DE102009009165A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines von einer Endoskopiekapsel in einem Patienten zurückgelegten Weges - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines von einer Endoskopiekapsel in einem Patienten zurückgelegten Weges Download PDF

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Bestimmung eines von einer Endoskopiekapsel (2) in einem Patienten (4) zurückgelegten Weges (w), wobei die Endoskopiekapsel (2) eine Lichtquelle (8) und einen Lichtsensor (10) enthält, - sendet zu einem ersten Zeitpunkt (t1) die Lichtquelle (8) Licht einer bekannten ersten Menge (M1) aus, welches von einer Innenfläche (6) des Patienten (4) reflektiert wird, und der Lichtsensor (10) empfängt eine zweite Menge (M2) reflektierten Lichtes und anhand erster (M1) und zweiter Mengen (M2) wird ein Reflexionsfaktor (R) der im Patienten (4) mit Licht bestrahlten Innenfläche (6) ermittelt, - zu einem zweiten Zeitpunkt (t2) sendet die Lichtquelle (8) erneut Licht einer dritten Menge (M3) in Richtung der Innenfläche (6) aus, und der Lichtsensor (10) empfängt eine vierte Menge (M4) reflektierten Lichtes und anhand der dritten (M3) und vierten Menge (M4) und des Reflexionsfaktors (R) wird der zwischen erstem (t1) und zweitem Zeitpunkt (t2) zurückgelegte Weg als Änderung des Abstandes (d2-d1) zur Innenfläche (6) ermittelt. Eine Vorrichtung zur Bestimmung eines von einer Endoskopiekapsel (2) in einem Patienten (4) zurückgelegten Weges (w) umfasst eine Endoskopiekapsel (2) mit Lichtquelle (8) und Lichtsensor (10) und eine Steuer- und Auswerteeinheit (12) mit einem in dieser implementierten Programm (13) zur Durchführung des o. g. Verfahrens.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Weges, den eine Endoskopiekapsel in einem Patienten zurücklegt.
  • Eine in Rede stehende Endoskopiekapsel ist z. B. aus der DE 101 42 253 bekannt. Die vorliegende Endoskopiekapsel beinhaltet zumindest eine Lichtquelle und einen Lichtsensor. Derartige Kapseln können außerdem verschiedene Inspektions-, Diagnose- oder Therapieeinrichtungen. Dies können z. B. eine Videokamera, eine Biopsiezange, ein Clip oder ein Medikamentenreservoir sein. Die Kapsel enthält weiterhin ein magnetisierbares oder permanentmagnetisches Element, mit Hilfe dessen die Kapsel im Patienten drahtlos bewegt wird. Hierzu liegt der Patient ganz oder teilweise in einem elektrischen Spulensystem aus mehreren, z. B. 14 Einzelspulen. Vom Spulensystem werden geeignete Magnetfelder bzw. Gradientenmagnetfelder erzeugt, welche an der sich im Patienten befindlichen Kapsel bzw. am magnetischen Element Kräfte bzw. Drehmomente erzeugen. So kann die Kapsel im Patienten gezielt in eine beliebige Richtung bewegt werden. Einsatzbereiche sind vor allem Hohlorgane, insbesondere z. B. der menschliche Gastrointestinaltrakt, der mit der Kapsel in einem einzigen Durchgang in seiner Gesamtheit durchfahrbar ist.
  • Das oben genannte Gesamtsystem bzw. Untersuchungsverfahren wird auch MGCE (magnetically guided capsule endoscopy) genannt. Bei einer ersten Generation dieser Geräte bzw. Kapseln ist der jeweilige räumliche Aufenthaltsort der Kapsel im bzw. relativ zum Spulensystem nicht bekannt, da das System nicht über ein teures und aufwändiges Ortungssystem verfügt.
  • Der Bediener der Anlage, welcher die Kapsel händisch steuert, kann diese von außen nicht sehen. Für bestimmte therapeuti sche oder diagnostische Zwecke, z. B. bei der Auswertung von Bildern, die die Kapsel liefert oder bei der Navigation der Kapsel zu einem gewünschten Ort ist es jedoch sehr nützlich bzw. wünschenswert, den von der Endoskopiekapsel im Patienten zurückgelegten Weg zu kennen.
