DE102011006325A1

DE102011006325A1 - Verfahren zur Anpassung der Dichte einer Endoskopiekapsel

Info

Publication number: DE102011006325A1
Application number: DE102011006325A
Authority: DE
Inventors: Stefan Förtsch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2012-10-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anpassung der Dichte einer Endoskopiekapsel mit einem biokompatiblen Kapselgehäuse, in dem wenigstens ein Magnetelement sowie wenigstens eine Sensoreinrichtung und/oder wenigstens eine Therapievorrichtung angeordnet sind, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: – Vorgabe eines Dichte-Sollwertes für die Endoskopiekapsel, – Bestimmung eines Dichte-Istwertes bei der Endoskopiekapsel, – Anpassung des Dichte-Istwertes der Endoskopiekapsel an den vorgegebenen Dichte-Sollwert der Endoskopiekapsel durch eine zumindest teilweise Befüllung des Kapselgehäuses mit wenigstens einer Substanz, die eine von Luft verschiedene Dichte aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht im Fertigungsprozess eine genaue Einhaltung der Dichte-Sollwerte für Endoskopiekapseln.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anpassung der Dichte einer Endoskopiekapsel mit einem biokompatiblen Kapselgehäuse, in dem wenigstens ein Magnetelement sowie wenigstens eine Sensoreinrichtung und/oder wenigstens eine Therapievorrichtung angeordnet sind.
Die Endoskopiekapsel weist ein biokompatibles Gehäuse auf, in dem wenigstens ein Magnetelement zur Navigation mittels eines von einem externen Magnetsystem (Spulensystem) erzeugbaren Magnetfeldes angeordnet ist. Weiterhin sind wenigstens eine Sensoreinrichtung (z. B. optischer Sensor, Helicobacter pylori-Sensor) zur Erfassung medizinisch relevanter Daten und/oder wenigstens eine Therapievorrichtung zur Verabreichung eines Therapiemittels und/oder zur Durchführung eines minimal-invasiven Eingriffs angeordnet.
Eine derartige Endoskopiekapsel, die auch als Endoskopkapsel, als Endokapsel oder als Kapselendoskop bezeichnet wird, ist beispielsweise aus der DE 101 42 253 C1 sowie aus der korrespondierenden US 2003/0060702 A1 bekannt, und wird dort als ”Endoroboter” bzw. ”endo-robot” bezeichnet.
Der aus der DE 101 42 253 C1 bekannte Endoroboter kann mittels eines Magnetfeldes, das auf ein im Kapselgehäuse angeordnetes Magnetelement wirkt, im Gastrointestinaltrakt eines Patienten, z. B. im Magen, navigiert werden. Das Magnetfeld wird von einem externen (d. h. außerhalb des Patienten angeordneten) Magnetsystem (Spulensystem) erzeugt. 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.
Bei einer Gastroskopie (endoskopisch durchgeführte Untersuchung des menschlichen oder tierischen Magens) wird die Endoskopiekapsel dem Patienten oral verabreicht und gelangt über die Speiseröhre in den Magen. Die vor der oralen Verabreichung der Endoskopiekapsel vorgenommene Aufweitung des Magens erfolgt mittels einer Flüssigkeit, die wahlweise mit einer Magensonde in den Magen des Patienten verbracht wird oder die dem Patienten zur selbstständigen Aufnahme verabreicht wird (Trinklösung).
