DE10257169A1 - Method and device for in vivo detection of the material properties of a target area of a human or animal body - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur in vivo Erkennung der Materialbeschaffenheit eines Zielbereichs eines menschlichen oder tierischen Körpers, insbesondere zur Unterscheidung von Körperkonkrementen vom umgebenden Gewebe im Zielbereich, mit den Schritten: a) im Wesentlichen zerstörungsfreie Anregung des Zielbereichs (2) durch mindestens ein optisches Anregungssignal, b) Detektion mindestens eines vom angeregten Zielbereich (2) emittierten akustischen, thermischen und/oder mechanischen Antwortsignals, c) Analyse des detektierten Antwortsignals bezüglich seiner Eigenschaften, insbesondere seiner periodischen Eigenschaften und/oder seiner Schwingungsmoden, und d) Zuordnung der Eigenschaften des analysierten Antwortsignals und/oder des Anregungssignals zu vorbestimmten Eigenschaftsklassen, die jeweils mindestens eine Materialbeschaffenheit des angeregten Zielbereichs (2) repräsentieren. Es wird dadurch ein verbessertes Verfahren zur in vivo Erkennung der Materialbeschaffenheit eines Zielbereichs eines menschlichen oder tierischen Körpers angegeben.The invention relates to a method for in vivo detection of the material properties of a target area of a human or animal body, in particular for distinguishing body concrements from the surrounding tissue in the target area, comprising the steps: a) essentially non-destructive excitation of the target area (2) by at least one optical excitation signal , b) detection of at least one acoustic, thermal and / or mechanical response signal emitted by the excited target area (2), c) analysis of the detected response signal with regard to its properties, in particular its periodic properties and / or its vibration modes, and d) assignment of the properties of the analyzed Response signal and / or the excitation signal to predetermined property classes, each representing at least one material quality of the excited target area (2). This provides an improved method for in vivo detection of the material properties of a target area of a human or animal body.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur in vivo Erkennung der Materialbeschaffenheit eines Zielbereiches eines menschlichen oder tierischen Körpers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 42.The invention relates to a method for in vivo detection of the material properties of a target area a human or animal body according to the preamble of the claim 1 and one to carry out of the method according to the invention suitable device according to the preamble of Claim 42.
Die in vivo Erkennung unterschiedlicher Materialien spielt im klinischen Bereich bei Diagnose und Therapie eine große Rolle. Eine solche Materialerkennung wird beispielsweise bei einer endoskopischen Steinzertrümmerung (Lithotripsie) verwendet, um eine gezielte Zerstörung von Körperkonkrementen, insbesondere von Nierensteinen oder Gallensteinen, zu ermöglichen. Die Materialerkennung ist insbesondere dann wichtig, wenn die Materialbearbeitung bzw. Zerstörung von Körperkonkrementen mittels hoher eingestrahlter Laserenergien durchgeführt werden soll, da eine Schädigung des umliegenden Gewebes durch den Laserpuls ausgeschlossen sein muss.The in vivo detection of different Materials play a clinical role in diagnosis and therapy a big Role. Such material detection is used, for example, at a endoscopic stone crushing (Lithotripsy) used to target targeted destruction of body concretions, in particular of kidney stones or gallstones. The material detection is particularly important if the material processing or destruction of body concrements by means of high irradiated laser energy should be carried out, as damage to the surrounding tissue must be excluded by the laser pulse.
Aus der
Aus der
Die bekannten Verfahren zur Erkennung von Körperkonkrementen können beispielsweise durch die Anwesenheit von Einblutungen ihrer Detektionsleistung eingeschränkt sein.The known methods of detection of body concretions can for example, by the presence of bleeding in their detection performance limited his.
Die bei dem Erkennungsverfahren eingesetzte optische Detektionsmethode muss auch unter den praktisch auftretenden ungünstigen Bedingungen, wie hohem Streulichtanteil, wechselnden Oberflächenverhältnissen der Targetoberfläche, sowie bei wechselnden Faserpositionen, Neigungswinkeln und unterschiedlichen Abständen der optischen Faser im Bezug zum Targetmaterial einsetzbar sein. Bekannte Verfahren eignen sich auch u.a. nicht für den sofortigen klinischen Einsatz im Hinblick auf ein vorliegendes Targetmaterial mit unbekannten Materialbestandteilen, da hierbei vor jeder Analyse des zu untersuchenden Materials wesentliche materialspezifische Parameter immer zuvor zu ermitteln sind, damit daraufhin erst die kritische Voreinstellung der Maßgaben für die Analyse erfolgen kann. Ein prinzipieller Nachteil dieses und anderer bekannter Verfahren, welche zu Analysezwecken vornehmlich die stofflichen Eigenschaften zur Identifikation, Klassifizierung bzw. zur Materialerkennung heranziehen, indem sie versuchen, eine Kennzeichnung der im Targetgebiet vorliegenden Stoffe aufgrund von bestimmten spektroskopischen Merkmalen zu gewinnen ist, dass im Falle des praktisch vorliegenden Targetmaterials mit einer Vielzahl unterschiedlicher Stoffe mit jeweils unbekannten und unterschiedlichen Zusammensetzungen und Konzentrationen sowie mit inhomogener räumlicher Verteilung dies, wie dem Fachmann auf diesem Gebiet hinlänglich bekannt ist, zu einem äußerst komplexem Spektralen Verhalten mit kaum übersehbaren Variabilitäten führen kann. Dadurch ergibt sich für die bekannten Verfahren dieser Art der grundsätzliche Nachteil, dass eine eindeutige und schnelle Feststellung bestimmter signifikanter spektraler Merkmale praktisch kaum möglich ist, wodurch die Nutzung spektraler Informationen zur Gewinnung materialspezifischer Merkmale sowie eine Klassifizierung und Erkennung unter den auftretenden praktischen Bedingungen in den meisten Fällen ausgeschlossen ist. Besonders in dem bei den meisten Laserapplikationen vornehmlich genutzten sichtbaren Spektralbereich bzw. nahen Infrarotbereich zeigen z.B. verschiedene Gewebetypen keine gewebespezifisch ausgezeichneten charakteristischen und signifikanten und für eine Kennzeichnung nutzbaren Absorptionsbanden. Wie dem Fachmann auf diesem Gebiet außerdem gut bekannt ist, treten bei einer spektroskopischen Analyse von durchblutetem Gewebe lediglich die für Blut spezifischen spektralen Merkmale in Form der charakteristischen Hämoglobinbanden signifikant in Erscheinung, was bei den bekannten Verfahren, welche die optischen spektralen Parameter zur Feststellung des Vorliegens von Gewebe- bzw. Steinmaterial ausnutzen, zu dem Nachteil führt, dass es im Falle von Einblutungen, welche beim klinischen Einsatz z.B. der Laserlithotripsie mit entsprechender Häufigkeit auftreten können, je nach Art des verwendeten und auf spektroskopischen Methoden gestützten Analyseverfahren zu unvermeidlichen Fehlern führen kann. Besonders nachteilig ist z.B., wenn bei Laserithotripsie Verfahren dieser Art, welche unter bestimmten Umständen ohne zusätzliche Sichtkontrolle erfolgen und damit plötzlich auftretende Einblutungen somit nicht festgestellt werden können, dass in diesem Fall, bedingt durch eine fehlerhafte Feststellung von Steinmaterial anstelle von Gewebematerial, eine gewebe-schädigende Abgabe der hohen Laserenergie erfolgen kann. Ebenso ist es auch denkbar, dass es auch bereits beim Vorliegen von gut durchbluteten Gewebebereichen wie z.B. Parenchymgeweben zu unbeabsichtigten Schädigungen dieser gegenüber anderen weniger durchbluteten Gewebetypen zu besonders stark absorbierenden und darüber hinaus auch noch besonders strahlungsempfindlichen Geweben führt.The one used in the recognition process Optical detection method must also be among the most practically occurring unfavorable Conditions such as a high proportion of scattered light and changing surface conditions the target surface, as well as with changing fiber positions, inclination angles and different intervals the optical fiber can be used in relation to the target material. Known methods are also suitable, inter alia. not for immediate clinical Use with regard to an existing target material with unknown Material components, because here before each analysis of the examined Material essential material-specific parameters always beforehand are to be determined, so that only the critical presetting the requirements for the Analysis can be done. A fundamental disadvantage of this and others known methods, which primarily the material for analysis purposes Properties for identification, classification or for material recognition by trying to label the ones in the target area Obtain substances based on certain spectroscopic features is that in the case of the practically existing target material with a Many different substances, each with unknown and different Compositions and concentrations as well as with inhomogeneous spatial Distribution as is well known to those skilled in the art is an extremely complex one Spectral behavior with hardly visible variabilities to lead can. This results in for the known methods of this type the fundamental disadvantage that a clear and quick detection of certain significant spectral Features practically impossible is, which makes the use of spectral information to obtain material-specific Features as well as a classification and recognition among the occurring practical conditions is excluded in most cases. Especially mainly used in most laser applications visible spectral range or near infrared range show e.g. different tissue types no tissue-specific marked characteristic and significant and usable for labeling Absorption bands. As well as those skilled in the art is known to occur in a spectroscopic analysis of blood flow Fabric only for Blood specific spectral characteristics in the form of the characteristic hemoglobin gangs significant in appearance, what with the known methods, which the optical spectral parameters for determining the presence of tissue or stone material, leads to the disadvantage that it is in the case of bleeding, which during clinical use e.g. of laser lithotripsy can occur with a corresponding frequency, depending according to the type of analysis used and based on spectroscopic methods lead to inevitable errors can. It is particularly disadvantageous, for example, when laserithotripsy procedures of this type, which in certain circumstances without additional Visual check and thus sudden bleeding so it cannot be determined that in this case, due to incorrect detection of stone material instead of tissue material, a tissue-damaging emission of high laser energy can be done. It is also conceivable that it already is in the presence of well-perfused areas of tissue such as Parenchymgeweben to accidental damage opposite this other less perfused tissue types to be particularly absorbent and above also leads to particularly radiation-sensitive tissues.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur in vivo Erkennung der Materialbeschaffenheit eines Zielbereiches eines menschlichen oder tierischen Körpers anzugeben.Object of the present invention is an improved method and device for in vivo detection of the material properties of a target area of a human or animal body.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The task is accomplished through a process solved with the features of claim 1.
Demgemäss wird das erfindungsgemäße Verfahren zur in vivo Erkennung der Materialbeschaffenheit eines Zielbereiches eines menschlichen oder tierischen Körpers derart durchgeführt, dass zunächst das Zielbereich eine zerstörungsfreien Anregung mittels mindestens eines optischen Anregungssignals erfährt. Das vom angeregten Zielbereich emittierte, mindestens eine akustische und/oder mechanische Antwortsignal wird anschließend detektiert und dann einer Analyse zur Ermittlung seiner Eigenschaften, insbesondere seiner periodischen Eigenschaften und/oder seiner Schwingungsmoden, unterworfen. Die aus der Analyse ermittelten Eigenschaften des detektier ten Antwortsignals werden dann zu Eigenschaftsklassen, die jeweils mindestens eine Materialbeschaffenheit des angeregten Zielbereichs repräsentieren, zugeordnet. Durch die Zuordnung der Eigenschaften des detektierten Antwortsignals zu einer Eigenschaftsklasse lässt sich auf diese Weise eine Aussage über die homogene oder heterogene Materialbeschaffenheit des angeregten Zielbereichs treffen.Accordingly, the method according to the invention for in vivo detection of the material properties of a target area of a human or animal body in such a way that first the target area a non-destructive Experiences excitation by means of at least one optical excitation signal. The at least one acoustic emitted from the excited target area and / or mechanical response signal is then detected and then one Analysis to determine its properties, especially its periodic properties and / or its vibration modes. The properties of the detected response signal determined from the analysis then become property classes, each with at least one material quality represent the excited target area, assigned. By assigning the properties of the detected Response signal to a property class can be in this way Statement about the homogeneous or heterogeneous material properties of the excited Hit target area.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt den photoakustischen Effekt aus. Der photoakustische Effekt äußert sich dergestalt, dass die in einen Probenkörper eingestrahlte optische Strahlungsenergie von diesem absorbiert wird und innerhalb des Probenkörpers in mechanische Schwingungen umgesetzt wird. Diese mechanischen Schwingungen können dann an der Oberfläche des Probenkörpers oder in dessen Umgebung als mechanische Schwingungen und/oder als akustisches Signal detektiert werden.The method according to the invention uses the photoacoustic Effect out. The photoacoustic effect manifests itself in such a way that that into a specimen radiated optical radiation energy is absorbed by this and inside the specimen is converted into mechanical vibrations. These mechanical vibrations can then on the surface of the specimen or in its vicinity as mechanical vibrations and / or as acoustic signal can be detected.
