WO2015018900A1 - Vorrichtung und verfahren zur messung der elastizität einer makroskopischen probe - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur messung der elastizität einer makroskopischen probe Download PDF

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Tilman SCHÄFFER
Andreas Kirschniak
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Eberhard Karls Universität Tübingen
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for measuring the elasticity of a macroscopic sample, which may be, in particular, the tissue of a living human or animal.
  • a surgical or diagnostic instrument which employs such a device.
  • frozen section examination which is a pathological examination of tissue samples during an ongoing operation. Frozen sections are made from the extracted tissue, which are immediately stained and examined by a pathologist. The scintigraphic study is currently considered the gold standard for the intraoperative evaluation of collected tissue.
  • the main disadvantage of the Sclmellmechanicaluntersuchung is, however, that the operation is significantly delayed even in optimal Häetznetn.
  • Another disadvantage is that the morphological quality of frozen sections is inferior to that of conventional histological sections in which the tissue is fixed in paraffin or another plastic.
  • the invention has for its object to provide an apparatus and a method for measuring the elasticity of a macroscopic sample, in particular for measuring the elasticity of the tissue of a living human or animal, which allows a precise measurement of elasticity with relatively little expenditure on equipment.
  • elasticity is to be broadly understood in the present disclosure and is intended to include all aspects of the manner in which the sample responds to pressure, shear forces, etc.
  • the measurement of elasticity may include at least approximating one or more
  • the measurement of elasticity may also include at least approximately detecting some or all of the components of the elasticity tensor of the sample, but the determination of elasticity may also include the determination of the elasticity modulus (modulus of elasticity) or modulus of shear
  • elasticity modulus modulus of elasticity
  • modulus of shear modulus of shear
  • the term "macroscopic sample” is intended to indicate that the sample should not be single cells or small clusters of cells that can only be isolated in a laboratory, but rather, the macroscopic sample may typically be to trade a section of human tissue of a living patient that is a few cm 2 , maybe even more than 100cm 2 .
  • the diagnostic or surgical instrument comprises a device for measuring the elasticity of a macroscopic sample, in particular for measuring the elasticity of tissue of a living human or animal.
  • the device comprises at least one outlet for a fluid jet and / or an inlet for suction of a fluid flow.
  • It further comprises means for positioning the device with respect to the macroscopic sample such that the outlet and / or the inlet or an end face of the device is at a predetermined or determinable distance from the malcroscopic sample by said means.
  • it comprises means for measuring a size indicative of a deformation of the sample due to an interaction of the sample with the fluid jet and / or the aspirated fluid flow. In this case, this size is determined either by an ion current in the deformation region of the sample or the volume flow of the fluid itself.
  • the sample is artificially deformed due to an interaction with the fluid jet and / or with the aspirated fluid flow.
  • interaction indicates that not only the sample is deformed, but also the fluid jet can be affected by the interaction, in particular braked or completely dammed, for example, if the sample is in an annular area around the outlet so close to the device rests that no or only insignificant amounts of the fluid can escape therebetween.
  • Deformation can occur in different ways, for example through im- Pulse transmission of an impinging hard fluid jet, by deformation as a result of a dynamic pressure of a flow in the deformed region or by a hydrostatic pressure, which arises when the fluid is trapped by the elastic sample bubbles, so the fluid jet is dammed and the flow comes to a halt.
  • the extent of deformation is a measure of the elasticity of the sample. According to the invention, the amount of deformation of the sample over a size indicative of the deformation is measured in one of two possible ways.
  • this size is determined by an ion current in the deformation region of the sample.
  • the term "determined” indicates that the said variable may be the ionic current itself, but also a different size, provided that it is uniquely related to the ionic current and thus "determined” by it.
  • a direct or indirect ion current measurement can be combined easily and with little equipment expense with the artificial deformation by a fluid jet or a fluid stream.
  • the ion current will flow through the fluid itself.
  • both the mechanical deformation and the measurement of the deformation of the same medium are used, which further favors the simplicity of the structure.
  • the characteristic of the deformation of the sample size is determined by the flow rate of the fluid itself, which in turn allows a very simple apparatus design. Behind this is the realization that the volumetric flow will also depend on the deformation of the sample, because the hydrodynamic resistance of the fluid in the deformed region depends on the extent of the
  • volume flow depends.
  • the volume flow naturally also depends on the pressure of the fluid, just as the ion current will also depend on the applied voltage. Therefore, in practical applications, the volume flow at a given pressure of the fluid or, more generally, as a function of the fluid pressure, will be determined. It is also possible to keep the fluid flow constant and to determine the corresponding fluid pressure. In all these cases, though the volumetric flow is a variable indicative of the deformation, and all of these variants should be encompassed by the feature.
  • the volume flow is of course no longer suitable for measuring the extent of the deformation. In this case, however, for example, a volume change and an associated pressure change in the trapped fluid can be measured.
  • an additional amount of fluid may be "pumped" into the bladder enclosed by the sample, and the concomitant pressure increase measured.With a given additional volume, the stiffer the sample, the more the pressure will increase It should be noted, however, that the measurement of strain by ion current measurement is both in cases where a continuous flow of fluid is generated in the deformation region of the sample as well as in how much more fluid flows into the bubble in cases where the fluid is dammed and the jet of fluid stops, it can be used.
  • both the extent of deformation and the ion current or volume flow of the fluid will depend on the distance of the device from the macroscopic sample. Therefore, in order to allow quantitative measurements, means for positioning the device with respect to the macroscopic sample are provided such that the outlet and / or the inlet and / or an end face of the device are at a predetermined distance from the macroscopic sample , Alternatively, it may also be sufficient if the distance can be determined by said means for positioning, whereby then the measurement results can be calibrated according to the actual distance.
  • a special case of this is a device that is vibrated at least in sections relative to the sample, so that the distance between the outlet and / or the inlet and the sample fluctuates, in combination with an ion current measurement.
  • a characteristic distance or distance range can be detected in which the ion current is "pinched off" when the device or the corresponding section, for example a nozzle, is moved sufficiently close to the sample.
  • the device has an end face that can be parallel or approximately parallel to the surface of the macroscopic sample to form a nip with the surface of the macroscopic sample.
  • the size of this gap can then be varied by the fluid jet or fluid flow depending on the elasticity of the sample, which in turn can be detected by a variation in the ion flow or in the volumetric flow of the fluid.
  • the face may also be designed to abut the surface of the macroscopic sample during operation of the device, in which case the aforesaid "predetermined distance" between the face and the sample is zero the sample and the end face are formed, through which the fluid escapes, or a "closed gap", namely a closed fluid bubble are formed, so that the fluid jet is dammed. In both cases, however, again results in a deformation of the sample, which is characteristic of its elasticity.
  • the device has a contiguous or discontinuous bearing surface, with which the device can be placed on the sample when measuring the elasticity, wherein the bearing surface has an area of at least 10 mm, preferably at least 30 mm and particularly preferably at least 1 cm occupies.
  • a "discontinuous" support surface would be, for example, a support surface formed by a plurality of discrete support elements or spacers. "Area occupied by the discontinuous support surface” refers to the area of a contiguous surface into which the discontinuous surface inscribes can be.
  • the interrupted area If, for example, four support elements are arranged in a square and have a side length of 1 cm, the area occupied would be 1 cm, and a comparatively large contact surface allows the device to be grooved over the sample and, in particular, slidably on the device along the sample.
  • the fluid is an electrolyte, in particular a saline solution.
  • said ion current can flow directly through the fluid.
  • the outlet and / or the inlet is arranged in the end face.
  • the device comprises at least a first and at least one second electrode, between which a voltage can be applied, and a current measuring device in order to measure an electric current which flows between the first and the second electrode.
  • the at least one first electrode and the at least one second electrode are arranged such that - with suitable positioning of the device with respect to the macroscopic sample - at least a portion of the current through an ion current in an electrolyte in a gap between the device and the macroscopic Sample can be formed.
  • this gap can be a gap, which results only from the deformation of the sample.
  • the at least one first electrode is arranged in a fluid channel, which is connected to the outlet, and / or the at least one second electrode is arranged in a fluid channel, which is connected to the inlet.
  • at least one first and / or at least one second electrode can be formed by a conductive lining, at least part of the respective fluid channel.
  • the device comprises at least two second electrodes, particularly preferably at least three second electrodes and in particular at least four second electrodes, wherein a voltage can be applied between each of the second electrodes and the at least one first electrode.
  • a voltage can be applied between each of the second electrodes and the at least one first electrode.
  • the at least one first electrode and / or the at least one second electrode is arranged in a depression in the end face or in a channel which opens into the end face. This arrangement of elecrode leads permits precise measurement without the electrodes interfering with the positioning of the device with respect to the sample.
  • the at least one first electrode is arranged in a radially inner section of the end face, and the at least two second electrode paths are arranged in or in the vicinity of different, radially outer sections of the end face.
  • This particular arrangement of the first and at least two second electrodes opens up a number of advantages in both measuring the extent of deformation and positioning the device with respect to the macroscopic sample.
  • the means for positioning the device with respect to the sample may be arranged to detect leakage of the end face relative to the surface of the macroscopic sample by comparing the currents through the at least two second electrodes. This will be explained below by means of a
  • ion current measurement is used for the positioning of the device with respect to the sample, that is, ion current measurement in the invention can not be used only for measuring the amount of deformation.
  • the at least one first and the at least one second electrode are preferably arranged with respect to the outlet and / or inlet such that at least part of the electric current between the at least one first and the second at least one second electrode can be formed by an ion current in the deformed region of the sample.
  • the characteristic of the deformation size is the current flow between the at least one first and the at least one second electrode is formed.
  • the means for positioning the device with respect to the macroscopic sample comprise at least one spacer.
  • This spacer then automatically sets the predetermined distance between the inlet and the sample.
  • the at least one spacer is annularly disposed about the outlet or inlet.
  • the spacer itself may have the shape of a ring or a broken ring, or a plurality of spacers may be provided, which are arranged along a ring around the outlet or inlet.
  • the at least one spacer protrudes beyond the end face.
  • Characterized a gap of defined size is formed between the end face and the sample in a simple manner, wherein the size of the gap depends on how far the spacers protrude beyond the end face.
  • the second electrode is arranged on the end face and the means for positioning the device with respect to the macroscopic specimen are formed by the end face itself, which in this case is to be applied to the macroscopic specimen. If the end face with the second electrode arranged thereon bears directly against the sample, no or at most a small ion current can flow through the second electrode. However, when a fluid jet is directed at the sample, the sample lifts off from the face and thus from the second electrode by deformation so that portions of the second electrode are exposed and become accessible to ion current. In this respect, the ion current in this embodiment is directly dependent on the extent of deformation of the sample and thus suitable to determine the extent of deformation.
  • the device has a plurality of outlets or inlets, which are arranged side by side.
  • the number of outlets sen or let in at least 4, preferably at least 10, more preferably at least 50 and in particular at least 100.
  • associated with at least the majority of the outlets or inlets associated electrodes for ion current measurement.
  • the device comprises a device for generating a pressure in a channel which is connected to the outlet and / or a device for generating a negative pressure in a channel which is connected to the inlet.
  • the device for generating a pressure may comprise an external pressure source, which is connected to the device by a pressure line.
  • the pressure generating device is provided in the device itself, so that the pressure is generated in a self-sufficient manner can.
  • pressure generating means comprising one or more piezoelectric actuators to generate the pressure in a manner similar to that known, for example, from ink jet printers.
  • the pressure-generating device comprises a replaceable cartridge, which is arranged inside the device and which is filled with a fluid under pressure, in particular gas.
  • a replaceable cartridge which is arranged inside the device and which is filled with a fluid under pressure, in particular gas.
  • the generation of pressure with such a cartridge is structurally similar to the simple variant with an external pressure generating device, but has the advantage that even here a Drucldeitung can be omitted and the device is self-sufficient and easier to handle.
  • Such a cartridge may also be provided outside the device and thus form an external pressure generating device.
  • the device for generating the pressure is preferably suitable for generating a time-dependent pressure profile and / or the device for generating the negative pressure is suitable for generating a time-dependent negative pressure profile.
  • the means for measuring the size indicative of the deformation of the macroscopic sample is adapted to measure this size in a time-resolved manner.
  • the device comprises at least two second electrodes and the device comprises a data processing device which is suitable for determining a lateral variation in the elasticity by comparing the currents through the at least two second electrodes.
  • a data processing device which is suitable for determining a lateral variation in the elasticity by comparing the currents through the at least two second electrodes.
  • the characteristic of the deformation of the sample size is formed by a combination of a volume flow of the fluid jet and the pressure used to generate the fluid jet, which effectively amounts to the measurement of a hydrodynamic resistance or related to this size.
  • the invention relates to a diagnostic or surgical instrument to be guided by hand or a surgical robot, the instrument comprising a device according to one of the embodiments described above.
  • a hand-guided instrument allows the physician to perform the elasticity measurements in exactly the places where he suspects tumor tissue or a boundary between tumor tissue and healthy tissue.
  • Such a hand-guided instrument is optimally suitable for the examination of macroscopic samples, because it can be used to analyze selectively interesting or suspicious areas of the sample in a spatially resolved manner.
  • the reference to macroscopic samples does not necessarily imply a low spatial resolution of the individual elasticity measurements.
  • highly spatially resolved measurements of elasticity are carried out with a very fine fluid jet, while the handheld device nevertheless allows the examination of a comparatively large macroscopic sample within which the physician can select the specific areas to be examined, for example tumor-suspicious tissue sections .
  • a "hand-held” instrument it may also be an instrument which is guided by a surgery robot.
  • the instrument is further adapted for waterjet surgery.
  • tissue is cut with a fine high-pressure water jet, which has a number of practical advantages.
  • the combination of the device according to the invention with such a device offers T / EP2014 / 067000
  • the instrument comprises a probe, tweezers, cutting blade and / or forceps, i. histrumente which can be used for surgical treatment or biopsy. For example, this allows the same instrument to identify tumor tissue and remove it immediately.
  • said tools have an RF connection for electrosurgical functionalities which provide further advantages, for example the cauterization of cuts and the like.
  • the instrument further comprises a camera.
  • the instrument is connected or connectable to a data processing device which relates location-dependent measured elasticity values with the images recorded by the camera. For example, it would be possible to superimpose an image of "elasticity" on the captured image by highlighting areas where particular changes in elasticity have been found, to more easily identify tumor tissue.
  • the instrument is an endoscopic or laparoscopic instrument.
  • endoscopes and laparoscopes are considered in the present disclosure as hand-held diagnostic or surgical instruments and represent particularly advantageous applications for the device according to the invention for measuring elasticity.
  • the device for measuring elasticity is preferably formed by an adjustable, in particular rotatable measuring head of the endoscopic or laparoscopic instrument , In this way, the proven minimally invasive diagnosis, biopsy and ablation of tumor tissue by means of an endoscope or laparoscope can be extended by the functionality of the elasticity measurement. which effectively supports the safe identification of tumor tissue.
  • Fig. La shows a schematic sectional view of a device for measuring elasticity according to an embodiment of the invention.
  • Fig. Lb shows a bottom view of the device of Fig. La.
