DE102005053759B4

DE102005053759B4 - Verfahren und Einrichtung zur drahtlosen Energieübertragung von einem Magnetspulensystem zu einer Arbeitskapsel

Info

Publication number: DE102005053759B4
Application number: DE102005053759A
Authority: DE
Inventors: Klaus Abraham-Fuchs; Rainer Kuth; Johannes Dr. Reinschke; Rudolf Röckelein; Sebastian Dr. Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Invandus De GmbH
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2005-11-10
Publication date: 2010-04-29
Anticipated expiration: 2025-11-11
Also published as: US20080262292A1; WO2007054404A1; CN101299970A; DE102005053759A1

Abstract

Verfahren zur drahtlosen Energieübertragung von einem, mehrere, insbesondere vierzehn, Erregerspulen (102a–n) aufweisenden Magnetspulensystem (100) außerhalb eines Patienten zu einer, mindestens eine Induktionsspule (6) gleicher Ausrichtung aufweisenden Arbeitskapsel (110) im Patienten, wobei
– eine Ortungseinrichtung (112) die Position (116) und Orientierung (118) der Arbeitskapsel (110) relativ (114) zum Magnetspulensystem (100) ermittelt, und
– das Magnetspulensystem (100) anhand der Position (116) und Orientierung (118) ein erstes Magnetfeld (120) zur Kraftausübung (122) auf die Arbeitskapsel (110) am Ort (116, 118) der Arbeitskapsel (110) erzeugt, bei dem:
– anhand der Position (116) und/oder Orientierung (118) die Ausrichtung der Induktionsspule (6) ermittelt wird;
– das Magnetspulensystem (100) ein abhängig von der Ausrichtung der Induktionsspule (6) ausgerichtetes, zweites Magnetfeld (8) zur Energieübertragung zur Arbeitskapsel (110) am Ort (116, 188) der Arbeitskapsel (110) erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur drahtlosen Energieübertragung von einem Magnetspulensystem außerhalb eines Patienten zu einer mindestens eine Induktionsspule aufweisenden Arbeitskapsel im Patienten. Im Falle mehrerer Induktionsspulen sind diese parallel zueinander ausgerichtet.
Im der Medizin ist es häufig notwendig, im Inneren eines in der Regel lebenden Menschen oder Tieres als Patienten eine medizinische Maßnahme auszuführen, die z. B. eine Diagnose oder Behandlung sein kann. Zielgebiet einer derartigen medizinischen Maßnahme ist oft ein Hohlorgan im betreffenden Patienten, insbesondere dessen Gastrointestinaltrakt. Über lange Zeit wurden die medizinischen Maßnahmen mit Hilfe von Katheterendoskopen durchgeführt, welche nicht- oder minimalinvasiv von außerhalb des Patienten in diesen eingeführt wurden. Herkömmliche Katheterendoskope weisen hierbei verschiedene Nachteile auf, z. B. verursachen sie beim Patienten Schmerzen oder können entfernt liegende innere Organe nur schwer oder gar nicht erreichen.
Zur katheterfreien bzw. kabellosen Endoskopie sind deshalb z. B. Videokapseln der Fa. Given Imaging bekannt, welche der Patient schluckt. Die Videokapsel bewegt sich aufgrund der Peristaltik durch den Verdauungstrakt des Patienten und nimmt hierbei eine Reihe von Videobildern auf. Diese werden nach außen übertragen und in einem Rekorder gespeichert. Der Patient kann sich während des mehrere Stunden dauernden Kapselaufenthaltes im Körper frei bewegen, da er entsprechende Empfangsantennen und einen Rekorder am Körper mit sich führt. Ausrichtung der Kapsel und damit Blickrichtung der Videobilder sowie Verweildauer im Körper des Patienten sind hierbei zufällig. Außer der Bildaufnahme hat die Kapsel keine aktive Funktionalität. Diagnosefunktionen, wie gezielte Betrachtung, Reinigung, Biopsie sind ebenso wenig möglich wie gezielte Behandlungen im Inneren des Patienten, z. B. Medikamentengabe. Für eine vollständige Diagnose ist dies inakzeptabel bzw. nicht zufriedenstellend.
Die US 2004/0181127 A1 offenbart ein Kapselendoskopiesystem, welches unter anderem ein Paar von Magnetfeldgeneratoren enthält. Diese sind einander gegenüberliegend angeordnet und erzeugen ein auf einen einzigen Punkt fokussiertes Magnetfeld. Eine Ortungseinrichtung ermittelt diesen Punkt, also das Zentrum des Magnetfeldes im Untersuchungsobjekt, nämlich dem Patienten, auf der Basis von Ausgangssignalen der Magnetfeldgeneratoren. Eine Recheneinrichtung ermittelt aus Signalen der Ortungseinrichtung und einer Bildverarbeitungseinrichtung (von der Kapsel gesendete, und vom Empfänger empfangene Signale) Steuersignale für die Tischsteuerung, um den Tisch mit dem darauf liegenden Patienten so zu steuern, dass das Kapselendoskop im Patienten gezielt bewegt werden kann. Das Kapselendoskop enthält außerdem drei Spulen, welche bezüglich ihrer Ausrichtung bzw. Orientierung paarweise senkrecht aufeinander stehen. Die Leistungsversorgung des Kapselendoskops kann berührungslos über eine externe Energiequelle erfolgen. Somit übernimmt eine nicht dargestellte ”power supply unit” die entsprechende Leistungsverteilung im Kapselendoskop. Die oben genannten drei zueinander orthogonalen Spulen werden zum Empfang des elektrischen Energiefeldes benutzt. Das zur Energieübertragung benutzte Feld wird von einem nicht dargestellten ”external power supply device” erzeugt. Hierzu wird explizit ausgeführt, dass dies zum Beispiel die Empfängereinheit oder eine nicht dargestellte ”power transmission unit” ist. Die US 2004/0181127 A1 weist somit die Nachteile auf, dass nämlich mehrere Empfangselemente (drei orthogonal zueinander angeordnete Spulen) in der Kapsel vorzusehen sind, um zumindest in einer der Spulen die elektromagnetische Energiestrahlung empfangen zu können. Wegen der drei orthogonal zueinander angeordneten Spulen müssen diese relativ klein ausgelegt sein, was die eintragbare Energie reduziert. Darüber hinaus wird in US 2004/0181127 A1 neben den Magnetfeldgeneratoren die zusätzliche nicht dargestellte power supply unit zum Energieeintrag ins Kapselendoskop benötigt.