  • Prinzipiell könnte eine derartige Kapsel im Patienten mit Hilfe von Röntgen bzw. Fluoroskopie leicht sichtbar gemacht werden, jedoch stehen dem die Röntgenbelastung des Patienten und die Kosten für eine dementsprechende Systemerweiterung entgegen. Vielmehr muss sich der Benutzer rein anhand der von der Kapsel bzw. einem zusätzlich in den Patienten eingeführten Endoskop gelieferten Bilder orientieren, um die Kapsel in eine gewünschte Richtung bzw. an einen gewünschten Ort im Patienten steuern zu können. Eine Abschätzung des von der Kapsel zurückgelegten Weges gelingt nur anhand des von der Bordkamera gelieferten Bildmaterials und dank der Erfahrung eines Benutzers des Systems.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Bestimmung eines von einer Endoskopiekapsel in einem Patienten zurückgelegten Weges anzugeben.
  • Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1.
  • Die Erfindung beruht auf der grundsätzlichen Idee, die Wegmessung dadurch zu realisieren, dass der zurückgelegte Weg der Kapsel als relative Abstandsänderung zu einem im Patienten gewählten Fixpunkt gemessen wird. Der absolute Abstand muss hierbei nicht bekannt sein. Hierzu werden Mittel, nämlich eine Lichtquelle und ein Lichtsensor, verwendet, die in üblichen Kapseln ohnehin vorhanden sind.
  • Erfindungsgemäß wird zu einem ersten Zeitpunkt Licht einer bekannten ersten Menge von der Lichtquelle ausgesendet. Dieses Licht wird von einer Innenfläche des Patienten reflek tiert. Der von der Innenfläche rückgestreute Teil des ausgesendeten Lichtes wird vom Lichtsensor als eine zweite Menge reflektierten Lichtes empfangen. Aus der ersten und zweiten Menge von ausgesendetem und reflektiertem Licht wird ein Reflexionsfaktor der im Patienten mit Licht bestrahlten Fläche ermittelt. Zu einem oder beliebigen mehreren zweiten Zeitpunkten sendet die Lichtquelle dann erneut Licht einer jeweils bekannten dritten Menge in Richtung der selben Innenfläche aus. Das Licht wird wieder an der Innenfläche reflektiert, der Lichtsensor empfängt eine vierte Menge reflektierten Lichtes. Anhand der dritten und vierten Menge und des vorher bestimmten Reflexionsfaktors wird nun die Abstandsänderung der Endoskopiekapsel bzw. von Lichtquelle und Lichtsensor zur Innenfläche ermittelt. Die Änderung des Abstandes entspricht zwischen erstem und zweitem Zeitpunkt zurückgelegten Weg der Endoskopiekapsel.
  • Unter einer Lichtmenge ist im vorliegenden Fall folgendes zu verstehen: Die Lichtmenge wird über Raumwinkel und/oder Zeit integrierend gemessen oder es wird die räumliche und/oder zeitliche Dichte ermittelt. Hierbei sind beliebige Kombinationen von räumlichem und zeitlichem Verhalten der Messung möglich.
  • Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, dass im wesentlichen die selbe Stelle bzw. Innenfläche des Patienten zum ersten und dem zweiten Zeitpunkten mit Licht bestrahlt werden. Es wird angenommen, dass sich der Reflexionsfaktor der Innenfläche nicht ändert und sich die Ausrichtung der Kapsel und damit die Ausrichtung von Lichtquelle und Lichtsensor ebenfalls zwischen erstem und dem zweiten Zeitpunkt nicht wesentlich ändern. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Zeitabstände zwischen aufeinanderfolgenden Messungen, also erstem und zweitem oder zwischen aufeinanderfolgenden weiteren zweiten Zeitpunkten so klein gewählt werden, dass sich die Lage und Orientierung nicht soweit ändern kann, dass die Innenfläche aus dem Leuchtkegel der Lichtquelle wandern würde.
