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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kathetersonde und genauer
auf eine Kathetersonde, die eine kernresonanzspektrometrische Anordnung
umfasst, die in der Lage ist, die lokale Strömungsgeschwindigkeit einer
physiologischen Flüssigkeit
wie auch ihre chemische Zusammensetzung zu charakterisieren und
zu überwachen.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Die
Kernresonanz beruht auf dem folgenden, bekannten Prinzip. Alle Atomkerne
mit einer ungeraden Atommasse oder einer ungeraden Atomzahl (wie zum
Beispiel Wasserstoff) besitzen ein intrinsisches magnetisches Kernmoment.
Ohne ins Einzelne zu gehen, kann man annehmen, dass dieses Moment durch
die Umdrehung des Protons um den Kern erzeugt wird. Wenn ein NMR-aktiver
Kern in ein statisches Magnetfeld gebracht wird, kann dieses Moment
zwei verschiedene Ausrichtungen annehmen. Das Moment kann entweder
eine Ausrichtung parallel zum Magnetfeld oder eine antiparallele
Ausrichtung zum Magnetfeld annehmen. Wenn man einen in das gleiche
statische Magnetfeld eingetauchten Bestand von Wasserstoffatomen
betrachtet, so ist die Anzahl von Atomen, die eine parallele Ausrichtung besitzen,
geringfügig
grösser
als die Anzahl von Atomen, die eine antiparallele Ausrichtung besitzen. Dies
beruht auf der Tatsache, dass die parallele Ausrichtung energetisch
günstiger
ist. Der Übergang vom
parallelen zum antiparallelen Zustand tritt ein, wenn die Atome
elektromagnetische Energie bei einer gegebenen, als Resonanzfrequenz
bekannten Frequenz absorbieren. Diese Resonanzfrequenz hängt vom
Kern des Atoms und von der Intensität des statischen Magnetfeldes
ab. Kernresonanzgeräte funktionieren,
indem sie das während
des Übergangs from
angeregten (antiparallelen) zum Gleichgewichts-(parallelen)zustand
ausgesendete Signal analysieren. Die Kerne werden in ein statisches
Magnetfeld hoher Intensität
gebracht und dann mit einer elektromagnetischen Welle angeregt,
die eine der Resonanzfrequenz entsprechende Frequenz besitzt. Wenn
die Rückkehr
zum Gleichgewichtszustand eintritt, wird ein Signal erzeugt, das
die gleiche Frequenz wie das Anregungssignal besitzt (Resonanz),
und kann dank einer Antenne gemessen werden.
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Der
Resonanznachweis kann entweder auf der Stufe der Anregung erfolgen,
indem durch Überstreichen
eines Frequenzbereichs die Energieabsorption gemessen wird, oder
wenn die Atome zum Gleichgewichtszustand zurückkehren. In letzterem Falle
misst man das elektromagnetische Signal, das durch das in seine
Gleichgewichtslage zurückkehrende
magnetische Moment ausgesendet wird. Wenn ausser den Wasserstoffatomen
noch andere Atome in der zu charakterisierenden Lösung vorhanden
sind, dann erzeugt der Spin ihrer Elektronen ein Magnetfeld auf
mikroskopischem Niveau. Somit sind die Wasserstoffatome dem durch
die NMR-Vorrichtung erzeugten statischen Magnetfeld ausgesetzt, dem
lokal das durch die Elektronen erzeugte Magnetfeld überlagert
ist. Dies verändert
die Resonanzfrequenz mit einer für
die Umgebung der Wasserstoffatome innerhalb der zu charakterisierenden
Lösung spezifischen
spektroskopischen Signatur. Die Kernresonanzspektroskopie beruht
auf diesem Prinzip und wird hauptsächlich für zwei verschiedenartige Anwendungen
eingesetzt, nämlich
die biochemische Analyse in Laboratorien und die Magnetresonanzabbildungsspektroskopie.
In Laboratorien wird die Kernresonanzspektroskopie gewöhnlich bei
sehr hohen magnetischen Feldintensitäten (>10 Tesla) ausgeführt, um die atomare Struktur
von Molekülen
aufzuzeigen. Im Gegensatz dazu wird die Magnetresonanzabbildungsspektroskopie
(MRIS: magnetic resonanz imaging spectroscopy) mit standardisierten MRI-Ausrüstungen
bei geringerer Feldintensität
(um 1,5 Tesla) ausgeführt,
um die Zusammensetzung der Gewebeumgebung auf molekularer Ebene
aufzuzeigen.
