DE4112468A1 - Anordnung zur messung von temperaturen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur gleichzeitigen Messung von Temperaturen bzw. Temperaturverläufen vorzugsweise in biolo­ gischen Geweben. Sie dient der Ermittlung der örtlichen Vertei­ lung von Temperaturen, der Bestimmung der Isothermen bei Wärme­ ausbreitung von einer Wärmequelle sowie der zeitlichen Verände­ rung von Temperaturen in biologischen Geweben. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist der Einsatz bei der Krebsbekämpfung durch eine Therapie, die entweder ausschließlich oder kombiniert mit anderen Therapien die Hyperthermie einsetzt. Dabei ist die Anordnung nicht nur als reines Meßmittel sondern auch als Regel­ element zur temperaturgesteuerten Hyperthermie vorzugsweise bei Tumoren einsetzbar.

Ein weiteres bevorzugtes Anwendungsgebiet ist der Einsatz in Lebensmitteln (Fleisch, Gemüse, Backwaren) zur Erfassung der Temperaturverteilung, Wärmeausbreitung und insbesondere des Garzustandes, der wesentlich durch die Kerntemperatur bestimmt ist.

Die Temperaturmessung in biologischen Geweben stellt aufgrund des relativ kleinen Meßbereiches, der notwendigen hohen Meßgenauig­ keit von 0,1 K und des direkten Kontaktes mit dem Menschen hohe Anforderungen an die Meßtechnik. Dabei ist besonders bei allen Hyperthermieverfahren die Temperaturmessung im Tumor- und Normal­ gewebe problematisch, weil der gewünschte Antitumoreffekt bei einer nur um 0,1 K bis 0,2 K zu niedrigen intratumoralen Temperatur stark reduziert ist oder ausbleibt (Deutsche Medizinische Wochen­ schrift 113 (1988), S.787-790). Unterschieden wird in der Medizin zwischen invasiven und nicht invasiven Meßverfahren im biologi­ schen Gewebe bzw. im Körperinnern. Grundsätzlich anstrebenswert ist eine nichtinvasive Thermometrie, die eine gute räumliche Auflösung der Temperaturverteilung gestattet und eine Meßgenauig­ keit von 0,1 K sowie eine hohe Dynamik, d. h., sehr kurze Ansprech­ zeiten besitzt. Bekannt sind Möglichkeiten der nichtinvasiven Temperaturmessung mittels Ultraschall (Lokale Hyperthermie: Deutscher Ärzteverlag Köln 1986, S.111-120), Mikrowellen (w.o., S.121-125), implantierte FMR-Sensoren (w.o., S.126-138) und der NMR-Spektroskopie (w.o., S.139-144). Jedoch genügt der Entwick­ lungsstand nicht den Erfordernissen für klinische Anwendung. Deshalb werden bei der Hyperthermiebehandlung die invasiven Methoden für die routinemäßigen Temperaturmessungen angewandt.

Für die invasive Temperaturmessung werden Temperatursensoren eingesetzt, die die physikalische Größe "Temperatur" in eine proportionale elektrische Spannung oder einen Strom umwandeln, die dann nach einer Weiterverarbeitung (z. B. Verstärkung, Fil­ terung, Linearisierung, Nullpunktsabgleich) analog oder digital als Temperatur in Kelvin oder Grad Celsius angezeigt wird. Bekannte Temperaturfühler sind Thermoelemente, Thermistoren, Metallwiderstandsthermometer und Halbleitersensoren auf Silizium­ basis. In zunehmendem Maße gewinnen aber auch Schwingquarz-Tempe­ ratursensoren und faseroptische Sensoren an Bedeutung. Invasive Temperatursensoren bzw. Thermometer sollten einen möglichst kleinen Durchmesser besitzen. Empfohlen wird, daß ihre Länge nicht größer als 16 mal ihrem Durchmesser sein sollte, um Verletzungen beim Patienten zu minimieren (Recent Results in Cancer Research Vol. 101 1987, S.1-23). Ein Vorteil ist, daß sich der invasive Sensor direkt am Meßort befindet und aufgrund des guten Kontaktes sowie des kleinen Volumens sehr schnell reagiert. Die Genauigkeit hängt wesentlich vom jeweiligen Sensortyp ab, wobei allgemein gilt, daß Thermoelemente schneller reagieren und Widerstandsfühler dafür langsamer aber genauer sind.