  • Mit anderen Worten: Es werden also, ausgehend von einer Position der Kapsel zum ersten Zeitpunkt die optischen Reflexionseigenschaften im Patienten quantitativ gemessen und bei anschließendem Entfernen oder Annähern der Kapsel an die Innenfläche wird die reflektierte Lichtmenge wiederum gemessen, ausgewertet und unter Berücksichtigung der optischen Eigenschaften des Objektives in eine Entfernungsänderung relativ zum ersten Zeitpunkt umgerechnet.
  • Nichtlineare optische Eigenschaften von Lichtquelle oder Lichtsensor, Objektiv, Glaskuppel usw. werden bei dem o. g. Berechnungen berücksichtigt. Zur schnelleren mathematischen Berücksichtigung der Nichtlinearitäten wird z. B. eine in einer Referenzmessung aufgenommene Look-Up-Tabelle verwendet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist zum ersten Zeitpunkt der absolute Abstand der Endoskopiekapsel zur Innenfläche bekannt. Aus dem bekannten Abstand und der erfindungsgemäß ermittelten Wegänderung wird so zum zweiten Zeitpunkt anhand des Weges der aktuelle Abstand zur Innenfläche bestimmt.
  • Der absolute Abstand der Endoskopiekapsel von der Innenfläche kann in einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens besonders einfach derart bestimmt werden, dass die Endoskopiekapsel zum ersten Zeitpunkt an der Innenfläche anliegt. Der Abstand der Endoskopiekapsel zur Innenfläche ist dann Null.
  • Lichtsensor und Lichtquelle sind in einer Endoskopiekapsel in der Regel unter einer Glaskuppel, auch Dom genannt, untergebracht. Bei Anliegen des Doms an der Innenfläche entspricht dann der Abstand von Lichtquelle bzw. Lichtsensor zur Innenfläche dem Abstand zur an der Innenfläche anliegenden Glaskuppel. Zum ersten Zeitpunkt steht damit der Reflexionsfaktor direkt in Relation zum absoluten bekannten Abstand.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird als Lichtsensor eine Kamera benutzt. Eine solche ist in der Regel in einer Endoskopiekapsel ohnehin enthalten. Der Kamera ist dann meist eine Beleuchtungseinrichtung, z. B. ein das Kameraobjektiv umgebender LED-Kranz vorhanden. Dieser wird dann in einer weiteren Ausführungsform als Lichtquelle benutzt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dann mit einer üblichen Endoskopiekapsel zur Videobeobachtung durchgeführt werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die erste und dritte Menge an Licht, welche von der Lichtquelle ausgesandt wird. dadurch verändert, dass die Lichtquelle im Pulsweitenbetrieb betrieben wird. Dies bietet sich z. B. bei der o. g. Variante an, wenn ein LED-Kranz als Lichtquelle dient. Dessen Helligkeit kann dann durch Pulsbetrieb auf eine gewünschte Lichtmenge gedimmt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens bleiben Lichtquelle und Lichtsensor während einer Bewegung der Endoskopiekapsel auf die selbe Stelle der Innenfläche des Patienten ausgerichtet. So kann eine Wegmessung im Patienten auch bei Bewegung einer Kapsel über weite Strecken erfolgen, solange die Kapsel eine Sichtverbindung zur ursprünglich gewählten Innenfläche besitzt.
  • Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 7. Diese umfasst eine Endoskopiekapsel mit Lichtquelle und Lichtsensor und eine Steuer- und Auswerteeinheit, die ein Programm zur Ausführung des oben genannten Verfahrens einschließlich dessen Ausgestaltungen umfasst.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist der Lichtsensor eine Kamera und/oder die Lichtquelle ein LED-Kranz der Kamera.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Lichtquelle ein diese im Pulsweitenbetrieb betreibender Pulsweitenmodulator zugeordnet.
  • Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
  • 1 eine Endoskopiekapsel in einem Patienten, welche gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet,
  • 2 eine Endoskopiekapsel in einer alternativen Betriebsweise.