Während der Gastroskopie werden verschiedene Größen, Messwerte oder Proben im Inneren des Magens aufgenommen und einem Arzt oder Assistenten zur Auswertung zur Verfügung gestellt. Beispielsweise werden Inhaltsstoffe oder Konzentrationen des Mageninhalts gemessen, die chemische Zusammensetzung des Magensafts bestimmt oder Bilddaten von der Magenschleimhaut gesammelt.
Zur Übertragung von Messdaten und/oder Bilddaten aus dem Inneren des Magens steht die Endoskopiekapsel z. B. über eine Funkverbindung mit einer in der Nähe des Patienten aufgestellten Übertragungsstation in Verbindung. Zur gezielten Erfassung von Mess- und/oder Bilddaten aus bestimmten Regionen des Magens ist die Endoskopiekapsel entsprechend magnetisch navigierbar.
Das Gehäuse der Endoskopiekapsel ist beispielsweise entweder ellipsoidförmig oder zylinderförmig ausgebildet. Ein zylinderförmig ausgebildetes Gehäuse weist in wenigstens einem seiner beiden stirnseitigen Bereiche eine halbsphärische Kappe auf. Vorzugsweise weisen beide stirnseitigen Bereiche des Gehäuses jeweils eine halbsphärische Kappe aus einem optisch transparenten Material auf. Eine derartige Endoskopiekapsel kann dann an beiden stirnseitigen Bereichen jeweils eine optische Sensoreinrichtung (z. B. CMOS-Kamera oder CCD-Chip) aufweisen.
Schwimmt bei der MGCE die Endoskopiekapsel in der Trinklösung, dann kann diese bereits durch ein relativ schwaches Magnetfeld im Raum ausrichtet und in der Horizontalen und Vertikalen (Tauchen) bewegt werden. Neben Schwimmen und Tauchen ist es möglich, die Endoskopiekapsel in einer beliebigen Position zwischen der Oberfläche der Trinklösung und dem Grund des Magens schweben zu lassen.
Bei der vorstehend beschriebenen Navigation der Endoskopiekapsel in der Trinklösung spielt das Archimedische Prinzip (”Die Auftriebskraft eines Körpers in Flüssigkeit ist gleich der Gewichtskraft der verdrängten Flüssigkeit”) und somit das Gewicht der Endoskopiekapsel sowie das Gewicht der verdrängten Trinklösung eine wesentliche Rolle.
Um den gewünschten Auftrieb zu erhalten, müssen deshalb Endoskopiekapsel und Trinklösung in ihrer Dichte aufeinander abgestimmt sein.
Die Dichte der Endoskopiekapsel sollte hierbei bis auf drei Nachkommastellen genau einem vorgegebenen Dichte-Sollwert entsprechen, um die Navigationsbewegungen bei der MGCE zuverlässig und aufwandsarm durchführen zu können. Die Dichte der Endoskopiekapsel wird hierbei durch die Dichte der jeweiligen Trinklösung bestimmt. Nur durch eine derart genaue Dichte der Endoskopiekapsel ist eine entsprechend genaue Navigation der Endoskopiekapsel möglich.
Die für eine MGCE-Kapsel geforderte hohe Genauigkeit ist bei einer passiven, also nicht magnetisch navigierbaren Endoskopiekapsel nicht erforderlich, da sich diese ausschließlich aufgrund der Peristaltik durch den Gastrointestinaltrakt bewegt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, dass im Fertigungsprozess eine genaue Einhaltung eines Dichte-Sollwertes für eine Endoskopiekapsel ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Anpassung der Dichte einer Endoskopiekapsel mit einem biokompatiblen Kapselgehäuse, in dem wenigstens ein Magnetelement sowie wenigstens eine Sensoreinrichtung und/oder wenigstens eine Therapievorrichtung angeordnet sind, ist gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

