DE10065146A1 - Method for non-invasive 3D optical examination of skin and for the therapy of pathological changes ascertained treats melanomas with laser applications - Google Patents

Method for non-invasive 3D optical examination of skin and for the therapy of pathological changes ascertained treats melanomas with laser applications

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Abstract

An 80MHz femto-second laser (1) has an adapter (2) adjustable in x/y directions with an 800 nm wavelength NIR beam that uses an optical articulated arm (3) with reflective elements to enable effective transmission of laser pulses without dispersing the pulses. On a first reflective element in the arm there is a removable cover (4) for making simple adjustments in the arm. On the end of the arm a hand piece (5) has a scanner (11) with a scanner lens (10) for pinpointing a beam on a desired area of tissue, for scanning a region of interest and for performing a single line scan. An Independent claim is also included for a system for non-invasive 3D optical examination of skin and for the therapy of pathological changes ascertained.

Description

Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren und eine Anordnung zur nicht- invasiven optischen Untersuchung der Haut und von Hautanhangsgebil­ den, wie. z. B. Haare und Nägel, sowie zur Therapie dabei festgestellter pathologischer Veränderungen mittels Laserstrahlung.The invention includes a method and an arrangement for non- invasive optical examination of the skin and skin appendages the how. z. B. hair and nails, as well as for therapy pathological changes using laser radiation.

Vorzugsweise dienen das Verfahren und die Anordnung zur in vivo Un­ tersuchung von zellulären und subzellulären Strukturen und/oder zur Detektion von Fremdstoffen, wie Arzneimitteln oder kosmetischen Stoffen in der Haut und in Hautanhangsgebilden sowie zur Therapie von Melanomen durch selektive Bearbeitung melaninhaltiger Areale.The method and the arrangement are preferably used for in vivo application investigation of cellular and subcellular structures and / or Detection of foreign substances, such as pharmaceuticals or cosmetic Substances in the skin and in skin appendages as well as for the therapy of Melanoma through selective processing of areas containing melanin.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Anordnung zur nichtinvasiven dreidimensionalen optischen Darstellung von zellulären und subzellulären Strukturen sowie von Fremdstoffen in Haut und Hautanhangsgebilden sowie zur nichtinvasiven optischen Bearbeitung biologischer Strukturen mit hoher Präzision mittels Laserstrahlung.The invention relates to a method and to an arrangement for non-invasive three-dimensional optical representation of cellular and subcellular structures as well as foreign substances in the skin and Skin appendages and for non-invasive optical processing biological structures with high precision by means of laser radiation.

Die optische Untersuchung von Haut und Hautanhangsgebilden zum Zweck der Diagnostik sowie die Untersuchung der Anreicherung und Pharmakokinetik von Arzneien und kosmetischen Stoffen im Gewebe erfolgt bislang üblicherweise durch eine zweidimensionale Darstellung mittels Visualisierung mit dem Auge oder Kamerasystemen.The optical examination of skin and skin appendages for Purpose of diagnostics as well as the study of enrichment and Pharmacokinetics of drugs and cosmetic substances in tissues So far, this has usually been done by a two-dimensional representation using visualization with the eye or camera systems.

Um eine gewissermaßen "dreidimensionale" Untersuchung tieferer Schichten zu ermöglichen, wird im allgemeinen durch einen Arzt eine Gewebeprobe invasiv mechanisch entnommen (Biopsie) und durch geeig­ nete Schneidvorrichtungen in dünne Scheiben, sogenannte histologische Schnitte, zerlegt. Diese werden dann oftmals bestimmten Färbeprozedu­ ren unterworfen. Die histologischen Schnitte werden anschließend mit dem Mikroskop in Transmission, Reflexion oder Fluoreszenz beobachtet. Aus diesen Beobachtungen, die üblicherweise durch einen erfahrenen Pathologen vorgenommen werden, kann auf Art und Ausdehnung krank­ hafter Veränderungen geschlossen werden. Diese Art der Diagnostik nimmt im allgemeinen Stunden und Tage in Anspruch.A deeper, so to speak, "three-dimensional" investigation Allowing shifts is generally done by a doctor Tissue sample mechanically taken invasively (biopsy) and approved nete cutting devices in thin slices, so-called histological Cuts, disassembled. These are then often determined by the coloring procedure subject. The histological sections are then included observed under the microscope in transmission, reflection or fluorescence. From these observations, usually by an experienced  Pathologists can be made to get sick on type and extent changes are closed. This type of diagnosis generally takes hours and days.

Schnellere dreidimensionale Untersuchungen ohne Gewebeentnahme werden durch Ultraschall-Verfahren, die Verwendung ionisierender Strahlung oder starker Magnetfelder und auch durch optische Verfahren ermöglicht.Faster three-dimensional examinations without tissue extraction are made by ultrasound methods, the use of ionizing Radiation or strong magnetic fields and also by optical processes allows.

Optische 3D-Verfahren basieren auf der Absorption oder der Streuung in das Gewebe einfallender Strahlung. Die dreidimensionale nicht-invasive optische Untersuchung wird auch optische Tomographie oder optische Biopsie genannt. Ein derartiges optisches Verfahren mit räumlicher Auf­ lösung für eine nichtinvasive 3D-Gewebediagnostik ist die Optische Ko­ härenztomographie (OCT) (z. B.; J. Am. Acad. Dermatol. 37(1997)958; Proc. SPIE 3567(1999)70). Dieses bildgebende Verfahren basiert auf der Interferenz zwischen einem schwachen, vom Objekt remittierten (rückgestreuten bzw. reflektierten) Signal und einem starken Referenzsi­ gnal. In der britischen Patentanmeldung Nr. 9725014.6 ist eine OCT- Apparatur mit durchstimmbarer Tiefenauflösung für die nichtinvasive op­ tische Biopsie von Geweben beschrieben. Die Auflösung liegt in Abhän­ gigkeit von der Bandbreite der verwendeten Lichtquelle typischerweise im Bereich von einigen zehn Mikrometern bis zu einigen Millimetern. Die Aufnahmezeiten liegen im Sekunden- und Minutenbereich. Nachteilig ist auch die Beschränkung der Information auf den Informationsgehalt des schwachen remittierten Signals.Optical 3D processes are based on the absorption or scattering of radiation incident on the tissue. The three-dimensional non-invasive optical examination is also called optical tomography or optical biopsy. One such optical method with spatial resolution for non-invasive 3D tissue diagnostics is optical coherence tomography (OCT) (e.g., J. Am. Acad. Dermatol. 37 ( 1997 ) 958; Proc. SPIE 3567 ( 1999 ) 70 ). This imaging method is based on the interference between a weak signal remitted by the object (backscattered or reflected) and a strong reference signal. British patent application No. 9725014.6 describes an OCT apparatus with a tunable depth resolution for the non-invasive optical biopsy of tissues. Depending on the bandwidth of the light source used, the resolution is typically in the range from a few tens of micrometers to a few millimeters. The recording times are in the seconds and minutes range. Another disadvantage is the restriction of the information to the information content of the weak remitted signal.

Ein anderes nichtinvasives bildgebendes Verfahren basiert auf photoa­ kustischen Effekten. Diese werden durch lokale Absorption von optischer Strahlung (z. B. durch Blutgefäße) und damit verbundener geringer Tem­ peraturerhöhung und Druckwellengeneration erzeugt. Die Druckwellen können an der Gewebeoberfläche nachgewiesen werden. Akustische De­ tektoren geringer Abmessungen erlauben bei Einstrahlung im nahen infra­ roten Bereich (NIR) Auflösungen im Bereich von einigen hundert Mikro­ metern bis zehn Millimeter (z. B. Opt. Lett. 23(1998)648, Appl. Phys. Lett. 75(1999)1058). Das Verfahren ist besonders geeignet, Durchblutungsphänomene zu studieren. Empfindliche Fluoreszenzmessungen, ins­ besondere zum Studium der stofflichen Zusammensetzung des Gewebes mit zugleich hoher räumlicher Auflösung, sind mit diesen Verfahren nicht möglich.Another non-invasive imaging technique is based on photoacoustic effects. These are generated by local absorption of optical radiation (e.g. by blood vessels) and the associated low temperature increase and pressure wave generation. The pressure waves can be detected on the tissue surface. Acoustic detectors of small dimensions allow resolutions in the near infrared range (NIR) resolutions in the range of a few hundred micrometers to ten millimeters (e.g. Opt. Lett. 23 ( 1998 ) 648, Appl. Phys. Lett. 75 ( 1999 ) 1058). The method is particularly suitable for studying blood flow phenomena. Sensitive fluorescence measurements, especially for studying the material composition of the tissue with high spatial resolution, are not possible with these methods.

