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Die Erfindung betrifft eine Endoskopiekapsel mit einem biokompatiblen Gehäuse, in dem wenigstens eine Sensoreinrichtung zur Erfassung medizinisch relevanter Daten angeordnet ist.
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Eine häufige Ursache für Beschwerden des oberen Gastrointestinaltraktes ist ein bakterieller Befall seiner Organe. Beispielsweise wird ein Befall mit Helicobacter pylori für eine ganze Reihe von Magenerkrankungen verantwortlich gemacht, die mit einer verstärkten Sekretion von Magensäure einhergehen. Darunter fallen beispielsweise die Typ B-Gastritis, in etwa 75% der Magengeschwüre und beinahe alle zwölf-Fingerdarm-Geschwüre. Die Untersuchung der Hohlorgane des Gastrointestinaltraktes auf Besiedelung mit Bakterien, insbesondere auf Besiedelung mit Helicobacter pylori ist daher ein wichtiger Bestandteil der Diagnostik von Magenerkrankungen.
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Helicobacter pylori wird beispielsweise über einen Atemtest nachgewiesen, bei dem einem Patienten ein C-13 markierter Harnstoff verabreicht wird. Das bei der Spaltung von Harnstoff (CO(NH2)2) in Ammoniak (NH3) und Kohlendioxid (CO2) entstehende C-13 markierte CO2 wird in der ausgeatmeten Luft nachgewiesen. Andere Verfahren zum Nachweis von Helicobacter pylori stellen auf typische Blutwerte, wie beispielsweise Pepsinogen oder Gastrin ab. Solche Verfahren sind jedoch aufwendig und wenig zuverlässig. Ein weiterer Test auf Helicobacter pylori ist der Nachweis des Helicobacter pylori-Antigens im Stuhl.
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Eine weitere Möglichkeit zur Untersuchung des Magens auf eine Besiedelung mit Helicobacter pylori ist die so genannte Gastroskopie (”Magenspiegelung”). während einer solchen Untersuchung nimmt der Gastroenterologe mittels einer Biopsie eine Gewebeprobe (Biopsat) aus der Magenschleimhaut, um diese sofort oder zu einem späteren Zeitpunkt auf eine Infektion mit Helicobacter pylori zu untersuchen. Ein bekanntes Untersuchungsverfahren für die Gewebeprobe ist beispielsweise der Helicobacter-Urease-Test (HU-Test, kurz HUT). Das Biopsat wird in ein Testmedium (Messlösung) gegeben, welches aus einer Nährlösung für dieses Bakterium, aus Harnstoff und aus einem Indikator (Lackmus) besteht. Ist das Helicobacter pylori-Bakterium in der Probe enthalten, so spaltet das Bakterium den Harnstoff (CO(NH2)2) durch Urease in Ammoniak (NH3) und Kohlendioxid (CO2). Das Ammoniak färbt dann den Indikator rot. Das Testergebnis ist nach wenigen Minuten zu erkennen. Der beginnende Farbumschlag von gelb nach rot ist unter ungünstigen Bedingungen nicht eindeutig feststellbar.
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Eine Alternative zu einer mittels eines flexiblen Endoskops durchgeführten Gastroskopie besteht in der Verwendung einer so genannten Endoskopiekapsel. Eine derartige Endoskopiekapsel, die auch als Kapselendoskop oder Endokapsel bezeichnet wird, ist als passive Endokapsel oder als navigierbare Endokapsel ausgeführt. Eine passive Endoskopiekapsel bewegt sich aufgrund der Peristaltik durch den Darm des Patienten.
