DE102018126909B4

DE102018126909B4 - Energiesammler zur Gewinnung elektrischer Energie bei zeitlich veränderbaren Magnetfeldern

Info

Publication number: DE102018126909B4
Application number: DE102018126909.9A
Authority: DE
Inventors: Daniel Hoffmann; Enrico Pannicke
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV; Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV; Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 2018-10-29
Filing date: 2018-10-29
Publication date: 2023-07-27
Anticipated expiration: 2038-10-30
Also published as: WO2020070125A1; DE102018126909A1

Abstract

System umfassendi. einen Magnetresonanztomographen, wobei der Magnetresonanztomograph dazu eingerichtet ist, während einer Magnetresonanztomographie ein statisches Magnetfeld, ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld und/oder ein Hochfrequenzmagnetfeld zu erzeugen undii. einen Energiesammler (1) zur Gewinnung elektrischer Energie bei zeitlich veränderbaren Magnetfelder während der Magnetresonanztomographie umfassenda. ein Koppelelement (3) für ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeldb. ein Gehäuse (11) undc. einen elektromechanischen Wandler (5) dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (3) aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt ist und über den elektromechanischen Wandler (5) mit dem Gehäuse (11) schwingfähig verbunden ist, wobei das Koppelelement dazu eingerichtet ist, dass während der Magnetresonanztomographie ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld Wirbelströme in dessen Oberfläche induziert, welche bei Überlagerung eines statischen Magnetfeldes eine Krafteinwirkung erfahren, sodass ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld das Koppelelement (3) bei Überlagerung mit einem statischen Magnetfeld zu einer Schwingung anregt und in dem Wandler (5) elektrische Energie erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Energiesammler umfassend ein Koppelelement aus einem elektrisch leitfähigen Material, welches mit einem elektromechanischen Wandler derart schwingfähig verbunden ist, dass ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld das Koppelelement zu einer Schwingung anregt und in dem Wandler elektrische Energie erzeugt. Die Erfindung betrifft weiterhin Verfahren und Verwendungen der Energiesammler zur Gewinnung elektrischer Energie bei der Magnetresonanztomographie sowie ein System umfassend einen Energiesammler und einen Magnetresonanztomographen.
Hintergrund und Stand der Technik
Die Entwicklung und Bewertung von Energy Harvesting Systemen (Energiesammlern) für das Ernten von Umgebungsenergie, insbesondere von Maschinenvibrationen, steht seit einiger Zeit im Fokus von nationalen und internationalen Forschergruppen (Mitcheson 2004, Mitcheson 2008, Shaikh 2016, Khaligh 2010, Beeby 2006, Tang 2010, Spreemann 2006, Hoffmann 2014). Diese Gegebenheit spiegelt sich auch in der Quantität an Veröffentlichungen wieder. Für das Einkoppeln externer Vibrationen in ein Energy Harvesting System werden bevorzugt resonante FederMasse-Dämpfer-Strukturen eingesetzt (Mitcheson 2008), wobei die zum Schwingen angeregte Masse mit Hilfe eines elektromechanischen Energiewandlers gedämpft wird. Die Energiewandlung kann dabei elektromagnetisch, elektrostatisch oder piezoelektrisch erfolgen (Mitcheson 2004, Mitcheson 2008)
Energiesammlersysteme haben ein weites Anwendungspotential. In Produktionsstätten können diese durch Ausnutzung der ohnehin auftreten Maschinenvibrationen die Energieeffizienz deutlich steigern. Weiterhin sind für jegliche drahtlose, in der Regel batteriebetriebene Elektrogeräte wie Mobiltelefone, mp3-Player und dergleichen Energiesammler von hohem wirtschaftlichen Interesse, um Akkulaufzeiten und somit den Benutzungskomfort zu steigern (Mitcheson 2008).
DE 10 2004 055 625 A1 offenbart einen Spannungsgenerator mit einem beweglichen Schlitten an dessen unterem Ende ein gegenpoliger Permanentmagnet vorliegt sowie ein unterhalb des Schlittens angeordnetes Wandlerelement. Das Wandlerelement besteht aus einem von einer ferromagnetischen Blattfeder gebildeten Träger mit streifenförmigen Piezoelementen und ist am unteren Ende eingespannt. Schnelle Schwenkbewegungen des Schlittens übertragen sich durch die magnetische Wechselwirkung auf die Blattfeder, sodass an den Piezoelementen Spannungsimpulse abgreifbar sind. Der Spannungsgenerator soll sich insbesondere zur Speisung einer Auswerteelektronik eignen.
DE 11 2016 000 199 T5 beschreibt eine Vorrichtung zur Erzeugung von Strom aus einer Schwingung. Der Stromerzeuger weist ein erstes Masseelement in Form eines Gehäuse auf, welches elastisch über ein Federelement mit einem Schwingelement verbunden ist. Innerhalb des ersten Masseelementes liegt ein zweites Masseelement vor. Dieses hat bevorzugt die Form eines Massivbauelementes und wird über ein zweites Federelement elastisch gehalten. Ein piezoelektrisches Stromerzeugungselement verbindet die beiden Massenelemente, sodass eine relative Schwingung zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Die Verwendung zweier Schwingungssysteme soll eine verbesserte Anpassung die Resonanzfrequenz an die Schwingungsfrequenz des schwingenden Elementes ermöglichen.
Aus DE 10 2011 052 923 A1 ist eine Energieübertragungseinheit zur Anwendung in einem externen Magnetfeld bekannt. Die Energieübertragungseinheit weist zwei Blöcke mit Piezoelementen auf, zwischen denen Spulen mit Leiterbereichen angeordnet. Die Zufuhr von Strom in die Spulen bewirkt im externen Magnetfeld Lorentzkräfte, welche in den Piezoelementen elektrische Ladungen induzieren. Die Energieübertragungseinrichtung soll insbesondere für Anwendungen in starken Magnetfeldern ausgestaltet sein, für welche klassische Transformatoren nicht geeignet sind. Als ein möglicher Anwendungsfall werden auch Kernspintomographen genannt.
Auch im Rahmen medizinischen Anwendungen bei denen eine kabelbasierte Energiezufuhr nachteilig sein können, verschaffen Energiesammler wesentliche technische Vorteile.
Bildgeführte minimalinvasive Interventionen, wie die Magnetresonanztomographie (MRT), sind ein wichtiger Bestandteil in der klinischen Diagnostik und in der Therapiedurchführung. Bildgeführte Eingriffe im Magnetresonanztomographen erfordern dabei in der Regel begleitende Untersuchungen und ein durchgehendes Patienten-Monitoring. Die dafür eingesetzten elektronischen Geräte sind im Stand der Technik meist kabelgebunden oder akkubetrieben. Jedoch ist die Anwesenheit von Kabeln in einem MRT grundsätzlich mit Risiken verbunden. Zum einen kommt es zu Beeinträchtigung der Bildgebung. Zum anderen kann es zu einer Gefährdung des Patienten durch Verbrennungen kommen, falls sich die Kabel in den Hochfrequenzfeldern aufheizen. Auch Behinderungen durch die Kabel bei medizinischen Eingriffen und im Notfall können auftreten.
Bei einer ausschließlichen Verwendung von Batterien oder Akkus zur Vermeidung der vorgenannten Nachteile von Kabeln ist die Zuverlässigkeit der Energieversorgung eingeschränkt. D.h. es muss stets darauf geachtet werden, dass die Geräte nach Benutzung entweder in die Ladestationen zurückgestellt werden oder dass der Zustand der Batterien regelmäßig überprüft wird. Zudem können herkömmliche Akkus oder Batterien mit den Magnetfeldern und somit der Bildgebung bei den MRTs interferieren. Spezielle Akkus oder Batterien, welche kompatible mit MRT-Anwendungen sind, sind hingegen teuer.
Im Stand der Technik gibt es daher Bestrebungen Energiesammlersysteme bereitzustellen, welche sich für bildgeführte medizinische Anwendungen, wie die Magnetresonanztomographie, eignen.
Höfflin et al. 2013 schlagen ein Konzept zur Gewinnung von elektrischer Energie aus den Gradientenfeldern eines Spektrometers vor. Die Anordnung besteht aus einer Figure-8-Spule, die es ermöglicht in der Präsenz des Nulldurchgangs von Gradientenfeldern Energie zu gewinnen. Die Figure-8-Spule erntet hierbei Energie aus Gradientenschaltvorgängen und RF Pulsen und wandelt diese Wechselsignale in eine Gleichspannung um, welche zum Betrieb eines Vorverstärkers verwandt werden kann. Das Konzept ist jedoch nicht ohne Weiteres auf einen Ganzkörpertomographen übertragbar, da die Figure-8-Spule einen Nulldurchgang des Gradientenfeldes benötigt, um effizient betrieben werden zu können. Außerdem kann immer nur eines der drei verfügbaren Felder verwendet werden.
Weitere induktive Ansätze zur Nutzung von Spulen, um Energie aus den Magnetfeldern eines MRT zu sammeln, sind im Stand der Technik nicht bekannt. Die Gewinnung von Energie aus dem potentiell energiereichen, hochfrequenten Wechselfeld des Tomographen birgt zudem das Problem in sich, dass die Sende- und auch Empfangsspule ebenfalls auf die Larmorfrequenz des Hochfrequenzfeldes angepasst sind. Bei derartigen Anwendungen wäre somit mit Interaktionen zwischen den Sende- / Empfangselementen und dem Energiesammlerzu rechnen, wodurch die Bildgebung beeinträchtigt würde.
Im Stand der Technik sind ebenfalls System bekannt die zusätzliche externe Energiequellen einbringen, um diese zur Bereitstellung von Energie innerhalb eines MRT zu gewährleisten.
Klymko et al. 2013 beschreibt ein Array aus piezoelektrischen Lautsprechern, welcher akustische Energie auf einen örtlich begrenzten Bereich fokussieren kann. In diesem Bereich wird ein akustischer Energiesammler (piezoelektrischer Lautsprecher) platziert, um die akustische Energie wieder in elektrische Energie umzuwandeln. Ein Vorteil der vorgeschlagenen Anordnung ist es, dass keine Interaktion mit den bildgebenden Magnetfeldern des MRT stattfindet. Der Wirkungsgrad ist mit 0.01 % dagegen sehr gering. Zudem muss das Lautsprecherarray als zusätzliche Installation in der Röhre des MRT untergebracht werden. Der akustische Fokuspunkt lässt sich zwar über die Phase der Lautsprecher einstellen, jedoch ist dafür zusätzlicher Zeitaufwand erforderlich. Ein derartiger Energiesammler kann nicht kurzfristig und flexibel platziert werden.
Byron et. al. 2017 offenbart ein System, dass auf der induktiven Kopplung zweier Spulen basiert. Die Primärspule wurde in den Patiententisch integriert und soll eine Sekundärspule mit bis zu 11W bei einer Übertragungsfrequenz von 10MHz versorgen. Ein Nachteil dieses Ansatzes ist der eingeschränkte Aktionsradius der Sekundärspule, die sich zwingend immer in einem Volumen oberhalb der Primärspule befinden muss. Außerdem kann auch nur eine Sekundärspule alleine effizient betrieben werden und die Performance der Anordnung hängt stark von der Kopplung beider Spulen ab. Diese wird z.B. durch die Präsenz eines menschlichen Körpers verändert.
Höfflin et al. 2014 demonstrierten das Konzept einer optischen Energieübertragung zur Versorgung von Vorverstärkern im Magnetresonanztomographen. Dabei wird das emittierte Licht einer Laserdiode über Lichtwellenleiter zum Verstärker geleitet und mit Hilfe einer speziellen Photodioden (photonic power converter) in elektrische Energie zurückgewandelt. Sharafi et al. 2013 wenden dieses Prinzip auf die Versorgung einer miniaturisierten Spule in einem Katheder an, die als aktiver Marker in der MR-Bildgebung genutzt wurde. Allerdings ist auch bei einem Ansatz der optischen Energieübertragung ein Kabel notwendig, das entsprechende Lichtwellenleiter enthält.
Es besteht mithin ein Bedarf an alternativen Ansätzen für Energiesammler, welche sich insbesondere für medizinische Anwendungen, wie für die Magnetresonanztomographie, eignen.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Energiesammler sowie ein Verfahren zur Gewinnung von Energie ohne die Nachteile des Standes bereitzustellen. Insbesondere war es eine Aufgabe der Erfindung einen Energiesammler zur Verfügung zu stellen, welcher eine hohe Effizienz bei der Gewinnung elektrischer Energie insbesondere für Anwendungen in der Magnetresonanztomographie aufweist und sich gleichzeitig durch einen einfachen, kostengünstigen kompakten Aufbau auszeichnet.
Zusammenfassung der Erfindung
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein System umfassend

