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Die
Erfindung betrifft ein Magnetspulensystem für eine berührungsfreie
Bewegung eines magnetischen Körpers in einem Arbeitsvolumen
mit
- – einem Navigationsspulensystem,
welches zumindest teilweise einen das Arbeitsvolumen enthaltenden
Innenraum umschließt und mehrere Navigationsspulen umfasst
und
- – einem Ortungssystem zur Bestimmung räumlicher
Koordinaten des magnetischen Körpers mit zumindest einer
in dem Innenraum angeordneten Sendespule und einer Empfangseinrichtung.
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Ein
solches Magnetspulensystem geht beispielsweise aus der
WO2006/097423 hervor.
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Minimalinvasive
diagnostische und therapeutische Verfahren haben in der modernen
Medizin in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Derartige
diagnostische und therapeutische Eingriffe werden typischerweise
mit Hilfe von Kathetern oder Endoskopen durchgeführt. Dabei
besteht in der Regel eine direkte mechanische Verbindung zwischen
einem Diagnosemittel, beispielsweise einer Kamera, und der Hand
des Arztes. Diagnostische Untersuchungen, insbesondere solche an
inneren Hohlorganen des menschlichen Körpers, z. B. dem Gastrointestinaltrakt,
können mit derartigen Methoden durchgeführt werden.
Typische Diagnoseverfahren sind die Gastroskopie und die Koloskopie.
Im Rahmen solcher Untersuchungen werden typischerweise Foto- und/oder
Videosequenzen des betreffenden Hohlorgans aufgenommen, Gewebs-
und/oder Flüssigkeitsproben entnommen oder lokal Medikamente
verabreicht.
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Für
derartige diagnostische oder therapeutische Eingriffe bzw. Untersuchung
kann insbesondere eine in einem magnetischen Feld navigierbare Kapsel,
ein so genanntes Kapselendoskop eingesetzt werden.
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Eine
Anlage mit der ein derartiges Kapselendoskop navigiert werden kann
geht beispielsweise aus der
WO 03/028224 A2 hervor. Diese Anlage verfügt über
ein Magnetspulensystem zur Navigation einer mit einer Videokamera
ausgestatteten, verschluckbaren Kapsel, dem so genannten Kapselendoskop.
Dieses kann gemäß der
WO 03/028224 A2 berührungsfrei,
also unter Verzicht weiterer mechanischer Führungsmittel
in einem Arbeitsvolumen navigiert werden. Unter einer berührungsfreien
Navigation ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass das Kapselendoskop
an sich ohne weitere mechanische Hilfsmittel, beispielsweise einem
Katheterschlauch, navigiert werden kann. Das Kapselendoskop befindet
sich jedoch in der Regel in Kontakt mit dem es umgebenden Hohlorgan.
Der Begriff berührungsfrei ist also lediglich hinsichtlich
der Navigation des Kapselendoskops und nicht bezüglich
weiterer möglicherweise mit dem Kapselendoskop in Kontakt stehender
Teile, beispielsweise der Innenwand eines Hohlorgans, zu verstehen.
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Neben
der berührungsfreien Navigation des Kapselendoskops sieht
die in
WO 03/028224
A2 offenbarte Anlage zusätzlich die Möglichkeit
zur Positionsbestimmung des Kapselendoskops vor. Hierzu umfasst
die Anlage Sende- und Empfängerspulen, mit denen Signale
zu dem Kapselendoskop gesendet bzw. von diesem empfangen werden
können.
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Die
DE 101 40 253 C1 offenbart
eine weitere Anlage, welche es erlaubt, ein Kapselendoskop in einem
so genannten Helikoptermodus über eine 6D-Maus zu steuern.
Das Kapselendoskop kann weiterhin mit Sensoren zur Detektion von
auf es einwirkenden mechanischen Kräften ausgestattet sein. Derartige
Kräfte können über die 6D-Maus an den Benutzer
rückgemeldet werden. Einzelheiten zur Realisierung des
Navigationsspulensystems und zum Betrieb der einzelnen Navigationsspulen
und Elemente der Kapselendoskopie-Anlage sind in der vorgenannten
Schrift nicht näher erläutert.
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Typische
Magnetspulensysteme zur Navigation eines Kapselendoskops sind weiterhin
beispielsweise in der
DE
103 40 925 B3 oder auch in der
DE 10 2005 010 489 A1 offenbart.
Derartige Navigationsspulensysteme umfassen typischerweise ein System aus
acht bis vierzehn einzeln ansteuerbaren Navigationsspulen.
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Für
den erfolgreichen Einsatz eines Kapselendoskops ist, zum einen ein
Magnetfeld zur Steuerung des Kapselendoskops, und zum anderen eine Positionsbestimmung
des Kapselendoskops notwendig. Unter einer Positionsbestimmung ist
in diesem Zusammenhang die Bestimmung der räumlichen Lage
des Kapselendoskops, beispielsweise in einem kartesischen Koordinatensystem,
sowie die Bestimmung der Orientierung des Kapselendoskops in dem entsprechenden
Arbeitsvolumen zu verstehen. Die Orientierungsbestimmung kann für
alle drei oder weniger Achsen des Kapselendoskops erfolgen.
