DE4137983A1 - Applikationsvorrichtung fuer laserstrahlung - Google Patents

Applikationsvorrichtung fuer laserstrahlung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.
Es ist bekannt, daß mit der aus einem optischen Lichtwellen­ leiter austretenden Laserstrahlung, beispielsweise der Strah­ lung eines Nd : YAG-Lasers bei 1064 nm, unter Verwendung einer optischen Faser aus Quarzglas (PCS-, HCS- oder ALL-SILICA- Typ) als Strahlführungssystem, im biologischen Gewebe radial­ symmetrische Koagulationsnekrosen gesetzt werden können. Dazu wird die lichtführende Faser entweder auf das Gewebe auf­ gesetzt oder in das Gewebe eingestochen. Die Lichtverteilung im Gewebe erfolgt unter Ausnutzung der Eigenstreuung des jeweiligen Gewebes. Dabei nimmt man jedoch den Nachteil in Kauf, daß an der Kontaktstelle zwischen Faserendfläche und Gewebe eine hohe Leistungsdichte auftritt, die - abhängig vom Faserdurchmesser - oberhalb von einigen 100 mW Lichtleistung bereits zur Karbonisierung der Gewebeoberfläche führt und damit eine weitere Ausbreitung der Strahlung im Gewebe durch die hohe Absorption des Kohlenstoffes verhindert. Notwendig ist deshalb, eine Rundum-Abstrahlcharakteristik der Laser­ strahlung am distalen Lichtleiterende zu realisieren. Dazu muß die mit begrenztem Aperturwinkel aus der Faser austreten­ de Laserstrahlung in ihrer Austritts- bzw. Abstrahlcharakte­ ristik beeinflußt werden. Hierzu ist es bekannt, Multimode- Lichtwellenleiter zur Übertragung von optischen Moden hoher Ordnung (Ringmoden), z. B. durch Schrägeinkopplung, zu verwen­ den. Bei Verwendung einer PCS-Faser wird nach Entfernung des optischen Claddings am distalen Ende somit eine radialsymme­ trische, konische Abstrahlung der Laserenergie erreicht. Gleichzeitig wird die freie optische Fläche mittels eines Glasröhrchens geschützt, das mit dem Coating auf dem nicht­ entcoateten Teil der optischen Faser verklebt wird. Bei einer derartigen Anordnung handelt es sich um ein handelsübliches Produkt der Firma MBB-Medizintechnik, das unter dem Namen "ITT-PROBE" geläufig ist. Ein solcher Applikator nach dem Stand der Technik weist jedoch einige Nachteile auf. So besteht zum einen das Risiko, daß sich das lediglich an­ geklebte Glasschutzröhrchen am distalen Ende löst und damit Nachteile für den Patienten resultieren können. Zum anderen erfordert eine definierte Anregung des Ringmodes einen erhöhten optischen Aufwand auf der Einkoppelseite.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung die Möglichkeit zu schaffen, auch höhere Lichtleistungen, insbesondere solche von mehr als 5W, ohne Gefahr der oberflächlichen Karbonisa­ tion (Verkohlung) im Gewebe zu verteilen. Dabei soll eine Steuerung der jeweiligen Strahlungsverteilung möglich sein.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den kennzeich­ nenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungswesentlich ist hierbei, daß zur Erzeugung radial­ symmetrischer Koagulationsnekrosen in biologischem Gewebe im Bereich der Lichtleiteraustrittsfläche eine Streuvorrichtung, bestehend aus einem streuenden Medium, vorgesehen ist, welches einerseits die abgestrahlte Lichtleistung pro Fläche herabsetzt, andererseits aber die zu behandelnde Fläche ver­ größert. Neben dem Ausnutzen phototechnischer Reaktionen im Gewebe zu Therapiezwecken, ist die erfindungsgemäße Vorrich­ tung auch zur photodynamischen Therapie geeignet, d. h. zur Erzeugung von Temperaturfeldern, um eine gleichmäßige Bestrahlung zu erzielen. Zudem erlaubt die entsprechende Wahl des streuenden Mediums die Einstellbarkeit der Streuwirkung, wodurch die jeweilige Abstrahlcharakteristik anwendungs­ spezifisch dimensioniert werden kann. Eine derartige Vorrich­ tung läßt sich ökonomisch günstig am distalen Ende des Licht­ leiters anbringen.
