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Die
Erfindung betrifft eine Navigationseinrichtung umfassend eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zum
Erzeugen eines Magnetfelds zum Bewegen eines medizinischen Instruments,
insbesondere eines Katheters, umfassend ein im Bereich seiner Spitze
angeordnetes, mit dem Magnetfeld wechselwirkendes Element.
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Es
ist bekannt, ein medizinisches Instrument, beispielsweise einen
Katheter, über
ein extern erzeugtes Magnetfeld, das auf das Instrument wirkt, durch
Hohlorgane zu bewegen bzw. zu navigieren. Zu nennen sind beispielsweise
Katheterprozeduren im Herzen oder in anderen verwinkelten und/oder
verzweigten Hohlorganen. Die externe Magnetnavigation der Katheterspitze,
wo sich das mit dem externen Magnetfeld wechselwirkende Element,
beispielsweise ein kleiner Permanentmagnet, befindet, lässt eine
Bewegung und exakte Führung
der Katheterspitze und nachfolgend des Katheters selbst um enge
Kurven oder in Verzweigungen erleichtert zu bzw. lässt es überhaupt
erst zu, bestimmte Bereiche zu erreichen. Denn durch das Zusammenwirken des
externen, gerichtet erzeugbaren Magnetfelds mit dem wechselwirkenden
instrumentenspitzenseitig angeordneten Element kann die Katheterspitze
in ihrer Ausrichtung durch entsprechende Magnetfeldausrichtung variiert
und der Katheter selbst geführt
werden. Um eine hinreichend starke Kraft bzw. ein hinreichend starkes Drehmoment
magnetisch auf die Katheterspitze oder allgemein das Instrument
ausüben
zu können,
wird am Ort der Katheterspitze ein relativ hohes Magnetfeld mit
einer je nach gewünschter
Bewegungsrichtung definierten räumlichen
Ausrichtung benötigt.
Für Herzkatheter
mit magnetischen Spitzen sollte das externe Magnetfeld am Ort der
Katheterspitze einen Betrag von 80–120 mT besitzen.
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Eine
Navigationseinrichtung der eingangs beschriebenen Art ist beispielsweise
aus US 2003/0137380 A1 bekannt. Dort kommen zwei speziell konstruierte,
dreh- und schwenkbare Permanentmagnete links- und rechtsseitig der
Patientenliege in Höhe
der Herzregion zum Einsatz. Die Permanentmagnete liegen einander gegenüber. Sie
sind über
entsprechende Stahlverkleidungen gekapselt, wobei sich die jeweilige
Verkleidung zum Patienten hin verjüngt bzw. zuspitzt. Beide Magneteinheiten
sind sehr schwer, was letztlich daraus resultiert, als an einem
bestimmten Ort wie oben ausgeführt
ein der Instrumentenführung
dienendes hinreichend hohes Magnetfeld erzeugt werden muss.
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Die
magnetische Navigation des Instruments, also beispielsweise des
Katheters in einem Blutgefäß oder im
Herzen, erfolgt unter Sichtkontrolle mittels eines oder zweier C-Bogen-Computertomographie-
oder -Röntgengeräte. Für die Sichtkontrolle
ist es erforderlich, die entsprechenden Bildaufnahmen aus möglichst vielen
Blickwinkeln zuzulassen. Dies ist jedoch bei dem quasi starren System
gemäß US 2003/0137380
A1 nicht möglich.
Ein horizontaler Blickwinkel von links nach rechts bzw. umgekehrt
durch den Brustkorb ist hier nicht möglich, da die Permanentmagnete
bzw. die Magneteinheiten im weg stehen, so dass der C-Bogen nicht entsprechend
positioniert werden kann. Lediglich schräge Bildaufnahmen sind möglich, ohne
mit den Magneteinheiten zu kollidieren.
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Der
Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine Navigationseinrichtung
anzugeben, die die Erzeugung eines hinreichend hohen Magnetfelds
zulässt
und gleichzeitig eine verbesserte Möglichkeit zur Bildaufnahme
im Rahmen der Sichtkontrolle bietet.
