DE19944401A1

DE19944401A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Struktur-/tiefenselektiven Denaturierung biologischen Gewebes

Info

Publication number: DE19944401A1
Application number: DE1999144401
Authority: DE
Inventors: Uwe Bindig; Ewa Krasicka-Rohde; Gerhard Mueller; Andre Roggan; Philipp Carsten; Hans-Peter Berlien
Original assignee: Laser und Medizin Technologie GmbH
Current assignee: Laser und Medizin Technologie GmbH
Priority date: 1999-09-16
Filing date: 1999-09-16
Publication date: 2001-03-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, die in der Lage sind, im Bereich oberflächennaher Gewebeschichten tiefen-/strukturselektive Denaturierung zu verursachen. Speziell soll es mit diesem Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung möglich sein, Haarwurzeln in der menschlichen Oberhaut zu veröden, indem durch die Wahl geeigneter Parameter Wellenlänge, Bestrahlungsfläche, mechanische Kompression und Oberflächenkühlung beispielsweise eine thermische Denaturierung in einer Schichttiefe von 300 +- 50 bis 100 mum erfolgt. Dabei wird durch die Intensitätsüberhöhung des Streulichts in dieser Tiefe ein Temperaturprofil eingestellt, das in seinem Maximum eine Temperatur von deutlich über 57 DEG C erreicht, so dass es innerhalb weniger Sekunden zu einer nachhaltigen Schädigung/Denaturierung des so thermisch gestressten Gewebes kommt.

Description

Aufgabenstellung

Es sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung gefunden und entwickelt werden, die in der Lage sind, im Bereich oberflächennaher Gewebeschichten tiefen-/strukturselektive Dena turierungen zu verursachen. Speziell soll es mit diesem Verfahren und der zugehörigen Vor richtung möglich sein, Haarwurzeln in der menschlichen Oberhaut zu veröden.

Stand der Technik

Konventionelle Methoden zur Epilation (Rasieren der Haare, mechanische Epilation mittels Pinzetten, Epilation mit Enthaarungscremes oder Wachsepilation) führen in der Regel zu kei nem lang anhaltenden Erfolg und können zu zahlreichen Nebenwirkungen und Komplikatio nen in Form von Hautentzündungen, Narbenbildung sowie Hyper- bzw. Hypopigmentierun gen führen. Die Elektroepilation ist hingegen wirksamer, aber auch diese Methode erfordert eine mühsame, langwierige und aufwendige Prozedur, bei deren Anwendung das Auftreten von Komplikationen nicht selten ist. In der modernen Epilation werden folgende Effekte an gewendet: Galvanische Elektrolyse, Photothermische Effekte (Koagulation, Erwärmung), Photo-mechanische Effekte (Schockwellen, Kavitation), Photochemische Effekte z. B. Photo dynamische Therapie (PDT).

Das breite Spektrum der Indikationen sowie die Problematik, die sich aus der Anwendung der konventionellen Methoden zur Haarentfernung ergibt, gebietet die Suche nach neuen, verbesserten Systemen zur Epilation, deren Anwendung eine dauerhafte Haarentfernung gewährleisten kann.

