DE4222823C2 - Device and method for the automatic characterization and control of the laser-tissue interaction - Google Patents
Device and method for the automatic characterization and control of the laser-tissue interactionInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Charakter isierung und Kontrolle der Laser-Gewebe-Wechselwirkung hin sichtlich einer Gewebecarbonisierung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for automatic character isation and control of the laser-tissue interaction obviously a carbonization according to the generic term of the Claim 1.
In der Laserchirurgie kommt es generell beim Schneiden und Verdampfen von Gewebe darauf an, den Vorgang der Carboni sierung auszuschließen. Zur vollendeten Beherrschung dieses Prozesses werden seit den Anfängen der Laserchirurgie vielfältige und zum Teil aufwendige Anstrengungen unternommen.In laser surgery, it generally occurs when cutting and Evaporation of tissue depends on the process of carboni exclusion. Mastery of this process has been achieved since the beginnings of laser surgery varied and in part made extensive efforts.
Aus der Literatur ist bekannt, daß bei Ausnutzung der thermischen Effekte der Laserstrahlung beim laserchirurgischen Einsatz neben der gewünschten thermischen Zerstörung von Gewebeteilen das Auftreten einer "Carbonisierung" vermieden werden muß (J.W. Paulsen, "CO₂-Lasers Thermal Changes on Laryngeal Tissue After Different Application Modes in: Advances in Laser Medicine II, G.J. Müller, H.-P. Berlin (Herausg.) ecomed 1989, S. 335-345).From the literature it is known that when the thermal effects of laser radiation laser surgery in addition to the desired one thermal destruction of tissue parts the occurrence "carbonization" must be avoided (J.W. Paulsen, "CO₂-Lasers Thermal Changes on Laryngeal Tissue After Different Application Modes in: Advances in Laser Medicine II, G.J. Müller, H.-P. Berlin (ed.) Ecomed 1989, pp. 335-345).
Schwierig ist dabei häufig die Beobachtung des Operations feldes, da trotz der Nutzung von Absaugeinrichtungen eine starke Rauchentwicklung in der Wechselwirkungszone zu verzeichnen ist.It is often difficult to observe the operation field, because despite the use of suction devices strong smoke development in the interaction zone is recorded.
In der Literatur werden zur Lösung dieses Problems ver schiedene Verfahren beschrieben, die beim Lasereinsatz in der Medizin durch Meßgrößen einen Zustand charakterisieren und über das Meßsignal die Laserparameter optimieren kön nen.In the literature, to solve this problem different procedures described in laser use in characterize a state in medicine by means of measurands and can optimize the laser parameters via the measurement signal nen.
In der Patentschrift DE 28 29 516 C2 wird eine Steuervor richtung für einen chirurgischen Laser beschrieben. Hier bei soll entweder die thermische Strahlung aus dem mit dem Laser bestrahlten Gewebebereich mit der thermischen Strah lung aus einem angrenzenden Gewebebereich verglichen wer den oder das rückgestreute Laserlicht für die Steuerung genutzt werden.In the patent DE 28 29 516 C2 is a Steueror direction for a surgical laser. Here at either the thermal radiation from the with the Laser irradiated tissue area with the thermal beam compared from an adjacent tissue area the backscattered laser light for the control be used.
In der Patentschrift DE 39 34 646 A1 beschreiben Müller und Brodzinski ein Verfahren zur Leistungs- bzw. Pulsener giesteuerung bei der Lasermaterialbearbeitung organischer Materialien. Die bei der Pyrolyse entstehenden Leuchter scheinungen werden als Regelsignal benutzt. Das zur Be strahlung benutzte Strahlführungssystem wird gleichzeitig zur Rückführung der beim Pyrolyseprozeß entstehenden Strahlung eingesetzt.In the patent specification DE 39 34 646 A1 describe Müller and Brodzinski a method for power and pulse generation casting control in laser material processing organic Materials. The candlesticks created during pyrolysis Apparitions are used as a control signal. That for example Radiation guidance system used at the same time to recycle the pyrolysis process Radiation used.
Bei einem in DE 34 14 986 beschriebenen Lasersystem für die Augenchirurgie wird eine Steuereinrichtung eingesetzt, mit der die Laserstrahlleistung auf einen vorbestimmten Wert einstellbar ist.In a laser system described in DE 34 14 986 for eye surgery, a control device is used, with which the laser beam power to a predetermined Value is adjustable.
Aus der Literatur ist weiter bekannt, daß die Messung der Fluoreszenzstrahlung genutzt werden kann, um zwischen den zu entfernenden Ablagerungen (Plaque) und der Gefäßwand zu unterscheiden, siehe B. Ye and G.S. Abela, "Changes in total fluorescence intensity resulting from laser penetration depth in human arteries", SPIE, Vol. 1201, Optical Fibers in Medicine V (1990) 27-37.It is also known from the literature that the measurement of the Fluorescence radiation can be used to switch between the deposits (plaque) and the vessel wall differentiate, see B. Ye and G.S. Abela, "Changes in total fluorescence intensity resulting from laser penetration depth in human arteries ", SPIE, vol. 1201, Optical Fibers in Medicine V (1990) 27-37.
