Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum
Antreiben einer derartigen Kapsel anzugeben.
Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zum Antreiben einer einen Permanentmagneten
enthaltenden Kapsel innerhalb eines Patienten, insbesondere innerhalb
dessen Gastrointestinaltrakt, mit Hilfe eines den Körper des
Patienten zumindest teilweise umfassenden elektrischen Spulensystems,
bei dem a) für
verschiedene Rotationspositionen des Permanentmagneten bezüglich des
Spulensystems die jeweils vom Spulensystem zur Erzeugung einer gewünschten
Antriebskraft an der Kapsel erforderliche Leistung ermittelt wird.
Die Kapsel wird dann im Schritt b) durch Rotation in die einer gewünschten Leistung
zugeordnete Rotationsposition gebracht. Im Schritt c) wird die Antriebskraft
an der Kapsel vom Spulensystem erzeugt.
Um
die Kapsel innerhalb des Patienten zu bewegen, muss diese während einer
Untersuchung oder Behandlung des Patienten gedreht oder verschoben
werden. Ein magnetisches Dipolmoment in der Kapsel ist unabdingbare
Voraussetzung, um durch äußere, vom
Spulensystem erzeugte Magnetfelder Kräfte oder Drehmomente auf die
Kapsel ausüben
zu können.
Im vorliegenden Text sind der Einfachheit halber im Folgenden an
der Kapsel bzw. dem darin enthaltenen magnetischen Element angreifende
Kräfte
und/oder Drehmomente unter dem Begriff „Antriebskräfte" vereint. Im erfindungsgemäßen Verfahren
wird ein Permanentmagnet verwendet. Gegenüber einem magnetisierbaren
Körper
entfällt
so die Erzeugung eines eine Magnetisierung im Körper hervorrufenden Magnetfeldes
durch das Spulensystem. Hierdurch wird bereits die vom Spulensystem
aufgenommenen Leistung reduziert.
Die
Richtung und Stärke
der notwendigen Antriebskraft der Kapsel richtet sich nach der Position der
Kapsel im Körper
des Patienten und der gewünschten
Kapselbewegung. Z.B. soll die Kapsel im Patienten um 10° gekippt
und in Kapsellängsrichtung verschoben
werden entsprechend dem Verlauf einer Dünndarmschlinge am aktuellen
Kapselort, durch die die Kapsel navigiert werden soll. An der Kapsel
soll also eine gewünschte
Antriebskraft in Form einer Kraft und eines Drehmomentes angreifen.
Hierzu müssen
vom Spulensystem am Ort der Kapsel geeignete magnetische Felder
erzeugt werden, die wiederum in Wechselwirkung mit dem Permanentmagneten der
Kapsel die gewünschte
Antriebskraft erzeugen. Das Spulensystem muss hierzu von geeigneten
Strömen
derart durchflossen sein, dass es die entsprechenden Magnetfelder
erzeugt.
Die
Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, dass zur Erzeugung ein
und derselben gewünschten
Antriebskraft an ein und demselben Kapselort bzw. Ort des Permanentmagneten
für verschiedene
Rotationspositionen des Permanentmagneten bezüglich des Spulensystems die
Leistungsaufnahme des Spulensystems in einem weiten Bereich variiert.
Grund hierfür
ist der unsymmetrische Aufbau des Spulensystems, welcher eben nicht
kugelsymmetrisch bezüglich
eines Mittelpunktes und erst recht nicht bezüglich des aktuellen Ortes der Kapsel
ist. Um den Patienten in das Spulensystem einbringen zu können, ist
dieses nämlich
eher zylindrisch bzw. tonnenförmig
ausgeführt.
Vor
dem tatsächlichen
Aufbringen der Antriebskraft an der Kapsel bzw. Erzeugen des Magnetfeldes
durch das Spulensystem wird deshalb die Leistungsaufnahme des Spulensystems
zur Erzeugung der Antriebskraft an der Kapsel für verschiedene Rotationspositionen
des Permanentmagneten bezüglich
des Spulensystems ermittelt. Verschiedene Rotationspositionen des
Permanentmagneten sind alleine durch Aufbringen von Drehmomenten
und nicht durch Aufbringen von translatorischen Kräften an
der Kapsel einstellbar. Rotationspositionen der Kapsel sind also
z. B. Drehungen der Kapsel in beliebige Richtungen um einen Drehpunkt
im Kapselinneren.
