-
TECHNISCHES GEBIET
-
Verschiedene Beispiele der Offenbarung betreffen ein System, welches sowohl die endoskopische Bildgebung wie auch medizinische Anwendungen bei minimalinvasiven Operationen ermöglicht. Das System umfasst ein oder mehrere Fasern, die sich zwischen einem proximalen und einem medizinisch wirksamen distalen Ende erstrecken.
-
HINTERGRUND
-
Verschiedene medizinische Anwendungen erfordern das Einbringen eines medizinischen Instruments an eine Position im Körper des Patienten. Dies kann in Form von minimalinvasiven Operationen erfolgen. Minimalinvasive Operationen werden in verschiedenen Bereichen der Medizin eingesetzt, wie z.B. in der Gynäkologie, Urologie, Kardiologie und Orthopädie. Sie können zur Behandlung von verschiedenen Erkrankungen und Zuständen eingesetzt werden, wie z.B. Gallenblasenentfernung, Blinddarmentfernung, Hernienreparatur, Entfernung von Tumoren und Reparatur von Herzklappen.
-
Bei minimalinvasiven Operationen ist darauf zu achten, dass das gesunde Gewebe möglichst wenig beschädigt wird. Organe sollten nicht verletzt werden. Es ist umso schwieriger das gesunde Gewebe zu schonen, je größer der Querschnitt des medizinischen Instruments ist, welches zu einer Zielregion im Körper gebracht werden muss. Außerdem ist es oftmals schwierig, das medizinische Instrument korrekt zu führen und zu positionieren.
-
Es sind Techniken bekannt, um mittels extern angeordneten Navigationssystemen das medizinische Instrument zu verfolgen. Dies funktioniert z.B. mittels Röntgenstrahlen oder Ultraschall. Solche Verfahren können eine begrenzte Genauigkeit aufweisen und damit auch ein Risiko für die Beschädigung von gesundem Gewebe darstellen.
-
Andererseits ist die Verwendung eines Endoskops zur Positionierung aufgrund der großen Querschnittsfläche des Endoskops an dessen distalen Ende oftmals auch problematisch.
-
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
-
Es besteht ein Bedarf für verbesserte Geräte und Techniken für minimalinvasive Operationen.
-
Diese Aufgabe wird von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die Merkmale der abhängigen Patentansprüche definieren Ausführungsformen.
-
Nachfolgend werden Systeme und Verfahren beschrieben, welche ein holographisch-endoskopisches Bildgebungssystem kombinieren mit einem medizinischen Instrument. Das holographisch-endoskopische Bildgebungssystem ermöglicht die Erfassung von Bildern, die für die Platzierung und Positionsfindung und die Navigation des medizinischen Instruments hilfreich sein können. In manchen Varianten wäre es sogar möglich, dass ein oder mehrere optische Multimoden-Fasern des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems an deren distalen Ende geeignet geformt sind, um eine chirurgische Nadel als Beispiel für medizinisches Instrument zu implementieren.
-
Ein System umfasst ein holographisch-endoskopisches Bildgebungssystem. Das holographisch-endoskopische Bildgebungssystem umfasst mindestens eine Multimoden-Faser. Die mindestens eine Multimoden-Faser ist eingerichtet, um Sendelicht von einem proximalen Ende zu einem distalen Ende und Empfangslicht vom distalen Ende zum proximalen Ende zu führen. Das holographisch-endoskopische Bildgebungssystem umfasst auch einen Wellenfrontmanipulator. Der Wellenfrontmanipulator ist eingerichtet, um eine Wellenfront des Sendelichts beim distalen Ende der mindestens einen Multimoden-Faser zu formen, um derart das Sendelicht am distalen Ende in einem Abbildungsbereich zu scannen. Das System umfasst auch ein medizinisches Instrument, an der das distale Ende der mindestens einen Multimoden-Faser angebracht ist.
-
Ein holographisch-endoskopisches Bildgebungssystem umfasst mindestens eine Multimoden-Faser. Die mindestens eine Multimoden-Faser ist eingerichtet, um Sendelicht von einem proximalen Ende zu einem distalen Ende und Empfangslicht vom distalen Ende zum proximalen Ende zu führen. Das holographisch-endoskopische Bildgebungssystem umfasst auch einen Wellenfrontmanipulator, der eingerichtet ist, um eine Wellenfront des Sendelichts beim distalen Ende der mindestens einen Multimoden-Faser zu formen. Das distale Ende der mindestens einen Multimoden-Faser ist spitzenförmig ausgebildet oder weist einen spitzenförmigen Aufsatz auf.
-
Ein Verfahren für eine medizinische Operation umfasst das Einführen von ein oder mehreren inkorporalen Komponenten eines Systems in einen Patienten, wobei das System ein holographisch-endoskopisches Bildgebungssystem umfasst. Die ein oder mehreren inkorporalen Komponenten des Systems weisen ein medizinisch wirksames distales Ende auf. Das Verfahren umfasst auch das Erfassen von Bildern eines Abbildungsbereichs mittels des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems und das Verwenden des medizinisch wirksamen distalen Endes zum Durchführen einer medizinisch wirksamen Aktion in Abhängigkeit von den Bildern des Abbildungsbereichs.
-
Die oben dargelegten Merkmale und Merkmale, die nachfolgend beschrieben werden, können nicht nur in den entsprechenden explizit dargelegten Kombinationen verwendet werden, sondern auch in weiteren Kombinationen oder isoliert, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
-
- 1 illustriert schematisch ein System gemäß verschiedenen Beispielen, wobei das System ein holographisch-endoskopisches Bildgebungssystem und ein medizinisches Instrument aufweist.
- 2 illustriert schematisch ein Lichtquellensystem 111 des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems gemäß verschiedenen Beispielen.
- 3 illustriert schematisch ein Detektionssystem des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems gemäß verschiedenen Beispielen.
- 4 illustriert eine chirurgische Nadel, die gemäß verschiedenen Beispielen kombiniert ist mit Multimoden-Fasern des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems.
- 5 illustriert schematisch ein Cochlea-Implantat, welches gemäß verschiedenen Beispielen kombiniert ist mit Multimoden-Fasern des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems.
- 6A illustriert schematisch eine Multimoden-Faser mit einem spitzenförmigen distalen Ende gemäß verschiedenen Beispielen.
- 6B illustriert schematisch eine Multimoden-Faser mit einem spitzenförmigen Aufsatz am distalen Ende gemäß verschiedenen Beispielen.
- 7 illustriert schematisch ein Führungslumen, in dem eine Multimoden-Faser gemäß verschiedenen Beispielen angeordnet ist.
- 8 illustriert schematisch eine Multimoden-Faser mit einem Verstärkungselement gemäß verschiedenen Beispielen.
- 9 illustriert schematisch ein endoskopisches Bild mit einer Anzeige einer Projektion einer Querschnittsfläche eines medizinischen Instruments gemäß verschiedenen Beispielen.
- 10 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
-
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentationen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich wird. In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Eine Verbindung oder Kopplung kann drahtgebunden oder drahtlos implementiert sein. Funktionale Einheiten können als Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden.
-
Nachfolgend werden Techniken beschrieben, die minimalinvasive Operationen mit endoskopischer Bildgebung ermöglichen. Die endoskopische Bildgebung kann z.B. für die Zugangsfindung und Positionierung von medizinischen Instrumenten verwendet werden. Die endoskopische Bildgebung kann alternativ oder zusätzlich auch für die Steuerung eines medizinischen Eingriffs, beispielsweise einen chirurgischen Eingriff, einen therapeutischen Eingriff oder die Platzierung eines Implantats, verwendet werden.
-
Verschiedene hierin beschriebene Techniken eine spezielle Form von Endoskop. Gemäß verschiedenen Beispielen wird ein holographisch-endoskopisches Bildgebungssystem verwendet. Das holographisch-endoskopische Bildgebungssystem ist - im Gegensatz zu herkömmlichen Endoskopen - besonders kompakt am distalen Ende ausgebildet. Dies ermöglicht eine Durchführung der minimalinvasiven Operation mit in situ Bildgebung ohne die Nachteile eines besonders großen herkömmlichen Endoskops.
