DE69831172T2

DE69831172T2 - Gerät zur kryogenen inhibition von hyperplasie

Info

Publication number: DE69831172T2
Application number: DE69831172T
Authority: DE
Inventors: James Joye; Ronald Williams
Original assignee: Odyssey Technologies Inc Menlo Park; Odyssey Tech Inc
Current assignee: Odyssey Technologies Inc Menlo Park; Odyssey Tech Inc
Priority date: 1997-12-02
Filing date: 1998-12-01
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2018-12-02
Also published as: US20050209587A1; EP1039838B1; AU744106B2; JP2001524345A; CA2314352A1; US6355029B1; EP1039838A1; AU1540499A; US20020026182A1; DE69831172D1; US6908462B2; CA2314352C; EP1039838A4; US5971979A; WO1999027862A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Vorrichtung zum Hemmen der Restenose in Arterien nach einer Gefäßplastik oder anderen intravaskulären Prozeduren zur Behandlung einer Atherosklerosekrankheit. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum kryogenen Behandeln der Zielstelle innerhalb des Gefäßsystems eines Patienten, um die Hyperplasie zu hemmen, die nach solchen intravaskulären Prozeduren auftreten kann.
Es wurden zahlreiche perkutane intravaskuläre Prozeduren zur Behandlung der Atherosklerosekrankheit im Gefäßsystem eines Patienten entwickelt. Die erfolgreichste dieser Behandlungen ist die perkutane transluminale Gefäßplastik (PTA), die einen Katheter mit einem ausdehnbaren distalen Ende gewöhnlich in Form eines aufblasbaren Ballons verwendet, um einen stenotischen Bereich im Gefäßsystem auszudehnen, um einen angemessenen Blutfluss jenseits der Stenose wiederherzustellen. Andere Prozeduren zum Öffnen von stenotischen Bereichen umfassen die richtungsabhängige Gelenkresektion, die rotatorische Gelenkresektion, die Lasergefäßplastik, Stents und dergleichen. Obwohl diese Prozeduren, insbesondere PTA, breite Akzeptanz erlangt haben, leiden sie weiterhin unter dem anschließenden Auftreten der Restenose.
Die Restenose bezieht sich auf die erneute Verschmälerung einer Arterie innerhalb Wochen oder Monaten nach einer anfänglich erfolgreichen Gefäßplastik oder einer anderen primären Behandlung. Die Restenose befällt bis zu 50% aller Gefäßplastikpatienten und ergibt sich zumindest teilweise aus der Wucherung glatter Muskelzellen in Reaktion auf die Schädigung, die durch die primäre Behandlung verursacht wird, die im Allgemeinen als "Hyperplasie" bezeichnet wird. Blutgefäße, in denen signifikante Restenose auftritt, erfordern eine weitere Behandlung.
Eine Anzahl von Strategien wurden vorgeschlagen, um die Hyperplasie zu behandeln und die Restenose zu verringern. Solche Strategien umfassen eine verlängerte Ballonaufblasung, die Behandlung des Blutgefäßes mit einem erhitzten Ballon, die Behandlung des Blutgefäßes mit Strahlung, die Verabreichung von Antithrombose-Arzneimitteln nach der primären Behandlung, die Stentbehandlung des Bereichs nach der primären Behandlung und dergleichen. Obwohl sie verschiedene Erfolgsniveaus aufweisen, hat sich keine dieser Prozeduren als vollständig erfolgreich bei der Behandlung jeglichen Auftretens von Restenose und Hyperplasie erwiesen.
Aus diesen Gründen wäre es erwünscht, eine zusätzliche Vorrichtung und Verfahren zu schaffen, die für die Behandlung der Restenose und Hyperplasie in Blutgefäßen geeignet sind. Es wäre ferner erwünscht, wenn die Vorrichtung und die Verfahren für die Behandlung anderer Bedingungen geeignet wären, die mit einer übermäßigen Zellenwucherung in Zusammenhang stehen, einschließlich Neoplasmen, die sich aus Tumorwachstum ergeben, Hyperplasie in anderen Körperlumina und dergleichen. Die Vorrichtung und das Verfahren sollten für die intravaskuläre und intraluminale Einführung, vorzugsweise über einen perkutanen Zugang, geeignet sein. Es wäre besonders erwünscht, wenn die Verfahren und die Vorrichtung die Behandlung in einer sehr fokussierten und spezifischen Weise mit minimaler Auswirkung auf benachbarte Gewebe verabreichen könnten. Eine solche Vorrichtung und solche Verfahren sollten ferner beim Hemmen der Hyperplasie und/oder Gewebsneubildung in Zielgewebe mit minimalen Nebenwirkungen wirksam sein. Zumindest einige dieser Aufgaben werden von der nachstehend beschriebenen Erfindung erfüllt.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Ballonkatheter für die intravaskuläre Kühlung oder Erwärmung eines Patienten sind in US 5 486 208 und WO 91/05528 beschrieben. Eine kryochirurgische Sonde mit einer aufblasbaren Blase zum Durchführen einer Abtragung im Inneren der Gebärmutter ist in US 5 501 681 beschrieben. Kryochirurgische Sonden, die auf Joule-Thomson-Kühlung beruhen, sind in US 5 275 595; 5 190 539; 5 147 355; 5 078 713; und 3 901 241 beschrieben. Katheter mit erhitzten Ballonen für die Post-Gefäßplastik und andere Behandlungen sind in US 5 196 024; 5 191 883; 5 151 100; 5 106 360; 5 092 841; 5 041 089; 5 019 075; und 4 754 752 beschrieben. Kryogene Fluidquellen sind in US 5 644 502; 5 617 739; und 4 336 691 beschrieben.
WO 98/28934, die unter Art. 54(3) EPÜ fällt, zeigt einen Kryoplastik-Katheter mit einem Schaft, an dessen distalem Ende eine Kühlkammer angebracht ist, die von einem ausdehnbaren Ballon umgeben ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung umfasst ein kryochirurgisches System, wie in Anspruch 1 umrissen, für die kryochirurgische Behandlung einer Zielstelle innerhalb des Körperlumens eines Patienten, gewöhnlich in einer Arterie, die vorher wegen einer Atherosklerosekrankheit durch Ballongefäßplastik oder irgendeine der anderen vorstehend beschriebenen primären Behandlungsmodalitäten behandelt wurde. Die vorliegende Erfindung ist jedoch ferner für die Behandlung anderer hyperplastischer und neoplastischer Bedingungen in anderen Körperlumina, wie z. B. im Harnleiter, im Gallengang, in den Atemwegen, im Ausführungsgang der Bauchspeicheldrüse, im Ductus lymphaticus und dergleichen, geeignet. Das neoplastische Zellenwachstum tritt häufig infolge eines Tumors, der ein Körperlumen umgibt und in dieses eindringt, auf. Die Hemmung eines solchen übermäßigen Zellenwachstums ist erforderlich, um die Durchgängigkeit des Lumens aufrechtzuerhalten.
Die Behandlung mit einem erfindungsgemäßen System wird durch Kühlen von Zielgewebe auf eine Temperatur, die ausreichend niedrig ist, für eine Zeit, die ausreichend lang ist, durchgeführt, um eine übermäßige Zellenwucherung zu hemmen. Die Kühlbehandlung wird gegen die ganze oder einen Teil einer Umfangsoberfläche des Körperlumens gerichtet und führt vorzugsweise zu einer Zellenwachstumshemmung, aber nicht notwendigerweise zu einer signifikanten Zellennekrose. Insbesondere bei der Behandlung von Arterien nach einer Ballongefäßplastik kann die Zellennekrose unerwünscht sein, wenn sie die hyperplastische Reaktion steigert. Folglich verlangsamt oder stoppt die Verwendung des Systems der vorliegenden Erfindung die Zellenwucherung, kann jedoch die Zellen, die das Körpervolumen auskleiden, lebensfähig lassen, wobei folglich die Hyperplasie verringert wird.
