DE102010030007A1 - Magnetic resonance-compliant microscope for use in operating microscope system, has actuator for controlling adjustable mechanism of microscope and formed as electroactive polymer actuator - Google Patents
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-
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein MR-taugliches Mikroskop gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Abkürzung ”MR” steht für Magnetresonanztomographie (auch MRT) oder ganz allgemein für auf den Prinzipien der Kernspinresonanzspektroskopie basierende bildgebende Verfahren.The present invention relates to an MR-compatible microscope according to the preamble of
Mit derartigen MR-Verfahren können Schnittbilder des Körpers erzeugt werden, die eine Beurteilung der Organe (z. B. Unterscheidung von gesundem und krankem Gewebe) und somit von krankhaften Organveränderungen erlauben. Da mit MR-Verfahren insbesondere auch Weichteile des Körpers gut darstellbar sind, Bilder von hoher Auflösung erzeugt werden können und auf Röntgenstrahlung oder andere ionisierende Strahlung verzichtet werden kann, spielt die Magnetresonanztomographie eine wichtige Rolle in der medizinischen Bildgebung zur Diagnostik als auch zur Unterstützung während einer Operation. Die Magnetresonanztomographie wird auch als Kernspintomographie bezeichnet und als MRI (Magnetic Resonance Imaging) oder NMR (Nuclear Magnetic Resonance) abgekürzt. Zu der Funktionsweise der MR-Verfahren und dem Aufbau entsprechender Tomographen und deren Bildverarbeitungsprogramme sei auf die umfangreiche Fachliteratur verwiesen.With such MR methods, sectional images of the body can be generated which allow an assessment of the organs (for example differentiation of healthy and diseased tissue) and thus of pathological organ changes. Since with MR methods in particular also soft tissues of the body can be displayed well, images of high resolution can be generated and it is possible to dispense with X-radiation or other ionizing radiation, magnetic resonance tomography plays an important role in medical imaging for diagnostics as well as for support during a procedure Surgery. Magnetic resonance imaging is also referred to as magnetic resonance imaging and abbreviated as MRI (Magnetic Resonance Imaging) or NMR (Nuclear Magnetic Resonance). Reference should be made to the extensive specialist literature on the mode of operation of MR methods and the construction of corresponding tomographs and their image processing programs.
Üblicherweise eingesetzte MR-Geräte benötigen für eine gute Signalqualität hohe Magnetfeldstärken. Große Geräte für den Einsatz in der Humanmedizin erzeugen üblicherweise Magnetfeldstärken von 1 bis 3 Tesla, für Forschungszwecke sind Feldstärken bis über 10 Tesla in Anwendung. In der unmittelbaren Umgebung oder im Körper eines Patienten befindliche Metalle können die Magnetfelder und damit die Bildgebung stören. Im Körper befindliche Metalle können sich. außerdem verlagern oder erwärmen, soweit diese Metalle magnetisch oder magnetisierbar sind. Diamagnetische Metalle stellen in der Regel kein Problem dar. Umgekehrt können elektrische Geräte in der Nähe von MR-Geräten durch deren starke Magnetfelder gestört oder gar beschädigt werden. Aufgrund der dargelegten Situation gestalten sich MR-unterstützte Operationen bislang sehr aufwendig, wenn der Eingriff unter Zuhilfenahme von Operationsmikroskopen ausgeführt werden soll. Häufig sind MR-Gerät und Operationsmikroskop in unterschiedlichen Räumen oder Raumteilen untergebracht, und der Patient muss während der Operation zwischen diesen Räumen bzw. Raumteilen hin und her transportiert werden. Da hierdurch die Ausrichtung des Patienten in den jeweiligen Geräten jeweils verändert wird, müssen die durch das Operationsmikroskop und das MR-Gerät erzeugten Bilder jeweils neu zueinander korreliert werden.Commonly used MR devices require high magnetic field strengths for good signal quality. Large devices for use in human medicine usually generate magnetic field strengths of 1 to 3 Tesla, for research purposes field strengths of more than 10 Tesla are used. Metals in the immediate vicinity or in the body of a patient can disturb the magnetic fields and thus the imaging. In-body metals can become. also relocate or heat, as far as these metals are magnetic or magnetizable. Diamagnetic metals are generally not a problem. Vice versa, electrical devices in the vicinity of MR devices can be disturbed or even damaged by their strong magnetic fields. Due to the situation described, MR-assisted operations are currently very complicated if the procedure is to be performed with the aid of surgical microscopes. Frequently, the MR device and the surgical microscope are accommodated in different rooms or parts of rooms, and the patient must be transported back and forth between these rooms or parts of the room during the operation. As a result, the orientation of the patient in the respective devices is changed in each case, the images generated by the surgical microscope and the MR device must each be newly correlated with each other.
