WO2010105882A1 - Spulenanordnung zur führung eines magnetischen objekts in einem arbeitsraum - Google Patents

Spulenanordnung zur führung eines magnetischen objekts in einem arbeitsraum Download PDF

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WO2010105882A1
WO2010105882A1 PCT/EP2010/051771 EP2010051771W WO2010105882A1 WO 2010105882 A1 WO2010105882 A1 WO 2010105882A1 EP 2010051771 W EP2010051771 W EP 2010051771W WO 2010105882 A1 WO2010105882 A1 WO 2010105882A1
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coil
axis
individual coils
coils
axes
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PCT/EP2010/051771
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Inventor
Johannes Reinschke
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
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    • 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 object in a working space
  • the invention relates to a coil arrangement for non-contact guidance of a magnetic object, 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.
  • difficulties in navigation generally occur in curves or branches in such a way that the operator, if necessary, has to direct the instrument in the desired direction by multiple probing and one
  • 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
  • the magnetic element tries to align itself parallel to the direction of the magnetic field B consisting of the magnetic field components B x , B y , B z in the direction of the axes of the Cartesian coordinate system. Since the magnetic element is firmly connected to the endoscopy capsule, so the orientation of the capsule can be influenced.
  • a force F Gm with a gradient matrix G comprising the gradient fields acts on the magnetic dipole moment m according to FIG.
  • the force F and the magnetic moment m are - analogous to magnetic field B - three-dimensional vectors with corresponding ⁇ the x, y and z components.
  • the magnetic field B and the gradient fields can be set arbitrarily. It is thus possible for one thing to rotate the magnetic object and thus align it arbitrarily in a working space within the magnet coil arrangement. On the other hand, it is possible to exert a force F on the magnetic object to translate it in addition to rotation.
  • the object of the invention is therefore to provide a cheaper magnetic guide system consisting of a coil arrangement and a plurality of drive units assigned to the coils.
  • the coil arrangement according to the invention serves to guide a magnetic object with a magnetic dipole moment in a working space for which a Cartesian coordinate system with three axes comprising a horizontal first axis, a horizontal second axis and a vertical third axis is predetermined.
  • the coil arrangement includes a plurality of individual coils for generating components of a magnetic field and of gradient fields, wherein the gradient fields are described by the gradient matrix G described in the introduction.
  • a plurality of drive units are provided, which are realized in particular as corresponding power amplifiers.
  • the plurality of individual coils comprises a plurality of first individual coils, wherein the working space, viewed from the direction of the longitudinal axis of the respective first individual coil, lies within the circumference of the respective first individual coil.
  • the longitudinal axis of a single coil denotes the axis about which the windings of the coil extend.
  • the windings form the circumference of the coil.
  • the width of a single coil hereinafter refers to the width of the windings in the direction of the longitudinal axis.
  • one or more of the axes of the Cartesian coordinate system are each assigned at least one first coil pair of two first individual coils, which are arranged along the respective axis on opposite sides of the working space in substantially parallel planes.
  • one or more of the axes of the Cartesian coordinate system instead of a first coil pair is assigned a single first single coil or no first single coil, wherein the case "no first single coil” means that neither a coil pair of first individual coils nor a first single coil is provided along the axis.
  • the working space is at least partially surrounded by the circumference of a respective single individual first coil, ie the width of the circumference at least partially covers the working space.
  • a plurality of second individual coils is provided in addition to the first individual coils, wherein the working space in the direction of the longitudinal axis of a respective second individual coil is outside the circumference of the respective second individual coil.
  • one or more of the axes of the Cartesian coordinate system are each assigned at least one second coil pair of two second individual coils, which are arranged substantially in a common plane along the respective axis on opposite sides of the working space.
  • a common plane is to be understood as meaning a plane which extends through the circumference of the second coils of the respective coil pair. It is thus a wing-like arrangement of the corresponding second individual coils of a second coil pair in the vicinity of the working space.
  • the above embodiment of the coil arrangement according to the invention has the advantage that the number of individual coils used is reduced by replacing at least one pair of coils from two first individual coils with a single first individual coil.
  • the number of drive units used is also reduced by the fact that at least two individual coils can be controlled by a common drive unit.
  • a specific embodiment of the first embodiment of the invention comprises exactly eleven individual coils.
  • two first coil pairs are provided, wherein one of the first coil pairs is associated with the first axis and the other of the first coil pairs is associated with the third axis.
  • the second axis is a single first single coil assigned.
  • a second pair of coils which is associated with the first axis and is arranged in a plane which is spanned by the first and third axes.
  • two second coil pairs are provided, which are associated with the third axis and which are arranged in planes substantially perpendicular to each other, wherein one of the planes is spanned by the first and third axes and the other of the planes is spanned by the second and third axes ,
  • a magnetic object to which forces are applied with the coil assembly can be arbitrarily aligned in space with only eleven coils, and any forces can be exerted on the magnetic object.
  • the same first coil pairs and the same first single coil are also provided, which is associated with the first axis and is arranged in a plane which is spanned by the first and the third axis.
  • a second pair of coils is provided, which is associated with the third axis and which is arranged in a plane which is spanned by the first and third axes.
  • a further second coil pair is provided, which is associated with the first axis and is arranged in a plane which is spanned by the first and second axes.
  • a minimum number of eight drive units is used to drive the coils.
  • all the first individual coils are actuated by separate drive units and the second coil pairs are each actuated by a common drive unit.
  • a second embodiment of the invention serves to arbitrarily align a magnetic object in space and to exert only magnetic forces on the magnetic object in the plane, which are spanned by the direction of the magnetic dipole moment of the magnetic object and the vertical axis.
  • This variant is used in particular in the field of capsule endoscopy for gastric screening, as described for example in the publication WO 2007/077922 Al. The endoscopy capsule in the stomach of the patient moves into water, which the patient previously drank.
  • the coil arrangement comprises exactly nine individual coils.
  • two first coil pairs are provided, wherein one of the first coil pairs is assigned to the first axis and the other of the first coil pairs is assigned to the third axis.
  • a single first single coil is provided, which is associated with the second axis.
  • the coil arrangement includes two second coil pairs which are associated with the third axis and which are arranged in planes substantially perpendicular to each other, wherein one of the planes is spanned by the first and third axes and the other of the planes through the second and third Axle is clamped.
  • the same first coil pairs, the same single first single coil and the same, the third axis associated and lying in the plane of the first and third axis second coil pair are provided.
  • a second pair of coils is provided, which is associated with the first axis and is arranged in a plane which is spanned by the first and second axes.
  • a third embodiment of the coil arrangement according to the invention serves to align a magnetic object arbitrarily in space and to exert only magnetic forces in the direction of the longitudinal axis of the magnetic object thereon.
  • the magnetic dipole moment of the object is perpendicular to the longitudinal axis of the object.
  • this embodiment serves, in particular, to move an endoscopy capsule in the manner of a tube navigation through the small intestine and / or large intestine of the patient to be examined.
  • the coil arrangement comprises exactly eight individual coils.
  • a first coil pair is provided, which is assigned to the third axis
  • a second coil pair which is associated with the first axis and is arranged in a plane which is spanned by the first and third axes.
  • two further second coil pairs are provided, which are assigned to the third axis and which are arranged in planes substantially perpendicular to each other, wherein one of the E benene spanned by the first and third axis and the other of the planes through the second and third axis is stretched.
  • the coil arrangement comprises eight individual coils, a first coil pair which is assigned to the first axis, a second coil pair which is assigned to the first axis and arranged in a plane which is spanned by the first and third axes and another second pair of coils associated with the first axis and disposed in a plane defined by the first and second axes.
  • a further second coil pair is provided, which is assigned to the third axis is and is arranged in a plane which is spanned by the first and third axes.
  • exactly seven control units can be provided, wherein all second individual coils can be controlled by separate control units and the two first individual coils of the first coil pair can be controlled by a common control unit.
  • the number of drive units can be reduced to six, in which case the second individual coils of the second coil pair, which is assigned to the first axis and arranged in a plane which is spanned by the first and third axes, by a common Control unit can be controlled.
  • the two first individual coils of the first coil pair can also be controlled by a common drive unit. All remaining individual coils of the coil arrangement can be controlled in this embodiment by separate control units.
  • the magnetic object in space should be arbitrarily alignable and only magnetic forces in the direction of the longitudinal axis of the magnetic object be exercisable.
  • the magnetic dipole moment of the magnetic element in the magnetic object is preferably aligned along the longitudinal axis of the magnetic object, which leads to the limitation that - in contrast to the previous embodiment - the magnetic object, for example in the form of a capsule, is not rotatable about its longitudinal axis ,
  • This embodiment is preferably used in the field of capsule endoscopy, in the "tube navigation" of capsules through the small intestine or large intestine.
  • first coil pairs of first individual coils are provided, wherein the first single coil of at least one first coil pair can be controlled by a common drive unit.
  • six first individual coils are provided, wherein each axis is associated with a first coil pair of two first individual coils.
  • This variant preferably comprises exactly five drive units, wherein the two first individual coils of a first coil pair can be controlled with a common drive unit and the remaining first individual coils can be controlled by separate drive units.
  • the coil arrangement comprises exactly five first individual coils, i. Two second coil pairs are provided and exactly one first coil pair is replaced by a single first single coil.
  • the individual coils at least partially comprise ring coils and / or saddle coils.
  • the individual coils may at least partially comprise surface coils, in particular with a width in the longitudinal direction, which is greater than the thickness of the coil, wherein the width is preferably at least ten times the thickness.
  • any variant of the embodiments of coils described in German Patent Application No. 10 2008 004 871.2-35 can be used in the arrangement according to the invention. The entire Offenba content of the German patent application just mentioned is made the content of the present application.
  • the coil arrangement according to the invention is preferably used in the field of magnetic capsule endoscopy.
  • the coil arrangement includes a patient table on which the patient to be examined lies during operation of the coil arrangement, wherein the patient table is arranged such that the longitudinal axis of a patient on the patient table extends substantially in the direction of the second axis of the Cartesian coordinate system ,
  • Fig. 1 is a schematic representation of a 12-coil system with eight power amplifiers based on an earlier patent application of the applicant;
  • FIG. 2 is a schematic diagram of an 11-coil system with eight power amplifiers according to a first embodiment of the invention
  • Figures 3 and 4 are schematic representations of a 10-coil system with seven power amplifiers based on a prior patent application of the Applicant;
  • FIG. 5 shows a 9-coil system with seven power amplifiers according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 8 and FIG. 9 show a 6-coil system or a 5-coil system, respectively.
  • FIG. 10 is a perspective view of a concrete embodiment of a coil system according to FIG. 3;
  • FIG. 11 shows a schematic representation of the current flow through the coil pair of coils 9 and 10 of the coil arrangement according to FIG. 10.
  • the magnetic object used is preferably an endoscopy capsule which contains a magnetic element, eg a permanent magnet, and which is positioned inside a patient (not shown), for example by the patient swallowing the capsule.
  • a capsule usually comprises a camera for taking pictures of internal organs of the patient and a corresponding transmission module with which the recorded images are sent to a processing unit with a corresponding receiver.
  • the magnetic dipole moment is denoted by m; it represents a three-dimensional vector.
  • the dipole moment is thereby generated, for example, with the aid of a permanent magnet and can be aligned in the capsule in the direction of the capsule longitudinal axis or optionally also perpendicular to the capsule longitudinal axis.
  • the permanent magnet is firmly connected to the endoscopy capsule so that forces and torques at the endoscope can be reached Permanent magnets, which are generated by the coil assembly according to the invention, are transmitted directly to the endoscopy capsule.
  • m x , m y and m z represent the components of the magnetic dipole moment in the direction of the x, y and z axes of the Cartesian coordinate system assigned to the coil system.
  • F x , F y and F z again represent the corresponding components of the force in the x, y or z direction.
  • the following relationship arises between the magnetic field B generated by the coil system at the location r and the force F on the one hand and the coil current vector I on the other hand:
  • Vi and V2 are matrices, which are given by the location r and the specific embodiment of the coil system.
  • the magnetic force F depends only on five gradient fields BB x IBx 1 BB y IBx, BBJBz, BBJBy and BBJBy, which results from the fact explained in the introduction that the gradient matrix is symmetrical and track-free due to the Maxwell equations.
  • Power amplifier can be controlled and certain pairs of coils omitted or replaced by a single coil.
