WO2009129793A1 - Apparatus and method for taking measurements in hollow spaces - Google Patents

Apparatus and method for taking measurements in hollow spaces Download PDF

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WO2009129793A1
WO2009129793A1 PCT/DE2009/000537 DE2009000537W WO2009129793A1 WO 2009129793 A1 WO2009129793 A1 WO 2009129793A1 DE 2009000537 W DE2009000537 W DE 2009000537W WO 2009129793 A1 WO2009129793 A1 WO 2009129793A1
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WO
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cavity
transmitter
wall
signal
signals
Prior art date
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PCT/DE2009/000537
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Erich Kasper
Bernhard Budaker
Original Assignee
Universität Stuttgart
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Filing date
Publication date
Application filed by Universität Stuttgart filed Critical Universität Stuttgart
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Priority to DE112009000869T priority patent/DE112009000869A5/en
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Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 

Definitions

  • the present invention relates to the preamble claimed and is accordingly concerned with the performance of measurements in cavities.
  • Measurements in cavities are always important if the cavity can not be opened or allowed, as z. B. in certain machines is the case or especially in the living, for example, human body, since today
  • the procedure should be carried out in a minimally invasive manner so as not to overburden a patient.
  • imaging endoscopes can be used in which light is irradiated into the body and with a camera an image is taken from the inside of the body. It is irrelevant per se whether 5 the light source or the camera with the device in the
  • Body is introduced and only electrical power to the light source and the camera must be performed and optionally an image data line is provided, or if the light source and / or camera outside the body are arranged 3 and the corresponding light signals are transmitted or received via optical fibers or the like.
  • the object of the present invention is to provide new products for commercial use.
  • one into a cavity is at least partially, preferably only
  • the device 10 of the distance measurement serving waves acts.
  • both the transmitter and the antenna or the receiver, if necessary with its also separately from the transmitter antenna feasible Antenna is introduced.
  • the partial introduction is realized according to the understanding of the present application, if there is still a mechanical connection of the functional parts is given to the outside, such as a catheter tube on which the relevant parts are arranged by placement on an endoscope, etc., Relevant, that even then the transmitter together with its oscillator, the antenna, the receiver, etc. are introduced to close to the place of measurement in a body.
  • the cavity is a natural cavity.
  • transit time measurements are on pulsed signals described. Such measurements are particularly easy to understand and therefore particularly advantageous for the following description for didactic reasons.
  • continuous wave radars exist and corresponding continuous wave distance measurement techniques can be used with the invention. In such continuous wave distance measurements, the frequency of an emitted radar wave is changed in a known manner, for example in the form of a sawtooth.
  • a returning signal will therefore have a different frequency than a signal currently being radiated (for example according to another location on the sawtooth curve). If one now superimposes the signal returning from an object with a signal which has just been radiated, a beat is obtained whose frequency depends on how much the frequency of the radar wave emitted has changed between emission and return reception. From the known frequency curve course can therefore be concluded by determining the beating frequencies on the term and thus again on the distance.
  • Such per se known techniques are well used with the invention; Incidentally, the reference to two different methods for determining the transit time is not intended to limit the invention to just these two methods.
  • electromagnetic waves from both a pulsed radar transmitter and a continuous wave radar wave transmitter are well distinguishable from a simple, such as strictly monochromatic, wave due to their characteristics required to allow distance measurement or travel time determination, etc. are, such as for cases in which an object is only on or illuminated.
  • a basic idea of the present invention is thus to be seen in the knowledge that radar waves in cavities are particularly well suited for obtaining information if the apparatus implementation takes place in such a way that a high measurement precision can be achieved, as is the case. if transmitters, receivers and antennas according to the invention can be arranged directly at the objects to be observed, that is to be inserted into the cavity.
  • the arrangement of transmitter, receiver and antenna in the cavity significant advantages over a situation are achieved in which only one antenna-like waveguide is pushed into the vicinity of an object, as by the waveguide properties, especially in moving objects such A living organism in which, for example, there is no complete rest position due to heartbeat and / or peristaltic movements, always increased measurement inaccuracies are to be expected.
  • the radar waves offer considerable advantages over both optical waves and the ultrasound waves that have been used occasionally. Mention should be made, inter alia, the significantly better temporal and spatial resolution, which is possible in particular in near field measurements, and the ability to determine by intrusion of radar signals into a cavity wall of changes in the signal response, in particular impulse response, properties of the wall. This is especially true for the preferred wavelength ranges.
  • the device is in principle suitable for any type of cavity, in particular also for the investigation of pipe systems, such as in sewers, the conveyance of substances (pipelines, etc.).
  • pipe systems such as in sewers, the conveyance of substances (pipelines, etc.).
  • particularly preferred is the application in living organisms, in particular the human body, where the device brings particular advantages as a diagnostic or treatment instrument.
  • a problem of a natural cavity is usually
  • the wall material that shapes the transmitter signal responses can change dramatically.
  • the actual wall itself will consist of different tissues such as the esophagus, the stomach, or various sections of the intestine, but rather
  • the wall is always understood to be the layer which, in its total thickness, contributes to the transmitter signal response in a significant and, in particular, evaluable manner.
  • the arrangement can be formed as an endoscope, which is particularly advantageous. Training as an endoscope has been This has a negative effect on the dimensioning of the device, for example with regard to the diameter and the length by which the device can be introduced into the cavity.
  • the transmitter will emit millimeter waves or submillimeter waves, with the range above 3 GHz, in particular above 15 GHz, having proven to be particularly preferred.
  • the waves are typically emitted in a range above 3 GHz, preferably above 15 GHz, particularly preferably at frequencies between 100 and 300 GHz.
  • the frequency range between 100 and 300 GHz is particularly preferred for medical purposes, since a high resolution with low energies using small, well-introduced devices is possible without tissue damage to be feared by too high performance.
  • the device not only for the emission or detection of a single frequency, but instead also for the emission of several different frequencies. These may optionally be emitted simultaneously, which is particularly preferred if there are possibilities to distinguish the impulse responses for different frequencies.
  • transmitter and receiver means need not be active simultaneously. Rather, it is possible to emit a signal pulse with a transmitter and then to receive the reflected signal without the transmitter necessarily still being active. On the one hand, this has the advantage that the receiving means is not disturbed by signals from the transmitter arranged close to the receiver in the apparatus and, on the other hand, which is particularly preferred, that the receiver means has a single antenna system.
  • the transmitter signal responses are detected in such a way that information related to the cavity can be obtained therefrom.
  • the cavity-related information may relate, on the one hand, to the distance of the device to the cavity wall and, on the other hand, to properties of the cavity wall.
  • the transmitter is formed as a SIMMWIC, that is to say as a Silicon Monolithic Millimeter Wave Integrated Circuit, which enables the highest-frequency generation of rave waves and optionally detection on a single chip.
  • the device may be formed so that the detected transmitter signal responses are only conditioned in the interior of the cavity in such a way that they can easily be directed to the outside, that is, to the outside of the cavity. This makes it possible to perform a complex signal processing outside the cavity, which would not be possible in the interior of the cavity, at least not in a suitable form.
  • the output signals may be low-frequency analog and / or digital signals, which are given in particular wire or optical fiber bound as electrical and / or electro-optical signals to the outside of the body.
  • the device is typically used for use with pulsed signals, in particular with predetermined shaped transmit pulse signals such as square pulses, that is those pulses in which the envelope forms a rectangle; Instead, however, other pulse shapes are readily usable, for example, sawtooth pulses or Gaussian-shaped transmission pulses, etc.
  • predetermined shaped transmit pulse signals such as square pulses, that is those pulses in which the envelope forms a rectangle;
  • other pulse shapes are readily usable, for example, sawtooth pulses or Gaussian-shaped transmission pulses, etc.
  • DIRAC needle-like
  • the evaluation can preferably be carried out so that the distance of the device is determined to the cavity wall. This is possible in particular even if an extensive isotropic emission takes place, that is, if signals are not emitted in a preferred direction or no spatially resolved signal reception is possible, as is the case with pixels of a camera. Typically, only a single receiver unit will be present, so no pixel-like spatially resolving receiver unit will be provided. It is preferred if the device in the interior of the cavity can be aligned and / or moved, for example rotatable and / or tiltable, in order to be able to direct a narrowly limited, that is in particular bundled, transmission signal beam.
  • the turning and / or tilting of the device part carrying the transmitting and receiving means can be done in a conventional manner, for example by means of steering wires .
  • a spacing of the device may be determined for different orientations and, for example, by providing a marker on the device and aligning the device relative to the marker, the orientation may be well determined.
  • an antenna system not with a single antenna, but rather with a single antenna.
  • phase for individual antenna elements can be specified (phased array). This allows the emission in a certain direction or the return from a certain direction.
  • phase array phase for individual antenna elements can be specified.
  • the integration 5 of the circuitry required for a phase antenna array is readily possible, in particular with at most the smallest area requirement.
  • the use of a "phased array" for the antenna makes it possible to direct the beam to different points and thus very quickly in a scanning manner
  • the beam roughly pre-position by mechanical movement.
  • a plurality of different phase-controlled antenna fields can be provided in order to be able to cover a plurality of small areas in each case.
  • ⁇ O be sent or possibly even recorded. If the measured signals are given to the outside in more or less evaluated form, this can be done via radio waves. which do not have to be radar waves, in particular radar waves within the measuring frequency range.
  • the device is designed for use in cavities with varying wall properties, that is to say along the insertion path, it is preferable to provide a database means which displays characteristics of impulse responses of different walls or wall areas such as esophagus, stomach, small intestine, adipose tissue, well perfused (and thus often cancerous diseased) tissue etc. contains and makes available for comparison.
  • pulse characteristics for example, absorptions and reflection coefficients may be detected when arranged on other tissues.
  • the device may be formed so small that it is possible to provide further means for medical intervention in addition to the transmitter for generating radar waves and the receiver means or additionally the signal conditioning.
  • These means may comprise and / or represent an optical imaging means and / or comprise a surgical means such as placing a stent or performing a biopsy. In such procedures, especially in vessels, the placement is particularly facilitated, because it can be well recognized by the use of radar waves, whether a certain, just reached with the device body is changed abnormally or if the device still a few inches or millimeters back or forth must be moved to capture such a position. It is also possible to detect vessel branches particularly well. It should be mentioned that besides and / or in addition to pure transit time measurements also a Evaluation of Doppler shift is considered to detect movements of the radar waves throwing back structures.
  • the device for introduction into the body and / or the whereabouts outside the body can be associated with an evaluation and is preferably assigned, either by integration and / or by providing suitable interfaces, wherein the evaluation means received an evaluation
  • L5 signals will be designed for evaluating runtime or distance information contained in received signals in such a way that distance-indicative and / or transit time-indicative signals are generated, in particular directly distance- and / or travel-time-related data, for example i ⁇ distances of detected objects and / or object parts of the sender and / or receiver in particular, but not necessarily even if they also lie deep behind a wall or in a wall or a wall-forming tissue. That parts of the evaluation means can be entrained
  • the device can also be designed to detect 0 spatially resolved signals, even in the case of a transmitter without a dedicated directional characteristic and / or a receiver which is not designed per se for spatial resolution.
  • the device can be formed in a suitable manner so that it can easily be moved at least for purposes of recording. dissolved signals at a given location in the cavity is movable. It should be noted that with the device of the present invention, moreover, movements can be detected, for example, peristaltic or other, even rapid movements of a cavity wall. This is possible due to a fast signal repetition, ie a high sampling rate.
  • the performance of the present device may be low. Typically, microwatts will suffice for certain types of tissue, but they may be increased if necessary, in particular depending on a currently encountered cavity wall and / or expected damage thereto. So it may be useful to significantly increase the emission performance of tissue damage deep inside the wall, for example, several millimeters to centimeters away from a gut wall suspected. Preference is given to adjustability of the power by power adjustment means. The radiated power can always remain below the tissue damage limit, since it is sufficient for the purposes of the present invention, when the power is sufficient only for observations, without tissue-modifying radiation must occur.