Zur Lösung dieser Problematik sind im Stand der Technik vereinzelt MR-taugliche Mikroskope angegeben.To solve this problem, sporadically MR-suitable microscopes are specified in the prior art.
Beispielsweise schlägt die
Ein von der Anmelderin hergestelltes und vertriebenes Operationsmikroskop, LEICA M690, verwendet leistungsstarke geräuscharme Elektromotoren als Aktuatoren zur Ansteuerung der Verstellmechanismen des Mikroskops, wie Zoomvergrößerung, Fokussierung und Verschiebung der xy-Einheit. Elektromotorische Antriebe sind aufgrund ihrer eisenhaltigen Komponenten (allgemeiner gesagt magnetischen bzw. magnetisierbaren Komponenten) nicht MR-tauglich, außerdem sind sie voluminös, schwer, im Betrieb meist geräuschvoll und müssen mit einem mechanischen Getriebe und über Kurvenscheiben zur entsprechenden Steuerung der Elemente versehen werden.A surgical microscope manufactured and distributed by the Applicant, LEICA M690, uses powerful low-noise electric motors as actuators to control the microscope's displacement mechanisms, such as zoom magnification, focusing, and xy unit displacement. Electromotive drives are due to their iron-containing components (more generally, magnetic or magnetizable components) not MRI-capable, they are bulky, heavy, mostly noisy in operation and must be provided with a mechanical transmission and cams for appropriate control of the elements.
Zur Vermeidung der letztgenannten Probleme schlägt die
Pneumatische oder Luftmotoren haben sich in der Praxis der Operationsmikroskopie als zu ungenau, technisch umständlich und geräuschvoll erwiesen.Pneumatic or air motors have proven to be inaccurate in the practice of surgical microscopy, technically awkward and noisy.
Es besteht daher der Wunsch nach verbesserten MR-tauglichen Mikroskopen, die die Nachteile des oben geschilderten Standes der Technik vermeiden.There is therefore a desire for improved MR-compatible microscopes, which avoid the disadvantages of the above-described prior art.
Erfindungsgemäß wird ein MR-taugliches Mikroskop mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, an MR-compatible microscope with the respective features of the independent patent claims is proposed. Advantageous embodiments will become apparent from the respective dependent claims and the following description.
Das erfindungsgemäße Mikroskop verfügt über mindestens einen Aktuator zur Ansteuerung mindestens eines Verstellmechanismus des Mikroskops, wobei dieser mindestens eine Aktuator als elektroaktiver Polymer-(EAP-)Aktuator ausgestaltet ist. Der Verstellmechanismus kann dabei ein Fokussiermechanismus, ein Zoommechanismus und/oder ein Positioniermechanismus am Mikroskop sein. Der Verstellmechanismus kann mit einem optischen Bauelement, wie einem Shutter, einer Linse, einer Blende und/oder einem Spiegel, gekoppelt seien. Diese Mechanismen sind an sich bekannt, so dass hier nicht näher darauf eingegangen werden soll. Beispielsweise ist aus dem
Die Aktuatoren des erfindungsgemäßen Mikroskops können somit vollständig aus nicht-magnetischem Material gebildet sein, wobei vorliegend die Begriffe ”nicht-magnetisch”, ”eisenlos” und ”MR-tauglich” im gleichen Sinne als nicht-magnetisch und nicht-magnetisierbar bzw. diamagnetisch verstanden werden sollen. In diesem Sinne ist es vorteilhaft, wenn das gesamte Mikroskop, insbesondere auch die Verstellmechanismen selbst, aus nicht-magnetischem Material gebildet ist. Hierzu zählen Metalle, Metalllegierungen und Stahllegierungen, die frei von Eisen, Kobalt und Nickel sind.The actuators of the microscope according to the invention can thus be formed entirely from non-magnetic material, in the present case the terms "non-magnetic", "iron-free" and "MR-compatible" in the same sense understood as non-magnetic and non-magnetizable or diamagnetic should be. In this sense, it is advantageous if the entire microscope, in particular the adjusting mechanisms themselves, is formed of non-magnetic material. These include metals, metal alloys and steel alloys that are free of iron, cobalt and nickel.