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Die Erfindung betrifft das Ausnutzen
magnetischer Eigenschaften in einem Bereich zweckmäßiger Techniken.
In ihr wird eine neue Vorgehensweise für die räumliche magnetische Abfrage
zusammen mit einem magnetischen Etikett oder einem Kennzeichnungsmarker
eingesetzt. Die Erfindung betrifft insbesondere, jedoch nicht ausschließlich: Verfahren
zum Feststellen der Anwesenheit und/oder des Orts eines magnetischen Etiketts
oder Markers innerhalb eines Abfragebereichs; Verfahren zum Erkennen
eines magnetisches Markers (z. B. das Erkennen eines gegebenen Etiketts,
um dieses Etikett von anderen Etiketten zu unterscheiden); Systeme
zum Umsetzen dieser Verfahren in die Praxis; magnetische Marker
zum Gebrauch in derartigen Verfahren und Systemen; und das Speichern
von Daten in solchen Markern sowie nachfolgend das Zurückgewinnen der
Daten von derartigen Markern aus der Ferne.
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Man beachte, dass die Begriffe "Etikett"
und "Marker" hier austauschbar gebraucht werden. Man kann derartige
Vorrichtungen in unterschiedlichen Anwendungen einsetzen, und sie
können
abhängig
von der magnetischen Beschaffenheit der Vorrichtung dazu dienen,
a) die bloße
Anwesenheit des Etiketts (und damit die Anwesenheit des Artikels,
an dem das Etikett befestigt ist) zu bezeichnen; oder b) die Identität des Etiketts
(und damit die Identität
des Artikels, an dem das Etikett befestigt ist); oder sie können dazu
dienen, die exakte Position des Etiketts bezüglich vorbestimmter Koordinaten
zu bestimmen (und damit die Position des Artikels, an dem das Etikett
befestigt ist); oder sie können
dazu dienen Zugangscodes bereitzustellen (z. B. für den Zutritt zu
gesicherten Räumen
oder für
die Ticketverwaltung, beispielsweise in öffentlichen Verkehrsnetzen);
oder sie können
allgemein dazu dienen, einen Artikel oder eine Menge von Artikeln
von anderen Artikeln zu unterscheiden.
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Zudem werden die Begriffe "Wechselfeld"
und "Gleichfeld" dazu verwendet, Magnetfelder zu bezeichnen, deren
Eigenschaften den Feldern eines elektrischen Leiters entsprechen,
der einen Wechselstrom (AC) oder einen Gleichstrom (DC) führt.
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Der Einsatzbereich für die Marker,
Verfahren und Systeme der Erfindung ist wie beschrieben sehr breit .
Er umfasst (ohne darauf beschränkt
zu sein) die Bestandskontrolle, Ticketverwaltung, automatisierte
Einkaufssysteme, das Überwachen
des Ar- beitsfortschritts, Sicherungsetiketten und Zugangskontrolle,
Fälschungsschutz
und das Orten von Objekten (insbesonderedas präzise Positionieren von Werkstücken [z.
B. von Sonden in der Chirurgie]).
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Stand der Technik
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Derzeit sind zahlreiche passive Datenmarkersysteme
erhältlich.
Das am weitesten verbreitete System beruht auf dem optischen Lesen
von gedruckten Linienmustern, die im Volksmund als Barcodes bekannt
sind. Das Markerelement derartiger Systeme ist sehr billig und besteht
in der Regel nur aus Tinte und Papier. Die Lesegeräte sind
ebenfalls relativ günstig;
in ihnen werden normalerweise Laserstrahl-Abtastungen eingesetzt. Für zahlreiche
wesentliche Anwendungen besteht der einzige wirkliche Nachteil von
Barcodes darin, dass zwischen dem Lesegerät und dem Marker eine direkte
Sichtverbindung bestehen muss.
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Für
Anwendungen, bei denen eine Sichtverbindung nicht möglich ist,
sind Systeme entwickelt worden, bei denen keine optische Übertragung
eingesetzt wird. In den am weitesten verbreiteten Systemen wird
magnetische Induktion für
die Kopplung zwischen dem Marker und der Abfrageelektronik verwendet
. Derartige Systeme arbeiten in der Regel mit magnetischen Wechselfeldern
im Frequenzbereich von 50 kHz bis 1 MHz . Es werden generell integrierte
elektronische Schaltungen ("Chips") eingesetzt, die die Empfangs-
und Sendefunktionen abwickeln und für die Speicherung und Verarbeitung
der Daten sorgen. Damit man keine Batterie benötigt, gewinnt man die Energie
für den
Chip durch das Gleichrichten des Abfragesig nals, das in einer Antennenspule
empfangen wird. Zum Vergrößern der übertragenen
Energie und für
eine sichere Unterscheidung von unerwünschten Signalen und Störungen wird
die Spule normalerweise mit einem Kondensator bei der Trägerfrequenz
des Abfragesignals in Resonanz gebracht. Ein typisches Produkt dieser
Bauart ist das von Texas Instruments Ltd. hergestellte TIRIS-System.
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In W089/06810 ist ein Verfahren zum
Erfassen der Anwesenheit eines verborgenen Objekts beschrieben,
bei dem das Objekt mit einem magnetischen Erfassungselement versehen
und dann einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Durch das Erfassen der
Antwort des magnetischen Erfassungselements kann man die Anwesenheit
des Elements feststellen.
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In US-4,663,612 ist ein weiteres
Erfassungsverfahren beschrieben, das anders als W089/06810 nicht auf
der Erkennung von Harmonischen beruht. In diesem Dokument sind statt
dessen Vorgehensweisen beschrieben, die auf dem Erfassen einer Störung des
Abfrage-Magnetfelds durch ein vorhandenes magnetische Element beruhen.
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Bei anderen Multibit-Datenmarkersystemen
werden herkömmliche
Hochfrequenz-Übertragungstechniken
verwendet oder Verfahren, die auf akustischen Oberflächenwellen
oder Magnetostriktionserscheinungen beruhen.
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Man kennt einige magnetische Vorrichtungen,
beispielsweise die in
EP 0295028 beschriebenen
Vorrichtungen, die ein Substrat umfassen, das eine dünne Beschichtung
mit magnetischem Material aufweist. Magnetische Marker sind auch
in den IEEE Transactions on Magnetics, volume 17 no. 6, November
1981, beschrieben. Bei diesen Markern werden in jedem Marker unterschiedliche
Mengen von weichmagnetischen Drähten
eingesetzt,' wobei die einzelnen Drähte verschiedene Koerzitivitäten aufweisen.
Werden die Marker mit einem magnetischen Wechselfeld abgefragt,
so verlassen die Marker zu unterschiedlichen Zeitpunkten die Sättigung
und geben dabei verschiedene Impulse ab.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft unter anderem
den Gebrauch eines neuartigen passiven Datenmarkersystems, bei dem
kleine Mengen von sehr hochpermeablem Magnetmaterial und ein magnetisches
Feld zur Abfrage verwendet werden. Da das Magnetmaterial die Form
einer dünnen
Folie, eines Drahts oder Films haben kann, lässt es sich direkt mit einem
Substrat verbinden, beispielsweise Papier oder einem Kunststoffmaterial,
so dass selbsttragende Marker gebildet werden.
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Wahlweise kann man das magnetische
Material in die Struk- tur eines Artikels aufnehmen, mit dem der
Marker verbunden werden soll. Damit kann man den Marker beim Herstellen
des betreffenden Artikels ausbilden, indem man das magnetische Material
mit der Oberfläche
des Artikels verbindet oder es in den Körper des Artikels einbettet.
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In der Erfindumg werden Magnetfelder
ausgenutzt, die eine "magnetische Null" enthalten. Dieser Begriff
wird hier so gebraucht, dass er einen Punkt, eine Linie, eine Fläche oder
ein Volumen im Raum bezeichnet, an oder in dem bzw. der die Komponente
des Magnetfelds in einer gegebenen linearen Richtung null ist. Das Volumen
im Raum, in dem diese Bedingung erfüllt wird, kann sehr klein sein;
dies ermöglicht
gewisse Ausführungsformen
der Erfindung, in denen eine exakte Position bestimmt wird. Normalerweise
erstreckt sich die magnetische Null über einen relativ kleinen linearen
Bereich. Man beachte, dass es beim Auftreten einer magnetischen
Null möglich
(und häufig
der Fall) ist, dass die Magnetfeldkomponente in einer Richtung senkrecht
zur gegebenen linearen Richtung eine beträchtliche Größe hat. In einigen Ausführungsformen
der Erfindung ist ein derartiges orthogonales Feld von beträchtlicher
Größe erwünscht.
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Ein Weg zum Erzeugen der magnetischen
Null besteht darin, entgegengerichtete Magnetfeldquellen zu verwenden.
Es kann sich dabei um stromführende
Drahtspulen oder Permanentmagnete handeln (diese eignen sich gut
für kleine
Systeme), oder um eine Kombination aus einer oder mehreren Spulen
und einem oder mehreren Permanentmagneten. Man kann auch die magnetischen
Nullen ausnutzen, die in bestimmten Richtungen auftreten, falls
man eine einzelne Spule oder einen einzelnen Permanentmagnet verwendet.
