"Vorrichtung und Verfahren zur Lokalisierung eines Geräts"

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Lokalisieren eines Geräts Insbesondere betrifft die Erfindung medizinische Instrumente sowie Bohrkopfe und Verfahren zum Lokalisieren von medizinischen Geraten und Bohrkopfen

Aus der US-PS 5 589 775 ist ein Verfahren zum Ermitteln des Abstands sowie der Richtung zwischen einem ersten und einem zweiten Bohrloch bekannt Dazu ist in einem Bohrkopf ein rotierender Magnet vorgesehen, dessen Rotationsachse mit der Bohrkopflangsachse zusammenfallt und senkrecht zur eigenen Langsachse steht Die US-PS 5 589 775 lehrt zur Bestimmung des Abstands des Bohrkopfs zu einem in der Rotations- ebene des Magneten befindlichen, in dem zweiten Bohrloch angeordneten Referenzpunkt, den Verlauf der beiden orthogonalen Komponenten des durch den Referenzpunkt laufenden Magnetfeldvektors zu messen Aus dem Verlauf der beiden Komponenten laßt sich die Distanz zwischen Bohrkopf und Referenzpunkt sowie deren Winkellage in dem feststehenden Koordinatensystem des Referenzpunkts ermitteln

Da bei der Vorrichtung der US-PS 5 589 775 der Magnet fest mit dem Bohrkopf verbunden ist und somit eine Rotation des Magneten von einer Rotation des Bohrkopfs abhangig ist, besteht der Nachteil, daß eine Bestimmung des Abstands sowie der Ausrichtung lediglich bei rotierendem Bohrkopf erfolgen kann

Die DE 102 25 518 B4 offenbart daher eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Instruments oder Geräts, bei dem ein in dem Instrument oder Gerat angeordneter magnetischer Dipol ein sich zeitlich änderndes magnetisches Feld erzeugt, das zur Positions- und Lagebestimmung gemessen und ausgewertet wird Um eine Ortung auch bei stillstehendem Gerat zu gewährleisten sieht die DE 102 25 518 B4 vor, den magnetischen Dipol unabhängig von einer Bewegung des Gerategehauses rotato-

πsch anzutreiben. Durch die unabhängigen Drehbewegungen von Gehäuse und magnetischem Dipol kann jedoch kein Rückschluß mehr von der ermittelten Lage des magnetischen Felds auf den Verrollungswinkel des Gehäuses gezogen werden.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren oder Vorrichtungen weiter zu verbessern Insbesondere soll eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Lokalisieren eines Geräts angegeben werden, durch das die Position im Raum, die Lage einer bestimmten Geräteachse sowie der Rollwinkel des Geräts um diese Gerateachse angegeben werden

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Bevorzugte Ausfuhrungsformen sind Gegenstand der Unteransprύche.

Der Kern der Erfindung sieht vor, in dem zu lokalisierenden Gerat mindestens einen unabhängig von dem Gerät rotierenden magnetischen Dipol anzuordnen, wobei die Rotationsachse des Dipols fest in Relation zu dem Gehäuse ist und einen Winkel mit einer der Gehäuseachsen einschließt, der > 0° ist Die Rotationsachse steht dabei vorzugsweise senkrecht zu der den Sύd- und Nordpol verbindenden Achse des Dipols

"Fest" im Sinne der Erfindung bedeutet, daß die relative Position der Rotationsachse zumindest im (rotatorischen) Stillstand des Bohrkopfs eindeutig ermittelt werden kann, sei es dadurch, daß diese körperlich fest innerhalb des Gehäuses ist, oder beispielsweise durch Auswertung der bekannten Drehzahl des Dipols um die Rotationsachse und der bekannten Drehzahl des Gehäuses.

Erfindungsgemaß ist nicht erforderlich, daß sich die Rotationsachse des Magneten und die entsprechende Gehäuseachse real schneiden Vielmehr ist ausreichend, wenn die zwei Achsen bei einer Projektion auf eine Ebene den erforderlichen Winkel von > 0° ein- schließen.

