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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zu einer beruhrungsfreien
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. Eine
entsprechende Anlage geht aus der
DE 101 42 253 C1 hervor.
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In
der Medizin werden Endoskope und Katheter verwendet, die über Schnitte
oder Körperöffnungen
eingeführt
werden und in Längsrichtung
von außen
verschiebbar und damit nur in einer Dimension navigierbar sind.
Mit Lichtleitern ist eine optische Inspektion möglich, wobei eine Endoskopiespitze und
damit die Blickrichtung durch Steuerdrähte schwenkbar sein kann. Es
lassen sich so Einrichtungen insbesondere zur Biopsie ausbilden.
Die hierbei verwendeten Sonden sind jedoch insbesondere an Verzweigungen
nur beschränkt
navigierbar, so dass eine berührungslose
Kraftausübung
von außen
eine Erweiterung des Anwendungsbereichs mit sich bringen könnte.
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Aus
der Veröffentlichung "IEEE Transactions on
Magnetics", Vol.
32, No. 2, März
1996, Seiten 320 bis 328 sowie aus der
US 5 125 888 A ist ein Magnetspulensystem
zu einer berührungslosen
magnetischen Sondensteuerung zu entnehmen, das sechs vorzugsweise
supraleitende Einzelspulen umfasst, die auf den Flächen eines
Würfels
angeordnet sind, deren Lage in einem rechtwinkligen x,y,z-Koordinatensystem
mathematisch zu beschreiben ist. Mit diesen Spulen sind variable
Feldrichtungen und Feldgradienten zu erzeugen, um einen Katheter
mit magnetischem Material oder magnetische Implantate zu Therapiezwecken
in einem zu untersuchenden, beispielsweise menschlichen Körper zu
führen
bzw. zu bewegen. Mit einem Magnetspulensystem aus sechs Einzelspulen
ist jedoch keine uneingeschränkte
Navigationsfreiheit des magnetischen Körpers zu erreichen.
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In
der
US 6 241 671 B1 ist
ein Magnetspulensystem mit drei Spulen beschrieben, in der
US 6 529 761 B2 eine
Anordnung einiger um einen Patienten drehbar angeordneter Permanentmagnete,
deren Feld durch magnetische Blenden beeinflussbar ist und die eine
magnetische Welle zur Fortbewegung einer magnetischen Sonde erzeugen
können.
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Ferner
sind auch Magnetspulensysteme mit drehbaren Permanentmagneten zur
Steuerung von magnetischen Kathetern insbesondere unter einer Röntgenkontrolle
bekannt.
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Über Verfahren
zu einer Lagestabilisierung durch Rückkopplung ist bei diesem Stand
der Technik nichts ausgesagt; es ist davon auszugehen, dass sich
ein magnetischer Sondenkörper,
durch Feldrichtung und Gradient vorgegeben, immer an eine innere Fläche innerhalb
eines zu untersuchenden Körpers anlegt.
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In
der WO 96/03795 A1 ist ein Verfahren mit zusätzlichen Pulsspulen beschrieben,
mit denen eine magnetische Sonde durch genau definierte Strompulse
unter Computerkontrolle schrittweise zu bewegen ist.
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Es
sind auch sogenannte Videokapseln z.B. aus der Zeitschrift "Gastrointestinal
Endoscopy", Vol. 54,
No. 1, Seiten 79 bis 83 bekannt, die zu einer Inspektion des Verdauungstraktes
dienen. Hierbei geschieht die Fortbewegung der Videokapsel durch
die natürliche
Darmbewegung; d.h., die Fortbewegung und Blickrichtung ist rein
zufällig.
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In
der
DE 101 42 253
C1 ist eine entsprechende Videokapsel beschrieben, die
mit einem magnetischen Körper
wie z.B. einem Stabmagneten sowie mit Video- und anderen Interventionseinrichtungen
ausgestattet ist. Auf den Stabmagneten soll ein externes Magnetspulensystem
in einem Untersuchungsbereich Kräfte
zur Navigation ausüben.
Es ist ein freischwebender, sogenannter Helikoptermodus mit externer
Steuerung durch eine 6D-Maus, eine Rückmeldung der Kraft über die
Maus sowie eine Positionsrückmeldung
durch einen Transponder erwähnt.
Hierzu soll mit dem mehrere Einzelspulen aufweisenden Magnetspulensystem
im Untersuchungsbereich ein 3D-Gradientenfeld erzeugt werden, wie es
von Feldgeneratoren aus der MR-Technologie bekannt ist und das eine
gewünschte
ferngesteuerte Bewegung und Orientierung des magnetischen Körpers ermöglichen
soll. Dabei wird davon ausgegangen, dass durch Wechselwirkung mit
dem Gradientenfeld eine lineare Kraft und ein Drehmoment erzeugt
werden können,
solange der magnetische Körper
und das Gradientenfeld nicht kolliniar sind. Die Steilheit des Gradienten
bestimmt außer
dem Drehmoment auch die Translationskraft in Richtung der Magnet-
oder Spulenachse. Zu einer ferngesteuerten Bewegung und Orientierung
des Magnetkörpers müssen außerdem Mittel
zur Detektion seiner Ist-Position und Mittel zur Einstellung seiner
Soll-Position vorhanden sein. Einzelheiten zu einer konkreten Realisierung
eines entsprechenden Magnetspulensystems und zum Betrieb seiner
Einzelspulen gehen aus der Schrift nicht hervor.
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Alle
vorstehend erwähnten
Systeme erlauben nicht, einen magnetischen Körper mit Hilfe von Magnetfeldern
freischwebend an einem vorbestimmten Ort zu halten. Der Grund hierfür ist, dass
nach dem Earnshaw'schen
Theorem (vgl. "Transactions
of the Cambridge Philosophical Society", Vol. 7, 1842, Seiten 97 bis 120) jede
solche Konfiguration in mindestens einer Raumrichtung instabil ist.
