DE60116790T2

DE60116790T2 - Kontrollsystem und -verfahren für die energiezufuhr zu luftwegewänden oder anderen medien

Info

Publication number: DE60116790T2
Application number: DE60116790T
Authority: DE
Inventors: Michael San Francisco BIGGS; A. Roger Cupertino STERN; James Christopher Santa Clara DANEK
Original assignee: Asthmatx Inc
Current assignee: Asthmatx Inc
Priority date: 2000-10-17
Filing date: 2001-10-17
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2021-10-18
Also published as: EP1618850A2; CA2426167A1; WO2002032334A1; AU1177902A; ES2254506T3; CA2426144A1; WO2002032333A1; EP1326549B1; DE60116790D1; DE60025049T2; CA2426167C; ATE313299T1; AU2001212109B2; JP2004516867A; ATE315911T1; JP4204313B2; CA2426144C; EP1618850A3; ES2255514T3; EP1326548A1

Description

Die Erfindung betrifft Systeme zur Energiezuführung an Atemwege der Lunge, insbesondere ein System zum Regulieren der an die Atemwege gelieferten Energie unter Verwendung eines PID-Algorithmus zum Minimieren der Abweichung zwischen einer voreingestellten Temperatur und einer gemessenen Temperatur. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Übertragung von Energie an ein ex vivo-Zielmedium.
Verschiedene obstruktive Erkrankungen der Atemwege weisen eine reversible Komponente auf. Beispiele dafür umfassen COPD und Asthma. Etwa 10 Millionen amerikanische Bürger leiden an Asthma. Bei Asthma handelt es sich um eine Erkrankung, bei der Bronchokonstriktion, übermäßige Schleimproduktion und Entzündung und Schwellung der Atemwege auftreten, wodurch eine ausgedehnte, aber variable Behinderung des Luftstroms verursacht wird und wodurch es dem Asthmatiker schwer fällt, zu atmen. Asthma ist eine chronische Störung, die in erster Linie durch eine anhaltende Atemwegsentzündung gekennzeichnet ist. Asthma ist ferner durch akute Episoden zusätzlicher Atemwegsverengung durch die Kontraktion von überreagierender glatter Atemwegsmuskulatur gekennzeichnet.
Reversible Komponenten der obstruktiven Lungenerkrankung umfassen im Allgemeinen eine übermäßige Schleimproduktion im Bronchialbaum. Üblicherweise treten eine allgemeine Massenzunahme (Hypertrophie) der großen Bronchien und chronische entzündliche Veränderungen der kleinen Atemwege auf. In den Atemwegen treten übermäßige Mengen von Schleim auf, wobei halbfeste Schleimpfropfen einige kleine Bronchien verschließen können. Außerdem sind die kleinen Atemwege verengt und zeigen entzündliche Veränderungen. Die reversiblen Komponenten umfassen einen teilweisen Atemwegsverschluss durch ein Übermaß an Sekretion, sowie Atemwegsverengung als Folge von Kontraktion glatter Muskulatur, Bronchialwand-Ödemen und Atemwegsentzündung.
Bei Asthma spielen chronische entzündliche Vorgänge in den Atemwegen eine zentrale Rolle bei der Zunahme des Luftstromwiderstands in den Lungen. An dem entzündlichen Vorgang sind viele Zellen und Zellelemente beteiligt, insbesondere Mastzellen, eosinophile Zellen, T-Lymphozyten, neutrophile Zellen, Epithelzellen und sogar die glatte Atemwegsmuskulatur selbst. Die Reaktionen dieser Zellen führen zu einer damit verbundenen Zunahme der bereits bestehenden Empfindlichkeit und Überempfindlichkeit der glatten, die Atemwege auskleidenden Atemwegsmuskelzellen gegen bestimmte beteiligte Reize.
Die chronische Beschaffenheit von Asthma kann auch zu einer Umgestaltung der Atemwegswand (d.h. Strukturveränderungen, wie z.B. Verdickung oder Ödeme) führen, welche die Funktion der Atemwegswand weiter beeinträchtigen und sich auf die Atemwegs-Überempfindlichkeit auswirken kann. Weitere physiologische Veränderungen, die mit Asthma verbunden sind, umfassen eine übermäßige Schleimproduktion und, bei schwerem Asthma, Schleimpfropfen und fortwährende Epithelabtragung und -wiederherstellung. Die Epithelabtragung exponiert das darunter liegende Gewebe für Substanzen, mit denen es normalerweise nicht in Kontakt kommen würde, wodurch der Kreislauf von Zellschädigung und entzündlicher Reaktion weiter verschärft wird.
Bei anfälligen Personen umfassen die Asthmasymptome wiederkehrende Episoden von Atemnot (Dyspnoe), Keuchen, Enge der Brust und Husten. Gegenwärtig wird Asthma durch eine Kombination von Reizvermeidung und Arzneimitteln behandelt.
Die Reizvermeidung wird durch systematisches Erkennen von jeder Art von Reiz und Minimieren des Kontakts damit erreicht. Es kann jedoch unpraktisch und nicht unbedingt hilfreich sein, alle potentiellen Reize zu vermeiden.
Die Arzneimittelbehandlung von Asthma umfasst: (1) Langzeitkontrolle durch die Verwendung von entzündungshemmenden Mitteln und langwirkenden Bronchodilatatoren, und (2) Kurzzeitbehandlung von akuten Verschlechterungen durch die Verwendung von kurzwirkenden Bronchodilatatoren. Beide Ansätze erfordern eine wiederholte und regelmäßige Verwendung der verschriebenen Arzneimittel. Hohe Dosen von kortikosteroiden entzündungshemmenden Arzneimitteln können jedoch ernste Nebenwirkungen aufweisen, die eine sorgfältige Behandlung erfordern. Außerdem sind manche Patienten gegen Steroidbehandlung resistent. Die Probleme bei der Einhaltung der Arzneimittelbehandlung durch die Patienten und die Probleme bei der Vermeidung von Reizen, die Asthma auslösen, stellen häufig Hindernisse für eine erfolgreiche Asthmabehandlung dar. Die gegenwärtigen Behandlungsverfahren sind somit weder vollkommen erfolgreich, noch sind sie von Nebenwirkungen frei. Es wäre daher erstrebenswert, ein System und ein Verfahren zur Verbesserung des Luftstroms ohne die Notwendigkeit der Behandlungseinhaltung durch den Patienten bereitzustellen.
Es sind verschiedene Systeme zum Liefern von Energie für die intraluminale Behandlung von anderen anatomischen Strukturen und Lumen als den Atemwegen der Lunge entwickelt worden. Leider sind die Systeme, die bei der Behandlung solcher Strukturen von Nutzen sind, im Allgemeinen bei der Entwicklung von Verfahren zur Behandlung der Atemwege der Lunge nicht hilfreich, da sich die Atemwege der Lunge von anderen Gewebestrukturen wesentlich unterscheiden. Beispielsweise sind die Atemwege der Lunge besonders heterogen. Variationen der Struktur des Lungengewebes treten aus mehreren Gründen auf: beispielsweise führt das Verzweigungsmuster des Tracheobronchialbaums zu lokalen Variationen der Größe und des Vorhandenseins von Atemwegen; bei der Gefäßversorgung der Lunge handelt es sich um ein ähnliches verteiltes Netzwerk mit Variationen der Größe und des Vorhandenseins von Blutgefäßen; innerhalb der Atemwege gibt es verschiedene Mengen verschiedenartiger Strukturen, wie z.B. Knorpel, glatte Atemwegsmuskulatur, sowie Schleimdrüsen und -gänge; ferner kann die Lieferung von Energie an der Peripherie, nahe der Oberfläche eines Lungenflügels, anders als im Zentralbereich beeinflusst sein.
Die Atemwege der Lunge umfassen auch mehrere vorstehende Falten. Andere Gewebestrukturen, wie z.B. Blutgefäße, weisen die in den Atemwegen vorhandenen Falten nicht auf. Atemwege enthalten Schleim und Luft, während andere Strukturen andere Stoffe enthalten. Außerdem ist auch die Chemie der Gewebe von verschiedenen Lumen und den Atemwegen verschieden. In Anbetracht dieser Unterschiede ist es nicht überraschend, dass herkömmliche Systeme zur Lieferung von Energie nicht allgemein für die Behandlung aller Gewebestrukturen verwendet werden können. Darüber hinaus müssen Energieabschaltungen und andere Sicherheitseinrichtungen dem speziellen Gewebe genau angepasst sein, so dass das Gewebe nicht durch die Zuführung eines Energieüberschusses verletzt wird.
