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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Positionsbestimmung
eines navigierbaren Objektes, das sich innerhalb eines magnetischen Hintergrundfeldes
mit am Ort des Objektes vorbestimmter, frequenzabhängiger Maximalamplitude
seiner magnetischen Induktion befindet, wobei das Hintergrundfeld
von Spulen eines Hintergrund-Spulensystems hervorgerufen und zur
Navigation des Objektes vorgesehen ist. Dabei umfasst die Einrichtung
- – ein
System von Sendespulen zur Generierung eines Positionsmessfeldes
am Ort des Objektes,
- – eine
Empfangsvorrichtung zum Empfang von von dem Objekt in Abhängigkeit
von dem Positionsmessfeld erzeugten Positionssignalen
und
- – Mittel
zur Weiterverarbeitung und Auswertung der Positionssignale.
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Unter
einer Positionsbestimmung sei dabei prinzipiell auch eine Orientierungsbestimmung
mit verstanden. Eine entsprechende Einrichtung ist z.B. der
DE 101 42 253 C1 zu
entnehmen.
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Auf
dem Gebiet der medizinischen Technik gewinnen nichtinvasive oder
minimalinvasive Maßnahmen
zunehmend an Bedeutung. Solche Maßnahmen seien hier als Sammelbegriff
zu verstehen für verschiedenste
medizinische Vorhaben wie z.B. Diagnosen (Sichtprüfung, Biopsien)
oder Therapien (gezielte Medikamentenabgabe, Anbringen von Clips oder
Stents). An Probanden wie Menschen oder Tieren ist die Maßnahme durchzuführen. Besonders wünschenswert
ist die Durchführung
solcher Maßnahmen
im Inneren des Probanden, insbesondere im Inneren von Hohlorganen
wie z.B. dem ganzen Gastrointestinaltrakt.
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Zur
Durchführung
solcher medizinischen Maßnahmen
können
besondere navigierbare Objekte wie Kapseln oder Kapselsysteme vorgesehen
werden (vgl. z.B.
EP
0 667 115 A ,
DE
101 42 253 C1 ). Ein entsprechendes Gesamtsystem wird auch
als Endoroboter bezeichnet. Generell sind als Objekte jedoch auch
andere zu navigierende Körper
wie z.B. Katheterspitzen, für
die ggf. auch eine Drahtverbindung nach außen möglich ist, denkbar.
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Für eine magnetische,
berührungsfreie
Navigation einer Kapsel ist diese mit magnetischem Material wie
z.B. Permanentmagneten geeigneter Magnetisierungsrichtung oder ferromagnetischen
Teilen oder stromdurchflossenen Spulen, die allgemein ein magnetisches
Moment erzeugen, zu bestücken. Durch
von außen
angelegte, geeignet steuerbare Magnetfelder können dann Kräfte und
ggf. Drehmomente auf das entsprechend ausgestaltete Objekt ausgeübt werden.
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Eine
entsprechende Endoroboter-Anlage ist der WO 03/028224 A2 zu entnehmen.
Die Anlage enthält
ein Magnetspulensystem zu einer berührungsfreien Navigation einer
mit einer Videokamera ausgestatteten Videokapsel. Zusätzlich soll
eine Einrichtung zur Positionsbestimmung der Kapsel vorgesehen sein.
Hierzu umfasst die Anlage besondere Senderspulen und ein in der
Kapsel angeordnetes System von Empfängerspulen. Mit diesen Spulen werden
die von den Sendespulen erzeugten Signale detektiert und nach außen an eine
nicht näher
beschriebene Empfangsvorrichtung übermittelt.
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Auch
in der eingangs genannten
DE
101 42 253 C1 ist eine entsprechende Videokapsel beschrieben,
die mit einem Stabmagneten sowie Video- und anderen Interventionseinrichtungen
ausgestattet ist. Auf den Stabmagneten soll ein externes Magnetspulensystem
Kräfte
ausüben.
Es wird ein frei schwebender, so genannter Helikoptermodus mit Steuerung über eine
6D-Maus, eine Rückmeldung
von auf die Kapsel einwirkenden Kräften über die Maus sowie eine Positionsrückmeldung
durch einen Transponder erwähnt.
Einzelheiten zur Realisierung des erforderli chen Spulensystems und
zum Betrieb seiner einzelnen Spulen sind in der Schrift nicht näher erläutert.