So ist vorteilhaft, dass zur Detektion nicht die bekannten optischen Detektionsverfahren verwendet werden, da diese systembedingt beim Auftreten der genannten ungünstigen Bedingungen keine hinreichend stabile und sichere Feststellung der Materialeigenschaften aufgrund der optischen Parameter durch das in die optische Faser rückgestreuten Lichtes gestatten.So it is advantageous that for detection the known optical detection methods are not used, because this system-related when the unfavorable mentioned occur Conditions are not sufficiently stable and reliable determination of the Material properties due to the optical parameters by the backscattered into the optical fiber Allow light.
Zur Bewirkung einer spezifischen Anregung des Zielbereiches und zur Unterscheidung des detektierten akustischen und/oder mechanischen Antwortsignals von Artefakten wird das mindestens eine optische Anregungssignal von mindestens einer bezüglich spezifischer Parameter, insbesondere der Anregungswellenlänge, der Anregungsenergie, der Phase, der zeitlichen Ausdehnung und/oder der Pulsfolge steuerbaren Lichtquelle erzeugt. Als Lichtquelle ist hier vorteilhaft insbesondere ein Laser vorgesehen, da mit einem solchen zum einen die notwendigen Anregungsenergien bereitgestellt werden können und zum anderen die Parameter des Lasers reproduzierbar und in einem weiten Rahmen variiert werden können. Die unterschiedlichen Parameter der Lichtquelle und insbesondere des Lasers können innerhalb eines Anregungssignals auch eine Sequenz durchlaufen. Auf diese Weise kann eine spezifische Anregungssequenz des Anregungssignals, die beispielsweise auf die spezifischen Eigenschaften des erwarteten Materials abgestimmt ist, erzeugt werden. Bei der nachfolgenden Auswertung des detektierten Antwortsignals kann die Analyse so unter anderem auch auf das spezifische Anregungssignal gestützt werden.To effect a specific Excitation of the target area and to differentiate between the detected acoustic and / or mechanical response signal from artifacts the at least one optical excitation signal of at least one regarding specific parameters, in particular the excitation wavelength, the Excitation energy, phase, temporal expansion and / or the pulse train controllable light source generated. As a light source here in particular a laser is advantageously provided, since with a on the one hand, the necessary excitation energies are provided can be and on the other hand the parameters of the laser are reproducible and in one wide range can be varied. The different parameters of the light source and in particular of the laser can be inside of an excitation signal also run through a sequence. To this Way, a specific excitation sequence of the excitation signal, which, for example, depends on the specific properties of the expected Material is matched, are generated. The following The analysis can evaluate the detected response signal, among other things can also be based on the specific excitation signal.
Die Detektion des mechanischen und/oder akustischen Antwortsignals kann je nach Anwendungsfall und Praktikabilität mit mindestens einem innerhalb und/oder außerhalb des Körpers angeordneten Detektor vorgenommen werden. Bei Verwendung mehrerer Detektoren kann zum einen die Signalqualität durch Aufsummierung verbessert werden und zum anderen lassen sich auf diese Weise die Ausbreitungscharakteristiken der mechanischen und/oder akustischen Wellen feststellen. Die Anwendung von mindestens zwei unterschiedlichen Detektoren an unterschiedlichen Detektionsorten ermöglicht weiterhin, aus der Beziehung der daraus resultierenden mindestens zwei Antwortsignale zueinander die räumliche Ausbreitungsrichtung und/oder die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Antwortsignals zu bestimmen sowie den Zielbereich zu lokalisieren.The detection of the mechanical and / or acoustic Depending on the application and practicality, the response signal can be at least one inside and / or outside of the body arranged detector can be made. When using multiple On the one hand, detectors can improve the signal quality by adding them up and on the other hand, this allows the spreading characteristics the mechanical and / or acoustic waves. The application of at least two different detectors on different ones Detection locations enabled further, from the relationship of the resulting at least two response signals to each other the spatial direction of propagation and / or to determine the speed of propagation of the response signal as well as locate the target area.
Um die Analyse des Antwortsignals effizient mit einem hohen Informationsanteil und einem geringen Rauschanteil durchführen zu können, kann das detektierte Antwortsignal vor der Analyse insbesondere durch Verstärken, Filtern, Transformieren und andere Möglichkeiten zur Verbesserung des Signal/Rauschabstandes und/oder durch Mittelwertbildung aufbereitet werden. Zur genauen Bestimmung des vom Anregungssignal initiierten Antwortsignals können Anregungssignal und Antwortsignal miteinander korreliert werden, um aus den Korrelationsdaten die Beziehungen der beiden Signale zueinander bestimmen zu können und überflüssige Signalanteile, beispielsweise Echos, zu unterdrücken. Aus den Korrelationsdaten mehrere Antwortsignale lassen sich diese aufgrund der ermittelten zeitlichen und/oder der Phasenkorrelationsdaten miteinander synchronisieren und/oder in eine andere gewünschte zeitliche und/oder gewünschte Phasenbeziehung zueinander setzen. Durch Synchronisation der Antwortsignale lässt sich das Signal/Rauschverhältnis weiter verbessern. Das derart aufbereitete Antwortsignal steht nun für die folgende Analyse bereit.To analyze the response signal efficient with a high proportion of information and a low one Perform noise component to be able can in particular the detected response signal before the analysis by reinforcing, Filter, transform, and other ways to improve of the signal / noise ratio and / or processed by averaging become. For the exact determination of the one initiated by the excitation signal Response signal can Excitation signal and response signal are correlated with one another, to determine the relationships of the two signals from the correlation data to be able to determine each other and unnecessary signal components, for example to suppress echoes. These can be derived from the correlation data of several response signals based on the determined temporal and / or phase correlation data synchronize with each other and / or in another desired time and / or desired Set phase relationship to each other. By synchronizing the response signals let yourself the signal / noise ratio continue to improve. The response signal prepared in this way is now ready for the following analysis ready.
Bei der Analyse des detektierten Antwortsignals oder des aufbereiteten und/oder korrelierten Antwortsignals werden unter anderem die im Antwortsignal enthaltenen periodischen Eigenschaften ermittelt. Um einen genauen Aufschluss über das Material des angeregten Zielbereiches zu erhalten, können bei der Analyse weiterhin aus den periodischen Eigenschaften die Schwingungseigenschaften, insbesondere die photoakustischen Schwingungsmoden des detektierten Antwortsignals ermittelt werden. Diese Ermittlung der photoakustischen Schwingungsmoden des angeregten Zielbereichs werden vorteilhaft mittels des bekannten Verfahrens der dynamischen Analyse gewonnen.When analyzing the detected response signal or the processed and / or correlated response signal, the periodic properties contained in the response signal are determined, among other things. To get a clear picture of that To obtain material of the excited target area, the oscillation properties, in particular the photoacoustic oscillation modes of the detected response signal, can also be determined during the analysis from the periodic properties. This determination of the photoacoustic vibration modes of the excited target area is advantageously obtained using the known method of dynamic analysis.
Weiterhin können die periodischen Eigenschaften von sich im Zielbereich ereignenden Kavitationsereignissen ermittelt werden. Auch aus den ermittelten Kavitationsperioden lassen sich Rückschlüsse auf das Material des angeregten Zielbereiches ziehen.Furthermore, the periodic properties of cavitation events occurring in the target area become. The cavitation periods determined can also be used Conclusions on pull the material of the excited target area.
Aus den in der Analyse ermittelten Eigenschaften des detektierten Antwortsignals lassen sich Rückschlüsse auf die Materialbeschaffenheit des Zielbereiches ziehen. Zur einfachen Handhabung und zur direkten Auswertung der Eigenschaften eines angeregten Zielbereichs werden die in der Analyse gewonnenen Eigenschaften des analysierten Antwortsignals vorbestimmten Eigenschaftsklassen zugeordnet, die wiederum bestimmte Materialeigenschaften repräsentieren. Die Zuordnung der Eigenschaften des analysierten Antwortsignals des angeregten Zielbereiches wird insbesondere aufgrund der ermittelten Korrelationseigenschaften der periodischen Eigenschaften, der Schwingungseigenschaften und/oder der Kavitationseigenschaften durchgeführt. Die Vorbestimmung der Zusammenfassung bestimmter Eigenschaften zu Eigenschaftsklassen und der zu den Eigenschaftsklassen gehörigen Materialbeschaffenheiten kann analytisch und/oder empirisch erfolgen. Auf analytischem Wege werden die jeweiligen Materialien auf ihre jeweiligen Schwingungseigenschaften hin theoretisch/analytisch untersucht. Auf empirischem Wege wird eine hinreichende Anzahl von Testmessungen an den interessierenden Materialien durchgeführt und deren Erkenntnisse zu signifikanten Eigenschaften zusammengefasst. Die jeweils auf analytischem und/oder auf empirischem Wege gewonnenen Erkenntnisse werden dann zu Eigenschaftsklassen zusammengefasst, die jeweils für ein Material signifikante Eigenschaften aufweisen.From those determined in the analysis Inferences can be drawn from the properties of the detected response signal pull the material properties of the target area. For easy Handling and for direct evaluation of the properties of an excited The target area is the properties obtained in the analysis of the analyzed response signal assigned to predetermined property classes, which in turn represent certain material properties. The assignment of the properties of the analyzed response signal of the excited target area is determined in particular on the basis of the Correlation properties of the periodic properties, the vibration properties and / or the cavitation properties. The predestination of Summary of certain properties to property classes and the material properties belonging to the property classes can be analytical and / or empirical. In an analytical way the respective materials are based on their respective vibration properties theoretically / analytically examined. Empirically a sufficient number of test measurements on the materials of interest carried out and summarized their findings into significant properties. Those obtained analytically and / or empirically Findings are then summarized into property classes, each for one Material have significant properties.
Eine einfache Unterscheidung zwischen einem Körperkonkrement und dieses umgebende Gewebe lässt sich beispielsweise so durchführen, dass bei Vorliegen periodischer Komponenten im analysierten Antwortsignal von einer Festkörperbeschaffenheit des Zielbereiches, also dem Vorliegen eines Körperkonkrements ausgegangen wird. Hierbei wird die Erkenntnis genutzt, dass der photoakustische Effekt in Festkörpern bereits bei niedrigeren Energien auftritt, als bei vorwiegend liquiden Materialien. Aus spezifischen periodischen Komponenten des analysierten Antwortsignals des Zielbereiches, insbesondere den erkannten photoakustischen Schwingungsmoden, lässt sich in einer feiner ausgeführten Klassifizierung auf das spezifische Material eines Festkörpers schließen.A simple distinction between a body stone and leaves this surrounding tissue for example, that if there are periodic components in the analyzed response signal of a solid state of the target area, i.e. the presence of a body concrement becomes. The knowledge that the photoacoustic Effect in solids already occurs at lower energies than with predominantly liquid ones Materials. From specific periodic components of the analyzed Response signal of the target area, in particular the recognized photoacoustic Vibration modes, lets yourself in a finer executed Classify the specific material of a solid.
In die Zuordnung der jeweiligen Eigenschaften des detektierten Antwortsignals zu den jeweiligen Eigenschaftsklassen können auch Parameter des Anregungssignals eingehen. Dabei ist insbesondere zu beachten, dass spezifische periodische Eigenschaften eines spezifischen Materiales nur unter ebenso spezifischen Anregungsbedingungen auftreten. Die jeweils analysierten Schwingungseigenschaften des angeregten Zielbereiches können also auch im Zusammenhang mit den Anregungsbedingungen, insbesondere mit der Anregungsenergie, der Anregungswellenlänge und der Anregungspulsform in Verbindung gesetzt werden, um auf das jeweilige Material zu schließen.In the assignment of the respective properties of the detected response signal for the respective property classes can also include parameters of the excitation signal. In particular, it is too note that specific periodic properties of a specific Material only occur under equally specific excitation conditions. The analyzed vibration properties of the excited Target area can also in connection with the excitation conditions, in particular with the excitation energy, the excitation wavelength and the excitation pulse shape be connected in order to infer the respective material.
In einer weiteren Variante der Erfindung werden die bei einer Variation der Anregungsbedingungen auftretenden Variationen des detektierten Antwortsignals in die Beurteilung der Materialbeschaffenheit mit aufgenommen. Dabei wird insbesondere durch eine Variation der Anregungswellenlänge und/oder der Anregungsintensität ein spezifisches Verhalten des jeweiligen angeregten Zielbereiches initiiert, so dass aus den resultierenden Eigenschaften des detektierten Antwortsignals wiederum auf spezifische Materialeigenschaften zurück geschlossen werden kann.In a further variant of the invention become those that occur with a variation of the excitation conditions Variations of the detected response signal in the assessment of the Material quality included. In particular, a variation of the excitation wavelength and / or the excitation intensity a specific behavior of the respective stimulated target area, so that from the resulting properties of the detected response signal in turn specific material properties can be concluded.
Auch aus den Eigenschaften der Kavitationsereignisse im Zielbereich lassen sich unter Berücksichtigung der jeweiligen Anregungsbedingungen spezifische Materialeigenschaften schließen. Bei einer Variation der Anregungsbedingungen lässt sich auch hier aus der jeweils resultierenden Variation der Kavitationsbedingungen spezifische Materialeigenschaften ableiten.Also from the properties of the cavitation events in the target area, taking into account the respective Excitation conditions include specific material properties. at A variation of the excitation conditions can also be found here resulting variation of the cavitation conditions specific Derive material properties.