  • Fig. 2 is a schematic diagram illustrating the deformation of tissue by a fluid jet.
  • Fig. 3 is a schematic sectional view of another device for
  • Fig. 4 is a schematic sectional view of a device for measuring elasticity with an annular spacer.
  • Fig. 5 is a schematic sectional view of a device for measuring elasticity with a spacer, which is formed by a flexible rubber lip.
  • Fig. 6a is a schematic sectional view of another device for
  • Fig. 6b is a bottom view of the device of Fig. 6a.
  • Fig. 6c shows a schematic sectional view of another device for
  • Fig. 6d shows a schematic sectional view of another device for
  • FIG. 6e shows a section of a further device for measuring elasticity according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 7 is a schematic sectional view of another device for
  • Fig. 8 shows a similar device as Fig. 7 in the elasticity measurement of tissue with laterally variable elasticity.
  • 9 shows a further embodiment of a device for measuring elasticity via a repulsive force.
  • Fig. 10 shows a time-dependent pressure profile for generating a corresponding fluid jet.
  • Fig. 11 is a schematic view of a hand-held surgical or diagnostic device using a device according to a further embodiment of the invention.
  • Figures 12 and 13 are schematic sectional views of measuring heads of surgical or diagnostic instruments in which the device for measuring elasticity is combined with imaging optics.
  • Fig. 14 is a schematic sectional view of an endoscope, which is a
  • Fig. 15 is a schematic representation of a distal end of an endoscope having a rotatable probe tip incorporating a device for measuring elasticity. DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
  • Fig. 1a shows a schematic sectional view of a device 10 for measuring the elasticity of tissue of a living human or animal, d. H. for in vivo elasticity measurement.
  • Fig. 1b shows a bottom view of the device 10.
  • the device 10 shown and the variants thereof described below may be combined with or formed as part of a diagnostic or surgical instrument to be guided by hand or a surgical robot be.
  • the device has a body 12, which is also referred to as a measuring head, on whose in the illustration of Fig. La lower end an end face 14 is formed.
  • the end face 14 faces a portion of the fabric 16 whose elasticity is to be measured.
  • spacers 18 are provided, which, as can be seen in particular in Fig. Lb, are arranged annularly and together define a support surface for the device, with which it can be placed on the fabric 16.
  • the imaginary ring along which the spacers 18 are disposed has a diameter d of 1 cm, so that the bearing surface occupies an area of approximately 0.8 cm 2 .
  • the device 10 is placed on the fabric 16 so that all spacers 18 are in contact with the fabric.
  • the spacers 18 therefore constitute an embodiment of the means initially mentioned for positioning the device 10 with respect to the macroscopic sample, ie the tissue 16.
  • a channel 20 is formed which terminates in the end face 14 in an outlet 22.
  • the outlet 22 is not specified in more detail in the schematic representation of FIG. 1a, in concrete embodiments this may be a suitably designed nozzle or the like.
  • a fluid in the illustrated embodiment, a physiological saline solution 24, is pressed at a predetermined pressure, so that a fluid jet 26 emerges from the outlet 22.
  • this fluid jet 26 is directed towards the fabric 16 and results in elastic deformation thereof, the deformed region being designated by the reference numeral 28.
  • a first electrode 30 is arranged in the channel 20 .
  • a second electrode 32 is arranged in a radially outer region of the device 10.
  • the device includes a voltage source 34 that applies a voltage between the first and second electrodes 30, 32.
  • a current measuring device 36 is provided with which the magnitude of a current flowing between the first and second electrodes 30, 32 can be measured.
  • an ion current flows through the saline solution 24 between these electrodes 30, 32.
  • the current magnitude depends on the size of the gap between the face 14 of the device 10 and the surface of the tissue 16. This can be understood as follows. If the device 10 is located at a great distance from the tissue 16, then the current intensity is limited only by the intrinsic resistance of the electrolyte, ie the saline solution 24. However, as the device 10 approaches more and more tissue 16, the ionic current is increasingly pinched off by narrowing the gap between the face 14 and the surface of the tissue 16, resulting in a decrease in the current measured by the current device 36.
  • SICM Scanning Ion Conductance Microscopy
  • fine pipettes are typically passed over microscopic samples.
  • the pipette With the aid of a control loop, the pipette can be adjusted in the vertical direction in such a way that a constant current flows, which already represents a certain degree of pinch-off.
  • the vertical movement of the pipette is recorded and represents the height profile of the sample. In this way surface reliefs can be detected without contact.
  • the SICM technology is for example in Hansma, PK; Brake, B; Marti, O; Gould, SA; Prater, CB The scanning ion conductance microscope. Science 1989, 243 (4891), 641-643 and Korchev, YE, CL Bashford, M.
  • the spacers 18 are chosen so that the gap between the end face 14 and the surface of the fabric 16 is already so small that there is a noticeable constriction of the ion current.
  • a pressure is applied in the channel 20 and a fluid jet 26 is generated, the surface of the tissue 16 is locally deformed, as indicated by the reference numeral 28, so that the gap between the end face and the surface of the tissue 16 is increased.
  • the ion current is a size that is indicative of the extent of Deformation 28 of the fabric 16 is.
  • the extent of the deformation 28 is again a measure of the elasticity of the fabric 16, in particular its modulus of elasticity.
  • the current intensity measured by the current measuring device 36 can be used to deduce very accurately the elasticity of the tissue 16 at the location examined.
  • the exact relationship between the measured current and the elasticity can be determined by comparison or calibration measurements. Experiments by the inventors have shown that the ion current measurement is a very sensitive measure of the elasticity, which in particular has the potential to differentiate between healthy tissue and tumor tissue.
  • the distance between the end face 14 and the tissue 16, or between the outlet 22 and the tissue 16 is sufficiently precisely predetermined by the spacers 18, without the handling of the device 10 , which is typically hand-guided (later), more difficult.
  • the device 10 simply needs to be placed on the fabric 16 with the spacers 18, resulting in the predetermined distance between the outlet 22 and the face 14 on the one hand and the fabric 16 on the other hand all by itself.
  • FIGS. 1a and 1b The construction shown only schematically in FIGS. 1a and 1b is only to be understood as an example and is in no way restrictive. Below, also only schematically, further preferred variants are described.
  • FIG. 2 schematically shows how the amount of deformation 28 changes depending on the pressure within the fluid channel 12.
  • the case is shown in which no artificial pressure is generated in the channel 20, and the tissue is accordingly not artificially deformed.
  • the middle figure shows a situation with a moderate pressure artificial pressure resulting in a comparatively small EP2014 / 067000
  • the pressure in the channel 20 can be arbitrarily controlled to produce suitable fluid jets. For example, for comparatively stiff samples, i. for samples with a comparatively large modulus of elasticity to work at a higher pressure than for softer samples to determine the specific elasticity value with good accuracy. Further, it is advantageous if a device for controlling the pressure is provided, with which a time-dependent pressure profile can be specified, and the ion current is also measured time-resolved. In this way viscoelastic properties can also be studied.
  • FIG. 3 shows an embodiment similar to that of FIG. 1a, but in which the second electrode 32 is disposed within a depression or channel 38 which terminates in the face 14.
  • This recess or channel 38 can also be referred to as a "passive opening" because no artificial pressure or negative pressure is generated in it
  • the arrangement of the second electrode 32 in the passive opening 28 in the end face 14 is of particular advantage in that second electrode 32 itself does not protrude into the beam, but can be arranged in an optimal spatial position with respect to the first electrode 30 in order to give a good measuring sensitivity It is shown that with the arrangement shown in FIG Deformations 38 can be detected in the tissue, which would be more difficult to detect with a second electrode 30, which would be arranged as shown in Fig. La outside of the device 10.
  • FIG. 4 alternative embodiments for spacers 18 are shown.
  • the spacer is formed by a wire ring 40, which is spaced from the end face 14 of the device 10 by holding elements 42.
  • the function of the wire ring 40 is similar to that of the spacers 18 shown in Fig. La and lb, which are arranged in an annular pattern.
  • the embodiment of Fig. 4 next to a fluid channel 20, in which a positive Pressure prevails, a channel 44, which has an inlet 46 in the end face 14 and in which there is a negative pressure.
  • the electrodes (not shown in FIG. 4) may then be disposed in the channels 20, 44. Again, the strength of the ionic current is indicative of the deformation of the tissue (not shown in FIG. 4) by the fluid jet exiting the outlet 22 of the channel 20.
  • Fig. 5 shows a similar embodiment in which, however, instead of the wire ring, a flexible rubber lip 47 is provided.
  • the rubber lip 4 is particularly flexible at its radially outer portions and conforms to the fabric 16, while stiffer radially inner portions ensure that the apparatus 10 as a whole is nevertheless held at a predetermined distance from the fabric 16.
  • the fluid e.g. a physiological saline solution
  • the fluid injected through a channel 20 and an outlet or a nozzle 22 on the tissue 16 and sucked through a vacuum channel 44.
  • the rubber lip 47 prevents significant quantities of the fluid from escaping into the environment.
  • the rubber lip 47 rests so close to the sample 16 that no fluid between the rubber lip 47 and the sample 16 can escape.
  • the fluid jet is dammed up and the fluid flow stops completely.
  • a fluid bubble enclosed by the sample forms, the size of which depends on the elasticity properties of the sample.
  • the case of a dammed-up fluid can also occur simply because the end face rests against the outlet in an annular area around the outlet, thereby trapping the fluid.
  • the extent of the deformation can also be determined here by means of an ion current measurement.
  • fluid bubble enclosed by the sample is not meant to suggest that the fluid is trapped by the sample alone; instead, the "fluid bubble” is typically on one side of a portion of the device. tion 10 and limited on the other side of the deformed sample 16.
  • Such a fluid bladder resembles the deforming region 28 of FIG. 1a, except that the end surface 14 would rest directly on the fabric 16, for example in an annular region around the outlet 22, so that the fluid would be trapped in the deformation region.
  • FIGS. 6a and 6b show a further embodiment in cross section and in a bottom view, in which a central channel 20 is provided with positive pressure and a radially outer annular channel 44 with negative pressure.
  • This construction results in a radially outward fluid flow 26 from the central channel 20 through the gap between the end face 14 of the device 10 and the tissue (not shown in Figs. 6a, 6b) into the annular channel 44.
  • the first and second electrodes 30, 32 are shown only schematically in order to explain the principle of the function.
  • the first electrode 30 may be formed, for example, by a conductive lining of the fluid channel 20.
  • the second electrode 32 may be formed by a conductive coating, a portion of the device 10 in the illustrated embodiment, a coating of the outer peripheral surface.
  • an insulator 31 is arranged between the first and second electrodes 30, 32.
  • the device comprises a plurality of outlets 22, which are arranged side by side, as shown in Fig. 6d.
  • the device 10 has an insulating housing 33, on the underside of which an end face 14 is formed. In the end face 14, a plurality of outlets 22 are arranged.
  • outlets 22 are connected via channels 20 to a cavity 33 a within the housing, which is pressurized in operation of the device 10 to produce fluid flows 26, which emerge from the outlets 22.
  • a first electrode 30 is arranged in the area of each channel 20 in the area of each channel 20.
  • a second electrode 32 is provided in the end face 14 for each outlet 22, which surrounds the associated outlet 22 in an annular manner.
  • a current measuring device is provided which can determine the current flow through each one of the second electrodes 32, so that an associated ion current measurement can be made for each outlet 22.
  • the device 10 of FIG. 6d can be easily and inexpensively manufactured by established mileage fabrication processes, that is, using processing steps such as etching, deposition of metal layers, polishing, and the like.
  • the portion of the housing 33, which forms the end face 14 with the outlets 22, consist of silicon, for which there are extremely well-established processing options.
  • the end face 14 is placed directly on the fabric (not shown).
  • the second electrode 32 is covered by the tissue (not shown)
  • no appreciable ion current can flow between the first and second electrodes 30, 32.
  • an overpressure is formed in the hollow space 33a
  • fluid streams 26 emerge from the outlets 22, which locally deform the tissue (not shown in FIG. 6d).
  • the tissue can be lifted off the end face 14 and the second electrode 32 can be partially exposed so that an ion current can flow between the first and the second electrodes 30, 32.
  • the larger the amount of deformation the larger the portion exposed from the respective second electrode 32, and the larger the measured ion current.
  • FIG. 6e shows a somewhat enlarged view of a channel 20 with an associated outlet 22 and associated first and second electrodes 30,32.
  • the first electrode extends along the complete length of the respective channel 20. It is important for the spatially resolved measurement that in fact for each outlet 22, but at least for the majority of the outlets 22, an associated second electrode 32 is provided so that the deformation of the tissue in the region of this outlet 22 can be measured. However, it is not necessary that each outlet 22 is assigned its own first electrode.
  • FIG. 7 shows a schematic sectional view of another embodiment of the device 10.
  • the embodiment of Fig. 7 in turn has a central channel 20 in which the first electrode 30 is arranged and in which a positive pressure is generated.
  • this embodiment comprises two second electrodes 32, which are arranged in different, radially outer portions of the end face 14, more precisely in corresponding recesses 38 in the end face 14, which are located in a radially outer portion of the device 10. The currents Ii and I 2 through each of the two second electrodes 32 are measured separately.
  • the current Ii and the current I 2 are a measure of the amount of deformation 28 at a given distance between the end face 14 and the tissue 16.
  • the current values Ii and I 2 can additionally be used in the positioning of the device 10 with respect to the tissue 16.
  • Fig. 7 shows a case where the end surface 14 is tilted with respect to the surface of the fabric 16 so that the gap therebetween has an inhomogeneous width. This could be detected in the situation of FIG. 7 in that the current I 2 is greater than the current Ii.
  • This measurement could also be performed before an overpressure is generated in the central channel 20 with corresponding deformation at all, so that the currents Ij and I 2 are to be attributed to the positioning (and not to the deformation).
  • the at least one first electrode 30 and the at least one second electrode 32 may serve not only to measure the amount of deformation 28, but also to position the device 10 with respect to the tissue 16.
  • the currents Ij and I 2 can also be used without formation of the tissue 16, the distance of the device 10 to the tissue 16 can be determined because, as the device 10 approaches the tissue 16, a choking effect of the ionic current that can be detected occurs.
  • the same electrodes used to measure the deformation of the sample can also be used to position the device 10 with respect to the tissue 16 by adjusting the distance of the face 14 from the tissue 16, and thus the distance of the outlet 22 of the central channel 20 is measured by the tissue 16.
  • the radially outer recesses 38 in FIG. 7 are separate recesses, not part of an annular recess.
  • Fig. 8 the same structure as shown in Fig. 7, but in another application.
  • the device 10 is arranged correctly with respect to the tissue 16, ie, such that the end face 14 of the device 10 is parallel to the surface of the tissue 16. This can be verified, for example, by virtue of the fact that the currents Ii and I 2 are equal without overpressure in the central channel 20.
  • the use of at least two second electrodes associated with the same outlet 22 increases the functionality of the device 10 in several respects, and more particularly not only the measurement of local elasticity. but also allows a lateral variation of the elasticity.
  • Particularly preferred are currently embodiments with two to six, more preferably those with three to five second electrodes per outlet 22. Regardless, as above with reference 0
  • FIG. 27 is shown in FIG. 6, by a plurality of outlets, moreover, achieve a spatially resolved measurement.