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Eine
konkrete Anlage zu einer berührungsfreien
Bewegung und/oder Fixierung eines magnetischen Körpers in einem Arbeitsraum
unter Verwendung eines Magnetspulensystems ist Gegenstand der nicht-vorveröffentlichten
DE-Anmeldung 103 41 092.9. Die von dem Magnetspulensystem von außen anzulegenden
Magnetfelder kann man dabei unterteilen in ein magnetisches Grundfeld
zur Erzeugung eines Drehmomentes an dem magnetischen Körper und
ein magnetisches Gradientenfeld zur magnetischen Erzeugung translatorischer
Kräfte
an diesem. D.h., die anzulegenden Magnetfelder sind nicht räumlich homogen,
sondern ortsabhängig.
Erzeugt werden muss entsprechend einer vorgegebenen Kraft und eines
vorgegebenen Drehmoments das richtige magnetische Gradientenfeld
und das richtige magnetische Grundfeld am Ort des magnetischen Körpers bzw.
Objektes. Es ist daher die Kenntnis des jeweiligen aktuellen Ortes
und der Winkelstellung, d.h. der Position und Orientierung bzw.
räumlichen Ausrichtung
des magnetischen Körpers,
erforderlich. Für
die Positions- und/oder Orientierungsbestimmung sollen ebenfalls
Magnetfelder benutzt werden. Solche Felder sind dem aus magnetischem
Grundfeld und magnetischem Gradientenfeld gebildeten, nachfolgend
als Hintergrundfeld bezeichneten Magnetfeld zu überlagern.
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Eine
Verwendung bekannter Positionsmesssysteme auf Basis elektromagnetischer
Felder scheidet jedoch wegen der Interferenz mit dem krafterzeugenden
magnetischen Hintergrundfeld aus. Zudem arbeiten existierende Systeme
im Allgemeinen mit Drahtverbindungen vom Messort nach außen. Für eine Anwendung
in einem Endoroboter wird aber bevorzugt eine drahtlose Verbindung
angestrebt.
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Weiterhin
sind Systeme zu einer Positions- und Winkelmessung von Objekten
wie Katheterspitzen im menschlichen Körper bekannt. Diese arbeiten nach
dem elektromagnetischen Prinzip mit statischen und relativ niederfrequenten
Feldern im Kilo hertzbereich. Über
stationäre
Sendespulen werden Felder in verschiedene Raumrichtungen gesandt. Diese
werden über,
auf oder in dem zu ortenden Objekt angebrachte Empfängerspulen
induktiv erfasst und analog über
Drahtverbindungen nach außen
gesendet. Dabei werden statische und niederfrequente Felder zum
Teil mit zeitlich hintereinander geschalteten und unterschiedlich
frequenten Signalen der Sendespulen verwendet, um die Signale der
einzelnen Sendespulen voneinander zu trennen. Aufgrund des verwendeten
Frequenzbereichs ist eine Störung,
die durch das Körpergewebe
selbst erzeugt wird, praktisch vernachlässigbar. Geht man jedoch zu
höheren Frequenzen,
beispielsweise im MHz-Bereich über,
so ist dies nicht mehr der Fall.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, bei einer Einrichtung
mit den eingangs genannten Merkmalen die vorstehend angesprochenen Probleme
wenigstens zu vermindern. Dabei soll eine elektromagnetische Verträglichkeit
von nach dem elektromagnetischen Prinzip arbeitenden Positions- und/oder
Orientierungsmesssystemen insbesondere im menschlichen Körper mit
Magnetfeldern, die für andere
Zwecke wie z.B. die Bildgebung oder Navigation eingesetzt werden,
gegeben sein. Außerdem sollte
bevorzugt die Möglichkeit
einer drahtlosen Übertragung
der Sensorsignale des Positionsmesssystems vom Inneren des Körpers nach
außen
gegeben sein.
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Diese
Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen
gelöst.
Demgemäß soll die
Einrichtung zur Positionsbestimmung eines navigierbaren Objektes,
das sich innerhalb eines magnetischen Hintergrundfeldes mit vorbestimmter
Amplitude seiner magnetischen Induktion befindet, welches von Spulen
eines Hintergrund-Spulensystems hervorgerufen ist,
- – ein
System von Sendespulen zur Generierung eines Positionsmessfeldes
mindestens einer vorgegebenen Frequenz am Ort des Objektes mit über der
Amplitude der magnetischen Induktion des Hintergrundfeldes bei der
vorgegebenen Frequenz liegender magnetischer Induktion,
- – eine
Empfangsvorrichtung zum Empfang von von dem Objekt in Abhängigkeit
von dem Positionsmessfeld erzeugten Positionssignalen
und
- – Mittel
zur Weiterverarbeitung und Auswertung der Positionssignale
enthalten
und erfindungsgemäß dahingehend
ausgebildet sein, dass zumindest eine der Sendespulen zugleich wenigstens
Teil einer Spule des Hintergrundfeld-Spulensystems ist.
