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GEBIET UND
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine kryochirurgische Vorrichtung.
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Kryochirurgische
Verfahren beinhalten ein Tiefkühlen
von Gewebe, was aufgrund eines Bruches von Zellen und/oder Zellorganellen
innerhalb des Gewebes zu einer Gewebezerstörung führt. Die Tiefkühlung von
Gewebe wird durch Einführen
einer Spitze einer kryochirurgischen Vorrichtung in das Gewebe, entweder
endoskopisch oder laparoskopisch, und durch eine Formation, die
im Stand der Technik als Eiskugel bekannt ist, um die Spitze herum
durchgeführt.
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Um
ein Gewebe durch eine solche Eiskugel wirksam zu zerstören, sollte
der Durchmesser der Kugel wesentlich größer sein als die zu behandelnde Region
des Gewebes, wobei sich diese Bedingung aus dem spezifischen Profil
der Temperaturverteilung quer durch die Eiskugel herleitet.
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Ganz
speziell ist die Temperatur, die für ein effektives Zerstören eines
Gewebes erforderlich ist, etwa –40°C oder kälter. Die
Temperatur an der Oberfläche
der Eiskugel beträgt
jedoch 0°C.
Die Temperatur nimmt exponentiell zum Mittelpunkt der Kugel hin ab,
derart, dass eine isothermische Fläche von etwa –40°C typischerweise
innerhalb der Eiskugel liegt, im Wesentlichen etwa auf der Hälfte zwischen
dem Mittelpunkt der Kugel und seiner Oberfläche.
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Daher
gibt es ein Bedürfnis,
um ein Gewebe effektiv zu zerstören,
die isothermische Fläche
von –40°C an den
Umfang des zu behandelnden Gewebes zu legen, wodurch benachbarte,
gewöhnlich
gesunde Gewebe den äußeren Bereichen
der Eiskugel ausgesetzt werden. Das Anwenden von Temperaturen zwischen
etwa –40°C und 0°C an solchen
gesunden Geweben verursacht üblicherweise
an diesen eine substantielle Beschädigung, wobei eine solche Beschädigung zu
einer zeitweisen stantielle Beschädigung, wobei eine solche Beschädigung zu
einer zeitweisen oder dauerhaften Beeinträchtigung funktioneller Organe
führen
kann.
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Sollten
zudem die angrenzenden Gewebe an gegenüberliegenden Grenzen in Bezug
zu dem mit Kälte
behandelten Gewebe vorliegen, wie beispielsweise im Falle einer
Kältebehandlung
der Prostata, wie dies weiter unten ausgeführt wird, und auch weil das
Wachstum der Eiskugel im Wesentlichen in der gleichen Geschwindigkeit
in allen Richtungen zu seinem Umfang hin erfolgt, erreicht die Eiskugel,
wenn die Spitze der kryochirurgischen Vorrichtung nicht genau zentriert
ist, eine der Grenzen, bevor sie die andere Grenze erreicht, so
dass eine Entscheidung getroffen werden muss, ob der Kühlvorgang
fortgesetzt wird und eine Beschädigung
der naheliegenden gesunden Gewebe riskiert wird, oder der Kühlvorgang
angehalten wird und eine unvollständige Zerstörung des behandelten Gewebes
riskiert wird.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung auf jede kryochirurgische Behandlung anwendbar
ist, ist die Besprechung nachfolgend auf eine kryochirurgische Behandlung
der Prostata eines Patienten gerichtet.
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Wenn
also ein Tumor an der Prostata eines Patienten behandelt werden
soll, gibt es eine Abwägung
zwischen zwei Optionen: (a) ein effektives Zerstören des Prostatagewebes, das
sich zwischen der prostatischen Harnröhre und dem Umfang der Prostata
erstreckt und eine unvermeidbare Beschädigung der Harnröhre oder
Organen angrenzend an die Prostata, wie das Rectum und Nerven, verursacht;
(b) Vermeiden der Beschädigung
der prostatischen Harnröhre
und angrenzenden Organe, aber den Patienten der Gefahr einer Krebserkrankung
auszusetzen, aufgrund einer ineffektiven Zerstörung des Prostatatumors einem
malignen Entartungsrisiko ausgesetzt zu sein.
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Gegenwärtig umfassen
kryochirurgische Verfahren zum Behandeln der Prostata die Einführung von
5 bis 7 Sonden in die Prostata, wobei die Sonden typischerweise
um die prostatische Harnröhre
herum angeordnet werden, derart, dass eine einzelne Sonde vorzugsweise
zentriert zwischen der prostatischen Harnröhre und dem Umfang der Prostata
liegt. Die Abmessungen einer solchen einzelnen Sonde sind gewöhnlich für ein effektives
Behandeln des prostatischen Gewebeabschnitts ausgelegt, der sich
von der Harnröhre
zum Umfang der Prostata erstreckt, zum Beispiel mit einer Spitze
von 3 Millimetern im Durchmesser, die eine Eiskugel von 3 bis 4 Zentimetern
im Durchmesser erzeugt, je nach Größe der Prostata. Da eine einzelne
Eiskugel zum Kühlen beispielsweise
eines prostatischen Gewebeabschnitts verwendet wird, ist das Volumen
der benachbarten Gewebe, das einer Beschädigung ausgesetzt wird, wesentlich
größer als
das Volumen des behandelten Gewebes. Falls zum Beispiel die Fläche der Eiskugel
im Querschnitt πr2 beträgt
und eine effektive Behandlung von wenigstens –40°C auf einer Fläche von π(r/2)2 (im Querschnitt) vorgesehen ist, dann beträgt die Fläche der
benachbarten Gewebe (im Querschnitt), die zwischen –40°C und etwa
0°C ausgesetzt
sind πr2 – 0,25(πr2) = 0,75(πr2), was das Dreifache der Fläche des
effektiv durch die Eiskugel behandelten Gewebes ist.
