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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur drahtlosen
Fernsteuerung einer eine HF-Sendespule aufweisenden Arbeitskapsel
eines Magnetspulensystems.
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In
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.
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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 außerhalb
des Patienten per Funk von einer HF-Sendespule übertragen. Die HF-Bandbreite
des Trägersignals
von ca. 430 MHz reicht hierbei zur Übertragung auch großer Datenmengen,
z.B. von Live-Videosequenzen, aus. Der Patient kann sich während des
mehrere Stunden dauernden Kapselaufenthaltes im Körper frei
bewegen, da er entsprechende Empfangsantennen und einen Rekorder
zur Aufzeichnung der Videobilder am Körper mit sich führt. Ausrichtung
der Kapsel und damit Blickrichtung der Videobilder sowie Verweildauer
im Körper
des Patienten sind hierbei zufällig
bzw. nicht beeinflussbar. 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 zufrieden stellend.
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Neuerdings
ist es deshalb, z. B. aus der
DE 103 40 925 B3 oder der noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung
DE 10 2005 010 489.4 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.
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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.
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4 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
4 nur
die Erregerspulen
102a–c,
102e,
und
102g–n
sichtbar sind. Die sechs Erregerspulen
102a–f sind
dabei rechteckig ausgeführt
und bilden die Kanten eines Quaders. Die verbleibenden acht Erregerspu len
102g–n bilden
zusammen die Mantelfläche
eines in den eben beschriebenen Quader eingebetteten Zylinders.
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Jede
einzelne der Erregerspulen 102a–n ist über eine Versorgungsleitung 104a–n an einer
Leistungsversorgung 106 angeschlossen. In 4 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.
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Jede
der Erregerspulen 102a–n
erzeugt somit für
sich ein Magnetfeld. Im Innenraum 108 des Magnetspulensystems 100 kann
damit eine nahezu beliebige magnetische Feldverteilung bezüglich Stärke, Richtung
und Geometrie 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.
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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 bzw. der Ort 116 der Arbeitskapsel 110,
bzw. die Lage des geometrischen Mittelpunkts dieser, ist in 4 durch
die gestrichelten Linien angedeutet. Die Orientierung 118 der
Arbeitskapsel 110 ist in 4 durch
einen Pfeil 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.
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Die
Ortungsvorrichtung 112 kann hierbei z.B. eine Röntgenortungsvorrichtung
oder auch eine elektromagnetische Ortungsvorrichtung sein. In diesem Fall
beinhaltet die Arbeitskapsel 110 drei bis sechs zueinander
orthogonale, nicht dargestellte Ortungsspulen. Diese arbeiten mit
einer Trägerfrequenz
von z.B. 12kHz beim "Aurora"-System der Fa. NDI.
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Die
Ortungsvorrichtung 112 erzeugt dann mit Hilfe einer integrierten
Spulenanordnung 125 ein elektromagnetisches Feld, insbesondere
am Kapselort, dargestellt durch die Feldlinien 120. Die
Arbeitkapsel nimmt das Feld durch die Ortungsspulen auf und sendet
die empfangene Feldstärke
zurück
an die Ortungsvorrichtung 112. Diese errechnet aus der von
der Arbeitskapsel übermittelten,
empfangenen Feldstärke
den Ort 116 und die Orientierung 118.
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Die
Ortungsvorrichtung 112 übermittelt
Ort 116 und Orientierung 118 der Arbeitskapsel 110 an die
Leistungsversorgung 106. Diese bestromt daraufhin die Erregerspulen 102a–n derart,
dass sich am Ort der Arbeitskapsel 110 ein Navigationsmagnetfeld 111 einstellt.
Dieses 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.
