DE102011017591A1

DE102011017591A1 - Endoskopiekapsel zur Untersuchung und/oder Behandlung in einem Hohlorgan eines Körpers und Untersuchungs- und/oder Behandlungseinrichtung mit einer Endoskopiekapsel

Info

Publication number: DE102011017591A1
Application number: DE102011017591A
Authority: DE
Inventors: Dr. Popescu Stefan
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-04-27
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2012-10-31
Also published as: US20120277529A1

Abstract

Endoskopiekapsel (1, 1') zur Untersuchung und/oder Behandlung in einem Hohlorgan (22) eines Körpers, umfassend wenigstens ein zur extern gesteuerten Bewegung und/oder Rotation der Endoskopiekapsel (1, 1') mit einem außeren Magnetfeld wechselwirkendes magnetisches Element, wobei das Magnetfeld des magnetischen Elements extern gesteuert veranderbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Endoskopiekapsel zur Untersuchung und/oder Behandlung in einem Hohlorgan eines Körpers, umfassend wenigstens ein zur extern gesteuerten Bewegung und/oder Rotation mit einem äußeren Magnetfeld wechselwirkendes magnetisches Element, sowie eine Untersuchungs- und/oder Behandlungseinrichtung, umfassend wenigstens eine Endoskopiekapsel und eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Erzeugung des äußeren Magnetfelds.
Es sind Endoskopiekapseln zur Untersuchung und/oder Behandlung eines Hohlorgans, insbesondere des Gastrointestinaltrakts, bekannt, die einem Patienten verabreicht werden können und welche dann durch die naturliche Peristaltik durch den Korper bewegt werden. Dabei bestehen aber nur geringe Möglichkeiten, beispielsweise das Blickfeld einer an der Endoskopiekapsel vorgesehenen Bildaufnahmeeinrichtung auf ein Wunschziel auszurichten oder gar Instrumente geeignet zu positionieren. Ferner muss der natürliche Transport durch den Patienten abgewartet werden.
Mithin wurden im Stand der Technik Endoskopiekapseln vorgeschlagen, die ein permanentmagnetisches Element aufweisen, welches mit einem äußeren Magnetfeld wechselwirkt und somit eine extern gesteuerte Rotation und/oder translatorische Bewegung der Endoskopiekapsel innerhalb des Hohlorgans durch entsprechende Veränderung des externen Magnetfelds ermoglicht.
So ist beispielsweise aus US 7,343,036 B1 ein Bildgebungsverfahren fur eine Endoskopeinheit vom Kapseltyp beschrieben. Dabei wird eine Röhre verwendet, die Feldspulen zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes und Feldgradientenspulen mit zugeordneten Gradientenverstärkern zur Erzeugung von Gradienten des außeren Magnetfelds aufweist, wobei je eine Feldspule und eine Feldgradientenspule fur eine der drei kartesischen Raumkoordinaten vorgesehen ist, so dass ein lokaler Wechsel des Magnetfeldes in den Raumrichtungen möglich ist. Auf diese Weise wird eine aktive Steuerung zur Bewegung einer drahtlosen Endoskopeinheit realisiert, indem das außere veranderbare Magnetfeld mit einem Permanentmagneten der Endoskopieeinheit wechselwirkt, um die Endoskopieeinheit beispielsweise durch den Gastrointestinaltrakt eines Patienten zu führen. Eine Anzeigevorrichtung wird verwendet, um die übertragenen Bilder, welche drahtlos von der Endoskopieeinheit vom Kapseltyp übertragen werden, anzuzeigen.
Ein System mit einer magnetisch gefuhrten Endoskopiekapsel (MGCE – magnetically guided capsule endoscope) wurde in einer Kooperation der Siemens AG mit Olympus Medical Systems Cooperation realisiert, worin Magenuntersuchungen einfach und komfortabel durchführbar sind, nachdem der Patient lediglich die Endoskopiekapsel schlucken muss. Der Patient legt sich dann innerhalb des magnetischen Führungssystems hin, wo eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines veränderbaren äußeren Magnetfelds ausgebildet ist. Der Arzt benutzt eine Bedieneinrichtung, insbesondere einen Joystick, um die Endoskopiekapsel zu den interessierenden Bereichen zu navigieren. Von dort kann die Endoskopiekapsel in Echtzeit hoch aufgelöste Bilder des Inneren des Korpers auf einer Anzeigevorrichtung im Untersuchungsraum darstellen.
Der Aufbau einer Magnetfelderzeugungseinrichtung, wie sie zur Bewegung eines magnetischen Objekts, beispielsweise eines Permanentmagneten einer Endoskopiekapsel, in einem Arbeitsbereich verwendet werden kann, wird beispielsweise durch US 7,173,507 B1 offenbart. Dort ist ein magnetisches Spulensystem beschrieben, das drei Magnetfeldkomponenten B_x, B_y und B_z und fünf Magnetfeldgradienten erzeugen kann. Diese werden verwendet, um ein magnetisches Objekt auf berührungslose Art zu navigieren, das bedeutet, zu rotieren und/oder zu kippen und/oder zu bewegen. So kann eine Video-Endoskopiekapsel, die mit einem Permanentmagneten versehen ist, navigiert werden. Die magnetische Endoskopiekapsel tendiert dazu, sich parallel zur statischen Richtung des außeren Magnetfelds zu orientieren. Die Feldgradienten bewirken eine Kraft auf den Permanentmagneten der Kapsel, der als ein magnetischer Dipol beschrieben werden kann, vgl. hierzu auch den Artikel von David C. Meeker et al., „Optimal realization of arbitrary forces in a magnetic stereotaxis system", IEEE Transactions an Magnetics, Vol. 32, No. 2, März 1996, Seiten 320–328. Durch gezielte Ansteuerung der einzelnen Spulen ist es möglich, das außere Magnetfeld zu verändern und somit die Endoskopiekapsel beliebig im Arbeitsbereich zu orientieren und außerdem eine vorbestimmte Kraft in alle Richtungen auf sie auszuwirken, das bedeutet, die Endoskopiekapsel kann rotiert werden und linear bewegt werden.
In WO 2009/016207 A1 wird ein magnetisches Spulensystem zur Erzeugung einer Kraft auf eine Endoskopiekapsel beschrieben. Dabei ist vorgesehen, das System mit der magnetisch geführten Endoskopiekapsel durch eine Bildgebungsvorrichtung, bevorzugt eine Magnetresonanzeinrichtung, zu ergänzen, wobei die Magnetfelderzeugungseinrichtung so erweitert werden soll, dass sie niedrigqualitative („low-end”) Magnetresonanz-Bildgebung erlaubt und zusatzlich eine Endoskopiekapsel mit einem statischen magnetischen Dipol antreibt. Gleichzeitig soll die Magnetfelderzeugungseinrichtung ein stabiles und homogenes Magnetfeld zur Magnetresonanz-Bildgebung erzeugen können, wobei die Gradientenspulen, die zur Krafterzeugung auf die Endoskopiekapsel verwendet werden, auch fur die Magnetresonanz eingesetzt werden.
Dieser Stand der Technik weist jedoch eine Vielzahl von Nachteilen auf. Zunachst ist anzumerken, dass ein starkes außeres Grundmagnetfeld, wie es für die Magnetresonanz benötigt wird, die Endoskopiekapsel grundsatzlich in seine Richtung kippen wird und die Endoskopiekapsel-Navigation somit unmöglich machen kann. Die Positionierung der Endoskopiekapsel ist noch weit komplizierter, sobald man sich außerhalb des Homogenitatsvolumens des nicht gleichförmigen Grundmagnetfelds befindet. Ein weiteres Problem ist, dass die starken und schnell wechselnden Gradientenfelder, die für die Magnetresonanzbildgebung verwendet werden, auf nicht planbare Weise die Position der Endoskopiekapsel verändern. Weiterhin gilt, dass der permanentmagnetische Dipol in der Endoskopiekapsel lokal die Homogenität des äußeren Grundmagnetfeldes und somit die Magnetresonanzbilder stort.