-
Das holographisch-endoskopische Bildgebungssystem umfasst mindestens eine Multimoden-Faser. Diese mindestens eine Multimoden-Faser ist eingerichtet, um Sendelicht von einem proximalen Ende zu einem distalen Ende und Empfangslicht vom distalen Ende zum proximalen Ende zu führen. Die mindestens eine Multimoden-Faser ist außerdem an ihrem distalen Ende an einem medizinischen Instrument, welches die minimalinvasive Operation ermöglicht, angebracht. Alternativ wäre es aber auch denkbar, dass die mindestens eine Multimoden-Faser an ihrem distalen Ende geeignet geformt ist, um - neben der Bildgebungsfunktionalität - auch eine medizinisch wirksame Funktionalität bereitzustellen. Die mindestens eine Multimoden-Faser kann insbesondere spitzenförmig geformt sein oder einen spitzenförmigen Aufsatz aufweisen, um ein Nadel-artiges Vordringen bzw. eine Punktierung von Gewebe zu ermöglichen.
-
Am distalen Ende des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystem sind aber keine Scan-Elemente, wie beispielsweise ein Mikrospiegel oder ein magnetischer Aktuator vorhanden. Um das Licht dennoch zu scannen, ist ein Wellenfrontmanipulator vorhanden. Dieser ist eingerichtet, um eine Wellenfront des Sendelichts beim distalen Ende der mindestens einen Multimoden-Faser zu formen. Derart wird das Sendelicht am distalen Ende in einem Abbildungsbereichs gescannt. Entsprechend wäre es auch möglich, das Empfangslicht zu scannen und großflächig zu beleuchten.
-
Eine solche Bildgebungseinheit ist grundsätzlich aus der Publikation Leite, Ivo T., et al. „Observing distant objects with a multimode fiber-based holographic endoscope." APL Photonics 6.3 (2021): 036112 bekannt. Der entsprechende Offenbarungsgehalt wird durch Querverweis übernommen. Im Detail ist dort ein holographisch endoskopisches Bildgebungssystem beschrieben, welches ohne Kamera, Lichtquelle, Scanelement usw. am distalen Ende auskommt. Der Endoskopschaft mit den Abmessungen von 0,2 × 0,4 mm2 besteht aus zwei parallelen optischen Fasern: eine für die Beleuchtung und die andere für die Signalerfassung. Die optischen Fasern sind Multimoden-Fasern. Der Lichttransport durch optische Multimoden-Fasern weist Eigenschaften auf, die sich von denen anderer komplexer Medien unterscheiden. Multimoden-Fasern unterstützen eine Reihe von ausbreitungsinvarianten Moden (engl. propagation invariant modes, PIMs), die ihre Feldverteilung bei der Ausbreitung durch die Faser nicht verändern und von denen jede durch eine bestimmte Ausbreitungskonstante gekennzeichnet ist, die ihre Phasengeschwindigkeit bestimmt. Dies ermöglicht die Verwendung eines Wellenfrontmanipulators am proximalen Ende. Dieser formt die Wellenfront des Sendelichts, bevor es in die Sende-Faser eintritt. Das Ein solches holographisch-endoskopisches Bildgebungssystem nutzt also das Prinzip der Rasterabtastung (engl. raster scanning), bei dem Bilder aus der lokalen Antwort eines Objekts auf einen vom Wellenfrontmanipulator vorgeformten und über die Multimoden-Faser übertragenen Abtaststrahl rekonstruiert werden. Der Wellenfrontmanipulator beeinflusst die Phasenlage der Wellenfront. Er wird daher auch als holographischer Modulator bezeichnet. Z.B. kann ein DMD verwendet werden. DMD steht für „Digital Micromirror Device“ verwendet ein Spiegel-Array basierend auf mikroelektromechanische Systemkomponenten-Technologie (MEMS-Technologie). Die Spiegel sind kippbar. Das holographisch-endoskopische Bildgebungssystem nutzt das Prinzip der Rasterabbildung, bei dem Bilder aus der lokalen Antwort eines Objekts auf einen vom Wellenfrontmanipulator vorgeformten Scanstrahl rekonstruiert werden. Die Empfangs-Faser sammelt Photonen, die vom Objekt zurückgestreut werden, wobei deren Menge von der lokalen Reflektivität des Objekts abhängt, der Rauheit, der Ausrichtung und der axialen Tiefe abhängt. Der entsprechende Abbildungsbereich ist gegenüber der Oberfläche der Sende- und Empfangs-Multimodenfaser beabstandet, wobei der Abstand durch den Wellenfrontmanipulator eingestellt werden kann. Im Detail wird die Lichtausbreitung durch die Sende-Multimoden-Faser empirisch durch eine Transmissionsmatrix charakterisiert, die die lineare Beziehung zwischen günstig gewählten Sätzen von Eingangs- und Ausgangsfeldern beschreibt. Es ist zum Beispiel möglich, die Darstellung orthogonaler, ebener Wellen, die vom Wellenfrontmanipulator abgeschnitten werden, als Grundlage für die Eingangsfelder und beugungsbegrenzte Brennpunkte in einem quadratischen Gitter in der Fernfeldebene der distalen Faserfacette als Grundlage für die Ausgangsfelder zu verwenden. Nach der Erfassung enthält die Übertragungsmatrix die Informationen für die Gestaltung der binären DMD-Muster zur Vorformung der proximalen Wellenfront, die zu Fernfeldfoki am distalen Ende des Endoskops führen. Dadurch lassen sich maßgeschneiderte Abbildungsbereiche abtasten.
-
Das am distalen Ende des Systems vorhandene medizinische Instrument kann zum Beispiel ein medizinisches Implantat oder ein chirurgisches Instrument ausbilden. Beispiele für ein chirurgisches Instrument sind zum Beispiel eine chirurgische Nadel oder eine Strahlungsquelle oder eine Wärmequelle. Es könnte ein Wirkstoff über eine Kanüle in einer Nadel injiziert werden. Das chirurgische Instrument könnte beispielsweise einen Sensor umfassen. Das medizinische Instrument könnte auch ein Wirkstoff-Reservoir umfassen, aus dem ein medizinisch aktiver Wirkstoff abgegeben werden kann.
-
Das medizinische Instrument kann beispielsweise aktiv oder passiv ausgebildet sein. Ein passives medizinisches Instrument wäre zum Beispiel eine Nadelspitze, die lediglich durch Bewegung mit dem Gewebe interagiert. Ein aktives medizinisches Instrument wäre zum Beispiel ein selektiv aktivierbares Wirkstoff-Reservoir oder eine Strahlungsquelle oder eine Wärmequelle, die geschaltet werden können.
-
Das medizinische Instrument kann in manchen Beispielen in der Diagnostik und in anderen Beispielen in der Therapie/Chirurgie für minimalinvasive Operationen verwendet werden.
-
Das hierin beschriebene System kann in der Diagnostik verwendet werden, um eine Probenentnahme von Gewebe (Biopsie) durchzuführen. Andere diagnostische Anwendungsgebiete sind die visuelle Inspektion oder Diskographie, Hirndrucküberwachung oder Arthroskopie (zur visuellen Inspektion von Gelenken). In der Therapie kann das Platzieren von Wirkstoffen (bspw. mit einer Nadel, die mit einem Wirkstoffreservoir verbunden ist, und den Wirkstoff gezielt injizieren kann) ermöglicht werden oder das Platzieren von Implantaten (Cochlea Implantat, Wirbelsäulenimplantat, Hydrocephalus, Shunt, Neurostimulation, ...). Das Gewebe kann auch direkt behandelt werden, z.B. im Rahmen einer Thermokoagulation oder einer photodynamischen Therapie.
-
Diskographie ist ein diagnostisches Verfahren, das zur Untersuchung von Bandscheibenerkrankungen eingesetzt wird. Dabei wird ein Kontrastmittel in den inneren Kern der Bandscheibe injiziert, um die Struktur und die Funktion der Bandscheibe zu beurteilen. Die Reaktion des Gewebes auf das Kontrastmittel kann mittels der endoskopisch erfassten Bilder und/oder mittels externer Bildgebung, z.B. Magnetresonanztomographie, überwacht werden.
-
Bei einer Hydrocephalus-Operation wird Flüssigkeit im Gehirn über eine Kanüle entnommen.
