DE19932477A1

DE19932477A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von bei gepulster Bestrahlung an einem Material hervorgerufenen Dichteschwankungen

Info

Publication number: DE19932477A1
Application number: DE19932477A
Authority: DE
Inventors: Gereon Huettmann
Original assignee: MED LASERZENTRUM LUEBECK GmbH; Medizinisches Laserzentrum Luebeck GmbH
Current assignee: MED LASERZENTRUM LUEBECK GmbH; Medizinisches Laserzentrum Luebeck GmbH
Priority date: 1999-07-12
Filing date: 1999-07-12
Publication date: 2001-02-08
Anticipated expiration: 2019-07-13
Also published as: DE19932477C2; US6671043B1

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von bei gepulster Bestrahlung insbesondere mittels einer Laserstrahlquelle an einem Material hervorgerufenen Dichteschwankungen, bei dem ein Meßsignal akustisch oder optisch erfaßt wird, wobei die Änderung der Intensität und/oder des zeitlichen Verlaufs des bei der Bestrahlung einer bestimmten Materialstelle sicher ergebenden Meßsignals detektiert wird, wobei aus dem Meßsignal ein linearer thermoelastischer Signalanteil entfernt wird. Das Verfahren und die Vorrichtung werden bevorzugt bei der Photokoagulation des Augenhintergrundes an menschlichen oder tierischen Augen verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von bei gepulster Bestrahlung an einem Material, insbesondere biologischem Gewebe hervorgerufenen Dichte schwankungen, bei dem akustisch oder optisch ein Meßsignal erfaßt wird, insbesondere für eine Vorrichtung zur Photokoa gulation bestimmter Stellen am Augenhintergrund und hier insbesondere von pigmentiertem Gewebe.

Stand der Technik

Es ist bekannt, durch Bestrahlung von Materialien, insbeson dere mit Laserstrahlung auf deren Oberfläche oder in ihrem Innern gezielt Veränderungen hervorzurufen. Dies führt bei der Materialbearbeitung oder in der Medizin zur therapeutisch wirksamen Bestrahlung von Gewebe. Entsprechende Verfahren und Vorrichtungen sind in folgenden Druckschriften beschrieben:

- DE 44 00 674 C2
- DE 39 35 528 A2
- DE 43 00 378 A1
- US 4 543 486
- A. Tam: Applications of photoacoustic sensing tech niques, Rev. Mod. Phys. Vol. 58, 381-431 (1986)
- C. P. Lin, M. W. Kelly: Cavitations and acoustic emission around laser-heated microparticles, Appl. Phys. Lett. Vol. 72, 1-3 (1998)
- A. A. Oraevsky, S. L. Jacques, F. K. Tittel: Measurement of tissue optical properties by time-resolved detection of laser-induced transient stress, Appl. Optics Vol. 36, 402-415 (1997)

Hieraus ist es bekannt, eine Unterscheidung von Materialien durch die Detektion der bei der Bestrahlung erzeugten mecha nischen Stoßwellen und akustischen Impulse durchzuführen. Durch den optoakustischen Effekt lassen sich bei den bekann ten Verfahren und Vorrichtungen Informationen über Material eigenschaften, wie z. B. Absorption thermischer Ausdehnungs koeffizient und Ablationsschwelle erhalten.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine spezifisch durch die Bestrahlung hervorgerufene Materialänderung zu erfassen.

Diese Aufgabe wird beim Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 und bei der Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentan spruches 7 gelöst. Ferner wird gemäß Patentanspruch 10 Erfin dung eine Verwendung der Vorrichtung zur Messung von Änderun gen an einer oder mehreren bestimmten Stellen eines biologi schen Gewebes insbesondere am Augenhintergrund bei Bestrah lung vorgeschlagen. Durch die Erfindung wird außerdem eine Vorrichtung zur Phototherapie, z. B. Photokoagulation be stimmter Stellen am Augenhintergrund insbesondere von pigmen tiertem Gewebe gemäß Patentanspruch 11 geschaffen.

Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Bei der Erfindung wird das durch die spezifische Materialän derung infolge der Bestrahlung hervorgerufene akustische bzw. optische Signal vom thermoelastischen Signal, das nur Infor mationen über Materialeigenschaften enthält, getrennt. Das thermoelastische Signal wächst näherungsweise linear mit der applizierten Energie oder Leistung, ohne daß sich der zeitli che Kurvenverlauf ändert. Die spezifisch durch die Bestrah lung hervorgerufene Materialänderung bewirkt eine Änderung der Stärke bzw. Intensität und/oder des zeitlichen Verlaufs des Meßsignals. Durch die Erfindung kann hieraus eine Steue rung der Materialbeeinflussung bzw. Materialänderung mittels Bestrahlung durch Auswertung der akustisch oder optisch gewonnenen Meßsignale erreicht werden, die neben der thermoe lastischen Expansion durch zusätzliche Vorgänge wie chemische Reaktionen, Ablation, Phasenübergänge, Plasmabildung etc. erzeugt werden. Außerdem kann die Detektion von Vorgängen auch im Innern des zu bearbeitenden Materials insbesondere biologischem Gewebes am Augenhintergrund, das oft optisch nicht zugänglich ist, erreicht werden.

Bei der Erfindung wird eine exakte Dosimetrie der Strahlung bezüglich Energie, Leistung, zeitlichem Verlauf und räumli cher Verteilung zur Erzielung des gewünschten Effektes ermög licht. Dies ist insbesondere in der Medizin bei therapeutisch wirksamer Bestrahlung von biologischem Gewebe erforderlich. Vor allem läßt sich durch die Erfindung vor oder während der Bestrahlung eine individuelle Dosimetrie erreichen, das insbesondere in der Medizin wegen der Variation der Eigen schaften von Gewebe erforderlich ist. Eine derartige indivi duelle Dosimetrie zur Regelung und Steuerung der Laserparame ter ist z. B. bei der Koagulation des Augenhintergrundes erwünscht. Am Beispiel der selektiven Koagulation des retina len Pigmentepithels (RPE) wird dies im folgenden näher erläu tert.

Eine Reihe von Erkrankungen des Auges kann durch eine Koagu lation des RPE behandelt werden. Das RPE ist eine einzellige Lage von stark pigmentierten Zellen, die sich zwischen den Photorezeptoren und den zu versorgenden Gefäßen befindet. Die starke Absorption des RPEs erlaubt zwar eine selektive Depo nierung der Lichtenergie in dieser Zellschicht. Durch Wärme leitung können bei der Photokoagulation jedoch auch angren zende Zellschichten (z. B. Photorezeptoren), die zu einem therapeutischen Erfolg nicht beitragen, geschädigt werden. Durch Verwendung kurzer Laserexpositionen kann die Ausbrei tung der Wärme verhindert werden. Hierdurch werden thermische Schäden der Photokoagulation auf das RPE begrenzt und ein Verlust der Sehfähigkeit verhindert, so daß eine selektive Koagulation des RPEs möglich wird. Zur Erhöhung der therapeu tischen Breite der selektiven Photokoagulation werden Mehr fachimpulse eingesetzt. Zur Zeit werden bei klinische Studien Pulsserien von 500 Pulsen mit einer Pulslänge von 3 µs be nutzt.

Abhängig von der Dosierung der Laserstrahlung kann die Tempe ratur an der Oberfläche der absorbierenden Melaningranula so hoch werden, daß es lokal zur Verdampfung von Wasser und zur Entstehung von rasch expandierenden Gasblasen kommt, die ebenfalls die Zellen und Gewebe zerstören können. Auch durch diesen Mechanismus ist eine Zerstörung pigmentierter Zellen mit geringen Nebenwirkungen möglich, sofern die Pulsenergie nahe an der Energieschwelle für die Blasenbildung liegt. Diese zwei Mechanismen, nämlich thermische Schäden durch Denaturierung wichtiger Biomoleküle und thermomechanische Schäden durch Blasenbildung, die bei unterschiedlichen Puls längen und Pulszahlen eine unterschiedlich große Rolle spie len, können deshalb für eine selektive Zerstörung des RPE genutzt werden.

Zur Kontrolle von Schadensmechanismus und Schadensreichweite ist eine Dosimetrie bezüglich der Pulsenergie von Vorteil. Da die Transparenz der optischen Medien des Auges und die Pig mentierung des RPEs stark von Patient zu Patient variiert, wird durch die Erfindung ein Vermeiden von Schäden an den Photorezeptoren ermöglicht. Im Gegensatz zur konventionellen Koagulation sind die selektiven Effekte am RPE wegen ihrer räumlichen Begrenztheit für den Arzt nicht direkt sichtbar. Vorteilhaft ist ein einfaches nicht invasives Verfahren, das den Laser während der Koagulation steuert, oder vorher mit tels Testkoagulation im kritischen Bereich die notwendige Laserpulsenergie bestimmt.

