WO2007110278A1 - Verfahren und einrichtung zur fernsteuerung einer arbeitskapsel eines magnetspulensystems - Google Patents

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WO2007110278A1
WO2007110278A1 PCT/EP2007/051503 EP2007051503W WO2007110278A1 WO 2007110278 A1 WO2007110278 A1 WO 2007110278A1 EP 2007051503 W EP2007051503 W EP 2007051503W WO 2007110278 A1 WO2007110278 A1 WO 2007110278A1
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coil system
magnetic
working
magnetic field
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Dirk Diehl
Johannes Reinschke
Rudolf Röckelein
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • A61B2034/732—Arrangement of the coils or magnets arranged around the patient, e.g. in a gantry

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for remote control of a working capsule of a magnetic coil system.
  • the z. B. may be a diagnosis or treatment.
  • the target of such a medical procedure is often a hollow organ in the patient concerned, in particular its gastrointestinal tract.
  • catheter endoscopes which were introduced non-invasively or minimally invasively from outside the patient.
  • Conventional catheter endoscopes have various disadvantages, e.g. cause pain to the patient or make it difficult or impossible for them to reach distant internal organs.
  • a magnetic body is in this case z.
  • B a permanent magnet containing working capsule, also called endocapsule or Endoroboter.
  • the working capsules have functionalities of a conventional endoscope, e.g. As video recording, Biop ⁇ them or clips.
  • a working capsule as a medical action may autonomously, ie wirelessly or kathe ⁇ be performed terok, so there is no cable ⁇ or mechanical connection of the working capsule outward.
  • the patient is at least temporarily, in whole or in part within the magnetic coil system ⁇ .
  • the magnet coil system 100 comprises fourteen exciter coils 102a-n, of which only the exciter coils in FIG
  • the six exciter coils 102a-f are rectangular and form the edges of a cuboid.
  • each of the exciting coils 102a-n is independently impressed with a predetermined current with a certain timing, naturally within the capability of the power supply 106.
  • Each of the excitation coils 102a-n thus generates for itself a magnetic field.
  • the interior 108 of the magnetic coil system 100 can thus be generated almost any field distribution in terms of strength and direction.
  • a working capsule 110 which a non-illustrated magnetic element, for. B. contains a permanent magnet.
  • the magnet coil system 100 is associated with a locating device 112 which detects the position and orientation of the working capsule 110 in a coordinate system 114 assigned to the magnet coil system 100.
  • the position of the working capsule 110, or the position of the geometric center of these, is indicated in Figure 4 by the dashed lines 116.
  • the orientation of the working capsule 110 is shown in FIG. 4 by the arrow 118 and is detected by the locating device 112 with respect to the coordinate system 114.
  • the working ⁇ capsule can be any, z. B. elongated or ro ⁇ tationssymmetrische have geometric shape. The Orien ⁇ orientation would correspond to such. For example, the direction of the unit vector in the longitudinal direction of the working capsule 110.
  • the angle of rotation about the capsule longitudinal axis must also be measured.
  • the entire position of the working capsule 110 that is to say in particular the center of gravity coordinates and the longitudinal axis direction, is thus completely described and known in the coordinate system 114.
  • the locating device 112 may be implemented as an electromagnetic locating device. For this then includes the Working capsule 110 3-6 mutually orthogonal, not shown ⁇ positioning coils. These work in a frequency range with a carrier frequency above approx. 1OkHz.
  • the locating device 112 transmits the position and orientation of the working capsule 110 to the power supply 106.
  • the latter then energizes the exciter coils 102a-n such that a magnetic field, represented by the field lines 120 in FIG. 4, is established at the location of the working capsule 110.
  • the magnetic field is designed so that it interacts with the permanent magnet in the working ⁇ capsule 110 such that a desired force 122 and / or a desired, not shown rotational ⁇ torque acts on the working capsule 110. In this way, the working capsule 110 is translationally moved, aligned and / or rotated in the patient.
  • the entire energy required by the working capsule itself during the implementation of the medical procedure is provided, for example, via batteries or capacitors inside the working capsule or by wireless energy transmission (not shown) to the capsule.
  • the latter is special ⁇ ficial for performance-intensive medical measures, such as hollow organ illumination, thermal coagulation or laser applications.
  • the inductive coupling of energy into the working capsule 110 requires a not shown Indukti ⁇ onsspule in the capsule and operates at frequencies of above about 500Hz ⁇ half, for example, to about 50OkHz.
  • the size of the working ⁇ capsule is limited, for example, for use in the upper gastrointestinal tract including the small intestine to about 25 mm in length and about 10 mm in diameter; with pure use in the large intestine a little more. As a result, the space for installations is generally limited.
  • the capsule requires control signals from outside the patient, for example to trigger a Biopsiedging, synchronized with other activities recording video images, the changed capsule-internal preprocessing of video images, targeted medication, etc.
  • a remote control ranges from simple commands, such as "extend biopsy forceps", eg by transmitting a two-digit number code, to the transmission of modified program code into the capsule, eg for a modified image preprocessing in video recordings.
  • a low or high frequency carrier signal for remote control with low or high bandwidth for data transmission is needed.
  • a recipient is to communicate in the capsule 110 gerspule 124, and outside of the patient a uniform Fernberichtein ⁇ 126 provided integral to an evaluation and Steuerein ⁇ 128 is connected to the capsule functions.
  • the remote control unit 126 is used to send the control commands to the capsule, but also optionally to receive feedback signals, eg for confirming a command received from the working capsule 110.
  • the communication along the arrow 130 thus always goes to the capsule and optionally also from this back.
  • a high-frequency carrier signal in the range of 340 MHz is used, e.g. Transfer sensor data or live video images from inside the patient.
  • an additional, not shown, transmitting coil is provided in the capsule interior.
  • US 2004 0215083 A1 discloses both a transmitter-side and a capsule-side combination of inductive energy injection and remote control of the capsule.
  • Object of the present invention is to simplify the overall system on or spare components.
  • the object is achieved by a method according to claim 1.
  • the solenoid ⁇ coil system comprises a plurality of excitation coils that are able to generate the first magnetic field necessary for the exertion of force on the capsule, this forcibly also the application of torque is to be understood.
  • the first magnetic field can thus also be referred to as a navigation magnetic field.
  • the first magnetic field is inhomogeneous and consists of a homogeneous magnetic field, which can be scaled in both direction and intensity, and a gradient magnet field of complicated geometry. Therefore, the coil system is easily able to generate also the second magnetic field used for remote control, in any orientation with respect to the magnetic coil system.
  • the second magnetic field ⁇ can therefore also referred to as a remote control magnetic field ⁇ to.
  • the coil currents in the excitation coils of the magnetic coil system are e.g. driven by power amplifiers, as they are currently used to control the gradient coils in MR devices. With these power amplifiers, it is possible to realize time-variable currents with frequency components up to approximately 10 kHz. However, the force is applied to the capsule with an inhomogeneous, unsteady magnetic field with a significant frequency spectrum below about 100Hz.
  • the required remote control signals for the capsule are usually low frequency. Such signals are in the range of a carrier frequency of at most about 10 kHz. This is sufficient for most remote control tasks, since the amount of information to be transmitted is rather small compared to e.g. with an image transmission of a camera signal.
  • the magnet coil system is therefore technically capable of generating such remote control fields and is used according to the invention for this purpose. Since the magnetic coil system thus fulfills two tasks, namely the capsule navigation, that is to say exertion of force using the navigation magnetic fields and the remote control, that is to say the transmission of control signals to the capsule, the separate remote control transmitter coil is dispensed with outside the capsule.
  • the Ge ⁇ overall system is simpler and less expensive. Components are saved.
  • the bobbin of the magnetic coil system are thus shared for navigation ⁇ and remote control. Also a common same control takes place here. This reduces the effort of the entire system.
  • the position and orientation of the working capsule must be known anyway for the navigation, that is to say the exercise of force on the working capsule.
