Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen eine Vorrichtung zur invasiven Bestimmung von biologischem Material, insbesondere eine Vorrichtung, die für eine Führung bzw. Navigation einer Kanüle in biologischem Material das Material benachbart zur Kanülenspitze bestimmt.Embodiments of the present invention relate to an apparatus for the invasive determination of biological material, in particular a device which determines the material adjacent to the cannula tip for a guidance or navigation of a cannula in biological material.
Die Führung bzw. Navigation einer Kanüle in biologischem Gewebe ist eine bekannte Herausforderung in vielen Bereichen der Medizintechnik, wie z. B. bei der Blutgefäßpunktion, der gezielten Stimulation von Nerven und der Zufuhr von Medikamenten. Dabei ist insbesondere eine korrekte und präzise Positionierung der Kanülenspitze im Zielgewebe entscheidend. In der Regel wird die Kanüle hierzu fortwährend in das biologische Gewebe eingeführt, bis die Kanülenspitze die korrekte Position bzw. das Zielgewebe erreicht. Um eine Führung der Kanüle in biologischem Gewebe in Echtzeit zu ermöglichen, ist neben einer hohen räumlichen Auflösung ebenfalls eine hohe zeitliche Auflösung erforderlich.The guidance or navigation of a cannula in biological tissue is a known challenge in many areas of medical technology, such. As in the blood vessel puncture, the targeted stimulation of nerves and the supply of drugs. In particular, a correct and precise positioning of the cannula tip in the target tissue is crucial. As a rule, the cannula is continuously inserted into the biological tissue until the tip of the cannula reaches the correct position or the target tissue. In order to enable guidance of the cannula in biological tissue in real time, a high temporal resolution is required in addition to a high spatial resolution.
Bekannte Methoden zur Führung von Nadeln und Kanülen in biologischem Gewebe sind z. B. die Magnetresonanztomographie, die Computertomographie und die Sonographie. Die Magnetresonanztomographie und die Computertomographie weisen eine hohe räumliche Auflösung auf und ermöglichen somit eine präzise Positionierung der Kanülenspitze im Zielgewebe. Magnetresonanz- und Computertomographie-Einrichtungen erzeugen jedoch in der Regel nur stationäre Bilder, womit eine Führung der Kanüle in biologischem Gewebe in Echtzeit nicht möglich ist. Darüber hinaus sind Magnetresonanz- und Computertomographie-Einrichtungen sehr teuer, nur stationär einsetzbar und kompliziert in der Handhabung. Des Weiteren wird der Patient bei der Computertomographie einer elektromagnetischen Strahlung, in der Regel einer Röntgenstrahlung, ausgesetzt. Im Bereich der Sonographie sind mobile Einrichtungen bekannt. In der räumlichen Auflösung ist die Sonographie der Magnetresonanztomographie und der Computertomographie jedoch unterlegen. Ferner erzeugen Sonographieeinrichtungen in der Regel nur zwei dimensionale Bilder, womit eine dreidimensionale Führung der Kanüle in biologischem Gewebe nicht möglich ist. Darüber hinaus sind auf den erzeugten Bildern herkömmliche Nadeln und Kanülen nicht erkennbar, so dass der Einsatz von Nadeln und Kanülen erforderlich ist, die speziell für die Sonographie geeignet sind. Hinzu kommt bei der Sonographie die Notwendigkeit, die Position des Transmitters während der Führung bzw. Navigation der Kanüle konstant zu halten, was sich insbesondere bei mobilen Anwendungen als schwierig gestaltet.Known methods for guiding needles and cannulas in biological tissue are, for. As the magnetic resonance imaging, computed tomography and sonography. Magnetic resonance imaging and computed tomography have a high spatial resolution and thus allow a precise positioning of the cannula tip in the target tissue. Magnetic resonance and computed tomography devices, however, usually produce only stationary images, so that a guidance of the cannula in biological tissue in real time is not possible. In addition, magnetic resonance and computer tomography devices are very expensive, only stationary use and complicated to handle. Furthermore, in the case of computed tomography, the patient is exposed to electromagnetic radiation, as a rule X-ray radiation. In the field of sonography mobile devices are known. In the spatial resolution, however, the ultrasound of magnetic resonance imaging and computed tomography is inferior. Furthermore, ultrasound devices usually generate only two dimensional images, so that a three-dimensional guidance of the cannula in biological tissue is not possible. In addition, conventional needles and cannulas are not recognizable on the images produced, thus requiring the use of needles and cannulas that are especially suitable for sonography. In addition, in sonography there is a need to keep the position of the transmitter constant during the guidance or navigation of the cannula, which is particularly difficult in mobile applications.
Somit erfüllt keine der soeben aufgeführten Methoden die Anforderungen, die zeitkritische Situationen, wie z. B. eine medizinische Notfallhilfe, an die Führung bzw. Navigation von Nadeln und Kanülen stellen.Thus, none of the methods just listed meet the requirements that time-critical situations such. As a medical emergency aid to provide the leadership or navigation of needles and cannulas.
Eine weitere bekannte Methode zur Führung von Nadeln und Kanülen in biologischem Gewebe beruht auf der Impedanzspektroskopie. Die Impedanzspektroskopie basiert auf der Analyse von Impedanzspektren, die für jedes Gewebe charakteristisch sind. Hierzu werden über geeignete Elektroden mehrere Frequenzen an das Gewebe angelegt und die Gewebeantwort über eine Messeinrichtung erfasst. Die aus den Messergebnissen ableitbaren dielektrischen Gewebeeigenschaften können anschließend analysiert und zur Klassifizierung von biologischem Gewebe, wie z. B. von Fett, Muskeln und Blut, verwendet werden.Another known method for guiding needles and cannulas in biological tissue is based on impedance spectroscopy. Impedance spectroscopy is based on the analysis of impedance spectra characteristic of each tissue. For this purpose, several frequencies are applied to the tissue via suitable electrodes and the tissue response is detected by a measuring device. The derived from the measurement results dielectric tissue properties can then be analyzed and used to classify biological tissue, such. Of fat, muscle and blood.
In der Veröffentlichung ”Impedance-based tissue discrimination for needle guidance” von Kalvoy, L. Frich, S. Grimnes, O. G. Martinsen, P. K. Hol und A. Stubhaug wird beispielsweise ein Konzept zur Führung von Nadeln aufgezeigt, das auf der Impedanzspektroskopie basiert. Das aufgezeigte Konzept benötigt jedoch eine zusätzliche Referenzelektrode und zeigt darüber hinaus lediglich eine gute räumliche Auflösung.In the publication Kalvoy, L. Frich, S. Grimnes, OG Martinsen, PK Hol and A. Stubhaug, "Impedance-based tissue discrimination for needle guidance" For example, a concept for guiding needles based on impedance spectroscopy is demonstrated. However, the concept shown requires an additional reference electrode and also shows only a good spatial resolution.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zur invasiven Bestimmung von biologischen Material zu schaffen, die eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung aufweist.The present invention is therefore based on the object to provide a device for the invasive determination of biological material having a high spatial and temporal resolution.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur invasiven Bestimmung von biologischem Material nach Anspruch 1, einem Verfahren nach Anspruch 14 oder einer Verwendung eines Chirp-Signals oder MLS-Signals nach Anspruch 15 gelöst.This object is achieved by a device for the invasive determination of biological material according to claim 1, a method according to claim 14 or a use of a chirp signal or MLS signal according to claim 15.
Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur invasiven Bestimmung von biologischem Material mit einem Signalgenerator, einer Einstechvorrichtung, einem Detektor und einer Auswerteeinrichtung. Der Signalgenerator ist ausgebildet, um ein Chirp-Signal oder MLS-Signal zu erzeugen. Die Einstechvorrichtung weist ein Einstechende sowie einen ersten elektrisch leitfähigen Leiter und einen zweiten elektrisch leitfähigen Leiter auf, wobei der erste und der zweite elektrisch leitfähige Leiter durch ein Isoliermaterial voneinander isoliert sind, zu dem Einstechende führen und an dem Einstechende frei liegen, wobei die Einstechvorrichtung ausgebildet ist, um das von dem Signalgenerator 102 erzeugte Signal an ein dem Einstechende benachbartes biologisches Material über den ersten und den zweiten elektrisch leitfähigen Leiter anzulegen und um ein von dem biologischen Material abhängiges Signal über den ersten und den zweiten elektrisch leitfähigen Leiter abzugreifen. Ferner ist der Detektor ausgebildet, um das abgegriffene Signal zu detektieren, wobei die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, um das detektierte Signal auszuwerten.The invention provides a device for the invasive determination of biological material with a signal generator, a piercing device, a detector and an evaluation device. The signal generator is configured to generate a chirp signal or MLS signal. The piercing device has a piercing end and a first electrically conductive conductor and a second electrically conductive conductor, wherein the first and the second electrically conductive conductor are insulated from each other by an insulating material, lead to the piercing end and exposed at the piercing end, wherein the piercing device is formed is to that of the signal generator 102 to apply generated signal to a biological material adjacent to the puncture via the first and the second electrically conductive conductor and to tap a signal dependent on the biological material via the first and the second electrically conductive conductor. Further, the detector is formed to the tapped Signal to detect, wherein the evaluation device is designed to evaluate the detected signal.
Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur invasiven Bestimmung von biologischem Material bei dem ein Chirp-Signal oder ein MLS-Signal erzeugt wird. Das erzeugte Signal wird an ein biologisches Gewebe über eine Einstechvorrichtung an das biologische Material angelegt, wobei die Einstechvorrichtung ein Einstechende sowie einen ersten elektrisch leitfähigen Leiter und einen zweiten elektrisch leitfähigen Leiter aufweist, wobei der erste und der zweite elektrisch leitfähige Leiter durch ein Isoliermaterial voneinander isoliert sind, zu dem Einstechende führen und an dem Einstechende frei liegen. Ferner wird ein von dem biologischen Material abhängiges Signal über die zumindest zwei voneinander isolierten elektrisch leitfähigen Leiter der Einstechvorrichtung abgegriffen. Des Weiteren wird das abgegriffene Signal detektiert und ausgewertet.The invention further provides a method for the invasive determination of biological material in which a chirp signal or an MLS signal is generated. The generated signal is applied to a biological tissue via a puncture device to the biological material, the puncture device having a piercing end and a first electrically conductive conductor and a second electrically conductive conductor, wherein the first and the second electrically conductive conductor by an insulating material from each other are, lead to the piercing and exposed at the piercing. Furthermore, a signal dependent on the biological material is picked off via the at least two mutually insulated electrically conductive conductors of the puncturing device. Furthermore, the tapped signal is detected and evaluated.
