WO2006097423A1 - Device for determining the position and/or orientation of a navigable object - Google Patents

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WO2006097423A1 PCT/EP2006/060559 EP2006060559W WO2006097423A1 WO 2006097423 A1 WO2006097423 A1 WO 2006097423A1 EP 2006060559 W EP2006060559 W EP 2006060559W WO 2006097423 A1 WO2006097423 A1 WO 2006097423A1
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Johannes Reinschke
Rudolf Röckelein
Wolfgang Schmidt
Stefan Kirsch
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Abstract

The invention relates to device for determining the position of a navigable object (12) that is present within a magnetic background field (Hex) of a predetermined frequency-dependent amplitude of its magnetic induction, said field being generated by coils (13i, 23j) of a background field coil system (3). At least a part of one of the coils (13i, 23j) of the background field coil system (3) is simultaneously used as the transmitting coil for generating a magnetic position measuring field (Hp) having a predetermined frequency at the location of the object (12), the amplitude of the position measuring field (Hp) at the location of the object (12) being greater than that of the background field (Hex) at the predetermined frequency. The inventive device also comprises a receiver (21) for receiving position signals (S1) generated by the object (12) depending on the position measuring field (Hp) and means for processing and evaluating the position signals (S1).

Description

Beschreibungdescription
Einrichtung zur Positions- und/oder Orientierungsbestimmung eines navigierbaren ObjektesDevice for determining the position and / or orientation of a navigable object
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Positionsbestimmung eines navigierbaren Objektes, das sich innerhalb eines magnetischen Hintergrundfeldes mit am Ort des Ob¬ jektes vorbestimmter, frequenzabhängiger Maximalamplitude seiner magnetischen Induktion befindet, wobei das Hintergrundfeld von Spulen eines Hintergrund-Spulensystems hervor¬ gerufen und zur Navigation des Objektes vorgesehen ist. Dabei umfasst die EinrichtungThe invention relates to a device for determining the position of a navigable object that is within a magnetic background field with predetermined at the location of Ob ¬ jektes, frequency-dependent maximum amplitude of its magnetic induction, the background field of coils of a background coil system ¬ called out and navigation of the object is provided. This includes the device
- ein System von Sendespulen zur Generierung eines Positi- onsmessfeldes am Ort des Objektes,a system of transmitting coils for generating a position measuring field at the location of the object,
- eine Empfangsvorrichtung zum Empfang von von dem Objekt in Abhängigkeit von dem Positionsmessfeld erzeugten Po¬ sitionssignalen und - Mittel zur Weiterverarbeitung und Auswertung der Positionssignale .- a receiving device for receiving generated from the object in response to the position measurement field Po ¬ sitionssignalen and - means for further processing and analysis of the position signals.
Unter einer Positionsbestimmung sei dabei prinzipiell auch eine Orientierungsbestimmung mit verstanden. Eine entsprechende Einrichtung ist z.B. der DE 101 42 253 Cl zu entneh- men .In principle, a determination of orientation should also be understood as meaning a position determination. A corresponding device is e.g. DE 101 42 253 Cl to remove.
Auf dem Gebiet der medizinischen Technik gewinnen nichtinvasive oder minimalinvasive Maßnahmen zunehmend an Bedeu¬ tung. Solche Maßnahmen seien hier als Sammelbegriff zu ver- stehen für verschiedenste medizinische Vorhaben wie z.B. Di¬ agnosen (Sichtprüfung, Biopsien) oder Therapien (gezielte Medikamentenabgabe, Anbringen von Clips oder Stents) . An Pro¬ banden wie Menschen oder Tieren ist die Maßnahme durchzuführen. Besonders wünschenswert ist die Durchführung solcher Maßnahmen im Inneren des Probanden, insbesondere im Inneren von Hohlorganen wie z.B. dem ganzen Gastrointestinaltrakt . Zur Durchführung solcher medizinischen Maßnahmen können besondere navigierbare Objekte wie Kapseln oder Kapselsysteme vorgesehen werden (vgl. z.B. EP 0 667 115 A,In the field of medical technology, non-invasive or minimally invasive procedures are gaining in importance ¬ tung. Such measures are standing here as a collective term for comparable for various medical projects such as di ¬ agnosen (visual inspection, biopsies) or therapies (targeted drug delivery, mounting clips or stents). The measure is to be carried out on subjects such as humans or animals. Particularly desirable is the implementation of such measures inside the subject, especially in the interior of hollow organs such as the entire gastrointestinal tract. For carrying out such medical measures, special navigable objects such as capsules or capsule systems can be provided (cf., for example, EP 0 667 115 A, US Pat.
DE 101 42 253 Cl) . Ein entsprechendes Gesamtsystem wird auch als Endoroboter bezeichnet. Generell sind als Objekte jedoch auch andere zu navigierende Körper wie z.B. Katheterspitzen, für die ggf. auch eine Drahtverbindung nach außen möglich ist, denkbar.DE 101 42 253 C1). A corresponding overall system is also referred to as Endoroboter. In general, however, other bodies to be navigated, such as e.g. Catheter tips, for which, if necessary, a wire connection to the outside is possible conceivable.
Für eine magnetische, berührungsfreie Navigation einer Kapsel ist diese mit magnetischem Material wie z.B. Permanentmagne¬ ten geeigneter Magnetisierungsrichtung oder ferromagnetischen Teilen oder stromdurchflossenen Spulen, die allgemein ein magnetisches Moment erzeugen, zu bestücken. Durch von außen angelegte, geeignet steuerbare Magnetfelder können dann Kräf¬ te und ggf. Drehmomente auf das entsprechend ausgestaltete Objekt ausgeübt werden.For a magnetic, non-free navigation of a capsule, this th with magnetic material such as permanent magnets ¬ appropriate magnetization direction or ferromagnetic parts or current-carrying coils which generally produce a magnetic moment to be fitted. By externally applied, suitably controllable magnetic fields Kräf ¬ te and possibly torques can be exercised on the correspondingly designed object.
Eine entsprechende Endoroboter-Anlage ist der WO 03/028224 A2 zu entnehmen. Die Anlage enthält ein Magnetspulensystem zu einer berührungsfreien Navigation einer mit einer Videokamera ausgestatteten Videokapsel. Zusätzlich soll eine Einrichtung zur Positionsbestimmung der Kapsel vorgesehen sein. Hierzu umfasst die Anlage besondere Senderspulen und ein in der Kap- sei angeordnetes System von Empfängerspulen. Mit diesen Spulen werden die von den Sendespulen erzeugten Signale detek- tiert und nach außen an eine nicht näher beschriebene Emp¬ fangsvorrichtung übermittelt .A corresponding endorobot system can be found in WO 03/028224 A2. The system includes a magnetic coil system for non-contact navigation of a video camera equipped with a video camera. In addition, a device for determining the position of the capsule should be provided. For this purpose, the system comprises special transmitter coils and a system of receiver coils arranged in the capillary. With these coils, the signals generated by the transmitting coils are detected and transmitted to the outside to a non-descript Emp ¬ receiving device.
Auch in der eingangs genannten DE 101 42 253 Cl ist eine ent¬ sprechende Videokapsel beschrieben, die mit einem Stabmagne¬ ten sowie Video- und anderen Interventionseinrichtungen ausgestattet ist. Auf den Stabmagneten soll ein externes Magnet¬ spulensystem Kräfte ausüben. Es wird ein frei schwebender, so genannter Helikoptermodus mit Steuerung über eine 6D-Maus, eine Rückmeldung von auf die Kapsel einwirkenden Kräften über die Maus sowie eine Positionsrückmeldung durch einen Trans- ponder erwähnt. Einzelheiten zur Realisierung des erforderli- chen Spulensystems und zum Betrieb seiner einzelnen Spulen sind in der Schrift nicht näher erläutert.Also in the aforementioned DE 101 42 253 Cl a ent ¬ speaking video capsule is described, which is equipped with a Stabmagne ¬ th and video and other intervention devices. On the bar magnet to exert an external magnetic ¬ coil system forces. It mentions a free-floating, so-called helicopter mode with control via a 6D mouse, a feedback of forces acting on the capsule forces via the mouse and a position feedback by a transponder. Details of the realization of the required The coil system and the operation of its individual coils are not explained in detail in the document.
