DE19916653A1

DE19916653A1 - Optoakustische Gewebsdifferentierung zur patientenspezifischen Dosierung der Laserstrahlung bei der Zyklophotokoagulation des Auges

Info

Publication number: DE19916653A1
Application number: DE1999116653
Authority: DE
Inventors: Holger Lubatschowski; Uwe Oberheide; Ingo Bruder; Arne Buesching; Stefan Lohmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-04-14
Filing date: 1999-04-14
Publication date: 2000-10-19

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie findet im medizinischen Bereich, speziell der Augenheilkunde bei der laserchirurgischen Glaukomtherapie ("Grüner Star") mittels transskleraler Laser- Zyklophotokoagulation Anwendung.

Stand der Technik

Laserlicht wird in vielen Bereichen der Medizin eingesetzt um Gewebe zu beeinflussen. Dies reicht von Induktion photochemischer Prozesse über Erwärmung bis zur Verdampfung bzw. Plasmaformation. Speziell in der Augenheilkunde finden Behandlungsmethoden mittels Laser schon lange Zeit Anwendung. Bei der etablierten Methode der transskleralen Laser-Zyklophotokoagulation wird Gewebe im Bereich des Augeninneren (Ziliarkörper) bewußt zerstört, um den Augeninnendruck zu senken [Beckmann et al. 72, Gloor et al. 94]. Bei dieser Methode ist das Behandlungsareal nicht einsehbar. Die manuelle Nachführung der Laserparameter durch den Operateur ist aufgrund der sehr schnell ablaufenden Prozesse nicht möglich. Derzeit befindet sich lediglich ein System (1) in klinischer Anwendung [Preußner 98], welches die automatische On-line-Anpassung von Laserparametern (Laserpulsdauer) an den Verlauf der Behandlung ermöglicht. Diese Methode mißt hierzu die vom Augeninnern (Netzhaut) reflektierte Laserenergie und beurteilt deren zeitlichen Verlauf als Eingangsgröße für den angeschlossenen Regelkreis.

Eine andere Methode [Freese et al. 96, Patentschrift Veröff.Nr. US 5533998] beschäftigt sich mit der Möglichkeit des On-line-monitoring bei Laser- Zyklophotokoagulation mittels Ultraschall-Biomikroskopie (2). Hierbei soll der Gewebszustand zeitgleich zur Laser-Gewebsbehandlung mit eingebrachtem und reflektiertem Ultraschall analysiert werden. Die Reflektivitätsänderung während des Koagulationsvorganges soll als Eingangsgröße für den angeschlossenen Regelkreis zur Laser-Steuerung dienen.

Angestrebt ist die Applikation einer optimalen Energiemenge zur Erzielung eines zuverlässigen Koagulationsergebnisses im Zielgewebe, insbesondere ohne Auftreten von Gewebszerreißungen der inneren Epithelschichten ("Popkorn-Effekt").

Eine Methode zur Bestimmung von optischen Materialeigenschaften in der Technik bzw. Charakterisierung biologischen Gewebes in der Medizin stellt die Detektion laserinduzierter Drucktransienten dar [Mandelis 94, Esenaliev et al. 98 Patentschr. Veröff.Nr. US 5840023]. Hierbei wird mittels eines kurzen Laserpulses im subablativen Bereich Energie im Gewebe deponiert, was zu einer Erwärmung des Volumens führt. Die konsekutive Volumenexpansion führt zur Einkopplung eines akustischen Signals hoher spektraler Bandbreite ins umgebende Medium. Wird diese Drucktransiente nach ihrer Ausbreitung im Gewebe mittels empfindlicher Druckaufnehmer (z. B. piezoelektrische Detektoren, optische Detektoren auf der Basis von Brechungsindexänderungen) aufgezeichnet, so läßt sich nach Rückberechnung aus der Höhe und Form der Amplitude der Gewebszustand charakterisieren. Dies erfordert die Kenntnis der akustischen Eigenschaften der Medien zur Simulation der Schallausbreitung, sowie der Lichtausbreitung im Gewebe in Abhängigkeit der zu bestimmenden optischen Eigenschaften. Gewebsdifferenzierung ist mit dieser Methode möglich, sofern sich Gewebsarten bzw. -zustände in ihren optischen Eigenschaften (Absorptions-, Streuverhalten) unterscheiden.

