CN1654027A - 用电磁线圈系统在操作空间无接触移动/定位磁体的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过使用电磁线圈系统在操作空间中无接触移动和/或定位磁体的装置。借助设备(22)，磁体(10)可以在操作空间(A)中无接触地移动以及定位。为此，该设备包括一个用于产生三个磁场分量以及5个磁场梯度、由14个单独控制的线圈构成的电磁线圈系统和用于探测实际位置的装置(24_x、24_y、24_z)以及调节磁体(10)的规定位置的装置(25－27)。

Description

用电磁线圈系统在操作空间无接触移动/定位磁体的设备

技术领域

本发明涉及一种通过使用包围操作空间的电磁线圈系统实现在三维操作空间中无接触移动和/或定位磁体的设备，该操作空间由位于X、Y、Z-直角坐标系中的平面所包围。

背景技术

在医学上使用内窥镜和导管，其经过切口或躯体开口插入并且可从外纵向移动，因此仅在一维上可导向。借助光导体可以进行光学观察，其中内窥镜端部以及由此观察方向可以通过控制转动而转向。特别地，这样可以形成进行活组织切片检查的装置。然而，特别地，在此使用的探针在分岔处仅可有限地导向，因此从外部施加的无接触力能够随之带来使用范围的扩展。

从公开文献“IEEE Transcations on Magnetics”VOL.32，NO.2，1996年3月，320-328页以及US5125888A中得知一个对探针进行无接触磁控制的电磁线圈系统，该电磁线圈系统优选地包括放置在立方体表面上的6个超导线圈，其在正交的X、Y、Z-坐标系中的位置可以通过数学描述。借助这些线圈产生可变的磁场方向和磁场梯度，以便为了医疗的目的将带有磁材料或磁性注入物的导管引入到待检测的例如人体中或在其中移动。然而，使用由6个线圈构成的电磁线圈系统还不能不受限制的自由导向磁体。

在US 6241671 B1中描述了具有3个线圈的电磁线圈系统，在US 6529761B2中描述了可围绕病人旋转设置的永磁体的阵列，其场可受磁性挡板影响，该阵列可以产生用来移动磁性探针的电磁波。

此外，具有可旋转永磁体的电磁线圈系统尤其在X射线控制下来控制磁性导管也是已知的。

在背景技术中没有陈述通过反馈来稳定姿态的方法；这是以以下为前提：磁性探针体通过预先给定的磁场方向和梯度，总是放置在要检测的躯体内的内表面上。

在WO96/03795A1中描述了使用附加脉冲线圈的方法，借助该方法磁性探针通过精确定义的电脉冲在计算机控制下步进式移动。

例如由杂志“Gastrointestinal Endoscopy”VOL.54，NO.1，79-83页也可以得知所谓的用于观察消化道的可视胶囊(Videokapseln)。在这里，可视胶囊的移动通过肠的自然儒动进行，即移动方向和视向完全无法控制。

在DE10142253C1中描述了相应的可视胶囊，其配备有条状磁体以及视频装置和其它干预装置。为了导向需由一外部电磁线圈系统将力施加到该条状磁体上。其中提到一个自由浮动的所谓的升降机模块，该模块具有通过6D-鼠标的外部控制，力的反馈经过鼠标以及位置反馈通过应答器。然而不能由该文献看出实现相应电磁线圈系统的细节以及其线圈的详细运行情况。

所有提出的系统都不能借助磁场使磁体自由移动到特定的位置。对此原理在于，按照Earnshaw的理论(参见“Transactions of the Cambridge PhilosophicalSociety”VOL.7，1842，97-120页)每一个这样的配置至少在一个空间方向上是不稳定的。即磁体通过预先确定的局部磁场梯度总是处于操作空间中的内表面上，并且使导线引导的导管向所希望的方向弯曲。

发明内容

本发明的目的在于提供一种设备，借助它来稳定而无接触地引导和定位像根据上述DE-C1文献中的条状磁体一样的(铁)磁体，即通过使用特别包围操作空间的电磁线圈系统使磁体定向并向其施力。定向以及施加在磁体上的力的大小和方向在此应当是磁性的，而没有可由外部预先提供的机械连接。

