DE102011078405A1 - Method for endoscopy with magnetically guided endoscope capsule and device therefor - Google Patents
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Abstract
Bei einem Verfahren und einer Einrichtung zur endoskopischen Untersuchung des Magens (62) eines Patienten (P) mit einer mit einem externen Magnetsystem (4) geführten, in den Magen (62) eingebrachten Endoskopkapsel (2), die mit Positionsmarken (60) versehen ist, mit denen die Position und Orientierung der Endoskopkapsel (20) im Magen (62) mit einer außerhalb des Patienten (P) angeordneten Positionserfassungseinrichtung (36) erfasst werden, werden eine Vielzahl von Einzelbildern aus dem Inneren des Magens (62) aufgenommen. Hierzu werden in einem ersten Zeitabschnitt nach Erreichen des Magens nacheinander eine Mehrzahl voneinander verschiedener anatomisch signifikanter Positionen (A-G) an der Innenwand des Magens (62) automatisch oder mit einem von einem Bediener geführten Eingabegerät (34) angefahren. Die zu diesen Positionen an der Innenwand jeweils gehörenden Positionsdaten werden mit der Positionserfassungseinrichtung (36) erfasst und gespeichert, und mit den Positionsdaten wird ein anatomisches Ausgangsmodell (64) eines Magens skaliert und ein an die tatsächliche Form des Magens (62) angepasstes Magenmodell erzeugt, wobei das auf diese Weise erzeugte Magenmodell zur Steuerung der Endoskopkapsel (20) herangezogen wird.In a method and a device for endoscopic examination of the stomach (62) of a patient (P) with an external magnetic system (4) guided, in the stomach (62) introduced endoscope capsule (2), which is provided with position marks (60) with which the position and orientation of the endoscope capsule (20) in the stomach (62) are detected with a position detection device (36) arranged outside the patient (P), a plurality of individual images are taken from the interior of the stomach (62). For this purpose, a plurality of mutually different anatomically significant positions (A-G) on the inner wall of the stomach (62) are approached automatically or with an input device (34) guided by an operator in a first time interval after reaching the stomach. The position data corresponding to these positions on the inner wall are detected and stored with the position detection device (36), and the position data are used to scale an anatomical initial model (64) of a stomach and to produce a stomach model adapted to the actual shape of the stomach (62). wherein the stomach model generated in this way is used to control the endoscope capsule (20).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur endoskopischen Untersuchung des Magens eines Patienten mit einer mit einem externen Magnetsystem geführten, in den Magen eingebrachten Endoskopkapsel. The invention relates to a method and a device for endoscopic examination of the stomach of a patient with a guided with an external magnet system, introduced into the stomach endoscope capsule.
Zur endoskopischen Untersuchung der Innenoberfläche des Magens eines Patienten ist es beispielsweise aus der
Bei einer solchen magnetgeführten Kapselendoskopie erfolgt die Steuerung der Endoskopkapsel mit Hilfe von manuell betätigten Eingabegeräten, beispielsweise einem Joystick oder einer Rollkugel, ausschließlich auf der Grundlage der von der Endoskopkapsel übermittelten, in kurzen Zeitabständen aufeinanderfolgenden Videobilder, die der die Diagnose durchführende Arzt außerdem hinsichtlich gegebenenfalls vorhandener diagnostisch relevanter Bildinhalte verarbeiten muss. Aufgrund der freien Beweglichkeit der Endoskopkapsel ist es jedoch für den untersuchenden Arzt schwierig, lückenlos die gesamte Innenwand des Magens zu erfassen, so dass das Risiko besteht, dass diagnostisch relevante Bereiche und Details übersehen werden können. In such a magnet-guided capsule endoscopy, the control of the endoscope capsule with the aid of manually operated input devices, such as a joystick or a trackball, based solely on the transmitted from the endoscope capsule, in short time intervals consecutive video images, the doctor performing the diagnosis also with regard to possibly existing must process diagnostically relevant image content. However, due to the free mobility of the endoscope capsule, it is difficult for the examining physician to fully capture the entire inner wall of the stomach, so there is a risk that diagnostically relevant areas and details may be missed.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur endoskopischen Untersuchung des Magens eines Patienten mit einer von einem externen Magnetsystem geführten, in den Magen eingebrachten Endoskopkapsel anzugeben, bei dem die Steuerung der Endoskopkapsel für den Bediener erleichtert ist. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine nach diesem Verfahren arbeitende Einrichtung anzugeben. The invention is therefore an object of the invention to provide a method for endoscopic examination of the stomach of a patient with a guided by an external magnet system, introduced into the stomach endoscope capsule, in which the control of the endoscope capsule for the operator is facilitated. In addition, the invention has for its object to provide a working device according to this method.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Gemäß diesen Merkmalen wird das Verfahren mit einer Endoskopkapsel durchgeführt, die mit Positionsmarken versehen ist, mit denen die Position und Orientierung der Endoskopkapsel im Magen mit einer außerhalb des Patienten angeordneten Positionserfassungseinrichtung erfasst werden, und mit der eine Vielzahl von Einzelbildern aus dem Inneren des Magens aufgenommen werden, und umfasst die folgenden Schritte:
- a) In einem ersten Zeitabschnitt nach Erreichen des Magens werden nacheinander eine Mehrzahl voneinander verschiedener anatomisch signifikanter Positionen an der Innenwand des Magens automatisch oder mit einem von einem Bediener geführten Eingabegerät angefahren,
- b) die zu diesen Positionen an der Innenwand jeweils gehörenden Positionsdaten werden mit der Positionserfassungseinrichtung erfasst und gespeichert,
- c) mit den Positionsdaten wird ein anatomisches Ausgangsmodell eines Magens skaliert und ein an die tatsächliche Form des Magens angepasstes Magenmodell erzeugt,
- d) das auf diese Weise erzeugte Magenmodell wird zur Steuerung der Endoskopkapsel herangezogen.
- a) In a first time interval after reaching the stomach, a plurality of mutually different anatomically significant positions on the inner wall of the stomach are approached one after the other automatically or with an input device guided by an operator,
- b) the position data belonging to these positions on the inner wall are detected and stored by the position detection device,
- c) the position data is used to scale an initial anatomical model of a stomach and to produce a stomach model adapted to the actual shape of the stomach,
- d) the stomach model generated in this way is used to control the endoscope capsule.
Durch diese Vorgehensweise sind die Abmessungen des Magens und seine Lage im Bezugssystem der Positionserfassungseinrichtung und damit auch des Magnetsystems zumindest annähernd bekannt, so dass der Bediener auf der Grundlage der von der Positionserfassungseinrichtung übermittelten Positionsinformation stets die aktuelle Orientierung und Position der Endoskopkapsel innerhalb des Magens kennt. Auf diese Weise ist ihm die gezielte Steuerung der Endoskopkapsel zur lückenlosen Abbildung der gesamten Innenwand des Magens erleichtert. As a result of this procedure, the dimensions of the stomach and its position in the reference system of the position detection device and thus of the magnet system are at least approximately known, so that the operator always knows the current orientation and position of the endoscope capsule within the stomach on the basis of the position information transmitted by the position detection device. In this way, he is the targeted control of the endoscope capsule for gapless imaging of the entire inner wall of the stomach easier.
Das Erreichen einer Position an der Innenwand wird vorzugsweise automatisch dadurch erkannt, dass bei Ausüben einer vom Magnetsystem auf die Endoskopkapsel wirkenden Kraft eine Bewegung der Endoskopkapsel entweder unterbleibt oder eine erfolgende Bewegung eine von der Richtung des Kraftvektors abweichende Richtung aufweist. Dabei ist die Richtung des Kraftvektors durch die an das Magnetsystem übermittelten, vom Bediener über ein Eingabegerät eingegebenen Steuerbefehle bekannt und ein Erreichen der Wandfläche, d.h. ein Stillstand oder eine vom Kraftvektor abweichende Richtung einer Bewegung der Endoskopkapsel, wird über die Positionserfassungseinrichtung festgestellt. Grundsätzlich können zusätzlich auch Bildinformationen aufeinanderfolgender Einzelbilder herangezogen werden. So kann ein Ruhen der Endoskopkapsel festgestellt werden, wenn sich der Bildinhalt aufeinanderfolgender Einzelbilder nicht oder nur unwesentlich ändert. Achieving a position on the inner wall is preferably automatically recognized by the fact that when exerting a force acting on the endoscope capsule by the magnet system, a movement of the endoscope capsule is either omitted or a successful movement has a deviating from the direction of the force vector direction. In this case, the direction of the force vector is known by the control commands transmitted to the magnet system and input by the operator via an input device, and the reaching of the wall surface, i. a stoppage or deviating from the force vector direction of movement of the endoscope capsule is detected by the position detection device. In principle, image information of successive individual images can additionally be used. Thus, a resting of the endoscope capsule can be determined if the image content of successive individual images does not change or only insignificantly.