– Vorgabe eines Dichte-Sollwertes für die Endoskopiekapsel,
– Bestimmung eines Dichte-Istwertes bei der Endoskopiekapsel,
– Anpassung des Dichte-Istwertes der Endoskopiekapsel an den vorgegebenen Dichte-Sollwert der Endoskopiekapsel durch eine zumindest teilweise Befüllung des Kapselgehäuses mit wenigstens einer Substanz, die eine von Luft verschiedene Dichte aufweist.

Die Bestimmung bzw. die Ermittlung des Dichte-Sollwertes der Endoskopiekapsel kann durch Messungen (direkte Bestimmung) oder durch eine Kombination von Messungen und Berechnungen (indirekte Bestimmung) vorgenommen werden.
Die Dichte (ρ) der Endoskopiekapsel ist abhängig von ihrer Masse (m) und ihrem Volumen (V). Zur Masse der Endoskopiekapsel zählen das Kapselgehäuse sowie die im Kapselgehäuse angeordneten Bauteile, wie z. B. Magnetelement, Sensoreinrichtung und/oder Therapievorrichtung sowie CMOS-Kamera und Antenne.
Um bei einer Endoskopiekapsel den Auftrieb zu verändern, ist es aufgrund der folgenden Beziehung zwischen Gewicht (G), Masse (m) und Erdbeschleunigung (g = 9,81 m/s²) sowie Dichte (ρ) und Volumen (V) G = m·g = ρ·V·g zweckmäßig, im Wesentlichen die Dichte der Endoskopiekapsel anzupassen.
Da die im Kapselgehäuse angeordneten Bauteile nicht verändert werden dürfen, steht für eine Anpassung des Dichte-Istwertes der Endoskopiekapsel an einen vorgegebenen Dichte-Sollwert nur das Kapselgehäuse zur Verfügung. Hierbei ist darauf zu achten, dass eine wesentliche Veränderung des Volumens der Endoskopiekapsel nicht ratsam ist, da sich dadurch die Navigationseigenschaften ändern können. Weiterhin sollte die Anordnung der Bauteile im Kapselgehäuse beibehalten werden.
Soll die Gewichtskraft der Endoskopiekapsel von der Gewichtskraft der Trinkflüssigkeit abweichen, dann muss die Endoskopiekapsel – wegen G ≈ m und m ≈ ρ – entweder eine größere Dichte oder eine kleinere Dichte als die Trinkflüssigkeit (z. B. ρ_F1 = 1,00 g/cm³ für Wasser) aufweisen. Die gewünschte Dichte der Endoskopiekapsel ist als Dichte-Sollwert vorzugeben, der erfindungsgemäß durch eine zumindest teilweise Befüllung des Kapselgehäuses mit wenigstens einer Substanz erreicht wird, die eine von Luft verschiedene Dichte aufweist.
Durch die zumindest teilweise Befüllung des Kapselgehäuses mit wenigstens einer Substanz wird die Luft im Kapselgehäuse zumindest teilweise ersetzt. Aufgrund des Dichteunterschiedes dieser Substanz(en) zur Luft erhält man – abhängig von der Dichte der Substanz – entweder eine leichtere Endoskopiekapsel mit einem erhöhten Auftrieb in der Trinklösung oder eine schwerere Endoskopiekapsel mit einem verringerten Auftrieb in der Trinklösung. Durch den Dichteunterschied der Substanzen zu Luft kann auf fertigungstechnisch einfache Weise der Auftrieb der Endoskopiekapsel an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Darüber hinaus ist es möglich, bei einer Substanz, deren Dichte geringer ist als die Dichte von Luft, auch eine Massenzunahme der Endoskopiekapsel, z. B. aufgrund von weiteren Bauteilen im Kapselgehäuse, derart auszugleichen, dass sich der Auftrieb der Endoskopiekapsel in der Trinklösung nicht verringert. Hierfür kann das Kapselgehäuse beispielsweise mit Helium befüllt werden (Dichteunterschied zu Luft etwa Faktor 10).
Das Kapselgehäuse besteht beispielsweise aus Polycarbonat (PC), das eine Dichte von ca. 1,20 g/cm³ besitzt. Die im Kapselgehäuse angeordneten Bauteile besitzen ebenfalls eine Dichte größer als 1,00 g/cm³. Da das Kapselgehäuse jedoch mit Luft gefüllt ist, die bei 20°C eine Dichte von rund 0,0012 g/cm³ besitzt, ergibt sich für die Endoskopiekapsel ein Dichte-Istwert von ca. 1,00 g/cm³ Der Dichte-Istwert der Endoskopiekapsel entspricht damit etwa der Dichte der Trinkflüssigkeit.
Bei Polycarbonat handelt es sich um einen inerten und Bruchsicheren Kunststoff, der nicht nur als Werkstoff für Kapselgehäuse von Endoskopiekapseln verwendet wird, sondern auch bei anderen In-vivo-Medizinprodukten Verendung findet.
Polycarbonate lassen sich mit allen für Thermoplaste üblichen Verfahren verarbeiten. Beim Spritzgießen wird durch die hohe Viskosität der Schmelze ein hoher Spritzdruck benötigt. Die Verarbeitungstemperaturen liegen zwischen 280°C und 320°C und beim Extrudieren zwischen 240°C und 280°C. Vor der Verarbeitung muss die Restfeuchte durch Trocknung (4 bis 24 Stunden bei 120°C) auf unter 0,01% gebracht werden. Die Verarbeitungsschwindung von Polycarbonat liegt bei 0,6% bis 0,8%. Polycarbonat weist so gut wie keine Nachschwindung auf. Es lässt sich mit Lösungsmitteln wie beispielsweise Dichlormethan (Methylenchlorid, CH₂Cl₂) reinigen und mit Reaktionsharzklebstoffen kleben und ist ultraschall- und hochfrequenzschweißbar.
Um eine effektive Navigation der Endoskopiekapsel zu gewährleisten muss der Dichte-Istwert der Endoskopiekapsel bis auf drei Nachkommastellen genau dem vorgegebenen Dichte-Sollwert entsprechen.
Der Dichte-Sollwert der Endoskopiekapsel ist durch die Dichte der Trinkflüssigkeit und durch das externe (d. h. außerhalb des Patienten angeordnete) Magnetsystem (Spulensystem) vorgegeben. Üblicherweise werden auf das Magnetsystem abgestimmte Endoskopiekapseln verwendet. Weiterhin sind die Endoskopiekapsel und die zugehörige Trinkflüssigkeit jeweils auf die bereffende Untersuchung abgestimmt.
So kann bei einer Trinkflüssigkeit mit einer Dichte von ρ_F1 = 1,000 g/cm³ die Endoskopiekapsel z. B. einen Dichte-Sollwert von

