DE9300676U1

DE9300676U1 - Mikrosonde und Sondengerät

Info

Publication number: DE9300676U1
Application number: DE9300676U
Authority: DE
Original assignee: Eckhorn Reinhard Prof Dr-Ing 3575 Kirchhain De
Current assignee: Eckhorn Reinhard Prof Dr-Ing 3575 Kirchhain De
Priority date: 1993-01-20
Filing date: 1993-01-20
Publication date: 1993-03-11
Anticipated expiration: 2003-01-21
Also published as: US5413103A

Description

Prof. Dr. Reinhard Eckhorn, W-3575 Kirchhain

Mikrosonde und Sondengerät Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mikrosonde gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und auf ein Sondengerät gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 13.

In der Medizin, in der biologischen Forschung und in der Biophysik braucht man für viele Anwendungen, bei denen ein Körper oder eine Struktur punktuell abgetastet oder beeinflußt werden sollen, dünne Sonden in Form von Elektroden, Pipetten o.dgl. Bei größerem Durchmesser sind sie genügend stabil und halten einer Eindruck-Gegenkraft stand; allerdings benötigen sie relativ viel Eindringraum, so daß unerwünschte und eventuell schmerzhafte Verletzungen auftreten können. Dünnere Sonden knicken jedoch leicht ab und müssen deshalb radial, z.B. in einem Rohr, stützend geführt werden. Das wiederum bedingt einen recht aufwendigen Antriebs- und Kupplungsmechanismus, um die Sonde in Schritten vorzuschieben, die jeweils kleiner als die sog. Knicklänge sein müssen. Wiederholte

Kupplungsvorgänge erzeugen aber unerwünschte Erschütterungen der Sonde, deren Rutschen in der Kupplung außerdem additive Fehler bewirkt.

Es besteht daher Bedarf an längeren Sonden mit dünnem Schaft, der gegen Abknicken zuverlässig geschützt ist. In diesem Zusammenhang sind mit "lang" und "dünn" Abmessungen gemeint, die zueinander im Verhältnis von wenigstens 10 : 1 stehen. Unter Sonden werden hier Mikroelektroden, Chemo- und Elektrosensoren, Kanülen, Pipetten, Kapillaren, Nadeln usw. verstanden, die in eine plastisch-elastische Struktur und insbesondere in Nerven- oder Muskelgewebe eingebracht werden sollen.

Ein wichtiges Ziel der Erfindung ist es, mit wirtschaftlichen Mitteln verbesserte Sonden und Sondengeräte zu schaffen, die einerseits sehr schlank und andererseits so stabil sind, daß sie in die betreffenden Strukturen über Längen bzw. Tiefen eingeführt werden können, welche die Sonden-Knicklänge bei weitem überschreiten. Neuartige, möglichst wirtschaftliche Führungsmittel sollen ein Abknicken sicher verhindern.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der kennzeichnenden Teile der Ansprüche 1 und 13. Weiterbildungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 12 sowie 14 bis 16.

Als Haupt-Führungsmittel bedient sich die Erfindung eines gestreckten elastischen Schlauchs für die bzw. jede Sonde. Er wird am einen (äußeren) Ende mit einer Schelle festgelegt, die bevorzugt aus rostfreiem Stahl besteht, ein Führungsrohr übergreift und auf einem Träger für die Anbringvorrichtung montiert ist. Das Führungsrohr führt die Sonde in die gewünschten Einbring-Richtung. Am anderen (inneren) Ende, wo das Führungsrohr und der &zgr; .&Bgr; aus Gummi bestehende Schlauch mittels einer Klemme an einem Haltestift oder -draht festgelegt sind, ist ein Mikrostelltrieb, mit dem der Schlauch auf

eine genau bemeßbare Länge gestreckt wird. Die Sondenspitz^ wird durch gezielte Feinverschiebung des Mikrostellglied-Trägers, d.h. durch gesteuerte Translationsbewegung, positioniert .

