專利名稱：用于從設備向接收單元傳輸數據的方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于從例如在內窺鏡檢查或顯微外科中使用的設備向接收單元傳輸數據的方法和系統，具有在該設備中或該設備上布置并由驅動裝置旋轉驅動的磁偶極子， 其中通過磁偶極子的旋轉頻率的變化產生數據并由接收單元接收和分析磁偶極子的變化的磁場。
背景技術：
在醫學中使用的顯微外科和內窺鏡檢查器械特別用于診斷并當在敏感或難以接近的組織和器官上進行手術時使用。這些手術通常由計算機和/或攝像機控制進行并且大多需要最大程度的器械精確歸位，定位和運動。為此使用探測器系統例如磁或電磁探測器。 因此在美國專利文獻5，836，869和6，248，074中描述了固定的磁場源以及磁場傳感器，通過磁體以及傳感器的三軸結構測量運動磁場的三個空間坐標。但是由此不能實現內窺鏡檢設備的空間精確或時間精確的位置確定。這說明在美國專利文獻5，836，869中描述的磁場坐標的確定在三軸磁體中使得三個不同磁場的測量成為必要，通過單個的軸時間延遲地產生電磁信號從而這三個不同磁場時間延遲地先后測量以避免重合。此處測量在患者體外進行并且該測量此外還需要換 算，從而可以計算出內窺鏡在體內的位置。美國專利文獻6，248，074描述了患者體外磁場源的固定；此處通過確定檢測器相對于外部磁場的相對位置通過在內窺鏡遠側端安裝的磁場傳感器進行定位。此處也可能造成相對不精確的測量，因為內窺和傳感器相對于固定的磁場活動并且因此不能得出固定的磁場坐標和傳感器的變化的空間定向之間的確切關系。另外會產生其它造成障礙并妨礙精確度的因素，例如在距離身體表面遠近不同的區域內測量的問題或通過外部磁場妨礙測量情確度。與此相對地，在身體內部使用的探測器通常非常敏感，需要復雜的電線系統或持續使用并更換電池。相對于前述方法更加優化的用于設備定位的方法由WO 2003/103492 Al公知。其中公開了在醫學設備或者例如鉆頭的外殼內布置磁偶極子，該磁偶極子不依賴必要時進行的外殼旋轉而旋轉驅動。為了定位該設備，由磁偶極子產生的磁場由三軸磁力計(磁通門)進行測量并分析。這使得精確確定例如醫學設備在患者體內的位置成為可能。在WO 2003/103492 Al中此外還公開了確定設備外殼的滾動角的可能性。另外產生并由磁力計測量取決于滾動角的磁場變化部件，其中描述了關于外殼的預定義的相對位置上的偶極子的短期停止或傾倒作為具體實施方式
。此外在WO 2003/103492 Al中還概括提到了通過調制磁偶極子的旋轉頻率從設備向磁力計傳輸數據的可能性。但是在WO 2003/103492 Al中沒有公開用于偶極子的旋轉的這種頻率調制的具體實施方式
。也沒有公開可以傳輸哪種類型的數據。
發明內容
本發明要解決的技術問題在于進一步發展由WO 2003/103492 Al公開的方法并特別可以實現不同數據(類型)的傳輸。通過獨立權利要求的主題解決該技術問題。具有優點的實施方式是各從屬權利要求的主題并由本發明的下列描述得出。
