Verfahren und Vorrichtung zur nichtinvasiven Temperatur- bestimmung an biologischem Gewebe Method and device for non-invasive temperature determination on biological tissue
[Beschreibung][Description]
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur nichtinvasiven Bestimmung der Temperatur an mit einer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung behandeltem biologischen Gewebe mittels Fluoreszenznachweis.The invention relates to a method and a device for the non-invasive determination of the temperature of biological tissue treated with radiation, in particular laser radiation, by means of fluorescence detection.
[Stand der Technik] Aus der DE 101 35 944.6-51 ist bekannt, dass mit Hilfe opto- akustischer Techniken die Gewebetemperatur bei der elektromagnetischer Bestrahlung, insbesondere Laserstrahlung, nicht-invasiv bestimmt werden kann.It is known from DE 101 35 944.6-51 that the tissue temperature during electromagnetic radiation, in particular laser radiation, can be determined non-invasively with the aid of opto-acoustic techniques.
Aus G. Schule, G. Hüttmann, J. Roider, C. Wirbelauer, R.From G. Schule, G. Hüttmann, J. Roider, C. Wirbelauer, R.
Birngruber, R. Brinkmann: Optacustic measurement during μs- irradiation of the retinal pigment epithelium, SPIE, Proc. Vol. 3914: 213-236, 200 ist es bekannt, bei der selektiven Mikrophotokoagulation am Augenhintergrund zur Behandlung von Netzhauterkrankungen mittels μs-Laserpulsen die Temperaturen am behandelten Augenhintergrund messen zu können. Die vom ersten Behandlungspuls bewirkte Druckamplitude wurde zur Normierung der Druckamplitude auf die Temperatur des Augenhintergrundes verwendet. Aus der Druckamplitudenerhöhung der nachfolgenden Behandlungsimpulse wurden mit Hilfe der aus Eichmessungen bekannten Abhängigkeit der Temperatur von den Druckamplituden die Temperaturerhöhung und ferner die jeweiligen Absoluttemperatu en bestimmt. Bedingt durch das Mess-
prinzip können allerdings nur die Temperaturen der die Probestrahlung absorbierenden Strukturen bestimmt werden.Birngruber, R. Brinkmann: Optacustic measurement during μs- irradiation of the retinal pigment epithelium, SPIE, Proc. Vol. 3914: 213-236, 200 it is known to be able to measure the temperatures at the treated fundus in the selective microphotocoagulation at the back of the eye for the treatment of retinal diseases by means of μs laser pulses. The pressure amplitude caused by the first treatment pulse was used to normalize the pressure amplitude to the temperature of the fundus. The increase in pressure and the respective absolute temperatures were determined from the increase in pressure amplitude of the subsequent treatment pulses using the dependence of the temperature on the pressure amplitudes known from calibration measurements. Due to the measurement in principle, however, only the temperatures of the structures absorbing the test radiation can be determined.
Aus T. Desmettre, S. Soulie-Begu, J. Devoisselle S. ordon : Diode laser-induced thermal damage evaluation on the retina with a liposome dye system, Lasers in Surgery and Medicine 24:61-68 (1999) ist bekannt, dass mit Hilfe eines speziell entwickelten Farbstoff die am Augenhintergrund induzierte Erwärmung mittels Fluoreszenz nachgewiesen werden kann. Der verwendete Farbstoff ist ein thermosensitives Liposo , das bei einer bestimmten Temperatur einen Phasenübergang nichtreversibel durchläuft. Die Fluoreszenz beider Phasen ist unterschiedlich, so dass im Bereich des Phasenübergangs die Fluoreszenz temperaturproportional ist. Da der Phasen- Übergang irreversibel ist, wird nur die max. Temperatur ausgelesen, akkurat auch nur im kleinen Bereich um den Phasenübergang. Das Verfahren ist für eine on-line Temperaturkontrolle zur Regelung von Behandlungsstrahlung daher nicht verwendbar. Zudem ist der Farbstoff nicht klinisch zugelas- sen.From T. Desmettre, S. Soulie-Begu, J. Devoisselle S. ordon: Diode laser-induced thermal damage evaluation on the retina with a liposome dye system, Lasers in Surgery and Medicine 24: 61-68 (1999) is known, that with the help of a specially developed dye, the warming induced at the back of the eye can be detected by fluorescence. The dye used is a thermosensitive liposo, which undergoes a phase transition irreversibly at a certain temperature. The fluorescence of the two phases is different, so that the fluorescence is temperature-proportional in the area of the phase transition. Since the phase transition is irreversible, only the max. Temperature read out, accurate even in the small area around the phase transition. The method cannot therefore be used for on-line temperature control to regulate treatment radiation. In addition, the dye is not clinically approved.
