DE10142253C1 - Endoroboter - Google Patents

Endoroboter

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Abstract

Vorrichtung zur Durchführung minimalinvasiver Diagnosen und Eingriffe im Körperinneren eines Patienten mit einem vorzugsweise Messinstrumente und/oder Probeentnahme- und/oder Behandlungsinstrumente tragenden Trägerkopf, wobei ein den Untersuchungsbereich des Patienten aufnehmendes Magnetsystem (11) zur Erzeugung eines 3-D-Gradientenfeldes zur ferngesteuerten Bewegung und Orientierung des mit einem Linearmagneten (3) versehenen und als frei beweglicher Endoroboter (1) ausgebildeten Trägerkopfes im Körper...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Durchfüh­ rung minimalinvasiver Diagnosen und Eingriffe im Körperinne­ ren eines Patienten mit einem Trägerkopf.
Bislang werden derartige minimalinvasive Diagnosen und Ein­ griffe im Körperinneren mithilfe von starren oder biegsamen Endoskopen, Laparoskopen oder Kathetern durchgeführt. Diese Techniken sind gekennzeichnet dadurch, dass die zur Navigati­ on des Trägerkopf im Körper erforderlichen Kräfte durch die Hand des Chirurgen von außen ausgeübt werden. Diese Technik stößt unter anderem für Anwendungen im Dünndarm, welcher beim Erwachsenen 7 bis 11 Meter lang ist, an Machbarkeitsgrenzen.
Nur eine geringe Verbesserung bringt in diesem Zusammenhang ein in der WO 00/60996 beschriebenes Verfahren, bei dem die Spitze eines Katheders durch ein äußeres Magnetfeld an Kreu­ zungen der Gefäße oder Öffnungen in die jeweils gewünschte Richtung abgelenkt wird. Auch in diesem Fall hat man ja nach wie vor den langen Anhang und das Problem der Kraftaufwendung zur Navigierung von Hand. Wenn in diesem Fall viele Bögen und Abzweigungen durchfahren werden müssen, ergibt sich letztend­ lich eine so hohe Reibung, dass ein Verschieben über größere Strecken überhaupt nicht mehr möglich ist.
Aus der DE 100 28 078 A1 ist ein vollständig schluckbares En­ doskop bekannt, das zwei biegsame und ein flexibles Teil auf­ weist. Mittels einer externen Steuereinrichtung werden über elektromagnetische Signale in den Teilen liegende Antriebs­ drähte erhitzt, worauf sich diese verbiegen. Die Teile können so einer Krümmung der Körperhöhle folgen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass der Trägerkopf ohne feste Verbindung nach außen im Körperinneren frei navigierbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gekennzeichnet durch ein den Untersuchungsbereich des Patienten aufnehmendes Magnetsystem zur Erzeugung eines 3D-Gradientenfeldes zur ferngesteuerten Bewegung und Orientierung des mit einem Linearmagneten verse­ henen, und als frei beweglicher Endoroboter ausgebildeten Trägerkopfes im Körper.
Derartige Feldgeneratoren zur Erzeugung eines 3D-Gradienten­ feldes sind aus der MR-Technologie bekannt. Der Endoroboter enthält einen Stabmagneten oder eine ansteuerbare angenähert lineare Spule, sodass durch Wechselwirkung mit dem Gradien­ tenfeld eine lineare Kraft und ein Drehmoment erzeugt werden kann, solange Stabmagnet und Gradientenfeld nicht kollinear sind. Die Steilheit des Gradienten bestimmt außer dem Drehmo­ ment die Translationskraft in Magnet- oder Spulenachse.
Dabei hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, dass das Magnetsystem ein statisches Grundfeld zur Kompensation der Gravitationskraft auf den Endoroboter umfasst, vorzugsweise unter Verwendung eines supraleitenden, insbesondere eines aus einem Hochtemperatursupraleiter bestehenden, Grundfeldmagne­ ten. Diese Kompensation der Gravitation auf den Endoroboter ermöglicht es, diesen frei schwebend im entsprechenden Kör­ perkanal (Darm, Blutgefäß oder dergleichen) zu bewegen, so­ dass er sich weder verhaken kann, noch die etwaigen vorste­ henden Instrumente oder Werkzeuge zu einer Beschädigung im Körper führen können.