Neuerdings ist es deshalb, z. B. aus der DE 103 40 925 B3 , bekannt, mit Hilfe eines Magnetspulensystems magnetische Körper durch Hohlorgane eines Patienten mittels magnetischer, berührungsfreier Kraftübertragung zu bewegen. Die Kraftausübung erfolgt hierbei also gezielt, berührungslos und von außen kontrolliert.
Ein magnetischer Körper ist hierbei z. B. eine einen Dauermagneten enthaltende Arbeitskapsel, auch Endokapsel oder Endoroboter genannt. Die Arbeitskapseln weisen Funktionalitäten eines herkömmlichen Endoskops auf, z. B. Videoaufnahme, Biopsie oder Clips. Mit einer derartigen Arbeitskapsel kann so eine medizinische Maßnahme autark, d. h. kabellos bzw. katheterfrei durchgeführt werden, es besteht also keinerlei Kabel- oder mechanische Verbindung von der Arbeitskapsel nach außen. Während der medizinischen Maßnahme befindet sich der Patient zumindest zeitweise ganz oder teilweise innerhalb des Magnetspulensystems.
3 der Zeichnungen zeigt ein entsprechendes, aus der DE 103 40 925 B3 bekanntes Magnetspulensystem 100, das im Folgenden kurz beschrieben wird. Für eine weiterführende, ausführlichere Beschreibung des Magnetspulensystems 100 bzw. dessen Funktionsweise wird auf die DE 103 40 925 B3 verwiesen. Das Magnetspulensystem 100 umfasst vierzehn Erregerspulen 102a–n, von denen in 3 nur die Erregerspulen 102a–c 102d, und 102g–n sichtbar sind. Die sechs Erregerspulen 102a–f sind dabei rechteckig ausgeführt und bilden die Kanten eines Quaders.
Die verbleibenden acht Erregerspulen 102g–n bilden zusammen die Mantelfläche eines in den eben beschriebenen Quader ein gebetteten Zylinders. Jede einzelne der Erregerspulen 102a–n ist über eine Versorgungsleitung 104a–n an einer Leistungsversorgung 106 angeschlossen. In 3 sind der Übersichtlichkeit halber nur die Versorgungsleitungen 104a–c und 104e dargestellt. Über die Leistungsversorgung 106 wird jeder der Erregerspulen 102a–n unabhängig voneinander eine bestimmte Stromstärke mit bestimmtem zeitlichem Verlauf, natürlich im Rahmen der Leistungsfähigkeit der Leistungsversorgung 106, eingeprägt. Jede der Erregerspulen 102a–n erzeugt somit für sich ein Magnetfeld. Im Innenraum 108 des Magnetspulensystems 100 kann damit eine nahezu beliebige Feldverteilung bezüglich Stärke und Richtung erzeugt werden. In diesem Innenraum 108 befindet sich ein nicht dargestellter Patient und in dessen Körperinneren eine Arbeitskapsel 110, welche ein nicht dargestelltes magnetisches Element, z. B. einen Dauermagneten, enthält.
Dem Magnetspulensystem 100 ist eine Ortungsvorrichtung 112 zugeordnet, welche Lage und Orientierung der Arbeitskapsel 110 in einem dem Magnetspulensystem 100 zugeordneten Koordinatensystem 114 erfasst. Die Lage der Arbeitskapsel 110, bzw. die Lage des geometrischen Mittelpunkts dieser, ist in 3 durch die gestrichelten Linien 116 angedeutet. Die Orientierung der Arbeitskapsel 110 ist in 3 durch den Pfeil 118 dargestellt und wird von der Ortungsvorrichtung 112 in Bezug auf das Koordinatensystem 114 erfasst. Die Arbeitskapsel kann hierbei eine beliebige, z. B. längliche oder rotationssymmetrische, geometrische Form aufweisen. Die Orientierung entspräche dann z. B. der Richtung des Einheitsvektors in Längsrichtung der Arbeitskapsel 110. Die gesamte Lage der Arbeitskapsel 110, also insbesondere die Schwerpunktskoordinaten und die Längsachsenrichtung, ist somit im Koordinatensystem 114 vollständig beschrieben und bekannt.
