Beschreibung

Magnetspulensystem zur Kraftausübung auf eine Endoskopiekap- sel

Die Erfindung betrifft ein Magnetspulensystem zur Kraftausübung auf eine Endoskopiekapsel .

Ein derartiges Magnetspulensystem ist z.B. aus der DE 101 42 253 Cl bekannt. Es weist einen Arbeitsraum auf, in den ein

Patient zumindest teilweise einbringbar ist. Mit einem derartigen System kann auf eine z.B. ebenfalls aus der DE 101 42 253 Cl bekannte, im Arbeitsraum befindliche Endoskopiekapsel oder Endokapsel berührungsfrei, in vorgebbarer Richtung und Stärke eine Kraft bzw. ein Drehmoment, im folgenden stets der Einfachheit halber als Kraft bezeichnet, ausgeübt werden. Somit kann am Patienten eine sogenannte Kapselendoskopie (Magnetically Guided Capsule Endoscopy - MGCE) durchgeführt werden, bei der die Kapsel im Patienten gezielt und beliebig bewegt wird. Eine Endokapsel weist hierbei in der Regel eine Kamera zur Bildgebung auf. Allerdings ist hiermit nur eine Betrachtung der inneren Oberflächen des Patienten, z.B. der inneren Darmwand im Gastrointestinaltrakt möglich.

Für die Anwendung der Kapselendoskopie ist eine zusätzliche radiologische Bildgebung vom Patienten in vielen Fällen hilfreich, um mit Hilfe einer Durchleuchtung auch Bildinformation aus dem mit der MGCE nicht sichtbaren Inneren des Patienten zu gewinnen. Dies erhöht sowohl die diagnostische als auch die therapeutische Sicherheit. Z.B. kann eine Röntgen- Bildgebung am Patienten durchgeführt werden.

Eine der größten Begrenzungen der Radiologie dagegen ist wiederum die fehlende unmittelbare Therapiemöglichkeit, da mit- tels Radiologie abbildbare Pathologien nur in seltenen Fällen, z.B. direkt unter der Haut oder durch eine Körperöffnung erreichbar sind. Ein direkter Zugriff durch Werkzeuge, wie

z.B. Nadeln, von außerhalb des Patienten, also minimalinva- siv, ist nur in seltenen Fällen möglich.

Es ist bekannt, eine MGCE mit einer Röntgenbildgebung zu kom- binieren. Hierdurch werden die Vorteile der vollständigen

Bildgebung vom Patienten und einer deutlich gesteigerten Erreichbarkeit von Pathologien durch die Endokapsel vereint.

Bekannt ist, ein Röntgensystem extern an das Magnetspulensys- tem anzubinden, z.B. in Form eines an das Spulensystem angefahrenen C-Bogens.

Bekannt ist auch, beide Systeme zu verschachteln, z.B. in das Magnetspulensystem ein hiervon unabhängiges Röntgensystem, z.B. ein CT-Gerät, zu integrieren. Röntgenquelle und - emp- fänger sind dann z.B. zwischen bzw. im Bereich der Magnetwicklungen des Spulensystems angeordnet.

Derartige Röntgengeräte stellen in Bezug auf die Kapselendo- skopie immer externe, nicht vollintegrierbare Geräte dar, da diese im Gegensatz zur auf Magnetfeldbasis arbeitenden Kapselendoskopie auf Röntgenbasis arbeiten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Magnetspulensystem und ein verbessertes Verfahren zur magnetischen Kapselnavigation anzugeben.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine sich zur Bildgebung vom Patienteninneren auch eine MR-Bildgebung eig- net und dass diese, wie die MGCE auf Magnetfeldbasis arbeitet. Idee der Erfindung ist es daher, dass es vorteilhaft wäre, das System zur MGCE so zu erweitern, dass es sowohl zur Kapselnavigation als auch zur MR-Bildgebung verwendet werden kann, d.h. in einem einzigen System einen MR-Scanner und eine MGCE zu vereinen.

Die Erfindung wird hinsichtlich des Magnetspulensystems gelöst durch ein solches mit einem dreidimensionalen Arbeits-

räum, in den ein Patient zumindest teilweise einbringbar ist, mit mehreren, einzeln ansteuerbaren Einzelspulen zur Erzeugung mindestens eines Grundmagnetfeldes zur vorgebbaren berührungsfreien Kraftausübung auf eine magnetisch navigierba- re, ein magnetisches Moment aufweisende Endoskopiekapsel im Arbeitsraum, wie z.B. aus der DE 103 40 925 bekannt. Unter einem magnetischem Moment ist hierbei z.B. ein Permanentmagnet, eine Magnetspule oder ein beliebiges anderes, ein an der Endokapsel fixiertes Magnetfeld erzeugendes Element zu ver- stehen.

Erfindungsgemäß enthält das Magnetspulensystem ein Stabilisierungs-System zur Stabilisierung und Homogenisierung des Grundmagnetfeldes für eine MR-Bildgebung vom Patienten im Ar- beitsraum, ein HF-Spulensystem zur Erzeugung eines Anregungsfeldes und zum Empfang eines Resonanzfeldes für die MR- Bildgebung, und eine Anlagensteuerung für die MR-Bildgebung.

Das bekannte Magnetsystem für die Kapsel-Endoskopie besteht aus einer Reihe von Spulen, die die für die Kraftausübung auf die Endokapsel erforderlichen Magnetfelder und Magnetfeldgradienten erzeugen. Unter anderem werden nun erfindungsgemäß auch diejenigen Felder und Gradienten erzeugt, die für die MR-Bildgebung erforderlich sind. Der MR-Magnet wird hierbei z.B. aus den Helmholtzspulen des Navigationsmagneten aufgebaut. Die mit diesen Spulen erreichbaren Felder und Gradienten reichen für eine low-end MR-Bildgebung aus. Die weiteren, zur MR-Bildgebung noch notwendigen Komponenten - HF- Spulensystem und Anlagensteuerung, sind erfindungsgemäß er- gänzt. Die Anlagensteuerung schließt hierbei z.B. eine Verarbeitung, Rekonstruktion und Visualisierung eines gewonnenen MR-3D-Bilddatensatzes mit ein.

Für die Kapselendoskopie ist ein Magnet mit großen magneti- sehen Flüssen und sehr hohen Flussdichtegradienten erforderlich. Für die MR wird ein extrem homogener magnetischer Fluss sehr hoher zeitlicher Konstanz oder mit sehr genau bekannten zeitlichen änderungen benötigt. Daher ist erfindungs-

gemäß das Stabilisierungssystem vorhanden, das das Magnetspulensystem für die MR-Bildgebung ertüchtigt. Denkbar ist hier z.B. ein System mit gegenüber der reinen Kapselnavigation verbesserten Leistungsverstärkern für die Spulen des Magnet- spulensystems.

Das so modifizierte Magnetspulensystem erlaubt damit eine Kombination von Kapselendoskopie und MR-Bildgebung.

Das HF-Spulensystem kann so ausgeführt sein, dass es die zur MGCE vorhandenen Spulen des Magnetspulensystems nutzt bzw. dass diese geeignet modifiziert sind. Das HF-Spulensystem kann aber auch eine separate, also zusätzliche Anregungsspule zur Erzeugung des MR-Anregungsfeldes im Arbeitsraum enthal- ten. Somit muss das Anregungsfeld nicht von den zur Kraftausübung benutzten Spulen des Magnetspulensystems erzeugt werden, was eine optimale Auslegung beider Spulentypen erlaubt.

Die Anregungsspule kann hierbei eine Ganzkörperspule sein. Derartige Spulen stehen bereits zur Verfügung, sind für die MR-Bildgebung optimiert und können so einfach in das Spulensystem integriert werden.

Das HF-Spulensystem kann eine MR-Empfängerspule für das Reso- nanzfeld enthalten. Hierfür ergeben sich die gleichen Vorteile wie oben für die zusätzliche Anregungsspule ausgeführt.

Die MR-Empfängerspule kann hierbei eine am Patienten anlegbare Oberflächenspule sein. Hierfür ergeben sich die gleichen Vorteile wie oben für die Ganzkörperspule ausgeführt.

Eine erste Alternative zur Stabilisierung des Grundmagnetfeldes ist, dass das Stabilisierungs-System zusätzliche Spulen, z.B. Helmholtz-Varianten zur Erzeugung des Grundmagnetfeldes enthalten kann. Zusätzlich heißt, dass diese Spulen in einem bekannten System zur reinen MGCE nicht vorhanden sind und speziell für die MR-Bildgebung ergänzt sind.

Eine andere oder zusätzliche Maßnahme hierzu ist, dass das Stabilisierungs-System eine Eisenshimmung für das Magnetspulensystem enthalten kann. Die für die MGCE verwendeten Magnetspulen werden dann durch Ertüchtigung mit der Eisenshim- mung qualitativ derart verbessert, dass sie auch Felder besserer Qualität erzeugen können, die für die MR-Bildgebung ausreichend homogen sind.

Zumindest ein Teil der mit der MR-Bildgebung befassten Spu- len, also die MR-Magnete, können auch HTS-Spulen sein. Hochtemperatursupraleiter (HTS) stehen hierfür in bekannter Weise zur Verfügung.

Bei einem MR-Scanner mit statischem und nicht abschaltbarem Grundfeld ist immer das Durchfahren einer magnetischen Endo- kapsel durch den statischen B ₀ -Feldgradienten problematisch, weil dieser Gradient sehr steil ist und daher die Kräfte auf das magnetische Moment in der Kapsel sehr groß sind.

Wenn die Kapsel zum Zeitpunkt des Durchfahrens des statischen Feldgradienten im Patienten steckt, sind die Kraftrichtung und Amplitude praktisch nicht kontrollierbar. Wenn der Patient im Zentrum des Magneten liegt und die Kapsel dann zugeführt werden soll, muss die Kapsel durch den statischen Gradienten transportiert werden, was technisch aufwendig ist. Wenn die Kapsel dagegen in den im Homogenitätsbereich, d.h. Arbeitsbereich des Magneten liegenden Patienten eingeführt worden ist, sich also dort befindet, muss andererseits im folgenden immer sichergestellt werden, dass die Körperregion, in der sich gerade die Kapsel befindet, im Homogenitätsbereich des Magneten ist, damit sie nicht wieder den Gradientenbereich erreicht.

Kommerzielle MR-Magnete, also MR-Spulensysteme, haben ein Ho- mogenitätsvolumen von typisch 20cm bis 50 cm Durchmesser bzw. Kantenlänge, was i.d.R. kleiner als der Gastrointestinaltrakt des Patienten ist. Solange nur das B ₀ -Grundfeld aktiv ist, und die Navigationsgradientenfelder ausgeschaltet sind, erfährt

ein idealer Kapselmagnet keine Kraft sondern nur ein Drehmoment, solange sein Moment nicht parallel zum Bo-Magnetfeld ist. Man kann die MR-Gradientenspulen also benutzen, um Kräfte in beliebiger Richtung auszuüben, aber die Kapselrichtung bleibt immer parallel zum B ₀ -FeId.

Daher kann das zur MR-Bildgebung nötige starke B ₀ -FeId des Spulensystems für die MGCE abschaltbar sein. Ist dann nur noch das MGCE-Grundfeld oder gar keines mehr vorhanden, ist das Einbringen des Kapselmagneten in den Arbeitsraum erleichtert. Es muss dann nämlich kein oder nur ein kleiner BO- Gradient am Rande des Homogenitätsbereiches vom magnetischen Moment durchfahren werden.

Das Magnetspulensystem kann dann eine Flusspumpe zum Rampen zumindest eines Teils der mit der MR-Bildgebung befassten Spulen enthalten. Das gegenüber der MGCE stärkere, zur MR- Bildgebung notwendige Feld wird dann erst nach Ein- oder Ausbringen der Kapsel in den Arbeitsraum aufgebaut, also ge- rampt, und vor Aus- oder Einbringen der Kapsel wieder abgebaut. Die Flusspumpe kann während der MR-Bildgebung aktiv bleiben, wobei die Resonanzfrequenz analog nachgeführt wird.

Das magnetische Moment der Kapsel kann alternativ oder zu- sätzlich leicht, zumindest während der MR, entfernbar sein.

Das Magnetspulensystem kann daher eine Arbeitskapsel mit einem, z.B. zur MR-Bildgebung, deaktivierbaren magnetischen Moment enthalten.

Das Magnetspulensystem kann eine Endokapsel enthalten, wie sie z.B. aus der DE 10 2005 032 368 Al bekannt ist. Diese wird auch Endoratte genannt und ist mit einem nach außerhalb des Patienten reichenden Fortsatz oder Schwanz ausgerüstet. Das magnetische Moment ist dann über den Fortsatz zwischen im Patienten befindlicher Arbeitskapsel und dem Außenraum außerhalb des Patienten bewegbar.

Der Fortsatz ist z.B. eine hohle oder nicht hohle Schnur, die die Endokapsel bei Bewegung hinter sich herzieht. Entlang oder in dieser Schnur kann das magnetische Moment der Kapsel schnell und sicher zwischen der Kapsel und einer Körperöff- nung des Patienten, durch die die Schnur herausragt transportiert werden.

Die Endokapsel kann hierzu einen aus der DE 103 36 734 Al bekannten Gewebeanker aufweisen. So ist die Kapsel an einem Ort im Patienten fixierbar und verharrt dort, auch wenn das magnetische Moment entfernt ist.

Das Material des magnetischen Momentes in der Endokapsel kann flüssig, z.B. aus einem Ferrofluid hergestellt, sein. Ein derartiges Moment kann bei der o.g. Endoratte über deren schlauchförmigen Fortsatz in die Kapsel gefüllt oder abgesaugt werden.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur magnetischen Kapselnavigation in einem Patienten, das mit Hilfe eines Magnetspulensystems nach einem der Patentansprüche 1 bis 9 MR-Bildgebungs-basiert arbeitet, bei dem MR-Bildgebung und Kraftausübung auf die Arbeitskapsel im zeitlichen Wechsel erfolgen.

Die anhand des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems beschriebene, qualitätsmäßig reduzierte MR-Bildgebung kann nämlich in der Regel nicht gleichzeitig mit der Kapselendoskopie verwendet werden, vor allem wenn die Kapsel über einen Perma- nentmagneten verfügt, da dieser durch die MR-Bildgebung in seiner Position verändert werden würde und die außerdem die MR-Bildgebung stört.

Es kann daher durch MR-Bildgebung z.B. eine überprüfung der diagnostischen Vermutungen oder eine Untersuchung von kritischen Bereichen oder eine Identifikation und Markierung von pathologischen Bereichen vor Einsetzen der Kapsel erfolgen. Die betreffenden Regionen können dann anhand der darauffol-

genden Kapselnavigation näher erkundet werden. Auch kann eine MR-basierte Bestätigung oder Ergebniskontrolle nach einer erfolgten Diagnose oder Therapie, also Kapselnavigation, stattfinden .

Durch die in das Magnetspulensystem integrierte Möglichkeit zur MR-Bildgebung erfolgt außerdem eine bessere Ausnutzung und dadurch Kostenersparnis bezüglich des Magnetspulensystems, wenn dieses, z.B. im Klinikalltag, alleine zur MR- Bildgebung benutzt wird, so lange es nicht zur Kapselnavigation benötigt wird.

Das magnetische Moment der Endokapsel kann, wie erwähnt, z.B. während der MR-Bildgebung, aus dem Arbeitsraum entfernt wer- den.

Ist die Endokapsel, wie oben beschrieben, eine Endoratte, kann das magnetische Moment über den Fortsatz entfernt, also aus dem mit Feldern kritischer Feldstärke erfüllten Arbeits- räum entfernt, werden.

Für die beiden Betriebsarten MGCE und MR-Bildgebung des Spulensystems wird i.d.R. ein gemeinsames Koordinatensystem verwendet. In einem 3D-Bilddatensatz der MR-Bildgebung können dann Koordinatenmerker, also Bookmarks, erzeugt werden. Diese kennzeichnen Orte oder Regionen im MR-Datensatz, die einer späteren optischen Betrachtung und/oder einer Biopsie bzw. Therapie mittels Endoskopie oder MGCE bedürfen. Diese Bookmarks können dann während der anschließenden Endoskopie oder MGCE direkt vom Endoskop bzw. der Endokapsel angefahren werden .

Aus einem 3D-MR-Bilddatensatz kann eine virtuelle Endoskopie erzeugt werden, z.B. entlang eines Weges, den eine Arbeits- kapsei zurückgelegt hat oder zurücklegen wird. Werden die o.g. Bookmarks hierzu übertragen, kann während der MGCE mittels einer Kombination aus virtueller Endoskopie und realer Endoskopie navigiert werden.

Umgekehrt können während der Endoskopie oder MGCE Zielpunkte, -flächen oder -volumina als 3D-Bookmarks definiert werden, die z.B. nach Entfernen Kapsel bzw. des magnetischen Moments aus dem Körper des Patienten bzw. Arbeitsraum sodann gezielt mittels MR-Bildgebung erfasst werden können.

Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigt, in einer schematischen Prinzipskizze: Fig. 1 ein Magnetspulensystem zur MR-bildgebungsbasierten magnetischen Kapselnavigation.

Fig. 1 zeigt ein Magnetspulensystem 2, welches aus zwei Teilsystemen, nämlich einem Navigationssystem 4 und einem MR- System 6 zur Magnetresonanz-Bildgebung besteht. Das Navigationssystem 4 entspricht im Wesentlichen dem aus der DE 103 40 925 B3 bekannten Magnetspulensystem aus vierzehn ansteuerbaren Einzelspulen, von denen in Fig. 1 exemplarisch die beiden Spulen 8a, b in Form von Helmholtzspulen gezeigt sind. Das Navigationssystem 4 umfasst mit seinem Gehäuse 10 einen Arbeitsraum 12, in welchen ein Patient 14 eingebracht ist. Im Patienten 14 befindet sich eine, z.B. aus der DE 101 42 253 Cl bekannte Endokapsel 16. Die Endokapsel 16 enthält als magnetisches Element bzw. Moment einen Magneten 18 in Form eines Dauermagneten.

Das Navigationssystem 4 erzeugt mit seinen Spulen 8a, b ein homogenes Grundmagnetfeld 20 im Arbeitsraum 12. Das Grundmagnetfeld 20 dient zusammen mit einem nicht dargestellten Gra- dientenfeld der gezielten Kraft- bzw. Drehmomentausübung auf den Magneten 18 und damit die Endokapsel 16, um diese in beliebig vorgebbarer Richtung im Patienten 14 translatorisch sowie rotatorisch zu bewegen.

Das bekannte Navigationssystem 4 ist erfindungsgemäß um das MR-System 6 erweitert, welches zwei HTS-Feldspulen 22a, b sowie zwei HTS-Schirmspulen 24a, b umfasst. Die Feldspulen 22a, b und Schirmspulen 24a, b sind jeweils von einer thermischen

Schirmung 26 umgeben und dienen der Stabilisierung des Grundmagnetfeldes 20, um als Grundmagnetfeld für eine MR- Bildgebung dienen zu können. Sie bilden zusammen also ein Stabilisierungssystem 28 für das Grundmagnetfeld 20.

Das MR-System 6 umfasst weiterhin ein HF-Spulensystem 29, bestehend aus einer Anregungsspule 30 zur Anregung einer Magnetresonanz im Patienten 14 durch ein Anregungsfeld 33; sowie einer Empfängerspule 32 zum Empfang des Magnetresonanzfel- des 35, im Beispiel eine auf den Patienten 14 auflegbare Oberflächenspule. Spulensystem 29, Feldspulen 22a, b und Schirmspulen 24a, b sind mit einer Anlagensteuerung 34 verbunden, welche die MR-Bildgebung steuert, sowie die Signalverarbeitung, Bilddarstellung usw. bewerkstelligt.

In einer alternativen Ausgestaltung ist das Navigationssystem 4 bezüglich seiner Spulen 8a, b entsprechend qualitativ hochwertig ausgestaltet, um das Grundfeld 20 qualitativ hochwertig und damit tauglich für die MR-Bildgebung zu erzeugen. Das MR-System 6 enthält dann keine Feldspulen 22a, b und

Schirmspulen 24a, b. Die Anlagensteuerung 34 ist direkt mit den Spulen 8a, b verbunden. Die Qualitätssteigerung in den Spulen 8a, b ist durch eine an diesen angebrachte Eisenshim- mung 36 bewerkstelligt, welche damit das Stabilisierungssys- tem zur Homogenisierung des Grundmagnetfeldes 20 darstellt.

In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Anlagensteuerung 34 eine Flusspumpe 38. Diese bestromt die Feldspulen 22a, b und Schirmspulen 24a, b derart, dass diese lediglich zur MR-Bildgebung gerampt werden, um hierfür das Grundmagnetfeld 20 zu stabilisieren. Während der MGCE sind die Feldspulen 22a, b und Schirmspulen 24a, b dann nicht gerampt bzw. nicht bestromt.

In einer alternativen Ausführungsform enthält die Endo- kapsel 16 ein Fortsatz 40, ist also eine aus der DE 10 2005 032 368 Al bekannte Endoratte. Der Fortsatz 40 reicht dann durch eine Körperöffnung 42 des Patienten 14 nach in den Au-

ßenraum 43 und dient zum Transport des in dieser Ausführungsform aus der Endokapsel 16 entfernbaren Magneten 18.

Hierzu kann der Magnet 18 in einer ersten Ausführungsform ein mit einem Ferrofluid 44 befüllbarer Hohlkörper sein. Das Fer- rofluid 44 wird dann über den schlauchförmigen Fortsatz 40 zur Navigation bzw. Kraftausübung bzw. Bewegung der Endokapsel 16 in diese gepumpt. Zur Magnetresonanzbildgebung wird das Ferrofluid 44 wieder entfernt.

In einer zweiten Ausführungsform ist der Magnet 18 weiterhin ein Dauermagnet, der aber entlang des Fortsatzes 40, diesmal in Form einer Schnur, von der Endokapsel zum Außenraum transportiert wird.