Bei der herkömmlichen Impedanzspektroskopie wird für die Bestimmung von biologischem Material ein Sinussignal mit steigender Frequenz (sweep) erzeugt, wobei bedingt durch den Zeitaufwand zum Durchlaufen des erforderlichen Frequenzspektrums eine hohe zeitliche Auflösung nicht realisierbar ist. Im Gegensatz dazu wird bei der vorliegenden Erfindung ein Chirp-Signal oder MLS-Signal erzeugt, das einen breiten Frequenzbereich und eine Periodendauer von 100 ms oder weniger oder eine Periodendauer von 50 ms oder weniger aufweist. Innerhalb dieser 100 ms oder weniger bzw. 50 ms oder weniger werden somit die für die Bestimmung des biologischen Materials erforderlichen Frequenzen an das biologische Material angelegt, wodurch eine hohe zeitliche Auflösung gegeben ist. Durch die Einstechvorrichtung, die das Chirp-Signal oder MLS-Signal direkt an dem Einstechende an das biologische Material über zumindest zwei elektrisch leitfähige Leiter anlegt und am Einstechende ein von dem biologischen Material abhängiges Signal über die zumindest zwei elektrisch leitfähigen Leiter abgreift, ist darüber hinaus, im Gegensatz zur bekannten Impedanzspektroskopie, gleichzeitig eine hohe räumliche Auflösung und eine hohe zeitliche Auflösung gegeben.In conventional impedance spectroscopy, a sinusoidal signal with increasing frequency (sweep) is generated for the determination of biological material, whereby a high temporal resolution can not be achieved due to the time required to run through the required frequency spectrum. In contrast, in the present invention, a chirp signal or MLS signal having a wide frequency range and a period of 100 ms or less or a period of 50 ms or less is generated. Within this 100 ms or less or 50 ms or less, therefore, the frequencies required for the determination of the biological material are applied to the biological material, whereby a high temporal resolution is given. The puncturing device, which applies the chirp signal or MLS signal directly to the puncture end to the biological material via at least two electrically conductive conductors and picks up a signal dependent on the biological material via the at least two electrically conductive conductors at the puncturing end, is beyond that , in contrast to the known impedance spectroscopy, given at the same time a high spatial resolution and a high temporal resolution.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung sind der erste und der zweite elektrisch leitfähige Leiter koaxial angeordnet, um einen koaxialen Leiter zu bilden, wobei der erste elektrisch leitfähige Leiter ein koaxialer Innenleiter und der zweite elektrisch leitfähige Leiter ein koaxialer Außenleiter ist.In embodiments of the invention, the first and second electrically conductive conductors are coaxially arranged to form a coaxial conductor, wherein the first electrically conductive conductor is a coaxial inner conductor and the second electrically conductive conductor is a coaxial outer conductor.
Ferner ist bei Ausführungsbeispielen der Erfindung der koaxiale Außenleiter ausgebildet, um in biologisches Material einzudringen. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung wird das von dem Signalgenerator erzeugte Chirp-Signal (Zirpe-Signal) oder MLS-Signal (MLS = Maximum Length Sequence, dt. Folge maximaler Länge), die im Frequenzbereich mehrere Frequenzen aufweisen, über den ersten und den zweiten elektrisch leitfähigen Leiter an das biologische Material benachbart zum Einstechende angelegt, wobei das biologische Material wie eine frequenzabhängige komplexe Lastimpedanz wirkt, wodurch ein von dem biologischen Material abhängiges Signal hervorgerufen wird, das über den ersten und den zweiten elektrisch leitfähigen Leiter abgegriffen werden kann. Dieses Signal kann z. B. von dem Detektor detektiert und von der Auswerteeinrichtung ausgewertet werden, um das biologische Material benachbart zum Einstechende zu bestimmen.Further, in embodiments of the invention, the coaxial outer conductor is formed to penetrate biological material. In embodiments of the invention, the chirp signal (chirp signal) or MLS (Maximum Length Sequence) signal, which has a plurality of frequencies in the frequency domain, is electrically generated by the signal generator via the first and the second conductive conductor is applied to the biological material adjacent to the piercing, wherein the biological material acts as a frequency-dependent complex load impedance, whereby a signal dependent on the biological material signal is generated, which can be tapped via the first and the second electrically conductive conductor. This signal can z. B. detected by the detector and evaluated by the evaluation device to determine the biological material adjacent to the piercing.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung weist die Vorrichtung zur invasiven Bestimmung von biologischem Material eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung auf, wodurch eine dynamische Führung bzw. Navigation von Nadeln und Kanülen in biologischem Material in Echtzeit möglich ist.In embodiments of the invention, the device for the invasive determination of biological material has a high temporal and spatial resolution, whereby a dynamic guidance or navigation of needles and cannulas in biological material in real time is possible.
Ferner kann bei Ausführungsbeispielen der Erfindung der koaxiale Innenleiter zusammen mit dem Isoliermaterial aus den koaxialen Außenleiter entfernt werden, um eine Kanüle zu bilden und um z. B. nach dem Erreichen der korrekten Position bzw. des Zielmaterials z. B. eine Zufuhr von Medikamenten zu ermöglichen.Further, in embodiments of the invention, the coaxial inner conductor can be removed together with the insulating material from the coaxial outer conductor to form a cannula and z. B. after reaching the correct position or the target material z. B. to allow a supply of drugs.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the present invention will be explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur invasiven Bestimmung von biologischem Material; 1 a schematic view of an embodiment of an apparatus for the invasive determination of biological material;
2 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Einstechvorrichtung; 2 a schematic view of an embodiment of the piercing device;
3 eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Einstechvorrichtung; 3 a schematic view of another embodiment of the puncture device;
4 eine schematische Ansicht eines beispielhaften elektrischen Ersatzschaltbildes der frequenzabhängigen Lastimpedanz des biologischen Materials benachbart zum Einstechende; 4 a schematic view of an exemplary electrical equivalent circuit diagram of the frequency-dependent load impedance of the biological material adjacent to the piercing end;
5 eine graphische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Chirp-Signals im Zeitbereich; 5 a graphical view of an embodiment of a chirp signal in the time domain;
6 eine graphische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Chirp-Signals im Frequenzbereich; 6 a graphical view of an embodiment of a chirp signal in the frequency domain;
7 eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zur invasiven Bestimmung von biologischem Material, wobei das Chirp-Signal als Spannung an das biologische Material angelegt wird. 7 a schematic view of another embodiment of the apparatus for the invasive determination of biological material, wherein the chirp signal is applied as a voltage to the biological material.
8 eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zur invasiven Bestimmung von biologischem Material, wobei das Chirp-Signal als Strom in das biologische Material eingeprägt wird. 8th a schematic view of another embodiment of the device for the invasive determination of biological material, wherein the chirp signal is impressed as a current in the biological material.
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In the following description of the embodiments of the invention, identical or equivalent elements are provided with the same reference numerals in the figures.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 100 zur invasiven Bestimmung von biologischem Material. Bei Ausführungsbeispielen ist der Begriff „invasiv” sowohl auf lebendes als auch auf nichtlebendes biologisches Material, z. B. auf lebendes und nichtlebendes biologisches Gewebe, anwendbar. Die Vorrichtung 100 zur invasiven Bestimmung von biologischem Material ist somit bei Ausführungsbeispielen ausgebildet, um lebendes und/oder nichtlebendes biologisches Material zu bestimmen. 1 shows a schematic view of an embodiment of a device 100 for the invasive determination of biological material. In embodiments, the term "invasive" is meant to refer to both living and non-living biological material, e.g. B. on living and non-living biological tissue, applicable. The device 100 for the invasive determination of biological material is thus formed in embodiments to determine living and / or non-living biological material.
