DE102011078500A1

DE102011078500A1 - Verfahren und Einrichtung zur Steuerung einer Endoskopkapsel

Info

Publication number: DE102011078500A1
Application number: DE201110078500
Authority: DE
Inventors: Henrik Keller; Mario Bechtold; Aleksandar Juloski
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Invandus De GmbH
Priority date: 2011-07-01
Filing date: 2011-07-01
Publication date: 2013-01-03
Anticipated expiration: 2031-07-02
Also published as: DE102011078500B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Endoskopkapsel (2) in einem mit einer Flüssigkeit (6) gefüllten Hohlraum (4), bei dem durch ein von einem Spulensystem (8) erzeugtes Magnetfeld eine auf die Endoskopkapsel (2) veränderbare erste Kraft (F1) in einer in einer Ebene (E) liegenden ersten Richtung (R1) und eine auf dieser Ebene (E) senkrecht stehende zweite Kraft (F2) in einer zweiten Richtung (R2) ausgeübt wird, wobei die zweite Kraft (F2) von der ersten Kraft (F1) abhängt. Außerdem betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Steuerung einer Endoskopkapsel in einem mit einer Flüssigkeit gefüllten Hohlraum.
Zur optischen Untersuchung der Innenoberfläche eines mit einer Flüssigkeit gefüllten Hohlraumes, beispielsweise des Magens oder des Darmtraktes eines Patienten werden Endoskopkapseln verwendet, die in den Hohlraum eingeführt werden und dann ohne feste Verbindung nach außen im Hohlraum frei manövrierbar sind. Die Ansteuerung der Endoskopkapsel erfolgt durch von einem Spulensystem erzeugte Magnetfelder. Mittels der Magnetfelder wird auf die Endoskopkapsel eine Kraft ausgeübt, so dass die Endoskopkapsel in eine gewünschte Richtung bewegt werden kann. Mit Hilfe einer oder mehrerer vorzugsweise an den Stirnseiten der Endoskopkapsel angeordneten Kameras können Bilder der im Gesichtsfeld der Kamera befindlichen Innenoberfläche des Hohlraumes erzeugt werden. Um Bilder von einem bestimmten Bereich der Innenoberfläche des Hohlraumes anzufertigen, muss die Endoskopkapsel in eine dafür bestimmte Position gebracht und gehalten werden, was jedoch in der Praxis durch die Schwerkraft der Kapsel, deren Trägheit sowie durch die Strömungsgegebenheiten innerhalb des Hohlraumes sich als schwierig gestaltet.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung einer Endoskopkapsel in einem mit einer Flüssigkeit gefüllten Hohlraum vorzuschlagen, bei dem die Manövrierbarkeit der Endoskopkapsel erleichtert wird. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen wird durch ein von einem Spulensystem erzeugtes Magnetfeld eine auf die Endoskopkapsel veränderbare erste Kraft in einer in einer Ebene liegenden ersten Richtung und eine auf dieser Ebene senkrecht stehende zweite Kraft in einer zweiten Richtung ausgeübt, wobei die zweite Kraft von der ersten Kraft abhängt.
Somit ist also die erste Kraft als auch die zweite Kraft aneinander gekoppelt und somit nicht unabhängig voneinander veränderbar. Dies bedeutet also, dass bei einer Veränderung der ersten Kraft auch immer die zweite Kraft in einem bestimmten Abhängigkeitsverhältnis automatisch verändert wird.
Mit bisher bekannten Steuerungssystemen, mit denen die Endoskopkapsel innerhalb des Hohlraums frei beweglich manövriert werden kann, konnten die einzelnen auf die Endoskopkapsel wirkenden Kräfte unabhängig voneinander erzeugt und verändert werden, was jedoch zu Schwierigkeiten bei der Navigation und somit der genauen Positionierung der Endoskopkapsel an einem gewünschten Ort führt.
Um die Endoskopkapsel sicher in einer Position zu halten ist es daher von Vorteil eine Position einzunehmen, in der die Endoskopkapsel die Innenoberfläche des Hohlraums berührt. Es sollte also stets eine Kraft auf die Endoskopkapsel ausgeübt werden, die diese in Richtung der Innenoberfläche drückt. Diese Kraft muss dabei so bemessen sein, dass sie die gewünschte Bewegung, vorzugweise entlang der Innenoberfläche des Hohlraums nicht behindert. Eine derartige Funktion übt erfindungsgemäß die zweite Kraft aus.
