DE102011003199A1

DE102011003199A1 - Elektrooptische Sonde

Info

Publication number: DE102011003199A1
Application number: DE201110003199
Authority: DE
Inventors: Dr. Kaiser Joachim; Rainer Kuth; Dr. Neumann Helmut; Prof. Neurath Markus
Original assignee: Siemens AG; Universitaetsklinikum Erlangen; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Universitaetsklinikum Erlangen; Siemens Corp
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2012-07-26
Also published as: WO2012100995A1

Abstract

Es wird eine elektrooptische Sonde für endoskopische Untersuchungen angegeben. Die elektrooptische Sonde weist wenigstens eine optische Faser zur Leitung von optischen Signalen auf. Weiterhin weist die optische Faser wenigstens eine elektrisch leitfähige Beschichtung auf. Am Ende der optischen Faser ist wenigstens eine Elektrodenspitze vorgesehen, die elektrisch mit der elektrisch leitfähigen Beschichtung gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrooptische Sonde, die insbesondere bei einer endoskopischen Untersuchung verwendet werden kann.
Bei endoskopischen Untersuchungen eines Patienten ist es erforderlich, das Gewebe makroskopisch wie mikroskopisch zu untersuchen, um krankheitsspezifische Gewebeveränderungen feststellen zu können. Eine zuverlässige Gewebeklassifizierung ist dabei wichtig für eine richtige und rechtzeitige Behandlung einer bestehenden oder sich entwickelnden Krankheit.
Endoskopische Gewebeuntersuchungen werden hauptsächlich unter Zuhilfenahme von bildgebenden Systemen durchgeführt. Hierbei wird eine optische oder faseroptische Bildübertragung von der Endoskopspitze zu einer Kamera genutzt, um die lokale Umgebung der Endoskopspitze auf einem Monitor darzustellen. In einigen Systemen können zur Beleuchtung Lichtquellen mit unterschiedlichen optischen Filtern eingesetzt werden, um die Reflektions- und Streueigenschaften des Gewebes in unterschiedlichen spektralen Bändern darzustellen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sonde anzugeben, bei der die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit von Messergebnissen erhöht ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Sensor mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Sensor ist zur Verwendung in einer Vorrichtung zur Durchführung minimalinvasiver Maßnahmen im Inneren des Körpers eines Patienten ausgestaltet. Er weist wenigstens einen ersten Lichtwellenleiter auf. Der erste Lichtwellenleiter wiederum weist wenigstens eine erste elektrisch leitfähige Beschichtung auf.
Der erfindungsgemäße Sensor ermöglicht es, eine Kombination mehrerer unterschiedlicher Messmethoden zu verwenden. Die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit von Gewebeuntersuchungen kann mittels dieser unterschiedlichen Messmethoden erhöht werden. Mit dem erfindungsgemäßen Sensor können dabei elektrische und optische Messmethoden kombiniert werden, um z. B. kontaktkraftabhängige Beeinflussungen der elektrischen Impedanzmesswerte zu kompensieren oder/und die Unterscheidung zwischen verschiedenen malignen Gewebestadien zu verbessern.
Als Lichtwellenleiter kommt bevorzugt eine flexible optische Faser zum Einsatz. Diese wird insbesondere zur Beleuchtung und gleichzeitigen optischen Detektion benutzt. Hierfür wird über eine geeignete Koppeleinheit, beispielsweise einem dielektrischen Strahlteiler, Strahlteilerwürfel, Polarisator, Schmelzkoppler oder Schliffkoppler, Licht in den Lichtwellenleiter eingekoppelt und zur Sensorspitze geführt. Vom Gewebe reflektiertes, gestreutes, durch nichtlineare Prozesse erzeugtes oder Fluoreszenzanregung emittiertes Licht wird von der Fasersonde erfasst. An der Koppeleinheit erfolgt eine räumliche oder polarisationsoptische Aufteilung des eingestrahlten und des zurückgestrahlten Lichtes. Dann wird in einer geeigneten Erfassungseinheit das zurückgestrahlte Licht über seine Intensität, spektrale Eigenschaften, Polarisation oder dem zeitlichen Verlauf unter Berücksichtigung bekannter Faktoren wie die Fluoreszenzantwort oder spektrale Charakteristik der Lichtquelle ausgewertet.
Die ebenfalls vorhandene elektrisch leitfähige Beschichtung, die beispielsweise aus Gold bestehen kann, dient als Zuführung von elektrischen Signalen. Hiermit kann beispielsweise der spezifische Widerstand von Gewebe oder dessen Frequenzabhängigkeit ermittelt werden. Diese wiederum können als zusätzliches Messsignal bei der Auswertung der optischen Messsignale berücksichtigt werden. Dazu ist zweckmäßig die elektrisch leitfähige Beschichtung elektrisch mit einer Auswerte- und Steuereinheit zu koppeln, welche die elektrischen Signale in die Beschichtung ein- und auskoppeln kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung weist die Sensorspitze eine Elektrodenspitze auf. Diese dient dazu, geringfügig in zu untersuchendes Gewebe einzudringen. Die Elektrodenspitze ist dabei in einer bevorzugten Ausführung an das zu untersuchende Gewebe in ihrer Art, Größe, Eindringtiefe oder anderen Eigenschaften angepasst. So kann die Elektrodenspitze beispielsweise als Nadel, stumpfe Nadel, gefaster Zylinder oder Halbkugel ausgestaltet sein.
