DE112015000481T5

DE112015000481T5 - Photoakustische Nadeleinstich-Vorrichtung

Info

Publication number: DE112015000481T5
Application number: DE112015000481.5T
Authority: DE
Inventors: Roger B. Bagwell; Kevin A. SNOOK; Ryan S. Clement; Andrew J. Meehan
Original assignee: Actuated Medical Inc
Current assignee: Actuated Medical Inc
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2015-01-23
Publication date: 2016-11-03
Also published as: GB2538013A; WO2015112817A1; US20150208925A1; GB201612733D0

Abstract

Ein Gerät zur Differenzierung von Gewebe wird bereitgestellt. Es umfasst eine erste Laserübertragungsquelle, welche einen ersten Laserstrahl ausgibt, bei dem der Output der ersten Laserübertragungsquelle in das Gewebe übertragen wird. Eine zweite Laserübertragungsquelle wird bereitgestellt, welche einen zweiten Laserstrahl ausgibt, welcher eine Wellenlänge hat, die von der des ersten Laserstrahls abweicht. Der Output der ersten und zweiten Laserübertragungsquellen wird in das Gewebe übertragen. Ein Nadelsystem zur Einführung in das Gewebe, zusammen mit einem akustischen Empfänger, welcher akustische Wellen empfängt, die bei der Übertragung des Outputs der ersten und zweiten Laserübertragungsquellen in das Gewebe hinein erzeugt werden. Ein damit verbundenes Verfahren wird ebenfalls eingereicht.

Description

Querverweis zu zugehörigen Anträgen
Die vorliegende Patentanmeldung beansprucht Priorität und Leistung der am 21. Januar 2015 eingereichten Patentanmeldung mit Seriennr. 14/601,784 der Vereinigten Staaten. Diese Patentanmeldung beansprucht ebenfalls Priorität und Leistung der am 24. Januar 2014 eingereichten Patentanmeldung der Vereinigten Staaten mit Seriennr. 61/931,286 und mit der Bezeichnung „Photoacoustic Needle Insertion Plafform” (Photoakustische Nadeleinstich-Vorrichtung). Die gesamten Inhalte der Patentanmeldungen mit den Seriennummern 14/601,784 und 61/931,286 der Vereinigten Staaten werden hierin durch Bezugnahme für alle Zwecke inkorporiert.
ERKLÄRUNG BEZÜGLICH BUNDESSTAATLICH GEFÖRDERTER FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG
Diese Erfindung wurde teilweise mithilfe von Mitteln der US-Bundesregierung (Federal Government) unter der Vergabenummer HHSN261201400015C der Nationalen Gesundheitsinstitute (National Institutes of Health) hergestellt. Dementsprechend besitzt die Regierung an dieser Erfindung gewisse Rechte.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung gehört im Allgemeinen zu den medizinischen Geräten, und genauer definiert zu einem photoakustischen System zur in-situ Charakterisierung und Differenzierung von biologischen Geweben und Flüssigkeiten während medizinischen Verfahren und Untersuchungen. Die Erfindung kann transkutane Nadeln integrieren, falls eine Differenzierung Vorteile für den Gesundheitsdienstleister in Echtzeit bietet, wie zum Beispiel, aber nicht ausschließlich, zur verbesserten Nadelspitzenlokalisierung, Ausrichtung der Trajektorie, Anvisieren oder Auswahl von spezifischen Strukturen, oder zur Feedback-Bereitstellung vor der Auslösung eines Biopsie-Kollektors während einer Biopsieprozedur.
2. HINTERGRUND
Im Folgenden findet sich eine Beschreibung des Hintergrundes von Stanzbiopsie („core needle biopsies” – CNBs) und Regionalanästhesie-(RA)Prozeduren, wovon ein Beispiel periphere Nervenblockaden (PNB) sind. Es soll klargestellt werden, dass die Vorrichtung und Methode der vorliegenden Erfindung nicht auf CNB- und RA-Prozeduren beschränkt ist, sondern auf eine Reihe von transkutanen Nadelprozeduren, wie bei einer Amniozentese oder beim Zugang in den Herzbeutel, anwendbar ist, und dass CNBs und PNB hier nur beispielhalber erwähnt werden. Es soll weiterhin klargestellt werden, dass die Vorrichtung und Methode der vorliegenden Erfindung auf folgende Stoffe anwendbar, aber nicht beschränkt, ist: Krebsgewebe, Bänder, Blut, Fettgewebe, Gewebsflüssigkeit, Knochen, sowie Fremdkörper.
In der Krebsdiagnostik konnten in jüngster Zeit dank der Verwendung von Biomarkerprofilen erhebliche Fortschritte gemacht werden. Diese Technik verwendet die Sequenzierung von Ribonukleinsäuren (”ribonucleic acid” – RNA) eines Tumors anstelle einer pathologischen Untersuchung und eliminiert das subjektive Element in morphologischen Berichten. Des weiteren führt sie zu wirksameren Behandlungsverfahren, welche auf Basis der Tumor-Vorläuferzellen anstatt von Pathologie ausgewählt wurden. Außerdem erlauben Biomarkerprofile eine frühere Erkennung und Diagnose, sowie eine Reduktion von sowohl falsch-positiven Befunden als auch Fehldiagnosen.
Gewebeproben für die Biomarkerprofilierung werden entweder durch diagnostische chirurgische Eingriffe oder mit Hilfe diagnostischer Nadelbiopsien gewonnen. Erstere sind auf Grund der Notwendigkeit einer Vollnarkose, stationärer Pflege und erhöhten Kosten und Komplikationen nicht wünschenswert. Diagnostische Nadelbiopsien werden mithilfe von Feinnadelaspiration (FNA) oder CNBs durchgeführt. CNBs stellen größere Gewebeprobenstücke bereit als FNA und sind erstrebenswert wenn ein größeres Materialvolumen für die Biomarkerprofilierung entnommen werden soll. CNB-Prozeduren werden im Allgemeinen von Radiologen durchgeführt und nehmen Technologien wie beispielsweise, aber nicht ausschließlich, Ultraschallbildgebung oder Computertomographie zur Hilfe, um zu bestimmen wann die Biopsienadel die anvisierte Tumormasse erreicht hat.
Obwohl diese Technologien die Raten erfolgreicher Biopsien signifikant erhöht haben, ist die Effektivität von Tumornachweisen nach wie vor unannehmbar gering; die Ausfallrate bei der Gewinnung von geeigneten Prostatatumor-Proben liegt bei 25–75%. Diese Fehlerquote ist bedingt durch die Beschränkungen der Modalitäten um gute Auflösung und Kontrast während einer CNB Prozedur zu erreichen. Beispiele hierfür sind Fälle in denen ein Tumor keine definierte Architektur oder Kanten hat, eine gutartige Läsion Bösartigkeit vortäuscht, oder der anatomische Zielbereich schwer zu erreichen ist (bspw. Achselhöhlen oder Prostata). Da keine in-situ Bestätigung eines Tumors vor der Entnahme möglich ist, werden Probleme wie eine Registrierfehlausrichtung zwischen Nadel und Bild erst durch die Identifikation von minderwertigen Gewebeproben während der Pathologie erkannt. Um ausreichend Material entnehmen zu können, entnehmen Gesundheitsdienstleister daher von 3–12 Biopsieproben in konventionellen Prozeduren, bis hin zu 60–80 Biopsieproben bei Verwendung einer umfangreicheren transperinealen Sättigungsbiopsie-Technik.
Regionalanästhesie (RA) erfordert das Einführen einer scharfen Kanüle durch empfindliches anatomisches Gebiet bis die distale Spitze die angezielte Nervenstruktur erreicht. RA wird in zwei Hauptkategorien unterteilt – zentral, bei welcher das Rückenmark angezielt wird, und peripher, wobei ein spezifisches Nervenbündel angezielt wird.
