DE102006019987A1

DE102006019987A1 - Endoskopiekapsel

Info

Publication number: DE102006019987A1
Application number: DE102006019987A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr. Reinschke; Günter Dr. Ries
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Invandus De GmbH
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2006-04-26
Publication date: 2007-10-31
Also published as: WO2007124970A1; US20090105541A1; CN101426415B; CN101426415A; US8597176B2

Abstract

Die Endoskopiekapsel (7) enthält eine zur Energieversorgung der Endoskopiekapsel (7) vorgesehene Induktionsspule (2) mit einer ausgeprägten Ausdehnung entlang einer Achse (5), und ein ein magnetisches Dipolmoment (6) aufweisendes, mit einem externen Magnetfeld wechselwirkendes magnetisches Element (4) zum Navigieren der Endoskopiekapsel (7). Dabei ist das magnetische Dipolmoment (6) senkrecht zur Längsachse (5) der Induktionsspule (2) ausgerichtet. Darüber hinaus weist eine Querschnittsfläche (II) der Endoskopiekapsel (7), deren Normale in Richtung der Induktionsspulenlängsachse (5) ausgerichtet ist, sowohl einen Querschnitt durch das magnetische Element (4) als auch einen Querschnitt durch die Induktionsspule (2) auf und das magnetische Element (4) ist in beide Richtungen der Induktionsspulenlängsachse (5) derart ausgedehnt, dass es die Induktionsspule (2) überragt.

Description

Die Erfindung betrifft eine innerhalb eines Patienten, insbesondere dessen Gastrointestinaltrakt, magnetisch navigierbare Endoskopiekapsel. Die mit einer Induktionsspule ausgestaltete Endoskopiekapsel weist für die Navigation ein magnetisches Element mit einem magnetischen Dipolmoment auf, das mit einem Magnetfeld, welches von einem den Körper des Patienten zumindest teilweise umfassenden Spulensystems erzeugt wird, wechselwirkt. Unter Navigation der Endoskopiekapsel wird gemäß der Erfindung sowohl das translatorische Bewegen als auch das Rotieren sowie Kippen der Kapsel verstanden.
Zur Untersuchung bzw. Behandlung eines Menschen oder Tieres als Patienten werden immer häufiger minimal- bzw. nichtinvasive medizinische Techniken eingesetzt bzw. entwickelt. Seit längerem üblich ist die Benutzung von Endoskopen, welche durch Körperöffnungen oder kleine Einschnitte in den Patienten eingebracht werden. An der Spitze eines mehr oder weniger langen biegsamen Grundkörpers befinden sich hierbei Inspektions- bzw. Manipulationsgeräte, z. B. eine Kamera oder ein Greifer, zur Ausführung einer gewünschten Tätigkeit. Auf Grund von Reibungseffekten und der begrenzten Länge und Biegbarkeit von Endoskopen sind diese nur begrenzt einsetzbar.
Aus der DE 101 42 253 ist zur Endoskopie eine drahtlos arbeitende Vorrichtung bekannt. Ein so genannter „Endoroboter" in Form einer Endoskopiekapsel von ca. 2 cm Länge und ca. 1 cm Durchmesser enthält eine Inspektions-, Diagnose- oder Therapieeinrichtung. Dies können z. B. eine Videokamera, eine Biopsiezange, ein Clip oder ein Medikamentenreservoir sein. Die Kapsel enthält ein magnetisches Element mit einem magnetischen Dipolmoment, beispielsweise einen Permanentmagneten. Im Patienten wird die Kapsel drahtlos bewegt. Hierzu liegt der Patient ganz oder teilweise in einem elektrischen Spulensystem aus mehreren, z. B. vierzehn, Einzelspulen. Vom Spulensys tem werden geeignete Gradientenmagnetfelder und Magnetfelder erzeugt, welche an der sich im Patienten befindlichen Kapsel entsprechend Kräfte für eine translatorische Bewegung und Drehmomente für eine Rotations- und Kippbewegung erzeugen, um diese im Patienten auf diese Weise zu navigieren. Da sich die auf die Kapsel wirkenden Drehmomente bzw. Kräfte aus dem Produkt des magnetischen Dipolmoments und der magnetischen Feldstärke bzw. dem magnetischen Feldgradienten am Ort der Kapsel ergibt, ist es vorteilhaft, einen möglichst großes magnetisches Element in die Kapsel zu integrieren, um hinreichend hohe Drehmomente bzw. Kräfte zu erwirken. Alternativ hierzu müsste das magnetische Feld bzw. der magnetische Feldgradienten erhöht werden. Dies führt jedoch zu sehr hohen Leistungsaufnahmen und damit einhergehenden Verlusten im Spulensystem, da die ohmsche Verlustleistung quadratisch mit dem zu erzeugenden magnetischen Feld bzw. magnetischen Feldgradienten ansteigt.
In der Regel weist eine solche Endoskopiekapsel neben einem magnetischen Element mit magnetischem Dipolmoment noch elektrisch leitfähige und/oder ferromagnetische Objekte, wie beispielsweise eine Batterie oder eine Induktionsspule mit einem Ferritkern, auf. Hierbei muss bei gegebenen äußeren Abmessungen der Endoskopiekapsel die Anordnung der genannten Teile in der Endoskopiekapsel möglichst vorteilhaft gewählt werden, dass die elektrisch leitfähigen und/oder ferromagnetischen Objekte in der Endoskopiekapsel das für die magnetische Navigation relevante magnetische Dipolfeld nicht abschwächen. Auf der anderen Seite ist es wünschenswert, dass das magnetische Element die benachbarten Objekte nicht stört oder gar in ihrer Funktion beeinträchtigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Endoskopiekapsel anzugeben, bei welcher die Induktionsspule und das magnetische Element sich gegenseitig weitgehend nicht beeinflussen.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Endoskopiekapsel entsprechend den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 angegeben.
Dementsprechend enthält die Endoskopiekapsel

