DE3908928C2 - - Google Patents
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- DE3908928C2 DE3908928C2 DE19893908928 DE3908928A DE3908928C2 DE 3908928 C2 DE3908928 C2 DE 3908928C2 DE 19893908928 DE19893908928 DE 19893908928 DE 3908928 A DE3908928 A DE 3908928A DE 3908928 C2 DE3908928 C2 DE 3908928C2
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- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B18/00—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body
- A61B18/18—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves
- A61B18/20—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves using laser
- A61B18/22—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves using laser the beam being directed along or through a flexible conduit, e.g. an optical fibre; Couplings or hand-pieces therefor
- A61B18/24—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves using laser the beam being directed along or through a flexible conduit, e.g. an optical fibre; Couplings or hand-pieces therefor with a catheter
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer
Vorrichtung zum Steuern von Laserstrahlung gemäß den
Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 13.
Laser werden in der Chirurgie häufig eingesetzt, insbesondere
zum Schweißen, Schneiden und Koagulieren von biologischem
Gewebe. Mit Laserstrahlung lassen sich Tumore, z. B. im Gesichts-
und Kehlkopfbereich und im Körperinneren (Magen, Darm),
entfernen. Durch die thermische Einwirkung der Laserstrahlung
auf biologisches Gewebe kann dieses in Abhängigkeit von der
Laserwellenlänge und den Gewebebeschaffenheit bis zu einer Tiefe
von ca. 50 mm zur Koagulation gebracht werden. In Verbindung mit
Endoskopen werden Laser z. B. im Körperinneren zur Stillung
massiver und gastrointestinaler Blutungen herangezogen, ebenso
wie zur Tumorkoagulation, Materialabtragung in Gefäßen und
Gallen- und Nierensteinzertrümmerung über thermischen Schock.
Wellenlängenspezifische Laseranwendungen, wie die
photodynamische Therapie (PDT) zur Krebstherapie gewinnen immer
mehr an Bedeutung.
Der Vorteil der Lasertechnik in der Medizin, d. h. insbesondere
die punktgenaue thermische Einwirkung auf biologisches Gewebe,
wird jedoch gerade durch diese Genauigkeit beschränkt. Die
Grenze etwa zwischen einer gewünschten Koagulation und einer
nichterwünschten Verbrennung des Gewebes ist schmal und kann von
einem Chirurgen nur nach langer Erfahrung abgeschätzt und
erkannt werden.
Es hat nicht an Versuchen gefehlt, dieses Operationsrisiko zu
vermindern.
Aus der DE-OS 33 06 981 ist es bekannt, das Reflexionsverhalten
der jeweils von Laserstrahlung beaufschlagten Gewebeoberfläche
in Teilbereichen zu untersuchen und zu überwachen, um den
Koagulationszeitpunkt genauer bestimmen zu können, zu dem der
Laser abgeschaltet werden muß. Die unterschiedlichen
Reflexionseigenschaften von bestrahltem und unbestrahltem Gewebe
werden auch dazu ausgenutzt, den nächsten benachbarten
Behandlungspunkt einzustellen. Des weiteren wird vom Chirurgen
das behandelte Gewebe optisch, z. B. mit Hilfe von Videokameras,
überwacht. Gleichwohl wird dem Chirurgen kein schneller
Überblick über den Gesamtzustand des behandelten Gewebes
gegeben. Die Beurteilung, welche Teilbereiche des biologischen
Gewebes noch behandelt werden müssen, unterliegt der
Sichtkontrolle des Chirurgen und wird von diesem anhand seiner
Erfahrung vorgenommen auch wenn durch eine
Punkt-für-Punkt-Vermessung des Gewebes dieser Vorgang -
allerdings umständlich - unterstützt werden kann.
Aus der DE-OS 36 07 721 ist es bekannt, die zu behandelnde
Gewebeoberfläche, z. B. die Netzhaut des menschlichen Auges, mit
Markierungen, z. B. kleinen Brandflecken, zu versehen, die
während der Operation mit Hilfe einer Videokamera sichtbar sind
und als Orientierungshilfen bei der Führung des
Operationsinstrumentes verwendet werden. Auch bei dieser Methode
sieht der Chirurg nur die gerade behandelte Fläche und deren
Umgebung, eine Übersicht über das gesamte Operationsfeld wird
ihm nicht gegeben.
Aus der US-PS 47 88 975 ist es bekannt, insbesondere zur
Gewebebehandlung innerhalb von Körpergefäßen den Laser nur dann
automatisch einzuschalten, wenn der Laserstrahl auf tatsächlich
zu behandelndes Gewebe gerichtet ist. Hierzu wird ein Rechner
mit Bildverarbeitung sowie ein Monitor eingesetzt, auf dem die
Position des Lasers in bezug zum Gewebe dargestellt ist und
außerdem die zu behandelnden Fläche markiert wird: dies erfolgt
aufgrund der Tatsache, daß behandelte und unbehandelte
Gefäßwände unterschiedliche Fluoreszenzeigenschaften aufweisen.
Zur Unterstützung der Operation sind auch weitere Sensoren, z. B.
Entfernungssensoren, einsetzbar.