Verfahren zum Erreichen einer Behandlung umfassen die Kühlung einer inneren Oberfläche des Körperlumens auf eine Temperatur und für eine Zeit, die ausreichen, um ein anschließendes Zellenwachstum zu hemmen. Im Allgemeinen liegt die Temperatur an der Gewebeoberfläche in einem Bereich von etwa 0°C bis etwa –80°C, wobei die Gewebeoberflächentemperatur vorzugsweise in einem Bereich von etwa –10°C bis etwa –40°C liegt. In weiteren Ausführungsformen kann die Temperatur an der Zellenoberfläche im Bereich von –20°C bis –80°C liegen, wobei sie wahlweise –30°C bis –50°C beträgt. Das Gewebe wird typischerweise für einen Zeitraum im Bereich von etwa 1 bis etwa 60 Sekunden auf der beschriebenen Temperatur gehalten, der häufig 1 Sekunde bis 10 Sekunden, vorzugsweise 2 Sekunden bis 5 Sekunden ist. Die Hyperplasie-Hemmwirksamkeit kann durch Wiederholen der Kühlung in Zyklen, typischerweise von etwa 1 bis 5 Zyklen, verbessert werden, wobei die Zyklen mit einer Rate von etwa einem Zyklus alle 60 Sekunden wiederholt werden. Im Fall von Arterien wird die Kühlbehandlung gewöhnlich sehr kurz nach der Gefäßplastik, der Gelenkresektion, der rotatorischen Gelenkresektion, der Lasergefäßplastik, der Stentbehandlung oder einer anderen primären Behandlungsprozedur, vorzugsweise innerhalb einer Stunde nach der primären Behandlung, bevorzugter innerhalb dreißig Minuten nach der primären Behandlung und am meisten bevorzugt sofort nach der primären Behandlung, durchgeführt.
Die vorstehend umrissenen Verfahren können mit kryochirurgischen Kathetern mit einem Katheterkörper mit einem proximalen Ende, einem distalen Ende und einem Primärlumen durch diesen hindurch durchgeführt werden. Das Primärlumen endet in einer Joule-Thompson-Mündung an oder nahe seinem distalen Ende und ein Ballon ist über der Mündung am Katheterkörper angeordnet, um ein kryogenes Fluid zu enthalten, das über das Primärlumen geliefert wird. Geeignete kryogene Fluide sind nicht-toxisch und umfassen flüssigen Stickstoff, flüssiges Distickstoffoxid, flüssiges Kohlendioxid und dergleichen. Durch Liefern des kryogenen Fluids durch den Katheterkörper kann der Ballon ausgedehnt und gekühlt werden, um Behandlungen gemäß der vorliegenden Erfindung zu bewirken.
Vorzugsweise ist die Joule-Thomson-Mündung nach innen von jedem Ende des Ballons beabstandet und der Ballon ist ausreichend lang, so dass die Kühlung des Ballons hauptsächlich in der Mitte stattfindet. Die Temperatur des proximalen und des distalen Endes des Ballons ist folglich viel geringer als jene der Mitte und die Enden wirken somit als "isolierende" Bereiche, die die Lumenoberflächen und andere Körperstrukturen vor einer unbeabsichtigten Kühlung schützen. Vorzugsweise weist der Ballon eine Länge von mindestens 1 cm, bevorzugter mindestens 2 cm und typischerweise im Bereich von 3 cm bis 10 cm auf. Die Mündung ist gewöhnlich mindestens 0,5 cm von jedem Ende angeordnet, wobei sie in Ballonen, die 2 cm oder länger sind, vorzugsweise mindestens 1 cm von jedem Ende liegt.
Obwohl festgestellt wurde, dass die Positionierung des Joule-Thomson-Ventils im mittleren Bereich eines Ballons eine ausreichende Isolation jedes Endes vorsehen kann, die sich aus den innewohnenden Wärmeübertragungseigenschaften ergibt, stellt diese Erfindung eine separate Eingrenzungsblase bereit, die in den Ballon eingesteckt ist, um das kryogene Fluid aufzunehmen. Die Eingrenzungsblase wirkt zum Begrenzen der Kühlung auf den mittleren Bereich des Ballons. Die Abschnitte des Ballons proximal und distal zur Eingrenzungsblase können wahlweise mit einem Isolationsmedium wie z. B. einem Gas, Silikonöl, Salzlösung oder dergleichen aufgeblasen werden. Alternativ kann die Eingrenzungsblase eine Lüftungsöffnung aufweisen oder teilweise porös sein, so dass das kryogene Fluid (das als Gas innerhalb der Eingrenzungsblase vorliegt) mit einer gesteuerten Rate in den darüberliegenden Ballon strömt. Durch Begrenzen der Durchflussrate ist die Temperatur des kryogenen Fluids in den Bereichen außerhalb der Eingrenzungsblase, aber immer noch innerhalb des Ballons, signifikant höher.
Die vorliegende Erfindung stellt ein kryochirurgisches System mit einem flexiblen Katheterkörper mit einem proximalen Ende, einem distalen Ende und einem Gasauslasslumen, das eine Achse dazwischen definiert, bereit. Ein intravaskulärer Ballon ist nahe dem distalen Ende des Katheterkörpers in Fluidverbindung mit dem Auslasslumen angeordnet. Der Ballon ist ausdehnbar, um radial eine umgebende Gefäßwand in Eingriff zu nehmen. Eine Versorgung von kryogenem Kühlfluid steht durch mindestens eine Öffnung mit einer Eingrenzungsblase, die innerhalb des Ballons angeordnet ist, in Fluidverbindung, um den Bereich der Wand des ausgedehnten Ballons zu kühlen.
Wie vorstehend beschrieben, kann die mindestens eine Öffnung wahlweise eine Joule-Thompson-Mündung umfassen. Alternativ kann die mindestens eine Öffnung einiges oder alles des kryogenen Kühlfluids als Flüssigkeit durchlassen. Eine Vielzahl von Öffnungen können tatsächlich das Fluid radial sprühen, wobei die Flüssigkeit in einigen Fällen im Wesentlichen gleichmäßig über eine innere Oberfläche der Ballonwand verteilt wird, so dass die Verdampfungsenthalpie der Flüssigkeit einen Bereich der Ballonwand kühlt. Die Verdampfung der Flüssigkeit hilft, den Ballon aufzublasen, während das Auslasslumen den Druck innerhalb des Ballons auf sichere Niveaus begrenzt. Diese Öffnungen können innerhalb des Ballons so verteilt sein, dass ein Abschnitt der Gefäßwand gleichmäßig gekühlt wird.
Die Erfindung kann zur Verwendung in einem Blutgefäß mit einer Gefäßwand dienen.
Die kryochirurgischen Katheter der vorliegenden Erfindung werden häufig zugeschnitten, um eine gleichmäßige Kühlung entlang zumindest eines Abschnitts einer Gefäßwand, die von dem gekühlten Ballon in Eingriff genommen wird, vorzusehen. Die Wirksamkeit der kryogenen Zellwachstumshemmung kann beispielsweise durch Verteilen der Kühlung innerhalb des Ballons unter Verwendung einer Vielzahl von Öffnungen für kryogenes Fluid, die umfangsweise und/oder axial innerhalb des Ballons verteilt sind, so dass ein signifikanter Abschnitt der Gefäßwand, die mit der Ballonoberfläche in Eingriff steht, auf den Zieltemperaturbereich für eine Zeit im gewünschten Behandlungsdauerbereich gekühlt wird, signifikant verbessert werden.
Um den Kühlwirkungsgrad zu maximieren und den Gasdruck innerhalb des Ballons zu minimieren, ist es im Allgemeinen bevorzugt, den gesamten Kühlfluidfluss aus dem Auslasslumen aus dem Ballon zu minimieren. Der Wirkungsgrad kann auch durch Lenken des Kühlfluids radial gegen die Ballonwand, Idealerweise unter Verwendung einer Vielzahl von Öffnungen, die umfangsweise um einen Diffuserkopf getrennt sind, verbessert werden. Wenn lange erkrankte Segmente des Gefäßsystems behandelt werden, beispielsweise wenn Hyperplasie der Darmbein- oder Oberschenkelarterien behandelt wird, wäre es vorteilhaft, das gesamte Segment zu behandeln, ohne den Ballon zu bewegen oder umzupositionieren. Um eine gleichmäßige Behandlung innerhalb eines solchen länglichen erkrankten Gefäßes bereitzustellen, kann der Diffuserkopf axial innerhalb des aufgeblasenen Ballons bewegt werden, indem eine Kühlfluid-Zuführungsröhre axial innerhalb des Katheterkörpers verschoben wird. Eine solche Struktur kann eine Vielzahl von steuerbaren, sequentiellen kryogenen Behandlungsbereichen bereitstellen, beispielsweise mehrere durch Temperaturrückkopplung gesteuerte kryogene Behandlungszyklen zum Hemmen der Zellenwucherung oder für eine Vielzahl von alternativen endoluminalen kryogenen Therapien. Alternativ kann ein fester Diffuserkopf, der eine axial und umfangsweise verteilte Anordnung von Öffnungen definiert, eine gleichzeitige, gleichmäßige Kühlung über einen ganzen signifikanten Bereich der Zielstelle bereitstellen.
