DE10340925B3

DE10340925B3 - Magnetspulensystem zur berührungsfreien Bewegung eines magnetischen Körpers in einem Arbeitsraum

Info

Publication number: DE10340925B3
Application number: DE10340925A
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. Ries
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Invandus De GmbH
Priority date: 2003-09-05
Filing date: 2003-09-05
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2023-09-06
Also published as: JP2005081146A; CN1589729A; US7173507B2; US20050052178A1

Abstract

Mit dem Magnetspulensystem (2) aus vierzehn einzeln ansteuerbaren Einzelspulen (3a, 3b; 4a, 4b; 5a, 5b; 6a bis 6d; 7a bis 7d) ist ein magnetischer Körper berührungsfrei in einem Arbeitsraum (A) zu bewegen. Hierzu sind mit dem Spulensystem drei Magnetfeldkomponenten sowie fünf Magnetfeldgradienten zu erzeugen. Die Einzelspulen sind bevorzugt auf paarweise gegenüberliegenden stirnseitigen bzw. seitlichen Flächen (F4a, F4b bzw. F3a, F3b; F5a, F5b) und auf einer rohrförmigen, den Arbeitsraum (A) umschließenden Mantelfläche (F6) angeordnet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Magnetspulensystem mit mehreren einzeln ansteuerbaren Einzelspulen zur berührungsfreien Bewegung eines magnetischen Körpers in einem dreidimensionalen Arbeitsraum, der von in einem rechtwinkligen x,y,z-Koordinatensystem aufgespannten Flächen umgeben ist. Ein derartiges Magnetspulensystem ist aus „IEEE Transactions on Magnetics", Vol. 32, No. 2, März 1996, Seiten 320 bis 328 zu entnehmen.

In der Medizin werden Endoskope und Katheter verwendet, die über Schnitte oder Körperöffnungen eingeführt werden und in Längsrichtung von außen verschiebbar und damit nur in einer Dimension navigierbar sind. Mit Lichtleitern ist eine optische Inspektion möglich, wobei eine Endoskopiespitze und damit die Blickrichtung durch Steuerdrähte schwenkbar sein kann. Es lassen sich so Einrichtungen insbesondere zur Biopsie ausbilden. Die hierbei verwendeten Sonden sind jedoch insbesondere an Verzweigungen nur beschränkt navigierbar, so dass eine berührungslose Kraftausübung von außen eine Erweiterung des Anwendungsbereichs mit sich bringen könnte.

Aus der eingangs genannten Veröffentlichung sowie der US 5 125 888 A ist ein Magnetspulensystem zu einer berührungslosen magnetischen Sondensteuerung zu entnehmen, das sechs vorzugsweise supraleitende Einzelspulen umfasst, die auf den Flächen eines Würfels angeordnet sind, deren Lage in einem rechtwinkligen x,y,z-Koordinatensystem mathematisch zu beschreiben ist. Mit diesen Spulen sind variable Feldrichtun gen und Feldgradienten zu erzeugen, um einen Katheter mit magnetischem Material oder magnetische Implantate zu Therapiezwecken in einem zu untersuchenden, beispielsweise menschlichen Körper zu führen bzw. zu bewegen. Mit einem Magnetspulensystem aus sechs Einzelspulen ist jedoch keine uneingeschränkte Navigationsfreiheit des magnetischen Körpers zu erreichen.

Die Erzeugung von magnetischen Feldgradienten ist insbesondere von MRI(Magnet Resonance Imaging)-Anlagen zur medizinischen Diagnostik bekannt. Ein entsprechendes Spulensystem geht z.B. aus der DE 39 37 148 C2 hervor.

Es ist auch bekannt, derartige Feldgradienten zur Bestimmung der augenblicklichen Position und Ausrichtung eines Objektes wie z.B. eines Katheters in einem dreidimensionalen Arbeitsraum wie z.B. einem menschlichen Körper auszunutzen. Ein entsprechendes Gerät ist der WO 00/13586 A1 zu entnehmen. Hierzu enthält das Gerät einen entsprechenden Feldgenerator zum Erzeugen von MRI-Gradientenfeldern, mit denen in Sensorspulen des Objektes elektrische Spannungen induziert werden. Diese elektrischen Spannungen werden dann über ein mit dem Objekt verbundenes Leitungssystem an eine signalverarbeitende Elektronik weitergeleitet. Eine berührungsfreie, magnetisch steuerbare Bewegung des Objektes ist dabei jedoch nicht möglich.

In der US 6 241 671 B1 ist ein Magnetspulensystem mit drei Spulen beschrieben, in der US 6 529 761 B2 eine Anordnung einiger um einen Patienten drehbar angeordneter Permanentmagnete, deren Feld durch magnetische Blenden beeinflussbar ist und die eine magnetische Welle zur Fortbewegung einer magnetischen Sonde erzeugen können.

Ferner sind auch Magnetspulensysteme mit drehbaren Permanentmagneten zur Steuerung von magnetischen Kathetern insbesondere unter einer Röntgenkontrolle bekannt.

Über Verfahren zu einer Lagestabilisierung durch Rückkopplung ist bei diesem Stand der Technik nichts ausgesagt; es ist davon auszugehen, dass sich ein magnetischer Sondenkörper, durch Feldrichtung und Gradient vorgegeben, immer an eine innere Fläche innerhalb eines zu untersuchenden Körpers anlegt.

In der WO 96/03795 A1 ist ein Verfahren mit zusätzlichen Pulsspulen beschrieben, mit denen eine magnetische Sonde durch genau definierte Strompulse unter Computerkontrolle schrittweise zu bewegen ist.

Es sind auch sogenannte Videokapseln z.B. aus der Zeitschrift "Gastrointestinal Endoscopy", Vol. 54, No. 1, Seiten 79 bis 83 bekannt, die zu einer Inspektion des Verdauungstraktes dienen. Hierbei geschieht die Fortbewegung der Videokapsel durch die natürliche Darmbewegung; d.h., die Fortbewegung und Blickrichtung ist rein zufällig.

