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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung von Maßnahmen
im Inneren eines Körpers,
wobei die Vorrichtung ein außerhalb
des Körpers
angeordnetes Magnetspulensystem zur Erzeugung von Gradientenfeldern
und ein durch die Gradientenfelder berührungslos im Inneren des Körpers bewegbaren
Magnetkörper
aufweist.
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Für bestimmte
medizinische, insbesondere orthopädische Anwendungen ist eine
stoß-
bzw. ruckartige Einwirkung auf Werkzeuge erforderlich. So ist es
beispielsweise bekannt, Knochenbrüche nach deren Ausrichtung
mittels Werkzeugen, beispielsweise eines Knochennagels oder einer
Knochenschraube, zu fixieren, um ein sauberes Zusammenwachsen der
Bruchstellen zu ermöglichen.
Dazu wird der Knochennagel oder die Knochenschraube in Längsrichtung
in den verletzten Röhrenknochen
eingebracht. Das Einbringen kann durch Schlagen mit einem Hammer
auf den Knochennagel oder durch Eindrehen einer Knochenschraube
erfolgen. Sowohl Knochennagel als auch Knochenschraube werden dabei in
Längsrichtung
im Röhrenknochen
durch das Knochenmark vorangetrieben. Manche Körperregionen sind für einen
konventionellen Hammer oder Schrauber nicht zugänglich, weil sie tief im Körper liegen
und von Gewebe oder anderen Körperstrukturen
umgeben sind. Für
das Ausüben
von stoßartigen
Impulsen auf die vorgenannten Werkzeuge an von außen nicht oder
schwer zugänglichen
Orten im Körper
wird daher eine entsprechende Vorrichtung gesucht, die einen minimalinvasiven
Eingriff ermöglicht.
Zur Untersuchung bzw. Behandlung eines Menschen oder Tieres sind
minimal bzw. nicht invasive medizinische Techniken bekannt. Seit
längerem
bekannt, ist die Benutzung von Endoskopen, welche durch Körperöffnungen
oder kleine Einschnitte in das Innere des Körpers eingebracht werden. Hierbei
befinden sich an der Spitze eines mehr oder weniger langen biegsamen
Katheters Inspektions- bzw.
Manipulationsgeräte,
die zur Ausführung
einer gewünschten
Tätigkeit ausgestaltet
sind.
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Zur
kathederfreien bzw. schlauchlosen Endoskopie sind seit einigen Jahren
Endoskopiekapseln bekannt, welche der Patient entweder schluckt oder
welche anderweitig in den Patienten eingeführt werden. Bei den Endoskopiekapseln
kann zwischen passiv bewegten und aktiv bewegten Endoskopiekapseln
unterschieden werden. Während
die passiv bewegten Endoskopiekapseln lediglich durch die Peristaltik
und damit in der Regel durch den Verdauungstrakt des Patienten bewegt
werden, sind die aktiv bewegbaren Endoskopiekapseln von außen steuer-
und navigierbar und können
auch andere Körperregionen
als nur den Verdauungstrakt erreichen. Aus der
DE 101 422 53 C1 ist eine
Endoskopiekapsel bekannt, die mit einem Magneten ausgestattet ist
und sich durch ein von einem externen Magnetspulensystem erzeugten
Gradientenfeld ferngesteuert bewegen lässt. Aus der
DE 103 409 25 B3 ist ein
Magnetspulensystem zur berührungsfreien
Bewegung eines magnetischen Körpers
bekannt. Das dort beschriebene Magnetspulensystem basiert auf 14
einzeln ansteuerbaren Einzelspulen, die zur Erzeugung der drei Magnetfeldkomponenten
sowie von fünf
Magnetfeldgradienten innerhalb eines dreidimensionalen Arbeitsraumes
ausgebildet sind. Auf diese Weise ist eine berührungsfreie Bewegung eines
magnetischen Körpers
im Sinne einer mechanisch berührungsfreien
Ausrichtung dieses Körpers
und/oder einer Kraftausübung
auf diesen mittels Magnetenfeldern möglich. Vorteil dieses Magnetspulensystems
ist die Einleitung von kontinuierlichen Kräften auf den magnetischen Körper. Somit
ist eine weitestgehend ruckfreie Bewegung des magnetischen Körpers möglich.