Thermoelemente benötigen zur Absolutmessung der Temperatur eine Vergleichsstelle. Damit hängt die Meßgenauigkeit davon ab, wie konstant die Vergleichsstellentemperatur geregelt werden kann. Die geforderte Genauigkeit von 0,1 K kann deshalb nur mit relativ hohem Aufwand erreicht werden. Ein Ausführungsbeispiel mit beson­ ders kleiner Zeitkonstante ist in der DE-OS 30 47 696 veröffent­ licht, bei der das Thermoelement aus einem Taylordraht und einem Metallrohr als zweitem thermoelektrischen Schenkel besteht.

Bei Thermistoren ist ein niedrigerer Aufwand für diese Genauig­ keit notwendig. Sie sind jedoch meist wesentlich größer, damit träger und verursachen durch ihr Volumen größere Verletzungen beim Patienten. Es existieren bereits eine Vielzahl praktischer Ausführungen, da sie besonders einfach und billig herzustellen sind. Ausführungsbeispiele sind enthalten in der DE-PS 28 26 816, in der ein elektronischer Temperaturmesser auf Basis eines Mikro­ thermistors beschrieben wird, dessen Spitze aus Kunststoff besteht und einen speziellen Lackaufbau mit einer guten Wärme­ leitfähigkeit besitzt. Eine Intraoralsonde wird in der DE-PS 31 13 715 vorgestellt, die aus einem 1 mm dicken Rohrkörper und einer Meßspitze mit einem Thermistor besteht. Ein anderes Ausfüh­ rungsbeispiel enthält die DE-PS 32 48 034. Hier dient als Meßsonde ein Thermistor, der an die Primärwicklung eines Übertragers angeschlossen ist. Gemessen wird die vom Thermistorwiderstand abhängige Spannung oder Dämpfung des Schwingkreises, der durch die Sekundärwicklung und einen Kondensator gebildet wird.

Die höchste Genauigkeit kann man mit Metallwiderstandsaufnehmern insbesondere auf der Basis von Platin oder Nickel erreichen. Diese sind jedoch am teuersten, benötigen einen hohen technologi­ schen Aufwand und sind ebenfalls größer als Thermoelemente. Aus­ führungsbeispiele für derartige Temperatursensoren aus der Sicht des medizinischen Einsatzes sind in den Patentschriften DD 1 41 411 (temperaturempfindliche Widerstandswicklung aus Nickel- oder Platindraht eingebettet in einen Kunststoffkörper), DE 30 24 887 (extrem niederohmiger Meßwiderstand aus Platindraht ohne Isolie­ rung und Meßort im Wasser) und DE 29 10 957 (niederohmiger Wider­ standsdraht auf der Eingangsseite eines Transformators) enthal­ ten.

Ist ein längerfristiges oder wiederholtes Messen der Temperatur im Körperinnern notwendig, kommt es durch das mehrmalige invasive Messen zu einer großen Belastung der Patienten. Eine mögliche Lösung stellen chirurgisch implantierbare, telemetrische Tempera­ tursensoren dar (Medical & Biological Engineering & Computing (1987)1, S.112-114). Sie arbeiten meist mit einem Thermistor als Temperatursensor, dessen temperaturproportionale Spannung in eine Frequenz umgesetzt und auf eine Trägerfrequenz aufmoduliert wird. Diese wird dann an einen im Abstand von mehreren Metern befindli­ chen Empfänger gesendet und von diesem angezeigt oder aufgezeich­ net. Bei der Notwendigkeit der Messung von Temperaturprofilen und Wärmeverteilungen treten als Nachteile der hohe Aufwand und die Kosten, die Störung der Hyperthermie und der Bildverarbeitung durch die implantierten Sensoren und der hohe Grad der Invasivi­ tät des Meßverfahrens auf.

Eine weitere Möglichkeit zur Messung im biologischen Gewebe ist die Temperaturmessung mit Schwingquarzen. Temperaturmeßquarze zeigen wegen ihres speziellen Schnittwinkels eine Temperaturab­ hängigkeit ihrer Frequenz von etwa 100 ppm/K (Technisches Messen 54(1987)4, S.124-129). Diese temperaturabhängige Frequenz wird mit einem Digitalteiler auf ein Zeitintervall umgesetzt und stör­ sicher übertragen. Die Nachteile sind auch hier das relativ große Volumen, die hohe Invasivität und die hohen Kosten.