Durch die Abhängigkeit der zweiten Kraft von der ersten Kraft kann die Manövrierbarkeit der Endoskopkapsel verbessert werden, so dass diese beispielsweise durch einen Bediener leichter in eine gewünschte Position gebracht werden kann. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann also ein Bediener oder ein Steuerungssystem die Endoskopkapsel sehr gezielt in einem Hohlraum insbesondere an dessen Innenoberfläche navigieren. Dies trifft besonders auf Hohlräume mit konkav gekrümmten Innenoberflächen zu, wie z.B. den Magen. Die Endoskopkapsel wird durch Ausübung einer ersten Kraft in einer ersten Richtung, die beliebig in einer Ebene liegt, in diese erste Richtung in Bewegung versetzt. Die auf der Ebene senkrecht stehende zweite Kraft drückt dabei die Endoskopkapsel in Richtung der Innenoberfläche des Körperhohlraums und stabilisiert diese somit. Aus einer derart stabilen Position können dann mittels der in der Endoskopkapsel eingebauten Kamera aussagekräftige Bilder der Innenoberfläche des Hohlraums angefertigt werde.
Um von dieser Position ausgehend eine weitere Bewegung entlang der konkav gekrümmten Oberfläche des Hohlraumes zu gewährleisten, wird die erste Kraft in der ersten Richtung vergrößert und gleichzeitig die zweite Kraft in der zweiten Richtung vermindert, so dass Bilder von weiteren Bereichen der Innenoberfläche erzeugt werden können. Insbesondere kann man die Endoskopkapsel stabil an einer Steigung oder Neigung der Innenoberfläche halten, wenn die resultierende Kraft so eingestellt ist, dass sie orthogonal auf der berührten Innenoberfläche steht. Dies macht dieses Verfahren besonders geeignet für konkav gekrümmte Innenoberflächen von Hohlorganen, da diese stabilen Positionen für die Untersuchung unerlässlich sind.
Außerdem können durch das erfindungsgemäße Verfahren auch Inhomogenitäten des Magnetfelds, die zu Bewegungsfehlern führen können (Driftfelder) mit Hilfe der durch die resultierende Kraft gesteigerten Reibung an der Magenwand kompensiert werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung hängt die zweite Kraft linear von dem Betrag der ersten Kraft ab. Dies bedeutet also, dass beispielsweise bei einer Verdopplung der ersten Kraft die zweite Kraft im gleichen Ausmaß verändert wird.
Es ist aber auch möglich, die zweite Kraft nichtlinear von dem Betrag der ersten Kraft abhängen zu lassen, so dass dadurch an ein bestimmtes Organ insbesondere an dessen Innenoberfläche angepasste Bewegungen ermöglicht werden.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Betrag der auf die Endoskopkapsel ausgeübten resultierenden Kraft konstant ist. Dies bedeutet also, dass die aus erster Kraft und zweiter Kraft gebildete Summe einen Vektor erzeugt, dessen Endpunkt auf einer Kugeloberfläche liegt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Betrag der zweiten Kraft in einem Extremfall Null. In diesem Extremfall wirkt auf die Endoskopkapsel dann lediglich die in der Ebene liegende erste Kraft.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung hängt der Betrag der zweiten Kraft von einem Neigungswinkel des magnetischen Körpers zu der Ebene ab. Bevorzugt ist dabei die auf die Endoskopkapsel ausgeübte resultierende Kraft in einem Winkelbereich von 90° plus einen Neigungswinkel drehbar, wobei sich der Neigungswinkel aus der Lage der Endoskopkapsel zu der Ebene ergibt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die zweite Kraft auch negative Werte. Dies bedeutet also, dass die Richtung der zweiten Kraft umkehrbar ist und somit eine Bewegung der Endoskopkapsel auch entlang steil ansteigender Innenoberflächen möglich ist.
Eine weitere Verbesserung der Manövrierbarkeit der Endoskopkapsel wird erreicht, wenn das vom Spulensystem erzeugte Magnetfeld die Auftriebskraft der Endoskopkapsel und deren Schwerkraft kompensiert.