In vielen Bereichen der Augenheilkunde werden unterschiedliche Energiequellen, insbesondere Laser , zur Diagnostik und Behandlung eingesetzt . Dabei wird in aller Regel die gesamte eingestrahlte Energie vom biologischen Gewebe absorbiert und in Wärme umgewandelt , wobei durch die daraus resultierende Temperaturerhöhung der gewünschte Behandlungseffekt erreicht wird . Beispielsweise bei der Laserphotokoagulation wird die Retina des Auges gezielt thermisch koaguliert . Bei den übli- chen Bestrahlungen mit Bestrahlungszeiten um 100 ms entstehen Temperaturen über 60 ° C . Auch bei der Transpupilaren Thermotherapie (TTT ) werden Temperaturerhöhungen ausgenützt , um einen Gef äßverschluss zu erreichen . Bei der Photodynamischen Therapie ( PDT ) wird ein vorher inj izierter Farbstoff
durch Laserbestrahlung am Augenhintergrund aktiviert. Der Wirkstoff entfaltet nur an den Zellen seine Wirkung, an denen er gebunden ist. Hierbei wird ebenfalls fast die gesamte eingestrahlte Energie im Farbstoff und in der Retina absor- biert und in Wärme umgewandelt. Während der jeweiligen Bestrahlungszeit (Pulsdauer) mit relativ langen Behandlungsund Strahlungspulsen in der Größenordnung von μs bis mehreren hundert Sekunden kann es zu einer Temperaturerhöhung des behandelten biologischen Gewebes, insbesondere des Augenhin- tergrundes kommen, die zu einer nicht beabsichtigen Schädigung von Netzhautbereichen führt. Eine nichtinvasive Real- Time-Te peraturbestimmung kann bei derartigen Augenbehandlungen bislang noch nicht durchgeführt werden, wäre aber zur Sicherheit der Bestrahlung und zur Optimierung der Behand- lung äußerst wünschenswert. Die Temperaturkontrolle sollte sich dabei auf den Bereich der Zielstruktur oder des zu schützenden Areals stützen.In many areas of ophthalmology, different energy sources, especially lasers, are used for diagnosis and treatment. As a rule, the entire radiated energy is absorbed by the biological tissue and converted into heat, the desired treatment effect being achieved by the resulting increase in temperature. In laser photocoagulation, for example, the retina of the eye is specifically thermally coagulated. The usual irradiations with irradiation times around 100 ms result in temperatures above 60 ° C. In transpupilar thermotherapy (TTT) too, temperature increases are used to achieve vascular occlusion. Photodynamic therapy (PDT) uses a previously injected dye activated by laser radiation on the fundus. The active ingredient only works on the cells to which it is bound. Almost all of the radiated energy in the dye and retina is also absorbed and converted into heat. During the respective irradiation time (pulse duration) with relatively long treatment and radiation pulses in the order of μs to several hundred seconds, the temperature of the treated biological tissue, in particular the back of the eye, can increase, which leads to unintended damage to the retinal areas. A non-invasive real-time temperature determination has not yet been possible with such eye treatments, but would be extremely desirable for the safety of the radiation and to optimize the treatment. The temperature control should be based on the area of the target structure or the area to be protected.
