JP2011509723A - 作業空間内で磁気素子を案内するためのコイル装置 - Google Patents

Abstract

本発明は患者の体内を診断または処置するために永久磁石を備えたカプセル内視鏡を無接触でガイドするコイル装置に関する。このコイル装置は対で配置された複数の単独コイルを含んでおり、これらのコイルによって磁場の成分とトレースが０の対称な勾配行列の少なくとも４つの独立した傾斜磁場を発生させる。単独コイルを本発明に従って配置し、電力増幅器によってこれらのコイルを制御することにより、少数の単独コイルと少数の電力増幅器で、患者の検査に必要な数の磁気自由度を得ることができる。

Description

本発明は作業空間内で磁気素子を、とりわけカプセル内視鏡を無接触でガイドするためのコイル装置に関する。

カプセル内視鏡とカテーテルは患者の体内を診断または処置するために医療分野で広く使用されている。これらの器具は体孔または切開部から体内に挿入され、外部から案内されて長手方向に動かされる。このためには、器具への機械的な接続が必要である。しかし、器具が体内へ前進運動するとき、通常は曲部または分岐部において誘導が困難になる。すなわち、器具の操作者は状況によっては複数回の試行錯誤によって器具を望む方向に誘導しなければならず、さらなる誘導のために組織から器具への支持力が必要である。これは操作者にとっては大きな時間的コストであり、患者にとっては苦痛である。最悪の場合、計画した方向への案内が全く上手く行かないか、組織に穴を開けてしまう危険を避けることができない。また、内視鏡の場合には、例えば胃腸管部分の粘膜を完全に見るために、カメラを備えた内視鏡を所定の方向に回転させることに関心があるかも知れない。これは今日のカテーテル内視鏡では条件付きでしか可能でない。というのも、カテーテルの先端の可動性は限られているからである。さらに、通常のカテーテル内視鏡には、遠くにある内臓に達するのが困難または不可能であるという欠点がある。

胃腸管の自然な蠕動によって動く受動的なカプセル内視鏡はカテーテル内視鏡の上記欠点を持っていないが、誘導ができない。つまり、胃腸管の内部の特定の箇所を特定的に見ることができない。そのため、磁気双極子素子を含んだカプセル内視鏡をカテーテルによってまたはワイヤレスで案内することのできる磁気的な誘導ないし案内システムが提案されてきた。以下では、カテーテルまたはワイヤレスによる案内を「無接触」と呼ぶ。

ＤＥ １０３ ４０ ９２５ Ｂ３とＷＯ ２００６／０９２４２１ Ａ１にはそれぞれ、カプセル内視鏡、ビデオカプセルまたはその他のゾンデを誘導するための１４個の単独コイルから構成されたマグネットコイルが記載されている。ここで、カプセルは磁気素子を、例えば永久磁石または強磁性体を、備えている。マグネットコイル装置はデカルト座標系のｘ、ｙ、ｚ軸に沿った磁場成分Ｂ_ｘ、Ｂ_ｙ、Ｂ_ｚおよびカプセル内視鏡の無接触案内を可能にする傾斜磁場を発生させる。

ここでは、磁気素子、すなわち、磁気双極子モーメント

を有する物体が、デカルト座標系の軸の方向の磁場成分Ｂ_ｘ、Ｂ_ｙ、Ｂ_ｚから成る磁場

の方向に平行な方向を向こうとすることが利用される。磁気素子はカプセル内視鏡に固定的に結合されているので、このようにしてカプセルの向き付けに影響を与えることができる。さらに、傾斜磁場∂Ｂ_ｘ／∂ｘに起因して、傾斜磁場を含む勾配行列

による力

が

に従って磁気双極子モーメント

に作用する。

勾配行列Ｇはマクスウェルの方程式

から対称であり、かつトレースが０である。すなわち、∂Ｂ_ｘ／∂ｙ（＝∂Ｂ_ｙ／∂ｘ）、∂Ｂ_ｘ／∂ｚ（＝∂Ｂ_ｚ／∂ｘ）、∂Ｂ_ｙ／∂ｚ（＝∂Ｂ_ｚ／∂ｙ）であり、３つの対角成分のうちの２つ（例えば∂Ｂ_ｘ／∂ｘと∂Ｂ_ｙ／∂ｙ）が５つの独立した傾斜磁場を含んでいる。

マグネットコイル装置の単独コイルを適切に制御することによって、磁場

と傾斜磁場は任意に調節することができる。これにより、一方では、磁気素子を回転させることが可能であり、したがってマグネットコイル装置内部の作業空間Ａ内で任意に向き付けすることが可能である。他方では、回転に加えて並進もさせるために、磁気素子に力

をかけることが可能である。このために、８つの準静的な磁気自由度、すなわち、磁場成分Ｂ_ｘ、Ｂ_ｙ、Ｂ_ｚと勾配行列

の３つの対角成分のうちの２つ（例えば∂Ｂ_ｘ／∂ｘおよび∂Ｂ_ｙ／∂ｙ）と副対角成分のうちの３つ（例えば∂Ｂ_ｘ／∂ｙ、∂Ｂ_ｚ／∂ｘ、∂Ｂ_ｚ／∂ｙ）が実現される。

ＤＥ １０３ ４０ ９２５ Ｂ３とＷＯ ２００６／０９２４２１ Ａ１に記載されているシステムは、個別に制御される１４個のコイルが必要とされるため、多数のコイルと電力増幅器のせいで製造および設置に比較的コストがかかるという欠点を有している。

それゆえ、本発明の課題は、１つのコイル装置とこのコイルに割り当てられた複数の電力増幅器とからなる低コストの磁気案内システムを提供することである。

この課題は独立請求項に示されている発明によって解決される。有利な実施形態は従属請求項に示されている。

本発明は、患者を検査するためには、カプセル内視鏡の限られた数の操作だけしか必要ないこと、したがって、この実際に必要な操作の点でコイル装置の設計を最適化することができるということに基づいている。特に、コイル装置への要求の詳細な分析と単独コイルの設計とによって、カプセル内視鏡の所望の操作を考えた場合に必要となる磁場の強さと磁場の勾配さえ実現可能であればよいというほどの、明らかに低コストのデザインが得られる。