  • ion current measurement is the presently preferred approach to measuring the amount of deformation 28, the invention is not so limited.
  • the pressure can also be measured at a given flow rate or volume flow, or pairs of pressure volume flow values can be determined. In all these cases, the relationship between pressure and flow is characteristic of the elasticity of the tissue.
  • the channel 20 is located with the fluid under pressure in a spring-loaded lever 50 which is pivotally mounted about an axis 52 and against a restoring force of a torsion spring 54 strigobar.
  • the recoil force of the fluid jet 26 results in a torque on the lever 50 and a corresponding Verschwenlcung by an angle a, at which the restoring force of the torsion spring 54 and compensate for the torque due to remind committeelcraft.
  • the angle ⁇ is a measure of the extent of the deformation 28 of the fabric 16.
  • the pressure of the fluid can be freely predetermined or controlled.
  • a freely definable temporal pressure profile more complex parameters of the tissue properties can be determined, with suitable models of continuum mechanics for Application can come.
  • a comparatively simple pressure profile is shown in Fig. 10, according to which the pressure is pulsed in a rectangular manner and ramped up. This initial pressure makes it possible to respond sulcrosively to the deeper regions of the tissue, thereby obtaining three-dimensional information regarding tissue stiffness.
  • a hand-held instrument 56 which includes a device 10 according to one of the embodiments described above, of which only the end face 14 and the spacers 18 can be seen in FIG. 11.
  • This instrument 56 may be manually guided by the physician (reference numeral 58) over the tissue 16 to measure location-resolved elasticity properties.
  • a particular advantage of the device 10 of the invention is that the construction is extremely simple, i. that the expenditure on equipment is essentially limited to channels, means for generating pressure, electrodes, a voltage source and an ammeter. These components are not only simple and inexpensive to produce, but due to their small footprint also allow easy integration into hand-held devices with other diagnostic or surgical modalities.
  • FIG. 12 shows the measuring head of a device similar to the device 56 of FIG. 11, in which the channel 20 is formed by a fluid-filled tube 57.
  • This tube makes it possible, for example, to guide the fluid around imaging optics, for example a lens 58, so that the device 10 can be combined comparatively easily with imaging optics.
  • imaging optics for example a lens 58
  • the optical images and the elasticity values can be correspondingly registered or superimposed thereon. For example, an optical image in which areas with specific elasticity values, elasticity fluctuations etc. are highlighted in order to facilitate the diagnosis of tumors.
  • FIG. 13 A further embodiment in which the device 10 is combined with an imaging optics is shown in FIG. 13, in which a lens 58, a window 60 and an optical sensor 62 are likewise provided in the device 56.
  • a portion of the light path is through the fluid 24 used to artificially deform the tissue 16.
  • FIGS. 14 and 15 schematically show exemplary embodiments. 14 shows an endoscope 64 with a channel 20, from the outlet 22 of which a fluid jet 26 is emitted in order to locally deform the tissue 16.
  • the positive pressure required for this purpose can be generated outside of the endoscope 64 and supplied via a hose 65.
  • the endoscope further has, in addition to a camera, other functionalities, such as reselling or ablation of tissue by a probe, tweezers, a cutting blade, forceps, or the like. These tools can also be supplied with an RF electrical signal via an RF connector to provide additional electrical surgical functionality.
  • Particularly preferred in this case are those endoscopic or laparoscopic devices which are set up for water jet surgery, i. are able to cut tissue with a fine jet of water.
  • the components for pressure generation, fluid supply etc., which are present anyway for the waterjet surgery, can be shared for the device 10 for measurement of elasticity.
  • FIG. 14 shows a channel 44 with a negative pressure, with which ablated tissue can be sucked off and supplied to an analyzer 66.
  • This channel 44 can thus be used not only for the measurement of elasticity, but also for the recovery of tissue samples.
  • FIG. 15 shows a schematic view of a distal end of an endoscope 64, in which the device 10 is designed in the form of a rotatable stylus tip 68. In Fig. 15, only the channels 20 and the associated fluid jets 26 are shown schematically.
  • the described device not only allows to measure modulus of elasticity or viscosity but can also be used to detect complex mechanical behavior patterns. Examples include the time course or frequency dependency of the tissue response to a mechanical stimulation, or the occurrence of specific patterns in this time or frequency response. These behaviors are, in a sense, a "mechanical fingerprint" of the tissue, and such a pattern of behavior can be used to detect or differentiate particular types of tissue. As mentioned, the described device allows the surgical or diagnostic element to be used to differentiate tissue. in particular to detect tumors, nerves, blood vessels, etc. intraoperatively.

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Abstract

Gezeigt wird eine Vorrichtung zur Messung der Elastizität einer makroskopischen Probe, insbesondere zur Messung der Elastizität von Gewebe eines lebenden Menschen oder Tieres, die folgendes umfasst: mindestens einen Auslass für einen Fluidstrahl und/oder einen Einlass zum Ansaugen eines Fluidstromes, Mittel zum Positionieren der Vorrichtung derart in Bezug auf die makroskopische Probe, dass sich der Auslass und/oder der Einlass und/oder eine Stirnfläche der Vorrichtung in einem vorbestimmten oder durch die genannten Mittel bestimmbaren Abstand von der makroskopischen Probe befindet, und eine Einrichtung zum Messen einer Größe, die kennzeichnend für das Ausmaß einer Verformung der Probe aufgrund einer Wechselwirkung der Probe mit dem Fluidstrahl und/oder dem angesaugten Fluidstrom ist, wobei diese Größe durch einen Ionenstrom im Verformungsbereich der Probe, oder den Volumenstrom des Fluides selbst beziehungsweise - für den Fall, dass das Fluid durch die elastische Probe eingeschlossen ist - durch eine Volumenänderung und zugehörige Druckänderung im eingeschlossenen Fluid, bestimmt wird.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Elastizität einer makroskopischen
Probe
GEBIET DER ERFINDUNG Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Elastizität einer makroskopischen Probe, bei der es sich insbesondere um das Gewebe eines lebenden Menschen oder Tieres handeln kann. Insbesondere betrifft sie ein chirurgisches oder diagnostisches Instrument, welches sich einer derartigen Vomchtung bedient.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei chirurgischen Eingriffen obliegt es oft der Entscheidung des behandelnden Chirurgen, zwischen gutartigem und bösartig entartetem Gewebe zu unterscheiden. Zur Unter- Stützung des Chirurgen in der Entscheidung wird gegenwärtig oftmals die sogenannte Schnellschnittuntersuchung ausgeführt, bei der es sich um eine pathologische Untersuchung von Gewebeproben während einer noch laufenden Operation handelt. Von der entnommenen Gewebeprobe werden Gefrierschnitte angefertigt, die umgehend gefärbt und von einem Pathologen begutachtet werden. Die Sclmellschnittuntersuchung gilt gegenwärtig als Goldstandard für die intraoperative Bewertung von entnommenem Gewebe. Hauptnachteil der Sclmellschnittuntersuchung ist jedoch, dass sich die Operation selbst bei optimalen Arbeitsaufläufen wesentlich verzögert. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die morphologische Qualität von Gefrierschnitten schlechter ist, als diejenige von üblichen histologischen Schnitten, bei denen das Gewebe in Paraffin oder einem anderen Kunststoff fixiert ist.
Um die Notwendigkeit der Sclmellschnittuntersuchung zu umgehen, besteht ein großes Interesse an der Entwicklung von Anfärbe-freien Analysetechniken, die direkt im Operationssaal angewandt werden können. In jüngerer Zeit finden insbesondere Verfahren zur Messung von elastischen Gewebeeigenschaften zunehmend Anwendung in der Gewebedifferenzierung. Mit Ultraschall-Elastographie (Sarvazyan A, G.D., Maevsky E, Oran- skaja G, Elasticity imaging as a new modality of medical imaging for cancer detection: Prodeedings of International Workshop on Interaction of Ultrasound with Biological Meda, 1994; p, 3) und (Venkatesh, S.K. M. Jin, J.F. Glockner, N. Takahashi, P.A. Araoz, J.A. Talwalkar, et al, mit Magnetresonanz-Elastographie MR elastography of liver tumors: preliminary results. American journal of roentgenology, 2008. 190(6): p. 1534- 40) wurde bereits demonstriert, dass die Steifigkeit des Gewebes, d.h. dessen E-Modul, zur Identifikation von Tumoren dienen kann. In der Folge wurde eine Vielzahl von Vorrichtungen und Verfahren vorgeschlagen, mit denen die Elastizität von menschlichem Gewebe in vivo gemessen werden kann, beispielsweise mit einer Torsions- Resonator- Vorrichtung (Valtorta D, E. Mazza, 2006, Measurement of Rheological Pro- perties of Soft Biological Tissue with a Novel Torsional Resonator Device, Rheological Acta, 45(5), 677-692) oder durch Aspiration mittels Unterdruck {Grau P., 2007, Aspiration Experiment: Analysis of in Vivo Measurements on Human Liver and Comparison with the Indentation Experiment. Report Number ETH/ZfM-2008/03, February 2008, ETH Z rich). Neben derartigen mechanischen Ansätzen wurden auch optische Vorrich- tungen und Verfahren vorgeschlagen, beispielsweise unter Verwendung von konfokaler Mikroskopie (Snedeker JG, Ben-Arav A, Zilberman Y, Pelled G, Gazit D (2009) Functi- onal Fibered Confocal Microscopy: a Promising Tool for Assessing Tendon Regeneration. Tissue Eng Part C15(3):485:491) oder unter Verwendung von optischer Kohe- renztomographie. Eine Übersicht über verschiedene Techniken ist in Li, Y, Snedeker, J G., Elastography: modality-specific approaches, clinical applications, and research horizons. Skeletal Radiol (2011) 40:389-397 angegeben.
Gegenwärtig haben vor allem ultraschallbasierte Elastizitätsmessvorrichtungen bzw. „Elastographie"- Vorrichtungen Marktreife erreicht.
Alle bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur in-vivo Elastizitätsmessung von menschlichem oder tierischem Gewebe haben jedoch den Nachteil, dass sie mit einem vergleichsweise hohen apparativen Aufwand verbunden sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Elastizität einer makroskopischen Probe, insbesondere zur Messung der Elastizität vom Gewebe eines lebenden Menschen oder Tieres anzugeben, die eine präzise Elastizitätsmessung mit vergleichsweise geringem apparativen Aufwand ermöglicht.
Der Begriff„Elastizität" ist in der vorliegenden Offenbarung weit zu verstehen und soll sämtliche Aspekte der Art umfassen, wie die Probe auf Druck, Scherkräfte und dergleichen reagiert. Insbesondere, aber ohne Beschränlcung, kann die Messung der Elastizität die zumindest näherungsweise Ermittlung eines oder mehrerer charakteristischer Para- meter, wie beispielsweise den Elastizitätsmodul (E-Modul) oder den Schermodul oder mit diesen zusammenhängender Größen beinhalten. Die Elastizitätsmessung kann jedoch auch die zumindest näherungsweise Ermittlung einiger oder sämtlicher Komponenten des Elastizitätstensors der Probe umfassen. Die Elastizitätsmessung kann aber auch die Bestimmung eines oder mehrerer Parameter umfassen, die einem Modell der Gewe- beeigenschaften zu Grunde liegen, inklusive der viskoelastischen Eigenschaften des Gewebes. Der Einfachheit halber werden alle diese Aspekte der mechanischen Eigenschaften des Gewebes im Folgenden als„Elastizität" bezeichnet, und in dieser Allgemeinheit soll dieser Begriff in der vorliegenden Offenbarung auch verstanden werden. Mit dem Begriff„makroskopische Probe" soll hierbei zum Ausdruck gebracht werden, dass es sich bei der Probe nicht um einzelne Zellen oder kleine Zellhaufen handeln soll, die lediglich isoliert in einem Labor untersucht werden können. Vielmehr kann es sich bei der makroskopischen Probe typischerweise um einen Abschnitt von menschlichem Gewebe eines lebenden Patienten handeln, der einige cm2, möglicherweise sogar mehr als 100cm2 groß ist. Diese Aufgabe wird durch ein diagnostisches oder chirurgisches Instrument nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 29 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Das diagnostische oder chirurgische Instrument umfasst eine Vorrichtung zur Messung der Elastizität einer makroskopischen Probe, insbesondere zur Messung der Elastizität von Gewebe eines lebenden Menschen oder Tieres. Dabei umfasst die Vorrichtung mindestens einen Auslass für einen Fluidstrahl und/oder einen Einlass zum Ansaugen eines Fluidstromes. Ferner umfasst sie Mittel zum Positionieren der Vorrichtung derart in Bezug auf die makroskopische Probe, dass sich der Auslass und/oder der Einlass oder eine Stirnfläche der Vorrichtung in einem vorbestimmten oder durch die genannten Mittel bestimmbaren Abstand von der malcroskopischen Probe befindet. Schließlich umfasst sie eine Einrichtung zum Messen einer Größe, die kennzeichnend für eine Verformung der Probe aufgrund einer Wechselwirkung der Probe mit dem Fluidstrahl und/oder dem angesaugten Fluidstrom ist. Hierbei wird diese Größe entweder durch einen Ionenstrom im Verformungsbereich der Probe oder den Volumenstrom des Fluid selbst bestimmt. Falls das Fluid durch die elastische Probe eingeschlossen ist, der Fluidstrahl demnach vollständig aufgestaut wird, kann die für die Verformung kennzeichnende Größe aus einer Volumenänderung und einer zugehörigen Druckänderung im einge- schlossenen Fluid bestimmt werden.
Erfindungsgemäß wird demnach die Probe aufgrund einer Wechselwirkung mit dem Fluidstrahl und/oder mit dem angesaugten Fluidstrom künstlich verformt. Der Begriff der„Wechselwirkung" der Probe mit dem Fluidstrahl/Fluidstrom weist darauf hin, dass sich nicht nur die Probe verformt, sondern auch der Fluidstrahl durch die Wechselwirkung beeinflusst werden kann, insbesondere abgebremst oder auch vollständig aufgestaut werden kann, beispielsweise wenn die Probe in einem ringförmigen Bereich um den Auslass herum so dicht an der Vorrichtung anliegt, dass kein oder nur unwesentliche Mengen des Fluides dazwischen entweichen können.
Die Verformung kann auf unterschiedliche Weisen entstehen, zum Beispiel durch Im- pulsübertragung eines auftreffenden harten Fluidstrahls, durch Verformung in Folge eines dynamischen Drucks einer Strömung im verformten Bereich oder durch einen hydrostatischen Druck, der entsteht, wenn das Fluid durch die elastische Probe blasenartig eingeschlossen wird, der Fluidstrahl also aufgestaut wird und der Fluss zum Erliegen kommt. Das Ausmaß der Verformung ist hierbei ein Maß für die Elastizität der Probe. Erfindungsgemäß wird das Ausmaß der Verformung der Probe über eine für die Verformung kennzeichnende Größe nach einer von zwei möglichen Arten gemessen.
