WO2008138962A1 - Miniaturized device - Google Patents

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WO2008138962A1
WO2008138962A1 PCT/EP2008/055946 EP2008055946W WO2008138962A1 WO 2008138962 A1 WO2008138962 A1 WO 2008138962A1 EP 2008055946 W EP2008055946 W EP 2008055946W WO 2008138962 A1 WO2008138962 A1 WO 2008138962A1
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WO
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sensor
miniaturized device
miniaturized
designed
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PCT/EP2008/055946
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German (de)
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Inventor
Rainer Kuth
Horst Siebold
Rainer Graumann
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • A61B1/04Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor combined with photographic or television appliances
    • A61B1/041Capsule endoscopes for imaging
    • AHUMAN NECESSITIES
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    • A61B5/062Determining position of a probe within the body employing means separate from the probe, e.g. sensing internal probe position employing impedance electrodes on the surface of the body using magnetic field
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    • A61B5/065Determining position of the probe employing exclusively positioning means located on or in the probe, e.g. using position sensors arranged on the probe
    • A61B5/067Determining position of the probe employing exclusively positioning means located on or in the probe, e.g. using position sensors arranged on the probe using accelerometers or gyroscopes
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    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/07Endoradiosondes

Definitions

  • the invention relates to a miniaturized device.
  • Such a miniaturized device is e.g. As a technical endoscope (cavity viewing device) executed and allows, for example, the technical testing of difficult to access cavities or components in engines, machinery and vehicles and aircraft, equipment and structures, without having to perform elaborate disassembly or demolition.
  • a technical endoscope cavity viewing device
  • a miniaturized device which is designed as a medical endoscope.
  • the known endoscope is used to treat internal bleeding or to close open cuts in the body of a living organism and is equipped with a clip.
  • the clip has a pair of pliers which is mounted in a guide associated with the medical endoscope. To clamp the internal bleeding or to close the incision, the clip is moved out of the guide of the medical endoscope, wherein after activation of the clip, the tissue enclosed by the forceps clamped and the bleeding is stopped or the incisional wound is closed.
  • DE 100 12 560 A1 discloses a miniaturized device designed as a robotic endoscope for performing medical endoscopy.
  • the known robot endoscope has a plurality of segments which are interconnected via a flexible link connections.
  • a plurality of flexible linear drive elements which are mounted obliquely laterally in the circumferential direction around each segment with respect to the longitudinal axis of the robot endoscope and which are pneumatically or hydraulically pressure-driven, the robot endoscope is moved within a human or animal hollow organ.
  • a miniaturized medical device is known which is designed as a magnetically navigable endoscopy capsule (endorobot).
  • a bar magnet is arranged in the housing of the known endo-robot and interacts with defined magnetic fields from an external magnet coil system, which also includes a magnetic field control system, whereby the endorobot can be navigated in the cavity of a patient.
  • the magnetic force acting on the endorobot depends on the position of the magnetic dipole to the external magnetic field. Only if this is known, the magnetic force can be optimally dosed.
  • the endo-robot known from DE 101 42 253 C1 can not be held in a predetermined position with the aid of magnetic fields in a freely suspended manner.
  • the reason for this is that according to the Earnshaw Theorem (see Transactions of the Cambridge Philosophical Society, Vol. 7, 1842, pages 97 to 120) any such configuration is unstable in at least one direction. Free-floating is thus never stable, but requires constant stabilization and application of correction forces that can not be applied without knowing the position of the miniaturized medical device (endoscopy capsule, catheter).
  • EP 1 543 766 A1 a system for the in-vivo position determination of an endoscopy capsule is known, which can also be designed as a magnetically navigable endorobot.
  • this system the assignment of an image recording of a capsule-internal camera to the respective spatial position (location and orientation) of the endoscopy capsule or endo-robot during this image acquisition
  • the system according to EP 1 543 766 A1 comprises a magnetic field generator, which is located outside a body and generates a strongly varying alternating magnetic field in the region in which the endoscopy capsule or the endorobot and moves images (gradient field, Quadrupole field).
  • the frequency of this alternating magnetic field is of the order of a few kHz, so that this alternating field penetrates the human body almost without interference.
  • the endoscopy capsule or the endorobot is equipped with a sensor coil which is dimensioned such that the magnetic alternating field is detected by this sensor coil.
  • the sensor coil has five or six degrees of freedom, which are measured as a function of the spatially strongly varying alternating field.
  • the measurement defines the location and the orientation of the capsule-internal sensor coil in the alternating field and thus the position of the endoscopy capsule or the endo-robot relative to the body or relative to the surrounding space.
  • the unique relationship between the position (location and orientation) of the sensor coil and the anatomy of the patient is established by a conventional registration procedure.
  • the user selects anatomical landmarks (bones, organs) on the patient that are included in the anatomical images of different imaging modalities that support the measurement (for example computed tomography, C-arm,
  • Ultrasound, magnetic resonance imaging can also be identified.
  • An external navigation unit computationally links the signal of the capsule-internal sensor coil with the coordinate system defined by the registration.
  • the registration method on which this system is based is relatively complicated because of the necessary anatomical landmarks in the body of the patient.
  • the theoretical accuracy of the positioning of about 1 mm in a coordinate system defined by the registration is practically impossible to achieve. Practically, only an orienting accuracy (depending on the patient and examination area) of a few centimeters is given because there is a time-dependent deviation between the anatomy at the time of registration and the time of the current sensor coil measurement because of the always given organ movement.
  • DE 10 2005 032 577 A1 describes a method for determining the position of an endo-robot which can be navigated in a magnetic field which is generated by an external magnet system that can be controlled by a magnetic field control system.
  • the known method comprises the following method steps:
  • the RU 2 278 356 Cl provides an arrangement for determining angular positions of moving objects (submarines, ships, aircraft).
  • the known arrangement comprises a 3D magnetometer (magnetic field strength meter) with a magnetic sensor and four 3D accelerometers (accelerometers).
  • the position sensing system includes a sensor coil that detects the induced magnetic field generated by a magnetic induction coil.
  • the position detection system further comprises a control coil, by which the magnetization is controlled in an induction coil such that the magnetic field in the operating area from at least three different directions acts on the capsule endoscope.
  • WO 2006/064972 A1 discloses a position detection system for a capsule endoscope.
  • the position detecting system includes a magnetic induction coil, a control coil generating an alternating magnetic field, magnetic sensors, a frequency detection unit and a position analysis unit.
  • the capsular medical device comprises a main body insertable into a living body.
  • a coil (capsule coil) is arranged, which generates a resonant circuit.
  • coils control coils
  • the position detecting system includes a plurality of coils that detect the magnitude of an induced magnetic field generated in the capsule coil by the control coil.
  • the relationship between the eddy current phase of the first position signal and the eddy current phase of the second position signal is determined. This method can be used to improve the magnetic location in image-based medical applications, since the position determination determines the eddy current generated by the electrically conductive object.
  • a method for detecting errors in a magnetic position determination (location, orientation) of a probe in an external magnetic field includes a number of measured values of magnetic field intensity that depend on the location and orientation of a probe inserted in a human body.
  • the position (location, orientation) of the probe is determined from an extremum of an optimization function.
  • the optimization function depends on the differences between the measured magnetic field strength and the magnetic field strength determined from a model. If the determined difference lies within a preselected value range for which a disturbance of the magnetic field is defined, then this disturbance of the magnetic field is eliminated by appropriate measures.
  • the object of the present invention is to provide a miniaturized device whose probe can be exactly determined in its position.
  • the miniaturized device comprises a probe and a first sensor, which determines a first position information, and a second sensor, which determines a second position information, wherein the first sensor and the second sensor are independent of each other.
  • a position information can be determined by two independent sensors. From these two independently determined position information then the exact position of the probe can be determined.
  • the two independent sensors can be arranged spatially at different locations both within the miniaturized device and on the outside or in the outer wall of the miniaturized device, with sensors arranged within the miniaturized device being the preferred variant.
  • the miniaturized device can be, for example, a technical device, for example a technical endoscope, or a medical device, e.g. Endoscope, endoscopy capsule or endorobot, act.
  • An endoscopy capsule is passively, so transported by their ingestion solely because of peristalsis through the gastrointestinal tract.
  • an endorobot is a miniaturized medical device that can be actively navigated via an internal magnetic element by means of an external magnetic field.
