JP2005087737A - 磁気的にナビゲーション可能な装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の縦軸線の周りにおける回転位置の一義的な識別能力を有する磁気的にナビゲーション可能な装置を提供する。
【解決手段】磁気的にナビゲーション可能な装置（１０）は、一方向にこれに垂直な方向よりも大きい延びを有する磁石要素（１１）を備えている。磁石要素（１１）は、磁石要素（１１）の延び方向を指す中心の軸線（Ｌ）に関して非対称に配置されている。装置（１０）は、特に医療技術のビデオカプセル、とりわけ内視鏡検査用のビデオカプセルであるとよい。
【選択図】図３ｂ

Description

本発明は、一方向にこれに垂直な方向よりも大きい延びを有する磁石要素を備えた磁気的にナビゲーション可能な装置に関する。この装置は磁石要素のこの延び方向を指す中心軸線を有する。この種の磁気的にナビゲーション可能な装置は公知である（特許文献１参照）。

医療においては内視鏡やカテーテルのようなプローブ形式の装置が使用される。これらは、切開口または身体開口を介して被検査者内に挿入されて縦方向に外側から移動させることができ、それゆえ１次元でのみナビゲーション可能である。光導体により光学的な視診が可能であり、内視鏡先端つまり注視方向は制御ワイヤによって揺動可能である。このような装置は特に生体検査用に構成されている。しかしながら、この場合に使用されるプローブ形式の装置は特に分岐ではナビゲーションを制限されるので、外側からの非接触の力作用は適用範囲の拡大をもたらすことは必然である。このような力作用は磁気的に生じさせることができる。

このような非接触磁気式プローブ制御のための磁石コイルシステムは公知である（非特許文献１および特許文献２参照）。例えば、磁性材料を有するカテーテルまたは治療目的のための磁性移植体を被検体（例えば人体）内において案内もしくは移動するために、このシステムのコイルにより可変の磁場方向および磁場勾配を発生させることができる。

コンピュータ制御のもとで正確に定められた電流パルスによって磁性プローブ装置を一歩一歩移動させることのできる付加的なパルスコイルを用いた方法も公知である（特許文献３参照）。

消化管の視診に用いられる所謂ビデオカプセルも公知である（例えば、非特許文献２参照）。しかしながら、ビデオカプセルの前進は自然の腸運動によって行なわれる。すなわちカプセルの前進および注視方向は全くの偶然である。

冒頭に挙げた特許文献１には縦軸線の方向に大きな延びを有する円筒状のビデオカプセルが開示されている。このカプセルは棒磁石とビデオ装置およびその他の非侵襲装置とを備えている。詳しくは説明されていない外部の磁石コイルシステムから棒磁石にナビゲーションのための力が与えられる。６Ｄマウスを用いた外部制御による浮遊する所謂ヘリコプタモード、マウスを介する力応答信号並びにトランスポンダを通した位置応答信号が言及されている。この公知のビデオカプセルの棒磁石は軸線に沿って中心に延在しているので、ビデオカプセルと棒磁石との共通の重心がこの軸線上にある。しかしながら、縦軸線の周りにおける回転自由度は磁気的に制御可能ではない。その結果として、伝送されたビデオ画像上における予め与えられた位置、例えば位置「上方」がビデオカプセルの座標系における相応の位置「上方」と一致しない。
独国特許第１０１４２２５３号明細書 米国特許第５１２５８８８号明細書 国際公開第９６／０３７９５号パンフレット "ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ"，Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．２，１９９６年３月、第３２０〜３２８頁 "Ｇａｓｔｒｏｉｎｔｅｓｔｉｎａｌ Ｅｎｄｏｓｃｏｐｙ"，Ｖｏｌ．５４，Ｎｏ．１，２００１年、第７９〜８３頁

本発明の課題は、冒頭に述べた構成を有する磁気的にナビゲーション可能な装置を、この装置の縦軸線の周りにおける回転位置の一義的な識別能力が与えられるように構成することにある。

この課題は本発明によれば請求項１に記載された手段よって解決される。すなわち、本願発明によれば、一方向にこれに垂直な方向よりも大きい延びを有する少なくとも１つの磁石要素と、この延び方向を指す中心軸線とを備えた磁気的にナビゲーション可能な装置において、磁石要素が装置の軸線に関して非対称に配置されている。