Die Erfindung kann bei einer Therapie zur Behandlung eines Blutgefäßes mit einer Gefäßwand verwendet werden. Das Verfahren umfasst das Einführen eines Katheters in das Blutgefäß und das Ausdehnen eines Ballons des Katheters nahe einer Zielstelle, um mit der Gefäßwand in Eingriff zu kommen. Fluid wird an einer ersten Stelle innerhalb des Ballons ausgedehnt. Fluid wird auch an einer zweiten Stelle innerhalb des Ballons ausgedehnt, um einen Abschnitt der in Eingriff stehenden Gefäßwand kryogen zu kühlen, wobei die zweite Stelle von der ersten Stelle getrennt ist.
Die Gasausdehnung kann eine kryogene Kühlung über die Joule-Thompson-Ausdehnung, wenn das kryogene Fluid in den Ballon eintritt, und/oder über die Verdampfungsenthalpie eines kryogenen Fluids innerhalb des Ballons bewirken. Es können signifikante Temperaturübergänge bestehen, wenn die kryogene Kühlung zuerst vom Inneren des Ballonkatheters eingeleitet wird. Um die Kontrolle des Chirurgen über die Kühlrate und die Behandlungszeit dieser kryogenen Therapien zu verbessern, kann die Gasausdehnung eingeleitet werden, während ein beweglicher Mündungskopf innerhalb eines Gehäuses oder einer Abschirmung an einem Ende des Ballons angeordnet ist. Dieses Gehäuse kann zweckmäßigerweise durch Verlängern einer Röhrenstruktur distal vom Katheterkörper in das Innere des Ballons gebildet werden. Eine solche Gehäusestruktur kann auch verwendet werden, um zu helfen, Abgase proximal aus dem Ballon zu lenken, ohne eine übermäßige Kühlung am proximalen Ende des Ballons zu verursachen, wobei die Abgase ansonsten Blut innerhalb des Gefäßes gefrieren könnten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt einen kryochirurgischen Katheter, der gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, jedoch ohne die Eingrenzungsblase dar, wobei ein distales Ende im Querschnitt gezeigt ist.
2 ist eine Querschnittsansicht des Katheters entlang der Linie 2-2 in 1.
3 stellt die Ausdehnung eines kryogenen Fluids innerhalb des Ballons des kryochirurgischen Katheters von 1 dar.
4 ist ein Kurvenbild, das das Temperaturprofil des Ballons von 1 und 3 darstellt, während flüssiger Stickstoff darin ausgedehnt wird und der Ballon in einem Körperlumen vorliegt.
5 stellt das distale Ende des kryochirurgischen Katheters von 1 dar, welche eine eingesteckte Eingrenzungsblase innerhalb einer Ballonstruktur zeigt.
6A–6C stellen die Verwendung des Katheters von 1 bei der Behandlung einer Zielstelle innerhalb des Gefäßsystems eines Patienten dar.
7 ist ein teilweiser Querschnitt eines kryochirurgischen Katheters mit einem Diffuserkopf mit einer Vielzahl von radial ausgerichteten Öffnungen für kryogenes Fluid, wobei der Diffuserkopf axial innerhalb des Ballons gleiten kann, um eine gleichmäßige Kühlung von länglichen Behandlungsstellen vorzusehen.
8 ist eine teilweise Querschnittsansicht eines kryochirurgischen Katheters mit einem beweglichen Diffuserkopf, der proximal in ein Gehäuse innerhalb des Ballons gezogen werden kann, um bei der Einleitung der Kühlfluidströmung Übergänge zu vermeiden.
9 stellt schematisch einen alternativen festen porösen Diffuser dar, der eine axiale und Umfangsanordnung von Mündungen definiert.
10 stellt einen Querschnitt des Katheters von 9 dar.
11 stellt ein proximales Ende des Katheters von 9 dar.
12 stellt eine alternative feste Diffuserstruktur mit einer Anordnung von axial getrennten Öffnungen für kryogenes Fluid dar.
13 ist ein Funktionsblockdiagramm, das die Funktionsweise des Katheters von 7, einschließlich einer wahlweisen Rückkopplungsregelschleife, darstellt.
14 stellt schematisch eine Ausrüstung mit einem Ballonkatheter und Anweisungen für seine Verwendung gemäß den hierin beschriebenen Verfahren dar.
BESCHREIBUNG DER SPEZIELLEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein beispielhafter kryochirurgischer Katheter 10, der gemäß den Prinzipien der Erfindung konstruiert ist, ist in 1 und 2 dargestellt. Der Katheter 10 umfasst einen Katheterkörper 12 mit einem proximalen Ende 14, einem distalen Ende 16 und einem aufblasbaren Ballon 18, der am distalen Ende angeordnet ist, wie in 5 genauer gezeigt. Der Ballon 18 ist als einteilige Verlängerung des Katheterkörpers 12 gezeigt, aber eine solche Struktur ist für die vorliegende Erfindung nicht erforderlich. Der Ballon könnte aus demselben oder einem anderen Material ausgebildet sein und im letzteren Fall am distalen Ende des Katheterkörpers 12 durch geeignete Klebstoffe, Wärmeschweißen oder dergleichen befestigt sein. Der Katheterkörper kann aus herkömmlichen Materialien ausgebildet sein, wie z. B. Polyethylenen, Polyimiden und Copolymeren und Derivaten davon. Der Ballon kann auch aus herkömmlichen Materialien ausgebildet sein, die für Gefäßplastikballone verwendet werden, wobei sie typischerweise nicht aufblähbar sind, wie z. B. Polyethylenterephthalat (PET).
Der Katheter 10 umfasst einen zentralen Schaft 20, der aus einem Polymermaterial, wie z. B. Polyethylen, Polytetrafluorethylen, Polyimid, oder aus einem Metall wie z. B. aus einer Hyporöhre ausgebildet sein kann. In der Ausführungsform des Katheters 10 ist der koaxiale Schaft 20 röhrenförmig und sieht ein Führungsdrahtlumen zum Positionieren des Katheters über einem Führungsdraht in einer herkömmlichen Weise vor. Der Schaft 20 könnte jedoch eine Vielfalt von anderen Konfigurationen und Zwecken aufweisen. Der Schaft könnte beispielsweise ein massiver Draht oder Kern sein und ferner wahlweise an seinem distalen Ende eine Führungsdrahtspitze vorsehen. Der Schaft könnte auch ein Lumen zum Liefern von kryogenem Fluid zum Ballon 18 vorsehen. In der dargestellten Ausführungsform von 1 wird jedoch das kryogene Fluid durch eine separate Lieferröhre 22 für kryogenes Fluid, die parallel zum koaxialen Schaft 20 angeordnet ist, geliefert.
Der Katheter 10 umfasst gewöhnlich ferner ein Thermoelement 24, das optimalerweise nahe dem Zentrum des Ballons 18 angeordnet ist. An dieser Stelle kann es die Temperatur des kryogenen Fluids nach der Ausdehnung vom proximalen Ende der kryogenen Lieferröhre 22 messen. Die kryogene Lieferröhre 22 definiert eine Ausdehnungsmündung an ihrem distalen Ende 23. Folglich strömt das kryogene Fluid durch die Röhre 22 als Flüssigkeit bei einem erhöhten Druck und (wobei folglich ein strömungseinschränkendes Filmsieden verhindert wird) dehnt sich über die Mündung 23 in einen gasförmigen Zustand bei einem niedrigeren Druck innerhalb des Ballons aus. Für flüssigen Stickstoff liegt der Druck innerhalb der Röhre 22 typischerweise im Bereich von 50 psi bis 500 psi bei einer Temperatur unterhalb des zugehörigen Siedepunkts. Nach der Ausdehnung des Stickstoffgases innerhalb des Ballons nahe seinem Zentrum (der Ort des Thermoelements 24) liegt der Druck typischerweise im Bereich von 207 kPa bis 689 kPa (30 psi bis 100 psi) und die Temperatur im Bereich von –40°C bis –100°C. Die Temperatur nimmt natürlich sowohl in der radialen Auswärtsrichtung als auch in beiden axialen Richtungen von der Mitte des Ballons ab. Dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung wird in Verbindung mit 3 und 4 und 5 nachstehend besser beschrieben.
