ES2593619T3

ES2593619T3 - Procedimiento interferométrico de moteado y sistema para detectar un movimiento de una superficie

Info

Publication number: ES2593619T3
Application number: ES12705782.6T
Authority: ES
Inventors: Andreas Fritz; Ralf Brinkmann
Original assignee: Medizinisches Laserzentrum Luebeck GmbH
Current assignee: Medizinisches Laserzentrum Luebeck GmbH
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2016-12-12
Anticipated expiration: 2032-01-20
Also published as: EP2805128B1; EP2805128A1; US20150011983A1; WO2013107473A1; US10219946B2

Abstract

Procedimiento para detectar un movimiento de una superficie en un ojo irradiado, comprendiendo las etapas siguientes: - irradiar una superficie del ojo con un haz de luz coherente con una energía inferior a la ventana terapéutica, provocándose un movimiento de la superficie por el haz de luz de irradiación, - detectar variaciones provocadas por dicho movimiento en un patrón de moteado producido por reflexiones de dicho haz de luz en dicha superficie, - seleccionar una mota individual de dicho patrón de moteado, y - detectar dichas variaciones en la mota seleccionada.

Description

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DESCRIPCION

Procedimiento interferometrico de moteado y sistema para detectar un movimiento de una superficie.

La invencion se refiere a un procedimiento y a un aparato para detectar un movimiento de una superficie que se irradia con un haz de luz coherente emitido especialmente desde un laser, en los que se detectan variaciones provocadas por dicho movimiento en un patron de moteado del haz de luz reflejado.

Un procedimiento y un sistema de este tipo se conocen por el documento WO 79/00841 y se utilizan para la medicion de la vibracion de una membrana timpanica, en los que la vibracion de la membrana timpanica esta provocada por la aplicacion de frecuencias de sonido diferentes sucesivamente. El detector conocido, que se situa cerca de la superficie irradiada, puede medir estructuras expuestas.

En oftalmologfa, se conoce (documento WO 01/91661 A1) la utilizacion de sistemas de laser en la terapia de enfermedades de la retina, especialmente de epitelio pigmentario de la retina (RPE) disfuncional. Durante la irradiacion, las zonas de enfermedad objetivo del fondo del ojo se pueden esclerosar termicamente y, como resultado de la posterior regeneracion y proliferacion lateral de celulas de RPE en las zonas escleroticas, es posible una restauracion sustancial del RPE intacto. La terapia de RPE selectiva (SRT) evita danos al entorno del RPE.

En la aplicacion de SRT, se utiliza una rafaga, es decir una secuencia de impulsos, de aproximadamente 30 impulsos de laser con una duracion de impulso, en cada caso, de 1,7 ps en el rango espectral verde y con una velocidad de secuencia de impulsos de 100 Hz a una longitud de onda de 527 nm. Tambien son posibles variaciones naturales y numerosas a estos parametros de tratamiento. Para la termoterapia de tejido biologico, particularmente del fondo del ojo, se da una clara preferencia a duraciones de impulso de pocos microsegundos. Como resultado de la fuerte pigmentacion del RPE, aproximadamente el 50% de la luz incidente en el rango espectral verde se absorbe por los granulos de pigmento (melanosomas) en las celulas de RPE. Se producen altas temperaturas en el RPE en el caso de irradiacion correspondiente (aproximadamente 600 mJ/cm2 por impulso), lo que conduce a microvaporizacion intracelular en los melanosomas de RPE intensamente calentados.

Las microburbujas resultantes aumentan el volumen de celula durante microsegundos y con toda probabilidad conducen en ultima instancia a la disrupcion y desintegracion de las celulas de RPE. El umbral de irradiacion para dano celular puede descender significativamente a traves de la aplicacion de impulsos multiples. Existe una variacion considerable entre pacientes sobre los requisitos previos para terapia con laser (por ejemplo transparencia del cristalino o cuerpo vftreo, pigmentacion de la retina) en conexion con el tratamiento de fondo de ojo. Los resultados de la investigacion muestran que las energfas de impulso necesarias para producir efectos de RPE varfan en un individuo en hasta el 100% y entre individuos en una medida incluso mayor. La experiencia existente muestra que la energfa de impulso no debe estar mas de un factor de dos por encima de la energfa de impulso umbral para producir dano del RPE, o de lo contrario se vuelve a producir un dano visible en la retina.