  • the device is provided with an externally detectable marker. Although it can be attempted to detect radiated radar waves, if they are strong enough, from the outside.
  • contactless scannable markers such as, for example, magnets or coils can be provided for emitting low-frequency, pulsed signals which can be located externally and the like.
  • the present invention also proposes a method for material analysis in which a device of the type described is introduced into a cavity and, in response to 5 radar wave transmitter signal responses, a position of the device in a cavity and / or a characteristic thereof, in particular a cavity wall property, are determined.
  • FIG. 1 shows a device according to the present invention in a cavity
  • FIG. 2a is a schematic view of important parts of a first device according to the invention
  • Fig. 3 transmit and receive pulse shapes at total reflection
  • Fig. 6 is an illustration of the use of a device according to the invention.
  • a device 1, generally designated 1, insertable into a cavity 2 comprises a transmitter 3 for emitting signals 4 into the cavity 2 and an emitter 5 for detecting transmitter signal responses, a transmitter 3 for radar wave generation, and a receiver means 5 for generating electrical signals in response to radar wave detection.
  • the insertable device 1 is in the present case, which is not always mandatory, formed at the proximal end of an endoscope, which can be inserted into the stomach as a cavity 2. It should be noted that the training for the introduction into other cavities is readily possible. The arrangement is formed so that the proximal end can be oriented and positioned in the cavity.
  • the device 1 may further be equipped with optical imaging means such as one or more CCD chips for additional image information and the like, and additionally and / or alternatively with surgical or other medical intervention means (not shown).
  • the radar wave transmitter 3 is so angeox'd- net that it radiates radially away from the device 1 here.
  • the radar wave transmitter 3 emits waves in the range between 15 and 100 gigahertz here as a collimated beam, compare the indicated transmitter beam 4.
  • the receiver means 3 is designed to receive waves of the frequency emitted by the transmitter after reflection on the wall 2a of the cavity 2.
  • the transmitter comprises an oscillator 3b with a modulatable by a modulation device frequency and amplitude for emission of a transmission pulse 3a, the oscillator signal after appropriate amplification via a changeover switch 3c to an antenna 3d can be placed to emit the beam 4, see FIG. 2a.
  • the receiver means comprises, in addition to the antenna 3d and the switch 3c, a high-frequency receiver 3e and, optionally, a low-noise amplifier 3f designated as an LNA unit (ie low noise amplifier).
  • the switch 3c can be switched alternately so that either the oscillator signal is applied to the antenna or the antenna signal from the antenna 3d is applied to the HF receiver 3e.
  • the switch 3c switches so fast that a pulse 3a emitted by the oscillator 3b via the switch 3c and the antenna 3d and emitted by the latter can be applied to the HF receiver after reflection on the wall.
  • the oscillator 3b and its associated modulation device, the receiver 3d, the switch 3c and the antenna 3d form a structural unit on a chip, that is, they form a SIMWIC.
  • power supplies and controls are provided in particular for the switch and the pulse shaping for the oscillator. An external control is mentioned as a possibility.
  • the pulse 3a is typically so short that a Nachreflexion of returning back to the cavity wall Impulsvorderflanke the antenna reached only after the falling pulse edge has been emitted by the antenna 3d, which also, if appropriate, the switching times of the switch are still taken into account ,
  • the receiver means 3e further comprises, optionally outside of the unit described above as a unit, high frequency signal processing for conditioning / conversion.
  • the apparatus may further comprise a digital signal processor and digital signal processing, as will be explained. This is particularly designed to impulse responses the absorption properties, transit times and Reflections can also be determined if there is a superposition of influences of different wall types.
  • the antenna is to be directed together with the chip through the device 1 to changing locations of the cavity wall 2a. This can be done by moving the device 1 back and forth in cavity 2, as indicated by arrow 6 in FIG. 6, and / or by rotating the device about its own axis, as also indicated in FIG. 6, where 8 is an axis and arrow 9 indicates the rotational movement about its own axis 8.
  • Suitable control and movement means are not shown in the figures, but known.
  • the signal generation and the signal reception run in such a way that a pulse shaped in a specific way is sent to the cavity wall with the transmitter and the impulse response of the cavity wall is detected with the receiver. From the shape of the response pulse conclusions can then be drawn on the wall.
  • the situation illustrated in FIG. 3 results, according to which the sensor emits an electromagnetic wave 4 as a transmitter signal onto the cavity wall 2a by means of transmitter 3 in the device 1, namely a rectangular-pulse-shaped transmitter signal which is used for a certain transmission time lasts.
  • the totally reflected electromagnetic wave 4b is received at the receiver.
  • the propagation delay of the pulse can be seen in Fig. 3 with reference to the diagrams for transmitted pulse and impulse response shown schematically.
  • the intensity of the received signal is unchanged from the shape of the emitted pulse, as illustrated by the rectangular shape for the transmission pulse and Empfangsimpulseinhüllende.
  • Fig. 4 shows the same situation, but with a non-total reflecting, but organic cavity wall is shown with a fat and a muscle tissue layer.
  • the different types of tissue such as fatty tissue and muscle tissue, have on the one hand different reflection coefficients and on the other hand different absorption coefficients. This is exemplified in FIG. 5.
  • An electromagnetic wave radiated onto such a tissue arrangement will therefore be partially reflected at the first boundary layer, for example the transition between stomach contents and fatty tissue layer, while a part of the wave can penetrate into the fatty tissue. From the inside of the fatty tissue, the electromagnetic incident wave is partially reflected back and at the same time continues to run partially. It runs under weakening until it reaches the next boundary layer, that is, the transition between fat and muscle tissue, where a renewed strong reflection corresponding to the interface transition takes place and subsequently on further passage a modified absorption and possibly further reflection occurs after passage of the muscle tissue , The effects described cause the pulse shape of the received pulse is no longer the Pulse shape of the transmitted pulse corresponds, but the pulse is deformed.
  • the high-frequency signal processing 3g (see Fig. 2a) is now i selected so that the pulse deformation by the different tissue layers remain observable and evaluable. It is possible, by suitable signal conditioning, such as envelope detection, to generate a signal in the cavity interior without digital conversion in a simple manner, which can easily be led to the outside of the cavity for further evaluation. For this purpose, electrical conductors for analog signals can be provided in the device 1 in particular.
  • Digitization now makes it possible to determine the propagation times through different layers and the reflections / absorptions that occur from the pulse shape, for By, as preferred, accessing databases containing characteristic momentum deformations for particular types of tissue and / or layers so as to provide an indication of the current cavity walls. Preferably, a database used for comparison is then organized so that a search is made therein according to the walls expected or typical of a particular procedure. Thus, despite similar impulse deformations, different types of tissue can be particularly well discriminated by the additional information, such as whether the device is in the esophagus or deep in the stomach.
  • tissue can be discriminated, as a result of which pulse shape alone makes it possible to identify a specific type of tissue and thus an insertion position of the device.
  • This makes it possible to detect a site of altered tissue properties on the basis of the pulse deformation, particularly when a device moves through a cavity, as shown in FIG. 6.
  • the dark-marked area 10 is a tissue affected by cancer and thus typically better perfused and thus changed with regard to the penetration depth of high-frequency electromagnetic radar waves.
  • the device position which can be done, for example, by detection from the outside, for example with the aid of magnets and / or scales on the distal end, as well as detection of the orientation of the device 1, a spatially resolved image may also be recorded.
  • the potentially very high measuring speed which is possible with radar waves also makes it possible to detect movements, such as peristaltic movements, and the like in a highly resolved manner. This allows in particular to detect pathological changes of movement patterns.
  • this is possible and preferred by exploiting the Doppler effect by determining indicative frequency shifts for movements of the walls of the radar waves.
  • the device is preferably also designed for the detection and evaluation of movements in the body.
  • a device which can be partially inserted into a natural cavity of a body of an organism has been described in particular, but not exclusively a transmitter for signal emission and a receiver means for detecting transmitter signal responses, wherein the transmitter for introduction into the body of the organism at a proximal end of the device and arranged for radar wave generation for the range between above 10, preferably from 15 and 300 GHz, preferably between 100 and formed below 300 GHz, and the receiver means is also arranged to be introduced into the body of the organism at the proximal end of the device and adapted to generate transit-time related electrical signals responsive to radar wave detection, wherein the device is associated with and / or associated with an evaluation means may be, are determined by the runtime-related electrical signals runtime information.

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Abstract

The invention relates to an apparatus which can be at least partially inserted into a hollow space of a body and comprises a transmitter for emitting signals and a receiver means for sensing transmitter signal responses. The transmitter is arranged at an insertable end of the apparatus in order to be inserted and is designed to generate radar waves ranging from 10, preferably more than 15, even more preferably more than 100 GHz, to 300 GHz. Furthermore, the receiver means is also arranged at the proximal end of the apparatus in order to be inserted into the body and is designed to generate propagation time-related electric signals in response to radar waves being sensed.

Description

Titel : Vorrichtung und Verfahren zur Durchführung von Messungen in Hohlräumen Title: Apparatus and method for performing measurements in cavities
S BeschreibungS description
Die vorliegende Erfindung betrifft das Oberbegrifflieh Beanspruchte und befasst sich demgemäß mit der Durchführung von Messungen in Hohlräumen.The present invention relates to the preamble claimed and is accordingly concerned with the performance of measurements in cavities.
DD
Messungen in Hohlräumen sind immer dann wichtig, wenn der Hohlraum nicht geöffnet werden kann oder darf, wie dies z. B. bei bestimmten Maschinen der Fall ist oder insbesondere auch beim lebenden, zum Beispiel menschlichen Körper, da heutzuta-Measurements in cavities are always important if the cavity can not be opened or allowed, as z. B. in certain machines is the case or especially in the living, for example, human body, since today
5 ge Eingriffe nach Möglichkeit minimalinvasiv durchgeführt werden sollen, um einen Patienten nicht über Gebühr zu belasten.If possible, the procedure should be carried out in a minimally invasive manner so as not to overburden a patient.
Es sind verschiedene Vorrichtungen bekannt, bei denen eine D Vorrichtung in einen Körper eingeführt wird, um Informationen über das Körperinnere zu erhalten. So können bildgebende Endoskope verwendet werden, bei denen Licht in den Körper eingestrahlt wird und mit einer Kamera ein Bild aus dem Körperinneren aufgenommen wird. Dabei ist es per se unerheblich, ob 5 die Lichtquelle bzw. die Kamera mit der Vorrichtung in denVarious devices are known in which a D device is inserted into a body to obtain information about the interior of the body. Thus, imaging endoscopes can be used in which light is irradiated into the body and with a camera an image is taken from the inside of the body. It is irrelevant per se whether 5 the light source or the camera with the device in the
Körper eingeführt wird und lediglich elektrische Leistung zur Lichtquelle respektive der Kamera geführt werden muss und gegebenenfalls eine Bilddatenleitung vorgesehen wird, oder ob Lichtquelle und/oder Kamera außerhalb des Körpers angeordnet 3 sind und die entsprechenden Lichtsignale über Glasfasern oder dergleichen gesendet oder empfangen werden.Body is introduced and only electrical power to the light source and the camera must be performed and optionally an image data line is provided, or if the light source and / or camera outside the body are arranged 3 and the corresponding light signals are transmitted or received via optical fibers or the like.
- l - Es ist auch schon bekannt, anstelle von Lichtsignalen mit Ultraschallsignalen zu arbeiten, um ein Ultraschallbild aus dem Körperinneren zu erhalten.- l - It is also already known to work with ultrasound signals instead of light signals in order to obtain an ultrasound image from inside the body.
5 Verwiesen wird hinsichtlich einer Vorrichtung für die Beobachtung von Gefäßen, die mit einem Ultraschallwandler arbeitet, insbesondere auf die DE 198 02 474 Al. Eine endoskopische Vorrichtung mit einem scannenden Kopf ist aus der WO 2005/006966 Al bekannt.5 Reference is made to a device for the observation of vessels, which works with an ultrasonic transducer, in particular to DE 198 02 474 Al. An endoscopic device with a scanning head is known from WO 2005/006966 A1.