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Es
ist ferner möglich,
Informationen über
die Strömung
einer Flüssigkeit
zu sammeln, indem das nach einer resonanten Anregung in den Gleichgewichtszustand
zurückkehrende
Signal analysiert wird. Das Signal besitzt einen Abfall, der kennzeichnend
ist, wenn die Flüssigkeit
ruht, und einen rascheren Abfall, wenn sich die Flüssigkeit
bewegt. Dies beruht auf der Tatsache, dass ein Teil der angeregten Atome
das Erfassungsvolumen der Antenne verlässt. Dieses Verfahren wird
auch in Vorrichtungen der Magnetresonanzabbildungsspektroskopie
eingesetzt.
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Die
Dauerüberwachung
spezifischer chemischer Verbindungen in einer Körperflüssigkeit sowie die Sammlung
von Informationen über
die Strömungsgeschwindigkeit
einer Flüssigkeit
im menschlichen Körper
sind Schlüssel
auf vielen Gebieten der Medizin, was insbesondere auf die Überwachung von
Hirnmetaboliten in traumatischen Patienten oder die Überwachung
der Strömungsgeschwindigkeit
der zerebrospinalen Flüssigkeit
in einem geshunteten Hydrocephalus-Patienten zutrifft. Bekannte
Verfahren zur Überwachung
der Konzentration spezifischer chemischer Verbindungen in einer
physiologischen Flüssigkeit
werden gewöhnlich
invasiv ausgeführt, und
zwar entweder mit Verfahren, die die Abnahme von Mustern der Flüssigkeit
verlangen (Dialyse usw.), oder indem Sonden in die betrachtete Flüssigkeit
oder in das betrachtete Gewebe eingesetzt werden (Mikrodialyse,
Blutgasanalyse). Diese Verfahren verlangen entweder einen Einstich
für jedes
zu analysierende Muster oder eine für die Dauer der Überwachung
an Ort und Stelle verbleibende Katheterleitung. Bekannte invasive
Kathethersonden sind hauptsächlich
auf spezifische Analyten wie O2, CO2, Glucose oder Lactose ausgerichtet. Mikrodialyse
ist das einzige invasive Verfahren, das vielseitig verwendbar ist,
aber eine kontinuierliche Strömung
einer im Katheter umlaufenden Pufferlösung sowie eine Bemusterung
der Lösung
für Offlineanalyse
sind erforderlich. Das letztgenannte Verfahren kann als eine pseudokontinuierliche Überwachung
betrachtet werden, aber es ist ziemlich schwierig zu implementieren (es
erfordert regelmässige
Probenahmen durch eine Fachkraft sowie je Zielanalyten ein spezifisches
Reagens).
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Andere
nichtinvasive Verfahren wie Magnetresonanzabbildungsspektroskopie
sind ziemlich teuer und erlauben keine Dauerüberwachung. Ausserdem sind,
was die Beurteilung der Strömungsgeschwindigkeit
betrifft, zur Zeit keine Vorrichtungen bekannt, mit denen diese
Messungen in situ ausgeführt
werden könnten.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die vorgenannten
Nachteile zu beheben. Mit einer minimal invasiven kemresonanzspektrometrischen
Kathetersonde, die die in Anspruch 1 genannten Merkmale besitzt,
wird dieses Ziel erreicht.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ABBILDUNGEN
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Weitere
Merkmale und andere Gegenstände und
Vorteile dieser Erfindung werden aus der folgenden eingehenden Beschreibung
erhellen, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird,
die in schematischer und nicht eingrenzender Weise zwei Ausführungsformen
einer erfindungsgemässen
Kernresonanzspektrometersonde veranschaulichen.
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1 ist
eine schematische, teilgeschnittene Ansicht einer ersten Ausführungsform
einer kernresonanzspektrometrischen Kathetersonde, die Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist.
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2 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform
einer kernresonanzspektrometrischen Kathetersonde, die Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Auf 1 Bezug
nehmend, wird hier eine erste Ausführungsform einer kernresonanzspektrometrischen
Kathetersonde gezeigt, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung
ist.
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Das
statische Magnetfeld wird dank einer Dauermagnetenanordnung erzeugt.
Es sei bemerkt, dass das statische Magnetfeld zwei Kriterien erfüllen muss.
