WO2000009003A1 - Device and method for representing tissue modifications - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a device and a method for displaying tissue changes in thermotherapy with at least one first emitter for emitting a test light of a predetermined wavelength, at least one detection device being arranged at a constant, predetermined and variable distance from the first emitter, and the detector device is designed to receive and emit light.
- the device according to the invention for displaying tissue changes in thermotherapy comprises at least one second emitter for the therapeutic change in the temperature of a tissue region, it being possible to generate structural changes in the tissue.
- the change in temperature can be generated by means of a hot liquid or also by means of microwaves.
- the use of ultrasound or of refrigeration generators is also possible in order to achieve the therapeutic temperature change.
- the detection device 16 is pierced into the tissue at a defined distance or a defined geometry from the emitter 12a.
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Abstract
Description
Vorrichtung und Verfahren zur Darstellung von Gewebeveränderungen Device and method for displaying tissue changes
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Darstellung von Gewebeveränderungen bei der Thermotherapie mit mindestens einem ersten Emitter zur Aus- sendung eines Testlichtes vorbestimmter Wellenlänge, wobei in einem konstanten, vorbestimmten und veränderbaren Abstand zum ersten Emitter mindestens eine Detektionsvorrichtung angeordnet ist und die Detektorvorrichtung zum Empfang und zum Aussenden von Licht ausgebildet ist.The present invention relates to a device and a method for displaying tissue changes in thermotherapy with at least one first emitter for emitting a test light of a predetermined wavelength, at least one detection device being arranged at a constant, predetermined and variable distance from the first emitter, and the detector device is designed to receive and emit light.
In der Behandlung von krankem Gewebe mittels der Thermobehand- lung ist es insbesondere bei invasiven Eingriffen in den Körper des Patienten wichtig, das durch die thermische Behandlung entstehende Nekrosevolumen messen und beurteilen zu können. Insbesondere muß der Operateur während des gesamten operativen Eingriffs erkennen können, wie weit die Nekrose fortgeschritten ist und ob die thermische Veränderung möglicherweise bereits gesundes Gewebe ergreift . Bisher standen hierfür nur Erfahrungswerte aus experimentellen Befunden oder sehr aufwendige Meßverfahren zur Verfügung. So wurden u.a. Temperaturmessungen im Gewebe und der damit verbundene indirekte Wirkungsschluß zwischen Einwirk- dauer einer hohen Temperatur und Einstellung der Nekrose durchgeführt. Dieses Verfahren ist jedoch sehr ungenau, so daß Nekro- sen im gesunden Gewebe nicht verhindert werden konnten. Auch wurde versucht, mittels Farbdopplersonografie, d.h. einer indi- rekten Temperaturmessung, über die Detektion der Bewegung von Wasserbläschen im Gewebe oder durch die direkte Visualisierung der Nekrose durch NMR-Verfahren darzustellen. Beide Verfahren sind jedoch sehr aufwendig und kostenintensiv.In the treatment of diseased tissue using thermal treatment, it is important, particularly in the case of invasive interventions in the patient's body, to be able to measure and assess the necrosis volume resulting from the thermal treatment. In particular, the surgeon must be able to see during the entire surgical procedure how far the necrosis has progressed and whether the thermal change may already affect healthy tissue. So far, only empirical values from experimental findings or very complex measuring methods were available for this. For example, temperature measurements in the tissue and the associated indirect effect between the duration of exposure to a high temperature and the setting of necrosis were carried out. However, this procedure is very imprecise, so that necrosis in healthy tissue could not be prevented. Attempts were also made to use color Doppler sonography, right temperature measurement, through the detection of the movement of water bubbles in the tissue or through the direct visualization of the necrosis by NMR methods. However, both methods are very complex and costly.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche eine einfache und zuverlässige Detektion von strukturellen GewebeVeränderungen ermöglichen.It is therefore an object of the present invention to provide a device and a method of the type mentioned at the outset which enable simple and reliable detection of structural tissue changes.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale der unabhängigen Ansprüche .The features of the independent claims serve to solve this problem.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen be- schrieben.Advantageous configurations are described in the subclaims.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Darstellung von Gewebeveränderungen bei der Thermotherapie umfaßt mindestens einen zweiten Emitter zur therapeutischen Änderung der Temperatur eines Gewebebereiches, wobei strukturelle Veränderungen des Gewebes erzeugbar sind. Dabei kann die Temperaturänderung mittels einer heißen Flüssigkeit oder auch mittels Mikrowellen erzeugt werden. Ferner ist auch der Einsatz von Ultraschall oder auch von Kälteerzeugern möglich, um die therapeutische Temperaturänderung zu erziehlen.The device according to the invention for displaying tissue changes in thermotherapy comprises at least one second emitter for the therapeutic change in the temperature of a tissue region, it being possible to generate structural changes in the tissue. The change in temperature can be generated by means of a hot liquid or also by means of microwaves. Furthermore, the use of ultrasound or of refrigeration generators is also possible in order to achieve the therapeutic temperature change.