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Für
größere Anwendungen
sind die Magnetfeldquellen bevorzugt Spulen, die Gleichstrom führen.
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In der Erfindung wird auch die Relativbewegung
zwischen einem magnetischen Marker und einem angelegten Magnetfeld
ausgenutzt, um einen Durchgang der magnetischen Null über den
Marker zu bewirken. Man kann dies durch eine Bewegung des Markers
relativ zum angelegten Magnetfeld erzielen oder durch das Halten
des Markers in einer festen Position während ihn das abfragende Magnetfeld überstreicht.
Generell nutzt die Erfindung den Unterschied zwischen dem magnetischen
Verhalten des Markers in i) einem Nullfeld (an der magnetischen
Null) und ii) in einem starken und allgemein sättigenden Magnetfeld aus.
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Die Marker der Erfindung
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung
wird ein magnetisches Etikett oder ein Marker bereitgestellt, der dadurch
gekennzeichnet ist, dass er zahlreiche einzelne magnetisch aktive
Bereiche in einer linearen Anordnung trägt, wobei die magnetisch aktiven
Bereiche aus einem Dünnfilm-
oder Schmelzspinnmaterial hergestellt sind, das eine bevorzugte
Magnetisierungsachse aufweist, und dass die bevorzugte Magnetisierungsachse
mit der oder jeder linearen Anordnung ausgerichtet ist.
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Die einzelnen magnetisch aktiven
Bereiche können
von einem Substrat getragen werden, z. B. einem Papier- oder Kunst stoffmaterial,
oder sie können
selbsttragend sein. Wahlweise kann man die Magnetelemente auch während der
Artikelherstellung gerichtet in oder auf den Artikeln aufnehmen.
Dies ist beispielsweise angezeigt, falls die Artikel Waren sind,
z. B. Handelswaren, die die Marker für Inventurzwecke tragen, oder wenn
die Artikel Tickets oder Sicherheitsausweise sind.
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Einen wie oben bestimmten Marker
kann man auch aus einem fortlaufenden Streifen von hochpermeablem
Material ausbilden, wobei die magnetischen Eigenschaften diskreter
Bereiche des Streifens dauerhaft oder zeitweilig modifiziert werden.
Man kann so vorgehen, dass man beginnt, bei einem hochpermeablen
Streifen ausgewählte
Bereiche so zu behandeln, dass ihre magnetischen Eigenschaften verändert werden,
und zwar generell durch das Entfernen oder Vermindern ihrer magnetischen
Permeabilität.
Man kann auch einen Streifen hochpermeablen Magnetmaterials verwenden,
der von einem magnetisierbaren Streifen begleitet wird, der eng
benachbart zum hochpermeablen Magnetmaterial angeordnet ist, z.
B. über
ihm oder nahe bei ihm liegt, wobei ausgewählte Bereiche des Streifens
magnetisiert werden. In relativ einfachen Ausführungsformen hat jede magnetisch
aktive Region die gleichen magnetischen Eigenschaften. In komplizierteren
Ausführungsformen
kann jede magnetisch aktive Region eine unterschiedliche magnetische
Charakteristik aufweisen. Damit kann man eine große Anzahl
Marker zusammenstellen, die jeweils einzigartige magnetische Eigenschaften
aufweisen und damit eine eindeutige magnetische Identität und Signatur
(falls sie mit einer geeigneten Lesevorrichtung verarbeitet werden).
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Da in der Erfindung die Relativbewegung
zwischen einem Marker und dem angelegten Magnetfeld ausgenutzt wird,
ist einsichtig, dass ein Zusammenhang zwischen dem Zeitbereich der
Ausgangssignale einer Markerlesevorrichtung und den linearen Abmessungen
der magnetisch aktiven Bereiche eines Markers und den Lücken zwischen
den magnetisch aktiven Bereichen besteht . In diesem Sinne wirken
die aktiven Bereiche und die Lücken
zwischen ihnen analog zu den Elementen eines optischen Barcodes
(schwarzer Balken oder weißer
Spalt zwischen benachbarten Balken) . Daraus folgt, dass man den
linearen Abstand zwischen benachbarten magnetisch aktiven Bereichen
ebenso wie die Veränderbarkeit
der magnetischen Eigenschaften in den aktiven Bereichen zum Erzeugen
eines Teils der "Identität"
eines Markers verwenden kann. Natürlich kann man anhand der Erfindung
eine sehr große
Anzahl Marker herstellen, die jeweils ihre eigene unverwechselbare
Identität
aufweisen.
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Die Marker sind so beschrieben worden,
dass sie eine lineare Anordnung magnetisch aktiver Bereiche besitzen.
Die Marker können
aber auch zwei oder mehr derartiger linearer Anordnungen aufweisen.
Diese können
zueinander parallel oder zueinander senkrecht oder in irgendeiner
gewünschten
geometrischen Anordnung ausgerichtet sein. Man bevorzugt Anordnungen
die parallel und/oder senkrecht sind, weil man derartige Macker
leichter lesen kann.
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Geeignete Verfahren zum Herstellen
der Macker der Erfindung sind aus der herkömmlichen Etikettenfertigung
(d. h. magnetische Macker) bekannt. Geeignete Magnetmaterialien
sind ebenfalls bekannt und breit verfügbar. Es handelt sich um hochpermeable
Materialien, die bevorzugt eine äußere relative
Permeabilität von
mindestens 103 auf weisen. Die Koerzitivität des magnetischen
Materials hängt
von der beabsichtigten Verwendung des Markers ab. Das magnetische
Material liegt bevorzugt in Form eines langen dünnen Streifens oder eines dünnen Films
vor. Durch diese Formate werden die hauptsächlichen inneren Entmagnetisierungseffekte
vermieden. Geeignete Streifenmaterialien sind im Handel leicht erhältlich,
beispielsweise von den Herstellern Vacuumschmelze (Deutschland),
Allied Signal Corp (USA) und Unitika (Japan) . Dünnfilmmaterial wird derzeit
in großem
Umfang von IST (Belgien) für
den Einsatz in Einzelhandels-Sicherungsetiketten hergestellt. Es
eignet sich auch für
den Gebrauch in der Erfindung.
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Erkennungs- bzw. Identifizierungsverfahren
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Die Erfindung bietet ebenso wie die
oben bestimmten Marker zahlreiche nützliche Verfahren zum Erkennen
der Anwesenheit eines magnetischen Markers und/oder zum Identifizieren
eines solchen Markers . In vielen Fällen sind diese Verfahren dafür gedacht,
zusammen mit den Markern der Erfindung verwendet zu werden. Dies
ist jedoch keine notwendige Vorbedingung bei den Verfahren der Erfindung.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der
Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines magnetischen
Elements oder der relativen Positionen zweier oder mehrerer magnetischer
Elemente auf einem Etikett bereitgestellt, wobei das/die magnetischen
Element (e) nicht lineare magnetische Eigenschaften und eine Vorzugsachse
der Magnetisierung aufweist bzw. aufweisen, gekennzeichnet durch
die folgenden Verfahrensschritte:
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- 1) Anlegen eines Magnetfeldes an eine Abfragezone, in der
das/die magnetische(n) Element (e) gelegen ist/sind oder anzuordnen
ist/sind, wobei das Magnetfeld: i) durch Magnetfeld-Erzeugungsmittel
erzeugt wird, die unabhängig
von dem/den magnetischen Element(en) angeordnet sind; ii) so ist,
dass innerhalb der Abfragezone ein erster Bereich besteht, bei dem
die Komponente des Magnetfeldes in einer ersten Richtung gleich Null
ist, wobei in Bereichen, die an den ersten Bereich angrenzen, die
Komponente des Magnetfeldes in der ersten Richtung ausreichend ist,
um das magnetische Element bzw. die magnetischen Elemente oder einen Teil
derselben zu sättigen;
und iii) so ist, dass die erste Richtung mit der Vorzugsachse der
Magnetisierung des oder jedes magnetischen Elements ausgerichtet
ist bzw. werden kann;
- 2) Hervorrufen einer Relativbewegung zwischen dem Magnetfeld
und dem magnetischen Element in der Richtung der vorzugsachse der
Magnetisierung des/der magnetischen Elements/Elemente, so dass mindestens ein
Teil des magnetischen Elements oder jedes der magnetischen Elemente
der Reihe nach magnetisch gesättigt
wird und dann in den ersten Bereich eintritt;
- 3) Detektieren der magnetischen Antwort des oder jedes magnetischen
Elements während
der Relativbewegung; und
- 4) Bestimmen der Position des magnetischen Elements (102, 122)
oder der relativen Positionen der magnetischen Elemente aus dem
Zeitpunkt/den Zeitpunkten des Auftretens der oder jeder magnetischen
Antwort.
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Bevorzugt bewirkt man, dass sich
das Magnetfeld in einem vorbestimmten Bereich der Abfrageregion vor-
und zurückbewegt.
