DE102005006877A1

DE102005006877A1 - System und Verfahren für die endoskopische optische Kontrastbildgebung unter Verwendung eines Endoroboters

Info

Publication number: DE102005006877A1
Application number: DE102005006877A
Authority: DE
Inventors: James P. Williams; Klaus Abraham-Fuchs
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corporate Research Inc
Current assignee: Siemens AG; Siemens Medical Solutions USA Inc
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2005-02-14
Publication date: 2005-10-27
Also published as: US20050192478A1

Abstract

Es wird ein System und ein Verfahren zur Durchführung einer endoskopischen optischen Bildgebung unter Verwendung eines Endoroboters bereitgestellt. Das Verfahren zur Durchführung einer endoskopischen optischen Bildgebung unter Verwendung eines Kapselendoskops umfasst: Navigieren des Kapselendoskops durch ein Lumen eines Patienten, in das ein optisches Kontrastmittel eingeführt wurde (330); Beleuchten eines Teils des Lumens, in das kein Licht einer externen Lichtquelle eindringen kann, mit Licht, das von dem Kapselendoskop abgegeben wird, zur Verbesserung einer Bildintensität dieses Teils des Lumens (340) und Versorgen des Kapselendoskops mit Strom über ein von außen angelegtes Magnetfeld (350).

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 60/548,540, eingereicht am 28. Februar 2004, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK 1. Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine endoskopische Untersuchung, genauer gesagt eine endoskopische Untersuchung unter Verwendung eines Endoroboters.

Eine Endoskopie ist eine Untersuchung und Kontrolle des Inneren von Organen, Gelenken und Hohlräumen im Körper mithilfe eines Endoskops und inzwischen bei der medizinischen Diagnose zahlreicher innerer Krankheiten des Körpers übliche Praxis. Das Endoskop ist ein schlauchförmiges Gerät, das unter Verwendung einer Faseroptik und eines leistungsstarken Linsensystems die Beleuchtung und Sichtbarmachung von inneren Organen, Gelenken und Hohlräumen im Körper ermöglicht. Während einer Endoskopie werden das Objektivende oder der Endoskopkopf beispielsweise in den Magen-Darm-Trakt eingeführt und darin durch eine Schubbewegung von außen vorwärts bewegt. Da die Bewegung des Endoskops durch eine Schubbewegung verursacht wird, kann das Anstoßen des Objektivendes gegen eine Wand des Magen-Darm-Trakts für den Patienten unbehaglich sein. Darüber hinaus kann die Wand, sobald das Objektivende eine Krümmung des Magen-Darm-Trakts erreicht, beschädigt werden, wenn eine zu hohe Kraft aufgewendet wird. Diese Hindernisse begrenzen üblicherweise eine endoskopische Untersuchung auf nicht gefaltete Bereiche des Magen-Darm-Trakts.

Um die Risiken, die mit der Schubbewegung eines herkömmlichen Endoskops verbunden sind, auszuschalten, wurde ein Kapselendoskop entwickelt. Das Kapselendoskop wird üblicherweise durch Schlucken des Kapselendoskops in den Patienten eingeführt, wobei sich das Kapselendoskop von der Speiseröhre durch den Magen, den Zwölffingerdarm und anschließend den Dünndarm bewegt. In dieser Zeit erfasst das Kapselendoskop unter Verwendung beispielsweise einer Kamera, einer Bildaufnahmevorrichtung und einer Lichtquelle, die in dem Kapselendoskop eingeschlossen sind, Bilder des Inneren des Patientenkörpers. Das Kapselendoskop kann dann die erfassten Bildsignale drahtlos zu einer Analysevorrichtung, wie einer Computer-Arbeitsstation außerhalb des Patientenkörpers, übertragen.

Das Kapselendoskop weist jedoch keine selbstantreibende Funktion oder Positionierungsfunktion auf. Somit kann ein Arzt, der die von dem Kapselendoskop empfangenen Daten analysiert, nicht steuern, wie und in welche Richtung das Kapselendoskop durch den Patientenkörper vorwärts bewegt werden soll. Weiterhin versorgt eine interne Stromversorgung das Kapselendoskop mit Strom und unterstützt die Beleuchtung, Bilderfassung und drahtlose Datenübertragung zu einem externen Empfänger, der mit der Analysevorrichtung verbunden ist. Da zahlreiche Bilder erfasst werden müssen, um die gesamte Länge des Magen-Darm-Trakts abzudecken, wird sehr viel Strom verbraucht und in den meisten Fällen aufgebraucht, ehe der gesamte Trakt untersucht ist.

Bei einem Scan mittels Magnetresonanztomographie (MRT) oder Computertomographie (CT) wird dem Patienten in der Regel ein Kontrastmittel verabreicht. Das Kontrastmittel, wie ein Farbstoff, wird zur Hervorhebung bestimm ter Bereiche des Patienten verwendet, sodass Organe, Blutgefäße oder Gewebe deutlicher sichtbar werden. Kontrastmittel können insbesondere durch eine verbesserte Sichtbarmachung aller Oberflächen eines zu untersuchenden Organs oder Gewebes einen Arzt bei der Entscheidung über die Gegenwart und das Ausmaß einer Krankheit oder Verletzung unterstützen. Zu üblichen Kontrastmitteln gehören Verbindungen, wie Iod, Barium, Bariumsulfat oder Gastrografin. Kontrastmittel werden auch bei der Durchführung der optischen Bildgebung verwendet, da ein optisches Kontrastmittel, wenn es beispielsweise Infrarotlicht (IR) bestimmter Wellenlänge ausgesetzt wird, leuchtet. Wenn jedoch kein Licht in bestimmte Tiefen des Patientenkörpers eindringen kann, leuchtet das Kontrastmittel nicht und Krankheiten oder Verletzungen in dem nicht beleuchteten Bereich werden möglicherweise nicht erkannt und anschließend nicht behandelt.

