JP2012232126A

JP2012232126A - 内視鏡カプセルをナビゲートするための装置および方法

Info

Publication number: JP2012232126A
Application number: JP2012101551A
Authority: JP
Inventors: Mario Bechtold; ベヒトルトマリオ; Christoph Gabriel; ガブリエルクリストフ; Aleksandar Juloski; ユロスキアレクサンダー
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2012-11-29
Also published as: US20130109920A1; DE102011017719A1; CN102755164A

Abstract

【課題】センサコイルに及ぼされる外部磁界の影響を低減した内視鏡カプセルのナビゲート装置および方法を提供する。
【解決手段】内視鏡カプセル１を運動させるための第１の磁束密度Ｂ→_１を備える外部の第１の磁界により内視鏡カプセル１をナビゲートする装置および方法を記述する。この装置は、内視鏡カプセル１の位置および／または方向を検出するために、内視鏡カプセル１の外部に少なくとも１つのセンサコイルペア２を有し、このセンサコイルペア２は第１と第２のセンサコイル２１、２２を有する。ここで第１と第２のセンサコイル２１、２２は電気的に相互に接続されており、第２の磁束密度が同じである個所に配置されている。障害磁界により誘導される電圧がコイルペア２内で補償されるという利点を提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は、内視鏡カプセルの位置と方向を検出するための少なくとも１つのセンサコイルペアを備える、内視鏡カプセルをナビゲートするための装置および方法に関する。

古典的な内視鏡法は、検査および診断のため、また患者の治療のために医学では広く普及した方法である。古典的な内視鏡法では、患者の身体開口部、たとえば口または肛門を介して内視鏡またはカテーテルが患者の中空器官、たとえば胃または腸に導入される。

しかし古典的な内視鏡には、患者の身体開口部から患者の身体内部までの到達距離が制限されており、中空器官の曲線部または反りに追従するにはフレキシビリティが制限されているという欠点がある。たとえば典型的には７から８ｍの長さの患者の小腸には、この種の古典的な内視鏡では完全に到達することができない。

したがって胃路／腸路を全長にわたってより良く検査するために、磁石で制御される内視鏡カプセルを備える内視鏡システムが存在する。カプセルは約３０ｍｍの長さと約１０ｍｍの直径を有する。組み込まれたミニチュアカメラと送受信電子回路を介して画像が記録され、無接触で表示および評価ユニットに伝送される。磁気的に制御される内視鏡カプセルは、たとえば特許文献１に記載されている。

磁気的案内は、カプセル内の永久磁石に作用する磁気的勾配磁界に基づく磁力とトルクによって達成され、磁気的勾配磁界は外部の案内磁石によって形成される。外部の案内磁石は好ましくは、特許文献２に記載されたような電磁石である。別の実施形態では、案内磁石が機械的に可動な１つまたは複数の永久磁石を含む。カプセルの永久磁石の磁化方向は好ましくはカプセルの長手軸に対して垂直である。

カプセルへの磁力およびトルクは、カプセル内の永久磁石の大きさ、および案内磁石のコイルを流れる電流に比例する。永久磁石の大きさはカプセルサイズにより制限されるが、コイル電流は電流供給部および熱発生により制限される。

案内磁石の磁界を調整できるようにするため、身体内の内視鏡カプセルの位置と方向を知らなければならない。位置検出方法は磁気誘導に基づく。内視鏡カプセル内に配置されたマーカーコイルが電磁的交番磁界を形成し、この勾配磁界が身体の外にあるセンサコイルに電圧を誘導する。センサコイルが異なれば電圧も異なることにより、内視鏡カプセルの位置と方向を計算することができる。特許文献３にはこの種の測定装置が記載されている。