Der elastische Schlauch hält die Sonde knickfrei, weil die radial wirkenden Knickkräfte viel kleiner als die Gegenkräfte des gestreckten Schlauches sind, wodurch sie die Knicklänge der Sonde typisch um das 10- bis 100-fache steigern. Durch die gesteuerte Streckung wird die Sonde über fast ihre ganze Länge, jedenfalls über den gesamten Bereich des Verschiebeweges rundum formschlüssig gefaßt, so daß die Schlauch-Innenwandung satt an der Sonden-Außenfläche anliegt. Selbst von einem Spulenwickel gezogene Mikrodrähte werden daher knickfrei gerichtet. Gut geeignet sind handelsübliche hochelastische Silikongummischläuche, wie sie unter anderem bei Schlauchpumpen benutzt werden.

Diese sichere Schlauchführung kann zugleich in Längsrichtung große Kräfte auf die Sondenspitze ausüben, was beim Einstechen in zähfeste Strukturen sehr wünschenswert ist. Die Eintreibkraft ist von der Größenordnung der elastischen Längskraft des Gummis. Auch bei Sonden, deren Herstellung schwieriger oder aufwendig ist, kann man die Eintreibkraft durch Wahl der Schlauchlänge und -Streckung stets so bemessen, daß weder die Sondenspitze noch ihr Schaft durch den Widerstand des betreffenden Körpers beschädigt wird.

Der Innendurchmesser des Führungsrohrs, beispielsweise einer Kapillare, ist vorzugsweise etwa 20% größer als der Sondendurchmesser, denn in engeren Kapillaren können Verunreinigungen (Staubteilchen) die Gleitbewegung der Sonde stören oder abblocken; Kapillaren zu großer lichter Weite würden unerwünschte Seitbewegungen der Sonde zulassen, wenn sie z.B. nicht vom Gewebe seitlich gestützt wird. Um ihr gutes Gleiten zu gewährleisten und ein mechanisches Blockieren durch irgendwelche Teilchen (z.B. kristallisierten Liquor oder ge-

ronnenes Blut) zu verhindern, füllt man zweckmäßig in den Spalt zwischen der Sonde und der Führungskapillare ein steriles Schmiermittel wie Silikonöl, das außerdem Sondenschwingungen in der Kapillare dämpft und so "Mikrofon"-Potentiale bei Hochimpedanz-Sonden verringert.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Erläuterung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Axialschnittansicht einer Mikrosonde mit Träger,

Fig. 2 eine Schnittansicht entsprechend der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittansicht entsprechend der Linie III-III in Fig. 1 und

Fig. 4 eine Schrägansicht eines Sondengeräts mit Träger und Antrieb.

Die in Fig. 1 dargestellte Mikrosonde ist allgemein mit 10 bezeichnet. Sie hat einen Träger oder Halter 12, auf dem eine mit Schrauben 16 festgelegte Schelle 14 ein Führungsröhrchen in Form einer Stahlkapillare 18 unter Zwischenlage eines Schlauch-Endes 32 haltert. Der Schlauch 30 bildet eine Führung für die eigentliche Sonde 20, deren äußeres Ende 22 das äußere Schlauch-Ende 32 mit einer Spitze überragt. Der Innendurchmesser D der Stahlkapillare 18 ist etwa 1,2-mal so groß wie der Außendurchmesser d der Sonde 20, die mit einem Gleit- und Isolier-Überzug 24 versehen ist.

In einem Längenbereich M, der den Hauptteil der Sonde 20 ausmacht, wird sie von einem Einspannteil 35 des Schlauchs 30 satt anliegend umschlossen. Dies geschieht durch Einspannung des Schlauchs 30, dessen inneres Ende 36 auf einem Halterohr oder Klemmstück 38 sitzt und mit diesem von einem Klemmrohr

48 übergriffen ist. Letzteres legt auch einen Anschluß 28 fest, der mit dem inneren Ende 26 der Sonde 20 durch einen Crimpkontakt leitend verbunden ist. Fig. 2 zeigt diese Anordnung im Schnitt.

