WO2006092421A1 - Spulensystem zur berührungsfreien magnetischen navigation eines magnetischen körpers in einem arbeitsraum - Google Patents

Spulensystem zur berührungsfreien magnetischen navigation eines magnetischen körpers in einem arbeitsraum Download PDF

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WO2006092421A1
WO2006092421A1 PCT/EP2006/060375 EP2006060375W WO2006092421A1 WO 2006092421 A1 WO2006092421 A1 WO 2006092421A1 EP 2006060375 W EP2006060375 W EP 2006060375W WO 2006092421 A1 WO2006092421 A1 WO 2006092421A1
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WO
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coils
coil system
coil
magnetic
individual coils
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Application number
PCT/EP2006/060375
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Inventor
Johannes Reinschke
Günter RIES
Rudolf Röckelein
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Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • A61B1/00147—Holding or positioning arrangements
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    • A61B2034/731—Arrangement of the coils or magnets
    • A61B2034/732—Arrangement of the coils or magnets arranged around the patient, e.g. in a gantry

Definitions

  • the invention relates to a coil system with a plurality of individually controllable individual coils for a non-contact magnetic navigation of a magnetic body in a three-dimensional, accessible in the z-direction of an associated right-angled x, y, z coordinate system working space.
  • a coil system can be found in "IEEE Transactions on Magnetics", Vol. 32, No. 2, March 1996, pages 320 to 328.
  • endoscopes and catheters which are introduced via cuts or body openings and longitudinally displaceable from the outside and thus are only navigable in one dimension.
  • optical fibers With optical fibers, an optical inspection is possible, whereby an endoscope tip and thus the viewing direction can be pivotable by control wires.
  • additional facilities can be formed, in particular for biopsy.
  • the probes used in this case are only limitedly navigable, in particular at branches which are located further away from a body opening. Therefore, a non-contact external force could extend the scope of application.
  • a magnetic coil system for a non-contact magnetic probe control which comprises six preferably superconducting individual coils which are arranged on the surfaces of a cube whose position is in a rectangular x, y, z axis. Coordinate system is mathematically to describe. With these coils variable field directions and field gradients are to be generated in order to use a catheter with magnetic material or magnetic implants for therapy. piecing in an examined, for example, human body to lead or move. With a magnet coil system comprising six individual coils, however, unlimited freedom of navigation of the magnetic body can not be achieved.
  • Magnetic Resonance Imaging Magnetic Resonance Imaging
  • a corresponding coil system is used e.g. from DE 39 37 148 C2.
  • the device contains a corresponding field generator for generating MRI gradient emitters with which electrical voltages are induced in sensor coils of the object. These voltages are then passed through a related electronics with the object management system to a signal-processing ⁇ Elek. A non-contact, magnetic steu ⁇ newable movement of the object, however, is not possible.
  • magnet coil systems with rotatable permanent magnet are ⁇ for controlling magnetic catheters in particular under an X-ray control known.
  • WO 96/03795 A1 describes a method with additional pulse coils with which a magnetic probe can be moved stepwise by means of precisely defined current pulses under computer control.
  • video capsules e.g. from the journal "Gastrointestinal Endoscopy", Vol. 1, pages 79 to 83, which serve to inspect the digestive tract.
  • the movement of the video capsule happens through the natural bowel movement; that is, the locomotion and the direction of view are purely coincidental.
  • a magnetic coil system for a non-contact navigation or movement of a (ferro) magnetic body such as a bar magnet in a working space.
  • a (ferro) magnetic body such as a bar magnet in a working space.
  • the body is to be aligned in the working space and / or to exert a force on the body.
  • the orientation as well as the size and direction of the force on the body are magnetic and predeterminable without external mechanical connection.
  • a three-dimensional working space is assumed, which is surrounded by surfaces spanned in a right-angled x, y, z-coordinate system.
  • the coil system has fourteen individually controllable individual coils, which are used to generate the three magnetic field components B x , B y and B 2 , as well as five magnetic field gradients from the symmetrical with respect to their diagonal D gradient matrix D
  • a magnetic element probe such as a catheter, endoscope or a Video capsule according to DE 101 42 253 Cl
  • the fourteen individually controllable individual coils can be arranged on pairs of opposing surfaces and at least one tubular lateral surface extending in the z-direction. Except for the lateral surface, the surfaces can span a cuboid or cube. You do not necessarily have to be trained.
  • At least six of the individual coils can lie on the oppositely facing frontal surfaces or lateral surfaces of the working space and serve to generate the three magnetic field components B x , B y , B 2 and the two diagonal elements of the gradient matrix.
  • at least four of the individual coils on the at least one rohrför--shaped encloses the working chamber casing surface in environmental seen circumferential direction and serve for the generation ⁇ supply tenmatrix of at least one off-diagonal element of the Gradien-. Together with the other individual coils can be formed so the required three extra-diagonal elements.
  • six of the individual coils can be arranged as three pairs of coils on the pairwise opposite frontal or lateral surfaces of the working space and eight of the individual coils form two coil arrangements which, viewed in the z-direction, lie one behind the other on the at least one tubular lateral surface and whose four individual coils are arranged distributed on the lateral surface in the circumferential direction and serve to generate the three extra-diagonal elements of the gradient matrix.
  • a Spu is on the end faces of the working space ⁇ lencru of individual coils and for generating the magnetic field component B 2, as well as the diagonal element dB z / dz of the Gra ⁇ serves matrix that serves to the pairwise opposite lateral surfaces in each case a coil arrangement of two viewed in the z-direction successively arranged individual coils and for generating the magnetic field component B x or B y that arranged on at least one tubular shell surface a coil arrangement of four circumferentially distributed Single coils lies and that the coil arrangements serve on the lateral surfaces and the lateral surface for generating a further diagonal element and the three outer diagonal elements of the gradient matrix.
  • the at least one lateral surface thereby intra ⁇ may be semi are pairs of opposing surfaces spanned by the six interior.
  • the outer surface (imaginary) lying on the field gradient can be designed serves coil saddle-shaped. It is possible borrowed that seen on the lateral surface extending in the circumferential direction of the front sheet parts in the circumferential direction lie next to each other, ie in each case take a bow angle of> 90 °, or overlap.
  • At least some of the field component coils can be designed as flat rectangular coils or circular coils.
  • Coil pairs and / or coil arrangements can each be formed from individual coils with the same shape.
  • the coil pairs of individual coils are arranged orthogonal to each other.
  • means for detecting the position of the magnetic body within the working space can be provided.
  • a computer is generally used by controlling their respective associated power supply in dependence on the respective position of the magnetic body to be moved.
  • a circular cylinder consisting of eight saddle coils is enclosed by a cuboid consisting of six Helmholtz coils.
  • the object of the present invention is to improve this magnetic coil system in such a way that the power requirement for operating the system is reduced.
  • the magnetic coil system to a non-contact magnetic navigation of a magnetic Body in a three-dimensional, accessible in the z-direction of a rectangular x, y, z coordinate system working space fourteen individually controllable individual coils, which for generating the three magnetic field components B x , B y and B 2 , and five magnetic field gradients from the with respect to its diagonal D symmetric and non-track gradient matrix GM
  • two of the three diagonal elements of the gradient matrix GM and one of the extradiagonal elements of the three diagonal symmetric gradient element pairs of the gradient matrix GM can be generated with the individual coils.
  • the individual coils For generating the three magnetic field components B x , B y , B z and the two diagonal elements of the gradient matrix GM at least six of the individual coils should be provided, of which at least two on frontal surfaces of the coil system and the remaining individual coils of the coil system on at least a first, tubular, lie in the z-direction extending, the working space enclosing lateral surface.