コイル装置を設計する際には、カプセル内視鏡内に永久磁石が固定的に取り付けられていることが仮定される。このように、永久磁石はカプセルに固定的に結合されているので、本発明によるコイル装置が生じさせた永久磁石の運動はカプセル内視鏡に伝わる。永久磁石の磁気モーメント

は好ましくはカプセルの長手軸方向または長手軸方向に対して垂直の方向を向いている。永久磁石の向きに関するこれら２つの可能性に応じて、本発明による磁気案内システムに軽い違いが生じる。

以下において、食道（Ｅｓｏｐｈａｇｕｓ）、胃（Ｇａｓｔｅｒ）および十二指腸（Ｄｕｏｄｅｎｕｍ）の検査（いわゆる「ＥＧＤ」検査）を例として、図面を参照して説明する、カプセル内視鏡の実際に必要な操作に関する最適化によって、たった１０または１２個の単独コイルによってカプセル内視鏡を案内するコイル装置がもたらされる。なお、これら１０または１２個の単独コイルのうちのいくつかがペアで、すなわち同じ電力増幅器によって、動かされる。これは有利には６，７または８個の電力増幅器しか必要ないということである。

本発明によるコイル装置の基本的な動作様式はＤＥ １０３ ４０ ９２５ Ｂ３またはＷＯ ２００６／０９２４２１Ａ１に記載されている装置の動作様式と同様である。したがって、本発明によるコイル装置の基本的な動作様式と理論的な基礎に関しては、ＤＥ １０３ ４０ ９２５ Ｂ３またはＷＯ ２００６／０９２４２１Ａ１が参照される。

有利には、本発明によるコイル装置によれば、コイル装置のレイアウトの変更によって、ＤＥ １０３ ４０ ９２５ Ｂ３またはＷＯ ２００６／０９２４２１Ａ１に記載されている装置に比べて、より少数の単独コイルとより少数の電力増幅器で、同じ磁気的自由度（最大で８）を得ることが可能になる。特殊な処置または検査ゆえにこれら自由度のうちの１つまたは複数が必要ない場合には、より少数の電力増幅器で、場合によってはさらにコイルまでより少なくても間に合う。

本発明のその他の利点、特徴および詳細は以下に説明する実施例と図面とから明らかになる。

本発明によるコイル装置の実施例の概略図である。 コイル装置の様々なコイル対とこれらコイル対を流れる電流を示した概略図である。 本発明によるコイル装置の別の実施例の概略図である。 図３ａの実施例の透視図である。 図３ａの実施例の代替的な実施形態を示す。 平面コイルを示す。 部分コイルに分割された平面コイルを示す。 本発明によるコイル装置の断面を示す。 鞍型コイルの透視図である。 環状コイルの透視図である。 本発明によるコイル装置の別の実施例の概略図である。 柱体の断面の概略図である。

第１の実施例
図１には、患者（図示せず）の内部で磁気素子を、とりわけカプセル内視鏡２００をガイドまたはナビゲートする本発明によるコイル装置１００が示されている。コイル装置１００はカプセルの長手軸の方向に磁気双極子モーメント

を有する永久磁石を含んでいる（図示せず）。この永久磁石はカプセル内視鏡２００に固定的に結合されているので、コイル装置１００が生じさせた永久磁石の運動はカプセル内視鏡２００に直接伝わる。特に、コイル装置１００は、図１に示されているようにデカルト座標系ｘ，ｙ，ｚで定義された、磁場成分Ｂ_ｘ，Ｂ_ｙ，Ｂ_ｚと勾配行列

の所定の傾斜磁場（∂Ｂ_ｘ／∂ｘなど）を形成することができる。コイル装置１００の長手軸は座標系のｚ軸に相当している。座標系のこの定義は別の実施例についても同じ形で通用する。

第１の実施例のコイル装置１００は、ＤＥ １０３ ４０ ９２５ Ｂ３およびＷＯ ２００６／０９２４２１Ａ１に記載されている１４個の単独コイルを有するコイル装置とは異なり、第１のコイル１から第１２のコイル１２までを含む１２個のコイル１−１２しか含んでいない。

コイル装置１００の１２個の単独コイル１−１２のうち４つ、とりわけ第１のコイル１から第４のコイル４までは、同一の形をした鞍型コイル１−４として形成されており、患者を配置するための作業空間Ａを含んでいる。鞍型コイル１−４は円形の断面を有する（仮想の）柱体の側面を形成しており、柱体面の周に沿ってそれぞれ同じ立体角α_１＝α_２にわたって延在している（図５ａ参照）。柱体の中心はデカルト座標系の原点にあり、柱体の長手軸または対称軸はｚ方向を向いている。鞍型コイル１−４は柱体面の周方向で見て有利には互いに間隔を空けて配置されており、すなわち、鞍型コイル１−４の端面部分の間、したがってまた鞍型コイル１−４のｚ方向に延びる側面の間にそれぞれ１つの間隙があり、鞍型コイルの熱膨張を許す。第１の鞍型コイル１，２は第１のコイル対１，２を形成しており、第２の鞍型コイル３，４は第２のコイル対３，４を形成している。

第５および第６のコイル５，６は柱体のｚ方向における終端部を形成しており、環状コイルとして形成されている。つまり、単独コイル５，６は平らな円形のコイルであり、長方形の断面を有している。環状コイル５，６はｘｙ平面に平行な面の上にあり、第３のコイル対５，６を形成している。ｚ方向から見て、環状コイル５，６は位置＋ｚ_ｒと−ｚ_ｒにある。ただし、ｚ_ｒ＝４００ｍｍ。環状コイル５，６の中心はｚ軸上にあり、環状コイル５，６の内径は鞍型コイル１−４によって形成される柱体面の内径ｄ_Ｍと一致している。なおここで、例えばｄ_Ｍ＝６２０ｍｍとしてよい。柱体面のｚ方向における長さは鞍型コイル１−４のｚ方向における長さによって決まる。図５ｂによれば、鞍型コイルは例えば７００ｍｍの長さとすることができる。

