專利名稱：在工作空間內(nèi)無(wú)接觸地移動(dòng)磁體的電磁線圈系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及帶有多個(gè)可單獨(dú)控制的單個(gè)線圈的電磁線圈系統(tǒng)，用于無(wú)接觸式移動(dòng)三維工作空間內(nèi)的磁體，該工作空間由在直角x，y，z坐標(biāo)系內(nèi)展開(kāi)的平面所包圍。這種電磁線圈系統(tǒng)從“IEEE Transactions on Magnetics”，Vol.32，No.2，1996年3月，第320至328頁(yè)中可以得知。
背景技術(shù)：
在醫(yī)學(xué)方面使用通過(guò)切口或者體孔導(dǎo)入的內(nèi)窺鏡和導(dǎo)管，在縱向上可從外部移動(dòng)并因此只能在一維上導(dǎo)航。利用光導(dǎo)體可以進(jìn)行光學(xué)檢查，其中，內(nèi)窺鏡尖端并因此還有觀察方向可通過(guò)控制線擺動(dòng)。特別是可以為活組織檢查構(gòu)成這種裝置。然而，在這種情況下所使用的探針特別是在分支上只能有限導(dǎo)航，以至于從外部無(wú)接觸地施加力本身會(huì)造成擴(kuò)張使用范圍。
從本文開(kāi)始所述的出版物以及US 5 125 888A中得知一種用于無(wú)接觸式控制磁性探針的電磁線圈系統(tǒng)，包括六個(gè)設(shè)置在一個(gè)正方體的平面上的、優(yōu)選為超導(dǎo)體的單個(gè)線圈，其在直角x，y，z坐標(biāo)系內(nèi)的位置可以從數(shù)學(xué)上進(jìn)行描述。利用這些線圈可以產(chǎn)生可變的場(chǎng)方向和場(chǎng)梯度，以便將帶有磁性材料或磁性植入物的導(dǎo)管為治療目的可在所要檢查的例如人體內(nèi)引導(dǎo)或移動(dòng)。然而，利用由六個(gè)單個(gè)線圈組成的電磁線圈系統(tǒng)不能達(dá)到磁體不受限制的自由導(dǎo)航。
US 6 241 671介紹了一種帶有三個(gè)線圈的電磁線圈系統(tǒng)，US 6 529 761B2介紹了一種可環(huán)繞患者轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置的幾個(gè)永久磁鐵的裝置，通過(guò)磁光闌可影響永久磁鐵的磁場(chǎng)，而且永久磁鐵可以產(chǎn)生移動(dòng)磁性探針的磁性波。
此外，公知的還有帶可轉(zhuǎn)動(dòng)永久磁鐵的電磁線圈系統(tǒng)，用于特別是在X光控制下控制磁性導(dǎo)管。
有關(guān)通過(guò)反饋進(jìn)行姿態(tài)穩(wěn)定的方法在該現(xiàn)有技術(shù)中沒(méi)有提及；出發(fā)點(diǎn)是，磁性探測(cè)體通過(guò)場(chǎng)方向和梯度的預(yù)先規(guī)定，始終處于所要檢查的身體內(nèi)部的內(nèi)表面上。
WO 96/03795 A1介紹了一種采用附加脈沖線圈的方法，磁性探針利用這些線圈通過(guò)精確確定的電流脈沖在計(jì)算機(jī)控制下逐步移動(dòng)。
公知的還有所謂的視頻罩(Videokapseln)，例如“GastrointestialEndoscopy”雜志Vol.54，No.1，第79至83頁(yè)所介紹的，用于檢查消化道。在這種情況下視頻罩通過(guò)自然的腸蠕動(dòng)進(jìn)行移動(dòng)；也就是說(shuō)，移動(dòng)和觀察方向是純隨機(jī)的。
DE 101 42 253 C1介紹了一種相應(yīng)的視頻罩，其裝有棒狀磁鐵以及視頻裝置和其它插入裝置。外部的電磁線圈系統(tǒng)向棒狀磁鐵施加用于導(dǎo)航的力。該文獻(xiàn)提到一種所謂吊掛式的直升機(jī)方式，采用通過(guò)6D鼠標(biāo)的外部控制，力的回答通過(guò)鼠標(biāo)以及位置回答通過(guò)應(yīng)答器進(jìn)行。對(duì)于實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的電磁線圈系統(tǒng)和操作其單個(gè)線圈的細(xì)節(jié)，該文獻(xiàn)中沒(méi)有披露。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種電磁線圈系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可以對(duì)例如像按照上述DE-C1文獻(xiàn)所述棒狀磁鐵的(鐵)磁體進(jìn)行無(wú)接觸式導(dǎo)航或移動(dòng)。在此，該磁體可在工作空間內(nèi)定向和/或者向該磁體施加力。在此，力在該磁體上的定向以及大小和方向可磁性地并沒(méi)有機(jī)械連接地從外部預(yù)先規(guī)定。
