DE102009060514A1

DE102009060514A1 - Spulensystem und Verfahren zur berührungslosen magnetischen Navigation eines magnetischen Körpers in einem Arbeitsraum

Info

Publication number: DE102009060514A1
Application number: DE102009060514A
Authority: DE
Inventors: Henrik 91054 Keller
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2011-06-30
Also published as: WO2011076497A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Spulensystem zur berührungslosen magnetischen Navigation eines magnetischen Körpers (1) in einem mit einer Flüssigkeit gefüllten Arbeitsraum (2), wobei das Spulensystem eine Mehrzahl von Spulen und eine Stromsteuerung zur Steuerung der jeweiligen Ströme in der Mehrzahl von Spulen umfasst, wobei die Stromsteuerung derart ausgebildet ist, dass aufgrund des von wenigstens einer Spule erzeugten Magnetfeldes auf den magnetischen Körper (1) wenigstens ein variabel vorgebbarer Kraftvektor (12, 13) wirkt, der parallel zu einer Längsachse des magnetischen Körpers (1) verläuft. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur berührungslosen magnetischen Navigation eines magnetischen Körpers (1) in einem mit einer Flüssigkeit gefüllten Arbeitsraum (2) mithilfe eines Spulensystems, wobei auf den magnetischen Körper (1) wenigstens ein variabel vorgebbarer Kraftvektor (12, 13) wirkt, der parallel zu einer Längsachse des magnetischen Körpers (1) verläuft. Mit diesem Spulensystem bzw. durch dieses Verfahren ist ein magnetischer Körper (1) in einem Arbeitsraum (2) auf einfache Weise berührungslos in eine gewünschte Position navigierbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Spulensystem und ein Verfahren zur berührungslosen magnetischen Navigation eines magnetischen Körpers in einem Arbeitsraum.
Bei einem Spulensystem zur berührungslosen magnetischen Navigation eines magnetischen Körpers wird mit einer Mehrzahl von Spulen ein Magnetfeld erzeugt, welches mit dem magnetischen Körper wechselwirkt, wodurch magnetische Kräfte und Drehmomente generiert werden, welche eine Bewegung des magnetischen Körpers verursachen. Über die entsprechenden Ströme in den einzelnen Spulen des Spulensystems können dabei die magnetische Kraft und das magnetische Drehmoment, welche auf den magnetischen Körper wirken, geeignet eingestellt werden.
Spulensysteme der vorgenannten Art werden insbesondere im medizinischen Bereich eingesetzt. Dabei ist der magnetische Körper als Endoskopiekapsel (auch als Kapselendoskop bezeichnet) ausgeführt. Mit dieser Endoskopiekapsel wird ein Patient im Arbeitsraum des Spulensystems untersucht. In diesem Arbeitsraum, der von außen zugänglich ist, wirken die magnetischen Kräfte des Spulensystems auf den magnetischen Körper. Zur Durchführung der Untersuchung werden der magnetische Körper, der sich im Patienten befindet, sowie der zu untersuchende Teil des Patientenkörpers in den Arbeitsraum des Spulensystems eingebracht. Der magnetische Körper (Endoskopiekapsel, Kapselendoskop) stellt dabei eine Sonde dar, mit der Messungen an – insbesondere Bildaufnahmen von – inneren Organen des Patienten gemacht werden können.
Die Endoskopiekapsel weist ein biokompatiblen Gehäuse auf, in dem wenigstens ein Magnetelement zur Navigation mittels eines von einem externen Magnetsystem erzeugbaren Magnetfeldes sowie wenigstens eine Sensoreinrichtung zur Erfassung medizinisch relevanter Daten und/oder wenigstens eine Therapievorrichtung zur Verabreichung eines Therapiemittels angeordnet sind.
Eine derartige Endoskopiekapsel, die auch als Kapselendoskop bezeichnet wird, ist beispielsweise aus der DE 101 42 253 C1 sowie aus der korrespondierenden US 2003/0060702 A1 bekannt. und wird dort als ”Endoroboter” bzw. ”endo-robot” bezeichnet. Der aus der DE 101 42 253 C1 bekannte Endoroboter kann mittels eines Magnetfeldes, das von einem externen (d. h. außerhalb des Patienten angeordneten) Magnetsystem (Spulensystem) erzeugt wird, in einem Hohlorgan (z. B. Magen-Darm-Trakt) eines Patienten navigiert werden. Über ein integriertes System zur Lagekontrolle, das eine Positionsmessung des Endoroboters und eine automatische Regelung des Magnetfeldes bzw. der Spulenströme umfasst, können automatisch Änderungen der Lage des Endoroboters im Hohlorgan des Patienten erkannt und kompensiert werden. Weiterhin kann der Endoroboter gezielt in gewünschte Regionen des Hohlorgans navigiert werden. Diese Art der Kapselendoskopie wird deshalb auch als MGCE (Magnetically Guided Capsule Endoscopy – magnetisch geführte Kapselendoskopie) bezeichnet.
