DE4445593A1 - Local complex permittivity determn. method for therapy control in diagnostic medicine - Google Patents

Local complex permittivity determn. method for therapy control in diagnostic medicine

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DE4445593A1 DE19944445593 DE4445593A DE4445593A1 DE 4445593 A1 DE4445593 A1 DE 4445593A1 DE 19944445593 DE19944445593 DE 19944445593 DE 4445593 A DE4445593 A DE 4445593A DE 4445593 A1 DE4445593 A1 DE 4445593A1
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Abstract

The method involves using a special miniaturised coaxial probe having inner and outer conductors (1,2). The conductors are separated by a layer of PMMA (3) in tapered formation at the end of a cylinder of PTFE (4). The probe may be used to measure standing waves or reflections of AC electromagnetic field. The field direction may be varied e.g. through a concave contact surface for measurement of the local complex permittivity at a selected depth. Dispersion and absorption may be measured with a reflectance bridge.

Description

AufgabenstellungTask

In der medizinischen Diagnostik, ebenso wie bei der Steuerung der Therapie ist die Bestimmung von Gewebeeigenschaften, die Trennung normal er von anomalen Eigenschaften, die Beschreibung eines Funktionszustandes gegenüber einem anderen, sowie der Gewebedignität (maligne gegen benigne) ein ständig wiederkehrendes Problem. Eine Vielzahl physikalischer und chemischer Verfahren wurden dazu herangezogen. Besonders geeignet sind jedoch nichtinvasiven Meßmethoden, die strukturelle, dynamische, morphologische oder funktionelle Gewebeeigenschaften lokal erfassen und ihre Unterscheidung erlauben.In medical diagnostics, as well as in controlling the Therapy is the determination of tissue properties, the separation normal he of abnormal properties, the description of a Functional state against another, as well as the Tissue dignity (malignant versus benign) is a recurrent one Problem. A variety of physical and chemical processes were used for this. However, are particularly suitable non-invasive measuring methods, the structural, dynamic, morphological or functional tissue properties locally grasp and allow their differentiation.

Eine solche Differenzierung ist geeignet, einerseits diagnostische Schlüsse zu ziehen und andererseits bei therapeutischen Verfahren (bspw. bei Laserbehandlungen) als Steuerkriterium verwendet zu werden. Insbesondere wenn morphologische oder funktionelle Änderungen in Geweben nicht visuell abgrenzbar sind, kann ein nichtinvasives Verfahren ein wichtiges Attribut zur Steuerung therapeutischer Vorgänge sein. Kontaktverfahren haben prinzipiell an den äußeren und inneren Körperoberflächen (also auch endoskopisch) anwendbar zu sein und zur Gewebeunterscheidbarkeit beizutragen.Such differentiation is suitable, on the one hand diagnostic To draw conclusions and on the other hand with therapeutic procedures (e.g. in laser treatments) used as a control criterion will. Especially when morphological or functional Changes in tissues that cannot be visually delineated can be a non-invasive procedure an important attribute for control therapeutic processes. In principle, contact procedures on the outer and inner body surfaces (also also to be applicable endoscopically and for tissue differentiation to contribute.

Stand der TechnikState of the art

Obwohl die Untersuchung der magnetischen und dielektrischen Relaxation in polaren Flüssigkeiten innerhalb der Biophysik seit etwa 1965 zur Strukturaufklärung etabliert ist, erlebt dieses nichtinvasive Meßverfahren erst im Zusammenhang mit Planung und Durchführung der Gewebehyperthermie zur Tumortherapie in jüngster Zeit eine besondere Weiterentwicklung.Although the study of magnetic and dielectric Relaxation in polar liquids within biophysics since was established around 1965 for structural elucidation non-invasive measuring methods only in connection with planning and Implementation of tissue hyperthermia for tumor therapy in recent years Time a special development.

Dazu wurden nichtinvasive Kontaktmeßverfahren vorgeschlagen u. a. die Messung der komplexen Dielektrizitätskonstanten ε und der elektrischen Leitfähigkeit δ.For this, non-invasive contact measurement methods have been proposed and. a. the measurement of the complex dielectric constant ε and the electrical conductivity δ.

Die Erfinder/Anmelder haben in letzter Zeit einen miniaturisierten Sensor für die Aufnahme dieser Größen entwickelt, welcher geeignet ist, zu diagnostischen und therapeutischen Zwecken in der Medizin sowie zur Charakterisierung anorganischer Materialien eingesetzt zu werden.The inventors / applicants have recently miniaturized Sensor developed for the recording of these sizes, which is suitable is for diagnostic and therapeutic purposes in medicine as well as for the characterization of inorganic materials to become.