Die Detektionsvorrichtung ist zum Empfang und zum Aussenden von Licht ausgebildet. Durch den definierten Abstand zwischen erstem Emitter und Detektionsvorrichtung können Veränderungen der optischen Eigenschaften zwischen dem ersten Emitter und derThe detection device is designed to receive and emit light. The defined distance between the first emitter and the detection device allows changes in the optical properties between the first emitter and the
Detektionsvorrichtung exakt bestimmt werden. Bei der thermischen Veränderung von Gewebe, insbesondere bei Temperaturen unterhalb der Karbonisierungsgrenze, handelt es sich nämlich um eine Denaturierung von Proteinen. Dieser Prozeß, der deutlich an der Weißfärbung des Gewebes zu erkennen ist, bedeutet für die opti- sehen Eigenschaften des Gewebes eine Erhöhung des Streukoeffizienten bei nahezu gleichbleibenden Absorptionskoeffizienten. Somit bewirkt die Veränderung der optischen Eigenschaften eine Veränderung der Nachweiswahrscheinlichkeit des vom ersten Emitter ausgesendeten sendeten Testlichtes. Die gemessenen Intensitätsveränderungen und deren Verlauf werden für die Korrelation bzw. für die Ermittlung der Nekroseentwicklung und damit des Nekrosevolumens verwendet .Detection device can be determined exactly. With thermal Tissue changes, especially at temperatures below the carbonation limit, involve the denaturation of proteins. This process, which can be clearly recognized by the white color of the fabric, means an increase in the scattering coefficient with an almost constant absorption coefficient for the optical properties of the fabric. The change in the optical properties thus causes a change in the detection probability of the test light transmitted by the first emitter. The measured changes in intensity and their course are used for the correlation or for determining the development of necrosis and thus the volume of necrosis.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vor- richtung besteht die Detektionsvorrichtung aus einem Lichtwellenleiter und einem Filtersystem mit einem Lichtdetektor. Durch das Filtersystem ist gewährleistet, daß nur das Testlicht oder ein vom Gewebe emittiertes Fluoreszenzlicht nachgewiesen wird. Dies ermöglicht eine exakte Beobachtung des Nekroseverlaufs zwischen dem ersten und/oder dem zweiten Emitter und derIn an advantageous embodiment of the device according to the invention, the detection device consists of an optical waveguide and a filter system with a light detector. The filter system ensures that only the test light or a fluorescent light emitted by the tissue is detected. This enables an exact observation of the course of the necrosis between the first and / or the second emitter and the
Detektionsvorrichtung .Detection device.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Emitter und die Detektions- Vorrichtung in einer Positionier- und/oder Einstecheinheit ausgebildet. Dadurch ist gewährleistet, daß die Emitter und die Detektionsvorrichtung den vorbestimmten konstanten Abstand voneinander einhalten. In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es aber auch möglich, daß die Detektionsvorrichtung direkt in dem ersten Emitter ausgebildet ist. Dadurch ist es möglich, die Vorrichtung insgesamt sehr klein zu halten, so daß die Vorrichtung auch für minimalinvasive Eingriffe verwendet werden kann.In a further advantageous embodiment of the device according to the invention, the emitters and the detection device are formed in a positioning and / or piercing unit. This ensures that the emitter and the detection device maintain the predetermined constant distance from one another. In a further embodiment of the device according to the invention, however, it is also possible for the detection device to be formed directly in the first emitter. This makes it possible to make the device very much to be kept small, so that the device can also be used for minimally invasive interventions.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Darstellung von Gewebe- Veränderungen bei der Thermotherapie wird in einem ersten Verfahrensschritt a) ein Testlicht bestimmter Wellenlänge mittels mindestens einem ersten Emitter und eine therapeutische Wärmestrahlung mittels mindestens einem zweiten Emitter in oder an ein zu behandelndes Gewebe gesandt .In the method according to the invention for representing tissue changes in thermotherapy, in a first method step a) a test light of a certain wavelength is sent by means of at least one first emitter and a therapeutic heat radiation by means of at least one second emitter in or to a tissue to be treated.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Testlicht auch über den Lichtwellenleiter der Detektionsvorrichtung ausgesendet werden. Dabei kann die Wellenlänge des Testlichts derart gewählt sein, daß eine Fluoreszenzanregung an dem bestrahlten Gewebe erfolgt, die über die Detektionsvorrichtung ermittelt und in der Auswertevorrichtung verarbeitet wird. Das Ergebnis der Auswertung der Meßdaten kann vorteilhafterweise als Abschaltkriterium für eine thermische Quelle verwendet werden .In an advantageous embodiment of the invention, the test light can also be emitted via the optical waveguide of the detection device. The wavelength of the test light can be selected such that fluorescence is excited on the irradiated tissue, which is determined by the detection device and processed in the evaluation device. The result of the evaluation of the measurement data can advantageously be used as a switch-off criterion for a thermal source.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der folgenden Beschreibung zweier zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele.Further details, features and advantages of the device according to the invention and of the method according to the invention result from the following description of two illustrated exemplary embodiments.