DD
Zur Führung und Steuerung eines Katheders ist es aus der EP 1 691 860 A2 bekannt, ein System mit Radarunterstützung zu verwenden. Ein Lidar-Radar-Hybrid-System für medizinische Diagnosezwecke ist im übrigen auch aus der US 2004/0019282 AlTo guide and control a catheter, it is known from EP 1 691 860 A2 to use a system with radar support. Incidentally, a lidar radar hybrid system for medical diagnostic purposes is also known from US 2004/0019282 A1
5 bekannt .5 known.
Die bekannten Messverfahren insbesondere im medizinischen Bereich stellen zwar zum Teil schon nützliche Hilfsmittel dar, gleichwohl erlauben derartige Vorrichtungen im Regelfall aberAlthough the known measuring methods, in particular in the medical field, are in some cases already useful aids, such devices as a rule however permit such devices
D lediglich Erkenntnisse über die unmittelbare Oberfläche der Hohlraumwandung. Tief in der Wandung oder dahinter sitzende, krankhafte Stellen können gar nicht oder allenfalls schlecht erfasst werden, wobei insbesondere auch keine Aussage über die Tiefe, in welcher eine krankhafte Veränderung sitzt, oderD only insights on the immediate surface of the cavity wall. Deep in the wall or behind it, diseased areas can not be detected or at best poorly, in particular, no statement about the depth at which a pathological change sits, or
5 bis zu welcher sich eine krankhafte Veränderung erstreckt, getroffen werden kann; damit ist auch keine aussagekräftige Bestimmung der Größe einer krankhaften Veränderung oder eines bestimmten Gewebematerials, wie des Gewebes eines bestimmten Organs, möglich. Dies ist gerade im medizinischen beziehungs- d weise diagnostischen Bereich besonders nachteilig. Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereitzustellen.5 to which a pathological change extends can be made; Thus, no meaningful determination of the size of a lesion or of a specific tissue material, such as the tissue of a particular organ, is possible. This is especially disadvantageous in the medical or diagnostic field. The object of the present invention is to provide new products for commercial use.
Die Lösung dieser Aufgabe wird in unabhängiger Form bean- 5 sprucht. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.The solution to this problem is claimed in an independent form. Preferred embodiments are specified in the subclaims.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird somit eine in einen Hohlraum zumindest partiell, bevorzugt nurAccording to a first aspect of the present invention, therefore, one into a cavity is at least partially, preferably only
-0 partiell, das heißt nicht vollständig einführbare Vorrichtung mit einem Sender zur Signalemission in den Hohlraum und einem Empfängermittel zur Erfassung von Sendersignalantworten vorgeschlagen, wobei vorgesehen ist, dass der Sender zur Radarwellenerzeugung und das Empfängermittel zur Erzeugung elekt--0 partial, that is not completely insertable device with a transmitter for signal emission into the cavity and a receiver means for detecting transmitter signal responses proposed, wherein it is provided that the transmitter for radar wave generation and the receiver means for generating electrical
.5 rischer Signale im Ansprechen auf eine Radarwellenerfassung ausgebildet ist ..5 rischer signals is formed in response to a Radarwellenerfassung.
Als Radarwellen werden vorliegend elektromagnetische Wellen verstanden, die eine AbstandsbeStimmung anhand empfangenerAs radar waves in the present case electromagnetic waves are understood, the distance determination on the basis of received
!0 Rücksignale erlauben; die in der Abkürzung „RADAR" enthaltene Bezugnahme auf das „Ranging", also die Bestimmung von Abständen, ist somit von erheblicher Bedeutung für die vorliegende Anmeldung. Der Begriff „Radarwelle" wird insoweit präziser und in technisch genauerem Sinn verwendet als in anderen Do-! 0 allow return signals; The reference to "ranging" contained in the abbreviation "RADAR" is therefore of considerable importance for the present application. The term "radar wave" is used more precisely and in a technically more accurate sense than in other
!5 kumenten, wie sie beispielsweise zum Stand der Technik gehören, und in welchen auf nur so genannte Radarwellen bereits dann Bezug genommen wird, wenn es sich bei diesen nur vermeintlichen Radarwellen um irgendwelche elektromagnetischen, zum Teil zumindest noch hochfrequenten, jedenfalls aber nicht! 5 documents, as they belong, for example, to the prior art, and in which reference is made only to so-called radar waves already, if these only supposed radar waves to any electromagnetic, sometimes at least high-frequency, at least not
10 der Abstandsmessung dienende Wellen handelt. Wenn von der Einführung der Vorrichtung in den Körper eines Organismus, dort insbesondere in den Hohlraum eines Organismus die Rede ist, so versteht sich, dass sowohl der Sender als auch die Antenne beziehungsweise der Empfänger, gegebe- nenfalls mit seiner auch separat von der Senderantenne realisierbaren Antenne, eingeführt wird. Die partielle Einführung ist nach dem Verständnis der vorliegenden Anmeldung dann realisiert, wenn dabei noch eine mechanische Verbindung der funktionalen Teile nach außen gegeben ist, etwa durch einen Kathederschlauch, an dem die relevanten Teile angeordnet sind, durch Anordnung auf einem Endoskop usw. Relevant ist, dass auch dann der Sender mitsamt seinem Oszillator, der Antenne, dem Empfänger usw. bis dicht an den Ort der Messung in einen Körper hinein eingeführt werden. Bevorzugt handelt es sich bei dem Hohlraum um einen natürlichen Hohlraum. Dass mit dem Einschieben des Senders ein Hohlraum erst geschaffen werden kann, wie beim Einschub einer Kanüle, sei aber als Möglichkeit erwähnt . Die nur partielle Einführung mit Verbindung nach außen, die über Drähte, Stäbe oder dergleichen reali- siert werden kann, erlaubt es, eine Ausrichtung und Positionierung der Vorrichtung der beziehungsweise der zur Vorrichtung gehörenden Antennenmittel vorzunehmen.10 of the distance measurement serving waves acts. If the introduction of the device in the body of an organism, there in particular in the cavity of an organism is mentioned, it is understood that both the transmitter and the antenna or the receiver, if necessary with its also separately from the transmitter antenna feasible Antenna, is introduced. The partial introduction is realized according to the understanding of the present application, if there is still a mechanical connection of the functional parts is given to the outside, such as a catheter tube on which the relevant parts are arranged by placement on an endoscope, etc., Relevant, that even then the transmitter together with its oscillator, the antenna, the receiver, etc. are introduced to close to the place of measurement in a body. Preferably, the cavity is a natural cavity. That with the insertion of the transmitter a cavity can only be created, as in the insertion of a cannula, but is mentioned as a possibility. The only partial introduction with connection to the outside, which can be realized via wires, rods or the like, makes it possible to carry out an alignment and positioning of the device or the antenna means belonging to the device.
Es sei erwähnt, dass, wenn vorliegend von Abstandsmessungen gesprochen wird, einleuchtenderweise auch Laufzeitmessungen vorgenommen und/oder Laufzeiten ausgewertet werden können. Die Umrechnung von Laufzeiten in Abstände ist dabei ungeachtet bestehender Brechzahlunterschiede für verschiedene Gewebe möglich; falls gewünscht, kann sogar eine Korrektur hierauf vorgenommen werden. Die Laufzeit- oder AbStandsbestimmung kann auf unterschiedliche Arten geschehen. Im späteren Ausführungsbeispiel sind Laufzeitmessungen an gepulsten Signalen beschrieben. Derartige Messungen sind besonders leicht verständlich und daher für die nachfolgende Beschreibung aus didaktischen Gründen besonders vorteilhaft. Dass Dauerstrichradargeräte existieren und entsprechende Dauerstrichabstands- messtechniken mit der Erfindung einsetzbar sind, sei jedoch erwähnt. Bei derartigen Dauerstrichabstandsmessungen wird die Frequenz einer emittierten Radarwelle auf bekannte Weise geändert, beispielsweise in Form eines Sägezahns. Ein zurücklaufendes Signal wird daher eine andere Frequenz besitzen als ein momentan (zum Beispiel entsprechend einer anderen Stelle auf der Sägezahnkurve) gerade abgestrahltes Signal. Überlagert man nun das von einem Objekt zurücklaufende Signal mit einem gerade abgestrahlten Signal, wird eine Schwebung erhalten, deren Frequenz abhängig davon ist, wie sehr sich die Frequenz der emittierten Radarwelle zwischen Ausstrahlung und Rückempfang geändert hat . Aus dem bekannten Frequenzkurven- verlauf kann daher durch Bestimmung der Schwebungsfrequenzen auf die Laufzeit und damit wiederum auf den Abstand geschlossen werden. Derartige per se bekannte Techniken sind auch mit der Erfindung gut einsetzbar; die Bezugnahme auf zwei unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit soll im Übrigen die Erfindung nicht nur auf diese beiden Verfahren beschränken. Es sei hier darauf hingewiesen, dass elektromagnetische Wellen sowohl aus einem gepulsten Radarsender als auch aus einem Dauerstrichradarwellensender aufgrund ihrer Charakteristik, die erforderlich ist, um eine Entfernungsmessung oder Laufzeitbestimmung usw. besonders gut zu erlauben, von einer einfachen, beispielsweise streng monochromatischen Welle gut zu unterscheiden sind, wie etwa für Fälle, bei welchen ein Objekt lediglich an- beziehungsweise durchleuchtet wird. Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist somit in der Erkenntnis zu sehen, dass Radarwellen in Hohlräumen besonders gut geeignet sind, um Informationen zu gewinnen, wenn dabei die apparative Umsetzung so erfolgt, dass eine hohe Messge- nauigkeit erzielbar ist, was dann der Fall ist, wenn Sender, Empfänger und Antennen erfindungsgemäß unmittelbar bei den zu beobachtenden Objekten angeordnet werden können, also in den Hohlraum einzuschieben sind. Es wird darauf hingewiesen, dass durch die Anordnung von Sender, Empfänger und Antenne im Hohlraum deutliche Vorteile gegenüber einer Situation erreicht werden, bei welcher lediglich ein antennenartiger Hohlleiter bis in die Nähe eines Objektes geschoben wird, da durch die Hohlleitereigenschaften gerade bei sich bewegenden Objekten wie einem lebenden Organismus, in dem zum Beispiel durch Herzschlag und/oder peristaltische Bewegungen keine vollständige Ruhelage gegeben ist, stets erhöhte Messungenau- igkeiten zu erwarten sind. Die Radarwellen bieten gegenüber sowohl optischen Wellen als auch den bislang gelegentlich eingesetzten Ultraschallwellen erhebliche Vorteile. Erwähnt seien unter anderem die signifikant bessere zeitliche und räumliche Auflösung, die insbesondere in Nahfeldmessungen möglich wird, und die Möglichkeit, durch Eindringen von Radarsignalen in eine Hohlraumwandung aus Änderungen der Signalantwort, insbesondere Impulsantwort, Eigenschaften der Wandung zu bestimmen. Dies gilt insbesondere für die bevorzugten Wellenlängenbereiche.It should be noted that, if spoken of distance measurements in the present case, it is also reasonable to make transit time measurements and / or to be able to evaluate transit times. The conversion of running times into distances is possible regardless of existing refractive index differences for different tissues; if desired, even a correction can be made thereon. The running time or distance determination can be done in different ways. In the later embodiment, transit time measurements are on pulsed signals described. Such measurements are particularly easy to understand and therefore particularly advantageous for the following description for didactic reasons. However, it should be mentioned that continuous wave radars exist and corresponding continuous wave distance measurement techniques can be used with the invention. In such continuous wave distance measurements, the frequency of an emitted radar wave is changed in a known manner, for example in the form of a sawtooth. A returning signal will therefore have a different frequency than a signal currently being radiated (for example according to another location on the sawtooth curve). If one now superimposes the signal returning from an object with a signal which has just been radiated, a beat is obtained whose frequency depends on how much the frequency of the radar wave emitted has changed between emission and return reception. From the known frequency curve course can therefore be concluded by determining the beating frequencies on the term and thus again on the distance. Such per se known techniques are well used with the invention; Incidentally, the reference to two different methods for determining the transit time is not intended to limit the invention to just these two methods. It should be noted here that electromagnetic waves from both a pulsed radar transmitter and a continuous wave radar wave transmitter are well distinguishable from a simple, such as strictly monochromatic, wave due to their characteristics required to allow distance measurement or travel time determination, etc. are, such as for cases in which an object is only on or illuminated. A basic idea of the present invention is thus to be seen in the knowledge that radar waves in cavities are particularly well suited for obtaining information if the apparatus implementation takes place in such a way that a high measurement precision can be achieved, as is the case. if transmitters, receivers and antennas according to the invention can be arranged directly at the objects to be observed, that is to be inserted into the cavity. It should be noted that the arrangement of transmitter, receiver and antenna in the cavity significant advantages over a situation are achieved in which only one antenna-like waveguide is pushed into the vicinity of an object, as by the waveguide properties, especially in moving objects such A living organism in which, for example, there is no complete rest position due to heartbeat and / or peristaltic movements, always increased measurement inaccuracies are to be expected. The radar waves offer considerable advantages over both optical waves and the ultrasound waves that have been used occasionally. Mention should be made, inter alia, the significantly better temporal and spatial resolution, which is possible in particular in near field measurements, and the ability to determine by intrusion of radar signals into a cavity wall of changes in the signal response, in particular impulse response, properties of the wall. This is especially true for the preferred wavelength ranges.
