DE60111531T2

DE60111531T2 - Sonde und vorichtung zur messung zerebraler hämodynamik und sauerstoffsättigung

Info

Publication number: DE60111531T2
Application number: DE60111531T
Authority: DE
Inventors: Emmanuela Keller; Andreas Nadler; Peter Niederer
Original assignee: Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ; Universitaet Zuerich
Current assignee: Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ; Universitaet Zuerich
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2021-07-20
Also published as: EP1301119A1; DE60111531D1; AU2001281996A1; EP1504715A1; US20040039270A1; CA2416546A1; JP2004504092A; CA2416546C; WO2002007592A1; EP1301119B1; US7120481B2; ATE297685T1; ES2242761T3; JP3718500B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sonde und eine Vorrichtung zur Zerebraldiagnostik und Therapie, insbesondere zur Messung von Charakteristiken zerebraler Hämodynanik und Oxygenierung gemäß Anspruch 1 bzw. Anspruch 13.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Früherkennung und Behandlung zerebraler Ischämie zur Verhinderung einer weiteren neurologischen Schädigung eines Patienten mit schwerwiegenden Hirnverletzungen gehört zu den wichtigsten Aufgaben einer neurologisch kritischen Behandlung. Ferner ist es während neurologischer und neurologisch verwandter chirurgischer Eingriffe oft wünschenswert, die Oxygenierung des Blutes, das dem Gehirn zugeführt wird, kontinuierlich zu überwachen. Nah-Infrarotspektroskopie (near infrared spectroscopy = NIRS) wird für ein breites Spektrum von Anwendungen einschließlich invasiver und nicht-invasiver Überwachung des zerebralen Blutstroms (cerebral blood flow = CBF) und zerebraler Oxygenierungungsmuster, i.e. statischer und dynamischer Charakteristiken des zerebralen Blutes bzw. Blutstroms, verwendet. Die NIRS-Messung von Blutparametern basiert auf der Erkenntnis, das Licht in dem in dem Nah-Infrarotbereich biologisches Gewebe durchdringt und absorbiert wird und durch die Hämoglobinchromophore in dem desoxygenierten bzw. oxygenierten Zustand unterschiedlich gestreut wird. Ferner können die Konzentration und Strömung von Indikatoren, wie beispielsweise des in das Blut injizierten Farbstoffes Indocyaningrün (ICG), mittels NIRS gemessen werden, um Information von Parametern zerebraler Hämodynamik zu erhalten, insbesondere zerebraler Blutströmung (CBF), mittlerer Durchgangszeit von ICG und Oxygenierungsmetabolismus. Bei der Pulsoxymetrie wird das zeitliche Verhalten von NIRS-Signalen bewertet, um Information über den Anteil von oxygeniertem Hämoglobin in dem arteriellen Blut zu erhalten. Andere Parameter sind die Konzentration von desoxygeniertem und oxygeniertem Hämoglobin, die mittlere Durchgangszeit, das zerebrale Blutvolumen (CBV = cerebral blood volume), zerebrale Blutstrom (CBF = cerebral blood flow) und der Gewebssauerstoffindex (TOI = tissue oxygen index). Die Messung und Berechnung der vorher erwähnten Parameter mittels NIRS werden in Jöbis, F. F. "Noninvasive infrared monitoring of cerebral and myocardial oxygen sufficiency and circulatory parameters", Science 198; 1264–1267 und I. Roberts, P. Fallon, et al., "Estimation of cerebral blood flow with near infrared spectroscopy and indocyaningreen", Lancet 342; 1425 beschrieben.
Nichtinvasive Verfahren, z.B. wie es in US 4 223 680 oder US 5 218 962 beschrieben wird, verwenden NIRS-Optoden, die am Kopf plaziert werden. Um Information über die Oxyhämoglobin- und Desoxyhämoglobin-Chromophore in zerebralen Gefäßen zu erhalten, muß das detektierte NIRS-Signal, das durch nichtinvasive Verfahren erhalten wird, nach Effekten aufgrund von Lichtreflexion und Streuung durch extrazerebrales Gewebe und in extrazerebralem Gewebe, i.e., Haut und Knochen, korrigiert werden. Die in US 4 223 680 beschriebene Vorrichtung weist daher einen Referenzdetektor auf, welcher Licht detektiert, das an die Stelle der lichtemittierenden Optode zurückreflektiert oder gestreut wird. Das Referenzsignal wird dann verwendet, um die gemessene Intensität für Effekte von extrazerebralen Gewebe zu korrigieren. Die Vorrichtung von US 5 218 962 weist zwei lichtemittierende Elemente, die Licht durch verschiedene Gewebsbereiche senden, und einen Photodetektor auf, der das durch beide Bereiche wandernde Licht detektiert. Der Unterschied der gemessenen Intensitäten repräsentiert, um wie viel sich die Sauerstoffsättigung des ersten Bereichs von dem zweiten Bereich unterscheidet, i.e, es können nur relative Blutparameter erhalten werden. Aufgrund der Erfordernis, die extrazerebralen Gewebseffekte zu korrigieren, können nichtinvasive Verfahren nur eine indirekte Information für Blutparameter bereitstellen.
