DE102006052825B4

DE102006052825B4 - Verfahren zur Ermittlung des Rollwinkels eines Geräts mit einem Gehäuse

Info

Publication number: DE102006052825B4
Application number: DE102006052825.5A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schultze Volkmar; Prof. Dr. Andrä Wilfried; Katja Peiselt
Original assignee: RAYONEX BIOMEDICAL GmbH
Current assignee: Rayonex Biomedical De GmbH
Priority date: 2006-06-14
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2018-09-06
Anticipated expiration: 2026-11-10
Also published as: GB0822687D0; DE102006052825A1; GB2452655A; GB2452655B; US20110127996A1; WO2007144158A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung des Rollwinkels eines Geräts mit einem Gehäuse, bei dem- durch eine Ansteuerelektronik über einen relativ zum Gehäuse des Geräts starr, an oder in dem Gehäuse angeordneten Dipol ein Sendemagnetfeld erzeugt wird,- das Sendemagnetfeld außerhalb des Geräts mittels eines Empfängers gemessen wird und- aus der zeitlichen Veränderung der Messergebnisse in Verbindung mit der Polarität des dazugehörigen Sendemagnetfelds der Rollwinkel eindeutig bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Dipol eine mit einer Spannung beaufschlagbare Spule ist, so dass die Spulenenden mit einem Pluspol und einem Minuspol verbunden werden und durch die Ansteuerelektronik ein Stromfluss stets in die gleiche Richtung von dem einen Pol zu dem anderen Pol erzeugt wird, wobei ein zeitlich begrenztes Spannungsprofil erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Rollwinkels eines Geräts mit einem Gehäuse. Derartige Verfahren und Vorrichtungen, mit denen das Verfahren umgesetzt wird, werden insbesondere in der Medizintechnik angewandt.
Aus DE 102 25 518 B4 und der DE 10 2004 058 272 A1 sind Vorrichtungen bekannt, die der Ortung eines Sendekopfes dienen. Bei diesen Vorrichtungen wird ein rotierendes Magnetfeld durch einen entfernt aufgestellten dreiachsigen Magnetfeldsensor gemessen. Diese Vorgehensweise erlaubt es, den Ausgangsort des rotierenden Magnetfelds und damit des Sendekopfes zu bestimmen. Rotiert das Magnetfeld um eine Achse, die mindestens eine Komponente in einer Vorzugsrichtung des Sendekopfes (vorzugsweise der Längsachse des Sendekopfes) hat, so kann durch dieses System aus rotierendem Magnetfeld und dreiachsigem Sensor zusätzlich zum Ort auch diese Vorzugsrichtung bestimmt werden. Hierdurch kann beispielsweise die Vortriebsrichtung eines medizinischen Geräts ermittelt werden, wenn der Sendekopf Teil des medizinischen Geräts ist. Gemäß DE 102 25 518 B4 und DE 10 2004 058 272 A1 wird das rotierende Magnetfeld durch einen um seine Achse rotierenden Permanentmagneten erzeugt. Es wird ferner offenbart, statt dessen einen Elektromagneten einzusetzen.
Zusätzlich zum Ort des Sendekopfes und der Orientierung einer seiner Vorzugsrichtungen ist die Kenntnis seiner Winkelstellung interessant. Als Winkelstellung wird dabei die Ausrichtung des Gehäuses in Bezug auf eine Rotation um eine Rotationsachse verstanden. Beispielsweise kann es von Interesse sein, festzustellen, in welcher Rotationslage um die Längsachse des Geräts sich ein Referenzpunkt befindet, also ob das Gerät bezüglich der Rotationsachse sich beispielsweise in einer Ausgangslage oder beispielsweise in einer „Überkopf“-Lage befindet. Bei Bohrvorrichtungen wird diese Winkelstellung häufig „Rollwinkel“ genannt. Der Begriff „Rollwinkel“ wird hier stellvertretend für die vorbeschriebene Rotationslage verwendet.