Es wäre wünschenswert, wenn der Chirurg Informationen über die
thermische Wirkung der Laserstrahlung erhielte, die soweit wie
möglich "intelligent" aufbereitet und halbautomatisch
durchgeführt sein sollten, um zum einen seine Entscheidung über
den weiteren Operationsverlauf präziser treffen zu können und
sich zum anderen auf die eigentliche Operation konzentrieren zu
können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine
Vorrichtung der in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 13 genannten Art anzugeben, mit denen biologisches
Gewebe ortsgenau und mit einer präzisen Dosis, die eingestellt und dann
nicht überschritten wird, bestrahlt werden kann, womit gewährleistet
sein soll, daß der Chirurg einen guten Überblick über das Operationsfeld
und den Fortgang der Operation hat.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung für ein Verfahren durch die im
kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die Lösungsmerkmale für die Vorrichtung sind im
Patentanspruch 13 angegeben.
Bei der Erfindung werden demnach Methoden der automatischen
Bildverarbeitung gekoppelt mit Sensoren verwendet, um das Operationsfeld
darzustellen, die Bestrahlungsdosis vorzugeben, eine genauere Führung
der Laserstrahlung auf dem biologischen Gewebe zu ermöglichen, den
Operationsverlauf hinsichtlich der aufgenommenen Dosis und der bereits
ausreichend behandelten Gebiete zu überwachen und Risiken der Operation
aufgrund zu hoher thermischer Einwirkung auf das Gewebe zu vermeiden.
Dem Chirurgen wird hierdurch jederzeit eine quantitative und qualitative
Information über den Verlauf der Operation gegeben.
Die Erfindung läßt sich beim direkten und endoskopischen
Operationseinsatz benutzen. Der Bestrahlungsort, die örtlich
aufgebrachten Dosiswerte und die durch die Bestrahlung eventuell im
Gewebe verursachten Veränderungen werden über eine Videokamera
aufgenommen, wobei die Bestrahlungsanalyse durch Bildverarbeitung
gekoppelt mit Sensoren erfolgt. Die absolute Größe des bestrahlten
Gebietes wird ermittelt und daraus auch die örtliche Strahlungsdosis des
biologischen Gewebes errechnet und gespeichert. Aus den registrierten
und gespeicherten Werten wird die Leistung der noch abzugebenden
Laserstrahlung beeinflußt. Der Chirurg hat somit ein Instrument zur sehr
feinen örtlichen und zeitlichen Dosierung der Laserleistung zur
Verfügung. Damit können bisher noch zu kritische Laseroperationen
durchgeführt werden, wobei die Gefahr von nicht beabsichtigten
Laserverbrennung stark reduziert wird. Laseranwendungen, die nicht die
thermischen, sondern die wellenlängenselektiven Lasereigenschaften
einsetzen, werden möglich. Die genau dosierte Laserstrahlung wirkt
wesentlich effektiver, die Operationsdauer nimmt wegen der Unterstützung
des Chirurgen durch die Bildverarbeitung ab, gleichzeitig nehmen die
Heilungschancen zu. Der gesamte Operationsverlauf kann zudem über Video
gespeichert und später zu Demonstrations- und Lehrzwecken verwendet
werden.
Die Erfindung hat ferner den Vorteil, daß die während der Operation
empirisch ermittelten und abgespeicherten Daten, so z. B. hinsichtlich
der Temperaturleitfähigkeit oder der Wärmeabsorption und des
Schädigungsverhaltens des Gewebes, auch für spätere Operationen
verwendet und bei der Bildverarbeitung zugrundegelegt werden können.
Hiermit ist ein "Selbst-Lerneffekt" der Vorrichtung gegeben, so daß
spätere Operationen optimiert werden können.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung
näher erläutert. In der Zeichnung stellt dar
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß der
Erfindung zum Bestrahlen biologischen Gewebes;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des vorderen Endes eines
Operationsinstrumentes bzw. eines Endoskopes zum Bestrahlen von
biologischem Gewebe;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Referenzbildes zur Vorgabe
von Dosiswerten und zur Beobachtung des Operationsverlaufes;
Fig. 4 einen Teil einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Erläuterung
einer möglichen Abstandsmessung zwischen dem distalen Ende eines
Endoskops und dem bestrahlten Gewebe.
Eine Vorrichtung 1 zur Laserbehandlung von biologischem Gewebe 2 weist
ein Operationsinstrument 3, einen Behandlungslaser 4, z. B. einen
Neodym-YAG-Laser und einen Pilotlaser 5, z. B. einen Helium-Neon-Laser
auf. Das Licht der beiden Laser wird über einen Strahlteiler 6 und eine
Optik 7 in eine Lichtleitfaser 8 eingekoppelt, die in dem
Operationsinstrument endet. Das Licht der beiden Laser 4 und 5 bestrahlt
über das Laserobjektiv bzw. den Faserausgang 8′ einen Fleck 9 auf dem
Gewebe. Das biologische Gewebe 2 wird außerdem großflächig mit Weißlicht
beleuchtet, was über ein weiteres, hier nicht dargestelltes
Lichtleitfaserbündel erfolgen kann, dem in der Stirnseite des
Operationsinstrumentes eine entsprechende Optik 10 zugeordnet ist.
Das von dem biologischen Gewebe 2 reflektierte Licht wird über eine
Eingangsoptik 11 in der Stirnseite des Operationsinstrumentes gesammelt
und in ein Lichtleitfaserbündel 12 eingekoppelt, das für Licht beider
Laser und sichtbares Licht durchlässig ist. Das Gesichtsfeld der
Eingangsoptik 11 ist in Fig. 1 gestrichelt dargestellt und mit 13
bezeichnet. Dieses Gesichtsfeld ist wesentlich größer als der von den
beiden Lasern 4 und 5 beleuchtete Fleck 9.