  • the term "endorobot" is thus understood to mean a magnetic endoscopy capsule, which is also referred to as a magnetic capsule endoscope.
  • the first position information preferably comprises information about the location of the probe. de (eg in Cartesian coordinates) and the second position information preferably information about the solid angle of the probe (orientation in 3D space). With the location of the probe and the solid angle of the probe at this location, complete information about the position of the probe is available.
  • the first sensor and the second sensor can detect according to the same physical principle. Furthermore, the invention also includes embodiments in which the first sensor and the second sensor detect according to different physical principles.
  • the first sensor is designed as a 3D Hall sensor and the second sensor as a 3D gravity direction sensor.
  • the 3D Hall sensor measures the flux density of a basic magnetic field which is used to determine, with the known amplitude of the magnetic flux, the location of the probe (first position information) in a cavity (eg in a hollow organ of a mammal or in a cavity of a plant).
  • the 3D gravitational direction sensor measures the direction of gravity relative to an axis fixed to the probe (for example, the longitudinal, transverse or vertical axis), whereby the solid angle of the probe (second position information) can be determined.
  • the 3D gravitational direction sensor may in this case have various configurations.
  • the 3D gravity direction sensor may comprise at least one hollow sphere with a liquid which is freely movable and optically detectable therein and at least one optical detector for detecting the position of the optically detectable liquid. Furthermore, it is possible to execute the 3D gravity direction sensor as an acceleration sensor.
  • the 3D gravity direction sensor comprises at least one mechanical element in which a deformation occurs under the influence of gravity, which is detectable.
  • the 3D gravity direction sensor calculates its required information from data of an analytical model and / or determines its required information from a punctual detection of amplitude and flux density of a magnetic background field.
  • the first sensor is designed as a 3D Hall sensor and the second sensor as a gyroscope.
  • the arrangement of a gyroscope in a miniaturized medical device which is preferably designed as an endoscopy capsule or as an endo-robot, is known from DE 10 2005 031 652 A1.
  • the 3D Hall sensor first sensor
  • the gyroscope provides information about changes in the solid angle of the probe (second position information) in the miniaturized device. Due to the precise positioning of an endoscopy capsule, which is moved solely by the peristalsis, thereby movements in the stomach and intestine or missing movements in the gastrointestinal tract are reliably detected. Thus, for example, diarrhea, constipation, obstruction or obturation can be reliably detected.
  • the information recorded here by the gyroscope can be stored, for example, in at least one device-internal memory unit and / or via at least one device-internal memory unit. ne transmitting unit to a device external evaluation are transmitted.
  • the rotations or small translations detected by the gyroscope can additionally be used to record the absolute position in the gastrointestinal tract, making it even more precisely possible to correct the position if necessary.
  • the endorobot is to be kept free-floating in the external magnetic field without "wobbling", the constant stabilization which requires the application of correction forces can be performed much more accurately.
  • the information of the gyroscope are thus used to correct the position of the miniaturized medical device. This can be done either in the miniaturized medical device itself, if this has internal options (own drive) for the position correction. Alternatively, the position of the miniaturized medical device can be corrected externally, for example via an external magnetic field generated by a navigation magnet.
  • the position change be displayed by a suitable visual and / or acoustical signal. If the movement of the miniaturized medical device is initiated by an operator, then this can cause corresponding correction movements of the miniaturized medical device.
  • the preferably three-axis gyroscope can be embodied, for example, as a gyro gyroscope, as a CVG (Coriolis Vibratory Gyroscope) or as an optical gyroscope, for example a laser gyroscope.
  • a laser gyroscope a laser beam is split by a mirror arrangement into two sub-beams, both of which pass through a ring and are detected by a detector. As the system rotates, the path lengths of the two sub-beams change as far as the detector, which results in a phase shift of the two sub-beams relative to one another ("Sagnac effect"). From this phase shift, the rotational speed of the gyroscope and, in turn, the solid angle of the probe can be determined.
  • Such miniaturized gyroscopes can be realized, for example, as MEMS (microelectromechanical systems).
  • MEMS microelectromechanical systems
  • the SIGEM project is concerned with the production of gyroscopes on the surface of conventional CMOS chips.
  • the gyroscope functionality can be integrated into the already existing electronics (for example, for image processing).
  • the first sensor and the second sensor are each designed as a 3D Hall sensor, wherein the two independent 3D Hall sensors are spatially arranged at different locations of the miniaturized device.
  • the two 3D Hall sensors thereby also detect the 3D magnetic flux gradient from which the second position information is determined.
  • Endorobot 1 shows an embodiment of a magnetically navigable endoscopy capsule (magnetic capsule endoscope, endorobot) which is possible within the scope of the invention. records.
  • Endorobot 1 has a housing 2 made of biocompatible material resistant to digestive secretions occurring in the gastrointestinal tract.
  • the endorobot 1 further comprises a magnetic element 3, which is designed in the illustrated embodiment as perpendicular to the longitudinal axis of the housing 2 magnetized permanent magnet.
  • a magnetic element 3 which is designed in the illustrated embodiment as perpendicular to the longitudinal axis of the housing 2 magnetized permanent magnet.
  • magnetic flux densities of up to 100 mT are typical
  • the values of the flux density gradients are currently approximately a factor of 10 above the typical values for a magnetic resonance tomography system.
  • the endorobot 1 comprises a first sensor S1, which determines a first position information, and a second sensor S2, which determines a second position information.
  • the first sensor Sl and the second sensor S2 are independent of each other.
  • the first sensor Sl is designed as a 3D Hall sensor and the second sensor S2 as a 3D gravity direction sensor.
  • the SD Hall sensor S1 measures the flux density of a basic magnetic field which is used to determine, with the known amplitude of the magnetic flux, the location of the endo-robot 1 (first position information) in a hollow organ of a mammal.
  • the 3D gravity direction sensor S2 measures relative to an axis fixed with respect to the probe (for example Longitudinal, transverse or vertical axis) the direction of gravity, whereby the solid angle of the endorobot 1 (second position information) can be determined.
  • the 3D gravity direction sensor S2 comprises at least one mechanical element 4, in which under the influence of gravity occurs a deformation that is detectable.
  • the endorobot 1 shown in FIG. 1 further comprises a detector device 5 for acquiring medically relevant data.
  • the detector device 5 comprises an objective 6 with a CCD chip 7 located behind it. Images are absorbed by the objective 6 and the CCD chip 7 from the environment, that is to say from the inner wall of the human or animal hollow organ.
  • the endo robot 1 has a transparent dome 8 on its front side.
  • a CMOS component instead of the CCD chip 7, a CMOS component can also be used.
  • Sensor devices having a pH sensor, a pressure sensor or a sensor for detecting the electrolyte concentration may be present.
  • the medically relevant data detected by the sensor device 5 are stored in an in-capsule memory unit 9, optionally processed in an in-capsule processor unit 10 and if required via an RF transmitter / receiver 11 with an antenna 12 to a not shown in the drawing given external receiver.
  • the first position information of the first sensor S 1 and the second position information of the second sensor S 2 are also transmitted to the external receiver via the antenna 12
  • External information and control commands can also be given to the processor unit 10 arranged in the endoscopy capsule 1 via the antenna 12 and the RF transmitter / HF receiver 11.
  • the data exchange within the endorobot 1 and with external devices takes place via an I / O interface 13, which is assigned to the processor unit 10 in the exemplary embodiment shown.

Abstract

The invention relates to a miniaturized device (1) comprising a probe (5) and a first sensor (S1) which determines a first position information, and a second sensor (S2) which determines a second position information, the first sensor (S1) and the second sensor (S2) being independent from each other.

Description

Beschreibungdescription
Miniaturisiertes GerätMiniaturized device
Die Erfindung betrifft ein miniaturisiertes Gerät.The invention relates to a miniaturized device.
Ein derartiges miniaturisiertes Gerät ist z.B. als technisches Endoskop (Hohlraumbetrachtungsgerät) ausgeführt und ermöglicht beispielsweise die technische Prüfung von schwer zu- gänglichen Hohlräumen oder Bauteilen bei Motoren, Maschinen und Fahrzeugen sowie Flugzeugen, Anlagen und Bauwerken, ohne hierfür aufwändige Demontage- oder Abrissarbeiten ausführen zu müssen.Such a miniaturized device is e.g. As a technical endoscope (cavity viewing device) executed and allows, for example, the technical testing of difficult to access cavities or components in engines, machinery and vehicles and aircraft, equipment and structures, without having to perform elaborate disassembly or demolition.