Eine konkrete Anlage zu einer berührungsfreien Bewegung und/oder Fixierung eines magnetischen Körpers in einem Arbeitsraum unter Verwendung eines Magnetspulensystems ist Ge¬ genstand der nicht-vorveröffentlichten DE-Anmeldung 103 41 092.9. Die von dem Magnetspulensystem von außen anzulegenden Magnetfelder kann man dabei unterteilen in ein mag- netisches Grundfeld zur Erzeugung eines Drehmomentes an dem magnetischen Körper und ein magnetisches Gradientenfeld zur magnetischen Erzeugung translatorischer Kräfte an diesem. D.h., die anzulegenden Magnetfelder sind nicht räumlich homogen, sondern ortsabhängig. Erzeugt werden muss entsprechend einer vorgegebenen Kraft und eines vorgegebenen Drehmoments das richtige magnetische Gradientenfeld und das richtige mag¬ netische Grundfeld am Ort des magnetischen Körpers bzw. Ob¬ jektes. Es ist daher die Kenntnis des jeweiligen aktuellen Ortes und der Winkelstellung, d.h. der Position und Orientie- rung bzw. räumlichen Ausrichtung des magnetischen Körpers, erforderlich. Für die Positions- und/oder Orientierungsbe¬ stimmung sollen ebenfalls Magnetfelder benutzt werden. Solche Felder sind dem aus magnetischem Grundfeld und magnetischem Gradientenfeld gebildeten, nachfolgend als Hintergrundfeld bezeichneten Magnetfeld zu überlagern./ A concrete plant to a non-contact movement and or fixing is a magnetic body in a working space by using a magnetic coil system Ge ¬ subject of the non-prepublished German Patent Application 103 41 092.9. The magnetic fields to be applied externally by the magnetic coil system can be subdivided into a magnetic basic field for generating a torque on the magnetic body and a magnetic gradient field for magnetically generating translatory forces thereon. That is, the magnetic fields to be applied are not spatially homogeneous, but location-dependent. Has a predetermined force and a predetermined torque are generated according to the correct gradient magnetic field and the right may ¬ genetic background field at the location of the magnetic body or whether ¬ jektes. It is therefore necessary to know the current location and the angular position, ie the position and orientation or spatial orientation of the magnetic body. Also magnetic fields to be used for position and / or Orientierungsbe ¬ atmospheric. Such fields are superimposed on the magnetic field formed by magnetic field and magnetic gradient field, hereinafter referred to as the background field magnetic field.
Eine Verwendung bekannter Positionsmesssysteme auf Basis elektromagnetischer Felder scheidet jedoch wegen der Interferenz mit dem krafterzeugenden magnetischen Hintergrundfeld aus. Zudem arbeiten existierende Systeme im Allgemeinen mit Drahtverbindungen vom Messort nach außen. Für eine Anwendung in einem Endoroboter wird aber bevorzugt eine drahtlose Ver¬ bindung angestrebt.However, use of known electromagnetic field based position sensing systems is eliminated because of the interference with the force generating magnetic background field. In addition, existing systems generally operate with wire connections from the measurement site to the outside. For an application in a endorobot but preferably a wireless Ver ¬ is aimed compound.
Weiterhin sind Systeme zu einer Positions- und Winkelmessung von Objekten wie Katheterspitzen im menschlichen Körper bekannt. Diese arbeiten nach dem elektromagnetischen Prinzip mit statischen und relativ niederfrequenten Feldern im Kilo- hertzbereich. Über stationäre Sendespulen werden Felder in verschiedene Raumrichtungen gesandt. Diese werden über, auf oder in dem zu ortenden Objekt angebrachte Empfängerspulen induktiv erfasst und analog über Drahtverbindungen nach außen gesendet. Dabei werden statische und niederfrequente Felder zum Teil mit zeitlich hintereinander geschalteten und unterschiedlich frequenten Signalen der Sendespulen verwendet, um die Signale der einzelnen Sendespulen voneinander zu trennen. Aufgrund des verwendeten Frequenzbereichs ist eine Störung, die durch das Körpergewebe selbst erzeugt wird, praktisch vernachlässigbar. Geht man jedoch zu höheren Frequenzen, beispielsweise im MHz-Bereich über, so ist dies nicht mehr der Fall.Furthermore, systems for position and angle measurement of objects such as catheter tips in the human body are known. These work according to the electromagnetic principle with static and relatively low frequency fields in the kilo hertz range. Fields are sent in different spatial directions via stationary transmitting coils. These are detected inductively via, on or in the object to be located object receiver coils and sent analog via wire connections to the outside. In this case, static and low-frequency fields are used in part with signals connected in chronological succession and at different frequencies of the transmitting coils in order to separate the signals of the individual transmitting coils from one another. Due to the frequency range used, a disturbance generated by the body tissue itself is practically negligible. However, if one goes to higher frequencies, for example in the MHz range, this is no longer the case.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, bei einer Einrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen die vorstehend angesprochenen Probleme wenigstens zu vermindern. Dabei soll eine elektromagnetische Verträglichkeit von nach dem elektromagnetischen Prinzip arbeitenden Positions- und/oder Orientierungsmesssystemen insbesondere im menschlichen Körper mit Magnetfeldern, die für andere Zwecke wie z.B. die Bildge- bung oder Navigation eingesetzt werden, gegeben sein. Außerdem sollte bevorzugt die Möglichkeit einer drahtlosen Über¬ tragung der Sensorsignale des Positionsmesssystems vom Inne- ren des Körpers nach außen gegeben sein.The object of the present invention is therefore to at least reduce the above-mentioned problems in a device with the features mentioned above. In this case, an electromagnetic compatibility of position and / or orientation measuring systems operating according to the electromagnetic principle, in particular in the human body, with magnetic fields which are used for other purposes, such as imaging or navigation, should be provided. Should preferably also the possibility of a wireless transmitter ¬ transmission of the sensor signals of the position measuring system from the body Inne- ren be given to the outside.
Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Demgemäß soll die Einrichtung zur Positionsbe¬ stimmung eines navigierbaren Objektes, das sich innerhalb eines magnetischen Hintergrundfeldes mit vorbestimmter Amplitude seiner magnetischen Induktion befindet, welches von Spulen eines Hintergrund-Spulensystems hervorgerufen ist, - ein System von Sendespulen zur Generierung eines Positionsmessfeldes mindestens einer vorgegebenen Frequenz am Ort des Objektes mit über der Amplitude der magnetischen Induktion des Hintergrundfeldes bei der vorgegebenen Fre¬ quenz liegender magnetischer Induktion, - eine Empfangsvorrichtung zum Empfang von von dem Objekt in Abhängigkeit von dem Positionsmessfeld erzeugten Posi¬ tionssignalen und - Mittel zur Weiterverarbeitung und Auswertung der Positionssignale enthalten und erfindungsgemäß dahingehend ausgebildet sein, dass zumindest eine der Sendespulen zugleich wenigstens Teil einer Spule des Hintergrundfeld-Spulensystems ist.This object is achieved with the measures specified in claim 1. Accordingly, should the device for Positionsbe ¬ humor of a navigable object, which is located within a background magnetic field of predetermined amplitude of its magnetic induction, which is of coils of a background-coil system caused, - a system of transmitter coils for generating a position measuring field at least one predetermined frequency at the location of the object with more than the amplitude of the magnetic induction of the background field at the predetermined frequency Fre ¬ opposing magnetic induction, - a receiving device for receiving generated from the object in response to the position measurement field Posi ¬ tion signals, and - including means for further processing and analysis of the position signals and be formed according to the invention in that at least one of the transmitting coil, at least part of a coil is at the same time of the background field-coil system.
Unter dem Begriff „Positionsbestimmung" sei hier und nachfolgend auch eine räumliche Orientierungsbestimmung verstanden; d.h., mit der erfindungsgemäßen Einrichtung sollen prinzipiell eine Positions- und/oder eine Orientierungsbestimmung gleichzeitig oder voneinander getrennt auszuführen sein.The term "position determination" is understood here and below as meaning also a spatial orientation determination, that is, with the device according to the invention a position and / or an orientation determination should in principle be executed simultaneously or separately from one another.