按照本發(fā)明，上述技術(shù)問(wèn)題該目的通過(guò)一種電磁線圈系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，該電磁線圈系統(tǒng)用于在三維工作空間內(nèi)無(wú)接觸地移動(dòng)磁體，該工作空間由在直角x，y，z坐標(biāo)系內(nèi)展開(kāi)的平面所包圍。該線圈系統(tǒng)具有十四個(gè)可單獨(dú)控制的單個(gè)線圈，它們構(gòu)造用于從相對(duì)于其對(duì)角線D對(duì)稱的梯度矩陣中產(chǎn)生三個(gè)磁場(chǎng)分量Bx，By和Bz以及產(chǎn)生五個(gè)磁場(chǎng)梯度， 其中，利用單個(gè)線圈產(chǎn)生梯度矩陣三個(gè)對(duì)角線成分的兩個(gè)和梯度矩陣與對(duì)角線對(duì)稱的三個(gè)梯度成分對(duì)中各一個(gè)外對(duì)角線成分。
在按照本發(fā)明的、籠型環(huán)繞工作空間的電磁線圈系統(tǒng)中的出發(fā)點(diǎn)是，通過(guò)由麥克斯韋方程式承擔(dān)的條件rotH＝0和divB＝0(其中，在脂肪壓力中給出的量代表矢量)場(chǎng)梯度始終成對(duì)產(chǎn)生。由此出發(fā)可以看出，在三個(gè)可能的場(chǎng)分量Bx，By和Bz中僅有兩個(gè)而在九個(gè)可能的磁場(chǎng)梯度dBx/dx，dBx/dy，dBz/dz，dBy/dx，dBy/dy，dBy/dz，dBz/dx，dBz/dy和dBz/dz中僅有五個(gè)必須獨(dú)立于梯度產(chǎn)生。在此，十四個(gè)單個(gè)線圈這樣必須能夠利用相同值的電流，體現(xiàn)與八個(gè)電磁自由度相應(yīng)的八個(gè)不同的電流模式。這些電流模式分別主要產(chǎn)生場(chǎng)分量或者場(chǎng)梯度。通過(guò)疊加然后可以產(chǎn)生按照麥克斯韋方程式允許的、場(chǎng)分量和場(chǎng)梯度的組合。
按照這種方式，可以借助于工作空間內(nèi)的磁場(chǎng)，在該磁體向例如與磁性元件連接的那種探針上，例如像按照DE 101 42 253 C1所述的導(dǎo)管、內(nèi)窺鏡或者視頻罩上(機(jī)械)無(wú)接觸式定向和/或者施加力的意義上，無(wú)接觸地控制/移動(dòng)(＝導(dǎo)航)磁體。
因此，十四個(gè)可單獨(dú)控制的單個(gè)線圈裝置在成對(duì)相對(duì)的表面上和至少一個(gè)在z方向上延伸的管狀外表面上。在此，直到外表面上，這些表面可以構(gòu)成一個(gè)長(zhǎng)方體或者正方體。但它們不必絕對(duì)平面構(gòu)成。處于這些表面上的單個(gè)線圈然后特別是在z方向上可以很容易進(jìn)入工作空間。
在此方面優(yōu)選的是，至少六個(gè)單個(gè)線圈可以處于工作空間成對(duì)相對(duì)的端面或側(cè)面上，并用于產(chǎn)生三個(gè)磁場(chǎng)分量Bx，By，Bz以及梯度矩陣的兩個(gè)對(duì)角線成分。同時(shí)，至少四個(gè)單個(gè)線圈可以分布地設(shè)置在從切線方向上的至少一個(gè)包圍工作空間的管狀外表面上，用于產(chǎn)生梯度矩陣的至少一個(gè)外對(duì)角線成分。因此利用其余的單個(gè)線圈，可以共同構(gòu)成所要求的三個(gè)外對(duì)角線成分。
按照線圈系統(tǒng)的一個(gè)特別優(yōu)選的構(gòu)成方式，-作為三個(gè)線圈對(duì)的六個(gè)單個(gè)線圈可以處于工作空間的成對(duì)相對(duì)的端面或側(cè)面上，和-八個(gè)單個(gè)線圈構(gòu)成兩組線圈裝置，它們?cè)趜方向上一個(gè)接一個(gè)處于至少一個(gè)管狀外表面上，并且其各自四個(gè)單個(gè)線圈在切線方向上分布地設(shè)置在外表面上，并用于產(chǎn)生梯度矩陣的三個(gè)外對(duì)角線成分。
這種線圈系統(tǒng)的特征在于具有在z方向上易于進(jìn)入工作空間的明確結(jié)構(gòu)。
取而代之的是，在該線圈系統(tǒng)中可以效果同樣良好地具有，-在工作空間的端面上設(shè)置單個(gè)線圈的一個(gè)線圈對(duì)，用于產(chǎn)生磁場(chǎng)分量Bz以及梯度矩陣的對(duì)角線成分dBz/dz，-在成對(duì)相對(duì)的側(cè)面上各自設(shè)置一個(gè)線圈裝置，由分別兩個(gè)在z方向上一個(gè)接一個(gè)設(shè)置的單個(gè)線圈組成，用于產(chǎn)生磁場(chǎng)分量Bx或By，-在至少一個(gè)管狀外表面上設(shè)置一個(gè)線圈裝置，由四個(gè)在切線方向上分布地設(shè)置的單個(gè)線圈組成，和-側(cè)面和外表面上的這些線圈裝置用于產(chǎn)生梯度矩陣的其它對(duì)角線成分和三個(gè)外對(duì)角線成分。
在上述實(shí)施方式中處于(設(shè)想的)外表面上的場(chǎng)梯度線圈可以鞍形地構(gòu)成。在此，其在切線方向上分布在外表面上的端面弧形件(Bogenteil)在切線方向上可以并排，也就是說(shuō)，各自具有一個(gè)＞90°的弧形角(Bogenwinkel)，或者也可以疊加。相應(yīng)的單個(gè)線圈易于制造并產(chǎn)生明確的場(chǎng)關(guān)系。
