DE19622303A1 - Verfahren und Instrument zur Untersuchung von Hohlorganen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Instru­ ment zur Untersuchung von Hohlorganen, insbesondere zur Quantifizierung von Stenosen und Lumendiametern mit Hilfe endoskopischer Mittel.

Die genaue Quantifizierung von Stenosen (Verengungen) in Hohlorganen mit Hilfe endoskopischer Verfahren und Mittel ist bisher in der Medizin noch nicht zufrieden­ stellend gelöst.

Stenosen in der Speiseröhre oder in der Luftröhre, beispielsweise durch Tumore bedingt, können zu einer völligen Verlegung des Querschnittes dieser Organe führen, die dann ohne sofortige Behandlung unweiger­ lich zum Tode führen. Die exakte Vermessung des Querschnittes einer Stenose ist einerseits erforder­ lich, um die Notwendigkeit und die Art einer Behand­ lungsmaßnahme festlegen zu können. Andererseits kann der Erfolg einer Behandlung von Stenosen über die genaue Ermittlung des Lumenquerschnittes an der Verengungsstelle exakt festgestellt und ausgewertet werden.

Die bisher bekannten etablierten Verfahren zur exak­ ten Bestimmung von Stenosen stammen aus der Röntgen­ diagnostik. Diese Verfahren sind mit einer Strahlenbe­ lastung für den Patienten verbunden und erfordern einen hohen apparativen Aufwand.

Demgegenüber kann durch endoskopische Untersuchungs­ verfahren der apparative Aufwand zur Bestimmung von Stenosen weitgehend gesenkt werden. Diese Verfahren sind zudem mit einem wesentlich geringeren Komplikati­ onsrisiko behaftet und fast beliebig oft wiederhol­ bar.

Für die endoskopische Untersuchung und Behandlung von Erkrankungen in Körperhohlräumen sind bereits die unterschiedlichsten, oftmals an spezifische Anwendun­ gen angepaßte Endoskope und Instrumente dieser Art vorgeschlagen worden. Neben den Geradeaussichtendosko­ pen gibt es die unterschiedlichsten Ausführungen von sogenannten Seitblick-Endoskopen - DE 44 05 102 A1, DE 42 41 938 A1, DE 41 02 614 A1, DE 35 12 602 A1.

Um eine möglichst exakte Untersuchung der Seitenwand eines Körperhohlraumes zu ermöglichen, ist das dista­ le Ende dieser Endoskope beispielsweise spezifisch ausgebildet - DE 42 41 938 A1 - oder mit gesonderten optischen Systemen ausgestattet - DE 44 05 102 A1, DE 41 02 614 A1, DE 35 12 620 A1.

Die DE 35 12 602 A1 schlägt zur Bestimmung von Objekt­ größen in Hohlräumen ein Endoskop vor, das über die Messung eines Objektabstandes vom Endoskop die Fest­ stellung der Abmessungen des Objektes ermöglichen soll. Das optische System des Endoskopes zur Betrach­ tung des Objektes ist hierfür so eingerichtet, daß ein ausgewählter Teil des Objektes bei gleichbleiben­ dem Objektabstand unter zwei verschiedenen Winkeln betrachtet werden kann, wobei der Abstand zwischen den Scheiteln dieser Winkel fest vorgegeben ist. Das Endoskop verfügt über einen festen und einen axial beweglichen Endoskopteil, die jeweils an ihrem dista­ len Ende mit Spiegeln ausgestattet sind, um das ausgewählte Objekt unter den genannten zwei verschie­ denen Winkeln betrachten zu können.

Eine exakte Bestimmung von Stenosen mit Hilfe der bisher bekannten endoskopischen Instrumente und Ver­ fahren ist regelmäßig nicht möglich. Die endoskopi­ schen Untersuchungen von Stenosen erstrecken sich daher auf einen Vergleich des visuellen Eindruckes der Querschnittsflächen des Körperhohlraumes, wobei der Stenosegrad auf dieser Grundlage dann im Ver­ gleich zum normalen Querschnitt eingeschätzt wird - beispielsweise ca. 50%ige Lumeneinengung. Diese Schät­ zungen haben jedoch den Nachteil, daß sie lediglich ein Relativmaß darstellen und in Abhängigkeit vom individuellen "Normalquerschnitt" einen ganz unter­ schiedlichen absoluten Querschnitt reflektieren können.