Demgemäß besteht ein Bedarf nach einer Endoskopuntersuchungstechnik, die ein Kapselendoskop verwendet, das von außen gesteuert und mit Strom versorgt werden kann und das mit Kontrastmittel behandelte Bereiche eines Patientenkörpers, in die kein Licht auf herkömmliche Weise eindringt, beleuchten kann.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung löst die vorstehend genannten und anderen Probleme, die bei der bekannten Lehre auftreten, durch Bereitstellung eines Systems und eines Verfahrens zur Durchführung einer endoskopischen optischen Bildgebung unter Verwendung eines Endoroboters.

In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Durchführung einer endoskopischen optischen Bildgebung unter Verwendung eines Kapselendoskops bereitgestellt. Das Verfahren umfasst: Navigieren des Kapselendoskops durch ein Lumen eines Patienten, in das ein optisches Kontrastmittel eingeführt wurde; Beleuchten eines Teils des Lumens, in das kein Licht einer externen Lichtquelle eindringen kann, mit Licht, das von dem Kapselendoskop abgegeben wird, zur Verbesserung einer Bildintensität dieses Teils des Lumens und Versorgen des Kapselendoskops mit Strom über ein von außen angelegtes Magnetfeld.

Das Verfahren umfasst weiter das Verabreichen des optischen Kontrastmittels in das Lumen des Patienten. Das optische Kontrastmittel wird mittels einer intravenösen Injektion, einer oralen Verabreichung, einer rektalen Verabreichung und Inhalieren verabreicht. Das optische Kontrastmittel ist Indocyaningrün, Methylenblau oder Fluorescein. Das Lumen ist der Magen-Darm-Trakt, Pankreas, Bronchien, Larynx, Trachea, Sinus, Gehörgang, Blutgefäß, Urethra oder die Harnblase. Das Verfahren umfasst weiter das Einführen des Kapselendoskops in das Lumen des Patienten. Das Kapselendoskop wird durch orale Einführung, rektale Einführung und durch eine Schleuse eingeführt.

In einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Behandlung einer pathologischen Veränderung unter Verwendung eines Kapselendoskops bereitgestellt. Das Verfahren umfasst: Navigieren des Kapselendoskops durch ein Lumen, in das ein tumorspezifisches Kontrastmittel eingeführt wurde; Identifizieren eines Tumors im Lumen, der durch das tumorspezifische Kontrastmittel sichtbar gemacht wurde, unter Verwendung einer Sichtvorrichtung des Kapselendoskops; Behandeln des Tumors mittels Fototherapie unter Verwendung einer Beleuchtungsvorrichtung des Kapselendoskops und Versorgen des Kapselendoskops mit Strom über ein von außen angelegtes Magnetfeld.

Das tumorspezifische Kontrastmittel ist ein metallisches Nanopartikel, ein Quantendot oder ein organischer fluoreszierender Farbstoff. Das tumorspezifische Kon trastmittel ist an einen monoklonalen Antikörper gekoppelt, um an einen Tumor zu binden. Der Tumor ist ein Knoten, eine Läsion, ein Polyp, eine Präkanzerose oder eine maligne Geschwulst. Die Fototherapie ist Ultraviolett-B (UVB) -therapie, Fotochemotherapie oder fotodynamische Therapie.

In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Durchführung einer endoskopischen optischen Bildgebung bereitgestellt. Das System umfasst: ein Kapselendoskop, umfassend: einen linearen Magneten, mit dem die Bewegung des Kapselendoskops im Inneren eines Lumens eines Patienten ermöglicht wird; eine Kamera zur Erfassung von Bildern im Inneren des Lumens, einen Illuminator zur Beleuchtung des Inneren des Lumens; ein Steuergerät zur Steuerung der Kamera und des Illuminators; einen Transceiver zur Durchführung der Übertragung der von der Kamera erfassten Bilder oder des Empfangs von Befehlen von außerhalb des Patienten und eine Stromversorgung zum Empfang einer induktiven Ladung eines von außen angelegten Magnetfelds sowie ein magnetisches Steuersystem, umfassend: eine erste und eine zweite Magnetröhre zur Erzeugung des Magnetfelds für die Steuerung der Bewegung des Kapselendoskops im Inneren des Lumens, einen Gradientenverstärker zur Änderung des Magnetfelds; eine Mehrzahl von Fühlern zum Empfang von Positions- und Orientierungssignalen vom Kapselendoskop; eine Positionsmessvorrichtung zur Verarbeitung der Positions- und Orientierungssignale vom Kapselendoskop und eine Steuereinheit zum Steuern der Bewegung des Kapselendoskops unter Verwendung der empfangenen Positions- und Orientierungssignale.

Der lineare Magnet ist ein supraleitfähiger Magnet. Der Illuminator ist eine Infrarotlicht (IR) aussendende Vorrichtung, eine Lichtemitterdiode (LED), eine hochleistungsfähige Drei-Farben-LED oder eine Mikrofluoreszenzleuchte. Der Illuminator ist im Stande, einen Tumor im Inneren des Lumens mittels Fototherapie zu behandeln. Die Stromversorgung ist ein Akkumulator.