El documento EP 1 643 924 B1 describe un control de dosimetrfa que detecta la formacion de burbujas inducida termicamente en el tejido irradiado para proporcionar una senal para ajustar la energfa del haz de luz que irradia el tejido. El dispositivo de deteccion puede ser o bien un transductor de presion o bien un sensor de presion piezoceramico o bien un fotodetector.

El documento US 2003/0189712 A1 divulga un vibrometro para someter a un sondeo un objeto para determinar su firma vibratoria y un procedimiento de sondeo del mismo. El vibrometro incluye un laser para generar un haz de laser para someter a sondeo el objeto, un detector para detectar reflexiones desde el objeto, y un espejo de fase conjugada con entrada de dos haces ubicado de modo que recibe una parte del haz de laser producido por el laser y una parte del haz de laser reflejado desde el objeto, reflejando el espejo de fase conjugada con dos haces de entrada las senales difusas recibidas desde el objeto de vuelta hacia el objeto.

El problema que va a resolver la invencion es proporcionar un procedimiento y un sistema para detectar variaciones en la superficie de un objeto irradiado mediante un haz de luz coherente con un pequeno gasto tecnico.

La invencion soluciona el problema mediante un procedimiento que presenta las caracterfsticas de la reivindicacion 1 y mediante un sistema que presenta las caracterfsticas de la reivindicacion 10.

La invencion proporciona un procedimiento para detectar un movimiento de una superficie en un ojo irradiado, especialmente en un tejido biologico en el fondo de un ojo. El procedimiento comprende las etapas de irradiar una superficie del ojo con un haz de luz coherente con una energfa inferior a la ventana terapeutica, en el que un movimiento de la superficie esta provocado por el haz de luz de irradiacion, detectar variaciones provocadas por dicho movimiento en un patron de moteado producido por reflexiones de dicho haz de luz en dicha superficie, seleccionar una mota individual de dicho patron de moteado y detectar dichas variaciones en la mota seleccionada.

La invencion proporciona un sistema para el tratamiento de un ojo. El sistema comprende una fuente de luz, especialmente un laser, que emite un haz de luz coherente, una trayectoria de guiado de luz a lo largo de la cual se

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dirige el haz de luz coherente sobre una superficie del ojo, en el que el haz de luz de irradiacion puede provocar un movimiento de la superficie, y un detector, especialmente un fotodetector adaptado para detectar variaciones provocadas por dicho movimiento de la superficie en una mota individual seleccionada de un patron de moteado producido por el haz de luz reflejado desde la superficie irradiada.

La longitud de coherencia del haz de luz de irradiacion es mayor que la diferencia de longitud de trayectoria optica que se va a medir. Para irradiar la superficie, especialmente una superficie en el fondo de un ojo, se gufan el haz de luz de irradiacion y el haz de luz reflejado en la superficie irradiada a traves de una trayectoria de luz confocal. Preferentemente, el haz de luz de irradiacion y el haz de luz reflejado se gufan por medio de una fibra optica multimodo, que es intrfnsecamente confocal con la zona irradiada de modo que todos los puntos del sitio irradiado se devuelven como imagen a la fibra optica sin ningun ajuste adicional. El haz de luz reflejado se puede dividir a partir del haz de luz de irradiacion para la deteccion de especialmente las variaciones de la intensidad de la luz reflejada en la mota seleccionada. La variacion de la mota corresponde a cambios en la zona irradiada. La medicion de las variaciones de moteado se realiza con sensibilidad de fase, preferentemente por medio de un fotodetector, especialmente fotodiodo rapido. Es posible medir cambios muy pequenos en la zona irradiada, por ejemplo en la magnitud de la longitud de onda de la luz de irradiacion.

Preferentemente, la frecuencia de la variacion detectada en la mota seleccionada esta correlacionada con la velocidad de un cambio, especialmente del movimiento en la superficie irradiada. Esta correlacion posibilita deducir el origen que provoco la variacion o el cambio en la zona irradiada, especialmente si el cambio o el movimiento de la superficie es provocado por el haz de luz de irradiacion.

