(57)【要約】本発明は器具または機器の位置特定装置に関する。この場合、機器軸に対し垂直に存在する少なくとも１つの磁気モーメントを発生させる磁石が設けられており、この磁石は器具または機器とは無関係に回転可能である。これにより、媒路または媒体内で駆動される機器に関して時間的精度が高く精確な位置特定、軸方向の特定ならびに制御を行うことのできる位置特定システムが提供される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
器具または機器の位置特定装置において、
機器軸に対し垂直に存在する磁気モーメントを発生させる少なくとも１つの磁石が設けられており、該磁石は器具または機器とは無関係に回転可能であることを特徴とする、
器具または機器の位置特定装置。
【請求項２】
請求項１記載の位置特定装置において、
少なくとも１つの受信機が設けられており、該受信機は時間に依存する３つの磁界成分Ｈｘ（ｔ），Ｈｙ（ｔ），Ｈｚ（ｔ）を検出することを特徴とする位置特定装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の位置特定装置において、
機器軸の位置および方向および／または機器のロール角が評価ユニットにより求められることを特徴とする位置特定装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項記載の位置特定装置において、
機器軸に取り付けられた磁界センサおよび機器軸とは分離されている磁石が設けられていることを特徴とする位置特定装置。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか１項記載の位置特定装置において、
回転可能な機器軸および該機器軸に取り付けられている磁石が設けられていることを特徴とする位置特定装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項記載の位置特定装置において、
前記機器軸とは無関係に磁石が駆動されることを特徴とする位置特定装置。
【請求項７】
請求項６記載の位置特定装置において、
前記磁石は電気的に駆動されることを特徴とする位置特定装置。
【請求項８】
請求項６記載の位置特定装置において、
前記磁石を駆動する流体が設けられていることを特徴とする位置特定装置。
【請求項９】
請求項６から８のいずれか１項記載の位置特定装置において、
機器のロール角を該ロール角に依存する磁界の別の可変成分により測定可能であることを特徴とする位置特定装置。
【請求項１０】
請求項９記載の位置特定装置において、
自身の回転軸からの再現可能な磁石の振れを発生させる手段が設けられていることを特徴とする位置特定装置。
【請求項１１】
請求項９記載の位置特定装置において、
磁石の回転を一時的に遮断するクラッチが設けられていることを特徴とする位置特定装置。
【請求項１２】
請求項９記載の位置特定装置において、
互いに別個に運動する部分磁石から成る１つの磁石が設けられており、該磁石の一部分は特定のロール角のときに連行体によってずらされることを特徴とする位置特定装置。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項記載の位置特定装置において、
機器または機器先端はドリル、切断装置または押し付け装置、少なくとも１つの針または少なくとも１つのピンセットを有することを特徴とする位置特定装置。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか１項記載の位置特定装置において、
機器または機器先端は少なくとも１つの流体放出用開口部を有することを特徴とする位置特定装置。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか１項記載の位置特定装置において、
機器または機器先端は光ビーム、レーザビーム、放射線、音波または超音波を発生または送出する装置を有することを特徴とする位置特定装置。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれか１項記載の位置特定装置において、