  • minimum coil system configurations i. E. Configurations with the least possible number of coils and power amplifiers can be achieved.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a corresponding 12-coil system with eight power amplifiers, the structure of which goes back to the German patent application no. 10 2008 004 871.2-35. All embodiments of usable coils illustrated in this patent application can also be used in the variants according to the invention of the coil systems described below.
  • the coil system shown in Fig. 1 comprises the twelve individual coils 1 to 12, wherein analogous to the above-mentioned earlier German patent application, the first to fourth coil 1 to 4 may be formed as identically shaped saddle coils which surround a working space in the area of the illustrated Cartesian coordinate system with the horizontal x or z axis and the vertical y axis.
  • the body of the patient thus extends through the interior of the other coils 5 and 6, which may be configured as ring coils analogous to the above-mentioned earlier German patent application.
  • the movement of the corresponding magnetic object takes place or the endoscopy capsule, ie the working space is located inside the patient's body.
  • saddle coils 1 to 4 or toroidal coils 5 and 6 it is also possible to use surface coils which, in contrast to coil coils, are flat and preferably have a rectangular cross section.
  • the surface coils are preferably formed as wide surface coils whose winding package is wider than high, ie, the width along the longitudinal axis of the coil is substantially greater than the thickness or the winding height of the coil.
  • the coils surrounded 1 to 6 the working space whose origin is represented by the origin of the coordinate system shown.
  • the working space is centered in the volume formed by the coils 1 to 6 and it represents a cuboid whose opposite sides have approximately half the distance as the corresponding opposing coils.
  • the coils 1 to 6 thus represent the first individual coils in the sense of the claims, in which the working space, viewed from the direction of the longitudinal axis of a respective individual coil, lies within the circumference of the respective coil.
  • Correspondingly opposite coils 1 and 2 or 3 and 4 or 5 and 6 thereby represent first pairs of coils, which is associated with a corresponding axis of the Cartesian coordinate system, wherein the individual coils of the coil pair on opposite sides of the working space in substantially parallel E Benen are arranged.
  • the coil pair of coils 1 and 2 serves to generate the magnetic field component B x of the generated magnetic field B, wherein, when the two coils are separately actuated, each with a power amplifier, the gradient field dB x / dx can be generated.
  • the coils 3 and 4 are used to adjust the magnetic field component B y , wherein further the gradient field dB y / dy can be generated if the two coils are driven by separate power amplifiers.
  • the coils 5 and 6 are used to generate the magnetic field component B z , wherein further the gradient field dB z / dz can be generated, provided that the two coils of the coil pair by separate power amplifiers are controlled. If reference is made in all other embodiments to corresponding coils 1 to 6, then these coils are arranged analogously to FIG. 1 and also have the same function of generating a magnetic field component or a gradient field.
  • coils 8 to 12 are also provided in the example of FIG. 1, which represent second individual coils in the sense of the claims.
  • the coils 7 and 8 form a pair of coils whose two coils are arranged offset from the working space along the y-axis in the y-z plane.
  • the coils 9 and 10 form a pair of coils, which is arranged along the y-axis offset around the working space, but with respect to the coil pair of coils 7 and 8 is rotated by 90 ° in the x-y plane.
  • a coil pair of coils 11 and 12 is provided, wherein the coils are arranged offset to one another along the x-axis in the x-y plane on opposite sides of the working space.
  • the working space is seen from the direction of the longitudinal axis of a respective coil of the individual coils 7 to 12 outside the circumference of the respective coil.
  • the individual coils 7, 8 or 9, 10 or 11, 12 of the respective coil pairs can be driven by a common power amplifier.
  • the coil pair can be used to generate the gradient field dB x / dy
  • the individual coils are also arranged in the same geometric position with respect to the coordinate system as in FIG. Only for the coils 7 and 8 are there two alternative arrangements for generating the gradient field dB x / dy.
  • association between the power amplifier and the coils can be configured as follows:
  • Power Amplifier 6 Coils 9 and 10
  • Power Amplifier 7 Coils 7 and 8
  • Power amplifier 8 coils 11 and 12 Analogously, it is also possible that from the set of coils 1 to 6, the coils 3 and 4 are operated with a common power amplifier and the remaining of these coils with a separate power amplifier, wherein the coils 7 to 12 in the same manner as described above by power amplifier drives become.
  • FIG. 2 shows a variant of the coil system of FIG. 1, this coil system representing a first embodiment of a coil arrangement according to the invention.
  • the coil pair of first individual coils which is operated according to the variants of the embodiment of FIG. 1 with a common power amplifier, can be replaced by a single coil.
  • a single coil 5 ' instead of the coil pair of coils 5 and 6, a single coil 5 'is used, which is arranged centrally between the two (now omitted) coils 5 and 6.
  • the individual coil 5 ' is preferably a wide surface coil whose winding thickness is substantially smaller than its width in the z-direction.
  • the number of coils used can be reduced from 12 to 11, thereby reducing the cost of the coil system.
  • the assignment of the individual power amplifiers 1 to 8 to the corresponding coils of the coil system of FIG. 2 is as follows:
  • FIGS. 3 to 5 which in combination with a magnetic see object are used, which should be arbitrary in space to be aligned, but only magnetic forces in the plane to be generated, which is spanned by the magnetic dipole moment of the magnetic object and the vertical axis, ie the y-axis of the coil system.
  • this corresponds to the case in which the capsule moves in the stomach of the patient in water, wherein the patient has previously drunk a larger amount of water during this examination.
  • the buoyancy force acting on the capsule in water causes the capsule to float on the water surface with little or no magnetic force.
  • Case (B) This use case will be referred to as Case (B) below.
  • FIG. 3 and FIG. 4 each show two embodiments of coil systems for generating magnetic fields for the
  • Fig. 4 shows a modification of the coil system of Fig. 3, which is also due to the above-mentioned earlier German patent application.
  • the only difference of this embodiment from the embodiment of Fig. 3 is that now the coils 7 and 8 are arranged differently. These coils now lie in the xz-plane and are arranged along the x-axis on opposite sides of the working space. With this coil arrangement, the same effect is achieved as with the arrangement of the coils 7 and 8 in Fig. 3, ie, these coils are used to adjust the magnetic field component 3B x Idy.
  • Coils of FIG. 4 may be analogous based on the assignments of power amplifiers to coils, as described with respect to FIG. 2.
  • FIG. 5 shows a second embodiment of a coil system according to the invention with which, analogously to the embodiments of FIGS. 3 and 4, it is possible to navigate the endoscopy capsule based on the case (B).
  • the embodiment according to FIG. 5 is again based on the knowledge that the coil pair of the coil pairs of coils 1, 2 or 3, 4 or 5, 6, which is driven by a single power amplifier, can be replaced by a single coil.
  • the variant is shown in the the coils 5 and 6 of the embodiment of Fig. 3 are replaced by a single coil 5 '.
  • the remaining coils are arranged in the same way as shown in the embodiment of FIG.
  • the coil system now comprises only nine coils, wherein for the embodiment of FIG. 5, seven power amplifiers are used, which are assigned to the coils as follows:
  • Power Amplifier 6 Coils 9 and 10
  • Power Amplifier 7 Coils 7 and 8
  • either the coil pair of coils 1 and 2 or the coil pair of coils 3 and 4 can be replaced by a single coil, in which case along the y-axis, the coil pair of coils 5 and 6 preserved.
  • all coils which correspond to the first individual coils in the sense of claim 1 are driven by a single power amplifier, whereas the coils 7, 8 and 9, 10 are each driven by a common power amplifier ,
  • FIG. 6 and Fig. 7 relate to embodiments according to the invention, according to which a magnetic object in space should be arbitrarily alignable, only magnetic forces in the direction of the longitudinal axis of the capsule should be exercisable, and wherein the magnetic moment of the permanent magnet in the capsule aligned perpendicular to the capsule longitudinal axis is.
  • This navigation request which is referred to below as case (C) is used in particular for the "tube navigation" of endoscopy capsules in the small intestine or large intestine Due to the orientation of the magnetic moment perpendicular to the longitudinal axis of the capsule, a rotation of the capsule around its longitudinal axis can take place.
  • Axis be generated, which, for example, in spiral capsules by means of a corresponding rotational movement, a good forward movement of the capsule through the intestine is made possible.
  • the following coil configurations according to the embodiments of Figs. 6 and 7 can be used for spiral capsules disclosed in US 2003/0020810 A1 and US 2003/0181788 A1, respectively.
  • At least six power amplifiers are needed in conjunction with the three basic magnetic field components.
  • FIG. 6 shows an embodiment of a coil arrangement according to the invention for fulfilling the navigation requirements according to case (C).
  • the structure of the embodiment of Fig. 6 is similar to the structure of the embodiment of FIG. 1, but now the coils 1, 2 and 5, 6 have been omitted.
  • six or seven power amplifiers In the case that uses seven power amplifiers are corresponding power amplifiers numbered 1 to 7 are assigned to the coils as follows:
  • Fig. 7 shows another variant of an 8-coil system for satisfying the navigation requirements of the above case (C).
  • the embodiment according to FIG. 7 differs from the embodiment according to FIG. 6 in that the coils 7 and 8, which are used to generate the magnetic field component dB Idx, are now moved along the x-axis in the x-z axis.
  • the coil pair 1, 2 is used, which is arranged on opposite sides of the working space along the x-axis in parallel planes.
  • six or seven power amplifiers can be used to drive the coils.
  • these power amplifiers are assigned to the coils as follows:
  • the power amplifiers numbered 1 to 6 are assigned to the coils as follows:
  • Capsule can be arbitrarily aligned in space and only magnetic forces in the direction of the capsule longitudinal axis on the capsule be exercisable, the magnetic moment of the capsule is now aligned along the capsule longitudinal axis.
  • This case (D) also preferably relates to the variant of the magnetic guidance of an endoscopy capsule for tube navigation in the small and / or large intestine. In variant (D), however, the capsule can not be rotated about its longitudinal axis due to the magnetic dipole moment directed parallel to the longitudinal axis.
  • FIGS. 8 and 9 show corresponding variants of coil systems for fulfilling the navigation request according to case (D).
  • the six individual coils 1 to 6 are used, which in the terminology of the claims correspond to the first individual coils. Since only five power amplifiers are required, one of the coil pairs of coils 1 and 2 or 3 and 4 or 5 and 6 can be controlled by a common power amplifier. Accordingly, the following assignments of power amplifiers numbered 1 to 5 to the respective coils are possible:
  • Power amplifier 1 coils 1 and 2
  • Power amplifier 1 coil 1
  • Power amplifier 2 coil 2
  • Power amplifier 3 coils 3 and 4
  • Power amplifier 2 coil 2
  • Power amplifier 3 coil 3
  • Power amplifier 5 coils 5 and 6
  • FIG. 9 shows another embodiment for satisfying the navigation request in the case (D). Now that coil pair, which is driven in the embodiment of Fig. 8 by a common power amplifier, replaced by a single coil.
  • FIG. 9 shows the variant in which the coil pair of coils 5 and 6 is replaced by a single coil 5 '.
  • all coils are fed individually via a separate power amplifier. That is, there is the following assignment between power amplifiers numbered 1 to 5 to the coils:
  • Power amplifier 5 coil 5 '
  • FIG. 10 shows a perspective view of a concrete exemplary embodiment of a coil arrangement according to FIG. 3, wherein the coils used in FIG. 10 can be used in all previous embodiments according to FIGS. 1 to 9. you recognizes that in this embodiment, the individual coils 1 to 10 are formed as surface coils, wherein in addition to the coils 7 and 8, in particular the coils 9 and 10 are formed as wide surface coils whose respective width b is significantly greater than the thickness or winding height of Do the washing up. Wide area coils are also preferably used in those embodiments in which a pair of coils is replaced by a single centrally located coil. At least this centrally arranged coil, which is designated by the reference numeral 5 'in the preceding exemplary embodiments, is embodied as a wide surface coil.
  • FIG. 11 shows a corresponding current flow through the coils 9 and 10 shown in FIG. 10.
  • the field gradient of the corresponding secondary diagonal element of the gradient matrix is effected here only by the primary conductor, which is illustrated by the reference symbol L in FIG.
  • the remainder of the conductor in the coil, i. the return conductor, should be arranged as far away from the working space.
  • the current-carrying part of the coil should be arranged as close to the working space as possible, resulting in the preferred embodiment of the coil 9 or 10 as a wide surface coils.