Das aus dem abbildenden Lichtleitfaserbündel 12 austretende Licht wird
in einem Strahlteiler 14 aufgeteilt. Das transmittierte Licht wird über
ein Helium-Neon-Filter 15 auf eine Videokamera 16 geleitet, die somit
nur das vom Helium-Neon-Laser 5 ausgesendete und am Gewebe reflektierte
Licht empfängt. Der vom Strahlteiler 14 reflektierte Lichtanteil fällt
auf einen weiteren Strahlteiler 14a. Der hindurchgehende Anteil wird von
einer weiteren Videokamera 17 empfangen, wohingegen der das zweite Mal
umgelenkte Anteil über ein Neodym-YAG-Filter 18 auf eine dritte
Videokamera 19 gerichtet wird. Die Videokamera 17 ist im wesentlichen
für Weißlicht empfindlich und bildet somit das gesamte Gesichtsfeld 13
ab während die Videokamera 19 wegen des Filters 18 nur das von dem
Neodym-YAG-Laser 4 beleuchtete Gewebe sichtbar macht. Die Signale aller
drei Videokamers 16, 17 und 19 werden einem Analog-Digital-Wandler 20
zugeführt und digitalisiert. Die Ausgangssignale des
Analog-Digital-Wandlers 20 werden auf einen Rechner 21 geleitet und dort
verarbeitet, wie weiter unten erläutert, wobei diese Verarbeitung durch
einen "Wissensspeicher" 22 unterstützt wird, in dem Daten, z. B.
Erfahrungsdaten oder Daten von vorhergehenden Operationen gespeichert
sind. Das im Rechner 21 aus den Bildern der Kamera 16, 17, 19 ermittelte
Bild wird verarbeitet und auf zwei Monitoren, dem Operationsfeldmonitor
23 und dem Referenzbildmonitor 24 wiedergegeben.
In dem Operationsinstrument 3 sind noch weitere Sensoren vorhanden. In
Fig. 2 sind die Stirnseiten einer lichtemittierenden Diode 25 und einer
Detektor-PIN-Diode 26 gezeigt, mit denen die Entfernung zwischen der
Stirnseite des Operationsinstruments und der Oberfläche des biologischen
Gewebes 2 bestimmt wird. Diese Abstand zwischen der Stirnseite des
Operationsinstrumentes 3 und der Oberfläche des biologischen Gewebes
wird ebenfalls in den Rechner eingegeben. Ferner ist im
Operationsinstrument noch ein IR-Sensor 27 vorgesehen, von dem wiederum
nur die Optik in der Stirnseite dargestellt ist. Mit diesem Sensor wird
die von dem bestrahlten Fleck 9 ausgehende Wärmestrahlung und daraus die
Temperatur auf der Oberfläche des Gewebes bestimmt. Diese ist in
Verbindung mit der gemessenen Entfernung ein Maß für die aufgenommene
Dosis. Auch diese Daten werden dem Rechner übermittelt.
Derartige Sensoren zur Entfernungsmessung und Temperaturmessung sind
bekannt und brauchen daher nicht weiter beschrieben zu werden.
Auf der Stirnseite des Operationsinstrumentes ist ferner noch mit Hilfe
eines Haltebügels 28 ein Leistungsdetektor 29, z. B. eine PIN-Diode
vorgesehen, die das Licht der ausgesandten Laserstrahlung sieht und die
tatsächlich am Faserende 8′ abgestrahlte Laserleistung mißt. Da dieser
Detektor 29 außerhalb des Endoskops angeordnet ist, werden hierbei
unerwünschte Effekte wie z. B. Beschlagen oder Verschmutzen des
Faserendes, bei der Berechnung der Strahlungsleistung mitberücksichtigt.
Falls die Laserstrahlung durch Rauch oder Dampf in der
Operationsumgebung hindurchgehen muß, werden zusätzlich geeignete
Meßmethoden zur Bestimmung der Gesamttransmission eingesetzt, so daß die
auf das Gewebe auftreffende Laserleistung durch derartige
Transmissionsverluste o. dgl. wird dann durch Vergleich mit der direkt am
Laser gemessenen Ausgangsleistung bestimmt. Die Daten der Sensoren 25,
26, 27 und 29 ggf. der erwähnten weiteren Sensoren werden über
Leitungen 30 in den Rechner eingegeben.
Der zur Behandlung verwendete Neodym-YAG-Laser 4 kann wie üblich etwa
mit Hilfe eines Fußschalters 31 ein- und ausgeschaltet werden. Der den
Pilotfleck liefernde Helium-Neon-Laser 5 kann bei der Behandlung
gleichzeitig geschaltet werden, ansonsten jedoch unabhängig von dem
Behandlungslaser, z. B. zum Durchführen von Referenzmessungen.
Der Ablauf einer Operation ist nun folgender:
Zunächst wird, ohne daß die beiden Laser 4 und 5 eingeschaltet sind, mit
Hilfe der Kamera 17 das mit Weißlicht bestrahlte Operationsfeld
aufgenommen und in den Rechner 21 eingegeben. Von dem Operationsfeld
wird jetzt ein maßstabs- und auch topographiegerechtes Referenzbild
erzeugt, das auf dem Monitor 24 angezeigt wird. Hierzu wird auf dem
Gewebe ein Absolutmaßstab durch feste Strukturpunkte eingerichtet.
Solche Strukturen können z. B. durch Adern, Aderverzweigungen, Narben,
markante Zellstrukturen, Organgrenzen etc. vorgegeben sein. Sind
derartige Strukturpunkte nicht in einer für die Bildauswertung
ausreichenden Anzahl vorhanden, werden sie durch künstliche Markierungen
ersetzt, z. B. durch Farbaufbringung, punktförmiges Laserbestrahlen, d. h.