In der US 2001/0049497 Al ist ein miniaturisiertes Gerät bekannt, das als medizinisches Endoskop ausgeführt ist. Das bekannte Endoskop dient zur Behandlung von inneren Blutungen oder zum Schließen von offenen Schnittwunden im Körperinneren eines Lebewesens und ist mit einem Clip ausgestattet. Der Clip weist endseitig eine Zange auf, die in einer dem medizinisches Endoskop zugeordneten Führung gelagert ist. Zum Verklemmen der inneren Blutung oder zum Schließen der Schnittwunde wird der Clip aus der Führung des medizinisches Endoskops heraus gefahren, wobei nach einer Aktivierung des Clips das von der Zange umfasste Gewebe verklemmt und die Blutung gestoppt oder die Schnittwunde geschlossen wird.In US 2001/0049497 Al a miniaturized device is known, which is designed as a medical endoscope. The known endoscope is used to treat internal bleeding or to close open cuts in the body of a living organism and is equipped with a clip. The clip has a pair of pliers which is mounted in a guide associated with the medical endoscope. To clamp the internal bleeding or to close the incision, the clip is moved out of the guide of the medical endoscope, wherein after activation of the clip, the tissue enclosed by the forceps clamped and the bleeding is stopped or the incisional wound is closed.
Weiterhin ist aus DE 100 12 560 Al ein als Roboterendoskop ausgebildetes miniaturisiertes Gerät zur Durchführung von me- dizinischen Endoskopien bekannt. Das bekannte Roboterendoskop weist mehrere Segmente auf, die über eine biegsame Gliederverbindungen miteinander verbunden sind. Durch eine Vielzahl von biegsamen linearen Vortriebselementen, die in Bezug auf die Längsachse des Roboterendoskops schräg seitlich in Um- fangsrichtung um jedes Segment herum angebracht sind und die pneumatisch oder hydraulisch druckangetrieben sind, wird das Roboterendoskop innerhalb eines menschlichen oder tierischen Hohlorgans bewegt. Aus der DE 101 42 253 Cl ist ein miniaturisiertes medizinisches Gerät bekannt, das als magnetisch navigierbare Endosko- piekapsel (Endoroboter) ausgebildet ist. Im Gehäuse des be- kannten Endoroboters ist ein Stabmagnet angeordnet, der von einem externen Magnetspulensystem, das auch ein Magnetfeld- Regelsystem umfasst, mit definierten Magnetfeldern wechselwirkt, wodurch der Endoroboter im Hohlraum eines Patienten navigierbar ist. Die auf den Endoroboter wirkende magnetische Kraft hängt ab von der Lage des magnetischen Dipols zum externen Magnetfeld. Nur wenn dieses bekannt ist, kann die magnetische Kraft optimal dosiert werden.Furthermore, DE 100 12 560 A1 discloses a miniaturized device designed as a robotic endoscope for performing medical endoscopy. The known robot endoscope has a plurality of segments which are interconnected via a flexible link connections. By means of a plurality of flexible linear drive elements, which are mounted obliquely laterally in the circumferential direction around each segment with respect to the longitudinal axis of the robot endoscope and which are pneumatically or hydraulically pressure-driven, the robot endoscope is moved within a human or animal hollow organ. From DE 101 42 253 Cl a miniaturized medical device is known which is designed as a magnetically navigable endoscopy capsule (endorobot). A bar magnet is arranged in the housing of the known endo-robot and interacts with defined magnetic fields from an external magnet coil system, which also includes a magnetic field control system, whereby the endorobot can be navigated in the cavity of a patient. The magnetic force acting on the endorobot depends on the position of the magnetic dipole to the external magnetic field. Only if this is known, the magnetic force can be optimally dosed.
Der aus der DE 101 42 253 Cl bekannte Endoroboter kann nicht mit Hilfe von Magnetfeldern frei schwebend an einem vorbestimmten Ort gehalten werden. Der Grund hierfür ist, dass nach dem Earnshaw Theorem (vergleiche "Transactions of the Cambridge Philosophical Society", Vol. 7, 1842, Seiten 97 bis 120) jede solche Konfiguration in mindestens einer Richtung instabil ist. Ein Freischweben ist damit niemals stabil, sondern erfordert eine ständige Stabilisierung und Anwendung von Korrekturkräften, die ohne Kenntnis der Position des miniaturisierten medizinischen Gerätes (Endoskopiekapsel, Katheter) nicht applizierbar sind.The endo-robot known from DE 101 42 253 C1 can not be held in a predetermined position with the aid of magnetic fields in a freely suspended manner. The reason for this is that according to the Earnshaw Theorem (see Transactions of the Cambridge Philosophical Society, Vol. 7, 1842, pages 97 to 120) any such configuration is unstable in at least one direction. Free-floating is thus never stable, but requires constant stabilization and application of correction forces that can not be applied without knowing the position of the miniaturized medical device (endoscopy capsule, catheter).
Das vorstehend beschriebene Problem stellt sich in besonderem Maße dann, wenn mit dem miniaturisierten medizinischen Gerät interventionelle Eingriffe vorgenommen werden sollen, beispielsweise Biopsien. Bei derartigen interventionellen Ein- griffen ist es erforderlich, das miniaturisierte medizinische Gerät sehr exakt an einer bestimmten Position zu halten, wozu auch feine Auslenkungen exakt erfasst werden müssen.The problem described above arises to a particular extent when interventional procedures are to be undertaken with the miniaturized medical device, for example biopsies. In such interventional interventions it is necessary to hold the miniaturized medical device very precisely at a certain position, for which also fine deflections have to be detected exactly.
In der EP 1 543 766 Al ist ein System zur In-Vivo-Positions- bestimmung einer Endoskopiekapsel bekannt, die auch als magnetisch navigierbarer Endoroboter ausgebildet sein kann. Bei diesem System ist die Zuordnung einer Bildaufnahme einer kapselinternen Kamera zur jeweiligen räumlichen Position (Ort und Orientierung) der Endoskopiekapsel bzw. des Endoroboters während dieser Bildaufnahme möglichIn EP 1 543 766 A1, a system for the in-vivo position determination of an endoscopy capsule is known, which can also be designed as a magnetically navigable endorobot. In this system, the assignment of an image recording of a capsule-internal camera to the respective spatial position (location and orientation) of the endoscopy capsule or endo-robot during this image acquisition
Das System gemäß der der EP 1 543 766 Al umfasst einen Mag- netfeldgenerator, der sich außerhalb eines Körpers befindet und in dem Bereich, in dem sich die Endoskopiekapsel bzw. der Endoroboter bewegt und Bilder aufnimmt, ein stark variierendes magnetisches Wechselfeld erzeugt (Gradientenfeld, Quadropolfeld) . Die Frequenz dieses magnetischen Wechselfeldes liegt in der Größenordnung von einigen kHz, so dass dieses Wechselfeld den menschlichen Körper nahezu störungsfrei durchdringt. Um die Endoskopiekapsel bzw. den Endoroboter dennoch für dieses Wechselfeld sensibel zu machen, ist die Endoskopiekapsel bzw. der Endoroboter mit einer Sensorspule ausgestattet, die so dimensioniert ist, dass das magnetische Wechselfeld von dieser Sensorspule erfasst wird. Die Sensorspule besitzt fünf oder sechs Freiheitsgrade, die in Abhängigkeit des räumlich stark variierenden Wechselfeldes gemessen werden. Die Messung definiert den Ort und die Orientie- rung der kapselinternen Sensorspule im Wechselfeld und damit die Position der Endoskopiekapsel bzw. des Endoroboters relativ zum Körper bzw. relativ zum umgebenden Raum.The system according to EP 1 543 766 A1 comprises a magnetic field generator, which is located outside a body and generates a strongly varying alternating magnetic field in the region in which the endoscopy capsule or the endorobot and moves images (gradient field, Quadrupole field). The frequency of this alternating magnetic field is of the order of a few kHz, so that this alternating field penetrates the human body almost without interference. In order to make the endoscopy capsule or the endorobot nevertheless sensitive to this alternating field, the endoscopy capsule or the endorobot is equipped with a sensor coil which is dimensioned such that the magnetic alternating field is detected by this sensor coil. The sensor coil has five or six degrees of freedom, which are measured as a function of the spatially strongly varying alternating field. The measurement defines the location and the orientation of the capsule-internal sensor coil in the alternating field and thus the position of the endoscopy capsule or the endo-robot relative to the body or relative to the surrounding space.