La invencion se utiliza preferentemente para realizar una terapia de enfermedades oculares por medio de terapia de la retina selectiva (SRT). La SRT realiza una microfotocoagulacion selectiva para determinar la degradacion del epitelio pigmentario de la retina (RPE), en la que se utiliza un laser, especialmente un laser de Nd:YAG con frecuencia duplicada, que emite impulsos cortos, por ejemplo de 1,7 ps o desde 1 ps hasta pocos ps, en el espacio verde, por ejemplo a una longitud de onda de 527 nm. El fondo del ojo se irradia con un tamano de punto de aproximadamente 200 pm. La luz incidente se absorbe por los melanosomas del RPE, lo que conduce a una microvaporizacion intracelular en los melanosomas de RPE calentados y la creacion de microburbujas que provocan danos a las celulas dentro de la zona irradiada. Este dano celular selectivo inicia la proliferacion y migracion de celulas de RPE del entorno en la zona danada para obtener una regeneracion del RPE inducida por irradiacion.

La invencion posibilita una dosimetrfa precisa para el tratamiento ciego de la terapia de RPE selectiva (SRT) mediante la deteccion en lfnea inmediata de la formacion de burbujas, que se puede conseguir justo despues de un impulso individual dentro de una secuencia de impulsos de SRT de, por ejemplo, aproximadamente 30 impulsos.

Durante la irradiacion, el calentamiento local produce una expansion termoelastica del tejido calentado. Si la formacion de microburbujas se produce durante la irradiacion, la velocidad de los cambios o variaciones de movimiento de la superficie irradiada es mas rapida que la expansion termoelastica del tejido calentado. Los cambios de la longitud de trayectoria optica creados por la burbuja de cavitacion y el movimiento de la superficie de la burbuja de cavitacion posibilitan una deteccion con sensibilidad de fase de las burbujas que aparecen como componentes de senal que varfan rapidamente. Esta capacidad tambien ofrece la posibilidad de detectar expansiones termicas de componentes celulares, antes de que se produzcan burbujas de cavitacion. Las motas del haz de luz reflejado, especialmente la intensidad de luz detectada varfa por consiguiente con una frecuencia aumentada en la region de MHz. La frecuencia de la variacion de la intensidad de luz en el patron de moteado, especialmente de la mota individual seleccionada esta correlacionada con la velocidad de los cambios en la zona irradiada y puede proporcionar una indicacion de la formacion de burbujas.

Con el fin de conseguir un ajuste de la energfa para el haz de luz de irradiacion, se puede realizar una o mas irradiaciones de prueba que provocan el movimiento de la superficie iluminada y se determina la energfa del haz de luz de irradiacion, cuando se produce una variacion predeterminada en la mota seleccionada.

Para conseguir una dosimetrfa precisa para la terapia de la retina selectiva (SRT), se pueden realizar una o mas irradiaciones de prueba, comenzando con una energfa para el haz de luz de irradiacion inferior a la ventana terapeutica utilizada para SRT con energfa creciente. Cuando se indica la formacion de burbujas mediante la variacion predeterminada, especialmente la frecuencia de variaciones de intensidad de luz en la mota seleccionada, se consigue el lfmite inferior de la ventana de energfa terapeutica dentro de la que se puede llevar a cabo la SRT. Se puede iniciar entonces la SRT automaticamente o por parte del medico.

Con el fin de compensar la influencia de fuentes que alteran la medicion, ademas se puede medir fntegramente la intensidad total de la luz reflejada en todas las motas del patron de moteado y se puede normalizar la intensidad de luz modificada medida en la mota seleccionada con respecto a la intensidad total.