Das Kapselendoskop umfasst weiterhin: eine Wirkstoff freisetzende Vorrichtung zur Abgabe von Arzneimitteln an einen Tumor im Inneren des Lumens; eine Biopsiepistole zur Erfassung von Proben einer verdächtigen pathologischen Veränderung im Inneren des Lumens; eine chirurgische Vorrichtung zur Durchführung des Anlegens einer mechanischen Kraft an eine verdächtige pathologische Veränderung im Inneren des Lumens, um die Elastizität der verdächtigen pathologischen Veränderung zu bestimmen, oder zur Entfernung des Tumors aus dem Lumen; einen Schallgenerator zur Erzeugung von Schallwellen, die auf eine verdächtige pathologische Veränderung im Inneren des Lumens gerichtet werden, und eine Messvorrichtung zum Messen der Temperatur, der elektrischen Leitfähigkeit, des Drucks oder der Gehalte an Chemikalien im Inneren des Lumens.

Die Positionsmessvorrichtung ist ein Transponder. Das magnetische Steuersystem umfasst weiterhin: eine Empfangseinheit zum Empfang erfasster Bilder vom Kapselendoskop und zur Übertragung der erfassten Bilder an die Steuereinheit und ein Bett zur Aufnahme des Patienten.

In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Durchführung einer endoskopischen Untersuchung unter Verwendung eines Endoroboters bereitgestellt. Das Verfahren umfasst: Verabreichen eines Kontrastmittels in ein Lumen eines Patienten; Einführen des Endoroboters in das Lumen; Navigieren des Endoroboters durch das Lumen; Beleuchten eines Teils des Lumens, in das kein Licht einer externen Lichtquelle eindringen kann, unter Verwendung des Endoroboters; Identifizieren eines Tumors in dem Teil des Lumens unter Verwendung des Endoroboters; Behandeln des Tumors mittels Fototherapie unter Verwendung des Endoroboters und Versorgen des Endoroboters mit Strom über ein von außen angelegtes Magnetfeld.