  • a corresponding locating device is thus present, which determines the relative position and orientation of the receiving coil to the magnet coil system.
  • the position of the receiver coil in the capsule must be known if an optimal signal coupling is to take place in this. In the simplest case, therefore, the receiving coil is rigidly installed in the capsule.
  • the instantaneous orientation of the receiving coil in the magnet coil system is known. If the receiver coil is not oriented or installed along the longitudinal axis of the capsule, then the angle of rotation about the longitudinal axis of the capsule must be known.
  • the second magnetic field may then always generated so ⁇ the that it couples the best possible way in the receiving coil, for example, is accurately aligned along the coil axis. For a given field strength of the remote control field as received in the receiving coil power and thus the signal quality ⁇ ty is maximal.
  • the excitation coils are therefore preferably driven so that a second magnetic field is generated, which is aligned with the receiving coil in the desired manner.
  • the excitation coils are also dimensioned in such a way for the generation of the first magnetic fields that easily perform can be produced in an order that are sufficient to control the working capsule.
  • the magnet coil system can generate first and second magnetic fields in mutually different first and second frequency ranges.
  • the frequency ranges can then be executed in particular not overlapping, so that navigation and remote control are assigned to separate frequency ranges. A mutual interference is thus excluded.
  • the second magnetic field can namely, the capsule does not agitate if this has no significant Gradientenanteil on Kapselort and thus exerts no force on the Cape ⁇ sel and the capsule moment of inertia in conjunction with the relatively high frequency range of for example about 1 kHz ensures that the second magnetic field, which vanishes on average over time, leads to a negligible "dithering movement" of the capsule due to the impressed torque on the one hand and the moment of capsular inertia on the other hand.
  • Magnetic fields in a first frequency range approximately between 0 Hz and 50 Hz are particularly favorable for the application of force to the working capsule.
  • a second, higher frequency range of 500 Hz to 10 kHz, which does not overlap with this, can then be used for the magnetic fields for remote control without having to do so Exercise force and those of the electromagnetic ⁇ tical measuring system to interfere.
  • the frequency range of 500 Hz to 10 kHz is suitable in this case particularly to Automattra ⁇ supply by human body tissue to the capsule in the gege ⁇ surrounded intervals of about 20 to 60 cm between the system and the labor Solenoid capsule.
  • the second magnetic field can be high-frequency and the first low-frequency navigation selected.
  • First and second magnetic field can therefore be superimposed. This means that exercise during navigation or Kraftaus ⁇ and movement of the operating capsule takes place simultaneously by the patient, a remote control of the capsule.
  • a constant control of the capsule functions, so a control at any time, possible.
  • the second magnetic field can be generated in temporal multiplex to the first magnetic field.
  • the first and second fields are thus temporally alternating, and not at the same time he testifies ⁇ .
  • the respective maximum power of the magnet coil system is available both for the movement or the application of force to the working capsule and for the remote control, which enables interference-free signal transmission.
  • the position and orientation of the remote control coil to the magnetic coil system can be determined in various ways.
  • the patient is x-rayed during the execution of the medical procedure so that the capsule can be recognized in position and orientation on the x-ray image. Due to the high X-ray contrast of the capsule, the dose of X-ray radiation can be kept very low for the patient.
  • a corresponding registration so knowledge of the relative position to each other, the coordinate systems of magnetic ⁇ coil system and X-ray system is here, of course neces- dig, corresponding solutions are known from the literature.
  • three to six orthogonally aligned locating coils may be present in the working capsule, which are used to determine the orientation of the remote control coil. Since the locating coils for their function hardly have to absorb energy from an external magnetic field to perform the position detection, they can be designed significantly smaller than the remote coil and therefore require little space in the capsule.
  • the electromagnetic position measuring system can operate in a third frequency range different from the first to the second frequency range, in order to work with none of the other
  • the electromagnetic ⁇ position measuring system can be operated with a frequency of at least 10 kHz.
  • position measuring system and second magnetic field for remote control can be operated alternately.
  • the excitation coils can have a plurality of taps and can be operated via different taps.
  • different coils need not be provided for generating the various fields, but a coil may be operated in different modes.
  • a corresponding holder and cooling for the excitation coils thus needs to be provided only once.
  • the capsule may be advantageous to transmit not only remote control commands from the solenoid system to the capsule. but also, for example, to send feedback from the capsule to the outside. In the simplest case, this is a feedback that the remote control command has been received, eg a so-called acknowledge signal.
  • this is a feedback that the remote control command has been received, eg a so-called acknowledge signal.
  • simple sensor data for example a temperature or pH value or other information from the capsule.
  • the feedback signal can be received by the solenoid system.
  • the magnet coil system then functions as a receiving antenna and such a separate becomes superfluous.
  • the feedback signal can then be decoupled from this via a filter in the magnetic coil system and forwarded for further processing, for example to the abovementioned control and evaluation unit for the remote control.
  • the object of the invention is achieved by a device according to claim 13.
  • the control unit thus controls the magnetic coil system in such a way or adjusts the currents flowing in the exciter coils such that the magnetic coil system generates a first magnetic field at the location of the working capsule for exerting force on the working capsule.
  • the control unit uses the position and orientation of the working capsule determined by the locating device.
  • the control unit For remote control of the working capsule tax the control unit the magnet coil system ert Moreover, in such a way that this produces a second magnetic field at the location of Ar ⁇ beitskapsel for remote control.
  • the device may comprise an X-ray detection system for determining the position and orientation of the working capsule, as explained above. Additional receiver coils in the capsule are then superfluous and there is more room for other internals in the capsule.
  • the device for this purpose may also include an electromagnetic location system, wherein the working capsule may contain three orthogonal aligned detection coils.
  • the excitation coils may also have different taps over which they can be selectively, for. B. for generating the first and second magnetic field, can be operated.
  • the feedback signals from the capsule can, as described above, be collected by the magnetic coil system and be discharged therefrom .
  • an extra provided for this purpose, and for example, corresponding receiving optimized separate receiver coil before ⁇ handen may also be in the magnet coil system.
  • 1 is a magnetic coil system for magnetic navigation and remote control of a work capsule
  • FIG. 2 shows coil currents of an exciter coil from FIG. 1 for navigation and remote control (a) separated, (b) modulated onto one another and (c) in time-division multiplexing,
  • FIG. 3 an alternative control of the magnet coil system in detail
  • FIG. 4 shows a magnetic coil system for moving a magnetic body in a patient according to the state of
  • FIG. 1 again shows the known magnet coil system from FIG. 4 according to the prior art, but modified according to the invention.
  • An evaluation and control unit 2 receives from the locating device 112 current position data 4 of the working capsule 110 in the coordinate system 114 and from an operating device, not shown, setpoint data for a new position. tion and speed of the working capsule 110.
  • the posi tion data ⁇ 4 are explained in the location (116 lines) and orientation (arrow 118) of the working capsule 110 in the coordinate system 114, as described in connection with Figure 4 in detail.
  • the position data 4 of the evaluation and control unit 2 also provide position and orientation of the receiver coil 124.
  • the evaluation and control unit 2 calculates from the position data 4 the currents I A (t) to I N (t) in the exciter coils 102a-n. In FIG. 1, only I A (t) is shown by way of example.
  • the arrow 10 indicates how the evaluation and control unit 2 controls the power supply 106, which then generates the actual currents I A (t) to I N (t) in the exciter coils 102a-n.
  • the currents I A (t) to I N (t) generate at the location of the capsule 110 and receiver coil 124 a magnetic field strength, angedeu ⁇ tet by the arrow 8, which sets the receiver coil 124 through, received from this, and in the Working capsule 110 is decoded as a remote control command.
  • This is z. B. for a field distribution, in which the magnetic field strength in the direction indicated in Fig. 1 receiver coil 124 is aligned parallel to the central longitudinal axis.