[Aufgabe der Erfindung] Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur nichtinvasiven Bestimmung der Temperatur am behandelten biologischen Gewebe, insbesondere in der Augenheilkunde zu schaffen, bei denen für die Behandlungsstrahlung elektromagnetische Strahlungsquellen zum Einsatz kom- men.The object of the invention is therefore to create a method and a device for the non-invasive determination of the temperature on the treated biological tissue, in particular in ophthalmology, in which electromagnetic radiation sources are used for the treatment radiation.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß beim Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 und bei der Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentan- sprüche 21 und 22 sowie durch die Verwendung gemäß Patentan¬ sprüchen 27 und 28 gelöst.This object is achieved in the method by the characterizing features of patent claim 1 and in the device by the characterizing features of patent claims 21 and 22 and by the use according to patent claims ¬ 27 and 28.
Durch die Erfindung werden ein fluoreszenzbasiertes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung geschaffen, wobei
vorzugsweise während der jeweiligen Bestrahlungszeit der Behandlungsstrahlung zusätzliche Strahlungspulse, die zur Fluoreszenzanregung verwendet werden, mit geringerer Pulsdauer und geringerer Energie als bei der Behandlungsstrahlung auf das behandelte biologische Gewebe gerichtet. Die zusätzlichen Strahlungspulse können im wesentlichen in gleichen Zeitabständen erfolgen. Die angeregte Fluoreszenz wird durch optische Messung erfasst. Aus einer Änderung der Fluoreszenz wird die Temperaturerhöhung bestimmt, insbesondere werden die jeweiligen Absolutwerte der Temperatur bestimmt.The invention creates a fluorescence-based method and a corresponding device, wherein During the respective irradiation time of the treatment radiation, additional radiation pulses, which are used for fluorescence excitation, are preferably directed at the treated biological tissue with a shorter pulse duration and less energy than with the treatment radiation. The additional radiation pulses can occur essentially at the same time intervals. The excited fluorescence is detected by optical measurement. The temperature increase is determined from a change in the fluorescence, in particular the respective absolute values of the temperature are determined.
Es kann jedoch auch die Behandlungsstrahlung selbst zur Fluoreszenzanregung verwendet werden.However, the treatment radiation itself can also be used for fluorescence excitation.
Dabei werden die im bestrahlten, biologischen Gewebe enthaltenen natürlichen Fluorophore angeregt. Bei der Anwendung am Augenhintergrund kann das die Autofluoreszenz von Lipofus- zin, was sich als Alterspigment im retinalen Pigmentepithel ansammelt, oder auch von Flavinen sein. In anderen biologi- sehen Geweben ist das typischerweise die Autofluoreszenz der natürlichen Fluorophore, insbesondere NADH (Nicotinamid- Adenin-Dinncleotid, reduziert) und Tryptophan.The natural fluorophores contained in the irradiated, biological tissue are stimulated. When used on the back of the eye, this can be the autofluorescence of lipofuscin, which accumulates as an old pigment in the retinal pigment epithelium, or also of flavins. In other biological tissues, this is typically the autofluorescence of the natural fluorophores, in particular NADH (nicotinamide-adenine-dinncleotide, reduced) and tryptophan.
Andererseits kann auch ein zu injizierender fluoreszierender Farbstoff zur Temperaturbestimmung genutzt werden. Am Augenhintergrund kommen dabei hauptsächlich die bereits zur kli¬ nischen Diagnostik verwendeten Fluorophore Fluoreszin und Indocyanin Grün (ICG) zum Einsatz.On the other hand, a fluorescent dye to be injected can also be used for temperature determination. At the back of the eye while the African already for cli ¬ diagnosis fluorophores used fluorescein and indocyanine green (ICG) are mainly used.
In Abhängigkeit von der Temperaturerhöhung ändern sich die Fluoreszenzeigenschaften der Fluorophore, insbesondere die Fluoreszenzintensität. Aus dieser Fluoreszenzänderung kann dann mit Hilfe von Kalibrierungsdaten die absolute Temperaturerhöhung bestimmt werden.