Eine Nabe 28 ist am proximalen Ende 14 des Katheterkörpers 12 befestigt. Die Nabe sieht eine Öffnung 30 zum Verbinden einer Quelle für kryogenes Fluid mit der kryogenen Lieferröhre 22 vor. Die Nabe sieht ferner eine Öffnung 32 zum Auslassen des gasförmigen kryogenen Fluids vor, das sich vom Ballon 18 in einer proximalen Richtung durch das ringförmige Lumen 25 bewegt. Eine dritte Öffnung 34 ist für Thermoelementdrähte 26 vorgesehen. Eine vierte Öffnung 36 am proximalen Ende der Nabe ist für einen Führungsdraht vorgesehen.
Mit Bezug nun auf 3 und 4 wird flüssiger Stickstoff (LN2) zum Ballon 18 durch die kryogene Lieferröhre 22 geliefert, wie in 5 genauer gezeigt und nachstehend beschrieben. Der flüssige Stickstoff wird mit einer Temperatur und einem Druck innerhalb der vorstehend dargelegten Bereiche Beliefert und dehnt sich in gasförmigen Stickstoff (GN2) über die Ausdehnungsmündung in das Innere des Ballons 18 aus. Der gasförmige Stickstoff kühlt die Außenfläche des Ballons in einem gewünschten Temperaturprofil. Insbesondere werden die Ballonabmessungen und die Betriebsbedingungen so ausgewählt, dass ein spezielles Ballontemperaturprofil bereitgestellt wird, von welchem ein Beispiel in 4 dargelegt ist. Durch Ausdehnen des flüssigen Stickstoffs in seinen gasförmigen Zustand nahe der Mitte des Ballons ist die Ballontemperatur nahe der Mitte am niedrigsten und nimmt in beiden axialen Richtungen von der Mitte weg ab, wie im Temperaturprofil von 4 gezeigt.
Zur Behandlung von arterieller Hyperplasie wird derzeit angenommen, dass eine Ballontemperatur im Bereich von –20°C bis –80°C, z. B. bei etwa –50°C, für einen Zeitraum im Bereich von 1 Sekunde bis 10 Sekunden wirksam ist. Durch Liefern des flüssigen Stickstoffs mit einem Druck im Bereich von 345 kPa bis 3447 kPa (50 psi bis 500 psi) und mit einer Temperatur unterhalb des Siedepunkts und Ausdehnen des flüssigen Stickstoffs in ein Gas mit einem Druck im Bereich von 207 kPa bis 689 kPa (30 psi bis 100 psi) wird eine Temperatur im gewünschten Bereich in der Mitte des Ballons erreicht. Durch Ausdehnen des Ballons um Abstände von mindestens 0,5 cm, vorzugsweise von mindestens 1 cm, in jeder Richtung von der Mitte des Ballons sind überdies die Temperaturen an den Enden der Ballone im Allgemeinen nicht niedriger als 0°C. In dieser Weise kann eine gewünschte niedrige Temperatur an der äußeren Oberfläche des Ballons in einem Behandlungsbereich nahe der Mitte des Ballons aufrechterhalten werden, während das distale und das proximale Ende des Ballons zum Isolieren der kälteren Abschnitte von Nicht-Ziel-Bereichen innerhalb der Arterie oder eines anderen Körperlumens wirken. Es ist zu erkennen, dass die axiale Länge des Behandlungsbereichs des Ballons durch Verändern der Länge des Ballons und Steuern des Volumens an flüssigem Stickstoff, der zum Ballon geliefert wird, beträchtlich verändert werden kann. Beispielhafte Ballone weisen eine Länge im Bereich von 3 cm bis 5 cm, einen Durchmesser im Bereich von 1,5 mm bis 4 mm auf und nehmen typischerweise 0,08 ml/s bis 1,5 ml/s flüssigen Stickstoff in den vorstehend dargelegten Temperatur- und Druckbereichen auf.
Mit Bezug nun auf 5 wird das distale Ende der Ballonanordnung von 1 genauer beschrieben. Die Ballonanordnung 50 ist am distalen Ende des Katheterkörpers 52 mit einem Schaft 54 und einer Lieferröhre 56 für kryogenes Fluid angeordnet. Ein Ballon 58 ist am distalen Ende des Katheterkörpers 52, im Allgemeinen wie vorstehend mit Bezug auf den Katheter 10 beschrieben, befestigt. Die Ballonanordnung 50 umfasst eine Eingrenzungsblase 60, die in den Ballon 58 eingesteckt ist. Die Eingrenzungsblase 60 kann ein zweiter Ballon sein, der in einer Weise ähnlich zum Ballon 58 ausgebildet ist, außer dass er kürzer ist und dessen proximales und distales Ende vom proximalen und distalen Ende des Ballons 58 axial nach innen beabstandet sind. Die Blase 60 kann jedoch aus verschiedenen Materialien angeordnet sein und verschiedene Eigenschaften aufweisen. Im Allgemeinen soll die Eingrenzungsblase den gasförmigen Stickstoff aufnehmen und enthalten, nachdem er über die Ausdehnungsmündung 62 in deren Inneres ausgedehnt ist. Indem der ausgedehnte (kalte) gasförmige Stickstof innerhalb der Blase 60 enthalten ist, kann ein deutlicherer Temperaturübergang zwischen dem kalten mittleren Bereich des Ballons 58 und dessen weniger kalten distalen und proximalen Bereichen bewirkt werden.
Wahlweise kann der Ballon 58 separat mit einem Isolationsfluid ausgedehnt werden, um den Temperaturübergang zwischen der Eingrenzungsblase 60 und dem Rest des Ballons 58 weiter zu schärfen. Alternativ kann die Eingrenzungsblase 60 Öffnungen oder poröse Bereiche umfassen, die ermöglichen, dass der gasförmige Stickstoff vom Inneren der Blase 60 in das Innere des Ballons 58 in einer gesteuerten Weise gelangt, um den gewünschten Temperaturübergang aufrechtzuerhalten.
Mit Bezug auf nun auf 6A–6C wird die Verwendung des Katheters 10 zur Behandlung eines Zielbereichs TR innerhalb eines Blutgefäßes BV beschrieben. Der Zielbereich wurde gewöhnlich vorher durch eine Ballongefäßplastik oder ein anderes primäres herkömmliches Protokoll zur Behandlung einer Atherosklerosekrankheit behandelt. Eine solche primäre Behandlung verwendet typischerweise einen intravaskulären Katheter, wobei der Katheter entfernt wurde, während ein Führungsdraht GW an der Stelle belassen wurde, wie in 6A dargestellt. Ein Katheter 10 wird dann über den Führungsdraht eingeführt, wie in 6B dargestellt. Flüssiger Stickstoff wird in den Katheter 10 von einer geeigneten Quelle 70 eingeführt. Die Quelle kann ein Dewar-Kolben oder eine andere herkömmliche Quelle sein. In einigen Fällen ist es möglich, Quellen für umlaufenden gekühlten flüssigen Stickstoff zu verwenden, wie z. B. jene, die im US-Patent Nrn. 5 644 502 und 5 617 739 beschrieben sind. Der flüssige Stickstoff (LN2) wird zum Katheter 10 geliefert und bläst den Ballon 18 auf, wie in 6C dargestellt. Aufgrund des Temperaturprofils des Ballons wird die Kühlung der Innenwand des Blutgefäßes BV über einem zentralen Bereich CR maximiert und nimmt in der proximalen und distalen Richtung vom zentralen Bereich ab, wie qualitativ durch die Anordnung von Pfeilen in 6C dargestellt. Die Behandlung wird bei den Temperaturen und für die Zeiten, die vorstehend beschrieben sind, durchgeführt, um eine anschließende Hyperplasie der Zellen der Auskleidung des Blutgefäßes zu hemmen. Vorteilhafterweise hemmen die kryogenen Verfahren unter Verwendung des Systems der vorliegenden Erfindung die anschließende Zellenwucherung, ohne eine Schädigung und Thrombose zu induzieren, die infolge einer solchen Schädigung auftreten kann.
Ein Katheter 80 mit einem beweglichen Öffnungskopf oder Diffuser 82 ist in 7 dargestellt. In dieser Ausführungsform sind die Öffnungen 23 für kryogenes Fluid umfangsweise um den Diffuser 82 getrennt und sind radial ausgerichtet, um die Wärmeübertragung zwischen dem sich ausdehnenden Gas und der Wand des Ballons 18 zu verbessern. In der hier dargestellten Ausführungsform sind vier Öffnungen 83 vorgesehen und sind umfangsweise um etwa 90° voneinander getrennt.