Dementsprechend wird ein intraluminales System zum Liefern von RF-Energie, das zum sicheren Liefern von RF-Energie an Atemwege der Lunge fähig ist, gewünscht. Insbesondere wird ein System, das bei der Behandlung eines Atemwegs eines Asthma- oder COPD-Patienten zum Regulieren der Temperatur fähig ist, gewünscht. Es ist auch wünschenswert, ein System mit eingebauten Sicherungsvorkehrungen, welche die Energiezufuhr abschalten und so einen Schaden an dem betreffenden Gewebe oder an benachbartem Gewebe verhindern, bereitzustellen.
WO-A-99/03413 offenbart ein System zum Liefern von Energie an eine hohle anatomische Struktur, wie z.B. eine Vene. Das System umfasst ein Energieliefergerät, umfassend einen Katheter, der an seinem distalen Ende mit einem ausdehnbaren Korb, der aus einer Vielzahl von ausdehnbaren Armen mit Elektroden zur Übertragung von Energie an die Wände der hohlen anatomischen Struktur besteht, ausgestattet ist. An jedem Arm ist ein Temperatursensor bereitgestellt. Die Zuführung von RF-Energie wird unter Verwendung von Temperatur- und Energiebehandlungsparametern betrieben und reguliert. Zum Aufrechterhalten einer konstanten Temperatur wird ein PID-Regelalgorithmus zum Anpassen der RF-Leistung verwendet. Ist die Solltemperatur erreicht, verbleiben die ausdehnbaren Arme für eine gewählte Zeitdauer in vollständiger Anlagerung an die Venenwand.
Die vorliegende Erfindung umfasst ein System zum Liefern von Energie an eine Atemwegswand der Lunge, umfassend:
ein Energieliefergerät, umfassend ein flexibles langgestrecktes Element und einen distalen ausdehnbaren Korb, wobei der ausdehnbare Korb mindestens eine Elektrode zur Übertragung von Energie an die Atemwegswand und mindestens einen Temperatursensor zur Messung der Temperatur (T_M) der Atemwegswand während der Lieferung von Energie an die Atemwegswand aufweist; und
einen PID-Controller zur Bestimmung einer neuen Sollleistung (P_i+1) auf der Grundlage der Abweichung (e) zwischen einer voreingestellten Temperatur (T_s) und der gemessenen Temperatur (T_M), wobei der PID-Controller einen Algorithmus mit einem variablen Verstärkungsfaktor (G) verwendet.
Die vorliegende Erfindung umfasst ein System zum Liefern von Energie an eine Atemwegswand einer Lunge. Das System umfasst ein Energieliefergerät, umfassend ein flexibles langgestrecktes Element und einen distalen ausdehnbaren Korb, der mindestens eine Elektrode zur Übertragung von Energie an die Atemwegswand und mindestens einen Temperatursensor zur Messung der Temperatur (T_M) der Atemwegswand während des Lieferns von Energie an die Atemwegswand aufweist. Das System umfasst ferner einen PID-Controller zum Bestimmen einer neuen Sollleistung (P_i+1) auf der Grundlage der Abweichung (e) zwischen einer voreingestellten Temperatur (T_s) und der gemessenen Temperatur, wobei der PID-Controller einen Algorithmus mit einem variablen Verstärkungsfaktor (G) verwendet.
Bei einem System der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Algorithmus um P_i+1 = P_i + G(αe_i + βe_i-1 + γe_i-2), wobei α, β und γ voreingestellte Werte sind. Beispielsweise beträgt bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung α von 1 bis 2; β von –1 bis –2; und γ von –0,5 bis 0,5. Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betragen α, β und γ 1,6, –1,6 bzw. 0,0.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der von dem PID-Algorithmus verwendete Verstärkungsfaktor 0,1 bis 2 Sekunden nach Beginn der Energielieferung rückgesetzt. Der Verstärkungsfaktor kann auch 0,5 Sekunden nach Beginn der Energielieferung rückgesetzt werden. Die Erfindung umfasst das Rücksetzen von G auf 0,9 bis 1,0, wenn der Temperaturanstieg in °C pro Joule kleiner oder gleich 2,5 ist; auf 0,4 bis 0,5, wenn der Temperaturanstieg in °C pro Joule zwischen 2,5 und 5,0 beträgt; auf 0,2 bis 0,3, wenn der Temperaturanstieg in °C pro Joule zwischen 5,0 und 7,5 beträgt; und auf 0,1 bis 0,2, wenn der Temperaturanstieg in °C pro Joule größer als 7,5 ist. Zu Beginn beträgt der Verstärkungsfaktor 0,4 bis 0,5, vorzugsweise 0,45 bis 0,47.
Bei einem weiteren System der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem PID-Algorithmus um P_i+1 = P_i + (G₁e_i + G₂e_i-1 + G₃e_i-2), wobei G₁, G₂ und G₃ variable Verstärkungsfaktoren sind. Die Erfindung umfasst das derartige Konfigurieren des Controllers, dass G₁, G₂ und G₃ auf 0,9 bis 2,00, –0,9 bis –2,00 bzw. 0,5 bis –0,5 rückgesetzt werden, wenn der Temperaturanstieg in °C pro Joule kleiner oder gleich 2,5 ist; auf 0,40 bis 1,00, –0,40 bis –1,00 bzw. 0,25 bis –0,25, wenn der Temperaturanstieg in °C pro Joule zwischen 2,5 und 5,0 beträgt; auf 0,20 bis 0,60, –0,20 bis –0,60 bzw. 0,15 bis –0,15, wenn der Temperaturanstieg in °C pro Joule zwischen 5,0 und 7,5 beträgt; und auf 0,10 bis 0,40, –0,10 bis –0,40 bzw. 0,10 bis –0,10, wenn der Temperaturanstieg in °C pro Joule größer als 7,5 ist. Jeder der variablen Verstärkungsfaktoren kann ein Produkt von mindestens einem voreingestellten Wert und mindestens einem variablen Wert sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Controller so konfiguriert, dass die Energielieferung beendet wird, wenn die gelieferte Energie eine Maximalenergie, wie z.B. 120 Joule, überschreitet.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Controller zum Liefern von Energie über einen Aktivierungszeitraum, wie z.B. bis zu 15 Sekunden, 8 bis 12 Sekunden oder 10 Sekunden, konfiguriert.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Controller so konfiguriert, dass T_s auf einen Wert zwischen 60 und 80°C oder auf 65°C eingestellt ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Controller zum Messen der Impedanz konfiguriert und wird die Energielieferung beendet, wenn die Impedanz unter einen voreingestellten Impedanzwert, wie z.B. 40 bis 60 Ohm, abfällt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Controller zum Beenden der Energielieferung, wenn T_M die T_s um einen voreingestellten Wert, wie z.B. 10, 15 oder 20°C, übersteigt, konfiguriert.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Controller zum Beenden der Energielieferung, wenn die Leistungsabgabe größer oder gleich einer nominellen Leistungsabgabe ist und die T_M innerhalb eines Abtastzeitraums um eine kritische Temperaturdifferenz abfällt, konfiguriert. Die Erfindung umfasst die Voreinstellung der nominellen Leistungsabgabe auf einen Wert von mindestens 17 Watt; der Abtastzeitraum ist auf einen Wert von mindestens 0,5 Sekunden eingestellt; und die kritische Temperaturdifferenz beträgt 2°C.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Controller zum Beenden der Energielieferung, wenn die über ein Zeitfenster gemittelte T_M die T_s um eine festgelegte Temperaturdifferenz übersteigt, konfiguriert. Der Wert der festgelegten Temperaturdifferenz kann zwischen 1 und 10°C, oder 5°C, betragen. Das Zeitfenster beträgt zwischen 1 und 5 Sekunden, oder 2 Sekunden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Controller zum Beenden, wenn die gemessene Temperatur in einem Abtastzeitraum, wie z.B. 1,0 Sekunden oder 0,2 Sekunden, um 10°C oder mehr abfällt, konfiguriert.
Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Übertragen von Energie an ein ex vivo-Zielmedium unter Verwendung eines Energieliefergeräts, wobei das Energieliefergerät einen flexiblen langgestreckten Körper und einen distalen Abschnitt aufweist, wobei der distale Abschnitt einen ausdehnbaren Korb mit wenigstens einem aktiven Bereich für die Energieübertragung auf das Zielmedium umfasst, und wobei das Energieliefergerät außerdem einen Temperatursensor, der in dem distalen Abschnitt angeordnet ist, zur Messung der Temperatur (T_M) des Zielmediums aufweist, wobei das Verfahren umfasst:
Einstellen einer voreingestellten Temperatur (T_s);
Bestimmen einer Sollleistung (P_i) zum Liefern von Energie von dem aktiven Bereich an das Zielmedium;
Messen der mittleren Temperatur (T_M) am Ziel unter Verwendung des Temperatursensors; und
Bestimmen einer neuen Sollleistung (P_i+1) auf der Grundlage der Abweichung (e) zwischen der voreingestellten Temperatur (T_s) und der gemessenen Temperatur (T_M) unter Verwendung eines Algorithmus mit einem variablen Verstärkungsfaktor.