磁気的にナビゲーション可能な装置に対する磁石要素の本発明による配置においては、局所的な磁場内で、大きな延びを有する少なくとも１つの磁石要素が、従って装置全体がその局所的な磁場の磁力線の方向に向けられることから出発する。本発明によれば、磁石要素は、（磁石要素を備えていない）装置の中心を通って磁石要素の延び方向を指す軸線に関して非対称に取付けられるべきである。一般には、たとえ装置自体の形状が任意であるといえども、この軸線は装置の縦軸線（すなわち長手軸線）である。この軸線に関して磁石要素を非対称に配置することによって、磁場勾配によって発生させられる磁気力もほぼ磁石要素の重心に作用し、それにより垂直方向の上方へ向いた浮上が生じない。この場合に、重力はもっと装置の縦軸線の方へ移動している質量重心に作用する。重力とこれを補償する磁気力との力対の協働で、１つの磁石要素または複数の磁石要素もしくは磁石部分全体の統合が位置「上方」を重力に抗して取るように、自由浮上する装置が回転する。そのようにして、「上方」に対して、姿勢および向きに依存しない装置の対応関係が生じる。従って、好ましいことに、例えば装置がビデオカメラを有するならば、ビデオ画面を介する視覚に基づく装置のナビゲーションが容易になる。なぜならば、伝送されたビデオ画像の向き「上方」がビデオ画面上における方向「上方」と一致するからである。このような磁気的にナビゲーション可能な装置は特に医療技術分野、とりわけ内視鏡検査分野に使用可能である。

本発明による装置の好ましい構成は従属請求項に記載されている。

例えば、装置が磁石要素を外面に配置した支持構造体を有すると好ましい。このような構造は簡単に形成される。つまり、多くの場合、装置自体は、例えばビデオカプセルと同様にそのような支持構造体である。

支持構造体は、縦軸線に関して少なくとも十分に回転対称の形状、とりわけ少なくとも十分に円筒状の形状を有すると好ましい。

磁石要素は半殻形または鞍形または棒状の要素として形成されていると好ましい。磁石要素は予め製作され、装置に外側から取付けられるかまたは装置の中に組込まれる。

磁石要素の横寸法は当該磁石要素における縦方向の延びの高々半分に等しく選ばれていると好ましい。このような延びの関係は、磁石要素を備えた装置の、磁場内での確実な移動を容易にする。磁石要素の質量が磁石要素なしの装置の０．２倍〜４倍の範囲にあるように磁石要素を選択すると好ましい。このような重量関係は磁場内での装置のナビゲーションを容易にする。

装置が良導電材料からなる短絡導体環を有すると好ましい。このような短絡導体環により、磁場内で浮上保持される装置の平衡方向を中心にした縦軸線方向の振動の渦電流抑制を達成することができる。

以下において、本発明による磁気的にナビゲーション可能な装置の有利な実施形態を示す図面に基づいて本発明を更に詳細に説明する。
図１は磁気的にナビゲーション可能な装置の非接触移動および固定／保持設備を示し、
図２は磁気的にナビゲーション可能な装置の磁場内での方向合わせを示し、
図３ａおよび３ｂはビデオカメラとして構成された磁気的にナビゲーション可能な装置の横断面および縦断面を示し、
図４ａおよび４ｂは図３ａおよび３ｂに対応した本発明の他の実施形態を示し、
図５は短絡導体環を備えた装置を示す。
これらの図において、対応する部分はそれぞれ同一の参照符号を付されている。

本発明による装置は、原理的には、非磁性の支持構造体を有し、この支持構造体は、これに強固に固定されるかまたはこの支持構造体内に組み込まれた少なくとも１つの磁石要素のためのものである。支持構造体の形状は任意であり、一般にはその都度の適用例に依存する。例えば、支持構造体は図１の実施例について仮定されている縦軸線方向に縦長に延びた形状を有する。これに対して支持構造体に結合される磁石要素は一方向に延びた形状を有する。磁石要素の相応に大きな延びが支持構造体の縦軸線方向を指すと好ましい。装置は非接触で動作ボリューム内を移動させられ、そこで安定に保持される。方向合わせと、この装置への力の大きさおよび方向とを、機械結合なしに磁気的に外側から設定することができる。特に医療応用において、磁石要素とこの磁石要素を支持する支持構造体とを含む装置は、磁石要素を備えたカテーテルもしくは内視鏡、あるいは、例えば消化管または肺のような体内からビデオ画像を送ると共に磁気力によって移動させられる、照明具および送信器を備えた小型テレビカメラであってよい。医療技術の分野への応用のほかに、例えば汚染された空間内のような他の分野への本発明による装置の使用も可能である。このような装置により、とりわけ外側から近づけない他の対象物も例えば内部を検査することができ、しかも装置にはもちろんその他のまたは付加的な機能を持たせることもできる。