Eine mit dem Klemmrohr 48 fest verbundene Innenbuchse 44 haltert einen Stift oder Draht 46, der zu einem (hier nicht dargestellten) Mikrostelltrieb 42 führt. Dieser spannt den Schlauch 30, dessen Einspannteil 35 den Längenbereich M der Sonde 20 rundum kraftübertragend packt. Dadurch ist die Sonde 20 in der Kapillare 18 relativ zu dem Halter 12 frei verschiebbar, wie auch die Schnittansicht in Fig. 3 zeigt. Das äußere Schlauch-Ende 32 hat einen Wulst 34, der die Befestigung durch die Schelle 14 unterstützt.

Ein Sondengerät 50 mit einer Anzahl von Mikrosonden 10 ist in Fig. 4 dargestellt. Es hat einen Träger 52, der in einer Parallelführung 72 eine Sondengruppe 54 haltert. Wiederum ist jede einzelne Sonde 20 von einem Führungsschlauch 30 umschlossen, so daß eine Schlauchgruppe 56 gebildet ist, die an Klemmhaltern 60 festgelegt sind, welche zugleich Anschlüsse 58 zu der Sondengruppe 54 klemmen. Isolierte Drähte bzw. Seile 46 führen von den Klemmhaltern 60 zu Stellköpfen 62, die als Walzen ausgebildet sein können und auf der Achse von Getriebemotoren 68 sitzen, die von einer Halterung 64 getragen in einer Antriebseinheit 66 untergebracht sind. Neben dieser befinden sich Sonden-Anschlüsse 58. Die Schlauchgruppe 56 ist im unteren Bereich von einer Führungsbrücke 70 übergriffen, in welcher jeder Schlauch 30 einzeln mit seinem Führungsröhrchen 18 eingeklemmt wird.

Im Beispiel der Fig. 4 hat das Gerät 50 sieben Mikrosonden 54; die Mikrostellköpfe 62 der Antriebseinheit 66 sind unter elektronischer Steuerung jeweils von einem Gleichstrom-Getriebemotor 68 (typische Untersetzung 1 : 4000) unabhängig voneinander antreibbar. Mit Polyfluortetraethylen (Teflon) beschichtetes Stahlseil von z.B. 200 pm Durchmesser ist auf

eine Walze von z.B. 3,5 mm Durchmesser aufgespult, die antriebsverbunden auf der Achse des Getriebeantriebs sitzt. Die Motoren 68 haben jeweils einen (nicht gezeichneten) Stellungssensor, der computerspeicherbare Signale liefert, beispielsweise 10 Impulse pro Walzen-Umdrehung, was einer Umfangs-Auflösung von 0,1 pm entspricht.

Ein solches Führungssystem wurde unter anderem zum Einbringen von Mikroelektroden in das Gehirn chronisch präparierter Katzen und Affen durch die intakte Dura hindurch benutzt. Bei einem Anwendungsbeispiel wurden in einem 7-Kanal-System handelsübliche isolierte Drähte mit Außendurchmessern zwischen 50 und 100 um sowie zweierlei zugespitzte Quarzfaser-Sonden eingesetzt, entweder solche mit Metallkern zur extrazellulären Registrierung elektrischer neuraler Signale oder Pipetten zum Einspritzen bzw. zum elektrophoretischen Einbringen von Substanzen und zum Registrieren elektrischen Signale.

Aufzeichnungen im Beobachtungs-Gehirnrindenbereich wurden abgeleitet mit einem Sondengerät 50 mittels einer Gruppe 54 von Elektroden 20, welche durch die intakte Dura von Katzen und Affen mit Eindringtiefen bis zu 20 mm eingebracht wurden. Mit mehreren Faser-Mikroelektroden 20 von z.B. 3 bis 7 MOhm Impedanz bei 1 kHz ließen sich Aktionspotentiale von Einzelzellen stabil über lange Zeiten aufzeichnen, während eine weitere Sonde 20 mit nur 1 bis 10 pm/s, also extrem langsam, in eine Stellung mit isolierter Einzelzellaktivität vorgeschoben wurde.