Die Vorrichtung ist prinzipiell für jede Art von Hohlraum geeignet, insbesondere auch zur Untersuchung von Rohrsystemen, wie in der Kanalisation, der Förderung von Substanzen (Pipelines etc.) . Besonders bevorzugt ist allerdings die Anwendung in lebenden Organismen, insbesondere dem menschlichen Körper, wo die Vorrichtung besondere Vorteile als Diagnose- bzw. Behandlungsinstrument bringt .The device is in principle suitable for any type of cavity, in particular also for the investigation of pipe systems, such as in sewers, the conveyance of substances (pipelines, etc.). However, particularly preferred is the application in living organisms, in particular the human body, where the device brings particular advantages as a diagnostic or treatment instrument.
Ein Problem eines natürlichen Hohlraumes ist in der Regel,A problem of a natural cavity is usually
5 dass sich das Wandmaterial, das für die Sendersignalantworten prägend ist, stark ändern kann. So wird etwa entlang des Magen-Darm-Traktes nicht nur die tatsächliche Wandung selbst aus unterschiedlichen Geweben wie der Speiseröhre, dem Magen oder verschiedenen Abschnitten des Darms bestehen, sondern5 that the wall material that shapes the transmitter signal responses can change dramatically. For example, along the gastrointestinal tract not only the actual wall itself will consist of different tissues such as the esophagus, the stomach, or various sections of the intestine, but rather
.0 die Innenwandung wird wiederum von unterschiedlichem Gewebe umgeben sein, das zu einer Sendersignalantwort mit beiträgt. Es ist zunächst überraschend, dass Signale, die besonders stark von solchen Effekten geprägt sind, überhaupt aussagekräftig sind. Tatsächlich bieten sie aber sogar Vorteile ge-.0 The inner wall will in turn be surrounded by different tissue, which contributes to a transmitter signal with. It is initially surprising that signals that are particularly strongly influenced by such effects are even meaningful. In fact, they even offer advantages.
.5 genüber anderen Signalen wie Ultraschallsignalen, die nicht oder nicht wesentlich durch solche Effekte beeinflusst sind, weil durch die Verwendung von Radarwellen einerseits erkannt werden kann, welcher Art die Wandung tatsächlich ist und gegebenenfalls, ob lokal krankhafte oder auffällige Veränderun-.5 compared to other signals such as ultrasound signals, which are not or not significantly influenced by such effects, because on the one hand the use of radar waves can detect what type of wall is actually and, if applicable, whether locally abnormal or abnormal changes occur.
!0 gen der Wandung vorliegen. Als Wandung sei dabei, sofern nichts Anderes explizit erwähnt ist oder sich aus dem Sinnzusammenhang Anderes ergibt, stets die Schicht verstanden, die in ihrer Gesamtdicke zur Sendersignalantwort in signifikanter und insbesondere auswertbarer Weise beiträgt .! 0 gen the wall. Unless otherwise explicitly stated, or otherwise resulting from the context of meaning, the wall is always understood to be the layer which, in its total thickness, contributes to the transmitter signal response in a significant and, in particular, evaluable manner.
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Es sei erwähnt, dass neben einer Einführung in den Magen- Darm-Trakt eines Menschen auch eine Verwendung mit anderen natürlichen Hohlräumen in Frage kommt, beispielsweise den Blutgefäßen.It should be noted that in addition to an introduction into the gastrointestinal tract of a human also use with other natural cavities in question, such as the blood vessels.
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Die Anordnung kann als Endoskop gebildet sein, was besonders vorteilhaft ist. Die Ausbildung als Endoskop hat einsichti- gerweise Auswirkungen auf die Dimensionierung des Gerätes, etwa hinsichtlich des Durchmessers und der Länge, um welche die Vorrichtung in den Hohlraum einführbar ist.The arrangement can be formed as an endoscope, which is particularly advantageous. Training as an endoscope has been This has a negative effect on the dimensioning of the device, for example with regard to the diameter and the length by which the device can be introduced into the cavity.
Der Sender wird in einer bevorzugten Variante Millimeterwellen oder Submillimeterwellen emittieren, wobei sich der Bereich über 3 GHz, insbesondere über 15 GHz als besonders bevorzugt herausgestellt hat. Die Wellen werden typisch in einem Bereich über 3 GHz, bevorzugt über 15 GHz emittiert, be- sonders bevorzugt mit Frequenzen zwischen 100 und 300 GHz. Der Frequenzbereich zwischen 100 und 300 GHz ist gerade für medizinische Zwecke besonders bevorzugt, da hier eine hohe Auflösung mit geringen Energien unter Verwendung kleiner, gut einführbarer Geräte möglich ist, ohne dass durch zu hohe Leistungen Gewebeschädigungen zu befürchten sind. Dass niedrigere Frequenzen einsetzbar sind, etwa wenn nicht-organische Körper wie Maschinen, Großmotor-Verbrennungsräume, Pipelines, insbesondere Öl- oder Gaspipelines, und dergleichen ausgemessen werden sollen, sei erwähnt; in diesem Zusammenhang sei auch darauf hingewiesen, dass durch die Verwendung von Radarwellen mit der vorliegenden Erfindung bei Messungen in gefährdeten Umgebungen wie Chemikalienleitungen oder -tanks keine Gefahr besteht .In a preferred variant, the transmitter will emit millimeter waves or submillimeter waves, with the range above 3 GHz, in particular above 15 GHz, having proven to be particularly preferred. The waves are typically emitted in a range above 3 GHz, preferably above 15 GHz, particularly preferably at frequencies between 100 and 300 GHz. The frequency range between 100 and 300 GHz is particularly preferred for medical purposes, since a high resolution with low energies using small, well-introduced devices is possible without tissue damage to be feared by too high performance. That lower frequencies can be used, such as when non-organic bodies such as machines, large engine combustion chambers, pipelines, especially oil or gas pipelines, and the like are to be measured, may be mentioned; It should also be noted in this regard that the use of radar waves with the present invention poses no danger to measurements in hazardous environments such as chemical lines or tanks.
Es sei darauf hingewiesen, dass es ohne weiteres möglich ist, die Vorrichtung nicht nur für die Emission respektive Detek- tion einer einzelnen Frequenz, sondern statt dessen auch für die Emission mehrerer unterschiedlicher Frequenzen auszubilden. Diese können gegebenenfalls simultan emittiert werden, was besonders dann bevorzugt ist, wenn Möglichkeiten bestehen, die Impulsantworten für unterschiedliche Frequenzen zu unterscheiden. Alternativ ist es möglich, sukzessive und ins- besondere periodisch wechselnd, unterschiedliche Emissionsfrequenzen zu wählen. Dies kann dazu beitragen, zusätzliche Informationen etwa über Wandungseigenschaften zu gewinnen, was besonders dann vorteilhaft ist, wenn unterschiedliche Wandungen unterschiedliche Eigenschaften bei unterschiedlichen Frequenzen aufweisen. Als solche Eigenschaft kommt insbesondere eine Absorption in Frage. Dass in diesem Zusammenhang einsichtig ist, dass mit gepulsten Signalen gearbeitet werden kann, die per se als zeitlich begrenzte Impulszüge ein gegebenes Frequenzspektrum aufweisen und somit in sich „unterschiedliche Frequenzen" besitzen, sei erwähnt. Für den Fachmann ist hier einsichtig, dass insoweit von der Emission von Wellen die Rede ist, deren mittlere Frequenz variiert.It should be noted that it is readily possible to design the device not only for the emission or detection of a single frequency, but instead also for the emission of several different frequencies. These may optionally be emitted simultaneously, which is particularly preferred if there are possibilities to distinguish the impulse responses for different frequencies. Alternatively, it is possible to successively and special periodically changing, different emission frequencies to choose. This can contribute to gaining additional information about wall properties, for example, which is particularly advantageous when different walls have different properties at different frequencies. As such property is in particular an absorption in question. It should be noted in this context that it is possible to work with pulsed signals which per se have a given frequency spectrum as time-limited impulse trains and thus have "different frequencies" in their own hands Emission of waves is the speech whose average frequency varies.
In einer besonders bevorzugten Variante müssen Sender- und Empfängermittel nicht simultan aktiv sein. Vielmehr ist es möglich, mit einem Sender einen Signalimpuls zu emittieren und das reflektierte Signal dann zu empfangen, ohne dass der Sender zwingend noch aktiv ist. Dies hat einerseits den Vor- teil, dass das Empfängermittel beim Empfang nicht durch Signale des nahe beim Empfänger in der Vorrichtung angeordneten Senders gestört wird und erlaubt andererseits, was besonders bevorzugt ist, dass das Empfängermittel ein einzelnes Antennensystem aufweist.In a particularly preferred variant, transmitter and receiver means need not be active simultaneously. Rather, it is possible to emit a signal pulse with a transmitter and then to receive the reflected signal without the transmitter necessarily still being active. On the one hand, this has the advantage that the receiving means is not disturbed by signals from the transmitter arranged close to the receiver in the apparatus and, on the other hand, which is particularly preferred, that the receiver means has a single antenna system.
In einer bevorzugten Variante werden die Sendersignalantworten derart erfasst, dass daraus hohlraumbezogene Informationen gewonnen werden können.In a preferred variant, the transmitter signal responses are detected in such a way that information related to the cavity can be obtained therefrom.
