WO2007110270A2 - Verfahren und einrichtung zur fernsteuerung einer ortungsspulen aufweisenden arbeitskapsel - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur fernsteuerung einer ortungsspulen aufweisenden arbeitskapsel Download PDF

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WO2007110270A2
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capsule
coils
locating
coil system
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Johannes Reinschke
Rudolf Röckelein
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for wireless remote control of at least three mutually orthogonal locating coils having working capsule of a Mag ⁇ netspulensystems.
  • the z. B. may be a diagnosis or treatment.
  • the target of such a medical procedure is often a hollow organ in the patient in question, in particular its gastrointestinal tract.
  • Ka a hollow organ in the patient in question
  • Conventional catheter endoscopes here have various ⁇ dene disadvantages such. For example, they cause pain to the patient or make it difficult or impossible for them to reach distant internal organs.
  • video capsules from the company Given Imaging are known, which the patient swallows.
  • the video capsule moves through the patient's digestive tract due to peristalsis, taking up a series of video images. These are transmitted to the outside of the patient by radio.
  • the patient is able to move freely throughout the body during the capsule stay lasting several hours, since he has corresponding receiving antennas and a recorder for recording the video images on the body.
  • the orientation of the capsule and thus the viewing direction of the video images as well as the length of stay in the patient's body are random or unaffected.
  • the capsule has no active functionality. Di ⁇ agnosefunktionen as targeted observation, cleaning, Biop- they are just as impossible as targeted treatments inside the patient, eg. B. medication. For a more permanent ⁇ diagnosis this is unacceptable or unsatisfactory.
  • a magnetic body in this case is, for example, a working capsule containing a permanent magnet, also called endocapsule or endo-robot.
  • the work capsules have functionalities on a conventional endoscope, for example, video recording, Biop ⁇ them or clip.
  • a working capsule as a medical action may autonomously, ie wirelessly or are catheters performed terok, so there is no cable ⁇ or mechanical connection of the working capsule outwards, while the medical procedure is the patient at least temporarily, in whole or in part within ⁇ the magnetic coil system.
  • FIG. 5 of the drawings shows a corresponding, known from DE 103 40 925 B3 magnetic coil system 100, which will be briefly described below. Regarding further, more detailed description of the magnet coil system 100 and its operation 103 40 925 B3 verwie ⁇ is sen to DE.
  • the magnet coil system 100 comprises fourteen excitation coils 102a-n, of which only the excitation coils 102a-c, 102e, and 102g-n are visible in FIG.
  • the six exciter coils 102a-f are rectangular and form the edges of a cuboid. The remaining eight excitation coils
  • each one of the excitation coils 102a-n is connected to a power supply 106 via a supply line 104a-n.
  • supply lines 104a-c and 104e are shown in FIG.
  • Each of the exciting coils 102a-n thus generates a magnetic field for itself.
  • the interior 108 of the magnetic coil system 100 can thus almost any magnetic field distribution bezüg ⁇ lich strength, direction and geometry are generated.
  • this interior 108 is a patient, not shown, and in the interior of the body, a working capsule 110 which a non-illustrated magnetic element, for. B. contains a permanent magnet.
  • the magnetic coil system 100 is associated with a locating device 112 which detects the position and orientation of the working capsule 110 in a coordinate system 114 assigned to the magnetic coil system 100.
  • the position or the location 116 of the working capsule 110, or the position of the geometric center ⁇ point of this, is indicated in Figure 5 by the dashed lines.
  • the orientation 118 of the working capsule 110 is shown in Fig. 5 by an arrow, and is processing device detects 112 with respect to the coordinate system 114 of the Or ⁇ .
  • the working capsule can be any, z. B. elongated or rotationally symmetrical, geometric shape have. The orientation would then correspond z. B.
  • the entire position of the working capsule 110, ie in particular the center of gravity coordinates and the longitudinal axis direction is thus completely described and known in the coordinate system 114.
  • the locating device 112 is processing device an electromagnetic Or ⁇ .
  • the working capsule 110 includes three (shown) to six mutually orthogonal locating ⁇ coils 124. These work with a carrier frequency of, for example, 12 kHz in the "Aurora" system of Fa. NDI.
  • the locating device 112 generated with the aid of an integrated coil assembly 125, an electromagnetic field, in particular ⁇ sondere on Kapselort represented by field lines 120.
  • the working capsule takes the field by the tracking coils 124 and sends the received field strength back to the locating device 120. This calculates the location 116 and the orientation 118 from the received field strength transmitted by the work capsule.
  • the locating device 112 transmits location 116 and orientation of the work 118 capsule 110 to the power supply 106.
  • This Mag ⁇ netfeld is designed so that it interacts with the permanent magnet in the working capsule 110 such that a desired force he ⁇ 122 and / or a desired non Darge ⁇ notified torque on the working capsule 110 engages. In this way, the work capsule 110 is moved, aligned and / or rotated in the patient.
  • the entire energy required by the working capsule itself during the implementation of the medical procedure is provided, for example, via batteries (not shown) or capacitors inside the working capsule or by wireless energy transmission (not shown) to the capsule.
  • Letz ⁇ tere is particularly favorable specific performance-intensive Medical Resident ⁇ measures, such as hollow organ illumination, biopsy acquisition, thermal coagulation or laser applications.
  • the inductive energy coupling into the working capsule 110 requires an induction coil (not shown) in the capsule and operates at frequencies of about 500 Hz to about 500 kHz.
  • the size of the working capsule is limited eg for use in the upper gastrointestinal tract including the small intestine to about 25 mm in length and about 10 mm in diameter; with pure use in the large intestine a little more. As a result, the space for installations is generally limited.
  • the capsule requires control signals from outside the patient, eg for releasing a biopsy specimen, for recording video images, for targeted medication, etc.
  • Remote control ranges from simple commands, such as "extend biopsy forceps", eg by transmitting a two-digit number codes, until the transmission of modified program code into the capsule, eg for a modified image preprocessing during video recording.
  • simple commands such as "extend biopsy forceps”
  • modify program code eg for a modified image preprocessing during video recording.
  • a low or high frequency carrier signal for remote control with low or high bandwidth for data transmission is needed.
  • a receiver coil (not shown) is provided for communication in the capsule 110, and a remote control unit 126 is provided outside the patient, which is connected to a capsule controller 128 for the capsule functions.
  • Remote control unit 126 is used to send the control commands to the capsule, but also optionally to receive feedback signals, e.g. for confirming a command received from the work capsule 110.
  • the communication along the arrow 130 thus always runs towards the capsule and optionally also from this back.
  • a high-frequency carrier signal in the 430 MHz range is used, e.g. Sensor data or live video images from the
  • the installation space is extremely limited, so there is very little space for the actual medical components available due to the large number of required coils or communication components.
  • this space is needed to accommodate e.g. To build a capsule with the widest possible range of functions, which can then be universally used for a wide range of medical purposes.
  • Object of the present invention is to further simplify the overall system or components and thus save space.
  • the object is achieved by a method according to claim 1.
  • the invention herein uses the following insight: onsbetician to positi ⁇ with the electromagnetic tracking system leg- hold the capsule at least three orthogonally from ⁇ directed receiver coil or tracking coil. These are usually designed to receive fields of eg 12kHz. The reception of alternating fields in this or a slightly different frequency range, eg 15kHz is possible.
  • the required remote control signals for the capsule are usually low frequency. Such signals are in the range of a carrier frequency of approximately 10 kHz. This is sufficient for most remote control tasks, since the amount of information to be transmitted is rather small, compared, for example, with image transmission of a camera signal. So the above-mentioned frequency range of the tracking system is enough for usual place ⁇ che remote control tasks.
  • the remote control signals in the form of the second magnetic field can also be received by the locating coils.
