DE10241071A1

DE10241071A1 - Vorrichtung zum Lokalisieren bestimmter Substanzen in einem tierischen oder menschlichen Körper

Info

Publication number: DE10241071A1
Application number: DE2002141071
Authority: DE
Inventors: Josef Dr.sc.hum. Kozak; Stefan Dr. Dr. Haßfeld; Robert Dr. Krempien
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 2002-09-05
Filing date: 2002-09-05
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2022-09-06
Also published as: DE10241071B4

Abstract

Um bei einer Vorrichtung zum Lokalisieren bestimmter Substanzen in einem tierischen oder menschlichen Körper selektiv bestimmte Substanzen im Körper lokalisieren zu können, wird vorgeschlagen, daß in einem in den Körper einführbaren Sondenkörper mindestens ein Biochip angeordnet ist, der bei Kontakt mit der bestimmten Substanz ein elektrisches Signal erzeugt, daß der Biochip mit einer das elektrische Signal empfangenden Datenverarbeitungsanlage verbunden ist und daß eine Einrichtung zur Bestimmung der Lage des Biochips relativ zu dem Körper vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Lokalisieren bestimmter Substanzen in einem tierischen oder menschlichen Körper.

Um bestimmte Substanzen im tierischen oder menschlichen Körper festzustellen, beispielsweise bestimmte Proteine, veränderte Zellen oder Krankheitserreger, ist es bekannt, aus dem Körper Proben zu entnehmen, beispielsweise durch eine Biopsie, und diese Proben dann außerhalb des Körpers zu untersuchen. Dies ist zeitaufwendig und umständlich und für den Patienten häufig mit einer Traumatisierung verbunden, außerdem ist es sehr schwierig, die genaue Entnahmestelle der Probe zu lokalisieren.

Es ist auch bekannt, durch Einführung von Elektroden in den Körper bestimmte Substanzen zu bestimmen, beispielsweise den Sauerstoffgehalt des Blutes etc. Auch hier ist die Lokalisierung der Meßstelle schwierig, außerdem ist die Möglichkeit des Nachweises durch die Natur der zur Verfügung stehenden Elektroden sehr eng begrenzt auf ganz bestimmte wenige Substanzen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mit der es schnell und bei einer großen Zahl von Substanzen möglich wird, diese im Körper nachzuweisen und zu lokalisieren.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem in den Körper einführbaren Sondenkörper mindestens ein Biochip angeordnet ist, der bei Kontakt mit der bestimmten Substanz ein elektrisches Signal erzeugt, daß der Biochip mit einer das elektrische Signal empfangenden Datenverarbeitungsanlage verbunden ist, und daß eine Einrichtung zur Bestimmung der Lage des Biochips relativ zu dem Körper vorgesehen ist.

Die beschriebene Vorrichtung weist also mindestens einen Biochip auf. Unter Biochip werden Bauteile verstanden, die in der Lage sind, spezifisch auf eine ganz bestimmte Körpersubstanz zu reagieren und bei deren Anwesenheit ein elektrisches Signal zu erzeugen. Vorzugsweise handelt es sich dabei um Bauteile, die Substanzen mit einer ganz bestimmten DNA-Sequenz selektiv an sich binden und ein elektrisches Signal zu erzeugen, wenn eine solche selektive Bindung eingetreten ist.

Es sind Biochips bekannt, die beispielsweise DNA-Ketten an sich binden, die über eine Länge von etwa 10 bis 20 DNA-Komponenten mit einer gesuchten Komponentenfolge übereinstimmen, so daß eine extreme Selektivität möglich ist. Es kann sich bei derartigen Biochips beispielsweise handeln um Chips mit einen Siliziumsubstrat und darin integrierten elektrischen Bauelementen, die mit einer Fängersubstanz für die bestimmte DNA-Sequenz so verbunden sind, daß beim Anlagern von DNA-Molekülen mit der gesuchten Sequenz kleine Ströme erzeugt werden, die von den elektrischen Bauelementen des Chips gemessen und verstärkt und dann über Anschlüsse des Chips weitergeleitet werden können. Derartige Biochips werden beispielsweise beschrieben in ei nem Artikel von Helmuth Lemme „Gen-Identifikation elektronisch" in der Zeitschrift Elektronik 1/2002, Seiten 38 bis 45, WEKA Fachzeitschriftenverlag GmbH, Poing, Deutschland.