Die Elektrodenspitze ist zweckmäßig mit der ersten elektrisch leitfähigen Beschichtung elektrisch gekoppelt. Diese Kopplung kann beispielsweise durch leitfähige Halbschalen erfolgen, an deren einem Ende die Elektrodenspitze und an deren anderem Ende Schalen zur Aufnahme des Lichtwellenleiters angebracht sind. Dieses Vorgehen bietet den Vorteil, die leitfähige Faserbeschichtung und die Elektrodenspitze aus unterschiedlichem Material anfertigen zu können. So kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung die Elektrodenspitze beispielsweise aus Platin gefertigt sein. Hiermit kann die Elektrodenspitze an die elektrochemischen Eigenschaften des Gewebes angepasst werden. Die elektrische Kontaktierung selbst kann dabei durch Fügen, Crimpen, Löten oder auf andere Weise hergestellt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Elektrodenspitzen federnd gelagert. Hierdurch wird vorteilhaft ein zu tiefes Eindringen in das Gewebe verhindert und die Elektrode mit einer reproduzierbaren Kontaktkraft in Kontakt mit dem zu untersuchenden Gewebebereich gebracht.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Sensor Mittel aufweist, um eine Elektrolytlösung auf eine zu untersuchende Gewebestelle aufzubringen. Diese Elektrolytlösung stellt einen definierten Übergangswiderstand zwischen dem Gewebe und den Elektrodenspitzen her.
Als Gegenelektrode kann beispielsweise ein Endoskop, in dem der Sensor verwendet wird, oder eine weitere Elektrode dienen, die in ein solches Endoskop eingeführt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Lichtwellenleiter mehrere, durch Isolationsschichten elektrisch getrennte, leitfähige Schichten auf. Diese umgeben einander bevorzugt schalenförmig. Sie dienen wiederum zur Signalzuführung und zur Detektion der elektrischen Antwort. Vorteilhaft kann hierbei durch eine zusätzliche Strukturierung der Beschichtungen sogar Einfluss auf die kapazitiven und induktiven Eigenschaften der Faserbeschichtung genommen werden. Damit kann der Einfluss der Zuleitung auf das Messergebnis optimiert werden. Es ist zweckmäßig, wenn in diesem Fall mehrere Elektrodenspitzen vorgesehen sind, die jeweils mit einer der leitfähigen Schichten elektrisch gekoppelt sind. Hierdurch werden Messungen mit mehreren Elektroden ermöglicht, wodurch sich störende Zuleitungseffekte unterdrücken lassen.
Der Sensor kann in einer weiteren Ausgestaltung auch mehrere Lichtwellenleiter umfassen. Dabei sind bevorzugt wenigstens zwei der Lichtwellenleiter mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen. Dabei ist es wiederum zweckmäßig, wenn jeder der Lichtwellenleiter elektrisch von den anderen Lichtwellenleitern isoliert ist.
Es ist vorteilhaft, wenn an der faseroptischen Sondenspitze optische Elemente zur Strahlformung eingesetzt werden. Durch beispielsweise Gradientindexlinsen (GRIN-Linsen), Mikrolinsen oder geeignet geformte Faserspitzen kann eine Fokussierung der eingekoppelten Strahlung erreicht werden, um lokal die eingestrahlte Intensität zu erhöhen. Das kann wiederum bei intensitätsabhängigen Methoden wie Fluoreszenzanregung oder Second Harmonic Generation von Vorteil sein. Der Faserkerndurchmesser kann wiederum ebenfalls den speziellen Erfordernissen angepasst werden. Bei der Zuführung von Laserstrahlung beispielsweise kann zur Zuführung eine verlustarme Monomodefaser, auch polarisationserhaltend, eingesetzt werden, wobei zur Detektion eine oder mehrere Fasern mit größerem Kerndurchmesser (Multimodefasern), eingesetzt werden können. In einer vorteilhaften Ausführung können durch die Multimodefaser sowohl Fluoreszenzlichtanteile oder Second-Harmonic-Strahlung detektiert werden als auch Reflexionsmessungen mit ultravioletter oder sichtbarer Strahlung durchgeführt werden. Bevorzugt ist jede der elektrisch leitfähigen Beschichtungen mit je einer Elektrodenspitze ausgestattet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird durch eine geeignete Führung der Fasern, beispielsweise ein Verdrillen von jeweils zwei Fasern (twisted pair), der Störeinfluss der elektrischen Zuleitungen verringert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Sensor mit einem oder mehreren Permanentmagneten ausgestaltet werden. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, dass der Sensorkopf über externe magnetische Felder steuerbar ist.
