DE102005007628A1

DE102005007628A1 - Drahtlos navigierbare Kapsel und Verfahren zur Durchführung einer medizinischen Maßnahme in einem Hohlorgan eines Patienten

Info

Publication number: DE102005007628A1
Application number: DE102005007628A
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: 2006-08-31
Also published as: WO2006087287A1

Abstract

Eine drahtlos mittels eines Magnetsystems navigierbare Kapsel (4) zur Durchführung einer medizinischen Maßnahme in einem die Kapsel (4) umschlingenden Hohlorgan (2) eines Patienten, vorzugsweise dem Gastrointestinaltrakt, weist eine Längsachse (8) auf. In einem radial von der Längsachse (8) beabstandeten Teilbereich (18) ihrer Oberfläche (16) ist zumindest ein Drucksensor (20) zur Erfassung eines auf die Kapsel (4) vom Hohlorgan (2) ausgeübten mechanischen Drucks an verschiedenen Umfangspositionen der Kapsel (4) angeordnet. DOLLAR A Bei einem Verfahren zum drahtlosen Navigieren einer Kapsel (4) zur Durchführung einer medizinischen Maßnahme in einem die Kapsel (4) umschlingenden Hohlorgan (2) eines Patienten, vorzugsweise dem Gastrointestinaltrakt, wobei die Kapsel (4) eine Längsachse (8) und einen radial von der Längsachse (8) beabstandeten Oberflächenbereich (18) mit einem Drucksensor (20) zur Erfassung eines auf die Kapsel (4) vom Hohlorgan (2) ausgeübten mechanischen Drucks aufweist, wird die Kapsel (4) in das Hohlorgan (2) eingebracht. Der vom Hohlorgan (2) auf den Drucksensor (20) ausgeübte mechanische Druck an mehreren Umfangspositionen der Kapsel (4) wird erfasst. Aus dem Druck wird die Lage der Längsachse (8) bezüglich des Hohlorgans (2) ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine drahtlos navigierbare Kapsel und ein Verfahren 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 zu verstehen für verschiedenste medizinische Vorhaben wie z.B. Diagnosen (Sichtprüfung, Biopsien) oder Therapien (gezielte Medikamentengabe, 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 Endoskops. Trotz des neuen Verfahrens ist der Dünndarm nur etwa bis zur Hälfte, d.h. ca. 2–3 m jeweils von der oralen als auch rektalen Seite aus, erreichbar. Ein vollständiges Durchfahren des Dünndarms 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 ist 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 kleine Kapsel, welche mit einer Videokamera und/oder z.B. einer Biopsiezange, einem Medikamentenreservoir etc. bestückt ist. Die Magnetfelder erzeugen an der Kapsel eine translatorische Kraft oder ein Drehmoment und bewegen so die Kapsel im Patienten.

Die Kapsel wird mit Hilfe der von der Videokamera gelieferten Echtzeitbilder von einem Bediener auf Sicht durch ein Hohlorgan im Patienten bewegt. Eine derartige Navigation ist sehr schwierig und zeitaufwendig. Das Navigieren der Kapsel wird bei Ausfall des Videosystems bzw. für Kapseln ohne Videokamera unmöglich, da der Ortsverlauf des Dünndarms eines Patienten nicht vorab bekannt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte drahtlos navigierbare Kapsel und ein verbessertes Verfahren zu deren Navigation anzugeben.

Hinsichtlich der Kapsel wird die Aufgabe gelöst durch eine drahtlos mittels eines Magnetsystems navigierbare Kapsel zur Durchführung einer medizinischen Maßnahme in einem die Kapsel umschlingenden Hohlorgan eines Patienten, vorzugsweise dem Gastrointestinaltrakt. Die Kapsel weist eine Längsachse auf. In einem radial von der Längsachse beabstandeten Teilbereich ihrer Oberfläche ist zumindest ein Drucksensor angeordnet. Dieser liegt also an der Kapseloberfläche. Der Drucksensor dient zur Erfassung eines auf die Kapsel vom Hohlorgan ausgeübten mechanischen Drucks. Der Druck ist hierbei an verschiedenen Umfangspositionen der Kapsel erfassbar.

Die Erfindung nutzt die Erkenntnis aus, dass eine in ein entleertes Hohlorgan, insbesondere den Gastrointestinaltrakt, eingebrachte Kapsel dieses berührt und an dessen Innenwandung aufweitet. Die Innenwandung des Hohlorgans steht somit in Berührung mit einem mehr oder weniger großen Teil der Oberfläche der Kapsel. Aufgrund der Elastizität der Wand des Hohlorgans wird von dessen Innenwandung auf die Kapseloberfläche ein mechanischer Druck ausgeübt. Dieser Druck ist nicht notwendigerweise auf der gesamten Kapseloberfläche gleich. Außerdem ändern sich je nach Lage der Kapsel im Hohlorgan die Druckverhältnisse an deren Oberfläche. Die Erfindung nutzt weiterhin die Erkenntnis, dass bei Bekanntheit der Druckverhältnisse auf der Kapseloberfläche von diesen auf die relative Lage der Kapsel im Hohlorgan rückgeschlossen werden kann. So deutet z.B. eine ungleichmäßige Druckverteilung am Kapselumfang auf eine Schräglage der Kapsel bezüglich der Vorzugsrichtung des Hohlorgans hin.