Die Energie kann an eine Atemwegswand einer Lunge in vitro oder an ein anderes Ziel, wie z.B. einen Schwamm oder ein Handtuch, die mit Kochsalzlösung befeuchtet sein können, geliefert werden. Eine Kochsalzlösung erhöht die Leitfähigkeit des Ziels.
Bei einem Verfahren der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Algorithmus um P_i+1 = P_i + G(αe_i + βe_i-1 + γe_i-2), wobei α, β und γ voreingestellte Werte sind. Bei einer Ausführungsform beträgt α von 1 bis 2; β von –1 bis –2; und γ von –0,5 bis 0,5. Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betragen α, β und γ 1,6, –1,6 bzw. 0,0.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Verstärkungsfaktor 0,1 bis 2 Sekunden nach Beginn der Energielieferung rückgesetzt. Der Verstärkungsfaktor kann auch 0,5 Sekunden nach Beginn der Energielieferung rückgesetzt werden. Die Erfindung umfasst das Rücksetzen von G auf 0,9 bis 1,0, wenn der Temperaturanstieg in °C pro Joule kleiner oder gleich 2,5 ist; auf 0,4 bis 0,5, wenn der Temperaturanstieg in °C pro Joule zwischen 2,5 und 5,0 beträgt; auf 0,2 bis 0,3, wenn der Temperaturanstieg in °C pro Joule zwischen 5,0 und 7,5 beträgt; und auf 0,1 bis 0,2, wenn der Temperaturanstieg in °C pro Joule größer als 7,5 ist. Zu Beginn beträgt der Verstärkungsfaktor 0,4 bis 0,5, vorzugsweise 0,45 bis 0,47.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Energielieferung beendet, wenn die gelieferte Energie eine Maximalenergie, wie z.B. 120 Joule, überschreitet.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Energie über einen Aktivierungszeitraum, wie z.B. 0 bis 15 Sekunden, 8 bis 12 Sekunden oder 10 Sekunden, geliefert.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist T_s auf einen Wert zwischen 60 und 80°C oder auf 65°C eingestellt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Impedanz gemessen und wird die Energielieferung beendet, wenn die Impedanz unter einen voreingestellten Impedanzwert, wie z.B. 40 bis 60 Ohm, abfällt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Energielieferung beendet, wenn T_M die T_s um einen voreingestellten Wert, wie z.B. 10, 15 oder 20°C, übersteigt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Energielieferung beendet, wenn die Leistungsabgabe größer oder gleich einer nominellen Leistungsabgabe ist und die T_M innerhalb eines Abtastzeitraums um eine kritische Temperaturdifferenz abfällt. Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die nominelle Leistungsabgabe auf einen Wert von mindestens 17 Watt eingestellt; der Abtastzeitraum ist auf einen Wert von mindestens 0,5 Sekunden eingestellt; und die kritische Temperaturdifferenz beträgt 2°C.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Energieliefergerät zum Liefern einer Leistung bis zu der Höhe einer Maximalleistung konfiguriert. Die Maximalleistung kann von 10 bis 40 Watt betragen, vorzugsweise von 15 bis 20 Watt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Energielieferung beendet, wenn die über ein Zeitfenster gemittelte T_M die T_S um eine festgelegte Temperaturdifferenz übersteigt. Der Wert der festgelegten Temperaturdifferenz kann zwischen 1 und 10°C, oder 5°C, betragen. Das Zeitfenster beträgt zwischen 1 und 5 Sekunden, oder 2 Sekunden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Energielieferung beendet, wenn die gemessene Temperatur in einem Abtastzeitraum, wie z.B. 1,0 Sekunden oder 0,2 Sekunden, um 10°C oder mehr abfällt.
Bei einem weiteren Verfahren der vorliegenden Erfindung weist der Algorithmus eine Vielzahl von variablen Verstärkungsfaktoren auf, wobei es sich bei dem Algorithmus um P_i+1 = P_i + (G₁e_i + G₂e_i-1 + G₃e_i-2) handelt, wobei G₁, G₂ und G₃ die variablen Verstärkungsfaktoren sind.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die verschiedenen Ausführungsformen, die in den begleitenden Abbildungen dargestellt sind, ausführlicher beschrieben:
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Regelkreises der vorliegenden Erfindung.
2A zeigt eine Querschnittsansicht eines Bronchus von mittlerer Größe eines gesunden Patienten.
2B zeigt eine Querschnittsansicht einer Bronchiole eines gesunden Patienten.
3 zeigt eine Querschnittsansicht des Bronchus von 2A, wobei der Umbau und die Verengung, die bei einem Asthmapatienten auftreten, gezeigt sind.
4 zeigt eine Darstellung einer Lunge, die mit einer Vorrichtung und einem Controller gemäß der vorliegenden Erfindung behandelt wird.
5A zeigt eine Darstellung einer Energieliefervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
5B–5D zeigen Teilansichten eines Thermoelements, das an einem Korbarm gemäß der vorliegenden Erfindung befestigt ist.
Die vorliegende Erfindung umfasst einen Controller und ein Energieliefergerät zum Liefern von Energie an die Atemwegswand der Lunge. Der Controller umfasst unter anderem einen Regelkreis mit einem variablen Verstärkungsfaktor, wie in 1 schematisch dargestellt ist. Das System ist bei der Behandlung von Asthma und verschiedenen Symptomen der reversiblen obstruktiven Lungenerkrankung von Nutzen.
Die vorliegende Erfindung ist bei der Behandlung von Lungengewebe von besonderem Nutzen. In Anbetracht der einzigartigen und komplizierten Struktur des Lungengewebes ist dies überraschend. Zunächst wird in den 2A und 2B ein Querschnitt von zwei verschiedenen Atemwegen bei einem gesunden Patienten gezeigt. Bei dem Atemweg von 2A handelt es sich um einen Bronchus mittlerer Größe mit einem Atemwegsdurchmesser D1 von etwa 3 mm. 2B zeigt einen Schnitt durch eine Bronchiole mit einem Atemwegsdurchmesser D2 von etwa 1,5 mm. Jeder Atemweg umfasst eine gefaltete innere Oberfläche bzw. ein Epithel 10, das von Stroma 12 und glattem Muskelgewebe 14 umgeben ist. Die größeren Atemwege, einschließlich dem in 2A gezeigten Bronchus, weisen auch Schleimdrüsen 16 und Knorpel 18, die das glatte Muskelgewebe 14 umgeben, auf. Nervenfasern 20 und Blutgefäße 24 umgeben den Atemweg. Der Atemweg unterscheidet sich daher wesentlich von anderen Geweben, wie z.B. von Blutgefäßgewebe, die keine solchen Falten, Knorpel oder Schleimdrüsen aufweisen. Im Gegensatz dazu zeigt 3 den Bronchus von 2A, bei dem sich der glatte Muskel 14 überentwickelt und in seiner Dicke zugenommen hat, wodurch der Atemwegsdurchmesser von dem Durchmesser D1 zu einem Durchmesser D3 verringert ist. Dementsprechend können die Atemwege, die mit der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zu behandeln sind, Durchmesser von 1 mm oder mehr, bevorzugt 3 mm oder mehr, aufweisen.
4 zeigt eine Darstellung einer Lunge, die mit einem System 36 gemäß der vorliegenden Erfindung behandelt wird. Das System 36 umfasst einen Controller 32 und eine Energiebehandlungsvorrichtung 30, bei der es sich um ein wie nachstehend ausführlicher beschriebenes langgestrecktes Element handeln kann. Die Vorrichtung 30 umfasst auch einen ausdehnbaren distalen Abschnitt, der an einer Behandlungsstelle 34 innerhalb einer Lunge oder einem anderen Zielmedium positioniert werden kann. Im Betrieb wird die Vorrichtung an die Behandlungsstelle 34 gebracht. Durch die Energieliefervorrichtung wird, beispielsweise, RF-Energie geliefert, welche die Oberfläche des Lungengewebes durchdringt, so dass Gewebe unter der Epithelschicht und an der Oberfläche des Lungengewebes beliefert wird.
