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Die Erfindung betrifft ein Magnetspulensystem für eine berührungsfreie Bewegung eines magnetischen Körpers in einem Arbeitsvolumen mit
- – einem Navigationsspulensystem, welches zumindest teilweise einen das Arbeitsvolumen enthaltenden Innenraum umschließt und mehrere Navigationsspulen umfasst und
- – einem Ortungssystem zur Bestimmung räumlicher Koordinaten des magnetischen Körpers mit zumindest einer in dem Innenraum angeordneten Sendespule und einer Empfangseinrichtung.
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Ein solches Magnetspulensystem geht beispielsweise aus der
WO2006/097423 hervor.
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Minimalinvasive diagnostische und therapeutische Verfahren haben in der modernen Medizin in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Derartige diagnostische und therapeutische Eingriffe werden typischerweise mit Hilfe von Kathetern oder Endoskopen durchgeführt. Dabei besteht in der Regel eine direkte mechanische Verbindung zwischen einem Diagnosemittel, beispielsweise einer Kamera, und der Hand des Arztes. Diagnostische Untersuchungen, insbesondere solche an inneren Hohlorganen des menschlichen Körpers, z. B. dem Gastrointestinaltrakt, können mit derartigen Methoden durchgeführt werden. Typische Diagnoseverfahren sind die Gastroskopie und die Koloskopie. Im Rahmen solcher Untersuchungen werden typischerweise Foto- und/oder Videosequenzen des betreffenden Hohlorgans aufgenommen, Gewebs- und/oder Flüssigkeitsproben entnommen oder lokal Medikamente verabreicht.
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Für derartige diagnostische oder therapeutische Eingriffe bzw. Untersuchung kann insbesondere eine in einem magnetischen Feld navigierbare Kapsel, ein so genanntes Kapselendoskop eingesetzt werden.
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Eine Anlage mit der ein derartiges Kapselendoskop navigiert werden kann geht beispielsweise aus der
WO 03/028224 A2 hervor. Diese Anlage verfügt über ein Magnetspulensystem zur Navigation einer mit einer Videokamera ausgestatteten, verschluckbaren Kapsel, dem so genannten Kapselendoskop. Dieses kann gemäß der
WO 03/028224 A2 berührungsfrei, also unter Verzicht weiterer mechanischer Führungsmittel in einem Arbeitsvolumen navigiert werden. Unter einer berührungsfreien Navigation ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass das Kapselendoskop an sich ohne weitere mechanische Hilfsmittel, beispielsweise einem Katheterschlauch, navigiert werden kann. Das Kapselendoskop befindet sich jedoch in der Regel in Kontakt mit dem es umgebenden Hohlorgan. Der Begriff berührungsfrei ist also lediglich hinsichtlich der Navigation des Kapselendoskops und nicht bezüglich weiterer möglicherweise mit dem Kapselendoskop in Kontakt stehender Teile, beispielsweise der Innenwand eines Hohlorgans, zu verstehen.
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Neben der berührungsfreien Navigation des Kapselendoskops sieht die in
WO 03/028224 A2 offenbarte Anlage zusätzlich die Möglichkeit zur Positionsbestimmung des Kapselendoskops vor. Hierzu umfasst die Anlage Sende- und Empfängerspulen, mit denen Signale zu dem Kapselendoskop gesendet bzw. von diesem empfangen werden können.
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Die
DE 101 40 253 C1 offenbart eine weitere Anlage, welche es erlaubt, ein Kapselendoskop in einem so genannten Helikoptermodus über eine 6D-Maus zu steuern. Das Kapselendoskop kann weiterhin mit Sensoren zur Detektion von auf es einwirkenden mechanischen Kräften ausgestattet sein. Derartige Kräfte können über die 6D-Maus an den Benutzer rückgemeldet werden. Einzelheiten zur Realisierung des Navigationsspulensystems und zum Betrieb der einzelnen Navigationsspulen und Elemente der Kapselendoskopie-Anlage sind in der vorgenannten Schrift nicht näher erläutert.
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Typische Magnetspulensysteme zur Navigation eines Kapselendoskops sind weiterhin beispielsweise in der
DE 103 40 925 B3 oder auch in der
DE 10 2005 010 489 A1 offenbart. Derartige Navigationsspulensysteme umfassen typischerweise ein System aus acht bis vierzehn einzeln ansteuerbaren Navigationsspulen.
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Für den erfolgreichen Einsatz eines Kapselendoskops ist, zum einen ein Magnetfeld zur Steuerung des Kapselendoskops, und zum anderen eine Positionsbestimmung des Kapselendoskops notwendig. Unter einer Positionsbestimmung ist in diesem Zusammenhang die Bestimmung der räumlichen Lage des Kapselendoskops, beispielsweise in einem kartesischen Koordinatensystem, sowie die Bestimmung der Orientierung des Kapselendoskops in dem entsprechenden Arbeitsvolumen zu verstehen. Die Orientierungsbestimmung kann für alle drei oder weniger Achsen des Kapselendoskops erfolgen.