Dabei hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, dass das statische Grundfeld zur Kompensation von Gewichtsänderungen des Endoroboters beim Be- und Entladen steuerbar ist. Ein solches Be- und Entladen kann beispielsweise bei einer Ent­ nahme von Proben durch eine im Endoroboter eingebaute Biopsieeinrichtung oder bei der Abgabe von Medika­ menten erfolgen, wobei solche Medikamente mithilfe des erfin­ dungsgemäßen Endoroboters gezielt an bestimmten Stellen, bei­ spielsweise Tumoren, freigesetzt werden können.
Da das Homogenitätsvolumen des Magnetsystems meist sehr klein ist, kann zum Ausgleich in weiterer Ausgestaltung der Erfin­ dung vorgesehen sein, dass der Patient und das Magnetsystem relativ zueinander bewegbar sind, insbesondere der Patient auf einer im Magnetsystem verstellbaren Patientenliege ange­ ordnet ist. Auf diese Art und Weise kann bei fortschreitender Bewegung des Endoroboters im Körper durch eine Verschiebung des Patienten dafür gesorgt werden, dass die jeweilige Posi­ tion des Endoroboters möglichst in der Mitte des Homogeni­ tätsvolumens liegt.
Vorteilhaft wird der Endoroboter navigiert mittels eines Krafteingabegeräts, z. B. einer sogenannten 6D Maus. Dabei kann die Gradientenrichtung, welche der Superposition der drei Einzelsysteme entspricht, durch Neigen nach vorne/hinten und rechts/links sowie durch Drücken oder Heben bestimmt wer­ den und die Amplitude durch Drehen des Eingabehebels. Vor­ teilhaft ist, wenn die Kräfte auf das Eingabegerät der Kraft auf das Instrument entsprechen oder proportional sind.
In Ausgestaltung der Erfindung kann dabei weiter vorgesehen sein, dass der Endoroboter eine Beleuchtungsvorrichtung zur Umfeldausleuchtung aufweist, wobei diese Beleuchtungsvorrich­ tung bei Verwendung von Infrarot LEDs sehr hell sein kann, aber in diesem Fall nur einen schwarzweiß Empfang mithilfe einer, vorzugsweise ebenfalls im Endoroboter eingebauten, Vi­ deokamera ermöglicht. Um auch Farbbilder zu erhalten, können Hochleistungs LEDs in drei Farben oder auch Mikroleuchtstoff­ lampen verwendet werden, wobei diese allerdings den Nachteil hoher Zündspannungen haben.
Die Bilder der bereits angesprochenen Videokamera sollen per Funk au.s dem Körperinneren auf einen Monitor übertragen wer­ den, wobei die Videokamera vorteilhafterweise mit einer Ein­ richtung ausgestattet ist, welche das Drehen des Bildes um die zentrale Achse ermöglicht.
Gemäß einem weiteren Vorteil der Erfindung kann der Endorobo­ ter mit einer Lokalisierungseinrichtung versehen sein, die insbesondere über Transponder arbeitet, um eine Positionsdar­ stellung auf einem die anatomische Umgebung darstellenden Bildschirm zu ermöglichen. Die anatomische Umgebung kann da­ bei z. B. in Schnittbildern dargestellt sein, wie sie bei kommerziellen Navigationssystemen bekannt ist.
Vorteilhaft hat der Endoroboter einen Helicoptermode, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass das Gradientenfeld mittels Erfassung durch die Transponder so geregelt wird, dass der Endoroboter still steht, oder linear eine vorgegebene Strecke bewegt werden kann.
Vorteilhafterweise kann ein eingebauter, über ein äußeres Wechselfeld nachladbarer Akku zur Stromversorgung des Endoro­ boters vorgesehen sein.