Ebenso wird die Manövrierbarkeit der Endoskopkapsel verbessert, wenn das vom Spulensystem erzeugte Magnetfeld durch Strömungseigenschaften der Endoskopkapsel hervorgerufene Kräfte kompensiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders dann angewandt werden, wenn die erste Kraft durch ein Bedienelement eines 2D-Eingabegerätes verändert wird. Somit kann ein Bediener auf einfache Art und Weise sowohl die erste Kraft und in deren Abhängigkeit automatisch auch die zweite Kraft verändern, ohne dass es hierzu einer gesonderten Ansteuerung der zweiten Kraft durch eine entsprechende Bedienung eines Bedienelements oder gar eines weiteren Bedienelements bedarf. Der Bediener kann sich somit auf wenige Bedienschritte konzentrieren und die Endoskopkapsel auf einfache Art und Weise in einem gewünschten Bereich navigieren. So kann mittels eines einzigen 2D-Eingabegerätes, beispielsweise eines Joysticks mit einer Bewegung des als Bedienelement dienenden Joystickknüppels durch eine Bewegung in der 2D-Ebene die Richtung und der Betrag der ersten Kraft verändert werden, so dass hierbei eine Bewegung in der entsprechenden Ebene erfolgt. Durch die Bewegung des Bedienelements und die damit verbundene Veränderung der ersten Kraft wird aber auch gleichzeitig die zweite Kraft in Abhängigkeit der ersten Kraft verändert, so dass ein Manövrieren der Endoskopkapsel in drei Dimensionen ermöglicht wird. Es ist also kein weiterer Joystick zur Einstellung der zweiten Kraft notwendig.
Eine weitere Verbesserung der Manövrierung in einem vergrößerten Bereich ergibt sich, wenn der Betrag der zweiten Kraft durch eine Bedienung des Bedienelementes sprunghaft verändert wird. Es kann dann beispielsweise bei Bewegung des Joystickknüppels in eine Endstellung durch einen damit verbundenen sprunghaften Anstieg der ersten und davon abhängigen zweiten Kraft eine höhere Kraft und somit ein größerer Navigationsbereich erzielt werden.
Eine besonders stabile Ausgangsposition der Endoskopkapsel für eine Untersuchung des Hohlraums wird erhalten, wenn in der Grundstellung des Bedienelementes eine konstante zweite Kraft auf die Endoskopkapsel ausgeübt wird, während die erste Kraft Null ist. Dadurch wird durch die zweite Kraft die Endoskopkapsel in eine Position auf die Innenoberfläche des Hohlraumes bewegt und in dieser Position gehalten.
Eine besonders geeignete Art der Manövrierung wird erreicht, wenn erste und zweite Kraft automatisch durch ein Steuerungssystem verändert werden.
Hinsichtlich der Einrichtung wird die Aufgabe gelöst durch eine Einrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 14. Demnach umfasst diese eine in einen mit einer Flüssigkeit gefüllten Hohlraum einführbare Endoskopkapsel, ein Spulensystem zur Erzeugung eines Magnetfeldes und ein Steuerungssystem, in dem eine Software zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche implementiert ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführung der Einrichtung weist diese ein ein Bedienelement aufweisendes 2D-Eingabegerät auf, welches mit dem Steuerungssystem verbunden ist.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen.
Es zeigen jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
1 eine eine Innenoberfläche eines Hohlraums berührende Endoskopkapsel in einer Ausgangssituation,
2 eine Endoskopkapsel, auf die eine erste und zweite Kraft ausgeübt wird,
3 eine eine untere Magenwand berührende Endoskopkapsel, mit unterschiedlichen ersten und zweiten Kräften,
4 eine eine obere Magenwand berührende Endoskopkapsel, mit unterschiedlichen ersten und zweiten Kräften,
5 eine eine untere Magenwand berührende Endoskopkapsel, mit unterschiedlichen ersten und zweiten Kräften,
6 eine eine obere Magenwand berührende Endoskopkapsel, mit unterschiedlichen ersten und zweiten Kräften,
In 1 ist eine Endoskopkapsel 2 dargestellt, die zur Untersuchung eines Hohlraumes 4, im gezeigten Beispiel der Magen eines Patienten, welcher mit einer Flüssigkeit 6 gefüllt ist, eingebracht wurde. Um die Endoskopkapsel 2 innerhalb des Hohlraumes 4 zu manövrieren, können mit einem außerhalb des Hohlraumes 4 angeordneten Spulensystem 8 Magnetfelder erzeugt werden, die auf die Endoskopkapsel Kräfte ausüben. Die Endoskopkapsel 2 berührt in dieser Ausgangssituation mit einer ihrer Stirnseiten die Innenoberfäche 10 des Hohlraumes 4, wobei die Längsachse 12 der Endoskopkapsel 2 gegenüber der Innenoberfläche 10 um den Neigungswinkel φ geneigt ist. Bei der Innenoberfläche 10 handelt es sich in diesem Fall um die untere Magenwand, die vereinfacht als ebene Fläche dargestellt ist. Um von der Innenoberfläche 10 des Hohlraumes 4 Bilder anfertigen zu können, umfasst die Endoskopkapsel 2 jeweils an ihren Stirnseiten eine Kamera 14, die in Richtung der Innenoberfläche 10 des Hohlraums 4 gerichtet ist, wobei die optische Achse der Kamera der Längsachse 12 der Endoskopkapsel 2 entspricht.
