DE102004058272A1

DE102004058272A1 - Instrument und Verfahren zum Lokalisieren eines Instruments

Info

Publication number: DE102004058272A1
Application number: DE102004058272A
Authority: DE
Inventors: Volkmar Dr. Schultze
Original assignee: Rayonex Schwingungstechnik GmbH
Current assignee: Rayonex Schwingungstechnik GmbH
Priority date: 2003-12-08
Filing date: 2004-12-02
Publication date: 2005-06-30

Abstract

Beschrieben werden ein Instrument und ein Verfahren zum Lokalisieren eines Instruments, die eine Bestimmung des Verrollwinkels des Instruments ermöglichen. Das Instrument weist einen ersten, frei rotierbaren magnetischen Dipol und einen feststehend angeordneten zweiten magnetischen Dipol auf. Das Verfahren sieht vor, den ersten frei rotierbar mit dem Instrument verbundenen magnetischen Dipol zu rotieren und das durch den ersten magnetischen Dipol und durch einen zweiten, fest mit dem Instrument verbundenen magnetischen Dipol erzeugte magnetische Feld zu messen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Instrument und ein Verfahren zum Lokalisieren eines Instruments. Insbesondere betrifft die Erfindung medizinische Instrumente und Bohrköpfe sowie Verfahren zum Lokalisieren von medizinischen Instrumenten und Bohrköpfen.

Aus der US-Patentschrift 5,589,775 ist es bekannt, einen Magneten in einem Bohrkopf derart vorzusehen, daß die Bohrkopfachse mit der Rotationsachse des Magneten zusammenfällt. Der Magnet rotiert um eine Rotationsachse, die senkrecht zur Längsachse des Stabmagneten steht. Die US-Patentschrift 5,589,775 lehrt, zur Bestimmung des Abstands des Bohrkopfes zu einem in der Rotationsebene des Magneten befindlichen, zum Bohrkopf beabstandeten Referenzpunkt in dem Referenzpunkt den Verlauf der beiden orthogonalen Komponenten des durch den Referenzpunkt laufenden Magnetfeldvektors zu messen (x-Komponente und y-Komponente). Aus dem Verlauf der beiden Komponenten läßt sich die Distanz des Bohrkopfes zu dem Referenzpunkt und dessen Winkellage in dem feststehenden Koordinatensystem des Referenzpunktes ermitteln.

Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß es nur bei rotierendem Bohrkopf eingesetzt werden kann. Wird ein Bohrkopf mit asymmetrischer Steuerfläche im "Steuermodus", also ohne Rotation, vorangetrieben, so kann nach dem bekannten Verfahren die Lageänderung des Bohrkopfes nicht bestimmt werden. Außerdem ermöglicht das bekannte Verfahren nicht, den sogenannten Rollwinkel zu bestimmen. Über den Rollwinkel läßt sich die Ausrichtung der Steuerfläche bestimmen. Diese Information ist für ein präzises Steuern der Bohrkopfbewegung im Raum notwendig.

Ausgehend von diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Instrument und ein Verfahren zum Lokalisieren eines Instru ments vorzuschlagen, die eine präzise Bestimmung der Lage und Ausrichtung des Instruments erlauben.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, in dem Instrument einen ersten, frei rotierbaren magnetischen Dipol und mindestens einen feststehend angeordneten, zweiten magnetischen Dipol vorzusehen. Der frei rotierbare magnetische Dipol erlaubt es, unabhängig von der Rotation des Instruments eine Positionsbestimmung des Instruments relativ zu einem Referenzpunkt vorzunehmen. Insbesondere kann der frei rotierbare magnetische Dipol mit einer im Verhältnis zu den normalen Rotationsgeschwindigkeiten beim normalen Vorschub des Instruments – falls dieses überhaupt um seine Längsachse rotierend vorgeschoben wird – höheren Rotationsgeschwindigkeit rotiert werden. Hierdurch können Informationen über die Lage des Instruments im Raum bereits gewonnen werden, bevor das Instrument vollständig rotiert hat, oder sogar während des nicht-rotierenden Vorschubs des Instruments.