Erfindungsgemäße Lösung

Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass es durch die Streuung des Lichtes im biologischen Gewebe, obwohl diese Streuung eine extrem starke Vorwärtsstreukreischarakteristik hat, zu einer im zeitlichen Mittel signifikanten Intensitätsüberhöhung durch Vielfachstreuprozesse im Bereich oberflächennaher Strukturen kommt. Die Tiefenausdehnung dieser Intensi tätsüberhöhung kann dabei erfindungsgemäß durch die Auswahl einer geeigneten Wellen länge des zur Bearbeitung/Behandlung benutzten Lichtes eingestellt werden. Darüber hinaus wird die Tiefenlokalisation und -ausdehnung erfindungsgemäß durch die Größe des beleuch teten Oberflächenareals bestimmt und weiterhin durch die mechanische Kompression der Gewebeschichten beeinflußt. Die mechanische Kompression der Gewebeschichten führt dabei zu Strukturveränderungen und hat wesentlichen Einfluss auf die Streulichtverteilung des be nutzten Lichtes. Gleichzeitig hat sich auch für den Fachmann völlig überraschend ergeben, dass bei geeigneter Wahl der Größe der beleuchteten Oberfläche die Tiefenausdehnung der Streulichtverteilung in weiten Grenzen eingestellt werden kann. Darüberhinaus kann die Tie fenselektion und -ausdehnung erfindungsgemäß durch eine geeignete, oberflächlich aufgetra gene klare Flüssigkeit beeinflußt werden, indem eine Anpassung des Brechungsindex von Flüssigkeit und Gewebe erfolgt. Es zeigte sich überraschenderweise, daß durch Variation des Brechungsindex das Tiefenprofil der Intensitätsverteilung leicht beeinflußt werden kann. In Weiterführung des Erfindungsgedankens wird die zu bestrahlende Gewebeoberfläche durch geeignete Maßnahmen gekühlt. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein für die benutzte Wellenlänge transparenter Eiswürfel bzw. eine transparente Eisplatte auf die Oberfläche gelegt, so dass es im Gewebekontakt auf Grund des vorhandenen Temperatur gradienten zu einer Verflüssigung des Eises kommt und damit der Umgebung zusätzlich zu der durch Wärmeleitung bedingten Kühlung die Phasenumwandlungsenergie Eis zu Flüssig keit entzogen wird.

Gleichermaßen kann statt eines Eiswürfels mit einer flüssigen Grenzschicht zum Gewebe auch ein geeigneter aerosolgetragener Feuchtigkeitsfilm auf die Grenzfläche aufgebracht wer den, dergestalt, dass bereits bei der vorhandenen Grenzschichttemperatur bzw. bei leichter, durch den Prozess bedingter Temperaturerhöhung eine Verdampfung auftritt, wobei wieder um zusätzlich zur Wärmeleitung der Gewebegrenzschicht die Phasenumwandlungsenergie zur Verdampfung entzogen wird.

Im Rahmen eines bevorzugten Anwendungsbeispiels wird das Verfahren zur Denaturierung von Haarwurzeln genutzt, wobei erfindungswesentlich durch Wahl der geeigneten eingangs genannten Parameter Wellenlänge, Bestrahlungsfläche, mechanische Kompression und Ober flächenkühlung beispielsweise eine thermische Denaturierung in einer Schichttiefe von 300 ± 50-100 µm erfolgt. Dabei wird durch die Intensitätsüberhöhung des Streulichts in dieser Tie fe ein Temperaturprofil eingestellt, das in seinem Maximum eine Temperatur von deutlich über 57°C erreicht, so dass es innerhalb weniger Sekunden zu einer nachhaltigen Schädi gung/Denaturierung des so thermisch gestressten Gewebes kommt.

In Weiterführung dieses Erfindungsgedankens ist eine lokale Erhöhung des Energieeintrages nicht nur durch Erhöhung der mittleren Streulichtintensität in der vorgesehenen Wirktiefe er findungswesentlich, sondern zusätzlich werden beispielhaft zur Denaturierung der Haarwur zeln geeignete Farbstoffe, vorzugsweise Lebensmittelfarbstoffe, eingesetzt, die sich über die natürlicherweise vorhandenen porigen Hautöffnungen bzw. Follikel selektiv in den Haarwur zeln und anderen porigen Vertiefungen anreichern. Bei geeigneter Wahl dieser Farbstoffpig mente und der benutzten Laserstrahlung findet dann eine erhöhte Absorption des verwendeten Wirklichtes in eben dieser Tiefe statt, so dass insgesamt die zur Behandlung gewählte Flä chenhelligkeit weiter reduziert werden kann und damit eine effektivere Schonung der ober flächlichen und unter der Behandlungszone liegenden tieferen Gewebeschichten erreicht wird. Unbenommen dieser technischen Maßnahmen zur Begrenzung der Denaturierungszone auf eine definierte Gewebstiefe wird allein durch die biologische Reaktion des thermisch indu zierten Ödems und der dadurch bedingten Verlegung von Versorgungskanälen die natürliche Versorgung der darüber liegenden Zellschichten behindert bzw. unterbunden. Die Folge wäre ein zeitlich versetztes Absterben eben dieser oberflächlichen Zellschichten durch Versor gungsmangel. Erfindungsgemäß wird dieses dadurch verhindert, dass die bestrahlten Flächen areale in einer schachbrettartigen Anordnung bzw. in einer hexagonalen Kreisflächenstruktur so gewählt wird, dass bei Behandlung jeweils der übernächsten Nachbarfelder durch die nichtbehandelten dazwischenliegenden Felder hinreichend viel Nährsubstanz durch laterale Diffusion in die über der behandelten Zone liegenden Schichten gelangen kann und damit eine Vitalfunktion dieser Zellschichten erhalten bleibt.