  • a separate receiver coil for the remote control in the cap ⁇ sel is superfluous and there is more space for the remaining ⁇ internals. This makes the overall system simpler and less expensive. Components are saved.
  • the locating coils are symmetrical. Since they are also orthogonal to each other, they cover the complete three-dimensional reception range for electromagnetic fields with respect to the field orientation.
  • the second magnetic field can thus be generated in any direction.
  • the locating coils have a preferred direction for the second magnetic field.
  • the position and orientation of the working capsule must be known anyway for the navigation, that is to say the exercise of force on the working capsule.
  • the relative position and orientation of the locating coils in the stationary coordinate system are therefore known.
  • the location of the locator coils in the capsule must be known. In the simplest case, therefore, the locating coils are rigidly installed in the capsule.
  • the instantaneous orientation of the locating coils in the magnet coil system is known.
  • the second magnetic field can then always be generated in such a way that it is aligned in the best possible manner with respect to the preferred direction of the locating coils, ie couples into them in the best possible way, e.g. is aligned exactly along the coil axis of a particular locating coil.
  • the power received in that locating coil and thus the signal quality are thus maximal.
  • First and second magnetic field can be generated in mutually different ⁇ first and second frequency ranges.
  • the frequency ranges can then be executed in particular not overlapping, so that location and Fernsteue ⁇ tion are assigned separate frequency ranges. A mutual interference is thus excluded.
  • the frequency range from 500 Hz to 500 kHz is particularly suitable for transmission through human body tissue to the capsule at the given distances of about 20 to 60 cm between the transmitters for first and second magnetic field and the working capsule.
  • the frequency ranges for the first and second magnetic fields for location and remote control these hardly influence each other.
  • the second magnetic field for remote control high-frequency and ers ⁇ te be selected for locating low frequency.
  • First and second magnetic field can therefore be superimposed.
  • a remote control of the capsule takes place simultaneously during locating.
  • a constant control of the capsule functions, so a control at any time, possible.
  • the remote control signal ie the second magnetic field, e.g. Amplitude modulated on the locating signal, so the first magnetic field to be modulated.
  • the second magnetic field can be generated in temporal multiplex to the first magnetic field.
  • the first and second fields are thus temporally alternating, and not at the same time he testifies ⁇ .
  • the respective maximum power of the transmitted first and second field is available both for determining the position and for the remote control, which enables a trouble-free signal transmission.
  • First and second magnetic field can be generated by a single or common coil system.
  • the complexity of the overall system in contrast to separate coils for positioning and remote control, decreases with the advantages already mentioned above.
  • a corresponding contraction and cooling for the common coil system thus only needs to be provided once.
  • the bobbins of the coil system are thus used together for location and remote control. A common control is done here. This reduces the expense of Ge ⁇ entire system.
  • the common coil arrangement may be the magnet ⁇ system for application of force to the capsule.
  • the magnetic coil system thus performs three tasks, namely capsule navigation, ie force application using the navigation magnetic fields, the location of the capsule and the remote control, ie transmission of control signals to the capsule, each time as described above, in temporal change or simultaneously.
  • these excitation coils can have a plurality of taps and can be operated via different taps.
  • an excitation coil can be operated in different operating modes, in each case favorable condition for the special fields. for example, certain impedance, number of turns or resistance.
  • first and second magnetic fields In order to generate the first and second magnetic fields, it is also possible to use other partial coils from the common coil arrangement or the magnet coil system which are better suited than others for this purpose.
  • the field generation for first and second magnetic field is optimized in each case.
  • remote control commands gen from the magnetic coil system for capsule übertra ⁇ it may be advantageous not only remote control commands gen from the magnetic coil system for capsule übertra ⁇ , but also feedback from the capsule to the outside to send.
  • this is a feedback that the remote control command has been received, eg a so-called acknowledge signal.
  • simple sensor data for example a temperature or pH value or other information from the capsule.
  • the feedback signal from the common coil system or the magnetic coil system can be received.
  • the respective transmission coils for first and second magnetic field then work as well
  • a separate receiving antenna is überflüs ⁇ sig.
  • the feedback signal can then be decoupled from this via a filter in the coil system and forwarded for further processing, for example to the aforementioned capsule control.
  • the combined electrical output signal of the locating coil can be divided into separate, respectively the first and second magnetic field corre ⁇ profiled electrical signals become. This can be done, for example, in the case of modulation by bandpass filters for different carrier frequencies or the like.
  • the capsule-side components for location and remote control can then each be supplied with the already separate remote control and location signals. So, these arrangements need not be modified. are compared with the solution with separate receiving antennas.
  • the common electrical signal coming from the locating coil is pre-amplified before the division.
  • the object of the invention is achieved by a device according to claim 13.
  • FIG. 1 a magnetic coil system for magnetic navigation and remote control of a working capsule
  • Fig. 2 coil currents of an excitation coil of FIG. 1 for Navi ⁇ and remote control (a) separately, (b) sequentially modulated and (c) in time division multiplex,
  • FIG. 3 shows an alternative control of the magnetic coil system in detail
  • Fig. 4 shows the working capsule in detail
  • Fig. 5 is a magnetic coil system for moving a magnetic body in a patient according to the prior art.
  • FIG. 1 shows again the known magnetic coil system 100 of FIG. 5 according to the prior art, but modi ⁇ fected according to the invention.
  • a force control 2 receives from the locating device 112 current position data 4 of the working capsule 110 in the coordinate system 114 as well as from an operating device, not shown, setpoint data for a new position and speed of the working capsule 110.
  • the position data 4 are location 116 and orientation 118 of the working capsule 110 in FIG Coordinate system 114, as explained in detail in connection with Figure 5.
  • the position data 4 of the evaluation and control unit 2 also provide position and orientation of the locating coils 124.
  • the capsule controller 128 which is responsible for the control of the capsule functions, sends, indicated by the arrow 6, a control signal to Errei ⁇ chen the working capsule 110, the locating device 112. This sends the coil assembly 125 of the prior art only serves to generate the locating signal, in the form of the field 8, the control signal to the capsule 110.
  • the field 8 thus represents the second magnetic field according to the invention.
  • the locating device 112 calculates the currents I A (t) in the coil arrangement 125 from the position data 4.
  • the currents I A (t) to I N (t) generate at the site of Ortungsspu- len 124 a magnetic field strength for locating and Fernsteue ⁇ tion of the capsule 110th
  • FIG. 2 a shows two temporal current profiles I or t (t) and I st (t), the sum of which is the current intensity I A (t) in the coil arrangement 125 of FIG. 1.
  • I location (t) is an exemplary zeitli ⁇ cher current intensity curve for locating the working capsule 110 ge ⁇ in accordance with the prior art.
  • the frequency fi of ort I (t) is here ⁇ at in the range of 0-50 Hz.
  • I st (t) shows a time current curve for I A (t) for transmitting a Fernberichtbe- tivs to the tracking coils 124.
  • the operating frequency f 2 of Ist (t) is about 10 kHz.
  • FIGS. 2b and 2c For the actual energization of the coil arrangement 125, two alternatives are shown in FIGS. 2b and 2c.
  • FIG. 2 a shows a current distribution I A (t) in which the currents I location (t) and I st (t) from FIG.
  • the energization or wiring of the coil arrangement 125 takes place here via the taps 18a and 18b, which are arranged at this end, ie the entire coil arrangement 125 is traversed by the current I A (t).
  • the taps 18a, b and c, as described below, are shown by way of example only for the coil assembly 125.
  • Fig. 2c shows in contrast a time course of the Stro ⁇ mes I A (t), in which the currents I or t (t) and I st (t) of Fig. 2a in time division multiplex as a current I A (t) to the Spulenanord ⁇ tion 125 are switched.