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein stativbefestigtes MR-taugliches Mikroskop, dessen räumliche Position mittels eines Stativs einstellbar ist, an das das Mikroskop befestigt ist, wobei zur Stativverstellung Kupplungen und/oder Bremsen vorgesehen sind. Stative zur Halterung von Mikroskopen sind an sich aus der Fachliteratur bekannt. Kupplungen und Bremsen dienen in solchen Stativen dazu, die jeweiligen Stativarme relativ zueinander zu verstellen und anschließend festzustellen, um die gewünschte Position des Mikroskops anzufahren und anschließend beizubehalten. Erfindungsgemäß sind besagte Kupplungen und/oder Bremsen als elektroaktive Polymer-(EAP-)Kupplungen bzw. -Bremsen ausgestaltet. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das beschriebene MR-taugliche Mikroskop gemäß erstem Aspekt der Erfindung als stativbefestigtes Mikroskop gemäß zweitem Aspekt der Erfindung verwendet wird.According to a second aspect, the present invention relates to a tripod-mounted MR-compatible microscope, the spatial position of which is adjustable by means of a tripod to which the microscope is attached, wherein clutches and / or brakes are provided for the tripod adjustment. Tripods for holding microscopes are known per se from the specialist literature. Clutches and brakes are used in such tripods to adjust the respective tripod arms relative to each other and then determine to move to the desired position of the microscope and then maintain. According to the invention, said clutches and / or brakes are designed as electroactive polymer (EAP) clutches or brakes. In particular, it is advantageous if the described MR-compatible microscope according to the first aspect of the invention is used as a tripod-mounted microscope according to the second aspect of the invention.
Elektroaktive Polymere (EAP) sind an sich, insbesondere als ”künstliche Muskel”, bekannt. Hierzu sei wiederum auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen. Erfindungsgemäß werden solche elektroaktiven Polymere für die Aktuatoren zur Ansteuerung der Verstellmechanismen eines MR-tauglichen Mikroskops eingesetzt. Diese Maßnahme vereint die folgenden Vorteile: Es entfallen voluminöse und schwere Motoren, einschließlich deren Getriebe und Kurvenscheiben zur Ansteuerung der Verstellmechanismen; die Ansteuerung kann mittels elektroaktiven Polymeraktuatoren geräuschlos, ruckfrei, verschleißfest, wartungsarm und reproduzierbar erfolgen. Elektroaktive Polymeraktuatoren können überdies vollständig aus nicht-magnetischem Material hergestellt werden. Die EAP vereinen somit eine Fülle von Vorteilen und ermöglichen überdies ein MR-unterstütztes Operieren am Mikroskop.Electroactive polymers (EAP) are known per se, especially as "artificial muscle". For this purpose, reference is again made to the relevant specialist literature. According to the invention, such electroactive polymers are used for the actuators for controlling the adjustment mechanisms of an MR-compatible microscope. This measure combines the following advantages: It eliminates voluminous and heavy motors, including their gearbox and cams to control the adjustment mechanisms; The control can be carried out by means of electroactive polymer actuators noiseless, jerk-free, wear-resistant, low maintenance and reproducible. Moreover, electroactive polymer actuators can be made entirely of non-magnetic material. The EAPs thus bring a wealth of advantages and also allow MR-assisted surgery on the microscope.