Mittels invasiver Verfahren wird ein direkter Zugang zu dem Gehirn durch ein Bohrloch in die Schädeldecke unter Vermeidung extrazellulärer Verfälschungen erreicht und ein Sensor, der eine Oxygenierung ohne durch Haut und Knochen verursachte Artefakte optisch mißt, kann dann durch ein derartiges Bohrloch eingeführt werden. Ein Sensor, der verschiedene Parameter unmittelbar überwachen kann, ist in US 5 916 171 offenbart. Mehrere Signalleitungen für elektrische Signale und eine einzige Lichtleitung sind in einem Gehäuse angeordnet, das in ein Bohrloch mit etwa dem gleichen Durchmesser wie das Gehäuse eingeführt wird. Die Lichtleitung und die Elektroden enden vertikal an dem Gehirngewebe. UV und Rotlicht wird in die einzige Lichtleitung eingekoppelt, um relative Änderungen der Blutströmungs geschwindigkeiten durch Analysieren des Signals, das in der gleichen Lichtleitung reflektiert wird, mittels Verwendens von Laser-Doppler-Strömungsmessung zu messen. Mit Hilfe dieser Anordnung können nur relative Parameter einer Blutströmung analysiert werden, da das von statischen Gewebskomponenten kommende Signal mit der Laser-Doppler-Strömungsmessung nicht detektierbar ist. Überdies werden durch Laser-Doppler-Strömungsmessung nur Werte von sehr kleinen Bereichen (etwa 1 mm²) erhalten. Ferner wird die Sonde nur in das Bohrloch eingeführt und durch den Schädeldeckenknochen stabilisiert, was zu Hirnschädigungen oder Artefakten bei den Messungen führen kann, wenn der Patient sich bewegt. Sie ist daher nicht für eine Langzeitmessung geeignet. Überwachen von Gewebsbereichen außerhalb des Bohrlochbereiches sind ist nicht möglich. Da die Sonde eine komplexe Anordnung einer Vielzahl von Sensoren aufweist, sind ihre Herstellungskosten hoch und sie ist daher nicht als Wegwerfartikel geeignet. Artikel, die das Gehirn berühren, sollten jedoch Wegwerfartikel sein, da eine Sterilisation oft nicht ausreicht, um ein mögliches Infektionsrisiko auszuschließen.
US-A-5 579 774 offenbart eine intrakranielle faseroptische Sonde, die eine Laser-Doppler-Strömungsmessung zum kontinuierlichen Überwachen von zerebrovaskulärer Mikrozirkulation enthält. Bei Laser-Doppler-Strömungsmessung (LDF = laser Doppler flowmetry) wird monochromatisches Licht von einer optischen Faser in den Blutstrom eines Blutgefäßes emittiert und wird durch die sich bewegenden Blutpartikel zurückgestreut werden, wobei es einer Frequenzverschiebung unterzogen wird, deren Größe von der Geschwindigkeit der sich bewegenden Blutpartikel abhängt. Durch Vergleichen der Frequenzen des emittierten Lichts und des rückwärtsgestreuten Lichts kann die Geschwindigkeit (Entfernung pro Zeit) der sich bewegenden Blutpartikel in bezug auf die Sondenspitze berechnet werden. Das zu untersuchende Blutvolumen muß so klein wie möglich sein, um Mehrfachstreuung zu vermeiden und ein taugliches Signal zu Rauschen-Verhältnis zu erhalten. Daher ist dieses Verfahren nach dem Stand der Technik auf mikrovaskuläre Bereiche mit Gefäßdurchmessern von weniger als 0,1 mm eingeschränkt.
WO 97/12210 offenbart einen faseroptischen Sensor für entfernte Strömungsmessungen. Der Sensor besteht aus zwei optischen Fasern, die parallel zueinander innerhalb eines einen Durchmesser von 1,2 mm aufweisenden flexiblen Röhrchens mit einer reflektierenden Oberfläche an dem Ende angeordnet sind. Licht wird von einer der optischen Fasern über die reflektierende Obefläche in ein Meßvolumen übertragen, in welchem es von den Partikeln in dem Meßsvolumen zurückgestreut wird. Ein Teil des zurückgestreuten Lichts wird durch die andere Faser gesammelt und das Rückstreusignal wird mit dem Übertragungssignal verglichen, um eine Doppler-Verschiebung zu ermitteln.
