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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung minimalinvasiver Maßnahmen
im Inneren des Körpers
eines Patienten mit wenigstens einen Sensor und/oder Aktor.
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In
der Medizin ist es häufig
notwendig, im Innern, also im Körper
eines in der Regel lebenden Menschen oder Tieres als Patienten eine
medizinische Maßnahme
durchzuführen,
die z.B. eine Diagnose oder eine Behandlung sein kann. Zielgebiet
einer derartigen medizinischen Maßnahme ist oft ein Hohlorgan
im betreffenden Patienten, insbesondere der Gastrointestinaltrakt.
Seit längerem
werden solche medizinischen Maßnahmen
mit Hilfe von Endoskopen durchgeführt, welche nicht- oder minimalinvasiv
von außerhalb
entweder durch Körperöffnungen des
Patienten oder durch kleine Einschnitte in diesen eingeführt und
mechanisch gesteuert bzw. positioniert werden. Hierbei befinden
sich an der Spitze eines mehr oder weniger langen biegsamen Katheters Inspektions-
bzw. Manipulationsgeräte,
z.B. eine Kamera, oder ein Greifer zur Ausführung einer gewünschten
Tätigkeit.
Weitere Geräte
können
in einen Arbeitskanal des Katheters zur Spitze vorgeschoben und
von dort auch wieder zurückgezogen
werden. Herkömmliche
Endoskope weisen hierbei verschiedene Nachteile auf, z.B. verursachen
diese, wegen der indirekten Kraftübertragung auf die Katheterspitze
beim Vorschub, wegen ihrer Länge
und der auftretenden Reibungseffekten beim Patienten Schmerzen oder
sogar Verletzungen. Ferner können
entfernt liegende innere Organe nur schwer oder gar nicht erreicht
werden.
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Zur
katheterfreien bzw. schlauchlosen Endoskopie sind deshalb seit einigen
Jahren z.B. Videokapseln bekannt, welche der Patient schluckt. Die
Videokapsel bewegt sich aufgrund der Peristaltik durch den Verdauungstrakt
des Patienten und nimmt hierbei eine Reihe von Videobildern auf.
Diese werden nach außen übertragen
und in einem Rekorder gespeichert. Die Aus richtung der Kapsel und
damit die Blickrichtung der Videobilder sowie die Verweildauer im
Körper
des Patienten sind hierbei zufällig.
Außer der
Bildaufnahme hat die Kapsel keine aktive Funktionalität. Diagnosefunktionen,
wie gezielte Betrachtung, Reinigung, Biopsien sind ebenso wenig
möglich
wie gezielte Behandlungen im Innern des Patienten. Eine gezielte
Diagnose bzw. Befundung ist mit dieser Technik nicht durchführbar.
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Aus
der
DE 101 42 253
C1 ist eine Endoskopie-Kapsel bekannt, die mit einem Magneten
ausgestattet ist und sich durch ein von einem externen Magnetsystem
erzeugten Gradientenfeld ferngesteuert bewegen lässt.
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In
der
DE 103 40 925
B3 ist ein Magnetspulensystem detailliert beschrieben,
das erforderlich ist, um die magnetische Endoskopie-Kapsel durch
Hohlorgane eines Patienten mittels magnetischer, berührungsfreier
Kraftübertragung
zu bewegen. Die Kraftübertragung
erfolgt hierbei also gezielt, berührungslos und von außen kontrolliert.
Diese Endoskopie-Kapseln, auch Endoroboter genannt, weisen Funktionalitäten eines
herkömmlichen
Endoskops auf, z.B. Videoaufnahme, Biopsie, Medikamentengabe etc.
Mit einem solchen Endoroboter kann eine medizinische Maßnahme autark,
d.h. kabellos bzw. katheterfrei durchgeführt werden.
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In
der nicht vorveröffentlichten
Anmeldung 10 2005 032 368 wird allerdings auch ein Endoroboter beschrieben,
der mit einem hochflexiblen Schlauch verbunden ist und diesen auf
seinem Weg durch das Hohlorgan hinter sich herzieht und über den
Versorgungsaufgaben, wie beispielsweise die Zufuhr von flüssigen oder
gasförmigen
Betriebs- oder Arbeitsmitteln erfolgen kann oder welcher zur Energiezufuhr
genutzt werden kann.
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Die
Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen der vorgenannten Art.
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Die
Bio- und Gentechnologie hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung
gewonnen. Eine Grundaufgabe in der Bio- und Gentechnologie ist der
Nachweis von biologischen Molekülen
wie DNA (Desoxyribonukleinsäure)
oder RNA (Ribonukleinsäure),
Proteinen, Polypeptide. Insbesondere Moleküle, in denen Erbgutinformation
kodiert ist, sind für
viele medizinische Anwendungen von großem Interesse. Durch ihren
Nachweis, beispielsweise in einer Blutprobe eines Patienten, können Krankheiterreger
nachgewiesen werden. Dies erleichtert die Diagnose für den Arzt
erheblich. Auch bei der Behandlung von Tumorerkrankungen können genetische Tests
die Suche nach einer optimalen Behandlung erleichtern. Während solche
Untersuchungen bislang in Großlabors
durchgeführt
worden sind, werden in Zukunft Biochip-Sensoren die Diagnosetechnik
weiter verfeinern, beschleunigen und in die Praxis des behandelnden
Arztes oder in den Hausbereich des Patienten verlagern. Biochip-Sensoren
sind allgemein bekannt, als sehr kleine Probenträger aus Glas, Kunststoff oder
Silizium, auf denen gleichzeitig hunderte bis tausende biochemischen
Reaktionen ablaufen können.