Der erfindungsgemäße Endoroboter kann auch ohne jegliche zu­ sätzlichen Messinstrumente, Probeentnahme- und Behandlungsin­ strumente, beispielsweise zum Öffnen von verstopften Kanälen, beispielsweise Blutgefäßen, eingesetzt werden. Seine eigent­ liche vorteilhafte und vielseitige Einsetzbarkeit erhält er jedoch erst durch den Einbau von Werkzeugarmen mit Messern, Zangen, Schlingen oder dergleichen, sowie von Messfühlern mit Sensoren für Temperatur, elektrische Leitfähigkeit, PH-Wert, Druck sowie gegebenenfalls auch chemischen Sensoren.
Neben dem bereits angesprochenen Einbau einer Biopsieeinrich­ tung sowie von Einrichtungen zur gezielten Medikamentenabga­ be, kann der Endoroboter auch vorteilhaft mit einem Interven­ tionslaser versehen werden.
Ein erfindungsgemäßer Endoroboter kann über eine Schleuse ins Körperinnere (Gehirn, Bauchhöhle, Lunge oder dergleichen) eingebracht werden, wie es aus der Laparoskopie bekannt ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh­ rungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Wiedergabe des Aufbaus eines er­ findungsgemäßen Endoroboters und
Fig. 2 eine schematische Wiedergabe der Gesamtanlage mit dem Magnetsystem und den Steuerungseinrichtungen zur Steuerung des Endoroboters im Körper eines Pa­ tienten.
Der in Fig. 1 gezeigte Endoroboter 1 weist ein ellipsoidför­ miges Gehäuse auf, in dem kollinear zur Hauptachse 2 ein Stabmagnet 3 angeordnet ist. Eine aus einer Linse 4 und einem CD-Sensor 5 bestehende Videokamera 6 nimmt Bilder auf, die mittels eines HF-Senders 7 und die Antenne 8 nach außen über­ tragen werden. Über Funk, also über die gleiche Antenne 8, kann auch eine Ansteuerung unterschiedlicher Messinstrumente, Probenentnahmeinstrumente oder Behandlungsinstrumente erfol­ gen, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel in Fig. 1 ledig­ lich eine Biopsiepistole 9 als Ausführungsbeispiel gezeigt ist.
Bezugnehmend auf Fig. 2 erkennt man die Art der Steuerung eines erfindungsgemäßen Endoroboters in einer Anlage. Dabei liegt der Patient 10 in einer Gradientenspule 11, die hier nur im Schnitt dargestellt ist und die von kommerziellen MR- Scannern bekannt ist. Der zu untersuchende Bereich des Kör­ pers, also der Bereich, in dem sich der Endoroboter gemäß Fig. 1 bewegen soll, befindet sich im Linearitätsvolumen der Gradientenspule 11. Antennen 12 nehmen Signale des/der Trans­ ponders auf und leiten sie an die Ortsmesseinrichtung 13 wei­ ter. Diese gibt den 3D-Ort zyklisch oder bei Änderungen ge­ genüber vorherigen Werten an den zentralen Rechner 14 weiter, der auf dem Monitor 15 Schnittbilder eines 3D-datensatzes in jeweils axialer, koronarer und sagittaler Ebene darstellt.
Mittels einer weiteren Antenne 16 werden per Funk Bilder der Videokamera empfangen und ebenfalls auf dem Monitor 15 darge­ stellt. Bei 17 erkennt man einen 3-kanaligen Gradientenver­ stärker zur Ansteuerung der Gradientenspulen über den zentra­ len Rechner 6. Nicht dargestellt ist die Art der, bevorzugt als 6D Maus ausgebildeten, Eingabevorrichtung, sowie der Grundfeldmagnet zur Kompensation der Gravitationswirkung auf den Endoroboter.