Ein Sensor zur epiduralen, i.e, zwischen Dura und Schädeldeckenknochen, Messung von zerebraler Sauerstoffverfügbarkeit mittels optischer Reflexion ist in US 5 024 226 offenbart. Ein Paar von lichtemittierenden Dioden (LED) und ein Photodetektor sind durch eine Umhüllung eingekapselt und mit einer Energieversorgung bzw. einem Signalanalysiergerät durch eine flexible Verdrahtung elektrisch verbunden. Die Sensorspitze, die die Dioden und den Photodetektor enthält, wird durch ein Bohrloch in den Schädel eingeführt und zwischen Dura und Schädeldeckenknochen in einen Bereich gelenkt, der für die Messung ausgewählt wurde.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Sonde und eine Vorrichtung zum Messen von Absolutwerten einer regionalen zerebralen Strömung und zerebralen Oxygenierung durch ein Bohrloch in die Schädeldecke mittels optischer Reflexion zu schaffen, die mit relativ geringen Kosten hergestellt werden kann und daher als Wegwerfartikel geeignet ist.
KERN DER ERFINDUNG
Die vorhergehenden und weitere Ziele der vorliegenden Erfindung werden durch eine Sonde, wie es in Anspruch 1 spezifiziert ist, und eine Vorrichtung, wie es in Anspruch 13 spezifiziert ist, erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen beschrieben.
Die erfinderische Sonde kann für irgendein invasives Verfahren für zerebrale Diagnostik und Therapie verwendet werden. Sie kann verwendet werden als Sonde für subdurale Messungen, als ventrikuläre Sonde oder als intraparenchymatische Sonde. Die Umhüllung ist daher ausgelegt, zwischen der Schädeldecke und der Dura zu gleiten und/oder in das ventrikuläre System eingeführt zu werden und/oder in das zerebrale Gewebe eingeführt zu werden.
Diese Sonde verwendet passive Beleuchtungs- und Empfangsmittel und vermeidet elektrische Bestandteile innerhalb der Sonde. Die Verwendung von Leuchtdioden für eine in situ Erzeugung von Licht, wie beispielsweise in US 5 024 226 , ist mit verschiedenen problematischen Aspekten behaftet. Das Emissionsspektrum einer LED ist konstant, somit kann eine vorgegebene Sonde nicht zum Überwachen verschiedener Parameter mit ihren spezifischen Wellenlängen angepaßt werden. Zur Überwachung einer vorgegebenen Anzahl von verschiedenen Parametern muß die gleiche Anzahl von LEDs in der Sonde vorgesehen sein, wobei sie einen bestimmten Raum beanspruchen und somit die Sondenausmaße vergrößern. Eine LED emittiert ein breites Spektrum von Wellenlängen, somit können keine scharf begrenzten Arbeitswellenlängen benutzt werden. Die LEDs müssen elektrisch versorgt werden, i.e. eine elektrische Verdrahtung muß in den Schädel geleitet werden. Eine untaugliche Isolierung der Verdrahtung kann elektrische Kurzschlüsse verursachen, was eine Hirnschädigung zur Folge haben kann. Die zu dem Analysiergerät übertragenen Signale werden ferner durch andere elektrische Geräte beeinflußt, was zu falschen Ergebnissen führt. Die Emissionscharakteristiken der LED und die Detektionseffizienz des Photodetektors wird durch Änderungen der Temperatur beeinflußt, eine Driftkompensation oder eine Temperaturstabilisierung ist aber in situ nicht möglich. Diese Probleme werden durch die erfinderische Sonde vermieden. Insbesondere wird ein Ausgeben von elektrischen Signalen in dem Schädelbereich vermieden. Die Sonde kann zudem leicht an verschiedene Wellenlängen angepaßt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Sonde mit geringen Kosten wegen des Fehlens einer elektrischen Einrichtung in der Sonde hergestellt werden kann.