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Unter
dem Begriff „Positionsbestimmung" sei hier und nachfolgend
auch eine räumliche
Orientierungsbestimmung verstanden; d.h., mit der erfindungsgemäßen Einrichtung
sollen prinzipiell eine Positions- und/oder eine Orientierungsbestimmung gleichzeitig
oder voneinander getrennt auszuführen sein.
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Bei
den erfindungsgemäßen Maßnahmen wird
von der Tatsache ausgegangen, dass üblicherweise magnetische Hintergrundfelder
für die
magnetische Navigation verhältnismäßig niederfrequent sind.
Bei jeder Frequenz hat das Hintergrundfeld eine bestimmte Amplitude
der magnetischen Induktion oder Feldstärke. Der Wert der Amplitude
hängt dabei von
der jeweiligen Frequenz ab. Der Maximalwert wird im Allgemeinen
bei einer Frequenz unter 1 kHz angenommen.
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Demgegenüber müssen Systeme
zu einer Positions- und/oder Orientierungsbestimmung im Allgemeinen
mit wesentlich höheren
Frequenzen, typischerweise über
10 kHz bis etwa 100 kHz, arbeiten. Auf alle Fälle muss aber gewährleistet
sein, dass bei der vorgegebenen Frequenz oder den vorgegebenen Frequenzen
die von dem Systeme zu einer Positions- und/oder Orientierungsbestimmung
hervorgerufene Amplitude der magnetischen Induktion einen größeren Wert
hat als die Amplitude der magnetischen Induktion des Hintergrundfeldes.
Dies macht es möglich,
die Sendespulen für
das Positionserkennungssystem in die felderzeugenden Spulen des
für andere Zwecke
verwendeten Magnetspulensystems zu integrieren. So kann beispielsweise
flusserzeugenden Strömen
zur Ausübung
von Kräften
und Drehmo menten auf das Objekt ein höherfrequentes Magnetfeld überlagert
werden, welches zur Induktion gleichfrequenter Spannungen und Ströme in Positionssensorspulen
des Objektes führt
und damit als Positionssignal genutzt werden kann. Die Signalstärke kann dabei
variabel eingestellt werden. Es können, abhängig vom Hintergrundfelderzeuger,
wesentlich höhere Feldstärken als
bei den bisher eingesetzten Positionsmesssystemen gesendet werden.
Der apparative Aufwand bezüglich
der erforderlichen Spulen ist dementsprechend vermindert. Da die
Einrichtung zur Positions- und/oder Orientierungsbestimmung in einem
anderen Frequenzbereich als das magnetische Spulensystem zur Hintergrundfelderzeugung
arbeitet, kann eine unerwünschte
gegenseitige Beeinflussung zumindest weitgehend vermieden werden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung gehen aus den
abhängigen Ansprüchen hervor.
Dabei kann die Ausführungsform der
Einrichtung nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder
vorzugsweise auch denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Dementsprechend
kann die Einrichtung nach der Erfindung zusätzlich noch folgende Merkmale
aufweisen:
- • So
können
die Positionssignale des Objektes mittels einer Signalübertragungseinheit
zu übertragen
sein, die zur Übertragung
weiterer Signale vorgesehen ist. Solche weiteren Signale können von
einem Sensor oder einem Aktuator erzeugt werden, wobei der Sensor
insbesondere ein Video- oder pH-Wert-
oder Drucksensor bzw. der Aktuator insbesondere eine Biopsiezange
sein kann.
- • Dabei
kann die Signalübertragungseinheit
eine Funkübertragungseinheit
oder drahtgebunden sein.
- • Bei
dem magnetischen Hintergrundfeld kann es sich um ein solches zu
einer insbesondere berührungsfreien
Navigation eines mit dem Objekt mechanisch verbundenen magnetischen Körpers handeln.
Entsprechende Felder werden bei Endoroboter-Anlagen angewandt.
- • Die
Spulen zu Erzeugung des magnetischen Hintergrundfeldes oder Teile
dieser Spulen brauchen nicht vollständig das System von Sendespulen
zu bilden. Dementsprechend kann das System der Sendespulen neben
einer, einigen oder allen Spulen des Hintergrundmagnetfeld-Spulensystems
zusätzliche
Spulen aufweisen.
- • Zweckmäßigerweise
werden zusätzliche
Verstärker
zur Einkopplung des Signals der Sendespulen vorgesehen.
- • Die
Signale der Sendespulen werden entweder dem magnetischen Hintergrundfeld
gleichzeitig überlagert
oder sind von diesem zeitlich getrennt zu erzeugen.
- • Vorteilhaft
erfolgt eine Anpassung der Signale der Sendespulen hinsichtlich
ihrer Stärke und/oder
ihrer Frequenz und/oder einer Frequenz- und/oder Pulsweitenmodulation
an das Hintergrundfeld und/oder andere auftretende Magnetfelder.