Ademas de a la SRT explicada anteriormente, se puede aplicar la invencion en la fotocoagulacion de la retina. El documento US n° 6.830.567 B2 divulga una determinacion de temperatura no invasiva durante la fotocoagulacion de la retina, en la que las expansiones de tejido se miden por medio de un sensor optico o uno de presion (acustico). La

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presente invencion proporciona una medicion alternativa de temperatura durante la fotocoagulacion de la retina. La expansion del tejido esta en la region de los 100 pm, que esta dentro de la sensibilidad de medicion del sistema de deteccion segun la invencion. La expansion termica de la zona de la retina tratada se puede determinar mediante la variacion de la intensidad de luz en la mota individual seleccionada y a partir de ello se puede calcular la temperatura promedio dentro del punto de irradiacion. La dosimetrfa en lfnea explicada anteriormente tambien se puede utilizar para la coagulacion de la retina.

Generalmente, la invencion se puede utilizar para la medicion optica de variaciones de muestra que presentan una alta resolucion temporal, por ejemplo con respecto a la longitud de la trayectoria, la distancia, la expansion, variaciones de difusion en el volumen de muestra, en la que la muestra medida presenta un volumen de muestra o superficie de reflexion o difusion por lo menos ligeramente para formar un patron de moteado.

La invencion resultara mas facilmente evidente a partir de la siguiente descripcion detallada de formas de realizacion actualmente preferidas de la misma tomadas junto con los dibujos adjuntos.

la figura 1 muestra una primera forma de realizacion;

la figura 2 muestra una segunda forma de realizacion;

la figura 3 muestra una tercera forma de realizacion;

la figura 4 muestra una senal de deteccion por debajo del umbral; y

la figura 5 muestra una senal de deteccion por encima del umbral.

Los sistemas ilustrados de las figuras 1 a 3 incluyen una fuente 1 de luz, que esta disenada como fuente de haz de laser que emite un haz de luz 9 coherente. Se gufa el haz de luz a lo largo de una trayectoria 2 de luz y se dirige sobre una superficie 3. La superficie 3 irradiada es en la forma de realizacion ilustrada la retina de un ojo 8.

La trayectoria 2 de luz incluye una fibra optica 5 del tipo multimodo en la que se acopla el haz de luz 9 emitido por

medio de una lente de enfoque 17. El extremo de la fibra optica 5 esta acoplado por medio de un acoplador de fibra

13 en el sistema optico de irradiacion de una lampara de hendidura 10 a traves de la que se gufa el haz de luz emitido para la irradiacion de la superficie 3. El sistema optico de irradiacion de la lampara de hendidura 10 incluye el sistema de lente 14 y el espejo 15 para representar la superficie de fibra preferentemente en diferentes tamanos en el plano de representacion de la lampara de hendidura 10. La trayectoria 2 de guiado de luz de la forma de realizacion ilustrada incluye ademas una lente de contacto 11 que gufa el haz de luz que abandona la lampara de hendidura 10 sobre la superficie 3 de la retina. La fibra optica 5, un acoplador de fibra optica 6 y el acoplador de fibra 13 pueden estar integrados en una unidad de acoplamiento de fibra optica. La lampara de hendidura 10 se puede utilizar en una disposicion de este tipo para hacer una exploracion del haz de luz por encima de la zona de la superficie 3, que se va a irradiar.

El haz de luz se refleja y/o se difunde en la superficie 3 irradiada y se gufa de vuelta confocalmente a traves del sistema optico de irradiacion de la lampara de hendidura 10 y en la forma de realizacion de la figura 1, se acopla mediante el acoplador de fibra 13 en la fibra optica 5. La fibra optica 5 incluye un acoplador de fibra optica 6 desde el que una parte de la luz reflejada que incluye un patron de moteado se gufa en un brazo de deteccion 19 a un detector 4. El detector 4 esta disenado preferentemente como fotodiodo rapido. Por medio de una abertura 12 se puede seleccionar una mota individual del patron de moteado del haz de luz reflejado. Cambios mfnimos en el punto en la zona irradiada sobre la superficie 3 provocan una gran modificacion de la mota individual seleccionada, especialmente de su intensidad de luz que se mide mediante el detector 4.

En la forma de realizacion de la figura 2, el haz de luz reflejado y/o difundido se refleja mediante un divisor de haz 18 a un brazo de deteccion 19. El divisor de haz 18 se situa dentro del sistema optico de irradiacion que se utiliza para vincular el haz de laser con la lampara de hendidura 10 para crear un punto de luz de la luz de irradiacion en el plano de representacion de la lampara de hendidura 10. El brazo de deteccion 19 incluye una abertura 20 para ajustar la intensidad de la luz reflejada. Una lente de enfoque 21 colima la luz procedente de la abertura 10. Una picadura 22 se situa en el plano focal de la lente de enfoque 21. Variando la apertura se puede ajustar el numero de motas, especialmente a una unica mota.

