Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie findet im medizinischen Bereich, speziell der Augenheilkunde bei der laserchirurgischen Glaukomtherapie ("Grüner Star") mittels transskleraler Laser-Zyklophotokoagulation Anwendung.The invention relates to a device according to the preamble of the claim1. It takes place in the medical field, especially ophthalmology at thelaser surgical glaucoma therapy ("glaucoma") using trans-scleral laserCyclophotocoagulation application.
Laserlicht wird in vielen Bereichen der Medizin eingesetzt um Gewebe zu beeinflussen. Dies reicht von Induktion photochemischer Prozesse über Erwärmung bis zur Verdampfung bzw. Plasmaformation. Speziell in der Augenheilkunde finden Behandlungsmethoden mittels Laser schon lange Zeit Anwendung. Bei der etablierten Methode der transskleralen Laser-Zyklophotokoagulation wird Gewebe im Bereich des Augeninneren (Ziliarkörper) bewußt zerstört, um den Augeninnendruck zu senken [Beckmann et al. 72, Gloor et al. 94]. Bei dieser Methode ist das Behandlungsareal nicht einsehbar. Die manuelle Nachführung der Laserparameter durch den Operateur ist aufgrund der sehr schnell ablaufenden Prozesse nicht möglich. Derzeit befindet sich lediglich ein System (1) in klinischer Anwendung [Preußner 98], welches die automatische On-line-Anpassung von Laserparametern (Laserpulsdauer) an den Verlauf der Behandlung ermöglicht. Diese Methode mißt hierzu die vom Augeninnern (Netzhaut) reflektierte Laserenergie und beurteilt deren zeitlichen Verlauf als Eingangsgröße für den angeschlossenen Regelkreis.Laser light is used in many areas of medicine to tissueinfluence. This ranges from induction of photochemical processes to heatinguntil evaporation or plasma formation. Find specifically in ophthalmologyTreatment methods using laser have been used for a long time. In theestablished method of transcleral laser cyclophotocoagulation is used in tissueArea of the inner eye (ciliary body) deliberately destroyed to the intraocular pressureto lower [Beckmann et al. 72, Gloor et al. 94]. With this method it isTreatment area not visible. Manual tracking of the laser parametersby the surgeon due to the very fast running processespossible. Only one system (1) is currently in clinical use[Preussner 98], which is the automatic on-line adjustment of laser parameters(Laser pulse duration) to the course of the treatment. This method measuresthe laser energy reflected from the inside of the eye (retina) and assesses ittemporal course as an input variable for the connected control loop.
Eine andere Methode [Freese et al. 96, Patentschrift Veröff.Nr. US 5533998] beschäftigt sich mit der Möglichkeit des On-line-monitoring bei Laser-Zyklophotokoagulation mittels Ultraschall-Biomikroskopie (2). Hierbei soll der Gewebszustand zeitgleich zur Laser-Gewebsbehandlung mit eingebrachtem und reflektiertem Ultraschall analysiert werden. Die Reflektivitätsänderung während des Koagulationsvorganges soll als Eingangsgröße für den angeschlossenen Regelkreis zur Laser-Steuerung dienen.Another method [Freese et al. 96, patent publication no. US 5533998]deals with the possibility of online monitoring for laserCyclophotocoagulation using ultrasound biomicroscopy (2). Here, theTissue condition at the same time as the laser tissue treatment with inserted andreflected ultrasound can be analyzed. The change in reflectivity during theCoagulation process should act as an input variable for the connected control loopserve for laser control.
Angestrebt ist die Applikation einer optimalen Energiemenge zur Erzielung eines zuverlässigen Koagulationsergebnisses im Zielgewebe, insbesondere ohne Auftreten von Gewebszerreißungen der inneren Epithelschichten ("Popkorn-Effekt").The aim is to apply an optimal amount of energy to achieve onereliable coagulation result in the target tissue, especially without occurrenceof tissue tearing of the inner epithelial layers ("popcorn effect").
