DE60216436T2

DE60216436T2 - Spritzvorrichtung

Info

Publication number: DE60216436T2
Application number: DE60216436T
Authority: DE
Inventors: S. Robert Rochester SCHWARTZ; A. Robert Excelsior VanTASSEL; R. David Excelsior HOLMES
Original assignee: TriCardia LLC
Current assignee: TriCardia LLC
Priority date: 2001-04-13
Filing date: 2002-04-11
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2022-04-12
Also published as: EP1381418A2; JP2004528092A; ATE346640T1; US20050197633A1; WO2002083228A2; WO2002083228A3; US6969373B2; CA2444505A1; US20030009132A1; DE60216436D1; EP1381418B1; US20050165354A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Instrumente, die zum Injizieren von Medikamenten oder anderen Materialien in eine Körperwand, ein Gewebe, eine Kammer oder ein Gefäß verwendet werden. Im einzelnen ist ein Spritzensystem vorgesehen, das in der Lage ist, manuell oder automatisch genau bemessene Mengen von Flüssigkeiten in einen Körper zu injizieren. Es sind mehrere Nadelgestaltungen inbegriffen, um vorteilhaft geformte oder diffundierte Wolken, Ströme oder Strahlen von Medikamenten, Kontrastmitteln oder anderen Flüssigkeiten zu erzeugen.
Das direkte Einführen einer Arznei, einer Verbindung, eines Kontrastmittels, eines biologisch aktiven Peptids, eines Gens, eines Genvektors, eines Proteins oder von Zellen für die Therapie in Gewebe oder Zellen eines Patienten können einen signifikanten therapeutischen Wert haben. Die Injektion war seit langem ein beliebtes, relativ nicht-invasives Mittel für das direkte Einleiten verschiedener Medikamente und anderer Fluide, und wird als Mittel zur nicht-invasiven Verabreichung von pharmazeutischen Zubereitungen von Peptiden immer beliebter, da es das Gewebetrauma minimiert. Die Injektion ist auch eine praktische Verabreichungsstrategie für die Angiogenese.
Angiogenese wird als Wachstum neuer Blutgefäße definiert. Sie ist ein wichtiger natürlicher Prozess, der im Körper, sowohl im gesunden als auch im kranken, abläuft. Er tritt im gesunden Körper zur Heilung von Wunden und zum Wiederherstellen einer Blutströmung zu Geweben nach einer Verletzung oder Beeinträchtigung auf. Sie kann durch angiogenetische Wachstumsfaktoren, wie z.B. VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor) und einen Fibroblasten-Wachstumsfaktor (sauer oder basisch) beeinflusst werden.
Endothele und vaskuläre glatte Muskelzellen sowie neokardiale Zellen haben eine schwache mitotische Aktivität bei normalen Koronararterien und Herzmuskeln von Erwachsenen. Während des Wachstums und der Entwicklung aber, sowie unter Zuständen einer Ischämie, Hypoxie, Entzündung oder einer anderen Belastung können diese Zellen zu migrieren und sich aufzuteilen beginnen, insbesondere in der Mikrozirkulation. Dies führt schließlich zu der Entwicklung neuer intramuskulärer Blutgefäße. Natürlich vorkommende endothele Wachstumsfaktoren mit angiogenetischer Potenz, wie FGF und VEGF können eine Angiogenese durch Stimulieren eines endothelen Zellwachstums, einer Differenzierung und Migration induzieren.
Die Verabreichungsstrategie bei Angiogenese ist ein Hauptproblem, das ihren breiteren Einsatz begrenzt. Eine Anzahl von Strategien sind versucht worden, aber keine hat sich als so praktisch erwiesen wie die transendomyokardiale Injektion. Andere Lösungswege haben bestimmte Nachteile, die sie weniger erwünscht machen. Intrakoronare Infusionen, eine Injektion angiogenetischer Faktoren in den Blutstrom in den Koronararterien sind zwar minimal-invasiv, bewirken aber ein systemisches Exponiertsein gegenüber Wachstumsfaktoren, die anderswo im Körper unerwünschte Auswirkungen haben können. Außerdem bewirken Intrakoronare Infusionen eine geringe Aufnahme von Faktoren durch das Myocardium. Intraperikardiale Injektionen, eine Injektion von Faktoren in den das Herz umgebenden Sack haben das Potential, als Reservoir für eine kontinuierliche Verabreichung eingesetzt zu werden, aber viele der Behandlung unterzogene Personen haben auch CABG aufgenommen und besitzen kein intaktes Pericardium mehr. Außerdem ist die Prozedur zur Verabreichung der Injektion sehr schwierig infolge der Anatomie des Pericardiums. Die transepicardiale Injektion, eine Injektion direkt in das Myocardium von außen, erfordert einen chirurgischen Eingriff mit offenem Brustkorb, obwohl es möglicherweise auch eine Thoraxoscopiemethode gibt, die weniger invasiv ist. Die Probleme der obigen Lösungen zur Verabreichung lassen die transendomyokardiale Injektion als den Lösungsweg erscheinen, der am zuverlässigsten die Faktoren bereitstellt, und zwar ohne einen Verlust von Faktoren, ohne chirurgischen Eingriff bei offenem Brustkorb und ohne systemisches Exponiertsein.
Es bestehen jedoch mehrere Probleme bei der gängigen Prozedur einer intramyokardialen Injektion mittels einer Standardnadel mit einem Loch an einem einzigen Ende. Zunächst tritt oft eine erhebliche Menge an Material aus der Nadel aus und belässt das Myocardium retrogradierend über dem Nadeleinstichkanal. Diese Erscheinung wird nachstehend als "Rückströmen" ("back flow") bezeichnet. Dies ist ein ernstes Problem insofern, als die eine Angiogenese fördernden Faktoren extrem teuer sind und, wenn sie nicht in den Zielbereich eingeleitet werden, nicht ihre gewünschte Funktion erfüllen. Außerdem könnte ein systemisches Exponiertsein Probleme, wie z.B. einen niedrigen Blutdruck erzeugen, da die Arznei mit anderen Bereichen des Körpers in Interaktion treten kann.
Ein weiteres Problem bei der gängigen Prozedur hat mit einer mangelhaften Verteilung der Faktoren zu tun. Es hat sich eindeutig herausgestellt, dass eine herkömmliche Nadel eine mangelhafte Übertragung der Faktoren zu dem Herzen während der Injektion aufweist. Daher ist es offensichtlich, dass ein Bedarf an einer diffundierenden Nadel mit einer Vielzahl von Löchern besteht, die eine größere und besser steuerbare Verteilung bzw. Übertragung von Injektat in den Injektionsbereich bereitstellt.
Ferner kann das oben genannte Problem bezüglich einer mangelhaften Verteilung der Faktoren auch einem Vakuumeffekt zuzuschreiben sein, der in dem myokardialen Bereich entsteht, wenn die Nadel entfernt wird. Dieser Vakuumeffekt kann Injektat von dem umgebenden Gewebe zurück in den von der Nadel gebildeten Kanal saugen. Dieser Effekt kann durch Vorsehen einer Nadelgestaltung gemindert werden, bei der die Außenfläche der Nadel die Bildung einer Dichtung zwischen der Oberfläche der Nadel und dem umgebenden Gewebe verhindert. Eine diffundierende Nadel mit einer Vielzahl von in der Außenfläche gebildeten Löchern, eine Nadel mit einer gerillten bzw. eingekerbten Außenfläche oder eine Kombination der beiden verringert diese Wirkung.
Traditionelle Injektionsverfahren und -vorrichtungen, die nicht notwendigerweise angiogenese-spezifisch sind, haben es nicht erreicht, dem operierenden Arzt einen akzeptablen Grad an Kontrolle über die Größe, die Form und die Verteilung der Injektatwolke zu geben. Herkömmliche Nadelgestaltungen fördern das Injektat zu einem einzigen Zielort, wodurch eine oft höhere als die erwünschte Konzentration von Injektat dort abgelagert wird, die sich natürlich verteilen muss. Im Fall bestimmter Peptide und Pharmaka ist eine hohe Ablagerungskonzentration möglicherweise toxisch, falls die Konzentration ausreicht, um eine biologische Reaktion auf das injizierte Mittel hervorrufen.
Genauer gesagt legen herkömmliche Nadeln ein Innenlumen fest, das von einem Reservoir, wie z.B. einer Spritze, aus zu einer Öffnung zu einem distalen, spitz zulaufenden Punkt führt. Sobald die Spitze der Nadel eine Zielstelle erreicht hat, drückt ein Arzt oder eine Maschine das Injektat durch die Öffnung. Eine Steuerung wird nur durch Variieren der Geschwindigkeit, mit der das Fluid durch die Nadel gezwängt wird, erreicht. Im Fall einer manuell betätigten Spritze ist die Steuerung eine ungenaue Angelegenheit der Geschicklichkeit und der Muskelkontrolle. Die resultierende Injektatwolke am Injektionsort hat eine Form, die weitgehend von der Dichte des umgebenden Gewebes und der Strömungsgeschwindigkeit des aus der Nadel austretenden Stroms kontrolliert wird. Wenn der Partialdruck von Injektat an der Nadelspitze hoch wird, besteht außerdem eine Tendenz, dass das Injektat der Nadel folgt, wenn diese zurückgezogen wird, wodurch es den Zielort verlässt.
WO 99/19016 offenbart einen Katheter mit einer Doppelspirale von Infusionslöchern um seinen Umfang für eine laterale Verteilung eines thrombolytischen Fluids.
WO-01/05210 offenbart einen Katheter zur gleichmäßigen Verabreichung einer Arznei mit Reihen von Austrittslöchern entlang der Länge und um den Umfang des Katheters.
WO 00/71194 offenbart eine transseptale Kanüle mit einer Reihe länglicher Löcher um deren distales Ende, um eine Blutströmung durch die Kanüle zu ermöglichen.
Demgemäß besteht nach wie vor ein Bedarf im Stand der Technik an neueren und besseren Nadeln und Injektionssystemen oder an Geräten, die für eine Injektion gesteuerter Mengen therapeutischer oder diagnostischer Substanzen geeignet sind, und zwar ohne wesentlichen Verlust von Injektat und ohne eine merkliche Beschädigung von Gewebe auch bei wiederholten Injektionen.
Es besteht ein besonderer Bedarf an Nadeln, die für eine Anbringung an verschiedenen Arten von Kathetern für eine solche kontrollierte Verabreichung therapeutischer Substanzen an entfernten Stellen innerhalb des Körpers geeignet sind.
Es besteht auch ein Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung, die die Minimalmenge an Injektat, welches eine manuelle oder automatische Spritze fördern kann, erheblich und doch steuerbar reduziert.
Ferner besteht ein Bedarf an einem Injektionssystem, das eine Kontrolle über den Strom oder die Ströme von Injektat bietet, welche die Nadel oder einen Katheter verlassen. Genauer gesagt besteht ein Bedarf an einer Nadel oder an einem Katheter, der der Bedienungsperson die Möglichkeit gibt, die resultierende Injektatwolke zu manipulieren, während das Fluid aus der Nadel strömt, ohne die Nadel longitudinal oder transversal bewegen zu müssen und dabei das Risiko einzugehen, am Zielort eine Verletzung zu verursachen.
Zusammenfassend gesagt besteht ein Bedarf an einer Injektionsvorrichtung, die eine Möglichkeit der Kontrolle der Konzentration, der Struktur und der Position bei der Einbringung eines Injektats bietet.
Abriss der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine medizinische Vorrichtung bzw. ein medizinisches Gerät gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
Allgemein überwindet die vorliegende Erfindung viele der Probleme im Stand der Technik durch Bereitstellen eines medizinischen Geräts, das in der Lage ist, eine Injektatwolke in Gewebe mit einer vorbestimmten Form, Größe und Konzentration zu erzeugen. Die Vorrichtung umfasst ein Nadelsystem mit mindestens einem länglichen Element mit mehreren Löchern, die so konstruiert und angeordnet sind, dass sie die gewünschte Wolkenform erzeugen, wenn das Injektat durch sie hindurchgezwungen wird. Vorzugsweise wirken zwei längliche, teleskopartig verbundene Elemente zusammen, um eine gewünschte Wolkenform zu erzeugen. Es ist hier auch eine hydraulische In-Line-Reduktionsanordnung offenbart, die den Einsatz eines einfach gesteuerten, relativ großen Flüssigkeitsvolumen ermöglicht, um die notwendige Injektionskraft zur Verabreichung einer extrem kleinen Injektion in Körpergewebe bereitzustellen.
Das Reduktionselement und die Nadel können für eine Anbringung an Instrumenten wie z.B. einer manuellen oder automatischen Spritze oder zur Anbringung an einer gesteuerten Druckquelle ausgelegt sein.
Es sind hier auch Anordnungen offenbart, die zum Injizieren eines Medikaments an einer entfernten Stelle eines Patienten, der dieses braucht, von Nutzen sind. Die Anordnung umfasst eine Nadel mit einem scharfen distalen Punkt mit oder ohne Durchflusslumen, und einen Katheter mit einem diffundierenden distalen Abschnitt, der am distalen Ende der Nadel angebracht ist. Vorzugsweise hat das distale Ende des Katheters mehrere Löcher, die zum Fördern eines Injektats über einen relativ großen Bereich gebaut und angeordnet sind. Dieser Katheter wird optimal mit einer im wesentlichen festen Nadel gekoppelt, so dass das Injektat durch die Löcher in den Katheter austritt. Alternativ ist das distale Ende des Katheters aus porösem Polymer aufgebaut. Anwendungen für diesen Katheter sind zahlreich, aber ein besonders wichtiges Beispiel ist die intravenöse Verabreichung eines Kontrastmittels oder für den Einsatz in hochmagnetischen Feldern, wie sie durch Magnetresonanz-Abbildungsverfahren erzeugt werden. Der Rest des Katheters ist nicht-porös, um zu gewährleisten, dass das Medikament nur an Gewebe in Kontakt mit dem porösen oder ein Loch festlegenden Abschnitt des Katheters verabreicht wird.