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Die
gegenwärtige
Strategie, die zur Vermeidung einer übermäßigen Beschädigung benachbarter Gewebe
verwendet wird, besteht darin, eine solche Einzelsonde mit kleinerem
Durchmesser zu verwenden, die eine Eiskugel von kleinerer Größe erzeugt,
wodurch der Patient einem malignen Entartungsrisiko ausgesetzt wird.
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So
versagen die Verfahren und Vorrichtungen des Standes der Technik
dahin gehend, eine effektive Lösung
zur Behandlung entlang der Ebenen senkrecht zur Eindringachse der
kryochirurgischen Sonde in das Organ des Patienten bereitzustellen.
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Ferner
kann die Einführung
einer kryochirurgischen Sonde entlang eines speziellen Eindringweges
in das Organ zwar eine effektive Behandlung für spezifische Regionen, die
an spezifischen Eindringtiefen liegen, bereitstellen, aber gleichzeitig
andere Bereiche des Organs, die an anderen Eindringtiefen liegen,
ernsthaft beschädigen,
da anatomische Organe, wie die Prostata, üblicherweise eine asymmetrische
dreidimensionale Form zeigen.
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Es
gibt daher ein weitgehend erkanntes Bedürfnis für ein kryochirurgisches Verfahren
und eine solche Vorrichtung, und es wäre höchst vorteilhaft, ein solches
zu haben, welches eine hohe Trennschärfe der Behandlung entlang
der Eindringtiefe der kryochirurgischen Sonde in das Organ des Patienten sowie
entlang der Ebenen senkrecht zur Eindringachse bereitstellt.
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Ganz
speziell gibt es ein weitgehend erkanntes Bedürfnis für ein kryochirurgisches Verfahren
und eine solche Vorrichtung mit hoher Trennschärfe, und es wäre höchst vorteilhaft
ein solches zu haben, welches eine effektive Zerstörung ausgewählter Bereiche
eines Gewebes eines Patienten ermöglichen würde, während gleichzeitig eine Beschädigung angrenzender
Gewebe und Organe vermindert wird.
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Ferner
gibt es ein weitgehend erkanntes Bedürfnis nach einem solchen Verfahren
und einer solchen Vorrichtung, welche/welches ermöglicht,
verschiedene Bereiche des an unterschiedlichen Tiefen des Organs
liegenden Gewebes wahlweise zu behandeln, wobei ausgewählte Bereiche
des Gewebes effektiv abgekühlt
werden, während
gleichzeitig die Beschädigung
anderer Gewebe und Organe, die auf anderen Tiefen entlang der Eindringachse
liegen, vermieden wird.
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Es
wäre weiter
vorteilhaft, ein solches kryochirurgisches Verfahren und eine solche
Vorrichtung zu haben welches/welche ein Organ eines Patienten dreidimensional
kartiert, so dass ein dreidimensionales Raster davon gebildet wird,
und welches/welche ein Mehrsondensystem verwendet, das in das Organ
entsprechend dem Raster eingeführt wird,
um so eine systematische trennscharfe dreidimensionale kryochirurgische
Behandlung des Organs zu ermöglichen
und das behandelte Gewebe bei minimaler Beschädigung der umgebenden gesunden
Gewebe wahlweise zu zerstören.
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Die
US-A-5,603,221 offenbart eine kryochirurgische Vorrichtung mit hoher
Trennschärfe
zum Behandeln des Organs eines Patienten, mit a) einer Mehrzahl
von kryochirurgischen Sonden zur Einführung in das Organ, wobei jede
einen Joule- Thomson-Kühler enthält, wobei
die Sonden mit einem Verteiler verbunden werden können; und
b) einem Verteiler zum Verteilen eines Hochdruckgases an die Sonden,
wobei dieser Verteiler mit den Sonden und mit einer Hochdruckgasquelle
in Fluidverbindung steht.
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Die
WO-A-96/37158 offenbart eine Vorrichtung zur Kryoablation eines
Organs, wie einer Prostata, wobei die Vorrichtung eine Mehrzahl
von Kryosonden, eine Ultraschallsonde und eine Führungseinrichtung zum Erzeugen
und Beibehalten eines kontrollierten Abstands zwischen der Ultraschallsonde
und den Kryosonden als Hilfe für
eine optimale Anordnung der Kryosonden an einer gewünschten Kryoablationsstelle
innerhalb des Organs umfasst.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine kryochirurgische Vorrichtung gemäß Anspruch
1 bereitgestellt.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der kryochirurgischen Vorrichtung der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Die
vorliegende Erfindung beseitigt erfolgreich die Nachteile der gegenwärtig bekannten
Konfigurationen, indem sie eine kryochirurgische Vorrichtung bereitstellt,
welche eine Behandlung entlang der Eindringachse der kryochirurgischen
Sonde in das Organ des Patienten sowie entlang der Ebenen senkrecht
zur Eindringachse mit hoher Trennschärfe bereitstellt.
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Ferner
beseitigt die vorliegende Erfindung erfolgreich die Nachteile der
gegenwärtig
bekannten Konfigurationen, indem sie eine kryochirurgische Vorrichtung
bereitstellt, welche eine effektive Zerstörung ausgewählter Bereiche des Gewebes
eines Patienten ermöglicht,
während
gleichzeitig die Beschädigung
benachbarter Gewebe und Organe minimiert wird.
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Zudem
beseitigt die vorliegende Erfindung erfolgreich die Nachteile der
gegenwärtig
bekannten Konfigurationen, indem eine kryochirurgische Vorrichtung
bereitgestellt wird, welche ermöglicht,
wahlweise verschiedene Bereiche des an unterschiedlichen Tiefen
des Organs liegenden Gewebes zu behandeln, wobei die ausgewählten Bereiche
des Gewebes effektiv zerstört
werden, während
gleichzeitig die Beschädigung
anderer Gewebe und Organe, die entlang der Eindringachse liegen,
vermieden wird.