Eine Methode zur Bestimmung von optischen Materialeigenschaften in der Technik bzw. Charakterisierung biologischen Gewebes in der Medizin stellt die Detektion laserinduzierter Drucktransienten dar [Mandelis 94, Esenaliev et al. 98 Patentschr. Veröff.Nr. US 5840023]. Hierbei wird mittels eines kurzen Laserpulses im subablativen Bereich Energie im Gewebe deponiert, was zu einer Erwärmung des Volumens führt. Die konsekutive Volumenexpansion führt zur Einkopplung eines akustischen Signals hoher spektraler Bandbreite ins umgebende Medium. Wird diese Drucktransiente nach ihrer Ausbreitung im Gewebe mittels empfindlicher Druckaufnehmer (z. B. piezoelektrische Detektoren, optische Detektoren auf der Basis von Brechungsindexänderungen) aufgezeichnet, so läßt sich nach Rückberechnung aus der Höhe und Form der Amplitude der Gewebszustand charakterisieren. Dies erfordert die Kenntnis der akustischen Eigenschaften der Medien zur Simulation der Schallausbreitung, sowie der Lichtausbreitung im Gewebe in Abhängigkeit der zu bestimmenden optischen Eigenschaften. Gewebsdifferenzierung ist mit dieser Methode möglich, sofern sich Gewebsarten bzw. -zustände in ihren optischen Eigenschaften (Absorptions-, Streuverhalten) unterscheiden.A method for determining optical material properties in technologyor characterization of biological tissue in medicine is the detectionlaser-induced pressure transients [Mandelis 94, Esenaliev et al. 98 patentPublished no. US 5840023]. Here is a short laser pulse in the Subablative area of energy deposited in the tissue, which leads to heating of theVolume leads. The consecutive volume expansion leads to the coupling of oneacoustic signal of high spectral bandwidth into the surrounding medium. Becomesthese pressure transients after their spread in the tissue by means of sensitivePressure sensors (e.g. piezoelectric detectors, optical detectors on theBasis of changes in the refractive index),Back calculation from the height and shape of the amplitude of the tissue conditioncharacterize. This requires knowledge of the acoustic properties of theMedia for simulating sound propagation and light propagation in the tissuedepending on the optical properties to be determined.Tissue differentiation is possible with this method, provided there are tissue typesor states in their optical properties (absorption, scattering behavior)differentiate.
Die oben als (1) beschriebene Methode detektiert keine direkten Veränderungen im Bereich des behandelten Gewebes (Ziliarkörper). Sie registriert lediglich die Laserenergie, die nicht im bestrahlten Gewebe absorbiert wird, sondern nach ihrer Transmission und mehreren Streu- und Reflektionsprozessen das Augeninnere durch die Pupille wieder verläßt. Der Weg der transmittierten Laserstrahlung vom Austritt aus dem Ziliarkörper bis zur ihrer Aufnahme im Detektor wird wesentlich vom Zustand der klaren Medien des Auges (Glaskörper, Linse, Vorderkammer, Hornhaut), sowie dem Reflektionsverhalten der Oberflächen, vor allem der Netzhaut, beeinflußt. Da diese optischen Eigenschaften in vivo nicht korrekt vorherbestimmt werden können, ist die exakte Berechnung der Zustandsänderungen des Zielgewebes während des Therapieverlaufes nicht möglich. Auch eine präoperative Zustandsbestimmung (Lokalisation, optische Eigenschaften) ermöglicht die Methode nicht, da die benötigten Energien bereits noch nicht beabsichtigte thermische Schädigungen erzeugen würden.The method described as (1) above does not detect any direct changes in theArea of treated tissue (ciliary body). It only registers theLaser energy that is not absorbed in the irradiated tissue, but after itTransmission and several scattering and reflection processes the inside of the eyeleaves through the pupil. The path of the transmitted laser radiation fromExit from the ciliary body until it is received in the detector is essentially fromCondition of the clear media of the eye (vitreous, lens, anterior chamber,Cornea), as well as the reflective behavior of the surfaces, especially the retina,influenced. Because these optical properties are not correctly predetermined in vivois the exact calculation of the state changes of theTarget tissue not possible during the course of therapy. Also preoperativeCondition determination (localization, optical properties) enables the methodnot because the required energies are not yet intended thermalWould cause damage.
Das unter (2) beschriebene Verfahren zur Rückkopplungssteuerung der Laserbehandlung bedient sich der Reflektion eingestrahlten Ultraschalls und liefert dadurch lediglich Informationen über akustische Eigenschaften des Gewebes. Die optischen Eigenschaften als Grundlage der Laser-Gewebe-Wechselwirkung bleiben unberücksichtigt. Eine Veröffentlichung in der medizinischen Literatur über den Einsatz eines solchen möglichen Regelkreises ist uns nicht bekannt.The method described in (2) for feedback control of theLaser treatment uses the reflection of ultrasound and deliverstherefore only information about acoustic properties of the tissue. Theoptical properties remain the basis of the laser-tissue interactiondisregarded. A publication in the medical literature on theWe are not aware of the use of such a possible control loop.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, im Rahmen der oben angeführten Behandlungform des Glaukoms mittels Laser-Zyklophotokoagulation einen Mechanismus zu schaffen, der die Applikation der optimalen Energiemenge, die für den Behandlungserfolg notwendig ist, gewährleistet und die Anpassung der Laserparameter on-line an den Behandlungsverlauf ermöglicht.The object of the invention is in the context of the above-mentioned form of treatmentof glaucoma using laser cyclophotocoagulation to create a mechanismwhich is the application of the optimal amount of energy necessary for the success of the treatmentis necessary, guaranteed and the adjustment of the laser parameters on-line to theTreatment course allows.