Die Nadel und/oder die Anordnung sind idealerweise zum Einspritzen von Medikamenten in Gewebe geeignet, die Nukleinsäure enthalten, in denen ein therapeutisches Mittel codiert ist (oder lebende Zellen, die eine solche Nukleinsäure enthalten). Beispielsweise kann die Nadel (wenn sie an einem geeigneten Katheter angebracht ist) oder die Anordnung dazu verwendet werden, (ein) Medikament(e) in die Wand eines schlagenden Herzens oder eines anderen inneren Organs zu injizieren, und zwar ohne wesentlichen Verlust des Medikaments an der Oberfläche des Körperwand und ohne merkliche vom Injektat verursachte Beschädigung von Gewebe am Injektionsort.
Die vorliegende Erfindung ist besonders geeignet zum Injizieren von Medikamenten in fibröses Gewebe, wie z.B. das Myocardium, und kann bei einem Verfahren des Injizierens von Fluid mit der Entwicklung einer optimalen Druckwelle eingesetzt werden, die zur Vorbereitung des Gewebes für die Aufnahme des Injektats vor der Verabreichung einer operativen Dosis dient. Die Druckwellenform umfasst eine anfängliche Druckspitze, welche das Gewebe aufweitet und etwas trennt, wodurch aufnehmende "Ebenen" im Gewebe geschaffen werden, die Bereiche geringen Widerstands gegenüber der Injektataufnahme bieten. Nach der anfänglichen Druckwelle wird eine operative Dosis des Injektats mit einem Druck verabreicht, der geringer ist als die anfängliche Spitze. Zusätzliche nachfolgende Spitzen können nötigenfalls in die Wellenform einbezogen werden, um diese Ebenen aufrechtzuerhalten oder neue, zusätzliche Ebenen zu öffnen.
Es sind hier auch andere Verfahren zum Einspritzen eines Medikaments in das Gewebe eines Patienten beschrieben. Ein Injektionsverfahren umfasst das Einsetzen des distalen Abschnitts der Nadel in das Gewebe des Patienten und das Bewirken eines Stroms von Injektat zur Bildung einer Wolke einer vorbestimmten Form und Größe in dem umgebenden Gewebe. Die Wolkenform und -größe werden nicht nur durch die Anordnung und die Winkel der Löcher in der Nadel bestimmt, sondern durch die Größe der eingesetzten Kraft, um das Injektat zu fördern. Durch Variieren des Drucks kann ein Arzt vorteilhaft die innerhalb der Nadel erzeugte Wirbelströmungsstrukturen verwenden, die notwendigerweise mit dem Druck variieren. Somit wird nicht nur die Größe der Wolke durch Fördern eines Injektats mit verschiedenen Drücken verändert, sondern auch die Wolkenform ändert sich.
Das Steuern der Injektatströmung durch die Nadel ermöglicht es dem Arzt auch, die Konzentration des Injektats am Zielort zu kontrollieren. Bei einer gegebenen Größe und Verteilung der Austrittslöcher zwingt ein Eintreiben des Injektats in die Nadel mit einem vorbestimmten Druck dieses aus der Nadel und in das Gewebe in einem entsprechenden vorhersehbaren Verteilungsmuster. Genauer gesagt bewirkt jede Strömungsrate durch eine bestimmte Nadel mit einer vorbestimmten Lochstruktur eine Interaktion des Fluids mit der Lochgröße und dem Gewebe auf eindeutige Weise, um eine vorbestimmte Wolkenstruktur zu liefern. Das Gesamtvolumen der Injektatverteilung geteilt durch die Absolutmenge von gefördertem Injektat legt die Injektatkonzentration des Injektats im Zielgewebe in bestimmten Abständen von der Nadel fest. Dies trifft für Arzneien, Proteine, virale oder andere Partikel oder für eine Zellenverabreichung (z.B. Stammzellen, myokardiale Zellen oder irgendwelche anderen lebenden Zellen etc.) zu. Somit kann nicht nur die Struktur des Injektats kontrolliert werden, sondern auch die Konzentration des Injektats wird einfach kontrolliert. Eine Injektion durch eine solche Nadel mit Löchern hat zwei unabhängige Variablen: den Druck und die Strömungsgeschwindigkeit. Der Druck und die Strömungsgeschwindigkeit an irgendeinem Punkt entlang dem Innenraum der Nadel durch die Löcher und der Austritt des Injektats aus der Nadel. Das Gesamtvolumen ist eine unabhängige Variable und bestimmt so die absolute Konzentration.
Zusätzliche Kontrolle und Flexibilität wird durch Manipulieren des Stroms, wenn er in das Gewebe eingeleitet wird, erreicht. Wie oben erwähnt wurde, sind hier mehrere Hülsengestaltungen, entweder außerhalb oder innerhalb der Nadel offenbart, wie z.B. Hülsen, die Öffnungen in ihren Seitenwänden festlegen, welche so einsetzbar sind, dass sie die Wolkenstrukturen während der Betätigung verändern oder verschließen. Es ist vorgesehen, dass entweder die Hülse oder das nadelartige Element, das teleskopartig von der Hülse aufgenommen wird, geschärft werden kann, um eine notwendige Durchstichfähigkeit bereitzustellen, um das Gerät in einen Körper einzuführen. Beispielsweise wird in einer Ausführungsform eine geschärfte Hülse mit mehreren Löchern bereitgestellt, die so gebaut und angeordnet sind, dass eine gewünschte Wolkenstruktur geschaffen wird. Von der geschärften Hülse, die so bemessen ist, dass sie Löcher verschließt, wenn sie darunter verschoben wird, wird ein Stilett teleskopartig oder verschiebbar aufgenommen. Das Stilett legt sein eigenes Innenlumen fest, welches ein Durchströmen des Injektats durch das Stilett und aus den Löchern ermöglicht. Eine Drehung der Hülse relativ zu der Nadel und deren Löchern bewerkstelligt diese Änderung.
Es ist zu erkennen, dass Variationen bei dieser Stilett-Anordnung variierende Effekte erzeugen können. Wenn beispielsweise das Stilett massive Seitenwände sowie eine Öffnung an seinem distalen Ende hat, die zu dem Lumen führt, ermöglicht das Stilett ein freies Strömen des Injektats durch das Stilett und aus den Löchern der Hülse, wenn sich das Stilett in einer Position befindet, die proximal von den meisten proximalen Löchern versetzt ist. In dieser Position erreicht die resultierende Wolke ihre maximale Länge. Wenn das Stilett in einer distalen Richtung bewegt wird, beginnt es die Löcher zu verdecken, beginnend bei den Löchern, die am proximalsten sind, und verdeckt schließlich alle Löcher, wenn das Stilett eine distale Position erreicht. Die Wolke kann somit während der Operation hinsichtlich der proximalen Erstreckung der Wolke verkürzt werden.
Eine weitere Anordnung stellt ein Stilett mit einer Öffnung oder einem Fenster bereit, das in dessen Seitenwand festgelegt ist. Falls das Stilett ferner eine geschlossene distale Endwand aufweist, ist die sich daraus ergebende Wirkung ganz anders. In der proximalen Position kann kein Injektat aus dem Stilett entweichen, und es ergibt sich keine Wolke. Wenn das Stilett in einer distalen Richtung vorwärts bewegt wird, beginnt das Fenster sich mit bestimmten Löchern auszurichten. Somit beginnt eine Wolkenbildung an einem proximalen Ende und setzt sich distal fort. Falls das Fenster länglich ist, wird ein Strömen des Injektats aus den proximaleren Löchern fortgesetzt, wenn das Stilett distal fortbewegt wird. Daher wird während des Bewegungsverlaufs des Stiletts mehr Injektat aus den proximalen Löchern als aus den distalen Löchern fließen. Die resultierende Wolke wird eine Tränentropfenform oder eine Kegelstumpfform haben. Falls das Fenster nur auf einer Seite des Stiletts festgelegt ist, hat die Wolke eher eine Keilform. Falls das Fenster nicht länglich ist, sondern vielmehr lang genug ist, um nur ein Loch oder einige wenige Löcher gleichzeitig zu öffnen, werden die proximalen Löcher wieder verdeckt, wenn die distalen Löcher freigelegt werden, und es ergibt sich eine Wolke in Band-Form. Zusätzliche Flexibilität wird durch Kombinieren verschiedener Variationen einer Nadel mit mehreren Löchern und einer ein Fenster festlegenden umgebenden Hülse erreicht.
Auf ähnliche Weise kann eine Relativ-Drehbewegung zwischen der Hülse und dem Element dazu verwendet werden, noch mehr Wolkenbildungen bereitzustellen. Beispielsweise bietet eine Hülse mit einem winkeligen Fenster derart, dass das Fenster entweder eine Spirale um die Hülse herum bildet, oder ein Fenster mit distal zunehmender oder abnehmender Breite, das über eine Nadel mit einer linearen Anordnung von Löchern angeordnet ist, dem operierenden Arzt eine Drehsteuerung hinsichtlich der sich ergebenden Wolkengröße und -form. Wenn sich die Hülse über den Löchern dreht, werden verschiedene Löcher freigelegt und bedeckt, und die Wolke ändert ihre Form, Größe und Position. Diese Ausführungsform ergibt ein geringeres Gewebetrauma als eine sich linear bewegende Hülse.
Somit ist zu erkennen, dass es eine Vielfalt von Kombinationen von Lochstrukturen und Fenster- oder Öffnungsformen gibt, die zusammenwirken können, um eine große Anzahl von Wolkenformen zu erzeugen, die alle als im Schutzumfang dieser Erfindung liegend anzusehen sind. Außerdem kann die Nadel selbst und deren Lochstruktur ein funktionales Gerät sein, das unabhängig von der Notwendigkeit einer Hülse ist.
Diese verschiedenen Injektionsgeräte können von besonderem Nutzen bei der Bekämpfung von koronaren Arterienerkrankungen sein. Die koronare Arterienerkrankung (Coronary Artery Desease) ist in Amerika nach wie vor die erste Todesursache sowohl bei Männern als auch Frauen, und ist verantwortlich für beinahe eine halbe Million von Todesfällen im Jahr. Es wird geschätzt, dass alle 29 Sekunden ein Amerikaner eine Herzkranzgefäßattacke erleidet und jede Minute irgendjemand daran stirbt. Bei Menschen, die an Herzkranzgefäßerkrankungen leiden, treten viele Entwicklungsebenen auf. In Anfangsstufen kann eine Angioplastie durchgeführt werden, um das Problem vorübergehend zu bewältigen. In späteren Stufen aber müssen extrem invasive Prozeduren, wie z.B. eine Bypass-Stentimplantation eines Herzkrankgefäßes (CABG = Coronary Artery Bypass Graft), um das Überleben des Patienten sicherzustellen. Etwa 30% der Patienten, die eine CABG benötigen, können sich der Behandlung nicht unterziehen, und zwar wegen eines Mangels an Verfügbarkeit der notwendigen Venen, um das Implantat auszuführen. Eine Angiogenese, die Bildung neuer Gefäße, hat sich in verschiedenen Tiermodellen ebenso wie bei Patienten mit CAD als die Schlussfolgerung daraus erwiesen. Wie oben erwähnt wurde, ist die Notwendigkeit einer minimal-invasiven und effektiven Verabreichungsstrategie in den Mittelpunkt gerückt, da auf dem Gebiet therapeutischer koronarer Angiogenese Fortschritte von grundlegenden Forschungen bis zu klinischen Testläufen gemacht worden sind.
Die vorliegende Erfindung kann bei einer minimal-invasiven Behandlung eingesetzt werden, die eine Angiogenese induzierende Faktoren umfasst, welche in ein ischämisches Herz mittels einer Mehrloch-Diffusionsnadel an einem Katheter eingeleitet werden. Die Entwicklung der Nadel der vorliegenden Erfindung ist ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung einer Verabreichungsstrategie, welche Wachstumsfaktoren oder Genvektoren in Grenzbereichen zwischen den ischämischen und den nicht-ischämischen Bereichen verteilt. Diese Wachstumsfaktoren können die Endothelzellen dazu bewegen, sich in ischämischen Bereichen des Herzens wieder zu verbreiten. Untersuchungen haben ergeben, dass intramyokardiale Injektionen, direkte Injektionen in das Herz, die spezifischste Verabreichungsart zu dem Myocardium bereitstellen. Injektionen, die mit einer herkömmlichen Endloch-Nadel verabreicht wurden, haben sich jedoch als ungeeignet für die Aufgabe der Verteilung und der Aufrechterhaltung der angiogenetischen Faktoren in dem Myocardium erwiesen. Die Nadeln der vorliegenden Erfindung sind so gestaltet, dass sie die Arznei erfolgreicher als eine Standard-Nadel verabreichen.
