WO2020070125A1 - Energiesammler zur gewinnung elektrischer energie bei zeitlich veränderbaren magnetfeldern - Google Patents
Energiesammler zur gewinnung elektrischer energie bei zeitlich veränderbaren magnetfeldernInfo
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Definitions
- the invention relates to an energy collector comprising a coupling element made of an electrically conductive material, which is connected to an electromechanical transducer so that it can vibrate in such a way that a time-varying magnetic gradient field excites the coupling element to oscillate and generates electrical energy in the transducer.
- the invention further relates to methods and uses of the energy collectors for obtaining electrical energy in magnetic resonance tomography and a system comprising one
- Energy collector systems have a wide range of applications. In production facilities, these can significantly increase energy efficiency by exploiting the machine vibrations that occur anyway. Furthermore, for any wireless, usually battery-operated electrical devices such as mobile telephones, mp3 players and the like, energy collectors are of great economic interest in order to increase battery life and thus ease of use (Mitcheson 2008).
- DE 10 2004 055 625 A1 discloses a voltage generator with a movable slide at the lower end of which there is an opposite-pole permanent magnet and a transducer element arranged below the slide.
- the transducer element consists of a carrier formed by a ferromagnetic leaf spring with strip-shaped piezo elements and is clamped at the lower end. Rapid swiveling movements of the slide are transmitted to the leaf spring by the magnetic interaction, so that voltage impulses can be picked up from the piezo elements.
- the voltage generator should be particularly suitable for supplying evaluation electronics.
- the power generator has a first mass element in the form of a housing which is elastically connected to a vibrating element via a spring element. Within of the first mass element there is a second mass element. This preferably has the shape of a solid component and is held elastically by a second spring element.
- a piezoelectric power generation element connects the two mass elements so that a relative vibration can be used to generate electricity.
- the use of two oscillation systems is intended to enable an improved adaptation of the resonance frequency to the oscillation frequency of the oscillating element.
- Energy collectors also provide significant technical advantages in the context of medical applications in which a cable-based energy supply can be disadvantageous.
- Image-guided minimally invasive interventions such as magnetic resonance imaging (MRI)
- MRI magnetic resonance imaging
- Image-guided interventions in the magnetic resonance tomograph generally require accompanying examinations and continuous patient monitoring.
- the electronic devices used for this are mostly wired or battery-operated in the prior art.
- the presence of cables in an MRI is always associated with risks.
- imaging is impaired.
- the patient may be at risk from burns if the cables heat up in the high-frequency fields. The cable can also interfere with medical interventions and emergencies.
- Klymko et al. 2013 describes an array of piezoelectric loudspeakers that can focus acoustic energy on a local area.
- An acoustic energy collector piezoelectric loudspeaker
- An advantage of the proposed arrangement is that there is no interaction with the imaging magnetic fields of the MRT. However, the efficiency is very low at 0.01%.
- the speaker array must be installed in the MRT tube as an additional installation. The acoustic focus point can be adjusted via the phase of the loudspeakers, but additional time is required. Such an energy collector cannot be placed quickly and flexibly.
- Bryon et. al. 2018 discloses a system based on the inductive coupling of two coils.
- the primary coil has been integrated into the patient table and is intended to supply a secondary coil with up to 1 1 W at a transmission frequency of 10 MHz.
- a disadvantage of this approach is the limited range of action of the secondary coil, which must always be in a volume above the primary coil.
- only one secondary coil can be operated efficiently on its own and the performance of the arrangement strongly depends on the coupling of the two coils. This is e.g. changed by the presence of a human body.
- Höfflin et al. 2014 demonstrated the concept of optical energy transmission for the supply of preamplifiers in a magnetic resonance tomograph.
- the emitted light from a laser diode is guided to the amplifier via fiber optic cables and converted back into electrical energy with the help of a special photodiode (photonic power oohnbPq.).
- Sharafi et al. 2013 apply this principle to the supply of a miniaturized coil in a catheter, which is called active marker was used in MR imaging, but a cable that contains the corresponding optical waveguide is also necessary for an approach to optical energy transmission.
- the object of the invention is to provide an energy collector and a method for producing energy without the disadvantages of the prior art.
- the invention relates to an energy collector for the production of electrical energy in the case of magnetic fields which can be changed over time, in particular for use in the
- a coupling element for a temporally changing magnetic gradient field b. a housing and
- the coupling element is made of a conductive material and over the
- Electromechanical transducer is connected to the housing so that it can vibrate, so that a magnetic gradient field that changes over time, particularly in the case of
- Magnetic resonance imaging excites the coupling element to oscillate and generates electrical energy in the converter.
- the coupling element is preferably set up or constructed in such a way that a time-changing magnetic gradient field induces eddy currents in its surface, which are subjected to a force when a static magnetic field is superimposed, so that a time-changing magnetic gradient field closes the coupling element when it is superimposed with a static magnetic field excites a vibration and generates electrical energy in the electromechanical transducer.
- the energy collector according to the invention is characterized by a particularly efficient generation of energy from time-changeable magnetic fields, which are used in magnetic resonance tomography.
- the energy collector can thus be used in particular to supply the electronic systems for monitoring or communication with a patient with energy during an MRI examination. There is no need for disadvantageous cabling. Regular replacement of batteries or accumulators is also unnecessary. Instead, the energy collector uses the energy provided by the magnetic fields in the MRI and can be carried easily and flexibly by the patient due to its compact design. Potential fields of application of the energy collector relate not only to magnetic resonance imaging, but also to any areas in which time-varying magnetic springs occur, especially when these are overlaid by static magnetic fields.
- the coupling element is understood to mean an element made of electrically conductive material, which is designed such that a change in a magnetic field over time leads to the formation of eddy currents in its surface. If a static magnetic field is superimposed, the eddy currents are subjected to a force, causing the coupling element to vibrate or
- Vibrations is excited. These vibrations can be converted into electrical energy via the electromechanical transducer, for example a piezoelectric bar, which can be made available to various consumer devices.
- the electromechanical transducer for example a piezoelectric bar, which can be made available to various consumer devices.
- the energy collector according to the invention is particularly preferably suitable for obtaining electrical energy from magnetic fields that typically occur in magnetic resonance imaging.
- Magnetic resonance imaging is preferably understood to mean any imaging method which is based on principles of nuclear magnetic resonance (English nuclear magnetic resonance).
- Magnetic resonance imaging or magnetic resonance imaging (MRI) are synonymous terms.
- Three different magnetic fields are generally used for imaging in magnetic resonance tomography: a statistical magnetic field, a gradient field and a high-frequency field.
- the static magnetic field is responsible for the development of a measurable magnetization in the patient.
- Typical field strengths for clinical use in humans are 0.5T - 3T. Higher field strengths can also be made available for experimental research and applications on small animals (mice, rats, etc.).
- a high field homogeneity is guaranteed in the tomograph with fluctuations of less than 1 ppm (parts per million). Outside the tomograph, the field strength decreases with increasing distance. The so-called stray field is present in this area.
- Gradient fields are superimposed on the static magnetic field in MRT in order to obtain a linear dependence of the total magnetic field in one of the three spatial directions (x, y, z). With this dependency, location coding can be carried out, with which the associated signal distribution in the body can be reconstructed from the received sum signal.
- the gradient fields are defined based on their increase in the spatial direction (e.g. max. 45 mT / m) and the rise time (e.g. max. 200T / m / s). Gradient fields can be approximated as linear within a certain volume. Outside of this range, the fields are not linear.
- Larmor frequency describes the frequency of the precession of a nuclear spin in an external magnetic field and depends linearly on its strength.
- the Larmor frequency in a static magnetic field of 1 Tesla is approx. 42.6 MHz; in the case of a static magnetic field of 3 Tesla, the Larmor frequency is approx. 128 MHz.
- Typical field strengths of the related high-frequency fields are in the mT range.
- the interaction of all three magnetic fields is used for layer imaging.
- a strong static magnetic field longitudinal magnetization of the nuclear spin, in particular of hydrogen nuclei in the tissues to be examined, can be achieved will.
- pulsing the high-frequency alternating field e.g. by means of a 90 ° excitation pulse
- these magnetizations can be deflected from the direction of the static magnetic field and completely or partially converted into a transverse magnetization.
- a precession of the transverse magnetization around the field direction of the static magnetic field generates an electrical voltage which can be detected.
- the transverse magnetization decreases by aligning the spins to the static magnetic field.
- a 180 ° rephasing high-frequency pulse can be used to at least partially reverse the dephasing in a controlled manner.
- Hydrogen nucleus are present. Different tissue types therefore result in characteristic decay times and signal strengths, which can be used for imaging.
- a location coding is generated using linearly location-dependent gradient fields. This takes advantage of the fact that for a certain particle the Larmor frequency depends on the magnetic flux density (the stronger the field portion perpendicular to the direction of the particle angular momentum, the higher the Larmor frequency).
- a so-called slice selection gradient is typically applied during the excitation, which ensures that only a single slice has the appropriate Larmor frequency.
- a second gradient field transverse to the first gradient field can be switched on, which causes a different dephasing of the spins in each image line in a controlled manner (phase coding gradient).
- a frequency coding gradient field can be applied at right angles to the other gradient fields, which ensures that spins of each image column send a specific Larmor frequency.
- the pulse sequences can vary for different MRI applications. Common to all commercially relevant MRI systems is the use of pulse sequences in which the gradient fields are switched on and off several times per second. The frequencies of the time-varying gradient fields are usually between 100 Hz and 2000 Hz.
- the inventors have recognized that the clocked gradient fields of the MRT systems can be used for an energy collector without interfering with the imaging.
- an inventive coupling element made of an electrically conductive material which is preferably not ferromagnetic, is placed in the inner tube of an MRT, then in induced eddy currents due to the clocked gradient fields.
- the strong static magnetic field in the area of a few Tesla now leads to a force effect on the coupling element, which is set in vibration by the rapid sequence of switching the gradient fields (see Fig. 1)
- the vibration of the coupling element can be used for energy generation.
- the coupling element is connected to the housing of the energy collector so that it can vibrate via an electromechanical transducer.
- the energy collector preferably has an elastic element (for example a spring element) and the coupling element is coupled to the housing both by the elastic element and by the electromechanical transducer (electrical damper) (see FIG. 3a).
- the coupling element which experiences a force through the direct action of the changing gradient fields when superimposed on a static magnetic field, can transmit this force directly to the elastic element, whereby an oscillation is generated. If the natural frequency of the oscillatable system is adapted to the excitation, resonant operation can be achieved, which leads to a high effectiveness of the energy conversion.
- electromechanical transducers e.g. piezoelectric transducers (e.g. PZT bimorph elements) or an electrostatic transducer.
- the vibration of the coupling element can be used to generate energy in the magnetic fields for generating energy by connecting the coupling element to a housing via an electromechanical transducer.
- teaching according to the invention can also include other configurations of an energy collector, which use the vibration of the coupling element to generate energy.
- the invention relates to an energy collector for the production of electrical energy in the case of time-variable magnetic fields, in particular for use in the
- a coupling element for a temporally changing magnetic gradient field b. a housing
- the vibration energy collector is connected to the coupling element, which is made of an electrically conductive material and is connected to the housing via the elastic element so that it can vibrate, so that a time-varying magnetic gradient field excites the coupling element to oscillate and generates electrical energy in the vibration energy collector.
- the coupling element is preferably set up or configured such that a magnetic that changes over time
- Gradient field induces eddy currents in its surface, which experience a force when a static magnetic field is superimposed, so that a time-changing one magnetic gradient field when superimposed with a static magnetic field
- Coupling element excites to oscillate and generates electrical energy in the electromechanical converter.
- FIG. 3c A schematic illustration of a preferred embodiment of the energy collector according to the second aspect of the invention is shown in Fig. 3c.
- vibration energy collector is to be understood as a device of the generic type which is able to obtain electrical energy from mechanical vibrations.
- vibration energy collectors Various systems are known for vibration energy collectors and are described, for example, in Mitcheson 2004, Mitcheson 2008, Shaikh 2016, Khaligh 2010, Beeby 2006, Tang 2010, Spreemann 2006 or Hoffmann 2014. It is preferably a vibrati on energy collector comprising a further housing (preferably made of a non-conductive material) in which there is a seismic mass which is connected to the housing via an energy converter, preferably in the form of a spring-damper structure.
- the coupling element is preferably mechanically connected to the vibration energy collector in such a way that the vibrations are transmitted largely without dissipation.
- a rigid mechanical connection between the coupling element and the housing of the vibration energy collector may be preferred.
- the vibration energy collector will therefore vibrate equally, so that, however, the inside the seismic mass is excited to oscillate via a spring-damper structure as an energy converter.
- the energy conversion in the spring-damper structure can preferably take place electrostatically or piezoelectrically. Electromagnetic energy conversion based on induction is less preferred, since imaging can be impaired, particularly in applications in magnetic resonance tomography.
- the invention relates to an energy collector for obtaining electrical energy in the case of time-variable magnetic fields, in particular for use in magnetic resonance imaging
- a coupling element for a temporally changing magnetic gradient field b. an electromechanical transducer and
- the coupling element is a hollow body, the outer wall of which is made of an electrically conductive material and in the inner cavity of which the electromechanical transducer as well as the seismic mass are present, the seismic mass oscillating via the electro-mechanical transducer with the outer wall of the coupling element is connected so that a temporally changing magnetic gradient field excites the coupling element to oscillate and generates electrical energy in the electromechanical transducer.
- the coupling element is also preferably set up or provided in such a way that a temporally changing magnetic gradient field creates eddy currents in the latter Surface induced, which experiences a force effect when a static magnetic field is superimposed, so that a temporally changing magnetic gradient field, when superimposed with a static magnetic field, excites the coupling element to oscillate and generates electrical energy in the electromechanical transducer.
- a temporally changing magnetic gradient field creates eddy currents in the latter Surface induced, which experiences a force effect when a static magnetic field is superimposed, so that a temporally changing magnetic gradient field, when superimposed with a static magnetic field, excites the coupling element to oscillate and generates electrical energy in the electromechanical transducer.
- the coupling element is preferably designed as a hollow body, in the inner cavity of which a seismic mass is connected to the outer wall as an electromechanical transducer via a spring-damper structure.
- the seismic mass can be configured as in the case of classic vibratory energy collectors and, in order to increase efficiency, is preferably characterized by a high mass with a small volume.
- materials with a high density, particularly preferably with a density higher than 10 g / cm 3 are preferably used for a seismic mass. Tungsten or lead are suitable for this.
- the seismic mass is not a hollow body but a solid body in order to ensure a high mass with the smallest possible size (volume).
- the ratio of the volume enclosed by the outer surface of the seismic mass and the mass of the seismic mass preferably has more than 10 g / cm 3 . This ensures a particularly effective generation of energy from the excitation of the seismic mass for oscillation by the vibration of the coupling element.
- the coupling element not only serves to excite vibration, but preferably also functions as a housing at the same time. A separate housing is not necessary.
- the coupling element also preferably has a magnetic shielding function for alternating magnetic fields, such as the changing gradient fields, so that the energy converter and the seismic mass in the inner cavity interact only to a lesser extent with the outer magnetic fields. This helps to minimize disruptive influences on the imaging when used in magnetic resonance imaging.
- the shielding function for alternating magnetic fields allows greater flexibility in the choice of materials for the electromechanical transducer and the seismic mass, since disadvantageous magnetic properties lead to less interference.
- the configurations of the energy collector according to the first, second and third aspect are connected by the common idea of a coupling element which is optimized for being excited by magnetic fields to vibrate, which typically occurs in the
- Magnetic resonance imaging may occur.
- the configurations of the energy collector according to the first, second and third aspects differ, as described above, primarily in how the vibrations of the coupling element into electrical energy
- the energy collectors comprise a coupling element made of an electrically conductive material, which is connected to an electromechanical transducer so that it can oscillate in such a way that a time-varying magnetic gradient field excites the coupling element to oscillate and generates electrical energy in the transducer.
- a coupling element made of an electrically conductive material, which is connected to an electromechanical transducer so that it can oscillate in such a way that a time-varying magnetic gradient field excites the coupling element to oscillate and generates electrical energy in the transducer.
- Embodiment largely apply equally to energy collectors according to the first, second and third aspects. This applies, for example, to the selection of particularly suitable electromechanical transducers, as well as the material or the shape of the coupling elements.
- the shape, choice of material and size of particularly suitable coupling elements are preferably adapted to the gradient fields that can be changed over time.
- Preferred electrically conductive materials include materials with an electrical
- a metal as the electrically conductive material for the coupling element.
- the electrically conductive material is a paramagnetic or diamagnetic metal.
- Paramagnetic metals are characterized by a magnetic permeability of greater than 1 or a magnetic susceptibility of greater than 0 and follow an external, applied magnetic field in their magnetization, whereby the magnetic field within paramagnets is strengthened.