Insbesondere kann die präoperative Messung der optischen Eigenschaften zur besseren Therapieplanung sowie zur Lokalisierung der Zielregion genutzt werden. Bei einer möglicherweise notwendigen Wiederholungsbehandlung könnte bereits destruiertes Gebiet ausgespart werden.In particular, the preoperative measurement of the optical properties canbetter therapy planning and to localize the target region.A repeat treatment that might be necessary could alreadyarea to be spared.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.The object is achieved by a device having the features of claim 1.
Die Nutzung optoakustischer Drucktransienten als Eingangsgrößen zur Steuerung der Laserparameter während der Behandlung bietet den Vorteil, daß Phänomene betrachtet werden, die unmittelbar von den optischen Eigenschaften der Behandlungsregion abhängig sind. Genau diese optischen Eigenschaften bilden auch die Grundlage für die Laser-Gewebewechselwirkung, die während der Behandlung zur gewünschten Erwärmung des Zielgewebes Ziliarkörper im Auge führt und damit bei Erreichen von Temperaturen über ca. 60°C zur Destruktion (durch Koagulation) von primär gesundem Gewebe. Während des Koagulationsvorganges ändern sich aufgrund der ablaufenden Veränderungen im Gewebe Absorptions- und Streueigenschaften und somit die Lichtverteilungsverhältnisse für die neu eintreffende Therapie-Laserstrahlung. Aufgrund dieser Vorgänge ändert sich die Reaktion des behandelten Gewebes unter der Laserapplikation.The use of optoacoustic pressure transients as input variables for controlthe laser parameter during treatment offers the advantage that phenomenabe considered directly from the optical properties of theTreatment region are dependent. Form exactly these optical propertiesalso the basis for the laser tissue interaction that occurs during theTreatment for the desired warming of the target tissue ciliary body in the eyeleads to destruction when temperatures above approx. 60 ° C are reached(by coagulation) of primarily healthy tissue. During theCoagulation process change due to the ongoing changes in theTissue absorption and scattering properties and thus the Lichtverdivision ratios for the newly arriving therapy laser radiation. Because ofthese processes change the response of the treated tissue under theLaser application.
Unsere Erfindung ermöglicht simultan die Detektion optoakustischer Drucktransienten, die durch die separate Applikation kurzer Diagnose-Laserpulse mit Energien, die im Bereich weniger Promille der Therapie-Energiedosis liegen, induziert werden. Es kommt dadurch zu keiner zusätzlichen Erwärmung des Gewebes, so daß Therapie- und Diagnoseverfahren als prinzipiell getrennt betrachtet werden können. Da es sich jedoch um das Einbringen von elektromagnetischer Strahlung im gleichem Wellenlängenbereich handelt, ist eine Kopplung von Therapie- und Diagnose-Laserstrahlung denkbar. Erstens kann die gleiche Lichtleitfaser sowie Applikationshandstück zum Strahlungstransport bzw. Einkoppeln des Laserlichts verwandt werden, was zu einem identischen räumlichen Ausbreitungsmuster von Therapie- und Diagnosestrahlung führt. Dies ermöglicht exakt die Behandlung des vermessenen Areals, bzw. genau die Charakterisierung des bestrahlten Gewebes. Zweitens kann bei Verwendung von gleicher Wellenlänge beider Modi, eine Aufmodulierung von kurzen Diagnosepulsen auf die zur Koagulation eingebrachten längeren Laserpulse erfolgen, was die Nutzung nur einer Laserquelle mit entsprechender Ansteuerung möglich macht.Our invention enables simultaneous detection of optoacousticPressure transients caused by the separate application of short diagnostic laser pulsesEnergies in the range of a few parts per thousand of the therapy energy dose,be induced. There is no additional heating of theTissue, so that therapy and diagnostic procedures are separated in principlecan be viewed. However, since it is about bringing inelectromagnetic radiation in the same wavelength range is oneCoupling of therapy and diagnostic laser radiation possible. First, it cansame optical fiber as well as application handpiece for radiation transport orCoupling the laser light can be used, resulting in an identical spatialPropagation pattern of therapy and diagnostic radiation leads. this makes possibleexactly the treatment of the measured area, or exactly the characterizationof the irradiated tissue. Second, using the same wavelengthboth modes, a modulation of short diagnostic pulses to theCoagulation introduced longer laser pulses take place, which is the use of only oneLaser source with appropriate control makes it possible.
Diese Methode bietet insgesamt den Vorteil, daß die Behandlung patientenspezifischen Gegebenheiten (z. B. Pigmentierungsgrad, Skleradicke, Ziliarkörperzustand) angepasst werden kann.Overall, this method offers the advantage of treatmentpatient-specific circumstances (e.g. degree of pigmentation, scleral thickness,Ciliary body condition) can be adjusted.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden näher beschrieben und werden ergänzend in den Zeichnungen (siehe Extrablätter) dargestellt.Exemplary embodiments of the invention are described in more detail below andare also shown in the drawings (see extra sheets).