-
Thermokoagulation ist ein medizinisches Verfahren, bei dem mithilfe von Wärme aus einer lokalen Wärmequelle gezielt Gewebe zerstört wird. Es wird zur Behandlung von verschiedenen Erkrankungen eingesetzt, wie z.B. Schmerzen, Krämpfen oder Entzündungen. Dabei wird eine gezielte Hitzeeinwirkung auf ein bestimmtes Gewebe oder eine bestimmte Stelle im Körper ausgeübt, um das Gewebe abzutöten oder zu zerstören.
-
Die photodynamische Therapie dient der Behandlung von Krebs und einigen anderen Erkrankungen. Die photodynamische Therapie verwendet eine Kombination aus einem photosensibilisierenden Medikament und Licht, um Zellen im Körper gezielt zu zerstören. Beispielsweise kann das photosensibilisierende Medikament lokal aus einem Wirkstoff-Reservoir appliziert werden; entsprechend kann das Licht über die Multimoden-Fasern oder eine am distalen Ende bereitgestellte Lichtquelle bereitgestellt werden.
-
Alle solche minimalinvasiven Operationen umfassen typischerweise die folgenden zwei Operationsphasen: (i) erstens die Zugangsfindung und Verifikation der Position des medizinischen Instruments; und (ii) zweitens die eigentlich medizinisch wirksame Aktion, wie z.B. Wirkstoff-Abgabe, Gewebeentnahme, Wärmeabgabe, Strahlungsabgabe, Gewebepunktierung, Platzierung eines Implantats, Flüssigkeitsaufnahme, Flüssigkeitsabgabe, usw.
-
Die Kombination des medizinischen Instruments und des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems kann besondere Vorteile im Zusammenhang mit beiden genannten Operationsphasen aufweisen.
-
In der ersten Operationsphase, d.h. bei der Zugangsfindung und Verifikation der Position, kann mittels der endoskopisch erfassten Bilder ein externes Navigationssystem ersetzt oder ergänzt werden. Außerdem kann besonders genau überprüft werden, ob bestimmte Gewebestrukturen oder andere anatomische Merkmale durch das Vordringen des distalen Endes des Systems verletzt werden könnten. Gleichzeitig kann aber diese endoskopische Bildgebungsfunktionalität bereitgestellt werden, ohne dass der distale Querschnitt des Bildgebungssystems dadurch signifikant vergrößert werden würde. Dies liegt daran, dass das holographisch-endoskopische Bildgebungssystem ohne aktiv Scannen der Elemente am distalen Ende auskommt.
-
In der zweiten Operationsphase, das heißt bei der medizinisch wirksamen Aktion, kann die medizinisch wirksame Aktion basierend auf endoskopisch erfassten Bildern gesteuert werden. Beispielsweise könnte eine Reaktion des Gewebes auf die medizinisch wirksame Aktion in Echtzeit überwacht werden. Beispielsweise könnte in Echtzeit festgestellt werden, ob eine bestimmte Flüssigkeitsmenge oder Wirkstoffmenge, die distal abgegeben wird, ausreichend ist oder nicht.
-
Manchmal kann es aufgrund der unterschiedlichen Aufgabenstellung in den verschiedenen Operationsphasen notwendig sein, zwischen unterschiedlichen Bildgebungsmodalitäten umzuschalten. Die hierin offenbarten holographisch-endoskopische Bildgebungssysteme können mehrere Bildgebungsmodalitäten unterstützen. Ein oder mehrere Fasern des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems können in einem solchen Beispiel nacheinander Licht, dass mit den unterschiedlichen Bildgebungsmodalitäten assoziiert ist, führen. Derart kann ein besonders kleiner Querschnitt des Endoskopschafts erzielt werden. Es wäre auch möglich, mehrere Bildgebungsmodalitäten gleichzeitig zu verwenden, beispielsweise indem zeitparallel Licht, das mit den mehreren, gleichzeitig unterstützten Bildgebungsmodalitäten assoziiert ist, durch entsprechende Multimoden-Fasern des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems zu führen. Pro Bildgebungsmodalität kann beispielsweise eine Multimoden-Faser vorgehsehen sein. Eine solche Implementierung erhöht zwar den Querschnitt des Endoskopschafts; gleichzeitig wird aber die zeitliche Auflösung, mit der nacheinander bildet, die mit den verschiedenen Bildgebungsmodalitäten assoziiert sind, erfasst werden können, erhöht.
-
1 ist eine schematische Illustration eines beispielhaften Systems 100. Das System 100 ermöglicht eine medizinische Aktion im Rahmen einer minimalinvasiven Operation. Das System 100 umfasst Komponenten 198, die extrakorporal angeordnet sind; das System 100 umfasst auch inkorporale Komponenten 198, die in den Körper eines Patienten eingeführt werden können. Diese weisen ein distales Ende 192 auf.
-
Das System 100 umfasst ferner sowohl Komponenten im Zusammenhang mit der Bildgebung, wie auch ein medizinisches Instrument 511 für einen diagnostischen oder therapeutischen oder chirurgischen medizinischen Eingriff. Für die Bildgebung umfasst das System 100 eine holographisch-endoskopisches Bildgebungssystem 521; für einen medizinischen Eingriff umfasst das System 100 ein medizinisches Instrument 511.
-
Allgemein ist das medizinische Instrument 511 optional. In manchen Beispielen kann nämlich das distale Ende 192 von ein oder mehreren Multimoden-Fasern 121, 122 des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems 521 so geformt sein, dass das Ende der ein oder mehreren Multimoden-Fasern 121, 122 selbst medizinisch wirksam wird. Ein Beispiel wäre ein spitzenförmiger Aufsatz und eine spitzenförmige Form der Oberfläche 132 der Fasern 121, 122, beispielsweise um ein Nadel-artiges Vordringen zu ermöglichen.
-
Allgemeiner formuliert ist das distale Ende 192 der inkorporalen Komponenten und insbesondere der Fasern 121, 122 medizinisch wirksam ausgebildet - entweder in dem das medizinische Instrument 511 vorgesehen ist oder durch eine geeignete Formung der Fasern 121, 122.
-
Zunächst werden nachfolgend Details im Zusammenhang mit dem holographisch-endoskopischen Bildgebungssystem 521 erläutert. Dieses weist eine Sende-Multimoden-Faser 121 auf, durch die Sendelicht 125 vom proximalen Ende 191 zum distalen Ende 192 geführt wird. Das holographisch-endoskopischen Bildgebungssystem 521 umfasst außerdem eine Empfangs-Multimoden-Faser 122, durch die Empfangslicht 126 vom distalen Ende 192 zum proximalen Ende 191 geführt wird. Diese Fasern 121, 122 bilden den Endoskopschaft 120. Am distalen Ende 192 ist kein aktives scannendes Element - wie beispielsweise eine Magnetfeldspule, ein Piezoaktuator usw. - vorhanden. Der Querschnitt des Endoskopschafts 120 ist also besonders klein.
-
Das Sendelicht 125 wird von einem Lichtquellensystem 111 erzeugt. Das Sendelicht 125 durchläuft dann einen Wellenfrontmanipulator 112, beispielsweise ein DMD. Dieser ist eingerichtet, um die Wellenfront des Sendelichts 125 beim proximalen Ende 191 zu formen. Durch diese Formung der Wellenfront wird ein Abbildungsbereich 141 am distalen Ende 192 definiert und gescannt. Entsprechendes Scanlinien eines kartesischen Scanmusters sind in 1 indiziert, wobei aber allgemein unterschiedliche Scanmuster, zum Beispiel spiralförmig usw., denkbar sind.
-
Der Abbildungsbereich 141 ist in einem bestimmten Abstand 142 von der Oberfläche 132 auf der distalen Seite 192 der Fasern 121,122 angeordnet. Auch dieser Abstand 142 wird durch die geeignete holographische Modulation der Wellenfront des Sendelichts 125 im Wellenfrontmanipulator 112 eingestellt.
-
Das am jeweils beleuchteten Teil des Objekts zurückgestreute Licht wird von der Empfangs-Faser 122 gesammelt. Das Empfangslicht 126 wird von einem Detektionssystem 119 detektiert.