Das aus DE 102 25 518 B4 bekannte Verfahren erlaubt keine Bestimmung des Rollwinkels. In der Vorrichtung gemäß DE 10 2004 058 272 A1 wird ein zweiter Magnet zusätzlich zu dem im Innern des Sendekopfes rotierenden ersten Magneten eingesetzt. Der zweite Magnet ist fest am Mantel des Sendekopfes angebracht. Der erste Magnet rotiert um eine Rotationsachse, die der Vortriebsrichtung des Geräts entspricht. Diese Vorrichtung hat jedoch zwei entscheidende Nachteile. Zum einen kann die Auswertung der Signale nur bei rotierendem Magneten erfolgen, da sonst die Signale im Gleichfeld der Umgebung untergehen. Da die Bestimmung des Rollwinkels jedoch häufig beim Stillstand des Geräts ermittelt werden muß, weist diese Vorgehensweise große Nachteile auf. Zum anderen gibt es keine Möglichkeit, die Doppeldeutigkeit des Rollwinkels zu beseitigen, also die Identität der Aussage bei zwei 180° zueinanderstehenden Rollwinkeln aufzulösen.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung des Rollwinkels eines Geräts mit einem Gehäuse vorzuschlagen, die auch beim Stillstand des Gehäuses eine zuverlässige Bestimmung des Rollwinkels erlauben.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, eine relativ zum Gehäuse des Geräts starr, an oder in dem Gehäuse angeordnete Spule vorzusehen, über die mittels einer Ansteuerelektronik ein zeitlich begrenztes Spannungsprofil erzeugt wird. Dabei wird durch die Ansteuerelektronik insbesondere eine Wechselspannung über der Spule erzeugt, deren Profil angepaßt wird. Beispielsweise kann durch die Ansteuerelektronik über die Spule ein impulsförmiges Spannungsprofil erzeugt werden, beispielsweise wenn die Ansteuerelektronik das Signal nach der ersten Halbwelle abbricht. Alternativ kann die Ansteuerelektronik beispielsweise eine gedämpfte Schwingung über die Spule erzeugen, die vorzugsweise nach kurzer Zeit abklingt. Neben diesen beispielhaft genannten Möglichkeiten ist es denkbar, auch andere, zeitlich begrenzte Spannungsprofile über die Spule zu erzeugen.
Durch das zeitlich begrenzte Spannungsprofil wird in dem das Gerät umgebenden Magnetfeld (Sendemagnetfeld) eine Charakteristik eingeprägt, die bei einer Messung und Analyse der zeitlichen Veränderung des Magnetfelds eine Aussage über den Rollwinkel des Geräts ermöglicht.
Die Spule wird derart mit Spannung beaufschlagt, dass ein Spulenende mit einem Pluspol und ein Spulenende mit einem Minuspol verbunden wird. Die Ansteuerelektronik erzeugt einen Stromfluß stets in die gleiche Richtung von dem einen Pol zu dem anderen Pol. Durch diese Maßnahme wird durch die Spule stets ein Magnetfeld erzeugt, dessen Richtung durch das Vorzeichen des durch die Sendespule fließenden elektrischen Stroms definiert ist. Dadurch hat das hiermit erzeugte Magnetfeld stets die gleiche Polarität. Dadurch hat man, ohne von außen eingreifen zu müssen, die benötigte Zusatzinformation über die Orientierung des Magnetfelds; eine Information, die bei einem Permanentmagneten oder einer mit Wechselstrom betriebenen Spulenanordnung nicht zugänglich ist. Diese gleichbleibende Polarität erlaubt nun die genaue Festlegung des Rollwinkels ohne Identität der Aussagen bei zwei um 180° verschiedenen Rollwinkeln.
Das Sendemagnetfeld wird außerhalb des Geräts, beispielsweise mittels eines Magnetfeldsensors, vorzugsweise eines dreiachsigen Magnetfeldsensors, gemessen und aus der zeitlichen Veränderung der Messergebnisse in Verbindung mit der Polarität des dazugehörigen Sendemagnetfels der Rollwinkel eindeutig bestimmt. Der Magnetfeldsensor ist vorzugsweise ortsfest in Bezug auf das sich rotatorisch und gegebenenfalls translatorisch relativ zum Magnetfeldsensor bewegende Gerät angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Spulenachse senkrecht zur Rotationsachse des Geräts ausgerichtet, wenn das Gerät beispielsweise um seine Längsachse rotierend in Richtung der Längsachse translatorisch bewegt wird. Ebenso kann auch eine schräg zur Rotationsachse angeordnete Spule vorgesehen sein. Dann läßt sich aus der senkrecht zur Vortriebsrichtung zeigenden Komponente des von der Spule erzeugten Magnetfeldes der Rollwinkel ermitteln.
In einer bevorzugten Ausführungsform erzeugt die Ansteuerelektronik über die Spule ein impulsförmiges Spannungsprofil. Dieses impulsförmige Spannungsprofil kann beispielsweise die erste Halbwelle einer Wechselspannung sein. Ebenso kann durch die Ansteuerelektronik auch auf andere Weise ein impulsförmiges Signal angelegt werden.
