WO2006087289A2 - Method for driving a capsule inside a patient with the aid of an electric coil system - Google Patents
Method for driving a capsule inside a patient with the aid of an electric coil system Download PDFInfo
- Publication number
- WO2006087289A2 WO2006087289A2 PCT/EP2006/050788 EP2006050788W WO2006087289A2 WO 2006087289 A2 WO2006087289 A2 WO 2006087289A2 EP 2006050788 W EP2006050788 W EP 2006050788W WO 2006087289 A2 WO2006087289 A2 WO 2006087289A2
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- capsule
- coil
- coil system
- patient
- power
- Prior art date
Links
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
- A61B1/04—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor combined with photographic or television appliances
- A61B1/041—Capsule endoscopes for imaging
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
- A61B1/00147—Holding or positioning arrangements
- A61B1/00158—Holding or positioning arrangements using magnetic field
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
- A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
- A61B34/73—Manipulators for magnetic surgery
- A61B2034/731—Arrangement of the coils or magnets
- A61B2034/732—Arrangement of the coils or magnets arranged around the patient, e.g. in a gantry
Definitions
- the invention relates to a method for driving a permanent magnet containing capsule within a patient, in particular the gastrointestinal tract, with the aid of the patient's body at least partially to comprehensive ⁇ coil system.
- This may, for. Example, a video camera, a biopsy forceps, a clip or a drug be ⁇ reservoir.
- the capsule contains a magnetizable or permanently magnetic element.
- the patient is moved wirelessly.
- the patient is wholly or partially in an electric coil system of several, for example fourteen, individual coils. are from coil system suitable magnetic generates fields or gradient magnetic fields which generate forces or torques on the capsule located in the patient in order to move them in the patient. This allows the capsule to be navigated within the patient.
- Areas of use here are mainly hollow organs, in particular z.
- a disadvantage of the known method is that for the generation ⁇ supply even small forces and torques on the capsule in the patient, the power consumption of the field generating coil system is extremely high.
- the object of the present invention is to specify an improved method for driving such a capsule.
- the object is achieved by a method for driving a permanent magnet containing capsule within a patient, especially ⁇ intestinal tract within which Gastro, with the aid of the patient's body to ⁇ least partially surrounding the electric coil system, in which a) for various rotational positions of the Permanentmag ⁇ Neten with respect to the coil system which is determined by the Spulensys ⁇ tem for generating a desired driving force on the capsule required power.
- the capsule is then brought into the rotational position associated with a desired power in step b) by rotation.
- step c) the driving force on the capsule from the coil system he testifies ⁇ .
- a magnetic dipole moment in the capsule is an indispensable prerequisite for exerting forces or torques on the capsule by external magnetic fields generated by the coil system.
- the capsule or the contained magnetic member applied forces and / or torques, the term "driving force" ver ⁇ one.
- a permanent magnet is used. Compared to a magnetizable body is omitted so the generation of a magnetization in the body causing the magnetic field by the coil system. This is already reduces the power consumed by the coil system.
- the direction and strength of the necessary driving force of the capsule depends on the position of the capsule in the body of the patient and the desired capsule movement. For example, to be moved tilted the capsule in the patient by 10 ° and in the direction of the capsule longitudinal ⁇ according to the shape of a small intestine loop to the current Kapselort through which the capsule is to be navigated.
- a desired driving force to ge ⁇ in the form of a force on the capsule and a Drehmo ⁇ mentes attack For this, the capsule suitable magnetic fields to be generated by the coil system at the location as generating ⁇ derum interacts with the permanent magnets of the capsule, the desired driving force.
- the coil system must be traversed by suitable currents in such a way that it generates the corresponding magnetic fields.
- the invention is now based on the insight that for He ⁇ generating the same desired driving force on the same Kapselort or place of the permanent magnet for different rotational positions of the permanent magnet relative to the coil system, the power consumption of the Spulensys ⁇ tems in a wide range varies.
- the reason for this is the asymmetrical structure of the coil system, which is just not spherically symmetric with respect to a center and certainly not with respect to the current location of the capsule. In order to be able to introduce the patient into the coil system, this is rather cylindrical or barrel-shaped.
- the power consumption of the coil system becomes a He ⁇ generation of the driving force to the capsule for various Ro ⁇ tationspositionen of the permanent magnet relative to the coil system determined prior to the actual application of the driving force to the capsule or generating the magnetic field by the coil system.
- Manentmagneten different rotational positions of the Per ⁇ alone are adjustable by applying torque and not by applying translational forces on the capsule. Rotation positions of the capsule are thus z.
- the power required by the coil system (ohmic loss ⁇ power) is equal to the sum of the electrical power loss of the individual coil currents, which are necessary for field generation.
- the determination of the power required to produce a desired driving force can be done in various ways. Possible are z. B. simulation calculations for given capsule location and desired drive ⁇ force at the time of generation of the driving force, ie in real time. It can also in advance for a given coil system at selected locations for selected driving forces and Ro ⁇ tationspositionen of capsules power consumption of the coil system are calculated tabulated and checked during the operation of the system only table values or be the extent interpolated mög ⁇ Lich (look-up-table).
- the invention continues to use the recognition that the on ⁇ bring torques on the capsule generally a power consumption of the coil system is required, which is clearly lower than that which is necessary to produce a translational force on the capsule.
- the desired performance will be selected and brought the capsule by rotation in the ent ⁇ speaking rotational position. Thereafter, or simultaneously, the actual driving force is generated by a suitable choice of the individual coil currents on the capsule.
- steps b) and c) are thus initially sequential. With continuous capsule travel, however, both steps can also be carried out quasi - continuously and temporally parallel.
- step) b can be selected as desired performance, the mi ⁇ nimale performance. This makes the total ⁇ is power consumption of the system is minimized, causing as little power loss and thus waste heat, less Di ⁇ dimensioning of the coil currents delivered final power ⁇ stages of the coil system allows and both manufacturing as also lowers operating costs of the overall system.
- the capsule can have a longitudinal axis, and the permanent magnet ⁇ can rigidly be integrated into the capsule and having a transversely oriented to the longitudinal axis dipole moment.
- the capsule can be selected then the capsule about its longitudinal axis as a rotational positions different rotational angle in step a).
- an appropriate, be used in the process ⁇ capsule a capsule certain preferred direction and is elongated.
- a capsule certain preferred direction and is elongated.
- the capsule then has a longitudinal axis ⁇ on to which they mostly externally rotationssymmet is executed ⁇ driven. It makes sense to the Permanentmag ⁇ net then a transverse to the longitudinal axis aligned dipole moment to rotate the capsule about its longitudinal axis by applying an external magnetic field can.
- the capsule in the direction of the longitudinal axis is to be moved in front of Windier ⁇ . The direction of the desired driving force is therefore parallel to the longitudinal axis.
- the capsule is also rotationally symmetrical, the outer shape of the capsule is imaged in itself at each rotational position, which causes the least possible friction with the organs abutting the capsule when the capsule is rotated. Also needs the capsule enclosing hollow organ are then not expanded to additionally ⁇ or deformed when turning. So just ge ⁇ shallowest torque for rotation of the capsule are necessary, which in turn the power consumption of the entire system at their redu ⁇ .
- the permanent magnet in step b), can be rotatably mounted inside or on the capsule.
- the capsule During rotation of the permanent magnet, the capsule then does not have to be rotated or only partly rotated, which leads to no or lower friction losses between the inner wall of the hollow organ and the capsule.
- the rotation can e.g. also be carried out by motor inside the capsule and not be caused by external fields.
- the permanent magnet can be rotated into a part of the capsule and in step b) only this part. Also, friction losses during rotation are reduced and rotation can be accomplished by force generated in the capsule.
- the coil system can comprise more than six individual coils whose coil currents can be controlled independently of one another, and for the desired driving force six vectorial Components ⁇ th be given.
- the coil currents can then be resistance-weighted with the resistance of their coil winding in order to determine the required power.
- An underdetermined equation ⁇ system between the desired driving force and resistance-weighted coil currents is then set up.
- a coil system has, for example, a total of fourteen individual coils, each of which can be flowed through by an independent coil current. Each single coil has an ohmic resistance.
- the torque can in
- the rank of the matrix W is equal to five, because in the direction of the permanent magnetic dipole moment on the capsule no torque can be exerted. Given the 3 B field components and the force at the capsule location, the rank of W equals six. For the solution of certain equations with rank drop may one out.: Known singular value decomposition or a fully ⁇ constant orthogonal decomposition [GH Golub and CF Van Loan.. 1996 "Matrix Computations" Third Edition, John Hopkins University Press,] be used With a full row rank can For example, the QR decomposition described in the same source can be used.