  • the invention is based on the finding that a comparatively lower power requirement can be achieved with a modified geometry of the Helmholtz coils of the proposed magnet coil system. This saves operating costs and manufacturing costs of the entire system because the erforder ⁇ union power amplifier with which the coil currents of individual coils can be controlled, and the cooling system can be designed for a lower maximum performance down.
  • the magnet coil system according to the invention additionally have the following features may include or be configured Consequentlyderma ⁇ SEN:
  • At least four of the individual coils can be distributed on at least one further, tubular lateral surface enclosing the working space in the circumferential direction.
  • the individual coils in pairs are located on the opposite end faces and the at least one first lateral surface and eight of the A ⁇ zelspulen two coil assemblies form, when viewed in the z-direction one behind the other are a further envelope surface on the at least and its four Individual coils are arranged distributed on the other lateral surface seen in the circumferential direction.
  • the at least one further lateral surface may be located within the at least one first lateral surface.
  • the individual lateral surfaces are each formed by a concentric arrangement of a plurality of lateral surfaces.
  • a radial distance can be maintained between the individual coils lying on the first lateral surface and the individual coils lying on the further lateral surface.
  • the enveloping outer surface of the inner individual coils directly forms the first lateral surface for the outer individual coils, as no radial distance is present.
  • the surface on which at least a first cladding ⁇ field components lying coils and / or coil is used on the at least one further lateral surface lying field gradient are designed saddle-shaped.
  • the saddle-shaped field component coils can be arranged, in particular in the circumferential direction, at least approximately 45 ° turned relative to the saddle-shaped field gradient coils.
  • Coils lie next to each other or overlap.
  • the front-end field component coils can be designed as planar toroidal coils, which can preferably be located on the further lateral surface of the field gradient coils.
  • coil pairs and / or coil arrangements can each be formed from individual coils with the same shape.
  • coil pairs and / or coil assemblies are each formed from individual coils with different coil cross-section. Ie to have the individual coils within a coil pair roaring ⁇ chen not necessarily the same diameter. - To generate the magnetic field components orthogonal to each other arranged coil pairs of Ein ⁇ zelspulen are provided.
  • a winding cross section is the winding strand generally formed by a plurality of conductors.
  • Advantageously can also head with different aspect ratio (ratio of broad ⁇ side to short side) use.
  • parts made of soft magnetic material may additionally be provided on the outside of the coil system.
  • the coil system is still equipped with means for detecting the position of the magnetic body within the working space.
  • the individual coils of the coil system in a conventional manner are ert angesteu ⁇ using a computer.
  • a magnetic specimen can be moved without contact in a working volume.
  • the size and the direction of the force and the torque on this specimen are magnetic and can be specified externally without mechanical connection.
  • the medicine may be a equipped with such a magnetic sample probe, a catheter or an endoscope having a magnetic element or a small television camera with lighting and transmitters Videobil ⁇ of the digestive tract det from inside the body, such as transmitter.
  • ferromagnetic foreign bodies such as a needle or functional modules can be moved or removed in externally inaccessible objects or rooms by magnetic forces.
  • other, in particular inaccessible objects can be inspected internally, for example, wherein the probes can of course also be equipped with other or additional functionality.
  • a probe is assumed below, which is assigned to ferromagnetic material or contains the parts of such a material.
  • Probe may therefore also be referred to as a "magnetic body” or “magnetic probe”.
  • the magnetic body and thus the probe in all three lateral degrees of freedom and in the direction of rotation in the two rotational degrees of freedom can be controlled by external magnetic forces.
  • the magnet coil system advantageously allows access from the outside in the z-direction, e.g. to position persons to be treated in the working space inside.
  • the figures show a typical embodiment of a magnetic coil system according to the invention, with which a corre sponding ⁇ navigation or spatial control and / or movement of a magnetic body under force on this by forming appropriate magnetic fields is made possible.
  • the mode of operation of the coil system is analogous to that of the magnetic coil system, as described in said earlier DE patent application.
  • a circular cylinder formed from eight saddle coils is preferably enclosed by a cuboid formed from six Helmholtz coils.
  • the inventive magnet coil system likewise corresponding eight satellite ⁇ telspulen be provided; however, these are enclosed by four additional saddle coils which replace the four lateral Helmholtz coils of the cuboid arrangement of the previous system.
  • a correspondingly designed magnetic coil system is generally designated 2 in the figures. In the figures, not shown parts correspond to those of the magnetic coil system of said DE patent application.
  • the magnetic coil system 2 embodied according to the invention has an ⁇ at least approximately hollow cylindrical Ges ⁇ talt. Its individual coils are at least largely located on at least two concentric cylinder shell surfaces, a first of which is designated MF1 and surrounds a second surface MF2 (cf., in particular, FIG.
  • the hollow cylinder shape is assigned a rectangular x, y, z coordinate system whose z-direction is defined by the cylinder axis denoted by Za. Orthogonal to the z-direction, a coil arrangement in the z-direction limiting surfaces are thereby be ⁇ as frontal surfaces.
  • the inner, second lateral surface MF2 encloses a three-dimensional inner or working space designated A, which is accessible in the direction of the cylinder axis Za from at least one of the front sides.
  • the aforementioned lateral surfaces are imaginary surfaces.
  • the individual coils of the magnetic coil system 2 extending on them are held by specific fixing means not shown in the figures.
  • the magnet coil system 2 comprises fourteen normal conducting or superconducting individual coils, the preference ⁇ are designed as annular or saddle coils. In this case, the winding forms are shown only schematically in the figure; It is also possible to select individual coils with slightly different coil shapes.
  • the coil system of the selected embodiment is composed of six field ⁇ component coils 3a, 3b, 4a, 4b and 4c, 4d and eight FeId- gradient coils 6a to 6d and 7a to 7d together.
  • the elements of a dB x / dx, dB y / d y and d z / d z ⁇ verbin Dende line is seen as a diagonal D of the gradient matrix of GM ⁇ .
  • the gradient matrix GM is symmetrical with respect to these diagonals D or the magnetic field gradients on them.
  • the sum is the Dia ⁇ gonalemia equal to zero, ie, the gradient matrix GM is traceless.
  • the individual field components generating coil pairs with to be selected in them current-carrying directions are given in said DE patent application.
  • pairs of the field component coils are mutually orthogonal. In general, they have at least some ⁇ as same shape.
  • the saddle-shaped field gradient coils 6a to 6d and 7a to 7d two coil arrangements 6 and 7 are respectively formed, which, viewed in the z direction, are arranged one behind the other.
  • the saddle-shaped field gradient coils surround the working space A in terms of field, wherein they are arranged together on the at least one imaginary, second lateral surface MF2.
  • the gradient coils belonging to a coil arrangement are mutually spaced or contiguous; ie between their end-side arch parts and thus between their running in the z-direction long sides can be present, albeit only a slight gap. It is also an overlap of adjacent gradient coils on their long sides possible.
  • the imaginary second lateral surface MF2 has before ⁇ preferably a circular cross-section. You can gegebe ⁇ appropriate, but also another, eg square cross-sectional shape ⁇ have. Instead of a single lateral surface MF2, concentric lateral surfaces are also possible on which the individual coils are located from one or both coil arrangements.
  • the at least one lateral surface MF2 also does not necessarily have to lie within the space enclosed by the field component coils 3a, 3b, 4a, 4b, 4c, 4d, but may optionally also enclose the structure of these coils. In general, at least the field gradient coils belonging to a coil arrangement 6 and / or 7 have the same shape.
  • the two lateral surfaces MF1 and MF2 are spaced so far radially that between the enveloping hollow cylindrical outer surface around the inner individual coils 6a to 6d and the outer lateral surface MF1 for the individual coils 4a to 4d a certain radial distance is available. Such a distance is not un ⁇ required.