Die Ortungsvorrichtung 112 übermittelt Lage und Orientierung der Arbeitskapsel 110 an die Leistungsversorgung 106. Diese bestromt daraufhin die Erregerspulen 102a–n derart, dass sich am Ort der Arbeitskapsel 110 ein Magnetfeld 120, in 3 durch die Feldlinien 120 dargestellt, einstellt. Das Magnetfeld ist so ausgelegt, dass es mit dem Dauermagneten in der Arbeitskapsel 110 derart wechselwirkt, dass eine erwünschte Kraft 122 und/oder ein gewünschtes, nicht dargestelltes Drehmoment an der Arbeitskapsel 110 angreift. Auf diese Art wird die Arbeitskapsel 110 im Patienten bewegt, ausgerichtet und/oder rotiert.
Die gesamte Energie, welche die Arbeitskapsel selbst während der Durchführung der medizinischen Maßnahme benötigt, wird z. B. über Batterien oder Kondensatoren im Inneren der Arbeitskapsel bereitgestellt. Die Energiemenge ist insbesondere durch die begrenzte Größe einer derartigen Arbeitskapsel von z. B. 20 mm Länge und 10 mm Durchmesser und die restlichen Einbauten begrenzt. Die Funktionsdauer bzw. Funktionsfähigkeit der Arbeitskapsel ist durch die zur Verfügung stehende Energiemenge ebenfalls begrenzt. Besonders leistungsintensive medizinische Maßnahmen, wie z. B. Hohlorganausleuchtung, Biopsienahme, thermische Koagulation oder Laserapplikationen sind hierdurch nur begrenzt oder gar nicht durchführbar.
Um die zur Verfügung stehende Gesamtenergie für eine Arbeitskapsel zu vergrößern, ist es bekannt, Energie von außerhalb des Patienten berührungslos zur Arbeitskapsel im Inneren des Patienten zu übertragen. Aus der US 2005/0065407 A1 ist hierzu eine jackenartig tragbare Spulenanordnung bekannt, welche der Patient am Körper trägt und durch welche Energie zur Kapsel im Inneren des Patienten übertragen wird. Die Richtung des Sendefeldes ist dabei konstant; es muss also die Empfangsspule entsprechend gestaltet sein. Es ist zudem eine eigens dafür auszulegende Kühlung der Sendespulen in der tragbaren Spulenanordnung vorzusehen.
Zur Verminderung der Übertragungsverluste der Energie von außerhalb des Patienten zur Arbeitskapsel in dessen Innerem schlägt die WO 02/080753 A2 daher vor, die Kapsel im Inneren des Patienten zu orten und eine externe Energiequelle, welche den Patienten etwa kreissektorförmig umfasst, in Längsrich tung des Patienten auf Höhe der Position der Kapsel zu verschieben. Da die Orientierung der Kapsel unbekannt ist, sind in der Kapsel 3 orthogonale Spulen zum Empfang der Energie vorgesehen, um bei jeder Kapselorientierung stets möglichst viel Energie in der Kapsel aufnehmen zu können.
In der DE 10 2004 034 444 A1 wird zur Verbesserung der Energieaufnahme in der Arbeitskapsel bei gegebenem Außenfeld vorgeschlagen, mehrere Empfangselemente zur Energieaufnahme zu verwenden, die unterschiedliche Richtungsabhängigkeiten bezüglich der eingestrahlten Felder aufweisen. So werden beispielsweise im Inneren der Kapsel zehn unterschiedlich orientierte Empfängerspulen angeordnet, um stets eine optimale Energieeinkopplung in die Kapsel zu gewährleisten.
Je mehr Empfängerspulen in der Arbeitskapsel vorzusehen sind, umso kleiner müssen diese einzeln ausgelegt sein, wenn die Gesamtgröße der Kapsel unverändert bleibt. Da der Energieeintrag in eine Spule jedoch von deren Spulenfläche abhängt, bedeutet dies folglich eine Verringerung der maximal in die Spule und damit die Arbeitskapsel einkoppelbaren Energie bzw. Leistung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Einrichtung zur verbesserten drahtlosen Energieübertragung von einem Magnetspulensystem zu einer Arbeitskapsel anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur drahtlosen Energieübertragung von einem, mehrere, insbesondere vierzehn, Erregerspulen aufweisenden Magnetspulensystem außerhalb eines Patienten zu einer, mindestens eine Induktionsspule gleicher Ausrichtung aufweisenden Arbeitskapsel im Patienten, wobei
– eine Ortungseinrichtung die Position und Orientierung der Arbeitskapsel relativ zum Magnetspulensystem ermittelt, und
– das Magnetspulensystem anhand der Position und Orientierung ein erstes magnetisches Feld zur Kraftausübung auf die Arbeitskapsel am Ort der Arbeitskapsel erzeugt, bei dem:
– anhand der Position und/oder Orientierung die Ausrichtung der Induktionsspule ermittelt wird;
– das Magnetspulensystem ein abhängig von der Ausrichtung der Induktionsspule ausgerichtetes, zweites Magnetfeld zur Energieübertragung zur Arbeitskapsel am Ort der Arbeitskapsel erzeugt.