Die hohlraumbezogenen Informationen können sich einerseits auf den Abstand der Vorrichtung zur Hohlraumwandung beziehen und andererseits auf Eigenschaften der Hohlraumwandung. Der Sender wird in einer besonders bevorzugten Variante als SIMMWIC gebildet, das heißt als Silicon Monolithic Millime- ter-Wave Integrated Circuit, wodurch die höchstfrequente Ra- darwellenerzeugung und gegebenenfalls Detektion auf einem einzelnen Chip möglich wird. Die Vorrichtung kann so gebildet sein, dass die erfassten Sendersignalantworten im Hohlrauminneren lediglich so konditioniert werden, dass sie ohne weiteres nach außen, also nach außerhalb des Hohlraumes geleitet werden können. Dies ermöglicht es, außerhalb des Hohlraumes eine komplexe Signalverarbeitung vorzunehmen, die im Inneren des Hohlraumes nicht, jedenfalls nicht in geeigneter Form, möglich wäre. Diese Signalkonditionierung ist somit zwar nicht zwingend erforderlich, wohl aber besonders hilfreich, um eine besonders nützliche Vorrichtung auszugestalten. Die Erkenntnis, dass die Signalkonditionierung im Kδrperinneren auf einfache Weise erfolgen kann, etwa um nur die Kontur einer Impulsantwort herauszufiltern, erlaubt es, besonders kleine und gleichwohl günstige Vorrichtungen zu bauen, die überdies für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet sind und leichter aktualisiert werden können. Die ausgegebenen Signale können niederfrequente analoge und/oder digitale Signale sein, die insbesondere draht- oder lichtleitfasergebunden als elektrische und/oder elektrooptische Signale nach außerhalb des Körpers gegeben werden.The cavity-related information may relate, on the one hand, to the distance of the device to the cavity wall and, on the other hand, to properties of the cavity wall. In a particularly preferred variant, the transmitter is formed as a SIMMWIC, that is to say as a Silicon Monolithic Millimeter Wave Integrated Circuit, which enables the highest-frequency generation of rave waves and optionally detection on a single chip. The device may be formed so that the detected transmitter signal responses are only conditioned in the interior of the cavity in such a way that they can easily be directed to the outside, that is, to the outside of the cavity. This makes it possible to perform a complex signal processing outside the cavity, which would not be possible in the interior of the cavity, at least not in a suitable form. Although this signal conditioning is not absolutely necessary, it is particularly helpful in designing a particularly useful device. The realization that the signal conditioning inside the body can be done in a simple way, such as filtering out only the contour of an impulse response, makes it possible to build particularly small and yet inexpensive devices that are also suitable for a variety of applications and can be more easily updated. The output signals may be low-frequency analog and / or digital signals, which are given in particular wire or optical fiber bound as electrical and / or electro-optical signals to the outside of the body.
Die Vorrichtung wird typisch für die Verwendung mit gepulsten Signalen verwendet, insbesondere mit auf vorbestimmte Weise geformten SendeimpulsSignalen wie Rechteckimpulsen, das heißt solchen Impulsen, bei denen die Einhüllende ein Rechteck bildet; statt dessen sind aber auch andere Impulsformen ohne weiteres verwendbar, beispielsweise Sägezahnimpulse oder gaussförmig geformte Sendeimpulse usw. Die Verwendung von nadelartigen (DIRAC-) Pulsen, die besonders stark, aber nur kurz sind, sei erwähnt. Durch derartige Pulse ergeben sich besonders leicht auswertbare Pulsformen.The device is typically used for use with pulsed signals, in particular with predetermined shaped transmit pulse signals such as square pulses, that is those pulses in which the envelope forms a rectangle; Instead, however, other pulse shapes are readily usable, for example, sawtooth pulses or Gaussian-shaped transmission pulses, etc. The use of needle-like (DIRAC) pulses, which are particularly strong, but only short, should be mentioned. Such pulses result in particularly easily evaluable pulse shapes.
Die Auswertung kann bevorzugt so erfolgen, dass der Abstand der Vorrichtung zur Hohlraumwandung bestimmt wird. Dies ist insbesondere selbst dann möglich, wenn eine weitgehende isotrope Aussendung erfolgt, das heißt, wenn Signale nicht in eine Vorzugsrichtung abgestrahlt werden oder kein ortsaufgelöster Signalempfang möglich ist, wie dies etwa bei Pixeln einer Kamera der Fall ist. Typisch wird nur eine einzelne Empfängereinheit vorliegen, also keine pixelartig ortsauflösende Empfängereinheit vorgesehen sein. Bevorzugt ist es dann, wenn die Vorrichtung im Hohlrauminneren ausrichtbar und/oder beweglich, beispielsweise drehbar und/oder neigbar ist, um einen eng begrenzten, das heißt insbesondere gebündelten Sendesignalstrahl richten zu können. Das Drehen und/oder Verkippen des die Sende- und Empfangsmittel tragen- den Vorrichtungsteils, typisch am proximalen Ende der Vorrichtung, das heißt am vordersten Ende der Vorrichtung und/oder nahe dazu, kann auf herkömmliche Weise, beispielsweise durch Lenk- bzw. Ausrichtedrähte geschehen. Es sei erwähnt, dass ein Abstand der Vorrichtung gegebenenfalls für unterschiedliche Ausrichtungen bestimmt werden und etwa durch Vorsehen eines Markers an der Vorrichtung und Ausrichten der Vorrichtung relativ zu dem Marker die Orientierung gut bestimmt werden kann.The evaluation can preferably be carried out so that the distance of the device is determined to the cavity wall. This is possible in particular even if an extensive isotropic emission takes place, that is, if signals are not emitted in a preferred direction or no spatially resolved signal reception is possible, as is the case with pixels of a camera. Typically, only a single receiver unit will be present, so no pixel-like spatially resolving receiver unit will be provided. It is preferred if the device in the interior of the cavity can be aligned and / or moved, for example rotatable and / or tiltable, in order to be able to direct a narrowly limited, that is in particular bundled, transmission signal beam. The turning and / or tilting of the device part carrying the transmitting and receiving means, typically at the proximal end of the device, ie at the foremost end of the device and / or close to it, can be done in a conventional manner, for example by means of steering wires , It should be noted that a spacing of the device may be determined for different orientations and, for example, by providing a marker on the device and aligning the device relative to the marker, the orientation may be well determined.
Was die Ausrichtung des Strahls im Körperinneren angeht, so sei darauf hingewiesen, dass es besonders bevorzugt ist, ein Antennensystem nicht mit einer einzelnen Antenne, sondern ei-With regard to the orientation of the beam inside the body, it should be noted that it is particularly preferred to use an antenna system not with a single antenna, but rather with a single antenna.
- Ii - nem Antennenfeld zu verwenden, bei dem die Phase für einzelne Antennenelemente vorgebbar ist (phased array) . Dies erlaubt die Emission in eine bestimmte Richtung beziehungsweise den Rückempfang aus einer bestimmten Richtung. Die Integration 5 der für ein Phasenantennenarray benötigten Beschaltung ist ohne weiteres, insbesondere mit allenfalls geringstem Flächenbedarf möglich. Die Verwendung eines „phased array" für die Antenne erlaubt es, besonders schnell in scannender Weise den Strahl auf unterschiedliche Punkte zu richten und damit- II - nem antenna field in which the phase for individual antenna elements can be specified (phased array). This allows the emission in a certain direction or the return from a certain direction. The integration 5 of the circuitry required for a phase antenna array is readily possible, in particular with at most the smallest area requirement. The use of a "phased array" for the antenna makes it possible to direct the beam to different points and thus very quickly in a scanning manner
LO auch ohne mechanische Positionierung das Hohlrauminnere dedi- ziert abzutasten, was eine ortsaufgelöste beziehungsweise richtungsaufgelöste Abstandsbestimmung besonders einfach macht . Je nach Ausbildung des Antennensystems wird dabei ein nur beschränkter Bereich mit dem Strahl zu überstreichenLO even without mechanical positioning to scan the interior of the cavity dedicated, which makes a spatially resolved or direction-resolved distance determination particularly easy. Depending on the design of the antenna system, only a limited area with the beam is to be covered
L5 sein, typisch etwa 20 bis 30° bei vertretbarem Aufwand für die Antenne und gegebenen Größen der Antenne. Es ist dann jedoch ohne weiteres möglich, durch mechanisches Nachbewegen insbesondere bei Anordnung von Sender, Empfänger und Antenne an einem Katheder, einem Endoskop oder einem in ein EndoskopL5, typically about 20 to 30 ° with reasonable effort for the antenna and given sizes of the antenna. However, it is then readily possible, by mechanical Nachbewegen especially in the arrangement of transmitter, receiver and antenna on a catheter, an endoscope or an endoscope
.0 oder einen Tubus einzuführenden Element, den Strahl grob durch mechanische Bewegung vorzupositionieren. Alternativ und/oder zusätzlich kann eine Mehrzahl von unterschiedlichen phasengesteuerten Antennenfeldern vorgesehen werden, um jeweils mehrere kleine Bereiche überstreichen zu können. Dies.0 or a tube to be introduced element, the beam roughly pre-position by mechanical movement. Alternatively and / or additionally, a plurality of different phase-controlled antenna fields can be provided in order to be able to cover a plurality of small areas in each case. This
25 kann eine mechanische (Dreh- ) Bewegung vollkommen erübrigen.25 can completely eliminate a mechanical (rotational) movement.
Durch Anbringen in versetzten Höhen, beispielsweise auf einer Zylinderwandung, kann auch eine 360 ° -Beobachtung erreicht werden. Dies würde ein vollständiges Schlucken einer Vorrichtung erlauben. Die gemessenen Signale können dann nach außenBy mounting at staggered heights, for example on a cylinder wall, a 360 ° observation can also be achieved. This would allow complete swallowing of a device. The measured signals can then go out
ΪO gesendet oder gegebenenfalls sogar aufgezeichnet werden. Wenn die gemessenen Signale in mehr oder minder ausgewerteter Form nach außen gegeben werden, kann dies über Funkwellen gesche- hen, bei denen es sich nicht um Radarwellen, insbesondere nicht um Radarwellen innerhalb des Messfreguenzbereiches handeln muss .ΪO be sent or possibly even recorded. If the measured signals are given to the outside in more or less evaluated form, this can be done via radio waves. which do not have to be radar waves, in particular radar waves within the measuring frequency range.
Wenn, wie typisch und bevorzugt, die Vorrichtung zur Verwendung in Hohlräumen mit variierenden, das heißt entlang des Einschubsweges unterschiedlichen Wandeigenschaften ausgebildet ist, wird bevorzugt ein Datenbankmittel vorgesehen sein, das Charakteristika von Impulsantworten unterschiedlicher Wände beziehungsweise Wandbereiche wie Speiseröhre, Magen, Dünndarm, Fettgewebe, gut durchblutetes (und damit oftmals krebsartig erkranktes) Gewebe usw. enthält und für einen Vergleich zugänglich macht. Als solche Impulscharakteristika können zum Beispiel Absorptionen und Reflexionskoeffizienten bei Anordnung an anderen Geweben erfasst sein.If, as is typical and preferred, the device is designed for use in cavities with varying wall properties, that is to say along the insertion path, it is preferable to provide a database means which displays characteristics of impulse responses of different walls or wall areas such as esophagus, stomach, small intestine, adipose tissue, well perfused (and thus often cancerous diseased) tissue etc. contains and makes available for comparison. As such pulse characteristics, for example, absorptions and reflection coefficients may be detected when arranged on other tissues.
Die Vorrichtung kann so klein gebildet sein, dass es möglich ist, neben dem Sender zur Radarwellenerzeugung und dem Empfängermittel bzw. zusätzlich der Signalkonditionierung weite- re Mittel für einen medizinischen Eingriff vorzusehen. Diese Mittel können ein optisches Bildgebemittel umfassen und/oder darstellen und/oder ein chirurgisches Mittel wie zum Platzieren eines Stents oder zur Durchführung einer Biopsie umfassen. Bei derartigen Eingriffen, insbesondere in Gefäßen, wird die Platzierung besonders erleichtert, weil durch die Verwendung der Radarwellen gut erkannt werden kann, ob eine bestimmte, mit der Vorrichtung gerade erreichte Stelle krankhaft verändert ist oder ob die Vorrichtung noch einige Zentimeter oder Millimeter vor oder zurück bewegt werden muss, um eine solche Stelle zu erfassen. Auch können Gefäßverzweigungen besonders gut detektiert werden. Es sei erwähnt, dass neben und/oder zusätzlich zu reinen Laufzeitmessungen auch eine Auswertung der Dopplerverschiebung in Betracht kommt, um Bewegungen der Radarwellen zurückwerfenden Strukturen zu erfassen.The device may be formed so small that it is possible to provide further means for medical intervention in addition to the transmitter for generating radar waves and the receiver means or additionally the signal conditioning. These means may comprise and / or represent an optical imaging means and / or comprise a surgical means such as placing a stent or performing a biopsy. In such procedures, especially in vessels, the placement is particularly facilitated, because it can be well recognized by the use of radar waves, whether a certain, just reached with the device body is changed abnormally or if the device still a few inches or millimeters back or forth must be moved to capture such a position. It is also possible to detect vessel branches particularly well. It should be mentioned that besides and / or in addition to pure transit time measurements also a Evaluation of Doppler shift is considered to detect movements of the radar waves throwing back structures.