Unter dem Sammelbegriff Biochips sollen vorwiegend derartige Bauelemente verstanden werden, es fallen aber unter diesen Begriff auch anders strukturierte Bauelemente, denen allerdings gemeinsam ist, daß sie sehr klein sind und nach Art eines elektrischen Chips aufgebaut sind, so daß beim Kontakt mit einer bestimmten Substanz selektiv ein elektrisches Signal erzeugt wird. Derartige Biochips können Abmessungen in der Größenordnung bis zu 10 mm aufweisen, vorzugsweise sind sie jedoch kleiner und weisen maximale Erstrekkungen in der Größenordnung von 5 mm oder weniger auf.

Die Einrichtung zur Bestimmung der Lage des Biochips kann ein Navigationssystem mit einem Sondenkörper und an diesem festgelegten Markierelementen umfassen. Dieses Navigationssystem kann die Lage des Sondenkörpers relativ zum untersuchten Körper in an sich bekannter Weise bestimmen, und wenn die Lage des Biochips im Sondenkörper unveränderlich ist, kann man daraus auch die genaue Position des Biochips relativ zum untersuchten Körper feststellen.

Bei einem Sondenkörper, der verformbar ist, beispielsweise verbiegbar, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß dieser mindestens über einen Teil seiner Länge einen faseroptischen Positionsgeber trägt, dessen Form und dessen Lage im Raum über seine Länge mittels der Datenverarbeitungsanlage erfaßbar ist.

Derartige faseroptische Positionsgeber umfassen in der Regel ein Bündel von nebeneinander angeordneten Glasfasern, deren Lichtleiteigenschaften abhängig sind von einer Biegung der Faser. Wenn die Faser stark gebogen wird, wird der Austritt einer durch die Lichtleitfaser gesandten Strahlung erhöht, die Polarisation dieser Strahlung ändert sich abhängig von der Richtung der Biegung. Eine Abstrahlung von Strahlung ist allerdings nur in bestimmten Bereichen längs der Faser möglich, da diese Bereiche beispielsweise durch eine fehlende Umhüllung gegenüber der übrigen Menge der Faser verändert sind. Wenn diese Bereiche über die Länge des Faserbündels so verteilt sind, daß jede Faser an einer anderen Stelle einen derartigen Bereich aufweist, kann man die Biegung des gesamten Faserbündels über seinen gesamten Längenbereich bestimmen, und diese Biegung gibt dann Auskunft über die Verformung des Sondenkörpers. Kombiniert man einen solchen Positionsgeber mit einem Markierelement am Sondenkörper, lassen sich auf diese Weise nicht nur die Lage des Sondenkörpers relativ zu dem untersuchten Körper bestimmen, sondern auch der gesamte Verlauf und damit auch bei einem verformbaren Sondenkörper die jeweilige Lage des Biochips im untersuchten Körper.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Sondenkörper in bestimmten Relativabständen zueinander mehrere Biochips trägt, deren Position am Sondenkörper in der Datenverarbeitungsanlage gespeichert ist. Auf diese Weise kann der Sondenkörper an unterschiedlichen Stellen des untersuchten Körpers gleichzeitig nach der bestimmten Substanz suchen.

Insbesondere können die Biochips in einer Reihe nebeneinander angeordnet sein, so daß man genau feststellen kann, in welchen Bereichen längs dieser Reihe die gesuchte Substanz vorhanden ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Sondenkörper einen Längskanal aufweist und daß entlang dieses Längskanals mehrere Biochips in definiertem Abstand zueinander angeordnet sind. Dieser Längskanal kann als Katheter, als Hohlnadel oder dergleichen ausgebildet sein. Beim Einführen eines solchen Sondenkörpers in den Körper kann längs des Kanales an den jeweiligen Orten der Biochips jeweils eine Bestimmung der gesuchten Substanz erfolgen, so daß man auf diese Weise auch einen Körperbereich feststellen kann, in dem eine solche gesuchte Substanz aufzufinden ist, beispielsweise eine entartete Krebszellenart. Das heißt man kann auf diese Weise die Erstreckung eines Tumors feststellen.