Nachteile des Standes der Technik

Die oben als (1) beschriebene Methode detektiert keine direkten Veränderungen im Bereich des behandelten Gewebes (Ziliarkörper). Sie registriert lediglich die Laserenergie, die nicht im bestrahlten Gewebe absorbiert wird, sondern nach ihrer Transmission und mehreren Streu- und Reflektionsprozessen das Augeninnere durch die Pupille wieder verläßt. Der Weg der transmittierten Laserstrahlung vom Austritt aus dem Ziliarkörper bis zur ihrer Aufnahme im Detektor wird wesentlich vom Zustand der klaren Medien des Auges (Glaskörper, Linse, Vorderkammer, Hornhaut), sowie dem Reflektionsverhalten der Oberflächen, vor allem der Netzhaut, beeinflußt. Da diese optischen Eigenschaften in vivo nicht korrekt vorherbestimmt werden können, ist die exakte Berechnung der Zustandsänderungen des Zielgewebes während des Therapieverlaufes nicht möglich. Auch eine präoperative Zustandsbestimmung (Lokalisation, optische Eigenschaften) ermöglicht die Methode nicht, da die benötigten Energien bereits noch nicht beabsichtigte thermische Schädigungen erzeugen würden.

Das unter (2) beschriebene Verfahren zur Rückkopplungssteuerung der Laserbehandlung bedient sich der Reflektion eingestrahlten Ultraschalls und liefert dadurch lediglich Informationen über akustische Eigenschaften des Gewebes. Die optischen Eigenschaften als Grundlage der Laser-Gewebe-Wechselwirkung bleiben unberücksichtigt. Eine Veröffentlichung in der medizinischen Literatur über den Einsatz eines solchen möglichen Regelkreises ist uns nicht bekannt.

Aufgabe der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist es, im Rahmen der oben angeführten Behandlungform des Glaukoms mittels Laser-Zyklophotokoagulation einen Mechanismus zu schaffen, der die Applikation der optimalen Energiemenge, die für den Behandlungserfolg notwendig ist, gewährleistet und die Anpassung der Laserparameter on-line an den Behandlungsverlauf ermöglicht.

Insbesondere kann die präoperative Messung der optischen Eigenschaften zur besseren Therapieplanung sowie zur Lokalisierung der Zielregion genutzt werden. Bei einer möglicherweise notwendigen Wiederholungsbehandlung könnte bereits destruiertes Gebiet ausgespart werden.

Lösung der Aufgabe

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Die Nutzung optoakustischer Drucktransienten als Eingangsgrößen zur Steuerung der Laserparameter während der Behandlung bietet den Vorteil, daß Phänomene betrachtet werden, die unmittelbar von den optischen Eigenschaften der Behandlungsregion abhängig sind. Genau diese optischen Eigenschaften bilden auch die Grundlage für die Laser-Gewebewechselwirkung, die während der Behandlung zur gewünschten Erwärmung des Zielgewebes Ziliarkörper im Auge führt und damit bei Erreichen von Temperaturen über ca. 60°C zur Destruktion (durch Koagulation) von primär gesundem Gewebe. Während des Koagulationsvorganges ändern sich aufgrund der ablaufenden Veränderungen im Gewebe Absorptions- und Streueigenschaften und somit die Lichtver teilungsverhältnisse für die neu eintreffende Therapie-Laserstrahlung. Aufgrund dieser Vorgänge ändert sich die Reaktion des behandelten Gewebes unter der Laserapplikation.