Nach der einen Art wird diese Größe durch einen Ionenstrom im Verformungsbereich der Probe bestimmt. Dabei weist der Begriff„bestimmt wird" darauf hin, dass es sich bei der genannten Größe um den Ionenstrom selbst handeln kann, aber auch um eine andere Größe, sofern diese auf eindeutige Weise mit dem Ionenstrom zusammenhängt und somit durch diesen„bestimmt wird". Wie anhand der unten beschriebenen Ausführungsbeispiele deutlicher wird, lässt sich eine derartige direkte oder indirekte Ionen- Strommessung einfach und mit geringem apparativem Aufwand mit der künstlichen Verformung durch einen Fluidstrahl oder einen Fluidstrom kombinieren. Tatsächlich wird der Ionenstrom in vielen Fällen durch das Fluid selbst fließen. Insofern bedienen sich sowohl die mechanische Verformung als auch die Messung der Verformung desselben Mediums, was die Einfachheit des Aufbaus weiter begünstigt.
In einer zweiten Ausführungsform wird die für die Verformung der Probe kennzeichnende Größe durch den Volumenstrom des Fluids selbst bestimmt, was wiederum einen äußerst einfachen apparativen Aufbau ermöglicht. Dahinter steht die Erkenntnis, dass der Volumenstrom ebenfalls von der Verformung der Probe abhängen wird, weil der hydrodynamische Widerstand des Fluids im verformten Bereich von dem Ausmaß der
Verformung abhängt. Neben der Elastizität der Probe hängt der Volumenstrom selbstverständlich auch von dem Druck des Fluides ab, ebenso wie der Ionenstrom auch von der anliegenden Spannung abhängen wird. Daher wird man in praktischen Anwendungen den Volumenstrom bei vorgegebenem Druck des Fluides oder allgemeiner in Ab- hängigkeit vom Fluiddruck ermitteln. Es ist auch möglich, den Fluidstrom konstant zu halten und den entsprechenden Fluiddruck zu ermitteln. In allen diesen Fällen ist aber der Volumenstrom eine für die Verformung kennzeichnende Größe, und alle diese Varianten sollten durch das Merkmal umfasst sein.
Für den Fall, dass das Fluid durch die elastische Probe vollständig oder nahezu vollstän- dig eingeschlossen wird, der Volumenstrom also zum Erliegen kommt, eignet sich der Volumenstrom selbstverständlich nicht mehr für die Messung des Ausmaßes der Verformung. In diesem Fall kann aber beispielsweise ein Volumenänderung und eine zugehörige Druckänderung im eingeschlossenen Fluid gemessen werden. Beispielsweise kann eine zusätzliche Menge Fluid in die von der Probe eingeschlossene Blase„ge- pumpt" werden, und die damit einhergehende Druckerhöhung gemessen werden. Bei einer gegebenen zusätzlichen Volumenmenge wird der Druck umso stärker ansteigen, je steifer die Probe ist. Alternativ kann selbstverständlich auch der angelegte Druck erhöht und gemessen werden, wie viel weiteres Fluid in die Blase fließt. Man beachte jedoch, dass die Messung der Verformung mit Hilfe der lonenstrommessung sowohl in Fällen, in denen ein kontinuierlicher Fluid-Strom im Verformungsbereich der Probe erzeugt wird, als auch in Fällen, in denen das Fluid aufgestaut und der Fluidstrahl zum Stillstand kommt, Anwendung finden kann.
Sowohl das Ausmaß der Verformung, als auch der Ionenstrom oder der Volumenstrom des Fluids werden jedoch in der Praxis von dem Abstand der Vorrichtung zur makroskopischen Probe abhängen. Um quantitative Messungen zu gestatten, sind daher Mittel zum Positionieren der Vorrichtung derart in Bezug auf die makroskopische Probe vorgesehen, dass sich der Auslass und/oder der Einlass und/oder eine Stirnfläche der Vorrichtung in einem vorbestimmten Abstand von der makroskopischen Probe befindet bzw. befinden. Alternativ kann es auch ausreichen, wenn sich der Abstand durch die genannten Mittel zur Positionierung bestimmen lässt, wodurch dann die Messergebnisse dem alctuellen Abstand entsprechend kalibriert werden können. Ein Spezialfall hiervon ist eine Vorrichtung, die zumindest abschnittsweise in Bezug auf die Probe vibriert bzw. hin- und her bewegt wird, so dass der Abstand zwischen dem Auslass und/oder dem Einlass und der Probe fluktuiert, in Kombination mit einer lonenstrommessung. Mit der lonenstrommessung kann ein charakteristischer Abstand oder Abstandsbereich erfasst werden, in dem der Ionenstrom„abgeschnürt" wird, wenn die Vorrichtung bzw. der entsprechende Abschnitt, beispielsweise eine Düse, ausreichend nahe an die Probe heranbewegt wird. Je steifer die Probe ist, desto abrupter tritt dieser Abschnüreffekt auf. In einer solchen Ausführungsform kann demnach der Abstand (über das Auftreten des Abschnüreffektes) und die Elastizität (beispielsweise über den Differenzenqotienten aus Wegstrecke und Ionenstromänderung) gemessen werden.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine Stirnfläche auf, die parallel oder annähernd parallel zu der Oberfläche der makroskopischen Probe angeordnet werden kann, um mit der Oberfläche der makroskopischen Probe einen Spalt zu bilden. Die Größe dieses Spaltes kann dann durch den Fluidstrahl oder den Fluidstrom in Abhängigkeit von der Elastizität der Probe variiert werden, was wiederum durch eine Variation in dem Ionenstrom oder in dem Volumenstrom des Fluids detektiert werden kann. Die Stirnfläche kann auch dazu bestimmt sein, im Betrieb der Vorrichtung an der Oberfläche der makro- skopischen Probe anzuliegen, in diesem Fall ist der obengenannte„vorbestimmte Abstand" zwischen der Stirnfläche und der Probe null. Auch hier kann durch den Fluidstrahl ein offener Spalt zwischen der Probe und der Stirnfläche gebildet werden, durch den das Fluid entweicht, oder ein„geschlossener Spalt", nämlich eine geschlossene Fluidblase gebildet werden, so dass der Fluidstrahl aufgestaut wird. In beiden Fällen ergibt sich jedoch wiederum eine Verformung der Probe, die für dessen Elastizität charakteristisch ist.
Vorzugsweise hat die Vorrichtung eine zusammenhängende oder unterbrochene Auflagefläche, mit der die Vorrichtung bei der Messung der Elastizität auf die Probe aufge- setzt werden kann, wobei die Auflagefläche eine Fläche von mindestens 10 mm , vor- zugweise mindestens 30 mm und besonders vorzugsweise mindestens 1 cm einnimmt. Ein Beispiel für eine„unterbrochene" Auflagefläche wäre beispielsweise eine Auflagefläche, die von einer Mehrzahl von einzelnen Auflageelementen oder Abstandhaltern gebildet wird. Die von der unterbrochenen Auflagefläche„eingenommene" Fläche be- zeichnet dabei den Flächeninhalt einer zusammenhängenden Fläche, in die die unterbrochene Fläche einbeschrieben werden kann. Wenn die unterbrochene Fläche beispiels- weise durch vier in einem Quadrat angeordnete Auflageelemente gebildet wird, das eine Seitenlänge von 1 cm hat, so betrüge die„eingenommene" Fläche 1 cm . Eine vergleichsweise große Auflagefläche gestattet es, die Vorrichtung tastend über die Probe zu fuhren und insbesondere die Vorrichtung gleitend an der Probe entlangzuführen.
In einer vorteilhaften Ausführangsform ist das Fluid ein Elektrolyt, insbesondere eine Kochsalzlösung. In diesem Fall kann der genannte Ionenstrom direkt durch das Fluid fließen. Vorzugsweise ist der Auslass und/oder der Einlass in der Stirnfläche angeordnet. In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Vorrichtung mindestens eine erste und mindestens eine zweite Elektrode, zwischen denen eine Spannung anlegbar ist, und eine Strornmesseinrichtung, um einen elektrischen Strom zu messen, der zwischen der ersten und der zweiten Elelctrode fließt. Dabei sind die mindestens eine erste Elelctrode und die mindestens eine zweite Elelctrode so angeordnet, dass - bei geeigneter Positionierung der Vorrichtung in Bezug auf die makroskopische Probe - zumindest ein Teil des Stromes durch einen Ionenstrom in einem Elektrolyten in einem Spalt zwischen der Vorrichtung und der makroskopischen Probe gebildet werden kann. Dieser Spalt kann dabei insbesondere ein Spalt sein, der sich erst durch die Verformung der Probe ergibt. Vorzugsweise ist die mindestens eine erste Elelctrode in einem Fluidkanal angeordnet, der mit dem Auslass verbunden ist, und/oder die mindestens eine zweite Elektrode in einem Fluidkanal angeordnet, der mit dem Einlass verbunden ist. Dabei kann mindestens eine erste und/oder mindestens eine zweite Elelctrode durch eine leitende Auskleidung, zumindest eines Teils des jeweiligen Fluidkanals gebildet sein. Diese Ausführungsform hat nicht nur fertigungstechnische Vorteile, sondern vermeidet auch, dass die Elelctrode den hydrostatischen Widerstand im Kanal wesentlich erhöht.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung mindestens zwei zweite Elektroden, besonders vorzugsweise mindestens drei zweite Elektroden und insbesondere mindestens vier zweite Elektroden, wobei zwischen jede der zweiten Elektroden und der mindestens einen ersten Elelctrode eine Spannung anlegbar ist. Durch Vergleich der Ströme durch die jeweiligen zweiten Elelctroden kann zusätzliche Information bezüglich der lateralen Variation der Verformung und/oder bezüglich der Ausrichtung der Vorrichtung in Bezug auf die Probe erhalten werden. Vorzugsweise ist die mindestens eine erste Elektrode und/oder die mindestens eine zweite Elektrode in einer Vertiefung in der Stirnfläche oder in einem Kanal angeordnet, der in die Stirnfläche mündet. Diese Anordnung der Elelctroden gestattet eine präzise Messung, ohne dass die Elektroden die Positionierung der Vorrichtung in Bezug auf die Probe behindern.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die mindestens eine erste Elektrode in einem radial inneren Abschnitt der Stirnfläche angeordnet, und sind die mindestens zwei zweiten Elelctroden in oder in der Nähe von verschiedenen, radial äußeren Abschnitten der Stirnfläche angeordnet. Diese spezielle Anordnung der ersten und der mindestens zwei zweiten Elelctroden eröffnet eine Reihe von Vorteilen sowohl bei der Messung des Ausmaßes der Verformung als auch bei der Positionierung der Vorrichtung in Bezug auf die makroskopische Probe. Beispielsweise können die Mittel zum Positionieren der Vorrichtung in Bezug auf die Probe dazu eingerichtet sein, durch Vergleich der Ströme durch die mindestens zwei zweiten Elektroden eine Verldppung der Stirnfläche in Bezug auf die Oberfläche der makroskopischen Probe zu detelctieren. Dies wird unten anhand eines
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Man beachte, dass in diesem Fall die Ionenstrommessung für die Positionierung der Vorrichtung in Bezug auf die Probe verwendet wird, die Ionenstrommessung also im Rahmen der Erfindung nicht nur zur Messung des Ausmaßes der Verformung herangezogen werden kann.
Sofern die Ionenstrommessung zur Messung des Ausmaßes der Verformung herangezogen wird, sind die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite Elektrode vorzugsweise so in Bezug auf den Auslass und/oder Einlass angeordnet, dass zumindest ein Teil des elektrischen Stromes zwischen der mindestens einen ersten und der mindestens einen zweiten Elektrode durch einen Ionenstrom in dem verformten Bereich der Probe gebildet werden kann. Dabei wird die für die Verformung kennzeichnende Größe durch den Stromfluss zwischen der mindestens einen ersten und der mindestens einen zweiten Elektrode gebildet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfassen die die Mittel zum Positionieren der Vor- richtung in Bezug auf die makroskopische Probe mindestens einen Abstandshalter. Dieser Abstandshalter legt dann automatisch den vorbestimmten Abstand zwischen dem Auslass bzw. Einlass und der Probe fest. Vorzugsweise ist der mindestens eine Abstandshalter ringförmig um den Auslass oder Einlass herum angeordnet. Dabei kann der Abstandshalter beispielsweise selbst die Form eines Rings oder eines durchbrochenen Ringes haben, oder es kann eine Mehrzahl von Abstandshaltern vorgesehen sein, die entlang eines Ringes um den Auslass bzw. Einlass herum angeordnet sind.
Vorzugsweise steht der mindestens eine Abstandshalter über die Stirnfläche vor. Dadurch wird zwischen der Stirnfläche und der Probe auf einfache Weise ein Spalt mit definierter Größe gebildet, wobei die Größe des Spaltes davon abhängt, wie weit die Abstandshalter über die Stirnfläche vorstehen.