Es ist vorteilhaft, wenn der Biochip nebeneinander Meßstellen für unterschiedliche Substanzen aufweist. Während also grundsätzlich möglich ist, Biochips zu verwenden, die nur auf eine ganz bestimmte Substanz selektiv ansprechen, kann mit derartigen Biochips ein ganzes Spektrum von unterschiedlichen Substanzen gleichzeitig detektiert werden, so daß aufeinanderfolgende Untersuchungen nicht mehr notwendig sind.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Biochip eine elektrische Schaltung aufweist, die elektrische Signale der verschiedenen Meßstellen nacheinander über eine längs des Sondenkörpers verlaufende Signalleitung sendet. Diese serielle Datenübertragung reduziert die Zahl der Anschlüsse des Biochips und ermög licht einen einfacheren Aufbau des Biochips und der gesamten Biochipanordnung.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Datenverarbeitungsanlage eine Anzeigeeinrichtung zugeordnet ist, auf der in der Datenverarbeitungsanlage gespeicherte Strukturdaten des Körpers überlagert mit Positionsdaten der Biochips im Körper darstellbar sind. Der Operateur kann auf der Anzeigeeinrichtung damit die Lage der einzelnen Biochips im Körper unmittelbar beobachten. Zusätzlich kann vorgesehen sein, daß die Anzeigeeinrichtung die Biochips, die beim Kontakt mit der bestimmten Substanz ein elektrisches Signal erzeugen, unterschiedlich darstellt von den Biochips, die ohne einen solchen Kontakt mit der bestimmten Substanz sind und daher kein solches elektrisches Signal erzeugen. Bei der Darstellung wird also nicht nur die Lage aller Biochips im Körper deutlich, sondern man kann gleichzeitig ablesen, welche der Biochips auf die gesuchte Substanz getroffen sind, so daß man auf diese Weise beispielsweise die Ausdehnung eines Tumors unmittelbar im Vergleich zu den übrigen Körperstrukturdaten beobachten kann.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines mit einer Vielzahl von Biochips versehenen katheterartigen Sondenkörpers mit einem Navigationssystem beim Einführen in den Arm eines Patienten;

2: eine vergrößerte Längsschnittansicht des Sondenkörpers der 1 mit in einen schlauchförmigen Sondenkörper eingeschobenen Biochips und

3: eine Ansicht ähnlich 2 mit Biochips, die im Sondenkörper durch eine Vergießmasse festgelegt sind.

Die in den 1 und 2 dargestellte Vorrichtung umfaßt einen Sondenkörper 1 in Form eines Hohlkatheters, eines Schlauches oder einer Hohlnadel mit einer Außenwand 2 und einem von dieser umgebenen Längskanal 3. Der Sondenkörper ist flexibel ausgestaltet und endet in einem starren Rohrstück 4.

Im Inneren des Längskanals 3 sind über dessen Länge verteilt in gegenseitigem Abstand voneinander eine Vielzahl von Biochips 5 angeordnet, und zwar derart, daß diese Biochips mit der Umgebung des Sondenkörpers 1 durch die Außenwand 2 hindurch in Verbindung stehen. Eine Steuerleitung 6 verbindet die Biochips 5 mit einer Datenverarbeitungsanlage 7, es kann sich dabei um eine Steuerleitung handeln, über die von den Biochips 5 erzeugte elektrische Signale nacheinander der Datenverarbeitungsanlage 7 zugeführt werden, es ist aber auch möglich, jeden Biochip 5 mit einer eigenen Steuerleitung mit der Datenverarbeitungsanlage 7 zu verbinden, der Ausdruck „Steuerleitung 6" steht dann für das Bündel dieser Steuerleitungen.