Die Kapsel ist deshalb mit mindestens einem Drucksensor ausgerüstet, der oben genannten Druck aufnehmen, also messen, kann. Der Drucksensor ist in einem radial von der Längsachse beabstandeten Teilbereich der Oberfläche angeordnet. Da der Drucksensor also einen radialen Abstand zur Längsachse aufweist, nimmt dieser den Druck auf die Kapseloberfläche an der entsprechenden Stelle auf. Dies ist an mehreren verschiedenen Umfangspositionen der Kapsel vorgesehen. So ist ein zumindest an mehreren Punkten bekanntes Druckprofil in Kapselumfangsrichtung ermittelbar. Hieraus kann nach der oben genannten Erkenntnis auf die Lage der Kapsel relativ zur Ausrichtung des Hohlorgans geschlossen werden.

Die Kapsel oder der Teilbereich wird z.B. durch Anlegen des außerhalb des Patienten erzeugten Magnetfeldes translatorisch bewegt und rotiert, also drahtlos navigiert. Ein derartiges Magnetsystem ist z.B. in der DE 101 42 253 offenbart. In der Kapsel ist dann als Antriebsorgane z.B. lediglich ein Permanentmagnet notwendig, der in bzw. an der Kapsel angebracht ist.

Die Lage der Kapsel relativ zur lokalen Ausrichtung des Hohlorgans am Ort der Kapsel ist also ermittelbar. Somit ist die Lage auch ohne optische Hilfsmittel korrigierbar. Die Videokamera in der Kapsel kann so entfallen. Auch ist dadurch eine automatische Navigation, also ohne Steuerung durch einen Bediener, möglich. Automatische Fahrten wie „Fahre durch den gesamten Dünndarm" oder „Fahre zurück zum Magen" sind so möglich. Die Kapsel ist somit in der Lage, jeder Darmschlingung automatisch zu folgen. Dies spart Personal- und Gerätezeit.

Ein Druckprofil bzw. verschiedene einzelne über den Kapselumfang verteilte Druckwerte können auf verschiedene Weisen ermittelt werden. Wenn z.B. nur ein einziger Drucksensor an der Kapsel vorgesehen ist, kann durch Rotation des Drucksensors um die Kapsellängssachse das die Kapseloberfläche umringende Druckprofil ermittelt werden. Hierzu wiederum kann sowohl die gesamte Kapsel als auch nur der den Drucksensor tragende Teilbereich der Oberfläche relativ zur restlichen Kapsel rotiert werden. Dies kann wiederum sowohl vom Kapselinneren, z.B. motorisch, aus als auch durch ein äußeres Magnetfeld bewerkstelligt werden.

Um bei Rotation des Drucksensors in Kapselumfangsrichtung einen Druckverlauf zu erhalten, darf der Drucksensor nur einen begrenzten Winkelbereich, z.B. 30°, des Außenumfangs der Kapseloberfläche abdecken. Als rotierbarer Teilbereich der Oberfläche der Kapsel ist z.B. ein rotierbarer Ring oder eine rotierbare Kapselhälfte denkbar.

Auf dem Kapselumfang können auch mehrere Drucksensoren in Umfangsrichtung verteilt sein. Die Kapsel muss dann nicht mehr oder nur teilweise rotiert werden, um ein Druckprofil des Kapselumfangs zu ermitteln. Ohne Rotation ist dann der Druck an zumindest mehreren, über den Umfang verteilten Umfangspositionen bekannt. Bei z.B. vier gleichmäßig verteilten Drucksensoren reicht es außerdem aus, die Kapsel nur um 90° zu rotieren, um ein, die Kapsel mit 360° vollständig umfassendes Druckprofil zu erhalten.

Der Drucksensor kann nahe einem bezüglich der Längsachse vorderen oder hinteren Ende der Kapsel angeordnet sein. In Rede stehende Kapseln weisen in Längsrichtung, also entlang ihrer Längsachse, eine Vorzugsrichtung, die meist der Bewegungsrichtung entspricht, mit vorderem und hinterem Ende auf. Es ist davon auszugehen, dass bei einer Schräglage in einem eine Vorzugrichtung aufweisenden Hohlorgan sich die Druckverhältnisse an der Kapseloberfläche vor allem an deren Enden besonders stark ändern. Ist der Drucksensor nahe einem Ende angeordnet, so bewirkt eine Schräglage der Kapsel im Inneren des Hohlorgans eine besonders große Änderung der Druckverteilung in Umfangsrichtung im Oberflächenbereich, in dem der Drucksensor angeordnet ist. Aus den erhöhten Druckschwankungen kann besonders gut auf die Lage der Kapsel relativ zum Hohlorgan rückgeschlossen werden.

