随温度增加而降低谐振频率的磁性材料，或仅使用随温度增加而提高谐振频率的材料，以用于减小或甚至消除压力传感器3001的谐振频率的温度依赖性。磁性材料3005、3006中的一种或两种可以被认为是用于补偿谐振频率的温度感应偏移的补偿元件。
[0145]
图20示意性且示例性地示出了用于检测相应传感器的谐振频率以用于读出相应传感器的检测系统1501，即用于无线地读出相应压力传感器的读取系统。图21示例性地示出了检测系统1501的原型。检测系统1501基本上包括至少一个磁场生成器和至少一个磁场传感器，即用于将由压力传感器的磁性物体的感应的振荡所生成的磁或电磁场转换为电响应信号的换能器。操作频带在低khz范围内，并且必须足够宽以覆盖以不同频率并行操作的若干传感器的响应，并且还可能覆盖传感器谐振频率的更高谐波，例如以改善snr。发射场振幅最大为几毫特斯拉(milli-tesla)，而要被检测的场振幅在1/10nt与数个nt之间。许多不同的场生成器可以起作用(振荡永磁体、有芯/无芯的线圈、磁致伸缩场调制器等)以及许多不同的磁力计(霍尔效应、各种磁阻传感器、磁共振传感器、squids等)。技术最简单的系统是用于发送和接收磁场的无芯导体回路。线圈通常对于传感器应用是足够好的。用于生成磁场的线圈还可以被用于接收磁场。然而，对于这些任务可以采用不同的线圈，这给出了一些优点。图20和图21示出了作为单信道发射接收系统的检测系统，其中可以并行操作多个信道以获得空间信息。
[0146]
在图20中，检测系统1501包括发射线圈1503和音频放大器1502，发射线圈1503经由数模转换器1506(dac)而被连接到微控制器1507，音频放大器1502用于生成用于压力传感器1520的外部磁扭矩，压力传感器1520可以是任何所描述的压力传感器。接收线圈1504还经由低噪声放大器1505和模数转换器1508(adc)而被连接到微控制器1507，以用于读出谐振频率。微控制器1507连接到显示计算机1509。微控制器1507被配置用于例如信号生成和接收、频率评估和控制以及可选的参考压力测量。在图21中还示出了发射/接收解耦器。
[0147]
微控制器1507生成发射脉冲(参见图22中的上部轨迹1350)，该发射脉冲使用音频放大器1502被放大，然后被传递到发射线圈1503，该发射线圈1503也可以被称为激励线圈。在该实现中，采用分离的接收线圈1504，其使用两个附加的解耦线圈1510(出于清楚的原因，在图20中未被示出)而与发射线圈1503解耦。接收信号被馈送到低噪声放大器1505，并
被传递到微控制器1507的adc 1508，其中以大约20ks/s的速率对通常为1/20秒的时间轨迹进行采样。除了发射脉冲1350(也可以被称为激励脉冲)之外，图22还示出了由于传感器中的球面振荡以及因此由于传感器响应而导致的接收线圈1504中的感应电压1351。激励脉冲1350的间隔可以由微控制器1507连续地调整。
[0148]
下面将讨论多线圈系统的优点。对于单个线圈系统，传感器与线圈的相对取向可以使得线圈不能驱动磁性球体振荡并且也不能读回所生成的场变化。因此，为了避免用户相对于传感器重新定向读出系统的需要，多元件线圈系统可以是期望的。线圈应该具有不同的空间灵敏度分布，以便能够在所有情形下生成最佳激励场向量。此外，使用若干线圈能够通过确定振荡磁偶极子在空间中的位置和取向来定位传感器。接收信号的不同振幅以及已知的线圈元件灵敏度可以与用于确定位置和取向参数的偶极子模型相匹配。用于在枕头或床垫中实现的多线圈系统的示例在图23中被显示。在许多接收线圈和信道可用的情况下，附加信息也可被用于改善背景信号抑制，如下文进一步描述。
[0149]
在图23中，若干线圈1652形成多线圈阵列，其被集成在成像系统1650(如c形臂系统)的患者床的床垫1651中。线圈1652优选是具有x射线吸收小于10％的铝线圈。因此，如果使用线圈1652，则不需要增加患者剂量。
[0150]
在下文中，将更详细地示例性地描述检测系统的基于线圈的发射系统。基于线圈的发送系统包括发送放大器和发送线圈。可选地，还包括所涉及的匹配电路和“静音(mute)”电路。由于发送信号形状在传感器应用中不是非常关键的，所以许多放大器适合于该任务(a类、b类、ab类、d类等，采用晶体管、真空管、晶闸管和许多更多组件)。由于信号质量不是关键的，所以可以选择具有最低损耗的放大器拓扑，其是采用具有低导通电阻的开关的半桥式或全桥式放大器。优选的开关是mosfet或igbt。在最简单的情况下，匹配电路是与电感器串联的简单电容器。如果放大器以足够的电源电压操作，则可以省略这种匹配电容器，或者可以将电容选择得很高，以使得具有电容器的线圈的谐振频率远低于操作频率。出于另一个原因，匹配电路是感兴趣的。医疗设备应始终以安全的方式进行操作，降低电压是值得关注的问题。通过将电容器放置在线圈的中间，使得电流流过一个线圈部分，然后流过匹配电容器，之后流到第二线圈部分，可以减小峰值电压差。如果线圈被分割成更多的部分，每个部分与适当的电容器连接，则更是如此。这使得线圈和匹配电路成为组合单元。场振幅方便地由脉冲宽度调制来控制，即放大器仅针对周期的一部分增加/减少通过线圈的电流或者在电流的增加/减少之间快速交替。由于确切的信号形状对于传感器应用不太相关，所以最好通过在半波内仅改变状态2次(或在全功率的情况下改变状态1次，其中脉冲长度与半波长相同)来实现。理想地，放大器不仅具有增加或减少电流的可能性，而且还具有保持电流或多或少恒定或处于匹配电路规定的电平的可能性。这通过半桥或全桥中的晶体管的适当切换顺序来实现。通常，放大器的电源电压应该相当低并且在50v以下的范围内。此外，匹配电路应该以在任何两点处不超过该50v限制的方式来设置。在两种情况下都最好不超过24v。这意味着绕组的数目应该保持为低。然而，峰值操作电流应该超过10a，最好是100a。
[0151]
下面将描述发送/接收绝缘。重要的是，来自发送系统(即来自场生成器)没有太多噪声耦合到接收系统(即，耦合到用于将由压力传感器的磁性物体的感应的机械振荡所生成的磁或电磁场转换为电响应信号的换能器)中，而发送系统不处于发送模式，即不生成激
励场。此外，发送放大器不应当使接收信号短路或者甚至部分地减小接收信号。实现这一点有几种可能性。如果我们具有不同的发送和接收线圈，则两个线圈可以在几何上解耦(参见图24)。
[0152]
图24示出了用于抑制接收路径中的发射和背景信号的梯度测量接收线圈设计的实现。在这里挑选了大的线圈1452，其使得能够读出传感器直到上部线圈上方大约30cm的距离。梯度计设计使用几何解耦方法：发射线圈环路1451连接成产生平行场，而接收线圈环路1450连接成接收场梯度并抑制均匀场。该发射和接收系统通过使用并行发射环路和反并行接收环路提供固有的几何解耦，其中这可以被称为梯度计配置。这导致固有的几何耦合。这种具有空气线圈的系统是高度线性的。图24还示出了具有音频放大器1454的dc块1455，以及低通发送滤波器1453。图24的下部图示出了接收线圈1450的外部绕组和发射线圈1451的内部绕组。
[0153]
特别地，在图24中，左下图像是上部线圈组装的中间部分的特写。在左下图像中，人们实际上只能看到在底部窥视的1匝发送线圈1451。剩余部分被接收线圈遮蔽，用更细的线缠绕。dc阻塞电路1455只是音频放大器前面的信号调节，因为针对音频放大器的信号可以由简单的pwm输出来生成。低通滤波器1553是音频放大器1454的输出与发射线圈1451之间的滤波器。它有两个目的。首先避免引入高频噪声，其次将音频放大器的两个输出信道组合成一个。
[0154]
几何解耦并不总是可能的，特别是如果使用发送器和接收器的阵列。在这种情况下，可以引入变压器，该变压器具有连接到发送电路以及接收电路的端子。该变压器提供发送和接收系统的解耦。即使使用组合的发送/接收线圈，也可以使用该变压器解决方案。变压器可以由具有组合的和分离的发送/接收线圈的电容器(或甚至电阻)解耦网络所代替。补偿方法的缺点是它们需要相当大的空间、增加噪声、并且在电容解耦的情况下使检测系统的频率操作范围变窄。更鲁棒和更便宜的解决方案是添加在接收时间期间使发送放大器完全静音的电路。为此，可以将交叉二极管添加到放大器的输出。尤其是在零电压下具有低电容的二极管如pin二极管是有用的。如果没有电流流动，这提供了高阻抗。为了进一步增强这一点，可以在放大器的输出处放置电子开关，在接收时短路所有残余噪声信号。二极管仍然提供所期望的高阻抗。还可以构造完全无噪声并且在不工作时提供高阻抗的特殊放大器。利用半桥和全桥设计，这可以通过以下操作来实现：在接收期间在任何组件中绝对没有切换操作，使用低输出电容晶体管，在接收模式下在(多个)输出处具有大约一半的电源电压，没有来自输入连接器的噪声(光学绝缘)，以及具有高度滤波的电源电压(在接收操作期间重度滤波或没有电源切换)。