此外，至少幾個(gè)場(chǎng)分量線圈作為平面的矩形線圈或者圓形線圈構(gòu)成。特別是處于端面上的線圈因此可以易于進(jìn)入z方向上的工作空間。
優(yōu)選地，線圈系統(tǒng)外側(cè)上由軟磁性材料制成的部件可以設(shè)置用于強(qiáng)化磁場(chǎng)和/或者屏蔽磁場(chǎng)。
為控制電磁線圈系統(tǒng)的十四個(gè)單個(gè)線圈，優(yōu)選地使用計(jì)算機(jī)，其中，計(jì)算機(jī)在取決于所要移動(dòng)的磁體當(dāng)時(shí)位置的情況下，控制它們各自分配的供電。


下面借助示出按照本發(fā)明的電磁線圈系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方式的附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。其中分別示意性地示出了圖1按照本發(fā)明電磁線圈系統(tǒng)的第一實(shí)施方式；圖2按局部圖2a至2h的、這種電磁線圈系統(tǒng)的單個(gè)線圈，帶有用于產(chǎn)生預(yù)定的磁場(chǎng)分量或磁場(chǎng)梯度的通電方向；圖3對(duì)圖2中單個(gè)線圈之一的放大圖；圖4利用線匝構(gòu)成的圖1的電磁線圈系統(tǒng)的斜向視圖；圖5借助于計(jì)算機(jī)對(duì)按照?qǐng)D1的電磁線圈系統(tǒng)的單個(gè)線圈進(jìn)行的控制；圖6按照?qǐng)D1的電磁線圈系統(tǒng)的一種特別結(jié)構(gòu)，帶有用于磁場(chǎng)屏蔽和/或者磁場(chǎng)強(qiáng)化的鐵磁結(jié)構(gòu)；圖7按照本發(fā)明電磁線圈系統(tǒng)的另一實(shí)施方式；圖8按圖8a至8i的、圖7電磁線圈系統(tǒng)單個(gè)線圈中的通電方向。
在此，附圖中相應(yīng)的部件具有相同的參考標(biāo)記。
具體實(shí)施例方式
利用按照本發(fā)明的電磁線圈系統(tǒng)，磁性探測(cè)體可以在工作體積內(nèi)無(wú)接觸式移動(dòng)。在此，力在該探測(cè)體上的定向以及大小和方向可在磁性上并在沒(méi)有機(jī)械連接的條件下從外部預(yù)先規(guī)定。特別是在醫(yī)學(xué)應(yīng)用的情況下，這樣一種裝有這種磁性探測(cè)體的探針可以是導(dǎo)管或者帶有磁性元件的內(nèi)窺鏡或者帶有照明和發(fā)射機(jī)的小型攝像機(jī)，該小型攝像機(jī)從例如像消化道或者肺部的體內(nèi)發(fā)射視頻圖像。此外，例如像針這樣的鐵磁異物或者功能模塊，在從外部不能進(jìn)入的物體或者空間內(nèi)可以通過(guò)磁力移動(dòng)或者取出。除了在醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用外，按照本發(fā)明的電磁線圈系統(tǒng)同樣可以有效地用于其它領(lǐng)域，例如像放射性污染的空間內(nèi)。利用所配備的磁性探針，也可以對(duì)特別是不可進(jìn)入的其它物體例如進(jìn)行內(nèi)部檢查，其中，探針不言而喻也可以具有其它的或者附加的功能。
因此，借助該電磁線圈系統(tǒng)可以對(duì)探測(cè)體在所有三個(gè)側(cè)面的自由度上和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度中的觀察方向上，通過(guò)磁力從外部進(jìn)行控制。此外，該電磁線圈系統(tǒng)可以優(yōu)選地從外部在z方向上進(jìn)入，例如將所要治療的患者在體內(nèi)的工作空間內(nèi)定位。
圖1至4示出按照本發(fā)明電磁線圈系統(tǒng)的一種典型的實(shí)施例，利用該系統(tǒng)可以在在鐵磁體上力的作用下對(duì)該鐵磁體進(jìn)行相應(yīng)的導(dǎo)航或空間控制和/或移動(dòng)。下面，作為這種鐵磁體的一個(gè)實(shí)施例選擇這樣的探針，它配有鐵磁材料或者含有由這種材料構(gòu)成的部件。該鐵磁體也稱為“磁體”。
圖1中用2整體標(biāo)記的電磁線圈系統(tǒng)具有例如大致正方體形的外部輪廓。相應(yīng)的六個(gè)正方體表面采用F3a，F(xiàn)3b，F(xiàn)4a，F(xiàn)4b，F(xiàn)5a和F5b標(biāo)記。一個(gè)直角的x-，y-，z-坐標(biāo)系處于該正方體一個(gè)角內(nèi)上。在此，與z方向正交的表面F4a和F4b視為端面，而與x軸線和與y軸線正交的表面對(duì)F3a，F(xiàn)3b或F5a，F(xiàn)5b可以視為側(cè)面對(duì)。這些表面對(duì)包圍一個(gè)采用A標(biāo)記的、體現(xiàn)為三維的內(nèi)部空間或者工作空間。處于由六個(gè)表面構(gòu)成的該內(nèi)部空間內(nèi)的，是帶有與z方向平行分布軸線的管狀外表面F6?？傮w上所提到的表面是設(shè)想的表面。但不言而喻，電磁線圈系統(tǒng)2的在這些表面上延伸的單個(gè)線圈由具體的、圖中沒(méi)有示出的固定裝置所支撐的。