i. einen Magnetresonanztomographen, wobei der Magnetresonanztomograph dazu eingerichtet ist, während einer Magnetresonanztomographie ein statisches Magnetfeld, ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld und/oder ein Hochfrequenzmagnetfeld zu erzeugen und
ii. einen Energiesammler zur Gewinnung elektrischer Energie bei zeitlich veränderbaren Magnetfelder während der Magnetresonanztomographie umfassend
1. a. ein Koppelelement für ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld
2. b. ein Gehäuse und
3. c. einen elektromechanischen Wandler,

Der erfindungsgemäße Energiesammler zeichnet sich durch eine besonders effiziente Energiegewinnung aus zeitlich veränderbaren Magnetfeldern aus, welche bei der Magnetresonanztomographie zum Einsatz kommen. Der Energiesammler kann somit insbesondere dazu genutzt werden während einer MRT-Untersuchung elektronische Systeme zur Überwachung oder Kommunikation mit einem Patienten mit Energie zu versorgen. Auf eine nachteilige Verkabelung kann verzichtet werden. Auch ist ein regelmäßiger Austausch von Batterien oder Akkumulatoren entbehrlich. Stattdessen nutzt der Energiesammler, die durch die Magnetfelder im MRT bereitgestellte Energie und kann aufgrund einer kompakten Bauweise leicht und flexibel vom Patienten getragen werden. Potentielle Anwendungsfelder des Energiesammlers betreffen nicht nur die Magnetresonanztomographie, sondern jegliche Bereiche in den zeitlich veränderliche Magnetfeder auftreten, insbesondere wenn diese von statischen Magnetfeldern überlagert werden.
Das Prinzip des Energiesammlers basiert auf dem Zusammenwirken des Koppelelementes mit dem elektromechanischen Wandler, welche durch eine Verbindung mit dem Gehäuse ein schwingfähiges System bilden. Unter dem Koppelelement wird im Sinne der Erfindung ein Element aus elektrisch leitfähigem Material verstanden, welches derart beschaffen ist, dass eine zeitliche Änderung eines Magnetfeldes zu einer Entstehung von Wirbelströmen in dessen Oberfläche führt. Im Falle einer Überlagerung einer statischen Magnetfeldes erfahren die Wirbelströme eine Krafteinwirkung, sodass das Koppelelement zu Vibrationen oder Schwingungen angeregt wird.
Diese Schwingungen können über den elektromechanischen Wandler, beispielsweise einen piezoelektrischen Balken, in elektrische Energie umgewandelt werden, welche verschiedenen Verbrauchergeräten zur Verfügung gestellt werden kann.
Der erfindungsgemäße Energiesammler eignet sich zur Gewinnung elektrischer Energie aus Magnetfeldern die typischerweise in der Magnetresonanztomographie auftreten.
Unter der Magnetresonanztomographie wird bevorzugt jegliches bildgebendes Verfahren verstanden, welches auf Prinzipien der Kernspinresonanz (englisch Nuclear Magnetic Resonance, NMR) basiert und durch Erzeugung von Schnittbilder in der medizinischen Diagnostik verwandt wird, um Strukturen oder Funktionen von Geweben und Organen darzustellen. Synonym Begriffe sind die Kernspintomographie oder Magnetic Resonance Imaging (MRI).
In der Magnetresonanztomographie werden in der Regel drei verschiedene Magnetfelder zur Bildgebung genutzt: ein statistisches Magnetfeld, ein Gradientenfeld und ein Hochfrequenzfeld.
Das statische Magnetfeld ist in der Magnetresonanztomographie für die Ausprägung einer messbaren Magnetisierung im Patienten verantwortlich. Typische Feldstärken für den klinischen Einsatz am Menschen sind 0.5T - 3T. Für experimentelle Forschung und Anwendungen an Kleintieren (Mäusen, Ratten etc.) können auch höhere Feldstärken zur Verfügung gestellt. Für eine optimale Bildgebung wird im Tomographen eine hohe Feldhomogenität gewährleistet mit Schwankungen von weniger als 1 ppm (parts per million). Außerhalb des Tomographen nimmt die Feldstärke mit zunehmenden Abstand ab. In diesem Bereich liegt das sogenannte Streufeld vor.
Im MRT werden dem statischen Magnetfeld Gradientenfelder überlagert, um eine lineare Abhängigkeit des Gesamtmagnetfeldes in eine der drei Raumrichtungen (x,y,z) zu erhalten. Mithilfe dieser Abhängigkeit kann eine Ortskodierung erfolgen, mit der aus dem empfangenen Summensignal, die dazugehörige Signalverteilung im Körper rekonstruiert werden kann. Typischerweise werden die Gradientenfelder anhand ihres Anstieges in Raumrichtung (z.B. max. 45 mT/m) und der Anstiegszeit (z.B. max. 200T/m/s) definiert. Gradientenfelder lassen sich innerhalb eines bestimmten Volumens als linear approximieren. Außerhalb dieses Bereiches sind die Felder nicht linear.
Zur Generierung eines nutzbaren Signals werden hochfrequente Wechselfelder in die MRT Röhre eingestrahlt. Deren Frequenz wird anhand der sogenannten Larmorfrequenz bestimmt. Die Larmorfrequenz bezeichnet die Frequenz der Präzession eines Kernspins in einem äußeren Magnetfeld und hängt linear von dessen Stärke ab. Für Protonen (Wasserstoffatome) liegt die Larmorfrequenz in einem statischen Magnetfeld der Stärke 1 Tesla bei ca. 42,6 MHz im Falle eines statischen Magnetfeldes der Stärke 3 Tesla entspricht die Larmorfrequenz ca. 128MHz. Typische Feldstärken der verwandten Hochfrequenzfelder liegen im µT-Bereich. Die Leistungsdichten sind entsprechend hoch.
Das Zusammenspiel aller drei Magnetfelder wird zur Schichtbildgebung genutzt. Durch das Anlegen eines starken statischen Magnetfeldes kann eine longitudinale Magnetisierung des Kernspins insbesondere von Wasserstoffkernen in dem zu untersuchenden Geweben erzielt werden. Durch ein pulsartiges Einschalten des hochfrequenten Wechselfeld (bspw. durch einen 90° Anregungspuls) im Bereich der Larmorfrequenz lassen sich diese Magnetisierungen aus der Richtung des statischen Magnetfeldes auslenken und ganz oder teilweise in eine transversale Magnetisierung umwandeln.
Durch eine Präzession der transversalen Magnetisierung um die Feldrichtung des statischen Magnetfeldes wird eine elektrische Spannung generiert, welche nachgewiesen werden kann. Nach dem Abschalten des hochfrequenten Wechselfeldes nimmt die transversale Magnetisierung durch ein Ausrichten der Spins zum statischen Magnetfeld ab. Ein 180°-Rephasierungs-Hochfrequenzimpuls kann eingesetzt werden, um die Dephasierung auf kontrollierte Weise zumindest teilweise wieder rückgängig zu machen.
Die verschiedenen Zeitkonstanten für Spin-Spin- oder Spin-Gitter-Relaxation sind von der chemischen Bindung und der molekularen Umgebung abhängig, in die präzedierende Wasserstoffkern vorliegen. Verschiedenen Gewebearten ergeben daher charakteristische Abklingzeiten und Signalstärken, welche zur Bildgebung genutzt werden können.
Um bei der Schichtbildgebung Signale den einzelnen Volumenelementen zuordnen zu können, wird mit linear ortsabhängigen Gradientenfeldern eine Ortskodierung erzeugt. Dabei wird ausgenutzt, dass für ein bestimmtes Teilchen die Larmorfrequenz von der magnetischen Flussdichte abhängt (je stärker der Feldanteil senkrecht zur Richtung des Teilchendrehimpulses, desto höher die Larmorfrequenz).
In klinischen MRT-Untersuchungen erfolgt eine Kombination aus Hochfrequenzimpulsen und magnetischen Gradientenfeldern bestimmter Frequenz bzw. Stärke, die gemäß vorgegebener Reihenfolge ein- und ausgeschaltet werden können. Diese werden auch als „Sequenz“ oder „Pulssequenz“ bezeichnet.
Typischerweise wird bei der Anregung ein sogenannter Schichtselektionsgradient appliziert, welcher sicherstellt, dass nur eine einzelne Schicht die passende Larmorfrequenz besitzt. Kurz nach der Anregung kann ein zweites Gradientenfeld quer zum ersten Gradientenfeld eingeschaltet werden, welches auf kontrollierte Weise eine unterschiedliche Dephasierung der Spins in jeder Bildzeile bewirkt (Phasenkodiergradient). Zudem kann ein Frequenzkodiergradientenfeld im rechten Winkel zu den anderen Gradientenfeldern appliziert werden, welches gewährleistet, dass Spins jeder Bildspalte eine spezifische Larmorfrequenz senden.
In Abhängigkeit der zu untersuchenden Gewebe oder medizinischer Fragestellungen können die Pulssequenzen für unterschiedliche MRT-Anwendungen variieren. Gemein ist allen kommerziell relevanten MRT-Systemen Pulssequenzen einzusetzen, in denen die Gradientenfelder mehrmals pro Sekunde an und ausgeschaltet werden. Die Frequenzen der zeitlich wechselnden Gradientenfelder betragen in der Regel zwischen 100 Hz und 2000 Hz.
Die Erfinder haben erkannt, dass die getakteten Gradientenfelder der MRT-Systeme für einen Energiesammler ausgenutzt werden können, ohne mit der Bildgebung zu interferieren.
Wird ein erfindungsgemäßes Koppelelement aus einem elektrisch leitfähigen Material, welches bevorzugt nicht ferromagnetisch ist, in der inneren Röhre eines MRT platziert, so werden in diesem aufgrund der getakteten Gradientenfelder Wirbelströme induziert. Das starke statische Magnetfeld im Bereich einiger Tesla führt nun zu einer Kraftwirkung auf das Koppelelement, welches durch die schnelle Abfolge des Schaltens der Gradientenfelder in Vibration versetzt wird (vgl. )
Die Vibration des Koppelelementes kann zur Energiegewinnung genutzt werden. Zu diesem Zweck wird das Koppelelement über einen elektromechanischen Wandler schwingfähig mit dem Gehäuse des Energiesammlers verbunden. Bevorzugt weist der Energiesammler hierzu ein elastisches Element (zum Beispiel ein Federelement) auf und das Koppelelement ist sowohl durch das elastische Element, als auch durch den elektromechanischen Wandler (elektrischer Dämpfer) mit dem Gehäuse gekoppelt (vgl. .
Das Koppelelement, welches durch direktes Einwirken der wechselnden Gradientenfelder bei Überlagerung mit einem statischen Magnetfeld eine Kraft erfährt, kann diese Kraft unmittelbar auf das elastische Element übertragen, womit eine Schwingung erzeugt wird. Wird die Eigenfrequenz des schwingfähigen Systems auf die Anregung angepasst, kann ein resonanter Betrieb erzielt werden, der zu einer hohen Effektivität der Energiewandlung führt.
Als elektromechanischen Wandler können z.B. piezoelektrischer Wandler (z.B. PZT Bimorph Elemente) oder ein elektrostatischer Wandler eingesetzt werden.
Bei einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann die Vibration des Koppelelementes zur Energiegewinnung in den Magnetfeldern zur Energiegewinnung genutzt werden, in dem das Koppelelement über einen elektromechanischen Wandler mit einem Gehäuse verbunden ist.
Die erfindungsgemäße Lehre kann jedoch auch andere Konfigurationen eines Systems umfassend eines Energiesammlers umfassen, welche die Vibration des Koppelelementes zur Energieerzeugung ausnutzen.
In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein System umfassend