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Zur magnetischen Steuerung eines Kapselendoskops sind typischerweise magnetische Feldstärken von bis zu 100 mT sowie Magnetfeldgradienten von bis zu 400 mT/m notwendig. Die Werte der Feldgradienten liegen ungefähr um einen Faktor 10 über den typischen Werten für Magnetresonanztomographieanlagen. Im Vergleich zwischen einem Magnetspulensystem zur Navigation eines Kapselendoskops und einem Magnetspulensystem einer Magnetresonanztomographieanlage ergibt sich für das erstgenannte Navigationsspulensystem ein erhöhter Bedarf für die Kühlung der Navigationsspulen.
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Die Ortung des Kapselendoskops erfolgt, wie auch seine Steuerung, mit Hilfe magnetischer Felder. Zu diesem Zweck befinden sich Sendespulen in einem von den Navigationsspulen umschlossenen Innenraum, welche ein elektromagnetisches Wechselfeld an das Kapselendoskop senden.
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Das Navigationsspulensystem einer Anlage zur Steuerung eines Kapselendoskops wird typischerweise in einem Frequenzbereich unterhalb von 20 Hz betrieben. Das Ortungssystem, also die Sendespule bzw. die Sendespulen werden hingegen typischerweise in einem Frequenzbereich zwischen 500 Hz und 100 kHz betrieben. Eine Ortung des Kapselendoskops mit Hilfe von Frequenzen in dem zuvor genannten Bereich weist die folgenden Vorteile auf. Zum einen kann in dem angegebenen Frequenzbereich eine hohe Messwiederholrate und somit eine schnelle Ortung des Kapselendoskops realisiert werden, zum anderen ist der menschliche Körper in dem angegebenen Frequenzbereich im Wesentlichen elektromagnetisch homogen. Effekte, die durch unterschiedliche Dielektrizitäten einzelner Organe eines menschlichen Körpers eine Auswirkung auf Streuung und/oder Phasenverschiebung von elektromagnetischen Wellen haben können, sind in dem zuvor genannten Frequenzbereich zu vernachlässigen.
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Die Frequenzbereiche des Navigationsspulensystems und des Ortungssystems sollten weiterhin einen gewissen Frequenzabstand voneinander aufweisen, um die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) der beiden Systeme zu gewährleisten.
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Ein Magnetspulensystem, welches zur drahtlosen bzw. berührungslosen Bewegung eines magnetischen Körpers in einem Arbeitsraum geeignet sein soll, sollte zur Erzeugung hoher magnetischer Feldstärken geeignet sein. Ein Navigationsspulensystem sollte daher ebenfalls über ein leistungsfähiges Kühlsystem verfügen.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt zur Kühlung von Spulen Kühlplatten aus Metall, vorzugsweise aus Kupfer, an den Außenflächen der Spulen bzw. zwischen einzelnen Wicklungslagen der Spulen anzubringen.
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In einem Kapselendoskopie-System ist, wie bereits erwähnt, neben der Erzeugung hoher Feldstärken die Positionsbestimmung des Kapselendoskops von Bedeutung. Die Positionsbestimmung des Kapselendoskops in dem von den Navigationsspulen umschlossenen Raum erfolgt typischerweise mittels in diesem Raum angebrachter Sendespulen, die mit Wechselstrom betrieben werden. Werden für ein Kühlsystem, wie zuvor erwähnt, großflächig an den Außenflächen der Navigationsspulen angebrachte Metall bzw. Kupferplatten verwendet, so werden in diesen Metallplatten durch die Sendespule/n Wirbelströme induziert. Die in den Metallplatten durch die Sendespule induzierten Wirbelstürme führen zu einer Verfälschung des von der bzw. den Sendespule/n emittierten Feldes, und somit zu Übertragungsfehlern im Ortungssystem der Kapselendoskopieanlage.
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Eine aus dem Stand der Technik bekannte Lösung zur Kühlung von Magnetspulen mittels großflächig an diesen angebrachten Kühlplatten, erscheint für ein Navigationsspulensystem einer Kapselendoskopieanlage, welche ein Ortungssystem aufweist, ungeeignet.
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Eine weitere aus dem Stand der Technik bekannte Möglichkeit zur Kühlung einer Spule besteht darin, die Spule vollständig aus Hohlleitern zu wickeln, welche von einem Kühlmedium durchströmbar sind. Die Spule ist somit direkt kühlbar.
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Zur Kühlung einer Navigationsspule eines Kapselendoskopiesystems, welche vollständig aus Hohlleitern gewickelt ist, ist ein spezielles Kühlmedium notwendig. Typischerweise kann zu diesem Zweck deionisiertes Wasser verwendet werden. Die Kühlung einer Navigationsspule, welche vollständig aus Hohlleitern gewickelt ist, weist weiterhin die folgenden technischen Probleme auf.