Das in WO 2009/016207 A1 beschriebene kombinierte Magnetresonanz-magnetisch geführte Endoskopiekapsel-System ermoglicht es mithin nicht, gleichzeitig eine Navigation und Magnetresonanzbildgebung zu erlauben. Das bedeutet, wenn gerade Magnetresonanzbildgebung erforderlich ist, wird die Navigation der Endoskopiekapsel ausgeschaltet und das Grundmagnetfeld wird während der Navigation der Endoskopiekapsel ausgeschaltet. Alternativ wurde vorgeschlagen, die Kapsel mit einem katheterartigen Schlauch, der aus dem Hohlorgan herausführt, zu verbinden, so dass der permanentmagnetische Dipol der Endoskopiekapsel aus der Endoskopiekapsel entfernt werden kann, um Magnetresonanz-Bildgebung zu ermöglichen.
Mithin ist bis heute keine Losung bekannt, eine magnetisch navigierbare Endoskopiekapsel sinnvoll in Magnetresonanzsysteme zu integrieren, da bereits die Kompatibilität in Frage steht. Ferner ware es allgemein wünschenswert, die Kosten und die örtlichen Voraussetzungen fur ein System mit einer magnetisch gefuhrten Endoskopiekapsel zu reduzieren.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Endoskopiekapsel und ein Untersuchungs- und/oder Behandlungssystem mit einer solchen Endoskopiekapsel so auszugestalten, dass die konstruktiven Anforderungen insbesondere im Bereich der Magnetfelderzeugungseinrichtung reduziert sind und insbesondere eine Magnetresonanz-Kompatibilitat gegeben ist.
Zur Losung dieser Aufgabe ist bei einer Endoskopiekapsel der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Magnetfeld des magnetischen Elements extern gesteuert veränderbar ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird also vorgeschlagen, die Navigation (also die translatorische Bewegung und/oder Rotation der Endoskopiekapsel) nicht mehr dadurch zu bewerkstelligen, dass mit einem großen Aufwand ein äußeres Magnetfeld, insbesondere bezuglich seiner Richtung und/oder seiner Gradienten, verändert wird, sondern es wird vorgeschlagen, das wenigstens eine magnetische Element der Endoskopiekapsel selbst ansteuerbar zu gestalten, so dass das lokale Magnetfeld in der Endoskopiekapsel verändert wird und hierdurch eine Navigation ermöglicht wird. Dabei kann das magnetische Element mithin besonders bevorzugt als eine wenigstens eine Windung umfassende, in Abhangigkeit eines externen Signals bestrombare Spule realisiert werden, nachdem eine derartige Spule in Abhangigkeit des Stroms ihr Magnetfeld ausbildet und ohne anliegenden Strom sogar feldfrei geschaltet werden kann. Vorteilhaft ist es auch, wenn für drei zueinander senkrechte Raumrichtungen wenigstens ein magnetisches Element, insbesondere also wenigstens eine Spule, zur Erzeugung eines Magnetfeldes in dieser Raumrichtung vorgesehen ist.
Auf diese Weise wird es also insgesamt ermoglicht, auch „unflexiblere” außere Magnetfelder, insbesondere statische Magnetfelder oder in ihrer Richtung festgelegte Magnetfelder zu verwenden, um darin eine Navigation der Endoskopiekapsel zu ermöglichen. Insbesondere kann es sich bei dem außeren Magnetfeld mithin um das Grundmagnetfeld einer Magnetresonanzeinrichtung handeln, so dass nicht nur eine mit einer Magnetresonanzeinrichtung kompatible Endoskopiekapsel geschaffen wird, worauf im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, sondern es letztlich auch nicht mehr notwendig ist, eine zusätzliche Magnetfelderzeugungseinrichtung vorzusehen, erst recht keine, die mit Magnetresonanzeinrichtungen kompatibel ist, insbesondere, wenn sich das lokale Magnetfeld der magnetischen Elemente, wie bei einer Spule, gänzlich deaktivieren lässt. Auf diese Weise werden eine bessere Akzeptanz und eine schnellere Verbreitung einer derartigen Endoskopiekapsel gefördert. Insgesamt aber reduzieren sich, insbesondere bei Integration in eine bestehende Magnetresonanzeinrichtung, die Kosten und die örtlichen Anforderungen an die erfindungsgemäße Untersuchungs- und Behandlungseinrichtung. Doch auch, wenn eine dedizierte Magnetfelderzeugungseinrichtung eingesetzt wird, kann diese einfacher und kostengunstiger aufgebaut werden, nachdem, wie im Folgenden noch genauer beschrieben werden wird, bereits ein festes, statisches Magnetfeld ausreichend ist, um eine Navigation der Endoskopiekapsel zu ermoglichen.
Die vorliegende Erfindung beruht dabei auf folgenden Überlegungen. Die Kraft F, die auf einen magnetischen Dipol m in einem äußeren Magnetfeld B ausgeübt wird, ist F → = grad(m →·B →).
In einem homogenen und gleichformigen Magnetfeld gilt B_x = B_y = 0, so dass nur die Komponente B_z entlang der z-Achse ungleich 0 ist. Es folgt:
wobei die Vektoren i, j und k die Einheitsvektoren respektive in der x-Richtung, der y-Richtung und der z-Richtung sind. Werden die Ableitungen aufgelost, folgt
oder, anders geschrieben F → = grad(m_zB_z) = B_zgrad(m_z) + m_zgrad(B_z).
Ersichtlich entsprechen die örtlichen Ableitungen des Dipols m und des Magnetfelds B Gradienten, so dass, bezeichnet man den dem Dipol m zugeordneten Gradienten mit g und den dem Magnetfeld B zugeordneten Gradienten mit G, auch geschrieben werden kann, F → = B_z(g_xi → + g_yj → + g_zk →) + m_z(G_xi → + G_yj → + G_zk → = B_zg → + m_zG →.
Hieraus folgt aber, dass es auf zweierlei Arten möglich ist, eine Kraft auf den magnetischen Dipol m auszuüben. Zum einen ist es moglich, äußere starke Gradienten G_x, G_y oder G_z anzulegen, wie sie beispielsweise schon innerhalb der Patientenaufnahme einer Magnetresonanzeinrichtung zur Verfugung stehen. Gleichzeitig muss ein kleines dipolares magnetisches Moment m_z in der Endoskopiekapsel aktiviert werden, so dass sich als Kraft ergibt: F → = m_z(G_xi → + G_yj → + G_zk →) = m_zG →.
Zum anderen ist es jedoch auch möglich, reine lokale „diplore” Gradienten g_x, g_y oder g_z in der Endoskopiekapsel zu aktivieren, wahrend sich die Endoskopiekapsel in einem quasi homogenen und statischen Magnetfeld B_z befindet, beispielsweise dem Grundmagnetfeld einer Magnetresonanzeinrichtung oder einem lokal hinreichend homogenen Streufeld außerhalb der Patientenaufnahme einer Magnetresonanzeinrichtung. Ein kleiner lokaler magnetischer Gradient innerhalb der Endoskopiekapsel ist ausreichend, um eine hinreichende Kraft zur Bewegung der Endoskopiekapsel zu erzeugen, nachdem das starke statische Magnetfeld B_z die Kraft erhöhend wirkt. Es ergibt sich dann F → = B_z(g_xi → + g_yj → + g_zk →) = B_zg →.
Selbstverständlich ist auch eine Kombination der beiden genannten Möglichkeiten denkbar, wobei alle oder nur einige der genannten Parameter angepasst werden, um die Richtung und die Orientierung der die Endoskopiekapsel bewegenden Kraft zu definieren. Wesentlich ist hier insbesondere bei der Variante, in der starke äußere Gradienten beispielsweise einer Magnetresonanzeinrichtung eingesetzt werden, dass es moglich ist, die magnetischen Elemente der Endoskopiekapsel und mithin den Dipol auszuschalten, so dass dann beispielsweise bei der Magnetresonanz-Bildgebung keine Storung mehr vorliegt.
