(57)【要約】【課題】棒磁石の如き磁性体の非接触ナビゲーションもしくは移動を可能にする磁石コイルシステムを提供する。【解決手段】１４個の個々に駆動可能な個別コイル（３ａ，３ｂ；４ａ，４ｂ；５ａ，５ｂ；６ａ〜６ｄ；７ａ〜７ｄ）からなる磁石コイルシステム（２）により、磁性体を非接触で動作空間（Ａ）内において移動させることができる。このために、このコイルシステムにより３つの磁場成分並びに５つの磁場勾配を発生させることができる。個別コイルは、とりわけ対をなして対向位置する端面もしくは側面（Ｆ４ａ，Ｆ４ｂもしくはＦ３ａ，Ｆ３ｂ；Ｆ５ａ，Ｆ５ｂ）上におよび動作空間（Ａ）を包囲する管状外殻面（Ｆ６）上に配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｘ，ｙ，ｚ直交座標系に配置された面（Ｆ４ａ，Ｆ４ｂ；Ｆ３ａ，Ｆ３ｂ；Ｆ５ａ，Ｆ５ｂ；Ｆ１４ａ，Ｆ１４ｂ；Ｆ１３ａ，Ｆ１３ｂ；Ｆ１５ａ，Ｆ１５ｂ、Ｆ６；Ｆ１８）によって包囲されている３次元動作空間（Ａ）内で磁性体（１０）を非接触移動させるための磁石コイルシステム（２，２０）において、
３つの磁場成分Ｂx，Ｂy，Ｂzと、対角線（Ｄ）に関して対称な勾配マトリックス
【数１】
2005081146.tif 000005
からの５つの磁場勾配とを発生させるために構成されている個々に駆動可能な１４個の個別コイル（３ａ，３ｂ；４ａ，４ｂ；５ａ，５ｂ；６ａ〜６ｄ；７ａ〜７ｄ；１３ａ，１３ａ’；１３ｂ，１３ｂ’；１５ａ，１５ａ’；１５ｂ，１５ｂ’；１８ａ〜１８ｄ）を設け、これらの個別コイルにより、勾配マトリックスにおける３つの対角要素のうちの２つ対角要素と、勾配マトリックスにおける対角線（Ｄ）に対して対称な３つの勾配要素対からの１つずつの非対角要素とを発生させることを特徴とする磁石コイルシステム。
【請求項２】
個々に駆動可能な１４個の個別コイル（３ａ，３ｂ；４ａ，４ｂ；５ａ，５ｂ；６ａ〜６ｄ；７ａ〜７ｄ；１３ａ，１３ａ’；１３ｂ，１３ｂ’；１５ａ，１５ａ’；１５ｂ，１５ｂ’；１８ａ〜１８ｄ）は、対をなして対向位置する面（Ｆ４ａ，Ｆ４ｂ；Ｆ３ａ，Ｆ３ｂ；Ｆ５ａ，Ｆ５ｂ；Ｆ１４ａ，Ｆ１４ｂ；Ｆ１３ａ，Ｆ１３ｂ；Ｆ１５ａ，Ｆ１５ｂ）と、ｚ方向に延びている少なくとも１つの管状外殻面（Ｆ６；Ｆ１８）とに配置されていることを特徴とする請求項１記載の磁石コイルシステム。
【請求項３】
少なくとも６個の個別コイル（４ａ，４ｂ；３ａ，３ｂ；５ａ，５ｂ）が、動作空間（Ａ）の対をなして対向位置する端面もしくは側面（Ｆ４ａ，Ｆ４ｂ；Ｆ３ａ，Ｆ３ｂ；Ｆ５ａ，Ｆ５ｂ；Ｆ１４ａ，Ｆ１４ｂ；Ｆ１３ａ，Ｆ１３ｂ；Ｆ１５ａ，Ｆ１５ｂ）にあり、３つの磁場成分Ｂx，Ｂy，Ｂzおよび勾配マトリックスの２つの対角要素を発生させるために用いられ、
少なくとも４個の個別コイル（６ａ〜６ｄ；７ａ〜７ｄ；１８ａ〜１８ｄ）が、動作空間（Ａ）を包囲する少なくとも１つの管状外殻面（Ｆ６；Ｆ１８）に周方向に見て分割配置され、勾配マトリックスの少なくとも１つの非対角要素を発生させるために用いられることを特徴とする請求項２記載の磁石コイルシステム。
【請求項４】
６個の個別コイル（４ａ，４ｂ；３ａ，３ｂ；５ａ，５ｂ）が、３つのコイル対（４，３，５）として、動作空間（Ａ）の対をなして対向位置する端面もしくは側面（Ｆ４ａ，Ｆ４ｂもしくはＦ３ａ，Ｆ３ｂ；Ｆ５ａ，Ｆ５ｂ）にあり、
８個の個別コイル（６ａ〜６ｄ；７ａ〜７ｄ；１８ａ〜１８ｄ）が、ｚ方向に見て相前後して少なくとも１つの管状外殻面上に存在する２つのコイル装置（６，７）を形成し、コイル装置のそれぞれ４個の個別コイル（６ａ〜６ｄもしくは７ａ〜７ｄ）が、外殻面上に周方向に見て分割配置され、勾配マトリックスの３つの非対角要素を発生させるために用いられることを特徴とする請求項３記載の磁石コイルシステム。
【請求項５】
動作空間（Ａ）の端面（Ｆ１４ａ，Ｆ１４ｂ）には個別コイル（１４ａ，１４ｂ）のコイル対（１４）があり、磁場成分（Ｂz）と勾配マトリックスの対角要素ｄＢz／ｄｚとを発生させるために用いられ、
対をなして対向位置する側面（Ｆ１３ａ，Ｆ１３ｂ；Ｆ１５ａ，Ｆ１５ｂ）には、それぞれｚ軸方向に見て相前後して配置された２つの個別コイル（１３ａ，１３ａ’；１３ｂ，１３ｂ’；１５ａ，１５ａ’；１５ｂ，１５ｂ’）からなるそれぞれ１つのコイル装置（１６もしくは１７）があり、磁場成分ＢxもしくはＢyを発生させるために用いられ、
少なくとも１つの管状外殻面（Ｆ１８）には周方向に見て分割配置された４個の個別コイル（１８ａ〜１８ｄ）からなるコイル装置（１８）があり、
側面（Ｆ１３ａ，Ｆ１３ｂ；Ｆ１５ａ，Ｆ１５ｂ）および外殻面（Ｆ１８）におけるコイル装置（１６，１７，１８）は、勾配マトリックスにおける他の１つの対角要素および３つの非対角要素を発生させるために用いられることを特徴とする請求項３記載の磁石コイルシステム。
【請求項６】
少なくとも１つの外殻面（Ｆ６，Ｆ１８）が、対をなして対向位置する６つの面（Ｆ４ａ，Ｆ４ｂ；Ｆ３ａ，Ｆ３ｂ；Ｆ５ａ，Ｆ５ｂ；Ｆ１４ａ，Ｆ１４ｂ；Ｆ１３ａ，Ｆ１３ｂ；Ｆ１５ａ，Ｆ１５ｂ）によって囲われた内部空間内にあることを特徴とする請求項２乃至５の１つに記載の磁石コイルシステム。
【請求項７】
外殻面（Ｆ６，Ｆ１８）にある磁場勾配コイル（６ａ〜６ｄ；７ａ〜７ｄ；１８ａ〜１８ｄ）は鞍形に形成されていることを特徴とする請求項２乃至６の１つに記載の磁石コイルシステム。
【請求項８】
