IT201900011526A1 - Sistema per la localizzazione e la locomozione magnetica di una capsula endoscopica - Google Patents
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Description
Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo “Sistema per la localizzazione e la locomozione magnetica di una capsula endoscopica”
DESCRIZIONE
Ambito dell’invenzione
La presente invenzione riguarda il settore delle procedure endolunimali capsulari di diagnosi e trattamento.
In particolare, l’invenzione riguarda un sistema per la localizzazione e la locomozione magnetica di una capsula endoscopica all’interno di un tratto gastrointestinale.
Descrizione della tecnica nota
I sistemi di endoscopia tradizionale sono spinti e tirati manualmente dall’esterno attraverso gli sfinteri naturali all’interno del sistema gastrointestinale, la punta del dispositivo si muove quindi sotto l’azione di forze trasmesse lungo tutto il dispositivo.
I sistemi endoscopici a guida magnetica, invece, sono movimentati dalla punta del dispositivo sotto l’azione di interazioni magnetiche. In particolare, il sistema endoscopico è composto da una piattaforma robotica che sostiene nella sua parte terminale una o più sorgenti di campo magnetico permanente, ed un sistema capsulare filato o meno, contenente una sorgente interna di campo magnetico permanente. La forza necessaria per l’avanzamento è quindi tramessa dalla punta verso la coda al contrario dei sistemi tradizionali. Questo cambio di paradigma nella modalità di locomozione ha comportato la necessità di un sistema di localizzazione per individuare in modo accurato e ripetibile la posizione e l’orientamento della punta del sistema endoscopico all’interno del distretto anatomico interessato.
Difatti, se nel caso dei sistemi endoscopici tradizionali la definizione della posizione e orientamento della punta rispetto ad un sistema globale (esterno al lume) risulta essere di importanza trascurabile poiché il sistema è libero di avanzare e di arretrare lungo una traiettoria definita dall’anatomia propria del lume, in un sistema a guida magnetica risulta di fondamentale importanza per il corretto posizionamento della sorgente esterna di campo magnetico nello spazio libero.
Sono stati sviluppati numerosi sistemi di localizzazione capaci definire la posa di un oggetto all’interno di un distretto anatomico. I principali sfruttano sistemi magnetici ed elettromagnetici, sistemi a radio frequenza e sistemi ottici. Tuttavia, i sistemi a radio frequenza e i sistemi ottici, seppur compatibili con la locomozione magnetica, non garantiscono precisioni sufficienti per permettere una corretta locomozione del sistema capsulare. Invece, solitamente, i sistemi magnetici ed elettromagnetici riescono a garantire buone precisioni nel volume di interesse ma sono influenzati da interferenze magnetiche, quali ad esempio: la presenza di materiali metallici oppure la presenza di altri fonti magnetiche di forte intensità. In tal caso, non è quindi possibile combinare locomozione e localizzazione magnetiche allo stesso tempo.
Nel documento “Enhanced real-time pose estimation for closed-loop robotic manipulation of magnetically actuated capsule endoscopes” a nome di A. Taddese et al. viene descritto un metodo per la localizzazione magnetica di una capsula endoscopica che si basa su un utilizzo ibrido di sorgenti di campo magnetico sia statiche (magneti permanenti) che alternate (solenoidi), garantendo una significativa riduzione di interferenza con la locomozione magnetica della capsula stessa.
Tuttavia, tale metodo necessita di 6 sensori mono assiali a bordo della capsula, comportando un aggravio di ingombro all’interno di uno spazio necessariamente esiguo.
Inoltre, l’individuazione della posa della capsula necessita di almeno una sorgente di campo magnetico permanente.
Sintesi dell’invenzione
È quindi scopo della presente invenzione fornire un sistema per la localizzazione e la locomozione magnetica di un dispositivo medicale che consenta di ridurre i componenti presenti a bordo del dispositivo medicale stesso.
È inoltre scopo della presente invenzione fornire un siffatto sistema che permetta di poter definire la posa del dispositivo medicale anche senza l’uso di una sorgente di campo magnetico statico o senza essere all’interno del suo campo di lavoro.
È un ulteriore scopo della presente invenzione fornire un siffatto sistema che permetta di migliorare la triangolazione del dispositivo medicale, riducendo l'influenza del rumore di rilevamento sulla localizzazione.
È ancora scopo della presente invenzione fornire un siffatto sistema che permetta la creazione di un sistema autonomo o semiautonomo di guida del dispositivo medicale all’interno del distretto anatomico di interesse.