-
Außerdem ist ein Datenverarbeitungssystem 105 vorgesehen. Dieses ist eingerichtet, um die verschiedenen Einheiten 111, 112, 119 zu steuern. Das Datenverarbeitungssystem 105 ist außerdem eingerichtet, um basierend auf Messsignalen des Detektionssystem 119 für mehrere Bildgebungsmodalitäten Bilder des Abbildungsbereichs 141 zu bestimmen. Dies kann eine Rekonstruktion von Bildpixeln beinhalten.
-
Im Beispiel der 1 sind zwei getrennte Fasern 121, 122 vorhanden, um das Sendelicht 125 und das getrennt Empfangslicht 126 zu führen. In manchen Beispielen könnte auch nur eine Multimoden-Faser verwendet werden, um sowohl das Sendelicht 125 wie auch das Empfangslicht 126 zu führen. Alternativ kann die EmpfangsFaser als Singelmoden-Faser ausgebildet sein.
-
In manchen Beispielen wäre es auch denkbar, dass mehrere Fasern vorhanden sind, um unterschiedliche Typen des Sendelichts 125 und/oder unterschiedliche Typen des Empfangslichts 126 zu führen; unterschiedliche Typen des Sendelichts 125 und/oder des Empfangslichts 126 sind dabei mit unterschiedlichen Bildgebungsmodalitäten assoziiert und können durch unterschiedliche Module des Lichtquellensystems 111 erzeugt werden. Beispielsweise kann einmal kohärentes Licht und einmal inkohärentes Licht geführt werden. Es kann Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen geführt werden. Entsprechende Aspekte sind nachfolgend im Detail im Zusammenhang mit 2 und 3 erläutert.
-
2 illustriert Aspekte im Zusammenhang mit dem Lichtquellensystem 111. Im Beispiel der 2 weist das Lichtquellensystem 111 eine Reihe von Lichtquellenmodulen 811-813 auf. Die verschiedenen Lichtquellenmodulen 811-813 sind mit unterschiedlichen Bildgebungsmodalitäten assoziiert, das heißt, sie erzeugen Sendelicht für unterschiedliche Bildgebungsmodalitäten (während in dem Beispiel der 2 eine Anzahl von drei Lichtquellenmodulen 811-813 gezeigt ist, wäre es allgemein möglich, eine kleinere oder größere Anzahl von Lichtquellenmodulen zu verwenden; alternativ könnten auch durchstimmbare Lichtquellen verwendet werden).
-
Wenn eine gemeinsame Sende-Multimoden-Faser für zwei oder mehr der Module 811-813 verwendet wird, kann eine optische Vorrichtung vorhanden sein, die das Sendelicht 125, welches von den verschiedenen Modulen 811-813 erzeugt wird, jeweils in einen gemeinsamen Strahlengang lenkt. Das könnte z.B. ein optischer Schalter sein oder ein Strahlkoppler. Es könnte eine bewegliche Bühne vorhanden sein, die - je nachdem, welche Bildgebungsmodalität aktiv ist - ein anderes Modul 811-813 im Strahlengang platziert. Wenn aber für die verschiedenen Module 811 - 813 getrennte Sende-Multimoden-Fasern verwendet werden, so können diese starr mit den entsprechenden Modulen 811-813 gekoppelt sein.
-
3 illustriert Aspekte im Zusammenhang mit dem Detektionssystem 119. Dieses umfasst mehrere Detektionsmodule 821-823, die mit unterschiedlichen Bildgebungsmodalitäten assoziiert sind. Während im Beispiel der 3 drei Detektionsmodule 821-823 gezeigt sind, kann in anderen Varianten eine größere oder geringere Anzahl von Detektionsmodulen verwendet werden.
-
Es wäre denkbar, dass jedem der Detektionsmodule 821-823 eine entsprechende Empfangs-Multimoden-Faser 122 zugeordnet ist. Es wäre aber auch denkbar, dass eine Empfangs-Multimoden-Faser 122 für Empfangslicht 126 verwendet wird, das - je nach gewünschtem Betriebsmodus - unterschiedlichen Detektionsmodulen 821-823 zugeführt wird. Dazu könnte ein optischer Schalter oder ein Strahlteiler vorhanden sein. Es könnte eine bewegliche Bühne verwendet werden, die - je nach Betriebsmodus - unterschiedliche Detektionsmodul 821-823 im Strahlengang des Empfangslichts 126 platziert.
-
Beispielsweise wurde beobachtet, dass aufgrund des - aufgrund der Messmethodik inhärent - niedrigen Signal-zu-Rausch-Verhältnisses oftmals eine Strahlteilung zum zeitparallelen Verteilen des Empfangslichts 126 auf unterschiedliche Detektormodule (um Multiplexen mehrerer Bildgebungsmodalitäten zu unterstützen) wenig erstrebenswert sein kann. Deshalb kann es insbesondere in Varianten, in denen dieselbe Empfangs-Multimoden-Faser für mehrere Bildgebungsmodalitäten verwendet wird, erstrebenswert sein, nacheinander unterschiedliche Betriebsmodi zu aktivieren, die mit den unterschiedlichen Bildgebungsmodalitäten assoziiert sind. In jedem Betriebsmodus kann dann das gesamte Empfangslicht 126 auf ein entsprechendes Detektormodul 821-823 gelenkt werden, ohne eine weitere Verringerung der Signalamplitude durch Strahlteilung vorzunehmen. Dadurch wird die Bildqualität verbessert.
-
Nachfolgend werden nunmehr Details im Zusammenhang mit dem medizinischen Instrument 511 beschrieben.
-
Beispielsweise ist in 4 ein Szenario dargestellt, bei dem das medizinische Instrument 511 eine chirurgische Nadel 512 mit einer entsprechenden Nadelspitze 513 ausbildet. Die chirurgische Nadel 512 kann zum Beispiel für die Biopsie verwendet werden. Es könnte eine Kanüle zur Injektion oder Entnahme von Stoffen vorhanden sein (nicht gezeigt).
-
Die Multimoden-Fasern 121, 122 sind an ihrem distalen Ende 192 an der chirurgischen Nadel 512 angebracht. Damit liegt der Abbildungsbereich 141 entlang der Vorschubrichtung 149 der Nadel 152. Bei der Zugangsfindung und Positionsverifikation (erste Operationsphase) kann somit anhand der endoskopischen Bilder überprüft werden, ob die Nadel 152 richtig bewegt und platziert wird.
-
In 4 ist ferner mit den gepunkteten Linien die Projektion 581 des Querschnittsfläche der gesamten Anordnung in eine Ebene in Vorschubrichtung dargestellt. Diese Projektion 581 ist vergleichsweise klein, weil die Querschnittsfläche kompakt ist. Insbesondere ist nur ein geringer Teil der Projektion 581 zurückzuführen auf die Multimoden-Fasern 121, 122; das heißt die Multimoden-Fasern 121, 122 des holographisch-endoskopische Bildgebungssystems 521 tragen nur geringfügig zum Gesamtquerschnitt der inkorporalen Komponenten 199 des Systems 100 am distalen Ende 192 bei; der Querschnitt am distalen Ende 192 vielmehr wird maßgeblich durch das medizinische Instrument 151 bestimmt.
