DE102008018723B3

DE102008018723B3 - Verfahren zur Bewegungssteuerung einer Endoskopiekapsel

Info

Publication number: DE102008018723B3
Application number: DE102008018723A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Dr. Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Invandus De GmbH
Priority date: 2008-04-14
Filing date: 2008-04-14
Publication date: 2009-07-16
Anticipated expiration: 2028-04-15
Also published as: WO2009127506A1; US8348833B2; US20110054255A1; CN102006825A

Abstract

Bei einem Verfahren zur Bewegungssteuerung einer Endoskopiekapsel (10) in einem Hohlorgan (4) eines Patienten (2) anhand eines Magnetsystems (8) wird der zeitliche Verlauf der Ortsposition (z) der Endoskopiekapsel (10) in einem Bewegungssignal (22a, b) erfasst, wird das Bewegungssignal (22a, b) auf einen periodischen Signalanteil (28) hin untersucht, wird die Frequenz (f0) des periodischen Signalanteils (28) ermittelt, und übt das Magnetsystem (8) auf die Endoskopiekapsel (10) eine mit der Frequenz (f0) periodische und dem Bewegungssignal (22a, b) entgegengerichtete Kraft (F) aus.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung einer Endoskopiekapsel.
Nichtinvasive bzw. minimalinvasive medizinische Maßnahmen gewinnen in der Medizintechnik immer mehr an Bedeutung. Medizinische Maßnahmen sind hier als Oberbegriff für verschiedenste medizinische Vorhaben wie Diagnosen, also z. B. Sichtprüfung oder Biopsien, oder Therapien, also z. B. 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.
Aus der DE 101 42 253 C1 ist hierzu eine sogenannte Endoskopiekapsel bekannt, welche mittels geregelter äußerer Magnetfelder drahtlos im Inneren eines Patienten navigiert, also bewegt wird. Die Endoskopiekapsel 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.
Ein geeignetes Magnetspulensystem zur Erzeugung der Magnetfelder ist z. B. aus der DE 103 40 925 B3 bekannt. Die Magnetfelder werden hierbei von einem den Patienten umgebenden Magnetsystem bzw. Spulensystem aus mehreren, z. B. vierzehn, elektrischen Einzelspulen erzeugt. 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 Kraftausübung bzw. Bewegung im Patienten erfolgt also ge zielt, berührungslos und von außen kontrolliert bzw. gesteuert.
Bei einem solchen Untersuchungsverfahren am Patienten – z. B. mit oben genanntem System –, also einer sogenannten gesteuerten Kapselendoskopie, welche z. B. im Magen durchgeführt wird, schwimmt die Kapsel üblicherweise auf einer Flüssigkeitsoberfläche. Aufgrund von äußeren Einflüssen, wie z. B. Herzschlag, Atmung oder Peristaltik des Patienten, ist diese Flüssigkeitsoberfläche bewegt. Auf der Flüssigkeitsoberfläche bilden sich Oberflächenwellen, welche an der Wand des Hohlorgans, also z. B. des Magens, reflektiert werden, so dass bei geeigneter Wellenlänge schnell stehende Oberflächenwellen entstehen. Die Kapsel wird von diesen Oberflächenwellen erfasst und bewegt sich somit zumindest senkrecht zur gemittelten Oberfläche auf und ab. Mit anderen Worten tanzt die Kapsel auf der Flüssigkeitsoberfläche. Typische Frequenzen für derartige Kapselbewegungen liegen im Bereich weniger Hertz. Eine derartige Bewegung bzw. ein Aufschaukeln der Kapsel beeinflusst die Befundqualität des Untersuchungsverfahrens negativ. Zum Beispiel sind von der Kapsel erzeugte Videoaufnahmen unruhig.