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Zur
magnetischen Steuerung eines Kapselendoskops sind typischerweise
magnetische Feldstärken von bis zu 100 mT sowie Magnetfeldgradienten
von bis zu 400 mT/m notwendig. Die Werte der Feldgradienten liegen
ungefähr um einen Faktor 10 über den typischen
Werten für Magnetresonanztomographieanlagen. Im Vergleich
zwischen einem Magnetspulensystem zur Navigation eines Kapselendoskops
und einem Magnetspulensystem einer Magnetresonanztomographieanlage
ergibt sich für das erstgenannte Navigationsspulensystem
ein erhöhter Bedarf für die Kühlung der
Navigationsspulen.
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Die
Ortung des Kapselendoskops erfolgt, wie auch seine Steuerung, mit
Hilfe magnetischer Felder. Zu diesem Zweck befinden sich Sendespulen in
einem von den Navigationsspulen umschlossenen Innenraum, welche
ein elektromagnetisches Wechselfeld an das Kapselendoskop senden.
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Das
Navigationsspulensystem einer Anlage zur Steuerung eines Kapselendoskops
wird typischerweise in einem Frequenzbereich unterhalb von 20 Hz
betrieben. Das Ortungssystem, also die Sendespule bzw. die Sendespulen
werden hingegen typischerweise in einem Frequenzbereich zwischen
500 Hz und 100 kHz betrieben. Eine Ortung des Kapselendoskops mit
Hilfe von Frequenzen in dem zuvor genannten Bereich weist die folgenden
Vorteile auf. Zum einen kann in dem angegebenen Frequenzbereich
eine hohe Messwiederholrate und somit eine schnelle Ortung des Kapselendoskops
realisiert werden, zum anderen ist der menschliche Körper
in dem angegebenen Frequenzbereich im Wesentlichen elektromagnetisch
homogen. Effekte, die durch unterschiedliche Dielektrizitäten
einzelner Organe eines menschlichen Körpers eine Auswirkung
auf Streuung und/oder Phasenverschiebung von elektromagnetischen
Wellen haben können, sind in dem zuvor genannten Frequenzbereich
zu vernachlässigen.
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Die
Frequenzbereiche des Navigationsspulensystems und des Ortungssystems
sollten weiterhin einen gewissen Frequenzabstand voneinander aufweisen,
um die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) der beiden
Systeme zu gewährleisten.
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Ein
Magnetspulensystem, welches zur drahtlosen bzw. berührungslosen
Bewegung eines magnetischen Körpers in einem Arbeitsraum
geeignet sein soll, sollte zur Erzeugung hoher magnetischer Feldstärken
geeignet sein. Ein Navigationsspulensystem sollte daher ebenfalls über
ein leistungsfähiges Kühlsystem verfügen.
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Aus
dem Stand der Technik ist bekannt zur Kühlung von Spulen
Kühlplatten aus Metall, vorzugsweise aus Kupfer, an den
Außenflächen der Spulen bzw. zwischen einzelnen
Wicklungslagen der Spulen anzubringen.
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In
einem Kapselendoskopie-System ist, wie bereits erwähnt,
neben der Erzeugung hoher Feldstärken die Positionsbestimmung
des Kapselendoskops von Bedeutung. Die Positionsbestimmung des Kapselendoskops
in dem von den Navigationsspulen umschlossenen Raum erfolgt typischerweise
mittels in diesem Raum angebrachter Sendespulen, die mit Wechselstrom
betrieben werden. Werden für ein Kühlsystem, wie
zuvor erwähnt, großflächig an den Außenflächen
der Navigationsspulen angebrachte Metall bzw. Kupferplatten verwendet,
so werden in diesen Metallplatten durch die Sendespule/n Wirbelströme
induziert. Die in den Metallplatten durch die Sendespule induzierten
Wirbelstürme führen zu einer Verfälschung
des von der bzw. den Sendespule/n emittierten Feldes, und somit
zu Übertragungsfehlern im Ortungssystem der Kapselendoskopieanlage. Eine
aus dem Stand der Technik bekannte Lösung zur Kühlung
von Magnetspulen mittels großflächig an diesen
angebrachten Kühlplatten, erscheint für ein Navigationsspulensystem
einer Kapselendoskopieanlage, welche ein Ortungssystem aufweist,
ungeeignet.
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Eine
weitere aus dem Stand der Technik bekannte Möglichkeit
zur Kühlung einer Spule besteht darin, die Spule vollständig
aus Hohlleitern zu wickeln, welche von einem Kühlmedium
durchströmbar sind. Die Spule ist somit direkt kühlbar.