Die Abtastfreguenz (d. h. die Bewegungsfrequenz der magnetischen
Null) ist bevorzugt relativ gering, z. B. 1–500 Hz. Vernünftigerweise
ordnet man das Feldmuster so an, dass a) die magnetische Null in
einer Ebene liegt; und b) das sättigende
Feld benachbart zu der Ebene auftritt.
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In dem oben bestimmten Verfahren
lässt man
das Magnetelement bevorzugt eine Abfragezone durchqueren, innerhalb
der die erforderlichen magnetischen Zustände erzeugt werden.
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Die Relativbewegung zwischen dem
Magnetelement und dem Magnetfeld kann man vorteilhaft dadurch erzeugen,
das s. man das angelegte Magnetfeld über das Magnetelement bewegt.
Wahlweise kann man die Relativbewegung durch die Anwendung eines.
magnetischen Wechselfelds auf ein allgemein statisches Magnetfeldmuster
erzeugen.
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Im Einklang mit Ausführungsformen
der Erfindung kann man ein oder mehrere Magnetelemente an einem
Objekt befestigen, und zwar bevor sie einem Magnetfeld der Erfindung
ausgesetzt werden, so dass man während
des Abfragens des Magnetelements bzw. der Magnetelemente den Ort
des Objekts feststellen kann.
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Zudem kann man das oder die Magnetelemente
an einem Artikel in einer vorbestimmten Weise anbringen, die für den Artikel
und andere Artikel mit der gleichen Charakteristik eindeutig kennzeichnend
ist, beispielsweise den Artikelpreis und/oder die Art der Ware,
aus denen die Artikel bestehen, und zwar bevor der Artikel dem Abfragebereich
ausgesetzt wird. Damit wird es möglich,
einzelne Artikel oder Klassen von Artikeln mit Hilfe der Datencharakteristik
der Artikel zu identifizieren.
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Es ist daher an Ausführungsformen
der Erfindung gedacht, bei denen Artikelklassen mit Hilfe des Artikelpreises
gekennzeichnet sind. Das Verfahren kann vorteilhaft den Schritt
des Aufsummierens der Artikelpreise umfassen, die durch die vorbestimmte
Anordnung der Magnetelemente codiert sind, die von einer Gruppe
einzelner Artikel getragen werden, und dadurch gekennzeichnet sein,
dass die Artikelgruppe durch die Abfragezone bewegt wird, wobei
die während
des Verfahrens empfangenen Signale so verarbeitet werden, dass die
geforderte Summe der einzelnen Datenwerte erzeugt wird.
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Beim Ausführen der oben definierten Verfahren
sind bevorzugte Ausführungsformen
des Magnetelements entweder läng-lich, wobei die magnetische
Null dann so eingerichtet ist, dass sie entlang der großen Achse
des Magnetelements verläuft,
oder sie haben die Form eines Dünnfilms.
In diesem Fall ist die magnetische Null so eingerichtet, dass sie
ausgerichtet mit der Achse der magnetischen Empfindlichkeit des
Dünnfilmmaterials
verläuft.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
Erfindung wird eine Einrichtung zum Bestimmen der Position eines magnetischen
Elements oder der relativen Positionen zweier oder mehrerer magnetischer
Elemente auf einem Marken gemäß dem angegebenen
Anspruch 1 bereitgestellt.
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Das in den oben definierten Verfahren
verwendete Magnetfeld bzw. Feldmuster kann man mit Hilfe von zwei
Magnetfeldern entgegengesetzter Polarität aufbauen. Man erreicht dies
bequem. mit Hilfe einer oder mehrerer Spulen, die einen Gleichstrom
führen,
oder durch den Einsatz eines oder mehrerer Permanent magnete oder
durch eine Kombination einer oder mehrerer Spulen mit einem oder
mehreren Permanentmagneten.
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Setzt man eine Spule ein, so kann
man sie so auslegen, dass sie einen im Wesentlichen konstanten Strom
führt,
damit die magnetische Null an einem festen Punkt gehalten wird.
Wahlweise führt
die Spule bzw. führen
die Spulen einen Strom, dessen Stärke sich gemäß einem
vorbestimmten Zyklus ändert,
so dass die magnetische Null in vorbestimmter weise schwingen muss.
Wir bezeichnen dies als "fliegende Null" . Man kann eine ähnliche
Anordnung zum Erzeugen einer fliegenden Nullverwenden, in der ein
Permanentmagnet und eine Spule oder mehrere Spulen eingesetzt werden.
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Eine Relativbewegung zwischen dem
Magnetfeld und dem Magnetelement kann man dadurch erzielen, dass
man dem Gleichfeld ein magnetisches Wechselfeld mit relativ geringer
Amplitude überlagert.
Derartige magnetische Wechselfelder mit geringer Amplitude haben
in der Regel eine Frequenz im Bereich von 10 Hz bis 100 kHz, bevorzugt
von 50 Hz bis 50 kHz und ganz besonders vorteilhaft von 500 Hz bis
5 kHz.
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In einer Ausführungsform führen die
Spulen einen im We- sentlichen konstanten Strom, damit die magnetische
Null an einem festen Ort bleibt. In einer anderen Ausführungsform
führen
die Spulen einen Strom, dessen Amplitude sich in einem vorbestimmten.
Zyklus ändert,
so dass sich die Position der magnetischen Null in vorbestimmter
Weise Hin und Her bewegen muss.
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In den Verfahren der Erfindung umfasst
das Erkennen der magnetischen Antwort des Magnetelements vorteilhaft
die Beobachtung der. Harmonischen des angelegten Wechselfelds, die
von dem Magnetelement erzeugt werden, wenn sein Magnetisierungszustand
beim Durchlauf der magnetischen Null verändert. wird.
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Wie angegeben arbeitet das System
mit einem Abtastfeld mit verschwindender Frequenz oder einer sehr
geringen Frequenz, und einer HF (Hochfrequenz) im Bereich von 50
Hz bis 50 kHz. Dies erlaubt bei den meisten Materialien einschließlich dünner Metallschichten
eine gute Signaldurchdringung. Zudem erlauben internationale Vorschriften
hohe Feldstärken
für die Übertragung
auf diesen niederen Frequenzen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
stellen ein Multibit-Datenmarkersystem bereit, in dem eine niederfrequente
induktive Magnetabfrage verwendet wird, und es sind keine komplizierten
und teuren Marker erforderlich .
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Grundlagen der Erfindung
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Bevor weitere Ausführungsformen
beschrieben werden, ist es hilfreich, einige grundlegende Aspekte der
Erfindung zu erklären,
die, falls erforderlich, den Bezug für relativ einfache Ausführungsformen
liefern.
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Ein Schlüsselaspekt der Erfindung ist
die Form des in der Abfragezone erzeugten Magnetfelds. Im Weiteren
wird man sehen, dass es dieses Feld erlaubt,sehr kleine räumliche
Bereiche abzufragen. Das Mittel zum Erzeugen dieses Magnetfelds
wird im Weiteren als "Abfrager" bezeichnet. In einer einfachen Form
besteht der Abfrager aus einem Paar eng benachbarter identischer
Spulen, die so angeordnet sind, dass ihre Achsen zusammenfallen.
Die Spulen sind so miteinander verbunden, dass ihre Wickelrichtungen
entgegensetzten Sinn haben. Sie werden von einem Gleichstrom durchflossen.
Dadurch entstehen auf den Spulenachsen einander entgegengerichtete
Magnetfelder, so dass an einem Stelle in der Mitte zwischen den
Spulen auf der Spulenachse ein Nullfeld, d. h. eine magnetische
Null erzeugt wird. Die Stromstärke
in den Spulen ist so gewählt,
dass eine kleine Probe eines hochpermeablen Magnetmaterials, das
man in der Mitte von einer der beiden Spulen anordnet, stark gesättigt wird.
Man lässt
auch einen Wechselstrom mit wesentlich geringerer Amplitude in entgegengesetzten
Richtungen durch die beiden Spulen fließen, so dass sich die erzeugten Wechselfelder
in der Mitte zwischen den Spulen summieren. Man kann dies leicht
dadurch erreichen, dass man eine geeignete Stromquelle mit einer
Masserückführung an
die Verbindungsstelle der beiden Spulen anschließt. Die Frequenz dieses Wechselstroms
kann in der Regel ungefähr
2 kHz betragen. Dieser Wert ist jedoch unkritisch, und geeignete
Frequenzen erstrecken sich über
einen breiten Bereich. Dieser Wechselstrom erzeugt das Abfragefeld,
das mit einem magnetischen Marker wechselwirkt und eine erfassbare
Antwort erzeugt. Eine weitere Wirkung dieses Wechselstroms besteht
darin, dass er die Position des Nullfelds, d. h. die magnetische
Null, ein kleines Stück
um die Mittenposition entlang der Spulenachsen schwingen lässt (es
handelt sich um eine Schwankung bzw. Schwinkung und nicht um ein
Wegwandern in irgendeinem beträchtlichen Ausmaß).
