DE102005007576A1

DE102005007576A1 - Drahtlos mittels eines Magnetsystems navigierbare Kapsel zur Durchführung einer medizinischen Maßnahme in einem Hohlorgan eines Patienten

Info

Publication number: DE102005007576A1
Application number: DE102005007576A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr. Reinschke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-02-18
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2006-08-24
Also published as: WO2006087288A1

Abstract

Eine drahtlos mittels eines Magnetsystems navigierbare Kapsel (2) zur Durchführung einer medizinischen Maßnahme in einem Hohlorgan (64) eines Patienten, vorzugsweise dem Gastrointestinaltrakt, mit einem mit dem Magnetsystem zusammenwirkenden magnetischen Element (18) ist aus mindestens zwei mechanisch miteinander verbindbaren Kapselmodulen (4, 6) aufgebaut. Mindestens zwei Kapselmodule (4, 6) weisen miteinander verbindbare elektrische Schnittstellen (26, 34) auf.

Description

Drahtlos mittels eines Magnetsystems navigierbare Kapsel zur Durchführung einer medizinischen Maßnahme in einem Hohlorgan eines Patienten
Die Erfindung betrifft eine drahtlos mittels eines Magnetsystems navigierbare Kapsel zur Durchführung einer medizinischen Maßnahme in einem Hohlorgan eines Patienten.
Nichtinvasive bzw. minimalinvasive medizinische Maßnahmen gewinnen in der Medizintechnik immer mehr an Bedeutung. Medizinische Maßnahmen sind hier als Oberbegriff für verschiedenste medizinische Vorhaben wie z.B. Diagnosen, also Sichtprüfung und Biopsien oder Therapien, wie gezielte Medikamentengabe oder das Anbringen von Clips oder Stents zu verstehen. Als Patienten kommen Menschen oder Tiere in Frage, an welchen die medizinische Maßnahme durchgeführt wird. Besonders wünschenswert ist die Durchführung von Maßnahmen im Inneren des Patienten, besonders im Inneren von Hohlorganen wie dem gesamten Gastrointestinaltrakt.
Vor allem zur Durchführung einer Maßnahme im Dünndarm versagen viele bisher bekannte Vorrichtungen und Verfahren, welche z.B. mit Hilfe von herkömmlichen Endoskopen versuchen, von einer Körperöffnung oder einem kleinen Schnitt am Patienten eine Diagnose- oder Therapiesonde im Inneren des Patienten zu platzieren oder zu navigieren.

Aus "Fujinon Medical Newsletter, Fujinon GmbH, Willich (Deutschland), November 2003" ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur sogenannten Doppel-Ballon-Endoskopie bekannt, mit dem auch der Dünndarm endoskopisch erreichbar ist. Nachteilig ist hierbei die weiterhin drahtgebundene Vorgehensweise, d.h. die Benutzung eines relativ langen, mehrmals im Darmkanal umzulenkenden Katheterendoskops. Trotz des genannten Verfahrens ist der Dünndarm nur etwa bis zur Hälfte, d.h. ca. 2–3m jeweils von der oralen als auch rektalen Seite aus, erreichbar. Ein vollständiges Durchfahren des Dünndarms von einer Seite ist weiterhin unmöglich. Aufgrund der langen Behandlungsdauer von ca. 90 Minuten und des hohen Risikos von Komplikationen ist das Verfahren nicht besonders patientenschonend.

In der DE 101 42 253 wird alternativ hierzu ein sogenannter Endoroboter vorgeschlagen, welcher mittels geregelter äußerer Magnetfelder drahtlos im Inneren eines Patienten navigiert wird. Die Magnetfelder werden von einem den Patienten umgebenden Magnetsystem bzw. Spulensystem aus mehreren, z.B. vierzehn, elektrischen Einzelspulen erzeugt. Der Endoroboter ist eine Kapsel, deren geometrische Abmessungen an die des zu untersuchenden Hohlorgans angepasst sind, die im Inneren des Hohlorgans beständig ist, sich also nicht auflöst, und die mit einer oder mehreren Einbauten, z.B. einer Videokamera, einer Biopsiezange oder einem Medikamentenreservoir, bestückt ist. Die vom Magnetsystem verursachten Magnetfelder erzeugen an einem in der Kapsel befestigten magnetischen Element eine translatorische Kraft oder ein Drehmoment und bewegen so die Kapsel im Patienten.

Die bekannten Kapseln sind stets mit bestimmten Einbauten realisiert. So beinhaltet eine Kapsel z.B. eine Videokamera und eine Biopsiezange, ein Medikamentenreservoir ist jedoch nicht eingebaut. Zum Zweck der Medikamentengabe ist dann eine zweite Kapsel vorgesehen, die dann z.B. einen Drucksensor als Navigationssensor und ein Medikamentenreservoir, dafür aber keine Videokamera enthält.

Aus der US 2003/0181788 A1 ist ebenfalls eine magnetisch navigierbare Endoskopiekapsel bekannt, die verschiedene Aufgaben innerhalb eines Patientenkörpers erfüllen kann. Auch hier sind für verschiedene Einsatzzwecke verschiedene Kapseln vorgeschlagen.

Für verschiedene Einsatzzwecke sind so bei den bisher bekannten Endoskopiekapseln verschiedene Kapseln in verschiedenen Ausführungsformen notwendig. Um die verschiedenen Einsatzzwecke abdecken zu können, sind z.B. in einer Klinik viele verschiedene Kapseln zu bevorraten oder müssen für einen bestimmten Einsatzzweck extra angefertigt werden. Dieses Vorgehen ist kosten- und zeitaufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte drahtlos navigierbare Kapsel anzugeben.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine drahtlos mittels eines Magnetsystems navigierbare Kapsel zur Durchführung einer medizinischen Maßnahme in einem Hohlorgan eines Patienten, vorzugsweise dem Gastrointestinaltrakt. Die Kapsel enthält ein mit dem Magnetsystem zusammenwirkendes magnetisches Element. Die Kapsel ist aus mindestens zwei mechanisch miteinander verbindbaren Kapselmodulen aufgebaut und mindestens zwei Kapselmodule weisen miteinander verbindbare elektrische Schnittstellen auf.

Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, dass viele Kapseln, für welchen Einsatzzweck auch immer, verschiedene Basiseinbauten in nahezu gleicher Weise enthalten müssen. So muss das magnetische Element zum Antreiben der Kapseln durch das Spulensystem bzw. Magnetsystem in allen Kapseln enthalten sein und alle Kapseln mit elektrischen Verbrauchern müssen mit einem elektrischen Energiespeicher verbunden sein. Derartige Elemente sollten somit in jede Kapsel auf gleiche oder ähnliche Weise eingebaut werden.

Durch die Trennung der Kapsel in mindestens zwei Kapselmodule entsteht ein modulares System. Hierbei können dann Kapselmodule mit jeweils verschiedenen Einbauten für verschiedene Zwecke ausgerüstet werden. Aus dieser Auswahl von Kapselmodulen lassen sich für eine bestimmte medizinische Maßnahme geeignete Kapselmodule miteinander kombinieren und zu einer En doskopiekapsel, mit anderen Worten einer Gesamtkapsel, mechanisch zusammenfügen. Entsprechende Kapselmodule können für alle gängigen medizinischen Maßnahmen bevorratet werden, wobei sich durch die flexiblen Kombinationsmöglichkeiten die Anzahl spezieller Gesamtkapseln mit verschiedenen Kombinationen von Einbauten reduzieren lässt. Zu bevorratenden sind nur die Kapselmodule als Einzelteile nach Art eines Baukastensystems.

Für eine mit der erfindungsgemäßen Kapsel arbeitende Einrichtung oder einen Arzt reduzieren sich somit die Kosten für die Bevorratung der Kapseln. Gleichzeitig erhöht sich die Verfügbarkeit von speziellen Kapseln für eine bestimmte medizinische Maßnahme, da diese zum Zeitpunkt der Verwendung schnell und einfach aus Einzelteilen, nämlich passenden Kapselmodulen, zusammengesetzt werden können.

Außerdem weisen die Kapselmodule miteinander verbindbare elektrische Schnittstellen auf. Über derartige Schnittstellen kann sowohl eine elektrische Signal- als auch Energieübertragung stattfinden. Sämtliche Kapselmodule sind somit bezüglich elektrischer Energieversorgung als auch elektronischer Kommunikation miteinander verbindbar. Einbauten in einem Kapselmodul können von beliebigen anderen Kapselmodulen bzw. deren Einbauten mitgenutzt werden. Dies erhöht die Flexibilität des Baukastensystems erheblich. Kapselmodule können so für ganz spezielle Zwecke erstellt werden.

Mehrere Kapselmodule können aneinandergereiht sein. Es entsteht ein hochflexibles System, bei dem auch Kapseln komplexer Funktionalität aus Einzelmodulen zusammensetzbar sind. So kann jedes einzelne Kapselmodul jeweils nur ein Element wie z.B. eine Batterie, einen Transceiver, eine Biopsieeinrichtung, eine Kamera usw. enthalten.

Die elektrischen Schnittstellen können die Schnittstellen eines Bussystems sein. Vor allem bei der Aneinanderschaltung mehrerer Kapselmodule werden die benötigten Energieversorgungs- und Signalleitungen z.B. nach Art eines Bussystems durch die Gesamtkapsel durchgeschleift. Kapselmodule können so in beliebiger Reihenfolge aneinander geschaltet werden. Die Schnittstellen sind standardisierbar, so dass Kapselmodule verschiedener Hersteller zueinander passen und kombiniert werden können. Die Flexibilität des Baukastensystems wird so weiter erhöht.

Die mechanische Verbindung mindestens zweier Kapselmodule kann starr ausgeführt sein. Die Kapselmodule sind selbst ebenfalls meist starr. Trägt eines der starr verbundenen Kapselmodule das magnetische Element, so wirken die vom Magnetsystem am magnetischen Element ausgeübten Kräfte und Drehmomente somit auch auf alle anderen damit starr verbundenen Kapselmodule. Das Kapselmodul mit dem magnetischen Element ist somit für die Bewegung der Gesamtkapsel verantwortlich, und in den übrigen Kapselmodulen müssen keinerlei weitere Elemente zum Kapselvortrieb im Patienten vorgesehen sein. Sie werden also passiv mitgeführt. Die mechanische Verbindung der Kapselmodule kann z.B. über eine Steck-, Klemm-, Bajonett-, Schnapp- oder Schraubverbindung realisiert sein. Das magnetische Element in der Kapsel kann ein ferromagnetisches Material, welches zunächst durch ein äußeres magnetisches Feld magnetisiert wird, um mit dem Magnetsystem zu Wechselwirken, ein Permanentmagnet oder eine stromdurchflossene Spule sein. Sinnvoll ist natürlich, das magnetische Element nur in einem einzigen Kapselmodul vorzusehen, an dem dann vom Magnetsystem die Bewegungskraft für die Gesamtkapsel erzeugt wird.

Die Kapselmodule können, wie oben ausgeführt, sehr spezielle einzelne Einbauten ausweisen. Jedes Kapselmodul ist somit für eine spezielle Teilaufgabe innerhalb der medizinischen Maßnahme vorgesehen. Erst die Kombination verschiedener Teilkapseln führt zu einer hochspezialisierten Gesamtkapsel. Folgende Einbauten sind beispielsweise denkbar: Ein Kapselmodul kann einen Positionssensor zur Messung der Kapselposition relativ zum Magnetsystem enthalten. Die Kapselposition beschreibt hierbei die 3D-Mittelpunktsposition und die Längsachsenausrichtung der gesamten Kapsel. Eine solche Kapselpositionsmessung ermöglicht es, das für die magnetische Kapselnavigation erforderliche Magnetfeld und magnetische Gradientenfeld gezielt am Ort der Kapsel, und möglichst nur dort, zu erzeugen. Als Positionssensor zur Bestimmung der Kapselposition relativ zum externen Magnetsystem kommt z.B. ein Positionssensor wie die Empfängerspule des Positionsmesssystems „Aurora" der Firma „Northern Digital Inc. (NDI)" in Frage.

