ES2887301T3 - Aparato y procedimiento para controlar el movimiento de un endoscopio de cápsula en el tracto digestivo de un cuerpo humano - Google Patents
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Abstract
Sistema para controlar el movimiento de un endoscopio de cápsula (15) en una zona objetivo, que puede generar con precisión un campo magnético giratorio y móvil en 5 dimensiones, para aplicar de manera remota fuerza a un endoscopio de cápsula magnético (15), que comprende el endoscopio de cápsula (15) comprende un alojamiento en forma de cápsula y una unidad de obtención de imágenes que está dispuesta dentro del alojamiento en forma de cápsula de manera fija, configurado para captar una imagen de la zona objetivo mediante la unidad de obtención de imágenes en un estado en el que el endoscopio de cápsula (15) está suspendido en una interfase líquido/gas, presentando la cápsula una densidad mayor que la densidad del líquido; comprendiendo dicho sistema un imán robótico externo en forma de esfera configurado para generar un campo magnético externo, estando dicho sistema configurado para realizar las etapas siguientes: aplicar un campo magnético externo para cambiar el ángulo de inclinación del endoscopio de cápsula (15) mientras está suspendido en la interfase líquido/gas girando y moviendo el imán externo en forma de esfera a lo largo de una o más direcciones axiales e interaccionando con el dipolo magnético permanente dentro del endoscopio de cápsula (15), formando el endoscopio de cápsula (15) un ángulo de inclinación en una interfase líquido/gas para observar la zona objetivo; caracterizado por que el sistema está configurado para girar el imán externo y mover el imán externo en el plano XY para desplazar el movimiento del endoscopio de cápsula (15) en la dirección horizontal, para mantener el endoscopio de cápsula (15) en la misma posición en la interfase líquido/gas, calculándose el movimiento de traslación en el plano XY del imán externo mediante: **(Ver fórmula)** X0 e Y0 son las posiciones originales del imán externo; X e Y son las posiciones finales de los imanes externos; α es el ángulo de rotación horizontal del imán externo; t es la distancia de desplazamiento que mueve el endoscopio de cápsula (15) horizontalmente cuando el ángulo de inclinación del endoscopio de cápsula (15) se cambia mediante la rotación del imán externo.
Description
DESCRIPCIÓN
Aparato y procedimiento para controlar el movimiento de un endoscopio de cápsula en el tracto digestivo de un cuerpo humano
Campo técnico
La invención se refiere a aparatos e instrumentos médicos, específicamente se refiere a un sistema para controlar el movimiento de un endoscopio de cápsula en un tracto GI humano.
Antecedentes de la invención
Con el desarrollo de tecnología de circuito integrado a gran escala, MEMS, comunicaciones inalámbricas y tecnología óptica, se ha utilizado el endoscopio de cápsula como una manera eficaz para el diagnóstico de enfermedades intestinales. M2A producido por Given Imaging, una empresa de Israel, Endo Capsule investigado y desarrollado por Olympus Company en Japón, y productos comercializados por una empresa china, Jinshan Science and Technology, han ocupado todos ellos cuotas de mercado significativas en el comercio de endoscopios de cápsula. Las cápsulas inalámbricas disponibles actuales adoptadas en el campo médico se transportan mediante peristalsis a través de un tracto digestivo humano, como resultado, la velocidad de movimiento, la dirección de movimiento y la ubicación de la cápsula son aleatorios, lo que hace difícil para los médicos recopilar la información relevante para el diagnóstico del tracto intestinal.
Si no puede lograrse el posicionamiento y control de un endoscopio de cápsula in vivo, la navegación del mismo a través de un tracto GI humano para diagnóstico/exploración intestinal transversal se enfrenta a múltiples problemas. Los endoscopios de cápsula existentes actuales se basan principalmente en peristalsis y contracción de órganos para lograr el movimiento de la cápsula a lo largo de un tracto GI in vivo. Tal movimiento no solo es lento, conduciendo a una baja eficiencia de detección y a posibles zonas muertas en la exploración, sino que también hace que la exploración u operación en una región de enfermedad específica sea imposible, dado que el movimiento basado en peristalsis no puede mover el endoscopio de cápsula de un lado a otro hasta una ubicación objetivo precisa para una exploración u operación estable, y tal movimiento no permite el control de la velocidad y dirección de movimiento, y la postura.
El grupo nacional chino Jinshan ha controlado manualmente un imán externo para lograr el posicionamiento o la navegación de un endoscopio de cápsula en el tracto GI. El control manual es de bajo coste, pero es menos preciso que un robot mecánico, por tanto menos favorable en pruebas de rutina, que prefiere inteligencia artificial. Además, varias instituciones de investigación científica han demostrado controlar un endoscopio de cápsula magnético mediante un imán externo en forma de tira. Este procedimiento es rápido y puede colocar con precisión la cápsula en una ruta directa, sin embargo, debido a que el tracto GI humano no es recto sino muy serpenteante, es muy difícil llevar a cabo un posicionamiento real del endoscopio de cápsula utilizando tal imán lineal en el entorno clínico práctico.
La solicitud de patente CN, CN103222842A, divulga un tipo de dispositivo de control de endoscopio de cápsula en el movimiento de canal alimentario del cuerpo humano. La solicitud de patente US, US20070221233A1, divulga un sistema para controlar de manera activa por lo menos uno de entre la posición y la dirección del campo de obtención de imágenes en un sujeto y para observar una región observada deseada en el sujeto definitivamente en un periodo de tiempo corto. La solicitud de patente DE, DE 102011006325A1, divulga un procedimiento para adaptar la densidad de una cápsula de endoscopía con un alojamiento de cápsula biocompatible. La solicitud de patente EP, EP 2353489A1, divulga un sistema de guiado de aparato médico de cápsula que incluye un cuerpo de cápsula que se inserta en un sujeto junto con un líquido introducido en el sujeto. Las solicitudes de patente US, US20070221233, US20100268026, US20110054255 y US20110184235, divulgan una cápsula flotante o suspendida. Tal como se describe en estas solicitudes de patente, se suspende una cápsula magnética en un líquido circundante, lo cual requiere que la densidad de la cápsula sea menor que el líquido. En la práctica clínica, dado que el líquido más habitualmente utilizado es agua, el peso de tal cápsula en flotación está limitado a ser de menos de 3 g. Si una cápsula está equipada con un dipolo magnético permanente para lograr un mejor posicionamiento, desafortunadamente el peso de cápsula es fácilmente de más de 3 g. Para un endoscopio de cápsula cuya densidad es mayor que el agua y quizás el peso es de más de 3 g, no se ha divulgado cómo realizar una suspensión estable.