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Die
gesamte Energie, welche die Arbeitskapsel selbst während der
Durchführung
der medizinischen Maßnahme
benötigt,
wird z.B. über
nicht dargestellte Batterien oder Kondensatoren im Inneren der Arbeitskapsel
oder durch drahtlose Energieübertragung
(nicht dargestellt) zur Kapsel bereitgestellt. Letztere ist besonders
günstig
für leistungsintensive medizinische
Maßnahmen,
wie z.B. Hohlorganausleuchtung, Biopsienahme, thermische Koagulation oder
Laserapplikationen. Die induktive Energieeinkopplung in die Arbeitskapsel 110 benötigt eine nicht dargestellte
Induktionsspule in der Kapsel und arbeitet mit Frequenzen von ca.
500 Hz bis ca. 500 kHz. Die Größe der Arbeitskapsel
ist z.B. für
den Einsatz im oberen Magen-Darm-Trakt
einschließlich
Dünndarm
begrenzt auf ca. 25 mm Länge
und ca. 10 mm Durchmesser; bei reinem Einsatz im Dickdarm etwas mehr.
Hierdurch ist der Raum für
Einbauten generell begrenzt.
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Zur
Ausführung
der beabsichtigten Aufgaben benötigt
die Kapsel Steuersignale von außerhalb
des Patienten, z.B. zum Auslösen
einer Biopsienahme, zur Aufnahme von Videobildern, zur gezielten
Medikamentengabe usw. Eine Fernsteuerung reicht hierbei von einfachen
Befehlen, wie "Biopsiezange
ausfahren", z.B.
mittels Übertragung
eines zweistelligen Nummerncodes, bis zur Übertragung von modifiziertem
Programmcode in die Kapsel, z.B. für eine geänderte Bildvorverarbeitung
bei Videoaufnahmen. Je nachdem wird ein nieder- oder hochfrequentes
Trägersignal
für die
Fernsteuerung mit niedriger oder hoher Bandbreite zur Datenübertragung
benötigt.
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In 4 ist
zur Kommunikation in der Kapsel 110 eine nicht dargestellte
Empfängerspule,
und außerhalb
des Patienten eine Fernsteuereinheit 126 vorgesehen, die
an eine Kapselsteuerung 128 für die Kapselfunktionen angeschlossen
ist. Die Fernsteuereinheit 126 dient zum Senden der Steuerbefehle
zur Kapsel, aber auch optional zum Empfang von Rückmeldesignalen, z.B. zur Bestätigung eines
von der Arbeitskapsel 110 empfangenen Befehls. Die Kommunikation
entlang des Pfeils 130 verläuft also immer zur Kapsel hin
und optional auch von dieser zurück.
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Weiterhin
wird zur Datenübertragung
von der Arbeitskapsel 110 nach außen ein hochfrequentes Trägersignal
im Bereich 430 MHz benutzt, um z.B. Sensordaten oder Live-Videobilder
aus dem Patienteninneren zu übertragen.
Hierzu ist eine zusätzliche, HF-Sendespule 124 im
Kapselinneren vorgesehen. Diese sendet ein HF-Signal 127,
in 4 durch einen Pfeil dargestellt, zu einer HF-Antenne 129 außerhalb
des Patienten in einer Empfangseinheit 132.
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Neben
dem Magnetspulensystem für
die Kraftausübung
auf die Kapsel sind also etliche weitere Spulenanordnungen bzw.
Systeme innerhalb und außerhalb
der Kapsel nötig
bzw. bei vollem Systemausbau und maximaler Kapselfunktionalität vorhanden.
Je mehr Einzelspulen aber nötig
sind, umso aufwändiger,
voluminöser
und teurer wird das Gesamtsystem.
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Insbesondere
in der Arbeitskapsel 110 ist der Einbauraum äußerst begrenzt,
durch die Vielzahl notwendiger Spulen bzw. Kommunikationskomponenten steht
also sehr wenig Platz für
die eigentlichen medizinischen Komponenten zur Verfügung. Dieser
Platz wird jedoch benötigt,
um z.B. eine Kapsel mit möglichst
großem
Funktionsumfang zu bauen, die dann für die verschiedensten medizinischen
Zwecke universell einsetzbar ist.