本發明的思想在于，通過旋轉偶極子的頻率調制這樣實現不同數據類型的傳輸， 使得在其內部可以旋轉驅動磁偶極子的轉速范圍被劃分為確定的子范圍并分別分配給一個具體數據類型的一個或多個子范圍，其中在這些子范圍內通過磁偶極子的旋轉頻率的相應變化傳輸每個數據類型的數據。用于從設備向接收單元傳輸數據的相應的根據本發明的方法規定，通過在設備上布置的磁偶極子的旋轉頻率的變化產生數據并且借助接收單元接收磁偶極子的磁場而且通過分析磁場確定傳輸的數據。根據本發明此外還規定，可驅動磁偶極子的轉速范圍被劃分為分別分配給一個數據類型的多個子范圍。用于從設備向接收單元傳輸數據的相應的根據本發明的系統具有至少一個在設備中或設備上布置的磁偶極子，該磁偶極子由驅動裝置(例如電機)旋轉驅動，其中磁偶極子的變化磁場可以由接收單元接收并分析，并且此外還具有用于有針對性地改變磁偶極子的旋轉頻率的控制單元，其中可驅動磁偶極子的轉速范圍劃分為分別分配給一個數據類型的多個子范圍。優選根據本發明的方法或根據本發明的系統用于從醫學和特別是顯微外科或內窺鏡檢查設備向外部接收單元傳輸數據。但是其并不限于這種用途，還基本適于從必要時難以接近的設備向接收單元傳輸數據。例如此處應該提到土方作業裝置和特別是水平鉆孔
直O“ 土方作業裝置，，可理解為任意用于建立鉆孔，用于擴展鉆孔以及用于將管道或管線嵌入到土壤內的鉆孔中的裝置。根據本發明，“土壤”可理解為材料或混合材料的每個集合，在該材料或混合材料中可插入鉆孔；特別是，此處指的應該不僅是土壤本身，而且還指地表上的任意材料灌注， 例如建筑材料灌注。在根據本發明的方法的優選實施方式中規定，為了傳輸一個數據類型的特別是相對慢變化的值，旋轉磁偶極子的頻率在分配給這種數據類型的轉速范圍的相應子范圍內線性變化。由此可以無需轉速跳躍而實現旋轉頻率的簡單調節。在此，“相對慢”意味著這種數據類型的值慢變化，從而在考慮旋轉偶極子的慣性的情況下偶極子的頻率變化可以基本跟上期望的進程。為了傳輸一個數據類型的周期性變化的值，頻率在分配給這種數據類型的轉速范圍的相應子范圍內優選正弦形變化。通過頻率的正弦振蕩形式的變化可以傳輸數據，而無需磁體發生大的轉速跳躍。這是具有優點的，因為基于系統慣性可以在規定速度內另外設置界限。一個數據類型的周期性變化的值例如是指關于設備及外殼或者設備的外殼部分的滾動角的信息。基于正弦振蕩的對稱性可能發生的是，應該傳輸的數據類型的預定義值只能模棱兩可地確定，因為針對每個旋轉頻率值都存在兩個從屬數據值。為了濾出數據值的兩可性， 可以優選設置在正弦振蕩的預定義段內額外調制頻率變化。該操作例如可以這樣進行，即正弦振蕩可以劃分為單個的頻率平穩階段，就是說，正弦基本振蕩在預定義頻率值上短期保持不變。在此，頻率平穩階段相互之間的距離可以根據系統條件預先給定。優選的根據本發明的用于傳輸用于晃動繞軸可旋轉的設備的數據的方法，其特征優選在于，所述晃動分割為預定義晃動值，其中每個晃動值對應于正弦形頻率變化的一個具體調制。在此，基于旋轉偶極子的慣性關于其旋轉頻率可以優選設置，將晃動劃分到不過多的預定義晃動值中。例如可旋轉設備的旋轉可以劃分到十二個位置中。本發明還涉及一種根據本發明用于運行可控制土方作業裝置的方法，該土方作業裝置不但可以滑動或拉動驅動還可以旋轉驅動，其中通過根據本發明的方法傳輸數據，其方法在于在規定相對低轉速的旋轉驅動的磁偶極子的轉速范圍的第一子范圍內進行偶極子的旋轉頻率變化，以傳輸關于土方作業裝置的晃動的數據；此外還規定在具有更高轉速的第二子范圍內結束頻率變化。這使得另外使用旋轉偶極子成為可能，從而在土方鉆孔裝置的控制運行中，即當這個土方鉆孔裝置僅滑動或拉動并在沒有或只有相對小的角速度的情況下旋轉驅動時，在以相對低轉速為特征的第一子范圍內運行旋轉的磁偶極子并在此實旋頻率變化，由此可以傳輸關于土方鉆孔裝置的晃動的數據。與此相對地，在鉆孔裝置的工作運行中，即當鉆孔裝置不僅滑動或拉動驅動此外還(快速)旋轉驅動時，可以設置在第二子范圍內提高磁偶極子的轉速。