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Eine navigierbare Endokapsel ist beispielsweise aus dem Patent mit der Veröffentlichungsnummer
DE 101 42 253 C1 sowie aus der korrespondierenden Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer
US 2003/0060702 A1 bekannt und wird dort als ”Endoroboter” bzw. ”endo-robot” bezeichnet. Der aus diesen Veröffentlichungen bekannte Endoroboter kann mittels eines Magnetfeldes, das von einem externen (d. h. außerhalb des Patienten angeordneten) Magnetsystem (Spulensystem) erzeugt wird, in einem Hohlorgan (z. B. Magen-Darm-Trakt) eines Patienten navigiert werden. Über ein integriertes System zur Lagekontrolle, das eine Positionsmessung des Endoroboters und eine automatische Regelung des Magnetfeldes bzw. der Spulenströme umfasst, können automatisch Änderungen der Lage des Endoroboters im Hohlorgan des Patienten erkannt und kompensiert werden. Weiterhin kann der Endoroboter gezielt in gewünschte Regionen des Hohlorgans navigiert werden. Diese Art der Kapselendoskopie wird deshalb auch als MGCE (Magnetically Guided Capsule Endoscopy – magnetisch geführte Kapselendoskopie) bezeichnet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Endoskopiekapsel zu schaffen, die eine einen Patienten nur gering belastende Untersuchung des Gewebes der Magenschleimhaut auf Helicobacter pylori ermöglicht.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Endoskopiekapsel gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Endoskopiekapsel sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Endoskopiekapsel umfasst ein biokompatibles Gehäuse, in dem wenigstens eine Sensoreinrichtung zur Erfassung medizinisch relevanter Daten angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist an der Außenfläche des Gehäuses ein Sensor angeordnet, wobei der Sensor eine erste Elektrode aus einem Edelmetall, das nicht durch Salzsäure angreifbar ist, und eine zweite Elektrode aus Silber umfasst, und wobei zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eine Wechselspannung mit einem variabel vorgebbaren Frequenzspektrum anlegbar ist und bei vorhandenem Ammoniak zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eine Änderung einer elektrischen Größe messbar ist.
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In einer mit Gleichstrom bzw. einem gerichteten Potential ausgesetzten Magensäure wandern die Ionen zu den zugehörigen Elektroden, die Kationen (z. B. Ammonium NH4 +) also zur Kathode und die Anionen (z. B. Chlorid Cl–) zur Anode. Durch das Anlegen einer geeigneten Wechselspannung wird bei der Endoskopiekapsel nach Anspruch 1 ein vollständiges Aufladen der ersten Elektrode (Referenzelektrode) und ein vollständiges Aufladen der zweiten Elektrode (Messelektrode) zuverlässig verhindert, da bei einer ausreichend hohen Frequenz die Wandergeschwindigkeit der Ionen in der Magensäure nahezu null ist.
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Beim Anlegen der Wechselspannung wird bei der zweiten Elektrode (Messelektrode), die erfindungsgemäß aus Silber (Ag) besteht, zyklisch zwischen einer Zerstörung und einem Aufbau der Silberchlorid-Schicht (AgCl) gewechselt. Sowohl die Zerstörung der Silberchlorid-Schicht als auch deren Aufbau kann beispielsweise über eine Impedanzmessung gemessen und zyklisch verglichen werden. Die dabei messbaren Potentialdifferenzen und Phasenunterschiede sind charakteristisch für ein Vorhandensein einer Urease-Tätigkeit, woraus mit sehr hoher Sicherheit auf ein Vorhandensein von Helicobacter pylori geschlossen werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Frequenzspektrum der Wechselspannung moduliert. Dadurch erhält man eine erhöhte Stabilität der Wechselspannung, wodurch die Messgenauigkeit erhöht und die Messdauer verringert wird.
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Gemäß vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Endoskopiekapsel können als elektrische Größen z. B. Potentiale, elektrische Ströme oder elektrischer Widerstände bzw. deren Änderungen oder aus den elektrischen Größen abgeleitete Größen (z. B. elektrische Leitfähigkeit) bzw. deren Änderungen gemessen werden.