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Zur
Lösung
dieses Problems ist bei einer Navigationseinrichtung der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung eine einen Patienten in
einer Öffnung aufnehmende
Spulenanordnung umfasst, die um wenigstens zwei orthogonal zueinander
stehende Achsen relativ zum Patienten schwenkbar ist.
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Bei
der erfindungsgemäßen Navigationseinrichtung
ist die Magnetfelderzeugungseinrichtung in Form einer Spule ausgeführt, die
den Patienten, der auf einer Patientenliege liegt, umgreift, das
heißt,
der Patient befindet sich im Spuleninneren. Zur Magnetfelderzeugung
wird die Spulenanordnung über
eine navigationseinrichtungsseitige Steuerungseinrichtung bestromt,
so dass das benötigte
Magnetfeld am geforderten Ort in der entsprechenden Stärke erzeugt
wird, wobei die Steuerungseinrichtung natürlich die Bestromung entsprechend
den Gegebenheiten und Erfordernissen variiert und anpasst. Diese
Magnetfelderzeugungseinrichtung kann was das Gewicht angeht deutlich
leichter konzipiert und ausgelegt werden, als das aus dem eingangs
genannten Stand der Technik bekannte System, während gleichzeitig über die
entsprechende Stromsteuerung und Auslegung der Spulenanordnung das
Feld in der geforderten Höhe
ohne weiteres erzeugt werden kann.
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Weiterhin
ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung bzw. die Spulenanordnung
um zwei orthogonal zueinander stehende Achsen relativ zum Patienten
schwenkbar ist. Es besteht also infolge dieser Bewegungslagerung
der Spulenanordnung die Möglichkeit,
selbige bei Bedarf positionsmäßig relativ
zum Patienten so zu verstellen, dass über das C-Bogen-Bildaufnahmegerät Positionen
angefahren werden können,
wie sie im Stand der Technik bisher nicht angefahren werden konnten.
Die Spuleneinrichtung bleibt trotz Verschwenkung immer noch so positioniert,
dass das geforderte Magnetfeld im geforderten Bereich in der hinreichenden
Feldstärke
erzeugt werden kann, gleichwohl besteht die Möglichkeit, aus annähernd allen
Blickwinkeln die Bildaufnahme vorzunehmen. Damit ist die erfindungsgemäße Navigationseinrichtung
gegenüber
dem bisher bekannten Stand der Technik wesentlich flexibler handhabbar,
insbesondere was die Möglichkeit
der Bildaufnahme angeht, wie sie auch deutlich einfacher und leichter
konzipiert werden kann.
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Zweckmäßigerweise
handelt es sich bei der einen Dreh- oder Schwenkachse um eine Verikalachse und
bei der anderen Dreh- oder
Schwenkachse um eine Horizontalachse. Die Spulenanordnung selbst
kann erfindungsgemäß an einer
boden- oder einer deckenseitig anbringbaren, die beiden Achsen aufweisenden Halterung
angeordnet sein. Die Halterung ist stativartig oder als Stativ ausgeführt und
entsprechend dimensioniert, um die Spulenordnung zu tragen, und
mechanisch derart ausgeführt,
dass die beiden Achsen ausgebildet sind. Hierfür kann die Halterung ein erstes,
die Horizontalachse bildendes Drehgelenk und ein zweites, die Vertikalachse
bildendes Drehgelenk aufweisen, wobei alternativ auch eine kardanische
Lagerung der Spulenanordnung denkbar ist.
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Zweckmäßig ist
es ferner, wenn die Spulenanordnung, insbesondere über die
boden- oder deckenseitig anbringbare Halterung, vertikal bewegbar
ist, so dass die Spulenanordnung auch höhenmäßig optimal bezüglich des
Patienten eingestellt werden kann. Alternativ hierzu wäre es denkbar,
den Patientenlagerungstisch höhenverstellbar
auszugestalten, um hierüber
den Patienten optimal bezüglich
der Spulenanordnung zu positionieren, wobei hiermit aber der Tisch
gegebenenfalls in eine für
den behandelnden Arzt nicht optimale Position bewegt wird, insbesondere,
wenn parallel zur Instrumentennavigation ein operativer Eingriff
erfolgen muss.