Der feststehend angeordnete, zweite magnetische Dipol erlaubt es, durch Analyse des im Referenzpunkt gemessenen Magnetfeldvektors den Rollwinkel zu bestimmen. Vorzugsweise sind mehrere feststehend angeordnete Dipole vorgesehen, die in festgelegten Winkeln zueinander stehen. Insbesondere sind diese Dipole in einer Ebene, vorzugsweise in einer zur Längsachse des Instruments senkrechten Ebene angeordnet. Mit zunehmender Zahl der feststehenden Dipole kann der Verlauf des empfangenen Magnetfeldes besser analysiert werden. Rauschen und Meßungenauigkeiten können leichter herausgefiltert werden.

Die Rotationsachse des ersten Dipols kann der Längsachse des Instruments entsprechen oder parallel dazu verlaufen. Die Rotationsachse des ersten Dipols steht vorzugsweise senkrecht zu der den Süd- und Nordpol verbindenden Längsachse des Dipols.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der erste Dipol einen eigenen Rotationsantrieb auf. Dieser Antrieb kann elektrisch, etwa durch eine Batterie oder einen steuerbaren Elektromotor erfolgen; alternativ ist auch der Antrieb über eine das Gerät durchströmende Flüssigkeit, wie etwa eine Kühlflüssigkeit oder ein Gas, möglich.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird zumindest für den ersten, frei rotierenden Dipol ein Permanentmagnet, zum Beispiel ein stabförmiger Permanentmagnet, verwendet. Alternativ kann der Dipol als Elektromagnet oder andersartiger Dipol ausgeführt sein.

Der zweite magnetische Dipol wird vorzugsweise ebenfalls als Permanentmagnet, z.B. als stabförmiger Permanentmagnet, ausgeführt. Alternativ kann der zweite Dipol aber auch durch einen geeignet ausgeführten sogenannten Marker realisiert werden.

Der Marker wird genauso wie der Permanentmagnet vorzugsweise am oder im Mantel des Bohrkopfes angebracht.

In einer ersten Ausführungsform wird der Marker durch ein Stück elektrisch leitenden Metalls realisiert. Durch das vom ersten, rotierenden magnetischen Dipol erzeugte magnetische Wechselfeld werden in dem Metallstück Wirbelströme erzeugt, die ihrerseits wiederum Quelle von Magnetfeldern sind. So entsteht am Ort des Markers ein zweiter magnetischer Dipol.

In einer zweiten Ausführungsform wird der Marker durch einen Flußkonzentrator realisiert. Ein solcher Flußkonzentrator kann durch ferromagnetisches Material hoher Permeabilität, z.B. Weicheisen, erzeugt werden. Dieses Material konzentriert magnetische Flußlinien, die zum ersten, frei im Inneren des Bohrkopfes rotierenden Magneten erzeugt werden und verändert die ursprüngliche Feldverteilung.

Von außen betrachtet wirken beide Marker als zweiter magnetischer Dipol, dessen Ort fest mit dem Bohrermantel verbunden ist.

Bevorzugt handelt es sich bei dem betreffenden Instrument um einen Bohrkopf, insbesondere einer steuerbare Bohranlagen, eine Erdrakete, ein Schlagbohrgerät, eine Berst- und Aufweitvorrichtung oder ein Gestänge, bzw. einen Gestängeschuß, also um Instrumente der grabenlosen Bohrverfahren, insbesondere des Horizontalbohrens und besonders bevorzugt des Horizontalbohrens zum Verlegen, Erneuern, Reinigung und Entfernen von Rohrleitungen, Kabeln und der gleichen.

Die Erfindung ist aber nicht auf eine Verwendung in diesem Bereich beschränkt; ebenso lassen sich die erfindungsgemäßen, insbesondere die vor- und nachstehend beschriebenen Vorrichtungen, Systeme und Verfahren auch in anderen wissenschaftlichen oder technischen Bereichen nutzen, in denen eine präzise Ortung und Steuerung von Instrumenten oder Geräten erforderlich ist. Bevorzugt wird das Instrument zur Lokalisierung, Bestimmung der Achsrichtung und/oder Steuerung eines medizinischen, mikrochirurgischen oder endoskopischen Geräts eingesetzt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Instrument mit mindestens einem separat angetriebenen Bohrer oder einer Schneid- oder Stoßvorrichtung versehen. Bei medizinischen, mikrochirurgischen oder endoskopischen Geräten ist das Instrument vorzugsweise mit einer Nadel, Kanüle oder Pinzette versehen. Dies ist besonders vorteilhaft zur Ausführung operativer Arbeiten, wie etwa Eingriffe am Gehirn, Herz oder Intestinaltrakt, bei der Implantation von Organ-, Gewebe- oder Gefäßersatzteilen, Kathetern, Son den und Schrittmachern oder bei der Entfernung, Zerstörung oder Abtragung von entzündlichem oder malignem Gewebe, Knochen- und Knorpelgewebe oder bei der Behandlung von Steinleiden.