Questi ed altri scopi sono raggiunti da un sistema per la localizzazione e la locomozione magnetica di un dispositivo medicale secondo le rivendicazioni da 1 a 11.
Breve descrizione dei disegni
Ulteriori caratteristiche e/o vantaggi della presente invenzione risulteranno più chiari con la descrizione che segue di una sua forma realizzativa, fatta a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni annessi in cui:
- la figura 1 mostra una possibile forma realizzativa del sistema per la localizzazione e la locomozione magnetica di un dispositivo medicale, secondo la presente invenzione;
- la figura 2 mostra in dettaglio i campi magnetici generati dalle sorgenti di campo magnetico alternato della forma realizzativa di figura 1.
Descrizione di una forma realizzativa preferita Con riferimento alle figure 1 e 2, in una forma realizzativa preferita, il sistema 100 secondo la presente invenzione, è atto ad effettuare la localizzazione e la locomozione magnetica di una capsula endoscopica 200 all’interno del tratto gastrointestinale di un paziente 10.
In tale forma realizzativa, il sistema 100 comprende una pluralità di sorgenti esterne di campo magnetico, ed in particolare:
- un magnete permanente esterno 110, atto a generare un campo magnetico statico avente frequenza
- quattro solenoidi 120, atti a generare campi elettromagnetici alternati aventi rispettive frequenze
Il magnete permanente 110 è movimentato da un braccio robotico 105.
Il sistema 100 comprende inoltre una capsula endoscopica 100 comprendente a sua volta un sensore di campo magnetico, atto a ad effettuare una misura delle componenti lungo tre assi ortogonali del vettore di campo magnetico generato dalle sorgenti esterne di campo magnetico 110 e 120, ed un accelerometro, atto ad effettuare una misura delle accelerazioni della capsula endoscopica 200.
Il sistema comprende poi un’unità di controllo atta ad effettuare una individuazione della posizione e dell’orientazione della capsula endoscopica 200 rispetto ad un sistema di riferimento
In particolare, l’unità di controllo per individuare la posizione della capsula 200 è atta a:
- ricevere dal sensore di campo magnetico la misura delle componenti lungo tre assi ortogonali del vettore di campo magnetico generato dalle sorgenti esterne di campo magnetico 110 e 120;
- calcolare i singoli campi magnetici generati da tali sorgenti esterne di campo magnetico 110 e 120 per stimare le distanze con della capsula 200 dalle sorgenti 110,120 stesse;
- effettuare una triangolazione delle distanze stimate per individuare la posizione della capsula 200 rispetto al sistema di riferimento
Inoltre, l’unità di controllo, per aumentare la precisione della triangolazione, può essere atta a:
- effettuare un’ottimizzazione della triangolazione, approssimando le linee dei campi magnetici misurati dal sensore di campo magnetico secondo un modello matematico ellissoidale e/o un modello matematico sferoidale pesati in base alla derivata rispetto ai campi magnetici misurati;
- definire una posizione di ottimo della capsula 200 ponderata sulla base della stima dell’errore tra i campi magnetici misurati e quelli stimati secondo i modelli ellissoidale e/o sferoidale;
- effettuare un’ottimizzazione della triangolazione seguendo il modello di campo magnetico. Rispetto alla tecnica nota, dunque, è possibile effettuare l’individuazione della posizione della capsula 200 mediante l’uso di un solo sensore triassiale di campo magnetico o, alternativamente, di 3 sensori mono assiali, anziché di 6 sensori mono assiali, con conseguente riduzione dell’ingombro all’interno della capsula stessa.
È da notare che la triangolazione da parte dell’unità di controllo potrebbe avvenire anche con due soli solenoidi 120, dato che le frequenze dei campi magnetici generati sono diverse tra loro e diverse da 0. In tal caso, il magnete permanente esterno 110, che genera un campo magnetico statico a frequenza servirebbe sia per la movimentazione della capsula 200, sia per fornire al sensore di campo magnetico un terzo campo magnetico, a frequenza differente da quelle dei solenoidi, essenziale per la triangolazione della posizione della capsula 200.