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Im Querschnitt betrachtet nimmt der Kühlkanal, welcher sich im Inneren des Hohlleiters befindet, einen erheblichen Teil der Querschnittsfläche ein. Aus diesem Grund verschlechtert sich der Füllgrad der gesamten Navigationsspule. Unter dem Füllgrad ist in diesem Zusammenhang der Quotient aus dem Querschnitt der stromtragenden Leiter und dem Gesamtquerschnitt der Navigationsspule zu verstehen. Soll der Füllgrad der Navigationsspule erhöht werden kann der Durchmesser des Kühlkanals klein gewählt werden. Um eine gewünschte Amperewindungszahl zu erreichen muss die Navigationsspule eine große Zahl von Windungen aufweisen. Für eine große Anzahl von Windungen ist wiederum ein entsprechend langer Hohlleiter notwendig. Über die Länge des Hohlleiters findet wiederum ein erheblicher Druckabfall des Kühlmediums statt. Wird der Kühlkanal entsprechend vergrößert, führt dies zu einer Navigationsspule mit einem großen Volumen und schlechtem Füllgrad. Wird die Magnetspule mit einer geringen Windungsanzahl realisiert, so ist zur Erreichung einer gewünschten Amperewindungszahl ein entsprechend hoher Strom notwendig. Dies führt wiederum zu einem hohen technischen Aufwand zur Erzeugung dieser hohen Ströme.
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Eine weitere allgemein aus dem Stand der Technik bekannte Möglichkeit zur Kühlung einer Spule besteht darin, zwischen den Leitern oder Wicklungen einer Spule ein nicht leitendes Material, beispielsweise einen Kunststoff, in Form von Kühlwasserkanälen zu platzieren.
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Typischerweise wird das Kühlmedium in einer solchen Kühlanlage mit einem Druck von mehreren Bar durch die Kühlleitungen gepresst wird. Im Inneren einer Navigationsspule können leicht Temperaturen von über 100°C erreicht werden. Außerdem treten bei der Erzeugung hoher magnetischer Felder zwischen den einzelnen Leitern der Navigationsspulenwicklungen nicht zu vernachlässigende Lorenzkräfte auf. Diese können dazu führen, dass selbst bei hinreichend mechanisch stabilem Aufbau der Navigationsspule einzelne Leiter oder Wicklungslagen gegeneinander mechanisch verschoben werden. Erfolgt eine solche mechanische Verschiebung an einem Ort, an dem ein aus Kunststoff hergestellter Kühlkanal in die Wicklung eingezogen ist, so erfolgt die mechanische Verschiebung typischerweise über das Kunststoffbauteil, welches somit enormen Scherkräften ausgesetzt ist. Offensichtlich ist sowohl aus mechanischen Gründen wie auch hinsichtlich der auftretenden Betriebstemperatur der Einsatz eines solchen Kühlsystems unter Verwendung derzeit verfügbarer, handelsüblicher Kunststoffe in einem Navigationsspulensystem für eine Kapselendoskopieanlage aus Gründen der Zuverlässigkeit nicht ratsam.
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Die
DE 103 41 092 A1 offenbart eine Anlage zu einer berührungsfreien Bewegung und/oder Fixierung eines magnetischen Körpers in einem drei-dimensionalen Arbeitsraum, der von in einem rechtwinkligen x, y, z-Koordinatensystem aufgespannten Flächen umgeben ist, unter Verwendung eines den Arbeitsraum umgebenden Magnetspulensystems. Die Anlage umfasst Mittel zur Detektion der Ist-Position des magnetischen Körpers in dem Arbeitsvolumen. Ferner ist eine Kühlung vorgesehen.
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Die
DE 198 35 414 A1 offenbart eine Gradientenspule für MR-Anlagen mit einer indirekten Kühlung durch in die Spule eingebettete, von einem Kühlmittel durchströmte Kühlleitungen.
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Die
WO 2005/045454 A1 offenbart ein MR-System mit einem Gradientenspulensystem mit einer inneren und einer äußeren Spulenanordnung. Die beiden Spulenanordnungen sind mit einem zylinderförmigen Körper verbunden, der in axialer Richtung verlaufende Stangen aufweist. Die Stangen können einen von Kühlflüssigkeit durchströmten Kanal aufweisen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kühlsystem für das Navigationsspulensystem einer Kapselendoskopieanlage anzugeben, wobei zumindest eine Sendespule eines Ortungssystems in einem von dem Navigationsspulensystem umgebenen Innenraum angeordnet sein soll. Das erfindungsgemäße Kühlsystem soll gegenüber dem Stand der Technik verbessert sein. Insbesondere soll das Kühlsystem dahingehend verbessert sein, dass die Induktion von Wirbelströmen in Teilen des Kühlsystems, bedingt durch das Navigationsspulensystem, verringert ist.
