WO2009089992A1 - Spulenanordnung zur führung eines magnetischen elements in einem arbeitsraum - Google Patents

Spulenanordnung zur führung eines magnetischen elements in einem arbeitsraum Download PDF

Info

Publication number
WO2009089992A1
WO2009089992A1 PCT/EP2008/068312 EP2008068312W WO2009089992A1 WO 2009089992 A1 WO2009089992 A1 WO 2009089992A1 EP 2008068312 W EP2008068312 W EP 2008068312W WO 2009089992 A1 WO2009089992 A1 WO 2009089992A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
coil
coils
power amplifier
lies
arrangement
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/068312
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Reinschke
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to JP2010542559A priority Critical patent/JP5436447B2/ja
Priority to US12/863,247 priority patent/US8475363B2/en
Priority to EP08870931.6A priority patent/EP2229118B1/de
Priority to CN200880124853.9A priority patent/CN101909541B/zh
Publication of WO2009089992A1 publication Critical patent/WO2009089992A1/de

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
    • A61B34/73—Manipulators for magnetic surgery
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
    • A61B34/73—Manipulators for magnetic surgery
    • A61B2034/731—Arrangement of the coils or magnets
    • A61B2034/732—Arrangement of the coils or magnets arranged around the patient, e.g. in a gantry