ENERGIELIEFERVORRICHTUNG
Wie vorstehend dargelegt, umfasst die vorliegende Erfindung einen Controller 32 und eine Vorrichtung 30, durch welche sie Energie an das Zielmedium 34 liefert. Eine Vorrichtung 30 der vorliegenden Erfindung sollte eine Größe aufweisen, die zum Erreichen des Bronchus oder der Bronchiolen der menschlichen Lunge geeignet ist. Die Vorrichtung kann eine Größe zur Aufnahme in Bronchoskopen, vorzugsweise in Bronchoskopen mit einem Arbeitskanal von 2 mm oder weniger, aufweisen. Die Vorrichtung kann auch ein Steuerelement, das zum Führen der Vorrichtung zu einem gewünschten Zielort hin konfiguriert ist, aufweisen. Dieses Steuerelement kann beispielsweise ein distales Endstück der Vorrichtung in eine gewünschte Richtung lenken, um einen gewünschten Bronchus oder eine gewünschte Bronchiole anzusteuern.
Das Energieliefergerät 30 umfasst typischerweise einen langgestreckten Körper mit einem proximalen Abschnitt und einem distalen Abschnitt. Der distale Abschnitt weist einen radial ausdehnbaren Korb mit einer Vielzahl von Armen auf. Bei den Armen kann es sich um Elektroden handeln, oder sie können einen durch eine isolierende Umhüllung gekennzeichneten aktiven Abschnitt, der das zu behandelnde Medium kontaktiert, aufweisen. Der Korb wird mit einem Stellmechanismus ausgedehnt, der in einem Handgriff, der an dem proximalen Ende des langgestreckten Körpers angebracht ist, bereitgestellt sein kann.
TEMPERATURSENSOR
Die Erfindung umfasst auch ein temperaturfühlendes Element. Beispiele von temperaturfühlenden Elementen umfassen Thermoelemente, Infrarotsensoren, Thermistoren, Widerstands-Temperaturfühler (RTD; engl.: resistance temperature detector) und jede andere Vorrichtung, die zum Erfassen von Temperaturen oder Temperaturänderungen fähig ist. Das temperaturfühlende Element ist vorzugsweise in der Nähe des ausdehnbaren Elements angeordnet.
5A zeigt eine Teilansicht einer Ausführungsform der Erfindung mit einem Thermoelement 137, das etwa in der Mitte längs des Korbarms 106 angeordnet ist. 5B zeigt eine vergrößerte Teilansicht des Thermoelements 137 von 5A, wobei die Leitungen 139 auf einer nach innen zeigenden Oberfläche des Arms 106 getrennt angebracht gezeigt sind. Somit wird der Korbarm selbst als Teil der Thermoelement-Kontaktstelle, an der die Temperaturmessung durchgeführt wird, verwendet. Mit anderen Worten ist die Thermoelement-Kontaktstelle dem Korbarm zu Eigen. Diese Konfiguration ist bevorzugt, da sie eine genaue Temperaturmessung von Gewebe, das den Arm 106 in der Nähe der Thermoelementleitungen kontaktiert, bereitstellt. Im Gegensatz dazu bestehen übliche Thermoelement-Konfigurationen aus einer Themoelement-Kontaktstelle, die vom Korbarm getrennt bzw. ihm nicht zu Eigen ist. Wir glauben, dass Thermoelement-Kontaktstellen, die vom Korbarm getrennt bzw. ihm nicht zu Eigen sind, bei bestimmten Anwendungen die Temperatur nicht so genau wie Thermoelement-Kontaktstellen, die dem Korbarm zu Eigen sind, messen.
Die Leitungen 139 können auch an anderen Orten entlang des Arms 139, einschließlich einer Kante 405, angeordnet sein. Das Anfügen der Leitungen 139 an die Kante 405 ist jedoch nicht wünschenswert, da diese eine vergleichsweise geringe verfügbare Oberfläche aufweist.
5B zeigt auch einen Korbarm 106 mit einem außenliegenden Isoliermaterial oder einer Umhüllung 410. Die Grenzen 415 des Isoliermaterials 410 definieren einen nicht-isolierten aktiven Abschnitt des Elektrodenarms 106, der Energie an die Gewebewände liefert. Vorzugsweise handelt es sich bei der isolierenden Umhüllung 410 um ein wärmeschrumpfendes Rohr oder um eine Polymerumhüllung. Es können jedoch auch andere Isoliermaterialien verwendet werden.
5C und 5D zeigen eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die Folien- oder Laminat-Thermoelementleitungen 139 aufweist. Die Thermoelementleitungen 139 sind als Folien oder Schichten ausgelegt, bei denen es sich beispielsweise um vorfabrizierte Folien oder aufgesprühte Filme handeln kann. Geeignete Materialien für die Thermoelementleitungen (paarweise aufgeführt) umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt: Konstantan und Kupfer; Konstantan und Nickel-Chrom; Konstantan und Eisen; und Nickel-Aluminum und Nickel-Chrom. Das Thermoelementpaar CHROMEL und ALUMEL (die beide eingetragene Marken von Hoskins Manufacturing sind) ist bevorzugt. Bei CHROMEL und ALUMEL handelt es sich um ein Standard-Thermoelementpaar, von dem gezeigt worden ist, dass es bei unseren Anwendungen biologisch verträglich und korrosionsbeständig ist. Die Thermoelementleitungen 139 können so angeordnet sein, dass sich die einzelnen Leitungen von verschiedenen Seiten des Korbarms her der Mitte des Korbarms annähern. Die Leitungen 139 enden dann in Verbindungsstellen 450 und 460. Bei einer anderen Ausführungsform, die in der Konfiguration von 5D gezeigt ist, können beide Thermoelementleitungen vom gleichen Ende des Korbarms 106 her kommen.
Vorzugsweise sind zwischen den Dünnfilmleitungen 139 und dem Korbarm 106 Isolierschichten 430 und 440 angeordnet. Die Isolierschichten 430 und 440 trennen die Leitungen 139 elektrisch, und trennen auch die Leitungen elektrisch vom Arm 106. Die Isolierschichten 430 und 440 begrenzen die Thermoelementverbindung gegenüber den Verbindungsstellen 450 und 460, die am Besten auf dem aktiven Abschnitt 420 der Korbarms 106 angeordnet sind.
CONTROLLER
Die vorliegende Erfindung umfasst einen Controller, der die über eine Energieübertragungsvorrichtung an die Atemwege zu liefernde Energie reguliert. Der Controller umfasst wenigstens eine der neuen Merkmale, die nachstehend beschrieben sind, und kann auch Merkmale von bekannten RF-Energiecontrollern umfassen. Ein Beispiel eines RF-Generators, der gemäß der vorliegenden Erfindung modifiziert werden kann, ist der von Valleylab, Boulder, Colorado, U.S.A. hergestellte FORCE^TM 2-Generator. Ein weiteres Verfahren, das zum Erzeugen und Regulieren von RF-Energie geeignet ist, ist das Modulieren der RF-Abgabe eines RF-Leistungsverstärkers durch Zuführen eines geeigneten Regelsignals.
Der Controller und die Leistungsversorgung sind zum Liefern einer ausreichenden Menge von Energie zum Erzielen einer gewünschten Wirkung in der Lunge konfiguriert. Die Leistungsversorgung sollte auch zum Liefern der Energie über eine Zeitdauer, die für ein Anhalten der Wirkung ausreicht, konfiguriert sein. Dies wird durch eine Zeiteinstellung, die durch einen Benutzer in einen Speicher der Leistungsversorgung eingegeben werden kann, erzielt.
Die Leistungsversorgung oder der Generator der vorliegenden Erfindung kann auch mehrere Algorithmen zum Anpassen der Energielieferung, zum Ausgleichen von Funktionsfehlern der Vorrichtung (wie z.B. Ablösung eines Thermoelements), zum Ausgleichen von unsachgemäßer Bedienung (wie z.B. schlechter Kontakt der Elektroden) und zum Ausgleichen von Gewebeinhomogenitäten, welche die Energielieferung beeinträchtigen können, wie z.B. Gefäße unter der Oberfläche, benachbarte Atemwege oder Bindegewebsvariationen, umfassen.
Die Leistungsversorgung kann auch Schaltungen zum Überwachen von Kenngrößen der Energieübertragung (beispielsweise Spannung, Strom, Leistung, Impedanz, sowie auch die Temperatur aus dem temperaturfühlenden Element) und die Verwendung dieser Information zum Regulieren der gelieferten Energiemenge umfassen. Wird RF-Energie geliefert, so betragen die typischen Frequenzen der RF-Energie oder der RF-Leistungswellen von 300 bis 1750 kHz, wobei 300 bis 500 kHz oder 450 bis 475 kHz bevorzugt sind. Die Höhe der RF-Leistung beträgt im Allgemeinen von etwa 0–30 W, sie hängt jedoch von mehreren Faktoren, wie z.B. von der Elektrodengröße, ab. Der Controller kann auch zum unabhängigen und selektiven Zuführen von Energie an eine oder mehrere der Elektrodenarme des Korbs konfiguriert sein.