Die eindeutige Beziehung zwischen der Position (Ort und Ori- entierung) der Sensorspule und der Anatomie des Patienten wird durch ein konventionelles Registrierverfahren hergestellt. Dabei werden vom Anwender anatomische Landmarken (Knochen, Organe) am Patienten angewählt, die in den die Messung unterstützenden anatomischen Aufnahmen unterschiedlicher Bildgebungsmodalitäten (z.B. Computertomografie, C-Bogen,The unique relationship between the position (location and orientation) of the sensor coil and the anatomy of the patient is established by a conventional registration procedure. The user selects anatomical landmarks (bones, organs) on the patient that are included in the anatomical images of different imaging modalities that support the measurement (for example computed tomography, C-arm,
Ultraschall, Magnetresonanztomografie) ebenso identifiziert werden können. Eine externe Navigations-Einheit verknüpft rechnerisch das Signal der kapselinternen Sensorspule mit dem durch die Registrierung definierten Koordinatensystem. Das diesem System zugrunde liegende Registrierverfahren ist aufgrund der notwendigen anatomischen Landmarken im Körper des Patienten relativ aufwändig. Darüber hinaus kann die theoretische Genauigkeit der Positionsbestimmung von ca. 1 mm in einem durch die Registrierung definierten Koordinatensystem praktisch nicht erreicht werden. Praktisch ist nur eine orientierende Genauigkeit (je nach Patient und Untersuchungsbereich) von einigen Zentimetern gegeben, da wegen der stets gegebenen Organbewegung eine zeitabhängige Abweichung zwischen der Anatomie zum Zeitpunkt der Registrierung und zum Zeitpunkt der aktuellen Sensorspulenmessung besteht.Ultrasound, magnetic resonance imaging) can also be identified. An external navigation unit computationally links the signal of the capsule-internal sensor coil with the coordinate system defined by the registration. The registration method on which this system is based is relatively complicated because of the necessary anatomical landmarks in the body of the patient. In addition, the theoretical accuracy of the positioning of about 1 mm in a coordinate system defined by the registration is practically impossible to achieve. Practically, only an orienting accuracy (depending on the patient and examination area) of a few centimeters is given because there is a time-dependent deviation between the anatomy at the time of registration and the time of the current sensor coil measurement because of the always given organ movement.
Die DE 10 2005 032 577 Al beschreibt ein Verfahren zur Posi- tionsbestimmung eines Endoroboters, der in einem Magnetfeld navigierbar ist, das von einem externen, durch ein Magnetfeld-Regelsystem regelbaren Magnetsystem erzeugt wird. Das bekannte Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:DE 10 2005 032 577 A1 describes a method for determining the position of an endo-robot which can be navigated in a magnetic field which is generated by an external magnet system that can be controlled by a magnetic field control system. The known method comprises the following method steps:
1. Vorgabe eines Sollwertes für eine Bewegung des Endrobo- ters an das Magnetfeld-Regelsystem,1. specification of a desired value for a movement of the end robot to the magnetic field control system,
2. Aufnahme eines ersten Bildes von einem Zielgebiet vor der Bewegung des Endroboters,2. taking a first image of a target area before moving the end robot,
3. Einstellung des Magnetfeldes durch das Magnetfeld- Regelsystem, wodurch die Bewegung des Endroboters ent- sprechend dem Sollwert ausgeführt wird,3. adjustment of the magnetic field by the magnetic field control system, whereby the movement of the end robot is carried out according to the target value,
4. Aufnahme eines zweiten Bildes von dem Zielgebiet nach der Bewegung des Endroboters,4. taking a second image of the target area after the movement of the end robot,
5. Bestimmung eines Istwertes für die Bewegung des Endroboters aus dem ersten und dem zweiten Bild, 6. Ermittlung der Abweichung des Istwertes von einem durch das Magnetfeld-Regelsystem vorgebbaren Sollwert,5. determination of an actual value for the movement of the end robot from the first and the second image, 6. determination of the deviation of the actual value from a nominal value that can be predetermined by the magnetic field control system,
7. Rückmeldung der Abweichung an das Magnetfeld-Regelsystem,7. feedback of the deviation to the magnetic field control system,
8. Berechnung eines optimierten Magnetfeldes aus der Abweichung . Dieses Verfahren führt nur eine relative und damit nicht besonders genaue Positionsbestimmung für den Endoroboter aus zwei aufgenommenen Bildern durch, nämlich aus einem ersten Bild von einem Zielgebiet vor der Bewegung des Endoroboters und aus einem zweiten Bild von diesem Zielgebiet nach der Be- wegung des Endoroboters.8. Calculation of an optimized magnetic field from the deviation. This method performs only a relative and thus not very accurate position determination for Endoroboter from two recorded images, namely a first image of a target area before the movement of Endoroboters and a second image of this target area after the movement of Endoroboters.
Durch die RU 2 278 356 Cl ist eine Anordnung zur Bestimmung von Winkelpositionen bei beweglichen Objekten (U-Boote, schiffe, Flugzeuge) bekannt. Die bekannte Anordnung umfasst ein 3D-Magnetometer (Magnetfeldstärkenmessgerät) mit einem Magnetsensor sowie vier 3D-Accelerometer (Beschleunigungsmesser) .The RU 2 278 356 Cl provides an arrangement for determining angular positions of moving objects (submarines, ships, aircraft). The known arrangement comprises a 3D magnetometer (magnetic field strength meter) with a magnetic sensor and four 3D accelerometers (accelerometers).
In der US 5,237,753 und der DE 41 06 932 Al sind Sensoren bekannt, mit denen jeweils der aktuelle Winkel (Neigung) relativ zur Richtung der Schwerkraft gemessen werden kann.In US 5,237,753 and DE 41 06 932 Al sensors are known with which each of the current angle (inclination) can be measured relative to the direction of gravity.
Aus der WO 2005/120345 A2 ist ein Positionserfassungs-System für Kapselendoskope bekannt. Das Positionserfassungs-System umfasst eine Sensorspule, die das induzierte Magnetfeld de- tektiert, das von einer magnetischen Induktionsspule erzeugt wird. Das Positionserfassungs-System umfasst weiterhin eine Steuerspule, durch die die Magnetisierung bei einer Induktionsspule derart gesteuert wird, dass das Magnetfeld im Operationsbereich aus mindestens drei unterschiedlichen Richtungen auf das Kapselendoskop wirkt.From WO 2005/120345 A2 a position detection system for capsule endoscopes is known. The position sensing system includes a sensor coil that detects the induced magnetic field generated by a magnetic induction coil. The position detection system further comprises a control coil, by which the magnetization is controlled in an induction coil such that the magnetic field in the operating area from at least three different directions acts on the capsule endoscope.
In der WO 2006/064972 Al ist ein Positionserfassungs-System für ein Kapselendoskop offenbart. Das Positionserfassungs- System umfasst eine magnetische Induktionsspule, eine Steuerspule, die ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, sowie magnetische Sensoren, eine Einheit zur Frequenzerfassung und eine Einheit zur Positionsanalyse.WO 2006/064972 A1 discloses a position detection system for a capsule endoscope. The position detecting system includes a magnetic induction coil, a control coil generating an alternating magnetic field, magnetic sensors, a frequency detection unit and a position analysis unit.