Die allgemein bekannt, ist beispielsweise jedoch der absolute Querschnitt in den zentralen Atemwegen ver­ antwortlich für den Strömungswiderstand.

Durch die Fish Eye Perspektive der Optik des En­ doskops und der resultierenden tonnenförmigen Verzer­ rungen des endoskopischen Bildes entsteht zudem eine Diskrepanz zwischen der endoskopisch abgebildeten und der wahren Querschnittsfläche und Form.

Ein weiterer Nachteil der Schätzung ist die hohe In­ terobservervariabilität, die nach vorliegenden Erfah­ rungen bis zu 30% betragen kann.

Auch das Einbringen von Referenzkörpern mit bekannten Dimensionen, wie z. B. von Meßkathetern, durch den Instrumentierkanal eines Endoskops kann lediglich dazu dienen, die Längenausdehnung einer Stenose zu vermessen.

Auch mit Hilfe von Endoskopen mit zwei Optiken, die auf diese Weise eine dreidimensionale Betrachtung des zu untersuchenden Objektes gestatten und die insbeson­ dere für die Gastroenterologie entwickelt wurden, ist eine genaue Bestimmung von Stenosen nicht möglich.

Verantwortlich für die dargelegten Probleme ist neben der obenerwähnten Verzerrung des endoskopischen Bildes die Schwierigkeit, bei der Untersuchung bzw. Betrachtung eines, in einem Körperhohlraum vorhande­ nen Objektes genau die Betrachtungsebene in bezug auf das Objekt zu definieren. Aber gerade die genaue Kenntnis dieser Ebene ist die unabdingbare Vorausset­ zung für die Berechnung des jeweiligen Hohlraumquer­ schnittes, über den eine exakte Bestimmung von Steno­ sen vorgenommen werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein medizinisches Instrument zu entwickeln, mit dem eine frei wählbare Ebene innerhalb eines Hohlorganes exakt bestimmbar und über die Ermittlung von Lumenquer­ schnitten eine exakte Quantifizierung von Stenosen oder eine genaue Feststellung des Lumendiameters möglich ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfah­ ren nach den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und durch ein Instrument in Form einer über den Instrumen­ tierkanal eines Endoskopes oder entlang eines Füh­ rungsdrahtes in ein Hohlorgan einführbaren Sonde nach den Merkmalen entsprechend Anspruch 2 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 und 3 und 4 bis 11.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein konstruktiv sehr einfaches und praktisch handhabbares Instrument vorgeschlagen, das ohne Schleimhautkontakt im Stenose­ bereich und ohne den Einsatz ionisierender Strahlen eine exakte Quantifizierung von Stenosen oder die Bestimmung von Lumendiametern gestattet.

Die endoskopische Bestimmung des Stenosegrades glie­ dert sich hierbei in zwei Schritte. Zunächst müssen ein oder mehrere Abbildungen der Stenose in Form eines endoskopischen Bildes erzeugt werden.

Dieses endoskopische Bild dient nach Entzerrung in einem zweiten Schritt zur Berechnung des Lumenquer­ schnittes und über diesen Querschnitt zur Quantifizie­ rung der Stenose.

Die Berechnung des Lumenquerschnittes erfolgt durch Ermittlung der Fläche innerhalb einer genau definier­ ten Ebene im Stenosebereich, indem die Lichtstrahlen, vorzugsweise Laserlicht, die über den Lichtleiter zugeführt werden, auf einen Reflektionskörper treffen und durch die Ablenkflächen des Reflektionskörpers oder durch den Reflektionskörper selbst in einem annähernd rechten Winkel vom Endoskop zur Organwand abgelenkt werden.

Auf diese Weise entsteht vor dem Endoskop eine Ebene aus Laserlicht, die sich auf der Organwand in Form eines Ringes abbildet. Alle Punkte, die in diesem Ring erkennbar sind, befinden sich in einer Ebene, deren Lage durch den Abstand des Reflektionskörpers bzw. der Ablenkflächen des Reflektionskörpers von der Endoskopspitze bekannt ist.