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Zur
Kühlung einer Navigationsspule eines Kapselendoskopiesystems,
welche vollständig aus Hohlleitern gewickelt ist, ist ein
spezielles Kühlmedium notwendig. Typischerweise kann zu
diesem Zweck deionisiertes Wasser verwendet werden. Die Kühlung
einer Navigationsspule, welche vollständig aus Hohlleitern
gewickelt ist, weist weiterhin die folgenden technischen Probleme
auf.
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Im
Querschnitt betrachtet nimmt der Kühlkanal, welcher sich
im Inneren des Hohlleiters befindet, einen erheblichen Teil der
Querschnittsfläche ein. Aus diesem Grund verschlechtert
sich der Füllgrad der gesamten Navigationsspule. Unter
dem Füllgrad ist in diesem Zusammenhang der Quotient aus
dem Querschnitt der stromtragenden Leiter und dem Gesamtquerschnitt
der Navigationsspule zu verstehen. Um den Soll der Füllgrad
der Navigationsspule erhöht werden kann der Durchmesser
des Kühlkanals klein gewählt werden. Um eine gewünschte
Amperewindungszahl zu erreichen muss die Navigationsspule eine große
Zahl von Windungen aufweisen. Für eine große An zahl
von Windungen ist wiederum ein entsprechend langer Hohlleiter notwendig. Über
die Länge des Hohlleiters findet wiederum ein erheblicher
Druckabfall des Kühlmediums statt. Wird der Kühlkanal
entsprechend vergrößert, führt dies zu
einer Navigationsspule mit einem großen Volumen und schlechtem
Füllgrad. Wird die Magnetspule mit einer geringen Windungsanzahl
realisiert, so ist zur Erreichung einer gewünschten Amperewindungszahl
ein entsprechend hoher Strom notwendig. Dies führt wiederum
zu einem hohen technischen Aufwand zur Erzeugung dieser hohen Ströme.
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Eine
weitere allgemein aus dem Stand der Technik bekannte Möglichkeit
zur Kühlung einer Spule besteht darin, zwischen den Leitern
oder Wicklungen einer Spule ein nicht leitendes Material, beispielsweise
einen Kunststoff, in Form von Kühlwasserkanälen
zu platzieren.
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Typischerweise
wird das Kühlmedium in einer solchen Kühlanlage
mit einem Druck von mehreren Bar durch die Kühlleitungen
gepresst wird. Im Inneren einer Navigationsspule können
leicht Temperaturen von über 100°C erreicht werden.
Außerdem treten bei der Erzeugung hoher magnetischer Felder zwischen
den einzelnen Leitern der Navigationsspulenwicklungen nicht zu vernachlässigende
Lorenzkräfte auf. Diese können dazu führen,
dass selbst bei hinreichend mechanisch stabilem Aufbau der Navigationsspule
einzelne Leiter oder Wicklungslagen gegeneinander mechanisch verschoben
werden. Erfolgt eine solche mechanische Verschiebung an einem Ort,
an dem ein aus Kunststoff hergestellter Kühlkanal in die
Wicklung eingezogen ist, so erfolgt die mechanische Verschiebung
typischerweise über das Kunststoffbauteil, welches somit
enormen Scherkräften ausgesetzt ist. Offensichtlich ist
sowohl aus mechanischen Gründen wie auch hinsichtlich der auftretenden
Betriebstemperatur der Einsatz eines solchen Kühlsystems
unter Verwendung derzeit verfügbarer, handelsüblicher
Kunststoffe in einem Navigationsspulensystem für eine Kapselendoskopieanlage
aus Gründen der Zuverlässigkeit nicht ratsam.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kühlsystem für
das Navigationsspulensystem einer Kapselendoskopieanlage anzugeben,
wobei zumindest eine Sendespule eines Ortungssystems in einem von
dem Navigationsspulensystem umgebenen Innenraum angeordnet sein
soll. Das erfindungsgemäße Kühlsystem
soll gegenüber dem Stand der Technik verbessert sein. Insbesondere
soll das Kühlsystem dahingehend verbessert sein, dass die
Induktion von Wirbelströmen in Teilen des Kühlsystems, bedingt
durch das Navigationsspulensystem, verringert ist.
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Diese
Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen
gelöst. Der vorliegenden Erfindung liegt dabei die Überlegung
zugrunde, eine flächenhafte Wärmesenke derart
auszubilden, dass diese elektrisch voneinander isolierte Abschnitte
aufweist, so dass sich keine großflächige geschlossene elektrisch
leitfähige Fläche ergibt. Die Fläche
der Wärmesenke wird somit elektrisch unterbrochen, die für
die Induktion von Wirbelströmen zur Verfügung stehende
Fläche kann somit minimiert werden.