D.h., der magnetische Körper
legt sich, durch den lokalen Feldgradienten vorgegeben, immer an
eine innere Fläche in
dem Arbeitsraum an, bzw. er biegt einen drahtgeführten Katheder in eine gewünschte Richtung.
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Aus
der WO 00/13586 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung
der Position und Orientierung eines innerhalb eines MRI-Magnetsystems
bewegten Untersuchungsobjekts wie z.B. eines Katheters zu entnehmen.
Hierzu ist das Untersuchungsobjekt mit mehreren Sensorspulen versehen. Bei
Bewegung des Objektes werden in diesen Spulen von den Magnetfeldern
des MRI-Magnetsystems elektrische Potentiale induziert, aus denen
sich die Lage und Orientierung des Objektes errechnen lassen.
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Aus
der
DE 39 07 141 A1 geht
eine Kernresonanz-Rbbildungsvorrichtung mit drei Gruppen von Feldgradienten-Erzeugungsspulen
hervor, um in einem Untersuchungsraum jeweils Feldgradienten in drei
orthogonalen Richtungen zu erzeugen. Jede der Feldgradienten-Erzeugungsspulen
weist dabei eine Vielzahl von Einzelspulen auf.
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Auch
die
DE 39 37 148 C2 offenbart
ein magnetisches Gradienten-Erzeugungssystem für einen Kernspintomographen
sowie Verfahren zur Bilderzeugung mit einem derartigen Kernspinto mographen.
Die einzelnen Gradientenspulen weisen dabei jeweils mehrere, voneinander
getrennte Wicklungsabschnitte auf.
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Ferner
ist aus der
DE 44 38
584 A1 eine MR-Bildgebungsvorrichtung für eine minimale invasive chirurgische
Behandlung bekannt. Die Spulen dieser Vorrichtung sind offen gestaltet,
um so den Zugang zu einem Bildvolumen zu erleichtern.
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Bei
diesen MRI-Magnetanlagen wird immer das Untersuchungsobjekt mechanisch
bewegt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anlage anzugeben, mit der
ein (ferro)magnetischer Körper
wie z.B. ein Stabmagnet gemäß der eingangs
DE-C1-Schrift stabil und berührungsfrei
zu navigieren und zu fixieren ist, d.h. unter einer Ausrichtung
des Körpers
und einer Kraftausübung
auf diesen, unter Verwendung eines besonderen den Arbeitsraum um schließenden Magnetspulensystems. Die
Ausrichtung sowie die Größe und Richtung
der Kraft auf den Körper
sollen dabei magnetisch und ohne mechanische Verbindung von außen vorgebbar sein.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß die in Anspruch 1 angegebenen
Maßnahmen
vorgesehen. Dementsprechend soll die Anlage zu einer berührungsfreien
Bewegung und/oder Fixierung eines magnetischen Körpers in einem dreidimensionalen
Arbeitsraum dienen, der von in einem rechtwinkligen x,y,z-Koordinatensystem
aufgespannten Flächen
umgeben ist. Die Anlage soll dabei folgende Teile enthalten, nämlich
- a) ein den Arbeitsraum umgebendes Magnetspulensystem,
das vierzehn einzeln ansteuerbare Einzelspulen aufweist, die zur
Erzeugung der drei Magnetfeldkomponenten Bx,
By und Bz sowie
von fünf
Magnetfeldgradienten aus der bezüglich
ihrer Diagonalen D symmetrischen Gradientenmatrix ausgebildet sind, wobei mit
den Einzelspulen zwei der drei Diagonalelemente der Gradientenmatrix und
je eines der Außerdiagonalelemente
aus den drei zur Diagonalen D symmetrischen Gradientenelementpaaren
der Gradientenmatrix zu erzeugen sind,
- b) Mittel zur Detektion der Ist-Position des magnetischen Körpers in
dem Arbeitsvolumen und
- c) Mittel zur Einstellung der Soll-Position des magnetischen
Körpers,
umfassend
c1) ein Gerät
zur Einstellung der Orientierung, Soll-Position und Bewegungsrichtung
sowie
c2)
Mittel zur Einstellung der Spulenströme in den Einzelspulen unter
Bearbeitung der Abweichung der Soll-Position von der Ist-Position.
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Bei
dem zu verwendenden, den Arbeitsraum käfigartig umschließenden und
dabei einen Zugang in z-Richtung ermöglichenden Magnetspulensystem wird
davon ausgegangen, dass durch die von den Maxwell-Gleichungen auferlegten
Bedingungen rotH=0 und divB=0 – wobei
die in Fettdruck angegebenen Größen jeweils
Vektoren symbolisieren – Feldgradienten
immer paarweise erzeugt werden. Es wurde erkannt, dass den drei
möglichen
Feldkomponenten Bx, By und
Bz von den möglichen neun Feldgradienten
dBx/dx, dBx/dy,
dBz/dz, dBy/dx,
dBy/dy, dBy/dz,
dBz/dx, dBz/dy und
dBz/dz nur fünf unabhängige Gradienten erzeugt werden.
Dabei müssen
den vierzehn Einzelspulen dann acht verschiedene Strommuster entsprechend
den magnetischen Freiheitsgraden aufgeprägt werden können mit Strömen gleicher
Größe. Diese
Strommuster erzeugen jeweils vorwiegend eine Feldkomponente oder
einen Feldgradienten. Durch Überlagern
kann dann jede nach den Maxwell-Gleichungen zulässige Kombination von Magnetfeldkomponenten
und Feldgradienten erzeugt werden.
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Auf
diese Weise ist eine beliebig vorgebbare, berührungsfreie Ausrichtung (=
Navigation einschließlich
Fixierung) und Magnetkraft auf einen magnetischen Körper, beispielsweise
einer mit einem magnetischen Element verbundenen Sonde wie z.B. einem
Katheter, Endoskop oder einer Videokapsel gemäß der
DE 101 42 253 C1 , mittels
Magnetfeldern in einem Arbeitsraum ermöglicht.