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Aus
der nicht veröffentlichten
Patentanmeldung
DE 10 2005
012 387.2 ist es bekannt, mittels eines gemeinsamen bzw.
einzigen extrakorporalen Spulensystems die Kraftausübung auf
und die Positionsbestimmung der Kapsel gemeinsam zu realisieren.
Kapselseitig ist eine Kombination beider Teilaufgaben nicht sinnvoll,
da der Permanentmagnet durch eine mit Energie zu versorgende Spule
ersetzt werden müsste.
Diese Energie könnte
in der Kapsel weder gespeichert noch zugeführt werden. Die Ohmschen Verluste
in der Kapsel wären
zu hoch.
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Aus
der nicht veröffentlichten
Patentanmeldung
DE 10 2005
053 759.6 ist es bekannt, mittels eines gemeinsamen bzw.
einzigen extrakorporalen Spulensystems die Kraftausübung auf
und die drahtlose Energieübertragung
zur Kapsel gemeinsam zu realisieren. Auch hier ist wegen der gleichen
Gründe wie
oben eine kapselseitige Kombination nicht sinnvoll.
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Aus
der
US 2004 0215083
A1 ist eine sowohl senderseitige als auch kapselseitige
Kombination von induktiver Energieeinkopplung und Fernsteuerung
der Kapsel bekannt.
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Eine
Kombination von induktiver Energieeinkopplung und Positionserkennung
ist dagegen aus der
US
2004 0225184 A1 bekannt.
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Alle
bekannten Maßnahmen
reduzieren die Einzelmodule bzw. Bauteile, und damit die Kosten und
den Aufwand des Gesamtsystems aus Magnetspulensystem und Endoskopiekapsel.
Dennoch verbleibt ein immer noch aufwändiges und teures System.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, das Gesamtsystem weiter zu vereinfachen
bzw. Komponenten und damit Platzbedarf einzusparen.
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Hinsichtlich
des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch
1.
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Die
Erfindung nutzt hierbei folgende Erkenntnis: Zum Senden von Daten
nach außerhalb
des Patienten weist die Kapsel eine HF-Sendespule für breitbandige
Signale im Bereich ca. 430 MHz auf. Diese HF-Sendespule ist auch
zum Empfang eines elektromagnetischen Signals geeignet.
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Die
benötigten
Fernsteuersignale für
die Kapsel sind in der Regel niederfrequent. Derartige Signale liegen
im Bereich einer Trägerfrequenz
von maximal ca. 10 kHz. Dies ist für die meisten Fernsteueraufgaben
ausreichend, da die zu übertragende Informationsmenge
eher gering ist, verglichen z.B. mit einer Bildübertragung eines Kamerasignals.
Der HF-Kanal ist daher geeignet diese Signale in vollem Umfang zur
Kapsel zu übertragen.
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Daher
können
also die Fernsteuersignale in Form des zweiten Magnetfeldes auch
von der HF-Sendespule empfangen werden. Eine separate Empfangsspule
für die
Fernsteuerung in der Kapsel ist dann überflüssig und es entsteht mehr Platz
für die restlichen
Einbauten. Das Gesamtsystem wird dadurch einfacher und kostengünstiger.
Komponenten werden eingespart. Die HF-Sendespule kann auch zum Senden
von Rückmeldungen
bezüglich
der Fernsteuerung nach außerhalb
der Kapsel verwendet werden.
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Erfindungsgemäß wird daher
die HF-Sendespule durch eine in der Arbeitskapsel vorzusehende Kommunikationssteuerung
zwischen Sendebetrieb und Fernsteuerbetrieb umgeschaltet. Im Sendebetrieb
werden wie bisher Daten gesendet oder erfindungsgemäß auch die
Fernsteuerung betreffende Rückmeldungen,
im Fernsteuerbetrieb wird das zweite Magnetfeld empfangen und die
darin enthaltenen Fernsteuerbefehle in der Kapsel dekodiert und abgearbeitet.
