Vorrichtung zur Prüfung und/oder Justierung eines PDD- oder PDT-Systems und/oder zur Schulung an einem derartigen System
B e s c h r e i b u n g
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Prüfung und/oder Justierung eines PDD- oder PDT-Systems und/oder zur Schulung an einem derartigen System.
Stand der Technik
Systeme zur photodynamischen Diagnose (PDD) und/oder photodynamischen Therapie (PDT) werden in der Medizin vielfältig eingesetzt. Nur exemplarisch werden ophthal- mologische, endoskopische oder neurochirurgische Anwendungen genannt :
Mit der photodynamischen Diagnose und Therapie werden beispielsweise maligne, aber auch benigne Gewebeentartungen erkannt bzw. behandelt. Hierzu werden Photosen- sibilisatoren verabreicht, die sich spezifisch in dem zu erkennenden Gewebe anreichern und bei Beleuchtung mit Anregungslicht fluoreszieren (photodynamische Diagnose) bzw. bei hoher Dosis des Photosensibilisators und großer Beleuchtungsstärke zu einem phototoxischen Effekt führen, durch den das entartete Gewebe zerstört wird (photodynamische Terapie) . Zur photodynamischen Diagnose können auch körpereigene Fluorezsenzstoffe herangezogen werden. Es handelt sich dann um sogenannte Autofluoreszine .
Dabei ist der Wellenlängenbereich des Anregungslichts kurzwelliger als der Wellenlängenbereich, in dem Fluoreszenzlicht auftritt.
Bei den bekannten PDD- bzw. PDT-Systemen besteht das Problem, daß die gewebecharakterisierende Fluoreszenz, die durch den verabreichten Photosensibilisator und die Beaufschlagung mit Anregungslicht hervorgerufen wird, nur "in-vivo" erkannt werden kann. Dies bedeutet, daß die bekannten PDD- bzw. PDT-Systeme derzeit nur unter "in-vivo" -Bedingungen voll umfänglich geprüft bzw. verifiziert werden können.
Darüberhinaus kann auch die Schulung bzw. Ausbildung an PDD- bzw. PDT-Systemen derzeit nur "in-vivo" erfolgen. Damit muß entweder eine vergleichsweise große Patienten-Belastung oder eine unzureichende Schulung mit der Folge, daß beispielsweise maligne Gewebe bzw. Karzinome nicht erkannt werden, in Kauf genommen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit der PDD- bzw. PDT-Systeme "ex- vivo" geprüft und/oder eine Schulung an derartigen Systemen durchgeführt werden kann.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 f..
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Prüfung und/ oder Justierung eines PDD- oder PDT-Systems und/oder zur Schulung an einem derartigen System geschaffen, die
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ein Target aufweist, das das Licht des Beleuchtungs- systems des PDD- oder PDT-Systems reflektiert und das wenigstens eine Lichtquelle aufweist, die Licht im Wellenlängenbereich des Fluoreszenzspektrums des jeweiligen Photosensibilisators abstrahlt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht damit sowohl die Prüfung des Beleuchtungssystems als auch der bildgebenden Einheit des PDD- bzw. PDT-Systems. Insbesondere ist es möglich, daß der Hersteller eines derartigen Systems vor Auslieferung des Systems an einen Kunden die Funktionalität des Systems einschließlich der Fluoreszenzdetektion überprüft. Dabei kann das System auch zur Justierung der einzelnen Bauteile und insbesondere zur Überprüfung der Justierung eines eventuell vorgesehenen Filtersystems eingesetzt werden.
Vor allem aber ermöglicht es die erfindungsgemäße Vorrichtung, Ärzte in der Verwendung derartiger Systeme zu schulen bzw. es gibt Ärzten die Möglichkeit, bei einem Negativ-Ergebnis der PDD-Untersuchung sich vom einwandfreien Zustand des verwendeten PDD-Systems zu überzeugen.