Aufbringen eines kleinen Brandfleckmusters bei sehr kleinem
Arbeitsabstand etc.
Zur Ermittlung der Topologie des Operationsfeldes werden u. a. die oben
erwähnten Entfernungssensoren 25 und 26 eingesetzt. Der jeweils
vermessene Punkt auf der Gewebeoberfläche wird auch im Videobild
sichtbar gemacht und der Bildverarbeitung zugrundegelegt.
Aus all diesen Daten wird im Rechner 21 das Referenzbild 41 des
Operationsfeldes erzeugt und auf dem Monitor 24 dargestellt, wobei
zusätzlich der Chirurg die Grenzen dieses Operationsfeldes durch
Umrandung 42, z. B. mit Hilfe eines Lichtgriffels, definiert. Auf diesem
Referenzbild sind die oben erwähnten, entweder körpereigenen oder
künstlichen Markierungen schematisch durch Kreuze 43 dargestellt. Das
Referenzbild 41 kann innerhalb der Umrandung 42 in einzelne Teilbereiche
44 rastermäßig aufgeteilt werden. Die Dreidimensionalität des
Operationsfeldes kann durch Koordintatenverzerrungen simuliert werden,
wie dieses im rechten Bereich des Referenzbildes 41 mit 45 bezeichnet
ist. Jeder der Teilbereiche 44 erhält auf diese Weise die gleiche
wirkliche Größe.
Vom Chirurgen werden nun für alle Teilbereiche 44 die Dosiswerte
festgelegt, die für einen Erfolg der Laseroptik auf dem biologischen
Gewebe erreicht werden müssen. Dies kann auf unterschiedliche Arten
geschehen, z. B. durch unterschiedliches Colorieren des Referenzbildes.
In Fig. 3 sind für einige Teilbereiche 44 des Referenzbildes 41 in der
linken Ecke rechts- bzw. linksgeneigte Schraffuren eingezeichnet, die
unterschiedlichen Dosiswerten D 1 und D 2 entsprechen sollen. Diese
vorgegebenen Dosiswerte können noch anhand der in dem Wissensspeicher 22
gespeicherten Daten ergänzt oder korrigiert werden, ggf. noch während
der Operation durch die tatsächlich vorgenommenen aktuellen Messungen
mit Hilfe der angegebenen Sensoren. Solche Änderungen der Dosiswerte
werden ebenfalls im Referenzbild 41 auf dem Monitor 24 angegeben. Damit
sind die Vorarbeiten für die eigentliche Operation abgeschlossen.
Während der Operation wird von der Kamera 17 ständig der Teil des
Operationsfeldes aufgenommen, der durch das Gesichtsfeld 13 bestimmt
ist, und auf dem Monitor 23 als Echtzeitbild 46 abgebildet und auf dem
Monitor 24 dem Referenzbild in sichtbarer Form überlagert. Dieses Bild
bewegt sich auf dem Monitor entsprechend der Bewegungen des
Operationsinstrumentes, wohingegen das Referenzbild 41 auf dem Monitor
24 feststeht.
Mit Hilfe der Kamera 16 wird der Pilotfleck 9 des Helium-Neon-Lasers 5
auf beiden Monitoren 23 und 24 durch Bildüberlagerung als
herausgehobener Fleck 47, z. B. in starkem Farbkontrast abgebildet.
Desgleichen wird mit Hilfe der Kamera 19 die gerade durch den Laser 4
bestrahlte, mit dem Pilotfleck 9 identische Fläche aufgenommen. Diese
Darstellung des Pilotfleckes mit Hilfe der Bildverarbeitung ist für den
Fortgang der Operation von großem Vorteil, da der Pilotfleck immer gut
erkennbar ist. Bei einer sonst üblichen reinen optischen Sichtkontrolle
ist oftmals der Pilotfleck vom Chirurgen nur schlecht sichtbar. Die
Darstellung 47 des Pilotfleckes 9 auf den Monitoren kann im Rahmen der
Bildauswertung direkt oder zur Stützung der Meßwerte von
Entfernungssensoren zum Bestimmen der Entfernung zwischen der Stirnseite
des Operationsinstrumentes und der Oberfläche des biologischen Gewebes
verwendet werden.
Während der Operation wird durch die oben angesprochenen Sensoren die
von dem biologischen Gewebe aufgenommene Dosis ständig bestimmt. Aus der
gemessenen Strahlungsleistung der von dem Gewebe zurückgestreuten
Strahlung und deren Intensität, der Bestrahlungsdauer und der jeweiligen
Bestrahlungsfläche wird im Rechner 21 die tatsächlich aufgenommene Dosis
berechnet, gespeichert und auf dem Monitor 24 dargestellt. Dem Chirurgen
kann dabei durch verschiedene Effekte auf dem Referenzbild 41 gezeigt
werden, ob die vorgegebenen Dosiswerte, in diesem Falle D 1 und D 2
bereits erreicht sind. Dies kann z. B. durch entsprechendes Colorieren
erfolgen. Die Leistungen des Behandlungslasers 4 und ggf. auch des
Pilotlasers 5 werden während der Behandlung automatisch vom Rechner 21
geregelt. Hierzu sind die beiden Laser mit Leitungen 50 und 51 mit dem
Rechner verbunden. Sobald ein Teilbereich des Operationsfeldes
entsprechend einem Teilbereich 44 im Referenzbild 41 die vorgegebene
Dosis enthalten hat, wird der Behandlungslaser 4 automatisch
abgeschaltet. Auch dieses wird dem Chirurgen angezeigt, so daß dieser
das Operationsinstrument 3 auf einem weiteren Teilbereich bewegen kann,
der noch nicht oder erst unzureichend bestrahlt ist. Im Rechner 21
werden die bereits ausreichend bestrahlten Teilbereiche abgespeichert,
so daß auch dann, wenn der Chirurg einen solchen Teilbereich bestrahlen
will, der Behandlungslaser 4 ausgeschaltet bleibt. Durch die Anzeige der
bereits behandelten Bereiche des Operationsfeldes auf dem Monitor 24
erhält der Chirurg laufend Informationen, auf welche weiteren
Teilbereiche er die Laser richten muß, um das Operationsziel zu
erreichen.