Ahnliche Betrachtungen lassen sich bezuglich eines Drehmoments T auf einen magnetischen Dipol m in einem magnetischen Feld B anstellen, wobei hier T → = m → × B → gilt. In einem homogenen und gleichförmigen äußeren Magnetfeld mit B_z = B_y = 0 und der von Null verschiedenen Komponente B_z entlang der z-Achse gilt mithin T → = m → × B_zk →.
Daraus folgt bereits allgemein, dass allein durch Anpassung der Richtung des magnetischen Dipols m der Endoskopiekapsel ein Drehmoment erzeugt wird, so dass sich die Endoskopiekapsel entsprechend drehen wird.
Bezuglich der zu einer Bewegung führenden Kraft auf die Endoskopiekapsel (letztlich die fest mit der Endoskopiekapsel verbundenen magnetischen Elemente) gibt es, wie oben beschrieben, zwei Ansätze. Zum einen konnen mit besonderem Vorteil drei orthogonale Spulen mit anpassbaren Strömen verwendet werden, um die Aktivierung des magnetischen Dipols genauso wie seine Magnitude und Orientierung relativ zu der Endoskopiekapsel zu bestimmen.
Durch die Überlagerung der drei einzelnen Spulendipole resultiert dann ein lokaler magnetischer Dipol m der Endoskopiekapsel. Dies ermoglicht die Navigation unter Verwendung des statischen außeren Magnetfelds B_z und der insbesondere durch eine Magnetresonanzeinrichtung im Inneren der Patientenaufnahme erzeugten Magnetfeldgradienten G_x, G_y oder G_z. Um die Endoskopiekapsel in einer solchen Umgebung zu bewegen, werden die magnetischen Elemente, insbesondere die Spulen, so bestromt, dass ein lokaler Dipol m_z entsteht, der kollinear mit dem statischen äußeren Magnetfeld ist, während insbesondere die Gradientenspulen der Magnetresonanzeinrichtung so betrieben werden, dass ein Gradient G in der gewünschten Richtung entsteht, mithin die Kraft F → = m_z(G_xi → + G_yj → + G_zk →) = m_zG → entsteht. Wird die Endoskopiekapsel in einer Magnetresonanzeinrichtung verwendet, wird während der Magnetresonanzbildgebung und wahrend sonstiger ablaufender Magnetresonanz-Sequenzen der magnetische Dipol m deaktiviert, indem alle Spulenströme ausgeschaltet werden. Zur Rotation der Kapsel, wie bereits erwähnt wurde, wird ein magnetischer Dipol in einer entsprechenden Orientierung unter Berucksichtigung der Richtung des äußeren Magnetfeldes, insbesondere also des Grundmagnetfeldes der Magnetresonanzeinrichtung, erzeugt, so dass sich die Kapsel in die gewollte Richtung dreht.
In einer anderen Ausführungsform kann jedoch mit besonderem Vorteil auch vorgesehen sein, dass für jede Raumrichtung wenigstens zwei unabhangig ansteuerbare magnetische Elemente, insbesondere Spulen, zur Erzeugung eines lokalen Magnetfeldgradienten vorgesehen sind. Immer dann, wenn äußere kontrollierbare Gradientenfelder nicht verfugbar sind, konnte die Endoskopiekapsel normalerweise nur rotiert werden. Um jedoch dennoch eine antreibende Kraft auf die Endoskopiekapsel auswirken zu können, werden die orthogonalen Spulen so modifiziert, dass nun für jede orthogonale Achse des lokalen Koordinatensystems wenigstens ein Paar von Spulen, also magnetischen Elementen, vorgesehen ist. Dabei ist es möglich, die Höhe des Stroms und die Richtung des Stroms in jeder Spule jedes Paares getrennt zu wahlen.
Zur magnetischen Navigation der Endoskopiekapsel befindet sich diese dann in einem statischen und relativ starken äußeren Magnetfeld B, wobei wiederum davon ausgegangen wird, dass es im Wesentlichen in eine bestimmte Richtung weist, also alle Komponenten außer B_z Null sind. Die Navigation der Endoskopiekapsel ist nun auch dann möglich, wenn keine außeren Gradienten vorhanden sind und Änderungen in der Große oder Orientierung des statischen Felds B sehr beschrankt oder gar nicht möglich sind. Die Navigation der Endoskopiekapsel geht dann wie folgt vonstatten.
Die Spulen in jedem Paar von Spulen werden mit unterschiedlichen, insbesondere gegensatzlichen Strömen, so betrieben, dass lokale Gradienten g_x, g_y und/oder g_z des dipolaren magnetischen Moments m erzeugt werden, die sich insgesamt zu einem lokalen Gradienten g uberlagern, der wiederum mit dem starken statischen Magnetfeld B_z wechselwirkt, um eine treibende Kraft entlang der Richtung des Gradienten g zu erzeugen, F → = B_z(g_xi → + g_yj → + g_zk →) = B_zg →.
Zum Drehen der Endoskopiekapsel in eine bestimmte Richtung wird wiederum, wie bereits oben beschrieben, ein lokaler Dipol m, insbesondere dann ohne Gradienten g, erzeugt, so dass ein Drehmoment, das die Kapsel rotiert, entsteht.
Im passiven Modus kann der magnetische Dipol m und der lokale Gradient g deaktiviert werden, indem sämtliche Spulenströme ausgeschaltet werden.
Ersichtlich ist die erfindungsgemäße Endoskopiekapsel mithin vielseitig einsetzbar, innerhalb der Patientenaufnahme einer Magnetresonanzeinrichtung beispielsweise unter Nutzung der dort erzeugbaren Gradienten selbst, wobei zur Magnetresonanz-Bildgebung die magnetischen Elemente einfach deaktiviert werden konnen. Denkbar ist es weiterhin, die erfindungsgemäße Endoskopiekapsel im äußeren Streufeld (fringe field) eines insbesondere ein hohes Feld, insbesondere großer als 3 T, aufweisenden Magnetresonanzsystems einzusetzen, denkbar ist es aber auch, ein lokales äußeres magnetisches Feld, das von einer dedizierten Magnetfelderzeugungseinrichtung erzeugt wird, zu verwenden.
Die Verwendung des Streufeldes einer Standard-Magnetresonanzeinrichtung, welches auch außerhalb der Patientenaufnahme noch eine Stärke von einigen Tesla aufweisen kann, was insbesondere fur ungeschirmte Magneten gilt, ermöglicht es, die Raume fur die Magnetresonanzeinrichtung und die Untersuchung und/oder Behandlung mit der erfindungsgemäßen Endoskopiekapsel zusammenzulegen, so dass der Patient beispielsweise aus der Magnetresonanzeinrichtung, insbesondere aus der Patientenaufnahme der Magnetresonanzeinrichtung, ausgefahren werden kann, um dann außerhalb die Endoskopiekapsel entsprechend navigieren zu konnen. Dabei ist eine Feldkarte des Streufeldes außerhalb der Patientenaufnahme notwendig, die beispielsweise vorab im Rahmen einer Kalibration vermessen werden kann und/oder in einer Steuereinrichtung der Magnetresonanzeinrichtung selbst abgelegt sein kann.
Moglich ist es jedoch auch, wie erwähnt wurde, eine dedizierte Magnetfelderzeugungseinrichtung zu verwenden, welche beispielsweise nahe des Patienten vorgesehen wird, wobei es bei der vorliegenden Erfindung ausreichend ist, ein statisches, hinreichend starkes außeres Magnetfeld zu erzeugen.
In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Endoskopiekapsel zum Empfang von externen Steuersignalen für das magnetische Element eine insbesondere funkbasierte Kommunikationseinrichtung und/oder eine Steuereinheit zur Steuerung des Betriebs der Endoskopiekapsel, insbesondere des magnetischen Elements, umfasst. Insbesondere ist die Kommunikationseinrichtung zur bidirektionalen Kommunikation mit einer externen Steuereinrichtung ausgebildet, so dass ein Datenaustausch in beiden Richtungen moglich ist. So ist es beispielsweise denkbar, dass die Endoskopiekapsel eine Bildaufnahmeeinrichtung und/oder einen sonstigen Sensor aufweist, deren Daten uber die Kommunikationseinrichtung an eine externe Steuereinrichtung weitergeleitet werden können, wozu bevorzugt Funk verwendet wird. Intern kann der Betrieb der Endoskopiekapsel zentral durch eine Steuereinheit, beispielsweise einen Mikrocontroller, geregelt werden, der entsprechend mit der Kommunikationseinrichtung verbunden ist und zum Betrieb der magnetischen Elemente, insbesondere der Spulen, ausgebildet ist.
In Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass die Endoskopiekapsel wenigstens einen Energieempfänger fur drahtlos übertragene Energie zum Betrieb von Komponenten der Endoskopiekapsel, insbesondere der magnetischen Elemente, umfasst. Auf diese Weise ist es also moglich, die fur den Betrieb der verschiedenen Systeme der Endoskopiekapsel, insbesondere der magnetischen Elemente, notwendige Energie drahtlos in die Endoskopiekapsel einzuspeisen, wozu verschiedene Ausgestaltungen denkbar sind. Dabei kann vorgesehen sein, dass das magnetische Element selbst zum Empfang von Energie ausgebildet ist, letztlich also einen Energieempfanger bildet, und/oder die Endoskopiekapsel wenigstens einen Energiespeicher zum wenigstens temporaren Speichern empfangener Energie aufweist. Als Energiespeicher kann dabei beispielsweise eine Batterie und/oder ein Kondensator vorgesehen sein. Mit besonderem Vorteil können die Spulen, die bereits als magnetische Elemente in der Endoskopiekapsel vorgesehen sind, ebenso genutzt werden, um Hochfrequenzenergie zu empfangen, welche dann in dem wenigstens einen Energiespeicher gespeichert wird und spater verwendet werden kann, um die Spulen zu betreiben oder auch sonstige Einrichtungen der Endoskopiekapsel, beispielsweise eine Bildaufnahmeeinrichtung, mit Strom zu versorgen.
In diesem Zusammenhang kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Energieempfänger eine Spule zum Empfang elektromagnetischer Energie und/oder ein Piezoelement zum Empfangen mechanischer und/oder akustischer Energie umfasst, wobei, wie bereits erwahnt, eine Spule zum Empfangen elektromagnetischer Energie idealerweise durch das magnetische Element selbst gebildet wird.
Dabei gibt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung verschiedene Varianten, wie die Energieversorgung der Endoskopiekapsel auf diesem drahtlosen Weg realisiert werden kann. So kann dann, wenn die Endoskopiekapsel in der Patientenaufnahme einer Magnetresonanzeinrichtung verwendet wird, vorgesehen sein, dass die Endoskopiekapsel die drahtlos elektromagnetisch übermittelte Energie von einer Hochfrequenzspule, beispielsweise der Korperspule, der Magnetresonanzeinrichtung erhält. Die Übermittlung der Hochfrequenzenergie kann dabei während der Magnetresonanz-Bildgebung oder ohne Bildgebung erfolgen. Im letzteren Fall wird die Hochfrequenzspule temporär lediglich zum Senden von Energie verwendet, ohne dass eine Datenaufnahme für die Magnetresonanz-Bildgebung erfolgt. Statt der Hochfrequenzspule kann eine drahtlose Energieübertragung auf elektromagnetischem Wege auch über die Gradientenspule der Magnetresonanzeinrichtung erreicht werden. Weiterhin ist es bei der Verwendung einer Magnetresonanzeinrichtung denkbar, dass die drahtlose Energieubertragung durch elektromagnetische Resonanz von einer dedizierten Energiesendeeinrichtung erfolgt, die mit besonderem Vorteil auch verwendet wird, um Energie anderen drahtlosen Einrichtungen zuzuführen, beispielsweise drahtlosen Magnetresonanz-Empfangsspulen, insbesondere Lokalspulen.
Wird die Endoskopiekapsel nicht in der Patientenaufnahme einer Magnetresonanzeinrichtung betrieben, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Endoskopiekapsel drahtlose Energie über eine Hochfrequenzubermittlungsspule erhalt, die beispielsweise auf dem Körper des Patienten platziert werden kann. In einer anderen Ausführungsform kann die Kapsel drahtlos Energie über elektromagnetische Resonanz von einer Energiesendeeinrichtung (power applicator) erhalten, die ebenso auf dem Körper des Patienten platziert werden kann.
Insbesondere ist es denkbar und vorteilhaft, wenn der Energieempfanger in der Endoskopiekapsel die Energie als mechanische und/oder akustische Wellen empfangt, die beispielsweise auf der Oberfläche des Körpers des Patienten durch einen entsprechenden elektromechanischen Aktuator erzeugt werden konnen, beispielsweise mittels eines Vibrators, wie er auch in der Magnetresonanz-Elastographie eingesetzt wird. In diesem Falle ist der Energieempfanger als ein piezoelektrischer Transducer ausgebildet, der die akustischen und/oder mechanischen Wellen in elektrische Energie umwandelt.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Endoskopiekapsel wenigstens einen Magnetfeldsensor zur Erfassung des äußeren Magnetfelds und/oder eines generierten Lokalisierungssignals aufweist. Insbesondere kann ein derartiger Magnetfeldsensor als MEMS-Sensor ausgebildet sein, wobei, insbesondere dann, wenn Wechselfelder beispielsweise in Form eines generierten Lokalisierungssignals empfangen werden sollen, auch das magnetische Element, insbesondere in Form von Spulen, als ein Sensor verwendet werden kann. Empfangene Daten über das äußere Magnetfeld und/oder ein Lokalisierungssignal können genutzt werden, um die Position und/oder Orientierung der Endoskopiekapsel zu bestimmen. Hierfur werden die Sensordaten, insbesondere uber die bereits erwahnte Kommunikationseinrichtung, an eine externe Steuereinrichtung übertragen, welche die notwendigen Berechnungen vornimmt und zuvor auch entsprechende Einrichtungen zum Senden des Lokalisierungssignals angesteuert hat.
Ersichtlich gibt es also im Wesentlichen zwei Möglichkeiten, um eine derartige Ortsbestimmung der Endoskopiekapsel zu realisieren. So kann vorgesehen sein, dass die Endoskopiekapsel uber entsprechende Sensoren das außere Magnetfeld und gegebenenfalls seine Gradienten vermist, insbesondere mittels eines integrierten MEMS-Magnetfeldsensors. Ist der Verlauf des äußeren Magnetfelds, insbesondere anhand einer Feldkarte, bekannt, kann mithin abgelesen werden, wo sich die Endoskopiekapsel befindet. Eine derartige Feldkarte kann beispielsweise in der externen Steuereinrichtung gespeichert sein.
Besondere Vorteile ergeben sich wiederum, wenn die Endoskopiekapsel innerhalb der Patientenaufnahme einer Magnetresonanzeinrichtung eingesetzt wird. Dann kann die Endoskopiekapsel elektromagnetische Pulse vermessen, die beispielsweise durch die Gradientenspule in die entsprechenden Sensoren der Endoskopiekapsel, bevorzugt die als magnetisches Element genutzten Spulen, induziert werden. Die Messergebnisse, also die Sensordaten, werden auch hier zu der externen Steuereinrichtung ubertragen, die dann die Orientierung und die Position der Endoskopiekapsel anhand der bekannten Amplitude der angelegten Gradientenfelder bestimmen kann. Ein derartiges Vorgehen ist beispielsweise in der WO 00/13586 A1 offenbart, die sich allgemein auf die Positions- und Orientierungsbestimmung von Objekten wahrend der Magnetresonanz-Bildgebung bezieht. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass in der Endoskopiekapsel Hochfrequenzpulse der Hochfrequenzspule der Magnetresonanzeinrichtung empfangen und vermessen werden.
Insbesondere dann, wenn die Endoskopiekapsel außerhalb der Patientenaufnahme einer Magnetresonanzeinrichtung verwendet wird, kann ferner vorgesehen sein, dass externe Energiesendevorrichtungen verwendet werden. Beispielsweise können wenigstens zwei Lokalisierungssignalsender verwendet werden, die an bekannten Positionen, insbesondere auf oder oberhalb des Patientenkörpers, angeordnet werden. Derartige Lokalisierungsverfahren sind grundsätzlich bekannt und mussen hier nicht naher dargelegt werden.