Bei den erfindungsgemäßen Maßnahmen wird von der Tatsache ausgegangen, dass üblicherweise magnetische Hintergrundfelder für die magnetische Navigation verhältnismäßig niederfrequent sind. Bei jeder Frequenz hat das Hintergrundfeld eine be¬ stimmte Amplitude der magnetischen Induktion oder Feldstärke. Der Wert der Amplitude hängt dabei von der jeweiligen Fre¬ quenz ab. Der Maximalwert wird im Allgemeinen bei einer Frequenz unter 1 kHz angenommen.In the inventive measures is based on the fact that usually magnetic background fields for magnetic navigation are relatively low frequency. At each frequency, the background field has a certain amplitude of magnetic induction or field strength. The value of the amplitude depends on the respective Fri ¬ off frequency. The maximum value is generally assumed to be at a frequency below 1 kHz.
Demgegenüber müssen Systeme zu einer Positions- und/oder Orientierungsbestimmung im Allgemeinen mit wesentlich höheren Frequenzen, typischerweise über 10 kHz bis etwa 100 kHz, ar¬ beiten. Auf alle Fälle muss aber gewährleistet sein, dass bei der vorgegebenen Frequenz oder den vorgegebenen Frequenzen die von dem Systeme zu einer Positions- und/oder Orientie¬ rungsbestimmung hervorgerufene Amplitude der magnetischen Induktion einen größeren Wert hat als die Amplitude der magne¬ tischen Induktion des Hintergrundfeldes. Dies macht es mög- lieh, die Sendespulen für das Positionserkennungssystem in die felderzeugenden Spulen des für andere Zwecke verwendetenIn contrast, systems must be in a position and / or orientation determination generally at much higher frequencies, typically about 10 kHz to about 100 kHz, ar ¬ BEITEN. In any case, tables than the amplitude of the magnetic ¬ induction must, however, be ensured that at the predetermined frequency or the predefined frequencies, the approximate determination of the systems to a position and / or Orientie ¬ caused amplitude of the magnetic induction having a larger value of the background field , This makes it possible to use the transmission coils for the position detection system in the field-generating coils of the other purpose
Magnetspulensystems zu integrieren. So kann beispielsweise flusserzeugenden Strömen zur Ausübung von Kräften und Drehmo- menten auf das Objekt ein höherfrequentes Magnetfeld überla¬ gert werden, welches zur Induktion gleichfrequenter Spannungen und Ströme in Positionssensorspulen des Objektes führt und damit als Positionssignal genutzt werden kann. Die Sig- nalstärke kann dabei variabel eingestellt werden. Es können, abhängig vom Hintergrundfelderzeuger, wesentlich höhere Feldstärken als bei den bisher eingesetzten Positionsmesssystemen gesendet werden. Der apparative Aufwand bezüglich der erforderlichen Spulen ist dementsprechend vermindert. Da die Ein- richtung zur Positions- und/oder Orientierungsbestimmung in einem anderen Frequenzbereich als das magnetische Spulensys¬ tem zur Hintergrundfelderzeugung arbeitet, kann eine unerwünschte gegenseitige Beeinflussung zumindest weitgehend ver¬ mieden werden.Integrate magnetic coil system. For example, flow-generating flows can be used to exert forces and torque. elements are siege to the object a higher-frequency magnetic field Überla ¬, which leads to the induction gleichfrequenter voltages and currents in sensor coils position of the object and thus can be used as a position signal. The signal strength can be set variably. Depending on the background field generator, considerably higher field strengths than with the previously used position measuring systems can be transmitted. The expenditure on equipment with respect to the required coils is reduced accordingly. Since the input device for position and / or orientation determination operating in a different frequency range than the magnetic Spulensys ¬ system to the background field generation, an undesirable mutual influence can at least substantially be avoided ¬ ver.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform der Einrichtung nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch de- nen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Dementsprechend kann die Einrichtung nach der Erfindung zusätzlich noch folgende Merkmale aufweisen:Advantageous embodiments of the device according to the invention will become apparent from the dependent claims. In this case, the embodiment of the device according to claim 1 with the features of one of the dependent claims or preferably also nen from several sub-claims can be combined. Accordingly, the device according to the invention may additionally have the following features:
• So können die Positionssignale des Objektes mittels einer Signalübertragungseinheit zu übertragen sein, die zur Über¬ tragung weiterer Signale vorgesehen ist. Solche weiteren Signale können von einem Sensor oder einem Aktuator erzeugt werden, wobei der Sensor insbesondere ein Video- oder pH- Wert- oder Drucksensor bzw. der Aktuator insbesondere eine Biopsiezange sein kann.• Thus, the position of the object signals may be transmitted to by means of a signal transmission unit that further signals transmission for over ¬ is provided. Such further signals may be generated by a sensor or an actuator, wherein the sensor may in particular be a video or pH value or pressure sensor or the actuator in particular a biopsy forceps.
• Dabei kann die Signalübertragungseinheit eine Funkübertra¬ gungseinheit oder drahtgebunden sein.• The signal transmission unit may be a Funkübertra ¬ be generating unit or wired.
• Bei dem magnetischen Hintergrundfeld kann es sich um ein solches zu einer insbesondere berührungsfreien Navigation eines mit dem Objekt mechanisch verbundenen magnetischen Körpers handeln. Entsprechende Felder werden bei Endorobo- ter-Anlagen angewandt .The magnetic background field may be such as to provide, in particular, non-contact navigation of a magnetic object which is mechanically connected to the object Body act. Corresponding fields are applied to endorobot systems.
• Die Spulen zu Erzeugung des magnetischen Hintergrundfeldes oder Teile dieser Spulen brauchen nicht vollständig das• The coils for generating the background magnetic field or parts of these coils do not need that completely
System von Sendespulen zu bilden. Dementsprechend kann das System der Sendespulen neben einer, einigen oder allen Spulen des Hintergrundmagnetfeld-Spulensystems zusätzliche Spulen aufweisen.Form system of transmitting coils. Accordingly, the system of transmit coils may include additional coils adjacent to one, some or all of the coils of the background magnetic field coil system.
• Zweckmäßigerweise werden zusätzliche Verstärker zur Ein- kopplung des Signals der Sendespulen vorgesehen.It is expedient to provide additional amplifiers for coupling in the signal of the transmitting coils.
• Die Signale der Sendespulen werden entweder dem magneti- sehen Hintergrundfeld gleichzeitig überlagert oder sind von diesem zeitlich getrennt zu erzeugen.• The signals of the transmitter coils are either superimposed on the magnetic background field at the same time or can be generated separately from it.
• Vorteilhaft erfolgt eine Anpassung der Signale der Sende¬ spulen hinsichtlich ihrer Stärke und/oder ihrer Frequenz und/oder einer Frequenz- und/oder Pulsweitenmodulation an das Hintergrundfeld und/oder andere auftretende Magnetfel¬ der .• advantageous to adapt the signals of the transmitter coil ¬ takes place their strength and / or its frequency and / or frequency and / or pulse width modulation to the background field and / or other entity acting Magnetfel ¬ the respect.
• Im Allgemeinen überschreitet bei einer magnetischen Naviga- tion von Objekten die Nutzfrequenz der Maximalamplitude des magnetischen Hintergrundfeldes nicht 100 Hz, während die Frequenz des Positionsmessfeldes über 1 kHz liegt und bis etwa 100 kHz reicht. Eine solche Trennung der Frequenzen ist eine gute Vorraussetzung für eine ungestörte Positions- und/oder Orientierungsbestimmung.• In general, in the case of magnetic navigation of objects, the useful frequency of the maximum amplitude of the background magnetic field does not exceed 100 Hz, while the frequency of the position measuring field exceeds 1 kHz and extends to approximately 100 kHz. Such a separation of the frequencies is a good prerequisite for an undisturbed position and / or orientation determination.
