DE69937850T2 - Hautablationslaser - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Hautprobleme sind in der Gesellschaft weit verbreitet. Menschen sind von Erscheinungen betroffen, die von kosmetischen Beeinträchtigungen wie gutartigen Verfärbungen bis zu ernsthaften Erkrankungen wie bösartigen Melanomen reichen. Die Behandlung erstreckt sich vom „Abdecken" mit kosmetischem Make-up bis hin zum chirurgischen Entfernen.
  • Insbesondere wird das Entfernen („Haut-Peeling") einer äußeren Hautschicht zur Behandlung von Erscheinungen wie Akne, Altersflecken (oberflächliche Bereiche mit überschüssigem Melanin), oberflächliche Schädigungen (z. B. aktinische Keratosen), und gealterte Haut angewendet. 1 zeigt einen Querschnitt durch normale menschliche Haut. Die Dicke der äußeren Schicht bzw. der Oberhaut (105) variiert normalerweise in einem Bereich von 50 bis 150 μm. Die Oberhaut (105) ist durch eine Wachstumsschicht aus säulenförmigen Basalzellen (120) von der darunter liegenden Lederhaut (Corium) (110) getrennt. Die Oberhaut-/Lederhaut-Grenzfläche ist wellenförmig ausgebildet. Die Basalzellen (120) erzeugen ständig neue Keratinozyten, welche die mikroskopisch kleinen Komponenten der Oberhaut (105) darstellen. In der Basalzellenschicht befinden sich auch als Melanozyten (125) bezeichnete spezialisierte Zellen, die das Pigment Melanin (130) erzeugen. Obwohl ein Teil des Melanins (130) zusammen mit den Keratinozyten an die Hautoberfläche wandert, verbleibt die größte Melaninkonzentration (130) in der Basalzellenschicht (120). Die oberste Schicht der Oberhaut (110) in unmittelbarer Nähe der Basalzellenschicht (120) ist als Papillarschicht bekannt, wobei die Papillen eine Breite von 25 bis 100 μm aufweisen und durch vernetzte Einstülpungen („Täler") mit vergleichbarer Breite voneinander getrennt sind.
  • Durch das Entfernen der Oberhaut (105) werden oberflächliche sonnenbedingte Schädigungen, darunter Keratosen, Lentigene und feine Falten, beseitigt. Durch das Entfernen der obersten Flächenbereiche der Oberhaut (110), d. h. der obersten Papillarschicht, werden ohne oder nur mit geringer Narbenbildung die sonnengeschädigte Haut (Solarelastose) beseitigt und die Faltenstruktur verbessert.
  • Eine gegenwärtig stark verbreitete Behandlung verwendet kurze Impulse eines Kohlendioxidlasers (CO2) zum Koagulieren einer Hautschicht bis zu einer Tiefe von ungefähr 50 bis 100 μm pro Impuls. Diese Behandlung wird mitunter auch als „Laserfeeling" bezeichnet. Die Strahlung des CO2-Lasers (im Infrarotbereich von 9 bis 11 μm) wird stark von Wasser absorbiert (das in allen Geweben enthalten ist). Wenn die vom Gewebe absorbierte Energie pro Volumeneinheit zum Verdampfen des Wassers ausreicht, wird eine mikroskopisch dünne Gewebeschicht an der Oberfläche des bestrahlten Bereichs nekrotisiert; (siehe z. B. R. M. Adrian, „Concepts in Ultrapulse Laser Resurfacing", URL –
    http://www.lasersurgery.com/physisians.html (1996)). Die Haut wird an der Oberfläche des durch den Infrarotstrahl des CO2-Lasers bestrahlten Bereichs koaguliert. Nach der Bestrahlung wird die nekrotische Oberflächenschicht mechanisch entfernt und danach erneut bestrahlt, wobei dieser Prozess so lange wiederholt wird, bis das Gewebe bis zur gewünschten Tiefe entfernt ist. Aus medizinischer Sicht wird das Gewebe mit weniger Nebenwirkungen entfernt als bei anderen Verfahren, z. B. mit flüssigem Stickstoff, durch Ätzen, chemisches Abtragen; (siehe z. B. E. V. Ross et al., „Long-term results after CO2 laser skin resurfacing: a comparison of scanned and pulsed systems", J. Amer. Acad. Dermatology 37, S. 709 bis 718, 1997).
  • Folgende Eigenschaften der Strahlung führen zu verringerten Nebenwirkungen: eine Wellenlänge, bei der die Strahlung (optisch) stark absorbiert wird; und eine Impulslänge, die kurz im Vergleich zu der Zeitspanne ist, während der sich die eingestrahlte Energie im angrenzenden Gewebe verteilt; (siehe z. B. R. J. Lane, J. J. Wynne und R. G. Geronemus, „Ultraviolet Laser Ablation of Skin: Healing Studies and a Thermal Model", Lasers in Surgery and Medicine 6, S. 504 bis 513, 1987). Der kurze Impuls des CO2-Lasers mit einem Absorptionskoeffizienten im Gewebe von ungefähr 1/50 μm-1 und einer Impulslänge von ungefähr 10 bis 100 ns führt im Vergleich zur einem CO2-Dauerstrichlaser oder Lasern mit Wellenlängen im sichtbaren Spektralbereich oder im nahen Infrarot zu einer Verringerung der damit verbundenen Schädigungen. Klinische Ergebnisse an Patienten, die zum Entfernen von Falten mit den kurzen Impulsen eines CO2-Lasers behandelt wurden, zeigen jedoch eine Vielzahl unerwünschter Folgeerscheinungen, darunter Erytheme (gerötete, entzündete Haut) und Schorfbildung mit möglicher Bildung von Narbengewebe und Pigmentverlust (siehe z. B. Andrew Bowser, „Addressing Complications from Laser Resurfacing – Deep scarring and insufficient follow-up are among causes cited", Dermatology Times 18, Nr. 9, S. 50 bis 51, September 1997). Ein Problem mit dem gepulsten CO2-Laser besteht darin, dass die Absorptionstiefe der Strahlung nicht flach genug ist. Eine anderes Problem besteht darin, dass die eingestrahlte Laserleistung nicht ausreichend von der Oberfläche abgeführt wird, um Nebenwirkungen gänzlich auszuschließen. Dieses „oberflächliche Peeling" kann relativ schmerzhaft sein und erfordert oft eine Totalnarkose und eine längere Erholungsphase.
  • Ein neueres Behandlungsverfahren, das immer mehr Zuspruch findet, verwendet einen gepulsten Erbium-YAG-Laser (Er:YAG), der eine Strahlung im Infrarot bei einer Wellenlänge von 2,94 μm emittiert, bei der die Absorption noch stärker ist als bei den CO2-Wellenlängen. Die Strahlung des Er-YAG-Lasers wird in der Haut ungefähr 10 mal so stark absorbiert wie die Strahlung des CO2-Lasers. Im Vergleich mit der Bestrahlungswirkung des CO2-Lasers wird die Strahlung hier durch eine dünnere Hautschicht absorbiert, die verdampft und von der Oberfläche abgetragen wird, sodass angrenzend an das entfernte Gewebe eine dünnere thermisch geschädigte und koagulierte Schicht zurückbleibt. Die beobachteten Schädigungen durch Zersetzung des Kollagens reichten nicht tiefer als ungefähr 50 μm. (Siehe z. B. R. Kaufmann und R. Hibst, „Pulsed Erbium:YAG Laser Ablation in Cutaneous Surgery", Lasers in Surgery and Medicine 19, S., 324 bis 330, 1996).
  • Durch die Behandlung mit dem Er:YAG-Laser wird die Haut schmerz- und entzündungsfreier verjüngt und heilt schneller ab als bei der Behandlung mit dem CO2-Laser. Da die Eindringtiefe beim Er:YAG-Laser geringer ist, wird das Kollagenwachstum nicht so stark angeregt wie beim CO2-Laser, sodass feine Falten nicht so wirksam bekämpft werden. Dermatologen und kosmetische Chirurgen geben dem Er:YAG-Laser den Vorzug bei jüngeren Patienten, deren Haut nur oberflächlich geschädigt, aber nicht so faltenreich ist, während der CO2-Laser eher bei älteren Patienten bevorzugt wird, die sich Fältchen um die Lippen und um die Augen herum entfernen lassen wollen (siehe z. B. Betsy Bates, „Dermatologists Give Er:YAG Laser Mixed Reviews", Skin & Allergy News 28, Nr. 11, S. 42, November 1997). Obwohl die Eindringtiefe vermindert ist und die Haut eigentlich mehr abgetragen als nur nekrotisiert wird, begrenzen die Abtragungstiefe und die Tiefe der koagulierten Haut die Genauigkeit, mit welcher der Er:YAG-Laser Oberhautgewebe entfernen kann, ohne die darunter liegende Papillarschicht der Lederhaut zu schädigen. Obwohl die Behandlung schmerzärmer ist, benötigen viele Patienten dennoch während der Behandlung eine Anästhesie in irgendeiner Form und als Nachbehandlung zur Verhinderung von Infektionen während der Heilung die Verabreichung eines topischen antibiotischen/antimikrobiellen Mittels.
  • Allgemein ist in der Technik auch die Verwendung von Lasern im ultravioletten Spektralbereich für medizinische und zahnärztliche Anwendungen bekannt. Siehe z. B. die US-Patentschrift 4 784 135 mit dem Titel „Far Ultraviolet Surgical and Dental Procedures" von Blum, Srinivasan und Wynne, erteilt am 15. November 1988. Siehe auch die US-Patentschrift 5 435 724 mit dem Titel „Dental Procedures and Apparatus using Pulsed Ultraviolet radiation" von Goodman, Wynne, Kaufman und Jacobs, erteilt am 25. Juli 1995.
  • In dem Dokument WO 96/28 212 wird ein chirurgisches System gemäß der Präambel von Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Dennoch besteht weiterhin ein Bedarf an einer Vorrichtung, die eine Hautbehandlung in einer schmerzfreien Umgebung ermöglicht, eine ausgezeichnete Steuerung erlaubt und durch die Vermeidung von Erythemen und Narbengewebe wesentlich geringere gesundheitliche Schädigungen verursacht. Ferner besteht ein Bedarf an einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Anwendung von ultraviolettem Licht (UV), das in Form einer genau gesteuerten, abzählbaren Anzahl kurzer Impulse mit einem ausreichenden Lichtstrom zum Abtragen der Haut bereitgestellt wird, um bei ausgezeichneter Steuerung in der Querrichtung und in der Tiefe dünne Hautschichten am Bestrahlungsort zu entfernen, wobei die angrenzende und unterhalb des abgetragenen Bereichs liegende Haut möglichst wenig geschädigt wird. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Anforderungen.
  • Ferner besteht auch ein Bedarf an einer Vorrichtung und einem Prozess, mit dessen Hilfe eine kontrollierte Entfernung der Oberhaut bis hinab zur Papillarschicht der Lederhaut möglich ist, der die Welligkeit der Papillarschicht der Lederhaut berücksichtigt. Die vorliegende Erfindung erfüllt eine solche Anforderung.
  • BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß den oben erwähnten Anforderungen betrifft die vorliegende Erfindung ein (als Dermablator bezeichnetes) System, das zum Durchführen eines verbesserten „Laser-Peeling" der Haut verwendet werden kann. Die vorliegende Erfindung wird in einem als Dermablation (Hautabtragung) bezeichneten Prozess verwendet, der zu einem sauberen und genauen Abtragen einer Hautoberfläche führt, während die damit verbundene Schädigung der unterhalb des behandelten Bereichs liegenden Haut möglichst gering gehalten werden.
  • Ein Beispiel für ein chirurgisches System zum Entfernen von Haut mit den Merkmalen der vorliegenden Erfindung beinhaltet Folgendes: eine gepulste Lichtquelle zum Bereitstellen eines Lichtstroms F, die einen Abtragungsschwellenwert Fth des Lichtstroms überschreitet; und einen mit der Lichtquelle verbundenen Steuermechanismus, um das von der Lichtquelle kommende Licht auf Stellen auf der Haut zu richten und zu ermitteln, ob eine Stelle auf der Haut bereits bis zu einer gewünschten Tiefe abgetragen worden ist.
  • Die Lichtquelle ist ein Laser, zum Beispiel ein Argonfluorid-Laser (ArF) mit einer Wellenlänge von ungefähr 193 nm.
  • Die vorliegende Erfindung weist andere Merkmale auf, welche die Abtragungstiefe aufgrund einer durch die physiologische Reaktion der Haut bedingten Rückkopplung begrenzen, die sich durch das Einströmen von Blut in den Abtragungsbereich äußert, wenn die Haut so weit abgetragen wurde, dass es zur Blutung kommt. Das Einströmen von Blut kann als „Haltsignal" angesehen werden, um ein weiteres Abtragen zu verhindern und dadurch die Hautabtragung wirksam zu beenden. Das Blut kann dann mit einer physiologischen Kochsalzlösung ausgewaschen werden, um den Bereich für die weitere Behandlung zu säubern.
  • Das System gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet einen Laser mit relativ geringem Absorptionsvermögen in Blut, zum Beispiel einen ArF-Laser, um die Haut so weit abzutragen, bis es zur Blutung kommt. Dann wird ein zweiter Laser verwendet, zum Beispiel eine UV-Lichtquelle mit einer anderen Wellenlänge und einem relativ starken Absorptionsvermögen in Blut, um in das Blut einzudringen, es stark genug zu erhitzen und zu gerinnen, damit die nachfolgende Blutung unterdrückt wird und das Gewebe noch in der Lage ist, ohne die Bildung von Narbengewebe abzuheilen.
  • Das System umfasst ferner Folgendes: eine Koagulationslichtquelle mit einer anderen Wellenlänge als der ArF-Laser und einem relativ starken Absorptionsvermögen in Blut; ein Mittel zum Erkennen von auftretendem Blut an einer bestimmten Stelle der Haut; und ein Mittel zum Umschalten auf die koagulierende Lichtquelle als Reaktion auf das Erkennen von Blut an einer bestimmten Stelle der Haut.
  • Beispiele für die koagulierende Lichtquelle sind unter anderem ein Kryptonfluorid-Laser (KrF) mit einer Wellenlänge von ungefähr 248 nm; ein Xenonchlorid-Laser (XeCl) mit einer Wellenlänge von ungefähr 308 nm; und ein Xenonfluorid-Laser (XeF) mit einer Wellenlänge von ungefähr 351 nm.
  • Die vorliegende Erfindung weist noch weitere Merkmale auf, die eine genaue Steuerung in der Querrichtung und in der Tiefe ermöglichen, damit die Oberhaut dem wellenförmigen Profil der Papillarschicht der Lederhaut folgend bis zu dieser abgetragen werden kann und die Papillen nicht erreicht werden, obwohl die Lederhaut an den benachbarten vernetzten Einstülpungen bereits entfernt wurde. Diese Steuerung in der Querrichtung und in der Tiefe kann durch sorgfältige Beobachtung unter Zuhilfenahme spektroskopischer Mittel erreicht werden, um mit einer für die Abstände des wellenförmigen Profils der Papillarschicht der Lederhaut ausreichenden Auflösung zu erkennen, wann die Oberhaut entfernt und die darunter liegende Lederhaut freigelegt worden ist.
  • Die Steuerung in der Querrichtung und in der Tiefe gemäß der vorliegenden Erfindung stellt einen Vorteil gegenüber dem Laser-Peeling nach dem Stand der Technik dar, das bei Wellenlängen arbeitet, bei denen das unterhalb des abgetragenen Bereichs liegende Gewebe thermisch geschädigt und deshalb dieses darunter liegende Gewebe denaturiert und koaguliert wird. Bei der Verwendung heutiger CO2-Laser beispielsweise ist es schwierig, wenn nicht sogar unmöglich, durch Echtzeitbeobachtung und/oder Rückkopplungssteuerung zu ermitteln, wie tief die Abtragung fortgeschritten ist.
  • Daher weist die vorliegende Erfindung noch andere Merkmale auf, die einen Rückkopplungssteuermechanismus unter Verwendung der optischen Eigenschaften wie beispielsweise der Farbe, des Sichtbarwerdens und des Remissionsgrades der definierbaren Hautschichten ermöglichen. Bei der Abtragung mittels UV-Licht bleibt das unterhalb des abgetragenen Bereichs liegende Gewebe in Form und Farbe ungeschädigt, sodass in Echtzeit ermittelt werden kann, ob die Abtragung bis zur richtigen Tiefe, z. B. bis zur Oberhaut-/Lederhaut-Grenzfläche oder schon darüber hinaus, fortgeschritten ist.
  • Ein weiteres Beispiel, das die vorliegende Erfindung nicht betrifft, beinhaltet ein Mittel zum kontrollierten Abtragen der Haut durch Erkennen einer Farbänderung in der Nähe oder direkt an der Oberhaut-/Lederhaut-Grenzfläche. Als Steuermechanismus kann ein Rückkopplungsmechanismus infrage kommen, der Folgendes umfasst: eine zweite Lichtquelle zum Beleuchten der Haut; und mindestens einen Fotodetektor mit einem Eingang und einem Ausgang; wobei der Eingang das gestreute/reflektierte/Fluoreszenz-Licht der zweiten Lichtquelle empfängt und der Ausgang ein Rückkopplungssignal bereitstellt, damit die Lichtquelle als Reaktion auf die zweite Lichtquelle am Eingang an einer bestimmten Stelle ausgeblendet wird. Als Beispiele für die zweite Lichtquelle kommen unter anderem infrage: eine Lichtquelle im sichtbaren Spektralbereich; eine Infrarot-Lichtquelle; und eine Raumbeleuchtung. Als weiteres Beispiel für die zweite Lichtquelle kommt eine Lichtquelle infrage, die durch das Melanin der Oberhaut relativ stark absorbiert und durch eine Lederhautschicht relativ stark remittiert wird.
  • Außerdem weist die vorliegende Erfindung Merkmale auf, die zur Automatisierung der Hautabtragung dienen, indem der abtragende Laserstrahl durch die Steuerung mit einem Computersystem, das sich zur Steuerung der Abtragungstiefe an jeder Stelle der Echtzeitbeobachtung und/oder der Rückkopplung bedient, genau und reproduzierbar über einen bestimmten Hautbereich geführt werden kann. Die abzutastenden Bereiche können durch einen zusätzlichen Justierlaser im sichtbaren Spektralbereich gekennzeichnet werden, der zum Abtasten des zu behandelnden Hautbereichs mit dem Justierstrahl eine Eingabeeinrichtung verwendet und die Strahlpositionen für das nachfolgende automatische Abtasten desselben Bereichs mit dem abtragenden Laserstrahl aufzeichnet. Alternativ kann der Behandlungsbereich gekennzeichnet werden, indem sein Bild mit einer Kamera aufgenommen wird und die zu behandelnden Stellen auf der digitalen Aufnahme markiert werden.
  • Ein Beispiel für ein automatisiertes System mit den Merkmalen der vorliegenden Erfindung beinhaltet einen Justier- und Aufzeichnungsmechanismus, der Folgendes umfasst: einen Laser im sichtbaren Spektralbereich, der einen Strahl zum Beleuchten der Haut an einer Stelle emittiert, die mit der Stelle für das abtragende Licht übereinstimmt; ein Mittel zum Abtasten der Hautbereiche mit dem Strahl; und ein Mittel zum Aufzeichnen der abgetasteten Strahlpositionen, das mit dem Abtastmittel verbunden ist, damit eine abtragende Lichtquelle anschließend die Hautbereiche automatisch abtasten kann.
  • Ein Beispiel für den Computer- und Steuermechanismus beinhaltet: einen oder mehrere drehbare Spiegel, wobei die Spiegel so im Strahlengang der Lichtquelle angeordnet sind, dass das Abtasten mit der Lichtquelle gesteuert werden kann; einen oder mehrere mit den Spiegeln verbundene Motoren zum Drehen des einen oder der mehreren Spiegel um einen Winkel und zum Rückmelden deren Winkelpositionen; und einen mit der Lichtquelle und den Motoren verbundenen Computer, um die Lichtquelle an einer bestimmten Stelle auf der Haut selektiv abzublenden.
  • Bei einem weiteren Beispiel beinhaltet der Computer ein mit der Lichtquelle verbundenes Rückkopplungssteuersystem, um die Lichtquelle an einer bestimmten Stelle auf der Haut selektiv abzublenden. Als Abblendmechanismus kann eine mit dem Rückkopplungssteuersystem verbundene Aktivmaskenanordnung infrage kommen, um die Lichtquelle an einer bestimmten Stelle selektiv abzublenden, die bereits bis zur gewünschten Tiefe abgetragen worden ist.
  • Noch ein weiteres Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung stellt ein Robotik-/Laser-System dar, das ferner Folgendes beinhaltet: eine Kamera zum Darstellen eines Bildes der Stellen auf der Haut; einen mit der Kamera verbundenen Computer, der einen Ausgang zum Anzeigen und einen Eingang zum Eingeben der Stellen auf der Haut aufweist, auf welche der Laser gerichtet wird.
  • Vorzugsweise beinhaltet das Robotik-/Laser-System Folgendes: einen oder mehrere drehbare Spiegel, die so im Strahlengang Lichtquelle angeordnet sind, dass das Abtasten mit der Lichtquelle gesteuert werden kann; einen oder mehrere mit den Spiegeln verbundene Motoren zum Drehen des einen oder der mehreren Spiegel um einen Winkel und zum Rückmelden deren Winkelpositionen; eine zweite Lichtquelle zum Beleuchten der abzutragenden Haut, wobei das Licht von der zweiten Lichtquelle an der abgetragenen Stelle gestreut/reflektiert/zum Fluoreszieren gebracht wird; einen Fotodetektor mit einem Eingang und einem Ausgang; wobei der Eingang das Licht von der zweiten Lichtquelle empfängt und der Ausgang mit dem System verbunden ist und ein Rückkopplungssignal an das System liefert, damit es die gepulste Lichtquelle an einer bestimmten Stelle unterdrückt.