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Aus
der US 2003/0181788 ist eine Endoskopiekapsel bekannt, die über ein
externes rotierendes Magnetfeld in eine Drehbewegung versetzt werden kann
und über
ein auf der Außenseite
der Endoskopiekapsel aufgebrachtes Außengewinde (Schnecke), welches
sich im Eingriff mit dem Hohlorgan befindet, vorgetrieben werden
kann. Eine translatorische Bewegung, die der Positionierung der
Kapsel im Hohlorgan dient, wird hier le diglich über die Steigung der als Schnecke
aufgebauten Endoskopiekapsel erreicht. Mit dieser Endoskopiekapsel
soll ein gleichmäßiger, ruhiger
Vortrieb im Körper
erreicht werden.
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Eine
Kombination dieser minimalinvasiven Eingriffsmöglichkeiten mit bestimmten
orthopädischen
Anwendungen ist derzeit nicht bekannt. Eine orthopädische Anwendung
bzw. die Einleitung größerer periodische
Schlagkräfte
kann dem Stand der Technik nicht entnommen werden.
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Es
ist demnach Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, die
eine möglichst
große, kontinuierliche
Kraftübertragung
auf ein Werkzeug ermöglicht.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung diese Kraftübertragung
oder -einleitung auf engstem Raum zu gewährleisten. Wenngleich hier
primär
auf medizinische Anwendungen abgezielt wird, so soll die Erfindung
keinesfalls auf solche beschränkt
bleiben.
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Die
Aufgabe wird gelöst,
durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet
ist, dass wenigstens ein Teil des Magnetkörpers eine periodische Bewegung
ausführt
und somit Schlagkräfte
auf ein Werkzeug einleitet, die einen Vortrieb des Werkzeugs gewährleisten.
Erfindungsgemäß wird also
vorgeschlagen, von außen mittels
eines den Körper
durchdringenden zeitlich variablen magnetischen Gradientenfeldes
auf einen magnetischen oder magnetisierten Körper Kräfte einwirken zu lassen, wobei
der Magnetkörper
in eine periodische Bewegung versetzt wird und dabei stoßartige
Impulse auf ein Werkzeug ausübt.
Vorteilhaft werden die im Stand der Technik lediglich zur Navigation
eingesetzten Magnetfelder nunmehr so gesteuert, dass eine gezielte
Ausübung
von Schlagkräften gewährleistet
wird. Der durch den Magnetkörper
auf das Werkzeug übertragene
Kraftstoß ist
proportional der Masse des Magnetkörpers und seiner Aufschlaggeschwindigkeit.
Bei konstanter Beschleunigung d.h. bei konstantem auf den Magnetkörper einwirkendem Gradientenfeld
während
der Beschleunigungsphase ist die Aufprallgeschwindigkeit der Quadratwurzel aus
dem Produkt von Beschleunigungsweg und Be schleunigung proportional.
Die Beschleunigung selbst lässt
sich über
die Stromstärke
des den Fluss erzeugenden Magnetspulensystem einstellen. Somit lässt sich
der auf das Werkzeug einzuleitende Kraftstoß aus den Größen Magnetkörpermasse,
Beschleunigungsweg und Stromstärke
des den Fluss erzeugenden Magnetspulensystems bestimmen. Das Optimum
dieser drei Größen wird
abhängig
von der Anwendung gewählt.
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In
einer Variante ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein Teil des Magnetkörpers
eine translatorische Bewegung ausführt. Wegen des begrenzten Aufnahmeraumes
des Magnetkörpers
i.d.R. innerhalb eines längsgestreckten Hohlkörpers runden
Querschnitts, wird dieser vorzugsweise eine zylindrische Form aufweisen.
In diesem Fall wird die periodisch ausgeführte translatorische Bewegung
entlang der Längsachse
des zylinderförmigen
Magnetkörpers
erfolgen. Über
die Amplitude der periodischen, translatorischen Bewegung lässt sich
der notwendige Beschleunigungsweg, der notwendig ist für die Einleitung
der Schlagkräfte,
festlegen.
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In
einer anderen Variante führt
wenigstens ein Teil des Magnetkörpers
eine Drehbewegung aus. Auf diese Weise lassen sich pulsierende Rotationskräfte auf
das Werkzeug ausführen.