In einer alternativen Ausfuhrungsform ist die zweite Elektrode auf der Stirnfläche angeordnet und werden die Mittel zum Positionieren der Vorrichtung in Bezug auf die mak- roskopische Probe durch die Stirnfläche selbst gebildet, die in diesem Fall an die makroskopische Probe anzulegen ist. Wenn die Stirnfläche mit der darauf angeordneten zweiten Elektrode direkt an der Probe anliegt, kann kein oder allenfalls ein geringer Ionenstrom durch die zweite Elektrode fließen. Wenn jedoch ein Fluidstrahl auf die Probe gerichtet wird, hebt sich die Probe durch Verformung von der Stirnfläche und somit von der zweiten Elektrode ab, so dass Teile der zweiten Elektrode freigelegt werden und für einen Ionenstrom erreichbar werden. Insofern ist der Ionenstrom auch in dieser Ausführungsform direkt von dem Ausmaß der Verformung der Probe abhängig und somit geeignet, das Ausmaß der Verformung zu ermitteln. In einer vorteilhaften Weiterbildung hat die Vorrichtung eine Mehrzahl von Auslässen oder Einlassen, die nebeneinander angeordnet sind. Dabei kann die Anzahl von Ausläs- sen oder Einlassen mindestens 4, vorzugsweise mindestens 10, besonders vorzugsweise mindestens 50 und insbesondere mindestens 100 betragen. Dabei sind vorzugsweise zumindest dem überwiegenden Teil der Auslässe beziehungsweise Einlässe zugehörige Elektroden zur Ionenstrommessung zugeordnet. Durch eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Auslässen/Einlässen kann die Probe an einer Vielzahl von Stellen gleichzeitig untersucht werden, so dass selbst bei nicht bewegter Vorrichtung eine ortsaufgelöste Elastizitätsverteilung gemessen werden kann. Dies ist von außerordentlichem praktischem Vorteil für den Nutzer, weil der Nutzer bei vergleichsweise geringer Bewegung der Vorrichtung in Bezug auf die Probe vergleichsweise große Flächen ortsaufgelöst untersuchen kann und insbesondere vergleichsweise sicher sein, dass bestimmt Anomalien in der Elastizität nicht unentdeckt bleiben. Dies ist ein Vorteil gegenüber Vorrichtungen, mit denen die Elastizität nur punktuell gemessen werden kann, weil es dann dem Nutzer überlassen bleibt, die Messpunkte auszuwählen, es also zu einem gewissen Grad der Übersicht und der Intuition des Nutzers überlassen ist, ob wirklich alle relevanten Stellen untersucht wurden. Mit einer Vorrichtung, die ein Array von nebeneinander angeordneten Auslässen/Einlässen hat, kann die Probe hingegen großflächig untersucht werden und vergleichsweise einfach sichergestellt werden, dass sämtliche relevanten Bereiche auch wirklich erfasst wurden. In einer vorteilhaften Weiterbildung wird der Auslass durch eine Düse gebildet, insbesondere durch eine Düse, deren Querschnitt, Form und/oder Austrirtswinlcel verstellbar ist. Derartige Modifikationen der Düse erlauben differenziertere Elastizitätsmessungen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Einrichtung zum Erzeugen eines Druckes in einem Kanal, der mit dem Auslass verbunden ist und/oder eine Einrichtung zum Erzeugen eines Unterdruckes in einem Kanal, der mit dem Einlass verbunden ist. Dabei kann die Einrichtung zum Erzeugen eines Druckes eine externe Druckquelle umfassen, die mit der Vorrichtung durch eine Druckleitung verbunden ist. Dies ist eine unter konstruktiven Gesichtspunkten einfache und vergleichsweise robuste Lösung. In einer alternativen Ausführungsform ist die Druckerzeugungseinrichtung in der Vorrichtung selbst vorgesehen, so dass der Druck in autarker Weise erzeugt werden kann. Besonders geeignet hierfür sind Druckerzeugungseinrichtungen, die einen oder mehrere piezoelektrische Aktoren umfassen, um den Druck zu erzeugen, in ähnlicher Weise wie dies beispielsweise von Tintenstrahldruckern bekannt ist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Druckerzeugungseinrichtung eine auswechselbare Kartusche, die innerhalb der Vorrichtung angeordnet ist und die mit einem unter Druck befindlichen Fluid, insbesondere Gas, gefüllt ist. Die Erzeugung des Druckes mit einer derartigen Kartusche ist konstruktiv ähnlich einfach wie die Variante mit einer externen Druckerzeugungseinrichtung, hat jedoch den Vorteil, dass auch hier eine Drucldeitung wegfallen kann und die Vorrichtung autark und einfacher handhabbar ist. Eine derartige Kartusche kann auch außerhalb der Vorrichtung vorgesehen sein und somit eine externe Druckerzeugungseinrichtung bilden.
Vorzugsweise ist die Einrichtung zum Erzeugen des Druckes geeignet, ein zeitabhängi- ges Druckprofil zu erzeugen und/oder die Einrichtung zum Erzeugen des Unterdruckes geeignet, ein zeitabhängiges Unterdruckprofil zu erzeugen. Ferner ist die Einrichtung zum Messen der für die Verformung der makroskopischen Probe kennzeichnenden Größe geeignet, diese Größe zeitaufgelöst zu messen. Dadurch lassen sich nicht nur stationäre Eigenschaften, wie beispielsweise der Elastizitätsmodul, sondern auch viskoelastische Eigenschaften der Probe bestimmen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Vorrichtung mindestens zwei zweite Elektroden und umfasst die Vorrichtung eine Datenverarbeitungseinrichtung, die geeignet ist, durch Vergleich der Ströme durch die mindestens zwei zweiten Elektroden eine laterale Variation in der Elastizität zu bestimmen. Hierdurch wird zusätzliche Information erhältlich, die über eine punktweise ortsaufgelöste Elastizitätsmessung hinausgeht. Insbesondere ist diese Funktionalität bei der Ermittlung von dem Verlauf der Grenze zwischen Tumor und gesundem Gewebe nützlich. Wenn die Vorrichtung nicht selbst über eine derartige Datenverarbeitungseinrichtung verfügt, kann sie alternativ mit einer Datenverarbeitungseinrichtung verbunden sein. Wie eingangs erwähnt, kann das Ausmaß der Verformung nicht nur durch einen Ionenstrom, sondern auch durch den Volumenstrom des Fluids selbst ermittelt werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird daher die für die Verformung der Probe kennzeichnende Größe durch eine Kombination aus einem Volumenstrom des Fluidstrahls und dem zum Erzeugen des Fluidstrahls aufgewandten Druckes gebildet, was effektiv auf die Messung eines hydrodynamischen Widerstandes oder einer mit diesem zusammenhängenden Größe hinausläuft. Auch dies wird unten anhand eines Ausführungsbeispiels weiter deutlich gemacht. Wie eingangs erwähnt betrifft die Erfindung ein diagnostisches oder chirurgisches Instrument, das von Hand oder einem Chirurgie-Roboter zu führen ist, wobei das Instrument eine Vorrichtung nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen umfasst. Ein derartiges handgeführtes Instrument gestattet es dem Arzt, die Elastizitätsmessungen an genau den Stellen durchzuführen, an denen er Tumorgewebe bzw. eine Grenze zwischen Tumorgewebe und gesundem Gewebe vermutet. Ein derartiges handgeführtes Instrument ist optimal für die Untersuchung makroskopischer Proben geeignet, weil damit gezielt interessierende oder verdächtige Stellen der Probe ortsaufgelöst untersucht werden können. Man beachte in diesem Zusammenhang, dass der Hinweis auf makroskopische Proben nicht notwendigerweise eine geringe Ortsauflösung der einzel- nen Elastizitätsmessungen impliziert. Beispielsweise ist es gut denkbar, dass hoch ortsaufgelöste Elastizitätsmessungen mit einem sehr feinen Fluidstrahl durchgeführt werden, gleichzeitig erlaubt das handgeführte Gerät trotzdem die Untersuchung einer vergleichsweise großen makroskopischen Probe, innerhalb derer der Arzt die speziellen zu untersuchenden Bereiche, beispielsweise tumorverdächtige Gewebeabschnitte, auswäh- len kann. Anstelle eines„handgeführten" Instrumentes kann es sich jedoch auch um ein Instrument handeln, welches von einem Chirurgie-Roboter geführt wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist das Instrument ferner zur Wasserstrahlchirurgie eingerichtet. Bei der Wasserstrahlchirurgie wird Gewebe mit einem fei- nen Hochdruckwasserstrahl geschnitten, was eine Reihe praktischer Vorteile hat. Die Kombination der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem derartigen Gerät bietet T/EP2014/067000
14 immense praktische Vorteile, weil dann für die Erzeugung des Fluidstrahls zur lokalen Verformung des Gewebes auf die ohnehin vorhandenen Komponenten für die Wasserzufuhr, Druckerzeugung, Düsen, etc., zurückgegriffen werden kann. Der apparative Mehraufwand ist sowohl hinsichtlich der Kosten als auch hinsichtlich des Bauraums außeror- dentlich gering.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Instrument eine Sonde, eine Pinzette, eine Schneidklinge und/oder eine Zange, d.h. histrumente, die zur chirurgischen Behandlung oder zur Biopsie verwendet werden können. Beispielsweise gestattet dies mit demselben Instrument Tumorgewebe zu identifizieren und unmittelbar zu entfernen.
Vorzugsweise haben diese genannten Werkzeuge einen HF-Anschluss für elektro- chirurgische Funktionalitäten, die weitere Vorteile bilden, beispielsweise die Kauterisie- rung von Schnittwunden und dergleichen. In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Instrument ferner eine Kamera. Dabei ist das Instrument mit einer Datenverarbeitungseinrichtung verbunden oder verbindbar, die ortsabhängig gemessene Elastizitätswerte mit den von der Kamera aufgezeichneten Bildern in Bezug setzt. Beispielsweise wäre es möglich, dem aufgenommenen Bild ein „Elastizitätsbild" zu überlagern, indem Bereiche farblich hervorgehoben werden, an denen besondere Änderungen in der Elastizität gefunden wurden, um dadurch Tumorgewebe leichter zu identifizieren.
In einer besonders vorteilhaften Ausfuhrungsform ist das Instrument ein endoskopisches oder laparoskopisches Instrument. Auch Endoskope und Laparoskope werden in der vorliegenden Offenbarung als handgeführte diagnostische oder chirurgische Instrumente betrachtet und stellen besonders vorteilhafte Anwendungen für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Elastizitätsmessung dar. Dabei wird die Vorrichtung zur Elastizitätsmessung vorzugsweise durch einen verstellbaren, insbesondere drehbaren Meßkopf des endoskopischen bzw. laparoskopischen Instruments gebildet. Auf diese Weise lässt sich die bewährte minimalinvasive Diagnostik, Biopsie und Ablation von Tumorgewebe mittels Endoskop oder Laparoskop um die Funktionalität der Elastizitätsmessung erwei- tern, die das sichere Identifizieren von Tumorgewebe wirksam unterstützt. KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Fig. la zeigt eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung zur Elastizitätsmessung nach einer Ausfuhrungsform der Erfindung.
Fig. lb zeigt eine Unteransicht der Vorrichtung von Fig. la.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, die die Verformung von Gewebe durch einen Fluidstrahl illustriert.
Fig. 3 ist eine schematische Schnittansicht einer weiteren Vorrichtung zur
Elastizitätsmessung.
Fig. 4 ist eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung zur Elastizitätsmessung mit einem ringförmigen Abstandshalter.
Fig. 5 ist eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung zur Elastizitätsmessung mit einem Abstandshalter, der durch eine flexible Gummi lippe gebildet wird.
Fig. 6a ist eine schematische Schnittansicht einer weiteren Vorrichtung zur
Elastizitätsmessung nach einer Ausfuhrungsform der Erfindung.
Fig. 6b ist eine Unteransicht der Vorrichtung von Fig. 6a.
Fig. 6c zeigt eine schematische Schnittansicht einer weiteren Vorrichtung zur
Elastizitätsmessung nach einer Ausfuhrungsform der Erfindung.
Fig. 6d zeigt eine schematische Schnittansicht einer weiteren Vorrichtung zur
Elastizitätsmessung nach einer Ausfuhrungsform der Erfindung. Fig. 6e zeigt einen Ausschnitt einer weiteren Vorrichtung zur Elastizitätsmessung nach einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 7 ist eine schematische Schnittansicht einer weiteren Vorrichtung zur
Elastizitätsmessung mit zwei zweiten Elektroden.
Fig. 8 zeigt eine ähnliche Vorrichtung wie Fig. 7 bei der Elastizitätsmessung von Gewebe mit lateral veränderlicher Elastizität. Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Elastizitätsmessung über eine Rückstoßkraft.
Fig. 10 zeigt ein zeitabhängiges Druckprofil zur Erzeugung eines entsprechenden Fluidstrahls.
Fig. 11 ist eine schematische Ansicht eines handgeführten chirurgischen oder diagnostischen Gerätes, welches sich einer Vorrichtung nach einer Weiterbildung der Erfindung bedient. Fig. 12 und 13 sind schematische Schnittansichten von Messköpfen von chirurgischen oder diagnostischen Instrumenten, bei denen die Vorrichtung zur Elastizitätsmessung jeweils mit einer Abbildungsoptik kombiniert ist.
Fig. 14 ist eine schematische Schnittansicht eines Endoskops, welches eine
Vorrichtung zur Elastizitätsmessung nach einer Weiterbildung der Erfindung enthält.
Fig. 15 ist eine schematische Darstellung eines distalen Endes eines Endoskops, mit einer drehbaren Tastspitze, in der eine Vorrichtung zur Elastizitätsmessung integriert ist. BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden auf die in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele Bezug genommen, die anhand spezifischer Terminologie beschrieben sind. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass der Schutzumfang der Erfindung dadurch nicht eingeschränkt werden soll, da derartige Veränderungen und weitere Modifizierung an den gezeigten Vorrichtungen und dem beschriebenen Verfahren sowie derartige weitere Anwendungen der Erfindung, wie sie darin aufgezeigt sind, als übliches derzeitiges oder zulcünftiges Fachwissen eines zustän- digen Fachmannes angesehen werden.
Fig. la zeigt eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung 10 zur Messung der Elastizität von Gewebe eines lebenden Menschen oder Tieres, d. h. zur in vivo Elastizitätsmessung. Fig. lb zeigt eine Unteransicht der Vorrichtung 10. Die gezeigte Vorrich- tung 10 und die nachstehend beschriebenen abweichenden Varianten derselben können mit einem diagnostischen oder chirurgischen Instrument, das von Hand oder einem Chirurgie-Roboter zu führen ist, kombiniert bzw. als Teil derselben ausgebildet sein.
Die Vorrichtung hat einen Körper 12, der auch als Meßkopf bezeichnet wird, an dessen in der Darstellung von Fig. la unteren Ende eine Stirnfläche 14 ausgebildet ist. Die Stirnfläche 14 ist einem Abschnitt des Gewebes 16, dessen Elastizität zu messen ist, zugewandt. Auf der Stirnfläche 14 sind Abstandshalter 18 vorgesehen, die, wie besonders in Fig. lb zu erkennen, ringförmig angeordnet sind und gemeinsam eine Auflagefläche für die Vorrichtung definieren, mit der sie auf das Gewebe 16 aufgesetzt werden kann. In der Ausführungsform hat der gedachte Ring entlang dessen die Abstandshalter 18 angeordnet sind, einen Durchmesser d von 1 cm, so dass die Auflagefläche eine Fläche von ungefähr 0,8 cm2 einnimmt. In dem in Fig. la gezeigten Betriebszustand wird die Vorrichtung 10 so auf das Gewebe 16 aufgesetzt, dass sämtliche Abstandshalter 18 mit dem Gewebe in Kontakt sind. Die Abstandshalter 18 stellen daher ein Ausfüh- rungsbeispiel der eingangs genannten Mittel zum Positionieren der Vorrichtung 10 in Bezug auf die makroskopische Probe, d.h. das Gewebe 16, dar. In einem mittleren Abschnitt der Vorrichtung 10 ist ein Kanal 20 ausgebildet, der in der Stirnfläche 14 in einem Auslass 22 endet. Der Auslass 22 ist in der schematischen Darstellung von Fig. la nicht näher spezifiziert, in konkreten Ausführungsformen kann es sich hierbei um eine geeignet gestaltete Düse oder dergleichen handeln.
Durch den Kanal 20 wird ein Fluid, im gezeigten Ausführungsbeispiel eine physiologische Kochsalzlösung 24, mit einem vorbestimmten Druck gepresst, so dass ein Fluid- strahl 26 aus dem Auslass 22 austritt. Wie in Fig. la zu sehen ist dieser Fluidstrahl 26 auf das Gewebe 16 gerichtet und führt zu einer elastischen Verformung desselben, wobei der verformte Bereich durch das Bezugszeichen 28 bezeichnet ist.
In dem Kanal 20 ist eine erste Elektrode 30 angeordnet. In einem radial äußeren Bereich der Vorrichtung 10 ist eine zweite Elektrode 32 angeordnet. Die Vorrichtung umfasst eine Spannungsquelle 34, die eine Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 30, 32 anlegt. Schließlich ist eine Strommesseinrichtung 36 vorgesehen, mit der die Stärke eines Stroms gemessen werden kann, der zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 30, 32 fließt. Im Folgenden wird die Funktionsweise der Vorrichtung von Fig. la und lb erläutert.