-
4 zeigt lediglich ein Beispiel für ein mögliches chirurgisches Instrument. Es sind auch andere Varianten denkbar. Beispielsweise könnte an der Nadelspitze 513 oder anstatt der Nadelspitze eine Strahlungsquelle oder eine Wärmequelle angeordnet sein, z.B. für eine Thermokoagulation. Es könnte auch eine lokale Lichtquelle angeordnet sein, etwa für die photodynamische Therapie. Licht für die photodynamische Therapie könnte aber auch über die Sendefaser 121 und/oder die Empfangsfaser 122 zugeführt werden (ggf. muss hierzu die endoskopische Bildgebung unterbrochen werden). Es wäre denkbar, dass an der Nadelspitze 513 oder anstatt der Nadelspitze 513 ein Wirkstoffreservoir angeordnet ist, welches selektiv geöffnet werden kann, um einen Wirkstoff lokal abzugeben. Dies kann für eine lokale Therapie oder auch im Zusammenhang mit der photodynamischen Therapie hilfreich sein. Es wäre alternativ oder zusätzlich denkbar, dass im Bereich der Nadelspitze 513 oder anstatt der Nadelspitze 513 ein Sensor angeordnet ist. Beispielsweise könnte derart lokal die Temperatur oder die Konzentration von bestimmten Molekülen gemessen werden. Beispielsweise könnte eine Bio-funktionalisierte Oberfläche oder allgemein ein Biosensor am distalen Ende vorgesehen sein. Der Sensor kann über eine lokale Energiequelle verfügen. Es wäre auch möglich, Energie über Licht zuzuführen, das über eine oder beide der Fasern 121, 122 geführt wird; mittels einer Photodiode kann derart eine Spannungsversorgung bereitgestellt werden. Der Sensor kann beispielsweise elektrisch ausgelesen werden, indem ein Stromfluss durch die Nadel 512 oder eine entsprechende Leiterbahn bereitgestellt wird. Es wäre aber auch denkbar, dass der Sensor optisch ausgelesen wird; das optische Auslesen kann zum Beispiel über eine oder beide der Fasern 121, 122 erfolgen. Der Sensor könnte zum Beispiel ein amplitudenmoduliertes optisches hochfrequentes Trägersignal aussenden, wobei der Amplitudenmodulation entsprechende Messwerte des Sensors kodiert werden. Dieses kann mit dem für die Endoskopie verwendeten Sende- und Empfangslicht 125, 126 überlagert werden, ohne die Endoskopie zu stören. Beispielsweise wäre es möglich, in der zweiten Operationsphase basierend auf Messwerten des Sensors die medizinisch wirksame Aktion zu steuern. Beispielsweise könnte ein medizinisch wirksames distales Ende in Abhängigkeit von Sensor-Messwerten gesteuert werden. Beispielsweise kann eine gezielte Menge von Strahlung abgegeben werden. Beispielsweise kann die Temperatur lokal auf einen gewünschten Wert erhöht werden. Die Sollwerte für solche Veränderungen der Umgebung aufgrund des chirurgischen Eingriffs können mittels des Sensors überwacht werden. Allgemein kann mittels des Sensors ein geschlossener Regelkreis implementiert werden, weil der Sensor eine Ist-Größe erfassen kann und diese Ist-Größe dann mit einer Soll-Größe verglichen wird.
-
Voranstehend wurden Aspekte beschrieben, wie das holographisch-optische Bildgebungssystem 521 kombiniert werden kann mit einem oder mehreren chirurgischen Instrumenten 511. In den verschiedenen Beispielen wäre es auch möglich, dass holographisch-optische Bildgebungssystem 521 mit einem Implantat (als ein anderes Beispiel für das medizinische Instrument 511) zu kombinieren. Ein solches Beispiel ist in 5 dargestellt.
-
In 5 ist dargestellt, wie die Multimoden-Faser 121 (im Beispiel der 5 ist nur die Multimoden-Faser 121 dargestellt; allgemein wäre es aber, wie bereits obenstehend beschrieben, möglich, dass ein oder mehrere weitere Fasern vorhanden sind) an einem Cochlea-Implantat 570 zum Einführen in das Ohr angebracht. Das Cochlea-Implantat 570 umfasst eine Hülle 572 an der mehrere Elektroden 571 angebracht sind. Die Elektroden können einen Hör-Nerv stimulieren, indem sie elektrische Signale aussenden, welche das Gehirn als Klang wahrnimmt. Die Multimoden-Faser 121 erstreckt sich bis zum distalen Ende des Implantats 570. Beispielsweise kann sich die Multimoden-Faser 121 entlang einer Seitenwand oder in einem Hohlraum des Implantats 570 erstrecken. Allgemeiner kann das Implantat 570 ein Aufnahmeelement aufweisen, beispielsweise eine Kerbe oder ein längliches Führungselement, das eingerichtet ist, um die entsprechende Multimoden-Faser - hier die MultimodenFaser 121 - lösbar zu fixieren.
-
Allgemein kann die Integration von ein oder mehreren Multimoden-Fasern in das Implantat permanent erfolgen (Trennen der Faser am proximalen Ende des Implantats nach erfolgreicher Platzierung), oder temporär und damit lösbar.
-
Das Einführen des Cochlea-Implantats 570 kann mittels des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems 521 unterstützt werden. Im Beispiel der 4 umfasst das System 100 ein Kopplungselement 605, welches einen distalen Abschnitt 706 der Multimoden-Faser 121 mit einem proximalen Abschnitt 705 der Multimoden-Faser verbindet, das heißt optisch koppelt. Es ist möglich, dass nach Platzierung des Implantats 570 an der gewünschten Stelle das Kopplungselement 650 betätigt wird und den proximalen Abschnitt 705 vom distalen Abschnitt 706 löst; damit kann der proximale Abschnitt 705 entfernt werden. In manchen Beispielen ist das Kopplungselement so ausgebildet, dass der proximale Abschnitt 705 gelöst und dann wieder mit dem distalen Abschnitt 706 verbunden werden kann, beispielsweise zu einem späteren Zeitpunkt bei einer weiteren minimalinvasiven Operation, z.B. wenn eine erneute Platzierung des Implantats 570 benötigt wird oder die Platzierung überprüft werden soll.
-
Solche Techniken, wie sie voranstehend im Zusammenhang mit dem Kopplungselement 605 beschrieben wurden, können für verschiedenste Typen von Implantaten verwendet werden, nicht nur für das dargestellte Cochlea-Implantat 570.
-
Voranstehend wurden Szenarien beschrieben, bei denen die Multimoden-Fasern des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems 521 an deren distalen Ende an einem medizinischen Instrument, wie beispielsweise einem chirurgischen Instrument oder einem Implantat, angebracht sind. Die Multimoden-Fasern stellen dabei keine aktive medizinische Wirkung bereit; die Multimoden-Fasern werden lediglich dazu verwendet, eine endoskopische Bildgebung bereitzustellen, insbesondere bei der Zugangsfindung. Die aktive medizinische Wirkung wird vielmehr durch das medizinische Instrument bereitgestellt. Es ist aber nicht in allen Varianten notwendig, dass die eine oder mehreren Multimoden-Fasern des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems 521 mit einem separaten medizinischen Instrument kombiniert werden. Trotzdem kann ein medizinisch wirksames distales Ende 192 vorliegen, nämlich durch geeignete Ausbildung der Multimoden-Faser(n) selbst. Das bedeutet in anderen Worten, dass die Multimoden-Faser(n) selbst eine bestimmte medizinisch wirksame Aktion ermöglichen.
-
Beispielsweise ist in 6A ein Beispiel gezeigt, bei dem das distale Ende 192 der Multimoden-Faser 121 spitzenförmig ausgebildet ist. Dies ermöglicht ein nadelähnliches Vordringen. Entsprechend könnten auch weitere Fasern ausgebildet sein. Durch die Formung einer Spitze kann durch die Multimoden-Faser 121 selbst die chirurgische Funktionalität einer chirurgischen Nadel bereitgestellt werden. In 6B ist eine Variante dargestellt, bei der ein transparenter optischer Aufsatz 805 auf der Oberfläche 132 am distalen Ende 192 der Multimoden-Faser 121 angeordnet ist. Der transparente optische Aufsatz 805 ist wiederum spitzenförmig ausgebildet. Beispielsweise kann der transparente optische Aufsatz 805 einen Brechungsindex aufweisen, der dem Brechungsindex des umgebenden Gewebes entspricht; so dass der Aufsatz 805 nicht optisch wirksam ist bzw. die Bildgebung nicht verzerrt. Andernfalls könnte die optische Wirkung des optischen Aufsatzes 805 bei der Rekonstruktion von Bildern berücksichtigt und herausgerechnet werden.
