DE19856803C1 - Antriebsvorrichtung zum Positionieren von Aktoren in starken elektromagnetischen Feldern, insbesondere Magnetresonanzanlagen und entsprechender Fluidschrittmotor - Google Patents

Abstract

Antriebsvorrichtung zur Positionierung von Aktoren in starken elektrischen und/oder magnetischen Feldern, insbesondere für Magnetresonanzanlagen, wobei sie als Antriebsmotoren unmittelbar im Feldbereich anordenbare Fluidschrittmotoren verwendet.

Description

Zur Betätigung von Aktoren in Robotern werden bislang grund­ sätzlich elektrische Schrittmotoren verwendet. Schwierigkei­ ten treten dabei immer dann auf, wenn derartige Roboter in Bereichen eingesetzt werden sollen, in denen sehr starke elektrische und/oder magnetische Felder herrschen, insbeson­ dere beispielsweise in Hochspannungsanlagen, HF-Sendeanlagen und innerhalb des Feldbereichs von Magnetresonanzanlagen (MR- Anlagen). Dabei ergeben sich sowohl Störungen in der Funkti­ onsweise der elektrischen Schrittmotoren durch das starke elektromagnetische Feld und umgekehrt werden auch die elek­ tromagnetischen Felder durch Bestandteile der elektrischen Schrittmotoren verfälscht.

So wird z. B. durch magnetische Metallteile im Motor das Grundmagnetfeld des MR-Magneten verändert. Dadurch wird die geometrische Darstellung der Objekte im MR-Bild verfälscht.

Durch Ströme, die zum Halten der Position notwendig sind, wird das Grundfeld des Magnetresonanzmagneten verändert. Auch dadurch wird die geometrische Darstellung der Objekte im Ma­ gnetresonanzbild verfälscht.

Durch Abstrahlungen, die der Motor, seine Zuleitungen und Steuerungen beim Laufen abgeben, wird das Magnetresonanzbild durch Streifen oder Punkte gestört.

Durch Felder, die die Magnetresoanzanlage zur Aufnahme der Bilder erzeugt, wird der Schrittmotor in seiner Position oder seinem Lauf gestört oder kann sich unkontrolliert bewegen.

Um diesen Schwierigkeiten zu begegnen, hat man bisher eine Reihe von Maßnahmen vorgeschlagen:

Zum ersten hat man versucht, alle elektrischen Teile des Mo­ tors sowie seine Ansteuerung und Verkabelung innerhalb eines Abschirmgehäuses unterzubringen, wie beispielsweise in der EP 655 220 A1 ausgeführt ist. Darüber hinaus hat man auch be­ reits Anordnungen konzipiert, bei denen die Motoren weitab vom Untersuchungsbereich, also außerhalb der elektromagneti­ schen Felder, angeordnet sind und die Bewegung über Ketten, Riemen oder Wellen übertragen wird, wie ebenfalls der vor­ stehend schon angeführten EP 655 220 A1 zu entnehmen ist. In diesen Fällen musste ggf. an den Wanddurchgängen der Wellen eine zusätzliche Erdung der Wellen, Riemen und Ketten durch Schleifkontakte erfolgen. Des weiteren hat man versucht, die Störungen dadurch zu minimieren, daß man während der Emp­ fangszeit den Motorantrieb stoppt und den Motor blockiert und in der Sendezeit den Motor ebenfalls durch spezielle Ströme stoppt. Schließlich wurden elektrische Leitungen, die durch Schirmwände geführt wurden, mit HF-Filtern versehen.

Alle diese konventionellen Schutzmaßnahmen des Motors gegen­ über dem Magnetresonanzfeld oder umgekehrt des Magnetreso­ nanzfeldes und der durch dieses erzeugten Bilder durch den Motor haben jedoch ihrerseits wiederum eine Reihe von erheblichen Nachteilen.

