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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Lokalisieren bestimmter
Substanzen in einem tierischen oder menschlichen Körper mit
einem Biochip, der bei Kontakt mit einer bestimmten Substanz ein elektrisches
Signal erzeugt und der mit einer das elektrische Signal empfangenden
Datenverarbeitungsanlage verbunden ist und der in einem in den Körper einführbaren
Sondenkörper
angeordnet ist, und mit einer Einrichtung zur Bestimmung der Lage des
Sondenkörpers
und damit des Biochips relativ zu dem Körper.
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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.
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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.
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In
der
US 5,833,603 A ist
ein Biosensor beschrieben, der mittels eines Katheters an eine bestimmte
Stelle des Körpers
vorgeschoben werden kann, der bei Aktivierung entsprechende elektrische Signale
an eine Datenverarbeitungsanlage liefert.
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Weiterhin
sind Navigationssysteme bekannt, mit denen die Lage eines chirurgischen
Instrumentes im Raum bestimmt werden kann (
DE 200 15 893 U1 ).
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung so auszubilden,
dass mit ihr schnell und bei einer großen Zahl von Substanzen möglich wird,
diese im Körper
nachzuweisen und räumlich
zu lokalisieren.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs beschriebenen Art
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Einrichtung zur Bestimmung der Lage des Biochips ein Navigationssystem
umfasst mit an dem Sondenkörper
und an dem Körper festgelegten
Markierelementen.
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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 erzeugen, wenn eine solche selektive Bindung eingetreten
ist.
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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.
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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 Erstreckungen in der Größenordnung von 5 mm oder weniger
auf.
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Die
Einrichtung zur Bestimmung der Lage des Biochips ist ein Navigationssystem
mit einem Sondenkörper
und an diesem festgelegten Markierelementen. 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 z. B. als Katheter oder als Hohlnadel 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.
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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.
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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.
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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.
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Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung eines mit einer Vielzahl von Biochips
versehenen katheterartigen Sondenkörpers mit einem Navigationssystem beim
Einführen
in den Arm eines Patienten;
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2:
eine vergrößerte Längsschnittansicht des
Sondenkörpers
der 1 mit in einen schlauchförmigen Sondenkörper eingeschobenen
Biochips und
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3:
eine Ansicht ähnlich 2 mit
Biochips, die im Sondenkörper
durch eine Vergießmasse
festgelegt sind.
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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.
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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.
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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 beim Kontakt 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.