  • FIG. 2 a shows two temporal current profiles I nav (t) and I st (t), the sum of which is the current intensity I A (t) in the exciter coil 102 a of FIG. 1.
  • I nav (t) is an exemplary time rather current waveform for navigation of the working capsule 110 according to the prior art.
  • the frequency I 1 of I nav (t) is in the range of 0-50 Hz.
  • I st (t) shows a temporal current profile for I A (t) for transmitting a remote control command to the receiver coil 124.
  • the operating frequency f 2 of If (t) is about 1OkHz, eg 1-10OkHz.
  • FIGS. 2b and 2c For the actual energization of the excitation coils 102a-n using the example of the exciter coil 102a, two alternatives are shown in FIGS. 2b and 2c.
  • Fig. 2a shows a distribution Stromver ⁇ I A (t) in which the currents I nav (t) and I st (t) are superposed from Fig. 2, indicated by the accumulator 12..
  • each individual ⁇ NEN exciting coil 102a-n which are arranged at the end of these, ie the entire excitation coil 102a-n is the current I A (t ).
  • the taps 18a, b and c, as described below, are shown by way of example only for the exciting coil 102a.
  • Fig. 2c shows in contrast a time course of the Stro ⁇ mes I A (t), in which the currents I nav (t) and I st (t) of Fig. 2a in time division multiplex as a current I A (t) to the Erregerspu ⁇ le 102a are switched.
  • the energization or wiring of the excitation coils 102a-n now takes place, as described above, only for the current I nav (t) via the taps 18a and 18b of each individual exciter coil 102a-n.
  • the current supply with I st (t) takes place in each case via the taps 18 a and 18 c.
  • the tap 18c is arranged, for example, centrally in the exciter coils 102a-n. Only a portion of the windings of the exciter coil 102a-n is thus traversed by the current I st (t).
  • the excitation coils 102a-n then have a more suitable inductance or resistance for this current pattern.
  • the required for remote control magnetic field direction represented by the arrow 8, in particular by the six cuboid or cylindrical arranged excitation coils 102a-f realized. Due to the different frequency ranges of the currents I nav (t) and I st (t), navigation and energy transfer to the capsule 110 do not influence each other.
  • the capsule feedback signals send to the magnetic coil system.
  • the signals are then picked up by one or more of the excitation coils 102a-n and tet Gelei to the control and evaluation unit 2 ⁇ .
  • a filter 20 is integrated, which derives the received feedback signals and further along the arrow 22 to the control and evaluation unit 128 for further processing.
  • the receiver coil 124 then operates simultaneously as a transmit coil.
  • an external antenna 24 may be present, which collects the feedback signals along the arrow 26 and leads to the control and evaluation unit 128.
  • Fig. 3 again shows the control of the Magnetspulensys ⁇ tems 100 in detail and in an alternative embodiment.
  • JE one of the fourteen individual coils (not shown) is preceded by a power amplifier 30a-n which generates the actual respective coil currents I A (t).
  • the control of the power amplifier 30a-n is carried out in this connection by the control and evaluation unit 2 gation for Navi ⁇ control and the control and evaluation unit 128 for the remote ⁇ . Unlike in FIG. 1, that is, the navigation ⁇ and remote control signals are not integrated in the control and Auslusein- 2 mixed. The output signals of both units are therefore guided through separate signal lines 32a, b respectively via preamplifier 34 to combiners 36. Only there are the signals combined or multiplexed according to the alternatives in FIG. 2 and then led to the power amplifiers 30a-n.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur drahtlosen Fernsteuerung einer eine Empfängerspule aufweisenden Arbeitskapsel in einem Patienten, wobei eine Ortungseinrichtung (112) die Position (116) und Orientierung (118) der Arbeitskapsel (110) relativ (114) zu einem mehrere, insbesondere vierzehn, Erregerspulen (102a-n) aufweisendes Magnetspulensystem (100) außerhalb des Patienten ermittelt, und wobei das Magnetspulensystem (100) anhand der Position (116) und Orientierung (118) ein erstes Magnetfeld (120) zur Kraftausübung (122) auf die Arbeitskapsel (110) am Ort (116,118) der Arbeitskapsel (110) erzeugt, erzeugt das Magnetspulensystem (100) ein zweites, von der Empfängerspule empfangbares Magnetfeld (8) zur Fernsteuerung der Arbeitskapsel (110) am Ort (116,118) der Arbeitskapsel (110). Eine Einrichtung zur Fernsteuerung einer mindestens eine Empfängerspule (124) aufweisenden Arbeitskapsel (110) in einem Patienten umfasst ein mehrere, insbesondere vierzehn, Erregerspulen (102a-n) aufweisendes Magnetspulensystem (100) außerhalb des Patienten, eine Ortungseinrichtung (112) zur Ermittlung einer Position (116) und Orientierung (118) der Arbeitskapsel (110) relativ (114) zum Magnetspulensystem (100), eine das Magnetspulensystem (100) ansteuernde Steuereinheit (2,106) zur Erzeugung eines ersten Magnetfeldes (120) am Ort (116,118) der Arbeitskapsel (110) zur Kraftausübung (122) auf die Arbeitskapsel (110) anhand der Position (116) und Orientierung (118), und zur Erzeugung eines zweiten Magnetfeldes (8) am Ort (116,118) der Arbeitskapsel (110) zur Fernsteuerung der Arbeitskapsel (110).

Description

Beschreibung
Verfahren und Einrichtung zur Fernsteuerung einer Arbeitskapsel eines Magnetspulensystems
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Fernsteuerung einer Arbeitskapsel eines Magnetspulensystems.
In der Medizin ist es häufig notwendig, im Inneren eines Men- sehen oder Tieres als Patienten eine medizinische Maßnahme auszuführen, die z. B. eine Diagnose oder Behandlung sein kann. Zielgebiet einer derartigen medizinischen Maßnahme ist oft ein Hohlorgan im betreffenden Patienten, insbesondere dessen Gastrointestinaltrakt . Über lange Zeit wurden die me- dizinischen Maßnahmen mit Hilfe von Katheterendoskopen durchgeführt, welche nicht- oder minimalinvasiv von außerhalb des Patienten in diesen eingeführt wurden. Herkömmliche Katheter- endoskope weisen hierbei verschiedene Nachteile auf, z.B. verursachen sie beim Patienten Schmerzen oder können entfernt liegende innere Organe nur schwer oder gar nicht erreichen.
Zur katheterfreien bzw. kabellosen Endoskopie sind deshalb z.B. Videokapseln der Fa. Given Imaging bekannt, welche der Patient schluckt. Die Videokapsel bewegt sich aufgrund der Peristaltik durch den Verdauungstrakt des Patienten und nimmt hierbei eine Reihe von Videobildern auf. Diese werden nach außerhalb des Patienten per Funk übertragen. Der Patient kann sich während des mehrere Stunden dauernden Kapselaufenthaltes im Körper frei bewegen, da er entsprechende Empfangsantennen und einen Rekorder zur Aufzeichnung der Videobilder am Körper mit sich führt. Ausrichtung der Kapsel und damit Blickrichtung der Videobilder sowie Verweildauer im Körper des Patienten sind hierbei zufällig bzw. nicht beeinflussbar. Außer der Bildaufnahme hat die Kapsel keine aktive Funktionalität. Di- agnosefunktionen, wie gezielte Betrachtung, Reinigung, Biopsie sind ebenso wenig möglich wie gezielte Behandlungen im Inneren des Patienten, z. B. Medikamentengabe. Für eine voll- ständige endoskopische Untersuchung ist dies inakzeptabel bzw. nicht zufrieden stellend.
Neuerdings ist es deshalb, z. B. aus der DE 103 40 925 B3 oder der noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung
DE 10 2005 010 489.4 bekannt, mit Hilfe eines Magnetspulen¬ systems magnetische Körper durch Hohlorgane eines Patienten mittels magnetischer, berührungsfreier Kraftübertragung zu bewegen. Die Kraftausübung erfolgt hierbei also gezielt, be- rührungslos und von außen kontrolliert.