  • the outer lateral surface MF1 can also form the enveloping outer surface of the inner individual coils.
  • an embodiment will be in terms of a reduction in the power requirement of the Magnetspulensys ⁇ tems 2 or its fourteen individual coils advantageously selected in which the outer four saddle coils 4a a significantly shorter to 4d, preferably Any artwork least 10% , in particular by 25% shorter axial extent or length Ll than those of the ring coils 3a, 3b and the eight inner saddle coils 6a to 6d and 7a to 7d have formed dete circular cylinder with an axial length L2.
  • such an inner radius is advantageously selected for the end-side ring coils 3a and 3b that they lie with the field gradient ⁇ coils 6a to 6d and 7a to 7d together on the lateral surface MF2.
  • the arrangement of the outer saddle-shaped field component coils 4a to 4d is selected with respect to the field gradient coils 6a to 6d and 7a to 7d surrounded by them so that they are offset / rotated by at least approximately 45 ° in the circumferential direction, ie their respective longitudinal sides do not come to lie one above the other.
  • the ⁇ se arrangement can be seen. The section of the figure is placed in the region of the end faces of the field gradient coils 6a to 6d.
  • magnetic field gradients dB x / dy, dB z / dx and dB z / dy are to be formed when suitable current-carrying directions are selected.
  • These three field gradients each represent a diagonal element except the above gradient matrix GM is. In this case, these elements each are from another respect. Gonal the slide ⁇ D symmetric element pair.
  • the field gradients symmetrical with respect to the diagonal D are inevitably generated in pairs. In this case, these would be the gradients dB y / dx or dB x / dz or dB y / dz.
  • the dB z / dz field gradient can be generated and one of the gradients dB x / dx or dB y / dy can be omitted for this purpose. That is, only two of the three gradients lying on the diagonal D of the gradient matrix have to be generated.
  • the magnetic field component B z or the field gradient dB z / dz is to be generated by the pair of individual coils 3a, 3b depending on the current flow direction.
  • the field component B y or the field gradient dB y / dy form.
  • the coil pair of the individual coils 4a and 4b generates the field component B x .
  • the field gradients dB z / dx or dB z / dy or dB x / dy are to be generated with the two coil arrangements 6 and 7 from the respective four gradient coils 6a to 6d or 7a to 7d.
  • an elongated magnetic body such as a ferromagnetic or permanent magnet, which is for example connected to a probe introduced into the working space A of the magnetic coil system 2, so he tries to align parallel to the field direction, whereby he thus also dictates the orientation of the probe.
  • Multiplying the inverse matrix for the magnetic body with the field vector (B x, y B, z B, dB x / dx, dB y / dy, dB x / dy, dB z / dx, dB z / dy) provides the current values for the eight current ⁇ pattern; - Distribution of the current patterns to the fourteen individual coil currents after each positive or negative current direction stored table and linear superimposition of the currents in the individual coils;
  • a corresponding device for controlling the fourteen individual coils advantageously cooperates with an imaging device for controlling the magnetic body or probe position.
  • a computer is used to excite the required fourteen power supplies for the fourteen individual coils, the magnetic coil system 2.
  • magnetic forces in all three spatial directions can be exerted on a magnetic body or a corresponding probe in addition to freely definable field directions.
  • an X-ray device with an X-ray tube can be provided whose radiation passes through the free space between the windings of the individual coils.
  • the position or movement of the magnet body be ⁇ can then be ob project.
  • the individual coils can be wound from aluminum or copper tape and possibly liquid cooled ⁇ to. Copper conductors with a rectangular cross-section are particularly advantageous in view of high electrical conductivity and a high degree of conductor filling.
  • the individual coils can also be made of metal hollow profiles, through the interior of which a cooling medium is optionally passed. - In particular, the individual coils of superconducting
  • Ladders preferably with high-T c -Supraleitermaterial, he ⁇ provides his and be cooled accordingly.
  • other individual coils can be used, for example for homogenizing the magnetic field.
  • the magnetic coil system may also be associated with magnetic material.
  • it may be at least partially enclosed by parts of such material.
  • soft magnetic parts in particular a Feldver- strengthening in the working space A and / or a stray field shield can be achieved to the outside.
  • the conductor cross-sections of the inner eight Sattelspu ⁇ can len 6a to 6d and 7a to 7d on the outer surface MF2, the outer saddle coils 4a through 4d and the two end-face annular coils 3a and 3b (in size and aspect ratio ratio of width [in the circumferential direction] to height be different [in ra ⁇ dialer direction]).
  • the winding cross section is made up of the sum of the cross sections of the conductor (turns) forming it or of a winding strand of a coil.
  • corresponding cross-sectional ratios are indicated.
  • the aspect ratio for an outer saddle coil (eg 4d) is "1.4 and an inner saddle coil (eg 6d)" is 0.8.
  • the second gradient can then be formed by a linear combination of the other two gradients, wherein the ratio of the coil currents is fixed and independent of the current value.

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Abstract

Mit dem Magnetspulensystem (2) aus vierzehn einzeln ansteuerbaren Einzelspulen (3a, 3b; 4a bis 4d; 6a bis 6d) ist ein magnetischer Körper berührungsfrei in einem Arbeitsraum (A) zu bewegen. Hierzu sind mit dem Spulensystem drei Magnetfeldkomponenten sowie fünf Magnetfeldgradienten zu erzeugen. Bis auf zwei stirnseitige Einzelspulen (3a, 3b) sind die übrigen, insbesondere sattelförmigen Einzelspulen (4a bis 4d; 6a bis 6d) des Spulensystems (2) auf rohrförmigen, den Arbeitsraum (A) umschließenden Mantelflächen (MF1, MF2) angeordnet.

Description

Beschreibung
Spulensystem zur berührungsfreien magnetischen Navigation eines magnetischen Körpers in einem Arbeitsraum
Die Erfindung bezieht sich auf ein Spulensystem mit mehreren einzeln ansteuerbaren Einzelspulen zu einer berührungsfreien magnetischen Navigation eines magnetischen Körpers in einem drei-dimensionalen, in z-Richtung eines zugeordneten recht- winkligen x, y, z-Koordinatensystems zugänglichen Arbeitsraum. Ein derartiges Spulensystem 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 da- mit die Blickrichtung durch Steuerdrähte schwenkbar sein kann. Durch einen Arbeitskanal im Katheter lassen sich zusätzliche Einrichtungen insbesondere zur Biopsie ausbilden. Die hierbei verwendeten Sonden sind jedoch insbesondere an Verzweigungen, die sich an von einer Körperöffnung weiter entfernten Stellen befinden, nur beschränkt navigierbar. Deshalb könnte eine berührungslose Kraftausübung von außen eine Erweiterung des Anwendungsbereichs mit sich bringen.
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 Feldrichtungen und Feldgradienten zu erzeugen, um einen Katheter mit magnetischem Material oder magnetische Implantate zu Thera- piezwecken 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 er- reichen.
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 Arbeits- räum wie z.B. einem menschlichen Körper auszunutzen. Ein entsprechendes Gerät ist der WO 00/13586 A zu entnehmen. Hierzu enthält das Gerät einen entsprechenden Feldgenerator zum Erzeugen von MRI-Gradientenfeidern, 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 Elek¬ tronik weitergeleitet. Eine berührungsfreie, magnetisch steu¬ erbare Bewegung des Objektes ist dabei jedoch nicht möglich.
In der US 6 241 671 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 magneti- sehen Sonde erzeugen können.
Ferner sind auch Magnetspulensysteme mit drehbaren Permanent¬ magneten zur Steuerung von magnetischen Kathetern insbesondere unter einer Röntgenkontrolle bekannt.