  • Vorzugsweise beinhaltet das Robotik-/Laser-System einen Zuordnungsmechanismus zum Zuordnen der Koordinaten eines Punktes in einem patientenbezogenen Bezugskoordinatensystem zu einer entsprechenden Position im Bezugssystem des Robotik-/Laser-Systems. Ein Beispiel für den Zuordnungsmechanismus beinhaltet ein Mittel zum Anbringen von Justiermarken auf der Haut; einen mit dem Computer verbundenen beweglichen Nachführlaser zum Aufzeichnen der 3D-Koordinaten der Justiermarken; und ein Triangulationsmittel zum Erstellen der 3D-Koordinaten der Justiermarken im Bezugssystem des Nachführlasers. Ein weiteres Beispiel für den Zuordnungsmechanismus umfasst Folgendes: ein Mittel zum Zuordnen der einer Hautfläche im patientenbezogenen Bezugskoordinatensystem entsprechenden Punkte nach einer Änderung der Position zu derselben Hautfläche in einem patientenbezogenen Bezugssystem vor der Positionsänderung. Noch ein weiteres Beispiel des Registrierungsmechanismus umfasst ein Mittel zum genauen Ausrichten der Lichtquelle durch Zuordnen der Punkte einer in einem digitalen Bild definierten Hautfläche zu einer Hautfläche des Patienten.
  • Ein alternatives Zuordnungsmittel umfasst Folgendes: ein Mittel zum Anbringen von Justiermarken auf der Haut; ein Paar mit dem Computer verbundener Kameras, die zum Aufzeichnen der Koordinaten der Justiermarken an festen Positionen des Robotik-/Laser-Systems montiert sind; ein Kalibrierungsmittel zum Zuordnen der festen Positionen der Kameras zum Robotik-/Laser-System durch eine vorgegebene Kalibrierungstransformation; und ein Kameramodell zum Abbilden der Beziehung zwischen jedem Punkt in den 2D-Bildern der Kameras und einem Satz von 3D-Punkten in einem darauf projizierten Bildraum.
  • Ein weiteres Beispiel für ein Robotik-/Laser-System gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet Folgendes: eine Kamera zur Wiedergabe eines Bildes der Punkte auf der Haut; einen mit der Kamera verbundenen Computer, wobei der Computer einen Ausgang zum Anzeigen und einen Eingang zum Markieren der Punkte auf der Haut aufweist, auf die der Laser ausgerichtet wird; ein flexibles Lichtwellenleiterbündel mit einem Ausgang an einem Ende und einem Eingang am anderen Ende, wobei sich das Ende mit dem Ausgang an einer am Patienten anzubringenden Maske befindet und das Ende mit dem Eingang auf bestimmte Weise die Lichtquelle aufnimmt; und einen in der Nähe des Endes mit dem Eingang befindlichen abnehmbaren Spiegel zum Betrachten der Haut durch das Lichtwellenleiterbündel unter Verwendung der Kamera.
  • Außer der Beseitigung kosmetischer Defekte, d. h. von seborrhoischen Keratosen und Lentigenen, bietet der Dermablator bzw. die Hautabtragung eine Möglichkeit zur Behandlung anderer pathologischer Oberhautdefekte, darunter Morbus Bowen, exophytisch wachsende Karzinome, Flachwarzen, Lichen-Planus-ähnliche Keratose (LPLK) und aktinische Keratosen. Somit stellt diese Erfindung eine Vorrichtung und einen Prozess zur Behandlung einer Vielzahl verbreiteter Hauterkrankungen bereit.
  • Darüber hinaus gibt es für diese Erfindung noch viele andere Anwendungen: (i) aufgrund der genauen Oberflächenbearbeitung kann das Gewebe bei der Hautabtragung „markiert", d. h. mit einer Kennmarke entweder am Patienten selbst oder an Biopsieproben gekennzeichnet werden; (ii) lokalisierte Pilzinfektionen des Zehennagels können durch Abtragen des infizierten Bereichs bis zur gewünschten Tiefe behandelt werden, ohne das darunter liegenden Gewebe zu schädigen; (iii) Verbrennungswunden (Eschar als Ergebnis schwerer Verbrennungen) können entsprechend der variierenden Dicke des Eschars mit dem Dermablator abgetragen werden, wobei das Abtragen überall dort beendet wird, wo gesundes, lebensfähiges Gewebe freigelegt wird; (iv) das maligne Melanom kann durch die Hautabtragung entfernt werden, ohne dass es zu chirurgisch bedingten Metastasen kommt, d. h. ohne dass aktive Krebszellen in den Körper des Patienten gelangen; Patienten mit einer bakteriellen oder Virusinfektion (z. B. AIDS) können ohne die Gefahr behandelt werden, dass das von der Oberfläche abgetragene Gewebe aktive virale Partikel oder andere Mikroben enthält, da bei der Hautabtragung das abgetragene Material in kleine inerte molekulare oder atomare Bestandteile zerlegt wird; (vi) bei Patienten mit dem seltenen Syndrom Epidermolysis Bullosa, deren empfindliche Haut sogar nach kleineren oberflächlichen Schnitten und Wunden nicht von selbst abheilen kann, können Verletzungen der Oberhaut mit der Dermablation entfernt werden, ohne deren empfindliche Lederhaut zu schädigen; und (vii) Verletzungen des Augenlides am tarsalen Rand wie beispielsweise Hydrocystom und Chalazion (sty) können mit hoher Genauigkeit behandelt werden, wobei es nur zu geringer Schädigung der Augenwimpern kommt und die Wahrscheinlichkeit von Einkerbungen oder anderen Vertiefungen am tarsalen Rand minimiert wird, die den Tränenfluss und die Ausbreitung von Schleim an der Innenfläche des Augenlides behindern können.
  • Eine weitere Anwendung der Dermablation stellt das Entfernen des Basalzellenkarzinoms dar. Hierbei kann die geschädigte Stelle selektiv mit einer körperfremden Substanz markiert werden, das einen Kontrast zwischen der erkrankten Stelle und dem umgebenden gesunden Gewebe erzeugt. In Biopsieproben werden Basalzellenkarzinome durch eine histologische Standardbehandlung vom umgebenden Gewebe unterschieden, d. h. durch Anfärben des Gewebes mit Chemikalien. Durch dieses histologische Verfahren wird das Basalzellenkarzinom bei der Biopsie diagnostiziert. Farbstoffe können auch direkt auf den Patienten aufgebracht werden, um eine sichtbare Differenzierung des Basalzellenkarzinoms zu erreichen, wobei die Differenzierung zur Steuerung des Dermablators genutzt wird, um die erkrankte Stelle mit möglichst geringen Nebenwirkungen zu entfernen.
  • Das System gemäß der vorliegenden Erfindung wird bei einem Verfahren zum Entfernen von Haut eingesetzt, das die folgenden Schritte umfasst: Richten von Licht aus der Lichtquelle auf Stellen auf der Haut; gesteuertes Ermitteln, ob eine Stelle auf der Haut bis zu einer gewünschten Tiefe abgetragen wurde;
    wobei das Verfahren ferner die folgenden Schritte umfasst: Erkennen des Auftretens von Blut an einer bestimmten Stelle auf der Haut; und Umschalten auf eine Koagulationslichtquelle (820) als Reaktion auf das Erkennen von Blut an einer bestimmten Stelle auf der Haut, wobei die bereitgestellte Lichtquelle eine andere Wellenlänge als der ArF-Laser und ein relativ hohes Absorptionsvermögen in Blut aufweist.
  • Vorzugsweise kann das System gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem Verfahren gemäß der obigen Beschreibung eingesetzt werden, wobei der gesteuerte Ermittlungsschritt den Schritt des kontrollierten Abtragens der Oberhaut entlang dem Verlauf einer Oberhaut-/Lederhaut-Grenzfläche umfasst.
  • Vorzugsweise umfasst der gesteuerte Ermittlungsschritt ferner den Schritt des Erkennens einer Farbänderung in der Nähe oder unmittelbar an der Oberhaut-/Lederhaut-Grenzfläche.
  • Vorzugsweise umfasst ein Verfahren unter Verwendung der Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ferner die folgenden Schritte: gesteuertes Abtasten der Haut mit der Lichtquelle; und selektives Abblenden der Lichtquelle an einer bestimmten Stelle auf der Haut, wenn diese bis auf die gewünschte Tiefe abgetragen worden ist.
  • Vorzugsweise umfasst ein Verfahren unter Verwendung der Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ferner die folgenden Schritte: Beleuchten der Haut mit einem Strahl aus einem Laser im sichtbaren Spektralbereich an einer Stelle, die mit der Stelle des abtragenden Lichts übereinstimmt; Abtasten der Stellen auf der Haut mit dem Strahl; Aufzeichnen der mit dem Strahl abgetasteten Positionen als Reaktion auf den Abtastschritt; und automatisches Abtasten der Stellen auf der haut mit einer abtragenden Lichtquelle als Reaktion auf den Aufzeichnungsschritt.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Im Folgenden wird nun die Erfindung lediglich in Form eines Beispiels unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
  • 1 einen Querschnitt durch normale menschliche Haut zeigt;
  • 2 eine Form der gemäß der vorliegenden Erfindung gebauten Vorrichtung zeigt;
  • 3 eine Form der gemäß der vorliegenden Erfindung gebauten Vorrichtung zeigt;
  • 4A eine Form der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung unter Einbeziehung des Chirurgen zeigt, der direkt am Patienten tätig ist;
  • 4B eine Form der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, die ein Mittel zum Abtasten mit dem Laserstrahl beinhaltet;
  • 4C eine Form der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung unter Einbeziehung des Chirurgen zeigt, der mittels eines ferngesteuerten Mechanismus am Patienten tätig ist;
  • 5 eine Form der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung unter Einbeziehung des Chirurgen zeigt, der mittels eines ferngesteuerten Mechanismus am Patienten tätig ist;
  • 6 ein Schaubild ist, aus dem die Bedienung der Vorrichtung der 4C und 5 ersichtlich ist; die 7, 8 und 10 Beispiele einer gemäß der vorliegenden Erfindung gebauten Vorrichtung zeigen; und
  • 9 eine Vorrichtung veranschaulicht, die nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Zur Orientierung wird erläutert, dass UV-Licht dünne Gewebeschichten in Abhängigkeit vom Lichtstrom F entfernt. Es gibt einen Schwellenwertlichtstrom Fth, und Bereiche der Gewebeoberfläche, die mit einem Lichtstrom F größer als Fth bestrahlt werden, werden bei jedem (kurzen) Lichtimpuls bis zu einer Tiefe von ungefähr 1 μm abgetragen. Das nicht abgetragene Gewebe unterhalb und neben dem abgetragenen Bereich absorbiert etwas Licht und wird bis zu einer Tiefe von etwas weniger als 1 μm beschädigt, also weniger als die Dicke einer Zelle. Nachfolgende Lichtimpulse entfernen weitere dünne Schichten, und nach dem letzten Impuls bleibt an den Rändern des abgetragenen Bereichs nur noch eine ultradünne Gewebeschicht dünner als eine Zelle zurück, die geschädigt wird. Somit werden Nebenwirkungen von Natur aus auf ein Mindestmaß verringert. Der Chirurg oder der Allgemeinmediziner benötigt eine Lichtquelle mit einem Lichtstrom F > Fth und ein Bestrahlungsinstrument. Als Lichtquelle kann ein gepulster Laser im fernen UV-Spektralbereich, zum Beispiel ein Excimer-Laser infrage kommen. Verschiedene Excimer-Laser emittieren Strahlung bei verschiedenen Wellenlängen, die das Gewebe bis zu unterschiedlichen Tiefen und mit unterschiedlichen Schwellenwerten Fth abtragen. Bestens bekannt sind unter anderem die UV-Excimer-Lasersysteme XeF bei 351 nm, XeCl bei 308 nm, KrF bei 248 nm und ArF bei 193 nm. Alle Excimer-Lasersysteme sind in der Lage, Lichtimpulse im fernen UV-Spektralbereich zu emittieren, die den Abtragungsschwellenwert für menschliches (und tierisches) Gewebe einschließlich Haut übersteigen.