Ein magnetischer Körper ist hierbei z. B. eine einen Dauermagneten enthaltende Arbeitskapsel, auch Endokapsel oder En- doroboter genannt. Die Arbeitskapseln weisen Funktionalitäten eines herkömmlichen Endoskops auf, z. B. Videoaufnahme, Biop¬ sie oder Clips. Mit einer derartigen Arbeitskapsel kann so eine medizinische Maßnahme autark, d. h. kabellos bzw. kathe¬ terfrei durchgeführt werden, es besteht also keinerlei Kabel¬ oder mechanische Verbindung von der Arbeitskapsel nach außen. Während der medizinischen Maßnahme befindet sich der Patient zumindest zeitweise ganz oder teilweise innerhalb des Magnet¬ spulensystems .
Fig.4 der Zeichnungen zeigt ein entsprechendes, aus der DE 103 40 925 B3 bekanntes Magnetspulensystem 100, das im Folgenden kurz beschrieben wird. Für eine weiterführende, ausführlichere Beschreibung des Magnetspulensystems 100 bzw. dessen Funktionsweise wird auf die DE 103 40 925 B3 verwie¬ sen. Das Magnetspulensystem 100 umfasst vierzehn Erregerspu- len 102a-n, von denen in Fig.4 nur die Erregerspulen
102a-c,102e, und 102g-n sichtbar sind. Die sechs Erregerspu¬ len 102a-f sind dabei rechteckig ausgeführt und bilden die Kanten eines Quaders.
Die verbleibenden acht Erregerspulen 102g-n bilden zusammen die Mantelfläche eines in den eben beschriebenen Quader eingebetteten Zylinders. Jede einzelne der Erregerspulen 102a-n ist über eine Versorgungsleitung 104a-n an einer Leistungs- Versorgung 106 angeschlossen. In Fig.4 sind der Übersichtlichkeit halber nur die Versorgungsleitungen 104a-c und 104e dargestellt. Über die Leistungsversorgung 106 wird jeder der Erregerspulen 102a-n unabhängig voneinander eine bestimmte Stromstärke mit bestimmtem zeitlichem Verlauf, natürlich im Rahmen der Leistungsfähigkeit der Leistungsversorgung 106, eingeprägt .
Jede der Erregerspulen 102a-n erzeugt somit für sich ein Mag- netfeld. Im Innenraum 108 des Magnetspulensystems 100 kann damit eine nahezu beliebige Feldverteilung bezüglich Stärke und Richtung erzeugt werden. In diesem Innenraum 108 befindet sich ein nicht dargestellter Patient und in dessen Körperinneren eine Arbeitskapsel 110, welche ein nicht dargestelltes magnetisches Element, z. B. einen Dauermagneten, enthält.
Dem Magnetspulensystem 100 ist eine Ortungsvorrichtung 112 zugeordnet, welche Lage und Orientierung der Arbeitskap¬ sel 110 in einem dem Magnetspulensystem 100 zugeordneten Ko- ordinatensystem 114 erfasst. Die Lage der Arbeitskapsel 110, bzw. die Lage des geometrischen Mittelpunkts dieser, ist in Fig.4 durch die gestrichelten Linien 116 angedeutet. Die Orientierung der Arbeitskapsel 110 ist in Fig.4 durch den Pfeil 118 dargestellt und wird von der Ortungsvorrichtung 112 in Bezug auf das Koordinatensystem 114 erfasst. Die Arbeits¬ kapsel kann hierbei eine beliebige, z. B. längliche oder ro¬ tationssymmetrische, geometrische Form aufweisen. Die Orien¬ tierung entspräche dann z. B. der Richtung des Einheitsvektors in Längsrichtung der Arbeitskapsel 110. Für eine voll- ständige Bestimmung der Kapselorientierung muss der Drehwinkel um die Kapsellängsachse ebenfalls gemessen werden. Die gesamte Lage der Arbeitskapsel 110, also insbesondere die Schwerpunktskoordinaten und die Längsachsenrichtung, ist somit im Koordinatensystem 114 vollständig beschrieben und be- kannt .
Die Ortungsvorrichtung 112 kann als elektromagnetische Ortungsvorrichtung ausgeführt sein. Hierfür beinhaltet dann die Arbeitskapsel 110 3-6 zueinander orthogonale, nicht darge¬ stellte Ortungsspulen. Diese arbeiten in einem Frequenzbereich mit einer Trägerfrequenz oberhalb ca. 1OkHz.
Die Ortungsvorrichtung 112 übermittelt Lage und Orientierung der Arbeitskapsel 110 an die Leistungsversorgung 106. Diese bestromt daraufhin die Erregerspulen 102a-n derart, dass sich am Ort der Arbeitskapsel 110 ein Magnetfeld, in Fig.4 durch die Feldlinien 120 dargestellt, einstellt. Das Magnetfeld ist so ausgelegt, dass es mit dem Dauermagneten in der Arbeits¬ kapsel 110 derart wechselwirkt, dass eine erwünschte Kraft 122 und/oder ein gewünschtes, nicht dargestelltes Dreh¬ moment an der Arbeitskapsel 110 angreift. Auf diese Art wird die Arbeitskapsel 110 im Patienten translatorisch bewegt, ausgerichtet und/oder rotiert.
Die gesamte Energie, welche die Arbeitskapsel selbst während der Durchführung der medizinischen Maßnahme benötigt, wird z.B. über Batterien oder Kondensatoren im Inneren der Ar- beitskapsel oder durch drahtlose Energieübertragung (nicht dargestellt) zur Kapsel bereitgestellt. Letztere ist beson¬ ders günstig für leistungsintensive medizinische Maßnahmen, wie z.B. Hohlorganausleuchtung, thermische Koagulation oder Laserapplikationen. Die induktive Energieeinkopplung in die Arbeitskapsel 110 benötigt eine nicht dargestellte Indukti¬ onsspule in der Kapsel und arbeitet mit Frequenzen von ober¬ halb ca. 500Hz, z.B. bis ca. 50OkHz. Die Größe der Arbeits¬ kapsel ist z.B. für den Einsatz im oberen Magen-Darm-Trakt einschließlich Dünndarm begrenzt auf ca. 25 mm Länge und ca. 10 mm Durchmesser; bei reinem Einsatz im Dickdarm etwas mehr. Hierdurch ist der Raum für Einbauten generell begrenzt.
Zur Ausführung der beabsichtigten Aufgaben benötigt die Kapsel Steuersignale von außerhalb des Patienten, z.B. zum Aus- lösen einer Biopsienahme, zur mit anderen Aktivitäten synchronisierten Aufnahme von Videobildern, zur geänderten kapselinternen Vorverarbeitung von Videobildern, zur gezielten Medikamentengabe usw. Eine Fernsteuerung reicht hierbei von einfachen Befehlen, wie "Biopsiezange ausfahren", z.B. mittels Übertragung eines zweistelligen Nummerncodes, bis zur Übertragung von modifiziertem Programmcode in die Kapsel, z.B. für eine geänderte Bildvorverarbeitung bei Videoaufnah- men. Je nachdem wird ein nieder- oder hochfrequentes Trägersignal für die Fernsteuerung mit niedriger oder hoher Bandbreite zur Datenübertragung benötigt.
In Fig.4 ist zur Kommunikation in der Kapsel 110 eine Empfän- gerspule 124, und außerhalb des Patienten eine Fernsteuerein¬ heit 126 vorgesehen, die an eine Auswerte- und Steuerein¬ heit 128 für die Kapselfunktionen angeschlossen ist. Die Fernsteuereinheit 126 dient zum Senden der Steuerbefehle zur Kapsel, aber auch optional zum Empfang von Rückmeldesignalen, z.B. zur Bestätigung eines von der Arbeitskapsel 110 empfangenen Befehls. Die Kommunikation entlang des Pfeils 130 verläuft also immer zur Kapsel hin und optional auch von dieser zurück .