Die kontaktlose Temperaturmessung des laserbestrahlten Gewebes ist Grundlage für die automatische Optimierung der Laserparameter nach S. Mordon u. a., "New directions in Medical laser concept: role of laser-tissue interaction modelization and feedback control", in: Advances in Laser Medicine II, G.J. Müller, H.-P. Berlin (Herausg.), ecomed 1989, S. 335-345. The contactless temperature measurement of the laser-irradiated Fabric is the basis for automatic optimization the laser parameters according to S. Mordon u. a., "New directions in Medical laser concept: role of laser-tissue interaction modelization and feedback control ", in: Advances in Laser Medicine II, G.J. Müller, H.-P. Berlin (ed.), Ecomed 1989, pp. 335-345.
Die beschriebenen Verfahren besitzen nur eingeschränkte Anwendungsmöglichkeiten, da Streuerscheinungen bzw. Emissionserscheinungen während der Laser-Gewebe- Wechselwirkung für Regelzwecke genutzt werden. Es ist bekannt, daß Streu- und Emissionserscheinungen sehr stark von der Art des Gewebes und der Laserstrahlung abhängen. In den meisten Fällen können für den Wechselwirkungsprozeß charakteristische spontane Fluoreszenzsignale nicht nach gewiesen werden, da sie Störungen unterliegen.The methods described have only limited Possible applications because of scattering or Emission phenomena during laser tissue Interaction can be used for control purposes. It is known that scattering and emission phenomena very strong depend on the type of fabric and the laser radiation. In most cases, the interaction process characteristic spontaneous fluorescence signals do not follow be assigned because they are subject to interference.
Ein weiterer Nachteil der beschriebenen Verfahren besteht darin, daß nur eine qualitative Erfassung der auftretenden Gewebeveränderung über die Steuersignale möglich ist. Weiterhin ist für den Einsatz der beschriebenen Verfahren eine Herausbildung des entsprechenden unerwünschten Zu standes während der Laser-Gewebe-Wechselwirkung erforder lich, der im weiteren durch den Einsatz der Steuerung beseitigt werden soll.Another disadvantage of the method described is in that only a qualitative record of the occurring Tissue change via the control signals is possible. Furthermore is for the use of the described method a development of the corresponding undesirable Zu required during the laser-tissue interaction Lich, the further by the use of the controller should be eliminated.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, beim Lasereinsatz in der Medizin eine Gewebe carbonisierung rechtzeitig anzuzeigen und ggf. Maßnahmen zu ihrer Verhinderung automatisch zu veranlassen, auch wenn eine optische Beobachtung aufgrund der Abbrandwolke in der Wechselwirkungszone nicht mehr möglich ist.Based on this state of the art, it is the task of Invention, when using lasers in medicine a tissue Report carbonization in good time and take measures if necessary to have them prevented automatically, too if an optical observation due to the burnup cloud is no longer possible in the interaction zone.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegebene Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.An inventive solution to this problem is in Claim 1 specified developments of the invention are marked in the subclaims.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß beim Laserein satz in der Chirurgie zur automatischen Charakterisierung und Kontrolle der Laser-Gewebe-Wechselwirkung hinsichtlich einer evtl. Gewebecarbonisierung die beim Carbonisierungs vorgang entstehenden typischen Reaktionsprodukte mit be kannten Analyseverfahren bestimmt und ausgewertet sowie mittels bekannter Steuer- und Regelungstechnik zur Ein flußnahme auf den weiteren Laserbetrieb genutzt werden.The essence of the invention is that in the laser set in surgery for automatic characterization and control of laser tissue interaction a possible tissue carbonization that during carbonization process typical reaction products with be Known analysis methods determined and evaluated as well using known control and regulation technology for one can be used for further laser operation.
Einflußnahme auf den weiteren Laserbetrieb bedeutet, die Laserstrahlung abzuschalten oder die Laserparameter geeig net zu verändern, wenn es beim laserchirurgischen Arbeiten zum Auftreten der Carbonisierung kommt.Influencing further laser operation means that Switch off laser radiation or use the laser parameters net change when it comes to laser surgery work carbonization occurs.
Der Verfahrensablauf vollzieht sich dabei in der Weise, daß die beim Laserbetrieb entstehenden typischen Reaktionsprodukte kontinuierlich in dem vom Operationsort abgesaugten Gasstrom meßtechnisch erfaßt, ausgewertet und als Regelgröße zur Einstellung der Laserparameter für einen carbonisierungsfreien Operationsablauf rückgekoppelt werden.The process is carried out in such a way that the typical arising during laser operation Reaction products continuously in the from the operation site extracted gas flow measured, evaluated and as a controlled variable for setting the laser parameters for fed back a carbonization-free operation will.