  • 2 zeigt ein Beispiel für eine Vorrichtung mit den Merkmalen der vorliegenden Erfindung. Die Figur zeigt als mögliches Bestrahlungsinstrument eine „Leitung" 205, durch die der Lichtstrahl 210 von der Quelle zum Gewebe übertragen wird und die einen Umlenkspiegel 215 zum Lenken des Strahls um Ecken und ein justierbares Linsen-/Maskensystem, zum Beispiel eine Linse 220 und einen Schlitz 225 am Austrittsende, beinhaltet, um den Lichtstrahl an das Bestrahlungsmuster des Gewebes anzupassen.
  • 3 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Vorrichtung mit den Merkmalen der vorliegenden Erfindung. Die Figur zeigt als mögliches Bestrahlungsinstrument einen Lichtwellenleiter oder ein Lichtwellenleiterbündel 305 mit einem Griffstück 310 zum Bedienen durch den Arzt oder Techniker, um den Lichtstrahl auf den zu bestrahlenden Hautbereich zu applizieren.
  • Die 1 und 2 zeigen, dass das Bestrahlungsinstrument von 2 so justiert werden kann, dass der UV-Lichtstrahl auf eine Fläche fokussiert werden kann, die kleiner als die Querschnittsfläche einer Einstülpung der Oberhaut ist. Dann kann der Lichtstrahl die Fläche so lange bestrahlen, bis die Oberhaut vollständig entfernt ist, bis der Strahl auf eine benachbarte Fläche gerichtet wird, wo die Prozedur wiederholt und diese neue Oberhautfläche bis zur Lederhaut hinab abgetragen wird. Auf diese Weise kann das Profil der unregelmäßigen Oberhaut-/Lederhaut-Grenzfläche berücksichtigt werden. Durch das Abtasten einer Hautfläche in dieser Weise mit dem UV-Laserstrahl wird nur die Oberhaut mit einer Genauigkeit entfernt, die dem Profil der Papillen in der Papillarschicht folgt.
  • Im Folgenden wird ein Aspekt der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines einzigartigen Erkennungsschemas genauer erörtert, mit dem das Gewebe entsprechend seinem Profil genau abgetragen werden kann. Die Oberhaut enthält Melanin und ist dadurch gefärbt, während die Lederhaut weiß ist. Zum Beispiel kann der praktische Arzt die abgetragene Stelle beobachten, um das Auftreten von weißem Hautgewebe zu erkennen.
  • 4A zeigt, dass die zu bestrahlende Haut 405 auch durch Abdecken des Bereichs mit einem Maskierungsmaterial definiert werden kann, das die Strahlung außerhalb des Bereichs, an welchem das Gewebe abgetragen werden soll, sperrt/absorbiert/reflektiert. Das Maskierungsmaterial 410 kann sogar aus einem erodierbaren Material und in verschiedenen Dicken hergestellt werden, sodass ein homogener Lichtstrahl das Material entfernt und die Haut unterhalb der Maske erst dann abträgt, nachdem die Maske ganz erodiert wurde. Dadurch würden verschiedene Gewebebereiche unterschiedlich hohe „Strahlungsdosen" erhalten, sodass Bereiche der behandelten Haut bis zu einer Tiefe abgetragen werden, die durch die genaue Fertigung der zerstörbaren Maske gesteuert wird. Die Maske kann mit einem Markierungsmaterial imprägniert werden, z. B. mit einem fluoreszierenden Farbstoff, der ein deutlich erkennbares Signal liefert, während die Maske erodiert wird, wobei das Signal verschwindet, sobald die Maske vollständig erodiert ist. Alternativ kann das „Maskieren" auch durch Auftragen einer Sonnenschutzcreme oder -salbe, z. B. von Zinkoxid erfolgen, um Bereiche abzudecken, wo kein Gewebe abgetragen werden soll. Dieser Sonnenschutz müsste so dick sein, dass er während der Behandlung nicht vollständig bis zur darunter liegenden Haut zerstört wird.
  • Ein Robotik-/Laser-System kann zum Abtasten mit einem abtragenden Laserstrahl dienen, um auf jede Stelle der zu bestrahlenden Hautfläche eine genau festgelegte Anzahl von Impulsen zu richten. 4B zeigt ein Beispiel eines solchen Robotik-/Laser-Systems, das die Merkmale der vorliegenden Erfindung aufweist. Dieses System ist dem Raster eines Elektronenstrahls in der Elektronenstrahlröhre eines Fernsehbildschirms analog. Die während einer Abtastung (oder eines Durchlaufs) des Laserstrahls eingestrahlte Energiemenge oder Anzahl von Impulsen ist hinreichend klein, sodass auf jede Stelle eine passende Dosis aufgebracht werden kann, indem die Fläche unterschiedlich oft abgetastet wird. Wenn jedoch das Gewebe schneller abgetragen werden soll, könnte zunächst während jedes Durchlaufs eine größere Energiemenge aufgebracht werden, sodass die Tiefensteuerung zwar nicht so genau ist, aber die Annäherung an die gewünschte Tiefe schneller erreicht wird. Die nachfolgenden Durchlaufe können dann mit immer geringerer Laserenergie durchgeführt werden, sodass die Tiefensteuerung genauer wird und der Chirurg das Gewebe punktgenau bis zur gewünschten Tiefe entfernen kann. Unabhängig davon, ob der Chirurg die Laserenergie zwischen einzelnen Durchlaufen ändert, kann ein Durchlauf selbst aus einem oder mehreren Laserimpulsen für jede Stelle des bestrahlten Gewebes bestehen, wobei die Anzahl der Impulse so gewählt wird, dass das Gewebe bis zur gewünschten Tiefe entfernt wird. Ein Beispiel stellt ein stationärer Laser 415 dar, der einen durch einen computergesteuerten Mechanismus gelenkten Strahl emittiert. Gemäß der Figur kann ein solcher Mechanismus aus einem Paar Spiegel 420 bestehen, die sich um rechtwinklig zueinander stehende Achsen drehen. Die Spiegel könnten durch (nicht gezeigte) Motoren mit Positionscodierern gesteuert werden, die eine genaue digitale Zuordnung der Drehwinkel 430 der Spiegel ermöglichen. Die Motoren können durch eine standardmäßige A/D-D/A-Schaltung gesteuert werden, die an einen Computer 425 angeschlossen ist, in welchem eine Standardsoftware zur Servosteuerung läuft. Die Codierungsdaten des Motors liefern die erforderlichen Positionierungsdaten für die Feinsteuerung. Dieses System ist vorzugsweise so ausgelegt, dass es bei einer typischen Zielentfernung von 0,5 m eine Positionierung des Laserstrahls auf der Haut auf mindestens 25 μm genau ermöglicht. Sowohl das Steuerschema als auch die Codierer, die Motoren, die mechanische Toleranz und der Abstand vom Ziel beeinflussen die Systemgenauigkeit. Es wird davon ausgegangen, dass das Robotiksystem vor Gebrauch kalibriert wurde und die Toleranzen der Hin- und Herbewegungen hinreichend genau bekannt sind, um diese Genauigkeitsanforderungen zu erfüllen.
  • Das System (das im Folgenden anhand von Beispielen beschrieben wird) ist vorzugsweise in der Lage, den Laserstrahl mit der erforderlichen Genauigkeit an jeder Stelle auf der (unregelmäßigen) Oberfläche der Haut zu positionieren.
  • Der Chirurg kann den durch den Laser abzutastenden Bereich unter Verwendung verschiedener möglicher Techniken einstellen. Zum Beispiel kann der Chirurg eine physische Maske oder Platte am Robotik-/Laser-System befestigen, das den Bereich der Winkel der Spiegel begrenzt, unter denen der Strahl aus der Lasereinheit austritt. Alternativ kann der Chirurg den Winkelbereich der Spiegel einstellen, indem er über eine Benutzereingabeeinrichtung wie beispielsweise eine Tastatur, eine Maus oder einen Joystick mit der Steuersoftware in Verbindung tritt. Nachdem der Chirurg den Abtastbereich festgelegt hat, kann er sich noch einmal vergewissern, indem den Bereich mit dem Lasersystem unter Verwendung von sichtbarem Licht abtastet. Dadurch kann sich der Chirurg den durch den Laser abzutastenden Bereich vorher noch einmal anschauen. Wenn der abgetastete Bereich nicht stimmt, kann der Chirurg den Patienten umlagern oder den Bereich des Lasers in der oben beschriebenen Weise einstellen.
  • Das System ist nicht nur in der Lage, den Behandlungsbereich zum Abtragen von Gewebe mit UV-Laserenergie zu bestrahlen, sondern diese Stellen mit durch das menschliche Auge oder einen elektronischen Detektor oder eine bildgebende Detektoranordnung wahrnehmbarem Licht zu beleuchten. Dieses sichtbare Licht dient zum Ausrichten des Systems, indem das Gewebe an denselben Stellen beleuchtet wird, wo der abtragende UV-Strahl auf das Gewebe trifft, wenn er nicht anderweitig abgeblendet oder ausgeschaltet wird. Alternativ kann es sich bei dem System um ein Robotiksystem mit zwei Freiheitsgraden (2DOF) handeln, das einen Laserstrahl genau und reproduzierbar über einen vorgegebenen Hautbereich führen kann. Bei dem System kann es sich auch um einen 2DOF-Robotikarm handeln, bei dem am Austrittsende ein Laserstrahl austritt.
