DE19630255A1

DE19630255A1 - Laserstrahlapplikator zur interstitiellen Thermotherapie

Info

Publication number: DE19630255A1
Application number: DE1996130255
Authority: DE
Inventors: Annelie Dr Ing Pfannenstein; Colette Dipl Ing Neubert; Dirk Dipl Ing Goethel; Dietmar Dipl Ing Felber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-07-26
Filing date: 1996-07-26
Publication date: 1998-01-29

Description

Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt im Einsatz hochenergetischer Laserstrahlung zur thermisch bewirkten irreversiblen Schädigung großvolumiger Tumoren mit schwach ellipsoider bis Kugelgestalt.

Aus DE-OS 44 03 134 ist ein Laserstrahlapplikator bekannt, bei dem die hochenergetische Strahlung über einen Lichtwellenleiter mit Quarzglaskern in das Zentrum des zu behandelnden Gewebes geführt wird. Zur Erzielung einer definierten Abstrahlungsgeometrie zur Behandlung stark ellipsoider bis zylinderförmiger Gewebevolumina ist das distale Ende des Quarzglaskerns zebraförmig mit mattierten Ringen versehen, deren Rauhtiefe zum Ende der Faser zunimmt. Dadurch tritt die innerhalb der Faser geführte Strahlung an den mattierten Flächen aus und es ist möglich, die Länge des aktiv über seine Mantelfläche strahlenden Endes entsprechend dem zu behandelnden Gewebebereich zu variieren. Es ist üblich, den strahlenden Quarzfaserkern mit einer mechanisch stabilen und strahlungstransparenten Schutzhülle zu umgeben.

Ein Nachteil dieser bekannten Lösung besteht darin, daß die über der gesamten wirksamen Mantelfläche ausgekoppelte Strahlung unterschiedliche Abstrahlungsinten sitäten aufweist. Das bedeutet, die vorhandenen Strahlungsmaxima bilden eine Grenze für die zugeführte Laserleistung, da in ihrem Wirkungsbereich zuerst unerwünschte Veränderungen (z. B. Karbonisierung) des bestrahlten Gewebes auftreten, wogegen an anderen Abstrahloberflächen die zur Therapie notwendigen Gewebetemperaturen noch nicht erreicht werden und höhere Leistungen ausgekoppelt werden könnten.

Insbesondere ungünstig wirkt dieser Nachteil bei der thermischen Verödung großvolumiger Tumoren mit schwach ellipsoider bis Kugelgestalt aus. Hier ist es erforderlich, zur Durchdringung dieses Gewebevolumens eine hohe Laserleistung über eine relativ geringe Oberfläche abzustrahlen. Das bedingt einen hohen Grad an Gleichmäßigkeit der abgestrahlten Laserstrahlung über der wirksamen Abstrahlfläche.

Der im Patentanspruch angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Laserstrahlapplikator zu schaffen, der die Auskopplung hoher Leistungen zur thermischen Durchsetzung großvolumiger Tumoren der genannten geometrischen Form ermöglicht, wobei die über den Querschnitt des Quarzglaskerns zugeführte Laserleistung mit einem hohen Grad an Gleichmäßigkeit über die definierte Abstrahlfläche auszukoppeln ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Laserstrahlapplikator gelöst, auf dessen Quarzglaskern im Bereich der abstrahlenden Mantelfläche ringförmig Rillen eingebracht sind, indem die Tiefen aufeinanderfolgender Rillen entsprechend einer Gaußfunktion variiert werden, d. h., die Rillentiefen nehmen in Richtung des distalen Endes der Abstrahlfläche zu, wobei die Differenzen der Tiefen benachbarter Rillen im proximalen und im distalen Bereich der Abstrahlfläche größer als in den dazwischen liegenden Regionen sind.

Es wurde gefunden, daß bei Zugrundelegen der Annahme, daß die Strahlungsinten sität im Querschnittsbereich des Quarzglaskerns vom Faserradius nach einer Gaußfunktion abhängig ist, eine entsprechend dieser funktionsgemäßen Abhängigkeit gestaltete Änderung der Rillentiefen aufeinanderfolgender Rillen zu gleichmäßigen Abstrahlungsintensitäten auf der optisch aktiven Manteloberfläche führt. Damit verbunden tritt im proximalen und distalen Bereich eine weiträumigere Lichtverteilung auf

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den Querschnitt eines Laserstrahlapplikators,

Fig. 2 ein Diagramm der prozentualen Verteilung der Lichtintensität in Abhängigkeit vom Radius des Quarzglaskerns,

Fig. 3 die Emissionsflächen am Applikator,

Fig. 4 die Tabelle der Rillenradien und -tiefen,

Fig. 5 die zugehörige graphische Darstellung zu vorhergehender Tabelle und

Fig. 6 den Verlauf der Differenzbeträge benachbarter Rillenradien.

Fig. 1 zeigt den üblichen Aufbau eines Laserstrahlapplikators mit einem Lichtwellen leiter 1, einer Schutzhülle 2 sowie einer Kapillare 3 zur Zufuhr der Kühlflüssigkeit 4, in welcher ein endseitiger Strahlungskörper 5 gekühlt und mechanisch stabilisiert gebettet ist.

Über die in den Quarzglaskern eingebrachten Rillen 6 wird die mantelseitige Abstrah lung des Laserlichtes realisiert. Gemäß Fig. 1 befinden sich auf dem Abstrahlkörper 5 zehn Rillen 6.