Definitions

  • Coil arrangement for guiding a magnetic element in a working space
  • the invention relates to a coil arrangement for non-contact guidance of a magnetic element, in particular an endoscopy capsule, in a working space.
  • endoscopes and catheters are becoming increasingly widespread in medicine for diagnosing or treating the interior of a patient.
  • the instruments are introduced into the body via body openings or cuts and can be moved from the outside in a longitudinal direction, which requires a mechanical connection to the instrument.
  • bends or branches tend to experience difficulty in navigating in such a manner that the operator may need to direct the instrument by trying several times in the desired direction and apply support from the tissue to the tissue Instrument for further navigation is required. This is more time consuming for the operator and painful for the patient. In the worst case, it can not be ruled out that leadership in the planned direction will not succeed or that the risk of tissue perforation will occur.
  • DE 103 40 925 B3 and WO 2006/092421 A1 each describe a magnet coil arrangement consisting of 14 individual coils for navigating an endoscopy capsule, a video capsule or another probe.
  • the capsule is in this case equipped with a magnetic element, for example a permanent magnet or ferromagnetic magnet.
  • the magnet coil arrangement generates magnetic field components B x , B y , B z along the axes x, y, z of a Cartesian coordinate system as well as magnetic gradient fields, which enable a non-contact guidance of the endoscopy capsule.
  • the magnetic element ie a body with a magnetic dipole moment m
  • a force F G • m acts with a gradient matrix G comprising the gradient field on the magnetic dipole moment m according to FIG
  • the magnetic field B and the gradient fields can be set arbitrarily. It is thus possible for one thing to rotate the magnetic element and thus align it arbitrarily in a working space A within the magnet coil arrangement. On the other hand, it is possible to exert a force F on the magnetic element in order to translate it in addition to the rotation.
  • the object of the invention is therefore to provide a more cost-effective magnetic guidance system consisting of a coil arrangement and a plurality of power amplifiers assigned to the coils.
  • the present invention is based on the assumption that only a limited number of maneuvers of an endoscopy capsule is required for the examination of a patient, that is, the design a coil arrangement with respect to these actually required maneuvers to optimize.
  • a significantly more cost-effective design is achieved by a detailed analysis of the requirements of the coil arrangement and a design of the individual coils such that directionally selective only the field strengths and field gradients must be feasible, which are required in view of the desired maneuvers of the endoscope capsule.
  • a permanent magnet is permanently installed in the endoscopy capsule.
  • the permanent magnet is thus firmly connected to the capsule, so that movements of the permanent magnet, which are triggered by the coil arrangement according to the invention, are transmitted to the endoscopy capsule.
  • the magnetic moment m of the permanent magnet is preferably oriented either in the direction of the capsule longitudinal axis or perpendicular to it. Depending on these two possibilities of permanent magnet alignment, slight differences result in the magnetic guidance system according to the invention.
  • EGD ⁇ examination leads to a coil arrangement for guiding the endoscopy capsule with only ten or twelve individual coils. In this case, some of the ten or twelve individual coils are operated in pairs, ie by the same power amplifier. This is advantageously reflected in the fact that only six, seven or eight power amplifiers are needed.
  • the basic mode of action of the coil arrangement according to the invention is analogous to the mode of action of in
  • the coil arrangement according to the invention allows the same number of magnetic degrees of freedom (maximum eight) to be generated with respect to the arrangements described in DE 103 40 925 B3 or in WO 2006/092421 A1 by a changed layout of the coil arrangement with fewer individual coils and fewer power amplifiers. If, due to a particular application or examination, one or more of these degrees of freedom is not required, one can proceed with fewer power amplifiers or possibly also with fewer coils.
  • FIG. 1 shows a schematic view of an exemplary embodiment of the coil arrangement according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic view of different coil pairs of the coil arrangement with identification of the current flow through the coil pairs
  • FIG. 3 a shows a schematic view of a further embodiment of the coil arrangement according to the invention
  • FIG. 3b is a perspective view of the embodiment of FIG. 3a
  • FIG. 3c shows an alternative embodiment of the embodiment of FIG. 3a
  • FIG. 4 a shows a surface coil
  • FIG. 4b shows a surface coil separated into partial coils
  • FIG. 5a shows a cross section through a coil arrangement according to the invention
  • FIG. 6 a perspective view of an annular coil
  • Figure 7 is a schematic view of another embodiment of the coil assembly according to the invention.
  • Figure 8 cylinder cross sections in a schematic view.
  • FIG. 1 shows a coil arrangement 100 according to the invention, which is provided for guiding or navigation of a magnetic element, in particular an endoscopy capsule 200, inside a patient (not shown), which contains a permanent magnet with a magnetic dipole moment m in the direction of the capsule longitudinal axis (not shown).
  • the permanent magnet is fixedly connected to the endoscopy capsule 200 so that movements of the permanent magnet generated by the coil assembly 100 are transmitted directly to the endoscopy capsule 200.
  • the coil arrangement 100 may include magnetic field components B x , B y , B z as well as certain gradient fields (dB y / dx, etc.) of the gradient matrix
  • the coil arrangement 100 of the first embodiment comprises only twelve individual coils 1-12, comprising a first 1 to twelfth coil 12.
  • the center of the cylinder is located at the origin of the Cartesian coordinate system, the longitudinal or symmetry axis of the cylinder is oriented in the z direction.
  • the saddle coils 1-4 are advantageously arranged so as to be mutually spaced, as viewed in the peripheral direction of the lateral surface, ie there is a space between their frontal sections and thus between their longitudinal sides extending in the z-direction, which permits thermal expansion of the saddle coils.
  • the first saddle coils 1, 2 form a first coil pair 1, 2 and the second saddle coils 3, 4 form a second coil pair 3, 4.
  • the fifth 5 and the sixth coil 6 form the conclusion of the cylinder in the z-direction and are formed as toroidal coils, ie the individual coils 5, 6 are flat, circular coils and have a rectangular cross-section.
  • the length of the lateral surface in the z-direction is defined by the length of the saddle coils 1-4 in the z-direction. According to FIG. 5b, a saddle coil can, for example, be 700 mm long.
  • the saddle coils 1-4 and / or the ring coils 5, 6 may alternatively be designed as surface coils.
  • the above-described position of the respective coils in the coordinate system can remain unchanged.
  • Flat coils are characterized by the fact that they are formed, for example, in contrast to saddle coils as flat coils and preferably have a rectangular cross-section.
  • Another six individual coils 7-12 are arranged wing-like and as formed rectangular surface coils 7-12, wherein the sides of the respective rectangle are aligned parallel to the corresponding axes of the coordinate system.
  • wing-like designates that the respective individual coil is arranged in the xy plane, in the xz plane or in the yz plane and at the same time radially outside the lateral surface of the cylinder formed by the saddle coils 1-4, as in FIG Figure 1 can be seen.
  • the individual coils 1-12 should be placed as close as possible to the working space A.
  • the surface coils 7-12 are dimensioned such that they are seen from the point of origin significantly flatter than wide.
  • third surface coils 11, 12 are provided, which form a sixth coil pair 11, 12.
  • the radially inner conductive sections of the additional Chen surface coils 11, 12 are in the x direction at positions + r f and - r f . In y-direction are the extra
  • a coil pair i. a pair of saddle coils, a ring coil pair or an area coil pair, is characterized in that the two individual coils associated with the coil pair are point-symmetrical with respect to the origin of the Cartesian coordinate system (x, y, z).
  • the line connecting the geometric centers of the coils of a coil pair passes through the origin of the coordinate system.
  • the line connecting the geometric centers of the coils of these coil pairs is perpendicular to the cross-sectional area of the coils.
  • the cross-sectional area of a saddle coil is understood to be the area which is defined by the two conducting sections extending in the z-direction. For example.
  • the cross-sectional area of the saddle coil 4 would therefore lie according to FIG. 5b in a plane parallel to the y-z plane. Possibly.
  • the two individual coils belonging to a coil pair can be energized by a common power amplifier, instead of supplying the two individual coils with current through a separate power amplifier.
  • Figures 2a-2c show the current flow through the coil pairs 1 and 2 (Figure 2a), 7 and 8 ( Figure 2b) and 9 and 10 ( Figure 2c), wherein the direction of the current is symbolized by arrows.
  • These three coil pairs are each operated by only one power amplifier.
  • the coil pair 1, 2 hereby generates the component B x of the magnetic field B.
  • the coil pair 7, 8 is used to generate the gradient field dB y / dx
  • the coils 3 to 6, in contrast to the coil pairs described above in connection with FIG. duel are operated by separate power amplifiers and generate on the one hand the components B y (individual coils 3, 4) and B z (individual coils 5, 6) of the magnetic field B.
  • the gradient fields dB / dy and dB z / dz are generated by the individual coils 3 and 4 are supplied to generate the gradient field dB / dy with different currents. Accordingly, the gradient field dB z / dz is built up by different currents in the individual coils 5 and 6.
  • the surface coils 11, 12 are operated by a common power amplifier and generate a gradient field dB z / Sx.
  • the coil arrangement 100 of the first exemplary embodiment it is thus possible to realize all eight magnetic degrees of freedom with only twelve individual coils and eight power amplifiers, ie the magnetic field components B x , B y , B z and the five gradient fields dB y I dy, dB z / dz , OB x I dy, dB z / ⁇ x, dB z / dy of the gradient matrix g.
  • the coil assembly 100 of the first embodiment is rigid, i. the individual coils 1-12 are not mechanically movable and there are no permanent magnets provided. The same applies to the coil arrangements of the other embodiments.
  • the coil arrangement 100 can be designed for the specific application according to FIGS. 3a / b, 8 and 9.
  • the patient is usually on his back or on the belly with the body longitudinal axis lying in the z-direction within the coil assembly 100th
  • Ml For examination of the esophagus, the endoscopy capillary 200 only needs to be moved in the z-direction, since the esophagus is also oriented to a good approximation in the z-direction. Therefore, a force has to be generated in the z-direction. Accordingly, the coil assembly must build a gradient field dB z / dz.
  • M2 Navigation of the capsule 200 in the stomach is presumed to be partially filled with fluid. The patient must take water before and during the examination.