Bildgebende optische Verfahren zur Analyse von biologischen Geweben höherer räumlicher Auflösung im Bereich von einigen hundert Nanome­ tern bis einigen Mikrometern beruhen bislang auf der konfokalen Detek­ tion von Fluoreszenzstrahlung sowie von rückgestreuter Strahlung, soge­ nannter Remissionsstrahlung. Bei der konfokalen Detektion kommen räumliche Filter, sogenannte Lochblenden oder "Pinholes", zum Einsatz, die eine bevorzugte Detektion von Photonen aus der Fokusebene ermög­ lichen sollen. Typischerweise werden konfokale Laserscanning-Mikro­ skope eingesetzt. So wird in der Zeitschrift "Bioimaging" 4(1996)13 vom Einsatz von Laserscanning-Mikroskopen mit Laserwellenlängen von 365 nm und 488 nm berichtet, um Fluoreszenzen im Wellenlängenbereich über 515 nm in der normalen Haut zu detektieren. Dieses sogenannte Fluoreszenzimaging stellt eine sehr sensitive Methode dar, welche die Möglichkeit bietet, neben der Bilddarstellung von morphologischen Strukturen ("morphological imaging") auch eine funktionelle Bilddarstel­ lung ("functional imaging") (z. B. Funktionalität der Atmungsstoffkette und des Redoxverhaltens durch Fluoreszenzimaging reduzierter Coenzy­ me) zu ermöglichen. Von großem Nachteil ist jedoch hierbei der Einsatz von kurzwelliger Fluoreszenz-Anregungsstrahlung, da diese aufgrund ho­ her Absorptions- und Streukoeffizienten nur über eine geringe Eindring­ tiefe in biologisches Gewebe verfügt.Optical imaging methods for the analysis of biological tissues with a higher spatial resolution in the range from a few hundred nanometers to a few micrometers have hitherto been based on confocal detection of fluorescent radiation and of backscattered radiation, so-called reflective radiation. In the case of confocal detection, spatial filters, so-called pinholes or "pinholes", are used, which are intended to enable preferential detection of photons from the focal plane. Typically, confocal laser scanning microscopes are used. The journal "Bioimaging" 4 ( 1996 ) 13 reports on the use of laser scanning microscopes with laser wavelengths of 365 nm and 488 nm in order to detect fluorescence in the wavelength range above 515 nm in normal skin. This so-called fluorescence imaging represents a very sensitive method, which offers the possibility, in addition to the imaging of morphological structures ("morphological imaging"), also a functional imaging ("functional imaging") (e.g. functionality of the respiratory chain and the redox behavior through To enable fluorescence imaging of reduced coenzymes). However, the use of short-wave fluorescence excitation radiation is of great disadvantage since this has only a small penetration depth into biological tissue due to its high absorption and scattering coefficients.

Um Aussagen aus tieferen Schichten zu erhalten, werden vorteilhafter­ weise konfokale Mikroskope mit Laserstrahlung im roten oder nahen in­ fraroten (NIR) Spektralbereich verwendet. Da die Absorption bei Ver­ wendung von Strahlung geringer Intensität sehr gering ist und eine Fluo­ reszenz zelleigener Fluorophore nicht effektiv angeregt werden kann, wird lediglich die Remissionsstrahlung detektiert (J. Invest. Dermatol. 104 (1995)946; J. Invest. Dermatol. 113(1999)293; Urology 53(1999)853). Dabei sind schnelle Aufnahmen in Videobildfrequenz möglich (Appl. Opt. 38(1999)2105). Die Detektion der Remissionsstrahlung ermöglicht jedoch nur einen limitierten Informationsgewinn, der lediglich aus Brechzahlun­ terschieden innerhalb des Gewebes resultiert. Dennoch wurde beobachtet, daß Melanin infolge einer erhöhten Rückstreuung einen hohen Kontrast gegenüber der umliegenden Matrix verursacht und so detektiert werden kann (Journal of Investigative Dermatology 104(1996)946).In order to obtain information from deeper layers, confocal microscopes with laser radiation in the red or near in the infrared (NIR) spectral range are advantageously used. Since the absorption when using low-intensity radiation is very low and a fluorescence of the cell's own fluorophores cannot be effectively stimulated, only the reflective radiation is detected (J. Invest. Dermatol. 104 ( 1995 ) 946; J. Invest. Dermatol. 113 ( 1999 ) 293; Urology 53 ( 1999 ) 853). Fast recordings in video frame rate are possible (Appl. Opt. 38 ( 1999 ) 2105). However, the detection of the remission radiation allows only a limited information gain, which only results from differences in refractive index within the tissue. Nevertheless, it was observed that melanin, due to increased backscatter, causes a high contrast to the surrounding matrix and can thus be detected (Journal of Investigative Dermatology 104 ( 1996 ) 946).

Ein genereller Nachteil der konfokalen Detektion von Gewebebestandtei­ len ist zudem die geringe Photonenzahl, die pro Zeiteinheit durch den räumlichen Filter auf den Detektor gelangt. Zudem ist infolge Mehrfach­ streuung eine genaue Zuordnung der detektierten Photonen zur Foku­ sebene nicht möglich.A general disadvantage of confocal detection of tissue components len is also the small number of photons, which is per unit time through the spatial filter reaches the detector. In addition, due to multiple scatter an exact assignment of the detected photons to the focus level not possible.

Ein neueres Verfahren ist die sogenannte Multiphotonen-Laserscanning- Fluoreszenzmikroskopie, bei der durch Zwei- und Dreiphotonenanregung unter Verwendung von Laserstrahlung hoher Lichtintensität im geringen Fokusvolumen eines Mikroskopobjektivs mit Strahlung im Spektralbe­ reich des Nahen Infrarot (NIR) sichtbare Fluoreszenzen räumlich aufge­ löst detektiert werden können (Patent US 5.034.613). Im Gegensatz zur konfokalen Mikroskopie wird bei der Multiphotonen-Mikroskopie ein sehr kleines Fluoreszenzanregungsvolumen genutzt. Die detektierten Fluoreszenzphotonen können diesem Volumen zugeordnet werden, womit die Notwendigkeit einer konfokalen Detektion entfällt. Neben der Mes­ sung der Fluoreszenzintensität, wurde über die Aufnahme zeitaufgelöster Zweiphotonen-angeregter Fluoreszenzen an einzelnen isolierten Zellen auf einem Glasfenster berichtet (J. Microsc. 183(1996)197). Um die er­ forderlichen hohen Lichtintensitäten zu erreichen, werden typischerweise Femtosekundenpulse hoher Peakleistung, aber moderater, über die Zeit gemittelter mittlerer Leistung eingesetzt. Eine geeignete Laserquelle stellt der Titan-Saphir-Laser hoher Repititionsrate dar. Üblicherweise werden die Fluorophore über einen nicht-resonanten Prozeß angeregt, bei dem im Fall einer Zweiphotonen-Anregung durch simultane Absorption von zwei Photonen die Fluoreszenz induziert wird und jedes Photon die Hälfte der notwendigen Anregungsenergie bereitstellt. Dagegen wurde in Untersu­ chungen an synthetischem Melanin beschrieben, daß das Pigment über ei­ nen resonanten Prozeß, einen Zweistufen-Prozeß, mittels NIR-Femtose­ kundenpulsen angeregt werden konnte. Zudem wurde ein Zweiphotonenangeregtes Autofluoreszenz-Spektrum einer extrahierten Hautprobe mit­ tels Femtosekundenlaser und Spektrometer beschrieben, was möglicher­ weise auf einer Melanin-Fluoreszenz basieren könnte (Photochem. Pho­ tobiol. 73(1999)146). Jedoch emittieren auch andere zelleigene Fluoro­ phore in diesem Bereich. Eine ortsaufgelöste Messung findet dabei nicht statt. Als Autofluoreszenz wird diejenige Fluoreszenz bezeichnet, die auf der Anregung körpereigener (endogener) Fluorophore basiert.A newer method is the so-called multiphoton laser scanning fluorescence microscopy, in which visible fluorescence can be detected in a spatially resolved manner by means of two- and three-photon excitation using laser radiation of high light intensity in the low focus volume of a microscope objective with radiation in the spectral range of the near infrared (NIR). Patent US 5,034,613). In contrast to confocal microscopy, multiphoton microscopy uses a very small volume of fluorescence excitation. The detected fluorescence photons can be assigned to this volume, which eliminates the need for confocal detection. In addition to measuring the fluorescence intensity, the recording of time-resolved two-photon-excited fluorescence on isolated cells was reported on a glass window (J. Microsc. 183 ( 1996 ) 197). In order to achieve the required high light intensities, femtosecond pulses with high peak power are typically used, but more moderate, average power averaged over time. A suitable laser source is the titanium sapphire laser with a high repetition rate. The fluorophores are usually excited via a non-resonant process in which, in the case of two-photon excitation, the fluorescence is induced by simultaneous absorption of two photons, and each photon is half of that provides the necessary excitation energy. In contrast, it was described in studies on synthetic melanin that the pigment could be stimulated by means of a resonant process, a two-stage process, using NIR femtose customer pulses. In addition, a two-photon-excited autofluorescence spectrum of an extracted skin sample using a femtosecond laser and spectrometer was described, which could possibly be based on melanin fluorescence (Photochem. Photobiol. 73 ( 1999 ) 146). However, other cell-specific fluorophores also emit in this area. A spatially resolved measurement does not take place. Autofluorescence is the fluorescence that is based on the stimulation of the body's own (endogenous) fluorophores.

In den Publikationen Biophys. J. 72(1997)2405 und Ann. N. Y. Acad. Sci. 838(1998)58 wurde berichtet, daß mit Hilfe eines Multiphotonen-Laser­ scanning-Mikroskops, basierend auf der Einkopplung eines mittels eines Argonionen-Laser gepumpten modensynchronisierten Titan-Saphir-Lasers in ein inverses Mikroskop "Axiovert 35" der Firma Zeiss, die Zweiphotonen-angeregte NADH-Fluoreszenz von Zellen in normaler Haut in vivo räumlich erfaßbar ist. Pathologische Veränderungen der Haut wurden nicht untersucht. Die Anordnung, die auf der Verwendung eines Mikroskops basiert, ist für die in vivo Untersuchung von Patienten zum Zweck der Diagnostik pathologischer Veränderungen nicht geeignet. Eine Bearbeitung von biologischen Strukturen wurde mit dieser Anordnung nicht durchgeführt.In the publications Biophys. J. 72 ( 1997 ) 2405 and Ann. NY Acad. Sci. 838 ( 1998 ) 58 it was reported that with the aid of a multiphoton laser scanning microscope, based on the coupling of a mode-synchronized titanium-sapphire laser pumped by means of an argon ion laser into an inverted microscope "Axiovert 35 " from Zeiss, the two-photons -excited NADH fluorescence of cells in normal skin is spatially detectable in vivo. Pathological changes in the skin have not been investigated. The arrangement, which is based on the use of a microscope, is not suitable for the in vivo examination of patients for the purpose of diagnosing pathological changes. No processing of biological structures was carried out with this arrangement.