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Zusätzlich kann man einen weiteren
niederfrequenten Wechselstrom in die Spulen einspeisen, um ein Niederfrequenz-Abtastfeld (das den
Wert Null aufweisen kann) zu erzeugen. Die Frequenz des Abtastfelds (falls
vorhanden) sollte ausreichend niedrig sein, so dass zahlreiche Zyklen
des relativ hochfrequenten Abfragefelds in der Zeitspanne auftreten
können,
in der der magnetische Nullbereich über den Marker läuft. Das
Frequenzverhältnis
des Abfragefelds (ωc) zum Abtastfeld (ωb).
liegt normalerweise in der Größenordnung
von 100 : 1. Natürlich
kann dieses Verhältnis
einen beträchtlichen
Bereich überstreichen,
ohne dass irgendwelche schädlichen
Wirkungen auf die Leistungsfähigkeit
der Erfindung auftreten.
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Durchläuft ein Marker, der ein Stück hochpermeables
Magnetmaterial enthält,
entlang der Spulenachse den Bereich, in dem Schwankungen der. magnetischen
Nullfläche
auftreten, so wird es zunächst
von dem magnetischen Gleichfeld vollständig gesättigt. Es wird anschließend beim
Durchgang durch den Null-feldbereich
rasch uber seine B-H-Schleife getrieben. Zuletzt wird es wieder
gesättigt
. per Bereich, über
dem das magnetische Material "aktiv" ist, d. h. indem es magnetische
Veränderungen erfährt, ist
räumlich
klein, und wird von der Amplitude des Gleichfelds, der Amplitude
des Wechselfelds und den Eigenschaften des Magnetmaterials bestimmt.
Die Erstreckung dieses Bereichs kann leicht weniger als 1 Millimeter
betragen. Liegt die Stärke des
Wechselfelds gerade unter der Stärke,
die man zum Sättigen
des magnetischen Materials im Macker benötigt, so erzeugt der Macker
Harmonische des Wechselsignals, wenn er in den Nullfeldbereich des
Abfragefelds eintritt und auf das wechselnde Feld anspricht . Beim
Durchlauf des Markers durch den schmalen Nullfeldbereich wird der
Macker im linearen Teil seiner B-H-Schleife betrieben, und er, wechselwirkt
dadurch, dass er nur die Abfragegrundfrequenz zurückstrahlt.
Verlässt
der Macker den Nullfeldbereich, so sendet er wieder Harmonische
der Abfragefeldfrequenz aus. Eine Empfängerspule, die so ausgelegt
ist, dass sie für
die Felder empfindlich ist, die im Nullfeldbereich erzeugt werden,
die jedoch nicht direkt mit den Abfragespulen koppelt, empfängt lediglich
diese Signale. Die zeitliche Änderung
dieser Signale beim Durchlauf des Markers entlang der Spulenachse
liefert ein klares Zeichen für
den Durchgang der Enden des Magnetmaterials durch den Nullfeldbereich.
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Man beachte; dass. man, da die Abfragezone
sehr schmal sein kann, jedes einzelne Stück magnetischen Materials von
seinen Nachbarn unterscheiden kann, von denen es durch einen kleinen
Abstand getrennt ist. Natürlich
wählt man
das magnetische Material so aus, dass es sich für die besondere Anwendung eignet, für die der
Macker gedacht ist. Geeignete Magnetmaterialien sind wie beschrieben
im Handel erhältlich.
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Betrachtet man nun einen Macker,
bei dem eine Anzahl von Zonen oder Stücke von Magnetmaterial entlang
der Etikettenachse angeordnet sind, so sieht man, dass beim Durchlauf
einer jeden Zone oder eines jeden Stücks Magnetmaterial durch den
Nullfeldbereich seine Anwesenheit und: die Positionen seiner Enden feststellbar
sind. Es ist dann einfach, die Längen
und Abstände
einzelner Zonen oder Stücke
des Magnetmaterials zum Darstellen bestimmter Codesequenzen zu verwenden.
Es sind sehr viele unterschiedliche Codeschematas möglich. Eine
wirksame Anordnung besteht darin, ein für optische Barcodes verwendetes
Codierschema, bei dem die Daten durch den Abstand und die Breite
der Linien im Code dargestellt werden, in gleicher Weise zu verwenden.
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Das bisher beschriebene System erlaubt
das Abtasten eines einachsigen Markers (z. B. eines Drahts oder
eines dünnen
Streifens aus anisotropem Material, dessen magnetische Achse in
Längsrichtung
verläuft) ,
wenn sich dieser räumlich
durch die Spulenbaugruppe bewegt. Selbstverständlich kann man die Relativbewegung
zwischen dem Marker und dem Abfragefeld entweder mit stationärem Feld
und bewegtem Marker oder umgekehrt erzielen. Bei Bedarf kann man
die Anordnung selbstabfragend gestalten. Sie ist damit in der Lage,
einen stationären
Marker abzufragen, z. B. durch die Modulation der Ansteuergleichströme für die beiden
Abfragespulen, so dass der Nullfeldbereich einen geeigneten Teil
der Spulenachsen überstreicht.
Das Ausmaß dieser
Bewegung muss mindestens der größten Abmessung
eines Markers gleichen und sollte bevorzugt wesentlich größer sein,
damit es nicht erforderlich ist, den Macker in der Abfragezone exakt
zu positionieren.
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Verwendet man weitere Spulen, die
auf den beiden Achsen angeordnet sind,die auf den ursprünglichen
Achsen senkrecht stehen, so kann man Märker in beliebiger Ausrichtung
durch sequentielles Feldabtasten lesen. Dies bringt eine wesentlich
kompliziertere Zuordnung der Signale aus den drei Ebenen mit sich.
Aufgrund der sehr hohen verfügbaren
räumlichen
Auflösung
könnte
man jedoch zahlreiche Macker gleichzeitig lesen, die in einem gemeinsamen
Abfragevolumen vorhanden sind. Dies ist ein enormer Vorteil für Anwendungen,
beispielsweise das Markieren alltäglicher Einzelhandelswaren,
und würde
beispielsweise das automatische Aufsummieren einer Tasche mit Einkaufswaren
an der Kasse erlauben. Damit ist die Erfindung bei der Preisauszeichnung
von Artikeln anwendbar und bei Kas sensystemen, die eine Gesamtsumme
erzeugen (mit oder ohne begleitende bestandsbezogene Datenverarbeitung).
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Die Größe eines einzelnen linearen
Markers hängt
von der Länge
der einzelnen Elemente, deren Abstand und der Anzahl der erforderlichen
Datenbits ab. Verwendet man Streifen mit dem im Handel erhältlichen höchstpermeablen
Material, z. B. den Schmelzspinn-Legierungsfolien von Herstellern
wie Vacuumschmelze (Deutschland) und Allied Signal (USA), so liegt
die kürzeste
Länge von
einsetzbaren Einzelelementen wahrscheinlich im Bereich einiger weniger
Millimeter. Dies liegt daran, dass die äußere Permeabilität hauptsächlich von
Formfaktoren bestimmt wird und nicht von der sehr hohen inneren
Permeabilität
(in. der Regel 105) . Kürzere Stücke könnten eine unzureichende Permeabilität für einen
zufriedenstellenden Betrieb aufweisen.
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Aus diesem Grund ist es attraktiv,
sehr dünne
Filme mit hochpermeablem Magnetmaterial zu verwenden. Vorausgesetzt
es handelt sich um sehr dünnes
Material (idealerweise weniger als 1 Millimeter), so kann man das
Material in kleine zwei- dimensionale Stücke schneiden (Quadrate, Scheiben
usw.), die Flächen
von 20 Quadratmillimeter oder weniger haben und trotzdem eine ausreichend
hohe Permeabilität
behalten. Dies ermöglicht
Marker, die kürzer
sind als Elemente, die aus im Handel erhältlichen hochpermeablen Folien
hergestellt sind. Geeignete Dünnfilmmaterialien
kann man von IST (Belgien) beziehen.
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Eine Erweiterung dieser Programmierungsart
kann man auch dazu verwenden, zu verhindern, dass. der zusammengesetzte
Macker einen Alarm in einem Einzelhandels-Sicherungssystem auslöst (ein
solcher Alarm wäre
eine falsche Diebstahlsmeldung und würde sowohl den Verkäufer als
auch den Kunden in Verlegenheit bringen). Sind unterschiedliche
Bereiche. des Markers mit verschiedenen statischen Feldstärken vorbelastet,
so erzeugen sie beim Durchlaufen des Einzelhandels-Sicherungssystems
zu unterschiedlichen Zeitpunkten Signale. Dadurch wird die Etikettensignatur
in derartigen Systemen komplizierter und es wird verhindert, dass
ein Alarm ausgelöst
wird. In der Erfindung ist das Lesesystem in der Lage, die zeitverschobenen Signale
zu verarbeiten, die durch solche Vormagnetisierungen entstehen.
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Bis hierher wurde eine Markercodierung
beschrieben, die auf räumlich
getrennten Magnetelementen beruht. Es ist jedoch nicht unerlässlich,
die Elemente räumlich
zu trennen. Das Programmieren der Daten auf einem Marker kann dadurch
erfolgen, dass man die hochpermeablen Eigenschaften eines fortlaufenden
Magnetelements in ausgewählten
Bereichen des Elements zerstört.