Vorzugsweise wird kurz vor, beim, oder unmittelbar nach dem Einschalten der Behandlungsstrahlung durch einen zusätzlichen kurzzeitigen Strahlungspuls ein Fluoreszenzmesssignal gewonnen, das auf die normale Körpertemperatur, beispielsweise die menschliche Körpertemperatur von 37 °C normiert wird.The fluorescence properties of the fluorophores change, in particular the fluorescence intensity, as a function of the temperature increase. The absolute temperature increase can then be determined from this change in fluorescence with the aid of calibration data. A fluorescence measurement signal, which is normalized to the normal body temperature, for example the human body temperature of 37 ° C., is preferably obtained shortly before, when, or immediately after the treatment radiation is switched on by an additional short-term radiation pulse.
Aufgrund der ständigen Überwachung der Temperatur auch wäh- rend der jeweiligen Bestrahlungszeit (Pulsdauer) der Behandlungsstrahlung ist eine Steuerung der Behandlungsstrahlung in Abhängigkeit von der jeweils ermittelten Temperatur am Bestrahlungsort möglich. Dabei kann insbesondere die Pulsenergie oder Pulsleistung des Behandlungsstrahles gesteuert werden, um die gewünschte Temperatur am Bestrahlungsort zu erhalten.Due to the constant monitoring of the temperature even during the respective irradiation time (pulse duration) of the treatment radiation, it is possible to control the treatment radiation as a function of the respectively determined temperature at the irradiation site. In particular, the pulse energy or pulse power of the treatment beam can be controlled in order to obtain the desired temperature at the radiation site.
Vorteilhaft ist bei der Erfindung, dass durch geeignete Wahl des Farbstoffs das Zielgewebe, insbesondere durch spezifi- sehe Anlagerung des Farbstoffs, sofern exogene Farbstoffe benutzt werden, bestimmt werden kann. Durch Wahl der geeigneten Wellenlänge können natürliche gewebespezifische Chro- mophore angeregt werden, wodurch selektiv deren Temperaturerhöhung erfasst werden kann. Unter Verwendung einer konfo- kalen Fluoreszenzanregung lässt sich neben der zeitlichen eine laterale und Tiefenauflösung und somit eine 3-D Temperaturverteilung bei Bestrahlung erzielen.It is advantageous in the invention that the target tissue can be determined by a suitable choice of the dye, in particular by specific attachment of the dye, if exogenous dyes are used. By selecting the suitable wavelength, natural tissue-specific chromophores can be excited, which means that their temperature increase can be recorded selectively. Using a confocal fluorescence excitation, a temporal and depth resolution and thus a 3-D temperature distribution during irradiation can be achieved in addition to the temporal resolution.
[Beispiele] Anhand der Figuren wird die Erfindung noch näher erläutert.[Examples] The invention is explained in more detail with the aid of the figures.
Es zeigt
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung bei der die Behandlungsstrahlquelle zur Fluoreszenzanregung verwendet wird;It shows 1 shows a first exemplary embodiment of a device for carrying out the invention in which the treatment beam source is used for fluorescence excitation;
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, mit welcher die Erfindung durchgeführt werden kann;2 shows a second exemplary embodiment of a device with which the invention can be carried out;
Fig. 3 eine bei Patientenbestrahlung am Augenhintergrund gemessene, bereits in eine Temperaturerhöhung umgerechnete Autofluoreszenzänderung, der ein simulierter Temperaturverlauf überlagert wurde;3 shows an autofluorescence change measured on the fundus of the patient during irradiation and already converted into a temperature increase, on which a simulated temperature profile was superimposed;
Fig. 4 eine temperaturabhängige Fluoreszenzänderung vonFig. 4 shows a temperature-dependent change in fluorescence from
A2E (lμM in DMSO gelöst), dem Hauptbestandteil des im retinalen Pigmentepithels natürlich vorkommenden Fluorophors Lipofuszin, wobei die Fluoreszenzintensität sich linear mit der Probentemperatur ändert; undA2E (1μM dissolved in DMSO), the main constituent of the fluorophore lipofuscin, which occurs naturally in the retinal pigment epithelium, the fluorescence intensity changing linearly with the sample temperature; and
Fig. 5 eine temperaturabhängige Fluoreszenzänderung von Fluoreszin (lμM in H20) , welches als Farbstoff routinemäßig zur Diagnostik in der Augenheilkunde eingesetzt wird.5 shows a temperature-dependent change in fluorescence of fluorescein (lμM in H20), which is routinely used as a dye for diagnostics in ophthalmology.