  • M4 For taking pictures of the stomach inner wall, it may be necessary to turn the endoscopy capsule 200 in a certain, arbitrary direction r.
  • the coil arrangement 100 must build up a magnetic field B parallel to the desired direction r. Accordingly, it must be possible to generate all the components B x , B y , B z of the magnetic field B.
  • M5 In order to guide the endoscopy capsule 200, which is still oriented essentially in the y-direction, through the stomach exit, again a gradient field dB y / dy is necessary.
  • the coil assembly 100 shown in Figures 3a / b is used to navigate the endoscopy capsule 200 in the stomach of the patient.
  • the endoscopy capsule 200 has been delivered into the stomach via the normal swallowing process.
  • the maneuvers M2 to M4 listed above are necessary.
  • the coil assembly 100 of the first embodiment must generate a magnetic field B in any direction as well as the gradient fields dB y I dy, dB y / dx and dB z / dy. Accordingly, it is not necessary to generate a gradient field dB z / dx in comparison with the first embodiment.
  • the third surface coils 11, 12 can therefore be dispensed with, so that in the second exemplary embodiment only ten individual coils 1-10, ie the first 1 to tenth coil 10, are required.
  • Single coils 1 and 2, 5 and 6, 7 and 8 and 9 and 10 existing four coil pairs are each supplied via a common power amplifier and generate the magnetic field components or gradient B x , B z , dB y / dx and dB z / dy.
  • the individual coils 3 and 4 are operated to generate the magnetic field component By and the gradient field dB / dy with different currents and therefore with two individual power amplifiers.
  • the individual coils 7, 8 can be arranged to generate a gradient field OB x / dy as shown in FIG become.
  • the coil pair 7, 8 is still supplied via a common power amplifier.
  • the coil arrangement 100 in the third exemplary embodiment is provided for guiding the endoscopy capsule 200, which is magnetized parallel to its longitudinal axis, through the esophagus (esophagus), the stomach (gaster) and the duodenum (duodenum) of the patient, i. for a complete EGD examination. Accordingly, in the third embodiment, all of the above-mentioned maneuvers Ml to M5 can be realized.
  • the coil arrangement 100 must be designed in such a way that a magnetic field B can be generated in any direction as well as gradient fields dB y I dy, dB z / dz, dB y / dx and dB z / dy.
  • a magnetic field B can be generated in any direction as well as gradient fields dB y I dy, dB z / dz, dB y / dx and dB z / dy.
  • ten individual coils 1-10 necessary.
  • seven power amplifiers are required: The three coil pairs consisting of the first 1 and the second coil 2, the seventh 7 and the eighth coil 8, the ninth 9 and the tenth coil 10 are each provided with a Power amplifiers operated and generate the FeI- der or gradient fields B x , dB y / dx and dB z / dy.
  • the third 3 and the fourth coil 4 are operated with different currents and therefore with two individual power amplifiers for generating the magnetic field component B y and the gradient field dB y / dy.
  • the coils 5 and 6 are operated with two separate power amplifiers to produce B z and dB z / dz.
  • the magnetic moment of the permanent magnet of the endoscopy capsule 200 is aligned perpendicular to the longitudinal axis of the endoscopy capsule 200.
  • M2 ' When navigating the vertically oriented capsule 200 on the water surface in the stomach, the magnetic moment m of the endoscopy capsule lies in the xz plane. In order to maneuver the endoscopy capsule in the x and / or z direction, gradient fields OB x / dx and ⁇ B z / dz are required.
  • M3 ' In order to maintain the position of the endoscopy capsule 200 on the water surface in the stomach or to move the capsule 200 in the vertical direction, gradient fields dB y / dx and ⁇ B z / dy must be generated.
  • M4 ' To rotate the endoscopy capsule 200 in a particular, arbitrary direction r, the coil assembly 100 must establish a magnetic field B parallel to the desired direction r.
  • the magnetic field components B x , B y , B z and the gradient fields OB x / dx, dB z / dz, dB y / dx and ⁇ B z / dy are required.
  • a coil arrangement with ten individual coils 1-10 can again be used, as shown in FIGS. 3a / b, wherein the three coil pairs consisting of the individual coils 3 and 4, 7 and 8 as well as 9 and 10 each supply via a common power amplifier to generate the fields or gradient fields B y , dB y / dx and ⁇ B Z / dy.
  • the individual coils 1 and 2 are operated to generate the magnetic field component B x and the gradient field OB x / dx with different currents and therefore with two individual power amplifiers.
  • the single coils 5 and 6 are operated with two separate power amplifiers to produce B z and ⁇ 9B z / dz. Therefore, seven power amplifiers are needed.
  • the coil arrangement 100 of a fifth exemplary embodiment is identical to the coil arrangement 100 of the first exemplary embodiment and comprises twelve individual coils 1-12 (FIG. 1) and eight power amplifiers.
  • the first embodiment For the interconnection of the individual coils 1-12 and the power amplifier, reference is made to the first embodiment.
  • the twelve individual coils 1-12 comprising coil assembly 100 according to Figure 1 to generate all eight magnetic degrees of freedom. Accordingly, all the maneuvers required in connection with the diametrically magnetized endoscopy capsule 200 can also be performed.
  • the coil arrangement 100 of the first and the fifth exemplary embodiment can be used universally for endoscopy capsules 200 whose magnetic moment m is aligned parallel or perpendicular to the capsule longitudinal axis.
  • the surface coils 7-12 can be dimensioned such that, viewed from the point of origin, they are significantly flatter than they are wide.
  • the feature "flat” refers to the thickness d F of the conductive portion, ie, the extension of the inner (and outer) conductive portion as shown in the x-direction, using the example of the surface coil 7 in FIG "Wide” describes the extension 1 F of the conducting section in the y-direction.
  • the surface coil 7 can be designed so that d F ⁇ I F -
  • the surface coil 8 can be dimensioned identically.
  • the remaining surface coils 9 and 10 or 11 and 12 can be designed in the same way.
  • the surface coils 7-12 can each be separated into a plurality of individual partial coils. Again using the surface coil 7 of FIG. 4 a, the surface coil 7 lying in the xz plane can be separated in the y direction, ie in the direction of the normal vector on the cross-sectional area of the coil 7, superimposed partial coils 7 a, 7 b and 7 c. as shown in Figure 4b. Accordingly, the surface coil 8 would likewise be divided into partial coils 8a, 8b and 8c (not shown).
  • the dimensions of the partial coils 7a and 8a, 7b and 8b as well as 7c and 8c coincide.
  • FIG. 5a Another embodiment of the coil arrangement 100 according to FIG. 5a relates only to the saddle coils 1-4.
  • the special embodiment of the saddle coils 1-4 can replace the saddle coils 1-4 contained in the embodiments described above.
  • the saddle coils 1-4 may be formed differently with respect to the solid angle ⁇ along the circumference of the lateral surface.
  • the first coil 1 and the second coil 2 extend along the circumference of the lateral surface in each case over a first solid angle cxi, while the third coil 3 and the fourth coil 4 each extend over a second solid angle o ⁇ 2.
  • the solid angles c * 2 of the saddle coils 3 and 4 are increased to c * 2> 90 °.
  • the solid angles are preferably in the range 90 ° ⁇ o ⁇ 2 ⁇ 110 °.
  • the first solid angle cxi of the saddle coils 1 and 2 is then to be reduced accordingly.
  • FIG. 5b shows a preferred embodiment of the saddle coil 4.
  • the other saddle coils can be dimensioned accordingly.
  • the saddle coil 4 is formed flat, ie, the extension d s of the conductive portion in the radial direction may be smaller than the transverse dimension l s of the conductive portion in eg z-direction.
  • FIG. 6 shows an embodiment of the annular coil 5, which is flat when viewed in the z direction. This means that the expansion 1 R in the z-direction may be smaller than the thickness d R of the ring, ie as the extension d R of the toroidal coil 5 in the radial direction.
  • the toroidal coil 6 may be identical.
  • the surface coils 7, 8 and / or 9, 10 are moved closer to the working space A in space.
  • This has the advantage that the gradient fields corresponding to the secondary diagonal elements of the gradient matrix G, in the present case in particular the gradient fields dB y / dx and / or ⁇ B z / dy, are amplified without requiring more powerful electronics.
  • the surface coils 7, 8 and / or 9, 10 spatially partially integrated into the saddle coils, so that at least the radially inner conductive portions of the surface coils 7, 8 and / or 9, 10 are closer to the working space A.
  • the surface coils 7, 8 and / or 9, 10 are no longer completely radially outside the lateral surface of the saddle coils formed by the 1-4
  • the surface coils 7, 8 and / or 9, 10 must be shortened for this purpose according to the dimensioning of the saddle coils in the z direction, which can bring the additional advantage that the weight of the surface coils 7, 8 and / or 9, 10 is reduced ,
  • the embodiments described above differ in addition to the number of single coils to be used, the Capsule magnetization direction and the operation of the individual coils by power amplifier as a coil pair or individually also in that the specific embodiments with respect to the dimensions and power requirements of the individual coils 1-10 and 1-12 can vary.
  • one of the crossed coils may be within the other coil, e.g. the internal coil must be made correspondingly smaller than the outer, surrounding coil.
  • the conductive portions may overlap, i. that at the intersection of the coils, the tracks of the two coils alternate.
  • a rotation of the coil assembly 100 according to one of the embodiments described above by an arbitrary angle of rotation about the longitudinal axis of the coil assembly, i. about the z-axis of the coordinate system, will not be further described, but is also an object of the present invention. This concerns in particular the first and the fifth embodiment as well as their further embodiments, since with them all magnetic degrees of freedom can be generated.
  • a rotation of the coil arrangement 100 about the z-axis by, for example, 90 ° produces a coil arrangement 100 'with which all magnetic degrees of freedom can likewise be generated.
  • the coil arrangement 100 'therefore acts exactly like the coil arrangement 100.
  • All described embodiments of the coil arrangements 100 include four saddle coils 1-4 and two annular coils 5, 6, all of which lie on the lateral surface of a cylinder with a circular cross section, shown schematically in FIG. 8a, or describe the lateral surface of a circular cylinder.
  • this 6-coil cylinder can also have a square or rectangular cross-section (FIG. ren 8b, 8c).
  • the cross-section of the cylinder may also be square or rectangular with rounded corners, as indicated in FIG. 8d.
  • An elliptical (FIG. 8e) or an asymmetrical cross-section (FIG. 8f), for example a flattened circle, are also conceivable.
  • the cross-section of the cylinder is realized by the shape of the individual coils 1-6.
  • a cooling system can be provided via a non-energized, water-filled waveguide.
  • the waveguide can be outside of the winding package at the ring coils 5, 6 as a winding layer and preferably be encapsulated with the winding package.
  • the cooling conductor winding layer may lie outside on the current-carrying winding package.
  • the surface coils 7-10 and 7-12 is advantageously wound on the winding body only a waveguide layer and then the current-carrying rectangular conductor.