代替的に、鞍型コイル１−４および／または環状コイル５，６を平面コイルとしてもよい。その際、上で説明した各コイルの座標系内での位置は不変としてよい。平面コイルは、例えば鞍型コイルと違って平らなコイルとして形成されており、好ましくは長方形の断面を有していることを特徴としている。

さらなる６個の単独コイル７−１２、とりわけ第７のコイル７から第１２のコイル１２は翼形に配置されており、長方形の平面コイル７−１２として形成されている。ただし、各長方形の辺は座標系の相応する軸に平行である。ここで、「翼形」とは、各単独コイルがｘｙ平面、ｘｚ平面またはｙｚ平面内にあり、さらに、図１に示されているように、鞍型コイル１−４によって形成された柱体面の外側に放射状に配置されていることを意味している。

基本的に、単独コイル１−１２は作業空間Ａのできるだけ近くに配置しなければならない。特に、平面コイル７−１２の寸法は、座標系の原点から見て明らかに幅広いというよりも平らであるように選定される。

第１の平面コイル７，８はｘｚ平面内にあり、つまり、ｙ方向においてｙ＝０の位置にあり、第４のコイル対７，８を形成している。第１の平面コイル７，８の半径方向内側の導電部分はｘ方向において＋ｒ_ｆと−ｒ_ｆの位置にあり、例えば２ｒ_ｆ＝８４０ｍｍとしてよい。ｚ方向においては、第１の平面コイル７，８はその幾何学的な中心点がｚ＝０にあるように配置されている。

第２の平面コイル９，１０はｘｙ平面内にあり、つまり、ｚ方向においてｚ＝０の位置にあり、第５のコイル対９，１０を形成している。第２の平面コイル９，１０の半径方向内側の導電部分はｙ方向において＋ｒ_ｆと−ｒ_ｆの位置にある。ｘ方向においては、第２の平面コイル９，１０はその幾何学的な中心点がｘ＝０にあるように配置されている。

さらには、第６のコイル対１１，１２を形成する第３の平面コイル１１，１２が設けられている。平面コイル１１，１２はｘｙ平面内にあり、つまり、ｚ方向においてｚ＝０の位置にあり、第１の平面コイル７，８に対して垂直に、第１の平面コイル７，８の内側に配置されている。第２の平面コイル１１，１２の半径方向内側の導電部分はｘ方向において＋ｒ_ｆと−ｒ_ｆの位置にある。ｙ方向においては、第２の平面コイ１１，１２はその幾何学的な中心点がｙ＝０にあるように配置されている。

コイル対、すなわち、鞍型コイル対、環状コイル対および平面コイル対は、コイル対に属する単独コイルの両方がデカルト座標系（ｘ，ｙ，ｚ）の原点に関して点対称であることを特徴としている。コイル対のそれぞれのコイルの幾何学的中心点を結ぶ直線は座標系の原点を通る。また、特に鞍型コイル対と環状コイル対に関では、これらコイル対のそれぞれのコイルの幾何学的中心点を結ぶ直線はコイルの断面に対して垂直である。なおここで、鞍型コイルの断面とは、ｚ方向に走る２つの導電部分によって定まる平面のことである。したがって、例えば、図５ｂによれば、鞍型コイル４の断面はｙｚ平面に平行な平面内にある。場合によっては、コイル対に属する両方の単独コイルにそれぞれ別々の電力増幅器によって電流を供給する代わりに、共通の電力増幅器によって電流を供給してもよい。

図２ａ−２ｃには、コイル対１，２を通る電流（図２ａ）、コイル対７，８を通る電流（図２ｂ）およびコイル対９，１０を通る電流（図２ｃ）が示されている。なお、電流の方向は矢印によって表されている。これら３つのコイル対はそれぞれただ１つの電力増幅器によって駆動される。コイル対１，２は磁場

の成分Ｂ_ｘを生じさせる。コイル対７，８は傾斜磁場∂Ｂ_ｙ／∂ｘ（＝∂Ｂ_ｘ／∂ｙ）を発生させるために使用され、コイル対９，１０は傾斜磁場∂Ｂ_ｚ／∂ｙを発生させるために使用される。

コイル３−６は、図２に関連して上で説明したコイル対とは違って、個々に別個の電力増幅器によって駆動され、磁場

の成分Ｂ_ｙ（単独コイル３，４）とＢ_ｚ（単独コイル５，６）を発生させる。一方、傾斜磁場∂Ｂ_ｙ／∂ｙと∂Ｂ_ｚ／∂ｚは、傾斜磁場∂Ｂ_ｙ／∂ｙを発生させるために単独コイル３，４に異なる電流を供給することによって発生させられる。同様に、傾斜磁場∂Ｂｚ／∂ｚは単独コイル５および６内の異なる電流によって形成される。

平面コイル１１，１２は共通の電力増幅器によって駆動され、傾斜磁場∂Ｂｚ／∂ｘを発生させる。

したがって、第１の実施例のコイル装置１００によれば、１２個の単独コイルと８個の電力増幅器だけで全部で８つの磁気自由度、すなわち磁場成分Ｂ_ｘ，Ｂ_ｙ，Ｂ_ｚおよび勾配行列

の５つの傾斜磁場∂Ｂ_ｙ／∂ｙ，∂Ｂ_ｚ／∂ｚ，∂Ｂ_ｘ／∂ｙ，∂Ｂ_ｚ／∂ｘ，∂Ｂ_ｚ／∂ｙを実現することが可能である。

第１の実施例のコイル装置１００は高い剛性を有するように実施されている、つまり、単独コイル１−１２は機械的に可動でなく、永久磁石は設けられていない。同じことは別の実施例のコイル装置にも言える。