Aus der EP 1 723 898 Al ist ein Positionserfassungs-System für eine kapseiförmige medizinische Vorrichtung bekannt. Die kapseiförmige medizinische Vorrichtung umfasst einen Haupt- körper, der in einen lebenden Körper einsetzbar ist. ImFrom EP 1 723 898 A1 a position detecting system for a capsular medical device is known. The capsular medical device comprises a main body insertable into a living body. in the
Hauptkörper ist eine Spule (Kapselspule) angeordnet, die einen Resonanzkreis erzeugt. Um den lebenden Körper herum sind Spulen (Steuerspulen) angeordnet, die ein magnetisches Wechselfeld erzeugen und ein Magnetfeld in die Kapselspule indu- zieren. Weiterhin umfasst das Positionserfassungs-System eine Vielzahl von Spulen, die die Stärke eines induzierten Magnetfeldes erfassen, das in der Kapselspule durch die Steuerspule erzeugt wird. In der US 2004/0207389 Al ist ein Verfahren zur Detektion und Kompensation von Wirbelströmen bekannt. Das Verfahren umfasst die Bestimmung einer ungestörten Phase für zumindest ein ers- tes und ein zweites Positionssignal, wobei unter anderem ein Verhältnis zwischen der Amplitude des ersten Positionssignals bei einer ersten Frequenz und der Amplitude des zweiten Positionssignals bei einer zweiten Frequenz ermittelt wird. Weiterhin wird bei diesem Verfahren das Verhältnis zwischen der Wirbelstrom-Phase des ersten Positionssignals und der Wirbelstrom-Phase des zweiten Positionssignals bestimmt. Durch dieses Verfahren kann die magnetische Ortung bei bildgestützten medizinischen Anwendungen verbessert werden, da bei der Positionsbestimmung der vom elektrisch leitfähigen Objekt erzeug- te Wirbelstrom berücksichtigt wird.Main body, a coil (capsule coil) is arranged, which generates a resonant circuit. Arranged around the living body are coils (control coils) which generate an alternating magnetic field and induce a magnetic field in the capsule coil. Further, the position detecting system includes a plurality of coils that detect the magnitude of an induced magnetic field generated in the capsule coil by the control coil. In US 2004/0207389 Al a method for the detection and compensation of eddy currents is known. The method comprises the determination of an undisturbed phase for at least one first and one second position signal, wherein inter alia a ratio between the amplitude of the first position signal at a first frequency and the amplitude of the second position signal at a second frequency is determined. Furthermore, in this method, the relationship between the eddy current phase of the first position signal and the eddy current phase of the second position signal is determined. This method can be used to improve the magnetic location in image-based medical applications, since the position determination determines the eddy current generated by the electrically conductive object.
Durch die US 6,553,326 Bl ist ein Verfahren zur Fehlererkennung bei einer magnetischen Positionsbestimmung (Ort, Orientierung) einer Sonde in einem externen Magnetfeld bekannt. Das Verfahren umfasst eine Anzahl von gemessenen Werten der magnetischen Feldstärke, die vom Ort und der Orientierung einer in einem menschlichen Körper eingeführten Sonde abhängig sind. Die Position (Ort, Orientierung) der Sonde wird bestimmt aus einem Extremum einer Optimierungsfunktion. Die Op- timierungsfunktion ist abhängig von den Differenzen zwischen der gemessenen magnetischen Feldstärke und der aus einem Modell ermittelten magnetischen Feldstärke. Liegt die ermittelte Differenz in einem vorgewählten Wertebereich, für den eine Störung des Magnetfeldes definiert ist, dann wird diese Stö- rung des Magnetfeldes durch entsprechende Maßnahmen beseitigt.By the US 6,553,326 Bl a method for detecting errors in a magnetic position determination (location, orientation) of a probe in an external magnetic field is known. The method includes a number of measured values of magnetic field intensity that depend on the location and orientation of a probe inserted in a human body. The position (location, orientation) of the probe is determined from an extremum of an optimization function. The optimization function depends on the differences between the measured magnetic field strength and the magnetic field strength determined from a model. If the determined difference lies within a preselected value range for which a disturbance of the magnetic field is defined, then this disturbance of the magnetic field is eliminated by appropriate measures.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein miniaturisiertes Gerät zu schaffen, dessen Sonde in ihrer Position exakt bestimmbar ist.The object of the present invention is to provide a miniaturized device whose probe can be exactly determined in its position.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein miniaturisiertes Gerät gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen .The object is achieved by a miniaturized device according to claim 1. Advantageous embodiments The invention are each the subject of further claims.
Das miniaturisierte Gerät nach Anspruch 1 umfasst eine Sonde und einen ersten Sensor, der eine erste Positionsinformation ermittelt, sowie einen zweiten Sensor, der eine zweite Positionsinformation ermittelt, wobei der erste Sensor und der zweite Sensor voneinander unabhängig sind.The miniaturized device according to claim 1 comprises a probe and a first sensor, which determines a first position information, and a second sensor, which determines a second position information, wherein the first sensor and the second sensor are independent of each other.
Bei dem miniaturisierten Gerät gemäß der Erfindung ist von zwei unabhängigen Sensoren jeweils eine Positionsinformation ermittelbar. Aus diesen beiden unabhängig voneinander ermittelten Positionsinformationen ist dann die genaue Position der Sonde bestimmbar.In the miniaturized device according to the invention, a position information can be determined by two independent sensors. From these two independently determined position information then the exact position of the probe can be determined.
Die beiden unabhängigen Sensoren können räumlich an verschiedenen Stellen sowohl innerhalb des miniaturisierten Gerätes als auch an der Außenseite oder in der Außenwand des miniaturisierten Gerätes angeordnet sein, wobei innerhalb des minia- turisierten Gerätes angeordnete Sensoren die bevorzugte Variante darstellt.The two independent sensors can be arranged spatially at different locations both within the miniaturized device and on the outside or in the outer wall of the miniaturized device, with sensors arranged within the miniaturized device being the preferred variant.
Im Rahmen der Erfindung kann es sich bei dem miniaturisierten Gerät beispielsweise um ein technisches Gerät, beispielsweise technisches Endoskop, oder um ein medizinisches Gerät, z.B. Endoskop, Endoskopiekapsel oder Endoroboter, handeln. Eine Endoskopiekapsel wird passiv, also nach ihrer Einnahme allein aufgrund der Peristaltik durch den Magen-Darm-Trakt befördert. Demgegenüber handelt es sich bei einem Endoroboter um ein miniaturisiertes medizinisches Gerät, das über ein internes Magnetelement mittels eines externen Magnetfeldes aktiv navigierbar ist. Bei der vorliegenden Erfindung ist somit unter dem Begriff "Endoroboter" eine magnetische Endoskopiekapsel zu verstehen, die auch als magnetisches Kapselendoskop bezeichnet wird.In the context of the invention, the miniaturized device can be, for example, a technical device, for example a technical endoscope, or a medical device, e.g. Endoscope, endoscopy capsule or endorobot, act. An endoscopy capsule is passively, so transported by their ingestion solely because of peristalsis through the gastrointestinal tract. By contrast, an endorobot is a miniaturized medical device that can be actively navigated via an internal magnetic element by means of an external magnetic field. In the present invention, the term "endorobot" is thus understood to mean a magnetic endoscopy capsule, which is also referred to as a magnetic capsule endoscope.
Bei dem miniaturisierten Gerät umfasst die erste Positionsinformation vorzugsweise eine Information über den Ort der Son- de (Angabe z.B. in kartesischen Koordinaten) und die zweite Positionsinformation vorzugsweise eine Information über den Raumwinkel der Sonde (Orientierung im 3D-Raum) . Mit dem Ort der Sonde und dem Raumwinkel der Sonde an diesem Ort liegt eine vollständige Information über die Position der Sonde vor .In the miniaturized device, the first position information preferably comprises information about the location of the probe. de (eg in Cartesian coordinates) and the second position information preferably information about the solid angle of the probe (orientation in 3D space). With the location of the probe and the solid angle of the probe at this location, complete information about the position of the probe is available.
Im Rahmen der Erfindung können der erste Sensor und der zweite Sensor nach demselben physikalischen Prinzip detektieren. Weiterhin umfasst die Erfindung auch Ausgestaltungen, bei denen der erste Sensor und der zweite Sensor nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipien detektieren.Within the scope of the invention, the first sensor and the second sensor can detect according to the same physical principle. Furthermore, the invention also includes embodiments in which the first sensor and the second sensor detect according to different physical principles.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des miniaturisierten Gerätes ist der erste Sensor als 3D-Hallsensor und der zweite Sensor als 3D-Gravitationsrichtungssensor ausgebildet.According to a preferred embodiment of the miniaturized device, the first sensor is designed as a 3D Hall sensor and the second sensor as a 3D gravity direction sensor.
Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen miniaturisierten Gerätes misst der 3D-Hallsensor (erster Sensor) die Flussdichte eines magnetischen Grundfeldes, das benutzt wird, um mit der bekannten Amplitude des magnetischen Flusses den Ort der Sonde (erste Positionsinformation) in einem Hohlraum (z.B. in einem Hohlorgan eines Säugetiers oder in einem Hohlraum einer Anlage) zu bestimmen. Der 3D-Gravitationsrich- tungssensor (zweiter Sensor) misst hierbei relativ zu einer bezüglich der Sonde feststehenden Achse (z.B. Längs-, Queroder Hochachse) die Richtung der Gravitation, wodurch der Raumwinkel der Sonde (zweite Positionsinformation) ermittelbar ist.In this embodiment of the miniaturized device according to the invention, the 3D Hall sensor (first sensor) measures the flux density of a basic magnetic field which is used to determine, with the known amplitude of the magnetic flux, the location of the probe (first position information) in a cavity (eg in a hollow organ of a mammal or in a cavity of a plant). The 3D gravitational direction sensor (second sensor) measures the direction of gravity relative to an axis fixed to the probe (for example, the longitudinal, transverse or vertical axis), whereby the solid angle of the probe (second position information) can be determined.
Der 3D-Gravitationsrichtungssensor kann hierbei verschiedene Ausgestaltungen aufweisen.The 3D gravitational direction sensor may in this case have various configurations.
So kann der 3D-Gravitationsrichtungssensor wenigstens eine Hohlkugel mit einer darin frei beweglichen und optisch detek- tierbaren Flüssigkeit und wenigstens einen optischen Detektor zur Erfassung der Lage der optisch detektierbaren Flüssigkeit umfassen . Weiterhin ist es möglich, den 3D-Gravitationsrichtungssensor als Beschleunigungssensor auszuführen.Thus, the 3D gravity direction sensor may comprise at least one hollow sphere with a liquid which is freely movable and optically detectable therein and at least one optical detector for detecting the position of the optically detectable liquid. Furthermore, it is possible to execute the 3D gravity direction sensor as an acceleration sensor.
Gemäß einer weiteren Variante umfasst der 3D-Gravitations- richtungssensor wenigstens ein mechanisches Element, bei dem unter dem Einfluss der Gravitation eine Verformung auftritt, die detektierbar ist.According to a further variant, the 3D gravity direction sensor comprises at least one mechanical element in which a deformation occurs under the influence of gravity, which is detectable.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung berechnet der 3D-Gravitationsrichtungssensor seine benötigten Informationen aus Daten eines analytischen Modells und/oder ermittelt seine benötigten Informationen aus einer punktuellen Erfassung von Amplitude und Flussdichte eines magnetischen Grundfeldes.According to a further advantageous embodiment, the 3D gravity direction sensor calculates its required information from data of an analytical model and / or determines its required information from a punctual detection of amplitude and flux density of a magnetic background field.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des miniaturisierten Gerätes ist der erste Sensor als 3D-Hallsensor und der zweite Sensor als Gyroskop ausgebildet. Die Anordnung eines Gyroskops in einem miniaturisierten medizinischen Gerät, das vorzugsweise als Endoskopiekapsel oder als Endoroboter ausgebildet ist, ist aus der DE 10 2005 031 652 Al bekannt. Hinsichtlich des 3D-Hallsensors (erster Sensor) wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen. Zusammen mit der Positionsinformation, die der 3D-Hallsensor liefert, kann damit die Position genau bestimmt werden.According to a further preferred embodiment of the miniaturized device, the first sensor is designed as a 3D Hall sensor and the second sensor as a gyroscope. The arrangement of a gyroscope in a miniaturized medical device, which is preferably designed as an endoscopy capsule or as an endo-robot, is known from DE 10 2005 031 652 A1. With regard to the 3D Hall sensor (first sensor), reference is made to the above statements. Together with the position information provided by the 3D Hall sensor, so that the position can be accurately determined.
Das Gyroskop liefert bei dem miniaturisierten Gerät Informationen über Änderungen des Raumwinkels der Sonde (zweite Positionsinformation) . Aufgrund der genauen Positionsbestimmung können bei einer Endoskopiekapsel, die ausschließlich durch die Peristaltik bewegt wird, dadurch Bewegungen im Magen und im Darm bzw. ausbleibende Bewegungen im Magen-Darm-Trakt zuverlässig erkannt werden. Damit sind zum Beispiel Diarrhö, Obstipation, Obstruktion oder Obturation zuverlässig detek- tierbar. Die vom Gyroskop hierbei erfassten Informationen können z.B. in wenigstens einer geräteinternen Speichereinheit abgespeichert und/oder über wenigstens eine geräteinter- ne Sendeeinheit an eine geräteexterne Auswerteeinheit übermittelt werden.The gyroscope provides information about changes in the solid angle of the probe (second position information) in the miniaturized device. Due to the precise positioning of an endoscopy capsule, which is moved solely by the peristalsis, thereby movements in the stomach and intestine or missing movements in the gastrointestinal tract are reliably detected. Thus, for example, diarrhea, constipation, obstruction or obturation can be reliably detected. The information recorded here by the gyroscope can be stored, for example, in at least one device-internal memory unit and / or via at least one device-internal memory unit. ne transmitting unit to a device external evaluation are transmitted.
Bei einem Endoroboter, der über ein externes Magnetfeld navi- gierbar ist, können durch die vom Gyroskop erfassten Rotationen oder kleinen Translationen zusätzlich die Erfassung der absoluten Position im Magen-Darm-Trakt dienen, wodurch eine möglicherweise erforderliche Lagekorrektur noch genauer durchführbar ist. Insbesondere wenn der Endoroboter im exter- nen Magnetfeld frei schwebend gehalten werden soll, ohne zu "wackeln", kann die ständige Stabilisierung, welche die Anwendung von Korrekturkräften erforderlich macht, wesentlich genauer durchgeführt werden.In the case of an endorobot that can be navigated via an external magnetic field, the rotations or small translations detected by the gyroscope can additionally be used to record the absolute position in the gastrointestinal tract, making it even more precisely possible to correct the position if necessary. In particular, if the endorobot is to be kept free-floating in the external magnetic field without "wobbling", the constant stabilization which requires the application of correction forces can be performed much more accurately.
Die Informationen des Gyroskops werden also genutzt, um die Lage des miniaturisierten medizinischen Gerätes zu korrigieren. Dies kann entweder im miniaturisierten medizinischen Gerät selbst erfolgen, wenn dieses über interne Möglichkeiten (eigener Antrieb) zur Lagekorrektur verfügt. Alternativ dazu kann die Lage des miniaturisierten medizinischen Gerätes extern, beispielsweise über ein externes Magnetfeld, das von einem Navigationsmagneten erzeugt wird, korrigiert werden.The information of the gyroscope are thus used to correct the position of the miniaturized medical device. This can be done either in the miniaturized medical device itself, if this has internal options (own drive) for the position correction. Alternatively, the position of the miniaturized medical device can be corrected externally, for example via an external magnetic field generated by a navigation magnet.
Unabhängig davon, ob die Bewegung des miniaturisierten medi- zinischen Gerätes durch die Peristaltik des Magen-Darm- Traktes (Endoskopiekapsel) oder durch eine manuelle Bewegung (Endoskop) oder durch einen geräteinternen Antrieb oder durch ein geräteexternes Magnetfeld (Endoroboter) erfolgt, kann die Positionsänderung durch ein geeignetes visuelles und/oder a- kustisches Signal angezeigt werden. Wird die Bewegung des miniaturisierten medizinischen Gerätes von einer Bedienperson veranlasst, dann kann diese entsprechende Korrekturbewegungen des miniaturisierten medizinischen Gerätes veranlassen.Regardless of whether the movement of the miniaturized medical device by the peristalsis of the gastrointestinal tract (endoscopy capsule) or by a manual movement (endoscope) or by a device-internal drive or by an external magnetic field (Endoroboter), the position change be displayed by a suitable visual and / or acoustical signal. If the movement of the miniaturized medical device is initiated by an operator, then this can cause corresponding correction movements of the miniaturized medical device.