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Erfindungsgemäß wird
ein Magnetspulensystem für eine berührungsfreie
Bewegung eines magnetischen Körpers in einem Arbeitsvolumen
angegeben, welches zumindest ein Navigationsspulensystem aufweist,
welches zumindest teilweise einen Innenraum umschließt,
der ein Arbeitsvolumen enthält. Das Navigationsspulensystem
soll weiterhin mehrere Navigationsspulen umfassen. Weiterhin weist
das Magnetspulensystem ein Ortungssystem zur Bestimmung räumlicher
Koordinaten des magnetischen Körpers mit zumindest einer
in dem Innenraum angeordneten Sendespule und einer Empfangseinrichtung
auf. Das Magnetspulensystem weist weiterhin ein Kühlsystem
zur Kühlung einer Navigationsspule auf, welche mehrere
Wicklungslagen aufweist. Das Kühlsystem zur Kühlung
der zumindest einen Navigationsspule weist weiterhin zumindest eine
erste flächenhafte Wärmesenke auf, welche großflächig
mit der Navigationsspule in thermischem Kontakt steht. Die erste
flächenhafte Wärmesenke soll aus Kühlrohrteilen
bestehen, die aus einem elektrisch leitfähigen Material
gebildet sind. Im Querschnitt betrachtet soll die erste flächenhafte
Wärmesenke aus einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten
Kühlkanälen bestehen. Zur elektrischen Isolierung
der Kühlrohrteile untereinander sind zwischen diesen Isolationsmittel
vorhanden. Die erste Wärmesenke soll weiterhin entweder
zwischen zwei benachbarten Wicklungslagen der Navigationsspule angeordnet
sein, oder mit der Navigationsspule auf ihrer dem Innenraum abgewandten
Außenseite verbunden sein.
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Erfindungsgemäß wird
ein Magnetspulensystem angegeben, das ein besonders effektives Kühlsystem
aufweist. Wobei das Kühlsystems, bedingt durch den Aufbau
der ersten flächenhaften Wärmesenke, hinsichtlich
der Induktion von Wirbelströmen in Teilen des Kühlsystems,
insbesondere durch Sendespulen eines im Innenraum des Navigationsspulensystems
angeordneten Ortungssystems, gegenüber dem Stand der Technik
verbessert ist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems
gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen
hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit
den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise
auch denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden.
Demgemäß kann das Magnetspulensystem nach der
Erfindung zusätzlich noch die folgenden Merkmale aufweisen:
- – Das Kühlsystem des Magnetspulensystems kann
eine zweite flächenhafte Wärmesenke aufweisen.
Weiterhin kann die erste Wärmesenke mit der dem Innenraum
abgewandten Außenseite der Navigationsspule verbunden sein
und die zweite Wärmesenke zwischen zwei benachbarten Wicklungslagen
der Navigationsspule angeordnet sein. Durch die Verwendung einer
zweiten flächenhaften Wärmesenke zur Kühlung
zumindest einer Navigationsspule kann eine effektive Kühlung
der Navigationsspulen angegeben werden.
- – Die zweite Wärmesenke kann derart innerhalb der
Wicklung der Navigationsspule angeordnet sein, dass sich im Betriebsfall
der Navigationsspule, im Querschnitt der Wick lung betrachtet, zu beiden
Seiten der zweiten Wärmesenke in etwa gleichgroße
Temperaturmaxima einstellen. Die Wärmeabfuhr aus der Navigationsspule
erfolgt, lässt man die Wirkung der zweiten Wärmesenke zunächst
außer Acht, über die Außenseite der Navigationsspule.
Die zweite Wärmesenke wird nun derart im Inneren der Navigationsspule
positioniert, dass sich zu beiden Seiten der zweiten Wärmesenke
innerhalb der Navigationsspule in etwa gleichgroße Temperaturmaxima
ausbilden. Auf diese Weise kann eine lokale Überhitzung
der Navigationsspule vermieden werden.
- – Die einzelnen Leiter der Navigationsspule können
im Wesentlichen senkrecht zu einer durch die erste Wärmesenke
definierten Ebene eine größere räumliche
Ausdehnung aufweisen als im Wesentlichen parallel zu dieser Ebene.
Die einzelnen Leiter weisen also einen asymmetrischen Querschnitt
auf. Typischerweise sind, wie aus dem Stand der Technik bekannt,
die einzelnen Leiter einer Spule untereinander elektrisch isoliert,
dies kann beispielsweise mit einem Lack erfolgen. Die elektrische
Isolation stellt einen thermischen Widerstand dar. Infolge der asymmetrischen
Ausgestaltung der einzelnen Leiter der Navigationsspule, steht einem
Wärmestrom in Richtung der ersten Wärmesenke eine
geringere Anzahl von Wärmewiderständen entgegen,
als dies in eine Richtung parallel zu der Oberfläche der
ersten Wärmesenke der Fall ist. Eine Ausgestaltung der
Navigationsspule mit Leitern, die einen asymmetrischen Querschnitt
aufweisen, führt also zu einer anisotropen Wärmeleitfähigkeit
der Navigationsspule. Da die Wärmeleitfähigkeit
in Richtung der Wärmesenke höher ist als in eine
Richtung parallel zu der Oberfläche der Wärmesenke,
verbessert die anisotrope Wärmetransporteigenschaft der
Wicklung den Wärmeabtransport aus dem Inneren der Navigationsspule.