Es zeigen:Show it:
Figur 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; Figur 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel .Figure 1 is a schematic representation of the device according to the invention according to a first embodiment; Figure 2 is a schematic representation of the device according to the invention according to a second embodiment.
Figur 3 den zeitlichen Verlauf der Intensitätsveränderung bei der Thermotherapie von Gewebe mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung;FIG. 3 shows the time course of the intensity change in the thermotherapy of tissue with the device according to the invention;
Figuren 4a und 4b eine schematische Darstellung des Funktions- prinzips der erfindungsgemäßen Vorrichtung.FIGS. 4a and 4b show a schematic representation of the functional principle of the device according to the invention.
Eine in Figur 1 in einem ersten Ausführungsbeispiel schematisch dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Darstellung von Gewebeveränderungen bei der Thermotherapie umfaßt einen ersten Emitter 12a zur Aussendung eines Testlichtes von bestimmter Wellenlänge und einen zweiten Emitter 12b zur therapeutischen Änderung der Temperatur eines Gewebebereichs mittels Aussendung einer therapeutischen Wärmestrahlung. Die therapeutische Wärmestrahlung ist dabei geeignet, strukturelle Veränderungen des bestrahlten Gewebes hervorzurufen. Das ausgesendete Testlicht weist eine Wellenlänge < 700 nm in einem Leistungsbereich < 10 mW auf. Die Wärmestrahlung wird mittels einer Ultraschalquelle, einer Kältquelle, einer heißen Flüssigkeit oder einer Mikrowellenquelle erzeugt. Der erste Emitter 12a ist in einem konstanten, vorbestimmten und veränderbaren Abstand zu einer Detektionsvorrichtung 16 angeordnet. Die Detektionsvorrichtung 16 ist dabei zum Empfang und Aussenden von Licht oder Fluoreszenzstrahlung ausgebildet .A device 10 according to the invention, shown schematically in FIG. 1 in a first exemplary embodiment, for displaying tissue changes during thermotherapy comprises a first emitter 12a for emitting a test light of a certain wavelength and a second emitter 12b for therapeutically changing the temperature of a tissue region by emitting therapeutic thermal radiation. The therapeutic heat radiation is suitable for causing structural changes in the irradiated tissue. The emitted test light has a wavelength <700 nm in a power range <10 mW. The heat radiation is generated by means of an ultrasound source, a cold source, a hot liquid or a microwave source. The first emitter 12a is arranged at a constant, predetermined and changeable distance from a detection device 16. The detection device 16 is designed to receive and emit light or fluorescent radiation.
Der erste Emitter 12a kann auch moduliertes Testlicht, insbesondere ein gepulstes Testlicht aussenden. Es ist auch denkbar, polarisiertes Testlicht und eine die Polarisation erhaltende Faser zu verwenden. Mit einer deratigen Anordnung kann zusätzlich eine Bestimmung auftretender Brechungsindizes durchgeführt werden.The first emitter 12a can also emit modulated test light, in particular a pulsed test light. It is also conceivable to use polarized test light and a fiber that maintains the polarization. With such an arrangement, it is also possible to determine the refractive indices that occur.