Bei Ausführungsbeispielen weist die Vorrichtung 100 einen Signalgenerator 102 zur Erzeugung eines Chirp-Signals (Zirpe-Signals) auf. Das Chirp-Signal ist ein zeitlich veränderliches Signal mit steigender Frequenz, wobei bei Ausführungsbeispielen der Frequenzbereich bzw. Spektralbereich des erzeugten Chirp-Signals für die Bestimmung von biologischem Material optimiert ist. Hierzu kann bei Ausführungsbeispielen das Chirp-Signal niederfrequent sein und z. B. Frequenzen im Bereich von 0 Hz bis 1 MHz aufweisen, wobei sich der Frequenzbereich bei manchen Ausführungsbeispielen nicht über den gesamten Bereich erstreckt. Ferner ist der Signalgenerator 102 bei Ausführungsbeispielen ausgebildet, um ein periodisches Chirp-Signal zu Erzeugen und um den erforderlichen Frequenzbereich innerhalb von 100 ms oder weniger zu durchlaufen, wodurch eine Bestimmung des biologischen Materials von mindestens 10 Mal pro Sekunde gegeben ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist der Signalgenerator ausgebildet, um den erforderlichen Frequenzbereich innerhalb von 50 ms oder weniger zu durchlaufen, wodurch eine Bestimmung des biologischen Materials von mindestens 20 Mal pro Sekunde gegeben ist. Bei Ausführungsbeispielen ist das Chirp-Signal ein periodisches Signal mit steigender Frequenz mit einer Periodendauer von 100 ms oder weniger bzw. von 50 ms oder weniger. Dies schafft somit die Voraussetzung für eine hohe zeitliche Auflösung, die bei der Erzeugung eines herkömmlichen Sinussignals mit steigender Frequenz (sweep), bedingt durch den Zeitaufwand zum Durchlaufen des erforderlichen Frequenzspektrums, nicht realisierbar ist.In embodiments, the device 100 a signal generator 102 for generating a chirp signal (Chirp signal). The chirp signal is a time-varying signal with increasing frequency, wherein in embodiments the frequency range or spectral range of the generated chirp signal is optimized for the determination of biological material. For this purpose, in embodiments, the chirp signal may be low-frequency and z. B. frequencies in the range of 0 Hz to 1 MHz, wherein the frequency range does not extend over the entire range in some embodiments. Further, the signal generator 102 in embodiments, to generate a periodic chirp signal and to pass through the required frequency range within 100 ms or less, thereby providing a biological material determination of at least 10 times per second. In other embodiments, the signal generator is configured to pass through the required frequency range within 50 ms or less, thereby providing a biological material determination of at least 20 times per second. In embodiments, the chirp signal is a periodic signal of increasing frequency with a period of 100 ms or less, or 50 ms or less. This thus creates the prerequisite for a high temporal resolution, which is not feasible in the generation of a conventional sine signal with increasing frequency (sweep), due to the time required to pass through the required frequency spectrum.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Signalgenerator 102 ferner ausgebildet sein, um ein MLS-Signal (MLS = Maximum Length Sequence, dt. Folge maximaler Länge) zu erzeugen. Das MLS-Signal ist eine zufällige periodische binäre Sequenz, die die Werte 1 und 0 aufweisen kann. Bei Ausführungsbeispielen kann ferner ein Signal erzeugt werden, bei dem anstelle von dem Wert 0, der Wert –1 verwendet wird. Das MLS-Signal weist im Frequenzbereich ein flaches Spektrum ohne konstanten Anteil auf und ist somit einem weißen Rauschen relativ ähnlich. Bei Ausführungsbeispielen ist das MLS-Signal ein pseudozufälliges periodisches binäres Signal mit einer Periodendauer von 100 ms oder weniger bzw. von 50 ms oder weniger.In embodiments, the signal generator 102 Furthermore, it can be designed to generate a MLS signal (MLS = Maximum Length Sequence). The MLS signal is a random periodic binary sequence, which may have the values 1 and 0. Further, in embodiments, a signal may be generated using the value -1 instead of the value 0. The MLS signal has a flat spectrum with no constant component in the frequency domain and is therefore relatively similar to white noise. In embodiments, the MLS signal is a pseudorandom periodic binary signal having a period of 100 ms or less, or 50 ms or less.
Die Vorrichtung 100 zur invasiven Bestimmung von biologischem Material weist ferner einen Detektor 104 und eine Einstechvorrichtung 106 mit einem Einstechende 108 auf. Die Einstechvorrichtung 106 weist einen ersten elektrisch leitfähigen Leiter 116 und einen zweiten elektrisch leitfähigen Leiter 118 auf, wobei der erste und der zweite elektrisch leitfähige Leiter 116 und 118 durch ein Isoliermaterial 120 voneinander isoliert sind, zu dem Einstechende 108 führen und an dem Einstechende frei liegen. Wird die Einstechvorrichtung 106 z. B. in biologisches Material eingeführt, so wird das von dem Signalgenerator 102 erzeugte Chirp-Signal oder MLS-Signal über den ersten und den zweiten elektrisch leitfähigen Leiter 116 und 118 an das biologische Material benachbart zu dem Einstechende 108 angelegt. Dabei wirkt das biologische Material wie eine frequenzabhängige komplexe Lastimpedanz, wodurch ein von dem biologischen Material abhängiges Signal hervorgerufen wird, das über den ersten und den zweiten elektrisch leitfähigen Leiter 116 und 118 abgegriffen werden kann. Dabei weisen unterschiedliche Materialarten, wie z. B. Fett, Muskeln und Blut, jeweils eine unterschiedliche charakteristische frequenzabhängige Lastimpedanz auf. Durch das Chirp-Signal oder MLS-Signal, die mehrere Frequenzen aufweisen, ist es somit möglich, die charakteristische frequenzabhängige Lastimpedanz des biologischen Materials benachbart zum Einstechende 108 und somit die Materialart zu bestimmen.The device 100 for the invasive determination of biological material further comprises a detector 104 and a puncture device 106 with a piercing 108 on. The puncture device 106 has a first electrically conductive conductor 116 and a second electrically conductive conductor 118 on, wherein the first and the second electrically conductive conductor 116 and 118 through an insulating material 120 isolated from each other, to the piercing 108 lead and be exposed at the piercing. Will the puncture device 106 z. B. introduced into biological material, so is the signal generator 102 generated chirp signal or MLS signal via the first and the second electrically conductive conductor 116 and 118 to the biological material adjacent to the puncture end 108 created. In this case, the biological material acts as a frequency-dependent complex load impedance, whereby a signal dependent on the biological material signal is caused, via the first and the second electrically conductive conductor 116 and 118 can be tapped. Here have different types of materials, such. As fat, muscle and blood, each have a different characteristic frequency-dependent load impedance. It is thus possible by the chirp signal or MLS signal having multiple frequencies, the characteristic frequency-dependent load impedance of the biological material adjacent to the piercing end 108 and thus to determine the type of material.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Signalgenerator 102 z. B eine ansteuerbare Spannungsquelle aufweisen, die ein Chirp-Signal erzeugt, wodurch das Chirp-Signal über den ersten und den zweiten elektrisch leitfähigen Leiter als Spannung an das biologische Material angelegt wird, wobei durch die frequenzabhängige komplexe Lastimpedanz des biologischen Materials ein charakteristischer Stromfluss hervorgerufen wird und von dem ersten und dem zweiten elektrisch leitfähigen Leiter geführt wird.In one embodiment, the signal generator 102 z. B having a controllable voltage source that generates a chirp signal, whereby the chirp signal is applied across the first and second electrically conductive conductors as a voltage to the biological material, wherein a characteristic current flow is caused by the frequency-dependent complex load impedance of the biological material and guided by the first and second electrically conductive conductors.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Signalgenerator 102, z. B. eine ansteuerbare Stromquelle aufweisen, die ein Chirp-Signal erzeugt, wodurch das Chirp-Signal über den ersten und den zweiten elektrisch leitfähigen Leiter als Strom in das biologische Material eingeprägt wird, wobei durch die frequenzabhängige komplexe Lastimpedanz des biologischen Materials ein charakteristischer Spannungsabfall zwischen dem ersten und den zweiten elektrisch leitfähigen Leiter hervorgerufen wird. Dieser von dem biologischen Material abhängiger charakteristischer Spannungsabfall kann über den ersten und den zweiten elektrisch leitfähigen Leiter abgegriffen werden.In a further embodiment, the signal generator 102 , z. Legs have controllable current source which generates a chirp signal, whereby the chirp signal is impressed via the first and the second electrically conductive conductor as a current in the biological material, wherein the frequency-dependent complex load impedance of the biological material, a characteristic voltage drop between the first and second the second electrically conductive conductor is caused. This characteristic voltage drop, which depends on the biological material, can be tapped off via the first and the second electrically conductive conductors.
Die Vorrichtung 100 zur invasiven Bestimmung von biologischem Material weist ferner einen Detektor 104 auf, der ausgebildet ist, um das abgegriffene Signal zu detektieren. Bei Ausführungsbeispielen kann der Detektor z. B. ausgebildet sein, um ein Spannungswert und/oder ein Stromwert des abgegriffenen Signals zu detektieren. Ferner weist die Vorrichtung 100 eine Auswerteeinrichtung auf, die ausgebildet ist, um das von dem Detektor 104 detektierte Signal auszuwerten, um das biologische Material benachbart zum Einstechende 108 zu bestimmen. Bei Ausführungsbeispielen kann die Auswerteeinrichtung die Materialart z. B. rechnerisch aus dem angelegten Chirp-Signal und dem detektierten Signal ermitteln. Die Auswerteeinrichtung 110 kann ferner eine Ausgabe 111 aufweisen, die ausgebildet ist, um die Materialart auszugeben.The device 100 for the invasive determination of biological material further comprises a detector 104 which is configured to detect the tapped signal. In embodiments, the detector z. B. be formed to detect a voltage value and / or a current value of the tapped signal. Furthermore, the device 100 an evaluation device which is designed to be that of the detector 104 detect detected signal to the biological material adjacent to the piercing 108 to determine. In embodiments, the evaluation device, the type of material z. B. calculated from the applied chirp signal and the detected signal. The evaluation device 110 may also have an output 111 which is designed to output the type of material.
Die Vorrichtung 100 zur invasiven Bestimmung von biologischem Material ist jedoch nicht auf die Klassifizierung von biologischen Materialien beschränkt, sondern vielmehr kann die Vorrichtung 100 zur invasiven Bestimmung von biologischem Material bei Ausführungsbeispielen ausgebildet sein, um charakteristische Eigenschaften von biologischem Material gleicher Materialart bzw. Materialklasse zu bestimmen. So kann bei Ausführungsbeispielen die Vorrichtung 100 zur invasiven Bestimmung von biologischem Material z. B. ausgebildet sein, um zu bestimmen, ob ein Tumor gutartig oder bösartig ist.The device 100 However, for the invasive determination of biological material is not limited to the classification of biological materials, but rather the device 100 be designed for invasive determination of biological material in embodiments to determine characteristic properties of biological material of the same material or material class. Thus, in embodiments, the device 100 for the invasive determination of biological material z. B. be designed to determine whether a tumor is benign or malignant.
In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Signalgenerator 102, der Detektor 104 und die Einstechvorrichtung 106 beispielhaft über eine Messleitung 112 miteinander verbunden. Ferner können die Einstechvorrichtung 106 und die Messleitung 112 z. B. über ein optionales Verbindungselement 114 verbunden sein, wobei das Verbindungselement 114 ausgebildet sein kann, um die Einstechvorrichtung 106 von der Messleitung 112, z. B. nach dem Erreichen der korrekten Position bzw. des Zielmaterials, zu trennen.In the in 1 embodiment shown are the signal generator 102 , the detector 104 and the puncture device 106 exemplarily via a measuring line 112 connected with each other. Furthermore, the puncture device 106 and the measuring line 112 z. B. via an optional connection element 114 be connected, wherein the connecting element 114 may be formed to the puncture device 106 from the measuring line 112 , z. B. after reaching the correct position or the target material to separate.