Um eine axiale Länge eines im Wesentlichen gleichmäßig gekühlten zentralen Bereichs CR zu verlängern, ist der Diffuserkopf 82 verschiebbar an einem Schaft oder einer Schiene 84 abgestützt. Eine Zuführungsröhre 22 ist am Diffuserkopf 82 befestigt und ist verschiebbar innerhalb des Katheterkörpers 12 angeordnet. Ein proximales Gehäuse 86 am proximalen Ende 14 des Katheters 80 enthält einen Zahnstangenmechanismus 88, der die Zuführungsröhre 22 steuerbar bewegt. Durch Drehen des Steuerknopfs 90 (oder automatisches Antreiben des Zahnstangenmechanismus 88 mit dem Antriebssystem 92) können sich die Zuführungsröhre 22 und der Diffuser 82 von einer ersten Position 95 in eine zweite Position 96 bewegen, ohne den Ballon 18 zu bewegen oder zu entleeren. Dies ermöglicht, dass ein relativ kleiner Fluiddurchfluss einen länglichen zentralen Bereich CR kühlt.
Die Hemmung der Zellenwucherung entlang länglicher Segmente des Gefäßsystems, wie z. B. in den Darmbein- oder Oberschenkelarterien, sollte von der kryochirurgischen Behandlung bei wiederholbaren Temperaturen und für wiederholbare Zeiten profitieren. Um zu helfen, Lücken zwischen Behandlungsbereichen und/oder sich wiederholenden Behandlungen unabsichtlich zu verhindern, wäre es vorteilhaft, Behandlungen dieser länglichen Lumenwände zu ermöglichen, ohne den kryochirurgischen Katheter zu bewegen oder umzupositionieren. Daher ist es im Allgemeinen erwünscht, Strukturen und Verfahren bereitzustellen, die eine radiale Kühlung entlang dieser länglichen Endothelialoberflächen gleichmäßig anwenden können.
Die Sicherheit von endoluminalen kryochirurgischen Verfahren wird durch Minimieren des Durchflusses des Kühlfluids im Allgemeinen verbessert. Niedrige Durchflussraten verringern im Allgemeinen die Freisetzung von Gas in das Körperlumen im unwahrscheinlichen Fall eines Ballonbruchs. Bekannte Ballonstrukturen können Drücken bis zu etwa 689 kPa (100 psi) oder mehr standhalten. Trotzdem kann die Sicherheit durch Begrenzen von maximalen Ballondrücken auf 689 kPa (100 psi) oder weniger und vorzugsweise auf weniger als 689 (100 psi) verbessert werden. Niedrigere Ballondrücke verringern nicht nur die Menge an Gas, das im Fall eines Bruchs freigesetzt wird, sie helfen auch, die Möglichkeit zu verringern, dass ein solcher Ballonbruch auftritt. In Anbetracht eines konstanten Kühlfluiddrucks an der Öffnung 83 erzeugen niedrigere Drücke innerhalb des Ballons 18 auch eine niedrigere Ballonwandtemperatur. Mit anderen Worten, die kryogene Kühlung wird durch Minimieren des Drucks innerhalb des Ballons im Allgemeinen verbessert.
Da eine begrenzte Querschnittsfläche zum Auslassen der ausgestoßenen Gase zur Verfügung steht, wird der Druck innerhalb des Ballons am leichtesten durch Verringern der Geschwindigkeit (und des Druckkopfverlusts) von Abgasen, die proximal durch den Katheterkörper 12 zur Auslassöffnung 32 strömen, minimiert. Das Saugen eines Vakuums an der Auslassöffnung 32 kann die Strömung von Gasen proximal ermutigen und den Ballondruck in einem gewissen Umfang verringern, aber dies sieht begrenzte Vorteile vor, wenn die Gasgeschwindigkeit und die Druckabfälle innerhalb des Katheterkörpers hoch sind. Daher ist es günstig, einen relativ kleinen Durchfluss von kryogenem Fluid effizient zu nutzen. Durch axiales Bewegen des Diffusers 82 innerhalb des Ballons 18 kann ein länglicher Bereich der Gefäßwand nacheinander mit einer mäßigen Zufuhr von kryogenem Fluid und einem niedrigen Ballondruck behandelt werden. Wenn die Menge an Zeit, die die Gewebe gekühlt werden sollen, ziemlich kurz ist, bleibt die gesamte Verfahrenszeit sehr vernünftig.
Die Verwendung des beweglichen Diffuserkopfs 82 ermöglicht auch, dass der Chirurg selektiv Gewebe in einer sehr gesteuerten Weise behandelt. Wenn der Ballon 18 sich beispielsweise über eine Verzweigungsarterie erstreckt, hat der Chirurg die Option, das Gefäß proximal und distal von der Verzweigung zu behandeln und den Gasdurchfluss abzuschalten, wenn der Diffuser auf die Verzweigung ausgerichtet ist, um das Gefrieren von Blut innerhalb der Verzweigungsöffnung zu vermeiden. Außerdem kann durch Koppeln eines automatisierten Antriebssystems 92 mit dem Betätigungsmechanismus eine breite Vielfalt von Behandlungszyklen und -zeiten steuerbar und wiederholbar durchgeführt werden.
Der Ballon 18 des beweglichen Diffuserkatheters 80 kann ziemlich länglich sein, wobei der Ballon typischerweise eine Länge in einem Bereich von etwa 1 bis etwa 10 cm aufweist. In der beispielhaften Ausführungsform weist der Ballon eine Länge von etwa 10 cm auf, so dass das proximale Gehäuse 86 und/oder der Betätigungsmechanismus 88 eine Hublänge von etwa 8 cm aufweist. Um den Wärmefluss durch den Ballon 18 zu verstärken, kann ein Wärmeübertragungs-Verstärkungsmaterial im Polymer der Ballonwand enthalten sein. Die Zugabe zwischen etwa 1 und 10% Bornitrid in einem Polyethylen oder anderen Ballonpolymer kann beispielsweise die Wärmeübertragung des gesamten Systems signifikant verbessern. Überraschenderweise kann ein signifikantes Temperaturdifferential zwischen einer inneren und einer äußeren Oberfläche des Ballons während der Kühlung festgestellt werden. Daher kann die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit des Ballonmaterials signifikante Vorteile schaffen.
In der Ausführungsform von 7 erstreckt sich ein fester Führungsdraht 94 distal vom Ballon, um zu helfen, wenn der Katheter 80 innerhalb des Gefäßsystems vorgeschoben wird. Der feste Führungsdraht 94 und das distale Ende des Ballons 18 sind an einem axialen Träger oder einer Schiene 84 befestigt, der/die das distale Ende des Katheters strukturell abstützt, wenn der Ballon nicht aufgeblasen ist. Die Schiene 84 umfasst hier einen Draht aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von 0,2032 mm (0,008 Inch), kann jedoch alternativ eine breite Vielfalt von Schaftstrukturen umfassen, die wahlweise ein oder mehrere Lumina für einen beweglichen Führungsdraht oder dergleichen umfassen.
Der Diffuser 82 umfasst vier radial ausgerichtete Öffnungen jeweils mit einem Durchmesser von etwa 0,0635 mm (etwa 0,0025 Inch). Diese Öffnungen stehen mit einem zentralen Durchgang in Fluidverbindung, der wiederum durch die Zuführungsröhre 22 versorgt wird. Der Diffuserkopf 82 kann einen Außendurchmesser von etwa 0,8128 mm (0,032 Inch) aufweisen und kann ein beliebiges einer Vielfalt von alternativen Polymeren oder Metallen umfassen. Der Diffuser 82 wird an der Zuführungsröhre 22 durch Klebebinden, Wärmeschweißen, Befestigungsvorrichtungen oder dergleichen befestigt. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst der Diffuser 82 Polyimid. Die Zuführungsröhre 22 kann auch aus einer Polyimidröhre ausgebildet sein und ist vorzugsweise mit einem PTFE wie z. B. Teflon^TM beschichtet, um eine Reibung zu vermeiden, wenn sich die Zuführungsröhre innerhalb des Katheterkörpers hin- und herbewegt. Der Diffuserkopf 82 ist an der Schiene 84 unter Verwendung von Bändern befestigt gezeigt, welche den Diffuser umgeben und einen Kanal definieren, durch den die Schiene 84 verläuft. Eine breite Vielfalt von alternativen Trägeranordnungen ist natürlich möglich, einschließlich einer konzentrischen Stützwelle oder -röhre, einer freitragenden Zuführungsröhre oder dergleichen. Wie vorstehend beschrieben, sendet das Thermoelement 24 oder irgendein alternativer Temperatursensor ein Signal proximal über den Draht 26, um die Temperatur innerhalb des Ballons anzugeben.