为解决该任务，提供了根据本发明的用电磁线圈系统在操作空间中无接触移动/定位磁体的设备。与此相应，该设备应该用于在三维操作空间中无接触地移动和/或定位磁体，该操作空间位于X、Y、Z-平面正交坐标系中。在此，该设备应该包括以下部分，即

a)包围该操作空间的电磁线圈系统，其具有14个可单独控制的线圈，这些线圈用来产生三个磁场分量B_x、B_y、B_z以及来自关于其对角线D对称的梯度矩阵的五个磁场梯度，其中借助这些线圈产生梯度矩阵对角线上的三个元素中的两个和由梯度矩阵

的关于对角线D对称的三个梯度元素对中的任一偏离对角线的元素，

b)用于检测磁体在操作空间中实际位置的装置，和

c)用于调节磁体的规定位置的装置，其包括：

c1)用于调节方位、规定位置以及移动方向的装置，以及

c2)用来通过处理规定位置与实际位置的偏差来调节线圈中的线圈电流的装置。

对于待使用的、以鸟笼式包围操作空间、并在Z方向有一入口的电磁线圈系统的出发点为，通过加到麦克韦尔方程式的条件，旋度H＝0和散度B＝0(其中以黑体标出的量表示矢量)，总是成对地产生磁场梯度。可以看到，三个可能的磁场分量B_x、B_y、B_z从可能的九个磁场梯度dB_x/dx、dB_x/dy、dB_x/dz、dB_y/dx、dB_y/dy、dB_y/dz、dB_z/dx、dB_z/dy、dB_z/dz中只能产生五个独立的梯度。在此，必须使14个线圈以相应于八种不同的电流模式的磁自由度以同样大的电流来构造。这些电流模式中的每一种分别主要产生一个磁场分量或者一个磁场梯度。随后通过叠加，能够产生每一个符合麦氏方程的磁场分量和磁场梯度组合。

以这种方式，可以借助操作空间中的磁场，对磁体(例如与磁性元件连接的探针如导管、内窥镜或者根据DE10142253 C1的可视胶囊)进行任何可预先给定的无接触对准(＝航行随后定位)以及在磁体上施加磁力。

借助根据本发明的系统，有利地，磁体在三个空间方向上位置调整的共同作用借助例如通过前面提到的电磁线圈阵列产生的磁场结构的综合要求来保证。在磁体每次移动或旋转时，所有14个线圈中的电流也都发生变化。对线圈中电流的调节按以下方式进行：减小规定位置与实际位置的偏移，特别是最小化。后面将对所涉及的用来调节和处理的装置进行相应说明。

此外优选地，在一种实施方式中，具有在用于调节方位、规定位置和移动方向以及可能的速度边界的设备上的力响应(Kraftrueckmeldung)，以此可以移动磁体。这种方式特别适应于医疗诊断所希望的在操作空间中自由、稳定的移动，例如配备有铁磁磁铁或永久磁铁形式的磁体的根据所述DE10142253 C1的可视胶囊通过有效的位置调整实现在试验人员体内的移动。

这样，14个可单独控制的线圈可以设置在成对相对设置的平面和至少一个管状的、在Z方向延伸的包覆面上。在此，直角平行六面体或立方体的平面可延伸直至包覆面。但是这些面不必一定是平的。这样，在这些面上放置的线圈特别可在Z方向形成通向操作空间的良好入口。

有利地，在此有至少6个线圈设置在操作空间的相对成对设置的端面或侧面上，并且用来产生磁场分量B_x、B_y、B_z和梯度矩阵的两个对角线元素。同时，可以至少有4个线圈从圆周方向看分布在至少一个管状的包围操作空间的包覆面上，并且用来产生梯度矩阵的至少一个偏离对角线的元素。这样，与其余的线圈一起就能够形成需要的三个偏离对角线的元素。

根据线圈系统的特别优选的实施例为：

-6个线圈设置成三对放置在操作空间的成对相对设置的端面或侧面上的线圈对，和

-8个线圈构成两个线圈阵列，它们从Z方向上看依次放置在至少一个管状的、包围操作空间的包覆面上，它的每4个线圈从圆周方向看分布于该包覆面上，并且用来产生梯度矩阵中在对角线一侧的3个偏离对角线的元素。