Dadurch, daß der unabhängig rotierende Magnet bezüglich seiner Rotationsachse nicht kollinear oder parallel zu einer der Gehäuseachsen, insbesondere der Langsachse angeordnet ist, wird die Position des durch den Magneten erzeugten magnetischen Felds in eine auswertbare relative Abhängigkeit zu dem Gehäuse gesetzt. Bei der erfindungsgemäßen Gehäuseachse kann es sich somit um eine beliebige Gehäuseachse handeln; bevorzugt wird jedoch eine der Hauptgehäuseachsen und besonders bevorzugt die Längsachse des Gehäuses, die auch im wesentlichen der Beweguπgsrichtung des Geräts entspricht, verwendet Im folgenden soll daher als Gehauseachse von der Langsachse des Geräts gesprochen werden, ohne daß dies den Schutzbereich der Erfindung ein-

schränkt, da an deren Stelle auch alle anderen Gehäuseachsen zu verstehen sind

Der gleiche Effekt kann auch dadurch erzielt werden, daß der magnetische Dipol um eine Achse rotiert, die zwar kollinear oder parallel (oder auch geneigt) zur Langssachse des Geräts ist, jedoch nicht senkrecht zur Nordpol-Sudpol-Verbindung des Dipols steht, so daß der Dipol eine Taumelbewegung durchführt Dies erschwert zwar die Auswertung der Ergebnisse, kann jedoch zum gleichen Ergebnis führen

Bei einer Drehung des Bohrkopfs beschreibt die Rotationsachse des Magneten einen Doppelkegel, dessen Längsachse der Längsachse des Gehäuses entspricht bzw parallel zu dieser ist. Bei dem von der vorliegenden Erfindung ebenfalls erfaßten Sonderfall einer senkrechten Anordnung der Rotationsachse des Magneten zu der Langsachse des Gehäuses beschreibt die Rotationsachse des Magneten einen zu der Längsachse des Gehäuses stehenden Kreis

Bei stillstehendem Gehäuse wird der Rollwinkel von dem Durchstoßpunkt der Rotationsachse des Magneten durch den Gehausemantel bestimmt Aufgrund der Beschreibung des Doppelkegels wird durch dieses Verfahren zunächst ein zweideutiges Ergebnis geliefert, wobei sich die zwei ermittelten Ergebnisse für den Rollwinkel um exakt 180° unterscheiden Durch eine Zusatzinformation, beispielsweise über die grobe Bewegungsrichtung des Geräts kann jedoch auf einfachere Weise ermittelt werden, welcher der zwei Einzelkegel des Doppelkegels und somit welches der zwei ermittelten Ergebnisse für den Rollwinkel das richtige ist.

Eine solche Isolierung des richtigen Rollwinkels ist bei dem von der Erfindung erfaßten Sonderfall der senkrechten Anordnung der Rotationsachse des Dipols zu der Hauptgehäuseachse nicht möglich Das Ergebnis bleibt hier zweideutig mit einer Abweichung um 180°.

Vorteilhafterweise ist der rotierende Magnet daher so innerhalb des Gehäuses angeordnet, daß die Rotationsachse des Magneten mit der Langsachse des Gehäuses einen Winkel zwischen 0° und 90°, ausgeschlossen die jeweiligen Grenzwerte, einschließt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das magnetische Feld, d h beispielsweise die drei zeitabhängigen Magnetfeldkomponenten Hx(t), Hy(t) und Hz(t) von einem externen, d h außerhalb des Geräts angeordneten Empfanger detektiert Eine mit diesem Empfänger verbundene Auswerteeinheit kann daraufhin anhand der ermittelten Magnetfeldkomponenten die Position, die Richtung der Längsachse und/oder den Rollwinkel des Geräts eindeutig oder zweideutig ermitteln

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Bevorzugt wird für den magnetischen Dipol ein Permanentmagnet verwendet, der unabhängig von einer Energiezufuhr eingesetzt werden kann Alternativ und insbesondere bei erhöhten Anforderungen an die Sendeleistung kann das magnetische Feld auch durch einen Elektromagneten erzeugt werden

In einer vorteilhaften Ausfuhrungsform wird der rotierende Magnet über einen elektrischen Antrieb angetrieben Elektrische Antriebe sind in der Regel preiswert, robust und weisen einen geringen Raumbedarf auf Zudem stellt die Zufuhr von elektrischer Energie in der Regel kein Problem dar