Wenn eine Spannung zwischen der ersten und zweiten Elektrode 30, 32 angelegt wird, fließt zwischen diesen Elektroden 30, 32 ein Ionenstrom durch die Kochsalzlösung 24. Bei gegebener Spannung hängt die Stromstärke von der Größe des Spaltes zwischen der Stirnfläche 14 der Vorrichtung 10 und der Oberfläche des Gewebes 16 ab. Dies kann wie folgt verstanden werden. Befindet sich die Vorrichtung 10 in großem Abstand von dem Gewebe 16, dann ist die Stromstärke nur durch den intrinsischen Widerstand des Elelctrolyten, d.h. der Kochsalzlösung 24 begrenzt. Nähert man jedoch die Vorrichtung 10 mehr und mehr an das Gewebe 16 an, wird der Ionenstrom durch Verengung des Spaltes zwischen der Stirnfläche 14 und der Oberfläche des Gewebes 16 zunehmend abgeschnürt, was zu einem Abfall der mit der Stromeinrichtung 36 gemessenen Stromstärke fuhrt. Dieses Prinzip ist für die Zwecke einer Abstandsmessung aus der Raster- Ionenleitfähigkeitsmikroskopie (Scanning Ion Conductance Microscopy, SICM) an sich bekannt. Bei der SICM werden feine Pipetten typischerweise über mikroskopische Pro- ben geführt. Mit Hilfe eines Regelkreises kann die Pipette dabei so in vertikaler Richtung verstellt werden, dass ein konstanter Strom fließt, der bereits einen gewissen Grad der Abschnürung repräsentiert. Die Vertikalbewegung, die die Pipette dabei ausführt, wird aufgezeichnet und repräsentiert das Höhenprofil der Probe. Auf diese Weise lassen sich Oberflächenreliefs berührungslos detektieren. Die SICM-Technologie ist beispiels- weise in Hansma, P.K.; Brake, B; Marti, O; Gould, S.A.; Prater, C.B. The scanning ion- conductance microscope. Science 1989, 243(4891), 641-643 und Korchev, Y.E., C.L. Bashford, M. Milovanovic, I. Vodyanoy, and M.J. Lab, Scanning ion conductance microscopy of living cells. Biophysical Journal, 1997. 73(2): p. 653-8 beschrieben. Die SICM-Technologie wird in der Regel für mikroskopische Proben im Labor verwendet, typischerweise werden Zellproben in einer Petrischale auf einem X- Y-Scannertisch relativ zur Pipette verschoben und die Oberfläche abgetastet. In Sanchez D., N. Johnson, C. Li, P. Novak, J. Rheinlaender, Y. Zhang, et al, Noncontact measurement of the local mechanical properties of living cells using pressure applied via a pipette. Biophysical Journal, 2008. 95(6): p. 3017-27 wurden ferner die mechanischen Eigenschaften einer mikroskopischen Probe, nämlich einer Zellmembran untersucht, indem durch die Pipette ein hydrostatischer Druck auf die mikroskopische Probe ausgeübt wurde.
Bei der Ausführungsform von Fig. la sind die Abstandshalter 18 so gewählt, dass der Spalt zwischen der Stirnfläche 14 und der Oberfläche des Gewebes 16 bereits so klein ist, dass es zu einer merklichen Abschnürung des Ionenstroms kommt. Wird nun ein Druck in dem Kanal 20 angelegt und ein Fluidstrahl 26 erzeugt, so wird die Oberfläche des Gewebes 16 lokal verformt, wie durch das Bezugszeichen 28 gezeigt ist, so dass der Spalt zwischen der Stirnfläche und der Oberfläche des Gewebes 16 vergrößert wird. Dies führt zu einem Anstieg des mit der Strommesseinrichtung 36 detektierten Ionenstroms. Insofern ist der Ionenstrom eine Größe, die kennzeichnend für das Ausmaß der Verformung 28 des Gewebes 16 ist.
Bei vorgegebenem Druck in dem Kanal 20 und bei vorgegebenem Abstand zwischen dem Auslass bzw. der Düse 22 und dem Gewebe 16 ist das Ausmaß der Verformung 28 wiederum ein Maß für die Elastizität des Gewebes 16, insbesondere dessen E-Modul. Insofern kann von der mit der Strornmesseinrichtung 36 gemessenen Stromstärke sehr genau auf die Elastizität des Gewebes 16 an der untersuchten Stelle rückgeschlossen werden. Der genaue Zusammenhang zwischen dem gemessenen Strom und der Elastizität kann durch Vergleichs- bzw. Kalibrationsmessungen bestimmt werden. Versuche der Erfinder haben ergeben, dass die Ionenstrommessung ein sehr empfindliches Maß für die Elastizität ist, die insbesondere das Potential hat, zwischen gesundem Gewebe und Tumorgewebe zu differenzieren.
Für die Reproduzierbarkeit der Messungen ist es von besonderer Bedeutung, dass der Abstand zwischen der Stirnfläche 14 und dem Gewebe 16, bzw. zwischen dem Auslass 22 und dem Gewebe 16 durch die Abstandshalter 18 ausreichend präzise vorgegeben wird, ohne dass dies die Handhabung der Vorrichtung 10, die typischerweise handgeführt (dazu später) ist, erschwert. Tatsächlich braucht die Vorrichtung 10 einfach nur mit den Abstandshaltern 18 auf das Gewebe 16 aufgesetzt zu werden, wodurch sich der vorbestimmte Abstand zwischen dem Auslass 22 bzw. der Stirnfläche 14 einerseits und dem Gewebe 16 andererseits von ganz allein ergibt.
Der in Fig. la und lb lediglich schematisch gezeigte Aufbau ist nur beispielhaft zu verstehen und in keiner Weise einschränkend. Nachfolgend werden, ebenfalls lediglich schematisch, weitere bevorzugte Varianten beschrieben.
Fig. 2 zeigt schematisch, wie sich das Ausmaß der Verformung 28 in Abhängigkeit von dem Druck innerhalb des Fluidkanals 12 ändert. Ganz links in Fig. 2 ist der Fall gezeigt, in dem kein künstlicher Druck in dem Kanal 20 erzeugt wird, und das Gewebe dement- sprechend nicht künstlich verformt wird. Die mittlere Abbildung zeigt eine Situation mit einem künstlichen Druck moderater Höhe, der zu einer vergleichsweisen kleinen Ver- EP2014/067000
21 formung 28 des Gewebes 16 führt. Ganz rechts ist eine Situation schematisch gezeigt, in der ein noch größerer künstlicher Druck in dem Kanal 20 erzeugt wird, der zu einer vergleichsweisen großen Verformung 28 führt. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Druck in dem Kanal 20 beliebig gesteuert werden, um geeignete Fluidstrahle zu erzeugen. Beispielsweise bietet es sich bei vergleichsweise steifen Proben, d.h. bei Proben mit einem vergleichsweise großen E-Modul an, mit einem höheren Druck zu arbeiten, als bei weicheren Proben, um den konkreten Elastizitäts-Wert mit guter Genauigkeit zu bestimmen. Ferner ist es vorteilhaft, wenn eine Einrichtung zum Steuern des Drucks vorgesehen ist, mit der ein zeitabhängiges Druckprofil vorgeben werden kann, und der Ionenstrom ebenfalls zeitaufgelöst gemessen wird. Auf diese Weise lassen sich auch viskoelastische Eigenschaften untersuchen.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, die derjenigen von Fig. la ähnlich ist, bei der jedoch die zweite Elektrode 32 innerhalb einer Vertiefung oder einem Kanal 38 angeordnet ist, der in der Stirnfläche 14 mündet. Diese Vertiefung bzw. Kanal 38 kann auch als„passive Öffnung" bezeichnet werden, weil in dieser kein künstlicher Druck oder Unterdruck erzeugt wird. Die Anordnung der zweiten Elektrode 32 in der passiven Öffnung 28 in der Stirnfläche 14 ist insofern von besonderem Vorteil, als die zweite Elektrode 32 selbst nicht in den Strahl ragt, aber in optimaler räumlicher Lage in Bezug auf die erste Elekt- rode 30 angeordnet werden kann, um eine gute Messempfindlichkeit zu ergeben. Es zeigt sich, dass mit der in Fig. 3 gezeigten Anordnung bereits kleine Verformungen 38 im Gewebe festgestellt werden können, die mit einer zweiten Elektrode 30, die ähnlich wie in Fig. la gezeigt außerhalb der Vorrichtung 10 angeordnet wäre, schwieriger zu detektieren wären.
In Fig. 4 und 5 sind alternative Ausführungsformen für Abstandshalter 18 gezeigt. In der Ausführungsform von Fig. 4 wird der Abstandshalter durch einen Drahtring 40 gebildet, der über Halteelemente 42 von der Stirnfläche 14 der Vorrichtung 10 beabstandet ist. Die Funktions weise des Drahtrings 40 ist ähnlich wie diejenige der in Fig. la und lb gezeigten Abstandshalter 18, die in einem ringförmigen Muster angeordnet sind. Ferner zeigt die Ausführungsform von Fig. 4 neben einem Fluidkanal 20, in dem ein positiver Druck herrscht, einen Kanal 44, der einen Einlass 46 in der Stirnfläche 14 hat und in dem ein Unterdruck herrscht. Die Elektroden (in Fig. 4 nicht gezeigt) können dann in den Kanälen 20, 44 angeordnet sein. Wiederum ist die Stärke des Ionenstroms kennzeichnend für die Verformung des Gewebes (in Fig. 4 nicht gezeigt) durch den Fluid- strahl, der aus dem Auslass 22 des Kanals 20 austritt.
Fig. 5 zeigt eine ähnliche Ausführungsform, bei der jedoch anstelle des Drahtrings eine flexible Gummilippe 47 vorgesehen ist. Die Gummilippe 4 ist an ihren radial äußeren Abschnitten besonders flexibel und passt sich an das Gewebe 16 an, gleichzeitig sorgen steifere radial innere Abschnitte dafür, dass die Vorrichtung 10 als Ganzes gleichwohl in einem vorbestimmten Abstand von dem Gewebe 16 gehalten wird. Auch in der Ausführungsform von Fig. 5 wird das Fluid, z.B. eine physiologische Kochsalzlösung, durch einen Kanal 20 und einen Auslass bzw. eine Düse 22 auf das Gewebe 16 gespritzt und durch einen Unterdruck-Kanal 44 abgesaugt. Die Gummilippe 47 verhindert dabei, dass nennenswerte Mengen des Fluids in die Umgebung entweichen.
Es ist auch möglich, dass die Gummilippe 47 so dicht an der Probe 16 anliegt, dass kein Fluid zwischen der Gummilippe 47 und der Probe 16 entweichen kann. In diesem Fall wird der Fluidstrahl aufgestaut und der Fluidfluss kommt vollständig zum Erliegen. Dies ist ein Beispiel für die eingangs genannte Wec ^Wirkung zwischen dem Fluidstrahl und der Probe, aufgrund derer die Probe verformt wird und in diesem Fall der Fluidstrahl aufgestaut wird. Anschaulich gesprochen bildet sich dabei eine von der Probe eingeschlossene Fluidblase, deren Größe von den Elastizitätseigenschaften der Probe abhängt. Der Fall eines aufgestauten Fluides kann auch einfach dadurch auftreten, dass die Stirnfläche in einem ringförmigen Bereich um den Auslass an der Probe aufliegt und dadurch das Fluid eingeschlossen wird. Bei geeigneter Anordnung der Elektroden kann auch hier das Ausmaß der Verformung durch eine Ionenstrommessung ermittelt werden.
Man beachte, dass der Begriff einer„von der Probe eingeschlossenen Fluidblase" nicht suggerieren soll, dass das Fluid von der Probe allein eingeschlossen ist, stattdessen ist die„Fluidblase" in der Regel auf der einen Seite von einem Abschnitt der Vorrich- tung 10 und auf der anderen Seite von der verformten Probe 16 begrenzt. Eine solche Fluidblase ähnelt dem Verformungsbereich 28 von Fig. la, außer dass die Stirnfläche 14 beispielsweise in einem ringförmigen Bereich um den Auslass 22 herum direkt auf dem Gewebe 16 aufliegen würde, so dass das Fluid in dem Verformungsbereich eingeschlos- sen wäre.
Fig. 6a und 6b zeigen eine weitere Ausführungsform im Querschnitt bzw. in einer Unteransicht, bei der ein zentraler Kanal 20 mit Überdruck und ein radial äußerer ringförmiger Kanal 44 mit Unterdruck vorgesehen ist. Dieser Aufbau führt zu einem nach radial außen gerichteten Fluidstrom 26 von dem zentralen Kanal 20 durch den Spalt zwischen der Stirnfläche 14 der Vorrichtung 10 und dem Gewebe (in Fig. 6a, 6b nicht gezeigt) in den ringförmigen Kanal 44.
In den Figuren la und 3 sind die erste und die zweite Elektrode 30, 32, lediglich schema- tisch dargestellt, um das Funlctionsprinzip zu erläutern. Wie in Figur 6c gezeigt ist, kann die erste Elektrode 30 beispielsweise durch eine leitfähige Auskleidung des Fluidka- nals 20 gebildet sein. Ebenso kann die zweite Elektrode 32 durch eine leitfähige Beschichtung, eines Abschnittes der Vorrichtung 10 im gezeigten Ausfuhrungsbeispiel eine Beschichtung der Außenumfangsfläche gebildet werden. Zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 30, 32 ist ein Isolator 31 angeordnet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Vorrichtung eine Mehrzahl von Auslässen 22, die nebeneinander angeordnet sind, wie in Fig. 6d gezeigt ist. In Figur 6d hat die Vorrichtung 10 ein isolierendes Gehäuse 33, an dessen Unterseite eine Stirnfläche 14 ausgebildet ist. In der Stirnfläche 14 sind eine Vielzahl von Auslässen 22 angeordnet.
Obwohl in der Schnittdarstellung von Figur 6d lediglich drei Auslässe zu erkennen sind, können in der Stirnfläche ohne weiteres mehr als 10, insbesondere mehr als 50 und sogar mehr als 100 derartige Auslässe 22 nebeneinander angeordnet sein. Die Auslässe 22 sind über Kanäle 20 mit einem Hohlraum 33a innerhalb des Gehäuses verbunden, der in Betrieb der Vorrichtung 10 mit einem Druck beaufschlagt wird, um Fluidströme 26 zu erzeugen, die aus den Auslässen 22 austreten. Im Bereich eines jeden Kanals 20 ist eine erste Elektrode 30 angeordnet. Ferner ist in der Stirnfläche 14 für jeden Auslass 22 eine zweite Elektrode 32 vorgesehen, die den zugehörigen Auslass 22 ringförmig umgibt. Es ist jedoch für die Funktion nicht zwingend notwendig, dass die zweite Elektrode 32 den Auslass 22 vollständig oder ringförmig umgibt. Obwohl dies in Fig. 6d nicht gezeigt ist, ist eine Strommesseinrichtung vorgesehen, die den Stromfluss durch jede einzelne der zweiten Elektroden 32 ermitteln kann, so dass zu jedem Auslass 22 eine zugehörige Ionenstrommessung vorgenommen werden kann.