Bei der Verwendung wird der bewegliche Diffuserballonkatheter 80 in ein Blutgefäß eingeführt, während sich der Ballon 18 in einer nicht aufgeblasenen Konfiguration mit kleinem Profil befindet. Der Ballon 18 wird unter Verwendung des festen Führungsdrahts 94 zur Behandlungsstelle manövriert. Die Zuführungsröhre 22 wird so angeordnet, dass der Diffuser 82 in der ersten Position 95 angeordnet wird, und kryogenes Fluid wird durch die Zuführungsröhre 22 zum Diffuser weitergeleitet. Dieses Gas bläst den Ballon 18 auf und kühlt auch die innere Oberfläche des Ballons und des Blutgefäßes, wie vorstehend beschrieben. Der Steuerknopf 90 wird so gedreht, dass sich der Diffuser 82 axial in Richtung der Position 96 bewegt. Wenn das Kühlfluid den Diffuser verlässt, wird der mit dem Endothelialgewebe in Eingriff stehende zentrale Bereich CR kryogen gekühlt.
Kryogenes Kühlfluid kann wahlweise durch eine Joule-Thompson-Mündung benachbart zur Öffnung 83 hindurchtreten, um die Kühlung zu bewirken. In anderen Ausführungsformen kann zumindest ein Teil des kryogenen Kühlfluids die Öffnung 83 in den Ballon als Flüssigkeit verlassen. Die Flüssigkeit verdampft innerhalb des Ballons und die Verdampfungsenthalpie kann helfen, die umgebende Gefäßwand zu kühlen. Die Flüssigkeit kann zumindest einen Teil der Ballonwand bedecken, um eine gleichmäßige Kühlung über zumindest einen Abschnitt der Gefäßwand zu verbessern. Daher können die Öffnungen 83 einen gesamten Querschnitt aufweisen, der kleiner ist als ein Querschnitt des Fluidversorgungslumens oder der zumindest so groß ist wie der Querschnitt des Fluidversorgungslumens.
Durch Steuern der Bewegungsrate des Diffusers 82 über den Steuerknopf 90, der Menge an Kühlfluid, das über die Zuführungsröhre 22 eingeleitet wird, und des Drucks an der Auslassöffnung 32 kann der Chirurg die Kühlrate des Gewebes, die Temperatur des Gewebes und wahlweise die Anzahl von Kühlzyklen, denen das Gewebe unterzogen wird, während sich der Katheter an einer einzigen Stelle befindet, steuern. Wie vorstehend beschrieben, können die Enden der ersten und der zweiten Position 95, 96 des Diffuserhubs von den axialen Enden des Ballons 18 getrennt sein, um jegliche Kühlung von Fluiden innerhalb des Gefäßes zu begrenzen.
Wie mit Bezug auf 8 verständlich sein kann, ist es erwünscht, die anfängliche Kühlrate zu steuern, wenn das kryogene Fluid anfangs beginnt, den Diffuser 82 zu verlassen. Wenn sich der Ballon aufbläst und die Diffuserstruktur abkühlt, treten signifikante Wärmeübergänge auf, bevor die gewünschte stationäre kryogene Kühlung beginnt. Um unvorhersagbare oder übermäßig langsame Kühlraten zu vermeiden, kann der Diffuser 82 anfänglich innerhalb eines Gehäuses 98 innerhalb des Ballons 18 untergebracht werden. Das Gehäuse 98 kann durch Verlängern einer Röhre vom Katheterkörper 12 in den Ballon 18 ausgebildet werden, wobei das Gehäuse wahlweise eine Verlängerung des Katheterkörpermaterials umfasst.
Ein zusätzlicher Vorteil des Gehäuses 98 kann mit Bezug auf 7, 8 und 4 verstanden werden. Wenn Kühlgas vom Diffuser 82 in den Ballon 18 strömt, werden die ausgestoßenen Gase proximal vom Ballon in den Katheterkörper 12 ausgelassen. Obwohl sich die Gase erwärmen, wenn sie proximal strömen, beschleunigt sich der Gasstrom von ihrem relativ großen Querschnittsdurchmesser des Ballons in den Katheterkörper. Dies kann die Kühlung benachbart zum proximalen Ende des Ballons tatsächlich verstärken und könnte Blut proximal zum Ballon gefrieren.
Um diese verstärkte proximate Kühlung zu vermeiden, lässt das Gehäuse 98 Gase von einer zentralen Stelle entlang des zentralen Bereichs CR ein. Die das Gehäuse 98 innerhalb des Ballons 18 umgebenden Gase werden nahe dem proximalen Ende des Ballons stagnieren lassen, wodurch die axiale Kühlung an dieser Stelle begrenzt wird.
Wie vorstehend beschrieben, kann ein signifikantes Temperaturdifferential zwischen der inneren Oberfläche und der äußeren Oberfläche der Ballonwand vorliegen. Um die kryochirurgische Therapie genauer und reproduzierbarer zu überwachen, ist ein Temperatursensor 24 an der äußeren Oberfläche des Ballons angebracht, um die Temperatur des Gewebes an der Zielstelle, an der Gewebe-Ballon-Grenzfläche und/oder die Ballonaußenflächentemperatur zu messen.
Mit Bezug nun auf 9 umfasst ein fester Diffuser 100 eine Anordnung von Öffnungen 83, die sowohl axial als auch umfangsweise um den Diffuser verteilt sind. Da die Öffnungen 83 radial ausgerichtet sind, erreicht der Diffuser 100 die gewünschte Kühlung des Umgebungsgewebes mit relativ niedrigen Ballondrücken und niedrigen Kühlfluid-Durchflussraten. Da die kryogene Flüssigkeit oder die Gas- Flüssigkeits-Kombination senkrecht gegen die Wand des Ballons 18 gerichtet wird, ist der Wärmeübertragungskoeffizient zwischen dem Gas und der Ballonwand ziemlich hoch. Dies hilft, die Temperatur des Ballons zu verringern, und sieht eine größere Wärmeextraktion für eine gegebene Durchflussrate von Kühlmittel in den Ballon vor. Wenn die Öffnungen 83 sowohl umfangsweise als auch axial entlang des Ballons verteilt sind, verteilt der Diffuser 100 außerdem die Kühlung gleichmäßiger über die Oberfläche des Ballons, um eine gleichmäßige proliferationshemmende Reaktion zu erzeugen.
Der Diffuser 100 umfasst im Allgemeinen eine Röhrenstruktur mit radial ausgerichteten Öffnungen. Eine beispielhafte Röhrenstruktur kann eine Polyimidröhre mit einem Innendurchmesser von etwa 0,8128 mm (0,032 Inch) und einer Wanddicke von 0,0254 mm (0,001 Inch) umfassen. Jede Öffnung definiert wiederum einen Durchmesser von etwa 0,0635 mm (0,0025 Inch). Typischerweise sind zwischen etwa 6 und etwa 600 Mündungen im Duffuser 100 vorhanden. In der beispielhaften Ausführungsform sind vier axiale Reihen von Mündungen um etwa 90° voneinander getrennt. Die Reihen sind axial versetzt, so dass die Mündungen in einer einzelnen Reihe Mittellinienabstände von etwa 4 mm aufweisen, während die Mündungen von benachbarten Reihen um etwa 2 mm getrennt sind. Die Gesamtlänge der porösen Diffuserröhre ist etwa 2 cm.
Ein zentraler Schaft 104 mit einem Führungsdrahtlumen 106 ist unter Verwendung von Klebstoff oder dergleichen am distalen Ende des Diffusers und wahlweise auch am proximalen Ende des Diffusers konzentrisch an den Diffuser 100 geklebt. Markierungen 102 mit hohem Kontrast können vorgesehen sein, um ein Bild des Katheters zu verstärken, um die Positionierung des Ballons 18 fluoroskopisch, sonographisch oder unter irgendeiner anderen alternativen Bildmodalität (mit geeigneten Kotraststrukturen) zu erleichtern. Die distale Markierung kann wahlweise durch Wickeln eines Gold- oder Platindrahts um den zentralen Schaft und Kleben des Golddrahts an das distale Ende der Diffuserröhre ausgebildet werden. Die proximale Markierung kann ebenso durch Wickeln und Kleben eines Gold- oder Platindrahts ausgebildet werden, wobei die proximale Markierung wahlweise über der Diffuserröhre so angeordnet ist, dass das kryogene Kühlfluid durch den ringförmigen Raum zwischen der Diffuserröhre und dem zentralen Schaft proximal zum Ballon eingeführt werden kann. Der zentrale Schaft 104 umfasst typischerweise eine Polyimidröhre, kann jedoch alternativ irgendeines von einer breiten Vielfalt von Materialien umfassen.
