DE10101460A1

DE10101460A1 - Verfahren und Anordnung zur Diagnostik von lebendem Gewebe mittels Hochfrequenzspektroskopie

Info

Publication number: DE10101460A1
Application number: DE10101460A
Authority: DE
Inventors: Werner Schramm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-01-10
Filing date: 2001-01-10
Publication date: 2002-07-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Diagnostik von lebendem Gewebe mittels Hochfrequenzspektroskopie. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die komplexe Impedanz von lebendem Gewebe erfaßt, indem eine am Ende offene Koaxialleitungs-Messsonde mit diesem in Kontakt gebracht wird, wobei diese ebenso wie eine gleichartig aufgebaute Bezugssonde jeweils einen Zweig einer Hochfrequenz-Brückenschaltung bildet. Die Reflexion von Breitbandimpulsen an den Enden von Messsonde und Bezugssonde wird mit Hilfe von Torimpulsen, die gegenüber den Breitbandimpulsen verzögert sind, im Zeitbereich erfasst und rechentechnisch ausgewertet. Dabei werden die gemessenen Signalverläufe mittels Fouriertransformation in den Frequenzbereich übertragen. Der Quotient der komplexen Amplituden von Brückenspannung und Speisespannung wird auf dem Monitor dargestellt bzw. in ein Neuronales Netz für die diagnostische Bewertung durch Vergleich mit früher gewonnenen Daten eingespeist.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Anordnung zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstante von lokalisierten Bereichen in lebendem Gewebe gemäß dem Oberbegriff in Anspruch 1, wie er aus der US 4 291 708 bekannt ist. Anwendungsgebiet ist die Lokaldiagnostik an lebendem Gewebe, um krankes Gewebe, wie z. B. Tumorgewebe von gesundem zu unterscheiden.

Aus der Literatur ist bekannt, dielektrische Messungen zur Charakterisierung von Gewebe heranzuziehen.

Beispielsweise wird in US 4 291 708 ein Verfahren und eine Anordnung zur Detektion von Brustkrebs beschrieben, bei der die Änderung der Dielektrizitätskonstante von lokalen Bereichen des Gewebes als eine Funktion der Frequenz eines Hochfrequenzsignals bestimmt wird. Dabei wird im Frequenzbereich von 0,1 bis 10 kHz eine mit einer Isolation ummantelte zylinderförmige Stahlelektrode von 1 cm² Querschnitt als Messsonde auf das Gewebe aufgesetzt und dessen Impedanz gegen eine ebenfalls am Gewebe ansitzende, geerdete Grundplatte mittels einer Brückenschaltung gemessen. Für den Frequenzbereich über 10 MHz wird eine zylindrische Meßsonde vorgeschlagen, bei der 4 dreieckförmige Elektroden auf der Stirnfläche isoliert angeordnet und paarweise in eine rein kapazitive Brückenschaltung einbezogen sind.

Die beschriebenen Messsonden haben den Mangel, dass sie relativ ungenau sind; im ersten Fall, da große Messstrecken im Gewebe benutzt werden und im zweiten Fall, da bei Vernachlässigung der Ohmschen Komponenten nur kapazitive Anteile gemessen werden.

Aus der Veröffentlichung von Kohlsmann, St. u. a., Application of a Miniaturised Probe for the Acquisition of Dielectric Data in Living Systems, Z. Naturforsch. 49a, 1165-1170 (1994) ist bekannt, daß für genaue Messungen der komplexen Dielektrizitätskonstante an kleinen Gewebearealen dünne Koaxialsonden zweckmäßig sind, bei denen 98 bis 99% der Feldenergie des elektrischen Feldes auf das interessierende Gewebeareal konzentriert werden. Die komplexe Dielektrizitätskonstante wurde mit Hilfe eines in der Frequenz durchstimmbaren Vektor-Analysators aus den Stehwellenverhältnissen bei unterschiedlicher Last an der offenen Koaxialleitung bestimmt.

Nachteilig ist dabei, dass die Messapparatur aufwendig und bezüglich der Bedienung anspruchsvoll ist, so daß sie nicht für Routinemessungen unter Klinikbedingungen eingesetzt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, die es gestattet, unter Klinikbedingungen präzise Impedanzmesssungen am lebenden Gewebe zur Unterscheidung von gesundem und krankem Zustand mit vergleichsweise geringem Aufwand durchzuführen.

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis S. Erfindungsgemäß wird die komplexe Impedanz von lebendem Gewebe erfaßt, indem eine am Ende offene Koaxialleitungs-Meßsonde mit diesem in Kontakt gebracht wird, wobei diese ebenso wie eine gleichartig aufgebaute Bezugssonde jeweils einen Zweig einer Hochfrequenz-Brückenschaltung bildet. Die Reflexion von Breitbandimpulsen an den Enden von Messsonde und Bezugssonde wird mit Hilfe von Torimpulsen, die gegenüber den Breitbandimpulsen verzögert sind, im Zeitbereich erfasst und rechentechnisch ausgewertet. Die periodischen Breitbandimpulse und die zeitlich dazu verzögerten Torimpulse werden von einem Impulsgenerator geliefert.

Das Diagnostikverfahren wird in folgenden Schritten durchgeführt:

- die Brückenschaltung wird auf Null abgeglichen, wobei Messsonde und Bezugssonde mit dem gleichen Dielektrikum (z. B. Luft oder Eichnormal) in Kontakt sind
- die zeitliche Abfolge der Amplitudenwerte der Impulse, die die Brückenschaltung speisen und der Impulse, die nach Reflexion an den Sondenenden am Brückenausgang mit Hilfe der mit dem Torimpuls beaufschlagten Übernahmeschaltung gewonnen wird, wird in einem Mikrorechner gespeichert
- die in getrennten Speicherbereichen abgelegten Zeitfolgen der Amplituden werte werden mittels Fouriertransformation in frequenzabhängige Signalwerte umgesetzt
- aus den komplexen Signalwerten der Brückenspannung U_Br(f) und der Speisespannung U(f) wird ein Quotient U_BR/U gebildet
- der Kurvenverlauf dieses Quotienten U_BR/U wird als Funktion der Frequenz auf dem Monitor dargestellt oder zur diagnostischen Bewertung in ein neuronales Netz eingespeist.

Bei durchgeführten Untersuchungen am Gewebe hatte sich herausgestellt, dass der Messbereich zwischen 10 MHz und 100 MHz eine gute Unterscheidung zwischen Tumorgewebe und gesundem Gewebe ermöglicht.

Wenn man sich einen Überblick über den Gesundheitszustand eines größeren Gewebeareals verschaffen möchte, kann man zunächst durch Abtastung mit Messsonden, die an flexiblen Koaxialleitungen sitzen, einzelne Gewebepunkte, die voneinander auch weiter entfernt sein können, mit einem Eichnormal, z. B. Luft vergleichen. Der günstigste der gemessenen Punkte (z. B. ein Punkt, dessen Impedanzwerte mit Sicherheit gesundes Gewebe ausweisen) kann dann für eine nachfolgende neue Messreihe durch Aufsetzen der Bezugssonde als neuer Bezugspunkt dienen, auf den alle anderen Messpunkte bezogen werden. Die Unterschiede zwischen Tumorgewebe und Normalgewebe treten dann deutlicher hervor, da das Bezugsnormal eine Gewebeimpedanz anstelle von Luft ist.

Auch kann es nützlich sein, ein bestimmtes Gewebeareal in kleinen Schritten der Reihe nach abzutasten, um einen genauen Überblick über den Gesundheitszustand dieses Areals zu erhalten. Hierzu ist ein Messkopf anzuwenden, der eine Vielzahl koaxialer Messsonden aufweist, die der Reihe nach über impedanzarme Umschalter in den Messbrückenzweig eingeschaltet werden.

Eine erfindungsgemäße Anordnung für die Durchführung des Verfahrens wird durch die Merkmale im Anspruch 6 beschrieben. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche 7 bis 13:
Durch einen impedanzarmen Umschalter, der durch Steuerimpulse aus einem Steuerrechner betätigt sein kann, können der Reihe nach gleichartige Messsondenleitungen, deren koaxiale Außenmäntel mit dem gemeinsamen Massepunkt 12 verbunden sind, in den Messbrückenzweig eingeschaltet werden. Die Messsonden können an längeren flexiblen Koaxialleitungen sitzen, um sie ggf. über den gesamten Körper eines Menschen verteilt ansetzen zu können. Die Enden der Messsonden können eben oder zum besseren Eindringen in Gewebe mit einer Spitze ausgeführt sein.

Ferner ist gemäß der Erfindung eine Anordnung vorgesehen, bei der eine Vielzahl von koaxialen Messsonden in einem Messkopf zusammengefasst ist. Der Messkopf kann einen zylindrischen Querschnitt besitzen, was für ein Eindringen in das Gewebe vorteilhaft ist, als auch einen rechteckigen Querschnitt, was für das Abscannen eines Gewebeareals zweckmäßig ist.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 Prinzip-Darstellung der Messanordnung

Fig. 2 Brückenschaltung für die Hochfrequenzspektroskopie

Fig. 3 Umschalter für die koaxialen Messsonden

Fig. 4 Aufbau einer koaxialen Messsondenanordnung

Fig. 5 Aufbau eines Meßkopfes

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild für die hochfrequenzspektroskopischen Messungen an lebendem Gewebe. Mit 1 ist eine Hochfrequenz-Meßbrücke bezeichnet, die aus den Impedanzen 13 und 14 sowie 15 und 16 gebildet wird. Sie wird über eine Koaxialleitung 23, die den Ausgang 21 des Impulsgenerators 2 mit der Messbrücke in dem Speisepunkt 11 verbindet, mit periodischen Breitbandimpulsen gespeist. Mit 12 ist der Massepunkt der Brücke bezeichnet, in dem alle Außenmäntel der Koaxialleitungen zusammengefasst sind. An den Brückenausgang 17, 18 ist eine Übernahmeschaltung 3 angeschlossen, die Filter, Verstärker und Abtastschaltungen enthalten kann und über periodische Torimpulse aus dem Impulsgenerator 2 zur Messwertübernahme aktiviert wird. Hierzu ist der Torimpuls-Ausgang 22 des Impulsgenerators 2 über eine Koaxialleitung 24 mit dem Impulseingang 31 der Übernahmeschaltung 3 verbunden. Die Torimpulse sind über eine an die Laufzeit der Impulse angepasste Zeitverzögerung, die im Generator eingestellt werden kann, mit den Breitbandimpulsen derart gekoppelt, dass die von den Meßsonden reflektierten Breitbandimpulse während der Torbreite, die entsprechend der Zeitdauer der Breitbandimpulse eingestellt ist, erfasst werden können.

Die Übernahmeschaltung 3 ist mit einem Mikrorechner 4 gekoppelt, in dessen Speicherbereich 412 die Amplitudenwerte der Brückenausgangsspannung nacheinander gespeichert werden, während in dessen Speicherbereich 411 die Amplitudenwerte der Speisespannungsimpulse der Brückenschaltung eingelesen werden.

An die Speicherung schließt sich eine Fouriertransformation der Werte von Speicherbereich 411 bzw. 412 an, schematisch dargestellt durch den Funktionsblock 42. Danach folgt eine Quotientenbildung, dargestellt durch den Funktionsblock 43.

Die Funktionswerte U_BR/U können in Abhängigkeit von der Frequenz auf dem Monitor 5 dargestellt werden. Sie können auch parallel dazu in ein neuronales Netz (6) eingspeist werden, um sie mit früher gewonnenen Daten zu vergleichen und damit gewichtete Aussagen für die Diagnostik zu erhalten.

Fig. 2 zeigt die Details der für die Messung am Gewebe erfindungsgemäß modifizierten Brückenschaltung 1. Anstelle der in Fig. 1 dargestellten komplexen Bezugsimpedanz 15 ist hier die koaxiale Bezugsmesssonde 151 einschließlich ihrer koaxialen Anschlußleitung und anstelle der komplexen Messimpedanz 16 die koaxiale Messsonde 161 einschließlich ihrer koaxialen Anschlußleitung in Reihe mit einem impedanzarmen Umschalter 7 dargestellt. Für den Nullabgleich der Brücke ist es erforderlich, dass die Koaxialleitungsanordnungen, die als Ersatz der komplexen Impedanzen 15 bzw. 16 dienen, bezüglich Dämpfungsbelag, Laufzeit und Wellenwiderstand identisch sind. Die Messsonde 161 ist mit dem Gewebe 8 in Kontakt, während die Bezugssonde 151 beispielsweise zunächst mit Luft als Eichdielektrikum betrieben wird.

Der impedanzarme Umschalter 7, dessen Aufbau in Fig. 3 skizziert ist, könnte z. B. durch Steuerimpulseinwirkung auf einen Piezosteller betätigt werden.

Fig. 4A zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Koaxialsondenanordnung, bestehend aus der eigentlichen koaxialen Messsonde A, die mit dem dem zu messenden Dielektrikum bzw. Gewebe in Kontakt gebracht wird, ein flexibles Koaxialkabel C, das bis zu mehreren Metern lang sein kann, und zwischen beiden eine Kegelleitung B, um ggf. die unterschiedlichen Querschnitte aneinander anzupassen.

Anhand der Messsonde A wird der Aufbau der Koaxialanordnung näher erläutert. Die Messsonde A hat einem starren äußeren Metallzylinder A1, vorzugsweise aus Messing oder rostfreiem Stahl, einen massiven koaxialen Innenleiter A2, vorzugsweise aus korrosionsbeständigem, gut leitfähigem Material wie beispielsweise Silber, und ein Dielektrikum A3. Das Durchmesserverhältnis von A1 zu A2 sowie die Dielektrizitätskonstante wird in bekannter Weise so gewählt wird, dass der Wellenwiderstand von A mit dem von C übereinstimmt.

Die Stirnseite A4 ist eben mit abgerundetem Rand A5, kann jedoch auch wie in Fig. 4B angedeutet, als Spitze A6 mit scharfer Kante für das Eindringen in das Gewebe ausgebildet sein.

In Fig. 5A ist der Anschluß eines Messkopfes, in dem eine Vielzahl kleiner koaxialer Sonden in Form eines rechteckigen Arrays angeordnet ist, an den Mikroschalter 7 bzw. den Massepunkt 12 skizziert. In Fig. 5B ist sinngemäß ein Messkopf mit zylindrischem Querschnitt dargestellt, der zum Eindringen ins Gewebe mit einer Spitze versehen ist.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1

Messbrücke

11

Speisepunkt

12

Massepunkt

13

,

14

,

15

,

16

Komplexe Impedanz

151

Bezugsmesssonde

161

Messsonde

1

162

Messsonde

2

163

Messsonde

3

17

,

18

Brückenausgang

2

Impulsgenerator

21

Breitbandimpulsausgang

22

Torimpulsausgang

23

,

24

Koaxialleitung

3

Übernahmeschaltung

31

Torimpulseingang

4

Mikrorechner

41

Speicher

411

,

412

Speicherbereiche

42

Fouriertransformation

43

Quotientenbildung

5

Monitor

6

Neuronales Netz

7

Impedanzarmer Umschalter

71

Kontaktzunge

8

Gewebe

9

Meßkopf
A starre Koaxialsonde
A1, B1, C1 Metallmantel
A2, B2, C2 Innenleiter
A3, B3, C3 Dielektrikum
A4 ebene Stirnseite
A5 abgerundeter Rand
A6 Spitze
B Kegelübergang
C flexible Koaxialleitung

Claims

1. Verfahren zur Diagnostik von lebendem biologischen Gewebe, wobei lokale Permittivitäten mittels Hochfrequenzsonde in einer Brückenschaltung nach deren Nullabgleich gemessen und für die Tumordiagnostik ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die komplexe Impedanz des Gewebes im Hochfrequenzbereich lokal mit am Ende offenen Koaxialleitungssonden, von denen mindestens eine - die Messsonde - mit dem Gewebe in Kontakt gebracht wird, während eine zweite - die Bezugssonde - mit einem Eichdielektrikum in Kontakt ist, in zwei Brückenzweigen mittels Breitbandimpulsen und Torschaltung ermittelt wird, indem die als Funktion der Zeit gemessenen Amplitudenwerte der Speisespannung der Brücke und der Brückenspannung, deren Gewinnung durch Torimpulse gewährleistet wird, die in einstellbarer Verzögerung zu den Speiseimpulsen stehen und die Übernahme der am offenen Sondenende reflektierten Impulse ermöglichen, in einem Mikrorechner gespeichert und rechentechnisch mittels Fouriertransformation und Quotientenbildung aufgearbeitet werden, wonach auf einem Monitor die komplexe Impedanz als Funktion der Frequenz dargestellt und/oder in einem neuronalen Netzwerk diagnostisch bewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale komplexe Impedanz vorzugsweise im Bereich von 1 MHz bis 100 MHz ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die komplexe Impedanz an einem Meßort mittels einer koaxialen Messsonde im Vergleich zu einer mit einem Vergleichsdielektrikum in Kontakt stehenden koaxialen Bezugssonde erfasst wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich an mehreren Messorten koaxiale Messsonden mit dem Gewebe in Kontakt befinden und nacheinander über impedanzarme Schalter in den Messbrückenzweig eingeschaltet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die komplexe Impedanz eines größeren Messareals durch einen Messkopf vermessen wird, in dem mehrere koaxiale Messsonden zusammengefasst sind, die der Reihe nach eingeschaltet werden.

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei
zwei oder mehrere bezüglich Dämpfungsbelag, Laufzeit und Wellenwiderstand identische als Koaxialleitungen mit offenem Ende ausgebildete dielektrische Messsonden vorhanden sind, die zur Messung in die zwei Zweige (15, 16) einer Messbrücke (1) eingebunden werden, derart dass der eine Zweig (15), in dem die Messsonde (151) während des Meßvorganges mit einem Eichdielektrikum in Kontakt ist, die Bezugsimpedanz darstellt, mit der die Belastungsimpedanz der anderen, der sog. Messleitung (161), verglichen wird,
die Speisepunkte (11, 12) der Messbrücke (1) an den Ausgang (21) eines Impulsgenerators (2) bzw. an die Masse (12) angeschlossen sind, während dessen Torimpulsausgang (22) mit der Übernahmeschaltung (3) am Brückenausgang (17, 18) verbunden ist,
der Ausgang der Übernahmeschaltung (3) mit einem Mikrorechner (4) gekoppelt ist, an den sich ein Monitor (5) und ein Neuronales Netz (6) anschließt.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass über einen impedanzarmen Umschalter (7) nacheinander weitere Messleitungen (162, 163, . . . 16n) zur Auswertung anschließbar sind.

8. Anordnung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Meßsonden der einzelnen Koaxialleitungen an verschiedenen Stellen des Gewebes in Kontakt befinden.

9. Anordnung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle koaxiale Messsonden (161, 162, . . ., 16n) einschließlich der Bezugssonde (151) in einem Messkopf (8) integriert sind.

10. Anordnung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle koaxiale Messsonden (161, 162, . . ., 16n) mit Ausnahme der Bezugssonde (151) in einem Messkopf (9) zusammengefasst sind.

11. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf vorzugsweise einen zylindrischen oder rechteckigen Querschnitt hat.

12. Anordnung nach Anspruch 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrischen Messsonden wie auch der Messkopf mit einer ebenen Stirnseite (101) mit abgerundetem Rand ausgebildet sind.

13. Anordnung nach Anspruch 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrischen Messsonden wie auch der Meßkopf für das Eindringen in das Gewebe mit einer Spitze (102) versehen sind.