- FIG. 1 shows a system for non-invasive diagnosis or treatment of a patient with an endorobot
- FIG. 2 shows the endo-robot from FIG. 1 in a detailed view.
- Fig. 1 shows an endoscopy system 2 for non-invasive Be ⁇ fundung or treatment of a patient 4.
- the endoscopy system 2 comprises a coil system 6 having connected thereto power supply 8 as well as a controller 10 and a video unit 12.
- the coil system 6 consists of fourteen individual coils. Of the coils are provided for clarity in Fig. 1 only four with reference numerals. These are divided into six rectangular rectangular Helmholtz coils 14a, b and eight together form a cylinder jacket in the cuboid saddle coils 16a, b. Each of the saddle coils 16a, b sweeps over an angular range of approximately 90 ° with respect to a central longitudinal axis 18 of the coil system 6. Each four saddle coils 16a, b thus form a cylinder jacket, which are axially juxtaposed.
- each of the fourteen individual coils coil current is in turn represented by a fourteen, each with a single coil fed arrange ⁇ th power amplifiers 20a-c generated, of which in Fig. 1, only three.
- the fourteen ⁇ power amplifier 20a-c together form the power supply 8. All power amplifier 20a-c are driven respectively by the controller 10 via a respective control line 22 regulated.
- the patient 4 is retracted along the central longitudinal axis 18 in the Spu ⁇ lensystem 6.
- the patient 4 is placed in the coil system 6 in such a way that the endoscopy capsule 30 swallowed by him comes to rest approximately in the middle of the coil system.
- the coil system 6 has a so-called Hävolu ⁇ men, within which the capsule can be navigated.
- the coil system 6, a coordinate system 32 is permanently assigned.
- the spatial position and the orientation of the longitudinal axis 34 of the endoscopy capsule 30 in the coordinate system 32 are detected by a position detection 36.
- the position detection 36 transmits the position data of the Endoskopiekap ⁇ sel 30 in turn to the controller 10th
- the endoscopy capsule 30 is greatly enlarged Darge ⁇ represents.
- the Endoskopiekap ⁇ sel 30 carries in its interior a camera and lighting device, not shown. Through a viewing window 40, the vicinity of the endoscopic capsule 30 is illuminated and can Ka ⁇ mera adopted an image of the capsule around in the direction of arrow record 42nd
- the recorded image data are per Radio transmitted to a video receiver 44 outside the patient 4 and displayed on a screen 46.
- an input device in the form of a 6D mouse 48, which by an operator, not shown, for.
- a doctor examining the patient 4 is operated on the basis of the image displayed on the screen 46.
- the endoscopy capsule 30 is now to be moved from there into the small intestine and through it to the colon.
- the doctor not shown, considers the video image delivered by the endoscopy capsule 30 on the moni tor 46 and navigates the endoscopy capsule 30 by hand to the stomach outlet and through the small intestine. For each navigation step now explained below pre ⁇ applies hens example.
- the endoscopy capsule 30 is at its midpoint 50 at a position determined by the position detection 36 and thus known in the coordinate system 32.
- the orientation of the endoscopy capsule 30, ie its longitudinal axis 34, is thus also known. It should be moved in the direction of the arrow 42, that is along its longitudinal axis 34. For this purpose, a force 49 in the direction of the arrow 42 has to be exerted on the endoscopy capsule 30 by the coil system 6, which is shown only symbolically in FIG. 2.
- a permanent magnet 51 is included with a transverse to the longitudinal axis 34 oriented dipole moment 52.
- the instantaneous direction and rotation Posi ⁇ tion 53a of the dipole moment 52 in the coordinate system 32 is also known (on the position detection 36 and ⁇ due to the fact that a magnetic dipole moment is along an outer B field aligns).
- the controller 10 may determine a hypothetical current pattern in the coil system 6, ie the currents of the fourteen individual coils 14a, b and 16a, b, to generate a magnetic field 54 inside the coil system 6 which interacts with the dipole moment 52, the force 49 would be generated on the endoscopy capsule 30 or on the permanent magnet (not shown).
- the electrical power to be absorbed by the fourteen output stages 20a-c is thus known in the controller 10. This is stored as power value 55a in the controller 10 and assigned to the orientation or rotational position 53a.
- the determination of the unknown coil currents takes place by the solution of the sub-determined equation system which describes them.
- the field 54 is therefore not initially generated, i. no such current pattern is applied to the coil system 6, but only the power consumption theoretically necessary for this purpose is determined or calculated.
- a hypothetical value of the power consumption of the power supply 8 is calculated in the same way for different imaginary angles of rotation 56 of the dipole moment 52 about the longitudinal axis 34.
- this is, for example, by rotating by 10 ° position 53b of the dipole moment 52 in phantom Darge ⁇ represents.
- a field distribution 58 different from the field distribution 54 is necessary to generate the force 49.
- another current pattern in the coil system 6 or the individual coils is necessary. Therefore, the power ⁇ recording of the power supply 8 is changed.
- This value of the power consumption is also stored as power value 55b in the controller 10 and assigned to the rotational position 53b.
- a similar procedure also applies to the generation of torque by the action of magnetic fields on the dipole moment 52, so rotation of the Endoskopiekap ⁇ sel to allow 30 with the lowest possible power consumption of the coil ⁇ systems. 6
- the rotational position of the permanent magnet is initially selected so that the cosinus between Permantentmagnet therapies and torque direction is minimal.
- the optimal permanent magnet orientation in which the power consumption of the coil system is as low as possible, can differ slightly from this rotational position due to the asymmetry of the coil system and is determined downstream.
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Surgery (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Endoscopes (AREA)
Description
Verfahren zum Antreiben einer Kapsel innerhalb eines Patienten mit Hilfe eines elektrischen SpulensystemsA method for driving a capsule within a patient by means of an electric coil system
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Antreiben einer einen Permanentmagneten enthaltenden Kapsel innerhalb eines Patienten, insbesondere dessen Gastrointestinaltrakt , mit Hilfe eines den Körper des Patienten zumindest teilweise um¬ fassenden Spulensystems.The invention relates to a method for driving a permanent magnet containing capsule within a patient, in particular the gastrointestinal tract, with the aid of the patient's body at least partially to comprehensive ¬ coil system.
Zur Untersuchung bzw. Behandlung eines Menschen oder Tieres als Patienten werden immer häufiger minimal- bzw. nichtinvasive medizinische Techniken eingesetzt bzw. entwickelt. Seit längerem üblich ist die Benutzung von Endoskopen, welche durch Körperöffnungen oder kleine Einschnitte in den Patienten eingebracht werden. An der Spitze eines mehr oder weniger langen biegsamen Grundkörpers befinden sich hierbei Inspek- tions- bzw. Manipulationsgeräte, z. B. eine Kamera oder ein Greifer, zur Ausführung einer gewünschten Tätigkeit. Auf Grund von Reibungseffekten und der begrenzten Länge und Biegbarkeit von Endoskopen sind diese nur begrenzt einsetzbar. So lässt sich z. B. der menschliche Dünndarm mit einer Gesamt¬ länge von ca. 5 m und einer Vielzahl von Verschlingungen nur schwer in seiner Gesamtheit endoskopisch erreichen.For examining or treating a human or animal as a patient, minimally or non-invasive medical techniques are being used or developed more and more frequently. For some time, the use of endoscopes, which are introduced through body openings or small incisions in the patient. At the top of a more or less long flexible body there are inspection or manipulation devices, z. As a camera or a gripper, to perform a desired activity. Due to frictional effects and the limited length and bendability of endoscopes, these are of limited use. So can be z. B. the human small intestine with a total ¬ length of about 5 m and a variety of entanglements difficult to reach endoscopically in its entirety.
