DE102006014045A1

DE102006014045A1 - Verfahren und Einrichtung zur Fernsteuerung einer Ortungsspulen aufweisenden Arbeitskapsel

Info

Publication number: DE102006014045A1
Application number: DE102006014045A
Authority: DE
Inventors: Dirk Dr. Diehl; Johannes Dr. Reinschke; Rudolf Röckelein
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Invandus De GmbH
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2026-03-28
Also published as: DE102006014045B4; WO2007110270A2; WO2007110270A3

Abstract

Bei einem Verfahren zur drahtlosen Fernsteuerung einer mindestens drei zueinander orthogonale Ortungsspulen (124) aufweisenden Arbeitskapsel (110) in einem Patienten, wobei ein von den Ortungsspulen (124) empfangbares erstes Magnetfeld (120) erzeugt wird, eine elektromagnetische Ortungseinrichtung (112) anhand des von den Ortungsspulen (124) empfangenen ersten Magnetfeldes (120) Position (116) und Orientierung (118) der Arbeitskapsel (110) relativ (114) zu einem mehrere, insbesondere vierzehn, Erregerspulen (102a-n) aufweisenden Magnetspulensystem (100) außerhalb des Patienten ermittelt, das Magnetspulensystem (100) anhand Position (116) und Orientierung (118) ein Navigationsmagnetfeld (111) zur Kraftausübung (122) auf die Arbeitskapsel (110) erzeugt, wird ein zweites, von mindestens einer der Ortungsspulen (124) empfangbares Magnetfeld (8) zur Fernsteuerung der Arbeitskapsel (110) erzeugt. Eine entsprechende Einrichtung umfasst eine Einrichtung (112) zum Erzeugen eines ersten Magnetfeldes (120), ein Magnetspulensystem (100) außerhalb des Patienten, eine elektromagnetische Ortungseinrichtung (112) und eine Einrichtung (128) zur Erzeugung eines zweiten, von mindestens einer der Ortungsspulen (124) empfangbaren Magnetfeldes (8) zur Fernsteuerung der Arbeitskapsel (110).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur drahtlosen Fernsteuerung einer mindestens drei zueinander orthogonale Ortungsspulen aufweisenden Arbeitskapsel eines Magnetspulensystems.
In der Medizin ist es häufig notwendig, im Inneren eines in der Regel lebenden Menschen oder Tieres als Patienten eine medizinische Maßnahme auszuführen, die z. B. eine Diagnose oder Behandlung sein kann. Zielgebiet einer derartigen medizinischen Maßnahme ist oft ein Hohlorgan im betreffenden Patienten, insbesondere dessen Gastrointestinaltrakt. Über lange Zeit wurden die medizinischen Maßnahmen mit Hilfe von Katheterendoskopen durchgeführt, welche nicht- oder minimalinvasiv von außerhalb des Patienten in diesen eingeführt wurden. Herkömmliche Katheterendoskope weisen hierbei verschiedene Nachteile auf, z. B. verursachen sie beim Patienten Schmerzen oder können entfernt liegende innere Organe nur schwer oder gar nicht erreichen.
Zur katheterfreien bzw. kabellosen Endoskopie sind deshalb z.B. Videokapseln der Fa. Given Imaging bekannt, welche der Patient schluckt. Die Videokapsel bewegt sich aufgrund der Peristaltik durch den Verdauungstrakt des Patienten und nimmt hierbei eine Reihe von Videobildern auf. Diese werden nach außerhalb des Patienten per Funk übertragen. Der Patient kann sich während des mehrere Stunden dauernden Kapselaufenthaltes im Körper frei bewegen, da er entsprechende Empfangsantennen und einen Rekorder zur Aufzeichnung der Videobilder am Körper mit sich führt. Ausrichtung der Kapsel und damit Blickrichtung der Videobilder sowie Verweildauer im Körper des Patienten sind hierbei zufällig bzw. nicht beeinflussbar. Außer der Bildaufnahme hat die Kapsel keine aktive Funktionalität. Diagnosefunktionen, wie gezielte Betrachtung, Reinigung, Biop sie sind ebenso wenig möglich wie gezielte Behandlungen im Inneren des Patienten, z. B. Medikamentengabe. Für eine vollständige Diagnose ist dies inakzeptabel bzw. nicht zufrieden stellend.
Neuerdings ist es deshalb, z. B. aus der DE 103 40 925 B3 oder der noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2005 01 04 89.4 bekannt, mit Hilfe eines Magnetspulensystems magnetische Körper durch Hohlorgane eines Patienten mittels magnetischer, berührungsfreier Kraftübertragung zu bewegen. Die Kraftausübung erfolgt hierbei also gezielt, berührungslos und von außen kontrolliert.
Ein magnetischer Körper ist hierbei z.B. eine einen Dauermagneten enthaltende Arbeitskapsel, auch Endokapsel oder Endoroboter genannt. Die Arbeitskapseln weisen Funktionalitäten eines herkömmlichen Endoskops auf, z.B. Videoaufnahme, Biopsie oder Clips. Mit einer derartigen Arbeitskapsel kann so eine medizinische Maßnahme autark, d.h. kabellos bzw. katheterfrei durchgeführt werden, es besteht also keinerlei Kabel- oder mechanische Verbindung von der Arbeitskapsel nach außen. Während der medizinischen Maßnahme befindet sich der Patient zumindest zeitweise ganz oder teilweise innerhalb des Magnetspulensystems.