i. einen Magnetresonanztomographen, wobei der Magnetresonanztomograph dazu eingerichtet ist, während einer Magnetresonanztomographie ein statisches Magnetfeld, ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld und/oder ein Hochfrequenzmagnetfeld zu erzeugen und
ii. einen Energiesammler zur Gewinnung elektrischer Energie bei zeitlich veränderbaren Magnetfelder während der Magnetresonanztomographie umfassend
1. a. ein Koppelelement für ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld
2. b. ein Gehäuse
3. c. ein elastisches Element und
4. d. ein Vibrationsenergiesammler,

Bei einem System umfassend einen Energiesammler gemäß des zweiten Aspektes der Erfindung wird die Vibration des Koppelelementes in eine Vibration eines klassischen Vibrationsenergiesammler übersetzt. Unter dem Begriff des „Vibrationsenergiesammlers“ ist eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art zu verstehen, welche in der Lage ist, aus mechanischen Vibrationen elektrische Energie zu gewinnen. Für Vibrationsenergiesammler sind verschiedene Systeme bekannt und werden beispielsweise in Mitcheson 2004, Mitcheson 2008, Shaikh 2016, Khaligh 2010, Beeby 2006, Tang 2010, Spreemann 2006 oder Hoffmann 2014 beschrieben. Bevorzugt handelt es sich um einen Vibrationsenergiesammler umfassend ein weiteres Gehäuse (bevorzugt aus einem nicht leitenden Material) in welchem eine seismische Masse vorliegt, welche über einen Energiewandler bevorzugt in Form einer Feder-Dämpfer-Struktur mit dem Gehäuse verbunden ist.
Das Koppelelement ist bevorzugt derart mechanisch mit dem Vibrationsenergiesammler verbunden, dass sich die Vibrationen weitestgehend dissipationsfrei übertragen. Beispielsweise kann eine starre mechanische Verbindung zwischen dem Koppelelement und dem Gehäuse des Vibrationsenergiesammlers bevorzugt sein. Im Falle einer Vibration des Koppelelementes wird der Vibrationsenergiesammler mithin gleichermaßen vibrieren, sodass indessen Inneren die seismische Masse über eine Feder-Dämpfer-Struktur als Energiewandler zum Schwingen angeregt wird. Die Energiewandlung in der Feder-Dämpfer-Struktur kann bevorzugt elektrostatisch oder piezoelektrisch erfolgen. Eine elektromagnetische Energiewandlung auf Basis von Induktion ist weniger bevorzugt, da insbesondere bei Anwendungen in der Magnetresonanztomographie es hierdurch zu Beeinträchtigung der Bildgebung kommen kann.
In einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein System umfassend

i. einen Magnetresonanztomographen, wobei der Magnetresonanztomograph dazu eingerichtet ist, während einer Magnetresonanztomographie ein statisches Magnetfeld, ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld und/oder ein Hochfrequenzmagnetfeld zu erzeugen und
ii. einen Energiesammler zur Gewinnung elektrischer Energie bei zeitlich veränderbaren Magnetfeldern während der Magnetresonanztomographie umfassend

a. ein Koppelelement für ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld
b. einen elektromechanischen Wandler und
c. eine seismische Masse