5 Dass der Vorrichtung zur Miteinführung in den Körper und/oder zum Verbleib außerhalb des Körpers ein Auswertemittel zugeordnet sein kann und bevorzugt zugeordnet ist, entweder durch Integration und/oder durch Vorsehen geeigneter Schnittstellen, wobei mit dem Auswertemittel eine Auswertung empfangener5 that the device for introduction into the body and / or the whereabouts outside the body can be associated with an evaluation and is preferably assigned, either by integration and / or by providing suitable interfaces, wherein the evaluation means received an evaluation
LO laufzeit- und/oder abstandsbezogener elektrischer Signale, insbesondere elektrischer Signale mit charakteristischen Frequenzen weit unterhalb der Radarwellenfrequenzen vorgesehen ist, sei erwähnt. Das Auswertemittel zur Auswertung elektrischer, laufzeitbezogener und/oder abstandsbezogener Empfangs-LO runtime and / or distance-related electrical signals, in particular electrical signals with characteristic frequencies is provided far below the radar wave frequencies, may be mentioned. The evaluation means for evaluating electrical, transit time-related and / or distance-related reception
L5 signale wird zur Auswertung von in Empfangssignalen enthaltenen Laufzeit- beziehungsweise Abstandsinformationen derart ausgebildet sein, dass abstandsindikative und/oder laufzeit- indikative Signale erzeugt werden, insbesondere unmittelbar abstands- und/oder laufzeitbezogene Daten, beispielsweise iθ Entfernungen von erfassten Objekten und/oder Objektteilen von dem Sender und/oder Empfänger insbesondere, aber nicht zwingend auch dann, wenn diese hinter einer Wand beziehungsweise in einer Wand oder einem wandbildenden Gewebe auch tief liegen. Dass Teile des Auswertemittels miteinführbar sein kön-L5 signals will be designed for evaluating runtime or distance information contained in received signals in such a way that distance-indicative and / or transit time-indicative signals are generated, in particular directly distance- and / or travel-time-related data, for example iθ distances of detected objects and / or object parts of the sender and / or receiver in particular, but not necessarily even if they also lie deep behind a wall or in a wall or a wall-forming tissue. That parts of the evaluation means can be entrained
!5 nen, was aber nicht zwingend ist, sei erwähnt.! 5 NEN, which is not mandatory, should be mentioned.
Die Vorrichtung kann, auch bei einem Sender ohne dedizierte Richtcharakteristik und/oder einem Empfänger, der per se zur Ortsauflösung nicht ausgebildet ist, gleichwohl zur Erfassung 0 ortsaufgelöster Signale ausgebildet sein. Dazu kann die Vorrichtung auf geeignete Weise so beweglich gebildet sein, dass sie ohne weiteres zumindest für Zwecke der Aufnahme ortsauf- gelöster Signale an einer gegebenen Stelle im Hohlraum beweglich ist. Es sei darauf hingewiesen, dass mit der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung überdies auch Bewegungen erfasst werden können, beispielsweise peristaltische oder andere, auch schnelle Bewegungen einer Hohlraumwandung. Dies wird möglich durch eine schnelle Signalwiederholung, das heißt eine hohe Abtastrate .The device can also be designed to detect 0 spatially resolved signals, even in the case of a transmitter without a dedicated directional characteristic and / or a receiver which is not designed per se for spatial resolution. For this purpose, the device can be formed in a suitable manner so that it can easily be moved at least for purposes of recording. dissolved signals at a given location in the cavity is movable. It should be noted that with the device of the present invention, moreover, movements can be detected, for example, peristaltic or other, even rapid movements of a cavity wall. This is possible due to a fast signal repetition, ie a high sampling rate.
Die Leistung der vorliegenden Vorrichtung kann gering sein. Typisch werden für bestimmte Gewebearten Mikrowattleistungen ausreichen, die allerdings gegebenenfalls erhöht werden können, insbesondere abhängig von einer aktuell vorgefundenen Hohlraumwandung und/oder erwarteten Schädigungen derselben. So kann es sinnvoll sein, bei Gewebeschädigungen, die tief im Inneren der Wandung, also beispielsweise etliche Millimeter bis Zentimeter entfernt von einer Darmwand vermutet werden, die Emissionsleistung signifikant zu erhöhen. Bevorzugt ist eine Einstellbarkeit der Leistung durch Leistungseinstellmittel . Die eingestrahlte Leistung kann dabei stets unterhalb der Gewebeschädigungsgrenze bleiben, da es für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ausreicht, wenn die Leistung lediglich für Beobachtungen ausreicht, ohne dass eine gewebeverändernde Bestrahlung erfolgen muss .The performance of the present device may be low. Typically, microwatts will suffice for certain types of tissue, but they may be increased if necessary, in particular depending on a currently encountered cavity wall and / or expected damage thereto. So it may be useful to significantly increase the emission performance of tissue damage deep inside the wall, for example, several millimeters to centimeters away from a gut wall suspected. Preference is given to adjustability of the power by power adjustment means. The radiated power can always remain below the tissue damage limit, since it is sufficient for the purposes of the present invention, when the power is sufficient only for observations, without tissue-modifying radiation must occur.
Es ist besonders bevorzugt, wenn die Vorrichtung mit einem von außen erfassbaren Marker versehen ist. Es kann zwar versucht werden, abgestrahlte Radarwellen, so diese stark genug sind, von außen zu erfassen. Bevorzugt, alternativ und/oder zusätzlich können aber berührungslos abtastbare Marker wie beispielsweise Magnete oder Spulen zur Ausstrahlung tieffre- quenter, gepulster, von außen ortbarer Signale und dergleichen vorgesehen werden. Die vorliegende Erfindung schlägt auch ein Verfahren zur Materialanalyse vor, bei welchem eine Vorrichtung der beschriebenen Art in einen Hohlraum eingeführt und im Ansprechen auf 5 Radarwellensendersignalantworten eine Position der Vorrichtung in einem Hohlraum und/oder eine Eigenschaft desselben, insbesondere eine Hohlraumwandungseigenschaft, bestimmt werden.It is particularly preferred if the device is provided with an externally detectable marker. Although it can be attempted to detect radiated radar waves, if they are strong enough, from the outside. Preferably, alternatively and / or additionally, however, contactless scannable markers such as, for example, magnets or coils can be provided for emitting low-frequency, pulsed signals which can be located externally and the like. The present invention also proposes a method for material analysis in which a device of the type described is introduced into a cavity and, in response to 5 radar wave transmitter signal responses, a position of the device in a cavity and / or a characteristic thereof, in particular a cavity wall property, are determined.
) Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben. In dieser ist dargestellt durchThe present invention will now be described by way of example only with reference to the drawings. In this is represented by
Fig. 1 eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Er- 5 findung in einem Hohlraum,1 shows a device according to the present invention in a cavity,
Fig. 2a eine schematische Ansicht wichtiger Teile einer ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung,2a is a schematic view of important parts of a first device according to the invention,
Fig. 2b eine zweite Ausführungsform hierzu,2b shows a second embodiment of this,
Fig. 3 Sende- und Empfangsimpulsformen bei Totalre- ) flexion,Fig. 3 transmit and receive pulse shapes at total reflection),
Fig. 4 Sende- und Impulsformen bei nur partieller Reflexion und Absorption im Gewebe,4 shows transmission and pulse shapes with only partial reflection and absorption in the tissue,
Fig. 5 Eindringtiefen in verschiedene Gewebearten,5 penetrating depths into different types of tissue,
Fig. 6 eine Veranschaulichung der Verwendung einer 5 erfindungsgemäßen Vorrichtung.Fig. 6 is an illustration of the use of a device according to the invention.
Nach Fig. 1 umfasst eine allgemein mit 1 bezeichnete, in einen Hohlraum 2 einführbare Vorrichtung 1 mit einem Sender 3 zur Emission von Signalen 4 in den Hohlraum 2 und einem Emp- ) fängermittel 5 zur Erfassung von Sendersignalantworten einen Sender 3 zur Radarwellenerzeugung und ein Empfängermittel 5 zur Erzeugung elektrischer Signale im Ansprechen auf eine Radarwellenerfassung .Referring to Figure 1, a device 1, generally designated 1, insertable into a cavity 2 comprises a transmitter 3 for emitting signals 4 into the cavity 2 and an emitter 5 for detecting transmitter signal responses, a transmitter 3 for radar wave generation, and a receiver means 5 for generating electrical signals in response to radar wave detection.
Die einführbare Vorrichtung 1 ist im vorliegenden Fall, was nicht immer zwingend ist, gebildet am proximalen Ende eines Endoskops, das bis in den Magen als Hohlraum 2 eingeführt werden kann. Es sei darauf hingewiesen, dass die Ausbildung für die Einführung in andere Hohlräume ohne weiteres möglich ist. Die Anordnung ist so gebildet, dass das proximale Ende im Hohlraum orientier- und positionierbar ist. Die Vorrichtung 1 kann weiter mit optischen bildgebenden Mitteln wie einem oder mehreren CCD-Chips für zusätzliche Bildinformationen und dergleichen ausgestattet sein sowie zusätzlich und/oder alternativ mit chirurgischen oder anderen medizinischen Ein- griffsmitteln (nicht dargestellt) .The insertable device 1 is in the present case, which is not always mandatory, formed at the proximal end of an endoscope, which can be inserted into the stomach as a cavity 2. It should be noted that the training for the introduction into other cavities is readily possible. The arrangement is formed so that the proximal end can be oriented and positioned in the cavity. The device 1 may further be equipped with optical imaging means such as one or more CCD chips for additional image information and the like, and additionally and / or alternatively with surgical or other medical intervention means (not shown).
An der Vorrichtung 1 ist der Radarwellensender 3 so angeox'd- net, dass er hier radial von der Vorrichtung 1 weg abstrahlt.At the device 1, the radar wave transmitter 3 is so angeox'd- net that it radiates radially away from the device 1 here.
Der Radarwellensender 3 emittiert Wellen im Bereich zwischen hier 15 und 100 Gigahertz als gebündelten Strahl, vergleiche den angedeuteten Senderstrahl 4. Das Empfängermittel 3 ist ausgebildet, um Wellen der vom Sender emittierten Frequenz nach Reflexion an der Wandung 2a des Hohlraumes 2 zu empfan- gen.The radar wave transmitter 3 emits waves in the range between 15 and 100 gigahertz here as a collimated beam, compare the indicated transmitter beam 4. The receiver means 3 is designed to receive waves of the frequency emitted by the transmitter after reflection on the wall 2a of the cavity 2.