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Ferner
beseitigt die vorliegende Erfindung erfolgreich die Nachteile der
gegenwärtig
bekannten Konfigurationen, indem sie eine kryochirurgische Vorrichtung
bereitstellt, welche ein Organ eines Patienten dreidimensional kartiert,
um so ein dreidimensionales Raster von diesem zu bilden, und welche
ein Mehrsondensystem verwendet, das in das Organ entsprechend dem
Raster eingeführt
wird, um so eine kryochirurgische Behandlung des Organs mit hoher
Trennschärfe
zu ermöglichen.
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Der
Kern der vorliegenden Erfindung ist die dreidimensionale Gewebeabkühlung mit
kontrollierter Trennschärfe.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung ist hier nur beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in welchen:
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1a eine
grafische Darstellung ist, welche das Profil der Temperaturverteilung
innerhalb einer an der Spitze einer kryochirurgischen Sonde gebildeten
Eiskugel zeigt;
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1b eine
grafische Darstellung ist, welche die Wirksamkeit einer kryochirurgischen
Behandlung zeigt, angegeben in Prozent der Gewebezerstörung, als
Funktion der Temperatur;
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2a bis 2c Ansichten
im Querschnitt einer Eiskugel sind, die an der Spitze einer herkömmlichen
kryochirurgischen Sonde gebildet wird, die in die Prostata eines
Patienten eingeführt
ist;
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3a bis 3b Ansichten
im Querschnitt von zwei Eiskugeln sind, die an den Spitzen kryochirurgischer
Sonden gemäß der vorliegenden
Erfindung gebildet werden, die in die Prostata eines Patienten eingeführt ist;
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4 eine
Ansicht im Querschnitt ist, welche das herkömmliche Verfahren zum Behandeln
der Prostata eines Patienten darstellt;
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5 eine
Ansicht im Querschnnitt ist, welche ein Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung zum Behandeln der Prostata eines Patienten darstellt;
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6a eine
schematische Darstellung einer kryochirurgischen Mehrsondenvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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6b eine
schematische Darstellung eines Vorkühlelements gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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7 ein
schematischer Längsschnitt
einer bevorzugten kryochirurgischen Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung
ist;
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8 eine
perspektivische Ansicht eines Führungselements
zum Aufnehmen kryochirurgischer Sonden gemäß der vorliegenden Erfindung
ist, wobei das Führungselement
mit einer Ultraschallsonde verbunden ist; und
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9 und 10 ein
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellen, welches die Schritte der Ausbildung eines
dreidimensionalen Rasters von der Prostata eines Patienten und das Einführen von
kryochirurgischen Sonden in diese umfasst.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegende Erfindung ist eine kryochirurgische Vorrichtung mit
hoher Trennschärfe,
welche ermöglicht,
einen vorbestimmten Bereich eines Gewebes effektiv und genau zu
zerstören,
während gleichzeitig
eine Beschädigung
benachbarter gesunder Gewebe und Organe minimiert wird.
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Die
Grundzüge
und die Betriebsweise einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
können
mit Bezug auf die Zeichnungen und die beigefügte Beschreibung besser verstanden
werden.
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Bevor
wenigstens eine Ausführungsform
der Erfindung im Detail erläutert
wird, sollte klar sein, dass die Erfindung nicht in ihrer Anwendung
auf die Konstruktionsdetails und die Anordnung der Komponenten beschränkt ist,
wie dies in der folgenden Beschreibung ausgeführt ist oder in den Zeichnungen dargestellt
ist. Die Erfindung kann anders verkörpert werden oder auf verschiedenen
Wegen praktisch umgesetzt oder ausgeführt werden. Es sollte auch klar
sein, dass die hier verwendete Ausdrucksweise und Terminologie für den Zweck
der Beschreibung gewählt
ist und nicht als Beschränkung
angesehen werden sollte.
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Es
wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, wobei 1a das
Profil der Temperaturverteilungen durch eine Eiskugel hindurch darstellt, die
an der Spitze einer kryochirurgischen Sonde ausgebildet ist. Wie
zu sehen ist, beträgt
die Temperatur an einer Oberfläche 5 der
Eiskugel 0°C.
Die Temperatur nimmt exponentiell zum Mittelpunkt 1 der
Kugel hin ab, wo sie vorzugsweise den Wert von –170°C erreicht, derart, dass eine
isothermische Fläche 7 von etwa –40°C typischerweise
innerhalb der Eiskugel liegt, halbwegs zwischen dem Mittelpunkt
der Kugel und ihrer Oberfläche.
Fall somit die Eiskugel einen Radius r aufweist, beträgt dann
der Radius der isothermischen Fläche 7 bei –40°C etwa r/2.
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1b ist
eine grafische Darstellung, welche die Wirksamkeit einer kryochirurgischen
Behandlung (angegeben in Prozent der Gewebezerstörung) als Funktion der Zeit
zeigt. Wie dargestellt ist, beträgt
die für
eine effektive Zerstörung
eines Gewebes erforderliche Temperatur wenigstens etwa –40°C. Demgemäß sollte
die isothermische Fläche von –40°C (in 1a gezeigt),
um ein Gewebe effektiv zu zerstören,
am Umfang des behandelten Gewebes liegen, so dass die gesamte Fläche des
behandelten Gewebes wenigstens etwa –40°C ausgesetzt ist, wobei angrenzende
gesunde Gewebe und Organe dem äußeren Bereich
der Eiskugel ausgesetzt sind.
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Die
Anwendung von Temperaturen zwischen etwa –40°C und 0°C an solchen gesunden Geweben verursacht üblicherweise
eine erhebliche Beschädigung
an diesen, wobei eine solche Beschädigung zu einer temporären oder
dauerhaften Beeinträchtigung funktioneller
Organe führen
kann.
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Die 2a bis 2c zeigen
kryochirurgische Verfahren des Standes der Technik, in welchen eine
einzelne kryochirurgische Sonde mit einem im Wesentlichen großen Durchmesser,
typischerweise 3 bis 5 mm, zwischen die prostatische Harnröhre des Patienten
und den Umfang der Prostata eingeführt ist, um so das sich dazwischen
erstreckende prostatische Gewebe zu zerstören.