各コイル装置の磁場勾配コイルの端面側湾曲部が周方向に見て並んでいるかまたは部分的に重なり合っていることを特徴とする請求項７記載の磁石コイルシステム。
【請求項９】
少なくとも幾つかの磁場成分コイル（３ａ，３ｂ；４ａ，４ｂ；５ａ，５ｂ）は平らな矩形コイルまたは円形コイルとして形成されていることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の磁石コイルシステム。
【請求項１０】
コイル対および／またはコイル装置はそれぞれ同じ形状を有する個別コイルからなることを特徴とする請求項３乃至９の１つに記載の磁石コイルシステム。
【請求項１１】
磁場成分発生のために個別コイルからなるコイル対は互いに直角方向に配置されていることを特徴とする請求項３乃至１０の１つに記載の磁石コイルシステム。
【請求項１２】
磁場増強および／または磁場遮蔽のために磁石コイルシステムの外側に軟磁性材料からなる部材（１９ｉ）が付設されていることを特徴とする請求項１乃至１１の１つに記載の磁石コイルシステム。
【請求項１３】
動作空間（Ａ）の内部における磁性体（１０）の位置の検出手段が設けられていることを特徴とする請求項１乃至１２の１つに記載の磁石コイルシステム。
【請求項１４】
コンピュータ（９）により個別コイルが駆動されることを特徴とする請求項１乃至１３の１つに記載の磁石コイルシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ｘ，ｙ，ｚ直交座標系に配置された面によって包囲されている３次元動作空間内で磁性体を非接触移動させるために個々に駆動可能な複数の個別コイルを備えた磁石コイルシステムに関する。この種の磁石コイルシステムは公知である（非特許文献１参照）。
【背景技術】
【０００２】
医療においては内視鏡やカテーテルが使用される。これらは、切開口または身体開口を介して挿入されて長手方向に外側から移動させることができ、それゆえ１次元でのみナビゲーション可能である。光導体により光学的な視診が可能であり、内視鏡先端つまり注視方向は制御ワイヤによって揺動可能である。このような装置は特に生体検査用に構成されている。しかしながら、この場合に使用されるプローブは特に分岐個所ではナビゲーションを制限されるので、外側からの非接触の力作用は適用範囲の拡大をもたらすことは必然である。
【０００３】
ｘ，ｙ，ｚ直交座標系において数学的に記述できる位置を有する立方体の面に配置された６個のとりわけ超伝導の個別コイルを含む非接触磁気式プローブ制御のための磁石コイルシステムは公知である（上記非特許文献１のほかに特許文献１参照）。これらのコイルにより、磁性材料を有するカテーテルまたは治療目的のための磁性移植体を被検体内、例えば人体内で案内し移動させるための可変の磁場方向および磁場勾配を発生させることができる。しかしながら、６個の個別コイルからなる磁石コイルシステムによっては、磁性体の無制限のナビゲーション自由度を達成することができない。
【０００４】
３つのコイルを有する磁石コイルシステムも公知である（特許文献２参照）。さらに、患者の周りに回転可能に配置された幾つかの永久磁石からなり、それらの永久磁石の磁場が磁気絞り装置によって影響を受け、これらの永久磁石が磁性プローブの前進のための磁気波を発生することができる装置も公知である（特許文献３参照）。
【０００５】
更に、特にＸ線制御のもとで磁性カテーテルを制御するための回転可能な永久磁石を有する磁石コイルシステムも公知である。
【０００６】
この従来技術の場合には、フィードバックによる位置安定化方法に関して言及していない。これは、磁性プローブ体が磁場方向および勾配によって予め与えられいつも被検体内の内面に当接するという前提から出発している。
【０００７】
コンピュータ制御のもとで正確に定められた電流パルスによって磁性プローブを一歩一歩移動させる付加的なパルスコイルを用いた方法も公知である（特許文献４参照）。
【０００８】
消化管の視診に用いられる所謂ビデオカプセルも公知である（例えば、非特許文献２参照）。ビデオカプセルの前進は自然の腸運動によって行なわれ、前進および注視方向は全くの偶然である。
【０００９】
棒磁石とビデオ装置およびその他の非侵襲装置とを備えたビデオカプセルも公知である（特許文献５参照）。棒磁石には外部の磁石コイルシステムからナビゲーションのための力が与えられる。６Ｄマウスによる外部制御を有する浮遊する所謂ヘリコプタモード、マウスを介する力応答信号並びにトランスポンダを通した位置応答信号が言及されている。磁石コイルシステムの実現および個別コイルの作動のための詳細は特許文献５からは明らかでない。
【非特許文献１】“ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ”，Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．２，１９９６年３月、第３２０〜３２８頁
【非特許文献２】“Ｇａｓｔｒｏｉｎｔｅｓｔｉｎａｌ  Ｅｎｄｏｓｃｏｐｙ”，Ｖｏｌ．５４，Ｎｏ．１，第７９〜８３頁
【特許文献１】米国特許第５１２５８８８号明細書
【特許文献２】米国特許第６２４１６７１号明細書
【特許文献３】米国特許第６５２９７６１号明細書
【特許文献４】国際公開第９６／０３７９５号パンフレット