機器または機器先端は光学的画像または超音波画像を記録する装置を有することを特徴とする位置特定装置。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれか１項記載の位置特定装置において、
機器または機器先端は電気的パルスを送出する装置または電気的データを記録する装置を有することを特徴とする位置特定装置。
【請求項１８】
請求項１から１７のいずれか１項記載の位置特定装置において、
複数の送信機および／または受信機が設けられていることを特徴とする位置特定装置。
【請求項１９】
請求項１８記載の位置特定装置において、
送信機として永久磁石および／または電磁石が設けられており、種々の周波数、振幅、および／または種々のアナログ値またはディジタル値の発生により送信機識別が行われることを特徴とする位置特定装置。
【請求項２０】
請求項１から１９のいずれか１項記載の位置特定装置において、
周波数および／または振幅の変調が行われることを特徴とする位置特定装置。
【請求項２１】
請求項１から２０のいずれか１項記載の位置特定装置において、
磁石の段階的な遮蔽が行われることを特徴とする位置特定装置。
【請求項２２】
器具または機器の位置特定方法において、
器具または機器の領域で回転する少なくとも１つの磁石により、ボディ軸に対し垂直に存在する磁気モーメントを発生させ、時間に依存する３つの磁界成分Ｈｘ（ｔ），Ｈｙ（ｔ），Ｈｚ（ｔ）を検出することを特徴とする、
器具または機器の位置特定方法。
【請求項２３】
機器の位置特定方法において、
機器軸に対し垂直に存在する磁気モーメントを回転磁界によって発生させ、磁石を送信機として機器と接続し、時間に依存する３つの磁界成分Ｈｘ（ｔ），Ｈｙ（ｔ），Ｈｚ（ｔ）を受信機により検出することを特徴とする、
機器の位置特定方法。
【請求項２４】
機器の位置特定方法において、
機器軸に対し垂直に存在する磁気モーメントを回転磁界により発生させ、磁石を送信機として機器と接続し、時間に依存する３つの磁界成分Ｈｘ（ｔ），Ｈｙ（ｔ），Ｈｚ（ｔ）を受信機により検出し、該データを介して機器の位置、機器軸の方向および機器のロール角を求めることを特徴とする、
機器の位置特定方法。
【請求項２５】
請求項２２または２４記載の位置特定方法において、
２つの測定点または測定領域相互間の間隔および方向を求めることを特徴とする位置特定方法。
【請求項２６】
請求項２２から２５のいずれか１項記載の位置特定方法において、
周波数変調を行うことを特徴とする位置特定方法。
【請求項２７】
請求項２６記載の位置特定方法において、
周波数選択的な増幅、妨害磁界の消去またはそれぞれ異なる磁気ゾンデの区別のために用いることを特徴とする位置特定方法。
【請求項２８】
請求項２２から２７のいずれか１項記載の位置特定方法において、
電磁石を設け、該電磁石への給電または電磁石のスイッチオン・スイッチオフを段階的に変化させることを特徴とする位置特定方法。
【請求項２９】
請求項１から３記載のいずれか１項記載の装置または請求項２２から２８のいずれか１項記載の方法の使用において、
診断のための内視鏡画像の取得、電気的データまたは電気生理学的データの取得、血管の検査、血管狭窄の処置、脳、心臓または腸管における手術の実行および／または監視、人工器官および人工組織、人工関節、電気磁気的なゾンデおよびインパルス発生器、ペースメーカ、人工血管およびカテーテルの植え込み、胆石または腎臓結石、炎症組織、腫瘍組織、骨組織または関節組織の除去または破壊、罹患組織または腫瘍組織への所期の治療用物質送出、腫瘍組織の照射、位置、推力軸およびロール角のリアルタイム測定、回転速度または回転レートの変化の測定のうちの１つまたは複数の目的のために用いられることを特徴とする使用。
【請求項３０】
請求項６または８記載の装置の使用において、
流体の貫流レートまたは流出速度を測定するために用いられることを特徴とする使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有利には内視鏡や顕微外科で使用されるような機器を位置特定および制御する装置に関する。
【０００２】