So sind alle diese Schutzeinrichtungen aufwendig, teuer und störanfällig (z. B. durch Verschmutzung der Schleifkontakte). Die Schutzeinrichtungen haben stets nur eine begrenzte Wir­ kung, beispielsweise ist die Dämpfung der Filter nur selektiv und auch nicht hundertprozentig wirksam.

Wellen, Riemen und Ketten federn und übertragen die Bewegung nur sehr ungenau.

In vielen Fällen ist es störend oder im Hinblick auf die Funktionsweise völlig unzureichend, wenn die Bewegung für den Zeitraum der Magnetresonanzmessung eingeschränkt oder unter­ brochen werden muss.

Schließlich sind je nach der Art der Untersuchung lange und starre Arme des Roboters, die dann erforderlich sind, wenn die Motoren außerhalb des Feldes angeordnet werden, sehr stö­ rend.

Andererseits sind verschiedene Bauformen von Fluidschrittmo­ toren bekannt. Die EP 0 567 453 B1 offenbart beispielsweise einen Fluidschrittmotor, der in einer Papiermaschine zur Ein­ stellung des Papiergewichts vorgesehen ist. Ein Fluidschritt­ motor, der ohne Umwandlung einer Linearbewegung in eine Rota­ tionsbewegung direkt eine Drehbewegung erzeugen kann, ist aus der US 3 429 229 bekannt. In der DD 217 581 A1 ist ein hy­ draulischer Schrittmotor beschrieben, der eine Rotationsbewe­ gung und eine axiale Hubbewegung erzeugen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine An­ triebsvorrichtung zur Positionierung von Aktoren in starken elektromagnetischen Feldern zu schaffen, die unmittelbar im Feldbereich angeordnet werden können, ohne ihrerseits das Feld zu stören und ohne andererseits vom elektromagnetischen Feld selbst störend beeinflußt zu werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß als Antriebsvorrichtung für die Aktoren Fluidschrittmotoren verwendet werden, die entweder über vernetzte, außerhalb des Magnetresonanzfeldes liegende Magnetventile oder über - in diesem Fall dann auch innerhalb des Magnetfelds anordenbare - fluidgesteuerte Hydraulikventile ansteuerbar sind.

Die Verwendung derartiger Fluidschrittmotore schafft die Mög­ lichkeit, ohne Ströme, ohne magnetische Teile und selbst ohne Metallteile beim Aufbau dieser Fluidmotore auszukommen, so daß der Fluidschrittmotor selbst von elektromagnetischen Fel­ dern überhaupt nicht störend beeinflußbar ist. Allenfalls die der Ansteuerung der verschiedenen Eingänge und Auslässe eines solchen Fluidschrittmotors dienenden Ventile könnten bei Ausbildung als Magnetventile stören, doch lassen sie sich problemlos auch außerhalb des Magnetfeldes anordnen. Die Ver­ bindung des vor Ort im Magnetfeld angeordneten Fluidschritt­ motors mit den außerhalb angeordneten Magnetventilen macht im allgemeinen überhaupt, keine Probleme. Wenn doch derartige Probleme auftreten sollten, so können sie dadurch beseitigt werden, daß man Hydraulikventile zur Ansteuerung nimmt, deren Auf-Zu-Betätigungskreis sehr viel einfacher aufgebaut ist und deren Ansteuerventile deshalb problemlos aus dem Magnetfeld heraus verlagert werden können.

Die erfindungsgemäß einzusetzenden Fluidschrittmotoren körnen dabei wahlweise als strömungsgesteuerte oder als druckgesteu­ erte Fluidschrittmotoren ausgebildet sein, wobei in beiden Fällen natürlich sowohl die MR-Sichtbarkeit als auch die Leitfähigkeit der verwendeten Kunststoffe, Keramiken und An­ triebsflüssigkeiten zu beachten sind. Alle Materialien sollen isolierend und nicht im MR-Bild sichtbar sein. Der erfin­ dungsgemäße Fluidschrittmotor kann nicht nur direkt im Unter­ suchungsbereich, sondern ggf. sogar innerhalb des Körpers des Patienten betrieben werden und dabei über die MR-Anlage beob­ achtet werden. Ein Ausschalten während der Meßzeit ist überflüs­ sig.