-
Im Beispiel der 7 ist die Multimoden-Faser 121 in einem Führungslumen 810 angeordnet. Die Multimoden-Faser 121 kann sich zwischen dem proximalen Ende 191 und distalen Ende 192 im Führungslumen 810 erstrecken. Im Beispiel der 7 ist das distale Ende 192 des Führungslumen 810 auch spitzenförmig ausgebildet, wobei das optional ist. Durch das Führungslumen 810 kann eine größere Steifigkeit als durch die Multimodenfaser 122 bereitgestellt werden, so dass Gewebe manipuliert werden kann bzw. nadel-artiges Vordringen ermöglicht wird. Eine solche Variante mit dem Führungslumen 810 könnte auch kombiniert werden mit der Verwendung eines weiteren medizinischen Instruments, beispielsweise eines Implantats usw. Beispielsweise könnte das medizinische Instrument am proximalen Ende des Führungslumens aufgesetzt sein oder durch das Führungslumen vorgeschoben werden. Durch das Führungslumen kann eine größere Steifigkeit bereitgestellt werden, so dass auch schwere medizinische Instrumente zuverlässig eingeführt werden können.
-
In einer weiteren Variante kann - wie das in 8 gezeigt ist - eine Verstärkungsstruktur 815 entlang der Multimoden-Faser 121 vorgesehen sein, um eine größere Steifigkeit bereitzustellen. Im Beispiel der 8 erstreckt sich die Verstärkungsstruktur 815 axial entlang der Multimoden-Faser 121, d.h. in Längsrichtung; alternativ oder zusätzlich könnte auch eine Verstärkungsstruktur in Umfangsrichtung vorgesehen sein. Auch im Beispiel der 8 ist es nicht notwendig, dass die Multimoden-Faser 121 an ihrem distalen Ende 192 spitzenförmig ausgebildet ist.
-
Die Verstärkungsstruktur kann - im Vergleich zu den Multimoden-Faser(n) - aus einem steiferen bzw. weniger elastische Material hergestellt sein.
-
Anhand der obenstehenden Offenbarung ist ersichtlich, dass die endoskopische Bildgebungsfunktionalität kombiniert wird mit einer medizinisch wirksamen Aktion, wie z.B. der Platzierung / Zugangsfindung eines Implantats, einer chirurgischen oder therapeutischen Aktion, usw. Die erste Phase der entsprechenden minimalinvasiven Operation - nämlich die Zugangsfindung und die Positionsverifikation - kann insbesondere dadurch unterstützt werden, dass das Datenverarbeitungssystem 105 eine Anzeige 910 der Projektion 581 des Querschnitts des medizinischen Instruments (und ggf. der Fasern) in den Abbildungsbereich 141 in den erzeugten Bildern bereitstellt. Das ist für ein beispielhaftes Bild 905 in 9 gezeigt. Dort ist ersichtlich, dass durch die Einblendung bzw. Anzeige 910 der Projektion 581 einfach überprüft werden kann, ob das medizinische Instrument durch einen durch anatomische Merkmale bzw. eine bestimmte Gewebestruktur 915 gebildeten Kanal passt oder nicht. Die Zugangsfindung wird somit unterstützt.
-
10 ist ein beispielhaftes Verfahren, welches die Verwendung eines holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems bei einer minimalinvasiven Operation betrifft. Beispielsweise kann das System 100 wie voranstehend beschrieben verwendet werden, welches das holographisch-endoskopisches Bildgebungssystem 521 und ggf. auch ein medizinisches Instrument 511 umfasst.
-
In Schritt 1005 werden ein oder mehrere Multimoden-Fasern des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems des Systems in einen Patienten eingeführt. Dies kann zusammen mit einem medizinischen Instrument erfolgen. Allgemein formuliert werden ein oder mehrere inkorporale Komponenten des entsprechenden Systems eingeführt. Schritt 1005 umfasst also die Zugangsfindung und Positionierung.
-
Es werden in Schritt 1010 endoskopische Bilder erfasst, beispielsweise mit einer ersten Bildgebungsmodalität (vgl. z.B. 9).
-
Beispielsweise können kontinuierlich Bilder erfasst werden, während die inkorporalen Komponenten hin zu einer Zielregion durch den Körper eines Patienten bewegt werden. Anhand der in Schritt 1010 erfassten Bilder kann eine Zugangsfindung und/oder Positionierung bzw. Positionsverifikation erfolgen. Beispielsweise können bestimmte anatomische Landmarken in den Bildern erkannt werden.
-
Es ist optional möglich, dass in Schritt 1011 auch eine externe Navigation bzw. Positionierung - beispielsweise mit Röntgenstrahlen oder mit Ultraschall - erfolgt. In manchen Beispielen wäre es aber auch denkbar, dass eine solche externe Positionierung aufgrund der Verfügbarkeit der Bilder des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems entbehrlich wird bzw. durch die endoskopischen Bilder ersetzt wird.
-
In Schritt 1015 kann optional die Bildgebungsmodalität geändert werden. Beispielsweise kann eine erste Bildgebungsmodalität besonders für die Zugangsfindung geeignet sein; während eine andere, zweite Bildgebungsmodalität besonders geeignet sein kann, um - nachdem das distale Ende des holographisch-endoskopischen Systems an der Zielregion platziert ist - eine medizinisch aktive Aktion zu überwachen oder zu steuern. Beispielsweise könnte die Platzierung eines Implantats mit einer anderen Bildgebungsmodalität durchgeführt werden, als das Einführen des Implantats. Beispielsweise könnte ein chirurgischer Eingriff, beispielsweise eine Entnahme einer Gewebeprobe oder eine lokale Therapie wie zum Beispiel Thermokoagulation oder eine photodynamische Therapie, mit einer anderen Bildgebungsmodalität überwacht werden, als das Platzieren des entsprechenden chirurgischen Instruments.
-
Entsprechend können nach dem Wechsel der Bildgebungsmodalitäten in Schritt 1015 in Schritt 1020 Bilder mit der neuen Bildgebungsmodalität erfasst werden und dann in Schritt 1025 die medizinisch wirksame Aktion durchgeführt werden. Dazu wird das medizinisch wirksame distale Ende der inkorporalen Komponenten des Systems verwendet.
-
In den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen werden unterschiedliche Bildgebungsmodalitäten unterstützt. Beispiele beinhalten: Reflektanz, optische Kohärenztomographie, Fluoreszenz, Autofluoreszenz, Laser-Speckle, Laser-Doppler, kohärentes Raman, nichtkohärentes Raman, und Spektroskopie.
-
Bei der Reflektanz-Bildgebungsmodalität wird die Reflektionsintensität des Sendelichts 125 gemessen. Die Intensität des reflektierten Lichts (des Empfangslichts 126) hängt von der Zusammensetzung und der Textur der Oberfläche ab. Durch die Analyse der Reflektanzbilder können Informationen über die physikalischen Eigenschaften des Materials gewonnen werden, wie z.B. die Rauheit, die Farbe und die Textur. Die Reflektanz-Bildgebungsmodalität kann z.B. verwendet werden, um die die Pigmentierung von Gewebe zu messen und somit Veränderungen wie z.B. Pigmentflecken oder Melanome zu diagnostizieren. In der Ophthalmologie kann die Reflektanzmessung eingesetzt werden, um die Dicke der Netzhautschichten zu messen und somit Veränderungen der Netzhaut im Zusammenhang mit verschiedenen Augenerkrankungen wie z.B. der Makuladegeneration zu verfolgen.
-
Bei der optischen Kohärenztomographie-Bildgebungsmodalität (OCT-Bildgebungsmodalität) wird ein kohärenter Lichtstrahl erzeugt, typischerweise im Nahinfrarotbereich. In dem die Phasenverschiebung gegenüber einem Referenzstrahl gemessen wird, kann die Lichtlaufzeit im Gewebe vermessen werden. Es wird das Interferenzmuster zwischen strahlen Referenzstrahl erfasst. Der Referenzstrahl kann vom Sende-Lichtstrahl (Sendelicht 121) proximal vor dem Wellenfrontmanipulator 112 abgezweigt werden. Die OCT-Bildgebungsmodalität kann in der Ophthalmologie zur Untersuchung der Netzhaut und des vorderen Augenabschnitts sowie in der Kardiologie und der Dermatologie eingesetzt werden.