  • 1 zeigt eine Endoskopiekapsel 2, welche sich in einem Patienten 4 befindet, von dem lediglich eine Innenfläche 6 in Form seiner Magenwand dargestellt ist. Die Endoskopiekapsel 2 trägt eine Lichtquelle 8 in Form einer Leuchtdiode und einen Lichtsensor 10 in Form einer Kamera.
  • Der Endoskopiekapsel 2 ist eine Steuer- und Auswerteeinheit 12 zugeordnet, die ein Programm 13 beinhaltet, das das im folgenden beschriebene Verfahren durchführt.
  • 1 zeigt die Endoskopiekapsel 2 zu einem ersten Zeitpunkt t1, zu dem sie sich in einem Abstand d1 zur Innenfläche 6 befindet. Dieser Abstand ist jedoch nicht bekannt. Zum Zeitpunkt t1 sendet die Endoskopiekapsel 2 bzw. die Lichtquelle 8 eine erste bekannte Menge Licht M1 zur Innenwand 6 hin aus. Ein Teil des Lichtes wird an der Innenwand 6 reflektiert und in Richtung zu Lichtsensor 10 in Form einer Lichtmenge M2 zurück reflektiert.
  • Die Endoskopiekapsel 2 sendet die Zahlenwerte der Mengen M1 und M2 an eine ihr zugeordneten Steuer- und Auswerteeinheit 12. Aus den Mengen M1 und M2 wird der Reflexionsfaktor R der Innenwand 6 bestimmt.
  • 1 zeigt eine Situation, in welcher der Patient 4 gerade mit Hilfe der Endoskopiekapsel 2 untersucht wird. Daher wird die Endoskopiekapsel 2 von einem nicht dargestellten Bediener im Patienten 4 navigiert, beispielsweise auf die Innenwand 6 zu bewegt. Zu einem Zeitpunkt t2 hat sich die Kapsel der Innenwand 6 angenähert, so dass diese nun einen Abstand d2 voneinander aufweisen, der jedoch ebenfalls unbekannt ist. Zum Zeitpunkt t2 sendet die Lichtquelle 8 wiederum eine weitere bekannte Menge M3 von Licht zur Innenfläche 6 hin aus, welche das Licht wiederum teilweise reflektiert und eine Menge M4 von Licht zum Lichtsensor 10 zurückstreut. Die Mengen M3 und M4 werden wieder an die Steuer- und Auswerteeinheit 12 übertragen. Diese berechnet anhand der Menge M3 und M4 und des als konstant für die Innenfläche 6 angenommenen Reflexionsfaktors R die Abstandsänderung der Endoskopiekapsel 2 zur Innenfläche 6. Diese Differenz der Abstände d2 – d1 entspricht dem von der Endoskopiekapsel 2 zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 zurückgelegten Weg w. Das Verfahren liefert also die Information, welchen Weg w die Endoskopiekapsel 2 zurückgelegt hat, ohne deren Abstand zur Innenfläche 6 zu kennen.
  • 2 zeigt eine alternative Ausführungsform des Verfahrens, bei der zunächst die Endoskopiekapsel 2 händisch zum Zeitpunkt t1 bis zur Berührung an die Innenfläche 6 angefahren wird. Der Abstand d1 zwischen Lichtquelle 8 bzw. Lichtsensor 10 und Innenfläche 6 ist damit bekannt als der bekannte Abstand zwischen diesen und dem vorderen Ende der Glaskuppel 14. Anschließend wird die Endoskopiekapsel 2 von der Innenfläche 6 wegbewegt und das Verfahren entsprechend 1 ausgeführt. Wie gemäß 1 wird zu Zeitpunkten t2 der zurückgelegte Weg w ermittelt. Da im Unterschied zu oben zum Zeitpunkt t1 ist aber die absolute Entfernung d1 bekannt war, ergibt sich somit auch der absolute Abstand der Endoskopiekapsel 2 von der Innenfläche 6 zum Zeitpunkt t2 als d2 = w + d1.