• Bevorzugt handelt es sich bei dem zu navigierenden Objekt um eine Kapsel einer Endoroboter-Anlage .• The object to be navigated is preferably a capsule of an endorobot system.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Positions- und/oder Orientierungsbestimmung gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen hervor . Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf das aus der Zeichnung entnehmbare Ausführungsbeispiel verwie¬ sen. Deren einzige Figur zeigt in einer schematischen Dar- Stellung eine Anlage zur nicht-invasiven Untersuchung und/oder Behandlung eines Probanden mit einem Endoroboter, der eine erfindungsgemäß gestaltete Einrichtung insbesondere zu einer berührungsfreien Positions- und/oder Orientierungsbestimmung seiner Endoskopiekapsel umfasst.Further advantageous embodiments of the device according to the invention for position and / or orientation determination emerge from the subclaims not mentioned above. To further explain the invention is verwie ¬ sen below to the removable from the drawing embodiment. The single FIGURE shows a schematic representation of a system for the non-invasive examination and / or treatment of a subject with an endorobot comprising an inventively designed device, in particular for a non-contact position and / or orientation determination of its endoscopy capsule.
Bei der gezeigten, allgemein mit 2 bezeichneten Endoskopiean- lage wird von an sich bekannten Gerätschaften ausgegangen. Nicht näher dargestellte oder erläuterte Teile der Anlage sind allgemeiner Stand der Technik. Der prinzipielle Aufbau und die Arbeitsweise der Endoskopieanlage 2 ist auch in der DE 103 41 092Al beschrieben. Die Anlage umfasst ein Spulensystem 3 zur Erzeugung eines magnetischen Hintergrundfeldes mit daran angeschlossener Energieversorgung 4 sowie eine Steuerungs- und Regelungseinheit, um als ein Objekt 12 eine Kapsel berührungsfrei navigieren zu können. Die Kapsel ver¬ fügt insbesondere über einen Sensor wie z.B. einen Video-, pH-Wert-, oder Drucksensor und/oder einen Aktuator wie eine Biopsiezange . Diese Teile kommunizieren über dieselbe Signal¬ übertragungseinheit mit der Außenwelt, über die auch die Po- sitionsmesssignale an die Außenwelt übermittelt werden. In der Figur ist eine hierbei eingesetzte Videoeinheit 6 ange¬ deutet .In the endoscopy unit, generally designated 2, it is assumed that equipment known per se is used. Not shown or explained parts of the system are the general state of the art. The basic structure and the operation of the endoscopy system 2 is also described in DE 103 41 092Al. The system comprises a coil system 3 for generating a magnetic background field with a power supply 4 connected thereto and a control and regulation unit in order to be able to navigate a capsule without contact as an object 12. The capsule ver ¬ adds in particular via a sensor such as a video, pH, or pressure sensor and / or an actuator such as a biopsy forceps. These parts communicate through the same signal ¬ transmission unit with the outside world, via which the polyvinyl sitionsmesssignale be transmitted to the outside world. In the figure, a video unit used here is indicated 6 is ¬.
Zur Erzeugung eines magnetischen Grundfeldes und eines magne- tischen Gradientenfeldes des Hintergrundfeldes Hex besteht das Spulensystem 3 aus insgesamt 14 Einzelspulen. Von diesen Spulen sind der Übersichtlichkeit wegen nur vier Einzelspulen näher bezeichnet. Diese untergliedern sich in sechs (i = 1...6) quaderförmig angeordnete, rechteckige Helmholtz- spulen 13i bzw. 13a und 13b sowie in acht (j = 1...8) gemein¬ sam einen Zylindermantel im Quader bildende Sattelspulen 23j bzw. 23a und 23b. Jede der Sattelspulen 23i überstreicht be¬ züglich einer zentralen Mittellängsachse A des Spulensystems 3 einen Winkelbereich von etwa 90°; d.h., je vier Sattelspulen bilden in etwa eine Zylindermantelform.To generate a basic magnetic field and a magnetic gradient field of the background field H ex , the coil system 3 consists of a total of 14 individual coils. For reasons of clarity, only four individual coils are designated in greater detail by these coils. These are subdivided into six (i = 1 ... 6) cuboid arranged rectangular Helmholtz coils 13i and 13a and 13b, and in eight (j = 1 ... 8) in common ¬ sam a cylinder jacket in a cuboid forming saddle coils 23j or 23a and 23b. Each of the saddle coils 23i sweeps be ¬ züglich a central center longitudinal axis A of the coil system 3 an angular range of about 90 °; ie, four saddle coils form approximately a cylindrical shell shape.
Der in jeder der vierzehn Einzelspulen fließende Spulenstrom wird von einem von vierzehn (k = 1...14), je einer Einzelspule zugeordneten Leistungsverstärkern 8k erzeugt, von welchen in der Figur wiederum nur drei Verstärker 8a bis 8c näher angedeutet sind. Die vierzehn Leistungsverstärker 8k bilden zusammen die Energieversorgung 4. Sämtliche Leistungsverstärker werden von der Steuerungs- und Regelungseinheit 5 über je eine Steuerleitung 9k angesteuert bzw. geregelt.The coil current flowing in each of the fourteen individual coils is generated by one of fourteen (k = 1... 14), each associated with a single coil power amplifiers 8k, of which in turn again only three amplifiers 8a to 8c are indicated in the figure. The fourteen power amplifiers 8k together form the power supply 4. All power amplifiers are controlled or regulated by the control and regulation unit 5 via a respective control line 9k.
Ein zu untersuchender Proband bzw. Patient 10 ist entlang der Achse A in das Spulensystem 3 einzufahren. Er wird so in dem Spulensystem platziert, dass eine von ihm geschluckte Endo- skopiekapsel 12 etwa in der Mitte des Spulensystems zu liegen kommt. Dort besitzt das Spulensystem ein so genanntes Ar¬ beitsvolumen, innerhalb dessen die Kapsel mittels des Spulen¬ systems berührungslos navigiert werden kann.A subject or patient 10 to be examined is to be introduced along the axis A into the coil system 3. It is placed in the coil system in such a way that an endoscopy capsule 12 swallowed by it comes to rest approximately in the middle of the coil system. There, the coil system has a so-called Ar ¬ beitsvolumen, within which the capsule can be navigated without contact by means of the coil ¬ system.
Bei der Endoskopiekapsel 12 wird von an sich bekannten Aus¬ führungsformen ausgegangen (vgl. die genannteThe endoscopy capsule 12 is based on known embodiments (cf.
DE 101 42 253 Cl, EP 0 676 115 Al) . Sie soll im Wesentlichen drei Bauteile aufweisen, nämlich ein für eine Navigation er- forderliches magnetisches Element wie einen Permanentmagneten oder einen Körper aus oder mit ferromagnetischem Material oder eine stromdurchflossene Spule, einen Positionssensor mit einer oder mehreren Sensorspulen sowie einen Videoteil. Demgemäß trägt die Kapsel in ihrem Inneren an ihrem vorderen En- de eine nicht dargestellte Kamera und Beleuchtungseinrich¬ tung. Durch ein Sichtfenster wird die Umgebung der Kapsel beleuchtet und kann die Kamera ein Bild der Kapselumgebung auf¬ nehmen. Die aufgenommenen Bilddaten werden entweder sofort oder vorverarbeitet und gegebenenfalls nach Zwischenspeiche- rung per Funk als Videosignale S2 an einen Videoempfänger 14 außerhalb des Magnetspulensystems 3 übertragen und auf einem Bildschirm 15 der Videoeinheit 6 dargestellt. Zur Steuerung der Kapselbewegung in dem Spulensystem 3 bzw. innerhalb des Probanden 10 dient ein Eingabegerät in Form einer 6D-Maus 16, welche von einem nicht dargestellten Bediener, z.B. einem den Patienten untersuchenden Arzt, bedient wird aufgrund des auf dem Bildschirm 14 dargestellten Bildes.DE 101 42 253 C1, EP 0 676 115 A1). It should have essentially three components, namely a magnetic element required for navigation, such as a permanent magnet or a body made of or with ferromagnetic material or a current-carrying coil, a position sensor with one or more sensor coils and a video component. Accordingly, the capsule carries in its interior at its front end a camera and Beleuchtungseinrich ¬ tion not shown. Through a viewing window the area of the capsule is illuminated and can take an image of the capsule environment ¬ the camera. The recorded image data are either immediately or preprocessed and, if necessary after intermediate storage by radio, transmitted as video signals S2 to a video receiver 14 outside the magnetic coil system 3 and displayed on a screen 15 of the video unit 6. To control the capsule movement in the coil system 3 or within the Subject 10 is an input device in the form of a 6D mouse 16, which is operated by an operator, not shown, for example, a doctor examining the patient, based on the image displayed on the screen 14.