Aufgrund des definierten Abstandes der Ablenkflächen zur Endoskopspitze ist auch stets die Entfernung der Ebene zur Endoskopspitze bekannt. Bereits jetzt ist durch einen Vergleich der Flächen von zwei Ringen, die beispielsweise durch ein Graphikprogramm überein­ anderprojiziert werden, eine Bestimmung der Flächen­ differenz und damit die exakte Bestimmung der Ausmaße einer Stenose möglich.

Eleganter und weitaus genauer ist die Korrektur der tonnenförmigen Verzerrung, die durch die Fish Eye Optik entsteht. Durch die Distorsionskorrektur ent­ spricht jede Flächeneinheit des endoskopischen Bildes der Flächeneinheit des Originals. Gleichgroße Flächen­ einheiten des Originals, die ohne Distorsionskorrek­ tur im Zentrum des endoskopischen Bildes größer als in der Peripherie zur Darstellung gelangen, werden so im bearbeiteten Bild mit kongruenten Flächeninhalten abgebildet. Die Auswertung dieser Flächeninhalte erfolgt mittels bekannter Computerprogramme
Unter Anwendung an sich bekannter Techniken zur Laserentfernungsmessung kann auch direkt die Distanz zwischen dem Reflektionskörper, der die Lichtstrahlen in einem Winkel von ca. 90° zur Längsrichtung der Sonde ablenkt und einem Punkt, der sich auf der durch den Reflektionskörper gebildeten Ebene aus Lichtstrah­ len an der Wand eines Hohlorganes abbildet, exakt bestimmt werden. Durch eine Anzahl von n-Lichtstrah­ len, die in verschiedenen Richtungen, jedoch um 90° zur Längsrichtung der Sonde abgestrahlt werden, kann auf diese Weise eine direkte Entfernung von n-, an der Wand des Hohlorganes reflektierten Punkten zum Re­ flektionskörper bestimmt werden. Alle diese Punkte liegen auf dem Ring, der durch die Ablenkung der Lichtstrahlen durch den Reflektionskörper erzeugt wird. Durch simultane oder in schneller Folge vorge­ nommene Entfernungsmessungen ist somit die Rekonstruk­ tion des Lichtringes und dadurch auch eine exakte Be­ stimmung der Querschnittsfläche des Lumens unter vor­ teilhafter Anwendung von Computerprogrammen möglich.

Eine vorteilhafte Möglichkeit zur Umsetzung des Prinzips der direkten Entfernungsmessung ergibt sich aus der gleichzeitigen Entfernungsbestimmung einer Mehrzahl von Punkten durch mehrere Lichtleiter. Werden anstatt eines Lichtleiters mehrere Lichtleiter in Form eines Faserbündels eingeführt, so ergibt die Entfernungsmessung aller Punkte in Abhängigkeit von der Anzahl der Lichtleiter eine Menge von Punkten, die exakt auf dem Zirkumferenz-Ring zur Abbildung gelangen.

Eine weitere Ausführungsvariante ist die Verwendung eines rotierenden Spiegels, der es gestattet, inner­ halb einer festgelegten Ebene sukzessive die Entfer­ nung vieler Punkte auf dem interessierenden Zirkumfe­ renz-Ring zu bestimmen. Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß nur ein Lichtleiter benötigt wird.

Durch die direkte Entfernungsmessung ist die Aufnahme des endoskopischen Bildes durch eine Kamera nicht mehr erforderlich. Damit entfällt auch die Notwendig­ keit, einer Distorsionskorrektur des endoskopischen Bildes.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die direkte Messung des Abstandes des Reflektionskörpers zur Wand eines Hohlorganes die Möglichkeit impliziert, das erfindungsgemäße medizinische Instrument auch ohne Endoskop, beispielsweise entlang eines Führungsdrah­ tes, in das Hohlorgan einzuführen.

Durch Modifikationen des Reflektionswinkels des Re­ flektionskörpers in Abhängigkeit von dem Brechungs­ koeffizienten an den Grenzflächen von Reflektionskör­ per und umgebenden Medien ist auch eine Anwendung des erfindungsgemäßen Instrumentes in allen gasförmigen oder flüssigen Medien, die eine Ausbreitung von Lichtstrahlen gestatten, möglich.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann der Reflektionskörper ein mit Ablenkflächen versehener Strahlungsteiler sein, der über Abstandselemente aus festem transparenten Kunststoff im distalen Bereich der Sonde angeordnet ist oder durch einen fest in der Sonde eingesetzten Metallzylinder mit einem Ablenkke­ gel gebildet werden.