In der DE 101 42 253 C1 ist eine entsprechende Videokapsel beschrieben, die mit einem Stabmagneten sowie mit Video- und anderen Interventionseinrichtungen ausgestattet ist. Auf den Stabmagneten soll ein externes Magnetspulensystem Kräfte zur Navigation ausüben. Es ist ein freischwebender, sogenannter Helikoptermodus mit externer Steuerung durch eine 6D-Maus, eine Rückmeldung der Kraft über die Maus sowie eine Positionsrückmeldung durch einen Transponder erwähnt. Einzelheiten zur Realisierung des entsprechenden Magnetspulensystems und zum Betrieb seiner Einzelspulen gehen aus der Schrift nicht hervor.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Magnetspulensystem anzugeben, mit dem eine berührungsfreie Navigation bzw. Bewegung eines (ferro)magnetischen Körpers wie z.B. eines Stabmagneten gemäß der vorgenannten DE-C1-Schrift ermöglicht wird. Dabei soll der Körper in dem Arbeitsraum auszurichten und/oder auf den Körper eine Kraft auszuüben sein. Die Ausrichtung sowie die Größe und Richtung der Kraft auf den Körper sollen dabei magnetisch und ohne mechanische Verbindung von außen vorgebbar sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß die in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen vorgesehen. Dementsprechend soll das Magnetspulensystem zu einer berührungsfreien Bewegung eines magnetischen Körpers in einem drei-dimensionalen Arbeitsraum dienen, der von in einem rechtwinkligen x,y,z-Koordinatensystem aufgespannten Flächen umgeben ist. Das Spulensystem soll vierzehn einzeln ansteuerbare Einzelspulen aufweisen, die zur Erzeugung der drei Magnetfeldkomponenten B_x, B_y und B_z sowie von fünf Magnetfeldgradienten aus der bezüglich ihrer Diagonalen D symmetrischen Gradientenmatrix

ausgebildet sind, wobei mit den Einzelspulen zwei der drei Diagonalelemente der Gradientenmatrix und je eines der Außendiagonalelemente aus den drei zur Diagonalen symmetrischen Gradientenelementpaaren der Gradientenmatrix zu erzeugen sind.

Bei dem erfindungsgemäßen, den Arbeitsraum käfigartig umschließenden Magnetspulensystem wird davon ausgegangen, dass durch die von den Maxwell-Gleichungen auferlegten Bedingungen rotH=0 und divB=0 – wobei die in Fettdruck angegebenen Größen Vektoren symbolisieren – Feldgradienten immer paarweise erzeugt werden. Ausgehend davon wurde erkannt, dass von den möglichen drei Feldkomponenten B_x, B_y und B_z nur zwei und von den möglichen neun Feldgradienten dB_x/dx, dB_x/dy, dB_z/dz, dB_y/dx, dB_y/dy, dB_y/dz, dB_z/dx, dB_z/dy und dB_z/dz nur fünf unabhängige Gradienten erzeugt werden müssen. Dabei müssen den vierzehn Einzelspulen dann acht verschiedene Strommuster entsprechend den acht magnetischen Freiheitsgraden aufgeprägt werden können mit Strömen gleicher Größe. Diese Strommuster erzeugen jeweils vorwiegend eine Feldkomponente oder einen Feldgradienten. Durch Überlagern kann dann jede nach den Maxwell-Gleichungen zulässige Kombination von Magnetfeldkomponenten und Feldgradienten erzeugt werden.

Auf diese Weise ist eine berührungsfreie Steuerung/Bewegung (= Navigation) eines magnetischen Körpers im Sinne einer (mechanisch) berührungsfreien Ausrichtung dieses Körpers und/oder einer Kraftausübung auf diesen, beispielsweise einer mit einem magnetischen Element verbundenen Sonde wie z.B. einem Katheter, Endoskop oder einer Videokapsel gemäß der DE 101 42 253 C1 , mittels Magnetfeldern in einem Arbeitsraum ermöglicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

So können die vierzehn einzeln ansteuerbaren Einzelspulen auf paarweise gegenüberliegenden Flächen und wenigstens einer rohrförmigen, sich in z-Richtung erstreckenden Mantelfläche angeordnet sein. Bis auf die Mantelfläche können dabei die Flächen einen Quader oder Würfel aufspannen. Sie brauchen aber nicht unbedingt eben ausgebildet zu sein. Die auf diesen Flächen liegenden Einzelspulen ermöglichen dann einen guten Zugang zu dem Arbeitsraum insbesondere in der z-Richtung.

Vorteilhaft können dabei mindestens sechs der Einzelspulen auf den paarweise gegenüberliegenden stirnseitigen bzw. seitlichen Flächen des Arbeitsraums liegen und zur Erzeugung der drei Magnetfeldkomponenten B_x, B_y, B_z sowie der zwei Diagonalelemente der Gradientenmatrix dienen. Zugleich können mindestens vier der Einzelspulen auf der wenigstens einen rohrförmigen, den Arbeitsraum umschließenden Mantelfläche in Umfangsrichtung gesehen verteilt angeordnet sein und zur Erzeugung von mindestens einem Außerdiagonalelement der Gradientenmatrix dienen. Zusammen mit den übrigen Einzelspulen las sen sich so die erforderlichen drei Außerdiagonalelemente ausbilden.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausbildungsform des Spulensystems können

– sechs der Einzelspulen als drei Spulenpaare auf den paarweise gegenüber liegenden stirnseitigen bzw. seitlichen Flächen des Arbeitsraums liegen

und

– acht der Einzelspulen zwei Spulenanordnungen bilden, die in z-Richtung gesehen hintereinander auf der wenigstens einer rohrförmigen Mantelfläche liegen und deren jeweils vier Einzelspulen auf der Mantelfläche in Umfangsrichtung gesehen verteilt angeordnet sind und zur Erzeugung der drei Außerdiagonalelementen der Gradientenmatrix dienen.