5 der Zeichnungen zeigt ein entsprechendes, aus der DE 103 40 925 B3 bekanntes Magnetspulensystem 100, das im Folgenden kurz beschrieben wird. Für eine weiterführende, ausführlichere Beschreibung des Magnetspulensystems 100 bzw. dessen Funktionsweise wird auf die DE 103 40 925 B3 verwiesen. Das Magnetspulensystem 100 umfasst vierzehn Erregerspulen 102a–n, von denen in 5 nur die Erregerspulen 102a–c, 102e, und 102g–n sichtbar sind. Die sechs Erregerspulen 102a–f sind dabei rechteckig ausgeführt und bilden die Kanten eines Quaders. Die verbleibenden acht Erregerspulen 102g–n bilden zusammen die Mantelfläche eines in den eben beschriebenen Quader eingebetteten Zylinders.
Jede einzelne der Erregerspulen 102a–n ist über eine Versorgungsleitung 104a–n an einer Leistungsversorgung 106 angeschlossen. In 5 sind der Übersichtlichkeit halber nur die Versorgungsleitungen 104a–c und 104e dargestellt. Über die Leistungsversorgung 106 wird jeder der Erregerspulen 102a–n unabhängig voneinander eine bestimmte Stromstärke mit bestimmtem zeitlichem Verlauf, natürlich im Rahmen der Leistungsfähigkeit der Leistungsversorgung 106, eingeprägt.
Jede der Erregerspulen 102a–n erzeugt somit für sich ein Magnetfeld. Im Innenraum 108 des Magnetspulensystems 100 kann damit eine nahezu beliebige magnetische Feldverteilung bezüglich Stärke, Richtung und Geometrie erzeugt werden. In diesem Innenraum 108 befindet sich ein nicht dargestellter Patient und in dessen Körperinneren eine Arbeitskapsel 110, welche ein nicht dargestelltes magnetisches Element, z. B. einen Dauermagneten, enthält.
Dem Magnetspulensystem 100 ist eine Ortungsvorrichtung 112 zugeordnet, welche Lage und Orientierung der Arbeitskapsel 110 in einem dem Magnetspulensystem 100 zugeordneten Koordinatensystem 114 erfasst. Die Lage bzw. der Ort 116 der Arbeitskapsel 110, bzw. die Lage des geometrischen Mittelpunkts dieser, ist in 5 durch die gestrichelten Linien angedeutet. Die Orientierung 118 der Arbeitskapsel 110 ist in 5 durch einen Pfeil dargestellt und wird von der Ortungsvorrichtung 112 in Bezug auf das Koordinatensystem 114 erfasst. Die Arbeitskapsel kann hierbei eine beliebige, z. B. längliche oder rotationssymmetrische, geometrische Form aufweisen. Die Orientierung entspräche dann z. B. der Richtung des Einheitsvektors in Längsrichtung der Arbeitskapsel 110. Die gesamte Lage der Arbeitskapsel 110, also insbesondere die Schwerpunktskoordinaten und die Längsachsenrichtung, ist somit im Koordinatensystem 114 vollständig beschrieben und bekannt.
Die Ortungsvorrichtung 112 ist eine elektromagnetische Ortungsvorrichtung. Hierfür beinhaltet die Arbeitskapsel 110 drei (dargestellt) bis sechs zueinander orthogonale Ortungsspulen 124. Diese arbeiten mit einer Trägerfrequenz von z.B. 12 kHz beim "Aurora"-System der Fa. NDI.
Die Ortungsvorrichtung 112 erzeugt mit Hilfe einer integrierten Spulenanordnung 125 ein elektromagnetisches Feld, insbesondere am Kapselort, dargestellt durch die Feldlinien 120. Die Arbeitkapsel nimmt das Feld durch die Ortungsspulen 124 auf und sendet die empfangene Feldstärke zurück an die Ortungsvorrichtung 120. Diese errechnet aus der von der Arbeitskapsel übermittelten, empfangenen Feldstärke den Ort 116 und die Orientierung 118.
Die Ortungsvorrichtung 112 übermittelt Ort 116 und Orientierung 118 der Arbeitskapsel 110 an die Leistungsversorgung 106. Diese bestromt daraufhin die Erregerspulen 102a–n derart, dass sich am Ort der Arbeitskapsel 110 ein nicht dargestelltes Navigationsmagnetfeld 111 einstellt. Dieses Magnetfeld ist so ausgelegt, dass es mit dem Dauermagneten in der Arbeitskapsel 110 derart wechselwirkt, dass eine erwünschte Kraft 122 und/oder ein gewünschtes, nicht dargestelltes Drehmoment an der Arbeitskapsel 110 angreift. Auf diese Art wird die Arbeitskapsel 110 im Patienten bewegt, ausgerichtet und/oder rotiert.