Dies kann beispielsweise durch lokale Erwärmung über die Rekristallisationstemperatur
der amorphen Legierung oder durch Stanzen oder anderweitige Bearbeitung
des Materials geschehen. Weit wichtiger ist die Fähigkeit,
Bereiche eines fortlaufenden Elements aus hochpermeablem Material
magnetisch zu isolieren und zwar mit Hilfe eines magnetischen Musters,
das auf einem benachbarten Vormagnetisierungselement gespeichert
ist, das aus einem mittel- oder hochkoerzitiven Magnetmaterial hergestellt
ist. Ein solcher Verbundmarker könnte
dann einfach dadurch codiert werden, dass man mit Hilfe eines geeigneten
magnetischen Schreibkopfs ein magnetisches Muster auf das: Vormagnetisierungselement
schreibt. Bei Bedarf könnte
man den Marker löschen
(durch Entmagnetisieren mit einem Wechselfeld) und mit neuen Daten
nochmals programmieren.
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Das beschriebene Schema kann man
darauf erweitern, dass es mit Markern arbeitet, die Daten in zwei Dimensionen
speichern. Dadurch sind wesentlich kompaktere Marker möglich, und
neben einer bequemeren Gestalt besitzt ein Marker, der aus einer
N x N Anordnung von Dünnfilmstückchen besteht,
auch ein wesentlich umfangreicheres Codierpotential als eine lineare
Anordnung aus der gleichen Anzahl Stücke. Der Grund hierfür „ liegt
darin, dass es wesentlich mehr einzigartige innere Ver knüpfungen
zwischen den Stücken
gibt, die man mit einer gegebenen Fläche erzeugen kann.
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Weitere Ausführungsformen
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Der Gebrauch der räumlichen
magnetischen Abtastung für
die Positionserfassung
-
Zusätzlich zur räumlichen
Abfrage zum Lesen der Datenmarker kann man diese neue Technik, bei
der Flächen
mit einem Nullfeld durch den Raum bewegt werden (oder Gegenstände durch
die Flächen
bewegt werden), dazu verwenden, eine exakte Ortsinformation für kleine
Objekte aus hochpermeablem Magnetmater rial zu liefern.
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Damit stellt die Erfindung ein Verfahren
zum Bestimmen des exakten Orts eines Objekts bereit, dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren umfasst: a) das. Befestigen eines kleinen Stücks aus
Magnetmaterial, das eine hohe magnetische Permeabilität hat, am
Objekt; b) an den Bereich, in dem sich das Objekt befindet, das
Anlegen eines Magnetfelds, das zwei entgegengesetzte Feldkomponenten
umfasst, die von Magnetfeldquellen erzeugt werden und zu einem Nullfeld
in einer. Position zwischen den Magnetfeldquellen führen; c)
das Anlegen eines hochfrequenten Abfragefelds mit kleiner Amplitude,
an den Bereich; d) Veranlassen, dass sich die Position des Nullfelds
langsam über
einem vorbestimmten Bewegungsbereich vor- und zurückbewegt;
e) das Beobachten der magnetischen Wechselwirkung zwischen dem angelegten
Magnetfeld und dem kleinen Stück
aus Magnetmaterial; und f) das Berechnen der Position des Objekts
aus einer Betrachtung der magnetischen Wechselwirkung und aus den
bekannten magnetischen Parametern hinsichtlich des angelegten Felds
und des kleinen Stücks
aus Magnetmaterial. Das kleine Stück aus hochpermeablem Magnetmaterial
hat vorteilhaft die Form einer dünnen
Folie, eines Drahts oder eines Dünnfilms
.
-
Dieser Aspekt der Erfindung ist von
besonderem Interesse, falls das Objekt, dessen Ort zu bestimmen ist,
ein chirurgisches Instrument ist, beispielsweise eine chirurgische
Sonde oder eine Nadel. Die Erfindung erlaubt es, den Ort beispielsweise
einer chirurgischen Sonde während
einer Operation exakt zu bestimmen.
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Diese Technik eignet sich sehr gut
zur exakten Ortsbestimmung von sehr kleinen Markern innerhalb relativ
beschränkter
Volumina. Sie kann zahlreiche Marker getrennt auflösen. Sie
zeigt auch eine geringe Empfindlichkeit gegenüber fremden Metallobjekten.
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Ein übliches Magnetetikett bzw.
ein üblicher
Magnetmarker kann 1 Zentimeter lang sein. (bei Bedarf länger), aus
einem amorphen Draht (korrosionsfest, Durchmesser 90 Mikron oder
weniger) bestehen, der dem in EAS-Markern verwendeten Draht gleicht,
oder, mit geeigneter Verfahrensplanung, ein kurzes Stück (z .
B . 1 Zentimeter) einer Nadel, die mit einer dünnen Schicht aus weichmagnetischem
Material sputterbeschichtet ist .
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Bei Gebrauch am Kopf eines Patienten
kann man mit den beschriebenen Markern eine Auflösung von 0,1.Millimeter erreichen.
Es sollte auch möglich
sein, diesen Wert zu erreichen, wenn man einige Vorkehrungen bezüglich der
Kalibrierung und des Gebrauchs anderer magnetischer Materialien
beachtet. Für
ein bestmögliche
Leistung wäre
eine steife und offene Struktur nahe am Kopf erwünscht. Die angewendeten Magnetfeldstärken sind
dabei schwächer
als die von alltäglichen
Magneten (z. B. Küchentürhalter)
erzeugten Felder.
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Diese Vorgehensweise ist besonders
in der Gehirnchirugie anwendbar. Dort besteht die Anforderung, die
Position von Sonden mit hoher Genauigkeit in drei Dimensionen zu
bestimmen. Es ist daher gemäß der Erfindung
möglich,
kleine magnetische Macker auf solchen Sonden oder Nadeln zu verwenden.
In diesem Fall besteht ein Hauptvorteil darin, dass das Signal vom
Marker nur zeitlich erfasst und aufgelöst werden muss. Die Auflösung ist
durch den Ort der Nullfeldfläche
bestimmt und nicht durch das Signal-Rausch-Verhältnis des erfassten Markersignals.
Dies erlaubt es, sehr kleine Marker zu verwenden.
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Man kann einen einachsigen Positionssensor
mit einem Spulensatz implementieren, der dem beschriebenen Markerlesesystem
gleicht. Er umfasst: ein Paar gegenüberliegender Spulen, die einen
Gleichstrom führen,
um einen Gleichfeldgradienten zu erzeugen; eine Vorrichtung, die
ein relativ gleichförmiges Wechselfeld
geringer Stärke
anlegt, damit der Marker in dem kleinen Bereich, in dem das Gleichfeld
nahezu verschwindet, in die und aus der Sättigung getrieben wird; und
eine Vorrichtung, die ein relativ gleichförmiges Gleichfeld veränderlicher
Stärke
und Polarität
anlegt, damit der Ort der Fläche
mit verschwindendem Gleichfeld innerhalb des Volumens abgefragt
wird. '
-
Ein anisotroper Marker, d. h ein
Marker mit einer bevorzugten Magnetisierungsachse, löst das Magnetfeld
entlang seiner Länge
auf. Einen derartigen Marker kann man beispielsweise dadurch erhalten,
dass man ein langes dünnes
Element aus einem Magnetmaterial verwendet, oder durch eine geeignete
Behandlung eines Bereichs eines Magnetmaterials, der ein sehr viel
kleineres Seitenverhältnis
hat, z. B. durch das Glühen eines
allgemein rechteckigen Stücks
eines Schmelzspinn-Mag- netmaterials in Längsrichtung. Im Zusammenhang
mit dem behandelten einachsigen Positionssensor gibt es fünf Freiheitsgrade
(x, y, und z und die beiden Winkel (eine Drehung des Markers um
seine Achse hat keine Auswirkung)). Drei vollständige orthogonale Spulensätze können ausreichend
Information erfassen, indem man nacheinander drei Abtastungen des
gleichförmigen
Gleichfelds auf jedem Spulensatz ausführt . Dabei erfolgt die erste
Abtastung ohne Feld von den anderen Sätzen, die zweite Abtastung
mit einem gleichförmigen
Gleichfeld aus einem der beiden Sätze und die dritte Abtastung
mit einem Gleichfeld aus dem anderen Satz . Dies führt insgesamt
zu neun Abtastungen. Man kann sie wie in der folgenden Tabelle darstellen.
Dort sind die Magnetfeldquellen mit a, b und c bezeichnet und die
Abtastungen mit 1–9
numeriert (die Reihenfolge der Abtastungen ist ohne Belang).
-
-
Die einzige Information, die aus
jeder Abtastung benötigt
wird, ist die Position der Mitte des harmonischen Ausgangssignals
des Markers innerhalb dieser Abtastung. Man kann dann die neun Gleichfeldwerte
in die xyz-Theta-Phi-Koordinaten des Markers umsetzen. Zu Beginn
kann man das System so verwenden, dass man den Marker in der gewünschten
Position hält,
bevor der Kopf in die Spulen gebracht wird. Hat man den Kopf in
den Spulen angeordnet, so kann man den Marker bewegen, bis man die
gleichen Signale erhält.