  • the energization or wiring of the coil arrangement 125 now takes place, as described above, only for the current I location (t) via the taps 18a and 18b.
  • the current supply with I st (t) takes place in each case via the taps 18 a and 18 c.
  • the Anzap ⁇ tion 18c is approximately centered in the coil assembly 125th arranged. Only a portion of the turns of Spulenanord ⁇ tion 125 is thus traversed by the current I st (t).
  • the coil assembly 125 then has a more suitable inductance or resistance for this current pattern.
  • the capsule feedback signals ( indicated by the arrows 22a, b, send to the magnetic coil system 100 or the Spu ⁇ lenanowski 125.
  • the signals are then collected by the respective coils, and sent to the capsule control 128.
  • a filter 20 is integrated, which derives the received feedback signals and along the
  • the receiver coil 124 then operates simultaneously as a transmit coil.
  • an external antenna 24 may be present, which collects the feedback signals along the arrow 26 and leads to the capsule control 128.
  • FIG. 3 again shows the control of the coil arrangement 125 in detail or in an alternative embodiment.
  • Each of the individual coils (not shown) in the coil system 125 is preceded by a power amplifier 30a-n which generates the actual respective coil currents I A (t).
  • the control of the power amplifier 30a-n is carried out in this connection by the locating device 112 and the Kapselsteue ⁇ tion 128 for remote control. Unlike in FIG. 1, that is, the navigation and remote control signals are not sel penetrateung in the chapter 128 ⁇ mixed.
  • the output signals of both units are therefore routed through separate signal lines 32a, b via preamplifiers 34 to combiners or mixers 36. Only there are the signals according to the alternatives mixed in Fig. 2 or multiplexed and then fed to the Leis ⁇ tung amplifiers 30a-n.
  • Fig. 4 shows the working capsule 110 in detail.
  • the locator coils 124 receive the magnetic field 120 for location and the field 8 for remote control, illustrated in FIG. 4 by a single arrow as an overall field, either simultaneously or in temporal multiplex, as explained above.
  • the total magnetic field is converted by the locating coils 124 into an electrical signal 38, which is forwarded to a circulator 40, thus reaches a signal divider 42 and is likewise forwarded to two bandpass filters 44a, b.
  • the band pass filter 44a is extracted from the signal 38 the correlated with the field 120 for locating position signal 46.
  • the band-pass filter 44b other hand, according to the extracted remote ⁇ control signal 48, the korre with the field 8 for remote control ⁇ is profiled.
  • Via preamplifier 50 both signals are respectively fed to the position detection 52 and the function control 54 of the capsule 110 and further processed there.
  • the function controller 54 operates the capsule fixtures, not shown, such as those shown in FIG. Biopsy forceps, medication reservoir, video camera or lighting.
  • the position detection 52 detects the field strength of the field 120 received by the location spins 124.
  • Capsule fixtures such as "light on” or “camera running” are sent outside the patient, not shown. Feedback can also come from the position detection 52. For example, For example, a number representing the field strength measured in the capsule is sent out from the capsule.
  • the return unit 56 transmits a corresponding command in the form of a feedback signal 58 to a mixer 60 for this purpose for Aufmodulation onto a carrier signal 61 of a Oszilla ⁇ gate 62 via the circulator 40 passes the resulting return signal to the coil assembly 124, which as an electro ⁇ magnetic field on the screen shown in FIG. 1 path 22a or 22c or 26 back to the capsule controller 128 or location device 112.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur drahtlosen Fernsteuerung einer mindestens drei zueinander orthogonale Ortungsspulen (124) aufweisenden Arbeitskapsel (110) in einem Patienten, wobei ein von den Ortungsspulen (124) empfangbares erstes Magnetfeld (120) erzeugt wird, eine elektromagnetische Ortungseinrichtung (112) anhand des von den Ortungsspulen (124) empfangenen ersten Magnetfeldes (120) Position (116) und Orientierung (118) der Arbeitskapsel (110) relativ (114) zu einem mehrere, insbesondere vierzehn, Erregerspulen (102a-n) aufweisenden Magnetspulensystem (100) außerhalb des Patienten ermittelt, das Magnetspulensystem (100) anhand Position (116) und Orientierung (118) ein Navigationsmagnetfeld (111) zur Kraftausübung (122) auf die Arbeitskapsel (110) erzeugt, wird ein zweites, von mindestens einer der Ortungsspulen (124) empfangbares Magnetfeld (8) zur Fernsteuerung der Arbeitskapsel (110) erzeugt. Eine entsprechende Einrichtung umfasst eine Einrichtung (112) zum Erzeugen eines ersten Magnetfeldes (120), ein Magnetspulensystem (100) außerhalb des Patienten, eine elektromagnetische Ortungseinrichtung (112), und eine Einrichtung (128) zur Erzeugung eines zweiten, von mindestens einer der Ortungsspulen (124) empfangbaren Magnetfeldes (8) zur Fernsteuerung der Arbeitskapsel (110).

Description

Beschreibung
Verfahren und Einrichtung zur Fernsteuerung einer Ortungsspulen aufweisenden Arbeitskapsel
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur drahtlosen Fernsteuerung einer mindestens drei zueinander orthogonale Ortungsspulen aufweisenden Arbeitskapsel eines Mag¬ netspulensystems .
In der Medizin ist es häufig notwendig, im Inneren eines in der Regel lebenden Menschen oder Tieres als Patienten eine medizinische Maßnahme auszuführen, die z. B. eine Diagnose oder Behandlung sein kann. Zielgebiet einer derartigen medi- zinischen Maßnahme ist oft ein Hohlorgan im betreffenden Patienten, insbesondere dessen Gastrointestinaltrakt . Über lan¬ ge Zeit wurden die medizinischen Maßnahmen mit Hilfe von Ka- theterendoskopen durchgeführt, welche nicht- oder minimalin- vasiv von außerhalb des Patienten in diesen eingeführt wur- den. Herkömmliche Katheterendoskope weisen hierbei verschie¬ dene Nachteile auf, z. B. verursachen sie beim Patienten Schmerzen oder können entfernt liegende innere Organe nur schwer oder gar nicht erreichen.
Zur katheterfreien bzw. kabellosen Endoskopie sind deshalb z.B. Videokapseln der Fa. Given Imaging bekannt, welche der Patient schluckt. Die Videokapsel bewegt sich aufgrund der Peristaltik durch den Verdauungstrakt des Patienten und nimmt hierbei eine Reihe von Videobildern auf. Diese werden nach außerhalb des Patienten per Funk übertragen. Der Patient kann sich während des mehrere Stunden dauernden Kapselaufenthaltes im Körper frei bewegen, da er entsprechende Empfangsantennen und einen Rekorder zur Aufzeichnung der Videobilder am Körper mit sich führt. Ausrichtung der Kapsel und damit Blickrich- tung der Videobilder sowie Verweildauer im Körper des Patienten sind hierbei zufällig bzw. nicht beeinflussbar. Außer der Bildaufnahme hat die Kapsel keine aktive Funktionalität. Di¬ agnosefunktionen, wie gezielte Betrachtung, Reinigung, Biop- sie sind ebenso wenig möglich wie gezielte Behandlungen im Inneren des Patienten, z. B. Medikamentengabe. Für eine voll¬ ständige Diagnose ist dies inakzeptabel bzw. nicht zufrieden stellend.
Neuerdings ist es deshalb, z. B. aus der DE 103 40 925 B3 oder der noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2005 010 489.4 bekannt, mit Hilfe eines Magnetspulen¬ systems magnetische Körper durch Hohlorgane eines Patienten mittels magnetischer, berührungsfreier Kraftübertragung zu bewegen. Die Kraftausübung erfolgt hierbei also gezielt, be¬ rührungslos und von außen kontrolliert.