Auch eine Auswertung dieser Reaktionen auf dem Biochip-Sensor ist heute
bereits möglich.
Hinsichtlich ihrer Funktionsweise, insbesondere ihrer Auswerteverfahren
lassen sich Biochip-Sensoren grob in optische und elektrische Biochip-Sensoren unterteilen,
obwohl die Grundidee aller Biochip-Sensoren identisch ist. Auf dem
Probenträger werden
beispielsweise über
fotolithographische Verfahren oder Mikrodispension so genannte Sonden oder
Fängermoleküle aufgetragen
und immobilisiert, d.h. an der Oberfläche des Biochip-Sensor dauerhaft fixiert.
Wird eine zu untersuchende Probe nunmehr mit den immobilisierten
Fängermolekülen in Wirkkontakt
gebracht, so hybridisieren – zu
den Sonden komplementäre – Moleküle, d.h.
gemäß der Hybridisierungsregeln
werden spezifische Moleküle
an die Sonden gebunden. Die gebundenen Moleküle werden durch verschiedene
Nachweisverfahren identifiziert. In einer weit verbreiteten Methode
werden die Bindungen mit Hilfe eines Fluoreszenzfarbstoffes sichtbar
gemacht. In anderen Nachweisverfahren, in denen man beispielsweise
ein bestimmtes vorher bekanntes Molekül nachweisen möchte, werden
die gebun denen Moleküle
beispielsweise mit Enzymen beaufschlagt, die eine Aufspaltung oder
Umwandlung bestimmter Moleküle
bewirken und damit zu Veränderungen
von Messgrößen beitragen
(z.B. Änderung des
pH-Wertes).
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Karzinome,
insbesondere Karzinome des Dickdarms werden heute in relativ spätem Stadium diagnostiziert.
Nicht polypenartig in das Darmlumen hervortretende Neoplasien sind
nur schwer mit etablierten Verfahren zu diagnostizieren. Zu allgemein bekannten
in-vitro Methoden der Diagnostik, kommen seit jüngster Zeit auch bildgebende
Verfahren zur in-vivo Diagnostik von molekularen Veränderungen.
Dabei werden neue Reagenzien und Methoden entwickelt, die krankheitsassoziierte
molekulare Veränderungen
quasi in-vivo diagnostizieren. Basis dieser Technik bilden die entwickelten
modernen Bildgebungstechniken und die mit spezifisch molekularen Zielstrukturen
interagierenden Kontrastmittel, also die molekularen Sonden. Die
Entwicklung molekularer Sonden wird es zukünftig ermöglichen, neoplastische Veränderung
in einem frühen
Stadium der Tumorgenese zu detektieren, wobei der Übergang
von entarteten und reversiblen Zuständen jedoch fließend sein
kann. Damit muss also eine invasive Entfernung früher Neoplasien
gegen das Risiko einer Intervention abgeglichen werden. Minimalinvasive
Verfahren bieten sich hier zwar an, da eine Resektion weitestgehend
ohne das Risiko einer Komplikation vorgenommen werden kann, dennoch
sind unnötige Eingriffe
stets zu vermeiden. Damit gilt es den richtigen Zeitpunkt eines
Eingriffs zu bestimmen. Dies ist mit den vorgenannten Verfahren
nur eingeschränkt möglich, eine Überwachung
der Entwicklung nach sehr frühzeitiger
Erkennung wäre
wünschenswert.
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Es
ist bekannt, dass verschiedene Patienten auch unterschiedliche Reaktionen
auf ein Medikament zeigen, die auf so genannten genetische Prädispositionen
zurückzuführen sind.
Demnach wird auch für
die Entwicklung neuer Therapeutika und zur routinemäßigen Überwachung
von pharmakologischen Therapien eine Technik gesucht, die biochemische
Veränderungen
im Kör per
auch über
einen längeren
Zeitraum zu überwachen
gestattet.
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Im
Stand der Technik werden Coloncarcinoma durch Spiegelung des Dickdarms
mittels flexiblen Endoskopen detektiert, wobei dies unzureichend
ist, da nur anatomisch ausgeprägte
Pathologien erkannt werden können.
Die vorgenannten bildgebenden Verfahren beispielsweise mittels MR
können
theoretisch auch molekulare und damit frühzeitige Änderungen detektieren, allerdings
sind solche Ansätze
rein diagnostisch und ermöglichen
keine Resektion im gleichen Arbeitsgang. Gleichzeitig sind solche
Verfahren wegen des Einsatzes teurer Apparate kostenintensiv und
können
als Vorsorgeuntersuchung nicht flächendeckend angewendet werden.
Eine ökonomisch
vernünftige
Prävention
ist somit nicht möglich.
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Die
DE 10 2005 006 877 schlägt ein System und
ein Verfahren vor, bei dem molekulare Sonden, beispielsweise ein
tumorspezifisches Kontrastmittel, verabreicht werden, durch dass
eine Identifizierung eines Tumors ermöglicht wird. Gleichzeitig werden verschiedene
Behandlungsverfahren, beispielsweise die Fototherapie, die Schallwellentherapie
u. a. vorgeschlagen. Die Erkennung und Behandlung von molekularen
Veränderungen
in einem sehr frühen Stadium,
einschließlich
der Möglichkeit
der Überwachung über einen
längeren
Zeitraum wird in dieser Schrift nicht behandelt.
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Es
ist demnach Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung anzugeben, die
es erlaubt, vergleichsweise kostengünstig eine umfangreiche und
ortsbezogene molekulare Diagnose und Interventionsmöglichkeit
im Innern des Körpers
anzubieten. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung die Wirksamkeit
bestimmter pharmakologischen Therapien und molekularer Diagnosen
zu überwachen.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet
ist, dass die Vorrichtung wenigstens einen Biochip-Sensor aufweist.