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Eine Alternative zum sequentiellen
Abfragen, die den Vorteil aufweist, dass man weniger Zeit zum Abtasten
des nteressierenden Bereichs benötigt,
besteht darin, den Magnetfeldgradienten kontinuierlich zu drehen,
so dass alle interessierenden Richtungen abgetastet werden. Man
kann dies erreichen, indem man drei Spulensätze mit geeigneten fortlaufenden
Signalformen ansteuert. Ein geeignetes Abtastfeld wird beispielsweise
erzeugt, wenn man die Spulen in den x-, yund z-Ebenen mit Strömen IX, Iy und . IZ gemäß den folgenden Gleichungen
ansteuert IX = cos ωat (A cos ωbt – sin ωbt · sin ωct) – sin ωat · cos ωct
Iy =
sin ωat (A cos ωbt – sin ωbt · sin ωct) – cos ωat · cos ωct IZ =
A sin ωbt – cos ωbt · sin ωct wobei gilt:
ωa =
Gesamtfrequenz der Drehung des angelegten Magnetfelds,
ωb = Null-Abtastfrequenz,
ωc = Abfragefrequenz,
A = Amplitudenverhältnis ωb : ωc .
-
Typische (jedoch nicht einschränkende)
Werte für
diese Parameter sind: A = 10; Frequenzverhältnis ωa : ωb = 1 :
10; und Frequenzverhältnis ωb : ωc = 1 : 400 Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
-
1 die
grundlegenden Elemente eines Markerlesesystems der Erfindung;
-
2 einen
Schaltplan, der einen Modus zum Erzeugen des gewünschten Magnetfeldmusters mit
der Anordnung in 1 darstellt;
-
3 den
Zusammenhang zwischen der magnetischen Antwort eines Markers und
seiner Position im Lesesystem nach 1;
-
4 die
Orte, an denen bei einem Permanentmagneten magnetische Nullen auftreten;
-
5 eine
Ausführungsform
der Erfindung, in der eine Spule und ein Permanentmagnet dazu verwendet
werden, das gewünschte
Feldmuster zu erzeugen; 6 eine
Ausführungsform
der Erfindung, in der zwei Parmanentmagnete dazu verwendet werden,
das gewünschte
Feldmuster zu erzeugen;
-
7 eine
Ausführungsform
der Erfindung; in der zahlreiche Permanentmagnete, die in einer
ringförmigen
Anordnung mit einer Spule untergebracht sind, dazu verwendet werden,
das gewünschte
Feldmuster zu erzeugen;
-
8 einen
skizzenhaften Schaltplan eines erfindungsgemäßen Markerabfragers für eine Ausführungsform
der Erfindung;
-
9 eine
Auswahl von Markern der Erfindung; und
-
10 eine
Ausführungsform
der Erfindung angewendet auf chirurgische Vorgänge.
-
1 zeigt
eine skizzierte Anordnung, in der ein Marker 1 in der Mitte
zwischen zwei Spulen Tx1 und Tx2 angeordnet ist . Der Marker gleicht
der in 9a dargestellten Markerart,
d. h., es handelt sich um einen einfachen linearen Marker, der mehrere
Magnetelemente trägt.
Jedes Magnetelement besteht aus einem hochpermeablen magnetischen
Legierungsmaterial, z. B. Schmelzspinnband 6025 von Vacuumschmelze,
das eine innere, Permeabilität
von ungefähr
105 hat. Der Leser sollte beachten, dass
die in dieser Beschreibung für
die verschiedenen Parameter angegebenen Werte, die zu den Elementen
in 1 gehören, nur beispielhaften Charakter
haben und eine Arbeitsausführung-
sform beschreiben. Diese Werte hängen
unvermeidbar von den Gesamtabmessungen des Systems und seiner beabsichtigten
Funktion ab. Die Magnetelemente, die die diskreten magnetisch, aktiven
Bereiche des Markers bilden, haben Abmessungen von 10 Millimeter
x 1 Millimeter x 25 Mikron. Der Abstand zwischen benachbarten Elementen
beträgt
1 Millimeter. Die beiden Spulen haben ungefähr 20 Zentimeter Abstand und
umfassen jeweils 450 Windungen Kupferdraht mit 0,56 Millimeter Durchmesser,
die in quadratischer Anordnung von üblicherweise 45 Zentimeter
x 45 Zentimeter gewickelt sind. Jede Spule hat einen Widerständ von 6
Ohm und eine Induktivität
von 100 mH. Beide Spulen Tx1 und Tx2 führen einen Gleichstrom 2,
dem ein schwächerer
Wechselstrom i überlagert
ist. Normalerweise liegt der Gleichstrom I in der Größenordnung
von 3 A und der überlagerte
Wechselstrom i in der Größenordnung
von 50 mA. Der Wechselstrom i hat eine relativhohe Frequenz, normalerweise
ungefähr
2 kHz.
-
Bei einem System, das wie beschrieben
aufgebaut ist, erzeugen die Wechselströme und Gleichströme in den
beiden Spulen ein Magnetfeldmuster, bei dem sich eine magnetische
Null in der Richtung des Pfeils x an Punkten befindet, die in einer
Ebene parallel zu den beiden Spulen und in der Mitte zwischen den
Spulen befinden. In l werden die x-
und y-Koordinaten dieser Mittenebene durch die Linien 2 bzw. 3 dargestellt.
-
Wird ein magnetischer Marker der
Erfindung durch die beiden in 1 dargestellten
Spulen geführt, wobei
er sich . in die Richtung x bewegt und allgemein entlang der Längsachse,
die zwischen den Mittelpunkten der beiden Spulen definiert ist,
so durchläuft
er eine Magnetfeld-Polaritätsumkehr
in der Mittenebene, die durch die Koordinaten 2 und 3 definiert
ist. Die Polaritätsumkehr
des Magnetfelds erfolgt, weil der Gleichstrom in der ersten Spule
in einer Richtung fließt
und in der anderen Spule. in der entgegengesetzten Richtung, siehe die
fett eingezeichneten Pfeile in 1.
In der Mittenebene löscht
die Magnetfeldkomponente, die von dem in der ersten Spule fliesenden
Gleichstrom erzeugt. wird, exakt die Magnetfeldkomponente aus, die
der in. der anderen Spule fließende
Gleichstrom erzeugt.
-
Bewegt sich der Marker durch die
Mitte der ersten Spule, so erfährt
er ein starkes Magnetfeld, das dazu ausreicht, seine magnetisch
aktiven Elemente zu sättigen.
Nimmt die Feldstärke
bei der Bewegung hin zur Mittenebene ab, so wird das magnetische
Material von dem abnehmenden Magnetfeld in einer Weise beeinflusst,
die durch seine Hysteresekurve bestimmt ist. In der Nähe der magnetischen
Null wird die Magnetisierungsrichtung der Magnetelemente des Markers
umgekehrt.
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Der in 1 dargestellte
relativ hochfrequente Wechselstrom i ist in jeder der Spulen Tx1 und Tx2 gleich.
-
Die Frequenz des Wechselstroms kann
wie angegeben in einem breiten Bereich liegen. Ein üblicher Betriebswert
mit der Anordnung in 1 beträgt ungefähr 2 kHz.
Die Wirkung dieses Wechselstroms mit relativ geringer Amplitude
besteht darin, dass er die durch die Koordinaten 2 und 3 definierte
Mittenebene um den geometrischen Mittelpunkt entlang der Längsachse
zum Schwingen bringt, die zwischen den Mittelpunkten der beiden
Spülen
bestimmt ist. Anders ausgedrückt
schwingt die Ebene die die magnetische Null enthält, d. h. sie bewegt sich in
einem kleinen Raumbereich mit der Frequenz des Wechselstroms vor
und zurück.
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2 zeigt
eine einfache Schaltung, die entgegengesetzte Gleichfelder zusammen
mit Wechselfeldern liefert. Der Kondensator C1 ist so ausgewählt, dass
er bei der ansteuernden Wechselfrequenz mit der Induktivität der Spulen Tx1 und Tx2 in
Resonanz ist. Jede dieser Spulen hat einen Widerstand von 6 Ohm
und eine Induktivität
von 100 Millihenry. Ein üblicher
Wert für C1 ist
0,1 μF. C2 ist
ein Kondensator, der. so gewählt wird,
dass er für
die ansteuernde Wechselfrequenz wie ein Kurzschluss wirkt. Ein üblicher
Wert für
diese Komponente beträgt
22 μF: Die
Gleichstromversorgung liefert in der Regel 30 Volt bei 3 Ampere.
Die Wechselstromquelle liefert normalerweise einen Wechselstrom
bei einer Frequenz von 2 kHz und 2 V effektiv.
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3 zeigt,
wie sich die Magnetisierung eines einzelnen Magnetelements abhängig von
der Zeit an verschiedenen Positionen innerhalb des Magnetfeldmusters ändert, das
zwischen den Spulen Tx1 und Tx2 in 1 bestimmt ist. Zur besseren, „Darstellung
ist die Schwingung der Ebene, die die magnetische Null enthält, mit
einem fetten Doppelpfeil 4 (↔) eingezeichnet. Die äußersten
Positionen der Ebene sind als gestrichelte Linien 5 und 6 eingetragen.