Zentral: Eine Epiduralanästhesie erfordert das Einführen einer Nadel (bspw. einer 17-Gauge-Nadel) durch zähes Bänder- und Muskelgewebe im Rücken und in den Epiduralraum hinein. Nachdem die distale Spitze den Epiduralraum erreicht, wird der Katheter durch die Nadel eingefädelt. Das größte Risiko bei einem epiduralen Nadeleinstich liegt in der Durchstechung der Dura mater und Nervenbeschädigungen auf Grund des zähen Ligamentum Flavum, das sich proximal zum Epiduralraum befindet (i. e. ein potenzieller Raum) und der weicheren Dura. Eine inkorrekte Trajektorie und Knochenkontakt können zu stärkeren Schmerzen für den Patienten und einer längeren Prozedur führen. Die Herausforderung besteht darin, eine Methode zur Gewebeunterscheidung vor der Nadel bereitzustellen, für eine frühere Erkennung von a.) Fehltrajektorien und b.) Gewebetyp und -dicke mit minimaler Signalverschmutzung durch Knochenstrukturen (Wirbelsäule).
Peripher: Eine periphere Anästhesie erfordert das Einführen einer Nadel (bspw. einer 18-Gauge-Nadel) durch Gewebeschichten bis sich das Distalende der Nadel nahe dem angezielten Nerv oder Nervenbündel befindet, ohne dabei den Nerv während der intraneuralen Injektion zu beschädigen. Periphere Anästhesien sind gegenüber Epiduralanästhesien auf Grund des kürzeren Krankenhausaufenthaltes und der besseren Schmerzkontrolle mit weniger Nebeneffekten im Vorteil. Ultraschallbildgebung wird oft angewandt, um die Nadelspitze möglichst nahe an den Nerv hinzuführen; eine präzise Nadelspitzenlokalisierung in der bildgebenden Ebene („in-plane”), stellt jedoch nach wie vor eine Herausforderung dar. In der Behandlung chronischer Schmerzen wird Fluoroskopie zur Nadelführung verwendet, welche Patient und Gesundheitsdienstleister schädlicher Strahlung aussetzt.
Photoakustische (PA) Bildgebung stellt einen grundlegenden Wandel in der Bestimmung von Gewebezusammensetzung dar. Ein kurzer Laserimpuls wird in das biologische Gewebe gerichtet, in welchem die Wärmeaufnahme stark von der chemischen Zusammensetzung der Gewebestruktur abhängig ist. Da der Impuls kürzer als die thermische und elastische Relaxionszeit von biologischem Gewebe ist, führt diese Aufnahme letztlich zu einer akustischen (Ultraschall-)Erzeugung, welche mit einem separaten Sensor erkannt werden kann. Die Erfassung von Gewebetyp und des verbesserten Gewebekontrasts sind der konventionellen Ultraschallbildgebung überlegen, da die Modalität nicht ausschließlich auf mechanischen Eigenschaften des Gewebes (i. e. Dichte und Schallgeschwindigkeit) beruht. Hohe räumliche Auflösung und Empfindlichkeit sind dank der Lichtausbreitung in nur eine Richtung (Sender-zum-Gewebe) möglich. Diese bringt weniger Dämpfung und Lichtstreuung mit sich als eine ausschließlich optische (wechselseitige Ausbreitungs-)Technik.
Typische PA-Systeme verwenden große, leistungsstarke und kostspielige gütegeschaltete Laser um hochintensive Laserstrahlen zu erzeugen, welche dann umgelenkt werden um eine Gewebeschicht zu beleuchten, oftmals mehrere Quadratmillimeter auf der Oberfläche. Dieser Ansatz wird angewendet, um eine ausreichende Fluenz für die Produktion von erkennbaren PA-Signalen auf dem gesamten Gebiet zu erzielen. Fluenz-Bereiche variierten zwischen Forschern von ca. 1.4 mJ/cm² bis 20 mJ/cm² (dem Grenzwert für klinische Exposition bei kurzen Wellenlängen). Die Auflösung der Systeme basiert auf der Laser-Pulsbreite und der Resonanzfrequenz des Ultraschallempfängers. Gütegeschaltete Laserquellen generieren grundsätzlich Pulsbreiten von 5 ns bis 10 ns. Ultraschallempfänger in diesen Systemen sind typischerweise lineare Phased-Array-Ultraschallsysteme, mit integrierter komplexer Strahlformungstechnik zur Produktion von hochauflösenden 2D-Bildern des Gewebes durch die PA-Signale.
Durch die Verwendung einer Abfragemethode, welche im Wesentlichen ein 1D-Bild oder eine Datenlinie produziert, können Laserquellen mit stärkerer Fokussierung und geringerer Intensität genutzt werden. Laserdioden sind weniger kostspielig und benötigen weniger Netzwerkinfrastruktur als gütegeschaltete Laserquellen. Dies ermöglicht nicht nur die Produktion multipler Laserwellenlängen innerhalb eines einzigen Systems praktischer Größe, sondern führt außerdem zu einer erheblichen Kostenreduktion. Durch die Verwendung von optischen Fasern mit einem Durchmesser von weniger als 200 μm (numerische Apertur, 0.14–0.22), wird das Beleuchtungsgebiet erheblich verkleinert. Laserdioden mit weniger als 500 mW können eine Laserfluenz von 3 mJ/cm² erreichen, welche ausreicht, um eine PA-Resonanz zu produzieren. Dies ist teilweise bedingt durch die längere Impulszeit von Dioden, verglichen mit anderen Laserquellen. Dies geht auf Kosten der Auflösung, obwohl Forschungsergebnisse im Vereinigten Königreich gezeigt haben, dass die Nutzung von Laserdioden mit Pulsbreiten von bis zu 500 ns angemessene PA-Bilder produzieren könnte.
Eine multispektrale optoakustische Bildgebung kann mit der vorliegenden Erfindung für die erfolgreiche Tumorabfragung genutzt werden. Die konventionelle multispektrale Bildgebung ist eine Technik, bei der zahlreiche Bilder mit diskreter Wellenlänge gewonnen und dann in einer zusammengesetzten Abbildung neu kombiniert werden, um so Eigenschaften durch die resultierenden Farbmuster zu markieren und zu identifizieren. Dies kann Bereiche wie Wasser, Bewuchs oder Straßen in Satellitenbildern, oder sogar verschiedene Antikörper in gemischten immunhistochemischen Färbungen hervorheben. Die multispektrale photoakustische Bildgebung (”multispectral photoacoustic imaging” – MSPI) ist in der Theorie ähnlich; jedes aufgenommene ”Bild” besteht aus dem photoakustischen Echo des aufgenommenen Zeitbereichs, welches sich aus den durch Licht diskreter Wellenlänge (Laserlicht) hervorgehobenen Strukturen ergibt. Bisherige MSPI-Anwendungen für die biologische Bildgebung durch Forscher basierten mehrheitlich auf durchstimmbaren Lasern (Laser/Oszillator Kombinationen) um eine spektrale Bandbreite von bis zu 2200 nm zu produzieren. Unter Nutzung dieser Bandbreite haben die Laser multiple Absorptionsspitzen von Fetten, Kollagen und Hämoglobin abgeglichen, um zwischen Plaque, Tumor, Muskel und Knochenstrukturen zu unterscheiden. Obwohl dies hochflexible Systeme sind, sind die Laserquellen groß, kostspielig und die Wellenlängenscan-Geschwindigkeit beträgt einige zehn Nanometer pro Sekunde; viel zu langsam für eine zeitechte Bildgebung mit MSPI über eine 800 nm-Bandbreite.
KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Zahlreiche Besonderheiten der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung zum Teil dargelegt oder sind aus der Beschreibung ersichtlich oder können aus der Praxis der Erfindung erschlossen werden.
Es wird hiermit vermerkt, dass der Term ”in vivo” definiert wird als die Durchführung einer Handlung oder eines Prozesses innerhalb eines lebenden Organismus oder einer natürlichen Umgebung. Zum Beispiel: die Durchführung einer photoakustischen Charakterisierung von Prostatagewebe in vivo bezieht sich auf das Hervorheben des Prostatagewebes innerhalb eines Menschen oder anderen Lebewesens, sofern sämtliche natürlichen physiologischen Funktionen noch ausgeübt werden.