In einer alternativen, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform erzeugt die Ansteuerelektronik über die Spule ein Spannungsprofil nach Art einer gedämpften Schwingung, die nach einer Zeit t abklingt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ansteuerelektronik derart ausgestaltet, dass sie das Spannungsprofil mit einer Wiederholungsfrequenz f wiederholt. Es hat sich für die Auswertung des Magnetfelds zur Bestimmung des Rollwinkels des Geräts als vorteilhaft erwiesen, wenn bekannt ist, dass das Spannungsprofil mit einer festgelegten Wiederholfrequenz erzeugt wird.
Durch Fixierung der Wiederholfrequenz der Spule ist es einfach, über Frequenzfilter das Signal zur Bestimmung des Rollwinkels aus einem Hintergrund von Störsignalen und Gleichfeld zu selektieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ansteuerelektronik derart ausgestaltet, dass die Amplitude und die Länge des Impulses bzw. die Art der Dämpfung und die Abklingzeit t sowie die Wiederholfrequenz f einstellbar sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann ein zweiter Dipol verwendet werden, der in dem Gehäuse angeordnet ist und durch einen Antrieb um eine Rotationsachse mit einer Relativgeschwindigkeit OMEGA relativ zum Gehäuse rotiert werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Relativgeschwindigkeit OMEGA dabei veränderbar. Beispielsweise mit der aus DE 10 2004 058 272 A1 bekannten Vorgehensweise kann aufgrund dieses zweiten, frei rotierenden Dipols sowohl der Ort des Geräts relativ zum Magnetfeldsensor als auch eine entsprechende Vorzugsrichtung des Geräts, beispielsweise eine Längsachse des Geräts bzw. eine Vortriebsrichtung des Geräts festgestellt werden. Damit kann neben dem Rollwinkel auch die Lage und die Vorzugsrichtung bzw. die Vortriebsrichtung des Geräts bestimmt werden.
Der zweite Dipol kann insbesondere bevorzugt als Permanentmagnet ausgebildet sein, der in dem Gehäuse des Geräts rotiert wird. Alternativ kann anstelle des Permanentmagneten ein Elektromagnet vorgesehen sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Rotationsachse des zweiten Dipols senkrecht zur Spulenachse der starr an oder in dem Gehäuse angeordneten Spule, über die durch die Ansteuerelektronik das zeitlich begrenzte Spannungsprofil erzeugt wird, angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung einen extern des Geräts angeordneten Empfänger auf, der drei zeitabhängige, senkrecht zueinander stehende Magnetfeldkomponenten des Magnetfelds außerhalb des Geräts mißt. Die Auswertealgorithmen für die Bestimmung des Rollwinkels und - soweit gewünscht - die Bestimmung des Orts des Geräts (Lage) und dessen Vorzugsrichtung ist es von Vorteil, wenn diese auf Grundlage von Meßwerten aufgebaut werden, die drei senkrecht zueinander stehende Magnetfeldkomponenten des Magnetfelds außerhalb des Geräts wiedergegeben. Der Magnetfeldsensor (Empfänger) kann jedoch auch anders ausgebildet sein, auch wenn dies die Komplexität der Auswertealgorithmen erhöht.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise zur Ermittlung des Rollwinkels des Bohrkopfes einer Bohrvorrichtung, bei der der Bohrkopf ein Gehäuse aufweist, eingesetzt. Insbesondere ist der Bohrkopf ein Bohrkopf einer steuerbaren Bohranlage, insbesondere bevorzugt einer Horizontalbohranlage. Das Gerät kann ferner eine Erdrakete, Teil eines Schlagbohrgeräts, Teil einer Berst- und/oder Aufweitvorrichtung oder ein Gestänge bzw. ein Gestängeschuß sein. Bei den vorgenannten Geräten handelt es sich insbesondere bevorzugt um Geräte der grabenlosen Bohrverfahren oder der grabenlosen Rohrlegeverfahren.
Insbesondere findet das erfindungsgemäße Verfahren in einer Vorrichtung ferner Einsatz bei der Ermittlung des Rollwinkels eines Geräts bei der 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 oder der Bestrahlung von Tumorgeweben.
Insbesondere bevorzugt wird das Verfahren bei einer Vorrichtung auch zur Lokalisierung, der Bestimmung der Achsrichtung, des Rollwinkels um eine bestimmte Achse und/oder der Steuerung eines medizinischen, mikrochirurgischen oder endoskopischen Geräts eingesetzt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