Bei einem System umfassend einen Energiesammler gemäß des dritten Aspektes ist das Koppelelement bevorzugt als Hohlkörper ausgestaltet in dessen inneren Hohlraum eine seismischen Masse über einer Feder-Dämpfer-Struktur als elektromechanischen Wandler mit der äußeren Wand verbunden ist. Die seismische Masse kann wie bei klassischen Vibrationsenergiesammler ausgestaltet sein und ist zur Steigerung der Effizienz bevorzugt durch eine hohe Masse, bei einem kleinen Volumen gekennzeichnet. Beispielsweise werden für eine seismische Masse bevorzugt Materialien mit einer hohen Dichte, besonders bevorzugt mit einer Dichte höher als 10 g/cm³ verwandt. Hierzu eignen sich etwa Wolfram oder Blei. Auch ist es bevorzugt, dass die seismische Masse kein Hohlkörper, sondern ein massiver Körper ist, um bei möglichst geringer Größe (Volumen) eine hohe Masse zu gewährleisten. Das Verhältnis aus dem von der äußeren Oberfläche der seismischen Masse eingeschlossene Volumen und der Masse der seismischen Masse weist bevorzugt mehr als 10 g/cm³ auf. Hierdurch wird eine besonders effektive Energiegewinnung aus der Anregung der seismischen Masse zur Schwingung durch die Vibration des Koppelelementes gewährleistet.
Zudem dient bei der Ausführungsform das Koppelelement nicht nur zur Anregung zur Vibration, sondern fungiert bevorzugt gleichzeitig als Gehäuse. Ein separates Gehäuse ist nicht notwendig. Weiterhin hat das Koppelelement auch bevorzugt eine magnetische Abschirmfunktion für magnetische Wechselfelder, wie den wechselnden Gradientenfeldern, inne, sodass der Energiewandler und die seismische Masse im inneren Hohlraum nur in vermindertem Maß mit den äußeren Magnetfeldern wechselwirken. Dies trägt dazu bei störende Einflüsse auf die Bildgebung bei Anwendung in der Magnetresonanztomographie zu minimieren. Weiterhin erlaubt die Abschirmfunktion für magnetische Wechselfelder eine höhere Flexibilität bei der Wahl der Materialien für den elektromechanischen Wandler sowie der seismischen Masse, da nachteilige magnetische Eigenschaften in geringerem Maße zu Störungen führen.
Die Ausgestaltungen des Systems umfassend einen Energiesammlers gemäß des ersten, zweiten und dritten Aspekt sind durch die gemeinsame Idee eines Koppelelementes verbunden, welches dafür optimiert ist durch Magnetfelder zu Vibrationen angeregt zu werden, welche typischerweise bei der Magnetresonanztomographie auftreten. Die Ausgestaltungen des Systems umfassend einen Energiesammlers gemäß des ersten, zweiten und dritten Aspekt unterscheiden sich wie vorgenannt beschrieben vorwiegend darin, auf welche Weise die Vibrationen des Koppelelementes in elektrische Energie umgewandelt werden.
Gemeinsam ist den Energiesammlern, dass diese ein Koppelelement aus einem elektrisch leitfähigen Material umfassen, welche mit einem elektromechanischen Wandler derart schwingfähig verbunden ist, dass ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld das Koppelelement zu einer Schwingung anregt und in dem Wandler elektrische Energie erzeugt.
Ein Fachmann versteht daher auch, dass die nachstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform weitestgehend gleichermaßen für ein System umfassend einen Energiesammler gemäß des ersten, zweiten und dritten Aspektes gelten. Dies betrifft beispielsweise die Wahl von besonders geeigneten elektromechanischen Wandlern, als auch des Materials oder der Form der Koppelelemente.
Die Form, Materialwahl und Größe besonders geeigneter Koppelelemente wird bevorzugt an die zeitlich veränderbaren Gradientenfelder angepasst.
Bevorzugte elektrisch leitfähige Materialien umfassen Materialien mit einer elektrischen Leitfähigkeit bei Raumtemperatur (25°C) von mindestens 10³ S/m (Siemens pro Meter), besonders bevorzugt 10⁴ S/m, 10⁵ S/m, 10⁶ S/m. Insbesondere ist es bevorzugt als elektrisch leitfähiges Material für das Koppelelement ein Metall zu wählen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das elektrisch leitfähige Material ein paramagnetisches oder diamagnetisches Metall.
Paramagnetische Metalle sind durch eine magnetische Permeabilität von größer als 1 oder eine magnetische Suszeptibilität von größer als 0 gekennzeichnet und folgen in ihrer Magnetisierung einem äußeren, angelegten Magnetfeld, wodurch das Magnetfeld innerhalb von Paramagneten verstärkt wird. Beispiele von paramagnetischen Metallen umfassen Lithium, Natrium, Platin, Wolfram, Kalium, Titan, Magnesium oder Aluminium.
In einem äußeren Magnetfeld wird in diamagnetische Metallen ein Magnetfeld induziert, welches dem äußeren Magnetfeld entgegengesetzt ist und das Magnetfeld im Inneren schwächt. Diamagnetische Metalle weisen eine magnetische Permeabilität von kleiner als 1 bzw. eine magnetische Suszeptibilität von kleiner als 0 auf. Beispiele diamagnetischer Metalle umfassen Kupfer, Silber, Gold, Bismut, Zink oder Blei.
Im Gegensatz zu Ferromagneten kommt es bei Para- und Diamagneten nicht zu einer spontanen Magnetisierung größerer Bereiche und einer makroskopischen Magnetisierung im externen Magnetfeld. Aus diesem Grunde interferieren Koppelelemente aus para- oder diamagnetischen Metall nicht oder nur kaum mit der Bildgebung im MRT. Während die bildgebenden Magnetfelder nur geringfügig beeinträchtigt werden, werden die Koppelelemente durch die wechselnden Gradientenfelder dennoch effektiv zu Schwingungen und Vibrationen angeregt.
Als besonders geeignet haben sich die Materialien Kupfer, Titan und Aluminium herausgestellt. In diesen werden durch die wechselnden Gradientenfelder Wirbelströme mit geringer Dissipation und Wärmeentwicklung induziert. Es kommt zu besonders starken Vibrationen, ohne dass nennenswerte Interferenzen mit der Bildgebung verzeichnet werden. Des Weiteren können mit Hilfe der Materialien besonders leichte Koppelelemente bereitgestellt werden, wodurch sich der Wirkungsgrad erhöht.
Klassische Energiesammler auf Vibrationsbasis erfordern möglichst schwere seismische Massen, um aus den externen Vibrationen Energie zu gewinnen. Im Gegensatz dazu basiert die Energiegewinnung des beschriebenen Energiesammlers auf der Induktion von Wirbelströmen durch zeitlich veränderbare Magnetfelder, welche in einem statistischen Magnetfeld zu einer Vibration des Koppelelements führen. Besonders schwere Materialien sind hierzu nicht erforderlich, stattdessen können leichte Materialien genutzt werden, um den Wirkungsgrad zu erhöhen. Zudem führen leichte Koppelelemente auch zu einem geringeren Verschleiß und somit einer höheren Produktlebensdauer.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Material des Koppelelementes eine Dichte von weniger als 10 g/cm³ auf. Mittels derartiger Materialien lassen sich leichte Koppelelemente mit den vorgenannten Vorteilen konstruieren.
Die Erfinder haben darüber hinaus erkannt, dass sich neben der Wahl der Materialien auch eine Spezifizierung der Form bzw. Struktur der Koppelelemente eignet, um deren Wirkungsgrad zu erhöhen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Koppelelement ein Hohlkörper, bevorzugt ein ellipsoider Hohlkörper, ganz besonders bevorzugt eine Hohlkugel.
Im Sinne der Erfindung bezeichnet ein Hohlkörper vorzugsweise ein teilweise ausgehöhltes Koppelelement, welches eine äußere Wand und einen davon zu mindestens teilweise umschlossenen inneren Hohlraum umfasst. Der Hohlraum kann wie im Falle einer Hohlkugel oder eines Hohlquaders zur Gänze von der äußeren Wand umschlossen sein oder aber auch wie im Falle eines Hohlzylinders offene Seiten aufweisen. Die äußere Wand des Hohlkörpers ist vorzugsweise aus dem leitfähigen Material gefertigt, wobei bevorzugt dia- oder paramagnetische Metalle zum Einsatz kommen.
Der Hohlraum ist nicht mit dem leitfähigen Material gefüllt und vorzugsweise leer. Es kann aber auch bevorzugt sein, einen nicht-leitenden leichten Füllstoff - oder schaum in den Hohlraum einzubringen.
Das Wirkungsprinzip der Koppelelemente in Hohlkörperform wird durch die äußere Wand geprägt, worin sich Wirbelströme bei zeitlichen änderbaren Magnetfeldern ausbilden. Schichtdicken der äußeren Wand von 0,5 mm bis 10 mm, bevorzugt 1 mm bis 5 mm erweisen sich als besonders vorteilhaft.
Durch die Zweidimensionalität lässt sich bei Hohlkörpern besonders präzise die Richtung und Ausbreitung von Wirbelströmen in Magnetfeldern wechselnder Orientierung kontrollieren.
Koppelelementen in Form von Hohlellipsoiden, bevorzugt Hohlkugeln, zeichnen sich zudem insbesondere dadurch aus, dass diese unabhängig von einer Orientierung in Bezug auf Vorzugsrichtungen der wechselnden Magnetfelder zuverlässig zu Vibrationen angeregt werden und somit der Energiegewinnung dienen. Dies ist von besonderem Vorteil beim Einsatz des Energiesammlers in der Magnetresonanztomographie, bei welcher es bevorzugt sein kann, diesen in unterschiedlichen Orientierungen am Patienten anzubringen. Die Ausführungsform zeichnet sich somit durch einen hohes Maß an Flexibilität bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad aus.
Zudem zeichnen sich Hohlkörper im Gegensatz zu massiven Koppelelementen durch eine besondere geringe effektive Dichte und leichte Bauweise aus.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt das Verhältnis aus dem von der Oberfläche des Koppelelementes eingeschlossenen Volumen und der Masse des Koppelelementes weniger als 10 g/cm³, bevorzugt weniger als 1 g/cm³, besonders bevorzugt weniger als 0,1 g/cm³.
Das Verhältnis aus dem von der Oberfläche des Koppelelementes eingeschlossene Volumen und der Masse des Koppelelementes kann im Sinne der Erfindung auch als effektive Dichte bezeichnet werden. Im Falle eines massiven Koppelelementes, z.B. einer Vollkugel, wird die effektive Dichte der Materialdichte entsprechen. Im Falle eines Hohlkörpers können hingegen deutlich geringere effektive Dichten erreicht werden.
Unter einem von der äußeren Oberfläche eingeschlossen Volumen wird bevorzugt ein Hüllvolumen des Koppelelementes verstanden. Bei einer äußeren Oberfläche wie bei einer Hohlkugel oder einem Hohlquader entspricht das Volumen dem der Kugel bzw. des Quaders. Im Falle nicht gänzlich geschlossener äußerer Wände bzw. Oberflächen, wie bei einem Hohlzylinder, soll bevorzugt das Volumen, verstanden werden, welches von einer gedachten konvexen Hülle umschlossen ist. In Bezug auf das Beispiel eines Hohlzylinders entspricht das von der äußeren Oberfläche eingeschlossen Volumen mithin bevorzugt dem Volumen eines Vollzylinders mit gleichen äußeren Abmaßen.
Durch die Wahl von Hohlkörpern mit entsprechenden Verhältnissen der Wandstärken zu den Hohlräumen können weitestgehend unabhängig von der Materialdichte Koppelelemente mit besonders geringem Gewicht bereitgestellt werden. Die Vibrationsanregung durch zeitlich veränderbare Gradientenfelder ist zudem besonders stark ausgeprägt und kontrollierbar.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das das Koppelelement ein Blech mit einer Dicke von 0,5 mm bis 3 mm, bevorzugt 1 mm bis 2 mm, und einer Oberfläche von 20 cm² bis 200 cm², bevorzugt 40 cm² bis 80 cm². Der Begriff des Blechs kennzeichnet eine bevorzugt flache Dimensionierung des Koppelelementes, welches besonderes bevorzugt aus einem Metallblech geformt wird. Die Form der Blechoberfläche kann unterschiedlich gewählt werden. Beispielsweise kann eine Kreisform, eine geschwungene Form oder auch eine Rechteckform bevorzugt sein.
Unabhängig von der spezifischen Form können mit den vorgenannten Abmaßen insbesondere in der Magnetresonanztomographie ausgezeichnete Ergebnisse für eine Schwingungsanregung bei optimierten Kraftübertrag auf den elektromechanischen Wandler erzielt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Koppelelement, insbesondere für die vorbeschriebenen Ausführungsformen, kommt es in zeitlich veränderbaren Magnetfeldern zur Induktion von Schwingungen bzw. Vibrationen. Um diese zur Erzeugung elektrischer Energie zu nutzen, ist das Koppelelement über einen elektromechanischen Wandler schwingfähig mit dem Gehäuse verbunden.
Im Sinne der Erfindung bezeichnet der elektromechanische Wandler bevorzugt ein elektrisch dämpfendes Element, welches kinetische Energie (Schwingung/Vibration) in elektrische Energie wandelt. Die Schwingfähigkeit wird bevorzugt durch ein elastisches Element (Federelement) realisiert. Dieses kann im elektromechanischen Wandler integriert sein oder aber separat in Parallelschaltung das Koppelelement mit dem Gehäuse verbinden.
Zur Gewinnung von Energie aus mechanischer Bewegungen mittels elektrischer Dämpfung sind im Stand der Technik verschiedene Prinzipien bekannt. Hierzu zählen insbesondere Transduktionsmechanismen auf piezoelektrischer, elektrostatischer oder elektromagnetischer Basis (Beeby 2006).
Elektromagnetische Generatoren nutzen zur Stromerzeugung die Induktion eines elektrischen Feldes aus, welches bei einer Relativbewegung eines Leiters in einem magnetischen Fluss erzeugt wird. Hierbei kommen zumeist Permanentmagneten bzw. ferromagnetische Materialien zum Einsatz. Für Anwendungen in der Magnetresonanztomographie kann es durch einen elektromagnetischer Wandler daher zu störenden Rückwirkungen auf die Bildgebung kommen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der elektromechanische Wandler daher ein piezoelektrischer oder ein elektrostatischer Wandler.