Weiterhin wird zur Datenübertragung von der Arbeitskapsel 110 nach außen ein hochfrequentes Trägersignal im Bereich 340 MHz benutzt, um z.B. Sensordaten oder Live-Videobilder aus dem Patienteninneren zu übertragen. Hierzu ist eine zusätzliche, nicht dargestellte Sendespule im Kapselinneren vorgesehen.
Neben dem Magnetspulensystem für die Kraftausübung auf die Kapsel sind also etliche weitere Spulenanordnungen bzw. Sys¬ teme innerhalb und außerhalb der Kapsel nötig bzw. bei vollem Systemausbau und maximaler Kapselfunktionalität vorhanden. Je mehr Einzelspulen aber nötig sind, umso aufwändiger, voluminöser und teurer wird das Gesamtsystem.
Aus der nicht veröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2005 012 387.2 ist es bekannt, mittels eines gemeinsa- men bzw. einzigen extrakorporalen Spulensystems die Kraftausübung auf und die Positionsbestimmung der Kapsel gemeinsam zu realisieren. Kapselseitig ist eine Kombination beider Teilaufgaben nicht sinnvoll, da der Permanentmagnet durch eine mit Energie zu versorgende Spule ersetzt werden müsste. Diese Energie könnte in der Kapsel weder gespeichert noch zugeführt werden. Die Ohmschen Verluste in der Kapsel wären zu hoch.
Aus der nicht veröffentlichten Patentanmeldung
DE 10 2005 053 759.6 ist es bekannt, mittels eines gemeinsa¬ men bzw. einzigen extrakorporalen Spulensystems die Kraftausübung auf und die drahtlose Energieübertragung zur Kapsel gemeinsam zu realisieren. Auch hier ist wegen der gleichen Gründe wie oben eine kapselseitige Kombination nicht sinn¬ voll .
Aus der US 2004 0215083 Al ist eine sowohl senderseitige als auch kapselseitige Kombination von induktiver Energieeinkopp- lung und Fernsteuerung der Kapsel bekannt.
Eine Kombination von induktiver Energieeinkopplung und Positionserkennung ist dagegen aus der US 2004 0225184 Al bekannt .
Alle bekannten Maßnahmen reduzieren die Einzelmodule bzw. Bauteile, und damit die Kosten und den Aufwand des Gesamtsys¬ tems aus Magnetspulensystem und Endoskopiekapsel . Dennoch verbleibt ein immer noch aufwändiges und teures System.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Gesamtsystem weiter zu vereinfachen bzw. Komponenten einzusparen.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1.
Die Erfindung nutzt hierbei folgende Erkenntnis: Das Magnet¬ spulensystem weist mehrere Erregerspulen auf, die in der Lage sind, das zur Kraftausübung auf die Kapsel notwendige erste Magnetfeld zu erzeugen, wobei hierbei unter Kraftausübung auch die Ausübung eines Drehmoments zu verstehen ist. Das erste Magnetfeld kann somit auch als Navigationsmagnetfeld bezeichnet werden. Das erste Magnetfeld ist inhomogen und setzt sich zusammen aus einem in Richtung und Stärke jeweils skalierbarem homogenen Magnetfeld und einem Gradientenmagnet¬ feld komplizierter Geometrie. Daher ist das Spulensystem leicht in der Lage, auch das zur Fernsteuerung verwendete zweite Magnetfeld zu erzeugen, und zwar in beliebiger Orientierung bezüglich des Magnetspulensystems. Das zweite Magnet¬ feld kann daher auch als Fernsteuermagnetfeld bezeichnet wer¬ den .
Die Spulenströme in den Erregerspulen des Magnetspulensystems werden z.B. von Leistungsverstärkern angesteuert, wie sie derzeit zur Ansteuerung der Gradientenspulen in MR-Geräten verwendet werden. Mit diesen Leistungsverstärkern lassen sich zeitlich variable Ströme mit Frequenzanteilen bis ca. 1OkHz realisieren. Die Kraftausübung auf die Kapsel erfolgt jedoch mit einem inhomogenen, instationären Magnetfeld mit einem signifikanten Frequenzspektrum unter ca. 100Hz.
Die benötigten Fernsteuersignale für die Kapsel sind in der Regel niederfrequent. Derartige Signale liegen im Bereich einer Trägerfrequenz van maximal ca. 1OkHz. Dies ist für die meisten Fernsteueraufgaben ausreichend, da die zu übertragende Informationsmenge eher gering ist, verglichen z.B. mit einer Bildübertragung eines Kamerasignals.
Das Magnetspulensystem ist also technisch in der Lage, derartige Fernsteuerfelder zu erzeugen und wird erfindungsgemäß hierzu benutzt. Da das Magnetspulensystem somit zwei Aufgaben erfüllt, nämlich die Kapselnavigation, also Kraftausübung anhand der Navigationsmagnetfelder und die Fernsteuerung, also Übertragung von Steuersignalen zur Kapsel, entfällt die separate Fernsteuersendespule außerhalb der Kapsel. Das Ge¬ samtsystem wird dadurch einfacher und kostengünstiger. Komponenten werden eingespart.
Die Spulenkörper des Magnetspulensystems werden so zur Navi¬ gation und Fernsteuerung gemeinsam genutzt. Auch eine gemein- same Ansteuerung erfolgt hierbei. Dies reduziert den Aufwand des Gesamtsystems.
Position und Orientierung der Arbeitskapsel müssen ohnehin für die Navigation, also Kraftausübung auf die Arbeitskapsel bekannt sein. Eine entsprechende Ortungseinrichtung ist also vorhanden, welche die relative Position und Orientierung der Empfangsspule zum Magnetspulensystem ermittelt. Natürlich muss die Lage der Empfangsspule in der Kapsel bekannt sein, wenn eine optimale Signaleinkopplung in diese erfolgen soll. Im einfachsten Fall ist daher die Empfangsspule starr in der Kapsel eingebaut.
Damit ist die augenblickliche Orientierung der Empfangsspule im Magnetspulensystem bekannt. Wenn die Empfangsspule nicht entlang der Kapsellängsachse orientiert bzw. eingebaut ist, muss dafür der Drehwinkel um die Kapsellängsachse bekannt sein. Das zweite Magnetfeld kann dann stets so erzeugt wer¬ den, dass es in die Empfangsspule bestmöglich einkoppelt, z.B. genau entlang deren Spulenachse ausgerichtet ist. Bei gegebener Feldstärke des Fernsteuerfeldes ist so die in der Empfangsspule empfangene Leistung und damit die Signalquali¬ tät maximal. Die Erregerspulen werden deshalb vorzugsweise so angesteuert, dass ein zweites Magnetfeld erzeugt wird, wel- ches zur Empfangsspule in gewünschter Weise ausgerichtet ist.
Da im genannten Magnetspulensystem zur berührungslosen Kraftausübung auf die Arbeitskapsel eine entsprechende Ortungsein¬ richtung ohnehin vorhanden ist und die Erregerspulen zur Er- zeugung des ersten Magnetfeldes ebenfalls ohnehin vorhanden sind, brauchen dann die Erregerspulen lediglich geeignet, also auf alternative Weise, d. h. mit alternativen Strommus¬ tern, angesteuert zu werden, um das zweite Magnetfeld zur Fernsteuerung in gewünschter Weise zu erzeugen.
Hinsichtlich des Energieeintrages in die Arbeitskapsel sind die Erregerspulen ebenfalls derart für die Erzeugung der ersten magnetischen Felder dimensioniert, dass leicht Leistungen in einer Größenordnung erzeugt werden können, die zur Steuerung der Arbeitskapsel ausreichen.
