DE102011004825A1

DE102011004825A1 - Verfahren und Einrichtung zum Steuern des Transports einer ein magnetisches Moment aufweisenden Endoskopkapsel

Info

Publication number: DE102011004825A1
Application number: DE102011004825A
Authority: DE
Inventors: Stefan Förtsch; Aleksandar Juloski; Nadine Kuhnert; Rainer Kuth; Wolfgang Schmidt; Thomas de Rossi
Original assignee: Siemens AG; Universitaetsklinikum Erlangen; Siemens Corp
Current assignee: Invandus De GmbH
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2012-08-30
Anticipated expiration: 2031-03-01
Also published as: CN103327884B; DE102011004825B4; CN103327884A; WO2012116951A1

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Einrichtung zum Steuern des Transports einer ein magnetisches Moment aufweisenden Endoskopkapsel (2) durch die Speiseröhre (4) eines Patienten, die Endoskopkapsel (2) in einer Richtung einer Längsachse (8) eine größere Ausdehnung aufweist als in den dazu senkrechten Querrichtungen (10), wird zum Verändern der zwischen Endoskopkapsel (2) und Wand des Speiseröhre (4) auftretenden Reibung auf die Endoskopkapsel (2) durch Anlegen eines Magnetfeldes (B) ein Drehmoment (M) senkrecht zu dieser Längsachse (8) ausgeübt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Steuern des Transports einer ein magnetisches Moment aufweisenden Endoskopkapsel bei der Durchführung einer endoskopischen Untersuchung der Speiseröhre eines Patienten.
Zur optischen Untersuchung der Innenoberfläche eines im Körper eines Lebewesens befindlichen Hohlorgans ist es beispielsweise aus der DE 10 142 253 C1 bekannt, in das Hohlorgan eine magnetische Endoskopkapsel einzubringen, die ohne feste Verbindung nach außen im Hohlorgan durch externe Magnetfelder frei manövrierbar ist. Diese externen Magnetfelder können mit Spulenanordnungen erzeugt werden, wie sie beispielsweise aus der DE 10 2008 004 871 A1 bekannt sind.
Zur Vorbereitung einer Untersuchung des Magen-Darm-Traktes eines Patienten fastet dieser für etliche Stunden und trinkt Wasser, um den Magen zu leeren und zu reinigen. Unmittelbar vor Beginn der Untersuchung trinkt der Patient erneut Wasser, um den Magen zu füllen. Anschließend wird die Endoskopkapsel aktiviert und beginnt mit der Aufnahme und Übermittlung von Videobildern. Der Patient schluckt die aktivierte Endoskopkapsel, die durch die Speiseröhre (Ösophagus) in den mit Wasser gefüllten Magen transportiert wird. Ein wesentliches Ziel einer solchen Untersuchung ist dabei auch die Untersuchung der Speiseröhre selbst, um dort präkanzerogene Läsionen oder Bedingungen, beispielsweise das sogenannte Barrett-Syndrom bzw. das Vorhandensein einer chronischen Refluxösophagitis (chronic gastroesophageal reflux disease, GERD) diagnostizieren zu können.
Auf Grund der in der Regel relativ kurzen Zeit, die die Endoskopkapsel benötigt, um die Speiseröhre zu passieren, werden bei einer typischen Bilderzeugungsrate von etwa 2 Bildern pro Sekunde nur wenige Bilder von der Speiseröhre aufgenommen, so dass in vielen Fällen insbesondere Bilder aus der die für eine Diagnose besonders bedeutsamen Region, nämlich aus dem Übergang zwischen der Speiseröhre und dem Magen fehlen. Darüber hinaus kann auch der Fall auftreten, dass die Endoskopkapsel in der Speiseröhre stecken bleibt, so dass diese nur durch erneutes Trinken von Wasser in den Magen weitertransportiert wird.
Zum Verlangsamen des Transports einer Endoskopkapsel durch die Speiseröhre ist es beispielsweise aus der WO 2009/060460 A2 bekannt, eine mit einem Magneten versehene Endoskopkapsel mit Hilfe eines externen Magneten kontrolliert durch die Speiseröhre zu bewegen. Hierzu ist entweder vorgesehen, des externen Magneten entlang einer unmittelbar am Patienten parallel zur Speiseröhre des Patienten angeordneten Führung zu verschieben oder am Patienten mehrere einzeln ansteuerbare Elektromagnete anzuordnen, die entlang einer annähernd parallel zur Speiseröhre verlaufenden Linie angeordnet sind. Durch die von dem oder den Magneten auf die Endoskopkapsel ausgeübte abstoßende oder anziehende Kraft, wird diese in der jeweils gewünschten Position festgehalten.