Weiterhin lässt auch die Ausbreitungsrichtung und/oder die Ausbreitungsgeschwindigkeit des vom Zielbereich emittierten akustischen und/oder mechanischen Antwortsignals eine Zuordnung des Zielbereiches zu mindestens einer Eigenschaftsklasse zu. Hierbei wird unter anderem die Erkenntnis genutzt, dass im Festkörper sowohl Transversal- als auch Longitudinalwellen übertragen werden können, wohingegen in einer flüssigen Phase wie z.B. weichem Gewebematerial nur Longitudinalwellen transportiert werden können.Furthermore, the direction of propagation also leaves and / or the rate of propagation of that emitted from the target area acoustic and / or mechanical response signal an assignment of the target area to at least one property class. in this connection Among other things, the knowledge is used that both in the solid state Transversal as well as longitudinal waves can be transmitted, whereas in a liquid Phase such as soft tissue material only transports longitudinal waves can be.
Zur einfachen Einordnung des detektierten Antwortsignals, beispielsweise durch einen Operateur, kann dieses akustisch und/oder optisch dargestellt werden. Dabei können auch die Anregungsbedingungen, insbesondere die Parameter des Anregungssignals in die akustische und/oder optische Darstellung mit eingehen. Zur akustischen Darstellung des Antwortsignals und/oder des Anregungssignals kann ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) verwendet werden. Der das erfindungsgemäße Verfahren verwendende Operateur, der beispielsweise eine Lichtleitfaser endoskopisch in einen Körperhohlraum zur Steinzertrümmerung eingeführt hat, kann so aufgrund der resultierenden Toncharakteristika einfach bestimmen, ob sich das Ende der Lichtleitfaser im Bereich des Körperkonkrements befindet, oder ob die Lichtleitfaser in Richtung des umgebenden Gewebes deutet. Befindet sich das Ende der Lichtleitfaser im Bereich des zu zertrümmernden Steines, so kann der Operateur eine zur Materialbearbeitung geeigneten Laserimpuls auslösen.For simple classification of the detected response signal, for example by an operator, it can be represented acoustically and / or optically. The excitation conditions, in particular the parameters of the excitation signal, can also be included in the acoustic and / or optical representation. A voltage-controlled oscillator (VCO) can be used for the acoustic representation of the response signal and / or the excitation signal. The surgeon using the method according to the invention, who, for example, has introduced an optical fiber endoscopically into a body cavity for stone destruction, can do so on the basis of the resulting tone character Simply determine whether the end of the optical fiber is in the area of the body's concrement or whether the optical fiber points in the direction of the surrounding tissue. If the end of the optical fiber is in the area of the stone to be broken, the operator can trigger a laser pulse suitable for material processing.
Für eine optische Darstellung des Antwortsignals und/oder des Anregungssignals kann weiterhin eine graphische Repräsentation beispielsweise auf einem Bildschirm verwendet werden. Dabei werden die Anregungssignale und die Antwortsignale vorteilhaft parametrisiert auf in einem Koordinatensystem dargestellt. Beispielsweise wird vorteilhaft das Anregungssignal auf der Abzisse und das Antwortsignal auf der Ordinate eines Koordinatensystems abgebildet. Die sich bei Anregung des Zielbereiches und anschließender Detektion des Antwortsignals auf dem Bildschirm ausbildenden Graphen, Muster und Trajektorien lassen sich charakteristisch einer bestimmten Materialbeschaffenheit zuordnen.For an optical representation of the response signal and / or the excitation signal can also display a graphic representation on a Screen can be used. The excitation signals and the response signals are advantageously parameterized in a coordinate system. For example, the excitation signal on the abscissa is advantageous and the response signal on the ordinate of a coordinate system displayed. This is when the target area is excited and then detected of the response signal on the screen forming graphs, patterns and trajectories can be characteristic of a certain material quality assign.
In einer weiteren Variante der Erfindung werden die jeweiligen Eigenschaften des Antwortsignals zusammen mit den Anregungsbedingungen in mehrdimensionalen Merkmalvektoren zusammengefasst, die ebenfalls auf einem Bildschirm dargestellt werden können. Die sich in dem jeweiligen Merkmalsraum ergebenden Darstellungen sind ebenfalls wiederum spezifisch für eine bestimmte Materialbeschaffenheit.In a further variant of the invention the respective properties of the response signal are combined with the excitation conditions in multidimensional feature vectors summarized, which is also shown on a screen can be. The representations resulting in the respective feature space are also specific to a certain material.
Um einen Operateur bei seiner Arbeit zuverlässig zu unterstützen, werden die Schritte zur Erkennung der Materialbeschaffenheit des Zielbereiches kontinuierlich oder periodisch wiederholt. Dadurch wird eine stete Kontrolle des Zielbereichs vorgenommen.To an operator at work reliable to support, the steps to identify the material properties of the Repeat target area continuously or periodically. This will the target area is constantly checked.
Die Zuordnung des Zielbereiches zu einer Materialbeschaffenheit kann auch zur automatischen Steuerung der Materialbearbeitung des Zielbereiches, insbesondere zur Lithotripsie verwendet werden. Bei einer solchen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der materialbearbeitende Laserimpuls von dem Verfahren automatisch freigegeben. Der bedienende Operateur muss sich so nur um die endoskopische Führung der jeweiligen Lichtleitfaser kümmern, die Auslösung des jeweiligen steinzerstörenden Impulses erfolgt dann automatisch. In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Auslösung eines materialbearbeitenden Impulses, beispielsweise durch einen Operateur, erst dann freigegeben, wenn im angeregten Zielbereich eine bestimmte Materialbeschaffenheit, insbesondere ein Körperkonkrement detektiert wurde. Auf diese Weise können Schädigungen des umgebenden Gewebes oder versehentliches Auslösen des materialbearbeitenden Laserimpulses vermieden werden, wodurch die Betriebssicherheit des Verfahrens erhöht wird.The assignment of the target area to A material quality can also be used for automatic control the material processing of the target area, especially for lithotripsy be used. With such an embodiment of the method according to the invention the material-processing laser pulse is automatically released by the process. The operating surgeon only has to deal with the endoscopic guidance of the take care of the respective optical fiber, the trigger of the respective stone destroying The impulse then takes place automatically. In another embodiment of the method according to the invention will trigger a material-processing impulse, for example by a Operator, only released when in the excited target area a certain material quality, in particular a body concretions is detected has been. That way you can damage of the surrounding tissue or accidental triggering of the material processing Laser pulse can be avoided, thereby reducing the operational safety of the Procedure increased becomes.
In einer Erweiterung des Verfahrens wird zusätzlich zu dem detektierten mechanischen und/oder akustischen Antwortsig nals des angeregten Zielbereiches auch mindestens ein Ultraschallsignal des Zielbereiches mittels Ultraschall-Echoskopie detektiert. Unterschiedliche Verfahren der Ultraschall-Echoskopie sind weithin bekannt und werden im klinischen Bereich vielfach eingesetzt.In an extension of the process will be additional to the detected mechanical and / or acoustic response signals of the excited target area also at least one ultrasound signal the target area detected by ultrasound echoscopy. different Methods of ultrasound echoscopy are well known and are used in the clinical area widely used.
Vorteilhaft wird das mit dem Ultraschall-Echoskopieverfahren generierte und empfangene Ultraschallsignal mit mindestens einem optischen Anregungssignal und/oder mindestens einem photoakustischen Antwortsignal korreliert. Über die gewonnenen Korrelationsdaten lassen sich das Ultraschallsignal mit mindestens einem Anregungssignal und/oder mit mindestens einem Antwortsignal synchronisieren und/oder in eine andere vorgegebene zeitliche Beziehung und/oder eine vorgegebene Phasenbeziehung zueinander setzen. Auf diese Weise können gleichzeitig ein Ultraschallbild und eine Auskunft über die Materialbeschaffenheit des interessierende Zielbereiches gewonnen werden.This is advantageous with the ultrasound echoscopy method generated and received ultrasound signal with at least one optical excitation signal and / or at least one photoacoustic Response signal correlated. about The correlation data obtained can be the ultrasonic signal with at least one excitation signal and / or with at least one Synchronize response signal and / or in another predetermined temporal relationship and / or a predetermined phase relationship to each other put. That way you can at the same time an ultrasound image and information about the Material quality of the target area of interest obtained become.
Da auch das Ultraschallsignal durch die mechanischen Schwingungen des optisch angeregten Zielbereiches moduliert wird, lassen sich auch aus den empfangenen Ultraschallsignalen durch Bestimmung periodischer Eigenschaften und/oder Bestimmung der photoakustischen Schwingungsmoden des Ultraschallsignals Eigenschaften des Zielbereichs erfahren.Because also the ultrasonic signal through the mechanical vibrations of the optically excited target area is modulated, can also be obtained from the received ultrasound signals by determining periodic properties and / or determination the photoacoustic vibration modes of the ultrasonic signal properties of the target area.
Eine übersichtliche Darstellung des Zielbereiches lässt sich erreichen, wenn das mit dem Ultraschall-Echoskopieverfahren gewonnene Ultraschallbild mit den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Materialbeschaffenheiten des jeweiligen Zielbereiches versehen wird. Im Ultraschallbild können so unterschiedliche Materialbeschaffenheiten angegeben und markiert werden und übersichtlich dargestellt werden, wodurch die Arbeit eines Operateurs unterstützt wird. Es ist dabei von Vorteil, die Erzeugung einer Darstellung eines Ultraschallbildes und/oder die Darstellung eines Ultra schallbildes durch mindestens ein Antwortsignal steuerbar vorzusehen.A clear representation of the Leaves the target area reach themselves if that with the ultrasound echoscopy method obtained ultrasound image with those determined using the method according to the invention Material properties of the respective target area is provided. Can in the ultrasound image so different material properties specified and marked are displayed clearly which supports the work of an operator. It is advantageous to generate a representation of a Ultrasound image and / or the representation of an ultra sound image provide controllable at least one response signal.
Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 42 gelöst.The task continues through a device for performing of the described method with the features of claim 42 solved.
Demgemäß weist die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mindestens eine Lichtquelle zur optischen Anregung eines Zielbereiches in einem menschlichen oder tierischen Körper auf, mindestens einen an dem oder in dem Körper angeordneten Detektor zur Detektion mechanischer und/oder akustischer Antwortsignale, mindestens ein Analysenmittel zur Analyse der Eigenschaften der detektierten Antwortsignale und mindestens ein Darstellungsmittel zur Darstellung des Antwortsignals und/oder der Eigenschaften des analysierten Antwortsignals auf.Accordingly, the device for execution the method at least one light source for optical excitation a target area in a human or animal body, at least one detector arranged on or in the body for the detection of mechanical and / or acoustic response signals, at least one analytical means for analyzing the properties of the detected response signals and at least one display means for Representation of the response signal and / or the properties of the analyzed Response signal.
Um eine hinreichend energetische und modulierbare Lichtquelle zur Verfügung zu haben, bietet es sich an, einen Laser als Lichtquelle zu verwenden. Der Laser ist bezüglich seiner Parameter, insbesondere seiner Wellenlänge, seiner Intensität und seiner Pulsfolge relativ einfach steuerbar.In order to have a sufficiently energetic and modular light source available, it is advisable to use a laser as the light source. The laser is related to its parameters, in particular its wavelength, its intensity and its Pulse sequence can be controlled relatively easily.
Die Lichtquelle kann entweder an dem Endoskop selbst angebracht sein oder es wird eine Lichtleitfaser zur Leitung des von der Lichtquelle emittierten Lichtes vorgesehen. Diese Lichtleitfaser lässt sich einfach an einem Endoskop anordnen.The light source can either be on be attached to the endoscope itself or it will be an optical fiber provided for guiding the light emitted by the light source. This optical fiber can be simply arrange on an endoscope.
Ein preiswerter und zuverlässiger Detektor zur Detektion mechanischer und/oder akustischer Schwingungen wird durch Piezoelemente ausgeführt.An inexpensive and reliable detector for Mechanical and / or acoustic vibrations are detected by Piezo elements executed.