这个线圈系统以具有在Z方向上向操作空间的良好可入性的清楚构造而著称。

同样很好地，可代之以在线圈系统中设置：

-设置在操作空间的端面上的线圈构成的线圈对用来产生磁场分量B_z和对角线元素dB_z/dz。

-分别由两个从Z方向上看依次设置的线圈构成的线圈阵列设置在成对相对设置的侧面上并且用来产生磁场分量B_x和B_y，

-由4个从圆周方向看分布排列的线圈构成的线圈阵列设置在至少一个管状的包覆面上，和

-位于侧面和包覆面上的线圈阵列用来产生另一对角线元素和对角线一侧的3个偏离对角线的元素。

在所述的实施方式中，可以有利地将位于(想像中的)包覆面上的磁场梯度线圈实现为马鞍形。在此它们可以从圆周方向看排列于包覆面上的以圆周方向伸展的端侧弧线部分，即每个弧角＞90°，或者也可以重叠。因此线圈很容易制造并且产生明确的磁场比例。

此外，可以将至少几个磁场分量线圈实现成平面矩形线圈或者圆线圈。特别地，处在端面上的线圈能够在Z方向上形成到操作空间的良好入口。

有利地，使由软磁材料制成的部分设置于线圈系统的外侧以进行场增强和/或场屏蔽。

有利地，为了控制电磁线圈的14个线圈而使用计算机，该计算机按照要移动的磁体的位置分别控制为这些线圈配备的每一个电流源。

附图说明

以下将根据附图进一步解释本发明，在优选实施例中对根据本发明的电磁线圈系统直观地说明，在此每一个图示为：

图1为用于无接触移动和定位/保持磁体的设备，

图2为该设备的电磁线圈系统的第一实施方式，

图3为这种电磁线圈系统的线圈的分解图3a-3h，其中示出用来产生预定磁场分量或磁场梯度的电流方向，

图4示出借助计算机对根据图2的电磁线圈系统的线圈的控制，

图5是用于根据本发明设备的电磁线圈系统的另一实施方式，

图6示出根据图5的电磁线圈系统的线圈电流方向的分解图6a-6i。

在此，在图中相应的部分以同样的附图标记给出。

具体实施方式

利用根据本发明的设备可以使磁性探针体在操作空间内无接触地移动并保持稳定。在此，定向以及施加到该探针体上的力的大小和方向是磁性的而无需可由外部预先给定的机械连接。尤其是在医疗应用中，配备有此类探针体的探针可以是导管或具有磁元件的内窥镜或具有照明器和发射器的微型电视摄像机，该发射器可以从体内如消化道或者肺发送出视频图像。此外，可以将铁磁外来物体例如针或者功能模块通过磁力移动到无外部入口的目标体或空间中，或者从其中取出。除了在医疗中的应用，根据本发明的设备同样可在其它领域、例如污染的空间中得到很好的应用。借助所配置的磁探针也可以对其它尤其是无入口的目标体进行例如内部检查，其中探针当然也可以配备其它或附加的功能。

因此通过使用电磁线圈系统能够在所有三个纬度自由度以及在视向上在两个旋转自由度下通过磁力从外部控制探针体。此外，例如为了将待治疗的人定位在操作空间内，有利地允许设备的电磁线圈系统具有从外部、在Z方向的入口。

图1是设备22的实施例的方框图，该设备22用于在受测人员或检查对象23内、例如人体中对铁磁体10进行相应的无接触导向及定位。在此，受测人员处于由在图中未详细阐明的电磁线圈系统2的14个独立线圈包围的操作空间A中。特别地，例如由铁磁材料或永磁材料制得的磁体10可以是探针例如根据DE10142253C1的可视胶囊的一部分。

在图中未详细阐明的电磁线圈系统2具有例如大致为立方体的外部轮廓。相应的6个立方体面被标记为F3a、F3b、F4a、F4b、F5a、F5b，该立方体构成一个正交X、Y、Z坐标系。处于与Z方向正交的平面F4a、F4b在此作为端面，而与X轴、Y轴正交的一对平面F3a、F3b或者F5a、F5b可以看作侧平面对。这些平面对包围清楚标出的三维内部空间或者操作空间A。