  • minimal coil-system configurations are created, which are designed to meet the requirements for the degrees of freedom of movement of a magnetic object, in particular a permanent magnet endoscopy capsule, with little effort, i.e., a small amount of energy. with as few power amplifiers or coils as possible.
  • the invention is based on the knowledge that, with corresponding navigation requirements, the number of power amplifiers for driving the coils or the number of coils can be reduced.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung zur Führung eines magnetischen Objekts, insbesondere eine Endoskopiekapsel, in einem Arbeitsraum. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass für verschiedene Anforderungen an eine Navigation eines magnetischen Objekts geeignete Spulenanordnungen mit einer geringen Anzahl an Einzelspulen und entsprechenden Ansteuereinheiten zur Ansteuerung der Spulen eingesetzt werden. Bevorzugte Varianten von Spulen-Systemen umfassen dabei elf Einzelspulen mit acht Leistungsverstärkern, neun Einzelspulen mit sieben Leistungsverstärkern, acht Einzelspulen mit sechs bzw. sieben Leistungsverstärkern, sechs Einzelspulen mit fünf Leistungsverstärkern und fünf Einzelspulen mit fünf Leistungsverstärkern. Mit speziellen Varianten der erfindungsgemäßen Spulenanordnung kann dabei insbesondere die Untersuchung des Magens bzw. des Dickdarms und Dünndarms eines Patienten vorgenommen werden.

Description

Beschreibung
Spulenanordnung zur Führung eines magnetischen Objektes in einem Arbeitsraum
Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung zur berührungslosen Führung eines magnetischen Objektes, 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 derart auf, dass der Bediener das Instrument ggf. durch mehrfaches Pro- bieren 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 dBx/dx etc. eine Kraft F = G-m mit einer die Gradien- tenfelder umfassenden Gradientenmatrix G auf das magnetische Dipolmoment m gemäß
Idx SBx Idy SBx I dz
F = G-M = Idx ∞y Idy dBy I dz ■m . dB. Idx dB. Idv dB. I dz
Die Kraft F und das magnetische Moment m sind dabei - analog zu Magnetfeld B - dreidimensionale Vektoren mit entsprechen¬ den x-, y- und z-Komponenten . Die 3 x 3 Gradientenmatrix G ist aufgrund der Maxwell-Gleichungen rotH = O und divB = O sowie wegen B = μ0 ■ H symmetrisch und spurfrei, d.h. sie enthält mit dBJdy ( = dBy/dx), dBJdz ( = dBz/dx), dBy/dz ( = dBz/dy) und zweien der drei Diagonalelemente (bspw. dBx/dx und dBy/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 Objekt zu drehen und es somit beliebig in einem Arbeitsraum innerhalb der Magnetspulenanordnung auszurichten. Zum Anderen ist es möglich, eine Kraft F auf das magnetische Objekt 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 (beispielsweise dBx/dx und dBy/dy) und drei der Nebendiagonalelemente (beispielsweise 3Bx /dy, dBJdx, dBJdy) 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 Ansteuereinheiten in der Form von Leistungsver- stärkern relativ kostenintensiv in Herstellung und Installation sind.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein kostengünstigeres magnetisches Führungssystem bestehend aus einer Spulenanord- nung und mehreren, den Spulen zugeordneten Ansteuereinheiten anzugeben .
Diese Aufgabe wird durch eine Spulenanordnung gemäß Patentanspruch 1 bzw. eine Spulenanordnung gemäß Patentanspruch 13 bzw. eine Spulenanordnung gemäß Patentanspruch 16 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Die erfindungsgemäße Spulenanordnung dient zur Führung eines magnetischen Objektes mit einem magnetischen Dipolmoment in einem Arbeitsraum, für den ein kartesisches Koordinatensystem mit drei Achsen umfassend eine horizontale erste Achse, eine horizontale zweite Achse und eine vertikale dritte Achse vorgegeben ist. Die Spulenanordnung beinhaltet eine Mehrzahl von Einzelspulen zur Erzeugung von Komponenten eines Magnetfelds und von Gradientenfeldern, wobei die Gradientenfelder durch die eingangs beschriebene Gradientenmatrix G beschrieben wer- den. Ferner ist eine Mehrzahl von Ansteuereinheiten vorgesehen, welche insbesondere als entsprechende Leistungsverstärker realisiert werden.
Um gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung eine Be- wegung eines magnetischen Objektes in jeder Raumrichtung mit einer geringen Anzahl an Einzelspulen zu erreichen, wird folgende Ausgestaltung und Anordnung von Einzelspulen verwendet:
Die Mehrzahl von Einzelspulen umfasst eine Mehrzahl von ers- ten Einzelspulen, wobei der Arbeitsraum gesehen aus Richtung der Längsachse der jeweiligen ersten Einzelspule innerhalb des Umfangs der jeweiligen ersten Einzelspule liegt. Hier und im Folgenden bezeichnet die Längsachse einer Einzelspule die Achse, um die sich die Wicklungen der Spule erstrecken. Die Wicklungen bilden dabei den Umfang der Spule. Die Breite einer Einzelspule bezeichnet im Folgenden die Breite der Wicklungen in Richtung der Längsachse.
Erfindungsgemäß ist einer oder mehreren der Achsen des karte- sischen Koordinatensystems jeweils zumindest ein erstes Spulenpaar aus zwei ersten Einzelspulen zugeordnet, welche entlang der jeweiligen Achse an gegenüberliegenden Seiten des Arbeitsraums in im Wesentlichen parallelen Ebenen angeordnet sind. Um die Anzahl der Spulen möglichst gering zu halten, ist dabei einer oder mehreren der Achsen des kartesischen Koordinatensystems anstatt eines ersten Spulenpaars eine einzelne erste Einzelspule oder keine erste Einzelspule zugeordnet, wobei der Fall „keine erste Einzelspule" bedeutet, dass entlang der Achse weder ein Spulenpaar aus ersten Einzelspulen noch eine erste Einzelspule vorgesehen ist. Wird anstatt des Spulenpaars eine erste Einzelspule verwendet, ist der Arbeitsraum zumindest teilweise von dem Umfang einer jeweiligen einzelnen ersten Einzelspule umgeben, d.h. die Breite des Um- fangs deckt zumindest teilweise den Arbeitsraum ab.
Ferner ist neben den ersten Einzelspulen eine Mehrzahl von zweiten Einzelspulen vorgesehen, wobei der Arbeitsraum in der Richtung der Längsachse einer jeweiligen zweiten Einzelspule außerhalb des Umfangs der jeweiligen zweiten Einzelspule liegt. Dabei sind einer oder mehreren der Achsen des kartesi- schen Koordinatensystems jeweils zumindest ein zweites Spulenpaar aus zwei zweiten Einzelspulen zugeordnet, welche im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene entlang der jeweiligen Achse an gegenüberliegenden Seiten des Arbeitsraums angeordnet sind. Hier und im Folgenden ist unter einer gemeinsamen Ebene eine Ebene zu verstehen, welche sich durch den Umfang der zweiten Spulen des jeweiligen Spulenpaars erstreckt. Es handelt sich somit um eine flügelartige Anordnung der entsprechenden zweiten Einzelspulen eines zweiten Spulenpaars in der Umgebung des Arbeitsraums.
Die obige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenanord- nung hat den Vorteil, dass die Anzahl der verwendeten Einzelspulen dadurch reduziert wird, dass zumindest ein Spulenpaar aus zwei ersten Einzelspulen durch eine einzelne erste Einzelspule ersetzt wird. In einer besonders bevorzugten Variante wird auch ferner die Anzahl der verwendeten Ansteuerein- heit dadurch reduziert, dass zumindest zwei Einzelspulen durch eine gemeinsame Ansteuereinheit ansteuerbar sind.
Eine spezielle Ausgestaltung der ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst genau elf Einzelspulen. Dabei sind zwei erste Spulenpaare vorgesehen, wobei eines der ersten Spulenpaare der ersten Achse zugeordnet ist und das andere der ersten Spulenpaare der dritten Achse zugeordnet ist. Demgegenüber ist der zweiten Achse eine einzelne erste Einzelspule zugeordnet. Es ist ferner ein zweites Spulenpaar vorgesehen, welches der ersten Achse zugeordnet ist und in einer Ebene angeordnet ist, welche durch die erste und dritte Achse aufgespannt ist. Darüber hinaus sind zwei zweite Spulenpaare vorgesehen, welche der dritten Achse zugeordnet sind und welche in Ebenen im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind, wobei eine der Ebenen durch die erste und dritte Achse aufgespannt ist und die andere der Ebenen durch die zweite und dritte Achse aufgespannt ist. Auf diese Weise kann ein magnetisches Objekt, auf das mit der Spulenanordnung Kräfte ausgeübt werden, mit lediglich elf Spulen beliebig im Raum ausgerichtet werden, und es können beliebige Kräfte auf das magnetische Objekt ausgeübt werden.
In einer alternativen Variante, welche ebenfalls eine beliebige Ausrichtung und Kraftausübung auf das magnetische Objekt ermöglicht, umfasst analog zu der gerade beschriebenen Ausführungsform die gleichen ersten Spulenpaare und die gleiche erste Einzelspule. Ferner ist ebenfalls ein zweites Spulen- paar vorgesehen, welches der ersten Achse zugeordnet ist und in einer Ebene angeordnet ist, welche durch die erste und die dritte Achse aufgespannt ist. Ebenso ist ein zweites Spulenpaar vorgesehen, welches der dritten Achse zugeordnet ist und welches in einer Ebene angeordnet ist, die durch die erste und dritte Achse aufgespannt ist. Im Unterschied zur vorangegangenen Ausführungsform ist ein weiteres zweites Spulenpaar vorgesehen, welches der ersten Achse zugeordnet ist und in einer Ebene angeordnet ist, welche durch die erste und zweite Achse aufgespannt wird.
In einer besonders bevorzugten Variante der beiden im Vorangegangenen beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiele wird eine minimale Anzahl von acht Ansteuereinheiten zur Ansteuerung der Spulen verwendet. Dabei werden im Betrieb der Spu- lenanordnung alle ersten Einzelspulen durch separate Ansteuereinheiten und die zweiten Spulenpaare jeweils durch eine gemeinsame Ansteuereinheit angesteuert. Eine zweite Ausführungsform der Erfindung dient dazu, ein magnetisches Objekt im Raum beliebig auszurichten und nur Magnetkräfte auf das magnetische Objekt in der Ebene auszuüben, die durch die Richtung des magnetischen Dipolmoments des magnetischen Objektes und die vertikale Achse aufgespannt werden. Diese Variante wird insbesondere im Bereich der Kapselendoskopie für ein Magenscreening verwendet, wie es beispielsweise in der Druckschrift WO 2007/077922 Al beschrieben ist. Dabei bewegt sich die Endoskopiekapsel im Magen des Pa- tienten in Wasser, welches der Patient zuvor getrunken hat.
In einer Ausgestaltung der zweiten Ausführungsform umfasst die Spulenanordnung genau neun Einzelspulen. Dabei sind zwei erste Spulenpaare vorgesehen, wobei eines der ersten Spulen- paare der ersten Achse zugeordnet ist und das andere der ersten Spulenpaare der dritten Achse zugeordnet ist. Ferner ist eine einzelne erste Einzelspule vorgesehen, welche der zweiten Achse zugeordnet ist. Darüber hinaus beinhaltet die Spulenanordnung zwei zweite Spulenpaare, welche der dritten Ach- se zugeordnet sind und welche in Ebenen im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind, wobei eine der Ebenen durch die erste und dritte Achse aufgespannt ist und die andere der Ebenen durch die zweite und dritte Achse aufgespannt ist.
In einer alternativen Variante der obigen Ausführungsform mit neun Spulen sind die gleichen ersten Spulenpaare, die gleiche einzelne erste Einzelspule sowie das gleiche, der dritten Achse zugeordnete und in der Ebene der ersten und dritten Achse liegende zweite Spulenpaar vorgesehen. Im Unterschied zur vorangegangenen Ausführungsform ist nunmehr jedoch ein zweites Spulenpaar vorgesehen, welches der ersten Achse zugeordnet ist und in einer Ebene angeordnet ist, welche durch die erste und zweite Achse aufgespannt ist.