Es ist hier ein In-Line-Volumenreduktionsstück offenbart, das zur Fortbewegung eines bestimmten Flüssigkeitsvolumen zu einem offenen Ende des Fluid-Förderlumens einsetzbar ist. Das Reduktionsstück umfasst einen ersten Zylinder mit einem proximalen Ende, das eine proximale Öffnung festlegt und einem distalen Ende, das eine distale Öffnung festlegt. Ein zweiter Zylinder ist gemeinsam mit dem ersten Zylinder betätigbar und hat ein proximales Ende, das eine proximale Öffnung festlegt, sowie ein distales Ende, das eine distale Öffnung festlegt. Der zweite Zylinder hat einen kleineren Durchmesser als der erste Zylinder. Innerhalb der ersten und zweiten Zylinder sind funktionsmäßig erste bzw. zweite Kolben angeordnet. Die ersten und zweiten Kolben sind funktionsmäßig so miteinander verbunden, dass, wenn sich der erste Kolben um eine vorbestimmte lineare Strecke innerhalb des jeweiligen ersten Zylinders fortbewegt, der zweite Kolben sich um die gleiche Strecke innerhalb des zweiten Zylinders fortbewegt. Da der zweite Zylinder kleiner als der erste Zylinder ist, ist die Menge von daraus ausgestoßenem Fluid, wenn der Kolben bewegt wird, im wesentlichen kleiner als die Fluidmenge, die zum Stoßen bzw. Drücken des ersten Kolbens über die vorbestimmte Strecke verwendet wird.
Falls die Strömung durch das Reduktionsstück umgekehrt wird, wirkt dieses als Strömungsverstärker. Genauer gesagt ergibt eine geringe Menge an in den zweiten Zylinder eintretendem Fluid, die den zweiten Kolben bewegt, einen größeren Fluidausstoß aus dem ersten Zylinder beim ersten Kolben. Natürlich entsteht hierbei ein signifikanter Druckabfall über dem Gerät und kann eine signifikante Druckaufbringung in Abhängigkeit von der Ungleichheit der Größe zwischen dem ersten und zweiten Kolben erfordern.
Eine Anordnung des Reduktionsstücks stellt eine starre Verbindung bereit, welche den ersten Kolben am zweiten Kolben feststellt. Die Zylinder sind ebenfalls relativ zueinander festgestellt, so dass die Kolben relativ zu den Zylindern verschiebbar sind. Beispielsweise kann eine Basisplatte vorgesehen sein, um die Zylinder in axialer Ausrichtung miteinander zu verbinden. Eine Verbindungsstange, welche die Kolben integral verbindet, folgt einer Symmetrieachse von einem Zylinder zum anderen Zylinder.
Bei einer weiteren Anordnung des Reduktionsstücks wird eine integrale Verbindung zwischen dem distalen Ende des ersten Zylinders und dem proximalen Ende des zweiten Zylinders vorgezogen. Diese Verbindung kann eine Wand aufweisen, welche den Unterschied im Durchmesser zwischen den beiden Zylindern überbrückt. Um eine hydraulische Verriegelung zu vermeiden, ist ein Be-/Entlüftungsloch entweder in dieser Wand oder in dem distalen Ende des ersten Zylinders vorgesehen. Ein Anschlag ist vorgesehen, um zu verhindern, dass sich der Kolben an dem Be-/Entlüftungsloch vorbeibewegt. Die integrale Verbindung ermöglicht eine Verwendung des ersten Kolbens zum Ziehen des zweiten Kolbens in einer proximalen Richtung. Dies wäre von Vorteil bei der Verwendung des Reduktionsstücks entweder zum Ansaugen sehr kleiner Fluidmengen oder zum Einsatz des Reduktionsstücks, um ein Medikament aus einem an der zweiten Kammer des Reduktionsstücks anbringbaren Fläschchen zu saugen. Ein solches Ansaugen könnte auch aus einem Fläschchen im herkömmlicheren Sinn durch Einsetzen des Endes einer standardmäßigen hypodermischen Nadel in das Fläschchen und proximales Ziehen des zweiten Kolbens um eine vorbestimmte Strecke erfolgen. Außerdem kann ein Entlüftungsluft-Ventil vorgesehen sein, um ein Entweichen von Luftblasen aus dem Katheter vor der Injektion zu ermöglichen.
Eine weitere Anordnung stellt einen zweiten Zylinder bereit, der entfernbar bzw. abnehmbar am ersten Zylinder angebracht ist. Dies ist von Vorteil, da es ermöglicht, präzise bemessene Medikamente und andere Injektate in den zweiten Zylinder zu packen. Der erste Kolben dieser Anordnung kann ein Element wie z.B. eine Stange aufweisen, die sich distal von der distalen Seite des Kolbens erstreckt und so aufgebaut und angeordnet ist, dass es bzw. sie am zweiten Kolben des anbringbaren zweiten Zylinders zur Anlage kommt und während des Betriebs auf diesen drückt. Alternativ kann sich das Element proximal von der proximalen Seite des zweiten Kolbens zur Anlage an der distalen Seite des ersten Kolbens erstrecken. In einer weiteren Anordnung ist ein erster Zylinder vorgesehen, der integral mit einer automatischen Injektionsmaschine oder Spritze sein bzw. an dieser anbringbar sein kann. Mehrere zweite Zylinder sind selektiv indexierbar, um funktionsmäßig mit dem ersten Zylinder zusammenzuwirken und stellen einem Arzt einen breiten Bereich von Reduktions- oder Verstärkungsverhältnissen bereit, aus denen er wählen kann. Ein Schrittschaltmotor kann mit einem drehbaren oder linear bewegbaren Magazin der zweiten Zylinder verbunden sein, so dass in die automatische Spritze geladene Software den geeigneten zweiten Zylinder für ein gegebenes gewünschtes Injektionsvolumen und eine gegebene Strömungsrate festlegen kann. Die Anordnung erweitert den Funktionsbereich der automatischen Spritzenvorrichtung erheblich.
Im Betrieb umfasst das Verfahren der Bereitstellung eines vorbestimmten Ausgabevolumens von einem Lumen eines Katheters für ein gegebenes Eingabevolumen das Bereitstellen eines solchen Strömungsreduktionsstücks in-line mit einem Katheter zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Katheters. Falls der zweite Zylinder nicht mit einem Medikament vorgepackt ist, ist es nötig, den zweiten Zylinder distal vom zweiten Kolben und dem sich distal hiervon erstreckenden Katheter mit dem Medikament oder Injektat zu befüllen. Eine vorbestimmte Menge an Eingabefluid wird dann an der Eingangsseite des Katheters injiziert, wodurch der erste Kolben um eine vorbestimmte Strecke bewegt wird und bewirkt, dass sich der zweite Kolben um eine im wesentlichen zu der vorbestimmten Strecke gleiche Strecke bewegt. Dadurch wird bewirkt, dass eine bestimmte Injektatmenge aus dem Katheterausgang austritt, wie z.B. aus dem Ende einer Diffusionsnadel oder einer eine Wolke erzeugenden Nadel, wobei die Menge gleich dem Verhältnis der zweiten Kolbenfläche zur ersten Kolbenfläche ist.
Ein Fachmann wird erkennen, dass die Form der Zylinder und Kolben nur eine Gestaltungsüberlegung ist und das Gerät in der Praxis mit einer Vielfalt alternativ geformter Gefäße und Kolben eingesetzt werden kann.
Ein Fachmann wird auch erkennen, dass die Nadeln, Hülsen, Katheter und Reduktionsstücke, wie sie hier offenbart sind, dem operierenden Arzt ein hohes Maß an Kontrolle bieten. Diese Kontrolle wird weiter durch die Verwendung automatischer Injektionsvorrichtungen verbessert, wie z.B. die oben einleitend erwähnte und hier in näheren Einzelheiten beschriebene. Außerdem wird in Betracht gezogen, dass in der Hand gehaltene automatische Injektionsgeräte bereitgestellt und mit den verschiedenen Nadel-, Katheter- und Reduktionsstück-Anordnungen verwendet werden, die hier beschrieben und durch den Schutzumfang der Ansprüche definiert sind. Diese in der Hand gehaltenen Injektoren steuern die Strömungsrate des Injektats und können elektrisch betrieben sein, oder beispielsweise durch Druckluft oder einen Kohlendioxid-Gaszylinder betrieben sein, bei dem der Gasdruck dazu verwendet wird, einen Kolben zur Fluidinjektion zu zwingen, oder aber mechanisch durch Mechanismen wie eine Feder betrieben sein. Das Gas wird vorzugsweise in einer Kammer auf einen feststehenden Druck beaufschlagt, der, wenn er freigegeben wird, den Antriebskolben um eine gegebene Strecke innerhalb einer gegebenen Zeit vorwärtsbewegt und das Injektat aus der Nadel zwängt. Somit wird ein feststehendes Druck-Strömungs-Verhältnis erzeugt, das zum Eintreiben des Injektats in das Gewebe benutzt wird. Alternativ sind auch andere Verfahren zur Aktivierung des Kolbens möglich, wie z.B. eine gewickelte Feder. Ein solches System würde Steuerungen zum Einstellen des Injektionsvolumens und der Injektions-Strömungsgeschwindigkeit bereitstellen.
Eine spezielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Geräte bereitzustellen, die für das gleichzeitige Injizieren eines Medikaments aus mehreren Öffnungen entlang einer Injektionsbahn von Nutzen ist, statt der Verabreichung einer Bolus-Injektion, wie es bei herkömmlichen hypodermischen Nadeln der Fall ist.
Die Anwendungen dieser Technologie sind zahlreich und sollen durch die hier vorgenommenen Beschreibungen nicht eingeschränkt sein, wie es Fachleuten ohne weiteres ersichtlich ist. Beispielsweise könnten die hier dargestellten Lehren zum Injizieren bei Gehirntumoren (Primär- oder metastatischer Tumor) oder für eine Zelltherapie eingesetzt werden, bei der es wichtig ist, lebende Zellen an spezifischen Punkten im Körper einzubringen. Die Ausführungsformen könnten hier auch dazu verwendet werden, hohe Konzentrationen einer Chemotherapie zu verabreichen, um ein höheres therapeutisches Verhältnis zu gewinnen, als es andernfalls mit systemischer Injektion möglich wäre. Außerdem könnte eine Lokalanästhesie effektiver in einem Bereich einer vorbestimmten Größe mittels einer Menge verabreicht werden, die besser für die Größe des zu anästhesierenden Bereichs repräsentativ ist. Dies steht im Kontrast zum Einspritzen einer Konzentration, die hoch genug ist, um schließlich in dem gewünschten Bereich zu diffundieren und zu anästhesieren. Auf ähnliche Weise könnten Steroide wirksamer an Verbindungsstellen mittels der gleichen Prinzipien verabreicht werden. Insulin könnte mit diesem Mechanismus ebenso injiziert werden wie Heparin mit geringem Molekulargewicht oder andere potente Anti-Koagulantien, von denen hohe Konzentrationen eine Gewebeschädigung, eine Fibrose oder eine Blutung verursachen können.