Die Vorrichtung 10 von Fig. 6d lässt sich einfach und kostengünstig durch etablierte Mil rofabrikationsprozesse herstellen, das heißt unter Verwendung von Verarbeitungsschritten wie Ätzen, Abscheiden von Metallschichten, Polieren und dergleichen. Insbesondere kann der Abschnitt des Gehäuses 33, der die Stirnfläche 14 mit den Auslässen 22 bildet, aus Silizium bestehen, für welches außerordentlich gut etablierten Bearbeitungsmöglichkeiten bestehen.
Bei der Ausführungsform von Fig. 6d wird die Stirnfläche 14 direkt auf das Gewebe (nicht gezeigt) aufgesetzt. Da in diesem Zustand die zweite Elektrode 32 von dem Gewebe (nicht gezeigt) bedeckt ist, kann kein nennenswerter Ionenstrom zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 30, 32 fließen. Sobald ein Überdruck in dem Hohl- räum 33a gebildet wird, treten Fluidströme 26 aus den Auslässen 22 aus, die das Gewebe (in Fig. 6d nicht gezeigt) lokal verformen. Durch diese Verformung kann das Gewebe von der Stirnfläche 14 abgehoben und die zweite Elektrode 32 teilweise freigelegt werden, so dass ein Ionenstrom zwischen den ersten und den zweiten Elektroden 30, 32 fließen kann. Je größer das Ausmaß der Verformung, desto größer ist der Abschnitt, der von der jeweiligen zweiten Elektrode 32 freigelegt ist, und desto größer ist der gemessene Ionenstrom. Eine Besonderheit bei dieser Ausfuhrungsform besteht darin, dass die Verformung an einer Vielzahl von Stellen, entsprechend den Positionen der Auslässe 22, gleichzeitig ortsaufgelöst gemessen werden kann. Figur 6e zeigt eine etwas vergrößerte Darstellung eines Kanals 20 mit einem zugehörigen Auslass 22 und zugehöriger erster und zweiter Elektrode 30,32. Im Fall von Figur 6e erstreckt sich die erste Elektrode, anders als in der Ausführungsform von Figur 6d, entlang der vollständigen Länge des jeweiligen Kanals 20. Für die ortsaufgelöste Messung ist es von Bedeutung, dass tatsächlich für jeden Auslass 22, zumindest aber für den überwiegenden Teil der Auslässe 22, eine zugehörige zweite Elektrode 32 vorgesehen ist, so dass die Verformung des Gewebes im Bereich dieses Auslasses 22 gemessen werden kann. Es ist jedoch nicht erforderlich, dass jedem Auslass 22 eine eigene erste Elektrode zugeordnet ist. Stattdessen wäre es auch möglich, beispielsweise nur eine einzige erste Elektrode 30 in dem Hohlraum 33a vorzusehen. Fig. 7 zeigt eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung 10. Die Ausführungsfomi von Fig. 7 hat wiederum einen zentralen Kanal 20, in dem die erste Elektrode 30 angeordnet ist und in dem ein positiver Druck erzeugt wird. Ferner umfasst diese Ausführungsform zwei zweite Elektroden 32, die in verschiedenen, radial äußeren Abschnitten der Stirnfläche 14 angeordnet sind, genauer gesagt in ent- sprechenden Vertiefungen 38 in der Stirnfläche 14, die sich in einem radial äußeren Abschnitt der Vorrichtung 10 befinden. Die Ströme Ii und I2 durch jede der beiden zweiten Elektroden 32 werden separat gemessen. Wie in den vorher beschriebenen Ausführungsformen sind der Strom Ii und der Strom I2 bei vorgegebenem Abstand zwischen der Stirnfläche 14 und dem Gewebe 16 ein Maß für das Ausmaß der Verformung 28. Die Stromwerte Ii und I2 können aber zusätzlich bei der Positionierung der Vorrichtung 10 in Bezug auf das Gewebe 16 dienen. Beispielsweise zeigt Fig. 7 einen Fall, bei dem die Stirnfläche 14 gegenüber der Oberfläche des Gewebes 16 verkippt ist, so dass der dazwischen liegende Spalt eine inhomogene Breite hat. Dies könnte in der Situation von Fig. 7 dadurch detektiert werden, dass der Strom I2 größer ist als der Strom Ii. Diese Messung könnte auch durchgeführt werden, bevor ein Überdruck in dem zentralen Kanal 20 mit entsprechender Verformung überhaupt erzeugt wird, so dass die Ströme Ij und I2 auf die Positionierung (und nicht auf die Verformung) zurüclczuführen sind. Wie aus diesem Ausführungsbeispiel deutlich wird, können die mindestens eine erste Elektrode 30 und die mindestens eine zweite Elektrode 32 nicht nur zum Messen des Ausmaßes der Verformung 28, sondern auch zur Positionierung der Vorrichtung 10 in Bezug auf das Gewebe 16 dienen. Insbesondere kann durch die Ströme Ij und I2 auch ohne Ver- formung des Gewebes 16 der Abstand der Vorrichtung 10 zu dem Gewebe 16 bestimmt werden, weil bei Annäherung der Vorrichtung 10 an das Gewebe 16 ein Abschnüreffekt des Ionenstroms auftritt, der detektiert werden kann. Insofern können dieselben Elektroden, die zur Messung der Verformung der Probe verwendet werden, auch zur Positionie- rung der Vorrichtung 10 in Bezug auf das Gewebe 16 verwendet werden, indem der Abstand der Stirnfläche 14 von dem Gewebe 16, und somit auch der Abstand des Auslasses 22 des zentralen Kanals 20 von dem Gewebe 16 gemessen wird. Man beachte, dass die radial äußeren Vertiefungen 38 in Fig. 7 separate Vertiefungen, nicht etwa Teil einer ringförmigen Vertiefung sind.
In Fig. 8 ist derselbe Aufbau wie in Fig. 7 gezeigt, jedoch in einer anderen Anwendung. Im Falle von Fig. 8 wird davon ausgegangen, dass die Vorrichtung 10 korrekt in Bezug auf das Gewebe 16 angeordnet ist, d.h. derart dass die Stirnfläche 14 der Vorrichtung 10 parallel zur Oberfläche des Gewebes 16 ist. Dies kann beispielsweise dadurch verifiziert werden, dass ohne Überdruck im zentralen Kanal 20 die Ströme Ii und I2 gleich sind.
Bei Erzeugung eines Druckes im zentralen Kanal 20 und eines zugehörigen Fluidstrahls 26 kann es sich dann jedoch herrausstellen, dass die Ströme Ii und I2 nicht mehr identisch sind, sondern dass, im gezeigten Ausfuhrungsbeispiel, der Strom I2 kleiner als Ii ist. Diese Abweichung der Ströme Ii und I2 ist auf eine inhomogene Verformung 28 zurückzuführen, die ihrerseits durch eine inhomogene lokale Elastizitätsverteilung des Gewebes 16 bewirkt wird, beispielsweise durch einen lokalen steiferen Bereich im Gewebe 16, der in Fig. 8 durch Bezugszeichen 48 gekennzeichnet ist.
Aus der Beschreibung von Fig. 7 und Fig. 8 wird deutlich, dass die Verwendung von mindestens zwei zweiten Elektroden, die demselben Auslass 22 zugeordnet sind, die Funktionalität der Vorrichtung 10 in mehrfacher Hinsicht erhöht, und insbesondere nicht nur die Messung einer lokalen Elastizität, sondern auch einer lateralen Variation der Elastizität gestattet. Je mehr zweite Elektroden vorgesehen sind, desto größer wird die diesbezügliche laterale Auflösung der Messung. Besonders bevorzugt sind gegenwärtig Ausführungsformen mit zwei bis sechs, besonders bevorzugt solche mit drei bis fünf zweiten Elektroden pro Auslass 22. Unabhängig davon lässt sich, wie oben mit Bezug 0
27 auf Fig. 6 gezeigt ist, durch eine Mehrzahl von Auslässen bzw. Einlassen darüber hinaus eine ortsaufgelöste Messung erreichen.
Obwohl die Ionenstrommessung die gegenwärtig bevorzugte Variante zur Messung des Ausmaßes der Verformung 28 ist, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise ist es ebenfalls möglich, mit Hilfe eines Durchflussmessers den Volumenstrom des Fluid bei vorgegebenem Abstand zwischen der Vorrichtung 10 und dem Gewebe 16 und vorgegebenem Druck zu messen. Je weicher das Gewebe, d.h. je stärker die Verformung ist, desto größer wird der Spalt zwischen der Vorrichtung 10 und dem Gewebe 16 und desto geringer der Flusswiderstand, was wiederum zu einem erhöhten Volumenstrom führt. Alternativ kann auch bei vorgegebenem Durchfiuss bzw. Volumenstrom der Druck gemessen werden, oder es können Paare von Druck- Volumenstromwerten ermittelt werden. In allen diesen Fällen ist der Zusammenhang zwischen Druck und Volumenstrom kennzeichnend für die Elastizität des Gewebes.
Auch ist es möglich, die Kraft, die über den Wasserstrahl auf das Gewebe ausgeübt wird, direkt zu messen, wie in Fig. 9 schematisch dargestellt ist. Bei der Ausfuhrungsform von Fig. 9 befindet sich der Kanal 20 mit dem unter Druck befindlichen Fluid in einem federgelagerten Hebel 50, der um eine Achse 52 schwenkbar gelagert ist und gegen eine Rückstellkraft einer Torsionsfeder 54 verschwenlcbar ist. Die Rückstoßlcraft des Fluidstrahls 26 fuhrt zu einem Drehmoment auf den Hebel 50 und eine entsprechende Verschwenlcung um einen Winkel a, bei dem die Rückstellkraft der Torsionsfeder 54 und das Drehmoment aufgrund der Rückstoßlcraft ausgleichen. Wenn sich das Gewebe 16 durch den Fluidstrahl 26 verformt und diesem ausweicht, verringert sich die Rück- Stoßkraft und somit der Winkel a. Insofern ist auch der Winkel α ein Maß für das Ausmaß der Verformung 28 des Gewebes 16.
Wie oben bereits erwähnt ist es in vielen Ausführungsformen von Vorteil, wenn der Druck des Fluid frei vorgegeben bzw. gesteuert werden kann. Insbesondere bei einem frei vorgebbaren zeitlichen Druckprofil können komplexere Parameter der Gewebeeigenschaften ermittelt werden, wobei geeignete Modelle der Kontinuumsmechanik zur Anwendung kommen können. Eine vergleichsweise einfaches Druckprofil ist in Fig. 10 gezeigt, gemäß der der Druck rechteckförmig gepulst und rampenartig erhöht wird. Durch diesen zunelimenden Druck wird es ermöglicht, sulczessive die tieferen Bereiche des Gewebes anzusprechen, und dadurch dreidimensionale Information bezüglich der Gewebesteifigkeit zu erhalten.
Die in den vorstehenden Figuren diskutierten Ausführungsformen der Vorrichtung 10 zum Messen der Elastizität von makroskopischen Proben, insbesondere menschlichem Gewebe 16, lassen sich kostengünstig realisieren und einfach in diagnostische oder chirurgische Instrumente integrieren, die von Hand zu führen sind, wie beispielsweise in Fig. 11 gezeigt ist. In Fig. 11 ist ein handgeführtes Instrument 56 gezeigt, das eine Vorrichtung 10 nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen enthält, von der in Fig. 11 nur die Stirnfläche 14 und die Abstandshalter 18 zu erkennen sind. Dieses Instrument 56 kann der Arzt von Hand (Bezugszeichen 58) über das Gewebe 16 führen, um ortsaufgelöst Elastizitätseigenschaften zu messen. Ein besonderer Vorteil der Vorrichtung 10 der Erfindung besteht darin, dass der Aufbau ausgesprochen einfach ist, d.h. dass sich der apparative Aufwand im Wesentlichen auf Kanäle, Mittel zur Druckerzeugung, Elektroden, eine Spannungsquelle und ein Strommessgerät beschränkt. Diese Komponenten sind nicht nur einfach und kostengünstig herstellbar, sondern erlauben wegen ihres geringen Platzbedarfes auch eine einfache Integration in handgeführte Geräte mit weiteren diagnostischen oder chirurgischen Modalitäten.
Beispielsweise zeigt Fig. 12 den Messkopf eines Geräts ähnlich dem Gerät 56 von Fig. 1 1, in dem der Kanal 20 durch einen flüssigkeitsgefüllten Schlauch 57 gebildet wird. Dieser Schlauch gestattet es beispielsweise, das Fluid um eine Abbildungsoptik, beispielsweise eine Linse 58, herum zu führen, so dass die Vorrichtung 10 sich vergleichsweise einfach mit einer Abbildungsoptik kombinieren lässt. Beispielsweise ist es möglich, gleichzeitig optische Bilder von dem untersuchten Gewebe 16 aufzunehmen und lokal Elastizitätswerte aufzuzeichnen. Mit einer geeigneten Datenverarbeitungseinrich- tung (nicht gezeigt) können die optischen Bilder und die Elastizitätswerte darauf entsprechend registriert bzw. überlagert werden. Beispielsweise kann ein optisches Bild ausgegeben werden, bei dem Bereiche mit speziellen Elastizitätswerten, Elastizitätsschwankungen etc. hervorgehoben sind, um die Diagnose von Tumoren zu erleichtern.
Ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel, in dem die Vorrichtung 10 mit einer Abbildungsoptik kombiniert ist, ist in Fig. 13 gezeigt, in der in dem Gerät 56 ebenfalls eine Linse 58, ein Fenster 60 und ein optischer Sensor 62 vorgesehen sind. In der Ausführungsform von Fig. 13 verläuft somit ein Teil des Lichtweges durch das Fluid 24, welches zur künstlichen Verformung des Gewebes 16 verwendet wird. Der vergleichsweise geringe apparative Aufwand macht die Vorrichtung 10 zur Elastizitätsmessung ferner ideal geeignet für endoskopische oder laparoskopische Anwendungen. Fig. 14 und 15 zeigen schematisch beispielhafte Ausführungen. Fig. 14 zeigt ein Endoskop 64 mit einem Kanal 20, aus dessen Auslass 22 ein Fluidstrahl 26 ausgegeben wird, um das Gewebe 16 lokal zu verformen. Der hierfür benötigte positive Druck kann außerhalb des Endoskops 64 erzeugt und über einen Schlauch 65 zugeführt werden.
Obwohl dies in Fig. 14 nicht gezeigt ist, hat das Endoskop ferner, neben einer Kamera, weitere Funktionalitäten, beispielsweise zur Reselction oder Ablation von Gewebe durch eine Sonde, eine Pinzette, eine Schneidklinge, eine Zange oder dergleichen. Diese Werkzeuge können ferner über einen HF-Anschluss mit einem elektrischen HF-Signal versorgt werden, um zusätzlich elelctrisch-chirurgische Funktionalitäten zu erhalten.