Alternative Ausfuhrungsformen können den Antrieb des Magneten über ein zugefuhrtes Fluid vorsehen Dabei kann eine Druckflussigkeit oder ein Druckgas, beispielsweise Druckluft eine Turbine beliebiger Bauart oder einen sonstigen hydraulischen oder pneumatischen Motor antreiben Ein Antrieb über ein Druckfluid kann insbesondere dann vor- teilhaft sein, wenn dem Gerat das Fluid ohnehin für beliebige andere Zwecke zugeführt wird Beispielsweise werden Bohrvorrichtungen häufig sogenannte Spulflussigkeiten zum Ausschwemmen des Bohrklems, zum Kuhlen des Bohrkopfs, zur Erhöhung der Schneid- leistung durch Addition einer hydraulischen Komponente und zu anderen Zwecken zugeführt Selbstverständlich können auch beliebige Antriebskombinationen (z B elektrisch und hydraulisch) vorgesehen werden

Bevorzugt handelt es sich bei dem betreffenden Gerat um einen Bohrkopf, insbesondere um einen Bohrkopf einer steuerbaren Bohranlage, einer Erdrakete, eines Schlagbohrge- rats, einer Berst- und/oder Aufweitvorrichtung oder um ein Gestänge bzw einen Gestan- geschuß, folglich um Gerate der grabenlosen Bohrverfahren oder Rohrlegeverfahren Die Erfindung ist aber nicht auf eine Verwendung in diesem Bereich beschrankt Ebenso lassen sich die erfindungsgemaßen, insbesondere die vor- und nachstehend beschriebenen Vorrichtungen, Systeme und Verfahren auch in anderen wissenschaftlichen oder technischen Bereichen nutzen, in denen eine präzise Ortung und/oder Steuerung von Geraten erforderlich ist

Bevorzugt wird das Instrument auch zur Lokalisierung, Bestimmung der Achsrichtung, des Rollwinkels um eine bestimmte Achse und/oder der Steuerung eines medizinischen, mikrochirurgischen oder endoskopischen Geräts eingesetzt

In einer bevorzugten Ausfuhruπgsform ist das Gerat mit mindestens einem separat angetriebenen Bohrer oder einer Schneid- oder Stoßvorrichtung versehen

Bei medizinischen mikrochirurgischen oder endoskopischen Geraten ist das Gerat vor- zugsweise mit einer Nadel, Kanüle oder Pinzette versehen Dies ist besonders vorteilhaft

zur Ausfuhrung operativer Arbeiten, wie etwa Eingriffe am Gehirn, Herz oder Intestinal- trakt, bei der Implantation von Organ-, Gewebe- oder Gefaßersatzteilen, Kathetern, Sonden und Schrittmachern oder bei der Entfernung, Zerstörung oder Abtragung von entzündlichem oder malignem Gewebe, Knochen- und Knorpelgewebe oder bei der Behandlung von Steinleiden

Alternativ oder ergänzend kann das Instrument mit einer oder mehreren Offnungen zur Abgabe einer Flüssigkeit versehen sein Wenn der erfindungsgemaß vorgesehene Magnet durch den Flussigkeitsstrom angetrieben wird, kann zudem die Durchflußge- schwindigkeit und/oder die Austrittsrate der Flüssigkeit oder Losung gemessen werden

In einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform beinhaltet das Gerat eine Vorrichtung zur Erzeugung oder Abgabe von Lichtstrahlen, Laserstrahlen, radioaktiven Strahlen, Schallwellen oder Ultraschallwellen

In einer besonders bevorzugten Ausfuhrungsform beinhaltet das Gerat eine Vorrichtung zur Aufzeichnung von optischen Bildern oder Ultraschallbildern

Alternativ oder ergänzend kann das Gerat auch Vorrichtungen zur Abgabe oder Aufzeich- nung elektrischer Impulse und Daten enthalten

Eine weitere vorteilhafte Ausfuhrungsform basiert auf der Möglichkeit, die Frequenz oder Amplitude des Magnetsfelds zu variieren Dies kann dazu eingesetzt werden, eine frequenzselektive Verstärkung zu erzeugen, den Einfluß störender äußerer Magnetfelder zu eliminieren oder, bei Verwendung mehrerer Gerate, diese voneinander zu unterscheiden

In einer bevorzugten Ausfuhrungsform wird zur Detektion des zeitabhängigen Magnetfelds ein Magnetometer verwendet Bevorzugt handelt es sich hierbei um ein Dreiachsen- Magπetometer Dieses mißt das sich bewegende Magnetfeld, beispielsweise das magne- tische Moment, vorzugsweise in dessen Komponenten bezogen auf drei Raumachsen und nimmt vorzugsweise Daten, wie die Amplitude, die relative Phase und ihre Frequenz in dem Referenzpunkt auf Als Dreiachsen-Magnetometer kann beispielsweise ein Flux- gatesensor verwendet werden