- Examples of paramagnetic metals include lithium, sodium, platinum, tungsten, potassium, titanium, magnesium or aluminum.
- a magnetic field is induced in diamagnetic metals, which is opposite to the external magnetic field and weakens the magnetic field inside.
- Diamagnetic metals have a magnetic permeability of less than 1 or a magnetic susceptibility of less than 0.
- diamagnetic metals include copper, silver, gold, bismuth, zinc or lead.
- the materials copper, titanium and aluminum have proven to be particularly suitable. Eddy currents with low dissipation and heat generation are induced in these by the changing gradient fields. There are particularly strong vibrations without noticeable interference with the imaging being recorded. Furthermore, particularly light coupling elements can be provided with the aid of the materials, which increases the efficiency.
- the material of the coupling element has a density of less than 10 g / cm 3 . Materials of this type can be used to construct lightweight coupling elements with the aforementioned advantages.
- the inventors have also recognized that in addition to the choice of materials, a specification of the shape or structure of the coupling elements is also suitable in order to increase their efficiency.
- the coupling element is a hollow body, preferably an ellipsoidal hollow body, very particularly preferably a hollow ball.
- a hollow body preferably designates a partially hollowed-out coupling element which comprises an outer wall and an inner cavity which is at least partially enclosed therefrom.
- the cavity can be completely enclosed by the outer wall or, as in the case of a hollow cylinder, can also have open sides.
- the outer wall of the hollow body is preferably made of the conductive material, with preference being given to using diamagnetic or paramagnetic metals.
- the cavity is not filled with the conductive material and is preferably empty. However, it can also be preferred to introduce a non-conductive, light filler or foam into the cavity.
- the principle of action of the coupling elements in the form of a hollow body is shaped by the outer wall, in which eddy currents form in the case of magnetic fields which can be changed over time.
- Coupling elements in the form of hollow ellipsoids, preferably hollow spheres, are also characterized in particular by the fact that they are reliably excited to vibrate regardless of an orientation with respect to preferred directions of the changing magnetic fields and thus serve to generate energy. This is of particular advantage when using the energy collector in magnetic resonance tomography, in which it can be preferred to attach it to the patient in different orientations.
- the embodiment is thus characterized by a high degree of flexibility with high efficiency.
- hollow bodies are characterized by a particularly low effective density and lightweight construction.
- Coupling element less than 10 g / cm 3 , preferably less than 1 g / cm 3 , particularly preferably less than 0.1 g / cm 3 .
- the ratio of the volume enclosed by the surface of the coupling element and the mass of the coupling element can also be referred to as effective density in the sense of the invention.
- effective density In the case of a solid coupling element, e.g. a solid sphere, the effective density will correspond to the material density. In the case of a hollow body, however, significantly lower effective densities can be achieved.
- Understood envelope volume of the coupling element With an external surface such as a hollow sphere or cuboid, the volume corresponds to that of the sphere or cuboid.
- the volume which is enclosed by an imaginary convex envelope should preferably be understood.
- the volume enclosed by the outer surface therefore preferably corresponds to the volume of a solid cylinder with the same outer dimensions.
- the coupling element is a sheet with a thickness of 0.5 mm to 3 mm, preferably 1 mm to 2 mm, and a surface of 20 cm 2 to 200 cm 2 , preferably 40 cm 2 to 80 cm 2 .
- the term sheet metal denotes a preferably flat dimensioning of the coupling element, which is particularly preferably formed from a metal sheet.
- the shape of the sheet surface can be chosen differently. For example, a circular shape, a curved shape or a rectangular shape may be preferred.
- the aforementioned dimensions in particular in magnetic resonance tomography, can be used to achieve excellent results for vibration excitation with optimized power transmission to the electromechanical transducer.
- Eddy currents are optimized in a temporally changing magnetic gradient field, which experiences a force effect particularly when superimposed with a static magnetic field and thus excite the coupling element to oscillate or vibrate.
- the embodiments of the coupling element according to the invention therefore differ from components of known vibration energy collectors, such as the seismic masses.
- Prior art seismic masses are therefore preferred Materials with high density and are also neither flat nor designed as hollow bodies. Instead, solid cuboids, solid spheres or solid cylinders are preferred.
- the described coupling elements with a large surface for induction of eddy currents thus represent a departure from seismic masses from the prior art and are specifically optimized for the described energy generation in time-varying magnetic gradient fields.
- Embodiments induction of oscillations or vibrations occurs in time-variable magnetic fields.
- the coupling element is connected to the housing so that it can vibrate via an electromechanical transducer.
- the electromechanical converter preferably denotes an electrically damping element which converts kinetic energy (oscillation / vibration) into electrical energy.
- the ability to vibrate is preferably realized by an elastic element (spring element). This can be integrated in the electromechanical converter or else connect the coupling element to the housing separately in parallel.
- Electromagnetic generators use the induction of an electric field to generate electricity, which is generated by a relative movement of a conductor in a magnetic flux.
- permanent magnets or ferromagnetic materials are mostly used.
- an electromagnetic converter can therefore have disruptive effects on the imaging.
- the electromechanical transducer is therefore a piezoelectric or an electrostatic transducer.
- An electrostatic converter uses the relative movement of electrically insulated capacitor plates, which can be conveyed by the vibration, to generate electrical energy.
- the mechanical energy provided by the vibrations is used to perform work against the electrostatic (attraction) force of differently charged capacitor plates.
- the energy of the electric field increased by mechanical work can be provided in the form of a voltage increase, while in the constant voltage mode an electrical current can be tapped.
- Provision of charged capacitor plates can be provided by a so-called priming or precharging.
- electrets can also be used which, in the form of dielectric layers, allow quasi-permanent storage of electrical charges.
- shape of the capacitor plates various arrangements are conceivable, for example in the form of parallel plates or as a comb structure, the capacitive change of which is based on a variation in the comb coverage or the comb spacing (cf. Beeby 2006).
- Electrostatic converters are characterized by high reliability with a simple and robust design.
- a piezoelectric transducer or generator is based on the use of mechanical vibrations for the elastic deformation of piezoelectric materials, as a result of which an electric field or a voltage is generated (piezoelectric effect, cf. Mitcheson 2008).
- piezoelectric layers can be introduced between plates, the vibrations leading to a change in distance and thus voltage generation.
- Piezoelectric beams (bending beams, biomorphic elements) are particularly preferred.
- the pie zoelectric bars can preferably be arranged as cantilever chairs (canf / ' / ever) with which the coupling element is connected.
- a vibration excitation of the coupling element causes a mechanical, elastic deformation of a piezoelectric layer of the piezo bar, which can be tapped as an electrical voltage.
- Such piezoelectric beam structures can cause vibrations of different orientations and
- Amplitudes can be used particularly effectively to generate electrical energy.
- PZT Lead zirconate titanate
- AIN aluminum nitride
- ZnO zinc oxide
- flafnium oxide lithium niobate
- LiNb03 lithium niobate
- the electromechanical transducers are particularly preferably so-called microelectromechanical systems (MEMS).
- MEMS microelectromechanical systems
- the energy collector is characterized in that the housing, the electromechanical transducer and the coupling element form an oscillatable system which has at least one natural frequency between 100 and 2000 Hz, preferably between 200 and 2000 Hz, very particularly between 500 and 1000 Hz .
- the system consisting of housing, electromechanical transducer and coupling element is characterized by at least one degree of freedom and is described as capable of oscillation.
- the coupling element may vibrate on the
- Act bar structure which is installed on the housing.
- a capacitive comb structure can also be arranged parallel to a spring element the housing and the coupling element are arranged.
- the degree of freedom corresponds to a linear compression or extension.
- the aforementioned embodiment is particularly preferred for an energy collector according to the first or second aspect.
- the coupling element which preferably acts as a housing
- the electromechanical converter and the seismic mass form an oscillatable system which has at least one natural frequency between 100 and 2000 Hz, preferably between 200 and 2000 Hz, especially between 500 and 1000 Hz.
- the system of coupling element (which acts as a housing), electromechanical transducer and seismic mass is characterized by at least one degree of freedom and can be described as capable of oscillation.
- a piezo bar it can be a vibration of the seismic mass on the bar structure, which is installed on the coupling element.
- an electrostatic converter e.g. there is also a capacitive comb structure arranged parallel to a spring element between the coupling element and the seismic mass.
- the degree of freedom corresponds to a linear compression or extension.
- a natural frequency corresponds to the frequency at which the oscillatable system oscillates with the associated mode (mode) and can be determined experimentally or theoretically by a modal analysis.
- the natural frequencies of vibratable systems depend on their mechanical or electrical properties, such as a spring constant or the damping strength.
- energy collectors with predetermined natural frequencies can be provided.
- the preferred embodiment has at least one natural frequency between 100 and 2000 Hz, preferably between 200 and 2000 Hz, very particularly between 500 and 1000 Hz.
- the frequency range which is close to the natural frequency thus becomes particularly large
- Coupling element is excited in the aforementioned frequency range. This is particularly the case for use of the energy collector in magnetic resonance tomography, in which the changing gradient fields typically experience a timing of 100 to 2000 Hz.
- vibration-based energy collectors are designed with significantly lower natural frequencies in order to generate energy efficiently
- the energy collector has at least two coupling elements, each of which is connected to the by an electromechanical converter
- Housing are connected to vibrate, preferably at least two oscillatable systems are formed from a coupling element, an electromechanical transducer and the housing, which have different natural frequencies.
- the coupling element preferably functioning as a housing
- the energy collector has at least two seismic masses, each of which is connected to the coupling element by an electromechanical transducer, preferably at least two systems capable of oscillation each formed from a seismic mass, an electromechanical transducer and the coupling element, which have different natural frequencies.
- energy collectors with 2 to 10, very particularly preferably 2 to 5 coupling elements and a corresponding number of electromechanical transducers or for an energy collector according to the third aspect with 2 to 10, very particularly preferably 2 to 5 seismic masses and a corresponding number of electromechanical transducers.
- Such energy collectors are characterized by an optimal balance of efficiency, compactness and manufacturing costs.
- the at least two different natural frequencies lie in a range from 100 and 2000 Hz, preferably between 200 and 2000 Hz, very particularly between 500 and 1000 Hz, and preferably at least 50-70 by a difference of 40-100 Hz Hz differentiate.
- the abovementioned frequency ranges and differences are matched to the preferred use of the energy collector in magnetic resonance tomography and reflect the harmonics of the clocked gradient fields to be recorded here.
- the housing of the energy collector serves as the reference point of the oscillatable system and for stabilizing or protecting the energy collector from external influences.
- the dimensions of the housing are preferably chosen such that they can be conveniently attached to the patient.
- the choice of material is preferably adapted to the requirements of the applications.
- Plastics combine this property with high stability and low weight and one
- the housing is therefore made of an electrically non-conductive material, very particularly preferably of a plastic.
- Embodiment is particularly preferred for an energy collector according to the first or second aspect.
- the coupling element itself preferably acts as a housing.
- the energy collector has at least one permanent magnet for building up a static magnetic field.
- the presence of a permanent magnet is not necessary for applications in magnetic resonance tomography.
- the clocked gradient fields generate eddy currents in the coupling element, which, due to the presence of a strong static magnetic field, leads to the application of force and thus vibration excitation.
- the principle of the energy collector for generating energy by means of magnetic fields that can be changed over time can advantageously be used in other areas.
- magnetic fields that can be changed over time also occur in power lines. These also induce eddy currents in the preferred coupling elements. Without a static magnetic field, the induced eddy currents are not translated into mechanical vibrations.
- the static magnetic field does not have to penetrate the range of a few Tesla in terms of strength. Rather, significantly lower field strengths are sufficient, in particular for the recovery of energy from the time-variable magnetic fields of power lines, in order to obtain significant electrical energy.
- the invention relates to a use of the described
- Energy collector for obtaining electrical energy from a time-changing magnetic gradient field in magnetic resonance imaging.
- the design of the energy converter is tailored to the magnetic fields used in magnetic resonance imaging, so that a particularly high degree of efficiency is achieved in such an application.
- classic implementations of energy supply for monitoring systems in the MRI tube are problematic. With cabling, the high-frequency alternating fields can melt the cables or burn the patient. Special, expensive batteries or accumulators must also be used to avoid interference with imaging. By using the described energy collector, these disadvantages can be avoided and a reliable power supply for various electronic devices close to the patient in the MRT tube can be guaranteed.
- the invention therefore also relates to a system comprising a) a magnetic resonance tomograph and
- the magnetic resonance tomograph is understood to be a device which is configured to carry out a magnetic resonance tomography.
- Magnetic resonance tomographs are described, for example, in Nitz et al. Described in 2011. A variety of different commercial systems are known in different designs. This includes open and closed magnetic resonance tomographs.
- Components that allow the generation of the described magnetic fields are characterized for a magnetic resonance tomograph. This includes in particular the generation of a static magnetic field, a time-variable gradient field and high-frequency fields.
- the magnetic resonance tomograph can have transmitter and receiver coils.
- the system according to the invention is not based on a specific construction method
- Magnetic resonance tomograph limited. Instead, any devices that generate the aforementioned magnetic fields for an imaging method can be suitable.
- the magnetic resonance tomograph is configured to be a static one
- a magnetic field with a field strength of at least 0.1 Tesla, preferably 0.1 to 10 Tesla, particularly preferably 0.5 to 3 Tesla.
- the magnetic resonance tomograph is preferably configured to generate a high-frequency magnetic field in the megahertz range, which is preferably matched to the Larmor frequency of the atoms to be imaged. Field strengths of the generated high-frequency fields are preferably in the mT range.
- the magnetic resonance tomograph is configured to generate a time-changing magnetic gradient field with a frequency between 100 Hz and 2000 H.
- Such magnetic resonance tomographs are widely used in the prior art.
- the changing magnetic gradient fields become as described above
- the system comprises consumer devices, preferably for attachment to a patient, the energy collector using the
- consumer devices is preferably understood to mean electronic devices which are not used directly for imaging but are used to support an MRI examination.
- Preferred consumer devices are used for monitoring (patient monitoring) or communication with the patient.
- Examples of preferred consumer devices that can be supplied by the energy collector include breathing belts or EKG devices or keyboards, screens or touchpads to enable communication between the patient and the medical personnel.
- the energy collector described is particularly optimized with regard to its use in magnetic resonance tomography or is distinguished by its property for this.
- the principle according to the invention can advantageously also be used in other fields in which magnetic gradient fields that can be changed over time occur.
- this relates to current paths with magnetic fields which can be changed over time and which induce eddy currents in the coupling elements and, in the case of an additional permanent magnet, lead to vibration or oscillation of the coupling element.
- the energy collectors described can advantageously be used in any system in which a time-varying magnetic gradient field and a static magnetic field are generated.
- the invention therefore also relates to a system comprising
- the invention also relates to a system comprising
- the invention relates to a method for obtaining electrical energy in magnetic resonance imaging comprising the steps
- the energy collector is preferably positioned in such a way that it is located at a location where a magnetic gradient field undergoes changes in time during the execution of a magnetic resonance tomography. If the construction of the
- the magnetic resonance tomograph comprises an MRT tube
- the energy collector is inserted into it.
- an open MRI system for example in a C-shape
- Energy collector accordingly inserted between the C-plates, between which the magnetic fields are generated. Due to the compact design, the energy collector can also be carried easily and flexibly by the patient.
- the use of the electrical energy generated by the energy collector for operating at least one consumer device can be implemented in a variety of ways.
- the electrical energy generated can be used directly for the operation of the battery
- the electrical energy generated is temporarily stored in an accumulator, which is the
- Fig. 1 Functional principle for generating vibrations of a coupling element in the
- Fig. 2 Acceleration measurement, vertical axis: a) inside the MRI tube at the top of
- FIG. 3 Schematic representation of preferred embodiments of the energy collector
- FIG. 4 Schematic illustration of a preferred use of the energy collector for generating electrical energy in magnetic resonance imaging
- Fig. 5 a Schematic representation of frequency spectra with different MRI
- Figure 1 shows the operating principle for generating the vibrations of the coupling element.
- Magnetic resonance imaging Three different magnetic fields are used in magnetic resonance imaging: a static magnetic field, clocked (i.e. time-changeable) magnetic gradient fields and high-frequency fields.
- the interplay of the magnetic fields is used for layer-by-layer imaging.
- Figure 2 shows experimental measurements of the vibrations that are generated by the clocked gradient fields in a typical MRI examination. The tests were carried out on an MR tomograph (3T-MRT Skyra, Siemens).
- Figure 2a shows a frequency spectrum that was measured in the sky in the MRI tube in the vertical direction.
- the spectrum shown also resembles spectra that were recorded in other directions and at different positions on the housing of the MRI tube.
- the spectra are characterized by dominant frequencies, which are lined up at the same distance and form harmonic harmonics.
- the frequencies are in a range of 100 Hz - 2 kHz with amplitudes (depending on the sequence) of up to 0.4 g.