Dabei sind im Rahmen des erfindungsgemäßen Grundgedankens die verschiedensten Ausgestaltungen möglich:
So ist es möglich, daß das Target mehrere Lichtquellen aufweist, so daß das Licht, das im Wellenlängenbereich des Fluoreszenzspektrums des jeweiligen Photosensibilisators abgestrahlt wird, von einer "größeren Fläche" kommt. Insbesondere um der Person, die an einem PDD- bzw. PDT-System geschult werden soll, bestimmte Muster anzubieten, die diese Person erkennen muß, ist es mög-
lieh, die Lichtquellen selektiv derart anzusteuern, daß sie Licht in Form vorgebbarer Muster emittieren. Zusätzlich oder alternativ kann die Größe der Licht - emittierenden Fläche der Lichtquellen variiert werden.
Weiterhin können die Lichtquellen verschieden große Abstrahlflächen aufweisen, die unter anderem dazu benutzt werden können, eine von der zu untersuchenden Person gerade noch erkennbare Ausdehnung von Fluoreszenzbereichen zu ermitteln. Somit können die Auf- lösungsgrenzen ermittelt werden.
Zur Justierung des Systems ist es ferner bevorzugt, wenn das Target wenigstens einen Sensor aufweist, der die Stärke des Beleuchungslichtes erfaßt, und dessen Ausgangssignal an einer Steuereinheit anliegt, die die Stärke des von der oder den Lichtquellen emittierten Lichtes regelt. Um einer Person, die an einem PDD- oder PDT-System geschult werden soll, eine "Vorstellung" von der Wirkungsweise eines derartigen Systems zu geben, ist es weiterhin von Vorteil, wenn der wenigstens eine Sensor die Stärke des Beleuchungslichtes nur in dem Wellenlängenbereich erfaßt, durch den der jeweils verwendete Photosensibilisator angeregt wird. Dabei ist es ferner möglich, daß die Steuereinheit die Lichtquelle (n) des Targets derart steuert, daß mit zunehmender Zeitdauer diese Lichtquellen weniger hell strahlen und so das Abklingen der Wirksamkeit des Fluoreszenzmarkers simuliert wird.
Bei einer Reihe von PDD- bzw. PDT-Syste en strahlt die Beleuchtungseinheit nicht nur Licht in dem Wellenbereich, durch den der Photosensibilisator angeregt wird, ab, sondern auch in anderen Wellenlängenbereichen ab,
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so daß das bestrahlte Gewebe zusätzlich beleuchtet wird. Alternativ kann eine weitere Lichtquelle oder weitere Lichtquellen vorgesehen sein, die zusätzlich zu dem Anregungslicht Beleuchtungslicht abstrahlen. Bei derartigen PDD- bzw. PDT-Systemen ist es bevorzugt, wenn ein Filtersystem vorgesehen ist, das das an dem Gewebebereich bzw. dem Target direkt reflektierte Anregungs-Licht abblockt, so daß es für die Untersuchungs- person leichter wird, die Fluoreszenzstrahlung vor dem "Hintergrund" des eingestrahlten Lichts zu erkennen.
Dieses Filtersystem kann insbesondere entsprechend einem Vorschlag der Karl Storz GmbH & Co. derart ausgebildet sein, daß das Filtersystem den Reintrans- missionsgrad des Beleuchtungssystems dem Fluoreszenzanregungsspektrum des jeweiligen Photosensibilisators und den Reintransmissionsgrad der bildgebenden Einheit dem Fluoreszenzspektrum des jeweiligen Photosensibilisators derart anpaßt, daß sich die beiden Reintransmissions- grade nur in einem vergleichsweise kleinen Wellenbereich nennenswert überlappen. Dieser kleine Wellenlängenbereich kann insbesondere so gewählt werden, daß das in ihm reflektierte Licht eine ausreichende "Hintergrundbeleuchtung" für das Fluoreszenzlicht ergibt, so daß die Untersuchungsperson den bleuchteten Gewebebereich unabhängig von dem Fluoreszenzlicht "erkennen" kann.
Die visuelle Erkennbarkeit der Fluoreszenzstrahlung kann weiter dadurch verbessert werden, daß die Intensität und/oder die Wellenlängen-Erstreckung des lediglich zur Beleuchtung dienenden Lichts einstellbar ist. Diese Einstellung kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß eine Wellenlängen-durchstimmbare Lichtquelle ver-
wendet wird oder einer Lichtquelle mit festem Emissionsspektrum ein durchstimmbares Filtersystem vorgeschaltet wird.