Die Kapsel kann ein senkrecht zur Längsrichtung orientiertes magnetisches Dipolmoment aufweisen, das mit dem den Drucksensor tragenden Teilbereich kraftschlüssig zusammenwirkt. Ein magnetisches Dipolmoment versucht in einem äußeren magnetischen Feld, sich immer in Feldrichtung auszurichten. Durch Drehung eines äußeren geregelten Feldes kann so das magnetische Dipolmoment mitgedreht werden. Ist dieses kraftschlüssig mit dem Teilbereich verbunden, so wird auch dieser und damit der Drucksensor durch das äußere magnetische Feld gedreht, also rotiert. An der Kapsel selbst muss somit keinerlei die Rotation verursachende Einrichtung, wie ein batteriebetriebener Motor, vorgesehen sein. Die Ausführung der Kapsel wird hierdurch besonders einfach. Außerdem lassen sich quasistati sche bzw. homogene Magnetfelder, die zur Rotation der Kapsel ausreichen, also an dieser ein Drehmoment bewirken, besonders leicht und unaufwändig erzeugen.

Besonders einfach ist es, einen mit dem Teilbereich kraftschlüssig zusammenwirkenden, senkrecht zur Längsrichtung magnetisierten Permanentmagneten an der Kapsel vorzusehen. Dieser weist von sich aus ein permanentes magnetisches Dipolmoment auf, welches also nicht erst durch äußere Felder induziert werden muss, um mit einem äußeren Drehfeld zusammenzuwirken. Ein weiterer Vorteil der Einbringung eines Permanentmagneten in die Kapsel ist, dass diese nicht nur rotierbar, sondern auch in ihrer Gesamtheit durch das Anlegen äußerer geregelter Magnetfelder drahtlos, z.B. translatorisch, navigierbar ist. Somit braucht die Kapsel über keinerlei eigenen Fortbewegungsantrieb zu verfügen. Zur translatorischen Fortbewegung sind zwar im Gegensatz zu oben Gradientenmagnetfelder notwendig, die schwieriger und aufwändiger zu erzeugen sind als homogene Felder, jedoch liegt der Aufwand hierzu außerhalb der Kapsel in der felderzeugenden Spulenanordnung, also dem Magnetsystem.

Die gesamte Oberfläche der Kapsel kann starr ausgeführt sein. Kein Teil der Oberfläche ist gegen einen anderen Teil rotierbar. Somit ist nicht nur ein Teilbereich, sondern immer nur die gesamte Oberfläche, d.h. die gesamte Kapsel, rotierbar. Der Drucksensor wird dann mitrotiert. Aufwändige Abdichtungen zwischen rotierbaren und starren Oberflächenteilen, wo z.B. Körperflüssigkeiten eindringen könnten, werden so vermieden. Die gesamte Ausführung der Kapsel wird einfacher und kostengünstiger.

Die Kapsel kann eine bezüglich der Längsachse zumindest im Teilbereich schraubenförmig ausgebildete Außenkontur aufweisen. Da bei Rotationsbewegung mit dem Drucksensor zumindest der Teilbereich und damit die schraubenförmige Außenkontur gedreht bzw. rotiert und die Innenwand des Hohlorgans flüs sigkeitsbehaftet ist und an der schraubenförmigen Außenkontur anliegt, stellt die Kapsel eine Art „Archimedische Schraube" dar. Die Rotationsbewegung der schraubenförmigen Außenkontur wird so in eine translatorische Bewegung der Kapsel, die in Richtung deren Längsachse zeigt, umgesetzt. In einem Hohlorgan wie z.B. dem Darm, wo die Kapseloberfläche an der Innenseite des Hohlorgans anliegt, ist so ein Vortrieb der Kapsel in Richtung ihrer Längsachse sichergestellt. Ein an der Kapsel eine Rotationsbewegung hervorrufendes äußeres magnetisches Feld ist, wie oben erwähnt, wesentlich einfacher und energiesparender vom Magnetsystem erzeugbar als ein Gradientenfeld, welches die Kapsel direkt in Längsrichtung durch Aufbringen einer Kraft fortbewegt. Die Bewegungsrichtung der Kapsel ist durch den Drehsinn des Feldes bzw. der Kapselrotation beeinflussbar.

In der Regel wird man, wie beim klassischen Schraubvorgang, jedoch zusätzlich zur Drehung auch eine translatorische Kraft an der Kapsel aufbringen, um diese in einer gemeinsamen Schraub- und Druckbewegung vorwärts zu bewegen.

