WO2006087341A2 - Verfahren zur automatischen navigation einer videokapsel entlang eines einen schlauchförmigen kanal bildenden hohlorgans eines patienten - Google Patents

Verfahren zur automatischen navigation einer videokapsel entlang eines einen schlauchförmigen kanal bildenden hohlorgans eines patienten Download PDF

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WO2006087341A2
WO2006087341A2 PCT/EP2006/050959 EP2006050959W WO2006087341A2 WO 2006087341 A2 WO2006087341 A2 WO 2006087341A2 EP 2006050959 W EP2006050959 W EP 2006050959W WO 2006087341 A2 WO2006087341 A2 WO 2006087341A2
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capsule
video capsule
video
camera
hollow organ
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PCT/EP2006/050959
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Inventor
Johannes Reinschke
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
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    • A61B5/06—Devices, other than using radiation, for detecting or locating foreign bodies ; determining position of probes within or on the body of the patient
    • A61B5/061—Determining position of a probe within the body employing means separate from the probe, e.g. sensing internal probe position employing impedance electrodes on the surface of the body
    • A61B5/062—Determining position of a probe within the body employing means separate from the probe, e.g. sensing internal probe position employing impedance electrodes on the surface of the body using magnetic field

Definitions

  • a method for automatically navigating a video capsule along a hollow duct of a patient forming a tubular channel is a method for automatically navigating a video capsule along a hollow duct of a patient forming a tubular channel.
  • the invention relates to a method for automatic navigation of a video capsule along a tubular duct forming a hollow organ of a patient, in particular of the gastrointestinal tract.
  • this endoscopes are used, which are introduced into the patient through a body orifice or a small incision.
  • the depth of penetration of an endoscope in the Pa ⁇ tienten redesign is limited due to the wire constraint or its mechanical properties.
  • the endoscope head bearing mechanical lance is only partially bendable and has only a limited length.
  • the human small intestine has a total length of 4-6 m and is often entangled. Single intestinal loops are only a few inches long. For this reason, it has not been possible, for example, with a conventional endoscope to pass through the small intestine of a human being in a non-invasive manner over its entire length.
  • the small intestine is only about halfway, ie about 2-3 m in each case from the oral as well as the rectal side. reichbar. Complete passage of the small intestine in a single direction is still impossible. Due to the long treatment time of about 90 minutes and the high risk of complications, the procedure is not particularly patient friendly.
  • DE 101 42 253 C1 proposes an endo-robot which is designed in the form of a small video capsule which can be navigated by means of magnetic fields wirelessly through the body, in particular a hollow organ of a patient.
  • the navigation and control of the video capsule is carried out manually by means of a force input device, for example a so-called ⁇ 6D mouse.
  • a force input device for example a so-called ⁇ 6D mouse.
  • Such a video capsule has, in the gel Re ⁇ a round cross-section, eg an elliptical, circular or rotationally symmetrical outer shape.
  • Various hollow organs form a tubular channel in which the capsule can be moved substantially only in or against the midline of the hollow organ. Only for inspection or treatment purposes (biopsy, Videoauf ⁇ exception), the capsule is then rotated, for example, to the inner wall of the hollow organ.
  • Corresponding fixtures such as a biopsy forceps, a clip, a drug reservoir, or a physiological sensor, are provided in the video capsule as needed, or are in a separate capsule that follows or precedes the video capsule.
  • the object of the present invention is to specify an improved method for navigating a video capsule in a hollow organ of a patient which forms a tubular channel.
  • the object is achieved by a method for automatic navigation of a video capsule along a, a hose-shaped channel forming the hollow organ of a patient, in particular ⁇ sondere of the gastrointestinal tract, where the video capsule comprises a camera and a light source, wherein: a) the video capsule into the Hollow organ is introduced, b) with the camera an image of the interior of the hollow organ is taken, where in the picture, a darker or blurred
  • Target image area of a bright or sharp edge image area is annularly bounded, c) the target image area is determined in the image and the video capsule is moved in the direction of the target image area.
  • the hollow organ forms a tubular channel
  • two main movements exist for the movement of the video capsule. tion directions, namely along the tubular channel, ie following its central longitudinal line, both in one direction and in the opposite direction.
  • Other movements eg in the radial direction to the tubular channel are either of minor importance, since they are only to be performed, for example, in places of conspicuous findings, or impossible because of lack of space.
  • Such movements of the capsule should best be carried out by hand under the control of the physician. They serve, for example, for aligning the video capsule or the camera, a biopsy device or a device for targeted drug delivery, for example, to a specific location of the inner wall of the hollow organ.
  • the invention is based on the assumption that a corresponding capsule has a preferred direction, ie in the ERAL ⁇ NEN elongated, so is cylindrical, made with hemispherical caps, for example. Without external force, the capsule therefore depends in the intestine due to the inherent tension ⁇ always planning the tubular hollow organ in the longitudinal direction of extension from.
  • a video camera provided on such a capsule will look in the viewing direction approximately in the preferred direction of the capsule. Thus, the video camera is approximately or partially aligned in the channel direction.
  • the video capsule is introduced into the hollow organ, wherein the capsule and thus the video camera is aligned substantially in the channel direction, ie along the center line of the tubular channel.
  • the camera thus looks in the desired direction of movement of the video capsule.
  • the video capsule attached to the light source ⁇ illuminates the interior of the hollow organ.
  • the invention makes use of the following finding: Due to the small dimensions of such a video capsule (eg 2-3 cm length, approx. Diameter learning), only usually simple cameras, weak light sources and simple camera optics are used. Due to the not too strong light source inside the hollow organ is ter, illuminated only in un ⁇ mediate vicinity of the video capsule, namely some millimeters. Because of the simple camera optics which naturally has a very short focal length of a few mm to ⁇ , also only the immediate surroundingssbe ⁇ the capsule in the camera image is displayed range from a few millimeters sharp.
  • the wall of the hollow organ is widened by the insular video capsule and the wall, especially in the area in front of and behind the capsule or video camera in the channel longitudinal direction, does not form a positive fit against the capsule, a certain limited hollow space or space is created in front of the video camera. Airspace. This is illuminated and imaged the inner wall of the cavity of the video camera.
  • the portion of the channel shown by the video camera appears in ⁇ ⁇ be taken image inevitably as a bright or sharp edge image portion, which annularly defines a dark or blurred target image area.
  • the at least approximately circular boundary of the target image area by the edge image area is created by the elasticity of the wall of the hollow organ, their usually Rundli ⁇ che basic shape and the most round cross-sectional shape of the video capsule.
  • the bright or sharp edge image area here is an image of located in the immediate vicinity of the video capsule, sharply imaged and well-lit wall of the hollow organ, the target image area the farther, ie in the dark or fuzzy vanishing, course of the tubular channel in a slightly larger Distance to the video capsule represents.
  • this dark or fuzzy target image area is the location in the hollow organ to which the video capsule must move if it is to be moved in the tubular channel along its longitudinal direction. In the method, therefore, the target image area in the image is detected and the video capsule is moved toward the target image area.
  • Steps b) and c) of the method ie taking a picture with the camera, determining the target picture area in the picture and moving the video capsule, are repeated until the video capsule has reached a location in the hollow organ, for example the doctor a flashy video ent ⁇ revealed that he would like to inspect closer, or video capsule has fulfilled its task in the hollow organ or has reached the end of the hollow organs.
  • a video capsule from the company "Given Imaging” is currently available on the market, delivering two images per second from within the patient's body.
  • This capsule is not actively steerable or movable, but is stimulated by the natural gastric and intestinal activity in approx. 8 hours through the gastrointestinal tract from the esophagus to the colon of a patient, limiting the number of images that can be stored in the capsule to generate flashes of light for imaging.
  • the capsule direction could be corrected almost constantly due to the quasi cinematic sequence of images to the target image area.
  • the target movement direction of the video capsule in the capsule-fixed coordinate system ie, as seen from the capsule, can be determined. If the Kapselsteue ⁇ tion relative to the capsule, that in its coordinate system, no further action is necessary, and the capsule can be moved in the desired direction of movement.
