DE10341092A1

DE10341092A1 - Anlage zur berührungsfreien Bewegung und/oder Fixierung eines magnetischen Körpers in einem Arbeitsraum und Verwendung eines Magnetspulensystems

Info

Publication number: DE10341092A1
Application number: DE10341092A
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. Ries
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Invandus De GmbH
Priority date: 2003-09-05
Filing date: 2003-09-05
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2023-09-06
Also published as: JP2005081147A; CN1326499C; US20050093544A1; CN1654027A; DE10341092B4

Abstract

Mit der Anlage (22) ist ein magnetischer Körper (10) berührungsfrei in einem Arbeitsraum (A) zu bewegen und zu fixieren. Hierzu enthält die Anlage ein Magnetspulensystem (2) aus vierzehn einzeln ansteuerbaren Einzelspulen zur Erzeugung von drei Magnetfeldkomponenten sowie fünf Magnetfeldgradienten, Mittel (24_x, 24_y, 24_z) zur Detektion der Ist-Position sowie Mittel (25 bis 27) zur Einstellung der Soll-Position des Körpers (10).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zu einer berührungsfreien Bewegung und/oder Fixierung eines magnetischen Körpers in einem drei-dimensionalen Arbeitsraum, der von in einem rechtwinkligen x,y,z-Koordinatensystem aufgespannten Flächen umgeben ist, unter Verwendung eines den Arbeitsraum umgebenden Magnetspulensystems.

In der Medizin werden Endoskope und Katheter verwendet, die über Schnitte oder Körperöffnungen eingeführt werden und in Längsrichtung von außen verschiebbar und damit nur in einer Dimension navigierbar sind. Mit Lichtleitern ist eine optische Inspektion möglich, wobei eine Endoskopiespitze und damit die Blickrichtung durch Steuerdrähte schwenkbar sein kann. Es lassen sich so Einrichtungen insbesondere zur Biopsie ausbilden. Die hierbei verwendeten Sonden sind jedoch insbesondere an Verzweigungen nur beschränkt navigierbar, so dass eine berührungslose Kraftausübung von außen eine Erweiterung des Anwendungsbereichs mit sich bringen könnte.

Aus der Veröffentlichung „IEEE Transactions on Magnetics", Vol. 32, No. 2, März 1996, Seiten 320 bis 328 sowie aus der US 5 125 888 A ist ein Magnetspulensystem zu einer berührungslosen magnetischen Sondensteuerung zu entnehmen, das sechs vorzugsweise supraleitende Einzelspulen umfasst, die auf den Flächen eines Würfels angeordnet sind, deren Lage in einem rechtwinkligen x,y,z-Koordinatensystem mathematisch zu beschreiben ist. Mit diesen Spulen sind variable Feldrichtun gen und Feldgradienten zu erzeugen, um einen Katheter mit magnetischem Material oder magnetische Implantate zu Therapiezwecken in einem zu untersuchenden, beispielsweise menschlichen Körper zu führen bzw. zu bewegen. Mit einem Magnetspulensystem aus sechs Einzelspulen ist jedoch keine uneingeschränkte Navigationsfreiheit des magnetischen Körpers zu erreichen.

In der US 6 241 671 B1 ist ein Magnetspulensystem mit drei Spulen beschrieben, in der US 6 529 761 B2 eine Anordnung einiger um einen Patienten drehbar angeordneter Permanentmagnete, deren Feld durch magnetische Blenden beeinflussbar ist und die eine magnetische Welle zur Fortbewegung einer magnetischen Sonde erzeugen können.

Ferner sind auch Magnetspulensysteme mit drehbaren Permanentmagneten zur Steuerung von magnetischen Kathetern insbesondere unter einer Röntgenkontrolle bekannt.

Über Verfahren zu einer Lagestabilisierung durch Rückkopplung ist bei diesem Stand der Technik nichts ausgesagt; es ist davon auszugehen, dass sich ein magnetischer Sondenkörper, durch Feldrichtung und Gradient vorgegeben, immer an eine innere Fläche innerhalb eines zu untersuchenden Körpers anlegt.

In der WO 96/03795 A1 ist ein Verfahren mit zusätzlichen Pulsspulen beschrieben, mit denen eine magnetische Sonde durch genau definierte Strompulse unter Computerkontrolle schrittweise zu bewegen ist.

Es sind auch sogenannte Videokapseln z.B. aus der Zeitschrift „Gastrointestinal Endoscopy", Vo1. 54, No. 1, Seiten 79 bis 83 bekannt, die zu einer Inspektion des Verdauungstraktes dienen. Hierbei geschieht die Fortbewegung der Videokapsel durch die natürliche Darmbewegung; d.h., die Fortbewegung und Blickrichtung ist rein zufällig.

In der DE 101 42 253 C1 ist eine entsprechende Videokapsel beschrieben, die mit einem Stabmagneten sowie mit Video- und anderen Interventionseinrichtungen ausgestattet ist. Auf den Stabmagneten soll ein externes Magnetspulensystem Kräfte zur Navigation ausüben. Es ist ein freischwebender, sogenannter Helikoptermodus mit externer Steuerung durch eine 6D-Maus, eine Rückmeldung der Kraft über die Maus sowie eine Positionsrückmeldung durch einen Transponder erwähnt. Einzelheiten zur Realisierung des entsprechenden Magnetspulensystems und zum Betrieb seiner Einzelspulen gehen aus der Schrift nicht hervor.

Alle vorstehend erwähnten Systeme erlauben nicht, einen magnetischen Körper mit Hilfe von Magnetfeldern freischwebend an einem vorbestimmten Ort zu halten. Der Grund hierfür ist, dass nach dem Earnshaw'schen Theorem (vgl. „Transactions of the Cambridge Philosophical Society", Vol. 7, 1842, Seiten 97 bis 120) jede solche Konfiguration in mindestens einer Raumrichtung instabil ist. D.h., der magnetische Körper legt sich, durch den lokalen Feldgradienten vorgegeben, immer an eine innere Fläche in dem Arbeitsraum an, bzw. er biegt einen drahtgeführten Katheder in einer gewünschte Richtung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anlage anzugeben, mit der ein (ferro)magnetischer Körper wie z.B. ein Stabmagnet gemäß der vorgenannten DE-C1-Schrift stabil und berührungsfrei zu navigieren und zu fixieren ist, d.h. unter einer Ausrichtung des Körpers und einer Kraftausübung auf diesen, unter Verwendung eines besonderen den Arbeitsraum um schließenden Magnetspulensystems. Die Ausrichtung sowie die Größe und Richtung der Kraft auf den Körper sollen dabei magnetisch und ohne mechanische Verbindung von außen vorgebbar sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß die in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen vorgesehen. Dementsprechend soll die Anlage zu einer berührungsfreien Bewegung und/oder Fixierung eines magnetischen Körpers in einem dreidimensionalen Arbeitsraum dienen, der von in einem rechtwinkligen x,y,z-Koordinatensystem aufgespannten Flächen umgeben ist. Die Anlage soll dabei folgende Teile enthalten, nämlich

