DE2829516A1

DE2829516A1 - Verfahren zur automatischen erkennung thermischer einwirkungen von laserstrahlen und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2829516A1
Application number: DE19782829516
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl Phys Frank; Thorsteinn Dipl Ph Halldorsson; Walter Dipl Phys Dr Kroy; Christian Dipl Ing Schmidt
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1978-07-05
Filing date: 1978-07-05
Publication date: 1980-01-17
Also published as: JPS5510600A; JPS631054B2; DE2829516C2

Description

Verfahren zur automatischen Erkennung thermischer
Einwirkungen von Laserstrahlen und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur automatischen Erkennung thermischer Einwirkungen von Laserstrahlen im biologischen Gewebe und auf Anordnungen zur Durchführung dieses Verfahrens.
In den letzten Jahren werden zunehmend kontinuierlich oder langpulsig arbeitende Hochleistungslaser in der allgemeinen und der endoskopischen Chirurgie zum Schneiden und Koagulieren von Gewebe sowie zur Stillung von Blutungen verwendet.
Hierbei liegt die Bestrahlungszeit pro Puls zwischen 0,1 und 10 Sec., wobei speziell Argon-, Nd:YAG- und CO2-Laser zum Einsatz kommen.
Beim Einsatz von medizinischen Lasern sind neben den gewünschten bzw. geforderten therapeutischen Wirkungen besonders die Fragen der Sicherheit des Patienten und des Operationspersonals von wesentlicher Bedeutung, Hierzu sind vers chiedene Sicherheitsmaßnahmen bereits vorgeschlagen worden, wie beispielsweise Laserschutzbrillen und -filter. Durch die DE-OS 23 23 137 ist ein weiterer wesentlicher Schritt zur Erhöhung der Sicherheit bei chirurgischen Arbeiten mit Laserstrahlung geschaffen worden, in dem ein speziell ausgebildetes Fokussierhandstück so ausgestaltet worden ist, daß die Strahlung des Arbeitslasers erst eingeschaltet wird, wenn sich das Handstück in einem genau fixierten Abstand unmittelbar vor der Operationsstelle befindet und automatisch wieder abgeschaltet wird, wenn sich der Pokussierpunkt von dieser Stelle wieder entfernt. Dadurch w~lrde verhindert, daß unbeabsichtigte Laserstrahlung Schädigungen - vor allem des Augenlici>ts - bei Patient und Mitarbeiter am Operationstisch hervorrufen konnte.
Nun hat es sich gezeigt, daI3 den Fragen der Sicherheit des Patienten bezüglich der Dosis der einwirkenden Laserlichtenergie und der Nebeneinwirkung der gestreuten Strahlung auf nichtbeteiligte Organe zu wenig Beachtung geschenkt wurde.
Diese Ivriterien beurteilte der behandelnde Arzt bisher allein aus der optisch sichtbaren Gewebsverödung, aus Anjialtswerten, die die Literatur gab oder aufgrund bereits gemachter Erfahrungen.
Nun ist es aber so, daß die Reaktionen von Gewebsart zu Gewebsart außerordentlich verschieden ist und daher ein großer Erfahrungsschatz erforderlich ware, um mit der für den Patienten erforderlichen Sicherheit arbeiten zu können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und Anordnungen zur Durchf~ührung dieses Verfahrens bei medizinischen Laserkoagulatoren zu schaffen, womit beim Koagulieren von Gewebe eine Überwachung des Zerstörungsgrades des behandelten Gewebes unmittelbar angezeigt und bei Gefahrensituationen der Laser automatisch abgeschaltet wird.
Es soll also auf meßteohnischem Wege der Grad der Gewebsveränderung bestimmt und zur Anzeige gebracht werden und vor Erreichen unerwünschter Schäden die Laserstrahlung automatisch abschaltbar sein.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß entweder Änderungen der thermischen Rückstrahlung aus dem laserbestrahlten Gewebe mit einem Detektor registriert und in einer Auswerte-Elektronik in Temperaturwerte umgesetzt werden oder Änderungen des rückgestreuten Laserlichts aus dem bestrahlten Gewebe im Zentrum der Auftreff-Fläche des Laserlichts im Verhältnis zur Rückstreuung aus Flächenbereichen außerhalb der Auftreff-Fläche - aufgrund der inneren Streuung, die ein unmittelbares Maß der thermischen Zerstörung des Gewebes darstellt -gemessen, registriert und ausgewertet werden. Diese Meßsignale lösen bei Erreichung festgelegter Grenzwerte eine akustische Anzeige aus und bei Uberschreitung derselben steuern sie eine Ausschaltelektronik für den Arbeitslaser an.