Nach Ausheilen der Denaturierungsnekrose und Abklingen des dadurch bedingten Schwel lungszustands (Ödem) findet dann auch wieder eine transversale Versorgung dieser Zell schichten statt, so dass dann in einem zweiten Verfahrensschritt die bisher ausgesparten in termediären Flächenfelder behandelt werden können.

Abb. 1 zeigt dabei die tiefenbegrenzte Intensitätsüberhöhung in Abhängigkeit von der benutzten Wellenlänge und der bestrahlten Fläche. Bei der Auswahl einer Wellenlänge λ₁ (z. B. 585 nm) und einer bestrahlten Fläche A₁ (z. B. ∅ 3 mm) resultiert aufgrund der ausge prägten Gewebestreuung eine Intensitätsüberhöhung unmittelbar unter der Oberfläche des bestrahlten Areals. Vorzugsweise befindet sich das Maximum der Intensität im Bereich der zu zerstörenden biologischen Strukturen, d. h. in der Tiefe 300 µm. Die Intensität der Strahlung im Maximum kann dabei ein Vielfaches der von außen applizierten Bestrahlungsstärke betra gen. Der Effekt beruht auf der in biologischem Gewebe vorliegenden Vielfachstreuung, so daß ein einzelnes Lichtquant (Photon) ein Volumenelement mehrfach durchqueren kann und so zu einer relativen Intensität größer 1 führt. Der Intensitätsabfall direkt unter der Gewebeo berfläche beruht auf der Tatsache, daß Lichtquanten das Gewebe an der Grenzschicht wieder verlassen können. In tieferen Schichten fällt die Intensität entsprechend eines exponentiellen Schwächungsgesetzes ab. Wird nun bei gleicher Bestrahlungsgeometrie eine andere Wellen länge λ₁ verwendet (z. B. 685 nm) verändert sich die Lage des Intensitätsmaximums in der Gewebetiefe, weil die optischen Gewebeparameter wellenlängenabhängig sind. Damit kann die Lage des Intensitätsmaximums der Lage der Schicht angepaßt werden, in der sich die zu zerstörenden biologischen Strukturen befinden. Eine weitere Beeinflussungsmöglichkeit be steht über den Durchmesser der zu bestrahlenden Fläche. Wird eine größere Fläche A₂ be strahlt, kann die Anzahl der seitlich für den Prozeß verloren gegangenen Lichtquanten redu ziert werden, so daß sich ein verändertes Tiefenprofil ergibt. In diesem Fall sind zusätzlich die Laserparameter anzupassen, um z. B. die Bestrahlungsstärke konstant zu halten.

Abb. 2 zeigt das Tiefenprofil der Temperaturverteilung im biologischen Gewebe, wel ches aus einer in Abb. 1 gezeigten Kombination von Wellenlänge λ₁ und Bestrahlungs durchmesser A₁ resultiert, bei der das Intensitätsmaximum in einer Tiefe von ca. 300 µm liegt. Das Temperaturprofil ist bei kurzen Bestrahlungszeiten direkt mit der Intensitätsverteilung vergleichbar, durch Wärmeleitprozesse wird der Kurvenverlauf jedoch etwas abgeflacht.