Die Laserbearbeitung von biologischen Strukturen erfolgt im allgemeinen bislang mit Systemen hoher oder mittlerer Laserleistung und mit kontinu­ ierlich emittierenden (cw) Lasern oder gepulsten Systemen geringer Repititionsrate und einer Pulsdauer von Nanosekunden oder länger. Typi­ scherweise basiert die Gewebebearbeitung auf thermischen Prozessen oder auf einem oberflächigen Abtragen mit einem Laser geringer Ein­ dringtiefe, wie den CO2-Laser oder den im ultravioletten Bereich arbei­ tenden Excimerlaser. Obwohl durch die Wahl einer Laserwellenlänge und der Pulsdauer in Abhängigkeit vom Absorptionsvermögen und der Tar­ getgröße eine selektive Zerstörung auch tiefliegender Targets, z. B. Blut­ gefäße und Melanosomen, erreicht werden kann, ist auch bei dieser so­ genannten selektiven Thermolyse (Science 220(1983)524) eine hohe Präzision nicht gegeben. Zudem ist die Kombination mit einer 3D- Fluoreszenzdiagnostik zum Zweck der Lokalisation des Targets nicht be­ kannt. Up to now, laser processing of biological structures has generally been carried out with systems of high or medium laser power and with continuously emitting (cw) lasers or pulsed systems with a low repetition rate and a pulse duration of nanoseconds or longer. Typically, tissue processing is based on thermal processes or on a surface ablation with a laser with a low penetration depth, such as the CO 2 laser or the excimer laser working in the ultraviolet range. Although through the choice of a laser wavelength and the pulse duration depending on the absorption capacity and the target size, a selective destruction of deep-lying targets, e.g. B. blood vessels and melanosomes can be achieved, even with this so-called selective thermolysis (Science 220 ( 1983 ) 524) high precision is not given. In addition, the combination with 3D fluorescence diagnostics for the purpose of localizing the target is not known.

Ein laserchirurgisches Verfahren hoher Präzision zur Bearbeitung intra­ zellulärer Strukturen, insbesondere zur Dissektion von Chromosomen, mittels Ultrakurzpulslaser im NIR-Bereich ist dagegen in DE 19 19 345 A1 und in der Publikation Cell. Mol Biol. 45(1999)195 beschrieben wor­ den. Dieses Verfahren beinhaltet die Bearbeitung von biologischen Nanostrukturen innerhalb einer Zelle und erfaßt nicht den diagnostischen Bereich.A high-precision laser surgical method for processing intra-cellular structures, in particular for the dissection of chromosomes, using ultrashort pulse lasers in the NIR range, on the other hand, is described in DE 19 19 345 A1 and in the publication Cell. Mol Biol. 45 ( 1999 ) 195 described the. This procedure involves the processing of biological nanostructures within a cell and does not cover the diagnostic area.

Eine Anordnung zur optischen Mikromanipulation, Analyse und Bearbei­ tung von Objekten mittels sichtbarer und NIR-Strahlung wurde in DE 197 19 344 A1 beschrieben. Sie zeichnet sich durch eine Umschaltung vom kontinuierlich emittierenden Laserbetrieb (cw-Modus) in den gepulsten Laserbetrieb aus und ist nicht für die Untersuchung und Bearbeitung pa­ thologischer Veränderungen vorgesehen.An arrangement for optical micromanipulation, analysis and processing Treatment of objects by means of visible and NIR radiation was described in DE 197 19 344 A1 described. It is characterized by a switchover from continuously emitting laser operation (cw mode) in the pulsed Laser operation off and is not pa for examination and processing proposed changes in theology.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Laseranordnung und eines Verfahrens zur nicht-invasiven, dreidimensionalen optischen Unter­ suchung mit subzellulärer Auflösung zum Zweck der Diagnostik und Therapiekontrolle sowie zur nichtinvasiven hochpräzisen Bearbeitung von pathologischen Veränderungen der Haut und Hautanhangsgebilden, die für den Einsatz am Patienten geeignet ist und welche auch die Unter­ suchung der Anreicherung und Pharmakokinetik von Arzneien und kos­ metischen Substanzen in biologischen Geweben erlaubt und insbesondere die dreidimensionale Lokalisation von Melanomen und deren gezielte nicht-invasive Zerstörung ohne Beeinträchtigung benachbarter nicht- pigmentierter Gewebeareale ermöglicht.The object of the invention is to provide a laser arrangement and a method for non-invasive, three-dimensional optical sub search with subcellular resolution for the purpose of diagnostics and Therapy control and for non-invasive high-precision processing of pathological changes in the skin and appendages, the is suitable for use on patients and which also the sub search for the enrichment and pharmacokinetics of drugs and kos Metic substances in biological tissues allowed and in particular the three-dimensional localization of melanoma and its targeted non-invasive destruction without affecting neighboring non- pigmented tissue areas.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen beschriebene Er­ findung gelöst.This object is achieved by the He described in the claims solution solved.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anordnung sind geeignet, eine nichtinvasive dreidimensionale "optische Biopsie" ho­ her Auflösung zum Zweck der Diagnostik und der Therapiekontrolle zu erstellen sowie die Anreicherung und Pharmakokinetik von Arzneien und kosmetischen Substanzen im Gewebe zu untersuchen. Sie eignen sich auch für die Erkennung sowie die genaue Lokalisation und Ausdehnung von pathologischen Veränderungen von Haut und Hautanhangsgebilden, wie z. B. Melanom, Psoriasis, Pigmentstörungen, Fremdkörpereinlagerun­ gen, Wunderkrankungen, Akne, Pilz- und bakteriellen Erkrankungen. Zu­ dem ermöglichen die Anordnung und das Verfahren eine nicht-invasive Gewebebearbeitung hoher Präzision einschließlich der Inaktivierung ein­ zelner multizellulärer Gewebebereiche und einzelner Zellen. Die Bearbei­ tung kann auch im Inneren von Geweben ohne Beeinträchtigung umlie­ gender Gewebepartien und ohne Zerstörung der Gewebeoberfläche erfol­ gen. Das Verfahren und die Anordnung sind insbesondere geeignet, Me­ lanome geringer Ausdehnung zu erkennen und mit hoher räumlicher Auf­ lösung zu lokalisieren sowie selektiv, unmittelbar und irreversibel zu schädigen.The inventive method and the inventive arrangement are suitable for a non-invasive three-dimensional "optical biopsy" resolution for the purpose of diagnostics and therapy control create as well as the enrichment and pharmacokinetics of drugs and investigate cosmetic substances in tissue. They are suitable also for the detection as well as the exact localization and extension  of pathological changes in the skin and skin appendages, such as B. melanoma, psoriasis, pigment disorders, foreign body storage genes, wound diseases, acne, fungal and bacterial diseases. to the arrangement and the method enable a non-invasive High precision tissue processing including inactivation cellular multicellular tissue areas and single cells. The processing device can also be applied to the interior of tissues without impairment gender tissue sections and without destroying the tissue surface The method and the arrangement are particularly suitable, Me lanomas of small extent can be recognized and with a high spatial localize solution as well as selectively, immediately and irreversibly damage.

Erfindungsgemäß wird zur nicht-invasiven optischen 3D-Diagnostik und Bearbeitung pathologischer Gewebeveränderungen fokussierte Strahlung im Spektralbereich von 700 nm bis 1200 nm, bestehend aus Femtosekun­ den-Pulsen oder Pikosekunden-Pulsen einer in Abhängigkeit von der Gewebetiefe, dem Pigmentierungsgrad und dem Bestrahlungsziel (Diagnostik oder Bearbeitung) geeignet veränderbaren Pulsleistung, ein­ gesetzt, die bei Lichtintensitäten in der Größenordnung von Gigawatt pro Quadratzentimeter nichtresonante und resonante Multiphotonen- Fluoreszenzanregungen spezifischer endogener Fluorophore, insbesondere Melanin, hervorrufen, die in Kombination mit einer Scanningeinheit und verstellbarer Fokusebene ein dreidimensionales Imaging von Gewebe ermöglichen, und anhand der räumlichen Anordnung der Autofluoreszenz- Intensität und der Autofluoreszenz-Lebensdauer eine Unterscheidung von bestimmtem pathologischen und gesunden Gewebe sowie der Wirkung von Pharmaka und kosmetischen Stoffen ermöglichen, eine Fluoreszenzanregung bestimmter Substanzen in den Pharmaka und kos­ metischen Stoffen hervorrufen, sowie durch Pulsleistungerhöhung und einer Intensität in der Größenordnung von Terawatt pro Quadratzentime­ ter eine selektive unmittelbare Zerstörung einzelner Zellen und einzelner Gewebeareale ermöglicht, ohne umgebende Gewebeareale irreversibel zu schädigen. According to the invention for non-invasive optical 3D diagnostics and Treatment of pathological tissue changes focused radiation in the spectral range from 700 nm to 1200 nm, consisting of Femtosekun the pulses or picosecond pulses depending on the Tissue depth, the degree of pigmentation and the radiation target (Diagnostics or processing) suitably changeable pulse power, a set at light intensities in the order of gigawatts per Square centimeters of non-resonant and resonant multiphoton Fluorescence excitations of specific endogenous fluorophores, in particular Melanin, which in combination with a scanning unit and adjustable focal plane a three-dimensional imaging of tissue enable, and based on the spatial arrangement of the autofluorescence A distinction of intensity and the autofluorescence lifespan certain pathological and healthy tissue as well as the effect of pharmaceuticals and cosmetic substances enable a Fluorescence excitation of certain substances in pharmaceuticals and cos cause metallic substances, as well as by increasing pulse power and an intensity on the order of terawatts per square centimeter selective selective destruction of individual cells and individual cells Tissue areas allows to irreversible without surrounding tissue areas damage.  

