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Stand der
Technik und ihre Kritik
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Die Erfindung betrifft eine katheterbasierte Vorrichtung
zur Untersuchung physiologischer Abläufe und krankheitsbedingter
Störungen
des Transports unterschiedlicher Inhalte in den Hohlorganen des
Körpers,
wie z.B. in den schlauchförmigen
Organen des Gastrointestinaltrakts (GIT), des Uretertrakts (UT)
oder in den Blutgefäßen.
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Auf die komplexe und durchaus unterschiedliche
Anatomie und Funktion dieser Organe kann hier nicht eingegangen
werden, es wird nur ein grober Abriss einiger für diese Erfindung wesentlicher
Merkmale gegeben.
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Im GIT wird die Nahrung zum Teil
mit Fermenten oder selten auch mit Gas vermischt, auf vielfältige Weise
verarbeitet und physiologisch überwiegend
aboral transportiert. Krankhafte Vorgänge können, wie z.B. im Falle der
Refluxe, die Transportrichtung umkehren und mit dem Refluxat die
Organwand angreifen. Andere Erkrankungen verändern beispielhaft die Nachgiebigkeit
der Wand, engen den Querschnitt des Hohlorgans ein und/oder beeinträchtigen die
physiologischen Antriebsmechanismen, alles Veränderungen, die den Transport
der Nahrung und damit auch die Verdauung beeinflussen.
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Im Uretertrakt (UT) wird Harn mit
unterschiedlicher ionaler Zusammensetzung befördert, durch Erkrankungen kommt
es beispielhaft zur Beeinträchtigung
der Peristaltik und Motilität,
zur Einengung des Querschnitts des Organs oder zu einer spezifischen
Veränderung
der ionalen Zusammensetzung.
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In den Blutbahnen wird sauerstoffreiches oder
-armes Blut befördert,
wobei durch die Kalkablagerung die Blutgefäße einengt und deren Nachgiebigkeit
beeinträchtigt
wird.
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Für
die Diagnose dieser Störungen
in Hohlorganen stehen heute hauptsächlich
- a)
bildgebende Systeme (Röntgen,
Ultraschall) und
- b) katheterbasierte Messvorrichtungen der Manometrie, pH-Metrie
und Impedanzmetrie
zur Verfügung.
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zu a)
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Bildgebende Röntgen-Systeme werden nichtinvasiv
von der Körperoberfläche aus
eingesetzt, und sie bilden die Umrisse eines markierten Inhalts
im Hohlorgan zwei- oder dreidimensional ab. Eine Reihe von funktionellen
Parametern der Hohlorgane bleibt aber unerkannt. Darüber hinaus
stellen die limitierte räumliche
und zeitliche Auflösung
und die beschränkte
Expositionsdauer des Körpers
durch die Anwendung ionisierender Strahlen ein Hindernis für die Untersuchung
schneller oder sehr langsamer Vorgänge dar. Ultraschall-Geräte werden
von der Körperoberfläche aus
oder auch intrakorporal eingesetzt. Die in der Praxis eingesetzten
Systeme zeigen eine beschränkte
räumliche
Auflösung,
so dass nur kurze Abschnitte der Hohlorgane abgebildet werden können. Darüber hinaus
wird die Abbildung von Hohlorganen durch den Einschluss von Gasen,
wie es z.B. im GIT der Fall sein kann, stark gestört.
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zu b)
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Herkömmliche katheterbasierte Messvorrichtungen
werden dort eingesetzt, wo ein detaillierter Einblick in die Funktion
des erkrankten Organs notwendig ist. Die heutigen katheterbasierten Mess-Systeme
nehmen Änderungen
nur einer oder weniger Variablen auf, so dass oft mehrere Systeme, zum
Teil nacheinander, zur Diagnose eingesetzt werden müssen. Dies
führt zwangsläufig zur
einer höheren
Belastung des Patienten und zu einer niedrigeren Aussagekraft.
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So gibt die Manometrie beispielsweise
nur einen punktuellen Druck am Ort des Sensors oder den Druck einer
vollständigen
Okklusion des Hohlorgans wieder. Die pH-Metrie beschreibt dagegen
nur die Azidität
der Inhalte im sauren Bereich.
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Die so genannte Impedanzmetrie (Impedanzmessung)
wird in mehreren Patenten (siehe Anlage) und Publikationen (Anhang
Publikationsliste-Impedanz) herangezogen und wegen der Verwandtschaft
mit dieser Erfindung ausführlicher
behandelt. In allen bekannten Arbeiten wird pro Kanal nur eine Größe, und
zwar das Verhältnis
zwischen der Spannung und dem Strom in Zwei- oder Vierelektrodenanordnung,
ohne Berücksichtigung
der Phasenbeziehung zwischen der Spannung und dem Strom gemessen.