Fig. 2 zeigt unter Zugrundelegen der Annahme, daß die Strahlungsintensität im Quarzglaskern über dessen Querschnitt eine Gaußfunktion ist, die in Abhängigkeit vom Faserradius errechnete prozentuale Strahlungsintensität bei einer Laserleistung von 25 W und einem Quarzglaskerndurchmesser von 0.6 mm. Hiervon wurden nun die erforderlichen Rillentiefen abgeleitet, um eine konstante Abstrahlung zu erzielen. Das bedeutet, die Rillentiefen nehmen proximal beginnend zu, wobei die Differenz zweier benachbarter Rillen 6 im proximalen und im distalen Abschnitt des als Strahlungskörper genützten Faserabschnitts größer sein muß als in den dazwischen liegenden Bereichen. Durch die größeren Änderungen der Rillentiefen im proximalen und distalen Bereich treten dort verstärkt Beugungserscheinungen auf, die zu einer zusätzlichen Lichtstreuung führen.

Ausgehend von der Applikatorgeometrie wird zunächst die pro Rille radial abzustrahlende Laserleistung mit Hilfe einer Gleichung bestimmt, indem die Emissionsflächen des Strahlungskörpers 5 gemäß Fig. 3 ins Verhältnis gesetzt werden. Als Emissionsflächen treten die Zylinderoberfläche A_Z einer Rille und des dazugehörigen Steges und die Halbkugelfläche A_K auf. Es wird dabei von einem Durchmesser d des Laserstrahlapplikators von 3.4 mm und einer Rillen- und Stegbreite b_R von 2 mm sowie einer Laserleistung von 25 W ausgegangen.

Die Emissionsflächen werden berechnet mit:

A_Z = π_*d_*b_R = π_*3.4 mm_*2 mm = 21.4 mm²
A_K = π_*d²/2 = π_*3.42 mm²/2 = 18.2 mm²

Die pro Rille zu emittierende Laserleistung ergibt sich aus:

Daraus resultiert, daß an der Stirnfläche (A_K) des Laserstrahlapplikators ca. das 0.85- fache der Leistung, die an einer Rille (A_Z) radial austritt, emittiert werden muß. Da von einer Laserleistung von 25 W ausgegangen wurde, müssen demnach ca. 2.3 W pro Rille 6 sowie ca. 1.9 W an der distalen Stirnfläche (A_K) emittiert werden. Zur Realisierung dieser Forderung wurde eine rekursive Formel zur Ermittlung der Rillendurchmesser unter Beachtung des Intensitätsprofiles im Querschnitt des Quarzglaskerns hergeleitet. Ausgangspunkt dieser Berechnung ist die Beziehung:

P_LR = I(r)_*A_KR
P_LR = zu emittierende Laserleistung pro Rille [W]
I(r) = Intensität des Laserstrahles im Lichtwellenleiter in Abhängigkeit vom Radius des Quarzglaskerns [W/mm²]
A_KR = Emissionsfläche pro Rille (Kreisring) [mm²]

Mit

und W_L = r_K
sowie unter Berücksichtigung eines Faktors von 1.25 zur Korrektur von modellie rungsbedingten Fehlern erhält man:

r_K = Kernradius des Lichtwellenleiters (LWL) [mm]
I₀ = Max. Lichtintensität von 177 W/mm² im Zentrum (doppelter Betrag gegenüber Rechteckverteilung
W_L = Radius, bei dem I₀ vom Zentrum auf das 1/e²-fache abgefallen ist.

Umgestellt nach r₂ ergibt:

Verallgemeinert entsteht daraus die rekursive Berechnungsformel für die Rillenradien der i-ten Rille (proximal beginnend):

mit i=1 . . . n und r₀ = r_K
n = Anzahl der Rillen.

Für einen LWL mit einem Durchmesser des Quarzglaskerns von 600 µm, einer Rillenanzahl von 10 sowie einer maximalen Laserleistung von 25 Watt sind für den verwendeten Applikator folgende Parameter gültig:

P_LR = 2.3 W
I₀ = 177 W/mm²
r_K = r₀ = 0.3 mm

Es ergeben sich daraus die in Fig. 4 tabellarisch dargestellten Rillenradien und -tiefen. Die dementsprechende graphische Darstellung der Rillenradien und -tiefen zeigt Fig. 5. Hier ist am Balkenverlauf der Rillenradien deutlich der um -90° gedrehte Verlauf eines Gaußprofiles (eine Hälfte) erkennbar. In Bereichen mit geringerer Intensität muß demnach tiefer in den Quarzglaskern eingedrungen werden als in Bereichen mit höherer Lichtintensität, um konstante Emissionsraten zu gewährleisten. Betrachtet man den Verlauf der Radiendifferenzen benachbarter Rillen gemäß Fig. 6, quasi ein Maß für die Änderung des Anstiegs einer Funktion, so werden starke gegensinnige Änderungen im proximalen und im distalen Bereich der Emissionslänge sichtbar. Mit einem derartig aufgebauten Laserstrahlapplikator, bei dem zusätzlich durch eine Kühlanordnung das angrenzende Gewebe gekühlt wurde, konnten bei auf 37°C temperierten, frischem postmortalen Schweinehirngewebe schwach ellipsoide bis kugelförmige Gewebezonen von ca. 65 mm Durchmesser bei einer Laserleistung von 25 Watt therapeutisch wirksam erwärmt werden.

Claims

Laserstrahlapplikator zur interstitiellen Thermotherapie mit einem Lichtwellenleiter mit Quarzglaskern, dessen endseitiger Strahlungskörper auf seiner Mantelfläche mit Rillen versehen ist, deren Rauhtiefen proximal beginnend zum distalen Ende hin zunehmen, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Tiefen aufeinanderfolgender Rillen (6) entlang der optisch aktiven Mantelfläche des Strahlungskörpers (5) einer Gaußfunktion entspricht, wobei die Differenzen benachbarter Rillen (6) im proximalen und im distalen Bereich der abstrahlenden Mantelfläche größer als in den dazwischen liegenden Regionen sind.