2 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Einstechvorrichtung 106. Der erste elektrisch leitfähige Leiter 116 und der zweite elektrisch leitfähige Leiter 118 sind koaxial angeordnet, um einen koaxialen Leiter zu bilden, wobei der erste elektrisch leitfähige Leiter 116 der koaxiale Innenleiter 116 und der zweite elektrisch leitfähige Leiter 118 der koaxiale Außenleiter 118 ist. Der koaxiale Innenleiter 116 und der koaxiale Außenleiter 118 sind ferner durch das Isoliermaterial 120 voneinander isoliert. Der koaxiale Außenleiter 118 kann ferner ausgebildet sein, um in biologisches Material einzudringen, wobei die Einstechvorrichtung 106 bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ein schräges Einstechende 108 und somit die Form einer Nadel aufweist. Bei Ausführungsbeispielen kann der koaxiale Innenleiter 116 zusammen mit dem Isoliermaterial 120 aus dem koaxialen Außenleiter 118 entfernt werden, um ferner eine Hohlnadel bzw. Kanüle zu bilden. Darüber hinaus kann das Verbindungselement 114 ausgebildet sein, um die Messleitung 112 von der Einstechvorrichtung 106 zu trennen, um z. B. nach den Erreichen der korrekten Position bzw. des Zielmaterials eine Zufuhr von z. B. Medikamenten zu ermöglichen. Die erfindungsgemäße Einstechvorrichtung 106, die die Form einer Nadel oder Kanüle aufweist, ist darüber hinaus für die Impedanzmessung des biologischen Materials benachbart zum Einstechende 108 optimiert, wobei der im inneren der Kanüle angeordnete koaxiale Leiter z. B. als abgeschirmter Leiter verwendet werden kann. Das Einstechende 108 bildet dabei eine koaxiale Sonde, so dass am Einstechende 108 das vom Signalgenerator 102 erzeugte Chirp-Signal an das biologische Material benachbart zum Einstechende angelegt werden kann. 2 shows a schematic view of an embodiment of the puncture device 106 , The first electrically conductive conductor 116 and the second electrically conductive conductor 118 are coaxially arranged to form a coaxial conductor, wherein the first electrically conductive conductor 116 the coaxial inner conductor 116 and the second electrically conductive conductor 118 the coaxial outer conductor 118 is. The coaxial inner conductor 116 and the coaxial outer conductor 118 are further by the insulating material 120 isolated from each other. The coaxial outer conductor 118 may further be configured to penetrate biological material, wherein the puncture device 106 at the in 2 shown embodiment, an oblique piercing 108 and thus has the shape of a needle. In embodiments, the coaxial inner conductor 116 together with the insulating material 120 from the coaxial outer conductor 118 are removed to further form a hollow needle or cannula. In addition, the connecting element 114 be trained to the measuring line 112 from the puncture device 106 to separate, for. B. after reaching the correct position or the target material, a supply of z. B. to allow drugs. The puncture device according to the invention 106 , which is in the form of a needle or cannula, is also adjacent to the puncture end for the impedance measurement of the biological material 108 optimized, wherein the arranged inside the cannula coaxial conductor z. B. can be used as a shielded conductor. The piercing 108 forms a coaxial probe, so that at the piercing end 108 that from the signal generator 102 generated chirp signal can be applied to the biological material adjacent to the piercing.
3 zeigt eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Einstechvorrichtung 106. Der erste elektrisch leitfähige Leiter 116 und der zweite elektrisch leitfähige Leiter 118 sind koaxial angeordnet, um einen koaxialen Leiter zu bilden, wobei der erste elektrisch leitfähige Leiter 116 der koaxiale Innenleiter und der zweite elektrisch leitfähige Leiter 118 der koaxiale Außenleiter ist. Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der koaxiale Innenleiter 121 darüber hinaus rohrförmig ausgebildet, um eine Kanüle zu bilden, um z. B. nach dem Erreichen der korrekten Position bzw. des Zielmaterials z. B. eine Gefäßpunktion zu ermöglichen. 3 shows a schematic view of another embodiment of the puncture device 106 , The first electrically conductive conductor 116 and the second electrically conductive conductor 118 are coaxially arranged to form a coaxial conductor, wherein the first electrically conductive conductor 116 the coaxial inner conductor and the second electrically conductive conductor 118 the coaxial outer conductor is. At the in 3 embodiment shown is the coaxial inner conductor 121 beyond tubular designed to form a cannula to z. B. after reaching the correct position or the target material z. B. to allow a vascular puncture.
Die Einstechvorrichtung 106 ist jedoch nicht auf die in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern vielmehr kann die Einstechvorrichtung 106 z. B. zumindest einen weiteren elektrisch leitfähigen Leiter aufweisen, der durch das Isoliermaterial 120 von dem ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Leiter 116 und 118 isoliert ist, zu dem Einstechende 108 führt, und an dem Einstechende 108 frei liegt. Ferner kann die Einstechvorrichtung 106 bei einem Ausführungsbeispiel ein nichtleitendes Material aufweisen, das beidseitig mit jeweils einer elektrisch leitfähigen Schicht bedeckt ist, wobei das nichtleitende Material z. B. die Form einer Nadel oder Kanüle aufweist und wobei die beiden elektrisch leitfähigen Schichten voneinander isoliert sind. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Einstechvorrichtung 106 z. B. einen oder mehrere elektrisch leitfähige Leiter aufweisen, die innen und/oder außen auf einer Nadel oder Kanüle angeordnet sind und die ausgebildet sind, um das vom Signalgenerator 102 erzeugte Signal and das dem Einstechende 108 benachbarte biologische Material anzulegen.The puncture device 106 is not on the in the 2 and 3 shown embodiments, but rather the puncture device 106 z. B. at least one further electrically conductive conductor, by the insulating material 120 from the first and second electrically conductive conductors 116 and 118 is isolated to the piercing 108 leads, and at the piercing 108 is free. Furthermore, the puncture device 106 in one embodiment, a non-conductive material, which is covered on both sides with an electrically conductive layer, wherein the non-conductive material z. B. the shape a needle or cannula and wherein the two electrically conductive layers are insulated from each other. In another embodiment, the puncture device 106 z. B. have one or more electrically conductive conductors which are arranged inside and / or outside on a needle or cannula and which are adapted to that of the signal generator 102 generated signal and that the piercing 108 create adjacent biological material.
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich beispielhaft auf die Einstechvorrichtung 106 aus 2, die die Form einer Nadel oder Kanüle aufweist. Die Ausführungsbeispiele sind jedoch genauso auf andere Einstechvorrichtungen 106, z. B. auf die in 3 gezeigte Einstechvorrichtung 106, anwendbar.The following embodiments of the invention relate by way of example to the puncture device 106 out 2 which is in the form of a needle or cannula. However, the embodiments are just as on other puncturing devices 106 , z. B. on the in 3 shown piercing device 106 , applicable.
4 zeigt eine schematische Ansicht eines beispielhaften elektrischen Ersatzschaltbildes der frequenzabhängigen Lastimpedanz des biologischen Materials benachbart zum Einstechende 108. Das Ersatzschaltbild entspricht dem Cole-Cole-Modell und bildet die frequenzabhängige Lastimpedanz des biologischen Materials zwischen dem koaxialen Innenleiter 116 und dem koaxialen Außenleiter 118 über die Ohmschen Widerstände Re und Ri sowie die Kapazität Cm ab. Der Ohmsche Widerstand Ri und die Kapazität Cm sind in Reihe geschaltet und bilden den frequenzabhängigen Anteil der Lastimpedanz ab. Parallel dazu ist der Ohmsche Widerstand Re zwischen dem koaxialen Innenleiter 116 und dem koaxialen Außenleiter 118 geschaltet. 4 FIG. 12 is a schematic view of an exemplary equivalent electrical circuit diagram of the frequency dependent load impedance of the biological material adjacent the piercing end. FIG 108 , The equivalent circuit corresponds to the Cole-Cole model and forms the frequency-dependent load impedance of the biological material between the coaxial inner conductor 116 and the coaxial outer conductor 118 via the ohmic resistances R e and R i and the capacitance C m . The ohmic resistance R i and the capacitance C m are connected in series and form the frequency-dependent component of the load impedance. In parallel, the ohmic resistance R e between the coaxial inner conductor 116 and the coaxial outer conductor 118 connected.
Der Ohmsche Widerstand Re des elektrischen Ersatzschaltbildes entspricht der frequenzunabhängigen elektrischen Leitfähigkeit des biologischen Materials. Die Kapazität Cm bildet die Membrankapazität ab und weist bei niedrigen Frequenzen eine hohe Impedanz auf, wodurch diese den niederfrequenten Stromfluss durch das Zellinnere blockiert. Das innere Zellplasma wird in dem elektrischen Ersatzschaltbild von dem Widerstand Re abgebildet. Da die Parameter Re, Ri und Cm des elektrischen Ersatzschaltbildes für jede Materialart unterschiedlich sind, ist es möglich, das biologische Material anhand der frequenzabhängigen Impedanz zu bestimmen. Der Signalgenerator 102 der Vorrichtung 100 zur Bestimmung von biologischem Material, wie z. B. von Körpergewebe, erzeugt hierzu bei Ausführungsbeispielen ein Chirp-Signal mit einem für die Bestimmung von biologischem Material optimierten Frequenzbereich.The ohmic resistance R e of the electrical equivalent circuit corresponds to the frequency-independent electrical conductivity of the biological material. The capacitance C m maps the membrane capacitance and has a high impedance at low frequencies, blocking the low-frequency current flow through the cell interior. The inner cell plasma is imaged in the equivalent electrical circuit of the resistor R e . Since the parameters R e , R i and C m of the equivalent electrical circuit diagram are different for each type of material, it is possible to determine the biological material based on the frequency-dependent impedance. The signal generator 102 the device 100 for the determination of biological material, such. As of body tissue, this generates in embodiments, a chirp signal with an optimized for the determination of biological material frequency range.