In einer besonders bevorzugten Variante der oben beschriebenen Ausgestaltungen der zweiten Ausführungsform werden genau sieben Ansteuereinheiten verwendet, wobei alle ersten Einzelspulen durch separate Ansteuereinheiten ansteuerbar sind und die zweiten Spulenpaare jeweils durch eine gemeinsame Ansteuereinheit ansteuerbar sind.
Eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenan- Ordnung dient dazu, ein magnetisches Objekt beliebig im Raum auszurichten und nur Magnetkräfte in Richtung der Längsachse des magnetischen Objektes darauf auszuüben. Dabei steht das magnetische Dipolmoment des Objekts senkrecht auf der Längsachse des Objekts. Diese Ausführungsform dient bei der Ver- wendung zur Kapselendoskopie insbesondere dazu, eine Endosko- piekapsel nach Art einer Schlauchnavigation durch den Dünndarm und/oder Dickdarm des zu untersuchenden Patienten zu bewegen .
In einer Variante dieser dritten Ausführungsform umfasst die Spulenanordnung genau acht Einzelspulen. Dabei ist ein erstes Spulenpaar vorgesehen, welches der dritten Achse zugeordnet ist, sowie ein zweites Spulenpaar, welches der ersten Achse zugeordnet ist und in einer Ebene angeordnet ist, welche durch die erste und dritte Achse aufgespannt ist. Ferner sind zwei weitere zweite Spulenpaare vorgesehen, welche der dritten Achse zugeordnet sind und welche in Ebenen im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind, wobei eine der E- benen durch die erste und dritte Achse aufgespannt ist und die andere der Ebenen durch die zweite und dritte Achse aufgespannt ist.
In einer weiteren Variante der dritten Ausführungsform umfasst die Spulenanordnung aus acht Einzelspulen ein erstes Spulenpaar, welches der ersten Achse zugeordnet ist, ein zweites Spulenpaar, welches der ersten Achse zugeordnet ist und in einer Ebene angeordnet ist, welche durch die erste und dritte Achse aufgespannt ist, sowie ein weiteres zweites Spulenpaar, welches der ersten Achse zugeordnet ist und in einer Ebene angeordnet ist, welche durch die erste und zweite Achse aufgespannt ist. Darüber hinaus ist noch ein weiteres zweites Spulenpaar vorgesehen, welches der dritten Achse zugeordnet ist und in einer Ebene angeordnet ist, welche durch die erste und dritte Achse aufgespannt ist.
In den soeben beschriebenen Varianten der dritten Ausfüh- rungsform können genau sieben Ansteuereinheiten vorgesehen sein, wobei alle zweiten Einzelspulen durch separate Ansteuereinheiten ansteuerbar sind und die zwei ersten Einzelspulen des ersten Spulenpaars durch eine gemeinsame Ansteuereinheit ansteuerbar sind. Alternativ kann die Anzahl der Ansteuerein- heiten auf sechs vermindert werden, wobei in diesem Fall die zweiten Einzelspulen des zweiten Spulenpaars, welches der ersten Achse zugeordnet ist und in einer Ebene angeordnet ist, welche durch die erste und dritte Achse aufgespannt ist, durch eine gemeinsame Ansteuereinheit ansteuerbar sind. Fer- ner sind die zwei ersten Einzelspulen des ersten Spulenpaars ebenfalls durch eine gemeinsame Ansteuereinheit ansteuerbar. Alle restlichen Einzelspulen der Spulenanordnung sind in dieser Ausführungsform durch separate Ansteuereinheiten ansteuerbar .
In einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenanordnung soll das magnetische Objekt im Raum beliebig ausrichtbar sein und nur Magnetkräfte in Richtung der Längsachse des magnetischen Objektes ausübbar sein. Dabei ist das magnetische Dipolmoment des magnetischen Elements im magnetischen Objekt vorzugsweise entlang der Längsachse des magnetischen Objektes ausgerichtet, was zur Einschränkung führt, dass - im Gegensatz zur vorangegangenen Ausführungsform - das magnetische Objekt, beispielsweise in der Form einer Kapsel, nicht um seine Längsachse drehbar ist. Diese Ausführungsform kommt vorzugsweise im Bereich der Kapselendoskopie zum Einsatz, und zwar bei der „Schlauchnavigation" von Kapseln durch den Dünndarm bzw. Dickdarm.
In einer ersten Variante der vierten Ausführungsform sind lediglich erste Spulenpaare aus ersten Einzelspulen vorgesehen, wobei die erste Einzelspule zumindest eines ersten Spulenpaars durch eine gemeinsame Ansteuereinheit ansteuerbar ist. Bei dieser Variante kann gänzlich auf die flügelartig angeordneten zweiten Spulenpaare verzichtet werden und die Anzahl der Leistungsverstärker wird dadurch vermindert, dass zumindest ein erstes Spulenpaar durch eine gemeinsame Ansteuerein- heit angesteuert wird. In einer besonders bevorzugten Variante sind dabei sechs erste Einzelspulen vorgesehen, wobei jeder Achse ein erstes Spulenpaar aus zwei ersten Einzelspulen zugeordnet ist. Diese Variante umfasst vorzugsweise genau fünf Ansteuereinheiten, wobei die zwei ersten Einzelspulen eines ersten Spulenpaars mit einer gemeinsamen Ansteuereinheit ansteuerbar sind und die restlichen ersten Einzelspulen durch separate Ansteuereinheiten ansteuerbar sind.
In einer weiteren Variante der vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenanordnung sind wiederum ausschließlich erste Einzelspulen vorgesehen, wobei nunmehr einer oder mehreren der Achsen des kartesischen Koordinatensystems anstatt eines ersten Spulenpaars jeweils eine einzelne erste Einzelspule zugeordnet ist, wobei der Arbeitsraum zumindest teilweise von dem Umfang einer jeweiligen einzelnen ersten
Einzelspule umgeben ist. Vorzugsweise sind dabei alle ersten Einzelspulen durch separate Ansteuereinheiten ansteuerbar. In einer bevorzugten Variante umfasst die Spulenanordnung dabei genau fünf erste Einzelspulen, d.h. es sind zwei zweite Spu- lenpaare vorgesehen und genau ein erstes Spulenpaar wird durch eine einzelne erste Einzelspule ersetzt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der oben beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Spulenanordnung um- fassen die Einzelspulen zumindest teilweise Ringspulen und/oder Sattelspulen. Ebenso können die Einzelspulen zumindest teilweise Flächenspulen umfassen, insbesondere mit einer Breite in Längsrichtung, welche größer als die Dicke der Spule ist, wobei die Breite vorzugsweise zumindest das Zehnfache der Dicke beträgt. Insbesondere kann jede Variante der in der deutschen Patentanmeldung mit der Nummer 10 2008 004 871.2-35 beschriebenen Ausführungsformen von Spulen in der erfindungsgemäßen Anordnung zum Einsatz kommen. Der gesamte Offenba- rungsgehalt der soeben genannten deutschen Patentanmeldung wird dabei zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht.
Wie bereits erwähnt, wird die erfindungsgemäße Spulenanord- nung vorzugsweise im Bereich der magnetischen Kapselendoskopie eingesetzt. In einer bevorzugten Variante beinhaltet die Spulenanordnung dabei einen Patiententisch, auf dem im Betrieb der Spulenanordnung der zu untersuchende Patient liegt, wobei der Patiententisch derart angeordnet ist, dass sich die Längsachse eines Patienten auf dem Patiententisch im Wesentlichen in Richtung der zweiten Achse des kartesischen Koordinatensystems erstreckt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines 12- Spulen-Systems mit acht Leistungsverstärkern basierend auf einer früheren Patentanmeldung der Anmelderin;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines 11- Spulen-Systems mit acht Leistungsverstärkern gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 und Fig. 4 schematische Darstellungen eines 10- Spulen-Systems mit sieben Leistungsverstärkern basierend auf einer früheren Patentanmeldung der Anmelderin;
Fig. 5 ein 9-Spulen-System mit sieben Leistungs- Verstärkern gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 6 und Fig. 7 ein 8-Spulen-System mit sechs bzw. sieben
Leistungsverstärkern gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 8 und Fig. 9 ein 6-Spulen-System bzw. ein 5-Spulen-
System mit fünf Leistungsverstärkern gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 10 eine perspektivische Darstellung eines konkreten Ausführungsbeispiels eines Spulen-Systems gemäß Fig. 3; und
Fig. 11 eine schematische Darstellung des Strom- flusses durch das Spulenpaar aus Spulen 9 und 10 der Spulenanordnung gemäß Fig. 10.
Bevor auf die einzelnen Ausführungsformen beschrieben werden, wird zunächst der Zusammenhang zwischen dem magnetischen Di- polmoment eines mit der erfindungsgemäßen Spulenanordnung geführten Objekts und dem Stromfluss bzw. dem entsprechend generierten Magnetfeld des erfindungsgemäßen Spulen-Systems erläutert. Als magnetisches Objekt wird vorzugsweise eine En- doskopiekapsel verwendet, die ein magnetisches Element, z.B. einen Permanentmagneten enthält und die im Inneren eines Patienten (nicht dargestellt) positioniert wird, beispielsweise indem der Patient die Kapsel schluckt. Eine solche Kapsel um- fasst üblicherweise eine Kamera zur Aufnahme von Bildern von inneren Organen des Patienten sowie ein entsprechendes Sende- modul, mit dem die aufgenommenen Bilder an eine Verarbeitungseinheit mit einem entsprechenden Empfänger gesendet werden. Im Folgenden wird das magnetische Dipolmoment mit m bezeichnet; es stellt einen dreidimensionalen Vektor dar. Das Dipolmoment wird dabei z.B. mit Hilfe eines Permanentmagneten generiert und kann in der Kapsel in Richtung der Kapsellängsachse bzw. gegebenenfalls auch senkrecht zur Kapsellängsachse ausgerichtet sein. Der Permanentmagnet ist fest mit der Endo- skopiekapsel verbunden, so dass Kräfte und Drehmomente am Permanentmagneten, die durch die erfindungsgemäße Spulenanordnung erzeugt werden, direkt auf die Endoskopiekapsel übertragen werden.
Allgemein wird davon ausgegangen, dass in dem Spulen-System n Spulen vorgesehen sind, in welchen die Ströme Ii bis In fließen. In Vektorschreibweise lauten das magnetische Moment m bzw. der Spulenstromvektor I wie folgt:
Figure imgf000014_0001
mx, my bzw. mz stellen dabei die Komponenten des magnetischen Dipolmoments in Richtung der x- bzw. y- bzw. z-Achse des dem Spulen-System zugeordneten kartesischen Koordinatensystems dar .
Durch die Spulenströme wird ein Magnetfeld erzeugt, welches ein Drehmoment auf die Endoskopiekapsel ausübt, so dass sich die Endoskopiekapsel in Richtung der Feldlinien des magnetischen Feldes ausrichtet. Ferner ergibt sich eine magnetische Kraft auf die Endoskopiekapsel durch den Gradienten des mittels des Spulensystems erzeugten Magnetfeldes. Diese Kraft wird im Folgenden als F bezeichnet und lautet in Vektorschreibweise wie folgt:
F
Figure imgf000014_0002
Dabei stellen Fx, Fy und Fz wiederum die entsprechenden Komponenten der Kraft in x- bzw. y- bzw. z-Richtung dar. In Matrixschreibweise ergibt sich folgender Zusammenhang zwischen dem durch das Spulen-System am Ort r generierten Magnetfeld B sowie der Kraft F einerseits und dem Spulenstrom- vektor I andererseits:
Figure imgf000015_0001
Dabei gilt
Figure imgf000015_0002
Vi und V2 sind dabei Matrizen, welche durch den Ort r sowie die konkrete Ausführungsform des Spulen-Systems vorgegeben sind.
Man erkennt, dass die magnetische Kraft F nur von fünf Gra- dientenfeidern BBxIBx1 BByIBx, BBJBz, BBJBy und BBJBy abhängt, was sich aus der eingangs erläuterten Tatsache ergibt, dass die Gradientenmatrix aufgrund der Maxwellgleichungen symmetrisch und spurfrei ist.