可能在這個子范圍內，基于磁偶極子的質量慣性不能再進行用于傳輸(特別是周期性變化的)數據(例如關于晃動角的數據)的有意義的頻率調制；但是通過磁偶極子的旋轉的更高頻率可以如同現有技術中公知的那樣通過磁場的測量和分析極大改善土壤內土方鉆孔裝置的定位，因為每個時間段內都可以進行變化磁場的多次測量。因為在鉆孔運行期間通常不需要傳輸關于土方鉆孔裝置的晃動的數據，所以在這類情況下必要時可以放棄數據傳輸。在特別適于實施該方法的系統中優選可以規定，設備不依賴磁偶極子而旋轉驅動，其中設備和磁偶極子的旋轉軸平行或同軸定向。這實現了獨立于設備旋轉的磁偶極子旋轉頻率的簡單控制，此外基于旋轉軸的平行性或同軸性實現了關于設備，特別是土壤內的土方鉆孔裝置的定向的簡單分析。不言而喻，也可能出現相對于設備旋轉軸的偶極子旋轉軸的位置傾斜。
下面根據附圖中示出的實施例詳細闡述本發明。附圖中圖1在示意圖中示出了包括水平鉆孔裝置的鉆頭的根據本發明的系統；圖2在圖表中示出了用于傳輸第一數據類型的圖1的水平鉆孔裝置的磁偶極子的旋轉頻率調制的進程；并且圖3在圖表中示出了用于傳輸第二數據類型的磁偶極子的旋轉頻率調制的進程。
具體實施例方式圖1在示意圖中示出了用于從設備向接收單元傳輸數據的根據本發明的系統。在這種情況下設備指的是水平鉆孔裝置的鉆頭1。這個鉆頭構成為傾斜鉆頭；其具有相對于鉆頭的縱軸傾斜定向的控制面2。控制面2在向前推進鉆頭1穿過土壤時產生側面定向的力，通過這種力鉆頭1轉移到拱形鉆孔進程中。控制面2實現了鉆頭1的可控制性。為了有針對性地在一個方向上控制鉆頭1，可以設置有針對性地在預定義角(晃動角)中停止鉆頭1的旋轉，由此在土壤內進行控制面2的相應定向。在隨后純靜態向前推進鉆頭1穿過土壤時，該鉆頭持續轉移到通過控制面2的定向和因此通過鉆頭1的晃動角定義的方向中。與此相對地，在該鉆頭靜態向前推進期間，為了利用根據圖1的傾斜鉆頭一直向前鉆孔而設置旋轉驅動鉆頭1。由此側面定向的力通過鉆頭1的完全旋轉調節到鉆頭1上，從而平均得出直線形的鉆孔進程。在鉆頭1內可旋轉設置磁偶極子3 (此處是永磁體)。磁偶極子3通過軸4與電機 5連接，該電機5驅動這個磁偶極子。可選的是，驅動裝置也可以設置為液壓(例如借助鉆孔液體)或氣體驅動的驅動裝置，例如相應的渦輪機。偶極子3的旋轉軸在此同軸于鉆頭1 的縱軸。旋轉磁偶極子3產生同樣旋轉的磁場。該旋轉磁場例如可以由在地表上布置的可以優選為三軸磁力計的接收單元6接收。從接收單元6的固定的坐標系出發，偶極子3的旋轉磁場表示為在描述磁場的矢量的大小和方向方面的變化的磁場。具體而言，可以借助磁力計確定旋轉的磁場矢量，其原點定義旋轉磁偶極子的位置。通過相應分析通過磁場3產生的隨時間變化的穿過接收單元6的磁場可以隨后確定位于土壤中的鉆頭1的位置。用于通過分析通過旋轉磁偶極子產生的磁場定位設備的這個方法已經在現有技術中充分公開。 為此例如可以參考 DE 102 25 517，WO 2003/103492 Al, DE 10 2004 058 272 Al 以及 WO 2007/048515 Al，這些文獻在其中公開的用于確定旋轉磁偶極子的位置的方法方面完全用于本專利申請的主題。圖1中示出的根據本發明的系統此外還可以通過分析由磁偶極子3產生的磁場實現數據特別是多種數據類型的傳輸。為此電機5與控制單元7連接，通過該控制單元可以影響電機5和因此磁偶極子3的旋轉。通過控制單元7可以有針對性地影響磁偶極子3的旋轉頻率，這又對磁場具有影響。由此帶來的磁場的變化由接收單元6測量并可以相應分析。根據本發明，偶極子3的旋轉變化包括將旋轉驅動磁偶極子3的轉速范圍劃分為至少部分分別分配給一個預定義數據類型的多個子范圍。