Ein magnetischer Körper ist hierbei z.B. eine einen Dauermag- neten enthaltende Arbeitskapsel, auch Endokapsel oder Endoro- boter genannt. Die Arbeitskapseln weisen Funktionalitäten eines herkömmlichen Endoskops auf, z.B. Videoaufnahme, Biop¬ sie oder Clips. Mit einer derartigen Arbeitskapsel kann so eine medizinische Maßnahme autark, d.h. kabellos bzw. kathe- terfrei durchgeführt werden, es besteht also keinerlei Kabel¬ oder mechanische Verbindung von der Arbeitskapsel nach außen, Während der medizinischen Maßnahme befindet sich der Patient zumindest zeitweise ganz oder teilweise innerhalb des Magnet¬ spulensystems .
Fig.5 der Zeichnungen zeigt ein entsprechendes, aus der DE 103 40 925 B3 bekanntes Magnetspulensystem 100, das im Folgenden kurz beschrieben wird. Für eine weiterführende, ausführlichere Beschreibung des Magnetspulensystems 100 bzw. dessen Funktionsweise wird auf die DE 103 40 925 B3 verwie¬ sen. Das Magnetspulensystem 100 umfasst vierzehn Erregerspulen 102a-n, von denen in Fig.5 nur die Erregerspulen 102a-c,102e, und 102g-n sichtbar sind. Die sechs Erregerspu¬ len 102a-f sind dabei rechteckig ausgeführt und bilden die Kanten eines Quaders. Die verbleibenden acht Erregerspulen
102g-n bilden zusammen die Mantelfläche eines in den eben beschriebenen Quader eingebetteten Zylinders. Jede einzelne der Erregerspulen 102a-n ist über eine Versorgungsleitung 104a-n an einer Leistungsversorgung 106 angeschlossen. In Fig.5 sind der Übersichtlichkeit halber nur die Versorgungsleitungen 104a-c und 104e dargestellt. Über die Leistungsversorgung 106 wird jeder der Erregerspulen 102a-n unabhängig voneinander eine bestimmte Stromstärke mit be¬ stimmtem zeitlichem Verlauf, natürlich im Rahmen der Leistungsfähigkeit der Leistungsversorgung 106, eingeprägt.
Jede der Erregerspulen 102a-n erzeugt somit für sich ein Magnetfeld. Im Innenraum 108 des Magnetspulensystems 100 kann damit eine nahezu beliebige magnetische Feldverteilung bezüg¬ lich Stärke, Richtung und Geometrie erzeugt werden. In diesem Innenraum 108 befindet sich ein nicht dargestellter Patient und in dessen Körperinneren eine Arbeitskapsel 110, welche ein nicht dargestelltes magnetisches Element, z. B. einen Dauermagneten, enthält.
Dem Magnetspulensystem 100 ist eine Ortungsvorrichtung 112 zugeordnet, welche Lage und Orientierung der Arbeitskap¬ sel 110 in einem dem Magnetspulensystem 100 zugeordneten Koordinatensystem 114 erfasst. Die Lage bzw. der Ort 116 der Arbeitskapsel 110, bzw. die Lage des geometrischen Mittel¬ punkts dieser, ist in Fig.5 durch die gestrichelten Linien angedeutet. Die Orientierung 118 der Arbeitskapsel 110 ist in Fig. 5 durch einen Pfeil dargestellt und wird von der Or¬ tungsvorrichtung 112 in Bezug auf das Koordinatensystem 114 erfasst. Die Arbeitskapsel kann hierbei eine beliebige, z. B. längliche oder rotationssymmetrische, geometrische Form auf- weisen. Die Orientierung entspräche dann z. B. der Richtung des Einheitsvektors in Längsrichtung der Arbeitskapsel 110. Die gesamte Lage der Arbeitskapsel 110, also insbesondere die Schwerpunktskoordinaten und die Längsachsenrichtung, ist somit im Koordinatensystem 114 vollständig beschrieben und be- kannt .
Die Ortungsvorrichtung 112 ist eine elektromagnetische Or¬ tungsvorrichtung. Hierfür beinhaltet die Arbeitskapsel 110 drei (dargestellt) bis sechs zueinander orthogonale Ortungs¬ spulen 124. Diese arbeiten mit einer Trägerfrequenz von z.B. 12kHz beim "Aurora"-System der Fa. NDI.
Die Ortungsvorrichtung 112 erzeugt mit Hilfe einer integrierten Spulenanordnung 125 ein elektromagnetisches Feld, insbe¬ sondere am Kapselort, dargestellt durch die Feldlinien 120. Die Arbeitkapsel nimmt das Feld durch die Ortungsspulen 124 auf und sendet die empfangene Feldstärke zurück an die Or- tungsvorrichtung 120. Diese errechnet aus der von der Arbeitskapsel übermittelten, empfangenen Feldstärke den Ort 116 und die Orientierung 118.
Die Ortungsvorrichtung 112 übermittelt Ort 116 und Orientie- rung 118 der Arbeitskapsel 110 an die Leistungsversorgung 106. Diese bestromt daraufhin die Erregerspulen 102a-n derart, dass sich am Ort der Arbeitskapsel 110 ein nicht dar¬ gestelltes Navigationsmagnetfeld 111 einstellt. Dieses Mag¬ netfeld ist so ausgelegt, dass es mit dem Dauermagneten in der Arbeitskapsel 110 derart wechselwirkt, dass eine er¬ wünschte Kraft 122 und/oder ein gewünschtes, nicht darge¬ stelltes Drehmoment an der Arbeitskapsel 110 angreift. Auf diese Art wird die Arbeitskapsel 110 im Patienten bewegt, ausgerichtet und/oder rotiert.
Die gesamte Energie, welche die Arbeitskapsel selbst während der Durchführung der medizinischen Maßnahme benötigt, wird z.B. über nicht dargestellte Batterien oder Kondensatoren im Inneren der Arbeitskapsel oder durch drahtlose Energieüber- tragung (nicht dargestellt) zur Kapsel bereitgestellt. Letz¬ tere ist besonders günstig für leistungsintensive medizini¬ sche Maßnahmen, wie z.B. Hohlorganausleuchtung, Biopsienahme, thermische Koagulation oder Laserapplikationen. Die induktive Energieeinkopplung in die Arbeitskapsel 110 benötigt eine nicht dargestellte Induktionsspule in der Kapsel und arbeitet mit Frequenzen von ca. 500 Hz bis ca. 500 kHz. Die Größe der Arbeitskapsel ist z.B. für den Einsatz im oberen Magen-Darm- Trakt einschließlich Dünndarm begrenzt auf ca. 25 mm Länge und ca. 10 mm Durchmesser; bei reinem Einsatz im Dickdarm etwas mehr. Hierdurch ist der Raum für Einbauten generell begrenzt .
Zur Ausführung der beabsichtigten Aufgaben benötigt die Kapsel Steuersignale von außerhalb des Patienten, z.B. zum Aus¬ lösen einer Biopsienahme, zur Aufnahme von Videobildern, zur gezielten Medikamentengabe usw. Eine Fernsteuerung reicht hierbei von einfachen Befehlen, wie "Biopsiezange ausfahren", z.B. mittels Übertragung eines zweistelligen Nummerncodes, bis zur Übertragung von modifiziertem Programmcode in die Kapsel, z.B. für eine geänderte Bildvorverarbeitung bei Videoaufnahmen. Je nachdem wird ein nieder- oder hochfrequentes Trägersignal für die Fernsteuerung mit niedriger oder hoher Bandbreite zur Datenübertragung benötigt.