Beispiele

Anhand der Figuren wird die Erfindung noch näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 eine Auswerteeinrichtung, welche bei den Aus führungsbeispielen der Fig. 1 und 2 zur An wendung kommt;

Fig. 4 auf die Pulsenergie der Strahlung normierte Meßsignale; und

Fig. 5 verschiedene normierte Meßsignale bei der Bestrahlung von retinalen Pigmentepithel zellen.

In den Fig. 1 und 2 ist jeweils eine Vorrichtung zur Photo koagulation von retinalen Pigmentepithelzellen (RPE-Zellen) dargestellt. Die Photokoagulation wird mittels eines Laser strahls, der von einer Laserstrahlquelle 7 geliefert wird, durchgeführt. Die Pulsenergie des Laserstrahls wird mittels einer Dossiereinrichtung 11, welche vom Ausgangssignal einer Auswerteeinrichtung 3 angesteuert wird, eingestellt. Die Einstellung der Pulsenergie des Laserstrahls kann jedoch auch durch direkte Ansteuerung der Laserstrahlquelle 7 erfolgen, wie es durch die strichlierten Linien in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist.

Die Auswerteeinrichtung 3 ist an einen Meßwandler angeschlos sen, welcher in der Fig. 1 als akustisch koppelbarer Meßwand ler und in der Fig. 2 als optisch koppelbarer Meßwandler ausgebildet ist. Wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 erfolgt die akustische Kopplung über den Bulbus eines Auges 10, an dessen RPE-Zellen die Photokoagulation durchgeführt wird. Hierzu kann der Meßwandler 1 direkt auf den Bulbus oder z. B. als ringförmiger Meßwandler 1 über ein Kontaktglas 12 auf das Auge aufgesetzt werden.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 wird durch den optisch gekoppelten Meßwandler 2 die durch die Materialbearbeitung bei der Bestrahlung ausgelösten Dichteschwankungen an den RPE-Zellen durch Änderungen der Reflexionen an Grenzflächen, durch Reflexion, Beugung oder Brechung an den Dichteschwan kungen oder durch Änderungen der optischen Wege erfaßt. Meßtechnisch kann dies beispielsweise durch ein Interferrome ter, durch Laufzeitmessung oder Abbildungsverfahren, die die Darstellung von Phasenkontrasten wie Dunkelfeld-, Schlieren- Verfahren oder dergleichen verwirklicht werden. Fakultativ kann auch eine zusätzliche Lichtquelle 13 vorgesehen sein. Der Meßwandler 1 bzw. 2 liefert ein den Dichteschwankungen proportionales elektrisch auswertbares Signal. Hierzu ist der Meßwandler 1 bzw. 2 an die Auswerteeinrichtung 3 angeschlos sen. Die Auswerteeinrichtung 3 beinhaltet, wie es in Fig. 3 dargestellt ist eine Separiereinrichtung 4, welche aus dem vom Meßwandler 1 bzw. 2 gelieferten elektrischen Signal den thermoelastischen Signalanteil, welcher linear mit der durch die Bestrahlung applizierten Energie oder Leistung wächst, entfernt. Der zeitliche Kurvenverlauf wird hierbei nicht geändert. Das vom thermoelastischen Anteil befreite Meßsignal wird von einer Meßeinrichtung 5 erfaßt und an eine Detek toreinrichtung 6 weitergeleitet. Die Detektoreinrichtung 6 stellt eine Änderung der Intensität und des zeitlichen Ver laufs des Meßsignals fest. In Abhängigkeit hiervon kann die Dosis der Strahlungsquelle und hier insbesondere die Puls energie der gepulsten Strahlung entweder durch die Dos siereinrichtung 11 oder direkt durch interne Dossierung der Strahlungsquelle 7 eingestellt werden.

Die Auswerteeinrichtung kann zur Optimierung des vom Meßwand ler abgegebenen Signals eine Verstärkerstufe, ein Filter oder einen Impedanzwandler beispielsweise aufweisen. Hierdurch kann die Empfindlichkeit verbessert und das Signalrauschver hältnis verbessert werden. Die Auswerteeinrichtung 3 kann durch programmierte oder sonstwie logisch gesteuerte Elektro nikmittel, beispielsweise Halbleiterbausteine, die anwender spezifisch ausgestaltet sind, verwirklicht werden.