En la forma de realizacion de la figura 3, el haz de luz 9 emitido se aplica a la fibra 5 por medio de un divisor de haz 23 y una lente de enfoque 17 y se gufa de la misma manera que en las formas de realizacion de las figuras 1 y 2 sobre la superficie 3 de la retina. El haz de luz reflejado y/o difundido se divide mediante el divisor de haz 23 en el brazo de deteccion 19 que es confocal con la salida de la fibra 5. El brazo de deteccion incluye, como la forma de realizacion de la figura 2, la lente de enfoque 21, la picadura 22 en el plano focal de la lente 21 y el detector 4.

Las formas de realizacion explicadas anteriormente de las figuras 1 a 3 incluyen un detector 4 que detecta la variacion en una mota seleccionada individual. Tambien es posible utilizar mas de un detector 4, detectando cada detector las variaciones en preferentemente una mota seleccionada individual. Para cada detector se puede elegir una respectiva mota del patron de moteado.

Una mejora adicional de la sensibilidad de fase se puede conseguir utilizando ademas un segundo detector,

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especialmente un fotodiodo que mide fntegramente por todas las motas del patron de moteado y utilizando la senal de diferencia de los dos detectores para obtener exclusivamente la parte modulada de la mota individual seleccionada. Esta operacion se puede realizar mediante un amplificador operacional con alto rechazo de modo comun (CMR) implementado en medios 7 de analisis conectados a los detectores. Ademas, es posible utilizar un detector equilibrado en el que los dos fotodiodos presentan un anodo y un catodo conectados directamente. Si la luz reflejada incluye una alta cantidad no modulada de luz, por ejemplo si el ojo tratado presenta cataratas, se prefiere la utilizacion del segundo fotodiodo adicional para la normalizacion explicada de la senal detectada.

El sistema de medicion que presenta la trayectoria de luz confocal tambien se puede disenar sin la utilizacion de fibra optica, representandose como imagen en un plano de imagen la luz reflejada que presenta el patron de moteado y utilizandose la mota individual modulada para la deteccion.

La figura 4 ilustra la deteccion de los impulsos reflejados durante la irradiacion de RPE en una region por debajo de la energfa umbral (por debajo del umbral) que crea burbujas de cavitacion.

La figura 5 ilustra la deteccion de los impulsos reflejados durante la irradiacion de RPE por encima de la energfa umbral (por encima del umbral) que crea burbujas de cavitacion. Las modulaciones de la senal detectada indican la formacion de burbujas. Las unidades de tiempo “E-6” significan 10-6 en las figuras 4 y 5.

Las formas de realizacion ilustradas de las figuras 1 a 3 se pueden utilizar para la terapia de la retina selectiva (SRT) y para la fotocoagulacion de la retina. La fuente de luz utilizada es preferentemente un laser de Nd:YAG con frecuencia duplicada, que emite impulsos de aproximadamente 1,7 ps o de unos pocos ps en la region verde, por ejemplo con una longitud de onda de 527 mm. El diametro de punto en la zona irradiada es de aproximadamente 200 pm. Cada barrido de tratamiento puede incluir, por ejemplo, 30 impulsos.

A partir de la modulacion de la mota individual detectada se puede calcular la expansion de la zona de tejido irradiada de la retina mediante medios 7 de analisis, que estan conectados al detector 4, y se puede conseguir un control de la energfa del haz de luz 9 emitido durante la fotocoagulacion de la retina. Adicionalmente, la temperatura en la zona irradiada tambien se puede derivar de la supresion de la mota modulada.

Para la terapia de retina selectiva, se calcula la formacion de burbujas en los medios 7 de analisis a partir de la modulacion de la mota individual detectada y se puede controlar de manera apropiada la energfa del haz de luz 9 emitido.