Alternativ oder ergänzend kann das Instrument mit einer oder mehreren Öffnungen zur Abgabe einer Flüssigkeit versehen sein. Wenn der erste Dipol durch den Flüssigkeitsstrom angetrieben wird, können außerdem Durchflußgeschwindigkeit und Austrittsrate der Flüssigkeit oder Lösung gemessen werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beinhaltet das Instrument eine Vorrichtung zur Erzeugung oder Abgabe von Lichtstrahlen, Laserstrahlen, radioaktiven Strahlen, Schallwellen oder Ultraschallwellen.

In einer besonders bevorzugten Ausführung beinhaltet das Instrument eine Vorrichtung zur Aufzeichnung von optischen Bildern oder Ultraschallbildern.

Alternativ oder ergänzend kann das Instrument auch Vorrichtungen zur Abgabe oder Aufzeichnung elektrischer Impulse und Daten enthalten.

Ein besonderer Vorteil ergibt sich durch die Möglichkeit, die Position und Bewegung des Instruments exakt und zeitlich genau, somit also in "Echtzeit" zu messen.

Ferner kann ein elektrisch angetriebener Magnet verwendet werden, wobei Kommunikations- oder Steuerungssignale zwischen magnetischem Sender und Detektor durch Unterbrechung des elektrischen Magnet-Antriebs in bestimmtem Takt (Ja/Nein-Zustände) erzeugt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform basiert auf der Möglichkeit, die Frequenz oder Amplitude des Magnetfeldes zu variieren. Dies kann dazu eingesetzt werden, eine frequenzselektive Verstärkung zu erzeugen, den Einfluß störender äußerer Magnetfelder zu minimieren oder, bei Verwendung mehrerer Bohrköpfe, diese voneinander zu unterscheiden.

Ein erfindungsgemäßes System besteht aus dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Instrument und einem Magnetometer. Dieses kann vorzugsweise das sich bewegende Magnetfeld in drei Raumachsen messen und nimmt vorzugsweise Daten, wie die Amplitude, die relative Phase der Magnetfeldkomponente und ihre Frequenz in dem Referenzpunkt auf. Vorzugsweise ist das Magnetometer ein Dreiachsen-Magnetometer, wie etwa ein Fluxgatesensor. Das Magnetometer kann als tragbarer Empfänger (Standard-Walk-Over-Empfänger) relativ zum Instrument bewegt werden, er kann ebenso an einem Bohrgerät (Bohrlafette) oder an beliebiger Stelle hierzu fest stehen, wobei die relative Position zum Bohrgerät vorzugsweise bekannt ist.

Das erfindungsgemäße System weist vorzugsweise eine Auswerteeinheit zur Bestimmung lage- und funktionsspezifischer Parameter aus den Meßdaten des Magnetometers auf.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Lokalisieren eines Instruments wird ein erster frei rotierbar mit dem Instrument verbundener magnetischer Dipol rotiert und das durch den ersten magnetischen Dipol und einen zweiten, fest mit dem Instrument verbundenen zweiten magnetischen Dipol erzeugte magnetische Feld gemessen. Der zweite Dipol kann dabei durch einen Permanentmagneten realisiert sein oder beispielsweise auch durch einen Marker erzeugt werden, der beispielsweise aus gut elektrisch leitendem oder aber hochpermeablem Material besteht. Aus der zeitlichen Variation des im Referenzpunkt gemessenen Magnetfeldvektors können sowohl die relative Lage des Instruments zum Referenzpunkt als auch der Rollwinkel des Instruments bestimmt werden.

Vorzugsweise werden drei ortsfeste Komponenten des magnetischen Felds gemessen. Dies erlaubt eine besonders einfache Analyse der Meßdaten.

Die Messung und/oder eine Auswertung des gemessenen magnetischen Felds kann nach Frequenzen erfolgen, wodurch weitere Informationen über die Position und Bewegung des Instruments gewonnen werden können. Die Meßwerte können ferner gemittelt werden, um Informationen über die Lage des Instruments zu bekommen.