Die vorstehenden Merkmale gelten für repräsentative Ausführungsformen und sind hier zum besseren Verständnis der Erfindung angeführt. Es ist offensichtlich, dass sie nicht als Begrenzung der in den Ansprüchen definierten Erfindung oder als Begrenzung von gleichwertigen Ansprüchen betrachtet werden sollen. Aus diesem Grund sollte diese Kurzdarstellung der Merkmale bei der Entscheidung über Gleichwertigkeit nicht als entscheidend betrachtet werden. Weitere erfindungsgemäße Merkmale ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm eines Endoroboters gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Blockdiagramm eines Systems zur Durchführung einer endoskopischen optischen Bildgebung unter Verwendung eines Endoroboters gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Durchführung einer endoskopischen optischen Bildgebung unter Verwendung eines Endoroboters gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt und
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Behandlung einer pathologischen Veränderung unter Verwendung eines Endoroboters gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
GENAUE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist ein Blockdiagramm eines Endoroboters 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie aus 1 hervorgeht, weist der Endoroboter 100 ein ellipsoidisches Gehäuse auf, in dem ein Stabmagnet 145 oder eine antreibbare, ungefähr lineare Spule kolinear um eine Achse 150 angeordnet ist. Der Endoroboter 100 umfasst eine Kamera 105, beispielsweise eine Videokamera, mit einem Objektiv 110 und einem Bildsensor 115, beispielsweise einer ladungsgekoppelten Vorrichtung (CCD) oder einen Bildsensor mit CMOS-Halbleiter, zur Erfassung von Bildern des Inneren eines Patientenkörpers.
Der Endoroboter 100 umfasst ebenfalls eine Beleuchtungsvorrichtung 160, welche einen Illuminator 135 und einen Beleuchtungsschaltkreis 140 umfasst. Der Illuminator 135 kann beispielsweise eine Infrarotlicht (IR) aussendende Vorrichtung, eine Lichtemitterdiode (LED), eine hochleistungsfähige Drei-Farben-LED oder eine Mikrofluoreszenzleuchte zum Beleuchten eines den Endoroboter 100 umgebenden Bereichs oder zur Bereitstellung einer zielgerichteten Fototherapie sein. Zur Steuerung des Betriebs des Endoroboters 100 und insbesondere zur Steuerung der Bilderfassungsgeschwindigkeit der Kamera 105 und der Rotationsbewegung oder Richtungspositionierung des Objektivs 110 und des Illuminators 135 im Inneren ist ein Steuerschaltkreis 120 mit der Kamera 105 und der Beleuchtungsvorrichtung 160 verbunden.
Wie weiter aus 1 hervorgeht, umfasst der Endoroboter 100 einen Transceiver 125, wie einen Transceiver für Funkfrequenzen (RF), und eine Antenne 130, die beide mit dem Steuerschaltkreis 120 verbunden sind. Der Transceiver 125 und die Antenne 130 werden zur Übertragung von mit der Kamera 105 erfassten Bildern an eine externe Analysevorrichtung verwendet. Darüber hin aus können der Transceiver 125 und die Antenne 130 zum Empfang von Befehlen einer externen Vorrichtung zur Durchführung bestimmter Vorgänge im Inneren des Patientenkörpers verwendet werden. Der Endoroboter 100 umfasst des Weiteren eine Stromversorgung 155, wie einen Akkumulator, die unter Verwendung eines außen angelegten Magnetfelds induktiv geladen werden kann. Der Endoroboter 100 kann auch eine kleine Batterie als Reservestromquelle umfassen.
Der Endoroboter 100 umfasst weiterhin einen Chirurgie-/Analyseabschnitt 165, der einen Wirkstoff freisetzenden Mechanismus zur Abgabe von Arzneimitteln direkt an einen Tumor oder eine Biopsiepistole zur Erfassung von Proben einer verdächtigen pathologischen Veränderung im Inneren des Lumens, wie dem Magen-Darm-Trakt eines Patienten, umfassen kann. Darüber hinaus kann der Chirurgie-/Analyseabschnitt 165 einen Instrumentenarm oder eine Sonde mit beispielsweise Skalpellen, Pinzetten oder Schlingen, die zum Anlegen einer mechanischen Kraft zur Bestimmung der Elastizität der verdächtigen pathologischen Veränderung verwendet werden, oder einen Schallgenerator zur Erzeugung von Schallwellen, die auf die verdächtige pathologische Veränderung gerichtet werden, umfassen. Außerdem kann der Chirurgie-/Analyseabschnitt 165 eine Messvorrichtung mit Fühlern zum Messen der Temperatur, der elektrischen Leitfähigkeit, des Drucks und des pH-Werts oder anderer Gehalte an Chemikalien im Inneren des Trakts umfassen.
2 ist ein Blockdiagramm eines Systems 200 zur Durchführung einer endoskopischen optischen Bildgebung unter Verwendung eines Endoroboters gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie aus 2 hervorgeht, umfasst das System 200 ein Paar Magnetröhren 215 und ein Bett 210, das sich über einer der Röhren 215 befindet, auf dem der Patient 205 ruhen kann. Die Magnetröhren 215 weisen Feldspulen zur Erzeugung eines stationären homogenen Magnetfelds B _o sowie jeweils eine an einen zugehörigen Drei-Kanal-Gradientenverstärker 230 angeschlossene Gradientenspule auf. Der Drei-Kanal-Gradientenverstärker 230 wird zur lokalen Veränderung des Magnetfelds in den Richtungen ±x, ±y und ±z verwendet. Die Magnetröhren 215 und der Drei-Kanal-Gradientenverstärker 230 werden zur Steuerung des Endoroboters 100 auf seinem Weg durch den Magen-Darm-Trakt des Patienten verwendet.