Der Mittelpunkt zwischen den eingrenzenden Ebenen 5 und 6 ist
durch die gestrichelte Linie 7 bezeichnet . Im rechten
Abschnitt von 3 ist
gezeigt, wie sich das angelegte Wechselfeld abhängig von der Zeit zwischen
positiven (H+) und negativen (H–)
Feldwerten ändert.
Unter der Kurve mit dem angelegten Wechselfeld befinden sich fünf Kurven,
die zeigen, wie sich die Gesamtmagnetisierung des Mag- netelements
zeitlich ändert,
und zwar in jeder der fünf
geometrischen Positionen, die links mit Position 1, Position 2 usw.
bezeichnet sind. Die Ebenen 5 und 6 bestimmen
die Grenzen von Bereichen, innerhalb derer Magnetfeld-Polaritätsumkehrungen
auftreten. In der Praxis beträgt
der Abstand zwischen den Ebenen 5 und 6 normalerweise
ungefähr
1 Millimeter. Für
ein gegebenes Magnetmaterial kann man diesen Abstand willkürlch innerhalb
gewisser Grenzen vergrößern oder
verkleinern, indem man die Amplitude des Wechselstroms und/oder
des Gleichstroms in den Spulen verändert.
-
Das Magnetelement hat zu allen Zeiten
eine lineare magnetische Achse, die senkrecht zu den Ebenen 5, 6 und 7 verläuft .
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In der Position 1 befindet
sich das Ende des Magnetelements nahe an der Ebene 6. In
diesem Zustand erfährt
es zu allen Zeiten ein positives Magnetfeld, und seine Gesamtmagnetisierung
ist zeitinvariant. In der Position 2 hat das führende Ende
des Elements die Mittenebene 7 erreicht. Das meiste magnetische
Material bleibt jedoch nach wie vor außerhalb der begrenzenden Ebene 6.
Dadurch kann die Nullebene nur mit einem Teil des Magnetmaterials
wechselwirken. Dies führt
zu einer zeitveränderlichen
Gesamtmagnetisierung, die das dargestellte Wiederholungsmuster aufweist,
d. h. einen geradlinigen Abschnitt mit positivem Wert gefolgt von
einem allgemein sinusförmigen
Bogen, der fast bis auf Null abfällt
und dann auf seinen ursprünglichen
positiven Wert ansteigt.
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In der Position 3 ist das
magnetische Material bezüglich
der Mittenebene 7. symmetrisch angeordnet . Dabei besteht
die Kurve der Gesamtmagnetisierung in Abhängigkeit von der Zeit aus einer
Sinuskurve, deren Frequenz der Frequenz des angelegten Wechselfelds
entspricht. In der Position 4 erfährt der größte Teil des Magnetelements
zu allen Zeiten ein negatives Feld; ein kleinerer Abschnitt des
Elements erfährt
jedoch Polaritätsumkehrungen.
Dies führt
zur dargestellten Gesamtmagnetisierungskurve in Abhängigkeit
von der Zeit. Die Tatsache, dass die Position 4 die entgegengesetzte
Position zur Position 2 ist, spiegelt sich im Zusammenhang
zwischen den Magnetisierungskurven für diese beiden Positionen wieder.
Man kann sehen, dass die Kurve für
die, Position 4 tatsächlich
ein Spiegelbild der Kurve für
die Position 2 ist, wobei die gekrümmten Teile jedoch zeitverschoben
sind.
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Schließlich erfährt in der Position 5 der
gesamte Marker das negative Feld, und kein Teil des Markers erfährt eine
Polaritätsumkehr.
Folglich ist die Gesamtmagnetisierung zeitinvariant und hat wie
dargestellt einen konstanten negativen Wert.
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Wird ein Marker, der ein solches
Magnetelement enthält,
entlang der Spulenachsen durch den Nullfeldbereich geführt, so
wird es zunächst
von dem magnetischen Gleichfeld vollständig gesättigt. Anschließend wird
es rasch über
seine B-H-Schleife geführt,
während
es den Nullfeldbereich durchläuft.
Zuletzt wird es wieder gesättigt.
Der Teil des Durchgangs, in dem das Magnetmaterial "aktiv" ist,
d. h. in dem es magnetische Veränderungen
erfährt,
ist räumlich
klein. Er ist durch die Amplitude des Gleichfelds, die Amplitude
des Wechselfelds und die Eigenschaften des Magnetmaterials bestimmt.
Dieser Bereich kann sich leicht über
weniger als einen Millimeter erstrecken. Liegt die Stärke des
Wechselfelds gerade unter der Stärke,
die zum Sättigen
des Magnetmaterials im Marker erforderlich ist, so erzeugt der Marker
Harmonische des Wechselsignals, wenn er in den Nullfeldbereich eintritt
(Positionen 1 bis 2) und antwortet auf das sich verändernde
Feld. Durchquert der Marker den schmalen Nullfeldbereich (Po- sition 3),
so wird er im linearen Teil seiner B-H-Schleife betrieben, und die
Wechselwirkung besteht darin, dass er nur die Grundabfragefrequenz
wieder abstrahlt. Verlässt
der Marker. den Nullfeldbereich (Positionen 4 bis 5)
, so sendet er wiederum Harmonische der Abfragefeldfrequenz aus.
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Eine Empfängerspule (Rx), die
so beschaffen ist, dass sie für
Felder empfindlich ist, die im Nullfeldbereich erzeugt werden, aber
nicht direkt mit den Abfragespulen (Tx) koppelt, empfängt nur
diese Signale. Eine derartige Anordnung kann man erreichen, indem
man getrennte Tx- und Rx-Spulen verwendet, die räumlich so angeordnet sind,
dass sie eine geringe gegenseitige Kopplung aufweisen. Man kann
auch eine einzige Spule einsetzen (die die Tx- und Rx-Funktion,
besitzt), und zwar zusammen mit einer geeigneten Filterung in den Tx-
und Rx-Pfaden. Die zeitliche Veränderung
dieser Signale beim Vorbeilaufen des Markers an den Spulenachsen
liefert eine klare Anzeige für
den Durchgang der Enden des Magnetmaterials durch den Nullfeldbereich.
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Das Ergebnis dieser Wechselwirkung
zwischen dem Marker und dem Magnetfeld, das er erfährt, ist
in 3b dargestellt. Dabei ist der Bereich 4, über dem
die magnetische Null oszilliert, in kleinerem Maßstab dargestellt. Die numerierten
Punkte stellen den Ort des Markermittelpunkts in jeder der Positionen 1–5 dar.
Die Erzeugung eines harmonischen Signals durch den Marker (erläutert durch
die zweite Harmonische der angelegten Frequenz) ist an den Positionen
offensichtlich, an denen der Marker in den Bereich eintritt, der
durch die begrenzenden Ebenen 5 und 6 bestimmt
ist, d. h. die Zone, in der Magnetfeld-Polaritätsumkehrungen auftreten. Wegen
der Symmetrie des Systems erzeugt ein einzelnes Magnetelement eine
Doppelspitze 8a und 8b; da die Positionen 2 und
4 redundant sind.
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4 zeigt
die Feldlinien (d. h. die magnetischen Konturen), die bei einem
einfachen Stabmagneten auftreten. Die X-Y-Ebene, die die Längsachse
des Stabmagneten schneidet und senkrecht auf der Papierebene steht,
bildet eine magnetische Nullebene. Damit erfährt ein Magnetelement, das
eine empfind-liche
magnetische Achse besitzt, die senkrecht bezüglich der Nullebene ausgerichtet
ist, eine magnetische Null, wenn sie einen der beiden Pfade A–B oder
C–D durchläuft. Folglich
kann man einen einfachen Stabmagneten als Teil eines Abfragesystems
verwenden und damit die Anwesenheit eines solchen magnetischen Markers
erkennen oder die Information lesen, die ein derartiger Marker trägt.
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Die Erzeugung des zweiten harmonischen
Signals kann als Grundlage eines Markererkennungssystems dienen.
Enthält
der Marker anstelle eines einzigen Magnetelements eine lineare Anordnung
aus n magnetischen Elementen, so umfasst das zweite harmonische
Ausgangssignal des Markers n Doppelspitzen, von denen jede der in 3b dargestellten Doppelspitze ähnlich ist.
Haben alle Magnetelemente gleiche Größe und gleiche magnetische
Eigenschaften, so weisen die Spitzen das gleiche Profil auf, und
jede Spitze bestimmt eine Hüllkurve
mit konstanter Fläche.
Der Abstand zwischen einzelnen magnetischen Elementen beeinflusst die
relativen Positionen der Doppelspitze in einer Darstellung der Amplitude
in Abhängigkeit
von der Zeit . Die Erfindung ist natürlich nicht auf den Gebrauch
der eben beschriebenen einfachen Marker eingeschränkt. Der Gebrauch
von Magnetelementen mit unterschiedlichen Größen und magnetischen Eigenschaften
sowie mit ungleichen Abständen über der
Länge des
Magnetmarkers erzeugt kompliziertere Signalmuster, die aber trotzdem
kennzeichnend für
die gegebene Markerkonstruktion sind. Durch Verändern der Anzahl, der mag-
netischen Eigenschaften und der Anordnung einer Reihe von Magnetelementen
kann man eine sehr große
Anzahl magnetischer Marker herstellen, von denen jeder eine einzigartige
Charakteristik aufweist, die demgemäß ein eindeutiges Signal erzeugt,
wenn der Marker zusammen mit dem System in 1–
3 verwendet wird.