Somit kann ein Schraubwerkzeug vorangetrieben werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
leitet wenigstens ein Teil des Magnetkörpers durch Überlagerung
von translatorischer und rotorischer Bewegung Schlagkräfte auf
das Werkzeug. Während
des translatorischen Beschleunigens wird der Magnetkörper also
zusätzlich
rotorisch beschleunigt. Dazu ist es erforderlich die Magnetachse
des Magnetkörpers
in einem von 0° verschiedenen
Winkel zur Translationsrichtung anzuordnen. Wird nunmehr der äußere Fluss
inhomogen zeitvariabel gestaltet, lässt sich die Überlagerung
von translatorischen und rotorischen Bewegungen realisieren. Durch
die Überlagerung
dieser Bewegungen kann der Beschleunigungsweg als eine der kraftbestimmenden
Größen vorteilhaft
vergrößert werden,
und zwar bei gleichzeitiger Begrenzung bzw. Minimierung des Auslenkungsweges
des Magnetkörpers.
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In
einer Variante ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass
der Magnetkörper
einteilig und starr ist und durch die Gradientenfelder beschleunigt die
periodische Bewegung ausführt.
Nach dieser Variante wird also der gesamte Magnetkörper als
eine Einheit im Gradientenfeld beschleunigt. Dies wird für Anwendungen
von Vorteil sein, die eine weitestgehend freie Bewegung des Magnetkörpers zulassen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist der Magnetkörper
mehrteilig und ein, mit einem magnetischen Grundkörper beweglich
verbundener Teil, führt die
periodische Bewegung aus. D.h. der Magnetkörper besteht aus einem magnetischen
Grundkörper und
einem beweglichen Teil. Der magnetische Grundkörper ist aufgrund seiner Magnetisierung durch
das Magnetspulensystem bewegbar, mit dem magnetischen Grundkörper wird
auch der bewegliche Teil mitbewegt. Der mit dem magnetischen Grundkörper beweglich
verbundene Teil kann sich jedoch zusätzlich translatorisch und/oder
rotorisch bewegen, während
der magnetische Grundkörper
unbeweglich bleibt. Die Bewegungsgrenzen dieser translatorischen
und/oder rotorischen Bewegung relativ zum magnetischen Grundkörper werden
durch die Art seiner Verbindung mit dem magnetischen Grundkörper bestimmt.
Die Bewegungsanregung wird aus dem magnetischen Grundkörper heraus mechanisch
oder elektromechanisch durchgeführt.
In dieser Variante kann der magnetische Grundkörper beispielsweise in einem
Hohlorgan arretiert werden und über
seinen beweglichen Teil die Schlagkräfte auf das Werkzeug einleiten.
Aufgrund der Arretierung des magnetischen Grundkörpers kann dieser ggf. Rückstöße des mit
ihm verbundenen beweglichen Teils aufnehmen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind die Schlagkräfte
ermittel- und steuerbar. Auf diese Weise wird der insbesondere bei
medizinischen Anwendungen zulässige
Kraftstoß eingestellt
und damit vielfach begrenzt.
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In
einer Variante wird vorgeschlagen die Ermittlung der Schlagkräfte drahtlos über die
Messung der Bewegungsgeschwindigkeit des Magnetkörpers in Richtung des Werkzeuges
erfolgen zu lassen. Magnetspulensysteme zur Navigation so genannter
Endoskopiekapseln besitzen ein Positionserkennungssystem zur Bestimmung
der Lage der Endoskopiekapsel im Raum. Dieses Positionserfassungssystem wird
zur Erfassung der Bewegungsgeschwindigkeit des Magnetkörpers in
Richtung auf das Werkzeug genutzt. Über die Bewegungsgeschwindigkeit
des Magnetkörpers
und seine Masse kann die einwirkende Schlagkraft berechnet werden.
Sind die Schlagkräfte
bekannt, lassen sich diese über
die Ströme
der Magnetspulen des Magnetspulensystems steuern.
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In
einer weiteren Ausgestaltungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuerung der Schlagkräfte
des Magnetkörpers
derart erfolgt, dass nach Bewegungsaufnahme des Magnetkörpers die
Bewegungsgeschwindigkeit schrittweise auf ihren Sollwert eingestellt
wird, wobei laufend die Messung der Bewegungsgeschwindigkeit erfolgt.