Generell wird die Bewegung der Kapsel durch ein z. B. oben genanntes Magnetsystem kontrolliert. Hierzu wird durch ein Positionserkennungssystem die Ortsposition bzw. der zeitliche Ortsverlauf bzw. die Bewegung der Kapsel erkannt. Weiterhin wird von außen, also z. B. von einem behandelnden Arzt, eine Sollposition für die Kapsel im Patienten vorgegeben. Durch einen Feedbackmechanismus werden im Magnetsystem automatisch entsprechende Felder erzeugt, um bei Abweichung der tatsächlichen Ortsposition von der vorgegebenen Sollposition geeignete Felder zu erzeugen, um die Kapsel zur Sollposition zu bewegen oder dort konstant zu halten.
Die genannte Bewegungssteuerung ist konzipiert für beliebige, in der Regel nicht periodische bzw. relativ langsame Bewegungen der Kapsel, eben z. B. die gezielte Bewegung der Kapsel durch den Patienten bzw. das Halten der Kapsel an einer ge wünschten Position im Patienten. Nachteilig bei diesem bekannten System bzw. Verfahren zur Bewegungssteuerung der Kapsel ist hierbei die Trägheit des Positionserkennungs- und Magnetsystems. Für das oben genannte Schaukeln der Kapsel auf einer Flüssigkeitsoberfläche entspricht z. B. im ungünstigsten Fall die Verzögerung der oben genannten Feedbackregelung genau der halben Periode der durch die Oberflächenwellen erzeugten Bewegung der Kapsel. Das durch die Trägheit somit zeitverzögert erzeugte Feld und damit die Kraft, welche auf die Kapsel wirkt, wirkt damit der Bewegung der Kapsel nicht entgegen, sondern verstärkt diese sogar im Sinne einer Resonanz. Ein Ruhighalten der Kapsel bzw. eine Dämpfung der Schwingung der Kapsel ist in einem solchen Fall unmöglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Bewegungssteuerung einer Endoskopiekapsel anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung einer Endoskopiekapsel, wobei sich die Kapsel in einem Hohlorgan eines Patienten befindet, und wobei die Bewegung der Kapsel anhand eines Magnetsystems erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Schritte auf: Es wird ein Bewegungssignal erfasst, welches den zeitlichen Verlauf der Ortsposition der Kapsel widerspiegelt. Das erfasste Bewegungssignal wird auf einem periodischen Signalanteil hin untersucht. Ist der periodische Signalanteil gefunden, so wird dessen Frequenz ermittelt. Anschließend übt das Magnetsystem auf die Endoskopiekapsel eine Kraft aus, welche mit der eben ermittelten Frequenz periodisch ist und dem Bewegungssignal entgegen gerichtet ist.
Mit anderen Worten werden also erfindungsgemäß periodische Schwingungen bzw. Bewegungen der Endoskopiekapsel durch Detektion des periodischen Signalanteils identifiziert. Um diese zu kompensieren bzw. zu dämpfen, wird an der Kapsel eine geeignete periodische Gegenkraft mit Hilfe des Magnetsystems erzeugt, welche die Schwingungen der Kapsel aktiv dämpft. Es wird also eine der jeweiligen Bewegung der Kapsel während der Schwingung entgegengerichtete Kraft erzeugt.
Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine aktive Schwingungsdämpfung für periodische, d. h. nahezu monofrequente Schwingungen einer magnetisch navigierten Endoskopiekapsel. Hierbei können natürlich auch mehrere monofrequente Anteile zu einer komplexen periodischen Schwingung überlagert sein. Hieraus ergibt sich eine insgesamt reduzierte Bewegung der Kapsel, also eine ruhigere Lage und damit z. B. im Fall von Bildgebung durch die Kapsel ein ruhigeres, und damit verbessertes, von der Kapsel aufgenommenes Bild bzw. Bewegtbild.
