DE60018900T2 - Vorrichtung zur kontrollierten zerstörung von gewebe - Google Patents

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zerstören eines vorherbestimmten, definierten Volumens an Gewebe, wie die Erzeugung einer kontrollierten Koagulation, einer sogenannten Läsion, im Gehirn. Die Vorrichtung weist insbesondere eine Haupteinheit zum Übertragen eines Gewebe zerstörenden Mediums mit einer Steuereinheit zur Steuerung der Medienübertragung sowie eine Elektrode auf, welche mit der Haupteinheit verbunden ist und zum Einführen in das vorherbestimmte Volumen zum Abgeben des übertragenen Mediums an das Volumen ausgebildet ist.
  • Hintergrund
  • Bei der Behandlung bestimmter Krankheiten wird von Verfahren zum Zerstören eines vorherbestimmten und genau festgelegten Bereiches an Gewebe Gebrauch gemacht. So kann beispielsweise die Parkinsonsche Krankheit durch kontrollierte Koagulation, sogenannte Läsion, im Gehirn behandelt werden. Dies geschieht mittels einer Elektrode, welche unter Verwendung eines stereotaktischen Rahmens in den festgelegten Gewebebereich eingeführt wird. Sodann wird eine mit der Elektrode verbundene Haupteinheit eingestellt, um in den festgelegten Gewebebereich einen erforderlichen hochfrequenten Strom einzuleiten, so daß an der Spitze der Elektrode Wärme erzeugt wird, welche für die Koagulation sorgt. Die Haupteinheit ermöglicht eine Steuerung der Stromstärke, der Frequenz, der Dauer der Behandlungsperioden etc. Ein Beispiel einer solchen Haupteinheit stellt der LEKSELL® NEURO GENERATOR dar, welcher von "Elekta Instrument AB" in Schweden kommerziell erhältlich ist.
  • Bei bereits bekannten Gerätschaften besteht indes ein Problem darin, daß es schwierig ist, während der Behandlung zu kontrollieren, wie groß das zerstörte Volumen ist. Dies impliziert, daß die Einstellung des Gerätes sehr kompliziert ist und eine hohe Qualifikation sowie große Erfahrung des Benutzers erfordert. Folglich ergibt sich auch eine Gefahr dahingehend, daß die Behandlung nicht so erfolgreich ist, wie sie sein könnte.
  • Die US 5 762 609 A beschreibt ein thermisches Operationswerkzeug, welches eine Überwachungseinrichtung für den Zustand des Gewebes umfaßt.
  • Ziel der Erfindung
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine verbesserte und nutzerfreundlichere Vorrichtung vorzuschlagen, bei welcher die vorgenannten Nachteile bekannter Lösungen gänzlich oder zumindest teilweise vermieden werden.
  • Dieses Ziel wird mittels einer Vorrichtung gemäß den beigefügten Ansprüchen erreicht.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • In den beigefügten Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
  • 3 ein schematisches Schaubild der Korrelation zwischen der relativen Änderung eines unverarbeiteten Doppler-Frequenz-Signals and der Zeit während der typischen Erzeugung einer Läsion.
  • Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
  • Nachstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt eine Haupteinheit 1 zum Übertragen eines Gewebe zerstörenden Mediums. Ein solches Medium kann beispielsweise hochfrequenter Strom sein, welcher in einem Generator 2 der Haupteinheit 1 erzeugt und welcher in dem Gewebe in Wärme umgewandelt wird, so daß um die Spitze 4a der Elektrode 4 eine Läsion verursacht wird. Indes sind auch andere Medien möglich, wie eine direkte Übertragung von Wärme in der Elektrode oder eine Übertragung von Licht eines Lasers. Ferner sind weitere Zerstörungsmethoden denkbar, wie eine Übertragung eines Kühlmediums, eine Übertragung zerstörender Chemikalien oder dergleichen.