Die Detektionsvorrichtung 16 umfaßt einen Lichtwellenleiter 18 und ein Filtersystem 20 mit einem Lichtdetektor 24. Der Lichtwellenleiter 18 ist mittels eines Fasersteckers 20 an dem Filtersystem 22 angeordnet. Das dem Filtersystem 22 gegenüberlie- gende Ende des Lichtwellenleiters 18 liegt dem Emitter 12 beabstandet gegenüber. Dieses distale Ende des Lichtwellenleiters 18 ist plan poliert und kann unterschiedliche Ausgestaltungen zur Ausbildung verschiedener Detektionscharakteristika aufweisen. Es kann sich dabei um konische, sidefire, isotrope oder flache Ausbildungen des distalen Endes 34 handeln. Der Lichtwellenleiter 18 weist einen Kerndurchmesser von 400 μm auf.The detection device 16 comprises an optical waveguide 18 and a filter system 20 with a light detector 24. The optical waveguide 18 is arranged on the filter system 22 by means of a fiber connector 20. The end of the optical waveguide 18 opposite the filter system 22 is spaced opposite the emitter 12. This distal end of the optical waveguide 18 is polished flat and can have different configurations for the formation of different detection characteristics. These can be conical, sidefire, isotropic or flat configurations of the distal end 34. The optical waveguide 18 has a core diameter of 400 μm.
Das Filtersystem 22 besteht aus einem Interferenzfilter der Wellenlänge 635 ±10 nm und einem Kurzpassfilter der Wellenlänge 705 nm. Das Filtersystem kann aber auch derart geändert werden, daß die Messung von Fluoreszenz-Emissions-Spektren möglich ist. Der dem Filtersystem 22 nachgeschaltete Lichtdetektor 24 besteht üblicherweise aus einer Photodiode für den Nachweis der Photonen. Der Detektionsvorrichtung 16 ist eine Auswertevorrichtung 26 nachgeschaltet, wobei die gemessenen und ausgewerteten Signale als Abschaltkriterium für die thermische Quelle herangezogen werden können.The filter system 22 consists of an interference filter with a wavelength of 635 ± 10 nm and a short pass filter with a wavelength of 705 nm. However, the filter system can also be changed in such a way that the measurement of fluorescence emission spectra is possible. The light detector 24 connected downstream of the filter system 22 usually consists of a photodiode for the detection of the photons. An evaluation device 26 is connected downstream of the detection device 16, wherein the measured and evaluated signals can be used as a switch-off criterion for the thermal source.
Man erkennt, daß der erste Emitter 12a, der zweite Emitter 12b und die Detektionsvorrichtung 16, insbesondere der Lichtwellenleiter 18, in einer Positionier- und/oder Einstecheinheit 28 angeordnet sind. In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung 10 kann die Detektionsvorrichtung 16 in dem Emitter 12a ausgebildet sein.It can be seen that the first emitter 12a, the second emitter 12b and the detection device 16, in particular the optical waveguide 18, in a positioning and / or piercing unit 28 are arranged. In a further embodiment of the device 10, the detection device 16 can be embodied in the emitter 12a.
Mit Hilfe der Positioniereinheit 28 wird die Detektionsvorrichtung 16 in einem definierten Abstand bzw. einer definierten Geometrie zum Emitter 12a in das Gewebe eingestochen.With the aid of the positioning unit 28, the detection device 16 is pierced into the tissue at a defined distance or a defined geometry from the emitter 12a.
In einem ersten Verfahrensschritt a) sendet der Emitter 12a ein Testlicht bestimmter Wellenlänge, nämlich < 700 nm, in einem Leistungsbereich < 10 mW aus. Gleichzeitig sendet der zweite Emitter 12b eine therapeutische Wärmestrahlung in oder an ein zu behandelndes Gewebe 30 aus. Dieser Prozeß bewirkt eine Temperaturerhöhung, die wiederum über die Einwirkzeit strukturelle Ver- änderungen des Gewebes 30 erzeugt.In a first method step a), the emitter 12a emits a test light of a specific wavelength, namely <700 nm, in a power range <10 mW. At the same time, the second emitter 12b emits therapeutic heat radiation in or to a tissue 30 to be treated. This process causes an increase in temperature, which in turn produces structural changes in the tissue 30 over the exposure time.