Erfindungsgemäß kommt eine Anordnung zur Diagnostik und Bearbeitung zum Einsatz, die aus einem kompakten Femtosekunden-Laser oder Piko­ sekunden-Laser mit einer Laserwellenlänge im Bereich 700 nm bis 1200 nm, einem Strahlführungssystem in Form eines optischen Gelenkarmes mit reflektierenden Elementen, einem speziellen Handstück mit Scanner und fokussierender Optik der numerischen Apertur größer 0,4 und moto­ risch verstellbarer Fokusebene, einem in Abhängigkeit von der Gewebe­ tiefe, dem Pigmentierungsgrad und dem Bestrahlungsziel (Diagnostik oder Bearbeitung) motorisch verstellbaren Strahlabschwächer, einem per Fuß­ schalter bedienbaren Schaltelement, verschiedenen Detektoren und Opti­ ken sowie einer Steuer-, Kontroll- und Auswerteeinheit besteht.According to the invention there is an arrangement for diagnosis and processing used from a compact femtosecond laser or pico second laser with a laser wavelength in the range 700 nm to 1200 nm, a beam guidance system in the form of an optical articulated arm with reflective elements, a special handpiece with scanner and focusing optics of the numerical aperture greater than 0.4 and moto rically adjustable focal plane, one depending on the tissue depth, the degree of pigmentation and the radiation target (diagnosis or Machining) motor-adjustable beam attenuator, one by foot switch-operated switching element, various detectors and opti ken as well as a control, control and evaluation unit.

Überraschenderweise wurde in eigenen Forschungen gefunden, daß durch Multiphotonenanregung mittels 800 Nanometer-Femtosekunden-Laserim­ pulsen von endogenen (zelleigenen) Fluorophoren im normalen und pathologischen Gewebe deutliche Unterschiede auftreten, die für eine nichtinvasive Diagnostik hoher räumlicher Auflösung genutzt werden können. Insbesondere konnte bei der dreidimensionalen optischen Unter­ suchung von Melanomen, das Pigment Melanin durch von Multiphotonen angeregte Autofluoreszenz mit hoher Auflösung auch in der Gewebetiefe selektiv detektiert werden. Zudem war der Nachweis von Pharmaka und von kosmetischen Erzeugnissen in der Haut sowie deren Auswirkungen im Gewebe mit subzellulärer Auflösung möglich.Surprisingly, it was found in our own research that through Multiphoton excitation using an 800 nanometer femtosecond laser pulsing of endogenous (cellular) fluorophores in normal and pathological tissues significant differences occur for a non-invasive diagnostics of high spatial resolution can be used can. In particular, the three-dimensional optical sub Search for melanoma, the pigment melanin by multiphotons excited autofluorescence with high resolution even in tissue depth be selectively detected. In addition, the detection of pharmaceuticals and of cosmetic products in the skin and their effects possible in tissue with subcellular resolution.

Interessanterweise wurde beobachtet, daß durch eine geeignete Erhöhung der Laserintensität bei gleicher Wellenlänge und Pulsdauer erreicht wer­ den konnte, daß Zerstörungseffekte nur in den melaninhaltigen Gewebe­ bereichen auftraten, nicht jedoch in den umgebenden nicht-pigmentierten Zellen. Durch eine geeignete Lichtintensitäts-Einstellung konnte in Kom­ bination mit einer Scanning-Einrichtung, die ein Abrastern des Gewebes mit dem fokussierten Laserstrahl ermöglichte, an einem extrahierten Me­ lanom demonstriert werden, daß eine selektive zelltoxische Wirkung im Gewebeinneren erreicht werden konnte, wobei pigmentierte Zellen unmit­ telbar zerstört und nicht-pigmentierte Zellen ungeschädigt belassen wur­ den. Wurde die Laserintensität weiter erhöht, konnten auch nicht-pigmen­ tierte Zellen unmittelbar irreversibel geschädigt und Zellmaterial abgetragen (ablatiert) werden. Wurde der Strahl nur auf eine Zelle innerhalb ei­ nes Gewebeverbandes gerichtet, konnte diese eine Zelle selektiv zerstört werden, ohne umliegende Zellen irreversibel zu schädigen.Interestingly, it was observed that by a suitable increase the laser intensity at the same wavelength and pulse duration that could only have destructive effects in the melanin-containing tissues areas occurred, but not in the surrounding non-pigmented areas Cells. With a suitable light intensity setting, Com combination with a scanning device that scans the tissue with the focused laser beam, on an extracted Me lanom be demonstrated that a selective cell toxic effect in Tissue interior could be reached, with pigmented cells immediately was destroyed and non-pigmented cells were left undamaged the. If the laser intensity was increased further, non-pigmentation could also occur cells immediately irreversibly damaged and cell material removed  (ablated). If the beam was only on one cell within one directed a tissue bandage, this could selectively destroy a cell without irreversibly damaging surrounding cells.

Dem Destruktionsprozeß liegt ein sogenannter optischer Durchbruch und Plasmabildung zugrunde, bei dem durch Multiphotonen-Ionisation freie Elektronen und Biomolekül-Ionenrümpfe erzeugt werden. Dieser Prozeß kann für eine Materialablation genutzt werden. Da bei Verwendung von Fokussieroptik hoher numerischer Apertur nur in dem Zentralteil des Submikrometer-Beleuchtungspots ausreichende Laserintensitäten zur Verfügung stehen, kann die selektive hochpräzise Bearbeitung ohne Beinträchtigung benachbarter Gewebeareale ermöglicht werden. Da of­ fenbar die Schwelle für den optischen Durchbruch vom Pigmentierungs­ grad abhängt, können melaninhaltige Zellen auch bei einem gleichmäßi­ gen Abrastern des Gewebes selektiv zerstört werden. So wird ein selekti­ ves, nichtinvasives "Knocking-out" von einzelnen Melanom-Zellen möglich.The process of destruction is a so-called optical breakthrough and Underlying plasma formation in which free by multiphoton ionization Electrons and biomolecule ion cores are generated. This process can be used for material ablation. Because when using Focusing optics with high numerical aperture only in the central part of the Submicron lighting spots sufficient laser intensities for Selective high-precision machining can be available without Impairment of adjacent tissue areas are made possible. Because of The threshold for the optical breakthrough of pigmentation can be opened depends on the degree, melanin-containing cells can also be selectively destroyed by scanning the tissue. So a selekti ves, non-invasive knocking-out of individual melanoma cells possible.

Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläu­ tert. Von den beigefügten Abbildungen bzw. Zeichnungen illustrieren die Fig. 1 bis 6 das erfindungsgemäße Verfahren und dessen Wirksamkeit sowie die Fig. 7 und 8 zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung:The invention will be explained in more detail below using exemplary embodiments. . In the accompanying illustrations or drawings, Figures 1 to 6 illustrate the method of the invention and its effectiveness, as well as Figures 7 and 8 show two embodiments of the arrangement according to the invention.:

Die Abb. 1A und 1B zeigen Autofluoreszenzaufnahmen von normaler Haut eines gesunden Probanden aus 15 µm (A) und 45 µm (B) Gewebe­ tiefe mit Submikrometerauflösung. Figures 1A and 1B show autofluorescence images of normal skin of a healthy subject from 15 µm (A) and 45 µm (B) tissue depth with submicron resolution.

Abb. 2 zeigt Autofluoreszenz-Aufnahmen der Haut eines Patienten mit einer Pilzerkrankung am Vorderarm. Fig. 2 shows autofluorescence images of the skin of a patient with a fungal disease on the forearm.

Die Abb. 3A und 3B zeigen die Autofluoreszenz eines Melanoms in ver­ schiedener Gewebetiefe. Figures 3A and 3B show the autofluorescence of a melanoma at different tissue depths.

Die Abb. 4A und 4B von Kryostatschnitten eines Melanoms in Transmis­ sion (A) und Autofluoreszenz (B) demonstrieren deutlich die dominante Melanin-Fluoreszenz in den pigmentierten Bereichen gegenüber der Au­ tofluoreszenz pigmentfreier Gewebeareale. Fig. 4A and 4B of cryostat sections of a melanoma in transmission (A) and autofluorescence (B) clearly demonstrate the dominant melanin fluorescence in the pigmented areas compared to the autofluorescence of pigment-free tissue areas.

Fig. 5 zeigt beispielhaft Fluoreszenzabklingkurven von melaninhaltigem Gewebe im Vergleich zu pigmentfreiem Gewebe. Fig. 5 shows an example of fluorescence decay melaninhaltigem tissue as compared to pigment-free tissue.

Die Abb. 6A und 6B zeigen die irreversible Schädigung melaninhaltiger Gewebebereiche durch intensive Femtosekunden-Laserimpulse. Figures 6A and 6B show the irreversible damage to tissue areas containing melanin due to intense femtosecond laser pulses.

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung. Fig. 7 shows an embodiment of the inventive arrangement.

Fig. 8 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform von Fig. 7. FIG. 8 shows a modification of the embodiment of FIG. 7.