Das System 200 umfasst auch Fühler 220, die um den Patienten 205 herum angeordnet sind, zur Aufnahme von dreidimensionalen (3D) Positions- und Orientierungssignalen, die von dem Endoroboter 100 übertragen werden. Die Fühler 220, die beispielsweise Antennen sein können, übertragen die Positionssignale vom Endoroboter 100 und leiten diese an eine Positionsmessvorrichtung 225, wie einen Transponder, weiter. Die Positionsmessvorrichtung 225 leitet diese Daten dann an einen Computer 235 zur Analyse weiter. Das System 200 umfasst weiterhin eine Empfangseinheit 280, wie einen Transceiver, zum Empfang von Bilddaten, die von dem Endoroboter 100 übertragen wurden, und zur Übertragung der Bilddaten an den Computer 235.
Wie weiter aus 2 hervorgeht, umfasst der Computer 235 eine Zentraleinheit (CPU) 240 und einen Speicher 250, der mit einer Eingangsvorrichtung 265 und einer Ausgangsvorrichtung 270 verbunden ist. Die CPU 240 umfasst ein Modul 245, das ein oder mehrere Verfahren zur Durchführung einer endoskopischen optischen Bildgebung unter Verwendung des Endoroboters 100 umfasst. Der Speicher 250 umfasst einen Schreib-/Lesespeicher (RAM) 255 und einen Festwertspeicher (ROM) 260. Der Speicher 250 kann auch eine Datenbank, ein Plattenlaufwerk, ein Bandlaufwerk usw. oder eine Kombination davon umfassen. Der RAM 255 dient als Datenspeicher, in dem Daten, die während der Ausführung eines Programms in der CPU 240 verwendet werden, gespeichert sind, und wird als Arbeitsbereich verwendet.
Der ROM 260 dient als Programmspeicher zum Speichern eines in der CPU 240 ausgeführten Programms. Der Eingang 265 kann eine Tastatur, eine Maus usw. darstellen und der Ausgang kann eine Flüssigkristallanzeige (LCD), eine Kathodenstrahlröhrenanzeige (CRT), ein Drucker usw. darstellen.
Der Betrieb des Systems 200 wird von einem Bedienpult 285 gesteuert, das das Steuergerät 290, beispielsweise eine Tastatur, und eine Anzeige 275, beispielsweise eine Kathodenstrahlröhrenanzeige, umfasst. Das Bedienpult 285 steht mit dem Computer 235, dem Paar Magnetröhren 215, dem Drei-Kanal-Verstärker 230 und der Positionsmessvorrichtung 225 zur Steuerung des Endoroboters 100 in Verbindung. Das Bedienpult 285 kann beispielsweise den Magnetröhren 215 den Befehl erteilen, ein statisches Magnetfeld zum Ausgleich der auf den Endoroboter 100 einwirkenden Schwerkraft zu erzeugen. Dieser Ausgleich der Schwerkraft, die auf den Endoroboter 100 ausgeübt wird, ermöglicht die Bewegung des Endoroboters 100 auf eine frei schwimmende Weise in einem Lumen, wie einem Darm oder einem Blutgefäß. Insbesondere ermöglicht das Magnetfeld die Erzeugung einer linearen Kraft oder eines Drehmoments, so lange der Stabmagnet 145 im Endoroboter 100 und das Magnetfeld nicht gleich gesinnt sind. Neben der Erzeugung eines Drehmoments kann die Steilheit des Gradienten des Magnetfelds auch zur Bestimmung einer Translationskraft des Stabmagneten 145 verwendet werden.
Wie weiter aus 2 hervorgeht, kann der Computer 235, sobald Daten von einem der Fühler 220 oder der Empfangseinheit 280 im Computer 235 eingehen, beispielsweise durch Ermitteln der virtuellen Schnittbilder eine dreidimensionale Ansicht der Daten erzeugen, die auf der Anzeige 275 beobachtet werden kann. Genauer gesagt können die virtuellen Schnittbilder entlang Schnitten ermittelt werden, die parallel zu den drei orthogonalen Hauptebenen des menschlichen Körpers verlaufen, beispielsweise der Sagittalebene, der Koronarebene und der Transversal- oder Axialebene, und in drei verschiedenen Steuerfenstern 275a-c der Anzeige 275 dargestellt werden. Außerdem kann in einem vierten Steuerfenster 275d der Anzeige 275 eine vom Endoroboter 100 aufgenommene Bildsequenz in Form eines Videos in Echtzeit abgespielt werden.
Das Bedienpult 285 kann darüber hinaus ein beliebiges geeignetes Bildberechnungssystem/-werkzeug/-programm umfassen, das digitale Bilddaten eines erfassten Bilddatensatzes (oder eines Teils davon) zum Erzeugen und Anzeigen von zweidimensionalen (2D) und/oder 3D-Bildern auf der Anzeige 275 unter Verwendung von beispielsweise einer 3D-Grafikkarte verarbeiten kann. Genauer gesagt, kann das Bildberechnungssystem ein Programm sein, das eine 2D/3D-Berechnung und Sichtbarmachung der Bilddaten bereitstellt und das auf einer Computer-Arbeitsstation für allgemeine oder spezielle Zwecke ausgeführt werden kann. Der Computer 235 kann auch ein Bildberechnungssystem/-werkzeug/-programm für die Verarbeitung von digitalen Bilddaten eines erfassten Bilddatensatzes zum Erzeugen und Anzeigen von 2D- und/oder 3D-Bildern umfassen. Weiterhin ist offensichtlich, dass der Computer 235 für die Verarbeitung und Anzeige von Informationen konfiguriert werden kann, die von den Fühlern 220 oder der Empfangseinheit 280 ohne das Bedienpult 285 bereitgestellt werden, und zwar unter Verwendung von beispielsweise der Eingangsvorrichtung 265 und der Ausgangsvorrichtung 270 zum Ausführen von bestimmten Aufgaben, die von dem Steuergerät 290 und der Anzeige 275 durchgeführt werden.
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Durchführung einer endoskopischen optischen Bildgebung unter Verwendung eines Endoroboters gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie aus 3 hervorgeht, wird dem Patien ten ein Kontrastmittel verabreicht (310). Insbesondere wird ein optisches Kontrastmittel, wie Indocyaningrün, Methylenblau oder Fluorescein, die bei Bestrahlen mit Licht bestimmter Wellenlänge fluoreszieren, verabreicht. Es ist jedoch offensichtlich, dass in diesem Schritt jedes geeignete optische Kontrastmittel, das bei Bestrahlen mit Licht fluoresziert, verabreicht werden kann. Das optische Kontrastmittel kann auf verschiedene Weisen, wie mittels einer intravenösen Injektion, einer oralen Verabreichung oder einer rektalen Verabreichung und Inhalieren, verabreicht werden.