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Mit
dem erfindungsgemäßen System
ist vorteilhaft ein Zusammenwirken einer Lageregelung des magnetischen
Körpers
in den drei Raumrichtungen mit den komplexen Anforderungen an die
Feldkonfiguration, wie sie durch die vorerwähnte Magnetspulenanordnung
erzeugt wird, zu gewährleisten.
Bei jeder Verschiebung oder Drehung des magnetischen Körpers ändern sich
dabei die Ströme
in allen vierzehn Einzelspulen. Die Einstellung der Spulenströme in den
Einzelspulen erfolgt dabei derart, dass die Abweichung der Soll-Position
von der Ist-Position
verringert, insbesondere minimiert wird. Die diesbezüglichen
Mittel zur Einstellung und Bearbeitung sind entsprechend ausgelegt.
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Vorteilhaft
sind ferner die Ausgestaltung mit Kraftrückmeldung auf das Gerät zur Einstellung
der Orientierung, Soll-Position
und Bewegungsrichtung sowie eine mögliche Begrenzung der Geschwindigkeit,
mit dem sich der magnetische Körper
bewegt. Auf diese Weise ist insbesondere ein für eine medizinische Diagnose
wünschenswertes
freies, stabiles Schweben in einem Arbeitsraum, z.B. einer mit einem
magnetischen Körper
in Form eines Ferro- oder Permanentmagneten ausgestatteten Videokapsel gemäß der genannten
DE 101 42 253 C1 in
einem Probanden durch eine aktive Positionsregelung zu realisieren.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anlage gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
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So
können
die vierzehn einzeln ansteuerbaren Einzelspulen auf paarweise gegenüberliegenden Flächen und
wenigstens einer rohrförmigen,
sich in z-Richtung erstreckenden Mantelfläche angeordnet sein. Bis auf
die Mantelfläche
können
dabei die Flächen
einen Quader oder Würfel
aufspannen. Sie brauchen aber nicht unbedingt eben ausgebildet zu sein.
Die auf diesen Flächen
liegenden Einzelspulen ermöglichen
dann einen guten Zugang zu dem Arbeitsraum insbesondere in der z-Richtung.
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Vorteilhaft
können
dabei mindestens sechs der Einzelspulen auf den paarweise gegenüberliegenden
stirnseitigen bzw. seitlichen Flächen
des Arbeitsraums liegen und zur Erzeugung der drei Magnetfeldkomponenten
Bx, By, Bz sowie der zwei Diagonalelemente der Gradientenmatrix
dienen. Zugleich können
mindestens vier der Einzelspulen auf der wenigstens einen rohrförmigen,
den Arbeitsraum umschließenden
Mantelfläche
in Umfangsrichtung gesehen verteilt angeordnet sein und zur Erzeugung von
mindestens einem Außerdiagonalelement
der Gradientenmatrix dienen. Zusammen mit den übrigen Einzelspulen lassen
sich so die erforderlichen drei Außerdiagonalelemente ausbilden.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausbildungsform des Spulensystems können
- – sechs
der Einzelspulen als drei Spulenpaare auf den paarweise gegenüber liegenden
stirnseitigen bzw. seitlichen Flächen
des Arbeitsraums liegen
und - – acht der
Einzelspulen zwei Spulenanordnungen bilden, die in z-Richtung gesehen
hintereinander auf der wenigstens einer rohrförmigen Mantelfläche liegen
und deren jeweils vier Einzelspulen auf der Mantelfläche in Umfangsrichtung
gesehen verteilt angeordnet sind und zur Erzeugung von drei in der
Gradientenmatrix auf einer Seite von der Diagonalen liegenden Außerdiagonalelementen
dienen.
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Dieses
Spulensystem zeichnet sich durch einen klaren Aufbau mit guter Zugänglichkeit
des Arbeitsraums in der z-Richtung aus.
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Stattdessen
lässt sich
bei dem Spulensystem ebenso gut vorsehen,
- – dass auf
den stirnseitigen Flächen
des Arbeitsraums ein Spulenpaar von Einzelspulen liegt und zur Erzeugung
der Magnetfeldkomponente Bz sowie des Diagonalelementes
dBz/dz der Gradientenmatrix dient,
- – dass
auf den paarweise gegenüberliegenden seitlichen
Flächen
jeweils eine Spulenanordnung aus jeweils zwei in z-Richtung gesehen
hintereinander angeordneten Einzelspulen liegt und zur Erzeugung
der Magnetfeldkomponente Bx bzw. By dient,
- – dass
auf der wenigstens einen rohrförmigen Mantelfläche eine
Spulenanordnung aus vier in Umfangsrichtung gesehen verteilt angeordneten Einzelspulen
liegt
und - – dass die Spulenanordnungen
auf den seitlichen Flächen
und der Mantelfläche
zur Erzeugung eines weiteren Diagonalelementes und von drei in der
Gradientenmatrix auf einer Seite von deren Diagonalen liegenden
Außerdiagonalelementen dienen.
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Bei
den vorstehend wiedergegebenen Ausführungsformen können vorteilhaft
die auf der (gedachten) Mantelfläche
liegenden Feldgradientenspulen sattelförmig gestaltet sein. Dabei
ist es möglich, dass
ihre auf der Mantelfläche
in Umfangsrichtung verlaufenden stirnseitigen Bogenteile in Umfangsrichtung
gesehen nebeneinander liegen, d.h. jeweils einen Bogenwinkel von > 90° einnehmen, oder sich auch überlappen.
Entsprechende Einzelspulen sind leicht herstellbar und erzeugen
klare Feldverhältnisse.
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Darüber hinaus
können
zumindest einige der Feldkomponentenspulen als ebene Rechteckspulen oder
Kreisspulen gestaltet sein. Insbesondere die sich an den Stirnseiten
befindlichen Spulen ermöglichen
so einen guten Zugang zu dem Arbeitsraum in z-Richtung.
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Vorteilhaft
lassen sich Teile aus weichmagnetischem Material an der Außenseite
des Spulensystems zur Feldverstärkung
und/oder Feldabschirmung zuordnen.