Die
vom Spulensystem benötigte
Leistung (Ohmsche Verlustleistung) ist gleich der Summe der elektrischen
Verlustleistung der einzelnen Spulenströme, die zur Felderzeugung notwendig
sind. Die Ermittlung der zur Erzeugung einer gewünschten Antriebskraft erforderlichen
Leistung kann auf verschiedene Weisen erfolgen. Möglich sind
z. B. Simulationsrechnungen für
gegebenen Kapselort und gewünschte
Antriebskraft zum Zeitpunkt der Erzeugung der Antriebskraft, also
in Echtzeit. Es können
auch vorab für
ein gegebenes Spulensystem an ausgewählten Orten für ausgewählte Antriebskräfte und Rotationspositionen
von Kapseln Leistungsaufnahmen des Spulensystems tabellarisch berechnet
werden und beim Betrieb des Systems lediglich Tabellenwerte nachgesehen
bzw. soweit möglich
interpoliert werden (look-up-table).
Die
Erfindung benutzt weiterhin die Erkenntnis, dass zum Aufbringen
von Drehmomenten an der Kapsel in der Regel eine Leistungsaufnahme
des Spulensystems benötigt
wird, welche deutlich geringer als diejenige ist, welche zur Erzeugung
einer translatorischen Kraft an der Kapsel notwendig ist.
Da
zur Erzeugung der gewünschten
bzw. ein und derselben Antriebskraft an der Kapsel in Abhängigkeit
der Rotationsposition nun im allgemeinen verschiedene, vom Spulensystem
aufgenommene Leistungen zur Verfügung
stehen, die im vorigen Schritt ermittelt wurden, kann zur tatsächlichen
Erzeugung der Antriebskraft eine entsprechende gewünschte Leistung
ausgewählt
werden.
Aus
den zu verschiedenen Rotationspositionen gehörigen verschiedenen erforderlichen
Leistungen wird nun die gewünscht
Leistung ausgewählt
und die Kapsel durch Rotation in die entsprechende Rotationslage
gebracht. Danach oder gleichzeitig wird die tatsächliche Antriebskraft durch
geeignete Wahl der einzelnen Spulenströme an der Kapsel erzeugt.
Die
Schritte b) und c) erfolgen also zunächst sequentiell. Bei kontinuierlicher
Kapselfahrt können jedoch
beide Schritte auch quasi – kontinuierlich
und zeitlich parallel erfolgen.
Im
Verfahrensschritt b) kann als gewünschte Leistung die minimale
Leistung gewählt
werden. Hierdurch wird die Gesamtleistungsaufnahme des Systems minimiert,
was möglichst
wenig Verlustleistung und damit Abwärme bewirkt, eine geringere
Dimensionierung der die Spulenströme liefernden Leistungsendstufen
des Spulensystems ermöglicht
und sowohl Herstellungs-, als auch Betriebskosten des Gesamtsystems
senkt.
Die
Kapsel kann eine Längsachse
aufweisen, und der Permanentmagnet kann starr in die Kapsel integriert
sein und ein quer zur Längsachse ausgerichtetes
Dipolmoment besitzen. Im erfindungsgemäßen Verfahren können dann
in Schritt a) als Rotationspositionen verschiedene Drehwinkel der Kapsel
um ihre Längsachse
gewählt
werden.
In
vielen Fällen
weist eine entsprechende, im Verfahren benutzte Kapsel eine bestimmte
Kapselvorzugsrichtung auf bzw. ist länglich ausgebildet. Z.B. kann
an deren Spitze eine Videokamera vorgesehen sein. Die Kapsel weist
dann eine Längsachse auf,
zu welcher sie äußerlich
meist rotationssymmetrisch ausgeführt ist. Sinnvollerweise wird
der Permanentmagnet dann ein quer zur Längsachse ausgerichtetes Dipolmoment aufweisen,
um die Kapsel um ihre Längsachse
durch Anlegen eines äußeren magnetischen
Feldes rotieren zu können. Üblicherweise soll
die Kapsel in Richtung der Längsachse
vorwärtsbewegt
werden. Die Richtung der gewünschten
Antriebskraft ist also parallel zur Längsachse.