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Zur
Bewegung der Spulenanordnung um die eine oder andere Achse können nach
einer ersten Erfindungsalternative Stellmotoren vorgesehen sein,
die über
die Steuerungseinrichtung der erfindungsgemäßen Navigationseinrichtung
angesteuert werden. Die Stellmotoren sollten so ausgelegt sein,
dass sie eine möglichst
sanfte, gleichförmige
Bewegung der Spulenanordnung ermöglichen,
bei gleichzeitiger Möglichkeit
zur hochgenauen Positionierung. Es kann eine automatische Regelung
derart vorgesehen werden, dass eine optimale Spulenposition über die
Stellmotoren (Schrittmotoren) angefahren wird, und gleichzeitig
eine optimale Spulenbestromung in Abhängigkeit vom Ort, dem Betrag
und der Richtung (jeweils zeitabhängig) des gewünschten
B-Feld-Vektors bestimmt und eingestellt wird. Alternativ zur motorischen
Verstellung wäre
es auch denkbar, die Spulenanordnung manuell bewegbar auszuführen. Hierzu
wäre es
zweckmäßig, wenn
die Spulenanordnung möglichst
leichtgängig
um die eine oder andere Achse gedreht bzw. geschwenkt werden kann, wobei
gegebenenfalls über
entsprechende Arretier- oder Fixiermittel sichergestellt werden
kann, dass die Spulenanordnung nicht infolge einer versehentlichen
Berührung
durch eine umstehende Person sofort wieder verschwenkt wird, sondern
in der eingenommenen Verstellposition verbleibt.
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Die
geschlossene Spulenanordnung, die den Patienten in sich aufnimmt
bzw. diesen umgibt, kann ringförmig,
oval oder vier- oder
mehreckig sein. Die Spulenordnung selbst ist bevorzugt aus querschnittlich
gesehen rechteckigen Leitern gebildet, bevorzugt aus Cu oder aus
Al. Es handelt sich dabei bevorzugt um eine so genannte „Race-Track"-Spule mit konstantem,
rechteckigem Querschnitt, der in einzelne Windungen bevorzugt aus
rechteckigen Al- oder Cu-Leitern gefertigt sind. Unter Berücksichtigung
der elektrischen Isolierung der Leiterwindungen ist bei einer solchen
Spulenkonfiguration mit rechteckigen Leitern ein sehr hoher Leiterfüllfaktor
von > 70 %, beispielsweise
von 75 % oder mehr realisierbar. Die Fläche, die die Spule umschließt, kann
wie ausgeführt
rechteckförmig
oder quadratisch sein, mit abgerundeten Ecken etc., auch eine Kreisspule ist
wie ausgeführt
denkbar. In jedem Fall muss der Spuleninnenraum so groß gewählt sein,
dass nicht nur ein Patient im Brustkorb und Bauchbereich inklusive
Patientenliege umfasst werden kann, sondern dass die Spule noch
um den Patienten dreh- und kippbar ist, ohne bei einer minimalen
Verstellung sofort am Patienten oder Patiententisch anzuschlagen.
Bei einer Kreisspule erscheint ein Innendurchmesser von 80–120 cm,
bevorzugt von rund 100 cm ausreichend zu sein, während bei einer quadratischen
Spule die Innenkantenlänge
zwischen 80–120
cm variieren kann, bevorzugt bietet sich auch hier eine Innenkantenlänge von
100 cm an. Um eine möglichst
große
Bewegungsfreiheit für
die Spulenanordnung zu ge währleisten
und den Drehwinkel nicht unnötig
einzuschränken,
ist es sinnvoll, die Patientenliege im Kopf- und Beinbereich etwas
schmäler
zu gestalten, oder aber die Patientenliege über ihre gesamte Länge oder
zumindest partiell im Kopf- und Beinbereich breitenverstellbar auszuführen.
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Da
zur Erzeugung des Magnetfelds in der gewünschten Stärke am gewünschten Ort ein beachtlich
hoher Strom über
den Spulenleiter zu führen
ist, erwärmt
sich dieser zwangsläufig.