Basierend auf der Gleichung F=G-m ergeben sich folgende Werte für die Matrix U2 :
Figure imgf000016_0001
Spaltennr. — > 1 2 3 4 5
Bei der Bewegung einer Endoskopiekapsel sind dabei verschiedene Szenarien von vorgebbaren Bewegungsrichtungen und Aus- richtungen des Dipolmoments denkbar, welche für verschiedene medizinische Anwendungen relevant sind. Hieraus ergeben sich unterschiedliche Konfigurationen von Spulensystemen und entsprechenden Leistungsverstärkern zur Ansteuerung der Spulensysteme. Aufgrund vorgegebener Randbedingungen können dabei in bestimmten Szenarien Paare von Spulen mit dem gleichen
Leistungsverstärker angesteuert werden und bestimmte Spulenpaare weggelassen bzw. durch eine einzelne Spule ersetzt werden. Nachfolgend werden Ausführungsformen beschrieben, mit denen in Abhängigkeit von verschiedenen Anforderungen minima- Ie Spulensystem-Konfigurationen, d.h. Konfigurationen mit einer möglichst geringen Anzahl an Spulen und Leistungsverstärkern, erreicht werden.
Anhand von Fig. 1 bis Fig. 3 werden zunächst Spulensystem- Konfigurationen erläutert, mit denen eine Endoskopiekapsel im Raum beliebig ausrichtbar sein soll und eine Magnetkraft in beliebigen Raumrichtungen auf die Kapsel ausübbar sein soll. Diese Navigationsanforderungen werden als Fall (A) bezeichnet. Wie oben dargelegt, hängt die magnetische Kraft F linear vom magnetischen Dipolmoment m der Kapsel ab. Es genügt deshalb für den nachfolgenden Fall (A) und auch alle weiteren Fälle (B) bis (D) die folgenden Szenarien zu analysieren:
(X) das Dipolmoment ist in x-Richtung ausgerichtet, (Y) das Dipolmoment ist in y-Richtung ausgerichtet,
(Z) das Dipolmoment ist in z-Richtung ausgerichtet.
Gemäß dem Fall (A. X), bei dem das Dipolmoment nur die x- Komponente mx aufweist, sind nur die Spalten mit den Nummern 1, 2 und 3 der obigen Matrix U2 relevant, welche mit den Feldgradienten dBx/dx, dBy/dy und dBJdx kombiniert werden. Für den Fall (A. Y) sind aufgrund des Dipolmoments my nur die Spalten 2, 4 und 5 der obigen Matrix U2 relevant. Für den Fall (A. Z), bei dem lediglich ein Dipolmoment mit der Komponente mz vorliegt, spielen nur die Spalten mit den Nummern 3, 4 und 5 der Matrix U2 eine Rolle. Aus der Kombination aller obiger Fälle ergibt sich, dass für den Fall (A) alle fünf Feldgradienten in Verbindung mit den drei magnetischen Grund- feld-Komponenten benötigt werden, d.h. es werden mindestens acht Leistungsverstärker zur Ansteuerung der Spulen des Spulen-Systems benötigt.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein entsprechendes 12-Spulen-System mit acht Leistungsverstärkern, dessen Aufbau auf die deutsche Patentanmeldung mit der Nr. 10 2008 004 871.2-35 zurückgeht. Alle in dieser Patentanmeldung dargestellten Ausführungsformen von verwendbaren Spulen können auch in den erfindungsgemäßen Varianten der nachfolgend be- schriebenen Spulen-Systeme eingesetzt werden. Das in Fig. 1 gezeigte Spulen-System umfasst die zwölf Einzelspulen 1 bis 12, wobei analog zu der oben genannten früheren deutschen Patentanmeldung die erste bis vierte Spule 1 bis 4 als identisch geformte Sattelspulen ausgebildet sein können, welche einen Arbeitsraum umgeben, der im Bereich des dargestellten kartesischen Koordinatensystems mit der horizontalen x- bzw. z-Achse und der vertikalen y-Achse angeordnet ist.
Bei der Verwendung des Spulen-Systems zur Kapselendoskopie ist in Fig. 1 und auch in den Ausführungsformen aller anderen Figuren bei der Durchführung der endoskopischen Untersuchung ein Körperabschnitt des Patienten von den Spulen 1 bis 4 umgeben, d.h. die Längsachse des Patienten verläuft parallel zu der z-Achse. Der Körper des Patienten erstreckt sich somit durch das Innere der weiteren Spulen 5 und 6, welche analog zu der oben genannten früheren deutschen Patentanmeldung als Ringspulen ausgestaltet sein können. Im Arbeitsraum erfolgt dabei die Bewegung des entsprechenden magnetischen Objekts bzw. der Endoskopiekapsel, d.h. der Arbeitsraum liegt im Inneren des Patientenkörpers. Anstatt der Verwendung von Sattelspulen 1 bis 4 bzw. Ringspulen 5 und 6 können auch Flächenspulen eingesetzt werden, welche im Unterschied zu Sat- telspulen eben ausgebildet sind und vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Die Flächenspulen sind dabei vorzugsweise als breite Flächenspulen ausgebildet, deren Wickelpaket breiter als hoch ist, d.h. die Breite entlang der Längsachse der Spule ist wesentlich größer ist als die Dicke bzw. die Wickelhöhe der Spule.
Wie sich aus Fig. 1 ergibt, umgeben die Spulen 1 bis 6 den Arbeitsraum, dessen Ursprung durch den Ursprung des dargestellten Koordinatensystems wiedergegeben ist. Der Arbeits- räum ist dabei zentriert im durch die Spulen 1 bis 6 gebildeten Volumen angeordnet und er stellt einen Quader dar, dessen gegenüberliegenden Seiten in etwa den halben Abstand wie die entsprechenden gegenüberliegenden Spulen aufweisen. Die Spulen 1 bis 6 stellen somit erste Einzelspulen im Sinne der An- sprüche dar, bei denen der Arbeitsraum gesehen aus der Richtung der Längsachse einer jeweiligen Einzelspule innerhalb des Umfangs der jeweiligen Spule liegt. Entsprechend gegenüber liegende Spulen 1 und 2 bzw. 3 und 4 bzw. 5 und 6 stellen dabei erste Spulenpaare dar, denen eine entsprechende Achse des kartesischen Koordinatensystems zugeordnet ist, wobei die einzelnen Spulen des Spulenpaars an gegenüberliegenden Seiten des Arbeitsraums in im Wesentlichen parallelen E- benen angeordnet sind. Das Spulenpaar aus Spulen 1 und 2 dient dabei zur Erzeugung der Magnetfeldkomponente Bx des ge- nerierten Magnetfelds B, wobei bei getrennter Ansteuerung der beiden Spulen mit jeweils einem Leistungsverstärker ferner das Gradientenfeld dBx/dx erzeugbar ist. Die Spulen 3 und 4 dienen zur Einstellung der Magnetfeldkomponente By, wobei ferner das Gradientenfeld dBy/dy erzeugbar ist, falls die beiden Spulen durch separate Leistungsverstärker angesteuert werden. Die Spulen 5 und 6 dienen zur Erzeugung der Magnetfeldkomponente Bz, wobei ferner das Gradientenfeld dBz/dz erzeugbar ist, sofern die beiden Spulen des Spulenpaars durch separate Leistungsverstärker angesteuert werden. Sofern in allen weiteren Ausführungsformen auf entsprechende Spulen 1 bis 6 verwiesen wird, so sind diese Spulen analog zu Fig. 1 angeordnet und haben auch die gleiche Funktion der Erzeugung einer Magnetfeldkomponente bzw. eines Gradientenfelds.
Um ferner die Nebendiagonalelemente der eingangs beschriebenen Gradientenmatrix G zu erzeugen, sind in dem Beispiel der Fig. 1 ferner Spulen 8 bis 12 vorgesehen, welche zweite Ein- zelspulen im Sinne der Ansprüche darstellen. Die Spulen 7 und 8 bilden dabei ein Spulenpaar, dessen beide Spulen versetzt vom Arbeitsraum entlang der y-Achse in der y-z-Ebene angeordnet sind. Ebenso bilden die Spulen 9 und 10 ein Spulenpaar, welches entlang der y-Achse versetzt um den Arbeitsraum ange- ordnet ist, jedoch gegenüber dem Spulenpaar aus Spulen 7 und 8 um 90° verdreht in der x-y-Ebene angeordnet ist. Ferner ist ein Spulenpaar aus Spulen 11 und 12 vorgesehen, wobei die Spulen versetzt zueinander entlang der x-Achse in der x-y- Ebene an gegenüberliegenden Seiten des Arbeitsraums angeord- net sind. In Übereinstimmung mit der Definition der zweiten
Einzelspulen gemäß den Patentansprüchen liegt der Arbeitsraum gesehen aus der Richtung der Längsachse einer jeweiligen Spule der Einzelspulen 7 bis 12 außerhalb des Umfangs der jeweiligen Spule.
Zur Erzeugung der entsprechenden Gradientenfelder gemäß den Nebendiagonalelementen der Gradientenmatrix G können die einzelnen Spulen 7, 8 bzw. 9, 10 bzw. 11, 12 der jeweiligen Spulenpaare mit einem gemeinsamen Leistungsverstärker angesteu- ert werden. Das Spulenpaar aus Einzelspulen 7 und 8 dient dabei zur Erzeugung des Gradientenfelds dBy/dx (= dBx/dy), das
Spulenpaar aus Einzelspulen 9, 10 erzeugt das Gradientenfeld dBJdy (= dBy /dz ) und das Spulenpaar aus Einzelspulen 11 und
12 dient zur Erzeugung des Gradientenfelds dBx/dz (= dBJdx) . Zur Erzeugung des Gradientenfelds dBx/dy kann das Spulenpaar
7 und 8 gegebenenfalls auch so angeordnet sein, wie in Fig. 7 wiedergegeben ist, bei der die beiden Spulen 7 und 8 entlang der x-Achse in der x-y-Ebene angeordnet sind. Sofern hier und in den nachfolgenden Ausführungsformen auf die Spulen 7 bis 12 verwiesen wird, besteht die gleiche oben beschriebene Zuordnung der entsprechenden Spulennummern zu der Erzeugung der Gradientenfelder. Im Regelfall sind die einzelnen Spulen da- bei auch in der gleichen geometrischen Lage in Bezug auf das Koordinatensystem wie in Fig. 1 angeordnet. Lediglich für die Spulen 7 und 8 existieren zwei alternative Anordnungen zur Erzeugung des Gradientenfeldes dBx/dy.
Wie bereits erwähnt, werden acht Leistungsverstärker zur Erzeugung der drei Magnetfeldkomponenten Bx, By und Bz sowie von fünf Gradientenfeldern benötigt, um gemäß dem obigen Fall (A) ein magnetisches Objekt beliebig im Arbeitsraum zu bewegen bzw. auszurichten. In einer ersten Variante werden dabei ent- sprechende Leistungsverstärker mit den Nummern 1 bis 8 den Spulen 1 bis 12 wie folgt zugeordnet:
Leistungsverstärker 1 Spule 1
Leistungsverstärker 2 Spule 2 Leistungsverstärker 3 Spule 3
Leistungsverstärker 4 Spule 4
Leistungsverstärker 5 Spulen 5 und 6
Leistungsverstärker 6 Spulen 9 und 10
Leistungsverstärker 7 Spulen 7 und 8 Leistungsverstärker 8 Spulen 11 und 12
Analog kann in einer weiteren Variante die Zuordnung zwischen Leistungsverstärker und Spulen wie folgt ausgestaltet sein:
Leistungsverstärker 1 Spulen 1 und 2
Leistungsverstärker 2 Spule 3
Leistungsverstärker 4 Spule 6
Leistungsverstärker 5 Spule 5
Leistungsverstärker 6 Spulen 9 und 10 Leistungsverstärker 7 Spulen 7 und 8
Leistungsverstärker 8 Spulen 11 und 12 Analog besteht auch die Möglichkeit, dass aus der Menge der Spulen 1 bis 6 die Spulen 3 und 4 mit einem gemeinsamen Leistungsverstärker und die restlichen dieser Spulen mit separatem Leistungsverstärker betrieben werden, wobei die Spulen 7 bis 12 in gleicher Weise wie oben beschrieben durch Leistungsverstärker ansteuert werden.