  • Bei den folgenden Versionen der vorliegenden Erfindung kann das Robotik-/Laser-System programmiert werden, um: (i) systematisch nacheinander jede Stelle innerhalb eines gekennzeichneten Bereichs zu erreichen (Vollabtastung); (ii) nur bestimmte interessierende Stellen auf der Hautoberfläche zu erreichen; oder (iii) eine Vollabtastung unter Ausschluss bestimmter gekennzeichneter Bereiche innerhalb der gesamten abgetasteten Fläche durchzuführen. Bei jedem dieser Szenarien besteht die allgemeine Vorgehensweise im Wechsel zwischen (a) dem Kennzeichnen der zu bestrahlenden Gewebebereiche und (b) dem Bestrahlen dieser interessierenden Bereiche mit Laserenergie und dem damit verbundenen Entfernen einer dünnen Gewebeschicht, wobei die Schritte (a) und (b) bis zum Ende der Behandlung wiederholt werden.
    • Szenario (i): systematisches Aufsuchen jeder Stelle nacheinander und gleichzeitiges Schützen bestimmter Bereiche vor dem Abtragen von Gewebe unter Verwendung einer physischen Maske. Wie 4A zeigt, ist das Robotik-/Laser-System in der Lage, zwei verschiedene Laserstrahlen zu emittieren, einen UV-Laser zum Abtragen und einen Laser im sichtbaren Spektralbereich zum Justieren. Während die UV-Laserquelle abgeblendet ist, tastet der Chirurg die zu behandelnde Hautfläche mit dem sichtbaren Justierstrahl 412 ab und kennzeichnet dadurch die Fläche für den Steuermechanismus des Systems. Dann legt der Chirurg eine physische Maske oder ein Maskierungsmaterial 410 auf diejenigen Bereiche 406 innerhalb der Fläche, die während des Abtragungsvorgangs zwar bestrahlt aber nicht behandelt, d. h. nicht abgetragen werden sollen. Die Maske kann aus einem reflektierenden Material bestehen und dadurch die UV-Laserenergie von der darunter liegenden Haut zurückhalten. Alternativ kann die Maske aus einem absorbierenden Material bestehen, dessen Abtragungsschwellenwert größer als der der Haut ist. Eine weitere Alternative besteht darin, dass das absorbierende Material so dick ist, dass die Maske durch den Behandlungsprozess nicht in ihrer gesamten Dicke erodiert wird. Dann öffnet der Chirurg die Blende, gibt damit die UV-Strahlung frei und tastet mit dieser die gekennzeichnete Fläche 407 ab. Nach einer Vollabtastung schätzt der Chirurg die bestrahlte Fläche ein. Dann kann auf diejenigen Bereiche ein Maskierungsmaterial aufgetragen werden, an denen kein Gewebe mehr entfernt werden soll. Dann wiederholt der Chirurg den Prozess so lange, bis alle zu behandelnden Stellen bis zur gewünschten Tiefe abgetragen worden sind, wobei der abgedeckte Bereich bei jedem Durchlauf vergrößert wird. Da sich die abzutragenden Stellen von den nicht abzutragenden benachbarten Stellen durch eine physische Maske unterscheiden, sind in allen Phasen während der Prozedur kleinere Bewegungen des Patienten zulässig.
    • Szenario (ii): Aufsuchen lediglich bestimmter Stellen innerhalb der größeren zu behandelnden Fläche und Schützen anderer Stellen innerhalb der größeren Fläche vor dem Abtragen durch eine „elektronische Blende". 4C zeigt ein Beispiel für ein computergesteuertes Robotik-/Laser-System 402 gemäß der vorliegenden Erfindung, das zwei verschiedene Laserstrahlen emittieren kann: einen UV-Laserstrahl zum Abtragen; und einen Laserstrahl im sichtbaren Spektralbereich zum Justieren. Ebenso wie oben kann der Chirurg die abzutragenden Stellen unter Verwendung eines Justierstrahls 412 kennzeichnen und sie dadurch definieren. Der Justierstrahl kann auf die zu behandelnden Stellen der Haut gerichtet und bewegt werden, um diese zu kennzeichnen. Darüber hinaus kann ein phosphoreszierendes Material aufgebracht werden, um den gekennzeichneten Bereich leichter zu erkennen. Eine Eingabeeinrichtung 450 wie beispielsweise ein Joystick, eine Maus oder ein Kraft-/Drehmoment-Sensor kann zum Übertragen der Handbewegung des Chirurgen in Bewegungsbefehle für die Servomotoren verwendet werden, welche die Position des sichtbaren Strahls steuern. Von der computergestützten Operationstechnik ist bekannt, dass bestimmte Punktlagen auf oder in einem Patienten unter Verwendung einer Vielzahl oder Vielfalt von 3D-Lokalisierungsverfahren, z. B. mechanischer Zeigeeinrichtungen, in einem Computer gespeichert werden. Siehe z. B. Computer-integrated Surgery: Technology and Clinical Applications, Russell H. Taylor et al. (Herausgeber), The MIT Press, S. 5 bis 19, 1996 (im Folgenden als „Computerchirurgie" bezeichnet). Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Robotik-/Laser-System vorzugsweise eine Computersoftware zum Aufzeichnen der Positionen des sichtbaren Laserstrahls, die der Chirurg gekennzeichnet hat, um sie anschließend erneut unter Verwendung des Abtragungslasers anzufahren. Wesentlich ist, dass der Chirurg die abzutragenden Stellen unter Verwendung des sichtbaren Laserstrahls als „Zeichenwerkzeug" direkt auf der Haut des Patienten kennzeichnet.
  • Eine komplette Behandlung kann mehrere Durchläufe beinhalten. In einem ersten Schritt kann der Chirurg die Position des Systems unter Verwendung des sichtbaren Lichts 412 festlegen. Dann kann die interessierende Fläche 455 gekennzeichnet werden. Zu diesem Zeitpunkt können diese Stellen vorher im sichtbaren Licht betrachtet oder das System in den Abtragungsmodus umgeschaltet und auf die Haut gerichtet werden, um diese Stellen kontrolliert zu behandeln. Zu beachten ist, dass sich der Patient von dem Zeitpunkt an, da der Chirurg die interessierenden Stellen markiert, bis zum Ende des Bestrahlungsvorgangs nicht bewegen sollte. Danach kann sich der Patient frei bewegen. Für den nächsten Durchlauf können neue interessierende Flächen, die sich möglicherweise auch mit den vorherigen Stellen überlappen können, gekennzeichnet und der Prozess wiederholt werden. Diese Prozedur wird so lange wiederholt, bis alle gekennzeichneten Stellen der Haut bis zur jeweils gewünschten Tiefe abgetragen sind.
  • In vielen Fällen kann die komplette Behandlung einer zu behandelnden Fläche viele Durchläufe erfordern, sodass der Behandlungsbereich vom Chirurgen neu gekennzeichnet werden muss, wenn sich der Patient zwischendurch bewegt. Dies kann aufwendig und langsam sein und zu einer ungenauen Behandlung führen. Somit ist es wünschenswert, eine in der Technik bekannte Zuordnung zwischen der Behandlungsfläche am Patienten und dem Koordinatensystem des Roboters zu entwickeln (siehe z. B. Computer Surgery, S. 75 bis 97). Ein ausführliches Beispiel für ein Zuordnungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird im folgenden Szenario (iii) beschrieben, das kurz gesagt darin besteht, den Bereich durch die Ermittlung der dreidimensionalen Position (3D) der zu behandelnden Hautfläche dem Patienten zuzuordnen. Diese Hautfläche wird dann bei Bewegungen des Patienten nachverfolgt. Dadurch kann eine vom Chirurgen gekennzeichnete zu behandelnde Stelle, obwohl sich der Patient zwischen einzelnen Durchläufen bewegt, vom System erkannt werden, ohne dass der Chirurg die Kennzeichnung selbst wiederholen muss. Dieselbe Fähigkeit versetzt den Chirurgen in die Lage, ein kompliziertes Muster oder eine Behandlung über mehrere aufeinanderfolgende Durchläufe hinweg zu planen. Zum Beispiel kann der Chirurg die Bestrahlung eines größeren Bereichs wiederholen, innerhalb dessen ein kleinerer Bereich „elektronisch maskiert" ist.
    • Szenario (iii): systematisches Abtasten einer Fläche mit einem UV-Ablationslaser und gleichzeitiges „Abblenden" des Lasers, wenn sich im Zielbereich bestimmte Stellen (die nicht weiter abgetragen werden sollen) befinden. 5 zeigt ein Beispiel eines computergestützten UV-Dermablator-Systems, das Merkmale der vorliegenden Erfindung aufweist. Die Figur zeigt, dass ein Chirurg interessierende Stellen anstatt direkt am Patienten auf einem digitalen Bild 500 eines Patienten 505 auf einem Computerbildschirm 510 kennzeichnen kann. Dadurch lassen sich die Funktionen zur Bearbeitung des Bereichs leichter anwenden. Am System kann eine Kamera 515 so angebracht werden, dass sich die zu behandelnde Hautfläche innerhalb des Blickfeldes befindet. Das System ist vorzugsweise so konfiguriert, dass einem Computer 525 ein digitales Bild zum Anzeigen, zur Bildverarbeitung und zum Bearbeiten zur Verfügung steht. Damit die Beziehung zwischen der im Kamerabild 500 gekennzeichneten Fläche und dem mit dem Ablationslaser 550 bestrahlten Fläche 530 erhalten bleibt, müssen diese beiden Flächen einander zugeordnet werden. (Die Zuordnung wird im Folgenden beschrieben.)
  • Zusammenfassend ist zu sagen, dass der Chirurg einen sichtbaren Justierlichtstrahl auf den Patienten richten und über diesen hinweg führen kann, um eine erste ordnungsgemäße Ausrichtung des Systems auf den Patienten zu erreichen. Dann zeichnet der Chirurg („knipst") ein Bild des Patienten auf. Dann kann eine automatische (oder halbautomatische) Zuordnung durchgeführt werden, um das Lasersystem auf das Kamerabild auszurichten. Jetzt darf sich der Patient so lange nicht bewegen, bis ein Durchlauf mit dem UV-Ablationslaser abgeschlossen ist. Unter Verwendung einer Maus, eines Joystick oder eines berührungsempfindlichen Bildschirms (touch screen) kennzeichnet der Chirurg auf dem digitalen Bild die zu behandelnden Stellen. Durch das Arbeiten mit diesem digitalen Bild kommt die Grafikverarbeitungsleistung des Computers mit einer reichen Palette von Bearbeitungsfunktionen voll zum Tragen, zum Beispiel Flächenvergrößerung, Flächenverkleinerung, Umkehr, Kennzeichnung, Farbunterscheidung usw. Der Chirurg kann dann die gekennzeichneten Stellen unter Verwendung des Ablationslasers behandeln. Dann kann sich der Patient bewegen. Der Prozess (Bildaufnahme, Zuordnung, Kennzeichnung der Stellen, Abtragen) wird dann so lange wiederholt, bis der Chirurg die Behandlung für abgeschlossen erklärt.