Vorzugs weise wird der Biochip-Sensor im Kopfbereich, d.h. an der
Spitze der im Innern des Körpers
bewegbaren Vorrichtung lokalisiert sein. Diese endoskopische Vorrichtung
gestattet eine relativ kostengünstige
Untersuchung durch den behandelnden Arzt ohne teure Apparatemedizin.
Der Biochip-Sensor kann entlang eines Hohlorgans in Abhängigkeit
der Ausgestaltung der Vorrichtung gut positioniert werden. Damit
wird der Biochip-Sensor,
also eine Analyseeinheit, direkt zum Ort der Pathologie gebracht
und es können
umfassende Test durchgeführt
werden. Die gewonnenen Informationen sind somit sehr spezielle Informationen
zum Ort der Pathologie (z.B. Rezeptorstatus, Antigenexpression,
Enzymaktivitäten
usw.) Über
den integrierten Biochip-Sensor können vergleichsweise schnell
umfangreiche molekulare Untersuchungen durchgeführt werden. Wichtig in diesem
Zusammenhang ist es, dass nunmehr mehrere auszuwertende Parameter
parallel erfasst werden können.
Diese Untersuchungen können
relativ aufwandsarm wiederholt werden, um so die Erhebung von Daten
auch über
einen längeren
Zeitraum durchzuführen.
Ferner kann durch eine Interventionseinheit ggf. im gleichen Arbeitsschritt
therapiert werden.
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Der
verwendete Biochip-Sensor soll zum Nachweis biologischer Moleküle verwendet
werden und dabei mit Fängermolekülen immobilisiert
werden, die nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip
hybridisieren. Solche Fängermoleküle können beispielsweise
Oligonukleotide, Proteine, Polypeptide oder Polysacharide darstellen.
Alternativ können
auch synthetische Bindemoleküle
(Affibodies), Viren, oder Bakterien als Fängermoleküle aufgebracht werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist dem Biochip-Sensor wenigstens eine Aufbereitungs- und Analyseeinheit
zugeordnet, die vorzugsweise in direkter räumlicher Kopplung zum Biochip-Sensor steht. Durch
die Aufbereitungs- und Analyseeinheit sollen entweder optische Auswertungen
oder auch elektrische Auswertungen der Proben möglich sein. Für ein optisches
Detektionsverfahren verfügt
die Einheit zur Aufbereitung und Analyse der Proben typischer Weise über eine
Vielzahl von me chanischen und fluidischen Komponenten. Diese Komponenten sorgen
für den
Transport der flüssigen
Proben, entweder über
Pumpen oder durch die Kapillarwirkung in den dünnen Kanälen. Über fluidische Schnittstellen
werden diese mit Reagenzien vermengt, beispielsweise mit einem Fluoreszenzfarbstoff
oder mit Reagenzien für
eine biolumineszente Reaktion markiert und dem Biochip-Sensor zugeführt. Die
Bindung bestimmter Moleküle
auf dem Biochip-Sensor wird mittels des Fluoreszenzfarbstoffs sichtbar
gemacht. Dazu ist ggf. in mehreren Waschschritten restlicher Farbstoff
aus der Probe zu entfernen. Die Aufbereitungs- und Analyseeinheit
soll ebenfalls die notwendigen optischen Belichtungs- und Auswerteeinheit umfassen.
Es ist auch denkbar, dass eine Aufbereitungs- und Analyseeinheit
mehrere Biochip-Sensoren versorgen kann und dass die Ansteuerung
der Reaktionsoberflächen
der Biochip-Sensoren dann über
Mikrofluidiksysteme und Ventilsteuerungen realisiert werden. In
einem solchen Fall können
beispielsweise mehrere Biochip-Sensoren
in einem Array neben der Aufbereitungs- und Analyseeinheit angeordnet
sein. In anderer Variante umfasst die Aufbereitungs- und Analyseeinheit
elektrische Messsysteme. Bei solchen Messsystemen werden Änderungen von
in der Regel physikalischen oder chemischen Größen detektiert und analysiert.
Beispielhaft kann hier die Messung der Änderung des ph-Wertes an der
Chipoberfläche
und zwar als Änderung
der elektrischen Potentialdifferenz vor Gabe eines Reagenz (Enzyms)
und nach seiner Verabreichung genannt werden. Andere Verfahren detektieren
Massenänderungen über so genannte
Mikrowaagen durch Detektierung der sich mit Anlagerung von Substanzen
an den Fängermolekülen ändernden
Resonanzfrequenzen. Ferner sind Verfahren bekannt, die auf Wechselwirkung
zwischen einem an der Substratoberfläche austretenden Evaneszentfeld
und den Molekülen,
die an der Substratoberfläche
binden basieren. Wiederum andere Verfahren messen die Änderung
der elektrischen Ladung des Biochip-Sensors. Vorteilhafter Weise
kann durch die Integration der Aufbereitungs- und Analyseeinheit
im Kopf der endoskopischen Vorrichtung eine schnelle Auswertung
von Proben noch während
der Invasion ermöglicht
werden.
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Insofern
wäre es
denkbar direkt auf die Probenergebnisse zu reagieren.