Bevorzugt ist dazu ein Kunststoffschlauch vorgesehen, der am distalen Ende luft- und feuchtigkeitsdicht verschlossen ist. Das distale Ende dieses Kunststoffschlauchs ist in Abhängig­ keit von der gewünschten Ausdehnung der zu erzeugenden Koagulationsnekrose mit einem streuenden Medium gefüllt, das bei der vorgesehenen Nutzwellenlänge nicht oder nur minimal absorbiert. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, daß zur Herstellung gängige Einzelfaserapplikatoren in den Kunst­ stoffschlauch soweit eingeführt werden können, bis das Faser­ ende endständig an das jeweilige Streumedium anstößt.
In Abhängigkeit von der durch die Wahl des Streumediums ein­ stellbaren Streulänge können auch hohe Laserleistungen gleichmäßig radial abgestrahlt werden. Es resultieren an der Oberfläche des Kunststoffschlauchs nur noch so niedrige primäre Leistungsdichten, daß eine Karbonisation des anlie­ genden Gewebes sicher vermieden werden kann.
Eine Möglichkeit bei der Wahl eines Streumediums besteht in der Verwendung eines Glaskörpers, der als Streuzentren Poren oder Kristallite enthält. Ein derartiges poröses Glasmaterial ist auch unter dem Namen "Schaumglas" oder "offenporiges Sinterglas" bekannt. Da bei der Herstellung eines derartigen Materials der Porenvolumenanteil oder/und die mittlere Poren­ größe definiert eingestellt werden kann, läßt sich somit die gewünschte Streuwirkung steuern. Entsprechendes gilt für die Größe bzw. den Volumenanteil der Kristallite. Als günstig erweist es sich, die Streuvorrichtung aus diesem Material als Kapillare auszubilden. Alternativ ist jedoch auch die Form eines Zylinders, einer Kugel oder eines Konus möglich.
In einer weiteren Ausführungsform besteht der Kunststoff­ schlauch aus Teflon und das Streumedium aus einem Teflon­ pfropf, der gleichzeitig als distaler Verschluß des Schlauches dient.
Zur Erhöhung des Streuvermögens kann auch mit Bariumsulfat oder Titandioxid gefülltes PTFE-Material verwendet werden. Die Anwendung ist jedoch nicht nur auf Teflon begrenzt, sondern es kann jedes im Nutzwellenbereich des verwendeten Lasers nichtabsorbierende und biokompatible Kunststoff­ material eingesetzt werden.
In Weiterführung des Erfindungsgedankens kann bei Anwendung von Mehrkammerschläuchen auch eine zusätzliche Spülung und Kühlung des Faserendes durchgeführt werden. In diesem Fall sind am proximalen Ende des Hüllschlauches entsprechende Verzweigungsstücke und Dichtvorrichtungen zum Einführen der Faser vorzusehen.
In einer anderen, vereinfachten Ausführungsform der Erfin­ dung, wird ein am distalen Ende verschlossener Hüllschlauch verwendet und das Faserende selbst vom optischen Mantel befreit und mattiert, so daß durch die optische Aufrauhung ebenfalls eine radialsymmetrische Abstrahlung erreicht wird.
Gleichfalls kann ein derartiger Hüllschlauch auch in Kombina­ tion mit dem bekannten Ringmode-Applikator der Firma MBB-Medizin­ technik eingesetzt werden, um eine Ablösung des distalen Glasröhrchens sicher zu vermeiden. Die Länge des Hüllschlauches wird mit Rücksicht auf das jeweilige Einsatz­ gebiet bemessen und führt je nach Indikation bei klinischem Einsatz zu verschiedenen Ausführungsgrößen der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung.
Zum Einführen des dünnwandigen Hüllschlauches in das Zentrum des zu bestrahlenden Gewebeareals wird in Abhängigkeit von der Festigkeit des Gewebes vorzugsweise ein mechanisch steifer Trokar - in aller Regel eine metallische Kanüle - verwendet. Durch diese wird der Hüllschlauch hindurchgeführt und nach erfolgreicher Einführung zurückgezogen, um den Bestrahlungsort freizugeben. Weiterhin sind Konstruktionen möglich, bei denen der metallische Trokar vor Applikation der Laserstrahlung gänzlich entfernt wird. Dies ist insbesondere bei Anwendung unter NMR-Kontrolle von Bedeutung, wenn in hohen Magnetfeldern keine metallischen Teile toleriert werden können.