Die Kapsel kann eine Hülse und eine an der Hülse gehaltene Nutzkapsel umfassen. Hierdurch wird das gesamte Kapselsystem flexibler, weil z.B. verschiedene Nutzkapseln für verschiedene Diagnose- oder Therapiezwecke in ein und dieselbe Hülse eingebracht werden können. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Hülse einen Teil oder sämtliche der zum Vortrieb, der Navigation, der Kommunikation bzw. Datenübertragung von und zur Kapsel oder der Lagebestimmung der Kapsel im Hohlorgan notwendigen Komponenten beinhaltet. In der Nutzkapsel müssen dann nur die für die spezielle Anwendung notwendigen Einbauten, wie z.B. eine Videokamera, eine Biopsiezange, ein Clip oder eine Einrichtung zur Medikamentengabe enthalten sein. Die Aufteilung der Einzelkomponenten auf Nutzkapsel und Hülse führt so zu einem universell verwendbaren System, z.B. nach Art eines Baukastensystems.

Die Hülse kann die schraubenförmige Außenkontur aufweisen. Somit ist die Hülse für den schraubenden Vortrieb der Kapsel durch Hülsenrotation verantwortlich, so dass die Nutzkapsel z.B. eine beliebige bzw. glatte Außenform aufweisen kann und auch sonst keinerlei Einbauten für den Kapselvortrieb benötigt.

Die Hülse kann zumindest teilweise aus permanentmagnetischem Material bestehen. Weist dieses wiederum ein senkrecht zur Längsrichtung orientiertes magnetisches Dipolmoment auf, so kann die Rotation der Kapsel durch Einwirkung eines rotierenden äußeren Magnetfeldes auf die Hülse für jegliche Nutzkapseln sichergestellt werden.

Die Hülse kann den Drucksensor enthalten. Hierdurch ist die Lagebestimmung der Kapsel relativ zur Ausrichtung des Hohlorgans alleine mit Hilfe der Hülse möglich, weshalb die restliche Nutzkapsel wiederum nur für ihren eigentlichen Zweck und nicht zur Lagebestimmung ausgerüstet sein muss.

Der Drucksensor kann ein passiver, elektromagnetisch auslesbarer Drucksensor sein. Hierdurch ist zur Lagebestimmung der Kapsel im Hohlorgan bzw. der Übermittlung der vom Drucksensor aufgenommenen Druckverlaufs zu einer Recheneinrichtung außerhalb des Patienten keine zusätzliche Energiequelle oder andere Einbauten, wie ein Sender in der Kapsel bzw. eine zugehörige Batterie, notwendig.

Alternativ hierzu kann der Drucksensor an einen mit der Kapsel mitgeführten HF-Sender angeschlossen sein. Die Druckinformationen des Drucksensors werden dann über HF-Signale zu einer Recheneinrichtung außerhalb des Patienten übertragen. Entsprechende HF-Sender sind kostengünstig und in ausreichend kleiner Baugröße verfügbar. Bei zweiteiliger Kapsel aus Hülse und Nutzkapsel kann der Sender in der Nutzkapsel angeordnet sein bzw. mit benutzt werden, falls dieser dort sowieso vor handen ist, oder in der Hülse integriert sein, wodurch diese wiederum nicht von der Nutzkapsel abhängig ist.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum drahtlosen Navigieren einer Kapsel zur Durchführung einer medizinischen Maßnahme in einem die Kapsel umschlingenden Hohlorgan eines Patienten, vorzugsweise dem Gastrointestinaltrakt, wobei die Kapsel eine Längsachse und einen radial von der Längsachse beabstandeten Oberflächenbereich mit einem Drucksensor zur Erfassung eines auf die Kapsel vom Hohlorgan ausgeübten mechanischen Drucks aufweist. Die Kapsel wird in das Hohlorgan eingebracht. Der vom Hohlorgan auf den Drucksensor ausgeübte mechanische Druck wird an mehreren Umfangspositionen der Kapsel erfasst. Aus dem Druck wird die Lage der Längsachse bezüglich des Hohlorgans ermittelt.

Die Erfindung geht wie erwähnt von der Erkenntnis aus, dass je nach Lage der Kapsellängsachse im Hohlorgan dieses mit seiner Innenwandung mit unterschiedlichen Druckverhältnissen an der Kapselwand anliegt. Durch das Einbringen der Kapsel in das Hohlorgan nimmt der Drucksensor einen Druck an mehreren Umfangspositionen der Kapsel bezüglich ihrer Längsachse auf. Dieser Druck wird erfasst und mit geeigneten Methoden ausgewertet.

Die Kapsel kann um ihre Längsachse rotiert und der Druckverlauf des vom Sensor während der Rotation ermittelten Drucks aufgenommen werden. So stehen nicht nur diskrete Druckwerte an bestimmten Umfangspositionen der Kapsel zur Verfügung, sondern ein gesamter Druckverlauf in Kapselumfangsrichtung. Die Auswertung des Druckverlaufs liefert genauere Informationen über die Lage der Kapsel relativ zur Ausrichtung des Hohlorgans, und die Navigation wird genauer.