为了对磁体10进行有效位置调整，设备2包括本身已知的探测磁体10在操作空间A中实际位置的装置。这种装置例如为三个位置探测器24_x、24_y、24_z，使用它们可以得到磁体10在各坐标方向上的位置。相应的测量值被传送到调整装置25，该调整装置25是调整磁体到规定位置的装置的一部分。为此，该调整装置包括用于X、Y、Z位置的三个调整电路，这些调整电路根据实际位置与规定位置的调整偏差在X、Y、Z方向上向磁体10施加反作用力。在调整装置25后连接了一个转换单元26，该转换单元26控制14个电源部分PA1至PA14，以此产生在电磁线圈系统2的14个独立线圈中的电流I₁至I₁₄。在线圈系统中在磁体10上产生确定的磁场方向和磁力F＝grad(m.B)(其中，m＝磁体的磁矩矢量)。在此，由位置调整产生的调整力被转换为三个坐标方向上对磁体施力的磁场和磁场梯度以及线圈电流。这样，与规定位置的偏离被反作用，从而使磁体的位置稳定。由此产生的结果是在自由移动时，可以产生重力以及可能的其它力来克服机械阻力。借助设备27来调节方位、规定位置及磁体10的移动方向，例如以带有控制杆27a的操纵杆的形式或6D鼠标的形式，预先给出方位的极角/极坐标θ和和/或规定位置和/或在三个空间坐标中的移动方向。为此，调节装置27提供规定位置x、y、z，并且将它们与由位置测量器24_x、24_y、24_z的测量信号给出的实际位置分别在每一个对应的比较器30_x或30_y或30_z中进行比较。差值将作为调整偏差继续传送给调整装置25。调整偏差在调整装置25中被放大，进行进一步的调整技术处理，并传输到转换装置26。在转换装置26中，通过数学方法由这些被传输的值计算出用于14个线圈电源PA1至PA14的电流值，利用这些电流值产生改变了的磁场梯度和由此的在磁体10上的磁力F_x、F_y和F_z。这些力在磁体的位置x、y、z上反作用于磁体的调整偏移。此外，调节装置27利用空间极角θ和将规定方向传送到转换装置26，转换装置将其转换成用于三个磁场分量B_x、B_y、B_z的电流，并且经过电源部分PA1-PA14相应地传送到线圈系统2。

此外，在图1中示出一种用于接收配备有磁体10的可视胶囊的视频信号的装置。为此，该装置包括视频接收器28和监视器29。

有利地，设备2也可以如下地构成，即在转换装置26中计算的施加在磁体10上的力经过调节装置27中的调节器施加一个成比例的作用力到设备的操纵杆27a上。由此，可使调节装置的操作员例如正在进行观测的医生可以感觉到不期望的在磁体10上的机械阻力地。

在该设备的另一种实施方式中优选地可以由位置测量器通过对磁体10的速度差进行采集，并且将其输入调整回路中，以对其加以限制。由此能够防止例如由于磁体碰到壁上，例如在受测人员23的体内带来的损害。

对于根据本发明的设备22，在图2和图3中示意地说明了电磁线圈系统2的一个典型实施例的细节。

电磁线圈系统2包括14个普通导电线圈或超导线圈，这些线圈优选地是矩形线圈或者马鞍形线圈。在图中仅对绕组形状进行示意说明。也可以选择具有倒圆角线圈、圆线圈或者其它线圈形状。选择的实施例的线圈系统由6个磁场分量线圈3a、3b、4a、4b和5a、5b及8个磁场梯度线圈6a-6d以及7a-7d组成。借助成对地设置在相对的立方体面F3a、F3b；F4a、F4b；F5a、F5b上的磁场分量线圈3a、3b及4a、4b和5a、5b产生磁场分量B_x、B_y、B_z以及来自后面将给出的梯度矩阵的三个磁场梯度dB_x/dx、dB_y/dy、dB_z/dz中的至少两个。带有对角线D的梯度矩阵具有以下外观：

在此，可看到作为梯度矩阵的对角线D的分量dB_x/dx、dB_y/dy、dB_z/dz的连接线，该梯度矩阵构造成关于这个对角线D或者位于其上的、前面提及的磁场梯度对称。在此，对角线元素的和等于0。根据图3和它的分解图以及图3、图4和图5，对产生单个磁场分量的线圈对以在其中选择的电流方向进行标注。优选地，磁场分量线圈对彼此正交设置。一般地它们至少成对地具有相同的形状。