Die vorliegende Erfindung soll im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert werden.

In den Zeichnungen zeigen:

1 ein erfindungsgemäßes Instrument in einer schematischen Seitenansicht;

2 ein System aus einem rotierenden Dipol und einem Magnetometer in einer schematischen, perspektivischen Ansicht und

3 eine Skizze einer Anordnung eines Dipols relativ zu einem Magnetometer für einen Beispielfall.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Instrument in Form eines Bohrkopfes mit einer Steuerfläche. Innerhalb des Gehäuses 3 ist ein erster magnetischer Dipol 1 angeordnet. Dieser erste Dipol 1 ist unabhängig von dem Gehäuse 3 des Instruments drehbar. Ferner weist das Instrument einen zweiten magnetischen Dipol 2 auf, der fest mit dem Gehäuse 3 verbunden ist.

Das Gehäuse 3 des Instruments sowie der erste Dipol 1 rotieren unabhängig voneinander um die Längsachse 4 des Bohrkopfes, die im Fall des Geradeausbohrens der Bohrachse entspricht.

Der zweite Dipol 2 führt in der Darstellung gemäß 1 aufgrund des Versatzes von der Gehäusemitte eine translatorische Drehbewegung um die Längsachse 4 durch. Der Dipol kann aber ebenso gut zentralsymmetrisch, d.h. auf der Längsachse 4 des Bohrkopfes, angeordnet werden. Bei hinreichendem Abstand des Magnetometers vom Bohrkopf werden beide Anordnungen identisch als rotierender Dipol wahrgenommen.

2 zeigt das orthogonale Koordinatensystem eines Dreiachsen-Magnetometers mit den Koordinatenachsen B_x, B_y und B_z und die Position des Bohrkopfes in diesem Koordinatensystem.

Zur Bestimmung der Lage des Bohrkopfes relativ zum Magnetometer nimmt dieses die zeitliche Variation des Magnetfeldvektors im Koordinatenmittelpunkt der Koordinatenachsen auf. Die Bewegung des Magnetfeldvektors beschreibt eine Ellipse in diesem Koordinaten-Raum. Aus dem Betrag der beiden Halbachsen der Ellipse kann der Betrag des Abstands r₀ zwischen dem im Bohrkopf rotierenden Magneten und dem Magnetometer bestimmt werden. Außerdem kann der Winkel zwischen dem Dipolmoment des rotierenden Magneten und der Verbindungslinie zwischen dem Magneten und dem Magnetometer bestimmt werden. Zudem kann der Winkel zwischen dieser Verbindungslinie und dem gemessenen Magnetfeldvektor bestimmt werden. Damit sind Ort und Richtung des Bohrkopfes festgelegt.

Für den Fall der senkrechten Bohrung unterhalb des Magnetometers (3) ergeben sich für die x- und y-Komponenten des magnetischen Moments: mx = m1cosω1t + m2cosω2t; my = m1sinω1t + m2sinω2t.

Hierbei ist ω₁ die Rotationsfrequenz des rotierenden Dipols innerhalb des Instruments und m₁ sein magnetisches Moment. ω₂ ist die Rotationsfrequenz des zweiten, fest im Gehäuse gehaltenen Dipols und m₂ ist sein magnetisches Moment. Die Tiefe des Instruments (z₀) läßt sich aus den Amplituden der Meßsignale der Sensoren für die x- und y-Richtung bestimmen.

Das Magnetometer mißt die vektorielle Summe der beiden magnetischen Dipole. Die von dem Magnetometer gemessenen Signale betragen in dem Beispiel der 3:

Hierbei ist μ die relative Permeabilität des Materials zwischen Dipol und Magnetometer, μ₀ ist die absolute Permeabilität.