Um auf diese Weise ein kontrolliertes Bewegen der Endoskopkapsel in der Speiseröhre zu ermöglichen und diese beispielsweise gegen die Wirkung der durch die Peristaltik der Speiseröhre ausgeübten Kräfte festzuhalten, werden jedoch starke Magnetfelder mit einem hohen Gradienten und dementsprechend große und unhandliche Magneten benötigt. Derartige starke Magnetfelder bzw. Magnetfeldgradienten stehen insbesondere bei der magnetgeführten Kapselendoskopie, bei der die Magnetfelder durch eine den Patienten umgebende Spulenanordnung erzeugt werden, nicht zur Verfügung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Steuern des Transports einer ein magnetisches Moment aufweisenden Endoskopkapsel durch die Speiseröhre eines Patienten anzugeben, mit dem es auch durch relativ schwache Magnetfelder, wie sie bei der magnetgeführten Kapselendoskopie vorliegen, möglich ist diesen Transport durch die Speiseröhre zu verlangsamen, um eine höhere Anzahl von Bildern aus diagnostisch relevanten Zonen aufnehmen zu können. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen wird eine Endoskopkapsel verwendet, die in Richtung einer Längsachse eine größere Ausdehnung aufweist als in den dazu senkrechten Querrichtungen, und es wird zum Verändern der zwischen Endoskopkapsel und Wand der Speiseröhre auftretenden Reibung auf die Endoskopkapsel durch Anlegen eines Magnetfeldes ein Drehmoment senkrecht zu dieser Längsachse ausgeübt.
Die Erfindung beruht dabei auf der Überlegung, dass zum Ausüben eines Drehmomentes auf einen Magneten, d. h. zum Ausrichten des Magneten ein Gradient des Magnetfeldes nicht vorliegen muss. Vielmehr reicht schon ein relativ schwaches Magnetfeld aus, das darüber hinaus nicht inhomogen sein muss, um eine solche Ausrichtung zu erzielen. Physikalische Ursache hierfür ist die Tatsache, dass das magnetische Drehmoment proportional zum Magnetfeld ist, während die Kraft proportional zum Magnetfeldgradienten ist, der mit wachsendem Abstand vom Magneten mit einer höheren Potenz abnimmt als die Magnetfeldstärke. Da eine Endoskopkapsel verwendet wird, die in einer Richtung einer Längsachse eine größere Ausdehnung aufweist als in Querrichtungen dazu, ist es durch Ausüben eines Drehmomentes möglich, die in der Regel mit ihrer Längsachse beim Transport durch die Speiseröhre annähernd parallel zu deren Längsrichtung oder Längserstreckung ausgerichtete Endoskopkapsel so zu drehen, dass deren Längsachse nicht mehr parallel zu dieser Längsrichtung ausgerichtet ist. Mit anderen Worten: Die Endoskopkapsel wird durch Anlegen eines Magnetfeldes so ausgerichtet, dass ihre Längsachse einen von Null verschiedenen Winkel zur Längsrichtung der Speiseröhre bzw. genauer zur Richtung der Mittellängsachse der Speiseröhre am aktuellen Ort der Endoskopkapsel aufweist. Das Magnetfeld muss hierzu ein Drehmoment senkrecht zur Längsachse ausüben, d. h. eine von Null verschiedene vektorielle Komponente aufweist, die senkrecht zur Längsachse orientiert ist. Dadurch wird die zwischen der Endoskopkapsel und Innenwand der Speiseröhre auftretende Reibung soweit vergrößert, dass die Transportgeschwindigkeit entsprechend reduziert wird oder der Transport zumindest kurzfristig unterbunden wird. Das zur Ausrichtung der Endoskopkapsel erforderliche Magnetfeld muss dementsprechend eine zum magnetischen Moment der Endoskopkapsel senkrechte Komponente aufweisen. Wenn das magnetische Moment der Endoskopkapsel senkrecht zu deren Längsachse orientiert ist, muss das Magnetfeld eine parallel zur Längsachse gerichtete Komponente haben. Dementsprechend muss das Magnetfeld bei einem parallel zur Längsachse orientierten magnetischen Moment eine senkrecht zur Längsachse gerichtete Komponente aufweisen.
