DE19952820C2 - Anordnung zur zeit- und ortsaufgelösten Impedanzspektroskopie in dehnbaren Hohlorganen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Zeit- und ortsaufgelösten Impedanz­ spektroskopie in Hohlorganen, insbesondere Harnröhre, Cervixkanal, Luftröhre, Speiseröhre, Blutgefäße, Darm, Magen, Herz, Lunge und Uterus. Damit können nicht- bzw. minimalinvasiv mit hoher Ortsauflösung von Gewebebereichen in der Oberfläche des Hohlorgans Impedanzspektren mit dem Ziel aufgenommen werden, pathologische Gewebeveränderungen in der Organoberfläche zu diagnostizieren.

Es ist bekannt, daß die passiv elektrischen Gewebeeigenschaften (elektrische Impedanz in Abhängigkeit von der Meßfrequenz) aus der Verformung eines elektrischen Impulses am Meßobjekt ermittelt werden können. Dazu muß das Meßobjekt zwischen mindestens 2 Elektroden kontaktiert werden (DD-PS 286 669: Pliquett und Pliquett: Verfahren und Schaltungsanordnung zur momentanen Ermittlung von Größen zur Charakterisierung von biologischen Geweben).

Nachteilig ist, daß es mit diesem und weiteren bekannten Impedanzmeßverfahren nicht möglich ist, beispielsweise pathologische Veränderungen der Epithelien und der unmittelbar darunter liegenden Gewebe in engen Hohlorganen und die flächenmäßige Ausdehnung der veränderten Bereiche exakt zu diagnostizieren, wobei die Meß­ elektroden in elektrischem Kontakt mit dem zu untersuchenden Epithel gebracht werden und über die zu untersuchenden Fläche bewegt wird, um diese messend abzutasten, ohne daß es dabei zu Kontaktveränderungen kommt und der normale Durchfluß durch das Hohlorgan beeinflußt wird.

Aus der US-PS 54 79 935 ist eine Anordnung zur Untersuchung von Hohlorganen durch Impedanzmessung bekannt, bei der ein der Form des Hohlorgans ange­ paßter, nichtinvasiver Katheter Verwendung findet, auf dem Meßelektroden ange­ ordnet sind und mit dem der Wechselstromwiderstand der Flüssigkeitssäule be­ stimmt wird. Mit dieser Anordnung ist keine Charakterisierung des umgebenden Gewebes möglich. Vielmehr wird nur die Hohlraumgeometrie ermittelt, um Verände­ rungen der Abmessungen der Blutgefäße zu diagnostizieren.

Speziell zur Untersuchung von Blutgefäßen wird in der WO 98/35 611 ein Katheter beschrieben, mittels dessen der Wechselstromwiderstand des Blutes im Gefäß in Abhängigkeit vom Meßort erfaßt wird, um geometrische Veränderungen des Blutge­ fäßes zu diagnostizieren. Veränderungen des umgebenden Gewebes werden dabei nicht erfaßt, weil nicht die Impedanz der Gefäßwand, sondern nur die Impedanz des Blutes im Gefäß gemessen wird.

Elektrodenbestückte Katheter wurden für die Elektroporation in Blutgefäßen beschrieben (US-PS 5.304.120: Crandell and Hofmann: Electroporation method and apparatus for insertion of drugs and genes into endothel cells). Als Nachteil dieser Katheter erweist sich, daß bei Einführen in das Hohlorgan zum Zwecke der Ermittlung von Meßwerten der Flüssigkeitsstrom durch das Hohlorgan an der Stelle des massiven Katheters unterbrochen wird. Damit beeinflußt eine derartige Meßsonde während der Messung die Funktion des untersuchten Hohlorgans.

Einhergehend mit den in den letzten Jahren zunehmend gezielter (örtlich und dosierbar) anwendbaren Therapien erweist es sich immer wichtiger, nicht nur den Gewebezustand zu bestimmen, sondern auch dessen Veränderung in Abhängigkeit von der Ausdehnung des Gewebebereiches mit hoher Ortsauflösung darzustellen. Dies ist mit den bezeichneten Elektroden mittels Impedanzmessung nur eingeschränkt möglich.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, in Echtzeit Gewebebereiche in der Oberfläche eines Hohlorgans bei exakter Ortsangabe in vivo beeinflussungsarm passiv elektrisch zu charakterisieren.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche geben Ausführungsarten der Erfindung an.