医療で使われる顕微外科や内視鏡の器具は、敏感な組織や器官あるいは手の届きにくい組織や器官の診断ならびに手術において使用される。このような処置は通常、コンピュータおよび／またはカメラにより制御されながら進行し、器具の精確な位置測定や位置決めならびに運動に関してたいていは高度な要求を課すものである。この目的で、たとえば磁気センサや電磁センサなどのようなセンサシステムが用いられる。たとえばアメリカ合衆国特許第5 836 869号および第6 248 074号には、固定された磁界源ないしは磁界センサについて述べられており、それらは磁石すなわちセンサを３軸に構成することによって移動磁界の３次元座標を測定する。ただしこれによっても、内視鏡用機器の空間的に厳密かつ時間的に精確な位置特定を行うことはできない。その理由は、アメリカ合衆国特許第5 836 869号に記載されている３軸の磁石を用いた磁界座標の特定のためには、オーバラップを避けるため時間的にずらされて相前後して測定される３つの異なる磁界の測定が必要とされるからであり、これは個々の軸が時間的にずらされて電磁信号を発生するようにして行われる。しかもこの場合、測定は患者の体外で行われるので、体内の内視鏡の位置を推定できるよう換算が必要とされる。
【０００３】
アメリカ合衆国特許第6 248 074号公報には、患者の体外に磁界源を固定することが記載されている。この場合、位置特定は、内視鏡の遠端部に取り付けられた磁界センサにより外部の磁界に対する検出器の相対的な位置を求めることによって行われる。この場合にも相対的な不精確な測定しか行えない。それというのも内視鏡およびセンサは固定された磁界に対し移動するからであり、したがって固定された磁界座標とセンサにおいて変化する空間的配向との間で精確な関係が得られないからである。しかもこれに加えて、妨害を及ぼし精度を損なわせるさらに別の要因もあり、たとえば体の表面から様々な距離を隔てた領域で測定が行われるという問題もあるし、あるいは外部の磁界によって測定精度が損なわれることも挙げられる。これに対し体内に収容されるセンサは非常に敏感なことが多く、複雑な電気配線系統やバッテリの恒常的な使用ならびに交換も必要となる。
【０００４】
したがって本発明の課題は、位置特定、軸方向の特定ならびに媒路または媒体内で駆動される機器の制御を時間的に高い精度で精確に行えるようにした位置特定システムを提供することにある。
【０００５】
この課題は独立請求項に記載の装置ならびに方法によって解決される。従属請求項には有利な実施形態が示されている。
【０００６】
本発明によれば、接続された評価ユニットを介し求められたデータを用いてボディの位置、ボディの軸の方向、あるいはボディの送り軸ないしは推進軸およびロール角を表すことができる。
【０００７】
このために３次元の軸において移動磁界が測定される。これにより、磁界におけるあらゆる空間的な座標点におけるデータ（振幅、磁界成分の相対的な位相、軸線方向での磁界勾配）を精確に求めることができる。この目的で、空間的測定ないしは３次元測定に適した３軸の磁力計たとえばフラックスゲートセンサを使用することができる。
【０００８】
磁石として有利には永久磁石が使用され、たとえば棒状の永久磁石が使用され、あるいはその代案として電磁石も使われる。
【０００９】
有利には本発明による装置は、医学的な顕微外科用または内視鏡用の機器の位置特定、軸方向の特定ならびに制御に使用される。
【００１０】
１つの有利な実施形態の場合、ボディもしくは機器あるいは器具が回転により駆動されるかまたは動作過程において回転運動が実施される。この場合、磁石を機器の軸と固定的に接続しておき、その軸といっしょに回転させることができる。これにより得られる利点とは、機器のロール角が常に精確に求められることである。その理由は、磁石の位置が機器の軸に対し常に規定の関係におかれているからである。
【００１１】
択一的な実施形態によれば、磁石は別個の駆動により機器の軸とは独立して駆動される。この駆動は電気的にたとえばバッテリまたは制御可能な電動モータにより行うことができる。択一的にこの駆動を、機器を貫流する流体たとえば冷却液またはガスによって行うこともできる。
【００１２】
機器の軸とは独立した磁石の駆動のためには、ロール角を求めるために規定された基準点を用意しなければならない。この目的で、機器のロール角に依存するさらに別の可変の磁界成分によりロール角を測定することができる。
【００１３】