Über Verfahren zu einer Lagestabilisierung von magnetischen Sondenkörpern 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 Al 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 Cl 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 Posi- tionsrückmeldung durch einen Transponder erwähnt. Einzelheiten zur Realisierung des entsprechenden Magnetspulensystems und zum Betrieb seiner Einzelspulen gehen aus der Schrift nicht hervor.
Mit der nicht-vorveröffentlichten DE-Patentanmeldung
103 40 925.4 vom 05.09.2003 ist ein Magnetspulensystem zu einer berührungsfreien Navigation bzw. Bewegung eines (ferro) magnetischen Körpers wie z.B. eines Stabmagneten in einem Arbeitsraum vorgeschlagen. Mit diesem Magnetsystem ist der Körper in dem Arbeitsraum auszurichten und/oder ist auf den Körper eine Kraft auszuüben. Die Ausrichtung sowie die Größe und Richtung der Kraft auf den Körper sind dabei magnetisch und ohne mechanische Verbindung von außen vorgebbar. Hierzu wird von einem drei-dimensionalen Arbeitsraum ausgegangen, der von in einem rechtwinkligen x, y, z-Koordinatensystem aufgespannten Flächen umgeben ist. Das Spulensystem weist vierzehn einzeln ansteuerbare Einzelspulen auf, die zur Erzeugung der drei Magnetfeldkomponenten Bx, By und B2, sowie von fünf Magnetfeldgradienten aus der bezüglich ihrer Diagonalen D symmetrischen Gradientenmatrix D
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ausgebildet sind, wobei mit den Einzelspulen zwei der drei Diagonalelemente der Gradientenmatrix und je eines der Außen- diagonalelemente aus den drei zur Diagonalen symmetrischen Gradientenelementpaaren der Gradientenmatrix zu erzeugen sind.
Bei dem vorgeschlagenen, 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 - von den möglichen sechs Feldgradienten dBx/dy, dBy/dx, dBy/dz, dBz/dx, dBx/dy und dBz/dz nur drei unabhängige Gradienten erzeugt werden müssen und von den drei Feldgradienten dBx/dx, dBy/dy und dBz/dz nur zwei. Dabei müs- sen 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 Cl, mittels Magnetfeldern in einem Arbeitsraum ermöglicht .
Für das vorgeschlagene Magnetsystem können zusätzlich noch die folgenden Gestaltungsmerkmale einzeln oder in Kombination miteinander vorgesehen werden:
• 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 nicht unbedingt eben ausgebildet zu sein.
• Es können dabei mindestens sechs der Einzelspulen auf den paarweise gegenüberliegenden stirnseitigen Flächen bzw. seitlichen Flächen des Arbeitsraums liegen und zur Erzeugung der drei Magnetfeldkomponenten Bx, By, B2, sowie der zwei Diagonal- elemente der Gradientenmatrix dienen. Zugleich können mindestens vier der Einzelspulen auf der wenigstens einen rohrför- migen, den Arbeitsraum umschließenden Mantelfläche in Um- fangsrichtung gesehen verteilt angeordnet sein und zur Erzeu¬ gung von mindestens einem Außerdiagonalelement der Gradien- tenmatrix dienen. Zusammen mit den übrigen Einzelspulen lassen sich so die erforderlichen drei Außerdiagonalelemente ausbilden .
• Hierfür 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 Ein- zelspulen auf der Mantelfläche in Umfangsrichtung gesehen verteilt angeordnet sind und zur Erzeugung der drei Außerdia- gonalelementen der Gradientenmatrix dienen.
• Stattdessen lässt sich bei dem vorgeschlagenen Spulensys- tem auch vorsehen, dass auf den stirnseitigen Flächen des Arbeitsraums ein Spu¬ lenpaar von Einzelspulen liegt und zur Erzeugung der Magnetfeldkomponente B2, sowie des Diagonalelementes dBz/dz der Gra¬ dientenmatrix 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 Bx bzw. By dient, dass auf der auf 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 .
• Die wenigstens eine Mantelfläche kann sich dabei inner¬ halb des von den sechs paarweise gegenüber liegenden Flächen aufgespannten Innenraums befinden.
• Bei den vorstehend wiedergegebenen Ausführungsformen können die auf der (gedachten) Mantelfläche liegenden Feldgra¬ dientenspulen sattelförmig gestaltet sein. Dabei ist es mög- lieh, 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.
• Darüber hinaus können zumindest einige der Feldkomponen- tenspulen als ebene Rechteckspulen oder Kreisspulen gestaltet sein .
• Spulenpaare und/oder Spulenanordnungen können jeweils aus Einzelspulen mit gleicher Form gebildet sind.
• Zur Erzeugung der Magnetfeldkomponenten können die Spulenpaare aus Einzelspulen orthogonal zueinander angeordnet sind.
• Auch lassen sich Teile aus weichmagnetischem Material an der Außenseite des Spulensystems zur Feldverstärkung und/ oder Feldabschirmung zuordnen.
• Ferner können Mittel zur Detektion der Position des mag- netischen Körpers innerhalb des Arbeitsraums vorgesehen sein.
• Zur Ansteuerung der vierzehn Einzelspulen des Magnetspulensystems wird im Allgemeinen ein Computer eingesetzt, indem er ihre jeweils zugeordnete Stromversorgung in Abhängigkeit von der jeweiligen Position des zu bewegenden Magnetkörpers ansteuert .
Bei dem vorgeschlagenen Magnetspulensystem wird also ein aus acht Sattelspulen bestehender Kreiszylinder von einem aus sechs Helmholtzspulen bestehenden Quader umschlossen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, dieses Magnetspulensystem dahingehend zu verbessern, dass der Leistungsbedarf zum Betrieb des Systems verringert wird.
Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Demgemäß weist das Magnetspulensystem zu einer berührungsfreien magnetischen Navigation eines magnetischen Körpers in einem drei-dimensionalen, in z-Richtung eines einem rechtwinkligen x, y, z-Koordinatensystems zugänglichen Arbeitsraum vierzehn einzeln ansteuerbare Einzelspulen auf, die zur Erzeugung der drei Magnetfeldkomponenten Bx, By und B2, sowie von fünf Magnetfeldgradienten aus der bezüglich ihrer Diagonalen D symmetrischen und spurfreien Gradientenmatrix GM
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ausgebildet sind. Dabei lassen sich mit den Einzelspulen zwei der drei Diagonalelemente der Gradientenmatrix GM und je eines der Außerdiagonalelemente aus den drei zur Diagonalen symmetrischen Gradientenelementpaaren der Gradientenmatrix GM erzeugen. Zur Erzeugung der drei Magnetfeldkomponenten Bx, By, Bz sowie der zwei Diagonalelemente der Gradientenmatrix GM sollen mindestens sechs der Einzelspulen vorgesehen sein, von denen mindestens zwei auf stirnseitigen Flächen des Spulensystems und die restlichen Einzelspulen des Spulensystems auf wenigstens einer ersten, rohrförmigen, sich in z-Richtung erstreckenden, den Arbeitsraum umschließenden Mantelfläche liegen.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass mit einer modifizierten Geometrie der Helmholtzspulen des vorgeschlagenen Magnetspulensystems ein vergleichsweise geringerer Leistungsbedarf zu erreichen ist. Dies spart Betriebskosten und Herstellungskosten des Gesamtsystems, weil die erforder¬ lichen Leistungsverstärker, mit denen die Spulenströme der einzelnen Spulen gesteuert werden, sowie das Kühlsystem auf eine geringere maximale Leistung hin ausgelegt werden können.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Magnetspu- lensystems gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Unteransprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform des Magnetspulensystems nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch denen aus mehreren Unter¬ ansprüchen kombiniert werden.