– eine zur Energieversorgung der Endoskopiekapsel vorgesehene Induktionsspule mit einer ausgeprägten Ausdehnung entlang einer Achse, und
– ein ein magnetisches Dipolmoment aufweisendes, mit einem externen Magnetfeld wechselwirkendes magnetisches Element zum Navigieren der Endoskopiekapsel,

– das magnetische Dipolmoment senkrecht zur Längsachse der Induktionsspule ausgerichtet ist,
– eine Querschnittsfläche der Endoskopiekapsel, deren Normale in Richtung der Induktionsspulenlängsachse ausgerichtet ist, sowohl einen Querschnitt durch das magnetische Element als auch einen Querschnitt durch die Induktionsspule aufweist, und
– das magnetische Element in beide Richtungen der Induktionsspulenlängsachse derart ausgedehnt ist, dass es die Induktionsspule überragt.

Mittels dieser Anordnung des magnetischen Elementes bezüglich der zur Energieversorgung der Endoskopiekapsel vorgesehenen Induktionsspule werden zur Spulenlängsachse parallel verlaufende magnetische Feldkomponenten weitgehend vermieden. Die induktive Energieübertragung mittels eine magnetischen Wechselfelds von außen auf die Induktionsspule verläuft somit vom magnetischen Dipolmoment des magnetischen Elements unbeeinflusst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Endoskopiekapsel gemäß der Erfindung ergeben sich aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.
So ist es vorteilhaft, wenn das magnetische Element von der Induktionsspule zumindest teilweise umschlossen ist.
Es ist aber auch günstig, wenn das magnetische Element außerhalb der Induktionsspule angeordnet ist.
Ferner weist die Endoskopiekapsel eine äußere Wandung auf, mit welcher die Induktionsspule zumindest teilweise formschlüssig ausgeführt ist.
Günstigerweise weist die Endoskopiekapsel eine äußere Wandung auf, mit welcher das magnetische Element zumindest teilweise formschlüssig ausgeführt ist.
Günstigerweise ist die Induktionsspule mit mindestens einem weichmagnetischen Kern versehen. Da ein weichmagnetischer Kern, insbesondere ein Ferritkern, induktionsverstärkend wirkt, kann eine effektivere Energieübertragung auf die Induktionsspule erreicht werden.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn der mindestens eine weichmagnetische Kern zumindest teilweise formschlüssig mit der Induktionsspule ausgeführt ist.
Es ist günstig, wenn der mindestens eine weichmagnetische Kern einen kreisförmigen oder kreissegmentförmigen Querschnitt aufweist.
Günstig ist weiter, wenn das magnetische Element formschlüssig mit der Induktionsspule und/oder dem mindestens einen weichmagnetischen Kern ausgeführt ist.
Günstigerweise ist die Induktionsspule mit mindestens einem weichmagnetischen Kern versehen.
Es ist von Vorteil, wenn der mindestens eine weichmagnetische Kern aus weichmagnetischem Ferrit ausgeführt ist.
Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung nä her erläutert. Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt, und gewisse Aspekte sind schematisiert dargestellt. Im Einzelnen zeigen die
1 eine Endoskopiekapsel im Längsschnitt mit einem magnetischen Element, welches in einer mit einem weichmagnetischen Kern versehenen Induktionsspule angeordnet ist,
2 die Endoskopiekapsel aus 1 in einem Querschnitt,
3 eine Endoskopiekapsel im Längsschnitt mit einem magnetischen Element, welches neben einer mit einem weichmagnetischen Kern versehenen Induktionsspule angeordnet ist,
4 die Endoskopiekapsel aus 3 in einem Querschnitt, wobei die Induktionsspule und der weichmagnetische Kern einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen,
5 die Endoskopiekapsel aus 3 in einem Querschnitt, wobei die Induktionsspule und der weichmagnetische Kern einen kreissegmentförmigen Querschnitt aufweisen,
6 eine Endoskopiekapsel im Längsschnitt mit einem magnetischen Element, welches formschlüssig neben einer mit einem weichmagnetischen Kern versehenen Induktionsspule angeordnet ist, und
