DE102005007629A1 - A method of automatically navigating a video capsule along a hollow duct of a patient forming a tubular channel - Google Patents
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Abstract
Bei einem Verfahren zur automatischen Navigation einer Videokapsel (4) entlang eines einen schlauchförmigen Kanal (30) bildenden Hohlorgans (2) eines Patienten, insbesondere des Gastrointestinaltraktes, wobei die Videokapsel (4) eine Kamera (32) und eine Lichtquelle (20) aufweist, wird die Videokapsel (4) in das Hohlorgan (2) eingebracht. Mit der Kamera (32) wird ein Bild (40, 62) des Inneren des Hohlorgans (2) aufgenommen, wobei im Bild (40, 62) ein dunkler oder unscharfer Zielbildbereich (46) von einem hellen oder scharfen Randbildbereich (42) ringförmig umgrenzt ist. Der Zielbildbereich (46) wird im Bild (40, 62) ermittelt und die Videokapsel (4) in Richtung des Zielbildbereichs (46) bewegt.In a method for automatically navigating a video capsule (4) along a hollow organ (2) of a patient, in particular the gastrointestinal tract, forming a tubular channel (30), the video capsule (4) having a camera (32) and a light source (20), the video capsule (4) is introduced into the hollow organ (2). With the camera (32) an image (40, 62) of the interior of the hollow organ (2) is recorded, wherein in the image (40, 62) a dark or blurred target image area (46) of a bright or sharp edge image area (42) annularly bounded is. The target image area (46) is detected in the image (40, 62) and the video capsule (4) is moved in the direction of the target image area (46).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Navigation einer Videokapsel entlang eines einen schlauchförmigen Kanal bildenden Hohlorgans eines Patienten, insbesondere des Gastrointestinaltraktes.The The invention relates to a method for automatic navigation of a Video capsule along a hollow duct forming a tubular channel a patient, especially the gastrointestinal tract.
Zur nichtinvasiven bzw. minimalinvasiven Untersuchung oder Behandlung von Hohlorganen in Menschen oder Tieren als Patienten sind verschiedene Verfahren bekannt. Unter anderem werden hierzu Endoskope benutzt, welche in den Patienten durch eine Körperöffnung oder einen kleinen Einschnitt eingebracht werden. Die Eindringtiefe eines Endoskops in den Patientenkörper ist jedoch auf Grund der Drahtgebundenheit bzw. dessen mechanischer Eigenschaften begrenzt. So ist die den Endoskopiekopf tragende mechanische Lanze nur bedingt biegbar und weist nur eine begrenzte Länge auf. Insbesondere der menschliche Dünndarm weist eine Gesamtlänge von 4–6 m auf und ist vielfach verschlungen. Einzelne Darmschlingen sind lediglich wenige Zentimeter lang. Deshalb gelingt es bisher z.B. nicht, mit einem herkömmlichen Endoskop den Dünndarm eines Menschen in seiner gesamten Länge nichtinvasiv zu durchfahren.to non-invasive or minimally invasive examination or treatment of hollow organs in humans or animals as patients are different Known method. Among other things, endoscopes are used for this, which enters the patient through a body orifice or a small incision be introduced. The penetration depth of an endoscope into the patient's body is However, due to the wirebound or its mechanical Properties limited. So is the endoscopy head bearing mechanical Lance only partially bendable and has only a limited length. In particular, the human small intestine has an overall length from 4-6 m and is devoured many times. Single intestinal loops are only a few inches long. Therefore, it has been possible to date e.g. not, with a conventional one Endoscope the small intestine to pass non-invasively through a person's entire length.
Aus "Fujinon Medical Newsletter, Fujinon GmbH, Willich (Deutschland), November 2003" ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur sogenannten Doppel-Ballon-Endoskopie bekannt, mit dem auch der Dünndarm vollständig endoskopisch erreichbar ist. Nachteilig ist hierbei die weiterhin drahtgebundene Vorgehensweise, d.h. die Benutzung eines relativ langen, mehrmals im Darmkanal umzulenkenden Endoskops. Trotz des neuen Verfahrens ist der Dünndarm nur etwa bis zur Hälfte, d.h. ca. 2–3 m jeweils von der oralen als auch rektalen Seite aus er reichbar. Ein vollständiges Durchfahren des Dünndarms in einer einzigen Richtung ist weiterhin unmöglich. Aufgrund der langen Behandlungsdauer von ca. 90 Minuten und des hohen Risikos von Komplikationen ist das Verfahren nicht besonders patientenschonend.From "Fujinon Medical Newsletter, Fujinon GmbH, Willich (Germany), November 2003 "is a device and a method for so-called double-balloon endoscopy known with that too the small intestine Completely can be reached endoscopically. The disadvantage here is the continue Wired procedure, i. the use of a relatively long, several times in the intestine to be deflected endoscope. Despite the new procedure is the small intestine only about half way, i.e. about 2-3 in each case from the oral as well as the rectal side reachable from it. One complete Passing through the small intestine in a single direction is still impossible. Because of the long Treatment duration of about 90 minutes and the high risk of complications the procedure is not particularly patient friendly.