- • Im
Allgemeinen überschreitet
bei einer magnetischen Navigation von Objekten die Nutzfrequenz der
Maximalamplitude des magnetischen Hintergrundfeldes nicht 100 Hz,
während
die Frequenz des Positionsmessfeldes über 1 kHz liegt und bis etwa
100 kHz reicht. Eine solche Trennung der Frequenzen ist eine gute
Vorraussetzung für
eine ungestörte
Positions- und/oder
Orientierungsbestimmung.
- • Bevorzugt
handelt es sich bei dem zu navigierenden Objekt um eine Kapsel einer
Endoroboter-Anlage.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Positions- und/oder
Orientierungsbestimmung gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen
Unteransprüchen hervor.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird nachfolgend auf das aus der Zeichnung entnehmbare
Ausführungsbeispiel
verwiesen. Deren einzige Figur zeigt in einer schematischen Darstellung
eine Anlage zur nicht-invasiven Untersuchung und/oder Behandlung
eines Probanden mit einem Endoroboter, der eine erfindungsgemäß gestaltete
Einrichtung insbesondere zu einer berührungsfreien Positions- und/oder
Orientierungsbestimmung seiner Endoskopiekapsel umfasst.
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Bei
der gezeigten, allgemein mit
2 bezeichneten Endoskopieanlage
wird von an sich bekannten Gerätschaften
ausgegangen. Nicht näher
dargestellte oder erläuterte
Teile der Anlage sind allgemeiner Stand der Technik. Der prinzipielle
Aufbau und die Arbeitsweise der Endoskopieanlage
2 ist
auch in der
DE 103
41 092 A1 beschrieben. Die Anlage umfasst ein Spulensystem
3 zur
Erzeugung eines magnetischen Hintergrundfeldes mit daran angeschlossener Energieversorgung
4 sowie
eine Steuerungs- und Regelungseinheit, um als ein Objekt
12 eine
Kapsel berührungsfrei
navigieren zu können.
Die Kapsel verfügt
insbesondere über
einen Sensor wie z.B. einen Video-, pH-Wert-, oder Drucksensor und/oder
einen Aktuator wie eine Biopsiezange. Diese Teile kommunizieren über dieselbe
Signalübertragungseinheit
mit der Außenwelt, über die
auch die Positionsmesssignale an die Außenwelt übermittelt werden. In der Figur
ist eine hierbei eingesetzte Videoeinheit
6 angedeutet.
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Zur
Erzeugung eines magnetischen Grundfeldes und eines magnetischen
Gradientenfeldes des Hintergrundfeldes Hex besteht
das Spulensystem 3 aus insgesamt 14 Einzelspulen. von diesen
Spulen sind der Übersichtlichkeit
wegen nur vier Einzelspulen näher
bezeichnet. Diese untergliedern sich in sechs (i = 1 ... 6) quaderförmig angeordnete,
rechteckige Helmholtzspulen 13i bzw. 13a und 13b sowie
in acht (j = 1 ... 8) gemeinsam einen Zylindermantel im Quader bildende
Sattelspulen 23j bzw. 23a und 23b. Jede
der Sattelspulen 23i überstreicht
bezüglich
einer zentralen Mittellängsachse
A des Spulensystems 3 einen Winkelbereich von etwa 90°; d.h., je
vier Sattelspulen bilden in etwa eine Zylindermantelform.
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Der
in jeder der vierzehn Einzelspulen fließende Spulenstrom wird von
einem von vierzehn (k = 1 ... 14), je einer Einzelspule zugeordneten
Leistungsverstärkern 8k erzeugt,
von welchen in der Figur wiederum nur drei Verstärker 8a bis 8c näher angedeutet
sind. Die vierzehn Leistungsverstärker 8k bilden zusammen
die Energieversorgung 4. Sämtliche Leistungsverstärker werden
von der Steuerungs- und Regelungseinheit 5 über je eine
Steuerleitung 9k angesteuert bzw. geregelt.
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Ein
zu untersuchender Proband bzw. Patient 10 ist entlang der
Achse A in das Spulensystem 3 einzufahren. Er wird so in
dem Spulensystem platziert, dass eine von ihm geschluckte Endoskopiekapsel 12 etwa
in der Mitte des Spulensystems zu liegen kommt. Dort besitzt das
Spulensystem ein so genanntes Arbeitsvolumen, innerhalb dessen die
Kapsel mittels des Spulensystems berührungslos navigiert werden
kann.