Der Vorteil gegenüber dem Verfahren gemäß Stand der Technik ist, dass die Periodizität der Kapselbewegung erkannt wird, und eine entsprechend periodische Felderzeugung im Magnetsystem erfolgt. In diese Periodizität kann die Trägheit des gesamten Navigationssystems, bzw. die entsprechende Verzögerungszeit zwischen Ortserkennung und Magnetfelderzeugung, zumindest für den periodischen Anteil, durch eine geeignete Phasenverschiebung eingerechnet werden. In gewisser Weise wird hier der Vorteil genutzt, dass bei einer periodischen Schwingung der Kapsel zumindest bezüglich dieses Bewegungsanteils die zukünftige Kapselbewegung bzw. -bewegungskomponente vorhersehbar ist und entsprechend prädiktiv Felder bzw. Gegenkräfte zur Schwingungsdämpfung durch das Magnetfeldsystem erzeugt werden können.
Für einen gegebenen Untersuchungsfall bei gegebenem Patienten können aufgrund von Vorwissen bzw. Erfahrungswerten aus vorhergehenden Anwendungen von Endoskopiekapseln nur bestimmte Maximalfrequenzen für periodische Bewegungen der Kapsel erwartet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann dann das Bewegungssignal durch eine periodische Erfassung oder Abtastung der Ortsposition der Kapsel erfolgen, wobei diese Abtastung mit mindestens der doppelten Frequenz derjenigen durchgeführt wird, die als maximale Frequenz der periodischen Bewegung der Kapsel zu erwarten ist. Das digitale Abtasttheorem ist somit erfüllt und bei der Ermittlung des Ortsverlaufs der Kapselposition können keine Fehler auftreten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Untersuchung des Bewegungssignals auf den periodischen Signalanteil hin anhand einer Fouriertransformation und/oder des Frequenzspektrums des Bewegungssignals. Charakteristische periodische Signalanteile lassen sich so besonders einfach von nichtperiodischen Signalanteilen unterscheiden und somit detektieren.
Insbesondere lässt sich bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform hierbei der periodische Signalanteil besonders einfach identifizieren, indem als solcher ein sich lokal über das Fourier- und/oder Frequenzspektrum erhebender Peak gesucht bzw. ermittelt wird. Ein derartiger Peak ist z. B. eine Erhebung im graphisch aufgetragenen Spektrum, der sich gemäß gemeinhin bekannter Kriterien charakteristisch lokal über das restliche Spektrum erhebt.
Alternativ oder zusätzlich zu den oben genannten Methoden lässt sich in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform das Bewegungssignal mit Hilfe eines neuronalen Netzes auf den periodischen Signalanteil hin untersuchen. Ein neuronales Netz wird hierzu beispielsweise speziell auf die betreffende Aufgabe, also die Identifikation periodischer Signalanteile im Bewegungssignal der Endoskopiekapsel, trainiert. Das neuronale Netz kann hierbei auch bei bekanntem periodischen Signalanteil alternativ oder zusätzlich zur Ermittlung des betreffenden geeigneten Dämpfungssignals, also des zeitlichen Verlaufs der vom Magnetsystem zur erzeugenden, dem periodischen Bewegungssignal entgegengerichteten Kraft benutzt werden.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform wird das Bewegungssignal nur in einem vorgebbaren Frequenzbereich auf einen periodischen Signalanteil hin untersucht. Mit anderen Worten wird so die Erkenntnis ausgenutzt, dass in bestimmten Frequenzbereichen periodische Schwingungen der Endoskopiekapsel nicht zu erwarten sind. Derartige Frequenzbereiche müssen dann auch nicht auf ein Auftreten periodischer Signalanteile hin untersucht werden. Die entsprechende Suche in vorgebbaren Frequenzbereichen wird dadurch beschleunigt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann als solcher Frequenzbereich derjenige gewählt werden, der eine Eigenfrequenz des Magnetsystems enthält. Derartige Eigenfrequenzen sind z. B. solche, die der Trägheit bzw. Verzögerungszeit des Magnetsystems zwischen Ortsdetektion und Magnetfelderzeugung entsprechen, oder andere typische Eigenfrequenzen des Magnetsystems, welche in ungünstigen Fällen zu Resonanzschwingungen an der Endoskopiekapsel führen könnten. Mit anderen Worten werden also in dieser Verfahrensausprägung bekannte systeminduzierte oder andere typische Schwingungsfrequenzen, welche z. B. aufgrund von Erfahrungswerten häufig vorkommen, gezielt beobachtet, um diesen zu begegnen. Im Falle eines Fourierspektrums bedeutet dies beispielsweise, dass nur bestimmte Bereiche dessen untersucht bzw. beobachtet werden, um periodische Signalanteile zu detektieren.
Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
1 einen Ausschnitt eines Patienten während einer Kapselendoskopie,
2a) den zeitlichen Verlauf der Ortsposition der Endoskopiekapsel aus 1, b) das Frequenzspektrum des Signals aus 2a), und c) den zeitlichen Verlauf der vom Magnetsystem aus 1 erzeugten Gegenkraft.
1 zeigt einen Ausschnitt eines Patienten 2, nämlich dessen Magen 4, welcher mit Flüssigkeit 6 etwa halb gefüllt ist. Der Patient 2 befindet sich in einer Situation während einer Kapselendoskopie, wobei er in einem Magnetspulensystem 8 ge lagert ist, welches symbolisch durch zwei Magnetspulen dargestellt ist. Zur Kapselendoskopie wurde dem Patienten 2 außerdem eine Endoskopiekapsel 10 verabreicht, welche sich nun im Magen 4 befindet. Aufgrund verschiedener Einflussfaktoren, wie z. B. Herzschlag, Atmung und Peristaltik des Patienten 2 ist die Flüssigkeit 6 im Magen 4 in Bewegung und bildet an ihrer Oberfläche 12 Wellen 14 aus. Aufgrund der Wellen 14 wird die Endoskopiekapsel 10, welche an der Oberfläche 12 aufschwimmt, im Magen 4 in Richtung des Doppelpfeils 16 auf und ab bewegt. Die Bewegung erfolgt damit entlang einer z-Achse eines Koordinatensystems 18 des Magnetspulensystems 8.
Das Magnetspulensystem 8 umfasst eine Ortungseinrichtung 20 zur Bestimmung der Ortsposition der Endoskopiekapsel 10 im Koordinatensystem 18. Unter anderem wird so die aktuelle Ortsposition z bezüglich der z-Achse ermittelt. Die Ortsposition z wird an eine Steuer- und Auswerteeinheit 24 übermittelt und dort über der Zeit als Bewegungssignal 22a aufgezeichnet.
2a zeigt den Verlauf der Ortsposition z der Endoskopiekapsel 10 über der Zeit t im Bewegungssignal 22a. Das Bewegungssignal 22a wird von der Steuer- und Auswerteeinheit 24 verarbeitet, welche dessen Frequenzspektrum 26 bestimmt, welches in 2b dargestellt ist. Aufgetragen ist die Intensität I der jeweiligen Frequenzanteile des Gesamtsignals über der Frequenz f. Da das Bewegungssignal 22a nahezu sinusförmig mit konstanter Frequenz f₀ verläuft und die Endoskopiekapsel 10 ansonsten keine zusätzlichen überlagerten Bewegungen im Magen 4 ausführt, stellt sich das Frequenzspektrum 26 als Peak 28 um die Frequenz f₀ dar. Im Frequenzspektrum 26 stellt der Peak 28 damit einen periodischen Signalanteil im Bewegungssignal 22a dar.
Die Steuer- und Auswerteeinheit 24 erkennt anhand des Frequenzspektrums 26, dass sich die Endoskopiekapsel 10 periodisch mit der Frequenz f₀ bewegt und erzeugt im Magnetspulensystem 8 entsprechende Magnetfelder, um eine Kraft F an der Endoskopiekapsel 10 zu erzeugen, welche zu jedem Zeitpunkt t der augenblicklichen Bewegung der Endoskopiekapsel 10 – bekannt aus dem Bewegungssignal 22a – entgegengerichtet ist.