- Figure 2b shows an exemplary frequency spectrum of a coupling element, which was placed on a couch in the MRI tube.
- the coupling element is a copper sheet with a surface between 40 cm 2 to 80 cm 2 and a thickness of 1 to 2 mm.
- significantly higher acceleration amplitudes are measured on the coupling element than with a vibration measurement on the MRI housing or directly on the couch (without coupling element).
- powers of up to 50 mW can be generated.
- FIG 3 illustrates preferred embodiments of an energy collector, which should use the previously described chain of effects.
- a preferred embodiment of an energy collector according to the first aspect of the invention is shown, wherein a coupling element via an elastic element (spring element) and an electromechanical transducer (electrical damper) within the energy collector connected to its housing.
- the coupling element which experiences a force through the direct action of the changing gradient fields, can transmit this force directly to the elastic element or spring element, as a result of which an oscillation or vibration is generated. If the natural frequency of the oscillatory system is adapted to the excitation, a resonant one can Operation can be achieved, which leads to a particularly high effectiveness of energy conversion.
- the electromechanical transducers can be based on various transduction mechanisms. For example, the vibration can be damped by an electrostatic or a piezoelectric transducer and thus provide electrical energy.
- FIG 3b shows the use of a piezoelectric beam structure (piezo beam) as the preferred electromechanical energy converter.
- the piezo bar is attached to the housing of the energy collector as a cantilever and is excited to vibrate by the vibrations of the coupling element.
- the resulting elastic deformations of piezoelectric layers convert the mechanical vibrations into electrical energy.
- the piezo bar thus combines the functionalities of an elastic element (cantilever) and an electrical damper (piezoelectric damping of the elastic deformations).
- Figure 3c shows a preferred embodiment of an energy collector according to the second aspect of the invention.
- the coupling element is mechanically connected to a classic vibration energy collector, so that the vibrations of the coupling element are transmitted directly to the vibration energy collector by a vibration within the housing.
- the vibration energy collector preferably comprises its own housing, in which there is a seismic mass, which is connected to the housing via an energy converter, preferably in the form of a spring-damper structure.
- Figure 3d shows a preferred embodiment of an energy collector according to the third aspect of the invention.
- the coupling element is a hollow body in the inner cavity of which a seismic mass is connected to the outer wall as an electromechanical transducer via a spring-damper structure. By stimulating the coupling element, the seismic mass is vibrated via the elastic element, so that energy is generated in the electromechanical transducer (electrical damper).
- the coupling element also preferably functions as a housing and has a magnetic shielding function, so that the energy converter and the seismic mass in the inner cavity interact only to a lesser extent with external magnetic fields. In this way, disruptive influences on the imaging when used in magnetic resonance tomography can be minimized.
- Figure 4 illustrates a preferred use of the energy collector to generate electrical energy during an MRI scan. Due to the compact dimensions, the energy collector can be attached to the patient, so that the energy collector is located in the MRI tube together with the patient while a magnetic resonance tomography is being carried out. The energy obtained from the clocked gradient fields can be used for a wide variety of consumer systems, in particular for monitoring or communication with the patient.
- Figure 5a illustrates frequency spectra that occur in different MRI examinations.
- different sequences ie sequential applications of the high-frequency and gradient fields
- the different sequences lead to different Chen frequencies of the circuits of the gradient fields during imaging, whereby the vibration spectra vary.
- Figure 5a illustrates the results of measurements for MRI examinations with different sequences.
- the harmonics of different sequences visible in the frequency spectrum are congruent or closely related.
- the amplitudes of the dominant frequencies can fluctuate significantly depending on the sequences. It can happen that dominant frequencies with only a small amplitude are found at a frequency f1 or with very different amplitudes at a frequency f2.
- the required frequency bandwidth B1 which must be covered by an energy collector, is relatively small ( ⁇ 10 Hz).
- the frequency spacing B2 of the harmonics is 50 Hz or 67 Hz depending on the sequence.
- the natural frequency of an energy collector can be varied by up to 100 Hz using mechanical methods (Neiss 2014, Eichhorn 201 1, Floffmann 2016, Lallart 2010, Wang 2017) or by using extraction circuits by up to 10 Hz (Hsieh 2015, Cai 2018) .
- an array with several coupling elements e.g. 2 to 5 coupling elements.
- Such a preferred embodiment is illustrated in FIG. 5b for the use of piezo bars as an electromechanical energy converter.
- Embodiments of the invention can be used to carry out the invention and to achieve the solution according to the invention.
- the embodiments of the energy collector according to the invention, the system and their use, in particular in the described methods, are therefore not limited to the above preferred embodiments.
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Energiesammler umfassend ein Koppelelement aus einem elektrisch leitfähigen Material, welches mit einem elektromechanischen Wandler derart schwingfähig verbunden ist, dass ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld das Koppelelement zu einer Schwingung anregt und in dem Wandler elektrische Energie erzeugt. Die Erfindung betrifft weiterhin Verfahren und Verwendungen der Energiesammler zur Gewinnung elektrischer Energie bei der Magnetresonanztomographie sowie ein System umfassend einen Energiesammler und einen Magnetresonanztomographen.
Description
ENERGIESAMMLER ZUR GEWINNUNG ELEKTRISCHER ENERGIE BEI ZEITLICH VERÄNDERBAREN MAGNETFELDERN
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft einen Energiesammler umfassend ein Koppelelement aus einem elektrisch leitfähigen Material, welches mit einem elektromechanischen Wandler derart schwingfähig verbunden ist, dass ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld das Koppelelement zu einer Schwingung anregt und in dem Wandler elektrische Energie erzeugt. Die Erfindung betrifft weiterhin Verfahren und Verwendungen der Energiesammler zur Gewinnung elektrischer Energie bei der Magnetresonanztomographie sowie ein System umfassend einen
Energiesammler und einen Magnetresonanztomographen.
Hintergrund und Stand der Technik
Die Entwicklung und Bewertung von Energy Harvesting Systemen (Energiesammlern) für das Ernten von Umgebungsenergie, insbesondere von Maschinenvibrationen, steht seit einiger Zeit im Fokus von nationalen und internationalen Forschergruppen (Mitcheson 2004, Mitcheson 2008, Shaikh 2016, Khaligh 2010, Beeby 2006, Tang 2010, Spreemann 2006, Hoffmann 2014). Diese Gegebenheit spiegelt sich auch in der Quantität an Veröffentlichungen wieder. Für das Einkop peln externer Vibrationen in ein Energy Harvesting System werden bevorzugt resonante Feder- Masse-Dämpfer-Strukturen eingesetzt (Mitcheson 2008), wobei die zum Schwingen angeregte Masse mit Hilfe eines elektromechanischen Energiewandlers gedämpft wird. Die Energiewand lung kann dabei elektromagnetisch, elektrostatisch oder piezoelektrisch erfolgen (Mitcheson 2004, Mitcheson 2008)
Energiesammlersysteme haben ein weites Anwendungspotential. In Produktionsstätten können diese durch Ausnutzung der ohnehin auftreten Maschinenvibrationen die Energieeffizienz deut lich steigern. Weiterhin sind für jegliche drahtlose, in der Regel batteriebetriebene Elektrogeräte wie Mobiltelefone, mp3-Player und dergleichen Energiesammler von hohem wirtschaftlichen Inte resse, um Akkulaufzeiten und somit den Benutzungskomfort zu steigern (Mitcheson 2008).
Im Stand der Technik sind unterschiedliche Konstruktionsvarianten für Energiesammler bekannt.
Die DE 10 2004 055 625 A1 offenbart einen Spannungsgenerator mit einem beweglichen Schlit ten an dessen unterem Ende ein gegenpoliger Permanentmagnet vorliegt sowie ein unterhalb des Schlittens angeordnetes Wandlerelement. Das Wandlerelement besteht aus einem von einer ferromagnetischen Blattfeder gebildeten Träger mit streifenförmigen Piezoelementen und ist am unteren Ende eingespannt. Schnelle Schwenkbewegungen des Schlittens übertragen sich durch die magnetische Wechselwirkung auf die Blattfeder, sodass an den Piezoelementen Spannungs impulse abgreifbar sind. Der Spannungsgenerator soll sich insbesondere zur Speisung einer Auswerteelektronik eignen.
Die DE 1 1 2016 000 199 T5 beschreibt eine Vorrichtung zur Erzeugung von Strom aus einer Schwingung. Der Stromerzeuger weist ein erstes Masseelement in Form eines Gehäuses auf, welches elastisch über ein Federelement mit einem Schwingelement verbunden ist. Innerhalb
des ersten Masseelementes liegt ein zweites Masseelement vor. Dieses hat bevorzugt die Form eines Massivbauelementes und wird über ein zweites Federelement elastisch gehalten. Ein pie zoelektrisches Stromerzeugungselement verbindet die beiden Massenelemente, sodass eine relative Schwingung zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Die Verwendung zweier Schwin gungssysteme soll eine verbesserte Anpassung die Resonanzfrequenz an die Schwingungsfre quenz des schwingenden Elementes ermöglichen.
Auch im Rahmen medizinischer Anwendungen bei denen eine kabelbasierte Energiezufuhr nach teilig sein können, verschaffen Energiesammler wesentliche technische Vorteile.
Bildgeführte minimalinvasive Interventionen, wie die Magnetresonanztomographie (MRT), sind ein wichtiger Bestandteil in der klinischen Diagnostik und in der Therapiedurchführung. Bildge führte Eingriffe im Magnetresonanztomographen erfordern dabei in der Regel begleitende Unter suchungen und ein durchgehendes Patienten-Monitoring. Die dafür eingesetzten elektronischen Geräte sind im Stand der Technik meist kabelgebunden oder akkubetrieben. Jedoch ist die An wesenheit von Kabeln in einem MRT grundsätzlich mit Risiken verbunden. Zum einen kommt es zu Beeinträchtigung der Bildgebung. Zum anderen kann es zu einer Gefährdung des Patienten durch Verbrennungen kommen, falls sich die Kabel in den Hochfrequenzfeldern aufheizen. Auch Behinderungen durch die Kabel bei medizinischen Eingriffen und im Notfall können auftreten.
Bei einer ausschließlichen Verwendung von Batterien oder Akkus zur Vermeidung der vorge nannten Nachteile von Kabeln ist die Zuverlässigkeit der Energieversorgung eingeschränkt. D.h. es muss stets darauf geachtet werden, dass die Geräte nach Benutzung entweder in die La destationen zurückgestellt werden oder dass der Zustand der Batterien regelmäßig überprüft wird. Zudem können herkömmliche Akkus oder Batterien mit den Magnetfeldern und somit der Bildgebung bei den MRTs interferieren. Spezielle Akkus oder Batterien, welche kompatible mit MRT-Anwendungen sind, sind hingegen teuer.
Im Stand der Technik gibt es daher Bestrebungen Energiesammlersysteme bereitzustellen, wel che sich für bildgeführte medizinische Anwendungen, wie die Magnetresonanztomographie, eig nen.
Höfflin et al. 2013 schlagen ein Konzept zur Gewinnung von elektrischer Energie aus den Gradi entenfeldern eines Spektrometers vor. Die Anordnung besteht aus einer Figure-8-Spule, die es ermöglicht in der Präsenz des Nulldurchgangs von Gradientenfeldern Energie zu gewinnen. Die Figure-8-Spule erntet hierbei Energie aus Gradientenschaltvorgängen und RF Pulsen und wan delt diese Wechselsignale in eine Gleichspannung um, welche zum Betrieb eines Vorverstärkers verwandt werden kann. Das Konzept ist jedoch nicht ohne Weiteres auf einen Ganzkörpertomo graphen übertragbar, da die Figure-8-Spule einen Nulldurchgang des Gradientenfeldes benötigt, um effizient betrieben werden zu können. Außerdem kann immer nur eines der drei verfügbaren Felder verwendet werden.
Weitere induktive Ansätze zur Nutzung von Spulen, um Energie aus den Magnetfeldern eines MRT zu sammeln, sind im Stand der Technik nicht bekannt. Die Gewinnung von Energie aus dem potentiell energiereichen, hochfrequenten Wechselfeld des Tomographen birgt zudem das Problem in sich, dass die Sende- und auch Empfangsspule ebenfalls auf die Larmorfrequenz des
Hochfrequenzfeldes angepasst sind. Bei derartigen Anwendungen wäre somit mit Interaktionen zwischen den Sende- / Empfangselementen und dem Energiesammler zu rechnen, wodurch die Bildgebung beeinträchtigt würde.
Im Stand der Technik sind ebenfalls System bekannt die zusätzliche externe Energiequellen ein- bringen, um diese zur Bereitstellung von Energie innerhalb eines MRT zu gewährleisten.
Klymko et al. 2013 beschreibt ein Array aus piezoelektrischen Lautsprechern, welcher akustische Energie auf einen örtlich begrenzten Bereich fokussieren kann. In diesem Bereich wird ein akus tischer Energiesammler (piezoelektrischer Lautsprecher) platziert, um die akustische Energie wieder in elektrische Energie umzuwandeln. Ein Vorteil der vorgeschlagenen Anordnung ist es, dass keine Interaktion mit den bildgebenden Magnetfeldern des MRT stattfindet. Der Wirkungs grad ist mit 0.01 % dagegen sehr gering. Zudem muss das Lautsprecherarray als zusätzliche In stallation in der Röhre des MRT untergebracht werden. Der akustische Fokuspunkt lässt sich zwar über die Phase der Lautsprecher einstellen, jedoch ist dafür zusätzlicher Zeitaufwand erfor derlich. Ein derartiger Energiesammler kann nicht kurzfristig und flexibel platziert werden.
Bryon et. al. 2018 offenbart ein System, dass auf der induktiven Kopplung zweier Spulen basiert. Die Primärspule wurde in den Patiententisch integriert und soll eine Sekundärspule mit bis zu 1 1 W bei einer Übertragungsfrequenz von 10MHz versorgen. Ein Nachteil dieses Ansatzes ist der eingeschränkte Aktionsradius der Sekundärspule, die sich zwingend immer in einem Volumen oberhalb der Primärspule befinden muss. Außerdem kann auch nur eine Sekundärspule alleine effizient betrieben werden und die Performance der Anordnung hängt stark von der Kopplung beider Spulen ab. Diese wird z.B. durch die Präsenz eines menschlichen Körpers verändert.
Höfflin et al. 2014 demonstrierten das Konzept einer optischen Energieübertragung zur Versor gung von Vorverstärkern im Magnetresonanztomographen. Dabei wird das emittierte Licht einer Laserdiode über Lichtwellenleiter zum Verstärker geleitet und mit Hilfe einer speziellen Photodio den (photonic power oohnbPqή in elektrische Energie zurückgewandelt. Sharafi et al. 2013 wen den dieses Prinzip auf die Versorgung einer miniaturisierten Spule in einem Katheder an, die als aktiver Marker in der MR-Bildgebung genutzt wurde. Allerdings ist auch bei einem Ansatz der optischen Energieübertragung ein Kabel notwendig, das entsprechende Lichtwellenleiter enthält.
Es besteht mithin ein Bedarf an alternativen Ansätzen für Energiesammler, welche sich insbe sondere für medizinische Anwendungen, wie für die Magnetresonanztomographie, eignen.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Energiesammler sowie ein Verfahren zur Gewinnung von Energie ohne die Nachteile des Standes bereitzustellen. Insbesondere war es eine Aufgabe der Erfindung einen Energiesammler zur Verfügung zu stellen, welcher eine hohe Effizienz bei der Gewinnung elektrischer Energie insbesondere für Anwendungen in der
Magnetresonanztomographie aufweist und sich gleichzeitig durch einen einfachen,
kostengünstigen kompakten Aufbau auszeichnet.
Zusammenfassuna der Erfinduna
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung einen Energiesammler zur Gewinnung elektrischer Energie bei zeitlich veränderbaren Magnetfelder insbesondere zur Verwendung bei der
Magnetresonanztomographie umfassend
a. ein Koppelelement für ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld b. ein Gehäuse und
c. einen elektromechanischen Wandler,
wobei das Koppelelement aus einem leitfähigen Material gefertigt ist und über den
elektromechanischen Wandler mit dem Gehäuse schwingfähig verbunden ist, sodass ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld insbesondere bei der
Magnetresonanztomographie das Koppelelement zu einer Schwingung anregt und in dem Wandler elektrische Energie erzeugt. Bevorzugt ist das Koppelelement dazu eingerichtet bzw. derart beschaffen, dass ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld Wirbelströme in dessen Oberfläche induziert, welche bei Überlagerung eines statischen Magnetfeldes eine Krafteinwirkung erfahren, sodass ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld bei Überlagerung mit einem statischen Magnetfeld das Koppelelement zu einer Schwingung anregt und in dem elektromechanischen Wandler elektrische Energie erzeugt.