Dieses Spulensystem zeichnet sich durch einen klaren Aufbau mit guter Zugänglichkeit des Arbeitsraums in der z-Richtung aus.

Stattdessen lässt sich bei dem Spulensystem ebenso gut vorsehen,

– dass auf den stirnseitigen Flächen des Arbeitsraums ein Spulenpaar von Einzelspulen liegt und zur Erzeugung der Magnetfeldkomponente B_z sowie des Diagonalelementes dB_z/dz der Gradientenmatrix dient,
– dass auf den paarweise gegenüberliegenden seitlichen Flächen jeweils eine Spulenanordnung aus jeweils zwei in z-Richtung gesehen hintereinander angeordneten Einzelspulen liegt und zur Erzeugung der Magnetfeldkomponente B_x bzw. B_y dient,
– dass auf der wenigstens einen rohrförmigen Mantelfläche eine Spulenanordnung aus vier in Umfangsrichtung gesehen verteilt angeordneten Einzelspulen liegt

und

– dass die Spulenanordnungen auf den seitlichen Flächen und der Mantelfläche zur Erzeugung eines weiteren Diagonalelementes und der drei Außendiagonalelementen der Gradientenmatrix dienen.

Bei den vorstehend wiedergegebenen Ausführungsformen können vorteilhaft die auf der (gedachten) Mantelfläche liegenden Feldgradientenspulen sattelförmig gestaltet sein. Dabei ist es möglich, dass ihre auf der Mantelfläche in Umfangsrichtung verlaufenden stirnseitigen Bogenteile in Umfangsrichtung gesehen nebeneinander liegen, d.h. jeweils einen Bogenwinkel von > 90° einnehmen, oder sich auch überlappen. Entsprechende Einzelspulen sind leicht herstellbar und erzeugen klare Feldverhältnisse.

Darüber hinaus können zumindest einige der Feldkomponentenspulen als ebene Rechteckspulen oder Kreisspulen gestaltet sein. Insbesondere die sich an den Stirnseiten befindlichen Spulen ermöglichen so einen guten Zugang zu dem Arbeitsraum in z-Richtung.

Vorteilhaft lassen sich Teile aus weichmagnetischem Material an der Außenseite des Spulensystems zur Feldverstärkung und/oder Feldabschirmung zuordnen.