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Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Der vorliegenden Erfindung liegt dabei die Überlegung zugrunde, eine flächenhafte Wärmesenke derart auszubilden, dass diese elektrisch voneinander isolierte Abschnitte aufweist, so dass sich keine großflächige geschlossene elektrisch leitfähige Fläche ergibt. Die Fläche der Wärmesenke wird somit elektrisch unterbrochen, die für die Induktion von Wirbelströmen zur Verfügung stehende Fläche kann somit minimiert werden.
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Erfindungsgemäß wird ein Magnetspulensystem für eine berührungsfreie Bewegung eines magnetischen Körpers in einem Arbeitsvolumen angegeben, welches zumindest ein Navigationsspulensystem aufweist, welches zumindest teilweise einen Innenraum umschließt, der ein Arbeitsvolumen enthält. Das Navigationsspulensystem soll weiterhin mehrere Navigationsspulen umfassen. Weiterhin weist das Magnetspulensystem ein Ortungssystem zur Bestimmung räumlicher Koordinaten des magnetischen Körpers mit zumindest einer in dem Innenraum angeordneten Sendespule und einer Empfangseinrichtung auf. Das Magnetspulensystem weist weiterhin ein Kühlsystem zur Kühlung zumindest einer der Navigationsspulen auf, welche mehrere Wicklungslagen aufweist. Das Kühlsystem zur Kühlung der zumindest einen Navigationsspule weist weiterhin zumindest eine Wärmesenke auf.
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Erfindungsgemäß steht die zumindest eine Wärmesenke großflächig mit der Navigationsspule in thermischem Kontakt. Die Wärmesenke soll aus Kühlrohrteilen bestehen, die aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet sind. Im Querschnitt betrachtet soll die Wärmesenke aus einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Kühlkanälen bestehen. Zur elektrischen Isolierung der Kühlrohrteile untereinander sind zwischen diesen Isolationsmittel vorhanden. Eine erste Wärmesenke des Kühlsystems soll flächenhaft ausgebildet und mit der Navigationsspule auf ihrer dem Innenraum abgewandten Außenseite verbunden sein. Eine zweite flächenhafte Wärmesenke des Kühlsystems soll zwischen zwei benachbarten Wicklungslagen der Navigationsspule angeordnet sein.
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Erfindungsgemäß wird ein Magnetspulensystem angegeben, das ein besonders effektives Kühlsystem aufweist. Wobei das Kühlsystems, bedingt durch den Aufbau der ersten flächenhaften Wärmesenke, hinsichtlich der Induktion von Wirbelströmen in Teilen des Kühlsystems, insbesondere durch Sendespulen eines im Innenraum des Navigationsspulensystems angeordneten Ortungssystems, gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist. Durch die Verwendung einer zweiten flächenhaften Wärmesenke zur Kühlung zumindest einer Navigationsspule kann eine effektive Kühlung der Navigationsspulen angegeben werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß kann das Magnetspulensystem nach der Erfindung zusätzlich noch die folgenden Merkmale aufweisen:
- – Die zweite Wärmesenke kann derart innerhalb der Wicklung der Navigationsspule angeordnet sein, dass sich im Betriebsfall der Navigationsspule, im Querschnitt der Wicklung betrachtet, zu beiden Seiten der zweiten Wärmesenke in etwa gleichgroße Temperaturmaxima einstellen. Die Wärmeabfuhr aus der Navigationsspule erfolgt, lässt man die Wirkung der zweiten Wärmesenke zunächst außer Acht, über die Außenseite der Navigationsspule. Die zweite Wärmesenke wird nun derart im Inneren der Navigationsspule positioniert, dass sich zu beiden Seiten der zweiten Wärmesenke innerhalb der Navigationsspule in etwa gleichgroße Temperaturmaxima ausbilden. Auf diese Weise kann eine lokale Überhitzung der Navigationsspule vermieden werden.
- – Die einzelnen Leiter der Navigationsspule können im Wesentlichen senkrecht zu einer durch die erste Wärmesenke definierten Ebene eine größere räumliche Ausdehnung aufweisen als im Wesentlichen parallel zu dieser Ebene. Die einzelnen Leiter weisen also einen asymmetrischen Querschnitt auf. Typischerweise sind, wie aus dem Stand der Technik bekannt, die einzelnen Leiter einer Spule untereinander elektrisch isoliert, dies kann beispielsweise mit einem Lack erfolgen. Die elektrische Isolation stellt einen thermischen Widerstand dar. Infolge der asymmetrischen Ausgestaltung der einzelnen Leiter der Navigationsspule, steht einem Wärmestrom in Richtung der ersten Wärmesenke eine geringere Anzahl von Wärmewiderständen entgegen, als dies in eine Richtung parallel zu der Oberfläche der ersten Wärmesenke der Fall ist. Eine Ausgestaltung der Navigationsspule mit Leitern, die einen asymmetrischen Querschnitt aufweisen, führt also zu einer anisotropen Wärmeleitfähigkeit der Navigationsspule. Da die Wärmeleitfähigkeit in Richtung der Wärmesenke höher ist als in eine Richtung parallel zu der Oberfläche der Wärmesenke, verbessert die anisotrope Wärmetransporteigenschaft der Wicklung den Wärmeabtransport aus dem Inneren der Navigationsspule.