Das hier beschriebene Gerät kann in einer Reihe von Gewebetypen verwendet werden, in vivo in einem Menschen oder Tier. Das Gerät kann in gewissen Aspekten bestimmter exemplarischer Ausführungsformen aus einem Schaltkasten bestehen, der verbunden ist mit einem wiederverwendbaren Handstück und einem wegwerfbaren Nadelsystem, welche zusammen zur Identifikation von biologischem Gewebe und Flüssigkeiten funktionieren, distal zur wegwerfbaren Nadel während der Prozedur, welche einen Nadeleinstich in den Körper mit einschließt. Einige Ausführungsformen können gesunde und krebsartige Zellen in situ unterscheiden. Diese Ausführungsformen können eine Umpositionierung der Nadel während der Biopsie und vor der Gewebeentnahme ermöglichen, um die Menge gewonnener Gewebeproben zu maximieren. Wiederum andere Ausführungsformen können zwischen Gewebetypen unterscheiden; Muskel, Räume (bspw. Epiduralraum), und Gefäße. Dies stellt dem Gesundheitsdienstleister Feedback in Echtzeit zur Verfügung, was eine Umpositionierung der Nadel erlaubt, die Nadellokalisierung verbessert, und die Wahrscheinlichkeit eines zu tiefen Eindringens verringert. Das System kann in Verbindung mit einem konventionellen Ultraschallbildgebungssystem zur Nadelvisualisierung verwendet werden, eine Methode die gegenwärtig als Standardverfahren für zahlreiche Prozeduren mit Nadeleinstich betrachtet wird.
Das wegwerfbare Nadelsystem kann in einigen exemplarischen Ausführungsformen aus einer Kanüle und einem Stilett bestehen, mit einer Integration von optischen Fasern in das Stilett, um Lichtimpulse durch das Stilett und aus dem Distalende heraus liefern zu können, sodass Materialien direkt vor der Nadel beleuchtet werden können. Kanüle und Stilett können für einige Prozeduren voneinander trennbar sein, um eine Injektion oder Aspiration durch die Kanüle nach dem Einsetzen in den Körper zu ermöglichen. Die Integration des wegwerfbaren Nadelsystems mit dem wiederverwendbaren Handstück kann maßgeschneiderte Anschlüsse erfordern.
Im Schaltkasten können ein oder mehrere Lichtquellen untergebracht werden, von denen jede zu Lichtimpulsen von sehr kurzer zeitlicher Dauer fähig ist. Diese Lichtimpulse können einen kurzen Energieimpuls bereitstellen, welcher groß genug ist um einen photoakustischen Effekt zu produzieren, aber nur so kurz, dass kein Gewebe, biologische Flüssigkeit oder andere Struktur beschädigt wird. Die Verwendung multipler Wellenlängen von Licht ermöglicht es, biologische Materialien mit dem multispektralen Ansatz zu differenzieren, wobei jedes Material ein bestimmtes Muster akustischer Signale aufweist, basierend auf der Wechselwirkung und Absorption von Licht mit den chemischen Strukturen des hervorgehobenen Materials.
Ebenfalls wird eine Methode in anderen Aspekten von anderen exemplarischen Ausführungsformen für die in vivo-photoakustische Unterscheidung von biologischem Gewebe durch eine Nadeleinstichprozedur in einem Lebewesen dargelegt. Die Methode kann die Verbindung eines ersten Endes eines wegwerfbaren Nadelsystems, mit inkorporiertem Faseroptikteil mit einem Handstück beinhalten, wobei das Handstück außerhalb des Lebewesens verbleibt. Ein zweites Ende des wegwerfbaren Nadelsystems kann durch die Haut des Lebewesens in das Unterhautgewebe hinein platziert werden. Die Methode kann auch die Verbindung des Handstücks mit einem Beleuchtungsmechanismus beinhalten, wobei der Beleuchtungsmechanismus Licht verschiedener spezifischer Wellenlängen produziert, und dem Beleuchtungsmechanismus derartige Energie verliehen wird dass das wegwerfbare Nadelsystem das Licht am ersten Ende empfängt, und das Licht aus dem zweiten Ende des wegwerfbaren Nadelsystems in distaler Richtung ausgibt. Das Licht, das aus dem zweiten Ende des wegwerfbaren Nadelsystems austritt, kann in biologisches Gewebe oder Flüssigkeiten des Lebewesens geleitet werden, um mit diesem zu interagieren und eine akustische Rückmeldungen aus dem biologischen Gewebe oder der Flüssigkeit zu produzieren. Des Weiteren kann ein akustischer Empfänger auf der Oberfläche des Lebewesens positioniert werden und mit proximalen akustischen Druckwellen interagieren, und diese akustischen Druckwellen in Spannung oder Ladungssignale umwandeln. Die Methode kann ebenfalls die Verbindung des akustischen Empfängers mit einem Empfangsmechanismus beinhalten, wobei der Empfangsmechanismus Proben von Spannung oder Ladungssignalen nimmt, und ebenfalls außerhalb des Lebewesens verbleibt, und die zur Probe genommenen Spannungsamplituden oder Ladungssignale vom Empfangsmechanismus, für jede bestimmte Wellenlänge, zu jedem Zeitpunkt oder zu jeder Reihe von Zeitpunkten, zusammenfasst. Zusätzlich kann die Methode die Verwendung eines Algorithmus beinhalten, um die Kombination sämtlicher zur Probe genommener Amplituden, zu jedem Zeitpunkt oder zu jeder Reihe von Zeitpunkten, mit den Kombinationen von Amplituden bekannter biologischen Materialien oder anderen Materialien, zu vergleichen. Dabei wird eine Prognose erstellt, welchen biologischen Materialien oder anderen Materialien die unbekannten Materialien zu jedem Zeitpunkt oder zu jeder Reihe von Zeitpunkten entsprechen, und jedes prognostizierte Material in eine eindeutige repräsentative Farbe umzuwandeln. Die Methode kann eine Weiterleitung der resultierenden Farblinie, welche die biologischen Materialien oder anderen Materialien als Funktion von Zeit und Distanz repräsentiert, auf einen Anzeigebildschirm einschließen, und der Anzeigebildschirm kann außerhalb des Lebewesens verbleiben.
Diese und weitere Besonderheiten und Aspekte der vorliegenden Erfindung können mit Hinweis auf die folgende Beschreibung und den angehängten Ansprüchen besser verstanden werden. Die zugehörigen Zeichnungen, die dieser Beschreibung beiliegen und Bestandteil davon sind, veranschaulichen die Ausführungen der Erfindung und dienen, zusammen mit der Beschreibung, zur Erklärung der Prinzipien der Erfindung.
KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ZEICHNUNGEN
Eine vollständige und aufschlussreiche Beschreibung der vorliegenden Erfindung, einschließlich ihrer idealen Anwendungsweise, und für einen normal geschulten Anwender gedacht, wird näher im Rest der Beschreibung dargelegt, die auf die angehängten Zeichnungen hinweist, wobei:
1 ein Prinzipschema der Komponenten einer Ausführungsform einer photoakustischen Nadeleinstich-Vorrichtung zeigt.
2A ein detaillierteres Schema der optomechanischen und elektrischen Komponenten innerhalb einer Ausführungsform eines Schaltkastens für eine integrierte photoakustische Nadeleinstichvorrichtung darstellt.
2B ein detaillierteres Schema der optomechanischen und elektrischen Komponenten innerhalb einer alternativen Ausführungsform eines Schaltkastens für eine integrierte photoakustische Nadeleinstich-Vorrichtung mit separatem Laser-Kopplerstromkreis darstellt.
3 eine Ausführungsform eines Ultraschallempfängers in Form eines selbstklebenden Pflasters zum Empfang von photoakustischen Signalen, die aus dem Gewebe auf der Hautoberfläche austreten, zeigt.