5 zeigt eine graphische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines linearen Chirp-Signals im Zeitbereich. Dabei ist auf der horizontalen Achse die Zeit in μs und auf der vertikalen Achse die relative Amplitude des Chirp-Signals normiert auf den Wert eins aufgetragen. Das Chirp-Signal ist ein zeitlich veränderliches Signal mit steigender Frequenz, wobei die Frequenz bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel linear ansteigt. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Chirp-Signal eine nichtlineare, z. B. exponentiell, ansteigende Frequenz aufweisen. In dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Chirp-Signal ferner eine Periodendauer von 30 μs auf. D. h. innerhalb dieser 30 μs werden alle für die Bestimmung des biologischen Materials erforderlichen Frequenzen von dem Signalgenerator 102 erzeugt und können somit über die Einstechvorrichtung 106 an das biologische Material benachbart zum Einstechende 108 angelegt werden. 5 shows a graphical view of an embodiment of a linear chirp signal in the time domain. In this case, the time in μs is plotted on the horizontal axis and the relative amplitude of the chirp signal is normalized to the value of one on the vertical axis. The chirp signal is a time-varying signal with increasing frequency, the frequency at which in 5 shown embodiment increases linearly. In other embodiments, the chirp signal may be non-linear, e.g. B. exponential, increasing frequency. In the in 5 In the embodiment shown, the chirp signal also has a period of 30 μs. Ie. Within these 30 μs, all the frequencies required for the determination of the biological material are received by the signal generator 102 generated and can thus through the puncture device 106 to the biological material adjacent to the puncture 108 be created.
6 zeigt eine graphische Ansicht eines Ausführungsbeispiels des linearen Chirp-Signals aus 5 im Frequenzbereich. Dabei ist auf der horizontalen Achse die Frequenz in MHz und auf der vertikalen Achse die relative Amplitude normiert auf den Wert eins aufgetragen. Das Chirp-Signal weist für nahezu den gesamten Frequenzbereich bis zu einer Grenzfrequenz eine nahezu konstante Amplitude auf, wodurch das Chirp-Signal über nahezu den gesamten Frequenzbereich ein für die Bestimmung von biologischem Material optimiertes Signal-Rausch-Verhältnis aufweist. 6 shows a graphical view of an embodiment of the linear chirp signal 5 in the frequency domain. In this case, the frequency in MHz is plotted on the horizontal axis and the relative amplitude normalized to the value of one on the vertical axis. The chirp signal has a nearly constant amplitude for almost the entire frequency range up to a cut-off frequency, whereby the chirp signal has a signal-to-noise ratio optimized for the determination of biological material over almost the entire frequency range.
Das Chirp-Signal ist jedoch nicht auf das in den 5 und 6 gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern vielmehr kann ein Chirp-Signal mit einem für die Bestimmung von biologischem Material optimierten Spektrum auf verschiedene Arten konfiguriert und generiert werden. Hierzu kann bei Ausführungsbeispielen das Chirp-Signal niederfrequent sein und z. B. Frequenzen im Bereich von 0 Hz bis 1 MHz aufweisen, wobei sich der Frequenzbereich des Chirp-Signals bei manchen Ausführungsbeispielen nicht über den gesamten Bereich erstreckt.The chirp signal, however, is not that in the 5 and 6 Rather, a chirp signal having a spectrum optimized for the determination of biological material may be configured and generated in various ways. For this purpose, in embodiments, the chirp signal may be low-frequency and z. B. frequencies in the range of 0 Hz to 1 MHz, wherein the frequency range of the chirp signal does not extend over the entire range in some embodiments.
Bei höheren Frequenzen weisen unterschiedliche Materialarten in der Regel ein unterschiedliches frequenzabhängiges Verhalten auf, wobei bei Ausführungsbeispielen dieses frequenzabhängige Verhalten für die Bestimmung von biologischem Material genutzt wird. Ferner weist die Vorrichtung 100 zur invasiven Bestimmung von biologischem Material, bedingt durch den frequenzabhängigen Stromteilereffekt des biologischen Materials und durch die Verwendung des Chirp-Signals mit einer nahezu konstanten Amplitude über den gesamten Frequenzbereich, eine hohe Empfindlichkeit auf.At higher frequencies, different types of materials usually have a different frequency-dependent behavior, in embodiments, this frequency-dependent behavior is used for the determination of biological material. Furthermore, the device 100 for the invasive determination of biological material, due to the frequency-dependent current divider effect of the biological material and the use of the chirp signal with a nearly constant amplitude over the entire frequency range, a high sensitivity.
Für eine hohe zeitliche Auflösung ist es ferner erforderlich, alle relevanten Frequenzkomponenten des biologischen Materials innerhalb einer kurzen Zeit zu bestimmen. Hierzu ist bei Ausführungsbeispielen der Signalgenerator 102 ausgebildet, um ein periodisches Chirp-Signal zu Erzeugen und um den erforderlichen Frequenzbereich innerhalb von 100 ms oder weniger zu durchlaufen, wodurch eine Bestimmung des biologischen Materials von mindestens 10 Mal pro Sekunde gegeben ist. Bei Ausführungsbeispielen kann der Signalgenerator 102 ausgebildet sein, um den erforderlichen Frequenzbereich innerhalb von 50 ms oder weniger zu durchlaufen, wodurch eine Bestimmung des biologischen Materials von mindestens 20 Mal pro Sekunde gegeben ist. Dies schafft somit die Voraussetzung für eine hohe zeitliche Auflösung, die bei der Erzeugung eines herkömmlichen Sinussignals mit steigender Frequenz (sweep), bedingt durch den Zeitaufwand zum Durchlaufen des erforderlichen Frequenzspektrums, nicht realisierbar ist. Durch die Verwendung des Chirp-Signals werden somit alle für die Bestimmung des Impedanzspektrums erforderlichen Frequenzen durch den Signalgenerator innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums erzeugt und können über die Einstechvorrichtung 106 an das dem Einstechende 108 benachbarte biologische Material angelegt werden.For a high temporal resolution it is also necessary to determine all relevant frequency components of the biological material within a short time. For this purpose, in embodiments, the signal generator 102 designed to generate and transmit a periodic chirp signal to go through the required frequency range within 100 ms or less, which gives a biological material of at least 10 times per second. In embodiments, the signal generator 102 be configured to pass through the required frequency range within 50 ms or less, whereby a determination of the biological material of at least 20 times per second is given. This thus creates the prerequisite for a high temporal resolution, which is not feasible in the generation of a conventional sine signal with increasing frequency (sweep), due to the time required to pass through the required frequency spectrum. Through the use of the chirp signal, all frequencies required for the determination of the impedance spectrum are thus generated by the signal generator within a very short period of time and can be transmitted via the puncturing device 106 to the piercer 108 adjacent biological material can be created.
7 zeigt eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 100 zur invasiven Bestimmung von biologischem Material, wobei das Chirp-Signal als Spannung an das biologische Material angelegt wird. Die Vorrichtung 100 weist hierzu einen Signalgenerator 102 auf, der ausgebildet ist, um das Chirp-Signal zu erzeugen, wobei der Signalgenerator 102 technisch gesehen z. B. eine gesteuerte Spannungsquelle aufweisen kann. 7 shows a schematic view of another embodiment of the device 100 for the invasive determination of biological material, wherein the chirp signal is applied as a voltage to the biological material. The device 100 has a signal generator for this purpose 102 configured to generate the chirp signal, wherein the signal generator 102 technically z. B. may have a controlled voltage source.
Die Vorrichtung 100 weist ferner eine Einstechvorrichtung 106 auf, die z. B. die Form einer Kanüle aufweist. Durch die erfindungsgemäße Einstechvorrichtung 106 ist ein sehr schmaler Aufbau der Kanüle realisierbar. Bei Ausführungsbeispielen weist das Einstechende 108 eine Querschnittsfläche von 25 mm2 oder weniger auf, wobei die Querschnittsnormale parallel zum Wellenleiter bzw. zur Kanüle oder Nadel liegt. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel weist das Einstechende 108 eine Querschnittsfläche von 9 mm2 oder weniger auf. Darüber hinaus ist es nicht erforderlich, eine Kanüle zu verwenden, die an der Kanülenspitze Elektroden und/oder eine Messeinrichtung aufweist, sondern vielmehr es ist möglich, die erforderliche Messeinrichtung, wie z. B. den Signalgenerator 102, den Detektor 104 und die Auswerteeinrichtung 110, entfernt anzuordnen. Die entfernt angeordnete Messeinrichtung kann dabei über eine Messleitung 112, z. B. ein Koaxialkabel, mit der Einstechvorrichtung verbunden werden. Bei Ausführungsbeispielen ist der Signalgenerator 102 ferner ausgebildet, um ein niederfrequentes breitrandiges Chirp-Signal zu erzeugen. Bedingt durch den niedrigen Frequenzbereich, der bei Ausführungsbeispielen im Bereich von 0 Hz bis 1 MHz liegen kann, ist es nicht erforderlich, die Messleitung 112 und die Einstechvorrichtung 106 als Wellenleiter auszubilden, sondern vielmehr ist es z. B. möglich, eine herkömmliche kostengünstige Messleitung 112 zu verwenden. Bei Ausführungsbeispielen kann zur Berücksichtigung der parasitären Effekte, z. B. der parasitären Effekte der Messleitung 112 und der Einstechvorrichtung 106, eine Open-Charge-Kalibrierungsmessung bzw. eine Kalibrierungsmessung ohne Last durchgeführt werden. Bei einem anderen Ausführungsbeispielen kann zur Berücksichtigung der parasitären Effekte eine Short-Charge-Kalibrierungsmessung bzw. eine Kalibrierungsmessung mit einer kurzgeschlossenen Last durchgeführt werden.The device 100 also has a puncture device 106 on, the z. B. has the shape of a cannula. By the piercing device according to the invention 106 is a very narrow construction of the cannula realized. In embodiments, the piercing end 108 a cross-sectional area of 25 mm 2 or less, the cross-sectional normal being parallel to the waveguide, cannula or needle. In another embodiment, the puncture end 108 a cross-sectional area of 9 mm 2 or less. Moreover, it is not necessary to use a cannula having at the tip of the needle electrodes and / or a measuring device, but rather it is possible, the required measuring device, such as. B. the signal generator 102 , the detector 104 and the evaluation device 110 to arrange remotely. The remotely located measuring device can in this case via a measuring line 112 , z. As a coaxial cable to be connected to the puncture device. In embodiments, the signal generator is 102 further configured to generate a low frequency broad band chirp signal. Due to the low frequency range, which may be in embodiments in the range of 0 Hz to 1 MHz, it is not necessary, the measuring line 112 and the puncture device 106 form as a waveguide, but rather it is z. B. possible, a conventional inexpensive measuring line 112 to use. In embodiments, to account for the parasitic effects, such. B. the parasitic effects of the measuring line 112 and the puncture device 106 , an open-batch or non-load calibration measurement. In another embodiment, to account for the parasitic effects, a short-charge calibration measurement may be performed with a short-circuited load.