- – Die Leiter können einen im Wesentlichen
rechteckigen Querschnitt aufweisen. Leitern mit einem rechteckigen
Querschnitt führen zu einer besonders einfache, leicht
zu fer tigenden Navigationsspule mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit.
- – Die Kühlrohrteile können mit einer
elektrischen Isolierung ummantelt sein. Zur Verbesserung der elektrischen
Isolation der Kühlrohrteile untereinander, wie auch zwischen
der Wicklung der Navigationsspule und den Kühlrohrteilen,
können die einzelnen Kühlrohrteile vollständig
mit einer elektrischen Isolierung ummantelt sein.
- – Die elektrische Isolierung kann ein harzgetränktes
oder kunstharzgetränktes Glasfaserband umfassen. Insbesondere
können die Kühlrohrteile mit einem solchen getränkten
Glasfaserband umwickelt sein. Ein harzgetränktes oder kunstharzgetränktes
Glasfaserband weist gute Isoliereigenschaften bei gleichzeitig hoher
mechanischer Belastbarkeit auf, und ist daher besonders für
die Isolierung von Kühlrohrteilen in einem Magnetspulensystem
geeignet.
- – Das Material der elektrischen Isolierung kann zumindest
teilweise aus einem Glasfaserverbundkunststoff oder aus Kapton bestehen.
Glasfaserverbundkunststoffe oder Kapton weisen gute Isoliereigenschaften
auf und sind daher zur Verwendung in einem Magnetspulensystem, insbesondere
zur elektrischen Isolierung der Kühlrohrteile besonders
geeignet.
- – Die Kühlrohrteile können aus Kupfer
bestehen. Kupfer weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit
auf. Mit Kühlrohrteilen aus Kupfer kann somit eine besonders
einfache und effektive Ausgestaltung des Kühlsystems angeben
werden. Weiterhin weist Kupfer den Vorteil auf, dass es besonders
einfach zu verarbeiten ist.
- – Eine Nutzfrequenz des von dem Navigationsspulensystem
generierten Feldes kann unterhalb einer Frequenz von 20 Hz liegen,
die Sendespule kann ein Positionsmessfeld mit einer Frequenz zwischen
100 Hz und 100 kHz, vorzugsweise mit einer Frequenz zwischen 500
Hz und 100 kHz, generieren. Um die elektromagnetische Verträglichkeit
(EMV) des Navigationssystems mit dem Positionsmesssystem zu gewährleisten,
sollen sich die angegebenen Frequenzbereiche nicht überlappen,
bzw. einen geeigneten Frequenzabstand voneinander aufweisen.
- – Das Navigationsspulensystem kann 8 bis 14 einzeln
ansteuerbare Navigationsspulen umfassen. Ein Navigationsspulensystem
aus acht Einzelspulen gibt ein minimales System für eine
dreidimensionale Navigation einer magnetischen Kapsel im Innenraum
des Navigationsspulensystems an. Das Navigationsspulensystem kann durch
Einfügen weiterer Navigationsspulen auf bis zu 14 einzelnen
ansteuerbare Navigationsspulen erweitert werden. Eine effektive
und einfache Kühlung eines derartigen komplexen Navigationsspulensystems
ist besonders vorteilhaft.
- – Der magnetische Körper kann Teil einer Kapsel zur
magnetischen Endoskopie sein. Für die magnetische Endoskopie
werden zeitlich veränderliche, hohe magnetische Feldstärken
und Feldgradienten benötigt. Eine effektive Kühlung
ist für ein solches System besonders vorteilhaft.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Magnetspulensystems gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen
Ansprüchen sowie insbesondere aus der nachfolgend er läuterten Zeichnung
hervor. In der Zeichnung sind bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Magnetspulensystems in schematisierter Darstellung angeordnet. Dabei
zeigt deren
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1 eine
Perspektivansicht eines Magnetspulensystems,
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2 einen
Schnitt durch das Magnetspulensystem gemäß 1 und
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3, 4, 5 Querschnitte
von Magnetspulen gemäß einem in 2 gezeigten
Schnitt.
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Sich
in den Figuren entsprechende Teile sind jeweils mit denselben Bezugszeichen
versehen. Nicht näher ausgeführte Teile sind allgemeiner
Stand der Technik.
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1 zeigt,
in schematisierter Darstellung, ein Magnetspulensystem
100,
welches aus 14 Einzelspulen
101,
102 bestehen
kann. Das in
1 dargestellte Magnetspulensystem
100 kann
insbesondere eine wenigstens annähernd hohlzylinderförmige Gestalt
aufweisen. Seine Einzelspulen
101,
102 liegen
dabei zumindest größtenteils auf wenigstens zwei
sich konzentrisch umschließenden Zylindermantelflächen.
Die innere Zylindermantelfläche umschließt einen
dreidimensional ausgeprägten Innenraum A. Dieser Innenraum
A ist zumindest von einer der Stirnseiten des Magnetspulensystems
100 zugänglich.