Ein Kapselmodul kann einen Sensor zur Lagebestimmung der Kapsel relativ zum Hohlorgan, das die Kapsel umschließt, enthalten. Als Sensor zur Lagebestimmung der Kapsel relativ zum umgebenden Hohlorgan oder zur Bestimmung einer Kapselvorzugsrichtung, wie der Kapsellängsachse bezüglich der Darmkanalrichtung, kommt z.B. ein Drucksensor in Frage, der aus dem vom Hohlorgan auf die Kapsel ausgeübten Druck deren Lage im Hohlorgan ermittelt.

Ein Kapselmodul kann außerdem ein Kommunikationselement zur Kommunikation mit einer außerhalb des Patienten angeordneten Kommunikationseinheit enthalten. Z.B. für die drahtlose Kapselnavigation ist eine Kommunikation der Kapsel mit einer Außenstelle außerhalb des Patienten zwingend erforderlich. Die Datenübertragung zwischen der Gesamtkapsel und der Kommunikationseinheit wird alleine von einem einzigen Kapselmodul ausgeführt. Über die elektrischen Schnittstellen kann jedoch jedes angeschlossenes Kapselmodul die Kommunikationseinrichtung nutzen, z.B. die oben genannten Positionssensoren. Dies ist z.B. dann sinnvoll, wenn ein Kapselmodul die Kommunikationseinheit beinhaltet und ein anderes Kapselmodul datenverarbeitende Einbauten. Verschiedene Einbauten in verschiedenen Kapselmodulen können ein- und denselben HF-Transceiver im Kapselmodul zur Kommunikation nutzen.

Als Kommunikationselement kommt z.B. ein batteriebetriebener HF-Sender-Empfänger, mit anderen Worten ein Transceiver für beidseitige Kommunikation, oder eine passiv auslesbare Einheit zur Übertragung von Daten von der Kapsel zu einer Außeneinheit in Frage. Über das Kommunikationselement erfolgt die Übertragung von Daten von und zur gesamten Kapsel, z.B. für von der Kapsel kommende Videobilder oder Messdaten eines biometrischen Sensors oder für zur Kapsel gesendete Befehle zum Ausfahren einer Biopsiezange oder einer gezielten Medikamentengabe.

Ein Kapselmodul kann eine Vorrichtung zur Durchführung der medizinischen Maßnahme enthalten, wobei letztere auch mehrere Einzelmaßnahmen umfassen kann, wie oben erläutert. Insbesondere wenn die anderen Kapselmodule, wie oben erläutert, Navigations- und Kommunikationsaufgaben der Gesamtkapsel übernehmen, entsteht so ein hochflexibles und kostengünstiges Baukastensystem. Das gesamte Einbauvolumen dieses Kapselmoduls kann für die Vorrichtung zur Durchführung der medizinischen Maßnahme genutzt werden. Auch Kapselmodule mit neuer, bei Herstellung der anderen Kapselmodule noch nicht bekannter oder bedachter Funktionalität können so in Verbindung mit bereits gefertigten und z.B. von einem Arzt oder einer medizinischen Einrichtung bevorrateten Kapselmodulen verwendet werden. Bereits hergestellte Kapselmodule können weiter verwendet werden. Als Vorrichtungen in einem Kapselmodul mit medizinischer Funktion kommen z.B. Biopsiezangen, Videokameras, Clips oder ein Medikamentenreservoir in Frage.

Ein Kapselmodul kann einen elektrischen Energiespeicher enthalten. Sämtliche anderen Kapselmodule sind dann über die elektrischen Schnittstellen ebenfalls mit Energie von einem einzigen Energiespeicher in der Gesamtkapsel versorgt. Diese brauchen somit keine separaten Energiequellen mitzuführen, was zu einer weiteren Modularisierung des Gesamtsystems führt. Die Dimensionierung der Energiekapazität des Energie speichers kann auf den Energiebedarf der zusammenzusetzenden Gesamtkapsel angepasst werden. So muss in der Kapsel nur so viel Energie mitgeführt werden, wie tatsächlich benötigt wird. Für Aufgaben mit wenig Energieverbrauch steht somit bei gleicher Größe der Gesamtkapsel mehr Raum für andere Kapselmodule zur Verfügung, wenn das Energiemodul möglichst klein ist. Die beispielsweise zum elektromechanischen Auslösen eines durch Federkraft vorgespannten Clips in einem Kapselmodul benötigte elektrische Energie könnte dann aus der zentralen Batterie in einem anderen Kapselmodul stammen.

Ein Kapselmodul kann einen Akkumulator enthalten. Dieser kann drahtlos, z.B. induktiv, oder drahtgebunden wieder aufladbar sein. Für medizinische Maßnahmen mit wenig Energiebedarf ist auch der Einsatz aufladbarer Kondensatoren denkbar.

Das Kapselmodul kann ein flexibles oder gelenkartiges Verbindungsstück zur Zwischenschaltung zwischen zwei weitere Kapselmodule sein. So sind vor allem Gesamtkapseln von nicht unerheblicher Länge an dieser Stelle beweglich bzw. biegsam und können so leichter Windungen bzw. Kurven beim Durchfahren eines geschlungenen Hohlorgans überwinden. Die Bewegung der Kapsel im Patienten benötigt weniger Kraftaufwand. Der Energiebedarf des Magnetsystems zur Verursachung der Kapselbewegung wird gesenkt und der Patient wird geschont. Die gelenkige Gesamtkapsel kann enge Kurven, z.B. im Dünndarm, leichter durchfahren als eine lange, starre Kapsel.

Während ein flexibles Kapselmodul, z.B. aus einem gummiartigen Stoff, im allgemeinen ein in beliebige Richtungen flexibles Verbindungsstück in der Gesamtkapsel ergibt, führt ein gelenkiges Kapselmodul zu einer z.B. nur in definierte Richtungen oder in bestimmten Winkelbereichen gegeneinander verdreh- oder verkippbaren Gelenkverbindung von Kapselmodulen.