[0155]
在下面将讨论检测系统的基于线圈的接收系统。接收放大器应该是低噪声类型。然而，要求没有高到需要使用不常见的接收晶体管。标准低噪声双极或jfet硅晶体管通常足够好。唯一的特殊特征是放大器需要经受住发送脉冲并在发送脉冲之后立即开始操作。有几种方法来达到这个目的。在解耦的发送/接收系统(包括具有解耦网络的组合发送/接收线圈)的情况下，接收放大器不需要特殊的特征来达到这个目的。如果不存在解耦，则放大器可能对发送脉冲是强硬的。这可以通过将适当的电容器添加到放大器的输入并且将交叉二极管添加到第二端子来实现。这在发送情况下提供了适当的高阻抗，并且为放大器将所有高电压短路到无害电平。自然地，所添加的电容器需要被额定为最大发送电压。电容值
需要高到使得放大器处的信号在接收情况下不会降低太多。对于基于jfet的放大器，这通常不是关键问题。可以通过适当的电子开关来增强或替代交叉二极管，如具有mosfet输出的光耦合器。这具有进一步降低输入电压的优点。如果适当地完成，则接收放大器将不会饱和，并且在发送信号已经充分下降之后立即起作用。
[0156]
下面将更详细地讨论到数字系统的接口，其中首先描述数字信号输出和处理。尽管模拟定时器系统可以生成输出信号，但是通常将使用数字系统，如dsp或fpga。取决于输出放大器的类型，可以使用不同的输出。对于模拟放大器，可以使用某种类型的adc。由于输出信号质量不是非常关键，所以简单的pwm型模拟输出可能就足够了。数字放大器最好使用数字输出线来进行接口。然而，也可以对它们使用模拟输出并在放大器上实现切换模式生成器。利用最佳匹配放大器、半桥或全桥，直接在数字系统上产生切换模式是最适合的。此外，用于接收放大器输入保护并发送放大器输出去噪的切换模式也可以由数字系统直接生成。所有输出选项的共同特征是，它们需要足够快，以在单个传感器的不同激励上或在不同传感器之间精确地保持相位。因此，输出需要具有在比全周期时间的第10个更精细、比全周期时间的第100个更加精细的光栅上切换更新的可能性。对于比方说2khz的传感器，这意味着在比220khz更精细、甚至更好的200khz的光栅上进行更新。这并不意味着每次在光栅点处切换状态改变都是可能的。因此，例如可以具有用于每个放大器的串行接口和协议，该串行接口将新的切换状态传送到放大器，该协议用于在特定时间通过相同的串行接口执行该改变。这对于在接收阶段期间固有地静音的放大器类型尤其有用。为此，可以实现在放大器上仅需要单个光耦合器的1位串行接口。这使得容易达到免于数字发送侧的噪声，因为单个光耦合器中的寄生电容可以非常低。
[0157]
在下面将讨论模拟到数字接口。模数转换是相当标准的。由于信号是低带宽的，至少如果仅使用单个传感器，则可以将信号下混频到接近dc并对该信号进行采样。然而，传感器信号具有相当低的频率，通常低于10khz。如今，有许多合适的adc芯片直接对此进行采样。特别地，由于与模拟滤波器相比，数字信号处理是有限的，所以最好在adc中使用重度过采样。应当使用至少10倍的传感器频率，100或1000倍也是有效的选择。高度过采样使得adc输入滤波器的设计容易且便宜，因为只有传感器信号频率需要通过，而高于奈奎斯特频率则没有信号将通过。然而，低于传感器频率的滤波对于避免通常的高背景信号也是有用的。高背景信号可以减少adc之前可能的放大，增加了adc噪声贡献。adc噪声(有效比特数)和采样应当与所需的动态范围和噪声期望相匹配。这意味着，当存在最大期望信号和所有噪声分量时，adc不应处于饱和状态。同时，adc的量化噪声应该低到使得总噪声不增加。在这里，噪声意味着所记录的信号中的所有不想要的分量源自真实噪声源，如线圈电阻或接收放大器行为。它还包括不能通过适当的滤波和背景信号减法进行消除的干扰分量。通常，对于现代adc芯片，该要求可以被满足，例如具有2ms/s的18位adc。为了节省成本，采用具有较低规格的adc可能是有用的，但是添加增益控制以便仍然达到良好的整体性能。
[0158]
在下面将讨论数据处理。在数据评估之前，必须处理原始adc数据。由于期望重度过采样，因此，第一处理步骤可以是抽取(decimation)步骤。这具有减小数据大小的主要优点，并因此降低用于进一步步骤所需的计算能力。可选地，抽取步骤可以包括其它滤波器，即，在期望信号频率周围的带通。这可以简化进一步的处理步骤并减小信号的动态范围，这继而又可以节省计算能力(具有较少比特的变量)。另一可选的数据处理步骤是应用逆非线
性滤波器以降低接收系统的非线性。这意味着，全接收系统的非线性被测量，并且构造计算滤波器以逆转非线性的影响。如果使用低成本组件，则这尤其有用，因为它们倾向于具有更多的非线性行为。该非线性滤波器可替代地被用作第一处理步骤。如果使用多于一个的接收信号，则存在另外的信号处理步骤。如果至少一个接收信道没有检测到传感器信号并因此提供背景信号的测量，则将这种信号(以及所有其它此类信号)与接收信号相关，并从信号承载信道中减去相关分量。这种减法可以在时域或频域或两者的混合中进行。如果不存在没有传感器信号的信道，则可以使用有时被称为“虚拟梯度计”的数据处理策略。这将虚拟信道中的多个信道分解为物理信道的线性组合，以将不是由传感器生成的信号的干扰最小化。可以通过使除传感器的信号频带之外的信道的信号相关，来找到线性组合的因数。
[0159]
此外，在下面将解释数据评估。当传感器上的压力变化改变磁性球体之间的距离并因此改变磁机械振荡器的谐振频率时，频率是从所采集的传感器信号中提取的主要参数。由于谐振器的高质量因数(达数秒的时间常数)，所以随后的激励脉冲通常在振荡完全衰减之前被放出(参见图22)，并且因此需要具有正确的相位和定时以放大现有的振荡。这需要在随后的激励之间实时提取频率。可以使用使测量到的信号和跨越频率范围的预先计算出的时间轨迹之间的相位差最小化的比较算法或者通过傅立叶分析来提取频率，这是优选的方法。高分辨率频率信息可以通过时域零填充或频域内插以及随后使用峰值寻找或曲线拟合过程对频谱中的谐振峰值进行定位来获得。为了进一步提高频率确定准确性和可靠性，例如使用基于若干谐波的加权频率估计或者通过检查若干谐波之间的频率确定的一致性，可以将检测到的谐振信号的高次谐波结合到评估中(参见图25右上方的频谱)。
[0160]
在图25所涉及的示例中，二次谐波的信号比基频信号小一个数量级。因此需要更好的滤波。可以使用各种滤波器级来优化在谐振频率和其更高谐波处的信号，如模拟激励滤波器(如dc块和低通)、模拟接收滤波器(如带通滤波器)、以及数字接收滤波器(如iir响应滤波器)，以用于实时处理(六阶chebyshev类型ii)。在图25中，f0谐振峰的中心位置由滤波频谱中的最大峰来确定。根据f0，计算出下一个同相激励脉冲的定时。系统的重复频率在5hz与30hz之间，提供了频率响应的实时轨迹(参见图32)。
[0161]
在图25中，显示了具有和不具有数字带通滤波的信号频谱(1051与1050)。虚线在被选择用于评估的范围内。不同的点符号表示不同的滤波器类型，它们实际上没有示出显著的差别，并且因此可以被忽略。在图26中，带通1054被附接到商用低噪声音频范围放大器1053，其中该类型是femto messtechnik gmbh的dlpva-100-bun-s。在图27中，将数字滤波器的实际40db抑制频谱与所选频带的范围进行比较。这两个实现没有示出明显的差别。所显示的滤波器被应用于图25中所示的数据，导致1050和1051之间的差异。
[0162]
根据所确定的频率和接收信号的已知时间戳，可以计算出下一块激励脉冲的正确定时。激励脉冲的数目和宽度被适配为生成具有足够高振幅的振荡，以在接收线圈中产生足够的信号。
[0163]
为了校准压力传感器，需要获取针对作用在传感器上的许多明确定义的压力的频率响应。为此，高质量的压力传感器可以连接到包含该传感器的压力室(参见图28和图29)。根据相关压力范围上的一次或多次扫描(高于环境压力高达400mbar，以安全地覆盖血压范围)，可以确定频率对压力校准曲线，如图30中所示。取决于传感器特性，对校准曲线的简单拟合可能就足够好了。然而，真实的传感器可能表现出滞后行为、隔膜或其它机械传感器元
件的动态响应行为、或温度依赖性。因此，可能希望将基于物理传感器参数的模型拟合到所测量的校准数据，以达到传感器的高度准确的校准。
[0164]
图28示意性且示例性地示出了用于校准压力传感器的校准设置，其中校准设置包括压力施加器1070、压力室1071、可以是商用压力传感器的参考压力传感器1072以及数据日志记录与显示单元1073。当测量谐振频率时，压力施加器1070施加由参考压力传感器1072所测量的特定压力，使得在该校准过程期间，可以将所测量的谐振频率指派给实际压力值。图29示意性地示出了数据日志记录与显示单元1073，其示出了所测量的参考压力991和所测量的传感器响应频率990，即图29示出了传感器响应频率与使用商用参考压力传感器检测到的压力测量关系的实时显示。图30在其下部示出了对应的校准曲线890，并且在其上部示出了良好对准的参考压力892与谐振频率891之间的比较。该示例性校准曲线的灵敏度为0.17hz/mbar，如果假设频率分辨率大约为20mhz，则该灵敏度对应于约0.1mmhg的压力分辨率。