Elektroaktive Polymere sind von Piezoelementen zu unterscheiden, die zwar hohe Leistungsdichten, aber nur vergleichsweise geringe relative Ausdehnungen (0,1 Prozent) erzielen. Bei größeren Verschiebewegen benötigen piezokeramische Aktuatoren eine enorme mechanische Verstärkung. Dem gegenüber besitzen elektroaktive Polymere relative Ausdehnungen von 10 bis 100 Prozent, teils sogar bis über 300 Prozent, womit sie im Bereich des menschlichen Muskels (20 Prozent) liegen und diesen übertreffen. Elektroaktive Polymeraktuatoren werden auch als dielektrische Elastomeraktuatoren (DEA) bezeichnet. Durch Anlegen einer Spannung über das dort eingesetzte Polymermaterial werden die DEAs in einer Richtung senkrecht zum Spannungsabfall zusammengezogen bzw. ausgedehnt. Die relative Ausdehnung ist proportional zum Quadrat der angelegten Spannung und zur Dielektrizitätskonstante. Zum Antrieb der DEAs werden häufig Spannungen oberhalb 1 kV eingesetzt. Durch Anordnung als Stapel oder Röhrchen können die DEAs stärkere Antriebskräfte bzw. Verschiebewege bewirken. Für weitere Informationen zu Eigenschaften, Anordnungen, Aufbau und Funktionsweise von elektroaktiven Polymeren und EAP-Aktuatoren sei auf die Veröffentlichung
Die Verwendung von elektroaktiven Polymeren für ein Tripod oder Hexapod zur Bewegung eines daran angebrachten Objektes ist in der Offenlegungsschrift
Die erfindungsgemäß eingesetzten EAP-Aktuatoren weisen im Vergleich zu bestehenden Aktuatorkonzepten die Vorteile von geringen Herstellungskosten, geringer mechanischer Komplexität, großer Robustheit und geringen Gewichts auf. Durch die Verwendung stapelweiser angeordneter EAP-Aktuatoren kann eine Verschiebelänge von einigen Zentimetern bei einer Tragkraft von einigen Kilogramm gewährleistet werden. Somit sind derartige elektroaktive Polymeraktuatoren hervorragend für MR-taugliche Operationsmikroskope geeignet. Bei Operationsmikroskopen wird in der Regel das Objekt in seiner Position festgehalten, während die Optik des Operationsmikroskops in X-/Y-Richtung (evtl. auch in Z-Richtung) bewegt wird. Die einzelnen Bewegungen können über die genannten EAP-Aktuatoren bewerkstelligt werden. Weiterhin können EAP-Aktuatoren für eine Verschiebung von Linsen im Operationsmikroskop (zur Fokussierung und/oder Zoomeinstellung) verwendet werden sowie zur Betätigung von Shuttern, Blenden, Spiegeln und anderen optischen Bauelementen.The EAP actuators used according to the invention have the advantages of low production costs, low mechanical complexity, high robustness and low weight compared to existing actuator concepts. By using stacked EAP actuators, a displacement of a few centimeters can be guaranteed with a load capacity of a few kilograms. Thus, such electroactive polymer actuators are well suited for MR-compatible surgical microscopes. In surgical microscopes usually the object is held in its position while the optics of the surgical microscope in the X- / Y-direction (possibly also in the Z-direction) is moved. The individual movements can be accomplished via the mentioned EAP actuators. Furthermore, EAP actuators can be used for a shift of lenses in the surgical microscope (for focusing and / or zoom adjustment) as well as for operating shutters, screens, mirrors and other optical components.
