DE10240109A1

DE10240109A1 - Verfahren und Vorrichtung zur nichtinvasiven Bestimmung der Temperatur an mit einer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung behandeltem biologischem Gewebe mittels Fluoreszenz

Info

Publication number: DE10240109A1
Application number: DE10240109A
Authority: DE
Inventors: Georg Dipl.-Phys. Schüle; Carsten Dr.med. Framme; Ralf Brinkmann
Original assignee: MED LASERZENTRUM LUEBECK GmbH; Medizinisches Laserzentrum Luebeck GmbH
Current assignee: MED LASERZENTRUM LUEBECK GmbH; Medizinisches Laserzentrum Luebeck GmbH
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2004-03-11
Also published as: WO2004019774A1; AU2003263142A1

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur nichtinvasiven Temperaturbestimmung an mit einer Behandlungsstrahlung, insbesondere Laserstrahlung, behandeltem biologischen Gewebe, insbesondere am Augenhintergrund, wobei die Änderung der Fluoreszenz des bestrahlten Gewebes über eine optische Messung erfasst wird und aus dem Messsignalen die absoluten Temperaturwerte bestimmt werden und gegebenenfalls die Behandlungsstrahlung in Abhängigkeit davon gesteuert wird. Die Fluoreszenz kann einerseits die Autofluoreszenz des Gewebes oder die Fluoreszenz eines injizierten Farbstoffes sein.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur nichtinvasiven Bestimmung der Temperatur an mit einer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung behandeltem biologischen Gewebe mittels Fluoreszenznachweis.
[Stand der Technik]
Aus der DE 101 35 944.6-51 ist bekannt, dass mit Hilfe optoakustischer Techniken die Gewebetemperatur bei der elektromagnetischer Bestrahlung, insbesondere Laserstrahlung, nicht-invasiv bestimmt werden kann.
Aus G. Schüle, G. Hüttmann, J. Roider, C. Wirbelauer, R. Birngruber, R. Brinkmann: Optacustic measurement during μs-irradiation of the retinal pigment epithelium, SPIE, Proc. Vol. 3914: 213–236, 200 ist es bekannt, bei der selektiven Mikrophotokoagulation am Augenhintergrund zur Behandlung von Netzhauterkrankungen mittels μs-Laserpulsen die Temperaturen am behandelten Augenhintergrund messen zu können. Die vom ersten Behandlungspuls bewirkte Druckamplitude wurde zur Normierung der Druckamplitude auf die Temperatur des Augenhintergrundes verwendet. Aus der Druckamplitudenerhöhung der nachfolgenden Behandlungsimpulse wurden mit Hilfe der aus Eichmessungen bekannten Abhängigkeit der Temperatur von den Druckamplituden die Temperaturerhöhung und ferner die jeweiligen Absoluttemperaturen bestimmt. Bedingt durch das Mess prinzip können allerdings nur die Temperaturen der die Probestrahlung absorbierenden Strukturen bestimmt werden.
Aus T. Desmettre, S. Soulie-Begu, J. Devoisselle S. Mordon Diode laser-induced thermal damage evaluation on the retina with a liposome dye system, Lasers in Surgery and Medicine 24: 61–68 (1999) ist bekannt, dass mit Hilfe eines speziell entwickelten Farbstoff die am Augenhintergrund induzierte Erwärmung mittels Fluoreszenz nachgewiesen werden kann. Der verwendete Farbstoff ist ein thermosensitives Liposom, das bei einer bestimmten Temperatur einen Phasenübergang nichtreversibel durchläuft. Die Fluoreszenz beider Phasen ist unterschiedlich, so dass im Bereich des Phasenübergangs die Fluoreszenz temperaturproportional ist. Da der Phasenübergang irreversibel ist, wird nur die max. Temperatur ausgelesen, akkurat auch nur im kleinen Bereich um den Phasenübergang. Das Verfahren ist für eine on-line Temperaturkontrolle zur Regelung von Behandlungsstrahlung daher nicht verwendbar. Zudem ist der Farbstoff nicht klinisch zugelassen.
In vielen Bereichen der Augenheilkunde werden unterschiedliche Energiequellen, insbesondere Laser, zur Diagnostik und Behandlung eingesetzt. Dabei wird in aller Regel die gesamte eingestrahlte Energie vom biologischen Gewebe absorbiert und in Wärme umgewandelt, wobei durch die daraus resultierende Temperaturerhöhung der gewünschte Behandlungseffekt erreicht wird. Beispielsweise bei der Laserphotokoagulation wird die Retina des Auges gezielt thermisch koaguliert. Bei den üblichen Bestrahlungen mit Bestrahlungszeiten um 100 ms entstehen Temperaturen über 60°C. Auch bei der Transpupilaren Thermotherapie (TTT) werden Temperaturerhöhungen ausgenützt, um einen Gefäßverschluss zu erreichen. Bei der Photodynamischen Therapie (PDT) wird ein vorher injizierter Farbstoff durch Laserbestrahlung am Augenhintergrund aktiviert. Der Wirkstoff entfaltet nur an den Zellen seine Wirkung, an denen er gebunden ist. Hierbei wird ebenfalls fast die gesamte eingestrahlte Energie im Farbstoff und in der Retina absorbiert und in Wärme umgewandelt. Während der jeweiligen Bestrahlungszeit (Pulsdauer) mit relativ langen Behandlungs- und Strahlungspulsen in der Größenordnung von μs bis mehreren hundert Sekunden kann es zu einer Temperaturerhöhung des behandelten biologischen Gewebes, insbesondere des Augenhintergrundes kommen, die zu einer nicht beabsichtigen Schädigung von Netzhautbereichen führt. Eine nichtinvasive Real-Time-Temperaturbestimmung kann bei derartigen Augenbehandlungen bislang noch nicht durchgeführt werden, wäre aber zur Sicherheit der Bestrahlung und zur Optimierung der Behandlung äußerst wünschenswert. Die Temperaturkontrolle sollte sich dabei auf den Bereich der Zielstruktur oder des zu schützenden Areals stützen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur nichtinvasiven Bestimmung der Temperatur am behandelten biologischen Gewebe, insbesondere in der Augenheilkunde zu schaffen, bei denen für die Behandlungsstrahlung elektromagnetische Strahlungsquellen zum Einsatz kommen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß beim Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 und bei der Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 21 und 22 sowie durch die Verwendung gemäß Patentansprüchen 27 und 28 gelöst.