Sumario de la invención
La presente invención supera las dificultades tecnológicas en las técnicas anteriores y proporciona un sistema para controlar el movimiento de un endoscopio de cápsula en un tracto GI humano. El sistema divulgado en la presente memoria puede generar con precisión un campo magnético giratorio y móvil en 5 dimensiones, para aplicar de manera remota fuerza a un endoscopio de cápsula magnético, que está suspendido en una interfase líquido-gas.
En un primer aspecto de la presente invención, un endoscopio de cápsula incluye un alojamiento en forma de
cápsula y una unidad de obtención de imágenes que está dispuesta dentro del alojamiento en forma de cápsula de una manera fija, y capta una imagen del interior de un órgano mediante la unidad de obtención de imágenes en un estado en el que el endoscopio de cápsula está suspendido en una interfase líquido/gas. El líquido y el gas se introducen dentro del órgano de un sujeto. En una forma de realización de la presente invención, el endoscopio de cápsula suspendido en la interfase líquido/gas comprende un dipolo magnético permanente, en el que el endoscopio de cápsula presenta un centro de masas y el dipolo magnético permanente dentro del endoscopio de cápsula presenta un centro magnético. El endoscopio de cápsula cambia su posición u orientación interaccionando con un magnético externo.
En una forma de realización de la presente invención, la densidad de endoscopio de cápsula es mayor que la densidad del líquido. En otra forma de realización de la presente invención, la masa del endoscopio de cápsula es mayor de 3 g.
En otra forma de realización de la presente invención, la distancia entre el centro magnético y el centro de masas del endoscopio de cápsula es de menos de 2 mm.
En un segundo aspecto que no forma parte de la presente invención, se divulga un procedimiento para utilizar un endoscopio de cápsula que presenta un dipolo magnético permanente. El procedimiento comprende una etapa para girar el endoscopio de cápsula localmente cuando el endoscopio de cápsula forma un ángulo de inclinación en una interfase líquido/gas para observar un órgano interno. El procedimiento comprende proporcionar un endoscopio de cápsula que comprende un dipolo magnético permanente y una cámara; suspender el endoscopio de cápsula en la interfase líquido/gas; aplicar un campo magnético al dipolo de imán permanente mediante un imán externo; cambiar el ángulo de inclinación del endoscopio de cápsula mientras está suspendido en la misma posición en la interfase líquido/gas girando y moviendo el imán externo a lo largo de una o más direcciones axiales; y recibir fuerza de campo magnético constante por el dipolo magnético permanente.
Las características y ventajas anteriores y otras y la importancia técnica e industrial de esta invención se entenderán mejor leyendo la siguiente descripción detallada de formas de realización actualmente preferidas de la invención, cuando se considera en relación con los dibujos adjuntos.
Breve descripción de los dibujos
la figura 1 es un diagrama esquemático que muestra un ejemplo de un endoscopio de cápsula según un aspecto de la presente invención;
la figura 2 es una relación entre un peso de cápsula y un momento magnético de cápsula, que explica el máximo peso permisible para el endoscopio de cápsula con el fin de lograr una suspensión estable, según un aspecto de la presente invención;
la figura 3 es una ilustración esquemática de una vista en sección transversal del sistema divulgado en la presente memoria, en la que el endoscopio de cápsula se mueve horizontalmente en respuesta a un movimiento horizontal de un magnético externo;
la figura 4 es una ilustración esquemática de una vista en sección transversal del sistema divulgado en la presente memoria, en la que el endoscopio de cápsula se mueve verticalmente en respuesta a un movimiento vertical del magnético externo;
la figura 5 es un diagrama esquemático de una vista en sección transversal del sistema divulgado en la presente memoria, para explicar una operación de giro deseada del endoscopio de cápsula dentro de un órgano mientras está suspendido en una interfase gas/líquido, en el que los movimientos combinatorios del imán externo solo cambian los ángulos de inclinación de la cápsula dejando su posición en la interfase líquido/gas principalmente inalterada;
la figura 6 es un diagrama esquemático de una vista en sección transversal del sistema divulgado en la presente memoria, que explica que una rotación simple del imán externo provoque que el endoscopio de cápsula se mueva alejándose de su posición original, más que una rotación simple en su posición original, cuando la cápsula está suspendida en la interfase gas/líquido;
la figura 7 es una ilustración de la relación entre el ángulo de rotación vertical del momento magnético del imán externo y el movimiento no deseado del endoscopio de cápsula (en un valor normalizado);
la figura 8 es una ilustración de la relación entre el ángulo de rotación vertical del momento magnético del imán externo y la distancia (en un valor normalizado) a lo largo de una dirección vertical que va a ajustarse con el fin de aplicar una fuerza de campo magnético constante al endoscopio de cápsula;
la figura 9 representa gráficamente una relación entre el ángulo de rotación del endoscopio de cápsula y el ángulo de rotación vertical del momento magnético del imán externo en forma de esfera;
la figura 10 es un diagrama esquemático para explicar las diversas fuerzas experimentadas por un endoscopio de cápsula mientras está suspendido en una interfase gas/líquido que presenta un ángulo de inclinación según el aspecto de la presente invención; y
la figura 11 es una forma de realización a modo de ejemplo de un imán robótico externo, según el aspecto de la presente invención.