Dabei wird ein sicherer Kontakt zwischen der zur Impedanzmessung eingesetzten Meßelektrode und dem Gewebe des zu untersuchenden Organs hergestellt, um die Impedanz in einem wählbaren Frequenzintervall momentan zu messen und den Meßort in bezug zu einem Festpunkt exakt zu bestimmen.

Dafür ist es wesentlich, daß sich zwischen der Wand des Hohlorgans und den Elektroden auf dem Katheter ein konstanter Druck einstellt. Die Funktion des Hohlorgans wird nicht wesentlich beeinflußt, weil die Meßelektroden als Oberflächen­ elektroden konzentrisch auf der Oberfläche eines Hohlkatheders angeordnet sind, und zwar für Hohlorgane mit konstantem Innendurchmesser auf einem starren Katheter mit größerem Außendurchmesser, so daß durch die Elastizität des Hohlorgans ein konstanter Elektrodenandruck gewährleistet ist. Bei variablem Innendurchmesser werden die Elektroden entweder auf ein durch einen Ballonkatheder dehnbares Ring­ band aufgebracht oder als elastische leitfähige Polymere (z. B. Polyazetylen, Poly- (para phenylen-vinylen), Polypyrrol) direkt auf die Oberfläche gedrückt. Zum Einsatz kommen elektrochemisch inerte Meßelektroden mit geringer Elektrodenpolarisation. Zur Minimierung der Polarisation wird die Oberfläche der Elektroden beispielsweise durch Sputtern, platiniertes Platin etc. vergrößert. Mit zunehmender Meßfrequenz nimmt die Elektrodenpolarisation weiter ab.

Zur Bestimmung des Impedanzspektrums wird die Verformung einer Impulswelle benutzt.

Zur Bestimmung des Meßortes wird der Meßkatheder axial drehbar angeordnet und durch eine Rückzugvorrichtung meßbar positioniert. Ortskoordinaten und die dazugehörigen Impedanzspektren werden abgespeichert.

Mittels einer Auswertsoftware lassen sich beliebig wählbare Ortskurvenparameter in Abhängigkeit von den Ortskoordinaten darstellen.

In Abhängigkeit von der Wahl der Meßfrequenz und dem Elektrodenabstand lassen sich nicht nur die Oberfläche des Hohlorganes, sondern auch die unmittelbar unter der Oberfläche gelegenen Gewebeschichten charakterisieren. Das betrifft beispielsweise die Harnröhre, um die exakte Position der Schließmuskeln zu ermitteln, ihre Funktionsfähigkeit einzuschätzen und falls erforderlich, mit der Meßelektrode mit exakter Lokalisation eine Muskelstimulation vorzunehmen.

Es hat sich gezeigt, daß Impedanzspektren im Frequenzbereich von 0.1 kHz bis 1 MHz geeignet sind, um pathologische Gewebeveränderungen in der Organoberfläche zu diagnostizieren. Um eine optimale Ortsauflösung von etwa 1 mm zu erreichen, muß der Abstand der Meßelektroden von dieser Größe sein.

Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Figuren erläutert werden.

Anwendungsbeispiel 1

Die prinzipielle Anordnung zur Impedanzmessung durch Impulsverformung (Zeitbereich) ist in Abb. 1 dargestellt. Der Generator liefert eine Rechteckwelle mit einer Frequenz zwischen 0.1 kHz und 1 MHz, die einem U/I-Wandler zugeführt wird. An den äußeren Elektroden liegt eine symmetrische Strom-Rechteckwelle. Die über den inneren Elektroden abfallende Spannung wird über den Instrumenten­ verstärker an den ersten Kanal (CH1) eines digitalen Oszillographen gelegt. Auf Kanal 2 (CH2) wird der applizierte Strom aufgezeichnet.

Die Anordnung der Gesamtapparatur wird in der Abb. 2 schematisch dargestellt.

Die Elektrode wird durch die Rückzugseinrichtung stückweise oder kontinuierlich durch das verformbare Hohlorgan gezogen. Dabei wird die Impedanz zwischen den Elektroden, die zur Sicherung des Elektroden-Gewebekontaktes einen größeren äußeren Durchmesser als den Innendurchmesser des nicht verformten Hohlorgans aufweisen, momentan durch Impulsverformung gemessen und im Computer parallel zu den Ortsdaten gespeichert.