  • the current position and orientation of the capsule in this coordinate system must still be determined. This is true when the capsule is wirelessly moved by externally applied magnetic fields and magnetic gradient fields generated by a coil system that is substantially rigid relative to the patient. For one thing alone, e.g. the patient in this case are moved lying on a couch along its longitudinal axis relative to the coil system.
  • the orientation of the capsule is determined by directly measuring the 3D coordinates of a selected capsule point, e.g. its center of gravity or geometric center, as well as by direct measurement of a capsule preferential direction, e.g. the direction of the capsule longitudinal axis.
  • the measurement does not have to be continuous over time, but can be discrete in time.
  • a control-technical observer is preferably used for measured value filtering, for determining the complete capsule orientation and for generating position and orientation information at times when measurements are not taken.
  • corresponding magnetic fields can then be generated and as forces and torques exerted on the capsule so the ⁇ , to move it in the direction of the further course of the tubular channel forward or align in this direction.
  • the capsule with its longitudinal axis or with her camera is always in the central longitudinal direction of the tubular channel, in the case of the intestine so in intestinal direction, aligned. Since this is ensured at any place of the hollow organ, the capsule can pass through the hollow organ fully automatic ⁇ table. An operator of the capsule only has to manually intervene in the navigation if he wishes deviations from this form of movement. This may be, for example, at a conspicuous place in the hollow organ to hold the capsule, or when the operator wants to place the capsule obliquely to the hollow organ in order to obtain a different viewing angle for the camera.
  • the target image area in the image is often a larger area that still does not specify a precise direction in which the capsule is to be navigated, it is necessary to make a point within the target image area as the exact target point for the capsule target movement direction.
  • the video capsule can be of the target image area to be moved toward the center in step c) of the invention Ver ⁇ driving. This is especially useful when the limit is clearly recognizable or ascertainable between the target image area and the border image area, and thus easily an eg geometric center of the target image area can be determined.
  • the invention is based on the knowledge that the interior of the hollow organ has a round shape in cross-section.
  • the video capsule can be moved in the direction of the darkest point of the target image area.
  • the determination of the darkest point of the target image area is technically very simple by brightness measurement in the image possible.
  • the invention uses the knowledge that the furthest away from the camera, but still visible from this place, we ⁇ gen the rapidly decreasing with increasing distance illumination of the hollow organ forms the darkest point in the image or target image area.
  • this is also the direction of extension of the hollow organ and therefore indicates its further course extending away from the capsule, which in turn corresponds to the direction of the capsule rolling movement.
  • step c) the video capsule in the direction of unMrfsten Stel ⁇ le are moved in the target image area.
  • methods of image processing such as edge detection, averaging, etc. can be used to determine the blurred position in the image.
  • the invention is here on the insight that, in accordance with the above darkest point, which is in the hollow organ most raoptik pictured on the unMrfsten away from the camera briefly- de visible area because of the small focal length of the Kame ⁇ displayed and thus the capsule Commanded direction or indicates the further course of the tubular channel.
  • the three aforementioned process variants can be used alternatively or in combination with one another determine exact destination for the capsule movement in the hollow organ.
  • the images recorded in one or more method steps b) can be stored and, in step c), also stored images can be evaluated to determine the target image area in the last recorded image.
  • the invention that uses the knowledge of both the location of the video ⁇ capsule in the hollow organ and the position of the target image area in the image can not jump from a captured image to the next. This requires a sufficiently high frequency image ⁇ .
  • By evaluating an image sequence instead of a single image the desired movement of the capsule can be determined continuously, even if the determination of a capsule setpoint movement direction is impossible or uncertain in a single image. As a result, the entire motion of the video capsule becomes more uniform and the image evaluation or determination of the target image area in the image becomes simpler and more accurate.
  • Corresponding filtering methods so-called 3D image filters, are well known.
  • the video capsule is as already mentioned, generally Lhack ⁇ Lich formed and camera and light source arranged at the front end.
  • the video capsule can be aligned with its front end towards the target area and moved. This not only follows the center of gravity of the capsule of the center line of the hollow organ, but the capsule is also always aligned tangentially to the current direction of longitudinal extension of the hollow organ. As a result, the lowest frictional resistance between the capsule and the hollow organ and thus the lowest movement forces on the capsule are necessary. This makes it possible to keep the energy consumption of the capsule driving external coil system as low as possible.
  • Moving light source end forward almost creates a sequence of "driving images" in the forward direction through the tubular channel of the hollow organ.
  • An operator who monitors the largely automatic capsule movement always receives a picture in the direction of travel of the capsule and thus sees "where" the capsule moves.
  • the first time driving through a hollow organ video ⁇ camera must forward, be aligned so in the forward direction of movement of the capsule, otherwise it can not "at sight” navi ⁇ be alternates.
  • the trajectory of the capsule ride are stored.
  • the means of automatic visual recognition or manually driven trajectory is therefore stores them ⁇ .
  • the video capsule can then be moved back in the reverse direction along the stored trajectory. This can be done automatically, without further action by a user.
  • For retraction must the capsule so in the hollow organ not be turned, because with known trajectory is a view forward no longer necessary.
  • the capsule can also be turned before a return trip and then be moved back without further manual intervention along the trajectory of the outward journey.
  • the capsule then passes with its front end ahead in the opposite direction, the hollow organ. This creates a new image of, from the capsule already traversed path, but translated in opposite ⁇ direction, ie with a different angle. Findings not discovered during the first passage can be recognized, for example, during the return journey of the capsule.
  • the camera has a very large ⁇ réelleswin ⁇ angle of 140 °, for example.
  • the central axis of the capsule need not coincide with the central viewing direction of the camera, ie the central viewing direction of the camera can be tilted to the longitudinal axis of the capsule.
  • a panoramic view of the camera by capsule rotation about its longitudinal axis is possible at oblique to the longitudinal axis and thus also to the central axis of the hollow organ looking camera.
  • This will be several pictures of the camera recorded in different rotational positions of the capsule. This creates a kind of panorama picture or an "all-round scan" of the capsule environment by joining the individual pictures.
  • the method according to the invention can be designed such that
  • the coil currents of coils for magnetic Naviga ⁇ video capsule provided coil system tion in such a ⁇ controlled one that magnetic forces and / or torque ⁇ elements to the video capsule to the movement of supply direction in the movement and / or orientation to be exercised.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a capsule inserted in a straight piece of a small intestine
  • FIG. 2 shows the image of the small intestine interior taken by the capsule camera in FIG.
  • FIG. 3 shows the capsule of Fig.l before an intestinal loop of the small intestine ⁇ in a representation according to Fig.l
  • FIG. 4 shows the image of the small intestine inside taken by the capsule camera in FIG.
  • FIG. 1 shows a section of a small intestine 2 of a non-intestinal tract. Asked patients. The small intestine 2 should be examined and, if necessary, a tissue sample taken from it.
  • a capsule 4 is inserted into the small intestine. 2 With regard to its capsule longitudinal axis 6, the capsule 4 has a cross-sectionally round outer shape.
  • the capsule 4 is known for example from DE 101 42 253 Cl.
  • the capsule 4 by means of a magnetic system or coil system be ⁇ movable without contact inside the patient and is rotatable. Such a coil system of fourteen individual electrical coils is known from JP 2004-255258, the
  • the capsule 4 contains in its interior different mounting ⁇ th: A permanent magnet 8 with a perpendicular to the capsule ⁇ longitudinal axis 6 directed dipole moment 9 is in interaction with the not shown, generated outside the patient magnetic field. Instead of permanent magnets and other magnetic or magnetizable Ele ⁇ ment could be provided here. By means of the magnetic field, forces and torques on the permanent magnet 8 can be caused and thus with this the entire capsule 4 can be rotated or displaced in the small intestine 2. For this purpose, the magnetic dipole moment of the permanent magnets 8 is aligned transversely to the capsule longitudinal axis 6.
  • the front end 10 of the cap 4 is a lens 12 and an image sensor 14, for example in the form of a CCD chip arranged. These together form a simple camera 32 with fixed focal length and exposure setting.
  • an image sensor 14 for example in the form of a CCD chip arranged.
  • four four light-emitting diodes 20 surrounding the lens 12 in a ring-like manner are arranged at the front end 10, only one of which is illustrated by way of example in FIG. It can also alternatively or additionally other light sources, eg for be provided visible light or infrared.