Fig. 4 zeigt die während der Bestrahlung des RPE mit Laser strahlung gemessenen akustischen Signale. Kurve 8 ist das auf die Pulsenergie normierte Signal bei einer Bestrahlung, bei der die Zellen des RPE nicht geschädigt werden. Bei höheren Laserpulsenergien ändern sich Form und Größe des normierten Signals (Kurve 9). Dies ist mit einer Schädigung der Zellen verbunden. In diesem Fall wurden Zelltod und die Änderung des akustischen Signals durch Verdampfen und Blasenbildung verur sacht. Der Zelltod, welcher ein gewünschter therapeutischer Effekt sein kann, tritt je nach Laserparameter entweder zusammen mit einer, Änderung des akustischen bzw. optisch erfaßten Signals auf bzw. bei definiert geringerer oder höherer Pulsenergie. Durch Lösung der Wärmeleitungsgleichung kann die Temperatur und bei bekannter Abhängigkeit des Zell- und Gewebeschadens von Temperatur und Zeit der Schaden auch für höhere oder geringere Pulsenergien vorhergesagt werden.

Beispielsweise bei Bestrahlung von RPE-Zellen wurde beobach tet, daß bei Verwendung einzelner Pulse ein Schaden der Zellen bei den Pulsparametern (z. B. Pulsenergie, Pulslänge) auftrat, bei denen sich Form und Größe des normierten Signals änderten. Bei Bestrahlung mit Pulsfolgen von z. B. 10 bis 10000 Pulsen wurden Schäden schon bei Pulsenergien beobach tet, die geringer waren als die, bei denen die Signaländerun gen auftraten, aber mit diesen in einem festen Verhältnis standen. Durch Berechnungen der Temperatur in den Zellen während der Bestrahlung und Kenntnis des Schädigungsmechanis mus konnte diese Verhältnis vorhergesagt werden.

Die Erfindung ermöglicht daher eine Steuerung und Regelung von Laserparametern zur Erreichung eines gewünschten thera peutischen Effektes auch in Fällen, in denen andere Verfahren nicht oder nur mit großem technischen Aufwand eingesetzt werden können.

In der Fig. 5 sind verschiedene Meßsignale dargestellt, die bei verschiedenen Dosen der Pulsenergie bei der Bestrahlung von RPE-Zellen als normierte akustische Signale aufgenommen wurden. Auf der Ordinate ist der Quotient aus opto akustischem Signal und Pulsenergie in V/(J/cm²) und auf der Abzisse die Zeit in µs dargestellt. Die Änderung des jeweili gen akustischen Signals zeigt die Entstehung von Gasblasen durch explosive Verdampfung bei der Laserbestrahlung der RPE- Zellen.

Die Erfindung zeigt somit ein Verfahren und eine Vorrichtung insbesondere zur Steuerung und Regelung des primären Bestrah lungseffektes, z. B. bei der Bestrahlung von pigmentiertem Gewebe mit gepulster Lichtstrahlung. Die Messung der Schall emission oder optische Änderungen, die durch den gewünschten Strahlungseffekt hervorgerufen wird bzw. werden, kann mit einer Dosiswirkungsbeziehung korreliert werden. Insbesondere bei einer inhomogenen Deponierung der Energie in Materialien, z. B. Gewebe mit absorbierenden Komponenten, wird die mit einer Veränderung des Materials verknüpfte spezifische Schallemission oder optische Änderung ausgenutzt, um den Effekt zu steuern oder zu regeln. Hierbei kann die den Schall emittierende Veränderung oder optische Änderung entweder der gewünschte Effekt sein oder aber im Sinne einer Dosiswir kungsbeziehung mit dem Effekt korreliert sein, so daß es möglich ist, duch Testexpositionen die notwendige Dosis zu bestimmen. Insbesondere können nichtlineare Phänomene wie z. B. Verdampfung oder Plasmabildung, die durch die Bestrah lung in dem bestrahlten Medium hervorgerufen werden, als Quelle der akustischen bzw. optischen Signale genutzt werden. Das akustische Signal kann z. B. mittels eines Kontaktmikro phons oder eines optischen Verfahrens detektiert werden. Eine Ausführungsform ist die Dosimetrie bei der Bestrahlung pig mentierter Gewebe, insbesondere des Augenhintergrunds.