[0165]
传感器的灵敏度由每个压力变化的频率变化幅度来确定。这取决于若干参数，诸如传感器设计、隔膜刚度、磁性元件的大小以及磁性元件的距离。对于给定的设计和传感器大小，仿真使得能够找到磁性元件之间的最佳距离以及最佳偏转相对于所施加的压力的所需隔膜特性。图31示出了针对两种传感器大小预测感兴趣的频率范围的传感器灵敏度的仿真示例。在该图中，曲线437对应于演示器，并且曲线438对应于用于分数流量储备(ffr)应用的上述目标大小。
[0166]
除了上面确定的相对传感器灵敏度之外，绝对灵敏度或压力分辨率取决于关于频率确定的噪声水平。在图32中所示的示例中，噪声水平大约为0.2hz，并将传感器分辨率限制为大约1mbar，其中曲线441示出了传感器频率响应，并且曲线442示出了所测量的参考压力。图32涉及将压力分辨率限制在大约1mbar的初始演示器处的噪声水平。这已经足以用于大多数医疗应用。去除背景噪声的改进策略可以进一步提高分辨率。
[0167]
用于无线地读出相应压力传感器的读取系统的处理器可以被配置成应用补偿算法，以便针对谐振频率对以下至少一项的依赖性来校正压力值确定：a)压力传感器与场生成器之间的距离；和b)同相线圈激励。下面将更详细地解释该补偿。
[0168]
在这里，介绍了用于针对位置和参数(即压力)测量来补偿距离以及取向对磁机械谐振器中的频率的影响的方法。只有当感测到物理参数(如压力)并且以振荡器频率对信息进行编码时，才需要这种补偿。对于振荡器的定位(这将在下面进一步解释)，频率效应是不相关的(下面进一步讨论的灵敏度编码)或可忽略的(下面还进一步讨论的梯度场编码)。对于使用也作用于传感器频率的梯度场方法的定位，这些补偿是不必要的，因为仅需要评估亚秒时间时段上的频率变化。这种变化不太依赖于振荡振幅。
[0169]
磁机械振荡器的信号由线圈i中感应的电压ui(t)检测，该电压是由于悬挂磁性球体在位置r0处的磁矩m(t)的振荡运动而引起的磁场变化的结果：
[0170][0171]
其中b
s，i
(r)是位置r处的检测线圈i的线圈灵敏度，该灵敏度随时间推移大多是恒定的。在最后的步骤中，使用下式已经替换磁矩
[0172]
[0173]
其中是描述磁化的空间取向的单位向量，m
sat
是所使用的材料的饱和磁化(对于ndfeb，典型地在1.30t/μ0与1.45t/μ0之间)，并且v
sphere
是磁性物体的体积。
[0174]
从(4)可知，大的动态磁矩是期望的，以在接收线圈中感应高电压。由于球体的体积在大多数应用中必须是小的，所以可以通过使用导致大的大振荡振幅来增加信号。然而，恢复扭矩不随着由固定球体提供的恢复场b
rest
与振荡球体的磁化m之间的角度(即，振荡的振幅)线性增加：
[0175][0176]
考虑到由具有阻尼系数c的摩擦引起的扭矩和具有质量ms和半径rs的球体的角加速度所需的扭矩可以建立运动的等式：
[0177][0178]
小角度近似并且替换m＝m
satvsphere
导致：
[0179][0180]
系统的高品质因数允许进一步的近似c≈0，并且使得能够将角谐振频率计算为
[0181][0182]
由于微振荡器通常被驱动到远大于10
°
的振幅，因此这种近似在一般情况下是无效的。对于大的角度，恢复扭矩较小，并且因此发生频率的降低，导致依赖于振幅的频率其中此外，在振荡期间，恢复扭矩的变化在传感器响应中引入了非线性，这由频谱中的基频的较高谐波的存在来表明。
[0183]
除了非线性恢复扭矩之外，两个磁性球体之间的力取决于它们磁化的相互取向：
[0184][0185]
对于给定的传感器设计，力总是沿着两个磁性球体的连接向量指向，然而，在90
°
的振荡振幅下，力的大小变为零，甚至在更高的角度下从吸引变为排斥。如果悬挂球体的细丝由于所施加的力而伸长，那么在高振荡振幅下的平均力的减小就增加了球体之间的距离，从而减小了b
rest
并且从而减小了振荡频率。不仅细丝可以改变其长度，而且传感器中的其它结构也可以改变其长度。
[0186]
如果由发射线圈所生成的激励场具有恒定的振幅，则振荡振幅将随着线圈与传感器之间的距离增加而减小(减小激励场)，并且因此频率会减小。振幅还取决于线圈与传感器之间的相对取向，如图33中所示。
[0187]
图33图示了相对于单个发射接收线圈而测量到的不同谐波中的信号幅度对传感器取向的依赖性。如果平行于磁偶极子取向而对准激励场，则不发生激励，并且信号为零。对于场和偶极子的正交对准，实现了最高的振荡振幅。注意，偶次谐波的空间模式与奇次谐波正交对准。这可以通过在与基本信号(一次谐波)和三次谐波中的最大值相对应的取向上
的二次谐波幅度的零点来看出。振幅比率图(中心图)突出显示了取向依赖性中的这种差异：二次谐波比一次谐波比从零变为最大值(或奇点)，而三次谐波比一次谐波比是平坦的。偶次谐波处的动态响应与奇次谐波正交定向的知识可以被用来确定传感器的第三取向角。
[0188]
因此，初始频率确定将导致不仅取决于物理量而且取决于传感器的位置和取向的读数。这通常是不希望的，并且因此优先采用减少这种效应的机制。
[0189]
存在两种策略来减轻该效应。一个是确保振荡振幅对于所有有效位置和取向(即，在视场中)保持恒定。另一个是根据一个或多个频率读数而计算虚拟频率，其中虚拟读数与振荡振幅无关。所挑选的虚拟频率可以是非常低振幅下的谐振频率，即，由等式(8)给出的零振幅频率。当然，可以使用两种策略的组合。
[0190]
在下面将描述对振荡振幅的控制，其中使用从定位中已知的压力传感器的位置和取向。
[0191]
用于校正频移的概念上最简单的方式是使用相对于发送/接收线圈阵列的已知位置和取向。该位置可以通过灵敏度编码或梯度编码或其组合来获得，所有这些将在下面进一步描述。当位置和取向已知时，可以推导出绝对动态偶极矩。通常，动态偶极矩在位置确定期间已经是拟合参数。否则，如等式(3)所给出的，它根据线圈在相对传感器位置和取向处的已知灵敏度以及所记录的信号强度推导出。根据传感器的动态偶极矩和已知的静态偶极矩，可以推导出振荡幅度。(如果传感器静态偶极矩先前是未知的，则可以根据在不同激发振幅处测量的多个动态偶极矩将其推导出，作为达到的或外插的最大可能动态偶极矩。)现在，可以调整发射场振幅以达到预定的最大振荡角一种稍微简单但也稍微不太可靠的方法是将发送振幅简单地调整到一个值，以使得传感器处的驱动场分量总是恒定的。通常，一个方向场分量(相对于传感器在一个方向上的振幅)支配激励过程。振幅取决于若干激励线圈中的各种同时激励电流。以在期望的位置和期望的取向处给出期望的幅度的方式调整线圈中的电流的振幅和相位。如何这样做在电磁学领域中是公知的。由于对这个问题的解决方案和调整发送振幅的先前的方法不是明确的，所以使用用于当前优化的至少一个第二标准。在本上下文中，“不明确”意指发送线圈电流中的多个振幅相位组合具有相同的期望结果。第二标准通常是使不希望的激励副作用最小化。不希望的副作用的示例是总功率耗散、在一个线圈中的最大功率耗散、在一个线圈中的最大温度(其也取决于激励历史)、周围物体中的热或力。当然，任何其它相关标准或组合都可以被用于这种优化。同样有效的是不使用最优解，而是简单地使用特定优化算法(如梯度下降或仿真的退火等)已经找到的第一有效解决方案。
[0192]
在下面将描述零振幅频率的确定，其中使用从定位过程中已知的压力传感器的位置和取向。
[0193]
对于相对于线圈阵列的已知位置的情况，也可以描述第二种方法，其中不控制振幅，而是将频率转换为例如零振幅频率。对于这种方法，需要传感器的模型。该模型直接地或以某种等效形式描述频率与振荡角的关系，如频率和动态偶极矩强度。该模型的形式可以是将频率表达为零振幅频率减去取决于振荡振幅的函数。更复杂的描述也可以起作用，例如与在上述等式(6)之后引入的校正项例如相乘。频率和振幅都可以被解释为在预定积分时段或序列长度上的平均值或曲线拟合。由于位置和线圈灵敏度是已知的，所以如上所述，可以根据所记录的信号来确定振荡振幅。因此，由于实际频率和振幅是已知的，
所以可以通过对模型函数求逆来推导出零振幅频率。求逆(inversion)可以以一种可分析的方式或者通过公知的数值方法来执行。在数学上，代替零振幅频率，也可以使用任何其他相关量，例如10
°
振幅处的频率以及根本不反映频率的量，例如绝对球间距离。然而，这种变换不改变这种评估过程的基本性质。
[0194]