Der erfindungsgemäße Energiesammler zeichnet sich durch eine besonders effiziente Energie gewinnung aus zeitlich veränderbaren Magnetfeldern aus, welche bei der Magnetresonanztomo graphie zum Einsatz kommen. Der Energiesammler kann somit insbesondere dazu genutzt wer den während einer MRT-Untersuchung elektronische Systeme zur Überwachung oder Kommuni kation mit einem Patienten mit Energie zu versorgen. Auf eine nachteilige Verkabelung kann ver zichtet werden. Auch ist ein regelmäßiger Austausch von Batterien oder Akkumulatoren entbehr lich. Stattdessen nutzt der Energiesammler, die durch die Magnetfelder im MRT bereitgestellte Energie und kann aufgrund einer kompakten Bauweise leicht und flexibel vom Patienten getra gen werden. Potentielle Anwendungsfelder des Energiesammlers betreffen nicht nur die Mag netresonanztomographie, sondern jegliche Bereiche in den zeitlich veränderliche Magnetfeder auftreten, insbesondere wenn diese von statischen Magnetfeldern überlagert werden.
Das Prinzip des Energiesammlers basiert auf dem Zusammenwirken des Koppelelementes mit dem elektromechanischen Wandler, welche durch eine Verbindung mit dem Gehäuse ein schwingfähiges System bilden. Unter dem Koppelelement wird im Sinne der Erfindung ein Element aus elektrisch leitfähigem Material verstanden, welches derart beschaffen ist, dass eine zeitliche Änderung eines Magnetfeldes zu einer Entstehung von Wirbelströmen in dessen Oberfläche führt. Im Falle einer Überlagerung einer statischen Magnetfeldes erfahren die Wirbelströme eine Krafteinwirkung, sodass das Koppelelement zu Vibrationen oder
Schwingungen angeregt wird.
Diese Schwingungen können über den elektromechanischen Wandler, beispielsweise einen piezoelektrischen Balken, in elektrische Energie umgewandelt werden, welche verschiedenen Verbrauchergeräten zur Verfügung gestellt werden kann.
Der erfindungsgemäße Energiesammler eignet sich besonders bevorzugt zur Gewinnung elektrischer Energie aus Magnetfeldern die typischerweise in der Magnetresonanztomographie auftreten.
Unter der Magnetresonanztomographie wird bevorzugt jegliches bildgebendes Verfahren verstanden, welches auf Prinzipien der Kernspinresonanz (englisch Nuclear Magnetic
Resonance, NMR) basiert und durch Erzeugung von Schnittbilder in der medizinischen
Diagnostik verwandt wird, um Strukturen oder Funktionen von Geweben und Organen darzustellen. Synonym Begriffe sind die Kernspintomographie oder Magnetic Resonance Imaging (MRI).
In der Magnetresonanztomographie werden in der Regel drei verschiedene Magnetfelder zur Bildgebung genutzt: ein statistisches Magnetfeld, ein Gradientenfeld und ein Hochfrequenzfeld.
Das statische Magnetfeld ist in der Magnetresonanztomographie für die Ausprägung einer messbaren Magnetisierung im Patienten verantwortlich. Typische Feldstärken für den klinischen Einsatz am Menschen sind 0.5T - 3T. Für experimentelle Forschung und Anwendungen an Kleintieren (Mäusen, Ratten etc.) können auch höhere Feldstärken zur Verfügung gestellt. Für eine optimale Bildgebung wird im Tomographen eine hohe Feldhomogenität gewährleistet mit Schwankungen von weniger als 1 ppm (parts per million). Außerhalb des Tomographen nimmt die Feldstärke mit zunehmenden Abstand ab. In diesem Bereich liegt das sogenannte Streufeld vor.
Im MRT werden dem statischen Magnetfeld Gradientenfelder überlagert, um eine lineare Abhängigkeit des Gesamtmagnetfeldes in eine der drei Raumrichtungen (x,y,z) zu erhalten. Mithilfe dieser Abhängigkeit kann eine Ortskodierung erfolgen, mit der aus dem empfangenen Summensignal, die dazugehörige Signalverteilung im Körper rekonstruiert werden kann.
Typischerweise werden die Gradientenfelder anhand ihres Anstieges in Raumrichtung (z.B. max. 45 mT/m) und der Anstiegszeit (z.B. max. 200T/m/s) definiert. Gradientenfelder lassen sich innerhalb eines bestimmten Volumens als linear approximieren. Außerhalb dieses Bereiches sind die Felder nicht linear.
Zur Generierung eines nutzbaren Signals werden hochfrequente Wechselfelder in die MRT Röhre eingestrahlt. Deren Frequenz wird anhand der sogenannten Larmorfrequenz bestimmt. Die Larmorfrequenz bezeichnet die Frequenz der Präzession eines Kernspins in einem äußeren Magnetfeld und hängt linear von dessen Stärke ab. Für Protonen (Wasserstoffatome) liegt die Larmorfrequenz in einem statischen Magnetfeld der Stärke 1 Tesla bei ca. 42,6 MHz im Falle eines statischen Magnetfeldes der Stärke 3 Tesla entspricht die Larmorfrequenz ca. 128MHz. Typische Feldstärken der verwandten Hochfrequenzfelder liegen im mT-Bereich. Die
Leistungsdichten sind entsprechend hoch.
Das Zusammenspiel aller drei Magnetfelder wird zur Schichtbildgebung genutzt. Durch das Anlegen eines starken statischen Magnetfeldes kann eine longitudinale Magnetisierung des Kernspins insbesondere von Wasserstoffkernen in dem zu untersuchenden Geweben erzielt
werden. Durch ein pulsartiges Einschalten des hochfrequenten Wechselfeld (bspw. durch einen 90° Anregungspuls) im Bereich der Larmorfrequenz lassen sich diese Magnetisierungen aus der Richtung des statischen Magnetfeldes auslenken und ganz oder teilweise in eine transversale Magnetisierung umwandeln.
Durch eine Präzession der transversalen Magnetisierung um die Feldrichtung des statischen Magnetfeldes wird eine elektrische Spannung generiert, welche nachgewiesen werden kann. Nach dem Abschalten des hochfrequenten Wechselfeldes nimmt die transversale Magnetisierung durch ein Ausrichten der Spins zum statischen Magnetfeld ab. Ein 180°-Rephasierungs- Hochfrequenzimpuls kann eingesetzt werden, um die Dephasierung auf kontrollierte Weise zumindest teilweise wieder rückgängig zu machen.
Die verschiedenen Zeitkonstanten für Spin-Spin- oder Spin-Gitter-Relaxation sind von der chemischen Bindung und der molekularen Umgebung abhängig, in die präzedierende
Wasserstoffkern vorliegen. Verschiedenen Gewebearten ergeben daher charakteristische Abklingzeiten und Signalstärken, welche zur Bildgebung genutzt werden können.
Um bei der Schichtbildgebung Signale den einzelnen Volumenelementen zuordnen zu können, wird mit linear ortsabhängigen Gradientenfeldern eine Ortskodierung erzeugt. Dabei wird ausgenutzt, dass für ein bestimmtes Teilchen die Larmorfrequenz von der magnetischen Flussdichte abhängt (je stärker der Feldanteil senkrecht zur Richtung des Teilchendrehimpulses, desto höher die Larmorfrequenz).
In klinischen MRT-Untersuchungen erfolgt eine Kombination aus Hochfrequenzimpulsen und magnetischen Gradientenfeldern bestimmter Frequenz bzw. Stärke, die gemäß vorgegebener Reihenfolge ein- und ausgeschaltet werden können. Diese werden auch als„Sequenz“ oder „Pulssequenz“ bezeichnet.
Typischerweise wird bei der Anregung ein sogenannter Schichtselektionsgradient appliziert, wel cher sicherstellt, dass nur eine einzelne Schicht die passende Larmorfrequenz besitzt. Kurz nach der Anregung kann ein zweites Gradientenfeld quer zum ersten Gradientenfeld eingeschaltet werden, welches auf kontrollierte Weise eine unterschiedliche Dephasierung der Spins in jeder Bildzeile bewirkt (Phasenkodiergradient). Zudem kann ein Frequenzkodiergradientenfeld im rech ten Winkel zu den anderen Gradientenfeldern appliziert werden, welches gewährleistet, dass Spins jeder Bildspalte eine spezifische Larmorfrequenz senden.
In Abhängigkeit der zu untersuchenden Gewebe oder medizinischer Fragestellungen können die Pulssequenzen für unterschiedliche MRT-Anwendungen variieren. Gemein ist allen kommerziell relevanten MRT-Systemen Pulssequenzen einzusetzen, in denen die Gradientenfelder mehrmals pro Sekunde an und ausgeschaltet werden. Die Frequenzen der zeitlich wechselnden Gradien tenfelder betragen in der Regel zwischen 100 Hz und 2000 Hz.
Die Erfinder haben erkannt, dass die getakteten Gradientenfelder der MRT-Systeme für einen Energiesammler ausgenutzt werden können, ohne mit der Bildgebung zu interferieren.
Wird ein erfindungsgemäßes Koppelelement aus einem elektrisch leitfähigen Material, welches bevorzugt nicht ferromagnetisch ist, in der inneren Röhre eines MRT platziert, so werden in
diesem aufgrund der getakteten Gradientenfelder Wirbelströme induziert. Das starke statische Magnetfeld im Bereich einiger Tesla führt nun zu einer Kraftwirkung auf das Koppelelement, welches durch die schnelle Abfolge des Schaltens der Gradientenfelder in Vibration versetzt wird (vgl. Abb. 1 )
Die Vibration des Koppelelementes kann zur Energiegewinnung genutzt werden. Zu diesem Zweck wird das Koppelelement über einen elektromechanischen Wandler schwingfähig mit dem Gehäuse des Energiesammlers verbunden. Bevorzugt weist der Energiesammler hierzu ein elas tisches Element (zum Beispiel ein Federelement) auf und das Koppelelement ist sowohl durch das elastische Element, als auch durch den elektromechanischen Wandler (elektrischer Dämpfer) mit dem Gehäuse gekoppelt (vgl. Abb. 3a).
Das Koppelelement, welches durch direktes Einwirken der wechselnden Gradientenfelder bei Überlagerung mit einem statischen Magnetfeld eine Kraft erfährt, kann diese Kraft unmittelbar auf das elastische Element übertragen, womit eine Schwingung erzeugt wird. Wird die Eigenfrequenz des schwingfähigen Systems auf die Anregung angepasst, kann ein resonanter Betrieb erzielt werden, der zu einer hohen Effektivität der Energiewandlung führt.
Als elektromechanischen Wandler können z.B. piezoelektrischer Wandler (z.B. PZT Bimorph Elemente) oder ein elektrostatischer Wandler eingesetzt werden.
Bei einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann die Vibration des Kop pelelementes zur Energiegewinnung in den Magnetfeldern zur Energiegewinnung genutzt wer den, in dem das Koppelelement über einen elektromechanischen Wandler mit einem Gehäuse verbunden ist.
Die erfindungsgemäße Lehre kann jedoch auch andere Konfigurationen eines Energiesammlers umfassen, welche die Vibration des Koppelelementes zur Energieerzeugung ausnutzen.
In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung einen Energiesammler zur Gewinnung elektrischer Energie bei zeitlich veränderbaren Magnetfelder insbesondere zur Verwendung bei der
Magnetresonanztomographie umfassend
a. ein Koppelelement für ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld b. ein Gehäuse
c. ein elastisches Element und
d. ein Vibrationsenergiesammler,
wobei der Vibrationsenergiesammler mit dem Koppelelement verbunden ist, welches aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt ist und über das elastische Element mit dem Gehäuse schwingfähig verbunden ist, sodass ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld das Koppelelement zu einer Schwingung anregt und in dem Vibrationsenergiesammler elektrische Energie erzeugt. Bevorzugt ist auch für diese Ausführungsform das Koppelelement dazu eingerichtet bzw. derart beschaffen, dass ein sich zeitlich änderndes magnetisches
Gradientenfeld Wirbelströme in dessen Oberfläche induziert, welche bei Überlagerung eines statischen Magnetfeldes eine Krafteinwirkung erfahren, sodass ein sich zeitlich änderndes
magnetisches Gradientenfeld bei Überlagerung mit einem statischen Magnetfeld das
Koppelelement zu einer Schwingung anregt und in dem elektromechanischen Wandler elektrische Energie erzeugt.
Eine schematische Illustration einer bevorzugten Ausführungsform des Energiesammlers gemäß des zweiten Aspektes der Erfindung wird in der Abb. 3c gezeigt.
Bei einem Energiesammler gemäß des zweiten Aspektes der Erfindung wird die Vibration des Koppelelementes in eine Vibration eines klassischen Vibrationsenergiesammler übersetzt. Unter dem Begriff des„Vibrationsenergiesammlers“ ist eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art zu verstehen, welche in der Lage ist, aus mechanischen Vibrationen elektrische Energie zu gewin nen. Für Vibrationsenergiesammler sind verschiedene Systeme bekannt und werden beispiels weise in Mitcheson 2004, Mitcheson 2008, Shaikh 2016, Khaligh 2010, Beeby 2006, Tang 2010, Spreemann 2006 oder Hoffmann 2014 beschrieben. Bevorzugt handelt es sich um einen Vibrati onsenergiesammler umfassend ein weiteres Gehäuse (bevorzugt aus einem nicht leitenden Ma terial) in welchem eine seismische Masse vorliegt, welche über einen Energiewandler bevorzugt in Form einer Feder -Dämpfer-Struktur mit dem Gehäuse verbunden ist.
Das Koppelelement ist bevorzugt derart mechanisch mit dem Vibrationsenergiesammler verbun den, dass sich die Vibrationen weitestgehend dissipationsfrei übertragen. Beispielsweise kann eine starre mechanische Verbindung zwischen dem Koppelelement und dem Gehäuse des Vib rationsenergiesammlers bevorzugt sein. Im Falle einer Vibration des Koppelelementes wird der Vibrationsenergiesammler mithin gleichermaßen vibrieren, sodass indessen Inneren die seismi sche Masse über eine Feder-Dämpfer-Struktur als Energiewandler zum Schwingen angeregt wird. Die Energiewandlung in der Feder-Dämpfer-Struktur kann bevorzugt elektrostatisch oder piezoelektrisch erfolgen. Eine elektromagnetische Energiewandlung auf Basis von Induktion ist weniger bevorzugt, da insbesondere bei Anwendungen in der Magnetresonanztomographie es hierdurch zu Beeinträchtigung der Bildgebung kommen kann.
In einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung einen Energiesammler zur Gewinnung elektrischer Energie bei zeitlich veränderbaren Magnetfeldern insbesondere zur Verwendung bei der Magnetresonanztomographie umfassend
a. ein Koppelelement für ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld b. einen elektromechanischen Wandler und
c. eine seismische Masse
wobei, das Koppelelement ein Hohlkörper ist, dessen äußere Wand aus einem elektrisch leitfähi gen Material gefertigt ist und in dessen inneren Hohlraum der elektromechanischen Wandler so wie die seismische Masse vorliegen, wobei die seismischen Masse schwingfähig über den elekt romechanischen Wandler mit der äußeren Wand des Koppelelementes verbunden ist, sodass ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld das Koppelelement zu einer Schwingung anregt und in dem elektromechanischen Wandler elektrische Energie erzeugt. Bevorzugt ist das Koppelelement auch in dieser bevorzugten Ausführungsform dazu eingerichtet bzw. derart be schaffen, dass ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld Wirbelströme in dessen
Oberfläche induziert, welche bei Überlagerung eines statischen Magnetfeldes eine Krafteinwir kung erfahren, sodass ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld bei Überlagerung mit einem statischen Magnetfeld das Koppelelement zu einer Schwingung anregt und in dem elektromechanischen Wandler elektrische Energie erzeugt. Eine schematische Illustration einer bevorzugten Ausführungsform des Energiesammlers gemäß des dritten Aspektes wird in der Abb. 3d gezeigt.
Bei einem Energiesammler gemäß des dritten Aspektes ist das Koppelelement bevorzugt als Hohlkörper ausgestaltet in dessen inneren Hohlraum eine seismischen Masse über einer Feder - Dämpfer-Struktur als elektromechanischen Wandler mit der äußeren Wand verbunden ist. Die seismische Masse kann wie bei klassischen Vibrationsenergiesammler ausgestaltet sein und ist zur Steigerung der Effizienz bevorzugt durch eine hohe Masse, bei einem kleinen Volumen ge kennzeichnet. Beispielsweise werden für eine seismische Masse bevorzugt Materialien mit einer hohen Dichte, besonders bevorzugt mit einer Dichte höher als 10 g/cm3 verwandt. Hierzu eignen sich etwa Wolfram oder Blei. Auch ist es bevorzugt, dass die seismische Masse kein Hohlkörper, sondern ein massiver Körper ist, um bei möglichst geringer Größe (Volumen) eine hohe Masse zu gewährleisten. Das Verhältnis aus dem von der äußeren Oberfläche der seismischen Masse eingeschlossene Volumen und der Masse der seismischen Masse weist bevorzugt mehr als 10 g/cm3 auf. Hierdurch wird eine besonders effektive Energiegewinnung aus der Anregung der seismischen Masse zur Schwingung durch die Vibration des Koppelelementes gewährleistet.