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Ganz
speziell sind die 2a bis 2c Ansichten
im Querschnitt einer Eiskugel 9, die an dem Ende einer
herkömmlichen
kryochirurgischen Spitze ausgebildet ist, welche in eine Prostata 2 eines
Patienten eingeführt
ist. Die prostatische Harnröhre
des Patienten, das Rectum und die Nerven, sind jeweils mit 4, 3 und 6 bezeichnet.
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Eine
einzelne Eiskugel 9 ist innerhalb des prostatischen Gewebeabschnitts
ausgebildet, der sich zwischen prostatischen Harnröhre 4 und
dem Umfang der Prostata 13 erstreckt. Die Abmessungen einer
herkömmlichen
kryochirurgischen Sonde sind so ausgebildet, dass sie eine Eiskugel 9 mit
einem inneren Bereich 10 bereitstellt, der sich durch einen
im Wesentlichen signifikanten Bereich eines solchen Gewebeabschnitts
hindurch erstreckt, um so Temperaturen von zwischen etwa –170°C und etwa –40°C an diesem
aufzubringen. Die Anwendung einer Einzelsonde zum Erzeugen einer
einzelnen Eiskugel 9 bringt eine Abwägung zwischen mehreren Optionen mit
sich.
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Die 2a und 2b zeigen
die Abwägung
zwischen einer ersten Option der Vermeidung der Beschädigung der
prostatischen Harnröhre 4 des Patienten,
aber Beschädigung
von Nerven 6, die nahe des Umfangs 13 der Prostata 2 vorhanden
sind (2a), und einer zweiten Option
der Vermeidung der Beschädigung
der Nerven 6 des Patienten aber einer Beschädigung der
Harnröhre 4 (2b).
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Wie
in 2a gezeigt ist, liegt die isothermische Fläche 7 von –40°C im Wesentlichen
am Umfang 13 der Prostata 2 des Patienten, derart,
dass die Oberfläche 5 der
Eiskugel 9 im Wesentlichen nahe der Harnröhre 4 des
Patienten positioniert ist, um so eine Beschädigung der Harnröhre 4 des
Patienten zu vermeiden. So kühlt
der innere Bereich 10 der Eiskugel 9 die Umfangsregionen
(im Querschnitt) der Prostata effektiv, während sich der äußere Bereich 12 der
Eiskugel 9 durch die Nerven 6 des Patienten hindurch
erstreckt. Die Anwendung von Temperaturen von zwischen etwa –40°C und 0°C an die
Nerven 6 des Patienten kann zu einer temporären oder
dauerhaften Beeinträchtigung
derselben führen.
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Ebenso
kann, wenn die Eiskugel 9 zwischen der Harnröhre 4 und
dem Rectum 3 des Patienten so positioniert ist, dass die
Beschädigung
der Harnröhre 4 vermieden
wird, die Anwendung von zwischen etwa –40°C und 0°C am Rectum des Patienten zu
einer zeitweisen oder dauerhaften Beeinträchtigung desselben führen.
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Wie
in 2b gezeigt ist, ist die isothermische Fläche 7 von –40°C sehr nahe
an der Harnröhre 4 des
Patienten positioniert, derart, dass die Oberfläche 5 der Eiskugel 9 sehr
nahe an den Nerven 6 und/oder dem Rectum 3 (nicht
gezeigt) des Patienten positioniert ist, um so eine Beschädigung der
Nerven 6 und/oder des Rectums 3 des Patienten
zu vermeiden. Auf diese Weise kühlt
der innere Bereich 10 der Eiskugel 9 die zentralen
Regionen (im Querschnitt) der Prostata 2 wirksam, während sich
der äußere Bereich 12 dem
Eiskugel 9 durch die Harnröhre 4 des Patienten
hindurch erstreckt. Die Anwendung der Temperaturen von zwischen
etwa –40°C und 0°C an der
Harnröhre 4 des
Patienten kann zu einer zeitweisen oder dauerhaften Beeinträchtigung
derselben führen.
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Keine
der in den 2a und 2b gezeigten
Alternativen liefert jedoch eine wirksamen Behandlung (Temperatur
von wenigstens etwa –40°C) an dem
gesamten prostatischen Gewebeabschnitt, der zwischen der Harnröhre 4 und
dem Umfang 13 der Prostata erstreckt, wodurch der Patient
einem malignen Entartungsrisiko ausgesetzt wird.
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2c zeigt
eine weitere mögliche
Alternative, in welcher eine dickere kryochirurgische Sonde mit
einem Durchmesser an der Spitze von zwischen 4 und 6 Millimetern
verwendet wird, um eine größere Eiskugel
von etwa 4 bis 5 Zentimetern im Durchmesser zu erzeugen, so dass
eine effektive Behandlung des gesamten prostatischen Gewebeabschnitts
ermöglicht
wird, der sich zwischen der Harnröhre 4 und dem Umfang 13 der
Prostata 2 erstreckt. Wie dargestellt ist, erstreckt sich
der innere Bereich 10 der Eiskugel 9 durch den
gesamten Gewebeabschnitt (im Querschnitt) zwischen der Harnröhre 4 und
dem Umfang 13 der Prostata, wodurch die Harnröhre 4 und die
Nerven (nicht gezeigt) sowie das Rectum 3 dem äußeren Bereich 12 der
Eiskugel 9 ausgesetzt sind.
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Die
Dicke (im Querschnitt) der dem äußeren Bereich 12 der
Eiskugel ausgesetzten Gewebe beträgt etwa r/2, wobei r der Radius
der Eiskugel 9 ist. So wird das Volumen des einer Beschädigung ausgesetzten
benachbarten Gewebes wesentlich größer als das Volumen des behandelten
Gewebes.