Aus der DE 101 42 253 ist zur Endoskopie eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren bekannt, welches drahtlos arbeitet. Ein sogenannter „Endoroboter" in Form einer Kapsel von ca. 2 cm Länge und ca. 1 cm Durchmesser enthält eine Inspektions-, Di¬ agnose- oder Therapieeinrichtung. Dies können z. B. eine Videokamera, eine Biopsiezange, ein Clip oder ein Medikamenten¬ reservoir sein. Die Kapsel enthält ein magnetisierbares oder permanentmagnetisches Element. Im Patienten wird die Kapsel drahtlos bewegt. Hierzu liegt der Patient ganz oder teilweise in einem elektrischen Spulensystem aus mehreren, z.B. vierzehn, Einzelspulen. Vom Spulensystem werden geeignete Magnet-
felder bzw. Gradientenmagnetfelder erzeugt, welche an der sich im Patienten befindlichen Kapsel Kräfte bzw. Drehmomente erzeugen, um diese im Patienten fortzubewegen. So kann die Kapsel im Patienten navigiert werden. Einsatzbereiche sind hier vor allem Hohlorgane, insbesondere z. B. der menschliche Gastrointestinaltrakt , der mit der Kapsel in einem einzigen Durchgang in seiner Gesamtheit durchfahrbar ist.From DE 101 42 253 a device or a method is known for endoscopy, which works wirelessly. A so-called "endorobot" in the form of a capsule of about 2 cm in length and about 1 cm in diameter containing an inspection, di ¬ agnose- or therapy device. This may, for. Example, a video camera, a biopsy forceps, a clip or a drug be ¬ reservoir. the capsule contains a magnetizable or permanently magnetic element. in the patient, the capsule is moved wirelessly. for this purpose, the patient is wholly or partially in an electric coil system of several, for example fourteen, individual coils. are from coil system suitable magnetic generates fields or gradient magnetic fields which generate forces or torques on the capsule located in the patient in order to move them in the patient. This allows the capsule to be navigated within the patient. Areas of use here are mainly hollow organs, in particular z. B. the human gastrointestinal tract, which is traversable with the capsule in a single pass in its entirety.
Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist, dass zur Erzeu¬ gung bereits geringer Kräfte und Drehmomente an der Kapsel im Patienten die Leistungsaufnahme des felderzeugenden Spulensystems enorm hoch ist.A disadvantage of the known method is that for the generation ¬ supply even small forces and torques on the capsule in the patient, the power consumption of the field generating coil system is extremely high.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Antreiben einer derartigen Kapsel anzugeben.The object of the present invention is to specify an improved method for driving such a capsule.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Antreiben einer einen Permanentmagneten enthaltenden Kapsel innerhalb eines Patienten, insbesondere innerhalb dessen Gastro¬ intestinaltrakt, mit Hilfe eines den Körper des Patienten zu¬ mindest teilweise umfassenden elektrischen Spulensystems, bei dem a) für verschiedene Rotationspositionen des Permanentmag¬ neten bezüglich des Spulensystems die jeweils vom Spulensys¬ tem zur Erzeugung einer gewünschten Antriebskraft an der Kapsel erforderliche Leistung ermittelt wird. Die Kapsel wird dann im Schritt b) durch Rotation in die einer gewünschten Leistung zugeordnete Rotationsposition gebracht. Im Schritt c) wird die Antriebskraft an der Kapsel vom Spulensystem er¬ zeugt .The object is achieved by a method for driving a permanent magnet containing capsule within a patient, especially ¬ intestinal tract within which Gastro, with the aid of the patient's body to ¬ least partially surrounding the electric coil system, in which a) for various rotational positions of the Permanentmag ¬ Neten with respect to the coil system which is determined by the Spulensys ¬ tem for generating a desired driving force on the capsule required power. The capsule is then brought into the rotational position associated with a desired power in step b) by rotation. In step c), the driving force on the capsule from the coil system he testifies ¬ .
Um die Kapsel innerhalb des Patienten zu bewegen, muss diese während einer Untersuchung oder Behandlung des Patienten gedreht oder verschoben werden. Ein magnetisches Dipolmoment in der Kapsel ist unabdingbare Voraussetzung, um durch äußere, vom Spulensystem erzeugte Magnetfelder Kräfte oder Drehmomente auf die Kapsel ausüben zu können. Im vorliegenden Text sind der Einfachheit halber im Folgenden an der Kapsel bzw.
dem darin enthaltenen magnetischen Element angreifende Kräfte und/oder Drehmomente unter dem Begriff „Antriebskräfte" ver¬ eint . Im erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Permanentmagnet verwendet. Gegenüber einem magnetisierbaren Körper entfällt so die Erzeugung eines eine Magnetisierung im Körper hervorrufenden Magnetfeldes durch das Spulensystem. Hierdurch wird bereits die vom Spulensystem aufgenommenen Leistung reduziert .In order to move the capsule within the patient, it must be rotated or displaced during examination or treatment of the patient. A magnetic dipole moment in the capsule is an indispensable prerequisite for exerting forces or torques on the capsule by external magnetic fields generated by the coil system. For the sake of simplicity, in the text below, the capsule or the contained magnetic member applied forces and / or torques, the term "driving force" ver ¬ one. In the inventive method, a permanent magnet is used. Compared to a magnetizable body is omitted so the generation of a magnetization in the body causing the magnetic field by the coil system. This is already reduces the power consumed by the coil system.
Die Richtung und Stärke der notwendigen Antriebskraft der Kapsel richtet sich nach der Position der Kapsel im Körper des Patienten und der gewünschten Kapselbewegung. Z.B. soll die Kapsel im Patienten um 10° gekippt und in Kapsellängs¬ richtung verschoben werden entsprechend dem Verlauf einer Dünndarmschlinge am aktuellen Kapselort, durch die die Kapsel navigiert werden soll. An der Kapsel soll also eine ge¬ wünschte Antriebskraft in Form einer Kraft und eines Drehmo¬ mentes angreifen. Hierzu müssen vom Spulensystem am Ort der Kapsel geeignete magnetische Felder erzeugt werden, die wie¬ derum in Wechselwirkung mit dem Permanentmagneten der Kapsel die gewünschte Antriebskraft erzeugen. Das Spulensystem muss hierzu von geeigneten Strömen derart durchflössen sein, dass es die entsprechenden Magnetfelder erzeugt.The direction and strength of the necessary driving force of the capsule depends on the position of the capsule in the body of the patient and the desired capsule movement. For example, to be moved tilted the capsule in the patient by 10 ° and in the direction of the capsule longitudinal ¬ according to the shape of a small intestine loop to the current Kapselort through which the capsule is to be navigated. Thus, a desired driving force to ge ¬ in the form of a force on the capsule and a Drehmo ¬ mentes attack. For this, the capsule suitable magnetic fields to be generated by the coil system at the location as generating ¬ derum interacts with the permanent magnets of the capsule, the desired driving force. For this purpose, the coil system must be traversed by suitable currents in such a way that it generates the corresponding magnetic fields.
Die Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, dass zur Er¬ zeugung ein und derselben gewünschten Antriebskraft an ein und demselben Kapselort bzw. Ort des Permanentmagneten für verschiedene Rotationspositionen des Permanentmagneten bezüglich des Spulensystems die Leistungsaufnahme des Spulensys¬ tems in einem weiten Bereich variiert. Grund hierfür ist der unsymmetrische Aufbau des Spulensystems, welcher eben nicht kugelsymmetrisch bezüglich eines Mittelpunktes und erst recht nicht bezüglich des aktuellen Ortes der Kapsel ist. Um den Patienten in das Spulensystem einbringen zu können, ist dieses nämlich eher zylindrisch bzw. tonnenförmig ausgeführt.
Vor dem tatsächlichen Aufbringen der Antriebskraft an der Kapsel bzw. Erzeugen des Magnetfeldes durch das Spulensystem wird deshalb die Leistungsaufnahme des Spulensystems zur Er¬ zeugung der Antriebskraft an der Kapsel für verschiedene Ro¬ tationspositionen des Permanentmagneten bezüglich des Spulensystems ermittelt. Verschiedene Rotationspositionen des Per¬ manentmagneten sind alleine durch Aufbringen von Drehmomenten und nicht durch Aufbringen von translatorischen Kräften an der Kapsel einstellbar. Rotationspositionen der Kapsel sind also z. B. Drehungen der Kapsel in beliebige Richtungen um einen Drehpunkt im Kapselinneren.The invention is now based on the insight that for He ¬ generating the same desired driving force on the same Kapselort or place of the permanent magnet for different rotational positions of the permanent magnet relative to the coil system, the power consumption of the Spulensys ¬ tems in a wide range varies. The reason for this is the asymmetrical structure of the coil system, which is just not spherically symmetric with respect to a center and certainly not with respect to the current location of the capsule. In order to be able to introduce the patient into the coil system, this is rather cylindrical or barrel-shaped. Therefore, the power consumption of the coil system becomes a He ¬ generation of the driving force to the capsule for various Ro ¬ tationspositionen of the permanent magnet relative to the coil system determined prior to the actual application of the driving force to the capsule or generating the magnetic field by the coil system. Manentmagneten different rotational positions of the Per ¬ alone are adjustable by applying torque and not by applying translational forces on the capsule. Rotation positions of the capsule are thus z. B. rotations of the capsule in any direction about a pivot point in the capsule interior.