Im vorliegenden Fall umfasst der Sender einen Oszillator 3b mit durch eine Modulationsvorrichtung modulierbarer Frequenz und Amplitude zur Emission eines Sendeimpulses 3a, wobei das Oszillatorsignal nach geeigneter Verstärkung über einen Wechselschalter 3c an eine Antenne 3d gelegt werden kann, um den Strahl 4 abzustrahlen, vergleiche Fig. 2a. Das Empfängermittel umfasst neben der Antenne 3d und dem Schalter 3c einen Hochfrequenzempfänger 3e und, optional, einen als LNA-Einheit (das heißt Low Noise Amplifier) bezeichneten rauscharmen Verstärker 3f . Der Schalter 3c kann wech- selnd so geschaltet werden, dass wahlweise das Oszillatorsignal auf die Antenne gegeben wird oder das Antennensignal von der Antenne 3d an den HF-Empfänger 3e gelegt wird. Der Schalter 3c schaltet so schnell, dass ein vom Oszillator 3b über den Schalter 3c und die Antenne 3d abgegebener und von dieser abgestrahlter Impuls 3a nach Reflexion an der Wandung an den HF-Empfänger gelegt werden kann. In der bevorzugten Variante bilden der Oszillator 3b und die ihm zugeordnete Modulations- vorrichtung, der Empfänger 3d, der Schalter 3c sowie die Antenne 3d eine bauliche Einheit auf einem Chip, das heißt sie bilden ein SIMWIC. Auf diesem Chip sind entsprechende Leistungsversorgungen und Ansteuerungen insbesondere für den Schalter sowie die Impulsformung für den Oszillator vorgesehen. Eine externe Kontrolle sei als Möglichkeit erwähnt. Es versteht sich, dass der Impuls 3a typisch so kurz ist, dass eine Nachreflexion der an der Hohlraumwandung rücklaufenden Impulsvorderflanke die Antenne erst erreicht, nachdem die abfallende Impulsflanke von der Antenne 3d emittiert worden ist, wobei auch gegebenenfalls einleuchtenderweise die Schaltzeiten des Schalters noch mitberücksichtigt sind.In the present case, the transmitter comprises an oscillator 3b with a modulatable by a modulation device frequency and amplitude for emission of a transmission pulse 3a, the oscillator signal after appropriate amplification via a changeover switch 3c to an antenna 3d can be placed to emit the beam 4, see FIG. 2a. The receiver means comprises, in addition to the antenna 3d and the switch 3c, a high-frequency receiver 3e and, optionally, a low-noise amplifier 3f designated as an LNA unit (ie low noise amplifier). The switch 3c can be switched alternately so that either the oscillator signal is applied to the antenna or the antenna signal from the antenna 3d is applied to the HF receiver 3e. The switch 3c switches so fast that a pulse 3a emitted by the oscillator 3b via the switch 3c and the antenna 3d and emitted by the latter can be applied to the HF receiver after reflection on the wall. In the preferred variant, the oscillator 3b and its associated modulation device, the receiver 3d, the switch 3c and the antenna 3d form a structural unit on a chip, that is, they form a SIMWIC. On this chip corresponding power supplies and controls are provided in particular for the switch and the pulse shaping for the oscillator. An external control is mentioned as a possibility. It is understood that the pulse 3a is typically so short that a Nachreflexion of returning back to the cavity wall Impulsvorderflanke the antenna reached only after the falling pulse edge has been emitted by the antenna 3d, which also, if appropriate, the switching times of the switch are still taken into account ,
Das Empfängermittel 3e weist weiter, gegebenenfalls außerhalb des vorstehend als Einheit beschriebenen Bausteines, eine Hochfrequenzsignalverarbeitung zur Aufbereitung/Wandlung auf. Die Vorrichtung kann weiter einen Digitalsignalprozesor um- fassen und eine Digitalsignalverarbeitung, wie noch erläutert werden wird. Diese ist insbesondere dazu ausgelegt, aus Impulsantworten die Absorptionseigenschaften, Laufzeiten und Reflexionen auch dann zu bestimmen, wenn eine Überlagerung von Einflüssen unterschiedlicher Wandungsarten vorliegt.The receiver means 3e further comprises, optionally outside of the unit described above as a unit, high frequency signal processing for conditioning / conversion. The apparatus may further comprise a digital signal processor and digital signal processing, as will be explained. This is particularly designed to impulse responses the absorption properties, transit times and Reflections can also be determined if there is a superposition of influences of different wall types.
Es sei darauf hingewiesen, dass es nicht zwingend ist, Oszil- lator und Empfänger alternierend an die Antenne zu schalten. Eine alternative Variante mit separaten Antennen für Oszillator und Empfänger ist in Fig. 2b dargestellt.It should be noted that it is not mandatory to switch the oscillator and receiver alternately to the antenna. An alternative variant with separate antennas for oscillator and receiver is shown in Fig. 2b.
Die Antenne ist gemeinsam mit dem Chip durch die Vorrichtung 1 auf wechselnde Stellen der Hohlraumwandung 2a zu richten. Dies kann durch Vor- und Zurückbewegen der Vorrichtung 1 im Hohlraum 2 geschehen, wie durch Pfeil 6 in Fig. 6 angedeutet und/oder durch Rotation der Vorrichtung um ihre eigene Achse, wie gleichfalls in Fig. 6 angedeutet, wobei 8 eine Achse und Pfeil 9 die Rotationsbewegung um die eigene Achse 8 andeutet . Geeignete Steuer- und Bewegungsmittel sind in den Figuren nicht dargestellt, aber bekannt.The antenna is to be directed together with the chip through the device 1 to changing locations of the cavity wall 2a. This can be done by moving the device 1 back and forth in cavity 2, as indicated by arrow 6 in FIG. 6, and / or by rotating the device about its own axis, as also indicated in FIG. 6, where 8 is an axis and arrow 9 indicates the rotational movement about its own axis 8. Suitable control and movement means are not shown in the figures, but known.
Die Signalerzeugung und der Signalempfang laufen, wie vorste- hend beschrieben, so, dass mit dem Sender ein auf bestimmte Weise geformter Impuls auf die Hohlraumwandung geschickt wird und mit dem Empfänger die Impulsantwort der Hohlraumwandung erfasst wird. Aus der Form des Antwortimpulses können dann auf die Wandung Rückschlüsse gezogen werden.As described above, the signal generation and the signal reception run in such a way that a pulse shaped in a specific way is sent to the cavity wall with the transmitter and the impulse response of the cavity wall is detected with the receiver. From the shape of the response pulse conclusions can then be drawn on the wall.
Bei einer totalreflektierenden Hohlraumwandung ergibt sich dabei die in Fig. 3 dargestellte Situation, nach welcher der Sensor mittels Sender 3 in der Vorrichtung 1 eine elektromagnetische Welle 4 als Sendersignal auf die Hohlraumwandung 2a emittiert, und zwar ein hier rechteck-pulsförmiges Sendersignal, das für eine bestimmte Sendezeit andauert. Nach der von der Entfernung zur Hohlraumwandung abhängigen Laufzeit für Hin- und Rückweg wird die totalreflektierte elektromagnetische Welle 4b am Empfänger empfangen. Der Laufzeitversatz des Impulses ist in Fig. 3 anhand der schematisch dargestellten Diagramme für Sendeimpuls und Impulsantwort zu erkennen. Die Intensität des Empfangssignals ist dabei gegenüber der Form des ausgestrahlten Impulses unverändert, wie durch die Rechteckform für die Sendeimpuls- und Empfangsimpulseinhüllende veranschaulicht .In the case of a totally reflecting cavity wall, the situation illustrated in FIG. 3 results, according to which the sensor emits an electromagnetic wave 4 as a transmitter signal onto the cavity wall 2a by means of transmitter 3 in the device 1, namely a rectangular-pulse-shaped transmitter signal which is used for a certain transmission time lasts. After the distance from the cavity wall dependent transit time for Round trip the totally reflected electromagnetic wave 4b is received at the receiver. The propagation delay of the pulse can be seen in Fig. 3 with reference to the diagrams for transmitted pulse and impulse response shown schematically. The intensity of the received signal is unchanged from the shape of the emitted pulse, as illustrated by the rectangular shape for the transmission pulse and Empfangsimpulseinhüllende.
Fig. 4 zeigt die gleiche Situation, wobei jedoch eine nichttotal reflektierende, sondern organische Hohlraumwandung mit einer Fett- und einer Muskelgewebeschicht dargestellt ist. Die unterschiedlichen Gewebearten, wie Fettgewebe und Muskelgewebe, besitzen einerseits unterschiedliche Reflexionskoeffizienten und andererseits unterschiedliche Absorptionskoeffizienten. Dies ist beispielhaft dargestellt in Fig. 5.Fig. 4 shows the same situation, but with a non-total reflecting, but organic cavity wall is shown with a fat and a muscle tissue layer. The different types of tissue, such as fatty tissue and muscle tissue, have on the one hand different reflection coefficients and on the other hand different absorption coefficients. This is exemplified in FIG. 5.
Eine auf eine solche Gewebeanordnung ausgestrahlte elektromagnetische Welle wird also an der ersten Grenzschicht, beispielsweise dem Übergang zwischen Mageninhalt und Fettgewebe- Schicht partiell reflektiert werden, während ein Teil der Welle in das Fettgewebe eindringen kann. Aus dem Inneren des Fettgewebes wird die elektromagnetische eingestrahlte Welle partiell ebenfalls rückreflektiert und läuft zugleich partiell weiter. Sie läuft unter Abschwächung, bis sie an die nächste Grenzschicht tritt, das heißt hier den Übergang zwischen Fett- und Muskelgewebe, wo eine neuerliche starke Reflexion entsprechend des Grenzflächenübergangs stattfindet und nachfolgend bei weiterem Durchlauf eine veränderte Absorption und eventuell weitere Reflexion nach Durchlauf des Muskelgewebes erfolgt. Die beschriebenen Effekte führen dazu, dass die Impulsform des Empfangsimpulses nun nicht mehr der Impulsform des Sendeimpulses entspricht, sondern der Impuls deformiert ist.An electromagnetic wave radiated onto such a tissue arrangement will therefore be partially reflected at the first boundary layer, for example the transition between stomach contents and fatty tissue layer, while a part of the wave can penetrate into the fatty tissue. From the inside of the fatty tissue, the electromagnetic incident wave is partially reflected back and at the same time continues to run partially. It runs under weakening until it reaches the next boundary layer, that is, the transition between fat and muscle tissue, where a renewed strong reflection corresponding to the interface transition takes place and subsequently on further passage a modified absorption and possibly further reflection occurs after passage of the muscle tissue , The effects described cause the pulse shape of the received pulse is no longer the Pulse shape of the transmitted pulse corresponds, but the pulse is deformed.
Die Hochfrequenzsignalverarbeitung 3g (vgl. Fig. 2a) ist nun i so gewählt, dass die Impulsverformung durch die unterschiedlichen Gewebeschichten beobacht- und auswertbar bleiben. Es ist möglich, durch geeignete Signalkonditionierung, beispielsweise Hüllkurvendetektion, ohne Digitalwandlung im Hohlrauminneren auf einfache Weise ein Signal zu erzeugen, ) das für die weitere Auswertung leicht nach außerhalb des Hohlraumes geführt werden kann. Dazu können in der Vorrichtung 1 insbesondere elektrische Leiter für Analogsignale vorgesehen sein.The high-frequency signal processing 3g (see Fig. 2a) is now i selected so that the pulse deformation by the different tissue layers remain observable and evaluable. It is possible, by suitable signal conditioning, such as envelope detection, to generate a signal in the cavity interior without digital conversion in a simple manner, which can easily be led to the outside of the cavity for further evaluation. For this purpose, electrical conductors for analog signals can be provided in the device 1 in particular.
5 Außerhalb des Hohlraumes wird dann eine Digitalwandlung und weitere digitale Signalverarbeitung, in Fig. 2a angedeutet durch einen DSP 3h erfolgen.5 A digital conversion and further digital signal processing, indicated in FIG. 2a by a DSP 3h, are then carried out outside the cavity.