Nach der Verabreichung des optischen Kontrastmittels wird der Endoroboter 100 in den Patienten eingeführt (320). Der Endoroboter 100 kann, abhängig von der bei der Verabreichung des Kontrastmittels verwendeten Technik, zeitgleich mit der Verabreichung des optischen Kontrastmittels, vor oder nach der Verabreichung des Kontrastmittels verabreicht werden. Der Endoroboter 100 wird üblicherweise vom Patienten selbst durch Schlucken des Endoroboters 100, da dieser in Kapselform vorliegen kann, in den Patienten eingeführt. Es ist ebenfalls offensichtlich, dass der Endoroboter 100 beispielsweise rektal oder über eine Schleuse in den Patienten eingeführt werden kann.
Sobald der Endoroboter 100 im Inneren des Patienten ist, kann er durch den Magen-Darm-Trakt des Patienten navigiert werden (330). Wie unter Bezugnahme auf 1 und 2 besprochen, kann der Endoroboter 100 von einem Anwender über das Bedienpult 285 navigiert werden. Beispielsweise kann der Anwender dem Endoroboter 100 vom Bedienpult 285 aus den Befehl erteilen, Echtzeit-Bilder vom Inneren des Magen-Darm-Trakts des Patienten zu übertragen. Diese Bilder können auf der Anzeige 275 des Bedienpults 285 wiedergegeben werden und den Anwender so in die Lage versetzen, Teile des Magen-Darm-Trakts während der Passage des Endoroboters 100 zu analysieren und zu kontrollieren. Durch Beobachten des Inneren des Magen-Darm-Trakts in Echtzeit kann der Anwender das Objektiv 105 und den Illuminator 135 des Endoroboters 100 anhalten, drehen, rückwärts bewegen oder auf etwas richten, um verdächtige Bereiche, wie Vorsprünge oder polypenartige Strukturen, im Inneren des Trakts zu kontrollieren, die Anzeichen einer pathologischen Veränderung oder Verletzung des Traktes sein können.
Wenn der Endoroboter 100 beispielsweise den Dünndarm erreicht, der Teile aufweist, in die normalerweise kein Licht einer externen Lichtquelle eindringen kann, wird der Endoroboter 100 zur Beleuchtung eines Bereichs benutzt, sodass dieser beobachtet werden kann (340). Da die Eindringtiefe von sichtbarem Licht nur bis zu 1-3 Zentimeter und die von IR-nahem Licht nur bis zu 5-15 Zentimeter beträgt, kann ein Bereich, in den normalerweise kein Licht einer externen Quelle eindringen kann, ein Bereich sein, der sich mehr als, und in einigen Fällen weniger als, 15 Zentimeter von der Patientenoberfläche entfernt befindet.
Wenn der Endoroboter 100 den Dünndarm erreicht hat, kann er beispielsweise den Befehl erhalten, die Lichtmenge zu erhöhen oder die Wellenlänge des vom Illuminator 135 ausgesendeten Lichts so zu verändern, dass die lokale Bildintensität des betrachteten Bereichs, der mit dem optischen Kontrastmittel behandelt wurde, verbessert wird. Damit kann der Anwender einen Teil des Magen-Darm-Trakts betrachten, der bisher möglicherweise nicht beobachtet werden konnte. Außerdem erhält der Anwender somit ein Bild, das deutlicher sein kann als eines, das unter Verwendung einer herkömmlichen Beleuchtungsvorrichtung erhalten wird. Wenn beispielsweise in diesem Bereich eine pathologische Veränderung entdeckt wird, kann diese vom Anwender in Echtzeit beobachtet und analysiert werden und Daten, wie Position, Größe und Elastizität, die mit der pathologischen Veränderung verbunden sind, können von dem Endoroboter 100 übertragen und im Speicher 250 des Computers 235 für weitere Analysen oder Verwendungen gespeichert werden. Außerdem kann die pathologische Veränderung, falls entschieden werden kann, dass es sich um einen malignen Tumor handelt, unter Verwendung der Beleuchtungsvorrichtung 160 mittels Fototherapie in Echtzeit oder später behandelt werden, um den Tumor zu zerstören. Ein Beispiel für das Verfahren zur Behandlung eines Tumors mittels Fototherapie wird unter Bezugnahme auf 4 besprochen.
Um den Endoroboter 100 zur Durchführung der vorstehend genannten Schritte ausreichend mit Strom zu versorgen, wird die Stromversorgung 155 unter Verwendung eines Magnetfelds geladen, das über die Magnetröhren 215 angelegt wird (350). Dies wird beispielsweise mit einem Befehl an die Magnetröhren 215 erreicht, die Stromversorgung 155 nach Empfang oder Festlegung eines Anzeichens für zu wenig Strom vom Endoroboter 100 über eine induktive Ladung mit Strom zu versorgen. Es ist jedoch offensichtlich, dass die Stromversorgung 155 jederzeit während des Aufenthalts des Endoroboters 100 im Inneren des Patienten und vor oder nach jedem der vorstehend besprochenen Schritte geladen werden kann.
In dem zu besprechenden Verfahren zur Behandlung eines Tumors mittels Fototherapie wird zwar ein tumorspezifisches Kontrastmittel verwendet und der Ausgangspunkt ist eine unbekannte Position des Tumors, es ist jedoch offensichtlich, dass dieses Verfahren auch ohne tumorspezifisches Kontrastmittel und mit bereits bekannter Position des Tumors durchgeführt werden kann.
Wie aus 4 hervorgeht, wird dem Patienten ein tumorspezifisches Kontrastmittel verabreicht (410). Genauer gesagt wird jede beliebige Art tumorspezifisches Kontrastmittel, wie metallische Nanopartikel, Quantendots und organische fluoreszierende Farbstoffe (z. B. Fluorescein und Indocyaningrün) an den Patienten verabreicht, die zusammen mit beispielsweise einem monoklonalen Antikörper zur Bindung an den Tumor verwendet werden können und die bei Bestrahlung mit Licht leuchten. Das Kontrastmittel kann dem Patienten auf jede der unter Bezugnahme auf 3 besprochenen Arten verabreicht werden.