Für die Manövrierung umfasst die Untersuchungseinrichtung ferner ein 2D-Eingabegerät 16, in diesem Fall einen Joystick, welches ein Bedienelement 16, in diesem Fall einen Joystickknüppel, aufweist. Das 2D-Eingabegerät 16 ist an ein Steuerungssystem 20 angeschlossen, in dem eine Software zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens implementiert ist. Mit dem Steuerungssystem 20 werden die von dem 2D-Eingabegerät erzeugten Bedienimpulse ausgewertet und das Spulensystem 8 derart angesteuert, dass es Magnetfelder erzeugt, die auf die Endoskopkapsel 2 entsprechende Kräfte ausüben.
Um die Endoskopkapsel 2 sicher in die in 1 dargestellte und für eine Untersuchung günstige Ausgangsposition an der Innenoberfläche 10 des Hohlraumes 4 zu bringen und diese zu halten, wird bereits in dieser Ausgangsposition seitens des Steuerungssystems 20 eine zweite Kraft F₂ auf die Endoskopkapsel 2 ausgeübt. Das Bedienelement 18 befindet sich dabei in seiner Grundstellung. Es wurde also seitens des Bedieners noch keine Eingabe gemacht. Die zweite Kraft F₂ erstreckt sich dabei in eine zweite Richtung R₂, die wiederum senkrecht zur Innenoberfläche 10 des Hohlraums 4 gerichtet ist. Somit wird die Endoskopkapsel 2 auf die Innenoberfläche 10 gedrückt und in die stabile Ausgangsposition gebracht. Da auf die Endoskopkapsel 2 in dieser Situation keine weiteren Kräfte wirken entspricht somit die resultierende Kraft F_R der zweiten Kraft F₂.
In dem Ausführungsbeispiel fallen sowohl der Schwerpunkt der Endoskopkapsel 2 als auch deren magnetischer Mittelpunkt in einem Punkt U zusammen, so dass veranschaulicht dargestellt auch die auf die Endoskopkapsel 2 wirkenden Kräfte ihren Ursprung in U haben. In der Praxis fallen jedoch Schwerpunkt und magnetischer Mittelpunkt auseinander.
Um ausgehend von der in 1 dargestellten Ausgangsposition die Innenoberfläche 10 mit der Endoskopkapsel 2 zu untersuchen, muss diese nun entlang der Innenoberfläche 10 bewegt werden. Dazu bedient der Bediener das Eingabeelement 18 des 2D-Eingabegerätes 16 beispielsweise in Pfeilrichtung 22 nach vorne.
Eine Situation der auf die Endoskopkapsel einwirkenden Kräfte bei einer derartigen Bewegung des Eingabeelements 18 ist in 2 dargestellt.
Durch die Bewegung des Eingabeelements 18 in der Eingabeebene des 2D-Eingabegerätes 16 wird mit Hilfe des Steuerungssystems 20 und des Spulensystems 8 ein Magnetfeld erzeugt, das auf die Endoskopkapsel 2 eine veränderbare erste Kraft F₁ in einer ersten Richtung R₁ ausübt, die in einer Ebene E liegt, die senkrecht auf der zweiten Kraft F₂ steht. Somit ist die Bewegung des Eingabeelements 18 unmittelbar mit der Veränderung der ersten Kraft F₁ verknüpft. Die Bewegung des Bedienelements 18 in der Eingabeebene gibt dabei die Richtung der ersten Kraft F₁ in der Ebene E vor und mit dem Maß der Auslenkung aus der Grundstellung wird der Betrag der ersten Kraft F₁ bestimmt.