In dieser Variante wird also vorgeschlagen, die periodisch auszuführenden
Schläge
auf das Werkzeug mit einer Bewegungsgeschwindigkeit zu beginnen,
die mit Sicherheit unter den zulässigen
Schlagkräften
für das
Anwendungsgebiet liegen. Danach, also in den nachfolgenden Perioden
der Bewegung, wird die Bewegungsgeschwindigkeit schrittweise erhöht, bis
sie einen eingestellten Sollwert erreicht hat. Beim Hochlauf erfolgt
laufend die Ermittlung der Bewegungsgeschwindigkeit, um einen Soll-Ist-Wert-Abgleich
für die eingeleitete
Kraft zu ermitteln. Als mögliche
Stellgrößen für die Steuerung
der Schlagkraft dienen Stromstärke
in den für
die Erzeugung des Gradientenfeldes relevanten Spulen und oder der
Weg des Magnetkörpers
entlang dessen dieser im Gradientenfeld beschleunigt werden kann.
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Die
eingangs gestellte Aufgabe wird ferner durch einen drahtlos mittels
eines Magnetspulensystems navigierbaren zylindrischen Magnetkörper zur Durchführung einer
orthopädischen
Maßnahme
im Inneren des Körpers
des Patienten gelöst,
welcher derart konstruiert ist, das eine Einleitung von Schlagkräften auf
ein Werkzeug durch periodische Bewegung wenigstens eines Teils des
Magnetkörpers
ermöglicht
wird.
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In
einer Variante ist der Magnetkörper
dadurch gekennzeichnet dass er zumindest 90% seines Volumens aus
permanent magnetischem Material besteht. Die Kraft, die die Feldgradienten
auf den Magnetkörper
ausüben,
ergeben sich aus dem Produkt des Gradientenfeldes mit dem Vektor
des magnetischen Moments des Magnetkörpers. Eine maximale Kraftausübung auf
den Magnetkörper
ist also dann gegeben, wenn dieser ein genügend großes magnetisches Moment aufweist.
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In
einer anderen Variante wird das magnetische Moment des Magnetkörpers über Elektromagnete
gewährleistet,
die von außen
drahtgebunden versorgt werden. Über
die Stromversorgung der Elektromagneten lassen sich die notwendigen
magnetischen Momente für
den Magnetkörper
erzeugen. Über
Elektromagneten die mehrere verschiedene Magnetisierungsachsen für den Magnetkörper erzeugen
können,
lassen sich gegebenenfalls Magnetisierungen für den Magnetkörper einstellen,
die zusammen mit dem Gradientenfeld eine maximale Kraft auf den
Magnetkörper
ausüben.
Dies wäre
auch für
permanent magnetische Magnetkörper
denkbar, die beispielsweise mit verschiedenen geneigten magnetischen
Achsen in Bezug auf ihre Form hergestellt werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist der Magnetkörper
dadurch gekennzeichnet, dass er ein auf der Mantelfläche des
Magnetkörpers
aufgebrachtes Außengewinde
aufweist, welches im Eingriff mit einem Körperteil steht. Der vorgenannte
Körperteil
kann ein Knochen sein, in dem sich der Magnetkörper über das aufgebrachte Außengewinde
fixiert. Auf diese Weise lassen sich Drehbewegungen des Magnetkörpers in
Abhängigkeit
der Gewindesteigung zusätzlich
in eine Längsbewegungskomponente
umsetzen. Diese Längs-
oder translatorischen Bewegungen können wiederum Schlagkräfte in translatorischer
Richtung auf ein Werkzeug ausführen.
Ferner lassen sich durch geeignet geformte Köpfe bzw. Oberflächengeometrien des
Magnetkörpers
an der Einwirkstelle aus das korrespondierende Werkzeug und durch
geeignet geformte Köpfe
bzw. Oberflächengeometrien
des korrespondierenden Werkzeuges selbst Rotationsschläge auf das
Werkzeug einleiten, die das Werkzeug in eine Dreh- und Längsbewegung
versetzt. Die Aufteilung der Dreh- und der Längsbewegungskomponente solcher
Rotationsschläge
lassen sich über
die Oberflächegeometrien
von Magnetkörper
und Werkzeug auf den jeweiligen Anwendungsfall anpassen.