別の実施例を説明する前に、以下ではカプセル内視鏡の実際に必要な操作に関する別の最適化について説明する。

患者の食道（Ｅｓｏｐｈａｇｕｓ）、胃（Ｇａｓｔｅｒ）および十二指腸（Ｄｕｏｄｅｎｕｍ）の完全な検査のためには、カプセル内視鏡２００の限られた数の操作Ｍ１−Ｍ５しか必要ない。それゆえ、コイル装置１００を図３ａ／ｂ、８および９による特別な使用形態向けに設計してもよい。患者はふうつ体の長手軸をｚ方向にして仰向けまたは俯せでコイル装置１００の内部にいる。
Ｍ１：食道の検査のためには、カプセル内視鏡２００をｚ方向にのみ動かさなければならない。というのも、食道も十分近似的にｚ方向を向いているからである。したがって、ｚ方向に力を発生させなければならない。それゆえ、コイル装置は傾斜磁場∂Ｂｚ／∂ｚを形成しなければならない。
Ｍ２：胃の中でカプセル２００をナビゲートするために、胃は部分的に液体で充たされていることが前提とされる。このために、患者は検査前および検査中に水を摂らなければならない。ｙ方向を向いたカプセル内視鏡をカプセル長手方向に磁化した永久磁石によって水面上で、すなわちｘおよび／またはｚ方向に操縦するためには、傾斜磁場∂Ｂ_ｙ／∂ｘ（＝∂Ｂ_ｘ／∂ｙ）および∂Ｂ_ｙ／∂ｚ（＝∂Ｂ_ｚ／∂ｙ）が必要である。括弧内の表現はマクスウェル方程式

から必然的に生じる。
Ｍ３：胃の中で水面上のカプセル内視鏡２００の位置を維持するためには、重さに抵抗する磁力を発生させなければならない。その際、カプセル内視鏡２００の磁気モーメント

はｙ方向に向き付けられていることが再び前提とされる。したがって、傾斜磁場∂Ｂ_ｙ／∂ｙを発生させなければならない。この傾斜磁場はさらに、カプセル内視鏡２００を沈ませ、再び浮上させるためにも使用することができる。
Ｍ４：例えば胃の内壁の画像を撮影するには、カプセル内視鏡２００を任意の決まった方向

に回転させることが必要な場合がある。そのために、コイル装置１００は所望の方向

に平行に磁場

を形成しなければならない。それゆえ、磁場

のすべての成分Ｂ_ｘ，Ｂ_ｙ，Ｂ_ｚを生じさせることが可能でなければならない。
Ｍ５：実質的にｙ方向を向いているカプセル内視鏡２００が幽門を通過するには、再び傾斜磁場∂Ｂ_ｙ／∂ｙが必要である。

第２の実施例
第２の実施例では、図３ａ／ｂに示されているコイル装置１００は患者の胃の中のカプセル内視鏡２００をナビゲートするために使用される。これに関して、カプセル内視鏡２００は通常の嚥下動作によって胃の中に送り込まれたと仮定してよい。胃の中でカプセル２００を操縦するためには、上記の操作Ｍ２−Ｍ４が必要である。したがって、第１の実施例のコイル装置１００は任意の方向の磁場

と傾斜磁場∂Ｂ_ｙ／∂ｙ，∂Ｂ_ｙ／∂ｘ，∂Ｂ_ｚ／∂ｙを発生させなければならない。それゆえ、第１の実施例とは違い、傾斜磁場∂Ｂｚ／∂ｘを発生させる必要はない。したがって、第３の平面コイル１１，１２は不要であるから、第２の実施例では、１０個の単独コイル１−１０、すなわち第１のコイル１から第１０のコイル１０までしか必要ない。

また、第２の実施例の上記した磁場成分と傾斜磁場を発生させるためには、６個の電力増幅器しか必要ない。単独コイル１および２、５および６、７および８、ならびに９および１０から成る４つのコイル対はそれぞれ１つの共通する電力増幅器によって給電され、磁場成分と傾斜磁場Ｂ_ｘ，Ｂ_ｚ，∂Ｂ_ｙ／∂ｘ，∂Ｂ_ｚ／∂ｙを発生させる。単独コイル３および４は磁場成分Ｂ_ｙと傾斜磁場∂Ｂ_ｙ／∂ｙを発生させるために異なる電流によって、したがって２つの別個の電力増幅器によって駆動される。

勾配行列

は上で述べたように対称であり、∂Ｂ_ｙ／∂ｘ＝∂Ｂ_ｘ／∂ｙが成り立つ。図３ａに示されている傾斜磁場∂Ｂ_ｙ／∂ｘを発生させるための単独コイル７，８の配置に代えて、単独コイル７，８を図３ｃに示されているように傾斜磁場∂Ｂ_ｘ／∂ｙを発生させるために単独コイル９，１０と交差するように配置してもよい。さらに、コイル対７，８は共通の電力増幅器によって給電される。平面コイル７，８はｙｚ平面内にのみある、つまり、ｘ方向においてはｘ＝０の位置にある。ｚ方向では、第１の平面コイル７，８はその幾何学的中心点がｚ＝０にあるように配置されている。

第３の実施例
第３の実施例におけるコイル装置１００は、コイル装置１００の長手軸に平行に磁化したカプセル内視鏡２００を患者の食道（Ｅｓｏｐｈａｇｕｓ）、胃（Ｇａｓｔｅｒ）および十二指腸（Ｄｕｏｄｅｎｕｍ）の中で案内するために、つまり、完全なＥＧＤ検査のために設けられている。したがって、第３の実施例では、上で挙げたすべての操作Ｍ１−Ｍ５が実現されなければならない。

それゆえ、コイル装置１００は任意の方向に磁場

と傾斜磁場∂Ｂ_ｙ／∂ｙ、∂Ｂ_ｚ／∂ｚ、∂Ｂ_ｙ／∂ｘおよび∂Ｂ_ｚ／∂ｙを発生させることができるように形成されていなければならない。このためには、第２の実施例と同様に、１０個の単独コイル１−１０が必要である。しかし、第２の実施例とは異なり、７つの電力増幅器が必要とされる。第１のコイル１と第２のコイル２、第７のコイル７と第８のコイル８および第９のコイル９と第１０のコイル１０から成る３つのコイル対はそれぞれ１つの電力増幅器によって駆動され、磁場および傾斜磁場Ｂ_ｘ、∂Ｂ_ｙ／∂ｘおよび∂Ｂ_ｚ／∂ｙを発生させる。第３のコイル３と第４のコイル４は磁場成分Ｂ_ｙと傾斜磁場∂Ｂ_ｙ／∂ｙを発生させるために異なる電流によって、したがって２つの別個の電力増幅器によって駆動される。同様に、コイル５および６はＢ_ｚと∂Ｂ_ｚ／∂ｚを発生させるために２つの別個の電力増幅器によって駆動される。