3A eine Querschnittansicht entlang der Linie A-A in 3 ist.
4 eine Draufsicht einer Ausführungsform des Distalendes einer optischen Biopsienadel mit integrierten optischen Fasern für die Nutzung mit einer integrierten photoakustischen Nadeleinstichvorrichtung ist.
4A eine Querschnittansicht entlang der Linie A-A in 4 ist.
4B eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des Distalendes einer optischen Biopsienadel mit optischen Fasern ist, die aus dem Distalende des optischen Stiletts herausragen.
4C eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Biopsiepistole mit integrierter optischen Biopsienadel ist und wesentliche interne Nadelverbindungen und verbundene optische Fasern aufzeigt.
5 eine Draufsicht einer Ausführungsform eines Distalendes einer optischen Tuohy-Anästhesienadel mit integrierten optischen Fasern für die Nutzung mit einer integrierten photoakustischen Nadeleinstichvorrichtung ist.
5A eine Querschnittansicht entlang der Linie A-A in 5 ist.
5B eine detaillierte perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Distalendes einer optischen Tuohy-Anästhesienadel mit integrierten optischen Fasern ist, die aus einem kleinen Fenster in der Kanüle herausragen.
5C eine detaillierte perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Anästhesiehandstücks mit integrierter optischen Anästhesienadel ist, welche die Luer-Verbindung und verbundenen optischen Fasern aufzeigt.
6 eine Serie von Graphen zur Veranschaulichung des Prinzips der Unterscheidung von Biomaterialien mit Hilfe von multispektralen photoakustischen Profilen zeigt, zusammengesetzt aus den vier verschiedenen Laserübertragungswellenlängen; Fett und sauerstoffreiches Hämoglobin (O2Hb) zeigen die verschiedenen photoakustischen Amplitudenspektren auf.
7 einen Graphen zeigt, der die komplexe wellenlängenabhängige Spektralabsorptionskoeffizienten von biologischem Gewebe und Flüssigkeiten aufzeigt, und dabei die signifikanten Unterschiede zwischen Biomaterialien hervorhebt.
8A eine Seitenansicht der photoakustischen Nadeleinstichvorrichtung und der zugehörigen Anzeige ist, welche die erstmalige Einführung der optischen Biopsienadel in einer, für die maximale Tumorerfassung während der Biopsieprozedur nicht-optimalen Trajektorie aufzeigt.
8B eine Seitenansicht der photoakustischen Nadeleinstichvorrichtung und der zugehörigen Anzeige ist, welche, mit der Annäherung der optischen Nadel an den Tumor, ein tieferes Eindringen der optischen Biopsienadel und eine höhere Tumorwahrscheinlichkeit, angezeigt auf dem Anzeigebildschirm, darstellt.
8C eine Seitenansicht der photoakustischen Nadeleinstichvorrichtung und der zugehörigen Anzeige ist, welche eine Umleitung der optischen Biopsienadel durch den Gesundheitsdienstleister zeigt, welcher den Nadelwinkel ändert um ein Gebiet mit größerem Tumor zu finden.
Das erhöhte photoakustische Signal des Bereichs mit größerem Tumor wird auf dem Anzeigebildschirm angezeigt.
8D eine Seitenansicht der photoakustischen Nadeleinstichvorrichtung und der zugehörigen Anzeige ist, welche die optische Biopsienadel nach Auslösung und Abwurf für eine maximale Tumorerfassung darstellt.
Die wiederholte Verwendung von Bezugszeichen in der vorliegenden Beschreibung und den Zeichnungen soll dieselben oder entsprechenden Bestandteile oder Elemente der Erfindung darstellen.
Bezugszeichenliste

1: Schaltkasten
2a: Output Laserstrahl kurzer Wellenlänge
2b: Output Laserstrahl mittlerer Wellenlänge
23: Stromversorgung
24: Stromkabel
25: Anzeigebildschirm
2c: Output Laserstrahl langer Wellenlänge
2d: Output Laserstrahl extra-langer Wellenlänge
3: Dichroitischer Spiegel
4a: Laserdiode kurzer Wellenlänge
4b: Laserdiode mittlerer Wellenlänge
4c: Laserdiode langer Wellenlänge
4d: Laserdiode extra-langer Wellenlänge
5: Photoakustische Nadeleinstichvorrichtung
6: Faseroptikkoppler
7: Übertragungslichtwellenleiter
8: Handstück
9a: Treiber kurzer Wellenlänge
9b: Treiber mittlerer Wellenlänge
9c: Treiber langer Wellenlänge
9d: Treiber extra-langer Wellenlänge
10: Kopplerstromkreis
11: Optischer Shutter
12: Akustisches Empfangspflaster
13: Vorverstärkerstromkreis
14: Mehrpoliger Anschluss
15: Multi-Linien Kabel
16: Innerer Durchmesser
17: Äußerer Durchmesser
19: Piezoelektrischer Polymerfilm
20: Elektronisches Subsystem
21: Optomechanisches Subsystem
22: Klebefilm
26: Nicht leitfähiger Schutzfilm
27: Biopsiepistole
28: Optische Biopsienadel
29: Optisches Stilett
30: Stilettnabe
31: Biopsiekanüle
32: Kanülennabe
33: Stilettauslöser
34: Kanülenauslöser
35: Einbettungsmatrix
36: Stilett-Probenkerbe
38: Nadel-Optokoppler
39: Optische (Stilett-)Faser
40: Handstück Optokoppler
41: Anästhesie-Handstück
42: Optische Anästhesienadel
43: Anästhesiestilett
44: Anästhesiekanüle
45: Stilettkoppler
46: Anästhesiekanülennabe
47: An/Aus-Schalttaste
48: Hautoberfläche
49: Koaxialer Output-Laserstrahl
50: Tumor
51: Funksender

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG REPRÄSENTATIVER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nun wird im Detail Bezug genommen auf Ausführungsformen der Erfindung, von welcher eines oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen veranschaulicht werden. Jedes Beispiel wird durch eine Erklärung der Erfindung ergänzt und ist nicht als eine Begrenzung der Erfindung gedacht. Besonderheiten, die als Teil einer Ausführungsform illustriert oder beschrieben werden, können bspw. mit einer anderen Ausführungsform genutzt werden, um zu einer dritten Ausführungsform zu gelangen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung diese und weitere Modifikationen und Variationen enthält.
Es wird darauf hingewiesen, dass die hier erwähnten Bereiche alle innerhalb des vorgegebenen Bereiches möglichen Bereiche enthalten. Somit enthalten alle hier erwähnten Bereiche alle Unterbereiche, die in den erwähnten Bereichen enthalten sind. Beispielsweise enthält ein Bereich von 100–200 ebenfalls die Bereiche von 110–150, 170–190 und 153–162.
Die vorliegenden photoakustischen Nadeleinstichgeräte und Methoden bieten einen möglichen Weg zur Differenzierung von biologischem Gewebe und Flüssigkeiten, wie bspw., aber nicht ausschließlich, Muskel, Fett, Knochen, Nerven, sauerstoffarmes oder sauerstoffreiches Blut, sowie tumoröses oder abgestorbenes Gewebe, direkt entlang der geplanten Trajektorie der Nadel oder einer ähnlichen Stechhilfe, während medizinisch-diagnostischen oder Behandlungsprozeduren, oder Untersuchungen mit Hilfe von Nadeln, idealerweise unter Lokalanästhesie, Biopsie oder Gefäßzugangsprozedur. Die Implementation der Lichtpulse in ein Nadelsystem kann, unter gewissen Umständen, maßgeschneiderte Anschlüsse erfordern. Einige bevorzugte Ausführungen werden in 1–8D dargestellt, mit Referenznummern, welche sich auf dieselben oder entsprechenden Bestandteile beziehen.