Um möglichst schnell ein realistisches Magenmodell erstellen zu können, ist es von Vorteil, wenn das vorzugsweise als Gittermodell vorliegende Ausgangsmodell unter Berücksichtigung der anatomischen Gegebenheiten des Patienten, beispielsweise Geschlecht, Größe und Gewicht, aus einer Modellbibliothek ausgewählt oder rechnerisch erzeugt wird. In order to be able to produce a realistic stomach model as quickly as possible, it is advantageous if the initial model, which is present as a grid model, is selected from a model library or computationally generated, taking into account the anatomical conditions of the patient, for example gender, height and weight.
Ein solches Ausgangsmodell kann grundsätzlich aus einer dreidimensionalen Wiedergabe der Form des Magens bestehen, dessen Wandfläche keine Oberflächenstrukturen aufweist. Wenn außerdem jedem Ausgangsmodell ein Bildatlas zugeordnet ist, der beispielsweise aus standardisierten endoskopischen Einzelbildern aufgebaut ist, die typische Strukturen wiedergeben kann zu jeder Position und Orientierung, d.h. Ausrichtung der Systemachse der Endoskopkapsel im Magen ein dem von der Endoskopkapsel aufgenommenen „realen“ Einzelbild entsprechender, aus standardisierten Einzelbildern zusammengesetzter Bildausschnitt aus dem Bildatlas zugeordnet werden, so dass das gezielte Anfahren bestimmter anatomischer Positionen an der Magenwand erleichtert ist. Hierzu kann es insbesondere für Endoskopkapseln, bei denen systembedingt eine Rollbewegung um die optische Achse der Videokamera nicht möglich ist, erforderlich sein, das aufgenommene Einzelbild oder den Bildausschnitt aus dem Bildatlas relativ zueinander in der Bildebene zu drehen, bis Einzelbild und Bildausschnitt maximal übereinstimmen. Such an initial model can in principle consist of a three-dimensional representation of the shape of the stomach whose wall surface has no surface structures. In addition, if each output model is associated with a picture atlas, which is constructed, for example, of standardized endoscopic individual images that can reproduce typical structures for any position and orientation, ie alignment of the system axis of the endoscope capsule in the stomach with a "real" single image taken by the endoscope capsule standardized image frames are assigned from the image atlas, so that the targeted approach certain anatomical positions on the stomach wall is facilitated. For this purpose, it may be necessary, in particular for endoscope capsules, in which a rolling motion about the optical axis of the video camera is not possible due to the system, to rotate the recorded individual image or the image detail from the image atlas relative to one another in the image plane until the maximum match of the individual image and image detail.
Außerdem können die aufgenommenen Einzelbilder auf einfache Weise ortsrichtig der jeweiligen Wandfläche des Magens zugeordnet werden, so dass ein in der Regel zumindest in einer ersten Phase seines Aufbaus lückenbehafteter Bildteppich entsteht und der Bediener dementsprechend vorhandene Lücken gezielt anfahren und erfassen kann, um auf diese Weise ein geschlossenes, d.h. vollständiges Gesamtbild der Innenwand des Magens zu erhalten. In addition, the recorded individual images can be assigned to the respective wall surface of the stomach in a straightforward manner, so that a tapestry, which is usually patchy at least in a first phase of its construction, arises and the operator can accordingly approach and detect corresponding gaps in order to enter in this way closed, ie To get a complete picture of the inner wall of the stomach.
Auf diese Weise können in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens die von der Endoskopkapsel aufgenommenen Einzelbilder unter Zuhilfenahme der bei der Aufnahme jeweils vorliegenden Positionsinformationen auf das angepasste Magenmodell abgebildet werden und zu einem dreidimensionalen Bild zusammengefügt werden. In this way, in a particularly preferred embodiment of the method, the individual images taken by the endoscope capsule can be imaged onto the adapted stomach model with the aid of the position information which is present during the recording and combined to form a three-dimensional image.
Insbesondere werden ein aus dem Bildatlas aufgebautes dreidimensionales Modellbild und das dreidimensionale Bild überlagert und optisch voneinander unterscheidbar angezeigt. In particular, a three-dimensional model image constructed from the image atlas and the three-dimensional image are superimposed and optically distinguishable from one another.