さらに別の可変の磁界成分を、たとえば自身の回転軸からの磁石の再現可能な振れ、クラッチによる回転の一時的な中断、または合成された磁石を設けることによって形成され、その際にこの磁石の互いに運動可能な部分を、特定のロール角において連行体が再現可能にシフトする。さらに別の可能性として挙げられるのは、磁界の振幅をロール角に依存する遮蔽体によって変化させることである。
【００１４】
１つの有利な実施形態によれば、機器または機器先端部に少なくとも１つの穴あけ器、切断装置または押し付け装置、針、カニューレまたはピンセットが設けられている。
【００１５】
このことは殊に処置作業の実施に有利であり、たとえば脳、心臓または腸管の手術、人工器官、人工組織または人工血管、カテーテル、ゾンデおよびペースメーカの植え込み、炎症組織または悪性組織、骨組織および軟骨組織の除去、破壊または切除、あるいは結石の治療などを行う場合に有利である。さらに磁石が機器の回転によりいっしょに動くならば、回転速度または回転レートの変化の測定が可能である。
【００１６】
択一的に、機器または機器先端部に１つまたは複数の流体送出用開口部を設けておくことができる。このことは、液体状態または溶解状態で存在する治療用物質たとえば腫瘍治療のための細胞増殖抑制剤などをできるかぎり精確に位置決めして供給する目的で有利である。また、磁石を流体の流れを通して駆動すれば、溶剤の貫流速度および流出レートを測定することができる。
【００１７】
さらに別の有利な実施形態によれば、機器または機器先端部は光ビーム、レーザビーム、放射線ビーム、音波または超音波を発生または送出するための装置を有している。
【００１８】
１つの有利な実施形態によれば、機器または機器先端部は光学的画像または超音波画像を記録する装置を有している。これは体腔、胃腸および血管における診断に殊に有利である。
【００１９】
択一的に、電気的なパルスおよびデータを送出または記録する装置を設けることもできる。
【００２０】
ビームないしは放射および音波の発生を、たとえば組織照射や結石の破壊など診断目的で用いることもできるし、画像生成や組織、体腔または血管の検査における診断の目的で用いることもできる。
【００２１】
画像または電気的なデータを記録する装置もはやり周知の診断目的のために用いられる一方、電気信号の送出は主として治療目的で用いられ、たとえば所期のように痛みを治療するときに用いられる。
【００２２】
既述の装置ならびに適用事例を装置の精確な位置決め、配向および回転のほか、少なくとも２つの測定点または測定領域相互間の間隔および方向を求めるために利用できる。この場合、磁気送信機（第１の測定点）と検出器（第２の測定点）の相対位置が求められる。
【００２３】
この場合、検出器を体外または体内に固定してまたは可動状態で配置することができる。１つの有利な実施形態によれば、検出器が機器を制御する装置および／または機器に接続された装置と接続されている。
【００２４】
機器の位置および運動を精確かつ時間的に高精度につまり「リアルタイムに」測定できるようにすることによって、格別な利点が得られる。さらに複数の送信機および／または受信機を使用することによって複合的な信号を記録できるようになり、それによって種々の機器点の位置を表示できるようになる。
【００２５】
さらに電気的に駆動される磁石を用いることができ、その際、磁気送信機と検出器との間の通信信号または制御信号は、特定のタイミング（イエス／ノー状態）で電気的な磁石駆動を遮断することによって形成される。
【００２６】
１つの別の有利な実施形態が基礎としているのは、磁界の周波数または振幅を変化できるようにすることである。これによれば振幅の変調を、周波数選択的な増幅を行わせたり妨害を及ぼす外部磁界の影響を最低限に抑えたりするために用いることができるし、あるいは複数の磁気ゾンデが使用される場合にはそれらを互いに区別するために用いることができる。
【００２７】
しかし本発明は医療分野での適用に限定されるものではなく、本発明による方法および装置を、器具や機器の精確な位置特定および制御が必要とされる学術的あるいは技術的な分野においても利用することができる。
【００２８】
本発明によれば、ドリルロッドのドリルヘッド、回転軸もしくはドリル工具の推進方向ないしは送り方向ならびにドリル装置またはドリルヘッドのロール角を求めるために、独立請求項記載の方法および装置が用いられる。この場合、磁石の位置、軸およびロール角が本来の測定量として用いられるのに対し、公知の方法では位置とロール角だけは求められるけれども、送り方向ないしは推進方向は求められない（アメリカ合衆国特許第5 5589 775号参照）。