Die Leistungsversorgung kann auch Regelmodi zur sicheren und effektiven Lieferung von Energie umfassen. Die Energie kann in einem offenen Regelkreis (mit konstant gehaltener Leistung) über eine bestimmte Zeitdauer geliefert werden. Die Energie kann auch in einem temperaturkontrollierten Regelkreis geliefert werden, wobei die Leistungsabgabe zum Aufrechterhalten einer bestimmten Temperatur über eine bestimmte Zeitdauer variiert wird. Bei der Lieferung von RF-Energie über RF-Elektroden kann die Leistungsversorgung auch in einem impedanzkontrollierten Modus betrieben werden.
TEMPERATURKONTROLLIERTER MODUS
Bei einem temperaturkontrollierten Modus kann die Leistungsversorgung mit einer Einstellung bis zu 75°C arbeiten. Dies bedeutet, dass die von dem Thermoelement gemessene Temperatur bis zu 75°C erreichen kann, bevor die Leistungsversorgung abgeschaltet wird. Die Zeitdauer muss ausreichend lang sein, um die gewünschte Wirkung zu erzielen, jedoch so kurz wie möglich, um die Behandlung aller gewünschter Ziel-Atemwege in einer Lunge zu ermöglichen. Beispielsweise sind bis zu 15 Sekunden geeignet, bevorzugter 8 bis 12 Sekunden, wobei etwa 10 Sekunden pro Aktivierung (wobei die Vorrichtung lagestationär ist) bevorzugt sind. Eine kürzere Zeitdauer bei einer höheren Temperatur wird ebenfalls eine annehmbare akute Wirkung erzielen.
Es sollte bedacht werden, dass bei verschiedenen Bauweisen der Vorrichtung verschiedene Parametereinstellungen zum Erzielen der gewünschten Wirkung verwendet werden. Beispielsweise werden bei direkten RF-Elektroden typischerweise Temperaturen bis zu 75°C in einem temperaturkontrollierten Modus verwendet, während bei widerstandsgewärmten Elektroden Temperaturen bis zu 90°C verwendet werden können.
ENERGIEPULSE UND ENERGIEMODULATION
Es können auch kurze Stöße oder Pulse von RF-Energie an das Zielgewebe geliefert werden. Kurze Pulse von RF-Energie erwärmen das nahe liegende Gewebe, während das tieferliegende Gewebe, das in erster Linie durch Wärmeleitung durch das nahe liegende Gewebe erwärmt wird, zwischen den Energiestößen abkühlt. Bei kurzen Energiepulsen ist daher die Behandlung tendenziell auf das nahe liegende Gewebe beschränkt.
Die Anwendung von kurzen Pulsen von RF-Energie kann durch Modulation der Wellenform der RF-Leistung mit einer Modulations-Wellenform erzielt werden. Die Modulation der Wellenform der RF-Leistung kann bei gleichzeitiger Verwendung eines beliebigen der anderen hier dargelegten Regelalgorithmen durchgeführt werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Beispielsweise kann die RF-Energie moduliert werden und zugleich einem temperaturkontrollierten Regelmodus unterliegen.
Beispiele von Modulations-Wellenformen umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, einen Pulszug von Rechteckwellen, sinusförmigen oder anderen Arten von Wellenformen. Bei Rechteckwellen-Modulation kann die modulierte RF-Energie durch eine Pulsbreite (die Zeitdauer eines einzelnen RF-Energiepulses) und ein Tastverhältnis (der prozentuelle Anteil der Zeitdauer der RF-Abgabe) gekennzeichnet werden. Ein geeignetes Tastverhältnis kann bis zu 100% betragen, was im Wesentlichen der Zuführung von RF-Energie ohne Modulation entspricht. Tastverhältnisse bis zu 80% oder bis zu 50% können auch zum Beschränken von kollateraler Schädigung oder zum Begrenzen der Wirkung der gelieferten Energie geeignet sein.
REGELKREISALGORITHMUS
Wie vorstehend dargelegt, umfasst die vorliegende Erfindung Controller mit verschiedenen Algorithmen. Die Algorithmen können entweder auf analoger oder auf digitaler Grundlage stehen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich dabei um einen Dreiparameter-Controller oder Proportional-Integral-Differential (PID)-Controller, der folgenden Algorithmus verwendet: P_i+1 = P_i + G(αe_i + βe_i-1 + γe_i-2), wobei P_i+1 die neue Sollleistung ist, P_i die vorhergehende Sollleistung ist, α, β und γ voreingestellte Werte sind, G ein variabler Verstärkungsfaktor ist und e_i, e_i-1 und e_i-2 der Abweichung bei dem gegenwärtigen Zeitschritt, der Abweichung bei einem Schritt zuvor bzw. der Abweichung bei zwei Schritten zuvor entsprechen, wobei die Abweichung der Unterschied zwischen der voreingestellten Temperatur und der gemessenen Temperatur ist.
Wir haben entdeckt, dass mit dem System der vorliegenden Erfindung durch Verwendung eines variablen Verstärkungsfaktors (G) zum angepassten Regulieren der RF-Energielieferung ein breiter Bereich von Gewebearten, umfassend die Lungengewebe Bronchus, Bronchiolen und andere Atemwegspassagen, behandelt werden kann. Der variable Verstärkungsfaktor skaliert die Koeffizienten (α, β und γ; jeweils eine Funktion der drei PID-Parameter) auf der Grundlage von, beispielsweise, der Temperaturantwort auf die Energiezuführung während des anfänglichen Temperaturanstiegs.
Es werden nun Beispiele von PID-Parametern, die im α-β-γ-Raum ausgedrückt sind, für eine Energieliefervorrichtung und einen Controller der vorliegenden Erfindung gegeben. Diese Einstellungen und Zeitvorgaben stehen auf der Grundlage von Versuchen mit verschiedenen Tierlungengeweben unter Verwendung eines wie vorstehend beschriebenen Energieliefergeräts. Vorzugsweise variiert der Verstärkungsfaktor zunächst, dann wird er 0,1 bis 2, bevorzugter 0,5, Sekunden nach Beginn der Energielieferung rückgesetzt. Vorzugsweise wird der Verstärkungsfaktor folgendermaßen rückgesetzt: G wird auf 0,9 bis 1,0, vorzugsweise auf 0,9, rückgesetzt, wenn der Temperaturanstieg in °C pro Joule weniger oder gleich 2,5 ist; G wird auf 0,4 bis 0,5, vorzugsweise auf 0,5, rückgesetzt, wenn der Temperaturanstieg in °C pro Joule zwischen 2,5 und 5,0 liegt; G wird auf 0,2 bis 0,3, vorzugsweise auf 0,2, rückgesetzt, wenn der Temperaturanstieg in °C pro Joule zwischen 5,0 und 7,5 liegt; und G wird auf 0,1 bis 0,2, vorzugsweise auf 0,1, rückgesetzt, wenn der Temperaturanstieg in °C pro Joule größer als 7,5 ist. Wir haben auch entdeckt, dass ein geeigneter Wert für α von 1 bis 2 beträgt; für β von –1 bis –2 beträgt; und für γ von –0,5 bis 0,5 beträgt. Bevorzugter betragen α, β und γ 1,6, –1,6 bzw. 0,0.
Es ist auch möglich, die relativen Gewichtungen von α, β und γ in Abhängigkeit von der beobachteten Temperaturantwort durch Verarbeiten im PID- oder im α-β-γ-Koordinatenraum über das bloße Skalieren der α-β-γ-Koeffizienten mit einem variablen Verstärkungsfaktor hinaus zu verändern. Dies kann durch einzelnes Anpassen von einem von α, β oder γ, oder von allen, erreicht werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem PID-Algorithmus um P_i+1 = P_i + (G₁e_i + G₂e_i-1 + G₃e_i-2), wobei G₁, G₂ und G₃ variable Verstärkungsfaktoren sind. Die Erfindung umfasst das derartige Konfigurieren des Controllers, dass G₁, G₂ und G₃ auf 0,90 bis 2,00, –0,90 bis –2,00 bzw. 0,50 bis –0,50 rückgesetzt werden, wenn der Temperaturanstieg in °C pro Joule kleiner oder gleich 2,5 ist; auf 0,40 bis 1,00, –0,40 bis –1,00 bzw. 0,25 bis –0,25, wenn der Temperaturanstieg in °C pro Joule zwischen 2,5 und 5,0 beträgt; auf 0,20 bis 0,60, –0,20 bis –0,60 bzw. 0,15 bis –0,15, wenn der Temperaturanstieg in °C pro Joule zwischen 5,0 und 7,5 beträgt; und auf 0,10 bis 0,40, –0,10 bis –0,40 bzw. 0,10 bis –0,10, wenn der Temperaturanstieg in °C pro Joule größer als 7,5 ist. Jeder der variablen Verstärkungsfaktoren kann ein Produkt von mindestens einem voreingestellten Wert und mindestens einem variablen Wert sein.