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Nach
einer anderen Ausgestaltungsform ist der Magnetkörper dadurch gekennzeichnet,
dass er mehrteilig ist. Aus einem magnetischen Grundkörper und
einem mit diesem verbundenen aber beweglichen Teil besteht, wobei
der bewegliche Teil sich relativ zum magnetischen Grundkörper in
Längs-
und Axialrichtung bewegen lässt
und über
den die Einleitung der Schlagkräfte
auf das Werkzeug erfolgt.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Darin zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur minimalinvasiven
Behandlung eines Patienten
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2 eine
schematische Darstellung eines Magnetkörpers zur Ausführung von
Schlagkräften und
die Darstellung eines korrespondierenden Werkzeugs
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3 eine
schematische Darstellung des Magnetkörper und des Werkzeugs gemäß 2 wobei
der Schlagkopf des Magnetkörpers
und der Werkzeugkopf im Eingriff sind
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4 eine
schematische Darstellung eines Magnetkörpers zur Ausführung von
Schlag- und Drehkräften
und die Darstellung eines korrespondierenden Werkzeugs
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5 eine
schematische Darstellung des Magnetkörper und des Werkzeugs gemäß 4 wobei
der Schlagkopf des Magnetkörpers
und der Werkzeugkopf im Eingriff sind
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6 eine
schematische Darstellung eines zweiteiligen Magnetkörpers zur
Ausführung
von Schlagkräften
und die Darstellung eines korrespondierenden Werkzeuges
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7 eine
schematische Darstellung des zweiteiligen Magnetkörpers und
des Werkzeugs gemäß 6 wobei
Schlagkopf des Magnetkörpers und
der Werkzeugkopf im Eingriff sind
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8 eine
schematische Darstellung eines zweiteiligen Magnetkörpers zur
Ausführung
von Schlag- und Drehkräften
und die Darstellung eines korrespondierenden Werkzeugs
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9 eine
schematische Darstellung des zweiteiligen Magnetkörpers und
des Werkzeugs gemäß 8 wobei
Schlagkopf des Magnetkörpers und
der Werkzeugkopf im Eingriff sind
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10 beispielhaft
ein Amplituden-Zeitdiagram für
Anfahrvorgang der periodischen Schlagbewegung des Magnetkörpers
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11 beispielhaft
ein weiteres Amplituden-Zeitdiagram für Anfahrvorgang der periodischen Schlagbewegung
des Magnetkörpers
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1 zeigt
eine Vorrichtung 10 zur minimalinvasiven Behandlung eines
Patienten 5. Die Vorrichtung 10 umfasst ein Magnetspulensystem 1 mit
einer daran angeschlossenen Energieversorgung 6 sowie einer
Steuerung 7 und eine Anzeigeeinheit 8. Das Magnetspulensystem 1 besteht
aus vierzehn hier nicht näher
dargestellten Einzelspulen, die sich in sechs quaderförmig angeordnete,
rechteckige Helmholtzspulen und acht gemein sam einen Zylindermantel
im Quader bildende Sattelspulen aufteilen. Der in jeder der vierzehn
Einzelspulen fließende
Spulenstrom wird von einem von vierzehn, je einer Einzelspule zugeordneten
Leistungsverstärkern 9a–9n erzeugt,
wovon in 1 lediglich Leistungsverstärker 9a und 9n dargestellt
sind. Die Summe der Leistungsverstärker 9a bis 9n bilden
die Energieversorgung 6 des Magnetspulensystems 1.
Sämtliche
Leistungsverstärker 9a bis 9n werden
von der Steuerung 7 über
Steuerleitungen 11 angesteuert bzw. geregelt. Der Patient 5,
lagernd auf einem Patiententisch 4, ist entlang der Längsachse
z des Patientenkoordinatensystems 12 in das Magnetspulensystem 1 eingefahren.
Der Patiententisch 4 ist dabei in Richtung der z-Achse
beliebig verfahrbar und damit relativ zum Magnetspulensystem 1 bewegbar.
Zusätzlich
soll der Patiententisch 4 ggf. auch beliebig neigungsverstellbar
und schwenkbar sein, sich also um alle Achsen des Patientenkoordinatensystem 12 bewegen
können. Über den
Patiententisch 4 wird der Patient 5 so im Magnetspulensystem 1 platziert,
dass sich der eingeführte
Magnetkörper 2 in
etwa in der Mitte des Magnetspulensystems 1 befindet. Dort
besitzt das Magnetspulensystem 1 sein sogenanntes Arbeitsvolumen.
Natürlich
ist es auch generell denkbar den Patiententisch 4 starr
zu belassen und das Magnetspulensystem 1 sich relativ zum
Patienten 4 bewegen zu lassen, obwohl diese Variante auf
aufgrund der Versorgungsleitungen (Energieversorgung, Kühlung) und
der zu bewegenden Massen aufwändiger
ist. Dem Magnetspulensystem 1 ist ein Koordinatensystem 13 fest
zugeordnet. Die Ortsposition sowie die Orientierung der Längsachse
des Magnetkörpers 2 im
Koordinatensystem 13 werden über das Positionserfassungssystem 15 bestimmt.