Ein strömungsgesteuerter Fluidschrittmotor, wie er für die Positionierung von Aktoren in starken elektromagnetischen Feldern erfindungsgemäß eingesetzt werden kann, läßt sich in Ausgestaltung der Erfindung sehr einfach dadurch realisieren, daß in einem zylindrischen Gehäuse mit n, vorzugsweise drei, um 360°/n winkelversetzt am Umfang einmündenden Fluideingän­ gen ein abgedichteter Scheibenläufer mit n + 1 um 360°/n + 1 win­ kelversetzten Verbindungskanälen zu einem zentralen Ablauf drehgelagert ist, wobei die Verbindungskanäle außen in sich beidseits verjüngende Dichtkammern des Scheibenläufers ein­ münden, deren Dichtpositionen ca. 90°/n gegenüber der Längs­ achse des Verbindungskanals winkelversetzt sind. Fließt das fluide Medium von einem der Fluideingänge direkt in einen da­ vorstehenden Verbindungskanal, so ergibt sich hier eine Stopp-Position, d. h. der Läufer kann nicht weiterdrehen. Wird einer der anderen Fluideingänge angesteuert - der Einfachheit halber soll im nachfolgenden stets nur der Fall von drei Fluideingängen erörtert werden - so wird durch das einströ­ mende fluide Medium der Läufer so weit gedreht, daß der nächstliegende Verbindungskanal vor den Fluideingang gelangt, wo dann die Umdrehung so lange gestoppt bleibt, wie das flui­ de Medium weiterströmt. Dadurch ergibt sich bei drei Fluid­ eingängen und vier um jeweils 90° gegeneinander versetzten Verbindungskanälen ein Fluidschrittmotor, bei dem durch jedes derartige Ansteuern der Läufer um 30° weiterbewegt wird. Um einen weiteren Schritt zu vollführen, müssen die Eingänge dann ihre Funktion vertauschen und der Eingang, der zunächst den ersten Schritt veranlasste und dann den Motor nach diesem Sehritt gestoppt hat, wird durch Zusteuern des in seiner Zu­ leitung liegenden Ventils, insbesondere eines Magnetventils, unterbrochen, der nachfolgende Fluideingang angesteuert usw.

Ein druckgesteuerter Fluidschrittmotor läßt sich in weiterer Ausbildung der Erfindung dadurch realisieren, daß die Kolben­ stangen von n, vorzugsweise drei, um 360°/n um den Drehpunkt einer Drehscheibe angeordneten, parallel zur Drehachse der Drehscheibe schwenkgelagerten Hydraulikzylindern an einem ge­ meinsamen Angriffspunkt der Drehscheibe gelenkig angelenkt sind. In entsprechender Weise, wie dies beim vorstehend be­ schriebenen strömungsgesteuerten Fluidschrittmotor der Fall ist, ergeben sich bei drei Zylindern wiederum 30°- Schaltschritte, wobei jeweils der Kolben, dessen Kolbenstange den Drehmittelpunkt der Drehscheibe schneidet, die Stoppfunk­ tion liefert. Auch in diesem Fall wird die Ansteuerung suk­ zessive geändert, d. h. jeweils der Zylinder, der durch seine Ansteuerung die Drehscheibe um 30° weiterbewegt hat und da­ nach automatisch die Stoppfunktion übernommen hat, wird abge­ schaltet und der nächstfolgende über sein Ansteuerventil mit Druckflüssigkeit beaufschlagt, so daß ein erneuter Schritt um 30° stattfindet.