Die vom Spulensystem benötigte Leistung (Ohmsche Verlust¬ leistung) ist gleich der Summe der elektrischen Verlustleistung der einzelnen Spulenströme, die zur Felderzeugung notwendig sind. Die Ermittlung der zur Erzeugung einer gewünschten Antriebskraft erforderlichen Leistung kann auf verschiedene Weisen erfolgen. Möglich sind z. B. Simulationsrechnungen für gegebenen Kapselort und gewünschte Antriebs¬ kraft zum Zeitpunkt der Erzeugung der Antriebskraft, also in Echtzeit. Es können auch vorab für ein gegebenes Spulensystem an ausgewählten Orten für ausgewählte Antriebskräfte und Ro¬ tationspositionen von Kapseln Leistungsaufnahmen des Spulensystems tabellarisch berechnet werden und beim Betrieb des Systems lediglich Tabellenwerte nachgesehen bzw. soweit mög¬ lich interpoliert werden (look-up-table) .The power required by the coil system (ohmic loss ¬ power) is equal to the sum of the electrical power loss of the individual coil currents, which are necessary for field generation. The determination of the power required to produce a desired driving force can be done in various ways. Possible are z. B. simulation calculations for given capsule location and desired drive ¬ force at the time of generation of the driving force, ie in real time. It can also in advance for a given coil system at selected locations for selected driving forces and Ro ¬ tationspositionen of capsules power consumption of the coil system are calculated tabulated and checked during the operation of the system only table values or be the extent interpolated mög ¬ Lich (look-up-table).
Die Erfindung benutzt weiterhin die Erkenntnis, dass zum Auf¬ bringen von Drehmomenten an der Kapsel in der Regel eine Leistungsaufnahme des Spulensystems benötigt wird, welche deutlich geringer als diejenige ist, welche zur Erzeugung einer translatorischen Kraft an der Kapsel notwendig ist.The invention continues to use the recognition that the on ¬ bring torques on the capsule generally a power consumption of the coil system is required, which is clearly lower than that which is necessary to produce a translational force on the capsule.
Da zur Erzeugung der gewünschten bzw. ein und derselben Antriebskraft an der Kapsel in Abhängigkeit der Rotationsposi¬ tion nun im allgemeinen verschiedene, vom Spulensystem aufgenommene Leistungen zur Verfügung stehen, die im vorigen
Schritt ermittelt wurden, kann zur tatsächlichen Erzeugung der Antriebskraft eine entsprechende gewünschte Leistung aus¬ gewählt werden.Since for generating the desired or one and the same driving force on the capsule depending on the Rotationsposi ¬ tion now various, recorded by the coil system services are now available in the previous Step were determined, for the actual generation of the driving force a corresponding desired power from ¬ be selected.
Aus den zu verschiedenen Rotationspositionen gehörigen verschiedenen erforderlichen Leistungen wird nun die gewünscht Leistung ausgewählt und die Kapsel durch Rotation in die ent¬ sprechende Rotationslage gebracht. Danach oder gleichzeitig wird die tatsächliche Antriebskraft durch geeignete Wahl der einzelnen Spulenströme an der Kapsel erzeugt.From belonging to different rotational positions of various required performances, the desired performance will be selected and brought the capsule by rotation in the ent ¬ speaking rotational position. Thereafter, or simultaneously, the actual driving force is generated by a suitable choice of the individual coil currents on the capsule.
Die Schritte b) und c) erfolgen also zunächst sequentiell. Bei kontinuierlicher Kapselfahrt können jedoch beide Schritte auch quasi - kontinuierlich und zeitlich parallel erfolgen.The steps b) and c) are thus initially sequential. With continuous capsule travel, however, both steps can also be carried out quasi - continuously and temporally parallel.
Im Verfahrensschritt b) kann als gewünschte Leistung die mi¬ nimale Leistung gewählt werden. Hierdurch wird die Gesamt¬ leistungsaufnahme des Systems minimiert, was möglichst wenig Verlustleistung und damit Abwärme bewirkt, eine geringere Di¬ mensionierung der die Spulenströme liefernden Leistungsend¬ stufen des Spulensystems ermöglicht und sowohl Herstellungs-, als auch Betriebskosten des Gesamtsystems senkt.In process step) b can be selected as desired performance, the mi ¬ nimale performance. This makes the total ¬ is power consumption of the system is minimized, causing as little power loss and thus waste heat, less Di ¬ dimensioning of the coil currents delivered final power ¬ stages of the coil system allows and both manufacturing as also lowers operating costs of the overall system.
Die Kapsel kann eine Längsachse aufweisen, und der Permanent¬ magnet kann starr in die Kapsel integriert sein und ein quer zur Längsachse ausgerichtetes Dipolmoment besitzen. Im erfin¬ dungsgemäßen Verfahren können dann in Schritt a) als Rotationspositionen verschiedene Drehwinkel der Kapsel um ihre Längsachse gewählt werden.The capsule can have a longitudinal axis, and the permanent magnet ¬ can rigidly be integrated into the capsule and having a transversely oriented to the longitudinal axis dipole moment. In OF INVENTION ¬ to the invention methods can be selected then the capsule about its longitudinal axis as a rotational positions different rotational angle in step a).
In vielen Fällen weist eine entsprechende, im Verfahren be¬ nutzte Kapsel eine bestimmte Kapselvorzugsrichtung auf bzw. ist länglich ausgebildet. Z.B. kann an deren Spitze eine Videokamera vorgesehen sein. Die Kapsel weist dann eine Längs¬ achse auf, zu welcher sie äußerlich meist rotationssymmet¬ risch ausgeführt ist. Sinnvollerweise wird der Permanentmag¬ net dann ein quer zur Längsachse ausgerichtetes Dipolmoment
aufweisen, um die Kapsel um ihre Längsachse durch Anlegen eines äußeren magnetischen Feldes rotieren zu können. Üblicherweise soll die Kapsel in Richtung der Längsachse vor¬ wärtsbewegt werden. Die Richtung der gewünschten Antriebskraft ist also parallel zur Längsachse.In many cases, an appropriate, be used in the process ¬ capsule a capsule certain preferred direction and is elongated. For example, at the top of a video camera may be provided. The capsule then has a longitudinal axis ¬ on to which they mostly externally rotationssymmet is executed ¬ driven. It makes sense to the Permanentmag ¬ net then a transverse to the longitudinal axis aligned dipole moment to rotate the capsule about its longitudinal axis by applying an external magnetic field can. Usually, the capsule in the direction of the longitudinal axis is to be moved in front of Windwärts ¬. The direction of the desired driving force is therefore parallel to the longitudinal axis.
Aufgrund des quer zur Längsachse ausgerichteten Dipolmoments ist eine Drehung der Kapsel um deren Längsachse durch ein quer zur Längsachse verlaufendes magnetisches Drehfeld mög¬ lich.Due to the aligned transversely to the longitudinal axis of the dipole moment of a rotation of the capsule about its longitudinal axis by a transverse to the longitudinal axis rotating magnetic field mög ¬ is Lich.
Ist die Kapsel zudem rotationssymmetrisch, wird die Außenform der Kapsel bei jeder Drehposition in sich selbst abgebildet, was möglichst geringe Reibung mit an der Kapsel anliegenden Organen beim Drehen der Kapsel verursacht. Außerdem muss beim Drehen das die Kapsel umschließende Hohlorgan dann nicht zu¬ sätzlich aufgeweitet bzw. verformt werden. So sind nur ge¬ ringstmögliche Drehmomente zur Rotation der Kapsel notwendig, was wiederum die Leistungsaufnahme des Gesamtsystems redu¬ ziert .If the capsule is also rotationally symmetrical, the outer shape of the capsule is imaged in itself at each rotational position, which causes the least possible friction with the organs abutting the capsule when the capsule is rotated. Also needs the capsule enclosing hollow organ are then not expanded to additionally ¬ or deformed when turning. So just ge ¬ shallowest torque for rotation of the capsule are necessary, which in turn the power consumption of the entire system at their redu ¬.
Im erfindungsgemäßen Verfahren kann in Schritt b) der Permanentmagnet innerhalb oder an der Kapsel drehbar befestigt sein. Bei Rotation des Permanentmagneten muss dann die Kapsel gar nicht oder nur teilweise rotiert werden, was zu keinerlei oder geringeren Reibungsverlusten zwischen Innenwandung des Hohlorgans und der Kapsel führt. Die Rotation kann z.B. auch motorisch im Inneren der Kapsel erfolgen und nicht durch äußere Felder verursacht sein.In the method according to the invention, in step b), the permanent magnet can be rotatably mounted inside or on the capsule. During rotation of the permanent magnet, the capsule then does not have to be rotated or only partly rotated, which leads to no or lower friction losses between the inner wall of the hollow organ and the capsule. The rotation can e.g. also be carried out by motor inside the capsule and not be caused by external fields.