Insbesondere wenn sich eine zylindrische Kapsel im Dünndarm eines Patienten befindet, ist davon auszugehen, dass dieser die Kapsel nahezu an ihrer gesamten Zylinderoberfläche umschließt und somit auf diese nahezu gesamte Oberfläche Druck ausübt. Liegt die Kapsel beispielsweise mit Ihrer Längsrichtung mittig und parallel zur Erstreckungsrichtung des Darms, ist davon auszugehen, dass der Druck auf die Kapsel in Umfangsrichtung annähernd konstant ist. Eine gleichmäßige Druckverteilung bei einer Rotation des Drucksensors ist somit ein Hinweis auf Ausrichtung der Kapsel bzw. deren Längsachse in Darmkanalrichtung. Liegt die Kapsel dagegen schräg im Darm, sind die Druckverhältnis auf der Kapseloberfläche verzerrt, weshalb eine Schwankung im Druckverlauf am Drucksensor bei einer Rotation der Kapsel bzw. des Drucksensors auf eine Schräglage der Kapsel hindeutet.

Der Druckverlauf mindestens einer Umdrehung des Drucksensors um die Längsachse kann aufgezeichnet werden, der Mittelwert des Druckverlaufs ermittelt werden, und die Lage der Längsachse aus den relativen Druckschwankungen um den Mittelwert ermittelt werden. Hier geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass der absolute Druckverlauf auf die Kapsel im Inneren des Hohlorgans zeitlich und örtlich in unvorhersehbarer Weise variabel ist, z.B. auf Grund von Peristaltikwellen, lokalen Stenosen oder Darmwandverhärtungen. Der absolute Druck gibt daher noch keinen Hinweis auf die tatsächliche Lage der Kapsel im Hohlorgan. Lediglich die Schwankungen des Druckverlaufs um einen bestimmten, für die aktuelle Ortsposition der Kapsel unvorhersagbaren Mittelwert sind entscheidend für die Auswertung. Mittelwertbestimmung und Bestimmung von Druckschwankungen in einem Druckverlauf sind besonders einfach auszuführen, weshalb durch diese Verfahrensvariante die Lage der Längsachse bezüglich der Ausrichtung des Hohlorgans besonders einfach und schnell ermittelt werden kann.

Bei dem Verfahren kann, wenn das Hohlorgan am Ort der Kapsel eine Mittelachse aufweist, nach Ermittlung der Lage der Längsachse die Kapsel so ausgerichtet werden, dass die Längsachse zumindest annähernd parallel oder koaxial zur Mit telachse liegt. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Kapsel stets mit ihrer Längsachse nahezu parallel zur Mittelachse des Hohlorgans ausgerichtet ist, was z.B. bei einer Vorwärtsbewegung der Kapsel in deren Längsrichtung dazu führt, dass sich die Kapsel zentral entlang des Hohlorgans bzw. dessen Mittelachse fortbewegt. Im Falle der Navigation in einem Dünndarm kann so erreicht werden, dass z.B. die Kapsel entlang des gesamten Dünndarms vom Magen bis zum Dickdarm oder zurück automatisch verfahren werden kann, ohne dass eine Handsteuerung notwendig ist. Die Kapselnavigation ist hierdurch schnell und einfach automatisch auszuführen.

Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer Prinzipdarstellung:
1 eine erfindungsgemäße Kapsel in einem Darmabschnitt in Schräglage zur Darmkanalrichtung,
2 ein Diagramm theoretischer Druckverläufe für verschiedene Schräglagen der Kapsel im Darm,
3 eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kapsel, ausgerichtet in Darmkanalrichtung, in einer Darstellung gemäß 1.
1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Darm 2 eines Menschen, welcher medizinisch untersucht bzw. behandelt werden soll. Hierzu ist in den Darm 2 eine Kapsel 4 eingebracht, welche in ihrem Inneren nicht dargestellte Diagnose- bzw. Therapieeinbauten beinhaltet. Dies können z.B. eine Videokamera, eine Biopsiezange, ein Clip oder eine Einrichtung zur Medikamentenabgabe sein.
Die Kapsel 4 ist rotationssymmetrisch um eine Kapsellängsachse 8 aufgebaut und besteht aus einem zylindrischen Mittelteil 10 mit zwei angesetzten etwa halbkugelförmigen Kappen 12a, 12b. Im Inneren der Kapsel 4 ist ein nicht näher dargestellter Permanentmagnet enthalten, welcher ein radial zur Kapsel längsachse 8 liegendes magnetisches Dipolmoment 14 aufweist. Eine Rotation der Kapsel 4 um ihre Kapsellängsachse 8 bewirkt so ebenfalls eine Rotation des Dipolmoments 14 oder umgekehrt. Als Schmierstoff für eine leichtgängige Bewegung der Kapsel 4 im Darm 2 dient nicht dargestelltes natürliches Darmsekret.
Die Oberfläche 16 der Kapsel 4 ist am der Kappe 12a zugewandten Ende des Mittelteils 10 in einem kleinen Bereich 18 ausgespart. Der Bereich 18 erstreckt sich etwa über 10% des Kapselumfangs sowie 10% der Länge des Mittelteils 10. Im Bereich 18 ist bündig mit der sonstigen Oberfläche 16 der Kapsel 4 ein Drucksensor 20 angeordnet, welcher den auf die Oberfläche 16 im Bereich 18 einwirkenden mechanischen Druck auf die Kapsel 4 erfasst. Das Dipolmoment 14 weist in die gleiche Richtung wie der Radialstrahl von der Kapsellängsachse 8 zum Drucksensor 20. Der Drucksensor 20 ist an einen nicht dargestellten, sich im Inneren der Kapsel 4 befindlichen HF-Sender angeschlossen, welcher das Drucksignal des Drucksensors 20 per Funk zu einer außerhalb des nicht dargestellten Patienten befindlichen Rechenanlage 22 übermittelt. Als Drucksensor 20 kommt z.B. ein piezoelektrischer Sensor in Frage, der mechanischen Druck auf die Oberfläche 16 in ein dem Druck proportionales elektrisches Signal umwandelt.
Durch Einliegen der Kapsel 4 im Darm 2 ist die Darmwand 24 in einem Bereich 26 aufgeweitet. Die Darmwand 24 liegt deshalb am größten Teil der Oberfläche 16 der Kapsel 4 an und übt wegen ihrer elastischen Aufweitung Druck auf diese aus.
Im in 1 dargestellten Beispiel liegt die Kapsel 4 schräg im Darm 2, d.h. ihre Kapsellängsachse 8 schneidet die Darmmittenachse 28 des Darms 2 unter einem Winkel α. Der Kapselmittelpunkt 30 der Kapsel 4 jedoch liegt auf der Darmmittenachse 28. Der Rotationswinkel des Drucksensors 20 bezüglich der Kapsellängsachse 8 ist mit ϕ angegeben.
Der Druck, den die Darmwand 24 auf die Oberfläche 16 bzw. den Drucksensor 20 ausübt, ist näherungsweise proportional zu deren Abstand zur Darmmittenachse 28. In 1 ergibt sich daher für den Druck, welcher von den Winkeln α und ϕ abhängt, bei einem Durchmesser b der Kapsel 4 und einer Länge 1 des Mittelteils 10, mit einer Proportionalitätskonstanten k ein theoretischer Wert von p(α,ϕ) = k·Δx(α,ϕ) = k·( l / 2·sin(α)·sin(ϕ) + b / 2).
In 2 sind verschiedene Kurven für Druckverläufe (32) p(α,ϕ) in normierter Darstellung aufgetragen. Die Abszisse beschreibt ϕ im Bogenmaß, die Ordinate den normierten Druck p(α,ϕ/(k·l). Als Kapseldimensionen wurden hierbei l = 26 mm und b = 11 mm angenommen.
Bei einer Rotation der Kapsel 4 um ihre Kapsellängsachse 8 wird also vom Drucksensor 20, je nach Winkel α einer der in 2 dargestellten Druckverläufe aufgenommen. Somit kann im Umkehrschluss vom tatsächlich gemessenen Druckverlauf auf den Winkel α geschlossen werden. Liegt z.B. als Messkurve die in 2 dargestellte Druckkurve α = 20° vor, so kann deren Maximum als Druck p_max und deren Minimum als Druck p_min ermittelt werden und hieraus nach den Formeln p = k· b / 2 und
der zugehörige Winkel α ermittelt werden. Bedingung hierfür ist lediglich, dass der Minimaldruck p_min größer Null ist.
Die Rotation der Kapsel 4 um die Kapsellängsachse 8 wird hierbei durch ein nicht dargestelltes äußeres magnetisches Feld verursacht, in welchem sich das magnetische Dipolmoment 14 ausrichtet. Wird das äußere magnetische Feld derart erzeugt, dass das Dipolmoment 14 um die Kapsellängsachse 8 rotiert, so wird hierdurch die gesamte Kapsel 4 in Rotation gesetzt. Der momentane Drehwinkel ist hierbei ϕ.