Zusätzlich wird in Betracht gezogen, dass die Nadeln der vorliegenden Erfindung auch mit Gewebegreifhaken ausgestattet sein können wie diejenigen, die derzeit verwendet werden, wenn eine Nadel in einem Patienten für längere Zeiträume verbleiben soll und es erwünscht ist, dass das Gewebe um die Nadel herum wächst und diese an Ort und Stelle verankert. Mit anderen Worten könnten die vorliegenden Lehren von Mehrfachlöchern und deren Anbringung an verschiedene derzeitige Nadel-Gestaltungen angepasst werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine Schemazeichnung, die eine auseinandergezogene Ansicht einer Vergleichsnadel mit einer sogenannten "weeping tip" und einem Katheter zeigt, an dem sie angebracht wird,
2 ein Schemazeichnung, welche die Vergleichsnadel mit dem elektrischen Verbinder zur Anbringung an einem Elektrokardiogramm zeigt,
3 eine Schemazeichnung, welches die Vergleichsanordnung mit einem Katheter und einer Nadel zeigt, wobei sich die poröse oder die Lochstruktur in dem distalen Abschnitt im flexiblen Katheter befindet,
4 eine perspektivische Ansicht des Reduktionsstücks,
5 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Anordnung des Reduktionsstücks,
6 eine Seitenansicht eines länglichen Elements der vorliegenden Erfindung,
7 eine Seitenansicht eines länglichen Elements zum Vergleich,
8 eine perspektivische Vorderansicht eines länglichen Elements der vorliegenden Erfindung, welches eine geformte Injektatwolke erzeugt,
9 eine perspektivische Vorderansicht eines länglichen Elements zum Vergleich, das eine alternativ geformte Injektatwolke erzeugt,
10 eine Seitenschnittansicht eines Abschnitts eines länglichen Elements zum Vergleich, die distal, senkrecht und proximal abgewinkelte Löcher zeigt, welche von dem zentralen Lumen des Elements wegführen, wodurch die Richtung der Löcher das Injektat im Raum innerhalb der gewünschten Struktur diffundiert,
11 eine Seitenansicht eines Vergleichsgeräts,
12 eine Seitenansicht eines Vergleichsgeräts, wobei ein Teil des länglichen Elements weggeschnitten ist, um das Detail des Stiletts zu zeigen,
13 eine Seitenansicht eines Vergleichsgeräts, wobei ein Teil des länglichen Elements weggeschnitten ist, um das Detail des Stiletts zu zeigen,
14 eine perspektivische Ansicht eines Keils,
15 eine Seitenansicht eines Vergleichsgeräts, wobei ein Teil des länglichen Elements weggeschnitten ist, um das Detail des Stiletts zu zeigen,
16 eine Seitenansicht eines Vergleichsgeräts, wobei eine drehbare Hülse funktionsmäßig über dem länglichen Element angeordnet ist,
17 ein längliches Element zum Vergleich mit Skalenmarkierungen darauf,
18 eine graphische Darstellung des Drucks gegenüber der Zeit einer bevorzugten Druckwellenform,
19 eine Seitenansicht eines Vergleichsnadel mit Löchern, die konstruiert und angeordnet sind, dass sie eine Tränentropfen-Wolkenstruktur bilden,
20 eine Seitenansicht eines Vergleichsnadel mit Löchern, die so konstruiert und angeordnet sind, dass sie eine Spiralband-Wolkenstruktur bilden,
21 eine Seitenschnittansicht eines Abschnitts eines länglichen Elements zum Vergleich, die distal, senkrecht und proximal abgewinkelte Löcher zeigen, welche von dem zentralen Lumen des Elements wegführen, wodurch die Richtung der Löcher das Injektat im Raum innerhalb der gewünschten Struktur konzentriert,
22 eine Seitenansicht einer Vergleichsnadel mit Löchern, die so konstruiert und angeordnet sind, dass sie eine Wolke in Form einer Scheibe bilden,
23 eine Seitenansicht eines Vergleichsnadel mit Löchern, die so konstruiert und angeordnet sind, dass sie eine Wolke in Form einer Kugel bilden,
24 eine perspektivische Ansicht eines Reduktionsstücks,
25 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Reduktionsstücks, und
26 einen Katheter.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung überwindet viele der Probleme im Stand der Technik durch Bereitstellen einer Nadel und/oder eines Katheters mit mehreren durch diese gebildeten Löchern zur Mikroinjektion oder diffundierenden Injektion von Injektaten wie z.B. Medikamenten, lebenden Zellen, Kontrastmitteln oder irgendeiner Flüssigkeit in eine Körperoberfläche. Die Nadel der Erfindung kann einen nicht-porösen hohlen Nadelschaft mit einem proximalen Ende aufweisen, das so ausgelegt ist, dass es mit einem Injektionsinstrument zusammenpasst, einem porösen oder auf Löchern basierenden distalen Abschnitt in fluiddichter Verbindung mit dem Nadelschaft und einem Punkt, der offen oder geschlossen ist oder einen massiven Teilverschluss aufweist. Der distale Abschnitt der Nadel der Erfindung ist geeignet, ein Auströpfeln (weep), Aussickern (ooze) oder eine Bildung einer dreidimensionalen Struktur von dieser aus multidirektional unter Injektionsdruck zu bewirken, wobei der distale Abschnitt und die Spitze der Nadel in ein Gewebe, eine Kammer oder ein Blutgefäß eingeführt werden. Typischerweise ist die Länge des porösen distalen Abschnitts der Nadel durch deren vorgesehene Verwendung bestimmt (z.B., ob sie zum Einspritzen eines Medikaments in ein Blutgefäß oder in eine Niere vorgesehen ist, und dgl.). Alternativ wird eine massive Nadel bereitgestellt, die funktionsmäßig mit einem Katheter verbunden ist, der eine Vielzahl von darin ausgebildeten Löchern zum Einleiten eines Injektats in ein Lumen in-vivo über einer relativ großen Fläche aufweist, wodurch ein Punkt hoher Konzentration vermieden wird. Die Nadel oder der Katheter könnten ebenso vorteilhafterweise für eine Ansaugung verwendet werden, da das Vorhandensein einer Vielzahl von Löchern eine Fluidströmung mit geringem Widerstand bietet.
Die Nadel der Erfindung mit einer tröpfelnden Spitze kann zur Anbringung an Instrumenten, wie z.B. einer Spritze oder einem Injektor mit gesteuertem Druck durch einen nicht-porösen Katheter ausgelegt sein. Die Montage der Nadel und des Katheters ist vorzugsweise steuerbar. Beispielsweise kann die Nadel an der distalen Spitze eines steuerbaren Katheters angebracht werden (d.h., der einen Steuerungsmechanismus am Handgriff zum Steuern einer Auslenkung des distalen Spitzenabschnitts des Katheterschafts umfasst), wovon einige im Stand der Technik zum Einspritzen von Medikamenten in einen entfernten Körperhohlraum oder eine Organwand bekannt sind. Alternativ kann die Nadel an einem Katheter mit einem porösen distalen Abschnitt angebracht werden, und dann kann die Kombination in einen steuerbaren Führungskatheter eingeführt werden, wie er bei Techniken wie der Angioplastie, der angiogenetischen Therapie, wie z.B. einer Injektion angiogener Gene oder von Protein, einer transmyokardialen Revaskularisierung (TMR = transmyocardial revascularization), einer perkutanen transmyokardialen Revaskularisierung (PTMR = percutanous transmyocardial revascularization) und dgl. verwendet wird, um die Nadel mit dem Katheter zu dem richtigen Ort für die Injektion eines Medikaments zu leiten. Führungskatheter, die zur Anwendung in Anordnungen und Verfahren der Erfindung geeignet sind, sind im Handel beispielsweise von Verkaufsfirmen wie Eclipse Technologies (Sunnyvale, CA) und CardioGenesis Corp. (Sunnyvale, CA) erhältlich.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der distale Abschnitt der Nadel so ausgelegt, dass die Löcher zur Schaffung eines abnehmenden hydraulischen Widerstands gegenüber dem sich durch sie bis zu der Spitze bewegenden Injektat bemessen sind, um eine im wesentlichen gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit von Injektat von der Nadel entlang deren Länge zu bewirken. Die Abnahme des hydraulischen Widerstands gegenüber einem Injektatausfluss kann von irgendeiner Art sein, beispielsweise linear, exponential, gaussisch und dgl., und mit einem Gradienten in jeder Longitudinalrichtung. Der Spitzenpunkt der Nadel der Erfindung kann offen, geschlossen oder mit einem massiven Teilverschluss versehen sein, um ein Austreten des Injektats als einzelner Strahl zu verhindern. Falls die Spitze der Nadel offen ist, kann die Strömungsgeschwindigkeit von der offenen Spitze auch durch Einstellen des hydraulischen Widerstands entlang der Länge des distalen Abschnitts der Nadel gesteuert werden, um zu vermeiden, dass die Geschwindigkeit der Fluidströmung an der Spitze im wesentlichen die Fluidströmungsgeschwindigkeit entlang dem porösen Abschnitt in der Umgebung der Spitze der Nadel übersteigt, ebenso wie die Lochgröße am Ende der Nadel (gesteuert werden kann).
Alternativ kann die Spitze der Nadel offen sein, aber durch einen massiven Teilverschluss so eingeschränkt sein, dass die distale Spitze der Nadel derart ausgestaltet ist, dass sie ähnlich der Spitze einer Gartenschlauchdüse arbeitet, bei der der massive Teilverschluss mit der offenen Spitze zusammenwirkt, um einen Austritt von Fluid einzuschränken, wodurch der Austritt des Fluids als einzelner Strahl verhindert wird.
Das proximale Ende des Nadelschafts der Erfindung kann mit einem Verbinder wie einem Flansch, einer Nabe oder dgl. versehen sein, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, und zwar für eine lösbare Anbringung der Nadel an einem Instrument wie einer Spritze oder einem Katheter. Das Instrument dient als Reservoir oder als Leitung für das Fluidmedikament. Daher ist der Verbinder der Art, dass eine Fluidverbindung zwischen der Nadel und dem Instrument herrscht. Im Einsatz ist die Nadel der Erfindung an der distalen Spitze des Instruments angebracht, die so ausgelegt ist, dass sie Druck auf das Medikament innerhalb des nicht-porösen hohlen Schafts der Nadel aufbringt oder überträgt. Die Löcher können in der Nadel mittels eines Schneid-Lasers und mittels Techniken ausgebildet werden, die im Stand der Technik bekannt sind, um Löcher in das Nadelsegment zu stanzen (beispielsweise durch ein Laser-Ätzverfahren). Die Löcher sind allgemein kreisförmig, müssen es aber nicht sein. Die Löcher können auch in jeder Richtung von innerhalb der Nadel nach außen konisch zulaufen. Dies ermöglicht eine Strömungsmodifikation, wenn das Injektat aus der Nadel austritt. In Vergleichsgeräten können die Löcher in irgendeiner Richtung zu Fluidaustrittsspitzen hin in Richtungen gebohrt sein, die eine zufällige dreidimensionale Struktur bilden. Bei diesen Vergleichsgeräten müssen die Löcher somit nicht senkrecht zu der Longitudinalachse der Nadel sein. Bei dem in 1 hier dargestellten Vergleichsgerät hat die Nadel 2 einen nicht-porösen hohlen Nadelschaft, einen porösen distalen Abschnitt 6 mit untereinander verbundenen Poren und eine geschlossene scharfen Spitze 8. Das Injektat 12 sickert aus den Poren im distalen Abschnitt unter dem Injektionsdruck. Die scharfe Spitze 8 der Nadel 2 ist geschlossen, so dass kein Injektat aus der Spitze der Nadel strömt. Das proximale Ende der Nadel 2 ist mit einem Flansch 10 zum lösbaren Anbringen an einem Katheter versehen. Das distale Ende des Katheters 16, das mindestens ein offenes Lumen 14 zum Durchgang von Injektat in die Nadel 2 aufweist, ist am proximalen Ende der Nadel 2 angebracht. Bei anderen Anordnungen ersetzt eine Nabe zum Zusammenpassen mit einer Spritze den Flansch am proximalen Ende der Nadel.
Die Nadel der Erfindung kann ferner einen oder mehrere Sensor-Verbinder zum elektrischen Anbringen an einem Elektrokardiogramm aufweist. Das Elektrokardiogramm kann zur Bestimmung eines Kontakts zwischen der Nadelspitze und dem Gewebe benutzt werden, oder falls mehrere Elektroden vorhanden sind, zur Bestimmung der Penetrationstiefe. In der in 2 gezeigten Vergleichsvorrichtung ist das Äußere des Nadelschafts (in dieser Figur nicht sichtbar) mit einem Isolator 18 beschichtet, und der Verbinder 19 ist direkt am proximalen Ende (unbeschichtet) des Nadelschafts angebracht. Eine elektrische Leitung 20 kann entlang dem Lumen eines Katheters zur Anbringung an bzw. Verbindung mit einem Elektrokardiogramm gelegt sein. Mehrfachleitungen können ebenfalls verwendet werden, um die Tiefe der Nadel zu bestimmen. In dieser Konfiguration ist das Elektrokardiogramm über alle Leitungen aufgezeichnet. Das größere Signal rührt von denjenigen ECG-Leitungen her, die intramyocardial sind. Alternativ kann der Verbinder mit dem Inneren der Spitze der Nadel und des Katheter für eine Anbringung an einem Elektrokardiogramm verbunden sein. Bei dieser Anordnung wirkt die Nadel selbst als Elektrode für das Elektrokardiogramm und kann für eine monopolare Abtastung von elektrischen Strömen oder einer Impedanz innerhalb des Herzens, des Gehirns, der Nerven, der proximalen Arterien und dgl. verwendet werden. Für eine monopolare Abtastung kann eine Rückführelektrode durch Plazieren eines ECG-Pads in elektrischer Verbindung mit dem Elektrokardiogramm außen am Patienten angebracht werden, beispielsweise außen am Brustkorb. Es wird auch innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung in Betracht gezogen, dass eine zweite Elektrode oder ein Sensorverbinder an der Nadel, beispielsweise an der Außenseite der Nadel im Abstand von mindestens etwa 0,5 Millimeter zu der ersten Elektrode angebracht werden kann, so dass zwei Elektroden zum Abtasten elektrischer Ströme innerhalb der Körperorgane eines Patienten bereitgestellt werden. Es können Mehrfachverbinder verwendet werden, und es kann eine bipolare oder multipolare elektrische Impedanz auf diese Weise zwischen/unter den mehreren Elektroden abgetastet werden.
Es ist auch möglich, dass eine permanent in einem Patienten implantierte Elektrode, wie sie z.B. zu einem Herzschrittmacher gehört, als Rückführleitung für eine bipolare Fernabtastung eingesetzt werden kann.
Die Vorteile des Einsatzes der Nadeln der Erfindung zur Durchführung einer Abtastung sind verschiedener Art. Beispielsweise kann zur Injektion in einen Muskel oder ein anderes Organ, das es durchlaufende elektrische Impulse aufweist, ein Elektrogramm-Sensor, der an der Nadel der Erfindung angebracht ist, verwendet werden, um einen Kontakt der Nadelspitze oder ein richtiges Einsetzen der Nadel in die betreffende Körperwand (z.B. die Wand eines schlagenden Herzens) vor der Injizierung des Medikaments in eine Behandlungsstelle zu bestätigen. Die Tiefe der Nadeleinführung in das Gewebe wird durch eine Elektrodenanordnung festgelegt. Fachleute werden erkennen, dass die Nadel der Erfindung mit einem daran angebrachten Elektrokardiogrammsensor auch dazu verwendet werden kann, zu beurteilen, ob eine solche vorgesehene Injektionsstelle elektrisch aktiv ist oder nicht (d.h., ob das Gewebe tot ist, infolge eines Sauerstoffmangels ruht oder lebend ist), und dgl.