Inoltre, l’unità di controllo per individuare l’orientazione della capsula 200 è atta a:
- ricevere dall’accelerometro la misura delle accelerazioni della capsula endoscopica 200;
- stimare gli angoli di rollio e di beccheggio della capsula endoscopica 200 sulla base della misura delle accelerazioni ricevuta dall’accelerometro; - stimare il vettore di campo magnetico generato dalle sorgenti esterne di campo magnetico 110 e 120 calcolato considerando la posizione della capsula endoscopica 200 rispetto alle sorgenti esterne di campo magnetico 110 stesse;
- definire il vettore di campo magnetico misurato dal sensore di campo magnetico;
- calcolare le derivate come proiezioni dei vettori di campo magnetico su un piano ortogonale al vettore gravitazionale;
- calcolare l’angolo di imbardata della capsula endoscopica 200 come arcoseno del rapporto tra il prodotto vettorial e il prodotto della norma dei vettori
In una possibile variante realizzativa, può inoltre essere previsto un carrello atto a movimentare i solenoidi 120 per seguire la movimentazione della capsula endoscopica 200 all’interno del corpo del paziente 10.
La descrizione di cui sopra di alcune forme realizzative specifiche è in grado di mostrare l’invenzione dal punto di vista concettuale in modo che altri, utilizzando la tecnica nota, potranno modificare e/o adattare in varie applicazioni tale forma realizzativa specifica senza ulteriori ricerche e senza allontanarsi dal concetto inventivo, e, quindi, si intende che tali adattamenti e modifiche saranno considerabili come equivalenti della forma realizzativa specifica. I mezzi e i materiali per realizzare le varie funzioni descritte potranno essere di varia natura senza per questo uscire dall’ambito dell’invenzione. Si intende che le espressioni o la terminologia utilizzate hanno scopo puramente descrittivo e per questo non limitativo.
Claims (11)
- RIVENDICAZIONI 1. Un sistema (100) per la localizzazione e la locomozione magnetica di un dispositivo medicale (200) all’interno del corpo di un paziente, detto sistema (100) comprendendo: - n ≥ 3 sorgenti esterne di campo magnetico (110,120) atte a generare n campi magnetici aventi rispettive frequenze f i diverse fra loro, con i = 1,… , n, dette sorgenti esterne di campo magnetico (110,120) avendo posizione nota rispetto ad un sistema di riferimento S; - un dispositivo medicale (200) atto ad essere introdotto all’interno del corpo di detto paziente, detto dispositivo medicale (200) comprendendo: - un sensore di campo magnetico atto a ad effettuare una misura delle componenti lungo tre assi ortogonali del vettore di campo magnetico generato da dette sorgenti esterne di campo magnetico (110,120); - un accelerometro atto ad effettuare una misura delle accelerazioni di detto dispositivo medicale (200); - un’unità di controllo atta ad effettuare una individuazione della posizione e dell’orientazione di detto dispositivo medicale (200) rispetto a detto sistema di riferimento S; detto sistema (100) essendo caratterizzato dal fatto che, per effettuare detta individuazione della posizione di detto dispositivo medicale (200), detta unità di controllo è atta a: - ricevere da detto sensore di campo magnetico detta misura delle componenti lungo tre assi ortogonali del vettore di campo magnetico generato da dette n sorgenti esterne di campo magnetico (110,120); - calcolare i singoli campi magnetici generati da dette sorgenti esterne di campo magnetico (110,120) per stimare le distanze d i, con i = 1,… , n, di detto dispositivo medicale (200) da dette n sorgenti esterne di campo magnetico (110,120); - effettuare una triangolazione di dette distanze stimate d i per individuare la posizione di detto dispositivo medicale (200) rispetto a detto sistema di riferimento S; e dal fatto che, per effettuare detta individuazione dell’orientazione di detto dispositivo medicale (200), detta unità di controllo è atta a: - ricevere da detto accelerometro detta misura delle accelerazioni di detto dispositivo medicale (200); - calcolare l’orientazione di detto dispositivo medicale (200) rispetto a detto sistema di riferimento S.
- 2. Il sistema (100) per la localizzazione e la locomozione magnetica di un dispositivo medicale (200), secondo la rivendicazione 1, in cui detto dispositivo medicale (200) è una capsula endoscopica (200) atta ad essere introdotta all’interno del tratto gastrointestinale di detto paziente.
- 3. Il sistema (100) per la localizzazione e la locomozione magnetica di un dispositivo medicale (200), secondo la rivendicazione 1, in cui detta capsula endoscopica (200) comprende inoltre un magnete permanente interno, atto a generare un campo magnetico statico, e in cui dette n ≥ 3 sorgenti esterne di campo magnetico comprendono almeno una sorgente locomotoria di campo magnetico atta ad interagire con detto campo magnetico statico generato da detto magnete permanente interno per movimentare detta capsula endoscopica (200).