Durch die Erfindung werden ein fluoreszenzbasiertes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung geschaffen, wobei vorzugsweise während der jeweiligen Bestrahlungszeit der Behandlungsstrahlung zusätzliche Strahlungspulse, die zur Fluoreszenzanregung verwendet werden, mit geringerer Pulsdauer und geringerer Energie als bei der Behandlungsstrahlung auf das behandelte biologische Gewebe gerichtet. Die zusätzlichen Strahlungspulse können im wesentlichen in gleichen Zeitabständen erfolgen. Die angeregte Fluoreszenz wird durch optische Messung erfasst. Aus einer Änderung der Fluoreszenz wird die Temperaturerhöhung bestimmt, insbesondere werden die jeweiligen Absolutwerte der Temperatur bestimmt.

Es kann jedoch auch die Behandlungsstrahlung selbst zur Fluoreszenzanregung verwendet werden.

Dabei werden die im bestrahlten, biologischen Gewebe enthaltenen natürlichen Fluorophore angeregt. Bei der Anwendung am Augenhintergrund kann das die Autofluoreszenz von Lipofuszin, was sich als Alterspigment im retinalen Pigmentepithel ansammelt, oder auch von Flavinen sein. In anderen biologischen Geweben ist das typischerweise die Autofluoreszenz der natürlichen Fluorophore, insbesondere NADH (Nicotinamid-Adenin-Dinncleotid, reduziert) und Tryptophan.

Andererseits kann auch ein zu injizierender fluoreszierender Farbstoff zur Temperaturbestimmung genutzt werden. Am Augenhintergrund kommen dabei hauptsächlich die bereits zur klinischen Diagnostik verwendeten Fluorophore Fluoreszin und Indocyanin Grün (ICG) zum Einsatz.

In Abhängigkeit von der Temperaturerhöhung ändern sich die Fluoreszenzeigenschaften der Fluorophore, insbesondere die Fluoreszenzintensität. Aus dieser Fluoreszenzänderung kann dann mit Hilfe von Kalibrierungsdaten die absolute Temperaturerhöhung bestimmt werden.