Das Magnetspulensystem kann erstes und zweites Magnetfeld in voneinander unterschiedlichen ersten und zweiten Frequenzbereichen erzeugen. Die Frequenzbereiche können dann insbesondere nicht überlappend ausgeführt werden, so dass Navigation und Fernsteuerung gesonderten Frequenzbereichen zugeordnet sind. Eine gegenseitige Störung ist so ausgeschlossen. Das zweite Magnetfeld vermag nämlich die Kapsel nicht in Bewegung zu versetzen, wenn dieses am Kapselort keinen signifikanten Gradientenanteil aufweist und somit keine Kraft auf die Kap¬ sel ausübt und das Kapselträgheitsmoment in Verbindung mit dem relativ hohen Frequenzbereich von z.B. über 1 kHz dafür sorgt, dass das im zeitlichen Mittel verschwindende zweite Magnetfeld zu einer vernachlässigbaren „Zitterbewegung" der Kapsel aufgrund des eingeprägten Drehmoments einerseits und des Kapselträgheitsmoments andererseits führt.
Besonders günstig zur Kraftausübung auf die Arbeitskapsel sind magnetische Felder in einem ersten Frequenzbereich etwa zwischen 0 Hz und 50 Hz. Ein hiermit nicht überlappender zweiter, höherer Frequenzbereich von 500 Hz bis 10 kHz kann dann für die Magnetfelder zur Fernsteuerung verwendet werden, ohne mit denen zur Kraftausübung und denen des elektromagne¬ tischen Meßsystems zu interferieren. Der Frequenzbereich von 500 Hz bis 10 kHz eignet sich hierbei besonders zur Übertra¬ gung durch menschliches Körpergewebe zur Kapsel bei den gege¬ benen Abständen von ca. 20 bis 60 cm zwischen Magnetspulen- System und Arbeitskapsel.
Durch die Unterscheidung der Frequenzbereiche für die ersten und zweiten magnetischen Felder zur Kraftausübung und zur Fernsteuerung beeinflussen sich diese gegenseitig kaum. Z.B. kann das zweite Magnetfeld hochfrequent und das erste zur Navigation niederfrequent gewählt werden. Erstes und zweites Magnetfeld können daher überlagert werden. Dies führt dazu, dass während der Navigation bzw. Kraftaus¬ übung und Bewegung der Arbeitskapsel durch den Patienten gleichzeitig eine Fernsteuerung der Kapsel stattfindet. Somit ist eine ständige Kontrolle der Kapselfunktionen, also eine Steuerung zu jedem beliebigen Zeitpunkt, möglich.
Alternativ kann das zweite Magnetfeld im zeitlichen Multiplex zum ersten Magnetfeld erzeugt werden. Erstes und zweites Feld werden also zeitlich im Wechsel, und nicht gleichzeitig er¬ zeugt. Hierdurch steht sowohl für die Bewegung bzw. Kraftausübung auf die Arbeitskapsel als auch für die Fernsteuerung die jeweils maximale Leistung des Magnetspulensystems zur Verfügung, was eine störungsfreie Signalübertragung ermög- licht.
Während der Fernsteuerung ruht dann z. B. die Kapsel im Patienten ohne Kraftausübung. Durch entsprechend kurze zeitliche Abstände zwischen zwei Fernsteuerungen kann so dennoch eine quasi kontinuierliche Steuerung erfolgen. Die Arbeitskapsel kann dann so benutzt werden, dass diese lediglich im ruhenden Zustand aktiv gesteuerte medizinische Maßnahmen durchführt.
Die Position und Orientierung der Fernsteuerspule zum Magnet- spulensystem kann auf verschiedene Weise ermittelt werden.
Eine Möglichkeit ist die Ermittlung durch ein Röntgensystem. Hierbei wird der Patient während der Durchführung der medizinischen Maßnahme geröntgt, so dass auf dem Röntgenbild die Kapsel in Position und Orientierung erkennbar ist. Aufgrund des hohen Röntgenkontrastes der Kapsel kann die Dosis der Röntgenbestrahlung für den Patienten sehr niedrig gehalten werden. Eine entsprechende Registrierung, also Kenntnis der relativen Lage zueinander, der Koordinatensysteme von Magnet¬ spulensystem und Röntgensystem ist hierbei natürlich notwen- dig, entsprechende Lösungen sind aus der Literatur bekannt.
In der Kapsel müssen somit keine zusätzlichen Ortungsvorrichtungen installiert sein. Der gesamte Innenraum der Kapsel steht für andere Einbauten zur Verfügung. Eine zweite Alternative ist die Verwendung eines elektromag¬ netischen Meßsystems. Hierzu sind in der Kapsel nur minimale Einbauten, d. h. solche mit geringem Platzbedarf, notwendig, z.B. eine elektromagnetische Sende- oder Empfangseinrichtung. Diese kann entsprechend klein ausgeführt werden, so dass sie nur wenig Platz in der Arbeitskapsel benötigt.
Insbesondere können in der Arbeitskapsel drei bis sechs or- thogonal zueinander ausgerichtete Ortungsspulen vorhanden sein, welche zur Ermittlung der Orientierung der Fernsteuerspule benutzt werden. Da die Ortungsspulen zu Ihrer Funktion kaum Energie aus einem externen Magnetfeld aufnehmen müssen, um die Positionserkennung durchzuführen, können diese deut- lieh kleiner als die Fernsteuerspule ausgelegt werden und benötigen somit kaum Platz in der Kapsel.
Das elektromagnetische Positionsmeßsystem kann in einem wiederum zu erstem und zweitem Frequenzbereich unterschiedlichen dritten Frequenzbereich arbeiten, um mit keinem der anderen
Systeme zu interferieren. Insbesondere kann das elektromagne¬ tische Positionsmeßsystem mit einer Frequenz von mindestens 10 kHz betrieben werden. Alternativ können Positionsmesssystem und zweites Magnetfeld zur Fernsteuerung alternierend betrieben werden.
Um die Erregerspulen besonders gut zur Erzeugung der magnetischen Felder zur Kraftausübung und Fernsteuerung ansteuern zu können, können die Erregerspulen mehrere Anzapfungen aufwei- sen und über verschieden Anzapfungen betrieben werden. Somit brauchen nicht verschiedene Spulen zur Erzeugung der verschiedenen Felder vorgesehen werden, sondern eine Spule kann in verschiedenen Betriebsarten betrieben werden. Eine entsprechende Halterung und eine Kühlung für die Erregerspulen braucht somit nur einmal vorgesehen zu werden.
In machen Fällen kann es vorteilhaft sein, nicht nur Fernsteuerbefehle vom Magnetspulensystem zur Kapsel zu übertra- gen, sondern auch z.B. Rückmeldungen von der Kapsel nach außen zu senden. Dies ist im einfachsten Fall eine Rückmeldung, dass der Fernsteuerbefehl empfangen wurde, z.B. ein sogenanntes Acknowledge-Signal . Es können aber auch einfache Sensor- daten, z.B. ein Temperatur- oder pH-Wert oder sonstige Informationen von der Kapsel gesendet werden. In diesem Fall kann das Rückmeldesignal vom Magnetspulensystem empfangen werden. Das Magnetspulensystem funktioniert dann als Empfangsantenne und eine derartige separate wird überflüssig. Das Rückmelde- signal kann dann über ein Filter im Magnetspulensystem aus diesem ausgekoppelt und zur Weiterverarbeitung weitergeleitet werden, z.B. an die oben genannte Steuer- und Auswerteeinheit für die Fernsteuerung.
Hinsichtlich der Einrichtung wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch eine Einrichtung gemäß Patentanspruch 13.
Die Steuereinheit steuert also das Magnetspulensystem derart an bzw. stellt die in den Erregerspulen fließenden Ströme derart ein, dass das Magnetspulensystem zur Kraftausübung auf die Arbeitskapsel ein erstes magnetisches Feld am Ort der Arbeitskapsel erzeugt. Hierzu nutzt die Steuereinheit die von der Ortungseinrichtung ermittelte Position und Orientierung der Arbeitskapsel. Zur Fernsteuerung der Arbeitskapsel steu- ert die Steuereinheit darüber hinaus das Magnetspulensystem derart an, dass dieses ein zweites Magnetfeld am Ort der Ar¬ beitskapsel zur Fernsteuerung erzeugt.
