DE102005051357A1

DE102005051357A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Lokalisierung eines Geräts

Info

Publication number: DE102005051357A1
Application number: DE102005051357A
Authority: DE
Inventors: Volkmar Dr. Schultze
Original assignee: Rayonex Schwingungstechnik GmbH
Current assignee: Rayonex Biomedical De GmbH
Priority date: 2005-10-25
Filing date: 2005-10-25
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2025-10-26
Also published as: GB2445699A; WO2007048515A1; GB2445699B8; US20090114039A1; GB0807469D0; DE102005051357B4; GB2445699B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Lokalisieren eines Gerätes, wobei mindestens ein im Bereich des Gerätes angeordneter magnetischer Dipol um eine in einem Winkel von > 0 DEG zu der Gerätelängsachse stehende Rotationsachse rotiert wird, die drei zeitabhängigen Magnetfeldkomponenten Hx(t), Hy(t) und Hz(t) detektiert werden und daraus die Position, die Lage der Geräteachse und/oder der Rollwinkel des Gerätes berechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Lokalisieren eines Geräts. Insbesondere betrifft die Erfindung medizinische Instrumente sowie Bohrköpfe und Verfahren zum Lokalisieren von medizinischen Geräten und Bohrköpfen.

Aus der US-PS 5 589 775 ist ein Verfahren zum Ermitteln des Abstands sowie der Richtung zwischen einem ersten und einem zweiten Bohrloch bekannt. Dazu ist in einem Bohrkopf ein rotierender Magnet vorgesehen, dessen Rotationsachse mit der Bohrkopflängsachse zusammenfällt und senkrecht zur eigenen Längsachse steht. Die US-PS 5 589 775 lehrt zur Bestimmung des Abstands des Bohrkopfs zu einem in der Rotationsebene des Magneten befindlichen, in dem zweiten Bohrloch angeordneten Referenzpunkt, den Verlauf der beiden orthogonalen Komponenten des durch den Referenzpunkt laufenden Magnetfeldvektors zu messen. Aus dem Verlauf der beiden Komponenten läßt sich die Distanz zwischen Bohrkopf und Referenzpunkt sowie deren Winkellage in dem feststehenden Koordinatensystem des Referenzpunkts ermitteln.

Da bei der Vorrichtung der US-PS 5 589 775 der Magnet fest mit dem Bohrkopf verbunden ist und somit eine Rotation des Magneten von einer Rotation des Bohrkopfs abhängig ist, besteht der Nachteil, daß eine Bestimmung des Abstands sowie der Ausrichtung lediglich bei rotierendem Bohrkopf erfolgen kann.

Die DE 102 25 518 B4 offenbart daher eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Instruments oder Geräts, bei dem ein in dem Instrument oder Gerät angeordneter magnetischer Dipol ein sich zeitlich änderndes magnetisches Feld erzeugt, das zur Positions- und Lagebestimmung gemessen und ausgewertet wird. Um eine Ortung auch bei stillstehendem Gerät zu gewährleisten sieht die DE 102 25 518 B4 vor, den magneti schen Dipol unabhängig von einer Bewegung des Gerätegehäuses rotatorisch anzutreiben. Durch die unabhängigen Drehbewegungen von Gehäuse und magnetischem Dipol kann jedoch kein Rückschluß mehr von der ermittelten Lage des magnetischen Felds auf den Verrollungswinkel des Gehäuses gezogen werden.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren oder Vorrichtungen weiter zu verbessern. Insbesondere soll eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Lokalisieren eines Geräts angegeben werden, durch das die Position im Raum, die Lage einer bestimmten Geräteachse sowie der Rollwinkel des Geräts um diese Geräteachse angegeben werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der Kern der Erfindung sieht vor, in dem zu lokalisierenden Gerät mindestens einen unabhängig von dem Gerät rotierenden magnetischen Dipol anzuordnen, wobei die Rotationsachse des Dipols fest in Relation zu dem Gehäuse ist und einen Winkel mit einer der Gehäuseachsen einschließt, der > 0° ist. Die Rotationsachse steht dabei vorzugsweise senkrecht zu der den Süd- und Nordpol verbindenden Achse des Dipols.