In Fig.5 ist zur Kommunikation in der Kapsel 110 eine nicht dargestellte Empfängerspule, und außerhalb des Patienten eine Fernsteuereinheit 126 vorgesehen, die an eine Kapselsteue- rung 128 für die Kapselfunktionen angeschlossen ist. Die
Fernsteuereinheit 126 dient zum Senden der Steuerbefehle zur Kapsel, aber auch optional zum Empfang von Rückmeldesignalen, z.B. zur Bestätigung eines von der Arbeitskapsel 110 empfangenen Befehls. Die Kommunikation entlang des Pfeils 130 ver- läuft also immer zur Kapsel hin und optional auch von dieser zurück .
Weiterhin wird zur Datenübertragung von der Arbeitskapsel 110 nach außen ein hochfrequentes Trägersignal im Bereich 430MHz benutzt, um z.B. Sensordaten oder Live-Videobilder aus dem
Patienteninneren zu übertragen. Hierzu ist eine zusätzliche, nicht dargestellte Sendespule im Kapselinneren vorgesehen.
Neben dem Magnetspulensystem für die Kraftausübung auf die Kapsel sind also etliche weitere Spulenanordnungen bzw. Sys¬ teme innerhalb und außerhalb der Kapsel nötig bzw. bei vollem Systemausbau und maximaler Kapselfunktionalität vorhanden. Je mehr Einzelspulen aber nötig sind, umso aufwändiger, voluminöser und teurer wird das Gesamtsystem.
Insbesondere in der Arbeitskapsel 110 ist der Einbauraum äußerst begrenzt, durch die Vielzahl notwendiger Spulen bzw. Kommunikationskomponenten steht also sehr wenig Platz für die eigentlichen medizinischen Komponenten zur Verfügung. Dieser Platz wird jedoch benötigt, um z.B. eine Kapsel mit möglichst großem Funktionsumfang zu bauen, die dann für die verschie- densten medizinischen Zwecke universell einsetzbar ist.
Aus der nicht veröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2005 012 387.2 ist es bekannt, mittels eines gemeinsa¬ men bzw. einzigen extrakorporalen Spulensystems die Kraftaus- Übung auf und die Positionsbestimmung der Kapsel gemeinsam zu realisieren. Kapselseitig ist eine Kombination beider Teilaufgaben nicht sinnvoll, da der Permanentmagnet durch eine mit Energie zu versorgende Spule ersetzt werden müsste. Diese Energie könnte in der Kapsel weder gespeichert noch zugeführt werden. Die Ohmschen Verluste in der Kapsel wären zu hoch.
Aus der nicht veröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2005 053 759.6 ist es bekannt, mittels eines gemeinsa¬ men bzw. einzigen extrakorporalen Spulensystems die Kraftaus- Übung auf und die drahtlose Energieübertragung zur Kapsel ge¬ meinsam zu realisieren. Auch hier ist wegen der gleichen Gründe wie oben eine kapselseitige Kombination nicht sinn¬ voll .
Aus der US 2004 0215038 Al ist eine sowohl senderseitige als auch kapselseitige Kombination von induktiver Energieeinkopp¬ lung und Fernsteuerung der Kapsel bekannt.
Eine Kombination von induktiver Energieeinkopplung und Posi- tionserkennung ist dagegen aus der US 2004 0225184 Al bekannt . Alle bekannten Maßnahmen reduzieren die Einzelmodule bzw. Bauteile, und damit die Kosten und den Aufwand des Gesamtsys¬ tems aus Magnetspulensystem und Endoskopiekapsel . Dennoch verbleibt ein immer noch aufwändiges und teures System.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Gesamtsystem weiter zu vereinfachen bzw. Komponenten und damit Platzbedarf einzusparen .
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1.
Die Erfindung nutzt hierbei folgende Erkenntnis: Zur Positi¬ onsbestimmung mit dem elektromagnetischen Ortungssystem bein- haltet die Kapsel mindestens drei orthogonal zueinander aus¬ gerichtete Empfangsspulen bzw. Ortungsspulen. Diese sind in der Regel zum Empfang von Feldern von z.B. 12kHz ausgelegt. Der empfang von Wechselfeldern in diesem oder einem leicht veränderten Frequenzbereich, von z.B. 15kHz ist also möglich.
Die benötigten Fernsteuersignale für die Kapsel sind in der Regel niederfrequent. Derartige Signale liegen im Bereich einer Trägerfrequenz von maximal ca. 10 kHz. Dies ist für die meisten Fernsteueraufgaben ausreichend, da die zu übertragen- de Informationsmenge eher gering ist, verglichen z.B. mit einer Bildübertragung eines Kamerasignals. Der oben erwähnte Frequenzbereich des Ortungssystems genügt also für gewöhnli¬ che Fernsteueraufgaben.
Daher können also die Fernsteuersignale in Form des zweiten Magnetfeldes auch von den Ortungsspulen empfangen werden. Eine separate Empfangsspule für die Fernsteuerung in der Kap¬ sel ist überflüssig und es verbleibt mehr Platz für die rest¬ lichen Einbauten. Das Gesamtsystem wird dadurch einfacher und kostengünstiger. Komponenten werden eingespart.
In der Regel sind die Ortungsspulen symmetrisch ausgeführt. Da sie außerdem orthogonal zueinander sind, decken sie den kompletten dreidimensionalen Empfangsbereich für elektromagnetische Felder bezüglich der Feldorientierung ab. Das zweite Magnetfeld kann also in beliebiger Richtung erzeugt werden.
Es kann jedoch auch sein, dass aufgrund der Spulengeometrie die Ortungsspulen doch eine Vorzugsrichtung für das zweite Magnetfeld aufweisen.
Position und Orientierung der Arbeitskapsel müssen ohnehin für die Navigation, also Kraftausübung auf die Arbeitskapsel bekannt sein. Die relative Position und Orientierung der Ortungsspulen im ortsfesten Koordinatensystem sind also bekannt. Natürlich muss die Lage der Ortungsspulen in der Kapsel bekannt sein. Im einfachsten Fall sind daher die Ortungs- spulen starr in der Kapsel eingebaut.
Damit ist die augenblickliche Orientierung der Ortungsspulen im Magnetspulensystem bekannt. Das zweite Magnetfeld kann dann stets so erzeugt werden, dass es in die bezüglich der Vorzugsrichtung der Ortungsspulen bestmöglich ausgerichtet ist, also in diese bestmöglich einkoppelt, z.B. genau entlang der Spulenachse einer bestimmten Ortungsspule ausgerichtet ist. Bei gegebener Feldstärke des Fernsteuerfeldes ist so die in derjenigen Ortungsspule empfangene Leistung und damit die Signalqualität maximal.
Erstes und zweites Magnetfeld können in voneinander unter¬ schiedlichen ersten und zweiten Frequenzbereichen erzeugt werden. Die Frequenzbereiche können dann insbesondere nicht überlappend ausgeführt werden, so dass Ortung und Fernsteue¬ rung gesonderten Frequenzbereichen zugeordnet sind. Eine gegenseitige Störung ist so ausgeschlossen.
Der Frequenzbereich von 500 Hz bis 500 kHz eignet sich hier- bei besonders zur Übertragung durch menschliches Körpergewebe zur Kapsel bei den gegebenen Abständen von ca. 20 bis 60 cm zwischen den Sendern für erstes und zweites Magnetfeld und der Arbeitskapsel. Durch die Unterscheidung der Frequenzbereiche für die ersten und zweiten magnetischen Felder zur Ortung und zur Fernsteuerung beeinflussen sich diese gegenseitig kaum. Z.B. kann das zweite Magnetfeld zur Fernsteuerung hochfrequent und das ers¬ te zur Ortung niederfrequent gewählt werden.