a) ein den Arbeitsraum umgebendes Magnetspulensystem, das vierzehn einzeln ansteuerbare Einzelspulen aufweist, die zur Erzeugung der drei Magnetfeldkomponenten B_x, B_y und B_z sowie von fünf Magnetfeldgradienten aus der bezüglich ihrer Diagonalen D symmetrischen Gradientenmatrix
ausgebildet sind, wobei mit den Einzelspulen zwei der drei Diagonalelemente der Gradientenmatrix und je eines der Außerdiagonalelemente aus den drei zur Diagonalen D symmetrischen Gradientenelementpaaren der Gradientenmatrix zu erzeugen sind,
b) Mittel zur Detektion der Ist-Position des magnetischen Körpers in dem Arbeitsvolumen und
c) Mittel zur Einstellung der Soll-Position des magnetischen Körpers, umfassend c1) ein Gerät zur Einstellung der Orientierung, Soll-Position und Bewegungsrichtung sowie c2) Mittel zur Einstellung der Spulenströme in den Einzelspulen unter Bearbeitung der Abweichung der Soll-Position von der Ist-Position.

Bei dem zu verwendenden, den Arbeitsraum käfigartig umschließenden und dabei einen Zugang in z-Richtung ermöglichenden Magnetspulensystem wird davon ausgegangen, dass durch die von den Maxwell-Gleichungen auferlegten Bedingungen rotH = 0 und divB = 0 – wobei die in Fettdruck angegebenen Größen jeweils Vektoren symbolisieren – Feldgradienten immer paarweise erzeugt werden. Es wurde erkannt, dass den drei möglichen Feldkomponenten B_x, B_y und B_z von den möglichen neun Feldgradienten dB_x/dx, dB_x/dy, dB_z/dz, dB_y/dx, dB_y/dy, dB_y/dz, dB_z/dx, dB_z/dy und dB_z/dz nur fünf unabhängige Gradienten erzeugt werden. Dabei müssen den vierzehn Einzelspulen dann acht verschiedene Strommuster entsprechend den magnetischen Freiheitsgraden aufgeprägt werden können mit Strömen gleicher Größe. Diese Strommuster erzeugen jeweils vorwiegend eine Feldkomponente oder einen Feldgradienten. Durch Überlagern kann dann jede nach den Maxwell-Gleichungen zulässige Kombination von Magnetfeldkomponenten und Feldgradienten erzeugt werden.

Auf diese Weise ist eine beliebig vorgebbare, berührungsfreie Ausrichtung (= Navigation einschließlich Fixierung) und Magnetkraft auf einen magnetischen Körper, beispielsweise einer mit einem magnetischen Element verbundenen Sonde wie z.B. einem Katheter, Endoskop oder einer Videokapsel gemäß der DE 101 42 253 C1 , mittels Magnetfeldern in einem Arbeitsraum ermöglicht.

Mit dem erfindungsgemäßen System ist vorteilhaft ein Zusammenwirken einer Lageregelung des magnetischen Körpers in den drei Raumrichtungen mit den komplexen Anforderungen an die Feldkonfiguration, wie sie durch die vorerwähnte Magnetspulenanordnung erzeugt wird, zu gewährleisten. Bei jeder Verschiebung oder Drehung des magnetischen Körpers ändern sich dabei die Ströme in allen vierzehn Einzelspulen. Die Einstellung der Spulenströme in den Einzelspulen erfolgt dabei derart, dass die Abweichung der Soll-Position von der Ist-Position verringert, insbesondere minimiert wird. Die diesbezüglichen Mittel zur Einstellung und Bearbeitung sind entsprechend ausgelegt.

Vorteilhaft sind ferner die Ausgestaltung mit Kraftrückmeldung auf das Gerät zur Einstellung der Orientierung, Soll-Position und Bewegungsrichtung sowie eine mögliche Begrenzung der Geschwindigkeit, mit dem sich der magnetische Körper bewegt. Auf diese Weise ist insbesondere ein für eine medizinische Diagnose wünschenswertes freies, stabiles Schweben in einem Arbeitsraum, z.B. einer mit einem magnetischen Körper in Form eines Ferro- oder Permanentmagneten ausgestatteten Videokapsel gemäß der genannten DE 101 42 253 C1 in einem Probanden durch eine aktive Positionsregelung zu realisieren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anlage gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

So können die vierzehn einzeln ansteuerbaren Einzelspulen auf paarweise gegenüberliegenden Flächen und wenigstens einer rohrförmigen, sich in z-Richtung erstreckenden Mantelfläche angeordnet sein. Bis auf die Mantelfläche können dabei die Flächen einen Quader oder Würfel aufspannen. Sie brauchen aber nicht unbedingt eben ausgebildet zu sein. Die auf diesen Flächen liegenden Einzelspulen ermöglichen dann einen guten Zugang zu dem Arbeitsraum insbesondere in der z-Richtung.

Vorteilhaft können dabei mindestens sechs der Einzelspulen auf den paarweise gegenüberliegenden stirnseitigen bzw. seitlichen Flächen des Arbeitsraums liegen und zur Erzeugung der drei Magnetfeldkomponenten B_x, B_y, B_z sowie der zwei Diagonalelemente der Gradientenmatrix dienen. Zugleich können mindestens vier der Einzelspulen auf der wenigstens einen rohrförmigen, den Arbeitsraum umschließenden Mantelfläche in Umfangsrichtung gesehen verteilt angeordnet sein und zur Erzeugung von mindestens einem Außerdiagonalelement der Gradientenmatrix dienen. Zusammen mit den übrigen Einzelspulen lassen sich so die erforderlichen drei Außerdiagonalelemente ausbilden.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausbildungsform des Spulensystems können

– sechs der Einzelspulen als drei Spulenpaare auf den paarweise gegenüber liegenden stirnseitigen bzw. seitlichen Flächen des Arbeitsraums liegen und
– acht der Einzelspulen zwei Spulenanordnungen bilden, die in z-Richtung gesehen hintereinander auf der wenigstens einer rohrförmigen Mantelfläche liegen und deren jeweils vier Einzelspulen auf der Mantelfläche in Umfangsrichtung gesehen verteilt angeordnet sind und zur Erzeugung von drei in der Gradientenmatrix auf einer Seite von der Diagonalen liegenden Außerdiagonalelementen dienen.