Die Biochips 5 sind in an sich bekannter Weise so ausgebildet, daß sie selektiv beim Kontakt mit einer bestimmten Umgebungssubstanz ein elektrisches Sig nal erzeugen, beispielsweise mit einem bestimmten Typ einer Krebszelle oder mit einem bestimmten Protein. Dabei können die Biochips 5 auch so aufgebaut sein, daß sie mehrere derartige Meßstellen aufweisen, die für unterschiedliche Substanzen spezifisch sind.

An dem Rohrstück 4 des Sondenkörpers 1 ist ein Markierelement 8 starr festgelegt, das beispielsweise drei kugelförmige Reflexionskörper für Infrarotstrahlung trägt und dessen Position im Raum durch ein ortsfestes Navigationssystem 9 bestimmt werden kann. Dieses Navigationssystem 9 kann beispielsweise in bekannter Weise Infrarotsender und Infrarotkameras umfassen, die von den Reflexionselementen des Markierelementes 8 reflektierte Infrarotstrahlung empfangen und daraus die Position des Markierelementes 8 bestimmen.

Ein gleichartiges Markierelement 10 kann am Körper eines Patienten festgelegt werden, im dargestellten Ausführungsbeispiel am Arm 11 eines Patienten, so daß auf diese Weise auch die Lage des Armes 11 im Raum über das Navigationssystem 9 bestimmt werden kann.

In die Außenwand 2 des Sondenkörpers 1 ist ein Glasfaserbündel 12 eingebettet, das sich über die gesamte Länge des Sondenkörpers 1 erstreckt. Dieses Glasfaserbündel 12 steht über eine in der Zeichnung nicht dargestellte weitere Steuerleitung mit der Datenverarbeitungsanlage 7 in Verbindung, so daß diese Datenverarbeitungsanlage mit Signalen versorgt wird, die ihr ermöglicht, den gesamten Verlauf des Glasfaserbündels 12 und damit des Sondenkörpers 1 über dessen Länge zu bestimmen.

Der Datenverarbeitungsanlage 7 ist weiterhin ein Anzeigegerät 13 in Form eines Monitors zugeordnet, auf diesem Anzeigegerät 13 können in einem Speicher der Datenverarbeitungsanlage 7 abgelegte Strukturdaten des untersuchten Körperteils, also beispielsweise des Armes 11, angezeigt werden und diesen überlagert ein Bild des Sondenkörpers 1 mit den darin angeordneten Biochips 5. Bei dieser Überlagerung der Darstellung werden die relativen räumlichen Zuordnungen des Armes 11 einerseits und des Sondenkörpers 1 andererseits durch das Navigationssystem 9 berücksichtigt, die Lage des Sondenkörpers 1 im Bereich des Rohrstückes 4 kann über das Markierelement 8 bestimmt werden, der gesamte Verlauf ausgehend von dem Rohrstück 4 durch die von dem Glasfaserbündel 12 erzeugten Positionssignale.

Auf dem Anzeigegerät erhält man damit eine Überlagerung der beiden Bilder, so daß man genau sehen kann, wie der Sondenkörper 1 relativ zu dem Arm 11 positioniert ist.

Zur Untersuchung wird der Sondenkörper 1 in den zu untersuchenden Körperbereich eingeschoben, also beispielsweise in den Arm 11, dies ist in der Darstellung der 1 nur sehr schematisch dargestellt. Wenn innerhalb des Körpers einer der Biochips 5 mit der gesuchten Substanz oder mit einer der gesuchten Substanzen in Berührung kommt, erzeugt der jeweilige Biochip 5 ein elektrisches Signal, das ebenfalls der Datenverarbeitungsanlage 7 zugeführt wird. In der Datenverarbeitungsanlage 7 ist aufgrund der beschriebenen Positionsbestimmung die genaue Lage des jeweiligen Biochips 5 im untersuchten Körperteil bekannt, so daß dadurch auch festgestellt werden kann, an welcher Stelle des untersuchten Körperteils eine spezifische Substanz aufgefunden worden ist. Auf dem Anzeigegerät 13 kann dies dadurch kenntlich gemacht werden, daß die Biochips 5, die ein entsprechendes Signal nach Kontakt mit der gesuchten Substanz erzeugen, markiert werden, beispielsweise durch eine andere Farbgebung. Dadurch erkennt die behandelnde Person sofort, in welchem Bereich des Körpers gesuchte Substanzen aufgefunden worden sind und wie weit sich diese im Körper erstrecken.