Natürlich können dennoch aus Redundanz- oder sonstigen Gründen bestimmte Einbauten, wie z.B. der Energiespeicher oder die Kommunikationseinrichtung, auch mehrfach in der Gesamtkapsel vorgesehen sein.

Im Gegensatz zur oben erwähnten starken Modularisierung können allerdings Kapselmodule auch mehrere Einbauten enthalten, die für viele Anwendungsfälle gleich sind bzw. zusammengehören. Verschiedenste Kombinationsmöglichkeiten von Einbauten in Träger- und Nutzkapsel sind denkbar. Ein Beispiel:
Ein erstes Kapselmodul kann Einbauten zur magnetischen Navigation der Kapsel und ein zweites Kapselmodul Einbauten mit medizinischem Zweck enthalten.

Durch diese Aufteilung entsteht ein in wesentlichen zweiteiliges Modulsystem, das die Kapselnavigation von der eigentlichen medizinischen Maßnahme trennt. So ist z.B. denkbar, die Sensoren zur Kapselnavigation, das magnetische Element und das Kommunikationselement im ersten Kapselmodul zusammenzufassen. So entsteht ein Träger- oder Antriebsmodul, das alle für die Navigation bzw. Bewegung der Kapsel im Patienten benötigten Elemente enthält. Das zweite oder die übrigen Kapselmodule werden dann vom Antriebsmodul geführt und benötigen keinerlei Elemente für die Navigation, sondern nur für den speziellen medizinischen Zweck. Ein elektrischer Energiespeicher kann dann z.B. in der zweiten Teilkapsel enthalten sein und die Positionssensoren der ersten Teilkapsel mitversorgen. Die medizinischen Einbauten im zweiten Kapselmodul können das Kommunikationselement im ersten Kapselmodul mitbenutzen, um z.B. gewonnene Daten nach außerhalb des Patienten zu senden.

Durch die funktionale Zusammenfassung verschiedener Einbauten in Kapselmodulen wird die Anzahl der zu bevorratenden Einzelkapseln gesenkt. Das modulare System wird einfacher.

Ein Kapselmodul kann die Form einer zumindest einseitig offenen Hülse zur Aufnahme weiterer Kapselmodule haben. Die Außenform der gesamten Kapsel kann somit z.B. durch die Außenform der Hülse im Wesentlichen vorgegeben sein. Insofern stellt das Kapselmodul eine Schutzhülle für weitere Kapselmodule dar.

Das Kapselmodul kann so auch als Trägermodul für weitere Module fungieren. Der größte Teil der Oberfläche der Gesamtkapsel ist dann durch die Hülse bestimmt und kann z.B. mit einer chemisch inerten bzw. für den Patienten besonders verträglichen Beschichtung versehen sein. Durch die mindestens einseitige Öffnung sind dann weitere Kapselmodule einfach in die Trägerkapsel einführbar, und die Außenseite der eingesetzten Kapselmodule kann kostengünstig gestaltet sein.

Mit anderen Worten ist dann eines der Kapselmodule als Trägermodul oder Trägerkapsel ausgeführt, das andere Kapselmodul, mit anderen Worten Nutzkapseln oder Nutzcontainer, aufnehmen kann. Das als Trägerkapsel fungierende Kapselmodul kann sämtliche Einbauten, die in einer Gesamtkapsel immer benötigt werden, enthalten, wie z.B. den Permanentmagneten, die Sensoren zur Kapselortung und Lageerkennung, einen minimalen elektrischen Energiespeicher usw. Eine derartige Trägerkapsel kann dann z.B. vom Hersteller des Magnetsystems entwickelt und bereitgestellt werden, der diese möglichst gut auf das Magnetsystem abstimmen kann.

Die mit der Trägerkapsel verbindbaren bzw. kombinierbaren Kapselmodule, mit anderen Worten, die Module mit Spezialfunktionen, können dann von anderen Herstellern optimiert werden, z.B. ein Kameramodul von einem Optikhersteller, ein Medikamentenreservoir von einem Pharmahersteller usw. Hierdurch ist die jeweilige technische Funktionalität der Kapselmodule optimierbar.

Durch eine geeignete Standardisierung der Kapselmodule bezüglich ihrer Form, mechanischen Verbindungsmöglichkeiten, elektrischen Steckverbindungen usw. sind modulare Kapselkonzepte einfach und flexibel zu realisieren. Die entsprechenden Kapselmodule können stets verbessert und auf dem technisch neuesten Stand gehalten werden. Alte können mit neuen Kapselmodulen kombiniert werden. Sowohl ausgereifte und vielfach erprobte als auch experimentelle Module sind so denkbar bzw. kombinierbar.

Um mehr Flexibilität für die Ausgestaltung von Gesamtkapseln, z.B. mit zwei Videokameras am vorderen und hinteren Ende, zu erhalten, kann die Hülse natürlich auch beidseitig offen oder in Umfangsrichtung geschlossen oder teilweise offen sein. Die Hülse kann dann durchgängig oder nicht durchgängig ausgeführt sein.

Je nach Zweck der Gesamtkapsel können so verschiedenartige Kapselmodule als Trägerkapseln für weitere Kapselmodule als Nutzcontainer bevorratet und genutzt werden. Das modulare System der Gesamtkapsel wird dadurch flexibler.

Die Kapselmodule können lösbar mechanisch miteinander verbunden sein oder wieder verwendbar sein. Hierdurch sind Gesamtkapseln nach dem Einsatz wieder zerlegbar und können ganz oder teilweise wieder verwendet werden. Dies ist vor allem für z.B. Videokameras, wieder aufladbare Akkus oder ähnliches sinnvoll. Weniger sinnvoll erscheint dies allerdings z.B. für Medikamentencontainer o.ä. Durch die Lösbarkeit können jedoch Einmalmodule mit wieder verwendbaren Modulen kombiniert werden, ohne nach Gebrauch die wieder verwendbaren Module mit entsorgen zu müssen.