Der Endoroboter 1 ist bevorzugt so ausgebildet, dass er ste­ rilisierfähig ist, wobei je nach Art des Aufbaus und der Mög­ lichkeit der sicheren Abdichtung des Inneren des Endoroboters unterschiedliche Sterilisierverfahren zu Einsatz kommen kön­ nen. Das optimale Autoklavieren bei 132°C und einigen bar Druck geht bei Vorhandensein mehrerer innerer Hohlräume und insbesondere dann, wenn auch noch Dichtungen nach außen be­ stehen, meist nicht. Bei einem wasserdichten Gehäuse könnte ein druckloses Reinigen, aber auch ein Plasmasterilisieren oder Kaltgassterilisieren stattfinden.
Bei Vorsehen eines außen am Körper, beispielsweise an einem Gürtel, befestigten Magneten kann der Endoroboter 1 im Körper "geparkt" werden, sodass der Patient - nachdem der HTS-Magnet mittels einer Flusspumpe heruntergerampt worden ist - das Magnetsystem verlassen kann, um nach einer vorgegebenen Zeit­ dauer, beispielsweise auch erst am nächsten Tag, eine weitere Untersuchung mithilfe des noch im Körper befindlichen Endoro­ boters durchzuführen.

Claims (21)

1. Vorrichtung zur Durchführung minimalinvasiver Diagnosen und Eingriffe im Körperinneren eines Patienten mit einem Trä­ gerkopf, gekennzeichnet durch ein den Unter­ suchungsbereich des Patienten aufnehmendes Magnetsystem (11) zur Erzeugung eines 3D-Gradientenfeldes zur ferngesteuerten Bewegung und Orientierung des mit einem Linearmagneten (3) versehenen, und als frei beweglicher Endoroboter (1) ausge­ bildeten Trägerkopfes im Körper.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkopf mindestens ein Instrument trägt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Instrument ein Mess- oder Probeentnahme- oder Behand­ lungsinstrument ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Endoroboter (1) einen Stabmagneten (3) enthält.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Endoroboter eine ansteuerbare, zumindest angenähert line­ are Spule enthält.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetsystem (11) ein statisches Grundfeld zur Kompensa­ tion der Gravitationskraft auf den Endoroboter (1) umfasst.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen supra­ leitenden, insbesondere aus einem Hochtemperatur-Supraleiter bestehenden, Grundfeldmagneten.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das statische Grundfeld zur Kompensation von Gewichtsänderun­ gen des Endoroboters beim Be- und Entladen steuerbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Patient (10) und das Magnetsystem (11) relativ bewegbar sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Patient (10) auf einer im Magnetsystem (11) verstellbaren Patientenliege angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Endoroboter (1) eine Beleuchtungsvorrichtung zur Umfeld­ ausleuchtung aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Endoroboter (1) mit einer Videokamera ausgerüstet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Endoroboter (1) mit einer Lokalisierungseinrichtung, ins­ besondere einem Transponder, versehen ist, die eine Positi­ onsdarstellung auf einem, die anatomische Umgebung darstel­ lenden, Bildschirm ermöglicht.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch einen einge­ bauten, über ein äußeres Wechselfeld nachladbaren, Akku zur Stromversorgung des Endoroboters.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Endoroboter (1) einen Helicoptermodus aufweist, bei dem er durch Regelung des Gradientenfeldes mittels Erfassung durch Transponder still steht oder eine vorgegebene Strecke bewegt wird.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingabegerät zur Steuerung des Endoroboters (1) so ausge­ bildet ist, dass die Kräfte auf das Eingabegerät den Kräften auf den Endoroboter entsprechen oder proportional sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Endoroboter über eine 6D-Maus steuerbar ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Endoroboter (1) mit einem Interventionslaser versehen ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Endoroboter (1) so ausgebildet ist, dass er feste, flüs­ sige oder gasförmige Medikamente, einschließlich von Kon­ trastmitteln oder Markierungshilfen (z. B. für eine Bestrah­ lungstherapie) gezielt an bestimmten Stellen freisetzen kann.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Endoroboter (1) so ausgebildet ist, dass er sterilisier­ fähig ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, gekennzeichnet durch einen außen am Körper, (z. B. über einen Gürtel) befestigbaren Magneten zum Parken des Endoroboters (1) im Körper beim Verlassen des Mag­ netsystems.
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