Die geringe mechanische Beeinflussung der Abtaststellung anderer Elektroden 20 durch eine bewegte Sonde 20 beruht auf dem guten Gleiten in der Gummischlauch-Führung 30, auf der Schlankheit der Sonden 20 sowie auf deren reibungsmindernder Beschichtung 24. Infolgedessen bleiben Störsignale allgemein vernachlässigbar, so daß mit ein und denselben Hochimpedanz-

Elektroden auch lokale langsame Hirnpotentiale (0...150 Hz) und Mehrfach-Aktivitäten während kontinuierlicher Elektrodenbewegungen gemessen werden können.

An der Penetrations-Stelle ist die geometrische Anordnung der Elektroden 20 abhängig vom Abstand der Führungskapillaren 18 voneinander. Man erzielt beispielsweise bei einem Außendurchmesser von 250 pm (innen: D = 100 &mgr;&eegr;\) einen günstigen Abstand von 500 &mgr;&pgr;&igr;. Andere, insbesondere kleinere Trennabstände z.B. bis zu 200 &mgr;&idiagr;&eegr; lassen sich mit Fasersonden 20 von z.B. 70 pm Schaftdurchmesser (d) ebenfalls verwirklichen. Auch kann man konzentrische, lineare oder sonstige Elektroden-Anordnungen mit verhältnismäßig einfachen, an sich bekannten Mitteln realisieren, z.B. durch geeignete Raumaufteilung der Stahlkapillaren 18 oder durch austauschbare Führungsköpfe 72 (70). Mit passend vorbereiteter Sonden-Anordnung lassen sich die Sondenspitzen 22 zielsicher in die gewünschten Zonen einbringen. Das ist besonders vorteilhaft, wenn man etwa gleichzeitige Aufzeichnungen von zwei oder drei verschiedenen Hirngebieten gewinnen und dazu die Sondenspitzen 22 an spezielle Positionen bringen will, um im Registrierungsbereich das dynamische Zusammenwirken von aktiven Neuronengruppen zu analysieren .

Der präzise mechanische Antrieb ermöglicht die zuverlässige Sondenpositionierung mit dem Gummischlauch-Vorschub. Störungen durch Hängenbleiben der Sonden 20 in den absolut gesehen recht kurzen Stahlkapillaren 18 kommen kaum vor, zumal die großen Vorschubkräfte des elastischen Schlauches 30 ohnehin die Reibung in den Röhrchen leicht überwinden. Gleich hinter dem Crimpkontakt 26 beginnt der Einspannteil 35 des Schlauches 30, der die Sonde 20 rundum radial packt und sowohl gute Kraftübertragung als auch sicheren Knickschutz gewährleistet. Dank der kontinuierlichen Sonden-Einspannung (35, M) bewirken selbst wiederholte Kurzbewegungen und auch Richtungsumkehr keine Vergrößerung des Lagefehlers, weil ja vom Mitnahmeprinzip her keine Addition von Einzelversetzungen

stattfinden kann; höchstens der MikroStellantrieb 42 selbst kann eine Fehlerhäufung erzeugen. Daher wird die angesteuerte Sondenspitze 22 unabhängig davon, ob man auf einer Vorschubstrecke eine einzige Translation oder viele Einzelschritte ausführt, an dieselbe Position gelangen.