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Es
kann sein, dass aufgrund der Spulengeometrie die HF-Sendespule eine Vorzugsrichtung
für das
zweite Magnetfeld aufweist, bei der besonders guter Empfang des
zweiten Magnetfeldes bzw. der Fernsteuersignale möglich ist.
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Position
und Orientierung der Arbeitskapsel müssen ohnehin für die Navigation,
also Kraftausübung
auf die Arbeitskapsel bekannt sein. Die relative Position und Orientierung
der Arbeitskapsel im ortsfesten Koordinatensystem sind also bekannt.
Natürlich
muss die Lage der HF-Sendespule in der Kapsel bekannt sein. Im einfachsten
Fall ist daher die HF-Sendespule
starr in der Kapsel eingebaut.
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Damit
ist die augenblickliche Orientierung der HF-Sendespule im Magnetspulensystem
bekannt. Das zweite Magnetfeld kann dann stets so erzeugt werden,
dass es in die bezüglich
der Vorzugsrichtung der HF-Sendespule bestmöglich ausgerichtet ist, also
in diese bestmöglich
einkoppelt, z.B. genau entlang der Spulenachse. Bei gegebener Feldstärke des
Fernsteuerfeldes ist so die in der HF-Sendespule empfangene Leistung
und damit die Signalqualität
maximal.
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HF-Signal
und zweites Magnetfeld können die
gleiche Signal-Trägerfrequenz
benutzen. Die HF-Sendespule ist dann auf die entsprechende Frequenz
abgestimmt und hat dort besonders gute Sende- und Empfangseigenschaften.
Auch die nachgeschaltete Sende-Empfangselektronik kann ähnlich oder
gleich aufgebaut oder gemeinsam benutzt werden. Dies gilt sowohl
kapselseitig als auch außerhalb des
Patienten, also für
die dort vorhandene Empfangs- bzw. Sendeantenne als Gegenstelle
zur Kapsel.
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Die
Kommunikationssteuerung in der Kapsel kann zu Beginn und/oder Ende
des Sendebetriebes eine Anfangs- und/oder Enddecodierung senden. Hierdurch
wird die Signalübertragung
von der Kapsel nach außen
eindeutig begonnen bzw. beendet. Der außerhalb des Patienten gelegene
Sender/Empfänger
weiß eindeutig,
wann die Kapsel sendet und wann der Funkkanal frei ist, um in die
Gegenrichtung, also zur Kapsel hin zu senden, um Fernsteuerbefehle übertragen
zu können.
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Die
Anfangs- und/oder Ende-Codierung kann mit der Art der im HF-Signal übertragenen
Daten korreliert sein. So kann schon anhand der außerhalb
der Kapsel empfangenen Codierung unterschieden werden, welche Daten
gerade übertragen
werden, z.B. Messdaten eines Sensors, eine Videosequenz oder eine
Rückmeldung
auf einen vorher gesendeten Steuerbefehl.
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In
machen Fällen
kann es nämlich
vorteilhaft sein, nicht nur Fernsteuerbefehle vom Magnetspulensystem
bzw. Außenraum
zur Kapsel zu übertragen,
sondern auch Rückmeldungen
von der Kapsel nach außen
zu senden. Dies ist im einfachsten Fall eine Rückmeldung, dass der Fernsteuerbefehl
empfangen wurde, z.B. ein sogenanntes Acknowledge-Signal. Es können aber
auch einfache Sensordaten, z.B. ein Temperatur- oder pH-Wert oder
sonstige Informationen von der Kapsel gesendet werden.
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Zu
Beginn und/oder Ende des Fernsteuerbetriebs kann auch im zweiten
Magnetfeld eine Anfangs- und/oder Enddecodierung übertragen
werden. Das oben gesagte für
die Übertragung
von der Kapsel nach außen
gilt dann in Gegenrichtung. In der Kapsel ist klar erkennbar, wann
die Übertragung
des Steuerbefehls beginnt und endet.