Zusammenfassend ist zu konstatieren, dass die vorliegende Erfindung auf einem Verfahren und Vorrichtung zur Bestrahlung von Körpergeweben, Körperflüssigkeiten bzw. festen Körperkonkrementen mit Hilfe von spezifisch ausgewiesener Strahlungsenergie basiert. Der mit der Strahlungsenergie beaufschlagte Zielbereich (Targetmaterial) zeigt aufgrund der eingebrachten photonischen Energien verschiedenartige photoinduzierte Reaktionen, welche sowohl zur diagnostischen Befundung aber auch zu unterschiedlichen therapeutischen Zwecken bzw. zur Materialbearbeitung genutzt werden können. Dabei kann auch eine selektive therapeutische Anwendung und/oder Materialbearbeitung unter Feedback-kontrollierten Bedingungen erfolgen, wenn aus dem Diagnoseverfahren entsprechende Informationen abgeleitet werden und diese dabei festgestellten Materialeigenschaften dazu dienen, die Vorgaben für eine spezifizierte und entsprechend kontrollierte Einstellung der Strahlungsparameter und Abgabe der Strahlungsenergie für die jeweils zu erfolgende therapeutische Anwendung bzw. Materialbearbeitung zu ermöglichen.In summary it can be stated that the present invention on a method and apparatus for irradiation of body tissues, body fluids or solid body concrements with With the help of specifically identified radiation energy. The target area exposed to the radiation energy (target material) shows different types due to the introduced photonic energies photo-induced reactions, which are both diagnostic but also for different therapeutic purposes or for material processing can be used. A selective therapeutic application and / or Material processing takes place under feedback-controlled conditions, if appropriate information is derived from the diagnostic procedure and the material properties that were found serve the specifications for a specified and appropriately controlled setting of the Radiation parameters and emission of radiation energy for each therapeutic application or material processing to be carried out to enable.
Die Wirkungen der Strahlungsenergien auf das Targetmaterial können einerseits darin bestehen, dass bestimmte photoinduzierte entropische bzw. elastische reversible Zustände in dem vorliegenden Targetmaterial angeregt werden und andererseits bei bestimmten, höheren Strahlungsenergien auch spezifische gewünschte irreversible Strukturänderungen wie beispielsweise Photoablation und/oder Photothermoplastie an Geweben bzw. auch eine Zertrümmerung oder Fragmentierung von Körperkonkrementen (Gallensteine, Nierensteine, Blasensteine, Speichelsteine u.a.) erzielt werden. Die mit einer gezielten Beaufschlagung mit entsprechend spezifizierter Strahlungsenergie einhergehenden unterschiedlichen Wechselwirkungen bei unterschiedlichen Strahlungsparametern mit dem jeweiligen Targetmaterial können in der Weise genutzt werden, dass mit Hilfe entsprechend spezifizierter optischer Anregungs- und geeigneter Detektions- und Analyseverfahren eine zerstörungsfreie in vivo Analyse zur Feststellung der Materialeigenschaften des bestrahlten Targetgebietes ermöglicht wird. Auf der Grundlage dieser Analyseergebnisse kann in unmittelbarer Folge eine selektive und kontrollierte therapeutische Anwendung bzw. Materialbearbeitung desselben Zielbereichs und Targetmaterials erzielt werden, wobei zur Prozessautomatisierung entsprechend geeignete Feedback Verfahren implementiert werden können.The effects of radiation energies can on the target material on the one hand consist of certain photo-induced entropic or elastic reversible states are excited in the present target material and on the other hand at certain, higher ones Radiation energies also include specific desired irreversible structural changes such as for example photoablation and / or photothermoplasty on tissues or a smash or fragmentation of body concretions (Gallstones, kidney stones, bladder stones, saliva stones, etc.) be achieved. Those with a targeted exposure accordingly specified radiation energy associated different Interactions with different radiation parameters the respective target material be used in such a way that with the help of appropriately specified optical excitation and suitable detection and analysis methods destructive in vivo analysis to determine the material properties of the irradiated Target area enabled becomes. Based on these analysis results, immediate Follow a selective and controlled therapeutic application or material processing of the same target area and target material can be achieved, with appropriate feedback for process automation Procedures can be implemented.
Die vorliegende Erfindung gibt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung an, mit dem in einem ersten Schritt eine zerstörungsfreie in vivo Analyse des jeweils vorliegenden Targetmaterials erreicht wird, mit der eine Feststellung und Klassifizierung bzw. Erkennung des Materials bzw. bestimmter Materialeigenschaften aufgrund seiner unterschiedlichen Materialzusammensetzungen und/oder Struktureigenschaften und/oder seines strukturdynamischen bzw. rheologischen Verhaltens möglich ist. In einem folgenden Schritt kann daraufhin eine gezielte und selektive Anwendung der auf denselben Zielbereich und das selbe Targetmaterial eingebrachten Strahlungsenergie zu verschiedenartigen therapeutischen Zwecken sowie zur Bearbeitung des Targetmaterials nach den Maßgaben der vorangegangenen in vivo Analyseergebnisse erfolgen. Dabei erfolgt der Therapieprozess oder Materialbearbeitungsprozess durch jeweils aktuell spezifizierte und kontrollierbare unterschiedlichen Einstellungen der Strahlungsenergie sowie durch andere relevante Strahlungsparameter im Verlauf des Diagnoseprozesses bzw. durch entsprechend geeignete Feedback-Prozessroutinen.The present invention provides Method and an apparatus with which in a first step a non-destructive in vivo analysis of the respective target material achieved with which a determination and classification or recognition of the material or certain material properties due to its different material compositions and / or structural properties and / or its structural dynamic or rheological behavior possible is. In a subsequent step, a targeted and selective application of the same target area and the same Radiation energy introduced into target material to various types therapeutic purposes and for processing the target material according to the requirements of the previous in vivo analysis results. This is done the therapy process or material processing process through current in each case specified and controllable different settings radiation energy as well as other relevant radiation parameters in the course of the diagnostic process or by appropriately suitable ones Feedback process routines.
Im Falle der Anwendung der Verfahren und Vorrichtung auf dem Gebiet der Laserlithotripsie bietet die Erfindung die Möglichkeit, dass nur im Falle des Vorliegens des zu bearbeitenden Steinmaterials die zur Plasmaauslösung und Steinzertrümmerung erforderliche hohe Laserenergie selektiv appliziert wird. Dadurch wird gewährleistet, dass die zur Lithotripsie verwendete hohe Laserenergie zu keinem Zeitpunkt auf das zu schonende Gewebe trifft. Damit wird jede unerwünschte kolla terale Schädigung des den Stein umgebenden Gewebes mit Sicherheit ausgeschlossen. Es ist weiterhin eine zuverlässige und sichere selektive Materialbearbeitung auch ohne Sichtkontrolle möglich, wobei auch im Falle eines Blindverfahrens die selektive Steinfragmentierung ohne Schädigung des umgebenden Gewebes erreicht wird, was durch eine entsprechend geeignete automatisierte Feedback-Prozesskontrolle erreicht werden kann. Hierbei werden die vor jedem Bearbeitungsschritt und bei jedem vorangehenden Analyseschritt jeweils festgestellten Analysedaten zur Feedback Kontrolle des selektiven Laser-Bearbeitungsverfahren verwendet.In case of applying the procedures and device in the field of laser lithotripsy Invention the possibility that only if the stone material to be processed is available for plasma release and stone crushing required high laser energy is applied selectively. This ensures that the high laser energy used for lithotripsy at no time meets the tissue to be protected. This eliminates any unwanted colla terale damage of the tissue surrounding the stone with certainty excluded. It is still a reliable one and safe selective material processing even without visual inspection possible, even in the case of a blind process, the selective stone fragmentation without damage of the surrounding tissue is achieved by what is appropriate Appropriate automated feedback process control can be achieved can. Here, before each processing step and at each previous analysis step each determined analysis data used for feedback control of the selective laser machining process.
Zur Feststellung der im Zielbereich jeweils vorliegenden Materialeigenschaften werden zu Analysezwecken verschiedene photoinduzierte Wechselwirkungen mit dem Targetmaterial einzeln oder in Kombination ausgenutzt, um daraus zuverlässige, eindeutige und signifikante targetspezifische Merkmale zur Diskrimination, Klassifizierung, Material- und Strukturerkennung zu erhalten, wobei die hieraus abgeleiteten erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil einer für die Anwendung hinreichenden Trennschärfe aufweist und auf einfache und unmittelbare Weise ein geeignetes Analyseergebnis erzielt wird.To determine the in the target area each material properties are used for analysis purposes different photo-induced interactions with the target material used individually or in combination to make them reliable, clear and significant target-specific characteristics for discrimination, Get classification, material and structure recognition, whereby the method according to the invention derived therefrom has the advantage of for the Application of sufficient selectivity has and a suitable in a simple and immediate manner Analysis result is achieved.
Ebenso führt die zur Festsstellung von Materialeigenschaften auf das Zielbereich eingebrachte Strahlungsenergie in keinem Fall zu einer optischen Plasmaemission bzw. einer Denaturierung, Schädigung, Zerstörung oder Perforation des zu analysierenden biologischen Gewebes.This also leads to the determination of mate Radial energy applied to the target area under no circumstances leads to optical plasma emission or denaturation, damage, destruction or perforation of the biological tissue to be analyzed.
Vorteilhaft werden deshalb nur geringe Strahlungsenergien zur Anregung des Zielbereichs verwendet, welche zwar zu einer entsprechend spezifizierten im Sinne des Analyseverfahrens notwendigen optischen Anregung des Targetmaterials führen, jedoch eine Schädigung gänzlich ausschließen.Only low radiation energies are therefore advantageous used to excite the target area, which indeed corresponds to a specified optical required within the meaning of the analysis process Lead excitation of the target material, however an injury completely exclude.
Das Erkennungsverfahren kann sowohl mit unterschiedlichen Lasertypen bei verschiedenen Wellenlängen als auch mit gepulsten Lasern mit verschiedenen Laserpulsdauern sowie auch für CW Laser bzw. modulierte CW-Laser angewendet werden.The detection process can be both with different laser types at different wavelengths as also with pulsed lasers with different laser pulse durations as well also for CW lasers or modulated CW lasers can be used.
Die Verwendung nicht-optischer Detektionssysteme hat den Vorteil, dass zur Feststellung der Materialeigenschaften die unterschiedliche strukturelle Dynamik der durch optische Anregung des Targetmaterials ausgelösten photoakustischen, photothermischen bzw. photoelastischen Effekte ausgenutzt wird. Der prinzipielle Vorteil dieser Detektionsart ist darin zu sehen, das hierbei das detektierte Signal ausschließlich von der im Targetmaterial tatsächlich absorbierten Strahlungsenergie abhängt, wodurch keine Störungen der Messung durch die bei derartigen Materialien üblicherweise auftretende starke Streustrahlung auftreten können und damit die diesbezüglichen Nachteile der bekannten optischen Detektionsverfahren entfallen. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass zur effektiven Anregung des Targetmaterials zu Analysezwecken, praktisch unbeschränkte Möglichkeiten nutzbarer Strahlungsenergien zur Verfügung stehen, wobei mit ganz unterschiedlichen Strahlungsquellen und Bestrahlungsbedingungen gearbeitet werden kann. Somit kann die zur Anregung verwendete photonische Emission grundsätzlich mit weitgehend beliebiger spektraler Verteilung und außerdem über einen extrem breitbandigen Wellenlängenbereich erfolgen, woraus sich der Vorteil einer weitgehend freien Wahl der je nach Anwendung eingesetzten Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche sowie der verwendeten Strahlungsquelle ergibt. Die gegenüber den bekannten Verfahren besonders vorteilhafte hohe Nachweisempfindlichkeit des Detektionsverfahrens in Verbindung mit der mit dieser Lösung erreichbaren hohen Spezifität und Selektivität des Analyseverfahrens ist in dem wesentlichen Unterschied begründet, dass sich die zu untersuchenden Gewebematerialien grundsätzlich nicht eindeutig und hinreichend genau hinsichtlich ihrer rein stofflichen Kennzeichen differenzie ren lassen, da sich die meisten Gewebe bezüglich ihres stofflichen Gehaltes und Zusammensetzung nicht signifikant unterscheiden. Die entsprechenden Gewebetypen unterscheiden sich aber auf signifikante Weise hinsichtlich ihrer morphologischen Strukturen, welche wiederum auf unmittelbare Weise mit den funktionellen physiologischen Eigenschaften verknüpft sind. Die Analyse dieser strukturellen Kennzeichen bringt somit den Vorteil mit sich, dass damit die Anwendung strukturdynamischer und rheologischer Analyseverfahren zur Feststellung und genauen Differenzierung von Gewebeeigenschaften sowie zur funktionalen Charakterisierung geeignet sind.The use of non-optical detection systems has the advantage that to determine the material properties the different structural dynamics of the by optical excitation of the target material photoacoustic, photothermal or photoelastic effects is exploited. The main advantage of this type of detection is to see in this that the detected signal exclusively from actually in the target material absorbed radiant energy depends, causing no interference with the Measurement by the strong one that usually occurs with such materials Scattered radiation can occur and thus the related ones Disadvantages of the known optical detection methods are eliminated. Another advantage is that effective stimulation of the target material for analysis purposes, practically unlimited possibilities usable radiation energies are available, with whole different radiation sources and radiation conditions can be worked. Thus, the photonic used for excitation Emission in principle with largely any spectral distribution and also over one extremely broadband wavelength range take place, which gives the advantage of a largely free choice of Depending on the application, the wavelengths or wavelength ranges used and the radiation source used. The opposite of the known methods particularly advantageous high detection sensitivity of the detection method in connection with that achievable with this solution high specificity and selectivity The analysis procedure is based on the essential difference that the tissue materials to be examined are fundamentally not clear and sufficiently precise with regard to their purely material Characteristics can be differentiated, since most fabrics differ in terms of their material Do not significantly differentiate content and composition. The corresponding tissue types differ significantly with regard to their morphological structures, which in turn are based on immediate way with the functional physiological properties connected are. The analysis of these structural characteristics thus brings the advantage with it that the application is structurally dynamic and rheological analysis methods to determine and exact Differentiation of tissue properties and for functional characterization are suitable.