Wie hierin verwendet, ist die distale Richtung, die Richtung zum Patienten hin und vom Gesundheitsdienstleister weg. Die proximale Richtung, ist die Richtung zum Gesundheitsdienstleister hin und vom Patienten weg. Die hierin verwendeten Illustrationen sind für vier Laserquellen bestimmt, doch die Anzahl an Laserdiodenquellen, und damit die Anzahl der Abfrage-Wellenlängen, kann, mit entsprechender Modifikation gemäß den zahlreichen exemplarischen Ausführungsformen, reduziert oder erhöht werden.
1 zeigt ein Grundschema der Komponenten einer Ausführungsform einer photoakustischen Nadeleinstichvorrichtung 5, welche aus vier Haupt-Subsystemen besteht: einem Schaltkasten 1, in welchem das elektronische Subsystem 20 und das optomechanische Subsystem 21 untergebracht sind; das Nadeleinstichhandstück 8; das akustische Empfangspflaster 12; und dem Anzeigebildschirm 25. Die photoakustische Nadeleinstichvorrichtung 5 funktioniert mit Hilfe der Produktion von Licht im optomechanischen Subsystem 21, der Übertragung des Lichtes durch das Nadeleinstichhandstück 8 hindurch, und in das Subjekt hinein, und dem Empfang von akustischen Echos durch das separate akustische Empfangspflaster 12 und der Anzeige einer multispektralen photoakustischen Gewebeinformation auf dem Anzeigebildschirm 25. Die Elektronik wird über die Stromversorgung 23 versorgt, welche an eine konventionelle Netzsteckdose, mit bspw., aber nicht ausschließlich, 100–240 V, 50–60 Hz über das Stromkabel 24 angeschlossen werden kann. Der Anzeigebildschirm 25 bietet eine Repräsentation des Gewebetyps oder Tragfähigkeit des Gewebetyps direkt vor dem Nadeleinstichhandstück 8. Das Nadeleinstichhandstück 8 ist mit dem Schaltkasten 1 durch einen Übertragungslichtwellenleiter 7 mit einem Faseroptikkoppler 6 am proximalen Ende verbunden. Das akustische Empfangspflaster 12 ist mit dem Schaltkasten 1 durch ein Multi-Linien Kabel 15 mit einem mehrpoligen Anschluss 14 am proximalen Ende verbunden. Ein Vorverstärker 13 am akustischen Empfangspflaster 12 wird durch das Multi-Linien Kabel 15 angetrieben, mit einer Gleichspannung von bspw., aber nicht ausschließlich, 3 V bis 12 V.
2A stellt ein detaillierteres Schema einer Ausführungsform des Schaltkastens 1 und den Komponenten innerhalb des elektronischen Subsystem 20 und des optomechanischen Subsystems 21 dar. Eine Laserdiode kurzer Wellenlänge 4a, eine Laserdiode mittlerer Wellenlänge 4b, eine Laserdiode langer Wellenlänge 4c, und eine Laserdiode extra-langer Wellenlänge 4d, befinden sich innerhalb des optomechanischen Subsystems 21. Die Verwendung multipler Wellenlängen von Licht ermöglicht es, biologische Materialien auf Basis eines multispektralen Ansatzes zu differenzieren, wobei die Laserdiode kurzer Wellenlänge 4a einen Output-Laserstrahl kurzer Wellenlänge 2a produziert, welcher kürzer (kleiner) als der Output-Laserstrahl mittlerer Wellenlänge 2b ist, welcher wiederum den Output der Laserdiode mittlerer Wellenlänge 4b darstellt. Der Output-Laserstrahl langer Wellenlänge 2c der Laserdiode langer Wellenlänge 4c ist länger (grösser) als der Output-Laserstrahl mittlerer Wellenlänge 2b. Der Output-Laserstrahl extra-langer Wellenlänge 2d der Laserdiode extra-langer Wellenlänge 4d ist die längste (größte) Wellenlänge des optomechanischen Subsystems 21. Die Wellenlängen der Output-Laserstrahlen 2a–2d der Laserdioden 4a–4d liegen alle innerhalb des Lichtspektrums von 250 nm bis 1800 nm, aber idealerweise zwischen 450 nm und 1300 nm. Die optische Leistung der Output-Laserstrahlen 2a–2d der Laserdioden 4a–4d liegen alle im Bereich zwischen 25 mW bis 10 W, idealerweise aber zwischen 100 mW und 2 W.
Die Output-Laserstrahlen 2a–2d können kollimiert sein oder nicht, oder können eine minimale Diffraktion auf Grund von Fokussierung aufweisen. Die Output-Laserstrahlen 2a–2d der Laserdioden 4a–4d werden durch eine Reihe von dichroitischen Spiegeln 3 geleitet, welche reflektiv oder transmissiv zu bestimmten Wellenlängen sind, sodass alle Output-Laserstrahlen 2a–2d einen einzelnen koaxialen Output Laserstrahl 49 formen, welcher in den Faseroptikkoppler 6 eintritt, wie etwa eine fokussierte asphärische Linse, nach dem Durchlaufen eines kontrollierbaren optischen Shutters (Verschlussklappe) 11, welcher benutzt wird, um jeglichen Output aus Sicherheitsgründen während Nichtgebrauchs zu blockieren. Die Laserdioden 4a–4d werden von einem Treiber kurzer Wellenlänge 9a, Treiber mittlerer Wellenlänge 9b, Treiber langer Wellenlänge 9c, und einem Treiber extra-langer Wellenlänge 9d kontrolliert, welche elektrische Stromimpulse erzeugen, die mindestens genauso groß sind, aber weniger als 110% der maximalen Betriebsspannung der Laserdioden 4a–4d ausmachen. Die zeitliche Dauer der elektrischen Stromimpulse, definiert als volle Halbwertsbreite, liegt zwischen 1 Nanosekunde (ns) und 500 ns, idealerweise aber zwischen 30 ns und 150 ns. Während jedes Pulszyklus wird jede der Laserdioden 4a–4d durch einen einzelnen elektrischen Stromimpuls der entsprechenden Laserdiodentreiber 9a–9d angetrieben. Die Zeitverzögerung zwischen einzelnen elektrischen Stromimpulsen zu den Laserdioden 4a–4d, wie bspw. die Zeitverzögerung zwischen der pulsierenden Laserdiode 4a und dem Laserdiodentreiber 9a und der pulsierenden Laserdiode 4b und dem Laserdiodentreiber 9b, liegt zwischen 1 Mikrosekunde und 400 Mikrosekunden, idealerweise aber zwischen 10 Mikrosekunden und 100 Mikrosekunden. Die zeitliche Dauer des Pulszyklus liegt zwischen 5 Mikrosekunden und 10 Millisekunden (ms), idealerweise aber zwischen 250 Mikrosekunden und 2 ms. Der Anzeigebildschirm 25 kommuniziert mit dem elektronischen Subsystem 20 durch ein Funkprotokoll und einen Funksender 51, und ist batteriebetrieben. In einer weniger bevorzugten Ausführungsform ist der Anzeigebildschirm 25 physikalisch an den Schaltkasten 1 angeschlossen und kommuniziert mit dem elektronischen Subsystem 20 über eine Kabelverbindung.