Zur Ansteuerung der vierzehn Einzelspulen des Magnetspulensystems wird vorteilhaft ein Computer eingesetzt, indem er ihre jeweils zugeordnete Stromversorgung in Abhängigkeit von der jeweiligen Position des zu bewegenden Magnetkörpers ansteuert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen von erfindungsgemäßen Magnetspulensystemen gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung noch weiter erläutert, in der bevorzugte Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Magnetspulensystemen veranschaulicht sind. Dabei zeigen jeweils schematisch
deren 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetspulensystems,
deren 2 in Teilfiguren 2a bis 2h die Einzelspulen eines solchen Magnetspulensystems mit Stromführungsrichtungen zur Erzeugung vorbestimmter Magnetfeldkomponenten bzw. -gradienten,
deren 3 eine vergrößerte Darstellung einer der Einzelspulen aus 2,
deren 4 eine Schrägansicht auf das mit Leiterschleifen ausgebildete Magnetspulensystem nach 1,
deren 5 eine Ansteuerung der Einzelspulen des Magnetspulensystems gemäß 1 mittels eines Computers,
deren 6 eine besondere Ausgestaltung des Magnetspulensystems gemäß 1 mit einer ferromagnetischen Struktur zur Feldabschirmung und/oder – verstärkung,
deren 7 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetspulensystems und
deren 8 in Teilfiguren 8a bis 8i die Stromführungsrichtungen in den Einzelspulen des Magnetspulensystems nach 7.
Dabei sind in den Figuren sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
Mit einem Magnetspulensystem nach der Erfindung lässt sich ein magnetischer Probekörper berührungslos in einem Arbeitsvolumen bewegen. Dabei sind die Ausrichtung sowie die Größe und die Richtung der Kraft auf diesen Probekörper magnetisch und ohne mechanische Verbindung von außen vorgebbar. Insbesondere in Anwendungen der Medizin kann so eine mit einem solchen magnetischen Probekörper ausgestattete Sonde ein Katheter oder ein Endoskop mit Magnetelement oder eine kleine Fernsehkamera mit Beleuchtung und Sender sein, die Videobilder aus dem Körperinneren wie z.B. dem Verdauungstrakt oder der Lunge sendet. Darüber hinaus können ferromagnetische Fremdkörper wie z.B. eine Nadel oder Funktionsmodule in von außen unzugänglichen Objekten oder Räumen durch Magnetkräfte bewegt oder entfernt werden. Neben der Anwendung in der Medizin ist ebenso gut ein Einsatz eines erfindungsgemäßen Magnetspulensystems auch auf anderen Gebieten wie z.B. in kontaminierten Räumen möglich. Mit zugeordneten Magnetsonden können auch andere, insbesondere unzugängliche Objekte beispielsweise intern inspiziert werden, wobei die Sonden selbstverständlich auch mit anderer oder zusätzlicher Funktionalität ausgestattet sein können.
Mit Hilfe des Magnetspulensystems kann so der Probekörper in allen drei lateralen Freiheitsgraden und in Blickrichtung in den zwei rotatorischen Freiheitsgraden durch magnetische Kräfte von außen gesteuert werden. Außerdem erlaubt das Magnetspulensystem vorteilhaft von außen einen Zugang in z-Richtung, z.B. um zu behandelnde Personen in dem Arbeitsraum im Inneren zu positionieren.
Die 1 bis 4 zeigen ein typisches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Magnetspulensystems, mit dem eine entsprechende Navigation bzw. räumliche Ansteuerung und/oder Bewegung eines ferromagnetischen Körpers unter Krafteinwirkung auf diesen ermöglicht wird. Nachfolgend sei als ein Ausführungsbeispiel eines solchen ferromagnetischen Körpers eine Sonde ausgewählt, der ferromagnetisches Material zugeordnet ist oder die Teile aus einem solchen Material enthält. Der ferromagnetische Körper sei auch als „Magnetkörper" zu bezeichnen.
Das in 1 allgemein mit 2 bezeichnete Magnetspulensystem hat beispielsweise eine etwa würfelförmige Außenkontur. Die entsprechenden sechs Würfelflächen sind mit F3a, F3b, F4a, F4b, F5a und F5b bezeichnet. In eine Ecke des Würfels sei ein rechtwinkliges x,y-z-Koordinatensystem gelegt. Die orthogonal zur z-Richtung liegenden Flächen F4a und F4b seien dabei als stirnseitige Flächen angesehen, während dann die zur x-Achse und zur y-Achse orthogonalen Flächenpaare F3a, F3b bzw. F5a, F5b als seitliche Flächenpaare betrachtet werden können. Die Flächenpaare umschließen einen mit A bezeichneten, dreidimensional ausgeprägten Innen- oder Arbeitsraum. In diesem von den sechs Flächen aufgespannten Innenraum befindet sich eine rohrförmige Mantelfläche F6 mit zur z-Richtung parallel verlaufender Achse. Im Allgemeinen handelt es sich bei den erwähnten Flächen um gedachte Flächen. Selbstverständlich sind aber die sich auf ihnen erstreckenden Einzelspulen des Magnetspulensystems 2 von konkreten, in den Figuren nicht dargestellten Fixierungsmitteln gehalten.
Das Magnetspulensystem 2 umfasst erfindungsgemäß vierzehn normalleitende oder supraleitende Einzelspulen, die vorzugsweise als Rechteck- bzw. Sattelspulen ausgebildet sind. Dabei sind in der Figur die Wickelformen nur schematisch dargestellt; es können auch Einzelspulen mit abgerundeten Ecken, Kreisspulen oder andere Spulenformen gewählt werden. Das Spu lensystem des gewählten Ausführungsbeispiels setzt sich dabei aus sechs Feldkomponentenspulen 3a, 3b, 4a, 4b und 5a, 5b sowie acht Feldgradientenspulen 6a bis 6d und 7a bis 7d zusammen. Mit den paarweise auf den gegenüberliegenden Würfelflächen F3a, F3b; F4a, F4b und F5a, F5b liegenden Feldkomponentenspulen 3a, 3b bzw. 4a, 4b bzw. 5a, 5b sind die Feldkomponenten B_x, B_y, B_z sowie mindestens zwei der drei diagonalen Magnetfeldgradienten dB_x/dx, dB_y/dy und dB_z/dz aus der nachstehend wiedergegebenen Gradientenmatrix zu erzeugen. Diese Gradientenmatrix hat folgendes Aussehen:
Dabei sei eine die Elemente dB_x/d_x, dB_y/d_y und dB_z/d_z verbindende Linie als eine Diagonale D der Gradientenmatrix angesehen. Die Gradientenmatrix ist symmetrisch bezüglich dieser Diagonalen D bzw. der auf ihr liegenden, vorerwähnten Magnetfeldgradienten aufgebaut. Dabei ist die Summe der Diagonalelemente gleich null. Die die einzelnen Feldkomponenten erzeugenden Spulenpaare mit in ihnen zu wählenden Stromführungsrichtungen sind gemäß 2 und deren Teilfiguren mit 3 bzw. 4 bzw. 5 bezeichnet. Vorzugsweise sind die Paare der Feldkomponentenspulen untereinander orthogonal angeordnet. Im Allgemeinen haben sie zumindest paarweise gleiche Form.
Mit den sattelförmig gestalteten Feldgradientenspulen 6a bis 6d sowie 7a bis 7d sind jeweils zwei Spulenanordnungen 6 und 7 ausgebildet, die in z-Richtung gesehen hintereinander angeordnet sind. Die sattelförmigen Feldgradientenspulen umschließen feldmäßig den Arbeitsraum A, wobei sie auf der min destens einen gedachten Mantelfläche F6 gemeinsam angeordnet sind. In Umfangsrichtung gesehen sind die zu einer Spulenanordnung gehörenden Gradientenspulen gegenseitig beabstandet; d.h. zwischen ihren stirnseitigen Bogenteilen und somit zwischen ihren in z-Richtung verlaufenden Längsseiten ist jeweils ein Zwischenraum. Es ist jedoch eine Überlappung benachbarter Gradientenspulen an ihren Längsseiten möglich. Die gedachte Mantelfläche F6 hat beispielsweise einen kreisförmigen Querschnitt. Sie kann aber auch eine andere, z.B. quadratische Querschnittsform haben. Es sind auch konzentrischen Mantelflächen möglich, auf denen sich die Einzelspulen aus einer oder aus beiden Spulenanordnungen befinden. Die mindestens eine Mantelfläche F6 braucht auch nicht unbedingt innerhalb des von den Feldkomponentenspulen 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b umschlossenen Raums liegen, sondern kann gegebenenfalls die Struktur aus diesen Spulen auch umschließen. Im Allgemeinen haben zumindest die zu einer Spulenanordnung 6 und/oder 7 gehörenden Feldgradientenspulen gleiche Form.
Mit den Feldgradientenspulen 6a bis 6d, und 7a bis 7d sind beispielsweise gemäß 2 und deren Teilfiguren die Magnetfeldgradienten dB_x/dy, dB_z/dx und dB_z/dy bei Wahl der dargestellten Stromführungsrichtungen auszubilden. Diese drei Feldgradienten stellen jeweils ein außerdiagonales Element der vorstehenden Gradientenmatrix dar. Dabei stammen diese Elemente jeweils aus einem anderen, bzgl. der Diagonalen D symmetrischen Elementenpaar. Bei der Ausbildung entsprechender Feldgradienten werden nämlich zwangsläufig die bzgl. der Diagonalen D symmetrischen Feldgradienten paarweise erzeugt. Das wären in diesem Falle die Gradienten dB_y/dx bzw. dB_x/dz bzw. dB_y/dz. Da nur fünf Gradientenfreiheitsgrade zu berücksichtigen sind, bedarf es außerdem keines besonderen Strommusters für den dB_z/dz-Feldgradienten. Alternativ kann aber der dB_z/dz-Feldgradient erzeugt werden und dafür einer der Gradienten dB_x/dx oder dB_y/dy weggelassen werden. D.h., es müssen nur zwei der drei auf der Diagonalen D der Gradientenmatrix liegenden Gradienten erzeugt werden.
Wird nun ein langgestreckter Magnetkörper, beispielsweise ein Ferro- oder Permanentmagnet, der z.B. mit einer Sonde verbunden ist, in den Arbeitsraum A des Magnetspulensystems 2 eingebracht, so versucht er sich parallel zur Feldrichtung auszurichten, wobei er somit auch die Ausrichtung der Sonde vorgibt. Die Feldgradienten üben dabei auf den Magnetkörper eine Kraft F = grad(m·B) aus, wobei m der Vektor des magnetische Moments des Magnetkörpers ist. Durch eine gezielte Ansteuerung jeder der vierzehn Einzelspulen ist es dann möglich, dass der Magnetkörper beliebig im Arbeitsraum A ausgerichtet werden kann und auf ihn auch eine vorgegebene Kraft F in alle Richtungen auszuüben ist, also dass er nicht nur gedreht, sondern auch linear bewegt werden kann.
Die Teilfiguren 2a bis 2h zeigen paarweise die vierzehn Einzelspulen eines Magnetspulensystems, beispielsweise des Systems 2 nach 1, in Einzeldarstellung mit den jeweiligen Flussrichtungen der Ströme I zur Erzeugung der für eine berührungsfreie Bewegung und/oder Drehung erforderlichen Feldkomponenten und Feldgradienten. Dabei ist gemäß den Teilfiguren 2a und 2b mit dem Spulenpaar 3 der Einzelspulen 3a, 3b je nach Stromflussrichtung die Magnetfeldkomponente B_x bzw. der Feldgradient dB_x/dx zu erzeugen. In entsprechender Weise ist mit den Einzelspulen 5a, 5b des Spulenpaars 5 die Feldkomponente B_y bzw. der Feldgradient dB_y/dy auszubilden. Das Spulenpaar 4 aus den Einzelspulen 4a und 4b erzeugt gemäß Teilfigur 2e die Feldkomponente B_z. Gemäß den Teilfiguren 2f bis 2h sind mit den beiden Spulenanordnungen 6 und 7 aus den je weils vier Gradientenspulen 6a bis 6d bzw. 7a bis 7d je nach Stromführungsrichtung in den Einzelspulen die Feldgradienten dB_z/dx bzw. dB_z/dy bzw. dB_x/dy zu erzeugen.
In 3 sind die beiden Spulenanordnungen 6 und 7 aus den jeweils vier Feldgradientenspulen 6a bis 6d und 7a bis 7d vergrößert und auseinander gezogen dargestellt, wobei Stromführungsrichtungen in diesen Spulen gemäß Teilfigur 2f gewählt sind.
4 zeigt in Schrägansicht das Magnetspulensystem 2 nach den 1 bis 3 mit die Einzelspulen bildenden Leiterpaketen. Dabei wurde davon ausgegangen, dass die die Magnetfeldkomponenten B_x, B_y und B_z bildenden Einzelspulen beispielsweise mit etwa quadratischer Gestalt auf den sechs (gedachten) ebenen Außenflächen eines Würfels liegen. Selbstverständlich können diese Außenflächen auch leicht gekrümmte Formen haben.
Jedes Strommuster erzeugt in dem erfindungsgemäßen Magnetspulensystem neben der jeweils gewünschten auch andere Feldkomponenten. Diese hängen von den jeweiligen Spulenabmessungen und vom Standort des Magnetkörpers ab; ihre Amplitude nimmt vom Zentrum aus in Richtung auf die Wicklungen der Spulen zu. D.h., ein einfacher Zusammenhang zwischen der Stromstärke der Strommuster mit der Feldrichtung und Kraftrichtung F = grad(m·B) an einem Ort des Magnetkörpers ist so nicht gegeben.
Durch ein geeignetes Überlagern der acht Strommuster in den vierzehn Einzelspulen sind jedoch an einem Magnetkörperort (Sondenort) gerade jene Felder und Feldgradienten einzustellen, welche die gewünschte Ausrichtung und Kraftwirkung auf den Magnetkörper erzeugen. Besonders vorteilhaft kann z.B. ein freies Schweben des Magnetkörpers in dem Raum realisiert werden, wenn gerade die Gewichtskraft F = M·g = – grad(m·B) erzeugt wird (M = Masse, g = Erdbeschleunigung). Die diesbezügliche Berechnung erfolgt vorteilhaft mit einem Computer, der insbesondere die folgenden Rechenschritte durchführt und gegebenenfalls während einer Bewegung des Magnetkörpers laufend wiederholt:

– Berechnung der Sollwerte der drei Feldkomponenten B_x, B_y, B_z am Magnetkörperort aus einer vorgegebenen Magnetkörperrichtung in Polarkoordinaten θ und φ im Arbeitsraum und dem Betrag |B|;
– Berechnung der Sollwerte der fünf unabhängigen Feldgradienten dB_x/dx, dB_y/dy, dB_x/dy, dB_z/dx und dB_z/dy aus einer vorgegebenen Magnetkraft auf den Magnetkörper; es kann auch der Gradient dB_z/dz vorgegeben werden und dafür einer der anderen auf der Diagonalen der Gradientenmatrix liegenden Gradienten dB_x/dx oder dB_y/dy zu Null gemacht werden. Denkbar sind auch Überlagerungen des Gradienten dB_z/dz mit einen der anderen diagonalen Gradienten dB_x/dx oder dB_y/dy;
– Berechnung von Feldkomponenten und Feldgradienten am Magnetkörperort für jedes der acht Strommuster aus der Spulengeometrie, z.B. für 1 A Spulenstrom und Darstellung in Form einer 8x8-Matrix;
– Berechnung einer inversen Matrix. Diese inverse Matrix hängt nur von der Spulengeometrie ab und kann für jeden Punkt auf einem Raster im vorgesehenen Arbeitsraum im Voraus erstellt werden. Während des Betriebs der Vorrichtung wird zur schnelleren Berechnung zwischen den Werten in diesem Raster interpoliert;
– Multiplikation der inversen Matrix für den Magnetkörperort mit dem Feldvektor (B_x, B_y, B_z, dB_x/dx, dB_y/dy, dB_x/dy, dB_z/dx, dB_z/dy) ergibt die Stromwerte für die acht Strommuster;
– Aufteilung der Strommuster auf die vierzehn Einzelspulenströme nach jeweiliger positiver oder negativer Stromrichtung aus gespeicherter Tabelle und lineare Überlagerung der Ströme in den Einzelspulen;
– Ansteuerung der vierzehn Netzteile für die Einzelspulen;
– Überwachung der Verlustleistungsgrenzen in den Einzelspulen.