Die Kapsel 4 soll in Richtung des Pfeils 6 durch den Darm 2 bewegt werden, die Darmmittenachse 28 beschreibt also die lokale Richtung des Darmkanals und damit die der Kapselsollbewegung. Um diese Bewegung mit möglichst wenig Kraftaufwand zu bewerkstelligen und die Darmwand 24 möglichst wenig zu dehnen, wird angestrebt, dass die Kapsellängsachse 8 der Kapsel 4 mit der Darmmittenachse 28 am jeweiligen Ort der Kapsel 4 zusammenfällt. Hintergrund hierfür ist, dass zur Erzeugung bereits einer kleinen Kraft an der Kapsel 4 durch das nicht dargestellte Magnetsystem Magnetfelder und Gradientenfelder erzeugt werden müssen, die eine erhebliche elektrische Verlustleistung im Magnetsystem verursachen. Für größere Kräfte nimmt diese Verlustleistung stark zu.
In 1 wird deshalb ein äußeres Magnetfeld so angelegt, dass sich das Dipolmoment 14 senkrecht zur Darmmittenachse 28 ausrichtet. Der Winkel α wird dann Null, und Kapsellängsachse 8 und Darmmittenachse 28 fallen zusammen. Anschließend oder gleichzeitig wird ein magnetisches Gradientenfeld erzeugt, welches das Dipolmoment 14 entlang der Mittellachse 28 in Richtung des Pfeils 6 verschiebt und damit die gesamte Kapsel 4 in diese Richtung vorwärts bewegt.
Entweder weiterhin dauerhaft oder nach Verschieben der Kapsel um eine bestimmte Strecke wird erneut ein äußeres Magnetfeld angelegt um die Kapsel 4 um ihre Kapsellängsachse 8 und damit um einen Winkel ϕ von z.B. 360° zu rotieren. Die vom Drucksensor 20 dann aufgenommene Druckverlaufskurve gemäß 2 wird erneut ausgewertet und kontrolliert, ob der Winkel α sich z.B. aufgrund einer in 1 nicht dargestellten Darmschlinge im Darm 2 auf einen unzulässig hohen Wert erhöht hat, so dass die Kapsel 4 erneut axial im Darm 2 am neuen Kapselort zur dortigen Darmmittenachse ausgerichtet wird.
Durch dieses sukzessive Verfahren ist es möglich, die Kapsel praktisch stets in ihrer Längsrichtung, also mit der Kappe 12a voraus in axialer Richtung, durch bzw. entlang des Darms 2 zu bewegen.
Sämtliche Auswertungen und Berechnungen bezüglich der Druckverläufe und die Steuerung der zur Kapselbewegung nötigen Magnetfelder finden in der Recheneinheit 22 statt.
3 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Kapsel 4, welche zweiteilig aufgebaut ist und eine Hülse 34 sowie eine Nutzkapsel 36 umfasst. Die Nutzkapsel 36 ist hierbei fest, aber lösbar mit der Hülse 34 verbunden, z.B. mit dieser verschraubt, verschnappt oder gesteckt. Für verschiedene diagnostische oder therapeutische Maßnahmen können so in ein und dieselbe Hülse 34 verschiedene Nutzkapseln 36 eingesetzt werden.
Die Nutzkapsel 36 beinhaltet im Beispiel eine nicht dargestellte Videokamera, welche durch ein Sichtfenster 38 in der Kappe 12a in Richtung des Pfeils 6 Bilder vom Inneren des Darms 2 aufnimmt. Diese werden über einen nicht dargestellten Sender in der Nutzkapsel 36 an die Recheneinrichtung 22 übermittelt.
Die wesentlichen Elemente zur magnetischen Kapselnavigation befinden sich in der Hülse 34. So besteht zumindest ein Teil des Hülsenkörpers 40 aus permanentmagnetischem Material, welches das Dipolmoment 14 besitzt. Außerdem ist der Drucksensor 20 ebenfalls in den Hülsenkörper 40 integriert, befindet sich jedoch im Gegensatz zu 1 nahe dem entgegengesetzten, also hinteren Ende der Kapsel 4 bei der Kappe 12b.
Zur Navigation der Kapsel 4 im Patienten ist neben der Lageerkennung der Kapsel 4 relativ zum Hohlorgan auch die Lageerkennung der Kapsel relativ zum felderzeugenden Spulensystem notwendig. Dies geschieht üblicherweise über hier nicht weiter erläuterte Ortsaufnehmer, welche z.B. den Schwerpunkt der Kapsel 4 und die Lage der Kapsellängsachse 8 im Koordinaten system des Magnetsystems erkennen. Die entsprechenden Vorrichtungen können auch in der Kapsel 4 bzw. der Nutzkapsel 36 oder dem Hülsenkörper 40 integriert sein.
Im Unterscheid zu 1 ist die Außenform der Kapsel 4, d.h. besonders die Außenform der Hülse 34 nicht rotationssymmetrisch bezüglich der Kapsellängsachse 8, sondern weist einen sich radial nach außen vorwölbenden Gewindegang 42 auf. Die gesamte Hülse 34 ist somit nach Art einer Schraube bezüglich der Kapsellängsachse 8 ausgebildet. Bei einer Rotation der gesamten Kapsel 4 um die Kapsellängsachse 8 wirkt der Gewindegang 42 mit der Darmwand 24 nach Art einer archimedischen Schraube zusammen, so dass sich die Kapsel 4 in oder entgegen der Richtung des Pfeils 6, je nach Drehsinn der Rotation, translatorisch im Darm 2 entlang der Darmmittenachse 28 fortbewegt. Zur Bewegung der Kapsel 4 entlang des Darms 2 ist also im Gegensatz zu 1 nicht unbedingt ein Feldgradient notwendig, welcher das Dipolmoment 14 in Richtung des Pfeils 6 bewegt, sondern lediglich das zur Rotation der Kapsel 4 benötigte, sich drehende magnetische Feld aus 1.