特別な磁石コイルシステムにより、３つの全ての横方向の自由度および注視方向において２つの回転方向の自由度で磁気力によって外側から装置を制御することができる。磁石コイルシステムは、例えば被治療者を動作ボリューム内部に位置決めするために、磁石コイルシステムによって包囲された動作ボリュームへのアクセスを許すように構成されているのがよい。特に好適な磁石コイルシステムの実施例の詳細は、「磁石コイルシステム」なる発明の名称にて２００４年９月２日に出願された公開前の特願２００４−２５５２５８号明細書の対象である。

図１は、ブロック図の形で、被検査者または被検体２３（例えば人間）内における支持構造体および磁石要素１１を備えた装置１０の非接触ナビゲーションおよび固定設備２２の実施例を示す。被検査者は、詳細に示されていない磁石コイルシステム２の14個の個別コイルによって包囲された動作空間Ａ内に存在する。装置１０は、とりわけ磁石要素１１を備えた既に挙げた特許文献１によるビデオカプセルのようなプローブである。

詳細に示されていない磁石コイルシステム２は例えばほぼ立方体形状の外側輪郭を有する。６つの立方体面がＦ３ａ，Ｆ３ｂ，Ｆ４ａ，Ｆ４ｂ，Ｆ５ａ，Ｆ５ｂで示されている。立方体には直交座標系ｘ，ｙ，ｚが割付けられている。ｚ方向に対して直角方向にある面Ｆ４ａ，Ｆ４ｂを端面とみなす。これに対してｘ軸に対しておよびｙ軸に対して直角方向にある面対Ｆ３ａ，Ｆ３ｂもしくはＦ５ａ，Ｆ５ｂを側面対とみなすことができる。これらの面対は３次元のはっきりした内部空間すなわち動作空間Ａを包囲する。

磁石要素１１を備えた装置１０の能動的な位置調節のために、設備は、動作空間Ａ内での磁石要素１１の実際位置、従って装置１０の実際位置を検出する３つの公知の検出手段を有する。かかる検出手段は、例えばそれぞれの座標方向における磁石要素１１の位置を求める３つの位置測定器２４_x，２４_y，２４_zである。相応の測定値は、磁石要素の目標位置の設定手段の一部である調節装置２５に導かれる。このために、調節装置２５はｘ位置、ｙ位置およびｚ位置のための３つの調節回路を含み、これらの調節回路は実際位置と目標位置との制御偏差から磁石要素１１に対するｘ方向、ｙ方向およびｚ方向における反力を指令する。調節装置２５の後に変換装置２６が接続されている。この変換装置２６は１４個の電源ＰＡ１〜ＰＡ１４を制御する。これらの電源ＰＡ１〜ＰＡ１４により磁石コイルシステム２の１４個の個別コイルに電流Ｉ₁〜Ｉ₁₄が生じさせられる。磁石コイルシステムにおいては、磁石要素１１に対して定められた磁場方向および磁気力Ｆ＝ｇｒａｄ（ｍ・Ｂ）が生じさせられる（ｍ＝磁石要素の磁気モーメントのベクトル、Ｂ＝磁場のベクトル）。ここで、３つの座標方向において位置調節から導き出された調整力が、この力を磁石要素に作用させる磁場および磁場勾配並びに他のコイル電流に変換される。目標位置における偏差を減らす動作が行なわれ、磁石要素の位置が安定化される。その結果として、自由浮上時には重力が機械的抵抗に打ち勝つための起こり得る他の力としても生じる。制御棒２７ａを有するジョイスティックまたは６Ｄマウスの形の、磁石要素１１もしくは装置１０の方位、目標位置および移動方向の設定装置２７により、３つの空間座標における方位の極角／極座標θ，φおよび／または目標位置および／または移動方向が設定される。このために、設定装置２７は、目標位置ｘ，ｙ，ｚを供給し、これらの目標位置をそれぞれに付設されたコンパレータ３０_x，３０_y，３０_zにおいて位置測定器２４_x，２４_y，２４_zの測定信号から得られた実際位置と比較する。差値は制御偏差として調節装置２５に導かれる。そこで、制御偏差は増幅されて調節技術上の処理をされて変換装置２６に導かれる。そこでは、このように導かれた値から、数学的処理により、１４個のコイル電源ＰＡ１〜ＰＡ１４のための電流値が算出され、これらの電流値により、変化させられた磁場勾配およびそれによる磁気力Ｆ_x，Ｆ_y，Ｆ_zが磁石要素１１に対して生じさせられる。これらの力は磁石要素の位置ｘ，ｙ，ｚにおける制御偏差に反作用をする。更に、設定装置２７は変換装置２６に空間における極角θ，φにより目標方向を伝達し、そこで極角θ，φは３つの磁場成分Ｂ_x，Ｂ_y，Ｂ_zのための電流に変換され、電源ＰＡ１〜ＰＡ１４を介してコイルシステム２に伝達される。