Wie bei der oben beschriebenen Nadel können die Größe und/oder die Anzahl oder die Dichte der Löcher im Katheter der erfindungsgemäßen Anordnung so gewählt werden, dass sie einen beliebigen gewünschten Gradienten von Injektat entlang dem Wegverlauf der Injektionsbahn erzeugen können. Beispielsweise kann die Größe und/oder Anzahl oder Dichte von Poren oder Löchern entlang der Länge des Katheters abnehmen, der sich zur Verbindung mit der Nadel bewegt, um eine im wesentlichen gleichmäßige Injektat-Strömungsgeschwindigkeit entlang der Länge des Katheters zu ermöglichen. Bei dieser Konfiguration kann daher, sobald die Nadel dazu verwendet wird, den porösen Abschnitt des Katheters durch das zu behandelnde Gewebe zu schleusen, eine im wesentlichen gleichmäßige Fluidinjektionsrate in umgebende Gewebe entlang dem Injektionsverlauf erreicht werden. Zusammen mit einem solchen Porösitäts-Gradienten kann der poröse distale Abschnitt auch einen abnehmenden Innendurchmesser entlang seiner Länge in der Bewegung von dem proximalen Ende zu der Verbindung mit der Nadel aufweisen, um die gleiche Zielsetzung zu erfüllen.
3 veranschaulicht hier die Anordnung 22. Eine nicht-poröse Nadel 24 mit einer geschlossenen Spitze wird am distalen Ende eines flexiblen Katheters 26 angebracht, der einen porösen distalen Abschnitt 28 aufweist. Injektat 30 fließt von den Poren oder Löchern in den flexiblen distalen Abschnitt 28 des Katheters 26.
Die Begriffe "Medikamente(e)" und "Injektat(e)" umfassen so, wie sie hier benutzt werden, alle Arten von flüssigen Substanzen (z.B. auch Lösungen und Suspensionen), die eine günstige therapeutische Wirkung und Anwendung aufweisen. Nicht-einschränkende Beispiele von Medikamenten, die zur Anwendung bei Verfahren der Erfindung geeignet sind, umfassen biologisch aktive Wirkstoffe, wie z.B. kleine Molekül-Arzneien, proteinbildende Substanzen, Polynukleotide oder Nukleinsäuren (z.B. heterologe DNA oder RNA) und Vektoren (beispielsweise Viren, Liposomen, lebende Zellen einschließlich rekombinierende oder Knochenmark-Zellen und dgl., die solche Nukleinsäuren oder Polynukleotide enthalten, sowie flüssige Zubereitungen oder Formulierungen hiervon. Diagnostische Kontrastmittelinjektionen oder andere diagnostische Wirkstoffe sind eine zusätzliche Anwendungsmöglichkeit.
4 veranschaulicht eine Anordnung einer Reduktions-Vorrichtung oder eines Reduzierers 40, der zur Steuerung der Menge eines Medikaments oder Injektats, das dem Patienten verabreicht wird, von Nutzen ist. Der Reduzierer 40 umfasst vorzugsweise ein Gehäuse 42, das so aufgebaut und angeordnet ist, dass es eine proximale erste Kammer 44 und eine distale zweite Kammer 46 bildet, die eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als die der ersten Kammer 44. Ein erster Kolben 48 ist verschiebbar in der ersten Kammer 44 angeordnet, und ein zweiter Kolben 50 ist verschiebbar in der zweiten Kammer 46 angeordnet.
Das Gehäuse 42 legt eine proximale Öffnung 52 am proximalen Ende der ersten Kammer 44 fest, die an einem Katheter anbringbar ist. Der Begriff "proximal", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf die stromaufwärtige Seite oder Bedienungsperson-/Maschinenseite, während der Begriff "distal" sich auf die stromabwärtige oder die Patientenseite einer Komponente bezieht. Das Gehäuse 42 definiert auch eine distale Öffnung 54 am distalen Ende der zweiten Kammer 46, die auch an einem Katheter oder einer Nadel anbringbar oder integral mit dieser ist. Es wird in Betracht gezogen, dass die proximalen und distalen Enden des Gehäuses 52 an Kathetern mittels Drahtverbindungen, Luer-Verriegelungen, Schnellverbindungen, Reibungsfittings oder irgendeinem geeigneten Mechanismus anbringbar sein können.
Es ist zu erkennen, dass der erste Kolben 48 betätigbar mit dem zweiten Kolben 50 so verbunden ist, dass, wenn der erste Kolben 48 um eine vorbestimmte Strecke distal bewegt wird, sich der zweite Kolben 50 ebenfalls bewegt. Die Anordnung in 4 verwendet eine Stange 51, die sowohl mit dem ersten Kolben 48 als auch dem zweiten Kolben 50 integral ist. Wegen der Disparität der Größen der jeweiligen Kolben, und weil die Strecken, um die sie sich bewegen, die gleichen sind, wird ein hydraulischer Reduzierer geschaffen. Für jedes gegebene Eingabevolumen wird das Ausgabevolumen um ein Verhältnis der Querschnittsfläche des zweiten Kolbens 50 geteilt durch die Querschnittsfläche des ersten Kolbens 48 reduziert. Dies ist von Vorteil, wenn erwünscht ist, eine Mikroinjektion entweder manuell zu verabreichen oder mittels eines automatischen Injektionsgeräts, wie das im US-Patent 6099502 vom 8. August 2000 im Namen von Duchon et al. gelehrte. Be-/Entlüftungsöffnungen 53 sind am distalen Ende der ersten Kammer oder des Zylinders 44 gelegen, um ein Entweichen von Luft zu ermöglichen, wenn der erste Kolben 48 distal vorwärts bewegt wird. Ohne die Entlüftungsöffnungen 52 würde ein hydraulischer Verschluss erzeugt. Ein Anschlag 55 ist ebenfalls vorgesehen, um zu verhindern, dass der erste Kolben 48 zu weit in einer distalen Richtung bewegt wird. Obwohl in 4 als Ring gezeigt, könnte der Anschlag 55 auch eine oder mehrere nach innen gewandte Vorsprünge, Stäbe oder ähnliche Formationen umfassen, die sich distal vom ersten Kolben 48 erstrecken oder proximal von der Endwand des ersten Zylinders 44, oder auch eine ähnliche Anordnung im Zusammenhang mit dem zweiten Kolben 50. Es ist wichtig, eine Bewegung des ersten Kolbens 48 distal an irgendwelchen Entlüftungsöffnungen 53, die auf der Seite des Gehäuses 42 ausgebildet sein können, zu vermeiden, da das druckbeaufschlagte Fluid, das zur Bewegung des ersten Kolbens 48 verwendet wird, durch die Entlüftungsöffnungen 53 entweichen würde.
Eine weitere Anordnung des Reduktionsstücks 40 ist in 5 gezeigt. Das Gehäuse 42 umfasst zwei abnehmbare Komponenten 42a und 42b. Die Komponente 42a legt den ersten Zylinder 44 fest, und die Komponente 42b legt den zweiten Zylinder 46 fest. Der erste Kolben (nicht gezeigt) ist betätigbar in dem ersten Zylinder 44 angeordnet, und ein Stab 51 ist integral mit dem ersten Kolben und erstreckt sich distal von diesem. Die zweite Komponente 42b nimmt betätigbar den zweiten Kolben (nicht gezeigt) auf. Die zweite Komponente ist vorzugsweise integral mit einer Nadel oder einem Katheter und enthält eine vorbestimmte Menge an Injektat, das in sie gepackt ist. Wenn die Komponenten 42a und 42b verbunden sind, wie z.B. mit dem Gewindeverbinder 57 gemäß der Figur, liegt das Ende der Stange oder des Stößels 51 an der proximalen Seite des zweiten Kolbens an und wirkt auf diesen während des Betriebs auf die gleiche Weise, wie oben beschrieben und in 4 dargestellt ist. Wenn das Injektat verabreicht worden ist, kann die Nadel vom Patienten abgenommen werden, und die zweite Komponente 42b kann von der Komponente 42a gelöst und beseitigt werden. Der ersten Kolben kann proximal zurückgezogen werden und die erste Komponente kann wieder zusammen mit einer neuen, zweiten Komponente 42b verwendet werden. Obwohl die Stange 51 effektiv mit der proximalen Seite des zweiten Kolbens einstückig sein könnte und am ersten Kolben anliegen könnte, wenn die Komponenten 42a und 42b funktionsmäßig verbunden sind, kann dies eine zufällige bzw. ungewollte Bewegung des zweiten Kolbens ergeben, während die zweite Komponente 42b vor der Anwendung gehandhabt wird.
Eine noch andere Anordnung des Reduktionsstücks 40 ist in 24 gezeigt. Der erste Zylinder 44 ist so vorgesehen, dass er integral oder an einer automatischen Injektionsmaschine oder Spritze anbringbar sein kann. Mehrere zweite Zylinder 46, die jeweils unterschiedliche Durchmesser aufweisen, sind selektiv indexierbar, um funktionsmäßig dem ersten Zylinder 44 zugeordnet zu werden, und geben einem Arzt einen breiten Bereich von Reduktions- oder Amplifikationsverhältnissen zur Auswahl. Ein Schrittschaltmotor 136 kann einem drehbaren oder linear bewegbaren Magazin 130 der zweiten Zylinder 46 so zugeordnet sein, dass in die automatische Spritze geladene Software den geeigneten zweiten Zylinder 46 für ein bestimmtes gewünschtes Injektionsvolumen und eine gewünschte Strömungsrate festlegen kann. Die gezeigte Anordnung stellt ein Magazin 130 der zweiten Zylinder 46 bereit, das jeweils einen Kolben (nicht gezeigt) zur Interaktion mit dem ersten Kolben 48 auf die oben beschriebene Weise enthält. Das Magazin 130 umfasst ein Gehäuse 132, welches den zweiten Zylinder 46 trägt und um einen Drehzapfen 134 herum drehbar ist. Diese Anordnung erweitert erheblich den Operationsbereich der automatischen Spritzenvorrichtung.
Eine weitere Anordnung des Reduktionsstücks 40 ist in 25 gezeigt. Der erste Zylinder 44 und der zweite Zylinder 46 sind starr an einer Basis 150 über mehrere Montagebügel 152 angebracht. Diese Anordnung stellt den ersten Zylinder 44 in Bezug auf den zweiten Zylinder 46 fest. Die Verbindungsstange 51 verbindet starr den ersten Kolben 48 mit dem zweiten Kolben 50. Die Basisplatte 150 und die Montagebügel 152 machen eine Entlüftung zur Verhinderung eines hydraulischen Verschlusses überflüssig, da kein Gehäuse zwischen dem ersten Zylinder 46 und dem zweiten Zylinder 46 notwendig ist.
Der Vorteil des Reduktionsstücks, wenn es manuell betätigt wird, tritt hervor, wenn der an der proximalen Öffnung angebrachte Katheter einen kleineren Durchmesser oder Querschnitt hat als der der ersten Kammer 44. Diese Anordnung reduziert nicht nur das Volumen von aus der Nadel gezwängtem Injektat gegenüber einem gegebenen Fluidvolumen, das in die Kammer 44 eingeleitet wird, sondern reduziert auch die lineare Strecke, um die sich der Kolben 48 oder 50 bewegt, im Vergleich zu der Strecke, die ein Arzt einen Eingabekolben oder eine Spritze bewegt.
Angenommen, die erste Kammer 44 hätte beispielsweise eine Querschnittsfläche von 10^–4 m², die zweite Kammer 46 hätte eine Querschnittsfläche von 10^–5 m² und der an der proximalen Öffnung 52 der ersten Kammer 44 angebrachte Katheter hätte auch eine Querschnittsfläche von 10^–5 m². Das Befüllen des Katheters mit einem Antriebsfluid und das Plazieren einer Spritze am proximalen Ende des Katheters für den Einsatz beim Drücken von Fluid in die erste Kammer 44 verleiht dem operierenden Arzt ein großes Maß an Kontrolle. Falls der Arzt die Spritze einen Zentimeter in den Katheter stößt, werden 10^–7 m³ oder 0,1 ml Fluid in die erste Kammer 44 injiziert. Dies bewirkt, dass sich der erste Kolben 48 um 10^–7 m³/10^–4 m² = 10^–3 m oder um einen Millimeter bewegt. Mit anderen Worten besteht eine lineare Reduktion, die gleich der Fläche der Eingabespritze, dividiert durch die Fläche des ersten Kolbens 48 ist, in diesem Fall eine Reduktion von 10 : 1.
In der Fortsetzung dieses Beispiels bewirkt die Bewegung des ersten Kolbens 48 um eine Strecke von 10^–3 m, die gleich der Bewegung des zweiten Kolbens 50 ist, dass der zweite Kolben 50 (10^–3 m) (10^–5 m²) = 10^–8 m³ oder 0,01 ml von Injektat zum Austritt aus der Nadel oder dem Katheter zwingt, d.h. eine Reduktion von 10 : 1 an injiziertem Volumen. Falls zwei solcher Reduktionsstücke in Reihe geschaltet sind, vervielfacht sich die Reduktion und wird zu einer Reduktion von 100 : 1.
Dieses Reduktionsstück 40 ist von besonderem Vorteil, wenn es in Zusammenhang mit einer automatisch Injektionsmaschine verwendet wird. Diese Maschinen sind teuer, und nur die neuesten Modelle sind in der Lage, Mikroinjektionen zu messen und zu verabreichen. Das Reduktionsstück 40 der vorliegenden Erfindung ermöglicht bei beiden Modellen die Durchführung von Mikroinjektionen. Dies umgeht die Notwendigkeit, eine teure Maschine gegen eine noch teuerere Maschine auszutauschen.
Diese Maschinen erfordern typischerweise eine Bedienungskraft, um ein gewünschtes Injektatvolumen an einem PC-Steuerpult einzugeben. Das Steuerpult berechnet dann die lineare Distanz, die ein automatisierter Kolben sich zu bewegen hat, um das gewünschte Injektatvolumen oder eine ähnliche Flüssigkeit durch einen Katheter zu zwingen, und kann dies mit präziser Drucksteuerung tun. Bei vielen Maschinen, insbesondere älteren Modellen, besteht jedoch eine Untergrenze an Injektatvolumen, die eingegeben werden kann, was Mikroinjektionen unmöglich macht. Das Reduktionsstück 40 macht Mikroinjektionen mit diesen Maschinen möglich.