Descripción detallada de las formas de realización preferidas
A continuación se explican en detalle unas formas de realización a modo de ejemplo de un endoscopio de cápsula según la presente invención con referencia a los dibujos adjuntos. La presente invención no está limitada a las formas de realización.
En las ciencias médicas se conocen cápsulas médicas inalámbricas ingeribles. Dicha cápsula inalámbrica se traga y se desplaza a través del tracto digestivo, recopilando y transmitiendo datos durante el transcurso de su recorrido, también puede recopilar imágenes si está equipada con cámaras. Cuando un endoscopio de cápsula está equipado con un dipolo magnético permanente, el endoscopio de cápsula puede estacionarse en una ubicación objetivo durante un periodo de exploración deseado.
Un objetivo de la presente invención es colocar un endoscopio de cápsula en una ubicación precisa en una zona objetivo, que puede ser una zona de enfermedad, y recopilar en tiempo real información médica relacionada de modo que los médicos puedan realizar fácilmente un diagnóstico u operación en esa ubicación objetivo precisa.
Además, cuando el endoscopio de cápsula está posicionado en la ubicación objetivo, se necesita fijar el endoscopio de cápsula en la ubicación objetivo, de manera sustancialmente estable, durante un periodo de tiempo específico, con el fin de recopilar información precisa o no imágenes borrosas. Estable, en la presente memoria, se refiere a un estado de la cápsula, que puede mantener su posición y orientación sin un cambio, o un cambio detectable, o un cambio apreciable puede ignorarse en un entorno clínico o experimental aplicable deseado. El endoscopio de cápsula, según la presente invención, comprende un dipolo magnético permanente. El dipolo magnético es un vector. La ubicación de un endoscopio de cápsula, tal como se denomina en la presente invención, incluye su ubicación con respecto a una referencia, y ángulos con respecto a alguna referencia. La orientación de un endoscopio de cápsula incluye su dirección con respecto a alguna referencia. La ubicación objetivo, en la presente memoria, incluye un líquido y un gas, que presentan una interfase líquido/gas definible.
En una forma de realización, el endoscopio de cápsula puede ser estable durante por lo menos la duración de tiempo para captar una imagen con una resolución aceptable o realizar una prueba o procedimiento simple.
Dado que diversas técnicas anteriores han proporcionado múltiples maneras para hacer navegar un endoscopio de cápsula hasta una ubicación precisa, el sistema y los procedimientos divulgados en la presente invención se refieren principalmente a cómo utilizar el imán externo para cambiar la orientación de la cápsula mientras está suspendida en un estado estable en una ubicación deseada.
El sistema divulgado en la presente memoria comprende un endoscopio de cápsula, que se coloca en una zona objetivo, que consiste esencialmente en un líquido y un gas. El endoscopio de cápsula incluye un alojamiento en forma de cápsula y una unidad de obtención de imágenes que está dispuesta dentro de la carcasa en forma de cápsula de manera fija, y capta una imagen del interior de la zona objetivo, mediante la unidad de obtención de imágenes en un estado en el que el endoscopio de cápsula está suspendido en una interfase líquido/gas. En una forma de realización de la presente invención, el endoscopio de cápsula suspendido en la interfase líquido/gas comprende un dipolo magnético permanente, en el que el endoscopio de cápsula presenta un centro de masas y el dipolo magnético permanente presenta un centro magnético. El endoscopio de cápsula cambia su posición u orientación interaccionando con un magnético externo.
En un ejemplo, la zona objetivo es un órgano interno. En un caso, la zona objetivo es un estómago. En otro ejemplo, el estómago está parcialmente lleno con un líquido.
En un ejemplo, el líquido y el gas se introducen en la zona objetivo después de haberse vaciado la zona objetivo. En un ejemplo, el líquido es agua. En otro ejemplo, el gas es aire. Todavía en otro ejemplo, el gas es aire con CO2 adicional, que se genera mediante polvos acrógenos orales.
La presente invención se refiere a un endoscopio de cápsula que se suspende en una interfase líquido/gas. “Se suspende en una interfase líquido/gas” no sugiere una limitación sobre el reparto de la cápsula en ninguna de la fase líquida o la gaseosa. Dentro del alcance de la presente invención, siempre que la cápsula experimente una fuerza de flotación a partir del líquido, entonces se considera que la cápsula está suspendida, lo cual incluye que
la cápsula está completamente sumergida y que la cápsula está principalmente expuesta, aunque estos ejemplos no son los mejores modos de utilizar la presente invención.
El endoscopio de cápsula en la presente invención presenta un alojamiento.
El endoscopio de cápsula puede presentar cualquier forma o cualquier tamaño de una pastilla como en la técnica general. En un ejemplo, la cápsula presenta forma cilíndrica con extremos semiesféricos, esférica, forma de cápsula pero con el tamaño de un extremo más grande que el otro extremo, o una forma de balón de fútbol americano. Se prefiere que el endoscopio de cápsula en la presente invención sea simétrico a lo largo de su dirección de longitud. El endoscopio de cápsula presenta un centro de masas, que es el centro de peso cuando se mide en el aire, inherente a la estructura del endoscopio de cápsula y no puede cambiarse debido al entorno en el que se coloca. El endoscopio de cápsula comprende un dipolo magnético permanente, que también presenta un centro de momento magnético, que se denomina centro del dipolo magnético.
El endoscopio de cápsula divulgado en la presente memoria presenta una densidad, que es una propiedad inherente de la cápsula debido al material y los componentes estructurales y no cambia debido al entorno en el que se coloca. A diferencia de la mayoría de los endoscopios de cápsula de flotación divulgados en las técnicas anteriores, que requieren que una densidad sea menor que la densidad del líquido, normalmente 1, se requiere que la densidad del endoscopio de cápsula de la presente invención sea mayor que la densidad de líquido, con el fin de suspenderse de manera satisfactoria y precisa en una ubicación objetivo.