Falls das zu durchdringende Gewebe relativ weich ist, kann anstelle des mechanisch steifen Trokars ein mechanisch steifer Mandrin verwendet werden, um den Applikator zu plazieren. Anschließend wird der mechanisch steife Mandrin entfernt und statt dessen die Lichtleitfaser eingeführt.
Eine typische Anwendung einer derartigen Applikationsvorrich­ tung ist die interstitielle Laserkoagulation von Tumoren unter Röntgen- oder NMR-Kontrolle. Insbesondere bei der Röntgen-Kontrolle der Plazierung erweist sich eine Anreiche­ rung des Streumediums mit Bariumsulfat als Vorteil, da damit ein guter Röntgenkontrast erreicht wird. Unter NMR-Kontrolle kann hingegen in das Streumedium, in den Hüllkörper für den Lichtwellenleiter und/oder in das Streumedium, ein geeignetes magnetisch aktives Markiermedium eingebracht werden.
In einer Weiterführung des Erfindungsgedankens wird die Laserstrahlung in mehrere parallelgerichtete Lichtwellen­ leiter eingekoppelt, die am distalen Ende fest miteinander verbunden sind. Dadurch wird erreicht, daß die Streuvorrich­ tung, die wiederum fester Bestandteil des Faserendes ist oder im Hüllrohr endständig angebracht ist, gleichmäßig mit Laser­ strahlung beaufschlagt werden kann. Zudem können mehrere Laser gleichzeitig zur Therapie genutzt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2a) ein Detail der Streuvorrichtung gemäß Fig. 1 mit einem einzelnen Lichtwellenleiter;
Fig. 2b) eine Anordnung zur Erhöhung der Streueffizienz mit einer zweiten mattierten Hüllkappe;
Fig. 2c) eine Anordnung, bei der die Streuvorrichtung im äußeren Hüllkörper endständig angeordnet ist;
Fig. 2d) die Anordnung gemäß Fig. 2c) im Detail;
Fig. 3a) eine mehrlumige Ausführung der Applikationsvorrich­ tung in Seitenansicht;
Fig. 3b) das Ausführungsbeispiel aus Fig. 3a) im Quer­ schnitt;
Fig. 4a) die prinzipielle Anordnung eines Ausführungs­ beispiels mit einem Mehrfaser-Lichtwellenleiter in Seitenansicht;
Fig. 4b) einen Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel aus Fig. 4a).
In Fig. 1 ist schematisch dargestellt, wie ein Ausführungs­ beispiel der erfindungsgemäßen Applikationsvorrichtung (100) zur Behandlung eines Gehirntumors an einem Patienten (11) eingesetzt werden kann. Das damit realisierbare Streuvolumen bzw. das behandelbare Gewebevolumen ist schematisch durch Teilkreise (2) angedeutet. Über eine Spülvorrichtung (9) und einen Spülkanal (10) kann während der Therapie das Ende eines Lichtwellenleiters (8) gleichzeitig gespült und gekühlt werden. Der Lichtwellenleiter (8) besteht aus einer oder mehreren Einzelfasern, in die mehrere Laser (3 bis 7) ein­ gekoppelt werden können. Je nach spezifischer Anwendung kann die eingesetzte Laserstrahlung im Spektralbereich zwischen 400 und 3000 nm liegen.
Fig. 2a) gibt ein Detail der Applikationsvorrichtung (100) gemäß Fig. 1 in einer Variante mit nur einem einzelnen Licht­ wellenleiter (8) wieder, der an seinem distalen Ende in einem Bereich (81) aufgerauht ist, um die gewünschte Streuwirkung zu realisieren. Dabei ist der verwendete Lichtwellenleiter (8) sowohl an der Stirnseite als auch in einem zylindrischen, an die Stirnseite anschließenden Bereich (81) seiner Ober­ fläche aufgerauht. Der Lichtwellenleiter (8) kann dabei ohne Einschränkungen in üblichen Applikationsvorrichtungen verwen­ det werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist für eine Saugspülvorrichtung (17) eine Abdichtung des Lichtwellen­ leiters (8) innerhalb des Hüllkörpers (1) mit einem standard­ mäßigen Luer-Lock (18) vorgesehen.