Die Verwendung des Reduktionsstücks 40 ermöglicht es nicht nur, der Maschine kleinere Injektatmengen zu liefern als sie vorher möglich waren, sondern verzweigt den Katheter auch zu einer Hydraulikseite, welche die erste Kammer 44 versorgt, und zu einer Injektatseite stromab der zweiten Kammer 46. Dies ermöglicht die Verwendung von Wasser oder ähnlichem, vorzugsweise nicht-komprimierbarem und kostengünstigem Fluid, um das teure Injektat in den Patienten zu zwingen. Es ist anzumerken, dass der Abschnitt des Katheters zwischen dem Patienten und dem Reduktionskatheter mit dem gewünschten Injektat befüllt sein muss und frei von Luftblasen vor der Betätigung der Maschine sein muss, um ein Zwingen von Gasblasen in das Gefäß zu vermeiden. Ein Ablassventil 41 ist vorzugsweise vorgesehen, das an der zweiten Kammer 46 zum Entlüften von Luft aus dieser angebracht ist. Außerdem kann eine Verbindung 43 so vorgesehen sein, dass ein Fläschchen eines Medikaments von dem zweiten Kolben 50 ausgesaugt werden kann. Die Verbindung 43 kann integral mit oder getrennt von dem Ablassventil 41 sein.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen tröpfelnden Nadeln und Reduktionsstücken ist es auch erwünscht, eine Wolke von Injektat oder eines Medikaments in-vivo erzeugen zu können. Diese Wolke kann auf ein Ziel hin geformt sein und speziell auf einen Tumor hin, oder in einer anderen räumlichen Struktur geformt sein, oder einen relativ gleichmäßigen Verabreichungsbereich solcher Injektate, wie Steroide oder Lokalanästhetika, bereitstellen. Um eine solche Wolke zu erzeugen, kann es erwünscht sein, einen Injektatfluss von der Nadel mit höherer Geschwindigkeit zu ermöglichen, so dass eine Strömung erzeugt wird, wodurch das Injektat in die umgebenden Gewebe gefördert wird. Es wird nun auf die verbleibenden Figuren eingegangen, die nur einige der in Betracht kommenden Anordnungen zeigen.
6 zeigt ein längliches Element 60 mit einer geschärften Spitze 62 an seinem distalen Ende, das ein zentrales Lumen 64 und mehrere sich durch die Seitenwand des Elements 60 bis zum zentralen Lumen 64 erstreckende Löcher 66 festlegt. Die geschärfte Spitze 62 ist als ein kleines Endloch 68 festlegend gezeigt, das sich durch das zentrale Lumen 64 erstreckt, könnte aber auch mehrere Öffnungen aufweisen oder könnte geschlossen sein, je nach der gewünschten Wolkenform. Es versteht sich, dass die Komponenten und Löcher der vorliegenden Ausführungsformen jede beliebige geeignete Größe für den beabsichtigten Verwendungszweck aufweisen könnten. Endlöcher 68 mit Durchmessern in der Größenordnung von 0,05 bis 0,2 mm (0,002–0,008'') sind besonders wirksam gewesen.
Es ist zu erkennen, dass die Löcher 66 im Durchmesser zum distalen Ende hin zunehmen. Dies erzeugt einen Druckgradienten, der in einer relativ gleichmäßigen Wolkenform resultiert. Wenn Injektat durch das nadelartige Element 60 gezwungen wird, ergibt sich ein Druckabfall über jedem Loch 66, wenn ein Teil des Injektats verlorengeht. Die Zunahme der Größe der Löcher 66 in Relation zu ihren proximal benachbarten Löchern 66 nimmt diesen Druckabfall auf und hält eine relativ konstante Strömungsrate aufrecht, indem die Größe des Stroms durch jedes nachfolgende Loch 66 vergrößert wird. Andererseits können, falls erwünscht ist, eine Wolke zu erzeugen, die ein größeres proximales Ende und ein kleineres distales Ende aufweist, Löcher 66 von relativ gleichmäßigem Durchmesser verwendet werden. Die Änderung der Größe, der Form, der Dichte, des Bohrwinkels ermöglicht eine beliebige Form der Injektatablagerung.
7 zeigt ein längliches Element 60 zum Vergleich, dass eine geschlossene Spitze 62 und mehrere Löcher 66 aufweist, die so positioniert sind, dass sie sich um das Element 60 spiralförmig herumlegen. Wie alle Löcher 66 führen sie in das zentrale Lumen 64. Die resultierende Wolkenform, die gebildet wird, wenn dieses längliche Element 60 zum Vergleich verwendet wird, ist ein Spiralband. Positive Ergebnisse sind mit Nadeln von 23 und 25,5 Stärke erzielt worden, die Zwischenräume zwischen den Löchern 66 von etwa 0,25 mm (0,01'') aufweisen. Diese Form wurde mit einem oder mehreren Endlöchern von 0,12 mm (0,0047'') kombiniert.
Die 8 und 9 zeigen diagrammartige Darstellungen von sich ergebenden Wolkenformen für jeweilige gegebene Lochstrukturen. Die Lochstruktur in 8 ist eine einzelne Reihe von Löchern 66, die sich auf einer Seite des Elements 6 herab erstrecken. Die Löcher 66 nehmen im Durchmesser zu, wenn sie sich der Spitze 62 annähern, um eine relativ gleichmäßige Strömungsrate durch jedes Loch zu schaffen. Die resultierende Wolkenform ist grob zylinderförmig, wie in 8 in gestrichelten Linien gezeigt ist, und wird der Klarheit halber mit der Bezugsziffer 68 versehen. Es ist zu erkennen, dass die Wolke 68 eine Mittelachse aufweist, die annähernd parallel, aber lateral versetzt zu der Mittelachse 70 des Elements 60 ist.
9 zeigt eine weitere Wolkenform oder -struktur 72. Die Löcher 66 in dem Vergleichselement 60 sind wiederum im Durchmesser größer, wenn sie sich der distalen Spitze 62 annähern. Diese Löcher 66 sind aber in einer relativ gleichmäßigen Struktur um die Seitenwand des Elements 60 herum eingebracht und angeordnet. Die Wolkenstruktur 72 ergibt einen Zylinder, der relativ konzentrisch zu dem Element 60 ist.
Es ist nun einem Fachmann klar, dass eine unendliche Anzahl von Wolkenstrukturen durch die Befolgung der hier offenbarten Lehren und durch Variieren der Größe und der Positionen der Löcher 66 entlang der Erstreckung des Elements 60 erzielt werden kann. Wenn zum Beispiel erwünscht ist, eine Injektatwolke in einer distalen oder proximalen Richtung relativ zu der Anordnung des Lochs 66, von dem die Wolke projiziert wird, zu projizieren, kann das Loch 66 im Element 60 so ausgebildet sein, dass es eine Mittelachse 74 aufweist, die einen spitzen oder stumpfen Winkel α gegenüber der Zentralachse 70 des Elements 60 bildet. Die erzeugte Wolke 75 ist etwas konisch, da sie von einem einzelnen Loch 66 erzeugt wird. Wie in 10 zu erkennen ist, ist es möglich, eine große Wolke mit einem relativ kurzen Element 60 zu erzeugen, indem Löcher 66 mit Achsen 74a und 74c mit stumpfen und spitzen Winkeln α gegenüber der Mittelachse 70 mit einem Loch 66b mit einer Achse 74b, die senkrecht zu der Mittelachse 70 ist, kombiniert werden. Die resultierenden Wolken 75a, 75b und 75c werden kombiniert, um eine Wolke 75 zu ergeben, die wegen der relativen Nähe der Löcher 66a, 66b und 66c groß ist.
Alternativ kann erwünscht sein, mehr als einen Injektatstrom auf eine gemeinsame Zielstelle zu fokussieren, wodurch die Konzentration des Injektats an der Stelle erhöht wird. 21 zeigt drei Löcher 66, die so abgewinkelt sind, dass ihre Ströme zum Konvergieren auf eine spezifische Zielstelle abzielen, wodurch eine sehr konzentrierte Injektatwolke 75 gebildet wird. Es ist anzumerken, dass die Löcher 66 so geformt sein können, dass sie wirksamer fokussieren oder diffundieren, indem die Seiten der Löcher so konisch zulaufen, dass der Durchmesser des Lochs in dessen Erstreckung von dem Innenlumen zu der Außenfläche der Nadel oder des Katheters zunimmt oder abnimmt.
Eine größere Vielseitigkeit wird erreicht, wenn das Element 60 mit einer Strömungs-Manipuliervorrichtung, wie einer Hülse oder einem Stilett, gekoppelt wird. Die 11 bis 16 zeigen verschiedene Anordnungen, bei denen die Strömung aus dem Element 60 während des Einsatzes durch Verwendung einer solchen Strömungs-Manipuliervorrichtung geändert werden kann.
11 veranschaulicht ein geschärftes Element 60 zum Vergleich, das eine Hülse 76 aufweist, die verschiebbar über dem Element 60 angeordnet ist. Die Innenabmessungen der Hülse 76 passen genau zu den Außenabmessungen des Elements 60, so dass, wenn sich die Hülse 76 über einem der Löcher 66 befindet, das Loch verschlossen wird und im wesentlichen kein Injektat daraus ausströmen kann. Es ist zu erkennen, dass die Hülse 76 von einer proximalen Position 78 verschiebbar ist, wodurch ein offenes distales Ende der Hülse 76 proximal von den Löchern 66 zu einer distalen Position 82 verschoben wird, wodurch das distale Ende 80 distal von dem am weitesten distalen Loch 66 verschoben wird. Vorzugsweise ist das offene distale Ende 80 durch einen konisch zulaufenden Abschnitt 81 festgelegt, wodurch eine Beschädigung an umgebendem Gewebe vermieden wird, wenn die Hülse 76 distal verschoben wird. Falls eine massive Hülse 76 verwendet wird, werden alle Löcher 66 verschlossen, wenn sich die Hülse 76 in der distalen Position 82 befindet. Alternativ können gemäß 11 eine oder mehrere Öffnungen 84 durch die Hülse 76 festgelegt sein. Die Öffnung 84 kann so bemessen sein, dass sie eine Fluidströmung von einer vorbestimmten Anzahl von Löchern 66 ermöglicht, während einige oder alle anderen Löcher 66 verschlossen bleiben.
12 zeigt eine alternative Anordnung, bei der zwei Teile in Kombination verwendet werden, um Strömungsstrukturen während des Einsatzes zu manipulieren. Das Element 60 hat eine geschlossene geschärfte Spitze 62 und mehrere Löcher 66. Ein Stilett 90 ist verschiebbar in dem zentralen Lumen 64 des Elements 60 aufgenommen. Das Stilett 90 umfasst ein distales Ende 92 und sein eigenes Innenlumen 94, durch das Fluid in das längliche Element 60 eingeleitet werden kann. Das Stilett 90 umfasst auch mindestens eine Öffnung 96, die entweder von seiner Seitenwand 98 oder von seinem distalen Ende 92 festgelegt wird. Eine längliche Öffnung 96 erstreckt sich relativ parallel zu der Mittelachse des Stiletts 90. Auch ist das Stilett 90 wie die vorgenannte Hülse 76 von einer proximalen Position 100 zu einer distalen Position 102 beweglich. In der proximalen Position 100 wird das distale Ende 92 des Stiletts 90 proximal von dem am weitesten distalen Loch 66 verschoben. In der distalen Position 102 wird das distale Ende 92 des Stiletts 90 distal von dem am weitesten distalen Loch 66 verschoben. Eine Bewegung des Stiletts 90 von der proximalen Position 100 zu der distalen Position 102 hat stark variierende Auswirkungen auf die resultierende Wolkenform, basierend auf der Position, der Größe und der Form der Öffnung 96. Dies wird in näheren Einzelheiten nachstehend dargestellt.
Das Stilett hat einen Außendurchmesser, der im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des zentralen Lumens 64 des länglichen Elements 60 ist. Dies gewährleistet, dass Fluid nicht aus der Öffnung 96 leckt, bis die Öffnung 96 in-line mit einem der mehreren Löcher 66 ist. Aus 12 ist bei gegebener Form und Größe der Öffnung 96 und den Positionen der Löcher 66 zu erkennen, dass, wenn sich das Stilett 90 in der proximalen Position 100 befindet, die längliche Öffnung 96 proximal von dem Loch 66 verschoben wird, so dass kein Fluid hindurchströmen kann. Wenn das Stilett 90 von der proximalen Position 100 zu der distalen Position 102 bewegt wird, beginnt die längliche Öffnung 96 die mehreren Löcher 66 freizulegen, und es ergibt sich allmählich eine Wolkenform. Die Wolke nimmt in der Länge distal zu, wenn das Stilett 90 vorwärts bewegt wird, bis das Stilett 90 die distale Position 102 erreicht, wodurch alle der mehreren Löcher 66 freigelegt sind und Fluid oder Injektat emittieren.