Damit wird der elektrische Scheinwiderstand (Betrag der komplexen
Impedanz) zwischen den Messelektroden erfasst. Auf diese Weise können die
zeitlichen Parameter der Motilität
und Peristaltik, oder aus der Richtung des Transports in einer mehrkanaligen
Aufnahme die Refluxe, ihre Höhe und
die Verweildauer des Volumens des Refluxats erkannt werden. Darüber hinaus
ist eine Differenzierung zwischen Elektrolyt und Gas als Inhalt
eines Hohlorgans möglich.
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Das Impedanz-Verfahren vermag es
allerdings nicht, eine Charakterisierung der elektrischen Leitfähigkeit,
der ionalen Zusammensetzung oder der Azidität der leitfähigen Inhalte oder der Wand
zu liefern. Aus der Impedanz-Messung können auch keine geometrischen
Daten (Dicke, Volumen, Form) des transportierten Inhalts bestimmt
werden, wenn, wie in den meisten Fällen, die elektrische Leitfähigkeit
der Inhalte nicht bekannt ist. Darüber hinaus ist der Scheinwiderstand
in vielen Situationen unbestimmt, da unterschiedliche Beiträge der Resistanz (Wirkwiderstand)
und Reaktanz (Blindwiderstand) einer Mess-Strecke den gleichen Scheinwiderstand
ergeben können.
Schließlich
ist die visuelle Beurteilung der Impedanz-Kurven bei Monitoring-Aufgaben
wie auch bei einer weiteren Bewertung umständlich, da einerseits eine
umgekehrte Proportionalität
zwischen der Dicke der Inhalte im Bereich eines Mess-Segments im
Hohlorgan und dem Scheinwiderstand gilt, und andererseits eine hohe
Empfindlichkeit der Impedanz-Messung für kleine Dicken der Inhalte
zwischen dem Katheter und der Wand sowie kleine Verschiebungen des
Katheters im Organ eine laufende Basislinienschwankung verursachen.
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Die Aufgabe
der Erfindung und Erläuterung
der Lösung
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Bei der Erfindung handelt es sich
um eine katheterbasierte Vorrichtung zur Diagnose von Hohlorganen,
wie sie im Gastrointestinaltrakt (GIT), Utreatrakt (UT) oder im
Blutkreislauf vorkommen. Denkbar ist auch ein Einsatz dieser Vorrichtung,
ausgestattet mit einer Mess-Sonde, zur Beurteilung des Querschnitts
von Röhren,
die flüssige
oder breiige Inhalte befördern,
und zur Bewertung der ionalen Zusammensetzung der Inhalte selbst.
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Im Vordergrund der Erfindung steht
die Bemühung,
mit einem in Aufbau und Handhabung einfachen Katheter, der die Funktion
des Hohlorgans nicht wesentlich beeinflusst, möglichst viele funktionelle
Charakteristika vieler kleiner Organabschnitte wie auch ihrer Gesamtheit
zu erfassen.
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Gemäß der Erfindung wird ein Kunststoffkatheter,
ausgestattet an der Oberfläche
mit mehreren in Längsrichtung
verteilten Elektrodenmesspaaren (typischer Weise 8 bis 16), in ein
Hohlorgan eingeführt.
Der Abstand zwischen den Elektroden eines Messpaares entspricht
etwa der maximal möglichen Dicke
der Inhalte; eine Elektrode kann von benachbarten Messpaaren gemeinsam
benutzt werden. Im Hohlorgan ist der Katheter von flüssigen oder
breiigen Inhalten unterschiedlicher Dicke, der Hohlorganwand und Körperflüssigkeiten
umgeben. Es sind Schichten, die eine ionale elektrische Leitfähigkeit aufweisen
und als Elektrolyte sowie alle gemeinsam als ein elektrisches Volumenleiter
bezeichnet werden. Eine Ausnahme bildet eine gelegentlich aufkommende
Einsammlung oder transiente Passage von Gas im GIT. Beim Transport
der Inhalte durch eigene Motilität
und Peristaltik oder durch andere Antriebskräfte bildet sich eine fortschreitende
Welle, die die Dicke der Inhalte und damit auch den Querschnitt des
Organs mit einer nachgiebigen Wand unter physiologischen Bedingungen
vorübergehend
ansteigen lässt.
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Bei der Vorrichtung nach den nachstehenden
Ansprüchen
wird im Volumenleiter mittels des Elektrodenpaares ein schwacher
sinusförmiger Strom
von wenigen μA
mit einer Frequenz im kHz-Bereich generiert. Der Strom fließt durch
die Übergangskapazitäten, die
sich zwangläufig
zwischen den metallischen Elektroden und dem angrenzenden Elektrolyt
ausbilden, und schließt
sich in dem Volumenleiter um den Katheter. Diese besteht aus einer
zylindrischen Schicht mit Inhalten des Hohlorgans, der Organwand
und den sie von außen
umgebenden Körperflüssigkeiten
(1). Die Inhalte der Hohlorgane
sowie die Körperflüssigkeiten
weisen allgemein eine wesentlich höhere ionale Konzentration und
damit auch elektrische Leitfähigkeit
als die Organwand auf. Damit ist der elektrische Wirkleitwert des Volumenleiters,
auch Konduktanz genannt, zwischen jedem Elektrodenmesspaar direkt
proportional zur elektrischen Leitfähigkeit und zur Dicke der Inhalte des
Hohlorgans. Die Konduktanz ist ein Kehrwert des Wirkwiderstand,
auch Resistanz genannt. Damit kann einer dieser Werte gemessen und
der andere daraus bestimmt werden.