Claims

Drahtlos mittels eines Magnetsystems navigierbare Kapsel (4) zur Durchführung einer medizinischen Maßnahme in einem die Kapsel (4) umschlingenden Hohlorgan (2) eines Patienten, vorzugsweise dem Gastrointestinaltrakt, wobei die Kapsel (4) eine Längsachse (8) aufweist und in einem radial von der Längsachse (8) beabstandeten Teilbereich (18) ihrer Oberfläche (16) zumindest ein Drucksensor (20) zur Erfassung eines auf die Kapsel (4) vom Hohlorgan (2) ausgeübten mechanischen Drucks an verschiedenen Umfangspositionen der Kapsel (4) angeordnet ist.
Kapsel (4) nach Anspruch 1, bei der mehrere Drucksensoren (20) an verschiedenen Umfangspositionen der Kapsel (4) angeordnet sind.
Kapsel (4) nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Drucksensor (20) nahe einem bezüglich der Längsachse (8) vorderen (12a) oder hinteren (12b) Ende der Kapsel (4) angeordnet ist.
Kapsel (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem mit dem Teilbereich (18) kraftschlüssig zusammenwirkenden, senkrecht zur Längsachse (8) orientierten magnetischen Dipolmoment (14).
Kapsel (4) nach Anspruch 4, mit einem mit dem Teilbereich (18) kraftschlüssig zusammenwirkenden, senkrecht zur Längsrichtung (8) magnetisierten Permanentmagneten.
Kapsel (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die gesamte Oberfläche (16) der Kapsel (4) starr ausgeführt ist.
Kapsel (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer bezüglich der Längsachse (8) zumindest im Teilbereich (18) schraubenförmig ausgebildeten Außenkontur (42).
Kapsel (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kapsel (4) eine Hülse (34) und eine an der Hülse (34) gehaltene Nutzkapsel (36) umfasst.
Kapsel (4) nach Anspruch 8, bei der die Hülse (34) die schraubenförmige Außenkontur (42) aufweist.
Kapsel (4) nach Anspruch 8 oder 9, bei der die Hülse (34) zumindest teilweise aus permanentmagnetischem Material besteht.
Kapsel (4) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der die Hülse (34) den Drucksensor (20) enthält.
Kapsel (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Drucksensor (20) ein passiver, elektromagnetisch auslesbarer Drucksensor ist.
Kapsel (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der Drucksensor (20) an einen mit der Kapsel (4) mitgeführten HF-Sender angeschlossen ist.
Verfahren zum drahtlosen Navigieren einer Kapsel (4) zur Durchführung einer medizinischen Maßnahme in einem die Kapsel (4) umschlingenden Hohlorgan (2) eines Patienten, vorzugsweise dem Gastrointestinaltrakt, wobei die Kapsel (4) eine Längsachse (8) und einen radial von der Längsachse (8) beabstandeten Oberflächenbereich (18) mit einem Drucksensor (20) zur Erfassung eines auf die Kapsel (4) vom Hohlorgan (2) ausgeübten mechanischen Drucks aufweist, bei dem: – die Kapsel (4) in das Hohlorgan (2) eingebracht wird, – der vom Hohlorgan (2) auf den Drucksensor (20) ausgeübte mechanische Druck an mehreren Umfangspositionen der Kapsel (4) erfasst wird, – aus dem Druck die Lage der Längsachse (8) bezüglich des Hohlorgans (2) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem: – die Kapsel (4) um ihre Längsachse (8) rotiert wird, – der Druckverlauf (32) des vom Sensor (20) während der Rotation ermittelten Drucks aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem: – der Druckverlauf (32) mindestens einer Umdrehung des Drucksensors (20) um die Längsachse (8) aufgezeichnet wird, – der Mittelwert (p) des Druckverlaufs (32) ermittelt wird, – die Lage der Längsachse (8) aus den relativen Druckschwankungen (p_min, p_max) um den Mittelwert (p) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei das Hohlorgan (2) am Kapselmittelpunkt (30) der Kapsel (4) eine Mittelachse (28) aufweist, bei dem: – nach Ermittlung der Lage der Kapsellängsachse (8) die Kapsel (4) so ausgerichtet wird, dass die Längsachse (8) parallel zur Mittelachse (28) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem: – magnetisch auf die Kapsel (4) eine diese in Richtung der Mittelachse (28) verschiebende Kraft ausgeübt wird.