"Fest" im Sinne der Erfindung bedeutet, daß die relative Position der Rotationsachse zumindest im (rotatorischen) Stillstand des Bohrkopfs eindeutig ermittelt werden kann, sei es dadurch, daß diese körperlich fest innerhalb des Gehäuses ist, oder beispielsweise durch Auswertung der bekannten Drehzahl des Dipols um die Rotationsachse und der bekannten Drehzahl des Gehäuses.

Erfindungsgemäß ist nicht erforderlich, daß sich die Rotationsachse des Magneten und die entsprechende Gehäuseachse real schneiden. Vielmehr ist ausreichend, wenn die zwei Achsen bei einer Projektion auf eine Ebene den erforderlichen Winkel von > 0° einschließen.

Dadurch, daß der unabhängig rotierende Magnet bezüglich seiner Rotationsachse nicht kollinear oder parallel zu einer der Gehäuseachsen, insbesondere der Längsachse angeordnet ist, wird die Position des durch den Magneten erzeugten magnetischen Felds in eine auswertbare relative Abhängigkeit zu dem Gehäuse gesetzt. Bei der erfindungsgemäßen Gehäuseachse kann es sich somit um eine beliebige Gehäuseachse handeln; bevorzugt wird jedoch eine der Hauptgehäuseachsen und besonders bevorzugt die Längsachse des Gehäuses, die auch im wesentlichen der Bewegungsrichtung des Geräts entspricht, verwendet. Im folgenden soll daher als Gehäuseachse von der Längsachse des Geräts gesprochen werden, ohne daß dies den Schutzbereich der Erfindung einschränkt, da an deren Stelle auch alle anderen Gehäuseachsen zu verstehen sind.

Der gleiche Effekt kann auch dadurch erzielt werden, daß der magnetische Dipol um eine Achse rotiert, die zwar kollinear oder parallel (oder auch geneigt) zur Längssachse des Geräts ist, jedoch nicht senkrecht zur Nordpol-Südpol-Verbindung des Dipols steht, so daß der Dipol eine Taumelbewegung durchführt. Dies erschwert zwar die Auswertung der Ergebnisse, kann jedoch zum gleichen Ergebnis führen.

Bei einer Drehung des Bohrkopfs beschreibt die Rotationsachse des Magneten einen Doppelkegel, dessen Längsachse der Längsachse des Gehäuses entspricht bzw. parallel zu dieser ist. Bei dem von der vorliegenden Erfindung ebenfalls erfaßten Sonderfall einer senkrechten Anordnung der Rotationsachse des Magneten zu der Längsachse des Gehäuses beschreibt die Rotationsachse des Magneten einen zu der Längsachse des Gehäuses stehenden Kreis.

Bei stillstehendem Gehäuse wird der Rollwinkel von dem Durchstoßpunkt der Rotationsachse des Magneten durch den Gehäusemantel bestimmt. Aufgrund der Beschreibung des Doppelkegels wird durch dieses Verfahren zunächst ein zweideutiges Ergebnis geliefert, wobei sich die zwei ermittelten Ergebnisse für den Rollwinkel um exakt 180° unterscheiden. Durch eine Zusatzinformation, beispielsweise über die grobe Bewegungsrichtung des Geräts kann jedoch auf einfachere Weise ermittelt werden, welcher der zwei Einzelkegel des Doppelkegels und somit welches der zwei ermittelten Ergebnisse für den Rollwinkel das richtige ist.

Eine solche Isolierung des richtigen Rollwinkels ist bei dem von der Erfindung erfaßten Sonderfall der senkrechten Anordnung der Rotationsachse des Dipols zu der Hauptgehäuseachse nicht möglich. Das Ergebnis bleibt hier zweideutig mit einer Abweichung um 180°.