Bei einer Gastroskopie (endoskopisch durchgeführte Untersuchung des menschlichen oder tierischen Magens) wird die Endoskopiekapsel dem Patienten oral verabreicht und gelangt über die Speiseröhre in den Magen. Während der Gastroskopie werden verschiedene Größen, Messwerte oder Proben im Inneren des Magens aufgenommen und einem Arzt oder Assistenten zur Auswertung zur Verfügung gestellt. Beispielsweise werden Inhaltsstoffe oder Konzentrationen des Mageninhalts gemessen, die chemische Zusammensetzung des Magensaftes bestimmt oder Bilddaten von der Magenschleimhaut gesammelt.
Zur Übertragung von Messdaten aus dem Inneren des Magens steht die Endoskopiekapsel z. B. über eine Funkverbindung mit einer in der Nähe des Patienten aufgestellten Übertragungsstation in Verbindung. Zur gezielten Aufnahme von Mess- und/oder Bilddaten aus bestimmten Regionen des Magens ist die Endoskopiekapsel entsprechend magnetisch navigierbar. Im Gegensatz zur konventionellen Gastroskopie wird der Magen bei der Kapselendoskopie nicht mit einem Gas, sondern mit Hilfe einer zugeführten Flüssigkeit (Trinklösung, z. B. Wasser) aufgeweitet, die wahlweise mit einer Magensonde in den Magen des Patienten verbracht wird oder die dem Patienten zur selbstständigen Aufnahme verabreicht wird.
Das Gehäuse der Endoskopiekapsel ist beispielsweise entweder ellipsoidförmig oder zylinderförmig ausgebildet. Ein zylinderförmig ausgebildetes Gehäuse weist in wenigstens einem seiner beiden stirnseitigen Bereiche eine halbsphärische Kappe auf. Vorzugsweise weisen beide stirnseitigen Bereiche des Gehäuses jeweils eine halbsphärische Kappe aus einem optisch transparenten Material auf. Eine derartige Endoskopiekapsel kann dann an beiden stirnseitigen Bereichen jeweils eine optische Sensoreinrichtung (z. B. CMOS-Kamera oder CCD-Chip) aufweisen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Spulensystem zu schaffen, mit dem ein magnetischer Körper in einem Arbeitsraum auf einfache Weise berührungslos in eine gewünschte Position navigiert werden kann.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein magnetischer Körper in einem Arbeitsraum auf einfache Weise berührungslos in eine gewünschte Position navigiert werden kann.
Die Aufgabe wird durch ein Spulensystem gemäß Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
Das erfindungsgemäße Spulensystem nach Anspruch 1 dient zur berührungslosen magnetischen Navigation eines magnetischen Körpers in einem mit einer Flüssigkeit gefüllten Arbeitsraum und umfasst eine Mehrzahl von Spulen und eine Stromsteuerung zur Steuerung der jeweiligen Ströme in der Mehrzahl von Spulen. Erfindungsgemäß ist die Stromsteuerung derart ausgebildet, dass aufgrund des von wenigstens einer Spule erzeugten Magnetfeldes auf den magnetischen Körper ein variabel vorgebbarer Kraftvektor wirkt, der parallel zu einer Längsachse des magnetischen Körpers verläuft.