Erstes und zweites Magnetfeld können daher überlagert werden. Dies führt dazu, dass während der Ortung gleichzeitig eine Fernsteuerung der Kapsel stattfindet. Somit ist eine ständige Kontrolle der Kapselfunktionen, also eine Steuerung zu jedem beliebigen Zeitpunkt, möglich.
Hierbei kann z.B. das Fernsteuersignal, also das zweite Mag- netfeld z.B. amplitudenmoduliert auf das Ortungssignal, also das erste Magnetfeld aufmoduliert werden.
Alternativ kann das zweite Magnetfeld im zeitlichen Multiplex zum ersten Magnetfeld erzeugt werden. Erstes und zweites Feld werden also zeitlich im Wechsel, und nicht gleichzeitig er¬ zeugt. Hierdurch steht sowohl für die Positionsbestimmung als auch für die Fernsteuerung die jeweils maximale Leistung des übertragenen ersten bzw. zweiten Feldes zur Verfügung, was eine störungsfreie Signalübertragung ermöglicht.
Während der Fernsteuerung findet dann keine Ortung statt. Dies stört jedoch nicht, wenn z.B. währenddessen die Kapsel im Patienten ohne Kraftausübung ruht. Durch entsprechend kurze zeitliche Abstände zwischen zwei Fernsteuerungen kann so dennoch eine quasi kontinuierliche Ortung erfolgen. Die Ar¬ beitskapsel kann dann so benutzt werden, dass diese lediglich im ruhenden Zustand aktiv gesteuerte medizinische Maßnahmen durchführt. Da die Kapselbewegung sowieso eher langsam ge¬ schieht, z.B. mit einer Geschwindigkeit von lern pro Minute, ist eine nicht dauerhafte Ortung ausreichend, da die Kapsel ihren Aufenthaltsort nicht sprunghaft ändert. Da die Ortungsspulen zu Ihrer Funktion kaum Energie aus einem externen Magnetfeld aufnehmen müssen, um die Positionserkennung durchzuführen, können diese klein im Verhältnis zur Kapselgröße ausgelegt werden und benötigen somit kaum Platz in der Kapsel.
Erstes und zweites Magnetfeld können von einem einzigen bzw. gemeinsamen Spulensystem erzeugt werden. So sinkt auch außerhalb der Kapsel die Komplexität des Gesamtsystems im Gegen- satz zu getrennten Spulen für Ortung und Fernsteuerung mit den oben bereits genannten Vorteilen. Eine entsprechende HaI- terung und eine Kühlung für das gemeinsame Spulensystem braucht somit nur einmal vorgesehen zu werden.
Die Spulenkörper des Spulensystems werden so zur Ortung und Fernsteuerung gemeinsam genutzt. Auch eine gemeinsame Ansteuerung erfolgt hierbei. Dies reduziert den Aufwand des Ge¬ samtsystems .
Insbesondere kann die gemeinsame Spulenanordnung das Magnet¬ system zur Kraftausübung auf die Kapsel sein. Somit ist neben diesem überhaupt keine weitere externe Komponente für Ortung und Fernsteuerung vorzusehen. Das Gesamtsystem wird weiter vereinfacht. Das Magnetspulensystem übernimmt also drei Auf- gaben, nämlich die Kapselnavigation, also Kraftausübung anhand der Navigationsmagnetfelder, die Ortung der Kapsel und die Fernsteuerung, also Übertragung von Steuersignalen zur Kapsel, jeweils wie oben beschrieben, im zeitlichen Wechsel oder gleichzeitig.
Um die Erregerspulen der gemeinsamen Spulenanordnung bzw. des Magnetspulensystems besonders gut zur Erzeugung der ersten und zweiten magnetischen Felder ansteuern zu können, können diese Erregerspulen mehrere Anzapfungen aufweisen und über verschieden Anzapfungen betrieben werden. Somit kann eine Erregerspule in verschiedenen Betriebsarten betrieben werden, um jeweils günstige Voraussetzung für die spezielle Felder- zeugung zu haben, z.B. bestimmte Impedanz, Windungszahl oder Widerstand.
Zur Erzeugung von erstem und zweitem Magnetfeld können aus der gemeinsamen Spulenanordnung oder dem Magnetspulensystem auch jeweils andere Teilspulen verwendet werden, die hierfür besser geeignet sind als andere. Die Felderzeugung für erstes und zweites Magnetfeld ist so jeweils optimiert.
In machen Fällen kann es vorteilhaft sein, nicht nur Fernsteuerbefehle vom Magnetspulensystem zur Kapsel zu übertra¬ gen, sondern auch Rückmeldungen von der Kapsel nach außen zu senden. Dies ist im einfachsten Fall eine Rückmeldung, dass der Fernsteuerbefehl empfangen wurde, z.B. ein sogenanntes Acknowledge-Signal . Es können aber auch einfache Sensordaten, z.B. ein Temperatur- oder pH-Wert oder sonstige Informationen von der Kapsel gesendet werden. In diesem Fall kann das Rückmeldesignal vom gemeinsamen Spulensystem bzw. dem Magnetspulensystem empfangen werden. Die betreffenden Sendespulen für erstes und zweites Magnetfeld arbeiten dann gleichfalls als
Empfangsantenne. Eine separate Empfangsantenne wird überflüs¬ sig. Das Rückmeldesignal kann dann über ein Filter im Spulensystem aus diesem ausgekoppelt und zur Weiterverarbeitung weitergeleitet werden, z.B. an die oben genannte Kapselsteue- rung.
Da das Ortungssignal und das Fernsteuersignal also erstes und zweites Magnetfeld, in der Kapsel jeweils am gleichen Bau¬ teil, nämlich der Ortungsspule empfangen werden, kann das kombinierte elektrische Ausgangssignal der Ortungsspule in getrennte, jeweils dem ersten und zweiten Magnetfeld korre¬ lierte elektrische Signale aufgeteilt werden. Dies kann z.B. bei Aufmodulation durch Bandpassfilter für verschiedene Trägerfrequenzen oder ähnliches geschehen. Die kapselseitigen Komponenten für Ortung und Fernsteuerung können dann jeweils mit den bereits getrennten Fernsteuer- und Ortungssignalen versorgt werden. So müssen diese Anordnungen nicht modifi- ziert werden gegenüber der Lösung mit getrennten Empfangsantennen .
Insbesondere wird das von der Ortungsspule kommende gemeinsa- me elektrische Signal vor der Aufteilung vorverstärkt.
Hinsichtlich der Einrichtung wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch eine Einrichtung gemäß Patentanspruch 13.
Die sich aus der erfindungsgemäßen Einrichtung ergebenden
Vorteile wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsge¬ mäßen Verfahren erläutert.
Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Aus- führungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
Fig. 1 ein Magnetspulensystem zur magnetischen Navigation und Fernsteuerung einer Arbeitskapsel, Fig. 2 Spulenströme einer Erregerspule aus Fig. 1 zur Navi¬ gation und Fernsteuerung (a) getrennt, (b) aufeinander aufmoduliert und (c) im Zeitmultiplex,
Fig. 3 eine alternative Ansteuerung des Magnetspulensystems im Detail, Fig. 4 die Arbeitskapsel im Detail,
Fig. 5 ein Magnetspulensystem zur Bewegung eines magnetischen Körpers in einem Patienten gemäß Stand der Technik.
Fig. 1 zeigt nochmals das bekannte Magnetspulensystem 100 aus Fig. 5 gemäß Stand der Technik, jedoch erfindungsgemäß modi¬ fiziert. Eine Kraftsteuerung 2 empfängt von der Ortungseinrichtung 112 aktuelle Positionsdaten 4 der Arbeitskapsel 110 im Koordinatensystem 114 sowie von einer nicht dargestellten Bedieneinrichtung Solldaten für eine neue Position und Geschwindigkeit der Arbeitskapsel 110. Die Positionsdaten 4 sind Ort 116 und Orientierung 118 der Arbeitskapsel 110 im Koordinatensystem 114, wie im Zusammenhang mit Fig.5 ausführlich erläutert.