図１には更に磁石要素１１を装備しビデオカプセルとして構成されている装置１０のビデオ信号を受信する装置が示されている。このために、この装置はビデオ受信器２８およびモニタ２９を有する。

設備２２は、変換装置２６において計算された磁石要素１１への力が、設定装置２７における操作要素を介して、設定装置のジョイスティック２７ａに比例的な力作用を及ぼすように構成することもできる。それにより、例えば磁石要素１１への願わしくない機械的抵抗を設定装置の操作者、例えば検査医師が感じ取ることができる。

設備の他の好ましい構成においては、位置測定値から微分によって磁石要素１１を有する装置１０の速度を検出し、速度制限の目的で調節回路に供給することができる。それにより、例えば被検査者２３の体内の壁に装置１０が衝突することによる損傷を回避することができる。

磁石要素１１を有する装置１０の構成例の詳細が図２乃至図５から明らかになる。装置１０は、端面側レンズ１２を有する先に挙げた特許文献１による円筒状ビデオカプセルまたはビデオカメラであることを前提とする。装置１０の外面には長く延びた磁石要素１１が取付けられている。従って、カプセルは磁石要素のための支持構造体である。この磁石要素は、例えばＮｄＢＦｅあるいはＳｍＣｏのような高い残留磁化の永久磁石材料からなるか、または取囲むコイルシステムの磁場内でできるだけ十分に磁化される純鉄、ケイ素−鉄または鉄−コバルトのような高い飽和磁化の軟磁性材料からなる。図２によれば、磁気的にナビゲーション可能な装置１０の縦軸線（長手軸線）Ｌが誘導Ｂの局所的磁場の方向に沿って真っ直ぐになっている。本発明によれば磁石要素１１は装置１０の縦軸線Ｌに対して非対称に取付けられるべきであるので、装置１０は、ｘ，ｙ，ｚ座標系によって設定された動作空間において、重力Ｍ・ｇと補償磁気力Ｆ _y＝ｍ・ｄＢ／ｄｙとの協働で、磁石要素１１が上方に向かった状態になるように回転する。ここに、Ｂは磁場のベクトル、ｍは磁気モーメントのベクトル、Ｍは磁石要素１１を有する装置１０の全重量、ｇは重力加速度である。「上方」すなわち装置および磁石システムの座標系の反重力方向を指す軸線に対して装置１０の固定の対応関係が生じる。

図３ａおよび図３ｂは、半殻形の磁石要素１１のための支持構造体として役立つ長く延びた円筒状のビデオカメラつまり装置１０の横断面図および側面図を示す。図３ｂの側面図からこの磁石要素の鞍形の形状が詳しく分かる。

磁石要素１１の具体的な形状は重要ではなく、その都度の用途に依存する。しかしながら、磁場内での一義的なナビゲーションを可能にするために、磁石要素１１は、一方向に、とりわけ装置１０の縦方向Ｌに、他の方向よりも大きい延びを持たなければならない。特に生体組織検査に適用する場合、一般に角のとがった構成は避けるべきであり、つまりそれぞれの装置への形状的な順応または組込みに努めるべきである。

図３ａおよび図３ｂに対応させた図４ａおよび図４ｂから、ほぼ棒形の磁石要素１１の構成が分かる。

磁石要素１１の具体的な実施形態において、磁石要素１１の横寸法は縦寸法の半分を上回るべきでなく、磁石質量は磁石要素なしの装置１０の質量の約０．２〜４倍であるべきである。この場合に磁石要素およびこれに結合された装置１０の良好なナビゲーションが保証される。