電磁線圈系統(tǒng)2按照本發(fā)明包括十四個(gè)普通導(dǎo)體的或者超導(dǎo)體的單個(gè)線圈，它們優(yōu)選的作為矩形線圈或鞍形線圈構(gòu)成。在此，該圖中僅示意示出繞組形狀；也可以選擇帶有倒圓角的單個(gè)線圈、圓形線圈或者其它的線圈形狀。在此，所選擇實(shí)施例的線圈系統(tǒng)由六個(gè)場(chǎng)分量線圈3a，3b，4a，4b和5a，5b以及八個(gè)場(chǎng)梯度線圈6a至6d和7a至d組成。利用成對(duì)處于相對(duì)的正方體表面F3a，F(xiàn)3b；F4a，F(xiàn)4b和F5a，F(xiàn)5b上的場(chǎng)分量線圈3a，3b或4a，4b或5a，5b，從下面再次給出的梯度矩陣中產(chǎn)生場(chǎng)分量Bx，By，Bz以及三個(gè)對(duì)角線磁場(chǎng)梯度dBx/dx，dBy/dy和dBz/dz的至少兩個(gè)。該梯度矩陣具有下列外形dBxdxdBydxdBzdxdBxdydBydydBzdydBxdzdBydzdBzdz]]>其中，元素dBx/dx，dBy/dy和dBz/dz的連線被視為梯度矩陣的對(duì)角線D。該梯度矩陣相對(duì)于該對(duì)角線D或處于其上面的上述磁場(chǎng)梯度是對(duì)稱構(gòu)成的。在此，對(duì)角線成分的總和等于零。帶有在其中所要選擇的通電方向產(chǎn)生單個(gè)場(chǎng)分量的線圈對(duì)，按照?qǐng)D2及其局部圖采用3或4或5標(biāo)記。優(yōu)選地場(chǎng)分量線圈的這些對(duì)相互間正交設(shè)置?？傮w上它們至少成對(duì)地具有相同的形狀。
利用鞍形構(gòu)成的場(chǎng)梯度線圈6a至6d以及7a至7d，分別構(gòu)成兩個(gè)線圈裝置6和7，它們?cè)趜方向上一個(gè)接一個(gè)設(shè)置。鞍形場(chǎng)梯度線圈以場(chǎng)的方式包圍工作空間A，其中，它們共同設(shè)置在至少一個(gè)設(shè)想的外表面F6上。在切線方向上，屬于一個(gè)線圈裝置的梯度線圈相互隔開(kāi)；也就是說(shuō)，在它們的端面弧形件之間并因此在它們分布在z方向上的縱面之間各自有一個(gè)間隙。然而，相鄰的梯度線圈可以在其縱面上疊加。設(shè)想的外表面F6具有例如圓形的橫截面。但它也可以具有例如正方形的其它橫截面形狀。也可以是同心的外表面，處于上面的是由一個(gè)或者由兩個(gè)線圈裝置構(gòu)成的單個(gè)線圈。至少一個(gè)外表面F6也不必絕對(duì)處于由場(chǎng)分量線圈3a，3b，4a，4b，5a，5b包圍的空間內(nèi)，而是需要時(shí)也可以包括由這些線圈構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。總體上至少屬于一個(gè)線圈裝置6和/或者7的場(chǎng)梯度線圈具有相同的形狀。
按照?qǐng)D2及其局部圖，利用場(chǎng)梯度線圈6a至6d和7a至7d例如在選擇所示的通電方向時(shí)，構(gòu)成磁場(chǎng)梯度dBx/dy，dBz/dx和dBz/dy。這三個(gè)場(chǎng)梯度分別是上面梯度矩陣的一個(gè)外對(duì)角線成分。在此，這些成分別來(lái)自相對(duì)于對(duì)角線D對(duì)稱的其它成分對(duì)。即在相應(yīng)場(chǎng)梯度的構(gòu)成中，必然成對(duì)產(chǎn)生相對(duì)于對(duì)角線D對(duì)稱的場(chǎng)梯度。在這種情況下，它可以是梯度dBY/dx或dBz/dz或dBy/dz。因?yàn)橹粦?yīng)考慮五個(gè)梯度自由度，所以對(duì)dBz/dz-場(chǎng)梯度來(lái)說(shuō)無(wú)需特別的電流模式。但作為替換，也可以選擇產(chǎn)生dBz/dz場(chǎng)梯度并為此去掉梯度dBx/dx或者dBy/dy中的一個(gè)。也就是說(shuō)，只需產(chǎn)生處于梯度矩陣對(duì)角線D上三個(gè)梯度的兩個(gè)。
如果現(xiàn)在將縱向延伸的磁體，例如與探針連接的鐵氧磁鐵或者永久磁鐵裝入電磁線圈系統(tǒng)2的工作空間A內(nèi)，那么它會(huì)試圖與磁場(chǎng)方向平行定向，因此它也預(yù)先規(guī)定探針的定向。在此，場(chǎng)梯度在磁體上施加力F＝grad(m·B)，其中，m為磁體磁矩的矢量。通過(guò)有目的地控制十四個(gè)單個(gè)線圈的每一個(gè)，可以在工作空間A內(nèi)將磁體任意定向，并可以在各個(gè)方向上向磁體施加預(yù)先規(guī)定的力F，也就是說(shuō)它不僅轉(zhuǎn)動(dòng)，而且可以線性移動(dòng)。