Das vom Signalgenerator 102 erzeugte Chirp-Signal wird über die Messleitung 112 und über den inneren koaxialen Leiter 116 und den äußeren koaxialen Leiter 118 als Spannung an das biologische Material benachbart zum Einstechende 108 angelegt. Bei einem Ausführungsbeispiel kann das Chirp-Signal dabei über den koaxialen Innenleiter 116 geführt werden wobei sich der koaxiale Außenleiter 118 beispielsweise auf einem Bezugspotential, wie z. B. auf Massepotential befindet. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Chirp-Signal über den koaxialen Außenleiter 118 geführt werden, wobei sich der koaxiale Innenleiter beispielsweise auf einem Bezugspotential, wie z. B. auf Massepotential befindet.That from the signal generator 102 generated chirp signal is sent over the test lead 112 and over the inner coaxial conductor 116 and the outer coaxial conductor 118 as tension on the biological material adjacent to the puncture 108 created. In one embodiment, the chirp signal can thereby via the coaxial inner conductor 116 be guided where the coaxial outer conductor 118 for example, on a reference potential, such. B. is at ground potential. In another embodiment, the chirp signal may be transmitted through the coaxial outer conductor 118 be guided, wherein the coaxial inner conductor, for example, to a reference potential, such. B. is at ground potential.
Das Chirp-Signal, das in Form einer Spannung über den koaxialen Innenleiter 116 und den koaxialen Außenleiter 118 an das biologische Material angelegt wird, ruft durch die frequenzabhängige komplexe Lastimpedanz des biologischen Materials einen charakteristischen materialabhängigen Stromfluss hervor, wobei sich der Stromfluss bedingt durch den Stromteilereffekt der Lastimpedanz mit steigender Frequenz ändert. Dieser von dem biologischen Material abhängiger charakteristischer Strom fließt über den koaxialen Innenleiter 116 und den koaxialen Außenleiter 118.The chirp signal, in the form of a voltage across the coaxial inner conductor 116 and the coaxial outer conductor 118 is applied to the biological material, causes by the frequency-dependent complex load impedance of the biological material, a characteristic material-dependent current flow, wherein the current flow changes due to the current divider effect of the load impedance with increasing frequency. This characteristic current dependent on the biological material flows over the coaxial inner conductor 116 and the coaxial outer conductor 118 ,
Die Vorrichtung 100 weist ferner einen Detektor 104 auf, der zwischen dem koaxialen Innenleiter 116 und dem koaxialen Außenleiter 118 geschaltet ist und der ausgebildet ist, um den Stromfluss zu detektieren. Bei Ausführungsbeispielen kann der Detektor 104 hierzu z. B. eine Abtastvorrichtung oder eine Hochgeschwindigkeitsabtastvorrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, um einen Stromwert zu detektieren. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Detektor z. B. einen Strommesser aufweisen.The device 100 also has a detector 104 on that between the coaxial inner conductor 116 and the coaxial outer conductor 118 is switched and is designed to detect the flow of current. In embodiments, the detector 104 for this purpose z. B. a scanning device or a high-speed scanning device, which is designed to detect a current value. In other embodiments, the detector z. B. have an ammeter.
Ferner weist die Vorrichtung 100 eine Auswerteeinrichtung 110 auf, die ausgebildet ist, um das von dem Detektor 104 detektierte Signal, z. B. der Stromfluss als Funktion der Zeit, auszuwerten. Bei Ausführungsbeispielen kann das detektierte Signal im Frequenzbereich analysiert werden, wobei jede Materialart, wie z. B. Fett, Muskeln und Blut, bedingt durch die charakteristische frequenzabhängige Lastimpedanz ebenfalls ein charakteristisches Frequenzspektrum aufweist. Bei Ausführungsbeispielen kann das von dem Signalgenerator 102 erzeugte Chirp-Signal oder MLS-Signal und das von dem Detektor 104 detektierte Signal in den Frequenzbereich transformiert werden, wobei die Übertragungsfunktion des biologischen Materials benachbart zum Einstechende 108 rechnerisch bestimmt wird. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Auswerteeinrichtung ferner ausgebildet sein, um rechnerisch aus dem bekannten eingespeisten elektrischen Messsignal und dem resultierenden detektierten Stromfluss die charakteristische frequenzabhängige Übertragungsfunktion des Materials an der Kanülenspitze bzw. benachbart zum Einstechende 108 zu ermitteln. Die Auswerteeinrichtung 110 kann ferner eine Ausgabe aufweisen, die ausgebildet ist, um die Materialart auszugeben.Furthermore, the device 100 an evaluation device 110 formed to that of the detector 104 detected signal, z. As the current flow as a function of time to evaluate. In embodiments, the detected signal may be analyzed in the frequency domain, with each type of material, such as. As fat, muscle and blood conditional also has a characteristic frequency spectrum due to the characteristic frequency-dependent load impedance. In embodiments, this can be done by the signal generator 102 generated chirp signal or MLS signal and that of the detector 104 detected signal are transformed into the frequency domain, wherein the transfer function of the biological material adjacent to the piercing 108 is determined by calculation. In other embodiments, the evaluation device can also be designed to calculate the characteristic frequency-dependent transfer function of the material at the tip of the needle or adjacent to the piercing end from the known electrical measurement signal fed in and the resulting detected current flow 108 to investigate. The evaluation device 110 may further include an output configured to output the type of material.
8 zeigt eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 100 zur invasiven Bestimmung von biologischem Material, wobei das Chirp-Signal als Strom in das biologische Material eingeprägt wird. Die Vorrichtung 100 weist hierzu einen Signalgenerator 102 auf, der ausgebildet ist, um das Chirp-Signal zu erzeugen, wobei der Signalgenerator 102 technisch gesehen z. B. eine gesteuerte Stromquelle aufweisen kann. 8th shows a schematic view of another embodiment of the device 100 for the invasive determination of biological material, whereby the chirp signal is impressed as current into the biological material. The device 100 has a signal generator for this purpose 102 configured to generate the chirp signal, wherein the signal generator 102 technically z. B. may have a controlled current source.
Das vom Signalgenerator 102 erzeugte Chirp-Signal wird über die Messleitung 112 und über den inneren koaxialen Leiter 116 und den äußeren koaxialen Leiter 118 als Strom in das biologische Material benachbart zum Einstechende 108 eingeprägt. Bei einem Ausführungsbeispiel kann das Chirp-Signal dabei über den koaxialen Innenleiter 116 geführt werden wobei bei einem anderen Ausführungsbeispiel das Chirp-Signal über den koaxialen Außenleiter 118 geführt werden kann.That from the signal generator 102 generated chirp signal is sent over the test lead 112 and over the inner coaxial conductor 116 and the outer coaxial conductor 118 as a current in the biological material adjacent to the piercing 108 imprinted. In one embodiment, the chirp signal can thereby via the coaxial inner conductor 116 be guided in another embodiment, the chirp signal on the coaxial outer conductor 118 can be performed.
Das Chirp-Signal, das in Form eines Stroms über den koaxialen Innenleiter 116 und den koaxialen Außenleiter 118 in das biologische Material eingeprägt wird, ruft durch die frequenzabhängige komplexe Lastimpedanz des biologischen Materials einen charakteristischen materialabhängigen Spannungsabfall zwischen dem koaxialen Innenleiter 116 und dem koaxialen Außenleiter 118 hervor, wobei sich der Spannungsabfall bedingt durch den Stromteilereffekt der Lastimpedanz mit steigender Frequenz ändert. Dieser von dem biologischen Material abhängiger charakteristischer Spannungsabfall kann über den koaxialen Innenleiter 116 und den koaxialen Außenleiter 118 abgegriffen werden.The chirp signal, in the form of a current through the coaxial inner conductor 116 and the coaxial outer conductor 118 is imprinted into the biological material, calls by the frequency-dependent complex load impedance of the biological material, a characteristic material-dependent voltage drop between the coaxial inner conductor 116 and the coaxial outer conductor 118 , wherein the voltage drop due to the current divider effect of the load impedance changes with increasing frequency. This characteristic voltage drop, which depends on the biological material, can be transmitted via the coaxial inner conductor 116 and the coaxial outer conductor 118 be tapped.
Die Vorrichtung 100 weist ferner einen Detektor 104 auf, der zwischen dem koaxialen Innenleiter 116 und dem koaxialen Außenleiter 118 geschaltet ist und der ausgebildet ist, um den Spannungsabfall bzw. die Spannungsdifferenz zwischen dem koaxialen Innenleiter 116 und dem koaxialen Außenleiter 118 zu detektieren. Bei Ausführungsbeispielen kann der Detektor 104 hierzu z. B. eine Abtastvorrichtung oder eine Hochgeschwindigkeitsabtastvorrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, um einen Spannungswert zu detektieren. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Detektor z. B. einen Spannungsmesser aufweisen.The device 100 also has a detector 104 on that between the coaxial inner conductor 116 and the coaxial outer conductor 118 is connected and which is adapted to the voltage drop or the voltage difference between the coaxial inner conductor 116 and the coaxial outer conductor 118 to detect. In embodiments, the detector 104 for this purpose z. B. a scanning device or a high-speed scanning device, which is designed to detect a voltage value. In other embodiments, the detector z. B. have a voltmeter.