两个线圈阵列6和7分别以马鞍形布局的磁场梯度线圈6a-6d以及7a-7d构成，其从Z方向看为依次设置。马鞍形磁场梯度线圈在磁场上包围操作空间A，其中它们共同设置在至少一个想象的、具有平行Z方向延伸的轴的管状包覆面F6上。属于线圈阵列的梯度线圈从圆周方向看彼此隔开；即在它的前侧拱形部分和因此在其Z方向延伸的纵侧之间分别具有分隔空间。相邻梯度线圈还可能在其纵侧面相互重叠。想象的包覆面F6具有例如圆形截面。但它也可以是其它形状的，例如正方形截面。它也可以是同心包覆面，一个或两个线圈阵列中的线圈位于其上。至少一个包覆面F6不必一定处于由磁场分量线圈3a、3b、4a、4b、5a、5b包围的空间内部，而是必要时由这些线圈得到的结构也可以封闭。一般地，至少属于线圈阵列6和/或7的磁场梯度线圈具有同样形状。一般地，上面提及的面是想象的面。当然，磁场线圈系统2的在包覆面上延伸的线圈由实际上在图中未示的固定装置保持。

根据图3和其分解图，例如借助磁场梯度线圈6a-6d以及7a-7d在选择图示的电流方向时形成磁场梯度dB_x/dy、dB_z/dx、dB_z/dy。这三个磁场梯度是上述梯度矩阵中偏离对角线的元素。在此，这些元素分别源自其它关于对角线D对称的元素对。在构成对应的磁场梯度时必然成对地产生关于对角线D对称的磁场梯度。其在这种情形下，为梯度dB_y/dx或dB_x/dz或dB_y/dz。由于仅有5个梯度自由度要考虑，不需要特别的用于dB_z/dz梯度的电流模式。但可选地也可以产生磁场梯度dB_z/dz，为此梯度dB_x/dx或dB_y/dy其中之一可以省略，即仅须产生处在梯度矩阵对角线D上的三个梯度中的两个。

如果现在例如纵向延伸的与探针相连的磁体、例如铁磁体或者永磁体位于电磁线圈系统2的操作空间A，则其尽量平行于磁场方向对齐，由此也预先确定探针的对齐。在此，磁场梯度在磁体上施加一个力F＝grad(m·B)，其中m是磁体磁矩的矢量。通过有目的的控制14个线圈中的每一个，可使磁体在操作空间A中任意对齐并且预先施加的力F可以从所有方向施加到其上，即它不仅可旋转，而且可线性移动。

分解图3a-3h分别成对地示出电磁线圈系统、例如根据图2的系统2的14个线圈，在每个图示中标注有用于产生对于无接触移动和/或旋转需要的磁场分量和磁场梯度的各电流I的流动方向。在此根据分解图3a和3b，线圈3a、3b构成的线圈对3根据电流流动方向产生磁场分量B_x或磁场梯度dB_x/dx。以相应的方式借助线圈对5的线圈5a、5b产生磁场分量B_y或磁场梯度dB_y/dy。由线圈4a、4b构成的线圈对4产生根据分解图3e的磁场分量B_z，根据分解图3f-3h，两个由4个梯度线圈6a-6d及7a-7d构成的线圈阵列6和7根据线圈中的电流流动方向产生磁场梯度dB_z/dx或dB_z/dy或dB_x/dy。

除了产生所希望的磁场分量，每种电流模式在电磁线圈系统中还产生其它磁场分量。这取决于当时的线圈尺寸以及磁体的位置；它的幅度从中心开始沿线圈绕组方向升高，即，因此在具有磁场方向的电流模式的电流强度和在磁体位置上的力方向F＝grad(m·B)之间没有给出简单关系。

然而通过将8个电流模式在14个线圈中适当叠加，刚好可以在磁体位置(探针位置)调节那些磁场和磁场梯度，这些磁场和磁场梯度产生所期望的施加在磁体上的对齐和作用力。尤其有利的是，例如当正好产生重力F＝mg＝grad(m·B)(m＝质量，g＝重力加速度)的时候，可以实现磁体在空间中的自由悬停(Schweben)。与此有关的计算有利地借助计算机进行，该计算机特别地执行下述计算步骤，并且必要时在磁体移动期间不断重复：

—由操作空间中预定的磁体方向的极坐标θ和以及绝对值|B|计算磁体位置处的三个磁场分量B_x、B_y、B_z的额定值；

—由施加在磁体上的预定磁力计算5个独立的磁场梯度dB_x/dx、dB_y/dy、dB_x/dy、dB_z/dx、dB_z/dy的额定值；也可以预先给出梯度dB_z/dz，并为此将其它在梯度矩阵对角线上的梯度dB_x/dx或dB_y/dy之一设为0。还可以考虑将梯度dB_z/dz与其它对角线上的梯度dB_x/dx或dB_y/dy之一进行叠加；