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In
einer bevorzugten Variante ist die Kontaktierung der Fängermoleküle mit den
zu untersuchenden oder nachzuweisenden biologischen Molekülen durch
Abdeckmittel steuerbar. Erfindungsgemäß sind also i. d. R, mechanische
Abdeckmittel vorgesehen, die eine sofortige Kontaktierung der sensitiven
Fläche
des Biochip-Sensors verhindern sollen. Auf diese Weise wird sichergestellt,
dass vorab eine genaue Positionierung der endoskopischen Vorrichtung
möglich
ist und eine Kontaminierung der Fängermoleküle erst an der gewünschten
Position stattfindet. In diesem Zusammenhang sind neben rigiden
mechanischen Abdeckmitteln auch beispielsweise solche Abdeckmittel
umfasst, die sich selbstständig
nach einer gewissen Zeit im Körper
auflösen
und auf diese Weise die Kontaktierungsmöglichkeit der Oberfläche des Biochip-Sensors
freigeben.
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In
einer weiteren Variante erfolgen die Steuerung der Abdeckmittel
und damit die Steuerung der Kontaktierung der Fängermoleküle von außen, d.h. von außerhalb
des Körpers.
Dabei sollen von außen die
Abdeckmittel derart manipulierbar sein, dass eine Freigabe der Oberfläche des
Biochip-Sensors möglich
wird. Eine solche Manipulation oder auch Steuerung der Abdeckmittel
kann relativ einfach durch äußere Magnetfelder
oder funkgesteuerte Schalteinrichtungen erfolgen. In anderen Fällen kann
die Manipulation der Abdeckmittel auch über die Absonderung von bestimmten
Substanzen erfolgen, die eine Auflösung der Abdeckmittel zur Folge
haben. In einem weiteren Fall kann beispielsweise das Abdeckmittel
einer einfachen von außen
kontrollierten und gesteuerten Wärmebehandlung
ausgesetzt sein und auf Grund dieser Behandlung die Kontaktierung
des Biochips freigeben.
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In
einer weiteren Fortbildung der Erfindung weist die Vorrichtung ein
Magazin auf, welches eine Anzahl Biochip-Sensoren mit gleicher Charakteristik der
Fängermoleküle beinhaltet.
Es ist bekannt, dass Biochip-Sensoren auf ihrer Oberflä che mehrere
hundert so genannter Spots oder Positionen mit einem Durchmesser
von ca. 100 μm
aufweisen, jeder Spot eine großen
Anzahl von Fängermolekülen umfasst und
in diesem Spot jeweils ein Test absolviert wird. Für die Durchführung mehrerer
Testreihen, insbesondere wenn diese über einen längeren Zeitraum hinweg durchgeführt werden
sollen, ist es wünschenswert
mehrere identische Biochip-Sensoren zur Verfügung zu haben, d.h. mehrere
Biochip-Sensoren mit identischer Charakteristik der immobilisierten
Fängermoleküle. Diese
Biochip-Sensoren sollen erfindungsgemäß in einem Magazin, d.h. einem
Aufbewahrungsbehältnis
angeordnet sein und von dort aus einzeln in eine Kontaktierungs-,
Mess- oder Analyseposition verbracht werden können. Der Aufbau des Magazins
und die Anordnung der Biochip-Sensoren im Magazin können unterschiedlich
sein. In einer Ausführungsform
sind die Biochip-Sensoren beispielsweise hintereinander in einer
stapelförmigen Anordnung, ähnlich einem
Waffenmagazin angeordnet, in einer anderen Anordnung können die
Biochip-Sensoren in Reihe auf einem flexible Träger, ähnlich einer Zuführeinrichtung
von Bauelementen für
einen Bestückungsautomat
sein. Die Anzahl der im Magazin angeordneten Biochip-Sensoren richtet sich
nach dem Einsatzfall und nach der Größe der Chips. In einer weiteren
Ausprägung
können
ggf. Teile der Aufbereitungs- und Analyseeinheit mit dem Biochip-Sensor
verbunden und ebenfalls im Magazin untergebracht sein. Auf diese
Weise ist es möglich, vergleichende
Messreihen aufzunehmen. In dieser vorgeschlagenen Variante der Erfindung
soll die Vorrichtung also mehrere – der Charakteristik nach identische – Biochip-Sensoren
innerhalb dieses Aufbewahrungsmagazins aufweisen, wobei die Zuführung der
Biochip-Sensoren in die Analyseposition entweder automatisch durch
Zeitsteuerung erfolgt oder wiederum von außen steuerbar erfolgen soll.
Durch die vorgeschlagene Magazintechnik, ist es außerdem möglich die
Biochip-Sensoren hinsichtlich ihrer Größe an den vorgeschlagenen Einsatz
im Körper, insbesondere
an den Einsatz im Hohlorgan anzupassen. Es können beispielsweise über zwei
oder mehrere Biochip-Sensoren kleinerer Oberfläche genauso viele Tests absolviert
werden, wie auf einem Chip größere Fläche und
durch eine reihenför mige
Anordnung der Sensoren wird eine Anordnung erreicht, die der natürlichen
Längenausdehnung
des Hohlorgans entspricht und somit auf diesen Einsatzfall abgestimmt
ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Magazin
aufweist, welches eine Anzahl Biochip-Sensoren mit unterschiedlicher
Charakteristik der Fängermoleküle beinhaltet.
Das Magazin selbst ist identisch mit den vorgenannten Ausführungsformen.
Diese Variante ist vorteilhaft dort eingesetzt, wo eine größere Anzahl
verschiedenster Tests ermöglicht
werden sollen. Da die Chipoberfläche
immer mit bestimmten Fängermolekülen immobilisiert
ist und damit lediglich auf eine begrenzte Anzahl von Substanzen
getestet werden kann, ist es von Vorteil das vorgenannte Magazin
wie vorgeschlagen zu bestücken. Dies
gilt umso mehr, als dass wegen des eingeschränkten Platzbedarfs für die Anwendung
im Inneren des Körpers,
insbesondere im Inneren eines Hohlorgans, eine Verkleinerung der
Substratfläche notwendig
ist. In diesem Fall wird eine Anordnung in Längsrichtung der im Körper beweglichen
Vorrichtung vorgeschlagen.