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Somit
versagen herkömmliche
kryochirurgische Sonden und Verfahren dahin gehend, die notwendige
Trennschärfe
der Behandlung zu schaffen, die erforderlich ist, um eine genaue
und effektive Zerstörung
eines Gewebes zu ermöglichen,
während gleichzeitig
andere Gewebe und Organe angrenzend daran bewahrt werden.
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Die 3a und 3b sind
schematische Darstellungen eines kryochirurgischen Verfahrens unter
Verwendung der Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei eine Mehrzahl von kryochirurgischen Sonden von
sehr kleinen Durchmessern zwischen der prostatischen Harnröhre 4 und
dem Umfang 13 der Prostata 2 eingeführt werden,
um so das sich dazwischen erstreckende prostatische Gewebe zu zerstören.
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Wie
in 3a gezeigt ist, werden vorzugsweise zwei Sonden
in einen prostatischen Gewebeabschnitt eingeführt, der sich zwischen der
prostatischen Harnröhre 4 und
dem Umfang 13 der Prostata 2 erstreckt, um so
zwei kleinere Eiskugeln 9a und 9b zu bilden.
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Gemäß der in 3a gezeigten
Konfiguration weist jede Eiskugel 9a und 9b einen
Radius von r/2 auf, was die Hälfte
des Radius der in 2c gezeigten Eiskugel 9 ist.
Demgemäß umfassen
die Eiskugeln 9a und 9b jeweils innere Bereiche 14a und 14b,
die jeder einen Radius r/4 haben, und jeweils äußere Bereiche 16a und 16b,
die jeweils eine Dicke von r/4 haben.
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Deshalb
wird durch das Einführen
von zwei Sonden mit kleinerem Durchmesser anstelle einer Einzelsonde
mit einem größeren Durchmesser
in den sich zwischen der prostatischen Harnröhre 4 und dem Umfang 13 der
Prostata 2 erstreckenden Gewebeabschnitt die Dicke der
einer Beschädigung
ausgesetzten angrenzenden Gewebe wesentlich vermindert. Die spezifische
Sonde aus 3a zeigt, dass die Dicke (im
Querschnitt) von angrenzenden Geweben, die zwischen etwa –40°C und 0°C ausgesetzt
sind, nur r/4, wobei dies die Hälfte
der Dicke und entsprechend viel weniger Volumen (zum Beispiel 1/8)
ist, die/das einer Beschädigung
ausgesetzt wird, wenn das Verfahren des Standes der Technik (in 2c gezeigt)
verwendet wird.
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Durch
ein weiteres Vermindern des Durchmessers der kryochirurgischen Sonden
und durch Einführen
einer Mehrzahl von Sonden in den sich zwischen der Harnröhre 4 und
dem Umfang 13 der Prostata 2 erstreckenden Gewebeabschnitts
kann die Beschädigung
an umgebenden Geweben weiter minimiert werden, wodurch die Trennschärfe der
kryochirurgischen Behandlung verbessert wird.
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Eine
weitere Ausführungsform
ist in 3b gezeigt, in welcher zwei
Sonden in den sich zwischen der Harnröhre 4 und dem Umfang 13 der
Prostata 2 erstreckenden Gewebeabschnitt eingeführt sind,
um so zwei Eiskugeln 9a und 9b zu bilden, derart,
dass der innere Bereich 14a der Eiskugel 9a wesentlichen Abstand
von dem inneren Bereich 14b der Eiskugel 9b liegt,
und der äußere Bereich 16a der
Eiskugel 9a den äußeren Bereich 16b der
Eiskugel 9b teilweise überlappt,
wobei die Überlappungsregionen
mit 17 bezeichnet sind. Das in 3b gezeigte
spezifische Beispiel betrifft zwei Eiskugeln, die jeweils einen
Radius von r/5 haben, wobei r der Radius einer herkömmlichen
Eiskugel ist, wie sie in 2c gezeigt ist.
Durch Verwenden einer solchen Konfiguration wird die Dicke der angrenzenden
Gewebe, die einer Beschädigung
ausgesetzt sind, auf r/5 vermindert und wird dessen Volumen entsprechend
vermindert. Es wird klar, dass in dem gegebenen Beispiel substantielle
Fraktionen der Regionen 17, aus welchen durch zwei Sonden
Wärme abgezogen
wird, kühler als –40°C werden.
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Die
in den 3a und 3b gezeigten spezifischen
Beispiele betreffen zwei Eiskugeln mit sich berührenden bzw. in Abstand zueinander
liegenden inneren Bereichen. Eine Mehrzahl von Sonden kann jedoch
verwendet werden, wobei jede einen unterschiedlichen Durchmesser
hat, deren Innenbereiche sich berühren oder in Abstand zueinander
liegen.
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Mit
Bezug auf 4 wird ein kryochirurgisches
Verfahren des Standes der Technik gezeigt, welches die Verteilung
einer Mehrzahl von kryochirurgischen Sonden quer durch eine Prostata
eines Patienten darstellt, wobei eine Einzelsonde in einen Gewebeabschnitt
eingeführt
wird, der sich zwischen der prostatischen Harnröhre 4 und dem Umfang 13 der
Prostata 2 erstreckt. Gemäß einem solchen Verfahren des
Standes der Technik werden etwa 5 bis 7 Sonden in die Prostata des
Patienten eingeführt,
wobei jede der Sonden einen Durchmesser von etwa 3 Millimetern zeigt. 4 zeigt
ein spezifisches Beispiel, in welchem fünf Sonden eingeführt werden,
um so fünf
Eiskugeln mit inneren Bereichen 10a bis 10e und äußeren Bereichen 12a bis 12e zu
bilden. Wie gezeigt ist, wird eine effektive Behandlung durch die Innenbereiche 10a bis 10e,
und die Regionen dazwischen sind mit 19 markiert, nur begrenzten
Regionen der Prostata bereitgestellt, wobei die an angrenzenden
Geweben verursachte Beschädigung,
wie beispielsweise an der Harnröhre 4,
dem Rectum 3 und dem Nerven 6b durch die äußeren Bereiche 12a bis 12e ist
beachtlich.