—对于由线圈几何形状得到的8种电流模式的每一种，例如对于线圈电流为1A和8×8矩阵形式的电流模式，计算在磁体位置处的磁场分量和磁场梯度；

—计算逆矩阵。该逆矩阵仅取决于线圈几何形状并且可以对于预定操作空间的场中的点预先设置。在装置运行期间在场中的值之间进行插补以实现快速计算；

—将磁体位置的逆矩阵乘以磁场矢量(B_x，B_y，B_z，dB_x/dx，dB_y/dy，dB_x/dy，dB_z/dx，dB_z/dy)得出8个电流模式下的电流值；

—将电流模式按照存储表中各正或负电流方向分布在14个线圈电流上并且将这些电流在各线圈中进行线性叠加；

—控制用于线圈的14个电源部分；

—监测线圈中的功耗界限。

由图4可以看到用于控制14个线圈的相应装置，其与图像生成装置共同作用来控制示意图中示出的磁体位置或探针位置。在图中控制根据图2的电磁线圈系统2的计算机以9表示。借助电磁线圈系统的14个线圈，在磁体或相应的探针10上除了可预先自由给定磁场方向，还可以在所有3个空间方向上施加磁力。借助计算机9控制用于14个线圈的14个电源部分PA₁-PA₁₄。此外，在图中还示出X射线仪的X射线管11，其射线穿过线圈绕组之间的自由空间。在电磁线圈系统的外部，在荧光屏12上可观测到磁体10的位置及移动。

为了具体实施附图示出的电磁线圈系统可以采取如下措施：

—各线圈可以由铝或铜片绕制，必要时可用流体制冷。

—各线圈可以由金属空心型材制作，必要时可将冷却剂导进其内部空间；

—特别是各线圈可由超导体，优选地，高-Tc-超导材料制成。

—当然，例如为了实现磁场的均匀性，也可以使用其它线圈。相应的线圈在分解图3e中示出，并以4c标出。其在空间上相当于磁场分量B_z。

—此外，对电磁线圈系统也可以配备磁性材料。例如至少部分由这种材料环绕。相应地，根据图2的电磁线圈系统2的实施包括由软磁材料如铁制得的磁性回路体，其将系统2的梯度线圈从外侧包围起来。特别地，借助这样的软磁部分，可以增强操作空间A中的场强并屏蔽朝外泄漏的磁场。

—必要时，对于产生磁场分量的线圈对的线圈或产生磁场梯度的线圈阵列可选用不同的导体截面。因此，例如上部的Y-线圈、例如根据分解图3c的线圈5b相对于与其对应的下部Y-线圈5a，具有较大的导体截面或较大的匝数。当然，其它线圈对和/或线圈阵列也可以有其它不同的实施方式。

在借助以上附图示出的根据本发明电磁线圈系统2的实施例中，其出发点是利用成对正交设置在立方体的相对面上的磁场分量线圈，除了产生磁场分量B_x、B_y、B_z，还产生根据上述梯度矩阵的对角线上的三个磁场梯度中的两个。但借助磁场分量线圈也可以产生对角线以外的磁场梯度。为此需要通过独立线圈的线圈对构成三个磁场分量线圈中的两个。当电磁线圈系统具有环绕操作空间的多六面体形的轮廓时，尤其可以采用这种实施形式。这种也具有14个线圈的电磁线圈系统的相应实施例在图5和6中与图2和3的显示对应地示出并以20标出。在此分解图6a-6i示出对于线圈中磁场分量和磁场梯度可选的电流方向。在该实施方式中，由线圈14a和14b构成的线圈对14位于操作空间A端面F14a和F14b上。借助这些例如圆形布局的线圈，根据分解图6g-6h，可以产生磁场分量B_z以及所属的梯度矩阵对角线D上的梯度元素dB_z/dz。另一方面，在成对地相对设置的侧面F13a、F13b和F15a、F15b上分布的磁场分量线圈分别通过线圈阵列16或17分别由两个从Z方向上看依次放置的独立线圈构成。根据分解图6d，线圈阵列16由独立线圈13a，13a’和13b、13b’组成。根据分解图6d、6e、6f的在这些线圈中的电流流向产生磁场分量B_x及对角线梯度元素dB_x/dx以及偏离对角线的梯度元素dB_z/dx。以相应的方式，可以借助在根据分解图6a-6c的侧面F15a、F15b上的线圈阵列17的线圈15a、15a’以及15b、15b’产生磁场分量B_y及对角线梯度元素dB_y/dy以及偏离对角线的梯度元素dB_z/dy。为了能够产生根据图6i的第3个偏离对角线的梯度元素dB_x/dy，还需要由4个线圈18a-18d构成的另一个线圈阵列18。这些线圈设置在由磁场分量线圈构成的结构内部位于(想象的)管状、平行于Z轴延伸、包围操作空间A的包覆面F18上。这4个线圈18a-18d在包覆面F18的圆周方向均匀分布，其中必要时，可以在其Z方向延伸的纵侧重叠。虽然对于按照分解图6i的说明，对于想象的包覆面可以采用正方形横截面，然而如图7所示也可以采用其它形状。此外，在分解图6g中示出分解图3e提到的可能性，即提供其它线圈来实现磁场的均匀化。这样，以14c表示的在分解图中以虚线示出的线圈可以实现相当于磁场分量B_z的磁场分量。