Vorzugsweise wird kurz vor, beim, oder unmittelbar nach dem Einschalten der Behandlungsstrahlung durch einen zusätzlichen kurzzeitigen Strahlungspuls ein Fluoreszenzmesssignal gewonnen, das auf die normale Körpertemperatur, beispielsweise die menschliche Körpertemperatur von 37°C normiert wird.

Aufgrund der ständigen Überwachung der Temperatur auch während der jeweiligen Bestrahlungszeit (Pulsdauer) der Behandlungsstrahlung ist eine Steuerung der Behandlungsstrahlung in Abhängigkeit von der jeweils ermittelten Temperatur am Bestrahlungsort möglich. Dabei kann insbesondere die Pulsenergie oder Pulsleistung des Behandlungsstrahles gesteuert werden, um die gewünschte Temperatur am Bestrahlungsort zu erhalten.

Vorteilhaft ist bei der Erfindung, dass durch geeignete Wahl des Farbstoffs das Zielgewebe, insbesondere durch spezifische Anlagerung des Farbstoffs, sofern exogene Farbstoffe benutzt werden, bestimmt werden kann. Durch Wahl der geeigneten Wellenlänge können natürliche gewebespezifische Chromophore angeregt werden, wodurch selektiv deren Temperaturerhöhung erfasst werden kann. Unter Verwendung einer konfokalen Fluoreszenzanregung lässt sich neben der zeitlichen eine laterale und Tiefenauflösung und somit eine 3-D Temperaturverteilung bei Bestrahlung erzielen.

[Beispiele]

Anhand der Figuren wird die Erfindung noch näher erläutert.

Es zeigt

1 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung bei der die Behandlungsstrahlquelle zur Fluoreszenzanregung verwendet wird;

2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, mit welcher die Erfindung durchgeführt werden kann;

3 eine bei Patientenbestrahlung am Augenhintergrund gemessene, bereits in eine Temperaturerhöhung umgerechnete Autofluoreszenzänderung, der ein simulierter Temperaturverlauf überlagert wurde;

4 eine temperaturabhängige Fluoreszenzänderung von A2E (1μM in DMSO gelöst), dem Hauptbestandteil des im retinalen Pigmentepithels natürlich vorkommenden Fluorophors Lipofuszin, wobei die Fluoreszenzintensität sich linear mit der Probentemperatur ändert; und

5 eine temperaturabhängige Fluoreszenzänderung von Fluoreszin (1μM in H2O), welches als Farbstoff routinemäßig zur Diagnostik in der Augenheilkunde eingesetzt wird.

Die in den 1 und 2 teilweise mit Blockschaltbild dargestellte Vorrichtung beinhaltet eine Behandlungsstrahlquelle 1, beispielsweise eine Laserstrahlquelle, insbesondere einen cw-Laser. Mit der Behandlungsstrahlquelle 1 wird die für die Behandlung des Augenhintergrundes verwendete Behandlungsstrahlung erzeugt. Die Behandlungsstrahlung wird aufbereitet und über einen Applikator 9, insbesondere eine Spaltlampe, über eine weitere Optik 8, welches vorzugsweise ein ophthalmologisches Kontaktglas sein kann, auf den Fundus, insbesondere die Retina eines Auges 5 gerichtet wird.

Die Behandlungsstrahlquelle 1 wird von einer Systemsteuerung 3 gesteuert. Durch die Systemsteuerung 3 kann insbesondere die Strahlungsenergie und die Zeitdauer, mit welcher die Behandlungsstrahlung auf den Augenhintergrund gerichtet wird, gesteuert werden. Auch werden in der Systemsteuerung 3 die von einem Fluoreszenzdetektor 2 gemessenen Signale ausgewertet und in Temperaturwerte umgerechnet.

Die Fluoreszenz das Augenhintergrundes kann, wie in 1 dargestellt, einerseits mit der Behandlungsstrahlquelle 1 angeregt werden. Andererseits kann, wie in 2 dargestellt, die Fluoreszenzanregung mit einer zusätzlich eingekoppelten Strahlquelle 6 durchgeführt werden.