Die geschilderte Funktionsweise der elektroaktiven Polymere kann auch zum Aufbau von EAP-Kupplungen und -Bremsen eingesetzt werden. Beispielsweise können zwei Bremsscheiben über zumindest einen an einer Bremsscheibe angeordneten EAP-Aktuator aufeinander zubewegt und aufeinander gepresst bzw. wieder von einander wegbewegt werden, um eine Bremse zu realisieren. Eine andere Möglichkeit der Realisierung einer Bremse oder einer feststellbaren Kupplung besteht darin, ein EAP-Element zwischen zwei gegeneinander bewegliche Teile einzubringen und zwar derart, dass beim Anlegen einer entsprechenden Spannung und der daraus resultierenden Formveränderung des EAP-Elements letzteres fest gegen die beiden Teile gedrückt wird, so dass diese bei entsprechender Lagerung nicht weiter relativ zueinander beweglich sind. Schließlich besteht beispielsweise noch die Möglichkeit, den Abstand zwischen zwei gegeneinander beweglichen Teilen über ein EAP-Element derart zu regeln, dass beim Anlegen einer entsprechenden Spannung und der hieraus resultierenden Formänderungen des EAP-Elements die beiden Teile gegeneinander gepresst werden, so dass eine relative Bewegung zueinander nicht mehr möglich ist. Bezüglich dieser und weiterer möglichen Ausführungsformen von Bremsen und/oder Kupplungen unter Einsatz von EAP-Elementen sei auch auf die Ausführungsbeispiele verwiesen.The described mode of operation of the electroactive polymers can also be used for the construction of EAP couplings and brakes. For example, two brake disks can be moved towards one another via at least one EAP actuator arranged on a brake disk and pressed against one another or moved away from one another again in order to realize a brake. Another possibility of realizing a brake or a lockable coupling is to introduce an EAP element between two mutually movable parts in such a way that when applying a corresponding voltage and the resulting change in shape of the EAP element latter pressed firmly against the two parts is so that they are not further relative to each other with appropriate storage. Finally, for example, it is still possible to regulate the distance between two mutually movable parts via an EAP element such that upon application of a corresponding voltage and the resulting shape changes of the EAP element, the two parts are pressed against each other, so that a relative movement each other is no longer possible. With regard to these and other possible embodiments of brakes and / or clutches using EAP elements, reference is also made to the exemplary embodiments.
Bezüglich der sonstigen Aspekte des Aufbaus und der Funktionsweise von EAP-Kupplungen bzw. -Bremsen sei explizit und vollständig auf die Ausführungen im Zusammenhang mit den EAP-Aktuatoren hingewiesen. Sämtliche dort geschilderten Vorteile lassen sich auch vorliegend erzielen. Zur Vermeidung unnötiger Redundanzen sei auf eine Wiederholung der bereits geschilderten Tatsachen verzichtet, ohne die entsprechende Offenbarung schmälern zu wollen.With regard to the other aspects of the design and operation of EAP clutches or brakes, reference should be made explicitly and completely to the statements made in connection with the EAP actuators. All there described advantages can be achieved in the present case. To avoid unnecessary redundancies, a repetition of the already described facts is dispensed with, without wishing to diminish the corresponding disclosure.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.The invention is illustrated schematically with reference to an embodiment in the drawing and will be described in detail below with reference to the drawing.
Figurenbeschreibungfigure description
Im hier geschilderten Beispiel ist das Stativ
Anhand von
Lediglich zur leichteren Verständlichkeit seien die wesentlichen Bestandteile des in
Das definierte Verschieben der beiden optischen Elemente
Die EAP-Aktuatoren
In
Die
Die beiden relativ zueinander beweglichen Teile
Das Ausführungsbeispiel gemäß
Anhand von
Wiederum kann die Ausführungsform gemäß
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- OperationsmikroskopsystemSurgical microscope system
- 22
- Mikroskopmicroscope
- 33
- Stativtripod
- 3a3a
- Stativfußstand base
- 3b–c3b-c
- Tragarmecarrying arms
- 44
- Verstellmechanismusadjustment
- 5 5
- Haltearmholding arm
- 66
- optische Achseoptical axis
- 77
- Ebenelevel
- 8–108-10
- Kupplungenclutches
- 1111
- Gehäusecasing
- 1212
- Hauptobjektivmain objective
- 13, 14, 1513, 14, 15
- optische Komponenten, Linsengliederoptical components, lens elements
- 1616
- Binokulartubusbinocular
- 1717
- optische Achseoptical axis
- 18, 1918, 19
- EAP-AktuatorEAP actuator
- 2020
- ZoomsystemZoom system
- 2323
- Lichtleiteroptical fiber
- 24, 2524, 25
- Beleuchtungsoptikillumination optics
- 2626
- Umlenkelementdeflecting
- 2727
- Umlenkelementdeflecting
- 2828
- Dokumentationseinheitdocumentation unit
- 2929
- Umlenkelementdeflecting
- 3030
- EAP-ElementEAP element
- 31, 3231, 32
- Teilpart
- 3333
- EAP-Kupplung, -BremseEAP clutch, brake
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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R003 | Refusal decision now final |
Effective date: 20121218 |