局部圖2a至2h成對(duì)示出例如按照?qǐng)D1系統(tǒng)2的電磁線圈系統(tǒng)的十四個(gè)單個(gè)線圈，在單個(gè)圖內(nèi)帶有用于產(chǎn)生無(wú)接觸式移動(dòng)和/或者轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的場(chǎng)分量和場(chǎng)梯度的電流I的各自電流方向。在此，按照?qǐng)D2a和2b利用單個(gè)線圈3a，3b的線圈對(duì)3，根據(jù)電流方向產(chǎn)生磁場(chǎng)分量Bx以及場(chǎng)梯度dBx/dx。按照相應(yīng)的方式，利用線圈對(duì)5的單個(gè)線圈5a，5b構(gòu)成場(chǎng)分量By以及場(chǎng)梯度dBy/dy。按照局部圖2e，由單個(gè)線圈4a和4b構(gòu)成的線圈對(duì)4產(chǎn)生場(chǎng)分量Bz。按照局部圖2f至2h，利用由各自四個(gè)梯度線圈6a至6d或7a至7d構(gòu)成的兩個(gè)線圈裝置6和7，根據(jù)單個(gè)線圈內(nèi)的通電方向產(chǎn)生場(chǎng)梯度dBz/dx或dBz/dy或dBx/dy。
圖3放大和彼此拉開(kāi)示出由各自四個(gè)梯度線圈6a至6d和7a至7d構(gòu)成的兩個(gè)線圈裝置6和7，其中，這些線圈內(nèi)的通電方向按照局部圖2f選擇。
圖4以斜向視圖示出按圖1至3的電磁線圈系統(tǒng)2，帶有構(gòu)成單個(gè)線圈的導(dǎo)線束(Leiterpaketen)。在此的出發(fā)點(diǎn)是，構(gòu)成磁場(chǎng)分量Bx，By，Bz的單個(gè)線圈例如帶有基本上正方形的造型處于一個(gè)正方體的六個(gè)(設(shè)想的)平的外表面上。不言而喻，這些外表面也可以具有略微彎曲的形狀。
在按照本發(fā)明的電磁線圈系統(tǒng)中，每個(gè)電流模式除了各自所希望的外也產(chǎn)生其它的場(chǎng)分量。它們?nèi)Q于各自的線圈尺寸和磁體的位置；其幅度在方向上從中心向線圈的繞組增加。也就是說(shuō)，這樣不會(huì)在磁體的一個(gè)位置上產(chǎn)生帶有場(chǎng)方向和力F＝grad(m·B)電流模式的電流強(qiáng)度之間的簡(jiǎn)單關(guān)系。
然而，通過(guò)十四個(gè)單個(gè)線圈內(nèi)八個(gè)電流模式的適當(dāng)疊加，在一個(gè)磁體位置(探針位置)上恰恰可以調(diào)整在磁體上產(chǎn)生所希望的定向和力作用的那些場(chǎng)和場(chǎng)梯度。特別優(yōu)選的是，例如如果恰好產(chǎn)生重力F＝m·g＝grad(m·B)(M＝質(zhì)量，g＝重力加速度)，則可以在空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)磁體的自由懸浮。與此有關(guān)的計(jì)算優(yōu)選地利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行，特別是實(shí)施下列的計(jì)算步驟，并在需要時(shí)在磁體的移動(dòng)期間連續(xù)反復(fù)-從工作空間和值|B|內(nèi)的極坐標(biāo)θ和上預(yù)定的磁體方向中，計(jì)算出磁體位置處三個(gè)場(chǎng)分量Bx，By，Bz的額定值；-從磁體上預(yù)定的磁力中，計(jì)算出五個(gè)獨(dú)立的場(chǎng)梯度dBx/dx，dBY/dy，dBx/dy，dBz/dx和dBz/dy的額定值；也可以預(yù)先規(guī)定梯度dBz/dz，并為此將處于梯度矩陣對(duì)角線上的其它梯度dBx/dx或者dBy/dy中的一個(gè)設(shè)為零。也可以設(shè)想將梯度dBz/dz與其它對(duì)角線梯度dBx/dx或者dBy/dy中的一個(gè)疊加；-為線圈幾何形狀中八個(gè)電流模式的每一個(gè)，例如為1A線圈電流和按8×8矩陣形狀的表示計(jì)算出磁體上的場(chǎng)分量和場(chǎng)梯度；-計(jì)算出一個(gè)逆矩陣。該逆矩陣只取決于線圈幾何形狀，并可以對(duì)于所具有的工作空間內(nèi)一個(gè)網(wǎng)格上的每個(gè)點(diǎn)預(yù)先建立。在裝置的運(yùn)行期間為加快計(jì)算在該網(wǎng)格上的數(shù)值之間進(jìn)行內(nèi)插；-磁體的逆矩陣與場(chǎng)矢量(Bx，By，Bz，dBx/dx，dBY/dy，dBx/dy，dBz/dx，dBz/dy)相乘得出八個(gè)電流模式的電流值；-按照所儲(chǔ)存表格中各自的正或者負(fù)電流方向，將電流模式分成十四個(gè)單個(gè)線圈電流并將電流在單個(gè)線圈內(nèi)線性疊加；-控制單個(gè)線圈的十四個(gè)電源；
-監(jiān)測(cè)在單個(gè)線圈內(nèi)的損耗功率極限。
圖5以示意圖示出一種相應(yīng)裝置，用于在與用于控制磁體位置或探針位置的成像裝置的共同作用下控制十四個(gè)單個(gè)線圈。在該圖中，控制圖1中電磁線圈系統(tǒng)2的計(jì)算機(jī)采用9標(biāo)記。借助電磁線圈系統(tǒng)的十四個(gè)單個(gè)線圈，向磁體或相應(yīng)的探針10上除了施加可自由預(yù)定的場(chǎng)向外，也可以在所有三個(gè)空間方向上施加不受限制的磁力。由計(jì)算機(jī)9控制的十四個(gè)單個(gè)線圈的十四個(gè)電源采用PA1至PA14標(biāo)記。此外該圖中還示出了X光裝置的X射線管11，其射線穿過(guò)單個(gè)線圈繞組之間的自由空間。然后在電磁線圈系統(tǒng)外面的顯示屏12上觀察磁體10的位置或移動(dòng)。