Dazu ist es erforderlich, dass das Positionserfassungssystem 15 eine Zuordnung
zum Koordinatensystem 13 erfährt. Die erforderliche Kalibrierung
des Positionserfassungssystems 15, d.h. das Feststellen
seiner Relation zum Magnetspulensystem 1 und damit zum
Koordinatensystem 13 erfolgt einmalig bei Installation
der Anlage. Dabei können
beispielsweise hier nicht dargestellte Marken am Spulensystem angebracht
sein. Die geometrische Ausrichtung der Marken zum Spulensystem ist
somit bekannt und über
das Lesen dieser Mar ken durch das Positionserfassungssystem 15 kann
die Kalibrierung erfolgen, d.h. eine Transformationsmatrix zwischen
den beiden Systemen bestimmt werden. Das Positionserfassungssystem 15 besteht dabei
im Wesentlichen aus im Magnetspulensystem 1 integrierten
und hier nicht näher
bezeichneten Navigationsspulen und einer Positionserfassungseinheit 15a.
Die Ortsposition sowie die Orientierung des Magnetkörpers 2 werden
drahtlos über
die Positionserfassungseinheit 15a erfasst. Die Positionserfassungseinheit 15a übermittelt
die Positionsdaten des Magnetkörpers 2 wiederum über Steuerleitung 16 an die
Steuerung 7. Für
die Positionserkennung des Magnetkörpers 2 wird durch
die Navigationsspulen ein zusätzliches
Magnetfeld erzeugt, welches auf Positionssensorspulen innerhalb
des Magnetkörpers 2 mit einer
oder mehreren unterschiedlichen Frequenzen einwirkt und welches
zur Induktion gleichfrequenter Spannungen und Strömen in den
Positionssensorspulen des Magnetkörpers 2 führt. Diese
Ströme
und Spannungen werden dann als Positionssignal genutzt. Der Magnetkörper 2 ist
somit im Arbeitsvolumen des Magnetspulensystems 1 beliebig
positionierbar und kann über
die Magnetfelder des Magnetspulensystems 1 beschleunigt
werden und damit Schlag- und/oder Rotationskräfte auf ein i.d.R. aus antiferromagnetischem
oder nichtmagnetischem Material bestehenden Werkzeug 3 (Nagel,
Schraube) ausüben.
Dabei werden die Schlagkräfte
i.d.R. in Längsrichtung
des Werkzeugs 3 ausgeführt,
können aber
auch in einem Winkel zur Längsrichtung
des Werkzeuges 3 angreifen, um etwa die Lage des Werkzeuges
zu korrigieren. Die Lage des Werkzeuges 3 und des Magnetkörpers 2 werden über die
Anzeigeeinheit 8 überwacht
werden. Diese stellt ein fusioniertes Bild vom Patienten 5,
welches in der Regel ein prä-operatives
Röntgenbild
des Patienten 5 ist, vom Magnetkörper 2 selbst, welcher
vom Positionserfassungssystem 15 erfasst wird und vom Werkzeug 3 dar.
Das Werkzeug 3 wird entweder indirekt über das Positionserfassungssystem 15 durch Kenntnis
des Kontaktpunktes mit dem Magnetkörper 2 und durch seine
Geometrie berechnet oder es werden während des Eingriffs weitere
Röntgenbilder
eines in 1 nicht näher dargestellten Röntgengerätes zur
Kontrolle der genauen Lage des Werkzeugs 3 angefer tigt.
Zum Einbringen und zur Erstpositionierung von Magnetkörper 2 und
des Werkzeug 3 ist ggf. wie aus dem Stand der Technik bekannt
ein Arbeitskanal 14 zu erzeugen.
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2 zeigt
eine einfache Variante des zylinderförmigen Magnetkörpers 2 und
eines korrespondierenden Werkzeuges 3. Der Magnetkörper 2 besitzt
wenigstens ein Magnetelement 17. Dieses kann aus einem
Permanentmagneten bestehen oder aus einem Elektromagneten. Im Falle
des Einsatzes eines Elektromagneten wird der Magnetkörper 2 durch einen
hier nicht dargestellten flexiblen Versorgungskanal mit Energie
versorgt. Der Magnetkörper 2 besitzt
am Zylinderboden einen Magnetkörperkopf 18. Dieser
besteht aus einem Material notwendiger Härte zur Einleitung von Schlagkräften auf
das Werkzeug 3. Auch das Werkzeug 3 besitzt einen
zum Magnetkörperkopf 18 korrespondierenden
Werkzeugkopf 19. Die Geometrien der Köpfe 18 und 19 können dabei
sehr unterschiedlich sein und auf die Aufgabe angepasst werden.