13 zeigt eine unterschiedliche Anordnung, die eine sehr unterschiedliche Wirkung zeigt. Es ist zu erkennen, dass das Stilett 90 dieser Anordnung keine Löcher in der Seitenwand 98 festlegt, sondern dass das zentrale Lumen 94 durch das Stilett zu einer Öffnung 96 im distalen Ende 92 durchgeht. Wenn sich bei dieser Anordnung das Stilett 90 in der proximalen Position befindet, wodurch das distale Ende 92 proximal von dem proximalsten Loch 66 verschoben wird, wird Fluid zum Strömen durch das Stilett 90 und alle der mehreren Löcher 66 gebracht. Wenn das Stilett zu der distalen Position 102 vorwärtsbewegt wird, werden die Löcher durch die Seitenwand 98 des Stiletts 90 verschlossen. Sobald das Stilett 90 die distale Position 102 erreicht hat, sind alle der mehreren Löcher 66 bedeckt oder verschlossen. 13 zeigt eine Anordnung ähnlich der in 6 gezeigten, wobei distale Öffnungen 68 durch das längliche Element 60 festgelegt sein können. Daher ist es möglich, dass, wenn das Stilett 90 die distale Position 102 erreicht hat, Fluid noch durch das Loch 68 passieren kann. Falls aber erwünscht ist, dass ein Strömen des gesamten Fluids durch das längliche Element 60 verhindert wird, wenn das Stilett die distale Position 102 erreicht hat, kann die geschärfte Spitze 62 massiv sein, so dass das Stilett 90 kein Durchströmen von Fluid durch das längliche Element 60 gestattet, wenn es die distale Position 102 erreicht.
Einige Konfigurationen wie die in 12 gezeigte erfordern, dass die geformte Öffnung 96 mit den mehreren Löchern 66 ausgerichtet ist. Mit anderen Worten, falls das Stilett in der einen oder anderen Richtung gedreht wurde, könnte die längliche Öffnung 96 sich nicht mit irgendeinem der mehreren Löcher 66 ausrichten und würde daher nicht funktionieren. Es kann erwünscht sein, einen Keil 100 bereitzustellen, der von der Seitenwand 98 des Stiletts 90 hervorsteht und mit einem durch das längliche Element 60 festgelegten Schlitz 102 ausgerichtet wird. Alternativ kann erwünscht sein, sowohl eine Longitudinalbewegung als auch eine relative Drehbewegung zwischen dem Element 60 und dem Stilett 90 oder der Hülse 76 steuerbar zu ermöglichen. Um eine bessere Steuerung bereitzustellen, kann zwischen den beiden ein Reibungsgewinde (nicht gezeigt) vorgesehen sein.
Die 15 und 16 zeigen, wie eine Drallbewegung des Stiletts 90 vorteilhaft eingesetzt werden kann. 15 zeigt ein Stilett 90 mit einer Öffnung 96, die von seiner Seitenwand 98 festgelegt ist und in der Breite zu ihrem distalen Ende 92 hin zunimmt. Wenn es mit einem länglichen Element 60 mit einer Reihe von Löchern 66 verwendet wird, kann das Stilett 90 verdreht werden, um die Anzahl der Löcher 66, die mit der Öffnung 96 ausgerichtet werden, zu erhöhen. Dieses Stilett 90 kann funktionsmäßig in einer am weitesten distalen Position verbleiben, wie gezeigt ist. Das Stilett 90 ist in einer Position dargestellt, durch die die Öffnung 96 im Winkel gegenüber den mehreren Löchern 66 versetzt ist. Falls das Stilett aber in einer Richtung gedreht wird, wie es durch den Pfeil 104 angedeutet ist, wäre das am weitesten distale Loch 66 das erste, das sich öffnet, rasch gefolgt von den angrenzenden Löchern in einer proximalen Richtung, bis alle Löcher 66 geöffnet werden. Diese Konfiguration gibt einem Arzt ein großes Maß an Kontrolle hinsichtlich der Anzahl von Löchern 66, die Injektat emittieren sollen.
16 zeigt, wie diese Drallanordnung an einer Konfiguration mit länglichem Element und Hülse nach obiger Beschreibung eingebaut werden kann. Es ist zu erkennen, dass ein längliches Element 60 mit einer geschärften Spitze 62 und einer drehbar daran angebrachten Hülse 76 vorgesehen ist. Die Hülse 76 legt eine Öffnung 84 fest, die ein breiteres proximales Ende und ein schmäleres distales Ende aufweist. Mehrere Löcher 66 sind gestrichelt unter der Hülse 76 dargestellt. Wenn die Hülse 76 relativ zu dem Element 60 einer Richtung, wie sie durch einen Pfeil 106 angegeben ist, gedreht wird, beginnt die Öffnung 84 die Löcher 66 freizulegen, beginnend mit dem am weitesten proximalen Loch, bis schließlich alle Löcher 66 freigelegt sind. Anzeigemarken 108 sind am proximalen Ende der Hülse 76 dargestellt. Die Anzeigemarken 108, die zusammen mit einem Positionspfeil 110 verwendet werden, geben dem Arzt an, wieviele Löcher 66 freigelegt sind. Ein ähnlicher Anzeiger 114 ist in 14 dargestellt, und ist für eine der darin gezeigten Gleitanordnungen konfiguriert. Die Markierungen am Stilett 90 geben die Anzahl von Löchern 66 an, die offen oder geschlossen bleiben, je nach der Konfiguration des Stiletts 98. Alternativ wird in Betracht gezogen, radiopaque Markierer (nicht gezeigt) an der Nadel selbst vorzusehen, so dass die Nadel in-vivo einsehbar und ihre Position ermittelbar wäre.
Ein Fachmann wird schnell erkennen, dass die von den verschieden geformten Öffnungen und verschieden plazierten Löchern 66 bereitgestellte Flexibilität eine unbegrenzte Anzahl von Variationen ermöglicht, um eine beliebige gewünschte Wolkenform oder Sequenz von Löcherfreigaben zu erreichen, wenn ein Element gegenüber einem anderen Element verschoben oder gedreht wird, um die gewünschten Löcher freizulegen oder zu verschließen.
Ein Problem, das noch nicht behandelt wurde, umfasst den Staudruck, der von angrenzendem Gewebe verursacht wird, in das Fluid injiziert wird. Dies ist besonders hinderlich bei geringen Injektions-Strömungsraten. Um mehr Raum für die Injektatströmung bereitzustellen, wodurch der Staudruck reduziert wird, kann eine Skalierung 112 an der Außenfläche des länglichen Elements 60 nahe den Löchern 66 vorgesehen sein. Dies ist in 17 dargestellt.
18 zeigt einen Graphen einer Druckwellenform 120, die zur weiteren Verbesserung der Perfusion eines Injektats in fibröses Gewebe, wie z.B. das Myocardium, verwendet werden kann. Eine anfängliche Druckspitze 122 ist vorgesehen, die eine ausreichende Kraft, wie z.B. 50 bis 300 mm HG aufweist, aber nicht hierauf beschränkt ist, um das Gewebe für die Injektataufnahme vorzubehandeln oder vorzubereiten. Mit anderen Worten erhöht der Hydraulikdruck von aus der Nadel austretendem Fluid lokal den Gewebedruck, wo die Nadellöcher positioniert sind. Durch Steuern des Drucks der Nadel kann der Gewebedruck gesteuert werden. Dies ist wichtig, da der Gewebedruck dazu verwendet werden kann, festzulegen, wo das Injektat in das Gewebe fließt. Beispielsweise kann eine rasche Zunahme in myokardialem Gewebe die Muskelbündel von dem verbindenden stromalen Gewebe lostrennen, so dass Fluid selektiv eher in die Interstitialbereiche als in die zellulären Bereiche strömt. Die Wellenform 120 mit mindestens einer Spitze 122, gefolgt von einem niedrigeren Druckpegel 124, kann eine solche Wirkung erzielen. Es kann erwünscht sein, eine nachfolgende Spitze 122 bereitzustellen, wie gezeigt ist, um die Muskelbündel, falls nötig, wieder zu öffnen oder zu trennen.
Es ist anzumerken, dass zwar in den verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsformen und Anordnungen besonderes Augenmerk auf die Verwendung einer Nadel am distalen Ende der Vorrichtungen gelegt wurde, dass die verschiedenen hier gelehrten Prinzipien aber auch auf einen Katheter ohne Nadel anwendbar sind. So ist der Begriff "längliches Element 60" verwendet worden, um Nadeln, Katheter und ähnliche, ein Lumen festlegende, längliche Vorrichtungen zu umfassen, die zur Anwendung im Körper geeignet sind. Ein spezifisches Beispiel eines länglichen vergleichbaren Elements 60 ohne eine Nadel ist in 26 gezeigt. Vorgesehen ist ein flexibles, katheterartiges längliches Element 60 mit einer allgemein konischen oder etwas zugespitzten Spitze 62 an seinem distalen Ende, das ein zentrales Lumen 64 und mehrere, durch die Seitenwand des Elements 60 bis zum zentralen Lumen 64 verlaufende Löcher 66 festlegt. Die Spitze kann ein kleines Loch 66 aufweisen oder nicht.
In einer bevorzugten Anordnung ist die Spitze 62 aus einem weichen Durometer-Kunststoff gebaut, der einen durch sie hindurchgehenden Führungsdraht 140 aufnimmt. Der Kunststoff ist so gewählt, dass, wenn das Element 60 sich in einer gewünschten Position befindet, der Führungsdraht 140 entfernt werden kann und der Kunststoff von selbst abdichtet, wodurch eine im wesentlichen massive Spitze 62 hinterlassen wird.
In 26 ist auch eine Vergleichsanordnung gezeigt, in der das längliche Element 60 ein Katheter oder eine ähnliche Vorrichtung von erheblicher Länge ist, beispielsweise zwischen 10 und 70 cm oder irgendeiner Länge, die zur Anwendung in-vivo geeignet ist, wobei Löcher 66 im wesentlichen über der gesamten Länge vorhanden sind. Eine solche Anordnung ist von besonderem Nutzen für Operationen im Zusammenhang mit Blutgerinseln in längeren Blutgefäßen, wie z.B. den in den Beinen vorhandenen.
Es ist hier auch ein Verfahren offenbart, das das Einsetzen des distalen Abschnitts der Nadel in eine innere Körperwand oder ein Gewebe des Patienten umfasst, und das Aufbringen eines ausreichenden Drucks auf ein flüssiges Medikament in Fluidverbindung mit dem distalen Abschnitt der Nadel, um eine therapeutische Menge des Medikaments auszustoßen, so dass das Medikament multi-direktional aus den Poren in dessen distalem Abschnitt in die innere Körperwand oder das Gewebe ohne eine wesentliche Leckage oder einen Verlust des Medikaments an der Oberfläche der Körperwand aussickert. Die Körperwand kann in einer natürlichen Körperhöhlung oder irgendeiner Öffnung gelegen sein.
Das Verfahren, das die Nadel mit der tröpfelnden Spitze einsetzt, ist von besonderem Nutzen für eine Injektion von Medikamenten in die Wand eines inneren Organs, das während der Injektionsprozedur ein Bewegung vollführt, beispielsweise die Wand eines schlagenden Herzens von angrenzenden Arterienwänden während eines elektrophysiologischen Tests, einer transmyokardialen Revaskularisierung bzw. Gefäßneubildung und dgl. Zusätzliche innere Organe, die eine Bewegung vollführen, und in die Injektionen mittels der Verfahren der Erfindung vorgenommen werden können, umfassen den Magen, den Schlund, die Gallenblase, die Leber, den Darmtrakt, die Nieren, die Lunge und dgl.
Die Verwendung einer tröpfelnden oder porösen Nadel ist gründlicher in der US-Patentanmeldung, Seriennummern 09/468689 vom 20.12.99 und 09/828022 vom 09.04.01 beschrieben.
Ferner sind zur Bestimmung, ob eine mehrlöcherige Nadel die angiogenen Faktoren besser verteilen würde, die Strömungsmuster der Diffusionsnadel analysiert worden, und die Erkenntnisse dazu verwendet worden, ein Verfahren zum Bestimmen der optimalen Gestaltung bei gegebenen, experimentell definierten Strömungsgeschwindigkeiten zu bestimmen. Die optimale Gestaltung für angiogenetische Anwendungen umfasst eine konstante Strömung eines angiogenetischen Fluids entlang der porösen Länge der Nadel, wodurch ein gleichmäßiger Verteilungsfaktor bereitgestellt wird.
Eine Vielzahl von Löchern an dem Schaft der Nadel erwiesen sich als wirksam bei der Verbesserung der Verteilung des Injektats (für Analysezwecke für ein Kontrastmittel benutzt), wiesen jedoch Mängel insofern auf, als die Löcher das Material nicht gleichmäßig in den Bereich um den Lochquerschnitt der Nadel herum förderten. Daraus wurde eine Schlussfolgerung gezogen, dass dies auf mindestens zwei Probleme zurückzuführen war: eine geringe und ungleichmäßige Verteilung der Löcher am Schaft der Nadel und eine ungleichmäßige Strömung durch die Löcher an der Nadel je nach ihren Relativpositionen. Es wurde eine mathematische Analyse durchgeführt, um die Gültigkeit dieser Schlussfolgerung zu ermitteln.
Die Analyse wurde bei einer Nadel mit einem geschlossenen distalen Ende und Löchern, die nur entlang dem Schaft nahe dem distalen Ende der Nadel positioniert waren, vorgenommen. Allgemein ist ein Druckabfall durch irgendein Rohr mit konstantem Innendurchmesser durch eine Poiseuille'sche Gleichung gekennzeichnet.
wobei
P der Druck ist,
x die Strecke entlang dem gelöcherten Abschnitt der Nadel ist,
μ die Viskosität ist,
Q die Strömung ist, und
d der Innendurchmesser des Rohrs oder der Nadel ist.