  • the Leuchtdi ⁇ oden 20 shine in the direction of arrow 28 to lie ahead of the capsule 4 area 24 of the small intestine 2 in its circumferential direction as possible evenly.
  • the light intensity with which the inner wall 26 of the thin ⁇ intestine 2 is illuminated decreases rapidly in the direction of arrow 28.
  • the serving for receiving a digital image Marshaufnah ⁇ mesensor 14 is connected to an RF transceiver 16 with antenna 18th
  • the image data of the recorded images are transmitted to a receiving station, not shown outside of the patient, not shown, and viewed and diagnosed by a doctor, not shown.
  • the formed from lens 12 and image sensor 14 electro ⁇ African camera 32 looks in the direction of arrow 28 and thus provides in this direction an image of the inner wall 26 of the small intestine 2 and the further course of the intestinal canal 30.
  • the angle 34 of 140 °, the camera 32 corresponds to that of an extreme wide-angle lens.
  • a biopsy forceps 22 which is pivotable in front of the front end 10 is also provided, which can remove a tissue sample from the small intestine 2 remotely, namely via the RF transceiver 16 operated as a receiver. Because the biopsy forceps 22 is pivotable in front of the camera 32 at the front end 10, it operates in its field of view. All electrical consumers inside the capsule 4 are supplied via a battery, not shown, with electrical energy.
  • the camera provides the image shown in Fig. 2 32 40.
  • the portion 24 of the inner wall 26 appears in the image 40 than about annular edge image ⁇ area 42, because of the increasing distance from the Luminous diode 20, the brightness in the direction of the arrows 44, ie from outside to inside, in Figure 40 decreases.
  • the subsequent in the direction of arrow 28 to the area 24 portion 29 of the inner wall 26 and the further progress of the intestinal canal 30 appear in Figure 40 as a target image region 46.
  • the brightness of the image 40 increases in the direction of the arrows 44 and the target ⁇ screen area 46 further From, the further course of Darmka ⁇ nals 30 appears darkest, as this is outside the luminosity of the light emitting diode 20 and therefore beyond the distance range still can be mapped by the camera.
  • Fig. 2 therefore, is the darkest point in the edged of the border 50 the target image region 46, so the image of the Darmka ⁇ Nals 30, the target direction in which the capsule 4 is to be moved.
  • the target image area 46 is relatively large in the image 40, which is why image processing algorithms in an evaluation unit, not shown, the darkest point of the image 40 or alternatively the center of the target image area 46 is determined as a target point 47.
  • the direction in which the capsule 4 is to be moved is accurately determined in the capsule-fixed coordinate system.
  • the target point 47 ascertained in FIG. 40 corresponds in FIG. 1 to the further course of the intestinal canal, ie its projection onto the camera image of the central axis 72 of the section shown. intestines.
  • alternati ⁇ ven arrangement of the camera 32 with, for example, a viewing angle which is oblique to the central axis 72 the target point in the image 40 would be eccentric, but this in the calculation of capsule sollschulscardi in capsule fixed coordinate system by the known inclination angle of the camera 32 is taken into account.
  • FIG. 3 shows the capsule 4 from FIG. 1 at a different location of the small intestine 2, namely just before a intestine loop 60.
  • the entire image area 24 of the intestinal canal 30 that can be detected by the camera 32 is well illuminated by the light-emitting diode 20.
  • the image 62 captured by the camera 32 is in Fig. 4 represents ⁇ provided. Unlike image 40 in Fig. 2 have sämtli ⁇ surface areas of the image 62 scarcely divergent Hel ⁇ ltechnik on, although these decreases overall ring Hoffman in the direction of arrows 64th
  • the area 48 of the small intestine 2 lies in the focus range of the camera 32 and is therefore shown in focus in the image 62.
  • the area 66 that is to say the inner wall 26, can be seen in the region of the intestinal loop 60, but not, as in FIG.
  • the intestinal inner wall shown in Figure 62 has differences in brightness due to its structure. Since the image 62 is not sufficient brightness differences exist to determine a darkest point corresponding to the further progress of the intestinal tract, evaluated the above Rechenein ⁇ direction by means of image processing algorithms, the focus differences in the image 62.
  • the unMrfste region 68 as a target image area 46 which in turn is surrounded by the boundary 50 (shown clearly in FIG. 4).
  • the remaining image 62 again represents the edge image area 42.
  • the capsule thus always follows with its center point 74, as in FIG. 1, the intestinal center line 72, wherein the capsular longitudinal axis Axis 6 is always aligned at least almost tangentially to the intestinal centerline 72.
  • the small intestine 2 is at least deflected and deformed, the pressure forces the capsule 4 to the intestinal wall 26 are uniformly on the capsule circumference, which allows a possible energy-saving movement of the capsule 4 and therefore requires as little energy in the field-generating Spu ⁇ lensystem.
  • the doctor finds an unusual spot in one of the many images 40, 62 taken during the capsule movement through the small intestine 2, he will normally continue the control of the capsule manually at this point.
  • the capsule is stopped, for example in Fig. 3 in the position shown there, and pivoted about its center 74 in the direction opposite to the arrow 70, so that it is aligned with the intestinal wall.
  • the camera 32 provides a more accurate picture of entspre ⁇ sponding point of the intestinal wall.
  • the biopsy forceps can then trigger 22 and are removed at the location 78, a tissue sample of the small intestine ⁇ . 2
  • our medi- ical measures such as here, a local drug administration, mög ⁇ Lich, for which the capsule is equipped. This is represented in the figures representatively by the biopsy forceps.
  • the capsule 4 is pivoted back into the position shown in Fig. 3 and the Kap ⁇ selfahrt automatically, as described above, continued.

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Description

Beschreibung
Verfahren zur automatischen Navigation einer Videokapsel entlang eines einen schlauchförmigen Kanal bildenden Hohlorgans eines Patienten.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Navigation einer Videokapsel entlang eines einen schlauchförmigen Kanal bildenden Hohlorgans eines Patienten, insbesondere des Gastrointestinaltraktes .
Zur nichtinvasiven bzw. minimalinvasiven Untersuchung oder Behandlung von Hohlorganen in Menschen oder Tieren als Patienten sind verschiedene Verfahren bekannt. Unter anderem werden hierzu Endoskope benutzt, welche in den Patienten durch eine Körperöffnung oder einen kleinen Einschnitt eingebracht werden. Die Eindringtiefe eines Endoskops in den Pa¬ tientenkörper ist jedoch auf Grund der Drahtgebundenheit bzw. dessen mechanischer Eigenschaften begrenzt. So ist die den Endoskopiekopf tragende mechanische Lanze nur bedingt biegbar und weist nur eine begrenzte Länge auf. Insbesondere der menschliche Dünndarm weist eine Gesamtlänge von 4-6 m auf und ist vielfach verschlungen. Einzelne Darmschlingen sind lediglich wenige Zentimeter lang. Deshalb gelingt es bisher z.B. nicht, mit einem herkömmlichen Endoskop den Dünndarm eines Menschen in seiner gesamten Länge nichtinvasiv zu durchfahren .
Aus "Fujinon Medical Newsletter, Fujinon GmbH, Willich (Deutschland), November 2003" ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur sogenannten Doppel-Ballon-Endoskopie bekannt, mit dem auch der Dünndarm vollständig endoskopisch erreichbar ist. Nachteilig ist hierbei die weiterhin drahtgebundene Vor¬ gehensweise, d.h. die Benutzung eines relativ langen, mehr- mals im Darmkanal umzulenkenden Endoskops. Trotz des neuen
Verfahrens ist der Dünndarm nur etwa bis zur Hälfte, d.h. ca. 2-3 m jeweils von der oralen als auch rektalen Seite aus er- reichbar. Ein vollständiges Durchfahren des Dünndarms in einer einzigen Richtung ist weiterhin unmöglich. Aufgrund der langen Behandlungsdauer von ca. 90 Minuten und des hohen Risikos von Komplikationen ist das Verfahren nicht besonders patientenschonend.