- 4. Il sistema (100) per la localizzazione e la locomozione magnetica di un dispositivo medicale (200), secondo la rivendicazione 3, in cui detta sorgente locomotoria è un magnete permanente esterno (110) atto a generare un campo magnetico statico avente frequenza f1 = 0, e in cui dette sorgenti esterne di campo magnetico comprendono inoltre almeno due solenoidi (120), atti a generare campi elettromagnetici alternati aventi rispettive frequenze f2 ≠ f3 ≠ 0.
- 5. Il sistema (100) per la localizzazione e la locomozione magnetica di un dispositivo medicale (200), secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui è inoltre compreso un braccio robotico (105) atto a movimentare detta sorgente locomotoria di campo magnetico atta ad interagire con detto campo magnetico statico generato da detto magnete permanente interno per movimentare detto dispositivo medicale (200).
- 6. Il sistema (100) per la localizzazione e la locomozione magnetica di un dispositivo medicale (200), secondo la rivendicazione 1, in cui, per effettuare detta individuazione della posizione di detto dispositivo medicale (200), detta unità di controllo è inoltre atta a: - effettuare un’ottimizzazione di detta triangolazione, approssimando le linee dei campi magnetici misurati da detto sensore di campo magnetico secondo un modello matematico ellissoidale e/o un modello matematico sferoidale pesati in base alla derivata rispetto ai campi magnetici misurati; - definire una posizione di ottimo di detto dispositivo medicale (200) ponderata sulla base della stima dell’errore tra i campi magnetici misurati e quelli stimati secondo i modelli ellissoidale e/o sferoidale; - effettuare un’ottimizzazione della triangolazione seguendo il modello di campo magnetico.
- 7. Il sistema (100) per la localizzazione e la locomozione magnetica di un dispositivo medicale (200), secondo la rivendicazione 1, in cui, per effettuare detta individuazione dell’orientazione di detto dispositivo medicale (200), detta unità di controllo è atta a: - stimare gli angoli di rollio e di beccheggio di detto dispositivo medicale (200) sulla base di detta misura delle accelerazioni ricevuta da detto accelerometro; - stimare il vettore di campo magnetico B s generato da dette n sorgenti esterne di campo magnetico (110,120) calcolato considerando detta posizione di detto dispositivo medicale (200) rispetto a dette sorgenti esterne di campo magnetico (110,120); - definire il vettore di campo magnetico B m misurato da detto sensore di campo magnetico; - calcolare le derivate B S′ e B m′ come proiezioni dei vettori di campo magnetico B S e B m su un piano ortogonale al vettore gravitazionale; - calcolare l’angolo di imbardata di detto dispositivo medicale (200) come arcoseno del rapporto tra il prodotto vettoriale di B s′ e B m′ e il prodotto della norma dei vettori B s′ e B m′.
- 8. Il sistema (100) per la localizzazione e la locomozione magnetica di un dispositivo medicale (200), secondo la rivendicazione 2, in cui detta capsula endoscopica (200) comprende inoltre almeno un sensore ottico atto a fornire immagini video riguardo l’interno di detto tratto gastrointestinale.
- 9. Il sistema (100) per la localizzazione e la locomozione magnetica di un dispositivo medicale (200), secondo le rivendicazioni 5 e 8, in cui detta unità di controllo è atta a: - acquisire dette immagini video da detto sensore ottico; - combinare dette immagini video con le informazioni riguardo la posizione e l’orientazione di detta capsula endoscopica (200) per calcolare la posizione e l’orientamento di detta capsula endoscopica (200) rispetto a detto tratto gastrointestinale; - calcolare una direzione di avanzamento di detta capsula endoscopica (200) per raggiungere punti di interesse all’interno di detto tratto gastrointestinale; - movimentare detto braccio robotico (105) per movimentare detta capsula endoscopica (200) lungo detta direzione di avanzamento ottimizzando la forza magnetica tra detta sorgente locomotoria e detto magnete permanente interno.
- 10. Il sistema (100) per la localizzazione e la locomozione magnetica di una capsula endoscopica (200), secondo la rivendicazione 9, in cui detta unità di controllo è inoltre atta ad individuare autonomamente, sulla base di dette immagini video, detti punti di interesse all’interno di detto tratto gastrointestinale.
- 11. Il sistema (100) per la localizzazione e la locomozione magnetica di un dispositivo medicale (200), secondo la rivendicazione 9, in cui detta unità di controllo è inoltre atta a calcolare la velocità di avanzamento con cui detta capsula endoscopica (200) deve seguire detta direzione di avanzamento e a movimentare detto braccio robotico (105) per ottenere tale velocità di avanzamento di detta capsula endoscopica (200).
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| Publication number | Publication date |
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