7 die Endoskopiekapsel aus 6 in einem Querschnitt, wobei die Induktionsspule und der weichmagnetische Kern einen kreissegmentförmigen Querschnitt aufweisen.
Einander entsprechende Teile sind in den 1 bis 7 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In den 1, 3 und 6 sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Endoskopiekapsel 7 jeweils im Längsschnitt dargestellt. Innerhalb der jeweiligen Endoskopiekapsel 7, welche beispielsweise eine längliche, rotationssymmetrische zigarrenförmige äußere Wandung 1 aufweist, sind jeweils eine Induktionsspule 2 mit einem weichmagnetischen Kern 3 (3 und 6) oder mit zwei weichmagnetischen Kernen 3a, 3b (1) und ein magnetisches Element 4 mit einem magnetischen Dipolmoment 6, insbesondere ein Permanentmagnet, angeordnet. Als weichmagnetischer Kern 3, 3a, 3b ist insbesondere ein Ferritkern vorgesehen. Das magnetische Dipolmoment 6 des magnetischen Elements 4 ist jeweils senkrecht zur Längsachse 5 der Induktionsspule 2 angeordnet. Das dem magnetischen Dipolmoment 6 zugrunde liegende Magnetfeld ist somit nahezu im gesamten Bereich der Induktionsspule 2 und zugeordnetem weichmagnetischem Kern 3, 3a, 3b senkrecht zur Spulenlängsachse 5 ausgerichtet. Der Übersicht halber sind weitere Objekte, die beispielsweise zur Inspektion, Therapie oder Diagnose vorgesehen sind und in der Endoskopiekapsel 7 ebenfalls integriert sind, in den 1, 3 und 6 nicht dargestellt. Die Induktionsspule 2 dient hierbei zur Energieversorgung der Endoskopiekapsel 7. Dabei wird am Ort der Endoskopiekapsel 7 ein magnetisches Wechselfeld von einem außerhalb angeordneten in den Figuren nicht dargestellten Spulensystem erzeugt, welches in der Induktionsspule 2 eine Induktionsspannung hervorruft. Diese Induktionsspannung wird direkt zum Betrieb der einzelnen mit elektrischer Energie zu versorgenden Objekten verwendet oder kann aber auch in einem ebenfalls in der Endoskopiekapsel 7 angeordneten Puffer (in den Figuren nicht dargestellt) zwischengespeichert werden. Die Induktionsspule 2 mit oder ohne Puffer (d. h. Energiezwischenspeicher) ist dabei ein Teil einer in den Figuren nicht explizit dargestellten Energieversorgungseinheit. Der eine (3 und 6), die beiden (1) oder mehrere weichmagnetische Kerne 3, 3a, 3b sind zur effektiveren Energieübertragung induktionsverstärkend innerhalb der entsprechenden Induktionsspule 2 vorgesehen.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1 ist das magnetische Element 4 entlang der Längsachse 5 der Induktionsspule 2 angeordnet, so dass die Längsachse 5 der Spule 2 mit der Längsachse des magnetischen Elements 4 zusammenfällt. Die Induktionsspule 2 mit ihren beiden weichmagnetischen Kernen 3a, 3b umfasst das magnetische Element 4 derart, dass das magnetische Element 4 die Induktionsspule 2 mit den weichmagnetischen Kernen 3a, 3b in beide Richtungen der Induktionsspulenlängsachse 5 überragt.
In 2 ist ein kreisförmiger Querschnitt II der Endoskopiekapsel 7 gemäß 1 dargestellt, dessen Oberflächennormale in Richtung der Induktionsspulenlängsachse 5 ausgerichtet ist. Der Querschnitt II weist dabei einen Querschnitt II2 durch die mit zwei weichmagnetischen Kernen 3a, 3b versehene Induktionsspule 2 als auch einen Querschnitt II4 durch das magnetische Element 4 auf. Der Querschnitt II2 der Induktionsspule 2 ist dabei ebenfalls kreisförmig, da diese formschlüssig mit der Wandung 1 der Endoskopiekapsel 7 ausgeführt ist. Die Querschnitte II3a, II3b der beiden weichmagnetischen Elemente 3a, 3b sind hingegen kreissegmentförmig (d. h. halbmondförmig) und nur einseitig formschlüssig mit der Induktionsspule 2 ausgeführt. Zwischen den beiden weichmagnetischen Kernen 3a, 3b ist mit diesem und mit der Induktionsspule 2 das magnetische Element 4 ebenfalls formschlüssig angeordnet.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel in 3 ist das magnetische Element 4 benachbart zur mit einem weichmagnetischen Kern 3 versehenen Induktionsspule 2 beabstandet angeordnet. Auch hier überragt das magnetische Element 4 die Induktionsspule 2 mit ihrem weichmagnetischen Kern 3 in beide Richtungen der Induktionsspulenlängsachse 5. Der mit der Beabstandung erzeugte Raum zwischen magnetischem Element 4 und Induktionsspule 2 kann beispielsweise für nicht dargestellte integrierte Inspektions-, Diagnose- oder Therapieobjekte genutzt werden.