Zudem dient bei der Ausführungsform das Koppelelement nicht nur zur Anregung zur Vibration, sondern fungiert bevorzugt gleichzeitig als Gehäuse. Ein separates Gehäuse ist nicht notwendig. Weiterhin hat das Koppelelement auch bevorzugt eine magnetische Abschirmfunktion für magne tische Wechselfelder, wie den wechselnden Gradientenfeldern, inne, sodass der Energiewandler und die seismische Masse im inneren Hohlraum nur in vermindertem Maß mit den äußeren Mag netfeldern wechselwirken. Dies trägt dazu bei störende Einflüsse auf die Bildgebung bei Anwen dung in der Magnetresonanztomographie zu minimieren. Weiterhin erlaubt die Abschirmfunktion für magnetische Wechselfelder eine höhere Flexibilität bei der Wahl der Materialien für den elekt romechanischen Wandler sowie der seismischen Masse, da nachteilige magnetische Eigenschaf ten in geringerem Maße zu Störungen führen.
Die Ausgestaltungen des Energiesammlers gemäß des ersten, zweiten und dritten Aspekt sind durch die gemeinsame Idee eines Koppelelementes verbunden, welches dafür optimiert ist durch Magnetfelder zu Vibrationen angeregt zu werden, welche typischerweise bei der
Magnetresonanztomographie auftreten. Die Ausgestaltungen des Energiesammlers gemäß des ersten, zweiten und dritten Aspekt unterscheiden sich wie vorgenannt beschrieben vorwiegend darin, auf welche Weise die Vibrationen des Koppelelementes in elektrische Energie
umgewandelt werden.
Gemeinsam ist den Energiesammlern, dass diese ein Koppelelement aus einem elektrisch leitfähigen Material umfassen, welche mit einem elektromechanischen Wandler derart schwingfähig verbunden ist, dass ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld das Koppelelement zu einer Schwingung anregt und in dem Wandler elektrische Energie erzeugt.
Ein Fachmann versteht daher auch, dass die nachstehend beschriebenen bevorzugten
Ausführungsform weitestgehend gleichermaßen für Energiesammler gemäß des ersten, zweiten und dritten Aspektes gelten. Dies betrifft beispielsweise die Wahl von besonders geeigneten elektromechanischen Wandlern, als auch des Materials oder der Form der Koppelelemente.
Die Form, Materialwahl und Größe besonders geeigneter Koppelelemente wird bevorzugt an die zeitlich veränderbaren Gradientenfelder angepasst.
Bevorzugte elektrisch leitfähige Materialien umfassen Materialien mit einer elektrischen
Leitfähigkeit bei Raumtemperatur (25°C) von mindestens 103 S/m (Siemens pro Meter), besonders bevorzugt 104 S/m, 105 S/m, 106 S/m. Insbesondere ist es bevorzugt als elektrisch leitfähiges Material für das Koppelelement ein Metall zu wählen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das elektrisch leitfähige Material ein paramagnetisches oder diamagnetisches Metall.
Paramagnetische Metalle sind durch eine magnetische Permeabilität von größer als 1 oder eine magnetische Suszeptibilität von größer als 0 gekennzeichnet und folgen in ihrer Magnetisierung einem äußeren, angelegten Magnetfeld, wodurch das Magnetfeld innerhalb von Paramagneten verstärkt wird. Beispiele von paramagnetischen Metallen umfassen Lithium, Natrium, Platin, Wolfram, Kalium, Titan, Magnesium oder Aluminium.
In einem äußeren Magnetfeld wird in diamagnetische Metallen ein Magnetfeld induziert, welches dem äußeren Magnetfeld entgegengesetzt ist und das Magnetfeld im Inneren schwächt.
Diamagnetische Metalle weisen eine magnetische Permeabilität von kleiner als 1 bzw. eine magnetische Suszeptibilität von kleiner als 0 auf. Beispiele diamagnetischer Metalle umfassen Kupfer, Silber, Gold, Bismut, Zink oder Blei.
Im Gegensatz zu Ferromagneten kommt es bei Para- und Diamagneten nicht zu einer spontanen Magnetisierung größerer Bereiche und einer makroskopischen Magnetisierung im externen Magnetfeld. Aus diesem Grunde interferieren Koppelelemente aus para- oder diamagnetischen Metall nicht oder nur kaum mit der Bildgebung im MRT. Während die bildgebenden Magnetfelder nur geringfügig beeinträchtigt werden, werden die Koppelelemente durch die wechselnden Gradientenfelder dennoch effektiv zu Schwingungen und Vibrationen angeregt.
Als besonders geeignet haben sich die Materialien Kupfer, Titan und Aluminium herausgestellt. In diesen werden durch die wechselnden Gradientenfelder Wirbelströme mit geringer Dissipation und Wärmeentwicklung induziert. Es kommt zu besonders starken Vibrationen, ohne dass nennenswerte Interferenzen mit der Bildgebung verzeichnet werden. Des Weiteren können mit Hilfe der Materialien besonders leichte Koppelelemente bereitgestellt werden, wodurch sich der Wirkungsgrad erhöht.
Klassische Energiesammler auf Vibrationsbasis erfordern möglichst schwere seismische Massen, um aus den externen Vibrationen Energie zu gewinnen. Im Gegensatz dazu basiert die
Energiegewinnung des beschriebenen Energiesammlers auf der Induktion von Wirbelströmen durch zeitlich veränderbare Magnetfelder, welche in einem statistischen Magnetfeld zu einer Vibration des Koppelelements führen. Besonders schwere Materialien sind hierzu nicht
erforderlich, stattdessen können leichte Materialien genutzt werden, um den Wirkungsgrad zu erhöhen. Zudem führen leichte Koppelelemente auch zu einem geringeren Verschleiß und somit einer höheren Produktlebensdauer.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Material des Koppelelementes eine Dichte von weniger als 10 g/cm3 auf. Mittels derartiger Materialien lassen sich leichte Koppelelemente mit den vorgenannten Vorteilen konstruieren.
Die Erfinder haben darüber hinaus erkannt, dass sich neben der Wahl der Materialien auch eine Spezifizierung der Form bzw. Struktur der Koppelelemente eignet, um deren Wirkungsgrad zu erhöhen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Koppelelement ein Hohlkörper, bevorzugt ein ellipsoider Hohlkörper, ganz besonders bevorzugt eine Hohlkugel.
Im Sinne der Erfindung bezeichnet ein Hohlkörper vorzugsweise ein teilweise ausgehöhltes Koppelelement, welches eine äußere Wand und einen davon zu mindestens teilweise umschlossenen inneren Hohlraum umfasst. Der Hohlraum kann wie im Falle einer Hohlkugel oder eines Hohlquaders zur Gänze von der äußeren Wand umschlossen sein oder aber auch wie im Falle eines Hohlzylinders offene Seiten aufweisen. Die äußere Wand des Hohlkörpers ist vorzugsweise aus dem leitfähigen Material gefertigt, wobei bevorzugt dia- oder paramagnetische Metalle zum Einsatz kommen.
Der Hohlraum ist nicht mit dem leitfähigen Material gefüllt und vorzugsweise leer. Es kann aber auch bevorzugt sein, einen nicht-leitenden leichten Füllstoff - oder schäum in den Hohlraum einzubringen.
Das Wirkungsprinzip der Koppelelemente in Hohlkörperform wird durch die äußere Wand geprägt, worin sich Wirbelströme bei zeitlichen änderbaren Magnetfeldern ausbilden.
Schichtdicken der äußeren Wand von 0,5 mm bis 10 mm, bevorzugt 1 mm bis 5 mm erweisen sich als besonders vorteilhaft.
Durch die Zweidimensionalität lässt sich bei Hohlkörpern besonders präzise die Richtung und Ausbreitung von Wirbelströmen in Magnetfeldern wechselnder Orientierung kontrollieren.
Koppelelementen in Form von Hohlellipsoiden, bevorzugt Hohlkugeln, zeichnen sich zudem insbesondere dadurch aus, dass diese unabhängig von einer Orientierung in Bezug auf Vorzugsrichtungen der wechselnden Magnetfelder zuverlässig zu Vibrationen angeregt werden und somit der Energiegewinnung dienen. Dies ist von besonderem Vorteil beim Einsatz des Energiesammlers in der Magnetresonanztomographie, bei welcher es bevorzugt sein kann, diesen in unterschiedlichen Orientierungen am Patienten anzubringen. Die Ausführungsform zeichnet sich somit durch einen hohes Maß an Flexibilität bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad aus.
Zudem zeichnen sich Hohlkörper im Gegensatz zu massiven Koppelelementen durch eine besondere geringe effektive Dichte und leichte Bauweise aus.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt das Verhältnis aus dem von der Oberfläche des Koppelelementes eingeschlossenen Volumen und der Masse des
Koppelelementes weniger als 10 g/cm3, bevorzugt weniger als 1 g/cm3, besonders bevorzugt weniger als 0,1 g/cm3.
Das Verhältnis aus dem von der Oberfläche des Koppelelementes eingeschlossene Volumen und der Masse des Koppelelementes kann im Sinne der Erfindung auch als effektive Dichte bezeichnet werden. Im Falle eines massiven Koppelelementes, z.B. einer Vollkugel, wird die effektive Dichte der Materialdichte entsprechen. Im Falle eines Hohlkörpers können hingegen deutlich geringere effektive Dichten erreicht werden.
Unter einem von der äußeren Oberfläche eingeschlossen Volumen wird bevorzugt ein
Hüllvolumen des Koppelelementes verstanden. Bei einer äußeren Oberfläche wie bei einer Hohlkugel oder einem Hohlquader entspricht das Volumen dem der Kugel bzw. des Quaders. Im Falle nicht gänzlich geschlossener äußerer Wände bzw. Oberflächen, wie bei einem Hohlzylinder, soll bevorzugt das Volumen, verstanden werden, welches von einer gedachten konvexen Hülle umschlossen ist. In Bezug auf das Beispiel eines Hohlzylinders entspricht das von der äußeren Oberfläche eingeschlossen Volumen mithin bevorzugt dem Volumen eines Vollzylinders mit gleichen äußeren Abmaßen.
Durch die Wahl von Hohlkörpern mit entsprechenden Verhältnissen der Wandstärken zu den Hohlräumen können weitestgehend unabhängig von der Materialdichte Koppelelemente mit besonders geringem Gewicht bereitgestellt werden. Die Vibrationsanregung durch zeitlich veränderbare Gradientenfelder ist zudem besonders stark ausgeprägt und kontrollierbar.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das das Koppelelement ein Blech mit einer Dicke von 0,5 mm bis 3 mm, bevorzugt 1 mm bis 2 mm, und einer Oberfläche von 20 cm2 bis 200 cm2, bevorzugt 40 cm2 bis 80 cm2. Der Begriff des Blechs kennzeichnet eine bevorzugt flache Dimensionierung des Koppelelementes, welches besonderes bevorzugt aus einem Metallblech geformt wird. Die Form der Blechoberfläche kann unterschiedlich gewählt werden. Beispielsweise kann eine Kreisform, eine geschwungene Form oder auch eine Rechteckform bevorzugt sein.
Unabhängig von der spezifischen Form können mit den vorgenannten Abmaßen insbesondere in der Magnetresonanztomographie ausgezeichnete Ergebnisse für eine Schwingungsanregung bei optimierten Kraftübertrag auf den elektromechanischen Wandler erzielt werden.
Die vorgenannten Ausführungsformen der Koppelelemente sind für die Induktion von
Wirbelströmen in sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld optimiert, welche insbesondere bei Überlagerung mit einem statischen Magnetfeld eine Krafteinwirkung erfahren und so das Koppelelement zu Schwingungen bzw. Vibrationen anregen. Die Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Koppelementes unterscheiden sich mithin von Bestandteilen bekannter Vibrations-Energiesammler, wie den seismischen Massen.
Seismische Massen in bekannten Vibrations-Energiesammlern sind zumeist als massive
Bauelemente ausgestaltet, um in Bezug auf deren Volumen eine möglichst große Masse bereitzustellen. Seismische Massen aus dem Stand der Technik verwenden daher bevorzugt
Materialien mit hoher Dichte und sind zudem weder flächig noch als Hohlkörper ausgestaltet. Stattdessen sind Vollquader, Vollkugeln oder Vollzylinder bevorzugt.
Die beschriebenen Koppelelemente mit einer großen Oberfläche zur Induktion von Wirbelströmen stellen somit eine Abkehr von seismischen Massen aus dem Stand der Technik dar und sind spezifisch für die beschrieben Energiegewinnung in zeitlichen verändernden magnetischen Gradientenfeldern optimiert.
Mit dem erfindungsgemäßen Koppelelement, insbesondere für die vorbeschriebenen
Ausführungsformen, kommt es in zeitlich veränderbaren Magnetfeldern zur Induktion von Schwingungen bzw. Vibrationen. Um diese zur Erzeugung elektrischer Energie zu nutzen, ist das Koppelelement über einen elektromechanischen Wandler schwingfähig mit dem Gehäuse verbunden.
Im Sinne der Erfindung bezeichnet der elektromechanische Wandler bevorzugt ein elektrisch dämpfendes Element, welches kinetische Energie (Schwingung/Vibration) in elektrische Energie wandelt. Die Schwingfähigkeit wird bevorzugt durch ein elastisches Element (Federelement) realisiert. Dieses kann im elektromechanischen Wandler integriert sein oder aber separat in Parallelschaltung das Koppelelement mit dem Gehäuse verbinden.
Zur Gewinnung von Energie aus mechanischer Bewegungen mittels elektrischer Dämpfung sind im Stand der Technik verschiedene Prinzipien bekannt. Hierzu zählen insbesondere Transdukti onsmechanismen auf piezoelektrischer, elektrostatischer oder elektromagnetischer Basis (Beeby 2006).
Elektromagnetische Generatoren nutzen zur Stromerzeugung die Induktion eines elektrischen Feldes aus, welches bei einer Relativbewegung eines Leiters in einem magnetischen Fluss er zeugt wird. Hierbei kommen zumeist Permanentmagneten bzw. ferromagnetische Materialien zum Einsatz. Für Anwendungen in der Magnetresonanztomographie kann es durch einen elekt romagnetischer Wandler daher zu störenden Rückwirkungen auf die Bildgebung kommen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der elektromechanische Wandler daher ein piezoelektrischer oder ein elektrostatischer Wandler.
Ein elektrostatischer Wandler nutzt die durch die Vibration vermittelbare Relativbewegung von elektrisch isolierten Kondensatorplatten, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierbei wird die durch die Vibrationen bereitgestellte mechanische Energie ausgenutzt, um Arbeit gegenüber der elektrostatischen (Anziehungs-)Kraft unterschiedlich geladener Kondensatorplatten zu verrichten. Im Modus konstant gehaltener Ladung kann die durch mechanische Arbeit erhöhte Energie des elektrischen Feldes in Form einer Spannungserhöhung bereitgestellt werden, während im Modus konstant gehaltener Spannung ein elektrischer Strom abgegriffen werden kann. Die
Bereitstellung geladener Kondensatorplatten kann durch ein sogenanntes priming oder precharging bereitgestellt. Alternativ können auch Elektrete verwendet werden, welche in Form von dielektrischen Schichten eine quasi-permanente Speicherung elektrischer Ladungen erlauben.
In Bezug auf die Form der Kondensatorplatten sind verschiedenen Anordnungen denkbar, bei spielsweise in Form von parallelen Platten oder als Kammstruktur, deren kapazitive Änderung auf einer Variation der Kammüberdeckung oder des Kammabstands basiert (vgl. Beeby 2006).
Elektrostatische Wandler zeichnen sich durch eine hohe Zuverlässigkeit bei einfacher und robus ter Konstruktionsweise aus.
Ein piezoelektrischer Wandler oder Generator basiert auf der Ausnutzung der mechanischen Vib rationen zur elastischen Verformung piezoelektrischer Materialen, wodurch ein elektrisches Feld bzw. eine Spannung erzeugt wird (piezoelektrischer Effekt, vgl. Mitcheson 2008).
Verschiedene geometrische Formen piezoelektrische Wandler sind für die beschriebenen Zwe cke geeignet.
Beispielsweise können piezoelektrische Schichten zwischen Platten eingebracht, wobei die Vib rationen zu einer Abstandsänderung und somit Spannungserzeugung führt.