Die Ortsposition der Endoskopiekapsel 12 sowie die Orientie¬ rung ihrer Längsachse 17 werden über eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Positions- und/oder Orientierungsbestimmung erfasst. Von dieser allgemein mit 20 bezeichneten Einrichtung ist in der Figur im Wesentlichen nur eine Empfangseinheit 21 angedeutet, welche die von der Endoskopiekapsel ausgesandten Positionsdaten oder -Signale Sl erfasst und an die Steue- rungs- und Regelungseinheit 5 übermittelt. Gegebenenfalls können diese Signale aber auch drahtgebunden übertragen wer- den.The spatial position of the capsule endoscope 12 and the Orientie ¬ tion of its longitudinal axis 17 is collected through an inventive device for position and / or orientation determination. Of this device, generally designated 20, in the figure essentially only one receiving unit 21 is indicated, which detects the position data or signals S1 emitted by the endoscopy capsule and transmits them to the control and regulation unit 5. If necessary, these signals can also be transmitted by wire.
Für die Positionserkennung der Endoskopiekapsel 12 bedarf es eines zusätzlichen Magnetfeldes Hp, das auf den oder die Po¬ sitionssensorspulen der Endoskopiekapsel mit einer oder meh- reren (unterschiedlichen) Frequenzen einwirkt. Dabei liegt der Frequenzbereich für die entsprechenden Feldsignale dieses als Positionsmessfeld Hp bezeichneten Feldes deutlich höher als der im Allgemeinen höchstens 100 Hz erreichende Nutzfre¬ quenzbereich des Spulensystems 3 zur Erzeugung des magneti- sehen Hintergrundfeldes Hex. Bevorzugt liegt die Frequenz des Positionsmessfeldes (Hp) zwischen 1 kHz und 100 kHz. Erfindungsgemäß sollen die Sendespulen für die Positionserkennung in die Felderzeuger des für das magnetische Hintergrundfeld Hex verwendeten Spulensystems integriert sein. D.h. den flusserzeugenden Strömen zur Ausübung von Kräften und Drehmomenten auf die Kapsel 12 werden Ströme zur Erzeugung eines weiteren, höherfrequenten Magnetfeldes Hp überlagert. Dieses weitere Magnetfeld Hp führt zur Induktion gleichfrequenter Spannungen und Ströme in den Positionssensorspulen der Endo- skopiekapsel 12. Diese Spannungen und Ströme können damit als Positionssignal genutzt werden. Die Signalstärke lässt sich hierfür variabel einstellen. Die höherfrequenten Wechselströme zur Generierung des weiteren Magnetfeldes bzw. Positionsmessfeldes Hp, die im Allge¬ meinen im Bereich zwischen 1 kHz und dem lOOkHz-Bereich liegen, können durch zusätzliche Verstärker zur Verfügung ge- stellt werden, die induktiv oder kapazitiv an die flusserzeu- genden Einzelspulen 13i bzw. 23j des Spulensystems 3 angekop¬ pelt werden. Stattdessen kann man, wie in der Figur an dem Leistungsverstärker 8c angedeutet ist, eine entsprechende Bandbreite von z.B. 20 kHz der Verstärker 8k vorausgesetzt, an deren Eingängen die Sendersignale zur Generierung des weiteren Magnetfeldes überlagern. Die entsprechende Generator¬ einheit ist in der Figur mit 22, ihre einzelnen Generatoren oder Verstärker sind mit 24m (mit m = l...m) bezeichnet. Die für weitere Einzelspulen erforderlichen weiteren Generatoren 24m sind der Übersichtlichkeit wegen weggelassen.For the position detection of the capsule endoscope 12, it requires an additional magnetic field H p, acting on the or the Po ¬ sitionssensorspulen the endoscopic capsule with one or sev- eral (different) frequencies. The frequency range for the corresponding field of this field signals p, referred to as position measurement field H is substantially higher than the generally at most 100 Hz reaching Nutzfre ¬ frequency range of the coil system 3 for generating the magnetic field H ex see background. Preferably, the frequency of the position measuring field (H p ) is between 1 kHz and 100 kHz. According to the invention, the transmission coils for the position detection are to be integrated into the field generators of the coil system used for the magnetic background field H ex . In other words, currents are superimposed on the flow-generating currents for exerting forces and torques on the capsule 12 in order to generate a further, higher-frequency magnetic field H p . This further magnetic field H p leads to the induction of equal-frequency voltages and currents in the position sensor coils of the endoscopy capsule 12. These voltages and currents can thus be used as a position signal. The signal strength can be set variably. The higher frequency AC currents for generating the other magnetic field or position measuring field H p, which in general ¬ my in the range between 1 kHz and the lOOkHz-range, can be bought by additional amplifier makes available, inductively or capacitively to the flusserzeu- ing individual coils 13i and 23j of the coil system 3 angekop ¬ pelt be. Instead, as indicated in the figure at the power amplifier 8c, a corresponding bandwidth of, for example, 20 kHz, the amplifier 8k assuming at the inputs of the transmitter signals to generate the additional magnetic field superimposed. The corresponding generator ¬ unit is in the figure with 22, their individual generators or amplifiers are designated 24m (with m = l ... m). The additional generators 24m required for further individual coils have been omitted for the sake of clarity.
Der resultierende Spulenstrom im Frequenzbereich der Positionsmessung wird dann gemessen und dient, über das dann bekannte Magnetfeld, als eine der Eingangsgrößen zur Berechnung der Position der Sensorspulen der Endoskopiekapsel 12.The resulting coil current in the frequency range of the position measurement is then measured and, via the then known magnetic field, serves as one of the input variables for calculating the position of the sensor coils of the endoscopy capsule 12.
Die hochfrequenten Signale der Sensorspulen werden dann in der Kapsel amplituden- oder frequenzmoduliert und über Hochfrequenz aus dem Untersuchungsobjekt nach außen als analoge Signale Sl zu der Empfangseinheit 21 gesendet. Selbstver¬ ständlich ist auch eine Digitalisierung der hochfrequenten Signale, eine Vorverarbeitung sowie eine Übertragung entspre¬ chend bearbeiteter Signale an die Empfangseinheit 21 möglich.The high-frequency signals of the sensor coils are then amplitude-modulated or frequency-modulated in the capsule and transmitted to the receiving unit 21 via radio frequency from the examination object to the outside as analog signals S1. Selbstver ¬ understandable is a digitization of the high-frequency signals, pre-processing and a transmission entspre ¬ accordingly processed signals to the receiving unit 21 possible.
Dabei ist es ggf. auch möglich, das ohnehin gesendete Mess¬ signal bzw. Videosignal S2 des Videoteils der Kapsel für die Übertragung der Positionssignale mit zu nutzen.It is optionally also possible to use the measuring ¬ already sent signal or video signal S2 of the video part of the capsule for the transmission of the position signals.
Zur Unterdrückung einer Störung des Senderfeldes durch äuße- re, unkorrelierte Magnetfeldquellen im Frequenzbereich desFor suppressing a disturbance of the transmitter field by external, uncorrelated magnetic field sources in the frequency range of
Messsystems kann auch eine phasensensitive Erfassung der Sig¬ nale an den Empfängerspulen nach Art einer Lock-in-Technik vorgesehen werden. Bei den nachfolgenden Ausführungen bzgl. erfindungsgemäßer Positions-/Orientierungsbestimmungseinrichtungen sei unterschieden zwischen - einem Sensorspulensystem, welches Positions-Magnetfelder an einem Sensorort, z.B. einer Endoskopiekapsel, zur Po¬ sitionsmessung empfängt, undMeasuring system can also be provided a phase-sensitive detection of Sig ¬ signals to the receiver coils in the manner of a lock-in technique. Was related to in the subsequent embodiments according to the invention position / orientation determining means distinguishes between -. A sensor coil system which position magnetic fields at a sensor location, such as a capsule endoscope, receives sitionsmessung to Po ¬, and
- einem Sendespulensystem, welches Magnetfelder zur Versorgung des vorerwähnten Sensorspulensystems generiert. Diese beiden Spulensysteme bilden zusammen mit einer an sich bekannten Recheneinheit zur Umrechnung der Sensorsignale in Positionen ein so genanntes Positionsmesssystem. Ferner sei das zur Erzeugung eines magnetischen Hintergrundfeldes Hex vorgesehenen Spulensystem allgemein bezeichnet als - ein externes Magnetsystem, welches Felder für andere- A transmission coil system which generates magnetic fields for supplying the aforementioned sensor coil system. These two coil systems, together with a known computing unit for converting the sensor signals into positions, form a so-called position measuring system. Further, the coil system provided for generating a background magnetic field H ex is generally referred to as - an external magnet system which fields for others
Zwecke als zur Positionsmessung, insbesondere für eine Positionierung von Katheterspitzen und/oder zur Navigation magnetbestückter Kapseln erzeugt.Purpose as for position measurement, in particular for positioning of catheter tips and / or for navigation magnetbestückter capsules generated.