Insbesondere kann das Magnetspulensystem nach der Erfindung zusätzlich noch folgende Merkmale aufweisen bzw. folgenderma¬ ßen ausgestaltet sein:
- So können bei dem Spulensystem mindestens vier der Einzelspulen auf wenigstens einer weiteren, rohrförmigen, den Arbeitsraum umschließenden Mantelfläche in Umfangsrichtung gesehen verteilt liegen.
- Dabei können bevorzugt sechs der Einzelspulen paarweise auf den gegenüber liegenden stirnseitigen Flächen bzw. der mindestens einen ersten Mantelfläche liegen und acht der Ein¬ zelspulen zwei Spulenanordnungen bilden, die in z-Richtung gesehen hintereinander auf der wenigstens einen weiteren Mantelfläche liegen und deren jeweils vier Einzelspulen auf der weiteren Mantelfläche in Umfangsrichtung gesehen verteilt angeordnet sind.
- Prinzipiell kann sich bei dem Spulensystem die wenigstens eine weitere Mantelfläche innerhalb der wenigstens einen ersten Mantelfläche befinden. Dabei ist auch möglich, dass die einzelnen Mantelflächen jeweils von einer konzentrischen Anordnung mehrerer Mantelflächen gebildet werden. Dabei kann außerdem zwischen den auf der ersten Mantelfläche liegenden Einzelspulen und den auf der weiteren Mantelfläche liegenden Einzelspulen ein radialer Abstand eingehalten sein. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, dass die umhüllende Außenfläche der inneren Einzelspulen direkt die erste Mantelfläche für die äußeren Einzelspulen bildet, als kein radialer Abstand vorhanden ist.
- Bevorzugt sind die auf der wenigstens einen ersten Mantel¬ fläche liegenden Feldkomponentenspulen und/oder die auf der wenigstens einen weiteren Mantelfläche liegenden Feldgra¬ dientenspulen sattelförmig gestaltet sind. Die sattelförmigen Feldkomponentenspulen können dabei insbesondere in Um- fangsrichtung gesehen um wenigstens annähernd 45° gedreht gegenüber den sattelförmigen Feldgradientenspulen angeordnet sein.
- Außerdem können vorteilhaft die stirnseitigen Bogenteile von in Umfangsrichtung gesehen benachbarten sattelförmigen
Spulen nebeneinander liegen oder sich überlappen.
- Die stirnseitigen Feldkomponentenspulen können als ebene Ringspulen gestaltet sein, die bevorzugt auf der weiteren Mantelfläche der Feldgradientenspulen liegen können.
- Dabei ist es im Hinblick auf eine Begrenzung des Leistungs¬ bedarfs des Spulensystems besonders vorteilhaft, wenn die Länge der Spulenanordnung aus den sattelförmigen Feldkompo- nentenspulen in z-Richtung kleiner, vorzugsweise um 10 bis 25 % kleiner ist als die entsprechende Länge der Spulenan¬ ordnung aus den Ringspulen und den Feldgradientenspulen.
- Vorteilhaft können Spulenpaare und/oder Spulenanordnungen jeweils aus Einzelspulen mit gleicher Form gebildet werden.
- Stattdessen ist es prinzipiell auch möglich, dass Spulenpaare und/oder Spulenanordnungen jeweils aus Einzelspulen mit unterschiedlichem Spulenquerschnitt gebildet werden. D.h., die Einzelspulen innerhalb eines Spulenpaares brau¬ chen nicht unbedingt gleiche Durchmesser aufzuweisen. - Zur Erzeugung der Magnetfeldkomponenten werden im Allgemeinen orthogonal zueinander angeordnete Spulenpaare aus Ein¬ zelspulen vorgesehen.
- Besonders vorteilhaft ist es im Hinblick auf eine Optimie¬ rung des Leistungsbedarfs, wenn Einzelspulen mit unterschiedlichem Wicklungsquerschnitt und/oder Querschnitt ih¬ rer Leiter verwendet werden. So können insbesondere die Einzelspulen auf verschiedenen Mantelflächen verschiedene Wicklungsquerschnitte besitzen. Ein Wicklungsquerschnitt ist dabei der im Allgemeinen von mehreren Leitern gebildete Wicklungsstrang. Vorteilhaft lassen sich auch Leiter mit unterschiedlichem Aspektverhältnis (Verhältnis von Breit¬ seite zu Schmalseite) verwenden.
- Für das erfindungsgemäße Spulensystem können an sich beliebige elektrische Leiter zum Einsatz kommen. Selbstverständ¬ lich ist auch eine Verwendung von zu kühlenden Leitern wie z.B. von metallischen Low-Tc- oder oxidischen High-Tc- Supraleitern möglich. Deshalb kann eine Kühlung zumindest einzelner der Einzelspulen erforderlich werden.
- Zu einer Feldverstärkung und/oder Feldabschirmung können zusätzlich Teile aus weichmagnetischem Material an der Au- ßenseite des Spulensystems vorgesehen werden.
- Bevorzugt ist das Spulensystem noch mit Mitteln zu einer Detektion der Position des magnetischen Körpers innerhalb des Arbeitsraums ausgestattet.
- Im Allgemeinen werden die Einzelspulen des Spulensystems in an sich bekannter Weise mit Hilfe eines Computers angesteu¬ ert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung noch wei¬ ter erläutert, in der eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetspulensystems veranschaulicht ist. Dabei zeigen jeweils schematisch deren Figur 1 diese Ausführungsform in Schrägansicht, und - deren Figur 2 einen Querschnitt durch das Magnetspulensys¬ tem.
Dabei sind in den Figuren sich entsprechende Teile mit den¬ selben Bezugszeichen versehen.
Mit einem Magnetspulensystem nach der Erfindung lässt sich ein magnetischer Probekörper berührungslos in einem Arbeitsvolumen bewegen. Dabei sind die Größe und die Richtung der Kraft und des Drehmomentes auf diesen Probekörper magnetisch und ohne mechanische Verbindung von außen vorgebbar. Insbe- sondere 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 Videobil¬ der aus dem Körperinneren wie z.B. dem Verdauungstrakt sen- det . 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 wie beispielsweise von Behältern 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.
Als ein Ausführungsbeispiel eines solchen ferromagnetischen Körpers sei nachfolgend eine Sonde angenommen, der ferromag- netisches Material zugeordnet ist oder die Teile aus einem solchen Material enthält. Der ferromagnetische Körper der
Sonde kann deshalb auch als „Magnetkörper" oder „Magnetsonde" bezeichnet werden. Mit Hilfe des Magnetspulensystems kann so der Magnetkörper und damit die Sonde in allen drei lateralen Freiheitsgraden und in Blickrichtung in den zwei rotatorischen Freiheitsgra- den 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 Figuren zeigen ein typisches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Magnetspulensystems, mit dem eine entspre¬ chende Navigation bzw. räumliche Ansteuerung und/oder Bewegung eines Magnetkörpers unter Krafteinwirkung auf diesen durch Ausbildung entsprechender Magnetfelder ermöglicht wird. Dabei ist die Wirkungsweise des Spulensystems analog zu dem des Magnetspulensystems, wie es in der genannten früheren DE- Patentanmeldung beschrieben ist. Bei dem dort erläuterten Spulensystem wird bevorzugt ein aus acht Sattelspulen gebildeter Kreiszylinder von einem aus sechs Helmholtzspulen ge- bildeten Quader umschlossen. Bei dem erfindungsgemäßen Magnetspulensystem werden zwar ebenfalls entsprechende acht Sat¬ telspulen vorgesehen; jedoch werden diese von vier weiteren Sattelspulen umschlossen, die die vier seitlichen Helmholtzspulen der quaderförmigen Anordnung des früheren Systems er- setzen. Statt der beiden restlichen, stirnseitigen Helmholtzspulen mit quadratischer Gestalt werden nunmehr an den Stirnseiten kreisförmige Einzelspulen vorgesehen. Ein entsprechend ausgeführtes Magnetspulensystem ist in den Figuren allgemein mit 2 bezeichnet. In den Figuren nicht näher dargestellte Teile entsprechen denen des Magnetspulensystem aus der genannten DE-Patentanmeldung .