Das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 6 dient zur berührungslosen magnetischen Navigation eines magnetischen Körpers in einem mit einer Flüssigkeit gefüllten Arbeitsraum mithilfe eines Spulensystems. Erfindungsgemäß wirkt auf den magnetischen Körper ein variabel vorgebbarer Kraftvektor, der parallel zu einer Längsachse des magnetischen Körpers verläuft.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist der auf den magnetischen Körper wirkende Kraftvektor, der von wenigstens einer Magnetspule (Spule des externen Spulensystems) generiert wird, variabel einstellbar. Dies ermöglicht einem Benutzer den Kraftvektor auf eine gewünschte Richtung und auf eine gewünschte Strecke für die Bewegung des magnetischen Körpers einzustellen. Die Einstellung des Kraftvektors erfolgt hierbei unter Berücksichtigung der Auftriebskraft, die die im Arbeitsraum vorhandene Flüssigkeit auf den magnetischen Körper ausübt. Damit ist eine zielgerichtete Bewegung des magnetischen Körpers im Arbeitsraum problemlos möglich.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Anspruch 2 (Spulensystem) bzw. gemäß Anspruch 7 (Verfahren) ist der Kraftvektor interaktiv beeinflussbar.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform gemäß Anspruch 3 (Spulensystem) bzw. gemäß Anspruch 8 (Verfahren) ist der Kraftvektor um eine Rotationsachse um einen variabel vorgebbaren Rotationswinkel drehbar, wobei die Rotationsachse parallel zu einer Querachse des magnetischen Körpers verläuft (Anspruch 4 bzw. Anspruch 9).
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden im Folgenden anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch auf das erläuterte Ausführungsbeispiel beschränkt zu sein. Es zeigen:
1 eine zielgerichtete Bewegung eines magnetischen Körpers in der Form einer Endoskopiekapsel für medizinische Anwendungen,
2 eine Bewegung der Endoskopiekapsel gemäß 1 bei einer Steigung und
3 eine Bewegung der Endoskopiekapsel gemäß 1 bei einem Gefälle.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Gastroskopie bei einem Patienten erläutert. Bei einer Gastroskopie handelt es sich um eine endoskopisch durchgeführte Untersuchung eines menschlichen oder tierischen Magens.
Der bei der erfindungsgemäßen Lösung vorgesehene magnetische Körper ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Endoskopiekapsel 1 ausgeführt. Eine derartige Endoskopiekapsel, die auch als Kapselendoskop bezeichnet wird, ist beispielsweise aus der DE 101 42 253 C1 sowie aus der korrespondierenden US 2003/0060702 A1 bekannt und wird dort als ”Endoroboter” bzw. ”endo-robot” bezeichnet.
Die Endoskopiekapsel 1 wird hierbei dem Patienten oral verabreicht und gelangt über die Speiseröhre in den Magen 2. Während der Gastroskopie werden verschiedene Größen bzw. Messwerte im Inneren des Magens 2 aufgenommen und einem Arzt oder einem Assistenten zur Auswertung zur Verfügung gestellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden Bilddaten von den Wänden 3a und 3b des Magens 2 gesammelt.
Die Endoskopiekapsel 1 weist ein biokompatibles Gehäuse auf, in dem wenigstens ein Magnetelement zur berührungslosen Navigation mittels eines von einem externen Spulensystem erzeugten Magnetfeldes angeordnet ist. Im Folgenden werden die in der Zeichnung nicht dargestellten Spulen des externen Spulensystems auch als ”Magnetspulen” bezeichnet Das in der Endoskopiekapsel 1 angeordnete Magnetelement ist aus Gründen der Übersichtlichkeit ebenfalls nicht dargestellt.
Das Gehäuse der Endoskopiekapsel 1 ist zylinderförmig ausgebildet und weist an seinen beiden stirnseitigen Bereichen jeweils eine halbsphärische Kappe 4 bzw. 5 aus einem optisch transparenten Material auf. In beiden stirnseitigen Bereichen ist jeweils eine optische Sensoreinrichtung (z. B. CMOS-Kamera oder CCD-Chip, ebenfalls in den 1 und 2 nicht dargestellt) angeordnet, die die Bilddaten über die transparente Kappe 4 und/oder über die transparente Kappe 5 empfängt.
Bei einer Gastroskopie mittels MGCE (Magnetically Guided Capsule Endoscopy) im Magen 2 wird mit Hilfe der vom Patienten geschluckten Endoskopiekapsel 1 Bildmaterial von der Wand 3 des Magens 2 (Magenwand) gewonnen. Die Endoskopiekapsel 1 wird hierzu in einer vom Patienten getrunkenen Flüssigkeit bewegt. Damit bei der so durchgeführten Endoskopie von allen Bereichen des Magens 2 gute Bilddaten erfasst werden können, sind geeignete Steuerungsmethodiken für das Schwimmverhalten der Endoskopiekapsel 1 notwendig, um einerseits auch schwer zugängliche Stellen zu erreichen und um andererseits eine optimale Position der Endoskopiekapsel 1 und somit einen optimalen Kamerawinkel für bestmögliche Bilddaten von allen Wänden 3a und 3b des Magens 2 (Mageninnenseite) zu erhalten.