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Die zweite Elektrode (Messelektrode), die bei der Endoskopiekapsel nach Anspruch 1 aus Silber (Ag) besteht, muss durch Salzsäure (HCl) geätzt werden. Dies kann – muss aber nicht – bereits erstmals vor der Auslieferung der Endoskopiekapsel bzw. der zweiten Elektrode erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, dass der Anwender die erstmalige HCl-Ätzung selbst vornimmt. Nach ihrer HCl-Ätzung weist die zweite Elektrode auf ihrer Oberfläche eine Beschichtung aus Silberchlorid (AgCl) auf und ist damit für die Messung zum Nachweis von Helicobacter pylori aktiviert.
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Bei der Endoskopiekapsel nach Anspruch 1 kann auf einfache Weise während der Untersuchung unmittelbar im Gastrointestinaltrakt des Patienten und ohne Entnahme einer Gewebeprobe Ammoniak (NH3) nachgewiesen werden.
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Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße Endoskopiekapsel eine einfache Steuerung bzw. eine einfache Regelung des Sensors bzw. seiner ersten Elektrode (Referenzelektrode) und/oder seiner zweiten Elektrode (Messelektrode), z. B. durch eine Basislinien-Korrektur. Weiterhin ist nach jeder Untersuchung eine reproduzierbare Regeneration des Sensors, insbesondere der zweiten Elektrode möglich. Da ein vollständiges Aufladen der zweiten Elektrode aufgrund der angelegten Wechselspannung nicht auftritt, ist eine Regeneration der zweiten Elektrode erst nach einer Vielzahl von Untersuchungen notwendig.
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Außerdem kann bei der erfindungsgemäßen Endoskopiekapsel die Empfindlichkeit des Sensors bzw. seiner ersten Elektrode und/oder seiner zweiten Elektrode auf einfache Weise eingestellt werden. Die Einstellung der Empfindlichkeit kann vor und während der Untersuchung auf Helicobacter pylori vorgenommen werden.
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Als Edelmetalle, die nicht durch Salzsäure angegriffen werden und damit für die erste Elektrode (Referenzelektrode) geeignet sind, kommen Platin (Pt) und Gold (Au) in Frage.
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Nachdem der Patient die erfindungsgemäße Endoskopiekapsel geschluckt hat, detektiert der Sensor einen in der Magensäure vorhandenen Ammoniak (NH3). Damit wird ein Befall des Gewebes (Magenschleimhaut) mit Helicobacter pylori in patientenfreundlicher Weise durch den Nachweis von Ammoniak (NH3) erkannt. Dies erfolgt ohne Biopsie und ist damit für den Patienten deutlich weniger belastend.
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Ammoniak wird von den Helicobacter pylori-Bakterien durch eine Spaltung von Harnstoff durch Urease erzeugt, um sich vor der sauren Umgebung des Gastrointestinaltraktes, insbesondere der hohen Salzsäurekonzentration im Magen, zu schützen.
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Die zweite Elektrode (Messelektrode), die bei der Endoskopiekapsel nach Anspruch 1 aus Silber (Ag) besteht, muss durch Salzsäure (HCl) geätzt werden. Nach ihrer HCl-Ätzung weist die zweite Elektrode auf ihrer Oberfläche eine Beschichtung aus Silberchlorid (AgCl) auf und ist damit für die Messung zum Nachweis von Helicobacter pylori aktiviert. Der Aktivierung der zweiten Elektrode liegt die folgende chemische Reaktion zugrunde: 2Ag + 2HCl → 2AgCl + 2H+ + 2e–
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Da Ammoniak (NH3) unter normalen Umständen in einem Hohlorgan des Gastrointestinaltraktes, wie beispielsweise dem Magen, aufgrund der folgenden Neutralisationsreaktion (Bildung eines Ammonium-Kations durch Protonierung von Ammoniak) NH3 + H+ → NH4 + nicht oder nur in sehr geringer Konzentration vorkommt, genügt sein Nachweis als sehr starkes Indiz für das Vorhandensein von Helicobacter pylori. Das Proton (H+, Wasserstoffkern) ist Bestandteil der Magensäure.