通常，即使当使用零振幅外插方法时，对于大多数应用也优先引入某种振幅控制。如果传感器靠近线圈阵列，则可以使用比传感器更远时通过线圈的更低的电流。零振幅外插方法的优点在于，即使传感器远到由于对线圈电流的限制而不能再维持恒定幅度方法的预定振荡振幅，它也可以起作用。
[0195]
上面的描述假设振荡幅度可以从传感器的已知位置和取向以及接收线圈中的感应电压导出。然而，可以提供振幅信息的任何其它方法都可以被用来使用恒定激励和外插方法来补偿依赖于振幅的频率。下面，将提供用于这种振幅确定的一些替代方法。当只有少量线圈可用并且不能确定确切的相对位置时，这些方法可能是有用的。在下文中将不再重复补偿方法本身。
[0196]
在下面，将描述如何通过使用基频的谐波的幅度来确定振荡幅度。
[0197]
用于确定振荡振幅的一种方法是评估线圈中的感应信号的谐波。作为非线性振荡器，磁机械传感器在动态偶极矩中生成谐振频率的谐波。这些谐波在(多个)接收线圈中被拾取。优选地，注意在采样和滤波步骤中不抑制基频的这些倍数。谐波的频谱取决于传感器的细节。可以存在主要生成奇次谐波(在3ω0，5ω0，...处)的传感器和生成偶次和奇次谐波(在2ω0，3ω0，4ω0，...处)的传感器。然而，可以构造混合类型。奇次谐波的动态偶极矩趋向于与基频的动态偶极矩对准，而偶次谐波趋向于垂直于基频动态偶极矩并垂直于旋转轴而对准。因此，奇次谐波在概念上是最容易被使用的，因为比方说三次谐波的动态偶极矩与基频的偶极矩的比率被反映为单个线圈中所记录的电压中的对应比率，例如被评估为频谱峰值振幅。然而，由于接收系统中的放大可能是依赖于频率的，所以优选地应用校正以保持三次谐波动态偶极矩与基频动态偶极矩的真实比率。该比率可以在预定的积分时段内被测量。对于每个传感器，可以对振荡振幅或直接频移提供该比率的校准，并因此应用校正。在偶次谐波的情况下，情况多少有些复杂，这是因为动态偶极矩的方向不与基频动态偶极矩对准。因此，在这里通常需要采用多于一个的线圈，或者需要通过其它手段来确定线圈相对于传感器的取向。虽然对于一大组线圈(例如＞＝6)，可以重构传感器位置和取向，但是少的线圈(例如3-5)应该至少允许使用与本文档中描述的定位确定方法相类似的方法来重构传感器相对于线圈的取向。然后可以使用线圈灵敏度来确定针对偶次谐波的动态偶极矩的真实比率。可以省略取向确定的中间步骤，并且可以使用线性代数方法来建立线圈中基频振幅和谐波振幅的比率的直接映射。应当理解，在这里在频域中描述的方法可以被映射到其它基础(如时域)中的方法。在时域中，频率分析被映射到振荡形状分析。这些映射方法在数学文献中是公知的。
[0198]
在下面将描述基于时域包络函数的振荡幅度的确定。
[0199]
另一种确定振荡幅度的方法是利用信号的非线性衰减行为。传感器的阻尼通常是非线性的。非线性衰减意味着，在双倍的存储能量下，传感器的平均耗散功率不加倍，而是以稍微高于2的因数增加。其原因可以是由于上述的力调制而导致的细丝的拉伸。等式(9)示出了在低振荡振幅处，磁性物体之间的吸引力很大程度上是恒定的，但是在更高的振幅
处，它们不再恒定。这种力变化在第一近似中取决于振荡振幅的平方，对应于抛物线的余弦函数的近似。这种平方依赖性是耗散中的非线性的原因。磁性物体之间变化的力周期性地拉伸(多个)细丝，这导致耗散贡献。其它效应也可能导致非线性行为。总之，这些效应导致在给定时间内衰减曲线的包络形状取决于初始振幅的情形。因此，如果传感器具有恒定的初始振荡振幅并且传感器的距离和/或取向相对于(多个)接收线圈改变，则初始衰减包络的缩放版本被找到。然而，如果传感器的激励振幅改变，则不仅衰减曲线的总振幅改变，而且其形状也改变。这意味着可以使振幅效应和距离/取向效应解脱，并且因此可以使用例如预先记录的衰减曲线的查找表来重构初始振荡振幅。这又导致了确定零振幅频率的可能性或者受控的恒定振幅激励，如上所述。该方法仅需要单个线圈来起作用。然而，它在记录期间对传感器的移动多少有些敏感，因为这也改变了包络的形状。因此，将可能的传感器移动的模型结合到评估中是有益的。例如，如果已知传感器将不执行快速加速，则利用持续运动的假设来校正衰减曲线包络是有用的。
[0200]
在下面将解释基于对激励场中的变化的信号振幅响应来确定振荡幅度。
[0201]
用于确定振荡振幅的另一种方法是分析传感器信号对不同激励强度的反应。在这种情况下，电流脉冲被系统地改变，并且(多个)传感器对不同激励脉冲的响应被评估。发送脉冲电流、持续时间和相位或其组合可以变化。例如，假设有两个激励脉冲。如果距离为高而局部场振幅为低，则两个脉冲被设计成生成单个脉冲将产生的振幅的两倍。然而，如果距离为低并且传感器处的局部场为高，则振幅将小于振幅的两倍。这导致接收电压相对于预期因数2的特性降低。因此，对于给定的激励模式，传感器的接收信号(傅立叶)振幅的(多个)比率是激励振幅的量度，并且可以再次被用于外插到零振幅频率和/或用于具有恒定的激励振幅。除此之外，还可以评估其他量，如频率和衰减时间。这些量的比率也是振荡振幅的特性，并且可以被用于外插到零振幅频率。
[0202]
下面将描述基于所有贡献因数的完整模型来确定正确参数。
[0203]
上述的所有方法仅仅是评估方法，其中一些方法需要发射的场脉冲中的改变。不需要为了进行这些评估而对系统进行硬件改变。因此，实现所有这些都是合乎逻辑的。这可以通过简单地并行运行评估并以最小化噪声的方式对结果进行组合来完成，即根据相对噪声进行加权平均。虽然这是相对直接和容易实现的，但是通过使用将在下面概述的真正集成的数学方法，则可以预期更好的结果。在另一方面，数学上复杂的方法实现起来相当困难，并且可能需要太多的计算资源以在成本有效的计算机硬件上运行。正确的数学方法的基础是用于传感器的数学模型。该模型预测传感器对激励场、当前传感器状态和测量参数(即传感器环境)的响应。传感器状态可以是悬挂球体的唯一的当前偏转角和旋转速度。然而，特别地但非排他地，对于压力传感器，这也可以结合在外部或内部变化的力下可以变形的结构的弹性状态。因此，需要结合用于隔膜和细丝的滞后的模型。该模型可以具有不同的数学形式，但是最常见的方式是以一组微分方程公式表达该模型。然后还必须生成包括滤波器和放大器特性的发射和接收线圈的模型。这可以用微分方程来公式表达，尽管在这里傅立叶参数表示也并不少见，但是只要发射和接收系统本质上是足够线性的即可。最后，需要提供用于线圈发射和接收灵敏度的模型。这可以简单地是一组具有附加灵敏度以及各点之间的内插算法的空间点。它也可以基于以biot-savart定律为基础的线圈的仿真。该模型现在可以利用激励脉冲和外部参数的给定历史，来预测传感器在任何给定位置和取向处的
电压响应。因此，该过程是以所记录的信号和仿真以最佳可能的方式进行匹配的方式来变化传感器位置和取向以及仿真中的传感器影响物理参数。可以使用许多公知的优化方法，诸如梯度下降或随机游走。匹配可以被定义为所测量的采样点和所仿真的采样点的差之和的均方根。如果这个量最低，则匹配最好。可以改变最佳拟合，引入附加约束，例如通过预期的相对位置和取向的模型，或者通过对最大预期传感器加速度的约束和/或所测量的量的模型，其例如给出了对这些量的最大变化率的约束。也可以使用附加的传感器输入，如针对距离和取向变化的至少一个独立输入的手持线圈系统上的加速度计。由于基于完全模型的评估过程是计算密集的，因此它们可以与先前方法中的一种或几种进行组合以给出用于进一步优化的良好起点。
[0204]
处理器还可以被配置为补偿重力效应，如在下面将解释的。
[0205]
在压力传感器中，可移动传感器段的重量会对压力读数有影响：如果它在固定传感器部分的顶部，则它压缩传感器并因此导致压力的明显增大，如果它在底部，则它导致明显减小。在直径0.5mm的ndfeb球体上的重力(重量)为大约5μn。为了比较，由1mbar的压力变化所产生的传感器的圆柱形背面上的力的变化(保守地假设直径与球体的相同)为大约20μn。因此，传感器在空气中的上与下取向之间的力差将准确度限制在0.5mbar。为了减轻这个问题，可以基于根据本文中描述的用于恢复(位置和)取向的方法之一中所获得的传感器的空间取向来应用校正。在诸如血液之类的液体环境中，可以通过使传感器段的密度与液体的密度相匹配来使重量效应最小化，然后浮力补偿重力。
[0206]
处理器还可以被配置为补偿地球磁场和其他静态场效应。
[0207]
静态背景场添加到固定磁性物体的场，并因此调制由振荡磁体所看到的恢复场b
rest
。这根据等式(8)改变谐振频率，并且因此是用于经由振荡器的频率变化进行感测的误差源。它与振荡器定位无关。对于由饱和磁化为1.3t/μ0的ndfeb所制成的直径为0.5mm的磁性球体，对于0.75mm和1.0mm的中心到中心距离，由固定球体在振荡球体的中心处产生的场分别为16.1mt和6.8mt。地球磁场在25μt与65μt之间。对于上述0.75mm和1.0mm的距离，具有65μt的最大地球磁场的静态场分量的平行与反平行对准之间的频率差将分别创建大约5hz和9hz的频率差。关于10mhz与100mhz之间的典型频率分辨率以及温度传感器的-0.3k/hz和压力传感器的20mbar/hz的原型灵敏度，这种最坏情况计算导致感测值中的实质误差。在下面介绍对此的不同减轻策略。