Unter Zugrundelegung eines konkreten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Magnetspulensystems 2 mit in den Fi- guren dargestellter Gestalt lässt sich erreichen, dass gegenüber der Ausführungsform eines Magnetsystems gemäß der ge¬ nannten DE-Patentanmeldung mit quaderförmiger Anordnung sei- ner rechteckigen Feldkomponentenspulen mit der erfindungsgemäßen Ausbildung der Feldkomponentenspulen bei gleichem Kupferanteil der Leiter eine etwa 20%ige Reduktion des elektri¬ schen Leistungsbedarfs gegeben ist.
Das erfindungsgemäß ausgeführte Magnetspulensystem 2 hat ins¬ besondere eine wenigstens annähernd hohlzylinderförmige Ges¬ talt. Seine Einzelspulen liegen dabei zumindest großenteils auf wenigstens zwei sich konzentrisch umschließenden Zylin- dermantelflachen, von denen eine erste mit MFl bezeichnet ist und eine zweite Fläche MF2 umgibt (vgl. insbesondere Figur 2). Der Hohlzylindergestalt sei ein rechtwinkliges x,y,z- Koordinatensystem zugeordnet, dessen z-Richtung durch die mit Za bezeichnete Zylinderachse festgelegt ist. Orthogonal zur z-Richtung liegende, eine Spulenanordnung in z-Richtung begrenzende Flächen seien dabei als stirnseitige Flächen be¬ zeichnet. Die innere, zweite Mantelfläche MF2 umschließt einen mit A bezeichneten, drei-dimensional ausgeprägten Innen- oder Arbeitsraum, der in Richtung der Zylinderachse Za von zumindest einer der Stirnseiten her zugänglich ist. Im Allgemeinen handelt es sich bei den erwähnten Mantelflächen um gedachte Flächen. Selbstverständlich sind aber die sich auf ihnen erstreckenden Einzelspulen des Magnetspulensystems 2 von konkreten, in den Figuren nicht dargestellten Fixie- rungsmitteln gehalten.
Das Magnetspulensystem 2 umfasst erfindungsgemäß vierzehn normalleitende oder supraleitende Einzelspulen, die vorzugs¬ weise als Ring- bzw. Sattelspulen ausgebildet sind. Dabei sind in der Figur die Wickelformen nur schematisch dargestellt; es können auch Einzelspulen mit davon leicht abweichenden Spulenformen gewählt werden. Das Spulensystem des gewählten Ausführungsbeispiels setzt sich dabei aus sechs Feld¬ komponentenspulen 3a, 3b, 4a, 4b und 4c, 4d sowie acht FeId- gradientenspulen 6a bis 6d und 7a bis 7d zusammen. Mit den paarweise gegenüberliegenden Feldkomponentenspulen 3a, 3b bzw. 4a, 4b bzw. 4c, 4d sind die Feldkomponenten Bx, By, B2, sowie mindestens zwei der drei diagonalen Magnetfeldgradienten dBx/dx, dBy/dy und dBz/dz aus der nachstehend wiedergege¬ benen Gradientenmatrix GM zu erzeugen. Diese Gradientenmatrix hat folgendes Aussehen:
D
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\
Dabei sei eine die Elemente dBx/dx, dBy/dy und dBz/dz verbin¬ dende Linie als eine Diagonale D der Gradientenmatrix GM an¬ gesehen. Die Gradientenmatrix GM ist symmetrisch bezüglich dieser Diagonalen D bzw. der auf ihr liegenden, vorerwähnten Magnetfeldgradienten aufgebaut. Dabei ist die Summe der Dia¬ gonalelemente gleich null, d.h., die Gradientenmatrix GM ist spurfrei. Die die einzelnen Feldkomponenten erzeugenden Spulenpaare mit in ihnen zu wählenden Stromführungsrichtungen sind in der genannten DE-Patentanmeldung angegeben. Vorzugsweise sind Paare der Feldkomponentenspulen untereinander orthogonal angeordnet. Im Allgemeinen haben sie zumindest paar¬ weise gleiche Form.
Mit den acht 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, zweiten Mantelfläche MF2 gemeinsam angeordnet sind. In Umfangsrichtung gesehen sind die zu einer Spulenanordnung gehörenden Gradientenspulen gegenseitig be- abstandet oder aneinander liegend; d.h. zwischen ihren stirnseitigen Bogenteilen und somit zwischen ihren in z-Richtung verlaufenden Längsseiten kann jeweils ein wenn auch nur geringfügiger Zwischenraum vorhanden sein. Es ist auch eine Überlappung benachbarter Gradientenspulen an ihren Längsseiten möglich. Die gedachte zweite Mantelfläche MF2 hat vor¬ zugsweise einen kreisförmigen Querschnitt. Sie kann gegebe¬ nenfalls aber auch eine andere, z.B. quadratische Quer¬ schnittsform haben. Es sind statt einer einzigen Mantelfläche MF2 auch konzentrischen Mantelflächen möglich, auf denen sich die Einzelspulen aus einer oder aus beiden Spulenanordnungen befinden. Die mindestens eine Mantelfläche MF2 braucht auch nicht unbedingt innerhalb des von den Feldkomponentenspulen 3a, 3b, 4a, 4b, 4c, 4d umschlossenen Raums zu 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.
Insbesondere aus Figur 2 ist ersichtlich, dass die beiden Mantelflächen MFl und MF2 so weit radial beabstandet sind, dass zwischen der umhüllenden hohlzylindrischen Außenfläche um die inneren Einzelspulen 6a bis 6d und der äußeren Mantelfläche MFl für die Einzelspulen 4a bis 4d ein gewisser radia- ler Abstand vorhanden ist. Ein solcher Abstand ist nicht un¬ bedingt erforderlich. Vielmehr kann die äußere Mantelfläche MFl auch die umhüllende Außenfläche der inneren Einzelspulen bilden .
Wie aus Figur 1 deutlich hervorgeht, wird im Hinblick auf eine Verringerung des Leistungsbedarfs des Magnetspulensys¬ tems 2 bzw. seiner vierzehn Einzelspulen vorteilhaft eine Ausführungsform gewählt, bei der die äußeren vier Sattelspulen 4a bis 4d eine deutlich kürzere, vorzugsweise um mindes- tens 10 %, insbesondere um 25 % kürzere axiale Ausdehnung bzw. Länge Ll haben als der von den Ringspulen 3a, 3b sowie den acht inneren Sattelspulen 6a bis 6d und 7a bis 7d gebil- dete Kreiszylinder mit einer axialen Länge L2. Dabei wird also vorteilhaft für die stirnseitigen Ringspulen 3a und 3b ein solcher Innenradius gewählt, dass sie mit den Feldgradienten¬ spulen 6a bis 6d und 7a bis 7d gemeinsam auf der Mantelfläche MF2 liegen. Außerdem ist es von Vorteil, wenn die Anordnung der äußeren sattelförmigen Feldkomponentenspulen 4a bis 4d bezüglich der von ihnen umgebenen Feldgradientenspulen 6a bis 6d und 7a bis 7d so gewählt wird, dass sie in Umfangsrichtung gesehen um zumindest annähernd um 45° versetzt/gedreht sind, d.h. ihre jeweiligen Längsseiten nicht übereinander zu liegen kommen. Insbesondere aus dem Querschnitt der Figur 2 ist die¬ se Anordnung ersichtlich. Der Schnitt der Figur ist dabei in den Bereich der Stirnseiten der Feldgradientenspulen 6a bis 6d gelegt .
