DE19912992A1

DE19912992A1 - Verfahren zur Bestrahlung mit Lichtimpulsen mit einem oder mehreren vorgegebenen oder gezielt variierbaren Parametern (mittlere Leistung, Spitzenleistung, Pulsdauer, Wiederholfrequenz)

Info

Publication number: DE19912992A1
Application number: DE1999112992
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-03-23
Filing date: 1999-03-23
Publication date: 2000-09-28

Description

Die Erfindung (Verfahren zur Bestrahlung mit Lichtimpulsen mit einem oder mehreren vorgegebenen oder gezielt variierbaren Parametern (mittlere Leistung, Spitzenleistung, Pulsdauer, Wiederholfrequenz), beispielsweise zur therapeutischen oder kosmetischen Anwendung) betrifft Verfahren zur Bestrahlung mit sichtbarem oder unsichtbarem Licht von Gegenständen, aber auch von Menschen, Tieren, Pflanzen oder Zellen (z. B. erzeugt mittels Leuchtdioden oder Laserdioden). Diese Bestrahlung kann medizinischen oder kosmetischen Zwecken dienen, aber auch z. B. Wachstumsprozesse beschleunigen oder steuern. Am Menschen sind z. B. punktuelle Anwendungen (z. B. Akupunktur) oder lokale Anwendungen (flächig, z. B. Heilungsbeschleunigung von Verbrennungen) in Gebrauch.

Ferner kann das Verfahren auch in anderen technischen Bereichen eingesetzt werden, z. B. zur Bilderfassung eines von mehreren das Verfahren einsetzenden Lichtquellen beleuchteten Gebiets, wobei das Gebiet von verschiedenen Stellen aus mit Licht-Impulsen unterschiedlicher Wiederholfrequenzen, aber vergleichbaren mittleren Leistungen bestrahlt wird. Durch das Verfahren kann mit einem, etwa mit einem Lock-In versehenem Nachtsichtgerät bzw. entsprechend ausgestattetem Computer ein Bild des betrachteten Objekts unter verschiedenen Beleuchtungen (und entsprechendem, etwa unterschiedlichem Schattenwurf) betrachtet werden, und dadurch etwa von einem Computer ein räumliches Bild hergestellt werden. Beispielsweise können in einer Fabrikhalle, die von z. B. 100 Lichtquellen mit pulsierendem Licht jeweils vergleichbarer mittlerer Leistung, aber erheblich verschiedener Wiederholfrequenzen (z. B. 50 Hz bis 100 kHz) beleuchtet wird, Maschinen oder bewegliche Roboter durch Verfahren zur Bilderkennung ein dreidimensionales Bild ihrer jeweiligen näheren Umgebung gewinnen und sich dadurch kollisionsfrei bewegen.

Stand der Technik

Die medizinische Anwendung schwachen Laserlichts (mittlere Leistung grob zwischen 0,1 mW und 300 mW) war und ist geprägt von den zur Verfügung stehenden Laserdioden. Gaslaser spielen heute keine große Rolle mehr. Vor vielen Jahren begann der Einsatz von Puls-Laserdioden, die bei sehr kurzen Zeiten, in denen sie Laserlicht emittieren, sehr hohe Leistungen von ca. 1 W bis 200 W abgeben können. Die mittlere Leistung ergibt sich aus der Pulslänge (von etwa 200 ns = 0,0000002 s) und der Wiederholrate der Pulse von etwa 100 Hz bis 10 kHz, zu mittleren Leistungen in der Größenordnung von etwa 0,1 bis 10 mW. Einerseits wird durch die Einstellung der Wiederholrate der Pulse die mittlere Leistung geändert. Dieses Verfahren wird z. T. zur Erzielung verschiedener medizinischer Wirkungen verwendet.

Andererseits beeinflußt offenbar die Wiederholrate der Laserpulse selbst die medizinische Wirkung, d. h. um eine bestimmte Wirkung zu erreichen wird eine Wiederholrate vorgegeben (z. B. Frequenzen nach Nogier, Bahr, oder Elias, zwischen etwa 1 Hz und 20 kHz). Bei einer festen Ansteuerung der Laserdiode (z. B. 10 W) und fester Pulsdauer (z. B. 150 nsec) ist die mittlere Leistung somit festgelegt (hier auf 0,0015 mW bei 1 Hz bzw. 30 mW bei 20 kHz Wiederholrate) und je nach Wiederholfrequenzen verschieden.

Gezielte Untersuchungen über die Unterschiede in der medizinischen Wirkung von Lichtpulsen gleicher mittlerer Leistung, die entweder mit Tastverhältnissen nahe 1, oder unter 0,01 und jeweils entsprechenden Leistungen abgegeben werden, und bei denen die Wiederholfrequenz der Pulse variiert wird, sind mit Stand der Technik nicht ohne ganz erheblichen Aufwand möglich.