In der DE 101 42 253 Cl wird ein Endoroboter vorgeschlagen, der in Form einer kleinen Videokapsel ausgeführt ist, welche mit Hilfe magnetischer Felder drahtlos durch den Körper, ins- besondere ein Hohlorgan eines Patienten navigiert werden kann. Die Navigation bzw. Steuerung der Videokapsel erfolgt manuell mittels eines Krafteingabegerätes, z.B. einer soge¬ nannten 6D-Maus . Eine derartige Videokapsel weist in der Re¬ gel einen runden Querschnitt auf, also z.B. eine elliptische, kreisförmige oder rotationssymmetrische Außenform.
Verschiedene Hohlorgane bilden einen schlauchförmigen Kanal, in dem die Kapsel im Wesentlichen lediglich in oder entgegen der Mittellinie des Hohlorgans bewegt werden kann. Lediglich zu Inspektions- oder Behandlungszwecken (Biopsie, Videoauf¬ nahme) wird die Kapsel dann z.B. zur Innenwand des Hohlorgans hin gedreht. Entsprechende Einbauten, wie eine Biopsiezange, ein Clip, ein Medikamentenreservoir oder ein physiologischer Sensor, sind in der Videokapsel je nach Bedarf vorgesehen oder befinden sich in einer separaten Kapsel, die der Videokapsel folgt oder ihr vorangeht .
Wünschenswert wäre, dass eine Untersuchung oder Therapie eines Dünndarms mit Hilfe des Endoroboters nicht länger als 20 min dauert und ein gesamter Dünndarm von 6 m Länge in einer Richtung in höchstens 10 min durchfahrbar ist. Die erforderliche Kapselgeschwindigkeit betrüge dann etwa 10 mm/s. Ein Bediener navigiert hierbei die Videokapsel im Patienten „auf Sicht", d.h. er nutzt das von der Videokapsel gelieferte (Echtzeit-) Bildsignal, welches die in der Kapsel befindliche Kamera aufnimmt und zu einem Monitor außerhalb des Patienten überträgt. Der Bediener müsste dann aufgrund der Darmver- schlingung etwa einmal pro Sekunde lenkend eingreifen, um die Kapsel durch den Dünndarm zu navigieren.
Nachteilig bei einer derartigen Vorgehensweise ist, dass die Steuerung der Kapsel über die gesamte Untersuchungsdauer die volle Konzentration und Aufmerksamkeit des Bedieners erfor¬ dert. Ist der Bediener gleichzeitig der untersuchende Arzt, kann er sich nicht ausreichend auf die medizinische Auswer¬ tung der Bilder konzentrieren, da er mit der Navigation be- schäftigt ist. Abhilfe könnte schaffen, dass der Arzt alleine die Befundung der Bilder ausführt und für die Navigation eine zweite Person als Bediener eingesetzt wird. Dies bedeutet aber erhöhten Personal- und damit Kostenaufwand sowie Kommu¬ nikationsaufwand. Dieser bedingt wiederum die Gefahr von Missverständnissen zwischen Arzt und Bediener. Generell erfordert die Navigation hohen Zeit- und Konzentrationsaufwand.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Navigation einer Videokapsel in einem einen schlauchförmigen Kanal bildenden Hohlorgan eines Patienten anzugeben .
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur automatischen Navigation einer Videokapsel entlang eines, einen schlauch- förmigen Kanal bildenden Hohlorgans eines Patienten, insbe¬ sondere des Gastrointestinaltraktes, wobei die Videokapsel eine Kamera und eine Lichtquelle aufweist, bei dem: a) die Videokapsel in das Hohlorgan eingebracht wird, b) mit der Kamera ein Bild des Inneren des Hohlorgans aufge- nommen wird, wobei im Bild ein dunkler oder unscharfer
Zielbildbereich von einem hellen oder scharfen Randbildbereich ringförmig umgrenzt ist, c) der Zielbildbereich im Bild ermittelt und die Videokapsel in Richtung des Zielbildbereichs bewegt wird.
Da das Hohlorgan einen schlauchförmigen Kanal bildet, existieren für die Bewegung der Videokapsel nur zwei Hauptbewe- gungsrichtungen, nämlich entlang des schlauchförmigen Kanals, d.h. dessen Mittellängslinie folgend, sowohl in die eine als auch in die entgegengesetzte Richtung. Andere Bewegungen, z.B. in Radialrichtung zum schlauchförmigen Kanal sind entwe- der von untergeordneter Bedeutung, da sie nur z.B. an Stellen eines auffälligen Befundes durchzuführen sind, oder wegen fehlenden Raumes unmöglich. Derartige Bewegungen der Kapsel sollen am besten unter Kontrolle des Arztes weiterhin von Hand ausgeführt werden. Sie dienen z.B. der Ausrichtung der Videokapsel bzw. der Kamera, einer Biopsieeinrichtung oder einer Einrichtung zur gezielten Medikamentenabgabe z.B. auf eine bestimmte Stelle der Innenwandung des Hohlorgans.
Die Erfindung geht von der Annahme aus, dass eine entspre- chende Kapsel eine Vorzugsrichtung besitzt, d.h. im Allgemei¬ nen länglich, also z.B. zylinderförmig mit halbkugelförmigen Kappen, ausgeführt ist. Ohne äußere Krafteinwirkung richtet sich die Kapsel deshalb im Darmkanal aufgrund der Eigenspan¬ nung des schlauchförmigen Hohlorgans immer in dessen Längs- erstreckungsrichtung aus. Eine an einer derartigen Kapsel vorgesehene Videokamera wird in ihrer Blickrichtung etwa in die Vorzugsrichtung der Kapsel blicken. Somit ist auch die Videokamera etwa bzw. teilweise in Kanalrichtung ausgerichtet.
Zu Beginn des Verfahrens wird deshalb die Videokapsel in das Hohlorgan eingebracht, wobei sich die Kapsel und hiermit die Videokamera im Wesentlichen in Kanalrichtung, also entlang der Mittellinie des schlauchförmigen Kanals ausrichtet. Die Kamera blickt somit in Sollbewegungsrichtung der Videokapsel.
Vom Inneren des Hohlorgans wird dann mit der Kamera ein Bild aufgenommen, wobei die an der Videokapsel angebrachte Licht¬ quelle das Innere des Hohlorgans ausleuchtet. Die Erfindung macht sich hierbei folgende Erkenntnis zu Nutze: Aufgrund der geringen Dimensionen einer derartigen Videokapsel (z.B. 2-3 cm Länge, ca. lern Durchmesser) können lediglich verhält- nismäßig einfache Kameras, schwache Lichtquellen und einfache Kameraoptiken zum Einsatz kommen. Aufgrund der nicht allzu starken Lichtquelle wird das Innere des Hohlorgans nur in un¬ mittelbarer Umgebung der Videokapsel, nämlich einige Millime- ter, ausgeleuchtet. Aufgrund der einfachen Kameraoptik, welche naturgemäß eine sehr kurze Brennweite von wenigen mm auf¬ weist, erscheint außerdem nur der unmittelbare Umgebungsbe¬ reich von einigen Millimetern der Kapsel im Kamerabild scharf .
Da die Wand des Hohlorgans durch die einliegende Videokapsel aufgeweitet ist und sich die Wand vor allem im Bereich vor und hinter der Kapsel bzw. Videokamera in Kanallängsrichtung nicht formschlüssig an die Kapsel anlegt, entsteht insbeson- dere vor der Videokamera ein gewisser begrenzter Hohl- bzw. Luftraum. Dieser wird ausgeleuchtet und die Innenwandung des Hohlraums von der Videokamera abgebildet . Der von der Video¬ kamera abgebildete Abschnitt des Kanals erscheint im aufge¬ nommenen Bild also zwangsläufig als ein heller oder scharfer Randbildbereich, welcher ringförmig einen dunklen oder unscharfen Zielbildbereich umgrenzt.
Die zumindest annähernd runde ringförmige Umgrenzung des Zielbildbereiches durch den Randbildbereich entsteht durch die Elastizität der Wand des Hohlorgans, deren meist rundli¬ che Grundform und die meist runde Querschnittsform der Videokapsel .