Auch kann der Permanentmagnet in einen Teil der Kapsel und in Schritt b) nur dieser Teil rotiert werden. Auch so werden Reibungsverluste beim Rotieren reduziert und die Rotation kann durch eine in der Kapsel erzeugte Kraft erfolgen.Also, the permanent magnet can be rotated into a part of the capsule and in step b) only this part. Also, friction losses during rotation are reduced and rotation can be accomplished by force generated in the capsule.
Das Spulensystem kann mehr als sechs Einzelspulen, deren Spulenströme unabhängig voneinander regelbar sind, umfassen und
für die gewünschte Antriebskraft sechs vektorielle Komponen¬ ten vorgegeben sein. In Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens können dann zur Ermittlung der erforderlichen Leistung die Spulenströme mit dem Widerstand ihrer Spulenwicklung widerstandsgewichtet werden. Ein unterbestimmtes Gleichungs¬ system zwischen gewünschter Antriebskraft und widerstandsge- wichteten Spulenströmen wird dann aufgestellt. Es werden Spulenströme ermittelt, die sowohl einen Restfehler des Glei¬ chungssystems als auch die gewichteten Spulenströme bezüglich ihrer jeweiligen 2-Normen minimieren.The coil system can comprise more than six individual coils whose coil currents can be controlled independently of one another, and for the desired driving force six vectorial Components ¬ th be given. In step a) of the method according to the invention, the coil currents can then be resistance-weighted with the resistance of their coil winding in order to determine the required power. An underdetermined equation ¬ system between the desired driving force and resistance-weighted coil currents is then set up. Are determined coil currents, both a residual error of the sliding ¬ surveillance system as well as the weighted coil currents minimize their respective 2 standards with respect to.
Ein Spulensystem weist z.B. insgesamt vierzehn Einzelspulen auf, die jeweils von einem unabhängigen Spulenstrom durchfließbar sind. Jede Einzelspule hat einen Ohmschen Widerstand. Als Antriebskraft sind z.B. die drei unabhängigen Kom¬ ponenten der an der Kapsel erwünschten Kraft und die drei Komponenten eines an der Kapsel erwünschten Drehmoments vorgegeben, die zusammen den 6-dimensionalen Vektor F = (Tx,Ty,Tz,Fx,Fy,Fz)τ bilden. Anstelle des Drehmoments können inA coil system has, for example, a total of fourteen individual coils, each of which can be flowed through by an independent coil current. Each single coil has an ohmic resistance. As driving force are, for example, the three independent Kom ¬ components of the desired at the capsule strength and the three components one at the capsule desired torque preset which together x the 6-dimensional vector F = (T, T y, T z, F x, F y , F z ) τ form. Instead of the torque can in
F auch die drei Komponenten Bx,By,B, eines erwünschten magne¬ tischen Feldes am Ort der Kapsel vorgegeben werden. Somit entsteht mit dem 14-dimensionalen Vektor I = (Ii,I2,...,IM)τ der unbekannten Spulenströme, dem magnetischen Dipolmoment des Permanentmagneten in der Kapsel m = (mx,my,mzf und dem Ort f = (x,y,z)τ ein Gleichungssystem F = W(f,m)I , mit der 6x14- Matrix W(r,m) , welche von der Geometrie des Spulensystems, dem Kapselort und dem magnetischen Moment der Kapsel abhängt und nach dem Gesetz von Biot-Savart und den Grundgleichungen der Magnetostatik berechenbar ist.F and the three components B x , B y , B, a desired magnetic field ¬ be specified at the location of the capsule. Thus, with the 14-dimensional vector I = (I i , I 2 ,..., I M ) τ of the unknown coil currents, the magnetic dipole moment of the permanent magnet in the capsule m = (m x , m y , m z f and the location f = (x, y, z) τ is a system of equations F = W (f, m) I, with the 6x14 matrix W (r, m), which depends on the geometry of the coil system, the capsule location and the magnetic moment of the Capsule depends on the law of Biot-Savart and the basic equations of magnetostatics calculable.
Durch Gewichtung jedes einzelnen Spulenstromes /( mit i e {1,2,...,14} mit der Quadratwurzel des Ohmschen Widerstands
der zugehörigen Spule entsteht ein gewichteter Stromvektor ϊ=(cJKlι. V^iJ-
Die Leistungsaufnahme des elektrischen Spulensystems ist ge- geben als • Zur Ermittlung der gesamtleistungs-
minimierenden Spulenströme wird die 2-Norm minimiert und unter allen Lösungen/ wird
die mit der minimalen 2-Norm 7 gewählt.By weighting each individual coil current / ( with ie {1,2, ..., 14} with the square root of the ohmic resistance The associated coil produces a weighted current vector ϊ = ( c JKl ι . V ^ iJ- The power consumption of the electric coil system is given as: • To determine the total power minimizing coil currents, the 2-norm is minimized and among all solutions those chosen with the minimum 2-norm 7.
Im Fall vorgegebener Drehmomente und Kräfte ist der Rang der Matrix W gleich fünf, weil in Richtung des permanentmagnetischen Dipolmoments an der Kapsel kein Drehmoment ausgeübt werden kann. Bei Vorgabe der 3 B-Feld-Komponenten und der Kraft am Ort der Kapsel ist der Rang von W gleich sechs. Für die Lösung des unterbestimmten Gleichungssystems mit Rangabfall kann eine aus [G. H. Golub und C. F. Van Loan: „Matrix Computations" . Third Edition. John Hopkins University Press, 1996] bekannte Singulärwertzerlegung oder eine voll¬ ständige orthogonale Zerlegung benutzt werden. Bei vollem Zeilenrang kann z.B. die in der gleichen Quelle beschriebene QR-Zerlegung benutzt werden.In the case of predetermined torques and forces, the rank of the matrix W is equal to five, because in the direction of the permanent magnetic dipole moment on the capsule no torque can be exerted. Given the 3 B field components and the force at the capsule location, the rank of W equals six. For the solution of certain equations with rank drop may one out.: Known singular value decomposition or a fully ¬ constant orthogonal decomposition [GH Golub and CF Van Loan.. 1996 "Matrix Computations" Third Edition, John Hopkins University Press,] be used With a full row rank can For example, the QR decomposition described in the same source can be used.
Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:For a further description of the invention reference is made to the embodiments of the drawings. They show, in each case in a schematic outline sketch:
Fig. 1 eine Anlage zur nichtinvasiven Befundung oder Behandlung eines Patienten mit einem Endoroboter, Fig. 2 den Endoroboter aus Fig. 1 in einer Detailansicht.1 shows a system for non-invasive diagnosis or treatment of a patient with an endorobot, FIG. 2 shows the endo-robot from FIG. 1 in a detailed view.
Fig. 1 zeigt eine Endoskopieanlage 2 zur nichtinvasiven Be¬ fundung bzw. Behandlung eines Patienten 4. Die Endoskopieanlage 2 umfasst ein Spulensystem 6 mit daran angeschlossener Energieversorgung 8 sowie eine Steuerung 10 und eine Videoeinheit 12.Fig. 1 shows an endoscopy system 2 for non-invasive Be ¬ fundung or treatment of a patient 4. The endoscopy system 2 comprises a coil system 6 having connected thereto power supply 8 as well as a controller 10 and a video unit 12.
Das Spulensystem 6 besteht aus vierzehn Einzelspulen. Von den Spulen sind wegen der Übersichtlichkeit in Fig. 1 nur vier mit Bezugszeichen versehen. Diese untergliedern sich in sechs
quaderförmig angeordnete, rechteckige Helmholtzspulen 14a, b und acht gemeinsam einen Zylindermantel im Quader bildende Sattelspulen 16a, b. Jede der Sattelspulen 16a, b überstreicht bezüglich einer Mittellängsachse 18 des Spulensystems 6 einen Winkelbereich von ca. 90°. Je vier Sattelspulen 16a, b bilden also eine Zylindermantel, die axial aneinandergesetzt sind.The coil system 6 consists of fourteen individual coils. Of the coils are provided for clarity in Fig. 1 only four with reference numerals. These are divided into six rectangular rectangular Helmholtz coils 14a, b and eight together form a cylinder jacket in the cuboid saddle coils 16a, b. Each of the saddle coils 16a, b sweeps over an angular range of approximately 90 ° with respect to a central longitudinal axis 18 of the coil system 6. Each four saddle coils 16a, b thus form a cylinder jacket, which are axially juxtaposed.