Aus 5 geht eine entsprechende Vorrichtung zur Ansteuerung der vierzehn Einzelspulen im Zusammenwirken mit einer bildgebenden Einrichtung zur Kontrolle der Magnetkörper- bzw. Sondenposition in schematischer Darstellung hervor. In der Figur ist ein das Magnetspulensystem 2 nach 1 ansteuernder Computer mit 9 bezeichnet. Mit Hilfe der vierzehn Einzelspulen des Magnetspulensystems sind auf einen Magnetkörper bzw. eine entsprechende Sonde 10 neben frei vorgebbarer Feldrichtung auch uneingeschränkt Magnetkräfte in allen drei Raumrichtungen auszuüben. Die von dem Computer 9 angesteuerten vierzehn Netzteile für die vierzehn Einzelspulen sind mit PA1 bis PA14 bezeichnet. In der Figur ist ferner eine Röntgenröhre 11 eines Röntgengeräts angedeutet, deren Strahlung den freien Raum zwischen den Wicklungen der Einzelspulen zur durchstrahlt. Auf einem Bildschirm 12 außerhalb des Magnetspulensystems ist dann die Lage bzw. Bewegung des Magnetkörper 10 zu beobachten.
Zu einer konkreten Ausgestaltung des Magnetspulensystems gemäß den Darstellungen der Figuren lassen sich folgende Maßnahmen vorsehen:

– Die Einzelspulen können aus Aluminium- oder Kupferband gewickelt sein und gegebenenfalls flüssigkeitsgekühlt werden.
– Die Einzelspulen können aus Metallhohlprofilen gefertigt sein, durch deren Innenraum gegebenenfalls ein Kühlmedium geleitet wird.
– Insbesondere können die Einzelspulen aus supraleitenden Leitern, vorzugsweise mit Hoch-T_c-Supraleitermaterial, erstellt sein.
– Selbstverständlich sind auch weitere Einzelspulen einsetzbar, z.B. zur Homogenisierung des Magnetfeldes. Eine entsprechende Einzelspule ist in Teilfigur 2e gestrichelt angedeutet und mit 4c bezeichnet. Sie vergleichmäßigt die Feldkomponente B_z räumlich.
– Dem Magnetspulensystem kann außerdem magnetisches Material zugeordnet sein. Z.B. kann es zumindest teilweise von Teilen aus solchem Material umschlossen sein. Eine entsprechende Ausgestaltung geht aus 6 für das Magnetspulensystem 2 nach 1 hervor. Dementsprechend sind magnetische Rückschlusskörper 19i aus weichmagnetischem Material wie Eisen vorgesehen, die die Gradientenspulen des Systems 2 von den Außenseiten her umschließen. Mit solchen weichmagnetischen Teilen ist insbesondere eine Feldverstärkung im Arbeitsraum A und/oder eine Streufeldabschirmung nach außen zu erreichen.
– Gegebenenfalls sind für die Einzelspulen eines Spulenpaaren zur Erzeugung der Magnetfeldkomponenten oder einer Spulenanordnung zur Erzeugung der Feldgradienten unterschiedliche Leiterquerschnitte wählbar. So kann z.B. eine obere y-Einzelspule, beispielsweise die Einzelspule 5b nach Teilfigur 2c, einen größeren Leiterquerschnitt bzw. eine erhöhte Windungszahl gegenüber der ihr zugeordneten unteren y-Spule 5a aufweisen. Selbstverständlich ist eine derartige unterschiedliche Ausgestaltung auch bei den anderen Spulenpaaren und/oder Spulenanordnungen möglich.