【特許文献５】独国特許第１０１４２２５３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、例えば上記特許文献５による棒磁石の如き（強）磁性体の非接触ナビゲーションもしくは移動を可能にする磁石コイルシステムを提供することにある。その場合に、動作空間内において磁性体の方向を調整することおよび／または磁性体へ力を作用させることを達成すべきである。しかも、磁性体の方向調整と、磁性体への力の大きさおよび方向とを、機械結合なしに磁気的に外側から設定し得るようにしようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題の解決のために、本発明によれば、請求項１に記載された手段が用いられる。すなわち、磁石コイルシステムは、ｘ，ｙ，ｚ直交座標系に配置された面によって包囲されている３次元動作空間内で磁性体を非接触移動させるために用いることができる。磁石コイルシステムは、３つの磁場成分Ｂx，Ｂy，Ｂzと、対角線Ｄに関して対称な勾配マトリックス
【数２】
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からの５つの磁場勾配とを発生させるように構成されている個々に駆動可能な１４個の個別コイルを有し、これらの個別コイルにより、勾配マトリックスにおける３つの対角要素のうちの２つ対角要素と、勾配マトリックスにおける対角線に対して対称な３つの勾配要素対からの１つずつの非対角要素とが発生させられる。
【００１２】
動作空間を籠のように包囲する本発明による磁石コイルシステムにおいては、マックスウェルの方程式によって課された条件ｒｏｔＨ＝０およびｄｉｖＢ＝０（但し、下線を付された量はベクトルを表わす。）によって、磁場勾配が常に対をなして発生させられることが前提となっている。可能な３つの磁場成分Ｂx，Ｂy，Ｂzから２つの磁場成分のみが発生させられ、可能な９つの磁場勾配ｄＢx／ｄｘ，ｄＢx／ｄｙ，ｄＢx／ｄｚ，ｄＢy／ｄｘ，ｄＢy／ｄｙ，ｄＢy／ｄｚ，ｄＢz／ｄｘ，ｄＢz／ｄｙ，ｄＢz／ｄｚから５つの独立した勾配のみが発生させられればよいことが分かった。１４個の個別コイルには８つの磁気自由度に応じた８つの異なる電流パターンを同じ大きさの電流で印加することができる。これらの電流パターンはそれぞれ主として１つの磁場成分または１つの磁場勾配を発生する。この場合に、重ね合わせによって、マックスウェルの方程式に基づいて許容される磁場成分および磁場勾配の各組合せを発生させることができる。
【００１３】
このようにして、例えば磁気要素に結合されたプローブ（例えばカテーテル、内視鏡あるいは特許文献５によるビデオカプセル）である磁性体の（機械的に）非接触の方向調整および／またはこの磁性体への力作用を意図した磁性体の非接触制御／移動（＝ナビゲーション）が、動作空間内の磁場により可能になる
【００１４】
本発明による磁石コイルシステムの有利な構成は従属請求項によって与えられる。
【００１５】
個々に駆動可能な１４個の個別コイルは、対をなして対向位置する面とｚ方向に延びている少なくとも１つの管状外殻面とに配置するとよい。その場合に管状外殻面を除いて面を直方体または立方体に広げるとよい。しかしながら、面が必ずしも平らに形成されることが必要ではない。これらの面にある個別コイルは、特にｚ方向における動作空間への良好なアクセスを可能にする。
【００１６】
好ましくは、少なくとも６個の個別コイルが、動作空間における対をなして対向位置する端面もしくは側面にあり、３つの磁場成分Ｂx，Ｂy，Ｂzおよび勾配マトリックスの２つの対角要素を発生させるために用いられるとよい。同時に、少なくとも４個の個別コイルが、動作空間を包囲する少なくとも１つの管状外殻面に周方向に見て分割配置され、勾配マトリックスの少なくとも１つの非対角要素を発生させるために用いられるとよい。残りの個別コイルと共同して必要な３つの非対角要素が形成される。
【００１７】
コイルシステムの特に有利な実施態様によれば、
６個の個別コイルが、３つのコイル対として、動作空間の対をなして対向位置する端面もしくは側面にあり、
８個の個別コイルが、ｚ方向に見て相前後して少なくとも１つの管状外殻面に存在する２つのコイル装置を形成し、両コイル装置のそれぞれ４個の個別コイルが、外殻面上に周方向に見て分割配置され、勾配マトリックスの３つの非対角要素を発生させるために用いられる。
これらのコイルシステムは、ｚ方向における動作空間への良好なアクセスを有する明快な構造によって傑出している。
【００１８】
その代わりに、磁石コイルシステムにおいて、
動作空間の端面には個別コイルのコイル対があり、磁場成分Ｂzと勾配マトリックスの対角要素ｄＢz／ｄｚとを発生させるために用いられ、
対をなして対向位置する側面には、それぞれｚ軸方向に見て相前後して配置された２個の個別コイルからなるそれぞれ１つのコイル装置があり、磁場成分ＢxもしくはＢyを発生させるために用いられ、
少なくとも１つの管状外殻面には周方向に見て分割配置された４個の個別コイルからなるコイル装置があり、
側面および外殻面におけるコイル装置は、勾配マトリックスの他の１つの対角要素および３つの非対角要素を発生させるために用いられる
ようにしてもよい。
【００１９】
前述の実施態様において、（仮想）外殻面上にある磁場勾配コイルを鞍形に形成すると好ましい。その場合に、外殻面上において周方向に延びている端面側湾曲部が周方向に見て並んでいるか（すなわち、９０°よりも大きい湾曲角を取るか）、または部分的に重なり合っていてもよい。このような個別コイルは容易に製造可能であり、明快な磁場状態を発生する。