In
der
Verschiedene Hohlorgane bilden einen schlauchförmigen Kanal, in dem die Kapsel im Wesentlichen lediglich in oder entgegen der Mittellinie des Hohlorgans bewegt werden kann. Lediglich zu Inspektions- oder Behandlungszwecken (Biopsie, Videoaufnahme) wird die Kapsel dann z.B. zur Innenwand des Hohlorgans hin gedreht. Entsprechende Einbauten, wie eine Biopsiezange, ein Clip, ein Medikamentenreservoir oder ein physiologischer Sensor, sind in der Videokapsel je nach Bedarf vorgesehen oder befinden sich in einer separaten Kapsel, die der Videokapsel folgt oder ihr vorangeht.Various Hollow organs form a tubular channel in which the capsule essentially only in or against the midline of the hollow organ can be moved. Only for inspection or treatment purposes (Biopsy, video recording) then the capsule is e.g. to the inner wall of the hollow organ turned back. Corresponding installations, such as a biopsy forceps, a clip, a drug reservoir or a physiological sensor provided in the video capsule as needed or are located in a separate capsule that follows or precedes the video capsule.
Wünschenswert wäre, dass eine Untersuchung oder Therapie eines Dünndarms mit Hilfe des Endoroboters nicht länger als 20 min dauert und ein gesamter Dünndarm von 6 m Länge in einer Richtung in höchstens 10 min durchfahrbar ist. Die erforderliche Kapselgeschwindigkeit betrüge dann etwa 10 mm/s. Ein Bediener navigiert hierbei die Videokapsel im Patienten „auf Sicht", d.h. er nutzt das von der Videokapsel gelieferte (Echtzeit-) Bildsignal, welches die in der Kapsel befindliche Kamera aufnimmt und zu einem Monitor außerhalb des Patienten überträgt. Der Bediener müsste dann aufgrund der Darmver schlingung etwa einmal pro Sekunde lenkend eingreifen, um die Kapsel durch den Dünndarm zu navigieren.Desirable that would be an examination or therapy of a small intestine with the help of the Endoroboters no longer lasts 20 min and a whole small intestine of 6 m in length Direction in at most 10 minutes is durchfahrbar. The required capsule speed cheating then about 10 mm / s. An operator navigates the video capsule in Patients " View ", i.e. he uses the (real-time) image signal provided by the video capsule, which picks up the camera in the capsule and to a Monitor outside of the patient transfers. Of the Operator would have then steering it about once a second due to the bowing intervene to navigate the capsule through the small intestine.
Nachteilig bei einer derartigen Vorgehensweise ist, dass die Steuerung der Kapsel über die gesamte Untersuchungsdauer die volle Konzentration und Aufmerksamkeit des Bedieners erfordert. Ist der Bediener gleichzeitig der untersuchende Arzt, kann er sich nicht ausreichend auf die medizinische Auswertung der Bilder konzentrieren, da er mit der Navigation beschäftigt ist. Abhilfe könnte schaffen, dass der Arzt alleine die Befundung der Bilder ausführt und für die Navigation eine zweite Person als Bediener eingesetzt wird. Dies bedeutet aber erhöhten Personal- und damit Kostenaufwand sowie Kommunikationsaufwand. Dieser bedingt wiederum die Gefahr von Missverständnissen zwischen Arzt und Bediener. Generell erfordert die Navigation hohen Zeit- und Konzentrationsaufwand.adversely In such an approach is that the control of Capsule over the entire duration of the examination the full concentration and attention required by the operator. Is the operator at the same time the examiner Doctor, he can not adequately on the medical evaluation focus on the images because he is busy with navigation. Remedy could be to make sure that the doctor alone carries out the diagnosis of the images and for the navigation a second person is used as an operator. But that means increased Personnel and thus costs and communication costs. This in turn, the risk of misunderstandings between doctor and Operator. Generally, the navigation requires a lot of time and concentration.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Navigation einer Videokapsel in einem einen schlauchförmigen Kanal bildenden Hohlorgan eines Patienten anzugeben.task The present invention is an improved method for Navigation of a video capsule forming a tubular channel Indicate the hollow organ of a patient.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur automatischen Navigation einer Videokapsel entlang eines, einen schlauchförmigen Kanal bildenden Hohlorgans eines Patienten, insbesondere des Gastrointestinaltraktes, wobei die Videokapsel eine Kamera und eine Lichtquelle aufweist, bei dem:
- a) die Videokapsel in das Hohlorgan eingebracht wird,
- b) mit der Kamera ein Bild des Inneren des Hohlorgans aufgenommen wird, wobei im Bild ein dunkler oder unscharfer Zielbildbereich von einem hellen oder scharfen Randbildbereich ringförmig umgrenzt ist,
- c) der Zielbildbereich im Bild ermittelt und die Videokapsel in Richtung des Zielbildbereichs bewegt wird.