Um eine solche erfindungsgemäße Ausrichtung der Endoskopkapsel zu erzielen, reichen insbesondere die in einem zur magnetgeführten Kapselendoskopie verwendeten und beispielsweise aus der DE 10 2008 004 871 A1 bekannten Magnetsystem erzeugten Magnetfelder aus, obwohl mit diesem Magnetsystem technisch bedingt nur Magnetfeldgradienten erzeugt werden können, mit denen parallel zum magnetischen Moment auf die Endoskopkapsel nur magnetische Kräfte im Bereich von etwa 10 mN auf die Endoskopkapsel ausgeübt werden können, die nicht ausreichen würden, den Transport der Endoskopkapsel gegen die Wirkung der von der Peristaltik ausgeübten Kräfte in der Speiseröhre in dem gewünschten Ausmaß zu verlangsamen.
Wenn das Magnetfeld derart orientiert ist, dass auf die Endoskopkapsel ein Drehmoment parallel zu einer Ebene ausgeübt wird, in der nach Positionierung des Patienten die im Übergang zwischen dem Epithel des Speiseröhre und der Magenschleimhaut des Patienten befindliche Z-Linie liegt, d. h. wenn bei parallel bzw. senkrecht zur Längsachse orientierten magnetischen Moment das Magnetfeld eine parallel bzw. senkrecht zu dieser Ebene orientierte Komponente aufweist, kann der Transport der Endoskopkapsel besonders gut in dem für die Diagnose eines Barrett-Syndroms relevanten Übergangsbereich entweder stark verzögert oder gestoppt werden, um aus dieser Region diagnostisch gut verwertbare Videobilder zu erhalten.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann das auf die Endoskopkapsel ausgeübte Drehmoment bei Bedarf vom Patienten selbst abgeschaltet werden. Auf diese Weise hat der Patient selbst die Möglichkeit, sich aus einer als unangenehm und schmerzhaft empfundenen Situation selbst zu befreien.
Hinsichtlich der Einrichtung wird die genannte Aufgabe gelöst mit einer Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 4. Gemäß diesen Merkmalen umfasst die Einrichtung eine ein magnetisches Moment aufweisende Endoskopkapsel, die in Richtung einer Längsachse eine größere Ausdehnung aufweist als in den dazu senkrechten Querrichtungen, sowie ein Magnetsystem zum Erzeugen eines Magnetfeldes zum Ausüben eines Drehmomentes auf die Endoskopkapsel. Die Einrichtung umfasst außerdem eine erste Eingabeeinheit zum Steuern des Magnetsystems durch eine Bedienperson sowie eine zweite, für den Patienten zugängliche Eingabeeinheit zum Abschalten des vom Magnetsystem ausgeübten Drehmomentes.
Vorzugsweise umfasst das Magnetsystem zumindest sechs jeweils paarweise koaxial zueinander ausgerichtete und voneinander beabstandete Spulen, zwischen denen ein dem Patienten zumindest in den zu untersuchenden, den Speiseröhre enthaltenden Körperbereich aufnehmende Arbeitsraum festgelegt ist.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele verwiesen. Es zeigen:
1 eine vereinfachte Darstellung einer in der Speiseröhre befindlichen Endoskopkapsel, auf die durch Anlegen eines Magnetfeldes ein Drehmoment ausgeübt wird,
2 das durch Ausüben des Drehmoments in der Speiseröhre mit seinem magnetischen Moment annähernd parallel zum Magnetfeld ausgerichtete Kapselendoskop,
3 eine Einrichtung gemäß der Erfindung mit einem den Patienten umgebenden Spulensystem zum Ausüben eines Drehmomentes auf die in einem Hohlorgan des Patienten befindliche Endoskopkapsel.
Gemäß 1 befindet sich eine Endoskopkapsel 2 nach dem Schlucken in der Speiseröhre 4 eines Patienten auf dem Weg zum Magen 6. Die Endoskopkapsel 2 hat in Richtung einer Längsachse 8 eine größere Ausdehnung als in Richtungen 10 (Querrichtungen) quer zu dieser Längsachse 8. Auf diese Weise richtet sich die Endoskopkapsel 2 beim Transport durch die Speiseröhre 4 mit ihrer Längsachse 8 parallel zur lokalen, d. h. am Ort der Endoskopkapsel 2 vorliegenden Längsrichtung oder Längserstreckung der Speiseröhre 4 aus, wenn sie ohne die Einwirkung äußerer Kräfte allein aufgrund der Peristaltik durch die Speiseröhre 4 transportiert wird.