So sind beispielsweise einfache wie in 2 dargestellte
flache Köpfe
möglich,
aber es sind auch kegelförmige
Köpfe und
anderweitig geformte rotations- oder nichtrotationsgeometrische Formen
möglich.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung des Magnetkörper 2 und des Werkzeugs 3 gemäß 2 wobei
der Schlagkopf 18 des Magnetkörpers und der Werkzeugkopf 19 im
Eingriff sind. Der Magnetkörper 2 führt eine
periodische zu seiner Längsachse
im Wesentlichen translatorische Bewegung aus und treibt damit das
Werkzeug 3.
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4 zeigt
eine schematische Darstellung eines Magnetkörpers 2 zur Ausführung von
Schlag- und Drehkräften
und die Darstellung eines korrespondierenden Werkzeugs 3.
Magnetkörperkopf 18 und
Werkzeugkopf 19 sind nunmehr derart ausgestaltet, dass
neben der in Längsrichtung
zum Magnetkörper 2 eingeleiteten
Schlagkräfte
nunmehr auch Rotationskräfte
auf das Werkzeug 3 übertragen
werden können.
Dazu greifen Erhebungen am Kopf des Magnetkörpers 2 in entsprechend
ausgeformte korrespondierende Vertiefungen des Werkzeugkopfes. Es
ist in dieser Auffüh rungsform
auch denkbar nur periodische Rotationskräfte auf das Werkzeug 3 zu übertragen,
wenn das Spiel zwischen den Köpfen 18, 19 groß genug
gewählt
wird und somit ein Beschleunigungsweg zur Verfügung steht. Möglich und
hier nicht weiter dargestellt wäre
auch eine entsprechende Mechanik im Magnetkörper ähnlich einer Ratsche bei bekannten
Schraubwerkzeuge. Ergänzend
und optional zu dem Vorgenannten besitzt der Magnetkörper 2 zusätzlich ein
Außengewinde 20.
Dieses Außengewinde 20 unterstützt die
Führung
des Magnetkörpers 2 im
Hohlorgan, dient gleichzeitig der Verringerung der Reibungsverluste
gegenüber
reinen translatorischen Bewegungen in engen Hohlorganen und vergrößert den
Beschleunigungsweg des Magnetkörpers,
da sich wegen der Gewindesteigung die Köpfe 18, 19 beim
Zurückdrehen
wieder trennen. Weiterhin optional kann das Werkzeug selbst ein
Außengewinde 21 aufweisen,
welches die eingeleiteten Rotationsschläge in einen translatorischen
Vortrieb des Werkzeuges 3 wandeln. Bei Verwendung beider Außengewinde 20, 21 sollten
diese bevorzugt die gleiche Steigung aufweisen.
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5 zeigt
zur Veranschaulichung der hier dargestellten Form der Köpfe 18, 19 eine
Darstellung des Magnetkörper 2 und
des Werkzeugs 3 gemäß 4 wobei
der Schlagkopf des Magnetkörpers
und der Werkzeugkopf im Eingriff sind.
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6 zeigt
eine schematische Darstellung eines zweiteiligen Magnetkörpers 2 zur
Ausführung von
Schlagkräften
und die schematische Darstellung eines korrespondierenden Werkzeuges 3.
Dabei besteht der Magnetkörper 2 aus
einem magnetischen Grundkörper 22 und
einem mit dem magnetischen Grundkörper 22 fest verbundenen
jedoch in Längsrichtung
verschiebbaren beweglichen Teil 23. Der Magnetkörper 2 wird
an den Einsatzort navigiert. Über
ein optional auf die Mantelfläche
des magnetischen Grundkörpers 22 aufgebrachtes
Außengewinde 20 kann
der Grundkörper 22 im
Hohlorgan in Längsrichtung
arretiert werden. Der bewegliche Teil 23 ist in Längsrichtung
bewegbar und wird über
den Führungszapfen 25 in
Längsrichtung
geführt.