Auch der Einsatz von Kunststoff oder Glaskörper mit definierten Brechungskoeffizienten ist denkbar. Derar­ tige Reflektionskörper müssen jedoch entsprechende Ablenkflächen besitzen, die die beschriebene Zirkum­ ferenz durch abgelenkte Lichtstrahlen auf der Innen­ wand des Hohlorganes abbilden. Der Ablenkwinkel wird in diesen Fällen aufgrund der zusätzlichen Brechung des Lichtes zu modifizieren sein, damit eine genaue senkrechte Ablenkung der Lichtstrahlen zur Innenwand eines Hohlorganes gewährleistet ist.

Durch einen geeigneten Schliff des Lichtleiters an seinem distalen Ende ist auch eine direkte Ablenkung der Lichtstrahlen in einem Winkel von ca. 90° ohne Zu­ hilfenahme eines zusätzlichen Reflektionskörpers mög­ lich.

Die erfindungsgemäße Lösung gestattet die Verwendung beliebigen Lichtes. So können sowohl Lichtstrahlen von sichtbarem Laserlicht als auch Lichtstrahlen von nicht sichtbarem, mono- und polychromatischem Licht eingesetzt werden. Durch die Verwendung von monochro­ matischem Laserlicht einer Wellenlänge wird jedoch eine schärfere Abbildung des abgelenkten Lichtstrah­ les auf der Bronchuswand erzielt, da sich dieses Licht durch eine geringe Divergenz auszeichnet.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Instrumen­ tes zur Quantifizierung von Stenosen im Bronchialbe­ reich näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Instrumen­ tes

Fig. 2 die schematische Darstellung des Strahlenver­ laufes der Laser-Lichtstrahlen zur Abbildung einer Zirkumferenz auf der Innenwand eines Hohlorganes, beispielsweise einer Bronchus­ wand.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist die über den Instrumen­ tierkanal eines Endoskopes in ein Hohlorgan, bei­ spielsweise zur Quantifizierung von Stenosen im Bron­ chialbereich, einzuführende Sonde 1 ein schlauchförmi­ ger Körper aus einem elastischen Material, der im vor­ liegenden Ausführungsbeispiel am distalen Sondenende 2 verschlossen ist. Als Reflektionskörper und Ver­ schließelement dient ein Metallzylinder 12, der mit einem Ablenkkegel 5 für die auftreffenden Lichtstrah­ len 8, vorzugsweise Lichtstrahlen einer äußeren mono­ chromatischen Laser-Lichtquelle - nicht dargestellt -, ausgestattet ist. Das Laserlicht wird über einen Lichtleiter 7 zugeführt, der in koaxialer Anordnung vermittels seiner Ummantelung 6 in der Sonde 1 fest eingebunden ist.

Um die im Hohlorgan vorhandenen Objekte genau zu bestimmen, beispielsweise die im Bronchialbereich eines Patienten vorhandenen Stenosen genau zu quanti­ fizieren, wird der Ablenkkegel 5 des Metallzylinders 12 oder die Ablenkflächen 9 eines Reflektionskörpers 4 mit einem genau definierten Abstand vor der En­ doskopspitze positioniert und vermittels des Lichtlei­ ters 7 Laserlichtstrahlen 8 eingeleitet. Die vom Lichtleiter 7 ausgehenden und auf den Metallzylinder 12 resp. Reflektionskörper 4 auftreffenden Lichtstrah­ len 8 werden vom Ablenkkegel 5 bzw. von den Ablenk­ flächen 9 in einem Winkel von annähernd 90° zur Son­ denwandung 13 abgelenkt - Fig. 2 -, die, sofern die Sonde 1 nicht aus einem transparenten, lichtstrahlen­ durchlässigen Material hergestellt ist, zumindestens im Bereich zwischen dem Reflektionskörper 4 und dem Lichtleiter 7 einen transparenten, Lichtstrahlen durchlässigen Wandabschnitt 3 besitzt. Die abgelenk­ ten und die Wandung 13 der Sonde 1 durchdringenden Lichtstrahlen 10 bilden auf der Wand 11 des Hohl­ organes, im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf der Bronchuswand, eine Zirkumferenz, die sich bei Betrach­ tung durch die Optik des Endoskopes als Ring dar­ stellt.