[0208]
传感器侧的减轻是使用采用具有相同磁偶极矩和惯性矩(或两个量的适当比率)的两个悬挂球体而不是单个球体的设计。由于反向振荡发生在单个频率处，所以消除了静态偏置场(如地球磁场)的一阶效应。
[0209]
另一种减轻策略是在检测器系统中使用绝对场传感器来测量静态背景场的幅度和取向。基于使用本文档中讨论的方法所确定的传感器取向，可以计算频率或场校正以得到针对压力、温度或其它参数的正确传感器值。为了感测静态背景场，可以使用可以被集成在检测器系统中的具有足够灵敏度和覆盖区的任何磁场传感器。一种成本有效的选择可以是3轴霍尔传感器。一种替代方案是具有明确定义的零场频率的温度补偿微型块(micro-bot)的3轴阵列。从对它们相应频率的变化中，可以确定背景场的幅度和取向。理想地，挑选它们的谐振频率，以使得它们不干扰感兴趣的传感器的频率。代替对评估中的频率偏移进行校正，人们还可以使用多线圈检测系统的线圈来生成小偏移场以抵消地磁和其他背景
场。如果由于铁磁材料的存在而在视场中存在非均匀场，则可以采用若干组3轴磁场传感器来表征空间场变化。基于从这些测量所导出的内插背景场图，可以计算对在已知位置和取向处的传感器的校正，或者可以应用相应的校正偏移场，或者使用两种校正方法的混合。
[0210]
压力传感器以及标记器应当具有高品质因数，并且需要具有大的频率扫描以在特定应用所需的范围内对测量的量是敏感的。高品质因数在生成最高信号的高振荡振幅处尤其重要。由于两个磁性物体具有强吸引力，并且该力随着距离的缩小而强烈地增加(增加到距离的4次方，参见等式(9))，所以两种特性都可能被恶化。强力导致在保持至少一个磁性物体的至少一根细丝中的相对强的张力。这种张力本身不会导致耗散路径。然而，特别是在大的振荡振幅下，磁性物体之间的力减小，并且因此细丝上的张力周期性地减小。这导致细丝的周期性伸长和缩短，这通常导致热生成。因此，从振荡器提取功率。这些力还强烈地取决于磁性物体的距离，并且如果物体彼此靠近则变得非常大。这种行为对于压力传感器尤其成问题。磁性物体之间的力在功能上等同于外部压力。因此，如果外部压力增加，磁性物体变得更近，这继而又增加了表观压力。当使用用于压力确定的测量的校准曲线时，这种效应被补偿，但是当传感器到达倾斜点时的情形，这种效应可以导致这样一种情形：磁性物体被快速地拉向彼此并且最终接触。这导致传感器不再起作用的状态。这可以通过简单地使压力传感器的隔膜或波纹管结构更硬来避免。然而，这降低了传感器的灵敏度，即，降低了每施加的压力的频移。为了解决这个问题，描述了一种用于减小力和力的变化的方法。如图34中所示，它仅由磁性材料的一部分组成，该磁性材料在与相邻的另一个磁性物体相反方向上被磁化。
[0211]
在图34中，压力传感器4001包括磁性物体4008，该磁性物体4008是经由细丝4006从壳体4002的柔性部分4010悬挂的永磁体，细丝4006优选地是高强度线丝。柔性部分4010优选地是隔膜，其可以是乳胶隔膜。壳体4002的其余部分可以由金属或聚合物制成。壳体4002可以填充有气体或者它可以提供真空空间，其中内部空间具有图34中的附图标记4009。另一个磁性物体4007经由胶4011而被固定到壳体4002的内端表面。两个磁性物体4007、4008通常在相反的方向上被磁化。然而，固定的磁性物体4007也包括具有反向磁化取向4012的部分。
[0212]
因此，如果涉及两个磁性球体，则在该示例中至少一个球体获得在相反的方向上磁化的盖(cap)。该盖位于另一个磁性球体附近。如果一个球体是固定的而另一个是振荡的，则最好将该该设置在固定球体上。以这种方式，传感器的动态偶极矩不会减小。只是振荡频率略低。然而，颠倒球体的角色也是可以的。相反磁化的部分小到使得在所有操作距离处，磁性物体之间的净力仍然是有吸引力的。如果反向磁化部分足够小，则可以恰好满足吸引条件，直到磁性物体相接触。存在若干方法来制造反向磁化的该。一种是在至少一个磁性物体的顶部上添加一些磁性材料。磁性材料可以是软磁性材料或硬磁性材料。它可以是固体连续磁性物体或磁性涂料或它们之间的东西。磁性材料倾向于以自身形成相反磁化的方式来对准。此外，它还倾向于粘在磁性物体上。然而，这种附加的材料应被胶合到磁性物体上，特别是如果两个主要的磁性物体偶尔会相互接触。为了保持最初所期望的形状，可以例如通过研磨而从待改变的磁性物体移除一些材料。存在形成反向磁化区间的替代方式。它可以仅仅通过反向磁化磁性物体的期望区间来创建。这可以通过穿过磁性物体附近的导体的强电流脉冲来实现。然而，由于过热，这不是非常实用。通过仅仅将磁性物体的受影响部
分加热到接近或高于居里温度就可以更容易地实现之。这将导致磁化的反向。可以通过在相反的方向上施加脉冲或恒定磁场来增强该效应。这些场还可以通过在要被影响的区间附近使用一些硬或软磁材料而结合强梯度。由于加热必须相当局部化，所以温度升高需要非常迅速，以使得沉积到磁性物体中的总能量较低，并且总体上不会将其带到接近居里温度。合适的加热源可以是激光。电阻或电感加热方法也可以起作用。
[0213]
下面将解释如何定位压力传感器。
[0214]
对于跟踪系统，需要确定也可能包括磁机械振荡器的标记器的取向和3d位置，但是对于纯感测系统，也需要确定振荡器的取向和位置，以使得能够改善如上面所讨论的传感器读数的准确度。两种独立的定位策略可以被用于定位。在一些情形下，一种策略可能是足够的，在其他情形下，两种方法的组合可以用于提高准确度或表示导致两种方法之间的矛盾结果的系统误差(例如，工作空间中的强铁磁体)。
[0215]
一种策略将基于线圈灵敏度进行定位。该方法利用线圈阵列中的每个线圈i基于其位置和取向而具有不同的空间灵敏度分布b
s，i
(r)的事实。根据等式(3)，单个振荡器然后为每个线圈创建具有特征振幅的响应，该特征振幅由振荡器的动态偶极矩相对于b
s，i
(r)的相应取向来确定。对于传感器位置和取向的重构，需要确定由等式(4)给出的一组前向函数。最后，期望所有接收信道的6个标记器位置和取向坐标与基频或更高谐波处的电压幅度之间的映射。以下等式描述了如何排除等式(4)中的时间依赖性，以使得仅需要考虑幅度。我们通过包括所有自变量，即位置向量r＝(x，y，z)
t
和取向向量来开始：
[0216][0217]
所需的线圈灵敏度分布可以根据已知的线圈几何形状来计算，在所定义的位置处进行测量，然后进行内插，或者以两者的混合(即，可以用适当的拟合参数被拟合到实验结果的模型)来进行确定。对于磁化的振荡，对标记器的框架中的振荡频率ω和幅度α0的显式描述将是
[0218][0219]
其中素数指示局部标记器框架，并且使用了用于低振荡幅度α0的三角函数的扩展。于是时间变化将是
[0220][0221]
其中第一项表征基频响应，并且第二项表征二次谐波频率响应。使用旋转矩阵可以计算空间中的一般取向的磁化，即由此，从(11)开始，针对基频和二次谐波频率的电压振幅可以分别被确定为
[0222][0223]
以及
[0224][0225]
因此，线圈i的总电压为
[0226][0227]
根据一组前向函数(14)和(15)以及所测量的响应振幅，可以通过使用非线性解算器对方程组进行求解来计算标记器位置和取向，该非线性解算器是标准的数学方法。该解的准确度将随着接收线圈的数目以及它们相应的线圈灵敏度之间的正交性(即差异的幅度)而提高。6个未知数和更多(或更少)数目的接收信道之间的失配可以通过在最小二乘意义上求解方程组来考虑。
[0228]
还可以基于梯度场编码来执行定位。虽然线圈灵敏度定位是基于由线圈阵列拾取的振幅分布，但是可以操纵标记器的频率以给出独立的位置信息。为此，例如通过将低频电流施加到线圈阵列的选定线圈，来生成在工作空间上理想地具有恒定场梯度的非均匀磁场。这种附加场改变了作用在振荡球体上的恢复场b
rest
，并且因此改变了其频率(等式9)。由于场的非均匀性质，频率变化将取决于标记器的位置和取向。通过顺序地施加若干编码场(例如，施加在6个不同取向上的场梯度)，可以确定标记器的三个取向参数中的两个取向参数以及所有三个位置。然而，以生成足够高阶贡献所需的更高场强为代价，剩余角度可以从传感器对外部磁场的更高阶响应中被推迟。基本编码理念涉及mri中的梯度编码；因此，可以进行频率编码和相位编码。
[0229]
对于频率编码，在信号读出期间施加非均匀场以产生期望的频率偏移。对于期望的空间分辨率，所施加的编码场强必须被适配为标记器的频率灵敏度和系统传递的频率分辨率。假设球体直径为0.5mm的ndfeb标记器的频率灵敏度为对于空间分辨率为δr＝1mm并且假设的频率分辨率为δf＝10mhz，则场梯度大致为