Die gesamte Energie, welche die Arbeitskapsel selbst während der Durchführung der medizinischen Maßnahme benötigt, wird z.B. über nicht dargestellte Batterien oder Kondensatoren im Inneren der Arbeitskapsel oder durch drahtlose Energieübertragung (nicht dargestellt) zur Kapsel bereitgestellt. Letztere ist besonders günstig für leistungsintensive medizinische Maßnahmen, wie z.B. Hohlorganausleuchtung, Biopsienahme, thermische Koagulation oder Laserapplikationen. Die induktive Energieeinkopplung in die Arbeitskapsel 110 benötigt eine nicht dargestellte Induktionsspule in der Kapsel und arbeitet mit Frequenzen von ca. 500 Hz bis ca. 500 kHz. Die Größe der Arbeitskapsel ist z.B. für den Einsatz im oberen Magen-Darm-Trakt einschließlich Dünndarm begrenzt auf ca. 25 mm Länge und ca. 10 mm Durchmesser; bei reinem Einsatz im Dickdarm etwas mehr. Hierdurch ist der Raum für Einbauten generell begrenzt.
Zur Ausführung der beabsichtigten Aufgaben benötigt die Kapsel Steuersignale von außerhalb des Patienten, z.B. zum Auslösen einer Biopsienahme, zur Aufnahme von Videobildern, zur gezielten Medikamentengabe usw. Eine Fernsteuerung reicht hierbei von einfachen Befehlen, wie "Biopsiezange ausfahren", z.B. mittels Übertragung eines zweistelligen Nummerncodes, bis zur Übertragung von modifiziertem Programmcode in die Kapsel, z.B. für eine geänderte Bildvorverarbeitung bei Videoaufnahmen. Je nachdem wird ein nieder- oder hochfrequentes Trägersignal für die Fernsteuerung mit niedriger oder hoher Bandbreite zur Datenübertragung benötigt.
In 5 ist zur Kommunikation in der Kapsel 110 eine nicht dargestellte Empfängerspule, und außerhalb des Patienten eine Fernsteuereinheit 126 vorgesehen, die an eine Kapselsteuerung 128 für die Kapselfunktionen angeschlossen ist. Die Fernsteuereinheit 126 dient zum Senden der Steuerbefehle zur Kapsel, aber auch optional zum Empfang von Rückmeldesignalen, z.B. zur Bestätigung eines von der Arbeitskapsel 110 empfangenen Befehls. Die Kommunikation entlang des Pfeils 130 verläuft also immer zur Kapsel hin und optional auch von dieser zurück.
Weiterhin wird zur Datenübertragung von der Arbeitskapsel 110 nach außen ein hochfrequentes Trägersignal im Bereich 430 MHz benutzt, um z.B. Sensordaten oder Live-Videobilder aus dem Patienteninneren zu übertragen. Hierzu ist eine zusätzliche, nicht dargestellte Sendespule im Kapselinneren vorgesehen.
Neben dem Magnetspulensystem für die Kraftausübung auf die Kapsel sind also etliche weitere Spulenanordnungen bzw. Systeme innerhalb und außerhalb der Kapsel nötig bzw. bei vollem Systemausbau und maximaler Kapselfunktionalität vorhanden. Je mehr Einzelspulen aber nötig sind, umso aufwändiger, voluminöser und teurer wird das Gesamtsystem.
Insbesondere in der Arbeitskapsel 110 ist der Einbauraum äußerst begrenzt, durch die Vielzahl notwendiger Spulen bzw. Kommunikationskomponenten steht also sehr wenig Platz für die eigentlichen medizinischen Komponenten zur Verfügung. Dieser Platz wird jedoch benötigt, um z.B. eine Kapsel mit möglichst großem Funktionsumfang zu bauen, die dann für die verschiedensten medizinischen Zwecke universell einsetzbar ist.
Aus der nicht veröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2005 01 23 87.2 ist es bekannt, mittels eines gemeinsamen bzw. einzigen extrakorporalen Spulensystems die Kraftausübung auf und die Positionsbestimmung der Kapsel gemeinsam zu realisieren. Kapselseitig ist eine Kombination beider Teilaufgaben nicht sinnvoll, da der Permanentmagnet durch eine mit Energie zu versorgende Spule ersetzt werden müsste. Diese Energie könnte in der Kapsel weder gespeichert noch zugeführt werden. Die Ohmschen Verluste in der Kapsel wären zu hoch.
Aus der nicht veröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2005 05 37 59.6 ist es bekannt, mittels eines gemeinsamen bzw. einzigen extrakorporalen Spulensystems die Kraftausübung auf und die drahtlose Energieübertragung zur Kapsel gemeinsam zu realisieren. Auch hier ist wegen der gleichen Gründe wie oben eine kapselseitige Kombination nicht sinnvoll.
Aus der US 2004 0215083 A1 ist eine sowohl senderseitige als auch kapselseitige Kombination von induktiver Energieeinkopplung und Fernsteuerung der Kapsel bekannt.
Eine Kombination von induktiver Energieeinkopplung und Positionserkennung ist dagegen aus der US 2004 0225184 A1 bekannt.
Alle bekannten Maßnahmen reduzieren die Einzelmodule bzw. Bauteile, und damit die Kosten und den Aufwand des Gesamtsystems aus Magnetspulensystem und Endoskopiekapsel. Dennoch verbleibt ein immer noch aufwändiges und teures System.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Gesamtsystem weiter zu vereinfachen bzw. Komponenten und damit Platzbedarf einzusparen.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1.