第４の実施例
第４の実施例では、カプセル内視鏡２００の永久磁石の磁気モーメントがカプセル内視鏡２００の長手軸に対して垂直に向き付けられている。

第２の実施例の場合と同様に胃の検査を実行するために、上で説明した操作Ｍ２−Ｍ４に準拠した操作Ｍ２’−Ｍ４’が実行可能でなければならない。
Ｍ２’：水面に対して垂直方向を向いたカプセル２００を胃の中でナビゲートする際、カプセル内視鏡の磁気モーメント

はｘｚ平面内にある。カプセル内視鏡をｘ方向および／またはｚ方向へ操縦するためには、傾斜磁場∂Ｂ_ｘ／∂ｘおよび∂Ｂ_ｚ／∂ｚが必要である。
Ｍ３’：胃の中でカプセル内視鏡２００の位置を水面上で維持するためには、またはカプセル２００を垂直方向に動かすためには、傾斜磁場∂Ｂ_ｙ／∂ｘおよび∂Ｂ_ｚ／∂ｙを発生させなければならない。
Ｍ４’：カプセル内視鏡２００を任意の決まった方向

に回転させるためには、コイル装置１００は所望の方向

に平行な磁場

を形成しなければならない。

したがって、まとめると、直径方向に磁化したカプセル２００を用いて胃の検査をするためには、磁場成分Ｂ_ｘ、Ｂ_ｙ、Ｂ_ｚならびに傾斜磁場∂Ｂ_ｘ／∂ｘ、∂Ｂ_ｚ／∂ｚ、∂Ｂ_ｙ／∂ｘおよび∂Ｂ_ｚ／∂ｙが必要とされる。

この磁場を発生させるために、再び図３ａ／ｂに示されているように１０個の単独コイル１−１０を有するコイル装置を使用してよい。その際、単独コイル３と４、７と８および９と１０から成る３つのコイル対は、磁場および傾斜磁場Ｂ_ｙ、∂Ｂ_ｙ／∂ｘおよび∂Ｂ_ｚ／∂ｙを発生させるために、それぞれ共通の１つの電力増幅器によって給電される。単独コイル１および２は磁場成分Ｂ_ｘと傾斜磁場∂Ｂ_ｘ／∂ｙを発生させるために異なる電流によって、したがって２つの別個の電力増幅器によって駆動される。同様に、単独コイル５および６はＢ_ｚと∂Ｂ_ｚ／∂ｚを発生させるために２つの別個の電力増幅器によって駆動される。したがって、７つの電力増幅器が必要とされる。

第５の実施例
第５の実施例のコイル装置１００は第１の実施例のコイル装置１００と同じであり、１２個の単独コイル１−１２（図１）と８つの電力増幅器を含んでいる。単独コイル１−１２と電力増幅器との接続については第１の実施例を参照されたい。第１の実施例との関連で説明したしように、図１の１２個の単独コイル１−１２を含むコイル装置１００を用いれば、全部で８の磁気自由度を得ることが可能である。したがって、直径方向に磁化したカプセル内視鏡２００に関係して必要とされるすべての操作も実行することができる。それゆえ、第１の実施例と第５の実施例のコイル装置１００は、カプセルの長手軸に平行または垂直な磁気モーメント

を有するカプセル内視鏡２００向けに汎用的に使用することができる。ただし、直径方向に磁化したカプセル内視鏡２００の場合、第１の実施例と比べて、発生させるべき力とトルクが異なるため、コイル装置１００のコイルの通電に関する設計と例えばアンペア回数に関する単独コイルの設計に違いが生じる。

別の実施形態
平面コイル７−１２の寸法は、座標系の原点から見て明らかに幅広いというよりも平らであるように選んでよい。ここで、「平ら」という特徴は図４ａの平面コイル１の例では導電部分の厚さｄ_Ｆ、つまり、ｘ方向で見て、内側（および外側）の導電部分の長さに関係している。「幅広い」という特徴はｙ方向における導電部分の長さｌ_Ｆを表している。したがって、平面コイル７の場合、ｄ_Ｆ＜ｌ_Ｆが成り立つように設計されていてよい。平面コイル８も同じ寸法にしてよい。残りの平面コイル９と１０または１１と１２も同様に形成してよい。その際、異なるコイル対７と８、９と１０、さらに場合によっては１１と１２に対して選定される寸法ｄ_Ｆ、ｌ_Ｆが同じでなくてもよい。

平面コイル７−１２はそれぞれ複数の部分コイルに分割されていてよい。再び図４ａの平面コイル７の例に戻ると、ｘｚ平面内にある平面コイル７を、図４ｂに示されているように、ｙ方向に、すなわち、コイル７の断面に対する法ベクトルの方向に重なり合う部分コイル７ａ、７ｂおよび７ｃに分割してよい。これに相応して、平面コイル８も部分コイル８ａ、８ｂおよび８ｃに分割されていてよい（図示なし）。部分コイル７ａと８ａ、７ｂと８ｂ、７ｃと８ｃの寸法は一致していることが好ましい。これにより、有利には、平面コイル７および８によって発生させられる磁場勾配∂Ｂ_ｙ／∂ｘの調和が達成される。その際、重なり合う２つのコイルの間に１ｃｍ程度の大きさの間隙を設けてよい。同様に、残りの平面コイル９−１２も複数の部分コイルに分割し、その傾斜磁場を相応に調和させるようにしてよい。図４ｂに示されているよりも多数または少数の部分コイルに分割することも同様に可能である。