Aufgrund
des quer zur Längsachse
ausgerichteten Dipolmoments ist eine Drehung der Kapsel um deren
Längsachse
durch ein quer zur Längsachse
verlaufendes magnetisches Drehfeld möglich.
Ist
die Kapsel zudem rotationssymmetrisch, wird die Außenform
der Kapsel bei jeder Drehposition in sich selbst abgebildet, was
möglichst
geringe Reibung mit an der Kapsel anliegenden Organen beim Drehen
der Kapsel verursacht. Außerdem
muss beim Drehen das die Kapsel umschließende Hohlorgan dann nicht
zusätzlich
aufgeweitet bzw. verformt werden. So sind nur geringstmögliche Drehmomente
zur Rotation der Kapsel notwendig, was wiederum die Leistungsaufnahme
des Gesamtsystems reduziert.
Im
erfindungsgemäßen Verfahren
kann in Schritt b) der Permanentmagnet innerhalb oder an der Kapsel
drehbar befestigt sein. Bei Rotation des Permanentmagneten muss
dann die Kapsel gar nicht oder nur teilweise rotiert werden, was
zu keinerlei oder geringeren Reibungsverlusten zwischen Innenwandung
des Hohlorgans und der Kapsel führt.
Die Rotation kann z.B. auch motorisch im Inneren der Kapsel erfolgen
und nicht durch äußere Felder
verursacht sein.
Auch
kann der Permanentmagnet in einen Teil der Kapsel und in Schritt
b) nur dieser Teil rotiert werden. Auch so werden Reibungsverluste
beim Rotieren reduziert und die Rotation kann durch eine in der
Kapsel erzeugte Kraft erfolgen.
Das
Spulensystem kann mehr als sechs Einzelspulen, deren Spulenströme unabhängig voneinander
regelbar sind, umfassen und für
die gewünschte
Antriebskraft sechs vektorielle Komponenten vorgegeben sein. In
Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens
können
dann zur Ermittlung der erforderlichen Leistung die Spulenströme mit dem
Widerstand ihrer Spulenwicklung widerstandsgewichtet werden. Ein
unterbestimmtes Gleichungssystem zwischen gewünschter Antriebskraft und widerstandsgewichteten
Spulenströmen
wird dann aufgestellt. Es werden Spulenströme ermittelt, die sowohl einen Restfehler
des Gleichungssystems als auch die gewichteten Spulenströme bezüglich ihrer
jeweiligen 2-Normen minimieren.
Ein
Spulensystem weist z.B. insgesamt vierzehn Einzelspulen auf, die
jeweils von einem unabhängigen
Spulenstrom durchfließbar
sind. Jede Einzelspule hat einen Ohmschen Widerstand. Als Antriebskraft
sind z.B. die drei unabhängigen
Komponenten der an der Kapsel erwünschten Kraft und die drei
Komponenten eines an der Kapsel erwünschten Drehmoments vorgegeben,
die zusammen den 6-dimensionalen Vektor F ⇀ =(Tx,
Ty, Tz, Fx, Fy, Fz)T bilden. Anstelle des Drehmoments können in
F auch die drei Komponenten Bx, By, Bz eines erwünschten
magnetischen Feldes am Ort der Kapsel vorgegeben werden. Somit entsteht
mit dem 14-dimensionalen Vektor I⇀ = (I1,
I2, ..., I14)T der unbekannten Spulenströme, dem magnetischen
Dipolmoment des Permanentmagneten in der Kapsel m ⇀ = (mx,
my, mz)T und
dem Ort r ⇀ = (x, y, z)T ein Gleichungssystem F ⇀ =
W(r ⇀, m ⇀)I ⇀, mit der 6 × 14-Matrix W(r ⇀, m ⇀), welche
von der Geometrie des Spulensystems, dem Kapselort und dem magnetischen
Moment der Kapsel abhängt
und nach dem Gesetz von Biot-Savart und den Grundgleichungen der
Magnetostatik berechenbar ist.