Die Transmissionskurve dieses Filtersystems kann ebenso wie die Transmissionskurve des Filtersystems der bildgebenden Einheit einstellbar sein.
Die Verwendung von Filtern in der bildgebenden Einheit kann darüberhinaus wie folgt genutzt werden:
Insbesondere wenn zusätzlich zum Anregungslicht Licht eines weiteren Wellenlängenbereichs eingekoppelt wird, das als Hintergrundbeleuchtung für den Bereich dient, aus dem Fluoreszenzlicht emittiert wird, kann durch geeignete Wahl der Filter bzw. Einstellung der Filter- Wellenlängen eine kontrastreichere Farbdifferenzierung erhalten werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann damit auch zur Bestimmung der optischen Farbdifferenzierung zwischen Fluoreszenzeffekt und Hintergrundlicht herangezogen werden. Darüberhinaus können Benutzer eines PDD-Systems die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu nutzen, das System auf den jeweils subjektiv stärksten Farbkontrast einzustellen.
Weiterhin ist es möglich, in den Lichtweg der bildübertragenden Einheit umschaltbare Filter einzubringen. Werden diese Filter mit hoher Frequenz umgeschaltet, so ist es möglich, den Kontrast zwischen Fluoreszenzstrahlung und am Gewebe bzw. Target reflektierter Hintergrundbeleuchtung weiter zu erhöhen. Wenn die bildgebende Einheit eine Videokamera aufweist, ist es
bevorzugt, wenn die Umschaltung der Filter mit einer Frequenz erfolgt, die ein l/n-faches (n=1..200) der Videofrequenz ist.
In jedem Falle ist es von Vorteil, wenn das Target das Licht des Beleuchtungssystems zumindest in dem Teil des Spektrums, der zur Anregung des Photosensibilisators dient, angenähert wie das Körpergewebe reflektiert, auf das das Licht des Beleuchtungssystems gerichtet werden soll. Hierzu kann das Target eine Oberflächenstruktur aufweisen, die insbesondere bezüglich Farbe und Rauheit in etwa der des zu simulierenden Gewebes entspricht . Damit ist es möglich, PDD- bzw. PDT-Systeme realistisch zu prüfen und insbesondere den Kontrast des erhaltenen Bildes durch Justieren von Filtersystemen bzw. Emissionsspektren geeignet einzustellen.
Die Anpassung des Targets an das jeweils zu analysierende Körpergewebe kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß das Target in Einfalls-Richtung des Beleuchtungslichtes vor der Fläche, in der sich die Lichtquelle (n) befindet (n) , ein wellenlängen-selektiv reflektierende Fläche oder ein Filterelement aufweist .
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich zur Prüfung von bzw. zur Schulung an beliebigen PDD- bzw. PDT- Syste en. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz von erfindungsgemäßen Vorrichtungen jedoch in Verbindung mit PDD- bzw. PDT-Systemen, bei denen zusätzlich auch Licht zur Hintergrundbeleuchtung bzw. zur Beleuchtung des fluoreszierenden Bereichs eingekoppelt wird. Derartige Systeme können insbesondere ein Endoskop oder ein Operationsmikroskop aufweisen, in das das Beleuch- tungs- sowie das Anregungslicht eingekoppelt wird, und
dessen Abbildungssystem Teil der bildgebenden Einheit ist. Der Einsatzbereich derartiger PDD- bzw. PDT- Systeme deckt nahezu den gesamten Bereich der Medizin ab und legt insbesondere in endoskopischen Unter- suchungs- bzw. Operationsverfahren, ophthalmolo- gischen Behandlungen oder in der Neurochirurgie .
Die hierfür benötigten Vorrichtungen werden bevorzugt mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung getestet, die einen Hohlraum aufweist, die zur Prüfung und/oder zur Schulung das distale Ende des jeweils verwendeten Endoskops bzw. das Mikroskop-Objektiv eingesetzt wird. Damit kann das Endoskop bzw. das Mikroskop unter realistischen Bedingungen und insbesondere unter Lichtverhältnissen getestet werden, wie sie auch im Körperinneren vorliegen.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn in den Hohlraum eine Sterilfolie eingesetzt wird, die das eingesetzte Teil vor Kontamination schützt. Damit ist es möglich, Endoskope oder Operationsmikroskope auch während einer Operation zu testen, ohne daß die Sterilität dieser Teile beeinträchtigt würde.