Durch diese Maßnahmen ist nun ein Verfahren geschaffen worden, das jede Gewebsveränderung sofort automatisch zur Anzeige bringt und bei Überschreitung bestimmter Grenzwerte automatisch die Laserstrahlung ausschaltet. Es versteht sich von selbst, daß diese Grenzwerte unterhalb den Werten liegen, die eine unerwünschte Gewebszerstörung herbeifähren.
Die Erfindung ist nachfolgend an Ausfäilrungsbeispielen beschrieben. Spezielle Maßnahmen sind in den Ansprüchen niedergelegt und in den Zeichnungen sind Einzelheiten der Erfindung dargestellt. Es zeigen: Fig.1 ein Diagranim des zeitlichen Temperaturverlaufs im Zentrum der Auf treff-1'läche des Laserstrahls; Fig.2 eine Darstellung der Geometrieänderung der ltüclstreuung des Laserlichts; Fig.3 ein Diagramm der Gesamtrückstreuung des Laserlichts; Fig.4 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchfüllrung des vorgeschlagenen Verfahrens; Fig.5a ein Schaltbild der Ansteuerung eines in der Frequenz spannungsgesteuerten Oszillators; Fig.5b ein Schaltbild zur akustischen Anzeige der Umkehrpunkte der Temperaturkurve; Fig.6 Diagramme für die Impulse zur Schaltanordnung gemäß Fig.5b; Fig.7 ein Laserzystoskop mit dem Dberwachungsdetektor in schematischer Darstellung; Fig.8 ein Schaltbild der elektronischen Meß- und Auswertelektronik; Fig.9 Diagramme für die Impulse zur Schaltanordnung gemäß Fig.8.
Die gestellte Aufgabe kann, wie vorerwähnt, auf zweierlei Arten gelöst werden. Hierbei sind beide Arten für die sogenannte offene chirurgische Operation anwendbar, für die endoskopische Operation jedoch vorzugsweise die letztgenannte Ausführungsform. In beiden Fällen jedoch führen die Meßsignale zu einer akustischen Anzeige, wie in den Fig.5a, 5b und 8 gezeigt. Diese akustischen Signale zeigen dem Operateur den erreichten thermischen Zerstörungsgrad des Gewebes an. Beim Überschreiten von festgelegten Grenzwerten, ab denen Schäden beim Patienten auftreten, werden in beiden Verfahren die Meßsignale zur Ansteuerung der automatischen Ausschaltelektronik des Lasers herangezogen.
Die thermischen Effekte, die bei der Laserbestrahlung im organischen Gewebe ablaufen, sind bei der nur visuellen Beobachtung für den Operateur in vielen Fällen schlecht erkennbar. Beispielsweise bei CO2-Lasern, die als Schneidwerkzeuge, Skalpelle etc. eingesetzt werden, wird das Laserlicht fast vollständig an der Oberfläche des Gewebes absorbiert, jedoch läßt sich hier die thermische Wirkung - das Verdampfen und Verbrennen an der Strahlauftreff-Fläche - aus der visuellen Beobachtung noch leicht regeln.
Bei beispielsweise Argon- oder Nd:Yag-Lasern, die zur reinen Koagulation des Gewebes oder der Blutstillung dienen, ist jedoch der Grad der Zerstörung des Gewebes visuell nur schlecht erkennbar, denn bei dieser Anwendung ist eine große Eindringtiefe erforderlich, d.h. es ist eine geringe Absorption bei gleichzeitig starker Streuung des Laserlichts erforderlich. Hier wird ein größeres Volumen des Gewebes von der Strahlung erfaßt und nahezu gleichmäßig erwärmt.
Nun erfolgt aber eine Verödung oder Koagulation eines Gewebes und das Verschließen von Gefäßzellen etc. bereits bei einer Temperatur von 600 C. Jede weitere Temperaturerhöhung ist medizinisch unerwünscht, denn bei mehr als 600 C bis hinauf zu 1000 C findet ein Verdampfen des Zellwassers statt, das bei 1000 C in ein heftiges Sieden übergeht. Hält die Bestrahlung weiter an, so tritt ein Verkohlen, Verdampfen und Verbrennen der organischen Materie ein.
Bei den meisten medizinischen Indikationen reicht eine Temperatur von 600 bis 700 aus, um eine Nekrose von etwa 2 bis 3 mm in das Gewebe zu setzen. Bei einer weiteren Bestrahlung der Stelle besteht jedoch die Gefahr, insbesondere bei Membrangeweben wie beispielsweise Magen- und Blasenwand, daß die Nekrose diese Wände durchstößt, was zu einer gewissen Perforation des Gewebes führen kann.