Ferner weist die Vorrichtung 100 eine Auswerteeinrichtung 110 auf, die ausgebildet ist, um das von dem Detektor 104 detektierte Signal, z. B. der Spannungsabfall als Funktion der Zeit, auszuwerten. Bei Ausführungsbeispielen kann das detektierte Signal im Frequenzbereich analysiert werden, wobei jede Materialart, wie z. B. Fett, Muskeln und Blut, bedingt durch die charakteristische frequenzabhängige Lastimpedanz ebenfalls ein charakteristisches Frequenzspektrum aufweist. Bei Ausführungsbeispielen kann das von dem Signalgenerator 102 erzeugte Chirp-Signal oder MLS-Signal und das von dem Detektor 104 detektierte Signal in den Frequenzbereich transformiert werden, wobei die Übertragungsfunktion des biologischen Materials benachbart zum Einstechende 108 rechnerisch bestimmt wird. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Auswerteeinrichtung ferner ausgebildet sein, um rechnerisch aus dem bekannten eingespeisten elektrischen Messsignal und dem resultierenden detektierten Spannungsabfall die charakteristische frequenzabhängige Übertragungsfunktion des Materials an der Kanülenspitze bzw. benachbart zum Einstechende 108 zu ermitteln. Die Auswerteeinrichtung 110 kann ferner eine Ausgabe aufweisen, die ausgebildet ist, um die Materialart auszugeben.Furthermore, the device 100 an evaluation device 110 formed to that of the detector 104 detected signal, z. B. the voltage drop as a function of time to evaluate. In embodiments, the detected signal may be analyzed in the frequency domain, with each type of material, such as. As fat, muscle and blood, due to the characteristic frequency-dependent load impedance also has a characteristic frequency spectrum. In embodiments, this can be done by the signal generator 102 generated chirp signal or MLS signal and that of the detector 104 detected signal are transformed into the frequency domain, wherein the transfer function of the biological material adjacent to the piercing 108 is determined by calculation. In other exemplary embodiments, the evaluation device can also be designed to calculate the characteristic frequency-dependent transfer function of the material at the tip of the needle or adjacent to the piercing end from the known electrical measurement signal fed in and the resulting detected voltage drop 108 to investigate. The evaluation device 110 may further include an output configured to output the type of material.
Die Vorrichtung 100 zur invasiven Bestimmung von biologischem Material bzw. das erfindungsgemäße Messsystem ermöglicht es somit, präzise Informationen über das biologische Material benachbart zum Einstechende 108 zu erhalten, wobei zur Bestimmung der charakteristischen elektrischen und/oder dielektrischen Eigenschaften des biologischen Materials die komplexe Lastimpedanz ausgewertet wird.The device 100 for the invasive determination of biological material or the measuring system according to the invention thus makes it possible to obtain precise information about the biological material adjacent to the piercing end 108 to obtain the complex load impedance is evaluated to determine the characteristic electrical and / or dielectric properties of the biological material.
Ausführungsbeispiele der Erfindung beschreiben eine Vorrichtung 100 zur invasiven Bestimmung von biologischem Material, die eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung aufweist und somit eine dynamische Führung bzw. Navigation von Nadeln und Kanülen in biologischem Material in Echtzeit ermöglicht. Hierzu ist die Vorrichtung 100 zur invasiven Bestimmung von biologischem Material bei Ausführungsbeispielen ausgebildet, um das biologische Material benachbart zum Einstechende 108 mindestens 10 mal pro Sekunde zu bestimmen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das biologische Material benachbart zum Einstechende mindestens 20 mal pro Sekunde bestimmt.Embodiments of the invention describe a device 100 For the invasive determination of biological material, which has a high temporal and spatial resolution and thus enables dynamic guidance or navigation of needles and cannulas in biological material in real time. This is the device 100 designed for invasive determination of biological material in embodiments to the biological material adjacent to the puncture end 108 at least 10 times a second. In a preferred embodiment, the biological Material adjacent to the piercing end determined at least 20 times per second.
Ein Vorteil der in 2 beschriebenen Kanüle bzw. Einstechvorrichtung 106 ist der geringe Abstand zwischen dem koaxialen Innenleiter 116 und dem koaxialen Außenleiter 118, wodurch die Kanüle eine kleine, eindeutig definierbare Sensitivitäts-Zone aufweist. Darüber hinaus ermöglicht die Einstechvorrichtung 106, die an dem Einstechende 108 zumindest zwei frei liegende elektrisch leitfähige Leiter aufweist, die Bestimmung der Lastimpedanz des biologischen Materials ohne eine zusätzliche Referenzelektrode. Für die Optimierung der zeitlichen Auflösung wird bei Ausführungsbeispielen ein Chirp-Signal oder MLS-Signal erzeugt, das eine schnelle Bestimmung des biologischen Materials benachbart zum Einstechende 108 ermöglicht.An advantage of in 2 described cannula or piercing device 106 is the small distance between the coaxial inner conductor 116 and the coaxial outer conductor 118 , whereby the cannula has a small, clearly definable sensitivity zone. In addition, the puncture device allows 106 at the piercing 108 has at least two exposed electrically conductive conductor, the determination of the load impedance of the biological material without an additional reference electrode. In order to optimize the temporal resolution, in embodiments a chirp signal or MLS signal is generated which permits a rapid determination of the biological material adjacent to the puncture end 108 allows.
Die Erfindungsgemäße Vorrichtung 100 zur invasiven Bestimmung von biologischem Material ermöglicht somit die Führung bzw. Navigation von Nadeln und Kanülen z. B. bei der Gefäßpunktion. Hierzu zählt z. B. der schnelle Anschluss einer Herz-Lungen-Maschine. Die Vorrichtung 100 ermöglich ferner einen einfachen Zugang zu Gefäßen um z. B. Katheter zu legen. Darüber hinaus ermöglicht die Vorrichtung 100 die Führung bzw. Navigation von Nadeln und Kanülen z. B. bei der Nervenpunktion, z. B. zur gezielten Stimulation von Nerven und der Verabreichung von Medikamenten direkt am Nerv. Ferner kann durch die Vorrichtung 100 ein Führungsdraht mit einem Haken im Zielmaterial befestigt werden, wobei der Führungsdraht anschließend als Wegweiser dient.The device according to the invention 100 for the invasive determination of biological material thus allows the guidance or navigation of needles and cannulas z. B. at the vascular puncture. This includes z. As the fast connection of a heart-lung machine. The device 100 also allows easy access to vessels around z. B. catheter to lay. In addition, the device allows 100 the guidance or navigation of needles and cannulas z. B. in the nerve puncture, z. As for the targeted stimulation of nerves and the administration of drugs directly on the nerve. Furthermore, by the device 100 a guide wire with a hook in the target material are attached, the guide wire then serves as a guide.
Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf ein Sensorsystem zur Messung elektrischer und dielektrischer Materialparameter und beschreiben eine Vorrichtung 100 bzw. messtechnische Anordnung zur invasiven Bestimmung elektrischer und dielektrischer Eigenschaften von biologischem Material. Die Messdaten werden von der Vorrichtung 100 ausgewertet und dienen zur Unterscheidung verschiedener Materialarten untereinander. Eingesetzt wird die Vorrichtung 100 zur Navigation einer Nadel oder Kanüle in biologischem Material, z. B. im Körpergewebe, während des Einstechvorgangs. Die charakteristischen Materialeigenschaften werden am Einstechende 108 bzw. an der Kanülenspitze gemessen. Der Messvorgang beruht auf der Einspeisung eines Chirp-Signals oder MLS-Signals in die Kanüle bzw. Einstechvorrichtung 106. Das Chirp-Signal bzw. das MLS-Signal ruft in dem biologischen Material ein von dem biologischen Material abhängiges Signal hervor, wobei das hervorgerufene Signal die Informationen über die materialtypischen elektrischen und dielektrischen Eigenschaften aufweist. Ein Detektor 104, z. B. eine Abtasteinheit, liest das reflektierte Signal in die Auswerteeinrichtung 110 ein, wobei die Auswerteeinrichtung 110 das Signal analysiert und charakteristische Parameter auswertet.Embodiments of the invention relate to a sensor system for measuring electrical and dielectric material parameters and describe a device 100 or metrological arrangement for the invasive determination of electrical and dielectric properties of biological material. The measurement data are from the device 100 evaluated and used to distinguish different types of material with each other. The device is used 100 for navigating a needle or cannula in biological material, e.g. B. in the body tissue, during the piercing process. The characteristic material properties are at the piercing end 108 or measured at the cannula tip. The measuring process is based on the feeding of a chirp signal or MLS signal into the cannula or puncture device 106 , The chirp signal or the MLS signal causes a biological material-dependent signal in the biological material, wherein the signal generated has the information about the material-typical electrical and dielectric properties. A detector 104 , z. B. a scanning unit, reads the reflected signal in the evaluation 110 a, wherein the evaluation device 110 analyzes the signal and evaluates characteristic parameters.