In einer weiteren vorteilhaften Fortbildung des Verfahrens wird im dreidimensionalen Bild ein zentraler Grundpfad definiert, entlang dem die Endoskopkapsel mit senkrecht zur Organwand orientierter optischer Achse unter gleichzeitiger Drehbewegung der optischen Achse um den Grundpfad verfahren wird, wobei während der Fahrt Einzelbilder aufgenommen werden. In a further advantageous embodiment of the method, a central basic path is defined in the three-dimensional image, along which the endoscope capsule is moved with the optical axis oriented perpendicular to the organ wall with simultaneous rotational movement of the optical axis around the basic path, individual images being taken during the drive.
Alternativ hierzu können auch Punkte entlang eines zentralen Grundpfads festgelegt werden, die mit der Endoskopkapsel angefahren werden und an denen die Endoskopkapsel angehalten und mit ihrer optischen Achse senkrecht zur Organwand ausgerichtet um den Grundpfad gedreht wird, wobei während der Drehbewegung Einzelbilder aufgenommen werden und der gegenseitige Abstand der Punkte derart gewählt ist, dass die an benachbarten Punkten von der Organwand erzeugt erzeugten Einzelbilder zumindest aneinander grenzen. Alternatively, points along a central ground path can be set, which are approached with the endoscope capsule and where the endoscope capsule is stopped and rotated with its optical axis perpendicular to the organ wall aligned around the base path, wherein during the rotation of individual images are taken and the mutual distance the points are selected such that the individual images generated at adjacent points generated by the organ wall at least adjoin one another.
Wenn die Steuerung der Endoskopkapsel mit einem haptisch rückgekoppelten Eingabegerät erfolgt, bei dem einem Bediener durch unmittelbar vom Betätigungselement während des Betätigens auf das Betätigungsorgan des Bedieners ausgeübte Reize eine Annäherung oder zumindest ein Anstoßen an die Organwand signalisiert wird, ist die Bedienung erleichtert, da der Bediener zusätzlich zur Bildinformation eine intuitive mechanische Information darüber enthält, ob und in welchem Ausmaß die beabsichtige Bewegung möglich ist. If the control of the endoscope capsule with a haptic feedback input device in which an operator is signaled by directly applied by the actuator during actuation on the actuator of the operator an approach or at least a bumping to the organ wall, the operation is facilitated as the operator In addition to image information, it contains intuitive mechanical information as to whether and to what extent the intended movement is possible.
Hinsichtlich der Einrichtung wird die Aufgabe gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des Patentanspruches 12 gelöst, die sinngemäß den in Patentanspruch 1 genannten Merkmalen entsprechen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung sind in den auf Patentanspruch 12 zurückbezogenen Unteransprüchen angegeben. Die Vorteile dieser Ausgestaltungen entsprechen dabei den zu den entsprechenden Verfahrensansprüchen angegebenen Vorteilen. With regard to the device, the object is achieved according to the invention with the features of claim 12, corresponding mutatis mutandis to the features mentioned in claim 1. Advantageous embodiments of the device are specified in the dependent on claim 12 dependent claims. The advantages of these embodiments correspond to the advantages given for the corresponding method claims.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele verwiesen. Es zeigen: For a more detailed explanation of the invention, reference is made to the exemplary embodiments illustrated in the figures. Show it:
Die aus den Spulen
Die Spulen
Die Position und Orientierung der Endoskopkapsel
Die von der Endoskopkapsel
Eine alternative Ausführungsform einer Endoskopkapsel
In Position A befindet sich die Endoskopkapsel
Das in
Auf der Grundlage der in den Positionen A-G gewonnenen Positionsdaten werden die 3D-Koordinaten der Eckpunkte der Polygone
Nach der Anpassung des Ausgangsmodells
Während der Bewegung der Endoskopkapsel zu den Positionen A-G, d.h. während der zur Skalierung bzw. Kalibrierung durchgeführten Kalibrierfahrt werden bereits Einzelbilder aufgenommen, die dann mit Hilfe der ihnen zugehörigen Positionsinformationen in das Magenmodell eingepasst werden. Zwischen den bereits aufgenommenen Bereichen der Innenwand gegebenenfalls bestehende Lücken werden visuell beispielsweise als "White Spaces" angezeigt. Dies ist in