Besonders bevorzugt sind piezoelektrische Balken (Biegebalken, biomorphe Elemente). Die pie zoelektrischen Balken können vorzugsweise als Freischwinger (canf/'/ever) angeordnet vorliegen mit denen das Koppelelement verbunden ist. Durch eine Schwingungsanregung des Koppelele mentes wird eine mechanische, elastische Verformung einer piezoelektrischen Schicht der Pie- zobalken bewirkt, welche als elektrische Spannung abgegriffen werden kann. Durch derartige piezoelektrische Balkenstrukturen können Vibrationen verschiedener Orientierungen und
Amplituden besonders effektiv zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden.
Für die beschriebenen Anwendungen eignen sich als piezoelektrische Materialien insbesondere Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Alluminiumnitrid (AIN), Zinkoxid (ZnO), Flafniumoxid oder Lithium- niobat (LiNb03). Mit diesen Materialien werden hervorragende Wirkungsgrade und Ergebnisse erzielt. Besonders bevorzugt ist es piezoelektrische Materialien zu verwenden, welche keine fer romagnetischen Eigenschaften aufweisen, um potentielle Interferenzen zu minimieren.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei den elektromechanischen Wandlern um sogenannte Mikrosysteme (engl microelectromechanical System, kurz MEMS). Derartige mechanisch elektronischer Vorrichtungen zeichnen sich durch einen hohen Grad an Kompaktheit mit
Abmessungen im Mikrometerbereich aus. Durch den technologischen Fortschritt auf dem Gebiet der MEMS kann eine ausgezeichnete Funktionalität zu immer günstigeren Fierstellungskosten erzielt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Energiesammler dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse, der elektromechanische Wandler und das Koppelelement ein schwingfähiges System bilden, welches mindestens eine Eigenfrequenz zwischen 100 und 2000 Hz, bevorzugt zwischen 200 und 2000 Hz, ganz besonders zwischen 500 und 1000 Hz aufweist.
Das System aus Gehäuse, elektromechanischem Wandler und Koppelelement ist durch mindestens einen Freiheitsgrad gekennzeichnet und wird als schwingfähig bezeichnet. Im Falle eines Piezobalkens kann es sich um eine Schwingung des Koppelelementes an der
Balkenstruktur handeln, welche am Gehäuse installiert ist. Im Falle eines elektrostatischen Wandlers kann z.B. auch eine kapazitive Kammstruktur parallel zu einem Federelement zwischen
dem Gehäuse und dem Koppelelement angeordnet vorliegen. In dem Fall entspricht der Freiheitsgrad einer linearen Stauchung oder Streckung.
Die vorgenannte Ausführungsform ist insbesondere für einen Energiesammler gemäß des ersten oder zweiten Aspektes bevorzugt. Für einen Energiesammler gemäß des dritten Aspektes, ist es hingegen besonders bevorzugt, dass das Koppelement (welches bevorzugt als Gehäuse fungiert) der elektromechanische Wandler und die seismische Masse ein schwingfähiges System bilden, welches mindestens eine Eigenfrequenz zwischen 100 und 2000 Hz, bevorzugt zwischen 200 und 2000 Hz, ganz besonders zwischen 500 und 1000 Hz aufweist.
Für einen Energiesammler gemäß des dritten Aspektes ist das System aus Koppelelement (welches als Gehäuse fungiert), elektromechanischem Wandler und seismische Masse durch mindestens einen Freiheitsgrad gekennzeichnet und kann als schwingfähig bezeichnet werden. Im Falle eines Piezobalkens kann es sich um eine Schwingung der seismischen Masse an der Balkenstruktur handeln, welche am Koppelelement installiert ist. Im Falle eines elektrostatischen Wandlers kann z.B. auch eine kapazitive Kammstruktur parallel zu einem Federelement zwischen dem Koppelement und der seismischen Masse angeordnet vorliegen. In dem Fall entspricht der Freiheitsgrad einer linearen Stauchung oder Streckung.
Bei Anregung eines schwingfähigen Systems mit einer sogenannten Eigenfrequenz oder einer Frequenz, welcher nahe der Eigenfrequenz liegt, werden besonders hohe Amplituden erreicht. Das System schwingt in Resonanz. Eine Eigenfrequenz entspricht dabei jener Frequenz, bei welcher das schwingfähige System mit zugehöriger Eigenform (Mode) schwingt und kann expe rimentell oder theoretisch durch eine Modalanalyse bestimmt werden.
Die Eigenfrequenzen schwingfähiger Systeme hängen von deren mechanischen oder elektri schen Eigenschaften ab, wie beispielsweise einer Federkonstanten oder der Dämpfungsstärke. Durch entsprechende Wahl der Parameter insbesondere für den elektromechanischen Wandler können Energiesammler mit vorgegebenen Eigenfrequenzen bereitgestellt werden.
Die bevorzugte Ausführungsform weist mindestens eine Eigenfrequenz zwischen 100 und 2000 Hz, bevorzugt zwischen 200 und 2000 Hz, ganz besonders zwischen 500 und 1000 Hz auf. Bei einer Anregung des Koppelelementes zu Schwingungen oder Vibrationen in einem
Frequenzbereich, welcher nahe der Eigenfrequenz liegt werden somit besonders große
Amplituden und gleichzeitig eine hohe Energieausbeute erreicht.
Die bevorzugte Ausführungsform ist somit für Anwendungen optimiert, bei welchem das
Koppelelement im vorgenannten Frequenzbereich angeregt wird. Dies ist insbesondere der Fall für eine Verwendung des Energiesammlers in der Magnetresonanztomographie, bei der die wechselnden Gradientenfelder typischerweise eine Taktung von 100 bis 2000 Hz erfahren.
Im Gegensatz dazu werden bekannte bekannte vibrationsbasierte Energiesammler mit deutlich geringeren Eigenfrequenzen konzipiert, um eine effiziente Energiegewinnung aus
Maschinenvibrationen zu gewährleisten oder aus Vibrationen, welche bei der Nutzung mobiler Endgeräten auftreten. Die Eigenfrequenzen typischer Feder-seismische Masse-Schwingsysteme betragen häufig weniger als 100 Hz oder 50 Hz.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Energiesammler mindestens zwei Koppelelemente auf, welche jeweils durch einen elektromechanischen Wandler mit dem
Gehäuse schwingfähig verbunden sind, wobei bevorzugt mindestens zwei schwingfähige Systeme aus jeweils einem Koppelelement, einem elektromechanischen Wandler und dem Gehäuse gebildet werden, welche unterschiedliche Eigenfrequenzen aufweisen.
Die vorgenannte Ausführungsform ist insbesondere für einen Energiesammler gemäß des ersten oder zweiten Aspektes bevorzugt. Für einen Energiesammler gemäß des dritten Aspektes, wobei das Koppelement bevorzugt als Gehäuse fungiert, ist es hingegen besonders bevorzugt, dass der Energiesammler mindestens zwei seismische Massen aufweist, welche jeweils durch einen elektromechanischen Wandler mit dem Koppelement schwingfähig verbunden sind, wobei bevorzugt mindestens zwei schwingfähige Systeme aus jeweils einer seismischen Masse, einem elektromechanischen Wandler und dem Koppelement gebildet werden, welche unterschiedliche Eigenfrequenzen aufweisen.
Durch die Bereitstellung eines Arrays an schwingfähigen Systemen mit unterschiedlichen Eigen frequenzen kann eine größere Frequenzbreite der zeitlich veränderbaren Magnetfelder effektiv zur Energiegewinnung genutzt werden. Bei dem bevorzugten Anwendungsgebiet der Magnetre sonanztomographie wurden in experimentellen Versuchen mehrere spezifische Oberschwingun gen festgestellt. Mittels eines Arrays von mindestens zwei Koppelelementen (bzw. zwei seismi schen Massen) und einer entsprechenden Abdeckung von mindestens zwei Eigenfrequenzen können die auftretenden Oberschwingungen der getakteten Gradientenfelder besonders wir kungsvoll zur Energiegewinnung genutzt werden.
Besonders bevorzugt sind Energiesammler mit 2 bis 10, ganz besonders bevorzugt 2 bis 5 Kop pelelementen und einer entsprechenden Anzahl von elektromechanischen Wandlern bzw. für einen Energiesammler gemäß des dritten Aspektes mit 2 bis 10, ganz besonders bevorzugt 2 bis 5 seismischen Massen und einer entsprechenden Anzahl von elektromechanischer Wandlern. Derartige Energiesammler zeichnen sich durch eine optimale Balance aus Wirkungsgrad, Kom paktheit und Herstellungskosten aus.
Besonders bevorzugt ist es, dass die mindestens zwei unterschiedliche Eigenfrequenzen in einem Bereich von 100 und 2000 Hz, bevorzugt zwischen 200 und 2000 Hz, ganz besonders zwischen 500 und 1000 Hz liegen und sich mindestens durch eine Differenz von 40 -100 Hz bevorzugt 50 -70 Hz unterscheiden. Die vorgenannten Frequenzbereiche und Differenzen sind auf die bevorzugte Anwendung des Energiesammlers in der Magnetresonanztomographie abgestimmt und reflektieren die hierbei zu verzeichnenden Oberschwingungen der getakteten Gradientenfelder.
Das Gehäuse des Energiesammlers dient als Bezugspunkt des schwingfähigen Systems und zur Stabilisierung bzw. zum Schutze des Energiesammlers vor äußeren Einflüssen. Die
Dimensionierung des Gehäuses ist bevorzugt derart gewählt, dass eine bequeme Anbringung am Patienten erfolgen kann. Die Materialwahl wird bevorzugt auf die Anforderung der Anwendungen angepasst.
Insbesondere für Anwendungen in der Magnetresonanztomographie ist es von Vorteil ein Gehäuse zu verwenden, welches aus einem elektrisch nicht-leitfähigen Material gefertigt ist. Hierdurch kann eine Rückwirkung auf die Bildgebung vermieden werden. Kunststoffe vereinen diese Eigenschaft mit einer hohen Stabilität bei geringem Eigengewicht und einer
kostengünstigen Herstellungsweise.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse daher aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, ganz besonders bevorzugt aus einem Kunststoff gefertigt. Diese
Ausführungsform ist besonders bevorzugt für einen Energiesammler gemäß des ersten oder zweiten Aspektes. Für einen Energiesammler gemäß des dritten Aspektes fungiert, wie obig dargelegt, bevorzugt das Koppelement selbst als Gehäuse.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Energiesammler mindestens einen Permanentmagneten zum Aufbau eines statischen Magnetfeldes auf. Für Anwendungen in der Magnetresonanztomographie ist das Vorhandensein eines Permanentmagneten nicht notwendig. Wie obig beschrieben, erfolgt durch die getakteten Gradientenfelder eine Erzeugung von Wirbelströmen in dem Koppelelement, welche aufgrund des Vorhandenseins eines starken statischen Magnetfeldes zu einer Krafteinwirkung und somit Schwingungsanregung führt.
Das Prinzip des Energiesammlers zur Gewinnung von Energie durch zeitlich veränderbare Magnetfelder kann jedoch auf anderen Gebieten vorteilhafterweise genutzt werden.
Beispielsweise treten ebenfalls bei Stromtrassen zeitlich veränderbare Magnetfelder auf. Auch diese induzieren in den bevorzugten Koppelelementen Wirbelströme. Ohne ein statisches Magnetfeld werden die induzierten Wirbelströme jedoch nicht in mechanische Vibrationen übersetzt. Zu diesem Zweck kann es bevorzugt sein, einen Energiesammler mit mindestens einem Permanentmagneten zu versehen, welcher ein statisches Magnetfeld erzeugt. Das statische Magnetfeld muss hinsichtlich der Stärke nicht in die Bereiche von einigen Tesla Vordringen. Vielmehr reichen insbesondere zur Rückgewinnung von Energie aus den zeitlich veränderbaren Magnetfeldern von Stromtrassen auch deutlich geringere Feldstärken aus, um signifikant elektrische Energie zu gewinnen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung des beschriebenen
Energiesammlers zur Gewinnung von elektrischer Energie aus einem sich zeitlich ändernden magnetisches Gradientenfeld bei der Magnetresonanztomographie.
Zum einen ist die Konstruktionsweise des Energiewandlers auf die verwandten Magnetfelder bei der Magnetresonanztomographie abgestimmt, sodass bei einer solchen Anwendung ein besonders hoher Wirkungsgrad erzielt wird. Zum anderen sind klassische Implementationen der Energieversorgung von Monitoringsysteme in der MRT-Röhre problembehaftet. Bei einer Verkabelung kann es durch die hochfrequenten Wechselfelder zum Schmelzen der Kabel oder Verbrennungen am Patienten kommen. Auch müssen zur Vermeidung von Interferenzen mit der Bildgebung spezielle, kostenintensive Batterien oder Akkumulatoren eingesetzt werden. Durch Verwendung des beschriebenen Energiesammlers können diese Nachteile vermieden und eine zuverlässige Stromversorgung für verschiedene elektronische Geräte nahe am Patienten in der MRT-Röhre gewährleistet werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung daher auch ein System umfassend a) ein Magnetresonanztomographen und
b) einen erfindungsgemäßen Energiesammler oder bevorzugten Ausführungsformen davon.
Unter dem Magnetresonanztomographen wird ein Gerät verstanden, welches dafür konfiguriert ist eine Magnetresonanztomographie durchzuführen. Gattungsgemäße
Magnetresonanztomographen werden beispielsweise in Nitz et al. 2011 beschrieben. Eine Vielzahl verschiedener kommerzielle System ist in unterschiedlichen Bauformen bekannt. Dies umfasst offene, wie geschlossen Magnetresonanztomographen.
Kennzeichnet für einen Magnetresonanztomographen sind Komponenten, welche die Erzeugung der beschriebenen Magnetfelder erlauben. Dies umfasst insbesondere eine Erzeugung eines statisches Magnetfeldes, eines zeitlich änderbaren Gradientenfeldes und Hochfrequenzfelder. Zu diesem Zweck kann der Magnetresonanztomographen Sender- und Empfängerspulen aufweisen. Das erfindungsgemäße System ist nicht auf eine spezifische Konstruktionsweise von
Magnetresonanztomographen beschränkt. Stattdessen können jegliche Geräte geeignet sein, welche die vorgenannten Magnetfelder für ein bildgebenes Verfahren erzeugen.
So ist es bevorzugt, dass der Magnetresonanztomograph konfiguriert ist ein statisches
Magnetfeld mit einer Feldstärke von mindestens 0,1 Tesla, bevorzugt 0,1 bis 10 Tesla, besonders bevorzugt 0,5 bis 3 Tesla bereitzustellen.
Weiterhin ist der Magnetresonanztomograph bevorzugt konfiguriert ein Hochfrequenzmagnetfeld im Megahertzbereich zu erzeugen, welches bevorzugt auf die Larmorfrequenz der abzubildenen Atome abgestimmt ist. Bevorzugt Feldstärken der erzeugten Hochfrequenzfelder liegen im mT- Bereich.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Magnetresonanztomograph konfiguriert ein zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld mit einer Frequenz zwischen 100 Hz und 2000 H zu generieren. Derartige Magnetresonanztomographen sind im Stand der Technik weitverbreitet. Die wechselnden magnetischen Gradientenfelder werden dabei wie obig beschrieben zur
Ortskodierung genutzt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das System Verbrauchergeräte, bevorzugt zur Anbringung an einem Patienten, wobei der Energiesammler mit den
Verbrauchergeräten verbunden ist, um diese mit Energie zu versorgen.
Unter dem Begriff der Verbrauchergeräte, werden bevorzugt elektronische Geräte verstanden, welche nicht unmittelbar zur Bildgebung genutzt, sondern unterstützend bei einer MRT- Untersuchung eingesetzt werden. Bevorzugte Verbrauchergeräte dienen zur Überwachung (Pati entenmonitoring) oder Kommunikation mit dem Patienten. Beispiele bevorzugter Verbraucherge räte, welche vom Energiesammler versorgt werden können, umfassen Atemgurte oder EKG- Geräte oder aber Keyboards, Bildschirme oder Touchpads um eine Kommunikation zwischen dem Patienten und dem medizinischen Personal zu ermöglichen.
Der beschriebene Energiesammler ist besonders im Hinblick auf eine Verwendung in der Magnetresonanztomographie optimiert bzw. zeichnet sich durch seine Eigenschaft hierfür aus.
Das erfindungsgemäße Prinzip kann vorteilhafterweise jedoch auch auf anderen Gebieten genutzt werden, in welchen zeitlich veränderbare magnetische Gradientenfelder auftreten. Zum einen betrifft dies, wie obig beschrieben, Stromtrassen mit zeitlich veränderbaren Magnetfeldern, welche in den Koppelelementen Wirbelströme induzieren und im Falle eines zusätzlichen Permanentmagneten zu einer Vibration bzw. Schwingung des Koppelelementes führen.