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Endoscopes (AREA)
  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung zur berührungslosen Führung einer Endoskopiekapsel, die mit einem Permanentmagneten ausgestattet ist, zur Diagnose oder zur Behandlung des Inneren eines Patienten. Die Spulenanordnung umfasst eine Vielzahl von paarweise angeordneten Einzelspulen, mit denen die Komponenten eines Magnetfeldes sowie mindestens vier unabhängige Gradientenfelder einer symmetrischen, spurfreien Gradientenmatrix erzeugt werden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Einzelspulen und deren Ansteuerung durch Leistungsverstärker wird erreicht, dass mit weniger Einzelspulen und weniger Leistungsverstärkern die für die Untersuchung des Patienten notwendige Anzahl magnetischer Freiheitsgrade erzeugt werden kann.

Description

Beschreibung
Spulenanordnung zur Führung eines magnetischen Elements in einem Arbeitsraum
Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung zur berührungslosen Führung eines magnetischen Elements, insbesondere einer Endoskopiekapsel, in einem Arbeitsraum.
Die Verwendung von Endoskopen und Kathetern findet in der Medizin zur Diagnose oder zur Behandlung des Inneren eines Patienten immer breitere Anwendung. Die Instrumente werden über Körperöffnungen oder Schnitte in den Körper eingeführt und lassen sich von außen geführt in einer Längsrichtung ver- schieben, wofür eine mechanische Verbindung zum Instrument notwendig ist. Bei der Vorwärtsbewegung des Instruments in den Körper hinein treten jedoch an Kurven oder Verzweigungen in der Regel Schwierigkeiten bei der Navigation auf in der Form, dass der Bediener das Instrument ggf. durch mehrfaches Probieren in die gewollte Richtung dirigieren muss und eine Stützkraft vom Gewebe auf das Instrument für die weitere Navigation erforderlich ist. Dies ist für den Bediener mit höherem zeitlichem Aufwand und für den Patienten mit Schmerzen verbunden. Im schlechtesten Fall ist nicht auszuschließen, dass die Führung in die geplante Richtung gar nicht gelingt oder das Risiko der Gewebeperforation eintritt. Weiterhin kann es im Fall der Endoskopie von Interesse sein, den mit einer Kamera ausgestatteten Endoskopiekopf in bestimmte Richtungen zu drehen, um z.B. die Schleimhaut in einem Abschnitt des Magen-Darmtrakts vollständig zu sehen. Dies ist mit heutigen Katheterendoskopen nur bedingt möglich, weil die Katheterspitze nur eingeschränkt beweglich ist. Darüber hinaus weisen übliche Katheterendoskope den Nachteil auf, dass entfernt liegende innere Organe nur schwer oder gar nicht er- reichbar sind.
Die passive, durch die natürliche Peristaltik des Magen- Darmtraktes bewegte Endoskopiekapsel hat die genannten Nachteile der Katheterendoskope nicht, ist allerdings auch nicht navigierbar, d.h. die gezielte Sichtung bestimmter Stellen im Inneren das Magen-Darm-Traktes ist nicht möglich. Es wurden daher magnetische Navigations- bzw. Führungssysteme vorgeschlagen, die eine katheter- bzw. drahtlose Führung von Endoskopiekapseln, die ein magnetisches Dipolmoment enthalten, ermöglichen. Eine katheter- oder drahtlose Führung wird nachstehend auch als „berührungslos" bezeichnet.
Die DE 103 40 925 B3 und die WO 2006/092421 Al beschreiben jeweils eine Magnetspulenanordnung bestehend aus 14 Einzelspulen zur Navigation einer Endoskopiekapsel, einer Videokapsel oder einer sonstigen Sonde. Die Kapsel ist hierbei mit einem magnetischen Element, bspw. einem Permanent- oder Fer- romagneten, ausgestattet. Die Magnetspulenanordnung erzeugt Magnetfeldkomponenten Bx, By, Bz entlang der Achsen x, y, z eines kartesischen Koordinatensystems sowie magnetische Gradientenfelder, die eine berührungslose Führung der Endoskopiekapsel ermöglichen.
Hierbei wird ausgenutzt, dass sich das magnetische Element, d.h. ein Körper mit einem magnetischen Dipolmoment m, parallel zur Richtung des magnetischen Feldes B bestehend aus den Magnetfeldkomponenten Bx, By, Bz in Richtung der Achsen des kartesischen Koordinatensystems auszurichten versucht. Da das magnetische Element fest mit der Endoskopiekapsel verbunden ist, kann so die Orientierung der Kapsel beeinflusst werden. Zusätzlich wirkt ausgelöst durch die magnetischen Gradientenfelder SBx / Sx etc. eine Kraft F = G • m mit einer die Gra- dientenfeider umfassenden Gradientenmatrix G auf das magnetische Dipolmoment m gemäß
F = G • m = m
Figure imgf000004_0001
Die Gradientenmatrix G ist aufgrund der Maxwell-Gleichungen rot B = 0 und div B = 0 symmetrisch und spurfrei, d.h. sie enthält mit OBx / dy ( = öBy / Sx ) , OBx / dz (= öBz / dx ) , öBy / dz
(= ÖBZ / dy ) und zweien der drei Diagonalelemente (bspw. OBx / dx und δBy / dy ) fünf unabhängige Gradientenfelder.
Durch eine gezielte Ansteuerung der Einzelspulen der Magnetspulenanordnung können das Magnetfeld B und die Gradientenfelder beliebig eingestellt werden. Es ist damit zum Einen möglich, das magnetische Element zu drehen und es somit beliebig in einem Arbeitsraum A innerhalb der Magnetspulenanordnung auszurichten. Zum Anderen ist es möglich, eine Kraft F auf das magnetische Element auszuüben, um es zusätzlich zur Drehung translatorisch zu verschieben. Hierzu werden acht quasi-statische magnetische Freiheitsgrade realisiert, nämlich die Magnetfeldkomponenten Bx, By, Bz sowie zwei der drei Einträge der Diagonalelemente (bspw. OBx / dx und δBy / dy) und drei der Nebendiagonalelemente (bspw. OBx / dy , δBz / dx , dBz / dy) der Gradientenmatrix G.
Die in DE 103 40 925 B3 und WO 2006/092421 Al beschriebenen Systeme haben den Nachteil, dass sie aufgrund der dort benötigten 14 einzeln angesteuerten Spulen wegen der hohen Zahl an Spulen und Leistungsverstärkern relativ kostenintensiv in Herstellung und Installation sind.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein kostengünstigeres magnetisches Führungssystem bestehend aus einer Spulenanordnung und mehreren, den Spulen zugeordneten Leistungsverstär- kern anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die in dem unabhängigen Anspruch angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die vorliegende Erfindung geht davon aus, dass zur Untersuchung eines Patienten nur eine begrenzte Anzahl von Manövern einer Endoskopiekapsel benötigt wird, dass also die Auslegung einer Spulenanordnung hinsichtlich dieser tatsächlich benötigten Manöver zu optimieren ist. Insbesondere wird ein deutlich kostengünstigeres Design durch eine detaillierte Analyse der Anforderungen an die Spulenanordnung und eine Auslegung der Einzelspulen dergestalt erreicht, dass richtungsselektiv nur die Feldstärken und Feldgradienten realisierbar sein müssen, die bei Betrachtung der gewünschten Manöver der Endosko- piekapsel benötigt werden.
Bei der Auslegung der Spulenanordnung wird angenommen, dass in die Endoskopiekapsel ein Permanentmagnet fest eingebaut ist. Der Permanentmagnet ist also fest mit der Kapsel verbunden, so dass Bewegungen des Permanentmagneten, die durch die erfindungsgemäße Spulenanordnung ausgelöst werden, auf die Endoskopiekapsel übertragen werden. Das magnetisches Moment m des Permanentmagneten ist bevorzugt entweder in Richtung der Kapsellängsachse oder senkrecht zu dieser orientiert. Abhängig von diesen beiden Möglichkeiten der Permanentmagnetausrichtung ergeben sich leichte Unterschiede im erfindungs- gemäßen magnetischen Führungssystem.
Die Optimierung hinsichtlich der tatsächlich benötigten Manöver der Endoskopiekapsel, die im Folgenden im Zusammenhang mit den Figuren am Beispiel einer Untersuchung der Speiseröh- re (Ösophagus bzw. Esophagus) , des Magens (Gaster) und des Zwölffingerdarms (Duodenum) beschrieben wird (sog. „EGDλλ- Untersuchung) , führt zu einer Spulenanordnung zur Führung der Endoskopiekapsel mit nur noch zehn oder zwölf Einzelspulen. Dabei werden einige der zehn oder zwölf Einzelspulen paarwei- se, d.h. durch denselben Leistungsverstärker, betrieben. Dies schlägt sich vorteilhafterweise darin nieder, dass nur noch sechs, sieben oder acht Leistungsverstärker benötigt werden.
Die grundsätzliche Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Spu- lenanordnung ist analog zur Wirkungsweise der in
DE 103 40 925 B3 bzw. in WO 2006/092421 Al beschriebenen Anordnung. Diesbezüglich und hinsichtlich theoretischer Grund- lagen wird daher auf die DE 103 40 925 B3 und die WO 2006/092421 Al verwiesen.
Vorteilhafterweise erlaubt die erfindungsgemäße Spulenanordnung, dass man gegenüber den in DE 103 40 925 B3 bzw. in WO 2006/092421 Al beschriebenen Anordnungen durch ein geändertes Layout der Spulenanordnung mit weniger Einzelspulen und weniger Leistungsverstärkern dieselbe Anzahl magnetischer Freiheitsgrade (maximal acht) erzeugen kann. Werden aufgrund einer besonderen Anwendung bzw. Untersuchung einer oder mehrere dieser Freiheitsgrade nicht benötigt, kommt man mit weniger Leistungsverstärkern oder ggf. zusätzlich auch mit weniger Spulen aus .
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.
Dabei zeigt:
Figur 1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Spulenanordnung,
Figur 2 eine schematische Ansicht verschiedener Spulenpaare der Spulenanordnung mit Kennzeichnung des Stromflusses durch die Spulenpaare,
Figur 3a eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Spulenanordnung,
Figur 3b eine perspektivische Ansicht des Ausführungsbeispiels der Figur 3a,
Figur 3c eine alternative Ausführung des Ausführungsbeispiels der Figur 3a,
Figur 4a eine Flächenspule,
Figur 4b eine in Teilspulen aufgetrennte Flächenspule,
Figur 5a einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Spulenanordnung,
Figur 5b eine Sattelspule in perspektivischer Darstellung,
Figur 6 eine Ringspule in perspektivischer Darstellung, Figur 7 eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Spulenanordnung und
Figur 8 Zylinderquerschnitte in schematischer Ansicht.
Erstes Ausführungsbeispiel
Die Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Spulenanordnung 100, die vorgesehen ist zur Führung bzw. Navigation eines magnetischen Elements, insbesondere einer Endoskopiekapsel 200, im Inneren eines Patienten (nicht dargestellt) , die einen Permanentmagneten mit einem magnetischen Dipolmoment m in Richtung der Kapsellängsachse enthält (nicht dargestellt) . Der Permanentmagnet ist fest mit der Endoskopiekapsel 200 verbunden, so dass Bewegungen des Permanentmagneten, die durch die Spulenanordnung 100 erzeugt werden, direkt auf die Endoskopiekapsel 200 übertragen werden. Insbesondere kann die Spulenanordnung 100 Magnetfeldkomponenten Bx, By, Bz sowie bestimmte Gradientenfelder (dBy/dx etc.) der Gradientenmatrix
G erzeugen, die in einem kartesischen Koordinatensystem x, y, z wie in der Figur 1 dargestellt definiert sind. Die Längsachse der Spulenanordnung 100 entspricht der z-Achse des Koordinatensystems. Diese Definition des Koordinatensystems gilt in gleicher Form auch für die weiteren Ausführungsbeispiele .
Die Spulenanordnung 100 des ersten Ausführungsbeispiels beinhaltet im Unterschied zu den in DE 103 40 925 B3 und in WO 2006/092421 Al beschriebenen Spulenanordnungen mit vierzehn Einzelspulen nur noch zwölf Einzelspulen 1-12, umfassend eine erste 1 bis zwölfte Spule 12.
Vier der zwölf Einzelspulen 1-12, insbesondere die erste 1 bis vierte Spule 4, der Spulenanordnung 100 sind als identisch geformte Sattelspulen 1-4 ausgebildet und umfassen ei- nen Arbeitsraum A, in dem der Patient positioniert wird. Die Sattelspulen 1-4 bilden eine (gedachte) Mantelfläche eines Zylinders mit kreisförmigem Querschnitt und erstrecken sich entlang des Umfangs der Mantelfläche jeweils über denselben Raumwinkel cxi = o<2 (vgl. Figur 5a) . Das Zentrum des Zylinders befindet sich im Ursprung des kartesischen Koordinatensystems, die Längs- bzw. Symmetrieachse des Zylinders ist in z- Richtung orientiert. Die Sattelspulen 1-4 sind in Umfangs- richtung der Mantelfläche gesehen vorteilhaft gegenseitig beabstandet angeordnet, d.h. zwischen ihren stirnseitigen Abschnitten und somit zwischen ihren in z-Richtung verlaufenden Längsseiten befindet sich jeweils ein Zwischenraum, der eine thermische Ausdehnung der Sattelspulen zulässt. Die ersten Sattelspulen 1, 2 bilden ein erstes Spulenpaar 1, 2 und die zweiten Sattelspulen 3, 4 bilden ein zweites Spulenpaar 3, 4.