Das Filtersystem 22 ist derart ausgestaltet, daß nur das Testlicht nachgewiesen wird. Die durch die thermische Einwirkung bewirkte Denaturierung von Proteinen bewirkt eine Weißfärbung des Gewebes 30. Dadurch verändern sich die optischen Eigenschaften des Gewebes, die sich in Intensitätsveränderungen des emittierten und gemessenen Testlichtes darstellen. Der Verlauf und die Höhe der Intensitätsveränderungen geben den Verlauf der Nekroseentwicklung wieder. Die von der Detektionsvorrichtung 16 gemessenen Daten werden dabei in der Auswertevorrichtung 26 verarbeitet .The filter system 22 is designed such that only the test light is detected. The denaturation of proteins caused by the thermal action causes the tissue 30 to turn white. This changes the optical properties of the tissue, which are reflected in changes in the intensity of the emitted and measured test light. The course and the amount of the intensity changes reflect the course of the development of necrosis. The data measured by the detection device 16 are processed in the evaluation device 26.
Das Testlicht kann in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens auch über den Lichtwellenleiter 18 der Detektionsvorrichtung 16 ausgesandt werden. Dabei werden die Veränderungen der Intensität des emittierten Testlichtes in der Umgebung des distalen Endes 34 des Lichtwellenleiters 18 aufgezeichnet. Zur Ausführung dieses weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens dient die in Figur 2 schematisch dargestellte weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Man erkennt, daß über das Filtersystem 22 Licht von einer Lichtquelle 14 in den Lichtwellenleiter 18 eingespeist wird. Die Lichtquelle 14 kann dabei aus einem Laser bestehen. Im Verfahrensschritt b) wird dabei das von dem Lichtwellenleiter 18 emittierte Licht gemessen, wobei die Wellenlänge des Testlichts derart gewählt sein kann, daß eine Fluoreszenzanregung an dem bestrahlten Gewebe erfolgt, die über die Detektionsvorrichtung 16 ermittelt und in der Auswertevorrichtung 26 verarbeitet wird.In a further embodiment of the method according to the invention, the test light can also be emitted via the optical waveguide 18 of the detection device 16. The changes in the intensity of the emitted test light in the Surrounding the distal end 34 of the optical waveguide 18 is recorded. The further embodiment of the device according to the invention shown schematically in FIG. 2 serves to carry out this further method according to the invention. It can be seen that light from a light source 14 is fed into the optical waveguide 18 via the filter system 22. The light source 14 can consist of a laser. In method step b), the light emitted by the optical waveguide 18 is measured, the wavelength of the test light being able to be selected in such a way that fluorescence is excited on the irradiated tissue, which is determined by the detection device 16 and processed in the evaluation device 26.
Figur 3 zeigt den prinzipiellen Verlauf der' Detektion einer strukturellen Gewebeveränderung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Man erkennt, daß bis zum Zeitpunkt t keine thermische Veränderung durch die Wärmestrahlung bewirkt wird. Der folgende Intensitätsanstieg zeigt die Veränderungen deutlich an. Zum Zeitpunkt t2 ist das Gewebe 30 im Bereich des Detektors komplett verändert, d.h. koaguliert.FIG. 3 shows the basic course of the detection of a structural tissue change according to the method according to the invention. It can be seen that no thermal change is brought about by the thermal radiation until time t. The following increase in intensity clearly shows the changes. At time t 2 , tissue 30 in the area of the detector is completely changed, ie coagulated.
Die Figuren 4a und 4b zeigen schematisch den Ablauf einer Thermotherapiebehandlung vom Gewebe 30 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10. Man erkennt, daß sich nach Einbringen der Vorrichtung in das Gewebe 30 und Aussenden der therapeutischen Wärmestrahlung bis zum Zeitpunkt tτ keine Gewebeveränderungen ergeben. Zu einem späteren Zeitpunkt t2 hat sich um den Emitter 12b ein nekrotisches Gewebe 32 gebildet. Das Gewebe 30 ist bis in dem Bereich des distalen Endes 34 des Lichtwellenleiters 18 verändert. Der Verlauf dieser Veränderung kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren (vgl . Figur 3) exakt erkannt und nachvollzogen werden. FIGS. 4a and 4b schematically show the course of a thermotherapy treatment of the tissue 30 according to the method according to the invention with the device 10 according to the invention. It can be seen that after the device has been introduced into the tissue 30 and the therapeutic heat radiation has been emitted, there are no tissue changes until the time t τ . At a later time t 2 , a necrotic tissue 32 has formed around the emitter 12b. The tissue 30 is changed up to the area of the distal end 34 of the optical waveguide 18. The course of this Change can be precisely recognized and reproduced with the method according to the invention (cf. FIG. 3).
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| WO2004019774A1 (en) * | 2002-08-30 | 2004-03-11 | Medizinisches Laserzentrum Lübeck GmbH | Method and device for the non-invasive determination of the temperature in biological tissue |
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