El sistema divulgado en la presente memoria comprende un imán externo, que genera un campo magnético externo, campo magnético giratorio y móvil en 5 dimensiones, para aplicar de manera remota fuerza a un endoscopio de cápsula magnético.
Haciendo referencia a la figura 1, se ilustra esquemáticamente un endoscopio de cápsula en un estado en suspensión estable. En este ejemplo, tal como se muestra, el endoscopio de cápsula es una forma geométrica tridimensional básica que consiste en un cilindro con extremos semiesféricos. Dicha cápsula presenta una longitud de L y un radio de R para el extremo semiesférico. El endoscopio de cápsula presenta un dipolo magnético permanente, posicionado dentro de la parte cilíndrica del endoscopio de cápsula. Dicho dipolo magnético de endoscopio de cápsula presenta un momento magnético de m. El endoscopio de cápsula puede comprender además uno o más dispositivos de obtención de imágenes. El dispositivo de obtención de imágenes es, en un ejemplo, una cámara. La cámara puede estar posicionada en el extremo del endoscopio de cápsula. Cuando hay dos cámaras posicionadas en el endoscopio de cápsula, preferentemente, las dos cámaras están posicionadas en extremos opuestos de la cámara. El sistema comprende además un magnético externo, que presenta forma de esfera, que presenta un momento magnético M.
Un endoscopio de cápsula de este tipo, suspendido en la interfase líquido/gas, está sometido a tres fuerzas, la gravedad de cápsula (W), la fuerza magnética (Fm) a partir del campo magnético externo, y una fuerza de flotación (Fflotación) a partir del líquido. En el estado en suspensión estable, la cápsula está soportada por la fuerza de flotación (Fflotación) y la fuerza de campo magnético externo (Fm). El peso de la cápsula (W), la fuerza de flotación (Fflotación) y la fuerza magnética (Fm) presentan la siguiente relación (ec. 1).
n ^ flo ta c ió n W Ec. 1
_ 6 Mm
rL 4n (D z )* Ec. 2
Además, en la misma condición, la fuerza de flotación (Fflotación) y la fuerza de campo magnético externo (Fm) se establecen como en las ecuaciones 2 y 3. En las que M es el momento magnético del imán externo en el sistema, m es el momento magnético del dipolo magnético en la cápsula magnética. D es la distancia vertical desde el centro magnético del dipolo imán externo hasta el centro magnético de la cápsula magnética; z es la distancia vertical entre la interfase líquido-aire y el centro magnético de la cápsula como en la figura 1.
Cuando se establece una suspensión estable, se cumplen las siguientes condiciones (ec. 4 y ec. 5).
a (w - F m- F flotación) = - p ^ 2 < 0 Ec. 4
dz n (D - L / 2 ) r m n ia o
D/L > 4Pcápsula/ Plíquido 1/2 Ec. 5
Por tanto, el peso de cápsula máximo permitido (W) con el fin de lograr una suspensión estable puede derivarse basándose en las ecuaciones 1 a 5. La figura 2 establece una limitación de configuración crítica del endoscopio de cápsula según los aspectos de la presente invención. El momento magnético (m) del dipolo magnético en el
endoscopio de cápsula y el peso del endoscopio de cápsula tienen que cumplir el requisito de relación de la figura 2 con el fin de poder presentar un sistema de endoscopio de cápsula suspendido funcional y útil. En la figura 2, el área bajo la curva es una región permitida y el área por encima de la curva es una región prohibida. La figura 2 sugiere que, en un sistema que presenta un imán externo con un momento magnético de 2000 (AmA2), cuando los momentos magnéticos del dipolo magnético dentro del endoscopio de cápsula son de entre 0.01-0.6 (AmA2), se necesita que el peso de cápsula sea de entre 3-8 g con el fin de suspenderse. En una perspectiva para diseñar un endoscopio de cápsula que presenta un momento magnético conocido y fijo, la figura 2 representa una limitación de peso. Dicho de otro modo, en un ejemplo, cuando el momento magnético de cápsula es de 0.1 (AmA2), se necesita que el peso de cápsula sea de menos de 6 g, de lo contrario la cápsula será demasiado pesada para su suspensión. En otro ejemplo, cuando el momento magnético de cápsula es de 0.2 (AmA2), se necesita que el peso de cápsula sea de menos de 6.2 g; de lo contrario la cápsula será demasiado pesada para su suspensión. En otro ejemplo, cuando el momento magnético de cápsula es de 0.3 (AmA2), se necesita que el peso de cápsula sea de menos de 7 g; de lo contrario la cápsula será demasiado pesada para su suspensión. En otro ejemplo, cuando el momento magnético de cápsula es de 0.4 (AmA2), se necesita que el peso de cápsula sea de menos de 7.5 g, de lo contrario la cápsula será pesada para su suspensión. En otro ejemplo, cuando el momento magnético de cápsula es de 0.5 (AmA2), se necesita que el peso de cápsula sea de menos de 7.8 g; de lo contrario la cápsula será demasiado pesada para su suspensión. En otro ejemplo, cuando el momento magnético de cápsula es de 0.6 (AmA2), se necesita que el peso de cápsula sea de menos de 8 g; de lo contrario la cápsula será demasiado pesada para su suspensión.
Por otro lado, en algunos ejemplos poco comunes, cuando se configura un endoscopio de cápsula para que presente un peso deseado o un intervalo de peso, la figura 2 sugiere una limitación de la intensidad correspondiente del dipolo magnético en el endoscopio de cápsula. En un ejemplo, cuando el objetivo de peso de una cápsula es de aproximadamente 5 g, se necesita que el momento magnético del endoscopio de cápsula sea de más de 0.05 (AmA2). En otro ejemplo, cuando el objetivo de peso para una cápsula es de aproximadamente 6 g, se necesita que el momento magnético del endoscopio de cápsula sea de más de 0.15 (AmA2). En otro ejemplo, cuando el objetivo de peso para una cápsula es de aproximadamente 7 g, se necesita que el momento magnético del endoscopio de cápsula sea de más de 0.3 (AmA2). En otro ejemplo, cuando el objetivo de peso de una cápsula es de 8 g, se necesita que el momento magnético del endoscopio de cápsula sea de más de 0.55 (A/cmA2).