Die Erfindung nutzt hierbei folgende Erkenntnis: Zur Positionsbestimmung mit dem elektromagnetischen Ortungssystem beinhaltet die Kapsel mindestens drei orthogonal zueinander ausgerichtete Empfangsspulen bzw. Ortungsspulen. Diese sind in der Regel zum Empfang von Feldern von z.B. 12 kHz ausgelegt. Der empfang von Wechselfeldern in diesem oder einem leicht veränderten Frequenzbereich, von z.B. 15 kHz ist also möglich.
Die benötigten Fernsteuersignale für die Kapsel sind in der Regel niederfrequent. Derartige Signale liegen im Bereich einer Trägerfrequenz von maximal ca. 10 kHz. Dies ist für die meisten Fernsteueraufgaben ausreichend, da die zu übertragende Informationsmenge eher gering ist, verglichen z.B. mit einer Bildübertragung eines Kamerasignals. Der oben erwähnte Frequenzbereich des Ortungssystems genügt also für gewöhnliche Fernsteueraufgaben.
Daher können also die Fernsteuersignale in Form des zweiten Magnetfeldes auch von den Ortungsspulen empfangen werden. Eine separate Empfangsspule für die Fernsteuerung in der Kapsel ist überflüssig und es verbleibt mehr Platz für die restlichen Einbauten. Das Gesamtsystem wird dadurch einfacher und kostengünstiger. Komponenten werden eingespart.
In der Regel sind die Ortungsspulen symmetrisch ausgeführt. Da sie außerdem orthogonal zueinander sind, decken sie den kompletten dreidimensionalen Empfangsbereich für elektromagnetische Felder bezüglich der Feldorientierung ab. Das zweite Magnetfeld kann also in beliebiger Richtung erzeugt werden.
Es kann jedoch auch sein, dass aufgrund der Spulengeometrie die Ortungsspulen doch eine Vorzugsrichtung für das zweite Magnetfeld aufweisen.
Position und Orientierung der Arbeitskapsel müssen ohnehin für die Navigation, also Kraftausübung auf die Arbeitskapsel bekannt sein. Die relative Position und Orientierung der Ortungsspulen im ortsfesten Koordinatensystem sind also bekannt. Natürlich muss die Lage der Ortungsspulen in der Kapsel bekannt sein. Im einfachsten Fall sind daher die Ortungsspulen starr in der Kapsel eingebaut.
Damit ist die augenblickliche Orientierung der Ortungsspulen im Magnetspulensystem bekannt. Das zweite Magnetfeld kann dann stets so erzeugt werden, dass es in die bezüglich der Vorzugsrichtung der Ortungsspulen bestmöglich ausgerichtet ist, also in diese bestmöglich einkoppelt, z.B. genau entlang der Spulenachse einer bestimmten Ortungsspule ausgerichtet ist. Bei gegebener Feldstärke des Fernsteuerfeldes ist so die in derjenigen Ortungsspule empfangene Leistung und damit die Signalqualität maximal.
Erstes und zweites Magnetfeld können in voneinander unterschiedlichen ersten und zweiten Frequenzbereichen erzeugt werden. Die Frequenzbereiche können dann insbesondere nicht überlappend ausgeführt werden, so dass Ortung und Fernsteuerung gesonderten Frequenzbereichen zugeordnet sind. Eine gegenseitige Störung ist so ausgeschlossen.
Der Frequenzbereich von 500 Hz bis 500 kHz eignet sich hierbei besonders zur Übertragung durch menschliches Körpergewebe zur Kapsel bei den gegebenen Abständen von ca. 20 bis 60 cm zwischen den Sendern für erstes und zweites Magnetfeld und der Arbeitskapsel.
Durch die Unterscheidung der Frequenzbereiche für die ersten und zweiten magnetischen Felder zur Ortung und zur Fernsteuerung beeinflussen sich diese gegenseitig kaum. Z.B. kann das zweite Magnetfeld zur Fernsteuerung hochfrequent und das erste zur Ortung niederfrequent gewählt werden.
Erstes und zweites Magnetfeld können daher überlagert werden. Dies führt dazu, dass während der Ortung gleichzeitig eine Fernsteuerung der Kapsel stattfindet. Somit ist eine ständige Kontrolle der Kapselfunktionen, also eine Steuerung zu jedem beliebigen Zeitpunkt, möglich.
Hierbei kann z.B. das Fernsteuersignal, also das zweite Magnetfeld z.B. amplitudenmoduliert auf das Ortungssignal, also das erste Magnetfeld aufmoduliert werden.
Alternativ kann das zweite Magnetfeld im zeitlichen Multiplex zum ersten Magnetfeld erzeugt werden. Erstes und zweites Feld werden also zeitlich im Wechsel, und nicht gleichzeitig erzeugt. Hierdurch steht sowohl für die Positionsbestimmung als auch für die Fernsteuerung die jeweils maximale Leistung des übertragenen ersten bzw. zweiten Feldes zur Verfügung, was eine störungsfreie Signalübertragung ermöglicht.
Während der Fernsteuerung findet dann keine Ortung statt. Dies stört jedoch nicht, wenn z.B. währenddessen die Kapsel im Patienten ohne Kraftausübung ruht. Durch entsprechend kurze zeitliche Abstände zwischen zwei Fernsteuerungen kann so dennoch eine quasi kontinuierliche Ortung erfolgen. Die Arbeitskapsel kann dann so benutzt werden, dass diese lediglich im ruhenden Zustand aktiv gesteuerte medizinische Maßnahmen durchführt. Da die Kapselbewegung sowieso eher langsam geschieht, z.B. mit einer Geschwindigkeit von 1 cm pro Minute, ist eine nicht dauerhafte Ortung ausreichend, da die Kapsel ihren Aufenthaltsort nicht sprunghaft ändert.