Die Endoskopkapsel 2 enthält ein magnetisches Element 12, das ein magnetisches Moment m aufweist, das im Ausführungsbeispiel senkrecht zur Längsachse 8 orientiert ist. Bei Anlegen eines Magnetfeldes B in einem von Null verschiedenen Winkel α zum magnetischen Moment m wird auf die Endoskopkapsel 2 ein Drehmoment M ausgeübt, das eine Drehbewegung der Endoskopkapsel 2 bewirkt. Bei dem Magnetfeld B kann es sich hierbei um ein homogenes Magnetfeld handeln. Im dargestellten Beispiel ist sowohl das Magnetfeld B als auch das magnetische Moment m parallel zur Zeichenebene orientiert, so dass das Drehmoment M senkrecht auf der Zeichenebene steht und eine Drehung in Richtung der Pfeile 14 bewirkt.
Aufgrund des vom Magnetfeld B auf die Endoskopkapsel 2 ausgeübten Drehmomentes M wird die Endoskopkapsel 2 in der Speise röhre 4 gemäß 2 soweit quergestellt und mit ihren einander gegenüberliegenden Enden gegen die Wand des Speiseröhre 4 gedrückt bis die von der Wand des Speiseröhre 4 auf die Endoskopkapsel 2 ausgeübten Reibungskräfte eine weitere Drehung verhindern. Sowohl durch die Richtung des Magnetfeldes B als auch durch dessen Betrag kann das Ausmaß der Querstellung und somit auch das Ausmaß der von der Speiseröhre 4 auf die Endoskopkapsel 2 ausgeübten Reibungskräfte eingestellt werden, so dass der Transport der Endoskopkapsel 2 durch die Speiseröhre 4 angepasst an die diagnostischen Anforderungen verlangsamt oder gestoppt werden kann.
Wichtig dabei ist, dass das Magnetfeld B stets eine Komponente aufweist, die senkrecht zum magnetischen Moment m der Endoskopkapsel 2 orientiert ist, um eine Drehbewegung der Endoskopkapsel 2 herbeiführen zu können. Die hierzu erforderliche Orientierung des Magnetfeldes B im Raum hängt dabei einerseits von der Lage der Speiseröhre 4 ab, die in Abwesenheit des Magnetfeldes B die Orientierung der Längsachse 8 der Endoskopkapsel 2 bestimmt, und andererseits von der Orientierung des magnetischen Moments m relativ zu dieser Längsachse 8. Mit anderen Worten: Der zu untersuchende Patient, d. h. dessen Speiseröhre 4 und das Magnetfeld B müssen angepasst an die Orientierung des magnetischen Moments m relativ zur Längsachse 8 derart zueinander ausgerichtet werden, dass eine Drehbewegung der Endoskopkapsel 2 um eine zur Längsrichtung der Speiseröhre 4 senkrechte Drehachse erfolgt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel muss dementsprechend das Magnetfeld B im Wesentlichen parallel zur Speiseröhre 4 orientiert sein, d. h. eine parallel zur Speiseröhre 4 orientierte Komponente aufweisen. Bei Verwendung einer Endoskopkapsel, deren magnetisches Moment parallel zur Längsachse 8 orientiert ist, müssen dementsprechend Magnetfeld und Speiseröhre so ausgerichtet sein, dass das Magnetfeld im Wesentlichen senkrecht zur Speiseröhre verläuft.
Für die Untersuchung des Übergangsbereiches zwischen der Speiseröhre 4 und dem Magen 6 ist es dabei insbesondere von Vorteil, wenn das Magnetfeld B senkrecht (magnetisches Moment m senkrecht zur Längsachse 8) bzw. parallel (magnetisches Moment m parallel zur Längsachse 8) zu einer Ebene im Raum orientiert ist, die parallel zu der Ebene 20 orientiert ist, in der nach Positionierung des Patienten die im Übergang zwischen dem Epithel der Speiseröhre 2 und der Magenschleimhaut des Patienten befindliche Z-Linie liegt, um ein zu dieser Ebene 20 paralleles Drehmoment M ausüben zu können. Diese Ebene 20 ist senkrecht zur Zeichenebene der 1 und schneidet diese in der strichpunktiert eingezeichneten Schnittlinie.