En los ejemplos anteriormente mencionados, se divulga un sistema estacionario, en el que el imán externo se estaciona con brazos robóticos con un momento magnético. Las ecuaciones 1 a 5 y las figuras 1 y 2 sugieren cómo cambiar los pesos o momentos magnéticos de cápsula en diferentes circunstancias, con el fin de lograr un sistema estable. Pero el ejemplo anteriormente mencionado deberá interpretarse como limitación. En vez de eso, las ecuaciones 1 a 5 también pueden utilizarse para diseñar un sistema que presenta un endoscopio de cápsula que presenta un peso y momento magnético fijos, el imán externo puede cambiarse en diferentes circunstancias. Tal como, por ejemplo, en un sistema portátil, en el que el imán externo es un dispositivo portátil, aunque esto no forma parte de la presente invención.
Haciendo referencia a las figuras 3 y 4, la presente invención se refiere a un sistema de endoscopio magnético que presenta un imán robótico externo, en el que el endoscopio de cápsula puede suspenderse en un líquido en una zona in vivo, la densidad del endoscopio de cápsula es mayor que la densidad del líquido en el mismo. Sin la fuerza aplicada (Fm) a partir del imán robótico externo, la cápsula no podrá suspenderse o flotar en el líquido. Dicho de otro modo, el endoscopio de cápsula solo se mueve en respuesta al movimiento del imán externo. Tal como se muestra en la figura 1, el endoscopio de cápsula de imán sigue el magnético externo para navegar en un plano XY. Cuando el imán externo realiza una traslación, la cápsula magnética hace lo mismo en respuesta a la fuerza de campo magnético. En el plano XY, el endoscopio magnético se desplaza en la misma dirección del movimiento del imán robótico externo. Cuando el imán robótico externo se mueve a la derecha, el endoscopio de cápsula también se mueve a la derecha. Cuando el imán robótico externo se mueve hacia delante, el endoscopio de cápsula también se mueve hacia delante, lo cual se ilustra como dirección X. Cuando el imán externo realiza una traslación, la cápsula magnética hace lo mismo para seguir la fuerza de campo magnético.
El endoscopio de cápsula de imán también puede moverse verticalmente, concretamente a lo largo de una dirección z tal como se ilustra en la figura 4. En una forma de realización de la presente invención, un paciente se acuesta sobre una superficie a lo largo del plano XY y se coloca un endoscopio de cápsula dentro del estómago del paciente. El endoscopio de cápsula se suspende en el líquido o en la interfase líquido/aire. Cuando el imán robótico externo se mueve verticalmente hacia arriba y hacia abajo, el endoscopio de cápsula también se mueve verticalmente en respuesta al cambio de ubicación del imán robótico externo. A diferencia del trayecto de movimiento ilustrado en la figura 3 en el que el endoscopio de cápsula se mueve en la misma dirección que el imán robótico externo, la figura 4 ilustra que el endoscopio de cápsula magnético se mueve en la dirección opuesta de movimiento del imán robótico externo. Cuando el imán robótico externo se mueve hacia abajo, lleva el campo magnético externo más cerca del dipolo magnético en el endoscopio de cápsula, el endoscopio de cápsula se atrae para moverse hacia arriba. Cuando el imán robótico externo se mueve hacia arriba, se aleja del endoscopio de cápsula magnético, el campo magnético se debilita a medida que el magnético externo se mueve hacia arriba, y el endoscopio de cápsula se mueve hacia abajo. Controlando el movimiento del imán robótico externo a lo largo de la dirección vertical o z, puede controlarse con precisión la posición de la cápsula a lo largo de la dirección z.
Cuando se explora un estómago, la cápsula puede posicionarse de manera conveniente para disponer en primer lugar de una vista alejada seguida por una vista más de cerca de la mucosa gástrica para la pared superior o inferior del mismo.
Además de la traslación a lo largo de tres ejes tal como se muestra en las figuras 3 a 4, el endoscopio de cápsula magnético también puede realizar movimientos giratorios, incluyendo inclinaciones y revoluciones bajo la influencia del campo magnético externo generado por el imán robótico externo. En un entorno clínico, se necesitan inclinaciones y revoluciones para que el médico explore una vista más amplia del estómago mientras está suspendido como anclado en una posición elevada. La figura 5 muestra la diferencia entre un movimiento de inclinación y de revolución.
Cuando el endoscopio de cápsula en la presente invención está suspendido en una interfase líquido/gas, la cápsula forma un ángulo con la interfase líquido/gas. Dicho ángulo se denomina ángulo de inclinación. El ángulo de inclinación es de entre 0-360 grados según la presente invención. En un ejemplo, dicho ángulo de inclinación es de entre 45-135 grados para permitir una orientación fácil y precisa.