磁偶極子3的旋轉頻率變化在轉速范圍的特定子范圍內設置用于傳輸相應分配的數據類型。根據本發明的方法適于傳輸任意數據類型，其中下面描述一種具體并特別優選的使用情況。利用圖1中示出的系統首先無線傳送關于鉆頭1的晃動角的信息(數據)，從而可以將該信息顯示給通過鉆頭1的控制裝置授權的操作人員。通常只在鉆頭1的控制運行中， 即當該鉆頭以極小或零角速度(旋轉)驅動時需要晃動角的相應傳送。為了在鉆頭1的控制運行期間可以傳輸關于晃動角的數據，設置磁偶極子3的旋轉頻率借助控制單元7下降到相對低轉速的范圍內(第一子范圍)。然后在第一子范圍內再次借助控制單元7進行磁偶極子3的旋轉頻率的繼續調制。不言而喻，也可以這樣設置，即偶極子3的旋轉頻率在子范圍內沿著另一任意走向的曲線變化，例如沿著指數上升或下降的曲線。但是該曲線優選應該這樣構成，從而給出明確的分配；就是說，對于旋轉頻率的每個值只存在待傳輸數據類型的一個從屬值。在靜止，即不旋轉的鉆頭1中晃動角的值恒定不變。在這種情況下，偶極子3的旋轉頻率可以簡單地沿著預定義的線性進程調整到對應于晃動角的值的數值上。圖3舉例示出了用于這種情況的預定義頻率進程，其中在橫坐標上代替百分比值優選也對應于相應鐘表時間中的鐘表的表盤的劃分將晃動角劃分為十二個部分(對此參考圖1)。偶極子3的旋轉頻率可以通過分析磁場借助接收單元6確定并且這個值可以分配給晃動角的相應值。在旋轉鉆頭1中鉆頭的晃動角的值是周期性反復的數據。緩慢旋轉驅動還位于控制運行中的鉆頭1。此外在這種運行狀態中應將關于轉動角的數據傳輸到接收單元6，從而然后在其特征在于相對低頻率的第一子范圍內保持偶極子3的旋轉。在這種情況下設置基本以正弦振蕩的形式調制偶極子3的旋轉頻率。然后在鉆頭1的旋轉內對應于全正弦振蕩的進程而改變偶極子的旋轉頻率。正弦振蕩的優點在于，給出旋轉頻率的均勻并且因此不會出現大的轉速跳躍。與此相對地，在旋轉鉆頭中，如果也希望實施基本可能的根據例如圖 3中示出的線性頻率進程的關于晃動角的值的傳輸，必須在達到100%之后，即鉆頭1的完全旋轉之后，將偶極子3的旋轉頻率的值再次回設到原點值上。但是與之相連的是轉速跳躍，該轉速跳躍應該盡量避免，并且基于旋轉偶極子3的慣性通常也不能以足夠的程度遵守該轉速跳躍。圖2現在示出的是在旋轉鉆頭1的控制運行中應該傳輸關于晃動角的變化的值的情況下磁偶極子3的調制旋轉頻率的相應進程。基于簡化的目的劃分為十二段(鐘表時間)的鉆頭1的晃動角由晃動傳感器8獲得(該晃動傳感器也測量鉆頭1的轉速)并且其測量值被導向控制單元7，從而控制單元7可以產生適于晃動角的相應頻率調制。但是，基于“正常的”正弦振蕩的對稱性在此產生可以將晃動角的兩個值歸因于這個正弦振蕩內的特定頻率的問題。此外為了濾出這種兩可性，設置額外調制偶極子3的旋轉的正弦形頻率變化，其方法在于在預定義的分別分配給晃動角的值的轉速中產生頻率平穩階段，就是說頻率不再對應于正常正弦形變化的進程而變化而是在預定義的短時間間隔內保持恒定。結果在于出現描繪正弦形基本振蕩的梯形頻率調制。 在鉆頭1的鉆孔運行中，就是說當期望直線形鉆孔進程時，鉆頭1除靜態向前推進外(相對快速地)旋轉驅動，由此由控制面2產生的側面定向的力在完全旋轉的進程中自行調節并平均得出期望的直線形鉆孔進程。因為在鉆孔運行中晃動角的知識對操作人員而言通常無關緊要，所以設置不再傳輸晃動角。確切地說，在鉆孔運行中偶極子3的旋轉頻率由控制單元7提高到具有更高頻率的第二子范圍內。根據本發明，在這個第二子范圍內偶極子的旋轉頻率應該發生變化，以無線傳輸關于其它數據類型的數據。在此例如可以傳輸關于在附加到鉆頭1上的管(未示出)上執行并借助牽引力測量裝置(未示出)測量的牽引力的值。因為該值通常不會周期性變化，所以可以再次根據在圖3中示出的進程進行頻率變化，其中不言而喻也可以取代橫坐標上的百分比引入將牽引力的具體值分配給偶極子 3的旋轉頻率的值。優選還可以傳輸的其它數據類型包括關于電池的充電狀態的值，該電池可以設置用于例如晃動傳感器，牽引力測量裝置或者用于偶極子的旋轉驅動裝置的電源，以及環境溫度，位于鉆頭內的部件的運行溫度，控制壓力等的值。