Die Erfindung nutzt hierbei folgende Erkenntnisse: Das Magnetspulensystem weist mehrere Erregerspulen auf, die in der Lage sind, das zur Kraftausübung auf die Kapsel notwendige erste Magnetfeld zu erzeugen, wobei hierbei unter Kraftausübung auch die Ausübung eines Drehmoments zu verstehen ist. Das erste Magnetfeld kann somit auch als Navigationsmagnetfeld bezeichnet werden. Das erste inhomogene Magnetfeld setzt sich zusammen aus einem in Richtung und Stärke jeweils skalierbarem homogenen und Gradientenmagnetfeld komplizierter Geometrie. Daher ist das Spulensystem leicht in der Lage, zur Energieübertragung auch das in der Regel homogene zweite Magnetfeld zu erzeugen, und zwar in beliebiger Orientierung bezüglich des Magnetspulensystems. Das zweite Magnetfeld kann daher auch als Induktionsmagnetfeld bezeichnet werden. Für dessen Erzeugung sind sechs zylindrisch oder quaderförmig angeordnete Helmholtzspulen ausreichend.
Position und Orientierung der Arbeitskapsel müssen für die Navigation, also Kraftausübung auf die Arbeitskapsel bekannt sein. Eine entsprechende Ortungseinrichtung ist also vorhanden, welche die relative Position und Orientierung der Induktionsspule zum Magnetspulensystem ermittelt. Natürlich muss die Lage der Induktionsspule in der Kapsel bekannt sein. Im einfachsten Fall ist daher die Induktionsspule starr in der Kapsel eingebaut. Hervorzuheben ist, dass die Ortungseinrichtung von der induktiven Energieübertragung unabhängig ist.
Daher ist insbesondere auch die augenblickliche Orientierung der Induktionsspule bekannt, da deren Lage in der Arbeitskapsel bekannt ist. Dem Magnetspulensystem bzw. dessen Ansteue rung ist also die Richtung bekannt, in welcher das Magnetfeld zur induktiven Energieübertragung zu erzeugen ist. Das zweite Magnetfeld kann nämlich insbesondere stets so erzeugt werden, dass es die Induktionsspule optimal, z. B. genau entlang der Spulenachse, durchsetzt. Bei gegebener Feldstärke ist so die in der Induktionsspule empfangene Leistung maximal. Die Erregerspulen werden deshalb so angesteuert, dass ein zweites Magnetfeld erzeugt wird, welches optimal zur Induktionsspule ausgerichtet ist.
Da im genannten Magnetspulensystem zur berührungslosen Kraftausübung auf die Arbeitskapsel eine entsprechende Ortungseinrichtung ohnehin vorhanden ist und die Erregerspulen zur Erzeugung des ersten niederfrequenten Magnetfeldes ebenfalls ohnehin vorhanden sind, brauchen die Erregerspulen lediglich geeignet, also auf alternative Weise, d. h. mit alternativen Strommustern, angesteuert zu werden, um das zweite Magnetfeld zu erzeugen und somit eine Energieübertragung zur Arbeitskapsel zu ermöglichen.
Hinsichtlich des Energieeintrages in die Arbeitskapsel sind die Erregerspulen ebenfalls derart für die Erzeugung der ersten magnetischen Felder dimensioniert, dass leicht Leistungen in einer Größenordnung erzeugt werden können, welche durch Systeme wie das jackenartige aus der US 2005/0065407 nicht erzeugbar sind. Entsprechende Leistungsendstufen und Kühlvorrichtungen sind ebenfalls vorhanden. Damit kann eine hinreichend große Leistung zur Arbeitskapsel übertragen werden, die auch leistungs- bzw. energieintensive medizinische Maßnahmen ermöglicht.
Da in der Arbeitskapsel nur noch eine einzige Induktionsspule vorhanden sein muss, kann diese so groß wie möglich ausgelegt werden, z. B. die maximale Kapselprojektionsfläche umfassen. Der Energieeintrag in die Induktionsspule wird durch die maximal mögliche Fläche daher ebenfalls so groß wie eben möglich für eine gegebene Größe der Arbeitskapsel.
Das Magnetspulensystem kann erstes und zweites Magnetfeld in voneinander unterschiedlichen ersten und zweiten Frequenzbereichen erzeugen. Die Frequenzbereiche können dann insbesondere nicht überlappend ausgeführt werden, so dass Navigation und Energieübertragung gesonderten Frequenzbereichen zugeordnet sind. Eine gegenseitige Störung ist so ausgeschlossen. Das zweite Magnetfeld vermag nämlich die Kapsel nicht in Bewegung zu versetzen, da dieses am Kapselort keinen signifikanten Gradientenanteil aufweist und somit keine Kraft auf die Kapsel ausübt und das Kapselträgheitsmoment in Verbindung mit dem relativ hohen Frequenzbereich von z. B. über 1000 Hz (1 kHz) dafür sorgt, dass das im zeitlichen Mittel verschwindende zweite Magnetfeld zu einer vernachlässigbaren „Zitterbewegung” der Kapsel aufgrund des eingeprägten Drehmoments führt.
Besonders günstig zur Kraftausübung auf die Arbeitskapsel sind magnetische Felder in einem ersten Frequenzbereich etwa zwischen 0 Hz und 50 Hz. Ein hiermit nicht überlappender zweiter, höherer Frequenzbereich von 500 Hz bis 10 kHz kann dann für die Magnetfelder zur Energieübertragung verwendet werden, ohne mit denen zur Kraftausübung und denen des elektromagnetischen Meßsystems zu interferieren. Der Frequenzbereich von 500 Hz bis 10 kHz eignet sich hierbei besonders zur Übertragung der Energie durch menschliches Körpergewebe zur Kapsel bei den gegebenen Abständen von ca. 20 bis 60 cm zwischen Magnetspulensystem und Arbeitskapsel.