對(duì)于按照附圖所示的電磁線圈系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)，可以具有下列措施-單個(gè)線圈可以由鋁帶或者銅帶繞制，需要時(shí)用液體冷卻。
-單個(gè)線圈可以由金屬空心型材制成，需要時(shí)將冷卻介質(zhì)導(dǎo)入通過(guò)其內(nèi)部空間。
-特別是單個(gè)線圈可以由超導(dǎo)體導(dǎo)線，優(yōu)選地帶有高Tc的超導(dǎo)材料制成。
-不言而喻，例如為使磁場(chǎng)均勻化，也可以使用其它的單個(gè)線圈。相應(yīng)的單個(gè)線圈在局部圖2e中虛線示出并采用4c標(biāo)記。它在空間上可參照?qǐng)龇至緽z。
-此外，可以為該電磁線圈系統(tǒng)配備磁性材料。例如，可以是至少部分由這種材料包圍的部件。圖6示出按照?qǐng)D1電磁線圈系統(tǒng)2的相應(yīng)結(jié)構(gòu)。與此相應(yīng)，具有由像鐵這樣的軟磁性材料構(gòu)成的磁性接地導(dǎo)體(Rueckschlusskoerper)19i，它從外面包圍系統(tǒng)2的梯度線圈。利用這種軟磁性部件特別達(dá)到了強(qiáng)化工作空間A內(nèi)的磁場(chǎng)和/或者向外屏蔽散射場(chǎng)的目的。
-需要時(shí)，可以為用于產(chǎn)生磁場(chǎng)分量的線圈對(duì)的或者用于產(chǎn)生場(chǎng)梯度的線圈裝置的單個(gè)線圈選擇不同的導(dǎo)線橫截面。這樣，例如上部的y-單個(gè)線圈，例如按照局部圖2c的單個(gè)線圈5b，可以具有比與其對(duì)應(yīng)的下部y-線圈5a更大的導(dǎo)線橫截面或者更高的匝數(shù)。不言而喻，在其它線圈對(duì)和/或者線圈裝置中也可以有這種不同的結(jié)構(gòu)。
在借助前面的附圖示出的按照本發(fā)明電磁線圈系統(tǒng)2的實(shí)施例中的出發(fā)點(diǎn)是，成對(duì)正交設(shè)置在正方體相對(duì)表面上的場(chǎng)分量線圈，除了場(chǎng)分量Bx，By，Bz外，還產(chǎn)生按照前面梯度矩陣的三個(gè)對(duì)角線場(chǎng)梯度中的兩個(gè)。但是也可以利用場(chǎng)分量線圈產(chǎn)生外對(duì)角線場(chǎng)梯度。為此要求三個(gè)場(chǎng)分量線圈的至少一個(gè)，特別是兩個(gè)，通過(guò)由單個(gè)線圈的組成的線圈對(duì)構(gòu)成。如果電磁線圈系統(tǒng)具有一個(gè)環(huán)繞工作空間的多個(gè)長(zhǎng)方體形輪廓的話，那么例如可以采用這種實(shí)施方式。圖7和8以與圖1和2相應(yīng)的圖示出帶有也是十四個(gè)單個(gè)線圈的電磁線圈系統(tǒng)的相應(yīng)實(shí)施例并采用20標(biāo)記。在此，局部圖8a至8i示出為磁場(chǎng)分量和磁場(chǎng)梯度在單個(gè)線圈內(nèi)所選擇的通電方向。在該實(shí)施方式中，處于工作空間A端面F14a和F14b上的是由單個(gè)線圈14a和14b構(gòu)成的線圈對(duì)14。按照?qǐng)D8g和8h，利用這些例如圓形構(gòu)成的單個(gè)線圈，產(chǎn)生磁場(chǎng)分量Bz以及梯度矩陣對(duì)角線D上的所屬梯度成分dBz/dz。與此相對(duì)照，設(shè)置在成對(duì)相對(duì)的側(cè)面F13a，F(xiàn)13b和F15a，F(xiàn)15b上的場(chǎng)分量線圈，各自通過(guò)由各自兩個(gè)在z方向上一個(gè)接一個(gè)設(shè)置的單個(gè)線圈組成的線圈裝置16或17而構(gòu)成。在此，按照局部圖8d，線圈裝置16由單個(gè)線圈13a，13a`以及13b和13b`組成。按照局部圖8d，8e和8f根據(jù)這些單個(gè)線圈內(nèi)的通電方向，產(chǎn)生場(chǎng)分量Bx或?qū)蔷€梯度成分dBx/dx或外對(duì)角線梯度成分dBz/dx。按照相應(yīng)的方式，利用側(cè)面F15a，F(xiàn)15b上線圈裝置17的單個(gè)線圈15a，15a`和15b，15b`，按照局部圖8a至8c產(chǎn)生場(chǎng)分量By或?qū)蔷€梯度成分dBy/dy或外對(duì)角線梯度成分dBz/dy。為了能夠產(chǎn)生按照?qǐng)D8i的第三外對(duì)角線梯度成分dBx/dy，還需要由四個(gè)單個(gè)線圈18a至18d組成的另一個(gè)線圈裝置18。這些單個(gè)線圈處于由場(chǎng)分量線圈構(gòu)成的輪廓內(nèi)部，一個(gè)(設(shè)想的)與z軸線平行延伸的包圍工作空間A的管狀外表面F18上。