1. ρ_Kapsel = 0,998 g/cm³ oder
2. ρ_Kapsel = 1,000 g/cm³ oder
3. ρ_Kapsel = 1,002 g/cm³

Wirkt auf die Endoskopiekapsel keine magnetische Kraft, dann wird diese im ersten Fall schwimmen, im zweiten Fall schweben und im dritten Fall sinken. Für die entsprechende Untersuchung kann damit immer eine geeignete Kombination aus Endoskopiekapsel und Trinkflüssigkeit gefunden werden.
Bei der Substanz, mit der das Kapselgehäuse zumindest teilweise befüllt wird und die eine von Luft verschiedene Dichte aufweist, kann es sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung um eine gasförmige Substanz (Anspruch 2), eine flüssige Substanz (Anspruch 3) oder eine feste Substanz (Anspruch 4) handeln. Der Begriff ”gasförmige Substanz” umfasst einatomige Gase, Gasmoleküle und Gasgemische. Der Begriff ”feste Substanz” umfasst hierbei auch Pulver, Granulat, Paste und Fettstoffe, wie z. B. Paraffin.

Bevorzugte Substanzen für eine zumindest teilweise Befüllung des Kapselgehäuses sind in der nachfolgenden Tabelle beispielhaft genannt.

Substanz (gasförmig, flüssig, fest)	Dichte ρ in g/cm³ (bei Raumtemperatur)
Alkohol	0,789
Helium	0,177·10^–3
Kautschuk	0,750
Kohlenstoffdioxid	1,977·10^–3
Olivenöl	0,914
Paraffin	0,900–0,980
Sauerstoff	1,429·10^–3
Silicon	0,760–1,070
Stickstoff	1,251·10^–3
Wasserstoff	0,090·10^–3