Vorzugsweise sind die Spulen
101,
102 als Ring-
bzw. Sattelspulen ausgebildet. Das Spulensystem
100 umfasst
sechs Feldkomponentenspulen
101 sowie acht Feldgradientenspulen
bzw. Gradientenspulen
102. Feldkomponentenspulen
101 und
Gradientenspulen
102 werden allgemein als Navigationsspulen
bezeichnet. Einzelheiten zu einem Magnetspulensystem
100,
wie es
1 zeigt, sind beispielsweise der
DE 10 2005 010 489 A1 zu
entnehmen.
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2 zeigt
einen Querschnitt durch ein Magnetspulensystem 100 gemäß 1.
Dargestellt sind vier der insgesamt sechs in 1 gezeigten Feldspulen 101,
welche auf der äußeren Zylindermantelfläche
angeordnet sind. Weiterhin zeigt 2 den Querschnitt
von vier der insgesamt acht in 1 dargestellten
Feldgradientenspulen 102, welche auf der inneren Zylinderfläche
angeordnet sind. Die Nutzfrequenz eines Magnetspulensystems 100,
wie es in 1 bzw. 2 gezeigt,
liegt typischerweise unterhalb von 20 Hz, vorzugsweise unterhalb
von 100 Hz.
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2 zeigt
weiterhin einen Schnitt durch den Innenraum A, welcher von dem Magnetspulensystem 100 umschlossen
wird. Der Innenraum A umfasst einen Arbeitsraum B, in welchem sich
ein Kapselendoskop 201 befindet. Dieses Kapselendoskop 201 ist innerhalb
des Arbeitsraumes B magnetisch navigierbar. Dieses Kapselendoskop 201 kann
einen Permanentmagneten enthalten, welcher ein magnetisches Moment
aufweist, das im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse
des Kapselendoskops 201 orientiert ist. Das magnetische
Moment des innerhalb des Kapselendoskops 201 angeordneten
Permanentmagneten erfährt in Wechselwirkung mit dem von
dem Magnetspulensystem 100 erzeugten Grundfeld ein Drehmoment.
In Wechselwirkung mit dem von dem Magnetspulensystem 100 erzeugten
Gradientenfeld erfährt das Kapselendoskop 201 eine
Kraft. Auf diese Weise ist das Kapselendoskop 201 in dem
Arbeitsraum B navigierbar.
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Das
Kapselendoskop 201 kann insbesondere in einem Körperkanal,
z. B. dem Darm eines Lebewesens, insbesondere eines Menschen, navigiert werden.
Das Kapselendoskop 201 kann weiterhin Werkzeuge oder Sensoren
aufweisen. Es kann zu therapeutischen oder diagnostischen Zwecken
im Inneren eines Körpers oder Hohlorganes des menschlichen
Körpers eingesetzt werden. Insbesondere kann das Kapselendoskop 201 mit
einer Videokamera oder anderen bildgebenden Sensoren ausgerüstet sein,
so dass beispielsweise während einer Gastroskopie oder
Koloskopie Aufnahmen aus dem Inneren des Hohlorganes aufgenommen
werden können. Das Kapselendoskop 201 kann weiterhin
zur Probenentnahme, beispielsweise einer Gewebsentnahme oder einer
Flüssigkeitsentnahme innerhalb des Hohlorganes geeignet
sein. Therapeutische Maßnahmen, welche mit einem Kapselendoskop 201 durchgeführt werden
können, sind beispielsweise eine lokale Medikamentennahme
oder die Stillung lokaler geringer Blutungen, beispielsweise durch
Veröden, der betreffenden Stelle des Hohlorganes.
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Weiterhin
kann mit Hilfe eines Magnetspulensystems 100 ein bewegliches
Ende beispielsweise eines Endoskops navigiert werden. Ein derart
ausgebildetes Ende eines Endoskops kann die gleich Funktionalität
wie ein Kapselendoskop 201 aufweisen.
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Zur
Positionsbestimmung des Kapselendoskops 201 in dem Arbeitsvolumen
B verfügt das Magnetspulensystem 100 zusätzlich über
ein Ortungssystem, welches zumindest aus einer Sendespule 301 und
einer Empfangsvorrichtung 302 besteht. Wird das Magnetspulensystem 100 zur
Navigation eines beweglichen Endes eines Endoskops verwendet, so
kann die Positionsbestimmung des Endes derart erfolgen, dass die
von der Sendespule 301 empfangenen Signale drahtgebunden,
beispielsweise über einen Katheter an eine außerhalb
des untersuchten Körpers vorhandene Auswerteeinheit übertragen
werden. In diesem Fall befindet sich die Empfangseinheit nicht innerhalb
des Innenraumes A, sondern an einem Ort außerhalb.