2B stellt eine alternative Ausführungsform des Schaltkastens 1 und den Komponenten innerhalb des elektronischen Subsystems 20 und des optomechanischen Subsystems 21 (wie in 2A aufgezeigt) dar, in welcher die Laserdiodentreiber 9a–9d elektrische Stromimpulse oder elektrische Gleichstromimpulse bereitstellen, welche 10–99% der Größe des Emissionsschwellenwertes der Laserdioden 4a–4d ausmachen, idealerweise aber 75–95% des Emissionsschellenwertes der Laserdioden erreichen. Ein separater Koppelstromkreis 10 innerhalb des Schaltkastens 1 liefert Stromimpulse an die Laserdioden 4a–4d, durch einen inkorporierten Kopplungskondensator sowie Vorspannungselektronik, so dass die Summe des Gesamtstroms zu jeder Laserdiode 4a–4d den Emissionsschwellenwert übersteigt und weniger als 110% der maximalen Betriebsspannung der entsprechenden Laserdioden 4a–4d ausmacht. Diese Konfiguration ermöglicht es, Impulse mit einer präziseren Steuerung als in der ersten Konfiguration (in 2A) abzugeben, durch die Verwendung eines separaten Kopplerstromkreiss 10 um kleinere und schnellere Stromimpulse an die Laserdioden 4a–4d zu liefern. in dieser Konfiguration haben die Laserdiodentreiber 9a–9d einen 'vorbereitenden' Effekt, der die Laserdioden 4a–4d in einen Erregungszustand direkt unterhalb der Laseremission versetzt. Die zeitliche Dauer der elektrischen Stromimpulse des Kopplerstromkreises 10, definiert als volle Halbwertsbreite, liegt zwischen 1 ns und 500 ns, idealerweise aber zwischen 30 ns und 150 ns. Die zeitliche Dauer des elektrischen Stroms der Laserdiodentreiber 9a–d kann lediglich 1 ns kurz sein, oder aber so lange wie die integrierte photoakustische Nadeleinstichvorrichtung 5 mit Energie versorgt ist, wenn Gleichstrom genutzt wird. Der Koppelstromkreis 10 versorgt die Laserdioden 4a–4d mit einzelnen elektrischen Stromimpulsen mit Zeitverzögerungen zwischen 1 Mikrosekunde und 400 Mikrosekunden, idealerweise aber zwischen 10 Mikrosekunden und 100 Mikrosekunden. Die zeitliche Dauer des Pulszyklus, definiert durch das Kopplerstromkreis 10, liegt zwischen 5 ms und 10 ms, idealerweise aber zwischen 250 ms und 2 ms.
Der Anzeigebildschirm 25 kommuniziert mit dem elektronischen Subsystem 20 durch ein Funkprotokoll und einen Funksender 51, und ist batteriebetrieben. In einer weniger bevorzugten Ausführungsform ist der Anzeigebildschirm 25 physikalisch an den Schaltkasten 1 angeschlossen und kommuniziert mit dem elektronischen Subsystem 20 über eine Kabelverbindung.
3 und 3A zeigen auf detaillierte Weise die Komponenten des akustischen Empfangspflasters 12, welches akustische Druckwellen aus dem Inneren des Patienten oder Subjektes empfängt. Der aktive Teil des akustischen Empfangspflasters 12 besteht aus einem piezoelektrischen Polymerfilm 19, welcher aus einem Material wie Poly(vinylidendifluorid) oder Copolymer hergestellt wird, oder weniger bevorzugt, aus einer aktiven piezoelektrischen Keramik oder einem einkristallinen Material. Die Dicke des piezoelektrischen Polymerfilms 19 liegt zwischen 9 Mikrometer und 200 Mikrometer, idealerweise aber zwischen 20 Mikrometer und 52 Mikrometer. Der piezoelektrische Polymerfilm 19 kann eine ringförmige Geometrie aufweisen und aus einem einzelnen elektrischen Teil bestehen, oder kann, weniger bevorzugt, aus mehreren elektrischen Teilen bestehen. In einer alternativen, weniger bevorzugten, Ausführungsform ist der piezoelektrische Polymerfilm 19 scheibenförmig, rechteckig oder andersförmig, und kann aus einem einzelnen oder mehreren elektrischen Teil(en) bestehen. Der innere Durchmesser 16 des piezoelektrischen Polymerfilms 19 liegt im Bereich zwischen 3 mm bis 25 mm, idealerweise aber im Bereich zwischen 8 mm bis 15 mm. Der äußere Durchmesser 17 des piezoelektrischen Polymerfilms 19 ist zwischen 1 mm bis zu 10 mm grösser als der innere Durchmesser 16, idealerweise aber im Bereich zwischen 10 mm bis 20 mm. Die äußeren Schichten des akustischen Empfangspflasters 12 bestehen aus elektrisch leitfähigen Zinn/Silber-Schichten, welche beide Seiten des piezoelektrische Polymerfilms 19 bedecken, einem Klebefilm 22, idealerweise aus biokompatiblen Materialien hergestellt, für die Kontaktierung der Hautoberfläche 48 des Patienten oder Subjektes, und ein nicht leitfähiger Schutzfilm 26, idealerweise aus Polyimid hergestellt. Sämtliche Schichten können mit einem nicht-leitfähigen Epoxid oder ähnlichen Material, idealerweise einem flexiblen Epoxid, verbunden werden. Ein Vorverstärker 13, verbunden mit dem akustischen Empfangspflaster 12, stellt eine initiale Spannungsverstärkung des empfangenen photoakustischen Signales her und verbessert das den Signalrauschabstand. Ein Multi-Linien Kabel 15 stellt Strom vom Schaltkasten 1 (aus 1) an den Vorverstärker 13 zur Verfügung, und leitet das photoakustische Signal vom Vorverstärker 13 zum Schaltkasten 1. Das Multi-Linien Kabel 15 ist über einen mehrpoligen Anschluss 14 mit dem Schaltkasten 1 verbunden (aus 1).
Wie später aufgezeigt wird, werden hier beispielshalber zwei verschiedene Typen von Nadeleinstichsystemen gezeigt. Diese Erfindung beschränkt sich jedoch nicht nur auf diese beiden Typen von Nadeleinstichsystemen. Beide Beispiele nutzen das Prinzip der photoakustischen Abfrage innerhalb der Nadel (in-needle photoacoustic interrogation principle) um die Erfindungen zu veranschaulichen. Beide Ansätze können einen Schaltkasten und ein Empfängersystem verwenden. Beide Ansätze können Lichtimpulse anwenden und akustische Signale aus dem Innern des Patienten oder Subjektes übermitteln.
Nadeleinstichdesign 1 (”Core Needle Biopsy” System)
4, 4A, 4B und 4C zeigen eine detaillierte Illustration der Komponenten des Nadeleinstichdesigns 1, wobei das Nadeleinstichhandstück 8 für Stanzbiopsien (”core needle biopsies”) konstruiert ist und aus einer wiederverwendbaren Biopsiepistole 27, und einer wegwerfbaren optischen Biopsienadel 28 besteht. Die wegwerfbare optische Biopsienadel 28 besteht aus einem optischen Stilett 29 mit einer Stilettnabe 30, und einer Biopsiekanüle 31 mit einer Kanülennabe 32. Der Durchmesser der Biopsiekanüle 31 befindet sich im Bereich zwischen 22 Gauge bis 10 Gauge, idealerweise aber im Bereich zwischen 18 Gauge bis 14 Gauge. 4A zeigt, dass der äußere Durchmesser des optischen Stiletts 29 fast identisch mit dem inneren Durchmesser der Biopsiekanüle 31 ist, aber eine freie lineare Bewegung der beide Komponenten erlaubt. Die Stilettnabe 30 am proximalen Ende des optischen Stiletts 29, kann mit der Biopsiepistole 27 über einen Stilettauslöser 33 verbunden sein, um das optische Stilett 29 mechanisch mit dem Auslöse- und Abwurfmechanismus der Biopsiepistole 27 zu verbinden. Die Kanülennabe 32 am proximalen Ende der Biopsiekanüle 31 kann mit der Biopsiepistole 27 über einen Kanülenauslöser 34 verbunden sein, um die Biopsiekanüle 31 mechanisch mit dem Auslöse- und Abwurfmechanismus der Biopsiepistole 27 zu verbinden. Eine optische (Stilett-)Faser 39 läuft durch die Länge des optischen Stiletts 29 und wird durch die Einbettungsmatrix 35 gesichert. Die Einbettungsmatrix 35 kann, muss aber nicht, aus biokompatiblem Epoxid bestehen. Die Stilettprobenkerbe 36 besteht aus einer typischen konventionellen Stanzbiopsie-(”core needle biopsy”)Probenkerbe, die optische (Stilett-)Faser 39 wird jedoch in der Einbettungsmatrix 35 unterhalb der Stilettprobenkerbe 36 gehalten. Die Stilettnabe 30 enthält ein Durchgangsloch, das der optischen (Stilett-)Faser 39 das Durchlaufen ermöglicht, und beinhaltet einen Nadeloptokoppler 38. Der Nadeloptokoppler 38 ist verkuppelt mit dem Handstückoptokoppler 40, welcher in die Biopsiepistole 27 integriert ist, was eine gute Lichtübertragung zwischen dem Übertragungslichtwellenleiter 7 und der optischen (Stilett-)Faser 39 ermöglicht, wobei es möglich bleibt, dass die Biopsiepistole 27 von den anderen Komponenten für eine erneute Sterilisation vor der Wiederverwendung getrennt werden kann. Wird die Biopsiepistole 27 ausgelöst, werden die Biopsiekanüle 31 und die Kanülennabe 32, das optische Stilett 29, die Stilettnabe 30, und der Nadeloptokoppler 38 in distale Richtung abgeworfen, was den Nadeloptokoppler 38 vom Handstückoptokoppler 40 trennt.