- – Die Leiter können einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Leitern mit einem rechteckigen Querschnitt führen zu einer besonders einfache, leicht zu fertigenden Navigationsspule mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit.
- – Die Kühlrohrteile können mit einer elektrischen Isolierung ummantelt sein. Zur Verbesserung der elektrischen Isolation der Kühlrohrteile untereinander, wie auch zwischen der Wicklung der Navigationsspule und den Kühlrohrteilen, können die einzelnen Kühlrohrteile vollständig mit einer elektrischen Isolierung ummantelt sein.
- – Die elektrische Isolierung kann ein harzgetränktes oder kunstharzgetränktes Glasfaserband umfassen. Insbesondere können die Kühlrohrteile mit einem solchen getränkten Glasfaserband umwickelt sein. Ein harzgetränktes oder kunstharzgetränktes Glasfaserband weist gute Isoliereigenschaften bei gleichzeitig hoher mechanischer Belastbarkeit auf, und ist daher besonders für die Isolierung von Kühlrohrteilen in einem Magnetspulensystem geeignet.
- – Das Material der elektrischen Isolierung kann zumindest teilweise aus einem Glasfaserverbundkunststoff oder aus Kapton bestehen. Glasfaserverbundkunststoffe oder Kapton weisen gute Isoliereigenschaften auf und sind daher zur Verwendung in einem Magnetspulensystem, insbesondere zur elektrischen Isolierung der Kühlrohrteile besonders geeignet.
- – Die Kühlrohrteile können aus Kupfer bestehen. Kupfer weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Mit Kühlrohrteilen aus Kupfer kann somit eine besonders einfache und effektive Ausgestaltung des Kühlsystems angeben werden. Weiterhin weist Kupfer den Vorteil auf, dass es besonders einfach zu verarbeiten ist.
- – Eine Nutzfrequenz des von dem Navigationsspulensystem generierten Feldes kann unterhalb einer Frequenz von 20 Hz liegen, die Sendespule kann ein Positionsmessfeld mit einer Frequenz zwischen 100 Hz und 100 kHz, vorzugsweise mit einer Frequenz zwischen 500 Hz und 100 kHz, generieren. Um die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) des Navigationssystems mit dem Positionsmesssystem zu gewährleisten, sollen sich die angegebenen Frequenzbereiche nicht überlappen, bzw. einen geeigneten Frequenzabstand voneinander aufweisen.
- – Das Navigationsspulensystem kann 8 bis 14 einzeln ansteuerbare Navigationsspulen umfassen. Ein Navigationsspulensystem aus acht Einzelspulen gibt ein minimales System für eine dreidimensionale Navigation einer magnetischen Kapsel im Innenraum des Navigationsspulensystems an. Das Navigationsspulensystem kann durch Einfügen weiterer Navigationsspulen auf bis zu 14 einzelnen ansteuerbare Navigationsspulen erweitert werden. Eine effektive und einfache Kühlung eines derartigen komplexen Navigationsspulensystems ist besonders vorteilhaft.
- – Der magnetische Körper kann Teil einer Kapsel zur magnetischen Endoskopie sein. Für die magnetische Endoskopie werden zeitlich veränderliche, hohe magnetische Feldstärken und Feldgradienten benötigt. Eine effektive Kühlung ist für ein solches System besonders vorteilhaft.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Ansprüchen sowie insbesondere aus der nachfolgend erläuterten Zeichnung hervor. In der Zeichnung sind bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems in schematisierter Darstellung angeordnet. Dabei zeigt deren
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1 eine Perspektivansicht eines Magnetspulensystems,
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2 einen Schnitt durch das Magnetspulensystem gemäß 1 und
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3, 4, 5 Querschnitte von Magnetspulen gemäß einem in 2 gezeigten Schnitt.
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Sich in den Figuren entsprechende Teile sind jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Nicht näher ausgeführte Teile sind allgemeiner Stand der Technik.