Zusätzlich ist häufig eine drahtlose Übertragung eines Video- oder anderweitigen Messsignals von der Kapsel nach außen gegeben .In addition, there is often wireless transmission of a video or other measurement signal from the capsule to the outside.
Voraussetzung für eine Funktionsfähigkeit einer so definierten erfindungsgemäßen Einrichtung zur Positions- und/oder Orientierungsbestimmung ist, dass die Frequenzbereiche, in denen das Positionsmesssystem und das externe Magnetsystem arbeiten, sich voneinander trennen lassen. In der Regel wird das externe Magnetsystem mit einer niedrigeren Frequenz arbeiten. Typischerweise liegen die Frequenzen des externen Magnetsystems unter 1 kHz, während die des Positionsmesssys¬ tems über diesem Wert, insbesondere über 10 kHz liegen und bis etwa 100 kHz reichen. Dabei kann die elektromagnetische Verträglichkeit des Positionsmesssystems und des externen Magnetsystems durch folgende Effekte gestört werden: a) Externe DC-Felder und/oder AC-Felder mit Nutzfrequenzen unter 100 Hz führen zu: d) Anregung von Schwingungen der Senderspulen durch Lorentzkräfte, L1) Sättigung von Außenteilen im Positionsmesssystem. b) Erzeugung von Wirbelströmen in leitfähigen Teilen wie z.B. des externen MagnetSystems durch das Sendespulen¬ system und damit verbunden Verzerrungen des von dem Sendespulensystem generierten Feldes. c) Externe AC-Felder im Frequenzbereich des Sendespulen¬ systems, z.B. Anteile im Feld des externen Magnetsys¬ tems im Frequenzbereich des Sendespulensystems mit ähn¬ licher oder höherer Amplitude.The prerequisite for a functioning capability of a device according to the invention for position and / or orientation determination thus defined is that the frequency ranges in which the position measuring system and the external magnet system work can be separated from one another. As a rule, the external magnet system will operate at a lower frequency. Typically, the frequencies of the external magnet system are below 1 kHz, while those of the Positionsmesssys ¬ tems are above this value, in particular about 10 kHz and up to about 100 kHz range. In this case, the electromagnetic compatibility of the position measuring system and the external magnet system can be disturbed by the following effects: a) External DC fields and / or AC fields with useful frequencies below 100 Hz lead to: d) excitation of oscillations of the transmitter coils by Lorentz forces, L 1 ) Saturation of external parts in the position measuring system. b) Generation of eddy currents in conductive parts such as the external magnet system by the Sendespulen ¬ system and associated distortions of the field generated by the transmission coil system. c) External AC fields in the frequency range of the transmitting coil ¬ system, for example, shares in the field of external Magnetsys ¬ tems in the frequency range of the transmitting coil system with ähn ¬ Licher or higher amplitude.
Unter Berücksichtigung dieser vorstehend erwähnten Störeffek¬ te kann man die folgenden Gegenmaßnahmen im Einzelnen vorse¬ hen :In consideration of these aforementioned Störeffek ¬ te can be the following countermeasures in detail Vorse hen ¬:
Zu Effekt a,To effect a,
Das Sendespulensystem ist so ausgelegt, dass es den darauf wirkenden Kräften widerstehen kann, ohne dass Deformationen oder mechanische Schwingungen auftreten, die die Positionsbe¬ stimmung oder andere Systemeigenschaften beeinträchtigen kön- nen . Diese Anforderungen werden in der Regel durch die Kon¬ struktion der Spulen des Sendespulensystems bereits erfüllt, indem diese z.B. mit Kunststoff vergossen werden. In Abhängigkeit vom jeweiligen externen Magnetfeldsystem kön¬ nen deshalb vorteilhaft zumindest einige oder alle Einzelspu- len des externen Magnetsystems gleichzeitig als Sendesystem verwendet werden. Bei einem Endoroboter kann das Spulensys¬ tem, das zur Kapselbewegung dient, herangezogen werden. Ggf. sind die Spulen zur Generierung des externen Magnetfelds in Anzahl und/oder Anordnung nicht ausreichend, um allein als Sendesystem zur Positionsbestimmung zu dienen. Selbstver¬ ständlich können dann zur Vervollständigung des Sendesystems weitere Spulen angebracht oder integriert werden, die kon¬ struktionsbedingt den jeweiligen Kraftwirkungen standhalten. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn nur Teile der Mag- netspulen für das externe Magnetfeld als Spulen des Sendesys¬ tems genutzt werden.The transmitting coil system is designed so that it can withstand the forces acting on it without that occur deformation or mechanical vibrations, the mood, the Positionsbe ¬ or other system characteristics affect kön- nen. These requirements are usually caused by the con ¬ the coil of the transmitting coil system constructive tion already fulfilled by be shed with plastic this example. Depending on the respective external magnetic field system ¬ Kgs NEN advantageous, at least some or all Einzelspu- len of the external magnet system are simultaneously used as a transmission system. In a endorobot can Spulensys ¬ system which serves for movement of the capsule, are used. Possibly. the coils for generating the external magnetic field in number and / or arrangement are not sufficient to serve alone as a transmission system for position determination. Selbstver ¬ understandable further coil may then be mounted or integrated, which kon ¬ constructive tion due withstand the respective force effects to completion of the transmission system. This is especially the case if only parts of the Mag-netspulen be used for the external magnetic field as coils of Sendesys ¬ tems.
Zu Effekt axl) Zum einen können Sendespulen eines Positionsmesssystems fer- romagnetische Kerne enthalten, die im externen Magnetsystem in Sättigung getrieben werden, so dass dann die erzeugten Felder verändert werden und die Positionsbestimmung beein- trächtigen. Zum anderen können am Ort der Sensorspulen oder in dessen unmittelbarer Nähe ferromagnetische Objekte, wie sie für eine Endoskopiekapsel vorzusehen sind, ganz oder teilweise in Sättigung getrieben werden, wodurch die Felder am Ort der Sensorspule verändert werden und wiederum die Po- sitionsbestimmung fehlerhaft wird. Aus diesem Grunde kann man bei dem Sendespulensystem unter Verwendung von Spulen des externen Magnetsystems und eventuell noch erforderlicher Zu¬ satzspulen vollständig auf ferromagnetisches Material ver¬ zichten. Die Feldverzerrungen von ferromagnetischen Objekten in der Umgebung des Sensors lassen sich dann durch Kalibrierungsmessungen und/oder Feldberechnungen ermitteln und innerhalb des Algorithmus zur Positionsbestimmung berücksichtigen. Die Wirkung von Feldern der Sendespulen bzw. des externen Magnetsystems auf Kerne in den Sensorspulen ruft wegen des hohen Luftspaltes durch den Körper keine Sättigungseffekte hervor. Typischerweise sind die von einem Magnetsystem zur Kapselnavigation am Ort der Kapsel erzeugten Felder sehr gering und liegen im mT-Bereich.To effect a xl ) On the one hand, transmission coils of a position measuring system can contain ferromagnetic cores, which are driven into saturation in the external magnet system, so that then the generated fields are changed and the position determination is impaired. On the other hand, ferromagnetic objects, as they are to be provided for an endoscopy capsule, can be wholly or partially driven into saturation at the location of the sensor coils or in their immediate vicinity, whereby the fields at the location of the sensor coil are changed and, in turn, the position determination becomes erroneous. For this reason one can at the transmitting coil system using coils of the external magnet system and possibly also required to ¬ rate coils completely ferromagnetic material ver ¬ do without. The field distortions of ferromagnetic objects in the vicinity of the sensor can then be determined by calibration measurements and / or field calculations and taken into account within the positioning algorithm. The effect of fields of the transmitting coil or of the external magnet system on cores in the sensor coils causes no saturation effects because of the high air gap through the body. Typically, the fields generated by a magnetic capsule navigation system at the capsule location are very small and in the mT range.