  • Zuordnung:
  • Die Szenarien (ii) und (iii) können eine bestimmte Zuordnung erfordern, um die Koordinaten eines Punkts in einem Bezugskoordinatensystem seiner entsprechenden Position in einem anderen Referenzkoordinatensystem zuzuordnen. Im Szenario (ii) kann es erforderlich sein, die einer Hautfläche des Patienten entsprechenden Punkte (in der aktuellen Position des Patienten) einer zuvor definierten Hautfläche (bevor sich der Patient bewegt hat) zuzuordnen. Im Szenario (iii) muss eine in einem digitalen Bild definierte Hautfläche einer Hautfläche auf dem Patienten zugeordnet werden, damit der Ablationslaser genau ausgerichtet werden kann.
  • Betrachtet werden soll das Szenario (ii) unter Bezug auf 6, die ein Beispiel für die Bezugssysteme und die für die Zuordnung gemäß der vorliegenden Erfindung erforderlichen Transformationen zwischen die Bezugssystemen zeigt.
  • Um eine Hautfläche nach einer Bewegung des Patienten derselben Hautfläche vor der Bewegung zuordnen zu können, wird zuerst diese Hautfläche in Bezug auf ein am Patienten angebrachtes Koordinatensystem „P" definiert. Dieses Koordinatensystem wird dann noch einmal durch einen am Robotik-/Laser-System angebrachten Nachführlaser 605 im sichtbaren Spektralbereich dem Koordinatensystem „R" des Robotik-/Laser-Systems zugeordnet. Eine solche Zuordnung kann durch das Anbringen mehrerer Markierungen oder Passmarken 610 am Patienten, durch das Zielen des Strahls 607 des Nachführlasers auf jede Passmarke, während sich der Nachführlaser in einer Montageposition befindet, durch das Bewegen des Nachführlasers zu einer zweiten Montageposition und durch Wiederholen des Zielprozesses erreicht werden, sodass die 3D-Koordinaten jeder Passmarke in R durch Triangulation bestimmt werden. Die Anwendung der robotergestützten Operationstechnik und insbesondere der Passmarken für Zuordnungszwecke sind in der Technik bestens bekannt. Siehe z. B. Kazanzides et al., „An Integrated System for Cementless Hip Replacement", IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine 14, S. 307 bis 313, 1995.
  • Genauer ist das Koordinatensystem P des Patienten durch die Passmarken 610 definiert. Dieses Referenzsystem P stellt eine orthonormale Basis aus den Vektoren x, y und z dar. Zum Beispiel kann die x-Achse des Koordinatensystems P des Patienten aus einem Vektor bestehen, der durch eine Linie von einer ersten Passmarke f1 bis zu einer zweiten Passmarke f2 gebildet wird, wobei f1 als Ursprung des Koordinatensystems P dient. Weitere Passmarken können an den Punkten f3 und f4 angebracht werden. Mit den im Referenzsystem R bestimmten 3D-Koordinaten der Passmarken 610 kann eine Gram-Schmidt-Orthogonalisierung durchgeführt werden, um y und z durch x und die Koordinaten der Passmarken 610 (in R) zu definieren. Eine Beschreibung dieses Orthogonalisierungsverfahrens wird von Edwards und Penney in „Elementary Linear Algebra", S. 241 bis 242, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1998, angegeben. Die Transformation RTP zwischen den beiden Bezugssystemen P und R kann dann direkt berechnet werden. Bei jeder Bewegung des Patienten, zum Beispiel von der Position zur Position 1, erfährt das Koordinatensystem des Patienten eine Änderung von P0 nach P1, und durch Triangulation kann eine neue Transformation RTP erzeugt werden.
  • Die interessierende Fläche im Bezugssystem des Patienten wird durch das Erzeugen einer Fläche 620 definiert, die durch die Passmarken verläuft (die „Passmarkenfläche"). Wenn der Chirurg mit dem Nachführlaser eine interessierende Fläche entdeckt, schneidet dessen Strahl die Passmarkenfläche 620 an einer Reihe von Punkten 625. Die diesen Schnittpunkten entsprechenden 3D-Koordinaten sind auch dann im Koordinatensystem P des Patienten fixiert, wenn sich der Patient bewegt. Um nun eine interessierende Fläche nach einer Bewegung des Patienten zuordnen zu können, braucht nur die Transformation RTP für die neue Position der Passmarken berechnet zu werden. Die Zuordnung beim Szenario (iii) mit einer Kamera, die digitale Bilder des Patienten aufzeichnet, weist viele Ähnlichkeiten mit dem Szenario (ii) auf. Auch hier wird die interessierende Fläche im Koordinatensystem P des Patienten durch den Schnittpunkt des Strahls des Justierlasers mit einer durch die bekannten Passmarkenpositionen erzeugten Fläche 620 und die Koordinaten der Schnittpunkte 625 definiert. Der Hauptunterschied besteht darin, dass die Positionen der Passmarken nicht durch zwei verschiedene Positionen eines Nachführlasers, sondern unter Verwendung von zwei Kameras 630 ermittelt werden. Die Kameras können an feststehenden Positionen in Bezug auf das Robotik-/Laser-Koordinatensystem 660 montiert werden. Ihre Position (das Messkoordinatensystem „M") in Bezug auf das Robotik-/Laser-Koordinatensystem 660 ist aus einer Kalibrierungstransformation MTR bekannt, die vor Beginn der medizinischen Behandlung ermittelt wurde und sich während dieser Prozedur nicht ändert. Dem Fachmann ist klar, dass alternativ eine Kamera verwendet werden kann, die an zwei verschiedenen Positionen aufgestellt wird. Vorzugsweise wird vor Beginn der Behandlung ein genaues Kameramodell erstellt, sodass die Beziehung zwischen jedem Punkt (Pixel) im zweidimensionalen Bild der Kamera und der Reihe von 3D-Punkten (innerhalb eines Kegels) bekannt ist, die diesen zugeordnet sind. Wenn der Chirurg mit Hilfe dieses Kameramodells die Bilder aufnimmt, wird ein Paar Stereobilder erzeugt und dem (nicht gezeigten) Computer zur Verfügung gestellt. Zum Erkennen der Passmarken 610 und zum Erstellen der Koordinatenachsen (x, y, z) des Referenzsystems P des Patienten können bekannte Bildverarbeitungsverfahren verwendet werden. Unsicherheiten beim Erstellen der Zuordnung zwischen den Passmarkenbildern in den Bildpaaren der Kamera (z. B. wenn eine Passmarke in einem der beiden Bilder durch die zweite Passmarke verdeckt wird, obwohl im zweiten Bild beide Passmarken als unterschiedliche Punkte zu erkennen sind) können vom Chirurgen anhand seiner visuellen Beobachtung des Patienten geklärt werden. (Siehe z. B. D. H. Ballard und C. M. Brown, Computer Vision, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, S. 88 bis 93.) Der Chirurg kann dann in der oben beschriebenen Weise auf einem der Bilder auf einem Computerbildschirm direkt eine interessierende Fläche kennzeichnen. Ebenso wie beim Zuordnungsszenario (ii) überträgt das System diese Kennzeichnung auf die interessierende Fläche im Koordinatensystem P des Patienten. Das System kann dann diesen geplanten chirurgischen Eingriff abarbeiten, d. h. die Robotik-/Laser-Ablationspunkte ermitteln, die dem auf dem Bildschirm gekennzeichneten Bereich entsprechen.
  • Alternative Mittel für die Verwendung der Kameras 630 zum Ermitteln der Passmarken 610 beinhalten die Verwendung eines 3D-Digitalisierers 640 (einer Anordnung von Kameras, die am Patienten angebrachte Markierungen aus Leuchtdioden (LEDs) optisch verfolgen), z. B. eine Einrichtung OPTOTRAK (Hersteller: Northern Digital, Inc., Kanada) (siehe z. B. R. H. Taylor et al., „An overview of computer-integrated surgery at the IBM Thomas J. Watson Research Centre", IBM J. Research and Development 40, S. 172, 1996) oder eine kalibrierte Zeigeeinrichtung 650 (ein mechanisch bedienter Zeiger zum Erreichen und zum Zeigen auf die Passmarken 610), z. B. VIEWING WANDTM (Hersteller ISG Technologies, Inc., Kanada). In den UV-Dermablator können mehrere Sicherheitsmerkmale eingebaut werden. Der Chirurg entscheidet, welche Hautfläche behandelt werden soll und wie viele Lichtimpulse auf jeden Punkt des Gewebes treffen sollen. Dann kann er das Robotik-/Laser-System auf „automatische Steuerung" umschalten. Der Chirurg überwacht jedoch den Vorgang und kann jederzeit eingreifen, indem er die „manuelle" Steuerung des Systems übernimmt. Dies ist analog dem Einschalten des Tempomats beim Kraftfahrzeug durch Auswahl einer Reisegeschwindigkeit, wobei die Kontrolle durch das Antippen des Bremspedals sofort zurückerlangt werden kann.
  • Wenn zur Steuerung der Zufuhr der Ablationsenergie auf die Haut des Patienten ein Computer verwendet wird, kann ferner jeder Punkt auf der bestrahlten Haut markiert und seine Vorgeschichte durch den Computer gespeichert werden. Wenn zuvor ein Sicherheitsschwellenwert vorgegeben wurde, kann das System ohne ausdrücklichen Befehl des Chirurgen keine Impulse senden, die diesen Schwellenwert überschreiten.
  • 7 zeigt ein Beispiel eines alternativen Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zum Bestrahlen der Haut des Patienten mit Laserenergie, wobei sich der Patient während der Behandlung bewegen darf. Das System gemäß der Figur beinhaltet ein Lichtwellenleiterbündel 710, dessen eines Ende an einer vom Patienten getragenen Maske 715 festgeklemmt ist und dessen anderes Ende, das Eintrittsende 720, in einer vorgegebenen Weise durch einen Ablationslaserstrahl 725 abgetastet wird. Das Lichtwellenleiterbündel 710 ist vorzugsweise biegsam und reicht bis zur Haut des Patienten. Der Chirurg kann durch das Eintrittsende 720 des Lichtwellenleiterbündels 710 auf die Haut schauen, indem er zum Beispiel einen Spiegel 730 verwendet, der in eine Betrachtungsposition geklappt wird. Dieser Spiegel 730 wird ähnlich zum Abtragen der Haut wie der Spiegel bei einer einäugigen Spiegelreflexkamera wieder herausgeklappt. Wenn sich der Spiegel in der Betrachtungsposition befindet, kann eine Kamera 735 die Haut des Patienten aufnehmen, das Bild 750 zum Computer 740 und zum Computerbildschirm 745 schicken, und der Chirurg kann wie beim Szenario (iii) beschrieben die zu behandelnden Flächen markieren. Während der Betrachtungsspiegel 730 herausgeklappt ist, kann der Abtragungsprozess durchgeführt werden, indem der Laser 700 in einem vorgegebenen Muster über das Eintrittsende 720 des Lichtwellenleiters 710 geführt wird. Das Betrachten, Markieren und Abtragen wird so oft wiederholt, bis die Behandlung zur Zufriedenheit des Chirurgen abgeschlossen ist. Durch die Verwendung des Lichtwellenleiterbündels 710 erübrigt sich die erneute Zuordnung zwischen zwei Durchlaufen, da sich das Austrittsende des Lichtwellenleiters während der Behandlung nicht in Bezug auf den Patienten bewegt.