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Natürlich ist die Erfindung auch
nicht darauf eingeschränkt,
dass die zweite Harmonische der angelegten Wechselfrequenz beobachtet
wird. Man hat gerade diese bestimmte Harmonische für die Erläuterung gewählt, weil
es relativ unproblematisch ist, ein Sendesignal (Tx-Ausgabe) zu
erzeugen, das keinen (oder einen ganz geringen) Gehalt an zweiten
Harmonischen hat, und damit eine gute Unterscheidung zwischen dem Tx-Signal
und der Antwort des Markers erlaubt, und weil die zweite Harmonische
einen relativ hohen Anteil der gesamten harmonischen Energie enthält, die
der Marker ausgibt.
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5 zeigt
skizzenhaft die Anordnung eines einfachen Markerlesers der Erfindung
. Im Leser werden ein Permanentmagnet 10 und eine Spule 11 verwendet,
die benachbart zu einer Fläche
des Magneten angeordnet ist: In dieser Ausführungsform kann man einen zu
lesenden Marker entlang des Pfads C–D durch die Spule 11 oder
entlang des Pfads A–B über der
Spule führen.
Man muss die Marker so orientieren, dass ihre magnetischen Achsen
mit der Bewegungsrichtung des Markers ausgerichtet sind. In 5 ist die magnetische Nullebene wie dargestellt
bei 12 angeordnet.
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6 zeigt
den Gebrauch von zwei Permanentmagneten , die so angeordnet sind,
dass ihre magnetischen Achsen ausgerichtet sind und gleiche Pole
einander gegenüberliegen.
Eine derartige Anordnung erzeugt eine Nullebene 13. Die
erforderliche Richtung der Markerbewegung ist durch den Pfeil 14 dargestellt. Die
magnetische Achse des Markers muss wiederum mit der Bewegungsrichtung
ausgerichtet sein.
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7 zeigt
eine einfache Realisierung eines Markerlesekopfs, in dem eine Anzahl
Permanentmagnete dazu verwendet werden, eine magnetische Nullebene
zu erzeugen. Wie dargestellt sind zehn über ein Polymer befestigte
Ferritmagnete in einer ringförmigen
Anordnung untergebracht, wobei gleiche Pole nach innen zeigen. Eine
gemeinsame Sende- und Empfängerspule L1 sitzt
in der dargestellten Weise im Magnetring. Der Marker wird beim Durchlaufen
der Nullebene in der Mitte des Magnetrings gelesen.
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8 zeigt
eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Abfragesystems.
Sie beruht auf dem Gebrauch einer einzigen Spule L1, die
sowohl als Sendespule (Tx) wirkt, die das gewünschte Magnetfeldmuster erzeugt,
als auch als Empfängerspule
(Rx) . Im System wird die zweite Harmonische im Ausgangssignal
des Markers als Grundlage für
die Markererfassung und -erkennung verwendet. Die Schaltungskomponenten C1 und L2 bilden
eine Resonanzfalle bei der Frequenz 2f, die Signale mit
dieser Frequenz im Ausgangssignal von Tx auf einen sehr
geringen Pegel absenken. C2 ist bei der Frequenz f mit L1 in
Resonanz. Die Komponenten C3; C4, L1 und L3 bilden
ein Filter, das erwünschte
Signale vom Marker bei der Frequenz 2f durchlässt, wogegen
Signale bei der Sendefrequenz f unterdrückt werden.
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Das von dieser Schaltung erhaltene
Ausgangssignal durchläuft
ein Tiefpassfilter und gelangt zu einem Analog-Digital-Umsetzer (ADC) und
schließlich
zu einem digitalen Signalprozessor. Diese Komponenten und insbesondere
der Signalprozessor sind so gestaltet, dass sie den beabsichtigten
Anwendungen in der Abfrageeinheit genügen. Die Art der Signalverarbeitung
und die Vorrichtungen, mit denen sie erfolgt, sind herkömmlicher
Art und werden daher nicht weiter beschrieben.
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9 erläutert die
Grundstruktur eines magnetischen Markers der Erfindung. 9a zeigt einen Marker 100,
der ein Trägermedium 101 umfasst
(z. B. Papier oder ein Kunststoffmaterial) und eine lineare Anordnung
magnetisch aktiver Bereiche 102, 103, 104, 105 und 106.
Jeder magnetisch aktive Bereich ist aus einem Stückchen hochpermeablen Magnetmaterials
gefertigt (z. B. Vacuumschmelze 6025), dessen magnetische Achse
mit der Längsrichtung
des Markers ausgerichtet ist. Jedes Stückchen hat eine Fläche von
ungefähr
10 mm2 und ist durch eine Klebung am Substrat 101 befestigt.
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Die Stücke 101–105 haben
identische Abmessungen und magnetische Eigenschaften. Sie haben
den gleichen Abstand, d. h. die Lücken 110, 111 und 112 sind
alle gleich groß.
Der Abstand zwischen den Stückchen 105 und 106 ist
jedoch größer, und
zwar so, als würde
ein Stückchen
an der Position fehlen, die bei 113 mit gestrichelten Linien
bezeichnet ist.
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Der Marker 100 verhält sich
als Sechs-Bit-Marker, der. mit 111101 codiert ist (die Null ist
die Fläche 113).
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Auf einem Substrat 121,
das. die Magnetelemente 122 – 126 trägt und eine
"Lücke" 127 hat,
ist ein funktionell gleichwertiger Marker 120 ausgebildet.
In dieser Ausführungsform
haben die Magnetelemente die Form eines Streifens oder Drahts aus
hochpermeablem Magnetmaterial (z. B. Vacuumschmelze 6025),
der in der Regel ungefähr
5 Millimeter lang, 1 Millimeter breit und ungefähr 15 Mikron dick ist.
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9b zeigt
eine andere Anordnung für
einen geschichteten Sechs-Bit-Marker 130. Dieser Marker
ist wie in 9a mit 111101
codiert. Dabei wird zwischen eine fortlaufende Schicht bzw. eine
Bahn aus hochpermeablem Magnetmaterial 131 (in Form eines
Drahts, eines Streifens, eines Dünnfilms
oder . einer Folie) und ein Substrat 133 eine Vormagnetisierungsschicht 132 eingelegt.
Die Vormagnetisierungsschicht ist in vorbestimmten Bereichen magnetisiert,
die das darüberliegende
hochpermeable Material beeinflussen, so dass magnetisch aktive Bereiche
erzeugt werden, die mit 134, 135, 136, 137 und 138 bezeichnet
sind. Der Bereich 139 ist nicht aktiv und bildet damit
eine magnetische Null. Beim Lesen mit einem Abfragesystem beispielsweise nach 8 erhält
man von den Markern 100, 120 und 130 das
in 9d dargestellte Ausgangssignal.
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9c zeigt
einen komplizierteren Marker. Dort sind eine Reihe paralleler linearer
Anordnungen aus magnetisch aktivem Material vorhanden, die eine
4 x 4 Matrix aus Orten erzeugen, an denen magnetisch aktives Material
vorhanden sein kann (codiert eine ' 1') oder fehlen kann (codiert
eine ' 0') .
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10 zeigt
die allgemeine Anordnung der drei Spulensätze, die gemäß der Erfindung
für chirurgische
Anwendungen eingesetzt werden. Die drei Spulensätze stehen jeweils senkrecht
aufeinander und bestimmen einen Hohlraum, in dem man den Kopf 200 eines
Patienten anordnen kann. Der erste Spulen-satz besteht aus den Spulen 201a und 201b.
Der zweite Spulensatz besteht aus den Spulen 202a und 202b.
Der dritte Spulensatz besteht aus den Spulen 203a und 203b.
In der Zeichnung sind zwei chirurgische Sonden 204 und 205 skizziert,
die im Schädel
des Patienten angeordnet sind. Die. Sonden tragen jeweils an ihren
distalen Enden einen magnetischen Marker 206, 207,
beispielsweise einen Marker, wie er im Zusammenhang mit 9 beschrieben worden ist. Da das Magnetelement
des Markers nur Information über
seine Anwesenheit liefern muss (und keine umfangreichen Daten halten
muss), werden relativ einfache Marker bevorzugt. Es reicht ein einziges
Magnetelement aus hochpermeablem Magnetmaterial aus, das an der
Spitze der Sonde angeordnet ist. Die Spulen werden so betrieben,
wie es oben ausführlich
beschrieben worden ist. Mit Hilfe der Erfindung kann man die Positionen
der Enden der Sonden mit hoher Genauigkeit ermitteln; und damit
exakte chirurgische Abläufe
mit Genauigkeit und mit geringstmöglicher Beschädigung des
gesunden Gewebes ausführen.