Dieses Spulensystem zeichnet sich durch einen klaren Aufbau mit guter Zugänglichkeit des Arbeitsraums in der z-Richtung aus.

Stattdessen lässt sich bei dem Spulensystem ebenso gut vorsehen,

– dass auf den stirnseitigen Flächen des Arbeitsraums ein Spulenpaar von Einzelspulen liegt und zur Erzeugung der Magnetfeldkomponente B_z sowie des Diagonalelementes dB_z/dz der Gradientenmatrix dient,
– dass auf den paarweise gegenüberliegenden seitlichen Flächen jeweils eine Spulenanordnung aus jeweils zwei in z-Richtung gesehen hintereinander angeordneten Einzelspulen liegt und zur Erzeugung der Magnetfeldkomponente B_x bzw. B_y dient,
– dass auf der auf wenigstens einen rohrförmigen Mantelfläche eine Spulenanordnung aus vier in Umfangsrichtung gesehen verteilt angeordneten Einzelspulen liegt und
– dass die Spulenanordnungen auf den seitlichen Flächen und der Mantelfläche zur Erzeugung eines weiteren Diagonalelementes und von drei in der Gradientenmatrix auf einer Seite von deren Diagonalen liegenden Außerdiagonalelementen dienen.

Bei den vorstehend wiedergegebenen Ausführungsformen können vorteilhaft die auf der (gedachten) Mantelfläche liegenden Feldgradientenspulen sattelförmig gestaltet sein. Dabei ist es möglich, dass ihre auf der Mantelfläche in Umfangsrichtung verlaufenden stirnseitigen Bogenteile in Umfangsrichtung gesehen nebeneinander liegen, d.h. jeweils einen Bogenwinkel von > 90° einnehmen, oder sich auch überlappen. Entsprechende Einzelspulen sind leicht herstellbar und erzeugen klare Feldverhältnisse.

Darüber hinaus können zumindest einige der Feldkomponentenspulen als ebene Rechteckspulen oder Kreisspulen gestaltet sein. Insbesondere die sich an den Stirnseiten befindlichen Spulen ermöglichen so einen guten Zugang zu dem Arbeitsraum in z-Richtung.

Vorteilhaft lassen sich Teile aus weichmagnetischem Material an der Außenseite des Spulensystems zur Feldverstärkung und/oder Feldabschirmung zuordnen.

Zur Ansteuerung der vierzehn Einzelspulen der Magnetspulen wird vorteilhaft ein Computer eingesetzt, indem er ihre jeweils zugeordnete Stromversorgung in Abhängigkeit von der jeweiligen Position des zu bewegenden Magnetkörpers ansteuert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anlage gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung noch weiter erläutert, in der bevorzugte Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Magnetspulensystemen veranschaulicht sind. Dabei zeigen jeweils schematisch

– deren 1 eine Anlage zur berührungsfreien Bewegung und Fixierung/Halterung eines magnetischen Körpers,
– deren 2 eine erste Ausführungsform eines Magnetspulensystems dieser Anlage,
– deren 3 in Teilfiguren 3a bis 3h die Einzelspulen eines solchen Magnetspulensystems mit Stromführungsrich tungen zur Erzeugung vorbestimmter Magnetfeldkomponenten bzw. -gradienten,
– deren 4 eine Ansteuerung der Einzelspulen des Magnetspulensystems gemäß 2 mittels eines Computers,
– deren 5 eine weitere Ausführungsform eines Magnetspulensystems für eine erfindungsgemäße Anlage und
– deren 6 in Teilfiguren 6a bis 6i die Stromführungsrichtungen in den Einzelspulen des Magnetspulensystems nach 5.

Dabei sind in den Figuren sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Mit einer Anlage nach der Erfindung lässt sich ein magnetischer Probekörper berührungslos in einem Arbeitsvolumen bewegen und stabil halten. Dabei sind die Ausrichtung sowie die Größe und die Richtung der Kräfte auf diesen Probekörper magnetisch und ohne mechanische Verbindung von außen vorgebbar. Insbesondere in Anwendungen der Medizin kann so eine mit einem solchen magnetischen Probekörper ausgestattete Sonde ein Katheter oder ein Endoskop mit Magnetelement oder eine kleine Fernsehkamera mit Beleuchtung und Sender sein, die Videobilder aus dem Körperinneren wie z.B. dem Verdauungstrakt oder der Lunge sendet. Darüber hinaus können ferromagnetische Fremdkörper wie z.B. eine Nadel oder Funktionsmodule in von außen unzugänglichen Objekten oder Räumen durch Magnetkräfte bewegt oder entfernt werden. Neben der Anwendung in der Medizin ist ebenso gut ein Einsatz einer erfindungsgemäßen Anlage auch auf anderen Gebieten wie z.B. in kontaminierten Räumen möglich. Mit zugeordneten Magnetsonden können auch andere, insbesondere unzugängliche Objekte beispielsweise intern inspiziert werden, wobei die Sonden selbstverständlich auch mit anderer oder zusätzlicher Funktionalität ausgestattet sein können.

Mit Hilfe des verwendeten Magnetspulensystems kann so der Probekörper in allen drei lateralen Freiheitsgraden und in Blickrichtung in den zwei rotatorischen Freiheitsgraden durch magnetische Kräfte von außen gesteuert werden. Außerdem erlaubt das Magnetspulensystem der Anlage vorteilhaft von außen einen Zugang in z-Richtung, z.B. um zu behandelnde Personen in dem Arbeitsraum im Inneren zu positionieren.

1 zeigt in Form eines Blockdiagramms ein Ausführungsbeispiel einer Anlage 22 zu einer entsprechenden berührungslosen Navigation und Fixierung eines ferromagnetischen Körpers 10 in einem Probanden oder Untersuchungsobjekt 23, z.B. einem Menschen. Der Proband befindet sich dabei in einem Arbeitsraum A, der von vierzehn Einzelspulen eines in der Figur nicht näher ausgeführten Magnetspulensystems 2 umgeben ist. Der magnetische Körper 10, beispielsweise aus ferromagnetischem oder permanentmagnetischem Material, kann insbesondere Teil einer Sonde wie z.B. einer Videokapsel gemäß der genannten DE 101 42 253 C1 sein.