-
Die Fluoreszenz-Bildgebungsmodalität basiert auf der Anregung von Fluoreszenz in bestimmten Molekülen. Dabei wird das Sendelicht 125 mit einer bestimmten Wellenlänge auf das zu untersuchende Objekt gerichtet, um die fluoreszierenden Moleküle im Gewebe anzuregen. Die emittierte Fluoreszenz wird dann über des Empfangslicht 126 erfasst. In der Medizin wird die Fluoreszenz-Bildgebungsmodalität in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, wie z.B. bei der Diagnose von Krebs, der Visualisierung von Zellaktivität oder der Untersuchung von Organfunktionen. Beispielsweise werden fluoreszierende Moleküle gezielt an Krebszellen gebunden, um sie sichtbar zu machen. Es kann auch Autofluoreszenz verwendet werden, d.h. es werden nativ vorhandene fluoreszierende Moleküle verwendet. Die Fluoreszenz-Bildgebungsmodalität kann auch bei der Untersuchung von Organfunktionen eingesetzt werden, wie z.B. bei der Untersuchung des Herzens. Hier kann ein fluoreszierendes Kontrastmittel verwendet werden, das sich in den Herzzellen ansammelt und es ermöglicht, die Kontraktionen des Herzmuskels zu visualisieren.
-
Die Laser-Speckle-Bildgebungsmodalität (LSI-Bildgebungsmodalität) ist eine bildgebende Technologie, die eingesetzt wird, um die Durchblutung von Geweben zu messen. Dabei wird ein Laserstrahl (Sendelicht 125) auf das zu untersuchende Gewebe gerichtet, wodurch ein räumliches Muster aus helleren und dunkleren Flecken (sogenannte Speckles) entsteht. Die Bewegung des Gewebes aufgrund der Blutflussveränderungen verursacht eine Veränderung in der Anordnung der Speckles, die mittels des Empfangslichts 126 erkannt wird. Aus dieser Veränderung kann dann die Geschwindigkeit des Blutflusses und die Perfusion des Gewebes berechnet werden. Die LSI-Bildgebungsmodalität wird in der Medizin eingesetzt, um die Durchblutung in verschiedenen Geweben und Organen zu untersuchen, z.B. in der Neurologie zur Untersuchung des Blutflusses im Gehirn und in der Kardiologie zur Beurteilung der Durchblutung des Herzens.
-
Die Laser-Doppler-Bildgebungsmodalität (LDB-Bildgebungsmodalität) wird verwendet, um die Durchblutung von Gewebe zu messen. Dabei wird ein Laserstrahl (Sendelicht 125) auf das zu untersuchende Gewebe gerichtet, der von roten Blutkörperchen in den Kapillaren des Gewebes gestreut wird. Die Streuung des Laserlichts führt zu einer Verschiebung der Frequenz des reflektierten Lichts (Doppler-Effekt). Durch die Messung der Frequenzverschiebung im Empfangslicht 126 kann die Geschwindigkeit des Blutflusses im Gewebe berechnet werden.
-
Die kohärente Raman-Bildgebungsmodalität (CRB) ist eine bildgebende Technologie, die auf dem Raman-Effekt basiert. Dabei wird ein Laserstrahl mittels des holographischen Endoskops auf das zu untersuchende Gewebe gerichtet (Sendelicht 125), wodurch die Moleküle im Gewebe zum Schwingen angeregt werden. Die Interaktion zwischen dem Laserlicht und den Molekülen führt zur Emission von Raman-Streulicht, das spezifische Informationen über die chemische Zusammensetzung des Gewebes enthält. Die CRB-Bildgebungsmodalität ermöglicht, chemische Veränderungen im Gewebe zu visualisieren. Die CRB-Bildgebungsmodalität wird eingesetzt, um die Moleküle in Geweben zu charakterisieren, wie z.B. Proteine, Lipide, Kohlenhydrate und Nukleinsäuren. Die CRB-Bildgebungsmodalität kann auch zur Diagnose von Krankheiten eingesetzt werden, indem sie es ermöglicht, spezifische Biomarker in Geweben zu identifizieren. Beispielsweise können Krebszellen frühzeitig erkannt werden. Der Unterschied zwischen kohärentem und nichtkohärentem Raman besteht darin, dass bei der kohärenten Raman-Streuung ein Laserstrahl verwendet wird, um die Schwingungen im Molekül anzuregen und zu vergrößern, während bei der nichtkohärenten Raman-Streuung eine nichtkohärente Lichtquelle verwendet wird. Bei der nichtkohärenten Raman-Bildgebungsmodalität wird ein Spektrometer als Detektormodul verwendet.
-
Eine weitere spektroskopische Bildgebungsmodalität ist die Nahinfrarotspektroskopie-Bildgebungsmodalität (NIRS): Dieses Verfahren basiert auf der Messung der Absorption von Licht im nahen Infrarotbereich. Die NIRS-Bildgebungsmodalität wird eingesetzt, um die Sauerstoffversorgung im Gehirn, im Herzen und in anderen Organen zu messen sowie um Hirnaktivitäten zu überwachen.
-
Neben einem solchen Wechsel der Bildgebungsmodalität wäre es in manchen Beispielen auch möglich, dass die Bildgebung während der Aktivierung des medizinisch wirksamen distalen Endes, das heißt während Schritt 1025, bei dem eine medizinisch wirksame Aktion durchgeführt wird, unterbrochen wird. Dies kann beispielsweise nötig sein, wenn die medizinisch wirksame Aktion die Verwendung von Licht benötigt, welches durch ein oder mehrere der vorhandenen Multimoden-Fasern zugeführt wird. Beispielsweise könnte im Zusammenhang mit einer photodynamischen Therapie Licht (welches nicht über den Wellenfrontmanipulator laufen muss) zugeführt werden.
-
Sofern auch ein medizinischer Sensor am distalen Ende des holographisch-endoskopischen Systems vorhanden ist, können in Schritt 1030 optional auf Sensor-Messwerte erhalten werden. Zum Beispiel kann dann der medizinisch wirksame Eingriff in Schritt 1025 basierend auf den Sensor-Messwerten gestoppt werden oder anderweitig gesteuert werden.
-
Beispielsweise wäre es denkbar, optische Gewebeeigenschaften, wie z. B. Lichtdurchlässigkeit zu ermittelt; derart kann (z.B. bei der Punktierung) das Erreichen bzw. Passieren von Membranen oder das Fließen von Blut erkannt werden. Es können dann weitere Funktionen ausgelöst werden, z.B. automatisch oder manuell durch den Benutzer basierend auf einer entsprechenden Information und ggf. das automatische Auslösen weiterer Gerätefunktionen. Beispiele wären das Starten/Stoppen einer Injektion, Aspirieren von Geweben oder Flüssigkeiten, usw.
-
Eine andere Art von Sensor könnte z.B. Tiefenmesswerte erfasst, mittels Lichtlaufzeitmessungen. Derart kann ein Abstand zu umliegendem Gewebe gemessen werden.
-
Andere Sensortypen könnten z.B. biofunktionalisierte Oberflächen umfassen, die sensibel auf bestimmte Moleküle oder Proteine reagieren.
-
Es wurden also insbesondere die folgenden BEISPIELE obenstehend beschrieben:
- BEISPIEL 1. System (100), das umfasst:
- - ein holographisch-endoskopisches Bildgebungssystem (521) mit mindestens einer Multimoden-Faser (121, 122), die eingerichtet ist, um Sendelicht (125) von einem proximalen Ende (191) zu einem distalen Ende (192) und Empfangslicht (126) vom distalen Ende (192) zum proximalen Ende (191) zu führen, und mit einem Wellenfrontmanipulator (112), der eingerichtet ist, um eine Wellenfront von zumindest einem des Sendelichts (125) oder des Empfangslichts (126) beim distalen Ende (192) der mindestens einen Multimoden-Faser (121, 122) zu formen, um derart das Sendelicht (125) am distalen Ende (192) in einem Abbildungsbereich (141) zu scannen oder das Empfangslicht (126) aus einem gescannten Winkel im Abbildungsbereich (141) zu akzeptieren, und
- - ein medizinisches Instrument (511), an der das distale Ende (192) der mindestens einen Multimoden-Faser (121, 122) angebracht ist.
- BEISPIEL 2. System (100) nach BEISPIEL 1,
- wobei das medizinische Instrument (511) ein medizinisches Implantat (570) ausbildet.
- BEISPIEL 3. System (100) nach BEISPIEL 1,
- wobei das medizinische Instrument (511) ein chirurgisches Instrument ausbildet.