Zum Magenmodell gehört auch optional eine Art Bildatlas, so dass für jede Position und Orientierung der Endoskopkapsel ein Modellbild zur Verfügung steht, dem jeweils ein aktuell von der Endoskopkapsel aufgenommenes aktuelles Einzelbild zugeordnet werden kann. Da bei der Verwendung einer ellipsoidförmigen Endoskopkapsel eine Rollbewegung um die optische Achse nicht möglich ist und in eine Information über die Drehposition der Endoskopkapsel um diese Achse nicht vorliegt, erfolgt eine Rotation des Einzelbildes in der Bildebene bis die Übereinstimmung zwischen Modellbild und aktuellem Einzelbild im gegenseitigen Überlappungsbereich optimal ist. Für direkt nacheinander aufgenommene Bilder stellen der direkt zuvor ermittelte Winkel und die lageverändernden Steuerungseinflüsse seit dem letzten Bild Vorabwissen dar, mit dem z.B. eine Verschiebung, Rotation und Perspektivenveränderung vorgenommen werden können, auf deren Basis dann mittels Bildverarbeitung eine Feineinstellung zum pflasterähnlichen Zusammenfügen der Einzelbilder zu einem Bildteppich durchgeführt wird. The gastric model also optionally includes a type of image atlas, so that a model image is available for each position and orientation of the endoscope capsule, to each of which a current individual image currently recorded by the endoscope capsule can be assigned. Since when using an ellipsoidal endoscope capsule a rolling motion about the optical axis is not possible and is not present in an information about the rotational position of the endoscope capsule about this axis, there is a rotation of the frame in the image plane until the match between the model image and the current frame in the mutual overlap region optimal. For images taken directly one after the other, the angle determined in advance and the position-changing control influences since the last image represent preliminary knowledge with which, for example, a shift, rotation and perspective change can be made, on the basis of which a fine adjustment for the patch-like joining of the individual images to a tapestry is then carried out by means of image processing.
In einer vorteilhaften Weiterbildung werden die aktuell aufgenommenen Einzelbilder mit dem angepassten Magenmodell überlagert, beispielsweise werden zumindest die zuvorderst liegenden Ansichten des Magenmodells teilweise transparent und zur besseren Differenzierung in unterschiedlichem farblichen Grundton. Aktuell bereits aufgenommene und erfolgreich zugeordnete Bereiche und/oder nicht erfasste Bereiche, die sogenannten "White Spaces", werden ebenfalls speziell markiert (koloriert) um sie besser voneinander unterscheiden zu können. Alternativ können auch die noch nicht erfassten Bereiche mit Modellbildern in anderer Kolorierung als die aktuellen Einzelbilder dargestellt werden. In an advantageous development, the currently recorded individual images are superimposed with the adapted stomach model, for example at least the first-lying views of the stomach model become partially transparent and for better differentiation in different basic color tones. Currently recorded and successfully assigned areas and / or unrecognized areas, the so-called "White Spaces", are also specially marked (colored) in order to be able to better distinguish them from each other. Alternatively, the areas not yet covered with model images can also be displayed in a different coloration than the current individual images.
Als Variante der Darstellung sowohl des Magenmodells als auch des aktuell aufgenommenen Bildteppichs dient die Betrachtung von außen als überwiegend konvexes Objekt, das zur Befundung als 3D-Objekt durch Rotationen, Panning, Zooming wesentlich einfacher zu handhaben ist als eine virtuelle Fahrt im Objekt. As a variant of the representation of both the stomach model and the currently recorded tapestry, the viewing from the outside serves as a predominantly convex object, which is much easier to handle as a 3D object through rotations, panning, zooming than a virtual ride in the object.
Auf der Basis des Magenmodells kann auch automatisch eine Bildsequenz gewonnen werden, welche die gesamte Innenwand abbildet, indem gemäß
In jeder Aufnahmeposition F1-9 werden nun durch Rotation der Endoskopkapsel
Die jeweils neu aufgenommenen Einzelbilder können außerdem dazu dienen, die Ablaufsteuerung zuverlässiger und genauer zu machen, indem sich überlappende Einzelbilder durch Methoden der Bildverarbeitung im Überlappungsbereich in Übereinstimmung gebracht werden und die hierzu erforderlichen mathematischen Transformationen, beispielsweise Drehungen in der Bildebene, zum Modifizieren der Steuersignale zum Steuern der Bewegung der Endoskopkapsel
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Effective date: 20140101 |