Das in der Figur nicht näher ausgeführte Magnetspulensystem 2 hat beispielsweise eine etwa würfelförmige Außenkontur. Die entsprechenden sechs Würfelflächen sind mit F3a, F3b, F4a, F4b, F5a und F5b bezeichnet. Dem Würfel sei ein rechtwinkliges x,y,z-Koordinatensystem zugeordnet. Die orthogonal zur z-Richtung liegenden Flächen F4a und F4b seien dabei als stirnseitige Flächen angesehen, während dann die zur x-Achse und zur y-Achse orthogonalen Flächenpaare F3a, F3b bzw. F5a, F5b als seitliche Flächenpaare betrachtet werden können. Die F1ä chenpaare umschließen den drei-dimensional ausgeprägten Innen- oder Arbeitsraum A.

Für eine aktive Positionsregelung des magnetischen Körpers 10 umfasst die Anlage 2 an sich bekannte Mittel zur Detektion der Ist-Position des Körpers 10 in dem Arbeitsraum A. Beispielsweise sind solche Mittel drei Positionsmesser 24_x , 24_y und 24_z , mit denen die Lage des Körpers 10 in der jeweiligen Koordinatenrichtung ermittelt wird. Die entsprechenden Messwerte werden einer Regelungseinrichtung 25 zugeführt, die Teil von Mitteln zur Einstellung einer Soll-Position des magnetischen Körpers ist. Hierzu umfasst die Regelungseinrichtung drei Regelkreise für die x-, y- und z-Position, die aus der Regelabweichung von Ist- und Soll-Position Gegenkräfte in x-, y- und z-Richtung auf den magnetischen Körper 10 veranlassen. Der Regelungseinrichtung 25 ist eine Umsetzereinheit 26 nachgeordnet. Diese Umsetzereinheit 26 steuert vierzehn Netzteile PA1 bis PA14, mit denen die Ströme I₁ bis I₁₄ in den vierzehn Einzelspulen des Magnetspulensystems 2 erzeugt werden. In dem Spulensystem wird auf den magnetischen Körper 10 eine definierte Feldrichtung und Magnetkraft F = grad(m·B) (mit m = Vektor des magnetische Moments des Körpers) erzeugt. Hier werden aus der Positionsregelung abgeleitete Verstellkräfte in den drei Koordinatenrichtungen in Magnetfelder und -gradienten sowie weitere Spulenströme umgesetzt, die diese Kräfte auf den magnetischen Körper ausüben. Abweichungen in der Soll-Position wird so entgegengewirkt und die Lage des Körpers stabilisiert. Als Folge davon stellen sich bei freiem Schweben die Gewichtskraft als auch eventuell weitere Kräfte zur Überwindung mechanischer Widerstände ein. Mit einem Gerät 27 zur Einstellung der Orientierung, Soll-Position und Bewegungsrichtung des magnetischen Körpers 10, z.B. in Form eines Joysticks mit Steuerknüppel 27a, oder einer 6D-Maus, werden die Polarwinkel/-koordinaten θ und φ der Orientierung und/oder die Soll-Position und/oder die Bewegungsrichtung in den drei Raumkoordinaten vorgegeben. Hierzu liefert das Einstellgerät 27 die Soll-Positionen x, y und z und vergleicht sie in jeweils zugeordneten Komparatoren 30_x bzw. 30_y bzw. 30_z mit der Ist-Position, die sich aus den Messsignalen der Positionsmesser 24_x , 24_y und 24_z ergibt. Die Differenzwerte werden als Regelabweichungen an die Regelungseinrichtung 25 weitergeleitet. Dort werden sie verstärkt, regeltechnisch weiterverarbeitet und der Umsetzereinrichtung 26 zugeführt. Aus den so zugeführten Werten werden dort mittels mathematischer Verfahren Stromwerte für die vierzehn Spulennetzgeräte PA1 bis PA14 errechnet, mit denen geänderte Feldgradienten und damit Magnetkräfte F_x, F_y und F_z auf den magnetischen Körper 10 erzeugt werden. Diese Kräfte wirken der Regelabweichung des Körpers in seiner Position x, y und z entgegen. Außerdem gibt das Einstellgerät 27 an die Umsetzereinrichtung 26 die Soll-Richtungen mittels der Polarwinkel θ und φ im Raum weiter, die dort in Ströme für die drei Feldkomponenten B_x, B_y und B_z umgesetzt und über die Netzteile PA1 bis PA14 an das Spulensystem 2 entsprechend weitergeleitet werden.

In 1 ist ferner eine Einrichtung angedeutet, mit der das Videosignal einer Videokapsel, die mit einem magnetischen Körper 10 ausgestattet ist, empfangen wird. Hierzu enthält die Einrichtung einen Videoempfänger 28 sowie einen Monitor 29.

Vorteilhaft kann die Anlage 2 auch dahingehend ausgebildet sein, dass die in der Umsetzereinrichtung 26 berechnete Kraft auf den magnetischen Körper 10 über Stellglieder in dem Einstellgerät 27 eine proportionale Kraftwirkung auf den Joystick 27a des Geräts ausübt. Damit lässt sich z.B. ein uner wünschter mechanischer Widerstand auf den Körper 10 für einen Bediener des Einstellgeräts, beispielsweise einen untersuchenden Arzt, fühlbar machen.

In weiterer Ausgestaltung der Anlage kann vorteilhaft aus einer Positionsmessung durch Differenzierung die Geschwindigkeit des magnetischen Körpers 10 erfasst und in den Regelkreis eingespeist werden mit dem Ziel, diese zu begrenzen. Damit lassen sich beispielsweise Schäden durch einen Aufprall des magnetischen Körpers auf Wände, z.B. im Körperinneren des Probanden 23 ausschließen.

Einzelheiten eines typischen Ausführungsbeispieles eines Magnetspulensystems 2 für eine erfindungsgemäße Anlage 22 sind in den 2 und 3 schematisch dargestellt.

Das Magnetspulensystem 2 umfasst vierzehn normalleitende oder supraleitende Einzelspulen, die vorzugsweise als Rechteck- bzw. Sattelspulen ausgebildet sind. Dabei sind in der Figur die Wickelformen nur schematisch dargestellt; es können auch Einzelspulen mit abgerundeten Ecken, Kreisspulen oder andere Spulenformen gewählt werden. Das Spulensystem des gewählten Ausführungsbeispiels setzt sich dabei aus sechs Feldkomponentenspulen 3a, 3b, 4a, 4b und 5a, 5b sowie acht Feldgradientenspulen 6a bis 6d und 7a bis 7d zusammen. Mit den paarweise auf den gegenüberliegenden Würfelflächen F3a, F3b; F4a, F4b und F5a, F5b liegenden Feldkomponentenspulen 3a, 3b bzw. 4a, 4b bzw. 5a, 5b sind die Feldkomponenten B_x, B_y, B_z sowie mindestens zwei der drei diagonalen Magnetfeldgradienten dB_x/dx, dB_y/dy und dB_z/dz aus der nachstehend wiedergegebenen Gradientenmatrix zu erzeugen. Diese Gradientenmatrix mit einer Diagonalen D hat folgendes Aussehen:

Dabei sei eine die Elemente dB_x/d_x, dB_y/d_y und dB_z/d_z verbindende Linie als die Diagonale D der Gradientenmatrix angesehen. Die Gradientenmatrix ist symmetrisch bezüglich dieser Diagonalen D bzw. der auf ihr liegenden, vorerwähnten Magnetfeldgradienten aufgebaut. Dabei ist die Summe der Diagonalelemente gleich null. Die die einzelnen Feldkomponenten erzeugenden Spulenpaare mit in ihnen zu wählenden Stromführungsrichtungen sind gemäß 3 und deren Teilfiguren mit 3 bzw. 4 bzw. 5 bezeichnet. Vorzugsweise sind die Paare der Feldkomponentenspulen untereinander orthogonal angeordnet. Im Allgemeinen haben sie zumindest paarweise gleiche Form.

Mit den sattelförmig gestalteten Feldgradientenspulen 6a bis 6d sowie 7a bis 7d sind jeweils zwei Spulenanordnungen 6 und 7 ausgebildet, die in z-Richtung gesehen hintereinander angeordnet sind. Die sattelförmigen Feldgradientenspulen umschließen feldmäßig den Arbeitsraum A, wobei sie auf mindestens einer gedachten, rohrförmigen Mantelfläche F6 mit zur z-Richtung parallel verlaufender Achse gemeinsam angeordnet sind. In Umfangsrichtung gesehen sind die zu einer Spulenanordnung gehörenden Gradientenspulen gegenseitig beabstandet; d.h. zwischen ihren stirnseitigen Bogenteilen und somit zwischen ihren in z-Richtung verlaufenden Längsseiten ist jeweils ein Zwischenraum. Es ist jedoch eine Überlappung benachbarter Gradientenspulen an ihren Längsseiten möglich. Die gedachte Mantelfläche F6 hat beispielsweise einen kreisförmigen Querschnitt. Sie kann aber auch eine andere, z.B. quadra tische Querschnittsform haben. Es sind auch konzentrischen Mantelflächen möglich, auf denen sich die Einzelspulen aus einer oder aus beiden Spulenanordnungen befinden. Die mindestens eine Mantelfläche F6 braucht auch nicht unbedingt innerhalb des von den Feldkomponentenspulen 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b umschlossenen Raums zuliegen, sondern kann gegebenenfalls die Struktur aus diesen Spulen auch umschließen. Im Allgemeinen haben zumindest die zu einer Spulenanordnung 6 und/oder 7 gehörenden Feldgradientenspulen gleiche Form. Im Allgemeinen handelt es sich bei den erwähnten Flächen um gedachte Flächen. Selbstverständlich sind aber die sich auf ihnen erstreckenden Einzelspulen des Magnetspulensystems 2 von konkreten, in den Figuren nicht dargestellten Fixierungsmitteln gehalten.

Mit den Feldgradientenspulen 6a bis 6d und 7a bis 7d sind beispielsweise gemäß 3 und deren Teilfiguren die Magnetfeldgradienten dB_x/dy, dB_z/dx und dB_z/dy bei Wahl der dargestellten Stromführungsrichtungen auszubilden. Diese drei Feldgradienten stellen jeweils ein außerdiagonales Element der vorstehenden Gradientenmatrix dar. Dabei stammen diese Elemente jeweils aus einem anderen, bzgl. der Diagonalen D symmetrischen Elementenpaar. Bei der Ausbildung entsprechender Feldgradienten werden nämlich zwangsläufig die bzgl. der Diagonalen D symmetrischen Feldgradienten paarweise erzeugt. Das wären in diesem Falle die Gradienten dB_y/dx bzw. dB_x/dz bzw. dB_y/dz. Da nur fünf Gradientenfreiheitsgrade zu berücksichtigen sind, bedarf es außerdem keines besonderen Strommusters für den dB_z/dz-Feldgradienten. Alternativ kann aber der dB_z/dz-Feldgradient erzeugt werden und dafür einer der Gradienten dB_x/dx oder dB_y/dy weggelassen werden. D.h., es müssen nur zwei der drei auf der Diagonalen D der Gradientenmatrix liegenden Gradienten erzeugt werden.

Wird nun ein langgestreckter Magnetkörper, beispielsweise ein Ferro- oder Permanentmagnet, der z.B. mit einer Sonde verbunden ist, in den Arbeitsraum A des Magnetspulensystems 2 eingebracht, so versucht er sich parallel zur Feldrichtung auszurichten, wobei er somit auch die Ausrichtung der Sonde vorgibt. Die Feldgradienten üben dabei auf den Magnetkörper eine Kraft F = grad(m·B) aus, wobei m der Vektor des magnetische Moments des Magnetkörpers ist. Durch eine gezielte Ansteuerung jeder der vierzehn Einzelspulen ist es dann möglich, dass der Magnetkörper beliebig im Arbeitsraum A ausgerichtet werden kann und auf ihn auch eine vorgegebene Kraft F in alle Richtungen auszuüben ist, also dass er nicht nur gedreht, sondern auch linear bewegt werden kann.

Die Teilfiguren 3a bis 3h zeigen paarweise die vierzehn Einzelspulen eines Magnetspulensystems, beispielsweise des Systems 2 nach 2, in Einzeldarstellung mit den jeweiligen Flussrichtungen der Ströme I zur Erzeugung der für eine berührungsfreie Bewegung und/oder Drehung erforderlichen Feldkomponenten und Feldgradienten. Dabei ist gemäß den Teilfiguren 3a und 3b mit dem Spulenpaar 3 der Einzelspulen 3a, 3b je nach Stromflussrichtung die Magnetfeldkomponente B_x bzw. der Feldgradient dB_x/dx zu erzeugen. In entsprechender Weise ist mit den Einzelspulen 5a, 5b des Spulenpaars 5 die Feldkomponente B_y bzw. der Feldgradient dB_y/dy auszubilden. Das Spulenpaar 4 aus den Einzelspulen 4a und 4b erzeugt gemäß Teilfigur 3e die Feldkomponente B_z. Gemäß den Teilfiguren 3f bis 3h sind mit den beiden Spulenanordnungen 6 und 7 aus den jeweils vier Gradientenspulen 6a bis 6d bzw. 7a bis 7d je nach Stromführungsrichtung in den Einzelspulen die Feldgradienten dB_z/dx bzw. dB_z/dy bzw. dB_x/dy zu erzeugen.