Bei den anhand der vorstehenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems 2 wurde davon ausgegangen, dass mit den paarweise orthogonal auf gegenüberliegenden Flächen eines Würfels angeordneten Feldkomponentenspulen neben den Feldkomponenten B_x, B_y und B_z auch zwei der drei diagonalen Feldgradienten gemäß der vorstehenden Gradientenmatrix zu erzeugen sind. Es ist jedoch auch möglich, mit Feldkomponentenspulen auch außerdiagonale Feldgradienten hervorzurufen. Hierzu ist es erforderlich, dass mindestens eine, insbesondere zwei der drei Feldkomponentenspulen durch Spulenpaare aus Einzelspulen gebildet werden. Eine solche Ausführungsform kann beispielsweise dann vorgesehen werden, wenn das Magnetspulensystem eine mehr quaderförmige Kontur um einen Arbeitsraum aufweist. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel eines Magnetspulensystems mit wiederum vierzehn Einzelspulen ist in den 7 und 8 in den 1 und 2 entsprechender Darstellung angedeutet und mit 20 bezeichnet. Dabei zeigen die Teilfiguren 8a bis 8i die für die Magnetfeldkomponenten und -gradienten in den Einzelspulen zu wählenden Stromführungsrichtungen. Bei dieser Ausführungsform liegt auf stirnseitigen Flächen F14a und F14b des Arbeitsraums A ein Spulenpaar 14 aus Einzelspulen 14a und 14b. Mit diesen beispielsweise kreisförmig gestalteten Einzelspulen sind gemäß den Teilfiguren 8g und 8h die Magnetfeldkomponente B_z sowie das zugehörende Gradientenelement dB_z/dz auf der Diagonalen D der Gradientenmatrix zu erzeugen. Demgegenüber sind die auf paarweise gegenüberliegenden seitlichen Flächen F13a, F13b und F15a, F15b anzuordnenden Feldkomponentenspulen jeweils durch eine Spulenanordnung 16 bzw. 17 aus jeweils zwei in z-Richtung gesehen hintereinander angeordneten Einzelspulen gebildet. Gemäß Teilfigur 8d setzt sich dabei die Spulenanordnung 16 aus den Einzelspulen 13a, 13a' sowie 13b und 13b' zusammen. Je nach Stromführungsrichtung gemäß den Teilfiguren 8d, 8e und 8f in diesen Einzelspu len sind dann die Feldkomponente B_x bzw. das diagonale Gradientenelement dB_x/dx bzw. das außerdiagonale Gradientenelement dB_z/dx zu erzeugen. In entsprechender Weise kann mit den Einzelspulen 15a, 15a' und 15b, 15b' der Spulenanordnung 17 auf den seitlichen Flächen F15a und F15b gemäß den Teilfiguren 8a bis 8c die Feldkomponente B_y bzw. das diagonale Gradientenelement dB_y/dy bzw. das außerdiagonale Gradientenelement dB_z/dy erzeugt werden. Um das dritte der außerdiagonalen Gradientenelemente dB_x/dy gemäß 8i erzeugen zu können, ist noch eine weitere Spulenanordnung 18 aus vier Einzelspulen 18a bis 18d erforderlich. Diese Einzelspulen liegen auf einer (gedachten) rohrförmigen, sich parallel zur z-Achse erstreckenden, den Arbeitsraum A umschließenden Mantelfläche F18 innerhalb der von den Feldkomponentenspulen gebildeten Kontur. Diese vier Einzelspulen 18a bis 18d sind in Umfangsrichtung der Mantelfläche F18 gesehen regelmäßig verteilt angeordnet, wobei sich gegebenenfalls ihre in z-Richtung verlaufenden Längsseiten überlappen können. Für die Darstellung nach der Teilfigur 8i wurde zwar eine quadratische Querschnittsform für die gedachte Mantelfläche angenommen. Wie aus 7 ersichtlich ist, können hierfür auch andere Formen vorgesehen werden. Ferner ist in der Teilfigur 8g die auch zu der Teilfigur 2e angesprochene Möglichkeit angedeutet, zu einer Homogenisierung des Magnetfeldes weitere Einzelspulen vorzusehen. So kann mit der mit 14c bezeichneten, in der Teilfigur gestrichelt ausgeführten Einzelspule eine entsprechende Vergleichsmäßigung der Feldkomponente B_z erreicht werden.
Bei der Darstellung der Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetspulensystems 20 in den 7 und 8 wurde davon ausgegangen, dass alle drei diagonalen Gradientenelemente zu erzeugen sind. Da jedoch nur zwei dieser Elemente erforderlich sind, kann auf eines der entsprechenden Strommuster der Teilfiguren 8b, 8e und 8h verzichtet werden. Dabei ist es unerheblich, welches Strommuster weggelassen wir. Daneben ist es auch möglich, nur einen Gradienten gemäß den Teilfiguren 8b, 8e und 8h zu erzeugen. Der zweite Gradient lässt sich dann durch eine Linearkombination aus den beiden anderen Gradienten ausbilden, wobei das Verhältnis der Spulenströme fest und vom Stromwert unabhängig ist. D.h., durch entsprechende Linearkombinationen der Spulenströme aus verschiedenen Einzelspulen lassen sich immer auch Gradienten erzeugen. Dies gilt selbstverständlich auch für die Ausführungsform des Magnetspulensystems 2 nach den 1 und 2.