Durch eine geeignete konstruktive Ausgestaltung können Kapselmodule annähernd gleich schwer ausgeführt werden, was zu einer bezüglich ihres Gesamtschwerpunktes ausgewogenen Endoskopiekapsel bzw. Gesamtkapsel führt, d.h. es entsteht ein geometrisch annähernd mittiger Schwerpunkt, insbesondere liegt der Schwerpunkt auf der Mittellängsachse der Gesamtkapsel. Diese weist dann im Vergleich zu einer entsprechenden, nicht modular aufgebauten Kapsel dasselbe Bewegungsverhalten auf und ist damit in üblicher und bekannter Weise vom Magnetsystem navigierbar. An der Kapsel aufzubringende Kräfte und Drehmomente müssen gegenüber der Verwendung einer einstückigen Kapsel nicht angepasst werden.

Vor allem falls die Gesamtkapsel länglich geformt ist und deshalb eine Längsachse aufweist, ist es günstig, wenn das magnetische Element ein senkrecht zur Längsachse orientiertes Dipolmoment aufweist. So kann die gesamte Kapsel durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes um ihre Längsachse rotiert werden, was z.B. dazu dient, eine an einer bestimmten Umfangsposition der Kapsel befindliche Einrichtung, wie eine Biopsiezange, im Patienten richtig zu platzieren.

Bei einem senkrecht zur Kapsellängsachse ausgerichteten magnetischen Dipolmoment kann ein Kapselmodul äußerlich eine gewindeartige Geometrie, also eine Schraubenform aufweisen, wodurch sich die gesamte Kapsel bei Rotation um ihre Längsachse nach Art einer Archimedischen Schraube im Hohlorgan fortbewegt.

Ein Kapselmodul, vor allem wenn es hülsenartig ist, kann einen seitlichen Schlitz bzw. eine Öffnung aufweisen, durch die ein im hülsenartigen Kapselmodul innenliegendes, bzw. teilweise von diesem umschlossenes Kapselmodul eine Verbindung zur Kapselumgebung erhält. Durch die Öffnung kann das innenliegende Kapselmodul eine Medikamentengabe ausführen. Auch kann durch die Öffnung seitlich ein Manipulator oder ähnliches aus einem innenliegenden Kapselmodul ausgefahren oder eine seitlich blickende Videokamera installiert werden.

Ein Kapselmodul kann ein an ein weiteres Kapselmodul anlegbares Dichtelement aufweisen. Das Dichtelement verhindert beim Betrieb der Gesamtkapsel im Patienten ein Eindringen von Körperflüssigkeiten zwischen bzw. in Kapselmodule. So sind z.B. die verbindenden elektrischen Anschlüsse geschützt. Innerhalb des von Dichtelementen versiegelten Innenbereichs der Gesamt kapsel können Kapselmodule unabgedichtete Öffnungen aufweisen, was die mechanische und elektrische Verbindbarkeit sowie die Oberflächenbeschaffenheit der Kapselmodule im versiegelten Bereich in konstruktiver Hinsicht vereinfacht und somit die Kosten der einzelnen Kapselmodule sowie die der Gesamtkapsel senkt. In der Regel verfügen mehrere oder sämtliche Kapselmodule einer Gesamtkapsel über entsprechende Dichtelemente.

Zur mechanischen Verbindung untereinander können die Kapselmodule plane Stoßflächen aufweisen. So sind Verriegelungsmechanismen zur Verbindung aneinander einfach herstellbar. Die Kapselmodule liegen plan aneinander an, was bei gleicher Außenform an den sonstigen Flächen zu einer nahezu spaltfreien und somit glatten Gesamtkapsel führt.

Günstig ist es in einem solchen Fall, wenn jedes Kapselmodul einen kreisförmigen Querschnitt bezüglich der Längsachse der Gesamtkapsel aufweist. So entsteht eine zylinderförmige Gesamtkapsel, die günstige Gleit- und Navigationseigenschaften im Patientenkörper besitzt.

Die Gesamtkapsel bzw. die einzelnen Kapselmodule können aus einem biokompatiblen Material bestehen. Die gesamte Kapsel ist hierdurch besonders verträglich während der Durchführung der medizinischen Maßnahme im Patienten und ruft somit keine Reizungen, allergische Reaktionen oder ähnliches im Patienten hervor. Das Material kann außerdem so gewählt sein, dass sie im Hohlorgan besonders leicht gleitet und somit den zur Bewegung der Kapsel erforderlichen Kraftaufwand reduziert. Dies trägt dann zu einer Energieeinsparung im krafterzeugenden Magnetsystem bei.

Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer Prinzipdarstellung:
1 eine seitlich offene Trägerkapsel mit eingelegter Nutzkapsel mit Videokamera und Biopsiezange im Teilschnitt,
2 eine alternative Ausführungsform einer Kapsel in einem Darmabschnitt, mit einer Trägerkapsel mit schraubenförmiger Außenkontur, in einer Darstellung gemäß 1,
3 eine aus mehreren Kapselmodulen aufgebaute Gesamtkapsel, in einer Darstellung gemäß 1.
1 zeigt eine Endoskopiekapsel 2, welche aus einer Trägerkapsel 4 und einer Nutzkapsel 6 zusammengesetzt ist. Die Trägerkapsel 4 ist im Wesentlichen becherförmig geformt, wobei sie an einer Stelle 8 ihres Umfangs 10 von der Becheröffnung 12 her auf einem Teil ihrer Länge mit einem Schlitz 14 versehen ist. Die Trägerkapsel 4 besteht im Bereich 16 aus einem Permanentmagneten 18 mit Dipolmoment 52 senkrecht zur Mittellängsachse 30 der Kapsel. Der Permanentmagnet 18 erfährt durch ein nicht dargestelltes Magnetsystem eine Kraft bzw. ein Drehmoment, verursacht durch die vom Magnetsystem erzeugten magnetischen Felder. Hierdurch ist die Endoskopiekapsel 2 im nicht dargestellten, sich innerhalb des Magnetsystems befindlichen Patienten bewegbar bzw. navigierbar.
Im Becherboden 20 der Nutzkapsel 6 ist ein HF-Transceiver 22 eingebaut, welcher zur Kommunikation per Funk zwischen Endoskopiekapsel 2 und einer nicht dargestellten Kommunikationseinheit außerhalb des Patienten dient. Der HF-Transceiver 22 ist über eine elektrische Leitung 24 an einer Buchse 26 angeschlossen, welche im Inneren des Becherbodens 20 angeordnet ist und dort von der Becherinnenseite her elektrisch kontaktierbar ist.
Weiterhin ist im Becherboden 20 ein Positionssensor 28 vorgesehen, welcher ebenfalls über eine elektrische Leitung 24 mit der Buchse 26 verbunden ist. Der Positionssensor 28 dient zur Ermittlung der Position der Endoskopiekapsel 2 relativ zum Magnetsystem. Hierbei wird sowohl die 3D-Ortsposition der Endoskopiekapsel als auch die räumliche Ausrichtung der Mittel längsachse 30 der Endoskopiekapsel 2 ermittelt und an die Kommunikationseinheit außerhalb des Patienten übertragen.
Durch die Becheröffnung 12 ist in die Trägerkapsel 4 die Nutzkapsel 6 in Richtung der Mittellängsachse 30 bis zu ihrem Anschlag am Becherboden 20 eingeschoben. Ein am Ende 32 der Nutzkapsel 6 befindlicher Stecker 34 kontaktiert hierbei die Buchse 26 elektrisch. So sind sämtliche elektrischen Verbraucher beider Teilkapseln, nämlich der Trägerkapsel 4 und der Nutzkapsel 6, elektrisch verbunden. Im Inneren der Nutkapsel 4 befinden sich eine in Richtung der Mittellängsachse 30 blickende Videokamera 36 und eine Batterie 38, welche wiederum beide über elektrische Leitungen 24 am Stecker 34 angeschlossen sind. Die Videokamera 36 dient zur Aufnahme von Bildern in der Umgebung der Endoskopiekapsel 2, welche über den HF-Transceiver 22 von der Endoskopiekapsel 2 zum Magnetsystem übertragen werden. Die Batterie 38 versorgt sämtliche elektrischen Verbraucher in der Endoskopiekapsel 2.
An der Außenwand der Nutzkapsel 6 ist eine Biopsiezange 40 angebracht, welche ebenfalls über eine elektrische Leitung 24 an der Buchse 26 angeschlossen ist. Die Biopsiezange 40 kann in Radialrichtung von der Nutzkapsel 6 weg ausgefahren werden, um mit ihrem Greifer 42 eine Biopsie im Inneren des Patienten durchzuführen. Um diese Bewegung ausführen zu können, ist die Biopsiezange 42 im Bereich des Schlitzes 14 der Trägerkapsel 4 angeordnet. Am aus der Becheröffnung 12 ragenden Ende 44 besitzt die Nutzkapsel 6 ein Sichtfenster 46, durch welches die Videokamera 36 aus dem Kapselinneren nach außen blickt.
An der Trennlinie 47 zwischen Nutzkapsel 6 und Trägerkapsel 4 ist zwischen beiden ein nicht dargestelltes Dichtelement angebracht, das ein Eindringen von Körperflüssigkeit zwischen beide Teilkapseln verhindert. So ist z.B. auch der Kontakt zwischen Buchse 26 und Stecker 34 vor Verschmutzung bzw. Be schädigung geschützt und braucht selbst nicht entsprechend aufwändig gegen Körperflüssigkeit geschützt zu sein.
Stecker 34 und Buchse 26 sind außerdem nach Art eines Schnappverschlusses ausgebildet, so dass beim Zusammenstecken von Nutzkapsel 6 und Trägerkapsel 4 diese in der in 1 gezeigten Position einrasten und nur durch Überwindung des Widerstandes des Schnappverschlusses wieder gelöst werden können. So halten beide Teilkapseln während der Durchführung der medizinischen Maßnahme, nämlich der Videographie, der Biopsie bzw. der Navigation, im Patienten mechanisch stabil zusammen. Gegen ein Verdrehen beider Teilkapseln bezüglich der Mittellängsachse 30 sind diese mit einer nicht dargestellten Verdrehsicherung in Form einer in eine Nut greifenden Rippe versehen. So ist außerdem die verpolungssichere elektrische Kontaktierung von Stecker 34 und Buchse 26 beim Zusammenfügen der Endoskopiekapsel 2 aus den Teilkapseln sichergestellt.
Zum Austauschen der Batterie 38 nach deren Entladung ist die Nutzkapsel 6 an ihrem Umfang 54 mit einer Öffnung 56 versehen. Um den Eintritt von Körperflüssigkeit des Patienten beim Einsatz der Endoskopiekapsel 2 im Patienten zu verhindern, ist zwischen Trägerkapsel 4 und Nutzkapsel 6 als Dichtung 58 ein O-Dichtring am inneren stirnseitigen Ende der Trägerkapsel 4 angeordnet.
Über die Dichtung 58 ist zusätzlich oder alternativ zur oben genannten Lösung mit Schnappverschluss die lösbare, aber feste mechanische Verbindung zwischen Trägerkapsel 4 und Nutzkapsel 6 sichergestellt. Beim Einschieben der Nutzkapsel 6 in die Trägerkapsel 4 entlang der Mittellängsachse 30 rastet nämlich die Dichtung 58 in eine umlaufende Nut 60 am Außenumfang 54 der Nutzkapsel 6 ein.
2 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform einer Endoskopiekapsel 2 in einem menschlichen Darm 64, von dem in 2 ein kleiner Abschnitt dargestellt ist. Auch hier ist die Nutzkapsel 6 fest, aber lösbar mit der Trägerkapsel 4 verbunden, z.B. mit dieser verschraubt, verschnappt oder gesteckt.
Für verschiedene diagnostische oder therapeutische Maßnahmen können auch hier in ein und dieselbe Trägerkapsel 4 verschiedene Nutzkapseln 6 eingesetzt werden. Die Nutzkapsel 6 in
2 beinhaltet die Videokamera 36, welche durch das Sichtfenster 46 am Ende 44 in Richtung des Pfeils 62 Bilder vom Inneren des Darms 64 aufnimmt. Diese werden über den HF-Transceiver 22 an das Magnetsystem übermittelt.
Die wesentlichen Elemente zur magnetischen Kapselnavigation befinden sich bei dieser Ausführungsform in der Trägerkapsel 4. Sie enthält permanentmagnetisches Material, mit dem Dipolmoment 52, welches wiederum in radialer Richtung der Endoskopiekapsel 2, also senkrecht zu deren Mittellängsachse 30, ausgerichtet ist.