Die in 2 dargestellte Vorrichtung besitzt hierzu die zusätzliche, zur Fluoreszenzanregung genutzte Strahlquelle 6 in Form einer gepulsten elektromagnetischer Strahlquelle, insbesondere eine gepulste LED oder einen gepulsten Laser. Die Strahlung der zusätzlichen Strahlquelle 6 kann mit Hilfe eines Strahlteilers 4 in den Strahlengang der Behandlungsstrahlung eingekoppelt werden. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt diese Einkopplung nach dem Applikator 9. Es kann jedoch auch innerhalb, oder vor dem Applikator 9 die Einkopplung in die Behandlungsstrahlung erfolgen.

Wie in 1 und 2 ausgeführt, wird das von Augenhintergrund emittierte Fluoreszenzlicht mit Hilfe eines Strahlteilers 7 auf einen Fluoreszenzdetektor 2 geleitet. Dessen Signale werden an die Systemsteuerung 3 zur Auswertung und Umrechnung in absolute Temperaturwerte weitergegeben. Die Absolutwerte der Temperatur können angezeigt werden oder zur Steuerung bzw. Betätigung der Behandlungsstrahlquelle 1 verwendet werden.

Der Fluoreszenzdetektor kann als Fotodiode ausgebildet sein. Ferner eignet sich eine CCD-Kamera oder ein PMT (Photomultiplier) für die Fluoreszenzmessung. Ferner kann eine konfokale Anordnung mit einem Scanner, wie sie zur 3-D-Fluoreszenzmessung, beispielsweise aus der DE 198 50 149 A1 bekannt ist, verwendet werden. Ferner kann die Fluoreszenzmessung spektral aufgelöst werden.

Die 3 zeigt, dass der in Abhängigkeit von der Bestrahlungszeit berechnete Temperaturverlauf mit den bei einer Patientenbestrahlung am Augenhintergrund gemessenen Fluoreszenzdaten übereinstimmt.

In der 4 ist der zeitliche Verlauf der Temperatur und der Fluoreszenz von A2E (1 μM in DMOS (Dimethylsuloxid) gelöst) dargestellt. Daraus ergibt sich, dass die Fluoreszenzintensität sich linear und umgekehrt proportional mit der Probentemperatur ändert. A2E ist ein Pyridium-bisretenoid, das durch eine Schiff-Basenreaktion entsteht. Es handelt sich um einen Hauptbestandteil des retinalen Lipofuszin und kann syntetisch hergestellt werden.

In der 5 ist die lineare Temperaturabhängigkeit der Fluoreszenzänderung von Fluoreszin (1 μM gelöst in H2O) dargestellt. Die Fluoreszenzänderungen dieses Farbstoffes eignen sich somit ebenfalls zur Temperaturbestimmung.

1: Behandlungsstrahlquelle
2: Fluoreszenzdetektor
3: Systemsteuerung
4: Strahlteiler
5: Biolog. Gewebe, insbesondere Auge
6: Strahlquelle zur Fluoreszenzanregung
7: Strahlteiler
8: Bestrahlungsoptik
9: Applikator/Spaltlampe