Der in jeder der vierzehn Einzelspulen fließende Spulenstrom wird von einem von vierzehn, je einer Einzelspule zugeordne¬ ten Leistungsverstärkern 20a-c erzeugt, von welchen in Fig. 1 wiederum nur drei dargestellt sind. Die vierzehn Leistungs¬ verstärker 20a-c zusammen bilden die Energieversorgung 8. Sämtliche Leistungsverstärker 20a-c werden von der Steuerung 10 über je eine Steuerleitung 22 angesteuert bzw. geregelt.The current flowing in each of the fourteen individual coils coil current is in turn represented by a fourteen, each with a single coil fed arrange ¬ th power amplifiers 20a-c generated, of which in Fig. 1, only three. The fourteen ¬ power amplifier 20a-c together form the power supply 8. All power amplifier 20a-c are driven respectively by the controller 10 via a respective control line 22 regulated.
Der Patient 4 ist entlang der Mittellängsachse 18 in das Spu¬ lensystem 6 eingefahren. Der Patient 4 wird so im Spulensystem 6 platziert, dass die von ihm geschluckte Endoskopiekap- sel 30 etwa in der Mitte des Spulensystems zu liegen kommt. Dort besitzt das Spulensystem 6 ein sogenanntes Arbeitsvolu¬ men, innerhalb dessen die Kapsel navigiert werden kann.The patient 4 is retracted along the central longitudinal axis 18 in the Spu ¬ lensystem 6. The patient 4 is placed in the coil system 6 in such a way that the endoscopy capsule 30 swallowed by him comes to rest approximately in the middle of the coil system. There, the coil system 6 has a so-called Arbeitsvolu ¬ men, within which the capsule can be navigated.
Dem Spulensystem 6 ist ein Koordinatensystem 32 fest zugeordnet. Die Ortsposition sowie die Orientierung der Längsachse 34 der Endoskopiekapsel 30 im Koordinatensystem 32 werden über eine Positionserkennung 36 erfasst. Die Positionserkennung 36 übermittelt die Positionsdaten der Endoskopiekap¬ sel 30 wiederum an die Steuerung 10.The coil system 6, a coordinate system 32 is permanently assigned. The spatial position and the orientation of the longitudinal axis 34 of the endoscopy capsule 30 in the coordinate system 32 are detected by a position detection 36. The position detection 36 transmits the position data of the Endoskopiekap ¬ sel 30 in turn to the controller 10th
In Fig. 2 ist die Endoskopiekapsel 30 stark vergrößert darge¬ stellt. An ihrem vorderen Ende 38 trägt die Endoskopiekap¬ sel 30 in ihrem Inneren eine nicht dargestellte Kamera und Beleuchtungseinrichtung. Durch ein Sichtfenster 40 wird die Umgebung der Endoskopiekapsel 30 beleuchtet und kann die Ka¬ meraeinrichtung ein Bild der Kapselumgebung in Richtung des Pfeils 42 aufnehmen. Die aufgenommenen Bilddaten werden per
Funk an einen Videoempfänger 44 außerhalb des Patienten 4 übertragen und auf einem Bildschirm 46 dargestellt.In Fig. 2, the endoscopy capsule 30 is greatly enlarged Darge ¬ represents. At its front end 38 the Endoskopiekap ¬ sel 30 carries in its interior a camera and lighting device, not shown. Through a viewing window 40, the vicinity of the endoscopic capsule 30 is illuminated and can Ka ¬ meraeinrichtung an image of the capsule around in the direction of arrow record 42nd The recorded image data are per Radio transmitted to a video receiver 44 outside the patient 4 and displayed on a screen 46.
Zur Steuerung der Kapselbewegung im Spulensystem 6 bzw. im Patienten 4 dient ein Eingabegerät in Form einer 6D-Maus 48, welche von einem nicht dargestellten Bediener, z. B. einem den Patienten 4 untersuchenden Arzt, bedient wird aufgrund des auf dem Bildschirm 46 dargestellten Bildes.To control the capsule movement in the coil system 6 or in the patient 4 is an input device in the form of a 6D mouse 48, which by an operator, not shown, for. A doctor examining the patient 4 is operated on the basis of the image displayed on the screen 46.
Aus der in Fig. 1 dargestellten Position im Magen des Patienten soll nun die Endoskopiekapsel 30 von dort aus in dessen Dünndarm und durch diesen bis zum Dickdarm hindurchbewegt werden. Der nicht dargestellte Arzt betrachtet hierzu das von der Endoskopiekapsel 30 gelieferte Videobild auf dem Moni¬ tor 46 und navigiert die Endoskopiekapsel 30 händisch auf Sicht zum Magenausgang und durch den Dünndarm. Für jeden Navigationsschritt gilt nun die im Folgenden erläuterte Vorge¬ hensweise .From the position shown in FIG. 1 in the stomach of the patient, the endoscopy capsule 30 is now to be moved from there into the small intestine and through it to the colon. The doctor, not shown, considers the video image delivered by the endoscopy capsule 30 on the moni tor 46 and navigates the endoscopy capsule 30 by hand to the stomach outlet and through the small intestine. For each navigation step now explained below pre ¬ applies hens example.
In Fig. 2 befindet sich die Endoskopiekapsel 30 mit ihrem Mittelpunkt 50 an einem durch die Positionserkennung 36 ermittelten und damit bekannten Ort im Koordinatensystem 32. Auch die Ausrichtung der Endoskopiekapsel 30, also deren Längsachse 34, ist somit bekannt. Sie soll in Richtung des Pfeils 42, also entlang ihrer Längsachse 34, bewegt werden. Hierzu muss auf die Endoskopiekapsel 30 eine Kraft 49 in Richtung des Pfeils 42 vom Spulensystem 6 ausgeübt werden, welches in Fig. 2 lediglich symbolisch dargestellt ist.2, the endoscopy capsule 30 is at its midpoint 50 at a position determined by the position detection 36 and thus known in the coordinate system 32. The orientation of the endoscopy capsule 30, ie its longitudinal axis 34, is thus also known. It should be moved in the direction of the arrow 42, that is along its longitudinal axis 34. For this purpose, a force 49 in the direction of the arrow 42 has to be exerted on the endoscopy capsule 30 by the coil system 6, which is shown only symbolically in FIG. 2.
In der Endoskopiekapsel 30 ist ein Permanentmagnet 51 mit einem quer zur Längsachse 34 ausgerichteten Dipolmoment 52 enthalten. Die augenblickliche Richtung bzw. Rotationsposi¬ tion 53a des Dipolmoments 52 im Koordinatensystem 32 ist ebenfalls bekannt (über die Positionserkennung 36 und auf¬ grund der Tatsache, dass sich ein magnetisches Dipolmoment entlang eines äußeren B-Feldes ausrichtet) . Da die Sollkraft 49 und das Dipolmoment 52 und die Kapselposition bekannt
sind, kann die Steuerung 10 ein hypothetisches Strommuster im Spulensystem 6, d.h. die Ströme der vierzehn Einzelspulen 14a, b und 16a, b, ermitteln, um im Inneren des Spulensystems 6 ein magnetischen Feld 54 zu erzeugen, welches derart mit dem Dipolmoment 52 zusammenwirkt, dass die Kraft 49 an der Endo- skopiekapsel 30 bzw. am nicht dargestellten Permanentmagneten erzeugt würde. Gleichzeitig ist somit in der Steuerung 10 die von den vierzehn Endstufen 20a-c aufzunehmende elektrische Leistung bekannt. Diese wird als Leistungswert 55a in der Steuerung 10 gespeichert und der Orientierung bzw. Rotationsposition 53a zugeordnet. Die Ermittlung der unbekannten Spulenströme erfolgt durch die Lösung des sie beschreibenden unterbestimmten Gleichungssystems.In the endoscopy capsule 30, a permanent magnet 51 is included with a transverse to the longitudinal axis 34 oriented dipole moment 52. The instantaneous direction and rotation Posi ¬ tion 53a of the dipole moment 52 in the coordinate system 32 is also known (on the position detection 36 and ¬ due to the fact that a magnetic dipole moment is along an outer B field aligns). Since the set force 49 and the dipole moment 52 and the capsule position known 10, the controller 10 may determine a hypothetical current pattern in the coil system 6, ie the currents of the fourteen individual coils 14a, b and 16a, b, to generate a magnetic field 54 inside the coil system 6 which interacts with the dipole moment 52, the force 49 would be generated on the endoscopy capsule 30 or on the permanent magnet (not shown). At the same time, the electrical power to be absorbed by the fourteen output stages 20a-c is thus known in the controller 10. This is stored as power value 55a in the controller 10 and assigned to the orientation or rotational position 53a. The determination of the unknown coil currents takes place by the solution of the sub-determined equation system which describes them.