- a) the video capsule is introduced into the hollow organ,
- b) a picture of the interior of the hollow organ is taken with the camera, a dark or blurred target image area being annularly delimited in the image by a bright or sharp edge image area,
- c) determines the target image area in the image and the video capsule is moved in the direction of the target image area.
Da das Hohlorgan einen schlauchförmigen Kanal bildet, existieren für die Bewegung der Videokapsel nur zwei Hauptbewe gungsrichtungen, nämlich entlang des schlauchförmigen Kanals, d.h. dessen Mittellängslinie folgend, sowohl in die eine als auch in die entgegengesetzte Richtung. Andere Bewegungen, z.B. in Radialrichtung zum schlauchförmigen Kanal sind entweder von untergeordneter Bedeutung, da sie nur z.B. an Stellen eines auffälligen Befundes durchzuführen sind, oder wegen fehlenden Raumes unmöglich. Derartige Bewegungen der Kapsel sollen am besten unter Kontrolle des Arztes weiterhin von Hand ausgeführt werden. Sie dienen z.B. der Ausrichtung der Videokapsel bzw. der Kamera, einer Biopsieeinrichtung oder einer Einrichtung zur gezielten Medikamentenabgabe z.B. auf eine bestimmte Stelle der Innenwandung des Hohlorgans.There the hollow organ a tubular channel forms exist for the movement of the video capsule only two main movement directions, namely along the tubular Channels, i. its middle longitudinal line following, both in one direction and in the opposite direction. Other movements, e.g. in the radial direction to the tubular channel are either of minor importance since they are only e.g. at Make a conspicuous finding perform are impossible, or impossible due to lack of space. Such movements The capsule should best continue under the control of the doctor executed by hand become. They serve e.g. the orientation of the video capsule or the Camera, a biopsy device or a device for targeted Drug delivery e.g. to a certain point of the inner wall of the hollow organ.
Die Erfindung geht von der Annahme aus, dass eine entsprechende Kapsel eine Vorzugsrichtung besitzt, d.h. im Allgemeinen länglich, also z.B. zylinderförmig mit halbkugelförmigen Kappen, ausgeführt ist. Ohne äußere Krafteinwirkung richtet sich die Kapsel deshalb im Darmkanal aufgrund der Eigenspannung des schlauchförmigen Hohlorgans immer in dessen Längserstreckungsrichtung aus. Eine an einer derartigen Kapsel vorgesehene Videokamera wird in ihrer Blickrichtung etwa in die Vorzugsrichtung der Kapsel blicken. Somit ist auch die Videokamera etwa bzw. teilweise in Kanalrichtung ausgerichtet.The Invention is based on the assumption that a corresponding capsule has a preferred direction, i. generally oblong, ie e.g. cylindrically with hemispherical Caps, executed is. Without external force Therefore, the capsule is aimed in the intestinal tract due to the residual stress of the tubular Hollow organ always in its longitudinal direction out. A provided on such a capsule video camera is look in their line of sight about in the preferred direction of the capsule. Thus, the video camera is about or partially in the channel direction aligned.
Zu Beginn des Verfahrens wird deshalb die Videokapsel in das Hohlorgan eingebracht, wobei sich die Kapsel und hiermit die Videokamera im Wesentlichen in Kanalrichtung, also entlang der Mittellinie des schlauchförmigen Kanals ausrichtet. Die Kamera blickt somit in Sollbewegungsrichtung der Videokapsel.To The beginning of the process is therefore the video capsule in the hollow organ introduced, with the capsule and hereby the video camera in the Essentially in channel direction, so along the center line of the tubular Aligns channel. The camera thus looks in the direction of target movement the video capsule.
Vom Inneren des Hohlorgans wird dann mit der Kamera ein Bild aufgenommen, wobei die an der Videokapsel angebrachte Lichtquelle das Innere des Hohlorgans ausleuchtet. Die Erfindung macht sich hierbei folgende Erkenntnis zu Nutze: Aufgrund der geringen Dimensionen einer derartigen Videokapsel (z.B. 2–3 cm Länge, ca. 1 cm Durchmesser) können lediglich verhält nismäßig einfache Kameras, schwache Lichtquellen und einfache Kameraoptiken zum Einsatz kommen. Aufgrund der nicht allzu starken Lichtquelle wird das Innere des Hohlorgans nur in unmittelbarer Umgebung der Videokapsel, nämlich einige Millimeter, ausgeleuchtet. Aufgrund der einfachen Kameraoptik, welche naturgemäß eine sehr kurze Brennweite von wenigen mm aufweist, erscheint außerdem nur der unmittelbare Umgebungsbereich von einigen Millimetern der Kapsel im Kamerabild scharf.from Inside of the hollow organ is then taken with the camera an image, wherein the light source attached to the video capsule is the interior of the hollow organ illuminates. The invention hereby follows Use of knowledge: Due to the small dimensions of such Video capsule (e.g., 2-3 cm length, about 1 cm in diameter) can only behaves moderately simple Cameras, weak light sources and simple camera optics are used come. Due to the not too strong light source, the interior the hollow organ only in the immediate vicinity of the video capsule, namely some Millimeters, illuminated. Due to the simple camera optics, which naturally a very short focal length of a few mm, also appears only the immediate surrounding area of a few millimeters of the capsule in the camera picture sharp.