Claims

Verfahren zur nichtinvasiven Temperaturbestimmung an mit einer Behandlungsstrahlung, insbesondere Laserstrahlung behandeltem biologischen Gewebe, dadurch gekennzeichnet, dass – eine durch die Temperaturänderungen hervorgerufene Änderung von Fluoreszenzlicht bestimmt wird, wobei – entweder eine spektrale Veränderung die Information der Temperaturänderung enthält, – und/oder der Temperaturanstieg aus der Gesamtfluoreszenzintensitätsänderung bestimmt wird, – und/oder die Änderung der Fluoreszenzabfallzeiten zur Temperaturbestimmung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Autofluoreszenz des bestrahlten Gewebes zur Temperaturbestimmung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein invasiv verabreichtes Fluorophor zur Erzeugung des Fluoreszenzlichtes bei der Temperaturbestimmung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei biologischem Gewebe wenigstens ein natürliches Fluorophor, insbesondere NADH und Tryptophan und dessen Fluoreszenzänderung zur Temperaturbestimmung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere am Augenhin tergrund die natürlichen retinalen Fluorophore Lipofuszin und/oder Flavine und deren Fluoreszenzänderungen zur Temperaturbestimmung verwendet wird bzw. werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere am Augenhintergrund als Farbstoffe Fluoreszin und/oder ICG und deren Fluoreszenzänderungen zur Temperaturbestimmung verwendet wird bzw. werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungsstrahlung gleichzeitig zur Fluoreszenzanregung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig zur Behandlungsstrahlung eine weitere Strahlung zur Fluoreszenzanregung auf die Bestrahlungsfläche appliziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laser zur Fluoreszenzanregung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine gepulste LED zur Fluoreszenzanregung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein bildgebendes Verfahren, insbesondere am Augenhintergrund ein Retinascanner, zur Bestimmung der Fluoreszenz verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einschalten der Behandlungsstrahlung die Fluoreszenzeigenschaften auf die normale Körpertemperatur des bestrahlten biologischen Gewebes normiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einschalten der Behandlungsstrahlung die Fluoreszenzeigenschaften auf die normale Körpertemperatur des bestrahlten biologischen Gewebes normiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass kurz nach dem Einschalten der Behandlungsstrahlung die Fluoreszenzeigenschaften auf die normale Körpertemperatur des bestrahlten biologischen Gewebes normiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur die Behandlungsstrahlung gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluoreszenzmessung mit einer Photodiode durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine CCD-Kamera zur Floreszenzmessung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Photomultiplier zur Floreszenzmessung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine konfokale Anordnung mit Scanner zur 3-D Fluoreszenzmessung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluoreszenzmessung spektral aufgelöst durchgeführt wird.
Vorrichtung zur nichtinvasiven Temperaturbestimmung von biologischem Gewebe, das mit einer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, mit einer vorgegebenen Behandlungszeit behandelt wird, gekennzeichnet durch – eine Behandlungsstrahlquelle (1) zur Erzeugung der Behandlungsstrahlung, – eine Steuereinrichtung (3), welche während der vorgegebenen Behandlungszeit die Behandlungsstrahlquelle (1) steuert, – einen Applikator (9) und eine Bestrahlungsoptik (8), mit welcher die Behandlungsstrahlung auf das biologische Gewebe gerichtet wird, – einen Fluoreszenzdetektor (2), mit welchem durch die Behandlungsstrahlung (1) angeregte Fluoreszenz optisch gemessen wird, und – eine Systemsteuerung (3), welche die jeweils erfassten Messsignale mittels einer Eichkurve in jeweilige Temperaturwerte wandelt.
Vorrichtung zur nichtinvasiven Temperaturbestimmung von biologischem Gewebe, das mit einer Behandlungsstrahlung, insbesondere Laserstrahlung, mit einer vorgegebenen Behandlungszeit behandelt wird, gekennzeichnet durch – eine Behandlungsstrahlquelle (1) zur Erzeugung der Behandlungsstrahlung, – eine Steuereinrichtung (3), welche während der vorgegebenen Behandlungszeit die Behandlungsstrahlquelle (1) steuert, – einen Applikator (9) und eine Bestrahlungsoptik (8), mit welcher die Behandlungsstrahlung auf das biologische Gewebe gerichtet wird, – eine zusätzliche Strahlquelle (6) zur Fluoreszenzanregung, insbesondere Laserstrahlquelle oder LED, welche während der Behandlungszeit zum Liefern zusätzlicher Strahlungspulse über einen Strahlteiler (4) in die Bestrahlungsstrahlung einkoppelbar ist, – einen Detektor (2), mit welchem die angeregte Fluoreszenz gemessen wird, und – eine Systemsteuerung (3), welche die jeweils erfassten Messsignale mit einer Eichkurve in jeweilige Temperaturwerte wandelt.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungspulse der zusätzlichen Strahlenquelle (6) eine geringere Energie aufweisen als die Behandlungsstrahlung und die Pulsdauer geringer ist als die jeweils vorgegebene Bestrahlungszeit der Behandlungsstrahlung.
Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer der zusätzlichen Strahlungspulse oder die Ausschaltzeit der Behandlungsstrahlung um einen Faktor 10² oder einen höheren Faktor kleiner bemessen ist als die jeweilige Bestrahlungszeit der Behandlungsstrahlung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungsstrahlquelle (1) an die Systemsteuerung (3) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemsteuerung (3) die absoluten Temperaturen anzeigt.
Verwendung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20 zur Bestimmung der Temperatur am Augenhintergrund, welche mit einer Behandlungsstrahlung, insbesondere Laserstrahlung behandelt wird.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 26 zur Bestimmung der Temperatur am Augenhintergrund, welcher mit einer Behandlungsstrahlung, insbesondere Laserstrahlung behandelt wird.