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Die Übergangskapazität zwischen
jeder Messelektrode und dem umgebenden Elektrolyt wird ebenfalls
in Abhängigkeit
von der ionalen Konzentration bzw. der Leitfähigkeit der am Katheter angrenzenden
Schicht und der Dicke der Inhalte zwischen dem Katheter und der
Organwand auf einer besonderen Weise verändert. Zur Charakterisierung
der Überganskapazität wird der
Blindleitwert, auch Suszeptanz genannt, verwendet. Der Kehrwert
ist der Blindwiderstand, auch Reaktanz genannt. Aus der Kenntnis
eines Wertes kann der andere ermittelt werden.
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Die präsentierte Vorrichtung misst
im Unterschied zur Impedanzmetrie von jedem Elektrodenpaar auf dem
Katheter gleichzeitig zwei unabhängige Variablen,
die nicht nur das Verhältnis
zwischen dem Strom und der Spannung, oder umgekehrt zwischen der
Spannung und dem Strom des Elektrodenmesspaars, sondern auch die
Phasenbeziehung zwischen diesen Größen wiedergeben. Nach 1 werden die zwei Größen bei
einer vorgegebenen Messspannung an dem Messelektrodenpaar, durch
die Multiplikation des resultierenden Stromes mit Sinus- und Kosinusfunktion
gewonnen. Eine weitere Möglichkeit bietet
die Einprägung
eines konstanten Stromes und die Aufteilung der Mess-Spannung in Sinus-
und Kosinusanteile. Die dritte Variante, die zum gleichen Ziel führt, ist
die simultane Erfassung des Scheinleitwerts bzw. Scheinwiderstandes
und der korrespondierenden Phasenbeziehung zwischen dem Strom und
der Spannung des Elektrodenmesspaares. Jedes Signalpaar trägt die gleiche
Information über
den Zustand und die Funktion des Hohlorgans und erlaubt direkt oder
durch eine Umrechnung:
- – online Monitoring des Zustandes
und der Funktion des Hohlorgans
- – Charakterisierung
und Differenzierung der Hohlorganwand
- – Charakterisierung
und Differenzierung der Inhalte im Hohlorgan
- – Ermittlung
der zeitlichen Kennwerte der Peristaltik und Motilität im Hohlorgan
- – Ermittlung
des veränderlichen
mittleren Durchmessers und Volumens der Inhalte im Hohlorgan pro
Messsegment
- – Beschreibung
der augenblicklichen Geometrie des Bolus
- – Ermittlung
der Kennwerte des Transportes der Inhalte in Hohlorganen.
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Für
Monitoring-Zwecke werden bevorzugt die Konduktanz des Volumenleiters
und die Suszeptanz der Übergangskapazitität herangezogen,
da sie die Nutzung der Null-Linie als eine Basislinie erlauben und
eine anschauliche Zuordnung zwischen den dargestellten Werten und
der Dicke der Inhalte im Hohlorgan liefern.
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Die Umrechnung der im Messteil gewonnenen
Signalpaare zur Ermittlung der o.a. Charakteristika wird mit einem
Signalprozessor, ausgestattet mit zugeschnittenen Software-Paketen,
vorgenommen.
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1
Vorrichtung
mit 2 Elektrodenmesspaaren auf dem Katheter, der in der Speiseröhre (GIT)
eingeführt
ist. Nach dem Schlucken einer Nahrung bildet sich ein Bolus, der
aboral (vom Mund zum Magen) durch die eigene Motilität und Peristaltik
transportiert wird. Im Bereich des Bolus wird die nachgiebige Wand
gedehnt. Im Messteil wird der aus der an jedem Elektrodenmesspaar
angelegten Spannung resultierende Strom in 2 Komponenten, hier Kosinus-
und Sinusanteil zerlegt, die für
Monitoring-Zwecke direkt angezeigt oder weiter verarbeitet und abgespeichert
werden.
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2
Zeitliche Änderung
der Konduktanz in 16 ösophagealen
Kanälen
(links) nach dem Schlucken von 10 ml einer Nahrung. Aus der gleichzeitigen
Aufnahme der Suszeptanz der Elektrodenübergangskapazität in den
16 Kanälen
wird die elektrische Leitfähigkeit
der Inhalte bestimmt und für
3 Zeitpunkte die Bolusgeometrie und Volumen (rechts)ermittelt.
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