Da gemäß der Erfindung die zweite Kraft F₂ von der ersten Kraft F₁ abhängt, wird mit Veränderung der ersten Kraft F₁ durch die Bedienung des Bedienelements 18 auch gleichzeitig die zweite Kraft F₂ automatisch durch das Steuerungssystem 20 verändert. In diesem Ausführungsbeispiel hängt die zweite Kraft F₂ indirekt proportional von der ersten Kraft ab, so dass bei einer Erhöhung der ersten Kraft F₁ die zweite Kraft F₂ vermindert wird. Der Betrag der zweiten Kraft F₂ hängt dabei derart von dem Betrag der ersten Kraft F₁ ab, dass der Betrag der resultierenden Kraft F_R, also der Summe aus F₁ und F₂ konstant ist. Somit liegt das Pfeilende des Kraftvektors der resultierenden Kraft F_R bei einer beliebigen Veränderung von F₁ stets auf einer Kugel K. Es wäre allerdings auch denkbar, dass sich die erste Kraft F₁ und die zweite Kraft F₂ derart ändern, dass der Betrag der resultierenden Kraft F_R unterschiedlich ist. Insgesamt wird durch die auf die Endoskopkapsel 2 wirkenden Kräfte F₁ und F₂ und somit der resultierenden Kraft F_R eine Bewegung der Endoskopkapsel 2 in der Zeichenebene nach links, aus Sicht der Endoskopkapsel nach vorne bewirkt. Durch die Kraft F₂ wird die Endoskopkapsel 2 auch bei einer derartigen Bewegung weiterhin auf die Innenoberfläche 10 des Hohlraums 4, also der Magenwand gedrückt, wodurch gewährleistet wird, dass sie stets eine stabile Position für die Aufnahme von Bildern der Magenwand aufweist. Die Veränderung der beiden Kräfte F₁ und F₂ führt zu einer Rotation des Vektors der resultierenden Kraft F_R um den Punkt U, wie es in 3 dargestellt ist. Der Vektor der resultierenden Kraft F_R dreht sich also um den Punkt U um einen Winkel α, während das Ende des Vektors von F_R auf einer Kugel liegt. Diese Kugel hat als Radius den Betrag von der resultierenden Kraft F_R und seinen Mittelpunkt in U.
Mit einer derartigen Veränderung sowohl der ersten Kraft F₁ als auch der zweiten Kraft F₂ wird eine besonders gute Manövrierung der Endoskopkapsel 2 erreicht. Gegenüber einer frei beweglichen Endoskopkapsel 2, bei der sämtliche auf sie wirkenden translatorischen Kräfte unabhängig voneinander steuerbar sind und daher die Endoskopkapsel 2 beispielsweise nur durch besonderes Geschick des Bedieners in einer bestimmten Position zu halten ist, wird durch die Abhängigkeit der ersten und zweiten Kraft eine Bedienung erleichtert, da über das 2D-Eingabegerät 16 und dessen Bedienelement 18 lediglich Eingaben in der 2D-Eingabeebene erfolgen müssen und dadurch gleichzeitig eine Steuerung der ersten Kraft F₁ und zweiten Kraft F₂, also von Kräften in drei möglichen Richtungen erfolgt. Ein weiteres Bedienelement zur unabhängigen Ansteuerung der zweiten Kraft F₂ ist somit entbehrlich. Gegenüber einer Steuerung, bei der die zweite Kraft F₂ konstant und somit unveränderbar ist und lediglich die darauf senkrecht stehende erste Kraft F1 veränderbar ist, bietet das erfindungsgemäße Verfahren einen wesentlich erweiterten Einsatzradius der Endoskopkapsel 2. Insbesondere bei stark konkav gekrümmten Innenoberflächen 10 eines Körperhohlraumes 4, würde eine konstante zweite Kraft F₂ die Endoskopkapsel 2 ständig in Richtung des tiefsten Punktes der Innenoberfläche 10 bewegen. Auch bei einer starken ersten Kraft F₁ könnte die Endoskopkapsel 2 dann nicht sehr weit von diesem Punkt wegbewegt werden. Dies gelingt erst, wenn bei Zunahme der ersten Kraft F₁ auch gleichzeitig die zweite Kraft F₂ vermindert wird, wie es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Fall ist. Wenn die zweite Kraft F₂ sogar negative Werte umfassen kann, also deren Richtung auch umkehrbar ist, so kann auch die Endoskopkapsel 2 sogar entlang der vollumfänglichen Innenoberfläche 10 des Hohlraumes 4 manövriert werden.