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Zur
Ansteuerung der vierzehn Einzelspulen der Magnetspulen wird vorteilhaft
ein Computer eingesetzt, indem er ihre jeweils zugeordnete Stromversorgung
in Abhängigkeit
von der jeweiligen Position des zu bewegenden Magnetkörpers ansteuert.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anlage gehen aus den vorstehend nicht
angesprochenen Unteransprüchen
hervor.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung noch weiter erläutert, in
der bevorzugte Ausführungsformen
von erfindungsgemäßen Magnetspulensystemen
veranschaulicht sind. Dabei zeigen jeweils schematisch
- – deren 1 eine
Anlage zur berührungsfreien Bewegung
und Fixierung/Halterung eines magnetischen Körpers,
- – deren 2 eine
erste Ausführungsform
eines Magnetspulensystems dieser Anlage,
- – deren 3 in Teilfiguren 3a bis 3h die Einzelspulen
eines solchen Magnetspulensystems mit Stromführungsrich tungen zur Erzeugung vorbestimmter
Magnetfeldkomponenten bzw. -gradienten,
- – deren 4 eine
Ansteuerung der Einzelspulen des Magnetspulensystems gemäß 2 mittels eines
Computers,
- – deren 5 eine
weitere Ausführungsform
eines Magnetspulensystems für
eine erfindungsgemäße Anlage
und - – deren 6 in Teilfiguren 6a bis 6i die Stromführungsrichtungen
in den Einzelspulen des Magnetspulensystems nach 5.
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Dabei
sind in den Figuren sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen
versehen.
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Mit
einer Anlage nach der Erfindung lässt sich ein magnetischer Probekörper berührungslos
in einem Arbeitsvolumen bewegen und stabil halten. Dabei sind die
Ausrichtung sowie die Größe und die Richtung
der Kräfte
auf diesen Probekörper
magnetisch und ohne mechanische Verbindung von außen vorgebbar.
Insbesondere in Anwendungen der Medizin kann so eine mit einem solchen
magnetischen Probekörper
ausgestattete Sonde ein Katheter oder ein Endoskop mit Magnetelement
oder eine kleine Fernsehkamera mit Beleuchtung und Sender sein, die
Videobilder aus dem Körperinneren
wie z.B. dem Verdauungstrakt oder der Lunge sendet. Darüber hinaus
können
ferromagnetische Fremdkörper
wie z.B. eine Nadel oder Funktionsmodule in von außen unzugänglichen
Objekten oder Räumen
durch Magnetkräfte
bewegt oder entfernt werden. Neben der Anwendung in der Medizin
ist ebenso gut ein Einsatz einer erfindungsgemäßen Anlage auch auf anderen Gebieten
wie z.B. in kontaminierten Räumen
möglich.
Mit zugeordneten Magnetsonden können
auch andere, insbesondere unzugängliche
Objekte beispielsweise intern inspiziert werden, wobei die Sonden
selbstverständlich
auch mit anderer oder zusätzlicher
Funktionalität
ausgestattet sein können.
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Mit
Hilfe des verwendeten Magnetspulensystems kann so der Probekörper in
allen drei lateralen Freiheitsgraden und in Blickrichtung in den
zwei rotatorischen Freiheitsgraden durch magnetische Kräfte von
außen
gesteuert werden. Außerdem
erlaubt das Magnetspulensystem der Anlage vorteilhaft von außen einen
Zugang in z-Richtung, z.B. um zu behandelnde Personen in dem Arbeitsraum
im Inneren zu positionieren.
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1 zeigt
in Form eines Blockdiagramms ein Ausführungsbeispiel einer Anlage
22 zu
einer entsprechenden berührungslosen
Navigation und Fixierung eines ferromagnetischen Körpers
10 in
einem Probanden oder Untersuchungsobjekt
23, z.B. einem Menschen.
Der Proband befindet sich dabei in einem Arbeitsraum A, der von
vierzehn Einzelspulen eines in der Figur nicht näher ausgeführten Magnetspulensystems
2 umgeben
ist. Der magnetische Körper
10, beispielsweise
aus ferromagnetischem oder permanentmagnetischem Material, kann
insbesondere Teil einer Sonde wie z.B. einer Videokapsel gemäß der genannten
DE 101 42 253 C1 sein.
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Das
in der Figur nicht näher
ausgeführte
Magnetspulensystem 2 hat beispielsweise eine etwa würfelförmige Außenkontur.
Die entsprechenden sechs Würfelflächen sind
mit F3a, F3b, F4a, F4b, F5a und F5b bezeichnet. Dem Würfel sei
ein rechtwinkliges x,y,z-Koordinatensystem zugeordnet. Die orthogonal
zur z-Richtung liegenden
Flächen
F4a und F4b seien dabei als stirnseitige Flächen angesehen, während dann
die zur x-Achse und zur y-Achse orthogonalen Flächenpaare F3a, F3b bzw. F5a,
F5b als seitliche Flächenpaare
betrachtet werden können.
Die Flä chenpaare
umschließen
den drei-dimensional ausgeprägten
Innen- oder Arbeitsraum A.
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Für eine aktive
Positionsregelung des magnetischen Körpers 10 umfasst die
Anlage 2 an sich bekannte Mittel zur Detektion der Ist-Position
des Körpers 10 in
dem Arbeitsraum A. Beispielsweise sind solche Mittel drei Positionsmesser 24x , 24y und 24z , mit denen die Lage des Körpers 10 in
der jeweiligen Koordinatenrichtung ermittelt wird. Die entsprechenden
Messwerte werden einer Regelungseinrichtung 25 zugeführt, die
Teil von Mitteln zur Einstellung einer Soll-Position des magnetischen
Körpers
ist. Hierzu umfasst die Regelungseinrichtung drei Regelkreise für die x-,
y- und z-Position, die aus der Regelabweichung von Ist- und Soll-Position
Gegenkräfte in
x-, y- und z-Richtung auf den magnetischen Körper 10 veranlassen.