Durch
Gewichtung jedes einzelnen Spulenstromes I
i mit
i ∊ {1, 2, ..., 14} mit der Quadratwurzel des Ohmschen
Widerstands √R
i der zugehörigen Spule entsteht ein gewichteter
Stromvektor
Die
Leistungsaufnahme des elektrischen Spulensystems ist ge geben als
. Zur Ermittlung der gesamtleistungsminimierenden Spulenströme wird
die 2-Norm
minimiert und unterer allen
lösungen
wird
die mit der minimalen 2-Norm
gewählt.
Im
Fall vorgegebener Drehmomente und Kräfte ist der Rang der Matrix
W gleich fünf,
weil in Richtung des permanentmagnetischen Dipolmoments an der Kapsel
kein Drehmoment ausgeübt werden
kann. Bei Vorgabe der 3 B-Feld-Komponenten und der Kraft am Ort
der Kapsel ist der Rang von W gleich sechs. Für die Lösung des unterbestimmten Gleichungssystems
mit Rangabfall kann eine aus [G. H. Golub und C. F. Van Loan: „Matrix
Computations". Third
Edition. John Hopkins University Press, 1996] bekannte Singulärwertzerlegung
oder eine vollständige
orthogonale Zerlegung benutzt werden. Bei vollem Zeilenrang kann
z.B. die in der gleichen Quelle beschriebene QR-Zerlegung benutzt
werden.
Für eine weitere
Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen.
Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
1 eine
Anlage zur nichtinvasiven Befundung oder Behandlung eines Patienten
mit einem Endoroboter,
2 den
Endoroboter aus 1 in einer Detailansicht.
1 zeigt
eine Endoskopieanlage 2 zur nichtinvasiven Befundung bzw.
Behandlung eines Patienten 4. Die Endoskopieanlage 2 umfasst
ein Spulensystem 6 mit daran angeschlossener Energieversorgung 8 sowie
eine Steuerung 10 und eine Videoeinheit 12.
Das
Spulensystem 6 besteht aus vierzehn Einzelspulen. Von den
Spulen sind wegen der Übersichtlichkeit
in 1 nur vier mit Bezugszeichen versehen. Diese untergliedern
sich in sechs quaderförmig
angeordnete, rechteckige Helmholtzspulen 14a, b und acht
gemeinsam einen Zylindermantel im Quader bildende Sattelspulen 16a,
b. Jede der Sattelspulen 16a, b überstreicht bezüglich einer
Mittellängsachse 18 des
Spulensystems 6 einen Winkelbereich von ca. 90°. Je vier
Sattelspulen 16a, b bilden also eine Zylindermantel, die
axial aneinandergesetzt sind.
Der
in jeder der vierzehn Einzelspulen fließende Spulenstrom wird von
einem von vierzehn, je einer Einzelspule zugeordneten Leistungsverstärkern 20a–c erzeugt,
von welchen in 1 wiederum nur drei dargestellt
sind. Die vierzehn Leistungsverstärker 20a–c zusammen
bilden die Energieversorgung 8. Sämtliche Leistungsverstärker 20a–c werden von
der Steuerung 10 über
je eine Steuerleitung 22 angesteuert bzw. geregelt.
Der
Patient 4 ist entlang der Mittellängsachse 18 in das
Spulensystem 6 eingefahren. Der Patient 4 wird
so im Spulensystem 6 platziert, dass die von ihm geschluckte
Endoskopiekapsel 30 etwa in der Mitte des Spulensystems
zu liegen kommt. Dort besitzt das Spulensystem 6 ein sogenanntes
Arbeitsvolumen, innerhalb dessen die Kapsel navigiert werden kann.
Dem
Spulensystem 6 ist ein Koordinatensystem 32 fest
zugeordnet. Die Ortsposition sowie die Orientierung der Längsachse 34 der
Endoskopiekapsel 30 im Koordinatensystem 32 werden über eine Positionserkennung 36 erfasst.
Die Positionserkennung 36 übermittelt die Positionsdaten
der Endoskopiekapsel 30 wiederum an die Steuerung 10.