Die Gummischlauch-Einspannung erlaubt die Verwendung aller Arten von schlanken Sonden 20 bis herab zum Schaftdurchmesser von etwa d ^ 25 &mgr;&pgr;&igr;; bei noch dünneren Sonden kann die Handhabung schwierig werden. Es lassen sich Elektroden zur elektrischen Reizung und Aufzeichnung neuraler und muskulärer Signale ebenso einsetzen wie Registrier- und Injektionspipetten sowie Akupunkturnadeln. (Dickere Sonden von z.B. 200 pm Außendurchmesser oder darüber sind ebenfalls verwendbar, doch besitzen sie meist genügend Festigkeit, um auch mit einem herkömmlichen Antrieb leicht in ein Gewebe einzudringen.) Je nach Schaftstärke d der Sonden 20 wird man die Stahlkapillaren 18 auswechseln, was rasch durchführbar ist.

Gegenüber herkömmlichen Antrieben für Faser-Mikroelektroden, deren Vorteile beibehalten werden, ergeben sich zusätzliche Vorzüge. Das erfindungsgemäße Führungssystem 30/20 ist kleiner und leichter, bequemer herzustellen und mithin billiger als die üblichen Manipulatoren. Ferner ist es mit äußerst dünnen Sonden 20 verwendbar, so daß im penetrierten Material weniger Raum verdrängt und beschädigt wird. Es treten keine kumulativen Stellfehler auf. Dazu erlaubt es überaus gleichmäßige, genaue Bewegungen bei hohen Eindringkräften. Es bewirkt kaum mechanisch bedingte Störsignale und ist umgekehrt weniger anfällig für solche. Auch läßt es sich mit einer Vielzahl handelsüblicher Mikrostellmechanismen verwenden. Die schlanken Sonden 20 machen es möglich, eine ganze Anzahl davon in kompakter Anordnung 54 zu haltern und trotz geringen Abstands unabhängig voneinander zu steuern.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt und insbesondere auch makrotechnisch anwendbar. Man erkennt aber, daß bei einer bevorzugten Ausführungsform einer Mikrosonde 10 zur elektrophysiologischen Anwendung wenigstens eine mikrorohr-, faser- oder drahtförmige Sonde 20 in einem Längskanal eines Führungsschlauchs 30 relativ zu einem Halter 12 verschiebbar ist. Der Schlauch 30 umschließt den Hauptteil M der Sonde 20 in einem durch einen Mikrostelltrieb 42 bewegbaren Einspannteil 35. Das geklemmte Schlauch-Ende 32 ragt mit einem Wulst 34 selbsthemmend über eine Schelle hinaus. Das innere Sonden-Ende 26 ist in einem Klemmstück 38 mit einem beweglich herausgeführten Anschluß 28 leitend verbunden, der von einem ihn sichernden Klemmrohr 48 übergriffen wird. Dieses ist Bestandteil des Mikrostelltriebs 42. Der Schlauch 30 besteht aus Silikongummi; Die Sonde 20 hat zumindest am geführten Hauptteil M einen Gleit- bzw. Isolier-Überzug 24. Ein Sondengerät 50 haltert auf einem Träger 52 eine Sondengruppe 54, die über eine Schlauchgruppe 56 mittels Stellköpfen 62 gesteuert bewegbar ist. Die in der Gruppe 56 dicht nebeneinander befindlichen Schläuche 30 sind von einer Führungsbrücke 70 übergriffen, durchsetzen nahe der Sondengruppe 54 eine Parallelführung 72 und sind einzeln streckbar.

Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Anordnungen erfindungswesentlich sein.

- -&Iacgr;&Agr;

Bezugszeichen-Liste

d Außendurchmesser (von 20;

D Innendurchmesser (von 18;

E Einbringrichtung

M Längenbereich

S Stellrichtung

10	Mikrosonde	42	Mikrostelltrieb
12	Halter	44	Innenbuchse
14	Schelle	46	Stift / Draht
16	Schraube	48	Klemmrohr
18	Stahlkapillare	50	Sondengerät
20	Sonde / Elektrode	52	Träger
22	äußeres Ende / Spitze	54	Sondengruppe
24	Überzug	56	Schlauchgruppe
26	inneres Ende / Crimpkontakt	58	Anschlüsse
28	Anschluß	60	Klemmhalter
30	Führungsschlauch	62	Stellköpfe
32	äußeres Schlauch-Ende	64	M&ogr;torhalterung
34	Wulst	66	Antriebseinheit
35	Einspannteil	68	Getriebemotore
36	inneres Schlauch-Ende	70	Führungsbrücke
38	Klemmstück / Halterohr	72	Parallelführung
40	Längskanal