Der Sensor ist auch als Implantat verwendbar. Dafür wird er mit einer Batterie hoher Kapazität oder einem Akkumulator sowie einer induktiven Lademöglichkeit ausgestattet. Weiterhin wird zweckmäßig eine drahtlose Sende- und Empfangseinheit eingebaut sein. Ein solches Implantat kann beispielsweise Stoffwechselvorgänge kontinuierlich überwachen.
Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele für die Erfindung werden nunmehr anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt. Es zeigen
1 ein erstes Endoskop mit einer optischen Faser mit elektrisch leitfähiger Beschichtung,
2 ein zweites Endoskop mit einer optischen Faser mit zwei elektrisch leitfähigen Beschichtungen,
3 ein drittes Endoskop mit zwei optischen Fasern mit jeweiliger elektrisch leitfähiger Beschichtung,
4 einen Systemaufbau für ein Endoskop mit zwei optischen Fasern.
1 zeigt stark schematisiert Schnitte durch einen Endoskopaufbau eines ersten Endoskops 10. Das erste Endoskop 10 weist einen Endoskopmantel 1 auf, der eine Gegenelektrode umfasst. Der Endoskopmantel 1 des ersten Endoskops 10 umhüllt einen Arbeitskanal 2. Der Arbeitskanal 2 ist so gestaltet, dass ein Sensor einführbar ist.
Der Sensor umfasst dabei eine optische Faser 5, in diesem Fall mit einem Kerndurchmesser von 4 μm bis 600 μm. Weiterhin umfasst der Sensor eine elektrisch leitfähige Faserbeschichtung 6 aus Gold. Die Faserbeschichtung 6 umgibt die optische Faser 5. Im Bereich eines Endes der optischen Faser 5 ist eine Elektrodenspitze 4 vorgesehen. Die Elektrodenspitze befindet sich in elektrischem Kontakt mit der Faserbeschichtung 6. Zweckmäßig ragt die Elektrodenspitze 4 etwas über das Ende der optischen Faser 5 hinaus, damit ein geringfügiges Eindringen in zu vermessendes Gewebe möglich ist.
Die optische Faser 5, die Faserbeschichtung 6 sowie Teile der Elektrodenspitze 4 sind von einer Isolation 3 umgeben. Die Isolationsschicht 3 wiederum ist von einem Sondenmantel 7 umgeben, der speziell zur Einführung in den Arbeitskanal des ersten Endoskops 10 ausgestaltet ist. Die ganze Sonde misst dabei beispielsweise 2 bis 2,5 mm im Durchmesser.
2 zeigt ein zweites Endoskop 20 ebenfalls in zwei Schnittdarstellungen. Das zweite Endoskop 20 weist einen komplexeren Aufbau des Sensors auf. Wie beim ersten Endoskop 10 weist hier der Sensor die Elemente des Sondenmantels 7, der elektrisch leitfähigen Faserbeschichtung 6, einer optischen Faser 5, einer Elektrodenspitze 4 und einer Isolation 3 auf.
Im Gegensatz zum Sensor des ersten Endoskops 10 ist hier jedoch die elektrisch leitfähige Faserbeschichtung 6 von einer Isolierschicht 21 umgeben. Diese Isolierschicht 21 wiederum ist von einer zweiten leitfähigen Faserbeschichtung 22 umgeben. Die zweite leitfähige Faserbeschichtung 22 ist elektrisch mit einer zweiten Elektrodenspitze 23 gekoppelt. Das zweite Endoskop 20 weist also einen Sensor mit zwei elektrisch voneinander isolierten Elektroden auf.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel in Form eines dritten Endoskops 30. Dieses ist in Teilen analog zu den ersten beiden Endoskopen 10, 20 aufgebaut. Der Sensor umfasst wieder eine Isolation 3, eine optische Faser 5, eine elektrisch leitfähige Faserbeschichtung 6 auf der optischen Faser 5, eine elektrodenspitze 4 und den Sondenmantel 7 auf.
Zusätzlich zur optischen Faser 5 ist im dritten Ausführungsbeispiel innerhalb der Isolation 3 eine zweite optische Faser 31 vorgesehen. Die zweite optische Faser 31 ist analog zur optischen Faser 5 aufgebaut. Sie umfasst eine zweite elektrisch leitfähige Faserbeschichtung 33 und eine damit verbundene zweite Elektrodenspitze 32. Wie in 3 ersichtlich, sind dabei die optischen Fasern 5, 31 mit ihren jeweiligen Elektrodenspitzen 4, 32 so punktsymmetrisch innerhalb der Isolation 3 angeordnet, dass eine möglichst optimale Platzausnutzung bei geringem Durchmesser des Sondenmantels 7 erreicht wird. Die Isolation 3 isoliert jeweils die leitfähigen Faserbeschichtungen 6 und 33 gegeneinander.
4 zeigt ein Gesamtsystem für das dritte Endoskop 30. Die zwei optischen Fasern 5, 31 sind dabei aus dem Arbeitskanal 2 des Endoskops herausgeführt und mit weiteren Elementen verbunden. Dabei ist die optische Faser 5 über eine optische Komponente 44 zur Strahlformung und Spektralfilterung oder einem Filterrad mit einer ersten Lichtquelle 43 verbunden. Die zweite optische Faser 31 ist außerhalb des dritten Endoskops 30 mit einem optischen Koppler 48 verbunden. Dieser teilt den Lichtweg auf und führt über zwei weitere optische Komponenten 44 einerseits zu einer zweiten Lichtquelle 42 und andererseits zu einem Detektor 45. Die elektrisch leitfähigen Faserbeschichtungen 6, 33 sind ihrerseits verbunden mit einer Einrichtung zur Signalerzeugung und Detektion für eine Impedanzmessung 41.
Die Lichtquellen 42, 43, der Detektor 45 und die Einrichtung 41 sind mit einer Steuer- und Auswerteeinheit 46 verbunden, die ihrerseits Messwerte und eine Ergebnisdarstellung 47 ausgibt.