Um die Wärme
abzuführen ist
es zweckmäßig, an
der Spulenanordnung eine sie außenseitig
zumindest abschnittsweise umgebende Kühleinrichtung vorzusehen, die
bevorzugt als umlaufender, bezogen auf die Breite der Spulenanordnung
gegebenenfalls segmentierter Kältemittelkanal
ausgebildet ist. Das Kältemittel,
bevorzugt flüssiger
Stickstoff, wird über
eine geeignete Zuführeinrichtung
(Thermosiphon), die Teil der erfindungsgemäßen Navigationseinrichtung
ist, in einem Kreislauf zugeführt.
Selbstverständlich
umfasst die Fülleinrichtung
ferner eine Rückkühleinrichtung
für das
Kältemittel.
Die Kühleinrichtung
selbst ist bevorzugt auf der dem Patienten abgewandten Spulenfläche angebracht,
z. B. in Form eines hinreichend breiten Flachrohres, beispielsweise
aus Cu, so dass sich eine große
Kühlfläche ergibt
und eine optimale Kühlung
der Spulenanordnung möglich
ist.
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Weiterhin
vorteilhaft ist es, wenn die Spulenanordnung in eine Parkposition
gebracht werden kann, in der sie fixiert und vor einer möglichen
Beschädigung
bei einer Nichtbenutzung der Spulenanordnung geschützt ist.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand
der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Navigationseinrichtung
mit einer in der Ausgangsstellung befindlichen Spulenanordnung,
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2 die
Ansicht aus 1 mit um eine Horizontalachse
gedrehter Spulenanordnung,
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3 die
Aufsicht auf die Anordnung aus 1 mit um
die Vertikalachse gedrehter Spulenanordnung,
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4 eine
Prinzipdarstellung der zweiachsigen Lagerung der Spulenanordnung,
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5 die
Ansicht entsprechend 4 mit um die Horizontalachse
geschwenkter Spulenanordnung,
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6 die
Ansicht aus 4 mit um die Vertikalachse gedrehter
Spulenanordnung,
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7 eine
Prinzipdarstellung mit einer in die Parkposition gebrachten Spulenanordnung,
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8 eine
Teilschnittansicht durch die Spulenanordnung zur Darstellung der
rechteckigen Leiterform sowie der Kühleinrichtung,
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9 eine
Prinzipdarstellung der Spule nebst Bemaßung und dem Arbeitsvolumen
für eine
Parameterabschätzung,
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10 eine
Prinzipdarstellung einer Spulenanordnung in Ovalform, und
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11 eine
Prinzipdarstellung einer Spulenanordnung in Kreisform.
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1 zeigt
in Form einer Prinzipdarstellung eine erfindungsgemäße Navigationseinrichtung 1,
umfassend eine Spulenanordnung 2 mit einer bestrombaren
Spule, sowie eine Steuerungseinrichtung 3, die den Spulenbetrieb
steuert. Vorgesehen ist ferner eine Zuführeinrichtung 4 für ein Kältemittel
an eine Kühleinrichtung
der Spulenanordnung 2, worauf nachfolgend noch eingegangen
wird. Die Zuführeinrichtung 4 wird
ebenfalls über
die Steuerungseinrichtung 3 gesteuert.
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Erfindungsgemäß ist nun
die Spulenanordnung 2 so ausgeführt, dass sie zum einen eine
geschlossene Spulenanordnung ist, mithin also eine geschlossene
Leiterführung
aufweist. Es ist eine zentrale, mittige Öffnung 5 realisiert
(siehe z. B.
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6),
in die der Patient 6, der auf einer Patientenliege 7 liegt,
aufgenommen wird. Das heißt,
die Patientenliege 7 mit samt Patient 6 wird in
die Öffnung 5 der
Spulenanordnung 2 geschoben, die Spulenanordnung 2 bzw.
deren Spule umgreift den Patienten 6 vollständig.