Según los aspectos de la presente invención, la rotación o los movimientos de rotación significan que el endoscopio de cápsula magnético cambia su orientación o bien en un plano en 2D o bien en un espacio en 3D. La rotación o los movimientos de rotación incluyen tanto una inclinación, que cambia el ángulo entre la cápsula y la interfase gas/líquido en un plano en 2D, como una revolución, que cambia el ángulo entre la cápsula y la interfase gas/líquido en un espacio en 3D, en el que la posición del endoscopio de cápsula en la interfase líquido/gas no se cambia durante el procedimiento de movimiento, pero el ángulo de inclinación o el ángulo de inclinación en una vista en sección transversal en 2D de la revolución se cambia antes y después de la rotación. En una forma de realización, el movimiento de rotación es una inclinación. La inclinación se produce en un plano de eje z y el momento magnético de rotación vertical del imán en forma de esfera, tal como se muestra en la figura 5, cambiando la cápsula su ángulo de inclinación como una manecilla en un reloj. En otra forma de realización, el movimiento de rotación es una revolución. La revolución se produce en un espacio xyz, en el que el endoscopio de cápsula gira alrededor de su posición de anclaje en la interfase líquido/gas tal como se muestra en la figura 5. Mientras tanto el endoscopio de cápsula gira según la proyección horizontal en el plano xy del momento magnético del imán externo en forma de esfera. En la figura 5, el ángulo entre el eje largo del endoscopio de cápsula y la superficie de la interfase de líquido y aire se mantiene igual durante la revolución. En una vista en sección transversal de una revolución, la proyección del ángulo formado entre el eje largo de la cápsula y la interfase líquido/gas cambia según el movimiento del imán externo.
Con fines de aclaración, la inclinación significa que el endoscopio de cápsula no cambia su posición en las coordenadas xyz, sino que solo cambia el ángulo entre el eje largo de la cápsula y la dirección de la gravedad, que es perpendicular a la interfase aire/líquido. Según los aspectos de la presente invención, la revolución significa que el endoscopio de cápsula tampoco cambia su posición en las coordenadas xyz, sino que cambia la dirección del eje largo de la cápsula a lo largo de la interfase líquido/gas, lo cual da como resultado un cambio de ángulo de inclinación en su vista en sección transversal en 2D correspondiente.
A diferencia del movimiento de traslación, en el que una operación de una etapa del imán robótico externo puede ayudar a navegar el endoscopio de cápsula a una ubicación objetivo; el movimiento de rotación es un procedimiento más complicado. Cuando el imán robótico externo gira, un sistema de suspensión estable establecido se verá perturbado en muchos aspectos. Cambiarán todos de la posición de campo magnético máximo en la interfase líquido/gas, la intensidad de campo magnético externo en la interfase líquido/gas y la dirección (o el ángulo) de campo magnético externo. El imán externo tendrá que 1) trasladarse mientras gira para mantener el endoscopio de cápsula quieto (figuras 6 y 7); 2) moverse más cerca de la interfase líquido/gas con el fin de compensar el debilitamiento del campo magnético debido a la rotación, con el fin de aplicar una fuerza de campo magnético constante a la cápsula durante la rotación (figura 8); y 3) realizar rotaciones entre 45-135 grados cuando la dirección del campo de imán externo permanece relativamente pequeña, de modo que el endoscopio de cápsula cambiará su ángulo de inclinación siguiendo la rotación del imán externo (figura 9); o alternativamente, 4) cambiar el ángulo de inclinación del endoscopio de cápsula cambiando la dirección del campo magnético siempre que el centro de masas y el centro magnético de la cápsula estén a menos de 2 mm (figura 10).
Con el fin de girar un endoscopio de cápsula para cambiar únicamente su ángulo de inclinación, al tiempo que todavía mantiene su posición, el imán robótico externo de forma esférica tendrá que girar y trasladarse al mismo tiempo. Si el imán externo solo gira, el campo magnético giratorio generado por el imán robótico externo no solo girará el endoscopio de cápsula tal como se pretende, sino que también moverá el endoscopio de cápsula en una o ambas coordenadas xy de manera no intencionada, es decir cambiará la posición del endoscopio de cápsula en la interfase líquido/gas, porque el campo magnético máximo en la interfase líquido/gas se ha alterado de una posición a otra en respuesta al campo magnético giratorio, y el endoscopio de cápsula que porta un dipolo magnético permanente se ve atraído a la segunda posición de campo magnético máximo en la interfase líquido/gas. Por ejemplo, tal como se muestra en la figura 6, cuando el magnético robótico externo gira, la cápsula también gira para cambiar su ángulo de inclinación en la interfase líquido/gas. Al mismo tiempo, cuando se produce la rotación, el endoscopio de cápsula se mueve horizontalmente desde Xq hasta X1. En la figura 6, la elipse en
líneas discontinuas es la línea de igual campo magnético, el punto tangencial en la interfase gas/líquido es el punto de campo magnético máximo Bm, y la distancia desde X0 hasta X1 es la denominada distancia de desplazamiento t en la figura 7. La figura 7 representa gráficamente una relación entre el ángulo de rotación del imán externo (grados) y el movimiento no deseado de la cápsula en un formato x/d normalizado, siendo d la distancia desde el centro del imán externo hasta la interfase líquido/gas y siendo x la distancia horizontal entre el centro del imán del endoscopio de cápsula hasta el punto de proyección del centro del imán externo en la interfase líquido/gas, que es la misma distancia desde X0 hasta X1. Según la figura 7, cuando el imán externo en forma de esfera gira aproximadamente 10 grados, el endoscopio de cápsula se moverá horizontalmente a un valor de x/d de 0.25, lo cual sugiere que cuando la distancia d es de 30 cm y el endoscopio de cápsula se mueve hasta 7.5 cm de manera no intencionada.