【００２９】
該当するドリル装置は有利には制御可能なボーリング施設、地上ロケット、衝撃式ボーリング装置あるいは粉砕装置や拡開装置などである。
【００３０】
この場合、磁石をロッドと固定的に接続することができ、このようにしてロッドに対し固定的に規定されたロール角を取り入れることができるし、あるいはドリルの送信機ケーシング内に別個の駆動部を設けることにより磁石を回転させることができる。磁石がロッドと固定的に接続されていたとしても、ロッドに対して他のケーシング部分が運動できるように構成されていれば、その部分とは無関係に磁石を回転させることができる。磁石とドリルヘッドのロール角を互いに規定の関係におくようにする目的で、ドリルヘッドまたはロッドのロール角に依存する別の可変の磁界成分を測定することができる。
【００３１】
この目的で適切な装置によって、別個の駆動部の遮断後にドリルヘッドに対し精確に規定された相対位置で磁石をストップさせることができる。この時点において磁石はロッドと再び固定的に接続され、ロッドとともに回転することにより転がりを測定したり調整したり変化させたりすることができる。
【００３２】
択一的に、磁石を回転中に１回または複数回、その中心軸から傾けることができる。この目的で、送信機ケーシングと接続されたカムを使うことができる。ストッパと送信機ケーシングとの固定的な接続によって、振れはドリルヘッドの制御平面に対し相対的に常に規定された位置で行われる。
【００３３】
さらに別の実施形態によれば磁石は短期間、クラッチを介して停止され、その後再びいっしょに動かされる。
【００３４】
択一的に磁石を複数の部分磁石によって構成することができ、これらの部分磁石は連行体によって短期間互いに逆方向に回転させられ、これによって磁界の強度および配向が変化する。
【００３５】
さらに別の可能性として挙げられるのは、特定の角度領域を通過するときに磁界を遮蔽することである。
【００３６】
詳細についてはすでに別の適用分野に関して本明細書で述べた。それらは任意の適用分野に対してそれぞれ使用することができる。
【００３７】
磁界を測定するために様々な方法を使用することができる。受信機を標準のウォークオーバー（Walk-Over）受信機として送信機に対し相対的に動かすことができ、この受信機をやはりボーリング装置または任意の場所に固定することができ、ここでボーリング装置とボーリングプランとの間の相対位置はそれぞれ既知である。受信機の最大到達距離を求めたり、あるいはそれを拡大したりする目的で、種々の位置をいっしょに測定することができる。この場合、受信機は測定の際にそのつど次の位置へずらされる。
【００３８】
種々の位置を順番に測定していく代わりに、複数の送信機を使用することができ、たとえばドリルヘッドに１つの送信機を設け、さらにボーリング装置に１つの送信機を設けることができる。この場合、受信機をウォークオーバー受信機として使用することができるが、その際に２つの位置の測定を通して各送信機により形成される１つの座標系において絶対測定を行うことができる。
【００３９】
さらに別の有利な実施形態によれば、受信機はボーリングプランプログラムおよびディスプレイ装置を有している。これによりボーリングプロセスの遠隔制御が可能となる。この場合、ボーリング装置と結ばれたまたは結ばれていない実際路線と目標路線を表示させることができ、このことにより遠隔制御のほかにボーリングの自動的な実行も可能となる。
【００４０】
回転する磁石をドリルヘッドの領域に配置する代わりに、受信機たとえば３軸磁力計をドリルヘッドの領域に配置することができる。これにより、任意の大きさおよび任意の強さの磁石をボーリング装置外部に回転状態で使用することができる。この実施形態はその到達距離が著しく大きいことから、たとえばオイルボーリングに適している。この場合、衝撃に敏感なジャイロスコープシステムの代わりにボーリングヘッドにフラックスゲートセンサを使用することができる。
【００４１】
ここで殊に有利であるのは、受信機とボーリング装置を無線で接続し、ボーリング装置をボーリングプラニングプログラムによって制御することである。
【００４２】