Eine weitere Gefahr ist die Beschädigung von hinter dem Operationsziel liegenden Organen. Da die Änderung an der bestrahlten Gewebsfläche während einer Koagulation und bei Temperaturen zwischen 70 und 1000 C visuell nur schwer erkennbar ist, zeigt nun die Erfindung Lösungswege, wie mit elektro-optischen Mitteln die Änderung des Koagulationsgrades während der Laserbestrahlung vermessen und angezeigt wird (siehe Abb. 1 bis 3).
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden im einen Fall Änderungen der Temperatur und der damit verbundenen Änderung der thermischen Rückstrahlung zur Auswertung herangezogen und im anderen Fall wird die Änderung der Geometrie des Streuhofes der Laserstrahlung im Gewebe unter Berücksichtigung der Änderung der Gesamtrückstrahlung gemessen, registriert und ausgewertet.
Die Fig.4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im erstgenannten Fall. Die gesamte Strahlungsdichte S der Wärmestrahlung des vom Laser bestrahlten Gewebes beträgt S = £}t . T4 Hierbei ist die Stefan-Boltzmann-Konstante, ç die Emissivität des Gewebes, die im Infrarot-Bereich gleich 1 ist und 7 die absolute Temperatur des Gewebes, Hier ist ein infrarotempfindlicher Detektor 12, Thermistor oder Thermopile vorgesehen, der in dem Fokussierhandsttick 10 des Lasers nahe der optischen Achse 11 angebracht ist. Vor dem Detektor 12 ist ein sogenanntes Kantenfilter 13 angeordnet, das zur Unterdrückung der rückgestreuten Laserstrahlung dient. In der Fig.4 ist die Referenzmeßstelle mit 14 bezeichnet. Alternativ kann auch ein ringförmiger Detektor 12, der die Öffnung 17 des Handstücks 10 umschließt oder eine koaxiale Anordnung der Strahl- und Empfangsachse, die sich durch den Einbau eines 90°-dichroitischen Umlenkspiegels, der für die Laserstrahlung transparent und für die thermische Strahlung reflektierend ist, verwendet werden.
Die Signalspannung des Detektors 12 bei auftreffender Wärmestrahlung beträgt: Hierbei ist TT die Temperatur an der aufgeheizten Stelle und TR die Referenz temperatur des Gewebes vor Beginn der Strahlung oder eine feste Bezugs temperatur, R die Detektorempfindlichkeit und M der geometrische Faktor der Anordnung, wobei M = 1/# . ATAD / r2.
AT bezeichnet die Größe der bestrahlten Fläche, AD bezeichnet die Größe der Detektorfläche und r ist der Abstand des Detektors vom bestrahlten Fleck.
Die optische Anordnung soll nun so beschaffen sein, daß M möglichst konstant bleibt trotz Änderungen des Arbeitsabstandes, d.h. des Abstandes des Detektors 12 vom laserbestrahlten Fleck 19. In den Figuren ist das Gewebe mit 16 bezeichnet, Die Konstanthaltung wird erreicht durch das Anbringen des Detektors 12 möglichst nahe dem Brennpunkt 18 des Fokussierhandstücks 10. Beim unfokussierten Strahl ist die Lage des Detektors unkritisch.
Zur Auswertung des Meßsignals werden zwei Schaltungsanordnungen, wie sie in den Fig.5a und 5b gezeigt sind, vorgeschlagen. In der Anordnung nach FigO5a wird die Änderung der Detektorspannung, die proportional zu T4 ist, zur Ansteuerung eines in der Frequenz spannungsgesteuerten Oszillators verwendet. Mit einem Lautsprecher wird der Temperaturanstieg anschließend hörbar gemacht. Um die Messung unabhängig von äußeren Störfaktoren und von Driften der elektronischen Bauelemente zu machen, wird der Temperaturwert bei Beginn der Laserbestrahlung vorzugsweise unmittelbar vor dem Auslösen des Laserstrahls 15 gespeichert und die folgenden Temperaturwerte mit diesem Anfangswert in der Auswerte-Elektronik dividiert.
Parallel zu dieser Anzeige ist in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Grenzwert-Schaltverstärker zum automatischen Ausschalten des Lasers ansteuerbar.
Die Schaltanordnung nach Fig.5b ist so ausgebildet, daß nur die Umkehrpunkte der Temperaturkurve mit Hilfe eines Differentiators akustisch angezeigt bzw. zum Ausschalten des Lasers verwendet werden, Wie die Fig.2 zeigt, ist die Ausdehnung der Oberflächenstreuung der Laserstrahlung 15 ein empfindliches Maß für den Ablauf der Gewebszerstörung. Dieser Effekt wird nun opto-elektronisch zur Anzeige verwendet. Die hierfür vorgeschlagene Ausführungsform ist in den Fig.7 und 8 schematisch dargestellt. Es wird gezeigt, wie der gesamte Streufleck 19 des Laserstrahls 15 am Gewebe 16 auf einem zweigeteilten Flächendetektor 20 abgebildet wird und zwar geschieht dies so, daß der Fleckdurchmesser des gesamten Streu- bzw.