Da die Ortungsspulen zu Ihrer Funktion kaum Energie aus einem externen Magnetfeld aufnehmen müssen, um die Positionserkennung durchzuführen, können diese klein im Verhältnis zur Kapselgröße ausgelegt werden und benötigen somit kaum Platz in der Kapsel.
Erstes und zweites Magnetfeld können von einem einzigen bzw. gemeinsamen Spulensystem erzeugt werden. So sinkt auch außerhalb der Kapsel die Komplexität des Gesamtsystems im Gegensatz zu getrennten Spulen für Ortung und Fernsteuerung mit den oben bereits genannten Vorteilen. Eine entsprechende Halterung und eine Kühlung für das gemeinsame Spulensystem braucht somit nur einmal vorgesehen zu werden.
Die Spulenkörper des Spulensystems werden so zur Ortung und Fernsteuerung gemeinsam genutzt. Auch eine gemeinsame Ansteuerung erfolgt hierbei. Dies reduziert den Aufwand des Gesamtsystems.
Insbesondere kann die gemeinsame Spulenanordnung das Magnetsystem zur Kraftausübung auf die Kapsel sein. Somit ist neben diesem überhaupt keine weitere externe Komponente für Ortung und Fernsteuerung vorzusehen. Das Gesamtsystem wird weiter vereinfacht. Das Magnetspulensystem übernimmt also drei Aufgaben, nämlich die Kapselnavigation, also Kraftausübung anhand der Navigationsmagnetfelder, die Ortung der Kapsel und die Fernsteuerung, also Übertragung von Steuersignalen zur Kapsel, jeweils wie oben beschrieben, im zeitlichen Wechsel oder gleichzeitig.
Um die Erregerspulen der gemeinsamen Spulenanordnung bzw. des Magnetspulensystems besonders gut zur Erzeugung der ersten und zweiten magnetischen Felder ansteuern zu können, können diese Erregerspulen mehrere Anzapfungen aufweisen und über verschieden Anzapfungen betrieben werden. Somit kann eine Erregerspule in verschiedenen Betriebsarten betrieben werden, um jeweils günstige Voraussetzung für die spezielle Felder zeugung zu haben, z.B. bestimmte Impedanz, Windungszahl oder Widerstand.
Zur Erzeugung von erstem und zweitem Magnetfeld können aus der gemeinsamen Spulenanordnung oder dem Magnetspulensystem auch jeweils andere Teilspulen verwendet werden, die hierfür besser geeignet sind als andere. Die Felderzeugung für erstes und zweites Magnetfeld ist so jeweils optimiert.
In machen Fällen kann es vorteilhaft sein, nicht nur Fernsteuerbefehle vom Magnetspulensystem zur Kapsel zu übertragen, sondern auch Rückmeldungen von der Kapsel nach außen zu senden. Dies ist im einfachsten Fall eine Rückmeldung, dass der Fernsteuerbefehl empfangen wurde, z.B. ein sogenanntes Acknowledge-Signal. Es können aber auch einfache Sensordaten, z.B. ein Temperatur- oder pH-Wert oder sonstige Informationen von der Kapsel gesendet werden. In diesem Fall kann das Rückmeldesignal vom gemeinsamen Spulensystem bzw. dem Magnetspulensystem empfangen werden. Die betreffenden Sendespulen für erstes und zweites Magnetfeld arbeiten dann gleichfalls als Empfangsantenne. Eine separate Empfangsantenne wird überflüssig. Das Rückmeldesignal kann dann über ein Filter im Spulensystem aus diesem ausgekoppelt und zur Weiterverarbeitung weitergeleitet werden, z.B. an die oben genannte Kapselsteuerung.
Da das Ortungssignal und das Fernsteuersignal also erstes und zweites Magnetfeld, in der Kapsel jeweils am gleichen Bauteil, nämlich der Ortungsspule empfangen werden, kann das kombinierte elektrische Ausgangssignal der Ortungsspule in getrennte, jeweils dem ersten und zweiten Magnetfeld korrelierte elektrische Signale aufgeteilt werden. Dies kann z.B. bei Aufmodulation durch Bandpassfilter für verschiedene Trägerfrequenzen oder ähnliches geschehen. Die kapselseitigen Komponenten für Ortung und Fernsteuerung können dann jeweils mit den bereits getrennten Fernsteuer- und Ortungssignalen versorgt werden. So müssen diese Anordnungen nicht modifi ziert werden gegenüber der Lösung mit getrennten Empfangsantennen.
Insbesondere wird das von der Ortungsspule kommende gemeinsame elektrische Signal vor der Aufteilung vorverstärkt.
Hinsichtlich der Einrichtung wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch eine Einrichtung gemäß Patentanspruch 13.
Die sich aus der erfindungsgemäßen Einrichtung ergebenden Vorteile wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert.
Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
1 ein Magnetspulensystem zur magnetischen Navigation und Fernsteuerung einer Arbeitskapsel,
2 Spulenströme einer Erregerspule aus 1 zur Navigation und Fernsteuerung (a) getrennt, (b) aufeinander aufmoduliert und (c) im Zeitmultiplex,
3 eine alternative Ansteuerung des Magnetspulensystems im Detail,
4 die Arbeitskapsel im Detail,
5 ein Magnetspulensystem zur Bewegung eines magnetischen Körpers in einem Patienten gemäß Stand der Technik.
1 zeigt nochmals das bekannte Magnetspulensystem 100 aus 5 gemäß Stand der Technik, jedoch erfindungsgemäß modifiziert. Eine Kraftsteuerung 2 empfängt von der Ortungseinrichtung 112 aktuelle Positionsdaten 4 der Arbeitskapsel 110 im Koordinatensystem 114 sowie von einer nicht dargestellten Bedieneinrichtung Solldaten für eine neue Position und Geschwindigkeit der Arbeitskapsel 110. Die Positionsdaten 4 sind Ort 116 und Orientierung 118 der Arbeitskapsel 110 im Koordinatensystem 114, wie im Zusammenhang mit 5 ausführlich erläutert.
Da die Lage der Ortungsspulen 124 in der Arbeitskapsel 110 fest und damit wie beschrieben im Koordinatensystem 114 bekannt ist, liefern die Positionsdaten 4 der Auswerte- und Steuereinheit 2 ebenso Position und Orientierung der Ortungsspulen 124.
Die Kapselsteuerung 128, die für die Steuerung der Kapselfunktionen zuständig ist, sendet, angedeutet durch den Pfeil 6, ein Steuersignal, das die Arbeitskapsel 110 erreichen soll, an die Ortungseinrichtung 112. Diese sendet über die Spulenanordnung 125, die gemäß Stand der Technik nur zur Erzeugung des Ortungssignals dient, in Form des Feldes 8 das Steuersignal an die Kapsel 110. Das Feld 8 stellt somit das erfindungsgemäße zweite Magnetfeld dar. Das Feld 8, welches die Ortungsspulen 124 durchsetzt, von diesen empfangen, und in der Arbeitskapsel 110 als Fernsteuerbefehl dekodiert.
Die Ortungsvorrichtung 112 berechnet aus den Positionsdaten 4 den Ströme I_A(t) in der Spulenanordnung 125.
Die Ströme I_A(t) bis I_N(t) erzeugen am Ort der Ortungsspulen 124 eine magnetische Feldstärke zur Ortung und Fernsteuerung der Kapsel 110.
2a zeigt zwei zeitliche Stromverläufe I_ort(t) und I_st(t), deren Summe die Stromstärke I_A(t) in der Spulenanordnung 125 von 1 ist. I_ort(t) ist hierbei ein beispielhafter zeitlicher Stromstärkeverlauf zur Ortung der Arbeitskapsel 110 gemäß Stand der Technik. Die Frequenz f₁ von I_ort(t) liegt hierbei im Bereich von 0–50 Hz. I_st(t) zeigt einen zeitlichen Stromverlauf für I_A(t) zur Übertragung eines Fernsteuerbefehls zu den Ortungsspulen 124. Die Arbeitsfrequenz f₂ von I_St(t) beträgt hierbei ca. 10 kHz.
Für die tatsächliche Bestromung der Spulenanordnung 125 sind in den 2b und 2c zwei Alternativen dargestellt. 2a zeigt eine Stromverteilung I_A(t), in welcher die Ströme I_ort(t) und I_st(t) aus 2a überlagert sind, angedeutet durch den Mischer bzw. Summierer 12.
Die Bestromung bzw. Beschaltung der Spulenanordnung 125 erfolgt hierbei über die Anzapfungen 18a und 18b, die an dieser endseitig angeordnet sind, d. h. die gesamte Spulenanordnung 125 wird vom Strom I_A(t) durchflossen. In 1 sind die Anzapfungen 18a, b und c, wie unten beschrieben, nur beispielhaft für die Spulenanordnung 125 dargestellt.
Bei einer derartigen Bestromung findet in 1 die Ortung, der Arbeitskapsel 110 sowie die Fernsteuerung der Arbeitskapsel 110 gleichzeitig statt, da auch beide Strommuster I_ort(t) und I_st(t) gleichzeitig in der entsprechenden Spulenanordnung 125 fließen.
2c zeigt im Gegensatz einen Zeitverlauf des Stromes I_A(t), bei welchem die Ströme I_ort(t) und I_st(t) aus
2a im Zeitmultiplex als Strom I_A(t) auf die Spulenanordnung 125 geschaltet werden.
Vom Zeitpunkt t1 bis t2 fließt dort der Strom I_ort(t), zwischen t2 und t3 der Strom I_stt(t), zwischen t3 und t4 wiederum I_ort(t) usw. Ortung der Arbeitskapsel 110 findet somit nur in den Zeiträumen t1 bis t2, t3 bis t4 und nach t5 statt. In den Zeiträumen von t2 bis t3 und t4 bis t5 dagegen findet keine Ortung der Arbeitskapsel 110, dafür deren Fernsteuerung statt, welche zu den erstgenannten Zeiträumen eben dann nicht stattfindet.