  • Die Haupteinheit 1 umfaßt des weiteren eine Steuereinheit 3 zur Steuerung der Medienübertragung und folglich zur Steuerung, wie groß ein zerstörtes Gewebevolumen 10 sein soll. Wird z.B. hochfrequenter Strom als ein Medium eingesetzt, so kann die Steuerung im Hinblick auf die Stromstärke, die Frequenz, die Dauer der Behandlungsperioden etc. erfolgen.
  • Wenigstens eine Elektrode 4 ist mit der Haupteinheit 1 verbunden und zum Einführen in das vorherbestimmte, zu zerstörende Gewebevolumen 10 sowie zum Übertragen des Mediums an dieses Volumen ausgebildet. Die Elektrode kann beispielsweise eine einpolige oder zweipolige Elektrode zur Übertragung von Strom sein, welche auf dem Gebiet der Neurochirurgie bei Gerätschaften zur Läsion bereits Verwendung findet.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt ferner eine Meßeinrichtung zum Messen wenigstens einer optischen Eigenschaft des vorherbestimmten Volumens, wobei sich die optische Eigenschaft mit der Größe des zerstörten Gewebevolumens an Gewebe verändert. Die Meßeinrichtung ist mit der Steuereinheit 3 verbunden ist, um die Zufuhr des Gewebe zerstörenden Mediums auf der Basis der gemessenen optischen Eigenschaft des Volumens zu steuern. Die Messung findet vorzugsweise kontinuierlich statt, wobei ein Steuerkreis abläuft. Die optische Eigenschaft wird in Verbindung mit der Steuerung zur Berechnung des zerstörten Volumens an Gewebe ausgewertet. Vorzugsweise wird entweder die Doppler-Frequenz oder die Absorption des Gewebes als optische Eigenschaft herangezogen. Indes kann es auch möglich sein, andere optische Eigenschaften oder eine Kombination optischer Eigenschaften für die Steuerung heranzuziehen.
  • Die Messung findet vorzugsweise dadurch statt, indem Licht in das Gewebevolumen ausgesendet wird, wonach das reflektierte Licht gesammelt und ausgewertet wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß die Meßeinrichtung eine Meßeinheit 5 und eine hiermit verbundene Meßsonde auf weist. Die Meßsonde umfaßt einen Wellenleiter 6, wie eine Lichtleitfaser, zum Zuführen von mittels einer Lichtquelle 7 erzeugtem Licht in das vorherbestimmte Volumen 10 an Gewebe sowie einen Rückführ-Wellenleiter 8, wie eine weitere Lichtleitfaser, zum Zurückführen von reflektiertem Licht an die Meßeinheit 5. Die Meßeinheit 5 kann sodann die optische Eigenschaft von dem reflektierten Licht unterscheiden. Die Lichtquelle 7 ist vorzugsweise von einem Laser gebildet und weist bevorzugt eine Wellenlänge im Bereich von 600 nm bis 900 nm auf. Insbesondere ist eine Wellenlänge im roten oder infraroten Bereich (630 nm bis 800 nm) – besonders bevorzugt im infraroten Bereich – wünschenswert, da dies zu einem größeren Untersuchungsvolumen führt. Es kann beispielsweise ein HeNe-Laser eingesetzt werden.
  • Indes können im Rahmen der Erfindung auch andere Lichtquellen eingesetzt werden, wie andere Laser, Spektrometer etc. Ferner ist es möglich, andere als die oben genannten Wellenlängen zu verwenden, wobei auch nicht nur eine oder wenige Wellenlängen, sondern auch über einen Bereich verteilte Wellenlängen verwendet werden können.
  • In Verbindung mit der vorliegenden Erfindung ist insbesondere der Einsatz von Messungen der Doppler-Frequenz bevorzugt. Eine solche Art von Messungen ergibt eine höhere Meßgenauigkeit und darüber hinaus eine stabile Nullebene als Ausgangspunkt, was im Falle des Einsatzes von bereits bekannten optischen Methoden nicht möglich ist. Ferner erlaubt diese Meßmethode eine Untersuchung eines vorgegebenen Volumens in Echtzeit. Die genannten Besonderheiten sind insbesondere für Gerätschaften auf dem Gebiet der Neurochirurgie von Bedeutung, da es bei solchen Arten von chirurgischen Eingriffen von größter Wichtigkeit ist, daß das zerstörte Gewebevolumen so exakt und zuverlässig wie mög lich vorherbestimmt wird, weil Fehler häufig sehr schwerwiegende Folgen nach sich ziehen.