Auf dem Referenzbild 41 des Monitors 24 werden diejenigen Teilbereiche,
die noch nicht die vorgegebenen Dosiswerte aufgenommen haben, z. B. durch
Blinken angezeigt.
Zur vollständigen Bestrahlung des gesamten Operationsfeldes ist es
möglich, die einzelnen Teilbereiche 44 des Referenzbildes noch in
Unterbereiche 52 zu zerlegen, wie das rechts unten in Fig. 3 dargestellt
ist. Auch für diese Unterbereiche 52 errechnet der Rechner die bereits
erreichten Dosiswerte, bringt diese zur Anzeige auf dem Monitor 24 und
regelt die Laserleistung. Der Chirurg kann somit das Operationsfeld
durch entsprechend näheres Heranführen des Operationsinstrumentes an das
biologische Gewebe sozusagen fein "ausmalen", bis das gesamte
Operationfeld die vorgegebene Bestrahlungsdosis erhalten hat, was z. B.
sehr wichtig sein kann für kritische Adernverschweißungen.
Die Berechnung, ob die einzelnen Teilbereiche des Operationsfeldes die
vorgegebene Dosis aufgenommen haben, erfolgt im Rahmen der
Bildauswertung. Hierbei werden die vom Gewebe zurückgestreuten
Intensitäten des Pilotlasers 5 und des Behandlungslasers 4 errechnet.
Der Pilotlaser ist üblicherweise leistungsstabil, wobei
Leistungsänderungen, z. B. durch Verschmutzungen der Austrittsoptik 8′
oder andere Transmissionshindernisse aus den entsprechenden Werten für
den Behandlungslaser 4 abgeleitet werden. Geht man davon aus, daß die
effektive Transmission beider verwendeter Laserwellenlängen gleich ist,
was für die verwendeten Laser hinreichend genau der Fall ist, so können
diese Messungen über die PIN-Diode 29 vorgenommen werden. In anderen
Fällen, d. h. bei einer wellenlängenabhängigen Transmission kann noch
eine zusätzliche PIN-Diode für den Pilotlaser 5 vorgesehen werden. Der
Quotient der rückgestrahlten Intensitäten des Pilot- und
Behandlungslasers ist zudem ein aussagekräftiger Diagnosewert, da die
Reflexion an der Oberfläche des biologischen Gewebes
wellenlängenabhängig und gewebespezifisch ist.
Die Bildauswertung und die Behandlung wird durch Erfahrungsdaten aus dem
Wissensspeicher 22 unterstützt. So muß z. B. bei der Behandlung auch die
Wärmeleitfähigkeit des bestrahlten Gewebes berücksichtigt werden. Die
effektive, d. h. biologisch wirksame Dosis ist wegen der Wärmeableitung
des Gewebes kleiner als die tatsächliche und auch durch die Messungen
bestätigte Dosis. Nur bei sehr hohen Bestrahlungsintensitäten oder
gepulstem Operationslaserbetrieb und daraus resultierenden sehr kurzen
lokalen Bestrahlungszeiten bis zur Maximaldosis sind beide Werte
angenähert gleich, da bei diesen kurzen Zeiten die Wärmeableitung kaum
eine Rolle spielt. Die Wärmeleitfähigkeit des Gewebes in Abhängigkeit
des Bestrahlungszustandes ist anhand von Versuchen bestimmbar. Diese
Funktion ist im Wissensspeicher 22 gespeichert und wird zur Berechnung
der effektiven Dosis herangezogen.
Auch Meßwerte, die durch Rauch, Dampf etc. während der Bestrahlung
beeinflußt werden, können mit Hilfe der durch den Wissensspeicher 22
unterstützten Bildverarbeitung z. B. durch Kontrastbestimmungen und
Kontrastvergleiche korrigiert werden. Reversible Kontrastverringerungen
werden dann z. B. als Rauch oder Dampf interpretiert. Dem Chirurgen
können ebenfalls auf den Monitoren Hinweise gegeben werden, daß
derartige Störeinflüsse vorliegen, so daß er einen anderen Bereich des
Operationsfeldes bestrahlen kann, bis sich diese Störeinflüsse wieder
zurückgebildet haben.