Die Abb. 3 zeigt die Elektrodenanordnung für einen Harnröhrenkatheter, auf dessen Oberfläche die Elektroden angeordnet sind. Die Lage der Gewebeariale 1-4 gehen aus der Querschnittsdarstellung (Fig. 4a, bei K1) hervor. Die an diesen Arealen verformten Impulse wurden durch eine Exponentialfunktion

K = K₁exp(-t/T₁) + K₂

dargestellt. Für die 4 radial angeordneten Areale werden die Größen K₁, K₂ und T₁ die für jeden Meßpunkt eine solche Impulsform beschreiben in Abhängigkeit von der Harnröhrenlänge x in der Abb. 4 dargestellt. Der Nullpunkt der Längenmessung liegt in der Blase. Bei x = 1,8 cm liegt der Blasenausgang (Abb. 4a). Bis x = 3,1 cm liegt das proximale Ende und bis x = 3,7 cm das distale Ende der funktionellen Länge der Harnröhre. Die 4 Kurvenverläufe charakterisieren das Gewebe im Inneren der Harnröhre. Mit den Werten K₁, K₂ und T₁ lassen sich die Ortskurvenparameter berechnen, die Ortskurve zeichnen und die Ersatzschaltung konstruieren.

In den Abb. 4 sind die in vivo-Meßergebnisse von Harnröhren drei unterschiedlicher Patientinnen dargestellt. Das Experiment 162 (Abb. 4a) stellt das Ergebnis von einer weitgehend unauffälligen Harnröhre dar, während die anderen beiden Experimente (Abb. 4b, 4c) verschiedene Stadien einer Inkontinenz zeigen.

Ausführungsbeispiel 2

Insbesondere bei Hohlorganen mit einem variablen Durchmesser ist der Einsatz eines Ballonkatheters gemäß Abb. 5 zweckmäßig.

Die Elektroden werden entweder durch ein flexibles Band auf der Oberfläche des Katheters gehalten oder als flexible Elektroden auf Polymerbasis direkt auf dem Katheter aufgebracht.

Ausführungsbeispiel 3

Für die Winkelauflösung kann entweder der Katheter drehbar mit einem entsprechenden Geber gelagert werden oder die durchgehenden inneren Elektroden werden als Elektrodenarray ausgebildet und sequentiell abgefragt. Letztere Methode vermeidet die Fehler, die durch die Torsionsbeanspruchung der Katheters und die damit verbundene Verwindung entstehen. Abb. 6. zeigt die Anordnung der Elektroden, die im konkreten Fall aus leitfähigem Epoxidharz hergestellt wurden. Vorteilhafter ist auch hier die Verwendung leitfähiger Polymere.

Claims (3)

1. Anordnung zur Zeit- und ortsaufgelösten Impedanzspektroskopie in dehnbaren Hohlorganen, gekennzeichnet dadurch,
daß elektrochemisch inerte Meßelektroden entweder auf einem der Größe des Hohlorganes angepaßten, hohlen Katheter mit einem zumindest im Bereich der Elektroden größeren äußeren Durchmesser als dem Innendurchmesser des ungedehnten Hohlorganes oder auf einem dehnbaren Ballonkatheter ange­ ordnet sind, um einen Kontakt zwischen Elektroden und innerer Hohlraum­ wand zu gewährleisten,
daß der Katheter mit einer Rückzugsvorrichtung verbunden ist, die eine Meßwerterfassung für die Rückzugstrecke und/oder für die axiale Verdrehung enthält,
daß der Katheter weiterhin mit einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Impulsen mit einer beliebigen, aber wählbaren Frequenz im Bereich von 0.1 kHz bis 1 MHz und einer Meßanordnung zur Erfassung des Impedanzspektrums durch Impulsverformung verbunden ist
und daß der Meßwerterfassung an der Rückzugsvorrichtung und der mit dem Katheter verbundenen Meßanordnung eine Schaltungsanordnung zur Meß­ wertverarbeitung zur Bestimmung der Impulsverformung in Abhängigkeit von der Lage des Katheters bzw. dessen axialer Verdrehung als Ortskurve nach­ geschaltet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Meßanordnung das elektrische Impedanzspektrum im Zeitbereich winkel- bzw. positions­ abhängig erfaßt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektroden als elastisches Band auf einem Ballonkatheter befestigt sind, wodurch die Meßelektroden mit konstantem Auflagedruck gegen die Innen­ wand des Hohlorgans bei variablem Innendurchmesser gedrückt werden.