Fig. 1 System-Schemazeichnung zur Realisierung eines Regelkreises zur Steuerung der Laserparameter bzw. diagnostischen Bildgebung bei der Laser-Zyklophotokoagulation (Glaukomtherapie)Fig. 1 system diagram for implementing a control circuit for controlling the laser parameters or diagnostic imaging in laser cyclophotocoagulation (glaucoma therapy)
Fig. 2 Schnittzeichnung eines möglichen Handstückes zur Laserapplikation und Detektion der DrucktransientenFig. 2 sectional drawing of a possible handpiece for laser application and detection of pressure transients
Laserstrahlung aus einer oder zwei Laserquellen (Fig. 1) wird mittels einer angepaßten Lichtleitfaser einem Applikationshandstück (Fig. 2) zugeführt, welches speziell zur Applikation von Therapie- und Diagnosestrahlung, sowie zur Detektion entstehender Drucktransienten konfiguriert ist. Das Handstück wird im Kontaktverfahren der Laser-Zyklophotokoagulation direkt auf die Bindehaut des Auges mit leichtem Druck wenige Millimeter peripher des korneo-skleralen Limbus aufgesetzt.Laser radiation from one or two laser sources (FIG. 1) is fed to an application handpiece (FIG. 2) by means of an adapted optical fiber, which is specially configured for the application of therapy and diagnostic radiation, as well as for the detection of pressure transients that arise. In the contact procedure of the laser cyclophotocoagulation, the handpiece is placed directly on the conjunctiva of the eye with slight pressure a few millimeters peripheral to the corneo-scleral limbus.
Direkt neben dem planen Faserende (alternativ: fokussierende Mikro-Optik) befinden sich ein oder mehrere Meßpunkte zur Druckdetektion (Fig. 2), die z. B. aus der aktiven Fläche eines speziell hergestellten piezoelektrischen Druckaufnehmers (mögliche Alternativen: PVDF(Polyvinylidenfluorid)-Folie, Quarz, Piezoxide, Lithiumniobat LiNbO3) bestehen. Die im aktiven Volumen aufgebaute Spannung wird über die auf die Folie aufgedampften Elektroden und deren Kontaktierung am Handstück abgegriffen und einem Prozessor zugeführt.Directly next to the flat fiber end (alternatively: focusing micro-optics) there are one or more measuring points for pressure detection (Fig. 2), which, for. B. from the active surface of a specially manufactured piezoelectric pressure transducer (possible alternatives: PVDF (polyvinylidene fluoride) film, quartz, piezo oxides, lithium niobate LiNbO3 ). The voltage built up in the active volume is tapped via the electrodes vapor-deposited on the film and their contacting on the handpiece and fed to a processor.
Alternativ bietet sich eine optische Methode zur Druckdetektion mittels Messung von Brechungsindexänderungen durch Drucktransienten an.Alternatively there is an optical method for pressure detection by measuringRefractive index changes due to pressure transients.
Der schnelle Prozessor dient zur Verarbeitung der eingehenden Spannungsverläufe (Meßgrößen zur Berechnung der optoakustischen Drucktransienten) gemäß eines Steueralgorithmus, der die Steuerung der anzupassenden Laserparameter (z. B. Pulsdauer, Leistung) on-line an den gerade ablaufenden Behandlungsverlauf ermöglicht.The fast processor is used to process the incoming voltage curves(Measured variables for calculating the optoacoustic pressure transients) according to aControl algorithm that controls the laser parameters to be adjusted (e.g.Pulse duration, power) on-line to the currently running course of treatmentenables.
Zur Erzeugung kurzer Diagnoselaserpulse besteht die Möglichkeit, das Laserlicht eines separaten "Diagnoselasers" gleicher oder differenter Wellenlänge in die gemeinsame Lichtleitfaser einzukoppeln.The laser light can be used to generate short diagnostic laser pulsesa separate "diagnostic laser" of the same or different wavelength in theto couple common optical fiber.
Alternativ kann bei Verwendung von identischen Frequenzen mit dem Therapielaser ein Diagnosepuls erzeugt und beispielsweise dem relativ langen "Therapiepuls" (± 1 Sek. abh. von der gewählten Leistung) ein oder mehrere kurze Pulse niedriger Energie vorausgeschickt oder aufmoduliert werden.Alternatively, when using identical frequencies with the therapy lasergenerates a diagnostic pulse and, for example, the relatively long "therapy pulse"(± 1 sec. Depending on the selected power) one or more short pulses lowerEnergy is sent ahead or modulated.
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