Damit ist erstmals ein Ansatz gegeben, die biophysikalischen Meßgrößen zur Beurteilung von Geweben, Gewebeeigenschaften, Funktionszuständen heranzuziehen. This is the first approach to biophysics Measured variables for assessing tissues, tissue properties, Functional states.  

Beschreibungdescription

Das erfindungsgemäße Verfahren geht von der Idee aus, die komplexe Dielektrizitätskonstante und die elektrische Leitfähigkeit biologischer und anorganischer Materialien zu deren Charakterisierung auszunutzen, wobei die meßtechnische Erfassung dieser Größen durch den Einsatz spezieller, miniaturisierter Sonden erreicht wird.The method according to the invention is based on the idea that the complex Dielectric constant and electrical conductivity biological and inorganic materials for their Exploit characterization, taking the metrological acquisition of these sizes through the use of special, miniaturized Probes is reached.

Die Eignung der komplexen Dielektrizitätskonstanten als Kriterium für Strukturänderungen geht aus den frequenzabhängigen Meßwerten ε′ und ε′′ hervor: von den drei anzupassenden Parametern εST, ε∞ und τ in den DEBYE′schen GleichungenThe suitability of the complex dielectric constant as a criterion for structural changes is evident from the frequency-dependent measured values ε ′ and ε ′ ′: from the three parameters ε ST , ε ∞ and τ to be adapted in the DEBYE equations

beinhaltet εst als wichtigste Aussage (bei konstanter Temperatur) die Dichte der permanenten elektrischen Dipolmomente im Meßobjekt und τ (bei konstanter Temperatur) deren Beweglichkeit. Die zusätzlich auftretenden Einflüsse der elektrischen Leitfähigkeit δ werden quantitativ erfaßt und parallel zur Diagnosestellung verwendet. Um diese drei Meßgrößen zur Unterscheidung normal/anomal an Geweben oder anderen organischen Strukturen heranziehen zu können, muß über einen größeren Bereich der Hochfrequenz gemessen werden, weil nur so die größte Empfindlichkeit gegenüber Änderungen sowohl von εST als auch τ gewährleistet ist.As the most important statement (at constant temperature), ε st contains the density of the permanent electrical dipole moments in the measurement object and τ (at constant temperature) their mobility. The additional influences of the electrical conductivity δ are recorded quantitatively and used in parallel with the diagnosis. In order to be able to use these three measured variables to differentiate between normal / abnormal on tissues or other organic structures, measurements must be carried out over a larger range of the high frequency, because this is the only way to ensure the greatest sensitivity to changes in both ε ST and τ.

Um eine hinreichende und zweckdienliche Raumauflösung zu erreichen, ist eine spezielle Meßsonde erforderlich. Sensoren zur Erfüllung dieser Bedingung sind bspw. koaxiale Sonden: die am offenen Ende der jeweiligen Koaxialsonde in den freien, durch das Meßobjekt ausgefüllten Raum greifenden elektrischen Feldlinien gestatten die Berechnung der elektrischen Felddichte in diesem (Halb-) Raum. Unter Annahme einer Objektausdehnung radial groß gegen den Sondenradius R kann dann durch Integration über verschiedene Objektdicken diejenige Dicke (wiederum relativ zu R) bestimmt werden, bei der wahlweise 95%, 98% oder 99% der Feldenergie im Meßmedium enthalten ist. Dies entspricht einem Relativfehler von jeweils 5%, 2% oder 1%.To ensure adequate and useful spatial resolution a special measuring probe is required. Sensors for For example, coaxial probes are fulfilled: the am open end of the respective coaxial probe into the free, through the Object to be filled in space-encompassing electrical field lines allow the calculation of the electric field density in this (Half) room. Assuming an object extent is radially large against the probe radius R can then be integrated through different object thicknesses that thickness (again relative to R) can be determined in which either 95%, 98% or 99% of the Field energy is contained in the measuring medium. This corresponds to one Relative errors of 5%, 2% or 1%.

Im Kehrschluß läßt sich aus einer vorgegebenen Objektdicke der optimale Radius der Sonde bestimmen.In the reverse, the given object thickness can be the determine the optimum radius of the probe.

Der Aufbau der Sonde ist in Bild 1 dargestellt. Aus Dichte und relativer Beweglichkeit der starr mit den Molekülen verbundenen elektrischen Dipolmomente lassen sich typische physikalische Eigenschaften bestimmen wie Wassergehalt, Temperatur, Temperaturänderung sowie in deren Summe, auch komplexere biomechanische Größen. Da εST die Dichte der permanenten Dipolmomente im Meßobjekt und τ deren Beweglichkeit bei konstanter Temperatur wiedergibt, lassen sich die Bindungsphasen von Wasser einschließlich des pH-Wertes im Gewebe bestimmen, z. B. in normalen, entarteten oder erkrankten Geweben. The structure of the probe is shown in Figure 1. From the density and relative mobility of the electrical dipole moments rigidly connected to the molecules, typical physical properties can be determined, such as water content, temperature, temperature change and in total, also more complex biomechanical quantities. Since ε ST represents the density of the permanent dipole moments in the measuring object and τ their mobility at constant temperature, the binding phases of water including the pH value in the tissue can be determined, e.g. B. in normal, degenerate or diseased tissues.