In 4 ist ein kreisförmiger Querschnitt IV der Endoskopiekapsel 7 gemäß 3 dargestellt, dessen Oberflächennormale in Richtung der Induktionsspulenlängsachse 5 ausgerichtet ist. Der Querschnitt 4 weist dabei einen Querschnitt IV2 durch die mit dem weichmagnetischen Kern 3 versehene Induktionsspule 2 als auch einen Querschnitt IV4 durch das magneti sche Element 4 auf. Der Querschnitt IV4 des magnetischen Elements 4 ist hier kreissegmentförmig und teilweise formschlüssig mit der Kapselwandung 1 ausgeführt. Beabstandet vom magnetischen Element 4 ist die Induktionsspule 2 auf der gegenüberliegenden Seite des Kapselquerschnittes IV in der Nähe der Wandung 1 angeordnet. Der Querschnitt IV2 der Induktionsspule 2 und auch der Querschnitt IV3 des mit der Induktionsspule 2 formschlüssig ausgeführten weichmagnetischen Kerns 3 sind kreisförmig ausgestaltet.
In 5 ist ein kreisförmiger Querschnitt V der Endoskopiekapsel 7 gemäß 3 in einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt, dessen Oberflächennormale in Richtung der Induktionsspulenlängsachse 5 ausgerichtet ist. Der Querschnitt 5 weist dabei ebenfalls einen Querschnitt V2 durch die mit einem weichmagnetischen Kern 3 versehene Induktionsspule 2 als auch einen Querschnitt V4 durch das magnetische Element 4 auf. Auch hier ist der Querschnitt V4 des magnetischen Elements 4 kreissegmentförmig und teilweise formschlüssig mit der Kapselwandung 1 ausgeführt. Beabstandet vom magnetischen Element 4 ist die mit dem weichmagnetischen Kern 3 versehene Induktionsspule 2 auf der gegenüberliegenden Seite des Kapselquerschnittes V formschlüssig mit der Kapselwandung 1 angeordnet. Der Querschnitt V2 der Induktionsspule 2 und auch der Querschnitt V3 des mit der Induktionsspule 2 formschlüssig ausgeführten weichmagnetischen Kerns 3 sind hierbei kreissegmentförmig ausgestaltet.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel in 6 ist das magnetische Element 4 benachbart zur mit einem weichmagnetischen Kern 3 versehenen Induktionsspule 2 formschlüssig angeordnet. Auch hier überragt das magnetische Element 4 die Induktionsspule 2 mit ihrem weichmagnetischen Kern 3 in beide Richtungen der Induktionsspulenlängsachse 5.
In 7 ist ein kreisförmiger Querschnitt VII der Endoskopiekapsel 7 gemäß 6 dargestellt, dessen Oberflächennormale in Richtung der Induktionsspulenlängsachse 5 ausgerich tet ist. Auch hier weist der Querschnitt VII einen Querschnitt VII2 durch die mit einem weichmagnetischen Kern 3 versehene Induktionsspule 2 als auch einen Querschnitt VII4 durch das magnetische Element 4 auf. Der Querschnitt VII4 des magnetischen Elements 4 ist kreisförmig und teilweise formschlüssig mit der Kapselwandung 1 und der Induktionsspule 2 ausgeführt. Benachbart zum magnetischen Element 4 ist die Induktionsspule 2 auf der gegenüberliegenden Seite des Kapselquerschnittes VII formschlüssig mit der Kapselwandung 1 angeordnet. Der Querschnitt VII2 der Induktionsspule 2 und auch der Querschnitt VII3 des mit der Induktionsspule 2 formschlüssig ausgeführten weichmagnetischen Kerns 3 sind kreissegmentförmig ausgestaltet.
Die oral einzunehmende Kapsel 7 hat insbesondere einen Durchmesser im Bereich von 10 bis 14 mm und eine Länge im Bereich von 10 bis 30 mm. Soll die Kapsel 7 nur rektal eingeführt werden kann sie auch einen Durchmesser im Bereich von 10 bis 30 mm bei einer Länge im Bereich von 10 bis 50 mm aufweisen.