Durch die Unterscheidung der Frequenzbereiche für die ersten und zweiten magnetischen Felder zur Kraftausübung und zur Energieübertragung beeinflussen sich diese gegenseitig kaum. Z. B. kann das zweite Magnetfeld zur Energieübertragung hochfrequent und das erste zur Navigation niederfrequent gewählt werden.
Erstes und zweites Magnetfeld können daher überlagert werden. Dies führt dazu, dass während der Navigation bzw. Kraftausübung und Bewegung der Arbeitskapsel durch den Patienten gleichzeitig eine Energieübertragung zur Kapsel stattfindet. Ein Energiespeicher in der Kapsel kann dadurch z. B. vermieden werden. Der Einbauraum der Komponenten zur Energieversorgung in der Kapsel wird kleiner oder kann für andere Einbauten, welche zum Beispiel der Durchführung der medizinischen Maßnahme dienen, genutzt werden.
Alternativ kann das zweite Magnetfeld im zeitlichen Multiplex zum ersten Magnetfeld erzeugt werden. Erstes und zweites Feld werden also zeitlich im Wechsel, und nicht gleichzeitig erzeugt. Hierdurch steht sowohl für die Bewegung bzw. Kraftausübung auf die Arbeitskapsel als auch für die Energieübertragung zu dieser die jeweils maximale Leistung des Magnetspulensystems zur Verfügung. Ein zur Bewegung der Arbeitskapsel ausreichendes Erregerspulensystem muss somit zur Energieübertragung nicht größer dimensioniert werden, sondern kann im zeitlichen Multiplex benutzt werden.
Während der Energieübertragung ruht dann z. B. die Kapsel im Patienten ohne Kraftausübung. Durch entsprechend kurze zeitliche Abstände zwischen zwei Energieübertragungen kann der Energiespeicher in der Kapsel so dimensioniert werden, dass dieser nur die dazwischenliegende Zeit der Kraftausübung überbrücken muss. Ein Kondensator mit geringer Kapazität und damit geringer Baugröße reicht dann z. B. aus. Die Arbeitskapsel kann auch so benutzt werden, dass diese lediglich im ruhenden Zustand energieintensive medizinische Maßnahme durchführt.
Die Position und Orientierung der Induktionsspule zum Magnetspulensystem kann auf verschiedene Weise ermittelt werden. Eine Möglichkeit ist die Ermittlung durch ein Röntgensystem. Hierbei wird der Patient während der Durchführung der medizinischen Maßnahme geröntgt, so dass auf dem Röntgenbild die Kapsel in Position und Orientierung erkennbar ist. Aufgrund des hohen Röntgenkontrastes der Kapsel kann die Dosis der Röntgenbestrahlung für den Patienten sehr niedrig gehalten werden. Eine entsprechende Registrierung, also Kenntnis der relativen Lage zueinander, der Koordinatensysteme von Magnetspulensystem und Röntgensystem ist hierbei natürlich notwendig, entsprechende Lösungen sind aus der Literatur bekannt. In der Kapsel müssen somit keine zusätzlichen Ortungsvorrichtungen installiert sein. Der gesamte Innenraum der Kapsel steht für andere Einbauten zur Verfügung.
Eine zweite Alternative ist die Verendung eines elektromagnetischen Meßsystems. Hierzu sind in der Kapsel nur minimale Einbauten, d. h. solche mit geringem Platzbedarf, notwendig, z. B. eine elektromagnetische Sende- oder Empfangseinrichtung. Diese kann entsprechend klein ausgeführt werden, so dass sie nur wenig Platz in der Arbeitskapsel benötigt.
Insbesondere können in der Arbeitskapsel drei orthogonal zueinander ausgerichtete Ortungsspulen vorhanden sein, welche zur Ermittlung der Orientierung der Induktionsspule benutzt werden. Da die Ortungsspulen zu Ihrer Funktion kaum Energie aus einem externen Magnetfeld aufnehmen müssen, um die Positionserkennung durchzuführen, können diese deutlich kleiner als die Induktionsspule ausgelegt werden und benötigen somit kaum Platz in der Kapsel.
Das elektromagnetische Positionsmeßsystem kann in einem wiederum zu erstem und zweitem Frequenzbereich unterschiedlichen dritten Frequenzbereich arbeiten, um mit keinem der anderen Systeme zu interferieren. Insbesondere kann das elektromagnetische Positionsmeßsystem mit einer Frequenz von mindesten 10 kHz betrieben werden. Alternativ können Positionsmesssystem und zweites Magnetfeld zur induktiven Energieeinkopplung alternierend betrieben werden.
Um die Erregerspulen besonders gut zur Erzeugung der magnetischen Felder zur Kraftausübung und Energieübertragung ansteuern zu können, können die Erregerspulen mehrere Anzapfungen aufweisen und über verschieden Anzapfungen betrieben werden. Somit brauchen nicht verschiedene Spulen zur Erzeugung der verschiedenen Felder vorgesehen werden, sondern eine Spule kann in verschiedenen Betriebsarten betrieben werden. Eine entsprechende Halterung und eine Kühlung für die Erregerspulen braucht somit nur einmal vorgesehen zu werden.