In Fig. 4 ist das vordere, d. h. distale Ende eines
Operationsinstrumentes 3′ sowie eine Einrichtung zur Entfernungsmessung
und zur Beobachtung des Operationsfeldes dargestellt. Das Gewebe 2 wird
mit dem Behandlungslaser und dem Pilotlaser über die gemeinsame
Lichtleitfaser 8′ bestrahlt, so daß auf dem Gewebe ein Fleck 9′
angeleuchtet wird. Die reale Größe dieses Fleckes ist abhängig von der
Entfernung b zwischen dem distalen Ende der Lichtleitfaser 8′ und der
Gewebeoberfläche. Das Operationsinstrument 3′ weist ein
Lichtleitfaserbündel 61 auf, das am distalen Ende des
Operationsinstrumentes in einer Optik 62 endet, deren optische Achse A
angedeutet ist. In dieser Optik 62 wird das Bild des bestrahlten Fleckes
9′ bzw. 9′′ aufgenommen und über das Lichtleitfaserbündel 61 einem
dichroitischen Spiegel 63 zugeführt. An diesem dichroitischen Spiegel
wird das sichtbare Licht des Pilotlasers oder Weißlicht umgelenkt und
durch ein Okular 64 geführt. Über dieses Okular kann dann das
Operationsfeld optisch betrachtet werden. Durch den dichroitischen
Spiegel 63 geht das den Fleck 9′ bzw. 9′′ hervorrufende Laserlicht
hindurch und wird über ein Objektiv 65 auf einem Positionsdetektor 66
gelenkt, z. B. einer Matrixanordnung aus Fotoelementen. Nachdem die
optische Achse A der Optik 62 außerhalb der Achse der Laserstrahlung
liegt, wird der Fleck 9′ bzw. 9′′ von der Optik 62 unter einem gewissen
Winkel phi gesehen. Die optische Achse des Objektives 65 ist koaxial zur
Achse A, so daß der Fleck auf dem Positionsdetektor 66 ebenfalls unter
dem Winkel phi bzw. einem proportionalen Winkel abgebildet wird. Da der
Abstand zwischen der optischen Achse A des Objektives 62 und der Achse
der Laserstrahlung bekannt ist, kann aus der Lage des Bildes des Fleckes
auf dem Positionsdetektor 66 auf die Entfernung zwischen dem distalen
Ende des Lichtleiters 8′ und der Gewebeoberfläche geschlossen werden.
Diese Werte werden dem Rechner zugeführt. Mit dem Positionsdetektor 66
kann zusätzlich noch die Intensität bzw. Leuchtkraft des Fleckbildes
bestimmt werden. Diese Intensität ist u. U. abhängig von der Atmosphäre
zwischen dem distalen Ende des Operationsinstrumentes und der
Gewebeoberfläche, die z. B. durch die Laserbehandlung Rauch oder Dampf
enthalten kann. Diese Intensitätswerte werden dem Rechner zugeführt. In
dem Rechner kann dann eine Bildauswertung auch hinsichtlich der von dem
Gewebe aufgenommenen Dosis erfolgen, wenn vor der Behandlung des
Gewebes, z. B. allein mit dem Pilotlaser die Extrinktion und damit auch
die Intensität des Fleckes 9′ mit Hilfe des Detektors 66 gemessen wurde,
d. h. ohne die erwähnten Störungen von Dampf oder Rauch.
Das Operationsinstrument 3′ kann am distalen Ende noch eine
verschiebbare Meßplatte 71, z. B. einen dünnen Lichtleiter, aufweisen, der
aus dem Endoskop heraus, und bis zu einer Mikrometerschraube 72 oder
einer anderen Stelleinrichtung geführt ist. Durch Herausfahren der
Meßplatte 71 kann dann die Entfernung zwischen dem distalen Ende des
Endoskopes und der Gewebeoberfläche 2 mechanisch gemessen werden. Es
kann auch die Operationslaserfaser 8 als verschiebbare Meßlatte
eingesetzt werden.
Im vorhergehenden sind nur einige Möglichkeiten zum Erstellen des
Referenzbildes und der Überwachung der Behandlung dargestellt worden.
Einige Varianten seien im folgenden angegeben:
Die topographische Vermessung der Oberfläche des Gewebes kann z. B.
stereometrisch erfolgen, d. h., daß das Operationsfeld mit zwei Optiken
unter unterschiedlichen Blickwinkeln aufgenommen und abgebildet wird,
wobei dann dieses Bild von dem Rechner nach bekannten Verfahren
ausgewertet wird.
Eine Entfernungsmessung zwischen dem distalen Ende des
Operationsinstrumentes und der Gewebeoberfläche kann auch anhand der für
die Scharfstellung der auf der Gewebeoberfläche vorhandenen
Markierungspunkte notwendigen optischen Daten im Rechner ermittelt
werden. Ebenso ist eine Entfernungsmessung dadurch möglich, daß auf die
Gewebeoberfläche z. B. ein Raster oder ein Gitter bekannter Dimension
projiziert und scharf eingestellt wird. Wird ein Gittermuster bekannter
Dimension auf das Gewebe projiziert, und dann das von dem Gewebe
reflektierte Licht über ein gleiches mit einer Optik kombiniertes
Gittermuster aufgenommen, dann kann das resultierende Moir´muster
ausgewertet und ebenfalls zur Entfernungsbestimmung herangezogen werden.
Zur Entfernungsbestimmung ist auch eine herkömmliche Triangulation
möglich, die auch für die Bestimmung der absoluten Lineardimensionen auf
der Oberfläche des Operationsfeldes herangezogen werden kann. Hierzu
werden von einem Objektiv im distalen Ende des Operationsinstrumentes zu
mindestens 3 Punkten des Operationsfeldes die Entfernung und deren
Winkelabstand bestimmt. Dieser Winkelabstand kann z. B. mit Hilfe des
erwähnten Positionsdetektors oder direkt im Bildfeld des Sichtschirmes
23 bestimmt werden.