  • Bei den Messungen der Doppler-Frequenz wird insbesondere die Bewegung der Blutzellen in dem Gewebe untersucht. Das zugeführte Licht wird an den Zellmembranen und anderen Grenzflächen des Gewebes mit einem Brechungsindex reflektiert, welcher von dem der Umgebung verschieden ist. Aufgrund der internen Bewegung weist das reflektierte Licht zeitabhängige Wellenvektoren auf, welche von der Erzeugung von zeitabhängigen Phasenfaktoren bei der individuell auftretenden, diffusen Reflexion abhängen. Die Bewegung führt zu einer Doppler-verschobenen Frequenz des reflektierten Lichtes, wobei das Maß an Doppler-Frequenz von dem Ausmaß an Blutzirkulation in dem untersuchten Volumen an Gewebe abhängt. Es ist bereits bekannt, den Mikrozirkulationsstrom von Blut auf der Basis einer Doppler-Frequenz zu berechnen, was beispielsweise für die Messung von Hautblutungen eingesetzt wird. Für diesen Zweck kann z.B. das kommerziell erhältliche Detektionsgerät PERIFLUX PF2 oder PF3 von "Perimed AB" verwendet werden. Indes ist dieses Gerät nicht zur Steuerung zusätzlicher Gerätschaften, sondern ausschließlich zur Ausgabe eines Schätzwertes des Blutflusses, vorgesehen. Auf der Basis der gemessenen Doppler-Frequenz läßt sich die Konzentration an beweglichen Blutzellen im Innern des Meßvolumens, CMBC, gemäß der nachfolgenden Gleichung berechnen:
    Figure 00060001
    wobei P(ω) die Spektraldichte des Doppler-Signals, ω1 der untere Schwellenwert der Frequenz, ω2 der obere Schwellenwert der Frequenz, k eine Konstante, η2 ein Gerätefaktor, welcher vornehmlich von der optischen Kohärenz des Signals in dem Detektor abhängt, und iT der Gesamt-Lichtstrom ist. Wenn Wärme zugeführt wird, so wird das Gewebe kontinuierlich oder schrittweise zerstört. Folglich verlangsamt sich auch die interne Bewegung des Gewebes, was die Größe und die Zeitveränderung der Phasenfaktoren des reflektierten Lichtes verringert. Folglich ergibt sich aus den vorstehenden Ausführungen, daß die Doppler-Frequenz vermindert wird, wenn sich die Mikrozirkulation verringert, was gleichzeitig mit der Zerstörung des Gewebevolumens rund um die Elektrode einhergeht. Auf diese Weise ist es möglich, sukzessive Phasenübergänge zu unterscheiden, wenn das Gewebe zerstört wird, sowie auch die Größe des zerstörten Volumens an Gewebe. Es ist folglich möglich, sowohl die Qualität als auch die Quantität an zerstörtem Gewebe während des gesamten Vorgangs zu bestimmen und demgemäß die Gerätschaften zu steuern, so daß sich das gewünschte Volumen an Gewebe und der gewünschte Grad an Zerstörung ergibt. Dies geschieht durch Aufzeichnung der mittleren Doppler-Frequenz sowie der Amplitude oder der Stärke des Doppler-Signals. Von einem allgemeinen Gesichtspunkt aus betrachtet, zeigt die Frequenz die Qualität, d.h. den Grad an Zerstörung, an, während die Amplitude die Qualität, d.h. die Größe des zerstörten Gewebevolumens, anzeigt.