Der Regelungseinrichtung 25 ist eine Umsetzereinheit 26 nachgeordnet.
Diese Umsetzereinheit 26 steuert vierzehn Netzteile PA1
bis PA14, mit denen die Ströme
I1 bis I14 in den
vierzehn Einzelspulen des Magnetspulensystems 2 erzeugt werden.
In dem Spulensystem wird auf den magnetischen Körper 10 eine definierte
Feldrichtung und Magnetkraft F = grad(m·8) (mit m = Vektor des magnetische
Moments des Körpers)
erzeugt. Hier werden aus der Positionsregelung abgeleitete Verstellkräfte in den
drei Koordinatenrichtungen in Magnetfelder und -gradienten sowie
weitere Spulenströme
umgesetzt, die diese Kräfte
auf den magnetischen Körper ausüben. Abweichungen
in der Soll-Position wird so entgegengewirkt und die Lage des Körpers stabilisiert.
Als Folge davon stellen sich bei freiem Schweben die Gewichtskraft
als auch eventuell weitere Kräfte
zur Überwindung
mechanischer Widerstände ein.
Mit einem Gerät 27 zur
Einstellung der Orientierung, Soll-Position und Bewegungsrichtung
des magnetischen Körpers 10,
z.B. in Form eines Joysticks mit Steuerknüppel 27a, oder einer
6D-Maus, werden die Polarwinkel/-koordinaten θ und φ der Orientierung und/oder
die Soll-Position und/oder die Bewegungsrichtung in den drei Raumkoordinaten
vorgegeben. Hierzu liefert das Einstellgerät 27 die Soll-Positionen
x, y und z und vergleicht sie in jeweils zugeordneten Komparatoren 30x bzw. 30y bzw. 30z mit der Ist-Position, die sich aus
den Messsignalen der Positionsmesser 24x , 24y und 24z ergibt.
Die Differenzwerte werden als Regelabweichungen an die Regelungseinrichtung 25 weitergeleitet.
Dort werden sie verstärkt,
regeltechnisch weiterverarbeitet und der Umsetzereinrichtung 26 zugeführt. Aus
den so zugeführten
Werten werden dort mittels mathematischer Verfahren Stromwerte für die vierzehn
Spulennetzgeräte
PA1 bis PA14 errechnet, mit denen geänderte Feldgradienten und damit
Magnetkräfte
Fx, Fy und Fz auf den magnetischen Körper 10 erzeugt werden. Diese
Kräfte
wirken der Regelabweichung des Körpers
in seiner Position x, y und z entgegen. Außerdem gibt das Einstellgerät 27 an
die Umsetzereinrichtung 26 die Soll-Richtungen mittels der Polarwinkel θ und φ im Raum
weiter, die dort in Ströme
für die
drei Feldkomponenten Bx, By und
Bz umgesetzt und über die Netzteile PA1 bis PA14
an das Spulensystem 2 entsprechend weitergeleitet werden.
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In 1 ist
ferner eine Einrichtung angedeutet, mit der das Videosignal einer
Videokapsel, die mit einem magnetischen Körper 10 ausgestattet
ist, empfangen wird. Hierzu enthält
die Einrichtung einen Videoempfänger 28 sowie
einen Monitor 29.
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Vorteilhaft
kann die Anlage 2 auch dahingehend ausgebildet sein, dass
die in der Umsetzereinrichtung 26 berechnete Kraft auf
den magnetischen Körper 10 über Stellglieder
in dem Einstellgerät 27 eine
proportionale Kraftwirkung auf den Joystick 27a des Geräts ausübt. Damit
lässt sich
z.B. ein uner wünschter
mechanischer Widerstand auf den Körper 10 für einen
Bediener des Einstellgeräts,
beispielsweise einen untersuchenden Arzt, fühlbar machen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Anlage kann vorteilhaft aus einer Positionsmessung
durch Differenzierung die Geschwindigkeit des magnetischen Körpers 10 erfasst
und in den Regelkreis eingespeist werden mit dem Ziel, diese zu
begrenzen. Damit lassen sich beispielsweise Schäden durch einen Aufprall des
magnetischen Körpers
auf Wände,
z.B. im Körperinneren
des Probanden 23 ausschließen.
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Einzelheiten
eines typischen Ausführungsbeispieles
eines Magnetspulensystems 2 für eine erfindungsgemäße Anlage 22 sind
in den 2 und 3 schematisch
dargestellt.
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Das
Magnetspulensystem
2 umfasst vierzehn normalleitende oder
supraleitende Einzelspulen, die vorzugsweise als Rechteck- bzw. Sattelspulen
ausgebildet sind. Dabei sind in der Figur die Wickelformen nur schematisch
dargestellt; es können auch
Einzelspulen mit abgerundeten Ecken, Kreisspulen oder andere Spulenformen
gewählt
werden. Das Spulensystem des gewählten
Ausführungsbeispiels
setzt sich dabei aus sechs Feldkomponentenspulen
3a,
3b,
4a,
4b und
5a,
5b sowie
acht Feldgradientenspulen
6a bis
6d und
7a bis
7d zusammen. Mit
den paarweise auf den gegenüberliegenden
Würfelflächen F3a,
F3b; F4a, F4b und F5a, F5b liegenden Feldkomponentenspulen
3a,
3b bzw.
4a,
4b bzw.
5a,
5b sind
die Feldkomponenten B
x, B
y,
B
z sowie mindestens zwei der drei diagonalen
Magnetfeldgradienten dB
x/dx, dB
y/dy
und dB
z/dz aus der nachstehend wiedergegebenen
Gradientenmatrix zu erzeugen. Diese Gradientenmatrix mit einer Diagonalen
D hat folgendes Aussehen:
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Dabei
sei eine die Elemente dBx/dx,
dBy/dy und dBz/dz verbindende
Linie als die Diagonale D der Gradientenmatrix angesehen. Die Gradientenmatrix ist
symmetrisch bezüglich
dieser Diagonalen D bzw. der auf ihr liegenden, vorerwähnten Magnetfeldgradienten
aufgebaut. Dabei ist die Summe der Diagonalelemente gleich null.