Unsere Erfindung ermöglicht simultan die Detektion optoakustischer Drucktransienten, die durch die separate Applikation kurzer Diagnose-Laserpulse mit Energien, die im Bereich weniger Promille der Therapie-Energiedosis liegen, induziert werden. Es kommt dadurch zu keiner zusätzlichen Erwärmung des Gewebes, so daß Therapie- und Diagnoseverfahren als prinzipiell getrennt betrachtet werden können. Da es sich jedoch um das Einbringen von elektromagnetischer Strahlung im gleichem Wellenlängenbereich handelt, ist eine Kopplung von Therapie- und Diagnose-Laserstrahlung denkbar. Erstens kann die gleiche Lichtleitfaser sowie Applikationshandstück zum Strahlungstransport bzw. Einkoppeln des Laserlichts verwandt werden, was zu einem identischen räumlichen Ausbreitungsmuster von Therapie- und Diagnosestrahlung führt. Dies ermöglicht exakt die Behandlung des vermessenen Areals, bzw. genau die Charakterisierung des bestrahlten Gewebes. Zweitens kann bei Verwendung von gleicher Wellenlänge beider Modi, eine Aufmodulierung von kurzen Diagnosepulsen auf die zur Koagulation eingebrachten längeren Laserpulse erfolgen, was die Nutzung nur einer Laserquelle mit entsprechender Ansteuerung möglich macht.

Diese Methode bietet insgesamt den Vorteil, daß die Behandlung patientenspezifischen Gegebenheiten (z. B. Pigmentierungsgrad, Skleradicke, Ziliarkörperzustand) angepasst werden kann.

Literatur

[Beckmann et al. 72] Beckmann H, Kinoshita A, Rota A. et al. (1972) Transscleral ruby laser irradiationb of the ciliary body in the treatment of intractable glaucoma. TransAmer Ophthalmol Otol 76 : 423
[Esenaliev et al. 98] Esenaliev RO, Jacques SL und Oraevsky AA (1998) Optoacoustic imaging for medical diagnosis. Patentschrift Veröffentlichungsnummer US 5840023
[Freese et al. 96] Freese M, Lasser T und Reimer P (1996) Apparatus and method for laser cyclo-photocoagulation. Patentschrift Veröffentlichungsnummer US 5533998
[Gloor et al. 94] Gloor H und Fankhauser F (1994) Glaukomchirurgie im Detail. Enke Verlag, Stuttgart
[Mandelis 94] Mandelis A (1994) Non-destructive evaluation (NDE). Prentice Hall
[Preußner 98] Preußner R. (1998) Kontrollierte Zyklophotokoagulation. Ophthalmologe 95: 645-650

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden näher beschrieben und werden ergänzend in den Zeichnungen (siehe Extrablätter) dargestellt.

Fig. 1 System-Schemazeichnung zur Realisierung eines Regelkreises zur Steuerung der Laserparameter bzw. diagnostischen Bildgebung bei der Laser-Zyklophotokoagulation (Glaukomtherapie)

Fig. 2 Schnittzeichnung eines möglichen Handstückes zur Laserapplikation und Detektion der Drucktransienten

Laserstrahlung aus einer oder zwei Laserquellen (Fig. 1) wird mittels einer angepaßten Lichtleitfaser einem Applikationshandstück (Fig. 2) zugeführt, welches speziell zur Applikation von Therapie- und Diagnosestrahlung, sowie zur Detektion entstehender Drucktransienten konfiguriert ist. Das Handstück wird im Kontaktverfahren der Laser-Zyklophotokoagulation direkt auf die Bindehaut des Auges mit leichtem Druck wenige Millimeter peripher des korneo-skleralen Limbus aufgesetzt.

Direkt neben dem planen Faserende (alternativ: fokussierende Mikro-Optik) befinden sich ein oder mehrere Meßpunkte zur Druckdetektion (Fig. 2), die z. B. aus der aktiven Fläche eines speziell hergestellten piezoelektrischen Druckaufnehmers (mögliche Alternativen: PVDF(Polyvinylidenfluorid)-Folie, Quarz, Piezoxide, Lithiumniobat LiNbO₃) bestehen. Die im aktiven Volumen aufgebaute Spannung wird über die auf die Folie aufgedampften Elektroden und deren Kontaktierung am Handstück abgegriffen und einem Prozessor zugeführt.