Wie bereits ausgeführt wurde, kann die Anzahl der Läufer­ schritte und der Einlassdüsen den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden. Grundsätzlich unterscheidet sich die Anzahl der Läuferschritte von der der Einlassdüsen um eins. Die Ma­ gnetventile sind jeweils in einem Steuergerät montiert, das außerhalb des Untersuchungsbereichs oder - dann allerdings unter starker elektrischer Abschirmung - auch in der Kabine aufgestellt wird. Der druckgesteuerte Fluidschrittmotor hat dabei gegenüber dem strömungsgesteuerten Fluidschrittmotor den Vorteil, daß zum Halten der Position keine Strömung nötig ist. Dafür ist allerdings die Anzahl der Teile höher als beim strömungsgesteuerten Motor.

Als weitere Varianten für einen druckgesteuerten Fluidschrittmotor ergeben sich eine Ausbildung, bei der um­ fangsmäßig versetzte, fest angeordnete Zylinder auf eine Pleuelstange wirken, oder aber auch in einer Reihe angeordne­ te Zylinder auf eine Kurbelwelle wirken.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausfüh­ rungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau eines strömungsgesteuer­ ten Fluidschrittmotors,

Fig. 2 einen gewinkelten Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1, und

Fig. 3 den schematischen Aufbau eines druckgesteuerten Fluidschrittmotors.

Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten strömungsgesteu­ erten Fluidschrittmotor ist in einem zylindrischen Gehäuse 1 ein Scheibenläufer 2 abgedichtet gelagert, der im dargestell­ ten Ausführungsbeispiel aus einer Kreisscheibe 3 und vier darauf angeordneten Segmenten 4 besteht, die vier Verbin­ dungskanäle 5 zu einem zentralen Ablauf 18 bilden. Nach außen erweitern sich die Verbindungskanäle zu sich beidseits ver­ jüngenden Dichtkammern 6, deren Dichtpositionen um jeweils ca. 30° gegenüber der Längsachse des Verbindungskanals 5 win­ kelversetzt sind. Zusammen mit drei um jeweils 120° gegenein­ ander versetzten Fluideingängen 8, 8' und 8", in deren Zu­ führleitungen 9, 9' und 9" jeweils Magnetventile 10, 10' und 10" angeordnet sind, ergibt sich ein strömungsgesteuerter Fluidschrittmotor mit folgender Funktionsweise. Wird bei­ spielsweise der Fluideingang 8 über das Magnetventil 10 mit strömender Flüssigkeit angesteuert, so hat man eine Stoppfunktion, indem das durch den oberen Kanal 5 strömende und durch den zentralen Auslauf abgeführte fluide Medium ein Drehen des Scheibenläufers in beiden Richtungen verhindert. Wird das Magnetventil 10 geschlossen und dafür das Magnetven­ til 10' geöffnet, so führt das Einströmen der Flüssigkeit in den Fluidgang 8' dazu, daß der Scheibenläufer 2 einen Schritt entgegen dem Uhrzeigersinn vollführt, bis der waagrecht nach links weisende Verbindungskanal 5 genau vor dem Fluideingang 8' steht. In diesem Fall hat man wieder die Stopp-Position, d. h. das strömende fluide Medium durch den Fluideingang 8' hält den Motor nach diesem 30°-Schritt entgegen dem Uhrzei­ gersinn an. Zum Weiterdrehen des Scheibenläufers und damit seiner Abtriebswelle 11 um einen Schritt wird das Magnetven­ til 10' geschlossen und dafür das Magnetventil 10" geöffnet, usw.

Der druckgesteuerte Fluidschrittmotor, wie er schematisch in Fig. 3 dargestellt ist, arbeitet - abgesehen davon, daß zum Halten kein Strömen des Mediums erforderlich ist - in ent­ sprechender Weise wie der strömungsgesteuerte Schrittmotor nach den Fig. 1 und 2.