1 eine erste Bauform einer Ansteuerelektronik für das erfindungsgemäße Verfahren,
2 eine zweite Bauform einer Ansteuerelektronik für das erfindungsgemäße Verfahren,
3 das Meßergebnis eines Magnetfeldsensors mit drei orthogonalen Meßrichtungen nach der Messung eines zeitlich begrenzten Spannungsprofils, wie es mit der Ansteuerelektronik gemäß 1 über eine Spule erzeugt wird und
4 das Meßergebnis eines Magnetfeldsensors mit drei orthogonalen Meßrichtungen nach der Messung eines zeitlich begrenzten Spannungsprofils, wie es mit der Ansteuerelektronik gemäß 2 über eine Spule erzeugt wird.

Die in gezeigte Ansteuerschaltung erzeugt eine gedämpfte Schwingung, während die in dargestellte Ansteuerschaltung die Schwingung nach der ersten Halbwelle abbricht, also einen Impuls erzeugt. Die gedämpfte Schwingung oder der Impuls werden mit einer geeigneten Wiederholfrequenz, beispielsweise ein Herz erzeugt.
Vorzugsweise wird der Strom durch die Sendespule von einem Ladungsspeicher (z. B. Batterie oder Kondensator) geliefert, der im Bohrkopf wiederholbar aufgeladen werden kann. Bei Erreichen einer vorgegebenen Schwellspannung wird ein Schalter geschlossen, der die Ladung (z.B. als Strom-Impuls) über die Sendespule abfließen läßt. Die Aufladung kann vorzugsweise dadurch erfolgen, dass ein Dauermagnet (z.B. durch die beim Schlagwerk-Bohrsystem übliche Bohrspülung angetrieben) in einer Induktionsspule rotiert und eine Wechselspannung erzeugt, die nach Gleichrichtung den Ladespeicher auflädt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sendespule gleichzeitig auch die Induktionsspule. In einer anderen Ausführungsform wird der Ladungsspeicher von einer externen oder im Bohrkopf befindlichen Batterie geladen. Vorzugsweise kann diese Batterie auch zum Antrieb des ebenfalls im Bohrkopf befindlichen rotierenden Dauermagneten verwendet werden.
In einer besonderen Ausführungsform wird der rotierende Dauermagnet gleichzeitig benutzt, um gemäß der aus DE 102 25 518 B4 bzw. DE 10 2004 058 272 A1 bekannten Vorgehensweise die Position sowie die Vortriebsrichtung des Bohrkopfes zu bestimmen. Das Magnetfeld der Spule überlagert sich dem Feld des rotierenden Dauermagneten. Beide können aufgrund ihrer unterschiedlichen Zeitabhängigkeit separiert und getrennt ausgewertet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist diese Sendespule mit einer zuvor beschriebenen Anordnung aus rotierendem zweiten Dipol zur Erzeugung eines permanenten Wechsel-Magnetfeldes im Gerät integriert. Die Auswertung dieses permanenten Wechsel-Magnetfeldes liefert den Ort und die Ausrichtung des Geräts. Mit dieser Kenntnis kann man aus den drei Komponenten des Magnetfeldes des Impulses oder der gedämpften Schwingung den Vektor des Spulensignals und damit ihre Orientierung bestimmen. Da man zusätzlich das Vorzeichen des zu diesem Signal zugehörigen Sendemagnetfeldes kennt, ist der Rollwinkel eindeutig gegeben.

Claims

Verfahren zur Ermittlung des Rollwinkels eines Geräts mit einem Gehäuse, bei dem - durch eine Ansteuerelektronik über einen relativ zum Gehäuse des Geräts starr, an oder in dem Gehäuse angeordneten Dipol ein Sendemagnetfeld erzeugt wird, - das Sendemagnetfeld außerhalb des Geräts mittels eines Empfängers gemessen wird und - aus der zeitlichen Veränderung der Messergebnisse in Verbindung mit der Polarität des dazugehörigen Sendemagnetfelds der Rollwinkel eindeutig bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Dipol eine mit einer Spannung beaufschlagbare Spule ist, so dass die Spulenenden mit einem Pluspol und einem Minuspol verbunden werden und durch die Ansteuerelektronik ein Stromfluss stets in die gleiche Richtung von dem einen Pol zu dem anderen Pol erzeugt wird, wobei ein zeitlich begrenztes Spannungsprofil erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Ansteuerelektronik über die Spule ein impulsförmiges Spannungsprofil erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Ansteuerelektronik über die Spule ein Spannungsprofil nach Art einer gedämpften Schwingung, die nach einer Zeit t abklingt, erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerelektronik das Spannungsprofil mit einer Wiederholungsfrequenz f wiederholt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen zweiten Dipol, der in dem Gehäuse angeordnet ist und durch einen Antrieb um eine Rotationsachse mit einer Relativgeschwindigkeit OMEGA relativ zum Gehäuse rotiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Verwenden eines rotierenden Permanentmagneten als zweiten Dipol.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse des zweiten Dipols senkrecht zur Spulenachse angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen extern des Geräts angeordneten Empfänger, durch den drei zeitabhängige, senkrecht zueinander stehende Magnetfeldkomponenten des Magnetfelds außerhalb des Geräts gemessen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rollwinkel eines Bohrkopfes einer Bohrvorrichtung, bei der der Bohrkopf ein Gehäuse aufweist, ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rollwinkel eines Geräts bei der 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 oder der Bestrahlung von Tumorgeweben ermittelt wird.