Neben der Endoskopiekapsel betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Untersuchungs- und/oder Behandlungseinrichtung, umfassend wenigstens eine erfindungsgemäße Endoskopiekapsel und eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Erzeugung des äußeren Magnetfelds. Sämtliche Ausfuhrungen bezüglich der erfindungsgemäßen Endoskopiekapsel lassen sich analog auf die erfindungsgemäße Untersuchungs- und/oder Behandlungseinrichtung übertragen, so dass auch hiermit die bereits beschriebenen Vorteile erhalten werden konnen. Dabei ist es, wie bereits beschrieben, von besonderem Vorteil, wenn die Magnetfelderzeugungseinrichtung eine Magnetresonanzeinrichtung ist, die erfindungsgemäße Endoskopiekapsel mithin innerhalb einer gangigen, handelsublichen Magnetresonanzeinrichtung eingesetzt werden kann, um so die Untersuchung und/oder Behandlung mittels der Endoskopiekapsel mit hochqualitativer Magnetresonanz-Bildgebung verbinden zu konnen.
In weiterer Ausgestaltung der Untersuchungs- und/oder Behandlungseinrichtung kann vorgesehen sein, dass eine insbesondere uber entsprechende Kommunikationseinrichtungen mit einer Steuereinheit der Endoskopiekapsel kommunizierende, zur Endoskopiekapsel externe Steuereinrichtung vorgesehen ist. Diese Steuereinrichtung kann beispielsweise eine ohnehin vorhandene zentrale Steuereinrichtung einer Magnetresonanzeinrichtung sein, die gleichzeitig als Magnetfelderzeugungseinrichtung dient. Eine solche externe Steuereinrichtung übertragt nicht nur Steuersignale zum Betrieb des wenigstens einen magnetischen Elements an die Endoskopiekapsel, insbesondere die Steuereinheit der Endoskopiekapsel, sondern kann zudem dazu ausgebildet sein, weitere Einrichtungen, beispielsweise Lokalisierungssignalsender und/oder Energiesendeeinrichtungen und/oder die Magnetresonanzeinrichtung selbst, anzusteuern. Zudem kann die Steuereinrichtung dazu ausgebildet sein, von der Endoskopiekapsel empfangene Daten auszuwerten, beispielsweise Sensordaten dahingehend auszuwerten, dass die Position und/oder Orientierung der Endoskopiekapsel bestimmt werden kann. Ist die Endoskopiekapsel mit einer Bildaufnahmeeinrichtung oder sonstigen der Untersuchung dienenden Sensoren versehen, konnen deren Ergebnisse geeignet verarbeitet und/oder visualisiert werden, insbesondere auf einer Anzeigevorrichtung, die ebenso der Magnetresonanzeinrichtung zugehörig sein kann. Es sei jedoch angemerkt, dass eine solche Steuereinrichtung auch unabhangig von dem Vorhandensein einer Magnetresonanzeinrichtung realisiert werden kann.
Wie bereits erwahnt, kann die Steuereinrichtung zur Ermittlung einer Position und/oder Orientierung der Endoskopiekapsel aus von an der Endoskopiekapsel vorgesehenen Sensoren, insbesondere Magnetfeldsensoren, und/oder von den magnetischen Elementen empfangenen Sensordaten ausgebildet sein. Entsprechende Methoden zur Ortsbestimmung wurden bereits bezüglich der Endoskopiekapsel diskutiert, so dass beispielsweise vorgesehen sein kann, dass die Sensordaten das äußere Magnetfeld und/oder von einem Lokalisierungssignalsender gesendete Lokalisierungssignale betreffen. In der Steuereinrichtung kann dann beispielsweise eine Feldkarte vorgesehen sein, um Messwerte bezuglich des äußeren Magnetfelds in eine Position und/oder Orientierung der Endoskopiekapsel umzurechnen. Ferner kann die Untersuchungs- und/oder Behandlungseinrichtung folglich auch wenigstens einen, insbesondere wenigstens zwei, Lokalisierungssignalsender umfassen, welche Lokalisierungssignale aussenden, die von der Endoskopiekapsel, insbesondere mittels der als Spulen ausgebildeten magnetischen Elemente, empfangen werden können. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn eine Hochfrequenzspule der Magnetresonanzeinrichtung und/oder eine Gradientenspule der Magnetresonanzeinrichtung zum Aussenden der Lokalisierungssignale und/oder zur Änderung des äußeren Magnetfelds ausgebildet sind, insbesondere gesteuert uber die Steuereinrichtung. Dann konnen entsprechende Pulse, die über die Hochfrequenzspule und/oder die Gradientenspule ausgesandt werden und die letztlich als Lokalisierungssignale dienen, von der Endoskopiekapsel empfangen werden, wobei die entsprechenden Sensordaten dann an die Steuereinrichtung weitergegeben werden, die die sich aus den Pulsen ergebende Feld/Signalverteilung aber kennt und mithin die Position und/oder Orientierung der Endoskopiekapsel bestimmen kann, wie dies beispielsweise in der bereits genannten WO 00/13586 A1 beschrieben ist.
Wird eine Magnetresonanzeinrichtung als (einzige) Magnetfelderzeugungseinrichtung verwendet, kann ferner vorgesehen sein, dass die Endoskopiekapsel einen Energieempfänger umfasst, wobei die Hochfrequenzspule der Magnetresonanzeinrichtung und/oder die Gradientenspule der Magnetresonanzeinrichtung zur drahtlosen Übertragung von Energie an den Energieempfanger der Endoskopiekapsel ausgebildet ist und/oder eine dedizierte Energiesendevorrichtung vorgesehen ist. Dabei ist es wiederum besonders vorteilhaft, wenn die insbesondere als Spulen ausgebildeten magnetischen Elemente der Endoskopiekapsel selbst als Energieempfänger wirken. Auf diese Weise wird dann, wenn die Hochfrequenzspule und/oder die Gradientenspule genutzt werden, größtenteils mit ohnehin vorhandenen Einrichtungen gearbeitet. Dies gilt aber auch, wenn eine Energiesendevorrichtung vorgesehen ist, die ohnehin Energie an eine weitere, drahtlos Energie empfangende Vorrichtung sendet. So kann vorgesehen sein, dass die Magnetresonanzeinrichtung wenigstens eine Lokalspule mit einem Energieempfänger umfasst, der ebenso zum Empfang von Energie der Energiesendevorrichtung ausgebildet ist. Die Energiesendevorrichtung ist mithin dann fur mehrere Vorrichtungen als Energiequelle vorgesehen. Ansonsten gelten selbstverständlich auch hier die Ausfuhrungen, die bereits bezuglich der erfindungsgemäßen Endoskopiekapsel getatigt wurden.
Entsprechend kann ferner vorgesehen sein, dass die Energiesendevorrichtung eine die Energie in Form von akustischer und/oder mechanischer Energie übertragende Energiesendevorrichtung ist. Hier bietet es sich insbesondere an, dass die Magnetresonanzeinrichtung einen Vibrator zur Magnetresonanz-Elastographie aufweist, der dann auch als Energiesendevorrichtung verwendet werden kann. Selbstverständlich ist eine solche Energiesendevorrichtung aber auch unabhängig von einer Magnetresonanzeinrichtung verwendbar, das bedeutet, sie kann auch bei einer dediziert vorgesehenen Magnetfelderzeugungsvorrichtung eingesetzt werden.