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Die für den Nachweis von Helicobacter pylori entsprechende chemische Reaktion lautet: AgCl + 2NH3 → [Ag(NH3)2]+ + Cl–
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Das Salz AgCl (Silberchlorid) wird durch Ammoniak in den Silber-Diamin-Komplex [Ag(NH3)2]+ und in Chlor Cl– aufgespaltet. [Ag(NH3)2]+ ist als Kation hervorragend in Wasser löslich und wird von der Magensäure aufgenommen. Da zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode erfindungsgemäß eine elektrische Wechselspannung mit einem variabel vorgebbaren Frequenzspektrum anlegbar ist, findet kaum Ionenwanderung in der Magensäure statt (Wandergeschwindigkeit der Kationen und der Anionen nahezu null).
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Die zwischen der ersten Elektrode (Referenzelektrode) und der zweiten Elektrode (Messelektrode) gemessene elektrische Größe (Potential, elektrischer Strom, elektrischer Widerstand) wird protokolliert, angezeigt und – falls gewünscht – an eine Auswerteelektronik übermittelt. Durch einen (automatisierten) Vergleich des Messwerts mit vorgegebenen Werten kann ein möglicher Befall der Magenschleimhaut auf Helicobacter pylori zuverlässig angezeigt werden.
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Nach Beendigung der Untersuchung werden bei den Elektroden zunächst eine Desinfektion und anschließend eine Spülung mit Spüllösung (Salzsäure oder eine Mischung aus Salzsäure und Harnstoff) vorgenommen. Durch eine Spülung der zweiten Elektrode mit Salzsäure erfolgt bei der zweiten Elektrode eine Regenerierung der Silberchlorid-Schicht. Die vom Ammoniak verursachten Beschädigungen in der Silberchlorid-Schicht der zweiten Elektrode werden dadurch wieder beseitigt. Die erfindungsgemäße Endoskopiekapsel kann somit nach einer eventuell notwendigen Rekalibrierung des Sensors erneut zum Nachweis von Helicobacter pylori eingesetzt werden. Eine Kalibrierung des Sensors kann beispielsweise durch eine Dosierung von synthetischem Ammoniak erfolgen.
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Die erfindungsgemäße Endoskopiekapsel erlaubt eine den Patienten nur gering belastende Untersuchung der Magenschleimhaut auf Helicobacter pylori, wobei erst bei einem Verdacht auf Anwesenheit von Helicobacter pylori Gewebeproben entnommen werden. Die Entnahme von Gewebeproben kann von der Endoskopiekapsel vorgenommen werden, falls diese eine Biopsieeinrichtung besitzt.
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Im Rahmen der Erfindung kann die Endoskopiekapsel als passive Endoskopiekapsel oder als navigierbare Endoskopiekapsel ausgeführt sein. Eine passive Endoskopiekapsel bewegt sich aufgrund der Peristaltik durch den Darm des Patienten, wohingegen bei einer navigierbaren Endoskopiekapsel im Gehäuse wenigstens ein Magnetelement zur Navigation mittels eines von einem externen Magnetsystem erzeugbaren Magnetfeldes angeordnet ist.
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Zusätzlich zum erfindungsgemäß vorgesehenen Sensor ist bei einer Ausgestaltung der Endoskopiekapsel im Gehäuse eine Therapievorrichtung zur Verabreichung eines Therapiemittels angeordnet.
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Gemäß weiterer vorteilhafter Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Endoskopiekapsel sind in dem Gehäuse wenigstens ein Datenspeicher und/oder wenigstens eine Datenübertragungseinrichtung angeordnet.
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Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Endoskopiekapsel im Gehäuse eine Auswerteelektronik vorgesehen.