Es ist auch möglich, einen Algorithmus zu verwenden, der anstatt in diskreten Abtastschritten, -intervallen oder -zeiträumen auf Signale kontinuierlich reagiert. Der Algorithmus berücksichtigt mehrere Variablen, von denen die beobachtete Temperaturantwort abhängt, umfassend beispielsweise die Anfangstemperatur, den Zeitverlauf der Energielieferung und die Menge der Energie, die zum Aufrechterhalten der voreingestellten Temperatur benötigt wird. Ein Beispiel eines analogen PID-Algorithmus ist: u = K_Pe + K_I∫edt + K_D(de/dt), wobei u ein anzupassendes Signal ist, wie z.B. ein Strom, eine Spannungsdifferenz oder eine Leistungsabgabe, die eine Energielieferung von der Elektrode zu der Atemwegswand bewirkt. K_P, K_I und K_D sind voreingestellte oder variable Werte, die mit der dazugehörigen Abweichungsgröße multipliziert werden, wobei e(t) der Unterschied zwischen einer voreingestellten Variable und einer gemessenen Prozessvariable, wie z.B. der Temperatur bei der Zeit (t), ist. Die vorstehende Gleichung ist für Controller vom kontinuierlichen und/oder analogen Typ geeignet.
LEISTUNGSABSCHALTUNGS-SICHERHEITSALGORITHMEN
Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Regelmodi kann die Leistungsversorgung auch Regelalgorithmen zum Begrenzen von übermäßiger Wärmeschädigung des Atemwegsgewebes umfassen. Die Schädigung kann durch Beenden oder Abschalten der an das Zielmedium gelieferten Energie begrenzt werden. Die Algorithmen können auf die Erwartungsgrundlage zurückgeführt werden, dass die gemessene Temperatur des Gewebes auf die Lieferung von Energie ansprechen wird. Bei der Temperaturantwort kann es sich beispielsweise um eine Temperaturänderung innerhalb einer bestimmten Zeit oder um die Geschwindigkeit einer Temperaturänderung handeln. Die erwartete Temperaturantwort kann als Funktion der gemessenen Anfangstemperatur, der Temperaturwerte für eine bestimmte Höhe der Leistung als Funktion der Zeit, oder von anderen Variablen, welche die Gewebeeigenschaften beeinflussen, vorhergesagt werden. Die erwartete Temperaturantwort kann somit als ein Parameter in einem Sicherheitsalgorithmus der Leistungsversorgung verwendet werden. Beispielsweise wird die Leistungsversorgung automatisch abgeschaltet, wenn die gemessene Temperaturantwort nicht in einem vorgegebenen Bereich der erwarteten Temperaturantwort liegt.
Es können auch andere Regelalgorithmen verwendet werden. Beispielsweise kann ein Algorithmus zum Abschalten der Energielieferung in dem Fall, dass die gemessene Temperatur in einem vorgegebenen Zeitabschnitt nach Beginn der Energielieferung nicht um eine bestimmte Gradanzahl steigt, verwendet werden. Vorzugsweise wird die Leistungsversorgung abgeschaltet, wenn die gemessene Temperatur innerhalb von etwa 3 Sekunden nicht um mehr als etwa 10°C ansteigt. Bevorzugter wird die Leistungsversorgung abgeschaltet, wenn die gemessene Temperatur innerhalb von etwa 1 Sekunde nicht um mehr als etwa 10°C ansteigt.
Eine andere Weise, die Energielieferung zu beenden, umfasst das Abschalten der Leistungsversorgung, wenn die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs zu einem beliebigen Zeitpunkt während der Energielieferung nicht in einem vorgegebenen Bereich liegt. Beispielsweise wird die Leistungsversorgung das Liefern von RF-Energie beenden, wenn die gemessene Geschwindigkeit der Temperaturänderung einen vorgegebenen Wert nicht erreicht. Die vorgegebenen Werte sind vorbestimmt und stehen auf der Grundlage von Erfahrungswerten. Im Allgemeinen stehen die vorbestimmten Werte auf der Grundlage der Zeitdauer der Lieferung von RF-Energie und der Höhe der zugeführten Leistung. Eine geeignete vorbestimmte Geschwindigkeit der Temperaturänderung zum Beenden der Energielieferung beträgt von 8°C/Sekunde bis 15°C/Sekunde während der ersten 5 Sekunden (vorzugsweise während der ersten 2 Sekunden) nach Beginn der Energielieferung.
Andere Algorithmen umfassen das Abschalten der Leistungsversorgung, wenn eine eingestellte Höchsttemperatur überschritten wird, oder das Abschalten der Leistungsversorgung, wenn sich die gemessene Temperatur plötzlich ändert, wobei eine solche Änderung sowohl ein Abfallen als auch ein Ansteigen umfasst und wobei diese Änderung eine Funktionsstörung des temperaturerfassenden Elements anzeigen kann. Beispielsweise kann der Generator oder die Leistungsversorgung zum Abschalten, wenn die gemessene Temperatur um mehr als etwa 10°C innerhalb von etwa 0,1 bis 1 Sekunden, bevorzugter innerhalb von 0,2 Sekunden, abfällt, programmiert sein.
Bei einer weiteren Konfiguration wird die Leistung abgeschaltet, wenn die gemessene Temperatur eine vorgewählte Temperatur übersteigt oder die Solltemperatur um einen vorgewählten Betrag übersteigt. Beispielsweise wird die Leistung abgeschaltet, wenn der Sollwert um 5 bis 20°C, bevorzugter 15°C, überstiegen wird.
Bei einer weiteren Konfiguration wird die Leistung abgeschaltet, wenn die gemessene Temperatur (über ein Zeitfenster gemittelt) eine vorgewählte Temperatur übersteigt. Beispielsweise kann die Leistung abgeschaltet werden, wenn die gemessene Temperatur (über 1 bis 5 Sekunden gemittelt, vorzugsweise über 2 Sekunden gemittelt) die voreingestellte Temperatur um einen vorbestimmten Betrag übersteigt. Der vorbestimmte Betrag beträgt üblicherweise von 1 bis 10°C, vorzugsweise etwa 5°C. Geeignete voreingestellte Temperaturen betragen von 60 bis 80°C, am meisten bevorzugt etwa 65°C. Dementsprechend wird bei einer beispielgebenden Konfiguration die Leistung abgeschaltet, wenn die gemessene Temperatur (über 2 Sekunden gemittelt) 70°C übersteigt.
Bei einer weiteren Konfiguration wird die Leistung abgeschaltet, wenn die gelieferte Energiemenge einen Maximalwert übersteigt. Bei einem Energieliefergerät, das Energie an die Atemwege von Lungen liefert, beträgt eine geeignete Maximalmenge 120 Joule.
Bei einer weiteren Konfiguration wird die Leistung in Abhängigkeit von einer Impedanzmessung abgeschaltet. Die Impedanz wird an einer behandelten Gewebefläche innerhalb der Lunge überwacht. Die Impedanz kann auch an mehr als einer Stelle innerhalb der Lunge überwacht werden. Die Impedanzmessung kann, muss aber nicht, mittels der gleichen Elektroden, die auch zum Liefern der Energiebehandlung an das Gewebe verwendet werden, durchgeführt werden. Die Impedanzmessung kann wie im Stand der Technik bekannt durchgeführt werden. Dementsprechend wird bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Leistung angepasst oder abgeschaltet, wenn eine gemessene Impedanz unter einen voreingestellten Impedanzwert fällt. Bei der Verwendung der Energieliefervorrichtung der vorliegenden Erfindung zur Behandlung von Atemwegen beträgt ein geeigneter Bereich des voreingestellten Impedanzwerts von 40 bis 60 Ohm, vorzugsweise etwa 50 Ohm.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Energieliefergerät zur Lieferung einer Leistungsmenge bis zu einer Maximalleistung konfiguriert. Die Maximalleistung kann von 10 bis 40 Watt, vorzugsweise von 15 bis 20 Watt, betragen.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Leistungsversorgung zum Abschalten, wenn die gelieferte Leistung eine Maximalleistung übersteigt und die gemessene Temperatur innerhalb eines Abtastzeitraums um eine kritische Temperaturdifferenz abfällt, konfiguriert. Eine geeignete Maximalleistung beträgt 15 bis 20 Watt, vorzugsweise etwa 17 Watt. Der Abtastzeitraum beträgt üblicherweise von 0,1 bis 1,0 Sekunden, vorzugsweise etwa 0,5 Sekunden. Ein geeigneter Bereich der kritischen Temperaturdifferenz ist etwa 2°C.