Die erfinderische Sonde verwendet wenigstens zwei optische Übertragungsmittel, die jeweils eine oder mehrere optischen Fasern aufweisen, wobei die Übertragungsmittel vorzugsweise ein Faserbündel sind. Die ersten Übertragungsmittel übertragen Licht vorzugsweise im Nah-Infrarot-Spektralbereich von ihrem proximalen Ende zu ihrem distalen Ende, i.e., von einer Lichtquelle in dem Kopf des Patienten. Die zweiten Übertragungsmittel übertragen Licht von ihrem distalen End zu ihrem proximalen Ende, i.e. vom Kopf des Patienten zu einer Detektionseinheit. Die Übertragungsmittel sind im wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Sie sind durch eine Umhüllung, die eine längliche flache Struktur bildet, eingekapselt. Die distale Endigung jedes der optischen Übertragungsmittel ist mit Deflexionsmittel verbunden, die durch die gleiche Umhüllung zur Deflexion von Licht eingekapselt sind, das durch die Übertragungsmittel aus der Transmissionsrichtung, vorzugsweise in einen Winkel von 60° bis 120°, übertragen wird. Vorzugsweise wird das Licht um etwa 90° in bezug auf die Richtung der Transmission deflektiert, wobei Licht von einer Ausbreitungsrichtung parallel zu der Dura vertikal in das Gehirngewebe gerichtet wird. Der Abstand der Deflexionsmittel, die mit den jeweiligen Übertragungsmittel als emittierende und empfangende Optoden agieren, bestimmt die Sondentiefe, i.e. die Tiefe, bis zu welcher Photonen in das Gewebe eindringen und zurückgestreut werden, somit die Tiefe des überwachten Gewebebereichs. Da optische Fasern einen kleinen Durchmesser haben und Deflexionsmittel in geringer Größe, z.B. durch einen Spiegel, vorzugsweise ein Prisma mit wenigen Millimeter Kantenlänge, das mit den Faserendungen verbunden ist, oder durch Neigung der Faserendungen, hergestellt werden können, wird eine Sonde mit einer Breite von vorzugsweise weniger als etwa 20 mm und einer Dicke geringer als etwa 5 mm für eine minimal invasive Messung bereitgestellt. Die Umhüllung, vorzugsweise ein Silikongummi oder Polyurethanmaterial, fixiert die räumliche Anordung von Übertragungsmitteln und Deflexionsmitteln und ermöglicht durch eine gewisse Steifheit wenigstens in ihrer axialen Richtung ein Lenken der Sonde in dem Kopf. Die Umhüllung dichtet die Bestandteile auch gegen Feuchtigkeit und andere Umgebungsfaktoren ab. Die Umhüllung rundet die Kanten und Ecken der Sonde sanft ab, was Schädigungen des Gehirns beim Gleiten zwischen Dura und Hirngewebe oder Dura und Knochen verhindert. Die Umhüllung ist wenigstens im Eintritts- und Austrittsbereich der Deflexionsmittel für Licht bei der verwendeten Wellenlänge optisch durchlässig.
Beim Gebrauch wird die proximale Endigung der ersten Übertragungsmittel mit einer Lichtquelle verbunden, die bei einer oder mehreren Wellenlängen emittiert, und Licht wird durch die ersten Übertragungsmittel und Deflexionsmittel in das Hirngewebe gerichtet, wo es durch Gewebskomponenten reflektiert und/oder gestreut wird. Da die optischen Fasern im allgemeinen in einem breiten Spektralbereich übertragen können, können die gleichen Fasern zur Beleuchtung mit verschiedenen Wellenlängen im Infrarotbereich in Verbindung mit spezifischen Chromophoren in dem Blut, z.B. Oxyhämoglobin, Desoxyhämoglobin, ICG, verwendet werden. Vorzugsweise wird eine Glas- oder Quarzfaser mit einem Durchmesser von etwa 50 bis 100 μm verwendet. Vorzugsweise weisen die Transmissionsmittel jeweils ein Bündel von 300 bis 600 Fasern auf. Eine Wellenlänge von 782 nm wird zum Beispiel verwendet, um die ICG-Konzentration zu überwachen, während die Oxygenierung von Hämoglobin bei 908 und/oder 857 nm überwacht wird.
Beim Gebrauch wird das proximale Ende der zweiten Übertragungsmittel mit einem Photodetektor verbunden, dessen Ausgangssignal mit Hilfe von Bewertungsmittel, z.B. einem Computer, analysiert wird. Durch das Hirngewebe reflektiertes und/oder gestreutes Licht wird in die zweiten Übertragungsmittel durch die zweiten Deflexionsmittel gerichtet, die Licht, das aus einer Richtung annähernd senkrecht zu der Transmissionrichtung kommt, in der Faser aufnehmen. Die ersten und zweiten Deflexionsmittel sind annähernd in die gleiche Richtung ausgerichtet. Der sich außerhalb der Körpers befindende Photodetektor hat den Vorteil, dass er gegen eine Temperaturdrift stabilisiert werden kann. Da er ein Teil des permanenten Analysiersystems ist und kein Billigartikel sein muß, können zudem Detektoren mit einer hohen Detektionseffizienz, z.B. Photomultiplier oder Lawinendioden, verwendet werden. So kann die Intensität des emittierten Lichts unter Beibehaltung eines gewünschten Signal zu Rauschen-Verhältnis reduziert werden. Zum Beispiel wird bei einer Wiederholungsfrequenz von 1 kHz, einer Pulsdauer von 50 ns und einer mittleren Laserleistung von 1 mW beleuchtet.