Sin embargo, tal movimiento no intencionado en las coordenadas o bien x o bien y no se desea y por tanto se minimiza mediante el procedimiento divulgado en la presente memoria. La figura 3 muestra que el endoscopio de cápsula se mueve en la dirección x o y siguiendo el imán externo. Con el fin de evitar el movimiento no deseado del endoscopio de cápsula como resultado de la rotación del imán externo, el imán externo en la presente invención también se moverá en la dirección x o y para desplazarse. La dirección del movimiento del imán externo será en la dirección opuesta al movimiento de cápsula no deseado y la distancia de movimiento del imán externo se calculará basándose en la distancia del movimiento no deseado del endoscopio de cápsula. En el mismo ejemplo seleccionado en la figura 7, cuando la distancia d es de 30 cm y el imán externo gira 10 grados, el movimiento previsto de 7.5 cm a la izquierda de la cápsula se corregirá trasladando el imán externo adicionalmente a la derecha 7.5 cm, lo cual es equivalente a mover el endoscopio de cápsula 7.5 cm a la derecha. En el control de la cápsula suspendida, está directamente bajo el imán externo en forma de esfera cuando el momento magnético del imán es paralelo a la tierra, por tanto es perpendicular a la interfase líquido/gas. Cuando el imán externo en forma de esfera se inclina a lo largo de un ángulo horizontal, la cápsula seguirá de manera exacta ese ángulo horizontal. El plano de la línea del eje de la cápsula y la línea de magnetización de imán externo en forma de esfera se muestra en la figura 5. El plano presenta simetría de rotación. Por tanto, si se expresa el movimiento de traslación de compensación en el plano x,y, entonces
X = X„ tsen a
Y = Yí>+ t eos a
siendo X0,Y0 la posición original del imán externo en forma de esfera; siendo X,Y la posición final del imán externo en forma de esfera, siendo a el ángulo de rotación horizontal, siendo t la distancia de desplazamiento tal como se muestra en la figura 5.
La traslación puede producirse durante la rotación o antes/después de la rotación. Preferentemente, el imán externo gira y realiza una traslación al mismo tiempo.
En una forma de realización que no forma parte de la presente invención, se divulga un procedimiento para mantener un endoscopio de cápsula en la misma posición mientras gira, en el que el endoscopio de cápsula se suspende en una interfase líquido/gas que presenta un primer ángulo de inclinación. El procedimiento incluye proporcionar un endoscopio de cápsula que comprende un dipolo magnético permanente y una cámara; suspender el endoscopio de cápsula en una interfase líquido/gas, formando el endoscopio de cápsula un ángulo de inclinación en una interfase líquido/gas para observar un órgano interno; aplicar una fuerza de campo magnético al dipolo de imán permanente mediante un imán externo; cambiar el ángulo del ángulo de inclinación mientras está suspendido en el mismo en la misma posición en la interfase líquido/gas girando y moviendo el imán externo a lo largo de una o más direcciones axiales.
Adicionalmente, además de mantener el endoscopio de cápsula en la misma posición durante la traslación, también se desea someter el endoscopio de cápsula a la misma fuerza de campo magnético durante el procedimiento de rotación con el fin de lograr una rotación suave. Cuando el imán externo gira, la fuerza de campo magnético experimentada por el endoscopio de cápsula cambia. Con el fin de aplicar una fuerza de campo magnético constante al endoscopio de cápsula, se necesita cambiar la distancia entre el imán externo y la cápsula de imán. El cálculo se muestra en la figura 8. La figura 8 representa gráficamente un cálculo de una distancia que se necesita mover la esfera de imán externo con respecto a su ángulo de rotación. Por ejemplo, en un sistema en el que la distancia d desde el centro del imán externo en forma de esfera hasta la interfase gas/líquido antes de la rotación es de 30 cm, y cuando se pretende girar el imán externo 90 grados, entonces se necesita ajustar el imán externo a lo largo de su posición vertical para lograr un valor de d/z de 1.18, lo cual significa que, tras la rotación, el imán externo está en una posición en la que z = d/1.18 = 30/1.18 = 25.4 cm. Este cálculo sugiere además que se necesita llevar el imán externo más cerca de la interfase líquido/aire en 30-25.4 = 4.6 cm.
En otra forma de realización que no forma parte de la presente invención, se divulga un procedimiento para aplicar una fuerza de campo de imán constante a un endoscopio de cápsula mientras gira, en el que el endoscopio de cápsula se suspende en una interfase líquido/gas que presenta un primer ángulo de inclinación. El procedimiento incluye proporcionar un endoscopio de cápsula que comprende un dipolo magnético permanente y una cámara;
suspender el endoscopio de cápsula en una interfase líquido/gas, formando el endoscopio de cápsula forma un ángulo de inclinación en una interfase líquido/gas para observar un órgano interno; aplicar una fuerza de campo magnético al dipolo de imán permanente mediante un imán externo; y cambiar el ángulo de inclinación del endoscopio de cápsula mientras está suspendido en la interfase líquido/gas girando el imán externo; y ajustar la distancia entre el imán externo y la interfase líquido-gas para aplicar una fuerza de campo de imán externo constante al endoscopio de cápsula durante la rotación.
Haciendo referencia a la figura 9, durante la rotación del imán externo, su dirección de campo magnético también puede cambiar dependiendo del ángulo de rotación. En la figura 9, el eje y es el ángulo (dirección) de campo del campo magnético externo en la posición del campo magnético máximo en la interfase gas/líquido. Cuando el campo magnético es intenso o el centro de peso de cápsula y el centro de dipolo de imán pequeño están cerca, la cápsula seguirá la dirección de campo magnético externo. Girando el imán externo en forma de esfera, el ángulo de inclinación del endoscopio de cápsula cambiará de manera correspondiente. La figura 9 sugiere que este control de ángulo sea relativamente más fácil si el ángulo de rotación de la cápsula es de entre 45 grados y 135 grados. Sin embargo, algunas veces, en el entorno clínico, manipular el endoscopio de cápsula a lo largo de un amplio intervalo y lograr una inclinación más horizontal elimina la necesidad de volver a posicionar el endoscopio de cápsula y permite un procedimiento más rápido y eficiente.
En una forma de realización alternativa de la presente invención, si la distancia entre el centro magnético de cápsula y el centro de masas de la cápsula es muy pequeña, cambiar la dirección del campo magnético externo puede cambiar el ángulo de inclinación del endoscopio de cápsula. En un ejemplo, la distancia entre el centro magnético de cápsula y el centro de masas de la cápsula es de menos de 2 mm. Dicho centro magnético de la cápsula es el centro del dipolo magnético pequeño dentro del endoscopio de cápsula.