電磁的交番磁界を形成するために、マーカーコイルには交流が供給される。交流は外部の交流源と磁気誘導により、またはカプセル内のバッテリーとこれに接続された回路により形成される。空間的制限から、通例、センサコイルは案内磁石コイル内になければならない。その場合、案内磁石コイルとセンサコイルとの間に強い磁気結合が生じる。カプセルをナビゲートするために大きな電流が流れる案内磁石コイルが同じように、センサコイルに電圧を誘導することは問題である。その結果、センサコイルに後置接続された評価電子回路が飽和状態に駆動されてしまうことがあり、あるいはマーカーコイルに帰還される誘導電圧のレベルがダイナミックレンジを最小限しか使用できなくなってしまうように評価電子回路の入力ダイナミクスレンジを広げてしまう。

択一的な受動的実施形態では、カプセルが固有の自立式エネルギー供給部を有さず、外部のエネルギー供給コイルから電気エネルギーが供給される。エネルギー供給コイルは、マーカーコイルの共振回路と同じ周波数で駆動される。エネルギー供給コイルは、センサコイル内に電圧を形成する磁界を形成し、これによりセンサコイルに電流が流れる。ここでも案内磁石コイルがセンサコイルの評価電子回路を飽和状態に駆動することがあるという問題がある。しかしエネルギー供給コイルもまた付加的に強い交番磁界を形成するから、エネルギー供給コイルにより評価電子回路の必要なダイナミックレンジが大きくなるという問題が単独でも生じる。

特許文献４は、コイルにより磁界内のカプセルの位置検出を行う装置を開示しており、ここではセンサコイルのアレイによって、カプセルのコイルにより形成される磁界を検知することができる。

特許文献５は、患者の外部にあって複数の励磁コイルを有する磁気コイルシステムから、少なくとも１つの誘導コイルを有する患者内の作業カプセルに無線でエネルギーを伝達する方法および装置を開示する。ここでは位置決め装置が磁気コイルシステムに対する作業カプセルの位置と方向を検出し、磁気コイルシステムはこの位置と方向に基づいて、作業カプセルの個所に第１の磁界を作業カプセルへの力作用のために形成し、磁気コイルシステムはこの位置および／または方向に基づいて、作業カプセルの個所に第２の磁界を作業カプセルにエネルギー伝達するために形成する。

ドイツ特許明細書第１０１４２２５３号特許国際公開第２００６／０９２４２１号欧州特許願第１９６７１３７号米国特許願２０１０／０１３４０９６号ドイツ特許願第１０２００５０５３７５９号

本発明の課題は、前記欠点を克服し、センサコイルに及ぼされる外部磁界の影響を低減した内視鏡カプセルのナビゲート装置および方法を提供することである。

この課題は本発明により、独立請求項の内視鏡カプセルのナビゲート装置および方法によって解決される。

本発明は、コイルペアが逆極性で電気的に接続されていれば、コイルの個所の磁界強度が等しい場合、外部磁界によりコイルに誘導される電圧が相殺されるという着想に基づく。これにより外部磁界の作用を補償することができる。

本発明は、内視鏡カプセルを運動させるための第１の磁束密度を備える第１の外部磁界により内視鏡カプセルをナビゲートする装置を請求する。この装置はさらに少なくとも１つのセンサコイルペアを内視鏡カプセルの外部に有し、これにより内視鏡カプセルの位置および／または方向を検出する。コイルペアは第１と第２のセンサコイルを有し、第１と第２のセンサコイルは相互に電気的に接続されており、第１の磁束密度が同じである個所に配置されている。本発明は、障害磁界により誘導される電圧がコイルペア内で補償されるという利点を提供する。センサ電子回路の入力端には、有効信号の非対称な電圧のみが印加される。複数のセンサペアの有効信号は、内視鏡カプセルの位置および方向に対する尺度である。

本発明は、内視鏡カプセルのマーカーコイルにエネルギー供給するための第２の磁束密度を備える第２の外部磁界により内視鏡カプセルをナビゲートする装置を請求する。この装置は、内視鏡カプセルの位置および／または方向を検出するために内視鏡カプセルの外部に少なくとも１つのセンサコイルペアを有し、このセンサコイルペアは第１と第２のセンサコイルを有する。ここで第１と第２のセンサコイルは電気的に相互に接続されており、第２の磁束密度が同じである個所に配置されている。