Die Abb. 1 und 2 verdeutlichen, daß eine Unterscheidung von gesundem Gewebe und pathologischem Gewebe anhand der räumlichen Verteilung der Autofluoreszenz-Intensität möglich ist. Die Autofluoreszenz im sicht­ baren Spektralbereich wurde durch Einstrahlung von 170 Femtosekunden- Laserimpulsen der NIR-Wellenlänge von 800 nm, einer Pulsfolgefrequenz von 80 MHz und einer mittleren Leistung an der Hautoberfläche im Be­ reich von 1 mW bis 2 mW an der Oberfläche und bis zu 50 mW in der Gewebetiefe zunächst an Haut und Hautanhangsgebilden eines gesunden Probanden angeregt und mit einer Bildaufnahmezeit von 16 Sekunden bildgebend dreidimensional dargestellt. Die Strahlung wurde durch Fo­ kussierungsoptik mit einem Arbeitsabstand größer 150 µm in verschiede­ ne Schichten der Haut fokussiert und die Pulsleistung mit zunehmender Gewebetiefe erhöht. Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, welche die Au­ tofluoreszenz normaler Haut in einer Gewebetiefe von 15 µm (Abb. 1A) und 45 µm (Abb. 1B) darstellt, können mit subzellulärer Auflösung ein­ zelne Zellen und fluoreszierende Zellbestandteile in verschiedenen Schichten der normalen Haut detektiert werden. Insbesondere wurde die Fluoreszenz der Koenzyme NAD(P)H und Flavin angeregt. Deutlich sind die einzelnen Zellen einschließlich der nicht-fluoreszierenden Zellkerne zu erkennen. Typische durch 800 nm angeregte Fluorophore sind die re­ duzierten Koenzyme NADH und NADPH, sowie Flavine, Kollagen, Elastin, Keratin, Lipofuszin, metallfreie und zinkhaltige Porphyrine. Wäh­ rend im Stratum corneum die Zellgrenzen eine deutliche Autofluoreszenz zeigen, fluoreszieren in darunterliegenden Schichten vorwiegend Zellor­ ganellen, insbesondere Mitochondrien, sowie Bindegewebsbestandteile. Figures 1 and 2 illustrate that it is possible to differentiate between healthy tissue and pathological tissue based on the spatial distribution of the autofluorescence intensity. The autofluorescence in the visible spectral range was achieved by irradiation of 170 femtosecond laser pulses of the NIR wavelength of 800 nm, a pulse repetition frequency of 80 MHz and an average power on the skin surface in the range of 1 mW to 2 mW on the surface and up to 50 mW in the tissue depth initially stimulated on the skin and appendages of a healthy subject and displayed in three dimensions with an image acquisition time of 16 seconds. The radiation was focused by focusing optics with a working distance greater than 150 µm in different layers of the skin and the pulse power increased with increasing tissue depth. As can be seen from Fig. 1, which shows the autofluorescence of normal skin in a tissue depth of 15 microns ( Fig. 1A) and 45 microns ( Fig. 1B), individual cells and fluorescent cell components in different layers of the can with subcellular resolution normal skin can be detected. In particular, the fluorescence of the coenzymes NAD (P) H and Flavin was stimulated. The individual cells including the non-fluorescent cell nuclei are clearly visible. Typical fluorophores excited by 800 nm are the reduced coenzymes NADH and NADPH, as well as flavine, collagen, elastin, keratin, lipofuscin, metal-free and zinc-containing porphyrins. While the cell boundaries show a clear autofluorescence in the stratum corneum, mainly cell organs, especially mitochondria, and connective tissue components fluoresce in the layers below.

Pathologische Veränderungen führen zu deutlich verschiedenen Au­ tofluoreszenzaufnahmen, wie die Abb. 2 anhand eines Patienten mit einer Pilzerkrankung am Unterarm, demonstriert. Neben den bekannten mor­ phologischen Änderungen des Stratum corneums konnten überraschen­ derweise in diesem Krankheitsfall eine auffällige Autofluoreszenz im Zentralteil der Zellen beobachtet werden, die eine deutliche Abgrenzung von umgebendem Normalgewebe ermöglichte.Pathological changes lead to clearly different autofluorescence images, as shown in Fig. 2 using a patient with a fungal disease on the forearm. In addition to the known morphological changes in the stratum corneum, it was surprising to see a conspicuous autofluorescence in the central part of the cells in this case, which made it possible to clearly differentiate from surrounding normal tissue.

Nicht nur morphologische Änderungen von Gewebestrukturen und eine unterschiedliche Biosynthese von endogenen Fluorophoren können für die verschiedenen Autofluoreszenzen von bestimmten pathologischen Geweben und gesundem Gewebe verantwortlich sein, sondern auch Un­ terschiede im Stoffwechselzustand und im intrazellulären Redoxverhalten. Diese können zum Beispiel durch Detektion der am Atmungsstoffwechsel wesentlich beteiligten Koenzyme NADH und NADPH erfaßt werden, die nur im reduzierten, nicht aber im oxidierten Zustand (NAD, NADP) fluoreszieren und deren Detektion ein "functional imaging" ermöglichen.Not just morphological changes to tissue structures and a Different biosynthesis of endogenous fluorophores can be used for different autofluorescence from certain pathological Tissues and healthy tissue may be responsible, but also Un differences in metabolic state and intracellular redox behavior. This can be done, for example, by detection of the respiratory metabolism significantly involved coenzymes NADH and NADPH are detected, the only in the reduced, but not in the oxidized state (NAD, NADP) fluoresce and their detection enable "functional imaging".

Die intensive NIR-Fluoreszenzanregungsstrahlung im Femtosekundenbe­ reich kann zudem für die Untersuchung von Haarwurzeln, Pilzbefall von Nägeln, die Detektion von porphyrinproduzierenden Bakterien - wie z. B. Propionibacterium acnes- sowie von anormaler Akkumulation von Kera­ tin, Kollagen und Elastin genutzt werden.The intense NIR fluorescence excitation radiation in the femtosecond range rich can also be used for the investigation of hair roots, fungal attack by Nails, the detection of porphyrin-producing bacteria - such as B. Propionibacterium acnes and abnormal accumulation of Kera tin, collagen and elastin can be used.

Intrazelluläres Melanin konnte bei Verwendung einer Wellenlänge von 800 nm mit deutlich geringeren Pulsleistungen zur Fluoreszenz angeregt werden als andere endogene Fluorophore, wie NADH und Flavine. Durch eine geeignete Einstellung der Pulsleistung, konnte eine nahezu selektive Darstellung des Melanins im pigmentierten Gewebe ermöglicht werden. Mittels 3D-Imaging der Fluoreszenzintensität konnte der pigmentierte Be­ reich von dem nicht-pigmentierten Gewebearealen mit subzellulärer Auf­ lösung deutlich abgegrenzt werden. Die Abb. 3A und 3B zeigen fluoreszierende Melanin-Cluster in verschiedenen Gewebetiefen eines Melanoms (SSM = superficial spreading melanom), die durch Anregung mit 170 Femtosekunden-Laserpulsen einer mittleren Wellenlänge von 800 nm er­ stellt wurden.When using a wavelength of 800 nm, intracellular melanin could be excited to fluoresce with significantly lower pulse powers than other endogenous fluorophores such as NADH and Flavine. Appropriate adjustment of the pulse power enabled an almost selective display of the melanin in the pigmented tissue. Using 3D imaging of the fluorescence intensity, the pigmented area could be clearly differentiated from the non-pigmented tissue areas with subcellular resolution. FIGS. 3A and 3B show fluorescent melanin clusters in different tissue depths of a melanoma (SSM = superficial spreading melanoma), which were created by excitation with 170 femtosecond laser pulses with an average wavelength of 800 nm.

Die Abb. 4, welche Kryoschnitte dieses extrahierten Melanoms in Transmission (A) und Fluoreszenz (B) zeigt, belegt, daß die nichtlinear angeregte Fluoreszenz bevorzugt aus den melaninhaltigen Gewebsberei­ chen stammt und sich deutlich von der umgebenden Autofluoreszenz pigmentfreier Zellen unterscheidet. Fig. 4, which shows cryosections of this extracted melanoma in transmission (A) and fluorescence (B), shows that the non-linearly excited fluorescence preferably comes from the melanin-containing tissue areas and differs significantly from the surrounding autofluorescence of pigment-free cells.

Eine andere Form der Unterscheidung von pathologischem und gesundem Gewebe ist durch die 3D-Darstellung der Fluoreszenzlebensdauer gegeben. Die Fluoreszenzlebensdauer beschreibt die mittlere Zeit, die das Molekül nach Lichtabsorption im elektronisch angeregten Zustand ver­ weilt. Da eine Vielzahl von Molekülen angeregt wird, beschreibt der zeitliche Verlauf der Fluoreszenzintensität nach Absorption des Laserpul­ ses ein molekültypisches statistisches Abklingverhalten, aus dem die Fluoreszenzlebensdauer bestimmt werden kann. Mit Hilfe der sogenann­ ten zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung (TCSPC), bei dem die einzel­ nen Fluoreszenzphotonen in Abhängigkeit von der Zeit nach Auftreffen des Laserpulses mittels schnellem Detektor registriert werden, wurden Melanome im Vergleich zum Nomalgewebe vermessen. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, weist melaninhaltiges Gewebe interessanterweise ein deutlich unterschiedliches Abklingverhalten als nicht-pigmentiertes Gewebe auf. Durch die räumlich-aufgelöste Aufnahme der Fluoreszenzabklingkurven bzw. die räumlich-aufgelöste Darstellung der mittleren Lebensdauer kön­ nen somit auch mit diesem Kontrastverfahren die melaninhaltigen- Bereiche deutlich von den pigmentfreien Arealen unterschieden werden.Another way of distinguishing between pathological and healthy tissue is given by the 3D representation of the fluorescence lifetime. The fluorescence lifetime describes the mean time that the molecule remains in the electronically excited state after light absorption. Since a large number of molecules are excited, the course of the fluorescence intensity over time after absorption of the laser pulse describes a typical statistical decay behavior from which the fluorescence lifetime can be determined. With the help of the so-called time-correlated single photon counting (TCSPC), in which the individual NEN fluorescence photons are registered as a function of the time after the laser pulse is hit by a fast detector, melanomas were measured in comparison to the nominal tissue. Interestingly, as can be seen in FIG. 5, tissue containing melanin has a significantly different decay behavior than non-pigmented tissue. Due to the spatially resolved recording of the fluorescence decay curves or the spatially resolved representation of the average lifespan, the melanin-containing areas can also be clearly distinguished from the pigment-free areas with this contrast method.