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Bei
der Endoskopiekapsel
12 wird von an sich bekannten Ausführungsformen
ausgegangen (vgl. die genannte
DE 101 42 253 C1 ,
EP 0 676 115 A1 ). Sie soll
im Wesentlichen drei Bauteile aufweisen, nämlich ein für eine Navigation erforderliches magnetisches
Element wie einen Permanentmagneten oder einen Körper aus oder mit ferromagnetischem
Material oder eine stromdurchflossene Spule, einen Positionssensor
mit einer oder mehreren Sensorspulen sowie einen Videoteil. Demgemäß trägt die Kapsel
in ihrem Inneren an ihrem vorderen Ende eine nicht dargestellte
Kamera und Beleuchtungseinrichtung. Durch ein Sichtfenster wird
die Umgebung der Kapsel beleuchtet und kann die Kamera ein Bild
der Kapselumgebung aufnehmen. Die aufgenommenen Bilddaten werden
entweder sofort oder vorverarbeitet und gegebenenfalls nach Zwischenspeicherung
per Funk als Videosignale S2 an einen Videoempfänger
14 außerhalb
des Magnetspulensystems
3 übertragen und auf einem Bildschirm
15 der
Videoeinheit
6 dargestellt. Zur Steuerung der Kapselbewegung
in dem Spulensystem
3 bzw. innerhalb des Probanden
10 dient
ein Eingabegerät
in Form einer 6D-Maus
16, welche von einem nicht dargestellten
Bediener, z.B. einem den Patienten untersuchenden Arzt, bedient wird
aufgrund des auf dem Bildschirm
14 dargestellten Bildes.
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Die
Ortsposition der Endoskopiekapsel 12 sowie die Orientierung
ihrer Längsachse 17 werden über eine
erfindungsgemäße Einrichtung
zur Positions- und/oder Orientierungsbestimmung erfasst. Von dieser
allgemein mit 20 bezeichneten Einrichtung ist in der Figur
im Wesentlichen nur eine Empfangseinheit 21 angedeutet,
welche die von der Endoskopiekapsel ausgesandten Positionsdaten
oder -signale S1 erfasst und an die Steuerungs- und Regelungseinheit 5 übermittelt.
Gegebenenfalls können
diese Signale aber auch drahtgebunden übertragen werden.
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Für die Positionserkennung
der Endoskopiekapsel 12 bedarf es eines zusätzlichen
Magnetfeldes Hp, das auf den oder die Positionssensorspulen
der Endoskopiekapsel mit einer oder mehreren (unterschiedlichen)
Frequenzen einwirkt. Dabei liegt der Frequenzbereich für die entsprechenden
Feldsignale dieses als Positionsmessfeld Hp bezeichneten
Feldes deutlich höher
als der im Allgemeinen höchstens 100
Hz erreichende Nutzfrequenzbereich des Spulensystems 3 zur
Erzeugung des magnetischen Hintergrundfeldes Hex.
Bevorzugt liegt die Frequenz des Positionsmessfeldes (Hp)
zwischen 1 kHz und 100 kHz. Erfindungsgemäß sollen die Sendespulen für die Positionserkennung
in die Felderzeuger des für das
magnetische Hintergrundfeld Hex verwendeten Spulensystems
integriert sein. D.h. den flusserzeugenden Strömen zur Ausübung von Kräften und Drehmomenten auf die
Kapsel 12 werden Ströme
zur Erzeugung eines weiteren, höherfrequenten
Magnetfeldes Hp überlagert. Dieses weitere Magnetfeld
Hp führt
zur Induktion gleichfrequenter Spannungen und Ströme in den
Positionssensorspulen der Endoskopiekapsel 12. Diese Spannungen
und Ströme
können
damit als Positionssignal genutzt werden. Die Signalstärke lässt sich
hierfür
variabel einstellen.
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Die
höherfrequenten
Wechselströme
zur Generierung des weiteren Magnetfeldes bzw. Positionsmessfeldes
Hp, die im Allgemeinen im Bereich zwischen
1 kHz und dem 100kHz-Bereich liegen, können durch zusätzliche
Verstärker
zur Verfügung
gestellt werden, die induktiv oder kapazitiv an die flusserzeugenden
Einzelspulen 13i bzw. 23j des Spulensystems 3 angekoppelt
werden. Stattdessen kann man, wie in der Figur an dem Leistungsverstärker 8c angedeutet
ist, eine entsprechende Bandbreite von z.B. 20 kHz der Verstärker 8k vorausgesetzt, an
deren Eingängen
die Sendersignale zur Generierung des weiteren Magnetfeldes überlagern.
Die entsprechende Generatoreinheit ist in der Figur mit 22, ihre
einzelnen Generatoren oder Verstärker
sind mit 24m (mit m = 1 ... m) bezeichnet. Die für weitere
Einzelspulen erforderlichen weiteren Generatoren 24m sind
der Übersichtlichkeit
wegen weggelassen.