Claims (17)

1、一种使磁体(10)在三维操作空间(A)中无接触地移动和/或定位的设备(22)，该操作空间(A)由在正交X、Y、Z-坐标系中展开的平面(F4a、F4b；F3a、F3b；F5a、F5b；F14a、F14b；F13a、F13b；F15a、F15b)包围，该设备包括以下部分：

a)包围操作空间(A)的电磁线圈系统(2，20)，其具有14个可单独控制的线圈(3a，3b；4a，4b；5a，5b；6a-6d；7a-7d；13a、13a’；13b、13b’；15a、15a’；15b、15b’；18a-18d)，这些线圈构成为用于产生三个磁场分量B_x、B_y、B_z以及五个来自关于对角线D对称的梯度矩阵

$\left(\begin{array}{ccc}\frac{d{B}_x}{\mathrm{dx}}& \frac{{\mathrm{dB}}_y}{\mathrm{dx}}& \frac{{\mathrm{dB}}_z}{\mathrm{dx}}\\ \frac{d{B}_x}{\mathrm{dy}}& \frac{{\mathrm{dB}}_y}{\mathrm{dy}}& \frac{{\mathrm{dB}}_z}{\mathrm{dy}}\\ \frac{{\mathrm{dB}}_x}{\mathrm{dz}}& \frac{{\mathrm{dB}}_y}{\mathrm{dz}}& \frac{{\mathrm{dB}}_z}{\mathrm{dz}}\end{array}\right)$

的磁场梯度，其中，借助线圈(4a，4b；3a，3b；5a，5b)产生梯度矩阵三个对角线元素中的两个以及由三个关于梯度矩阵对角线(D)对称的梯度元素对中的每个偏离对角线的元素，

b)用于检测磁体(10)实际位置的装置，和

c)用于调节磁体(10)的规定位置的装置，其包括：

c1)用来调节磁体的方位、规定位置和移动方向的装置，以及

c2)用来通过处理磁体(10)的规定位置与实际位置的偏差来调节线圈(3a，3b；4a，4b；5a，5b；6a-6d；7a-7d；13a、13a’；13b、13b’；15a、15a’；15b、15b’；18a-18d)中的线圈电流(I₁-I₁₄)的装置。

2、根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述用于检测磁体(10)的实际位置的装置设置在操作空间(A)内部。

3、根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述用于检测的装置至少是分别为每一坐标(x，y，z)配置的位置测量仪(24_x，24_y，24_z)。

4、根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，所述用于调节磁体(10)的方位、规定位置和移动方向的装置是操纵杆(27)或者6D-鼠标。

5、根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，所述用于调节线圈中线圈电流(I₁-I₁₄)的装置包括计算机(9)，该计算机(9)配备有与所述检测装置相连的调整装置(25)以及连接到该调整装置(25)的转换装置(26)。

6、根据权利要求5所述的设备，其特征在于，在所述转换单元(26)后连接有14个单独的电源装置(PA1-PA14)，用于产生各线圈(3a，3b；4a，4b；5a，5b；6a-6d；7a-7d；13a、13a’；13b、13b’；15a、15a’；15b、15b’；18a-18d)中独立的电流(I₁-I₁₄)。