Da das Rohr porös ist, nimmt außerdem die Strömung konstant entlang dem porösen oder gelöcherten Abschnitt des Rohrs ab. Ausgehend davon, dass die Löcher auf der Seite des Rohrs derart angeordnet sind, dass der poröse Abschnitt entlang der gesamten Länge gleich porös ist, wird der Druckabfall entlang dem porösen Rohr zu:
wobei
l die Länge des porösen Abschnitts der Nadel ist.
Der Druck wird als Funktion der Strecke x zu:
Die Gleichung (4) ergibt dann den Druckabfall entlang dem porösen Abschnitt eines Rohrs oder dem Abschnitt der Nadel mit Löchern entlang dem Schaft. Ausgehend davon, dass die Strömung von dem porösen Abschnitt der Nadel konstant und entlang der Länge l des porösen Abschnitts gleich ist, kann die Geschwindigkeit v des aus dem Loch strömenden Fluids mittels der Torricelli'schen Formel berechnet werden, die eine vereinfachte Bernoulli'sche Gleichung zur Anwendung an einem Drainagebehälter ist: v = Cviskos√2gH (5)wobei
c_viskos ein Koeffizient ist, der Reibungsverluste berücksichtigt,
g die Schwerkraft ist, und
H die Höhe des Drainagebehälters ist.
Diese Drainagebehälter-Formel kann so manipuliert werden, dass sie sich auf Fluid anwenden lässt, das durch eine Nadel gedrängt wird, indem berücksichtigt wird, dass
so dass die Geschwindigkeit v der Strömung durch ein Loch dargestellt werden kann durch:
Bei bekannter Geschwindigkeit v von durch ein Loch strömendem Fluid wird die Strömungsgeschwindigkeit q durch einen Querschnitt porösen Materials wie dem der Nadel berechnet als: q = CKontraktionvA oder q = CKontraktionv(nπr2) (8)wobei
q eine Querschnittsströmung ist,
A die Fläche des Lochs/der Löcher ist,
n die Anzahl von Löchern an dem bestimmten Querschnitt ist (Anzahl von Löchern pro Längeneinheit),
r der Radius des Lochs/der Löcher ist, und
C_Kontraktion ein Kontraktions-Koeffizient ist, der die Tendenz eines Fluidstrahls berücksichtigt, sich von der scharf geränderten Öffnung oder dem Lochrand aus zu kontrahieren oder zu krümmen.
Die Querschnittsströmung q wird dann zu:
Ein Austragungskoeffizient C_Austragung kann als Produkt aus C_Kontraktion und C_viskos definiert werden.
Ausgehend davon, dass eine Strömung von der Nadel mit einer gegebenen Querschnittsfläche über die gesamte Länge des gelöcherten Abschnitts der Nadel konstant ist, ergibt sich: ql = Q (10)
Eine Neuanordnung und Kombination der Gleichungen (7), (9) und (10) ergibt:
Insofern als der Druck P als Funktion der Distanz in Gleichung (4) definiert wurde, kann die Anzahl von Löchern n als Funktion der Distanz für eine gewünschte Strömungsrate dargestellt werden durch:
Die Gleichung (9) ergibt dann die Konzentration der Löcher an Positionen entlang dem porösen Abschnitt der Nadel, die notwendig ist, um eine konstante und gleichmäßige Strömung entlang dem gesamten gelöcherten Abschnitt der Nadel zu erreichen. Ein alternatives Verfahren, um diese gleichmäßige und konstante Strömung zu erreichen, besteht darin, eine Lochkonzentration konstant zu halten, und nur die Größe der Löcher als Funktion der Position zu ändern. Eine einfache Umstellung der Gleichung (9) und eine Lösung für den Radius r als Funktion der Distanz liefert:
Somit ist erwiesen, dass der Nettoaustritt von Injektat als Funktion der Länge entlang der Nadel durch Variieren der Lochgröße oder durch Verwenden einer unterschiedlichen Dichte des gleich bemessenen Lochs entlang der Länge der Nadel/des Katheters gesteuert werden kann. Diese Variation der Lochdichte kann auch eine beliebige Injektatstruktur erzeugen, wie schon offenbart wurde. Eine solche Struktur der Lochdichte kann in erster Linie dazu verwendet werden, eine konstante Injektatmenge pro Längeneinheit der Nadel zu bewirken. Mit zusätzlichen Variationen kann die Struktur so an gepasst werden, dass sie irgendeine gewünschte Injektatstruktur um die Nadel herum erzeugt. Die Zielsetzung dieser Gestaltung besteht darin, eine Konzentrationssteuerung des Injektats zu ermöglichen.
Die mathematischen Ergebnisse wurden auf eine spezifische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewandt, um die folgenden Resultate zu zeitigen:
Die spezifische Ausführungsform verwendete eine Strömungsrate q von 1,5 cm³/s, einen Innendurchmesser d von 0,04064 cm, der der Innendurchmesser einer Nadel einer Stärke von 22 ist, und eine poröse Länge l von 1 cm. Bei gegebenem Molekulargewicht von Proteinen und Genen, die in Salzlösung aufgelöst waren, wurde die Viskosität μ und die Dichte ρ des angiogenen Fluids derjenigen von Wasser bei 40°C angenähert. Der Lochradius r wurde auf 25 Mikron festgesetzt, was die Untergrenze der Lochgröße ist, die ein Laser erzeugen kann. Diese Lochgröße wurde gewählt, da sie die Untergrenze darstellt, und daher würden größere Drücke benötigt, um die gleiche Fluidmenge hindurchzudrücken, wodurch größere Maximalgeschwindigkeiten durch die Löcher geschaffen würden. Der Viskositätskoeffizient C_viskos, der den Reibungsverlust berücksichtigt, wurde als 0,95 bei 5% Verlust angenommen. Der Kontraktionskoeffizient C_Kontraktion für eine scharf geränderte Öffnung beträgt 0,61, und daher beträgt der Austragungskoeffizient C_Austragung 0,58.
Die ideale Gestaltung oder Anordnung der optimalen Anzahl von Löchern an der optimalen Position hängt von der gewünschten Maximalgeschwindigkeit beim Verlassen der Löcher ab. Aus den Gleichungen (4) und (7) geht klar hervor, dass der Druck vor dem Beginn des porösen Abschnitts der Nadel P₀ durch die Sollgeschwindigkeit v bestimmt wird. P₀ wird dann mit dem Druck an der Pumpe in Bezug gesetzt, der erforderlich ist, um diese Idealgeschwindigkeit für eine gegebene Strömungsrate durch das Poiseuille'sche Gesetz zu erzeugen. Der lineare Druckabfall entlang dem Katheter muss berücksichtigt werden, obwohl er wegen des kleinen Durchmessers des Katheters gering ist, wenn der Kraftinjektor programmiert wird.
Die graphische Darstellung 1 zeigt die Anzahl von Löchern pro Zentimeter in 1 mm-Intervallen entlang der Länge des porösen Abschnitts der Nadel für vier verschiedene Maximalgeschwindigkeiten. Diese graphische Darstellung ist ein Beispiel einer Bestimmung der optimalen Gestaltung für vier gegebene Werte von Vmax.
Graphische Darstellung 1
Eine zusätzliche Erwägung bei der Gestaltung der optimalen Nadel ist die, dass bei zu niedrigem Druck die Anzahl von erforderlichen Löchern zur Beibehaltung einer konstanten Strömung die Anzahl von Löchern übersteigen könnte, die auf eine Nadel passen, ohne das Risiko entstehen zu lassen, dass die Nadel im Patienten abbrechen könnte. Um die strukturelle Unversehrtheit der Nadel beizubehalten, wird die Porösität unter 20% gehalten. Wenn zwei Durchmesser von Stahl für jeweils einen Lochdurchmesser erforderlich sind, beträgt die geometrische Maximalzahl von Löchern pro Zentimeter für eine Nadel einer Stärke von 22 mit Löchern eines Durchmessers von 50 Mikron 560. In der graphischen Darstellung 1 überschreitet Vmax = 400 cm/s das geometrische Limit, und kann daher nicht als umsetzbare Gestaltung betrachtet werden.
Die graphische Darstellung 2 zeigt, dass bei einem Druck über 50,3 kPa (7,3 psi) die Anzahl von Löchern pro Zentimeter nicht nur abnimmt, sondern über die Länge des porösen Abschnitts hinweg konstant wird:
Graphische Darstellung 2
In Rückbezug auf Gleichung (13) könnte die Lochanordnung oder -konzentration als Funktion der Position konstant gehalten werden und die Lochgröße könnte variiert werden. Obwohl die Herstellungskosten sinken könnten, falls die Lochgröße konstant gehalten wird, wie oben gezeigt ist, gibt es viele Ausführungsformen, bei denen die Lochposition entscheidend ist, wie z.B. diejenigen mit einer strategischen Okklusion.
Daher wird unter Verwendung der Gleichung (13) und unter Beibehaltung der restlichen Variablen die Anzahl von Löchern pro Zentimeter für die Zwecke dieser Analyse auf 160 festgesetzt. Die Ergebnisse zeigen, obwohl sie schwerer zu erkennen sind, dass eine Zunahme des Radius der Lochgröße notwendig ist, um eine konstante Strömung aufrecht zu erhalten, wie in der graphischen Darstellung 3 gezeigt ist. Wie im obigen Fall zeigt die Darstellung 3, wenn die Anzahl der Löcher variiert, dass eine Drucksteigerung über einen Wert von 1000 kPa (145 psi) einen konstanten Radius der Löcher erzeugt. Wiederum müssen geometrische Einschränkungen berücksichtigt werden.
Graphische Darstellung 3
Die Erfindung wurde vorstehend im Detail unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen hiervon beschrieben, es ist jedoch anzumerken, dass Modifikationen und Variationen im Schutzumfang des Beschriebenen und Beanspruchten liegen.
Bezugstabellen

Claims

Medizinisches Gerät, das eine Wolke von Injektat in Gewebe mit einer vorbestimmten Form, Größe und Konzentration erzeugen kann, wobei die Vorrichtung umfasst: ein längliches Element (60) mit einer ein zentrales Lumen festlegenden Seitenwand und einem distalen Ende (62) und einem proximalen Ende, wobei das proximale Ende funktionsmäßig an einen das Injektat liefernden Katheter (16) so anbringbar ist, dass der Katheter (16) in Fluidverbindung mit dem Lumen (64) steht, mehrere Löcher (66), die durch die Seitenwand festgelegt sind und sich von dem Lumen (64) zu einem Außenraum der Seitenwand erstrecken, wobei jedes der Löcher (66) so gestaltet und angeordnet ist, dass es mit jedem der anderen Löcher (66) zusammenwirkt, um die geformte Wolke zu bilden, wenn das Injektat durch das Lumen (64) gezwungen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Löcher (66) linear ausgerichtet sind, um eine einzige Reihe von Löchern parallel zu einer Longitudinalachse (70) des Elements (60) zu bilden, wobei die mehreren Löcher (66) nach und nach an Durchmesser zunehmen, so dass proximale Löcher kleiner sind als distale Löcher, wodurch jedem der Löcher (66) ein relativ gleiche Strömungsrate gegeben wird, wobei die Löcher (66) Mittelachsen (64b) aufweisen, die zu einer Mittelachse (70) des länglichen Elements (60) senkrecht sind, und wobei das Gerät ferner eine Hülse (76) umfasst, die verschiebbar über dem Element (60) angeordnet ist, wobei die Hülse (76) von einer proximalen Position verschiebbar ist, wodurch ein offenes distales Ende der Hülse (76) proximal von den Löchern (66) zu einer distalen Position bewegt wird, wodurch das distale Ende der Hülse (76) distal von den mehreren Löchern (66) weg bewegt wird, wobei die Hülse (76) so gestaltet und angeordnet ist, dass sie die Löcher (66) verschließt, wenn sie über ihnen positioniert ist.
Medizinisches Gerät nach Anspruch 1, wobei das längliche Element (60) eine hypodermische Nadel umfasst und das distale Ende (62) geschärft ist, um eine Hautdurchtrennungsfähigkeit oder Gewebeeintrittsfähigkeit bereitzustellen.
Medizinisches Gerät nach Anspruch 1, wobei das längliche Element (60) einen Katheter umfasst.
Medizinisches Gerät nach Anspruch 3, wobei die mehreren Löcher (66) axial von dem distalen Ende (62) versetzt sind.
Medizinisches Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das distale Ende (62) mindestens ein Loch (68) eines vorbestimmten Durchmessers festlegt, das sich zu dem Lumen (64) erstreckt.
Medizinisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das distale Ende (62) eine massive Endwand aufweist.
Medizinisches Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Hülse (76) mindestens eine Öffnung (84) festlegt, die über einem oder mehreren der Mehrzahl von Löchern (66) so positionierbar ist, dass bei einer Betätigung, durch die Injektat verabreicht wird, vorbestimmte Löcher (66) ausgewählt, geöffnet und wieder verschlossen werden können, wodurch die Form der Wolke nach Wunsch geändert wird.
Medizinisches Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Hülse (76) ein sich konisch verjüngendes distales Ende (81) aufweist, das es ermöglicht, dass die Hülse (76) relativ zu und unter umgebendem Gewebe gleitet, ohne diesem Schaden zuzufügen.
Medizinisches Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das längliche Element (60) eine angeritzte Außenfläche (112) aufweist, so dass ein Injektat-Gegendruck minimiert wird, während eine Flüssigkeit in Gewebe eingespritzt wird, das mit der Außenfläche des Elements (60) in Kontakt steht.