Claims

Magnetspulensystem (2, 20) für eine berührungsfreie Bewegung eines magnetischen Körpers (10) in einem dreidimensionalen Arbeitsraum (A), der von in einem rechtwinkligen x,y,z-Koordinatensystem aufgespannten Flächen (F4a, F4b; F3a, F3b; F5a, F5b; F14a, F14b; F13a, F13b; F15a, F15b; F6; F18) umgeben ist, welches Spulensystem vierzehn einzeln ansteuerbare Einzelspulen (3a, 3b; 4a, 4b; 5a, 5b; 6a bis 6d; 7a bis 7d; 13a, 13a'; 13b, 13b'; 15a, 15a'; 15b, 15b'; 18a bis 18d) aufweist, die zur Erzeugung der drei Magnetfeldkomponenten B_x, B_y und B_z sowie von fünf Magnetfeldgradienten aus der bezüglich ihrer Diagonalen (D) symmetrischen Gradientenmatrix
ausgebildet sind, wobei mit den Einzelspulen zwei der drei Diagonalelemente der Gradientenmatrix und je eines der Außerdiagonalelemente aus den drei zur Diagonalen (D) symmetrischen Gradientenelementpaaren der Gradientenmatrix zu erzeugen sind.
Spulensystem nach Anspruch 1, wobei die vierzehn einzeln ansteuerbaren Einzelspulen (3a, 3b; 4a, 4b; 5a, 5b; 6a bis 6d; 7a bis 7d; 13a, 13a'; 13b, 13b'; 15a, 15a'; 15b, 15b'; 18a bis 18d) auf paarweise gegenüberliegenden Flächen (F4a, F4b; F3a, F3b; F5a, F5b; F14a, F14b; F13a, F13b; F15a, F15b) und wenigstens einer rohrförmigen, sich in z-Richtung erstreckenden Mantelfläche (F6; F18) angeordnet sind.
Spulensystem nach Anspruch 2, wobei – mindestens sechs der Einzelspulen (4a, 4b; 3a, 3b; F4a, F4b; 5a, 5b) auf den paarweise gegenüberliegenden stirnseitigen und seitlichen Flächen (F3a, F3b; F5a, F5b; F14a, F14b; F13a, F13b; F15a, F15b) des Arbeitsraums (A) liegen zur Erzeugung der drei Magnetfeldkomponenten B_x, B_y, B_z sowie der zwei Diagonalelemente der Gradientenmatrix dienen, und – mindestens vier der Einzelspulen (6a bis 6d; 7a bis 7d; 18a bis 18d) auf der wenigstens einen rohrförmigen, den Arbeitsraum (A) umschließenden Mantelfläche (F6; F18) in Umfangsrichtung gesehen verteilt angeordnet sind und zur Erzeugung von mindestens einem Außerdiagonalelement der Gradientenmatrix dienen.
Spulensystem nach Anspruch 3, wobei – sechs der Einzelspulen (4a, 4b; 3a, 3b; 5a, 5b) als drei Spulenpaare (4, 3, 5) auf den paarweise gegenüber liegenden stirnseitigen (F4a, F4b) und seitlichen Flächen (F3a, F3b; F5a, F5b) des Arbeitsraums (A) liegen und – acht der Einzelspulen (6a bis 6d; 7a bis 7d) zwei Spulenanordnungen (6, 7) bilden, die in z-Richtung gesehen hintereinander auf der wenigstens einen rohrförmigen Mantelfläche (F6) liegen und deren jeweils vier Einzelspulen (6a bis 6d oder 7a bis 7d) auf der Mantelfläche in Umfangsrichtung gesehen verteilt angeordnet sind und zur Erzeugung der drei Außerdiagonalelemente der Gradientenmatrix dienen.
Spulensystem nach Anspruch 3, wobei – auf den stirnseitigen Flächen (F14a, F14b) des Arbeitsraums (A) ein Spulenpaar (14) von Einzelspulen (14a, 14b) liegt und zur Erzeugung der Magnetfeldkomponente B_z sowie des Diagonalelementes dB_z/dz der Gradientenmatrix dient, – auf den paarweise gegenüberliegenden seitlichen Flächen (F13a, F13b; F15a, F15b) jeweils eine Spulenanordnung (16 oder 17) aus jeweils zwei in z-Richtung gesehen hintereinander angeordneten Einzelspulen (13a, 13a'; 13b, 13b'; 15a, 15a'; 15b, 15b') liegt und zur Erzeugung der Magnetfeldkomponente B_x oder B_y dient, – auf der wenigstens einen rohrförmigen Mantelfläche (F18) eine Spulenanordnung (18) aus vier in Umfangsrichtung gesehen verteilt angeordneten Einzelspulen (18a bis 18d) liegt und – die Spulenanordnungen (16, 17, 18) auf den seitlichen Flächen (F13a, F13b; F15a, F15b) und der Mantelfläche (F18) zur Erzeugung eines weiteren Diagonalelementes und von drei Außerdiagonalelementen der Gradientenmatrix dienen.
Spulensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei sich die wenigstens eine Mantelfläche (F6, F18) innerhalb des von den sechs paarweise gegenüber liegenden Flächen (F4a, F4b; F3a, F3b; F5a, F5b; F14a, F14b; F13a, F13b; F15a, F15b) aufgespannten Innenraums befindet.
Spulensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die auf der Mantelflächen (F6, F18) liegenden Feldgradientenspulen (6a bis 6d; 7a bis 7d; 18a bis 18d) sattelförmig gestaltet sind.
Spulensystem nach Anspruch 7, wobei die stirnseitigen Bogenteile der Feldgradientenspulen jeder Spulenanordnung in Umfangsrichtung gesehen nebeneinander liegen oder sich überlappen.
Spulensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest einige der Feldkomponentenspulen (3a, 3b; 4a, 4b; 5a, 5b) als ebene Rechteckspulen oder Kreisspulen gestaltet sind.
Spulensystem nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei die Spulenpaare und/oder Spulenanordnungen jeweils aus Einzelspulen mit gleicher Form gebildet sind.
Spulensystem nach einem der Ansprüche 3 bis 10, wobei die Spulenpaare aus Einzelspulen zur Erzeugung der Magnetfeldkomponenten orthogonal zueinander angeordnet sind.
Spulensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Teile (19i) aus weichmagnetischem Material an seiner Außenseite zur Feldverstärkung und/oder Feldabschirmung zugeordnet sind.
Spulensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Mittel zur Detektion der Position des magnetischen Körpers (10) innerhalb des Arbeitsraums (A) vorgesehen sind.
Spulensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Ansteuerung seiner Einzelspulen mit Hilfe eines Computers (9) vorgesehen ist.