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3 zeigt
beispielhaft einen Schnitt durch eine Gradientenspule 102 des
Magnetspulensystems 100. Dargestellt ist die Wicklung der
Spule, welche aus einzelnen Leitern 303 besteht, welche
vorzugsweise mit einem elektrisch isolierenden Lack versehen sein
können, und in einzelnen Wickellagen 304 angeordnet
sind. In Richtung des Innenraums B wird die Wicklung der Gradientenspule 102 von
einem Halterohr 311 begrenzt. Das Halterohr 311 kann vorzugsweise
aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff bestehen. Das
Halterohr weist typischerweise eine Wandstärke von 5 mm
auf. Die Innenseite des Halterohres 311 wird von einem
Kühlmantel 305 begrenzt. Der Kühlmantel 305 weist
typischerweise eine Stärke im Bereich von 8 mm bis 10 mm
auf. Der Kühlmantel 305 kann von Kühlschläuchen
bzw. Kühlschlauchteilen 306 durchzogen sein. Diese
Kühlschlauchteile 306 können vorzugsweise
aus Kunststoff bestehen.
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Auf
der Innenseite des Kühlmantels 305 befindet sich
zumindest eine Sendespule 301 und eine Empfangseinrichtung 302 eines
Ortungssystems zur Positionsbestimmung des Kapselendoskops 201. Diese
Sendespule 301 des Ortungssystems arbeitet typischerweise
in einem Frequenzbereich zwischen 100 Hz und 100 kHz, vorzugsweise
mit einer Frequenz zwischen 500 Hz und 100 kHz. Die Sendespule 301 des
Ortungssystems kann sich insbesondere zumindest über die
komplette axiale Länge des Innenraums A bzw. des Arbeitsvolumens
B, welche von dem Naviga tionsspulen 100 umschlossen werden, erstrecken.
Eine derartige Sendespule 301 weist in radialer Richtung
typischerweise eine Ausdehnung von 2 mm auf.
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Die
Gradientenspule 102 ist mit einem Kühlsystem gemäß einem
Ausführungsbeispiel versehen. Eine erste flächenhafte
Wärmesenke 307 befindet sich im Inneren der Spule 102 zwischen
zwei benachbarten Wicklungslagen 304. Diese erste flächenhafte
Wärmesenke 307 befindet sich in innigem thermischen
Kontakt mit der Wicklung bzw. den an die anschließenden
Wicklungslagen 304.
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Die
erste Wärmesenke 307 bestehen aus nebeneinander
angeordneten Kühlrohrteilen 309 mit einem Kühlkanal 312.
Zwischen den Kühlrohrteilen 309 befindet sich
jeweils eine Isolierung 310. Die Kühlrohrteile 309 können
aus einem elektrisch leitenden Material wie beispielsweise Kupfer
bestehen. Die Kühlrohrteile 309 können
aber auch aus einem anderen thermisch gut leitfähigen Material
bestehen. Die Isolierung 310 kann vorzugsweise aus Kunststoff,
einem harzgetränkten oder kunstharzgetränkten
Glasfaserband bzw. aus einem Glasfaserverbundkunststoff bestehen.
Weiterhin können als Material für die Isolierung
Kapton oder einem andere geeignete und elektrisch isolierende Werkstoffe
verwendet werden. Die Isolierung 310 kann, wie in 3 gezeigt,
sich zwischen den einzelnen Kühlrohrteilen 309 in
der Ebene der Wärmesenke 307 erstrecken. Die Isolierung 310 kann
ebenfalls ein Kühlrohrteil 309 vollständig
umschließen und auf diese Weise die Kühlrohrteile 309 nicht
nur untereinander, sondern auch gegenüber den einzelnen
Leitern 303 der benachbarten Wicklung bzw. der Wicklungslage 304 isolieren.
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Die
Kühlrohrteile 309 können Teile eines Kühlrohres
sein, welches gemeinsam mit den Windungen in die Gradientenspule 102 eingelegt
ist. Weiterhin können die Kühlrohrteile 309 mäanderförmig
innerhalb der Wicklung der Gradientenspule 102 verlegt
sein. Die Kühlrohrteile 309 können ebenfalls mit
einem gemeinsamen Versorgungskanal ein in etwa harfenförmiges Bauteil
bilden; die Kühlrohrteile 309 werden in diesem
Fall ausgehend von dem gemeinsamen Versorgungskanal von einem geeigneten
Kühlmittel durchströmt. Mit Hilfe einer Ausgestaltung
der ersten Wärmesenke 307, wie sie 3 zeigt,
kann die Induktion von Wirbelströmen, insbesondere ausgehend
von der Sendespule 301 in der ersten Wärmesenken 307 weitgehend
vermieden werden. Auf diese Weise kann eine Störung des
Ortungssystems, insbesondere der von der Sendespule 301 ausgehenden
Signale, weitgehend vermieden werden.
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4 zeigt
einen Querschnitt durch eine Gradientenspule 102 mit einem
Kühlsystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Bei dem in 4 gezeigten Kühlsystem
befindet sich die erste Wärmesenke 307 an der
dem Innenraum A abgewandten Außenseite der Gradientenspule 102.