Zu Effekt b)To effect b)
Das Sendespulensystem muss definierte und reproduzierbare Feldverteilungen erzeugen können, um eine genaue Positionsbestimmung zu ermöglichen. Die Feldverzerrungen durch leitfähige Objekte, in denen aufgrund ihrer Position und/oder Größe nicht-vernachlässigbare Wirbelströme induziert werden, können durch Kalibriermessungen und/oder durch Feldberechnungen berücksichtigt werden. Dabei sind die Wirbelstromkörper als Teil des Sendespulensystems zu betrachten. Sind solche Wir¬ belstromkörper beweglich, muss deren aktuelle Position in den Algorithmus zur Positionsbestimmung mit einfließen. Zu Effekt clThe transmitter coil system must be able to generate defined and reproducible field distributions in order to enable accurate position determination. The field distortions due to conductive objects, in which non-negligible eddy currents are induced due to their position and / or size, can be taken into account by calibration measurements and / or by field calculations. The eddy current bodies are to be regarded as part of the transmitting coil system. If such We ¬ belstromkörper movable, their current position must be included in the algorithm for determining position. To effect cl
Hochfrequente Felder, die von anderen Quellen als dem Sendespulensystem erzeugt werden, werden von der Positionssensorspule ebenso erfasst und müssen vom Nutzsignal getrennt wer- den. Hierzu sind verschiedene Lösungen denkbar:High-frequency fields generated by sources other than the transmitter coil system are also detected by the position sensor coil and must be separated from the useful signal. Various solutions are conceivable for this:
- Wenn die Störquellen breitbandig und von geringer spektraler Dichte sind, kann eine schmalbandige Filterung, insbesondere passiv oder mittels Synchrondetektion, ausreichend sein. - Treten stärkere Störfelder bei definierten Frequenzen auf, kann durch Wahl einer geeigneten Frequenz des Sendespulensystems in Kombination mit schmalbandiger Filterung das Nutzsignal abgetrennt werden.- If the sources of interference are broadband and of low spectral density, a narrowband filtering, in particular passively or by means of synchronous detection, may be sufficient. - Occur stronger interference at defined frequencies, the useful signal can be separated by selecting a suitable frequency of the transmitting coil system in combination with narrow-band filtering.
- Wenn hohe Feldstärken bei unterschiedlichsten Frequenzen durch das externe Magnetsystem erzeugt werden, ist eine- When high field strengths at different frequencies are generated by the external magnet system, one is
Synchronisation mit dem Positionserfassungssystem denkbar .Synchronization with the position detection system conceivable.
- Im einfachsten Fall wird das externe Magnetsystem für die Dauer der Positionserfassung nicht erregt bzw. bestromt, so dass dann auch keine Störfelder erzeugt werden. Kann auf die Bestromung des externen Magnetsystems nicht verzichtet werden, kann eine konstante Bestromung für die Dauer der Positionsmessung erfolgen. Dabei werden dann auch keine hochfrequenten Störfelder generiert.- In the simplest case, the external magnet system is not energized or energized for the duration of the position detection, so that then no interference fields are generated. If it is not possible to dispense with the current supply of the external magnet system, a constant energization can take place for the duration of the position measurement. In this case, no high-frequency interference fields are generated.
- Führt eine solche konstante Bestromung des externen Mag¬ netsystems aufgrund nicht-idealer Stromquellen wie Leis¬ tungsverstärker oder Schaltnetzteile dennoch zu hochfrequenten Störfeldern, so ist das Störfeldspektrum kon- stant. Dieses kann dann erfasst werden mit Hilfe des- Does such a constant current supply to the external Mag ¬ Netsystems due to non-ideal power sources such Leis ¬ processing amplifier or switching power supplies still to high-frequency interference fields, the Störfeldspektrum is constant. This can then be recorded using the
Sensors an der Endoskopiekapsel oder zusätzlicher Senso¬ ren, wobei die Frequenz des Sendesystems derart einge¬ stellt werden kann, dass die Störfrequenzen gerade vermieden werden. - Soll eine Positionserfassung ohne Synchronisation mit dem externen Magnetfeld, wie z.B. für eine Kapselnaviga¬ tion, zuverlässig erfolgen, so kann vorteilhaft eine Frequenz- oder Amplitudenmodulation des Sendesignals vorgesehen werden, wobei ggf. das aktuelle Störsignal¬ spektrum durch das Navigationsmagnetfeld berücksichtigt wird. Es ist auch ein sehr breitbandiges Sendesignal mit kurzen Sendepulsen analog zu bekannten Ultraweitband (UWB) -Verfahren oder ein in den einzelnen Sendesignal- pulsen wiederum gepulstes Sendesignal mit Pulsweitenmo¬ dulation unter Berücksichtigung der zeitlichen Korrelation zwischen gesendeten und beispielsweise von dem Sensorsystem in der Kapsel empfangenen Signalen möglich.Sensors on the endoscopy capsule or additional Senso ¬ Ren, the frequency of the transmission system can be so ¬ sets that the interference frequencies are just avoided. - If a position detection without synchronization with the external magnetic field, such as for a Kapselnaviga ¬ tion, done reliably, so may advantageously a frequency or amplitude modulation of the transmission signal be provided, where appropriate, the current Störsignal ¬ spectrum is taken into account by the navigation magnetic field. It is also a very broadband transmission signal with short transmission pulses analogous to known Ultra Wide Band (UWB) method or in turn in the individual transmit signal pulses pulsed transmission signal with Pulsweitenmo ¬ modulation taking into account the temporal correlation between transmitted and received for example by the sensor system in the capsule Signals possible.
Bei dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel wurde da¬ von ausgegangen, dass das Spulensystem zur Erzeugung des magnetischen Hintergrundfeldes zumindest mit einigen seiner Spu¬ len zugleich als System von Sendespulen zur Generierung eines magnetischen Positionsmessfeldes ausreicht. Selbstverständ¬ lich ist es möglich, dass das Sendespulensystem für das Positionsmessfeld noch weitere (Zusatz-) Spulen umfasst. So kann das Spulensystem zur Erzeugung des magnetischen Hintergrundfeldes aus Spulen mit für diesen Zweck optimierten Windungs- zahlen bestehen, wobei Teilspulen von ihm mit reduzierterIn the above embodiment, since it was considered ¬ by that the coil system for generating the magnetic background field, at least with some of its len Spu ¬ at the same time as a system of transmitting coils for generating a magnetic field position measuring is sufficient. Selbstverständ ¬ it is possible Lich, that the transmitting coil system comprises coils for the position measuring field still further (additional). Thus, the coil system for generating the magnetic background field of coils with optimized winding numbers for this purpose exist, with partial coils of it with reduced
Windungszahl gegebenenfalls mit Zusatzspulen als Sendespulensystem dienen können. Es können auch separate, z.B. elektrisch isolierte Spulen als Sendespulen in die Spulen des Spulensystems zur Erzeugung des magnetischen Hintergrundfeldes integriert sein und gegebenenfalls mit Zusatzspulen das Sen¬ despulensystem bilden. Außerdem ist es auch denkbar, dass passive Zusatzspulen und/oder anders geformte leitfähige Kör¬ per passiv durch Wirbelströme die Feldverteilung für Zwecke der Positionsbestimmung beeinflussen bzw. verbessern und als integrierter Bestandteil des Sendespulensystems zur Generie¬ rung eines magnetischen Positionsmessfeldes betrachtet wer¬ den .Number of turns can optionally serve with auxiliary coils as a transmitting coil system. It may also be separate, for example, electrically insulated coils can be integrated as transmitter coils in the coil of the coil system for generating the magnetic background field and, if so, with the auxiliary coils Sen ¬ despulensystem. Moreover, it is also conceivable that passive additional coils and / or other shaped conductive Kör ¬ per passively by eddy currents influence the field distribution for the purpose of positioning and improve and as an integral part of the transmitting coil system for Generie ¬ tion of a magnetic position measuring field considered ¬ to.