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1 zeigt, in schematisierter Darstellung, ein Magnetspulensystem
100, welches aus 14 Einzelspulen
101,
102 bestehen kann. Das in
1 dargestellte Magnetspulensystem
100 kann insbesondere eine wenigstens annähernd hohlzylinderförmige Gestalt aufweisen. Seine Einzelspulen
101,
102 liegen dabei zumindest größtenteils auf wenigstens zwei sich konzentrisch umschließenden Zylindermantelflächen. Die innere Zylindermantelfläche umschließt einen dreidimensional ausgeprägten Innenraum A. Dieser Innenraum A ist zumindest von einer der Stirnseiten des Magnetspulensystems
100 zugänglich. Vorzugsweise sind die Spulen
101,
102 als Ring- bzw. Sattelspulen ausgebildet. Das Spulensystem
100 umfasst sechs Feldkomponentenspulen
101 sowie acht Feldgradientenspulen bzw. Gradientenspulen
102. Feldkomponentenspulen
101 und Gradientenspulen
102 werden allgemein als Navigationsspulen bezeichnet. Einzelheiten zu einem Magnetspulensystem
100, wie es
1 zeigt, sind beispielsweise der
DE 10 2005 010 489 A1 zu entnehmen.
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2 zeigt einen Querschnitt durch ein Magnetspulensystem 100 gemäß 1. Dargestellt sind vier der insgesamt sechs in 1 gezeigten Feldspulen 101, welche auf der äußeren Zylindermantelfläche angeordnet sind. Weiterhin zeigt 2 den Querschnitt von vier der insgesamt acht in 1 dargestellten Feldgradientenspulen 102, welche auf der inneren Zylinderfläche angeordnet sind. Die Nutzfrequenz eines Magnetspulensystems 100, wie es in 1 bzw. 2 gezeigt, liegt typischerweise unterhalb von 20 Hz, vorzugsweise unterhalb von 100 Hz.
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2 zeigt weiterhin einen Schnitt durch den Innenraum A, welcher von dem Magnetspulensystem 100 umschlossen wird. Der Innenraum A umfasst einen Arbeitsraum B, in welchem sich ein Kapselendoskop 201 befindet. Dieses Kapselendoskop 201 ist innerhalb des Arbeitsraumes B magnetisch navigierbar. Dieses Kapselendoskop 201 kann einen Permanentmagneten enthalten, welcher ein magnetisches Moment aufweist, das im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Kapselendoskops 201 orientiert ist. Das magnetische Moment des innerhalb des Kapselendoskops 201 angeordneten Permanentmagneten erfährt in Wechselwirkung mit dem von dem Magnetspulensystem 100 erzeugten Grundfeld ein Drehmoment. In Wechselwirkung mit dem von dem Magnetspulensystem 100 erzeugten Gradientenfeld erfährt das Kapselendoskop 201 eine Kraft. Auf diese Weise ist das Kapselendoskop 201 in dem Arbeitsraum B navigierbar.
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Das Kapselendoskop 201 kann insbesondere in einem Körperkanal, z. B. dem Darm eines Lebewesens, insbesondere eines Menschen, navigiert werden. Das Kapselendoskop 201 kann weiterhin Werkzeuge oder Sensoren aufweisen. Es kann zu therapeutischen oder diagnostischen Zwecken im Inneren eines Körpers oder Hohlorganes des menschlichen Körpers eingesetzt werden. Insbesondere kann das Kapselendoskop 201 mit einer Videokamera oder anderen bildgebenden Sensoren ausgerüstet sein, so dass beispielsweise während einer Gastroskopie oder Koloskopie Aufnahmen aus dem Inneren des Hohlorganes aufgenommen werden können. Das Kapselendoskop 201 kann weiterhin zur Probenentnahme, beispielsweise einer Gewebsentnahme oder einer Flüssigkeitsentnahme innerhalb des Hohlorganes geeignet sein. Therapeutische Maßnahmen, welche mit einem Kapselendoskop 201 durchgeführt werden können, sind beispielsweise eine lokale Medikamentennahme oder die Stillung lokaler geringer Blutungen, beispielsweise durch Veröden, der betreffenden Stelle des Hohlorganes.
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Weiterhin kann mit Hilfe eines Magnetspulensystems 100 ein bewegliches Ende beispielsweise eines Endoskops navigiert werden. Ein derart ausgebildetes Ende eines Endoskops kann die gleich Funktionalität wie ein Kapselendoskop 201 aufweisen.
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Zur Positionsbestimmung des Kapselendoskops 201 in dem Arbeitsvolumen B verfügt das Magnetspulensystem 100 zusätzlich über ein Ortungssystem, welches zumindest aus einer Sendespule 301 und einer Empfangsvorrichtung 302 besteht. Wird das Magnetspulensystem 100 zur Navigation eines beweglichen Endes eines Endoskops verwendet, so kann die Positionsbestimmung des Endes derart erfolgen, dass die von der Sendespule 301 empfangenen Signale drahtgebunden, beispielsweise über einen Katheter an eine außerhalb des untersuchten Körpers vorhandene Auswerteeinheit übertragen werden. In diesem Fall befindet sich die Empfangseinheit nicht innerhalb des Innenraumes A, sondern an einem Ort außerhalb.