Abb. 3 zeigt den Effekt, der durch eine strukturbegrenzte Erhöhung des Absorptions koeffizienten verursacht wird. Es kommt im Bereich hoher Absorberkonzentrationen bei ver gleichbarer Intensitätsverteilung zu einer vermehrten Absorption und in Folge zu einer ausge prägteren Temperaturerhöhung. Durch die Selektivität der Absorptionserhöhung bleibt der Effekt bei kurzen Expositionszeiten weitestgehend auf die zu zerstörenden Strukturen be grenzt und erhöht somit die Effizienz der Methode.

Abb. 4a zeigt ein typisches schachbrettartiges Bestrahlungsmuster, um die postoperati ve irreversible Schädigung oberflächennaher Strukturen durch Versorgungsmangel zu verhin dern. Die Größe der versetzt angeordneten bestrahlten Areale ist so zu wählen, daß durch late rale Diffusionsprozesse eine ausreichende Versorgung der oberflächlichen, zuvor thermisch nicht geschädigten Strukturen gewährleistet ist. Nach dem Abklingen des postoperativen Ödems kann die Behandlung der zuvor ausgesparten Bereiche erfolgen. Abb. 4b zeigt eine alternative Anordung der bestrahlten Flächen, die hier kreisförmig sind. Durch die Ver wendung eines hexagonalen Hilfsgitters wird auch hier die Aussparung ausreichend großer Areale gewährleistet.

Abb. 5 zeigt das Prinzip der Oberflächenkühlung und die dadurch beeinflußte Modifi zierung des Temperaturprofils. Die Oberflächenkühlung führt durch Wärmeentzug vor allem direkt unter der Oberfläche zu einer deutliche Abkühlung, so daß eine maximale Schonung der nicht zu schädigenden Strukturen möglich ist, so daß z. B. einer Narbenbildung vorge beugt werden kann. Der prinzipielle Kurvenverlauf wird durch die Kühlung nicht beeinflußt, jedoch kann durch geeignete Anpassung der Bestrahlungsparameter (Laserleistung) eine im Vergleich zur ungekühlten Situation effizientere Erwärmung der interessierenden Bereiche erfolgen, die sich in einer erhöhten Temperatur im Bereich um 300 µm Gewebetiefe wider spiegelt.

Abb. 6 zeigt das Absorptionsspektrum eines zur selektiven Erhöhung der Absorption geeigneten Farbstoffes, vorzugsweise ein für die Lebensmittelverarbeitung zugelassener Farb stoff (z. B. Indigo Carmin). Dieser besitzt ein ausgeprägtes Absorptionsmaximum bei 609 nm, so daß eine effiziente Ankopplung der Laserstrahlung im Bereich 600 nm gewährleistet ist. Dieser Wellenlängenbereich hatte sich als optimal zur Behandlung von subkutanen Ge fäßanomalien herausgestellt, weil er einen guten Kompromiß zwischen Eindringtiefe und An koppeleffizienz an das Hämoglobin aufweist.

Abb. 7 zeigt das Absorptionsspektrum eines anderen Lebensmittelfarbstoffes mit einem Absorptionsmaximum bei 635 nm. Durch geeignete Wahl der Farbstoffe oder deren Mischung kann das Absorptionsmaximum der aktuellen Wellenlänge der Energiequelle angepaßt wer den. Dies ist erforderlich, wenn z. B. eine Verlagerung des Intensitätsmaximums für be stimmte Hauttypen oder Hautveränderungen gemäß Abb. 1 erfolgen soll.

Abb. 8 zeigt die prinzipielle Anordnung der Bestrahlungsgeometrie bei Benutzung ei ner Hochintensitätslichtquelle (1, z. B. Laser), einem optionalen Umlenkspiegel (2), einem zur Fokussierung oder Strahlaufweitung verwendeten optischen Element (3), mit der Anordnung einer geeigneten Leuchtfeldblende (4) zur erfindungsgemäßen Begrenzung des Bestrahlungsa reals und dem zu bestrahlenden Gewebe (5).

Abb. 9 zeigt die Veränderung des Tiefenprofils der Intensitätsverteilung durch mecha nische Kompression oder Dekompression der Hautoberfläche. Durch die mechanische Kraft können die optischen Parameter in kleinen Grenzen verändert werden, was sich direkt auf das Tiefenprofil der Intensitätsverteilung auswirkt. Erfindungsgemäß kann dieser Effekt zur Steuerung der Eindringtiefe genutzt werden.