【００２０】
更に、少なくとも幾つかの磁場成分コイルは平らな矩形コイルまたは円形コイルとして形成されているとよい。特に、端面にあるコイルがｚ方向における動作空間への良好なアクセスを可能にする。
【００２１】
磁場増強および／または磁場遮蔽のために磁石コイルシステムの外側に軟磁性材料からなる部材を付設すると好ましい。
【００２２】
磁石コイルシステムの１４個の個別コイルを駆動するためにコンピュータを使用すると好ましい。コンピュータは、移動させられるべき磁石体のその都度の位置に依存してそれぞれに付設された電源を駆動する。
【００２３】
本発明による磁石コイルシステムの他の有利な構成は上述していない従属請求項により明らかにされている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
次に、本発明による磁石コイルシステムの好ましい実施形態が具体的に示されている図面を参照しながら本発明を更に詳細に説明する。
図１は本発明による磁石コイルシステムの第１の実施形態、
図２ａ〜２ｈは予め定められた磁場成分もしくは磁場勾配を発生させるための通電方向を有するかかる磁石コイルシステムの個別コイル、
図３は図２ａ〜２ｈの個別コイルの１つの拡大表示、
図４は導体ループを用いて形成された図１に基づく磁石コイルシステムの斜視図、
図５は図１による磁石コイルシステムの個別コイルのコンピュー駆動、
図６は磁場遮蔽および／または磁場増強のための強磁性構造物を有する図１による磁石コイルシステムの特別な構成、
図７は本発明による磁石コイルシステムの他の実施形態、
図８ａ〜８ｉは図７に基づく磁石コイルシステムの個別コイルにおける通電方向を示す。
これらの図において対応する部分は同一の参照符号を付されている。
【００２５】
本発明による磁石コイルシステムにより、磁性プローブ体が非接触で動作ボリューム内を移動させられる。磁性プローブ体の方向調整と、この磁性プローブ体への力の大きさおよび方向とを、機械結合なしに磁気的に外側から設定することができる。特に医療応用において、このような磁性プローブ体を装備したプローブは、磁石を備えたカテーテルもしくは内視鏡、あるいは、例えば消化管または肺の如き体内からビデオ画像を送る照明具および送信器を備えた小型テレビカメラであってよい。更に、例えば針または機能モジュールの如き強磁性の異物を外側から近づけない対象物または空間内で磁気力によって移動させるかまたは摘出することができる。医療への応用のほかに、例えば汚染された空間におけるような他の分野にも本発明による磁石コイルシステムを使用することができる。付設された磁石プローブにより、とりわけ外側から近づけない他の対象物も内部検査することができ、しかもプローブにはもちろんその他のまたは付加的な機能を持たせることもできる。
【００２６】
磁石コイルシステムにより、プローブ体を、３つの全ての横方向の自由度および注視方向において２つの回転自由度にて磁気力によって外側から制御することができる。さらに、磁石コイルシステムは、例えば被治療者を動作空間内部内に位置決めするために、外側からｚ方向へのアクセスが可能であると好ましい。
【００２７】
図１〜図４は、強磁性体への力作用のもとで、この強磁性体の相応のナビゲーションつまり空間的制御および／または移動を可能にする本発明による磁石コイルシステムの典型的な実施例を示す。以下において、このような強磁性体の実施例として、強磁性材料が付設されているかまたはかかる材料からなる部材を含むプローブが選ばれているものとする。強磁性体は「磁石体」とも呼ぶこともある。
【００２８】
図１に全体的に２で示された磁石コイルシステムは、例えばほぼ立方体状の外側輪郭を有する。該当する６つの立方体面はＦ３ａ，Ｆ３ｂ，Ｆ４ａ，Ｆ４ｂ，Ｆ５ａ，Ｆ５ｂで示されている。立方体の１つの角にｘ，ｙ，ｚ直交座標系を置くものとする。ｚ方向に対して直角方向にある面Ｆ４ａ，Ｆ４ｂを端面とみなす。これに対してｘ軸およびｙ軸に対して直角方向にある面対Ｆ３ａ，Ｆ３ｂもしくはＦ５ａ，Ｆ５ｂを側面対とみなすことができる。これらの面対は、Ａにて示された３次元のはっきりした内部空間すなわち動作空間を包囲する。６つの面によって仕切られたこの内部空間には、ｚ方向に対して平行に延びる軸を有する管状外殻面Ｆ６が存在する。一般に上述の面は仮想面である。しかし、もちろん、磁石コイルシステム２におけるそれらの面に広がる個別コイルは、図示されていない具体的な固定手段によって保持されている。
【００２９】
磁石コイルシステム２は、本発明によれば、１４個の常伝導または超伝導の個別コイルを含み、これらの個別コイルは矩形コイルもしくは鞍形コイルとして形成されている。図には巻形が概略的にのみ示されている。丸く角を取られた個別コイル、円形コイルまたはその他のコイル形状を選択することもできる。選択された実施例のコイルシステムは、６個の磁場成分コイル３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂと、８個の磁場勾配コイル６ａ〜６ｄおよび７ａ〜７ｄから構成されている。対をなす対向位置する立方体面Ｆ３ａ，Ｆ３ｂ；Ｆ４ａ，Ｆ４ｂ；Ｆ５ａ，Ｆ５ｂにある磁場成分コイル３ａ，３ｂ；４ａ，４ｂ；５ａ，５ｂにより、磁場成分Ｂx，Ｂy，Ｂz並びに次に示された勾配マトリックスからの３つの対角磁場勾配ｄＢx／ｄｘ，ｄＢy／ｄｙ，ｄＢz／ｄｚのうちの少なくとも２つの対角磁場勾配を発生させることができる。この勾配マトリックスは次のように表わされる。