2c zeigt den zeitlichen Verlauf der erzeugten Kraft F über der Zeit t. Durch die Kraft F wird die Bewegung der Endoskopiekapsel 10 in Richtung des Doppelpfeils 16 stark gedämpft, weshalb sich fortan ein Bewegungssignal 22b, welches in 2a gestrichelt dargestellt ist, für die Endoskopiekapsel 10 ergibt.
Durch das beschriebene Verfahren wird also der mit der Frequenz f₀ periodische Bewegungsanteil der Endoskopiekapsel 10 nahezu eliminiert, d. h. diese in z-Richtung des Koordinatensystems 18 im Magen 4 nahezu ortsfest gehalten. Dies führt zu einer stark verbesserten Funktionsweise der Endoskopiekapsel 10, wenn diese z. B. ein Videobild vom Inneren des Magens 4 liefert, welches gemäß Bewegungssignal 22a stark schwankt und gemäß Bewegungssignal 22b nun nahezu in Ruhe ist.
In einer alternativen Ausführungsform kann zur Erledigung der vorgenannten Aufgaben der Signalverarbeitung und Krafterzeugung die Steuer- und Auswerteeinheit 24 ein neuronales Netz 30 enthalten.
Das Frequenzspektrum 26 wird in einer alternativen Ausführungsform durch eine Abtastung des Bewegungssignals 22a mit einer Abtastfrequenz f_a ermittelt. Für die in 1 dargestellte Untersuchungssituation ist hierbei bekannt, dass die maximal auftretende Frequenz einer Schwingung der Endoskopiekapsel 10 die Frequenz f₀ ist. Die Abtastfrequenz f_a wird daher gemäß dem Abtasttheorem zu f_a ≥ 2f₀ gewählt.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform wird von der Steuer- und Auswerteeinheit 24 lediglich der Frequenzbereich 32 auf periodische Signalanteile hin untersucht, da aufgrund von Erfahrungswerten mit dem Magnetspulensystem 8 im restlichen Frequenzbereich des Frequenzspektrums 26 keine periodi schen Signalanteile zu erwarten sind. Derartige Kapselschwingungen treten nämlich nicht auf.

Claims

Verfahren zur Bewegungssteuerung einer Endoskopiekapsel (10) in einem Hohlorgan (4) eines Patienten (2) anhand eines Magnetsystems (8), mit folgenden Schritten: – der zeitliche Verlauf der Ortsposition (z) der Endoskopiekapsel (10) wird in einem Bewegungssignal (22a, b) erfasst, – das Bewegungssignal (22a, b) wird auf einen periodischen Signalanteil (28) hin untersucht, – die Frequenz (f₀) des periodischen Signalanteils (28) wird ermittelt, – das Magnetsystem (8) übt auf die Endoskopiekapsel (10) eine mit der Frequenz (f₀) periodische und dem Bewegungssignal (22a, b) entgegengerichtete Kraft (F) aus.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Bewegungssignal (22a, b) durch eine mit einer Abtastfrequenz (f_a) periodische Erfassung der Ortsposition (z) der Endoskopiekapsel (10) mit mindestens der doppelten Frequenz derjenigen (f₀) einer zu erwartenden periodischen Bewegung (28) der Endoskopiekapsel (10) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Bewegungssignal (22a, b) anhand einer Fouriertransformation und/oder seines Frequenzspektrums auf den periodischen Signalanteil (28) hin untersucht wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem als periodischer Signalanteil (28) ein sich lokal über das Fourier- und/oder Frequenzspektrum erhebender Peak identifiziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bewegungssignal (22a, b) mit Hilfe eines neuronalen Netzes auf den periodischen Signalanteil (28) hin untersucht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bewegungssignal (22a, b) nur in einem vorgebbaren Fre quenzbereich (32) auf einen periodischen Signalanteil (28) hin untersucht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem als Frequenzbereich (32) derjenige gewählt wird, der eine Eigenfrequenz des Magnetsystems (8) enthält.