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Die
Kommunikationssteuerung kann bei Empfang der Ende-Codierung im zweiten
Magnetfeld die Kapsel auf Sendebetrieb umschalten.
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Die
Kommunikationssteuerung kann also immer dann in den Fernsteuerbetrieb
schalten, wenn keine zu übertragenden
Sendedaten vorliegen.
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Sind
keine Daten zu senden, kann sie also wiederum die Ende-Codierung senden
und auf den Empfang des nächsten
Steuerbefehls warten. Ist auch kein selbiger zu senden, kann zur
Kapsel ebenfalls die Ende-Codierung gesendet werden. So findet ein
dauernder Wechsel der Datenübertragungsrichtung
zwischen Kapsel und Gegenstelle statt. Bei genügen kurzen Zeitabständen zwischen
den Richtungswechseln erfolgt eine quasikontinuierliche Übertragung
in beide Richtungen des Funkkanals.
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Während der
Fernsteuerung findet also keine Datenübertragung von der Kapsel nach
außen statt.
Dies stört
jedoch nicht, wenn z.B. währenddessen
die Kapsel im Patienten ohne Kraftausübung ruht. Durch entsprechend
kurze zeitliche Abstände zwischen
zwei Fernsteuerungen kann so dennoch eine quasi kontinuierliche
Datenübertragung
erfolgen. Die Arbeitskapsel kann dann so benutzt werden, dass diese
lediglich im ruhenden Zustand aktiv gesteuerte medizinische Maßnahmen
durchführt.
Da die Kapselbewegung sowieso eher langsam geschieht, z.B. mit einer
Geschwindigkeit von 1cm pro Minute, ist eine nicht dauerhafte Datenübertragung ausreichend,
da die Kapsel ihren Aufenthaltsort nicht sprunghaft ändert.
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Empfang
der von der Kapsel gesendeten Daten und Erzeugung zweites Magnetfeld
können
von einem einzigen bzw. gemeinsamen Spulensystem erledigt werden.
So sinkt auch außerhalb
der Kapsel die Komplexität
des Gesamtsystems im Gegensatz zu getrennten Spulen für Datenübertragungsempfang
und Fernsteuerung. Eine entsprechende Halterung und eine Kühlung für das gemeinsame
Spulensystem braucht somit nur einmal vorgesehen zu werden.
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In
diesem Fall kann das Rückmeldesignal von
der Kapsel also vom gemeinsamen Spulensystem empfangen werden. Die
betreffenden Empfangsspulen für
das HF-Signal arbeiten dann gleichfalls als Sendespule für die Fernsteuerung.
Eine separate Sendeantenne wird überflüssig. Das
Rückmeldesignal
kann dann über
ein Filter im Spulensystem aus diesem ausgekoppelt und zur Weiterverarbeitung weitergeleitet
werden, z.B. an die oben genannte Kapselsteuerung. Gleichermaßen kann
natürlich
so das Fernsteuersignal in die Empfangsspule eingekoppelt werden.
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Die
Spulenkörper
des Spulensystems werden so zum Empfang der Daten und zur Fernsteuerung
gemeinsam genutzt. Auch eine gemeinsame Ansteuerung erfolgt hierbei.
Dies reduziert den Aufwand des Gesamtsystems.
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Da
das HF-Signal und das Fernsteuersignal bzw. zweite Magnetfeld in
der Kapsel jeweils am gleichen Bauteil, nämlich der HF-Sendespule empfangen
und gesendet werden, kann das kombinierte elektrische Ausgangssignal
der HF-Sendespule z.B. durch einen Zirkulator in getrennte elektrische
Signale aufgeteilt werden.
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Die
Einspeisung von Rückmeldungen
auf Fernsteuerbefehle oder dem HF-Signal in die HF-Sendespule kann über einen
Multiplexer erfolgen, dem dann z.B. ein Mixer nachgeschaltet ist,
um die entsprechenden Signale auf die Trägerfrequenz aufzumodulieren.