Zusätzlich ist ein Drucksensor 66 in die Trägerkapsel 4 integriert. Dieser nimmt bei einer Rotation der Endoskopiekapsel 2 um die Mittellängsachse 30 einen Druckverlauf auf. Der Druckverlauf ist der Verlauf in Kapselumfangsrichtung des auf die Endoskopiekapsel 2 von der Innenwand des Darms 64 ausgeübten mechanischen Drucks. In einem nicht näher erläuterten Verfahren wird aus dem Druckverlauf die Lage der Endoskopiekapsel 2 relativ zum Darm 64 ermittelt.
Zur Navigation der Endoskopiekapsel 2 im Patienten ist neben der Lageerkennung der Endoskopiekapsel 2 relativ zum Darm 64 auch die Positionserkennung der Endoskopiekapsel 2 relativ zum felderzeugenden Spulensystem, also dem Magnetsystem, notwendig. Dies geschieht über den Positionssensor 28, mit dem sich die Position des Mittelpunkts 67 der Endoskopiekapsel 2 und die Ausrichtung der Mittellängsachse 30 im Koordinatensystem des Magnetsystems bestimmen lässt. Die entsprechenden Vorrichtungen sind im Beispiel in der Trägerkapsel 4 integriert, könnten aber auch in der Nutzkapsel 6 angeordnet sein.
Im Unterscheid zu 1 ist die Außenform der Endoskopiekapsel 2, insbesondere die Außenform der Trägerkapsel 4, nicht rotationssymmetrisch bezüglich der Mittellängsachse 30, sondern weist einen sich radial nach außen vorwölbenden Gewindegang 68 auf. Die gesamte Trägerkapsel 4 ist somit nach Art einer Schraube bezüglich der Mittellängsachse 30 ausgebildet. Bei einer Rotation der gesamten Endoskopiekapsel 2 um die Mittellängsachse 30 wirkt der Gewindegang 68 mit der Darmwand 70 nach Art einer Archimedischen Schraube zusammen, so dass sich die Endoskopiekapsel 2 in oder entgegen der Richtung des Pfeils 62, je nach Drehsinn 74 der Rotation, translatorisch im Darm 64 entlang der Darmmittenachse 72 fortbewegt.
Diese Bewegung unterstützt die translatorische Bewegung der Endoskopiekapsel 2 entlang des Darms 64 in Richtung des Pfeils 62, wie sie in 1 zustande kommt. Dort wird die Fortbewegung durch ein vom Spulensystem erzeugtes magnetisches Gradientenfeld, das mit dem Dipolmoment 52 zusammenwirkt, verursacht.
Zur Fortbewegung der Kapsel in 2 reicht also ein gradientenfreies magnetisches Feld aus, welches um die Mittellängsachse 30 rotiert und so die Endoskopiekapsel 2 mitrotiert. Ein Feldgradient, welcher das Dipolmoment 52 in Richtung des Pfeils 62 bewegt, ist nicht unbedingt notwendig, kann die translatorische Bewegung aber zusätzlich fördern.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Endoskopiekapsel 2, welche gegenüber den vorherigen Ausführungsbeispielen wesentlich stärker modularisiert ist, nämlich aus sieben Teilkapseln 76a–76f besteht. Die Teilkapsel 76f ist hierbei ähnlich der Trägerkapsel 4 der vorherigen Ausführungsformen zur Aufnahme mehrerer Teilkapseln 76a–76e ausgeführt. Die Teilkapsel 76f ist hierzu bezüglich ihrer Mittel längsachse 30 beidseitig mit Becheröffnungen 12 versehen. Am Becherboden 20 sind jeweils Buchsen 26 zur Aufnahme der Stecker 34 der Teilkapseln 76a–e vorgesehen.
Ähnlich dem Ausführungsbeispiel nach 1 sind auch bei dem in 3 in der Teilkapsel 76f der Permanentmagnet 18, sowie der Positionssensor 28 und der Drucksensor 66 integriert. Die Teilkapsel 76f verfügt somit über sämtliche notwendigen Einbauten zur Kraftausübung auf die Endoskopiekapsel 2, zur Positionsbestimmung bezüglich des nicht dargestellten Magnetsystems und zur Positionsbestimmung bezüglich des nicht dargestellten Hohlorgans, in dem sich die Kapsel befindet.
Die Dichtungen 58 an den einzelnen Teilkapseln 76a–f dienen wiederum der Abdichtung zwischen den einzelnen Teilkapseln 76a–f. Hierdurch sind die elektrischen Kontakte der Stecker 34 und Buchsen 26, wie bereits erläutert, vor Kontakt mit Körperflüssigkeit geschützt.
Die Teilkapseln 76a bis 76e sind stark modularisiert, d. h. jede einzelne Teilkapsel 76a–e weist nur eine einzige spezifische Funktionalität auf. So sind die beiden Teilkapseln 76a als Videokameras 36 ausgeführt, die Teilkapsel 76b bildet mit ihrem Medikamentenreservoir 48 eine Einheit zur gezielten Medikamentengabe. Die Teilkapsel 76c enthält einen HF-Transceiver 22 zur Kommunikation mit einer nicht dargestellten Kommunikationseinheit außerhalb des Patienten.
Die Teilkapsel 76d enthält eine Batterie 38 in Form eines wieder aufladbaren Akkumulators.
Die Teilkapsel 76e ist ein flexibles Kupplungsstück zwischen den Teilkapseln 76d und 76a, welches sowohl eine elektrische Durchkontaktierung zwischen dem Stecker 34 und der Buchse 26 durch die Leitung 24 aufweist als auch ermöglicht, dass die Mittellängsachsen 30 der benachbarten Teilkapseln 76d und 76a in einem Winkel zueinander stehen können. Im komplett zusam mengebauten Zustand der Gesamtkapsel 2, wenn also sämtliche Teilkapseln 76a–e entlang der Pfeile 78 zusammengefügt sind, entsteht so eine an der Stelle der Teilkapsel 76e biegbare Endoskopiekapsel 2, welche trotz ihrer nicht unerheblichen Länge Schlingungen bzw. Biegungen des nicht dargestellten Dünndarms leicht durchfahren kann.
Da sämtliche Teilkapseln 76a–f über standardisierte Stecker 34 und Buchsen 26 verfügen und sämtliche elektrische Verbindungen durch sämtliche Teilkapseln durchgeschleift werden, sind sämtliche elektrischen Einbauten der Endoskopiekapsel 2 nach Art eines Bussystems komplett vernetzt, und zwar sowohl bezüglich ihrer Energieversorgung als auch bezüglich des Datenaustauschs sämtliche Einzeleinbauten, wie z. B. der HF-Transceiver 23 und die Batterie 38, und können somit von sämtlichen anderen Elementen sämtlicher Teilkapseln 76a–f genutzt werden.
Wie am Beispiel der Teilkapseln 76c und 76d erkennbar ist, weisen diese zueinander kompatible, plane Anlageflächen 80 auf, wobei die zugehörigen Dichtungen 58 am äußeren Umfangsrand der Anlageflächen 80 jeweils an der mit dem Stecker 34 ausgerüsteten Seite der Teilkapsel 76c bzw. 76d angebracht sind. Sämtliche Teilkapseln 76a–f sind somit in nahezu beliebiger Weise aneinander fügbar. Lediglich die Kapseln 76a müssen immer am Ende angeordnet sein, da diese im Ausführungsbeispiel als Endmodule mit einseitiger Anschlussmöglichkeit dargestellt sind.
Die Kapseloberfläche 82 der als Trägerkapsel ausgebildeten Teilkapsel 76f wird an den Teilkapseln 76a, c, d, e nahezu spaltfrei weitergeführt. Die seitliche Austrittsöffnung 50 in der Teilkapsel 76f ist so angeordnet, dass sie bei eingesetzter Teilkapsel 76b mit der Austrittsöffnung 50 des Medikamentenreservoirs 48 fluchtet.