Erfindungsgemäß wird von wenigstens einer Magnetspule (Spule des externen Spulensystems) wenigstens ein geeigneter Kraftvektor generiert, der vom Benutzer variabel vorgebbar ist und der parallel zu einer Längsachse der Endoskopiekapsel 1 verläuft.
Dies ermöglicht einem Benutzer den Kraftvektor auf eine gewünschte Richtung und auf eine gewünschte Strecke für die Bewegung der Endoskopiekapsel 1 einzustellen. Die Einstellung des Kraftvektors erfolgt hierbei unter Berücksichtigung der Auftriebskraft, die die im Magen 2 vorhandene Flüssigkeit auf die Endoskopiekapsel 1 ausübt. Damit ist eine zielgerichtete Bewegung der Endoskopiekapsel 1 im Magen 2 problemlos möglich.
Wie aus 1 ersichtlich ist, wird die Endoskopiekapsel 1 in einem ersten Bewegungsbeispiel von einer Oberfläche 11 der Flüssigkeit zielgerichtet zur Magenwand 3a bewegt. In einem zweiten Bewegungsbeispiel wird die Endoskopiekapsel 1 von einer unteren Magenwand 3a zu einer oberen Magenwand 3b bewegt. Die Bewegungsrichtung ist hierbei mit 6 bezeichnet, wobei die Endoskopiekapsel 1 in ihrer Ausgangsposition gestrichelt und in ihrer Zielposition mit durchgezogenen Linien dargestellt ist. Diese Darstellung der Endoskopiekapsel 1 wurde auch in den 2 und 3 gewählt. Die Endoskopiekapsel 1 bewegt sich hierbei mit einer ihrer Enden voran. Bei dem in 1 gezeigten Bewegungsvorgang ist dies jeweils die halbsphärische Kappe 4.
In 2 ist die Bewegung der Endoskopiekapsel 1 bei einer auftretenden starken Steigung dargestellt. Um die Endoskopiekapsel 1 entlang einer derartigen Steigung zielsicher zu bewegen, wird der von wenigstens einer Spule des externen Spulensystems generierte Kraftvektor interaktiv beeinflusst.
Die vom Benutzer gewünschte Richtung der Endoskopiekapsel 1 wird durch eine Änderung der Richtung des Kraftvektors 12 (untere Magenwand 3a) bzw. durch eine Änderung der Richtung des Kraftvektors 13 (obere Magenwand 3b) erreicht.
Bei der Endoskopiekapsel 1, die die untere Magenwand 3a berührt, ist die ursprüngliche Richtung des Kraftvektors 12 mit 12a und die neue Richtung Kraftvektors 12 mit 12b bezeichnet. Die Richtungsänderung des Kraftvektors 12 von 12a nach 12b wird dadurch erreicht, dass der Kraftvektor 12 um eine Rotationsachse, die parallel zu einer Querachse der Endoskopiekapsel 1 verläuft, um einen variabel vorgebbaren Rotationswinkel 15 gedreht wird.
Bei der Endoskopiekapsel 1, die die obere Magenwand 3b berührt, ist die ursprüngliche Richtung des Kraftvektors 13 mit 13a und die neue Richtung Kraftvektors 13 mit 13b bezeichnet. Die Richtungsänderung des Kraftvektors 13 von 13a nach 13b wird dadurch erreicht, dass der Kraftvektor 13 um eine Rotationsachse, die parallel zu einer Querachse der Endoskopiekapsel 1 verläuft, um einen variabel vorgebbaren Rotationswinkel 16 gedreht wird.
In 3 ist die Bewegung der Endoskopiekapsel 1 bei einem auftretenden starken Gefälle dargestellt. Um die Endoskopiekapsel 1 entlang eines derartigen Gefälles zielsicher zu bewegen, wird der von wenigstens einer Spule des externen Spulensystems generierte Kraftvektor wiederum interaktiv beeinflusst.
Die vom Benutzer gewünschte Richtung der Endoskopiekapsel 1 wird durch eine Änderung der Richtung des Kraftvektors 12 (untere Magenwand 3a) bzw. durch eine Änderung der Richtung des Kraftvektors 13 (obere Magenwand 3b) erreicht.