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3 zeigt beispielhaft einen Schnitt durch eine Gradientenspule 102 des Magnetspulensystems 100. Dargestellt ist die Wicklung der Spule, welche aus einzelnen Leitern 303 besteht, welche vorzugsweise mit einem elektrisch isolierenden Lack versehen sein können, und in einzelnen Wickellagen 304 angeordnet sind. In Richtung des Innenraums B wird die Wicklung der Gradientenspule 102 von einem Halterohr 311 begrenzt. Das Halterohr 311 kann vorzugsweise aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff bestehen. Das Halterohr weist typischerweise eine Wandstärke von 5 mm auf. Die Innenseite des Halterohres 311 wird von einem Kühlmantel 305 begrenzt. Der Kühlmantel 305 weist typischerweise eine Stärke im Bereich von 8 mm bis 10 mm auf. Der Kühlmantel 305 kann von Kühlschläuchen bzw. Kühlschlauchteilen 306 durchzogen sein. Diese Kühlschlauchteile 306 können vorzugsweise aus Kunststoff bestehen.
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Auf der Innenseite des Kühlmantels 305 befindet sich zumindest eine Sendespule 301 und eine Empfangseinrichtung 302 eines Ortungssystems zur Positionsbestimmung des Kapselendoskops 201. Diese Sendespule 301 des Ortungssystems arbeitet typischerweise in einem Frequenzbereich zwischen 100 Hz und 100 kHz, vorzugsweise mit einer Frequenz zwischen 500 Hz und 100 kHz. Die Sendespule 301 des Ortungssystems kann sich insbesondere zumindest über die komplette axiale Länge des Innenraums A bzw. des Arbeitsvolumens B, welche von dem Navigationsspulen 100 umschlossen werden, erstrecken. Eine derartige Sendespule 301 weist in radialer Richtung typischerweise eine Ausdehnung von 2 mm auf.
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Die Gradientenspule 102 ist mit einem Kühlsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel versehen. Eine erste flächenhafte Wärmesenke 307 befindet sich im Inneren der Spule 102 zwischen zwei benachbarten Wicklungslagen 304. Diese erste flächenhafte Wärmesenke 307 befindet sich in innigem thermischen Kontakt mit der Wicklung bzw. den an die anschließenden Wicklungslagen 304.
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Die erste Wärmesenke 307 bestehen aus nebeneinander angeordneten Kühlrohrteilen 309 mit einem Kühlkanal 312. Zwischen den Kühlrohrteilen 309 befindet sich jeweils eine Isolierung 310. Die Kühlrohrteile 309 können aus einem elektrisch leitenden Material wie beispielsweise Kupfer bestehen. Die Kühlrohrteile 309 können aber auch aus einem anderen thermisch gut leitfähigen Material bestehen. Die Isolierung 310 kann vorzugsweise aus Kunststoff, einem harzgetränkten oder kunstharzgetränkten Glasfaserband bzw. aus einem Glasfaserverbundkunststoff bestehen. Weiterhin können als Material für die Isolierung Kapton oder einem andere geeignete und elektrisch isolierende Werkstoffe verwendet werden. Die Isolierung 310 kann, wie in 3 gezeigt, sich zwischen den einzelnen Kühlrohrteilen 309 in der Ebene der Wärmesenke 307 erstrecken. Die Isolierung 310 kann ebenfalls ein Kühlrohrteil 309 vollständig umschließen und auf diese Weise die Kühlrohrteile 309 nicht nur untereinander, sondern auch gegenüber den einzelnen Leitern 303 der benachbarten Wicklung bzw. der Wicklungslage 304 isolieren.
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Die Kühlrohrteile 309 können Teile eines Kühlrohres sein, welches gemeinsam mit den Windungen in die Gradientenspule 102 eingelegt ist. Weiterhin können die Kühlrohrteile 309 mäanderförmig innerhalb der Wicklung der Gradientenspule 102 verlegt sein. Die Kühlrohrteile 309 können ebenfalls mit einem gemeinsamen Versorgungskanal ein in etwa harfenförmiges Bauteil bilden; die Kühlrohrteile 309 werden in diesem Fall ausgehend von dem gemeinsamen Versorgungskanal von einem geeigneten Kühlmittel durchströmt. Mit Hilfe einer Ausgestaltung der ersten Wärmesenke 307, wie sie 3 zeigt, kann die Induktion von Wirbelströmen, insbesondere ausgehend von der Sendespule 301 in der ersten Wärmesenken 307 weitgehend vermieden werden. Auf diese Weise kann eine Störung des Ortungssystems, insbesondere der von der Sendespule 301 ausgehenden Signale, weitgehend vermieden werden.