  • 3 zeigt eine typische Korrelation zwischen der relativen Änderung eines unverarbeiteten Doppler-Frequenz-Signals (RMS) und der Zeit für eine typische Läsion. Die Läsion findet üblicherweise in kurzen Zeitintervallen, z.B. 20 Sekunden, sowie mit zunehmender Wärmezufuhr statt, wobei dazwischen Ruhepausen von beispielsweise wenigstens 60 Sekunden eingehalten werden. Aus dem Signal läßt sich sowohl die Frequenz als auch die Amplitude ablesen. Wie ohne weiteres ersichtlich, unterscheiden sich die Ergebnisse der verschiedenen Vorgänge an Läsion voneinander, und zwar so wohl im Hinblick auf die gesamte Signaländerung als auch auf die Signaländerung des Prozesses. Folglich können verschiedene Stadien an Verfestigung und Zerstörung des Gewebes unterschieden und identifiziert werden.
  • Alternativ kann die Intensität des reflektierten Lichtes gemessen werden. Die reflektierte Intensität, d.h. die Signalstärke des zurückgeführten Lichtsignals, stellt ein Maß für die Absorption des umgebenden Volumens an Gewebe dar. Findet in dem Gewebe z.B. eine Koagulation statt, so ändert sich die Farbe des Gewebes und wird dunkler, so daß sich sein Absorptionsvermögen erhöht.
  • Die Meßsonde ist vorzugsweise mit der Elektrode verbunden. Dies verhindert einerseits eine weitere Penetration des Gewebes, andererseits ergibt sich eine feste Meßposition relativ zu der Elektrode und folglich relativ zu dem zerstörten Volumen an Gewebe, wodurch die Meßsicherheit erhöht wird. In 1 ist eine solche Ausführungsform schematisch wiedergegeben. Bei dieser Ausgestaltung sind zwei Lichtleitfasern 6, 8 an entgegengesetzten Seiten der Elektrode 4 angeordnet, wobei einer 6 von ihnen zum Zuführen von Licht an das Volumen 10 an Gewebe und der andere 8 zum Sammeln und Zurückführen des diffusen Lichtes verwendet wird. Alternativ können jedoch auch mehrere Wellenleiter eingesetzt werden, wie ein ganzes Bündel an Wellenleitern, welches um die Elektrode herum angeordnet ist. Ferner sind auch andere Arten der Positionierung denkbar.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Meßsonde weiterhin in die Elektrode 4 integrierbar. Dies ist schematisch in 2 dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung erstrecken sich die Wellenleiter 6, 8 im Innern der Elektrode 4 und führen zu den lichtdurchlässigen Öffnungen am unteren Abschnitt der Elektrode 4 hin. Die Öffnungen können beispielsweise in der Isolationsschicht zwischen den beiden polaren Bereichen von bipolaren Elektroden angeordnet sein.
  • Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es dem Benutzer vorzugsweise möglich, direkt zu ermitteln, wie groß das zu zerstörende Volumen an Gewebe ist. Wie die Steuerung geschehen soll, d.h. wie die von der Meßeinrichtung gemessenen Daten von der Steuereinheit ausgewertet sollen, um das korrekte Volumen zu erhalten, so sind hierfür verschiedene Möglichkeiten denkbar, welche dem Fachmann bekannt sind. So kann beispielsweise eine direkte Korrelation zwischen den Meßergebnissen der gemessenen Merkmale und dem Volumen an Gewebe für verschiedene Fälle herangezogen werden, wie für verschiedene Elektroden, verschiedene Typen von Gewebe etc. Alternativ kann die Steuerung auf der Basis von gespeicherten Tabellenwerten erfolgen. Die Korrelation zwischen den Meßergebnissen und dem Volumen kann vorzugsweise vorab in einer simulierten Umgebung ermittelt werden. Solche Messungen können z.B. mittels eines Systems durchgeführt werden, wie es aus der schwedischen Patentanmeldung 9702462-4 der Anmelderin bekannt ist, wobei Läsionen in einer Proteinlösung, wie aus Albumin, erzeugt werden. Werden solche Läsionen in einem Testfluid erzeugt, so lassen sich das Volumen und das Ausmaß an Läsion rechtzeitig ermitteln, indem sie z.B. zur gleichen Zeit durch Filmen mit einer Videokamera errechnet werden, in welcher die entsprechenden Messungen auf die oben genannte Weise durchgeführt werden können. Auf diese Weise ist es möglich, den Meßergebnissen ein vorherbestimmtes Volumen zuzuordnen. Vorzugsweise wird eine relative Steuerung verwendet, wobei die Zerstörung von Gewebe so lange durchgeführt wird, bis sich das Signal der Meßergebnisse auf das gewünschte Maß verändert hat, z.B. halbiert worden ist. Indes ist es selbstverständlich auch möglich, eine absolute Steuerung zu verwenden, wobei das Gewebe so lange zerstört wird, bis ein gewisses, vorherbestimmtes Maß der Meßergebnisse erreicht worden ist.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise zum Erzeugen von Läsion im Gehirn, z.B. zur Behandlung der Parkinsonschen Krankheit, vorgesehen. Indes kann die Erfindung auch in anderen Gerätschaften, wie z.B. zur Ablation von Herzen, bei Behandlungen zum Zerstören eines vorgegebenen Volumens an Gewebe in der Leber, der Medulla oblongata, der Prostata oder anderer Gewebe. Eine Art der Zerstörung von Gewebe kann die Zufuhr von Wärme an das Medium umfassen, was entweder direkt oder über hochfrequenten Strom, über das Licht eines Lasers oder dergleichen geschehen kann. Indes können auch andere Medien für andere Zerstörungsarten verwendet werden, wie kalte oder letale chemische Substanzen, welche lokal wirksam sind.
  • Darüber hinaus ist die Vorrichtung vorstehend mit einem kontinuierlichen Steuerkreis beschrieben worden. Indes ist es selbstverständlich auch möglich, nur zu bestimmten Gelegenheiten, z.B. in regelmäßigen Zeitintervallen, Messungen vorzunehmen und die Steuerung dann auf der Basis dieser Messungen durchzuführen. Ebenfalls kann die Meßeinrichtung andersartig ausgestaltet sein, wie z.B. die Meßsonde mit Abstand von der Elektrode angeordnet sein kann. In Fällen, in welchen das Licht eines Lasers zum Zerstören von Gewebe eingesetzt wird, kann es gleichfalls möglich sein, dieses direkt zur Messung heranzuziehen, so daß keine Zufuhr zusätzlichen Lichtes für die Messung erforderlich ist. Solche und andere ähnliche Ausführungsvarianten sind von der Erfindung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche bestimmt ist, umfaßt.

Claims (12)

  1. Vorrichtung zum Zerstören eines vorherbestimmten, definierten Volumens an Gewebe, wobei die Vorrichtung eine Haupteinheit (1) zum Übertragen eines Gewebe zerstörenden Mediums mit einer Steuereinheit (3) zur Steuerung der Medienübertragung und ein Abgabemittel (4), wie eine Elektrode, aufweist, welche mit der Haupteinheit (1) verbunden ist und zum Einführen in das vorherbestimmte Volumen (10) zum Abgeben des übertragenen Mediums an das Volumen ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung ferner eine Meßeinrichtung (5–8) zum Messen wenigstens einer optischen Eigenschaft des vorherbestimmten Volumens (10) aufweist, wobei sich die optische Eigenschaft mit der Größe des zerstörten Volumens (10) an Gewebe verändert, und wobei die Meßeinrichtung (5–8) mit der Steuereinheit (3) verbunden ist, um die Zufuhr des Gewebe zerstörenden Mediums auf der Basis der gemessenen optischen Eigenschaft zu steuern, dadurch gekennzeichnet, daß die meßbare optische Eigenschaft die Doppler-Frequenz ist, wobei die Vorrichtung zur Errechnung der Konzentration an beweglichen Blutzellen in dem gemessenen Volumen auf der Basis des Wertes der Doppler-Frequenz und auf dieser Basis zur Berechnung der Größe des zerstörten Volumens (10) ausgebildet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Meßeinrichtung (5–8) unter Erhalt eines Steuerkreises zum kontinuierlichen Messen der optischen Eigenschaft des Volumens (10) während der Zufuhr des Mediums ausgebildet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das zugeführte Medium zur gesteuerten Koagulation des vorherbestimmten Volumens (10) an Gewebe Wärme ist oder zu Wärme umwandelbar ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das zugeführte Medium hochfrequenter Strom ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Meßeinrichtung eine Meßeinheit (5) und eine hiermit verbundene Meßsonde umfaßt, welche wenigstens einen Wellenleiter (6) zum Zuführen von mittels einer Lichtquelle (7) erzeugtem Licht an das vorherbestimmte Volumen (10) an Gewebe sowie wenigstens einen Rückführleiter (8) zum Zurückführen von reflektiertem Licht an die Meßeinheit (5) aufweist, wobei die Meßeinheit (5) zur Unterscheidung der optischen Eigenschaften des reflektierten Lichtes ausgebildet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Lichtquelle (7) von einem Laser gebildet ist, welcher insbesondere eine Wellenlänge im Bereich von 600 nm bis 900 nm aufweist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Meßsonde mit dem Abgabemittel (4) verbunden und insbesondere hierin integriert ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei bewegliche Blutzellen im Innern der Meßvolumens (CMBE) im wesentlichen gemäß der Gleichung
    Figure 00130001
    berechenbar sind, wobei P(ω) die Spektraldichte des Doppler-Signals, ω1 der untere Schwellenwert der Frequenz, ω2 der obere Schwellenwert der Frequenz, k eine Konstante, η2 ein Gerätefaktor, welcher vornehmlich von der optischen Kohärenz des Signals in dem Detektor abhängt, und iT der Gesamt-Lichtstrom ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei diese zur Unterscheidung von Phasenübergängen des Gewebes auf der Basis der Doppler-Frequenz während der Zufuhr des Gewebe zerstörenden Mediums ausgebildet ist.
  10. Vorrichtung zum Ermitteln der Zerstörung von Gewebe, wobei die Vorrichtung eine Meßeinrichtung (5–8), wie eine Elektrode, welche zum Einführen in das zur Untersuchung vorgesehene Volumen (10) zur kontinuierlichen Messung wenigstens einer optischen Eigenschaft des vorherbestimmten Volumens (10) ausgebildet ist, wobei sich die optische Eigenschaft mit der Größe des zerstörten Volumens (10) verändert, sowie eine Warneinrichtung aufweist, welche zur Abgabe eines Warnsignals ausgebildet ist, wenn die optische Eigenschaft einen vorherbestimmten Grenzwert über- bzw. unterschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß die meßbare optische Eigenschaft die Doppler-Frequenz ist, wobei die Vorrichtung zur Errechnung der Konzentration an beweglichen Blutzellen in dem gemessenen Volumen auf der Basis des Wertes der Doppler-Frequenz und auf dieser Basis zur Berechnung der Größe des zerstörten Volumens (10) ausgebildet ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Meßeinrichtung eine Meßeinheit (5) und eine Meßsonde umfaßt, welche hiermit verbunden ist und einen Wellenleiter (6) zum Zuführen von mittels einer Lichtquelle (7) erzeugtem Licht an das vorherbestimmte Volumen (10) an Gewebe sowie einen Rückführleiter (8) zum Zurückführen von reflektiertem Licht an die Meßeinheit (5) aufweist, wobei die Meßeinheit (5) zur Unterscheidung der optischen Eigenschaften des reflektierten Lichtes ausgebildet ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei diese zur Unterscheidung von Phasenübergängen der Doppler-Frequenz während der Zufuhr des Gewebe zerstörenden Mediums ausgebildet ist.
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