Ein elektrostatischer Wandler nutzt die durch die Vibration vermittelbare Relativbewegung von elektrisch isolierten Kondensatorplatten, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierbei wird die durch die Vibrationen bereitgestellte mechanische Energie ausgenutzt, um Arbeit gegenüber der elektrostatischen (Anziehungs-)Kraft unterschiedlich geladener Kondensatorplatten zu verrichten. Im Modus konstant gehaltener Ladung kann die durch mechanische Arbeit erhöhte Energie des elektrischen Feldes in Form einer Spannungserhöhung bereitgestellt werden, während im Modus konstant gehaltener Spannung ein elektrischer Strom abgegriffen werden kann. Die Bereitstellung geladener Kondensatorplatten kann durch ein sogenanntes priming oder precharging bereitgestellt. Alternativ können auch Elektrete verwendet werden, welche in Form von dielektrischen Schichten eine quasi-permanente Speicherung elektrischer Ladungen erlauben.
In Bezug auf die Form der Kondensatorplatten sind verschiedenen Anordnungen denkbar, beispielsweise in Form von parallelen Platten oder als Kammstruktur, deren kapazitive Änderung auf einer Variation der Kammüberdeckung oder des Kammabstands basiert (vgl. Beeby 2006).
Elektrostatische Wandler zeichnen sich durch eine hohe Zuverlässigkeit bei einfacher und robuster Konstruktionsweise aus.
Ein piezoelektrischer Wandler oder Generator basiert auf der Ausnutzung der mechanischen Vibrationen zur elastischen Verformung piezoelektrischer Materialen, wodurch ein elektrisches Feld bzw. eine Spannung erzeugt wird (piezoelektrischer Effekt, vgl. Mitcheson 2008).
Verschiedene geometrische Formen piezoelektrische Wandler sind für die beschriebenen Zwecke geeignet.
Beispielsweise können piezoelektrische Schichten zwischen Platten eingebracht, wobei die Vibrationen zu einer Abstandsänderung und somit Spannungserzeugung führt.
Besonders bevorzugt sind piezoelektrische Balken (Biegebalken, biomorphe Elemente). Die piezoelektrischen Balken können vorzugsweise als Freischwinger (cantilever) angeordnet vorliegen mit denen das Koppelelement verbunden ist. Durch eine Schwingungsanregung des Koppelelementes wird eine mechanische, elastische Verformung einer piezoelektrischen Schicht der Piezobalken bewirkt, welche als elektrische Spannung abgegriffen werden kann. Durch derartige piezoelektrische Balkenstrukturen können Vibrationen verschiedener Orientierungen und Amplituden besonders effektiv zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden.
Für die beschriebenen Anwendungen eignen sich als piezoelektrische Materialien insbesondere Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Alluminiumnitrid (AIN), Zinkoxid (ZnO), Hafniumoxid oder Lithiumniobat (LiNbO3). Mit diesen Materialien werden hervorragende Wirkungsgrade und Ergebnisse erzielt. Besonders bevorzugt ist es piezoelektrische Materialien zu verwenden, welche keine ferromagnetischen Eigenschaften aufweisen, um potentielle Interferenzen zu minimieren.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei den elektromechanischen Wandlern um sogenannte Mikrosysteme (engl. microelectromechanical system, kurz MEMS). Derartige mechanischelektronischer Vorrichtungen zeichnen sich durch einen hohen Grad an Kompaktheit mit Abmessungen im Mikrometerbereich aus. Durch den technologischen Fortschritt auf dem Gebiet der MEMS kann eine ausgezeichnete Funktionalität zu immer günstigeren Herstellungskosten erzielt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Energiesammler dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse, der elektromechanische Wandler und das Koppelelement ein schwingfähiges System bilden, welches mindestens eine Eigenfrequenz zwischen 100 und 2000 Hz, bevorzugt zwischen 200 und 2000 Hz, ganz besonders zwischen 500 und 1000 Hz aufweist.
Das System aus Gehäuse, elektromechanischem Wandler und Koppelelement ist durch mindestens einen Freiheitsgrad gekennzeichnet und wird als schwingfähig bezeichnet. Im Falle eines Piezobalkens kann es sich um eine Schwingung des Koppelelementes an der Balkenstruktur handeln, welche am Gehäuse installiert ist. Im Falle eines elektrostatischen Wandlers kann z.B. auch eine kapazitive Kammstruktur parallel zu einem Federelement zwischen dem Gehäuse und dem Koppelelement angeordnet vorliegen. In dem Fall entspricht der Freiheitsgrad einer linearen Stauchung oder Streckung.
Die vorgenannte Ausführungsform ist insbesondere für ein System umfassend einen Energiesammler gemäß des ersten oder zweiten Aspektes bevorzugt. Für ein System umfassend einen Energiesammler gemäß des dritten Aspektes, ist es hingegen besonders bevorzugt, dass das Koppelement (welches bevorzugt als Gehäuse fungiert). der elektromechanische Wandler und die seismische Masse ein schwingfähiges System bilden, welches mindestens eine Eigenfrequenz zwischen 100 und 2000 Hz, bevorzugt zwischen 200 und 2000 Hz, ganz besonders zwischen 500 und 1000 Hz aufweist.
Für ein System umfassend einen Energiesammler gemäß des dritten Aspektes ist das System aus Koppelelement (welches als Gehäuse fungiert), elektromechanischem Wandler und seismische Masse durch mindestens einen Freiheitsgrad gekennzeichnet und kann als schwingfähig bezeichnet werden. Im Falle eines Piezobalkens kann es sich um eine Schwingung der seismischen Masse an der Balkenstruktur handeln, welche am Koppelelement installiert ist. Im Falle eines elektrostatischen Wandlers kann z.B. auch eine kapazitive Kammstruktur parallel zu einem Federelement zwischen dem Koppelement und der seismischen Masse angeordnet vorliegen. In dem Fall entspricht der Freiheitsgrad einer linearen Stauchung oder Streckung.
Bei Anregung eines schwingfähigen Systems mit einer sogenannten Eigenfrequenz oder einer Frequenz, welcher nahe der Eigenfrequenz liegt, werden besonders hohe Amplituden erreicht. Das System schwingt in Resonanz. Eine Eigenfrequenz entspricht dabei jener Frequenz, bei welcher das schwingfähige System mit zugehöriger Eigenform (Mode) schwingt und kann experimentell oder theoretisch durch eine Modalanalyse bestimmt werden.
Die Eigenfrequenzen schwingfähiger Systeme hängen von deren mechanischen oder elektrischen Eigenschaften ab, wie beispielsweise einer Federkonstanten oder der Dämpfungsstärke. Durch entsprechende Wahl der Parameter insbesondere für den elektromechanischen Wandler können Energiesammler mit vorgegebenen Eigenfrequenzen bereitgestellt werden.
Die bevorzugte Ausführungsform weist mindestens eine Eigenfrequenz zwischen 100 und 2000 Hz, bevorzugt zwischen 200 und 2000 Hz, ganz besonders zwischen 500 und 1000 Hz auf. Bei einer Anregung des Koppelelementes zu Schwingungen oder Vibrationen in einem Frequenzbereich, welcher nahe der Eigenfrequenz liegt werden somit besonders große Amplituden und gleichzeitig eine hohe Energieausbeute erreicht.
Die bevorzugte Ausführungsform ist somit für Anwendungen optimiert, bei welchem das Koppelelement im vorgenannten Frequenzbereich angeregt wird. Dies ist insbesondere der Fall für eine Verwendung des Energiesammlers in der Magnetresonanztomographie, bei der die wechselnden Gradientenfelder typischerweise eine Taktung von 100 bis 2000 Hz erfahren.
Im Gegensatz dazu werden bekannte vibrationsbasierte Energiesammler mit deutlich geringeren Eigenfrequenzen konzipiert, um eine effiziente Energiegewinnung aus Maschinenvibrationen zu gewährleisten oder aus Vibrationen, welche bei der Nutzung mobiler Endgeräten auftreten. Die Eigenfrequenzen typischer Feder-seismische Masse-Schwingsysteme betragen häufig weniger als 100 Hz oder 50 Hz.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Energiesammler mindestens zwei Koppelelemente auf, welche jeweils durch einen elektromechanischen Wandler mit dem Gehäuse schwingfähig verbunden sind, wobei bevorzugt mindestens zwei schwingfähige Systeme aus jeweils einem Koppelelement, einem elektromechanischen Wandler und dem Gehäuse gebildet werden, welche unterschiedliche Eigenfrequenzen aufweisen.
Die vorgenannte Ausführungsform ist insbesondere für ein System umfassend einen Energiesammler gemäß des ersten oder zweiten Aspektes bevorzugt. Für ein System umfassend einen Energiesammler gemäß des dritten Aspektes, wobei das Koppelement bevorzugt als Gehäuse fungiert, ist es hingegen besonders bevorzugt, dass der Energiesammler mindestens zwei seismische Massen aufweist, welche jeweils durch einen elektromechanischen Wandler mit dem Koppelement schwingfähig verbunden sind, wobei bevorzugt mindestens zwei schwingfähige Systeme aus jeweils einer seismischen Masse, einem elektromechanischen Wandler und dem Koppelement gebildet werden, welche unterschiedliche Eigenfrequenzen aufweisen.
Durch die Bereitstellung eines Arrays an schwingfähigen Systemen mit unterschiedlichen Eigenfrequenzen kann eine größere Frequenzbreite der zeitlich veränderbaren Magnetfelder effektiv zur Energiegewinnung genutzt werden. Bei dem bevorzugten Anwendungsgebiet der Magnetresonanztomographie wurden in experimentellen Versuchen mehrere spezifische Oberschwingungen festgestellt. Mittels eines Arrays von mindestens zwei Koppelelementen (bzw. zwei seismischen Massen) und einer entsprechenden Abdeckung von mindestens zwei Eigenfrequenzen können die auftretenden Oberschwingungen der getakteten Gradientenfelder besonders wirkungsvoll zur Energiegewinnung genutzt werden.
Besonders bevorzugt sind Energiesammler mit 2 bis 10, ganz besonders bevorzugt 2 bis 5 Koppelelementen und einer entsprechenden Anzahl von elektromechanischen Wandlern bzw. für einen Energiesammler für ein System gemäß des dritten Aspektes mit 2 bis 10, ganz besonders bevorzugt 2 bis 5 seismischen Massen und einer entsprechenden Anzahl von elektromechanischer Wandlern. Derartige Energiesammler zeichnen sich durch eine optimale Balance aus Wirkungsgrad, Kompaktheit und Herstellungskosten aus.
Besonders bevorzugt ist es, dass die mindestens zwei unterschiedliche Eigenfrequenzen in einem Bereich von 100 und 2000 Hz, bevorzugt zwischen 200 und 2000 Hz, ganz besonders zwischen 500 und 1000 Hz liegen und sich mindestens durch eine Differenz von 40 -100 Hz bevorzugt 50 -70 Hz unterscheiden. Die vorgenannten Frequenzbereiche und Differenzen sind auf die bevorzugte Anwendung des Energiesammlers in der Magnetresonanztomographie abgestimmt und reflektieren die hierbei zu verzeichnenden Oberschwingungen der getakteten Gradientenfelder.
Das Gehäuse des Energiesammlers dient als Bezugspunkt des schwingfähigen Systems und zur Stabilisierung bzw. zum Schutze des Energiesammlers vor äußeren Einflüssen. Die Dimensionierung des Gehäuses ist bevorzugt derart gewählt, dass eine bequeme Anbringung am Patienten erfolgen kann. Die Materialwahl wird bevorzugt auf die Anforderung der Anwendungen angepasst.
Insbesondere für Anwendungen in der Magnetresonanztomographie ist es von Vorteil ein Gehäuse zu verwenden, welches aus einem elektrisch nicht-leitfähigen Material gefertigt ist. Hierdurch kann eine Rückwirkung auf die Bildgebung vermieden werden. Kunststoffe vereinen diese Eigenschaft mit einer hohen Stabilität bei geringem Eigengewicht und einer kostengünstigen Herstellungsweise.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse daher aus einem elektrisch nicht-leitfähigen Material, ganz besonders bevorzugt aus einem Kunststoff gefertigt. Diese Ausführungsform ist besonders bevorzugt für einen Energiesammler für ein System gemäß des ersten oder zweiten Aspektes. Für einen Energiesammler für eine System gemäß des dritten Aspektes fungiert, wie obig dargelegt, bevorzugt das Koppelement selbst als Gehäuse.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Energiesammler mindestens einen Permanentmagneten zum Aufbau eines statischen Magnetfeldes auf. Für Anwendungen in der Magnetresonanztomographie ist das Vorhandensein eines Permanentmagneten nicht notwendig. Wie obig beschrieben, erfolgt durch die getakteten Gradientenfelder eine Erzeugung von Wirbelströmen in dem Koppelelement, welche aufgrund des Vorhandenseins eines starken statischen Magnetfeldes zu einer Krafteinwirkung und somit Schwingungsanregung führt.
Das Prinzip des Energiesammlers zur Gewinnung von Energie durch zeitlich veränderbare Magnetfelder kann jedoch auf anderen Gebieten vorteilhafterweise genutzt werden. Beispielsweise treten ebenfalls bei Stromtrassen zeitlich veränderbare Magnetfelder auf. Auch diese induzieren in den bevorzugten Koppelelementen Wirbelströme. Ohne ein statisches Magnetfeld werden die induzierten Wirbelströme jedoch nicht in mechanische Vibrationen übersetzt. Zu diesem Zweck kann es bevorzugt sein, einen Energiesammler mit mindestens einem Permanentmagneten zu versehen, welcher ein statisches Magnetfeld erzeugt. Das statische Magnetfeld muss hinsichtlich der Stärke nicht in die Bereiche von einigen Tesla vordringen. Vielmehr reichen insbesondere zur Rückgewinnung von Energie aus den zeitlich veränderbaren Magnetfeldern von Stromtrassen auch deutlich geringere Feldstärken aus, um signifikant elektrische Energie zu gewinnen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung elektrischer Energie bei der Magnetresonanztomographie umfassend die Schritte

i. Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Systems oder bevorzugten Ausführungsformen davon umfassend einen Magnetresonanztomographen zur Erzeugung eines statisches Magnetfeld, ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld und/oder ein Hochfrequenzmagnetfeld während einer Magnetresonanztomographie und einen Energiesammlers mit einem Koppelelement für ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld
ii. Positionierung des Energiesammlers, sodass sich der Energiesammlers während einer mittels des Magnetresonanztomographen durchgeführten Magnetresonanztomographie in einem sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld befindet, sodass während der Magnetresonanztomographie das sich zeitlich ändernde magnetische Gradientenfeld Wirbelströme in der Oberfläche des Koppelelementes induziert, welche bei Überlagerung mit dem statischen Magnetfeldes eine Krafteinwirkung erfahren, sodass das Koppelelement zu einer Schwingung angeregt wird und in dem Energiesammler elektrischer Energie erzeugt wird
iii. Nutzung der durch den Energiesammler erzeugten elektrischen Energie zum Betrieb mindestens eines Verbrauchergerätes.

Zum einen ist die Konstruktionsweise des Energiewandlers auf die verwandten Magnetfelder bei der Magnetresonanztomographie abgestimmt, sodass bei einer solchen Anwendung ein besonders hoher Wirkungsgrad erzielt wird. Zum anderen sind klassische Implementationen der Energieversorgung von Monitoringsysteme in der MRT-Röhre problembehaftet. Bei einer Verkabelung kann es durch die hochfrequenten Wechselfelder zum Schmelzen der Kabel oder Verbrennungen am Patienten kommen. Auch müssen zur Vermeidung von Interferenzen mit der Bildgebung spezielle, kostenintensive Batterien oder Akkumulatoren eingesetzt werden. Durch das Verfahren können diese Nachteile vermieden und eine zuverlässige Stromversorgung für verschiedene elektronische Geräte nahe am Patienten in der MRT-Röhre gewährleistet werden.
Unter dem Magnetresonanztomographen wird ein Gerät verstanden, welches dafür konfiguriert ist eine Magnetresonanztomographie durchzuführen. Gattungsgemäße Magnetresonanztomographen werden beispielsweise in Nitz et al. 2011 beschrieben. Eine Vielzahl verschiedener kommerzielle System ist in unterschiedlichen Bauformen bekannt. Dies umfasst offene, wie geschlossen Magnetresonanztomographen.
Kennzeichnet für einen Magnetresonanztomographen sind Komponenten, welche die Erzeugung der beschriebenen Magnetfelder erlauben. Dies umfasst insbesondere eine Erzeugung eines statisches Magnetfeldes, eines zeitlich änderbaren Gradientenfeldes und Hochfrequenzfelder. Zu diesem Zweck kann der Magnetresonanztomographen Sender- und Empfängerspulen aufweisen. Das erfindungsgemäße System ist nicht auf eine spezifische Konstruktionsweise von Magnetresonanztomographen beschränkt. Stattdessen können jegliche Geräte geeignet sein, welche die vorgenannten Magnetfelder für ein bildgebenes Verfahren erzeugen.
So ist es bevorzugt, dass der Magnetresonanztomograph konfiguriert ist ein statisches Magnetfeld mit einer Feldstärke von mindestens 0,1 Tesla, bevorzugt 0,1 bis 10 Tesla, besonders bevorzugt 0,5 bis 3 Tesla bereitzustellen.
Weiterhin ist der Magnetresonanztomograph bevorzugt konfiguriert ein Hochfrequenzmagnetfeld im Megahertzbereich zu erzeugen, welches bevorzugt auf die Larmorfrequenz der abzubildenen Atome abgestimmt ist. Bevorzugt Feldstärken der erzeugten Hochfrequenzfelder liegen im µT-Bereich.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Magnetresonanztomograph konfiguriert ein zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld mit einer Frequenz zwischen 100 Hz und 2000 H zu generieren. Derartige Magnetresonanztomographen sind im Stand der Technik weitverbreitet. Die wechselnden magnetischen Gradientenfelder werden dabei wie obig beschrieben zur Ortskodierung genutzt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das System Verbrauchergeräte, bevorzugt zur Anbringung an einem Patienten, wobei der Energiesammler mit den Verbrauchergeräten verbunden ist, um diese mit Energie zu versorgen.
Unter dem Begriff der Verbrauchergeräte, werden bevorzugt elektronische Geräte verstanden, welche nicht unmittelbar zur Bildgebung genutzt, sondern unterstützend bei einer MRT-Untersuchung eingesetzt werden. Bevorzugte Verbrauchergeräte dienen zur Überwachung (Patientenmonitoring) oder Kommunikation mit dem Patienten. Beispiele bevorzugter Verbrauchergeräte, welche vom Energiesammler versorgt werden können, umfassen Atemgurte oder EKG-Geräte oder aber Keyboards, Bildschirme oder Touchpads um eine Kommunikation zwischen dem Patienten und dem medizinischen Personal zu ermöglichen.
Der Fachmann erkennt, dass bevorzugte Ausführungsformen und Vorteile, welche für das System offenbart wurden sich gleichermaßen auf das Verfahren übertragen.
Die Positionierung des Energiesammlers erfolgt bevorzugt derart, dass sich dieser an einem Ort befindet, an welchem während der Durchführung einer Magnetresonanztomographie ein magnetisches Gradientenfeld zeitliche Änderungen erfährt. Sofern die Bauweise des Magnetresonanztomographen eine MRT-Röhre (engl. bore) umfasst, wird der Energiesammler in diese eingebracht. Im Falle offener MRT-System beispielsweise in C-Form wird der Energiesammler entsprechend zwischen die C-Platten eingebracht, zwischen, welchen die Magnetfelder erzeugt werden. Aufgrund der kompakten Bauweise kann der Energiesammler insbesondere auch einfach und flexibel vom Patienten selbst getragen werden.
Die Nutzung der durch den Energiesammler erzeugten elektrischen Energie zum Betrieb mindestens eines Verbrauchergerätes kann auf vielfältige Weise umgesetzt werden.
Beispielsweise kann die erzeugte elektrische Energie direkt für den Betrieb des Verbrauchergerätes verwandt werden. Es kann aber auch bevorzugt sein, dass die erzeugte elektrische Energie in einem Akkumulator zwischengespeichert wird, welcher das Verbrauchergerät mit Energie versorgt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden soll die Erfindung an Hand von Beispielen näher erläutert werden, ohne auf diese beschränkt zu sein.
Figurenliste