[0230][0231]
将是必需的。该梯度强度比典型mri系统的梯度低大约100倍。因此，不需要专用的水冷梯度线圈，但是发射-接收阵列的线圈可以被用于场生成。
[0232]
对于相位编码，非均匀编码场在信号读出之前被施加，即依赖于位置的频率偏移仅被施加于短窗口，在该短窗口期间依赖于位置的信号相位偏移产生。在相位分辨率不足以用于准确定位的情况下，可以在顺序激励中变化相位编码脉冲的持续时间和/或振幅，以使得可以辨别相位积累中的模糊度(大于2π)。因此，在多次读出的过程中获得完全的空间信息。具有一个非均匀场图案的相位编码(例如，对一个空间轴进行编码)可以与具有另一个非均匀场图案的频率编码(例如，对正交空间轴进行编码)进行组合，以用于有效定位。如果从灵敏度编码方法中已经知道粗略的标记器位置(由于其平行性质而更快)，则仅使用提
供丢失的高分辨率(高空间频率)分量而不提供完整空间信息的很少的相位编码步骤就足够。
[0233]
如本说明书中所述，利用梯度所获得的定位结果与灵敏度编码的比较可以被用来标识例如由背景场所引起的系统误差。此外，应当注意，可以抑制采用两个悬挂球体的传感器对低频外部场的线性响应；在那种情况下，频率的高阶响应可以被用于定位或健全性检查。然而，这些振荡器的场灵敏度低得多，以使得将需要更到的梯度场以用于梯度场编码。
[0234]
下面将描述用于紧密耦合的传感器的参数确定和位置确定。
[0235]
如果仅使用很少的线圈，则确定位置(意味着3个位置和3个取向参数)以及测量参数(如压力或温度)尤其困难。然而，仅使用几个线圈是成本有效的，并且由于空间限制而在一些应用中也是优选的。因此，希望以仅利用几个线圈起作用的方式来修改检测过程和硬件。这样做的一种方式是以耦合的方式来使用若干标记器和/或传感器。耦合在这里意味着若干传感器/标记器(每个都以不同的已知频率来操作)在组装中与固定的相对取向进行组合。典型地，传感器被附着到刚性框架上，但是在技术上，在评估时间点仅需要知道传感器/标记器的相对位置。利用足够的传感器，可以仅利用两个线圈来确定位置。当与传统的电磁导航系统相比时，这可以最容易地被看到。这些典型地由若干(通常多于6个)发射线圈和一个接收线圈组成，该接收线圈被定位并且其取向被评估。然而，由于线圈的旋转对称性，线圈绕其轴(动态偶极矩的轴)的旋转无法被检测。在该比较中，可以将刚性耦合的传感器组视为发送阵列，而将单个发射-接收线圈看作标记器。因此，可以将传感器/标记器阵列定位在围绕发送线圈的动态偶极轴的环的某处。注意，如果线圈不是圆的，则环在空间上不是完美的圆，但是这不会改变自变数点。因此，不能用一个线圈来确定位置，但是两个线圈(具有非平行的动态偶极矩)的对称性被打破，并且可以确定传感器/标记器阵列的位置和取向。不同传感器信号的评估最好用在该文档中别处所描述的完整模型方法来完成。简而言之，即以微分方程的形式，生成阵列中的每个传感器/标记器的模型。该模型预测针对给定激励的传感器响应。与发送/接收系统模型(包括放大器、滤波器和线圈)一起，阵列的总响应可以被预测。已知过去的激励脉冲(通常只需要知道几个衰减时间的脉冲)，可以计算出针对传感器位置的预期接收信号和参数值。现在，传感器的位置/取向以及传感器所测量的物理参数被优化，以将计算出的与实际接收到的信号之间的差异最小化。还可以将预先知识结合到该过程中，即仅允许传感器相对于线圈的最大位移速度。在这里与先前描述的方法的唯一区别在于，该过程不是针对一个传感器进行的，而是针对阵列中的一组耦合传感器或同时针对若干阵列进行的。对于传感器阵列，还有一组可用的预先知识，即传感器/标记器在阵列中的相对位置和取向。采用全参数方法或至少零振幅度频率外插方法是特别有用的，这是因为很难使所有的许多传感器同时操作在所期望的振幅下。然而，全模型方法是多少有些计算密集的。为了减少所需的计算能力，首先各个地使用已经解释的单个传感器/标记器评估方法并且使用它们的结果作为最终的基于全模型的位置和值重构的起始值可以是有益的。
[0236]
在下面将解释一些校准方面，其中首先涉及在导电和软铁磁材料存在的情况下的校准。
[0237]
导电的特别是软铁磁材料的存在可能通过扭曲由标记器或传感器的振荡磁体所创建的场和/或通过扭曲由(多个)发送线圈所生成的(多个)场而干扰定位。在较小程度上，
传感器读数也可以被改变，尤其是当幅度效应的补偿可能在准确度上降低时。因此，用于场的校准过程是所期望的。此外，优选的是还具有标识此时可能发生场干扰的测量。因此，首先讨论检测干扰问题的方法。典型地，定位系统使用发送/接收线圈的阵列。线圈可以是单独的仅发送和仅接收线圈，或者使用同一线圈用于两种功能。无论如何，在该配置中，一个线圈可以发送，而所有其它线圈直接接收发送信号。将接收信号与存储的参考值进行比较。如果实际接收到的信号与存储的值偏离太多，则触发一些动作，如警告不准确度，触发自校准过程或建议涉及用户交互的校准过程或这些事情的组合。也可以用若干线圈同时发送。发送脉冲应包含多个频率。这可以通过生成脉冲或通过使用频率扫描或一些中间方法来实现，这在文献中是公知的。频率分析是重要的，因为在导电结构上运行的涡流高度依赖于频率。因此，显著的变化可以是：接收的信号在两个不同频率处的比率超过某个极限。如果至少一个光谱分量改变一个定义值，这也可能是显著的。然而，整个频谱中的均匀变化可以归因于例如接收放大器中的增益变化。因此，如果例如以增益可能改变的方式构造接收放大器，则该效应可以被用来在软件中设置新的增益值以补偿该增益改变。如果预期在发送放大器中而不是在接收路径中发生增益改变，则以类似的方式保持自变数(argument)。在这里，作为校正，在计算模型中改变发送振幅(导致传感器的振荡振幅的变化等)。理论上还可以测量单个线圈的阻抗，并使用该阻抗的变化作为对涡流环境变化的指示。然而，测量阻抗的能力不是电子设备自然地产生的，并且需要特殊装备。不仅可以使用线圈的耦合来检测涡流中的环境变化，而且还可以检测操作范围中的传感器/标记器的已知特性。特别地，可以在发送/接收线圈阵列本身中结合传感器。甚至单个传感器/标记器也是有用的。例如，如果在相对于(多个)线圈的固定位置处将单个标记器结合到系统中，则标记器的响应的变化是改变的涡流环境的指示。甚至更有利的是结合对低频磁场敏感的传感器/标记器，但是不对其它可能快速改变的物理特性敏感或对其它可能快速改变的物理特性几乎不敏感。该标记器不仅是静态磁场的指示，而且还是铁磁材料的存在的指示。为了检测铁磁材料，不仅向线圈馈送传感器/标记器的振荡频率处的电流，而且还馈送低得多的频率的电流。电流馈送可以通过线圈或使用若干线圈来实现。如果所测量的传感器响应(即，由于所施加的低频磁场而引起的频率变化)与所存储的预期不相同，则铁磁材料很可能扭曲场。如果系统中存在足够的线圈，则甚至不必将依赖于场的传感器/标记器设置在已知位置处。利用足够的线圈，可以使用线圈在传感器/标记器振荡频率下的灵敏度并且独立地通过使用传感器/标记器对近dc磁场的灵敏度来确定标记器位置(梯度场编码)。如果通过两种方法获得的位置发散，则涡流(或铁磁)环境已经改变。然而，如果不仅将一个这样的传感器结合到系统中，而且将多个这样的传感器结合到系统中，则会更好。使它们在已知位置比在未知位置更好。但是，不是没有位置信息而是知道位置的仅仅一些特性也是有用的。部分知识的实际方式是将传感器/标记器放置在刚性结构上，其确保相对于彼此的已知且时间稳定的位置和取向。这种具有传感器/标记器的校准“框架”可以永久地或不时地被放置在定位系统的操作体中。如果定位系统找到偏离预期的相对位置和取向，则系统受到涡流或铁磁材料的干扰。同样，如果传感器/标记器也对近dc磁场敏感并且线圈阵列具有足够的线圈，则可以在仅铁磁材料对场进行干扰的极低频率下和在传感器/标记器谐振频率下独立地确定传感器/标记器的相对位置，其中铁磁性和涡流都导致场扭曲。因此，例如如果铁磁材料对干扰有贡献，则可以生成关于干扰物体的性质的信息。同样，检测干扰的最佳方法是发送/接收放大器、
线圈和(多个)标记器/(多个)传感器的全数学模型。该模型还包括已知的绝对和相对的位置和取向。在第一步骤中，以最小化误差的方式优化所有位置/取向和物理参数。该步骤包括例如关于附着到线圈阵列的固定位置标记器和可能框架中的相对位置的预先知识。作为旁注，“框架”不必是仅为了校准而引入的东西，而是由许多振荡器组成的标记器可以自身充当框架。在第二步骤中，计算预期信号与递送信号之间的总加权误差。如果误差超过某个阈值，则断定某些材料对场有干扰。根据误差的性质(即，它发生在ac敏感组件上还是dc敏感组件上)，可以推导出干扰材料的性质。
[0238]