In 2 ist
die Endoskopiekapsel 30 stark vergrößert dargestellt. An ihrem
vorderen Ende 38 trägt
die Endoskopiekapsel 30 in ihrem Inneren eine nicht dargestellte
Kamera und Beleuchtungseinrichtung. Durch ein Sichtfenster 40 wird
die Umgebung der Endoskopiekapsel 30 beleuchtet und kann
die Kameraeinrichtung ein Bild der Kapselumgebung in Richtung des
Pfeils 42 aufnehmen. Die aufgenommenen Bilddaten werden
per Funk an einen Videoempfänger 44 außerhalb
des Patienten 4 übertragen und
auf einem Bildschirm 46 dargestellt.
Zur
Steuerung der Kapselbewegung im Spulensystem 6 bzw. im
Patienten 4 dient ein Eingabegerät in Form einer 6D-Maus 48,
welche von einem nicht dargestellten Bediener, z. B. einem den Patienten 4 untersuchenden
Arzt, bedient wird aufgrund des auf dem Bildschirm 46 dargestellten
Bildes.
Aus
der in 1 dargestellten Position im Magen des Patienten
soll nun die Endoskopiekapsel 30 von dort aus in dessen
Dünndarm
und durch diesen bis zum Dickdarm hindurchbewegt werden. Der nicht
dargestellte Arzt betrachtet hierzu das von der Endoskopiekapsel 30 gelieferte
Videobild auf dem Monitor 46 und navigiert die Endoskopiekapsel 30 händisch auf
Sicht zum Magenausgang und durch den Dünndarm. Für jeden Navigationsschritt
gilt nun die im Folgenden erläuterte
Vorgehensweise.
In 2 befindet
sich die Endoskopiekapsel 30 mit ihrem Mittelpunkt 50 an
einem durch die Positionserkennung 36 ermittelten und damit
bekannten Ort im Koordinatensystem 32. Auch die Ausrichtung der
Endoskopiekapsel 30, also deren Längsachse 34, ist somit
bekannt. Sie soll in Richtung des Pfeils 42, also entlang
ihrer Längsachse 34,
bewegt werden. Hierzu muss auf die Endoskopiekapsel 30 eine Kraft 49 in
Richtung des Pfeils 42 vom Spulensystem 6 ausgeübt werden,
welches in 2 lediglich symbolisch dargestellt
ist.
In
der Endoskopiekapsel 30 ist ein Permanentmagnet 51 mit
einem quer zur Längsachse 34 ausgerichteten
Dipolmoment 52 enthalten. Die augenblickliche Richtung
bzw. Rotationsposition 53a des Dipolmoments 52 im
Koordinatensystem 32 ist ebenfalls bekannt (über die
Positionserkennung 36 und aufgrund der Tatsache, dass sich
ein magnetisches Dipolmoment entlang eines äußeren B-Feldes ausrichtet).
Da die Sollkraft 49 und das Dipolmoment 52 und
die Kapselposition bekannt sind, kann die Steuerung 10 ein
hypothetisches Strommuster im Spulensystem 6, d.h. die
Ströme
der vierzehn Einzelspulen 14a, b und 16a, b, ermitteln,
um im Inneren des Spulensystems 6 ein magnetischen Feld 54 zu erzeugen,
welches derart mit dem Dipolmoment 52 zusammenwirkt, dass
die Kraft 49 an der Endoskopiekapsel 30 bzw. am
nicht dargestellten Permanentmagneten erzeugt würde. Gleichzeitig ist somit
in der Steuerung 10 die von den vierzehn Endstufen 20a–c aufzunehmende
elektrische Leistung bekannt. Diese wird als Leistungswert 55a in
der Steuerung 10 gespeichert und der Orientierung bzw.
Rotationsposition 53a zugeordnet. Die Ermittlung der unbekannten Spulenströme erfolgt
durch die Lösung
des sie beschreibenden unterbestimmten Gleichungssystems.
Das
Feld 54 wird also zunächst
nicht tatsächlich
erzeugt, d.h. kein derartiges Strommuster auf das Spulensystem 6 gegeben,
sondern lediglich der hierzu theoretisch notwendige Leistungsverbrauch
ermittelt bzw. berechnet.