Erstens muss das statische Magnetfeld eine hohe Intensität besitzen.
Die Intensität
des Kernresonanzsignals ist der Zahl der an der Resonanz beteiligten
Atome direkt proportional, die der Intensität des Magnetfeld ebenfalls
direkt proportional ist. Um ein NMR-Signal zu erzeugen, das leicht
erfasst und analysiert werden kann, ist es daher erforderlich, mit
einem statischen Magnetfeld im Bereich von 1 Tesla und darüber zu arbeiten.
Das zweite Kriterion, das durch das Magnetfeld erfüllt werden
muss, betrifft seine Homogenität.
Es ist äusserst
wichtig, dass das zu analysierende Muster als Ganzes in das gleiche statische
Magnetfeld eingetaucht ist. Wenn dies nicht der Fall ist, wird das
Abregungs-Frequenzspektrum breit und dadurch schwer zu messen und
zu interpretieren. Im vorliegenden Fall sollte die Homogenität des statischen
Feldes im Bereich von 1 bis 10 ppm liegen.
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Ein
diesen Erfordernissen entsprechendes statisches Magnetfeld wird
mit einer Anordnung von Dauermagneten erzeugt, die sich am distalen
Ende einer Katheterleitung befinden. Zu 1 zurückkehrend,
besteht die Dauermagnetenanordnung aus einem äusseren zylindrischen Dauermagneten 1.
Die Dauermagnetenanordnung umfasst ausserdem zwei innere Dauermagneten 2,
die ebenfalls eine zylindrische Gestalt besitzen. Die Magneten 1, 2 sind
alle entlang ihrer Längsachse
polarisiert. Die Magnetisierungsrichtungen der beiden inneren Magneten 2 sind identisch,
aber der Polarisationsrichtung des äusseren Magneten 1 entgegengesetzt
(d.h., wenn sich der Nordpol des äusseren Magneten 1 am
oberen Teil des äusseren
Magneten 1 befindet, dann haben die inneren Magneten 2 ihre
Nordpole zur Unterseite der Figur hin). Die Magnetenanordnung wird
durch zwei Magnetfeldkonzentratoren 3 vervollständigt, die
sich bei benachbarten Polen der inneren Magneten 2 befinden.
Ihre Funktion besteht darin, die Intensität und Homogenität des statischen
Magnetfeldes in dem direkt zwischen den beiden inneren Magneten 2 befindlichen
Bereich zu verbessern. Zwei Ferritkappen 4 schliessen diese
Magnetenanordnung ab und vermindern dadurch den in diesem Bereich
auftretenden Feldverlust.
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Der äussere Magnet 1 ist
mit zwei zentralen radialen Löchern 5 versehen,
die einen Katheter 6 zwischen den beiden Magnetfeldkonzentratoren 3 durchlassen,
die die inneren Magneten 2 abschliessen. Die zu analysierende
Flüssigkeit
fliesst im Katheter 6 im Zentrum der Magnetenanordnung.
Eine Anregungs- und Detektorspule 7 ist im Zentrum der Dauermagnetenstruktur
um den Katheter 6 herum angepasst. Das Messvolumen wird
durch das Spulenvolumen bestimmt, das verringert werden sollte, um
die Homogenität
des Feldes in der Nähe
des zu analysierenden Musters zu optimieren. Simulationen haben
gezeigt, dass im Zentrum der Struktur für eine Feldintensität von etwa
0,7 Tesla eine Homogenität von
1 ppm mit einer Kugel erreicht wird, die einen Durchmesser von 100
um besitzt.
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Die
Anregungs- und Detektorspule 7 ist an einen elektronischen
Vorverarbeitungskreis 8 angeschlossen, der sich in einer
bevorzugten Ausführungsform
so nahe wie möglich
bei der Spule 7 befindet, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu
erhöhen. Dieser
Vorverarbeitungskreis 8, der das NMR-Signal erfasst, verstärkt und
vorverarbeitet, ist weiter mit der gedruckten Hauptleiterplatte 9 verbunden,
die alle elektronischen Bauteile enthält, die für die weitere Verarbeitung
des Signals erforderlich sind. Diese bekannten Komponenten werden
in der vorliegenden Beschreibung nicht in Einzelnen beschrieben,
aber ihre hauptsächliche
Funktion kann wie folgt zusammengefasst werden. Die gedruckte Hauptleiterplatte 9 umfasst
die Bauteile, die erforderlich sind, um das Kernresonanz-Anregungssignal bei
der Resonanzfrequenz zu erzeugen. Sie umfasst weiter die Bauteile,
die erforderlich sind, um das durch den Vorverarbeitungskreis 8 erfasste
Signal zu analysieren und zu formatieren. Die gedruckte Hauptleiterplatte 9 ist über einen
Verbindungsdraht 10 mit einer externen Monitoreinheit (nicht
gezeigt) verbunden. Diese externe Einheit kann dafür verwendet
werden, die Spektren der gemessenen Analyten weiter zu verarbeiten
und graphisch darzustellen.