确定场干扰存在的最后一种方法也是补偿场干扰影响的方法的良好起点。当假设存在引起涡流的导电材料而不是铁磁材料时，可以最容易说明该方法。当应用上述模型时，我们从近dc相关信号的评估中得到正确的位置(梯度场编码)，但是在传感器频率及其谐波处得到错误的位置和局部场振幅(线圈灵敏度编码)。因此，我们可以以匹配预期的方式扭曲较高频率场。在施加扭曲之后，所有位置和传感器读数将被改善。不仅仅依靠基于近dc磁场的位置估计是有利的，这是因为ac灵敏度编码要快得多。用于该补偿方法的最关键部分是确定用于扭曲ac场的正确模型。一种简单的解决方案是例如使用简单3d多项式来将场偏移函数参数化。这意味着不使用实际位置的场值，而是使用由3d多项式变换的位置的场值。这在计算上是高效的，但是可能缺乏物理洞察，并且例如如何将线圈耦合的测量结合到该框架中是不明显的。因此，最好使用更接近物理现实的模型。例如，最好使用靠近线圈系统的导电板的场模型来引发期望的场扭曲。因此，基本上改变一些虚拟板的位置、角厚度和尺寸，直到模型预期和所测量的数据匹配。如何模拟这种导电板在电磁模拟文献中是公知的。这种类型的建模具有另外的优点，即容易结合特定环境中可能出现的物体的形状。因此，如果使特定设备靠近视场，例如x射线c型臂，则该设备是已知的并且可以在之前进行建模，从而仅需要通过系统软件来优化确切的取向和位置。另一个优点是，系统可以显示假设的干扰物体位置，或者将数据发射到执行显示任务的第二系统。以这种方式，用户可以特别地被指向到干扰测量的对象，并且用户可以想要移动或移除它们。在该过程期间，线圈的耦合数据基本上用作金属检测器的阵列。铁磁材料的结合在概念上与产生涡流的导电材料相同。然而，铁磁材料仿真在计算上是稍微密集的，并且由于可能缺少由专用标记器所限定的明确参考位置，所以可能不会产生确切的位置。但是再次，最好对一组铁磁材料进行建模，如片和杆，并在线圈阵列周围仿真时放置它们以及对它们进行变形。在这里，如果提供可能的铁磁物体的数据库，则对于该模型而言是非常有益的。此外，可以通过测量线圈环境中的谐波生成来增强互耦测量的过程。谐波的存在是对软铁磁材料的强烈指示，并且所测量的信号给出了对于物体的大小和位置的有价值的输入。
[0239]
下面将描述激励脉冲生成。
[0240]
系统优选地包括用于生成定时和激励脉冲的形状的软件。该激励脉冲生成器优选地知道硬件的能力。存在不同类型的放大器和可能的滤波。一种类型的放大器能够生成紧随相当任意路径的电流波形。这些在这里被称为“模拟放大器”。另一个仅能够以预定的速率增加电流，以类似的速率减小电流，以及使电流或多或少地恒定。本质上，这些放大器在线圈处施加具有正或负号的电压或者充当短路。这些在这里被称为“数字放大器”。数字放大器可以具有不同的切换速度，即每单位时间允许的状态改变次数。如果切换速度比振荡速度高得多，则数字放大器再次像模拟放大器那样工作。因此，这种类型的放大器在概念上
可以被视为模拟放大器。如果切换速度仅与标记器/传感器振荡频率大约相同，则处理不得不稍微不同。然而，这是更困难的情形，因此所有讨论将集中于此。这种类型的放大器比模拟放大器有一些好处。主要的好处是该放大器的效率通常非常高，并且容易实现98％的效率。另一个优点是与计算系统进行接口非常容易。在放大器和线圈之间，可以存在匹配电路。最简单的匹配电路仅仅是与线圈串联的电容器。使用匹配电路，在给定放大器电源电压下通过线圈的最大电流增加。然而，这种匹配电路具有阻塞低频电流的缺点。一些序列可能需要低频电流。对这个问题的解决方案可以是双重的。首先，可以提供在高频和低频下是透明的匹配电路。这种电路的一个示例是与第一匹配电容器并联的线圈或线圈电容器串联电路。另一种方式是具有对匹配电路进行旁路的开关，并且当需要近dc电流时，开关闭合。如果谐振频率足够低，则在旁路路径中也可以集成电容器。以相同的方式，可以使用多个开关和电容器来提供不同匹配频率的整个系列。而且，注意，即使电路被调谐到近dc，标记器/传感器谐振频率处的一些电流仍然可用。应当注意，在读出期间可以不一定使用dc电流。有两个主要元件来提供这种能力。首先，不允许dc电流干扰读取。如果发送和接收线圈被组合，则确实存在问题。dc源可以为信号提供短路路径。必须避免这种情况，并且适当的匹配电路避免这种情况。匹配电路必须在线圈和dc源之间引入足够高的阻抗。这可以通过与发送/接收线圈感应率级别上的感应率串联的附加线圈来达成。如果不需要，则感应率可以具有使其短路的并联开关。存在许多其它可用的解决方案。第二个状况是dc源不引入太多的噪声，即电流源噪声不禁止标记器/传感器的准确测量。这可以通过dc发送情况下的适当模拟滤波器来达成。该滤波器可以在ac发送脉冲期间由适当的开关(例如mosfet光耦合器)旁路。在信号接收期间dc源中避免切换动作并且仅使用线圈中的缓慢衰减的电流也可能是可行的。在接收时只进行一些切换动作并且只在接收到的数据被破坏时取消接收到的数据可能也是可行的。dc场源也可以是完全分离的线圈，或者场生成器可以是(移动)永磁体。这避免了大多数问题。在信号接收期间存在dc电流的另一个问题是线圈可以为传感器提供不同的环境。这意味着，例如对于ac电流可以缩短一些线圈，并且ac场不再穿透线圈，从而改变附近线圈中的场值。在计算位置和传感器值时不得不考虑这种影响。两个主场元件与传感器/标记器相互作用。一个是电流的近似dc振幅，即在0.1秒量级(大约0.01秒到大约1秒)的时间上平均的电流值。另一个是在传感器/标记器的谐振频率处的傅立叶振幅(作为复数值，因为相位是重要的)。因此，第一个任务是将这两个值映射到序列的生成。
[0241]
在下面将描述期望傅立叶振幅和电流到特定时域脉冲模式的映射。
[0242]
生成进行这种确切类型的映射的软件子系统也是有用的，软件子系统即是获得期望的近dc电流和期望的傅立叶振幅(和频率)作为输入并生成时域脉冲序列的软件部分。还期望该软件返回在硬件施加的限制内是否可以达到期望值的信息，如线圈的最大电流或最大受热或调节限制，例如患者受热或外周神经刺激。代替简单的是/否信息，可以提供关于不期望的副作用的严重性的信息。可以为每个个体发送信道(每发送线圈)提供该信息。另一个返回值可以是实际最佳拟合输出dc电流和(多个)傅立叶幅度。输入不仅可以是一个频率和傅立叶振幅的组合，而且可以是不同频率处的各种傅立叶振幅。脉冲序列的最大长度也可以是作为该函数的输入的参数。内部工作如下：在模拟放大器的情况下，可以简单地通过对期望发送时间进行期望傅立叶振幅(和dc值)的逆傅立叶变换来生成第一结果。如果该过程导致由于某些限制而无法实现的波形，则将其报告回来，并且可以调度成比例缩放的
版本以用于生成。适当的卷积说明了可能的滤波器特性。如果存在若干开关滤波器状态，则可以测试所有的开关滤波器状态，并且可以选择对放大器具有最低要求的一个。注意，存在若干可用的启发法(heuristics)，以使得对于大多数情况而言，不必评估所有的滤波器状态。例如，如果有更好的滤波器可用，则可以省略具有较远谐振频率的滤波器。对于数字放大器，逆傅立叶变换(包括滤波效应)给出了用于优化的良好起始点。在该第一近似步骤中，时间谱中的所得峰值由两个(或最多几个)斜坡和其间的平坦区域来近似。因此，例如从零开始到以零结束的正弦波的半周期近似为：首先平坦(零)部分、然后斜坡上升、然后平坦部分、然后斜坡下降、最后平坦(零)区域。以到达近似相同区域的方式来布置不同部分的定时。在该第一近似之后是第二步骤，其中斜坡和平坦部分开始的位置被移位以达到与期望傅立叶值的最佳拟合。最佳拟合可以是期望的和实现的傅立叶分量的差(复数)值的最小平方和。可以使用所有常用的优化算法，如梯度下降。
[0243]
在下文中将描述传感器/标记器处的期望傅立叶值到线圈中的电流的映射。
[0244]
脉冲生成程序的下一个更高的抽象级是软件部分，其要求在特定位置处的特定场傅立叶值和方向作为输入，并将它们转化为对线圈中的电流的要求。评估算法通常提供传感器/标记器的位置和取向的某种测量。位置不是并且不需要是3d空间中的位置。然而，3d位置是理想情况。例如，如果仅存在一个线圈，则可以仅在传感器处确定敏感方向上的场值。然而，这也转化为3d空间中的一些虚拟位置和取向。因此，这些情形不需要软件中的特殊处理。对线圈电流的要求的转化则是优化过程的结果。存在一种模型，该模型从线圈中的电流中计算特定空间位置处的傅立叶场分量。这是用于优化的基础，其中线圈电流傅立叶分量以生成期望场分量的方式而被优化。通常不存在从线圈电流形成期望场的明确方式。也可能是期望电流与硬件系统中的限制不兼容的情况。较低级别的软件返回描述负面影响的值，并且软件使用该信息来对电流进行优化。优化的目标是在传感器/标记器处获得的场傅立叶分量与负面影响之间具有良好的折衷。这意味着与期望场的偏差以及副作用被组合成一个数字，并且对于该数字，使用标准优化算法找到最大值或最小值。该数字的组合可以是平方的加权和。自然地，对于该实体，可以找到大量的工作数学组合。最后，程序的该部分向调用程序(较高级)返回在位置处获得的场以及质量值以供其进行其优化。