Da die Wand des Hohlorgans durch die einliegende Videokapsel aufgeweitet ist und sich die Wand vor allem im Bereich vor und hinter der Kapsel bzw. Videokamera in Kanallängsrichtung nicht formschlüssig an die Kapsel anlegt, entsteht insbesondere vor der Videokamera ein gewisser begrenzter Hohl- bzw. Luftraum. Dieser wird ausgeleuchtet und die Innenwandung des Hohlraums von der Videokamera abgebildet. Der von der Videokamera abgebildete Abschnitt des Kanals erscheint im aufgenommenen Bild also zwangsläufig als ein heller oder scharfer Randbildbereich, welcher ringförmig einen dunklen oder unscharfen Zielbildbereich umgrenzt.There the wall of the hollow organ widened by the enclosed video capsule is and the wall especially in the area in front of and behind the capsule or Video camera in channel longitudinal direction not form-fitting attached to the capsule, arises in particular in front of the video camera a certain limited hollow or air space. This is illuminated and the inner wall of the cavity imaged by the video camera. The portion of the channel displayed by the video camera appears in the recorded image, therefore, inevitably as a bright or sharp Edge image area, which is annular a dark or blurred destination image area bounded.
Die zumindest annähernd runde ringförmige Umgrenzung des Zielbildbereiches durch den Randbildbereich entsteht durch die Elastizität der Wand des Hohlorgans, deren meist rundliche Grundform und die meist runde Querschnittsform der Videokapsel.The at least approximately round annular border of the target image area through the edge image area is created by the elasticity the wall of the hollow organ, its usually round basic form and the mostly round cross-sectional shape of the video capsule.
Der helle oder scharfe Randbildbereich ist hierbei ein Abbild der sich in unmittelbarer Nähe der Videokapsel befindlichen, scharf abgebildeten und gut ausgeleuchteten Wand des Hohlorgans, wobei der Zielbildbereich den weiter entfernten, also im Dunklen bzw. ins Unscharfe entschwindenden, Verlauf des schlauchförmigen Kanals in etwas größerer Entfernung zur Videokapsel darstellt.Of the bright or sharp edge image area here is an image of itself close the video capsule located, sharply and well-lit Wall of the hollow organ, with the target image area the farther away, ie in the dark or fuzzy disappearing course of the tubular Canal at a slightly greater distance represents the video capsule.
Dieser dunkle oder unscharfe Zielbildbereich ist jedoch der Ort im Hohlorgan, zu welchem sich die Videokapsel bewegen muss, wenn sie im schlauchförmigen Kanal entlang dessen Längsrichtung bewegt werden soll. Im Verfahren wird deshalb der Zielbildbereich im Bild ermittelt und die Videokapsel in Richtung des Zielbildbereichs bewegt.This dark or blurred target image area is however the place in the hollow organ, to which the video capsule has to move when in the tubular channel along its longitudinal direction to be moved. In the method, therefore, the target image area becomes in the image and the video capsule towards the target image area emotional.
Die Schritte b) und c) des Verfahrens, also das Aufnehmen eines Bildes mit der Kamera, die Ermittlung des Zielbildbereiches im Bild und die Bewegung der Videokapsel werden z.B. so oft wiederholt, bis die Videokapsel einen Ort im Hohlorgan erreicht hat, an dem der Arzt ein auffälliges Videobild entdeckt, dass er näher inspizieren möchte, oder die Videokapsel ihre Aufgabe im Hohlorgan erfüllt hat oder das Ende des Hohlorgans erreicht hat.The Steps b) and c) of the method, ie taking a picture with the camera, the determination of the target image area in the image and the movement of the video capsule is e.g. repeated many times until the video capsule has reached a place in the hollow organ at which the Doctor a flashy Video image discovers that he is closer would like to inspect or the video capsule has fulfilled its task in the hollow organ or has reached the end of the hollow organ.
Im Handel ist derzeit eine Videokapsel der Firma „Given Imaging" erhältlich, welche zwei Bilder pro Sekunde aus dem Inneren des Patientenkörpers liefert. Diese Kapsel ist nicht aktiv lenkbar bzw. bewegbar, sondern wird durch die natürliche Magen- und Darmtätigkeit in ca. acht Stunden durch den Gastrointestinaltrakt von der Speiseröhre bis zum Dickdarm eines Patienten befördert. Begrenzend für die Zahl der Bilder ist hierbei die in der Kapsel speicherbare Energie zur Erzeugung von Lichtblitzen für die Bildaufnahme.A video capsule from the company Given Imaging is currently available on the market, delivering two images per second from within the patient's body. This capsule is not actively steerable or movable, but is transmitted through the natural gastric system. and intestinal activity in about eight hours through the gastrointestinal tract from the esophagus to the colon of a patient. The limiting factor for the number of images is the energy which can be stored in the capsule for generating flashes of light for image acquisition.