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In
einer weiteren Fortbildung der Erfindung verfügt die Vorrichtung über wenigstens
ein Depot, in das chemische oder biologische Substanzen einlagerbar
sind. Insbesondere in der Aufbereitungs- und Analyseeinheit werden
Substanzen oder Reagenzien benötigt,
wie beispielsweise bei Aufbereitung einer Probe durch eine Lyse
oder bei der Analyse der Probe selbst beispielsweise durch Enzymgaben.
Ferner wird für
einige Aufbereitungsschritte Wasser benötigt, welches ebenfalls über solche
Depots zur Verfügung
gestellt werden kann.
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In
einer Variante sind die im Depot eingelagerten Substanzen auch in
den Körper
einleitbar. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn beispielsweise
der Ort der Untersuchung noch gar nicht feststeht, oder es nicht
sicher ist ob überhaupt eine
nähere
Untersuchung stattfinden soll. In einigen Fällen soll nämlich die erfindungsgemäße endoskopische
Vorrichtung zunächst
dazu benutzt werden mit einer spezifi schen molekularen Sonde, d.h.
einem Kontrastmittel bestimmte Stellen ggf, bereits Verdachtsstellen
zu markieren, um beispielsweise Neoplasien zu erkennen. In diesen
Fall wird bevorzugt eine fluoreszenzoptische Substanz verwendet. In
anderen Fällen
wiederum kann das Kontrastmittel bereits anderweitig verabreicht
worden sein, um größere Bereiche
zu markieren. In diesem Fall kann hier über die endoskopische Vorrichtung
jedoch eine neuerliche Gabe an bestimmten Orten die detaillierte
Diagnose unterstützen.
Die Gabe der Substanzen erfolgt entweder über Injektionsnadeln einer
Injektionseinheit oder über
Auslasskanäle
an der Mantelfläche der
Vorrichtung, die in der Lage sind Substanzen abzusondern.
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Die
Steuerung dieser Injektionseinheit soll vorteilhafter Weise ebenfalls
von außen
möglich
sein. Dies kann beispielsweise durch von außen steuerbaren Magnetfeldern, über funkgesteuerte
oder im einfachsten Fall über
mechanische Auslösungseinrichtungen
erfolgen. Die feine Positionierung der endoskopischen Vorrichtung
erfolgt i. d. R. auf Sicht über die
bekannten optischen Sensoren dieser Vorrichtungen. Auf diese Weise
ist eine kontrollierte Abgabe der Substanzen möglich.
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In
weiteren Varianten der Erfindung besitzt die Vorrichtung einen flexiblen
Versorgungskanal, der nach außen
geführt
ist und auf diese Weise eine Verbindung der im Inneren des Körpers bewegbaren endoskopischen
Vorrichtung nach außen
darstellt. Über
diesen Versorgungskanal, der für
den jeweiligen Einsatzfall ausgestaltet ist und mehrere Teilkanäle umfassen
kann, besteht die Möglichkeit
jedweder Versorgung. So ist die Versorgung mit Licht, die Versorgung
mit Energie oder auch die Versorgung mit biologischen oder chemischen
Substanzen oder mit Wasser möglich.
Dabei muss nicht jeder Versorgungskanal alle Versorgungsarten unterstützen, es soll
vielmehr eine Anpassung an den spezifischen Versorgungsfall möglich sein.
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In
bevorzugter Ausführungsform
ist der Versorgungskanal mit den Depots verbunden und diese damit über den
Versorgungska nal versorgbar. Die Depots sind so wieder auffüllbar. Für den Fall,
dass es zu keiner Verunreinigung von Substanzen durch Transport
im selben Versorgungskanal kommen darf, wird der Versorgungskanal
vorteilhafter Weise auch über
mehrere parallele und von einander getrennte Versorgungsröhren verfügen.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel ist
der Versorgungskanal derart mit der Vorrichtung verbunden, dass über den
Kanal auch eine direkte Einleitung von biologischen oder chemischen
Substanzen in das Innere des Körpers
möglich
ist. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn beispielsweise
molekulare Sonden, also Kontrastmittel eingeleitet werden sollen,
die, wie bereits erwähnt,
das Markieren beispielsweise von Neoplasien ermöglichen sollen. Vorteil dieser
Ausführungsform
ist es, dass immer die erforderlichen Mengen von Kontrastmitteln zur
Verfügung
stehen und gezielt verabreicht werden können.
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Eine
weitere bevorzugte Fortbildung der Erfindung ergibt sich dann, wenn über den
Versorgungskanal Licht einer Anregungswellenlänge zur Lumineszenzanregung
der molekularen Sonden einkoppelbar ist und dieses Licht eine flächige Illumination
eines Hohlorgans ermöglicht.
Das verabreichte Kontrastmittel wird über die Einleitung von Licht
bestimmter Wellenlänge
angeregt und beginnt zu fluoreszieren. Dazu muss das gesamte Hohlorgan
beispielsweise der Darm mit Licht der Anregungswellenlänge belichtet
werden. Der Versorgungskanal weist zu diesem Zweck wenigstens einen
Lichtleiter auf und das äußere Ende
des Lichtleiters wird mit einer externen Lichtquelle verbunden.
Die endoskopische Vorrichtung ist derart ausgeprägt, dass über transparente Lichtaustrittsöffnungen
eine Lichtabstrahlung auf die Wand des Hohlorgans gewährleistet
ist. Dabei können
die Lichtaustrittsöffnungen über den
gesamten Umfang der Mantelfläche
der Vorrichtung verteilt sein und somit eine Lichtabstrahlung um
360° gewährleisten.