Die fünfte 5 und die sechste Spule 6 bilden den Abschluss des Zylinders in z-Richtung und sind als Ringspulen ausgebildet, d.h. die Einzelspulen 5, 6 sind ebene, kreisförmige Spulen und weisen einen rechteckigen Querschnitt auf. Die Ringspulen 5, 6 liegen jeweils in einer Ebene parallel zur x-y-Ebene und bilden ein drittes Spulenpaar 5, 6. In z-Richtung gesehen befinden sich die Ringspulen 5, 6 an Positionen + zr und - zr , bspw. mit zr = 400mm. Die Mittelpunkte der Ringspulen 5, 6 liegen auf der z-Achse, die Innendurchmesser der Ringspulen 5, 6 entsprechen dem Innendurchmesser dM der durch die Sattelspulen 1-4 gebildeten Mantelfläche, wobei bspw. dM = 620mm gelten kann. Die Länge der Mantelfläche in z-Richtung wird definiert durch die Länge der Sattelspulen 1-4 in z-Richtung. Gemäß der Figur 5b kann eine Sattelspule bspw. 700mm lang sein .
Die Sattelspulen 1-4 und/oder die Ringspulen 5, 6 können al- ternativ als Flächenspulen gestaltet sein. Die oben beschriebene Lage der jeweiligen Spulen im Koordinatensystem kann dabei unverändert bleiben. Flächenspulen zeichnen sich dadurch aus, dass sie bspw. im Unterschied zu Sattelspulen als ebene Spulen ausgebildet sind und vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
Weitere sechs Einzelspulen 7-12, insbesondere die siebte 7 bis zwölfte Spule 12, sind flügelartig angeordnet und als rechteckige Flächenspulen 7-12 ausgebildet, wobei die Seiten des jeweiligen Rechtecks parallel zu den entsprechenden Achsen des Koordinatensystems ausgerichtet sind. Dabei bezeichnet der Begriff „flügelartig", dass die jeweilige Einzelspule in der x-y-Ebene, in der x-z-Ebene oder in der y-z-Ebene und gleichzeitig radial außerhalb der Mantelfläche des durch die Sattelspulen 1-4 gebildeten Zylinders angeordnet ist, wie in der Figur 1 ersichtlich.
Grundsätzlich gilt, dass die Einzelspulen 1-12 möglichst nah am Arbeitsraum A platziert werden sollten. Speziell die Flächenspulen 7-12 werden derart dimensioniert, dass sie vom Koordinatenursprung aus gesehen deutlich flacher als breit sind.
Die ersten Flächenspulen 7, 8 befinden sich in der x-z-Ebene, d.h. in y-Richtung an Positionen y = 0, und bilden ein viertes Spulenpaar 7, 8. Die radial innen liegenden leitenden Abschnitte der ersten Flächenspulen 7, 8 befinden sich in x- Richtung an Positionen + rf und — rf , wobei bspw. 2rf = 840mm gelten kann. In z-Richtung sind die ersten Flächenspulen 7, 8 derart positioniert, dass ihre geometrischen Mittelpunkte bei z = 0 liegen.
Die zweiten Flächenspulen 9, 10 befinden sich in der x-y- Ebene, d.h. in z-Richtung an Positionen z = 0, und bilden ein fünftes Spulenpaar 9, 10. Die radial innen liegenden leitenden Abschnitte der zweiten Flächenspulen 9, 10 befinden sich in y-Richtung an Positionen + rf und - rf . In x-Richtung sind die zweiten Flächenspulen 9, 10 derart positioniert, dass ihre geometrischen Mittelpunkte bei x = 0 liegen.
Weiterhin sind dritte Flächenspulen 11, 12 vorgesehen, die ein sechstes Spulenpaar 11, 12 bilden. Die Flächenspulen 11, 12 befinden sich in der x-y-Ebene, d.h. in z-Richtung an Positionen z = 0, und sind gekreuzt zu den ersten Flächenspulen 7, 8 und innerhalb der ersten Flächenspulen 7, 8 angeordnet. Die radial innen liegenden leitenden Abschnitte der zusätzli- chen Flächenspulen 11, 12 befinden sich in x-Richtung an Positionen + rf und — rf . In y-Richtung sind die zusätzlichen
Flächenspulen 11, 12 derart positioniert, dass ihre geometrischen Mittelpunkte bei y = 0 liegen.
Ein Spulenpaar, d.h. ein Sattelspulenpaar, ein Ringspulenpaar bzw. ein Flächenspulenpaar, zeichnet sich dadurch aus, dass die beiden dem Spulenpaar zugehörigen Einzelspulen bezüglich des Ursprungs des kartesischen Koordinatensystems (x, y, z) punktsymmetrisch zueinander sind. Die die geometrischen Mittelpunkte der Spulen eines Spulenpaars verbindende Linie geht durch den Ursprung des Koordinatensystems. Zusätzlich gilt insbesondere für ein Sattelspulenpaar und ein Ringspulenpaar, dass die die geometrischen Mittelpunkte der Spulen dieser Spulenpaare jeweils verbindende Linie senkrecht auf der Querschnittsfläche der Spulen steht. Unter der Querschnittsfläche einer Sattelspule wird dabei die Fläche verstanden, die durch die beiden in z-Richtung verlaufenden leitenden Abschnitte definiert wird. Bspw. die Querschnittsfläche der Sattelspule 4 läge demnach gemäß der Figur 5b in einer Ebene parallel zur y-z-Ebene. Ggf. können die beiden einem Spulenpaar zugehörigen Einzelspulen durch einen gemeinsamen Leistungsverstärker bestromt werden, anstatt die beiden Einzelspulen jeweils durch einen separaten Leistungsverstärker mit Strom zu ver- sorgen.
Die Figuren 2a-2c zeigen den Stromfluss durch die Spulenpaare 1 und 2 (Figur 2a), 7 und 8 (Figur 2b) sowie 9 und 10 (Figur 2c) , wobei die Richtung des Stroms durch Pfeile symbolisiert wird. Diese drei Spulenpaare werden jeweils von nur einem Leistungsverstärker betrieben. Das Spulenpaar 1, 2 erzeugt hiermit die Komponente Bx des Magnetfeldes B . Das Spulenpaar 7, 8 wird zur Erzeugung des Gradientenfeldes dBy / dx
(= δBx / dy ) eingesetzt und das Spulenpaar 9, 10 erzeugt das Gradientenfeld dBz / dy .
Die Spulen 3 bis 6 werden im Unterschied zu den oben, im Zusammenhang mit der Figur 2 beschriebenen Spulenpaaren indivi- duell von separaten Leistungsverstärkern betrieben und erzeugen zum Einen die Komponenten By (Einzelspulen 3, 4) und Bz (Einzelspulen 5, 6) des Magnetfeldes B. Zum Anderen werden die Gradientenfelder dB / dy und dBz / dz erzeugt, indem die Einzelspulen 3 und 4 zur Erzeugung des Gradientenfeldes dB / dy mit unterschiedlichen Strömen versorgt werden. Dementsprechend wird das Gradientenfeld dBz / dz durch unterschiedliche Ströme in den Einzelspulen 5 und 6 aufgebaut.
Die Flächenspulen 11, 12 werden durch einen gemeinsamen Leistungsverstärker betrieben und erzeugen ein Gradientenfeld dBz / Sx .
Mit der Spulenanordnung 100 des ersten Ausführungsbeispiels ist es demnach möglich, mit nur zwölf Einzelspulen und acht Leistungsverstärkern sämtliche acht magnetischen Freiheitsgrade zu realisieren, d.h. die Magnetfeldkomponenten Bx, By, Bz sowie die fünf Gradientenfelder dBy I dy , dBz /dz, OBx I dy , dBz / δx , dBz / dy der Gradientenmatrix g.
Die Spulenanordnung 100 des ersten Ausführungsbeispiels ist starr ausgeführt, d.h. die Einzelspulen 1-12 sind mechanisch nicht beweglich und es sind keine Permanentmagnete vorgesehen. Gleiches gilt für die Spulenanordnungen der weiteren Ausführungsbeispiele.
Vor der Beschreibung weiterer Ausführungsbeispiele wird im Folgenden die weitere Optimierung hinsichtlich der tatsächlich benötigten Manöver der Endoskopiekapsel beschrieben.
Zur vollständigen Untersuchung der Speiseröhre (Ösophagus bzw. Esophagus) , des Magens (Gaster) und des Zwölffingerdarms (Duodenum) des Patienten ist eine eingeschränkte Anzahl von Manövern M1-M5 der Endoskopiekapsel 200 notwendig. Dement- sprechend kann die Spulenanordnung 100 für die spezielle Anwendung gemäß den Figuren 3a/b, 8 und 9 ausgelegt werden. Der Patient befindet sich üblicherweise auf dem Rücken oder auf dem Bauch mit der Körperlängsachse in z-Richtung liegend innerhalb der Spulenanordnung 100.
Ml: Zur Untersuchung der Speiseröhre muss die Endoskopiekap- sei 200 lediglich in z-Richtung bewegt werden, da auch die Speiseröhre in guter Näherung in z-Richtung orientiert ist. Es muss demnach eine Kraft in z-Richtung erzeugt werden. Dementsprechend muss die Spulenanordnung ein Gradientenfeld dBz / dz aufbauen. M2 : Für die Navigation der Kapsel 200 im Magen wird vorausgesetzt, dass er zum Teil mit Flüssigkeit gefüllt ist. Der Patient muss hierfür vor und während der Untersuchung Wasser zu sich nehmen. Um die in y-Richtung ausgerichtete Endoskopie- kapsel mit in Kapsellängsrichtung magnetisiertem Permanent- magneten an der Wasseroberfläche, d.h. in x- und/oder z- Richtung, zu manövrieren, sind Gradientenfelder dB / dx (= OBx / dy ) und dBy / dz (= dBz / dy) notwendig. Die in Klammern gesetzten Ausdrücke ergeben sich zwangsläufig aufgrund der Maxwell-Gleichung rot B = O. M3 : Um im Magen die Position der Endoskopiekapsel 200 an der Wasseroberfläche zu halten, muss eine magnetische Kraft erzeugt werden, die der Gewichtskraft entgegenwirkt. Dabei wird wieder davon ausgegangen, dass das magnetische Moment m der Endoskopiekapsel 200 in y-Richtung orientiert ist. Es muss demnach ein Gradientenfeld dBy / dy erzeugt werden. Dieses kann darüber hinaus verwendet werden, um die Endoskopiekapsel 200 unter- und wieder auftauchen zu lassen.
M4 : Bspw. zur Aufnahme von Bildern der Mageninnenwand kann es nötig sein, die Endoskopiekapsel 200 in eine bestimmte, be- liebige Richtung r zu drehen. Hierzu muss die Spulenanordnung 100 ein magnetisches Feld B parallel zur gewünschten Richtung r aufbauen. Dementsprechend muss es möglich sein, sämtliche Komponenten Bx, By, Bz des magnetischen Feldes B zu erzeugen . M5 : Um die Endoskopiekapsel 200, die weiterhin im Wesentlichen in y-Richtung orientiert ist, durch den Magenausgang zu führen, ist wieder ein Gradientenfeld dBy / dy notwendig. Zweites Ausführungsbeispiel
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird die in den Figuren 3a/b dargestellte Spulenanordnung 100 dazu verwendet, die En- doskopiekapsel 200 im Magen des Patienten zu navigieren. Hierzu kann angenommen werden, dass die Endoskopiekapsel 200 über den normalen Schluckvorgang in den Magen befördert wurde. Zum Manövrieren der Kapsel 200 im Magen sind die oben aufgeführten Manöver M2 bis M4 notwendig. Dementsprechend muss die Spulenanordnung 100 des ersten Ausführungsbeispiels ein Magnetfeld B in beliebiger Richtung sowie die Gradientenfelder dBy I dy , dBy / dx und dBz / dy erzeugen. Im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel ist es demnach nicht notwendig, ein Gradientenfeld dBz / dx zu erzeugen. Auf die dritten Flächenspulen 11, 12 kann daher verzichtet werden, so dass im zweiten Ausführungsbeispiel nur zehn Einzelspulen 1-10, d.h. die erste 1 bis zehnte Spule 10, benötigt werden.
Zur Erzeugung der genannten Magnetfeldkomponenten und Gradientenfelder im zweiten Ausführungsbeispiel werden darüber hinaus nur sechs Leistungsverstärker benötigt: Die aus den
Einzelspulen 1 und 2, 5 und 6, 7 und 8 sowie 9 und 10 bestehenden vier Spulenpaare werden jeweils über einen gemeinsamen Leistungsverstärker versorgt und erzeugen die Magnetfeldkomponenten bzw. Gradientenfelder Bx, Bz, dBy / dx sowie dBz / dy . Die Einzelspulen 3 und 4 werden zur Erzeugung der Magnetfeldkomponente By und des Gradientenfeldes dB / dy mit unterschiedlichen Strömen und deswegen mit zwei einzelnen Leistungsverstärkern betrieben.
Da die Gradientenmatrix G wie oben beschrieben symmetrisch ist, gilt dBy / dx = SBx / dy . Anstelle der in der Figur 3a dargestellten Positionierung der Einzelspulen 7, 8 zur Erzeugung des Gradientenfeldes dBy / dx können die Einzelspulen 7, 8 wie in der Figur 3c gezeigt zur Erzeugung eines Gradienten- feldes OBx / dy gekreuzt zu den 9, 10 angeordnet werden. Das Spulenpaar 7, 8 wird dabei weiterhin über einen gemeinsamen Leistungsverstärker versorgt. Die Flächenspulen 7, 8 befinden sich nun in der y-z-Ebene, d.h. in x-Richtung an Positionen x = 0. In z-Richtung sind die ersten Flächenspulen 7, 8 derart positioniert, dass ihre geometrischen Mittelpunkte bei z = 0 liegen.
Drittes Ausführungsbeispiel
Die Spulenanordnung 100 im dritten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen zur Führung der parallel zu ihrer Längsachse mag- netisierten Endoskopiekapsel 200 durch die Speiseröhre (Ö- sophagus bzw. Esophagus) , den Magen (Gaster) und den Zwölf- fingerdarm (Duodenum) des Patienten, d.h. für eine vollständige EGD-Untersuchung. Dementsprechend sind im dritten Ausführungsbeispiel sämtliche der oben angeführten Manöver Ml bis M5 zu realisieren.