Claims

Drahtlos mittels eines Magnetsystems navigierbare Kapsel (2) zur Durchführung einer medizinischen Maßnahme in einem Hohlorgan (64) eines Patienten, vorzugsweise dem Gastrointestinaltrakt, mit einem mit dem Magnetsystem zusammenwirkenden magnetischen Element (18), wobei die Kapsel (2) aus mindestens zwei mechanisch miteinander verbindbaren Kapselmodulen (4, 6) aufgebaut ist, und mindestens zwei Kapselmodule (4, 6) miteinander verbindbare elektrische Schnittstellen (26, 34) aufweisen.
Kapsel (2) nach Anspruch 1, bei der mehrere Kapselmodule (4, 6) aneinandergereiht sind.
Kapsel (2) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die elektrischen Schnittstellen (26, 34) die Schnittstellen eines Bussystems sind.
Kapsel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens zwei Kapselmodule (4, 6) mechanisch starr miteinander verbindbar sind.
Kapsel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Kapselmodul (4) einen Positionssensor (28) zur Bestimmung der Kapsellage relativ zum Magnetsystem enthält.
Kapsel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Kapselmodul (4) einen Sensor zur Bestimmung der Kapsellage relativ zum umgebenden Hohlorgan enthält.
Kapsel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Kapselmodul (4) ein Kommunikationselement (22) zur Kommunikation mit einer außerhalb des Patienten angeordneten Kommunikationseinheit enthält.
Kapsel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Kapselmodul (6) eine Vorrichtung zur Durchführung der medizinischen Maßnahme (36, 40) enthält.
Kapsel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Kapselmodul (4, 6) einen elektrischen Energiespeicher (38) enthält.
Kapsel (2) nach Anspruch 9, bei der der elektrische Energiespeicher ein Akkumulator ist.
Kapsel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Kapselmodul (76e) ein flexibles oder gelenkartiges Verbindungsstück zur Zwischenschaltung zwischen zwei weitere Kapselmodule (76d, a) ist.
Kapsel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein erstes Kapselmodul (4) Einbauten zur magnetischen Navigation der Kapsel (2) enthält und ein zweites Kapselmodul (6) Einbauten mit medizinischem Zweck enthält.
Kapsel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Kapselmodul (4) eine zumindest einseitig offene Hülse zur Aufnahme weiterer Kapselmodule (6) ist.
Kapsel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kapselmodule (4, 6) lösbar mechanisch miteinander verbindbar sind.
Kapsel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Kapselmodul (4, 6) wieder verwendbar ist.
Kapsel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kapselmodule (4, 6) zumindest annähernd gleich schwer sind.
Kapsel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Dipolmoment (52) des magnetischen Elements (64) senkrecht zur Kapsellängsachse (30) ausgerichtet ist.
Kapsel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Kapselmodul (4) äußerlich eine gewindeartige Geometrie aufweist.
Kapsel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Kapselmodul (4) einen seitlichen Schlitz (14) aufweist.
Kapsel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Kapselmodul (4, 6) ein an ein weiteres Kapselmodul (4,6) anlegbares Dichtelement (58) aufweist.
Kapsel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kapselmodule (4, 6) plane Stoßflächen zur mechanischen Verbindung miteinander aufweisen.
Kapsel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Kapselmodul (4, 6) einen kreisförmigen Querschnitt bezüglich der Längsachse (30) der Kapsel (2) aufweist.
Kapsel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die sich innerhalb des Patienten oder Hohlorgans nicht auflöst und an ihrer Oberfläche aus biokompatiblem Material besteht.