Daher ist der Einsatz entsprechender akustischer bzw. mechanischer Schwingungsdetektoren oder anderer bekannte Verfahren vorteilhaft, mit welchen die vom Zielbereich bei optischer Anregung ausgehenden thermischen, akustischen bzw. elastischen Wellen nachgewiesen werden können.Therefore, the use is more appropriate acoustic or mechanical vibration detectors or others known methods advantageous, with which the target area thermal, acoustic or elastic waves can be detected.
Die Detektion dieser thermischen, akustischen bzw. elastischen Wellen weist den weiteren Vorteil auf, dass diese sich über große Distanzen im Körpergewebe selbst linear ausbreiten und bis zur Körperoberfläche gelangen, wo sie ohne zusätzlich in den Körper einzubringende Sensoren und ohne weiteren Aufwand mittels an der Körperoberfläche angebrachte Sensoren leicht detektiert werden können. Diese Lösung weist den weiteren Vorteil auf, dass durch das Anbringen weiterer zusätzlicher Sensoren an unterschiedlichen Positionen auf der Körperoberfläche eine räumliche und zeitliche Zuordnung der vom Zielbereich emittierten akustischen Wellen möglich ist. Die simultane Registrierung mit mehreren Detektoren bei unterschiedlichen Detektorpositionen und/oder der Einsatz entsprechend angeordneter und operativ miteinander gekoppelter Sensoren z.B. zur fokussierten Detektion auf bestimmte ausgewählte Targetpunkte bzw. Targetbereiche ist im Besonderen auch deshalb vorteilhaft, da mit dieser Lösung neben einer räumlichen Positionsbestimmung der akustischen Quelle auch noch weitere zusätzliche signifikante targetspezifischen Merkmale bezüglich der unterschiedlichen akustischen Abstrahlungscharakteristiken in Verbindung mit den anderen aufgrund der im Targetmaterial selbst stattfindenden photoakustischen, photothermischen bzw. photoelastischen Wechselwirkungen gewonnenen strukturdynamischen Merkmalen zu Analysezwecken und ebenso auch zur Beurteilung des mit jeder therapeutischen Strahlungsexposition erreichten Therapieerfolges oder aber zur Bewertung des jeweils durch die Laserenergie bewirkten Bearbeitungszustandes sowie der Effektivität der Bearbeitung genutzt werden können.The detection of this thermal, acoustic or elastic waves has the further advantage that this is about size Distances in the body tissue spread yourself linearly and get to the surface of the body, where they are also without the body sensors to be introduced and without further effort by means of Body surface attached Sensors can be easily detected. This solution points the additional advantage of adding additional Sensors at different positions on the body surface spatial and temporal assignment of the acoustic waves emitted by the target area possible is. Simultaneous registration with multiple detectors at different Detector positions and / or the use of appropriately arranged and operationally coupled sensors e.g. for focused Detection on certain selected That is why target points or target areas are particularly important advantageous because with this solution in addition to a spatial Positioning the acoustic source also other additional significant target-specific features regarding the different acoustic radiation characteristics in connection with the others due to the photoacoustic structural-dynamic interactions obtained by photothermal or photoelastic interactions Features for analysis purposes and also for assessing the with every therapeutic radiation exposure achieved therapy success or to evaluate the laser energy Processing status and the effectiveness of the processing can be used can.
Zum Beispiel unterscheiden sich feste Materialien wie Steinkonkremente gegenüber weichem Gewebematerial nicht nur hinsichtlich ihrer strukturellen Verschiedenartigkeit, sondern ebenso signifikant im Hinblick auf ihre unterschiedlichen Schallausbreitungseigenschaften, wobei Festkörper-Konkremente sowohl eine transversale als auch longitudinale Wellenausbreitung besitzen, aber im Gegensatz dazu im weichen Körpergewebe ausschließlich nur longitudinale Wellenausbreitung stattfindet. Diese dem Fachmann bekannten unterschiedlichen Eigenschaften der akustischen Wellenausbreitung werden vorteilhaft zu den erfindungsgemäßen Analysenzwecken sowie zur Erzielung einer zuverlässigen Diskriminationleistung, Materialklassifizierung bzw. Materialerkennung genutzt.For example, solid materials such as stone concrements differ from soft tissue material not only in terms of their structural diversity, but also significantly in terms of their different sound propagation properties, with solid-state concrements having both transverse and longitudinal wave propagation, but in contrast only in soft body tissue longitudinal wave propagation takes place. These different properties of acoustic wave propagation known to the person skilled in the art are advantageous for the analysis purposes according to the invention as well as to achieve a reliable discrimination performance, material classification or material detection.
So ist es besonders dann vorteilhaft, wenn dadurch, wie z.B. im Fall einer Laser-Lithotripsie die Anwendung ohne Sichtkontrolle (Blindverfahren) erfolgt und mit dieser Lösung der jeweils erreichte Fragmentierungsgrad des Steinkonkrementes leicht bestimmt und entsprechend angezeigt werden kann. Ein zusätzlicher Nutzen ergibt sich auch aus der Tatsache, dass beim Einsatz im Blindverfahren mit der erfindungsgemäßen Lösung auch eine Navigations- und Positionierungshilfe leicht zu realisieren ist, was zur Erreichung einer für die effektive Steinzertrümmerung optimalen Faserposition bzw. eines op timalen Steinkontaktes ausgenutzt werden kann. Diese Lösung weist den Vorteil auf, dass eine Navigation und Sondierung auch größerer Zielbereiche auch noch in den Fällen besteht, wenn eine endoskopische Sichtkontrolle aufgrund des mangelnden Zugangs für das Endoskop zwar unmöglich ist, aber aufgrund des erheblich geringeren Faserdurchmessers der Laserfaser ein Zugang dieser Faser in bestimmte Kavitationen mit geringerem Lumen wie z.B. Gallengänge dennoch möglich ist. Durch diese Lösung wird der sichere klinische Anwendungsbereich erheblich erweitert.So it is particularly advantageous if this, e.g. in the case of laser lithotripsy, the application without visual inspection (blind process) and with this solution the the degree of fragmentation of the stone concrement reached was easily determined and can be displayed accordingly. There is an additional benefit also from the fact that when used in the blind process with the solution according to the invention also a navigation and positioning aid easy to implement is what to achieve one for the effective stone destruction optimal fiber position or an optimal stone contact exploited can be. This solution has the advantage that navigation and sounding too larger target areas even in the cases exists if there is an endoscopic visual inspection due to the lack Access for the endoscope is impossible is, but due to the significantly smaller fiber diameter Laser fiber has access to this fiber in certain cavitations lower lumen such as Bile ducts is still possible. With this solution the safe clinical application area will be expanded considerably.
Das Erkennungsverfahren zur Feststellung der Materialeigenschaften kann auch ohne jegliche vorherige Kenntnis der Art und Zusammensetzung der Materialbestandteile sofort und ohne entsprechende Voruntersuchungen überall klinisch angewendet werden. Es wird der vorteilhafte Zusammenhang zwischen den unterschiedlichen strukturellen, strukturdynamischen und funktionellen rheologischen Eigenschaften von Körpermaterialien ausgenutzt. Diese Lösung gründet sich auf der Kenntnis, dass zwischen den morphologischen Eigenschaften biologischer Gewebestrukturen und ihrer damit korrespondierenden spezifischen physiologischen Funktionalität ein wechselseitiger Bedingungszusammenhang besteht. Wie aus der Strukturtheorie, Strukturbiologie und Biophysik der Gewebe bekannt ist, konstituieren sich die gewebsmorphologischen Strukturbildungprozesse mit entsprechend ausgewiesener adaptiver Plastizität und die damit verknüpfte funktionelle physiologische bzw. pathophysiologische Funktionalität gegenseitig auf hochspezifische und komplementäre Weise. Die erfindungsgemäße Detektion und Ermittlung bestimmter im Targetgebiet jeweils vorliegender äußerst signifikanter gewebselastischer Eigenschaften (Gewebsrheologie) sowie ihrer damit in Zusammenhang stehenden hochspezifischen strukturellen bzw. stukturdynamischen Merkmale wird vorteilhaft zur sensitiven und sicheren Feststellung, selektiven Unterscheidung, Klassifizierung und Erkennung von biologischen Materialien und/oder festen Körper konkrementen eingesetzt. Weitere vorteilhafte Anwendungen der Erfindung sind darin zu sehen, dass mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lösung damit ebenso unterschiedliche neuartige in vivo Analysewerkzeuge für biomedizinische Forschungszwecke zur Aufklärung vielfältiger biologischer Energie- und Strukturumwandlungsprozesse oder struktureller Schwingungsmoden und ihrer Dynamik möglich sind, wie z.B. bei verschiedenartigen zellulären Organisationsprozessen oder bei morpho- genetischen Entwicklungsphasen und Wachstumsprozesse, welche sich durch spezifische Konformationsänderungen und/oder Aktivierungszustände auszeichnen. Hierbei spielen bestimmte gewebsmechanische Funktionalitäten, wie Plastizität, Entropische Elastizität oder Viskoelastizität eine bedeutende Rolle. Auch die Möglichkeit zur in vivo Untersuchung verschiedener Mechanismen der Mechanotransduktion oder bestimmter photoelastischer und thermoelastische Transduktionsprozesse, u.v.a.m. eröffnet damit weitreichende Anwendungsperspektiven für zukünftige biotechnologische, biomedizinische in vivo Analyseverfahren und klinische Diagnoseverfahren. Denkbar sind außerdem auch verschiedenartige Nutzungen zur selektiven und feedback-kontrollierten biomedizinischen Intervention z.B. zur selektiven photoelastisch, photothermisch bzw. photoakustisch induzierten strukturellen Integration bzw. Desintegration in ausgewählten regionalen Gewebekompartimenten, zellulären Strukturen oder zur gezielten Erzeugung und Servo- Kontrolle spezifischer Anisotropien und Gradientenfelder, viskoelastischer und gewebsrheologischer Zustände, sowie bestimmter lokaler Mikroakzellerationen. Weitere denkbare Anwendungen ergeben sich nach den Prinzipien des erfindungsgemäßen Verfahrens in Verbindung mit der gezielten Beaufschlagung von ausgewählten biologischen Mikro- und Nanostrukturen mit spezifisch steuerbarer Strahlungsenergie mit Hilfe geeigneter optischer Applikatoren und durch die damit erreichbare photoinduzierte selektive lokale sonische Anregung oder Sono-Stimulation, zur Erzielung verschiedenartiger kontrollierbarer hochspezifischer physiologischer Wirkungen, wie z.B. die spezifische Beeinflussung bestimmter spezifischer lokaler zellulärer Motilitäten, Oberflächen- und Volumenänderungen oder von Transport- und Regulations-prozessen bzw. die Servo Steuerung oder Modulation physiologisch relevanter fluid-dynamischer Pumpmechanismen oder gezielte Beeinflussung mikrozirkulatorischer hämodynamischer Parameter. Im Rahmen einer selektiven und kontrollierten laserinduzierten Schockwellenanwendung ergibt sich die erfindungsgemäße Möglichkeit sowohl zum Einsatz des Verfahrens für verschiedenartige konservative physiotherapeutische bzw. orthopädische Schockwellenbehandlungen als auch zu deren invasiver Anwendung.The recognition process to determine the Material properties can also be changed without any prior knowledge the type and composition of the material components immediately and Clinically used everywhere without corresponding preliminary examinations become. There will be the beneficial relationship between the different structural, structural dynamic and functional rheological Properties of body materials exploited. This solution founds be aware that between the morphological properties of biological Tissue structures and their corresponding specific ones physiological functionality there is a reciprocal relationship. As from the Structure theory, structural biology and biophysics of tissues is known the tissue morphological structure formation processes are constituted with correspondingly proven adaptive plasticity and the associated with it functional physiological or pathophysiological functionality mutually in a highly specific and complementary way. The detection according to the invention and determination of certain extremely significant tissue elastic present in the target area Properties (tissue rheology) and their related standing highly specific structural or structural dynamic Features will be advantageous for sensitive and secure detection, selective distinction, classification and detection of biological Concrete materials and / or solid bodies used. Further advantageous applications of the invention are to be seen in the fact that with the help of the solution according to the invention, it is also different Novel in vivo analysis tools for biomedical research purposes for clarification diverse biological energy and structural transformation processes or more structural Vibration modes and their dynamics are possible, e.g. with different types cellular Organizational processes or in morphogenetic development phases and growth processes, which are characterized by specific conformational changes and / or activation states distinguished. Here certain tissue mechanical functionalities play, such as Plasticity, entropic elasticity or viscoelasticity an important role. Also the possibility for in vivo investigation various mechanisms of mechanotransduction or certain photoelastic and thermoelastic transduction processes, and much more open thus far-reaching application prospects for future biotechnological, biomedical in vivo analysis methods and clinical diagnostic methods. Conceivable are also also various uses for selective and feedback-controlled biomedical intervention e.g. for selective photoelastic, structural integration induced photothermally or photoacoustically or disintegration in selected regional tissue compartments, cellular structures or for targeted Generation and servo control of specific anisotropies and gradient fields, viscoelastic and tissue rheological conditions, as well as certain local ones Mikroakzellerationen. Further conceivable applications arise in accordance with the principles of the method according to the invention with the targeted application of selected biological micro and Nanostructures with specifically controllable radiation energy with the help suitable optical applicators and the achievable photo-induced selective local sonic excitation or sono-stimulation, to achieve various types of controllable, highly specific physiological effects, e.g. the specific influence certain specific local cellular motility, surface and volume changes or of transport and regulation processes or the servo control or modulation of physiologically relevant fluid-dynamic pump mechanisms or targeted influencing microcirculatory hemodynamic Parameter. As part of a selective and controlled laser-induced shock wave application the possibility according to the invention results both to use the method for various conservative physiotherapeutic or orthopedic Shock wave treatments as well as their invasive application.