Die in den Figuren 1 und 2 teilweise mit Blockschaltbild dargestellte Vorrichtung beinhaltet eine Behandlungsstrahlquelle 1, beispielsweise eine Laserstrahlquelle, insbesonde- re einen cw-Laser. Mit der Behandlungsstrahlquelle 1 wird die für die Behandlung des Augenhintergrundes verwendete Behandlungsstrahlung erzeugt. Die Behandlungsstrahlung wird aufbereitet und über einen Applikator 9, insbesondere eine Spaltlampe, über eine weitere Optik 8, welches vorzugsweise
ein ophthalmologisches Kontaktglas sein kann, auf den Fundus, insbesondere die Retina eines Auges 5 gerichtet wird.The device shown partially in block diagram in FIGS. 1 and 2 includes a treatment beam source 1, for example a laser beam source, in particular a cw laser. The treatment radiation used for the treatment of the fundus of the eye is generated with the treatment beam source 1. The treatment radiation is processed and via an applicator 9, in particular a slit lamp, via a further optic 8, which preferably An ophthalmic contact glass can be directed onto the fundus, in particular the retina of an eye 5.
Die Behandlungsstrahlquelle 1 wird von einer Systemsteuerung 3 gesteuert. Durch die Systemsteuerung 3 kann insbesondere die Strahlungsenergie und die Zeitdauer, mit welcher die Behandlungsstrahlung auf den Augenhintergrund gerichtet wird, gesteuert werden. Auch werden in der Systemsteuerung 3 die von einem Fluoreszenzdetektor 2 gemessenen Signale ausgewer- tet und in Temperaturwerte umgerechnet.The treatment beam source 1 is controlled by a system controller 3. The system control 3 can in particular control the radiation energy and the time period with which the treatment radiation is directed onto the fundus. The signals measured by a fluorescence detector 2 are also evaluated in the system controller 3 and converted into temperature values.
Die Fluoreszenz das Augenhintergrundes kann, wie in Fig. 1 dargestellt, einerseits mit der Behandlungsstrahlquelle 1 angeregt werden. Andererseits kann, wie in Fig. 2 darge- stellt, die Fluoreszenzanregung mit einer zusätzlich eingekoppelten Strahlquelle β durchgeführt werden.The fluorescence of the fundus, as shown in FIG. 1, can be excited on the one hand with the treatment beam source 1. On the other hand, as shown in FIG. 2, the fluorescence excitation can be carried out with an additionally coupled beam source β.
Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung besitzt hierzu die zusätzliche, zur Fluoreszenzanregung genutzte Strahlquelle 6 in Form einer gepulsten elektromagnetischer Strahlquelle, insbesondere eine gepulste LED oder einen gepulsten Laser. Die Strahlung der zusätzlichen Strahlquelle 6 kann mit Hilfe eines Strahlteilers 4 in den Strahlengang der Behandlungsstrahlung eingekoppelt werden. Beim dargestellten Ausfüh- rungsbeispiel erfolgt diese Einkopplung nach dem Applikator 9. Es kann jedoch auch innerhalb, oder vor dem Applikator 9 die Einkopplung in die Behandlungsstrahlung erfolgen.For this purpose, the device shown in FIG. 2 has the additional beam source 6 used for fluorescence excitation in the form of a pulsed electromagnetic beam source, in particular a pulsed LED or a pulsed laser. The radiation from the additional beam source 6 can be coupled into the beam path of the treatment radiation with the aid of a beam splitter 4. In the exemplary embodiment shown, this coupling takes place after the applicator 9. However, coupling into the treatment radiation can also take place inside or in front of the applicator 9.