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Die
elektronische Leiterplatte 9 ist von einem wasserdichten
Gehäuse 11 umgeben,
das mit dichten Durchgängen
für die
Verbindung der Leitung 10 an eine externe Monitoreinheit
und für
die Verbindung mit dem Vorverarbeitungskreis 8 versehen
ist. Dieser Sondenkopf ist am distalen Ende eines Katheters integriert,
der zum Beispiel aus Silicon hergestellt sein kann. Die Siliconhülle des
Katheters 11 ist mit zwei Öffnungen versehen, die sich
vor dem Innenkatheter 6 befinden, so dass die zu analysierende Flüssigkeit
durch Diffusion durch den Katheter 6 fliessen kann, wenn
die Sonde an eine interessante Stelle im menschlichen Körper eingesetzt
worden ist.
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2 veranschaulicht
eine zweite Ausführungsform
der kernresonanzspektrometrischen Kathetersonde, bei der die Dauermagnetenanordnung aus
einem zylindrischen Dauermagneten 12 besteht, der die Struktur
eines Halbach-Zylinders besitzt. Die Halbach-Strukturen, die auf dem Prinzip eines
unendlichen Dipols beruhen, sind dafür bekannt, ein sehr homogenes
Feld im Zentrum dieser Struktur zu erzeugen. Ausserdem steigt in
diesen Halbach-Strukturen die Homogenität des erzeugten Magnetfeldes
mit der Länge
des Magneten. Die typische Abmessung einer solchen Kathetersonde
beträgt
bei einem Gesamtdurchmesser von etwa 3 mm ungefähr 150 mm in der Länge. Die
Anregungs- und Detektorspule 13 befindet sich im Zentrum
des Dauermagneten 12 und ist über einen Draht 14 mit
einem wasserdichten Gehäuse 15 verbunden,
das den Vorverarbeitungskreis und die erforderlichen elektronischen Bauteile
umschliesst, die verwendet werden, um das Anregungssignal zu erzeugen
und die gemessenen Daten zu formatieren. Der Ausgang der im Gehäuse 15 befindlichen
elektronischen Kreise ist durch einen Draht 16, der sich
bis zum proximalen Ende der Katheterleitung 17 erstreckt,
mit der externen Monitoreinheit (nicht gezeigt) verbünden.
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In
dieser Ausführungsform
tritt die zu analysierende Flüssigkeit
in das distale Ende des eingesetzten Katheters ein. Die Flüssigkeitszirkulation
im Zentrum des Halbach-Zylinders 12 wird
durch natürliche
Diffusion erreicht. Es sei bemerkt, dass in dieser Ausführungsform
das durch die Erregerspule 13 angeregte Volumen so gross
wie möglich
sein sollte, um bessere Ergebnisse zu erzielen. Daher erstreckt
sich die Erregerspule 13 über etwa 2/3 der Länge des Dauermagneten 12.
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Dank
der offenbarten kernresonanzspektrometrischen Kathetersonde ist
es möglich,
die Zusammensetzung und/oder die Konzentration spezifischer chemischer
Verbindungen in einer physiologischen Flüssigkeit kontinuierlich zu überwachen.
Viele Anwendungen lassen sich für
diese Kathetersonde voraussehen. Zum Beispiel kann die Sonde zur
kontinuierlichen Überwachung
der Hirnfunktion in traumatischen Patienten und insbesondere der
Konzentration von Analyten wie Aminosäuren, Glucose, Glutamat, Lactose,
gelösten
Gasen usw. verwendet werden. Indem Mittel zur Durchführung von
Kernresonanzspektroskopie lokal am distalen Ende eines Katheters
zur Verfügung
gestellt werden, ermöglichen
diese Sonden die minimal invasive, kontinuierliche Überwachung
beliebiger interessierender Verbindungen.