這四個(gè)單個(gè)線圈18a至18d在外表面F18的切線方向上規(guī)則地分布設(shè)置，其中，需要時(shí)其分布在z方向上的縱面可以疊加。對(duì)于按照局部圖8i的圖示來(lái)說(shuō)，雖然為設(shè)想的外表面假設(shè)了一個(gè)正方形的橫截面形狀，如從圖7中可看到的那樣，為此也可以具有其它形狀。此外，局部圖8g示出了對(duì)于局部圖2e提到過(guò)的可能性，即為磁場(chǎng)均勻化設(shè)置其它的單個(gè)線圈。這樣，利用該局部圖中采用14c標(biāo)記的虛線構(gòu)成的單個(gè)線圈，達(dá)到相應(yīng)對(duì)照?qǐng)龇至緽z的目的。
圖7和8中示出的按照本發(fā)明電磁線圈20的實(shí)施方式的出發(fā)點(diǎn)是，產(chǎn)生所有三個(gè)對(duì)角線梯度成分。然而，因?yàn)閮H需要這些成分中的兩個(gè)，所以可以取消局部圖8b，8e和8h相應(yīng)的電流模式中的一個(gè)。在此，取消的那個(gè)電流模式是不重要的。此外，也可以按照局部圖8b，8e和8h僅產(chǎn)生一個(gè)梯度。第二梯度然后可以通過(guò)由另外兩個(gè)梯度組成的線性組合構(gòu)成，其中，線圈電流的比例固定并與電流值無(wú)關(guān)。也就是說(shuō)，通過(guò)由不同單個(gè)線圈組成相應(yīng)的線性組合，也可以始終產(chǎn)生梯度。不言而喻，這一點(diǎn)也適用于按照?qǐng)D1和2電磁線圈系統(tǒng)2的實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.一種電磁線圈系統(tǒng)(2，20)，用于在三維工作空間(A)內(nèi)無(wú)接觸地移動(dòng)磁體(10)，該工作空間由在一個(gè)直角x，y，z坐標(biāo)系內(nèi)展開(kāi)的平面(F4a，F(xiàn)4b；F3a，F(xiàn)3b；F5a，F(xiàn)5b；F14a，F(xiàn)14b；F13a，F(xiàn)13b；F15a，F(xiàn)15b；F6；F18)所包圍，該線圈系統(tǒng)具有十四個(gè)可單獨(dú)控制的單個(gè)線圈(3a，3b；4a，4b；5a，5b；6a至6d；7a至7d；13a，13a`；13b，13b`；15a，15a`；15b，15b`；18a至18d)，它們構(gòu)造用于從相對(duì)于其對(duì)角線(D)對(duì)稱的梯度矩陣中產(chǎn)生三個(gè)磁場(chǎng)分量Bx，By和Bz以及五個(gè)磁場(chǎng)梯度，dBxdxdBydxdBzdxdBxdydBydydBzdydBxdzdBydzdBzdz]]>其中，利用單個(gè)線圈從梯度矩陣三個(gè)相對(duì)于對(duì)角線(D)對(duì)稱的梯度成分對(duì)中產(chǎn)生梯度矩陣三個(gè)對(duì)角線成分中的兩個(gè)和各一個(gè)外對(duì)角線成分。
2.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，十四個(gè)可單獨(dú)控制的單個(gè)線圈(3a，3b；4a，4b；5a，5b；6a至6d；7a至7d；13a，13a`；13b，13b`；15a，15a`；15b，15b`；18a至18d)設(shè)置在成對(duì)相對(duì)的表面(F4a，F(xiàn)4b；F3a，F(xiàn)3b；F5a，F(xiàn)5b；F14a，F(xiàn)14b；F13a，F(xiàn)13b；F15a，F(xiàn)15b)上和至少一個(gè)在z方向上延伸的管狀外表面(F6；F18)上。
3.按照權(quán)利要求2所述的線圈系統(tǒng)，其特征在于，-至少六個(gè)單個(gè)線圈(4a，4b；3a，3b；5a，5b)處于工作空間(A)的成對(duì)相對(duì)的端面或側(cè)面(F4a，F(xiàn)4b或F3a，F(xiàn)3b；F5a，F(xiàn)5b；F14a，F(xiàn)14b；F13a，F(xiàn)13b；F15a，F(xiàn)15b)上，用于產(chǎn)生三個(gè)磁場(chǎng)分量Bx，By和Bz以及梯度矩陣的兩個(gè)對(duì)角線成分，和-至少四個(gè)單個(gè)線圈(6a至6d；7a至7d；18a至18d)在切線方向上分布地設(shè)置在包圍工作空間(A)的至少一個(gè)管狀外表面(F6；F18)上，并用于產(chǎn)生梯度矩陣的至少一個(gè)外對(duì)角線成分。
4.按照權(quán)利要求3所述的線圈系統(tǒng)，其特征在于，-六個(gè)單個(gè)線圈(4a，4b；3a，3b；5a，5b)作為三個(gè)線圈對(duì)(4，3，5)處于工作空間(A)的成對(duì)相對(duì)的端面或側(cè)面(F4a，F(xiàn)4b或F3a，F(xiàn)3b；F5a，F(xiàn)5b)上，和-八個(gè)單個(gè)線圈(6a至6d；7a至7d)構(gòu)成兩個(gè)線圈裝置(6，7)，它們?cè)趜方向上一個(gè)接一個(gè)地處于至少一個(gè)管狀外表面(F6)上，其各自四個(gè)單個(gè)線圈(6a至6d；7a至7d)在切線方向上分布地設(shè)置在外表面上，并用于產(chǎn)生梯度矩陣的三個(gè)外對(duì)角線成分。