図５から分かるように、渦電流抑制と、磁場内で浮上する磁石要素１１および装置１０の角度振動抑制とのために、アルミニウム又は銅のような良導電性材料からなる付加的な短絡導体環を設けるとよい。例えば導体かごを装置１０の外面に配置するとよい。このかごは縦軸線Ｌに平行に延びる線状導体部分１３ｉを含み、磁石要素１１もこのかごの別の導体部分であってもよい。これらの導体部分は端面側の短絡導体環１４ａ，１４ｂを介して互いに電気的に接続されている。しかし、装置１０の縦軸線Ｌに沿って延びている相互に角度をずらされた個々の環であってもよい。

図３ａおよび図３ｂに示された本発明による磁気的にナビゲーション可能な装置１０の具体的構成によれば、この装置１０は次のデータを有する。
・ バッテリーを有するビデオカプセルの重量 ４ｇ
・ 装置における磁場 ５０〜７５ｍＴ
・ 磁石要素１１ ＦｅＳｉ ０．２・１・２．５ｃｍ³，重量 ４ｇ
・ 上向き（反重力方向）磁場勾配 ８０ｍＴ／ｍ
あるいは永久磁石バージョンとしては
・ Ｂｒを含むＮｄＢＦｅ １．２Ｔ，０．２・１．１・２．５ｃｍ³，重量 ４ｇ
・ 上向き磁場勾配 １３０ｍＴ／ｍ

上述の実施例では、縦方向に延ばされた１つのみの磁石要素１１を設けることを前提とした。もちろんこのような磁石要素は複数の部分要素から纏められていてもよいし、あるいは別々の複数の磁石要素を使用してもよい。

本発明装置の非接触の移動および固定／保持装置を示すブロック図 本発明装置の磁場内での方向合わせについての説明図 本発明装置の実施例を示す横断面図 本発明装置の実施例を示す縦断面図 本発明装置の他の実施例を示す横断面図 本発明装置の他の実施例を示す縦断面図 本発明装置のさらに別の実施例を示す斜視図

符号の説明

２ 磁石コイルシステム
１０ 磁気的にナビゲーション可能な装置／ビデオカプセル
１１ 磁石要素
１２ レンズ
１３ 導体かご
１３ｉ 導体部分
１４ａ、１４ｂ 短絡環
Ａ 動作空間
ｘ，ｙ，ｚ 座標
Ｉ；Ｉ₁〜Ｉ₁₄ 電流
ＰＡ１〜ＰＡ１４ 電源
Ｆ３ａ，Ｆ３ｂ，Ｆ４ａ，Ｆ４ｂ，Ｆ５ａ，Ｆ５ｂ 外面
２２ 設備
２３ 被検査者
２４_x，２４_y，２４_z 位置測定器
２５ 調節装置
２６ 変換装置
２７ 設定装置
２７ａ 制御棒
２８ ビデオ受信器
２９ モニタ
３０_x，３０_y，３０_z コンパレータ

Claims (9)

1. 一方向にこれに垂直な方向よりも大きい延びを有する少なくとも１つの磁石要素と、この延び方向を指す中心軸線とを備えた磁気的にナビゲーション可能な装置において、少なくとも１つの磁石要素（１１）が装置（１０）の軸線（Ｌ）に関して非対称に配置されていることを特徴とする磁気的にナビゲーション可能な装置。
2. 磁石要素（１１）を外面に配置した支持構造体が設けられていることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 支持構造体は、装置（１０）の縦軸線（Ｌ）に関して少なくとも十分に回転対称の形状を有することを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 磁石要素（１１）は半殻形または鞍形または棒状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の装置。
5. 磁石要素（１１）の横寸法は当該磁石要素における縦方向の延びの高々半分に等しく選ばれていることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の装置。
6. 磁石要素（１１）の質量は磁石要素なしの装置（１０）の０．２倍〜４倍の範囲にあることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の装置。
7. 良導電材料からなる短絡導体環を有する渦電流抑制手段が設けられていることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の装置。
8. 装置（１０）がビデオカプセルとして構成されていることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の装置。
9. 装置（１０）が医療技術分野へ使用されることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の装置。

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