Mit einer Einrichtung nach der Erfindung lässt sich also die Position und/oder die Orientierung eines an sich beliebigen Objektes berührungslos in einem Arbeitsvolumen erkennen, indem von dem Sendespulensystem ausgesandte Positions-/Orien- tierungsmagnetfeider vom Objekt detektiert und an eine Emp- fangseinheit zurückgesandt werden, die aus den empfangenen Signalen mittels an sich bekannter Geräte zur elektronischen Weiterverarbeitung und Auswertung die Position bestimmt. Insbesondere in Anwendungen der Medizin kann es sich bei dem Ob- jekt um eine mit einem magnetischen Element oder Induktions¬ spulen ausgestattete Sonde wie einen Katheter oder ein flexibles Endoskop oder eine kleine Kapselkamera mit Beleuchtung und Sender handeln, die Videobilder aus dem Körperinneren wie z.B. dem Verdauungstrakt oder der Lunge oder anderen Körper- teilen sendet. Darüber hinaus kann das Objekt auch Teil eines ferromagnetischen Fremdkörpers wie z.B. einer Nadel oder eines Funktionsmoduls in von außen unzugänglichen Bereichen sein, das durch Magnetkräfte bewegt oder entfernt wird. Neben der Anwendung in der Medizin ist ebenso gut auch ein Einsatz einer erfindungsgemäßen Einrichtung auf anderen Gebieten wie z.B. in kontaminierten Räumen möglich. Mit zugeordneten Magnetsonden können auch andere, insbesondere unzugängliche Räu¬ me, beispielsweise intern inspiziert werden, wobei die Sonden selbstverständlich auch mit anderer oder zusätzlicher Funkti- onalität ausgestattet sein können. With a device according to the invention, therefore, the position and / or orientation of an arbitrary object can be detected contactlessly in a working volume by detecting position / orientation magnet fields emitted by the transmitting coil system from the object and transmitting it to an object. are returned unit, which determines the position of the received signals by means of known devices for electronic processing and evaluation. Particularly in applications in medicine may be in the Obwalden ject a with a magnetic element or induction ¬ coil-equipped probe such as a catheter or a flexible endoscope or a small capsule camera with lighting and transmitters act, the video images from inside the body, such as the Digestive tract or the lungs or other parts of the body. In addition, the object may also be part of a ferromagnetic foreign body such as a needle or a functional module in inaccessible areas, which is moved or removed by magnetic forces. In addition to the application in medicine as well as the use of a device according to the invention in other areas such as in contaminated rooms is possible. With associated magnetic probes other, in particular inaccessible accomodat ¬ me can be, for example, inspected internally, said probes can of course be equipped with different or additional functional tionality.

Claims

Patentansprüche claims
1. Einrichtung zur Positionsbestimmung eines navigierbaren Objektes (12), das sich innerhalb eines magnetischen Hinter- grundfeldes (Hex) mit am Ort des Objektes (12) vorbestimmter, frequenzabhängiger Amplitude seiner magnetischen Induktion befindet, wobei das Hintergrundfeld (Hex) von Spulen (13i, 23 j) eines Hintergrundfeld-Spulensystems (3) hervorgerufen und zur Navigation des Objektes (12) vorgesehen ist, welche Einrichtung1. A device for determining the position of a navigable object (12), which is within a magnetic background field (H ex ) with at the location of the object (12) predetermined, frequency-dependent amplitude of its magnetic induction, wherein the background field (H ex ) of coils (13i, 23 j) of a background field coil system (3) caused and provided for navigation of the object (12), which means
- ein System von Sendespulen zur Generierung eines magnetischen Positionsmessfeldes (Hp) mindestens einer vorge¬ gebenen Frequenz am Ort des Objektes (12) mit über dem Amplitudenwert der magnetischen Induktion des Hinter- grundfeldes (Hex) bei der vorgegebenen Frequenz liegen¬ der magnetischer Induktion,- a system of transmitter coils for generating a magnetic position measuring field (H p) at least one pre-¬ given frequency at the location of the object (12) to be higher than the amplitude value of the magnetic induction of the rear base field (H ex) at the predetermined frequency ¬ the magnetic Induction,
- eine Empfangsvorrichtung (21) zum Empfang von von dem Objekt (12) in Abhängigkeit von dem Positionsmessfeld- A receiving device (21) for receiving from the object (12) in response to the position measuring field
(Hp) erzeugten Positionssignalen (Sl) und(H p ) generated position signals (Sl) and
- Mittel zur Weiterverarbeitung und Auswertung der Positionssignale (Sl) enthält, wobei zumindest eine der Sendespulen zugleich wenigstens Teil einer Spule (13i, 23j) des Hintergrundfeld-Spulensystems (3) ist .- Means for further processing and evaluation of the position signals (Sl) contains, wherein at least one of the transmitting coils at the same time at least part of a coil (13i, 23j) of the background field coil system (3).
2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Frequenz des Positionsmessfeldes (Hp) zwischen 1 kHz und 100 kHz.2. Device according to claim 1, characterized by a frequency of the position measuring field (H p ) between 1 kHz and 100 kHz.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionssignale (Sl) des Objektes (12) mittels einer Signalübertragungseinheit zu übertragen sind, die zur Übertragung weiterer Signale vorgesehen ist. 3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the position signals (Sl) of the object (12) are to be transmitted by means of a signal transmission unit which is provided for the transmission of further signals.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (12) einen Sensor oder Aktuator enthält, dessen Signale die weiteren Signale sind.4. Device according to claim 3, characterized in that the object (12) contains a sensor or actuator whose signals are the further signals.
5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (12) einen Video- oder pH-Wert- oder Drucksensor oder eine Biopsiezange als Aktuator aufweist.5. Device according to claim 3, characterized in that the object (12) has a video or pH or pressure sensor or a biopsy forceps as an actuator.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Signalübertragungseinheit eine Funk¬ übertragungseinheit ist.6. Device according to one of claims 3 to 5, character- ized in that the signal transmission unit is a radio ¬ transmission unit.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalübertragungseinheit drahtgebun- den ist.7. Device according to one of claims 3 to 6, characterized in that the signal transmission unit is wired gebun- the.
8. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Hintergrundfeld8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the magnetic background field
(Hex) zu einer Navigation eines mit dem Objekt (12) mecha- nisch verbundenen magnetischen Körpers vorgesehen ist.(H ex ) is provided for navigation of a magnetic body mechanically connected to the object (12).
9. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System von Sendespulen neben mindestens einer der Spulen (13i, 23 j) des Hintergrundmagnet- feld-Spulensystems (3) zusätzliche Spulen aufweist.9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the system of transmitting coils in addition to at least one of the coils (13i, 23 j) of the background magnetic field coil system (3) comprises additional coils.
10. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Teile der Spulen (13i, 23j) des Hintergrundfeld-Spulensystems (3) als Sendespulen vorgesehen sind.10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that parts of the coils (13i, 23j) of the background field coil system (3) are provided as transmitting coils.
11. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Verstärker (22m) zur Einkopplung des Signals der Sendespulen vorgesehen sind.11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that additional amplifiers (22m) are provided for coupling the signal of the transmitting coils.
12. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale der Sendespulen dem magnetischen Hintergrundfeld (Hex) zu überlagern sind oder von diesem zeitlich getrennt zu erzeugen sind.12. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the signals of the transmitting coil the magnetic background field (H ex ) are to be superimposed or to be generated by this temporally separated.
13. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Signale der Sendespulen hin¬ sichtlich ihrer Stärke und/oder ihrer Frequenz und/oder einer Frequenz- und/oder Pulsweitenmodulation an das magnetische Hintergrundfeld (Hex) und/oder andere auftretende Magnetfel¬ der angepasst sind.13. Device according to one of the preceding claims, character- ized in that the signals of the transmitting coil towards ¬ their strength and / or their frequency and / or a frequency and / or pulse width modulation to the magnetic background field (H ex ) and / or other entity acting Magnetfel adapted ¬ of.
14. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzfrequenz des magnetischen Hintergrundfeldes (Hex) unter 100 Hz liegt.14. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the useful frequency of the magnetic background field (H ex ) is less than 100 Hz.
15. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt eine Kapsel (12) einer Endoroboter-Anlage ist. 15. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the object is a capsule (12) of an endo-robot system.
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