Nach der Verabreichung des tumorspezifischen Kontrastmittels wird der Endoroboter 100 in den Patienten eingeführt (420). Der Endoroboter 100 kann, analog zu den unter Bezugnahme auf 3 besprochenen Einführungstechniken, oral, rektal oder über eine Schleuse in den Patienten eingeführt werden. Nach der Einführung wird der Endoroboter 100 durch ein Lumen des Patienten navigiert (430) und sucht unter Verwendung seiner Kamera 105 oder seines Illuminators 135 einen Tumor, der durch das tumorspezifische Kontrastmittel sichtbar gemacht wird (440). Nach Entdeckung des Tumors im Lumen wird der Tumor unter Verwendung des Endoroboters 100 mit beispielsweise einer Fototherapie, wie Ultraviolett-B (UVB) -therapie, Fotochemotherapie und fotodynamischer Therapie, behandelt (450). Insbesondere wird der Illuminator 135 auf den Tumor gerichtet und eine Wellenlänge von beispielsweise IR-Licht, mit der der Tumor zerstört werden kann, wird auf den Tumor projiziert, bis dieser zerstört ist.
Neben der Behandlung des Tumors mit Fototherapie kann in diesem Schritt die Position des Tumors an den Anwender am Bedienpult 285 übertragen werden und diese Information kann von einem Arzt zu einer herkömmlichen Abtragung verwendet werden. Außerdem kann ein chirurgisches Instrument, das im Endoroboter 100 enthalten ist, von diesem zum Entfernen des Tumors ausgefahren werden oder der Tumor kann in einer alternativen Ausführungsform durch Injektion eines im Endoroboter 100 mitgeführten Arzneimittels in den Tumor behandelt werden oder der Endoroboter 100 kann Schallwellen, mit denen der Tumor zerstört werden kann, aussenden. In diesem Schritt kann auch ein Arzneimittel, das dem Patienten zuvor injiziert wurde und das an einen Tumor gebunden ist, zur Aktivierung des Arzneimittels und damit der Zerstörung des Tumors vom Endoroboter 100 mit IR-Licht bestrahlt werden.
Da mehrere der vorstehend unter Bezugnahme auf 4 beschriebenen Prozeduren erhebliche Energiemengen verlangen, muss die Stromversorgung 155 des Endoroboters 100 von außen unter Verwendung der Magnetröhren 215 geladen werden (460). Dies wird unter Verwendung einer der zuvor unter Bezugnahme auf 3 besprochenen Techniken erreicht.
Demgemäß ist ein Endoroboter gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Lage, eine endoskopische Untersuchung durchzuführen, die einem Arzt die vollständige Betrachtung eines Zielbereichs ermöglicht, wobei gleichzeitig die Risiken einer herkömmlichen Endoskopie gesenkt werden und das Wohlbefinden gesteigert wird. Darüber hinaus wird mit der vorliegenden Erfindung die Dauer einer herkömmlichen Kapselendoskopie durch die Bereitstellung einer Stromversorgung für den Endoroboter, die von außen überwacht und geladen werden kann, verlängert. Weiterhin ermöglicht die vorliegende Erfindung eine präzise Zielerfassung und Behandlung von pathologischen Veränderungen, die während einer Untersuchung gefunden werden, beispielsweise mittels Fototherapie.
Es ist offensichtlich, dass die tatsächlichen Verbindungen zwischen den Systemkomponenten (oder den Verfahrensschritten) in Abhängigkeit von der Art, in der die vorliegende Erfindung programmiert ist, unterschiedlich sein können, da einige der das System bildenden Komponenten und Verfahrensschritte, die in den beiliegenden Figuren dargestellt sind, in der Software implementiert sein können. Angesichts der hier bereitgestellten Lehre der vorliegenden Erfindung ist ein Durchschnittsfachmann in der Lage, diese und ähnliche Umsetzungen oder Konfigurationen der vorliegenden Erfindung zu erwägen.
Es ist ebenfalls offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung in verschiedenen Formen von Hardware, Software, Firmware, Prozessoren für besondere Zwecke oder Kombinationen davon umgesetzt werden kann. In einer Ausführungsform kann die vorliegende Erfindung mit Software als Anwendungsprogramm durchgeführt werden, die physisch auf einer Programmspeichervorrichtung (z. B. Magnet-Floppy-Disk, RAM, CD ROM, DVD, ROM und Flash-Speicher) vorhanden ist. Das Anwendungsprogramm kann auf eine Maschine umfassend eine geeignete Architektur hochgeladen und von dieser ausgeführt werden.
Es ist außerdem offensichtlich, dass die vorstehende Beschreibung nur veranschaulichende Ausführungsformen darstellt. Als Erleichterung für den Leser konzentrierte sich die vorstehende Beschreibung auf eine repräsentative Auswahl möglicher Ausführungsformen, eine Auswahl, die die Grundsätze der Erfindung veranschaulicht. In der Beschreibung wird nicht versucht, alle möglichen Variationen erschöpfend aufzuzählen. Die Tatsache, dass alternative Ausführungsformen für einen bestimmten Teil der Erfindung nicht vorgestellt wurden oder dass möglicherweise weitere nicht beschriebene Alternativen für einen Teil zur Verfügung stehen, ist nicht als Verzicht auf diese alternativen Ausführungsformen zu verstehen. Weitere Anwendungsmöglichkeiten und Ausführungsformen können direkt umgesetzt werden, ohne dabei vom Geist und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Demzufolge soll die Erfindung nicht auf die hier ausführlich beschriebenen Ausführungsformen begrenzt werden, da zahlreiche Abwandlungen und Kombinationen des vorstehend Genannten sowie Umsetzungen unter Beteiligung nicht erfindungsgemäßer Auswechselungen für das Vorstehende geschaffen werden können, sodass die Erfindung gemäß den nachfolgenden Ansprüchen definiert ist. Es ist offensichtlich, dass viele der nicht beschriebenen Ausführungsformen direkt in den Schutzumfang der nachfolgende Ansprüche fallen und dass andere gleichwertig sind.