7、根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，所述电磁线圈系统(2，20)的14个可单独控制的线圈(3a，3b；4a，4b；5a，5b；6a-6d；7a-7d；13a、13a’；13b、13b’；15a、15a’；15b、15b’；18a-18d)设置在成对相对设置的平面(F4a、F4b；F3a、F3b；F5a、F5b；F14a、F14b；F13a、F13b；F15a、F15b)上以及至少一个管状的在Z方向延伸的包覆面(F6、F18)上。

8、根据权利要求7所述的设备，其特征在于，在所述电磁线圈系统(2)中：

-至少有6个设置在操作空间(A)的成对相对设置的端面或侧面(F4a、F4b或F3a、F3b；F5a、F5b；F14a、F14b；F13a、F13b；F15a、F15b)上的线圈(4a，4b；3a，3b；5a，5b)用于产生三个磁场分量B_x、B_y、B_z以及梯度矩阵的两个对角线元素，以及

-至少有4个线圈(6a-6d；7a-7d；18a-18d)在圆周方向上分布在至少一个管状的、包围操作空间(A)的包覆面(F6、F18)上，并且用来产生至少一个梯度矩阵的偏离对角线的元素。

9、根据权利要求7或8所述的设备，其特征在于，在所述电磁线圈系统(2)中，

-6个线圈(4a，4b；3a，3b；5a，5b)作为3个线圈对(4，3，5)设置在操作空间(A)的成对相对设置的端面或侧面(F4a、F4b；F3a、F3b；F5a、F5b)上，和

-8个线圈(6a-6d；7a-7d)构成两个线圈阵列(6，7)，它们从Z方向看依次设置在至少一个管状包覆面(F6)上，其中从圆周方向看每4个线圈(6a-6d或7a-7d)分布在包覆面上，并且用来产生三个在梯度矩阵中处在对角线(D)一侧的偏离对角线的元素。

10、根据权利要求7或8所述的设备，其特征在于，在所述电磁线圈系统(20)中，

-线圈(14a，14b)形成的线圈对(14)被设置在操作空间(A)的端面(F14a、F14b)上，并且用来产生磁场分量B_z以及梯度矩阵的对角线元素dB_z/dz，

-分别由两个从Z方向看依次设置的线圈(13a、13a’；13b、13b’；15a、15a’；15b、15b’)形成的线圈阵列(16或17)设置在成对地相对设置的侧面(F13a、F13b；F15a、F15b)上，用来产生磁场分量B_x或B_y，

-由4个从圆周方向看分布排列的线圈(18a-18d)构成的线圈阵列(18)设置在至少一个管状包覆面(F18)上，以及

-设置在侧面(F13a、F13b；F15a、F15b)以及包覆面(F18)上的线圈阵列(16，17，18)，用来产生另一个对角线元素以及在梯度矩阵中处在其对角线(D)一侧的三个偏离对角线的元素。

11、根据权利要求7-10之一所述的设备，其特征在于，所述电磁线圈系统(2，20)的至少一个包覆面(F6，F18)处于由6个成对地相对设置的平面(F4a、F4b或F3a、F3b；F5a、F5b；F14a、F14b；F13a、F13b；F15a、F15b)构成的内部空间的内部。

12、根据权利要求7-11之一所述的设备，其特征在于，处在所述包覆面(F6，F18)上的所述电磁线圈系统(2，20)的磁场梯度线圈(6a-6d；7a-7d；18a-18d)为马鞍状。

13、根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述电磁线圈系统(2，20)的每个线圈阵列的磁场梯度线圈的端侧弧线部分从圆周方向看并排放置或重叠。

14、根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，在所述电磁线圈系统(2，20)中至少有几个磁场分量线圈(3a，3b；4a，4b；5a，5b；)构成为平面矩形线圈或圆线圈。

15、根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，所述电磁线圈系统(2，20)中的每一个线圈对和/或线圈阵列都以相同形状的线圈构成。

16、根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，在所述电磁线圈系统(2，20)中，由线圈构成的线圈对彼此正交设置，以产生磁场分量。

17、根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，所述电磁线圈系统(2，20)配备有由软磁材料制成的部分，其在该电磁线圈系统(2，20)外侧用于场增强和/或场屏蔽。

Images