Die Spulenanordnung 100 muss demnach derart ausgebildet sein, dass ein Magnetfeld B in beliebiger Richtung sowie Gradientenfelder dBy I dy , dBz /dz, dBy / dx und dBz / dy erzeugt werden können. Hierzu sind wie im zweiten Ausführungsbeispiel zehn Einzelspulen 1-10 notwendig. Im Unterschied zum zweiten Aus- führungsbeispiel werden jedoch sieben Leistungsverstärker benötigt: Die drei Spulenpaare bestehend aus der ersten 1 und der zweiten Spule 2, der siebten 7 und der achten Spule 8 sowie der neunten 9 und der zehnten Spule 10 werden jeweils ü- ber einen Leistungsverstärker betrieben und erzeugen die FeI- der bzw. Gradientenfelder Bx, dBy / dx sowie dBz / dy . Die dritte 3 und die vierte Spule 4 werden zur Erzeugung der Magnetfeldkomponente By und des Gradientenfeldes dBy / dy mit unterschiedlichen Strömen und deswegen mit zwei einzelnen Leistungsverstärkern betrieben. Genauso werden die Spulen 5 und 6 zur Erzeugung von Bz und dBz / dz mit zwei einzelnen Leistungsverstärkern betrieben.
Viertes Ausführungsbeispiel
In einem vierten Ausführungsbeispiel ist das magnetische Mo- ment des Permanentmagneten der Endoskopiekapsel 200 senkrecht zur Längsachse der Endoskopiekapsel 200 ausgerichtet. Um wie im zweiten Ausführungsbeispiel eine Untersuchung des Magens durchzuführen, müssen die Manöver M2' bis M4' ausführbar sein, die an die oben beschriebenen Manövern M2 bis M4 angelehnt sind:
M2 ' : Bei Navigation der in vertikaler Richtung ausgerichteten Kapsel 200 an der Wasseroberfläche im Magen liegt das magnetische Moment m der Endoskopiekapsel in der x-z-Ebene. Um die Endoskopiekapsel in x- und/oder z-Richtung zu manövrie- ren, werden Gradientenfelder OBx / dx und δBz /dz benötigt.
M3' : Um im Magen die Position der Endoskopiekapsel 200 an der Wasseroberfläche zu halten oder um die Kapsel 200 in vertikaler Richtung zu bewegen, müssen Gradientenfelder dBy / dx und δBz / dy erzeugt werden. M4': Zur Drehung der Endoskopiekapsel 200 in eine bestimmte, beliebige Richtung r muss die Spulenanordnung 100 ein magnetisches Feld B parallel zur gewünschten Richtung r aufbauen.
Zusammenfassend werden demnach zur Magenuntersuchung mit ei- ner diametral magnetisierten Kapsel 200 die Magnetfeldkomponenten Bx, By, Bz sowie die Gradientenfelder OBx / dx , dBz /dz, dBy / dx und δBz / dy benötigt.
Zur Erzeugung dieser Felder kann wieder eine Spulenanordnung mit zehn Einzelspulen 1-10 wie in den Figuren 3a/b dargestellt verwendet werden, wobei die aus den Einzelspulen 3 und 4, 7 und 8 sowie 9 und 10 bestehenden drei Spulenpaare jeweils über einen gemeinsamen Leistungsverstärker versorgt werden, um die Felder bzw. Gradientenfelder By, dBy / dx sowie ÖBZ / dy zu erzeugen. Die Einzelspulen 1 und 2 werden zur Erzeugung der Magnetfeldkomponente Bx und des Gradientenfeldes OBx / dx mit unterschiedlichen Strömen und deswegen mit zwei einzelnen Leistungsverstärkern betrieben. Genauso werden die Einzelspulen 5 und 6 zur Erzeugung von Bz und <9Bz / dz mit zwei einzelnen Leistungsverstärkern betrieben. Es werden demnach sieben Leistungsverstärker benötigt. Fünftes Ausführungsbeispiel
Die Spulenanordnung 100 eines fünften Ausführungsbeispiels ist identisch zur Spulenanordnung 100 des ersten Ausführungsbeispiels und umfasst zwölf Einzelspulen 1-12 (Figur 1) und acht Leistungsverstärker. Zur Verschaltung der Einzelspulen 1-12 und der Leistungsverstärker wird auf das erste Ausführungsbeispiel verwiesen. Wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, ist es mit der zwölf Einzelspulen 1-12 umfassenden Spulenanordnung 100 gemäß Figur 1 möglich, sämtliche acht magnetischen Freiheitsgrade zu erzeugen. Demnach können auch sämtliche im Zusammenhang mit der diametral magnetisierten Endoskopiekapsel 200 benötigten Manöver durchgeführt werden. Die Spulenanordnung 100 des ersten und des fünften Ausführungsbeispiels ist demnach universell für Endoskopiekapseln 200 einsetzbar, deren magnetisches Moment m parallel oder senkrecht zur Kapsellängsachse ausgerichtet ist. Für eine diametral magnetisierte Endoskopiekapsel 200 ergeben sich gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel aufgrund anderer zu erzeugender Kräfte und Drehmomente aller- dings Unterschiede in der Auslegung der Spulenanordnung 100 bezüglich der Bestromung der Einzelspulen und der Auslegung der Einzelspulen bspw. hinsichtlich der Amperewindungszahl.
Weitere Ausführungsformen Die Flächenspulen 7-12 können derart dimensioniert sein, dass sie vom Koordinatenursprung aus gesehen deutlich flacher als breit sind. Dabei bezieht sich das Merkmal „flach" am Beispiel der Flächenspule 7 in der Figur 4a auf die Dicke dF des leitenden Abschnitts, d.h. in x-Richtung gesehen auf die Aus- dehnung des innen (und des außen) liegenden leitenden Abschnitts. Das Merkmal „breit" beschreibt die Ausdehnung 1F des leitenden Abschnitts in y-Richtung. Für die Flächenspule 7 kann demnach so ausgelegt sein, dass gilt dF < IF- Die Flächenspule 8 kann identisch dimensioniert werden. Die übrigen Flächenspulen 9 und 10 bzw. 11 und 12 können genauso ausgebildet sein. Dabei müssen die für die verschiedenen Spulenpaare 7 und 8, 9 und 10 sowie ggf. 11 und 12 gewählten Bema- ßungen dF, IF nicht übereinstimmen. Die Flächenspulen 7-12 können jeweils in mehrere einzelne Teilspulen aufgetrennt sein. Wieder am Beispiel der Flächenspule 7 der Figur 4a kann die in der x-z-Ebene liegende Flä- chenspule 7 in y-Richtung, d.h. in Richtung des auf der Querschnittsfläche der Spule 7 stehenden Normalenvektors, übereinander liegende Teilspulen 7a, 7b und 7c aufgetrennt werden, wie in der Figur 4b dargestellt. Die Flächenspule 8 wäre dementsprechend ebenfalls in Teilspulen 8a, 8b und 8c aufge- trennt (nicht dargestellt) . Vorzugsweise stimmen die Bemaßun- gen der Teilspulen 7a und 8a, 7b und 8b sowie 7c und 8c überein. Hierdurch wird vorteilhafterweise eine Homogenisierung des durch die Flächenspulen 7 und 8 erzeugbaren Feldgradienten dB / dx erreicht. Dabei kann zwischen zwei übereinander liegenden Spulen ein Zwischenraum in der Größenordnung von lern liegen. Dementsprechend können auch die übrigen Flächenspulen 9-12 in mehrere Teilspulen aufgetrennt werden mit der entsprechenden Homogenisierung ihrer Gradientenfelder. Die Auftrennung in mehr oder weniger Teilspulen als in der Figur 4b dargestellt ist ebenfalls denkbar.
Eine weitere Ausführungsform der Spulenanordnung 100 gemäß der Figur 5a bezieht sich lediglich auf die Sattelspulen 1-4. Die spezielle Ausgestaltung der Sattelspulen 1-4 kann die im Rahmen der im Vorfeld beschriebenen Ausführungsbeispiele enthaltenen Sattelspulen 1-4 ersetzen. Die Sattelspulen 1-4 können hinsichtlich des Raumwinkels α entlang des Umfangs der Mantelfläche unterschiedlich ausgebildet sein. Die erste Spule 1 und die zweite Spule 2 erstrecken sich entlang des Um- fangs der Mantelfläche jeweils über einen ersten Raumwinkel cxi, während sich die dritte Spule 3 und die vierte Spule 4 jeweils über einen zweiten Raumwinkel o<2 erstrecken. Um zum Einen das magnetische Feld By in y-Richtung und zum Anderen auch das Gradientenfeld dB / dy zu verstärken, werden die Raumwinkel c*2 der Sattelspulen 3 und 4 auf c*2 > 90° vergrößert. Vorzugsweise liegen die Raumwinkel jedoch im Bereich 90° < o<2 < 110°. Der erste Raumwinkel cxi der Sattelspulen 1 und 2 ist dann entsprechend zu verkleinern. In der Figur 5b ist eine bevorzugte Ausführungsform der Sattelspule 4 gezeigt. Die übrigen Sattelspulen können dementsprechend dimensioniert sein. Die Sattelspule 4 ist flach ausgebildet, d.h. die Ausdehnung ds des leitenden Abschnitts in radialer Richtung kann kleiner sein als die Querausdehnung ls des leitenden Abschnitts in z.B. z-Richtung.
Die Figur 6 zeigt eine Ausführung der Ringspule 5, die in z- Richtung gesehen flach ausgeführt ist. Dies bedeutet, dass die Ausdehnung 1R in z-Richtung kleiner sein kann als die Stärke dR des Ringes, d.h. als die Ausdehnung dR der Ringspule 5 in radialer Richtung. Die Ringspule 6 kann identisch ausgebildet sein.
In einer weiteren Ausführungsform, die in der Figur 7 skizziert ist, werden die Flächenspulen 7, 8 und/oder 9, 10 räumlich näher an den Arbeitsraum A herangeführt. Dies hat den Vorteil, dass die den Nebendiagonalelementen der Gradienten- matrix G entsprechenden Gradientenfelder, im vorliegenden Fall insbesondere die Gradientenfelder dBy / dx und/oder δBz / dy , verstärkt werden, ohne dass leistungsfähigere Elektronik benötigt wird. Hierzu werden die Flächenspulen 7, 8 und/oder 9, 10 räumlich z.T. in die Sattelspulen integriert, so dass zumindest die radial innen liegenden leitenden Abschnitte der Flächenspulen 7, 8 und/oder 9, 10 näher am Arbeitsraum A liegen. Im Unterschied zu den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen befinden sich die Flächenspulen 7, 8 und/oder 9, 10 nun nicht mehr vollständig radial außerhalb der Mantelfläche des durch die Sattelspulen 1-4 gebildeten
Zylinders. Die Flächenspulen 7, 8 und/oder 9, 10 müssen hierfür entsprechend der Dimensionierung der Sattelspulen in z- Richtung verkürzt werden, was den zusätzlichen Vorteil mit sich bringen kann, dass das Gewicht der Flächenspulen 7, 8 und/oder 9, 10 reduziert wird.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele unterscheiden sich neben der Anzahl der zu verwendenden Einzelspulen, der Kapselmagnetisierungsrichtung und dem Betreiben der Einzelspulen durch Leistungsverstärker als Spulenpaar oder einzeln auch darin, dass die konkreten Ausführungsformen hinsichtlich der Bemaßungen und des Leistungsbedarfs der Einzelspulen 1-10 bzw. 1-12 variieren können.
Bei den im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 3c gezeigten Ausführungsbeispielen mit gekreuzten Spulen kann jeweils eine der gekreuzten Spulen innerhalb der anderen Spule liegen, d.h. die innen liegende Spule muss entsprechend kleiner gestaltet werden als die außen liegende, umgebende Spule. Alternativ können die die leitenden Abschnitte überschneiden, d.h. dass sich am Schnittpunkt der Spulen die Leiterbahnen der beiden Spulen abwechseln.
Es wird darauf hingewiesen, dass die obige Definition des Koordinatensystems x,y,z willkürlich ist, insbesondere betreffend die Ausrichtung der x- und der y-Achse. Eine Drehung der Spulenanordnung 100 nach einem der oben beschriebenen Ausfüh- rungsbeispiele um einen beliebigen Drehwinkel um die Längsachse der Spulenanordnung, d.h. um die z-Achse des Koordinatensystems, wird nicht weiter beschrieben, ist aber ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Dies betrifft insbesondere das erste und das fünfte Ausführungsbeispiel sowie deren weitere Ausführungen, da mit diesen sämtliche magnetischen Freiheitsgrade erzeugbar sind. Eine Drehung der Spulenanordnung 100 um die z-Achse um bspw. 90° bringt eine Spulenanordnung 100' hervor, mit der ebenfalls sämtliche magnetischen Freiheitsgrade erzeugt werden können. Die Spulenanord- nung 100' wirkt demnach genauso wie die Spulenanordnung 100.
Alle beschriebenen Ausführungsbeispiele der Spulenanordnungen 100 enthalten vier Sattelspulen 1-4 und zwei Ringspulen 5, 6, die alle auf der Mantelfläche eines Zylinders mit kreisförmi- gern, in der Figur 8a schematisch dargestelltem Querschnitt liegen bzw. die Mantelfläche eines Kreiszylinders beschreiben. Alternativ kann dieser 6-Spulen-Zylinder aber auch einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen (Figu- ren 8b, 8c) . Statt der vier Sattelspulen werden dann vier Flachspulen und statt der zwei Ringspulen werden dann zwei Rechteckspulen verwendet. Weiterhin kann der Querschnitt des Zylinders auch quadratisch oder rechteckig mit abgerundeten Ecken sein, wie in der Figur 8d angedeutet. Auch ein elliptischer (Figur 8e) oder ein unsymmetrischer Querschnitt (Figur 8f) , bspw. ein abgeplatteter Kreis, sind denkbar. Der Querschnitt des Zylinders wird durch die Formgebung der Einzelspulen 1-6 realisiert.
Falls eine Wasserkühlung von Einzelspulen benötigt wird, kann ein Kühlsystem über einen nicht bestromten, wasserdurchflos- senen Hohlleiter vorgesehen werden. Der Hohlleiter kann bei den Ringspulen 5, 6 als Wickellage außenseitig am Wickelpaket liegen und bevorzugt mit dem Wickelpaket vergossen sein. Bei den Sattelspulen 1-4 kann die Kühlleiter-Wickellage außen auf dem stromführenden Wickelpaket liegen. Bei den Flächenspulen 7-10 bzw. 7-12 wird vorteilhaft auf den Wickelkörper erst eine Hohlleiterlage gewickelt und darauf dann der stromführende Rechteckleiter.