Die optische Sonde kann mit einem Drucksensor zur intrakranialen Druckmessung und Signal-Übertragungsmittel, die mit diesem verbunden sind, zur Übertragung von Druckinformation enthaltenden Signalen zu einem Drucksignal-Analysiergerät kombiniert sein. Dabei können die folgenden Parameter mittels Einführen einer Sonde in den subduralen Raum durch ein einziges Bohrloch in den Schädel überwacht werden: Oxyhämoglobin, Desoxyhämoglobin, mittlere zerebrale arterielle Sauerstoffsättigung SaO_2zerebral, mittlere Durchgangszeit von ICG mtt_ICG, zerebrale Blutströmung CBF und zerebrales Blutvolumen CBV.
Die erfinderische Vorrichtung weist eine erfinderische Sonde, Lichtemissionsmittel, Lichtdetektionsmittel und Berechnungsmittel auf. Ein Standard-NIRS-System, das für nichtinvasive Oxymetrie verwendet wird, kann zum Beispiel mit der erfinderischen Sonde kombiniert werden. Die Lichtemissionsmittel, vorzugsweise eine oder mehrere Dioden-Laser oder ein durchstimmbarer Laser, z.B. ein Farbstofflaser, werden an das proximale Ende der ersten Übertragungsmittel gekoppelt, so dass emittiertes Licht bei einer oder mehreren Wellenlängen in das Hirngewebe übertragen wird. Durch eine Anordnung von Strahlenteilern oder Bandpaßfiltern kann Licht aus verschiedenen Lichtquellen an gemeinsame Fasern der ersten Übertragungsmittel gekoppelt werden. Die Arbeitswellenlängen bzw. Lichtquellen werden abhängend davon geändert, welche Wellenlänge für die Messung der Chromophore in dem Blut benötigt wird. Alternativ kann für jede der bevorzugten drei Wellenlängen ein getrenntes Faserbündel bereitgestellt werden mit dem Vorteil einer leichteren Änderung der Arbeitswellenlänge und dem Nachteil einer zunehmenden Anzahl von Fasern, die für eine vorgegebene Beleuchtungsintensität erforderlich sind, was zu einer Zunahme in der Breite oder Dicke der Sonde führt.
Die Lichtdetektionsmittel, vorzugsweise ein Photomultiplier, werden an das proximale Ende der zweiten Übertragungsmittel gekoppelt. Bandpaß- oder andere optische Filter zur Unterdrückung von unerwünschten Signalkomponenten können in dem Übertragungsweg angeordnet sein.
Die Berechnungsmittel zur Berechnung der detektierten Signale weisen vorzugsweise einen Computer mit Berechnungsroutinen auf.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Einige Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung wurden dargelegt, andere werden aus der Betrachtung der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen verdeutlicht. In den Zeichnungen ist folgendes gezeigt:
1 zeigt eine Draufsicht einer erfinderischen Sonde.
2 zeigt eine Seitenansicht der erfinderischen Sonde aus 1.
3 zeigt die Übertragungswege einer erfinderischen Sonde.
4 zeigt eine erfinderische Vorrichtung.
5 zeigt eine Draufsicht einer in einem ventrikulären Katheter integrierten Sonde.
6 zeigt einen axialen Querschnitt der Sonde aus 5.
7A, B zeigt eine erfinderische Sonde mit einem zusätzlichen Drucksensor.
8 zeigt eine Sagittalansicht einer in den subduralen Raum eingeführten erfinderischen Sonde.
9 zeigt eine Koronarabbildung einer in den subduralen Raum eingeführten erfinderischen Sonde.