Das von der Sendespule 301 ausgehende Feld nimmt mit zunehmendem
Abstand von der Sendespule 301 ab. Je weiter sich eine
Wärmesenke, in dem in 4 gezeigten
Ausführungsbeispiel die erste Wärmesenke 307,
von der Sendespule 301 entfernt befindet, desto geringer
sind die von der Sendespule 301 in Teilen der ersten Wärmesenke 307 induzierten
Wirbelströme. Aus diesem Grund kann die erste Wärmesenke 307 auf
der Außenseite der Navigationsspule 102 angeordnet
sein.
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5 zeigt
den Querschnitt durch eine Gradientenspule 102 gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel. Das Kühlsystem weist
eine zweite Wärmesenke 308 auf, welche sich im
Inneren der Gradientenspule 102 zwischen zwei benachbarten Wicklungslagen 304 befindet.
Diese zweite Wärmesenke 308 befindet sich in innigem
thermischem Kontakt mit der Wicklung der Gradientenspule 102 bzw. mit
denen an sie anschließenden Wicklungslagen 304.
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Die
zweite Wärmesenke 308 kann bevorzugt derart innerhalb
der Wicklung der Gradientenspule 102 angeordnet sein, dass
zu beiden Seiten der zweiten Wärmesenke 308 innerhalb
der Wicklung der Gradientenspule 102 sich in etwa gleich
große Temperaturmaxima im Betrieb der Gradientenspule 102 einstellen.
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Für
die folgende Betrachtung sei zunächst die Wirkung der zweiten
Wärmesenke 308 außer Betracht gelassen.
Die in der Wicklung anfallende Wärme wird vorzugsweise über
die erste Wärmesenke 307 abgeführt, welche
sich an der Außenseite der Spule 102 befindet.
Weiterhin kann Wärme über den Kühlmantel 305 in
Richtung der Innenseite der Wicklung abgeführt werden.
Da sich auf der Innenseite der Wicklung ein Halterohr 311 befindet,
welches typischerweise aus einem schlecht Wärmeleitenden Material
z. B. einem glasfaserverstärkten Kunststoff besteht gefertigt
ist, wird der größere Teil der Wärme über
die erste Wärmesenke 307 abgeführt. Die
zweite Wärmesenke 308 kann nun derart innerhalb
der Wicklung angeordnet werden, dass sich zu beiden Seiten der zweiten
Wärmesenke 308 innerhalb der Wicklung in etwa
gleichgroße Temperaturmaxima einstellen. Die Temperaturmaxima
können in etwa 20% voneinander abweichende Werte annehmen, sie
werden auch in diesem Fall noch als in etwa gleich groß angesehen.
Bedingt durch den hohen Wärmewiderstand des Halterohres 304 und
die entsprechend geringe Wärmeabfuhr in Richtung des Kühlmantels 305 wird
die zweite Wärmesenke 308 innerhalb der Wicklung
der Gradientenspule 102 geringfügig in Richtung
der Innenseite verschoben, zu Liegen kommen.
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Die
einzelnen Leiter 303 der Wicklung der Gradientenspule 102 weisen
in einer Richtung senkrecht zu einer durch die erste Wärmesenke 307 definierten
Ebene eine größere Ausdehnung als parallel zu
dieser Ebene auf. Durch eine derartige Ausgestaltung erhält
die Wicklung der Gradientenspule 102 eine anisotrope Wärmeleitfähigkeit.
Die Wärmeleitfähigkeit wird in Richtung der ausgedehnten
Seite der einzelnen Leiter 303 größer
ausfallen als senkrecht dazu. Die einzelnen Leiter 303 der
Wicklung können mittels eines Lackes elektrisch untereinander
elektrisch isoliert sein. Elektrisch isolierender Lack weist typischerweise
einen hohen thermischen Widerstand auf. Da sich in einer Richtung
senkrecht zu der durch die erste Wärmesenke 307 definierten
Ebene eine geringere Anzahl von durch den Isolierlack dargestellten
Wärmewiderständen befin det als in einer dazu senkrechten
Richtung, wird die Wärmeabfuhr bevorzugt in eine Richtung
senkrecht zu der durch die erste Wärmesenke 307 definierten
Ebene erfolgen. Wärmewiderstände können
weiterhin durch zwischen den Leitern 303 vorhandene Spalte,
wie beispielsweise Luftspalte, entstehen. Auch im Hinblick auf eventuell
vorhandene Spalte gelten die oben genannten Betrachtungen hinsichtlich
der anisotropen Wärmeleitfähigkeit der Gradientenspule 102.
Die im Zusammenhang mit den 3 bis 5 hinsichtlich der
Gradientenspule 102 gemachten Ausführungen treffen
ebenso auf weitere Spulen, insbesondere Navigationsspulen, des Magnetspulensystems 100 zu. Insbesondere
sind die in Bezug auf die Gradientenspule 102 gemachten
Ausführungen ebenso für eine Feldkomponentenspule 101 zutreffend.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2006/097423 [0002]
- - WO 03/028224 A2 [0005, 0005, 0006]
- - DE 10140253 C1 [0007]
- - DE 10340925 B3 [0008]
- - DE 102005010489 A1 [0008, 0032]