Klinische AnwendungenClinical applications

Die Messung der Dielektrizitätskonstanten im nichtinvasiven Kontaktverfahren hat Bedeutung für die Abgrenzung von benignem gegen malignes Gewebe an inneren und äußeren Körperoberflächen, zur Abgrenzung und schichtselektiven Ermittlung von tumorösem Gewebe, zur Bestimmung der Vitalitätsgrößen bei normalem und erkranktem Gewebe (bspw. Verätzungen der Hornhaut, entzündliche Veränderungen an Schleimhäuten, bis zu Vaskularisationen und Neoplasien im gynäkologischen, gastrointerologischen und pulmologischen Bereich).The measurement of the dielectric constant in the non-invasive Contact procedures are important for the demarcation of benign against malignant tissue on inner and outer body surfaces, for delimitation and layer-selective determination of tumorous Tissue, for determining the vitality values in normal and diseased tissue (e.g. burns of the cornea, inflammatory Changes in mucous membranes, up to vascularization and Neoplasia in gynecological, gastrointerological and pulmological area).

Therapeutische Verfahren wie bspw. Koagulationen in der Ophthalmologie (transsklerale Zyklophotokoagulation, Thermokeratoplastie der Hornhaut), sowie jeder andere koagulative Prozeß, welcher nach dem Kriterium seiner Ausdehnung oder des von ihm erzeugten Temperaturgradienten zu bewerten ist, lassen sich prinzipiell durch die Messung der dielektrischen Größen On-line überwachen und über eine geeignete Rückkopplung wirkungsoptimieren und schadensminimieren. Die dielektrischen Größen können damit einschließlich der elektrischen Leitfähigkeit ein wichtiges Instrument zur Entwicklung "intelligenter" Laser werden. Ebenso lassen sich Änderungen der biomechanischen Eigenschaften oder auch deren Bestimmung gegen einen Normalwert prinzipiell durch Messung der dielektrischen Größen verfolgen.Therapeutic procedures such as coagulation in the Ophthalmology (transcleral cyclophotocoagulation, Thermokeratoplasty of the cornea), as well as any other coagulative Process which according to the criterion of its expansion or that of temperature gradients generated can be evaluated principally by measuring the dielectric quantities on-line monitor and optimize the effect via a suitable feedback and minimize damage. The dielectric sizes can thus including important electrical conductivity Become an instrument for the development of "intelligent" lasers. As well can change the biomechanical properties or also their determination against a normal value in principle by measurement of the dielectric quantities.

Mikrostrukturelle Veränderungen in Geweben durch äußere Kräfte wie Dehnung/Scherung oder inhärente Eigenschaften (besonders Vernetzung z. B. der kollagenen Faserelemente der Hornhaut) werden dadurch meßbar. Die Bestimmung von Änderungen des Wassergehaltes in polymeren Strukturen (z. B. der Hornhaut) ist ebenfalls durch Messung ihrer dielektrischen Parameter möglich. Insgesamt eröffnet die dielektrische Spektroskopie ein neues diagnostisches Feld auf der Grundlage lokaler Messungen nichtinvasiver Natur. Analoge Anwendungen an Bio- und Technopolymeren sind denkbar und möglich.Microstructural changes in tissues due to external forces such as Elongation / shear or inherent properties (especially Networking e.g. B. the collagen fiber elements of the cornea) thereby measurable. The determination of changes in water content in polymeric structures (e.g. the cornea) is also through Measurement of their dielectric parameters possible. Overall opened dielectric spectroscopy opens up a new diagnostic field based on local measurements of a non-invasive nature. Analogue Applications on bio and technopolymers are conceivable and possible.

BezugszeichenlisteReference list

Bild 1: Ausführungsbeispiel Meßsonde
 1 Innenleiter
 2 Außenleiter
 3 Polymethylacrylat
 4 Polytetraflourethylen
 5 Stecker Fig. 1: Sample probe
1 inner conductor
2 outer conductors
3 polymethyl acrylate
4 polytetrafluoroethylene
5 plugs

Bild 2: Ausführungsbeispiel Meßaufbau
 6 Meßsonde
 7 Computer
 8 Meßwertgeber
 9 Power Splitter
10 Richtkoppler
11 Vector Analyzer Fig. 2: Sample setup
6 measuring probe
7 computers
8 sensors
9 power splitters
10 directional couplers
11 Vector Analyzer

Claims (15)