Der Sondenkörper 1 kann gegebenenfalls mehrfach in den Körper eingeschoben werden, um unterschiedliche Positionen einzunehmen, so daß größere Bereiche auf diese Weise abgetastet und untersucht werden können. Es gelingt auf diese Weise zum Beispiel, die Erstreckung eines Tumors festzustellen, da die im Tumor aufzufindenden Krebszellen bestimmte veränderte DNA-Sequenzen zeigen, die selektiv festgestellt werden können.

Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Sondenkörpers 1 sind die Biochips 5 in eine rohrähnliche Struktur eingeschoben und werden zwischen den Außenwänden 2 gehalten.

Bei der Ausgestaltung der 3 ist eine etwas abgewandelte Ausführung gewählt, einander entsprechende Teile tragen dieselben Bezugszeichen. Die Biochips 5, die über die Steuerleitung 6 miteinander verbunden sind, werden hier durch eine Vergießmasse 14 in den Zwischenräumen zwischen den Biochips aneinandergekoppelt, diese Masse kann je nach Wunsch starr oder elastisch sein, insbesondere bei einer elastischen oder verformbaren Ausgestaltung ist es sinnvoll, zusätzlich auch noch ein Glasfaserbündel 12 einzubetten.

Claims

Vorrichtung zum Lokalisieren bestimmter Substanzen in einem tierischen oder menschlichen Körper, dadurch gekennzeichnet, daß in einem in den Körper (11) einführbaren Sondenkörper (1) mindestens ein Biochip (5) angeordnet ist, der bei Kontakt mit der bestimmten Substanz ein elektrisches Signal erzeugt, daß der Biochip (5) mit einer das elektrische Signal empfangenden Datenverarbeitungsanlage (7) verbunden ist und daß eine Einrichtung (9) zur Bestimmung der Lage des Biochips (5) relativ zu dem Körper (11) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Bestimmung der Lage des Biochips (5) ein Navigationssystem (9) umfaßt mit an dem Sondenkörper (1) und an dem Körper (11) festgelegten Markierelementen (8, 10).
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenkörper (1) verformbar ist und mindestens über einen Teil seiner Länge einen faseroptischen Positionsgeber (12) trägt, dessen Form und dessen Lage im Raum über seine Länge mittels der Datenverarbeitungsanlage (7) erfaßbar ist.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Sondenkörper (1) in bestimmtem Relativabstand zueinander mehrere Biochips (5) angeordnet sind, deren Position am Sondenkörper (1) in der Datenverarbeitungsanlage (7) gespeichert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Biochips (5) in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenkörper (1) einen Längskanal (3) aufweist und längs dieses Längskanals (3) mehrere Biochips (5) in definiertem Abstand zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Biochip (5) nebeneinander Meßstellen für unterschiedliche Substanzen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Biochip (5) eine elektrische Schaltung aufweist, die elektrische Signale der verschiedenen Meßstellen nacheinander über eine längs des Sondenkörpers (1) verlaufende Signalleitung (6) sendet.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenverarbeitungsanlage (7) eine Anzeigeeinrichtung (13) zugeordnet ist, auf der in der Datenverarbeitungsanlage (7) gespeicherte Strukturdaten des Körpers (11) überlagert mit Positionsdaten der Biochips (5) im Körper (11) darstellbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung (13) die Biochips (5), die beim Kontakt mit der bestimmten Substanz ein elektrisches Signal erzeugen, unterschiedlich darstellt von Biochips (5), die ohne einen solchen Kontakt mit der bestimmten Substanz sind und daher kein solches elektrisches Signal erzeugen.