Jedes Strommuster erzeugt in dem Magnetspulensystem neben der jeweils gewünschten auch andere Feldkomponenten. Diese hängen von den jeweiligen Spulenabmessungen und vom Standort des Magnetkörpers ab; ihre Amplitude nimmt vom Zentrum aus in Richtung auf die Wicklungen der Spulen zu. D.h., ein einfacher Zusammenhang zwischen der Stromstärke der Strommuster mit der Feldrichtung und Kraftrichtung F = grad(m·B) an einem Ort des Magnetkörpers ist so nicht gegeben.

Durch ein geeignetes Überlagern der acht Strommuster in den vierzehn Einzelspulen sind jedoch an einem Magnetkörperort (Sondenort) gerade jene Felder und Feldgradienten einzustellen, welche die gewünschte Ausrichtung und Kraftwirkung auf den Magnetkörper erzeugen. Besonders vorteilhaft kann z.B. ein freies Schweben des Magnetkörpers in dem Raum realisiert werden, wenn gerade die Gewichtskraft F = m g = grad(m·B) erzeugt wird (M = Masse, g = Erdbeschleunigung). Die diesbezügliche Berechnung erfolgt vorteilhaft mit einem Computer, der insbesondere die folgenden Rechenschritte durchführt und gegebenenfalls während einer Bewegung des Magnetkörpers laufend wiederholt:

– Berechnung der Sollwerte der drei Feldkomponenten B_x, B_y, B_z am Magnetkörperort aus einer vorgegebenen Magnetkörperrichtung in Polarkoordinaten θ und φ im Arbeitsraum und dem Betrag |B|;
– Berechnung der Sollwerte der fünf unabhängigen Feldgradienten dB_x/dx, dB_y/dy, dB_x/dy, dB_z/dx und dB_z/dy aus einer vorgegebenen Magnetkraft auf den Magnetkörper; es kann auch der Gradient dB_z/dz vorgegeben werden und dafür einer der anderen auf der Diagonalen der Gradientenmatrix liegenden Gradienten dB_x/dx oder dB_y/dy zu Null gemacht werden. Denkbar sind auch Überlagerungen des Gradienten dB_z/dz mit einen der anderen diagonalen Gradienten dB_x/dx oder dB_y/dy;
– Berechnung von Feldkomponenten und Feldgradienten am Magnetkörperort für jedes der acht Strommuster aus der Spulengeometrie, z.B. für 1 A Spulenstrom und Darstellung in Form einer 8x8-Matrix;
– Berechnung einer inversen Matrix. Diese inverse Matrix hängt nur von der Spulengeometrie ab und kann für jeden Punkt auf einem Raster im vorgesehenen Arbeitsraum im Voraus erstellt werden. Während des Betriebs der Vorrichtung wird zur schnelleren Berechnung zwischen den Werten in diesem Raster interpoliert;
– Multiplikation der inversen Matrix für den Magnetkörperort mit dem Feldvektor (B_x, B_y, B_z, dB_x/dx, dB_y/dy, dB_x/dy, dB_z/dx, dB_z/dy) ergibt die Stromwerte für die acht Strommuster;
– Aufteilung der Strommuster auf die vierzehn Einzelspulenströme nach jeweiliger positiver oder negativer Stromrichtung aus gespeicherter Tabelle und lineare Überlagerung der Ströme in den Einzelspulen;
– Ansteuerung der vierzehn Netzteile für die Einzelspulen;
– Überwachung der Verlustleistungsgrenzen in den Einzelspulen.

Aus 4 geht eine entsprechende Vorrichtung zur Ansteuerung der vierzehn Einzelspulen im Zusammenwirken mit einer bildgebenden Einrichtung zur Kontrolle der Magnetkörper- bzw. Sondenposition in schematischer Darstellung hervor. In der Figur ist ein das Magnetspulensystem 2 nach 2 ansteuernder Computer mit 9 bezeichnet. Mit Hilfe der vierzehn Einzelspulen des Magnetspulensystems sind auf einen Magnetkörper bzw. eine entsprechende Sonde 10 neben frei vorgebbarer Feldrichtung auch uneingeschränkt Magnetkräfte in allen drei Raumrichtungen auszuüben. Mittels des Computers 9 werden die vierzehn Netzteile PA1 bis PA14 für die vierzehn Einzelspulen angesteuert. In der Figur ist ferner eine Röntgenröhre 11 eines Röntgengeräts angedeutet, deren Strahlung den freien Raum zwischen den Wicklungen der Einzelspulen zur durchstrahlt. Auf einem Bildschirm 12 außerhalb des Magnetspulensystems ist dann die Lage bzw. Bewegung des Magnetkörper 10 zu beobachten.

Zu einer konkreten Ausgestaltung des Magnetspulensystems gemäß den Darstellungen der Figuren lassen sich folgende Maßnahmen vorsehen:

– Die Einzelspulen können aus Aluminium- oder Kupferband gewickelt sein und gegebenenfalls flüssigkeitsgekühlt werden.
– Die Einzelspulen können aus Metallhohlprofilen gefertigt sein, durch deren Innenraum gegebenenfalls ein Kühlmedium geleitet wird.
– Insbesondere können die Einzelspulen aus supraleitenden Leitern, vorzugsweise mit Hoch-T_c-Supraleitermaterial, erstellt sein.
– Selbstverständlich sind auch weitere Einzelspulen einsetzbar, z.B. zur Homogenisierung des Magnetfeldes. Eine entsprechende Einzelspule ist in Teilfigur 3e gestrichelt angedeutet und mit 4c bezeichnet. Sie vergleichmäßigt die Feldkomponente B_z räumlich.
– Dem Magnetspulensystem kann außerdem magnetisches Material zugeordnet sein. Z.B. kann es zumindest teilweise von Teilen aus solchem Material umschlossen sein. Eine entsprechende Ausgestaltung des Magnetspulensystems 2 nach 2 sieht magnetische Rückschlusskörper aus weichmagnetischem Material wie Eisen vor, die die Gradientenspulen des Systems 2 von den Außenseiten her umschließen. Mit solchen weichmagnetischen Teilen ist insbesondere eine Feldverstärkung im Arbeitsraum A und/oder eine Streufeldabschirmung nach außen zu erreichen.
– Gegebenenfalls sind für die Einzelspulen eines Spulenpaaren zur Erzeugung der Magnetfeldkomponenten oder einer Spulenanordnung zur Erzeugung der Feldgradienten unterschiedliche Leiterquerschnitte wählbar. So kann z.B. eine obere y-Einzelspule, beispielsweise die Einzelspule 5b nach Teilfigur 3c, einen größeren Leiterquerschnitt bzw. eine erhöhte Windungszahl gegenüber der ihr zugeordneten unteren y-Spule 5a aufweisen. Selbstverständlich ist eine derartige unterschiedliche Ausgestaltung auch bei den anderen Spulenpaaren und/oder Spulenanordnungen möglich.