1 und 2 zeigen eine Sonde 1, die ein Bündel von ersten optischen Fasern 4 als erste Übertragungsmittel 2 und ein Bündel von zweiten optischen Fasern 5 als zweite Übertragungsmittel 3 aufweist. Die Fasern 4, 5 sind im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. Das distale Ende 15 der ersten Übertragungsmittel 2 ist an erste Deflexionsmittel 6, ein Prisma 8, über die ersten optischen Fasern 4 gekoppelt, die mit einer Fläche des Prismas 8 verbunden sind. Dadurch wird ein hereinkommender Lichtstrahl 30 aus einer Richtung A, die der Richtung der ersten oder zweiten Fasern 4, 5 entspricht, in eine Richtung B abgelenkt, die annähernd senkrecht zu der Ebene 53 ist, die durch die ersten und zweiten Übertragungsmittel 2, 3 bzw. Fasern 4, 5 definiert wird. In der gleichen Weise ist das distale Ende 16 der zweiten Übertragungsmittel 3 an die zweiten Deflexionsmittel 7, ein Prisma 9, über die zweiten optischen Fasern 5 gekoppelt, die mit einer Fläche des Prismas 9 verbunden sind. Dadurch wird Licht 31, das von außen aus der Richtung B kommt, in die Richtung A und in die zweiten Fasern 5 abgelenkt. Die Fläche des Prismas 8, 9, die auf 45° in bezug auf die Fasern 4, 5 ausgerichtet ist, wirkt als Spiegel 10, 11, dessen Reflexion durch eine reflektierende Beschichtung verstärkt werden kann. Der Abstand D1 der ersten und zweiten Deflexionsmittel 8, 9 ist festgelegt und beträgt 35 mm, im allgemeinen 10 bis 50 mm. Die vorher erwähnten Komponenten sind durch eine weiche Umhüllung 12 eingekapselt, die einen Körper mit runden Ecken mit einer Breite W von etwa 7 mm, im allgemeinen weniger als 20 mm, und einer Dicke T von 2 mm, im allgemeinen weniger als etwa 5 mm, bilden. Dieser Körper ermöglicht ein Gleiten der Sonde 1 zwischen Dura und Hirngewebe, ohne das Gehirn zu beschädigen oder zusammenzudrücken, wie es in 8 und 9 gezeigt ist. Die Umhüllung weist optische Fenster 13, 14 in Bereich der Austritte der Deflexionsmittel 6, 7 auf, die die emittierten und reflektierten Photonen übertragen.
3 zeigt die Übertragungswege einer erfinderischen Sonde, z.B. die aus 1 und 2. Das proximale Ende der ersten Übertragungsmittel 2, das ein Bündel von optischen Fasern 4 von etwa 1,5 mm² Schnittfläche aufweist, wird in drei Unterzweige von etwa 0,5 mm² Schnittfläche aufgespalten, die in Steckverbindern 18, 19, 20 zum Koppeln an externe Lichtquellen von drei unterschiedlichen Wellenlängen (nicht gezeigt) enden. Das proximale Ende 22 der zweiten Übertragungsmittel 3, das ein Bündel von optischen Fasern 5 von etwa 1,5 mm² Schnittfläche aufweist, endet in einer Steckverbindung 23 zur Kopplung an einen Photodetektor. Die ersten und zweiten Übertragungsmittel werden in ein gemeinsames Kabel von 1 bis 2 m Länge L2 geführt. Die Sonde 1 als solche, das heißt der in den Schädel des Patienten einzuführende Teil, hat eine Länge L1 von etwa 20 bis 30 cm. Die distalen Enden 15, 16 der ersten und zweiten Übertragungsmittel 2, 3 werden an die Deflexionsmittel 6, 7 mit einem Abstand D1 von 35 mm, wie im vorhergehenden beschrieben, gekoppelt.
4 zeigt eine erfinderische Vorrichtung, die eine erfinderische Sonde 1, wie sie z.B. in 1 und 2 gezeigt ist, ein NIRS- bzw. Oxymetriesystem 26 und einen Computer 29 als Steuerungs- und Berechnungseinheit 27, 28 aufweist. Über die ersten Übertragungsmittel 2 wird die Sonde an den Ausgang der Lichtquelle 24 des Systems 26 verbunden. Die Emission von Licht (Wellenlänge, Pulsbreite und Wiederholfrequenz, Leistung) werden durch die Steuereinheit 27 gesteuert. Das Streulicht wird durch die zweiten Übertragungsmittel 3 zu dem Photodetektor 25 geleitet, dessen Ausgangssignal durch die Berechnungseinheit 28 bewertet wird.
5 und 6 zeigen eine in einen ventrikulären Katheter integrierte Sonde 32 in einer Draufsicht bzw. einen axialen Querschnitt. Der Katheter weist ein flexibles Rohr 33 auf, das einen Kanal 36 mit 1 bis 2 mm Durchmesser definiert und Öffnungen 34 in den Rohrwänden aufweist, durch welche ein Zugang auf Hirngewebe über den Kanal 36 geschaffen wird. Erste und zweite Übertragungsmittel 37, 38 und Deflexionsmittel 39, 40 sind in die Rohrwände nahe der Öffnungen in etwa 15 bis 30 mm Entfernung von der Katheterspitze integriert. Der Abstand D2 von den ersten und zweiten Deflexionsmittel 39, 40 ist etwa 15 mm, was eine Sondentiefe von etwa 15 mm zur Folge hat. Da die Rohrwände weniger als 1 mm, vorzugsweise etwa 0,5 mm, dick sind, werden die Deflexionsmittel 39, 40 durch Schneiden der Endseiten der optischen Fasern 41, die die Übertragungsmittel 37, 38 bilden, mit einer Neigung von etwa 45° in bezug auf die Faserrichtung realisiert. Die geneigte Fläche 42 dient als Spiegel, um Licht mit etwa 90° aus oder in die Faser abzulenken. Bei dieser Sonde 32 kann eine Überwachung von Parametern mittels NIRS-Verfahren mit analytischen oder therapeutischen Verfahren kombiniert werden, zum Beispiel einer Analyse und Drainage von Gehirn und Rückenmarksflüssigkeit, die einen direkten Zugang in tiefere Gehirnbereiche, insbesondere in Ventrikel, erfordern.