Ist ω₁ des rotierenden Dipols im Vergleich zu ω₂ des Bohrkopfes deutlich höher, hat man für die Bestimmung von Position und Richtung des Bohrkopfes die Möglichkeit die Meßergebnisse über mehrere Meßperioden zu mitteln und so den Einfluß des rotierenden Dipols aus den Meßwerten herauszurechnen. Über den Mittlungszeitraum hat der zweite Dipol verschiedene Winkelstellungen zwischen 0° und 360° eingenommen. Sein Einfluß fällt durch die Mittlung heraus. Die gemittelte Signale ergeben somit

Der ermittelte Maximalwert der gemessenen x- oder y-Komponente (B_x)_max, bzw. (B_y)_max mit

erlaubt die Bestimmung der Tiefe als

Im allgemeinen Fall bei beliebiger Lage des Instruments zu dem Referenzsystem des Magnetometers bestimmt sich die Tiefe durch Hinzuziehung der kleinen Halbachse B_min der Magnetfeldellipse anstelle des Kreisradius aus

Wird die Umdrehung des Bohrers angehalten, muß ω₂t durch φ₂ ersetzt werden. φ₂ entspricht dem gesuchten Verrollungswinkel des Instruments. Die gemessenen Maximalwerte werden zu:

Unter Verwendung der beim rotierenden Betrieb des Instruments bereits ermittelten, gemittelten Werte (B_x)_max, bzw. (B_y)_max folgt dann

und damit

wobei (B_x)_max der Maximalwerts der gemessenen x-Komponente des Magnetfeldvektors bei nicht-rotierendem Instrument ist und (B_x)_max der über mehrere Rotationen des ersten Dipols gemittelte Maximalwert der x-Komponente des Magnetfeldvektors bei rotierendem Instrument ist.

Bei der erfindungsgemäßen Variante zur Realisierung des zweiten, fest mit dem Bohrer verbundenen Dipols durch einen Permanentmagneten kann die Signalaufnahme alternativ nach den beiden Frequenzen ω₁ und ω₂ getrennt erfolgen. Dann wird im hohen Freuquenzbereich ω₁ die Tiefe des Instruments bestimmt und im niedrigeren Frequenzbereich ω₂ der Rollwinkel.

Dieser ergibt sich aus B_x = (B_x)_maxcosφ₂ , wobei (B_x)_max hier der Maximalwert der Magnetfeldvariation des mit niedriger Frequenz variierenden Magnetfelds ist und B_x der aktuelle gemessene Wert der x-Komponente des mit niedriger Frequenz variierenden Magnetfelds.

Für den allgemeinen Fall, wenn sich der Instrument nicht unterhalb des Magnetometers befindet, erhält man den Rollwinkel aus:

Hierbei sind B_max und B_min die große und die kleine Halbachse der sich im dreidimensionalen Magnetfeldraum bewegenden Ellipse und B ist der aktuelle Betrag des Magnetfeldvektors.

Claims

Instrument mit einem ersten, frei rotierbaren magnetischen Dipol und einem zweiten, fest am Instrument angeordneten magnetischen Dipol.
Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsachsen des ersten Dipols der Längsachse des Instruments entspricht oder parallel dazu verläuft.
Instrument nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Rotationsantrieb für den ersten Dipol.
Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Permanentmagnet als erstem, frei rotierbarem magnetischen Dipol.
Instrument nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite, fest am Instrument angeordnete magnetische Dipol durch einen Permanentmagnet erzeugt wird.
Instrument nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite, fest am Instrument angeordnete magnetische Dipol durch Wirbelströme in einem Stück elektrisch leitfähigen Materials erzeugt wird.
Instrument nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite, fest am Instrument angeordnete magnetische Dipol durch Flußlinien in einem Stück hochpermeablen ferromagnetischen Materials erzeugt wird.
System aus einem Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und einem Magnetometer.
System nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch ein Dreiachsen-Magnetometer.
System nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit zur Bestimmung lage- und funktionsspezifischer Parameter aus den Meßdaten des Magnetometers.
Verfahren zum Lokalisieren eines Instruments, gekennzeichnet durch die Rotation eines ersten frei rotierbar mit dem Instrument verbundenen magnetischen Dipols und Messung des durch den ersten magnetischen Dipol und einen zweiten, fest mit dem Instrument verbundenen zweiten magnetischen Dipol erzeugten magnetischen Felds.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß drei ortsfesten Komponenten des magnetischen Felds gemessen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung und/oder eine Auswertung des gemessenen magnetischen Feldes nach Frequenzen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite magnetische Dipol nicht fest mit dem Instrument verbunden ist, sondern bei Rotation des Instruments mit einer zu der Rotationsgeschwindigkeit des Instrument proportionalen Rotationsgeschwindigkeit rotiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte gemittelt werden.