Ausgehend
von der tatsächlichen
Orientierung 53a des Dipolmoments 52 wird für verschiedene gedachte
Rotationswinkel 56 des Dipolmoments 52 um die
Längsachse 34 auf
gleiche Weise ein hypothetischer Wert der Leistungsaufnahme der
Energieversorgung 8 berechnet. In 2 ist dies
z.B. durch die um 10° rotierte
Position 53b des Dipolmoments 52 gestrichelt dargestellt.
In der gestrichelten Position des Dipolmoments 52 im Spulensystem 6 bzw. Koordinatensystems 32 ist
zur Erzeugung der Kraft 49 eine von der Feldverteilung 54 verschiedene
Feldverteilung 58 notwendig. Zur Erzeugung dieser Feldverteilung 58 ist
ein anderes Strommuster im Spulensystem 6 bzw. den Einzelspulen
notwendig. Deshalb ist auch die Leistungsaufnahme der Energieversorgung 8 verändert. Dieser
Wert der Leistungsaufnahme wird als Leistungswert 55b ebenfalls
in der Steuerung 10 gespeichert und der Rotationsposition 53b zugeordnet.
Auf
diese Weise werden für
verschiedene Rotationswinkel 56 des Dipolmoments 52 ausgehend von
der jetzigen Position als 0°-Lage,
die jeweils zughörigen
Leistungswerte 55a–d
der Energieversorgung 8 für Rotationswinkel 56 von
z.B. 0°,
+/–5° und +/–10° hypothetisch
ermittelt.
Anschließend wird
aus den Leistungswerten 55a–d eine gewünschte Leistungsaufnahme, z.
B. die minimale Leistung 55b, ausgewählt und das Dipolmoment 52 tatsächlich in
die entsprechende Ortsposition 53b um den Rotationswinkel 56 gedreht,
im Beispiel von 2 also um +10°, wie gestrichelt
gezeichnet. Hierzu wird die gesamte Endoskopiekapsel 30 mitgedreht,
was jedoch aufgrund deren Rotationssymmetrie keine äußere Veränderung
der Kapselgeometrie bedeutet. Anschließend wird in der nun veränderten
Position 53b des Dipolmomentes 52 das entsprechende
Spulenstrommuster im Spulensystem 6 tatsächlich erzeugt,
was eine entsprechende Feldverteilung 58 zur Folge hat
und die Kraft 49 am Dipolmoment 52 und damit an
der Endoskopiekapsel 30 tatsächlich wirkt. Auf Grund der
Kraft 49 bewegt sich die Endoskopiekapsel 30 entlang
ihrer Mittelachse 34 in Richtung des Pfeils 42.
Nach
Verschiebung der Endoskopiekapsel 30 um ein bestimmtes
Wegstück
entlang ihrer Mittelachse 34 wird der eben beschriebene
Vorgang wiederholt, um am neuen Ort der Endoskopiekapsel 30 wiederum
die minimale Leistungsaufnahme des Spulensystems 6 zur
weiteren Erzeugung einer neuen Kraft zu ermitteln. Auf diese Weise
ist es möglich,
die Endoskopiekapsel 30 mit minimalem Leistungsaufwand
entlang eines Weges z.B. durch den gesamten Dünndarm des Patienten 4 zu
bewegen.
Eine ähnliche
Vorgehensweise gilt auch für das
Erzeugen von Drehmomenten durch Einwirkung von magnetischen Feldern
auf das Dipolmoment 52, um so eine Drehung der Endoskopiekapsel 30 mit möglichst
geringer Leistungsaufnahme des Spulensystems 6 zu ermöglichen.
Hierbei wird die Rotationsposition des Permanentmagneten zunächst so gewählt, dass
der Rich tungskosinus zwischen Permantentmagnetrichtung und Drehmomentrichtung minimal
wird. Die optimale Permanentmagnetausrichtung, bei der die Leistungsaufnahme
des Spulensystems so gering wie möglich ist, kann von dieser Rotationsposition
aufgrund der Asymmetrie des Spulensystems etwas differieren und
wird nachgelagert bestimmt.