Selbstverständlich kann jeder der vorstehend genannten Algorithmen und Abschaltkonfigurationen in einem einzelnen Controller kombiniert sein. Algorithmen mit sich gegenseitig ausschließenden Funktionen können jedoch nicht miteinander kombiniert werden.
Obwohl die Leistungsversorgung oder der Generator vorzugsweise einen Mikroprozessor umfasst oder verwendet, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Es können auch andere im Stand der Technik bekannte Mittel eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Generator zum Betreiben von einem oder mehreren der vorstehend dargelegten Algorithmen fest verschaltet sein.
Der Controller ist vorzugsweise programmierbar und zum Empfangen und Verarbeiten anderer Signale als bei den vorstehend bereitgestellten Beispielen konfiguriert. Beispielsweise können andere nützliche Sensoren dem Prozessor Eingangssignale zur Verwendung bei der Bestimmung der Leistungsabgabe im nächsten Schritt bereitstellen. Die Behandlung eines Atemwegs kann auch das Platzieren eines bildgebenden Systems, wie z.B. eines Endoskops oder Bronchoskops, in den Atemwegen umfassen. Die Behandlungsvorrichtung wird dann durch das Bronchoskop oder Endoskop oder in der Nähe davon eingeführt, wobei die Atemwege bildgebend dargestellt werden. Bei einer anderen Ausführungsform kann das bildgebende System unter Verwendung von Faseroptikdarstellung und -linsen oder eines CCD und Linsen, die an dem distalen Abschnitt der Behandlungsvorrichtung. angebracht sind, direkt in die Behandlungsvorrichtung eingebaut sein. Die Behandlungsvorrichtung kann auch unter Verwendung von radiographischer Darstellung, wie z.B. Fluoroskopie, oder anderer externer Darstellungsmittel positioniert werden.
BEISPIELE
Ein System zur Behandlung von Atemwegen gemäß der vorliegenden Erfindung wurde hergestellt und in vivo an zwei Kaninchen geprüft. Das System umfasste ein Energieliefergerät mit einem distalen Korb. Der Korb umfasste Elektrodenarme und einen an einem der Arme befestigten Temperatursensor. Das System umfasste auch einen Generator, der zur Messung der Temperaturänderung pro Energieeinheit während der ersten halben Sekunde der Behandlung programmiert war. Ein PID-Verstärkungsfaktor wurde in Abhängigkeit von der gemessenen Gewebeantwort angepasst: Dies bedeutet, dass der Verstärkungsfaktor auf der Grundlage der Temperaturänderung pro Joule Abgabe während der ersten halben Sekunde angepasst wurde. Im Allgemeinen entspricht dies einer höheren Verstärkung bei schwächer reagierendem Gewebe und einer schwächeren Verstärkung bei stärker reagierendem Gewebe.
Nach der Behandlung der Testsubjekte mit einem allgemeinen Anästhetikum wurde RF-Energie unter Verwendung eines Energieliefergeräts und eines Generators, die wie vorstehend beschrieben waren, an Zielbereiche geliefert. Insbesondere wurden bei allen erreichbaren intraparenchymalen Atemwegen beider Lungen mit Durchmessern von 3 mm oder mehr Energieaktivierungen durchgeführt. Bei den beiden Tieren wurden dreihundertdreiundsechzig Aktivierungen (d.h. 180 Aktivierungen pro Tier) bei einer Temperatureinstellung von 65°C durchgeführt. Zusätzlich wurden bei jedem Tier bei zwanzig der Aktivierungen die Energieliefervorrichtung mit Absicht unsachgemäß angewendet, um eine „Stress"-Bedingung bereitzustellen.
Bei jeder Aktivierung erreichte die gemessene Temperatur 65°C und stabilisierte sich dort, wobei sich bei den zwanzig Aktivierungen unter „Stress"-Bedingungen die Leistung in korrekter Weise abschaltete. Die vorliegende Erfindung kann somit erfolgreich Lungengewebe mit einer variablen Verstärkungseinstellung und verschiedenen Sicherheitsalgorithmen zum sicheren Aufrechterhalten einer voreingestellten Temperatur an der Elektrode oder der Oberfläche des Lungengewebes behandeln. Die Temperaturregelung ist insbesondere bei der Behandlung von Atemwegen der Lunge zum Verringern von Asthmasymptomen von Vorteil.
Diese Erfindung wurde beschrieben und spezielle Ausführungsformen oder Beispiele der Erfindung wurden dargelegt, um ein richtiges Verständnis der Erfindung zu vermitteln. Die Verwendung solcher Beispiele soll die Erfindung in keiner Weise beschränken.

Claims

System (36) zum Liefern von Energie an eine Atemwegswand einer Lunge, umfassend: einen Energielieferapparat (30), umfassend ein flexibles längliches Element und einen distalen ausdehnbaren Korb, welcher ausdehnbare Korb mindestens eine Elektrode zum Übertragen von Energie auf die Atemwegswand und mindestens einen Temperaturfühler (137) zur Messung der Temperatur (T_M) der Atemwegswand, wenn Energie an die Atemwegswand geliefert wird, aufweist; und einen PID-Controller (32) zur Bestimmung eines neuen Leistungseinschaltpunkts (P_i+1), ausgehend von einem Fehler (e) zwischen einer zuvor eingestellten Solltemperatur (T_s) und der gemessenen Temperatur (T_M), wobei der PID-Controller einen Algorithmus mit einem variablen Gewinnfaktor (G) anlegt und der Algorithmus P_i+1 = P_i + G(αe_i + βe_i-1 + γe_i-2) ist, worin α, β und γ zuvor eingestellte Werte sind.
System nach Anspruch 1, worin der Controller so konfiguriert ist, dass G 0,1 bis 2 Sekunden nach Beginn der Energielieferung rückgesetzt wird.
System nach Anspruch 1, worin der Controller so konfiguriert ist, dass G 0,5 Sekunden nach Beginn der Energielieferung rückgesetzt wird.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin der Controller so konfiguriert ist, dass G auf 0,9 bis 1,0 rückgesetzt wird, wenn ein Temperaturanstieg in °C pro Joule kleiner oder gleich 2,5 beträgt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der Controller so konfiguriert ist, dass G auf 0,4 bis 0,5 rückgesetzt wird, wenn ein Temperaturanstieg in °C pro Joule zwischen 2,5 und 5,0 beträgt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der Controller so konfiguriert ist, dass G auf 0,2 bis 0,3 rückgesetzt wird, wenn ein Temperaturanstieg in °C pro Joule gleich 5,0 bis 7,5 beträgt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der Controller so konfiguriert ist, dass G auf 0,1 bis 0,2 rückgesetzt wird, wenn ein Temperaturanstieg in °C pro Joule größer 2,5 beträgt.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin α 1 bis 2 ist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin β –1 bis –2 ist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin γ –0,5 bis 0,5 ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin α, β und γ jeweils 1,6, –1,6 und 0,0 sind.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin der Controller so konfiguriert ist, dass die Energielieferung beendet wird, wenn die gelieferte Energie eine Maximalenergie überschreitet.
System nach Anspruch 12, worin die Maximalenergie 120 Joules beträgt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin der Controller zum Liefern von Energie für einen Aktivierungszeitraum konfiguriert ist.
System nach Anspruch 14, worin der Controller so konfiguriert ist, dass der Aktivierungszeitraum bis zu 15 Sekunden beträgt.
System nach Anspruch 15, worin der Controller so konfiguriert ist, dass der Aktivierungszeitraum 8 bis 12 Sekunden beträgt.
System nach Anspruch 16, worin der Controller so konfiguriert ist, dass der Aktivierungszeitraum 10 Sekunden beträgt.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin der Controller so konfiguriert ist, dass T_s auf einen Wert zwischen 60 bis 80°C eingestellt ist.
System nach Anspruch 18, worin T_s auf 65°C eingestellt ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin der Controller zum Messen der Impedanz konfiguriert ist und die Energielieferung beendet wird, wenn diese Impedanz unter einen zuvor eingestellten Impedanzwert abfällt.
System nach Anspruch 20, worin der zuvor eingestellte Impedanzwert 40 bis 60 Ohm beträgt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin der Controller zum Abbrechen der Energielieferung konfiguriert ist, wenn die T_M die T_S um einen zuvor gewählten Wert übersteigt.