Stand der Technik sind auch Lasergeräte, die mit "cw"-Laserdioden arbeiten. Diese auch kontinuierlich (cw = continuous wave) zu betreibenden Laserdioden werden amplitudenmoduliert betrieben, wobei üblicherweise mit einem Rechtecksignal mit Tastverhältnis 0,5 gearbeitet wird (d. h. bei einer Frequenz von 1 kHz jeweils 0,5 ms Lichtemission und 0,5 ms Pause). Die mittlere Leistung ist dann gleich der halben "Spitzenleistung", unabhängig von der Frequenz. Bei manchen Geräten ist auch die mittlere Leistung einstellbar. Jedoch variieren Frequenz und Pulsdauer in einem konstanten, reziproken Verhältnis.

Vermutlich ist die therapeutische Wirkung des Laserlichts durch Absorption des Lichts in Molekülen in Zellen gegeben, die zu (evtl. lokal) leicht geänderten elektro-chemischen Bedingungen führt. Diese können die Regelmechanismen der Zelle beeinflussen. Zur Erklärung der beobachteten Effekte verschiedener Wiederholfrequenzen muß man eine von der Wiederholfrequenz abhängende Wirkung auf die Regelmechanismen der Zelle, oder aber des Organismus, annehmen. Dann könnte dieser aber auch von anderen Parametern des Lichts, etwa der Pulslänge im Verhältnis zur mittleren Leistung, abhängen.

Bisher ist es einem Anwender mit üblichen Geräten nicht möglich, die beiden charakteristischen Faktoren der Lichtbestrahlung mit Laserpulsen (die Wiederholrate und die mittlere Leistung) einzeln und gezielt zu variieren. Diese Möglichkeit wird mit der hier dargestellten Erfindung gegeben. Hierdurch wird nicht nur eine bessere Handhabung der Lasertherapie ermöglicht, sondern z. B. durch eine Erhöhung der mittleren Leistung bei niedrigen Frequenzen die Therapiezeit verkürzt. Dadurch ergeben sich z. B. Einsparungen im Praxisbetrieb. Dies wird im Wesentlichen ohne erhöhte elektrische Leistung und ohne Einsatz neuer, teurer Laserdioden ermöglicht.

Darstellung der Erfindung

Fig. 1 skizziert ein Verhalten der erlaubten Pulsleistung einer Laserdiode in Abhängigkeit von der Pulsdauer (nach Herstellerangaben). Im Weiteren wird vereinfachend der gestrichelt eingezeichnete Verlauf betrachtet. Dabei ist der maximal erlaubte Wert der Pulsleistung P_max umgekehrt proportional zur Wurzel aus der Pulsdauer t:

P_max = P_{max(t=150 ns)}.(t/150 ns)^-1/2 (1)

Variiert man nun zu jeweils vom Benutzer gewählten Wiederholfrequenzen f die Parameter t und P wie folgt:

t proportional zu f^-2 und damit P proportional zu f (2)

dann ist die mittlere Leistung P_m, die durch

P_m = f.t.P proportional zu f.f².f = f⁰ (3)

gegeben ist, bei Wahl der Parameter nach (2) unabhängig von f.

Im Gegensatz dazu ergäbe sich nach Stand der Technik mit festem t (typisch 150 ns) und festem P = P_{max(t=150 ns)} eine mittlere Leistung P_m, die wie durch

P_m = f.t.P = 150ns.P_{max(t=150 ns)} proportional f (4)

gegeben, proportional zur vom Benutzer gewählten Wiederholfrequenz f variiert.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer möglichen technischen Realisation eines Laserbestrahlungsgeräts entsprechend Anspruch 1. Der Patient wird mit Laserlicht bestrahlt, welches von einer Laserdiode (1) erzeugt wird und dessen Strahlgeometrie und -verlauf ggf. von einer Optik beeinflußt wird. Die Laserdiode (1) gibt kurze Lichtpulse ab, deren Stärke von der Höhe der angelegten Spannung U abhängt. Diese Spannung U wird von einem Spannungsregler (2) eingestellt, der die Aufladung einer Kapazität C steuert. Dieser Spannungsregler wiederum wird von einer Ansteuerelektronik (3) (etwa einem Mikrokontroller) gesteuert. Der Stromfluß wird durch einen Stromschalter (4) (z. B. MOS-FET) kontrolliert, der die Entladung des Kondensators C über die Laserdiode (1) für einen durch den Zeitgeber (5) festgelegten Zeitraum freigibt. Die Ansteuerung des Zeitgebers (S) bezüglich Zeitpunkt und Dauer erfolgt ebenfalls von der Ansteuerelektronik (3). Diese kann so die Pulsdauer, Pulsleistung und den Zeitpunkt jedes Pulses festlegen. Diese Festlegung wird die Ansteuerelektronik nach den Vorgaben des Benutzers vornehmen, der z. B. die Wiederholfrequenz der Pulse sowie die mittlere Leistung vorgibt. Die Ansteuerelektronik hat dabei zu berücksichtigen:

- die maximal erlaubte Pulsleistung der Laserdiode in Abhängigkeit von der Pulsdauer,
- die Abhängigkeit der Pulsleistung von der angelegten Spannung,
- erforderliche Pausen zwischen zwei Pulsen,
alles z. B. auch abhängig von
- der ggf gemessenen Temperatur des Gehäuses der Laserdiode,
- der ggf. gemessenen Lichtintensität der Laserdiode (auch als Möglichkeit zur Bestimmung der Temperatur innerhalb der Laserdiode),
- ggf. des gemessenen oder erwarteten Ladungszustands des Kondensators C bzw. dessen Änderung während eines Pulses.

Eine alternative technische Realisierung des hier betrachteten Verfahrens ist auch mit heute erhältlichen Laserdioden möglich, die hohe Leistungen (z. B. 1 W) kontinuierlich (d. h. im "cw-"Betrieb) abgeben können. Diese Laserdioden kann man moduliert betreiben, indem man sie z. B. mit obigen Frequenzen an- und ausschaltet in einer Weise, daß das Tastverhältnis einen festen Wert behält (z. B. 0,01) und die Pulsleistung konstant ist. So entstehen kurze Zeiten der Lasertätigkeit, die obigen Laserpulsen entsprechen (z. B. 0,01 s bei Wiederholraten von 1 Hz bzw. 0,000005 s bei 20 kHz). Hierdurch erhält man eine variable Wiederholrate bei fester mittlerer Leistung. Letztere kann z. B. durch Variation des Tastverhältnisses zusätzlich variiert werden. Diese Laserdioden ermöglichen eine relativ einfache technische Lösung des in dieser Erfindung vorgestellten Verfahrens, sind jedoch im Vergleich zu Puls-Laserdioden unverhältnismäßig teuer und groß. Weniger teure und kleinere Laserdioden sind bei kleinerer cw-Leistung erhältlich, was zur Erzielung vergleichbarer mittlerer Leistungen höhere Tastverhältnisse (z. B. = 0,5) erfordert. Hierdurch wird im Vergleich mit dem hier vorgestellten Verfahren die Pulsdauer erheblich verlängert. Dies kann z. B. zu geänderten Photo-Elektro- Chemischen Reaktionen innerhalb einer Zelle während der Pulsdauer führen, was eine medizinisch gewünschte Stimulation verringern könnte. Bei der Bilderfassung würden sich bei einem solchen System mit hohen Tastverhältnissen, im Vergleich zu dem hier vorgestellten Verfahren, praktisch dauernd viele der Licht"Pulse" unterschiedlicher Quellen überlagern und dadurch eine Auswertung erschweren.

Insbesondere beansprucht das hier dargestellte Verfahren keinen erheblichen finanziellen oder räumlichen Mehraufwand im Vergleich zu heute üblichen Geräten mit Puls- Laserdioden, jedenfalls ganz erheblich geringer als beim Einsatz von cw-Laserdioden mit Leistungen, die in der Größenordnung der Pulsleistungen der Puls-Laserdioden liegen.