Die sich aus der erfindungsgemäßen Einrichtung ergebenden Vorteile wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsge¬ mäßen Verfahren erläutert.
Die Einrichtung kann ein Röntgenortungssystem zur Ermittlung von Position und Orientierung der Arbeitskapsel, wie oben erläutert, aufweisen. Zusätzliche Empfängerspulen in der Kapsel sind dann überflüssig und es ist mehr Raum für andere Einbauten in der Kapsel vorhanden. Alternativ kann die Einrichtung hierzu auch ein elektromagnetisches Ortungssystem enthalten, wobei die Arbeitskapsel drei orthogonal zueinander ausgerichtete Ortungsspulen enthalten kann .
Wie beschrieben, können die Erregerspulen auch verschiedene Anzapfungen aufweisen, über die sie wahlweise, z. B. zur Erzeugung des ersten und zweiten Magnetfeldes, betrieben werden können .
Die Rückmeldesignale von der Kapsel können, wie oben be¬ schrieben, vom Magnetspulensystem aufgefangen und aus diesem ausgeleitet werden. Alternativ kann aber auch im Magnetspulensystem eine extra zu diesem Zweck vorgesehene, und z.B. entsprechend empfangsoptimierte separate Empfangsspule vor¬ handen sein.
Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, je- weils in einer schematischen Prinzipskizze:
Fig. 1 ein Magnetspulensystem zur magnetischen Navigation und Fernsteuerung einer Arbeitskapsel,
Fig. 2 Spulenströme einer Erregerspule aus Fig. 1 zur Navi- gation und Fernsteuerung (a) getrennt, (b) aufeinander aufmoduliert und (c) im Zeitmultiplex, Fig. 3 eine alternative Ansteuerung des Magnetspulensystems im Detail,
Fig. 4 ein Magnetspulensystem zur Bewegung eines magneti- sehen Körpers in einem Patienten gemäß Stand der
Technik.
Fig. 1 zeigt nochmals das bekannte Magnetspulensystem aus Fig. 4 gemäß Stand der Technik, jedoch erfindungsgemäß modi- fiziert. Eine Auswerte- und Steuereinheit 2 empfängt von der Ortungseinrichtung 112 aktuelle Positionsdaten 4 der Arbeitskapsel 110 im Koordinatensystem 114 sowie von einer nicht dargestellten Bedieneinrichtung Solldaten für eine neue Posi- tion und Geschwindigkeit der Arbeitskapsel 110. Die Posi¬ tionsdaten 4 sind die Lage (Linien 116) und Orientierung (Pfeil 118) der Arbeitskapsel 110 im Koordinatensystem 114, wie im Zusammenhang mit Fig.4 ausführlich erläutert.
Da die Lage der Empfängerspule 124 in der Arbeitskapsel 110 fest und damit wie beschrieben im Koordinatensystem 114 bekannt ist, liefern die Positionsdaten 4 der Auswerte- und Steuereinheit 2 ebenso Position und Orientierung der Empfän- gerspule 124.
Die Auswerte- und Steuereinheit 128, die für die Steuerung der Kapselfunktionen zuständig ist, sendet, angedeutet durch den Pfeil 6, außerdem ein Steuersignal, das die Arbeitskap- sei 110 erreichen soll, an die Steuer- und Auswerteeinheit 2 für die Kapselnavigation bzw. Ansteuerung des Spulensystems 100.
Die Auswerte- und Steuereinheit 2 berechnet aus den Positi- onsdaten 4 die Ströme IA(t) bis IN (t) in den Erregerspu¬ len 102a-n. In Fig. 1 ist exemplarisch nur IA(t) eingezeichnet. Durch den Pfeil 10 ist angedeutet, wie die Auswerte- und Steuereinheit 2 die Leistungsversorgung 106 ansteuert, welche dann die eigentlichen Ströme IA(t) bis IN (t) in den Erreger- spulen 102a-n erzeugt.
Die Ströme IA(t) bis IN (t) erzeugen am Ort der Kapsel 110 bzw. Empfängerspule 124 eine magnetische Feldstärke, angedeu¬ tet durch den Pfeil 8, welche die Empfängerspule 124 durch- setzt, von dieser empfangen, und in der Arbeitskapsel 110 als Fernsteuerbefehl dekodiert wird. Dies ist z. B. für eine Feldverteilung gegeben, bei der die magnetische Feldstärke in der in Fig. 1 angedeuteten Empfängerspule 124 parallel zu deren Mittellängsachse ausgerichtet ist.
Fig. 2a zeigt zwei zeitliche Stromverläufe Inav(t) und Ist(t), deren Summe die Stromstärke IA(t) in der Erregerspule 102a von Fig. 1 ist. Inav(t) ist hierbei ein beispielhafter zeitli- eher Stromstärkeverlauf zur Navigation der Arbeitskapsel 110 gemäß Stand der Technik. Die Frequenz I1 von Inav(t) liegt hierbei im Bereich von 0-50 Hz. Ist (t) zeigt einen zeitlichen Stromverlauf für IA(t) zur Übertragung eines Fernsteuerbe- fehls zur Empfängerspule 124. Die Arbeitsfrequenz f2 von Ist(t) beträgt hierbei ca. 1OkHz, z.B. 1-10OkHz.
Für die tatsächliche Bestromung der Erregerspulen 102a-n am Beispiel der Erregerspule 102a sind in den Figuren 2b und 2c zwei Alternativen dargestellt. Fig. 2a zeigt eine Stromver¬ teilung IA(t), in welcher die Ströme Inav(t) und Ist(t) aus Fig. 2a überlagert sind, angedeutet durch den Summierer 12.
Die Bestromung bzw. Beschaltung der Erregerspulen 102a-n er- folgt hierbei über die Anzapfungen 18a und 18b jeder einzel¬ nen Erregerspule 102a-n, die an diesen endseitig angeordnet sind, d. h. die gesamte Erregerspule 102a-n wird vom Strom IA (t) durchflössen. In Fig. 1 sind die Anzapfungen 18a, b und c, wie unten beschrieben, nur beispielhaft für die Erregerspule 102a dargestellt.
Bei einer derartigen Bestromung findet in Fig. 1 die Navigation, also Kraftausübung der Kraft 122 auf die Arbeitskap¬ sel 110 sowie die Fernsteuerung der Kapsel gleichzeitig statt, da auch beide Strommuster Inav(t) und Ist(t) gleichzei¬ tig in den entsprechenden Erregerspulen 102a-n fließen.
Fig. 2c zeigt im Gegensatz einen Zeitverlauf des Stro¬ mes IA(t), bei welchem die Ströme Inav(t) und Ist (t) aus Fig. 2a im Zeitmultiplex als Strom IA(t) auf die Erregerspu¬ le 102a geschaltet werden.
Vom Zeitpunkt tl bis t2 fließt dort der Strom Inav(t), zwi¬ schen t2 und t3 der Strom Ist(t), zwischen t3 und t4 wiederum Inav(t) usw. Navigation bzw. Ausübung der Kraft 122 auf die Arbeitskapsel 110 findet somit nur in den Zeiträumen tl bis t2, t3 bis t4 und nach t5 statt. In den Zeiträumen von t2 bis t3 und t4 bis t5 dagegen findet keine Kraftausübung auf die Arbeitskapsel 110, dafür Fernsteuerung statt, welche zu den erstgenannten Zeiträumen eben dann nicht stattfindet.