Bei einer geplanten Betriebsdauer einer der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden navigierbaren Kapsel von ca. einer Stunden können daher bei der gleichen gespeicherten Energiemenge ca. sechzehn Lichtblitze und damit Bilder pro Sekunde von der Kapsel geliefert werden.at a planned period of operation of one of the present invention lying navigable capsule of about one hour can therefore at the same amount of stored energy about sixteen flashes of light and deliver images per second from the capsule.
Bei sechzehn Bildern pro Sekunde könnte die Kapselrichtung auf Grund der quasi filmisch ablaufenden Bildfolge zum Zielbildbereich hin praktisch ständig korrigiert werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird also die Richtung, in welche sich das schlauchförmige Hohlorgan fortsetzt und in welche Richtung demzufolge der Endoroboter bzw. die Videokapsel zu lenken bzw. zu bewegen ist, praktisch ständig automatisch erkannt.at sixteen frames per second could be the Capsule direction due to the quasi cinematic sequence of images be corrected to the target image area almost constantly. By the inventive method So is the direction in which the tubular hollow organ continues in which direction and therefore the Endoroboter or the To steer or move the video capsule is practically always automatic recognized.
Durch die automatische Detektion des unscharfen bzw. dunklen Zielbildbereichs lässt sich also die Sollbewegungsrichtung der Videokapsel im kapselfesten Koordinatensystem, d.h. von der Kapsel aus gesehen, bestimmen. Erfolgt die Kapselsteuerung relativ zur Kapsel, also in deren Koordinatensystem, sind keine weiteren Schritte notwendig, und die Kapsel kann in Sollbewegungsrichtung verfahren werden.By the automatic detection of the blurred or dark target image area let yourself ie the desired direction of movement of the video capsule in the capsule-fixed coordinate system, i.e. from the capsule. Is the capsule control relative to the capsule, so in their coordinate system, are none further steps necessary, and the capsule can in Sollbewegungsrichtung be moved.
Erfolgt die Steuerung der Kapsel jedoch in einem ortsfesten Koordinatensystem, so muss noch die aktuelle Lage und Orientierung der Kapsel in diesem Koordinatensystem ermittelt werden. Dies trifft zu, wenn die Kapsel drahtlos durch von außen angelegte Magnetfelder und magnetische Gradientenfelder bewegt wird, die durch ein Spulensystem erzeugt werden, das relativ zum Patienten weitgehend starr angeordnet ist. Einzig kann nämlich z.B. der Patient hierbei auf einer Liege liegend entlang seiner Längsachse relativ zum Spulensystem verschoben werden.He follows however, the control of the capsule in a fixed coordinate system, so still has the current position and orientation of the capsule in this Coordinate system can be determined. This is true when the capsule wireless through from the outside applied magnetic fields and magnetic gradient fields is moved, which are generated by a coil system relative to the patient is arranged largely rigid. For one thing alone, e.g. the patient here lying on a couch along its longitudinal axis relative to the coil system be moved.
Die Lage- und Orientierungsbestimmung der Kapsel erfolgt durch direkte Messung der 3D-Koordinaten eines ausgewählten Kapselpunktes, z.B. deren Schwerpunktes oder geometrischen Mittelpunktes, sowie durch direkte Messung einer Kapselvorzugsrichtung, z.B. der Richtung der Kapsellängsachse. Die Messung muss nicht zeitlich kontinuierlich, sondern kann zeitlich diskret erfolgen. Ein regelungstechnischer Beobachter wird vorzugsweise eingesetzt zur Messwertfilterung, zur Bestimmung der vollständigen Kapselorientierung sowie zur Generierung von Lage- und Orientierungsinformationen zu Zeitpunkten, an denen nicht gemessen wird.The Position and orientation of the capsule is determined by direct Measurement of the 3D coordinates of a selected capsule point, e.g. their focus or geometric center, as well as by direct measurement of a Capsule preferred direction, e.g. the direction of the capsule longitudinal axis. The Measurement does not have to be continuous in time but can be timed done discreetly. A control-technical observer is preferred used for measured value filtering, to determine the complete capsule orientation and for the generation of position and orientation information Times at which measurements are not taken.
Mit den so ermittelten Koordinaten bzw. Koordinatentransformationen können dann entsprechende Magnetfelder erzeugt und so Kräfte und Drehmomente auf die Kapsel derart ausgeübt werden, um sie in Richtung des weiteren Verlaufs des schlauchförmigen Kanals vorwärts zu bewegen oder auch in diese Richtung auszurichten.With the coordinates or coordinate transformations thus determined can then generates corresponding magnetic fields and so forces and torques on the capsule so exercised be in the direction of the further course of the tubular channel forward to move or to align in this direction.