Vorteilhafterweise ist der rotierende Magnet daher so innerhalb des Gehäuses angeordnet, daß die Rotationsachse des Magneten mit der Längsachse des Gehäuses einen Winkel zwischen 0° und 90°, ausgeschlossen die jeweiligen Grenzwerte, einschließt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das magnetische Feld, d.h. beispielsweise die drei zeitabhängigen Magnetfeldkomponenten Hx(t), Hy(t) und Hz(t) von einem externen, d.h. außerhalb des Geräts angeordneten Empfänger detektiert. Eine mit diesem Empfänger verbundene Auswerteeinheit kann daraufhin anhand der ermittelten Magnetfeldkomponenten die Position, die Richtung der Längsachse und/oder den Rollwinkel des Geräts eindeutig oder zweideutig ermitteln.

Bevorzugt wird für den magnetischen Dipol ein Permanentmagnet verwendet, der unabhängig von einer Energiezufuhr eingesetzt werden kann. Alternativ und insbesondere bei erhöhten Anforderungen an die Sendeleistung kann das magnetische Feld auch durch einen Elektromagneten erzeugt werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der rotierende Magnet über einen elektrischen Antrieb angetrieben. Elektrische Antriebe sind in der Regel preiswert, robust und weisen einen geringen Raumbedarf auf. Zudem stellt die Zufuhr von elektrischer Energie in der Regel kein Problem dar.

Alternative Ausführungsformen können den Antrieb des Magneten über ein zugeführtes Fluid vorsehen. Dabei kann eine Druckflüssigkeit oder ein Druckgas, beispielsweise Druckluft eine Turbine beliebiger Bauart oder einen sonstigen hydraulischen oder pneumatischen Motor antreiben. Ein Antrieb über ein Druckfluid kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn dem Gerät das Fluid ohnehin für beliebige andere Zwecke zugeführt wird. Beispielsweise werden Bohrvorrichtungen häufig sogenannte Spülflüssigkeiten zum Ausschwemmen des Bohrkleins, zum Kühlen des Bohrkopfs, zur Erhöhung der Schneidleistung durch Addition einer hydraulischen Komponente und zu anderen Zwecken zugeführt. Selbstverständlich können auch beliebige Antriebskombinationen (z.B: elektrisch und hydraulisch) vorgesehen werden.

Bevorzugt handelt es sich bei dem betreffenden Gerät um einen Bohrkopf, insbesondere um einen Bohrkopf einer steuerbaren Bohranlage, einer Erdrakete, eines Schlagbohrgeräts, einer Berst- und/oder Aufweitvorrichtung oder um ein Gestänge bzw. einen Gestängeschuß, folglich um Geräte der grabenlosen Bohrverfahren oder Rohrlegeverfahren. 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/oder Steuerung von Geräten erforderlich ist.

Bevorzugt wird das Instrument auch zur Lokalisierung, Bestimmung der Achsrichtung, des Rollwinkels um eine bestimmte Achse und/oder der Steuerung eines medizinischen, mikrochirurgischen oder endoskopischen Geräts eingesetzt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gerät mit mindestens einem separat angetriebenen Bohrer oder einer Schneid- oder Stoßvorrichtung versehen.

Bei medizinischen, mikrochirurgischen oder endoskopischen Geräten ist das Gerät 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, Sonden 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 erfindungsgemäß vorgesehene Magnet durch den Flüssigkeitsstrom angetrieben wird, kann zudem die Durchflußgeschwindigkeit und/oder die Austrittsrate der Flüssigkeit oder Lösung gemessen werden.

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

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

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

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

In einer bevorzugten Ausführungsform wird zur Detektion des zeitabhängigen Magnetfelds ein Magnetometer verwendet. Bevorzugt handelt es sich hierbei um ein Dreiachsen-Magnetometer. Dieses mißt das sich bewegende Magnetfeld, beispielsweise das magnetische Moment, vorzugsweise in dessen Komponenten bezogen auf drei Raumachsen und nimmt vorzugsweise Daten, wie die Amplitude, die relative Phase und ihre Frequenz in dem Referenzpunkt auf. Als Dreiachsen-Magnetometer kann beispielsweise ein Fluxgatesensor verwendet werden.