Fig. 2 zeigt eine Variante des Spulensystems der Fig. 1, wobei dieses Spulen-System eine erste Ausführungsform einer er- findungsgemäßen Spulenanordnung darstellt. Es wurde dabei erkannt, dass dasjenige Spulenpaar aus ersten Einzelspulen, welches gemäß den Varianten der Ausführungsform der Fig. 1 mit einem gemeinsamen Leistungsverstärker betrieben wird, durch eine einzelne Spule ersetzt werden kann. Demzufolge wird in der Ausführungsform der Fig. 2 anstatt des Spulenpaars aus Spulen 5 und 6 eine einzige Einzelspule 5' verwendet, welche mittig zwischen den beiden (nunmehr weggelassenen) Spulen 5 und 6 angeordnet ist. Die Einzelspule 5' ist dabei vorzugsweise eine breite Flächenspule, deren Wicklungs- dicke wesentlich geringer ist als deren Breite in z-Richtung. Gemäß der Spulenanordnung nach Fig. 2 kann somit die Anzahl der verwendeten Spulen von 12 auf 11 reduziert werden, wodurch die Kosten für das Spulen-System vermindert werden. Die Zuordnung der einzelnen Leistungsverstärker 1 bis 8 zu den entsprechenden Spulen des Spulen-Systems der Fig. 2 ist dabei wie folgt:
Leistungsverstärker 1 Spule 1
Leistungsverstärker 2 Spule 2 Leistungsverstärker 3 Spule 3
Leistungsverstärker 4 Spule 4
Leistungsverstärker 5 Spule 5'
Leistungsverstärker 6 Spulen 9 und 10
Leistungsverstärker 7 Spulen 7 und 8 Leistungsverstärker 8 Spulen 11 und 12
Nachfolgend werden anhand von Fig. 3 bis Fig. 5 Ausführungsformen beschrieben, welche in Kombination mit einem magneti- sehen Objekt eingesetzt werden, welches beliebig im Raum ausrichtbar sein soll, wobei jedoch nur Magnetkräfte in der Ebene erzeugt werden sollen, die durch das magnetische Dipolmoment des magnetischen Objekts und der vertikalen Achse, d.h. der y-Achse des Spulen-Systems, aufgespannt wird. Dies entspricht im Bereich der Kapselendoskopie beispielsweise dem Fall, dass sich die Kapsel im Magen des Patienten in Wasser bewegt, wobei der Patient bei dieser Untersuchung zuvor eine größere Menge an Wasser getrunken hat. Die in Wasser auf die Kapsel wirkende Auftriebskraft bewirkt dabei, dass die Kapsel an der Wasseroberfläche mit gar keiner oder mit geringer magnetischer Krafteinwirkung schwimmt. Dieser Anwendungsfall wird im Folgenden als Fall (B) bezeichnet. Für den Fall (B. X), bei dem das Dipolmoment nur die Komponente mx auf- weist, muss die Kraft in der x-y-Ebene liegen. Dies bedeutet, dass keine Kraftkomponente Fz generiert werden muss und nur die Spalten 1 und 2 der Matrix U2 mit den Feldgradienten dBx/dx und dBy/dx kombiniert werden. Für den Fall (B. Y), bei dem das Dipolmoment in y-Richtung ausgerichtet ist, muss die Kraft in y-Richtung ausgerichtet sein. Das heißt, für die Erzeugung der Kraft ist lediglich die Spalte 5 der Matrix U2 relevant. Für den Fall (B. Z), bei dem das Dipolmoment der Kapsel in z-Richtung ausgerichtet ist, muss die Kraft in der y-z-Ebene liegen. In diesem Fall wird keine Kraftkomponente Fx generiert und es sind nur die Spalten mit den Nummern 4 und 5 der Matrix U2 für die Kraftgenerierung relevant. Zusammenfassend sind nur Einträge in den Spalten 1, 2, 4 und 5 für den Fall (B) relevant, was bedeutet, dass nur die Feldgradienten dBxldx, dByldx, dBJdy und dByldy, jedoch nicht dBJdx, benötigt werden. In Verbindung mit den drei magnetischen Grundfeld-Komponenten sind somit sieben Leistungsverstärker zur Ansteuerung der Spulenanordnung ausreichend.
Fig. 3 und Fig. 4 zeigen jeweils zwei Ausführungsbeispiele von Spulen-Systemen zur Erzeugung von Magnetfeldern für die
Navigationsanforderungen gemäß obigem Fall (B) . Die gezeigten Beispiele entsprechend im Wesentlichen Ausführungsformen, welche in der oben genannten früheren deutschen Patentanmel- düng mit der Nr. 10 2008 004 871.2-35 beschrieben sind. Die dargestellten Spulen-Systeme umfassen nunmehr lediglich zehn Spulen, denn die in den Ausführungsformen der Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Spulen 11 und 12 sind nicht mehr erforderlich, da diese Spulen zur Erzeugung des Feldgradienten dBJdx dienen, der gemäß Fall (B) nicht gesteuert werden muss. Die geometrische Anordnung der Spulen der Fig. 3 entspricht somit der Anordnung gemäß Fig. 1, wobei jedoch die Spulen 9 und 10 weggelassen worden sind. Auch die Zuordnung der Leistungsverstär- ker zu den Spulen kann gemäß den beiden, in Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Varianten erfolgen, wobei lediglich der Leistungsverstärker mit der Nr. 8 zur Ansteuerung des Spulenpaars aus Spulen 11 und 12 weggelassen wird.
Fig. 4 zeigt eine Abwandlung des Spulen-Systems der Fig. 3, welche ebenfalls auf die oben genannte frühere deutsche Patentanmeldung zurückgeht. Der einzige Unterschied dieser Ausführungsform gegenüber der Ausführungsform der Fig. 3 besteht darin, dass nunmehr die Spulen 7 und 8 anders angeordnet sind. Diese Spulen liegen nunmehr in der x-z-Ebene und sind entlang der x-Achse an gegenüberliegenden Seiten des Arbeitsraums angeordnet. Mit dieser Spulenanordnung wird der gleiche Effekt wie mit der Anordnung der Spulen 7 und 8 in Fig. 3 erreicht, d.h. auch diese Spulen dienen zur Einstellung der Magnetfeldkomponente 3Bx Idy . Die Ansteuerung der einzelnen
Spulen der Fig. 4 kann analog basierend auf den Zuordnungen von Leistungsverstärkern zu Spulen erfolgen, wie in Bezug auf Fig. 2 beschrieben ist.
Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spulen-Systems, mit dem analog zu den Ausführungsformen der Fig. 3 und Fig. 4 eine Navigation der Endoskopiekapsel basierend auf dem Fall (B) ermöglicht wird. Die Ausführungsform gemäß Fig. 5 beruht wiederum auf der Erkenntnis, dass dasjenige Spulenpaar der Spulenpaare aus Spulen 1, 2 bzw. 3, 4 bzw. 5, 6, welches durch einen einzelnen Leistungsverstärker angesteuert wird, durch eine einzelne Spule ersetzt werden kann. In Fig. 5 ist dabei die Variante gezeigt, bei der die Spulen 5 und 6 der Ausführungsform der Fig. 3 durch eine einzelne Spule 5' ersetzt werden. Die restlichen Spulen sind genauso angeordnet, wie dies in der Ausführungsform der Fig. 3 gezeigt ist. Das Spulen-System umfasst nunmehr jedoch nur noch neun Spulen, wobei für die Ausführungsform der Fig. 5 sieben Leistungsverstärker verwendet werden, welche den Spulen wie folgt zugeordnet sind:
Leistungsverstärker 1 Spule 1 Leistungsverstärker 2 Spule 2
Leistungsverstärker 3 Spule 3
Leistungsverstärker 4 Spule 4
Leistungsverstärker 5 Spule 5'
Leistungsverstärker 6 Spulen 9 und 10 Leistungsverstärker 7 Spulen 7 und 8
In einer Abwandlung der Ausführungsform der Fig. 5 können auch entweder das Spulenpaar aus Spulen 1 und 2 oder das Spulenpaar aus Spulen 3 und 4 durch eine einzelne Spule ersetzt werden, wobei in diesem Fall entlang der y-Achse das Spulenpaar aus Spulen 5 und 6 erhalten bleibt. In Analogie zu der Ausführungsform der Fig. 5 werden dabei alle Spulen, welche den ersten Einzelspulen im Sinne von Anspruch 1 entsprechen, durch einen einzelnen Leistungsverstärker angesteuert, wohin- gegen die Spulen 7, 8 und 9, 10 jeweils durch einen gemeinsamen Leistungsverstärker angesteuert werden.
Fig. 6 und Fig. 7 betreffen erfindungsgemäße Ausführungsformen, gemäß denen ein magnetisches Objekt im Raum beliebig ausrichtbar sein soll, wobei nur Magnetkräfte in Richtung der Längsachse der Kapsel ausübbar sein sollen, und wobei das magnetische Moment des Permanentmagneten in der Kapsel senkrecht zur Kapsellängsachse ausgerichtet ist. Diese Navigationsanforderung, welche nachfolgend als Fall (C) bezeichnet ist, wird insbesondere zur „Schlauchnavigation" von Endosko- piekapseln im Dünndarm bzw. Dickdarm eingesetzt. Aufgrund der Ausrichtung des magnetischen Moments senkrecht zur Kapsellängsachse kann dabei eine Drehung der Kapsel um ihre Längs- achse generiert werden, wodurch beispielsweise bei spiralförmigen Kapseln mittels einer entsprechenden Rotationsbewegung eine gute Vorwärtsbewegung der Kapsel durch den Darm ermöglicht wird. Insbesondere können die nachfolgenden Spulen- Konfigurationen gemäß den Ausführungsformen der Fig. 6 und 7 für spiralförmige Kapseln verwendet werden, welche in den Druckschriften US 2003/0020810 Al bzw. US 2003/0181788 Al offenbart sind.
Für den Fall (CX) eines in x-Richtung ausgerichteten Dipolmoments mx muss die generierte Kraft in der y-z-Ebene liegen. Dies bedeutet, dass keine Kraftkomponente Fx auftritt und nur Einträge in den Spalten mit den Nummern 2 und 3 der Matrix U2 relevant sind, welche mit entsprechenden Feldgradienten dB Idx und δBz/dx multipliziert werden. Für den Fall eines in y-Richtung ausgerichteten Dipolmoments my, welcher dem Fall (CY) entspricht, muss die Kraft in der x-z-Ebene liegen. Es tritt dann keine Kraftkomponente Fy auf, so dass von der Matrix U2 lediglich Einträge in den Spalten 2 und 4 relevant sind. Für den Fall (CZ), bei dem das magnetische Dipolmoment in die z-Richtung gerichtet ist, muss die Kraft in der x-y- Ebene liegen. Das heißt, es tritt keine Fz-Kraftkomponente auf und es sind lediglich die Spalten 3 und 4 der Matrix U2 relevant. Insgesamt werden somit für den Fall (C) nur drei Feldgradienten benötigt, nämlich dByldx, dBJdx und dBJdy. In
Verbindung mit den drei magnetischen Grundfeld-Komponenten werden in diesem Fall mindestens sechs Leistungsverstärker benötigt .
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung zur Erfüllung der Navigationsanforderungen gemäß Fall (C) . Der Aufbau der Ausführungsform der Fig. 6 ähnelt dabei dem Aufbau der Ausführungsform gemäß Fig. 1, wobei nunmehr jedoch die Spulen 1, 2 und 5, 6 weggelassen worden sind. Zur Generierung der drei Feldgradienten dByldx, dBJdx und δBz/dy sowie der drei magnetischen Grundfeld-Komponenten kann eine Speisung mit sechs oder sieben Leistungsverstärkern erfolgen. Im Falle, dass sieben Leistungsverstärker verwendet werden, sind entsprechende Leistungsverstärker mit den Nummern 1 bis 7 den Spulen wie folgt zugeordnet:
Leistungsverstärker 1 Spule 9 Leistungsverstärker 2 Spule 10
Leistungsverstärker 3 Spule 7
Leistungsverstärker 4 Spule 8
Leistungsverstärker 5 Spule 11
Leistungsverstärker 6 Spule 12 Leistungsverstärker 7 Spulen 3 und 4
In einer Variante, bei der lediglich sechs Leistungsverstärker zur Ansteuerung des 8-Spulen-Systems gemäß Fig. 6 eingesetzt werden, erfolgt die Zuordnung zwischen den Leistungs- Verstärkern und den Spulen wie folgt:
Leistungsverstärker 1 Spule 9
Leistungsverstärker 2 Spule 10
Leistungsverstärker 3 Spule 7 Leistungsverstärker 4 Spule 8
Leistungsverstärker 5 Spulen 11 und 12
Leistungsverstärker 6 Spulen 3 und 4
Fig. 7 zeigt eine weitere Variante eines 8-Spulen-Systems zur Erfüllung der Navigationsanforderungen gemäß obigem Fall (C) .