Der helle oder scharfe Randbildbereich ist hierbei ein Abbild der sich in unmittelbarer Nähe der Videokapsel befindlichen, scharf abgebildeten und gut ausgeleuchteten Wand des Hohlorgans, wobei der Zielbildbereich den weiter entfernten, also im Dunklen bzw. ins Unscharfe entschwindenden, Verlauf des schlauchförmigen Kanals in etwas größerer Entfernung zur Vi- deokapsel darstellt. Dieser dunkle oder unscharfe Zielbildbereich ist jedoch der Ort im Hohlorgan, zu welchem sich die Videokapsel bewegen muss, wenn sie im schlauchförmigen Kanal entlang dessen Längsrichtung bewegt werden soll. Im Verfahren wird deshalb der Zielbildbereich im Bild ermittelt und die Videokapsel in Richtung des Zielbildbereichs bewegt.
Die Schritte b) und c) des Verfahrens, also das Aufnehmen eines Bildes mit der Kamera, die Ermittlung des Zielbildbe- reiches im Bild und die Bewegung der Videokapsel werden z.B. so oft wiederholt, bis die Videokapsel einen Ort im Hohlorgan erreicht hat, an dem der Arzt ein auffälliges Videobild ent¬ deckt, dass er näher inspizieren möchte, oder die Videokapsel ihre Aufgabe im Hohlorgan erfüllt hat oder das Ende des Hohl- organs erreicht hat.
Im Handel ist derzeit eine Videokapsel der Firma „Given Ima- ging" erhältlich, welche zwei Bilder pro Sekunde aus dem Inneren des Patientenkörpers liefert. Diese Kapsel ist nicht aktiv lenkbar bzw. bewegbar, sondern wird durch die natürliche Magen- und Darmtätigkeit in ca. acht Stunden durch den Gastrointestinaltrakt von der Speiseröhre bis zum Dickdarm eines Patienten befördert. Begrenzend für die Zahl der Bilder ist hierbei die in der Kapsel speicherbare Energie zur Erzeu- gung von Lichtblitzen für die Bildaufnahme.
Bei einer geplanten Betriebsdauer einer der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden navigierbaren Kapsel von ca. einer Stunden können daher bei der gleichen gespeicherten Energie- menge ca. sechzehn Lichtblitze und damit Bilder pro Sekunde von der Kapsel geliefert werden.
Bei sechzehn Bildern pro Sekunde könnte die Kapselrichtung auf Grund der quasi filmisch ablaufenden Bildfolge zum Ziel- bildbereich hin praktisch ständig korrigiert werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird also die Richtung, in welche sich das schlauchförmige Hohlorgan fortsetzt und in welche Richtung demzufolge der Endoroboter bzw. die Videokap¬ sel zu lenken bzw. zu bewegen ist, praktisch ständig automatisch erkannt.
Durch die automatische Detektion des unscharfen bzw. dunklen Zielbildbereichs lässt sich also die Sollbewegungsrichtung der Videokapsel im kapselfesten Koordinatensystem, d.h. von der Kapsel aus gesehen, bestimmen. Erfolgt die Kapselsteue¬ rung relativ zur Kapsel, also in deren Koordinatensystem, sind keine weiteren Schritte notwendig, und die Kapsel kann in Sollbewegungsrichtung verfahren werden.
Erfolgt die Steuerung der Kapsel jedoch in einem ortsfesten Koordinatensystem, so muss noch die aktuelle Lage und Orien- tierung der Kapsel in diesem Koordinatensystem ermittelt werden. Dies trifft zu, wenn die Kapsel drahtlos durch von außen angelegte Magnetfelder und magnetische Gradientenfelder bewegt wird, die durch ein Spulensystem erzeugt werden, das relativ zum Patienten weitgehend starr angeordnet ist. Einzig kann nämlich z.B. der Patient hierbei auf einer Liege liegend entlang seiner Längsachse relativ zum Spulensystem verschoben werden .
Die Lage- und Orientierungsbestimmung der Kapsel erfolgt durch direkte Messung der 3D-Koordinaten eines ausgewählten Kapselpunktes, z.B. deren Schwerpunktes oder geometrischen Mittelpunktes, sowie durch direkte Messung einer Kapselvorzugsrichtung, z.B. der Richtung der Kapsellängsachse. Die Messung muss nicht zeitlich kontinuierlich, sondern kann zeitlich diskret erfolgen. Ein regelungstechnischer Beobachter wird vorzugsweise eingesetzt zur Messwertfilterung, zur Bestimmung der vollständigen Kapselorientierung sowie zur Generierung von Lage- und Orientierungsinformationen zu Zeitpunkten, an denen nicht gemessen wird.
Mit den so ermittelten Koordinaten bzw. Koordinatentransformationen können dann entsprechende Magnetfelder erzeugt und so Kräfte und Drehmomente auf die Kapsel derart ausgeübt wer¬ den, um sie in Richtung des weiteren Verlaufs des schlauchförmigen Kanals vorwärts zu bewegen oder auch in diese Richtung auszurichten.
Durch das Verfahren ist die Kapsel mit ihrer Längsachse bzw. mit ihrer Kamera stets in Mittellängsrichtung des schlauchförmigen Kanals, im Falle des Darms also in Darmkanalrichtung, ausrichtbar. Da dies an jedem Ort des Hohlorgans si- chergestellt ist, kann die Kapsel das Hohlorgan vollautoma¬ tisch durchfahren. Ein Bediener der Kapsel muss in die Navigation lediglich händisch eingreifen, wenn er Abweichungen von dieser Bewegungsform wünscht. Dies kann z.B. an einer auffälligen Stelle im Hohlorgan sein, um die Kapsel anzuhal- ten, oder wenn der Bediener die Kapsel schräg zum Hohlorgan stellen will, um für die Kamera einen anderen Betrachtungswinkel zu erhalten.
Der Arzt bzw. Bediener ist entlastet, der Arzt kann sich auf die Befundung des von der Kapsel gewonnen Bild- oder sonstigen Datenmaterials konzentrieren. Übernimmt der Arzt die verbleibende Navigationsarbeit, ist ein zusätzlicher Bediener für die Kapselbewegung nicht erforderlich. Automatische Kapselbewegungen wie „fahre zurück zum Magen" oder „durchfahre den gesamten Dünndarm" sind durch das erfindungsgemäße Verfahren realisierbar.
Da der Zielbildbereich im Bild oft ein größerer Bereich ist, der noch keine genaue Richtung vorgibt, in die die Kapsel zu navigieren ist, ist es nötig, innerhalb des Zielbildbereichs einen Punkt als exakten Zielpunkt für die Kapselsollbewe- gungsrichtung auszumachen. Es werden dazu drei Verfahrensvarianten vorgeschlagen.
Die Videokapsel kann in Schritt c) des erfindungsgemäßen Ver¬ fahrens in Richtung des Zentrums des Zielbildbereichs bewegt werden. Dies ist vor allem dann sinnvoll, wenn die Grenze zwischen Zielbildbereich und Randbildbereich klar erkennbar bzw. ermittelbar ist und so leicht ein z.B. geometrisches Zentrum des Zielbildbereichs bestimmbar ist. Hierbei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass das Innere des Hohlor- gans eine im Querschnitt rundliche Gestalt hat.
In Schritt c) kann die Videokapsel in Richtung der dunkelsten Stelle des Zielbildbereichs bewegt werden. Die Ermittlung der dunkelsten Stelle des Zielbildbereichs ist technisch sehr einfach durch Helligkeitsmessung im Bild möglich. Hierbei nutzt die Erfindung die Erkenntnis, dass der am weitesten von der Kamera entfernte, aber von dieser noch sichtbare Ort, we¬ gen der mit zunehmender Entfernung schnell abnehmenden Ausleuchtung des Hohlorgans die dunkelste Stelle im Bild bzw. Zielbildbereich bildet. Dies ist jedoch auch die Erstre- ckungsrichtung des Hohlorgans und zeigt daher dessen sich von der Kapsel weg erstreckenden weiteren Verlauf an, was wiederum der Kapselsollbewegungsrichtung entspricht.