Bei der in Fig. 2b) dargestellten Anordnung ist zur Erhöhung der Streueffizienz eine zusätzliche mattierte Hüllkappe (83) bzw. eine streuende Kapillare über das Ende (81) des Licht­ wellenleiters (8) geschoben. Diese Hüllkappe ermöglicht infolge der damit erzielten Querschnittsvergrößerung im End­ bereich gleichzeitig eine Gleitführung innerhalb des ein Führungsrohr bildenden Hüllkörpers (1). Die Verschiebung kann dabei in die Pfeilrichtungen erfolgen.
In Fig. 2c) ist eine Anordnung dargestellt, bei der eine Streuvorrichtung in Form eines Streuvolumenkörpers (82) im äußeren Hüllkörper (1) endseitig angeordnet ist. Der Licht­ wellenleiter (8) grenzt am Ende des Hüllkörpers (1) an diesen Streuvolumenkörper (82) an, und es resultiert eine Bestrah­ lung des Bereiches (2). Der Streuvolumenkörper (82), der beispielsweise aus mit Bariumsulfat oder Titandioxid gefüllten PTFE besteht, bildet hierbei gleichzeitig ein hermetisches Dichtelement für das distale Ende des Hüll­ körpers (1). Ebenso kann der Streuvolumenkörper (82) auch aus einem anderen Material bestehen, das die entsprechenden Anforderungen erfüllt. Geeignet ist z. B. sogenanntes "Schaum­ glas" bzw. "offenporiges Sinterglas", das als Streuzentren Poren oder Kristallite enthält. Durch die Einstellung des Volumenanteils und/oder der mittleren Größe dieser Streu­ zentren bei der Herstellung eines derartigen Materials läßt sich somit die Abstrahlcharakteristik anwendungsspezifisch variieren. Vorteilhaft bei diesem porösen Glasmaterial sind zudem die hohe Temperaturbeständigkeit sowie die Beständig­ keit gegenüber der eingesetzten Laserstrahlung.
Fig. 2d) zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Dabei ist zusätzlich zur Vermeidung von Reflexionen das Ende des Kerns (88) des Lichtwellenleiters (8) in den Streuvolumenkörper (82) eingeführt. Der Streuvolumenkörper (82) weist dabei eine Aussparung auf, welche an die Außenabmessungen des Endes des Lichtwellenleiters (8) angepaßt ist, so daß hierdurch eine stabile gegenseitige mechanische Fixierung zwischen Licht­ wellenleiterende und Streuvolumenkörper (82) erzeugt wird.
Neben den in Fig. 2a)-2d) dargestellten Ausführungsbeispie­ len, in denen bereits verschiedene Geometrien der jeweiligen Streuvorrichtung beschrieben wurden, existieren jedoch noch diverse weitere Möglichkeiten, den Lichtwellenleiter und die Streuvorrichtung relativ zueinander anzuordnen. So ist es möglich, den Streuvolumenkörper in Form eines Zylinders, einer Kugel bzw. eines Konus zu fertigen, in den das Licht­ wellenleiterende dann jeweils eintaucht.
Die Verbindung zwischen dem Lichtwellenleiterende und dem Streuvolumenkörper kann dabei sowohl durch eine geeignete Klebetechnik als auch durch direktes Verschmelzen, beispiels­ weise mit einem Laser, erfolgen.
Günstig ist es weiterhin, die komplette Anordnung am Licht­ wellenleiterende und Kapillare mit einem Schutzüberzug zu versehen, durch den die jeweiligen Komponenten bzw. der Patient geschützt wird. Dieser Schutzüberzug muß dabei natür­ lich für die verwendete Laserstrahlung transparent sein sowie am distalen Ende flüssigkeitsdicht verschlossen sein.
In Fig. 3a) ist ein Hüllkörper mit mehreren Einzelkanälen in Seitenansicht dargestellt, bei dem der innere Kanal (80) für die Einführung des Lichtwellenleiters vorgesehen ist und die äußeren Teilkanäle (15) und (16) zur Spülung und Absaugung dienen. Die Spülkanäle sind so ausgelegt, daß das Spülmedium gegebenenfalls einen Teil der Streuvorrichtung bildet oder/und die Oberflächen von Lichtwellenleiter und Streu­ volumenkörper (82) reinigen, d. h. von fest anhaltenden Teilchen und dergleichen befreien.
Fig. 3b) zeigt den entsprechenden Querschnitt dieses Aus­ führungsbeispiels.