Durch das Verfahren ist die Kapsel mit ihrer Längsachse bzw. mit ihrer Kamera stets in Mittellängsrichtung des schlauchförmigen Kanals, im Falle des Darms also in Darmkanalrichtung, ausrichtbar. Da dies an jedem Ort des Hohlorgans sichergestellt ist, kann die Kapsel das Hohlorgan vollautomatisch durchfahren. Ein Bediener der Kapsel muss in die Navigation lediglich händisch eingreifen, wenn er Abweichungen von dieser Bewegungsform wünscht. Dies kann z.B. an einer auffälligen Stelle im Hohlorgan sein, um die Kapsel anzuhalten, oder wenn der Bediener die Kapsel schräg zum Hohlorgan stellen will, um für die Kamera einen anderen Betrachtungswinkel zu erhalten.By the procedure is the capsule with its longitudinal axis or with her camera always in the middle longitudinal direction of the tubular Channel, in the case of the intestine so in Darmkanalrichtung, alignable. There This is ensured at each location of the hollow organ, the capsule drive through the hollow organ fully automatically. An operator of the capsule need only manually intervene in the navigation, if he Deviations from this form of movement wishes. This can e.g. at a eye-catching Place in the hollow organ to stop the capsule, or if the operator the capsule at an angle to the hollow organ wants to ask for the camera to get a different viewing angle.
Der Arzt bzw. Bediener ist entlastet, der Arzt kann sich auf die Befundung des von der Kapsel gewonnen Bild- oder sonstigen Datenmaterials konzentrieren. Übernimmt der Arzt die verbleibende Navigationsarbeit, ist ein zusätzlicher Bediener für die Kapselbewegung nicht erforderlich. Automatische Kapselbewegungen wie „fahre zurück zum Magen" oder „durchfahre den gesamten Dünndarm" sind durch das erfindungsgemäße Verfahren realisierbar.Of the Doctor or operator is relieved, the doctor can look at the findings the image or other data material obtained from the capsule focus. Takes over the doctor the remaining navigation work, is an additional Operator for the capsule movement is not required. Automatic capsule movements like "drive back to the stomach "or" go through the whole small intestine "are by the method according to the invention realizable.
Da der Zielbildbereich im Bild oft ein größerer Bereich ist, der noch keine genaue Richtung vorgibt, in die die Kapsel zu navigieren ist, ist es nötig, innerhalb des Zielbildbereichs einen Punkt als exakten Zielpunkt für die Kapselsollbewegungsrichtung auszumachen. Es werden dazu drei Verfahrensvarianten vorgeschlagen.There The target image area in the image is often a larger area that still does not specify the exact direction in which the capsule is to navigate, it is necessary, within the target image area, a point as the exact destination for the Make out capsule movement direction. There are proposed three variants of this process.
Die Videokapsel kann in Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens in Richtung des Zentrums des Zielbildbereichs bewegt werden. Dies ist vor allem dann sinnvoll, wenn die Grenze zwischen Zielbildbereich und Randbildbereich klar erkennbar bzw. ermittelbar ist und so leicht ein z.B. geometrisches Zentrum des Zielbildbereichs bestimmbar ist. Hierbei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass das Innere des Hohlorgans eine im Querschnitt rundliche Gestalt hat.The Video capsule in step c) of the method according to the invention in the direction of the center of the target image area. This is above all makes sense if the border between the target image area and the border area is clearly recognizable and so easily a e.g. geometric Center of the target image area is determined. This is the invention from the knowledge that the interior of the hollow organ is a roundish in cross-section Has shape.
In Schritt c) kann die Videokapsel in Richtung der dunkelsten Stelle des Zielbildbereichs bewegt werden. Die Ermittlung der dunkelsten Stelle des Zielbildbereichs ist technisch sehr einfach durch Helligkeitsmessung im Bild möglich. Hierbei nutzt die Erfindung die Erkenntnis, dass der am weitesten von der Kamera entfernte, aber von dieser noch sichtbare Ort, wegen der mit zunehmender Entfernung schnell abnehmenden Ausleuchtung des Hohlorgans die dunkelste Stelle im Bild bzw. Zielbildbereich bildet. Dies ist jedoch auch die Erstreckungsrichtung des Hohlorgans und zeigt daher dessen sich von der Kapsel weg erstreckenden weiteren Verlauf an, was wiederum der Kapselsollbewegungsrichtung entspricht.In step c), the video capsule can be moved in the direction of the darkest point of the target image area. The determination of the darkest point of the target image area is technically very simple by brightness measurement in the image possible. In this case, the invention uses the knowledge that the furthest away from the camera, but still visible from this place, because of the distance with increasing distance decreasing illumination of the hollow organ forms the darkest point in the image or target image area. However, this is also the direction of extension of the hollow organ and therefore indicates its further course extending away from the capsule, which in turn corresponds to the direction of the capsule rolling movement.