コイル装置１００の図５ａによる別の実施形態は鞍型コイル１−４のみに関している。前記した実施例の範囲内に含まれている鞍型コイル１−４を、鞍型コイル１−４の特殊な実施形態で置き換えてもよい。柱体面の周に沿った立体角αがそれぞれ異なるように鞍型コイル１−４を形成してもよい。第１のコイル１と第２のコイル２は柱体面の周に沿ってそれぞれ第１の立体角α_１にわたって広がっており、一方で第３のコイル３と第４のコイル４はそれぞれ第２の立体角α_２にわたって広がっている。一方ではｙ方向の磁場Ｂ_ｙを強め、他方では∂Ｂ_ｙ／∂ｙも強めるために、鞍型コイル３および４の立体角α_２はα_２＞９０°に拡大される。しかし、この立体角は９０°＜α_２＜１１０°の範囲内にあることが好ましい。鞍型コイル１および２の第１の立体角α_１はそれに相応して小さくなる。

図５ｂには、鞍型コイル４の好適な実施形態が示されている。残りの鞍型コイルも同様の寸法にしてよい。鞍型コイル４は平らに形成されている、つまり、導電部分の半径方向における長さｄ_Ｓが導電部分の例えばｚ方向における長さｌ_Ｓよりも小さい。

図６には、ｚ方向から見て平らに形成された環状コイル５の実施形態が示されている。これはつまり、ｚ方向の長さｌ_Ｒが環の厚さｄ_Ｒよりも小さい、すなわち環状コイル５の半径方向における長さｄ_Ｒよりも小さいということを意味する。環状コイル６も同じに形成してよい。

図７にスケッチされている別の実施形態では、平面コイル７，８および／または９，１０が空間的に作業空間Ａにさらに近づけられる。こうすることの利点は、高性能の電子機器を必要とせずに、勾配行列

の副対角成分に対応する傾斜磁場、今のケースではとりわけ傾斜磁場∂Ｂ_ｙ／∂ｘおよび／または∂Ｂ_ｚ／∂ｙが強められるということにある。このために、平面コイル７，８および／または９，１０は空間的に鞍型コイルに部分的に組み込まれているので、少なくとも平面コイル７，８および／または９，１０の半径方向内側の導電部分は作業空間Ａにより近い。上記実施例とは異なり、平面コイル７，８および／または９，１０は、もはや完全には、鞍型コイル１−４によって形成された柱体面の半径方向外側にはない。平面コイル７，８および／または９，１０はこのために鞍型コイルのｚ方向における寸法に応じて短くされなければならない。こうすることで、平面コイル７，８および／または９，１０の重量が低減されるというさらなる利点がもたらされる。

上で説明した複数の実施例は、使用される単独コイルの数、カプセルの磁化の方向、および、単独コイルが電力増幅器によってコイル対として駆動されるか、個別に駆動されるかということの他に、単独コイル１−１０ないし１−１２の寸法と電力要求とに関する具体的な実施形態の点でも相違している。

図１および３ｃに関連して示された、交差したコイルをもつ実施例では、交差したコイルのうちのそれぞれ一方が他方のコイルの内側にある、つまり、内側にあるコイルは相応して外側から包囲するコイルよりも小さく形成されていなければならない。あるいは、導電部分が交差するようにしてもよい、すなわち、コイルの交点において両方のコイルの導電路が交替するようにしてもよい。

座標系ｘ，ｙ，ｚの上記定義は、特にｘ軸およびｙ軸の向きに関して、任意であることが指摘される。上記実施例のうちの１つによるコイル装置１００の、長手軸回りの、すなわち座標系のｚ軸回りの任意の回転角だけの回転についてはこれ以上説明しないが、同様に本発明の対象である。このことは特に第１および第５の実施例ならびにこれらの発展形態に関係する。というのも、これらによってすべての磁気自由度を生じさせることが可能だからである。コイル装置１００をｚ軸回りに例えば９０°回転させると、コイル装置１００’が得られるが、コイル装置１００’によっても同様にすべての磁気自由度を生じさせることができる。したがって、コイル装置１００’はコイル装置１００と全く同じく作用する。

コイル装置１００の説明したすべての実施例は４つの鞍型コイル１−４と２つの環状コイル５，６を含んでいる。これらの鞍型コイルと環状コイルはすべて、図８ａに概略的に示されている円形の断面を有する柱体の側面上にある、ないしは円柱面を描く。しかし、この６コイル柱体は代わりに正方形または長方形の断面を有していてもよい（図８ｂ，８ｃ）。その場合、４つの鞍型コイルの代わりに４つの平面コイルが、２つの環状コイルの代わりに２つの長方形コイルが使用される。また、柱体の断面は、図８ｄに示されているように、角の丸い正方形または長方形であってもよい。同様に、楕円（図８ｅ）または非対称な断面（図８ｆ）、例えば平らにした円も考えられる。柱体の断面は単独コイル１−６の成形によって実現される。

個々のコイルの水冷が必要な場合には、通電しない、水の流れる中空導管による冷却システムを設けてよい。環状コイル５，６の場合、この中空導管は巻層体の外側に巻層として配置され、好ましくは巻層体とともに鋳造されていてよい。鞍型コイル１−４の場合には、冷却管巻層を通電する巻層体の外側に配置してよい。平面コイル７−１０ないし７−１２の場合、有利には、巻型にまず中空導管の層を巻き付け、その上に通電する長方形の導線を巻き付ける。

Claims (30)

1. デカルト座標系（ｘ，ｙ，ｚ）内の作業空間（Ａ）内で磁気素子（２００）を、とりわけカプセル内視鏡を、磁気双極子モーメント
   

   

   によって無接触でガイドするためのコイル装置（１００）であって、磁場
   

   

   の成分（B_x，B_y，B_z）を発生させるためおよび／または勾配行列
   

   