Das vorzugsweise dreiachsige Gyroskop kann beispielsweise als Kreiselgyroskop, als CVG (Coriolis Vibratory Gyroscope) oder als optisches Gyroskop, z.B. Lasergyroskop, ausgeführt sein. Bei einem Lasergyroskop wird ein Laserstrahl über eine Spiegelanordnung in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, die beide einen Ring durchlaufen und von einem Detektor erfasst werden. Bei einer Rotation des Systems ändern sich die Weglängen der bei- den Teilstrahlen bis zum Detektor, wodurch es zu einer Phasenverschiebung der beiden Teilstrahlen relativ zueinander kommt ( "Sagnac-Effect" ) . Aus dieser Phasenverschiebung lässt sich die Rotationsgeschwindigkeit des Gyroskops und daraus wiederum der Raumwinkel der Sonde bestimmen.The preferably three-axis gyroscope can be embodied, for example, as a gyro gyroscope, as a CVG (Coriolis Vibratory Gyroscope) or as an optical gyroscope, for example a laser gyroscope. In a laser gyroscope, a laser beam is split by a mirror arrangement into two sub-beams, both of which pass through a ring and are detected by a detector. As the system rotates, the path lengths of the two sub-beams change as far as the detector, which results in a phase shift of the two sub-beams relative to one another ("Sagnac effect"). From this phase shift, the rotational speed of the gyroscope and, in turn, the solid angle of the probe can be determined.
Derartige miniaturisierte Gyroskope lassen sich beispielsweise als MEMS (Mikro-elektro-mechanische Systeme) realisieren. So befasst sich das SIGEM-Projekt mit der Herstellung von Gyroskopen auf der Oberfläche von konventionellen CMOS-Chips. Damit kann zukünftig die Gyroskop-Funktionalität in die ohnehin vorhandene Elektronik (z.B. für die Bildverarbeitung) integriert werden.Such miniaturized gyroscopes can be realized, for example, as MEMS (microelectromechanical systems). For example, the SIGEM project is concerned with the production of gyroscopes on the surface of conventional CMOS chips. In the future, the gyroscope functionality can be integrated into the already existing electronics (for example, for image processing).
Gemäß einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform des minia- turisierten Gerätes sind der erste Sensor und der zweite Sensor jeweils als 3D-Hallsensor ausgebildet, wobei die beiden voneinander unabhängigen 3D-Hallsensoren räumlich an verschiedenen Stellen des miniaturisierten Gerätes angeordnet sind. Die beiden 3D-Hallsensoren erfassen dadurch zusätzlich zum 3D-Magnetfluss (Flussdichte eines magnetischen Grundfeldes) , aus dem die erste Positionsinformation ermittelt wird, auch den 3D-Magnetflussgradienten, aus dem die zweite Positionsinformation ermittelt wird.According to a likewise preferred embodiment of the miniaturized device, the first sensor and the second sensor are each designed as a 3D Hall sensor, wherein the two independent 3D Hall sensors are spatially arranged at different locations of the miniaturized device. In addition to the 3D magnetic flux (flux density of a magnetic basic field) from which the first position information is determined, the two 3D Hall sensors thereby also detect the 3D magnetic flux gradient from which the second position information is determined.
Nachfolgend ist ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel eines miniaturisierten Gerätes gemäß der Erfindung in der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Die einzige Figur zeigt das miniaturisierte Gerät, das als Endoroboter ausgeführt ist, in einem Längsschnitt.Hereinafter, a schematically illustrated embodiment of a miniaturized device according to the invention is explained in more detail in the drawing, but without being limited thereto. The single figure shows the miniaturized device, which is designed as Endoroboter, in a longitudinal section.
In der Zeichnung ist mit 1 ein im Rahmen der Erfindung mögliches Ausführungsbeispiel einer magnetisch navigierbaren Endo- skopiekapsel (magnetisches Kapselendoskop, Endoroboter) be- zeichnet. Der Endoroboter 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das aus biokompatiblem Material gefertigt ist, welches gegen im Magen-Darm-Trakt auftretende Verdauungssekrete resistent ist.1 shows an embodiment of a magnetically navigable endoscopy capsule (magnetic capsule endoscope, endorobot) which is possible within the scope of the invention. records. Endorobot 1 has a housing 2 made of biocompatible material resistant to digestive secretions occurring in the gastrointestinal tract.
Der Endoroboter 1 umfasst weiterhin ein Magnetelement 3, das im dargestellten Ausführungsbeispiel als senkrecht zur Längsachse des Gehäuses 2 magnetisierter Permanentmagnet ausgeführt ist. Dadurch kann der Endoroboter 1 von außen durch ein Magnetfeld navigiert werden, das von in Figur 1 nicht darge- stellten externen Navigationsmagneten erzeugt wird. Bei diesem Magnetfeld handelt es sich üblicherweise um ein in einem Untersuchungsbereich erzeugtes 6D-Grund- und Gradientenfeld.The endorobot 1 further comprises a magnetic element 3, which is designed in the illustrated embodiment as perpendicular to the longitudinal axis of the housing 2 magnetized permanent magnet. As a result, the endorobot 1 can be navigated from the outside through a magnetic field, which is generated by external navigation magnets (not shown in FIG. 1). This magnetic field is usually a 6D base and gradient field generated in an examination area.
Zur magnetischen Navigation eines Endoroboters sind typi- scherweise magnetische Flussdichten von bis zu 100 mT sowieFor magnetic navigation of an endo- robot, magnetic flux densities of up to 100 mT are typical
Magnetfeldgradienten von bis zu 400 itιT/m notwendig. Die Werte der Flussdichtegradienten liegen derzeit ungefähr um einen Faktor 10 über den typischen Werten für eine Magnetresonanz- tomografieanlage .Magnetic field gradient of up to 400 itιT / m necessary. The values of the flux density gradients are currently approximately a factor of 10 above the typical values for a magnetic resonance tomography system.
Der Endoroboter 1 umfasst erfindungsgemäß einen ersten Sensor Sl, der eine erste Positionsinformation ermittelt, und einen zweiten Sensor S2, der eine zweite Positionsinformation ermittelt. Der erste Sensor Sl und der zweite Sensor S2 sind voneinander unabhängig.The endorobot 1 according to the invention comprises a first sensor S1, which determines a first position information, and a second sensor S2, which determines a second position information. The first sensor Sl and the second sensor S2 are independent of each other.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der der erste Sensor Sl als 3D-Hallsensor und der zweite Sensor S2 als 3D- Gravitationsrichtungssensor ausgebildet .In the illustrated embodiment, the first sensor Sl is designed as a 3D Hall sensor and the second sensor S2 as a 3D gravity direction sensor.
Bei dieser Ausführungsform des Endoroboters 1 misst der SD- Hallsensor Sl die Flussdichte eines magnetischen Grundfeldes, das benutzt wird, um mit der bekannten Amplitude des magnetischen Flusses den Ort des Endoroboters 1 (erste Positionsin- formation) in einem Hohlorgan eines Säugetiers zu bestimmen.In this embodiment of the endo-robot 1, the SD Hall sensor S1 measures the flux density of a basic magnetic field which is used to determine, with the known amplitude of the magnetic flux, the location of the endo-robot 1 (first position information) in a hollow organ of a mammal.
Der 3D-Gravitationsrichtungssensor S2 misst relativ zu einer bezüglich der Sonde feststehenden Achse (beispielsweise Längs-, Quer- oder Hochachse) die Richtung der Gravitation, wodurch der Raumwinkel des Endoroboters 1 (zweite Positionsinformation) ermittelbar ist.The 3D gravity direction sensor S2 measures relative to an axis fixed with respect to the probe (for example Longitudinal, transverse or vertical axis) the direction of gravity, whereby the solid angle of the endorobot 1 (second position information) can be determined.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der 3D-Gravi- tationsrichtungssensor S2 wenigstens ein mechanisches Element 4, bei dem unter dem Einfluss der Gravitation eine Verformung auftritt, die detektierbar ist.In the illustrated embodiment, the 3D gravity direction sensor S2 comprises at least one mechanical element 4, in which under the influence of gravity occurs a deformation that is detectable.