Insbesondere dann, wenn in einem Streufeld (fringe field) außerhalb der Patientenaufnahme einer Magnetresonanzeinrichtung mit der Endoskopiekapsel gearbeitet wird, ist es vorteilhaft, wenn die Kapsel wenigstens einen Sensor zur Vermessung des Magnetfeldes umfasst, wobei die Steuereinrichtung zur Ermittlung einer Position und/oder Orientierung der Endoskopiekapsel aus ihr übermittelten Sensordaten ausgebildet ist. Allgemein ist es jedoch auch, wie bereits beschrieben wurde, vorteilhaft, wenn die Steuereinrichtung zum Betrieb der Hochfrequenzspule der Magnetresonanzeinrichtung und/oder der Gradientenspule der Magnetresonanzeinrichtung und/oder eines Lokalisierungssignalsenders ausgebildet ist, wobei die Ermittlung der Position und/oder Orientierung der Endoskopiekapsel unter Berücksichtigung dieses Betriebs erfolgt. Bei der Vermessung eines statischen Magnetfeldes, beispielsweise des Streufeldes einer Magnetresonanzeinrichtung, kann die Steuereinrichtung zur Ermittlung der Position und/oder Orientierung anhand einer insbesondere in der Steuereinrichtung abgelegten Feldkarte ausgebildet sein.
Die Erzeugung der translatorischen Bewegung und der Rotation der Endoskopiekapsel wurde bereits bezüglich der erfindungsgemaßen Endoskopiekapsel selbst ausführlich beschrieben. Entsprechend kann insbesondere dann, wenn externe, starke Gradienten verwendet werden sollen, vorgesehen sein, dass die Gradientenspule der Magnetresonanzeinrichtung zur Erzeugung eines der Bewegung der Endoskopiekapsel dienenden Magnetfeldgradienten ausgebildet ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Endoskopiekapsel in einer ersten Ausführungsform,
2 eine erfindungsgemaße Endoskopiekapsel in einer zweiten Ausfuhrungsform,
3 eine erfindungsgemaße Untersuchungseinrichtung in einer ersten Ausführungsform,
4 eine erfindungsgemaße Untersuchungseinrichtung in einer zweiten Ausführungsform, und
5 eine erfindungsgemäße Untersuchungseinrichtung in einer dritten Ausführungsform.
In den im Folgenden dargestellten konkreten Ausfuhrungsbeispielen wird der einfacheren Darstellung halber von einer Nutzung der Endoskopiekapsel zur Untersuchung eines Patienten ausgegangen, wobei sich die Ausfuhrungsbeispiele selbstverstandlich entsprechend auf eine der Behandlung eines Patienten dienende Endoskopiekapsel übertragen lassen. Entsprechend ergibt sich dann auch eine Untersuchungs- und/oder Behandlungseinrichtung.
1 zeigt eine Prinzipskizze einer ersten Ausfuhrungsform einer erfindungsgemaßen Endoskopiekapsel 1. Die Endoskopiekapsel 1 soll magnetisch innerhalb eines außeren Magnetfeldes navigiert, d. h. bewegt und rotiert werden. Daher umfasst die Endoskopiekapsel 1 innerhalb eines Kapselgehauses 2 drei magnetische Elemente, die hier als zueinander orthogonale Spulen 3, 4 und 5 ausgebildet sind. Über eine Steuereinheit 6 konnen die Spulen 3, 4, 5 unabhängig voneinander bestromt werden. Dadurch ist es möglich, durch Uberlagerung der von den Spulen 3, 4 und 5 gebildeten Felder einen Dipol in beliebiger Richtung und beliebiger Starke zu erzeugen und durch Nichtbestromung der Spulen 3, 4, 5 auszuschalten.
Die Bestromung der Spulen 3, 4, 5 erfolgt anhand von Steuersignalen, die von einer externen Steuereinrichtung über eine Kommunikationseinrichtung 7 empfangen werden können, hier uber Funksignale.
Die Endoskopiekapsel 1 ist, wie mit Bezug auf 3 noch näher erlautert werden wird, zum Betrieb innerhalb einer Patientenaufnahme einer Magnetresonanzeinrichtung vorgesehen, wobei die Magnetresonanzeinrichtung über ihre Gradientenspule ein externes, starkes Gradientenfeld erzeugt, das wie eingangs beschrieben mit einem uber die Spulen 3, 4, 5 erzeugten Dipol wechselwirkt, so dass sich eine die Endoskopiekapsel 1 bewegende Kraft ergibt. Um die Endoskopiekapsel 1 in eine bestimmte Orientierung zu drehen, werden keine außeren Gradientenfelder verwendet, sondern es ist ausreichend, ein magnetische Dipolmoment so zu erzeugen, dass es sich in die Richtung des Grundmagnetfeldes der Magnetresonanzeinrichtung dreht und dabei die Endoskopiekapsel 1 in die gewünschte Lage bringt.
Die vorliegende Endoskopiekapsel 1 weist eine Bildaufnahmeeinrichtung 8, beispielsweise eine Kamera auf, die dann folglich an entsprechend interessante Orte innerhalb eines Hohlorgans eines Patienten, insbesondere im Gastrointestinaltrakt, verbracht werden kann. Die Daten der Bildaufnahmeeinrichtung 8 werden über die Steuereinheit 6 und die Kommunikationseinrichtung 7 ebenfalls der externen Steuereinrichtung zugeführt und können dann auf einer Anzeigevorrichtung angezeigt werden.
In der Endoskopiekapsel nach 1 dienen die als Spulen 3, 4 und 5 ausgefuhrten magnetischen Elemente jedoch noch weiteren Aufgaben. Zum einen dienen die Spulen 3, 4, 5 als Energieempfanger, nachdem über die Hochfrequenzspule der Magnetresonanzeinrichtung und/oder die Gradientenspule der Magnetresonanzeinrichtung Energie in Form elektromagnetischer Wellen ausgesendet werden kann, die über die Spulen 3, 4 und 5 empfangen werden kann und einem Energiespeicher 9 zugefuhrt werden. Dabei kann es sich um eine Batterie, insbesondere einen Akkumulator, oder einen Kondensator handeln. Selbstverständlich können auch mehrere Energiespeicher vorgesehen sein. Die empfangene Energie dient zum Betrieb der Spulen 3, 4, 5 selbst, der Steuereinrichtung 6, der Kommunikationseinrichtung 7 und der Bildaufnahmeeinrichtung 8. Weist die Endoskopiekapsel 1 weitere Komponenten auf, beispielsweise zusätzliche Sensoren und/oder Werkzeuge, können auch diese über die empfangene Energie betrieben werden.
Die Spulen 3, 4 und 5 wirken ferner als Sensoren für ebenfalls über die Hochfrequenzspule und/oder die Gradientenspule ausgesandte Lokalisierungssignale, welche dann ebenso über die Steuereinheit 6 und die Kommunikationseinrichtung 7 an die externe Steuereinrichtung 6 übertragen werden, so dass sich die Position und Orientierung der Endoskopiekapsel 1 bestimmen lässt, nachdem die externe Steuereinrichtung, die selbst die Hochfrequenzspule und/oder die Gradientenspule zum Aussenden der Lokalisierungssignale angeregt hat, die Anregungsmuster kennt und mithin aus diesen und den Empfangsdaten die Position und die Orientierung ermitteln kann.
2 zeigt eine weitere, modifizierte Ausgestaltung einer erfindungsgemaßen Endoskopiekapsel 1', die sich von der Endoskopiekapsel 1 hauptsachlich darin unterscheidet, dass hier fur jede der orthogonalen Raumrichtungen nicht nur eine Spule 3, 4 und 5 vorgesehen ist, sondern jeweils zwei Spulen 3a, 3b; 4a, 4b; sowie 5a, 5b. Die Spulen der Spulenpaare 3a, 3b; 4a, 4b; 5a, 5b können unabhängig bestromt werden, insbesondere auch mit einem in entgegengesetzte Richtungen fließenden Strom belegt werden, so dass sich in jeder der Raumrichtungen Gradienten erzeugen lassen, die wiederum einen Gesamtgradienten in einer beliebigen Raumrichtung durch Uberlagerung ergeben. Mit den Spulen 3a–5b lassen sich mithin nicht nur beliebige magnetische Dipolmomente erzeugen, sondern auch lokale bipolare Gradienten. Dies ermöglicht es, wie eingangs beschrieben, ohne die Verwendung äußerer Gradientenfelder, d. h. insbesondere auch außerhalb der Patientenaufnahme einer Magnetresonanzeinrichtung, in einem statischen gleichformigen äußeren Magnetfeld eine Bewegung der Endoskopiekapsel 1' zu ermoglichen. Dies gelingt durch Wechselwirkung des starken statischen außeren Magnetfelds mit dem lokalen Gradienten, wie eingangs bereits dargelegt. Zur Drehung der Endoskopiekapsel 1' ist kein lokaler Gradient erforderlich, hier ist es wiederum ausreichend, einen in eine bestimmte Richtung weisenden magnetischen Dipol zu erzeugen.