Die Digitalisierung erlaubt es nun, die Laufzeiten durch ver- schiedene Schichten und die dabei auftretenden Reflexionen/ Absorptionen aus der Impulsform zu bestimmen, z. B. indem wie bevorzugt auf Datenbanken zugegriffen wird, die für bestimmte Gewebearten und/oder -schichten charakteristische Impulsverformungen enthalten, um so einen Hinweis auf die aktuellen Hohlraumwandungen zu geben. Bevorzugt ist eine zum Vergleich verwendete Datenbank dann so organisiert, dass eine Suche darin entsprechend der für einen bestimmten Eingriff erwarteten oder typischen Wandungen erfolgt. So können trotz ähnlicher Impulsverformungen unterschiedliche Gewebearten durch 0 die Zusatzinformation, etwa, ob sich die Vorrichtung in der Speiseröhre oder tief im Magen befindet, besonders gut diskriminiert werden. Dies schließt jedoch nicht aus, dass auch ohne solche Zusatzinformationen Gewebe diskriminiert werden, wodurch dann allein durch Pulsformen eine bestimmte Gewebeart und damit eine Einschubposition der Vorrichtung erkennbar ist. Dies erlaubt es, besonders einfach bei der Bewegung ei- ner Vorrichtung durch einen Hohlraum, wie bei Fig. 6 dargestellt, eine Stelle veränderter Gewebeeigenschaften anhand der Pulsverformung zu erkennen. Im in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist z. B. die dunkel markierte Stelle 10 ein von Krebs befallenes und damit typisch besser durchblute- tes und ergo hinsichtlich der Eindringtiefe hochfrequenter, elektromagnetischer Radarwellen verändertes Gewebe.Digitization now makes it possible to determine the propagation times through different layers and the reflections / absorptions that occur from the pulse shape, for By, as preferred, accessing databases containing characteristic momentum deformations for particular types of tissue and / or layers so as to provide an indication of the current cavity walls. Preferably, a database used for comparison is then organized so that a search is made therein according to the walls expected or typical of a particular procedure. Thus, despite similar impulse deformations, different types of tissue can be particularly well discriminated by the additional information, such as whether the device is in the esophagus or deep in the stomach. However, this does not rule out that as well Without such additional information, tissue can be discriminated, as a result of which pulse shape alone makes it possible to identify a specific type of tissue and thus an insertion position of the device. This makes it possible to detect a site of altered tissue properties on the basis of the pulse deformation, particularly when a device moves through a cavity, as shown in FIG. 6. In the embodiment shown in Fig. 6 z. For example, the dark-marked area 10 is a tissue affected by cancer and thus typically better perfused and thus changed with regard to the penetration depth of high-frequency electromagnetic radar waves.
Dass bei Erfassung der Vorrichtungsposition, die beispielsweise durch Detektion von außen, etwa mit Hilfe von Magneten und/oder Skalen auf dem distalen Ende geschehen kann, sowie Erfassung der Ausrichtung der Vorrichtung 1 gegebenenfalls auch ein ortsaufgelδstes Bild aufgenommen werden kann, sei erwähnt. Im übrigen erlaubt die potentiell sehr hohe Messgeschwindigkeit, die mit Radarwellen möglich ist, auch, Bewe- gungen, etwa peristaltische Bewegungen, und dergleichen hoch aufgelöst zu erfassen. Dies erlaubt es insbesondere, krankhafte Veränderungen von Bewegungsmustern zu erkennen. Dass dies im Übrigen auch unter Ausnutzung des Dopplereffektes möglich und bevorzugt ist, indem für Bewegungen der Radarwel- len zurückwerfenden Wandungen indikative Frequenzverschiebungen bestimmt werden, sei erwähnt. Insoweit ist die Vorrichtung bevorzugt auch für die Erfassung und Auswertung von Bewegungen im Körperinneren ausgebildet.It may be mentioned that, upon detection of the device position, which can be done, for example, by detection from the outside, for example with the aid of magnets and / or scales on the distal end, as well as detection of the orientation of the device 1, a spatially resolved image may also be recorded. Moreover, the potentially very high measuring speed which is possible with radar waves also makes it possible to detect movements, such as peristaltic movements, and the like in a highly resolved manner. This allows in particular to detect pathological changes of movement patterns. Incidentally, it is also worth mentioning that this is possible and preferred by exploiting the Doppler effect by determining indicative frequency shifts for movements of the walls of the radar waves. In that regard, the device is preferably also designed for the detection and evaluation of movements in the body.
Vorstehend wurde somit insbesondere, jedoch nicht ausschließlich beschrieben eine in einen natürlichen Hohlraum eines Körpers eines Organismus partiell einführbare Vorrichtung mit einem Sender zur Signalemission und einem Empfängermittel zur Erfassung von Sendersignalantworten, wobei der Sender zur Einführung in den Körper des Organismus an einem proximalen Ende der Vorrichtung angeordnet und zur Radarwellenerzeugung für den Bereich zwischen oberhalb 10, bevorzugt ab 15 und bei 300 GHz, bevorzugt zwischen 100 und unter 300 GHz ausgebildet ist, und das Empfängermittel gleichfalls zur Einführung in den Körper des Organismus an dem proximalen Ende der Vorrichtung angeordnet und zur Erzeugung laufzeitbezogener elektrischer Signale im Ansprechen auf eine Radarwellenerfassung ausgebildet ist, wobei der Vorrichtung ein Auswertemittel zugeordnet ist und/oder zugeordnet sein kann, mit dem aus den laufzeitbezogenen elektrischen Signalen Laufzeitinformationen bestimmt werden. In the above, therefore, a device which can be partially inserted into a natural cavity of a body of an organism has been described in particular, but not exclusively a transmitter for signal emission and a receiver means for detecting transmitter signal responses, wherein the transmitter for introduction into the body of the organism at a proximal end of the device and arranged for radar wave generation for the range between above 10, preferably from 15 and 300 GHz, preferably between 100 and formed below 300 GHz, and the receiver means is also arranged to be introduced into the body of the organism at the proximal end of the device and adapted to generate transit-time related electrical signals responsive to radar wave detection, wherein the device is associated with and / or associated with an evaluation means may be, are determined by the runtime-related electrical signals runtime information.

Claims

Patentansprücheclaims
1. In einen Hohlraum eines Körpers zumindest partiell einführbare Vorrichtung mit einem Sender zur Sig- nalemission und einem Empfängermittel zur Erfassung von Sendersignalantworten, wobei der Sender zur Einführung in den Körper bei einem einzuführenden Ende der Vorrichtung angeordnet und zur Radarwellenerzeugung für den Bereich zwischen ab 10, bevor- zugt über 15, insbesondere bevorzugt über 100 und bis 300 GHz ausgebildet ist und das Empfängermittel gleichfalls zur Einführung in den Körper an dem proximalen Ende der Vorrichtung angeordnet und zur Erzeugung laufzeitbezogener elektrischer Signale im Ansprechen auf eine Radarwellenerfassung ausgebildet ist.1. In a cavity of a body at least partially insertable device with a transmitter for signal emission and a receiver means for detecting transmitter signal responses, wherein the transmitter arranged for insertion into the body at an inserted end of the device and radar wave generation for the range between from 10th Preferably, it is formed over 15, more preferably over 100 and up to 300 GHz, and the receiver means is also arranged for insertion into the body at the proximal end of the device and adapted to generate transit time related electrical signals in response to radar wave detection.
2. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur zumindest partiel- len Einführung in den Magen-Darmtrakt eines Menschen ausgelegt ist.2. Device according to the preceding claim, characterized in that the device is designed for at least partially len introduction into the gastrointestinal tract of a human.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Endoskop gebildet ist.3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it is formed as an endoscope.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfängermittel alternierend zum Sender aktiv geschaltet und/oder betriebsbereit ist.4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the receiver means is switched to the transmitter active alternately and / or ready for operation.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfängermittel zumindest ein Antennen-Phasen-Array aufweist. 5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the receiver means comprises at least one antenna phase array.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendersignalantworten so erfasst werden, dass daraus hohlraumbezogene Informationen gewonnen werden können, insbesondere über den Abstand6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the transmitter signal responses are detected so that from this information related to the cavity can be obtained, in particular over the distance
5 der Vorrichtung zur Hohlraumwandung und/oder Eigenschaften der Hohlraumwandung und/oder Bewegungen der Wandung oder im Hohlraum befindliche Elemente.5 of the device for cavity wall and / or properties of the cavity wall and / or movements of the wall or in the cavity located elements.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- LO durch gekennzeichnet, dass der Sender als SIMWIC gebildet ist, insbesondere zur höchstfrequenten Radarwellenerzeu- gung auf einem Chip .7. Device according to one of the preceding claims, LO characterized in that the transmitter is formed as a SIMWIC, in particular for the highest-frequency Radarwellenerzeu- tion on a chip.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- L5 durch gekennzeichnet, dass in den Hohlraum miteinführbare8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that L5 miteinführbare in the cavity
Mittel zur Signalkonditionierung vorgesehen sind, um im Ansprechen auf die erfassten Sendersignalantworten zur Ausgabe nach außerhalb des Hohlraumes elektrische und/ oder optische AusgangsSignale zu erzeugen, die zur Beil 0 Stimmung hohlraumbezogener Informa-tionen geeignet ist, insbesondere zur Bestimmung eines Abstandes der Vorrichtung von einer Hohlraumwandung und/ oder einer Hohlraumwandeigenschaft .Signal conditioning means are provided for generating electrical and / or optical output signals in response to the detected transmitter signal responses for output to the outside of the cavity, which is suitable for adjusting cavity-related information, in particular for determining a distance of the device from a cavity wall and / or a cavity wall property.
25 9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein analoges Mittel zur Ausgabe eines elektrischen und/oder optischen AusgangsSignals nach außerhalb des Hohlraumes vorgesehen ist.9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that an analog means for outputting an electrical and / or optical output signal to the outside of the cavity is provided.
30 10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Emission und/oder Erfassung gepulster Signale ausgebildet ist und das Empfän- germittel insbesondere so ausgebildet ist, dass eine Pulsform und/oder Pulsbreite der Sendersignalantwort bestimmbar ist.10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it is designed for the emission and / or detection of pulsed signals and the reception Germittel in particular is designed so that a pulse shape and / or pulse width of the transmitter signal response can be determined.
5 11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auswertemittel vorgesehen ist, um den Abstand der Vorrichtung zu einer Hohlraumwandung zu bestimmen.11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that an evaluation means is provided to determine the distance of the device to a cavity wall.
.0 12. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Verwendung in Hohlräumen mit variierenden Wandeigenschaften ausgebildet und ein Datenbankmittel vorgesehen ist, anhand dessen für unterschiedliche Hohlraumwandungen Impulsantworten be-12. Device according to the preceding claim, characterized in that the device is designed for use in cavities with varying wall properties and a database means is provided, based on which for different cavity walls impulse responses
.5 stimmbar sind und/oder erkannt werden können..5 are tunable and / or can be recognized.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Sender zur Radarwellenerzeugung und dem Empfängermittel zumindest ein weite- !0 res Mittel für einen medizinischen Eingriff vorgesehen ist, insbesondere ein optisches Bildgebemittel und/oder ein Chirurgiemittel, insbesondere zum Platzieren eines Stents und/oder zur Durchführung einer Biopsie.13. Device according to one of the preceding claims, characterized in that in addition to the transmitter for generating radar wave and the receiver means at least one further means for a medical intervention is provided, in particular an optical imaging means and / or a surgical means, in particular for placing a Stents and / or to perform a biopsy.
15 14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein vollintegriertes Radar, insbesondere mit Leistungen im Bereich von Mikrowatt bis unterhalb einer Gewebeschädigungsgrenze umfasst .15. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises a fully integrated radar, in particular with powers in the range of microwatts below a tissue damage limit.
SO 15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem von außen erfassbaren Marker versehen ist. 15. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it is provided with an externally detectable marker.
16. Verfahren zur Materialanalyse, insbesondere eines nichtlebenden Organismus, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einen Hohlraum eingeführt wird und im Ansprechen auf Ra- darwellensendersignalantworten eine Position der Vorrichtung in einem Hohlraum und/oder eine Eigenschaft desselben, insbesondere eine Hohlraumwandungseigenschaft, bestimmt wird. 16. Method for material analysis, in particular of a non-living organism, characterized in that a device according to one of the preceding claims is introduced into a cavity and in response to radar transmitter signal responses a position of the device in a cavity and / or a property thereof, in particular one Cavity wall property, is determined.
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