Nadeleinstichdesign 2 (Regionalanästhesie-System)
5, 5A, 5B und 5C beschreiben die Komponenten des Nadeleinstichdesigns 2 näher, wobei das Nadeleinstichhandstück 8 zur Regionalanästhesie-versorgung konzipiert ist und aus einem wiederverwendbaren Anästhesie-handstück 41, und einer wegwerfbaren optischen Anästhesienadel 42 besteht. Die wegwerfbare optische Anästhesienadel 42 kann, muss aber nicht, eine Tuohy-Nadel mit Anästhesiestilett 43 und Anästhesiekanüle 44 sein, aber andere relevante Nadeldesigns könnten ebenfalls verwendet werden. Der Durchmesser der Anästhesiekanüle 44 liegt im Bereich zwischen 30 Gauge bis 14 Gauge, idealerweise aber im Bereich zwischen 22 Gauge bis 18 Gauge. 5 zeigt ein kleines Loch oder Fenster an der distalen Spitze der Anästhesiekanüle 44, welches es dem Laserlicht erlaubt, aus der optischen Anästhesienadel 42 auszutreten und das Gewebe im Körper zu erleuchten. Der äußere Durchmesser des Anästhesiestiletts 43 ist fast identisch mit dem inneren Durchmesser der Anästhesiekanüle 44, erlaubt aber eine freie lineare Bewegung der beiden Komponenten. Eine optische (Stilett-)Faser 39 läuft durch die Länge des Anästhesiestiletts 43 und wird durch die Einbettungsmatrix 35 gesichert. Die Einbettungsmatrix 35 kann, muss aber nicht, aus biokompatiblem Epoxid bestehen. Ein Stilettkoppler 45 am proximalen Ende des Anästhesiestiletts 43 verbindet sie mit dem Nadeleinstichhandstück 8 und koppelt Licht aus dem Übertragungslichtwellenleiter 7 in die optische (Stilett-)Faser 39 ein. Die Außenseite des Stilettkopplers 45 enthält eine Luer-Lock-Verbindung, eine Luer-Verbindung oder andere Verbindung könnte aber ebenfalls verwendet werden. Die Anästhesiekanülennabe 46 kann, muss aber nicht, ein entsprechender Luer oder Luer-Lock Formfaktor sein, um die Verbindung zu einer Injektionsspritze zu ermöglichen, sobald die optische Anästhesienadel 42 korrekt lokalisiert wurde, und das Anästhesiehandstück 41 und Anästhesiestilett 43 entfernt wurden. Eine optionale An/Aus-Schalttaste 47 schaltet den Laseroutput ein oder aus; in anderen Ausführungsformen könnte das Ein- oder Ausschalten des Laseroutputs durch die Verwendung eines Fußpedals oder eines Schalters am Schaltkasten 1 (aus 1) erfolgen.
6 bezieht sich auf eine Methode der multispektralen photoakustischen Abfrage mittels Verwendung der photoakustischen Nadeleinstichvorrichtung 5 (aus 1). Die aufgezeichneten akustischen Messungen nach der Erleuchtung des Gewebes mit sämtlichen Wellenlängen der Laser werden nach ihrer Amplitude ausgewertet. Idealerweise wird dies nach der Vollweggleichrichtung und Einhüllung der Messsignale durchgeführt, typischerweise mit Ultraschallbildgebung, aber auch andere Bearbeitungen können durchgeführt werden. Das Set aus vier akustischen Amplituden für jeden Zeitpunkt, welche mit der Distanz von der Nadelspitze basierend auf der Schallgeschwindigkeit im Gewebe korreliert, wird zusammengefasst und mit abgespeicherten Daten von bekannten Gewebeproben im permanenten Speicher des elektronischen Subsystems 20 (aus 1) verglichen.
7 zeigt den Absorptionskoeffizienten von verschiedenen biologischen Materialien für Wellenlängen von Licht. Da jedes Material ein anderes Absorptionsspektrum aufweist, können verschiedene biologische Materialen voneinander unterschieden werden.
8A–D zeigt ein Beispiel des Nadeleinstichprozesses mit der Erfindung, wobei die Umleitung der optischen Biopsienadel 28 während der Prozedur demonstriert wird. Wenn die optische Biopsienadel 28 in die Hautoberfläche 48 und die oberflächlichen Schichten des Gewebes eindringt (in 8A), werden vom koaxialen Output-Laserstrahl 49 photoakustische Signale produziert und diese vom akustischen Empfangspflaster 12 empfangen. Die Wahrscheinlichkeit („confidence”) eines Tumors 50 distal zur Nadel nahe des 2 cm Limit des koaxialen Output Laserstrahls 49 wird auf dem Anzeigebildschirm 25 angezeigt. In 8B, wo die optische Biopsienadel 28 in tiefere Gewebeschichten vordringt, kann der Tumor 50 nahe der optischen Biopsienadel 28 auf dem Anzeigebildschirm 25 gesehen werden. 8C zeigt die Umleitung der optischen Biopsienadel 28 während ein Gesundheitsdienstleister nach der brauchbarsten Trajektorie für eine maximale Probenentnahme sucht. Falls die Wahrscheinlichkeit besteht dass entlang der umgeleiteten Trajektorie eine größere Tumorprobe entnommen werden kann, zeigt 8D den Abwurf der optischen Biopsienadel 28 entlang einer umgeleiteten Trajektorie relativ zur ursprünglichen Trajektorie.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit bestimmten bevorzugten Ausführungen beschrieben wurde, muss darauf hingewiesen werden, dass der Inhalt der vorliegenden Erfindung nicht von diesen Ausführungen begrenzt werden soll. Im Gegenteil ist es beabsichtigt, dass der Inhalt dieser Erfindung alle Alternativen, Änderungen, und Entsprechungen enthält, die im Geist und im Umfang der folgenden Ansprüche einbezogen werden können.