Wie in Fig. 1 und Fig. 2 ausgeführt, wird das von Augenhin- tergrund emittierte Fluoreszenzlicht mit Hilfe eines Strahlteilers 7 auf einen Fluoreszenzdetektor 2 geleitet. Dessen Signale werden an die Systemsteuerung 3 zur Auswertung und Umrechnung in absolute Temperaturwerte weitergegeben. Die Absolutwerte der Temperatur können angezeigt werden oder zur
Steuerung bzw. Betätigung der Behandlungsstrahlquelle 1 verwendet werden.As shown in FIGS. 1 and 2, the fluorescent light emitted from the background of the eye is directed to a fluorescence detector 2 with the aid of a beam splitter 7. Its signals are passed on to the system control 3 for evaluation and conversion into absolute temperature values. The absolute values of the temperature can be displayed or for Control or actuation of the treatment beam source 1 can be used.
Der Fluoreszenzdetektor kann als Fotodiode ausgebildet sein. Ferner eignet sich eine CCD-Kamera oder ein PMT (Photomul- tiplier) für die Fluoreszenzmessung. Ferner kann eine konfokale Anordnung mit einem Scanner, wie sie zur 3-D-Fluores- zenzmessung, beispielsweise aus der DE 198 50 149 AI bekannt ist, verwendet werden. Ferner kann die Fluoreszenzmessung spektral aufgelöst werden.The fluorescence detector can be designed as a photodiode. A CCD camera or a PMT (photomultiplier) is also suitable for fluorescence measurement. Furthermore, a confocal arrangement with a scanner, such as is known for 3-D fluorescence measurement, for example from DE 198 50 149 AI, can be used. Furthermore, the fluorescence measurement can be spectrally resolved.
Die Fig. 3 zeigt, dass der in Abhängigkeit von der Bestrahlungszeit berechnete Temperaturverlauf mit den bei einer Patientenbestrahlung am Augenhintergrund gemessenen Fluores- zenzdaten übereinstimmt.FIG. 3 shows that the temperature profile calculated as a function of the irradiation time corresponds to the fluorescence data measured at the fundus of the patient during irradiation.
In der Fig. 4 ist der zeitliche Verlauf der Temperatur und der Fluoreszenz von A2E (1 μM in DMOS (Dimethylsuloxid) gelöst) dargestellt. Daraus ergibt sich, dass die Fluoreszenz- Intensität sich linear und umgekehrt proportional mit der Probentemperatur ändert. A2E ist ein Pyridium-bisretenoid, das durch eine Schiff-Basenreaktion entsteht. Es handelt sich um einen Hauptbestandteil des retinalen Lipofuszin und kann syntetisch hergestellt werden.4 shows the time course of the temperature and the fluorescence of A2E (1 μM dissolved in DMOS (dimethylsuloxide)). It follows that the fluorescence intensity changes linearly and inversely proportional with the sample temperature. A2E is a pyridium bisretenoid that is formed by a Schiff base reaction. It is a main component of retinal lipofuscin and can be produced synthetically.
In der Fig . 5 ist die lineare Temperaturabhängigkeit der Fluores zenzänderung von Fluores zin ( 1 μM gelöst in H20) dar¬ gestellt . Die Fluoreszenzänderungen dieses Farbstof fes eig¬ nen sich somit ebenfalls zur Temperaturbestimmung .
[Bezugs zeichenliste]In the Fig. 5 is the linear temperature dependence of the fluorescence of fluorescence zenzänderung zin (1 uM dissolved in H20) represents ¬ provided. The fluorescence changes this Farbstof fes prop ¬ thus also NEN is for temperature determination. [Reference character list]
1 Behandlungs strahlquelle1 treatment source
2 Fluoreszenzdetektor 3 Systemsteuerung2 fluorescence detector 3 system control
4 Strahlteiler4 beam splitters
5 Biolog . Gewebe , insbesondere Auge5 Biolog. Tissue, especially eye
6 Strahlquelle zur Fluoreszenzanregung6 beam source for fluorescence excitation
7 Strahlteiler 8 Bestrahlungsoptik7 beam splitters 8 radiation optics
9 Applikator / Spaltlampe
9 Applicator / slit lamp