Vorteilhafterweise sind die beschriebenen Energiesammler jedoch in jeglichen Systemen einsetzbar, in welchen sich zeitlich veränderbares magnetisches Gradientenfeld und ein statisches Magnetfeld erzeugt werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung daher auch ein System umfassend
a) eine Vorrichtung zur Erzeugung eines zeitlich ändernden magnetischen Gradientenfeldes und eines statischen Magnetfeldes und
b) einen erfindungsgemäßen Energiesammler oder bevorzugten Ausführungsformen davon.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ebenso ein System umfassend
a) eine Vorrichtung zur Erzeugung eines zeitlich ändernden magnetischen Gradientenfeld und
b) einen erfindungsgemäßen Energiesammler oder bevorzugte Ausführungsformen davon, wobei der Energiesammler einen
Permanentmagneten zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes aufweist.
Vorteilhafterweise eignen sich sehr unterschiedliche sich zeitlich ändernde magnetische
Gradientenfelder und statische Magnetfelder zur Gewinnung von Energie. Während die hohen statischen Feldstärken von einigen Tesla in einem Magnetresonanztomographen zu besonders guten Ergebnissen führen ist ein Nutzen nicht hierauf beschränkt. Vielmehr können auch bei kleineren Feldstärken des statischen Magnetfeldes (beispielsweise von einigen Milli-Tesla (mT) oder Mikro-Tesla (mT) bei entsprechend wechselnden magnetischen Gradientenfeldern zu einer substantiellen Energiegewinnung führen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung elektrischer Energie bei der Magnetresonanztomographie umfassend die Schritte
a) Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Energiesammlers oder bevorzugten Ausführungsformen davon
b) Bereitstellen eines Magnetresonanztomographen
c) Positionierung des Energiesammlers, sodass sich der Energiesammlers während einer mittels des Magnetresonanztomographen durchgeführten
Magnetresonanztomographie in einem zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld befindet
d) Nutzung der durch den Energiesammler erzeugten elektrischen Energie zum Betrieb mindestens eines Verbrauchergerätes.
Der Fachmann erkennt, dass bevorzugte Ausführungsformen und Vorteile, welche für den Energiesammler, dessen Verwendung sowie für das System offenbart wurden sich
gleichermaßen auf das Verfahren übertragen.
Die Positionierung des Energiesammlers erfolgt bevorzugt derart, dass sich dieser an einem Ort befindet, an welchem während der Durchführung einer Magnetresonanztomographie ein magnetisches Gradientenfeld zeitliche Änderungen erfährt. Sofern die Bauweise des
Magnetresonanztomographen eine MRT-Röhre (engl bore) umfasst, wird der Energiesammler in diese eingebracht. Im Falle offener MRT-System beispielsweise in C-Form wird der
Energiesammler entsprechend zwischen die C-Platten eingebracht, zwischen, welchen die Magnetfelder erzeugt werden. Aufgrund der kompakten Bauweise kann der Energiesammler insbesondere auch einfach und flexibel vom Patienten selbst getragen werden.
Die Nutzung der durch den Energiesammler erzeugten elektrischen Energie zum Betrieb mindestens eines Verbrauchergerätes kann auf vielfältige Weise umgesetzt werden.
Beispielsweise kann die erzeugte elektrische Energie direkt für den Betrieb des
Verbrauchergerätes verwandt werden. Es kann aber auch bevorzugt sein, dass die erzeugte elektrische Energie in einem Akkumulator zwischengespeichert wird, welcher das
Verbrauchergerät mit Energie versorgt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden soll die Erfindung an Hand von Beispielen näher erläutert werden, ohne auf diese beschränkt zu sein.
Kurzbeschreibuno der Abbildunaen
Abb. 1 Funktionsprinzip zur Erzeugung von Vibrationen eines Koppelelementes bei der
Magnetresonanztomographie
Abb. 2 Beschleunigungsmessung, vertikale Achse: a) innerhalb der MRT-Röhre oben am
MRT-Gehäuse; b) an einem Koppelelement, welches auf der Liege positioniert ist
Abb. 3 Schematische Darstellung bevorzugter Ausführungsformen des Energiesammlers
Abb. 4 Schematische Illustration einer bevorzugten Verwendung des Energiesammlers zur Erzeugung von elektrischer Energie bei der Magnetresonanztomographie
Abb. 5 a) Schematische Darstellung von Frequenzspektren bei unterschiedlichen MRT-
Untersuchungen. b) Bevorzugte Ausführungsform eines Energiesammlers mit einem Array von Koppelelementen und elektrischen Wandlern zur Abdeckung mehrerer Eigenfrequenzen
und ausführliche Beschreibuna der Abbildunaen
Abbildung 1 zeigt das Funktionsprinzip zur Erzeugung der Vibrationen des Koppelelementes.
In der Magnetresonanztomographie werden drei verschiedene Magnetfelder genutzt: ein stati sches Magnetfeld, getaktete (d.h. zeitlich änderbare) magnetische Gradientenfelder und Hoch- frequenzfelder. Das Zusammenspiel der magnetischen Felder wird zur schichtweisen Bildgebung genutzt.
Wird ein Koppelelement aus einem leitfähigen Material (z.B. Kupfer oder Aluminium) in der Röhre (engl bore) eines MRT platziert, so werden in diesem aufgrund der getakteten Gradientenfelder Wirbelströme induziert. Das starke statische Magnetfeld in der MRT-Röhre führt nun zu einer Kraftwirkung auf das Koppelelement. Daher wird das Koppelelement entsprechend der Taktung des Schaltens der Gradientenfelder in Vibration versetzt (Abbildung 1 ). Diese Wirkungskette ist z.B. auch für die Geräusch-Entwicklung während einer MRT-Untersuchung verantwortlich, wenn die stromführenden Gradientenspulen eine Kraftwirkung im statischen Magnetfeld erfahren.
Abbildung 2 zeigt experimentelle Messungen der Vibrationen, welche bei einer typischen MRT- Untersuchung durch die getakteten Gradientenfelder erzeugt werden. Die Versuche wurden an einem MR-Tomographen (3T-MRT Skyra, Siemens) durchgeführt.
Abbildung 2a zeigt ein Frequenzspektrum, dass am Himmel in der MRT-Röhre in vertikaler Rich tung gemessen wurde. Qualitativ gleicht das gezeigte Spektrum auch Spektren, welche in ande ren Richtungen und an anderen Positionen am Gehäuse der MRT-Röhre aufgenommen wurden. Insbesondere sind die Spektren durch dominante Frequenzen gekennzeichnet, die im gleichen Abstand aneinandergereiht sind und harmonische Oberschwingungen bilden. Die Frequenzen sind in einem Bereich von 100 Hz - 2 kHz mit Amplituden (je nach Sequenz) von bis zu 0.4 g angesiedelt.
Abbildung 2b zeigt ein exemplarisches Frequenzspektrum eines Koppelelementes, welches auf einer Liege in der MRT-Röhre platziert wurde. Bei dem Koppelelement handelt es sich um ein Kupferblech mit einer Oberfläche zwischen 40 cm2 bis 80 cm2 und einer Dicke von 1 bis 2 mm. Wie Abbildung 2b zeigt, werden an dem Koppelelement deutlich höhere Beschleunigungs amplituden gemessen, als bei einer Vibrationsmessung am MRT-Gehäuse oder direkt auf der Liege (ohne Koppelelement). Gemäß analytischen Abschätzungen auf Grundlage der vorliegen den Beschleunigungen können Leistungen von bis zu 50 mW generiert werden.
Die Abbildung 3 illustriert bevorzugte Ausführungsformen eines Energiesammlers, welcher die zuvor beschriebene Wirkungskette ausnutzen soll.
In Abb. 3a wird eine bevorzugte Ausgestaltung eines Energiesammlers gemäß des ersten Aspek tes der Erfindung gezeigt, wobei ein Koppelelement über ein elastisches Element (Federelement) und einen elektromechanischen Wandler (elektrischen Dämpfer) innerhalb des Energiesammlers mit dessen Gehäuse verbunden. Das Koppelelement, das durch direktes Einwirken der wech selnden Gradientenfelder eine Kraft erfährt, kann diese Kraft direkt auf das elastische Element bzw. Federelement übertragen, wodurch eine Schwingung bzw. Vibration erzeugt wird. Wird die Eigenfrequenz des schwingfähigen Systems auf die Anregung angepasst, so kann ein resonanter
Betrieb erzielt werden, der zu einer besonders hohen Effektivität der Energiewandlung führt. Die elektromechanischer Wandler können auf verschiedenen Transduktionsmechanismen basieren. Beispielsweise kann die Vibration durch einen elektrostatischen oder einen piezoelektrischen Wandler gedämpft werden und so elektrische Energie bereitstellen.
In Abbildung 3b wird die Verwendung einer piezoelektrischen Balkenstruktur (Piezobalken) als bevorzugter elektromechanischer Energiewandler gezeigt. Der Piezobalken ist als Freischwinger am Gehäuse des Energiesammlers befestigt und wird durch die Vibrationen des Koppelelemen tes zu Schwingungen angeregt. Durch die resultierenden elastischen Verformungen piezoelektri scher Schichten werden die mechanischen Vibrationen in elektrische Energie gewandelt. Der Piezobalken vereint mithin die Funktionalitäten eines elastischen Elementes (Freischwinger) und eines elektrischen Dämpfers (piezoelektrische Dämpfung der elastischen Deformationen).
In Abbildung 3c wird eine bevorzugte Ausführungsform eines Energiesammlers gemäß des zweiten Aspektes der Erfindung gezeigt. Hierbei ist das Koppelelement mechanisch mit einem klassischen Vibrationsenergiesammler verbunden, sodass die Vibrationen des Koppelelementes durch eine Schwingung innerhalb des Gehäuses unmittelbar auf den Vibrationsenergiesammler übertragen werden. Der Vibrationsenergiesammler umfasst bevorzugt sein eigenes Gehäuse, in welchem eine seismische Masse vorliegt, welche über einen Energiewandler bevorzugt in Form einer Feder -Dämpfer-Struktur mit dem Gehäuse verbunden ist.
In Abbildung 3d wird eine bevorzugte Ausführungsform eines Energiesammlers gemäß des dritten Aspektes der Erfindung gezeigt. In der Ausführungsform ist das Koppelelement ein Hohlkörper in dessen inneren Hohlraum eine seismische Masse über einer Feder -Dämpfer- Struktur als elektromechanischen Wandler mit der äußeren Wand verbunden ist. Durch Anregung des Koppelelementes wird die seismische Masse über das elastische Element in Schwingung gebracht, sodass in dem elektromechanischen Wandler (elektrischen Dämpfer) Energie erzeugt wird. Das Koppelelement fungiert zudem bevorzugt als Gehäuse und besitzt eine magnetische Abschirmfunktion, sodass der Energiewandler und die seismische Masse im inneren Hohlraum nur in vermindertem Maß mit äußeren Magnetfeldern wechselwirken. Hierdurch können störende Einflüsse auf die Bildgebung bei Anwendung in der Magnetresonanztomographie minimiert werden.
Abbildung 4 illustriert eine bevorzugte Verwendung des Energiesammlers zur Gewinnung elektri scher Energie während einer MRT-Untersuchung. Aufgrund der kompakten Abmaße kann der Energiesammler am Patienten angebracht werden, sodass sich der Energiesammler zusammen mit dem Patienten während der Durchführung einer Magnetresonanztomographie in der MRT- Röhre befindet. Die aus den getakteten Gradientenfeldern gewonnene Energie kann für ver schiedenste Verbrauchersysteme insbesondere für ein Monitoring oder eine Kommunikation mit dem Patienten genutzt werden.
Abbildung 5a) illustriert Frequenzspektren, welche bei unterschiedlichen MRT Untersuchungen auftreten. In Abhängigkeit der medizinischen Indikation oder des zu untersuchenden Gewebe können unterschiedliche Sequenzen (d.h. sequentielle Applikationen der Hochfrequenz- und Gradientenfelder) eingesetzt werden. Die unterschiedlichen Sequenzen führen zu unterschiedli-
chen Frequenzen der Schaltungen der Gradientenfelder während der Bildgebung, wodurch die Vibrationsspektren variieren.
Abbildung 5a) illustriert die Ergebnisse von Messungen für MRT Untersuchungen mit unter schiedlichen Sequenzen. Die im Frequenzspektrum sichtbaren Oberschwingungen unterschiedli cher Sequenzen sind deckungsgleich oder liegen eng bei einander. Allerdings können die Amplituden der dominanten Frequenzen in Abhängigkeit der Sequenzen signifikant schwanken. So kann es Vorkommen, dass bei einer Frequenz f1 dominante Frequenzen mit nur geringer Amplitude oder bei einer Frequenz f2 mit sehr unterschiedlichen Amplituden anzutreffen sind.
Mit Bezug auf eine spezifische Oberschwingung (z.B. f2) ist die erforderliche Frequenzbandbreite B1 , die von einem Energiesammler abgedeckt werden muss relativ gering (< 10 Hz). Der Fre quenzabstand B2 der Oberschwingungen beträgt je nach Sequenz 50 Hz bzw. 67 Hz.
Die Eigenfrequenz eines Energiesammlers kann mit Hilfe mechanischer Methoden um bis zu 100 Hz (Neiss 2014, Eichhorn 201 1 , Floffmann 2016, Lallart 2010, Wang 2017) oder mit Hilfe von Extraktionsschaltungen um bis zu 10 Hz (Hsieh 2015, Cai 2018) variiert werden.
Um bei verschiedenen Frequenzen effizient die Energie ernten zu können, kann es bevorzugt sein einen Array mit mehreren Koppelelementen (z.B. 2 bis 5 Koppelelementen) zu verwenden. Eine solche bevorzugte Ausführungsform ist in Abbildung 5b für die Verwendung von Piezobal- ken als elektromechanischem Energiewandler illustriert.
Es wird darauf hingewiesen, dass verschiedene Alternativen zu den beschriebenen
Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden können, um die Erfindung auszuführen und zu der erfindungsgemäßen Lösung zu gelangen. Der erfindungsgemäße Energiesammler, das System sowie deren Verwendung insbesondere in den beschrieben Verfahren beschränken sich in ihren Ausführungen somit nicht auf die vorstehenden bevorzugten Ausführungsformen.
Vielmehr ist eine Vielzahl von Ausgestaltungsvarianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung abweichen können. Ziel der Ansprüche ist es, den Schutzumfang der Erfindung zu definieren. Der Schutzumfang der Ansprüche ist darauf gerichtet, den erfindungsgemäßen Energiesammler, das System deren Verwendungen insbesondere in den beschriebenen Verfahren sowie äquivalente Ausführungsformen von diesen abzudecken.
BEZUGSZEICHENLISTE
I Energiesammler
3 Koppelelement
5 Elektromechanischer Wandler
7 Elastisches Element
9 Elektrisch dämpfendes Element
I I Gehäuse
13 Vibrationsenergiesammler
15 Seismische Masse
17 Piezobalken
19 Verbrauchergeräte
21 MRT-Röhre
23 Patient
LITERATURVERZEICHNIS
S. P. Beeby, M. J. Tudor, and N. M. White,“Energy harvesting Vibration sources for microsys- tems applications,” Meas. Sei. Technol, vol. 17, no. 12, pp. R175-R195, 2006.
Y. Cai and Y. Manoli,“A piezoelectric energy-harvesting interface Circuit with fully autonomous conjugate impedance matching, 156% extended bandwidth, and 0.38pW power con- sumption,” in 2018 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), pp. 148-150.
C. Eichhorn, R. Tchagsim, N. Wilhelm, and P. Woias,“A smart and self-sufficient frequency tuna- ble Vibration energy harvester,” J. Micromech. Microeng, vol. 21 , no. 10, p. 104003, 201 1 .
D. Hoffmann, A. Willmann, B. Folkmer, and Y. Manoli,“Tunable Vibration Energy Harvester for
Condition Monitoring of Maritime Gearboxes,” in PowerMEMS, 2014, p. 012099.
D. Hoffmann, A. Willmann, T. Hehn, B. Folkmer, and Y. Manoli,“A self-adaptive energy harvest ing System,” Smart Mater. Struct, vol. 25, no. 3, p. 035013, 2016.
P.-H. Hsieh, C.-H. Chen, and H.-C. Chen,“Improving the Scavenged Power of Nonlinear Piezoe lectric Energy Harvesting Interface at Off-Resonance by Introducing Switching Delay,” IEEE Trans. Power Electron, vol. 30, no. 6, pp. 3142-3155, 2015.
A. Khaligh, Peng Zeng, and Cong Zheng,“Kinetic Energy Harvesting Using Piezoelectric and
Electromagnetic Technologies— State of the Art,” IEEE Trans. Ind. Electron, vol. 57, no. 3, pp. 850-860, 2010.
M. Lallart, S. R. Anton, and D. J. Inman,“Frequency Self-tuning Scheme for Broadband Vibration Energy Harvesting,” Journal of Intelligent Material Systems and Structures, vol. 21 , no. 9, pp. 897-906, 2010.