7A, B zeigt eine erfinderische Sonde 1 mit einem zusätzlichen Drucksensor 43. Die Sonde 1 mit ersten und zweiten Übertragungsmitteln 2, 3 und Deflexionsmitteln 6, 7, die in eine weiche Umhüllung 12 eingekapselt sind, wurde im vorhergehenden beschrieben. Ein Drucksensor 43 mit einer Signalleitung 44, die von einer Umhüllung 12' eingkapselt sind, ist an der Sonde 1 angebracht oder einstückig mit der Sonde 1 hergestellt. Wie es in 7A gezeigt ist, kann zum Beispiel eine Standarddrucksonde mit einer erfinderischen Sonde ausgerüstet sein, wobei die jeweiligen Umhüllungen 12, 12' aneinander befestigt sind, ohne scharfe Kanten zu bilden. Alternativ ist, wie es in 7B gezeigt ist, der Drucksensor ein integrierter Teil der erfinderischen Sonde, der durch eine gemeinsame Umhüllung 12, 12' eingekapselt ist. Die Sonde kann so simultan zerebrale Hämodynamik und Oxygenierung ebenso wie Druck mit Hilfe einer einzigen Sonde und einem einzigen Bohrloch in der Schädeldecke überwachen.
8 und 9 zeigen verschiedene Abbildungen einer erfinderischen subduralen Sonde 1 mit optischer Sondierung und einem Drucksensor 43, wie in 7 gezeigt, die durch ein Bohrloch 47 in den Schädelknochen 46 zwischen Dura 48 und Gehirngewebe 49 eingeführt ist. Wie dargestellt ist, wird die Sonde zuerst durch einen Schnitt 54 in die Haut 45 dann durch das von dem Schnitt 54 beabstandete Bohrloch 47 geleitet, wobei das Infektionsrisiko durch Verhinderung eines direkten Kontakts von Hirngewebe mit der Umgebungsluft während der Langzeitüberwachung minimiert wird. Licht 30 wird durch die ersten Deflexionsmittel 6 in das Hirngewebe 49 abgelenkt, wobei es im wesentlichen senkrecht zur Dura 48 oder Gehirnoberfläche wandert, wo es dann absorbiert, reflektiert oder gestreut wird. Aufgrund von Reflexion und Streuung wird ein Teil 31 des Lichtes zu den zweiten Deflexionsmitteln 7 umgelenkt und in die zweiten Übertragungsmitteln eingekoppelt. Der Bereich 55, der vom Licht erreicht wird, das durch die emittierende Optode emittiert wird und von der Empfangsoptode mit einem Abstand D empfangen wird, ist durch gestrichelte Linien gekennzeichnet. Die Durchdringungs- oder Sondierungstiefe P ist die maximale Tiefe, aus der Photonen empfangen werden. Mittels eines Abstands D von 35 mm kann die weiße Gehirnsubstanz untersucht werden. Die proximalen Enden 21, 22 der optischen Übertragungsmittel und der Drucksignalleitung enden in verschiedenen Steckverbindungen 50, 51, die mit Oxymetrie- bzw. Drucküberwachungssystemen (nicht gezeigt) verbunden sind.

Claims

Sonde (1) zur Zerebraldiagnostik und/oder Therapie, insbesondere zur Messung von Charakteristiken zerebraler Hämodynamik und Oxygenierung durch optische Refelexion, die folgendes aufweist: Beleuchtungsmittel, die erste optische Übertragungsmittel (2), die wenigstens eine erste optische Faser (4) enthalten, und erste Deflexionsmittel (6) aufweisen, die an die erste optische Faser (4) gekoppelt sind, zum Ablenken von übertragenem Licht (30) in eine Richtung, die nicht die Richtung der Lichtübertragung innerhalb der ersten optischen Faser (4) ist; Lichtempfangsmittel, die zweite optische Übertragungsmittel, die wenigstens eine zweite optische Faser (5) enthalten, und zweite Deflexionsmittel (7) aufweisen, die an die zweite optische Faser (5) gekoppelt sind, zum Ablenken von Licht (31) in die zweite optische Faser (5), wobei das Licht (31) aus einer Richtung kommt, die nicht die Richtung der Lichtübertragung innerhalb der zweiten optischen Faser (5) ist; wobei die ersten und zweiten Deflexionsmittel (6; 7) sich in einem Abstand (D1) voneinander von 20 bis 50 mm befinden, vorzugsweise 30 bis 40 mm; eine Umhüllung, die die Beleuchtungsmittel und die Lichtempfangsmittel einkapselt, wobei die Umhüllung eine längliche Form hat und so beschaffen ist, dass sie durch ein Bohrloch in die Schädeldecke paßt, wobei die Umhüllung ferner an wenigstens eines von folgenden angepaßt ist: zwischen Schädeldecke und der Dura (harte Hirnhaut) zu gleiten, in das ventrikuläre System (Kammersystem) eingeführt zu werden, in das zerebral Gewebe eingeführt zu werden.