Der von dem Pilot- bzw. Behandlungslaser auf dem Gewebe erzeugte Fleck
(Fußabdruck) kann ferner durch den Rechner in seiner Größe und Form
ausgewertet werden. Der Größe wird eine bestimmte Pixelzahl zugeordnet,
die dann durch den Rechner mit einer Referenzpixelzahl verglichen wird,
so daß aus dem Flächenverhältnis bei zwei verschiedenen
Bestrahlungsabständen bei bekanntem Gesichtsfeldwinkel und bekannter
Laserdivergenz und festem Abstand zwischen der Achse der Laserstrahlung
und derjenigen der Optik die Entfernung bestimmt wird. Dieser Vergleich
kann in Echtzeit sowohl zur topographischen Vermessung des
Operationsfeldes als auch zum Bestimmen der Entfernung zwischen dem
distalen Ende des Operationsinstrumentes und der Oberfläche des Gewebes
herangezogen werden.
Zur topographischen Vermessung des Operationsfeldes und insbesondere zur
Beobachtung des Operationsfeldes während der Behandlung werden
Weitwinkelobjektive eingesetzt, die das Bild des Operationsfeldes
kissenförmig verzerren. Diese Verzerrungen können bei der
Bildbearbeitung kompensiert werden.
Zum Bestimmen der aufgenommenen Strahlungsdosis wird vorzugsweise auch
noch die Verweildauer der Strahlung des Behandlungslasers auf dem Gewebe
auf dem jeweiligen Teilbereich gemessen und gespeichert. Durch
Aufaddieren dieser Meßwerte kann - unterstützt durch Meßwerte anderer
Sensoren - die aufgenommene Dosis sehr fein bestimmt werden. In dem
Rechner werden hierzu z. B. die örtliche Verweildauer, die von dem Gewebe
absorbierte Laserleistung und die durch die obenerwähnten
Entfernungsmessungen und Beobachtungen absolut bestimmbare
Laserfleckgröße auf der Oberfläche des Gewebes miteinander verknüpft und
daraus die Dosis berechnet. Diese Dosis kann dann in quasi Echtzeit auf
dem Referenzbild angezeigt werden, z. B. durch Colorieren oder direkt
durch Zahlenwerte in Joule pro cm2. Die von dem Behandlungslaser
abgestrahlte Laserenergie kann selbstverständlich auch fein reguliert
werden, und zwar anhand der dynamisch gewonnenen Daten der bereits von
dem Gewebe aufgenommenen Dosis. Zur Feinregulierung kann der
Einkoppelgrad des Lasers in die Lichtleitfaser geändert werden, z. B.
durch Variieren der Brennweite, des Abstandes oder durch mechanisches
Ein- oder Verschieben von Filtern bzw. Graukeilen. Eine Regulierung der
abgestrahlten Laserenergie ist auch durch eine Zeitsteuerung von
gepulsten Lasern möglich. Die Anzahl der Impulse wird z. B. direkt vom
Rechner anhand der gewonnenen Daten gesteuert.
Bei der Auswertung der aufgenommenen Dosis können neben der Auswertung
von thermischen Effekten der Laserstrahlung auch wellenlängenspezifische
Effekte berücksichtigt werden. Dies gilt z. B. für die sog.
photodynamische Therapie (PDT) oder für sonstige, durch Photonenanregung
im Gewebe stimulierte chemische Reaktionen. Hiermit können Dosiswerte
appliziert werden, deren Maximalwerte weit unterhalb der durch
thermische Effekte erzielbaren Reaktionen liegt.
Mit der geschilderten Vorrichtung werden sämtliche erfaßten Parameter
und Videobilder fortlaufend abgespeichert und können später jederzeit in
Echtzeit wieder abgespielt werden. Damit sind kritische Überprüfungen
der Operationsausführung und der jeweiligen momentanen erreichten
Zustände möglich. Dies gibt auch die Möglichkeit, simulierte Operationen
bzw. Operationssimulatoren zum Training von Chirurgen einzusetzen.
Ferner ist eine statistische Auswertung sowie eine Überprüfung und
Ergänzung der in dem Wissensspeicher 22 vorliegenden Daten möglich. Eine
Dokumentation zu Lehr- und Lernzwecken ist ebenfalls ein Vorteil, der
mit der Erfindung erreicht wird.
Für die Abbildung und ggf. Beobachtung des Operationsfeldes werden bei
den beschriebenen Ausführungsbeispielen Laser mit Lichtleitfasern
verwendet. Es versteht sich von selbst, daß auch andere Arten der
Abbildung möglich sind, so z. B. verstärkt "elektronische"
Abbildungsverfahren, etwa mit Hilfe von ladungsgekoppelten Speichern,
sogenannten CCD.
Claims (18)
1. Verfahren zum Steuern von Laserstrahlung, mit der
biologisches Gewebe im Bereiche eines Operationsfeldes dosiert
bestrahlt wird, wobei das Operationsfeld aus mehreren jeweils zu
bestrahlenden Teilbereichen zusammengesetzt ist, während der
Bestrahlung das momentane Operationsfeld optisch aufgenommen und
dargestellt wird, die Dosis auf das Gewebe gemessen sowie mit
einer vorgegebenen Dosis verglichen und die Laserstrahlung
aufgrund dieses Vergleiches gesteuert und geregelt wird,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte.