改善形態では、第１と第２のセンサコイルは、第１の磁界により誘導される電圧が補償されるように互いに接続される。別の実施形態では、第１と第２のセンサコイルは、第２の磁界により誘導される電圧が補償されるように互いに接続される。誘導されたセンサ電圧を評価するためのセンサ電子回路のダイナミックレンジは、鋭敏に選択することができる。なぜならダイナミックレンジが障害磁界によって決定されないからである。

さらにこの装置は、第１の磁界を形成する案内磁界コイルを有することができ、第１と第２のセンサコイルは案内磁界コイルのコイル軸に対して対称に配置されている。

本発明の改善形態では、この装置は、第２の磁界を形成するエネルギー供給コイルを有することができ、第１と第２のセンサコイルはエネルギー供給コイルのコイル軸に対して対称に配置されている。

本発明は、内視鏡カプセルを運動させるための第１の磁束密度を備える第１の外部磁界により内視鏡カプセルをナビゲートする方法を請求する。この方法はさらに、内視鏡カプセルの位置および／または方向を、内視鏡カプセルの外部に配置された少なくとも１つのセンサコイルペアにより検出し、このセンサコイルペアは第１と第２のセンサコイルを有する。ここで第１と第２のセンサコイルは電気的に相互に接続されており、第１の磁束密度が同じである個所に配置されている。

本発明はまた、内視鏡カプセルのマーカーコイルにエネルギー供給するための第２の磁束密度を備える第２の外部磁界により内視鏡カプセルをナビゲートする方法を請求する。この方法はさらに、内視鏡カプセルの位置および／または方向を、内視鏡カプセルの外部に配置された少なくとも１つのセンサコイルペアにより検出し、このセンサコイルペアは第１と第２のセンサコイルを有する。ここで第１と第２のセンサコイルは電気的に相互に接続されており、第２の磁束密度が同じである個所に配置されている。

別の改善形態では、第１と第２のセンサコイルは、第１の磁界により誘導される両電圧が補償されるように互いに接続される。

別の実施形態では、第１と第２のセンサコイルは、第２の磁界により誘導される両電圧が補償されるように互いに接続される。

さらに、案内磁界コイルにより第１の磁界を形成することができ、第１と第２のセンサコイルは案内磁界コイルのコイル軸に対して対称に配置することができる。

さらに、エネルギー供給コイルにより第２の磁界を形成することができ、第１と第２のセンサコイルはエネルギー供給コイルのコイル軸に対して対称に配置することができる。

本発明のさらなる特異性および利点は、図面に基づく以下の複数の実施例の説明から明らかとなる。

従来技術による内視鏡カプセルのナビゲート装置のブロック回路図である。センサコイルペアとエネルギー供給コイルとを有する装置の平面図である。センサコイルペアとエネルギー供給コイルと案内磁石とを有する装置の平面図である。コイルペアの回路図である。

図１は、特許文献３に記載されたような内視鏡カプセル１をナビゲートし、位置検出するための装置のブロック回路図を示す。案内磁石コイル３により形成された磁界内には内視鏡カプセル１が存在する。カプセル案内ユニット６による磁界の変化によって、カプセル１の位置と方向を変化することができる。そのために案内磁石コイル３の磁界はカプセル１内部の磁石に力を及ぼす。

ｘ、ｙ、ｚ方向に配置されたセンサコイル２０のアレイにより、カプセル１内に形成された交番磁界からカプセルの目下の位置と方向を検出することができる。そのためにセンサコイル２０は位置検出ユニット７と電気的に接続されている。交番磁界がセンサコイル２０内に電圧を誘導し、この電圧が位置検出のために評価される。交番磁界は、カプセル１内にある図示しないマーカーコイルによって形成される。交番磁界を形成するための電気エネルギーはエネルギー供給コイルから調達することができる。