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Die
Position und Orientierung der Arbeitskapsel zum Magnetspulensystem
kann auf verschiedene Weise ermittelt werden. Eine Möglichkeit
ist die Ermittlung durch ein Röntgensystem.
Hierbei wird der Patient während
der Durchführung
der medizi nischen 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.
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Eine
zweite Alternative ist die Verwendung 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.
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Insbesondere
können
in der Arbeitskapsel drei bis sechs orthogonal zueinander ausgerichtete Ortungsspulen
vorhanden sein, welche zur Ermittlung der Orientierung der Arbeitskapsel
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 z.B. eine Spule zur drahtlosen Energieübertragung
ausgelegt werden und benötigen
somit kaum Platz in der Kapsel.
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Hinsichtlich
der Einrichtung wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch
eine Einrichtung gemäß Patentanspruch
9.
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Die
sich aus der erfindungsgemäßen Einrichtung
ergebenden Vorteile wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
erläutert.
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Für eine weitere
Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen.
Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
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1 ein
Magnetspulensystem zur Datenübertragung
aus einer Arbeitskapsel und deren Fernsteuerung,
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2 die
Arbeitskapsel aus 1 im Detail,
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3 die
Empfangs-/Sendeeinheit zur Datenübertragung
und Fernsteuerung außerhalb
des Patienten im Detail,
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4 ein
Magnetspulensystem zur Bewegung eines magnetischen Körpers in
einem Patienten gemäß Stand
der Technik.
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1 zeigt
nochmals das bekannte Magnetspulensystem 100 aus 4 gemäß Stand
der Technik, jedoch erfindungsgemäß modifiziert. Eine Kraftsteuerung 2 empfängt von
der Ortungseinrichtung 112 aktuelle Positionsdaten 4 der
Arbeitskapsel 110 im Koordinatensystem 114 sowie
von einer nicht dargestellten Bedieneinrichtung Solldaten für eine neue Position
und Geschwindigkeit der Arbeitskapsel 110. Die Positionsdaten 4 sind
Ort 116 und Orientierung 118 der Arbeitskapsel 110 im
Koordinatensystem 114, wie im Zusammenhang mit 4 ausführlich erläutert.
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Da
die Lage der nicht dargestellten Ortungsspulen in der Arbeitskapsel 110 fest
und damit wie beschrieben im Koordinatensystem 114 bekannt
ist, liefern die Positionsdaten 4 der Auswerte- und Steuereinheit 2 ebenso
Position und Orientierung der Ortungsspulen.
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Die
Kapselsteuerung 128, die für die Steuerung der Kapselfunktionen
zuständig
ist, sendet, angedeutet durch den Pfeil 6, ein Steuersignal,
das die Arbeitskapsel 110 erreichen soll, an die für den Empfang
des HF-Signals zuständige
Empfangseinheit 132. Diese sendet über die HF-Antenne 129,
die gemäß Stand
der Technik nur zum Empfang des HF-Signals 127 dient, in
Form des Feldes 8 das Steuersignal an die Kapsel 110 bzw.
deren HF-Sendespule 124. Das Feld 8 stellt somit
das erfindungsgemäße zweite
Magnetfeld dar. Das Feld 8, welches die HF-Sendespule 124 durchsetzt,
wird von dieser empfangen, und in der Arbeitskapsel 110 als
Fernsteuerbefehl dekodiert.
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Optional
kann die Kapsel Rückmeldesignale, angedeutet
durch die Pfeile 22,26 nach außerhalb des Patienten senden.
Der erste Weg (22a) erfolgt gemäß dem des HF-Signals 127 zur
HF-Antenne 129 und
zur Kapselsteuerung 128. In der Empfangseinheit 132 ist
hierzu ein Filter 20 integriert, das die empfangenen Rückmeldesignale
ausleitet und entlang des Pfeils 22 an die Kapselsteuerung 128 zur
Weiterverarbeitung weiterleitet. Die HF-Sendespule 124 arbeitet
dann als Sendespule für
die Rückmeldesignale.