  • In. 1 entspricht die Menge ausgesandten Lichtes M1 und M3 einer konstanten Menge, da die Lichtquelle 8 im Dauerbetrieb leuchtet. In einer Ausführungsform in 2 ist der Lichtquelle 8 ein Pulsweitenmodulator 16 zugeordnet. Somit können an den Zeitpunkten t1 und t2 kann unterschiedliche Lichtmengen M1 und M3 ausgesendet werden, welche vom Taktverhältnis des Pulsweitenmodulators 16 abhängen. So kann beispielsweise in 2 zum Zeitpunkt t1 eine geringe Lichtmenge M1 gewählt werden, welche zur Bestimmung des Reflexionsfaktors R benutzt wird, um den Lichtsensor 10 in der Nähe der Innenfläche 6 nicht zu übersteuern.
  • In 1 ist noch eine Variante des Verfahrens gezeigt, bei welcher zur Berechnung des Weges W außerdem eine Look-Up-Tabelle 18 benutzt wird. Diese beinhaltet Informationen über die nichtlinearen Eigenschaften des gesamten optischen Systems, also z. B. von Lichtquelle 8, Glaskuppel 14, Lichtsensor 10 und den Reflexionseigenschaften der Innenfläche 6 bei unterschiedlich einstrahlenden Lichtmengen. Die entsprechende Look-Up-Tabelle wurde z. B. einmalig unter Laborbedingungen bei bekannten Abständen von Endoskopiekapsel 2 und Modellen der Innenfläche 6 in einem Referenzverfahren vermessen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10142253 [0002]

Claims (9)

  1. Verfahren zur Bestimmung eines von einer Endoskopiekapsel (2) in einem Patienten (4) zurückgelegten Weges (w), wobei die Endoskopiekapsel (2) eine Lichtquelle (8) und einen Lichtsensor (10) enthält, bei dem: – zu einem ersten Zeitpunkt (t1) die Lichtquelle (8) Licht einer bekannten ersten Menge (M1) aussendet, welches von einer Innenfläche (6) des Patienten (4) reflektiert wird, und der Lichtsensor (10) eine zweite Menge (M2) reflektierten Lichtes empfängt und anhand erster (M1) und zweiter Mengen (M2) ein Reflexionsfaktor (R) der im Patienten (4) mit Licht bestrahlten Innenfläche (6) ermittelt wird, – zu einem zweiten Zeitpunkt (t2) die Lichtquelle (8) erneut Licht einer dritten Menge (M3) in Richtung der Innenfläche (6) aussendet, und der Lichtsensor (10) eine vierte Menge (M4) reflektierten Lichtes empfängt und anhand der dritten (M3) und vierten Menge (M4) und des Reflexionsfaktors (R) der zwischen erstem (t1) und zweitem Zeitpunkt (t2) zurückgelegte Weg als Änderung des Abstandes (d2 – d1) zur Innenfläche (6) ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – zum ersten Zeitpunkt (t1) der Abstand (d1) der Endoskopiekapsel (2) zur Innenfläche (6) bekannt ist und – zum zweiten Zeitpunkt (t2) anhand des Weges (w) der aktuelle Abstand (d2) zur Innenfläche (6) bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem im ersten Zeitpunkt (t1) die Endoskopiekapsel (2) an der Innenfläche (6) angelegt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Lichtsensor (10) eine Kamera verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Menge (M1, 3) ausgesandten Lichts durch Pulsweitenbetrieb der Lichtquelle (8) bestimmt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Lichtquelle (8) und Lichtsensor (10) während einer Bewegung der Endoskopiekapsel (6) auf die selbe Stelle der Innenfläche (6) ausgerichtet bleiben.
  7. Vorrichtung zur Bestimmung eines von einer Endoskopiekapsel (2) in einem Patienten (4) zurückgelegten Weges (w), mit einer Endoskopiekapsel (2) mit Lichtquelle (8) und Lichtsensor (10), und mit einer Steuer- und Auswerteeinheit (12) mit einem in dieser implementierten Programm (13) zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 6.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der der Lichtsensor (8) eine Kamera ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, mit einem die Lichtquelle (10) in einem Pulsweitenbetrieb betreibenden Pulsweitenmodulator (16).
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