Besonders bevorzugt sind hierbei solche endoskopischen oder laparoskopischen Geräte, die zur Wasserstrahlchirurgie eingerichtet sind, d.h. in der Lage sind, mit einem feinen Wasserstrahl Gewebe zu schneiden. In diesem Fall können die für die Wasserstrahlchirurgie ohnehin vorhandenen Komponenten zur Druckerzeugung, Fluidversorgung etc. für die Vorrichtung 10 zur Elastizitätsmessung mitbenutzt werden.
Weiter zeigt Fig. 14 einen Kanal 44 mit einem Unterdruck, mit dem abladiertes Gewebe abgesaugt und einem Analysator 66 zugeführt werden kann. Auch dieser Kanal 44 kann somit nicht nur für die Elastizitätsmessung, sondern auch zur Gewinnung von Gewebe- proben verwendet werden. Schließlich zeigt Fig. 15 eine schematische Ansicht eines distalen Endes eines Endoskopes 64, bei dem die Vorrichtung 10 in Form einer drehbaren Tastspitze 68 ausgebildet ist. In Fig. 15 sind lediglich die Kanäle 20 und die zugehörigen Fluidstrahlen 26 schematisch dargestellt.
Die beschriebene Vorrichtung gestattet es nicht nur, den E-Modul oder eine Viskosität zu messen, sondern kann auch verwendet werden, um komplexe mechanische Verhaltensmuster zu ermitteln. Beispiele hierfür sind der Zeitverlauf oder die Frequenzab- hänigkeit der Gewebeantwort auf eine mechanische Stimulation, oder das Auftreten bestimmter Muster in diesem Zeit- oder Frequenzverlauf. Diese Verhaltensmuster bilden in gewisser Weise einen„mechanischen Fingerabdruck" des Gewebes. Ein solches Verhaltensmuster kann zur Erkennung oder Differenzierung von bestimmten Gewebetypen herangezogen werden. Wie eingangs erwähnt, gestattet die beschriebene Vorrichtung, dass das chirurgische oder diagnostische Element zur Differenzierung von Gewebe verwendet wird, insbesondere dazu, intraoperativ Tumore, Nerven, Blutgefäße etc. zu erkennen.
Obgleich in den Zeichnungen und in der vorhergehenden Beschreibung bevorzugte Ausführungsbeispiele aufgezeigt und detailliert beschrieben sind, sollte dies als rein beispielhaft und die Erfindung nicht einschränkend angesehen werden. Es wird darauf hingewiesen, dass nur die bevorzugten Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben sind und sämtliche Veränderungen und Modifizierung, die derzeit und künftig im Schutzumfang der Ansprüche liegen, geschützt werden sollen. BEZUGSZEICHENLISTE
10 Vorrichtung zur Messung der Elastizität einer Probe
12 Körper der Vorrichtung 10
14 Stirnfläche
16 Gewebe
18 Abstandshalter
20 Fluidkanal
22 Auslass
24 Elektrolyt
26 Fluidstrom
28 Verformung
30 Erste Elektrode
31 Isolator
32 Zweite Elektrode
33 Gehäuse
33a Hohlraum in Gehäuse
34 Spannungsquelle
36 Strommesseinrichtung
38 Kanal (Passive Öffnung)
40 Drahtring
42 Halteelement
44 Unterdruckkanal
46 Einlass
47 Flexible Gummilippe
48 Lokal steifer Bereich in Gewebe 16
50 Hebel
52 Schwenkachse des Hebels 50
54 Torsionsfeder
56 Handgeführtes diagnostisches oder chirurgisches Instrument
57 Schlauch
58 Linse
60 Fenster Optischer Sensor
Schlauch
Analysator

Claims

Ansprüche
1. Diagnostisches oder chirurgisches Instrument, das von Hand oder einem Chirurgie- Roboter zu fuhren ist , mit einer Vorrichtung zur Messung der Elastizität von Gewebe eines lebenden Menschen oder Tieres, wobei die Vorrichtung folgendes umfasst:
mindestens einen Auslass für einen Fluidstrahl und/oder einen Einlass zum Ansaugen eines Fluidstromes,
Mittel zum Positionieren der Vorrichtung derart in Bezug auf das Gewebe, dass sich
® der Auslass und/oder der Einlass und/oder
• eine Stirnfläche der Vorrichtung
in einem vorbestimmten oder durch die genannten Mittel bestimmbaren Abstand von dem Gewebe befindet, und
eine Einrichtung zum Messen einer Größe, die kennzeichnend für das Ausmaß einer Verformung des Gewebes aufgrund einer Wechselwirkung des Gewebes mit dem Fluidstrahl und/oder dem angesaugten Fluidstrom ist, wobei diese Größe durch
• einen Ionenstrom im Verformungsbereich des Gewebes, oder
• den Volumenstrom des Fluides selbst beziehungsweise - für den Fall, dass das Fluid durch das elastische Gewebe eingeschlossen ist - durch eine Volumenänderung und zugehörige Druckänderung im eingeschlossenen Fluid,
bestimmt wird.
2. Instrument nach Anspruch 1, das ferner zur Wasserstrahlchirurgie eingerichtet ist.
3. Instrument nach Anspruch 1 oder 2, das ferner eine Sonde, eine Pinzette, eine Schneidklinge und/oder eine Zange, insbesondere jeweils mit einem HF-Anschluss, umfasst.
4. Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner eine Kamera umfasst, wobei das Instrument mit einer Datenverarbeitungseinrichtung verbunden oder verbindbar ist, die ortsabhängig gemessene Elastizitätswerte mit den von der Kamera aufgezeichneten Bildern in Bezug setzt.
5. Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Instrument ein endoskopisches oder laparoskopisches Instrument ist.
6. Instrument nach Anspruch 5, bei dem die Vorrichtung zur Elastizitätsmessung durch einen verstellbaren, insbesondere drehbaren Messkopf des endoskopischen bzw. laparoskopischen Instruments gebildet wird.
7. Instrument nach einem der vorhergehenden Anpsrüche, wobei die Stirnfläche parallel oder annähernd parallel zu der Oberfläche des Gewebes angeordnet werden kann, um mit der Oberfläche des Gewebes einen Spalt zu bilden oder an der Oberfläche des Gewebes anzuliegen.
8. Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer zusammenhängenden oder unterbrochenen Auflagefläche, mit der die Vorrichtung bei der Messung auf das Gewebe aufgesetzt werden kann, wobei die Auflagefläche eine Fläche von mindestens 10 mm2, vorzugsweise mindestens 30 mm2, besonders vorzugsweise mindestens 1 cm2 einnimmt.
9. Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Fluid ein Elektrolyt, insbesondere eine Kochsalzlösung ist.
10. Instrument nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem der Auslass und/oder der Ein- lass in der Stirnfläche angeordnet ist bzw. sind.
11. Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung
mindestens eine erste und mindestens eine zweite Elektrode umfasst, zwischen denen eine Spannung anlegbar ist, und
eine Strommesseinrichtung umfasst, um einen elektrischen Strom zu messen, der zwischen der ersten und der zweiten Elektrode fließt, wobei die mindestens eine erste Elektrode und die mindestens eine zweite Elektrode so angeordnet sind, dass bei geeigneter Positionierung der Vorrichtung in Bezug auf das Gewebe zumindest ein Teil des elektrischen Stromes durch einen Ionenstrom in einem Elektrolyten in einem Spalt zwischen der Vorrichtung und dem Gewebe gebildet werden kann.
12. Instrument nach Anspruch 11, bei dem die mindestens eine erste Elelctrode in einem Fluidkanal angeordnet ist, der mit dem Auslass verbunden ist, und/oder
bei der die mindestens eine zweite Elelctrode in einem Fluidkanal angeordnet ist, der mit dem Einlass verbunden ist, wobei die mindestens eine erste Elektrode und/oder die mindestens eine zweite Elektrode vorzugsweise durch eine leitende Auskleidung zumindest eines Teils des jeweiligen Fluidkanals gebildet ist.
13. Instrument nach Anspruch 7 und Anspruch 11 oder 12, bei der die mindestens eine erste Elelctrode und/oder die mindestens eine zweite Elektrode in einer Vertiefung in der Stirnfläche oder in einem Kanal angeordnet ist, der in die Stirnfläche mündet.
14. Instrument nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13, das mindestens zwei zweite Elektroden, vorzugsweise mindestens drei zweite Elektroden und besonders vorzugsweise mindestens vier zweite Elektroden umfasst, wobei zwischen jeder der zweiten Elektroden und der mindestens einen ersten Elelctrode eine Spannung anlegbar ist.
15. Instrument nach Anspruch 14, bei dem
die mindestens eine erste Elelctrode in einem radial inneren Abschnitt der Stirnfläche angeordnet ist, und
mindestens zwei zweite Elektroden in oder in der Nähe von verschiedenen, radial äußeren Abschnitten der Stirnfläche angeordnet sind.
16. Instrument nach Ansprach 15, bei dem die Mittel zum Positionieren dazu eingerichtet sind, durch Vergleich der Ströme durch die mindestens zwei zweiten Elektroden eine Verkippung der Stirnfläche in Bezug auf die Oberfläche des Gewebes zu detektieren.
17. Instrument nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite Elelctrode so in Bezug auf den Auslass und/oder den Ein- lass angeordnet sind, dass zumindest ein Teil des elektrischen Stromes zwischen der mindestens einen ersten und der mindestens einen zweiten Elektrode durch einen Ionenstrom in dem verformten Bereich des Gewebes gebildet werden kann, und wobei die für die Verformung kennzeichnende Größe durch den Stromfluss zwischen der mindestens einen ersten und der mindestens einen zweiten Elektrode gebildet wird.
18. Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Mittel zum Positionieren der Vorrichtung in Bezug auf das Gewebe mindestens einen Abstandshalter umfassen.
19. Instrument nach Anspruch 18, bei dem der mindestens eine Abstandshalter ringförmig um den Auslass oder den Einlass herum angeordnet ist bzw. sind.
20. Instrument nach einem der Ansprüche 18 und 19, bei dem der mindestens eine Abstandshalter über die Stirnfläche vorsteht.
21. Instrument nach einem der Ansprüche 11 oder 13 bis 17, bei dem die zweite Elektrode auf der Stirnfläche angeordnet ist, und
bei dem die Mittel zum Positionieren der Vorrichtung in Bezug auf das Gewebe vorzugsweise durch die Stirnfläche gebildet wird, die an das Gewebe anzulegen ist.
22. Instrument nach einem der vorgehenden Ansprüche, mit einer Mehrzahl von Auslässen oder Einlassen, die nebeneinander angeordnet sind,
wobei die Anzahl von Auslässen oder Einlassen mindestens 4, vorzugsweise mindestens 10, besonders vorzugsweise mindestens 50 und insbesondere mindestens 100 beträgt,
wobei vorzugsweise zumindest dem überwiegenden Teil der Auslässe bzw. Einlasse zugehörige Elektroden zur Ionenstrommessung zugeordnet sind.
23. Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Auslass durch eine Düse gebildet wird,
insbesondere durch eine Düse, deren Querschnitt, Form und/oder Austrittswinkel verstellbar ist.
24. Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Druckes in einem Kanal, der mit dem Auslass verbunden ist und/oder mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Unterdruckes in einem Kanal, der mit dem Einlass verbunden ist.
Instrument nach Ansprach 24, bei dem die Einrichtung zum Erzeugen des Druckes folgendes umfasst:
- eine externe Druckquelle, die mit der Vorrichtung durch eine Druckleitung verbunden ist,
- eine in der Vorrichtung vorgesehene Druckerzeugungseinrichtung, insbesondere eine Druckerzeugungseinrichtung mit einem oder mehreren piezoelektrischen Aktoren, oder
- eine auswechselbare Kartusche, die mit einem unter Druck befindlichen Fluid, insbesondere Gas, gefüllt ist.
26. Instrument nach Anspruch 24 oder 25, bei dem die Einrichtung zum Erzeugen des Druckes geeignet ist, ein zeitabhängiges Druckprofil zu erzeugen und/oder die Einrichtung zum Erzeugen des Unterdruckes geeignet ist, ein zeitabhängiges Unterdruckprofil zu erzeugen,
wobei die Einrichtung zum Messen der für die Verformung des Gewebes kennzeichnenden Größe geeignet ist, diese Größe zeitaufgelöst zu messen.
27. Instrument nach einem der Ansprüche 11 bis 26, das mindestens zwei zweite Elektroden umfasst, und das eine Datenverarbeitungseinrichtung umfasst oder mit einer Datenverarbeitungseinrichtung verbunden ist, die geeignet ist, durch Vergleich der Ströme durch die mindestens zwei zweiten Elektroden eine laterale Variation in der Elastizität zu bestimmen.
Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die für die Verformung des Gewebes kennzeichnende Größe durch eine Kombination aus einem Volumenstrom des Fluidstrahls und dem zum Erzeugen des Fluidstrahls aufgewandten Druckes gebildet ist.
29. Verfahren zum Messen der Elastizität von Gewebe eines lebenden Menschen oder Tieres mithilfe einer Vorrichtung zur Messung der Elastizität, die Teil eines diagnostischen oder chirurgischen Instrumentes ist, das folgendes umfasst:
Positionieren des diagnostischen oder chirurgischen Instrumentes von Hand oder mithilfe eines chirurgischen Roboters in Bezug auf das Gewebe,
- derart, dass sich
• ein Auslass und/oder ein Einlass der Vorrichtung und/oder
© eine Stirnfläche der Vorrichtung in einem vorbestimmten Abstand von dem Gewebe befindet, oder
- unter Bestimmung des Abstandes des Auslasses und/oder des Einlasses von dem Gewebe,
Erzeugen eines Fluidstrahls durch den Auslass in Richtung auf das Gewebe und/oder Ansaugen eines Fluidstromes durch den Einlass, und
Messen einer Größe, die kennzeichnend für die Verformung des Gewebes aufgrund einer Wechselwirkung des Gewebes mit dem Fluidstrahl und/oder dem angesaugten Fluidstrom ist,
wobei diese Größe durch
- einen Ionenstrom im Verformungsbereich des Gewebes, oder
- den Volumenstrom des Fluides selbst beziehungsweise - für den Fall, dass das Fluid durch das elastische Gewebe eingeschlossen ist - durch eine Volumenänderung und zugehörige Druckänderung im eingeschlossenen Fluid, bestimmt wird.
30. Verfahren nach Anspruch 29, bei dem die Vorrichtung mindestens eine erste und mindestens eine zweite Elektrode umfasst,
bei dem eine Spannung zwischen der mindestens einen ersten und der mindestens einen zweiten Elektrode angelegt wird, und
bei dem ein Ionenstrom in einem Elektrolyten in einem Spalt zwischen der Vorrichtung und dem Gewebe gemessen wird.
31. Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, bei dem zwei zweite Elelctroden vorgesehen sind, und bei dem durch Vergleich der Ströme durch die mindestens zwei zweiten Elektroden eine Verkippung einer Stirnfläche der Vorrichtung in Bezug auf die Oberfläche des Gewebes detektiert wird.
Verfaliren nach einem der Ansprüche 30 oder 31, bei dem die für die Verformung kennzeichnende Größe durch den Stromfluss zwischen der mindestens einen ersten und der mindestens einen zweiten Elektrode gebildet wird, wobei zumindest ein Teil des Stromes durch einen Ionenstrom in dem verformten Bereich des Gewebes gebildet wird.
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