Die Ausführungsform gemäß Fig. 7 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 6 dahingehend, dass die Spulen 7 und 8, welche zur Generierung der Magnetfeldkomponente dB Idx verwendet werden, nunmehr entlang der x-Achse in der x-z-
Ebene angeordnet sind. Ferner wird anstatt des Spulenpaars 3, 4 das Spulenpaar 1, 2 verwendet, welches an gegenüberliegenden Seiten des Arbeitsraums entlang der x-Achse in parallelen Ebenen angeordnet ist.
Zur Ansteuerung der Spulen können wiederum sechs bzw. sieben Leistungsverstärker verwendet werden. In der Variante mit sieben Leistungsverstärkern sind diese Leistungsverstärker den Spulen wie folgt zugeordnet:
Leistungsverstärker 1 Spule 9 Leistungsverstärker 2 Spule 10
Leistungsverstärker 3 Spule 7
Leistungsverstärker 4 Spule 8
Leistungsverstärker 5 Spule 11
Leistungsverstärker 6 Spule 12 Leistungsverstärker 7 Spulen 1 und 2
In einer Variante, bei der lediglich sechs Leistungsverstärker zur Ansteuerung der Spulen verwendet werden, sind die Leistungsverstärker mit den Nummern 1 bis 6 den Spulen wie folgt zugeordnet:
Leistungsverstärker 1 Spule 9
Leistungsverstärker 2 Spule 10
Leistungsverstärker 3 Spule 7 Leistungsverstärker 4 Spule 8
Leistungsverstärker 5 Spulen 11 und 12
Leistungsverstärker 6 Spulen 1 und 2
Gemäß einer weiteren Navigationsanforderung, welche im FoI- genden als Fall (D) bezeichnet wird, soll eine magnetische
Kapsel im Raum beliebig ausrichtbar sein und nur Magnetkräfte in Richtung der Kapsellängsachse auf die Kapsel ausübbar sein, wobei das magnetische Moment der Kapsel nunmehr entlang der Kapsellängsachse ausgerichtet ist. Auch dieser Fall (D) betrifft vorzugsweise die Variante der magnetischen Führung einer Endoskopiekapsel für die Schlauchnavigation im Dünn- und/oder Dickdarm. In der Variante (D) kann die Kapsel jedoch aufgrund des parallel zur Längsachse gerichteten magnetischen Dipolmoments nicht um ihre Längsachse gedreht werden.
Für den Fall (D. X) eines in x-Richtung ausgerichteten Dipolmoments mx wird nur die Kraftkomponente Fx erzeugt, d.h. es ist nur die Spalte 1 der Matrix U2 relevant, welche mit dem Feldgradienten dBx Idx kombiniert wird. Für den Fall eines in y-Richtung gerichteten Dipolmoments my (Fall (D. Y)) ist die Kraft in y-Richtung ausgerichtet, d.h. es tritt nur die
Kraftkomponente Fy auf. In diesem Fall ist nur die Spalte 5 der Matrix U2 relevant, welche mit dem Feldgradienten dB Idy kombiniert wird. Für den Fall eines in z-Richtung ausgerichteten Dipolmoments mz (Fall (D. Z)) enthält die Kraft nur die Komponente Fz, d.h. es sind lediglich die Spalten 1 und 5 der
Matrix U2 relevant, welche mit den entsprechenden Feldgra- dienten 8Bx Idx bzw. dB Idy kombiniert werden. Gemäß Fall (D) müssen somit neben den drei Grundfeld-Komponenten lediglich zwei weitere Diagonalelemente der Gradientenmatrix G generiert werden, denn aufgrund der Spurfreiheit der Gradientenmatrix gilt: dBJdz = - 3Bx/dx - dB' /dy . Es sind somit fünf Leis- tungsverstärker zur Realisierung des Falls (D) erforderlich.
Fig. 8 und Fig. 9 zeigen entsprechende Varianten von Spulen- Systemen zur Erfüllung der Navigationsanforderung gemäß Fall (D) . Gemäß der Variante nach Fig. 8 werden die sechs Einzel- spulen 1 bis 6 verwendet, welche in der Terminologie der Ansprüche den ersten Einzelspulen entsprechen. Da nur fünf Leistungsverstärker benötigt werden, kann eines der Spulenpaare aus Spulen 1 und 2 bzw. 3 und 4 bzw. 5 und 6 durch einen gemeinsamen Leistungsverstärker angesteuert werden. Dem- zufolge sind folgende Zuordnungen von Leistungsverstärkern mit den Nummern 1 bis 5 zu den entsprechenden Spulen möglich:
Variante a) :
Leistungsverstärker 1: Spulen 1 und 2
Leistungsverstärker 2: Spule 3
Leistungsverstärker 3: Spule 4
Leistungsverstärker 4: Spule 5
Leistungsverstärker 5: Spule 6
Variante b) :
Leistungsverstärker 1: Spule 1 Leistungsverstärker 2: Spule 2
Leistungsverstärker 3: Spulen 3 und 4
Leistungsverstärker 4: Spule 5
Leistungsverstärker 5: Spule 6
Variante c) :
Leistungsverstärker 1: Spule 1
Leistungsverstärker 2: Spule 2 Leistungsverstärker 3: Spule 3
Leistungsverstärker 4: Spule 4
Leistungsverstärker 5: Spulen 5 und 6
Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform zur Erfüllung der Navigationsanforderung gemäß Fall (D) . Nunmehr wird dasjenige Spulenpaar, welches in der Ausführungsform der Fig. 8 durch einen gemeinsamen Leistungsverstärker angesteuert wird, durch eine einzelne Spule ersetzt. Fig. 9 zeigt dabei die Variante, bei der das Spulenpaar aus Spulen 5 und 6 durch eine Einzel- spule 5' ersetzt wird. Ebenso ist es auch möglich, das Spulenpaar aus Spulen 1 und 2 oder das Spulenpaar aus Spulen 3 und 4 durch eine einzelne, jeweils mittig zwischen den wegzulassenden Spulenpaaren angeordnete Spule zu ersetzen. In der Ausführungsform der Fig. 9 werden alle Spulen einzeln über einen separaten Leistungsverstärker gespeist. Das heißt, es besteht folgende Zuordnung zwischen Leistungsverstärkern mit den Nummern 1 bis 5 zu den Spulen:
Leistungsverstärker 1: Spule 1 Leistungsverstärker 2: Spule 2
Leistungsverstärker 3: Spule 3
Leistungsverstärker 4: Spule 4
Leistungsverstärker 5: Spule 5'
Fig. 10 zeigt in perspektivischer Ansicht ein konkretes Ausführungsbeispiel einer Spulenanordnung gemäß Fig.3, wobei die in Fig. 10 verwendeten Spulen in allen vorangegangenen Ausführungsformen gemäß Fig. 1 bis Fig. 9 einsetzbar sind. Man erkennt, dass in diesem Ausführungsbeispiel die einzelnen Spulen 1 bis 10 als Flächenspulen ausgebildet sind, wobei neben den Spulen 7 und 8 insbesondere die Spulen 9 und 10 als breite Flächenspulen ausgebildet sind, deren jeweilige Breite b deutlich größer ist als die Dicke bzw. Wickelhöhe der Spulen. Breite Flächenspulen werden vorzugsweise auch in solchen Ausführungsformen verwendet, bei denen ein Spulenpaar durch eine einzelne, zentral angeordnete Spule ersetzt wird. Zumindest diese zentral angeordnete Spule, welche in den vorange- gangenen Ausführungsbeispielen mit dem Bezugszeichen 5' bezeichnet ist, wird dabei als breite Flächenspule ausgebildet.
Fig. 11 zeigt einen entsprechenden Stromfluss durch die in Fig. 10 gezeigten Spulen 9 und 10. Der Feldgradient des ent- sprechenden Nebendiagonalelements der Gradientenmatrix wird dabei nur durch den Primärleiter bewirkt, der in Fig. 11 mit dem Bezugszeichen L verdeutlicht ist. Der Rest des Leiters in der Spule, d.h. der Rückleiter, sollte möglichst weit entfernt vom Arbeitsraum angeordnet sein. Ferner sollte der stromführende Teil der Spule möglichst nah am Arbeitsraum wie möglich angeordnet sein, woraus sich die bevorzugte Ausgestaltung der Spule 9 bzw. 10 als breite Flächenspulen ergibt.
Basierend auf den oben beschriebenen Varianten der Erfindung werden minimale Spulen-System-Konfigurationen geschaffen, welche sich entsprechend den Anforderungen an die Freiheitsgrade der Bewegung eines magnetischen Objekts, insbesondere einer mit einem Permanentmagneten ausgestatteten Endoskopie- Kapsel, mit geringem Aufwand, d.h. mit einer möglichst gerin- gen Anzahl an Leistungsverstärkern bzw. Spulen, realisieren lassen. Insbesondere beruht die Erfindung dabei auf der Erkenntnis, dass sich bei entsprechenden Navigationsanforderungen die Anzahl der Leistungsverstärker zur Ansteuerung der Spulen bzw. die Anzahl der Spulen reduzieren lässt.

Claims

Patentansprüche
1. Spulenanordnung zur berührungslosen Führung eines magnetischen Objektes, insbesondere einer Endoskopiekapsel, mit ei- nem magnetischen Dipolmoment (m) in einem Arbeitsraum in einem kartesischen Koordinatensystem mit drei Achsen (x, y, z) umfassend eine horizontale erste Achse (x) , eine horizontale zweite Achse (z) und eine vertikale dritte Achse (y) , wobei die Spulenanordnung eine Mehrzahl von Einzelspulen (1, 2, ..., 12) zur Erzeugung von Komponenten (Bx, By, Bz) eines Magnetfelds (B) und von magnetischen Gradientenfeldern und eine o- der mehrere Ansteuereinheiten zur Steuerung der Bestromung der Einzelspulen (1, 2, ..., 12) umfasst, wobei: die Mehrzahl von Einzelspulen (1, 2, ..., 12) eine Mehrzahl von ersten Einzelspulen (1, 2, ..., 6) umfasst, wobei der
Arbeitraum gesehen aus der Richtung der Längsachse einer jeweiligen ersten Einzelspule (1, 2, ..., 6) innerhalb des Umfangs der jeweiligen ersten Einzelspule (1, 2, ..., 6) liegt; - einer oder mehreren der Achsen (x, y, z) jeweils zumindest ein erstes Spulenpaar aus zwei ersten Einzelspulen (1, 2, ..., 6) zugeordnet ist, welche entlang der jeweiligen Achse (x, y, z) an gegenüberliegenden Seiten des Arbeitsraums in im Wesentlichen parallelen Ebenen angeord- net sind; einer oder mehreren der Achsen (x, y, z) anstatt eines ersten Spulenpaars jeweils eine einzelne erste Einzelspule (5' ) oder keine erste Einzelspule (5' ) zugeordnet ist, wobei der Arbeitsraum zumindest teilweise von dem Umfang einer jeweiligen ersten Einzelspule (1, 2, ..., 6) umgeben ist; die Mehrzahl von Einzelspulen eine Mehrzahl von zweiten Einzelspulen (7, 8, ..., 12) umfasst, wobei der Arbeitraum gesehen aus der Richtung der Längsachse einer jeweiligen zweiten Einzelspule (7, 8, ..., 12) außerhalb des Umfangs der jeweiligen zweiten Einzelspule liegt; einer oder mehreren der Achsen (x, y, z) jeweils zumindest ein zweites Spulenpaar aus zwei zweiten Einzelspulen (7, 8, ..., 12) zugeordnet ist, welche im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene entlang der jeweiligen Achse (x, y, z) an gegenüberliegenden Seiten des Arbeitsraums angeordnet sind.
2. Spulenanordnung nach Anspruch 1, wobei zumindest zwei Einzelspulen (1, 2, ..., 12) durch eine gemeinsame Ansteuereinheit ansteuerbar sind.
3. Spulenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, welche genau elf Einzelspulen (1, 2, ..., 12) umfasst, wobei vorgesehen sind: zwei erste Spulenpaare (1, 2, 3, 4), wobei eines der ersten Spulenpaare (1, 2) der ersten Achse (x) zugeordnet ist und das andere der ersten Spulenpaare (3, 4) der dritten Achse (y) zugeordnet ist; eine einzelne erste Einzelspule (5'), welche der zweiten Achse (z) zugeordnet ist; ein zweites Spulenpaar (11, 12), welches der ersten Achse (x) zugeordnet ist und in einer Ebene angeordnet ist, welche durch die erste und dritte Achse (x, y) aufgespannt ist; zwei zweite Spulenpaare (7, 8, 9, 10), welche der dritten Achse (y) zugeordnet sind und welche in Ebenen im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind, wobei eine der Ebenen durch die erste und dritte Achse (x, y) aufgespannt ist und die andere der Ebenen durch die zweite und dritte Achse (z, y) aufgespannt ist.
4. Spulenanordnung nach Anspruch 1, welche genau elf Einzel- spulen (1, 2, ..., 12) umfasst, wobei vorgesehen sind: zwei erste Spulenpaare (1, 2, 3, 4), wobei eines der ersten Spulenpaare (1, 2) der ersten Achse (x) zugeordnet ist und das andere der ersten Spulenpaare (3, 4) der dritten Achse (y) zugeordnet ist; - eine einzelne erste Einzelspule (5' ) , welche der zweiten Achse (z) zugeordnet ist; ein zweites Spulenpaar (11, 12), welches der ersten Achse (x) zugeordnet ist und in einer Ebene angeordnet ist, welche durch die erste und dritte Achse (x, y) aufgespannt ist; ein zweites Spulenpaar (7, 8), welches der ersten Achse (x) zugeordnet ist und in einer Ebene angeordnet ist, welche durch die erste und zweite Achse (x, z) aufgespannt ist; ein zweites Spulenpaar (9, 10), welches der dritten Achse (y) zugeordnet ist und in einer Ebene angeordnet ist, welche durch die erste und dritte Achse (x, y) aufge- spannt ist.
5. Spulenanordnung nach Anspruch 3 oder 4, welche genau acht Ansteuereinheiten umfasst, wobei: alle ersten Einzelspulen (1, 2, ..., 6) durch separate An- Steuereinheiten ansteuerbar sind; die zweiten Spulenpaare (7, 8, ..., 12) jeweils durch eine gemeinsame Ansteuereinheit ansteuerbar sind.
6. Spulenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, welche genau neun Einzelspulen (1, 2, ..., 12) umfasst, wobei vorgesehen sind: zwei erste Spulenpaare (1, 2, 3, 4), wobei eines der ersten Spulenpaare (1, 2) der ersten Achse (x) zugeordnet ist und das andere der ersten Spulenpaare (3, 4) der dritten Achse (y) zugeordnet ist; - eine einzelne erste Einzelspule (5' ) , welche der zweiten Achse (z) zugeordnet ist; zwei zweite Spulenpaare (7, 8, 9, 10), welche der dritten Achse (y) zugeordnet sind und welche in Ebenen im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind, wobei eine der Ebenen durch die erste und dritte Achse (x, y) aufgespannt ist und die andere der Ebenen durch die zweite und dritte Achse (z, y) aufgespannt ist.
7. Spulenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, welche genau neun Einzelspulen (1, 2, ..., 12) umfasst, wobei vorgesehen sind: zwei erste Spulenpaare (1, 2, 3, 4), wobei eines der ersten Spulenpaare (1, 2) der ersten Achse (x) zugeordnet ist und das andere der ersten Spulenpaare (3, 4) der dritten Achse (y) zugeordnet ist; eine einzelne erste Einzelspule (5' ) , welche der zweiten Achse (z) zugeordnet ist; - ein zweites Spulenpaar (7, 8), welches der ersten Achse (x) zugeordnet ist und in einer Ebene angeordnet ist, welche durch die erste und zweite Achse (x, z) aufgespannt ist; ein zweites Spulenpaar (9, 10), welches der dritten Achse (y) zugeordnet ist und in einer Ebene angeordnet ist, welche durch die erste und dritte Achse (x, y) aufgespannt ist.
8. Spulenanordnung nach Anspruch 6 oder 7, welche genau sie- ben Ansteuereinheiten umfasst, wobei: alle ersten Einzelspulen (1, 2, ..., 6) durch separate Ansteuereinheiten ansteuerbar sind; die zweiten Spulenpaare (7, 8, ..., 12) jeweils durch eine gemeinsame Ansteuereinheit ansteuerbar sind.
9. Spulenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, welche genau acht Einzelspulen (1, 2, ..., 12) umfasst, wobei vorgesehen sind: ein erstes Spulenpaar (3, 4), welches der dritten Achse (y) zugeordnet ist; - ein zweites Spulenpaar (11, 12), welches der ersten Achse (x) zugeordnet ist und in einer Ebene angeordnet ist, welche durch die erste und dritte Achse (x, y) aufgespannt ist; zwei zweite Spulenpaare (7, 8, 9, 10), welche der dritten Achse (y) zugeordnet sind und welche in Ebenen im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind, wobei eine der Ebenen durch die erste und dritte Achse (x, y) aufgespannt ist und die andere der Ebenen durch die zweite und dritte (z, y) Achse aufgespannt ist.
10. Spulenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, welche genau acht Einzelspulen (1, 2, ..., 12) umfasst, wobei vorgesehen sind: ein erstes Spulenpaar (1, 2), welches der ersten Achse (y) zugeordnet sind; ein zweites Spulenpaar (11, 12), welches der ersten Achse (x) zugeordnet ist und in einer Ebene angeordnet ist, welche durch die erste und dritte Achse (x, y) aufgespannt ist; ein zweites Spulenpaar (7, 8), welches der ersten Achse (x) zugeordnet ist und in einer Ebene angeordnet ist, welche durch die erste und zweite Achse (x, z) aufge- spannt ist; ein zweites Spulenpaar (9, 10), welches der dritten Achse (y) zugeordnet ist und in einer Ebene angeordnet ist, welche durch die erste und dritte Achse (x, y) aufgespannt ist.
11. Spulenanordnung nach Anspruch 9 oder 10, welche genau sieben Ansteuereinheiten umfasst, wobei alle zweiten Einzelspulen (7, 8, ..., 12) durch separate Ansteuereinheiten ansteuerbar sind und die zwei ersten Einzelspulen (1, 2; 3, 4) des ersten Spulenpaars durch eine gemeinsame Ansteuereinheit ansteuerbar sind.
12. Spulenanordnung nach Anspruch 9 oder 10, welche genau sechs Ansteuereinheiten umfasst, wobei - die zweiten Einzelspulen des zweiten Spulenpaars (11,
12), welches der ersten Achse (x) zugeordnet ist und in einer Ebene angeordnet ist, welche durch die erste und dritte Achse (x, y) aufgespannt ist, durch eine gemeinsame Ansteuereinheit ansteuerbar sind; - die zwei ersten Einzelspulen (1, 2; 3, 4) des ersten Spulenpaars durch eine gemeinsame Ansteuereinheit ansteuerbar sind; die restlichen Einzelspulen (7, 8, 9, 10) durch separate Ansteuereinheiten ansteuerbar sind.
13. Spulenanordnung zur berührungslosen Führung eines magnetischen Objekts, insbesondere einer Endoskopiekapsel, mit einem magnetischen Dipolmoment (m) in einem Arbeitsraum in ei- nem kartesischen Koordinatensystem mit drei Achsen (x, y, z) umfassend eine horizontale erste Achse (x) , eine horizontale zweite Achse (z) und eine vertikale dritte Achse (y) , wobei die Spulenanordnung eine Mehrzahl von Einzelspulen (1, 2, ..., 12) zur Erzeugung von Komponenten (Bx, By, Bz) eines Magnetfelds (B) und von magnetischen Gradientenfeldern und eine o- der mehrere Ansteuereinheiten zur Steuerung der Bestromung der Einzelspulen (1, 2, ..., 12) umfasst, wobei: die Mehrzahl von Einzelspulen (1, 2, ..., 12) ausschließ- lieh eine Mehrzahl von ersten Einzelspulen (1, 2, ..., 6) umfasst, wobei der Arbeitraum gesehen aus der Richtung der Längsachse einer jeweiligen ersten Einzelspule (1, 2, ..., 6) innerhalb des Umfangs der jeweiligen ersten Einzelspule (1, 2, ..., 6) liegt; - einer oder mehreren der Achsen (x, y, z) jeweils zumindest ein erstes Spulenpaar aus zwei ersten Einzelspulen (1, 2, ..., 6) zugeordnet ist, welche entlang der jeweiligen Achse (x, y, z) an gegenüberliegenden Seiten des Arbeitsraums in im Wesentlichen parallelen Ebenen angeord- net sind; die ersten Einzelspulen (1, 2, ..., 6) zumindest eines ersten Spulenpaars (5, 6) durch eine gemeinsame Ansteuereinheit ansteuerbar sind.
14. Spulenanordnung nach Anspruch 13, welche genau sechs erste Einzelspulen (1, 2, ..., 6) umfasst, wobei jeder Achse (x, y, z) ein erstes Spulenpaar zugeordnet ist.
15. Spulenanordnung nach Anspruch 14, welche genau fünf An- Steuereinheiten umfasst, wobei die zwei ersten Einzelspulen
(1, 2, 3, 4) eines ersten Spulenpaars durch eine gemeinsame Ansteuereinheit ansteuerbar sind die restlichen ersten Einzelspulen (5, 6) durch separate Ansteuereinheiten ansteuerbar sind.
16. Spulenanordnung zur berührungslosen Führung eines magnetischen Objekts, insbesondere einer Endoskopiekapsel, mit einem magnetischen Dipolmoment (m) in einem Arbeitsraum in ei- nem kartesischen Koordinatensystem mit drei Achsen (x, y, z) umfassend eine horizontale erste Achse (x) , eine horizontale zweite Achse (z) und eine vertikale dritte Achse (y) , wobei die Spulenanordnung eine Mehrzahl von Einzelspulen (1, 2, ..., 12) zur Erzeugung von Komponenten (Bx, By, Bz) eines Magnetfelds (B) und von magnetischen Gradientenfeldern und eine Mehrzahl von Ansteuereinheiten zur Steuerung der Bestromung der Einzelspulen umfasst, wobei: die Mehrzahl von Einzelspulen (1, 2, ..., 12) ausschließ- lieh eine Mehrzahl von ersten Einzelspulen (1, 2, ..., 6) umfasst, wobei der Arbeitraum gesehen aus der Richtung der Längsachse einer jeweiligen ersten Einzelspule (1, 2, ..., 6) innerhalb des Umfangs der jeweiligen ersten Einzelspule (1, 2, ..., 6) liegt; - einer oder mehreren der Achsen (x, y, z) jeweils zumindest ein erstes Spulenpaar aus zwei ersten Einzelspulen (1, 2, ..., 6) zugeordnet ist, welche entlang der jeweiligen Achse (x, y, z) an gegenüberliegenden Seiten des Arbeitsraums in im Wesentlichen parallelen Ebenen angeord- net sind; einer oder mehreren der Achsen (x, y, z) anstatt eines ersten Spulenpaars jeweils eine einzelne erste Einzelspule (5' ) zugeordnet ist, wobei der Arbeitsraum zumindest teilweise durch den Umfang einer jeweiligen einzelnen ersten Einzelspule (1, 2, ..., 6) umgeben ist.
17. Spulenanordnung nach Anspruch 16, wobei alle ersten Einzelspulen (1, 2, ..., 6) durch separate Ansteuereinheiten ansteuerbar sind.
18. Spulenanordnung nach Anspruch 16 oder 17, welche genau fünf erste Einzelspulen (1, 2, 3, 4, 5') umfasst.
19. Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ansteuereinheiten Leistungsverstärker umfassen.
20. Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einzelspulen (1, 2, ..., 12) zumindest teilweise Ringspulen und/oder Sattelspulen umfassen.
21. Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einzelspulen (1, 2, ..., 12) zumindest teilweise Flächenspulen umfassen, insbesondere mit einer Breite in Längsrichtung, welche größer als Dicke der Spule ist, wobei die Breite vorzugsweise mindestens das Fünffache der Dicke be- trägt.
22. Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Patiententisch, auf dem im Betrieb der Spulenanordnung der zu untersuchende Patient liegt, wobei der Patienten- tisch derart angeordnet ist, dass sich die Längsachse eines Patienten auf de Patiententisch im Wesentlichen in Richtung der zweiten Achse (z) erstreckt.
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