Mit den Feldgradientenspulen 6a bis 6d und 7a bis 7d sind beispielsweise Magnetfeldgradienten dBx/dy, dBz/dx und dBz/dy bei Wahl geeigneter Stromführungsrichtungen auszubilden. Diese drei Feldgradienten stellen jeweils ein außerdiagonales Element der vorstehenden Gradientenmatrix GM dar. Dabei stammen diese Elemente jeweils aus einem anderen, bzgl. der Dia¬ gonalen 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 dBy/dx bzw. dBx/dz bzw. dBy/dz . Da nur fünf Gradientenfreiheitsgrade zu berücksichtigen sind, bedarf es außerdem keines besonderen Strommusters für den dBz/dz-Feldgradienten . Alternativ kann aber der dBz/dz-Feldgradient erzeugt werden und dafür einer der Gradienten dBx/dx oder dBy/dy weggelassen werden. D.h., es müssen nur zwei der drei auf der Diagonalen D der Gradientenmatrix liegenden Gradienten erzeugt werden.
Dabei ist mit dem Paar aus den Einzelspulen 3a, 3b je nach Stromflussrichtung die Magnetfeldkomponente Bz bzw. der Feld¬ gradient dBz/dz zu erzeugen. In entsprechender Weise ist mit dem Paar aus den Einzelspulen 4c, 4d die Feldkomponente By bzw. der Feldgradient dBy/dy auszubilden. Das Spulenpaar aus den Einzelspulen 4a und 4b erzeugt die Feldkomponente Bx. Mit den beiden Spulenanordnungen 6 und 7 aus den jeweils vier Gradientenspulen 6a bis 6d bzw. 7a bis 7d sind je nach Strom- führungsrichtung in den Einzelspulen die Feldgradienten dBz/dx bzw. dBz/dy bzw. dBx/dy zu erzeugen.
Wird nun ein lang gestreckter 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 magneti- sehen Moments des Magnetkörpers ist. Durch eine gezielte An¬ steuerung 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 ge- dreht, sondern auch linear bewegt bzw. verschoben werden kann .
Jedes Strommuster erzeugt in dem erfindungsgemäßen Magnetspulensystem neben der jeweils gewünschten auch andere Feldkom- ponenten. 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 ge¬ geben .
Durch ein geeignetes Überlagern der acht Strommuster in den vierzehn Einzelspulen sind jedoch an einem Magnetkörperort (Sondenort) gerade jene Felder und Feldgradienten einzustel¬ len, 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 diesbezüg¬ liche Berechnung erfolgt vorteilhaft mit einem Computer, der insbesondere die folgenden Rechenschritte durchführt und ge¬ gebenenfalls während einer Bewegung des Magnetkörpers laufend wiederholt :
Berechnung der Sollwerte der drei Feldkomponenten Bx, By, B2, am Magnetkörperort aus einer vorgegebenen Magnetkörper- richtung in Polarkoordinaten θ und φ im Arbeitsraum und dem Betrag | B | ;
Berechnung der Sollwerte der fünf unabhängigen Feldgradienten dBx/dx, dBy/dy, dBx/dy, dBz/dx und dBz/dy aus einer vorgegebenen Magnetkraft auf den Magnetkörper; es kann auch der Gradient dBz/dz vorgegeben werden und dafür einer der anderen auf der Diagonalen der Gradientenmatrix liegenden Gradienten dBx/dx oder dBy/dy zu Null gemacht wer¬ den. Denkbar sind auch Überlagerungen des Gradienten dBz/dz mit einen der anderen diagonalen Gradienten dBx/dx oder dBy/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 (Bx, By, Bz, dBx/dx, dBy/dy, dBx/dy, dBz/dx, dBz/dy) ergibt die Stromwerte für die acht Strom¬ muster; - Aufteilung der Strommuster auf die vierzehn Einzelspulenströme nach jeweiliger positiver oder negativer Stromrich- tung aus gespeicherter Tabelle und lineare Überlagerung der Ströme in den Einzelspulen;
Ansteuerung der vierzehn Netzteile für die Einzelspulen; Überwachung der Verlustleistungsgrenzen in den Einzelspu- len.
Eine entsprechende Vorrichtung zur Ansteuerung der vierzehn Einzelspulen wirkt vorteilhaft mit einer bildgebenden Einrichtung zur Kontrolle der Magnetkörper- bzw. Sondenposition zusammen. Hierzu kommt ein Computer zum Einsatz, mit dem die erforderlichen vierzehn Netzteile für die vierzehn Einzelspulen das Magnetspulensystem 2 zu erregen sind. Mit Hilfe der vierzehn Einzelspulen sind so auf einen Magnetkörper bzw. eine entsprechende Sonde neben frei vorgebbarer Feldrichtung auch uneingeschränkt Magnetkräfte in allen drei Raumrichtun¬ gen auszuüben. Selbstverständlich können noch weitere Gerätschaften zugeordnet sein. So kann z. B. ein Röntgengerät mit einer Röntgenröhre vorgesehen werden, deren Strahlung den freien Raum zwischen den Wicklungen der Einzelspulen durch- strahlt. Auf einem Bildschirm außerhalb des Magnetspulensys¬ tems kann dann die Lage bzw. Bewegung des Magnetkörpers be¬ obachtet werden.
Zu einer konkreten Ausgestaltung des Magnetspulensystems ge- maß den Darstellungen der Figuren lassen sich folgende Maßnahmen vorsehen:
Die Einzelspulen können aus Aluminium- oder Kupferband gewickelt sein und gegebenenfalls flüssigkeitsgekühlt wer¬ den. Kupferleiter mit recheckigem Querschnitt sind im Hin- blick auf eine hohe elektrische Leitfähigkeit und einen hohen Leiterfüllgrad besonders vorteilhaft.
Die Einzelspulen können auch aus Metallhohlprofilen gefertigt sein, durch deren Innenraum gegebenenfalls ein Kühlmedium geleitet wird. - Insbesondere können die Einzelspulen aus supraleitenden
Leitern, vorzugsweise mit Hoch-Tc-Supraleitermaterial, er¬ stellt sein und entsprechend gekühlt werden. Selbstverständlich sind auch weitere Einzelspulen einsetzbar, z.B. zur Homogenisierung des Magnetfeldes. Dem Magnetspulensystem kann außerdem magnetisches Material zugeordnet sein. Z.B. kann es zumindest teilweise von Tei- len aus solchem Material umschlossen sein. So kann man magnetische Rückschlusskörper aus weichmagnetischem Material wie Eisen vorsehen, die die Gradientenspulen des Systems 2 von den Außenseiten her umschließen. Mit solchen weichmagnetischen Teilen ist insbesondere eine Feldver- Stärkung im Arbeitsraum A und/oder eine Streufeldabschirmung nach außen zu erreichen.