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Der
resultierende Spulenstrom im Frequenzbereich der Positionsmessung
wird dann gemessen und dient, über
das dann bekannte Magnetfeld, als eine der Eingangsgrößen zur
Berechnung der Position der Sensorspulen der Endoskopiekapsel 12.
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Die
hochfrequenten Signale der Sensorspulen werden dann in der Kapsel
amplituden- oder frequenzmoduliert und über Hochfrequenz aus dem Untersuchungsobjekt
nach außen
als analoge Signale S1 zu der Empfangseinheit 21 gesendet.
Selbstverständlich
ist auch eine Digitalisierung der hochfrequenten Signale, eine Vorverarbeitung
sowie eine Übertragung
entsprechend bearbeiteter Signale an die Empfangseinheit 21 möglich.
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Dabei
ist es ggf. auch möglich,
das ohnehin gesendete Messsignal bzw. Videosignal S2 des Videoteils
der Kapsel für
die Übertragung
der Positionssignale mit zu nutzen.
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Zur
Unterdrückung
einer Störung
des Senderfeldes durch äußere, unkorrelierte
Magnetfeldquellen im Frequenzbereich des Messsystems kann auch eine
phasensensitive Erfassung der Signale an den Empfängerspulen
nach Art einer Lock-in-Technik vorgesehen werden.
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Bei
den nachfolgenden Ausführungen
bzgl. erfindungsgemäßer Positions-/Orientierungsbestimmungseinrichtungen
sei unterschieden zwischen
- – einem Sensorspulensystem,
welches Positions-Magnetfelder an einem Sensorort, z.B. einer Endoskopiekapsel,
zur Positionsmessung empfängt,
und
- – einem
Sendespulensystem, welches Magnetfelder zur Versorgung des vorerwähnten Sensorspulensystems
generiert.
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Diese
beiden Spulensysteme bilden zusammen mit einer an sich bekannten
Recheneinheit zur Umrechnung der Sensorsignale in Positionen ein
so genanntes Positionsmesssystem.
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Ferner
sei das zur Erzeugung eines magnetischen Hintergrundfeldes Hex vorgesehenen Spulensystem allgemein bezeichnet
als
- – ein
externes Magnetsystem, welches Felder für andere Zwecke als zur Positionsmessung,
insbesondere für
eine Positionierung von Katheterspitzen und/oder zur Navigation
magnetbestückter Kapseln
erzeugt.
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Zusätzlich ist
häufig
eine drahtlose Übertragung
eines Video- oder
anderweitigen Messsignals von der Kapsel nach außen gegeben.
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Voraussetzung
für eine
Funktionsfähigkeit einer
so definierten erfindungsgemäßen Einrichtung zur
Positions- und/oder Orientierungsbestimmung ist, dass die Frequenzbereiche,
in denen das Positionsmesssystem und das externe Magnetsystem arbeiten,
sich voneinander trennen lassen. In der Regel wird das externe Magnetsystem
mit einer niedrigeren Frequenz arbeiten. Typischerweise liegen die
Frequenzen des externen Magnetsystems unter 1 kHz, während die
des Positionsmesssystems über
diesem Wert, insbesondere über
10 kHz liegen und bis etwa 100 kHz reichen. Dabei kann die elektromagnetische Verträglichkeit
des Positionsmesssystems und des externen Magnetsystems durch folgende
Effekte gestört
werden:
- a) Externe DC-Felder und/oder AC-Felder
mit Nutzfrequenzen unter 100 Hz führen zu:
(i)
Anregung von Schwingungen der Senderspulen durch Lorentzkräfte,
(ii) Sättigung
von Außenteilen
im Positionsmesssystem.
- b) Erzeugung von Wirbelströmen
in leitfähigen Teilen
wie z.B. des externen Magnetsystems durch das Sendespulensystem
und damit verbunden Verzerrungen des von dem Sendespulensystem generierten
Feldes.
- c) Externe AC-Felder im Frequenzbereich des Sendespulensystems,
z.B. Anteile im Feld des externen Magnetsystems im Frequenzbereich
des Sendespulensystems mit ähnlicher
oder höherer Amplitude.
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Unter
Berücksichtigung
dieser vorstehend erwähnten
Störeffekte
kann man die folgenden Gegenmaßnahmen
im Einzelnen vorsehen:
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Zu Effekt ai
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Das
Sendespulensystem ist so ausgelegt, dass es den darauf wirkenden
Kräften
widerstehen kann, ohne dass Deformationen oder mechanische Schwingungen
auftreten, die die Positionsbestimmung oder andere Systemeigenschaften
beeinträchtigen
können.