3 zeigt eine Einrichtung zum Durchführen der erfindungsgemäßen kapselendoskopischen Untersuchung der Speiseröhre. Ein auf einer Patientenliege 30 positionierter schematisch angedeuteter Patient P befindet sich mit seinem zu untersuchenden Körperbereich, im Beispiel der den Magen-Darm-Trakt enthaltende Körperbereich, innerhalb eines Magnetsystems 32, wie es beispielsweise aus der DE 10 2008 004 871 A1 bekannt ist. Der Patient P ist dabei von vier sogenannten Sattelspulen 34a, d umgeben, die auf einem Zylindermantel angeordnet sind und jeweils paarweise einander gegenüber liegen, so dass sie wie Helmholtz-Spulenpaare wirken und am Ort des Patienten P annähernd homogene Magnetfelder erzeugen können, die senkrecht zueinander und senkrecht zur Längsachse des Patienten P bzw. parallel zu dessen Transversal- und Medianebene verlaufen. An den Stirnseiten des vom Zylindermantel gebildeten Zylinders ist jeweils eine Ringspule 36a bzw. b angeordnet, mit denen ein homogenes Magnetfeld parallel zur Mittellängsachse des Zylinders erzeugt werden kann, das unabhängig davon, ob sich der Patient P in Rücken-, Seiten- oder Bauchlage befindet, etwa parallel zur Längsrichtung der Speiseröhre orientiert ist. Sattelspulen 34a–d und Ringspulen 36a, b legen eine Arbeitsraum 37 fest, der den zu untersuchenden Körperbereich aufnimmt.
Die aus den Spulen 34a–d und 36a, b gebildete innere Spulenanordnung ist außerdem noch von Flächenspulen 38a–d umgeben, mit denen gemeinsam mit den innenliegenden Spulen 34a–d und 36a, b die zur Navigation der Endoskopkapsel innerhalb des Magens erforderlichen Gradientenfelder erzeugt werden können.
Die Magneten 34a–d, 36a, b und 38a–d werden über Steuersignale S von einer Steuer- und Auswerteeinheit 40 angesteuert, die durch Befehle generiert werden, die von einer Bedienperson mit einer durch einen Joystick exemplarisch veranschaulichten ersten Eingabeeinheit 42 eingegeben werden können. Darüber hinaus befindet sich im Zugriffsbereich des Patienten P eine zweite Eingabeeinheit 44, mit dem dieser das Magnetfeld abschalten kann.
Die Steuer- und Auswerteeinheit 40 empfängt außerdem die von der Endoskopkapsel per Funk übermittelten Videobilder, die auf einem Monitor 46 wiedergegeben werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10142253 C1 [0002]
DE 102008004871 A1 [0002, 0010, 0024]
WO 2009/060460 A2 [0005]

Claims

Verfahren zum Steuern des Transports einer ein magnetisches Moment aufweisenden Endoskopkapsel (2) durch die Speiseröhre (4) eines Patienten (P), wobei die Endoskopkapsel (2) in einer Richtung einer Längsachse (8) eine größere Ausdehnung aufweist als in den dazu senkrechten Querrichtungen (10), bei dem zum Verändern der zwischen Endoskopkapsel (2) und Wand des Speiseröhre (4) auftretenden Reibung auf die Endoskopkapsel (2) durch Anlegen eines Magnetfeldes (B) ein Drehmoment (M) senkrecht zu dieser Längsachse (8) ausgeübt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Drehmoment (M) parallel zu einer Ebene im Raum orientiert ist, die parallel zur Ebene (20) orientiert ist, in der nach Positionierung eines Patienten (P) die im Übergang zwischen dem Epithel der Speiseröhre (2) und der Magenschleimhaut des Patienten (P) befindliche Z-Linie liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das auf die Endoskopkapsel (2) ausgeübte Drehmoment (M) bei Bedarf vom Patienten (P) abgeschaltet wird.
Einrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer ein magnetisches Moment (m) aufweisenden Endoskopkapsel (2), die in Richtung einer Längsachse (8) eine größere Ausdehnung aufweist als in den dazu senkrechten Querrichtungen (10), sowie mit einem Magnetsystem (32) zum Erzeugen eines Magnetfeldes (B) und zum Ausüben eines Drehmomentes (M) auf die Endoskopkapsel (2) und einer ersten Eingabeeinheit (42) zum Eingeben von Befehlen für die Steuerung des Magnetsystems (32) durch eine Bedienperson sowie mit einer zweiten, für den Patienten zugänglichen Eingabeeinheit zum Abschalten des vom Magnetsystem (32) ausgeübten Drehmomentes (M).
Einrichtung nach Anspruch 4, bei dem das Magnetsystem (32) zumindest 6 jeweils paarweise koaxial zueinander ausgerichtete und voneinander beabstandete Spulen (34a–d, 36a, b) umfasst, zwischen denen ein den Patienten (P) zumindest in dem zu untersuchenden, den Speiseröhre enthaltenden Körperbereich aufnehmender Arbeitsraum (37) festgelegt ist.