- BEISPIEL 4. System (100) nach BEISPIEL 3,
- wobei das chirurgische Instrument eine chirurgische Nadel (512), eine Kanüle, eine Strahlungsquelle, eine Wärmequelle oder ein Wirkstoff-Reservoir ist.
- BEISPIEL 5. System (100) nach BEISPIEL 3 oder 4,
- wobei das chirurgische Instrument einen Sensor umfasst.
- BEISPIEL 6. System (100) nach einem der voranstehenden BEISPIELE, das weiterhin umfasst:
- - eine Verstärkungsstruktur (815), die sich entlang einer Umfangsrichtung und/oder entlang einer Längsrichtung der mindestens einen Multimoden-Faser (121, 122) erstreckt.
- BEISPIEL 7. System (100) nach einem der voranstehenden BEISPIELE,
- wobei das medizinische Instrument (511) ein Aufnahmeelement aufweist, das eingerichtet ist, um die mindestens eine Multimoden-Faser (121, 122) lösbar zu fixieren.
- BEISPIEL 8. System (100) nach einem der voranstehenden BEISPIELE,
- wobei jede der mindestens eine Multimoden-Faser (121, 122) einen jeweiligen an dem medizinischen Instrument (511) angebrachten distalen Abschnitt (706) und einen jeweiligen proximalen Abschnitt (705) umfasst,
- wobei der jeweilige distale Abschnitt (706) und der jeweilige proximale Abschnitt (705) lösbar über ein jeweiliges Kopplungselement (605) miteinander verbunden sind.
- BEISPIEL 9. System (100) nach BEISPIEL 8,
- wobei die jeder der mindestens einen Multimoden-Faser (121, 122) zugeordneten Kopplungselemente (605) eingerichtet sind, um den jeweiligen proximalen Abschnitt (705) und den jeweiligen distalen Abschnitt (706) mehrfach lösbar und wiederverbindbar miteinander zu verbinden.
- BEISPIEL 10. System (100) nach einem der voranstehenden BEISPIELE, das weiterhin umfasst:
- - ein Datenverarbeitungssystem (105), das eingerichtet ist, um basierend auf Messsignalen, die zumindest auf dem Empfangslicht (126) basieren, Bilder (905) eines am distalen Ende (192) der mindestens einen Multimoden-Faser (121, 122) angeordneten Abbildungsbereichs zu bestimmen,
wobei das Datenverarbeitungssystem (105) weiterhin eingerichtet ist, um eine Projektion (571) einer Querschnittsfläche des medizinischen Instruments (511) in den Abbildungsbereich (141) in den Bildern (905) anzuzeigen. - BEISPIEL 11. System (100) nach einem der voranstehenden BEISPIELE, das weiterhin umfasst:
- - ein Führungslumen (810) mit einem proximalen Ende (191) und einem distalen Ende (192),
wobei sich die mindestens eine Multimoden-Faser (121, 122) zwischen dem proximalen Ende (191) und dem distalen Ende (192) des Führungslumen erstreckt. - BEISPIEL 12. System (100) nach BEISPIEL 11,
- wobei das medizinische Instrument am proximalen Ende (191) des Führungslumen aufgesetzt ist oder durch das Führungslumen vorgeschoben werden kann.
- BEISPIEL 13. Holographisch-endoskopisches Bildgebungssystem (521), das umfasst:
- - mindestens eine Multimoden-Faser (121, 122), die eingerichtet ist, um Sendelicht von einem proximalen Ende (191) zu einem distalen Ende (192) und Empfangslicht (126) vom distalen Ende (192) zum proximalen Ende (191) zu führen, und
- - einen Wellenfrontmanipulator (112), der eingerichtet ist, um eine Wellenfront des Sendelichts (125) oder des Empfangslichts (126) beim distalen Ende (192) der mindestens einen Multimoden-Faser (121, 122) zu formen,
wobei das distale Ende (192) der mindestens einen Multimoden-Faser (121, 122) spitzenförmig ausgebildet ist oder einen spitzenförmigen Aufsatz (805) aufweist. - BEISPIEL 14. Holographisch-endoskopisches Bildgebungssystem (521) nach BEISPIEL 13, das weiterhin umfasst:
- - eine Verstärkungsstruktur (815), die sich entlang einer Umfangsrichtung und/oder entlang einer Längsrichtung der mindestens einen Multimoden-Faser (121, 122) erstreckt.
- BEISPIEL 15. Verwendung des Systems (100) nach einem der BEISPIELE 1 bis 12 oder des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems (521) nach BEISPIEL 13 oder 14 für eine medizinische Operation, insbesondere eine minimalinvasive medizinische Operation.
- BEISPIEL 16. Verwendung nach BEISPIEL 15, wobei die medizinische Operation eine medizinisch wirksame Aktion umfasst, die aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Biopsie; Diskographie; Hirndrucküberwachung; Arthroskopie; Wirkstoffplatzierung; Implantat-Platzierung; Platzierung eines Cochlea-Implantats; Wurzelkanalbehandlung; lokale Therapie; Thermokoagulation; photodynamische Therapie.
- BEISPIEL 17. Verfahren für eine medizinische Operation, wobei das Verfahren umfasst:
- - Einführen von ein oder mehreren inkorporalen Komponenten (199) eines Systems (100) in einen Patienten, wobei das System (100) ein holographisch-endoskopisches Bildgebungssystem (521) umfasst, wobei die ein oder mehreren inkorporalen Komponenten (199) des Systems (100) ein medizinisch wirksames distales Ende (192) aufweisen,
- - Erfassen von Bildern eines Abbildungsbereichs (141) mittels des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems (521), und
- - Verwenden des medizinisch wirksamen distalen Endes (192) zum Durchführen einer medizinisch wirksamen Aktion in Abhängigkeit von den Bildern des Abbildungsbereichs (141).
- BEISPIEL 18. Verfahren nach BEISPIEL 17, wobei das Verfahren weiterhin umfasst:
- - Wechseln zwischen zwei oder mehr Bildgebungsmodalitäten des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems (521).
- BEISPIEL 19. Verfahren nach BEISPIEL 17 oder 18, wobei das Verfahren weiterhin umfasst:
- - Erhalten von Messwerten eines Sensors, der am distalen Ende (192) angebracht ist,
wobei das Verwenden des medizinisch wirksamen distalen Endes (192) zum Durchführen der medizinisch wirksamen Aktion in Abhängigkeit von den Messwerten, die vom Sensor erhalten werden, gesteuert wird. - BEISPIEL 20. Verfahren nach einem der BEISPIELE 17 bis 19,
- wobei die medizinisch wirksame Aktion aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Biopsie; Diskographie; Hirndrucküberwachung; Arthroskopie; Wirkstoffplatzierung; Implantat-Platzierung; Platzierung eines Cochlea-Implantats; Wurzelkanalbehandlung; lokale Therapie; Thermokoagulation; photodynamische Therapie.
-
Selbstverständlich können die Merkmale der vorab beschriebenen Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale nicht nur in den beschriebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder für sich genommen verwendet werden, ohne das Gebiet der Erfindung zu verlassen.
-
Beispielsweise wurden voranstehend verschiedene Techniken im Zusammenhang mit einer minimalinvasiven Operation beschrieben. Es ist aber auch denkbar, dass entsprechende Techniken nicht bei einer minimalinvasiven medizinischen Operation, sondern einer konventionellen Operation zum Einsatz kommen.
-
Ferner wurden voranstehend Aspekte in Bezug auf das holographisch-endoskopische Bildgebungssystem beschrieben, bei dem das Sendelicht mittels des Wellenfrontmanipulators über den Abbildungsbereich gescannt wird. Es wäre aber auch möglich, mittels des Sendelichts am distalen Ende großflächig zu beleuchten (sog. „flash“-Beleuchtung) und dann das Empfangslicht selektiv aus einer bestimmten Richtung bzw. Winkeln zu akzeptieren, mittels des Wellenfrontmanipulators. Derart kann also der Winkel, aus dem Empfangslicht akzeptiert wird, im Abbildungsbereich gescannt werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- Leite, Ivo T., et al. „Observing distant objects with a multimode fiber-based holographic endoscope.“ APL Photonics 6.3 (2021): 036112 [0019]