Funktionsprinzip zur Erzeugung von Vibrationen eines Koppelelementes bei der Magnetresonanztomographie
Beschleunigungsmessung, vertikale Achse: a) innerhalb der MRT-Röhre oben am MRT-Gehäuse; b) an einem Koppelelement, welches auf der Liege positioniert ist
Schematische Darstellung bevorzugter Ausführungsformen des Energiesammlers
Schematische Illustration einer bevorzugten Verwendung des Energiesammlers zur Erzeugung von elektrischer Energie bei der Magnetresonanztomographie
Schematische Darstellung von Frequenzspektren bei unterschiedlichen MRT-Untersuchungen. b) Bevorzugte Ausführungsform eines Energiesammlers mit einem Array von Koppelelementen und elektrischen Wandlern zur Abdeckung mehrerer Eigenfrequenzen

Beispiele und ausführliche Beschreibung der Abbildungen
zeigt das Funktionsprinzip zur Erzeugung der Vibrationen des Koppelelementes.
In der Magnetresonanztomographie werden drei verschiedene Magnetfelder genutzt: ein statisches Magnetfeld, getaktete (d.h. zeitlich änderbare) magnetische Gradientenfelder und Hochfrequenzfelder. Das Zusammenspiel der magnetischen Felder wird zur schichtweisen Bildgebung genutzt.
Wird ein Koppelelement aus einem leitfähigen Material (z.B. Kupfer oder Aluminium) in der Röhre (engl. bore) eines MRT platziert, so werden in diesem aufgrund der getakteten Gradientenfelder Wirbelströme induziert. Das starke statische Magnetfeld in der MRT-Röhre führt nun zu einer Kraftwirkung auf das Koppelelement. Daher wird das Koppelelement entsprechend der Taktung des Schaltens der Gradientenfelder in Vibration versetzt ( ). Diese Wirkungskette ist z.B. auch für die Geräusch-Entwicklung während einer MRT-Untersuchung verantwortlich, wenn die stromführenden Gradientenspulen eine Kraftwirkung im statischen Magnetfeld erfahren.
zeigt experimentelle Messungen der Vibrationen, welche bei einer typischen MRT-Untersuchung durch die getakteten Gradientenfelder erzeugt werden. Die Versuche wurden an einem MR-Tomographen (3T-MRT Skyra, Siemens) durchgeführt.
zeigt ein Frequenzspektrum, dass am Himmel in der MRT-Röhre in vertikaler Richtung gemessen wurde. Qualitativ gleicht das gezeigte Spektrum auch Spektren, welche in anderen Richtungen und an anderen Positionen am Gehäuse der MRT-Röhre aufgenommen wurden. Insbesondere sind die Spektren durch dominante Frequenzen gekennzeichnet, die im gleichen Abstand aneinandergereiht sind und harmonische Oberschwingungen bilden. Die Frequenzen sind in einem Bereich von 100 Hz - 2 kHz mit Amplituden (je nach Sequenz) von bis zu 0.4 g angesiedelt.
zeigt ein exemplarisches Frequenzspektrum eines Koppelelementes, welches auf einer Liege in der MRT-Röhre platziert wurde. Bei dem Koppelelement handelt es sich um ein Kupferblech mit einer Oberfläche zwischen 40 cm² bis 80 cm² und einer Dicke von 1 bis 2 mm. Wie zeigt, werden an dem Koppelelement deutlich höhere Beschleunigungsamplituden gemessen, als bei einer Vibrationsmessung am MRT-Gehäuse oder direkt auf der Liege (ohne Koppelelement). Gemäß analytischen Abschätzungen auf Grundlage der vorliegenden Beschleunigungen können Leistungen von bis zu 50 mW generiert werden.
Die illustriert bevorzugte Ausführungsformen eines Energiesammlers, welcher die zuvor beschriebene Wirkungskette ausnutzen soll.
In wird eine bevorzugte Ausgestaltung eines Energiesammlers für ein System gemäß des ersten Aspektes der Erfindung gezeigt, wobei ein Koppelelement über ein elastisches Element (Federelement) und einen elektromechanischen Wandler (elektrischen Dämpfer) innerhalb des Energiesammlers mit dessen Gehäuse verbunden. Das Koppelelement, das durch direktes Einwirken der wechselnden Gradientenfelder eine Kraft erfährt, kann diese Kraft direkt auf das elastische Element bzw. Federelement übertragen, wodurch eine Schwingung bzw. Vibration erzeugt wird. Wird die Eigenfrequenz des schwingfähigen Systems auf die Anregung angepasst, so kann ein resonanter Betrieb erzielt werden, der zu einer besonders hohen Effektivität der Energiewandlung führt. Die elektromechanischer Wandler können auf verschiedenen Transduktionsmechanismen basieren. Beispielsweise kann die Vibration durch einen elektrostatischen oder einen piezoelektrischen Wandler gedämpft werden und so elektrische Energie bereitstellen.
In wird die Verwendung einer piezoelektrischen Balkenstruktur (Piezobalken) als bevorzugter elektromechanischer Energiewandler gezeigt. Der Piezobalken ist als Freischwinger am Gehäuse des Energiesammlers befestigt und wird durch die Vibrationen des Koppelelementes zu Schwingungen angeregt. Durch die resultierenden elastischen Verformungen piezoelektrischer Schichten werden die mechanischen Vibrationen in elektrische Energie gewandelt. Der Piezobalken vereint mithin die Funktionalitäten eines elastischen Elementes (Freischwinger) und eines elektrischen Dämpfers (piezoelektrische Dämpfung der elastischen Deformationen).
In wird eine bevorzugte Ausführungsform eines Energiesammlers für ein System gemäß des zweiten Aspektes der Erfindung gezeigt. Hierbei ist das Koppelelement mechanisch mit einem klassischen Vibrationsenergiesammler verbunden, sodass die Vibrationen des Koppelelementes durch eine Schwingung innerhalb des Gehäuses unmittelbar auf den Vibrationsenergiesammler übertragen werden. Der Vibrationsenergiesammler umfasst bevorzugt sein eigenes Gehäuse, in welchem eine seismische Masse vorliegt, welche über einen Energiewandler bevorzugt in Form einer Feder-Dämpfer-Struktur mit dem Gehäuse verbunden ist.
In wird eine bevorzugte Ausführungsform eines Energiesammlers für ein System gemäß des dritten Aspektes der Erfindung gezeigt. In der Ausführungsform ist das Koppelelement ein Hohlkörper in dessen inneren Hohlraum eine seismische Masse über einer Feder -Dämpfer-Struktur als elektromechanischen Wandler mit der äußeren Wand verbunden ist. Durch Anregung des Koppelelementes wird die seismische Masse über das elastische Element in Schwingung gebracht, sodass in dem elektromechanischen Wandler (elektrischen Dämpfer) Energie erzeugt wird. Das Koppelelement fungiert zudem bevorzugt als Gehäuse und besitzt eine magnetische Abschirmfunktion, sodass der Energiewandler und die seismische Masse im inneren Hohlraum nur in vermindertem Maß mit äußeren Magnetfeldern wechselwirken. Hierdurch können störende Einflüsse auf die Bildgebung bei Anwendung in der Magnetresonanztomographie minimiert werden.
illustriert ein Verfahren zur Gewinnung elektrischer Energie während einer MRT-Untersuchung. Aufgrund der kompakten Abmaße kann der Energiesammler am Patienten angebracht werden, sodass sich der Energiesammler zusammen mit dem Patienten während der Durchführung einer Magnetresonanztomographie in der MRT-Röhre befindet. Die aus den getakteten Gradientenfeldern gewonnene Energie kann für verschiedenste Verbrauchersysteme insbesondere für ein Monitoring oder eine Kommunikation mit dem Patienten genutzt werden.
illustriert Frequenzspektren, welche bei unterschiedlichen MRT Untersuchungen auftreten. In Abhängigkeit der medizinischen Indikation oder des zu untersuchenden Gewebe können unterschiedliche Sequenzen (d.h. sequentielle Applikationen der Hochfrequenz- und Gradientenfelder) eingesetzt werden. Die unterschiedlichen Sequenzen führen zu unterschiedlichen Frequenzen der Schaltungen der Gradientenfelder während der Bildgebung, wodurch die Vibrationsspektren variieren.
illustriert die Ergebnisse von Messungen für MRT Untersuchungen mit unterschiedlichen Sequenzen. Die im Frequenzspektrum sichtbaren Oberschwingungen unterschiedlicher Sequenzen sind deckungsgleich oder liegen eng bei einander. Allerdings können die Amplituden der dominanten Frequenzen in Abhängigkeit der Sequenzen signifikant schwanken. So kann es vorkommen, dass bei einer Frequenz f1 dominante Frequenzen mit nur geringer Amplitude oder bei einer Frequenz f2 mit sehr unterschiedlichen Amplituden anzutreffen sind.
Mit Bezug auf eine spezifische Oberschwingung (z.B. f2) ist die erforderliche Frequenzbandbreite B1, die von einem Energiesammler abgedeckt werden muss relativ gering (< 10 Hz). Der Frequenzabstand B2 der Oberschwingungen beträgt je nach Sequenz 50 Hz bzw. 67 Hz.
Die Eigenfrequenz eines Energiesammlers kann mit Hilfe mechanischer Methoden um bis zu 100 Hz (Neiss 2014, Eichhorn 2011, Hoffmann 2016, Lallart 2010, Wang 2017) oder mit Hilfe von Extraktionsschaltungen um bis zu 10 Hz (Hsieh 2015, Cai 2018) variiert werden.
Um bei verschiedenen Frequenzen effizient die Energie ernten zu können, kann es bevorzugt sein einen Array mit mehreren Koppelelementen (z.B. 2 bis 5 Koppelelementen) zu verwenden. Eine solche bevorzugte Ausführungsform ist in für die Verwendung von Piezobalken als elektromechanischem Energiewandler illustriert.
Es wird darauf hingewiesen, dass verschiedene Alternativen zu den beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden können, um die Erfindung auszuführen und zu der erfindungsgemäßen Lösung zu gelangen. Das erfindungsgemäße System sowie das Verfahren beschränken sich in ihren Ausführungen somit nicht auf die vorstehenden bevorzugten Ausführungsformen. Vielmehr ist eine Vielzahl von Ausgestaltungsvarianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung abweichen können. Ziel der Ansprüche ist es, den Schutzumfang der Erfindung zu definieren. Der Schutzumfang der Ansprüche ist darauf gerichtet das System und Verfahren sowie äquivalente Ausführungsformen von diesen abzudecken.
Bezugszeichenliste