P. Mitcheson, T. Green, E. Yeatman, and A. Holmes,“Architectures for Vibration-Driven Microp- ower Generators,” J. Microelectromech. Syst, vol. 13, no. 3, pp. 429-440, 2004.
P. Mitcheson, E. Yeatman, G. K. Rao, A. Holmes, and T. Green,“Energy Harvesting From Hu man and Machine Motion for Wireless Electronic Devices,” Proc. IEEE, vol. 96, no. 9, pp. 1457-1486, 2008.
S. Neiss, F. Goldschmidtboeing, M. Kroener, and P. Woias,“Tunable nonlinear piezoelectric Vi¬ bration harvester,” in PowerMEMS, 2014, p. 0121 13.
W.R. Nitz Magnetresonanztomographie (MRT). In: Kramme R. (eds) Medizintechnik. Springer,
Berlin, Heidelberg (2011 ).
F. K. Shaikh and S. Zeadally,“Energy harvesting in wireless sensor networks: A comprehensive review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 55, pp. 1041-1054, 2016.
D. Spreemann, Y. Manoli, B. Folkmer, and D. Mintenbeck,“Non-resonant Vibration conversion,”
J. Micromech. Microeng, vol. 16, no. 9, pp. S169-S173, 2006.
L. Tang, Y. Yang, and C. K. Soh,“Toward Broadband Vibration-based Energy Harvesting,” Jour nal of Intelligent Material Systems and Structures, vol. 21 , no. 18, pp. 1867-1897, 2010.
X. Wang et al,“A frequency and bandwidth tunable piezoelectric Vibration energy harvester using multiple nonlinear techniques,” Applied Energy, vol. 190, pp. 368-375, 2017.
Claims
1 . Energiesammler (1 ) zur Gewinnung elektrischer Energie bei zeitlich veränderbaren
Magnetfeldern insbesondere zur Verwendung bei der Magnetresonanztomographie umfassend a. ein Koppelelement (3) für ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld b. ein Gehäuse (11 ) und c. einen elektromechanischen Wandler (5) dadurch gekennzeichnet, dass
das Koppelelement (3) aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt ist und über den elektromechanischen Wandler (5) mit dem Gehäuse (11 ) schwingfähig verbunden ist, wobei das Koppelelement dazu eingerichtet ist, dass ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld Wirbelströme in dessen Oberfläche induziert, welche bei Überlagerung eines statischen Magnetfeldes eine Krafteinwirkung erfahren, sodass ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld bei Überlagerung mit einem statischen Magnetfeld das Koppelelement (3) zu einer Schwingung anregt und in dem Wandler (5) elektrische Energie erzeugt.
2. Energiesammler (1 ) zur Gewinnung elektrischer Energie bei zeitlich veränderbaren
Magnetfeldern insbesondere zur Verwendung bei der Magnetresonanztomographie umfassend a. ein Koppelelement (3) für ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld b. ein Gehäuse (11 ) c. ein elastisches Element (7) und d. ein Vibrationsenergiesammler (13) dadurch gekennzeichnet, dass
der Vibrationsenergiesammler (13) mit dem Koppelelement (3) verbunden ist, welches aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt ist und über das elastische Element mit dem Gehäuse (11 ) schwingfähig verbunden ist, wobei das Koppelelement dazu eingerichtet ist, dass ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld
Wirbelströme in dessen Oberfläche induziert, welche bei Überlagerung eines statischen Magnetfeldes eine Krafteinwirkung erfahren, sodass ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld bei Überlagerung mit einem statischen Magnetfeld das Koppelelement (3) zu einer Schwingung anregt und in dem Vibrationsenergiesammler (13) elektrische Energie erzeugt.
3. Energiesammler (1 ) zur Gewinnung elektrischer Energie bei zeitlich veränderbaren Magnetfeldern insbesondere zur Verwendung bei der Magnetresonanztomographie umfassend a. ein Koppelelement (3) für ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld b. einen elektromechanischen Wandler (5) und c. eine seismische Masse (15) dadurch gekennzeichnet, dass
das Koppelelement (3) ein Hohlkörper ist, dessen äußere Wand aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt ist und in dessen inneren Hohlraum der elektromechanische Wandler (5) sowie die seismische Masse (15) vorliegen, wobei die seismischen Masse (15) schwingfähig über den elektromechanischen Wandler (5) mit der äußeren Wand des Koppelelementes (3) verbunden ist, wobei das Koppelelement dazu eingerichtet ist, dass ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld Wirbelströme in dessen
Oberfläche induziert, welche bei Überlagerung eines statischen Magnetfeldes eine Krafteinwirkung erfahren, sodass ein sich zeitlich änderndes magnetisches
Gradientenfeld bei Überlagerung mit einem statischen Magnetfeld das Koppelelement (3) zu einer Schwingung anregt und in dem elektromechanischen Wandler (5) elektrische Energie erzeugt.
4. Energiesammler (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
das leitfähige Material ein paramagnetisches oder diamagnetisches Metall ist, besonders bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe umfassend Aluminium, Titan und/oder Kupfer.
5. Energiesammler (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
das Koppelelement (3) ein Hohlkörper, bevorzugt ein ellipsoider Hohlkörper, ganz besonders bevorzugt eine Hohlkugel ist.
6. Energiesammler (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verhältnis aus dem von der äußeren Oberfläche des Koppelelementes (3) eingeschlossene Volumen und der Masse des Koppelelementes (3) weniger als 10 g/cm3, bevorzugt weniger als 1 g/cm3, besonders bevorzugt weniger als 0,1 g/cm3 beträgt und/oder das Material des Koppelelementes (3) eine Dichte von weniger als 10 g/cm3 aufweist.
7. Energiesammler (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüche sofern abhängig von
Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass
das Koppelelement (3) ein Blech ist mit einer Dicke von 0.5 mm bis 3 mm, bevorzugt 1 mm bis 2 mm, und einer Oberfläche von 20cm2 bis 200 cm2, bevorzugt 40 cm2 bis 80 cm2.
8. Energiesammler (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
der elektromechanische Wandler (5) ein piezoelektrischer Wandler oder ein
elektrostatischer Wandler ist.
9. Energiesammler (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüche sofern abhängig von
Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse (11 ), der elektromechanische Wandler (5) und das Koppelelement (3) ein schwingfähiges System bilden, welches mindestens eine Eigenfrequenz zwischen 100 und 2000 Hz, bevorzugt zwischen 200 und 2000 Hz, ganz besonders zwischen 500 und 1000 Hz aufweist.
10. Energiesammler (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüche sofern abhängig von
Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass
der Energiesammler (1 ) mindestens zwei Koppelelemente (3) aufweist, welche jeweils durch einen elektromechanischen Wandler (5) mit dem Gehäuse (11 ) schwingfähig verbunden sind, wobei bevorzugt mindestens zwei schwingfähige Systeme gebildet werden, welche unterschiedliche Eigenfrequenzen aufweisen.
1 1 . Energiesammler (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüche sofern abhängig von
Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse (11 ) aus einem nicht-metallischen Material, bevorzugt aus einem Kunststoff gefertigt ist.
12. Energiesammler (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
der Energiesammler (1 ) mindestens einen Permanentmagneten zum Aufbau eines statischen Magnetfeldes aufweist.
13. Verwendung eines Energiesammlers (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüche zur Gewinnung von elektrischer Energie aus einem sich zeitlich ändernden magnetisches Gradientenfeld bei der Magnetresonanztomographie.
14. System umfassend a. ein Magnetresonanztomographen und a. einen Energiesammler (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 - 12
15. System gemäß dem vorherigen Anspruch
dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetresonanztomograph dazu eingerichtet ist
während einer Magnetresonanztomographie ein statisches Magnetfeld, ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld und/oder ein Hochfrequenzmagnetfeld zu erzeugen.
16. System gemäß dem vorherigen Anspruch
dadurch gekennzeichnet, dass das statische Magnetfeld eine Feldstärke von mindestens 0,1 Tesla, bevorzugt 0,1 bis 10 Tesla, besonders bevorzugt 0,5 bis 3 Tesla aufweist.
17. System gemäß einem der vorherigen Ansprüche 15 oder 16
dadurch gekennzeichnet, dass das sich zeitlich ändernde magnetisches Gradientenfeld durch getaktete Schaltung von magnetischen Gradientenfelder erzeugt wird, welche im Rahmen einer Magnetresonanztomographie der Ortskodierung dienen.
18. System gemäß dem vorherigen Anspruch
dadurch gekennzeichnet, dass die getaktete Schaltung mit einer Frequenz von 100 Hz bis 2000 Hz erfolgt.
19. System gemäß einem der vorherigen Ansprüche 14 bis 18
dadurch gekennzeichnet, dass
das System Verbrauchergeräte (19), bevorzugt zur Anbringung an einem Patienten (23), umfasst und der Energiesammler (1 ) mit den Verbrauchergeräten (19) verbunden ist, um diese mit Energie zu versorgen.
20. Verfahren zur Gewinnung elektrischer Energie bei der Magnetresonanztomographie umfassend die Schritte a. Bereitstellen eines Energiesammlers (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 -12 b. Bereitstellen eines Magnetresonanztomographen c. Positionierung des Energiesammlers (1 ) innerhalb des
Magnetresonanztomographen, sodass sich der Energiesammler (1 ) während einer Magnetresonanztomographie in einem zeitlich ändernden magnetischen Gradientenfeld befindet, welches von einem statischen Magnetfeld überlagert wird d. Nutzung der durch den Energiesammler (1 ) erzeugten elektrischen Energie zum Betrieb mindestens eines Verbrauchergerätes (19).
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Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4200992A1 (de) * | 1992-01-16 | 1993-07-22 | Siemens Ag | Kernspintomograph |
DE102004055625A1 (de) | 2004-11-11 | 2006-06-01 | Hübner Elektromaschinen GmbH | Spannungsgenerator mit einem piezoelektrischen Wandlerelement |
US20110009730A1 (en) * | 2007-11-30 | 2011-01-13 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Mri system apparatus to produce electric current |
US20110084694A1 (en) * | 2008-06-20 | 2011-04-14 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Inductively powered electric component of an mri apparatus |
EP2338562A1 (de) * | 2009-12-22 | 2011-06-29 | BIOTRONIK CRM Patent AG | MRT-Lorentz-Vibrator |
DE112016000199T5 (de) | 2015-01-30 | 2017-08-24 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Stromerzeuger |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6254983A (ja) | 1985-09-03 | 1987-03-10 | Ee U Ii Kenkyusho:Kk | トランスデユ−サ |
JP2003189641A (ja) | 2001-12-12 | 2003-07-04 | Nec Tokin Corp | 発電装置 |
DE102011052923B4 (de) | 2011-08-23 | 2016-11-24 | Gsi Helmholtzzentrum Für Schwerionenforschung Gmbh | Energieübertragungseinheit |
-
2018
- 2018-10-29 DE DE102018126909.9A patent/DE102018126909B4/de active Active
-
2019
- 2019-10-01 WO PCT/EP2019/076590 patent/WO2020070125A1/de active Application Filing
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4200992A1 (de) * | 1992-01-16 | 1993-07-22 | Siemens Ag | Kernspintomograph |
DE102004055625A1 (de) | 2004-11-11 | 2006-06-01 | Hübner Elektromaschinen GmbH | Spannungsgenerator mit einem piezoelektrischen Wandlerelement |
US20110009730A1 (en) * | 2007-11-30 | 2011-01-13 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Mri system apparatus to produce electric current |
US20110084694A1 (en) * | 2008-06-20 | 2011-04-14 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Inductively powered electric component of an mri apparatus |
EP2338562A1 (de) * | 2009-12-22 | 2011-06-29 | BIOTRONIK CRM Patent AG | MRT-Lorentz-Vibrator |
DE112016000199T5 (de) | 2015-01-30 | 2017-08-24 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Stromerzeuger |
Non-Patent Citations (18)
Title |
---|
A. KHALIGHPENG ZENGCONG ZHENG: "Kinetic Energy Harvesting Using Piezoelectric and Electromagnetic Technologies-State of the Art", IEEE TRANS. IND. ELECTRON, vol. 57, no. 3, 2010, pages 850 - 860 |
BEEBY S P ET AL: "Energy harvesting vibration sources for microsystems applications", MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY, IOP, BRISTOL, GB, vol. 17, no. 12, 1 December 2006 (2006-12-01), pages R175 - R195, XP020103319, ISSN: 0957-0233, DOI: 10.1088/0957-0233/17/12/R01 * |
C. EICHHORNR. TCHAGSIMN. WILHELMP. WOIAS: "A smart and self-sufficient frequency tunable vibration energy harvester", J. MICROMECH. MICROENG, vol. 21, no. 10, 2011, pages 104003, XP020212021, doi:10.1088/0960-1317/21/10/104003 |
D. HOFFMANNA. WILLMANNB. FOLKMERY. MANOLI: "Tunable Vibration Energy Harvester for Condition Monitoring of Maritime Gearboxes", POWERMEMS, 2014, pages 012099 |
D. HOFFMANNA. WILLMANNT. HEHNB. FOLKMERY. MANOLI: "A self-adaptive energy harvesting system", SMART MATER. STRUCT, vol. 25, no. 3, 2016, pages 035013, XP020298247, doi:10.1088/0964-1726/25/3/035013 |
D. SPREEMANNY. MANOLIB. FOLKMERD. MINTENBECK: "Non-resonant vibration conversion", J. MICROMECH. MICROENG, vol. 16, no. 9, 2006, pages S169 - S173, XP020105135, doi:10.1088/0960-1317/16/9/S01 |
F. K. SHAIKHS. ZEADALLY: "Energy harvesting in wireless sensor networks: A comprehensive review", RENEWABLE AND SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS, vol. 55, 2016, pages 1041 - 1054, XP029365925, doi:10.1016/j.rser.2015.11.010 |
J HÖFFLIN ET AL: "Energy Harvesting mit einer Figur-8 Spule - in Richtung energieautonomer MRI-Messungen", MIKROSYSTEMTECHNIK 2013 - VON BAUELEMENTEN ZU SYSTEMEN, 14 October 2013 (2013-10-14), XP055653260 * |
L. TANGY. YANGC. K. SOH: "Toward Broadband Vibration-based Energy Harvesting", JOURNAL OF INTELLIGENT MATERIAL SYSTEMS AND STRUCTURES, vol. 21, no. 18, 2010, pages 1867 - 1897 |
M. LALLARTS. R. ANTOND. J. INMAN: "Frequency Self-tuning Scheme for Broadband Vibration Energy Harvesting", JOURNAL OF INTELLIGENT MATERIAL SYSTEMS AND STRUCTURES, vol. 21, no. 9, 2010, pages 897 - 906 |
P. MITCHESONE. YEATMANG. K. RAOA. HOLMEST. GREEN: "Energy Harvesting From Human and Machine Motion for Wireless Electronic Devices", PROC. IEEE, vol. 96, no. 9, 2008, pages 1457 - 1486 |
P. MITCHESONT. GREENE. YEATMANA. HOLMES: "Architectures for Vibration-Driven Micropower Generators", J. MICROELECTROMECH. SYST, vol. 13, no. 3, 2004, pages 429 - 440 |
P.-H. HSIEHC.-H. CHENH.-C. CHEN: "Improving the Scavenged Power of Nonlinear Piezoelectric Energy Harvesting Interface at Off-Resonance by Introducing Switching Delay", IEEE TRANS. POWER ELECTRON, vol. 30, no. 6, 2015, pages 3142 - 3155, XP011570314, doi:10.1109/TPEL.2014.2334611 |
S. NEISSF. GOLDSCHMIDTBOEINGM. KROENERP. WOIAS: "Tunable nonlinear piezoelectric vibration harvester", POWERMEMS, 2014, pages 012113 |
S. P. BEEBYM. J. TUDORN. M. WHITE: "Energy harvesting vibration sources for microsystems applications", MEAS. SEI. TECHNOL, vol. 17, no. 12, 2006, pages R175 - R195, XP020103319, doi:10.1088/0957-0233/17/12/R01 |
W.R. NITZ: "Medizintechnik", 2011, SPRINGER, article "Magnetresonanztomographie (MRT" |
X. WANG ET AL.: "A frequency and bandwidth tunable piezoelectric vibration energy harvester using multiple nonlinear techniques", APPLIED ENERGY, vol. 190, 2017, pages 368 - 375, XP029919949, doi:10.1016/j.apenergy.2016.12.168 |
Y. CAIY. MANOLI: "A piezoelectric energy-harvesting interface circuit with fully autonomous conjugate impedance matching, 156% extended bandwidth, and 0.38|jW power consumption", IEEE INTERNATIONAL SOLID-STATE CIRCUITS CONFERENCE (ISSCC), 2018, pages 148 - 150, XP033328376, doi:10.1109/ISSCC.2018.8310227 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
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DE102018126909A1 (de) | 2020-04-30 |
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