  • Prozess der UV-Hautabtragung:
  • Durch das Abtragen von Haut durch gepulstes UV-Licht gemäß der vorliegenden Erfindung kann Oberhautgewebe unter möglichst geringer Schädigung der darunter liegenden Lederhaut und unter möglichst geringer Bildung von Narbengewebe und Erythemen entfernt werden. Da jeder Impuls des UV-Lichts weniger als eine Zellschicht des Gewebes entfernt, kann die Behandlung mit hoher Genauigkeit gesteuert werden, indem die Haut nur bis zur gewünschten Tiefe und nicht weiter abgetragen wird.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsart wird die Haut nicht weiter als bis zu einer Tiefe abgetragen, bei der die Blutung gerade einsetzt. Deshalb wird ein Prozess zum Einstellen der Abtragung benötigt, sobald eine Blutung festgestellt wird. Alternativ kann der Prozess beim ersten Hinweis auf eine Blutung verlangsamt und entsprechend dem Zustand der Haut des Patienten bei einer weiteren einstellbaren vorgegebenen Tiefe ganz abgebrochen werden. 1A zeigt, dass die Lederhaut dicker (bis zu 4 mm dick) ist, weniger Zellen aufweist als die Oberhaut und zum größten Teil aus Bindegewebe oder Fasern besteht. Die Lederhaut ist von Blutgefäßen durchzogen. Die Haut wird stark durchblutet. Die mittlere Durchblutung ist um ein Vielfaches größer als die für die Ernährung der Hautzellen erforderliche Mindestdurchblutung, da die Hautdurchblutung zur Wärmeregulation des gesamten Organismus dient. Somit enthält die Haut viel Blut, das direkt unterhalb der Basismembran fließt. Sobald durch den Abtragungsprozess eine Kapillarwand perforiert wird, strömt Blut in den Einschnitt.
  • Aus der Sicht dieser Erfindung unterscheidet sich das Blut durch eine wichtige Tatsache von der umgebenden Lederhaut: die wässrigen Chloridionen im Blut absorbieren die UV-Strahlung stark bei Wellenlängen unterhalb von 200 nm, wobei ein Absorptionsmaximum bei 190 nm liegt. Diese Absorption unterscheidet sich insofern von der Absorption des UV-Lichts durch Zellen und Proteinmoleküle, als die absorbierte Energie nicht schnell in Wärme umgewandelt wird. Daher „sperrt" die „Salzlösung", die den Hauptbestandteil des Blutes darstellt, das eintretende UV-Licht und dämpft den Abtragungsprozess oder bringt ihn ganz zum Stehen, je nachdem, wie viel Blut sich im Volumen des Einschnitts befindet (die Energie des UV-Photons schlägt ein Elektron aus dem Chloridion heraus, sodass ein Chloratom und ein im Wasser gelöstes solvatisiertes Elektron zurückbleiben. Nach einem im Vergleich zur Abtragungszeit und zur Dauer der Wärmediffusion langen Zeitraum stoßen die Elektronen schließlich mit neutralen Chloratomen zusammen, rekombinieren unter Ionenbildung und geben die Fotoablösungsenergie ab, jedoch kommt es nur zu einem geringen Temperaturanstieg mit nur geringen oder ohne Auswirkungen auf die Lebensfähigkeit oder Morphologie des Gewebes (siehe z. B. R. J. Lane, R. Linsker, J. J. Wynne, A. Torres und R. G. Geronemus, „Ultraviolet-Laser Ablation of Skin", Archives of Dermatology 121, S. 609 bis 617, 1985; und E. Rabinowitch, „Electron Transfer Spectra and Their Photochemical Effect", Reviews of Modern Physics 14, S. 112 bis 131, 1942)). Eine Möglichkeit zur Nutzung dieses Effekts besteht darin, die zu behandelnde Hautoberfläche horizontal auszurichten und die UV-Strahlung im Spektralbereich der Fotoablösungsenergie, z. B. eine ArF-Laserstrahlung bei einer Wellenlänge von 193 nm, von oben auf die Zielfläche zu richten. Sobald Blut in den Einschnitt einströmt, sammelt es sich durch die Schwerkraft dort an und bildet eine Sperre gegen die weitere Gewebeabtragung. Alternativ kann der Patient in einer bequemen Stellung sitzen, und die punktförmigen Blutflecken, die sich bei Verletzung der Kapillarwände zeigen, dienen als Sperre gegen die weitere Gewebeabtragung unterhalb des punktförmigen Blutes. Da die Dicke der zu behandelnden Haut schwankt, setzt die Blutung in verschiedenen Bereichen der Haut in verschiedenen Eindringtiefen ein, jedoch hält die natürlich eintretende Blutung die Abtragung in jedem Bereich der Haut in einer passenden Tiefe an.
  • An verschiedenen Punkten während der Hautabtragung ist es erwünscht, das Blut zu entfernen oder die Blutung zu stoppen, damit der Behandlungsbereich nicht verdeckt wird. Das Blut kann zwar mit physiologischer Kochsalzlösung ausgewaschen werden, jedoch verhindert auch eine solche Lösung die weitere Abtragung durch UV-Strahlung im Spektralbereich der Fotoablösungsenergie, z. B. des ArF-Excimerlasers bei einer Wellenlänge von 193 nm. Die blutende Fläche kann auch mit deionisiertem Wasser ausgewaschen werden, welches für die Strahlung bei den UV-Wellenlängen des ArF-, KrF-, XeCl- und XeF-Excimerlasers durchlässig ist.
  • 8 zeigt ein Zweilasersystem mit Merkmalen gemäß der vorliegenden Erfindung. Zu sehen ist, dass eine erste Strahlung mit der Wellenlänge von 193 nm von einem ArF-Laser 810 zum Abtragen der Haut 815 verwendet werden kann, bis das Abtragen durch die Blutung aufgehalten wird. Dann wird die Wellenlänge gewechselt (zum Beispiel, indem ein zweiter mit einem Gasgemisch ausgestatteter Laser 820 verwendet wird, der Licht einer längeren Wellenlänge erzeugt, zum Beispiel ein KrF-, XeCl- oder XeF-Laser), sodass die Strahlung bei der zweiten Wellenlänge nicht durch die Fotoablösung gesperrt, sondern vom Blutprotein absorbiert wird, damit das Blutprotein so stark erhitzt wird, dass das Blut gerinnt. Dadurch wird die weitere Blutung aufgehalten, aber das Gewebe kann noch voll ausheilen, ohne Narbengewebe zu bilden.
  • 9 zeigt ein weiteres Beispiel eines Systems, das nicht der vorliegenden Erfindung entspricht. Zu sehen ist, dass das Auftreten einer Blutung unter Verwendung eines Beleuchtungslasers 910 bei einer sichtbaren Wellenlänge erkannt werden kann, der so auf die Haut gerichtet wird, dass er die UV-Strahlung 955 überlappt, wobei dieser sichtbare Laserstrahl 915 an der rauen Oberfläche der zu behandelnden Haut gestreut wird und einen sichtbaren „Fleck" bildet, der vom Auge des Arztes oder von einem in der Nähe des zu behandelnden Gewebes angebrachten Fotodetektor wahrgenommen werden kann. Wenn punktweise Blut austritt, wird ein kleiner Teil des sichtbaren Laserstrahls gerichtet von der Oberfläche der Flüssigkeit reflektiert und ein großer Teil des sichtbaren Laserstrahls (915) vom Farbstoff (Hämoglobin) in den roten Blutzellen des Blutes absorbiert, was zu einer starken Verringerung des auf den Fotodetektor treffenden Lichts führt. Diese Signalschwächung kann durch ein Steuersignal 960 in die Stromversorgung des UV-Lasers 950 oder zu einer Strahlblende zurückgekoppelt werden, sodass der chirurgische Eingriff beendet wird.
  • Anstelle des Eindringens in die Papillarschicht bis zum Auftreten von Blutungen kann alternativ durch das Erkennen des ersten Auftretens der weißen Grenzfläche 925 der Lederhaut das vollständige Abtragen der Oberhaut erkannt werden. Die Lederhaut wird zuerst freigelegt, wenn die pigmentierte Oberhaut und die Basalzellen vollständig entfernt sind. Zum Beispiel kann die Haut mit einem fokussierten Laserstrahl 955 mit einem (im Vergleich zur Fläche einer Papille oder einer Einstülpung) kleinen Querschnitt abgetastet und als Reaktion auf das Erkennen des weißen Lederhautgewebes 920 der Laserstrahl abgeblendet werden. Solche Farbänderungen kann der Arzt visuell mit bloßem Auge erkennen. Alternativ kann die Farbänderung durch den Fotodetektor 930 erkannt werden, der die Stärke des gestreuten sichtbaren Laserstrahls 915 überwacht. Um die Fähigkeit zum Erkennen der Farbänderungen in Anwesenheit von Tageslicht zu verbessern, kann der Fotodetektor 930 mit einem Filter ausgestattet werden, das auf die Farbe des bestrahlenden sichtbaren Laserstrahls 915 abgestimmt ist. Durch das Begrenzen des erkannten Lichts auf den schmalen Spektralbereich um die Farbe des sichtbaren Laserstrahls herum werden alle anderen Farben des Tageslichts von der Erkennung ausgenommen, sodass die Genauigkeit, mit der das Erscheinen der Hautgrenzfläche erkannt und zum Beenden des chirurgischen Eingriffs verwendet wird, verbessert wird.