System nach Anspruch 22, worin der zuvor gewählte Wert 10°C beträgt.
System nach Anspruch 22, worin der zuvor gewählte Wert 15°C beträgt.
System nach Anspruch 22, worin der zuvor gewählte Wert 20°C beträgt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin der Controller zum Abbrechen der Energielieferung konfiguriert ist, wenn die Ausgangsleistung größer oder gleich einer nominalen Ausgangsleistung ist und die T_M um eine kritische Temperaturdifferenz innerhalb eines Stichprobezeitraums abfällt.
System nach Anspruch 26, worin die nominale Ausgangsleistung auf einen Wert von mindestens 17 Watt eingestellt ist.
System nach Anspruch 26 oder Anspruch 27, worin der Stichprobezeitraum auf einen Wert von mindestens 0, 5 Sekunden eingestellt ist.
System nach einem der Ansprüche 26 bis 28, worin die kritische Temperaturdifferenz 2°C beträgt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin der Controller zum Abbrechen der Energielieferung konfiguriert ist, wenn die über ein Zeitfenster gemittelte T_M die T_s um eine festgelegte Temperaturdifferenz übersteigt.
System nach Anspruch 30, worin die festgelegte Temperaturdifferenz zwischen 1 und 10°C beträgt.
System nach Anspruch 31, worin die festgelegte Temperaturdifferenz 5°C beträgt.
System nach einem der Ansprüche 30 bis 32, worin das Zeitfenster zwischen 1 und 5 Sekunden beträgt.
System nach Anspruch 33, worin das Zeitfenster 2 Sekunden beträgt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin der Controller zum Abbrechen der Energielieferung konfiguriert ist, wenn die gemessene Temperatur um 10 oder mehr °C in einem Stichprobezeitraum abfällt.
System nach Anspruch 35, worin der Stichprobezeitraum 1,0 Sekunden beträgt.
System nach Anspruch 35, worin der Stichprobezeitraum 0,2 Sekunden beträgt.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin der Gewinnfaktor anfänglich gleich einem Wert zwischen 0,4 und 0,5 ist.
System (36) zum Liefern von Energie an eine Atemwegswand einer Lunge, umfassend: einen Energielieferapparat (30), umfassend ein flexibles längliches Element und einen distalen ausdehnbaren Korb, welcher ausdehnbare Korb mindestens eine Elektrode zum Übertragen von Energie auf die Atemwegswand und mindestens einen Temperaturfühler (137) zum Messen der Temperatur (T_M) der Atemwegswand, wenn Energie an die Atemwegswand geliefert wird, aufweist; und einen PID-Controller (32) zur Bestimmung eines neuen Leistungseinschaltpunkts (P_i+1), ausgehend von einem Fehler (e) zwischen einer zuvor eingestellten Solltemperatur (T_s) und der gemessenen Temperatur (T_M), worin der PID-Controller einen Algorithmus mit einer Vielzahl von variablen Gewinnfaktoren anlegt und der Algorithmus P_i+1 = P_i + (G₁e_i + G₂e_i-1 + G₃e_i-2) ist, worin G₁, G₂ und G₃ die variablen Gewinnfaktoren sind.
System nach Anspruch 39, worin der Controller so konfiguriert ist, dass die variablen Gewinnfaktoren 0,1 bis 2 Sekunden nach Beginn der Energielieferung rückgesetzt werden.
System nach Anspruch 40, worin der Controller so konfiguriert ist, dass die variablen Gewinnfaktoren 0,5 Sekunden nach Beginn der Energielieferung rückgesetzt werden.
System nach einem der Ansprüche 39 bis 41, worin der Controller so konfiguriert ist, dass G₁, G₂ und G₃ jeweils auf 0,90 bis 2,00, –0,90 bis –2,00 und 0,5 bis –0,5 rückgesetzt werden, wenn ein Temperaturanstieg in °C pro Joule kleiner oder gleich 2,5 beträgt.
System nach einem der Ansprüche 39 bis 41, worin der Controller so konfiguriert ist, dass G₁, G₂ und G₃ jeweils auf 0,40 bis 1,00, –0,40 bis –1,00 und 0,25 bis –0,25 rückgesetzt werden, wenn ein Temperaturanstieg in °C pro Joule zwischen 2,5 und 5,0 beträgt.
System nach einem der Ansprüche 39 bis 41, worin der Controller so konfiguriert ist, dass G₁, G₂ und G₃ jeweils auf 0,20 bis 0,60, –0,20 bis –0,60 und 0,15 bis –0,15 rückgesetzt werden, wenn ein Temperaturanstieg in °C pro Joule gleich 5,0 bis 7,5 beträgt.
System nach einem der Ansprüche 39 bis 41, worin der Controller so konfiguriert ist, dass G₁, G₂ und G₃ jeweils auf 0,10 bis 0,40, –0,10 bis –0,40 und 0,10 bis –0,10 rückgesetzt werden, wenn ein Temperaturanstieg in °C pro Joule größer 7,5 beträgt.
System nach einem der Ansprüche 39 bis 45, worin jeder der variablen Gewinnfaktoren gleich einem Produkt aus mindestens einem zuvor eingestellten Sollwert und mindestens einem variablen Wert ist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin der Energielieferapparat zum Liefern einer Leistungsmenge von bis zur Maximalleistung konfiguriert ist.
System nach Anspruch 47, worin die Maximalleistung 10 bis 40 Watt beträgt.
System nach Anspruch 48, worin die Maximalleistung 15 bis 20 Watt beträgt.
Verfahren zum Übertragen von Energie auf ein ex vivo-Zielmedium unter Verwendung eines Energielieferapparats (30), welcher Energielieferapparat ein flexibles längliches Element und einen distalen Abschnitt umfasst, wobei der distale Abschnitt einen ausdehnbaren Korb mit mindestens einer aktiven Region zum Übertragen von Energie auf das Zielmedium beinhaltet, welcher Energielieferapparat außerdem einen Temperaturfühler (137) aufweist, der im distalen Abschnitt lokalisiert ist, zum Messen einer Temperatur (T_M) des Zielmediums, welches Verfahren umfasst: Einstellen einer Temperaturvorgabe (T_s); Bestimmen eines Leistungseinsschaltpunkts (P_i) zum Liefern von Energie aus der aktiven Region zum Zielmedium; Messen der Zielmedium-Temperatur (T_M) mittels des Temperaturfühlers; und Bestimmen eines neuen Leistungseinschaltpunkts (P_i+1), ausgehend von einem Fehler (e) zwischen einer zuvor eingestellten Solltemperatur (T_S) und der gemessenen Temperatur (T_M) unter Anlegen eines Algorithmus' mit einem variablen Gewinnfaktor, wobei der Algorithmus folgender ist: P_i+1 = P_i + G(αe_i + βe_i-1 + γe_i-2) ist, worin α, β und γ zuvor eingestellte Werte sind.
Verfahren nach Anspruch 50, wobei der Energielieferapparat (30) das System (36) nach einem der Ansprüche 1–38 umfasst.
Verfahren zum Übertragen von Energie auf ein ex vivo-Zielmedium unter Verwendung eines Energielieferapparats (30), welcher Energielieferapparat einen flexiblen länglichen Körper und einen distalen Abschnitt umfasst, wobei der distale Abschnitt einen ausdehnbaren Korb mit mindestens einer aktiven Region zum Übertragen von Energie auf das Zielmedium beinhaltet, welcher Energielieferapparat außerdem einen im distalen Abschnitt lokalisierten Temperaturfühler (137) zum Messen einer Temperatur (T_M) des Zielmediums aufweist, welches Verfahren umfasst: Einstellen einer Temperaturvorgabe (T_s); Bestimmen eines Leistungseinschaltpunkts (P_i) zum Liefern von Energie von der aktiven Region zu dem Zielmedium; Messen der Zielmedium-Temperatur (T_M) mittels des Temperaturfühlers; und Bestimmen eines neuen Leistungseinschaltpunkts (P_i+1), ausgehend von einem Fehler (e) zwischen einer zuvor eingestellten Solltemperatur (T_s) und der gemes senen Temperatur (T_M) unter Anlegen eines Algorithmus' mit einer Vielzahl von variablen Gewinnfaktoren, wobei der Algorithmus folgender ist: P_i+1 = P_i + (G₁e_i + G₂e_i-1 + G₃e_i-2), worin G₁, G₂ und G₃ die variablen Gewinnfaktoren sind.
Verfahren nach Anspruch 52, wobei der Energielieferapparat (30) das System (36) nach einem der Ansprüche 39–46 umfasst.