Claims

1. Verfahren zur punktuellen oder flächigen Lichtbestrahlung (z. B. von Menschen, Tieren zu medizinischen oder kosmetischen Zwecken oder zum Zwecke der verstärkten Einbringung eines Stoffes durch eine Hautpartie; von Tieren, Pflanzen, Zellen zu verfahrenstechnischen, oder wachstumsfördernden Zwecken) in Impulstechnik; dadurch gekennzeichnet, daß eine Variation der Pulsleistung und/oder der Pulsdauer und/oder der Wiederholfrequenz und/oder der mittleren Leistung vom Benutzer gezielt oder automatisch vorgenommen werden kann, oder durch Änderung eines Parameters in fester oder einzustellender Weise ein oder mehrere andere Parameter geändert werden können, sodaß mit variierender oder einzustellender Wiederholfrequenz eine konstante (oder eine anders als mit der Wiederholfrequenz variierende) mittlere Leistung abgegeben werden kann. Das Verfahren kann eine vorgegebene oder einzustellende Variation eines oder mehrere der Parameter, eine zeitliche Veränderung eines oder mehrere der Parameter, oder eine Veränderung eines oder mehrere der Parameter aufgrund von Daten oder Meßwerten (wie z. B. Blutdruckwerte des Patienten) beinhalten. Nicht eingeschlossen sind Verfahren, bei denen im Wesentlichen nur einer der obigen Parameter (etwa die Wiederholfrequenz) variiert werden kann, etwa die Variation oder Einstellung der Wiederholfrequenz bei gleichbleibender Pulsleistung und -dauer, was zu mit der Wiederholfrequenz variierender mittlerer Leistung führt, sowie Verfahren, die einen "cw"- ähnlichen Betrieb der Lichtquellen verwenden, etwa wenn die Pulsdauer vergleichbar der Dauer der Pause zwischen den Pulsen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter Einsatz von einer oder mehrerer Impuls-Laserdioden oder Impuls-Leuchtdioden Lichtimpulse von etwa 10 ns bis 20 ms Dauer erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Einstellung einer Wiederholfrequenz (oder einer Kombination von Frequenzen, z. B. 3 Frequenzen zeitlich alternierend) automatisch eine jeder Frequenz eigene Einstellung von Pulsleistung und Pulsdauer erfolgt, die nicht beide für alle Wiederholfrequenzen konstant sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die automatische Einstellung von Pulsleistung und Pulsdauer zu einer mittleren Leistung führt, die monoton von der Wiederholfrequenz abhängt, jedoch schwächer als proportional zur Wiederholfrequenz variiert.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die automatische Einstellung von Pulsleistung und Pulsdauer zu einer mittleren Leistung führt, die kaum noch von der Wiederholfrequenz abhängt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie z. B. zur Krebstherapie eingesetzt werden könnten (Photodynamische Therapie). Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren könnte durch Einsatz von Verfahren nach Anspruch 1 die Wirkung einer solchen Therapie gesteigert werden bzw. deren Nebenwirkungen vermindert werden, wenn die Bestrahlung mit pulsierendem Licht erfolgt, welches nach Anspruch 1 erzeugt wird; z. B. durch eine oder mehrere (z. B. 100 in gekoppelte Glasfaser einspeisende) Laserdioden hoher Leistung und/oder hoher Pulsleistung. Eine gezielte Forschung in dieser Richtung wird durch die Erfindung erst ermöglicht (z. B. Doppelblindstudien mit unterschiedlichen Pulsparametern mit gleicher mittlerer Leistung und damit z. B. auch gleicher scheinbarer Helligkeit).

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer medizinischen Wirkung insbesondere zur Vermeidung von Gewöhnungseffekten bei Bestrahlung mit Licht konstanter mittlerer Leistung, eine mit kurzen Lichtpulsen mit variierenden Wiederholfrequenzen bzw. variierenden Zeitabständen zwischen zwei Pulsen, aber weiterhin etwa konstanter mittlerer Leistung, durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitabstände zwischen zwei Pulsen nicht konstant sind, derart, daß ohne gezielten Eingriff des Benutzers mehrere Frequenzen alternierend verwendet werden, oder die Zeitabstände der Pulse in einer festen Weise voneinander abhängen (z. B. exponentieller Frequenzverlauf), oder von einer Meßgröße abhängen (z. B. Pulsschlag des Patienten).

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Lichtquellen verschiedener Wellenlänge ein Objekt be- oder durchleuchten, und durch Detektion von gestreutem, transmittiertem, oder Fluoreszenz- oder ähnlichem Licht Eigenschaften des be- oder durchleuchteten Objekts gemessen werden können. So könnten z. B. bei Durchleuchtung eines menschlichen Fingers mit Puls-Lichtquellen verschiedener Wellenlänge und Wiederholfrequenzen, und eines (gemeinsamen) Detektors sowie Auswertung mit Lock-In- Technik die optische Absorption des Objekts, in diesem Beispiel dadurch z. B. die Sauerstoffsättigung des Bluts, sowie weitere Parameter, gemessen werden. Das Verfahren würde hier durch Betrieb mehrerer Puls-Lichtquellen mit unterschiedlichen Pulsdauern und/oder Wiederholfrequenzen angewandt, wobei jede einzelne Lichtquelle einen festen Parametersatz haben könnte.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beleuchtung von räumlichen Bereichen oder Objekten mit nach Verfahren nach Anspruch 1 erzeugtem Licht erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verwendung verschiedener Wiederholfrequenzen und Beleuchtung aus verschiedenen Richtungen und gezielter Auswertung der dadurch entstehenden Bilder (mittels des Auges, ggf. unter Zuhilfenahme entsprechender Vorrichtungen wie z. B. geeigneter, nach dem Lock-In Prinzip arbeitenden Nachtsichtgeräten; oder aber mittels Vorrichtungen wie Nachtsichtgeräte oder Videokameras, deren Bilder durch elektronische oder numerische Verfahren ausgewertet werden) eine dreidimensionale Rekonstruktion des beleuchteten Objekts oder Raumbereichs, oder Teilen davon, ganz oder teilweise möglich wird.