【数３】
2005081146.tif 000004
【００３０】
この勾配マトリックスにおいて、要素ｄＢx／ｄｘ，Ｂy／ｄｙ，Ｂz／ｄｚを結ぶ線を勾配マトリックスの対角線Ｄと称するものとする。勾配マトリックスは、この対角線Ｄに対してすなわちこの対角線上にある先に挙げた磁場勾配ｄＢx／ｄｘ，Ｂy／ｄｙ，Ｂz／ｄｚに対して対称的に構成されている。対角要素の合計は零に等しい。個々の磁場成分を発生するコイル対が、それらにおいて選択されるべき通電方向とともに、図２ａ〜２ｈによれば、３もしくは４もしくは５の番号で示されている。磁場成分コイル対は互いに直交配置されている。一般に磁場成分コイル対は少なくとも対をなして等しい形を有する。
【００３１】
鞍形に形成された磁場勾配コイル６ａ〜６ｄ，７ａ〜７ｄにより、ｚ方向に見て相前後して配置されたそれぞれ２つのコイル装置６，７が構成されている。鞍形の磁場勾配コイルは磁場的に動作空間Ａを包囲し、その場合にこれらの磁場勾配コイルは少なくとも１つの仮想外殻面Ｆ６上に共通に配置されている。周方向に見て、１つのコイル装置に属する勾配コイルは互いに隔てられている、すなわち、勾配コイルの端面側における湾曲部分の間およびそれにとないｚ方向に延びる勾配コイル長辺の間にそれぞれ間隙がある。しかしながら、それらの長辺における隣接勾配コイルの部分的重なり合いも可能である。仮想外殻面Ｆ６は例えば円形横断面を有する。しかしながら、仮想外殻面Ｆ６は他の横断面形状、例えば正方形の横断面形状を持っていてもよい。１つまたは２つのコイル装置からなる個別コイルがある同心の外殻面も可能である。少なくとも１つの外殻面Ｆ６は、必ずしも磁場成分コイル３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂによって包囲された空間の内部にあることが必要ではなく、むしろ場合によってはこれらのコイルからなる構造物を包囲することもできる。一般に、少なくともコイル装置６および／または７に属する磁場勾配コイルは同じ形状を有する。
【００３２】
磁場勾配コイル６ａ〜６ｄ，７ａ〜７ｄにより、例えば図２ａ〜２ｈに従って、図示の通電方向を選択した場合における磁場勾配ｄＢx／ｄｙ，ｄＢz／ｄｘ，ｄＢz／ｄｙを形成することができる。これらの３つの磁場勾配はそれぞれ前述の勾配マトリックスにおける非対角要素である。これらの要素は、それぞれ対角線Ｄに関して対称な他の要素対に由来する。つまり、相応の磁場勾配の形成時に必然的に、対角線Ｄに関して対称な磁場勾配が対をなして発生させられる。それは、この場合、勾配ｄＢy／ｄｘもしくはｄＢx／ｄｚもしくはｄＢy／ｄｚである。さらに、５つの勾配自由度のみが考慮されることから、ｄＢz／ｄｚの磁場勾配のための特別な電流パターンを必要としない。しかしながら、代替としてｄＢz／ｄｚの磁場勾配を発生させ、勾配の１つｄＢx／ｄｘもしくはｄＢy／ｄｙを省略してもよい。すなわち、勾配マトリックスの対角線Ｄ上にある３つの勾配のうち２つの勾配を発生させればよい。
【００３３】
ここで、例えばプローブに接続されている長く延びた磁石体（例えば強磁性磁石または永久磁石）が磁石コイルシステム２の動作空間Ａ内に持ち込まれると、磁石体は磁場方向に平行に向けることを試みられ、それによりプローブの向きも定める。磁場勾配は磁石体に力Ｆ＝ｇｒａｄ（ｍ・Ｂ）を与える。ただし、ｍは磁石体の磁気モーメントのベクトルである。１４個の各個別コイルを適切に駆動することよって、動作空間Ａ内で磁石体に任意に向きを与えることができ、全ての方向において設定された力Ｆを磁石体に作用させることができ、従って磁石体を回転させるだけでなく、直線運動させることもできる。
【００３４】
図２ａ〜２ｈは、例えば図１によるシステム２の如き磁石コイルシステムの１４個の個別コイルを、対にして、非接触の移動および／または回転に必要な磁場成分および磁場勾配を発生させるための各電流Ｉの流れ方向と共に示している。図２ａ，２ｂによれば、個別コイル３ａ，３ｂのコイル対３により、電流方向に応じて磁場成分Ｂxもしくは磁場勾配ｄＢx／ｄｘを発生させることができる。同様に、図２ｃ，２ｄによれば、コイル対５の個別コイル５ａ，５ｂにより、磁場成分Ｂyもしくは磁場勾配ｄＢy／ｄｙを形成することができる。個別コイル４ａ，４ｂからなるコイル対４は図２ｅに従って磁場成分Ｂzを発生する。図２ｆ〜２ｈに従って、それぞれ４個の勾配コイル６ａ〜６ｄもしくは７ａ〜７ｄからなる両コイル装置６，７により、個別コイルにおける通電方向に応じて、磁場勾配ｄＢz／ｄｘもしくはｄＢz／ｄｙもしくはｄＢx／ｄｙを発生させることができる。
【００３５】
図３には、それぞれ４個の磁場勾配コイル６ａ〜６ｄおよび７ａ〜７ｄからなる両コイル装置６，７が拡大されて分解表示され、これらのコイルにおける通電方向は図２ｆに従って選ばれている。
【００３６】
図４は個別コイルを形成する導体セットを有する図１〜図３による磁石コイルシステム２を斜視図で示す。ここでは、磁場成分Ｂx，Ｂy，Ｂzを形成する例えばほほ正方形の形状を有する個別コイルが立方体の６つの（仮想の）平らな外面上にあることが前提である。もちろん、これらの外面は軽く湾曲させられた形状を有することもできる。
【００３７】