權利要求
1.一種用于從設備向接收單元(6)傳輸數據的方法，設置在該設備中或該設備上的磁偶極子(3)被旋轉地驅動，通過該磁偶極子(3)的旋轉頻率的變化產生所述數據，并由該接收單元(6)接收所述磁偶極子(3)的變化的磁場并由此確定所述數據，其特征在于，所述磁偶極子(3)能被驅動的轉速范圍被劃分為分別分配給一個數據類型的子范圍。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，為了傳輸一個數據類型的相對緩慢變化的值，頻率在所述轉速范圍的相應子范圍內線性變化。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，為了傳輸一個數據類型的周期性變化的值，頻率在所述轉速范圍的相應子范圍內正弦形變化。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，頻率變化在正弦振蕩的預定義段內還附加地被調制。
5.根據權利要求4所述的方法，用于傳輸用于晃動能繞軸旋轉的所述設備的數據，其特征在于，所述晃動分割為預定義晃動值，其中每個晃動值對應于正弦形頻率變化的一個具體調制。
6.一種用于運行可控制的土方作業裝置的方法，該土方作業裝置在控制運行中不旋轉驅動或只以相對低頻率旋轉驅動，并且該土方作業裝置在工作運行中相對快速旋轉驅動， 數據通過前述權利要求之一所述的方法被傳輸，其特征在于，在控制運行期間所述磁偶極子的旋轉頻率下降到所述磁偶極子(3)的具有低頻率的第一子范圍內，并且進行用于傳輸用于晃動土方鉆孔裝置的值的頻率變化，該頻率變化在工作運行中結束。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述磁偶極子(3)的旋轉頻率在工作運行中提高到具有更高轉速的第二子范圍內。
8.一種用于從設備向接收單元(6)傳輸數據的系統，具有設置在該設備中或該設備上的磁偶極子(3)和用于改變所述磁偶極子(3)的旋轉頻率的控制單元(7)，該磁偶極子由驅動裝置旋轉地驅動，由該接收單元(6)接收并分析所述磁偶極子(3)的變化的磁場，其特征在于，所述磁偶極子(3)能被驅動的轉速范圍被劃分為分別分配給一個數據類型的子范圍。
9.根據權利要求8所述的系統，其特征在于，所述設備能不依賴所述磁偶極子(3)地旋轉地驅動，其中所述設備和所述磁偶極子(3)的旋轉軸平行或同軸。
全文摘要
本發明涉及一種從例如在內窺鏡檢查或顯微外科中使用的設備向接收單元傳輸數據的方法，其中在該設備中或該設備上布置的磁偶極子旋轉驅動，通過該磁偶極子的旋轉頻率的變化產生所述數據并由該接收單元接收和分析所述磁偶極子的變化的磁場，其中可驅動所述磁偶極子的轉速范圍被劃分為分別分配給一個數據類型的多個子范圍。
文檔編號E21B47/024GK102256561SQ200980151335
公開日2011年11月23日 申請日期2009年12月16日 優先權日2008年12月17日
發明者E·庫奇, V·博伊凱 申請人:拉約尼克斯振動技術有限公司