Das Magnetometer kann als tragbarer Empfänger relativ zum Instrument bewegt werden, es kann ebenso an einem Bohrgerät (Bohrlafette) oder an beliebiger Stelle hierzu feststehen.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Lokalisieren eines Geräts wird mindestens ein im Bereich des Geräts angeordneter magnetischer Dipol um eine in einem Winkel > 0° zu der Gerätelängsachse stehende Rotationsachse rotiert, die drei zeitabhängigen Magnetfeldkomponenten Hx(t), Hy(t) und Hz(t) detektiert und daraus die Position, die Lage der Geräteachse und/oder der Rollwinkel des Geräts berechnet.

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

In den Zeichnungen zeigt
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer schematischen Darstellung,
2 die graphische Ermittlung des Rollwinkels anhand einer Momentaufnahme einer Position der Rotationsachse des Dipols und
3 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Rotationsachse des Dipols in einem 90°-Winkel zur Gehäuselängsachse steht.
1 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Diese weist ein Gerätegehäuse 1 auf, das um seine eigene Längsachse 3 rotiert. Innerhalb des Gerätegehäuses 1 ist ein magnetischer Dipol 2 angeordnet, der wiederum um eine eigene Achse 4 rotiert und dabei ein ebenfalls mitrotierendes magnetisches Feld erzeugt. Dieses Magnetfeld kann von einem (nicht dargestellten) Empfänger detektiert werden, wobei es sich durch die Komponenten der Magnetfeldstärke H_x, H_y und H_z (eines beliebig gewählten Koordinatensystems) darstellen läßt. Sofern der Empfänger nicht mit dem magnetischen Feld mitrotiert, stellen sich die Komponenten der magnetischen Feldstärke als zeitabhängige Werte Hx(t), Hy(t) und Hz(t) dar. Aus der zeitlichen Änderung des magnetischen Felds kann auf eindeutige Weise die Position und Ausrichtung der Rotationsachse 4 des Dipols 2 bestimmt werden.
Die allgemeine Bestimmung der Lage der Rotationsachse ist ausführlich in der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2004 058 272.6 beschrieben, so daß der entsprechende Teil der Beschreibung durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung aufgenommen wird.
Aufgrund der überlagerten Drehbewegungen von Gerätegehäuse 1 und magnetischem Dipol 2 beschreibt die Rotationsachse 4 des Dipols einen Doppelkegel im Raum. Wird dagegen die Rotation des Gehäuses 1 gestoppt, bleibt auch die Ausrichtung der Rotationsachse 4 des magnetischen Dipols 2 im Raum konstant. In 2 ist dies als Projektion in die Zeichenebene dargestellt.
Durch die definierte Position der Rotationsachse 4 des Dipols innerhalb des Gehäuses 1 kann folglich auf einfache Weise der Rollwinkel des (nicht rotierenden) Gehäuses 1 bestimmt werden, wobei sich zunächst zwei, um 180° unterscheidende Werte ergeben. Anhand einer einfachen zusätzlichen Information, beispielsweise die grobe Bewegungsrichtung des Geräts, kann jedoch der "richtige" von dem "falschen" Wert unterschieden werden.
Bei dem in der 3 dargestellten Sonderfall ist dies nicht möglich. Hier ist der magnetische Dipol 2 so innerhalb des Gehäuses 1 angeordnet, daß dessen Rotationsachse 4 einen Winkel von 90° mit der Gehäuselängsachse 3 einschließt. Wieder ergeben sich zwei um 180° verschiedene Werte für den Rollwinkel des Gehäuses 1. Durch eine Zusatzinformation über die Bewegungsrichtung des Geräts kann jedoch nicht zwischen den zwei Werten unterschieden werden. Für die Bestimmung des Rollwinkels des Gehäuses 1 bleibt das Ergebnis somit zweideutig.