Die die einzelnen Feldkomponenten erzeugenden Spulenpaare mit in
ihnen zu wählenden
Stromführungsrichtungen
sind gemäß 3 und deren Teilfiguren mit 3 bzw. 4 bzw. 5 bezeichnet.
Vorzugsweise sind die Paare der Feldkomponentenspulen untereinander
orthogonal angeordnet. Im Allgemeinen haben sie zumindest paarweise gleiche
Form.
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Mit
den sattelförmig
gestalteten Feldgradientenspulen 6a bis 6d sowie 7a bis 7d sind
jeweils zwei Spulenanordnungen 6 und 7 ausgebildet,
die in z-Richtung gesehen hintereinander angeordnet sind. Die sattelförmigen Feldgradientenspulen
umschließen
feldmäßig den
Arbeitsraum A, wobei sie auf mindestens einer gedachten, rohrförmigen Mantelfläche F6 mit
zur z-Richtung parallel
verlaufender Achse gemeinsam angeordnet sind. In Umfangsrichtung
gesehen sind die zu einer Spulenanordnung gehörenden Gradientenspulen gegenseitig
beabstandet; d.h. zwischen ihren stirnseitigen Bogenteilen und somit
zwischen ihren in z-Richtung verlaufenden Längsseiten ist jeweils ein Zwischenraum.
Es ist jedoch eine Überlappung
benachbarter Gradientenspulen an ihren Längsseiten möglich. Die gedachte Mantelfläche F6 hat
beispielsweise einen kreisförmigen
Querschnitt. Sie kann aber auch eine andere, z.B. quadra tische Querschnittsform
haben. Es sind auch konzentrischen Mantelflächen möglich, auf denen sich die Einzelspulen
aus einer oder aus beiden Spulenanordnungen befinden. Die mindestens
eine Mantelfläche
F6 braucht auch nicht unbedingt innerhalb des von den Feldkomponentenspulen 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b umschlossenen
Raums zuliegen, sondern kann gegebenenfalls die Struktur aus diesen
Spulen auch umschließen.
Im Allgemeinen haben zumindest die zu einer Spulenanordnung 6 und/oder 7 gehörenden Feldgradientenspulen
gleiche Form. Im Allgemeinen handelt es sich bei den erwähnten Flächen um
gedachte Flächen.
Selbstverständlich
sind aber die sich auf ihnen erstreckenden Einzelspulen des Magnetspulensystems 2 von
konkreten, in den Figuren nicht dargestellten Fixierungsmitteln
gehalten.
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Mit
den Feldgradientenspulen 6a bis 6d und 7a bis 7d sind
beispielsweise gemäß 3 und deren Teilfiguren die Magnetfeldgradienten
dBx/dy, dBz/dx und
dBz/dy bei Wahl der dargestellten Stromführungsrichtungen
auszubilden. Diese drei Feldgradienten stellen jeweils ein außerdiagonales
Element der vorstehenden Gradientenmatrix dar. Dabei stammen diese
Elemente jeweils aus einem anderen, bzgl. der Diagonalen D symmetrischen
Elementenpaar. Hei der Ausbildung entsprechender Feldgradienten werden
nämlich
zwangsläufig
die bzgl. der Diagonalen D symmetrischen Feldgradienten paarweise
erzeugt. Das wären
in diesem Falle die Gradienten dBy/dx bzw.
dBx/dz bzw. dBy/dz.
Da nur fünf
Gradientenfreiheitsgrade zu berücksichtigen
sind, bedarf es außerdem
keines besonderen Strommusters für
den dBz/dz-Feldgradienten. Alternativ kann
aber der dBz/dz-Feldgradient erzeugt werden
und dafür
einer der Gradienten dBx/dx oder dBy/dy weggelassen werden. D.h., es müssen nur
zwei der drei auf der Diagonalen D der Gradientenmatrix liegenden
Gradienten erzeugt werden.
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Wird
nun ein langgestreckter Magnetkörper, beispielsweise
ein Ferro- oder Permanentmagnet, der z.B. mit einer Sonde verbunden
ist, in den Arbeitsraum A des Magnetspulensystems 2 eingebracht,
so versucht er sich parallel zur Feldrichtung auszurichten, wobei
er somit auch die Ausrichtung der Sonde vorgibt. Die Feldgradienten üben dabei auf
den Magnetkörper
eine Kraft F = grad(m·B)
aus, wobei m der Vektor des magnetische Moments des Magnetkörpers ist.
Durch eine gezielte Ansteuerung jeder der vierzehn Einzelspulen
ist es dann möglich, dass
der Magnetkörper
beliebig im Arbeitsraum A ausgerichtet werden kann und auf ihn auch
eine vorgegebene Kraft F in alle Richtungen auszuüben ist, also
dass er nicht nur gedreht, sondern auch linear bewegt werden kann.
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Die
Teilfiguren 3a bis 3h zeigen paarweise
die vierzehn Einzelspulen eines Magnetspulensystems, beispielsweise
des Systems 2 nach 2, in Einzeldarstellung
mit den jeweiligen Flussrichtungen der Ströme I zur Erzeugung der für eine berührungsfreie
Bewegung und/oder Drehung erforderlichen Feldkomponenten und Feldgradienten.
Dabei ist gemäß den Teilfiguren 3a und 3h mit dem
Spulenpaar 3 der Einzelspulen 3a, 3b je
nach Stromflussrichtung die Magnetfeldkomponente Bx bzw.
der Feldgradient dBx/dx zu erzeugen. In
entsprechender Weise ist mit den Einzelspulen 5a, 5b des
Spulenpaars 5 die Feldkomponente By bzw.
der Feldgradient dBy/dy auszubilden. Das
Spulenpaar 4 aus den Einzelspulen 4a und 4b erzeugt
gemäß Teilfigur 3e die
Feldkomponente Bz. Gemäß den Teilfiguren 3f bis 3h sind
mit den beiden Spulenanordnungen 6 und 7 aus den
jeweils vier Gradientenspulen 6a bis 6d bzw. 7a bis 7d je
nach Stromführungsrichtung
in den Einzelspulen die Feldgradienten dBz/dx
bzw. dBz/dy bzw. dBx/dy
zu erzeugen.