センサコイル２０の空間的位置に応じてセンサコイル２０内に障害電圧も形成される。この障害電圧は位置検出のための所望の電圧に重畳され、位置検出ユニット７のダイナミックレンジを狭める。

したがって本発明によれば図２に対応して、センサコイルペア２が形成される。図２にはそれぞれ関連する第１と第２のセンサコイル２１、２２に同じ大文字Ａ、Ｂ、Ｃ、．．Ｊが付されている。コイルペア２の第１と第２のセンサコイル２１、２２はエネルギー供給コイル４の磁界内に、センサコイル２１、２２の個所ではエネルギー供給コイル４の磁界の第１の磁束密度Ｂ→_１が同じ大きさ同じ方向であるように配置されている。図２には第１の磁束密度Ｂ→_１が図平面に示されている。エネルギー供給コイル４により、内視鏡カプセルのマーカーコイルに電気エネルギーが供給される。コイル２１、２２と４は平面図に示されているので、１つのコイル巻線しか見ることができない。

第１と第２のセンサコイル２１、２２を図４のように接続することにより、センサコイル２１、２２内に誘導され、エネルギー供給コイル４の磁界に帰還する電圧は相殺される。内視鏡カプセルにより２つのコイル２１、２２内に誘導される電圧はできるだけ異なり、互いに相殺しないようにするため、第１と第２のコイル２１、２２は互いにできるだけ離して配置される。第１の磁束密度Ｂ→_１が、第１と第２のセンサコイル２１、２２の個所では同じ大きさであることだけを保証すればよい。図２のようにセンサコイルペア２（ＡからＪ）が多数ある場合、好ましくは対称配置が選択される。

図３は、図２に類似の配置を示す。相違点は、図３では第２の磁束密度Ｂ→_２を備えるエネルギー供給コイル４の磁界と、第１の磁束密度Ｂ→_１を備える案内磁石コイル３の磁界の両方が備わっていることだけである。この配置ではセンサコイルペア２（Ａ、Ｂ、．．Ｆ）に、それぞれ同じ第１の磁束密度Ｂ→_１と、同じ第２の磁束密度Ｂ→_２とが流れなければならない。中央対称配置により、互いに接続されたコイルペア２内のセンサ電圧のダイナミックレンジが大きくなる。

図４にはコイルペア２０の回路図が示されている。第１と第２のセンサコイル２１、２２は逆極性で電気的に接続されており、障害磁界により誘導される第１の電圧Ｕ_１と第２の電圧Ｕ_２が互いを補償し、コイル２１、２２の個所において磁束密度が同じ場合には相殺される。この場合、障害磁界により誘導された電圧Ｕ_１、Ｕ_２の和としてのセンサ電圧Ｕ_Ｓはゼロである。

なお本明細書、請求の範囲および要約の翻訳文における「Ｂ→_１」、「Ｂ→_２」なる記載はそれぞれ

を表すものである。

１内視鏡カプセル
２センサコイルペア
２０センサコイル
２１第１のセンサコイル
２２第２のセンサコイル
３案内磁石コイル／ドライビングコイル
４エネルギー供給コイル／エネルギーコイル
６カプセル案内ユニット
７位置検出ユニット
Ｂ→_１第１の磁束密度
Ｂ→_２第２の磁束密度
Ｕ_１第１の磁界により誘導された電圧
Ｕ_２第２の磁界により誘導された電圧
Ｕ_Ｓセンサ電圧