Der in Figur 1 dargestellte Endoroboter 1 umfasst weiterhin eine Detektoreinrichtung 5 zur Erfassung medizinisch relevanter Daten. Die Detektoreinrichtung 5 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Objektiv 6 mit einem dahinter liegenden CCD-Chip 7. Durch das Objektiv 6 und den CCD-Chip 7 wer- den Bilder von der Umgebung, also von der Innenwand des menschlichen oder tierischen Hohlorgans aufgenommen. Der Endoroboter 1 weist hierzu an seiner Frontseite einen transparenten Dom 8 auf. Im Rahmen der Erfindung kann anstelle des CCD-Chips 7 auch ein CMOS-Bauteil verwendet werden.The endorobot 1 shown in FIG. 1 further comprises a detector device 5 for acquiring medically relevant data. In the exemplary embodiment shown, the detector device 5 comprises an objective 6 with a CCD chip 7 located behind it. Images are absorbed by the objective 6 and the CCD chip 7 from the environment, that is to say from the inner wall of the human or animal hollow organ. For this purpose, the endo robot 1 has a transparent dome 8 on its front side. Within the scope of the invention, instead of the CCD chip 7, a CMOS component can also be used.
Im Rahmen der Erfindung können alternativ oder zusätzlich auch andere Sensoreinrichtungen, so z.B. Sensoreinrichtungen, die einen pH-Sensor, einen Drucksensor oder einen Sensor zur Erfassung der Elektrolyt-Konzentration aufweisen, vorhanden sein.Within the scope of the invention, alternatively or additionally, other sensor devices, e.g. Sensor devices having a pH sensor, a pressure sensor or a sensor for detecting the electrolyte concentration may be present.
Die von der Sensoreinrichtung 5 detektierten medizinisch relevanten Daten werden in einer kapselinternen Speichereinheit 9 gespeichert, gegebenenfalls in einer kapselinternen Prozes- soreinheit 10 verarbeitet und bei Bedarf über einen HF- Sender/HF-Empfänger 11 mit einer Antenne 12 an einen in der Zeichnung nicht dargestellten externen Empfänger gegeben.The medically relevant data detected by the sensor device 5 are stored in an in-capsule memory unit 9, optionally processed in an in-capsule processor unit 10 and if required via an RF transmitter / receiver 11 with an antenna 12 to a not shown in the drawing given external receiver.
Bei der gezeigten Ausführungsform werden über die Antenne 12 auch die erste Positionsinformation des ersten Sensors Sl sowie die zweite Positionsinformation des zweiten Sensors S2 an den externen Empfänger gegeben Über die Antenne 12 und die HF-Sender/HF-Empfänger 11 können auch externe Informationen und Steuerbefehle an die in der Endoskopiekapsel 1 angeordnete Prozessoreinheit 10 gegeben werden .In the embodiment shown, the first position information of the first sensor S 1 and the second position information of the second sensor S 2 are also transmitted to the external receiver via the antenna 12 External information and control commands can also be given to the processor unit 10 arranged in the endoscopy capsule 1 via the antenna 12 and the RF transmitter / HF receiver 11.
Der Datenaustausch innerhalb des Endoroboters 1 und mit externen Geräten (externe Speichereinheit, externe Steuereinrichtung) erfolgt über eine I/O-Schnittstelle 13, die im dargestellten Ausführungsbeispiel der Prozessoreinheit 10 zuge- ordnet ist. The data exchange within the endorobot 1 and with external devices (external memory unit, external control device) takes place via an I / O interface 13, which is assigned to the processor unit 10 in the exemplary embodiment shown.

Claims

Patentansprüche claims
1. Miniaturisiertes Gerät (1) mit einer Sonde (5) und mit einem ersten Sensor (Sl), der eine erste Positionsinformation ermittelt, und mit einem zweiten Sensor (S2), der eine zweite Positionsinformation ermittelt, wobei der erste Sensor (Sl) und der zweite Sensor (S2) voneinander unabhängig sind.1. Miniaturized device (1) with a probe (5) and with a first sensor (S1), which determines a first position information, and with a second sensor (S2), which determines a second position information, wherein the first sensor (S1) and the second sensor (S2) are independent of each other.
2. Miniaturisiertes Gerät (1) nach Anspruch 1, wobei die ers- te Positionsinformation eine Information über den Ort der2. Miniaturized device (1) according to claim 1, wherein the first position information information about the location of
Sonde und die zweite Positionsinformation eine Information über den Raumwinkel der Sonde (5) umfasst.Probe and the second position information comprises information about the solid angle of the probe (5).
3. Miniaturisiertes Gerät (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Sensor (Sl) und der zweite Sensor (S2) nach demselben physikalischen Prinzip detektieren.3. Miniaturized device (1) according to claim 1 or 2, wherein the first sensor (S1) and the second sensor (S2) detect according to the same physical principle.
4. Miniaturisiertes Gerät (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Sensor (1) und der zweite Sensor (S2) nach unter- schiedlichen physikalischen Prinzipien detektieren.4. Miniaturized device (1) according to claim 1 or 2, wherein the first sensor (1) and the second sensor (S2) detect according to different physical principles.
5. Miniaturisiertes Gerät (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Sensor (Sl) als 3D-Hallsensor und der zweite Sensor5. Miniaturized device (1) according to claim 1 or 2, wherein the first sensor (Sl) as a 3D Hall sensor and the second sensor
(S2) als 3D-Gravitationsrichtungssensor ausgebildet ist.(S2) is designed as a 3D gravitational direction sensor.
6. Miniaturisiertes Gerät (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Sensor als 3D-Hallsensor und der zweite Sensor als Gyroskop ausgebildet ist.6. Miniaturized device (1) according to claim 1 or 2, wherein the first sensor is designed as a 3D Hall sensor and the second sensor as a gyroscope.
7. Miniaturisiertes Gerät (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Sensor als 3D-Hallsensor und der zweite Sensor als 3D-Hallsensor ausgebildet sind.7. Miniaturized device (1) according to claim 1 or 2, wherein the first sensor is designed as a 3D Hall sensor and the second sensor as a 3D Hall sensor.
8. Miniaturisiertes Gerät (1) nach Anspruch 5, wobei der 3D- Gravitationsrichtungssensor wenigstens eine Hohlkugel mit einer darin frei beweglichen und optisch detektierbaren Flüssigkeit und wenigstens einen optischen Detektor zur Erfassung der Lage der optisch detektierbaren Flüssigkeit umfasst. 8. miniaturized device (1) according to claim 5, wherein the 3D gravity direction sensor comprises at least one hollow sphere with a freely movable and optically detectable liquid therein and at least one optical detector for detecting the position of the optically detectable liquid.
9. Miniaturisiertes Gerät (1) nach Anspruch 5, wobei der 3D- Gravitationsrichtungssensor als Beschleunigungssensor ausgebildet ist.9. miniaturized device (1) according to claim 5, wherein the 3D gravity direction sensor is designed as an acceleration sensor.
10. Miniaturisiertes Gerät (1) nach Anspruch 5, wobei der 3D- Gravitationsrichtungssensor (S2) wenigstens ein mechanisches Element (4) umfasst, das unter dem Einfluss der Gravitation verformbar ist, wobei die auftretende Verformung detektierbar ist.10. Miniaturized device (1) according to claim 5, wherein the 3D gravity direction sensor (S2) comprises at least one mechanical element (4) which is deformable under the influence of gravity, wherein the deformation occurring is detectable.
11. Miniaturisiertes Gerät (1) nach Anspruch 5, 6 oder 7, wobei der zweite Sensor seine benötigten Positionsinformationen zumindest teilweise aus einem analytischen Modell berechnet und/oder aus einer punktuellen Erfassung von Amplitude und Flussdichte eines magnetischen Grundfeldes ermittelt.11. Miniaturized device (1) according to claim 5, 6 or 7, wherein the second sensor calculates its required position information at least partially from an analytical model and / or determined from a punctual detection of amplitude and flux density of a magnetic background field.
12. Miniaturisiertes Gerät (1) nach Anspruch 1, das als medizinisches Gerät ausgebildet ist.12. Miniaturized device (1) according to claim 1, which is designed as a medical device.
13. Miniaturisiertes Gerät (1) nach Anspruch 12, das als En- doskopiekapsel ausgebildet ist.13. Miniaturized device (1) according to claim 12, which is designed as Endoscopy capsule.
14. Miniaturisiertes Gerät (1) nach Anspruch 12, das als En- doroboter ausgebildet ist. 14. Miniaturized device (1) according to claim 12, which is designed as a doroboter.
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