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Die von der Auswerteelektronik ermittelten Werte sind im Datenspeicher speicherbar und/oder direkt an eine Empfängereinrichtung außerhalb des menschlichen oder tierischen Körpers übermittelbar.
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Die für die Auswertung, die Datenspeicherung und/oder die Datenübertragung erforderliche Energie wird in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Endoskopiekapsel durch einen Energiespeicher zur Verfügung gestellt, der vorzugsweise als wiederaufladbarer Energiespeicher (Akku, Kondensator) ausgeführt ist.
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Die einmalige oder wiederholte Aufladung des Energiespeichers kann beispielsweise induktiv oder über die beiden Elektroden (Referenzelektrode, Messelektrode) des an der Außenfläche des Gehäuses angeordneten Sensors erfolgen. Ist der Energiespeicher mit wenigstens einer Solarzelle ausgestattet und ist das Gehäuse der Endoskopiekapsel zumindest im Bereich der Solarzelle transparent, dann kann der Energiespeicher z. B. durch eine Bestrahlung der Endoskopiekapsel im transparenten Bereich des Gehäuses mit Laserlicht für die folgende Untersuchung aufgeladen werden.
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Alternativ zu einem vor Untersuchungsbeginn aufgeladenen Energiespeicher kann die Endoskopiekapsel während einer Untersuchung auch kontinuierlich induktiv mit der benötigten Energie versorgt werden. Der Patient muss sich hierzu nur im Bereich eines Wechselmagnetfeldes aufhalten.
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Im Rahmen der Erfindung kann es sich bei der Endoskopiekapsel um eine passive Endoskopiekapsel oder um eine navigierbare Endoskopiekapsel (”Endoroboter”) handeln.
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Um bei einem Patienten nach der Einnahme einer passiven Endoskopiekapsel alle Bereiche seiner Magenwand zu erfassen, nimmt der Patient während der Untersuchung unterschiedliche Positionen ein, um dadurch die Endoskopiekapsel in verschiedene Regionen seines Magens zu bewegen. In vorteilhafter Weise werden die Positionen, die der Patient hierfür einnehmen muss, von einem Patientenüberwachungssystem in einer standardisierten Sequenz ausgegeben und ein positives Messergebnis (Nachweis von Ammoniak) mit der zugehörigen Position des Patienten verknüpft. Die jeweiligen Positionen des Patienten werden hierbei vorzugsweise von einem externen Videokamerasystem mit einer entsprechenden Bildverarbeitungssoftware erfasst. Um die Positionserfassung des Patienten zu verbessern, kann dieser beispielsweise einen Gürtel tragen, der mit einer Markierung versehen ist. die z. B. bei einer Bestrahlung mit Infrarotlicht reflektiert und damit besser für das externe Videokamerasystem erkennbar ist.
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Wird dem Patienten eine navigierbare Endoskopiekapsel verabreicht, dann erfolgt die Navigation dieser Endoskopiekapsel im Magen des Patienten mittels eines Magnetfeldes, das von einem externen (d. h. außerhalb des Patienten angeordneten) Magnetsystem (Spulensystem) erzeugt wird. Durch das vom Spulensystem erzeugte Wechselmagnetfeld kann darüber hinaus die Endoskopiekapsel während einer Untersuchung kontinuierlich induktiv mit der benötigten Energie versorgt werden.
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Falls eine in der
DE 10 2007 017 267 A1 beschriebene Wiederverwertung der Endoskopiekapsel gewünscht ist, dann wird dem Patienten ein Induktionsdetektor ausgehändigt, mit dem er den Ort der Endoskopiekapsel innerhalb des Magen-Darm-Traktes oder in der Toilette erfassen kann. Der Patient kann nach der Beendigung der Untersuchung die ausgeschiedene Endoskopiekapsel und den Induktionsdetektor an einen Dienstleister zu Wiederaufbereitung schicken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10142253 C1 [0006]
- US 2003/0060702 A1 [0006]
- DE 102007017267 A1 [0039]