Das Feld 54 wird also zunächst nicht tatsächlich erzeugt, d.h. kein derartiges Strommuster auf das Spulensystem 6 gegeben, sondern lediglich der hierzu theoretisch notwendige Leistungsverbrauch ermittelt bzw. berechnet.The field 54 is therefore not initially generated, i. no such current pattern is applied to the coil system 6, but only the power consumption theoretically necessary for this purpose is determined or calculated.
Ausgehend von der tatsächlichen Orientierung 53a des Dipolmoments 52 wird für verschiedene gedachte Rotationswinkel 56 des Dipolmoments 52 um die Längsachse 34 auf gleiche Weise ein hypothetischer Wert der Leistungsaufnahme der Energieversorgung 8 berechnet. In Fig. 2 ist dies z.B. durch die um 10° rotierte Position 53b des Dipolmoments 52 gestrichelt darge¬ stellt. In der gestrichelten Position des Dipolmoments 52 im Spulensystem 6 bzw. Koordinatensystems 32 ist zur Erzeugung der Kraft 49 eine von der Feldverteilung 54 verschiedene Feldverteilung 58 notwendig. Zur Erzeugung dieser Feldverteilung 58 ist ein anderes Strommuster im Spulensystem 6 bzw. den Einzelspulen notwendig. Deshalb ist auch die Leistungs¬ aufnahme der Energieversorgung 8 verändert. Dieser Wert der Leistungsaufnahme wird als Leistungswert 55b ebenfalls in der Steuerung 10 gespeichert und der Rotationsposition 53b zugeordnet .
Auf diese Weise werden für verschiedene Rotationswinkel 56 des Dipolmoments 52 ausgehend von der jetzigen Position als O°-Lage, die jeweils zughörigen Leistungswerte 55a-d der Energieversorgung 8 für Rotationswinkel 56 von z.B. 0°, +/- 5° und +/- 10° hypothetisch ermittelt.Based on the actual orientation 53a of the dipole moment 52, a hypothetical value of the power consumption of the power supply 8 is calculated in the same way for different imaginary angles of rotation 56 of the dipole moment 52 about the longitudinal axis 34. In FIG. 2 this is, for example, by rotating by 10 ° position 53b of the dipole moment 52 in phantom Darge ¬ represents. In the dashed position of the dipole moment 52 in the coil system 6 or coordinate system 32, a field distribution 58 different from the field distribution 54 is necessary to generate the force 49. To generate this field distribution 58, another current pattern in the coil system 6 or the individual coils is necessary. Therefore, the power ¬ recording of the power supply 8 is changed. This value of the power consumption is also stored as power value 55b in the controller 10 and assigned to the rotational position 53b. In this way, for different angles of rotation 56 of the dipole moment 52, starting from the current position as the 0 ° position, the respectively corresponding power values 55a-d of the power supply 8 for rotation angles 56 of, for example, 0 °, +/- 5 ° and +/- 10 ° determined hypothetically.
Anschließend wird aus den Leistungswerten 55a-d eine ge¬ wünschte Leistungsaufnahme, z. B. die minimale Leistung 55b, ausgewählt und das Dipolmoment 52 tatsächlich in die entspre¬ chende Ortsposition 53b um den Rotationswinkel 56 gedreht, im Beispiel von Fig. 2 also um + 10°, wie gestrichelt gezeich¬ net. Hierzu wird die gesamte Endoskopiekapsel 30 mitgedreht, was jedoch aufgrund deren Rotationssymmetrie keine äußere Veränderung der Kapselgeometrie bedeutet. Anschließend wird in der nun veränderten Position 53b des Dipolmomentes 52 das entsprechende Spulenstrommuster im Spulensystem 6 tatsächlich erzeugt, was eine entsprechende Feldverteilung 58 zur Folge hat und die Kraft 49 am Dipolmoment 52 und damit an der Endo¬ skopiekapsel 30 tatsächlich wirkt. Auf Grund der Kraft 49 be¬ wegt sich die Endoskopiekapsel 30 entlang ihrer Mittelachse 34 in Richtung des Pfeils 42.Then, from the power values 55a-d a ge ¬ desired power consumption, z. B. the minimum power 55b, selected and the dipole moment 52 is actually rotated in the corre sponding ¬ spatial position 53b by the rotation angle 56, in the example of Fig. 2 so by + 10 °, as in dashed lines ¬ net. For this purpose, the entire endoscopy capsule 30 is rotated, but this means no external change in the capsule geometry due to its rotational symmetry. Then in the now modified position 53b of the dipole moment 52 is actually generated the appropriate coil current pattern in the coil system 6, resulting in a corresponding field distribution 58 with the result, and the force 49 actually acts on the dipole moment 52 and thus at the Endo ¬ skopiekapsel 30th Due to the force 49 be ¬ the endoscopic capsule 30 of the arrow 42 moves along its central axis 34 in the direction.
Nach Verschiebung der Endoskopiekapsel 30 um ein bestimmtes Wegstück entlang ihrer Mittelachse 34 wird der eben beschriebene Vorgang wiederholt, um am neuen Ort der Endoskopiekap¬ sel 30 wiederum die minimale Leistungsaufnahme des Spulensys¬ tems 6 zur weiteren Erzeugung einer neuen Kraft zu ermitteln. Auf diese Weise ist es möglich, die Endoskopiekapsel 30 mit minimalem Leistungsaufwand entlang eines Weges z.B. durch den gesamten Dünndarm des Patienten 4 zu bewegen.After displacement of the endoscopy capsule 30 by a certain distance along its central axis 34, the process just described is repeated to again determine the minimum power consumption of the Spulensys ¬ tems 6 for further generation of a new force at the new location of Endoskopiekap ¬ sel 30. In this way, it is possible to move the endoscopy capsule 30 along a path, for example, through the entire small intestine of the patient 4 with minimal effort.
Eine ähnliche Vorgehensweise gilt auch für das Erzeugen von Drehmomenten durch Einwirkung von magnetischen Feldern auf das Dipolmoment 52, um so eine Drehung der Endoskopiekap¬ sel 30 mit möglichst geringer Leistungsaufnahme des Spulen¬ systems 6 zu ermöglichen. Hierbei wird die Rotationsposition des Permanentmagneten zunächst so gewählt, dass der Rieh-
tungskosinus zwischen Permantentmagnetrichtung und Drehmomentrichtung minimal wird. Die optimale Permanentmagnetaus- richtung, bei der die Leistungsaufnahme des Spulensystems so gering wie möglich ist, kann von dieser Rotationsposition aufgrund der Asymmetrie des Spulensystems etwas differieren und wird nachgelagert bestimmt.
A similar procedure also applies to the generation of torque by the action of magnetic fields on the dipole moment 52, so rotation of the Endoskopiekap ¬ sel to allow 30 with the lowest possible power consumption of the coil ¬ systems. 6 The rotational position of the permanent magnet is initially selected so that the cosinus between Permantentmagnetrichtung and torque direction is minimal. The optimal permanent magnet orientation, in which the power consumption of the coil system is as low as possible, can differ slightly from this rotational position due to the asymmetry of the coil system and is determined downstream.
Claims
1. Verfahren zum Antreiben einer einen Permanentmagneten (51) enthaltenden Kapsel (30) innerhalb eines Patienten (4), ins¬ besondere dessen Gastrointestinaltrakt , mit Hilfe eines den Körper des Patienten (4) zumindest teilweise umfassenden e- lektrischen Spulensystems (6), bei dem: a) für verschiedene Rotationspositionen (53a, b) des Perma¬ nentmagneten (51) bezüglich des Spulensystems (6) die jeweils vom Spulensystem (6) zur Erzeugung einer ge¬ wünschten Antriebskraft (49) an der Kapsel (30) erfor¬ derliche Leistung (55a-d) ermittelt wird, b) die Kapsel (30) durch Rotation (56) in die einer ge¬ wünschten Leistung (55b) zugeordnete Rotationsposition1. A method for driving a permanent magnet (51) containing capsule (30) within a patient (4), Special into ¬ the gastrointestinal tract, with the aid of the body of the patient (4) at least partially surrounding e- lektrischen coil system (6), wherein: a) for different rotational positions (53a, b) of the Perma ¬ mag- nets (51) with respect to the coil system (6) each from the coil system (6) for generating a ge ¬ desired driving force (49) to the capsule (30) erfor ¬ derliche power (55a-d) is determined, b) the capsule (30) by rotation (56) in which a Ge ¬ desired power (55b) associated with the rotational position
(53b) gebracht wird, c) die Antriebskraft (49) an der Kapsel (30) vom Spulensys¬ tem (6) erzeugt wird.(53b) is brought, c) the driving force (49) on the capsule (30) from the Spulensys ¬ tem (6) is generated.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem:2. The method of claim 1, wherein:
- in Schritt b) als gewünschte Leistung (55b) die minimale Leistung gewählt wird.- In step b) as the desired power (55 b), the minimum power is selected.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kapsel (30) eine Längsachse (34) und der Permanentmagnet (51) ein quer zur Längsachse (34) ausgerichtetes Dipolmoment (52) aufweist, bei dem:3. The method according to claim 1, wherein the capsule has a longitudinal axis and the permanent magnet has a dipole moment aligned transverse to the longitudinal axis, in which:
- in Schritt a) als Rotationspositionen (53a, b) verschiedene Drehwinkel der Kapsel (30) um ihre Längsachse (34) gewählt werden .- In step a) as rotational positions (53 a, b) different angles of rotation of the capsule (30) about its longitudinal axis (34) are selected.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem:4. The method according to any one of the preceding claims, wherein:
- in Schritt b) der Permanentmagnet (51) innerhalb der Kap¬ sel (30) rotiert wird.- In step b) of the permanent magnet (51) within the cap ¬ sel (30) is rotated.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem - der Permanentmagnet in einem Teil der Kapsel enthalten ist und im Schritt b) nur dieser Teil der Kapsel rotiert wird.5. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein - The permanent magnet is contained in a part of the capsule and in step b) only this part of the capsule is rotated.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spulensystem mehr als sechs, von je einem unabhängigen Strom /( durchfließbare Einzelspulen umfasst, und für die ge¬ wünschte Antriebskraft F (49) sechs vektorielle Komponenten vorgegeben sind, bei dem in Schritt a) zur Ermittlung der erforderlichen Leistung (55a-d) :6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the coil system more than six, each of an independent current / ( flowable individual coils includes, and ge ¬ desired driving force F (49) six vector components are given, in which in step a) to determine the required power (55a-d):
- die Spulenströme I1 mit der Quadratwurzel des Ohmschen Wi¬ derstands ihrer Spulenwicklung gewichtet werden,- The coil currents I 1 with the square root of the resistive Wi ¬ resistance their coil winding are weighted,
- ein unterbestimmtes Gleichungssystem F zwi¬ schen gewünschter Antriebskraft F (49) und widerstandsge- wichteten Spulenströmen /aufgestellt wird,an underdetermined system of equations F Zvi ¬'s desired driving force F is / set up (49) and widerstandsge- weighted coil currents,
- Spulenströme /( ermittelt werden, die sowohl einen Rest-- coil currents / ( which are both residual
F —W(r,m)[dia.g(R)) / als auchF -W (r, m) [dia.g (R)) / as well
die gewichteten Spulenströme 7 bezüglich ihrer 2-Normen minimieren . minimize the weighted coil currents 7 with respect to their 2-norms.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102005007631.9 | 2005-02-18 | ||
DE102005007631A DE102005007631A1 (en) | 2005-02-18 | 2005-02-18 | A method for driving a capsule within a patient by means of an electric coil system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2006087289A2 true WO2006087289A2 (en) | 2006-08-24 |
Family
ID=36177351
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/EP2006/050788 WO2006087289A2 (en) | 2005-02-18 | 2006-02-09 | Method for driving a capsule inside a patient with the aid of an electric coil system |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102005007631A1 (en) |
WO (1) | WO2006087289A2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109730625A (en) * | 2019-03-08 | 2019-05-10 | 大连理工大学 | A kind of three-dimensional space voltage vector control method of space universal rotary magnetic field |
CN110327011A (en) * | 2019-06-26 | 2019-10-15 | 大连理工大学 | A kind of double hemisphere capsule robot attitude detecting methods based on magnetic vector error calibration image |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5484651B2 (en) * | 2006-11-13 | 2014-05-07 | オリンパスメディカルシステムズ株式会社 | Medical device position detection system and medical device guidance system |
DE102007043729A1 (en) | 2007-09-13 | 2009-04-02 | Siemens Ag | Medical system for e.g. endoscopic surgery, has X-ray window arranged in magnetic coil system, and X-ray diagnostic system with X-ray emitter emitting X-ray radiation that is irradiated into three-dimensional work space through window |
DE102010028115B4 (en) | 2010-04-22 | 2013-10-02 | Siemens Aktiengesellschaft | Device for the therapy of myocardial insufficiency |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3917885B2 (en) * | 2002-04-08 | 2007-05-23 | オリンパス株式会社 | Capsule endoscope system |
JP2004041709A (en) * | 2002-05-16 | 2004-02-12 | Olympus Corp | Capsule medical care device |
US7623904B2 (en) * | 2003-08-06 | 2009-11-24 | Olympus Corporation | Medical apparatus, medical apparatus guide system, capsule type medical apparatus, and capsule type medical apparatus guide apparatus |
-
2005
- 2005-02-18 DE DE102005007631A patent/DE102005007631A1/en not_active Withdrawn
-
2006
- 2006-02-09 WO PCT/EP2006/050788 patent/WO2006087289A2/en not_active Application Discontinuation
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109730625A (en) * | 2019-03-08 | 2019-05-10 | 大连理工大学 | A kind of three-dimensional space voltage vector control method of space universal rotary magnetic field |
CN109730625B (en) * | 2019-03-08 | 2021-08-10 | 大连理工大学 | Three-dimensional space voltage vector control method of space universal rotating magnetic field |
CN110327011A (en) * | 2019-06-26 | 2019-10-15 | 大连理工大学 | A kind of double hemisphere capsule robot attitude detecting methods based on magnetic vector error calibration image |
CN110327011B (en) * | 2019-06-26 | 2021-04-20 | 大连理工大学 | Double-hemisphere capsule robot attitude detection method based on magnetic vector error calibration image |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102005007631A1 (en) | 2006-08-31 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102008004871B4 (en) | Coil arrangement for guiding a magnetic element in a working space | |
DE4340707C2 (en) | manipulator | |
DE2738590A1 (en) | CARRIER DEVICE FOR ADMINISTRATION OF OBSERVATION OR MANIPULATION INSTRUMENTS, IN PARTICULAR FOR USE AS AN ENDOSCOPE | |
DE10341092A1 (en) | Non-contact type probe device used in medical surgery, has fourteen coils for generating three magnetic field component and five magnetic field gradient from the diagonally symmetrical gradient matrices | |
DE102005053759B4 (en) | Method and device for the wireless transmission of energy from a magnetic coil system to a working capsule | |
EP1330809B1 (en) | Simulating device with at least two degrees of freedom for an instrument | |
DE10203371A1 (en) | Intravascular catheter with magnetic component in tip, allows magnetic field generated to be varied after introducing catheter into patient | |
WO2006087289A2 (en) | Method for driving a capsule inside a patient with the aid of an electric coil system | |
DE102005032289A1 (en) | Endoscopy apparatus, especially for examination of the patient's intestines, has an external magnet coil system to control a robot and a patient manipulation mechanism | |
DE102011017591A1 (en) | Endoscopy capsule for examination and / or treatment in a hollow organ of a body and examination and / or treatment device with an endoscopy capsule | |
EP2403392A1 (en) | Method and device for navigating an endoscopy capsule | |
DE102009013352B4 (en) | Coil arrangements for guiding a magnetic object in a working space | |
DE102008035092B4 (en) | Apparatus for performing a minimally invasive diagnosis or intervention in the interior of a patient with a capsule endoscope and method for determining the actual position of a capsule endoscope in the interior of a patient | |
WO1994024934A1 (en) | Device for endoscopical exploration of the body | |
DE102007012360B4 (en) | navigation device | |
DE102007036242A1 (en) | Magnetic coil system for applying force to an endoscopy capsule | |
DE102009060514A1 (en) | Coil system and method for non-contact magnetic navigation of a magnetic body in a working space | |
DE102004009135B3 (en) | Device for manually remotely controllable navigation of a probe insertable into a human body | |
DE102011078500B4 (en) | Method and device for controlling an endoscope capsule | |
DE102006019986A1 (en) | Endoscopy capsule for use in patient`s gastrointestinal tract, has magnetic element provided for rotating, swiveling and tilting capsule, and adjustable power supply unit for subjecting electrical conductors with electrical voltage | |
DE102006015453A1 (en) | Endoscopy capsule for examining gastrointestinal tract, has magnetic element interactive with external magnetic field for navigating capsule, and outer side with electrical voltage subjectable electrodes | |
DE102007017517B4 (en) | Navigable endoscopy capsule | |
DE102012205525B4 (en) | endoscopy capsule | |
WO2006087287A1 (en) | Wireless, directable capsule | |
DE102010043481B4 (en) | medicine system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application | ||
NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 06708132 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
WWW | Wipo information: withdrawn in national office |
Ref document number: 6708132 Country of ref document: EP |