In anderer Ausführung
ist auch eine Lichtabstrahlung zusätzlich nach vorn oder hinten vorgesehen.
In wiederum einem anderen Fall mag eine alleinige Lichtabstrahlung
nach vorn oder hinten ausreichend sein. i. d. R. wird die Illuminationswirkung
durch eine überlagerte
Bewegung der Vorrichtung im Hohlorgan unterstützt werden.
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In
konsequente Weiterentwicklung der Erfindung verfügt die Vorrichtung über eine
Stereooptik. Durch diese Stereooptik, welche vorteilhaft durch CCD
Kameras realisiert ist, wird eine Anreicherung der moleklaren Sonden
in der pathologischen Darmwand erkannt und lokalisiert. Dazu werden
die Bilder nach außen übertragen
und auf einer Anzeigeeinheit dargestellt. Die Erkennung von pathologischen
Veränderungen
kann softwareunterstützt
mittels geeigneter Bilderkennungssoftware erfolgen oder die aufgenommenen
Bilder werden lediglich zur Überwachung
durch den Arzt auf der Anzeigeeinheit dargestellt. Eine softwareunterstützte Auswertung
kann bereits innerhalb des Körpers
erfolgen, zumindest wäre
hier eine Vorverarbeitung möglich.
Die endoskopische Vorrichtung wird zur optischen Abtastung entlang
des Hohlorgans fortbewegt. Ist eine Anreichung von Kontrastmittel
erkannt, kann die genaue Position der pathologischen Stelle über die
Position des Kamerasensors selbst ermittelt und beispielsweise über Funk
nach außen
gesendet werden. Auf diese Weise können also neoplastische Veränderungen bereits
in einem sehr frühen
Stadium diagnostiziert werden.
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In
einer weiteren Variante, weist die Vorrichtung Mittel zur Gewebeentnahme
auf. Dies ist besonders dann zweckmäßig, wenn aufgrund der vorgenannten
Untersuchungen eine pathologische Auffälligkeit diagnostiziert und
lokalisiert worden ist. Das Mittel zur Gewebeentnahme kann eine
integrierte Biopsieeinrichtung, beispielsweise eine Kapillare sein, die
in die Stelle der zuvor lokalisierten pathologischen Auffälligkeit
injiziert wird, um die Gewebeprobe zu entnehmen. Der Antrieb der
Biopsieeinrichtung erfolgt beispielsweise mittels eines Treibmittelsatzes, welcher
für die
erforderliche Kraftübertragung
sorgt.
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Die
entnommene Gewebeprobe wird nunmehr mittels des integrierten Biochip-Sensors
weiter analysiert. Dazu wird die Kapillare der Biopsieeinrichtung über eine
geeignete Schnittstelle der Aufbereitungs- und Analyseeinheit zugeführt, welche
dann die Probe einem Biochip-Sensor zur Verfügung stellt. Dabei kommen generell
die bekannten optischen oder elektrischen Analyseverfahren zur Anwendung.
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In
einer weiteren Variante ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet,
dass sie über
wenigstens eine Interventionseinheit verfügt, die auf einer Laserstrahlungs-
oder einer thermischer Strahlungsquelle basiert. Eine derart ausgestaltete
Interventionseinheit kann eingesetzt werden, um beispielsweise eine zuvor
erkannte pathologische Veränderung,
dessen pathologischer Befund bioanalytisch bestätigt worden ist, zu behandeln.
Da Energieversorgung für
derartige Interventionseinheiten erfolgt beispielsweise induktiv
oder über
den Versorgungskanal. Damit kann über die Interventionseinheit
bei Patienten mit erhöhtem
Karzinomrisiko des Kolon der Darm minimalinvasiv saniert werden.
Neoplastische Entartungen werden im Frühstadium erkannt und gezielt
präventiv
entfernt, wobei die Anwendung selbstverständlich nicht auf den Darmbereich
beschränkt bleibt.
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Die
endoskopische Vorrichtung kann Teil eines konventionellen Schiebeendoskops
sein, welches bereits seit vielen Jahren im Einsatz ist und welches
um Analysemöglichkeiten
mittels Biochip-Sensoren erweitert worden ist.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist die endoskopische Vorrichtung jedoch eine Endoskopie-Kapsel.
Wenn eine solche Endoskopie-Kapsel im Innern des Körpers in
einem Hohlorgan über
von außen
beeinflussbare Magnetfelder frei navigierbar ist, werden die Vorteile
der Erfindung besonders deutlich. Eine solche Kapsel kann die vorbeschriebenen
Analysen relativ selbstständig
ausführen,
ohne den Patienten besonders zu belasten.
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Mit
der weiter vorgeschlagen Verankerungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Endoskopie-Kapsel
im Gewebe des Patienten ist die Kapsel in der Lage ihre Position
auch ohne Einwirkung des äußeren Magnetfeldes
zu halten. In einem solchen Fall wäre es sogar denkbar, dass der
Patient lediglich zur Neupositionierungen der Kapsel in ein externes
Magnetspulensystem verlagert werden muss. In diesem Falle könnten mehrere
Patienten quasi parallel behandelt werden, ohne ständig das
Magnetspulensystem zu beanspruchen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Darin
zeigen:
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1 eine
Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen endoskopischen Vorrichtung
in Ausprägung einer
Endoskopiekapsel in einer Seitenansicht.
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2 eine
Prinzipskizze der endoskopischen Vorrichtung gemäß 1 mit Versorgungskanal
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3 eine
Prinzipskizze der in 2 dargestellten endoskopischen
Vorrichtung in einer gegenüber 2 um
90° gedrehten
Seitenansicht.