Claims

Verfahren zur Durchführung einer endoskopischen optischen Bildgebung unter Verwendung eines Kapselendoskops, umfassend: Navigieren des Kapselendoskops durch ein Lumen eines Patienten, in das ein optisches Kontrastmittel eingeführt wurde; Beleuchten eines Teils des Lumens, in das kein Licht einer externen Quelle eindringen kann, mit Licht, das von dem Kapselendoskop abgegeben wird, zur Verbesserung einer Bildintensität dieses Teils des Lumens und Versorgen des Kapselendoskops mit Strom über ein von außen angelegtes Magnetfeld.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Verabreichen des optischen Kontrastmittels in das Lumen des Patienten.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das optische Kontrastmittel mittels einer intravenösen Injektion, einer oralen Verabreichung, einer rektalen Verabreichung oder Inhalieren verabreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das optische Kontrastmittel Indocyaningrün, Methylenblau oder Fluorescein ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Lumen der Magen-Darm-Trakt, Pankreas, Bronchien, Larynx, Trachea, Sinus, Gehörgang, Blutgefäß, Urethra oder die Harnblase ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Einführen des Kapselendoskops in das Lumen des Patienten.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Kapselendoskop durch orale Einführung, rektale Einführung und durch eine Schleuse eingeführt wird.
Verfahren zur Behandlung einer pathologischen Veränderung unter Verwendung eines Kapselendoskops, umfassend: Navigieren des Kapselendoskops durch ein Lumen, in das ein tumorspezifisches Kontrastmittel eingeführt wurde; Identifizieren eines Tumors im Lumen, der durch das tumorspezifische Kontrastmittel sichtbar gemacht wurde, unter Verwendung einer Sichtvorrichtung des Kapselendoskops; Behandeln des Tumors mittels Fototherapie unter Verwendung einer Beleuchtungsvorrichtung des Kapselendoskops und Versorgen des Kapselendoskops mit Strom über ein von außen angelegtes Magnetfeld.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das tumorspezifische Kontrastmittel ausgewählt ist aus einem metallischen Nanopartikel, einem Quantendot und einem organischen fluoreszierenden Farbstoff.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das tumorspezifische Kontrastmittel an einen monoklonalen Antikörper gekoppelt ist, um an einen Tumor zu binden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Tumor ein Knoten, eine Läsion, ein Polyp, eine Präkanzerose oder eine maligne Geschwulst ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Fototherapie Ultraviolett-B (UVB) -therapie, Fotochemotherapie oder fotodynamische Therapie ist.
System zur Durchführung einer endoskopischen optischen Bildgebung, umfassend: ein Kapselendoskop, umfassend: einen linearen Magneten, mit dem die Bewegung des Kapselendoskops im Inneren eines Lumens eines Patienten ermöglicht wird; eine Kamera zur Erfassung von Bildern im Inneren des Lumens, einen Illuminator zur Beleuchtung des Inneren des Lumens; ein Steuergerät zur Steuerung der Kamera und des Illuminators; einen Transceiver zur Durchführung der Übertragung der von der Kamera erfassten Bilder oder des Empfangs von Befehlen von außerhalb des Patienten und eine Stromversorgung zum Empfang einer induktiven Ladung eines von außen angelegten Magnetfelds sowie ein magnetisches Steuersystem, umfassend: eine erste und eine zweite Magnetröhre zur Erzeugung des Magnetfelds für die Steuerung der Bewegung des Kapselendoskops im Inneren des Lumens, einen Gradientenverstärker zur Änderung des Magnetfelds; eine Mehrzahl von Fühlern zum Empfang von Positions- und Orientierungssignalen vom Kapselendoskop; eine Positionsmessvorrichtung zur Verarbeitung der Positions- und Orientierungssignale vom Kapselendoskop und eine Steuereinheit zum Steuern der Bewegung des Kapselendoskops unter Verwendung der empfangenen Positions- und Orientierungssignale.
System nach Anspruch 13, wobei der lineare Magnet ein supraleitfähiger Magnet ist.
System nach Anspruch 13, wobei der Illuminator eine Infrarotlicht (IR) aussendende Vorrichtung, eine Lichtemitterdiode (LED), eine hochleistungsfähige Drei-Farben-LED oder eine Mikrofluoreszenzleuchte ist.
System nach Anspruch 13, wobei der Illuminator im Stande ist, einen Tumor im Inneren des Lumens mittels Fototherapie zu behandeln.
System nach Anspruch 13, wobei die Stromversorgung ein Akkumulator ist.
System nach Anspruch 13, wobei das Kapselendoskop weiterhin umfasst: eine Wirkstoff freisetzende Vorrichtung zur Abgabe von Arzneimitteln an einen Tumor im Inneren des Lumens.
System nach Anspruch 13, wobei das Kapselendoskop weiterhin umfasst: eine Biopsiepistole zur Erfassung von Proben einer verdächtigen pathologischen Veränderung im Inneren des Lumens.
System nach Anspruch 13, wobei das Kapselendoskop weiterhin umfasst: eine chirurgische Vorrichtung zur Durchführung des Anlegens einer mechanischen Kraft an eine verdächtige pathologische Veränderung im Inneren des Lumens, um die Elastizität der verdächtigen pathologischen Veränderung zu bestimmen, oder zur Entfernung des Tumors aus dem Lumen.
System nach Anspruch 13, wobei das Kapselendoskop weiterhin umfasst: einen Schallgenerator zur Erzeugung von Schallwellen, die auf eine verdächtige pathologische Veränderung im Inneren des Lumens gerichtet werden.
System nach Anspruch 13, wobei das Kapselendoskop weiterhin umfasst: eine Messvorrichtung zum Messen der Temperatur, der elektrischen Leitfähigkeit, des Drucks oder der Gehalte an Chemikalien im Inneren des Lumens.
System nach Anspruch 13, wobei die Positionsmessvorrichtung ein Transponder ist.
System nach Anspruch 13, wobei das magnetische Steuersystem weiterhin umfasst: eine Empfangseinheit zum Empfang erfasster Bilder vom Kapselendoskop und zur Übertragung der erfassten Bilder an die Steuereinheit.
System nach Anspruch 13, wobei das magnetische Steuersystem weiterhin umfasst: ein Bett zur Aufnahme des Patienten.
Verfahren zur Durchführung einer endoskopischen Untersuchung unter Verwendung eines Endoroboters, umfassend: Verabreichen eines Kontrastmittels in ein Lumen eines Patienten; Einführen des Endoroboters in das Lumen; Navigieren des Endoroboters durch das Lumen; Beleuchten eines Teil des Lumens, in das kein Licht einer externen Lichtquelle eindringen kann, unter Verwendung des Endoroboters; Identifizieren eines Tumors in dem Teil des Lumens unter Verwendung des Endoroboters; Behandeln des Tumors mittels Fototherapie unter Verwendung des Endoroboters und Versorgen des Endoroboters mit Strom über ein von außen angelegtes Magnetfeld.