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5 zeigt
eine bevorzugte Verteilung von kryochirurgischen Sonden. Wie gezeigt
wird, werden wenigstens zwei kryochirurgische Sonden von sehr kleinem
Durchmesser in spezifische Abschnitte von Prostatagewebe eingeführt, das
sich zwischen der Harnröhre 4 und
dem Umfang 13 der Prostata 2 erstreckt. 5 zeigt
ein spezifisches Beispiel, in welchem zwanzig Sonden in die Prostata 2 des
Patienten eingeführt
werden, die fünf
Paare von inneren und äußeren kryochirurgischen
Sonden umfassen, die an spezifischen Abschnitten der Prostata liegen, die
sich von der Harnröhre 4 zum
Umfang 13 erstrecken, und zusätzlich (fünf Paare in dem gegebenen Beispiel) äußere kryochirurgische
Sonden dazwischen eingeführt
sind. Die inneren Bereiche der durch die Paare von äußeren und
inneren Sonden gebildeten Eiskugeln sind mit 14a bzw. 14b bezeichnet,
wobei die Innenbereiche der dazwischen gebildeten Eiskugeln mit 14c bezeichnet
sind.
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Der
Durchmesser einer einzelnen kryochirurgischen Sonde gemäß der vorliegenden
Erfindung beträgt
vorzugsweise zwischen etwa 1,2 Millimeter und etwa 1,4 Millimeter.
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Wie
gezeigt ist, ermöglicht
eine solche Verteilung von kryochirurgischen Sonden mit sehr kleinem
Durchmesser, eine effektive Behandlung mit wenigstens –40°C an einer
größeren Fläche des
prostatischen Gewebes bereitzustellen, während die Dicke von gesunden
angrenzenden Geweben, die einer Beschädigung ausgesetzt wird, minimiert
wird.
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So
erhöht
ein Verfahren unter Verwendung der Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung die Wirksamkeit und Trennschärfe einer Behandlung gegenüber dem
Verfahren des Standes der Technik erheblich.
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Das
in 5 gezeigte Verteilungsmuster der Sonden umfasst
einen inneren Kreis und einen äußeren Kreis
von Sonden, wobei ein Bereich der Sonden in Paaren einer Innensonde
und einer Außensonde angeordnet
ist. Gemäß einer
anderen Konfiguration (nicht gezeigt) sind die Sonden in einem inneren Kreis
und einem äußeren Kreis
aber nicht notwendigerweise in Paaren einer Innensonde und einer
Außensonde
angeordnet.
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Die
Sonden können
in die Prostata des Patienten sequentiell eingeführt und herausgezogen werden,
um so die ausgewählten
Bereiche derselben sequentiell abzukühlen. Ein Verfahren zur schnellen Extraktion
der Sonden ohne ein Abreißen
von Gewebeteilen des Patienten, die an der Spitze der Sonde anhaften,
ist hier nachfolgend offenbart.
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Die
Einfügung
einer Mehrzahl von kryochirurgischen Sonden mit kleinem Durchmesser
verbessert die Trennschärfe
der Behandlung entlang der Ebenen senkrecht zur Eindringachse der
Sonden in die Prostata. Die Prostata hat jedoch, wie andere anatomische
Organe auch, eine asymmetrische dreidimensionale Form. So kann ein
spezifisches Verteilungsmuster der Sonden eine effektive Behandlung an
einer bestimmten Ebene bereitstellen, die in einer spezifischen
Eindringtiefe liegt, kann aber gleichzeitig nicht prostatische Gewebe,
die an anderen Eindringtiefen liegen, ernsthaft beschädigen. Der
Stand der Technik versagt dahin gehend, ein kryochirurgisches Verfahren
und eine solche Vorrichtung zu schaffen, welches/welche eine hohe
Trennschärfe der
Behandlung entlang der Eindringachse der Sonden in ein Organ eines
Patienten und senkrecht dazu ermöglichen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine kryochirurgische Vorrichtung bereitgestellt,
welche eine hohe Trennschärfe
der Behandlung entlang der Eindringachse der kryochirurgischen Sonde
in ein Organ des Patienten sowie entlang der Ebenen senkrecht zur
Eindringachse ermöglicht,
wobei diese hohen Trennschärfen
erreicht werden, indem ein dreidimensionales Raster des Organs gebildet
wird, vorzugsweise durch Verwenden einer Ultraschallabbildung, und
indem jede der kryochirurgi schen Sonden in eine spezifische Tiefe
in das Organ entsprechend der durch das Raster gelieferten Information
eingeführt
wird.
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Mit
Bezug auf die 6a, 6b und 7 umfasst
eine kryochirurgische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Mehrzahl von kryochirurgischen Sonden 53, die jeweils
eine Arbeitsspitze 52 mit einem Joule-Thomson-Kühler zum
Tiefkühlen
eines Gewebes eines Patienten und ein Halteelement 50 zum
Halten durch einen Operateur aufweisen. Wie in 7 gezeigt,
umfasst die Arbeitsspitze 52 wenigstens einen Durchgang 78,
der sich durch diese hindurch erstreckt, um Hochdruckgas an einer Öffnung 80 bereitzustellen,
die an dem Ende der Arbeitsspitze 52 liegt, wobei die Öffnung 80 für den Durchgang
eines Hochdruckgases durch diese hindurch ausgelegt ist, um so die
Arbeitsspitze 52 zu kühlen
und an ihrem Ende 90 eine Eiskugel zu erzeugen. Gase, die
zum Kühlen
verwendet werden können,
umfassen, sind aber nicht beschränkt
darauf, Argon, Stickstoff, Luft, Krypton, CO2,
CF4, Xenon oder N2O.