-
Jedes
Strommuster erzeugt in dem Magnetspulensystem neben der jeweils
gewünschten
auch andere Feldkomponenten. Diese hängen von den jeweiligen Spulenabmessungen
und vom Standort des Magnetkörpers
ab; ihre Amplitude nimmt vom Zentrum aus in Richtung auf die Wicklungen
der Spulen zu. D.h., ein einfacher Zusammenhang zwischen der Stromstärke der
Strommuster mit der Feldrichtung und Kraftrichtung F = grad(m·B) an
einem Ort des Magnetkörpers
ist so nicht gegeben.
-
Durch
ein geeignetes Überlagern
der acht Strommuster in den vierzehn Einzelspulen sind jedoch an
einem Magnetkörperort
(Sondenort) gerade jene Felder und Feldgradienten einzustellen,
welche die gewünschte
Ausrichtung und Kraftwirkung auf den Magnetkörper erzeugen. Besonders vorteilhaft kann
z.B. ein freies Schweben des Magnetkörpers in dem Raum realisiert
werden, wenn gerade die Gewichtskraft F = m g = grad(m·B) erzeugt
wird (M = Masse, g = Erdbeschleunigung). Die diesbezügliche Berechnung
erfolgt vorteilhaft mit einem Computer, der insbesondere die folgenden
Rechenschritte durchführt
und gegebenenfalls während
einer Bewegung des Magnetkörpers
laufend wiederholt:
- – Berechnung der Sollwerte
der drei Feldkomponenten Bx, By,
Bz am Magnetkörperort aus einer vorgegebenen
Magnetkörperrichtung
in Polarkoordinaten θ und φ im Arbeitsraum
und dem Betrag |B|;
- – Berechnung
der Sollwerte der fünf
unabhängigen
Feldgradienten dBx/dx, dBy/dy,
dBx/dy, dBz/dx und
dBz/dy aus einer vorgegebenen Magnetkraft auf
den Magnetkörper;
es kann auch der Gradient dBz/dz vorgegeben
werden und dafür
einer der anderen auf der Diagonalen der Gradientenmatrix liegenden
Gradienten dBx/dx oder dBy/dy
zu Null gemacht werden. Denkbar sind auch Überlagerungen des Gradienten dBz/dz mit einen der anderen diagonalen Gradienten
dBx/dx oder dBy/dy;
- – Berechnung
von Feldkomponenten und Feldgradienten am Magnetkörperort
für jedes
der acht Strommuster aus der Spulengeometrie, z.B. für 1 A Spulenstrom
und Darstellung in Form einer 8×8-Matrix;
- – Berechnung
einer inversen Matrix. Diese inverse Matrix hängt nur von der Spulengeometrie
ab und kann für
jeden Punkt auf einem Raster im vorgesehenen Arbeitsraum im Voraus
erstellt werden. Während
des Betriebs der Vorrichtung wird zur schnelleren Berechnung zwischen
den Werten in diesem Raster interpoliert;
- – Multiplikation
der inversen Matrix für
den Magnetkörperort
mit dem Feldvektor (Bx, By,
Bz, dBx/dX, dBy/dy, dBx/dy, dBz/dx, dBz/dy) ergibt
die Stromwerte für
die acht Strommuster;
- – Aufteilung
der Strommuster auf die vierzehn Einzelspulenströme nach jeweiliger positiver
oder negativer Stromrichtung aus gespeicherter Tabelle und lineare Überlagerung
der Ströme
in den Einzelspulen;
- – Ansteuerung
der vierzehn Netzteile für
die Einzelspulen;
- – Überwachung
der Verlustleistungsgrenzen in den Einzelspulen.
-
Aus
der 4 geht eine entsprechende Vorrichtung zur Ansteuerung
der vierzehn Einzelspulen im Zusammenwirken mit einer bildgebenden
Einrichtung zur Kontrolle der Magnetkörper- bzw. Sondenposition in
schematischer Darstellung hervor. In der Figur ist ein das Magnetspulensystem 2 nach 2 ansteuernder
Computer mit 9 bezeichnet. Mit Hilfe der vierzehn Einzelspulen
des Magnetspulensystems sind auf einen Magnetkörper bzw. eine entsprechende
Sonde 10 neben frei vorgebbarer Feldrichtung auch uneingeschränkt Magnetkräfte in allen
drei Raumrichtungen auszuüben.
Mittels des Computers 9 werden die vierzehn Netzteile PA1
bis PA14 für
die vierzehn Einzelspulen angesteuert. In der Figur ist ferner eine
Röntgenröhre 11 eines
Röntgengeräts angedeutet,
deren Strahlung den freien Raum zwischen den Wicklungen der Einzelspulen
zur durchstrahlt. Auf einem Bildschirm 12 außerhalb
des Magnetspulensystems ist dann die Lage bzw. Bewegung des Magnetkörpers 10 zu
beobachten.
-
Zu
einer konkreten Ausgestaltung des Magnetspulensystems gemäß den Darstellungen
der Figuren lassen sich folgende Maßnahmen vorsehen:
- – Die
Einzelspulen können
aus Aluminium- oder Kupferband gewickelt sein und gegebenenfalls flüssigkeitsgekühlt werden.
- – Die
Einzelspulen können
aus Metallhohlprofilen gefertigt sein, durch deren Innenraum gegebenenfalls
ein Kühlmedium
geleitet wird.
- – Insbesondere
können
die Einzelspulen aus supraleitenden Leitern, vorzugsweise mit Hoch-Tc-Supraleitermaterial, erstellt sein.