Claims

1. Verfahren und Vorrichtungen zur Struktur bzw. tiefenselektiven Denaturierung biologi schen Gewebes mittels Licht, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der effektiven Wirktiefe mehrere technische Prozeßschritte wahlweise simultan, einzeln oder in freier Kombination durchgeführt werden. Dabei sind diese Pro zeßschritte im einzelnen folgende:

- Druckaufschlagung des zu therapierenden Gewebeareals.
- Einstellung der zur Therapie benutzten Belichtungsfläche.
- Einstellung der Wellenlänge des benutzten Lichtes.
- Kühlung der belichteten Gewebeoberfläche.
- Einstellung des Brechungsindexunterschiedes zwischen Gewebeoberfläche und Um gebung.

2. Verfahren und Vorrichtung nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbeeinflussung des Gewebes durch eine Gewebekompression mit voreinstellba rer Flächenbelastung erfolgt.

3. Verfahren und Vorrichtung nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbelastung des Gewebes durch die Anbringung eines Unterdruckes mittels Saugglocke erfolgt.

4. Verfahren und Vorrichtung nach 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der beleuchteten Wirkfläche eine Leuchtfeldblende im Abbildungs strahlengang vorgesehen ist.

5. Verfahren und Vorrichtung nach 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der beleuchteten Fläche ein optischer Wellenleiter, vorzugsweise ein für die Wirkwellenlänge transparenter Festkörper, verwendet wird.

6. Verfahren und Vorrichtung nach 1-3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Wellenleiter aus einem Faserbündel besteht.

7. Verfahren und Vorrichtung nach 1-3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Wellenleiter aus einem lichtleitenden Startmaterial besteht.

8. Verfahren und Vorrichtung nach 1-3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Wellenleiter ein Hohlleiter ist.

9. Verfahren und Vorrichtung nach 1-3, 5 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter am distalen Ende durch ein Austrittsfenster abgeschlossen ist.

10. Verfahren und Vorrichtung nach 1-3, 5-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Endfläche des Wellenleiters gleichzeitig zum Einbringen der Kompressionskraft be nutzt wird.

11. Verfahren und Vorrichtung nach 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschicht zwischen optischem Wellenleiter bzw. beleuchteter Fläche und Gewe beoberfläche mit einem Fluid einstellbarer Brechzahl hergestellt wird.

12. Verfahren und Vorrichtung nach 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid Wasser ist.

13. Verfahren und Vorrichtung nach 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid eine für die Wirkwellenlänge transparente Salbe oder Gel ist.

14. Verfahren und Vorrichtung nach 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche in voreinstellbarer Weise gekühlt wird.

15. Verfahren und Vorrichtung nach 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung durch eine für die Wirkwellenlänge transparente Eisplatte erfolgt.

16. Verfahren und Vorrichtung nach 1, 3 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung durch Aufsprühen eines Gas-Flüssig-Aerosols mit einer biokompatiblen niedrigsiedenden Flüssigkeit erfolgt.

17. Verfahren und Vorrichtung nach 1-16, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung in einem regulären Muster in zwei Sitzungen durch Bestrahlung der je weils übernächsten Nachbarfelder erfolgt.

18. Verfahren und Vorrichtung nach 1-17, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Bestrahlung die zu behandelnde Gewebeoberfläche mit einem Lebensmittelfarb stoff behandelt wird, der sich durch Diffusion, Chemisorption und Kapillarwirkung be vorzugt in Hautporen und Follikeln anreichert.

19. Verfahren und Vorrichtung nach 1-18, dadurch gekennzeichnet, daß vor der eigentlichen Behandlung die Hautoberfläche von Rückständen des Farbstoffes nach 18 gereinigt wird.

20. Verfahren und Vorrichtung nach 1-19, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsmaximum des Farbstoffes an die für eine vorgewählte Wirktiefe opti mierte Wellenlänge angepaßt ist.