Bezugszeichenliste

1

akustisch koppelbarer Meßwandler

2

optisch koppelbarer Meßwandler

3

Auswerteeinrichtung

4

Separiereinrichtung zum Separieren eines thermoelastischen Signalanteils aus dem Meßsignal

5

Meßeinrichtung

6

Detektoreinrichtung

7

Strahlungsquelle

8

normiertes Meßsignal ohne Materialände rung

9

normiertes Meßsignal mit Materialände rung, insbesondere Zellschädigung an bio logischem Gewebe

10

Auge

11

Dossiereinrichtung

12

Kontaktglas

13

Lichtquelle

Claims

1. Verfahren zur Messung von bei gepulster Bestrahlung an einem Material hervorgerufenen Dichteschwankungen, bei dem akustisch oder optisch ein Meßsignal erfaßt wird, da durch gekennzeichnet, daß die Änderung der Intensität und/oder des zeitlichen Verlaufs des bei der Bestrahlung einer bestimmten Materialstelle sich ergebenenden Meßsi gnals detektiert werden, wobei aus dem Meßsignal ein li nearer thermoelastischer Signalanteil entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität und/oder der zeitliche Verlauf des Meßsi gnals auf die Pulsenergie der Bestrahlung normiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Laserstrahlung verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Änderung der Intensität und/oder des zeitlichen Verlaufs des Meßsi gnals die Bestrahlungsdosis eingestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsenergie oder Pulslänge eingestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungsdosis, insbesondere Pulsenergie nahe einer eine Materialveränderung oder einen Phasenübergang auslösenden Energieschwelle eingestellt wird.

7. Vorrichtung zur Messung von bei Bestrahlung mittels einer gepulsten Strahlungsquelle an einem Material hervorgeru fenen Dichteschwankungen mit einem Meßwandler, der aku stisch oder optisch an das bestrahlte Material koppelbar ist und ein elektrisch auswertbares Meßsignal liefert, und einer an den Meßwandler angeschlossenen Auswerteein richtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteein richtung (3) eine Separiereinrichtung (4), welche einen thermoelastischen Signalanteil aus dem Meßsignal sepa riert, sowie eine die Intensität und den zeitlichen Ver lauf des vom thermoelastischen Signalanteil befreiten Meßsignals erfassende Meßeinrichtung (5) und ferner eine Detektoreinrichtung (6), welche eine Änderung der Inten sität und/oder des zeitlichen Verlaufs des Meßsignals de tektiert, aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (7) in Abhängigkeit von der Änderung der Intensität und/oder des zeitlichen Verlaufs des Meß signals auf eine bestimmte Pulsenergie einstellbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (7) eine Laserstrahlquelle ist.

10. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9 zur Messung von Änderungen an einer bestimmten Stelle eines biologischen Gewebes bei der Bestrahlung.

11. Vorrichtung zur Phototherapie bestimmter Stellen am Augenhintergrund, insbesondere pigmentierten Gewebes mit einer Strahlungsquelle und einer Einrichtung zur Ermitt lung des Bestrahlungseffektes mittels wenigstens eines akustisch oder optisch an die Bestrahlungsquelle koppel baren Meßwandlers, dadurch gekennzeichnet, daß an den we nigstens einen Meßwandler (1, 2) eine Separiereinrichtung (4), welche einen thermoelastischen Signalanteil aus dem Meßsignal separiert, angeschlossen ist und eine Meßein richtung (5) das vom thermoelastischen Anteil befreite Meßsignal empfängt und die Intensität und/oder den zeit lichen Verlauf des Meßsignals erfaßt, daß an die Meßein richtung (5) eine Detektoreinrichtung (6) angeschlossen ist, die eine Änderung der Intensität und des zeitlichen Verlaufs des Meßsignals erfaßt, und daß durch die Detek toreinrichtung, (6) in Abhängigkeit von der Intensitäts- und Zeitverlaufsänderung des Meßsignals die Pulsenergie der Strahlungsquelle (7) eingestellt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwandler (1) über den Augenbulbus an die Meßstelle ankoppelbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn zeichnet, daß der Meßwandler (1) direkt oder mittels ei nes Kontaktglases (12) auf das Auge aufsetzbar ist.