- – Selbstverständlich sind
auch weitere Einzelspulen einsetzbar, z.B. zur Homogenisierung des
Magnetfeldes. Eine entsprechende Einzelspule ist in Teilfigur 3e gestrichelt
angedeutet und mit 4c bezeichnet. Sie vergleichmäßigt die
Feldkomponente Bz räumlich.
- – Dem
Magnetspulensystem kann außerdem
magnetisches Material zugeordnet sein. Z.B. kann es zumindest teilweise
von Teilen aus solchem Material umschlossen sein. Eine entsprechende
Ausgestaltung des Magnetspulensystems 2 nach 2 sieht
magnetische Rückschlusskörper aus weichmagnetischem
Material wie Eisen vor, die die Gradientenspulen des Systems 2 von
den Außenseiten
her umschließen.
Mit solchen weichmagnetischen Teilen ist insbesondere eine Feldverstärkung im
Arbeitsraum A und/oder eine Streufeldabschirmung nach außen zu erreichen.
- – Gegebenenfalls
sind für
die Einzelspulen eines Spulenpaaren zur Erzeugung der Magnetfeldkomponenten
oder einer Spulenanordnung zur Erzeugung der Feldgradienten unterschiedliche Leiterquerschnitte
wählbar.
So kann z.B. eine obere y-Einzelspule, beispielsweise die Einzelspule 5b nach
Teilfigur 3c, einen größeren Leiterquerschnitt bzw.
eine erhöhte
Windungszahl gegenüber
der ihr zugeordneten unteren y-Spule 5a aufweisen. Selbstverständlich ist
eine derartige unterschiedliche Ausgestaltung auch bei den anderen
Spulenpaaren und/oder Spulenanordnungen möglich.
-
Bei
dem anhand der vorstehenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems 2 wurde
davon ausgegangen, dass mit den paarweise orthogonal auf gegenüberliegenden
Flächen
eines Würfels
angeordneten Feldkomponentenspulen neben den Feldkomponenten Bx, By und Bz auch zwei der drei diagonalen Feldgradienten
gemäß der vorstehenden
Gradientenmatrix zu erzeugen sind. Es ist jedoch auch möglich, mit
Feldkomponentenspulen auch außerdiagonale
Feldgradienten hervorzurufen. Hierzu ist es erforderlich, dass zwei
der drei Feldkomponentenspulen durch Spulenpaare aus Einzelspulen
gebildet werden. Eine solche Ausführungsform kann insbesondere
dann vorgesehen werden, wenn das Magnetspulensystem eine mehr quaderförmige Kontur um
einen Arbeitsraum aufweist. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel
eines Magnetspulensystems mit wiederum vierzehn Einzelspulen ist
in den 5 und 6 in den 2 und 3 entsprechender Darstellung angedeutet
und mit 20 bezeichnet. Dabei zeigen die Teilfiguren 6a bis 6i die
für die
Magnetfeldkomponenten und -gradienten in den Einzelspulen zu wählenden
Stromfüh rungsrichtungen.
Bei dieser Ausführungsform
liegt auf stirnseitigen Flächen
F14a und F14b des Arbeitsraums A ein Spulenpaar 14 aus Einzelspulen 14a und 14b.
Mit diesen beispielsweise kreisförmig
gestalteten Einzelspulen sind gemäß den Teilfiguren 6g und 6h die
Magnetfeldkomponente Bz sowie das zugehörende Gradientenelement
dBz/dz auf der Diagonalen D der Gradientenmatrix
zu erzeugen. Demgegenüber
sind die auf paarweise gegenüberliegenden
seitlichen Flächen F13a,
F13b und F15a, F15b anzuordnenden Feldkomponentenspulen jeweils
durch eine Spulenanordnung 16 bzw. 17 aus jeweils
zwei in z-Richtung
gesehen hintereinander angeordneten Einzelspulen gebildet. Gemäß Teilfigur 6d setzt
sich dabei die Spulenanordnung 16 aus den Einzelspulen 13a, 13a' sowie 13b und 13b' zusammen. Je
nach Stromführungsrichtung
gemäß den Teilfiguren 6d, 6e und 6f in
diesen Einzelspulen sind dann die Feldkomponente Bx bzw.
das diagonale Gradientenelement dBx/dx und
das außerdiagonale
Gradientenelement dBz/dx zu erzeugen. In
entsprechender Weise kann mit den Einzelspulen 15a, 15a' und 15b, 15b' der Spulenanordnung 17 auf
den seitlichen Flächen F15a
und F15b gemäß den Teilfiguren 6a bis 6c die
Feldkomponente By bzw. das diagonale Gradientenelement
dBy/dy und das außerdiagonale Gradientenelement
dBz/dy erzeugt werden. Um das dritte der
außerdiagonalen
Gradientenelemente dBx/dy gemäß 6i erzeugen
zu können,
ist noch eine weitere Spulenanordnung 18 aus vier Einzelspulen 18a bis 18d erforderlich.
Diese Einzelspulen liegen auf einer (gedachten) rohrförmigen,
sich parallel zur z-Achse erstreckenden, den Arbeitsraum A umschließenden Mantelfläche F18
innerhalb der von den Feldkomponentenspulen gebildeten Kontur. Diese
vier Einzelspulen 18a bis 18d sind in Umfangsrichtung
der Mantelfläche
F18 gesehen regelmäßig verteilt
angeordnet, wobei sich gegebenenfalls ihre in z-Richtung verlaufenden
Längsseiten überlappen können. Für die Darstellung
nach der Teilfigur 6i wurde zwar eine quadratische
Querschnittsform für die
gedachte Mantelfläche
angenommen. Wie aus 7 ersichtlich
ist, können
hierfür
auch andere Formen vorgesehen werden. Ferner ist in der Teilfigur 6g die
auch zu der Teilfigur 3e angesprochene Möglichkeit
angedeutet, zu einer Homogenisierung des Magnetfeldes weitere Einzelspulen
vorzusehen. So kann mit der mit 14c bezeichneten, in der
Teilfigur gestrichelt ausgeführten
Einzelspule eine entsprechende Vergleichsmäßigung der Feldkomponente Bz erreicht werden.