Hinsichtlich der Einrichtung wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch eine Einrichtung zur drahtlosen Energieübertragung von einem, mehrere, insbesondere vierzehn, Erregerspulen aufweisenden Magnetspulensystem außerhalb eines Patienten, zu einer, mindestens eine Induktionsspule gleicher Ausrichtung aufweisenden Arbeitskapsel im Patienten. Die Einrichtung enthält eine Ortungseinrichtung zur Ermittlung einer Position und Orientierung der Arbeitskapsel relativ zum Magnetspulensystem und zur Ermittlung der Ausrichtung der Induktionsspule. Die Einrichtung enthält weiterhin eine das Magnetspulensystem ansteuernde Steuereinheit. Die Steuereinheit steuert dabei das Magnetspulensystem derart an bzw. stellt die in den Erregerspulen fließenden Ströme derart ein, dass das Magnetspulensystem zur Kraftausübung auf die Arbeitskapsel ein erstes magnetisches Feld am Ort der Arbeitskapsel erzeugt. Hierzu nutzt die Steuereinheit die von der Ortungseinrichtung ermittelte Position und Orientierung der Arbeitskapsel. Zur Energieübertragung zur Arbeitskapsel steuert die Steuereinheit darüber hinaus das Magnetspulensystem derart an, dass dieses ein abhängig von der Ausrichtung der Induktionsspule ausgerichtetes, zweites Magnetfeld am Ort der Arbeitskapsel erzeugt. Auch hierzu nutzt die Steuereinheit die ermittelte Position und Orientierung der Arbeitskapsel.
Die sich aus der erfindungsgemäßen Einrichtung ergebenden Vorteile wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert.
Die Einrichtung kann ein Röntgenortungssystem zur Ermittlung von Position und Orientierung der Arbeitskapsel, wie oben erläutert, aufweisen.
Alternativ kann die Einrichtung hierzu auch ein elektromagnetisches Ortungssystem enthalten, wobei die Arbeitskapsel drei orthogonal zueinander ausgerichtete Ortungsspulen enthalten kann.
Wie beschrieben, können die Erregerspulen auch verschiedene Anzapfungen aufweisen, über die sie wahlweise, z. B. zur Erzeugung des ersten und zweiten Magnetfeldes, betrieben werden können.
Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
1 ein Magnetspulensystem zur magnetischen Navigation und Energieübertragung,
2 Spulenströme einer Erregerspule aus 1 zur Navigation und Energieübertragung (a) getrennt, (b) aufeinander aufmoduliert und (c) im Zeitmultiplex,
3 ein Magnetspulensystem zur Bewegung eines magnetischen Körpers in einem Patienten gemäß Stand der Technik.
1 zeigt das bekannte Magnetspulensystem aus 3 gemäß Stand der Technik, erweitert um eine Auswerte- und Steuereinheit 2. Die Auswerte- und Steuereinheit 2 empfängt von der Ortungseinrichtung 112 die aktuellen Positionsdaten 4 der Arbeitskapsel 110 im Koordinatensystem 114 sowie von einer nicht dargestellten Bedieneinrichtung Solldaten für eine neue Position und Geschwindigkeit. Die Positionsdaten 4 sind die Lage (Linien 116) und Orientierung (Pfeil 118) der Arbeitskapsel 110 im Koordinatensystem 114, wie im Zusammenhang mit 3 ausführlich erläutert.
Die Arbeitskapsel 110 weist im Gegensatz zu 3 in ihrem Inneren eine Induktionsspule 6 auf. Diese ist zusammen mit den an sie angeschlossenen, nicht dargestellten elektrischen Verbrauchern, bei gegebener Kapselgeometrie der Arbeitskapsel 110 so ausgelegt, dass sie bei einer Feldverteilung des sie durchsetzenden externen Magnetfeldes in Richtung ihrer Längsachse am elektrischen Verbraucher eine größtmögliche elektrische Leistung einkoppelt. Im Beispiel von 1 ist die In duktionsspule 6 mit größtmöglichem Durchmesser ausgeführt, d. h. liegt direkt am Innenrand der Außenhülle der Arbeitskapsel 110 an. Da die Lage der Induktionsspule 6 in der Arbeitskapsel 110 fest und bekannt ist, liefern die Positionsdaten 4 der Auswerte- und Steuereinheit 2 ebenso Position und Orientierung der Induktionsspule 6.
Die Auswerte- und Steuereinheit 2 berechnet aus den Positionsdaten 4 die Ströme I_A(t) bis I_N(t) in den Erregerspulen 102a–n. In 1 ist exemplarisch nur I_A(t) eingezeichnet. Durch den Pfeil 10 ist angedeutet, wie die Auswerte- und Steuereinheit 2 die Leistungsversorgung 106 ansteuert, welche dann die eigentlichen Ströme I_A(t) bis I_N(t) in den Erregerspulen 102a–n erzeugt.
Die Ströme I_A(t) bis I_N(t) erzeugen am Ort der Induktionsspule 6 eine magnetische Feldstärke, angedeutet durch den Pfeil 8, welche in der Induktionsspule 6 die maximal mögliche elektrische Leistung induziert. Dies ist z. B. für eine Feldverteilung gegeben, bei der die magnetische Feldstärke in der in 1 angedeuteten Zylinderspule als Induktionsspule 6 parallel zu deren Mittellängsachse ausgerichtet ist.