Claims

内視鏡カプセル（１）を運動させるための第１の磁束密度（Ｂ→_１）を備える外部の第１の磁界により該内視鏡カプセル（１）をナビゲートする装置において、
前記内視鏡カプセル（１）の外部にある少なくとも１つのセンサコイルペア（２）が、該内視鏡カプセル（１）の位置および／または方向を検出するために第１と第２のセンサコイル（２１、２２）を有し、
該第１と第２のセンサコイル（２１、２２）は互いに電気的に接続され、前記第１の磁束密度（Ｂ→_１）が同じである個所に配置されている、ことを特徴とするナビゲート装置。
内視鏡カプセル（１）のマーカーコイルにエネルギー供給するための第２の磁束密度（Ｂ→_２）を備える外部の第２の磁界により該内視鏡カプセル（１）をナビゲートする装置において、
前記内視鏡カプセル（１）の外部にある少なくとも１つのセンサコイルペア（２）が、該内視鏡カプセル（１）の位置および／または方向を検出するために第１と第２のセンサコイル（２１、２２）を有し、
該第１と第２のセンサコイル（２１、２２）は互いに電気的に接続され、前記第２の磁束密度（Ｂ→_２）が同じである個所に配置されている、ことを特徴とするナビゲート装置。
請求項１と２に記載の装置。
前記第１と第２のセンサコイル（２１、２２）は、第１の磁界（Ｂ→_１）により誘導される電圧（Ｕ_１、Ｕ_２）が補償されるように互いに接続されている、ことを特徴とする請求項２または３に記載の装置。
前記第１と第２のセンサコイル（２１、２２）は、第２の磁界（Ｂ→_２）により誘導される電圧（Ｕ_１、Ｕ_２）が補償されるように互いに接続されている、ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の装置。
前記第１の磁界（Ｂ→_１）を形成する案内磁石コイル（３）を有し、前記第１と第２のセンサコイル（２１、２２）は、前記案内磁石コイル（３）のコイル軸に対して対称に配置されている、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置。
前記第２の磁界（Ｂ→_２）を形成するエネルギー供給コイル（４）を有し、前記第１と第２のセンサコイル（２１、２２）は、前記エネルギー供給コイル（４）のコイル軸に対して対称に配置されている、ことを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１項に記載の装置。
内視鏡カプセル（１）を運動させるための第１の磁束密度（Ｂ→_１）を備える外部の第１の磁界により該内視鏡カプセル（１）をナビゲートする方法において、
前記内視鏡カプセル（１）の外部にあり、第１と第２のセンサコイル（２１、２２）を有する少なくとも１つのセンサコイルペア（２）により、該内視鏡カプセル（１）の位置および／または方向を検出する、
該第１と第２のセンサコイル（２１、２２）は互いに電気的に接続されており、前記第１の磁束密度（Ｂ→_１）が同じである個所に配置されている、ことを特徴とするナビゲート方法。
内視鏡カプセル（１）のマーカーコイルにエネルギー供給するための第２の磁束密度（Ｂ→_２）を備える外部の第２の磁界により該内視鏡カプセル（１）をナビゲートする方法において、
前記内視鏡カプセル（１）の外部にあり、第１と第２のセンサコイル（２１、２２）を有する少なくとも１つのセンサコイルペア（２）により、該内視鏡カプセル（１）の位置および／または方向を検出する、
該第１と第２のセンサコイル（２１、２２）は互いに電気的に接続され、前記第２の磁束密度（Ｂ→_２）が同じである個所に配置されている、ことを特徴とするナビゲート方法。
請求項８と９に記載の方法。
前記第１と第２のセンサコイル（２１、２２）は、第１の磁界（Ｂ→_１）により誘導される電圧（Ｕ_１、Ｕ_２）が補償されるように互いに接続される、ことを特徴とする請求項９または１０に記載の方法。
前記第１と第２のセンサコイル（２１、２２）は、第２の磁界（Ｂ→_２）により誘導される電圧（Ｕ_１、Ｕ_２）が補償されるように互いに接続される、ことを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
第１の磁界（Ｂ→_１）を形成する案内磁石コイル（３）を有し、前記第１と第２のセンサコイル（２１、２２）は、前記案内磁石コイル（３）のコイル軸に対して対称に配置される、ことを特徴とする請求項８乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
前記第２の磁界（Ｂ→_２）を形成するエネルギー供給コイル（４）を有し、前記第１と第２のセンサコイル（２１、２２）は、前記エネルギー供給コイル（４）のコイル軸に対して対称に配置される、ことを特徴とする請求項９乃至１３のいずれか１項に記載の方法。