Claims

Vorrichtung zur Lokalisierung eines Gerätes mit einem Gehäuse (1) und mindestens einem in dem Gerät angeordneten, unabhängig von dem Gerät rotierenden magnetischen Dipol (2), wobei die Rotationsachse des magnetischen Dipols (2) fest in Relation zu dem Gehäuse (1) ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsachse (4) des Magneten mit einer Gehäuseachse des Gehäuses (1) einen Winkel > 0° einschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsachse (4) des magnetischen Dipols mit der Gehäuseachse einen Winkel > 0° und < 90° einschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsachse (4) des magnetischen Dipols senkrecht zu dessen Nordpol-Südpol-Verbindung steht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen externen Empfänger, der die drei zeitabhängigen Magnetfeldkomponenten Hx(t), Hy(t) und Hz(t) des rotierenden magnetischen Dipols (2) detektiert.
Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine mit dem Empfänger verbundene Auswerteeinheit, die anhand der ermittelten Magnetfeldkomponenten die Position, die Richtung der Gehäuseachse und/oder den Rollwinkel des Gerätes ermittelt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Dipol (2) ein Permanentmagnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Dipol (2) ein Elektromagnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen elektrischen Antrieb des magnetischen Dipols (2).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein den magnetischen Dipol (2) antreibendes Fluid.
Vorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät oder die Gerätespitze einen Bohrer, eine Schneid- oder Stoßvorrichtung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät oder die Gerätespitze mindestens eine Öffnung zum Ausstoß einer Flüssigkeit aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät oder die Gerätespitze eine Vorrichtung zur Erzeugung/Abgabe von Lichtstrahlen, Laserstrahlen, radioaktiven Strahlen, Schallwellen oder Ultraschallwellen aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät oder die Gerätespitze eine Vorrichtung zur Aufzeichnung von optischen Bildern oder Ultraschallbildern aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät oder die Gerätespitze eine Vorrichtung zur Abgabe elektrischer Impulse oder zur Aufzeichnung elektrischer Daten aufweist.
System aus einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem Magnetometer.
System nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch einen Dreiachsen-Magnetometer.
Verfahren zum Lokalisieren eines Gerätes, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein im Bereich des Gerätes angeordneter magnetischer Dipol (2) um eine in einem Winkel von > 0° zu der Gerätelängsachse stehende Rotationsachse (4) rotiert wird, die drei zeitabhängigen Magnetfeldkomponenten Hx(t), Hy(t) und Hz(t) detektiert werden und daraus die Position, die Lage der Geräteachse und/oder der Rollwinkel des Gerätes berechnet wird.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, des Systems nach einem der Ansprüche 15 oder 16 oder des Verfahrens nach Anspruch 17 für einen oder mehrere der folgenden Zwecke: Gewinnung endoskopischer Bilder für diagnostische Zwecke, Gewinnung elektrischer oder elektrophysiologischer Daten, Untersuchung von Blutgefäßen und Behandlung von Gefäßverengungen, Durchführung und/oder Überwachung operativer Eingriffe am Gehirn, Herz oder am Intestinaltrakt, Implantation von Organ- und Gewebeersatzteilen, Gelenkprothesen, elektromagnetischen Sonden und Impulsgebern, Herzschrittmachern, Gefäßersatzteilen und Kathetern, Abtragung oder Zerstörung von Gallen- oder Nierensteinen, entzündlichem Gewebe, Tumorgewebe, Knochen- oder Gelenkmaterial, gezielte Abgabe therapeutischer Substanzen an erkrankte Gewebe oder Tumorgewebe, Bestrahlung von Tumorgeweben, Ermittlung der Position, der Vortriebsachse und des Rollwinkels in Echtzeit, Messung der Drehgeschwindigkeit oder einer Änderung der Rotationsrate.
Verwendung nach Anspruch 18 zur Bestimmung der Durchflußrate oder Austrittsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit.