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Die
Erfindung betrifft einen Katheter zur Behandlung des Herzens mit
einer einen Katheterhohlraum umgebenden flexiblen Katheterhülle
und mit einer Vorrichtung zur Implantation von Zellmaterial, die
eine im Bereich der Katheterspitze angeordnete Injektionsvorrichtung
umfasst.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine medizinische Untersuchungs- und
Behandlungseinrichtung mit einem solchen Katheter.
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Eine
der häufigsten Erkrankungen mit Todesfolge sind vaskuläre
Gefäßerkrankungen mit daraus folgenden Erkrankungen
wie Herzinfarkt oder Schlaganfall. Der Herzinfarkt wird durch eine
Erkrankung der Koronargefäße verursacht. Dabei
kommt es durch arteriosklerosische Ablagerungen (Plaque) zu einer
lokalen Thrombusbildung, welche zu einem totalen Verschluss (Okklusion)
von Koronargefäßen und somit zu einer Blockierung
des Blutflusses führen kann. Die Okklusion bei einem Herzinfarkt
wird derzeit in der Mehrzahl der Fälle durch eine so genannte
PCTA (Perkutane Transluminale Koronale Angioplastie) behandelt.
Dazu werden die Engstellen der Koronargefäße mit
Hilfe eines kathetergeführten Ballons gedehnt. Durch diese
Behandlung lässt sich jedoch bereits abgestorbenes (nekrotisches)
Herzmuskelgewebe nicht wieder regenerieren.
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Seit
2001 wurden erste Experimente an Lebewesen durchgeführt,
um abgestorbenes Gewebe im Herzen zu regenerieren. Dabei hat sich
mit der Zeit die so genannte Myogenese etabliert. Dies ist ein Verfahren, bei
dem Körperzellen, insbesondere Stammzellen, direkt in den
Herzmuskel im Bereich der Infarktnarbe injiziert werden. Die Stammzellen
bilden dort neue Muskelzellen, welche die Pumpfunktion des Herzens
steigern. Die ersten Versuche wurden zunächst jeweils im
Zuge eines chirurgischen Eingriffes am offenen Herzen durchgeführt.
Da dieser sehr intensive Eingriff, bei welchem unter anderem eine
Herz-Lungen-Maschine eingesetzt wird, mit erheblichen Risiken verbunden
ist, hat sich das minimalinvasive Injizieren von Stammzellen in
den Herzmuskel mit speziell dafür ausgebildeten Kathetern
und daran angebrachten Injektionsnadeln etabliert.
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Daneben
ist auch die so genannte Angiogenese bekannt, bei der die Koronargefäße
vergleichsweise großvolumig mit einer die Körperzellen
enthaltenden Lösung „gespült” werden,
wozu jedoch eine relativ große Menge an Körperzellen
in Bioreaktoren hergestellt werden muss.
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Bei
der minimalinvasiven Operationsmethode wird ein dünner
flexibler Hohlkörper oder Katheter von der Leiste oder
vom Arm des Patienten ausgehend in die Blutbahn (Vene oder Arterie)
eingebracht und soweit vorgeschoben, bis das körperzugewandte
(proximale) Ende des Katheters – die Katheterspitze – den
zu behandelnden Bereich des Herzens erreicht. Im Bereich der Katheterspitze
ist eine Injektionsvorrichtung angeordnet, mit der die Körperzellen
in die betroffene Koronarregion eingebracht werden. Nach der Durchführung der
Behandlung wird der Katheter wieder über die Blutbahn herausgezogen
und somit entfernt.
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Da
die Verfügbarkeit und Verwendbarkeit einiger Stammzelltypen,
beispielsweise embryonale oder fötale Stammzellen, aus
unterschiedlichen Gründen begrenzt ist, setzt sich die
Myogenese mit so genannten Satellitenzellen (skelatale Myoblasten)
immer mehr durch.
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Solche
Satellitenzellen bestehen aus Precursor-Zellen, die in einem Ruhezustand
unter der Basalmembran der Muskelfasern liegen. Wird der Skelettmuskel
verletzt, so wird in diesen Zellen der Zellzyklus aktiviert, und
diese Zellen beginnen sich zu teilen und in funktionsfähige
Muskelzellen zu wandeln, die den verletzten Skelettmuskel heilen.
Für die Myogenese werden häufig aus einem Oberschenkel
Satellitenzellen entnommen und in einem Bioreaktor reproduziert,
und dann dem Patienten mit Hilfe eines Injektionskatheters in den
Herzmuskel injiziert.
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Ein
solcher Injektionskatheter ist beispielsweise aus der
US 2004/0010231 bekannt.
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Wenngleich
die minimalinvasive Operationsmethodik einen bedeutenden Fortschritt
gegenüber einem chirurgischen Eingriff am offenen Herzen
darstellt, so geht mit einem Eingriff, bei welchem mit Hilfe eines
Katheters eine Implantation von Zellmaterial im Herzen durchgeführt
wird, dennoch ein nicht zu unterschätzendes Risiko für
den Patienten einher.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Katheter
und eine zugehörige medizinische Untersuchungs- und Behandlungseinrichtung
anzugeben, mit denen das Risiko eines solchen Eingriffs gegenüber
bislang bekannten und praktizierten Konzepten weiter abgesenkt und
die Wahrscheinlichkeit eines umfassenden Behandlungserfolgs erhöht
werden kann.
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In
Bezug auf den Katheter wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass im Bereich der Katheterspitze zumindest ein
bildgebender Sensor angeordnet ist.
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Zweckmäßigerweise
ist der Katheter Bestandteil einer medizinischen Untersuchungs-
und Behandlungseinrichtung, wobei der bildgebende Sensor über
eine im Katheterholraum geführte Signalleitung mit einer außerhalb
des Katheters befindlichen Bildaufbereitungs- und Wiedergabeeinrichtung
verbunden ist und an diese in Echtzeit Bildinformationen vom Ort
eines Eingriffs überträgt.
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Die
Erfindung geht von der Überlegung aus, dass ein großer
Nachteil bisheriger Körperzellen-Injektionskatheter und
ihrer Handhabung darin besteht, dass diese mit Hilfe externer Röntgendurchleuchtung
(Angiographie) im Herzen appliziert werden, so dass der Patient
und das medizinische Personal während dieser Prozedur ionisierender
Strahlung ausgesetzt sind. Dies stellt für den Patienten,
insbesondere aber auch für das medizinische Personal, welches
derartige Eingriffe unter Röntgenkontrolle regelmäßig
durchführt, eine nach Möglichkeit zu vermeidende
gesundheitliche Gefährdung dar. Hinzu kommt das Risiko,
dass bei einem Eingriff zur Injektion von Zellmaterial im Herzen
die Zellen durch die ionisierende Strahlung beschädigt
oder verändert werden können.
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Ein
weiterer Nachteil besteht darin, dass im Röntgenbild entweder
der Katheter und/oder die lokale Umgebung des Katheters im Körperinneren
verhältnismäßig schlecht sichtbar sind/ist,
insbesondere bei Anwendung eines kostengünstigen herkömmlichen
Röntgenverfahrens mit zweidimensionaler Abbildungscharakteristik.
Durch Injizieren von Kontrastmitteln kann zwar die unmittelbare
Umgebung der Katheterspitze deutlicher und kontrastreicher dargestellt
werden, jedoch gibt es auch Patienten, die allergisch auf Kontrastmittel reagieren,
was in der Folge zu gefährlichen Komplikationen führen
kann. Durch die beschränkte Auflösung der Darstellung
bei der angiographischen Röntgenstrahldurchleuchtung besteht
mithin das Risiko, dass während des Eingriffs die Lage
des Injektionswerkzeugs nicht hinreichend genau überprüft
werden kann, und dass damit das Injektionswerkzeug nicht hinreichend
genau positionierbar ist.
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Zur
Vermeidung derartiger Schwierigkeiten ist es nunmehr vorgesehen,
einen bildgebenden Sensor im der Nähe der Injektionsvorrichtung
bzw. des Injektionswerkzeugs anzuordnen. Dies erlaubt eine vergleichsweise
präzise und hoch aufgelöste Darstellung der räumlichen
Umgebung des Injektionswerkzeugs. Mit dem bildgebenden Sensor können „Live-Bilder” vom
Ort des minimalinvasiven Eingriffs, d. h. direkt aus dem Herzen,
an eine extern aufgestellte Wiedergabeeinrichtung, z. B. ein computergesteuertes
Visualisierungssystem mit angeschlossenem Monitor, übertragen
werden. Die Ein- und Durchführung des Katheters durch die
Gefäße, Herzkammern und Herzklappen und die zielgenaue
Positionierung des Injektionswerkzeugs kann in Echtzeit kontrollierend
verfolgt werden. Durch eine somit ermöglichte hoch aufgelöste
Lagedarstellung sind zeitnah feine Positionskorrekturen des Katheters
möglich. Insbesondere kann das Risiko eines zu vermeidenden „Einstichs” des
Injektionswerkzeugs in nicht dafür vorgesehene Bereiche
des Körpergewebes, beispielsweise in die Gefäßwände
während der Führung des Katheters durch ein Blutgefäß,
verringert werden.
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Somit
kann eine Applikation von Röntgenstrahlung während
des Eingriffes zumindest weitgehend reduziert werden. Im Bedarfsfall
kann noch zu ausgewählten Zeitpunkten in Ergänzung
zu der Bildgebung mit Hilfe des Katheters zur Kontrolle eine Röntgenaufnahme
erfolgen.
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Vorteilhafterweise
ist der bildgebende Sensor derart konfiguriert und ausgerichtet,
dass sein Blickfeld einen um das Injektionswerkzeug herum liegenden
Raumbereich abdeckt. Das heißt, der bildgebende Sensor „blickt” – bezogen
auf die in etwa zylindrisch um eine Mittelachse angeordnete Katheterhülle – im
Wesentlichen radial nach außen, je nach spezifischer Anordnung
und/oder nach Typ und Funktionsprinzip des Sensors und/oder nach
Material des Injektionswerkzeugs gegebenenfalls auch durch das Injektionswerkzeug „hindurch” oder
an ihm vorbei.
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In
alternativer Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass das Blickfeld
des bildgebenden Sensors vor allem den vor der Katheterspitze liegenden
Raumbereich abdeckt, also bezogen auf die Einschubrichtung des Katheters
nach vorne „blickt”, was während des
Injektionsvorgangs besonders zweckmäßig ist, sowie
für eine Überwachung des Einführvorgangs
des Katheters und dessen Vorschub, z. B. durch eine Herzklappe hindurch.
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Optimalerweise
sind für den bildgebenden Sensor die beiden oben genannten
Möglichkeiten in geeigneter Weise miteinander kombiniert,
so dass der Sensor sowohl in Radial- als auch in Vorwärtsrichtung
ein möglichst großes Gesichtsfeld aufweist. Alternativ
können, sofern es die Platzverhältnisse gestatten, auch mehrere
bildgebende Elemente oder Sensoren vorgesehen sein, die in Ergänzung
zueinander verschiedene Raumwinkelbereiche abdecken.
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Vorteilhafterweise
ist der bildgebende Sensor gegenüber der äußeren
Katheterhülle in Längsrichtung verschiebbar. Beispielsweise
kann es vorgesehen sein, den Sensor aus einer in der Nähe
des proximalen Endes der äußeren Katheterhülle
befindlichen „zurückgezogenen” Anschlagsposition
in Vorwärtsrichtung aus der Katheterhülle herauszubewegen,
um hierdurch bei einer konstant gehaltenen Position der Katheterhülle
einen variabel positionierbaren Beobachtungspunkt zu definieren,
von welchem aus die weiter vorn liegenden Bereiche inspiziert werden
können. Zu diesem Zweck kann der bildgebende Sensor beispielsweise
an einem relativ zur äußeren Katheterhülle
verschiebbaren und in deren Hohlraum angeordneten Innenkatheter
oder an einem Innenteil angeordnet sein.
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Zweckmäßigerweise
umfasst das Injektionswerkzeug eine Injektionsnadel, durch die Zellmaterial
aus einem entsprechenden Reservoir oder Vorratsbehälter
in das Herzgewebe lokal injiziert werden kann. Der Vorratsbehälter
ist zweckmäßigerweise außerhalb des Patientenkörpers
angeordnet. Die Zuführung der beispielsweise in einer Lösung
vorgehaltenen Stammzellen zu der Injektionsnadel erfolgt in diesem
Fall über eine im Katheterhohlraum verlaufende und am distalen
Ende des Katheters über ein Kupplungsstück mit
dem Vorratsbehälter verbundene Zuführungsleitung.
Die bedarfsgerechte Förderung der Lösung durch
das Leitungssystem kann dabei beispielsweise durch ein unter Druck
stehendes Treibfluid oder mit Hilfe eines Pumpenantriebs erfolgen.
Alternativ könnte eine kleinerer Zellvorrat auch in einem
lokalen Reservoir innerhalb der Katheterhülle vorgehalten
sein und ähnlich wie bei einer Injektionsspritze durch
Verschieben eines Kolbens in eine Hohlnadel (Kanüle) gedrückt
werden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Injektionsnadel bezüglich
des Katheters in ihrer Längsposition variabel jus tierbar,
insbesondere von einer vollständig eingefahrenen Ausgangsposition
in eine vollständig ausgefahrene Endposition, und umgekehrt.
Dies kann beispielsweise durch eine elektronisch oder mechanisch
angesteuerte Antriebseinheit im Inneren des Katheters erfolgen.
Alternativ kann eine Betätigung über ein im Katheterhohlraum
geführtes Betätigungselement, z. B. einen in Längsrichtung
verschiebbaren Draht, vorgesehen sein. Mit einer eingefahrenen Injektionsnadel
kann insbesondere das Risiko eines Gefäßeinstichs während
der Navigation des Katheters in das Zielgebiet vermindert werden.
Beim Erreichen des Zielgebietes kann dann die Injektionsnadel ausgefahren
und positioniert werden, und zwar unter Echtzeitbeobachtung mit Hilfe
des bildgebenden Sensors.
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Vorzugsweise
ist der bildgebende Sensor als ein (akustischer) Ultraschallsensor,
als ein Magnetresonanzsensor oder als ein optischer Bildsensor realisiert.
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Die
Bildgebung mit Ultraschall (Sonographie) erfolgt nach dem so genannten
Echo-Impuls-Verfahren. Ein elektrischer Impuls eines Hochfrequenzgenerators
wird im Schallkopf eines Ultraschall-Wandlers (zumeist ein Piezo-Kristall,
möglich ist auch ein siliziumbasierter Sensor) in einen
Schallimpuls umgesetzt und ausgesendet. Die Schallwelle wird an
den Inhomogenitäten der Gewebestruktur teilweise oder vollständig
gestreut oder reflektiert. Ein zurücklaufendes Echo wird
im Schallkopf in ein elektrisches Signal gewandelt und anschließend
in einer angeschlossenen elektronischen Auswerte- und Anzeigeeinheit
visualisiert, wobei durch ein mechanisches oder elektronisches Schwenken
des Sensors ein 2D- oder 3D-Scan des Untersuchungsbereiches erfolgen
kann. Die intervaskuläre Ultraschallbildgebung (IVUS) ist
besonders zur Abbildung von tiefer liegenden Gewebeschichten und
Gefäßstrukturen geeignet.
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In
einer zweiten vorteilhaften Variante handelt es sich bei dem bildgebenden
Sensor um einen so genannten IVMRI-Sensor zur intervaskulären
Magnetresonanztomographie (IVMRI = Intra Vascular Magnetic Resonance
Imaging). Bei der magnetischen (Kern-)Resonanztomographie werden
die magnetischen Momente (Kernspins) der Atomkerne des untersuchten
Gewebes in einem äußeren Magnetfeld ausgerichtet
und durch eingestrahlte Radiowellen zu einer Kreiselbewegung (Präzession)
angeregt, wobei in Folge von Relaxationsvorgängen in einer
zugeordneten Empfangsspule ein elektrisches Magnetresonanzsignal
induziert wird, das die Grundlage für die Bildberechnung
darstellt.
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Neuerdings
ist es gelungen, die magnetfelderzeugenden Elemente sowie die Sende-
und Empfangsspulen derart zu miniaturisieren und in einem bildgebenden
IVMRI-Sensor zu integrieren, dass eine intrakorporale bzw. intervaskuläre
Anwendung des MRI-Verfahrens (MRI = Magnetic Resonance Imaging)
möglich ist, wobei vorteilhafterweise das erforderliche
statische Magnetfeld innerhalb des Patientenkörpers erzeugt
bzw. appliziert wird. Eine derartiges Konzept ist z. B. in der
US 6,600,319 beschrieben.
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Zu
diesem Zweck sind in den IVMRI-Sensor ein Permanentmagnet oder ein
Elektromagnet zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes und eine
gleichermaßen als Sende- und Empfangsspule wirksame Spule integriert.
Der Magnet erzeugt Feldgradienten von vorzugsweise 2 T/m bis zu
150 T/m in der Nähe des zu untersuchenden Gefäßes
bzw. Organs. In der Nähe bedeutet hierbei bis zu 20 mm
vom Magneten entfernt. Über die Spule können abhängig
von der Stärke des Magnetfeldes Radiowellen im Frequenzbereich
von 2 MHz bis 250 MHz zur Anregung des umliegenden Körpergewebes
ausgekoppelt werden. Höhere statische Magnetfeldstärken
erfordern höhere Frequenzen beim Anregungsfeld. Die Spule
dient vorteilhafterweise auch zum Empfang des zugehörigen „Antwortfeldes” aus
dem Körpergewebe. In einer alternativen Ausgestaltung können
getrennte Sende- und Empfangsspulen vorgesehen sein.
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Im
Gegensatz zu herkömmlichen MRI-Anlagen sind der IVMRI-Sensor
und die zur Signalaufbereitung und -Auswertung vorgesehenen elektronischen
Schaltkreise und digitalen Auswerteeinheiten vorteilhafterweise
derart ausgelegt, dass sie auch bei einem vergleichsweise inhomogenen
Magnetfeld mit hohen örtlichen Feldgradienten arbeiten
und entsprechende Magnetresonanzbilder erzeugen können.
Da unter diesen Bedingungen die empfangenen Echo-Signale in charakteristischer
Weise durch die mikroskopische Diffusion von Wassermolekülen
in dem untersuchten Gewebe beeinflusst werden, ist in der Regel
eine ausgezeichnete Darstellung und Differenzierung zwischen unterschiedlichen
Weichteilen, z. B. zwischen Lipidschichten und faserigem Gewebe,
ermöglicht. Dies ist gerade bei dem nunmehr vorgesehenen
Einsatzgebiet minimalinvasiver Eingriffe von besonderem Interesse.
Aus neueren Untersuchungen ist nämlich bekannt, dass sich
insbesondere markierte Stammzellen und auch die typischen Infarkt-Regionen
im Herzen gut mittels MRI darstellen lassen.
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Alternativ
zu dem hier beschriebenen Konzept kann das statische Magnetfeld
auch durch externe Magneten erzeugt werden. Im Gegensatz zur herkömmlichen
MRI werden die dynamischen Felder, d. h. die Radiowellen, aber auch
bei dieser Ausführungsform zweckmäßigerweise
intervaskulär, d. h. durch eine Anzahl von an dem Katheter
angeordneten Sende- und Empfangseinheiten erzeugt.
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Des
Weiteren kann in alternativer oder zusätzlicher Ausgestaltung
ein optisches bildgebendes Element im Bereich der Katheterspitze
vorgesehen sein. Beispielsweise kommt ein auf der bekannten CMOS-Technologie
(CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor) beruhender optischer
Halbleiterdetektor zur Detektion einfallenden Lichtes in Betracht.
Ein solcher auch als „Active Pixel Sensor” bekannter CMOS-Sensor
basiert ähnlich wie auch die vor allem aus dem Bereich
der Digitalfotografie bekannten CCD-Sensoren (CCD = Charge-Coupled
Device) auf dem inneren fotoelektrischen Effekt und besitzt neben einem
geringen Stromverbrauch den Vorteil, dass er besonders kostengünstig
herzustellen ist. Zur Ausleuchtung der Untersuchungs- und Behandlungsregion
ist bei dieser Variante der Bildgebung eine geeignete Lichtquelle,
z. B. eine LED (LED = Light Emitting Diode) im Bereich der Katheterspitze
vorzuse hen, die über eine durch den Katheterholraum geführte
elektrische Leitung mit elektrischem Strom versorgt werden kann.
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In
einer weiteren Ausgestaltungsvariante kann der Katheter auch mit
einem Sensor zur optischen Kohärenztomographie (OCT = Optical
Coherence Tomography) ausgestattet sein.
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Die
optische Kohärenztomographie-Bildgebung liefert hoch auflösende
Bilder, die insbesondere die Strukturen in der Nähe der
Gefäßoberfläche vergleichsweise exakt
wiedergeben. Das Prinzip dieses Verfahrens beruht darauf, dass von
dem Katheter über einen Lichtleiter zugeführtes
Licht, vorzugsweise Infrarotlicht, in das Gefäß oder
auf eine Gewebestruktur eingestrahlt wird, wobei das dort reflektierte
Licht wieder in den Lichtleiter eingekoppelt und zu einer Auswerteeinrichtung
geführt wird. In der Auswerteeinheit wird – ähnlich wie
bei einem Michelson-Interferometer – die Interferenz des
reflektierten Lichts mit dem Referenzlicht zur Bilderzeugung ausgewertet.
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Während
herkömmliche interferometrische Apparaturen bevorzugt mit
Laserlicht einer definierten Wellenlänge arbeiten, welches
eine vergleichsweise große optische Kohärenzlänge
besitzt, kommen bei der so genannten LCI (LCI = Low Coherence Interferometry)
Lichtquellen mit breitbandiger Abstrahlungscharakteristik („weißes
Licht”) und mit vergleichsweise geringer Kohärenzlänge
des emittierten Lichtes zum Einsatz. Entsprechende Bildsensoren,
die nunmehr entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
zum Einsatz in dem Katheter vorgesehen sind, sind beispielsweise
in der
US 2006/0103850 beschrieben.
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In
einer vorteilhaften Abwandlung kann auch ein Bildsensor vorgesehen
sein, der auf dem so genannten OFDI-Prinzip (OFDI = Optical Frequency
Domain Imaging) beruht. Die Methode ist mit OCT verwandt, benutzt
aber ein breiteres Frequenzband. Das Funktionsprinzip ist z. B.
in der Veröffentlichung „Optical frequency domain
imaging with a rapidly swept laser in the 815-870 nm range",
H. Lim et al., Optics Express 5937, Vol. 14, No. 13 näher
beschrieben.
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Schließlich
kann der Katheter auch einen bildgebenden Sensor aufweisen, der
auf der so genannten „Near-Infrared (NIR) Diffuse Reflectance
Spectroscopy” beruht.
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Ferner
können auch Kombinationen von mindestens zwei optischen
Sensoren der oben genannten Art vorhanden sein.
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Ein
tabellarischer Überblick fasst die Stärken und
Schwächen der jeweiligen bildgebenden optischen Verfahren
zusammen (von ++ = besonders gut bzw. geeignet bis -- = mangelhaft
bzw. ungeeignet):
| Vergleich
der Bildsensoren | Nah-Auflösung | Fern-Auflösung | Durchdringung
von Blut |
| Optisch
(CMOS) | + | + | - |
| OCT | ++ | - | -- |
| LCI | + | + | + |
| NIR | - | - | +/- |
| OFDI | ++ | - | + |
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Da
der mit dem jeweiligen Bildsensor erfassbare bzw. zu überblickende
Raumwinkel üblicherweise begrenzt ist, ist es insbesondere
bei der bereits erwähnten Konfiguration mit radialer Blickrichtung
(in Bezug auf die Mittelachse des Katheters) vorteilhaft, wenn der
bildgebende Sensor über eine im Katheterhohlraum geführte
Antriebswelle gegenüber der äußeren Katheterhülle
und gegenüber dem Injektionswerkzeug drehbar gelagert ist.
Dadurch ist es möglich, ohne die äußere
Katheterhülle selbst gegenüber der Umgebung im
Körperinneren drehen zu müssen, einen 360°-Rundblick
zu erhalten.
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Alternativ
ist es auch denkbar, eine Mehrzahl von bildgebenden Sensoren am
Umfang der Katheterhülle verteilt und vorzugsweise nach
außen blickend anzuordnen und eine zyklische Datenauslesung
von den Sensoren, z. B. über einen Multiple xer, vorzusehen.
Solch eine Konfiguration ist beispielsweise dadurch realisiert,
dass die Sensoren feststehend auf/an der Katheterhülle
angeordnet sind. Alternativ (oder in Ergänzung) dazu können
die (bzw. zusätzliche) Sensoren auch innerhalb der Katheterhülle
um die Injektionsnadel herum gruppiert angeordnet sein. Vorteilhafterweise
sind sie – gegebenenfalls als Sensorcluster oder separat – längsverschiebbar.
Bei einer derartigen Konfiguration ist nur eine einzige Signalleitung
innerhalb der Katheterhülle erforderlich, über
die die Bilddaten der verschiedenen Sensoren in der Art einer seriellen
Schnittstelle nacheinander verschickt bzw. abgefragt werden. Eine
geringe Zahl von Signalleitungen, vorzugsweise nur eine einzige,
begrenzt den Platzbedarf innerhalb der Katheterhülle und
ist daher für die Nutzbarkeit der mechanischen Flexibilität
und Biegsamkeit der Katheterhülle von Vorteil.
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Durch
die (mechanische oder elektronische) Rotation des Bildsensors können
bei gleichzeitigem Rückzug oder Vorschub durch geeignete,
prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannte Methoden der Signalaufbereitung
und Bildberechnung vorteilhafterweise 3D-Aufnahmen bzw. Volumendatensätze
erzeugt werden.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung ist im Bereich der Katheterspitze
eine Anzahl von Positionssensoren oder Positionsgebern angeordnet,
mittels derer sich die aktuelle Position und vorzugsweise auch die
Orientierung der Katheterspitze bzw. der Injektionsnadel bestimmen
lässt. Der oder jeder Positionssensor ist dabei zweckmäßigerweise
auf der äußeren Katheterhülle und/oder
an dem Injektionswerkzeug angeordnet. Vorzugsweise umfasst der oder
jeder Positionssensor eine Anzahl von elektromagnetischen Sendespulen,
die mit einer Anzahl von extern, d. h. außerhalb des Patienten
angeordneten Empfangsspulen oder Signaldetektoren zusammenwirken.
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In
einer alternativen Ausgestaltung kann die Rolle der Sende- und Empfangseinheiten
auch vertauscht sein; das heißt, die Empfangsspulen sind
katheterseitig fixiert, während die Sendespulen vorzugsweise
stationär im Raum angeordnet sind.
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In
einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist
katheterseitig eine Anzahl passiver Sensoren fixiert, beispielsweise
eine Anzahl von RFID-Transpondern (RFID = Radio Frequency Identification).
Von einem von einer stationären Sendespule ausgesendeten
Signal wird in einem RFID-Transponder ein Antwortsignal induziert,
welches von einer stationären Empfangsspule empfangen ist
und eine präzise räumliche Lokalisierung des RFID-Transponders
erlaubt. Ein passiver Sensor braucht somit keine externe Energieversorgung, und
mithin vorteilhafterweise keine Zuleitung von außen.
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Die
vom dem oder jedem Positionssensor erhaltenen Positionsangaben erleichtern
einerseits das sichere Einführen des Katheters und dessen
Navigation zum Zielgebiet, andererseits unterstützen sie
in vorteilhafter Weise die Konstruktion von dreidimensionalen Aufnahmen
aus einer Mehrzahl zweidimensionaler Querschnittsbilder. Des Weiteren
lassen sich die Positionsdaten vorteilhaft in die rechnerische Korrektur
von Bewegungsartefakten und dergleichen einbeziehen.
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In
weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung kann im Bereich
der Katheterspitze mindestens ein magnetisches Element zur Führung
des Katheters mittels eines externen Magnetfeldes vorgesehen sein.
Bei dieser so genannten magnetischen Navigation wird der Katheter
durch ein externes Magnetfeld gesteuert und angetrieben. Bei dem
jeweiligen magnetischen Element kann es sich um einen Permanentmagneten
oder um einen Elektromagneten handeln.
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Alternativ
zur Führung des Katheters durch ein externes Magnetfeld
kann eine mechanische Navigation vorgesehen sein. Hierzu sind in
dem Katheter zweckmäßigerweise geeignete mechanische
Elemente, z. B. in Form von Zugdrähten und dergleichen,
integriert, die durch äußere Zug- und Druckkräfte
eine temporäre mechanische Verformung, Dehnung und/oder
Biegung des Katheters oder einzelner, auswählbarer Katheterabschnitte,
insbesondere der Katheterspitze, erlauben. Vorzugsweise erfolgt
die mechanische und/oder magnetische Führung des Katheters
automatisch mit Hilfe einer computergestützten Steuer-
und Antriebsvorrichtung.
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Des
Weiteren kann es vorgesehen sein, den eigentlichen Injektionskatheter
durch einen äußeren Führungskatheter
hindurch bis in das zu behandelnde Organ einzuführen. Beispielsweise
kann somit nach der Durchführung einer Injektion von Stammzellen
in ein lokales Gebiet des Herzens mit einem Katheter der oben beschriebenen
Art jener Katheter gegen einen weiteren Katheter, mit dessen Hilfe
ein weiterer Schritt einer Behandlungsabfolge im Herzen durchgeführt
wird, innerhalb des Führungskatheters ausgetauscht werden, ohne
dass der Patient durch eine erneute Invasion, sprich durch einen
Wechsel oder eine Bewegung oder sonstige Manipulation des äußeren
Führungskatheters, belastet wird. Der ausgewechselte Innenkatheter muss
auch nicht erst aufwändig in das Zielgebiet navigiert und
dort erneut justiert werden. Vielmehr genügt es, ihn bis
zu einer Anschlagsposition in den Hohlraum des äußeren
Führungskatheters einzuschieben, der während der
Prozedur in seiner zuvor erreichten oder eingenommenen Lage im Gefäß bzw.
im Herzen verbleibt.
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Ein
zweckmäßiger Arbeitsablauf (Workflow) für
den Einsatz des Körperzellen-Injektionskatheters mit integrierter
Bildgebung sieht beispielsweise wie folgt aus:
- 1.
Positionierung des Patienten auf dem Behandlungstisch,
- 2. evtl. vorbereitende Röntgenuntersuchung und/oder
extrakorporale Ultraschalluntersuchung,
- 3. Einführung des Katheters über einen venösen
Zugang,
- 4. Führung des Katheters basierend auf der integrierten
Bildgebung bis zu der zu behandelnden Region im Herzen,
- 5. Beobachtung des zu behandelnden Herzgewebes und Positionierung
des Katheters mit Hilfe der integrierten Bildgebung, insbesondere
Ausrichtung des Injektionswerkzeuges mit Hilfe der integrierten
Bildgebung,
- 6. Durchführung einer Injektion von Zellmaterial unter
Echtzeitbeobachtung mittels der integrierten Bildgebung.
- 7. Entfernung des Katheters,
- 8. evtl. Wiederholung der Schritte 3 bis 5 mit einem weiteren
Katheter und ggf. Durchführung nachfolgender Behandlungsschritte,
- 9. evtl. ergänzende abschließende Röntgenkontrolluntersuchung
und/oder extrakorporale Ultraschalluntersuchung,
- 10. Verlegung des Patienten.
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Je
nach Art der Bildgebung und deren Fähigkeit zur „Durchdringung” von
Blut kann es während der Schritte Nr. 4 bis Nr. 6 sinnvoll
sein, den zu beobachtenden Bereich zeitweilig mit einer physiologischen
Kochsalzlösung zu spülen, um einmalig kurzzeitig
oder kurzzeitig gepulst in periodischen Wiederholungszyklen das Blut
zu verdrängen bzw. zu verdünnen. Des Weiteren
kann es sinnvoll sein, ein Kontrastmittel am Ort der Beobachtung
zu applizieren, im Fall einer IVMRI-Bildgebung beispielsweise auf
Basis von Gadolinium, oder bei einer Ultraschallbildgebung auf Basis
von Schwefelhexanfluorid. Die Injektion erfolgt vorteilhafterweise über eine
im Katheterholraum verlegte, im Bereich der Katheterspitze eine
Auslassöffnung aufweisende Injektionsleitung oder dergleichen.
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Zusammengefasst
ist mit dem hier beschriebenen Katheter vor allem eine Optimierung
der medizinischen Arbeitsabläufe bei einem minimalinvasiven
Eingriff am Herzen eines Lebewesens ermöglicht, bei welchem
eine Injektion von Zellmaterial durchgeführt wird. Derartige
Eingriffe können mit einem höheren Maß an Patientensicherheit
und zugleich schneller als bislang absolviert werden.
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Verschiedene
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer
Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in jeweils
stark vereinfachter und schematischer Darstellung:
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1 eine
medizinische Untersuchungs- und Behandlungseinrichtung mit einem
im Längsschnitt dargestellten Katheter zur Injektion von
Körperzellen in ein Körperorgan, insbesondere
in ein Koronargefäß oder einen Herzmuskel,
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2 bis 5 alternative
Ausführungsformen eines solchen Katheters,
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6 eine
Detaildarstellung eines seitlich zur Injektionsnadel eines Katheters
der oben genannten Art angeordneten optischen Sensors mit seitlicher/radialer
Beobachtungsrichtung,
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7 eine
Detaildarstellung eines optischen Sensors mit vorwärts
gerichteter Beobachtungsrichtung,
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8 eine
Detaildarstellung eines Sensorkopfes für OCT- oder LCI-Bildgebung
mit seitlicher/radialer Beobachtungsrichtung,
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9 eine
Detaildarstellung eines Sensorkopfes für OCT- oder LCI-Bildgebung
mit vorwärtsgerichteter Beobachtungsrichtung,
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10 eine
Detaildarstellung eines Sensors für IVMRI-Bildgebung mit
seitlicher/radialer Beobachtungsrichtung, und
-
11 eine
Detaildarstellung eines Sensors für IVMRI-Bildgebung mit
vorwärtsgerichteter Beobachtungsrichtung.
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Gleiche
Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Der
in 1 dargestellte Katheter 2 ist für
einen minimalinvasiven chirurgischen Eingriff am Herzen ausgelegt.
Er umfasst eine flexible Katheterhülle 4 zur Einführung
in ein nicht näher dargestelltes Blutgefäß. Für
die Durchführung des Eingriffs wird die am proximalen Ende 10 befindliche
Katheterspitze 12 bis zur Behandlungsregion im Herzen vorgeschoben.
Die Katheterhülle 4 umgibt einen zylindrischen
Katheterholraum 6 (auch als Lumen bezeichnet), in welchem
unter anderem eine hier nicht näher dargestellte Steuerungsleitung oder
ein Steuerdraht zur Ansteuerung einer Vorrichtung 14 zur
Implantation von Zellmaterial im Herzen verläuft. Diese
Vorrichtung 14 umfasst ein Injektionswerkzeug 15,
welches vorliegend in Form einer Injektionsnadel 16 ausgebildet
ist.
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Mit
Hilfe der Injektionsnadel 16 kann Zellmaterial, insbesondere
in einer Lösung vorgehaltene Stammzellen, aus einem außerhalb
des Katheters 2 befindlichen Reservoir 17 in das
Herzgewebe lokal injiziert werden. Die Lösung wird dabei
z. B. mit Hilfe eines unter Druck stehenden Treibfluids oder mit
einer hier nicht dargestellten Pumpvorrichtung durch die im Katheterhohlraum 6 verlaufende
Zuführungsleitung 8 zur Injektionsnadel 16 geführt.
In 1 ist die Injektionsnadel 16 in einer
vollständig in die Katheterhülle 4 zurückgezogenen bzw.
eingefahrenen Transportstellung dargestellt. Zur Durchführung
der Injektion wird die Injektionsnadel 16 in proximaler
Richtung aus der Katheterhülle 4 herausgefahren
und somit in eine Behandlungsstellung gebracht. Die Zuführungsleitung 8 für
die zu injizierenden Körperzellen kann beispielsweise auch
als Hohlraum in den Steuerdraht für die Verschiebung der
Injektionsnadel 16 integriert sein. Alternativ können
beide Komponenten separat voneinander ausgebildet sein.
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Für
einen optimalen und dauerhaften Heilungserfolg und zur Minimierung
eventueller Eingriffsrisiken ist es wichtig, dass der Katheter 2 und
dessen lokale Umgebung im Körperinneren während
des Vorschubs durch ein Blutgefäß zum Herzen für
zeitnahe und feine Positionskorrekturen möglichst gut aufgelöst
beobachtbar ist. Insbesondere ist es wichtig, dass die Injektionsnadel 16 möglichst
exakt an der für den jeweiligen Eingriff richtigen bzw. „passenden” Stelle
des Herzmuskelge webes positioniert wird. Eine derartige Überwachung erfolgte
bislang üblicherweise durch angiographische Röntgenkontrolle.
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Für
eine qualitativ verbesserte Überwachung ohne Einsatz von
ionisierender Röntgenstrahlung ist der Katheter 2 gemäß 1 nunmehr
mit einem bildgebenden Sensor 18 ausgestattet, welcher
seitlich zur Injektionsnadel 16 im Bereich der Katheterspitze 12 angeordnet
ist. Das „Blickfeld” des Sensors 18 ist
je nach Sensortyp und sonstigen Details der Ausgestaltung vorzugsweise
radial nach außen (zur umgebenden Gefäßwand,
hier nicht dargestellt) und/oder in proximaler Richtung nach vorne
(also in Vorschubrichtung des Katheters 2) gerichtet, wie
symbolisch durch die Pfeile 20 angedeutet ist.
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Der
bildgebende Sensor 18 kann beispielsweise ein optischer,
ein akustischer (Ultraschall) oder ein auf dem Prinzip der Magnetresonanz
beruhender Sensor sein. Die für seinen Betrieb und zur Übertragung
der aufgenommenen Bilddaten erforderlichen Signal- und Versorgungsleitungen 22 sind
im Inneren der Katheterhülle 4 bis zu einer am
körperabgewandten (distalen) Ende des Katheters 2 angeordneten
Anschlusskupplung 24 geführt. Über die
Anschlusskupplung 24 sind zum einen die druck- und/oder
fluidführenden Leitungen, insbesondere die Zuführungsleitung 8 für
das zu injizierende biologische Zellmaterial, innerhalb der Katheterhülle 4 mit
externen Vorratsbehältern und dergleichen mechanisch verbindbar.
Zum anderen sind über die Anschlusskupplung 24 die
bildgebenden elektronischen Komponenten des Katheters 2 elektrisch
mit einem nur schematisch angedeuteten Signalinterface 26 verbindbar,
welches seinerseits mit einer externen Bildaufbereitungs- und Wiedergabeeinrichtung 28 verbunden
ist. Ein nicht näher dargestellter Monitor dient zur Wiedergabe
der vom bildgebenden Sensor 18 intervaskulär bzw.
intrakorporal aufgenommenen und gegebenenfalls anschließend
rechnerisch aufbereiteten „Live-Bilder” vom Behandlungsort.
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Um
den bildgebenden Sensor 18 innerhalb der feststehenden
Katheterhülle 4 um seine eigene Achse rotieren
zu können, kann ferner eine rotierbare Antriebswelle im
Katheterhohlraum 6 angeordnet sein, die allerdings in 1 nicht
näher dargestellt ist. Der bildgebende Sensor 18,
die Signalleitungen 22 und gegebenenfalls die Antriebswelle
können in der Art eines innerhalb der äußeren
Katheterhülle 4 angeordneten Innenkatheters zu
einer kompakten Einheit zusammengefasst und von einer (inneren)
Schutzhülle 30 umgeben sein. Insbesondere bei
Anwendung interferometrischer Bildgebungsmethoden können
in dem Innenkatheter auch Lichtleiter verlegt sein, über
die ein- und ausfallende Lichtbündel zu einer extern aufgestellten, über
die Anschlusskupplung 24 verbindbaren Interferometereinheit
oder dergleichen geführt werden. Im Bereich des bildgebenden
Sensors 18 weist die innere Schutzhülle 30 und/oder
die äußere Katheterhülle 4 und/oder
das Injektionswerkzeug 15, zweckmäßigerweise
einen für das jeweilige bildgebende Verfahren transparenten
Bereich 32, gegebenenfalls auch eine optische Linse, auf.
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Des
Weiteren können (optional) eine oder mehrere Leitungen
(hier nicht dargestellt) für eine Spülflüssigkeit
oder ein Kontrastmittel vorgesehen sein, welches über eine
in der Nähe des bildgebenden Sensors 18 angeordnete,
am proximalen Ende der Katheterhülle 4 befindliche
Austrittsöffnung 36 in die zu untersuchende/zu
behandelnde Herzregion injizierbar ist.
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Schließlich
können im Bereich der Katheterspitze 12, hier
in 1 in unmittelbarer Nachbarschaft zum bildgebenden
Sensor 18, Positionssensoren 38 vorgesehen sein,
die im Zusammenspiel mit einer außerhalb des Patientenkörpers
angeordneten Positionserkennungseinheit 40 nach dem Sender-Empfänger-Prinzip
eine genaue Ortung/Lokalisierung der Katheterspitze 12 durch
Identifikation der Koordinaten der Katheterspitze 12 ermöglichen.
Die so gewonnenen Positionsdaten können beispielsweise
der Bildaufbereitungs- und Wiedergabeeinrichtung 28 zugeführt
werden und bei der Bildrekonstruktion, speziell bei der Artefaktkorrektur,
Berücksichtigung finden. Die notwendigen Signalleitungen 42 für
die Positionssensoren 38 können ebenfalls innerhalb
der (inneren) Schutzhülle 30 im We sentlichen parallel
zu den Signalleitungen 22 des bildgebenden Sensors 18 geführt
sein.
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In 2 bis 5 sind
jeweils konstruktive Abwandlungen des Katheters 2 dargestellt.
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So
ist beispielsweise in 2 das den bildgebenden Sensor 18 tragende
Innenteil 44 gegenüber der Katheterhülle 4 nach
vorne (in proximaler Richtung) aus einer nicht näher kenntlich
gemachten, der Position in 1 entsprechenden
Rückzugsposition in die hier dargestellte vorgelagerte
Position verschiebbar und umgekehrt (angedeutet durch den Doppelpfeil 46).
Das heißt, der bildgebende Sensor 18 lässt
sich bei Bedarf über das proximale Ende der Katheterhülle 4 hinaus
nach vorne schieben und hat dort uneingeschränkte Sicht, insbesondere
auf die in 2 ebenfalls aus der Katheterhülle 4 herausgefahrene
Injektionsnadel 16. Das Herausfahren/Einfahren der Injektionsnadel 16 und
des bildgebenden Sensors 18 ist vorzugsweise unabhängig voneinander
möglich.
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Die
Ausführungsform gemäß 3 entspricht
im Wesentlichen derjenigen aus 1 oder 2,
allerdings ist hier auf ein transparentes Fenster an der Katheterhülle 4 verzichtet.
Auch die Ausführungsform gemäß 4 ist ähnlich
gehalten wie die bereits beschriebenen, jedoch ist/sind der/die
Positionssensoren 38 bei dieser Variante nunmehr an der äußeren
Katheterhülle 4 angeordnet. Bei der Variante gemäß 5 schließlich
ist der Verschiebeweg des bildgebenden Sensors 18 in Längsrichtung
in die Katheterhülle 4 hinein vergrößert.
Die Positionssensoren 38 sind hier weiter zum körperabgewandten
Ende des Katheters 2 hin angebracht, und der transparente
Bereich 32 ist vergrößert.
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In
der Detaildarstellung gemäß 6 ist
der Bereich der Katheterspitze 12 mit dem bildgebenden
Sensor 18 vergrößert herausgehoben, wobei
in der hier dargestellten Variante ein optischer Sensor auf CMOS-Basis
Verwendung findet. Eine Lichtquelle 48, hier eine Hochleistungs-Mikro-LED,
beleuchtet die in etwa ringförmig den Katheter 2 und
speziell den bildgebenden Sensor 18 umgebende Gefäßwand 50 (ausgesandtes
Licht 51). An der Gefäßwand 50 reflektiertes
Licht 53 fällt durch eine Linse 52 auf
einen Reflektionsspiegel 54 (oder auch z. B. auf ein Prisma
mit analoger Funktionsweise bzw. Strahlführung) und von
dort auf den eigentlichen CMOS-Bilddetektor 56. Die Anordnung
gemäß 6 ist also für eine
radiale Blickrichtung (bezogen auf die Mittelachse 58 des
Katheters 2) konfiguriert. Durch eine mit Hilfe der Antriebswelle 59 bewerkstelligte
Rotationsbewegung um die Mittelachse 58, angedeutet durch
den Pfeil 60, kann das volle seitliche 360°-Blickfeld abgedeckt
werden.
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Alternativ
ist in 7 ein Beispiel für eine Konfiguration
von Lichtquelle 48, Linse 52 und CMOS-Detektor 56 dargestellt,
mit der eine Vorwärtsbetrachtung ermöglicht ist,
die beim Vorschub des Katheters 2 durch die Blutgefäße
bis zu den Herzkammern und gegebenenfalls durch die Herzklappen
hindurch besonders nützlich ist. Ein in Vorwärtsrichtung
liegendes, den weiteren Vorschub möglicherweise behinderndes
Hindernis 61 kann so erkannt werden. Die beiden Varianten
nach 6 und 7 können gegebenenfalls
auch miteinander kombiniert sein, um ein besonders umfassendes Blickfeld
in praktisch alle Richtungen bereitzustellen.
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Die
genannten Beobachtungsrichtungen, nämlich radial-/seitlich
und vorwärtsgerichtet, können auch bei anderen
Sensortypen verwirklicht sein. Beispielsweise ist in 8 eine
Konfiguration eines OCT- oder LCI-Sensorkopfes 62 für
radiale Abstrahlung und Empfang und in 9 für
eine vorwärtsgerichtete Abstrahlung und Empfang darstellt.
Genauer gesagt, bezeichnet das Bezugszeichen 62 nur den
für die Lichtaus- und Einkopplung in den Lichtleiter 64 zuständigen
Sensorteil oder Sensorkopf; die eigentliche interferometrische Auswertung
und Bilderzeugung erfolgt außerhalb des Katheters 2.
Dargestellt ist jeweils der durch den Reflektionsspiegel 66 und
die Linse 68 beeinflusste Strahlengang ausgekoppelter und
reflektierter Lichtstrahlen.
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In ähnlicher
Weise kann auch ein IVMRI-Sensor oder IVUS-Sensor entweder für
radiale oder vorwärtsgerichtete Abstrahlung/Empfang konfiguriert
sein, wie in 10 und 11 schematisch
für einen IVMRI-Sensor 69 mit Permanentmagneten 70 für
das statische Magnetfeld und Sende-/Empfangsspulen 72 dargestellt ist.
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Bei
seitlicher Abstrahlung/Empfang kann es insbesondere im Fall von
Ultraschallsensoren anstelle eines einzigen rotierenden Sensors
vorteilhaft sein, ein Array von Ultraschallsensorelementen mit verschiedenen „Blickrichtungen” vorzusehen,
die beispielsweise zyklisch über einen Multiplexer aktiviert,
d. h. angeregt und abgefragt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 2004/0010231 [0009]
- - US 6600319 [0027]
- - US 2006/0103850 [0034]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - „Optical
frequency domain imaging with a rapidly swept laser in the 815-870
nm range”, H. Lim et al., Optics Express 5937, Vol. 14,
No. 13 [0035]