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4 eine
Prinzipskizze eines Magazins zur Bereitstellung von Biochip-Sensoren
in Seitenansicht
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5 eine
Prinzipskizze eines Magazins zur Bereitstellung von Biochip-Sensoren
in Frontansicht
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6 eine
Prinzipskizze eines Magazins zur Bereitstellung von Biochip-Sensoren
in Frontansicht bei Wechsel des Abdeckmittels
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7 eine
Prinzipskizze eines weiteren Magazins zur Bereitstellung von Biochip-Sensoren
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1 zeigt
die erfindungsgemäße endoskopische
Vorrichtung in der Ausprägung
einer magnetisch über
ein äußeres Magnetfeld
navigierbaren Endoskopie-Kapsel. Die Vorrichtung 1 ist
eingepasst in das Gehäuse 2 in
dem ein magnetisches Element 3 integriert ist. Bei dem
magnetischen Element 3 handelt es sich z.B. um einen Permanentmagneten,
ein in einem Magnetfeld aufmagnetisierbares weichmagnetisches Element
oder um eine elektronische Spule. Das magnetische Element 3 steht
in Wechselwirkung mit Navigationsmagnetfeldern, die über ein
nicht dargestelltes externes Magnetspulensystem erzeugt werden,
so dass die im Patientenkörper
aufgenommene Vorrichtung 1 von außen gesteuert und bewegt werden
kann. In das längliche,
zylindrische und einen Durchmesser von ca. 10 mm bis 15 mm aufweisende Gehäuse 2 ist
ferner eine Steuerungseinrichtung 4 in Form eines Mikrocontrollers
integriert. Die Steuerungseinrichtung 4 übernimmt
sämtliche
Steuerungsaufgaben betreffend die Funktionseinrichtungen der endoskopischen
Vorrichtung 1 die nachfolgend näher beschrieben werden. Auf
Datenleitungen von und zur Steuereinrichtung 4 wurde aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
verzichtet. Die im Körper
bewegbare endoskopische Vorrichtung 1 weist zwei Kameras 5, 6 mit
Aufnahmerichtung in Längsrichtung
der Vorrichtung 1 auf. Die Kameras sind soweit voneinander
beabstandet, dass stereoskopische Aufnahmen möglich sind. Die Kameras 5, 6 sind
mit den Sendeeinheiten 7, 8 verbunden. Die Sendeeinheiten 7, 8 sind
in der Lage über
eine nicht dargestellte Antenne, die durch die Kameras 5, 6 aufgenommenen
Bilder an eine nicht näher
dargestellte Empfangseinheit der endoskopischen Vorrichtung außerhalb
des Körpers zu
senden. Die Leuchteinrichtungen 9, 10, die vorzugsweise
mit LED ausgestattet sind, ermöglichen das
Ausleuchten des Aufnahmefeldes der Kamera 5, 6.
Zwischen den Kameras 5, 6 befinden sich eine Biopsieeinrichtung 11 und
eine Injektionseinrichtung 12. Die Biopsieeinrichtung 11 weist
einen Greifer 13 auf, der über eine Treibeinrichtung 14 ausgelöst werden
kann und somit in der Lage ist, in das Gewebe des Patienten einzugreifen. Über den
Greifer 13 ist es möglich
eine Verankerung der endoskopischen Vorrichtung 1 vorzunehmen.
Ferner ist es möglich Gewebeproben
aus der Innenwand des zu untersuchenden Hohlorgans zu entnehmen.
Die Biopsieeinrichtung 11 wird durch die Steuereinheit 4 ausgelöst. Separiert
von der Biopsieeinrichtung 11 und in einem eigenen Kanal
operierend, befindet sich die Injektionseinrichtung 12.
Die Injektionseinrichtung 12 weist eine Injektionsnadel 15 auf,
die in der Lage ist, ggf. in das Gewebe des Patienten einzudringen
und dort Injektionen vorzunehmen. Zu diesem Zweck ist die Injektionseinrichtung 12 über einen
Kanal 27 mit einem Depot 19, 20 verbunden.
Die Injektionseinrichtung 12 ist ebenfalls in der Lage
Körperflüssigkeiten
ggf. direkt aus dem Gewebe aufzunehmen. Zu diesem Zweck muss die
Injektionsnadel nicht unbedingt ihren Aufnahmekanal verlassen. Es
ist dies jedoch möglich.
Die aufgenommenen Flüssigkeiten
können über einen
Kanal 28 einer Aufbereitungs- und Analyseeinheit 17 zugeführt werden.
Die Aufbereitungs- und Analyseeinheit 17 ist in der Lage
die entnommene Probe derart aufzubereiten, dass sie einem Biochip-Sensor 18 zugeführt werden
kann. Die Aufbereitungs- und Analyseeinheit 17 ist ferner
mit den Depots 19, 20 verbunden. In diesen Depots
befinden sich biologische oder chemische Substanzen, die zur Aufbereitung
und Analyse der Probe notwendig sind. Ferner sind die Depots 19, 20 über die
Kanäle 21, 22 direkt
nach außen
verbunden, somit ist die endoskopischen Vorrichtung 1 in
der Lage, bestimmte biologische oder chemische Substanzen über die
Kanäle 21, 22 in
den Körper
des Patienten einzuleiten. Gemäß dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel sind
mehrere Biochip-Sensoren 18 in
einem Magazin 23 gelagert. Die Biochip-Sensoren 18 sind über die Abdeckmittel 24 inaktiv
und werden mit Ablösung
der Abdeckmittel 24 aktiviert. Im Analysebereich 25 der Aufbereitungs-
und Analyseeinheit 17 erfolgt die Auswertung des Biochipsensors 18.