Bei der Endoskopiekapsel 1, die die untere Magenwand 3a berührt, ist die ursprüngliche Richtung des Kraftvektors 12 mit 12a und die neue Richtung Kraftvektors 12 mit 12b bezeichnet. Die Richtungsänderung des Kraftvektors 12 von 12a nach 12b wird dadurch erreicht, dass der Kraftvektor 12 um eine Rotationsachse, die parallel zu einer Querachse der Endoskopiekapsel 1 verläuft, um einen variabel vorgebbaren Rotationswinkel 15 gedreht wird.
Bei der Endoskopiekapsel 1, die die obere Magenwand 3b berührt, ist die ursprüngliche Richtung des Kraftvektors 13 mit 13a und die neue Richtung Kraftvektors 13 mit 13b bezeichnet.
Die Richtungsänderung des Kraftvektors 13 von 13a nach 13b wird dadurch erreicht, dass der Kraftvektor 13 um eine Rotationsachse, die parallel zu einer Querachse der Endoskopiekapsel 1 verläuft, um einen variabel vorgebbaren Rotationswinkel 16 gedreht wird.
Durch die vorgeschlagene Steuerungsmethodik lassen sich mit der Endoskopiekapsel 1 einerseits anatomisch enge und damit schwer zugängliche Bereiche im Magen 2 erreichen und andererseits kann die Endoskopiekapsel 1 mit der erläuterten Lösung auch an Magenwänden 3a und 3b mit starken Steigungen bzw. starken Gefällen problemlos navigiert werden. Gleichzeitig können durch das vorgeschlagene Steuerungsverfahren Kamerawinkel eingestellt werden, die für Aufnahmen mithilfe des Endoskopiekapsel 1 optimal sind und eine vollständige Erfassung der Magenwände 3a und 3b ermöglichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10142253 C1 [0005, 0005, 0022]
US 2003/0060702 A1 [0005, 0022]

Claims

Spulensystem zur berührungslosen magnetischen Navigation eines magnetischen Körpers (1) in einem mit einer Flüssigkeit gefüllten Arbeitsraum (2), wobei das Spulensystem eine Mehrzahl von Spulen und eine Stromsteuerung zur Steuerung der jeweiligen Ströme in der Mehrzahl von Spulen umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsteuerung derart ausgebildet ist, dass aufgrund des von wenigstens einer Spule erzeugten Magnetfeldes auf den magnetischen Körper (1) wenigstens ein variabel vorgebbarer Kraftvektor (12, 13) wirkt, der parallel zu einer Längsachse des magnetischen Körpers (1) verläuft.
Spulensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftvektor (12, 13) interaktiv beeinflussbar ist.
Spulensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftvektor (12, 13) um eine Rotationsachse um einen variabel vorgebbaren Rotationswinkel (15, 16) drehbar ist.
Spulensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse parallel zu einer Querachse des magnetischen Körpers verläuft.
Spulensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Körper (1) als Endoskopiekapsel ausgebildet ist und ein Organ eines Patienten den Arbeitsraum (2) bildet.
Verfahren zur berührungslosen magnetischen Navigation eines magnetischen Körpers (1) in einem mit einer Flüssigkeit gefüllten Arbeitsraum (2) mithilfe eines Spulensystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf den magnetischen Körper (1) wenigstens ein variabel vorgebbarer Kraftvektor (12, 13) wirkt, der parallel zu einer Längsachse des magnetischen Körpers (1) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftvektor (12, 13) interaktiv beeinflusst wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftvektor (12, 13) um eine Rotationsachse um einen variabel vorgebbaren Rotationswinkel (15, 16) gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse parallel zu einer Querachse des magnetischen Körpers (1) verläuft.
Medizinisches Gerät, gekennzeichnet durch ein Spulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spulensystem derart ausgestaltet ist, dass ein Patient in einem Arbeitsraum des Spulensystems positionierbar ist und durch die Stromsteuerung des Spulensystems ein magnetischer Körper (1) in Form einer Sonde zur Untersuchung eines Organs (2) des Patienten an eine vorgebbare Position innerhalb des Organs (2) navigierbar ist.
Medizinisches Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde als Endoskopiekapsel (1) ausgebildet ist, die durch die Stromsteuerung des Spulensystems an eine vorgebbare Position innerhalb eines Magens (2) navigierbar ist.