Die Applikation von fluoreszierenden Pharmaka und kosmetischen Sub­ stanzen konnte ebenfalls mit hoher Auflösung im Gewebe nachgewiesen werden und ermöglichte die Erfassung des Diffusionsverhaltens und des intrazellulären Anlagerungsverhaltens. So wurde mittels 800 nm Femtose­ kundenpulse die 3D-Verteilung des topisch verabreichten DNA-Markers Hoechst 33342 und die Biosynthese des Fluorophors Protoporphyrin IX nach topischer Applikation von Aminolävulinsäure im Tumorgewebe ei­ ner Maus erfaßt. Aber auch nichtfluoreszierende Stoffe konnten indirekt, z. B. aufgrund ihrer Wirkung auf den Zellmetabolismus oder durch mor­ phologische Zellen, anhand der 3D-Autofluoreszenz detektiert werden. So führt die Anfeuchtung der Haut zu einem Aufquellen von Volumen­ strukturen im Stratum corneum. Die detektierbaren Autofluoreszenz- Veränderungen in den einzelnen Zellschichten weisen insbesondere auf vertikale Zellvergrößerungen im Stratum corneum hin. Diese Volumenän­ derungen konnten durch Autofluoreszenzaufnahmen zeitabhängig erfaßt werden.The application of fluorescent pharmaceuticals and cosmetic sub punching was also detected in the tissue with high resolution and enabled the detection of the diffusion behavior and the intracellular attachment behavior. So was using 800 nm femtose customer pulses the 3D distribution of the topically administered DNA marker Hoechst 33342 and the biosynthesis of the fluorophore protoporphyrin IX  after topical application of aminolevulinic acid in the tumor tissue captured a mouse. But also non-fluorescent substances could indirectly, z. B. due to their effect on cell metabolism or by mor phological cells are detected using 3D autofluorescence. Moisturizing the skin leads to swelling of volume structures in the stratum corneum. The detectable autofluorescence Changes in the individual cell layers show in particular vertical cell enlargement in the stratum corneum. This volume Changes could be recorded time-dependently using autofluorescence images become.

Die Abb. 6 demonstriert das "Knocking out" einer einzelnen Tumorzelle innerhalb eines Gewebeverbandes mittels intensiver Femtosekundenpulse im Bereich um 3 TW/cm2-4 TW/cm2. Zunächst wurde bei einer gerin­ geren Intensität durch Zweiphotonenanregung nichtinvasiv die Melanin- Fluoreszenz dreidimensional in einzelnen Tumorzellen dargestellt, dann der Laserstrahl auf die zu zerstörende Targetzelle "geparkt" und durch Erhöhung der Leistung die melaninhaltigen Zellen innerhalb des Gewe­ beverbandes unmittelbar irreversibel zerstört. Die Zerstörung war an­ schließend durch multiphotonenangeregtes Fluoreszenzimaging sichtbar. Umgebende Zellen zeigten kein verändertes Fluoreszenzverhalten oder morphologische Veränderungen. Fig. 6 demonstrates the "knocking out" of a single tumor cell within a tissue bandage using intensive femtosecond pulses in the range of 3 TW / cm 2 -4 TW / cm 2 . First, the melanin fluorescence was displayed three-dimensionally in individual tumor cells at a lower intensity by two-photon excitation, then the laser beam was "parked" on the target cell to be destroyed and the melanin-containing cells within the tissue association were immediately and irreversibly destroyed by increasing the power. The destruction was then visible through multiphoton-excited fluorescence imaging. Surrounding cells showed no change in fluorescence behavior or morphological changes.

Erfindungsgemäß wird eine Anordnung zur nicht-invasiven optischen in vivo 3D-Diagnostik und -Bearbeitung pathologischer Gewebeveränderun­ gen eingesetzt, welche Strahlung in einem Spektralbereich von 700 nm bis 1200 nm und einer Pulsdauer im Femtosekunden- oder Pikosekunden- Bereich zur Anregung von Multiphotonen-Effekten nutzt, eine effiziente Übertragung der Laserstrahlung ohne den Nachteil der Pulsverbreiterung durch den Einsatz eines optischen Gelenkarmes mit reflektierender Optik ermöglicht, eine Schaltvorrichtung zur Erhöhung der Pulsleistung mit zu­ nehmender Gewebetiefe sowie beim Wechsel vom Modus der Diagnostik in den Modus der Gewebebearbeitung vorsieht, eine Fokussierungeinheit der numerischen Apertur größer 0,4 und motorisch verstellbarer Fokus­ ebene sowie ein Strahlführungssystem aufweist, das sowohl eine gezielte punktuelle Bestrahlung als auch das Abrastern des zu untersuchenden und zu bearbeitenden Gewebeareals ermöglicht, und Fluoreszenzdetektoren beinhaltet, die eine räumlich hochauflösende Darstellung der Fluoreszenz­ intensität und/oder der Fluoreszenzlebensdauer ermöglichen. Im Gegen­ satz zu der Verwendung von Lichtleitern und Linsensystemen, die bei Transmission ultrakurzer Pulse infolge optischer Dispersion zu signifikan­ ten Pulsverbreiterungen führen können, ermöglicht der Einsatz von opti­ schen Gelenkarmen mit reflektierenden Elementen eine effiziente Über­ tragung in alle Raumrichtungen ohne wesentliche Pulsverbreiterung.According to the invention, an arrangement for non-invasive optical in vivo 3D diagnosis and processing of pathological tissue changes gene used, which radiation in a spectral range from 700 nm to 1200 nm and a pulse duration in femtosecond or picosecond Use area for excitation of multiphoton effects, an efficient Transmission of laser radiation without the disadvantage of pulse broadening through the use of an optical articulated arm with reflective optics allows a switching device to increase the pulse power with increasing tissue depth as well as when changing from the diagnostic mode in the mode of tissue processing provides a focusing unit the numerical aperture larger than 0.4 and motor-adjustable focus plane as well as a beam guidance system that is both a targeted punctual radiation as well as the scanning of the to be examined and  tissue areas to be processed, and fluorescence detectors includes a spatially high-resolution representation of the fluorescence allow intensity and / or fluorescence life. In the opposite set on the use of light guides and lens systems that are used in Transmission of ultrashort pulses due to optical dispersion too significant The use of opti enables pulse broadening articulated arms with reflective elements an efficient over can be carried in all spatial directions without significant pulse broadening.

Im folgenden wird eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anord­ nung anhand der schematischen Fig. 7 näher erläutert.An embodiment of the arrangement according to the invention is explained in more detail below with the aid of the schematic FIG. 7.

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einem kompakten 80 MHz Femtosekundenlaser 1 mit einem in x- und y-Richtung verstellbaren Ad­ apter 2, dessen NIR-Strahlung, bevorzugt Strahlung der Wellenlänge 800 nm, über einem optischen Gelenkarm 3 mit reflektierenden Elemen­ ten eine effiziente Übertragung der Laserpulse ohne Pulsverbreitung er­ möglicht. Am ersten reflektierenden Element des Gelenkarmes befindet sich eine abnehmbare Kappe 4, die durch Visualisierung des durch das reflektierende Element transmittierten geringen Strahlanteils eine einfache Justage des Gelenkarmes ermöglicht.The arrangement according to the invention consists of a compact 80 MHz femtosecond laser 1 with an adapter 2 adjustable in the x and y directions, the NIR radiation, preferably radiation of wavelength 800 nm, via an optical articulated arm 3 with reflective elements, an efficient transmission of the It enables laser pulses without pulse spreading. On the first reflective element of the articulated arm there is a removable cap 4 , which enables simple adjustment of the articulated arm by visualizing the small beam portion transmitted through the reflective element.

Am Ende des Gelenkarmes 3 ist ein Handstück 5 montiert, welches einen Scanner 11 mit einer Scanneroptik 10 enthält, der wahlweise eine punk­ tulle Bestrahlung ("Parken" des Strahls auf ein gewünschtes Gewebea­ real), ein Abrastern einer Region of Interest (ROI) und das Abrastern entlang einer einzelnen Linie ("Line-Scan") ermöglicht. Weitere Bestand­ teile des Handstückes sind ein Strahlaufweiter 6, ein motorisch verstellba­ rer Strahlabschwächer 9, beispielsweise in Form eines drehbaren Polarisa­ tors, eine mittels Piezoelementes 13 motorisch entlang der optischen Ach­ se verstellbare Fokussierungsoptik 14 mit einer numerischen Apertur grö­ ßer 0,4, bevorzugt 1,3 sowie ein erster und ein zweiter Strahlteiler 12 bzw. 19. Diese Strahlteiler 12 bzw. 19 sind beispielsweise dichroitische Spiegel, welche jeweils NIR-Strahlung reflektieren und sichtbare Strah­ lung transmittieren lassen und somit eine Messung der Fluoreszenz durch Transmission durch beide Strahlteiler 12 bzw. 19 an einem Detektor 25 sowie eine Messung von geringen Anteilen der Remissionsstrahlung durch den Strahlteiler 12 transmittierten, jedoch am Strahlteiler 19 reflek­ tierten Strahlung an einem Detektor 20 ermöglichen. Der Detektor 25 mit einer Spezialoptik 23 sowie einem Einschub 24 für Spektralfilter ist bei­ spielsweise ein empfindlicher Photomultiplier zur Messung der Fluores­ zenzintensität und der Fluoreszenz-Abklingkinetik in einem durch einen gegebenen Spektralfilter im Einschub 24 bestimmten Spektralbereich, während als Detektor 20 günstigerweise eine Photodiode Verwendung findet. Beide Detektoren 20 und 25 ermöglichen ebenfalls die Messung des während der Bearbeitung auftretenden Plasmaleuchtens. Zudem be­ findet sich ein mechanisch einschiebbarer Strahlteiler 21 sowie eine mi­ niaturisierte Weißlichtquelle 22 einschließlich Optik im Handstück 5, um Abbildungen mittels Weißlicht zu ermöglichen. Weiterhin enthält das Handstück 5 eine Meßdiode 29 zur Erfassung der momentanen Laserlei­ stung durch Messung eines an einer Glasplatte 28 reflektierten sehr gerin­ gen Anteiles derselben sowie zur Triggerung des Photomultipliers 25. Unmittelbar unterhalb der Fokussierungsoptik 14 befindet sich eine me­ chanische Vorrichtung 15 mit einem Ring 16 zur Aufnahme eines runden Spezialglas-Fensters, an welches das zu untersuchende Gewebeareal an­ gedrückt wird. Das Spezialglas mit einer bevorzugten Dicke von 0,17 mm ist leicht auswechselbar und dient zudem als Optikschutz. Das zu unter­ suchende bzw. zu therapierende Organ als Target ist vorteilhafter Weise mit einem speziellen Targethalter (z. B. einem Armhalter) unterhalb der Vorrichtung 15 fixiert.At the end of the articulated arm 3 , a handpiece 5 is mounted, which contains a scanner 11 with a scanner optics 10 , which optionally punk tulle radiation ("parking" the beam on a desired tissue real), a scanning of a region of interest (ROI) and allows scanning along a single line ("line scan"). Other components of the handpiece are a beam expander 6 , a motor-adjustable beam attenuator 9 , for example in the form of a rotatable polarizer, a focusing optics 14 with a numerical aperture greater than 0.4, preferably 1, that can be motorized along the optical axis by means of piezo element 13 , 3 and a first and a second beam splitter 12 and 19 . These beam splitters 12 and 19 are, for example, dichroic mirrors which each reflect NIR radiation and allow visible radiation to be transmitted, and thus a measurement of the fluorescence by transmission through both beam splitters 12 and 19 on a detector 25 and a measurement of small portions of the remission radiation allow transmitted by the beam splitter 12 , but reflected on the beam splitter 19 reflected radiation at a detector 20 . The detector 25 with special optics 23 and an insert 24 for spectral filters is, for example, a sensitive photomultiplier for measuring the fluorescence intensity and the fluorescence decay kinetics in a spectral range determined by a given spectral filter in the insert 24 , while a photodiode is advantageously used as the detector 20 , Both detectors 20 and 25 also enable the measurement of the plasma glow that occurs during processing. In addition, there is a mechanically insertable beam splitter 21 and a miniaturized white light source 22 including optics in the handpiece 5 in order to enable images by means of white light. Furthermore, the handpiece 5 contains a measuring diode 29 for detecting the current Laserlei stung by measuring a very small portion of the same reflected on a glass plate 28 and for triggering the photomultiplier 25th Immediately below the focusing optics 14 is a mechanical device 15 with a ring 16 for receiving a round special glass window, against which the tissue area to be examined is pressed. The special glass with a preferred thickness of 0.17 mm is easily exchangeable and also serves as optical protection. The organ to be examined or treated as a target is advantageously fixed below the device 15 with a special target holder (for example an arm holder).