  • 10 zeigt ein weiteres Beispiel für ein Lasersystem mit Merkmalen gemäß der vorliegenden Erfindung. Es ist zu sehen, dass ein Lasersystem 1010 einen Laserstrahl 1050 auf eine relativ große Fläche richten kann, die den Verlauf über viele Papillaren hinweg einschließt. Eine Aktivmaske 1060 zwischen der Quelle 1010 des Laserstrahls und der Haut kann zum Abblenden ausgewählter Bereiche des Strahls verwendet werden (10). Die Maske 1060 kann durch einen Detektor 1070 oder eine Anordnung von Detektoren gesteuert werden, sodass jede zu bestrahlende Fläche der Haut aufgrund einer Farbänderung ein Rückmeldesignal 1075 für ein Steuersystem 1080 bereitstellen kann, das einen Bereich des die Fläche bestrahlenden Laserstrahls im Verhältnis 1:1 schwächt oder abblendet. Zur Erinnerung sei noch einmal gesagt, dass die Oberhaut 1005 Melanin enthält, während die Lederhaut 1020 weiß ist. Die Maske kann auch elektrooptisch gesteuert oder durch eine Anordnung undurchsichtiger Klappen mechanisch abgeblendet werden, die in den Strahl hineingedreht werden, um ausgewählte Flächen zu sperren. Die Maske 1060 kann an einer Stelle in den Ablations-Laserstrahl 1050 gesetzt werden, an der der Strahl relativ stark defokussiert ist und eine größere Fläche abdeckt. An einer solchen Stelle sind die Intensität und damit die Strahlungsdichte des Laserstrahls 1050 so gering, dass die Maske nicht beschädigt wird. An dieser Stelle kann jedes Element der Anordnung relativ groß sein. Wenn der Strahl durch die Projektionslinsen 1065 auf eine kleinere Fläche 1090 auf der Haut fokussiert wird, nimmt die Abmessung des durch jedes Element tretenden Lichtstrahls entsprechend ab und die Intensität zu. Auf diese Weise kann das durch die Maskenanordnung übertragene Lichtmuster auf eine entsprechend kleinere Fläche auf der Haut projiziert werden, sodass in Querrichtung eine ausreichende Genauigkeit für das Abtasten des Verlaufs der Oberhaut-/Lederhaut-Grenzfläche erreicht wird. Außerdem wird durch das Fokussieren der Lichtstrom des Laserstrahls erhöht und somit sichergestellt, dass der Lichtstrom über dem Ablationsschwellenwert liegt. Auf diese Weise kann die Oberhaut 1005 trotz des unregelmäßigen Verlaufs der Oberhaut-/Lederhaut-Grenzfläche bis zur Hautgrenzfläche hinab kontrolliert mit hoher Tiefengenauigkeit und genauer Steuerung in Querrichtung abgetragen werden.
  • Der Fotodetektor 1070 kann in Verbindung mit einem in 9 dargestellten Beleuchtungslaser 910 verwendet werden, auf den er anspricht. Es ist bekannt, dass die Haut durch ein optisches Mehrschichtsystem modelliert werden kann (siehe „The Science of Photomedicine", herausgegeben von James Regan und John Parrish, Plenum Press, New York, 1982, Kapitel 6, S. 147 bis 194). Der Zusammenhang zwischen dem Schutz vor Sonnenbrand und der Stärke der Melaninpigmentierung in der Haut ist bestens bekannt. Die Ursache besteht darin, dass das Melanin, das in der Oberhaut liegt und am stärksten in der Basismembran konzentriert ist, ein starker UV-Absorber sowohl für die kürzeren Wellenlängen des sichtbaren Spektralbereichs als auch für die UV-Strahlung ist. Im Spektralbereich von ungefähr 350 nm bis 1300 nm (der auch das nahe UV von 350 nm bis 400 nm, den sichtbaren Bereich von 400 nm bis 700 nm und das nahe Infrarot von 700 nm bis 1300 nm enthält), kann die Oberhaut im Allgemeinen als optisch absorbierendes Element modelliert werden, während die darunter liegende Lederhaut als diffuser Reflektor wirkt, dessen Remissionsvermögen mit der Wellenlänge zunimmt. Das Remissionsvermögen der Lederhaut in diesem Bereich ist im Wesentlichen auf das reguläre Reflexionsvermögen an der Hautoberfläche (etwa 5% für einen senkrecht einfallenden Strahl) zurückzuführen. Eine (von den Fotodetektoren (930, 1070) erkannte) Änderung des Remissionsvermögens für einen externen Beleuchtungslaser (UV, sichtbar oder Infrarot) infolge des vollständigen Entfernens der melaninhaltigen Oberhaut kann zurückgemeldet werden, um den UV-Laser oder die Aktivmaske 1060 selektiv abzublenden. Zum Beispiel kann die durch die Maskenanordnung 1060 abgetragene Fläche mit dem Beleuchtungslaser abgetastet werden, um nacheinander jede dem projizierten Bild eines der Elemente der Maskenanordnung entsprechende Fläche zu beleuchten. Das vom Fotodetektor 1070 erkannte Streulicht kann dann das Rückmeldesignal 1075 liefern, um den Laserstrahl selektiv an den Stellen der Maskenanordnung abzublenden, die auf diejenigen Hautflächen zeigen, die schon bis zur gewünschten Tiefe abgetragen worden sind. Beispielsweise ist bekannt, dass Melanin in den Spektralbereichen 300 nm bis 400 nm und 650 nm bis 700 nm sehr stark absorbiert, während die Absorption in der Lederhaut vernachlässigbar gering ist. Der Fotodetektor überträgt dann sein Steuersignal als Reaktion auf eine Erhöhung (oder Verringerung) des Remissionsgrades bei der Wellenlänge eines Beleuchtungslasers, der sein Licht in einem dieser Spektralbereiche emittiert.
  • Melanin ist ein Pigment, das die Oberhaut färbt und stammt von den Melanocyten in der Basalzellenschicht. Wenn die Basalzellenschicht entfernt worden ist, muss eine neue Basalzellenschicht regeneriert werden, um Pigment für die darüber liegende Oberhaut zu erzeugen. Wenn die Haut so tief entfernt worden ist, dass die in diesem Bereich befindlichen Haarfollikel zu stark geschädigt wurden, können sie nicht mehr Ausgangspunkt für die Regenerierung einer pigmentierten Basalzellenschicht dienen, und der behandelte Bereich sieht weißer aus (enthält weniger Melanin) als die angrenzende Haut. Das Verfahren der UV-Dermablation und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung stellen auf vorteilhafte Weise eine so feine Tiefensteuerung bereit, dass die Haarfollikel nicht von der Zerstörung betroffen sind, lebensfähig bleiben und als Ausgangspunkt für die Regenerierung einer voll funktionstüchtigen Basalzellenschicht einschließlich neuer Melanozyten dienen können, die eine zur angrenzenden Haut passende Pigmentierung erzeugen können.
  • Bei der Anwendung der Verfahrens der UV-Hautabtragung zum Entfernen von Basalzellenkarzinomen kann die zu behandelnde Haut zuerst mit einer körperfremden Substanz eingefärbt werden, mit einem Farbstoff, wie er zur histologischen Präparation von Biopsieproben verwendet wird. Dadurch wird die erkrankte Stelle durch eine Färbung und Abdunkelung „markiert", die einen Kontrast zum umgebenden gesunden Gewebe bilden. Dann kann der Aufbau von 9 zur Steuerung der Hautabtragung verwendet werden, indem ein sichtbarer Laserstrahl das Gewebe am Abtragungspunkt beleuchtet, das sichtbare Streulicht gemessen und ermittelt wird, ob dieser Punkt an der Oberfläche noch erkranktes Gewebe oder gesundes Gewebe aufweist, und anhand dieser Messung das Abblenden des UV-Strahls gesteuert wird, wenn sich am bestrahlten Punkt gesundes Gewebe befindet. Ein bestimmter Bereich mit dem Basalzellenkarzinom kann abgetastet und diese Abtastung so oft wiederholt werden, bis das erkrankte Gewebe vollständig entfernt worden ist, was sich aus dem vom sichtbaren Streulicht abgeleiteten Messsignal ergibt.

Claims (9)

  1. Chirurgisches System zum Abtragen (Ablation) von Haut, wobei das System Folgendes umfasst: eine gepulste Lichtquelle (400, 415, 402, 550, 660, 700, 810, 950, 1110), die einen Lichtstrom F liefern kann, der einen Ablationsschwellenwert Fth des Lichtstroms überschreitet; und einen an die Lichtquelle angeschlossenen Steuermechanismus, um Licht von der Lichtquelle auf Stellen auf der Haut zu lenken und zu ermitteln, ob eine Stelle auf der Haut bis zu einer gewünschten Tiefe abgetragen wurde; dadurch gekennzeichnet, dass die gepulste Lichtquelle (810) ein ArF-Laser ist und das System ferner eine Koagulationslichtquelle (820) mit einer anderen Wellenlänge als der ArF-Laser umfasst; ein Mittel zum Erkennen des Auftretens von Blut auf einer bestimmten Stelle der Haut; und ein Mittel zum Umschalten auf die Koagulationslichtquelle als Reaktion auf das Erkennen von Blut auf einer bestimmten Stelle der Haut.
  2. Chirurgisches System nach Anspruch 1, bei dem der Steuermechanismus ein Mittel zum kontrollierten Abtragen der Oberhaut (Epidermis) entlang dem Verlauf einer Oberhaut-/Unterhaut-Grenzfläche umfasst.
  3. Chirurgisches System nach Anspruch 2, bei dem das Mittel zum kontrollierten Abtragen ferner ein Mittel zum Erkennen eines Farbwechsels an der Oberhaut-/Unterhaut-Grenzfläche oder in deren Nähe umfasst.
  4. Chirurgisches System nach Anspruch 1, bei dem der Steuermechanismus ferner Folgendes aufweist: einen oder mehrere drehbare Spiegel (215, 420), die zum gesteuerten Abtasten der Lichtquelle (415) im Strahlengang der Lichtquelle positioniert sind; und einen oder mehrere an die Spiegel angeschlossene Motoren zum Drehen des einen oder der mehreren Spiegel um einen Winkel und zum Rückmelden der Winkelpositionen; und einen an die Lichtquelle und die Motoren angeschlossenen Computer (425) zum Steuern der Motoren und zum selektiven Abblenden der Lichtquelle an einer bestimmten Stelle auf der Haut.
  5. Chirurgisches System nach Anspruch 4, bei dem die Spiegel (215, 420) mindestens zwei Spiegel umfassen, deren Achsen unter einem rechten Winkel zueinander stehen.
  6. Chirurgisches System nach Anspruch 1, das Folgendes umfasst: eine an den Steuermechanismus angeschlossene Aktivmaskenanordnung (1060) zum selektiven Abblenden der Lichtquelle an einer bestimmten Stelle, die bereits bis zur gewünschten Tiefe abgetragen wurde.
  7. Chirurgisches System nach Anspruch 1, wobei das System ein Robotik-/Laser-System aufweist, das ferner Folgendes umfasst: eine Kamera (515, 630, 735) zur bildlichen Darstellung der Stellen auf der Haut; einen an die Kamera angeschlossenen Computer (525, 740), der eine Ausgabeeinheit zum Abbilden und eine Eingabeeinheit zum Eingeben der Stellen der Haut aufweist, auf die der Laser. gerichtet wird.
  8. Chirurgisches System nach Anspruch 1, wobei das System ferner einen Mechanismus zum Fokussieren des Laserstrahls auf einen kleinen Fleck mit einem Durchmesser von ungefähr 25 μm umfasst.
  9. Chirurgisches System nach Anspruch 1, bei dem der Steuermechanismus ferner einen Justiermechanismus beinhaltet, der Folgendes umfasst: einen sichtbaren Laser (412), wobei der Laser einen Strahl emittiert, der die Haut an derselben Stelle bestrahlt, auf die das Ablationslicht fällt; ein Mittel zum Abtasten des Strahl auf den Stellen auf der Haut; und ein an das Abtastmittel angeschlossenes Mittel zum Aufzeichnen der abgetasteten Strahlpositionen, um die Stellen (407) auf der Haut anschließend automatisch mit der Ablationslichtquelle abzutasten.
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