Fig. 4a) zeigt eine Anordnung in Seitenansicht, bei dem zur Homogenisierung der Laserstrahlung und Erzielung einer höheren Streueffizienz mehrere parallele Lichtwellenleiter vorgesehen sind. Dabei sind die Enden der einzelnen Fasern (85) des Mehrfaser-Lichtwellenleiters in einem bestimmten Bereich (86) fest miteinander verbunden. Der verwendete Laser (87) ist hierbei als Dioden-(Halbleiter-)Laser ausgeführt. Der Endbereich der Mehrfaser-Lichtwellenleiter-Anordnung wird dabei von einer Streuvorrichtung begrenzt, wie anhand der zuvor dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde. Mit Hilfe dieser Anordnung wird die Lichtverteilung besonders homogenisiert.
Der entsprechende Querschnitt durch den Bereich (86) wird in Fig. 4b) dargestellt.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend beschriebenen, bevorzugten Ausführungs­ beispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die auf dem beschriebenen Prinzip basieren.

Claims (18)

1. Applikationsvorrichtung für Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß das dem zu behandelnden Objekt zu­ gewandte Ende des strahlführenden Lichtwellenleiters (8) in einem stirnseitig für Laserstrahlung transparent ver­ schlossenen röhrenförmigen Hüllkörper (1), der insbeson­ dere am objektseitigen Ende luft- und flüssigkeitsdicht verschlossen ist, angeordnet ist, wobei die Stirnseite des Hüllkörpers (1) und/oder das Ende des Lichtwellen­ leiters (8) mit einer ein Streuvolumen aufweisenden Streuvorrichtung (81, 82, 83) für Laserstrahlung versehen ist, die für die verwendete Laserstrahlung weitgehend transparent ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuvorrichtung (81 bis 83) innerhalb des Hüll­ körpers (1) angeordnet ist oder den stirnseitigen Abschluß, und insbesondere einen flüssigkeitsdichten Abschluß des Hüllkörpers (1) bildet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuvorrichtung (82) eine das Ende des Lichtwellen­ leiters (8) aufnehmende Aussparung aufweist.
4. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuvorrichtung (81, 83) axialsymmetrisch und mehrschichtig ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellen­ leiter (8) innerhalb des Hüllkörpers (1) in axialer Rich­ tung frei verschiebbar angeordnet und von der auf das Ende des Lichtwellenleiters (8) aufgeschobenen und den Durchmesser des Endes des Lichtwellenleiters (8) ver­ größernden Streuvorrichtung (83) innerhalb des Hüll­ körpers führbar ist (Fig. 2b)).
6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der röhrenförmige Hüllkörper (1) mehrkanalig ausgebildet ist und mindestens einen separaten Spülkanal (15, 16) aufweist, so daß eine Spülung der Kontaktfläche, des Lichtwellenleiters (8) und/oder der Streuvorrichtung (82) möglich ist (Fig. 4).
7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung im Spektralbereich zwischen 400 und 3000 nm liegt.
8. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellen­ leiter (8) als Faseroptik ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere parallele Lichtwellenleiter vorgesehen sind.
10. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuvorrich­ tung durch eine Aufrauhung (81) des Lichtwellenleiters (8) an seinem distalen Ende gebildet ist.
11. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hüllkörper (1) aus Polytetrafluorethylen (PTFE) besteht.
12. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hüllkörper (1) aus Polyethylen (PE) besteht.
13. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuvorrich­ tung (81, 82, 83) aus einem Streumedium besteht, das die verwendete Laserstrahlung nicht oder nur in geringem Maße absorbiert.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Streumedium mit Bariumsulfat oder Titandioxid versetzt ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Streumedium ein poröses Glasmaterial dient, das als Streuzentren Poren und/oder Kristallite enthält, wobei deren mittlere Größe und/oder deren Volumenanteil bei der Herstellung einstellbar ist.
16. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuvorrich­ tung als Streuvolumenkörper ausgebildet ist, der die Form einer Kugel oder eines Zylinders oder eines Konus auf­ weist und das Lichtwellenleiterende in diesen Streu­ volumenkörper eintaucht.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtwellenleiterende und der Streuvolumenkörper miteinander verklebt oder verschmolzen sind.
18. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus Lichtwellenleiterende und Streuvorrichtung mit einem Schutzüberzug versehen ist.
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