各電流パターンは、本発明による磁石コイルシステムにおいて、それぞれの所望の磁場成分のほかに他の磁場成分も発生する。これらの磁場成分はそれぞれのコイル寸法および磁石体の位置に依存する。これら磁場成分の振幅は中心からコイルの巻線方向に増大する。すなわち、磁場方向を有する電流パターンの電流強度と、磁石体の位置における力方向Ｆ＝ｇｒａｄ（ｍ・Ｂ）との間における簡単な関係はそのように与えられていない。
【００３８】
しかしながら、１４個の個別コイルにおける８個の電流パターンの適切な重なり合いによって、磁石体位置（プローブ位置）において磁石体に対して所望の向きおよび力作用を発生する磁場および磁場勾配を適切に設定することができる。特に好ましいことに、例えば、ちょうど重力Ｆ＝ｍ・ｇ＝ｇｒａｄ（ｍ・Ｂ）を発生させるならば（ｍ＝質量、ｇ＝重力加速度）、空間における磁石体の自由浮上を実現することができる。これに関する計算は、次の計算ステップを実行し且つ場合によっては磁石体の移動中にも絶えず繰り返すコンピュータにて行なうと好ましい。すなわち、
動作空間における極座標θ，φで予め与えられた磁石体方向と大きさ｜Ｂ｜とから磁石体位置における３つの磁場成分Ｂx，Ｂy，Ｂzの目標値を計算する。
磁石体への予め与えられた磁気力から５つの独立な磁場勾配ｄＢx／ｄｘ，ｄＢy／ｄｙ，ｄＢx／ｄｙ，ｄＢz／ｄｘ，ｄＢz／ｄｙの目標値を計算する。磁場勾配ｄＢz／ｄｚも予め与え、そのために勾配マトリックスの他の対角磁場勾配の１つｄＢx／ｄｘまたはｄＢy／ｄｙを零にすることもできる。磁場勾配ｄＢz／ｄｚと他の対角磁場勾配の１つｄＢx／ｄｘまたはｄＢy／ｄｙとの重畳も考え得る。
例えば１Ａのコイル電流および８×８マトリックスの形での表示のためのコイルジオメトリから８つの電流パターンのそれぞれについて磁石体位置における磁場成分および磁場勾配を計算する。
逆マトリックスを計算する。この逆マトリックスは、コイルジオメトリのみに依存し、且つ予め与えられた動作空間におけるラスタ上の各点について予め作成可能である。装置の作動中には高速計算のためにこのラスタにおける値の間は補間される。
磁場ベクトル（Ｂx，Ｂy，Ｂz，ｄＢx／ｄｘ，ｄＢy／ｄｙ，ｄＢx／ｄｙ，ｄＢz／ｄｘ，ｄＢz／ｄｙ）を有する磁石体位置のための逆マトリックスの掛算が８つの電流パターンについての電流値を生じる。
記憶されたテーブルおよび個別コイルにおける電流の線形重畳からその都度の正または負の電流方向に基づく１４個の個別コイル電流へ電流パターンを分割する。
個別コイルのための１４個の電源を駆動する。
個別コイルにおいて損失電力限界を監視する。
【００３９】
図５に、概略表示にて磁石体位置もしくはプローブ位置を制御する画像形成装置と協働する１４個の個別コイルを駆動するための装置が示されている。この図５において、図１による磁石コイルシステム２を駆動するコンピュータは９を付されている。磁石コイルシステムの１４個の個別コイルにより、磁石体もしくは相応のプローブ１０には、自由に設定可能な磁場方向のほかに３つの全空間方向における制限のない磁気力も作用させることができる。１４個の個別コイルのためのコンピュータ９によって駆動される１４個の電源はＰＡ１〜ＰＡ１４を付されている。更に、図５には、Ｘ線源のＸ線管１１が示されている。このＸ線管のＸ線は個別コイルの巻線間の自由空間に向けて投射される。磁石コイルシステムの外部における画面１２において磁石体１０の姿勢もしくは運動を観察することができる。
【００４０】
図示による磁石コイルシステムを具体的に構成するために、次の措置が用意される。
個別コイルはアルミニウム帯または銅帯から巻回形成することができ、必要ならば液体冷却するとよい。
個別コイルは金属製中空体から作ることができ、必要に応じてそれらの内部空間を通して冷却媒体が案内される。
特に、個別コイルは、とりわけ高Ｔｃ超伝導材料を有する超伝導体からなるとよい。
もちろん、例えば磁場の均一化のために他の個別コイルを使用することもできる。相応の個別コイルは図２ｅに破線で示され、符号４ｃを付されている。この個別コイルは磁界成分Ｂzを空間的に均一化する。
更に、磁石コイルシステムには磁気材料を付設することができる。例えば、磁石コイルシステムは、このような材料からなる部材によって少なくとも部分的に包囲されていてもよい。図１による磁石コイルシステム２については、これに相当する構成が図６から明らかである。図６においては、磁石コイルシステム２の勾配コイルを外側から包囲する鉄の如き軟磁性材料からなる磁気帰路体１９ｉが設けられている。このような軟磁性部材により、特に動作空間Ａにおける磁場増強および／または外側への漏洩磁場の遮蔽を達成することができる。
場合によっては、磁場成分発生のためのコイル対または磁場勾配発生のためのコイル装置の個別コイルについては、種々の導体横断面を選択することができる。例えば、上側のｙ個別コイル、例えば図２ｃによる個別コイル５ｂは、これに付設された下側のｙ個別コイルに比べて大きい導体横断面もしくは多い巻回数を有することができる。もちろん、このような種々の構成はその他のコイル対および／またはコイル装置の場合にも可能である。
【００４１】