Die Bestromung bzw. Beschaltung der Spulenanordnung 125 erfolgt nun, wie oben beschrieben, nur für den Strom I_ort(t) über die Anzapfungen 18a und 18b. Die Bestromung mit I_st(t) erfolgt jeweils über die Anzapfungen 18a und 18c. Die Anzapfung 18c ist hierbei etwa mittig in der Spulenanordnung 125 angeordnet. Nur ein Teil der Windungen der Spulenanordnung 125 wird also vom Strom I_st(t) durchflossen. Die Spulenanordnung 125 weist dann eine geeignetere Induktivität bzw. Widerstand für dieses Strommuster auf.
Durch die unterschiedlichen Frequenzbereiche der Ströme I_ort(t) und I_st(t) beeinflussen sich Ortung und Fernsteuerung zur Kapsel 110 nicht gegenseitig.
Optional kann die Kapsel Rückmeldesignale, angedeutet durch die Pfeile 22a, b, an das Magnetspulensystem 100 oder die Spulenanordnung 125 senden. Die Signale werden dann von den entsprechenden Spulen, aufgefangen und an die Kapselsteuerung 128 geleitet. Dort ist ein Filter 20 integriert, das die empfangenen Rückmeldesignale ausleitet und entlang der Pfeils 22a oder 22b an die Kapselsteuerung 128 zur Weiterverarbeitung weiterleitet. Die Empfängerspule 124 arbeitet dann gleichzeitig als Sendespule.
Alternativ kann auch eine externe Antenne 24 vorhanden sein, die die Rückmeldesignale entlang des Pfeils 26 auffängt und zur Kapselsteuerung 128 leitet.
3 zeigt nochmals die Ansteuerung der Spulenanordnung 125 im Detail bzw. in einer Ausführungsalternative. Jeder der nicht dargestellten Einzelspulen im Spulensystem 125 ist hierbei ein Leistungsverstärker 30a–n vorgeschaltet, der die eigentlichen jeweiligen Spulenströme I_A(t) erzeugt.
Die Ansteuerung der Leistungsverstärker 30a–n erfolgt hierbei jeweils durch die Ortungsvorrichtung 112 und die Kapselsteuerung 128 für die Fernsteuerung. Anders als in 1 werden also die Navigations- und Fernsteuersignale nicht in der Kapselsteuerung 128 vermischt. Die Ausgangssignale beider Einheiten werden daher durch getrennte Signalleitungen 32a, b jeweils über Vorverstärker 34 zu Kombinierern bzw. Mischern 36 geführt. Erst dort werden die Signale gemäß den Alternativen in 2 gemischt oder gemultiplext und dann zu den Leistungsverstärkern 30a–n geführt.
4 zeigt die Arbeitskapsel 110 im Detail. Die Ortungsspulen 124 empfangen das magnetische Feld 120 zur Ortung und das Feld 8 zur Fernsteuerung, in 4 durch einen einzigen Pfeil als Gesamtfeld verdeutlicht, entweder gleichzeitig oder im zeitlichen Multiplex, wie oben erläutert. Das magnetische Gesamtfeld wird in diesem Ausführungsbeispiel von den Ortungsspulen 124 in ein elektrisches Signal 38 konvertiert, das zu einem Zirkulator 40 weitergeleitet wird, gelangt so auf einen Signalteiler 42 und wird gleichermaßen an zwei Bandpassfilter 44a, b weitergeleitet.
Das Bandpassfilter 44a extrahiert aus dem Signal 38 das mit dem Feld 120 zur Ortung korrelierte Ortungssignal 46. Das Bandpassfilter 44b dagegen extrahiert entsprechend das Fernsteuersignal 48, das mit dem Feld 8 zur Fernsteuerung korreliert ist. Über Vorverstärker 50 werden beide Signale jeweils auf die Positionserkennung 52 und die Funktionssteuerung 54 der Kapsel 110 geführt und dort weiterverarbeitet.
Die Funktionssteuerung 54 bedient die nicht dargestellten Kapseleinbauten, wie z.B. Biopsiezange, Medikamentenreservoir, Videokamera oder Beleuchtung.
Die Positionserkennung 52 detektiert die von den Ortungsspulen 124 empfangene Feldstärke des Feldes 120.
Von der Rücksendeeinheit 56 werden z.B. Rückmeldungen der Kapseleinbauten, wie "Licht ist an" oder "Kamera läuft" nach außerhalb des nicht dargestellten Patienten gesendet. Rückmeldungen können auch von der Positionserkennung 52 kommen. Z.B. wird eine, die in der Kapsel gemessene Feldstärke repräsentierende Zahl von der Kapsel nach außen gesendet.
Die Rücksendeeinheit 56 überträgt hierzu einen entsprechenden Befehl in Form eines Rückmeldesignals 58 zu einem Mischer 60 zur Aufmodulation auf ein Trägersignal 61 eines Oszillators 62. Über den Zirkulator 40 gelangt das resultierende Rücksendesignal zur Spulenanordnung 124, die es als elektromagnetisches Feld auf dem in 1 gezeigten Weg 22a oder 22c oder 26 zurück zur Kapselsteuerung 128 bzw. Ortungsvorrichtung 112.