5.按照權(quán)利要求3所述的線圈系統(tǒng)，其特征在于，-單個(gè)線圈(14a，14b)的線圈對(duì)(14)處于工作空間(A)的端面(F14a，F(xiàn)14b)上，并用于產(chǎn)生磁場(chǎng)分量Bz以及梯度矩陣的對(duì)角線成分dBz/dz，-各自一個(gè)線圈裝置(16或17)處于成對(duì)相對(duì)的側(cè)面(F13a，F(xiàn)13b；F15a，F(xiàn)15b)上，其由各自兩個(gè)在z方向上一個(gè)接一個(gè)設(shè)置的單個(gè)線圈(13a，13a`；13b，13b`；15a，15a`；15b，15b`)組成，用于產(chǎn)生磁場(chǎng)分量Bx或By，-一個(gè)線圈裝置(18)處于至少一個(gè)管狀外表面(F18)上，其由四個(gè)在切線方向上分布地設(shè)置的單個(gè)線圈(18a至18d)組成，和-側(cè)面(F13a，F(xiàn)13b；F15a，F(xiàn)15b)和外表面(F18)上的線圈裝置(16，17，18)用于產(chǎn)生梯度矩陣的另一個(gè)對(duì)角線成分和三個(gè)外對(duì)角線成分。
6.按照權(quán)利要求2至5中任一項(xiàng)所述的線圈系統(tǒng)，其特征在于，至少一個(gè)外表面(F6，F(xiàn)18)處于由六個(gè)成對(duì)相對(duì)的表面(F4a，F(xiàn)4b或F3a，F(xiàn)3b；F5a，F(xiàn)5b；F14a，F(xiàn)14b；F13a，F(xiàn)13b；F15a，F(xiàn)15b)構(gòu)成的內(nèi)部空間的內(nèi)部。
7.按照權(quán)利要求2至6中任一項(xiàng)所述的線圈系統(tǒng)，其特征在于，處于外表面(F6，F(xiàn)18)上的場(chǎng)梯度線圈(6a至6d；7a至7d；18a至18d)鞍形地構(gòu)成。
8.按照權(quán)利要求7所述的線圈系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)線圈裝置的場(chǎng)梯度線圈的端面弧形件在切線方向上并排或者疊加。
9.按照前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的線圈系統(tǒng)，其特征在于，至少幾個(gè)場(chǎng)分量線圈(3a，3b；4a，4b；5a，5b)作為平面的矩形線圈或者圓形線圈構(gòu)成。
10.按照權(quán)利要求3至9中任一項(xiàng)所述的線圈系統(tǒng)，其特征在于，分別由單個(gè)線圈組成的線圈對(duì)和/或者線圈裝置利用相同的形狀構(gòu)成。
11.按照權(quán)利要求3至10中任一項(xiàng)所述的線圈系統(tǒng)，其特征在于，由單個(gè)線圈組成的線圈對(duì)為了產(chǎn)生磁場(chǎng)分量而彼此正交設(shè)置。
12.按照前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的線圈系統(tǒng)，其特征在于，在其外側(cè)配備由軟磁性材料組成的部件(19i)，以強(qiáng)化磁場(chǎng)和/或者屏蔽磁場(chǎng)。
13.按照前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的線圈系統(tǒng)，其特征在于用于探測(cè)磁體(10)在工作空間(A)內(nèi)部位置的裝置。
14.按照前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的線圈系統(tǒng)，其特征在于借助計(jì)算機(jī)(9)控制其單個(gè)線圈。
全文摘要
利用由十四個(gè)可單獨(dú)控制的單個(gè)線圈(3a，3b；4a，4b；5a，5b；6a至6d；7a至7d)組成的電磁線圈系統(tǒng)(2)在工作空間(A)內(nèi)無(wú)接觸式移動(dòng)磁體。為此，利用該線圈系統(tǒng)產(chǎn)生三個(gè)磁場(chǎng)分量以及五個(gè)磁場(chǎng)梯度。單個(gè)線圈優(yōu)選地設(shè)置在成對(duì)相對(duì)的端面或側(cè)面(F4a，F(xiàn)4b或F3a，F(xiàn)3b；F5a，F(xiàn)5b)上和包圍工作空間(A)的管狀外表面(F6)上。
文檔編號(hào)A61N2/00GK1589729SQ20041008327
公開(kāi)日2005年3月9日 申請(qǐng)日期2004年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月5日
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