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Wenn
ein Hochdruckgas, wie Argon, durch die Öffnung 80 expandiert,
verflüssigt
sich dieses, um so einen kryogenen Pool innerhalb einer Kammer 82 der
Arbeitsspitze 52 zu bilden, wo bei der kryogene Pool eine
Oberfläche 84 der
Arbeitsspitze 52 wirksam kühlt. Die Oberfläche 84 der
Arbeitsspitze 52 ist vorzugsweise aus einem wärmeleitenden
Material hergestellt, wie einem Metall, um so die Bildung einer Eiskugel
am Ende 90 derselben zu ermöglichen.
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Alternativ
kann ein Hochdruckgas, wie Helium, für ein Erwärmen der Arbeitsspitze 52 über einen umgekehrten
Joule-Thomson-Prozess verwendet werden, um so eine Behandlung durch
Zyklen von Kühlen/Wärmen zu
ermöglichen
und um ferner ein Anhaften der Sonde an dem Gewebe zu verhindern, wenn
sie aus dem Körper
des Patienten herausgezogen wird, und um eine schnelle Extraktion
zu ermöglichen,
wenn dies erwünscht
ist.
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Wenn
ein Hochdruckgas, wie Helium, durch die Öffnung 80 hindurch
expandiert, erwärmt
es die Kammer 82, wodurch die Oberfläche 84 der Arbeitsspitze 52 erwärmt wird.
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Die
Arbeitsspitze 52 umfasst wenigstens einen Evakuierungsweg 96,
wobei die spiralförmige Röhre in einer
Kammer 98 aufgenommen ist. Auf diese Weise kann das durch
den Durchgang 96 evakuierte Gas das durch die Spiralröhre 76 fließende, ankommende
Gas vorkühlen.
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Wie
in 7 weiter gezeigt ist, kann ein Halteelement 72 einen
Isolierkörper 92 zur
Wärmeisolierung
des Wärmetauschers
gegenüber
der äußeren Umgebung
umfassen.
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Ferner
kann die Arbeitsspitze 52 wenigstens einen Wärmesensor 87 zum
Erfassen der Temperatur in der Kammer 82 umfassen, wobei
sich dessen Draht 89 durch den Evakuierungsweg 96 hindurch oder
einen dafür
vorgesehenen Durchgang (nicht gezeigt) erstreckt.
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Zudem
kann ein Halteelement 72 eine Mehrzahl von Schaltern 99 zur
manuellen Steuerung des Betriebs der Sonden 53 durch einen
Operateur umfassen. Solche Schalter können Funktionen liefern, wie
Ein/Aus, Erwärmen,
Kühlen,
und vorbestimmte Zyklen des Erwärmens
und Kühlens,
indem der Eingangsweg 70 wahlweise und steuerbar mit einem
geeigneten äußeren Gasbehälter in
Kommunikation gebracht wird, der ein kühlendes oder ein wärmendes Gas
beinhaltet.
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Wie
in 6a gezeigt ist, ist jede der kryochirurgischen
Sonden 53 über
eine flexible Verbindungsleitung 54 mit einer Anschlussstelle 56 auf
einem Gehäuseelement 58 verbunden,
vorzugsweise mithilfe eines Verbindungselement 51. Die
kryochirurgischen Sonden 53 können mit den Verbindungsstellen 56 lösbar verbunden
sein.
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Vorzugsweise
erstreckt sich der Evakuierungsweg 96 durch eine Verbindungsleitung 54 hindurch,
derart, dass das abgehende Gas durch eine an dem Verbindungselement 51 liegende Öffnung hindurch
evakuiert wird oder an einer anderen geeigneten Stelle, zum Beispiel
am Verteiler 55, siehe unten. Vorzugsweise umfasst die
Leitung 54 ferner eine elektrische Verdrahtung zum Bereitstellen
elektrischer Signale an den Wärmesensor
und die Schalter (nicht gezeigt).
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Jede
der kryochirurgischen Sonden 53 steht in einer Fluidkommunikation
mit einem Verteiler 55, der in einem Gehäuse 58 aufgenommen
ist, wobei der Verteiler 55 zur Verteilung des einströmenden Druckgases über Leitungen 57 an
die kryochirurgischen Sonden 53 ausgelegt ist.
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Wie
gezeigt ist, ist das Gehäuse 58 über ein flexibles
Kabel mit einem Gasrohr (nicht gezeigt) mit einem Verbinder 62 verbunden,
wobei der Verbinder 62 zum Verbinden der Vorrichtung mit
einer Hochdruck-Gasquelle und einer elektrischen Quelle vorgesehen
ist.
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Die
Vorrichtung umfasst ferner eine elektrische Verdrahtung (nicht gezeigt),
die sich durch das Kabel 60 und das Gehäuse 58 hindurch erstreckt,
um zwischen der elektrischen Quelle und den kryochirurgischen Sonden 53 eine
elektrische Verbindung bereitzustellen.
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Vorzugsweise
umfasst das Gehäuse 58 ein Vorkühlelement,
das allgemein mit 61 bezeichnet ist, zum Vorkühlen des
an die kryochirurgischen Sonden 53 strömenden Hochdruckgases. Vorzugsweise
ist das Vorkühlelement 61 ein
Joule-Thomson-Kühler, der
ein rohrförmiges
Element 48 umfasst, das in einer Kammer 49 aufgenommen
ist, wobei das rohrförmige Element 48 eine Öffnung 59 für den Durchgang
des Hochdruckgases aufweist, um so die Kammer 49 zu kühlen, wodurch
das durch das rohrförmige
Element 48 in den Verteiler 55 strömende Gas
gekühlt
wird.
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Eine
weitere Konfiguration eines Vorkühlelements 61 ist
in 6b gezeigt, wobei das rohrförmige Element 48 in
Form eines Spiralrohres vorliegt, das um ein Zylinderelement 57 herum
gewickelt ist, um so die Kontaktfläche zwischen dem rohrförmigen Element 48 und
dem Kühlgas
in der Kammer 49 zu erhöhen.