Da die Lage der Ortungsspulen 124 in der Arbeitskapsel 110 fest und damit wie beschrieben im Koordinatensystem 114 bekannt ist, liefern die Positionsdaten 4 der Auswerte- und Steuereinheit 2 ebenso Position und Orientierung der Ortungs¬ spulen 124.
Die Kapselsteuerung 128, die für die Steuerung der Kapselfunktionen zuständig ist, sendet, angedeutet durch den Pfeil 6, ein Steuersignal, das die Arbeitskapsel 110 errei¬ chen soll, an die Ortungseinrichtung 112. Diese sendet über die Spulenanordnung 125, die gemäß Stand der Technik nur zur Erzeugung des Ortungssignals dient, in Form des Feldes 8 das Steuersignal an die Kapsel 110. Das Feld 8 stellt somit das erfindungsgemäße zweite Magnetfeld dar. Das Feld 8, welches die Ortungsspulen 124 durchsetzt, von diesen empfangen, und in der Arbeitskapsel 110 als Fernsteuerbefehl dekodiert.
Die Ortungsvorrichtung 112 berechnet aus den Positionsdaten 4 den Ströme IA(t) in der Spulenanordnung 125.
Die Ströme IA(t) bis IN (t) erzeugen am Ort der Ortungsspu- len 124 eine magnetische Feldstärke zur Ortung und Fernsteue¬ rung der Kapsel 110.
Fig. 2a zeigt zwei zeitliche Stromverläufe Iort(t) und Ist(t), deren Summe die Stromstärke IA(t) in der Spulenanordnung 125 von Fig. 1 ist. Iort (t) ist hierbei ein beispielhafter zeitli¬ cher Stromstärkeverlauf zur Ortung der Arbeitskapsel 110 ge¬ mäß Stand der Technik. Die Frequenz fi von Iort (t) liegt hier¬ bei im Bereich von 0-50 Hz. Ist (t) zeigt einen zeitlichen Stromverlauf für IA(t) zur Übertragung eines Fernsteuerbe- fehls zu den Ortungsspulen 124. Die Arbeitsfrequenz f2 von Ist(t) beträgt hierbei ca. 10 kHz. Für die tatsächliche Bestromung der Spulenanordnung 125 sind in den Figuren 2b und 2c zwei Alternativen dargestellt. Fig. 2a zeigt eine Stromverteilung IA(t), in welcher die Ströme Iort (t) und Ist(t) aus Fig. 2a überlagert sind, ange- deutet durch den Mischer bzw. Summierer 12.
Die Bestromung bzw. Beschaltung der Spulenanordnung 125 erfolgt hierbei über die Anzapfungen 18a und 18b, die an dieser endseitig angeordnet sind, d. h. die gesamte Spulenanord- nung 125 wird vom Strom IA (t) durchflössen. In Fig. 1 sind die Anzapfungen 18a, b und c, wie unten beschrieben, nur beispielhaft für die Spulenanordnung 125 dargestellt.
Bei einer derartigen Bestromung findet in Fig. 1 die Ortung, der Arbeitskapsel 110 sowie die Fernsteuerung der Arbeitskap¬ sel 110 gleichzeitig statt, da auch beide Strommuster Iort (t) und Ist(t) gleichzeitig in der entsprechenden Spulenanord¬ nung 125 fließen.
Fig. 2c zeigt im Gegensatz einen Zeitverlauf des Stro¬ mes IA(t), bei welchem die Ströme Iort(t) und Ist (t) aus Fig. 2a im Zeitmultiplex als Strom IA(t) auf die Spulenanord¬ nung 125 geschaltet werden.
Vom Zeitpunkt tl bis t2 fließt dort der Strom Iort (t) , zwi¬ schen t2 und t3 der Strom Ist(t), zwischen t3 und t4 wiederum Iort (t) usw. Ortung der Arbeitskapsel 110 findet somit nur in den Zeiträumen tl bis t2, t3 bis t4 und nach t5 statt. In den Zeiträumen von t2 bis t3 und t4 bis t5 dagegen findet keine Ortung der Arbeitskapsel 110, dafür deren Fernsteuerung statt, welche zu den erstgenannten Zeiträumen eben dann nicht stattfindet .
Die Bestromung bzw. Beschaltung der Spulenanordnung 125 er- folgt nun, wie oben beschrieben, nur für den Strom Iort (t) über die Anzapfungen 18a und 18b. Die Bestromung mit Ist (t) erfolgt jeweils über die Anzapfungen 18a und 18c. Die Anzap¬ fung 18c ist hierbei etwa mittig in der Spulenanordnung 125 angeordnet. Nur ein Teil der Windungen der Spulenanord¬ nung 125 wird also vom Strom Ist(t) durchflössen. Die Spulenanordnung 125 weist dann eine geeignetere Induktivität bzw. Widerstand für dieses Strommuster auf.
Durch die unterschiedlichen Frequenzbereiche der Ströme Iort (t) und Ist(t) beeinflussen sich Ortung und Fernsteue¬ rung zur Kapsel 110 nicht gegenseitig.
Optional kann die Kapsel Rückmeldesignale, angedeutet durch die Pfeile 22a, b, an das Magnetspulensystem 100 oder die Spu¬ lenanordnung 125 senden. Die Signale werden dann von den entsprechenden Spulen, aufgefangen und an die Kapselsteuerung 128 geleitet. Dort ist ein Filter 20 integriert, das die empfangenen Rückmeldesignale ausleitet und entlang der
Pfeils 22a oder 22b an die Kapselsteuerung 128 zur Weiterverarbeitung weiterleitet. Die Empfängerspule 124 arbeitet dann gleichzeitig als Sendespule.
Alternativ kann auch eine externe Antenne 24 vorhanden sein, die die Rückmeldesignale entlang des Pfeils 26 auffängt und zur Kapselsteuerung 128 leitet.
Fig. 3 zeigt nochmals die Ansteuerung der Spulenanordnung 125 im Detail bzw. in einer Ausführungsalternative. Jeder der nicht dargestellten Einzelspulen im Spulensystem 125 ist hierbei ein Leistungsverstärker 30a-n vorgeschaltet, der die eigentlichen jeweiligen Spulenströme IA(t) erzeugt.
Die Ansteuerung der Leistungsverstärker 30a-n erfolgt hierbei jeweils durch die Ortungsvorrichtung 112 und die Kapselsteue¬ rung 128 für die Fernsteuerung. Anders als in Fig. 1 werden also die Navigations- und Fernsteuersignale nicht in der Kap¬ selsteuerung 128 vermischt. Die Ausgangssignale beider Ein- heiten werden daher durch getrennte Signalleitungen 32a, b jeweils über Vorverstärker 34 zu Kombinierern bzw. Mischern 36 geführt. Erst dort werden die Signale gemäß den Alternativen in Fig. 2 gemischt oder gemultiplext und dann zu den Leis¬ tungsverstärkern 30a-n geführt.
Fig. 4 zeigt die Arbeitskapsel 110 im Detail. Die Ortungsspu- len 124 empfangen das magnetische Feld 120 zur Ortung und das Feld 8 zur Fernsteuerung, in Fig. 4 durch einen einzigen Pfeil als Gesamtfeld verdeutlicht, entweder gleichzeitig oder im zeitlichen Multiplex, wie oben erläutert. Das magnetische Gesamtfeld wird in diesem Ausführungsbeispiel von den Or- tungsspulen 124 in ein elektrisches Signal 38 konvertiert, das zu einem Zirkulator 40 weitergeleitet wird, gelangt so auf einen Signalteiler 42 und wird gleichermaßen an zwei Bandpassfilter 44a, b weitergeleitet.