Vorgeschlagen wird ein Verfahren und eine Vorrichtung nach AnspruchA method and a device according to are proposed claim 1. dadurch gekennzeichnet, daß die komplexe Dielektrizitätskonstante lokal an organischen, biologischen Materialien nicht invasiv in vivo und in vitro meßbar gemacht wird.1. characterized in that the complex dielectric constant is made locally non-invasive on organic, biological materials in vivo and in vitro. 2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß eine offene Koaxialsonde oder jede Art von Wellenleiter als Sonde oder Handstück zur Erzeugung und Messung des elektromagnetischen Wechselfeldes benutzt wird.2. The method and apparatus according to claim 1 thereby characterized in that an open coaxial probe or any type of Waveguide as a probe or handpiece for generation and measurement of the alternating electromagnetic field is used. 3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-2 dadurch gekennzeichnet, daß nicht eine Sonde sondern jede Art von Kondensator mit dazwischen angebrachtem Meßobjekt benutzt wird.3. The method and device according to claim 1-2 characterized in that not any probe but any type of Capacitor with a test object attached in between is used. 4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-3 dadurch gekennzeichnet, daß die Messung von Stehwellen oder Reflexionen benutzt wird.4. The method and apparatus according to claims 1-3 characterized in that the measurement of standing waves or Reflections is used. 5. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß gesonderte durch geometrische Veränderungen ihrer Kontaktfläche (z. B. ein concaves Profil) zur tiefenselektiven Messung verwendet wird: Die Konkavität ändert den Feldlinien Ein- und Austritt an der Sondenspitze.5. The method and apparatus according to claims 1-4 characterized in that separate by geometric Changes to their contact area (e.g. a concaves profile) for depth-selective measurement is used: the concavity changes the Field lines entry and exit at the probe tip. 6. Verfahren und Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß durch Änderung der Frequenz (z. B. im Bereich zwischen 2 MHz und 900 MHz) des eingestrahlten elektromagnetischen Wechselfeldes ε′, ε′′, meßbar werden.6. The method and device characterized in that Change in frequency (e.g. in the range between 2 MHz and 900 MHz) of the incident electromagnetic alternating field ε ′, ε ′ ′, become measurable. 7. Verfahren und Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Stehwellen, als auch die Reflexionsmessung einer Signalanalyse durch einen Netzwerkanalysator unterworfen wird.7. The method and device characterized in that both the standing waves, as well as the reflection measurement of a signal analysis is subjected to a network analyzer. 8. Verfahren und Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß bei der Signalverarbeitung die elektrische Leitfähigkeit durch Differenzbildung gegebenenfalls ausgemittelt wird und die Trennung beider Eigenschaften (der Leitfähigkeit von der Dielektrizitäts­ konstanten) meßbar wird.8. The method and device characterized in that the Signal processing through electrical conductivity Difference formation may be averaged and the separation of both properties (conductivity from dielectric constant) becomes measurable. 9. Verfahren und Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die Messung nicht statisch an einer Gewebeprobe, sondern nach einem externen physikalischen, physikalisch/chemischen oder pharmakologischen oder jedem anderen Stimulus erfolgt und daraus eine Relaxationsmessung resultiert.9. The method and device characterized in that the Measurement not static on a tissue sample, but after a external physical, physical / chemical or pharmacological or any other stimulus occurs and from it a relaxation measurement results. 10. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-9 dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leitfähigkeit allein oder parallell zu den dielektrischen Parametern als Meßgröße erfaßt wird.10. The method and apparatus according to claims 1-9 characterized in that the electrical conductivity alone or parallel to the dielectric parameters as a measured variable is detected. 11. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-10 dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde als flexibler Wellenleiter ausgeführt ist und endoskopisch separat verwendbar oder integrierbar ist. 11. The method and device according to claim 1-10 characterized in that the probe is considered more flexible Waveguide is designed and can be used separately endoscopically or can be integrated.   12. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde/das Sondenende sterilisierbar ist.12. The method and device according to claim 1 characterized in that the probe / the probe end is sterilizable. 13. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-12 dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter im Vakuumtränkverfahren (z. B. mit Zweikomponenten-Harz) gefüllt wird.13. The method and apparatus according to claims 1-12 characterized in that the waveguide in Vacuum impregnation process (e.g. with two-component resin) filled becomes. 14. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-13 dadurch gekennzeichnet, daß eine farbcodierte Darstellung von Leitfähigkeit, pH, oder der anderen Meßgrößen erfolgt und Ergebnisse über einen Klassifizierer in geeignete diagnostische Schlußfolgerungen (worded judgments) umgesetzt werden.14. The method and apparatus according to claims 1-13 characterized in that a color-coded representation of Conductivity, pH, or the other measured variables takes place and Results using a classifier into appropriate diagnostic Conclusions (worded judgments) are implemented.
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