Die Realitätsnähe des mit er erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführten Tests bzw. der Schulung wird weiter verbessert, wenn das Target eine Krümmung entsprechend der Objektfeldkrümmung der bildgebenden Einheit aufweist. Diese ist in der Regel der Krümmung des Organs angepaßt, in die das Endoskop eingesetzt bzw. das mit dem Operationsmikroskop betrachtet wird.
Die Lichtquelle bzw. die Lichtquellen des Targets können in den verschiedensten Arten ausgebildet sein:
So können Leuchtioden oder Miniaturlämpchen vorgesehen sein. Ferner ist es möglich, daß die Lichtquellen nicht in der Targetoberfläche, sondern beabstandet von dieser angeordnet ist. Das Licht der Lichtquelle wird über Lichtleitfasern in die Targetoberfläche geleitet, in der die Austrittsflächen der Lichtleitflächen der Lichtleitfasern liegen. Weiterhin ist es möglich, einen Monitorbildschirm oder dergleichen in der Targetoberfläche anzuordnen.
Bei allen diesen Lösungen ist es jedoch von Vorteil, wenn das Emissionsspektrum der Lichtquellen dem Fluoreszenzspektrum des jeweiligen Photosensibilisators angepaßt ist. Diese Anpassung kann beispielsweise durch ein in den Lichtweg der bildgebenden Einheit eingebrachtes Filtersystem erfolgen, das das Licht der Lichtquellen so filtert, daß das Bild des Targets am proximalen Ende ein Spektrum aufweist, das dem Fluoreszenzspektrum des jeweiligen Photosensibilisators bzw. des körpereigenen Floureszenzstoffes zumindest angenähert gleicht .
Zur Steuerung der verschiedenen Funktionen einschließlich der Regelung der Stärke des von der oder den Lichtquellen des Targets emittierten Lichtes kann eine Steuer- und Auswerteeinheit vorgesehen sein. Diese Steuer- und Auswerteeinheit, die beispielsweise ein handelsüblicher PC mit entsprechenden Zusatzkarten sein kann, kann die einzelnen Funktionen nach einem vorgebbaren Programmablauf steuern und insbesondere Schulungsprogramme ausführen. Darüberhinaus können an der Steuer- und Auswerteeinheit die Signale der verschiedenen vorgesehenen Sensoren und insbesondere eines
Bildsensors, wie eines Videochips der bildgebenden Einheit angelegt sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs- beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, und Figur 2 die Abhängigkeit der Leistungsdichte der abstrahlenden Lichtquellen von der Bestrahlungsstärke des Anregungslichtes.