Claims

Vorrichtung zur Differenzierung von Gewebe, enthaltend: eine erste Laserübertragungsquelle, welche einen ersten Laserstrahl ausgibt, wobei der Output der ersten Laserübertragungsquelle in das Gewebe hinein übertragen wird; eine zweite Laserübertragungsquelle, welche einen zweiten Laserstrahl mit einer vom ersten Laserstrahl verschiedenen Wellenlänge ausgibt, wobei der Output der zweiten Laserübertragungsquelle in das Gewebe hinein übertragen wird; ein Nadelsystem zur Einführung in das Gewebe, und; einen akustischen Empfänger, der akustische Wellen empfängt, welche bei der Übertragung des Outputs der ersten und zweiten Laserübertragungsquelle in das Gewebe hinein erzeugt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, des Weiteren enthaltend: einen Schaltkasten, der die erste und zweite Laserübertragungsquelle aufweist; ein Handstück, das einen Teil des Nadelsystems beherbergt; einen Übertragungslichtwellenleiter, welcher den Schaltkasten mit dem Handstück koppelt, wobei der Output der ersten und zweiten Laserübertragungsquelle, durch den Übertragungslichtwellenleiter hindurch, zum Handstück und dann in das Nadelsystem übertragen wird; und einen Bildschirm, der Informationen zum Gewebe an einer Stelle anzeigt, welche distal zu einem terminalen Distalende einer Nadelspitze des Nadelsystems liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Laserübertragungsquelle Laserdioden sind, wobei sich die Wellenlänge des ersten Laserstrahls um mindestens 10 Nanometer von der Wellenlänge des zweiten Laserstrahls unterscheidet, wobei sowohl der erste als auch der zweite Laserstrahl im optischen Spektrum von 450 Nanometer bis 1300 Nanometer liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Laserübertragungsquelle den ersten und zweiten Laserstrahl mit Laserlichtimpulsen von weniger als 200 Nanosekunden Dauer produzieren.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die erste und zweite Laserübertragungsquelle den ersten und zweiten Laserstrahl durch Gleichstromimpulse produzieren.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die erste und zweite Laserübertragungsquelle den ersten und zweiten Laserstrahl durch einen stromgesteuerten Gleichstromimpuls produzieren, welcher direkt an die Übertragungsquelle angelegt wird, oder durch einen Kopplungskondensator mit Vor-Elektronik angelegt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der akustische Empfänger aus folgender Gruppe ausgewählt wird: piezoelektrisches Polymer, Piezokeramik, piezoelektronischer Einkristall, und optoakustischer Modulator.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der akustische Empfänger als selbstklebendes Pflaster eingerichtet ist, wobei der akustische Empfänger einen piezoelektrischen Polymerfilm mit ringförmiger Geometrie aufweist, wobei das Nadelsystem durch den piezoelektrischen Polymerfilm lokalisiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, des Weiteren enthaltend: ein optomechanisches Subsystem, wobei der erste und der zweite Laserstrahl in einen einzelnen koaxialen Laserstrahlverlauf ausgerichtet werden; und einen Faseroptikkoppler, der den einzelnen koaxialen Laserstrahlverlauf empfängt und zu einem proximalen Ende eines Übertragungslichtwellenleiters fokussiert.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das optomechanische Subsystem eine Reihe von dichroitischen Spiegeln in Winkeln relativ zur ersten und zweiten Laserübertragungsquelle positioniert hat, so dass der erste und zweite Laserstrahl in den einzelnen koaxialen Laserstrahlverlauf reflektiert werden, welcher vom Faseroptikkoppler empfangen wird.
Vorrichtung zur Differenzierung von Gewebe, enthaltend: ein Nadelsystem für die Einführung in das Gewebe; eine optische Faser, die durch das Nadelsystem befördert wird, wobei ein Output-Laserstrahl aus der optischen Faser austritt und in das Gewebe geleitet wird; und einen akustischen Empfänger, der akustische Wellen empfängt, welche bei der Übertragung des Output-Laserstrahls in das Gewebe erzeugt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 11, des Weiteren enthaltend: einen Schaltkasten, welcher eine erste Laserübertragungsquelle und eine zweite Laserübertragungsquelle, welche beide Dioden sind, enthält, wobei die erste Laserübertragungsquelle einen ersten Laserstrahl emittiert, und die zweite Laserübertragungsquelle einen zweiten Laserstrahl mit einer vom ersten Laserstrahl verschiedenen Wellenlänge emittiert, wobei der erste und zweite Laserstrahl durch einen Faseroptikkoppler im Schaltkasten übertragen werden; einen Übertragungslichtwellenleiter in Kommunikation mit dem Faseroptikkoppler, welcher den ersten und zweiten Laserstrahl empfängt, wobei der Output des Faseroptikkopplers durch den Übertragungslichtwellenleiter übertragen wird; ein Handstück, das einen Teil des Nadelsystems beherbergt, wobei der Übertragungslichtwellenleiter mit dem Handstück gekoppelt ist, wobei der Output des Übertragungslichtwellenleiters zum Handstück übertragen wird, wobei das Handstück in Kommunikation mit der optischen Faser steht, wobei der Output des Handstücks in die optische Faser übertragen wird; wobei der Output des akustischen Empfängers in den Schaltkasten übertragen wird; einen Bildschirm in Kommunikation mit dem Schaltkasten, welcher Informationen über das Gewebe anzeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, des Weiteren enthaltend: ein Handstück; wobei das Nadelsystem ein optisches Stilett umfasst, wobei die optische Faser mit dem optischen Stilett durch eine Einbettungsmatrix verbunden ist; wobei das Nadelsystem eine Biopsiekanüle aufweist, durch welche das optische Stilett geleitet wird, wobei sich das optische Stillet relativ zur Biopsiekanüle bewegt; wobei das Nadelsystem eine Stilettnabe aufweist, welche ein proximales Ende des optischen Stiletts mit dem Handstück verbindet; und wobei das Nadelsystem eine Kanülennabe umfasst, welche ein proximales Ende der Biopsiekanüle mit dem Handstück verbindet.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei das Handstück einen Auslösemechanismus aufweist, welcher, wenn ausgelöst, das optische Stilett, die Biopsiekanüle, die Stilettnabe und die Kanülennabe in distaler Richtung, relativ zum Handstück, bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Handstück einen Handstückoptokoppler aufweist, und wobei das Nadelsystem einen Nadeloptokoppler aufweist, wobei bei Auslösung des Auslösemechanismus der Nadeloptokoppler sich in distaler Richtung relativ zum Handstück bewegt, wobei der Handstückoptokoppler sich mit dem Nadeloptokoppler verkuppelt und der Nadeloptokoppler einen Output vom Handstückoptokoppler empfängt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Stilettnabe an einem Stilettstift des Handstücks ausgerichtet ist, und wobei die Kanülennabe an einem Kanülenstift des Handstücks ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, des Weiteren enthaltend: ein Handstück; wobei das Nadelsystem ein Anästhesiestilett aufweist, welches durch einen Stilettkoppler mit einem Distalende des Handstücks gekoppelt ist, wobei die optische Faser durch das Anästhesiestilett läuft und mit dem Anästhesiestilett durch eine Einbettungsmatrix verbunden ist, bereitgestellt innerhalb des Anästhesiestiletts; wobei das Nadelsystem eine vom Handstück getragene Anästhesiekanüle aufweist, wobei das Anästhesiestilett durch die Anästhesiekanüle geleitet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei sich die optische Faser entlang einer Längsachse einer Nadel des Nadelsystems orientiert, und wobei der Output-Laserstrahl aus einem Distalende der Nadel austritt und sich entlang eines Pfads bewegt, welcher nominal gleich einer physikalischen Trajektorie der Nadel ist; und des Weiteren enthaltend einen Bildschirm, der Informationen über das Gewebe an einer Stelle distal zu einem terminalen Distalende der Nadel anzeigt.
Verfahren zur Identifikation verschiedener Gewebetypen, enthaltend die Schritte: eine Nadel mit optischer Faser in das biologische Gewebe einführen; einen Output-Laserstrahl aus der optischen Faser heraus in das biologische Gewebe hinein übertragen, wobei der Output-Laserstrahl aus einer Reihe von Lichtimpulsen unterschiedlicher Wellenlängen besteht; photoakustische Echos aus dem biologischen Gewebe nach jedem Lichtimpuls aufzeichnen; die photoakustischen Echos von mindestens einer Teilmenge der Wellenlängen verwenden, um photoakustische Signaturen unterschiedlicher Tiefen zu produzieren; die photoakustischen Signaturen zum Vergleich mit vorherig gesammelter Daten von bekannten biologischem Gewebe verwenden, um das biologische Gewebe zu differenzieren; und tiefenabhängige, differenzierte Gewebedaten einem Nutzer anzeigen.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die photoakustischen Signaturen auf Messungen basieren, ausgewählt aus der Gruppe der zeitabhängigen Spannungsamplituden, und der frequenzabhängigen Spektralamplituden der photoakustischen Echos, gemessen von einem akustischen Empfänger.