Claims

Endoskopiekapsel, enthaltend – eine zur Energieversorgung der Endoskopiekapsel (7) vorgesehene Induktionsspule (2) mit einer ausgeprägten Ausdehnung entlang einer Achse (5), und – ein ein magnetisches Dipolmoment (6) aufweisendes, mit einem externen Magnetfeld wechselwirkendes magnetisches Element (4) zum Navigieren der Endoskopiekapsel (7), wobei – das magnetische Dipolmoment (6) senkrecht zur Längsachse (5) der Induktionsspule (2) ausgerichtet ist, – eine Querschnittsfläche (II, IV, V, VII) der Endoskopiekapsel (7), deren Normale in Richtung der Induktionsspulenlängsachse (5) ausgerichtet ist, sowohl einen Querschnitt (II4, IV4, V4, VII4) durch das magnetische Element (4) als auch einen Querschnitt (II2, IV2, V2, VII2) durch die Induktionsspule (2) aufweist, und – das magnetische Element (4) in beide Richtungen der Induktionsspulenlängsachse (5) derart ausgedehnt ist, dass es die Induktionsspule (2) überragt.
Endoskopiekapsel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Element (4) von der Induktionsspule (2) zumindest teilweise umschlossen ist.
Endoskopiekapsel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Element (4) außerhalb der Induktionsspule (2) angeordnet ist.
Endoskopiekapsel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine äußere Wandung (1), mit welcher die Induktionsspule (2) zumindest teilweise formschlüssig ausgeführt ist.
Endoskopiekapsel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine äußere Wandung (1), mit welcher das magnetische Element (4) zumindest teilweise formschlüssig ausgeführt ist.
Endoskopiekapsel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (2) mit wenigstens einem weichmagnetischen Kern (3, 3a, 3b) versehen ist.
Endoskopiekapsel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine weichmagnetische Kern (3, 3a, 3b) zumindest teilweise formschlüssig mit der Induktionsspule (2) ausgeführt ist.
Endoskopiekapsel nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine weichmagnetische Kern (3, 3a, 3b) einen kreisförmigen oder kreissegmentförmigen Querschnitt (II3a, II3b, IV3, V3, VII3) aufweist.
Endoskopiekapsel nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Element (4) formschlüssig mit der Induktionsspule (2) und/oder dem mindestens einen weichmagnetischen Kern (3, 3a, 3b) ausgeführt ist.
Endoskopiekapsel nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine weichmagnetische Kern (3, 3a, 3b) aus weichmagnetischem Ferrit ausgeführt ist.