Das Magnetometer kann als tragbarer Empfanger relativ zum Instrument bewegt werden, es kann ebenso an einem Bohrgerat (Bohrlafette) oder an beliebiger Stelle hierzu feststehen

Gemäß dem erfindungsgemaßen Verfahren zum Lokalisieren eines Geräts wird minde- stens ein im Bereich des Geräts angeordneter magnetischer Dipol um eine in einem Wm-

kel > 0° zu der Geratelangsachse stehende Rotationsachse rotiert, die drei zeitabhängigen Magnetfeldkomponenten Hx(t), Hy(t) und Hz(t) detektiert und daraus die Position, die Lage der Gerateachse und/oder der Rollwinkel des Geräts berechnet

Die vorliegende Erfindung soll im folgenden anhand von Zeichnungen naher erläutert werden

In den Zeichnungen zeigt

Fiq 1 eine erfindungsgemaße Vorrichtung in einer schematischen Darstellung,

Fig 2 die graphische Ermittlung des Rollwinkels anhand einer Momentaufnahme einer Position der Rotationsachse des Dipols und

Fiq 3 eine Ausfuhrungsform einer erfindungsgemaßen Vorrichtung, bei der die Rotationsachse des Dipols in einem 90°-Wιnkel zur Gehauselangsachse steht

Fig 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemaße Vorrichtung Diese weist ein Gerategehause 1 auf, das um seine eigene Langsachse 3 rotiert Innerhalb des Gerategehauses 1 ist ein magnetischer Dipol 2 angeordnet, der wiederum um eine eigene Achse 4 rotiert und dabei ein ebenfalls mitrotierendes magnetisches Feld erzeugt Dieses Magnetfeld kann von einem (nicht dargestellten) Empfanger detektiert werden, wobei es sich durch die Komponenten der Magnetfeldstarke H _x , H _y und H _z (eines beliebig gewählten Koordinatensystems) darstellen laßt Sofern der Empfanger nicht mit dem magnetischen Feld mitrotiert, stellen sich die Komponenten der magnetischen Feldstarke als zeit- abhangige Werte Hx(t), Hy(t) und Hz(t) dar Aus der zeitlichen änderung des magnetischen Felds kann auf eindeutige Weise die Position und Ausrichtung der Rotationsachse 4 des Dipols 2 bestimmt werden

Die allgemeine Bestimmung der Lage der Rotationsachse ist ausfuhrlich in der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2004 058 272 6 beschrieben, so daß der entsprechende Teil der Beschreibung durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung aufgenommen wird

Aufgrund der überlagerten Drehbewegungen von Gerategehause 1 und magnetischem Dipol 2 beschreibt die Rotationsachse 4 des Dipols einen Doppelkegel im Raum Wird dagegen die Rotation des Gehäuses 1 gestoppt, bleibt auch die Ausrichtung der Rotationsachse 4 des magnetischen Dipols 2 im Raum konstant In Fig 2 ist dies als Projektion in die Zeichenebene dargestellt

Durch die definierte Position der Rotationsachse 4 des Dipols innerhalb des Gehäuses 1

kann folglich auf einfache Weise der Rollwinkel des (nicht rotierenden) Gehäuses 1 bestimmt werden, wobei sich zunächst zwei, um 180° unterscheidende Werte ergeben Anhand einer einfachen zusätzlichen Information, beispielsweise die grobe Bewegungsrichtung des Geräts, kann jedoch der "richtige" von dem "falschen" Wert unterschieden werden

Bei dem in der Fig 3 dargestellten Sonderfall ist dies nicht möglich Hier ist der magnetische Dipol 2 so innerhalb des Gehäuses 1 angeordnet, daß dessen Rotationsachse 4 einen Winkel von 90° mit der Gehauselangsachse 3 einschließt Wieder ergeben sich zwei um 180° verschiedene Werte für den Rollwinkel des Gehäuses 1 Durch eine Zusatziπformation über die Bewegungsrichtung des Geräts kann jedoch nicht zwischen den zwei Werten unterschieden werden Für die Bestimmung des Rollwinkels des Gehäuses 1 bleibt das Ergebnis somit zweideutig