Die koaxiale Anordnung zwischen dem Diffuser 100 und dem zentralen Schaft 104 (mit einem ringförmigen Kühlfluid-Durchflussweg zwischen der Röhre des Diffusers und dem zentralen Schaft) fördert auf dem Umfang eine symmetrische Verteilung des kryogenen Kühlfluids gegen die Ballonwand, was wiederum auf dem Umfang eine gleichmäßigere Temperaturverteilung vorsieht. Wie im Allgemeinen vorstehend beschrieben, helfen gleichmäßige Temperaturverteilungen sowohl axial als auch umfangsweise innerhalb des zentralen Bereichs CR (siehe 4), sicherzustellen, dass die vorteilhafte Hemmung der Zellenwucherung in einem ganzen signifikanten Abschnitt des mit dem Ballon 18 in Eingriff stehenden Gewebes bereitgestellt wird. Um die Kühlung von Geweben oder Fluiden, die axial zum Ballon angeordnet sind, zu begrenzen, werden distale und proximale stagnierende Bereiche innerhalb des Ballonströmungsprofils durch die Form und Konfiguration des Diffusers 100, des Ballons 18 und durch die Anwesenheit des Gehäuses 98 innerhalb des proximalen Endes des Ballons erzeugt, wie vorstehend beschrieben. Selbst wenn kein beweglicher Diffuser in das Gehäuse 98 gezogen wird, hilft diese Struktur dennoch, die sich beschleunigende Strömung von Gasen entlang der sich proximal verjüngenden Ballonwand zu vermeiden.
Um den Kühlprozess genau zu steuern, ist es günstig, den Druck innerhalb des Ballons zu überwachen. Für diesen Zweck überträgt eine Ballondrucköffnung 108 den Druck proximal über ein Drucküberwachungslumen 110, wie mit Bezug auf 9 und 10 verständlich ist. Die Genauigkeit einer solchen Drucküberwachung kann durch Minimieren des Durchflusses von Fluid proximal innerhalb des Drucküberwachungslumens verbessert werden. Alternativ kann ein Druckwandler innerhalb des Ballons montiert sein, wobei Drähte proximal ein Drucksignal senden. Innerhalb des länglichen Katheterkörpers 12 können Lumina für die kryogene Zuführungsröhre 22, die Drucküberwachungsöffnung 108, den Führungsdraht und dergleichen innerhalb eines isolierten Mantels 112 enthalten sein. Da der Ballon 18 länglich sein kann, wenn er aufgeblasen ist, und da das distale Ende des Diffusers am distalen Ende des Ballons durch einen Kernschaft 104 befestigt ist, kann es vorteilhaft sein, zu ermöglichen, dass der Mantel 112 axial innerhalb des Katheterkörpers 12 gleitet, um eine axiale Biegung des Ballons und die resultierende radial ungleichmäßige Kühlung zu vermeiden. In alternativen Ausführungsformen kann sich eine kryogene Zuführungsröhre einfach distal in einen ringförmigen Raum zwischen einem zentralen Schaft und einem Mantel erstrecken, die als kontinuierliche proximale Verlängerung der Diffuserröhre ausgebildet ist, wobei jeglicher proximaler Austritt des Kühlfluids innerhalb des Mantels wahlweise in den Katheterkörper ausgelassen und über das Auslasslumen entfernt wird.
Mit Bezug nun auf 11 umfasst ein proximales Ende des festen Diffuserkatheters, der in 9 und 10 dargestellt ist, viele der vorstehend in Bezug auf 1 und 7 beschriebenen Kopplungsstrukturen. Die Führungsdrahtöffnung 114 sieht einen proximalen Zugang zum Führungsdrahtlumen 106 vor, während ein Drucküberwachungs-Verbindungsglied 116 mit dem Inneren des Ballons 18 über ein Überwachungslumen 110 in Fluidverbindung steht. Wenn die Ballondrücke annehmbar sind, kann die kryogene Kühlung wahlweise unter Verwendung einer Mündung gesteuert werden, die an der Auslassöffnung 32 angeordnet ist. Diese proximale Struktur kann aus kommerziell erhältlichen Komponenten unter Verwendung von Gießklebstoff 118 in einer im Allgemeinen herkömmlichen Weise zusammengefügt werden.
Mit Bezug nun auf 12 sind noch weitere alternative Diffuserstrukturen mit mehreren Mündungen möglich. In dieser Ausführungsform (hier ohne Ballon 18 dargestellt) sind eine Reihe von Öffnungen 83 axial verteilt, um die Kühlung axial innerhalb eines länglichen Zielbereichs zu verteilen, wie im Allgemeinen vorstehend beschrieben. In dieser Ausführungsform liefern eine Reihe von einzelnen Gaszuführungsröhren 120 das kryogene Kühlfluid zu den Öffnungen, wobei jede Öffnung wahlweise eine Öffnung aufweist, die dieselbe Fläche aufweist wie das Lumen der zugehörigen Gaszuführungsröhre. Solche einzelnen Zuführungsröhren können Polyimidröhren mit einem Innendurchmesser von etwa 0,127 mm (0,0005 Inch) umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die axiale Verteilung der Kühlung durch Verändern der Menge an Fluid, das aus jeder Öffnung ausgestoßen wird, durch Verändern des Abstandes zwischen den Mündungen (axial und/oder umfangsweise), durch lokales Verändern des Wärmeübertragungskoeffizienten oder des Kühlfluidmusters oder dergleichen gesteuert werden.
Es ist im Allgemeinen günstig, vom Katheter 80 als einer Komponente eines integrierten kryochirurgischen endoluminalen Therapiesystems 130 Gebrauch zu machen. Da die tatsächliche Gewebekühlung mit den Drücken innerhalb des Ballons, den Kühlfluid-Durchflussraten und dergleichen variieren kann, und da diese Parameter variieren können, wenn der Katheterkörper 12 dem Gefäßsystem folgend gebogen wird, kann die Wirksamkeit der kryochirurgischen Therapie durch Einstellen der Behandlung auf der Basis der gemessenen Eigenschaften des Kühlprozesses, beispielsweise auf der Basis der Temperaturen, die durch einen oder mehrere Temperatursensoren 24 gemessen werden, verbessert werden. Daher können elektrische Temperatursignale 132 von den Temperatursensoren 24 zu einer Steuereinheit 134 zur Verwendung in einem Rückkopplungsregelsystem geleitet werden. Vorzugsweise verarbeitet die Steuereinheit 134 die Temperatursignale, um Kühlfluid-Zuführungssignale 136 zu erzeugen, die den Druck oder das Volumen des in den Katheter einzuleitenden kryogenen Fluids angeben. Die Steuereinheit 134 sieht vorzugsweise auch elektrische Signale vor, die den Diffuserantrieb 92 anweisen, den Diffuser 82 mechanisch umzupositionieren, und sieht häufig Signale vor, die den Druck (oder das Vakuum) an der Auslassöffnung 32 verändern. Diese Signale können nicht nur verwendet werden, um den Kühlzyklus zu verändern, sondern können auch verwendet werden, um das Aufblasen und/oder Entleeren des Ballons vorzugsweise auf der Basis zumindest teilweise eines Drucks, der innerhalb des Ballons überwacht wird, zu steuern.
Um die Zellenwucherung und/oder -ummodellierung zu hemmen, leitet die Steuereinheit 134 im Allgemeinen die Kühlung des Gewebes ein, überwacht sie und steuert sie. Das kryogene System 130 wird häufig verwendet, um eine Kühlrate des Gewebes in einem Bereich von etwa 2 bis etwa 30°C pro Sekunde zu bewirken. In einer beispielhaften Zellenwucherungs-Hemmtherapie hält das System das Gewebe auf einer Temperatur in einem Bereich von etwa 0 bis etwa 80°C, vorzugsweise auf einer Temperatur in einem Bereich von etwa –10 bis etwa –40°C, für eine Zeit zwischen etwa 1 und etwa 60 Sekunden. Die Wirksamkeit der Therapie kann durch wiederholtes Kühlen des Gewebes auf diese Temperaturen für zwischen 1 und 5 Kühlzyklen verbessert werden, wobei die Kühlzyklen typischerweise mit der Rate von 1 alle 60 Sekunden wiederholt werden. Um diese Kühlung vorzusehen, können kryogene Flüssigkeiten oder Flüssigkeit/Gas-Gemische mit Kohlendioxid, Distickstoffoxid oder dergleichen durch den Ballon mit einer Rate in einem Bereich von etwa 100 bis etwa 800 mg/s strömen. Eine solche Kühlung kann die Zellenwucherung über Prozesse hemmen, die manchmal als Apoptose und/oder programmiertes Zellenwachstum bezeichnet werden.