Claims

Schutzansprüche

1. Mikrosonde (10) zur elektrophysiologxschen Anwendung, mit wenigstens einer mikrorohr-, faser- oder drahtförmigen Sonde (20), die in einem Längskanal (40) eines Führungskörpers (30) relativ zu einem diesen tragenden Halter (12) verschiebbar ist, den das äußere Sonden-Ende (Spitze 22) überragt, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungskörper (30) zumindest den Hauptteil der Sonde (20) in einem durch einen Mikrostelltrieb (42) bewegbaren Einspannteil (35) umschließt.

2. Mikrosonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspannteil (35) die Sonde (20) in einem Längenbereich (M), der groß gegen ihren Außendurchmesser (d) ist, umspannt.

3. Mikrosonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungskörper einen Schlauch (30) bildet oder haltert, der mittels des an seinem inneren Ende (36) angreifenden Mikrostelltriebs (42) gegenüber seinem äußeren, am Halter (12) festgelegten Ende (32) gesteuert streckbar ist.

4. Mikrosonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das der Sonden-Spitze (22) benachbarte äußere Schlauch-Ende (32) auf einem Führungsröhrchen, z.B. einer Stahlkapillare (18), an dem Halter (12) befestigt ist, insbesondere mittels einer das Schlauch-Ende (32) klemmenden Schelle (14).

5. Mikrosonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das geklemmte Schlauch-Ende (32) selbsthemmend über den Halter (12) und/oder die Schelle (14) hinausragt, z.B. mit einem Wulst (34).

- l.i. -

6. Mikrosonde nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser (D) der Stahlkapillare (18) höchstens 1,2-mal so groß ist wie der Außendurchmesser (d) der Sonde (20).

7. Mikrosonde nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlkapillare (18) wenigstens zehnmal so lang ist wie der Außendurchmesser (d) der Sonde (20 ) .

8. Mikrosonde nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Sonden-Ende (26) in einem Klemmstück (38) mit einem beweglich herausgeführten Anschluß (28) leitend verbunden ist.

9. Mikrosonde nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Klemmstück (38) ein Halterohr ist und in das innere Schlauch-Ende (36) ragt, das von einem den Anschluß (28) sichernden Klemmrohr (48) übergriffen wird.

10. Mikrosonde nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Klemmrohr (48) Bestandteil des Mikrostelltriebs (42) und z.B. über eine Innenbuchse (44) mit einem Antriebsstift, Draht (46) o.dgl. verbunden ist.

11. Mikrosonde nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde zumindest an dem im Schlauch (30) geführten Teil einen Gleit- und/oder Isolier-Überzug (24) hat.

12. Mikrosonde nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch (30) aus Silikongummi besteht.

13. Sondengerät (50) mit einer Anzahl von Mikrosonden UO) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge
kennzeichnet, daß eine auf einem Träger (52) gehalterte Sondengruppe (54) über eine Schlauchgruppe (56) mittels Stellköpfen (62) gesteuert bewegbar ist.

14. Sondengerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Gruppe (56) dicht nebeneinander gehalterten Schläuche (30) von einer Führungsbrücke (70) übergriffen und einzeln streckbar sind.

15. Sondengerät nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß nahe der Sondengruppe (54) eine Parallelführung (72) für die Schlauchgruppe (56) vorhanden ist.

16. Sondengerät nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellköpfe (62) von Getriebemotoren (68) bewegbar sind, die neben einem Steuerblock (64) in einer mit dem Träger (52) einstückigen oder starr verbundenen Antriebseinheit (66) angeordnet sind.