Bei der in 1 dargestellten Ausgangsposition beträgt der Winkel α = 0°. Es können nun verschiedene Maximalwinkel für α vorteilhaft sein, was jeweils einer bestimmten Abhängigkeit der zweiten Kraft F₂ von der ersten Kraft F₁ und einem bestimmten Wertebereich der zweiten Kraft F₂ entspricht. Die Winkelbereiche für α sind in 3, 4 näher dargestellt. Bei der in 1 dargestellten Ausgangssituation, bei der die resultierende Kraft F_R der zweiten Kraft F₂ entspricht und diese senkrecht auf der Innenoberfläche 10 steht, weist α einen Wert von 0° auf. Der Vektor der resultierenden Kraft F_R befindet sich dabei in einer Position P₁. Wenn α in einem Bereich von ±90° einstellbar ist, was bedeutet, dass der Betrag der zweiten Kraft F₂ in diesen Extremfällen Null ist, es existiert also in den Extremfällen bei α = –90° sowie α = 90° keine zweite Kraft F₂ mehr, so kann die Endoskopkapsel 2 auch Steigungen und Neigungen entlang gleiten. In 3 befindet sich ein entsprechender Vektor der resultierenden Kraft bei α = 90° in der Position P₂.
Hängt der Betrag der zweiten Kraft F₂ zusätzlich von dem Neigungswinkel φ der Endoskopkapsel von der Ebene E ab und ist somit ein Bereich von α = –(90° + φ) bis α = 90° + φ einstellbar ist, so ist dies insbesondere vorteilhaft für die Magnetkapselendoskopie, bei der eine Endoskopkapsel 2 mit zwei Kameras 14 an den jeweiligen Stirnseiten benutzt wird, wie es im Ausführungsbeispiel der Fall ist. Typischerweise ist das in der Endoskopkapsel 2 befindliche magnetische Element so ausgerichtet, dass wenn φ = 0° ist, die Längsachse 12 der Endoskopkapsel 2 senkrecht auf der Innenoberfläche 10 steht und bei φ = –45° die Sicht der unteren Kamera um 45° erhöht ist. Wird α nun auf den Bereich von α = –(90° + φ) bis α = 90° + φ begrenzt, so kann man mit α im negativen Bereich –(90° + φ) die Endoskopkapsel 2 entlang der Innenoberfläche 10 des Hohlraums 4 vorwärts bewegen und schneller Steigungen und Neigungen entlang gleiten. Gleiches gilt für α im positiven Bereich, wobei die Endoskopkapsel 2 hier bei einer in einer Position P₃ befindlichen resultierenden Kraft F_R, die um den Winkel α = 90° + φ gegenüber der Innenoberfläche 10 gedreht ist auch direkt zielgerichtet entlang der Längsachse 12 und somit der optischen Achse der Kamera 14 entlang bewegt werden kann. Letzteres ist besonders gut, um anatomisch interessante Stellen direkt anzufahren ohne an der Innenoberfläche 10, also der Organwand entlang gleiten zu müssen oder um anatomische Engstellen gezielt zu durchfahren. Ein Vektor mit einer resultierenden Kraft F_R, die um α = 90° + φ gedreht ist, ist in 3 in einer Position P₄ dargestellt.
In 4 ist eine entsprechende Situation dargestellt, bei der die Bewegung der Endoskopkapsel 2 an einer die obere Magenwand repräsentierenden Innenoberfläche 10 des Hohlraums 4 erfolgt. Die oben beschriebenen Gegebenheiten gelten für eine derartige Situation sinngemäß. Für den Fall, dass die Bewegung an der oberen Magenwand stattfindet, erfolgt die beschriebene zielgerichtete Bewegung in Richtung der unteren Kamera.