Eine Ausrüstung 140 mit einem Ballonkatheter 10 und Anweisungen für seine Verwendung 142 ist in 14 dargestellt. Der Katheter 10 kann gegen irgendeine der vorstehend beschriebenen Ballonkatheterstrukturen ausgetauscht werden, während die Anweisungen zur Verwendung 142 irgendeine der vorstehend dargelegten zugehörigen Verfahrensschritte für die Hemmung der Zellenwucherung beschreiben können. Die Anweisungen zur Verwendung 142 werden häufig gedruckt, wobei sie wahlweise zumindest teilweise auf einer sterilen Verpackung 144 für den Ballonkatheter 10 erscheinen. In alternativen Ausführungsformen können die Anweisungen zur Verwendung 142 einen maschinenlesbaren Code, digitale oder analoge Daten, die die Verwendung des Ballonkatheters 10 graphisch darstellen oder demonstrieren, um Hyperplasie zu verhindern, oder dergleichen umfassen. Noch weitere Alternativen sind möglich, einschließlich des Druckens der Anweisungen zur Verwendung auf die Verpackung 146 der Ausrüstung 140 und dergleichen.
Obwohl das Obige eine vollständige Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist, können verschiedene Alternativen, Modifikationen und Äquivalente verwendet werden. Eine oder mehrere radiale Mündungen könnten sich beispielsweise sowohl umfangsweise als auch axial innerhalb des Ballons, wahlweise entlang eines schraubenförmigen Weges, bewegen, um eine zylindrisch gleichmäßige Kühlung bereitzustellen. Daher sollte die obige Beschreibung nicht als Begrenzung des Schutzbereichs der Erfindung, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, aufgefasst werden.

Claims

Kryochirurgisches System (10) mit: einem flexiblen Katheterkörper (12, 52), der ein proximales Ende (14), ein distales Ende (16) und ein Gasauslasslumen (25) aufweist, das eine Achse zwischen diesen definiert; einem intravaskuiären Ballon (18, 58), der nahe dem distalen Ende (16) des Katheterkörpers (12) in Fluidverbindung mit dem Auslasslumen (25) angeordnet ist, wobei der Ballon (18) ausdehnbar ist, um radial eine umgebende Gefäßwand in Eingriff zu nehmen; einer Versorgung (22, 56) für kryogenes Kühlfluid; mindestens einer Öffnung (62), die in dem Ballon angeordnet ist und in Fluidverbindung mit der Kühlfluid-Versorgung steht; und einer Eingrenzungsblase (60), die innerhalb des Ballons (58) eingesteckt ist, wobei die Eingrenzungsblase (60) über der mindestens einen Öffnung (62) angeordnet ist.
Kryochirurgisches System nach Anspruch 1, bei dem die Versorgung (22) für kryogenes Fluid eine flexible Fluidversorgungsröhre umfasst, die ein Primärlumen hat, wobei die flexible Röhre innerhalb des Auslasslumens (25) des Katheterkörpers (12, 52) angeordnet ist.
Kryochirurgisches System nach Anspruch 1, bei dem die Versorgung (22) für kryogenes Fluid ein isoliertes Lumen umfasst.
Kryochirurgisches System nach Anspruch 3, bei dem die Isolierung eine koaxiale Buchse umfasst.
Kryochirurgisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die mindestens eine Öffnung (62) mindestens eine Joule-Thompson-Mündung umfasst.
Kryochirurgisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die mindestens eine Öffnung ein kryogenes Kühlfluid aus der Kühlfluidversorgung in den Ballon entlässt, und zwar mindestens teilweise als Flüssigkeit, so dass die Verdampfungsenthalpie der Flüssigkeit die Ballonwand kühlt.
Kryochirurgisches System nach Anspruch 6, bei dem die mindestens eine Öffnung das Kühlfluid so freisetzt, dass die Flüssigkeit mindestens einen Teil der Ballonwand bedeckt.
Kryochirurgisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Ballon (18, 58) eine Ballonwand mit proximalen und distalen Enden und eine radial ausgerichtete Region umfasst, die sich dazwischen erstreckt, wobei mindestens eine Öffnung (62) die Region der ausgedehnten Ballonwand auf eine niedrigere Temperatur kühlt als mindestens eines der Enden der Ballonwand.
Kryochirurgisches System nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die mindestens eine Öffnung (62) thermisch von dem distalen Ende der Ballonwand (18, 58) und von dem proximalen Ende der Ballonwand (18, 58) getrennt ist, um so das Kühlen der Ballonwandenden gegenüber der Region der Ballonwand (18, 58) zu hemmen.
Kryochirurgisches System nach Anspruch 9, bei dem die mindestens eine Öffnung (62) so positioniert ist, dass sie die Region der ausgedehnten Ballonwand (18, 58) auf eine niedrigere Temperatur als das distale Ende der Ballonwand (18, 58) kühlt, und bei dem das Gasauslasslumen (25) sich distal vom proximalen Ende der Ballonwand (18, 58) so erstreckt, dass das Kühlen des proximalen Endes der Ballonwand (18, 58) so gehemmt wird, dass das proximale Ende der Ballonwand (18, 58) auf einer höheren Temperatur bleibt als die Region der Ballonwand (18, 58).
Kryochirurgisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Ballon (18, 58) eine Länge von mindestens 1 cm hat und die mindestens eine Öffnung (62) mindestens 0,5 cm von einem proximalen Ende der Ballonwand (18, 58) und einem distalen Ende der Ballonwand (18, 58) entfernt positioniert ist.
Kryochirurgisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jedes Ende der Eingrenzungsblase (60) axial nach innen von dem jeweiligen Ende des Ballons (18, 58) um mindestens 0,25 cm beabstandet ist, und welches ferner ein Ballon-Aufblaslumen im Katheterkörper umfasst, wobei der Ballon ein Aufblasmedium von dem Aufblaslumen empfängt und die Eingrenzungsblase das kryogene Fluid aus der Fluidversorgung (22) empfängt.
Kryochirurgisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner eine Vielzahl von Kühlfluid-Verteilungsöffnungen (83) in Verbindung mit der Kühlfluidversorgung (22) umfasst, wobei die Fluidöffnungen (83) in dem Ballon (18, 58) so verteilt sind, dass sie einen Abschnitt der Gefäßwand gleichmäßig kühlen.
Kryochirurgisches System nach Anspruch 13, bei dem die Öffnungen (83) umfangsweise in dem Ballon getrennt sind.
Kryochirurgisches System nach Anspruch 14, bei dem die Öffnungen (83) radial ausgerichtet sind.
Kryochirurgisches System nach Anspruch 13, bei dem die Öffnungen (83) axial innerhalb des Ballons verteilt sind.
Kryochirurgisches System nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem die Öffnungen (83) durch eine poröse Röhrenstruktur definiert werden, die innerhalb des Ballons (18, 58) angeordnet ist, wobei die Öffnungen axial und umfangsweise über die poröse Röhrenstruktur verteilt sind.
Kryochirurgisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner einen Diffusorkopf (100) umfasst, welcher die mindestens eine Öffnung (30) definiert, wobei der Diffuserkopf (100) axial innerhalb des Ballons (18, 58) zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position beweglich ist.
Kryochirurgisches System nach Anspruch 18, soweit dieser von einem der Ansprüche 13 bis 17 abhängt, bei dem der Diffusorkopf (100) innerhalb eines Gehäuses (98) angeordnet ist, wenn der Diffusorkopf (100) in der ersten Position ist, und bei dem die mindestens eine Öffnung (62) von dem Gehäuse unbedeckt ist, wenn der Diffusorkopf (100) in der zweiten Position angeordnet ist.
Kryochirurgisches System nach Anspruch 19, bei dem der Diffusorkopf (100) einen axialen Kanal aufweist, und das ferner einen Träger aufweist, der gleitbar innerhalb des Kanals des Diffusorkopfes angeordnet ist, wobei der Axialträger sich von einem proximalen Ende des Ballons zu einem distalen Ende des Ballons erstreckt.