- a) Herstellen eines Referenzbildes, das das gesamte Operationsfeld und die Teilbereiche flächentreu abbildet und die in den Teilbereichen vorgegebenen Dosiswerte enthält;
- b) Darstellen des Referenzbildes während der Operation zusätzlich zu der optischen Darstellung des momentanen Operationsfeldes;
- c) Einblenden des momentanen Operationsfeldes in das Referenzbild sowie Markieren des gerade bestrahlten Teilbereiches in dem Referenzbild;
- d) Kenntlichmachen derjenigen Teilbereiche im Referenzbild, in denen die vorgegebene Dosis erreicht bzw. nicht erreicht ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
von dem momentanen Operationsfeld lediglich die mit der
Laserstrahlung gerade bestrahlte Gewebefläche im Referenzbild
dargestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die für die Teilbereiche vorgegebenen
Dosiswerte durch Colorieren der Teilbereiche im Referenzbild
kenntlich gemacht werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen Teilbereiche, in denen
die vorgegebenen Dosiswerte noch nicht erreicht sind, im
Referenzbild durch Blinken angezeigt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
für die flächentreue Abbildung des Operationsfeldes und der
Teilbereiche in dem Referenzbild die Lage charakteristischer, in
dem Operationsfeld vorhandener bzw. dort aufgebrachter
Strukturelemente durch Messen der absoluten Entfernungen und
Richtungen der Strukturelemente bezüglich eines auf die
Laserstrahlung abgebenden Operationsinstrumentes gemessen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Entfernung durch einen mechanischen Maßstab oder einen
Laser-Entfernungsmesser gemessen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Entfernung aus dem Größenverhältnis der für die Behandlung
mit Laserlicht auf dem Operationsfeld bestrahlten Fläche bei
festen Beobachtungsabstand, jedoch zwei verschiedenen
Bestrahlungsabständen mit bekanntem Versatz errechnet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Entfernung aus dem Intensitätsverhältnis der vom Gewebe
rückgestreuten Laserintensität bei hinreichend niedriger
Laserintensität und festem Beobachtungsabstand, jedoch zwei
verschiedenen Bestrahlungsabständen mit bekanntem Versatz
berechnet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Entfernung aus der Position eines Aufnahmeobjektivs einer
das Operationsfeld aufnehmenden Kamera bei Scharfstellung
ermittelt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Entfernung mittels zweier Aufnahmeobjektive
stereometrisch gemessen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Entfernung durch Triangulation abgeleitet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Gittermuster bekannter Dimension auf das Gewebe
projiziert und das von dem Gewebe reflektierte Licht über ein
gleiches Gittermuster optisch aufgenommen wird, und daß zur
Bestimmung der Entfernung das resultierende Moir´muster
ausgewertet wird.
13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- a) eine Einrichtung (Kamera 17) zur Aufnahme des Operationsfeldes;
- b) ein Operationsinstrument (3, 3′) mit Führungseinrichtungen zur Bestrahlung des Gewebes (2) mit Laserlicht;
- c) einen Operationsbildmonitor (23) zur Darstellung des momentanen Operationsfeldes ggf. mit dessen Umgebung (46);
- d) Einrichtungen (8, 8′, 11, 16, 19, 25, 26, 62, 65, 66, 71, 72) zum topographischen Vermessen der Oberfläche des Gewebes (2) innerhalb des Operationsfeldes;
- e) Einrichtungen (28) zum Bestimmen und Überwachen der vom Gewebe aufgenommenen Dosis;
- f) einen Rechner (21) zur Bildverarbeitung, der vor der Bestrahlung des Gewebes aus den Signalen der Kamera sowie der Einrichtungen zum topographischen Vermessen das aus Teilbereichen (44, 52) zusammengesetzte Referenzbild (41) berechnet;
- g) einen Referenzbildmonitor (24) zur Darstellung des Referenzbildes (41), der gerade bestrahlten Fläche (9, 47) des Gewebes in einem Teilbereich und zur Anzeige derjenigen Teilbereiche, in denen die vorgegebene Dosis erreicht bzw. nicht erreicht ist;
- h) rechnergestützte Einrichtungen zum Speichern von Bildern, Meßwerten und Bestrahlungszeiten und zum Steuern und Regeln der Laserstrahlung.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung (1) einen Operationslaser (4) und einen
Pilotlaser (5) aufweist, die beide in unterschiedlichen
Frequenzbereichen deckungsgleich das Gewebe (2) bestrahlen,
wobei lediglich die Strahlung des Operationslasers (4) wirksam
ist, daß jeweils eine Kamera (16, 19) zur Aufnahme des von dem
Gewebe (2) reflektierten Lichtes von Operations- und Pilotlaser
(4, 5) vorgesehen ist, daß die Kameras mit der
Bildverarbeitungseinrichtung des Rechners (21) verbunden sind,
die das Bild (47) der von dem Pilotlaser (5) bestrahlten
Gewebefläche (9, Fußabdruck) auf den Referenz- und den
Operationsbildmonitor (23, 24) weiterleitet, und daß eine dritte
Kamera (17) zur Aufnahme eines die von Operations- und
Pilotlaser (4, 5) bestrahlte Gewebefläche (9) umgebenden
Bereiches (13) vorgesehen ist, wobei die Kamera (17) ebenfalls
mit der Bildverarbeitungseinrichtung des Rechners (21) verbunden
ist, welche das Bild (46) dieses größeren Bereiches (46) dem
Operationsfeldmonitor (23) zuführt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum topographischen
Vermessen der Gewebeoberfläche Einrichtungen (25, 26, 71,
62, 65, 66) zum Bestimmen der Entfernung zwischen
Operationsinstrument (3, 3′) und Gewebeoberfläche (2) aufweisen.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Laserentfernungsmesser (25, 26) vorgesehen ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß das Operationsinstrument (3′) einen herausschiebbaren
mechanischen Meßstab (71) zum Bestimmen der Entfernung aufweist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß Lichtleiter (8) und/oder Objektive (8′) für die Führung der
Laserstrahlung in dem Operationsinstrument (3′) meßbar und
verschiebbar sind.
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