上記の図に基づいて説明した本発明による磁石コイルシステム２の実施例では、立方体の対向面に対をなして直交配置された磁場成分コイルにより、磁場成分Ｂx，Ｂy，Ｂzのほかに前記勾配マトリックスによる３つの対角磁場勾配のうち２つの対角磁場勾配を発生することもできる。しかしながら、磁場成分コイルにより非対角磁場勾配を生じさせることもできる。このためには、３つの磁場成分コイルのうち少なくとも１つが、特に２つが個別コイルからなるコイル対によって形成されることが必要である。かかる実施形態は、例えば磁石コイルシステムが動作空間の周りにおいて多面体輪郭を有する場合に設けるとよい。１４個の個別コイルを有する磁石コイルシステムの相応の実施例が、図７および図８に、図１および図２に対応する表示で示され、符号２０を付されている。図８ａ〜８ｉは磁場成分および磁場勾配のために個別コイルにおいて選択すべき通電方向を示す。この実施形態では、動作空間Ａの端面側の面Ｆ１４ａ，Ｆ１４ｂに、個別コイル１４ａ，１４ｂからなるコイル対１４がある。これらの例えば円形に形成された個別コイルにより、図８ｇ，８ｈに従って、磁場成分Ｂz並びに勾配マトリックスの対角線Ｄ上の勾配要素ｄＢz／ｄｚを発生させることができる。それに対して、対になって対向位置する側面Ｆ１３ａ，Ｆ１３ｂおよびＦ１５ａ，Ｆ１５ｂ上に配置されるべき磁場成分コイルは、それぞれｚ方向に見て相前後して配置された２つの個別コイルからなるコイル装置１６もしくは１７によってそれぞれ形成されている。図８ｄによれば、コイル装置１６は個別コイル１３ａ，１３ａ’並びに１３ｂ，１３ｂ’から構成される。図８ｄ，８ｅ，８ｆによるこれらの個別コイル１３ａ，１３ａ’並びに１３ｂ，１３ｂ’における通電方向に応じて、磁場成分Ｂxもしくは対角勾配要素ｄＢx／ｄｘもしくは非対角勾配要素ｄＢz／ｄｘを発生させることができる。同様に、図８ａ〜８ｃによる側面Ｆ１５ａ，Ｆ１５ｂ上のコイル装置１７の個別コイル１５ａ，１５ａ’並びに１５ｂ，１５ｂ’により、磁場成分Ｂyもしくは対角勾配要素ｄＢy／ｄｙもしくは非対角勾配要素ｄＢz／ｄｙを発生させることができる。図８ｉによれば３番目の非対角勾配要素ｄＢx／ｄｙを発生させることができるようにするために、なおも、４個の個別コイル１８ａ〜１８ｄからなる他のコイル装置１８が必要である。これらの個別コイルは、磁場成分コイルによって形成された輪郭の内部において、ｚ軸に対して平行に延び且つ動作空間Ａを包囲する（仮想の）管状外殻面上にある。これらの４個の個別コイル１８ａ〜１８ｄは、外殻面Ｆ１８の周方向に見て規則的に分割配置され、場合によってはｚ方向に延びるその長辺が部分的に重なり合うとよい。図８ｉによる表示について、仮想外殻面のために正方形の横断面形状が仮定された。図７から明らかのように、このために他の形状も用意することができる。更に、図８ｇにおいて、図２ｅに対して言及した次の可能性、すなわち磁場の均一化のために他の個別コイルを設けることもできるという可能性が示されている。図８ｇに破線で説明された符号１４ｃを付された個別コイルにより、磁場成分Ｂzの相応の均一化が達成される。
【００４２】
図７および図８ａ〜８ｉにおける本発明による磁石コイルシステム２０の表示では、全ての３つの対角勾配要素が発生可能であることを前提とした。しかしながら、これらの要素のうち２つのみが必要であることから、図８ｂ，８ｅ，８ｈの相応の電流パターンのうち１つを省略することができる。どの電流パターンを省略するかは重要ではない。そのほかに、図８ｂ，８ｅ，８ｈに従って１つの勾配のみを発生させることも可能である。その場合に第２の勾配は他の２つの勾配の線形組合せによって構成される。コイル電流の比は電流値に無関係に固定される。すなわち、異なる個別コイルのコイル電流の線形組合せによっていつでも勾配を発生させることができる。これは、もちろん、図１および図２による磁石コイルシステム２の実施形態にも当てはまる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明による磁石コイルシステムの第１の実施形態を示す概略図
【図２ａ】予め定められた磁場成分もしくは磁場勾配を発生させるための通電方向を有する磁石コイルシステムの個別コイルを示す図
【図２ｂ】予め定められた磁場成分もしくは磁場勾配を発生させるための通電方向を有する磁石コイルシステムの個別コイルを示す図
【図２ｃ】予め定められた磁場成分もしくは磁場勾配を発生させるための通電方向を有する磁石コイルシステムの個別コイルを示す図
【図２ｄ】予め定められた磁場成分もしくは磁場勾配を発生させるための通電方向を有する磁石コイルシステムの個別コイルを示す図
【図２ｅ】予め定められた磁場成分もしくは磁場勾配を発生させるための通電方向を有する磁石コイルシステムの個別コイルを示す図
【図２ｆ】予め定められた磁場成分もしくは磁場勾配を発生させるための通電方向を有する磁石コイルシステムの個別コイルを示す図
【図２ｇ】予め定められた磁場成分もしくは磁場勾配を発生させるための通電方向を有する磁石コイルシステムの個別コイルを示す図
【図２ｈ】予め定められた磁場成分もしくは磁場勾配を発生させるための通電方向を有する磁石コイルシステムの個別コイルを示す図
【図３】図２ａ〜２ｈの個別コイルの１つの拡大図
【図４】導体ループを用いて形成された図１に基づく磁石コイルシステムを示す斜視図
【図５】図１による磁石コイルシステムの個別コイルのコンピュータ制御システムを示すブロック図
【図６】磁場遮蔽および／または磁場増強のための強磁性構造物を有する図１による磁石コイルシステムの特別な構成を示す概略図
【図７】本発明による磁石コイルシステムの他の実施形態を示す概略図
【図８ａ】図７の磁石コイルシステムの個別コイルにおける通電方向を示す図
【図８ｂ】図７の磁石コイルシステムの個別コイルにおける通電方向を示す図
【図８ｃ】図７の磁石コイルシステムの個別コイルにおける通電方向を示す図
【図８ｄ】図７の磁石コイルシステムの個別コイルにおける通電方向を示す図