Können z.B. wegen undeutlicher Helligkeitsunterschiede oder nur unklar erkennbarer Grenze zwischen Ziel- und Randbildbereich diese schwer getrennt bzw. bestimmt werden, kann in Schritt c) die Videokapsel in Richtung der unschärfsten Stel¬ le im Zielbildbereich bewegt werden. Dazu können z.B. Metho- den der Bildverarbeitung, wie Kantendetektion, Mittelwert- fensterung o.a. eingesetzt werden, um die unscharfste Stelle im Bild zu ermitteln. Die Erfindung geht hier von der Erkenntnis aus, dass, entsprechend der o.g. dunkelsten Stelle, der im Hohlorgan am weitesten von der Kamera entfernt liegen- de sichtbare Bereich wegen der geringen Brennweite der Kame¬ raoptik am unschärfsten im Bild abgebildet ist und somit die Kapselsollbewegungsrichtung bzw. den weiteren Verlauf des schlauchförmigen Kanals angibt.
Die drei eben genannten Verfahrensvarianten können alternativ oder auch in Kombination miteinander benutzt werden, um einen exakten Zielort für die Kapselbewegung im Hohlorgan zu bestimmen .
Die in einem oder mehreren Verfahrensschritten b) aufgenomme- nen Bilder können gespeichert werden, und in Schritt c) zur Ermittlung des Zielbildbereichs im zuletzt aufgenommenen Bild auch gespeicherte Bilder ausgewertet werden. Hierbei nutzt die Erfindung die Erkenntnis, dass sowohl die Lage der Video¬ kapsel im Hohlorgan als auch die Lage des Zielbildbereichs im Bild von einem zum nächsten aufgenommenen Bild nicht springen kann. Voraussetzung hierfür ist eine ausreichend hohe Bild¬ frequenz . Durch die Auswertung einer Bildfolge anstelle eines einzelnen Bildes kann die Sollbewegung der Kapsel stetig ermittelt werden, selbst wenn in einem einzelnen Bild die Be- Stimmung einer Kapselsollbewegungsrichtung unmöglich oder unsicher ist. Der gesamte Bewegungsverlauf der Videokapsel wird hierdurch gleichmäßiger und die Bildauswertung bzw. die Ermittlung des Zielbildbereichs im Bild einfacher und genauer. Entsprechende Filterungsmethoden, sogenannte 3D-Bildfilter, sind hinreichend bekannt.
Die Videokapsel ist wie bereits erwähnt, im Allgemeinen läng¬ lich ausgebildet und Kamera und Lichtquelle an deren vorderem Ende angeordnet. In Schritt c) kann die Videokapsel mit ihrem vorderen Ende zum Zielbereich hin ausgerichtet und bewegt werden. Hiermit folgt nicht nur der Schwerpunkt der Kapsel der Mittellinie des Hohlorgans, sondern die Kapsel ist auch stets tangential zur aktuellen Längserstreckungsrichtung des Hohlorgans ausgerichtet. Hierdurch sind die geringsten Rei- bungswiderstände zwischen Kapsel und Hohlorgan und somit die geringsten Bewegungskräfte an der Kapsel nötig. Damit lässt sich die Energieaufnahme des die Kapsel antreibenden externen Spulensystems so gering wie möglich halten.
Wird die Videokapsel stets mit ihrem vorderen, Kamera und
Lichtquelle tragenden Ende voraus bewegt, entsteht quasi eine Folge von „Fahrtbildern" in Vorwärtsrichtung durch den schlauchförmigen Kanal des Hohlorgans. Ein Bediener, welcher die - weitestgehend automatische - Kapselbewegung überwacht, erhält stets ein Bild in Fahrtrichtung der Kapsel und sieht somit, „wohin" die Kapsel fährt.
Beim erstmaligen Durchfahren eines Hohlorgans muss die Video¬ kamera nach vorn, also in Vorwärtsbewegungsrichtung der Kapsel ausgerichtet sein, sonst kann sie nicht „auf Sicht" navi¬ giert werden. Während einer Kapselfahrt in einer Vorwärts- richtung durch das Hohlorgan kann die Trajektorie der Kapselfahrt gespeichert werden. Die mittels automatischer Sichterkennung oder händisch gefahrene Trajektorie wird also abge¬ speichert. Die Videokapsel kann dann in Rückwärtsrichtung entlang der gespeicherten Trajektorie zurückgefahren werden. Dies kann automatisch erfolgen, also ohne weiteres Zutun eines Benutzers. Zum Zurückfahren muss die Kapsel also im Hohlorgan nicht gewendet werden, denn bei bekannter Trajektorie ist eine Sicht nach vorne nicht mehr nötig.
Natürlich kann die Kapsel vor einer Rückfahrt auch gewendet und dann ohne weiteren händischen Eingriff entlang der Trajektorie der Hinfahrt zurückgefahren werden. Die Kapsel durchfährt dann mit ihrem vorderen Ende voraus in Gegenrichtung das Hohlorgan. So entsteht ein neues Bild der, von der Kapsel bereits durchfahrenen Wegstrecke, aber in entgegenge¬ setzter Richtung, also mit einem anderen Blickwinkel. Bei der Erstdurchfahrt nicht entdeckte Befunde können so z.B. bei der Rückfahrt der Kapsel erkannt werden.
Typischerweise hat die Kamera einen sehr großen Öffnungswin¬ kel von z.B. 140°. Die Mittenachse der Kapsel muss nicht mit der zentralen Blickrichtung der Kamera zusammenfallen, d.h. die zentrale Blickrichtung der Kamera kann zur Längsachse der Kapsel verkippt sein. So ist bei schräg zur Längsachse und damit auch zur Mittelachse des Hohlorgans blickender Kamera ein Rundumblick der Kamera durch Kapselrotation um deren Längsachse möglich. Hierzu werden mehrere Bilder der Kamera in verschiedenen Rotationspositionen der Kapsel aufgenommen. So entsteht quasi ein Panoramabild bzw. ein „Rundum-Scan" der Kapselumgebung durch Aneinanderfügen der Einzelbilder.
Besonders vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren derart ausgebildet sein, dass
- der Verlauf eines in einer Bewegungsrichtung der Videokapsel gesehen vor dieser liegenden Bereichs des schlauchförmigen Kanals vorzugsweise automatisch detektiert wird, und
- die Spulenströme von Spulen eines zur magnetischen Naviga¬ tion der Videokapsel vorgesehenen Spulensystems derart an¬ gesteuert werden, dass magnetische Kräfte und/oder Drehmo¬ mente auf die Videokapsel zu deren Bewegung in der Bewe- gungsrichtung und/oder Ausrichtung ausgeübt werden.
Mit diesen beiden Maßnahmen, d.h. einer automatischen Erkennung des Verlaufs des vor der Kapsel liegenden Bereichs des schlauchförmigen Kanals wie z.B. eines Gastrointestinaltrakts und der Erzeugung der für die Bewegung und Ausrichtung erfor- derlichen magnetischen Kräfte, ist es möglich, die Kapsel automatisch durch Trakt zu bewegen.
Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen.
Es zeigen, jeweils in einer Prinzipskizze,
Fig.l eine in einem geraden Stück eines Dünndarms einliegende Kapsel in einer Schnittdarstellung, Fig.2 das von der Kapselkamera in Fig.l aufgenommene Bild des Dünndarminneren,
Fig.3 die Kapsel aus Fig.l vor einer Darmschlinge des Dünn¬ darms in einer Darstellung gemäß Fig.l,
Fig.4 das von der Kapselkamera in Fig.3 aufgenommene Bild des Dünndarminneren.
Stellvertretend für den gesamten Gastrointestinaltrakt zeigt Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Dünndarm 2 eines nicht dar- gestellten Patienten. Der Dünndarm 2 ist zu untersuchen und aus ihm gegebenenfalls eine Gewebeprobe zu entnehmen. Zu die¬ sem Zweck ist in den Dünndarm 2 eine Kapsel 4 eingebracht. Die Kapsel 4 besitzt bezüglich ihrer Kapsellängsachse 6 eine im Querschnitt runde Außenform. Die Kapsel 4 ist z.B. aus der DE 101 42 253 Cl bekannt. Dort ist auch beschrieben, wie die Kapsel 4 mit Hilfe eines Magnetsystems bzw. Spulensystems be¬ rührungslos im Inneren des Patienten bewegbar und rotierbar ist. Ein derartiges Spulensystem aus vierzehn elektrischen Einzelspulen ist bekannt aus der JP 2004-255258, der
DE 103 40 925 B3 oder der DE 103 41 092 B4. In der vorliegenden Anmeldung soll hierauf nicht näher eingegangen werden, da es sich hierbei um an sich bekannte, für die vorliegende Er¬ findung jedoch vorteilhaft zur Anwendung kommende Maßnahmen handelt.
Die Kapsel 4 enthält in ihrem Innenraum verschiedene Einbau¬ ten: Ein Permanentmagnet 8 mit einem senkrecht zur Kapsel¬ längsachse 6 gerichteten Dipolmoment 9 steht in Wechselwir- kung mit dem nicht dargestellten, außerhalb des Patienten erzeugten Magnetfeld. Anstelle des Permanentmagneten könnte hier auch ein anderes magnetisches oder magnetisierbares Ele¬ ment vorgesehen sein. Über das Magnetfeld können Kräfte und Drehmomente am Permanentmagneten 8 verursacht werden und so mit diesem die gesamte Kapsel 4 im Dünndarm 2 gedreht bzw. verschoben werden. Hierzu ist das magnetische Dipolmoment der Permanentmagneten 8 quer zur Kapsellängsachse 6 ausgerichtet.
Am bezüglich der Kapsellängsachse 6 vorderen Ende 10 der Kap- sei 4 sind eine Linse 12 und ein Bildaufnahmesensor 14, z.B. in Form eines CCD-Chips, angeordnet. Diese bilden zusammen eine einfache Kamera 32 mit fest eingestellter Brennweite und Belichtungseinstellung. Zur Ausleuchtung der Kapselumgebung sind am vorderen Ende 10 vier die Linse 12 kranzförmig umrin- gende, weiße Leuchtdioden 20 angeordnet, von denen stellvertretend in Fig. 1 nur eine dargestellt ist. Es können auch alternativ oder zusätzlich andere Lichtquellen, z.B. für sichtbares Licht oder Infrarot vorgesehen sein. Die Leuchtdi¬ oden 20 leuchten in Richtung des Pfeils 28 den vor der Kapsel 4 liegenden Bereich 24 des Dünndarms 2 in dessen Umfangsrich- tung möglichst gleichmäßig aus.
Aufgrund der eher geringen Leuchtkraft der Leuchtdioden 20 nimmt die Lichtintensität, mit der die Innenwand 26 des Dünn¬ darms 2 beleuchtet wird, in Richtung des Pfeils 28 schnell ab .
Der zur Aufnahme eines digitalen Bildes dienende Bildaufnah¬ mesensor 14 ist an einen HF-Transceiver 16 mit Antenne 18 angeschlossen. Hiermit werden die Bilddaten der aufgenommenen Bilder zu einer nicht dargestellten Empfangsstation außerhalb des nicht dargestellten Patienten übertragen und von einem nicht dargestellten Arzt betrachtet und befundet.
Die aus Linse 12 und Bildaufnahmesensor 14 gebildete elektro¬ nische Kamera 32 blickt in Richtung des Pfeils 28 und liefert somit in dieser Richtung ein Bild der Innenwand 26 des Dünndarms 2 und des weiteren Verlaufs des Darmkanals 30. Der Blickwinkel 34 von 140° der Kamera 32 entspricht dem eines extremen Weitwinkelobjektives .
In der Kapsel 4 ist außerdem eine vor das vordere Ende 10 schwenkbare Biopsiezange 22 vorgesehen, welche ferngesteuert, nämlich über den als Empfänger betriebenen HF-Transceiver 16, eine Gewebeprobe aus dem Dünndarm 2 entnehmen kann. Dadurch, dass die Biopsiezange 22 vor die Kamera 32 am vorderen Ende 10 schwenkbar ist, arbeitet sie in deren Sichtfeld. Sämtliche elektrischen Verbraucher im Inneren der Kapsel 4 werden über eine nicht dargestellte Batterie mit elektrischer Energie versorgt .
In der in Fig. 1 dargestellten Position liefert die Kamera 32 das in Fig. 2 dargestellte Bild 40. Der Bereich 24 der Innenwand 26 erscheint im Bild 40 als etwa ringförmiger Randbild¬ bereich 42, wobei wegen der zunehmenden Entfernung von der Leuchtdiode 20 die Helligkeit in Richtung der Pfeile 44, also von außen nach innen, im Bild 40 abnimmt. Der sich in Richtung des Pfeils 28 an den Bereich 24 anschließende Bereich 29 der Innenwand 26 und der weitere Fortgang des Darmkanals 30 erscheinen in Bild 40 als Zielbildbereich 46. Die Helligkeit des Bildes 40 nimmt in Richtung der Pfeile 44 auch im Ziel¬ bildbereich 46 weiterhin ab, der weitere Verlauf des Darmka¬ nals 30 erscheint am dunkelsten, da dieser außerhalb der Leuchtkraft der Leuchtdiode 20 und daher jenseits des noch von der Kamera abbildbaren Entfernungsbereichs liegt.
Aufgrund der geringen Brennweite der Kamera 32 erscheint außerdem lediglich der Bereich 48 der Darmwand im Bild 40 scharf, wohingegen die restlichen Bildbereiche des Bildes 40 vom Bereich 48 zur Bildmitte hin unschärfer werden. Wegen der ausgeprägten Helligkeitsunterschiede und des dunkelsten, be¬ züglich seiner Bildschärfe nicht beurteilbaren Bereiches 30 im Bild 40 erfolgt in Fig. 2 die Ermittlung des Randbildbe¬ reichs 42 und Zielbereiches 46 bzw. der Grenze 50 zwischen diesen beiden Bereichen anhand eines Helligkeitsschwellwertes. Die Grenze 50 ist in Fig. 2 dieser Schwellwert erreicht und zur Verdeutlichung stärker geschwärzt als im realen Bild hervorgehoben .
In Fig. 2 ist also die dunkelste Stelle im von der Grenze 50 umrandeten Zielbildbereichs 46, also das Abbild des Darmka¬ nals 30, die Zielrichtung, in welche die Kapsel 4 zu bewegen ist. Der Zielbildbereich 46 ist allerdings relativ groß im Bild 40, weshalb durch Bildverarbeitungsalgorithmen in einer nicht dargestellten Auswerteeinheit die dunkelste Stelle des Bildes 40 bzw. alternativ das Zentrum des Zielbildbereichs 46 als Zielpunkt 47 bestimmt wird. Hierdurch wird die Richtung, in welche die Kapsel 4 zu bewegen ist, im kapselfesten Koordinatensystem genau ermittelt .
Der im Bild 40 ermittelte Zielpunkt 47 entspricht in Fig.l dem weiteren Verlauf des Darmkanals, d.h. dessen Projektion auf das Kamerabild der Mittelachse 72 des gezeigten Abschnit- tes des Darmkanals. Bei einer nicht dargestellten, alternati¬ ven Anordnung der Kamera 32 mit z.B. einem Blickwinkel, der schräg zur Mittelachse 72 verläuft, läge der Zielpunkt im Bild 40 außermittig, was jedoch in der Berechnung der Kapsel- sollbewegungsrichtung im kapselfesten Koordinatensystem durch den bekannten Neigungswinkel der Kamera 32 berücksichtigt wird.
Für die Messung von Lage und Orientierung der Kapsel 4 im raumfesten Koordinatensystem, in welchem der nicht dargestellte Patient ruht, sind prinzipiell alle Methoden zur Po- sitions- und Orientierungsmessung von Katheterspitzen im menschlichen Körper geeignet, die hier nicht näher erläutert werden. Im raumfesten Koordinatensystem werden Magnetfelder bzw. deren Gradienten derart erzeugt, dass sie mit dem Dauermagneten 8 bzw. dessen Dipolmoment wechselwirken und die Kapsel 4 in Richtung des Pfeils 28 entlang des Darmkanals 30 bzw. der Darmmittellinie 72 bewegen.
Fig. 3 zeigt die Kapsel 4 aus Fig. 1 an einer anderen Stelle des Dünndarms 2, nämlich kurz vor einer Darmschlinge 60. In einer derartigen Situation wird der gesamte durch die Kamera 32 erfassbare Bildbereich 24 des Darmkanals 30 durch die Leuchtdiode 20 gut ausgeleuchtet.
Das von der Kamera 32 aufgenommene Bild 62 ist in Fig. 4 dar¬ gestellt. Im Unterschied zu Bild 40 in Fig. 2 weisen sämtli¬ che Bereiche des Bildes 62 kaum voneinander abweichende Hel¬ ligkeit auf, obschon diese in der Richtung der Pfeile 64 ge- ringfügig abnimmt. Der Bereich 48 des Dünndarms 2 liegt im Schärfebereich der Kamera 32 und ist deshalb im Bild 62 scharf dargestellt. Die restlichen Bildbereiche, welche sich vom ringförmigen Bereich 48 in Richtung der Pfeile 64 hin erstrecken, nehmen in ihrer Schärfe wegen der zunehmenden Entfernung von der Kamera 32 deutlich ab. Im Bild 62 ist der Bereich 66, also die Innenwand 26 im Bereich der Darmschlinge 60 zu sehen, aber nicht, wie im Bild 40 der weitere Verlauf des Darmkanals 30 in größerer Entfernung. Die im Bild 62 dargestellte Darminnenwand besitzt aufgrund ihrer Struktur an sich Helligkeitsunterschiede. Da im Bild 62 nicht genügend Helligkeitsunterschiede existieren, um eine dunkelste Stelle zu ermitteln, die dem weiteren Fortgang des Darmkanals entspricht, bewertet die oben genannte Rechenein¬ richtung mit Hilfe von Bildverarbeitungsalgorithmen die Schärfeunterschiede im Bild 62. Hierbei wird der unschärfste Bereich 68 als Zielbildbereich 46 ermittelt, der wiederum von der Grenze 50 (überdeutlich in Fig. 4 dargestellt) umgeben ist. Das restliche Bild 62 stellt wieder den Randbildbereich 42 dar.
Da wie in Fig. 2 auch in Fig. 4 der Zielbildbereich 46 noch relativ groß ist, wird dort als unschärfste Stelle der Ziel¬ punkt 47 als Ziel der Kapselbewegung ermittelt. Da der Ziel¬ punkt 47 diesmal außerhalb der Bildmitte liegt, wird die Kap¬ sel 4 mit ihrer Kapsellängsachse 6 in Fig. 3 in Richtung des Pfeils 70, also der Biegung des Dünndarms 2 folgend ge- schwenkt und dabei in Richtung der Kapsellängsachse 6 vor¬ wärts bewegt.
Bereits nach einer kleinen Verschiebung der Spitze der Kapsel 4 um eine Strecke 76 wird ein erneutes, nicht dargestelltes Bild aufgenommen, das dem Bild 62 sehr ähnlich ist. Aufgrund der Bildauswertung wird die Kapsel weiter in Richtung des Pfeils 70 gekippt und verschoben. So durchfährt die Kapsel 4 die Darmschlinge 60, wobei die Kapsellängsachse 6 und die Richtung der an der Kapsel wirkenden magnetisch erzeugten Kraft zu jedem Zeitpunkt annähernd mit der Darmkanalrichtung 72 fluchten. Der Mittelpunkt 74 verbleibt hierbei wegen der Elastizität der Darmwand immer auf der Mittelachse 72, unab¬ hängig davon, ob oder wie die Kapsel navigiert wird. Die Kap¬ sel 4 verlässt die Darmschlinge 60 schließlich entlang der Darmmittellinie 72, um ihren Weg im Dünndarm 2 fortzusetzen.
Die Kapsel folgt somit mit ihrem Mittelpunkt 74, wie auch in Fig. 1, stets der Darmmittellinie 72, wobei die Kapsellängs- achse 6 stets zumindest nahezu tangential zur Darmmittellinie 72 ausgerichtet ist. So wird der Dünndarm 2 am wenigstens ausgelenkt und verformt, die Andruckkräfte der Kapsel 4 an die Darmwand 26 sind gleichmäßig am Kapselumfang, was eine möglichst kraftsparende Bewegung der Kapsel 4 ermöglicht und daher möglichst wenig Energieaufwand im felderzeugenden Spu¬ lensystem erfordert .
Entdeckt der Arzt in einem der vielen, während der Kapselbe- wegung durch den Dünndarm 2 aufgenommenen Bilder 40, 62 eine ungewöhnliche Stelle, wird er in der Regel die Steuerung der Kapsel an dieser Stelle manuell weiterführen. Die Kapsel wird z.B. in Fig. 3 in der dort gezeigten Position angehalten, und um ihren Mittelpunkt 74 in Richtung entgegen des Pfeils 70 geschwenkt, so dass sie zur Darmwand hin ausgerichtet ist. Die Kamera 32 liefert dann ein genaueres Bild der entspre¬ chenden Stelle der Darmwand. Auch kann dann die Biopsiezange 22 ausgelöst und an der Stelle 78 eine Gewebeprobe des Dünn¬ darms 2 entnommen werden. Generell sind hier sämtliche medi- zinische Maßnahmen, z.B. eine lokale Medikamentengabe, mög¬ lich, für welche die Kapsel ausgerüstet ist. Dies ist in den Figuren stellvertretend durch die Biopsiezange dargestellt. Nach der Probeentnahme oder genaueren Betrachtung der interessierenden Stelle der Darminnenwand wird die Kapsel 4 in die in Fig. 3 gezeigte Position zurückgeschwenkt und die Kap¬ selfahrt automatisch, wie oben beschrieben, fortgesetzt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur automatischen Navigation einer Videokapsel (4) entlang eines einen schlauchförmigen Kanal (30) bildenden Hohlorgans (2) eines Patienten, insbesondere des Gastroin- testinaltraktes, wobei die Videokapsel (4) eine Kamera (32) und eine Lichtquelle (20) aufweist, bei dem: a) die Videokapsel (4) in das Hohlorgan (2) eingebracht wird, b) mit der Kamera (32) ein Bild (40,62) des Inneren des Hohl- organs (2) aufgenommen wird, wobei im Bild (40,62) ein dunkler oder unscharfer Zielbildbereich (46) von einem hellen oder scharfen Randbildbereich (42) ringförmig um¬ grenzt ist, c) der Zielbildbereich (46) im Bild (40,62) ermittelt und die Videokapsel (4) in Richtung des Zielbildbereichs (46) be¬ wegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem:
- in Schritt c) die Videokapsel (4) in Richtung des Zentrums (47) des Zielbildbereichs (46) bewegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem:
- in Schritt c) die Videokapsel (4) in Richtung der dunkels¬ ten Stelle (47) des Zielbildbereichs (46) bewegt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem:
- in Schritt c) die Videokapsel (4) in Richtung der un¬ schärfsten Stelle (47) des Zielbildbereichs (46) bewegt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem:
- die in Schritten b) aufgenommenen Bilder (40,62) gespei¬ chert werden, - in Schritt c) zur Ermittlung des Zielbildbereichs (46) im zuletzt aufgenommenen Bild (40,62) auch gespeicherte Bilder (40,62) ausgewertet werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Videokapsel (4) länglich ausgebildet ist und Kamera (32) und Lichtquelle (20) an deren vorderem Ende (10) angeordnet sind, bei dem: - in Schritt c) die Videokapsel (4) mit ihrem vorderen Ende (10) zum Zielbildbereich (46) hin ausgerichtet und bewegt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem:
- während einer Kapselfahrt in einer Vorwärtsrichtung durch das Hohlorgan (2) die Trajektorie der Kapselfahrt gespei¬ chert wird,
- die Kapsel in Rückwärtsrichtung entlang der gespeicherten Trajektorie zurückgefahren wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zentrale Blickrichtung der Kamera (32) zur Längsachse (6) verkippt ist, bei dem: - die Videokapsel (4) um die Längsachse (6) rotiert wird,
- während der Rotation mehrere Bilder (40,62) aufgenommen werden .
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem:
- der Verlauf eines in einer Bewegungsrichtung der Videokapsel (4) gesehen vor dieser liegenden Bereichs des schlauchförmigen Kanals (30) automatisch detektiert wird, und - die Spulenströme von Spulen eines zur magnetischen Naviga¬ tion der Videokapsel (49) vorgesehenen Spulensystems derart angesteuert werden, dass magnetische Kräfte und/oder Dreh¬ momente auf die Videokapsel (4) zu deren Bewegung in der Bewegungsrichtung und/oder Ausrichtung ausgeübt werden.
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