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Die
Spulenanordnung 2 kann nun um zwei Achsen relativ zum Patienten 6 verschwenkt
werden. 2 zeigt die Seitenansicht entsprechend 1,
wobei hier die Spulenanordnung 2 um eine Horizontalachse
A1 verschwenkt wurde, wobei hier ein maximal möglicher Schwenkwinkel dargestellt
ist.
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Demgegenüber zeigt 3 eine
Aufsicht auf die Anordnung gemäß 1.
Hier wurde die Spulenanordnung 2 um eine Vertikalachse
A2 verschwenkt, wobei auch hier der maximale Verschwenkwinkel dargestellt ist.
Ersichtlich ergibt sich aus 3, dass
die Patientenliege 7 nicht rechteckig ist, sondern kopfseitige
Aussparungen aufweist sowie zum Fußende hin in der Breite abnimmt,
um den maximalen Drehwinkel möglichst groß zu halten.
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Zur
Ermöglichung
der Verdrehbarkeit sind, siehe 4, zwei
Drehgelenke 8, 9 vorgesehen. Das Drehgelenk 8 bildet
die Horizontalachse A1, das heißt,
die Spulenanordnung 2 kann über dieses Drehgelenk 8 wie in 2 gezeigt
verkippt werden, siehe hierzu auch 5.
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Demgegenüber bildet
das Drehgelenk 9 die vertikale Drehachse A2, wie in 4 eingezeichnet
ist. 6 zeigt die Anordnung aus 4, wobei
hier die Spulenanordnung 2 um die vertikale Achse A2 um
90° verschwenkt
wurde.
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Ersichtlich
ist die Spulenanordnung an einer Halterung 10 angeordnet,
die die beiden Drehgelenke 8, 9 sowie ferner einen
stativartigen Schaft 11 aufweist, der in einem Ständer 12 geführt ist
und aus diesem zur Ermöglichung
einer Höhenverstellbarkeit
teleskopartig heraus- bzw. in diesen eingefahren werden kann. Die Spulenanordnung 2 ist
also über
diese Halterung 10 nicht nur um eine Horizontal- und Vertikalachse verschwenkbar,
sondern auch längs
der Vertikalachse höhenverstellbar.
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Diese
Höhenverstellbarkeit
ermöglicht
es, die Spulenanordnung 2 optimal bezüglich der Patientenliege 7 und
damit des Patienten 6 zu positionieren. Üblicherweise
ist der Patiententisch 7 höhenverstellbar, so dass der
Arzt sich den Tisch beispielsweise dann, wenn er am Patienten parallel
operieren muss, für
seine Bedürfnisse
in der Höhe
optimal einstellen kann. Die Spulenanordnung 2 kann über die
Halterung 10 nun ebenfalls höhenmäßig exakt positioniert werden,
so dass sich insgesamt ein optimales Arbeitsumfeld ergibt. Der Patiententisch
kann vorteilhaft nicht nur höhenverstellbar
sind, sondern auch längs-
und querbeweglich sein. Unter Umständen ist auch eine Verkippung
um die Tischlängsachse
bei einer Gurtlagerung des Patienten zweckmäßig. Ziel dieser Verstellbarkeit
ist stets die Einnahme einer optimalen Tischposition bzw. Patientenlagerung
relativ zur Spule. Die gesamte Regelungsaufgabe besteht somit in
der Einnahme einer optimalen Spulenposition, einer optimalen Spulenbestromung
und einer optimalen Patientenlagerung (über den beweglichen Tisch)
relativ zur Spule.
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Um
nun bei Nichtgebrauch die Spulenanordnung aus dem Arbeitsbereich
zu bringen und vor einer etwaigen Beschädigung zu schützen, kann
die Spulenanordnung 2, siehe 7, in eine
Parkposition gebracht werden. Hierzu ist beispielsweise im Boden 13 eine
Ausnehmung 14 vorgesehen, in die die Spulenanordnung 2 durch
Abschwenken um die Horizontalachse A1 und Einfahren des Schaftes 11 in
den Ständer 12 gebracht werden
kann. Denkbar wäre
es auch, die Spule so weit abzusenken, dass sie unterhalb der Auflageplatte
des Patiententisches liegt, so dass dieser über die Spulenanordnung gefahren
werden kann. Auch eine komplette Versenkung im Boden 13 wäre denkbar,
wobei in diesem Fall die Spule dann horizontal liegend eingefahren werden
müsste.