Diese Anforderungen werden in der Regel durch die Konstruktion der
Spulen des Sendespulensystems bereits erfüllt, indem diese z.B. mit Kunststoff
vergossen werden.
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In
Abhängigkeit
vom jeweiligen externen Magnetfeldsystem können deshalb vorteilhaft zumindest einige
oder alle Einzelspulen des externen Magnetsystems gleichzeitig als
Sendesystem verwendet werden. Bei einem Endoroboter kann das Spulensystem,
das zur Kapselbewegung dient, herangezogen werden. Ggf. sind die
Spulen zur Generierung des externen Magnetfelds in Anzahl und/oder
Anordnung nicht ausreichend, um allein als Sendesystem zur Positionsbestimmung
zu dienen. Selbstverständlich können dann
zur Vervollständigung
des Sendesystems weitere Spulen angebracht oder integriert werden,
die konstruktionsbedingt den jeweiligen Kraftwirkungen standhalten.
Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn nur Teile der Magnetspulen
für das
externe Magnetfeld als Spulen des Sendesystems genutzt werden.
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Zu Effekt aii)
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Zum
einen können
Sendespulen eines Positionsmesssystems ferromagnetische Kerne enthalten,
die im externen Magnetsystem in Sättigung getrieben werden, so
dass dann die erzeugten Felder verändert werden und die Positionsbestimmung
beeinträchtigen.
Zum anderen können
am Ort der Sensorspulen oder in dessen unmittelbarer Nähe ferromagnetische
Objekte, wie sie für
eine Endoskopiekapsel vorzusehen sind, ganz oder teilweise in Sättigung
getrieben werden, wodurch die Felder am Ort der Sensorspule verändert werden
und wiederum die Positionsbestimmung fehlerhaft wird. Aus diesem Grunde
kann man bei dem Sendespulensystem unter Verwendung von Spulen des
externen Magnetsystems und eventuell noch erforderlicher Zusatzspulen
vollständig
auf ferromagnetisches Material verzichten. Die Feldverzerrungen
von ferromagnetischen Objekten in der Umgebung des Sensors lassen
sich dann durch Kalibrierungsmessungen und/oder Feldberechnungen
ermitteln und innerhalb des Algorithmus zur Positionsbestimmung
berücksichtigen.
Die Wirkung von Feldern der Sendespulen bzw. des externen Magnetsystems
auf Kerne in den Sensorspulen ruft wegen des hohen Luftspaltes durch
den Körper
keine Sättigungseffekte
hervor. Typischerweise sind die von einem Magnetsystem zur Kapselnavigation
am Ort der Kapsel erzeugten Felder sehr gering und liegen im mT-Bereich.
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Zu Effekt b)
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Das
Sendespulensystem muss definierte und reproduzierbare Feldverteilungen
erzeugen können,
um eine genaue Positionsbestimmung zu ermöglichen. Die Feldverzerrungen
durch leitfähige Objekte,
in denen aufgrund ihrer Position und/oder Größe nicht-vernachlässigbare
Wirbelströme
induziert werden, können
durch Kalibriermessungen und/oder durch Feldberechnungen berücksichtigt werden.
Dabei sind die Wirbelstromkörper
als Teil des Sendespulensystems zu betrachten. Sind solche Wirbelstromkörper beweglich,
muss deren aktuelle Position in den Algorithmus zur Positionsbestimmung mit
einfließen.
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Zu Effekt c)
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Hochfrequente
Felder, die von anderen Quellen als dem Sendespulensystem erzeugt
werden, werden von der Positionssensorspule ebenso erfasst und müssen vom
Nutzsignal getrennt werden. Hierzu sind verschiedene Lösungen denkbar:
- – Wenn
die Störquellen
breitbandig und von geringer spektraler Dichte sind, kann eine schmalbandige
Filterung, insbesondere passiv oder mittels Synchrondetektion, ausreichend
sein.
- – Treten
stärkere
Störfelder
bei definierten Frequenzen auf, kann durch Wahl einer geeigneten Frequenz
des Sendespulensystems in Kombination mit schmalbandiger Filterung
das Nutzsignal abgetrennt werden.
- – Wenn
hohe Feldstärken
bei unterschiedlichsten Frequenzen durch das externe Magnetsystem
erzeugt werden, ist eine Synchronisation mit dem Positionserfassungssystem
denkbar.
- – Im
einfachsten Fall wird das externe Magnetsystem für die Dauer der Positionserfassung
nicht erregt bzw. bestromt, so dass dann auch keine Störfelder
erzeugt werden. Kann auf die Bestromung des externen Magnetsystems
nicht verzichtet werden, kann eine konstante Bestromung für die Dauer
der Positionsmessung erfolgen. Dabei werden dann auch keine hochfrequenten
Störfelder generiert.