Wiederum ist eine Steuereinheit 6 zur gesteuerten Bestromung der Spulen 3a–5b vorgesehen, die Steuersignale werden wiederum uber eine Kommunikationseinrichtung 7 erhalten, die auch dem Versand von Daten der Bildaufnahmeeinrichtung 8 dient. Allerdings dienen im vorliegenden Fall die Spulen 3a–5b nicht als Energieempfanger, sondern es ist ein dedizierter Energieempfänger 10 vorgesehen, der hier mehrere Piezoelemente, welche der Übersichtlichkeit halber nicht näher dargestellt sind, umfasst. Diese Piezoelemente konnen in Form von mechanischen akustischen Wellen ausgesandte Energie empfangen, welche dann zum Betrieb der verschiedenen Einrichtungen der Endoskopiekapsel 1' verwendet werden kann, wobei wiederum optional, hier gestrichelt gezeichnet, ein Energiespeicher 9 verwendet werden kann.
Es sei jedoch angemerkt, dass im Falle der Übertragung von Energie durch elektromagnetische Wellen andere dedizierte Energieempfanger 10 vorgesehen werden konnen, jedoch auch in diesem Fall die magnetischen Elemente verwendet werden können.
Die Spulen 3a–5b können jedoch weiterhin als Sensoren zum Empfangen von Lokalisierungssignalen eingesetzt werden, wobei hier alternativ oder zusätzlich die Endoskopiekapsel 1' als MEMS-Sensoren ausgefuhrte Magnetfeldsensoren 11 umfasst.
Die Sensordaten der Magnetfeldsensoren 11 werden wiederum über die Kommunikationseinrichtung 7 an eine externe Steuereinrichtung übertragen, die mittels einer Feldkarte die Position und Orientierung der Endoskopiekapsel 1' bestimmen kann.
Die verschiedenen Merkmale und Ausgestaltungen der Endoskopiekapseln 1, 1' lassen sich selbstverstandlich in beiden Endoskopiekapseln verwenden, insbesondere was die Ausgestaltung der Energieempfanger und der Sensoren zur Positions- und Orientierungsbestimmung betrifft.
3 zeigt eine Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Untersuchungseinrichtung 12. Sie umfasst eine Magnetresonanzeinrichtung 13, die hier als Magnetfelderzeugungseinrichtung wirkt, wobei es sich um eine handelsübliche Magnetresonanzeinrichtung 13 handelt. Diese weist wie bekannt einen Grundfeldmagneten 14 auf, der auch die supraleitenden Spulen zur Erzeugung des Grundmagnetfeldes umfasst. Der Grundfeldmagnet weist eine Patientenaufnahme 15 auf, in die eine Patientenliege 16 einfahrbar ist. Auf dieser kann ein Patient 25 eingefahren werden, der eine Endoskopiekapsel 1 geschluckt hat, die sich nun in seinem Gastrointestinaltrakt befindet.
Wie grundsatzlich bekannt, umfasst die Magnetresonanzeinrichtung 13 ferner die Patientenaufnahme 15 umschließend eine Hochfrequenzspule 17 (Körperspule) sowie eine Gradientenspule 18, die wie grundsätzlich bekannt Primärspulen für die x-, y- und z-Richtung aufweist. Gesteuert wird der Betrieb der Magnetresonanzeinrichtung 13 und der gesamten Untersuchungseinrichtung 12 über eine Steuereinrichtung 19.
Vorliegend ist eine Navigation der Endoskopiekapsel 1 möglich und vorgesehen, während diese sich in der Patientenaufnahme 15 befindet. Hierzu werden je nach gewollter Bewegung Gradientenpulse für die Gradientenspule 18 und Ströme fur die Spulen 3, 4, 5 der Endoskopiekapsel 1 in der Steuereinrichtung 19 berechnet, so dass sich durch die Wechselwirkung der starken Gradienten der Gradientenspule 18 mit dem Dipol, der durch die Spulen 3, 4 und 5 erzeugt wird, die gewünschte Bewegung ergibt. Für eine Drehung ist eine Ansteuerung der Gradientenspule 18 nicht erforderlich, diese erfolgt allein anhand der Auswahl eines geeigneten lokalen magnetischen Dipolmoments der Endoskopiekapsel 1, welche sich dann in die Richtung des Grundmagnetfeldes (hier die z-Richtung) dreht, so dass das Dipolmoment auch für eine Rotation der Endoskopiekapsel 1 sorgt.
Die Steuereinrichtung 19 kann ferner die Hochfrequenzspule 17 und/oder die Gradientenspule 18 ansteuern, um durch die Spulen 3, 4 und 5 zu empfangende Energie an die Endoskopiekapsel 1 zu ubertragen oder Lokalisierungssignale zu erzeugen, die dann von den Spulen 3, 4 und 5 vermessen werden und wieder an die Steuereinrichtung 19 gesendet werden, welche aufgrund der ihr bekannten Anregungsmuster die Position und Orientierung der Endoskopiekapsel 1 bestimmen kann.
Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass eine Modifikation der Untersuchungseinrichtung 12 auch eine optional vorgesehene Energiesendevorrichtung 20 umfassen kann, über die neben einer Energieübertragung an die Endoskopiekapsel 1, hier in Form elektromagnetischer Wellen, auch eine Energieübertragung an eine weitere Komponente der Magnetresonanzeinrichtung 13 erfolgen kann, beispielsweise eine Lokalspule oder dergleichen.
4 zeigt eine zweite Ausfuhrungsform einer erfindungsgemäßen Untersuchungseinrichtung 12', bei der der einfacheren Darstellung halber gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die wiederum vorgesehene Magnetresonanzeinrichtung 13, hier eine Hochfeld-Magnetresonanzeinrichtung 13, weist wiederum eine Patientenaufnahme 15 und eine Steuereinrichtung 19 auf, die auch den Betrieb der gesamten Untersuchungseinrichtung 12', mithin die Navigation der in diesem Fall verwendeten Endoskopiekapsel 1', steuert. Allerdings findet die Navigation der Endoskopiekapsel 1', die sich wiederum im Gastrointestinaltrakt eines Patienten 25 befindet, nun nicht innerhalb der Patientenaufnahme 15 statt, sondern außerhalb im Bereich des Streufelds der Magnetresonanzeinrichtung 13. Das Streufeld, welches hier als außeres Magnetfeld verwendet wird, ist noch immer stark genug, um eine Navigation der Endoskopiekapsel 1' zu ermoglichen, indem zur Bewegung der Endoskopiekapsel 1' ein lokaler Gradient wie oben beschrieben erzeugt wird, der dann mit dem Streufeld der Magnetresonanzeinrichtung 13 wechselwirkt. Um eine korrekte Bewegung bzw. Rotation der Endoskopiekapsel 1' jederzeit zu ermoglichen, ist in der Steuereinrichtung 19 eine Feldkarte des Streufelds außerhalb der Patientenaufnahme 15 abgelegt. Diese Feldkarte wird auch genutzt, um die Sensordaten der Magnetfeldsensoren 11 zu interpretieren, so dass aus diesen eine Position und Orientierung der Endoskopiekapsel 1' abgeleitet werden kann. Es können natürlich auch andere Arten der Positionsbestimmung eingesetzt werden.