2a zeigt zwei zeitliche Stromverläufe I_nav(t) und I_ene(t), deren Summe die Stromstärke I_A(t) in der Erregerspule 102a von 1 ist. I_nav(t) ist hierbei ein beispielhafter zeitlicher Stromstärkeverlauf zur Navigation der Arbeitskapsel 110 gemäß Stand der Technik. Die Frequenz f₁ von I_nav(t) liegt hierbei im Bereich von 0–50 Hz. I_ene(t) zeigt einen zeitlichen Stromverlauf für I_A(t) zur Erzeugung von elektrischer Energie in der Induktionsspule 6. Die Arbeitsfrequenz f₂ von I_ene(t) beträgt hierbei 1–5 kHz.
Für die tatsächliche Bestromung der Erregerspulen 102a–n am Beispiel der Erregerspule 102a sind in den 2b und 2c zwei Alternativen dargestellt. 2a zeigt eine Stromverteilung I_A(t), in welcher die Ströme I_nav(t) und I_ene(t) aus 2a überlagert sind, angedeutet durch den Summierer 12.
Die Bestromung bzw. Beschaltung der Erregerspulen 102a–n erfolgt hierbei über die Anzapfungen 18a und 18b jeder einzelnen Erregerspule 102a–n, die an diesen endseitig angeordnet sind, d. h. die gesamte Erregerspule 102a–n wird vom Strom I_A(t) durchflossen. In 1 sind die Anzapfungen 18a,b und c, wie unten beschrieben, nur beispielhaft für die Erregerspule 102a dargestellt.
Bei einer derartigen Bestromung findet in 1 die Navigation, also Kraftausübung der Kraft 122 auf die Arbeitskapsel 110 sowie die Energieversorgung der Kapsel durch Einkopplung von Energie in der Induktionsspule 6 gleichzeitig statt, da auch beide Strommuster I_nav(t) und I_ene(t) gleichzeitig in den entsprechenden Erregerspulen 102a–n fließen.
2c zeigt im Gegensatz einen Zeitverlauf des Stromes I_A(t), bei welchem die Ströme I_nav(t) und I_ene(t) aus 2a im Zeitmultiplex als Strom I_A(t) auf die Erregerspule 102a geschaltet werden.
Vom Zeitpunkt t1 bis t2 fließt dort der Strom I_nav(t), zwischen t2 und t3 der Strom I_ene(t), zwischen t3 und t4 wiederum I_nav(t) usw.. Navigation bzw. Ausübung der Kraft 122 auf die Arbeitskapsel 110 findet somit nur in den Zeiträumen t1 bis t2, t3 bis t4 und nach t5 statt. In den Zeiträumen von t2 bis t3 und t4 bis t5 dagegen findet keine Kraftausübung auf die Arbeitskapsel 110, dafür Einkopplung elektrischer Energie in die Induktionsspule 6 statt, welche zu den erstgenannten Zeiträumen eben dann nicht stattfindet.
Die Bestromung bzw. Beschaltung der Erregerspulen 102a–n erfolgt nun, wie oben beschrieben, nur für den Strom I_nav(t) über die Anzapfungen 18a und 18b jeder einzelnen Erregerspule 102a–n. Die Bestromung mit I_ene(t) erfolgt jeweils über die Anzapfungen 18a und 18c. Die Anzapfung 18c ist hierbei etwa mittig in den Erregerspulen 102a–n angeordnet. Nur ein Teil der Windungen, jede hat ca. 100 bis 200 Windungen, der Erre gerspule 102a–n wird also vom Strom I_ene(t) durchflossen. Die Erregerspulen 102a–n weisen dann eine geeignetere Induktivität bzw. Widerstand für dieses Strommuster auf.
Gemäß der bisherigen Beschreibung wurden die Erregerspulen 102a–n sowohl gemäß Stand der Technik zur Führung der Navigationsströme I_nav(t) und der Energieübertragungsströme I_ene(t) genutzt. Alternativ hierzu können in 1 die Erregerspulen 102a–n auch nur in gewohnter Weise, also gemäß Stand der Technik nach 3, zur Navigation benutzt werden, also ausschließlich mit Navigationsströmen I_nav(t) bestromt werden. Diese dienen dann alleine weiterhin der Ausübung der Kraft 122 auf die Arbeitskapsel 110.
Zusätzlich sind dann im Magnetspulensystem 100 z. B. sechs quaderförmig oder zylindrisch geformte Induktionssendespulen 14a–f vorgesehen, von denen in 1 nur 14a,b und 14e sichtbar sind. Die Induktionssendespulen 14a–f werden alternativ zu oben, angedeutet durch die Linien 16, direkt von der Auswerte- und Steuereinheit 2, also nicht über die Leistungsversorgung 106 angesteuert.
Die Induktionssendespulen 14a–f dienen ausschließlich der induktiven Energieübertragung zur Arbeitskapsel 110 bzw. Energieerzeugung in der Induktionsspule 6, werden also von den Strömen I_ene(t) durchflossen.