Zunehmende Bedeutung erhalten in den letzten Jahren faseroptische Sensoren zur Temperaturmessung. Ihr großer Vorteil ist, daß sie das Meßsignal potentialfrei und ungestört durch starke elektro­ magnetische Felder übertragen und deshalb in der Medizin während der Kernspintomographie, bei der Mikrowellen- oder der RF-Hyper­ thermie eingesetzt werden können. Eines der möglichen Prinzipien ist die Messung der Luminiszenzabklingzeit. Eine im Pulsbetrieb arbeitende LED regt einen Cr : YAG-Kristall über einen Lichtwellenleiter zur Luminiszenz an, die über den gleichen Lichtwellenlei­ ter über eine Photodiode hinsichtlich ihrer temperaturproportio­ nalen Abklingzeit ausgewertet wird (Technisches Messen 56(1989)2, S.85-88). Die Nachteile des Systems sind eine Meßgenauigkeit von etwa 0,3 K und die sehr hohen Kosten. Ein weiteres Prinzip ist die Bestimmung der Wellenlänge von Licht, das durch einen Kristall reflektiert wird (IEEE Transactions on Biological Engineering 31(1984)1, S.168-171; Technisches Messen 53(1986)2, S.82). Dabei ist die Wellenlänge dieses reflektierten Lichtes der Temperatur proportional. Die Genauigkeit derartiger Systeme wird mit 0,1 K bis 0,3 K angegeben. Der Hauptnachteil ist der sehr große technische Aufwand und die dadurch bedingten hohen Kosten.

Eine Möglichkeit zur Ermittlung von Temperaturprofilen im Rahmen der invasiven Temperaturmeßmethoden in der Medizin ist die schrittweise oder kontinuierliche Bewegung eines Temperatursen­ sors durch den Körper oder das Meßobjekt. Beschrieben wurde zum Beispiel ein halbautomatisches System (Int.J.Radiation Oncology Biol.Phys. 9(1983)7, S.1057-1063), bei dem ein Temperatursensor schrittweise in festen Abständen durch einen Katheder bewegt und aus den Meßwerten ein Wärmeprofil ermittelt wird, ohne daß die die Hyperthermie erzeugende Energie abgeschaltet werden muß. In einem weiteren Beispiel für dieses Prinzip (Medizintechnik Stutt­ gart 105(1985), S.10-15) wurde ein in einer Injektionsnadel liegendes Thermoelement mit einer Geschwindigkeit von 8,3 mm/s durch ein Tumormodell gefahren und damit die Temperaturprofile bei Mikrowellenhyperthermie bestimmt. Der Aufwand für derartige Systeme ist aber sehr groß und die notwendigen Randbedingungen zur Einhaltung der Meßgenauigkeit sind nur schwer zu realisieren. Der Einsatz von mehreren Thermoelementen in einer Meßvorrichtung ist ebenfalls bekannt. In der DE-OS 28 07 794 (FR 77 05 557) wird eine Anordnung von Thermoelementen zum Messen des Mittelwertes mehrerer Temperaturen beschrieben. In der DE-OS 29 09 692 (US 8 86 232) ist eine Thermoelementanordnung bei hohen Umgebungsdrüc­ ken und zwei Teilgehäusen mit Längskanälen geschützt. Eine Tempe­ raturmeßsonde mit mindestens einem Thermoelement für Temperaturen von etwa 400°C-1500°C und einem Keramikzylinder innerhalb eines Metallschutzrohres ist in der DE-OS 33 19 793 beschrieben. Schließ­ lich enthält die DE 36 33 103 ein Mehrfach-Thermoelement mit Innen- und Außenschutzrohr und einer dazwischen liegenden hitzebeständi­ gen Wärmeisolation. Die genannten Lösungen weisen sowohl jede für sich als auch in ihrer Gesamtheit Nachteile auf, die ihren klini­ schen Einsatz einschränken. Insbesondere betrifft das wegen der benutzten Lösungsprinzipien die Baugröße und den Kompliziert­ heitsgrad, wodurch die Belastungen für den Patienten unnötig groß sind. Darüber hinaus sind die bekannten Lösungen zur Messung von Temperaturverteilungen unzureichend geeignet.