Lista de numeros de referenda

1 fuente de luz (laser)

2 trayectoria de guiado de luz

3 superficie irradiada

4 detector

5 fibra optica

6 acoplador de fibra optica

7 medios de analisis

8 ojo

9 haz de luz emitido

10 lampara de hendidura

11 lente de contacto

12 abertura

13 acoplador de fibra

14 lente

15 espejo

16 brazo de deteccion

17 lente de enfoque

18 divisor de haz

19 brazo de deteccion

20 abertura

21 lente de enfoque

22 picadura

23 divisor de haz

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para detectar un movimiento de una superficie en un ojo irradiado, comprendiendo las etapas siguientes:

- irradiar una superficie del ojo con un haz de luz coherente con una energfa inferior a la ventana terapeutica, provocandose un movimiento de la superficie por el haz de luz de irradiacion,

- detectar variaciones provocadas por dicho movimiento en un patron de moteado producido por reflexiones de dicho haz de luz en dicha superficie,

- seleccionar una mota individual de dicho patron de moteado, y

- detectar dichas variaciones en la mota seleccionada.
2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, en el que se utiliza mas de un detector y cada detector detecta las variaciones en una mota individual.
3. Procedimiento segun la reivindicacion 1 o 2, en el que el haz de luz de irradiacion y el haz de luz reflejado se grnan a lo largo de una trayectoria de luz confocal.
4. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el haz de luz de irradiacion y el haz de luz reflejado se grnan por medio de una fibra optica multimodo.
5. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el haz de luz reflejado se divide a partir del haz de luz de irradiacion para la deteccion de dicha variacion en la mota seleccionada.
6. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que se detectan variaciones de la intensidad de la luz reflejada en la mota seleccionada.
7. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la frecuencia de la variacion detectada en la mota seleccionada esta correlacionada con la velocidad del movimiento en la superficie de irradiacion.
8. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que se realizan una o mas irradiaciones de

prueba que provocan el movimiento de la superficie irradiada y se determina la energfa del haz de luz de irradiacion

cuando se produce una variacion predeterminada en la mota seleccionada.
9. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que ademas se mide mtegramente la intensidad de la luz reflejada en todas las motas del patron de moteado y en el que se normaliza la variacion de intensidad medida en la mota seleccionada con respecto a la intensidad medida integrada.
10. Sistema para el tratamiento de un ojo, que comprende:

- una fuente (1) de luz configurada para emitir un haz de luz coherente,

- una trayectoria (2) de guiado de luz a lo largo de la cual se puede dirigir el haz de luz coherente sobre una

superficie (3) del ojo, pudiendo provocar el haz de luz de irradiacion un movimiento de la superficie, y

- un detector (4) adaptado para detectar variaciones provocadas por dicho movimiento de la superficie en una mota individual seleccionada de un patron de moteado producido por el haz de luz reflejado desde la superficie (3).
11. Sistema segun la reivindicacion 10, que comprende mas de un detector (4), en el que cada detector esta configurado para detectar las variaciones en una mota seleccionada individual.
12. Sistema segun la reivindicacion 10 u 11, que comprende una abertura (12) situada antes del detector (4) y disenada para seleccionar dicha mota individual del patron de moteado.
13. Sistema segun cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, en el que medios (7) de analisis estan conectados al detector (4) o detectores, estando disenados dichos medios (7) de analisis para correlacionar la frecuencia de la variacion de intensidad de luz medida en dicha mota individual con la velocidad del movimiento en la superficie iluminada.
14. Sistema segun la reivindicacion 13, en el que los medios (7) de analisis estan disenados adicionalmente para comparar la frecuencia de la variacion de intensidad de luz medida de la mota individual o la velocidad correlacionada del movimiento de la superficie (3) irradiada con una frecuencia o velocidad predeterminada, y en el

que los medios (7) de analisis estan adaptados para ajustar la energfa de la fuente (1) de luz, cuando se obtiene dicha frecuencia o velocidad predeterminada durante la irradiacion de la superficie (3).
15. Sistema segun cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, caracterizado por un dispositivo de lampara de 5 hendidura (10), en el que se crea un punto de luz de la luz de irradiacion en el plano de representacion del dispositivo de lampara de hendidura (10).