Die zur Energieerzeugung benötigte Magnetfeldrichtung, dargestellt durch den Pfeil 8, ist insbesondere durch die sechs quaderförmig oder zylindrisch angeordneten Erregerspulen 102a–f oder Induktionssendespulen 14a–f realisierbar. Durch die unterschiedlichen Frequenzbereiche der Ströme I_nav(t) und I_ene(t) beeinflussen sich Navigation und Energieübertragung zur Kapsel 110 nicht gegenseitig.

Claims

Verfahren zur drahtlosen Energieübertragung von einem, mehrere, insbesondere vierzehn, Erregerspulen (102a–n) aufweisenden Magnetspulensystem (100) außerhalb eines Patienten zu einer, mindestens eine Induktionsspule (6) gleicher Ausrichtung aufweisenden Arbeitskapsel (110) im Patienten, wobei – eine Ortungseinrichtung (112) die Position (116) und Orientierung (118) der Arbeitskapsel (110) relativ (114) zum Magnetspulensystem (100) ermittelt, und – das Magnetspulensystem (100) anhand der Position (116) und Orientierung (118) ein erstes Magnetfeld (120) zur Kraftausübung (122) auf die Arbeitskapsel (110) am Ort (116, 118) der Arbeitskapsel (110) erzeugt, bei dem: – anhand der Position (116) und/oder Orientierung (118) die Ausrichtung der Induktionsspule (6) ermittelt wird; – das Magnetspulensystem (100) ein abhängig von der Ausrichtung der Induktionsspule (6) ausgerichtetes, zweites Magnetfeld (8) zur Energieübertragung zur Arbeitskapsel (110) am Ort (116, 188) der Arbeitskapsel (110) erzeugt.
Einrichtung zur drahtlosen Energieübertragung von einem, mehrere, insbesondere vierzehn, Erregerspulen (102a–n) aufweisenden Magnetspulensystem (100) außerhalb eines Patienten, zu einer, mindestens eine Induktionsspule (6) gleicher Ausrichtung aufweisenden Arbeitskapsel (110) im Patienten, mit einer Ortungseinrichtung (112) zur Ermittlung einer Position (116) und Orientierung (118) der Arbeitskapsel (110) relativ (114) zum Magnetspulensystem (100) und zur Ermittlung der Ausrichtung der Induktionsspule (6), und mit einer das Magnetspulensystem (100) ansteuernden Steuereinheit (2, 106) zur Erzeugung eines ersten Magnetfeldes (120) am Ort (116, 118) der Arbeitskapsel (110) zur Kraftausübung (122) auf die Arbeitskapsel (110) anhand der Position (116) und Orientierung (118), und zur Erzeugung eines abhängig von der Ausrichtung der Induktionsspule (6) ausgerichteten, zweiten Magnetfeldes (8) am Ort (116, 118) der Arbeitskapsel (110) anhand der Position (116) und/oder Orientierung (118) zur Energieübertragung zur Arbeitskapsel (110).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Magnetspulensystem (100) erstes (120) und zweites (8) Magnetfeld in voneinander unterschiedlichen ersten (f₁) und zweiten (f₂) Frequenzbereichen erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Magnetspulensystem (100) erstes (120) und zweites (8) Magnetfeld einander überlagert (12).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Magnetspulensystem (100) erstes (120) und zweites (8) Magnetfeld im zeitlichen Multiplex (t₁–t₅) erzeugt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem ein Röntgenortungssystem als Ortungseinrichtung (112) die Position (116) und Orientierung (118) der Arbeitskapsel (110) ermittelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem ein elektromagnetisches Ortungssystem als Ortungseinrichtung (112) die Position (116) und Orientierung (118) der Arbeitskapsel (110) ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das elektromagnetische Ortungssystem die Position (116) und Orientierung (118) anhand dreier orthogonal zueinander ausgerichteter Ortungsspulen in der Arbeitskapsel (110) ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem das elektromagnetische Ortungssystem in einem vom ersten (f₁) und zweiten (f₂) unterschiedlichen dritten Frequenzbereich arbeitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erregerspulen (102a–n) mehrere Anzapfungen (18a–c) aufweisen, bei dem das Magnetspulensystem (110) erstes (120) und zweites (8) Magnetfeld über verschiedene Anzapfungen (18a,b; 18a,c) erzeugt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem nur ein Teil der Erregerspulen (102a–n) des Magnetspulensystems (110) zur Erzeugung des zweiten Magnetfeldes (8) verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Magnetspulensystem (110) zusätzliche Induktionssendespulen (14a–f) enthält, die ausschließlich der Erzeugung des zweiten Magnetfeldes (8) dienen.
Einrichtung nach Anspruch 12, mit einem Röntgenortungssystem als Ortungseinrichtung (112).
Einrichtung nach Anspruch 12, mit einem elektromagnetischen Ortungssystem als Ortungseinrichtung (112).
Einrichtung nach Anspruch 14, mit einem drei orthogonal zueinander ausgerichteten Ortungsspulen in der Arbeitskapsel (110) aufweisenden elektromagnetischen Ortungssystem.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, mit einem Magnetspulensystem (100) mit mehrere Anzapfungen (18a–c) aufweisenden Erregerspulen (102a–n).
Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei das, Magnetspulensystem (110) zusätzliche Induktionssendespulen (14a–f) enthält, die ausschließlich der Erzeugung des zweiten Magnetfeldes (8) dienen.
Einrichtung nach Anspruch 17, mit einem gemeinsamen Kühlsystem für das Magnetspulensystem (110) und die Induktionssendespulen (14a–f).