Alternativ bietet sich eine optische Methode zur Druckdetektion mittels Messung von Brechungsindexänderungen durch Drucktransienten an.

Der schnelle Prozessor dient zur Verarbeitung der eingehenden Spannungsverläufe (Meßgrößen zur Berechnung der optoakustischen Drucktransienten) gemäß eines Steueralgorithmus, der die Steuerung der anzupassenden Laserparameter (z. B. Pulsdauer, Leistung) on-line an den gerade ablaufenden Behandlungsverlauf ermöglicht.

Zur Erzeugung kurzer Diagnoselaserpulse besteht die Möglichkeit, das Laserlicht eines separaten "Diagnoselasers" gleicher oder differenter Wellenlänge in die gemeinsame Lichtleitfaser einzukoppeln.

Alternativ kann bei Verwendung von identischen Frequenzen mit dem Therapielaser ein Diagnosepuls erzeugt und beispielsweise dem relativ langen "Therapiepuls" (± 1 Sek. abh. von der gewählten Leistung) ein oder mehrere kurze Pulse niedriger Energie vorausgeschickt oder aufmoduliert werden.

Claims

1. Optoakustische Gewebsdifferenzierung zur patientenspezifischen Dosierung der Laserstrahlung bei der transskleralen Laser-Zyklophotokoagulation des Auges dadurch gekennzeichnet, daß die im Zielgewebe der Behandlung generierten Drucktransienten als Meßgröße der optischen Eigenschaften herangezogen werden, um dem Operateur präoperativ die Behandlungsplanung durch die visuelle Ausgabe der optischen zu ermöglichen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Zielgewebe der Behandlung generierten Drucktransienten als Meßgröße der optischen Eigenschaften herangezogen werden, um den weiteren Behandlungsverlauf durch den Vergleich mit speziell ermittelten Kennlinien bezüglich des Verlaufs der Veränderungen der optischen Eigenschaften während der Therapie rechnerunterstützt on-line vollautomatisiert zu steuern.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung kurzer Diagnosepulse mit niedriger Energie simultan zur Therapielaserbestrahlung identischer Wellenlänge eine Pulsform erzeugt wird, bei der dem zeitlichen Intensitätsprofil des Grund- Therapie-Laserpulses Diagnose-Laserimpulse aufmoduliert oder vorweg geschickt werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektion der optoakustischen Drucktransienten über die Verwendung eines piezoelektrischen Drucksensors realisiert wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Detektion der Drucktransienten an der Oberfläche des behandelten Auges Brechungsindexänderungen in einem transparenten optischen Medium stattfinden, die über Änderungen des Totalreflektionsverhaltens bezüglich eines Detektionslaserstrahles gemessen werden können (optischer Detektor).

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektion des akustischen Signals über ein Array von Meßpunkten in unterschiedlicher Geometrie, die parallel oder seriell angesteuert werden, realisiert wird, um eine zweidimensionale Information über das Behandlungsgebiet, im Sinne einer Visualisierung analog der Ultraschall- Bildgebung, zu erhalten.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein spezielles Applikationshandstück Verwendung findet, welches die zeitlich und räumlich eng gekoppelte Applikation der Laserstrahlung mittels Lichtleitfaser und die Detektion der laserinduzierten optoakustischen Drucktransienten mittels piezoelektrischer oder optischer Detektoren ermöglicht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das beschriebene Handstück in ein Endoskop integriert wird, um auch unter inneren Oberflächen nach Ermittlung geeigneter Kennlinien on-line-kontrolliert behandeln zu können.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem zu behandelnden Gewebe um anderes als oben beschriebenes okuläres Gewebe handelt.