Ausführungsbeispiele der Erfindung beschreiben eine Vorrichtung 100 zur invasiven Bestimmung von biologischem Material bzw. ein Messprinzip, welches für die Bestimmung von biologischem Material niederfrequente Messsignale verwendet. Es ist daher technisch nicht erforderlich, die Nadel/Kanüle z. B. als Wellenleiter auszubilden. Bei der verwendeten Messmethode wird ein breitbandiges elektrisches Messsignal in die Kanüle bzw. Einstechvorrichtung 106 eingespeist. Dieses breitbandige Messsignal enthält gleichzeitig mehrere unterschiedliche Frequenzanteile und ermöglicht somit eine schnelle Messung der elektrischen Materialparameter an der Kanülenspitze bei vielen unterschiedlichen Frequenzen. Insbesondere die Verwendung von Chirp-Signalen und MLS-Signalen ist vorteilhaft für eine schnelle und breitbandige Messung. Ausführungsbeispiele der Erfindung beschreiben ferner eine Vorrichtung 100 zur invasiven Bestimmung von biologischem Material bzw. ein Messsystem, das einen Signalgenerator 102 aufweist, der ein definiertes breitbandiges Messsignal, z. B. ein Chirp-Signal oder ein MLS-Signal, erzeugt. Der Signalgenerator kann technisch gesehen sowohl eine Spannungsquelle als auch eine Stromquelle sein. Das erzeugte Messsignal, z. B. ein Spannungssignal oder ein Stromsignal, wird in die als Sensorelement dienende Kanüle eingespeist. Das erzeugte Signal kann dabei sowohl auf dem innen liegenden Leiter als auch auf dem außen liegenden Leiter bis zur Kanülenspitze geführt werden. Das eingespeiste breitbandige Messsignal kann an der Kanülenspitze in das die Spitze umgebende Medium bzw. Material, z. B. ein Körpergewebe, übertreten. Der durch das Messsignal im Medium bzw. Material hervorgerufene Stromfluss wird über einen Rückleiter, z. B. dem koaxialen Außenleiter 118, abgeleitet. Sofern der Signalgenerator 102 eine Spannungsquelle ist, wird der rückfließende Strom mit einem Strommesser ermittelt. Ist der Signalgenerator 102 eine Stromquelle, so wird die über der Kanüle abfallende Spannung mit einem Spannungsmesser gemessen. Die gemessenen Daten, z. B. Stromfluss als Funktion der Zeit oder Spannung als Funktion der Zeit, werden einer elektronischen Auswerteeinrichtung 110 zugeführt. Diese ermittelt z. B. rechnerisch aus dem bekannten eingespeisten elektrischen Messsignal und dem resultierenden gemessenen Stromfluss bzw. Spannungsverlauf die charakteristische frequenzabhängige Übertragungsfunktion des Mediums bzw. Materials an der Kanülenspitze.Embodiments of the invention describe a device 100 for the invasive determination of biological material or a measurement principle which uses low-frequency measurement signals for the determination of biological material. It is therefore technically not necessary, the needle / cannula z. B. form as a waveguide. The measuring method used is a broadband electrical measurement signal in the cannula or piercing device 106 fed. This broadband measurement signal simultaneously contains several different frequency components and thus enables rapid measurement of the electrical material parameters at the cannula tip at many different frequencies. In particular, the use of chirp signals and MLS signals is advantageous for fast and broadband measurement. Embodiments of the invention further describe a device 100 for the invasive determination of biological material or a measuring system that uses a signal generator 102 having a defined broadband measurement signal, z. As a chirp signal or an MLS signal generated. The signal generator can technically be both a voltage source and a power source. The generated measurement signal, z. As a voltage signal or a current signal is fed into the serving as a sensor element cannula. The generated signal can be guided both on the inside conductor and on the outside conductor to the tip of the needle. The fed broadband measurement signal can at the cannula tip in the surrounding the tip medium or material, for. B. a body tissue, transgress. The caused by the measurement signal in the medium or material current flow is via a return conductor, z. B. the coaxial outer conductor 118 , derived. Unless the signal generator 102 is a voltage source, the return current is determined with an ammeter. Is the signal generator 102 a current source, the voltage drop across the cannula is measured with a voltmeter. The measured data, z. As current flow as a function of time or voltage as a function of time, an electronic evaluation device 110 fed. This determines z. B. mathematically from the known injected electrical measurement signal and the resulting measured current flow or voltage waveform, the characteristic frequency-dependent transfer function of the medium or material at the cannula tip.
Ausführungsbeispiele der Erfindung beschreiben eine Vorrichtung zur invasiven Messung elektrischer und dielektrischer Materialeigenschaften bzw. Gewebeeigenschaften zur Anwendung in der Medizintechnik. Die Vorrichtung 100 weist dabei einen Signalgenerator 102 zur Erzeugung eines zeitlich veränderlichen periodischen oder nichtperiodischen Messsignals auf, welches gleichzeitig mehrere definierte Frequenzanteile enthält (= breitbandiges Messsignal). Ferner weist die Vorrichtung 100 eine Messleitung 112 auf, die den Signalgenerator 102 elektrisch mit der Einstechvorrichtung 106 bzw. einer speziell ausgebildeten Kanüle/Nadel verbindet. Die spezielle Nadel/Kanüle dient als Sensorelement und weist mindestens zwei voneinander isolierte Leiter auf, welche bis zum Einstechende 108 bzw. bis zur Nadel/Kanülenspitze ausgeführt sind. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Leiter koaxial angeordnet, wobei die Kanülenwand bzw. koaxiale Außenleiter 118 als erster der mindestens zwei elektrischen Leiter verwendet wird und ein zweiter Leiter koaxial im Inneren der Nadel/Kanüle angeordnet ist. Des Weiteren weist die Vorrichtung 100 einen Detektor 104 auf, der in der Lage ist, den Spannungsabfall über dem Sensorelement bzw. der Kanüle und/oder den Stromfluss durch das Sensorelement zu messen, wobei die Vorrichtung 100 ferner eine Auswerteeinrichtung 110 aufweist mit mindestens einem Eingang zur Aufnahme des gemessenen Stromverlaufs und/oder Spannungsverlaufs sowie mit mindestens einem Ausgang zur Ausgabe der in der Auswerteeinrichtung 110 verarbeiteten Daten. Der Signalgenerator 102 kann ein breitbandiges Messsignal erzeugen, welches mehrere unterschiedliche Frequenzanteile enthält, wobei bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Chirp-Signal verwendet wird. Als Sensorelement dient dabei die Spitze einer speziell geeigneten Nadel/Kanüle, welche über mindestens zwei Elektroden verfügt. Die Kanülenspitze kann ferner zwei Elektrodenflächen aufweisen, die über mindestens zwei elektrische Leiter verbunden sind und mit dem Signalgenerator 102 und der elektronischen Messeinrichtung verbunden sind.Embodiments of the invention describe a device for the invasive measurement of electrical and dielectric material properties or tissue properties for use in medical technology. The device 100 has a signal generator 102 to produce a temporally variable periodic or non-periodic measurement signal which simultaneously contains a plurality of defined frequency components (= broadband measurement signal). Furthermore, the device 100 a measuring line 112 on that the signal generator 102 electrically with the piercing device 106 or a specially designed cannula / needle connects. The special needle / cannula serves as a sensor element and has at least two mutually insulated conductors, which up to the piercing end 108 or to the needle / cannula tip are executed. In a preferred embodiment, the conductors are arranged coaxially, with the cannula wall or coaxial outer conductors 118 as the first of the at least two electrical conductors is used and a second conductor is arranged coaxially inside the needle / cannula. Furthermore, the device 100 a detector 104 , which is able to measure the voltage drop across the sensor element or the cannula and / or the current flow through the sensor element, wherein the device 100 Furthermore, an evaluation device 110 comprising at least one input for receiving the measured current waveform and / or voltage waveform and having at least one output for output in the evaluation device 110 processed data. The signal generator 102 can generate a broadband measurement signal which contains several different frequency components, wherein in a preferred embodiment, a chirp signal is used. The sensor element used here is the tip of a specially suitable needle / cannula, which has at least two electrodes. The cannula tip may further comprise two electrode surfaces connected by at least two electrical conductors and to the signal generator 102 and the electronic measuring device are connected.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung weist die Einstechvorrichtung 106 bzw. das Sensorelement eine Kanüle z. B. bestehend aus einem elektrisch leitfähigem Material mit einem koaxial angeordnetem elektrisch leitfähigen Innenleiter auf, der durch ein nicht leitendes Dielektrikum isoliert ist.In embodiments of the invention, the puncture device 106 or the sensor element, a cannula z. B. consisting of an electrically conductive material with a coaxially arranged electrically conductive inner conductor, which is isolated by a non-conductive dielectric.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung weist die Einstechvorrichtung 106 bzw. das Sensorelement eine Kanüle z. B. bestehend aus einem elektrisch nicht leitenden Material auf, welche auf der Innenseite sowie auf der Außenseite der Kanülenwand mit einer elektrisch leitfähigen Schicht bedeckt ist, wobei die innere leitfähige Schicht jeweils an den Enden des Sensorelements keinen Kurzschluss mit der leitfähigen äußeren Schicht aufweist.In embodiments of the invention, the puncture device 106 or the sensor element, a cannula z. Example, consisting of an electrically non-conductive material, which is covered on the inside and on the outside of the cannula wall with an electrically conductive layer, wherein the inner conductive layer respectively at the ends of the sensor element has no short circuit with the conductive outer layer.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung weist die Einstechvorrichtung 106 bzw. das Sensorelement die Bauform einer Kanüle oder Nadel auf und verfügt über zusätzliche innen liegende oder außen angebrachte elektrische Leiter, die das eingespeiste Messsignal zur Spitze der Kanüle oder Nadel leiten.In embodiments of the invention, the puncture device 106 or the sensor element on the design of a cannula or needle and has additional internal or externally mounted electrical conductors which conduct the injected measurement signal to the tip of the cannula or needle.
Ausführungsbeispiele der Erfindung beschreiben ferner eine Einstechvorrichtung 106 bzw. ein Sensorelement, das die Bauform einer Kanüle oder Nadel aufweist, welche über einen hohlen koaxialen innen liegenden elektrischen Leiter verfügt, der die eingespeiste Messsignale zur Spitze der Kanüle/Nadel leitet.Embodiments of the invention further describe a puncture device 106 or a sensor element, which has the design of a cannula or needle, which has a hollow coaxial internal electrical conductor, which conducts the supplied measuring signals to the tip of the cannula / needle.
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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”Impedance-based tissue discrimination for needle guidance” von Kalvoy, L. Frich, S. Grimnes, O. G. Martinsen, P. K. Hol und A. Stubhaug [0006] "Impedance-based tissue discrimination for needle guidance" by Kalvoy, L. Frich, S. Grimnes, OG Martinsen, PK Hol and A. Stubhaug [0006]