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4 zeigt einen Querschnitt durch eine Gradientenspule 102 mit einem Kühlsystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Bei dem in 4 gezeigten Kühlsystem befindet sich die erste Wärmesenke 307 an der dem Innenraum A abgewandten Außenseite der Gradientenspule 102. Das von der Sendespule 301 ausgehende Feld nimmt mit zunehmendem Abstand von der Sendespule 301 ab. Je weiter sich eine Wärmesenke, in dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel die erste Wärmesenke 307, von der Sendespule 301 entfernt befindet, desto geringer sind die von der Sendespule 301 in Teilen der ersten Wärmesenke 307 induzierten Wirbelströme. Aus diesem Grund kann die erste Wärmesenke 307 auf der Außenseite der Navigationsspule 102 angeordnet sein.
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5 zeigt den Querschnitt durch eine Gradientenspule 102 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Das Kühlsystem weist eine zweite Wärmesenke 308 auf, welche sich im Inneren der Gradientenspule 102 zwischen zwei benachbarten Wicklungslagen 304 befindet. Diese zweite Wärmesenke 308 befindet sich in innigem thermischem Kontakt mit der Wicklung der Gradientenspule 102 bzw. mit denen an sie anschließenden Wicklungslagen 304.
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Die zweite Wärmesenke 308 kann bevorzugt derart innerhalb der Wicklung der Gradientenspule 102 angeordnet sein, dass zu beiden Seiten der zweiten Wärmesenke 308 innerhalb der Wicklung der Gradientenspule 102 sich in etwa gleich große Temperaturmaxima im Betrieb der Gradientenspule 102 einstellen.
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Für die folgende Betrachtung sei zunächst die Wirkung der zweiten Wärmesenke 308 außer Betracht gelassen. Die in der Wicklung anfallende Wärme wird vorzugsweise über die erste Wärmesenke 307 abgeführt, welche sich an der Außenseite der Spule 102 befindet. Weiterhin kann Wärme über den Kühlmantel 305 in Richtung der Innenseite der Wicklung abgeführt werden. Da sich auf der Innenseite der Wicklung ein Halterohr 311 befindet, welches typischerweise aus einem schlecht Wärmeleitenden Material z. B. einem glasfaserverstärkten Kunststoff besteht gefertigt ist, wird der größere Teil der Wärme über die erste Wärmesenke 307 abgeführt. Die zweite Wärmesenke 308 kann nun derart innerhalb der Wicklung angeordnet werden, dass sich zu beiden Seiten der zweiten Wärmesenke 308 innerhalb der Wicklung in etwa gleichgroße Temperaturmaxima einstellen. Die Temperaturmaxima können in etwa 20% voneinander abweichende Werte annehmen, sie werden auch in diesem Fall noch als in etwa gleich groß angesehen. Bedingt durch den hohen Wärmewiderstand des Halterohres 311 und die entsprechend geringe Wärmeabfuhr in Richtung des Kühlmantels 305 wird die zweite Wärmesenke 308 innerhalb der Wicklung der Gradientenspule 102 geringfügig in Richtung der Innenseite verschoben, zu Liegen kommen.
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Die einzelnen Leiter 303 der Wicklung der Gradientenspule 102 weisen in einer Richtung senkrecht zu einer durch die erste Wärmesenke 307 definierten Ebene eine größere Ausdehnung als parallel zu dieser Ebene auf. Durch eine derartige Ausgestaltung erhält die Wicklung der Gradientenspule 102 eine anisotrope Wärmeleitfähigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit wird in Richtung der ausgedehnten Seite der einzelnen Leiter 303 größer ausfallen als senkrecht dazu. Die einzelnen Leiter 303 der Wicklung können mittels eines Lackes elektrisch untereinander elektrisch isoliert sein. Elektrisch isolierender Lack weist typischerweise einen hohen thermischen Widerstand auf. Da sich in einer Richtung senkrecht zu der durch die erste Wärmesenke 307 definierten Ebene eine geringere Anzahl von durch den Isolierlack dargestellten Wärmewiderständen befindet als in einer dazu senkrechten Richtung, wird die Wärmeabfuhr bevorzugt in eine Richtung senkrecht zu der durch die erste Wärmesenke 307 definierten Ebene erfolgen. Wärmewiderstände können weiterhin durch zwischen den Leitern 303 vorhandene Spalte, wie beispielsweise Luftspalte, entstehen. Auch im Hinblick auf eventuell vorhandene Spalte gelten die oben genannten Betrachtungen hinsichtlich der anisotropen Wärmeleitfähigkeit der Gradientenspule 102. Die im Zusammenhang mit den 3 bis 5 hinsichtlich der Gradientenspule 102 gemachten Ausführungen treffen ebenso auf weitere Spulen, insbesondere Navigationsspulen, des Magnetspulensystems 100 zu. Insbesondere sind die in Bezug auf die Gradientenspule 102 gemachten Ausführungen ebenso für eine Feldkomponentenspule 101 zutreffend.