Die Bestromung bzw. Beschaltung der Erregerspulen 102a-n er- folgt nun, wie oben beschrieben, nur für den Strom Inav(t) über die Anzapfungen 18a und 18b jeder einzelnen Erregerspule 102a-n. Die Bestromung mit Ist (t) erfolgt jeweils über die Anzapfungen 18a und 18c. Die Anzapfung 18c ist hierbei z.B. mittig in den Erregerspulen 102a-n angeordnet. Nur ein Teil der Windungen der Erregerspule 102a-n wird also vom Strom Ist(t) durchflössen. Die Erregerspulen 102a-n weisen dann eine geeignetere Induktivität bzw. Widerstand für dieses Strommuster auf.
Die zur Fernsteuerung benötigte Magnetfeldrichtung, dargestellt durch den Pfeil 8, ist insbesondere durch die sechs quaderförmig oder zylindrisch angeordneten Erregerspulen 102a-f realisierbar. Durch die unterschiedlichen Frequenzbereiche der Ströme Inav(t) und Ist(t) beeinflussen sich Navigation und Energieübertragung zur Kapsel 110 nicht gegenseitig .
Optional kann die Kapsel Rückmeldesignale, angedeutet durch den Pfeil 22, an das Magnetspulensystem senden. Die Signale werden dann von einer oder mehreren der Erregerspulen 102a-n aufgefangen und an die Steuer- und Auswerteeinheit 2 gelei¬ tet. Dort ist ein Filter 20 integriert, das die empfangenen Rückmeldesignale ausleitet und entlang des Pfeils 22 an die Steuer- und Auswerteeinheit 128 zur Weiterverarbeitung wei- terleitet. Die Empfängerspule 124 arbeitet dann gleichzeitig als Sendespule.
Alternativ kann auch eine externe Antenne 24 vorhanden sein, die die Rückmeldesignale entlang des Pfeils 26 auffängt und zur Steuer- und Auswerteeinheit 128 leitet.
Fig. 3 zeigt nochmals die Ansteuerung des Magnetspulensys¬ tems 100 im Detail bzw. in einer Ausführungsalternative. Je- der der nicht dargestellten vierzehn Einzelspulen ist hierbei ein Leistungsverstärker 30a-n vorgeschaltet, der die eigentlichen jeweiligen Spulenströme IA(t) erzeugt.
Die Ansteuerung der Leistungsverstärker 30a-n erfolgt hierbei jeweils durch die Steuer- und Auswerteeinheit 2 für die Navi¬ gation und die Steuer- und Auswerteeinheit 128 für die Fern¬ steuerung. Anders als in Fig. 1 werden also die Navigations¬ und Fernsteuersignale nicht in der Steuer- und Auswerteein- heit 2 vermischt. Die Ausgangssignale beider Einheiten werden daher durch getrennte Signalleitungen 32a, b jeweils über Vorverstärker 34 zu Kombinierern 36 geführt. Erst dort werden die Signale gemäß den Alternativen in Fig. 2 kombiniert oder gemultiplext und dann zu den Leistungsverstärkern 30a-n ge- führt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur drahtlosen Fernsteuerung einer eine Empfängerspule aufweisenden Arbeitskapsel in einem Patienten, wobei - eine Ortungseinrichtung (112) die Position (116) und Orientierung (118) der Arbeitskapsel (110) relativ (114) zu ei¬ nem mehrere, insbesondere vierzehn, Erregerspulen (102a-n) aufweisenden Magnetspulensystem (100) außerhalb des Patienten ermittelt, und - das Magnetspulensystem (100) anhand der Position (116) und Orientierung (118) ein erstes Magnetfeld (120) zur Kraft¬ ausübung (122) auf die Arbeitskapsel (110) am Ort (116,118) der Arbeitskapsel (110) erzeugt, bei dem: - das Magnetspulensystem (100) ein zweites, von der Empfängerspule empfangbares Magnetfeld (8) zur Fernsteuerung der Arbeitskapsel (110) am Ort (116,118) der Arbeitskap¬ sel (110) erzeugt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Empfangsspule eine Vorzugsrichtung aufweist, bei dem das zweite Magnetfeld an¬ hand der Position (116) und/oder Orientierung (118) bezüglich der Vorzugsrichtung erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Magnetspu- lensystem (100) erstes (120) und zweites (8) Magnetfeld in voneinander unterschiedlichen ersten (fi) und zweiten (f2) Frequenzbereichen erzeugt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das Magnetspulensystem (100) erstes (120) und zweites (8) Magnetfeld einander überlagert (12).
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das Magnet- spulensystem (100) erstes (120) und zweites (8) Magnetfeld im zeitlichen Multiplex (ti-t5) erzeugt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem ein Röntgenortungssystem als Ortungseinrichtung (112) die Position (116) und Orientierung (118) der Arbeitskapsel (110) er¬ mittelt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem ein elektromagnetisches Ortungssystem als Ortungseinrichtung (112) die Position (116) und Orientierung (118) der Arbeitskapsel (110) ermittelt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das elektromagnetische Ortungssystem die Position (116) und Orientierung (118) anhand dreier orthogonal zueinander ausgerichteter Ortungsspulen in der Arbeitskapsel (110) ermittelt.
9. Verfahren nach Anspruch 3 und Anspruch 7 oder 8, bei dem das elektromagnetische Ortungssystem in einem vom ersten (fi) und zweiten (f2) Frequenzbereich unterschiedlichen dritten Frequenzbereich arbeitet.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erregerspulen (102a-n) mehrere Anzapfungen (18a-c) aufweisen, bei dem das Magnetspulensystem (100) erstes (120) und zweites (8) Magnetfeld über verschiedene Anzapfun- gen (18a, b; 18a, c) erzeugt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem nur ein Teil der Erregerspulen (102a-n) des Magnetspulensystems (100) zur Erzeugung des zweiten Magnetfeldes (8) ver- wendet werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Rückmeldesignal von der Arbeitskapsel vom Magnetspu¬ lensystem empfangen und über ein Filter aus dem Magnetspulen- System zur Weiterverarbeitung ausgeleitet wird.
13. Einrichtung zur Fernsteuerung einer mindestens eine Empfängerspule (124) aufweisenden Arbeitskapsel (110) in einem Patienten, mit einem mehrere, insbesondere vierzehn, Erregerspulen (102a-n) aufweisenden Magnetspulensystem (100) außerhalb des Patienten, mit einer Ortungseinrichtung (112) zur Ermittlung einer Position (116) und Orientierung (118) der Arbeitskapsel (110) relativ (114) zum Magnetspulensys¬ tem (100), und mit einer das Magnetspulensystem (100) ansteu¬ ernden Steuereinheit (2,106) zur Erzeugung eines ersten Mag¬ netfeldes (120) am Ort (116,118) der Arbeitskapsel (110) zur Kraftausübung (122) auf die Arbeitskapsel (110) anhand der Position (116) und Orientierung (118), und zur Erzeugung eines zweiten Magnetfeldes (8) am Ort (116,118) der Arbeitskap¬ sel (110) zur Fernsteuerung der Arbeitskapsel (110).
14. Einrichtung nach Anspruch 13, mit einem Röntgenortungs- System als Ortungseinrichtung (112).
15. Einrichtung nach Anspruch 13, mit einem elektromagnetischen Ortungssystem als Ortungseinrichtung (112) .
16. Einrichtung nach Anspruch 15, mit einem drei orthogonal zueinander ausgerichteten Ortungsspulen in der Arbeitskapsel (110) aufweisenden elektromagnetischen Ortungssystem.
17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, mit einem Magnetspulensystem (100) mit mehrere Anzapfungen (18a-c) auf¬ weisenden Erregerspulen (102a-n) .
18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, mit einem Filter im Magnetspulensystem zum Ausleiten von, von der Kap- sei gesendeten und vom Magnetspulensystem empfangenen Rückmeldesignalen.
19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, mit einer zusätzlichen Empfangsspule (24) im Magnetspulensystem zum Empfang von, von der Kapsel gesendeten Rückmeldesignalen.
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