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Substanz für eine zumindest teilweise Befüllung des Kapselgehäuses elektrisch isolierend (Anspruch 5). Dadurch wird die Isolation zwischen den im Kapselgehäuse angeordneten Bauteilen (z. B. Magnetelement, Sensoreinrichtung und/oder Therapievorrichtung sowie CMOS-Kamera und Antenne) nochmals verbessert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Substanz für eine zumindest teilweise Befüllung des Kapselgehäuses chemisch inert (Anspruch 6). Die Substanz reagiert damit auch bei längerer Lagerung zwischen Herstellung und Einsatz nicht mit den im Kapselgehäuse angeordneten Bauteilen und den Innenflächen des Kapselgehäuses.
Die Dichte der Substanz, mit der das Kapselgehäuse befüllt wird, ist verschieden von der Dichte (ρ_Luft = 0,0012505 g/cm³) normaler Luft, mit der die Kapselgehäuse bei bekannten Endoskopiekapseln gefüllt sind. Die Substanz, die die im Kapselgehäuse an sich vorhandene Luft zumindest teilweise ersetzt, besitzt entweder eine größere Dichte als Luft oder eine kleinere Dichte als Luft.
Ist bei der Endoskopiekapsel der Dichte-Istwert größer als der Dichte-Sollwert, dann wird die Masse der Endoskopiekapsel dadurch reduziert, dass das Kapselgehäuse mit einer Substanz gefüllt wird, deren Dichte geringer ist als die Dichte von Luft (Anspruch 7).
Falls bei einer Endoskopiekapsel der Dichte-Istwert kleiner ist als der Dichte-Sollwert, dann wird die Masse der Endoskopiekapsel dadurch erhöht, dass das Kapselgehäuse mit einer Substanz gefüllt wird, deren Dichte größer ist als die Dichte von Luft (Anspruch 8).
In beiden Fällen wird damit das Gewicht der Endoskopiekapsel unter Konstanthaltung ihres Volumens derart angepasst, dass der Dichte-Istwert der Endoskopiekapsel mit dem vorgegebenen Dichte-Sollwert der Endoskopiekapsel übereinstimmt.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren erfolgt die Bestimmung des Dichte-Istwertes der Endoskopiekapsel nach der Montage der Endoskopiekapsel (Anspruch 9). Die Bestimmung des Dichte-Istwertes kann üblicherweise durch eine Messung mittels einer Waage oder einer kalibrierten Testflüssigkeit durchgeführt werden.
Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass die Bestimmung. des Dichte-Istwertes der Endoskopiekapsel während der Montage der Endoskopiekapsel erfolgt (Anspruch 10). Die Bestimmung des Dichte-Istwertes wird wiederum mit einer Waage durchgeführt.
Da die physikalischen Größen der Endoskopiekapsel sowie der in ihr enthaltenen Bauteile bekannt sind, kann der Dichte-Istwert anstelle einer vollständigen messtechnischen Bestimmung auch durch eine Kombination von Messungen und Berechnungen bestimmt werden.
Handelt es sich bei der Substanz, mit der das Kapselgehäuse zumindest teilweise befüllt wird, um eine gasförmige Substanz, dann erfolgt die Befüllung des Kapselgehäuses, in dem die Bauteile bereits montiert sind, vorzugsweise in einer Atmosphäre der betreffenden gasförmigen Substanz. Bei einer zylinderförmig ausgebildeten Endoskopiekapsel mit einer halbsphärischen Kappe im stirnseitigen Bereich wird die Endoskopiekapsel bei stirnseitig offenem Kapselgehäuse in die von der gasförmigen Substanz gebildete Atmosphäre eingetaucht und durch Aufsetzen der halbsphärischen Kappe dicht verschlossen.
Um das Kapselgehäuse mit der exakten Menge der gasförmigen Substanz zu befüllen, müssen bei diesem letzten Fertigungsschritt die Teile des Kapselgehäuses langsam zusammengeschoben werden, wobei gleichzeitig der Dichte-Istwert der Endoskopiekapsel bestimmt wird.
Wie aus der vorstehenden Erläuterung von Ausführungsbeispielen hervorgeht, bietet das erfindungsgemäße Verfahren eine Vielzahl von Möglichkeiten, im Fertigungsprozess eine genaue Einhaltung der Dichte-Sollwerte für Endoskopiekapseln zu erreichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10142253 C1 [0003, 0004]
US 2003/0060702 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Anpassung der Dichte einer Endoskopiekapsel mit einem biokompatiblen Kapselgehäuse, in dem wenigstens ein Magnetelement sowie wenigstens eine Sensoreinrichtung und/oder wenigstens eine Therapievorrichtung angeordnet sind, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: – Vorgabe eines Dichte-Sollwertes für die Endoskopiekapsel, – Bestimmung eines Dichte-Istwertes bei der Endoskopiekapsel, – Anpassung des Dichte-Istwertes der Endoskopiekapsel an den vorgegebenen Dichte-Sollwert der Endoskopiekapsel durch eine zumindest teilweise Befüllung des Kapselgehäuses mit wenigstens einer Substanz, die eine von Luft verschiedene Dichte aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz eine gasförmige Substanz ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz eine flüssige Substanz ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz eine feste Substanz ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz elektrisch isolierend ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz chemisch inert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Endoskopiekapsel mit einem Dichte-Istwert, der größer ist als der Dichte-Sollwert der Endoskopiekapsel, das Kapselgehäuse mit einer Substanz gefüllt wird, deren Dichte geringer ist als die Dichte von Luft.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Endoskopiekapsel mit einem Dichte-Istwert, der kleiner ist als der Dichte-Sollwert der Endoskopiekapsel, das Kapselgehäuse mit einer Substanz gefüllt wird, deren Dichte größer ist als die Dichte von Luft.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Dichte-Istwertes der Endoskopiekapsel nach einer Montage der Endoskopiekapsel erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Dichte-Istwertes der Endoskopiekapsel während einer Montage der Endoskopiekapsel erfolgt.