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Gemäß noch einer
weiteren Konfiguration (nicht gezeigt) umfasst das Gehäuse 58 ein
erstes rohrförmiges
Element zum Zuführen
eines ersten Hochdruckgases an den Verteiler 55 und ein
zweites rohrförmiges
Element zum Zuführen
eines zweiten Hochdruckgases an das Vorkühlelement 61. Eine Kombination
von Gasen kann zum Kühlen
und/oder Erwärmen
der durch solche rohrförmigen
Elemente strömenden
Gase verwendet werden.
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Alternativ
kann ein kryogenes Fluid, wie flüssiger
Stickstoff, zum Vorkühlen
des durch das Gehäuse 58 strömenden Gases
verwendet werden. Alternativ kann ein elektrisches Vorkühlelement
zum Vorkühlen
des Gases verwendet werden.
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Vorzugsweise
können
Wärmesensoren (nicht
gezeigt) in dem Kabel 60 und dem Verteiler 55 zum
Messen der Temperatur des hindurchströmenden Gases angeordnet sein.
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Mit
Bezug auf die 8 bis 10 nutzt
die Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Bilddarstellungseinrichtung, wie Ultraschall, MRI oder
CT, um so ein dreidimensionales Raster des von dem behandelten Organ
des Patienten, zum Beispiel der Prostata, zu bilden, wobei das dreidimensionale Raster
dazu dient, Informationen über
die dreidimensionale Form des Organs bereitzustellen. Jede der kryochirurgischen
Sonden wird dann auf eine spezifische Tiefe in das Organ entsprechend
der durch das Raster bereitgestellten Information eingeführt.
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Wie
in 8 gezeigt ist, ist eine Ultraschallsonde 130 zur
Einführung
in das Rectum des Patienten vorgesehen, wobei die Ultraschallsonde 130 in
einem Gehäuseelement 128 aufgenommen
ist. Ein Führungselement 115 ist
mit dem Gehäuseele ment 128 mithilfe
eines Verbindungsarms 126 verbunden. Wie gezeigt ist, hat
das Führungselement 115 die Form
einer Platte 110 mit einem Netz von Öffnungen 120, wobei
jedes Loch zur Einführung
einer kryochirurgischen Sonde durch dieses hindurch dient. Vorzugsweise
beträgt
der Abstand zwischen jedem Paar angrenzender Öffnungen 120 zwischen
etwa 2 Millimeter und etwa 5 Millimeter.
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Wie
in 9 gezeigt ist, wird die Ultraschallsonde 130 auf
eine spezifische Tiefe 113 in das Rectum 3 des
Patienten eingeführt.
Ein Netz von Markierungen 112 ist auf dem erhaltenen Ultraschallbild 114 vorgesehen,
wobei das Netz von Markierungen 112 auf dem Bild 114 genau
mit dem Netz von Öffnungen 120 auf
dem Führungselement 115 korreliert.
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So
zeigen die Markierungen 112 auf dem Bild 114 die
genauen Lagen der Zentren der Eiskugeln, die an dem Ende der durch
die Öffnungen 120 in
die Prostata 2 des Patienten eingeführten kryochirurgischen Sonden
gebildet werden können,
wobei sich das Bild 114 auf eine spezifische Eindringtiefe 113 der
kryochirurgischen Sonden in die Prostata 2 bezieht.
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Wie
in 9 gezeigt ist, wird die Ultraschallsonde 130 graduell
auf verschiedene Tiefen 113 des Rectums 3 eingeführt, wodurch
ein Satz von Bildern 114 erzeugt wird, wobei sich jedes
Bild auf eine jeweilige Eindringtiefe in die Prostata 2 bezieht.
So bezieht sich jedes der Bilder 114 auf eine spezifische Ebene
senkrecht zur Eindringachse der kryochirurgischen Sonden.
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Der
Satz von Bildern 114 liefert ein dreidimensionales Raster
der Prostata. Ein solches dreidimensionales Raster wird dann zur
Planung der kryochirurgischen Vorgehensweise genutzt.
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Zum
Beispiel kann die Einführung
einer kryochirurgischen Sonde entlang einer gegebenen Eindringachse
auf eine erste Tiefe einen prostatischen Gewebeabschnitt wirksam
zerstören,
während
die Einführung
der Sonde auf eine zweite Tiefe die prostatische Harnröhre ernsthaft
beschädigen
kann.
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Da
die Eiskugel örtlich
am Ende der kryochirurgischen Sonde gebildet wird, kann jede Sonde
auf eine spezifische Tiefe eingeführt werden, so dass sie örtlich eine
effektive Behandlung an einem begrenzten Bereich der Prostata bereitstellt,
während
gleichzeitig die Beschädigung
von nicht prostatischen oder prostatischen Geweben, die an anderen
Eindringtiefen liegen, vermieden wird.
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10 zeigt
die Einführung
einer Arbeitsspitze 52 einer kryochirurgischen Sonde 50 durch eine Öffnung eines
Führungselements 115 hindurch in
die Prostata 2 eines Patienten.
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Vorzugsweise
werden eine Mehrzahl von kryochirurgischen Sonden sequentiell durch
die Öffnungen 120 des
Führungselement 115 hindurch
in die Prostata des Patienten eingeführt, wobei jede Sonde auf eine
spezifische Tiefe eingeführt
wird, wodurch eine im Wesentlichen örtlich effektive Behandlung
an bestimmten Abschnitten des Prostatagewebes bereitgestellt wird,
während
die Beschädigung anderer
prostatischen oder nicht prostatischen Gewebeabschnitte vermieden
wird.
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Vorzugsweise
umfasst jede der kryochirurgischen Sonden eine Skala zur Anzeige
der Eindringtiefe in die Prostata.
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Obwohl
die Erfindung in Verbindung mit ihren speziellen Ausführungsformen
beschrieben wurde, ist klar, dass viele Alternativen, Modifikationen
und Variationen den Fachleuten nahe liegen. Demgemäß sollen
alle solche Alternativen, Modifikationen und Variationen umfasst
sein, die in den Schutzbereich der angehängten Ansprüche fallen.