Ein besonderer prinzipieller Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin begründet, dass die mittels optischer Anregung im Targetmaterial erzeugten und mit Hilfe des bezeichneten Detektionsverfahrens nachweisbaren und entsprechend analysierbaren strukturdynamischen Ordnungszustände weitgehend unabhängig von den Eigenschaften der spektralen Emission der jeweils eingesetzten anregenden Strahlungsenergie sind, wodurch sich eine weitgehend uneingeschränkte Auswahl der hierfür einsetzbaren Bestrahlungssysteme ergibt. Es ergibt sich die Möglichkeit das Verfahren auch über einen extrem breiten Wellenlängenbereich z.B. vom Mikrowellen-, IR-, VIS-, oder UV-Bereich bis hin zur Röntgen- oder Gammastrahlung zur Anregung zu nutzen.A particular principle advantage of the solution according to the invention lies in the fact that the structural-dynamic order states generated in the target material by means of optical excitation and detectable and correspondingly analyzable with the aid of the designated detection method are largely independent of the properties of the spectral emission of the stimulating radiation energy used in each case, which results in a largely unrestricted selection of the radiation systems that can be used for this purpose. There is the possibility of using the method for excitation over an extremely broad wavelength range, for example from the microwave, IR, VIS or UV range up to X-ray or gamma radiation.
Weiterhin wird eine entsprechend geeignete Operationalisierung des zerstörungsfreien in vivo Erkennungsverfahrens und Material-erkennungssystems mit entsprechendend ausgewählten korrespondierenden Applikatorssystemen herbeigeführt. Diese Applikatorsysteme, welche zur selektiven Beaufschlagung des jeweils vorliegenden Targetmaterials geeignet sind und welche mit entsprechend ausgewählten und für die Erreichung der jeweiligen Materialbearbeitungsaufgabe bzw. therapeutischen Aufgabe geeigneten Bestrahlungsart arbeiten und wodurch, auf der Grundlage der festgestellten Materialeigenschaften, eine entsprechend kontrollierte Abgabe der Strahlungsenergien mit jeweils genau definierten Bestrahlungsparametern erreicht wird. Diese Operationalisierung wird gegebenenfalls unter online Bedingung unter Implementierung bestimmter anwendungsspezifischer Prozessroutinen durchgeführt.Furthermore, one will be appropriate appropriate operationalization of the non-destructive in vivo detection method and material detection system with correspondingly selected corresponding ones Applicator systems brought about. These applicator systems, which are used for the selective application of the Target material present in each case are suitable and which with selected accordingly and for the achievement of the respective material processing task or therapeutic Task suitable radiation type work and what, on the Basis of the material properties found, one accordingly Controlled delivery of radiation energies with precisely defined ones Irradiation parameters is reached. This operationalization if necessary, under online condition under implementation certain application-specific process routines performed.
Eine derartige z.B. halbautomatische Prozessroutine kann u.a. darin bestehen, dass nachdem die Materialeigenschaft mit Hilfe des Erkennungssystems, aufgrund entsprechend geeigneter spezifischer Merkmale, jeweils automatisch festgestellt wurde, der Anwender aufgrund dieser Daten nach seinen eigenen Maßgaben, die zum Erreichen seiner spezifischen und mit Hilfe der selektiven Strahlungsapplikation bewirkten, Bearbeitung bzw. therapeutischen Intervention solange fortsetzt, bis das Bearbeitungsziel aufgrund des nach jedem Bearbeitungsschritt mittels des Erkennungssystems festgestellten gewünschten Fortschritts erreicht wird. Damit der jeweils erreichte Fortschritt der Bearbeitung und das Erreichen des Bearbeitungszieles für den Anwender zu jedem Zeitpunkt leicht erkennbar ist, sind entsprechende Mittel vorgesehen, welche aufgrund einer geeigneten visuellen und/oder akustischen Repräsentation und Anzeige der aktuellen Analysedaten, eine schnelle und leichte Beurteilung der Effektivität bzw. des Erfolges der Bearbeitung erlauben. Hierzu können vorteilhaft im Sinne des Verfahrens unterschiedliche bekannte parametrische und/oder symbolische Repräsentationstechniken zur jeweils geeigneten online Darstellung des akuten Analyseergebnisses eingesetzt werden, welche dem Anwender auch zusätzliche Sondierungs- und/oder Navigations- und/oder Positionierungshilfen zur optimalen Applikation der Strahlungsenergien wie z.B. zur gezielten Führung und selektiven Positionierung einer in die entsprechende Kavitation eingebrachten optischen Faser bieten.Such a e.g. semi-automatic Process routine can include are that after the material property with the help of the recognition system, on the basis of correspondingly more suitable ones specific characteristics, each was automatically determined, the Users based on this data according to their own requirements, to achieve its specific and selective Radiation application caused, processing or therapeutic Intervention continues until the processing target is due after each processing step using the detection system found desired Progress is achieved. So that the progress achieved in each case processing and achieving the processing goal for the user Appropriate means are easily recognizable at any time provided which is based on a suitable visual and / or acoustic representation and display the current analysis data, a quick and easy Assessment of effectiveness or the success of the processing. This can be advantageous Different known parametric in the sense of the method and / or symbolic representation techniques for the appropriate online presentation of the acute analysis result are used, which the user also additional probing and / or Navigation and / or positioning aids for optimal application the radiation energies such as for targeted leadership and selective positioning an optical fiber introduced into the corresponding cavitation.
Vorteilhaft können auch entsprechende Hilfsmittel vorgesehen sein, welche eine leichte Bedienbarkeit und schnelle Einstellung der erforderlichen Bestrahlungsparameter gestatten. Diese im Sinne der Erfindung eingesetzte Prozessroutine dient einerseits der Kontrolle für eine gezielte, effektive und selektive Materialbearbeitung und andererseits auch als Sicherheitssystem, welches in jedem Fall eine unerwünschte und schädigende Applikation der Strahlungsenergie auf das zu schonende Material bzw. umgebende Gewebe mit Sicherheit ausschließt. Neben einer halbautomatischen Operationalisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind ebenso automatische Prozessroutinen denkbar, mit deren Hilfe eine direkte Feedback-Kontrolle möglich ist. Hierzu können aus den gewonnenen Analyse-Prozessdaten entsprechend geeignete Kontrollparameter in Echtzeit abgeleitet werden, welche dann zur Steuerung und Regelung der verschiedenen Bestrahlungsparameter verwendet werden. Vorteilhaft ist es, wenn diese Prozessroutinen auch eine entsprechende Steuerungslogik enthalten, welche mit Hilfe entsprechend implementierter Sicherheitskriterien die verschiedenen Risiken einer Fehlbedienung und Fehlbehandlung sowie eine Gewebeschädigung ausschließt.Appropriate aids can also be advantageous be provided, which is easy to use and quick Allow setting of the required radiation parameters. This process routine used in the sense of the invention serves on the one hand of control for a targeted, effective and selective material processing and on the other hand also as a security system, which is undesirable in any case damaging Application of the radiation energy to the material to be protected or surrounding tissue with certainty. In addition to a semi-automatic Operationalization of the method according to the invention are also automatic process routines conceivable, with the help of which a direct Feedback control possible is. You can do this Appropriate control parameters from the analysis process data obtained are derived in real time, which are then used for control and regulation of the various radiation parameters can be used. Advantageous It is when these process routines also have appropriate control logic contain, which with the help of implemented security criteria the various risks of incorrect operation and mishandling as well as tissue damage excludes.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen der Figuren anhand dreier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below Reference to the drawings of the figures using three exemplary embodiments explained in more detail. It demonstrate:
In
Der Zielbereich
Außerhalb oder innerhalb des
Körpers
des zu behandelnden Patienten ist ein Detektor
Zur Analyse des Antwortsignals werden
beispielsweise die periodischen Eigenschaften des detektierten Antwortsignals
ermittelt. Dies geschieht beispielsweise über bekannte Methoden wie die Fast-Fourier
Transformation (FFT), Wavelet oder anderen. Mittels des bekannten
Verfahrens der dynamischen Analyse können weiterhin die Schwingungsmoden
des angeregten Zielbereiches aus dem Antwortsignal ermittelt werden,
die durch den photoakustischen Effekt bei optischer Anregung des
Zielbereiches
In einer Zuordnungseinheit
Die Einordnung der Eigenschaften des Antwortsignals kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. In einer besonders einfachen Variante der Erfindung wird das Antwortsignal lediglich daraufhin untersucht, ob im Zielbereich nach der optischen Anregung überhaupt ein spezifisches photoakustisches Ereignis stattfindet. Aufgrund der Kenntnis der Materialeigenschaften bei unterschiedlichen Anregungsbedingungen ist es so möglich, zu entscheiden, ob die optische Anregung eines Festkörpers oder des diesen umgebenden Gewebes betroffen hat. Im Falle des Festkörpers sind im Antwortsignal spezifische Schwingungsmoden bei einer bestimmten Anregungsenergie erkennbar, wobei im Falle der Anregung des umgebenden Gewebes bei dieser Anregungsenergie dann noch keine Schwingungsmoden nachweisbar sind.The classification of properties of the response signal can be done in different ways. In a particularly simple variant of the invention, the response signal only examined whether in the target area after the optical Any suggestion at all a specific photoacoustic event is taking place. by virtue of knowledge of the material properties under different excitation conditions is it possible to decide whether the optical excitation of a solid or of the surrounding tissue. In the case of the solid state specific vibration modes in the response signal at a particular Excitation energy recognizable, whereby in the case of excitation of the surrounding With this excitation energy, no vibration modes can then be detected are.
In einem zweiten Zuordnungsverfahren wird dem Umstand Rechnung getragen, dass unterschiedliche homogene oder heterogene Materialien unterschiedliche photoakustische Schwingungsmoden aufweisen. Werden bei höheren Anregungsenergien auch Schwingungsmoden im Bereich des Gewebes angeregt, so weisen diese ein vollkommen anderes Spektrum auf, als beispielsweise die eines Steines. Die Analyse des angeregten Zielbereiches kann hier beispielsweise auch derart erfolgen, dass die analysierten Signale als zwei- oder mehrdimensionale Vektoren repräsentiert sind und beispielsweise auf einem Bildschirm aufgetragen werden. Die resultierenden Bahnkurven bzw. Trajektorien sind jeweils spezifisch für das angeregte Material des Zielbereiches. Weiterhin verändern sich die Bahnkurven spezifisch unter verschiedenen Anregungsbedingungen, insbesondere bei unterschiedlichen Anregungswellenlän gen und unterschiedlichen Anregungsenergien. Auch diese durch Veränderung der Anregungsbedingungen initiierten Veränderungen des Antwortsignals können eine spezifische Signatur des Materials abgeben.In a second assignment procedure is taken into account the fact that different homogeneous or heterogeneous materials different photoacoustic vibration modes exhibit. Will be at higher Excitation energies also excited vibrational modes in the area of the tissue, so they have a completely different spectrum than, for example that of a stone. The analysis of the excited target area can here, for example, also take place in such a way that the analyzed ones Signals represented as two- or multi-dimensional vectors and are applied, for example, on a screen. The resulting trajectory or trajectory are specific for the stimulated material of the target area. Continue to change the trajectory specifically under different excitation conditions, in particular at different excitation wavelengths and different Excitation energies. This also by changing the excitation conditions initiated changes of the response signal submit a specific signature of the material.