Brennfleoks 19 vom Arbeitsabstand unabhängig ist, was durch eine entsprechende Anpassung der Brennweite (Brennpunkt 18) der Abbildungslinse an den Öffnungswinkel des Therapiestrahls erreicht wird. Beim Endoskop ist dies die Divergenz des austretenden Laserstrahls und beim Fokussierhandstück 10 die Brennweite der Fokussierlinse.
Bei dem anderen Ausführungsbeispiel wird die Abbildung des Streufleckes so gestaltet, daß der Auftreff-Fleck 19 des Laserstrahls 15 voll von dem inneren, der äußere Streuhof ganz oder teilweise von dem äußeren Detektor 20 erfaßt wird.
Bei einem koaxialen Aufbau der Empä?angs- und Bestrahlungsoptik 24, 25 wird der Detektor 20 aus einer kreisförmigen inneren Fläche und einer äußeren Ringfläche bestehen. Bei endoskopischen Instrumenten wird zweckmäßigerweise der allgemeine Beobachtungskanal von der vorgeschlagenen Sicherheitseinrichtung mitverwendet, wie dies die Fig.7 veranschaulicht.
Wegen des Abstands der Achsen zwischen Beobachtungsoptik 23, 24, wobei mit 23 der Beobachtungskanal und mit 24 die optischen Glieder in demselben bezeichnet sind, und Laseroptik 21, 22, entsteht eine Parallelachse im Gesichtsfeld des dargestellten Zystoskops. Das heißt, daß der Laserfleck je nach Abstand des Zystokops von der Gewebewand 19 in einer Richtung über das Gesichtsfeld wandert. Dieses Wandern hat jedoch am Detektor keinen störenden Einfluß, weil die empfindlichen Flächen als Streifen ausgebildet sind.
Um Störungen durch Änderung der Gesamtintensität des rückgestreuten Laserlichts oder Änderung von optischen Eigenschaften von einem Gewebe zum anderen zu vermeiden, wird aus der Detektorspannung mit Hilfe eines elektronischen Subtrahierers und Dividierers die Größe U -U 1 2 U1 4X U2 gewonnen, die dann analog zu den früher beschriebenen Schaltungen zum Ansteuern von einem Signalgenerator bzw.
eines Schwellwertverstärkers für den Laserschalter benötigt wird. Die Einzelheiten hierzu sind aus den Fig08 und 9 entnehmbar.

Claims

Verfahren zur automatischen Erkennung thermischer Einwirkungen von Laserstrahlen und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens Patentanspräche 1/ Verfahren zur automatischen Erkennung thermischer Einwirkungen von Laserstrahlen im biologischen Gewebe, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß entweder Änderungen der thermischen Rückstrahlung aus dem laserbestrahlten Gewebe mit einem Detektor registriert und in einer Auswerte-Elektronik in Temperaturwerte umgesetzt werden, oder Änderungen des rückgestreuten Laserlichts aus dem bestrahlten Gewebe im Zentrum der Auftreff-Fläche des Laserstrahls im Verhältnis zur Rückstreuung aus Flächenbereichen außerhalb der Auftreff-Fläche, - aufgrund der inneren Streuung, die ein unmittelbares Maß der thermischen Zerstörung des Gewebes darstellt - gemessen, registriert und ausgewertet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Meßsignale bei Erreichung festgelegter Grenzwerte eine akustische Anzeige auslösen und bei Überschreitung derselben eine Ausschaltelektronik für den Arbeitslaser ansteuern.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Änderung der Detektorspannung zur Ansteuerung eines in der Frequenz spannungsgesteuerten Oszillators verwendet wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Umkehrpunkte der Temperaturkurve mit Hilfe eines Differentiators akustisch angezeigt und zur Ausschaltung des Lasers verwendet werden.
5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß ein infrarotempfindlicher Detektor (12), Thermistor oder Thermopile in dem Fokussierhandstück -(10) des Lasers nahe der optischen Achse (11) angeordnet und mit einem Kantenfilter (13) versehen ist.
6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß ein die Öffnung (17) des Fokussierhandstücks (11) ringförmig umschließender Detektor (12) angeordnet ist.
7. Anordnung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Detektor (12) nahe dem Brennpunkt (18) des Fokussierhandstücks (10) angeordnet ist.
8. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Abbildung des Streufleckes (19) des Laserstrahles (15) am Gewebe (16) ein zweigeteilter Flächendetektor (20) angeordnet ist.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Detektor (20) sich aus einer kreisförmigen inneren Fläche und einer äußeren Ringfläche zusammensetzt.