Ziel der Erfindung ist eine klinisch anwendbare Vorrichtung zur direkten Messung von Temperaturen und Temperaturverteilungen im biologischen Gewebe. Damit können Aussagen zu den Temperaturver­ hältnissen bei Einsatz von verschiedenen thermischen Therapiever­ fahren wie Hyperthermie, Hypothermie und der Kryotechnik getrof­ fen werden. Mit Hilfe der Vorrichtung wird eine temperaturge­ steuerte Hyperthermie vorzugsweise von Tumoren ermöglicht.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine möglichst geringe Invasivität bei einer größtmöglichen Anzahl von Meßstellen in einem einzigen Temperatursensor zu realisieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei thermischer Behand­ lung von biologischen Geweben die auftretenden Temperaturprofile mit einer Meßgenauigkeit von 0,1 K sowie die Temperaturverteilung bei örtlicher Erwärmung mit einer guten räumlichen Auflösung und hoher Dynamik zu messen. Insbesondere soll bei einer Behandlung von vorzugsweise Hirntumoren mittels lokaler interstitieller Hyperthermie durch die Temperaturmessung und einer eventuellen Temperaturregelung eine Schädigung des Tumors erreicht werden, ohne daß vital bedrohliche Folgereaktionen durch Wärmewirkung im umgebenden Gewebe auftreten.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einer Anordnung zur Messung von Temperaturen gelöst. Die erfindungsgemäße Anordnung besteht darin, daß als Temperatursensoren Thermoelemente, vorzugsweise Fe-Co- oder Cu-Co-Thermoelemente eingesetzt werden, um eine möglichst hohe Empfindlichkeit zu erzielen. Um Tempera­ turprofile in biologischem Gewebe und die Wärmeausbreitung bei örtlicher Erwärmung messen zu können, werden möglichst viele Meßstellen in einem Mehrfachsensor bei minimalem Durchmesser der Vorrichtung eingebracht. Dadurch wird gleichzeitig eine minimale Invasivität der gesamten Meßeinrichtung erreicht. Jedes Thermo­ element wird mit einem Metallring vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl oder aus Kupfer unlösbar z. B. durch Schweißen, Hartlöten oder Weichlöten verbunden. Durch die gute Wärmeleitfähigkeit ist immer ein gleichmäßiges Temperaturniveau auf dem Ring vorhanden. Die Anordnung wird zur Vermeidung bzw. Minimierung von Meßfehlern im Gewebe so plaziert, daß die Metallringe auf den Isothermen im Gewebe liegen bzw. die Vorrichtung senkrecht auf den Isothermen oder in Richtung der Wärmeausbreitung liegt. Die Spitze der Vorrichtung ist vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die Ringe, mit einem Thermoelement unlösbar verbunden und damit 1. Meßstelle und vorwiegend kugelförmig, kegelförmig oder oval ausgebildet, um das Eindringen der Vorrichtung in das Gewebe zu erleichtern. Die Anordnung der Metallringe bzw. der Thermoelemen­ te in der Anordnung wird so gewählt, daß optimale Aussagen zum Temperaturprofil getroffen werden können, und daß mindestens eine Meßstelle sich eindeutig im gesunden Gewebe bei gleichmäßiger Körpertemperatur befindet. Diese Meßstelle wird entweder hardware- oder softwaremäßig als Vergleichsstelle für die übrigen Thermoelemente geschaltet. Damit kann die Temperaturerhöhung im Tumor direkt abgelesen werden. Die Anordnung ist so aufgebaut, daß sie möglichst artefaktarm im Röntgen-CT ist. Gleichzeitig gewährleistet der Einsatz der Metallringe und des Thermoelemente­ drahtes eine gute Erkennbarkeit im Röntgenbild und damit eine gute Positionierbarkeit. Zur Sicherung der geforderten Biokompa­ tibilität wird als äußere Hülle der Anordnung ein Plastschlauch, der vorzugsweise aus Polytetrafluorethylen besteht, eingesetzt, der wasserdicht mit der Metallspitze verbunden ist. Dabei sollte die Wärmeleitfähigkeit dieses Materials in der gleichen Größen­ ordnung liegen wie die Wärmeleitfähigkeit des Tumorgewebes, um Meßfehler durch Wärmeableitung zu vermeiden. Die Materialauswahl und der Aufbau der Vorrichtung erfolgt so, daß sie desinfizierbar und sterilisierbar ist. Die Meßwertverstärkung und -verarbeitung erfolgt über Analog- oder Digitalmultiplexer mit anschließender Weiterverarbeitung auf einem Personalcomputer zu Temperaturprofi­ len und Wärmebildern. Die durch die Wärmeableitung über die metallischen Thermodrähte und Anschlußleitungen auftretenden Meßfehler werden softwaremäßig über den Rechner korrigiert und so eine absolute Meßgenauigkeit von 0,1 K gesichert. Durch seinen speziellen Aufbau und seine Eigenschaften ist dieser Mehrfachsen­ sor auch als Garfühler für Speisen wie Fleisch, Backwaren und Gemüse geeignet.