Sonde (1) nach Anspruch 1, bei der die Umhüllung aus Silikongummi oder Polyurethan hergestellt ist.
Sonde (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Breite (W), die geringer als etwa 20 mm ist, vorzugsweise 5 bis 10 mm, und eine Dicke (T) hat, die geringer als etwa 5 mm ist, vorzugsweise etwa 2 mm.
Sonde (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner einen Drucksensor (43) und mit diesem verbundene Signalübertragungsmittel (44) aufweist zum Übertragen von Signalen, die eine Druckinformation enthalten.
Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die außerdem Mittel zum Übertragen und Abgeben einer Substanz in das zerebrale Gewebe und/oder in das ventrikuläre System aufweist.
Sonde (1) nach Anspruch 1, bei der die ersten und zweiten Deflexionsmittel (6; 7) Licht in eine Richtung bzw. aus einer Richtung (B) ablenken, die im wesentlichen vertikal zu der Richtung (A) der Lichtausbreitung in den Übertragungsmitteln (2; 3) ist.
Sonde (1) nach einem der Ansprüche 1–6, bei der die ersten und zweiten Deflexionsmittel (6; 7) einen Spiegel (10, 11) aufweisen, der auf etwa 45° in bezug auf die Richtung der ersten bzw. zweiten optischen Übertragungsmittel (2; 3) ausgerichtet ist.
Sonde (1) nach Anspruch 7, bei der der Spiegel (10, 11) ein Prisma (8, 9) ist.
Sonde (1) nach einem der Ansprüche 1–8, bei der die Seite der wenigstens einen ersten oder zweiten Faser an dem distalen Ende der ersten bzw. zweiten Übertragungsmittel (2; 3) auf etwa 45° im bezug auf die Richtung der Lichtausbreitung (A) in den ersten bzw. zweiten Übertragungsmittel (2; 3) ausgerichtet ist.
Sonde (1) nach einem der Ansprüche 1–9, bei der die ersten und zweiten optischen Übertragungsmittel (2; 3) jeweils eine Vielzahl von ersten bzw. zweiten optischen Fasern (4, 5) enthalten, wobei die Fasern (4, 5) in einer gemeinsamenen Ebene angeordnet sind.
Sonde (1) nach einem der Ansprüche 1–10, bei der die Umhüllung (11, 12') ein optisches Fenster (13, 14) in dem Bereich der ersten und zweiten Defelexionsmittel (6; 7) enthält.
Sonde (1) nach einem der Ansprüche 1–11, bei der die ersten und zweiten optischen Fasern (4, 5) geeignet sind, Licht innerhalb des Nahinfrarot-Bereichs im Spektralbereich von 700 bis 1300 nm, vorzugsweise von 750 bis 950 nm, zu übertragen.
Vorrichtung zur zerebralen Diagnostik und/oder Therapie, insbesondere zum Messen von Charakteristiken zerebraler Hämodynamik und Oxygenierung durch ein Bohrloch (47) in der Schädeldecke (46) mittels optischer Reflexion, die folgendes aufweist: eine Sonde (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und Berechnungsmittel (28) zur Bewertung der detektierten Signale.
Vorrichtung nach Anspruch 13, die ferner folgendes aufweist: Lichtemissionsmittel (24), die an das proximale Ende (21) der ersten Übertragungsmittel (2, 37) gekoppelt sind, und Lichtdetektionsmittel (25), die an das proximale Ende (22) der zweiten Übertragungsmittel (3, 38) gekoppelt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Lichtemissionsmittel (24) wenigsten einen Laser aufweisen, vorzugsweise einen Dioden-Laser, der im Nahinfrarot-Bereich im Spektralbereich von 700 bis 1300 nm, vorzugsweise von 750 bis 950 nm, emittiert.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, bei der die Lichtemissionsmittel (24) in der Lage sind, bei drei Wellenfängen zu emittieren, vorzugsweise bei etwa 782 nm, 857 nm und 908 nm.