Können z.B. wegen undeutlicher Helligkeitsunterschiede oder nur unklar erkennbarer Grenze zwischen Ziel- und Randbildbereich diese schwer getrennt bzw. bestimmt werden, kann in Schritt c) die Videokapsel in Richtung der unschärfsten Stelle im Zielbildbereich bewegt werden. Dazu können z.B. Methoden der Bildverarbeitung, wie Kantendetektion, Mittelwertfensterung o.ä. eingesetzt werden, um die unschärfste Stelle im Bild zu ermitteln. Die Erfindung geht hier von der Erkenntnis aus, dass, entsprechend der o.g. dunkelsten Stelle, der im Hohlorgan am weitesten von der Kamera entfernt liegende sichtbare Bereich wegen der geringen Brennweite der Kameraoptik am unschärfsten im Bild abgebildet ist und somit die Kapselsollbewegungsrichtung bzw. den weiteren Verlauf des schlauchförmigen Kanals angibt.Can e.g. because of indistinct differences in brightness or only vaguely recognizable Boundary between target and marginal image area these severely separated can be determined in step c), the video capsule in the direction the most blurred Position in the target image area to be moved. For this, e.g. Methods of image processing, like edge detection, mean windowing or similar Be used to the blurry spot to determine in the picture. The invention is based on the knowledge from that, according to the o.g. darkest spot in the hollow organ furthest away from the camera visible area because of the small focal length of the camera optics blur in the Image is shown and thus the Kapselsollbewegungsrichtung or indicates the further course of the tubular channel.
Die drei eben genannten Verfahrensvarianten können alternativ oder auch in Kombination miteinander benutzt werden, um einen exakten Zielort für die Kapselbewegung im Hohlorgan zu bestimmen.The three aforementioned process variants can alternatively or in Combination used together to be an exact destination for the capsule movement to determine in the hollow organ.
Die in einem oder mehreren Verfahrensschritten b) aufgenommenen Bilder können gespeichert werden, und in Schritt c) zur Ermittlung des Zielbildbereichs im zuletzt aufgenommenen Bild auch gespeicherte Bilder ausgewertet werden. Hierbei nutzt die Erfindung die Erkenntnis, dass sowohl die Lage der Videokapsel im Hohlorgan als auch die Lage des Zielbildbereichs im Bild von einem zum nächsten aufgenommenen Bild nicht springen kann. Voraussetzung hierfür ist eine ausreichend hohe Bildfrequenz. Durch die Auswertung einer Bildfolge anstelle eines einzelnen Bildes kann die Sollbewegung der Kapsel stetig ermittelt werden, selbst wenn in einem einzelnen Bild die Bestimmung einer Kapselsollbewegungsrichtung unmöglich oder unsicher ist. Der gesamte Bewegungsverlauf der Videokapsel wird hierdurch gleichmäßiger und die Bildauswertung bzw. die Ermittlung des Zielbildbereichs im Bild einfacher und genauer. Entsprechende Filterungsmethoden, sogenannte 3D-Bildfilter, sind hinreichend bekannt.The in one or more steps b) taken pictures can and in step c) for determining the target image area in the last recorded image also saved images evaluated become. Here, the invention uses the knowledge that both the location of the video capsule in the hollow organ as well as the location of the target image area in the picture from one to the next recorded image can not jump. Prerequisite for this is a sufficiently high frame rate. By evaluating an image sequence instead a single image, the desired movement of the capsule can be determined steadily even if in a single image the determination of a Capsule rolling direction impossible or uncertain. The entire motion of the video capsule becomes thus more even and the image analysis or determination of the target image area in the image easier and more accurate. Corresponding filtering methods, so-called 3D image filters are well known.
Die Videokapsel ist wie bereits erwähnt, im Allgemeinen länglich ausgebildet und Kamera und Lichtquelle an deren vorderem Ende angeordnet. In Schritt c) kann die Videokapsel mit ihrem vorderen Ende zum Zielbereich hin ausgerichtet und bewegt werden. Hiermit folgt nicht nur der Schwerpunkt der Kapsel der Mittellinie des Hohlorgans, sondern die Kapsel ist auch stets tangential zur aktuellen Längserstreckungsrichtung des Hohlorgans ausgerichtet. Hierdurch sind die geringsten Reibungswiderstände zwischen Kapsel und Hohlorgan und somit die geringsten Bewegungskräfte an der Kapsel nötig. Damit lässt sich die Energieaufnahme des die Kapsel antreibenden externen Spulensystems so gering wie möglich halten.The Video capsule is, as already mentioned, generally oblong formed and arranged camera and light source at the front end. In step c), the video capsule can with its front end to the target area be aligned and moved. This not only follows the Focus of the capsule of the midline of the hollow organ, but the capsule is always tangential to the current direction of longitudinal extension of the Hollow organ aligned. As a result, the lowest frictional resistance between Capsule and hollow organ and thus the lowest movement forces at the Capsule needed. Leave it the energy consumption of the capsule driving external coil system as low as possible hold.
Wird die Videokapsel stets mit ihrem vorderen, Kamera und Lichtquelle tragenden Ende voraus bewegt, entsteht quasi eine Folge von „Fahrtbildern" in Vorwärtsrichtung durch den schlauchförmigen Kanal des Hohlorgans. Ein Bediener, welcher die – weitestgehend automatische – Kapselbewegung überwacht, erhält stets ein Bild in Fahrtrichtung der Kapsel und sieht somit, „wohin" die Kapsel fährt.Becomes the video capsule always with its front, camera and light source Moving end bearing front, almost creates a sequence of "driving images" in the forward direction through the tubular Canal of the hollow organ. An operator who monitors the largely automatic capsule movement, receives always a picture in the direction of travel of the capsule and thus sees "where" the capsule drives.