本発明のさらに別の利点は、方位角を遠い距離からでも測定できることである。公知の方法の場合には通常、方位角すなわち北の方向と測定の個々の目標点に関連づけられた方向との間の角度を、直接送信機を介して求めなければならなかった。
【００４３】
本発明はさらに、送信されたデータを変更すること、あるいはそれらを結合して複合された信号や符号を形成することにも関する。この場合、周波数選択された増幅、周波数変調、振幅変調ならびにそれらの組み合わせのような慣用の方法を利用することができる。周波数変調の場合には回転数が変えられる。振幅変調の場合には、磁界を減衰させる遮蔽を行うことができる。モールス符号のように符号化されたスイッチオン／スイッチオフによって、イエス／ノー状態のような簡単な信号を生じさせることができる。この場合、信号はアナログでもディジタルでも伝送できる。アナログ伝送の場合、磁石を遮蔽体に徐々に沈めることにより、あるいは磁石への給電を漸次変化させることに、連続的に変化する値を伝送できるのに対し、符号化された遮蔽メカニズムによってディジタル値を伝送することができる。この種のシステムによって、たとえば地下を案内されている引張力測定システムのための信号をアナログまたはディジタルで地表面に伝送することができる。また、ドリルヘッドに受信機が取り付けられていれば、双方向の伝送も可能である。
【００４４】
複数の送信機を備えた実施形態の場合、本発明によればそれぞれ異なる送信機周波数を設定することによって、これらの送信機を区別することができる。
【００４５】
本発明によるシステムに関して、複数の可能な技術的適用事例が存在する。これらの大多数がベースとするのは、２つまたは複数の物体相互間におけるあるいは絶対的な基準点に対する間隔、位置、方向または回転の測定、運動の捕捉および／またはそれらの制御である。
【００４６】
これらの可能な適用事例のうち例として以下のものを挙げておく：
本発明によるシステムが殊に適しているのは、精密機械の穿孔および精密穿孔（虫食い穴形成）である。
【００４７】
さらにあらゆる種類の導管、媒路およびキャビティを精確かつ時間的に高い精度でこのシステムによって調べることができる。この場合、磁石を撓み性のシャフトに取り付けて、前方へ動かしたり回転させたりすることができる。
【００４８】
また、トンネル工事において氷結した穴を埋めることができ、これによって陥没を防いだり、水を多く案内している層において浸水したり泥沼になったりするのを防いだりすることができる。このような場合、閉じられている氷の層に到達できるようボーリングをきわめて精確に実行しなければならない。
【００４９】
さらに別の有利な適用事例は、運転手のいない運搬システムの制御である。この目的で少なくとも１つの固定された受信機を配置することができ、これは符号化された送信機（種々の周波数の送信機）を分析する。択一的に符号化を伴わずに、強く回転する磁石を空間内に配置することができ、複数の受信機へデータを供給することができる。この方法によれば対象を貫通して制御することができ、誘導ループを設ける必要がなくなる。
【００５０】
２つの物体相互間の運動の分析を様々な別の適用事例に利用することができ、たとえば道路交通における自動的な間隔コントロールや航空機の燃料補給時の間隔コントロールなどに利用することができ、その際、信号伝送によって対応するセキュリティシステムをトリガすることができる。
【００５１】
さらに別の適用事例として考えられるのは、船舶用ナビゲーションシステム、船舶用の自動錨監視ならびに潜水艦用通信システムの提供である。変調型磁気送信機を利用すれば、盗聴に対し安全性の高い通信システムを提供することもできる。
【００５２】
さらに別の技術適用分野として考えられるのは、海上掘削基地用の制御型または自動型の結合装置、鉱山におけるデータ伝送用送信機、鉱山や雪崩において生き埋めの位置を特定するための送信機である。この場合、最後に挙げた適用事例のために、たとえば時計のように身に付けることのできる携行可能な小型送信機が考えられる。
【国際調査報告】
2005528947.tif 000002
2005528947.tif 000003
2005528947.tif 000004
2005528947.tif 000005
2005528947.tif 000006
2005528947.tif 000007