Wird der Winkel α interaktiv durch einen Bediener mittels des 2D-Eingabergeätes 16 beeinflusst, so sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung vor, dass durch eine Bewegung des Bedienelements 18 des 2D-Eingabegerätes zunächst nur die Winkel α im Bereich von α = 90° und α = –90°einstellbar sind. Erfolgt dann eine weitere Bewegung des Eingabeelements 18, beispielsweise in eine Endstellung, so wird die erste Kraft F₁ und damit die zweite Kraft F₂ sprunghaft verändert, so dass die resultierende Kraft F_R einen Winkel α = 90° + φ bzw. α = –90° + φ aufweist. Durch den hierdurch ausgegrenzten Bereich der Kräfte bzw. des Winkels α kann die äußerst nützliche Funktion der zielgerichteten Bewegung leichter genutzt werden.
Umfasst α einen Winkelbereich von 360° sind Bewegungen in alle Richtungen möglich, allerdings erfolgt die Steuerung der einzelnen Kräfte und damit der Winkel α der resultierenden Kraft bei interaktiver Steuerung den Bediener nicht so intuitiv.
Bei den oben gezeigten Beispielen erfolgte eine Veränderung der ersten Kraft F₁ lediglich in der Zeichenebene der 1. In 5 ist eine Situation dargestellt, bei der die auf die Endoskopkapsel 2 wirkende erste Kraft F₁ senkrecht zu der Zeichenebene der 1–4 verändert wird, auf die Endoskopkapsel 2 also eine erste Kraft F₁ ausgeübt wird, die diese aus Kapselsicht betrachtet nach links bzw. rechts bewegt. In der Ausgangssituation entspricht die resultierende Kraft F_R wieder zunächst der zweiten Kraft F2. Durch eine Veränderung der ersten Kraft F₁ und der damit verbundenen Veränderung der zweiten Kraft F₂ wird die resultierende Kraft F_R um einen Winkel β gegenüber der Innenoberfläche 10 gedreht. Bevorzugt eignen sich Winkel β aus einem Bereich von β = 90° bis β = –90°. Bei derartigen Winkeln β befindet sich der Vektor der resultierenden Kraft F_R in den Positionen P₅, P₆.
Während 5 die Verhältnisse bei einer unteren Magenwand darstellt, ist in 6 eine entsprechende Situation mit der oberen Magenwand abgebildet.
Die Veränderungen der ersten Kraft F₁ in der gesamten Ebene E mit der davon abhängigen zweiten Kraft F₂ und somit die Drehung der resultierenden Kraft F_R um den Winkel α als auch um den Winkel β sind beliebig miteinander kombinierbar, so dass sich das Ende des resultierenden Vektors F_R auf einer Kugel K bewegt.
Im oben gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgte bei der Erzeugung der magnetischen Kräfte keine Berücksichtigung von Auftrieb, Schwerkraft und Strömungsverhalten. Dies kann jedoch noch zusätzlich geschehen. Das oben beschriebene Verfahren funktioniert ideal, wenn die Endoskopkapsel 2 dieselbe Dichte aufweist, wie die Flüssigkeit 6, in der sie bewegt wird. Ist dies nicht der Fall, so kann dies bei der Erzeugung der auf die Endoskopkapsel wirkenden Kräfte berücksichtigt werden.
Des Weiteren weist die Endoskopkapsel 2 bestimmte Strömungseigenschaften auf, die von der Art der Endoskopkapsel 2 und der Flüssigkeit 6 abhängen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden daher die auf die Endoskopkapsel 2 wirkenden Kräfte derart berechnet, dass dieser Einfluss bereinigt wird.