Haciendo referencia a la figura 10, la cápsula que está suspendida experimenta tres fuerzas, Fflotación es la fuerza de flotación, (W) es la gravedad de la cápsula y W es el peso efectivo de la cápsula suspendida en el líquido, que en este ejemplo es agua. Di es la distancia horizontal desde el centro de gravedad (centro de masas) del líquido ocupado o sustituido por la parte de la cápsula hasta el centro de peso de cápsula efectivo; y D2 es la distancia horizontal desde el centro de gravedad (centro de masas) del líquido ocupado por la parte de la cápsula hasta el centro de masas de la cápsula. Además, Fm es la fuerza de campo magnético sobre el dipolo magnético pequeño en la cápsula; B es el campo magnético con el ángulo p con respecto al plano horizontal, m es el momento magnético del dipolo magnético pequeño dentro de cápsula. Ddm es la distancia entre el centro del dipolo de imán pequeño en la cápsula y el centro de peso efectivo (centro de masas) de la cápsula. 0 es el ángulo de inclinación adicional para la línea que conecta el imán pequeño y el centro de peso efectivo. En un estado en suspensión, se establecen las siguientes ecuaciones (ecuaciones 6 a 9).
W ' = W - Fflotación Ec. 6
D 1 = D 2W '/W Ec. 7
Ec. 8
B ■ msend = W' ■ Ddm ■ sen(J3 — 9) Ec. 9
A partir de las ecuaciones anteriores puede deducirse que, cambiando la dirección del campo externo B, puede controlarse el ángulo de inclinación de las cápsulas en flotación. Aunque el centro de peso efectivo cambia con el volumen de inmersión de la cápsula, todavía está alrededor del centro de masas. Con el fin de controlar fácilmente el ángulo de inclinación, Ddm debe ser pequeño, de modo que se prefiere hacer que el imán pequeño esté cerca del centro de masas de la cápsula, por ejemplo <2 mm. En un ejemplo preferido, cuando el endoscopio de cápsula presenta una cámara, la distancia entre el dipolo magnético pequeño y el centro de masas es de menos de 2 mm. En un ejemplo preferido alternativo, el endoscopio de cápsula presenta una longitud de L, y su longitud es de más de 12 mm cuando la cápsula presenta dos cámaras, una en cada extremo de la cápsula.
La figura 11, muestra un imán robótico externo a modo de ejemplo según los aspectos de la presente invención, que proporciona un imán externo en forma de esfera, que permite la traslación, el movimiento vertical, la rotación horizontal y vertical.
A los expertos en la materia se les ocurrirán fácilmente formas de realización y modificaciones adicionales. Por tanto, la invención en sus aspectos más amplios no se limita a los detalles específicos ni a las formas de realización representativas mostradas y descritas en la presente memoria. Por consiguiente, pueden realizarse diversas modificaciones sin alejarse del alcance del concepto inventivo general tal como se define por las reivindicaciones adjuntas.
Claims (6)
1. Sistema para controlar el movimiento de un endoscopio de cápsula (15) en una zona objetivo, que puede generar con precisión un campo magnético giratorio y móvil en 5 dimensiones, para aplicar de manera remota fuerza a un endoscopio de cápsula magnético (15), que comprende
el endoscopio de cápsula (15) comprende un alojamiento en forma de cápsula y una unidad de obtención de imágenes que está dispuesta dentro del alojamiento en forma de cápsula de manera fija, configurado para captar una imagen de la zona objetivo mediante la unidad de obtención de imágenes en un estado en el que el endoscopio de cápsula (15) está suspendido en una interfase líquido/gas, presentando la cápsula una densidad mayor que la densidad del líquido;
comprendiendo dicho sistema un imán robótico externo en forma de esfera configurado para generar un campo magnético externo, estando dicho sistema configurado para realizar las etapas siguientes:
aplicar un campo magnético externo para cambiar el ángulo de inclinación del endoscopio de cápsula (15) mientras está suspendido en la interfase líquido/gas girando y moviendo el imán externo en forma de esfera a lo largo de una o más direcciones axiales e interaccionando con el dipolo magnético permanente dentro del endoscopio de cápsula (15), formando el endoscopio de cápsula (15) un ángulo de inclinación en una interfase líquido/gas para observar la zona objetivo;
caracterizado por que el sistema está configurado para girar el imán externo y mover el imán externo en el plano XY para desplazar el movimiento del endoscopio de cápsula (15) en la dirección horizontal, para mantener el endoscopio de cápsula (15) en la misma posición en la interfase líquido/gas, calculándose el movimiento de traslación en el plano XY del imán externo mediante:
X= X0 ts¡na
Y= Yo+tcosa
X0 e Y0 son las posiciones originales del imán externo; X e Y son las posiciones finales de los imanes externos; a es el ángulo de rotación horizontal del imán externo; t es la distancia de desplazamiento que mueve el endoscopio de cápsula (15) horizontalmente cuando el ángulo de inclinación del endoscopio de cápsula (15) se cambia mediante la rotación del imán externo.
2. Sistema según la reivindicación 1, que está configurado para realizar las etapas siguientes:
girar el endoscopio de cápsula (15) mientras está suspendido en la misma posición en la interfase líquido/gas girando y moviendo el imán externo simultáneamente.
3. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que está configurado para realizar las etapas siguientes:
cambiar el ángulo de inclinación del endoscopio de cápsula (15) girando el imán externo entre 45-135 grados.
4. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que está configurado para realizar las etapas siguientes:
girar el imán externo y ajustar la distancia desde el imán externo hasta la interfase líquido/gas simultáneamente.
5. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que está configurado para realizar las etapas siguientes:
cambiar el ángulo de inclinación del endoscopio de cápsula (15) cambiando la dirección del campo magnético externo.
6. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el endoscopio de cápsula (15) comprende un dipolo de imán permanente.
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