Beim erstmaligen Durchfahren eines Hohlorgans muss die Videokamera nach vorn, also in Vorwärtsbewegungsrichtung der Kapsel ausgerichtet sein, sonst kann sie nicht „auf Sicht" navigiert werden. Während einer Kapselfahrt in einer Vorwärtsrichtung durch das Hohlorgan kann die Trajektorie der Kapselfahrt gespeichert werden. Die mittels automatischer Sichterkennung oder händisch gefahrene Trajektorie wird also abgespeichert. Die Videokapsel kann dann in Rückwärtsrichtung entlang der gespeicherten Trajektorie zurückgefahren werden. Dies kann automatisch erfolgen, also ohne weiteres Zutun eines Benutzers. Zum Zurückfahren muss die Kapsel also im Hohlorgan nicht gewendet werden, denn bei bekannter Trajektorie ist eine Sicht nach vorne nicht mehr nötig.At the first time driving through a hollow organ, the video camera after in the front, ie in the direction of forward movement otherwise it can not be navigated "on sight". While a capsule ride in a forward direction through the hollow organ, the trajectory of the capsule ride can be stored become. The by means of automatic visual recognition or manually driven trajectory will be saved. The video capsule can then be in the reverse direction be moved back along the stored trajectory. This can done automatically, so without further action by a user. To return So the capsule must not be turned in the hollow organ, because with known Trajectory is a view forward no longer necessary.
Natürlich kann die Kapsel vor einer Rückfahrt auch gewendet und dann ohne weiteren händischen Eingriff entlang der Trajektorie der Hinfahrt zurückgefahren werden. Die Kapsel durchfährt dann mit ihrem vorderen Ende voraus in Gegenrichtung das Hohlorgan. So entsteht ein neues Bild der, von der Kapsel bereits durchfahrenen Wegstrecke, aber in entgegengesetzter Richtung, also mit einem anderen Blickwinkel. Bei der Erstdurchfahrt nicht entdeckte Befunde können so z.B. bei der Rückfahrt der Kapsel erkannt werden.Of course you can the capsule before a return trip too turned and then without further manual intervention along the Trajectory of the trip back become. The capsule passes through then with its front end ahead in the opposite direction the hollow organ. This creates a new image of the, already passed by the capsule Distance, but in the opposite direction, so with a different angle. Findings not discovered at the time of first passage may e.g. on the way back the capsule can be recognized.
Typischerweise hat die Kamera einen sehr großen Öffnungswinkel von z.B. 140°. Die Mittenachse der Kapsel muss nicht mit der zentralen Blickrichtung der Kamera zusammenfallen, d.h. die zentrale Blickrichtung der Kamera kann zur Längsachse der Kapsel verkippt sein. So ist bei schräg zur Längsachse und damit auch zur Mittelachse des Hohlorgans blickender Kamera ein Rundumblick der Kamera durch Kapselrotation um deren Längsachse möglich. Hierzu werden mehrere Bilder der Kamera in verschiedenen Rotationspositionen der Kapsel aufgenommen. So entsteht quasi ein Panoramabild bzw. ein „Rundum-Scan" der Kapselumgebung durch Aneinanderfügen der Einzelbilder.Typically, the camera has a very large opening angle of eg 140 °. The central axis of the capsule need not coincide with the central viewing direction of the camera, ie the central viewing direction of the camera can be tilted to the longitudinal axis of the capsule. Thus, a panoramic view of the camera by capsule rotation about its longitudinal axis is possible at oblique to the longitudinal axis and thus also to the central axis of the hollow organ looking camera. For this purpose, several images of the camera are recorded in different rotational positions of the capsule. This creates a kind of panoramic picture or an "all-round scan" of the capsule environment through Merging the frames.
Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen.For another Description of the invention is directed to the embodiments of the drawings.
Es zeigen, jeweils in einer Prinzipskizze,It show, each in a schematic diagram,
Stellvertretend
für den
gesamten Gastrointestinaltrakt zeigt
Die
Kapsel
Am
bezüglich
der Kapsellängsachse
Aufgrund
der eher geringen Leuchtkraft der Leuchtdioden
Der
zur Aufnahme eines digitalen Bildes dienende Bildaufnahmesensor
Die
aus Linse
In
der Kapsel
In
der in
Aufgrund
der geringen Brennweite der Kamera
In
Der
im Bild
Für die Messung
von Lage und Orientierung der Kapsel
Das
von der Kamera
Die
im Bild
Da
wie in
Bereits
nach einer kleinen Verschiebung der Spitze der Kapsel
Die
Kapsel folgt somit mit ihrem Mittelpunkt
Entdeckt
der Arzt in einem der vielen, während
der Kapselbewegung durch den Dünndarm
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