- – Führt eine
solche konstante Bestromung des externen Magnetsystems aufgrund
nicht-idealer Stromquellen wie Leistungsverstärker oder Schaltnetzteile dennoch
zu hochfrequenten Störfeldern,
so ist das Störfeldspektrum
konstant. Dieses kann dann erfasst werden mit Hilfe des Sensors
an der Endoskopiekapsel oder zusätzlicher Sensoren,
wobei die Frequenz des Sendesystems derart eingestellt werden kann,
dass die Störfrequenzen
gerade vermieden werden.
- – Soll
eine Positionserfassung ohne Synchronisation mit dem externen Magnetfeld,
wie z.B. für eine
Kapselnavigation, zuverlässig
erfolgen, so kann vorteilhaft eine Frequenz- oder Amplitudenmodulation
des Sendesignals vorgesehen werden, wobei ggf, das aktuelle Störsignalspektrum durch
das Navigationsmagnetfeld berücksichtigt wird.
Es ist auch ein sehr breitbandiges Sendesignal mit kurzen Sendepulsen
analog zu bekannten Ultraweitband (UWB)-Verfahren oder ein in den
einzelnen Sendesignalpulsen wiederum gepulstes Sendesignal mit Pulsweitenmodulation unter
Berücksichtigung
der zeitlichen Korrelation zwischen gesendeten und beispielsweise
von dem Sensorsystem in der Kapsel empfangenen Signalen möglich.
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Bei
dem vorstehend erläuterten
Ausführungsbeispiel
wurde davon ausgegangen, dass das Spulensystem zur Erzeugung des
magnetischen Hintergrundfeldes zumindest mit einigen seiner Spulen zugleich
als System von Sendespulen zur Generierung eines magnetischen Positionsmessfeldes
ausreicht. Selbstverständlich
ist es möglich,
dass das Sendespulensystem für
das Positionsmessfeld noch weitere (Zusatz-)Spulen umfasst. So kann
das Spulensystem zur Erzeugung des magnetischen Hintergrundfeldes
aus Spulen mit für
diesen Zweck optimierten Windungszahlen bestehen, wobei Teilspulen von
ihm mit reduzierter Windungszahl gegebenenfalls mit Zusatzspulen
als Sendespulensystem dienen können.
Es können
auch separate, z.B. elektrisch isolierte Spulen als Sendespulen
in die Spulen des Spulensystems zur Erzeugung des magnetischen Hintergrundfeldes
integriert sein und gegebenenfalls mit Zusatzspulen das Sendespulensystem bilden.
Außerdem
ist es auch denkbar, dass passive Zusatzspulen und/oder anders geformte
leitfähige Körper passiv
durch Wirbelströme
die Feldverteilung für
Zwecke der Positionsbestimmung beeinflussen bzw. verbessern und
als integrierter Bestandteil des Sendespulensystems zur Generierung
eines magnetischen Positionsmessfeldes betrachtet werden.
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Mit
einer Einrichtung nach der Erfindung lässt sich also die Position
und/oder die Orientierung eines an sich beliebigen Objektes berührungslos
in einem Arbeitsvolumen erkennen, indem von dem Sendespulensystem
ausgesandte Positions-/Orientierungsmagnetfelder vom Objekt detektiert
und an eine Emp fangseinheit zurückgesandt
werden, die aus den empfangenen Signalen mittels an sich bekannter
Geräte
zur elektronischen Weiterverarbeitung und Auswertung die Position
bestimmt. Insbesondere in Anwendungen der Medizin kann es sich bei
dem Objekt um eine mit einem magnetischen Element oder Induktionsspulen
ausgestattete Sonde wie einen Katheter oder ein flexibles Endoskop
oder eine kleine Kapselkamera mit Beleuchtung und Sender handeln,
die Videobilder aus dem Körperinneren
wie z.B. dem Verdauungstrakt oder der Lunge oder anderen Körperteilen
sendet. Darüber
hinaus kann das Objekt auch Teil eines ferromagnetischen Fremdkörpers wie
z.B. einer Nadel oder eines Funktionsmoduls in von außen unzugänglichen
Bereichen sein, das durch Magnetkräfte bewegt oder entfernt wird. Neben
der Anwendung in der Medizin ist ebenso gut auch ein Einsatz einer
erfindungsgemäßen Einrichtung
auf anderen Gebieten wie z.B. in kontaminierten Räumen möglich. Mit
zugeordneten Magnetsonden können
auch andere, insbesondere unzugängliche Räume, beispielsweise
intern inspiziert werden, wobei die Sonden selbstverständlich auch
mit anderer oder zusätzlicher
Funktionalität
ausgestattet sein können.