Gegebenenfalls sind für die Einzelspulen eines Spulenpaa¬ res zur Erzeugung der Magnetfeldkomponenten oder einer Spulenanordnung zur Erzeugung der Feldgradienten unter- schiedliche Leiterquerschnitte wählbar. Dementsprechend können die Leiterquerschnitte der inneren acht Sattelspu¬ len 6a bis 6d und 7a bis 7d auf der Mantelfläche MF2, der äußeren Sattelspulen 4a bis 4d und der beiden stirnseitigen Ringspulen 3a und 3b in Größe und Aspektverhältnis (Verhältnis von Breite [in Umfangsrichtung] zu Höhe [in ra¬ dialer Richtung]), verschieden sein. Dabei ist es besonders vorteilhaft, die acht inneren Sattelspulen 6a bis 6d und 7a bis 7d und die beiden Ringspulen 3a und 3b im Quer¬ schnitt ihrer Wicklung höher als breit zu machen, wohinge- gen für die vier äußeren Sattelspulen 4a bis 4d ein Querschnitt mit größerer Breite als Höhe vorgesehen wird. Der Wicklungsquerschnitt setzt sich dabei aus der Summe der Querschnitte der ihn bildenden Leiter (Windungen) bzw. eines Wicklungsstrangs einer Spule zusammen. In Figur 2 sind entsprechende Querschnittsverhältnisse angedeutet. Beispielsweise beträgt das Aspektverhältnis bei einer äußeren Sattelspule (z.B. 4d) « 1,4 und einer inneren Sattelspule (z.B. 6d) « 0,8.
Bei dem anhand der vorstehenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems 2 wurde davon ausgegangen, dass mit den paarweise gegenüberlie- genden Feldkomponentenspulen neben den Feldkomponenten Bx, By und B2, auch zwei der drei diagonalen Feldgradienten gemäß der vorstehenden Gradientenmatrix GM zu erzeugen sind. Es ist jedoch auch möglich, mit Feldkomponentenspulen auch außerdiago- nale Feldgradienten hervorzurufen. Hierzu ist es erforderlich, dass mindestens eine, insbesondere zwei der drei Feld¬ komponentenspulen durch Spulenpaare aus Einzelspulen gebildet werden .
Bei einem erfindungsgemäßen Magnetspulensystem 2 brauchen auch nicht alle drei diagonalen Gradientenelemente erzeugt zu werden. Da nämlich nur zwei dieser Elemente erforderlich sind, kann auf eines der entsprechenden Strommuster des dritten Elements verzichtet werden. Dabei ist es unerheblich, welches Strommuster für welches Element weggelassen wird.
Daneben ist es auch möglich, nur einen Gradienten 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 für die Ausführungsform des Magnetspulensystems 2 nach der Figur .

Claims

Patentansprüche
1. Spulensystem (2) zu einer berührungsfreien magnetischen Navigation eines magnetischen Körpers in einem drei-dimen- sionalen, in z-Richtung eines zugeordneten rechtwinkligen x, y, z-Koordinatensystems zugänglichen Arbeitsraum (A), wel¬ ches Spulensystem vierzehn einzeln ansteuerbare Einzelspulen (3a, 3b; 4a bis 4d; 6a bis 6d; 7a bis 7d) aufweist, die zur Erzeugung von drei Magnetfeldkomponenten Bx, By und B2, sowie von fünf Magnetfeldgradienten aus der bezüglich ihrer Diagonalen (D) symmetrischen und spurfreien Gradientenmatrix
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ausgebildet sind,
• wobei mit den Einzelspulen zwei der drei Diagonalelemente der Gradientenmatrix GM und je eines der Außerdiagonalele- mente aus den drei zur Diagonalen (D) symmetrischen Gra- dientenelementpaaren der Gradientenmatrix GM zu erzeugen sind
• und wobei mindestens sechs der Einzelspulen (3a, 3b, 4a bis 4d) vorgesehen sind, von denen mindestens zwei (3a, 3b) auf stirnseitigen Flächen des Spulensystems (2) und die restli¬ chen Einzelspulen (4a bis 4d; 6a bis 6d; 7a bis 7d) des Spulensystems (2) auf wenigstens einer ersten, rohrförmi- gen, sich in z-Richtung erstreckenden, den Arbeitsraum (A) umschließenden Mantelfläche (MFl) liegen.
2. Spulensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens vier der Einzelspulen (6a bis 6d; 7a bis 7d) auf wenigstens einer weiteren, rohrförmigen, den Arbeitsraum (A) umschließenden Mantelfläche (MF2) in Umfangsrichtung gesehen verteilt liegen.
3. Spulensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass - sechs der Einzelspulen (3a, 3b; 4a bis 4d) paarweise auf den gegenüber liegenden stirnseitigen Flächen bzw. der mindestens einen ersten Mantelfläche (MFl) liegen und acht der Einzelspulen (6a bis 6d; 7a bis 7d) zwei Spulen- anordnungen (6, 7) bilden, die in z-Richtung gesehen hintereinander auf der wenigstens einen weiteren Mantelfläche (MF2) liegen und deren jeweils vier Einzelspulen (6a bis 6d oder 7a bis 7d) auf der weiteren Mantelfläche (MF2) in Umfangsrichtung gesehen verteilt angeordnet sind.
4. Spulensystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die wenigstens eine weitere Mantelfläche (MF2) innerhalb der wenigstens einen ersten Mantelfläche (MFl) be¬ findet .
5. Spulensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den auf der ersten Mantelfläche
(MFl) liegenden Einzelspulen und den auf der weiteren Mantelfläche (MF2) liegenden Einzelspulen ein radialer Abstand ein- gehalten ist.
6. Spulensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der wenigstens einen ersten Man¬ telfläche (MFl) liegenden Feldkomponentenspulen (4a bis 4d) und/oder die auf der wenigstens einen weiteren Mantelfläche (MF2) liegenden Feldgradientenspulen (6a bis 6d; 7a bis 7d) sattelförmig gestaltet sind.
7. Spulensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die sattelförmigen Feldkomponentenspulen (4a bis 4d) in Um- fangsrichtung gesehen um wenigstens annähernd 45° gedreht ge- genüber den sattelförmigen Feldgradientenspulen (6a bis 6d; 7a bis 7d) angeordnet sind.
8. Spulensystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich- net, dass die stirnseitigen Bogenteile von in Umfangsrichtung gesehen benachbarten sattelförmigen Spulen nebeneinander liegen oder sich überlappen.
9. Spulensystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Länge (Ll) der Spulenanordnung aus den sattelförmigen Feldkomponentenspulen (4a bis 4d) in z-Rich- tung kleiner ist als die entsprechende Länge (L2) der Spulen¬ anordnung aus den Ringspulen (3a, 3b) und den Feldgradientenspulen (6a bis 6d; 7a bis 7d) .
10. Spulensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stirnseitigen Feldkomponentenspulen (3a, 3b) als ebene Ringspulen gestaltet sind.
11. Spulensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringspulen (3a, 3b) auf der weiteren Mantelfläche (MF2) der Feldgradientenspulen (6a bis 6d; 7a bis 7d) liegen.
12. Spulensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, ge- kennzeichnet durch Spulenpaare und/oder Spulenanordnungen jeweils aus Einzelspulen mit gleicher Form.
13. Spulensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch Spulenpaare und/oder Spulenanordnungen jeweils aus Einzelspulen, von denen zumindest einzelne unterschiedli¬ che Spulenquerschnitte aufweisen.
14. Spulensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch orthogonal zueinander angeordnete Spulen- paare aus Einzelspulen (3a, 3b; 4a, 4b; 4c, 4d) zur Erzeugung der Magnetfeldkomponenten.
15. Spulensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Einzelspulen (3a, 3b; 4a, 4b; 4c, 4d) mit unterschiedlichem Wicklungsquerschnitt und/oder Querschnitt ihrer Leiter.
16. Spulensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kühlung zumindest einzelner der Einzelspulen .
17. Spulensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Teile aus weichmagnetischem Material an seiner Außenseite des Arbeitsraums (A) zur Feldverstärkung und/oder Feldabschirmung.
18. Spulensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Detektion der Position des magnetischen Körpers innerhalb des Arbeitsraums (A) .
19. Spulensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, ge- kennzeichnet durch eine Ansteuerung seiner Einzelspulen mit Hilfe eines Computers.
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