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8 zeigt
eine Schnittansicht durch einen oberen Teil der Spulenanordnung 2.
Die Spulenanordnung 2 weist ein Gehäuse 15 auf, in dem
im gezeigten Beispiel exemplarisch ein Rechteckleiter 17 aus
Cu oder Al mit insgesamt vier Windungen 16 vorgesehen ist.
Selbstverständlich
sind real weit mehr als vier Windungen ausgebildet. Die Windungen 16 sind
gegeneinander über
entsprechende Isolationen 18 isoliert. Die Windungen 16 aus
dem rechteckigen Leiter 17 können infolge ihrer rechteckigen
Geometrie dicht gepackt werden, so dass ein hoher Wicklungs-Füllfaktor
erreicht wird.
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Vorgesehen
ist ferner eine Kühleinrichtung 19,
die einen Kältemittelkanal 20 aufweist,
beispielsweise gebildet über
ein flaches Metallrohr, vorzugsweise aus Cu. Dieser Kältemittelkanal
wird beispielsweise von einem Kältemittel 21 in
Form von flüssigem
Stickstoff durchströmt,
welches Kältemittel über die
Zuführeinrichtung 4 in
einem Kreislauf umgepumpt wird. Über
das Kältemittel 21 wird
die Verlustleistung in Form von Wärme abgeführt und mithin die Spulenanordnung
gekühlt.
Ersichtlich erfolgt die Kühlung
auf der dem Patienten abgewandten Spulenoberfläche.
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Bei
dem Leiter kann es sich um einen Cu- oder einen Al-Leiter handeln.
In jedem Fall kann insbesondere im Hinblick auf das Gewicht der
Spulenanordnung eine deutliche Verbesserung zu dem in der Beschreibungseinleitung
genannten Stand der Technik mit den beiden patientenliegenseitig
angeordneten Permanentmagneten erreicht werden. Nachstehend wird
eine Abschätzung
der relevanten Parameter für
eine quadratische Kupfer- und
eine quadratische Aluminiumspule vorgenommen.
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9 zeigt
hierfür
eine Prinzipdarstellung der Spulenanordnung 2 mit einer
Innenseitenlänge
a von 60 cm und einem Breiten-Dicken-Verhältnis b/d = 4. Weiterhin wird
ein mittig gelegenes Arbeitsvolumen von 1dm3,
also einer Kantenlänge
von 10 cm × 10
cm × 10
cm angenommen. Das Arbeitsvolumen V ist hier nur exemplarisch zu
Berechnungszwecken als Würfel
angenommen.
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In
der nachstehenden Beispielrechnung werden wie ausgeführt eine
quadratische Kupfer- und eine quadratischer Aluminiumspule betrachtet,
deren lichte Innenfläche
jeweils 60 cm × 60
cm beträgt.
Bei gegebener Leitermasse und gegebenem Füllfaktor von 79 % wird die
Spulenanordnung so ausgelegt, dass die ohmsche Verlustleistung zur
Erzeugung eines angenommenen 100 mT-Magnetfelds in Spulennormalenrichtung
für den
schlechtesten Aufpunkt im Arbeitsvolumen so gering wie möglich ist.
Dabei ergibt sich bei vorgegebener und konstant angenommener Leitertemperatur,
dass die ohmschen Verluste in der Spule dann am niedrigsten sind,
wenn die Breite b der Spule möglichst
groß und
die Dicke d der Spule möglichst
klein ist. Dieser Effekt verstärkt
sich noch, wenn man statt der Leitertemperatur den Wärmeübergangskoeffizienten
vom Leiter zum Kühlmittel
vorgibt, denn mit zunehmender Breite b der Spule wird die Kühlfläche A =
4b·(a
+ 2d) größer. Damit
wird zur Spulenentwärmung
eine geringere Temperaturdifferenz zwischen Leiter- und Kühlmitteltemperatur
benötigt.