Claims

Verfahren zur drahtlosen Fernsteuerung einer mindestens drei zueinander orthogonale Ortungsspulen (124) aufweisenden Arbeitskapsel (110) in einem Patienten, wobei: – ein von den Ortungsspulen (124) empfangbares erstes Magnetfeld (120) erzeugt wird, – eine elektromagnetische Ortungseinrichtung (112) anhand des von den Ortungsspulen (124) empfangenen ersten Magnetfeldes (120) Position (116) und Orientierung (118) der Arbeitskapsel (110) relativ (114) zu einem mehrere, insbesondere vierzehn, Erregerspulen (102a–n) aufweisenden Magnetspulensystem (100) außerhalb des Patienten ermittelt, – das Magnetspulensystem (100) anhand Position (116) und Orientierung (118) ein Navigationsmagnetfeld (111) zur Kraftausübung (122) auf die Arbeitskapsel (110) erzeugt, bei dem: – ein zweites, von mindestens einer der Ortungsspulen (124) empfangbares Magnetfeld (8) zur Fernsteuerung der Arbeitskapsel (110) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ortungsspulen (124) eine Vorzugsrichtung für das zweite Magnetfeld (8) aufweisen, bei dem das zweite Magnetfeld (8) anhand Position (116) und/oder Orientierung (118) in vorgebbarer Orientierung bezüglich der Vorzugsrichtung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem erstes (120) und zweites (8) Magnetfeld in voneinander unterschiedlichen ersten (f₁) und zweiten (f₂) Frequenzbereichen erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem erstes (120) und zweites (8) Magnetfeld einander überlagert (12) werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem erstes (120) und zweites (8) Magnetfeld im zeitlichen Multiplex (t₁–t₅) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem erstes (120) und zweites (8) Magnetfeld von einem gemeinsamen Spulensystem (125) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem erstes (120) und zweites (8) Magnetfeld vom Magnetspulensystem (100) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Erregerspulen des Spulensystems (100, 125) mehrere Anzapfungen (18a–c) aufweisen, bei dem das Spulensystem (125) erstes (120) und zweites (8) Magnetfeld über verschiedene Anzapfungen (18a–c) erzeugt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem nur ein Teil der Erregerspulen des Spulensystems (100, 125) zur Erzeugung des zweiten Magnetfeldes (8) verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem ein Rückmeldesignal (58) von der Arbeitskapsel (110) vom Spulensystem (125) empfangen und über ein Filter (20) aus dem Spulensystem (125) zur Weiterverarbeitung ausgeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das von der Ortungsspule (124) empfangene erste (120) und zweite (8) Magnetfeld als elektrisches Signal (38) in der Arbeitskapsel (110) in getrennte, jeweils mit dem ersten (120) und zweiten (8) Magnetfeld korrelierte elektrische Signale (46, 48) aufgeteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das elektrische Signal (38, 46, 48) in der Arbeitskapsel vor und/oder nach der Aufteilung vorverstärkt wird.
Einrichtung zur drahtlosen Fernsteuerung einer mindestens drei zueinander orthogonale Ortungsspulen (124) aufweisenden Arbeitskapsel (110) in einem Patienten, – mit einer Einrichtung (112) zum Erzeugen eines von den Ortungsspulen (124) empfangbaren ersten Magnetfeldes (120), – mit einem mehrere, insbesondere vierzehn, Erregerspulen (102a–n) aufweisenden Magnetspulensystem (100) außerhalb des Patienten, – mit einer elektromagnetischen Ortungseinrichtung (112) zur Ermittlung von Position (116) und Orientierung (118) der Arbeitskapsel (110) relativ (114) zum Magnetspulensystem (100) anhand des von den Ortungsspulen (124) empfangenen ersten Magnetfeldes (120), – wobei das Magnetspulensystem (100) anhand Position (116) und Orientierung (118) ein Navigationsmagnetfeld (111) zur Kraftausübung (122) auf die Arbeitskapsel (110) erzeugt, – mit einer Einrichtung (128) zur Erzeugung eines zweiten, von mindestens einer der Ortungsspulen (124) empfangbaren Magnetfeldes (8) zur Fernsteuerung der Arbeitskapsel (110).
Einrichtung nach Anspruch 13, bei der die Einrichtungen zur Erzeugung von erstem (120) und zweitem Magnetfeld (8) eine gemeinsame Spulenanordnung (125) aufweisen.
Einrichtung nach Anspruch 14, bei der die gemeinsame Spulenanordnung (125) das Magnetspulensystem (100) ist.
Einrichtung nach Anspruche 14 oder 15, bei der mindestens eine der Einzelspulen der gemeinsamen Spulenanordnung (100, 125) mehrere Anzapfungen (18a–c) aufweist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, mit einer Empfangseinrichtung (100, 125, 24) zum Empfang eines von der Arbeitskapsel (110) gesendeten elektromagnetischen Rückmeldesignals (58).
Einrichtung nach Anspruch 17, bei dem die Empfangseinrichtung (100, 125, 24) ein Filter (20) im Magnetspulensystem (100) und/oder der Einrichtung (125) zur Erzeugung von erstem (120) und/oder zweitem Magnetfeld (8), zum Ausleiten des Rückmeldesignals (58) enthält.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, bei der die Arbeitskapsel (110) einen Signalteiler (42) und ein Filter (44a, b) zur Aufteilung des von den Ortungsspulen (124) empfangenen ersten (120) und zweiten (8) Magnetfeldes in getrennte, jeweils mit dem ersten (120) und zweiten (8) Magnetfeldern korrelierte elektrische Signale (46, 48), enthält.