An seiner Unterseite besitzt der bewegliche Teil 23 einen Magnetkörperkopf 18,
der auf einen korrespondierenden Werkzeugkopf 19 des Werkzeuges 3 einwirkt. Der
bewegliche Teil 23 des Magnetkörpers 2 wird durch
eine mechanische oder elektromechanische Beschleunigungseinheit 24 beschleunigt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
besteht die Beschleunigungseinheit 24 im Wesentlichen aus
Federelementen, die nach Auslösung
des beweglichen Teils 23 diesen beschleunigen. Die Beschleunigungseinheit umfasst
weiterhin hier nicht dargestellte Rückholmittel, die den beweglichen
Teil 23 wieder in eine vorgespannte Ausgangslage befördern. Als
solche Rückholmittel
wären beispielsweise
fremdversorgte (von außen)
oder eigenversorgte (batteriegestützte) Mittel möglich.
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In 7 wird
schematische der zweiteiligen Magnetkörper 2 gemäß 6 dargestellt,
wobei der bewegliche Teil 23 ausgelöst wurde und auf das Werkzeug 3 einwirkt.
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8 zeigt
einen zweiteiligen Magnetkörpers 2,
welcher zusätzlich
Drehkräfte
ausführt.
Dazu besitzt der Führungszapfen 25 ein
Außen-
oder Innengewinde 26 und der bewegliche Teil 23 korrespondierend
ebenfalls. Auf diese Weise erfährt
der bewegliche Teil 23 nach Auslösung der Beschleunigungseinheit 24 neben
der translatorischen Beschleunigung ebenfalls einen Drehimpuls.
In dieser Ausführungsvariante
sind der Magnetkörperkopf 18 und
der Werkzeugkopf 19 so ausgeformt, dass die Rotationskräfte auf
das Werkzeug übertragen
werden können.
Im Ausführungsbeispiel
besitzt der Magnetkörperkopf 18 die
Grundform eines Kegelstumpfes und der Werkzeugkopf 19 die
dazu inverse Form. Auf den Oberflächen der Köpfe 18, 19 sind
Kanten resp. Erhebungen aufgebracht, die eine Verzahnung der Köpfe 18, 19 ermöglichen
und somit die Übertragung
der Drehbewegung bei Kontakt der Köpfe gewährleisten. Natürlich sind
auch andere die Funktionsweise tragende Ausprägungen der Köpfe 18, 19 und
deren Oberflächen
denkbar. Wiederum optional ist auch das Werkzeug selbst mit einem
Gewinde 21 (vorzugsweise Außengewinde) ausgestattet, welches
den Vortrieb des Werkzeuges unterstützt. Das Gewinde 21 kann
sich über
das ge samte Werkzeug 3 erstrecken oder nur wie hier gezeigt
einen Teil des Werkzeuges 3 überziehen.
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9 zeigt
wiederum den zweiteiligen Magnetkörpers 2 nach 8 nach
Auslösung
der Bescheunigungseinheit 24 mit im Eingriff stehenden Köpfen 18 und 19.
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In 10 und 11 sind
zwei Varianten eines Amplituden-Zeitdiagrammes für den Anfahrvorgang der periodischen
Schlagbewegung des Magnetkörpers
dargestellt. Auf der z-Achse ist der Weg der Auslenkung z und damit
der Beschleunigungsweg dargestellt. Dies können die translatorische und/oder
die rotorische Auslenkung sein. Auf der t-Achse ist die Zeit abgetragen.
Im Falle der 10 bleiben die Neigungen der
steigenden Flanke 27 und der fallenden Flanke 28 konstant,
wobei die steigende Flanke 27 einen vergleichsweise flachen
Anstieg erhält.
Lediglich die Auslenkung wird mit jeder Periode von einem sicheren
Startwert auf einen einstellbaren Maximalwert schrittweise erhöht und somit
auch die Krafteinleitung auf das Werkzeug.
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In 11 hingegen
wird die Auslenkung konstant gehalten. Auch die steigende Flanke 27 bleibt konstant
wohingegen die fallende Flanke 28 mit jeder Periode steiler
abfällt.
Es wird also lediglich die Beschleunigung mit jeder Periode schrittweise
erhöht und
auf diese Weise die Krafteinleitung auf das Werkzeug von einem sicheren
Startwert aus auf den gewünschten
Wert erhöht.
Es sei darauf hingewiesen, dass es natürlich auch zur Überlagerung
beider Anfahrsequenzen kommen kann.