Die Kontrolle der Annäherung des Gewebeareals an den Ring 16 mit dem Fenster erfolgt mittels einer Miniatur-Beleuchtungsquelle 17 und einer Miniatur-CCD-Kamera 18.The approach of the tissue area to the ring 16 with the window is checked by means of a miniature illumination source 17 and a miniature CCD camera 18 .

Die Variation der Pulsleistung kann sowohl durch individuelle Ansteue­ rung des Abschwächers 9, insbesondere im Fall der Materialbearbeitung, bevorzugt jedoch durch automatische Steuerung in Abhängigkeit von der Position der Fokussierungsoptik 14 und der Signalhöhe des remittierten Signals am Detektor 20 für die tiefenaufgelöste 3D-Diagnostik, die Loka­ lisation sowie Bearbeitung des Targets erfolgen. Sowohl die Position der motorisch gesteuerten Fokussierungsoptik 14 als auch die Signalhöhe ermöglichen den Rückschluß auf die Fokusebene innerhalb des zu untersu­ chenden bzw. zu bearbeitenden Gewebeareals. Typischerweise erfordert die Messung der Autofluoreszenz mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis in 100 µm Tiefe eine etwa 10 mal höhere Pulsleistung als an der Oberfläche.The variation in the pulse power can be achieved both by individual control of the attenuator 9 , in particular in the case of material processing, but preferably by automatic control depending on the position of the focusing optics 14 and the signal level of the remitted signal at the detector 20 for the depth-resolved 3D diagnosis Localization and processing of the target take place. Both the position of the motor-controlled focusing optics 14 and the signal level enable conclusions to be drawn about the focal plane within the tissue area to be examined or processed. Typically, the measurement of autofluorescence with a high signal-to-noise ratio at a depth of 100 µm requires an approximately 10 times higher pulse power than on the surface.

Die Ansteuerung des Lasers 1, des Scanners 11, des Piezoelementes 13, des Filtereinschubes 24, der Detektoren 20 und 25 bzw. der CCD-Kamera 18 sowie die Signalerfassung erfolgt mittels PC 26 mit spezieller Hard­ ware und Software, die im Fall der zeitaufgelösten Messung mittels der sogenannten zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung (TCSPC) auch einen Time-Amplitude-Converter (TAC) enthält. Mittels geeigneter Software erfolgt die Signalverarbeitung. Diese kann prinzipiell auch einen automa­ tischen Vergleich des gemessenen Bildes mit einer abgespeicherten Bi­ bliothek, die Autofluoreszenz-Aufnahmen normaler und pathologisch ver­ änderter Haut enthält, ermöglichen und so abnorme Zell- und Gewebsver­ änderungen automatisch lokalisieren. Die spezielle Software ermöglicht die Signalspeicherung und Signalauswertung, insbesondere die 3D- Bildauswertung, die Erstellung von Fluoreszenz-Abklingcharakteristiken und Fluoreszenz-Lebensdauer-Berechnungen. Zudem erstellt die Software 3D-Animationen. Auf einem Flachbildschirm 27 werden nach der Bild­ verarbeitung die Fluoreszenzsignale sowie das während der optischen Be­ arbeitung auftretende Plasmaleuchten sowie im Bedarfsfall die remittier­ ten Strahlanteile dargestellt. Ein Fußschalter 8 gewährleistet durch Frei­ gabe eines Verschlusses 7 den Laserbetrieb aus Sicherheitsgründen nur bei Bedienung desselben.The control of the laser 1 , the scanner 11 , the piezo element 13 , the filter insert 24 , the detectors 20 and 25 or the CCD camera 18 and the signal acquisition is carried out by means of a PC 26 with special hardware and software, which in the case of the time-resolved measurement also contains a time-amplitude converter (TAC) using the so-called time-correlated single-photon counting (TCSPC). The signal is processed using suitable software. In principle, this can also enable an automatic comparison of the measured image with a stored library that contains autofluorescence images of normal and pathologically changed skin, thus automatically locating abnormal cell and tissue changes. The special software enables signal storage and signal evaluation, in particular 3D image evaluation, the creation of fluorescence decay characteristics and fluorescence lifetime calculations. The software also creates 3D animations. On a flat screen 27 , after processing the image, the fluorescence signals and the plasma lights occurring during the optical processing and, if necessary, the remitted beam components are shown. A foot switch 8 ensures the release of a shutter 7, the laser operation for safety reasons only when the same.

Fig. 8 zeigt eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 7, wobei unter Beibehaltung der jeweiligen Funktion eine Vielzahl der optischen und op­ tisch-elektronischen Elemente, wie der Strahlaufweiter 6, der motorisch verstellbare Strahlabschwächer 9, der Scanner 11 mit der Scanneroptik 10, der optische Verschluß 7, die Glasplatte 28 sowie die Meßdiode 29 in den optischen Gelenkarm 3 integriert sind, während zweckmäßigerweise die Detektoren 20 und 25, die Strahlteiler 12, 19 und 21, die Spezialoptik 23, der Filtereinschub 24 sowie die Weißlichtquelle 22 im nunmehr mit 30 bezeichneten Handstück verbleiben. Fig. 8 shows a modification of the arrangement of FIG. 7, wherein while maintaining the respective function, a variety of optical and optical optical elements, such as the beam expander 6 , the motor-adjustable beam attenuator 9 , the scanner 11 with the scanner optics 10 , the Optical shutter 7 , the glass plate 28 and the measuring diode 29 are integrated in the optical articulated arm 3 , while the detectors 20 and 25 , the beam splitters 12 , 19 and 21 , the special optics 23 , the filter insert 24 and the white light source 22 are now expediently 30 designated handpiece remain.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Kompaktlaser
compact laser

22

Adapter mit x,y-Verstellung
Adapter with x, y adjustment

33

optischer Gelenkarm mit reflektierenden Elementen
optical articulated arm with reflective elements

44

abnehmbare Kappe
removable cap

55

Handstück
handpiece

66

Strahlaufweiter
beam

77

optischer Verschluß zur Freigabe der Laserstrahlung
optical shutter to release the laser radiation

88th

Fußschalter
footswitch

99

motorisch verstellbarer Strahlabschwächer
motor-adjustable beam attenuator

1010

Scanneroptik
scanner optics

1111

Scanner
scanner

1212

erster Strahlteiler
first beam splitter

1313

Piezoelement
piezo element

1414

Fokussierungsoptik
focusing optics

1515

mechanische Vorrrichtung
mechanical device

1616

Ring zur Aufnahme eines Spezialglas-Fensters
Ring for holding a special glass window

1717

Miniatur-Beleuchtungsquelle
Miniature light source

1818

Miniatur-CCD-Kamera
Miniature CCD camera

1919

zweiter Strahlteiler
second beam splitter

2020

Detektor zur Messung der Remission (Photodiode)
Remission detector (photodiode)

2121

mechanisch einschiebbarer Strahlteiler
mechanically insertable beam splitter

2222

Weißlichtquelle
White light source

2323

Spezialoptik
special optics

2424

Einschub für Spektralfilter
Insert for spectral filters

2525

Detektor zur Messung der Fluoreszenz und des Plasmaleuchtens (Photomultiplier)
Detector for measuring fluorescence and plasma lighting (photomultiplier)

2626

PC mit spezieller Hardware und Software
PC with special hardware and software

2727

Flachbildschirm
flat

2828

Glasplatte
glass plate

2929

Meßdiode
measuring diode

3030

Handstück
handpiece

Claims (17)