   の少なくとも４つの独立した傾斜磁場を発生させるための複数の単独コイル（１−１２）を含んでいる形式のコイル装置（１００）において、
   複数の第１の単独コイル（１−４）がｚ軸に沿って延びる仮想の柱体の柱体面の周方向に沿って並べて配置されており、
   複数の第２の単独コイル（５−６）が前記柱体の両端部に配置されており、
   複数の第３の単独コイル（７−１２）が翼形に配置されている、
   ことを特徴とするコイル装置（１００）。
2. 前記単独コイル（１−１２）のうちの２つずつが１つのコイル対（１−２，３−４，５−６，７−８，９−１０，１１−１２）に割り当てられており、
   １つのコイル対（１−２，３−４，５−６，７−８，９−１０，１１−１２）に割り当てられた両方の単独コイル（１−１２）は前記デカルト座標系（ｘ，ｙ，ｚ）の原点に関して点対称に配置されており、
   前記コイル対（１−２，３−４，５−６，７−８，９−１０，１１−１２）によって、前記磁場
   

   

   の成分（B_x，B_y，B_z）および／またはトレースが０の対称な勾配行列
   

   

   の少なくとも４つの独立した傾斜磁場を発生させることができる、請求項１記載のコイル装置（１００）。
3. 前記第１の単独コイル（１−４）は少なくとも１つの第１のコイル（１）、第２のコイル（２）、第３のコイル（３）および第４のコイル（４）を含んでおり、前記第１のコイル（１）と前記第２のコイル（２）は第１のコイル対（１−２）を、前記第３のコイル（３）と前記第４のコイル（４）は第２のコイル対（３−４）を形成している、請求項１または２記載のコイル装置（１００）。
4. 前記第１のコイル（１）の幾何学的中心点はｘ軸の負の部分の上にあり、
   前記第２のコイル（２）の幾何学的中心点はｘ軸の正の部分の上にあり、
   前記第３のコイル（３）の幾何学的中心点はｙ軸の負の部分の上にあり、
   前記第４のコイル（４）の幾何学的中心点はｙ軸の正の部分の上にあり、
   前記第１のコイル（１）と前記第２のコイル（２）の断面はｙｚ平面に平行な平面上にあり、前記第３のコイル（３）と前記第４のコイル（４）の断面はｘｚ平面に平行な平面上にある、請求項３記載のコイル装置（１００）。
5. 前記第１のコイル（１）、前記第２のコイル（２）、前記第３のコイル（３）および前記第４のコイル（４）は前記柱体面の周方向に沿って同じ立体角（α）にわたって広がっている、請求項３または４記載のコイル装置（１００）。
6. 前記第１のコイル（１）と前記第２のコイル（２）はそれぞれ前記柱体面の周方向に沿って第１の立体角（α₁）にわたって広がっており、前記第３のコイル（３）と前記第４のコイル（４）はそれぞれ前記柱体面の周方向に沿って第２の立体角（α₂）にわたって広がっている、請求項３または４記載のコイル装置（１００）。
7. 前記第２の立体角（α₂）は前記第１の立体角（α₁）よりも大きく、とりわけ９０°＜α₂＜１１０°の範囲内にある、請求項６記載のコイル装置（１００）。
8. 前記第１の単独コイル（１−４）はそれぞれ鞍型コイルの構造、平面コイルの構造または環状コイルの構造で形成されている、請求項１から７のいずれか１項記載のコイル装置（１００）。
9. 前記第１の単独コイル（１−４）は前記柱体面の周方向で見て互いに離れて配置されている、請求項１から８のいずれか１項記載のコイル装置（１００）。
10. 前記第２の単独コイル（５−６）は少なくとも１つの第５のコイル（５）と第６のコイル（６）を含んでおり、前記第５のコイル（５）と前記第６のコイル（６）は第３のコイル対（５−６）を形成している、請求項１から９のいずれか１項記載のコイル装置（１００）。
11. 前記第５のコイル（５）の幾何学的中心点はｚ軸の正の部分の上にあり、
    前記第６のコイル（６）の幾何学的中心点はｚ軸の負の部分の上にあり、
    前記第５のコイル（５）と前記第６のコイル（６）の断面はｘｙ平面に平行な平面上にある、請求項１０記載のコイル装置（１００）。
12. 前記第２の単独コイル（５−６）は環状コイルとしてまたは平面コイルとして形成されている、請求項１から１１のいずれか１項記載のコイル装置（１００）。
13. 前記第３の単独コイル（７−１２）は少なくとも１つの第７のコイル（７）、第８のコイル（８）、第９のコイル（９）および第１０のコイル（１０）を含んでおり、前記第７のコイル（７）と前記第８のコイル（８）は第４のコイル対（７−８）を、前記第９のコイル（３）と前記第１０のコイル（１０）は第５のコイル対（９−１０）を形成している、請求項１から１２のいずれか１項記載のコイル装置（１００）。
14. 前記第３の単独コイル（７−１２）はさらに少なくとも１つの第１１のコイル（１１）と第１２のコイル（１２）を含んでおり、前記第１１のコイル（１１）と前記第１２のコイル（１２）は第７のコイル対（１１−１２）を形成している、請求項１３記載のコイル装置（１００）。
15. 前記第１１のコイル（１１）の幾何学的中心点はｘ軸の負の部分の上にあり、
    前記第１２のコイル（１２）の幾何学的中心点はｘ軸の正の部分の上にあり、
    前記第１１のコイル（１１）と前記第１２のコイル（１２）の断面はｘｙ平面内にある、請求項１４記載のコイル装置（１００）。
16. 前記第７のコイル（７）の幾何学的中心点はｘ軸の負の部分の上にあり、
    前記第８のコイル（８）の幾何学的中心点はｘ軸の正の部分の上にあり、
    前記第９のコイル（９）の幾何学的中心点はｙ軸の負の部分の上にあり、
    前記第１０のコイル（１０）の幾何学的中心点はｙ軸の正の部分の上にあり、
    前記第７のコイル（７）と前記第８のコイル（８）の断面はｘｚ平面内にあり、前記第９のコイル（９）と前記第１０のコイル（１０）の断面はｘｙ平面内にある、請求項１３から１５のいずれか１項記載のコイル装置（１００）。
17. 前記第１１のコイル（１１）と前記第７のコイル（７）の幾何学的中心点の位置と、前記第１２のコイル（１２）と前記第８のコイル（８）の幾何学的中心点の位置は一致しているか、または近接している、請求項１４から１６のいずれか１項記載のコイル装置（１００）。