Dieser druckgesteuerte Fluidschrittmotor umfaßt eine um den Drehpunkt 12 drehbar gelagerte Drehscheibe 13 mit einem ge­ meinsamen Anlenkpunkt 14 für die Kolbenstangen 15, 15' und 15" dreier um 120° versetzt um den Drehpunkt angeordneter und jeweils um eine Drehachse 16, 16' und 16" parallel zur Drehachse der Drehscheibe 13 schwenkgelagerter Hydraulikzy­ linder 17, 17' und 17". Im dargestellten Ausführungsbeispiel übernimmt der Zylinder 17 die Haltefunkton, da seine Kolben­ stange 15 über den Drehpunkt 12 zum gemeinsamen Anlenkpunkt 14 an der Drehscheibe 13 führt. Wird ausgehend von dieser Po­ sition das Ansteuerventil 10 geschlossen und das Ventil 10' geöffnet, so vollführt die Drehscheibe einen Schritt nach links. Wird stattdessen das Ventil 10" geöffnet, so erfolgt durch Betätigen des Kolbens des Hydraulikzylinders 17" ein Schritt nach rechts. Ist der Motor einen Schritt gelaufen, so vertauschen die Ventile entsprechend ihre Funktion.

Claims (10)

1. Antriebsvorrichtung zur Positionierung von Aktoren in starken elektrischen und/oder magnetischen Feldern, insbeson­ dere für Magnetresonanzanlagen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie als Antriebsmotoren un­ mittelbar im Feldbereich anordenbare Fluidschrittmotoren ver­ wendet.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidschrittmotoren über vernetzte, außerhalb des elektromagnetischen Feldes lie­ gende Magnetventile ansteuerbar sind.

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidschrittmotore über fluidgesteuerte Hydraulikventile ansteuerbar sind.

4. Fluidschrittmotor für eine Antriebsvor­ richtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er als strömungsgesteuer­ ter Fluidschrittmotor ausgebildet ist.

5. Fluidschrittmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einem zylindrischen Gehäuse (1) mit n, vorzugsweise drei, um 360°/n winkelver­ setzt am Umfang einmündenden Fluideingängen (8, 8', 8") ein Scheibenläufer (2) mit n + 1 um 360°/n + 1 winkelversetzten Ver­ bindungskanälen (5) zu einem zentralen Ablauf (18) abgedich­ tet drehgelagert ist, wobei die Verbindungskanäle (5) außen in sich beidseits verjüngende Dichtkammern (6) des Scheiben­ läufers einmünden, deren Dichtpositionen (7) um ca. 90°/n ge­ genüber der Längsachse des Verbindungskanals winkelversetzt sind.

6. Fluidschrittmotor für eine Antriebsvorrichtung nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 3, insbesondere für einen Betäti­ gungsroboter, dadurch gekennzeich­ net, daß er als druckgesteuerter Fluidschrittmotor aus­ gebildet ist.

7. Fluidschrittmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstangen (15, 15', 15") von n, vorzugsweise drei, um 360°/n um die Dreh­ achse (12) einer Drehscheibe (13) angeordneten, parallel zur Drehachse (12) der Drehscheibe (13) schwenkgelagerten Hydrau­ likzylindern (17, 17', 17") an einem gemeinsamen Angriffs­ punkt der Drehscheibe (13) gelenkig angelenkt sind.

8. Fluidschrittmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß umfangmäßig versetzte, fest angeordnete Zylinder auf eine Pleuelstange wirken.

9. Fluidschrittmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Reihe angeordne­ te Zylinder auf eine Kurbelwelle wirken.

10. Fluidschrittmotor nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ven­ tile (10, 10', 10") in den Ansteuerleitungen (9, 9', 9") zu den Fluideingängen (8, 8', 8") über ein Ansteuernetzwerk Schritt für Schritt ihre Funktion als Halte- oder Weiter­ schaltleitung vertauschen.