1. Verfahren zur nicht-invasiven dreidimensionalen optischen Untersu­ chung der Haut sowie zur Therapie dabei festgestellter pathologi­ scher Veränderungen, vorzugsweise zur in vivo Untersuchung von zellulären und subzellulären Strukturen und/oder zur Detektion von Fremdstoffen, wie Arzneimitteln oder kosmetischen Stoffen, in der Haut und in Hautanhangsgebilden sowie zur Diagnose und Therapie von Melanomen durch selektive Bearbeitung melaninhaltiger Areale mittels Laserstrahlung, gekennzeichnet durch die Anwendung in der jeweiligen Tiefe der Haut fokussierter, gepulster Laserstrahlung im nahen Infrarotbereich mit Wellenlängen von 700 nm bis 1200 nm sowie mit Pulsbreiten von weniger als 20 Pikosekunden, wobei die Lichtintensität der Pulse für die Untersuchung eine Größenordnung von Gigawatt pro Quadratzentimeter hat, um eine Multiphotonen- Anregung körpereigener Fluorophore bzw. fluoreszierender Be­ standteile der Fremdstoffe zu bewirken, während sie zur Bearbeitung eine Größenordnung von Terawatt pro Quadratzentimeter hat, um eine Materialabtragung infolge unmittelbar wirkender, destruktiver Multiphotonenprozesse zu erzielen.1. A method for the non-invasive three-dimensional optical examination of the skin and for the therapy of pathological changes detected, preferably for the in vivo examination of cellular and subcellular structures and / or for the detection of foreign substances, such as drugs or cosmetic substances, in the skin and in skin appendages and for the diagnosis and therapy of melanomas by selective processing of melanin-containing areas by means of laser radiation, characterized by the use of pulsed laser radiation in the near infrared range focused in the respective depth of the skin with wavelengths from 700 nm to 1200 nm and with pulse widths of less than 20 picoseconds , wherein the light intensity of the pulses for the examination has an order of magnitude of gigawatts per square centimeter in order to bring about multiphoton excitation of the body's own fluorophores or fluorescent constituents of the foreign substances while it is processing a size order of terawatts per square centimeter in order to achieve material removal as a result of directly acting, destructive multiphoton processes. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck der dreidimensionalen kontrastreichen Untersuchung die Pulsleistung mit der Fokussierung zunehmender Gewebetiefe erhöht wird.2. The method according to claim 1, characterized in that for Purpose of the three-dimensional high-contrast investigation Pulse power increases with the focus of increasing tissue depth becomes. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Wahl der Laserwellenlänge und der Lichtintensität im Be­ reich von Gigawatt pro Quadratzentimeter bevorzugt melaninhaltige Gewebeareale durch Detektion der multiphotonenangeregten Mela­ nin-Fluoreszenz dargestellt und für eine Melanom-Diagnostik ver­ wendet werden. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that through the choice of the laser wavelength and the light intensity in the loading rich from gigawatts per square centimeter prefers melanic ones Tissue areas by detection of the multiphoton-excited mela nin fluorescence shown and ver for melanoma diagnosis be applied.   4. Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine geeignete Wahl der Lichtintensität, die höher als die unter Anspruch 3 zur Anwendung kommenden Lichtintensität ist und im Bereich von ein bis zwanzig Terawatt pro Quadratzentimeter liegt, ein durch die Untersuchung selektiertes Gewebeareal irrever­ sibel geschädigt wird, ohne jedoch umgebende, nicht selektierte Gewebeareale irreversibel zu schädigen.4. The method according to any one of claims 1 to 3, that by an appropriate choice of light intensity that is higher than that under claim 3 is used light intensity and in the range of one to twenty terawatts per square centimeter an irreversible tissue area selected by the examination is sibel damaged, but without surrounding, unselected Irreversibly damaging tissue areas. 5. Anordnung zur nicht-invasiven dreidimensionalen optischen Unter­ suchung der Haut sowie zur Therapie dabei festgestellter pathologi­ scher Veränderungen, vorzugsweise zur in vivo Untersuchung von zellulären und subzellulären Strukturen und/oder zur Detektion von Fremdstoffen, wie Arzneimitteln oder kosmetische Stoffen, in der Haut und in Hautanhangsgebilden sowie zur Diagnose und Therapie von Melanomen durch selektive Bearbeitung melaninhaltiger Areale mittels Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen kom­ pakten gepulsten Laser (1), einen optischen Gelenkarm (3) mit re­ flektierenden Elementen zur Übertragung der Laserpulse ohne merkliche Pulsverbreiterung zu einem auf der Haut zu führenden Handstück (5, 30), eine motorisch angesteuerte Optik (14) zur Fo­ kussierung der Strahlung in verschiedenen Tiefen der Haut bzw. der Hautanhangsgebilde sowie eine Vorrichtung (9) zur Einstellung der Lichtintensität in Abhängigkeit vom Untersuchungs- oder Therapie- Modus sowie von der Tiefe der Fokussierung aufweist.5. Arrangement for non-invasive three-dimensional optical examination of the skin and for the therapy of pathological changes detected, preferably for the in vivo examination of cellular and subcellular structures and / or for the detection of foreign substances, such as drugs or cosmetic substances, in the skin and in skin appendages and for the diagnosis and therapy of melanomas by selective processing of melanin-containing areas by means of laser radiation, characterized in that they are a compact pulsed laser ( 1 ), an optical articulated arm ( 3 ) with reflective elements for transmitting the laser pulses without noticeable pulse broadening to one handpiece ( 5 , 30 ) to be guided on the skin, motor-driven optics ( 14 ) for focusing the radiation at different depths of the skin or the appendages of the skin and a device ( 9 ) for adjusting the light intensity as a function of the examination or therapy - Modu s and the depth of focus. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Einstellung der Lichtintensität ein motorisch ge­ steuerter Strahlabschwächer (9) ist.6. Arrangement according to claim 5, characterized in that the device for adjusting the light intensity is a motor-controlled beam attenuator ( 9 ). 7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Scanner (11) zum Abrastern des bestrahlten Bereiches in drei Dimensionen aufweist. 7. Arrangement according to claim 5 or 6, characterized in that it has a scanner ( 11 ) for scanning the irradiated area in three dimensions. 8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Scanner (11) für eine punktuelle Bestrahlung, ein Abrastern entlang einer Linie sowie ein flächenhaftes Abrastern eines Gewebeareals mittels fokussiertem Laserstrahl eingerichtet ist.8. Arrangement according to claim 7, characterized in that the scanner ( 11 ) is set up for selective irradiation, scanning along a line and areal scanning of a tissue area by means of a focused laser beam. 9. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie weiterhin ein System von Detektoren (20, 25) und Filtern (24) aufweist, welches die Fluoreszenzintensität bzw. das Fluoreszenzabklingverhalten in einem wählbaren Spektralbereich räumlich, spektral und zeitlich aufgelöst zu detektieren vermag.9. Arrangement according to one of claims 5 to 8, characterized in that it further comprises a system of detectors ( 20 , 25 ) and filters ( 24 ) which spatially, spectrally and temporally the fluorescence intensity or the fluorescence decay behavior in a selectable spectral range resolved to detect. 10. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die motorisch fokussierte Optik (14) eine numerische Apertur größer 0,4 hat.10. Arrangement according to one of claims 6 to 9, characterized in that the motor-focused optics ( 14 ) has a numerical aperture greater than 0.4. 11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Detektor (25) eingesetzt ist, welcher eine multiphotonen­ angeregte Fluoreszenzstrahlung erfaßt.11. The arrangement according to claim 9 or 10, characterized in that a detector ( 25 ) is used which detects a multiphoton excited fluorescent radiation. 12. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Detektor (25) zur zeitaufgelösten Erfassung des Fluoreszenz-Abklingverhaltens eine Zeitauflösung im Pikosekun­ denbereich aufweist.12. Arrangement according to one of claims 9 to 11, characterized in that the detector ( 25 ) for time-resolved detection of the fluorescence decay behavior has a time resolution in the picosecond den range. 13. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Detektoren (20, 25) das während der Materialab­ tragung auftretende Plasmaleuchten zu erfassen vermögen.13. Arrangement according to one of claims 9 to 12, characterized in that the detectors ( 20 , 25 ) are able to detect the plasma lights occurring during the Materialab transfer. 14. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie einem mittels Fußschalter (8) bedienbaren opti­ schen Verschluß (7) zur Freigabe der Laserstrahlung aufweist.14. Arrangement according to one of claims 5 to 13, characterized in that it has a by means of a foot switch ( 8 ) operable opti's closure ( 7 ) for releasing the laser radiation. 15. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 14, gekennzeichnet durch einen Rechner (26) zur Signalspeicherung und -auswertung. 15. Arrangement according to one of claims 5 to 14, characterized by a computer ( 26 ) for signal storage and evaluation. 16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (26) zur 3D-Bildauswertung sowie zur Erstellung von Fluoreszenz-Abklingcharakteristiken und von Fluoreszenz- Lebensdauer-Berechnungen eingerichtet ist.16. The arrangement according to claim 15, characterized in that the computer ( 26 ) for 3D image evaluation and for the creation of fluorescence decay characteristics and fluorescence lifetime calculations is set up. 17. Anordnung nach den vorstehenden Ansprüchen 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß unter Beibehaltung der jeweiligen Funktion ei­ ne Vielzahl der genannten optischen und optisch-elektronischen Elemente, wie der Strahlaufweiter (6), der motorisch verstellbare Strahlabschwächer (9), der Scanner (11) mit der Scanneroptik (10), der optische Verschluß (7), die Glasplatte (28) sowie die Meßdiode (29) in den optischen Gelenkarm (3) integriert sind, während sich zweckmäßigerweise die Detektoren (20) und (25), die Strahlteiler (12, 19 und 21), die Spezialoptik (23), der Filtereinschub (24) so­ wie die Weißlichtquelle (22) in einem Handstück (30) befinden.17. Arrangement according to the preceding claims 5 to 16, characterized in that while maintaining the respective function ei ne plurality of said optical and optoelectronic elements, such as the beam expander ( 6 ), the motor-adjustable beam attenuator ( 9 ), the scanner ( 11 ) with the scanner optics ( 10 ), the optical shutter ( 7 ), the glass plate ( 28 ) and the measuring diode ( 29 ) are integrated in the optical articulated arm ( 3 ), while the detectors ( 20 ) and ( 25 ) are expediently the beam splitters ( 12 , 19 and 21 ), the special optics ( 23 ), the filter insert ( 24 ) and the white light source ( 22 ) are located in a handpiece ( 30 ).
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