18. 前記第７のコイル（７）の幾何学的中心点はｙ軸の負の部分の上にあり、
    前記第８のコイル（８）の幾何学的中心点はｙ軸の正の部分の上にあり、
    前記第９のコイル（９）の幾何学的中心点はｙ軸の負の部分の上にあり、
    前記第１０のコイル（１０）の幾何学的中心点はｙ軸の正の部分の上にあり、
    前記第７のコイル（７）と前記第８のコイル（８）の断面はｙｚ平面内にあり、前記第９のコイル（９）と前記第１０のコイル（１０）の断面はｘｙ平面内にある、請求項１３から１５のいずれか１項記載のコイル装置（１００）。
19. 前記第９のコイル（１１）と前記第７のコイル（７）の幾何学的中心点の位置と、前記第１０のコイル（１０）と前記第８のコイル（８）の幾何学的中心点の位置は一致しているか、または近接している、請求項１８記載のコイル装置（１００）。
20. 前記第３の単独コイル（７−１２）は環状コイルとしてまたは平面コイルとして形成されている、請求項１３から１９のいずれか１項記載のコイル装置（１００）。
21. 前記第７のコイルと前記第８のコイル（８）、および／または
    前記第９のコイル（９）と前記第１０のコイル（１０）、および／または
    前記第１１のコイル（１１）と前記第１２のコイル（１２）はそれぞれこれらのコイルの各断面の法ベクトルの方向に互いに重なり合う少なくとも２つの部分コイル（７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，．．．）から成っており、
    前記２つの部分コイル（７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，．．．）の間には間隙がある、請求項１３から２０のいずれか１項記載のコイル装置（１００）。
22. 前記第１のコイル（１）と前記第２のコイル（２）に給電するための第１の電力増幅器が設けられており、
    前記第７のコイル（７）と前記第８のコイル（８）に給電するための第２の電力増幅器が設けられており、
    前記第９のコイル（９）と前記第１０のコイル（１０）に給電するための第３の電力増幅器が設けられており、
    前記第１１のコイル（１１）と前記第１２のコイル（１２）に給電するための第４の電力増幅器が設けられており、
    前記第３のコイル（３）、前記第４のコイル（４）、前記第５のコイル（５）および前記第６のコイル（６）に給電するためにそれぞれさらに１つの電力増幅器が設けられている、請求項３から９のいずれか１項、請求項１０から１２のいずれか１項、および請求項１３から２１のいずれか１項記載のコイル装置（１００）。
23. 前記第１のコイル（１）と前記第２のコイル（２）に給電するための第１の電力増幅器が設けられており、
    前記第５のコイル（５）と前記第６のコイル（６）に給電するための第２の電力増幅器が設けられており、
    前記第７のコイル（７）と前記第８のコイル（８）に給電するための第３の電力増幅器が設けられており、
    前記第９のコイル（９）と前記第１０のコイル（１０）に給電するための第４の電力増幅器が設けられており、
    前記第３のコイル（３）と前記第４のコイル（４）に給電するためにそれぞれさらに１つの電力増幅器が設けられている、請求項３から９のいずれか１項、請求項１０から１２のいずれか１項、および請求項１３から２１のいずれか１項記載のコイル装置（１００）。
24. 前記第１のコイル（１）と前記第２のコイル（２）に給電する第１の電力増幅器が設けられており、
    前記第７のコイル（７）と前記第８のコイル（８）に給電するための第２の電力増幅器が設けられており、
    前記第９のコイル（９）と前記第１０のコイル（１０）に給電するための第３の電力増幅器が設けられており、
    前記第３のコイル（３）、前記第４のコイル（４）、前記第５のコイル（５）および前記第６のコイル（６）に給電するためにそれぞれさらに１つの電力増幅器が設けられている、請求項３から９のいずれか１項、請求項１０から１２のいずれか１項、および請求項１３から２１のいずれか１項記載のコイル装置（１００）。
25. 前記第３のコイル（３）と前記第４のコイル（４）に給電するための第１の電力増幅器が設けられており、
    前記第７のコイル（７）と前記第８のコイル（８）に給電するための第２の電力増幅器が設けられており、
    前記第９のコイル（９）と前記第１０のコイル（１０）に給電するための第３の電力増幅器が設けられており、
    前記第１のコイル（１）、前記第２のコイル（２）、前記第５のコイル（５）および前記第６のコイル（６）に給電するためにそれぞれさらに１つの電力増幅器が設けられている、請求項３から９のいずれか１項、請求項１０から１２のいずれか１項、および請求項１３から２１のいずれか１項記載のコイル装置（１００）。
26. 前記磁気素子（２００）は磁気双極子モーメント
    

    

    を有するカプセル内視鏡であり、前記磁気双極子モーメント
    

    

    は前記カプセル内視鏡の長手軸に平行に向き付けられている、請求項２２から２４のいずれか１項記載のコイル装置（１００）。
27. 前記磁気素子（２００）は磁気双極子モーメント
    

    

    を有するカプセル内視鏡であり、前記磁気双極子モーメント
    

    

    は前記カプセル内視鏡の長手軸に垂直に向き付けられている、請求項２２または２５記載のコイル装置（１００）。
28. 前記磁気素子（２００）は当該磁気素子に固定的に接続された永久磁石を含んでいる、請求項１から２７のいずれか１項記載のコイル装置（１００）。
29. 前記磁気素子（２００）の重心は当該磁気素子（２００）の幾何学的中心点を外して、とりわけ当該磁気素子（２００）の長手軸上で該長手軸の方向にずらして配置されている、請求項１から２８のいずれか１項記載のコイル装置（１００）。
30. 前記コイル装置（１００）はｚ軸回りに回転させて配置されている、請求項１から２９のいずれか１項記載のコイル装置（１００）。

Images