Eine weitere einfache Möglichkeit der Unterscheidung zwischen Gewebe und Körperkonkrement im angeregten Zielbereich kann derart durchgeführt werden, dass das aufbereitete Antwortsignal oder das analysierte Antwortsignal hörbar gemacht wird. Dies kann durch Einsatz bekannter Verfahren und Mittel zur Audifikation und/oder Sonifikation erreicht werden. Das aufbereitete oder analysierte Signal wird dabei im einfachen Fall beispielsweise auf einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) gegeben und so im Hörbereich des menschlichen Gehörs hörbar gemacht. In diesem Falle können zur weiteren Signalaufbereitung zum Zweck der Audifikation und/oder Sonifikation bestimmte Filtermethoden, mathematische Transformationen, Verfahren zur Verlangsamung bzw. zur Beschleunigung der Signalantworten, verschiedenartige Modulationsverfahren, Encodierungsverfahren, Signalsyntheseverfahren und/oder weitere bekannte Mittel zur Erzeugung unterschiedlicher, durch das jeweilige Antwortsignal ausgelöster, parametrisch entsprechend gesteuerter und/oder modulierter elektroakustischer Klangeffekte verwendet werden. Der Operateur kann so einfach zwischen dem umgebenden Gewebe und einem Körperkonkrement, insbesondere einem Gallen- oder Nierenstein aufgrund der rezipierten Tonhöhe, des rezipierten Klanges und/oder der rezipierten tonalen Muster unterscheiden. Zur Zerstörung des jeweiligen Körperkonkrementes kann der Operateur so den richtigen Zeitpunkt und die richtige Position der Lichtleitfaser bestimmen.A further simple possibility of distinguishing between tissue and body calculus in the excited target area can be carried out in such a way that the processed response signal or the analyzed response signal is made audible. This can be achieved by using known methods and means for auditing and / or sonification. In a simple case, the processed or analyzed signal is applied, for example, to a voltage-controlled oscillator (VCO) and is thus made audible in the hearing range of the human ear. In this case, certain filter methods, mathematical transformations, methods for slowing down or accelerating the signal responses, various types of modulation methods, encoding methods, signal synthesis methods can be used for further signal processing for the purpose of auditing and / or sonification and / or other known means for generating different, parametrically appropriately controlled and / or modulated electro-acoustic sound effects, triggered by the respective response signal. The surgeon can easily distinguish between the surrounding tissue and a body concrement, in particular a gall or kidney stone due to the received pitch, the received sound and / or the received tonal pattern. The surgeon can thus determine the correct time and the correct position of the optical fiber to destroy the respective concretions of the body.
Eine weitere Möglichkeit zur Analyse und Einordnung des detektierten Antwortsignals ist die Bestimmung der Kavitationseigenschaften des angeregten Zielbereiches. Hierbei sind wiederum unterschiedliche Methoden anwendbar. Zum einen ist es möglich, die durch die Kavitation im Zielbereich angeregten Schwingungsmoden des jeweiligen Materials im Zielbereich zu messen und diese so zu behandeln, wie bereits weiter oben beschrieben. Aus den Schwingungsmoden des Zielbereiches können so die unterschiedlichen Materialien aufgrund der signifikanten Unterschiede im Spektrum der Schwingungsmoden der jeweiligen Materialien ermittelt werden.Another way to analyze and classify of the detected response signal is the determination of the cavitation properties of the excited target area. Here again are different Methods applicable. For one, it is possible through cavitation in the target area excited vibration modes of the respective material in the Measure the target area and treat it as before described above. From the vibration modes of the target area, the different materials due to the significant differences determined in the spectrum of the vibration modes of the respective materials become.
Eine weitere Möglichkeit bietet sich durch die Ermittlung der Kavitationsperioden selbst. Dabei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass die Kavitationsperioden zum einen abhängig von der eingestrahlten Energie und der eingestrahlten Wellenlänge sind, zum anderen eine deutliche Abhängigkeit vom angeregten Material aufweisen. Aufgrund der Erkenntnis des Anregungssignals kann so aus der ermittelten Kavitationsperiode auf das Material geschlossen werden.Another option is through the determination of the cavitation periods themselves. Thereby the knowledge exploited that the cavitation periods depend on the one hand on the radiated energy and the radiated wavelength, on the other hand, a clear dependency of excited material. Based on the knowledge of the excitation signal can thus from the determined cavitation period on the material getting closed.
In einer parametrisierten dynamischen Methode wird die Kavitationsperiode für unterschiedliche Anregungsenergien bestimmt. Der Verlauf der Kavitationsperioden bei Variation der Anregungsenergie ist ebenfalls signifikant für unterschiedliche Materialien. Diese parametrisierte dynamische Methode kann weiterhin auch mit unterschiedlichen Anregungswellenlängen und Anregungsdynamiken durchgeführt werden.In a parameterized dynamic The method is the cavitation period for different excitation energies certainly. The course of the cavitation periods when the Excitation energy is also significant for different materials. This parameterized dynamic method can also be used with different excitation wavelengths and excitation dynamics.
Aus der Analyse der Kavitationseigenschaften bzw. der im Zielbereich angeregten Schwingungsmoden kann weiterhin bei Kenntnis der Anregungsbedingungen erkannt werden, ob im Zielbereich eine Einblutung stattfindet. Da Hämoglobin charakteristische spektrale Absorptionseigenschaften zeigt, verändern sich die angeregten Schwingungsmoden oder die Kavitationsperioden im Zielbereich bei einer Einblutung, da die Anregung des Zielbereiches aufgrund des Hämoglobins charakteristisch modifiziert wird. Die Identifikation von Einblutungen kann auch bei der Analyse der Schwingungsmoden vorgenommen werden, da sich die Anregungsbedingungen des Zielbereichs signifikant aufgrund der charakteristischen Hämoglobin-Banden ändern.From the analysis of the cavitation properties or the vibration modes excited in the target area can continue with knowledge of the excitation conditions can be recognized whether in the target area bleeding occurs. Because hemoglobin is characteristic shows spectral absorption properties, the excited vibration modes change or the cavitation periods in the target area during bleeding, because the excitation of the target area due to the hemoglobin is characteristic is modified. The identification of bleeding can also be carried out in the analysis of the vibration modes, since the excitation conditions of the target area significantly based on the characteristic Change bands of hemoglobin.
Eine weitere Analysemöglichkeit
bietet sich, wenn mindestens zwei Detektoren
Desweiteren lassen sich ebenso die mit den Gesetzen der Schallausbreitung verbundenen unterschiedlichen Strahlungscharakteristiken bei der akustischen Wellenausbreitung zwischen weichem Gewebematerial und hartem Steinmaterial im Sinne der Erfindung zur Feststellung und Diskrimination des jeweils optisch angeregten Targetmaterials nutzen. So ist es allgemein bekannt, dass nur beim Vorliegen von Festkörpern (Steinmaterial) sich neben den auch im weichen Gewebematerial auftretenden Longitudinalwellen zusätzliche Transversalwellen auftreten. Dieser Unterschied wird erfindungsgemäß in der Weise genutzt, dass hierbei auch eine Analyse der entsprechenden Schallwellen-Laufzeiten sowie der räumlichen Richtungsabhängigkeit der von dem optisch angeregten Targetmaterial emittierten Schallfelder zur Anwendung kommt, wobei vorteilhaft geeignete Detektionssysteme in entsprechender Anzahl bzw. mit entsprechend geeigneter räumlicher Anordnung in Bezug zur Akustischen Targetquelle eingesetzt werden können. Neben den akustischen Detektionsverfahren, welche in der näheren Umgebung des Targetgebietes intrakorporal eingbracht werden, ist es auch besonders vorteilhaft, dass ebenso verschiedenartige extrakorporale Detektionssysteme auf der Körperoberfläche zu dem erfindungsgemäßen Zweck eingesetzt werden können. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass auf weitere zusätzliche elektrische Signalleitungen bzw. entsprechend ausgebildete optische Fasern gänzlich verzichtet werden kann, welche zum Zweck der elektrischen Übertragung der Sensorsignale und der Spannungsversorgung der Detektorelemente bzw. zur optischen bzw. akustischen Übertragung der Schallsignale dienen. Stattdessen kann auf einfache Weise die freie und lineare Schallwellenausbreitung durch das Körpergewebe ohne zusätzlich eingebrachtes Trägermaterial bis hin zur Körperoberfläche vorteilhaft ausgenutzt werden, wobei eine einfache und flexible Wahl der geeigneten Detektionsorte und Detektoranordnungen getroffen werden kann was ebenso einen schnellen Austausch der zum Einsatz kommenden Detektorsysteme gestattet. Aufgrund der erfindungsseitigen Erkenntnis lassen sich ebenso aus den spezifischen zeitlichen Korrelationen zwischen der Laseranregung und den jeweils detektierten photoakustischen Signalen bzw. den am Targetmaterial reflektierten Ultraschall-Echosignalen weitere signifikante Merkmale zum Zwecke der Stein/Gewebeerkennung als auch zur artefaktfreien Signaldetektion sowie zur Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses vorteilhaft im Sinne der Erfindung nutzen. Die mit diesem Verfahren erreichte Verbesserung des S/N-Verhältnisses zieht den Vorteil nach sich, dass unter diesen Bedingungen eine weitere Verringerung der zur Anregung erforderlichen Laserleistung möglich ist, was zu einer optimalen Schonung des stein-umgebenden Gewebes führt.Furthermore, the different radiation characteristics associated with the laws of sound propagation in acoustic wave propagation between soft tissue material and hard stone material can also be used in the sense of the invention to determine and discriminate the optically excited target material. It is generally known that only in the presence of solid bodies (stone material), in addition to the longitudinal waves also occurring in the soft tissue material, do additional transverse waves occur. This difference is used according to the invention in such a way that an analysis of the corresponding sound wave propagation times and the spatial directional dependency of the sound fields emitted by the optically excited target material is also used, advantageously suitable detection systems in a suitable number or with a suitable spatial arrangement in Reference to the acoustic target source can be used. In addition to the acoustic detection methods which are introduced intracorporeally in the vicinity of the target area, it is also particularly advantageous that different types of extracorporeal detection systems on the body surface can also be used for the purpose according to the invention. This method offers the advantage that further additional electrical signal lines or appropriately designed optical fibers can be dispensed with entirely, which serve for the purpose of electrical transmission of the sensor signals and the voltage supply of the detector elements or for the optical or acoustic transmission of the sound signals. Instead, the free and linear propagation of sound waves through the body tissue without additional carrier material down to the body surface can be advantageously exploited, whereby a simple and flexible choice of the suitable detection locations and detector arrangements can be made, which also allows a quick exchange of the detector systems used , Based on the knowledge of the invention, the specific temporal correlations between the Lase can also be used excitation and the respectively detected photoacoustic signals or the ultrasound echo signals reflected on the target material advantageously use further features for the purpose of stone / tissue recognition as well as for artifact-free signal detection and for improving the signal / noise ratio in the sense of the invention. The improvement in the S / N ratio achieved with this method has the advantage that under these conditions a further reduction in the laser power required for excitation is possible, which leads to optimal protection of the stone-surrounding tissue.
Dem gesamten Verfahren zur in vivo Erkennung der Materialbeschaffenheit eines Zielbereiches eines menschlichen oder tierischen Körpers liegt somit die Erkenntnis zugrunde, dass mittels einer parametrisch gesteuerten optischen Anregung des Zielbereichs intrinsische photoelastische, photoakusti sche und photothermische Eigenschaften des angeregten Zielbereiches mittels Analyse periodischer Eigenschaften festgestellt werden können und einem spezifischen Materialtyp zugeordnet werden können. Mit der charakteristischen Anregung werden bestimmte dadurch erzielbare intrinsische probenspezifische nichtlineare Effekte, wie z.B. photoelastische, photoakustische oder photothermische Transduktionsprozesse ausgenutzt, um damit eine charakteristische Signatur der komplexen Eigenschaften des Probenkörpers zu erhalten. Diese im Probenkörper stattfindenden nichtlinearen intrinsischen Transduktionsprozesse hängen auf charakteristische Weise unter anderem sowohl von den jeweils vorliegenden strukturelastischen, plastoelastischen, thermodynamischen und optischen Eigenschaften sowie von der stofflichen Zusammensetzung des Probenmaterials als auch von der Beschaffenheit seiner Oberfläche ab und sind im Zusammenhang mit den entsprechend gewählten Anregungsbedingungen kennzeichnend, für die Art, Materialeigenschaft und Zusammensetzung des Probenkörpers. Das Verfahren zielt dabei darauf ab, aufgrund dieser multiplen und miteinander interagierenden komplexen aber dadurch auch hochsignifikanten dispersiven photonisch induzierten Wechselwirkungen gleichsam eine Art von komplexer Signatur (Fingerprint) von dem Probenkörper unter operativen in vivo Bedingungen zu erhalten.The whole process for in vivo Detection of the material properties of a target area of a human or animal body is based on the knowledge that by means of a parametric controlled optical excitation of the target area intrinsic photoelastic, photoacoustic and photothermal properties of the excited Target area determined by analyzing periodic properties can be and can be assigned to a specific material type. With The characteristic stimulus makes certain achievable intrinsic sample-specific nonlinear effects, e.g. photoelastic, photoacoustic or photothermal transduction processes a characteristic signature of the complex properties of the specimen receive. These take place in the specimen nonlinear intrinsic transduction processes hang up characteristic way, among other things, both of the structure-elastic, plastoelastic, thermodynamic and optical properties as well as the material composition of the sample material as also depend on the nature of its surface and are related with those chosen accordingly Characterizing excitation conditions for the type, material property and composition of the specimen. The method aims at being multiple and with each other interacting complex but also highly significant dispersive photonically induced interactions as it were a kind of complex Signature (fingerprint) of the specimen under operative in vivo To get conditions.