Claims

Patentansprüche
1. Spulenanordnung (100) zur berührungslosen Führung eines magnetischen Elementes (200), insbesondere einer Endoskopie- kapsei, mit einem magnetischen Dipolmoment (m) in einem Arbeitsraum (A) in einem kartesischen Koordinatensystem (x, y, z) umfassend mehrere Einzelspulen (1-12) zur Erzeugung der Komponenten (Bx, By, Bz) eines Magnetfeldes (B) und/oder zur Erzeugung mindestens vier unabhängiger Gradientenfelder einer Gradientenmatrix (G) , wobei
— eine Vielzahl von ersten Einzelspulen (1-4) entlang der Um- fangsrichtung einer Mantelfläche eines gedachten, sich entlang der z-Achse erstreckenden Zylinders hintereinander liegend angeordnet ist, — eine Vielzahl von zweiten Einzelspulen (5-6) an den beiden stirnseitigen Enden des Zylinders angeordnet ist und
— eine Vielzahl von dritten Einzelspulen (7-12) flügelartig angeordnet ist.
2. Spulenanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Einzelspulen (1-12) einem Spulenpaar (1-2, 3-4, 5-6, 7-8, 9-10, 11-12) zugeordnet sind, wobei
- die beiden einem Spulenpaar (1-2, 3-4, 5-6, 7-8, 9-10, 11- 12) zugeordneten Einzelspulen (1-12) zueinander punktsymmetrisch bezüglich des Ursprungs des kartesischen Koordinatensystems (x, y, z) angeordnet sind und
- durch die Spulenpaare (1-2, 3-4, 5-6, 7-8, 9-10, 11-12) die Komponenten (Bx, By, Bz) des Magnetfeldes (B) und/oder die mindestens vier unabhängigen Gradientenfelder der symmetrischen, spurfreien Gradientenmatrix (G) erzeugbar sind.
3. Spulenanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Einzelspulen (1-4) mindestens eine erste (1), eine zweite (2), eine dritte (3) und eine vierte (4) Spule umfassen, wobei die erste (1) und die zweite (2) Spule ein erstes Spulenpaar (1-2) und die dritte (3) und die vierte (4) Spule ein zweites Spulenpaar (3-4) bilden.
4. Spulenanordnung (100) nach Anspruch 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass
- der geometrische Mittelpunkt der ersten Spule (1) auf dem negativen x-Achsenabschnitt liegt,
- der geometrische Mittelpunkt der zweiten Spule (2) auf dem positiven x-Achsenabschnitt liegt, - der geometrische Mittelpunkt der dritten Spule (3) auf dem negativen y-Achsenabschnitt liegt und
- der geometrische Mittelpunkt der vierten Spule (4) auf dem positiven y-Achsenabschnitt liegt, wobei die Querschnittsflächen der ersten (1) und der zweiten (2) Spule in Ebenen parallel zur y-z-Ebene liegen und die
Querschnittsflächen der dritten (3) und der vierten (4) Spule in Ebenen parallel zur x-z-Ebene liegen.
5. Spulenanordnung (100) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste (1), die zweite
(2), die dritte (3) und die vierte (4) Spule entlang der Um- fangsrichtung der Mantelfläche über denselben Raumwinkel (α) erstrecken .
6. Spulenanordnung (100) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste (1) und die zweite (2) Spule jeweils entlang der Umfangsrichtung der Mantelfläche über einen ersten Raumwinkel (cxi) und sich die dritte (3) und die vierte (4) Spule jeweils entlang der Umfangsrich- tung der Mantelfläche über einen zweiten Raumwinkel (0(2) erstrecken .
7. Spulenanordnung (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Raumwinkel (0(2) größer ist als der erste Raumwinkel (cxi) , wobei der zweite Raumwinkel (02) insbesondere in einem Bereich 90° < 0L2 < 110° liegt.
8. Spulenanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Einzelspulen (1-4) jeweils nach Bauart einer Sattelspule, nach Bauart einer Flächenspule oder nach Bauart einer Ringspule ausgebildet sind.
9. Spulenanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Einzelspulen (1-4) in Umfangsrichtung der Mantelfläche gesehen gegenseitig beabstandet angeordnet sind.
10. Spulenanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Einzelspulen (5-6) mindestens eine fünfte (5) und eine sechste (6) Spule umfassen, wobei die fünfte (5) und die sechste (6) Spule ein drittes Spulenpaar (5—6) bilden.
11. Spulenanordnung (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass - der geometrische Mittelpunkt der fünften (5) Spule auf dem positiven z-Achsenabschnitt und
- der geometrische Mittelpunkt der sechsten (6) Spule auf dem negativen z-Achsenabschnitt liegt, wobei die Querschnittsflächen der fünften (5) und der sechs- ten (6) Spule in Ebenen parallel zur x-y-Ebene liegen.
12. Spulenanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Einzelspulen (5-6) als Ringspulen oder als Flächenspulen ausgebildet sind.
13. Spulenanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten Einzelspulen (7-12) mindestens eine siebte (7), eine achte (8), eine neunte (9) und eine zehnte (10) Spule umfassen, wobei die siebte Spule (7) und die achte Spule (8) ein viertes Spulenpaar (7-8) und die neunte Spule (9) und die zehnte Spule (10) ein fünftes Spulenpaar (9-10) bilden.
14. Spulenanordnung (100) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten Einzelspulen (7-12) zusätzlich mindestens eine elfte (11) und eine zwölfte (12) Spule umfas- sen, wobei die elfte (11) und die zwölfte (12) Spule ein sechstes Spulenpaar (11-12) bilden.
15. Spulenanordnung (100) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass - der geometrische Mittelpunkt der elften Spule (11) auf dem negativen x-Achsenabschnitt liegt,
- der geometrische Mittelpunkt der zwölften Spule (12) auf dem positiven x-Achsenabschnitt liegt, wobei die Querschnittsflächen der elften (11) und der zwölf- ten (12) Spule in der x-y-Ebene liegen.
16. Spulenanordnung (100) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass
— der geometrische Mittelpunkt der siebten Spule (7) auf dem negativen x-Achsenabschnitt liegt,
- der geometrische Mittelpunkt der achten Spule (8) auf dem positiven x-Achsenabschnitt liegt,
— der geometrische Mittelpunkt der neunten Spule (9) auf dem negativen y-Achsenabschnitt liegt und — der geometrische Mittelpunkt der zehnten Spule (10) auf dem positiven y-Achsenabschnitt liegt, wobei die Querschnittsflächen der siebten (7) und der achten (8) Spule in der x-z-Ebene und die Querschnittsflächen der neunten (9) und der zehnten (10) Spule in der x-y-Ebene lie- gen.
17. Spulenanordnung (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen der geometrischen Mittelpunkte der elften (11) und der siebten (7) Spule sowie die Positionen der geometrischen Mittelpunkte der zwölften
(12) und der achten (8) Spule deckungsgleich oder eng benachbart sind.
18. Spulenanordnung (100) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass
— der geometrische Mittelpunkt der siebten Spule (7) auf dem negativen y-Achsenabschnitt liegt, - der geometrische Mittelpunkt der achten Spule (8) auf dem positiven y-Achsenabschnitt liegt,
— der geometrische Mittelpunkt der neunten Spule (9) auf dem negativen y-Achsenabschnitt liegt und
— der geometrische Mittelpunkt der zehnten Spule (10) auf dem positiven y-Achsenabschnitt liegt, wobei die Querschnittsflächen der siebten (7) und der achten (8) Spule in der y-z-Ebene und die Querschnittsflächen der neunten (9) und der zehnten (10) Spule in der x-y-Ebene liegen .
19. Spulenanordnung (100) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen der geometrischen Mittelpunkte der neunten (9) und der siebten (7) Spule sowie die Positionen der geometrischen Mittelpunkte der zehnten (10) und der achten (8) Spule deckungsgleich oder eng benachbart sind.
20. Spulenanordnung (100) nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten Einzelspulen (7-12) als Ringspulen oder als Flächenspulen ausgebildet sind.
21. Spulenanordnung (100) nach einem der nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass
— die siebte (7) und die achte (8) Spule und/oder
— die neunte (9) und die zehnte (10) Spule und/oder - die elfte (11) und die zwölfte (12) Spule jeweils aus mindestens zwei in Richtung des auf der jeweiligen Querschnittsfläche der Spule stehenden Normalenvektors übereinander liegenden Teilspulen (7a, 7b, 8a, 8b,...) besteht, wobei zwischen zwei übereinander liegenden Teilspulen (7a, 7b, 8a, 8b,...) ein Zwischenraum liegt.
22. Spulenanordnung (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, einem der Ansprüche 10 bis 12 und einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass
- ein erster Leistungsverstärker zur Stromversorgung der ers- ten Spule (1) und der zweiten Spule (2) vorgesehen ist,
- ein zweiter Leistungsverstärker zur Stromversorgung der siebten Spule (7) und der achten Spule (8) vorgesehen ist,
- ein dritter Leistungsverstärker zur Stromversorgung der neunten Spule (9) und der zehnten Spule (10) vorgesehen ist und
- ein vierter Leistungsverstärker zur Stromversorgung der elften Spule (11) und der zwölften Spule (12) vorgesehen ist, und wobei zur Stromversorgung der dritten (3), der vierten
(4), der fünften (5) und der sechsten (6) Spule jeweils ein weiterer Leistungsverstärker vorgesehen ist.
23. Spulenanordnung (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, einem der Ansprüche 10 bis 12 und einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass - ein erster Leistungsverstärker zur Stromversorgung der ersten Spule (1) und der zweiten Spule (2) vorgesehen ist,
- ein zweiter Leistungsverstärker zur Stromversorgung der fünften Spule (5) und der sechsten Spule (6) vorgesehen ist,
- ein dritter Leistungsverstärker zur Stromversorgung der siebten Spule (7) und der achten Spule (8) vorgesehen ist,
- ein vierter Leistungsverstärker zur Stromversorgung der neunten Spule (9) und der zehnten Spule (10) vorgesehen ist und und wobei zur Stromversorgung der dritten (3) und der vierten (4) Spule jeweils ein weiterer Leistungsverstärker vorgesehen ist .
24. Spulenanordnung (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, einem der Ansprüche 10 bis 12 und einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass
- ein erster Leistungsverstärker zur Stromversorgung der ersten Spule (1) und der zweiten Spule (2) vorgesehen ist, — ein zweiter Leistungsverstärker zur Stromversorgung der siebten Spule (7) und der achten Spule (8) vorgesehen ist,
— ein dritter Leistungsverstärker zur Stromversorgung der neunten Spule (9) und der zehnten Spule (10) vorgesehen ist und und wobei zur Stromversorgung der dritten (3) , der vierten (4), der fünften (5) und der sechsten (6) Spule jeweils ein weiterer Leistungsverstärker vorgesehen ist.
25. Spulenanordnung (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, einem der Ansprüche 10 bis 12 und einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass
— ein erster Leistungsverstärker zur Stromversorgung der dritten Spule (3) und der vierten Spule (4) vorgesehen ist, — ein zweiter Leistungsverstärker zur Stromversorgung der siebten Spule (7) und der achten Spule (8) vorgesehen ist,
— ein dritter Leistungsverstärker zur Stromversorgung der neunten Spule (9) und der zehnten Spule (10) vorgesehen ist und und wobei zur Stromversorgung der ersten (1), der zweiten
(2), der fünften (5) und der sechsten (6) Spule jeweils ein weiterer Leistungsverstärker vorgesehen ist.
26. Spulenanordnung (100) nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Element (200) eine Endoskopiekapsel mit einem magnetischen Dipolmoment ( m ) ist, welches parallel zu einer Längsachse der Endoskopiekapsel ausgerichtet ist.
27. Spulenanordnung (100) nach einem der Ansprüche 22 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Element (200) eine Endoskopiekapsel mit einem magnetischen Dipolmoment (m) ist, welches senkrecht zu einer Längsachse der Endoskopiekapsel ausgerichtet ist.
28. Spulenanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Element (200) einen Permanentmagneten enthält, der fest mit dem magnetischen Element verbunden ist.
29. Spulenanordnung (100) nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwerpunkt des magnetischen Elements (200) außerhalb der geometrischen Mitte des magnetischen Elements (200), insbesondere auf dessen Längsachse liegend und in Richtung der Längsachse verschoben, angeordnet ist.
30. Spulenanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (100) um die z-Achse gedreht angeordnet ist.
PCT/EP2008/068312 2008-01-17 2008-12-29 Spulenanordnung zur führung eines magnetischen elements in einem arbeitsraum WO2009089992A1 (de)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010542559A JP5436447B2 (ja) 2008-01-17 2008-12-29 作業空間内で磁気素子を案内するためのコイル装置
US12/863,247 US8475363B2 (en) 2008-01-17 2008-12-29 Coil arrangement for guiding a magnetic element in a working space
EP08870931.6A EP2229118B1 (de) 2008-01-17 2008-12-29 Spulenanordnung zur führung eines magnetischen elements in einem arbeitsraum
CN200880124853.9A CN101909541B (zh) 2008-01-17 2008-12-29 用于在工作区内导引磁性元件的线圈布置