Während grundsatzlich auch die Energiesendevorrichtung der Untersuchungseinrichtung 12 verwendet werden kann, um Energie an die Endoskopiekapsel 1' zu übertragen, wird im vorliegenden Fall eine Energiesendevorrichtung 20' in Form eines auf den Patienten 25 aufzulegenden Vibrators verwendet, der auch zum Einsatz in der Magnetresonanz-Elastographie ausgebildet ist. Diese erzeugt mechanisch-akustische Wellen, die von den Piezoelementen des Energieempfängers 10 empfangen und in elektrische Energie umgewandelt werden.
Schließlich zeigt 5 eine weitere modifizierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Untersuchungseinrichtung 12'', die keine Magnetresonanzeinrichtung aufweist. Dennoch sind gleiche Komponenten wiederum zur einfacheren Darstellung mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In diesem Fall wird eine dedizierte Magnetfelderzeugungseinrichtung 21 verwendet, um ein statisches, möglichst gleichförmiges Magnetfeld zur Navigation der Endoskopiekapsel 1' zu erzeugen, welche sich wiederum im Hohlorgan 22, beispielsweise dem Magen, des auf einer Patientenliege 16 positionierten Patienten 25 befindet. Nachdem die Stärke des durch die Magnetfelderzeugungseinrichtung 21 erfolgten außeren Magnetfelds groß genug ist, ist eine Navigation wie bereits bezüglich der Untersuchungseinrichtung 12' beschrieben möglich. Zur Steuerung des Betriebs der Untersuchungseinrichtung 12'' ist wiederum eine Steuereinrichtung 19', diesmal alleinstehend, vorgesehen, welche die entsprechenden Steuersignale zur Bestromung der Spulen 3a–5b der Endoskopiekapsel 1' anhand einer wiederum innerhalb der Steuereinrichtung 19' abgelegten Feldkarte ermittelt. Zur Ubertragung von Energie an die Endoskopiekapsel 1' ist wiederum die Energiesendevorrichtung 20' vorgesehen.
Während die Ermittlung der Position und Orientierung der Endoskopiekapsel 1' wiederum über Messdaten der Magnetfeldsensoren 11 unter Berücksichtigung der Feldkarte denkbar wäre, werden hier allerdings drei Lokalisierungssignalsender 23 verwendet, die durch die Steuereinrichtung 19' gesteuert ein Lokalisierungssignal aussenden konnen, welches durch die Spulen 3a–5b vermessen werden kann. Die entsprechenden Sensordaten können dann durch die Steuereinrichtung 19', die die genaue Position der Lokalisierungssignalsender 23 kennt, in eine Position und Orientierung der Endoskopiekapsel 1' umgerechnet werden.
Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass auch die Energiesendevorrichtung 20' zum Aussenden eines Lokalisierungssignals ausgebildet sein kann.
Eine Anzeigevorrichtung 24, wie sie selbstverstandlich auch bei den anderen Ausfuhrungsbeispielen vorhanden ist, dient zur Anzeige von Bildern der Bildaufnahmeeinrichtung 8.
Es sei abschließend noch angemerkt, dass verschiedene Merkmale und Ausgestaltungen im in der allgemeinen Beschreibung bereits dargelegten Rahmen auch zwischen den Ausführungsbeispielen ausgetauscht werden konnen.
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

US 7343036 B1 [0004]
US 7173507 B1 [0006]
WO 2009/016207 A1 [0007, 0009]
WO 00/13586 A1 [0041, 0045]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

David C. Meeker et al., „Optimal realization of arbitrary forces in a magnetic stereotaxis system”, IEEE Transactions an Magnetics, Vol. 32, No. 2, März 1996, Seiten 320–328 [0006]

Claims

Endoskopiekapsel (1, 1') zur Untersuchung und/oder Behandlung in einem Hohlorgan (22) eines Körpers, umfassend wenigstens ein zur extern gesteuerten Bewegung und/oder Rotation der Endoskopiekapsel (1, 1') mit einem äußeren Magnetfeld wechselwirkendes magnetisches Element, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld des magnetischen Elements extern gesteuert veranderbar ist.
Endoskopiekapsel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Element eine wenigstens eine Windung umfassende, in Abhängigkeit eines externen Signals bestrombare Spule (3, 4, 5, 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b) ist und/oder fur drei zueinander senkrechte Raumrichtungen wenigstens ein magnetisches Element zur Erzeugung eines Magnetfeldes in dieser Raumrichtung vorgesehen ist.
Endoskopiekapsel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass fur jede Raumrichtung wenigstens zwei unabhangig ansteuerbare magnetische Elemente zur Erzeugung eines lokalen Magnetfeldgradienten vorgesehen sind.
Endoskopiekapsel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endoskopiekapsel (1, 1') zum Empfang von externen Steuersignalen fur das magnetische Element eine insbesondere funkbasierte Kommunikationseinrichtung (7) und/oder eine Steuereinheit (6) zur Steuerung des Betriebs der Endoskopiekapsel (1, 1'), insbesondere des magnetischen Elements, umfasst.
Endoskopiekapsel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens einen Energieempfänger (10) für drahtlos übertragene Energie zum Betrieb von Komponenten der Endoskopiekapsel (1, 1'), insbesondere der magnetischen Elemente, umfasst.
Endoskopiekapsel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Element selbst zum Empfang von Energie ausgebildet ist und/oder die Endoskopiekapsel (1, 1') wenigstens einen Energiespeicher (9) zum wenigstens temporären Speichern empfangener Energie aufweist.
Endoskopiekapsel nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieempfänger (10) eine Spule (3, 4, 5) zum Empfang elektromagnetischer Energie und/oder ein Piezoelement zum Empfang mechanischer und/oder akustischer Energie umfasst.
Endoskopiekapsel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens einen Magnetfeldsensor (11) zur Erfassung des außeren Magnetfelds und/oder eines generierten Lokalisierungssignals aufweist.
Untersuchungs- und/oder Behandlungseinrichtung (12, 12', 12''), umfassend wenigstens eine Endoskopiekapsel (1, 1') nach einem der vorangehenden Ansprüche und eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (21) zur Erzeugung des äußeren Magnetfelds.
Untersuchungs- und/oder Behandlungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine insbesondere über entsprechende Kommunikationseinrichtungen (7) mit einer Steuereinheit (6) der Endoskopiekapsel (1, 1') kommunizierende, zur Endoskopiekapsel (1, 1') externe Steuereinrichtung (19, 19') vorgesehen ist.
Untersuchungs- und/oder Behandlungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (19, 19') zur Ermittlung einer Position und/oder Orientierung der Endoskopiekapsel (1, 1') aus von an der Endoskopiekapsel (1, 1') vorgesehenen Sensoren, insbesondere Magnetfeldsensoren (11), empfangenen Sensordaten ausgebildet ist.
Untersuchungs- und/oder Behandlungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensordaten das außere Magnetfeld und/oder von einem Lokalisierungssignalsender (23) gesendete Lokalisierungssignale betreffen.
Untersuchungs- und/oder Behandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gennzeichnet, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (23) eine Magnetresonanzeinrichtung (13) ist.
Untersuchungs- und/oder Behandlungseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hochfrequenzspule (17) der Magnetresonanzeinrichtung (13) und/oder eine Gradientenspule (18) der Magnetresonanzeinrichtung (13) zum Aussenden der Lokalisierungssignale und/oder zur Änderung des äußeren Magnetfelds ausgebildet sind, insbesondere gesteuert über die Steuereinrichtung (19).
Untersuchungs- und/oder Behandlungseinrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Endoskopiekapsel (1, 1') einen Energieempfänger (10) umfasst, wobei die Hochfrequenzspule (17) der Magnetresonanzeinrichtung (13) und/oder die Gradientenspule (18) der Magnetresonanzeinrichtung (13) zur drahtlosen Übertragung von Energie an den Energieempfanger (10) der Endoskopiekapsel (1, 1') ausgebildet ist und/oder eine dedizierte Energiesendevorrichtung (20, 20') vorgesehen ist.
Untersuchungs- und/oder Behandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gennzeichnet, dass die Gradientenspule (18) der Magnetresonanzeinrichtung (13) zur Erzeugung eines der Bewegung der Endoskopiekapsel (1, 1') dienenden Magnetfeldgradienten (6) ausgebildet ist.