Im Ergebnis der Bestimmung der Zusammensetzung der bei Laser-Gewebe-Wechselwirkung entstehenden Abbrandprodukte wurde gefunden, daß das Auftreten von Kohlenmonoxid an das Auftreten der Carbonisierung gebunden ist. Die CO-Konzentration kann im Operationsfeld oder in der Absaugluft mit bekannten Geräten nachgewiesen werden. Davon ausgehend wird das dabei entstehende Meßsignal zur Regulierung der Laserparameter eingesetzt.As a result of determining the composition of the Laser-tissue interaction resulting combustion products it has been found that the occurrence of carbon monoxide on the Occurrence of carbonization is bound. The CO concentration can be in the surgical field or in the Extract air can be detected with known devices. Based on this, the resulting measurement signal becomes Regulation of the laser parameters used.
Damit ist die Möglichkeit gegeben, die Carbonisierung zu erkennen und quantitativ zu erfassen.This gives the opportunity to carbonize recognize and record quantitatively.
Die meßtechnische Erfassung von Kohlenmonoxid wird dabei vorzugsweise in der Weise realisiert, daß im Absaugstutzen des Gerätes eine CO-Sonde eingebracht wird, die mit dem Erreichen eines bestimmten CO-Partialdruckes anspricht, d. h. beispielsweise ein elektrisches Signal aussendet, das in einem Transfermodul in Steuersignale bzw. Steuerbefehle für den weiteren Lasereinsatz umgewandelt wird.The measurement of carbon monoxide is used preferably realized in such a way that in the suction nozzle a CO probe is inserted into the device Reaching a certain CO partial pressure, d. H. for example, sends out an electrical signal that in a transfer module in control signals or control commands is converted for further laser use.
Der Meß-, Auswerte- und Regelprozeß kann dabei selbstver ständlich rechnergesteuert erfolgen.The measurement, evaluation and control process can self ver always computer controlled.
Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die entstehenden typischen Reaktions produkte am Ort der Entstehung durch ihre charakteristi sche Emission, gegebenenfalls unter Einsatz einer weiteren Laserstrahlung, kontinuierlich nachgewiesen werden.Another variant of the method according to the invention is that the resulting typical reaction products at the place of origin due to their characteristics cal emission, possibly using another Laser radiation, continuously detected.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß durch die ständige Erfassung einer für die Carbonisierung charakteristischen Meßgröße (z. B. Koh lenmonoxidgehalt der entstehenden Gase) die Laserparameter rechnergesteuert korrigiert oder die Laserstrahlung auto matisch abgeschaltet werden kann, wenn Carbonisierung am bestrahlten Gewebe auftritt.The advantages achieved with the invention are particular to be seen in the fact that through the constant recording of a for the characteristic characteristic of carbonization (e.g. Koh content of the resulting gases) the laser parameters corrected by computer or auto laser radiation can be switched off when carbonization on irradiated tissue occurs.
Dabei ist das Meßsignal nicht an optische Strahlung gebun den und quantitativ erfaßbar. Es steht im direkten Zusam menhang mit der Entstehung von Carbonisierungserscheinun gen, wird nicht durch Prozesse der Laser-Gewebe-Wechsel wirkung gestört und beschreibt die entstehende Störung quantitativ. Das Meßsignal ist unabhängig vom Gewebetyp und von eingesetzten Lasern. Das Meßverfahren ermöglicht einen Nachweis von Carbonisierungsansätzen im Vorstadium, denn es noch nicht zur Herausbildung des durch Steuerung zu unterdrückenden Prozesses gekommen ist.The measurement signal is not bound to optical radiation and quantifiable. It is directly related connection with the emergence of carbonization phenomena gene, is not due to processes of laser tissue change effect disturbed and describes the resulting disturbance quantitatively. The measurement signal is independent of the tissue type and lasers used. The measuring method enables proof of carbonization approaches in the preliminary stage, because it has not yet evolved through control the oppressive process has come.
Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel beschrieben.To further clarify the invention is as follows described an embodiment.
In der Chirurgie wird ein medizinischer CO₂-Laser zur Gewebetrennung eingesetzt. Eine Carbonisierung des Gewebes ist nicht erwünscht.In surgery, a medical CO₂ laser is used Tissue separation used. A carbonization of the tissue is not wanted.
Die Abbrandwolke bei der Laserbehandlung wird mittels eines Absauggerätes abgeführt. Im Absaugstutzen dieses Gerätes befindet sich eine CO-Sonde, die auf CO-Partial drücke im Bereich von 0.1 Torr reagiert und dabei ein elektrisches Signal aussendet. Dieses Signal wird in einem Transfer-Modul in elektrische Steuersignale für CO₂-Laser umgewandelt.The burnup cloud during laser treatment is by means of of a suction device. In the exhaust port this There is a CO probe on the device press in the range of 0.1 Torr and react while doing so sends out electrical signal. This signal is in one Transfer module into electrical control signals for CO₂ lasers converted.
Eine beginnende Carbonisierung des Gewebes beim Laserein satz führt zur CO-Bildung. Die dadurch von der CO-Sonde erzeugten elektrischen Signale werden in Steuersignale für den CO₂-Laser umgewandelt und führen zur Reduzierung der Laserenergie bzw. zum Abschalten des Lasers.A beginning carbonization of the tissue when lasering sentence leads to CO formation. The CO probe generated electrical signals are converted into control signals for converted the CO₂ laser and lead to a reduction in Laser energy or to switch off the laser.
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