Claims

Sensor (10, 20, 30, 40) zur Verwendung in einer Vorrichtung zur Durchführung minimalinvasiver Maßnahmen im Inneren des Körpers eines Patienten, aufweisend wenigstens einen ersten Lichtwellenleiter (5), wobei der erste Lichtwellenleiter (5) wenigstens eine erste elektrisch leitfähige Beschichtung (6) aufweist.
Sensor (10, 20, 30, 40) gemäß Anspruch 1 mit wenigstens einer zweiten elektrisch leitfähigen Beschichtung (22), die von der ersten elektrisch leitfähigen Beschichtung (6) elektrisch isoliert ist.
Sensor (10, 20, 30, 40) gemäß Anspruch 1 oder 2 mit wenigstens einem zweiten Lichtwellenleiter (31).
Sensor (10, 20, 30, 40) gemäß Anspruch 3, bei dem der zweite Lichtwellenleiter (31) wenigstens eine weitere elektrisch leitfähige Beschichtung (33) aufweist.
Sensor (10, 20, 30, 40) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine der elektrisch leitfähigen Beschichtungen (6, 22, 33) eine Goldbeschichtung ist.
Sensor (10, 20, 30, 40) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit wenigstens einer Elektrodenspitze (4, 23, 32), die mit einer der elektrisch leitfähigen Beschichtungen (6, 22, 33) elektrisch gekoppelt ist.
Sensor (10, 20, 30, 40) gemäß Anspruch 6, bei dem der elektrisch leitfähige Teil der Elektrodenspitze (4, 23, 32) aus Platin besteht.
Sensor (10, 20, 30, 40) gemäß Anspruch 6 oder 7, bei dem die Elektrodenspitze (4, 23, 32) federnd gelagert ist.
Sensor (10, 20, 30, 40) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit Mitteln zur Ausbringung einer Elektrolytlösung im Bereich des Sensorkopfes.
Verfahren zum Betrieb eines Sensors gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Kombination von wenigstens einer optischen Messmethode mit wenigstens einer elektrischen Messmethoden verwendet wird.