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102008004871A DE102008004871B4 (de) 2008-01-17 2008-01-17 Spulenanordnung zur Führung eines magnetischen Elements in einem Arbeitsraum
DE102008004871.2 2008-01-17

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2009089992A1 true WO2009089992A1 (de) 2009-07-23

Family

ID=40652082

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2008/068312 WO2009089992A1 (de) 2008-01-17 2008-12-29 Spulenanordnung zur führung eines magnetischen elements in einem arbeitsraum

Country Status (6)

Country Link
US (1) US8475363B2 (de)
EP (1) EP2229118B1 (de)
JP (1) JP5436447B2 (de)
CN (1) CN101909541B (de)
DE (1) DE102008004871B4 (de)
WO (1) WO2009089992A1 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010105882A1 (de) * 2009-03-16 2010-09-23 Siemens Aktiengesellschaft Spulenanordnung zur führung eines magnetischen objekts in einem arbeitsraum
WO2011023710A1 (de) * 2009-08-31 2011-03-03 Siemens Aktiengesellschaft Spulensystem für eine magnetisch geführte kapselendoskopie
US10581176B2 (en) 2016-05-10 2020-03-03 Rochester Institute Of Technology Thin-film sensor antenna

Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100036394A1 (en) * 2007-01-31 2010-02-11 Yoav Mintz Magnetic Levitation Based Devices, Systems and Techniques for Probing and Operating in Confined Space, Including Performing Medical Diagnosis and Surgical Procedures
US8500509B2 (en) * 2007-08-17 2013-08-06 Juan Carlos OROZCO Entertainment device including a remote controlled magnetic mini-craft
DE102008008681A1 (de) 2008-02-12 2009-09-03 Siemens Aktiengesellschaft Fahrwerkstraverse für ein Schienenfahrzeug
DE102008064379A1 (de) 2008-12-22 2010-07-15 Siemens Aktiengesellschaft Magnetspulenanordnung mit festen und beweglichen Spulen
DE102009007513B4 (de) 2009-02-05 2011-02-10 Siemens Aktiengesellschaft Ablösen einer Endoskopiekapsel von einer Oberfläche einer Flüssigkeit
DE102009060514A1 (de) * 2009-12-23 2011-06-30 Siemens Aktiengesellschaft, 80333 Spulensystem und Verfahren zur berührungslosen magnetischen Navigation eines magnetischen Körpers in einem Arbeitsraum
EP2648599A4 (de) * 2010-12-08 2016-09-07 Given Imaging Ltd Magnetisch steuerbare in-vivo-vorrichtung
DE102011004825B4 (de) * 2011-02-28 2019-05-02 Siemens Healthcare Gmbh Verfahren zum Steuern des Transports einer ein magnetisches Moment aufweisenden Endoskopkapsel
DE102011006948A1 (de) 2011-04-07 2012-10-11 Siemens Aktiengesellschaft Einrichtung zum Steuern des Transports einer magnetischen Endoskopkapsel bei der Durchführung einer endoskopischen Untersuchung des Magen-Darm-Traktes eines Patienten
DE102011078405B4 (de) 2011-06-30 2013-03-21 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur Endoskopie mit magnetgeführter Endoskopkapsel sowie Einrichtung dazu
KR101256408B1 (ko) * 2011-08-25 2013-04-25 전남대학교산학협력단 마이크로로봇시스템 및 관형소화기관 검사용 캡슐형내시경시스템
CN102579088B (zh) * 2012-01-13 2016-06-29 天津科技大学 一种基于永磁阵列的三维导航可控磁场装置
DE102012216797A1 (de) * 2012-09-19 2014-03-20 Siemens Aktiengesellschaft Medizinisches Gesamtsystem zur magnetischen Navigation
WO2014063048A1 (en) * 2012-10-18 2014-04-24 University Of Utah Research Foundation Omnidirectional electromagnet
CN103078413B (zh) * 2012-12-26 2015-04-01 长春工业大学 一种为植入式传感器供能装置及植入式传感器的接收装置
CN105263391A (zh) * 2013-03-11 2016-01-20 基文影像公司 操纵可吞入式体内装置的操纵线圈结构
WO2015029033A1 (en) 2013-08-29 2015-03-05 Given Imaging Ltd. System and method for maneuvering coils power optimization
US9704951B2 (en) * 2013-11-15 2017-07-11 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Apparatus and method for magnetic-field guided metal-assisted chemical etching
KR102061263B1 (ko) 2017-07-21 2020-01-02 주식회사 우영메디칼 전자기 코일시스템 제어 장치 및 방법
CN108042094B (zh) * 2017-12-22 2024-02-13 宜宾学院 无线胶囊内窥镜5自由度的定位系统及其定位方法
CN109696643B (zh) * 2019-01-14 2021-09-03 苏州融康信息科技有限公司 磁共振线圈装置和磁共振成像系统
WO2024103175A1 (en) * 2022-11-18 2024-05-23 Starpax Biopharma Inc. Magnetic head for magnetic field-based system for targeted medical intervention in a subject

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999011189A1 (en) * 1997-08-29 1999-03-11 Stereotaxis, Inc. Method and apparatus for magnetically controlling motion direction of a mechanically pushed catheter
DE10340925B3 (de) * 2003-09-05 2005-06-30 Siemens Ag Magnetspulensystem zur berührungsfreien Bewegung eines magnetischen Körpers in einem Arbeitsraum
WO2006092421A1 (de) * 2005-03-04 2006-09-08 Siemens Aktiengesellschaft Spulensystem zur berührungsfreien magnetischen navigation eines magnetischen körpers in einem arbeitsraum

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6241671B1 (en) * 1998-11-03 2001-06-05 Stereotaxis, Inc. Open field system for magnetic surgery

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999011189A1 (en) * 1997-08-29 1999-03-11 Stereotaxis, Inc. Method and apparatus for magnetically controlling motion direction of a mechanically pushed catheter
DE10340925B3 (de) * 2003-09-05 2005-06-30 Siemens Ag Magnetspulensystem zur berührungsfreien Bewegung eines magnetischen Körpers in einem Arbeitsraum
WO2006092421A1 (de) * 2005-03-04 2006-09-08 Siemens Aktiengesellschaft Spulensystem zur berührungsfreien magnetischen navigation eines magnetischen körpers in einem arbeitsraum

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010105882A1 (de) * 2009-03-16 2010-09-23 Siemens Aktiengesellschaft Spulenanordnung zur führung eines magnetischen objekts in einem arbeitsraum
WO2011023710A1 (de) * 2009-08-31 2011-03-03 Siemens Aktiengesellschaft Spulensystem für eine magnetisch geführte kapselendoskopie
CN102481174A (zh) * 2009-08-31 2012-05-30 西门子公司 用于磁导航胶囊内镜检查的线圈系统
CN102481174B (zh) * 2009-08-31 2015-04-08 西门子公司 用于磁导航胶囊内镜检查的线圈系统
US9283044B2 (en) 2009-08-31 2016-03-15 Siemens Aktiengesellschaft Solenoid system for magnetically guided capsule endoscopy
US10581176B2 (en) 2016-05-10 2020-03-03 Rochester Institute Of Technology Thin-film sensor antenna

Also Published As

Publication number Publication date
US20110054254A1 (en) 2011-03-03
CN101909541A (zh) 2010-12-08
DE102008004871B4 (de) 2013-05-16
EP2229118B1 (de) 2013-12-18
JP5436447B2 (ja) 2014-03-05
CN101909541B (zh) 2014-06-25
JP2011509723A (ja) 2011-03-31
US8475363B2 (en) 2013-07-02
EP2229118A1 (de) 2010-09-22
DE102008004871A1 (de) 2009-07-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2229118B1 (de) Spulenanordnung zur führung eines magnetischen elements in einem arbeitsraum
DE102005010489B4 (de) Spulensystem zur berührungsfreien magnetischen Navigation eines magnetischen Körpers in einem in einem Arbeitsraum befindlichen Patienten
DE10340925B3 (de) Magnetspulensystem zur berührungsfreien Bewegung eines magnetischen Körpers in einem Arbeitsraum
DE10343494B4 (de) Magnetisch navigierbare Einrichtung für den Einsatz auf dem Gebiet der medizinischen Endoskopie
DE102007021033B3 (de) Strahlführungsmagnet zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen längs einer gekrümmten Teilchenbahn und Bestrahlungsanlage mit einem solchen Magneten
DE4422782C2 (de) Aktiv geschirmte transversale Gradientenspule für Kernspintomographiegeräte
DE102009013352B4 (de) Spulenanordnungen zur Führung eines magnetischen Objekts in einem Arbeitsraum
EP3641621B1 (de) Endoskop-vorrichtung
DE102005032289A1 (de) Endoskopiesystem
DE102007012360B4 (de) Navigationseinrichtung
EP2473129B1 (de) Spulensystem für eine magnetisch geführte kapselendoskopie
DE102006019987A1 (de) Endoskopiekapsel
DE102010044106A1 (de) Instrumentensystem
DE4313843A1 (de) Vorrichtung zur endoskopischen Exploration des Körpers
DE102007036242A1 (de) Magnetspulensystem zur Kraftausübung auf eine Endoskopiekapsel
DE102005007631A1 (de) Verfahren zum Antreiben einer Kapsel innerhalb eines Patienten mit Hilfe eines elektrischen Spulensystems
EP3093681A1 (de) Eine modular aufgebaute anordnung von gradienten- oder shimspulen
EP2361049B1 (de) Magnetspulenanordnung mit festen und beweglichen spulen
WO2016050923A1 (de) Manipulator zur erzeugung einer translationsbewegung
DE102016005437B4 (de) Operatives Assistenzsystem für einen Magnetresonanztomographen und Verfahren hierzu
DE102006019986A1 (de) Endoskopiekapsel
EP3452843B1 (de) Operatives assistenzsystem für einen magnetresonanztomographen
DE102007025584B4 (de) Strahlungsführungsmagnet zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen längs einer gekrümmten Teilchenbahn und Bestrahlungsanlage mit einem solchen Magneten
DE102006019989A1 (de) Endoskopiekapsel
EP3690468A1 (de) Magnetresonanzeinrichtung und verfahren zur aufnahme von magnetresonanzdaten mit einer gradientenspule welche zur erzeugung eines radialen gradientenfelds ausgebildet ist

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 200880124853.9

Country of ref document: CN

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08870931

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2008870931

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 12863247

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2010542559

Country of ref document: JP