Das Wesen der Erfindung soll in Form eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsge­ mäßen Anordnung,

Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform des Mehrfach- Temperatursensors,

Fig. 3 Ausführungsformen der Sensorspitze.

Das Prinzip der Anordnung gemäß Fig. 1 besteht darin, daß bei Anwendung der Hyperthermie eine Temperaturmeßeinrichtung zur Registrierung der Temperaturprofile und Wärmeausbreitung genutzt wird. Als Temperaturmeßeinrichtung wird ein Mehrfach-Temperatur­ sensor 1 eingesetzt, der über eine Analog- oder Digitalmulti­ plexerbaugruppe mit einem Rechner verbunden ist. Der Temperatur­ sensor 1 wird dabei so in das Gewebe eingebracht, daß seine Meßstellen auf den Isothermen 2 des Tumorgewebes 3 liegen.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Mehrfach-Temperatursensors 1 ist in Fig. 2 dargestellt. An den Metallringen 11, die die eigentlichen Meßstellen des Sensors 1 bilden, sind Thermoelemente 12 befestigt. Bei der Materialauswahl der Metallringe 11 spielt die gute Wärmeleitfähigkeit eine große Rolle. Ein weiteres Thermoelement 12 ist an der Spitze 13 befestigt, wodurch diese gleichzeitig als erste Meßstelle des Sensors 1 dient. Die Spitze 13 besteht dabei vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die Metallringe 11. Die Freiräume zwischen den Metallringen 11 selbst sowie ihnen und der Spitze 13 sind mit einem Füllmaterial 14 ausgegossen. Dabei ist die Verwendung eines biokompatiblen und gut aushärtenden Materials vorgesehen, um die Stabilität des Sensors 1 zu gewährleisten. Die äußere Hülle bildet ein Schutzschlauch 15 aus biologisch unbedenklichem Material. Diese Forderung wird insbesondere durch Polytetrafluorethylen erfüllt. Bei der Gestaltung der Spitze 13 kann entsprechend der klinischen Anforderungen zwischen verschiedenen Formen gewählt werden.

Günstige Gestaltungsformen der Spitze 13 zeigt Fig. 3. Wegen des leichten und so für den Patienten weniger verletzungsintensiven Einbringens des Sensors 1 in das Gewebe wird die Spitze 13 kugelförmig 131, oval 132 oder kegelförmig 133 ausgeführt.

Claims (4)

1. Anordnung zur Messung von Temperaturen, insbesondere in biolo­ gischen Geweben unter Einsatz einer Mehrzahl von Thermoelemen­ ten, von denen mindestens eines als Vergleichsmeßstelle dient, elektrische Verbindungsleitungen an eine geeignete Kontaktein­ richtung angeschlossen sind und derart eine lösbare Verbindung zu den Versorgungs- und Auswerteeinrichtungen entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Thermoelement (12) mit einem Metallelement (11) unlösbar verbunden ist, das Metallelement an der Spitze (13) der Anordnung vorzugsweise als kugelför­ mige (131), kegelförmige (133) oder ovale (132) Kappe ausgebildet ist, die anderen Metallelemente (11) ringförmig sind und als äußere Hülle ein Kunststoffschlauch (15), der vorzugsweise aus Polytetrafluorethylen besteht, wasserdicht mit der Metallspitze (13) verbunden ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallringe (11) derart zueinander angeordnet sind, daß ihre Lage mit den Isothermen (2) des Gewebes übereinstimmt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Auswerteeinrichtung ein Rechner vorgesehen ist, der über einen Multiplexer mit der Meßanordnung gekoppelt wird.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, insbesondere zur Messung von Temperaturen bei der interstitiellen Tumorhyperthermie, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Vergleichsmeß­ stellen derart angeordnet ist, daß sie sich im gesunden Gewebe befindet.