Bei dem anhand der vorstehenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems 2 wurde davon ausgegangen, dass mit den paarweise orthogonal auf gegenüberliegenden Flächen eines Würfels angeordneten Feldkomponentenspulen neben den Feldkomponenten B_x, B_y und B_z auch zwei der drei diagonalen Feldgradienten gemäß der vorstehenden Gradientenmatrix zu erzeugen sind. Es ist jedoch auch möglich, mit Feldkomponentenspulen auch außerdiagonale Feldgradienten hervorzurufen. Hierzu ist es erforderlich, dass zwei der drei Feldkomponentenspulen durch Spulenpaare aus Einzelspulen gebildet werden. Eine solche Ausführungsform kann insbesondere dann vorgesehen werden, wenn das Magnetspulensystem eine mehr quaderförmige Kontur um einen Arbeitsraum aufweist. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel eines Magnetspulensystems mit wiederum vierzehn Einzelspulen ist in den 5 und 6 in den 2 und 3 entsprechender Darstellung angedeutet und mit 20 bezeichnet. Dabei zeigen die Teilfiguren 6a bis 6i die für die Magnetfeldkomponenten und -gradienten in den Einzelspulen zu wählenden Stromfüh rungsrichtungen. Bei dieser Ausführungsform liegt auf stirnseitigen Flächen F14a und F14b des Arbeitsraums A ein Spulenpaar 14 aus Einzelspulen 14a und 14b. Mit diesen beispielsweise kreisförmig gestalteten Einzelspulen sind gemäß den Teilfiguren 6g und 6h die Magnetfeldkomponente B_z sowie das zugehörende Gradientenelement dB_z/dz auf der Diagonalen D der Gradientenmatrix zu erzeugen. Demgegenüber sind die auf paarweise gegenüberliegenden seitlichen Flächen F13a, F13b und F15a, F15b anzuordnenden Feldkomponentenspulen jeweils durch eine Spulenanordnung 16 bzw. 17 aus jeweils zwei in z-Richtung gesehen hintereinander angeordneten Einzelspulen gebildet. Gemäß Teilfigur 6d setzt sich dabei die Spulenanordnung 16 aus den Einzelspulen 13a, 13a' sowie 13b und 13b' zusammen. Je nach Stromführungsrichtung gemäß den Teilfiguren 6d, 6e und 6f in diesen Einzelspulen sind dann die Feldkomponente B_x bzw. das diagonale Gradientenelement dB_x/dx und das außerdiagonale Gradientenelement dB_z/dx zu erzeugen. In entsprechender Weise kann mit den Einzelspulen 15a, 15a' und 15b, 15b' der Spulenanordnung 17 auf den seitlichen Flächen F15a und F15b gemäß den Teilfiguren 6a bis 6c die Feldkomponente B_y bzw. das diagonale Gradientenelement dB_y/dy und das außerdiagonale Gradientenelement dB_z/dy erzeugt werden. Um das dritte der außerdiagonalen Gradientenelemente dB_x/dy gemäß 6i erzeugen zu können, ist noch eine weitere Spulenanordnung 18 aus vier Einzelspulen 18a bis 18d erforderlich. Diese Einzelspulen liegen auf einer (gedachten) rohrförmigen, sich parallel zur z-Achse erstreckenden, den Arbeitsraum A umschließenden Mantelfläche F18 innerhalb der von den Feldkomponentenspulen gebildeten Kontur. Diese vier Einzelspulen 18a bis 18d sind in Umfangsrichtung der Mantelfläche F18 gesehen regelmäßig verteilt angeordnet, wobei sich gegebenenfalls ihre in z-Richtung verlaufenden Längsseiten überlappen können. Für die Darstellung nach der Teilfigur 6i wurde zwar eine quadratische Querschnittsform für die gedachte Mantelfläche angenommen. Wie aus 7 ersichtlich ist, können hierfür auch andere Formen vorgesehen werden. Ferner ist in der Teilfigur 6g die auch zu der Teilfigur 3e angesprochene Möglichkeit angedeutet, zu einer Homogenisierung des Magnetfeldes weitere Einzelspulen vorzusehen. So kann mit der mit 14c bezeichneten, in der Teilfigur gestrichelt ausgeführten Einzelspule eine entsprechende Vergleichsmäßigung der Feldkomponente B_z erreicht werden.