【図８ｅ】図７の磁石コイルシステムの個別コイルにおける通電方向を示す図
【図８ｆ】図７の磁石コイルシステムの個別コイルにおける通電方向を示す図
【図８ｇ】図７の磁石コイルシステムの個別コイルにおける通電方向を示す図
【図８ｈ】図７の磁石コイルシステムの個別コイルにおける通電方向を示す図
【図８ｉ】図７の磁石コイルシステムの個別コイルにおける通電方向を示す図
【符号の説明】
【００４４】
２                                                          磁石コイルシステム
３，４，５                                                  コイル対
３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂ                          磁場成分コイル
６，７                                                      コイル装置
６ａ〜６ｄ                                                  磁場勾配コイル
７ａ〜７ｄ                                                  磁場勾配コイル
９                                                          コンピュータ
１０                                                        磁性体、磁石体
１１                                                        Ｘ線管
１２                                                        画面
１３ａ，１３ａ’，１３ｂ，１３ｂ’                          個別コイル
１５ａ，１５ａ’，１５ｂ，１５ｂ’                          個別コイル
１３，１４                                                  コイル対
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ                                      個別コイル
１６，１７                                                  コイル装置
１９ｉ                                                      磁気帰路
２０                                                        磁石コイルシステム
Ａ                                                          動作ボリューム
Ｘ，Ｙ，Ｚ                                                  座標
Ｉ                                                          電流
ＰＡ１〜ＰＡ１４                                            電源
Ｆ３ａ，Ｆ３ｂ，Ｆ４ａ，Ｆ４ｂ，Ｆ５ａ，ｆ５ｂ              外面
Ｆ６                                                        外面
Ｆ１３ａ，Ｆ１３ｂ，Ｆ１４ａ，Ｆ１４ｂ，Ｆ１５ａ，Ｆ１３ｂ  外面
Ｆ１８                                                      外殻面
【図１】
2005081146.tif 000006
【図２ａ】
2005081146.tif 000007
【図２ｂ】
2005081146.tif 000008
【図２ｃ】
2005081146.tif 000009
【図２ｄ】
2005081146.tif 000010
【図２ｅ】
2005081146.tif 000011
【図２ｆ】
2005081146.tif 000012
【図２ｇ】
2005081146.tif 000013
【図２ｈ】
2005081146.tif 000014
【図３】
2005081146.tif 000015
【図４】
2005081146.tif 000016
【図５】
2005081146.tif 000017
【図６】
2005081146.tif 000018
【図７】
2005081146.tif 000019
【図８ａ】
2005081146.tif 000020
【図８ｂ】
2005081146.tif 000021
【図８ｃ】
2005081146.tif 000022
【図８ｄ】
2005081146.tif 000023
【図８ｅ】
2005081146.tif 000024
【図８ｆ】
2005081146.tif 000025
【図８ｇ】
2005081146.tif 000026
【図８ｈ】
2005081146.tif 000027
【図８ｉ】
2005081146.tif 000028