Darstellung eines Ausführungsbeispiels
Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Prüfung und/oder Justierung von PDD- oder PDT-Systemen bzw. zur Schulung an derartigen Systemen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die bildgebende Einheit die das von dem angeregten Gewebebereich kommende Licht abbildet, ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens ein starres Endoskop 1. Das Endoskop 1 weist in bekannter Weise ein nichtdargestelltes Objektiv, ein Relaislinsen- System und ein Okular auf, mit dem das von dem am distalen Ende angeordneten Objektiv erzeugte Bild, das das Relais-Linsensystem zum proximalen Ende weiterleitet, betrachtet werden kann. Alternativ zu einer visuellen Betrachtung oder bei Verwendung eines Strahlteilers zusätzlich zu einer visuellen Betrachtung kann an das Okular ebenfalls in bekannter Weise eine
Videokamera angeflanscht werden. Ferner weist das Endoskop 1 einen ebenfalls nicht dargestellten Beleuchtungslichtleiter mit einem Lichtleiteranschluß auf, der durch ein Lichtleitkabel 2 mit einem PDD- bzw. PDT-Lichtsystem 3 verbunden ist. Das Lichtsystem 3 weist zumindest ein Beleuchtungssystem, dessen Licht wenigstens zur Anregung des Fluoreszenzstoffes dient und bevorzugt ein Lichtsystem zur Umgebungsbeleuchtung auf, dessen Licht nicht zur Anregung dient. Das Licht - System 3 kann mehrere koherente oder inkoherente Lichtquellen oder eine breitbandige Lichtquelle aufweisen, die sowohl zur Anregung des Fluoreszenzfarbstoffes als auch zur Umgebungsbeleuchtung dient. Eine derartige breitbandige Lichtquelle wird beispielsweise von der Karl Storz GmbH & Co., Tuttlingen, Deutschland, hergestellt . Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ein Target 4 auf, das das auf sie auftreffende Licht des Lichtsystems 3 reflektiert und dessen Reflextionsei- genschaften den Reflexionseigenschaften des zu untersuchendes Gewebes angepaßt sind. In dem Target 4 sind eine Reihe von Lichtquellen 5 vorgesehen, bei denen es sich um Leuchtdioden, Miniaturlämpchen oder die Lichtaustrittsflächen von Lichtleitfasern handeln kann. Zur Anpassung des Emissionsspektrums der Lichtquellen an das Emissionsspektrum des Fluoreszenzraarkers sind den Lichtquellen Filter 6 vorgeschaltet, die eine geeignete Spektrums-Anpassung ausführen. Ferner ist in dem Target 4 ein Photoelement 7 vorgesehen, das die Stärke des Beleuchtungslichtes insbesondere in dem Wellenlängenbereich erfaßt, in dem der jeweilige Photosensibilisator angeregt wird. Das Ausgangssignal des Photoelements 7 ist an eine Steuereinheit 8 angelegt, die die Lichtstärke der Lichtquellen 5 steuert. Zusätzlich kann die Steuereinheit 8 die Lichtquellen 5 derart selektiv
ansteuern, daß sie Licht in Form vorgebbarer Muster emitieren. Das Teilbild links unten in Figur 1 zeigt zur Verdeutlichung der Lage der Lichtquellen 5 und des Photoelements 7 eine Aufsicht auf das Target .
Ferner weist die erfindungsgemäße Vorrichtung Spannelemente 9 auf, in die das Endoskop 1 eingesetzt werden kann und die das Endoskop halten. Die Spannelemente 9 sind so ausgebildet, daß sie zusammen mit dem Target 4 einen Hohlraum bilden, so daß das Endoskop unter "Praxisbedingungen" getestet werden kann bzw. die Schulung an dem PDD- bzw. PDT-System unter Praxisbedingungen erfolgen kann.
Im folgenden soll die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben werden:
Das Photoelement 7 erfaßt die mittlere Beleuchtungsstärke (B) des Anregungslichtes. Die Steuereinheit 8, an der das Ausgangssignal des Photoelements 7 anliegt, steuert nun die Lichtquellen 5 derart an, daß ihre Abstrahlleistung (Lab) eine Funktion der Beleuchtungsstärke B des Anregungslichtes ist. Figur 2 zeigt mögliche Funktionsverläufe, durch die der Fluoreszenz- effekt im Gewebe möglichst "naturgetreu" nachgebildet wird:
Aufgetragen ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Leistungsdichte der als Lichtquellen 5 verwendeten Leuchtdioden als Funktion der Bestrahlungsstärke. Der Figur ist zu entnehmen, daß die Leuchtdioden 5 Licht erst ab einem bestimmten Schwellwert BO abstrahlen, wobei sie bei weiterer Steigerung der Bestrahlungsstärke nach einem angenähert linear proportionalen Teil
in die "Sättigung" übergehen. Der Wert der Sättigung ist dabei zeitabhängig und nimmt entsprechend dem "Verbrauch des Fluoreszenzfarbstoffes" im Laufe der Zeit ab, so daß eine Dosimetriesimulation möglich ist.
Verwendet man als Fluoreszenzfarbstoff Aminolavulinsäure (ALA) so ist es bevorzugt, wenn das Anregungslicht in einem Wellenlängenbereich um 410 nm ± 25 nm liegt und die Leuchtdioden Licht mit einer Wellenlänge von ca. 635 nm abstrahlen.