Claims

Anlage (22) zu einer berührungsfreien Bewegung und/oder Fixierung eines magnetischen Körpers (10) in einem dreidimensionalen Arbeitsraum (A), der von in einem rechtwinkligen x,y,z-Koordinatensystem aufgespannten Flächen (F4a, F4b; F3a, F3b; F5a, F5b; F14a, F14b; F13a, F13b; F15a, F15b) umgeben ist, welche Anlage folgende Teile enthält: a) ein den Arbeitsraum (A) umgebendes Magnetspulensystem (2, 20), das vierzehn einzeln ansteuerbare Einzelspulen (3a, 3b; 4a, 4b; 5a, 5b; 6a bis 6d; 7a bis 7d; 13a, 13a'; 13b, 13b'; 15a, 15a'; 15b, 15b'; 18a bis 18d) aufweist, die zur Erzeugung der drei Magnetfeldkomponenten B_x, B_y und B_z sowie von fünf Magnetfeldgradienten aus der bezüglich ihrer Diagonalen (D) symmetrischen Gradientenmatrix
ausgebildet sind, wobei mit den Einzelspulen (4a, 4b; 3a, 3b; 5a, 5b) zwei der drei Diagonalelemente der Gradientenmatrix und je eines der Außerdiagonalelemente aus den drei zur Diagonalen (D) symmetrischen Gradientenelementpaaren der Gradientenmatrix zu erzeugen sind, b) Mittel zur Detektion der Ist-Position des magnetischen Körpers (10) und c) Mittel zur Einstellung der Soll-Position des magnetischen Körpers (10), umfassend c1) ein Gerät zur Einstellung der Orientierung, Soll-Position und Bewegungsrichtung des magnetischen Kör pers (10) sowie c2) Mittel zur Einstellung der Spulenströme (I₁ bis I₁₄) in den Einzelspulen (3a, 3b; 4a, 4b; 5a, 5b; 6a bis 6d; 7a bis 7d; 13a, 13a'; 13b, 13b'; 15a, 15a'; 15b, 15b'; 18a bis 18d) unter Bearbeitung der Abweichung der Soll-Position von der Ist-Position des magnetischen Körpers (10).
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Detektion der Ist-Position des magnetischen Körpers (10) innerhalb des Arbeitsraums (A) angeordnet sind.
Anlage nach Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Detektion jeweils mindestens ein jeder Koordinate (x, y, z) zugeordneter Positionsmesser (24_x , 24_y , 24_z ) sind.
Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät zur Einstellung der Orientierung, Soll-Position und Bewegungsrichtung des magnetischen Körpers (10) ein Joystick (27) oder eine 6D-Maus ist.
Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Einstellung der Spulenströme (I₁ bis I₁₄) in den Einzelspulen einen Computer (9) umfassen, dem eine mit den Detektionsmitteln verbundene Regelungseinrichtung (25) sowie eine der Regelungseinrichtung (25) nachgeordnete Umsetzereinrichtung (26) zugeordnet sind.
Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Umsetzereinheit (26) vierzehn einzelne Netzgeräte (PA1 bis PA14) nachgeordnet sind zur Erzeugung der unabhängigen Ströme (I₁ bis I₁₄) in den Einzelspulen (3a, 3b; 4a, 4b; 5a, 5b; 6a bis 6d; 7a bis 7d; 13a, 13a'; 13b, 13b'; 15a, 15a'; 15b, 15b'; 18a bis 18d).
Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vierzehn einzeln ansteuerbaren Einzelspulen (3a, 3b; 4a, 4b; 5a, 5b; 6a bis 6d; 7a bis 7d; 13a, 13a'; 13b, 13b'; 15a, 15a'; 15b, 15b'; 18a bis 18d) des Magnetspulensystems (2, 20) auf paarweise gegenüberliegenden Flächen (F4, F4b; F3a, F3b; F5a, F5b; F14a, F14b; F13a, F13b; F15a, F15b) und wenigstens einer rohrförmigen, sich in z-Richtung erstreckenden Mantelfläche (F6; F18) angeordnet sind.
Anlage nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein Magnetspulensystem (2), von dem – mindestens sechs der Einzelspulen (4a, 4b; 3a, 3b; 5a, 5b) auf den paarweise gegenüberliegenden stirnseitigen bzw. seitlichen Flächen (F4a, F4b bzw. F3a, F3b; F5a, F5b; F14a, F14b; F13a, F13b; F15a, F15b) des Arbeitsraums (A) liegen zur Erzeugung der drei Magnetfeldkomponenten B_x, B_y, B_z sowie der zwei Diagonalelemente der Gradientenmatrix dienen, und – mindestens vier der Einzelspulen (6a bis 6d; 7a bis 7d; 18a bis 18d) auf der wenigstens einen rohrförmigen, den Arbeitsraum (A) umschließenden Mantelfläche (F6; F18) in Umfangsrichtung gesehen verteilt angeordnet sind und zur Erzeugung von mindestens einem Außerdiagonalelement der Gradientenmatrix dienen.
Anlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Magnetspulensystem (2) – sechs der Einzelspulen (4a, 4b; 3a, 3b; 5a, 5b) als drei Spulenpaare (4, 3, 5) auf den paarweise gegenüber liegenden stirnseitigen bzw. seitlichen Flächen (F4a, F4b bzw. F3a, F3b; F5a, F5b) des Arbeitsraums (A) liegen und – acht der Einzelspulen (6a bis 6d; 7a bis 7d) zwei Spulenanordnungen (6, 7) bilden, die in z-Richtung gesehen hintereinander auf der wenigstens einer rohrförmigen Mantelfläche (F6) liegen und deren jeweils vier Einzelspulen (6a bis 6d bzw. 7a bis 7d) auf der Mantelfläche in Umfangsrichtung gesehen verteilt angeordnet sind und zur Erzeugung von drei in der Gradientenmatrix auf einer Seite von der Diagonalen (D) liegenden Außerdiagonalelementen dienen.
Anlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Magnetspulensystem (20) – ein Spulenpaar (14) von Einzelspulen (14a, 14b) auf den stirnseitigen Flächen (F14a, F14b) des Arbeitsraums (A) liegt und zur Erzeugung der Magnetfeldkomponente B_z sowie des Diagonalelementes dB_z/dz der Gradientenmatrix dient, – jeweils eine Spulenanordnung (16 bzw. 17) aus jeweils zwei in z-Richtung gesehen hintereinander angeordneten Einzelspulen (13a, 13a'; 13b, 13b'; 15a, 15a'; 15b, 15b') auf den paarweise gegenüberliegenden seitlichen Flächen (F13a, F13b; F15a, F15b) liegt und zur Erzeugung der Magnetfeldkomponente B_x bzw. B_y dient, – eine Spulenanordnung (18) aus vier in Umfangsrichtung gesehen verteilt angeordneten Einzelspulen (18a bis 18d) auf der wenigstens einen rohrförmigen Mantelfläche (F18) liegt und – die Spulenanordnungen (16, 17, 18) auf den seitlichen Flächen (F13a, F13b; F15a, F15b) und der Mantelfläche (F18) zur Erzeugung eines weiteren Diagonalelementes und von drei in der Gradientenmatrix auf einer Seite von deren Diagonalen (D) liegenden Außerdiagonalelementen dienen.
Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die wenigstens eine Mantelfläche (F6, F18) des Magnetspulensystems (2, 20) innerhalb des von den sechs paarweise gegenüber liegenden Flächen (F4a, F4b bzw. F3a, F3b; F5a, F5b; F14a, F14b; F13a, F13b; F15a, F15b) aufgespannten Innenraums befindet.
Anlage nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Mantelflächen (F6, F18) liegenden Feldgradientenspulen (6a bis 6d; 7a bis 7d; 18a bis 18d) des Magnetspulensystems (2, 20) sattelförmig gestaltet sind.
Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die stirnseitigen Bogenteile der Feldgradientenspulen jeder Spulenanordnung des Magnetspulensystems (2, 20) in Umfangsrichtung gesehen nebeneinander liegen oder sich überlappen.
Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Magnetspulensystem (2, 20) zumindest einige der Feldkomponenten spulen (3a, 3b; 4a, 4b; 5a, 5b) als ebene Rechteckspulen oder Kreisspulen gestaltet sind.
Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Magnetspulensystem (2, 20) die Spulenpaare und/oder Spulenanordnungen jeweils aus Einzelspulen mit gleicher Form gebildet sind.
Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Magnetspulensystem (2, 20) die Spulenpaare aus Einzelspulen zur Erzeugung der Magnetfeldkomponenten orthogonal zueinander angeordnet sind.
Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch dem Magnetspulensystem (2, 20) zugeordnete Teile aus weichmagnetischem Material an seiner Außenseite zur Feldverstärkung und/oder Feldabschirmung.