In dem Ausführungsbeispiel wurden die auf die Endoskopkapsel 2 wirkenden Kräfte mit Hilfe eines 2D-Eingabegerätes 16 verändert. Das Verfahren ist aber auch vollautomatisch mittels des Steuerungssystem 20 durchführbar.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Bediener oder ein intelligentes Steuerungssystem 20 eine Endoskopkapsel 2 sehr gezielt in einem Hohlraum 4 navigieren. Dabei trifft dies besonders auf Hohlräume 4 mit konkav gekrümmten Innenoberflächen 10, wie z.B. den Magen, zu. Die Endoskopkapsel 2 wird in Bewegung versetzt, indem durch eine Veränderung der ersten Kraft F₁ und einer damit verbundenen Veränderung der zweiten Kraft F₂ die resultierende Kraft F_R um einen Winkel α und/oder β derart gedreht wird, bis die Reibung der Endoskopkapsel an der Innenoberfläche 10 des Hohlraums 4 gering genug wird, so dass sich die Endoskopkapsel 2 in die gewünschte Richtung bewegt. Somit können Hindernisse, Steigungen, Neigungen oder anatomische Engstellungen überwunden werden. Insbesondere kann man die Endoskopkapsel 2 stabil an einer Steigung oder Neigung halten, wenn die resultierende Kraft F_R so eingestellt ist, dass sie orthogonal auf der durch die Endoskopkapsel 2 berührten Innenoberfläche 10 steht. Dies macht dieses Verfahren besonders geeignet für konkav gekrümmte Innenoberflächen 10 von Hohlorganen 4, da diese stabilen Positionen für die Untersuchung unerlässlich sind. Durch eine Rückrotation der resultierenden Kraft F_R in Richtung ihrer Ausgangsposition kann man zusätzlich durch steigende Reibung der Endoskopkapsel 2 an der Innenoberfläche 10 einen Bremseffekt erzeugen. Außerdem kann die Endoskopkapsel 2 parallel zu ihrer Längsachse 12 bewegt werden, d.h. weg von der berührten Innenoberfläche 10 und somit zielgerichtet auf eine anatomische Stelle zu. Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich einerseits schwer zugängliche Bereiche im menschlichen Magen erreichen und andererseits bestmögliche Kamerawinkel einstellen, die für Aufnahmen mit Hilfe der Endoskopkapsel optimal sind und eine vollständige Erfassung der Magenwand ermöglichen.

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Endoskopkapsel (2) in einem mit einer Flüssigkeit (6) gefüllten Hohlraum (4), bei dem durch ein von einem Spulensystem (8) erzeugtes Magnetfeld eine auf die Endoskopkapsel (2) veränderbare erste Kraft (F₁) in einer in einer Ebene (E) liegenden ersten Richtung (R₁) und eine auf dieser Ebene (E) senkrecht stehende zweite Kraft (F₂) in einer zweiten Richtung (R₂) ausgeübt wird, wobei die zweite Kraft (F₂) von der ersten Kraft (F₁) abhängt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zweite Kraft (F₂) linear von dem Betrag der ersten Kraft (F₁) abhängt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zweite Kraft (F₂) nichtlinear von dem Betrag der ersten Kraft (F₁) abhängt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Betrag der auf die Endoskopkapsel (2) ausgeübten resultierenden Kraft (F_R) konstant ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Betrag der zweiten Kraft (F₂) in einem Extremfall Null ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Betrag der zweiten Kraft (F₂) von einem Neigungswinkel (φ) der Endoskopkapsel (2) zu der Ebene (E) abhängt.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die auf die Endoskopkapsel (2) ausgeübte resultierende Kraft (F_R) in einem Winkelbereich von 90° plus einen Neigungswinkel (φ) drehbar ist, wobei sich der Neigungswinkel (φ) aus der Lage der Endoskopkapsel (2) zu der Ebene (E) ergibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Kraft (F₂) auch negative Werte umfassen kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das vom Spulensystem (8) erzeugte Magnetfeld die Auftriebskraft der Endoskopkapsel (2) und deren Schwerkraft kompensiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das vom Spulensystem (8) erzeugte Magnetfeld durch Strömungseigenschaften der Endoskopkapsel (2) hervorgerufene Kräfte kompensiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Kraft (F₁) durch ein Bedienelement (18) eines 2D-Eingabegerätes (16) verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Betrag der ersten Kraft (F₁) durch eine Bedienung des Bedienelements (18) sprunghaft verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem in einer Grundstellung des Bedienelements (18) eine konstante zweite Kraft (F₂) auf die Endoskopkapsel (2) ausgeübt wird, während die erste Kraft (F₁) Null ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem erste Kraft (F₁) und zweite Kraft (F₂) automatisch durch ein Steuerungssystem (20) verändert werden.
Einrichtung umfassend eine in einen mit einer Flüssigkeit (6) gefüllten Hohlraum (4) einführbare Endoskopkapsel (2), ein Spulensystem (8) zur Erzeugung eines Magnetfeldes und ein Steuerungssystem (20), in dem eine Software zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche implementiert ist.
Einrichtung nach Anspruch 14, bei dem ein ein Bedienelement (18) aufweisendes 2D-Eingabegerät (16) mit dem Steuerungssystem (20) verbunden ist.