1: Energiesammler
3: Koppelelement
5: Elektromechanischer Wandler
7: Elastisches Element
9: Elektrisch dämpfendes Element
11: Gehäuse
13: Vibrationsenergiesammler
15: Seismische Masse
17: Piezobalken
19: Verbrauchergeräte
21: MRT-Röhre
23: Patient

LITERATURVERZEICHNIS

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Claims

System umfassend i. einen Magnetresonanztomographen, wobei der Magnetresonanztomograph dazu eingerichtet ist, während einer Magnetresonanztomographie ein statisches Magnetfeld, ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld und/oder ein Hochfrequenzmagnetfeld zu erzeugen und ii. einen Energiesammler (1) zur Gewinnung elektrischer Energie bei zeitlich veränderbaren Magnetfelder während der Magnetresonanztomographie umfassend a. ein Koppelelement (3) für ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld b. ein Gehäuse (11) und c. einen elektromechanischen Wandler (5) dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (3) aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt ist und über den elektromechanischen Wandler (5) mit dem Gehäuse (11) schwingfähig verbunden ist, wobei das Koppelelement dazu eingerichtet ist, dass während der Magnetresonanztomographie ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld Wirbelströme in dessen Oberfläche induziert, welche bei Überlagerung eines statischen Magnetfeldes eine Krafteinwirkung erfahren, sodass ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld das Koppelelement (3) bei Überlagerung mit einem statischen Magnetfeld zu einer Schwingung anregt und in dem Wandler (5) elektrische Energie erzeugt.
System umfassend i. einen Magnetresonanztomographen, wobei der Magnetresonanztomograph dazu eingerichtet ist, während einer Magnetresonanztomographie ein statisches Magnetfeld, ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld und/oder ein Hochfrequenzmagnetfeld zu erzeugen und ii. einen Energiesammler (1) zur Gewinnung elektrischer Energie bei zeitlich veränderbaren Magnetfelder während der Magnetresonanztomographie umfassend a. ein Koppelelement (3) für ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld b. ein Gehäuse (11) c. ein elastisches Element (7) und d. ein Vibrationsenergiesammler (13) dadurch gekennzeichnet, dass der Vibrationsenergiesammler (13) mit dem Koppelelement (3) verbunden ist, welches aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt ist und über das elastische Element mit dem Gehäuse (11) schwingfähig verbunden ist, wobei das Koppelelement dazu eingerichtet ist, dass während der Magnetresonanztomographie ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld Wirbelströme in dessen Oberfläche induziert, welche bei Überlagerung eines statischen Magnetfeldes eine Krafteinwirkung erfahren, sodass ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld bei Überlagerung mit einem statischen Magnetfeld das Koppelelement (3) zu einer Schwingung anregt und in dem Vibrationsenergiesammler (13) elektrische Energie erzeugt.
System umfassend i. einen Magnetresonanztomographen, wobei der Magnetresonanztomograph dazu eingerichtet ist, während einer Magnetresonanztomographie ein statisches Magnetfeld, ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld und/oder ein Hochfrequenzmagnetfeld zu erzeugen und ii. einen Energiesammler (1) zur Gewinnung elektrischer Energie bei zeitlich veränderbaren Magnetfelder während der Magnetresonanztomographie umfassend a. ein Koppelelement (3) für ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld b. einen elektromechanischen Wandler (5) und c. eine seismische Masse (15) dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (3) ein Hohlkörper ist, dessen äußere Wand aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt ist und in dessen inneren Hohlraum der elektromechanische Wandler (5) sowie die seismische Masse (15) vorliegen, wobei die seismischen Masse (15) schwingfähig über den elektromechanischen Wandler (5) mit der äußeren Wand des Koppelelementes (3) verbunden ist, wobei das Koppelelement dazu eingerichtet ist, dass ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld Wirbelströme in dessen Oberfläche induziert, welche bei Überlagerung eines statischen Magnetfeldes eine Krafteinwirkung erfahren, sodass ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld bei Überlagerung mit einem statischen Magnetfeld das Koppelelement (3) zu einer Schwingung anregt und in dem elektromechanischen Wandler (5) elektrische Energie erzeugt.
System (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige Material ein paramagnetisches oder diamagnetisches Metall ist, besonders bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe umfassend Aluminium, Titan und/oder Kupfer.
System (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (3) ein Hohlkörper, bevorzugt ein ellipsoider Hohlkörper, ganz besonders bevorzugt eine Hohlkugel ist.
System (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis aus dem von der äußeren Oberfläche des Koppelelementes (3) eingeschlossene Volumen und der Masse des Koppelelementes (3) weniger als 10 g/cm³, bevorzugt weniger als 1 g/cm³, besonders bevorzugt weniger als 0,1 g/cm³ beträgt und/oder das Material des Koppelelementes (3) eine Dichte von weniger als 10 g/cm³ aufweist.
System (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche sofern abhängig von Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (3) ein Blech ist mit einer Dicke von 0.5 mm bis 3 mm, bevorzugt 1 mm bis 2 mm, und einer Oberfläche von 20cm² bis 200 cm², bevorzugt 40 cm² bis 80 cm².
System (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Wandler (5) ein piezoelektrischer Wandler oder ein elektrostatischer Wandler ist.
Sytem (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche sofern abhängig von Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11), der elektromechanische Wandler (5) und das Koppelelement (3) ein schwingfähiges System bilden, welches mindestens eine Eigenfrequenz zwischen 100 und 2000 Hz, bevorzugt zwischen 200 und 2000 Hz, ganz besonders zwischen 500 und 1000 Hz aufweist.
System (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche sofern abhängig von Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Energiesammler (1) mindestens zwei Koppelelemente (3) aufweist, welche jeweils durch einen elektromechanischen Wandler (5) mit dem Gehäuse (11) schwingfähig verbunden sind, wobei bevorzugt mindestens zwei schwingfähige Systeme gebildet werden, welche unterschiedliche Eigenfrequenzen aufweisen.
System (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche sofern abhängig von Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11) aus einem nicht-metallischen Material, bevorzugt aus einem Kunststoff gefertigt ist.
System (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Energiesammler (1) mindestens einen Permanentmagneten zum Aufbau eines statischen Magnetfeldes aufweist.
System gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das System Verbrauchergeräte (19), bevorzugt zur Anbringung an einem Patienten (23), umfasst und der Energiesammler (1) mit den Verbrauchergeräten (19) verbunden ist, um diese mit Energie zu versorgen.
Verfahren zur Gewinnung elektrischer Energie bei der Magnetresonanztomographie umfassend die Schritte i. Bereitstellen eines Systems gemäß einem derAnsprüche 1-12 umfassend einen Magnetresonanztomographen zur Erzeugung eines statisches Magnetfeld, ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld und/oder ein Hochfrequenzmagnetfeld während einer Magnetresonanztomographie und einen Energiesammlers (1) mit einem Koppelelement für ein sich zeitlich änderndes magnetisches Gradientenfeld ii. Positionierung des Energiesammlers (1) innerhalb des Magnetresonanztomographen, sodass sich der Energiesammler (1) während einer Magnetresonanztomographie in einem sich zeitlich ändernden magnetischen Gradientenfeld befindet, welches von einem statischen Magnetfeld überlagert wird, sodass während der Magnetresonanztomographie das sich zeitlich ändernde magnetische Gradientenfeld Wirbelströme in der Oberfläche des Koppelelementes (3) induziert, welche bei Überlagerung mit dem statischen Magnetfeldes eine Krafteinwirkung erfahren, sodass das Koppelelement (3) zu einer Schwingung angeregt wird und in dem Energiesammler elektrischer Energie erzeugt wird iii. Nutzung der durch den Energiesammler (1) erzeugten elektrischen Energie zum Betrieb mindestens eines Verbrauchergerätes (19).