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Alternativ
kann auch eine externe Antenne 24 vorhanden sein, die die
Rückmeldesignale
entlang des Pfeils 26 auffängt und zur Kapselsteuerung 128 leitet.
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2 zeigt
die Arbeitskapsel 110 im Detail. Die HF-Sendespule 124 sendet
das HF-Signal 127 und empfängt das Feld 8 zur
Fernsteuerung, in 2 durch einen einzigen Pfeil
als Gesamtfeld verdeutlicht, im zeitlichen Wechsel, wie oben erläutert. Das magnetische
Gesamtfeld wird von der HF-Sendespule 124 in ein elektrisches
Signal 38 konvertiert, das in diesem Ausführungsbeispiel
zu einem Zirkulator 40 weitergeleitet wird und gelangt
so auf ein Bandpassfilter 44.
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Das
Bandpassfilter 44 extrahiert das Fernsteuersignal 48,
das mit dem Feld 8 zur Fernsteuerung korreliert ist. Über einen
Vorverstärker 50 wird das
Signal 48 auf die Funktionssteuerung 54 der Kapsel 110 geführt und
dort weiterverarbeitet.
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Die
Funktionssteuerung 54 bedient die nicht dargestellten Kapseleinbauten,
wie z.B. Biopsiezange, Medikamentenreservoir, Videokamera oder Beleuchtung.
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Von
der Rücksendeeinheit 56 werden
z.B. Rückmeldungen
der Kapseleinbauten, z.B. Meldungen wie "Licht ist an" oder "Kamera läuft" von der Kapsel 110 nach außerhalb
des nicht dargestellten Patienten gesendet.
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Die
Rücksendeeinheit 56 überträgt hierzu
einen entsprechenden Befehl in Form eines Rückmeldesignals 58 zu
einem Mischer 60 zur Aufmodulation auf ein Trägersignal 61 eines
Oszillators 63. Über den
Zirkulator 40 gelangt das resultierende Rücksendesignal
zur HF-Sendespule 124, die es als elektromagnetisches Feld
auf dem in 1 gezeigten Weg 22 oder 26 zurück zur Kapselsteuerung 128 transportiert.
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HF-Daten
von der Kapsel 110, z.B. Bilddaten werden dagegen wie bisher
als HF-Signal 127 zur Empfangseinheit 132 gesendet.
Lediglich der Multiplexer 64 ist hierbei als Weiche in
der Kapsel 110 zwischengeschaltet, um wahlweise das Rückmeldesignal
oder das HF-Signal 127 zum Mischer 60 durchzuschalten.
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Sämtliche
Vorgänge
werden hierzu in der Kapsel 110 von einer Kommunikationssteuerung 66 gesteuert.
Diese bestimmt z.B., wann die Funktionssteuerung 54 Fernsteuerbefehle
empfangen darf oder wann Bilddaten 62 oder ein Rückmeldesignal 58 erzeugt
werden darf. Die Kommunikationssteuerung 66 überwacht
dadurch mit anderen Worten Empfangs- oder Sendebetrieb der HF-Sendespule 124.
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3 zeigt
die Empfangseinheit 132 im Detail für den Fall, dass diese als
kombinierte Sende-/Empfangseinheit für die HF-Datenübertragung von der Kapsel und
die Fernsteuerung der Kapsel ausgelegt ist.
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Die
Ansteuerung der HF-Antenne 129 erfolgt hierbei jeweils
durch die Empfangseinheit 132 oder die Kapselsteuerung 128 für die Fernsteuerung.
Die Signale beider Einheiten werden durch getrennte Signalleitungen 32a,
b jeweils über
Vorverstärker 34 zu einem
Signalteiler 36 geführt.
Dort werden die Signale entweder als Signal 32b von der
HF-Antenne 129 (im Empfangsbetrieb) zur Empfangseinheit 132 oder als
Signal 32a von der Kapselsteuerung 128 zur HF-Antenne 129 (im
Sendebetrieb) geführt.