Da der Abstand des Ablenkkegels 5 bzw. der Abstand der Ablenkflächen 9 zur Spitze des Endoskopes genau definiert, d. h. bekannt ist, ist auch der Abstand der Ebene, in der sich die Zirkumferenz im Hohlorgan ausbildet, zur Endoskopspitze bestimmt.

Über die Berechnung des Flächeninhalts der Zirkumfe­ renz kann der Querschnitt des Hohlorganes in der vorliegenden Ebene genau bestimmt und nach Auswertung mehrerer, auf diese Weise ermittelter Flächeninhalte die Querschnitte des Hohlorgans festgestellt und die Abmessungen einer vorhandenen Stenosen exakt quantifi­ ziert werden.

Bezugszeichenliste

1 Sonde
2 distales Sondenende
3 transparenter Wandungsabschnitt
4 Reflektionskörper
5 Ablenkkegel
6 Umhüllung
7 Lichtleiter
8 Lichtstrahlen
9 Ablenkflächen
10 abgelenkte Lichtstrahlen
11 Bronchuswand
12 Metallzylinder
13 Sondenwandung.

Claims (11)

1. Verfahren zur Untersuchung von Hohlorganen, insbesondere zur genauen Quantifizierung von Stenosen und Lumendiametern, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in verschiedenen Ebenen innerhalb eines Untersuchungsbereiches auf der den Hohl­ raum umschließenden Organwand eine Zirkumferenz erzeugt, der Flächeninhalt der durch die Zirkum­ ferenz begrenzten Fläche ermittelt und über den Vergleich mehrerer auf diese Weise erhaltener Flächeninhalte die Quantifizierung der Stenose vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zirkumferenz durch Lichtstrahlen erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Quantifizierung der Stenose durch einen mathematischen Vergleich der ermittelten Flächeninhalte erfolgt.

4. Instrument zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Untersuchung von Hohlorganen, insbesondere zur genauen Quantifizierung von Stenosen und Lumendiametern in Form einer über den Instrumentierkanal eines Endoskopes oder entlang eines Führungsdrahtes in das Hohlorgan einführbaren Sonde, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (1) einen am distalen Ende (2) ange­ ordneten, mit Ablenkflächen (9) versehenen Re­ flektionskörper (4) aufweist, der die Licht­ strahlen (8) von einem koaxial in der Sonde (1) integrierten und gegenüber dem Reflektionskör­ per (4) beabstandeten Lichtleiter (7) in einem Winkel von annähernd 90° zur Sondenwandung (13) ablenkt, die mindestens im Bereich zwischen Re­ flektionskörper (4) und Lichtleiter (7) für die abgelenkten Lichtstrahlen (10) durchlässig aus­ gebildet ist.

5. Instrument nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ablenkflächen (9) so ausgebildet sind, daß die abgelenkten Lichtstrahlen (10) die Wandung (13) der Sonde (1) durchdringend auf der Innenwand (11) eines Hohlorganes eine Zirkumferenz in Form eines Ringes bilden.

6. Instrument nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Lichtleiter (7) ein aus mehreren Lichtleitern bestehendes Lichtfaserbündel ist.

7. Instrument nach Anspruch 4 und 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Reflektionskörper (4) ein Lichtstrahlen ablenkender, rotierender Spiegel ist.

8. Instrument nach Anspruch 4 und 5, dadurch ge­ gekennzeichnet, daß der Reflektionskörper (4) ein mit Ablenkflächen (9) ausgestatteter Lichttei­ ler ist.

9. Instrument nach Anspruch 4, 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektionskörper (4) ein Metallzylinder (12) mit einem Ablenkkegel (5) ist.

10. Instrument nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektionskör­ per (4) mit den Ablenkflächen (9) über Ab­ standselemente im distalen Bereich der Sonde (1) gehaltert ist.

11. Instrument nach Anspruch 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle vorzugswei­ se ein monochromatisches Laser-Licht ist.