[0245]
在下面将描述针对标记器/传感器的期望场傅立叶值的生成。
[0246]
在该抽象层处，软件系统实际上处理需要进行的测量。因此，对该程序的输入是当前需要如何准确和多快地测量什么东西。这些需求取决于使用传感器/标记器的实际应用，并且因此不是本文档的一部分。需求可能非常不同。例如，如果只涉及单个传感器，则需要例如是比方说每0.1秒尽可能准确地测量单个量。如果应用是具有多个耦合标记器的跟踪解决方案，则期望的结果可以是比方说每0.1秒对整个标记器组装进行位置更新，而不管其中哪个标记器/传感器对信号有贡献(基于线圈灵敏度)，并且每1秒要求利用梯度方法进行独立位置检查。该程序还可以访问传感器/标记器的当前状态(位置/振荡参数等)以及本文档中别处描述的仿真模型。由此，可以计算包括每个传感器/标记器的方向的最佳激励场傅立叶值。这些参数可以被传递到先前描述的较低软件级别(将来在某处具有想要的执行)以最终生成电流。在单个传感器的情况下，这将立即起作用，并且计划可以被写入到硬件输出缓冲器。然而，例如为了跟踪标记器组装，可能不存在完美地激励所有个体传感器/标记器的脉冲形状。特别地，相位将不适于所有个体传感器/标记器。因此，软件可能不得不试图将
最佳激励集中到存在的传感器/标记器的仅仅子集，并试图找到给出工作脉冲序列的解决方案。这是该软件的优化的一般工作原理。它试图改变各种传感器的期望激励并集中于几个传感器以仍然获得期望的结果。概念上最简单的方法是通过所有可能的传感器/标记器子集并检查哪个激励的子集给出了关于期望参数的最佳信息。由于可能存在许多子集，所以程序需要添加一些启发式方法来降低复杂度。例如，如果给定的一个标记器/传感器被激励并且这些标记器/传感器可以总是被归组在一起，则可以首先观察到其它标记器/传感器也被激励。如果找到合适的解决方案，则可以将其写入到输出缓冲器。取决于硬件实现，近dc磁场的包括可能需要附加的逻辑。如果硬件能够施加dc磁场，同时记录信号，则软件除了在读出期间施加一个或几个梯度之外不必做一些非常特殊的事情。然而，如果dc梯度和读出不兼容，则需要附加的优化步骤，其在激励脉冲之间的某个时间产生正确的dc场或梯度。优化后的逻辑保持相同。改变参数直到仿真预测了用于应用的足够好的测量值。
[0247]
在下面将描述启动序列的生成。
[0248]
算法通常假设已经有了关于可用来对序列进行优化的传感器的相当多的知识。通常，在序列的开始，这不是完全可用的。例如，从应用中可以知道应用中应该存在多少传感器/标记器以及频率可以在哪个范围内。但是确切的频率和位置是未知的。因此，需要一个特殊的启动序列，其试图在所有可能的位置找到所有可能的传感器。最简单的可能的启动序列如下。工作体被分割成空间3d或抽象网格。抽象网格是在没有足够线圈来进行完全3d编码时所使用的网格。每个空间点被分割成不同的方向。该程序通过每个位置以及该位置处的每个角度，并且对于给定频率和预设发送时间施加最高发送功率。然后系统记录来自传感器/标记器的潜在信号。通常，一个发送脉冲不仅激发一个标记器而且同时激发许多其它标记器。然而，该过程确保即使具有最弱可能信号的传感器/标记器也将被检测。一个可选的下一步骤是以不同的振幅各个地激励每个传感器。由此，可以提取非线性属性。另一个可选的步骤是在存在dc场的情况下激励每个传感器/标记器，或者在dc场之后测量信号相位(再次在各个方向上)，以确定传感器/标记器对dc磁场的灵敏度。通过使用关于该系统的一些知识，可以极大地加速这些基本过程。例如，可能的是，如果已经为传感器/标记器搜索了远处的体，则许多或所有较近的体至少对于某些角度而言接收了最高可能的振幅。因此，只有很少的剩余参数需要针对较近的体而进行应用。相同的逻辑可以被用于评估传感器/标记器的非线性特性或它们对dc磁场的响应。
[0249]
在下面将解释用于高时间分辨率测量的策略。
[0250]
对于许多应用，期望具有高时间分辨率。一个示例是由心跳周期所调制的导管内压力的测量，该心跳周期可以在人体中达到高达200次/分钟的频率。为了确定心跳周期期间的压力最小值和最大值，需要大约5hz的最小测量频率，优选地高于10hz-20hz，最优选地高于40hz。另一方面，为了具有良好的信噪比，振荡器需要非常高的q因数。高q因数意味着缓慢衰减。因此，当下一个测量脉冲被发送到传感器时，来自前一个测量脉冲的振荡没有被完全消除，并且它们将影响测量。
[0251]
因此，为了定位和参数确定，需要用磁机械振荡器达到高时间分辨率的策略。用于高时间分辨率的最简单的方法是简单地减少重复时间。重复时间意指随后的激发脉冲之间的时段。在每个激励脉冲之后，确定频率和振幅，根据这些频率和振幅可以计算物理值和位置，如别处所述。然而，传感器/标记器的品质因数倾向于相对较高，并且振荡振幅在下一个
激励脉冲时没有下降很多。为了总是得到期望的传感器/标记器激励，必须考虑下一个激励的相位。通常，我们想要“同相激励”，即以传感器/标记器从激励脉冲的开始获得能量的方式的激励。在别处描述了如何优化定时。同相激励使发送能量最小化，并且因此可以将激励脉冲长度保持最小。这增加了总信噪比。
[0252]
高重复率具有一些缺点。首先，在激励脉冲期间和之后不久，系统通常不能接收值，并且因此信噪比可能不是最佳的。其次，每个发送脉冲破坏了关于传感器振荡相位的一些知识。只有在激励脉冲和传感器取向保持严格受控并且精确已知的情况下，相位信息才在一定程度上存活，然而这是技术挑战。在较长的时段上的相位信息可能是有用的，因为在其中关于平均频率(因此平均物理量)的信息被编码。当评估双倍长度间隔时，平均物理量的测量比仅独立地进行第一半和第二半的评估并对这两个结果求平均要准确得多。因此，可能值得的是，不是具有与测量一样多的激励脉冲，而是从一个信号脉冲中提取一个以上测量。这可以简单地通过将信号分割成若干子部分并各个地评估每个子部分来完成。如果使用更长的数据集，则这种简单的方法没有考虑到测量变得更好。为了结合这一点，可以将该集合分割成子集的分层结构，并且对每个分层结构中的每个子集进行评估，并且对平均值进行缩放以匹配较长的数据集。因此，例如数据集(一个未扰动的衰减信号)首先作为整体被评估。然后将其分割为两个，并且分别评估两个分割的数据集。然后，对每个结果添加相同的数，以使得它们的平均值匹配全集的平均值。可以重复该过程以在最后具有4个、8个等子集。该方法可以在数学上被细化为基于完全模型的评估。为此，生成物理参数演变的模型(并且可能还包括传感器的空间移动)。该模型可以是一定程度的多项式或一些其它合适的数学函数。该函数应该以仅需要使用少量参数的方式来描述所测量的量的物理性质。因此，例如当参数是血压时，该模型可以是更好的傅立叶级数，因为这比多项式更好地描述了心跳的压力波形式。然后改变参数以尽可能好地匹配测量数据集。如果最后需要离散的测量点，则可以使用模型的输出针对某些时间点简单地堆它们进行计算。
[0253]
应当注意的是，即使为了清楚起见没有在所有附图中示出扩散阻挡层，所有描述的实施例也都包括扩散阻挡层，该扩散阻挡层覆盖壳体的至少一部分并且其被配置为维持壳体内的预定压力。压力传感器的配置使得提供谐振频率的温度补偿也可以被应用于任何描述的实施例。
[0254]
通过研究附图、本公开和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其它变型。
[0255]
在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。
[0256]
单个单元或设备可以实现权利要求中所叙述的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
[0257]
诸如基于感应信号确定谐振频率，基于谐振频率确定压力，确定由一个或多个单元或设备所执行的校准曲线等，也可以由任何其它数目的单元或设备来执行。检测系统的控制可以被实现为计算机程序的程序代码部件和/或专用硬件。
[0258]
计算机程序可以被存储/分布在适当的介质上，诸如光存储介质或固态介质，与其他硬件一起提供或作为其他硬件的一部分，但是也可以以其他形式来分布，诸如经由互联网或其他有线或无线电信系统。
[0259]
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
[0260]
本发明涉及一种用于被引入到人类的循环系统中并用于由外部读取系统无线地读出的无源压力传感器。该压力传感器包括壳体和磁机械振荡器，壳体具有用于维持壳体内的预定压力的扩散阻挡层，磁机械振荡器具有提供永久磁矩的磁性物体。磁机械振荡器将外部磁或电磁激励场转换为磁性物体的机械振荡，其中壳体的至少一部分是柔性的，以允许将外部压力变化转换为磁性物体的机械振荡的变化。压力传感器可以非常小并且仍然提供高质量的压力感测。