Dazu kann der Analysebereich 25 in den Verbrauchsmaterialentank 26 entleert
und gesäubert
werden.
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2 zeigt,
dass sich in einer optionalen Ausführung die Depots 19 und 20 sowie
der Verbrauchsmaterialientank 25 an einen externen Versorgungskanal 26 anschließen lassen. Über diesen
Kanal 26 können
die Depots 19 und 20 mit flüssigen Substanzen versorgt
werden. Ferner ist ein Abtransport von verunreinigten Substanzen
aus dem Verbrauchsmaterialientank 25 möglich. Dazu weist der Versorgungskanal 26 verschiedene
voneinander separierte Teilversorgungskanäle auf.
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3 zeigt
eine Prinzipskizze der in 2 dargestellten
endoskopischen Vorrichtung 1 in einer Seitenansicht, wobei
die Vorrichtung 1 gegenüber der 2 um
90° um die
Längsachse
im Uhrzeigersinn gedreht ist. 3 stellt
der Übersichtlichkeit
halber lediglich die durch Drehung in die obere Abbildungsschicht
gelangenden Funktionseinheiten dar. Die nunmehr ober- und unterhalb der
zweiten Bildaufnahmeeinheit 6 und der ihr zugehörigen Leuchteinrichtung 10 dargestellten
Interventionseinheiten 28, 29 dienen der Behandlung
möglicher
neoplastischer Entartungen. Dazu umfasst die Interventionseinheit 28, 29 eine
Strahlungsquelle über
die Laserstrahlung oder thermische Strahlung appliziert werden kann.
Der in 3 dargestellte Versorgungskanal 26 ist über Lichtleitungskanäle 30, 31 mit
Illuminationsbereichen 32, 33 verbunden. In den
Illuminationsbereichen 32, 33 ist die Gehäusewand
des Gehäuses 2 transparent
ausgestaltet, so dass das Licht, welches über den Versorgungskanal 26 eingeleitet wird,
eine flächige
Illumination des Hohlorgans, in weichem sich die endoskopische Vorrichtung
befindet ermöglicht.
Wird über
den Versorgungskanal 26 Licht einer bestimmten Anregungswellenlänge eingeleitet,
so ist eine Lumineszenzanregung ggf. der zuvor über die Ausleitungskanäle 21, 22 ausgeleiteten molekularen
Sonden möglich.
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4, 5 und 6 zeigen
je eine Prinzipskizze eines Magazins zur Bereitstellung von Biochipsensoren. 4 zeigt
das Magazin 23 in der Seitenansicht. Das Magazin 23 ist
geteilt in einen unteren und oberen Magazinbereich. In dem unteren
Magazinbereich befinden sich die unverbrauchten Biochip-Sensoren 18,
die jeweils durch das Abdeckmittel 24 abgedeckt sind. Im
oberen Magazinbereich werden die bereits genutzten Biochip-Sensoren 18 und
die abgelösten
Abdeckmittel 24 gelagert. Das Magazin 23 ist bis
auf eine Seite vollstän dig
geschlossen. An der offenen Seite befindet sich eine Mitnahmeeinheit 34, über die
sowohl die Abdeckmittel 24 also auch die Biochip-Sensoren 18 vom
unteren Magazinbereich in den oberen Magazinbereich bewegt werden
können.
Der Transport der Abdeckmittel 24 und der Biochip-Sensoren 18 im
unteren Magazinbereich in Richtung der Magazinöffnung wird durch die Federeinrichtung 30 gewährleistet.
Die Mitnahmeeinheit 34 ist Idealerweise an der Außenwand des
Gehäuses
des Magazins 23 befestigt. Zum Eingriff der Mitnahmeeinheit 34 in
die Abdeckmittel 24 und die Biochip-Sensoren 18 kann über Mitnehmer 36 erfolgen,
die beispielsweise als Nasen in entsprechende Aussparungen bei den
Abdeckmitteln 24 und den Biochip-Sensoren 18 eingreifen.
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5 zeigt
die Frontansicht also einen Blick auf die Öffnung des Magazins 23.
Das dort schraffierte Abdeckmittel 24 befindet sich im
Eingriff und soll über
die Mitnahmeeinheit 34 in den oberen Bereich des Magazins 23 verschoben
werden.
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6 zeigt
die Verschiebung des Abdeckmittels 24 in den oberen Bereich
des Magazins 23. Auf diese Weise wird der darunter liegende
Biochip-Sensor 18 freigelegt. Nach Verbrauch dieses Sensors,
kann dieser ebenfalls in den oberen Bereich des Magazins verschoben
werden.
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7 zeigt
eine Prinzipskizze einer weiteren Ausführungsform des Magazins 23 zur
Bereitstellung von Biochip-Sensoren 18. Gemäß 5 ist
das Magazin 23 in Form eines umlaufenden Bandes dargestellt.
Auf diesem sind die Biochip-Sensoren 18 aufgebracht. Jeder
der Sensoren 18 ist durch ein Abdeckmittel 24 abgedeckt
bzw. verpackt. An der Stirnseite des umlaufenden Magazins 23 befindet
sich der gerade benutzte Biochipsensor 18. Bevor er diese Position
erreicht, wird über
die hier dargestellt Abdeckeinheit 37 das Abdeckmittel 24 entfernt.
Die Abdeckeinheit 37 kann in diesem Fall beispielsweise
ein Elektromagnet sein, welcher ansteuerbar ist und somit entsprechend
gestaltete Abdeckmittel 24 aufnehmen kann.