Bei gegebener Kühlmitteltemperatur
von 77 K sinkt somit die Leitertemperatur, was wiederum den spezifischen
elektrischen Widerstand senkt und damit auch die ohmsche Verlustleistung
in der Spule.
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Die
wichtigsten Parameterwerte und Ergebnisse der beiden Beispielrechnungen
sind in der nachstehenden Tabelle zusammengefasst. Einheitlich vorgegeben
waren für
beide betrachteten Fälle:
- – die
lichte Spuleninnenfläche
von 60 cm × 60
cm,
- – das
mittig gelegene Arbeitsvolumen von 1dm3,
- – die
Magnetfeldstärke
im Arbeitsvolumen von 100 mT,
- – die
Kühlmitteltemperatur
von 77 K,
- – der
Wärmeübergangskoeffizient
vom Leiter zum Kühlmittel
von 1000 W/m2/K, und
- – das
Breiten-Dicken-Verhältnis
b/d von 4.
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Die
Leitermasse wurde in beiden Fällen
so gewählt,
dass die maximal auftretende ohmsche Verlustleistung in beiden Fällen in
etwa gleich war und ca. 7 kW betrug.
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Wie
aus obiger Tabelle ersichtlich ist, ist die Cu-Spulenanordnung fast
dreimal so schwer wie die Al-Spulenanordnung. Demgegenüber ist
die Al-Spulenanordnung von ihrer geometrischen Abmessung her etwas
größer als
die Cu-Spulenanordnung. Dadurch ist die Spulenseele etwas weiter
entfernt vom Arbeitsvolumen V, weshalb die Amperewindungszahl der
Al-Spulenanordnung etwas größer sein
muss als die der Cu-Spulenanordnung. Wegen der größeren geometrischen
Abmessungen der Al-Spulenanordnung
ist auch deren Kühlfläche größer als
bei der Cu-Spulenanordnung, so dass bei gleicher ohmschen Verlustleistung
die Differenz zwischen Leitertemperatur und Kühlmitteltemperatur geringer
ist.
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Insgesamt
ergibt sich somit – wie
nicht zuletzt obige Abschätzung
gezeigt hat – ein
insbesondere gewichtsmäßig deutlich
günstiger
auslegbare Navigationseinrichtung, verglichen mit dem aus dem Stand
der Technik bekannten Permanentmagneten-System, insbesondere im
Falle der Verwendung einer Al-Spulenanordnung.
Die erfindungsgemäße bewegliche
Lagerung der Spulenanordnung bietet darüber hinaus eine hochflexible
Positionsmöglichkeit
für die
Spulenanordnung, so dass Bildaufnahmen über eine benachbart stehende C-Bogen-Bildaufnahmeein richtung
aus annähernd
allen Blickrichtungen möglich
sind, da die Spulenanordnung 2 jeweils so positioniert
werden kann, dass sie die entsprechende Positionierung des C-Bogen-Bildaufnahmegeräts nicht
stört.
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Die
sehr tiefen Temperaturen einer Stickstoffkühlung sind dann zu empfehlen,
wenn die ohmsche Verlustleistung nur kurzzeitig (wenige Sekunden)
anfällt,
denn der Wirkungsgrad einer Kältemaschine
mit Stickstoff als Kältemittel
ist gering (ca. 10 %). Liegt die ohmsche Verlustleistung über eine
längere
Zeit an, führt
ein effizientes Kühlsystem
mit höherer
Kühltemperatur
zu einer geringeren elektrischen Gesamtleistungsaufnahme. Die Wahl
des Kühlmittels
richtet sich also wesentlich nach dem typischen Betriebsmodus des
magnetischen Navigationssystems.
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Die 10 und 11 zeigen
schließlich
zwei Spulenanordnungsgeometrien unterschiedlicher Art. Während bis
dato eine Rechteckspule beschrieben wurde, die auch abgerundete
Ecken aufweisen kann, zeigt 10 eine
eliptische oder ovale Spulenanordnung, während 11 eine
Kreisspulenform zeigt.