Das Bandpassfilter 44a extrahiert aus dem Signal 38 das mit dem Feld 120 zur Ortung korrelierte Ortungssignal 46. Das Bandpassfilter 44b dagegen extrahiert entsprechend das Fern¬ steuersignal 48, das mit dem Feld 8 zur Fernsteuerung korre¬ liert ist. Über Vorverstärker 50 werden beide Signale jeweils auf die Positionserkennung 52 und die Funktionssteuerung 54 der Kapsel 110 geführt und dort weiterverarbeitet.
Die Funktionssteuerung 54 bedient die nicht dargestellten Kapseleinbauten, wie z.B. Biopsiezange, Medikamentenreser- voir, Videokamera oder Beleuchtung.
Die Positionserkennung 52 detektiert die von den Ortungsspu¬ len 124 empfangene Feldstärke des Feldes 120.
Von der Rücksendeeinheit 56 werden z.B. Rückmeldungen der
Kapseleinbauten, wie "Licht ist an" oder "Kamera läuft" nach außerhalb des nicht dargestellten Patienten gesendet. Rückmeldungen können auch von der Positionserkennung 52 kommen. Z.B. wird eine, die in der Kapsel gemessene Feldstärke reprä- sentierende Zahl von der Kapsel nach außen gesendet.
Die Rücksendeeinheit 56 überträgt hierzu einen entsprechenden Befehl in Form eines Rückmeldesignals 58 zu einem Mischer 60 zur Aufmodulation auf ein Trägersignal 61 eines Oszilla¬ tors 62. Über den Zirkulator 40 gelangt das resultierende Rücksendesignal zur Spulenanordnung 124, die es als elektro¬ magnetisches Feld auf dem in Fig. 1 gezeigten Weg 22a o- der 22c oder 26 zurück zur Kapselsteuerung 128 bzw. Ortungsvorrichtung 112.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur drahtlosen Fernsteuerung einer mindestens drei zueinander orthogonale Ortungsspulen (124) aufweisenden Arbeitskapsel (110) in einem Patienten, wobei:
- ein von den Ortungsspulen (124) empfangbares erstes Magnetfeld (120) erzeugt wird,
- eine elektromagnetische Ortungseinrichtung (112) anhand des von den Ortungsspulen (124) empfangenen ersten Magnetfel- des (120) Position (116) und Orientierung (118) der Arbeitskapsel (110) relativ (114) zu einem mehrere, insbeson¬ dere vierzehn, Erregerspulen (102a-n) aufweisenden Magnetspulensystem (100) außerhalb des Patienten ermittelt,
- das Magnetspulensystem (100) anhand Position (116) und Ori- entierung (118) ein Navigationsmagnetfeld (111) zur Kraft¬ ausübung (122) auf die Arbeitskapsel (110) erzeugt, bei dem:
- ein zweites, von mindestens einer der Ortungsspulen (124) empfangbares Magnetfeld (8) zur Fernsteuerung der Arbeits- kapsei (110) erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ortungsspulen (124) eine Vorzugsrichtung für das zweite Magnetfeld (8) aufweisen, bei dem das zweite Magnetfeld (8) anhand Position (116) und/oder Orientierung (118) in vorgebbarer Orientierung bezüglich der Vorzugsrichtung erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem erstes (120) und zweites (8) Magnetfeld in voneinander unterschiedlichen ers- ten (fi) und zweiten (f2) Frequenzbereichen erzeugt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem erstes (120) und zweites (8) Magnetfeld einander überlagert (12) werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem erstes (120) und zweites (8) Magnetfeld im zeitlichen Multiplex (ti-ts) erzeugt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem erstes (120) und zweites (8) Magnetfeld von einem gemeinsamen Spulensystem (125) erzeugt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem erstes (120) und zweites (8) Magnetfeld vom Magnetspulensystem (100) erzeugt wer¬ den .
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Erregerspulen des Spulensystems (100,125) mehrere Anzapfungen (18a-c) auf¬ weisen, bei dem das Spulensystem (125) erstes (120) und zwei¬ tes (8) Magnetfeld über verschiedene Anzapfungen (18a-c) er¬ zeugt .
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem nur ein Teil der Erregerspulen des Spulensystems (100,125) zur Erzeugung des zweiten Magnetfeldes (8) verwendet werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem ein Rückmeldesignal (58) von der Arbeitskapsel (110) vom Spulen¬ system (125) empfangen und über ein Filter (20) aus dem Spulensystem (125) zur Weiterverarbeitung ausgeleitet wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das von der Ortungsspule (124) empfangene erste (120) und zweite (8) Magnetfeld als elektrisches Signal (38) in der Ar¬ beitskapsel (110) in getrennte, jeweils mit dem ersten (120) und zweiten (8) Magnetfeld korrelierte elektrische Signa¬ le (46,48) aufgeteilt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das elektrische Signal (38,46,48) in der Arbeitskapsel vor und/oder nach der Aufteilung vorverstärkt wird.
13. Einrichtung zur drahtlosen Fernsteuerung einer mindestens drei zueinander orthogonale Ortungsspulen (124) aufweisenden Arbeitskapsel (110) in einem Patienten, - mit einer Einrichtung (112) zum Erzeugen eines von den Ortungsspulen (124) empfangbaren ersten Magnetfeldes (120),
- mit einem mehrere, insbesondere vierzehn, Erregerspu¬ len (102a-n) aufweisenden Magnetspulensystem (100) außer- halb des Patienten,
- mit einer elektromagnetischen Ortungseinrichtung (112) zur Ermittlung von Position (116) und Orientierung (118) der Arbeitskapsel (110) relativ (114) zum Magnetspulensystem
(100) anhand des von den Ortungsspulen (124) empfangenen ersten Magnetfeldes (120),
- wobei das Magnetspulensystem (100) anhand Position (116) und Orientierung (118) ein Navigationsmagnetfeld (111) zur Kraftausübung (122) auf die Arbeitskapsel (110) erzeugt,
- mit einer Einrichtung (128) zur Erzeugung eines zweiten, von mindestens einer der Ortungsspulen (124) empfangbaren
Magnetfeldes (8) zur Fernsteuerung der Arbeitskapsel (110).
14. Einrichtung nach Anspruch 13, bei der die Einrichtungen zur Erzeugung von erstem (120) und zweitem Magnetfeld (8) ei- ne gemeinsame Spulenanordnung (125) aufweisen.
15. Einrichtung nach Anspruch 14, bei der die gemeinsame Spulenanordnung (125) das Magnetspulensystem (100) ist.
16. Einrichtung nach Ansprüche 14 oder 15, bei der mindestens eine der Einzelspulen der gemeinsamen Spulenanordnung (100,125) mehrere Anzapfungen (18a-c) aufweist.
17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, mit einer Empfangseinrichtung (100,125,24) zum Empfang eines von der
Arbeitskapsel (110) gesendeten elektromagnetischen Rückmeldesignals (58) .
18. Einrichtung nach Anspruch 17, bei dem die Empfangsein- richtung (100,125,24) ein Filter (20) im Magnetspulensystem (100) und/oder der Einrichtung (125) zur Erzeugung von erstem (120) und/oder zweitem Magnetfeld (8), zum Ausleiten des Rückmeldesignals (58) enthält.
19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, bei der die Arbeitskapsel (110) einen Signalteiler (42) und ein Filter (44a, b) zur Aufteilung des von den Ortungsspulen (124) empfangenen ersten (120) und zweiten (8) Magnetfeldes in ge¬ trennte, jeweils mit dem ersten (120) und zweiten (8) Magnet¬ feldern korrelierte elektrische Signale (46,48), enthält.
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