Das Verfahren diskriminiert, erkennt und interpretiert die mittels multipler parametrischer Strahlungsanregung des Probenkörpers ausgelösten komplexen modalen Schwingungsereignisse und deren modaler Abstrahlung und ist in der Lage, den erkannten vorliegenden Probekörper zu orten und anzuzeigen.The process discriminates, recognizes and interprets it using multiple parametric radiation excitation of the specimen triggered complex modal vibration events and their modal radiation and is able to close the recognized specimen locate and display.
Für eine automatisierte bzw. halbautomatisierte Klassifikation der Antwortsignale können verschiedenartige Entscheidungsalgorithmen, wie z. B. Schwellendiskriminatoren, spektrale Fensterdiskriminatoren, Fuzzydiskrimatoren, neuronale Netze und anderes mehr eingesetzt werden. Eine weitere Mög lichkeit der Analyse bzw. der Klassifikation des Antwortsignals liegt darin, bestimmte in der Analyse des Antwortsignals gewonnene Eigenschaften des detektierten Antwortsignals zusammen mit den Anregungsbedingungen in einem n-dimensionalen Merkmalsraum abzulegen. Jede Messung wird somit mit ihren Anregungsparametern und mit ihren signifikanten Analyseparametern auf einen Punkt im n-dimensionalen Merkmalsraum abgebildet. Anhand bereits bekannter Merkmalsvektoren kann so entschieden werden, welchem Material ein bestimmter Merkmalsvektor zugeordnet werden soll.For an automated or semi-automated classification of the response signals can different types of decision algorithms, such as B. threshold discriminators, spectral window discriminators, fuzzy discriminators, neuronal Networks and more are used. One more way the analysis or classification of the response signal lies in certain properties obtained in the analysis of the response signal of the detected response signal together with the excitation conditions in an n-dimensional Store feature space. Each measurement is therefore with its excitation parameters and with their significant analysis parameters to a point in the N-dimensional feature space mapped. Based on already known Feature vectors can be decided so which material certain feature vector is to be assigned.
In
Hierzu können unterschiedliche und verschiedenartige
Bestrahlungs-Quellen, -Bedingungen und -Parameter zur geeigneten
An regung bzw. Stimulation des vorliegenden Targetmaterials im Zielbereich
Unterschiedliche denkbare Formen einer dynamisch dispersiven und/oder spektral dispersiven Laseranregung können eingesetzt werden, wie z.B. eine transiente Anregung mit einem oder einer Serie kurzer Laserpulse bzw. durch eine entsprechend gewählte periodische- und/oder randomisierte- und/oder parametrische Laseranregung mit Hilfe einer modulierten CW-Laserquelle mit spezifisch ausgewiesener Amplitudenmodulation und/oder Frequenzmodulation und/oder Pulscode-Modulation, sowie durch eine aufgrund von unterschiedlichen spektralen Parametern spezifizierte Laseranregung bei verschiedenen Wellenlängen, welche allesamt einzeln oder in Kombination jeweils eine auf spezifische Weise definierte Dynamische Eingangsfunktion für das untersuchte Anregungs- und Detektions-System darstellt und wodurch in Verbindung mit der jeweils detektierten Dynamischen Ausgangsfunktion die das Targetmate rial auf signifikante Weise kennzeichnende Systemübertragungseigenschaft ermittelt werden kann.Different conceivable shapes dynamically dispersive and / or spectrally dispersive laser excitation can are used, e.g. a transient excitation with an or a series of short laser pulses or by an appropriately selected periodic and / or with randomized and / or parametric laser excitation Using a modulated CW laser source with a specifically identified Amplitude modulation and / or frequency modulation and / or pulse code modulation, as well as due to different spectral parameters specified laser excitation at different wavelengths, which all individually or in combination, each in a specific way Defined dynamic input function for the examined excitation and detection system and what in connection with the respectively detected dynamic Output function that characterizes the target material in a significant way System transfer property can be determined.
In einer speziellen Ausführungsform
wurde als Laserquelle
Mit Hilfe einer Anzahl entsprechend
ausgebildeter extrakorporal- und/oder intrakorporal eingesetzter
Detektorsysteme
Als nächster Schritt werden mit Hilfe
geeigneter bekannter Korrelationsverfahren
In Verbindung mit dem parametrisch
spezifizierten Anregungsprofil
Bei der Analyse wird eine bestimmte Anzahl an Eigenschaften des jeweiligen Antwortsignals ermittelt. Die zu ermittelnden Eigenschaften können aufgrund empirisch bzw. analytisch gewonnener Erkenntnisse ausgewählt werden. Zur Analyse werden verschiedene Analysestrategien einzeln oder in Kombination eingesetzt. Harte Körperkonkremente unterscheiden sich von weichem Gewebematerial unter anderem hinsichtlich ihrer durch die jeweils spezifizierte Laseranregung ausgelösten und verschiedenartigen modalen Schwingungszustände sowie hinsichtlich ihres materialspezifischen unterschiedlichen spektralen Absorptionsverhaltens, welches sich an Hand von entsprechenden kombinierten dynamischen Merkmalen des jeweiligen Antwortsignals in Verbindung mit entsprechenden energieabhängigen Schwellenmerkmalen sowie bestimmten wellenlängenabhängigen Merkmalen sicher nachweisen lässt.In the analysis, a certain one Number of properties of the respective response signal determined. The properties to be determined can be determined empirically or analytically gained knowledge can be selected. Various are used for analysis Analysis strategies used individually or in combination. Hardness Differentiate body concrements themselves from soft tissue material among other things with regard to their triggered by the specified laser excitation and different types of modal vibrations and their material-specific different spectral absorption behavior, which is based on corresponding combined dynamic Features of the respective response signal in connection with corresponding energy-dependent Detect threshold characteristics as well as certain wavelength-dependent characteristics leaves.
In einer einfachen Form des Verfahrens werden die aus der Dynamik der angeregten Schwingungsmoden gewonnenen Merkmale, welche z.B. mittels einer entsprechenden dynamischen Analyse gewonnen werden, mit den jeweils spezifischen charakteristischen Schwellenenergien bei unterschiedlichen Laserwellenlängen kombiniert. In diesem Fall kann die Zuordnung zu den Eigenschaftsklassen darauf beschränkt werden, festzustellen, ob bei einer bestimmten Laserenergie und Laserwellenlänge überhaupt Schwingungsmoden im angeregten Zielbereich vorhanden sind.In a simple form of the procedure are those obtained from the dynamics of the excited vibration modes Features which e.g. obtained by means of a corresponding dynamic analysis with the respective specific characteristic threshold energies combined at different laser wavelengths. In this In this case, the assignment to the property classes can be limited to determine whether at a certain laser energy and laser wavelength at all Vibration modes are present in the excited target area.
Eine weitere, ebenfalls mit geringem Aufwand zu realisierende Lösung ergibt sich durch die Anwendung der Erkenntnis, dass sich die optisch angeregten Schwingungsmoden sowie die Ausbreitung der diesbezüglichen akustischen Wellenfronten in dem umgebenden Körpergewebe für festes Steinmaterial bzw. weiches Gewebematerial auf signifikante Weise unterscheiden. Das Steinmaterial bzw. das Gewebematerial wirken hierbei als die entsprechenden charakteristischen Schallquellen. Zur Analyse werden die synchronisierten Antwortsignale von zwei oder mehreren Detektoren an unterschiedlichen Detektorpositionen auf der Körperoberfläche des Patienten genutzt und diese in Form von zwei- bzw. mehrdimensionalen Signalvektoren dargestellt. Die erzeugten Bahnkurven der Signalvektoren beschreiben demzufolge charakteristische Trajektorien, welche eine eindeutige Zuordnung zu Eigenschaftsklassen und damit eine Stein/Gewebeklassifizierung- und -erkennung ermöglichen.Another, also with little Effort to be implemented arises from the application of the knowledge that the optical excited vibration modes as well as the spread of the related acoustic wave fronts in the surrounding body tissue for firm Stone material or soft tissue material in a significant way differ. The stone material or the fabric material act here as the corresponding characteristic sound sources. For analysis, the synchronized response signals from two or several detectors at different detector positions the body surface of the Patients used and these in the form of two or multi-dimensional Signal vectors shown. The generated trajectories of the signal vectors therefore describe characteristic trajectories, which one clear assignment to property classes and thus a stone / tissue classification enable and detection.
Eine Auswertung der signifikanten Trajektorienverläufe bei repetiver bzw. periodischer Anregung und/oder unter Mehrfachpulsanregung und/oder unter verschiedenen Energien und/oder Anregungswellenlängen lässt sich zu weiterreichenden Analysezwecken nutzen. Dabei wird jeweils der Verlauf der jeweiligen Trajektorien zur Zuordnung zu Eigenschaftsklassen verwendet.An evaluation of the significant Trajektorienverläufe with repetitive or periodic excitation and / or with multiple pulse excitation and / or under different energies and / or excitation wavelengths use for more extensive analysis purposes. The Course of the respective trajectories for assignment to property classes used.
In einer weiteren einfachen Ausführungsform der
Erfindung stützt
sich die Zuordnung zu Eigenschaftsklassen auf eine Hörbarmachung
der entsprechend aufbereiteten und analysierten Antwortsignale.
Hierbei werden für
jeden Kanal die Antwortsignale in der Weise aufbereitet, dass das
jeweils mit einem entsprechenden Bandpass gefilterte und mit den
Laser impulsen synchronisierte Antwortsignal einen spannungsgesteuerten
Oszillator (VCO) auf eine festgelegte Art ansteuert, so dass die
detektierten dynamischen Schwingungsformen in Form eines auf charakteristische
Weise in der Tonhöhe
dynamisch veränderten
akustischen Tonsignals repräsentiert wird.
Der Operateur kann dann anhand der jeweiligen charakteristischen
Tonhöhenveränderung
feststellen, ob sich die Lichtleitfaser
Eine weitere Möglichkeit zur Ausführung des Verfahrens bildet sich durch die bei Laseranregung mit bestimmten Laserenergien auftretende Ausbildung von Kavitationen im Zielbereich. Wie bekannt ist, dehnen sich Kavitationsblasen unter der Wirkung der eingebrachten Laserenergie aus und kollabieren mit einer charakteristischen Kavitationsdynamik bzw. -periodik. Aus den mit Hilfe einer spezifizierten Laseranregung erzeugten und mit dieser synchronisierten und detektierten Antwortsignalen werden dann die charakteristischen und materialspezifischen Kavitationsperioden anhand der dabei erzeugten unterschiedlichen Schwingungsmoden ermittelt. Vorteilhaft können dabei die Zeitdifferenzen zwischen dem Auftreten des ersten und zweiten Kavitationssignals (T2 – T1) = TK ermittelt werden. Diese charakteristischen Werte für die Kavitationsperiode TK, sowie ihre signifikante Abhängigkeit von den Laserparametern, wie z. B. von der Laserenergie E und/oder der Laserwellenlänge λ werden aus dem Zusammenhang mit dem jeweils durchlaufenden Anregungsprofil ermittelt.Another way to perform the procedure is formed by the laser excitation with certain laser energies Formation of cavitations in the target area. As is known cavitation bubbles expand under the effect of the introduced Laser energy out and collapse with characteristic cavitation dynamics or periodic. From the with the help of a specified laser excitation generated and synchronized with this and detected response signals then the characteristic and material-specific cavitation periods determined on the basis of the different vibration modes generated. Can be advantageous the time differences between the occurrence of the first and second cavitation signal (T2 - T1) = TK can be determined. These characteristic values for the cavitation period TK, as well as its significant dependency from the laser parameters, such as B. from the laser energy E and / or the laser wavelength λ are made from the connection with the stimulation profile running through determined.
Die Kavitationsperioden können bei
jeweils ausgewählten
Laserenergien und ausgewählten
Laserwellenlängen
bestimmt werden, wobei jeweils der eine oder andere Parameter konstant gehalten
wird. Aus den auf diese Weise gewonnenen Daten lassen sich wiederum
signifikante Informationen hinsichtlich der zu bestimmenden Eigenschaften
des jeweils vorliegenden Probenmaterials im Zielbereich erhalten. Dieser
Ausführungsform
liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Kennlinien der Kavitationsperiode
TK (E) bei einer festen Wellenlänge λ und variablen
Energien E für
unterschiedliche Materialien grundsätzlich eine signifikanten unterschiedlichen
Verlauf aufweist. Beispielsweise liegen die Kavitationsperioden
für Gallensteine
bei dem eingesetzten Lasersystem mit einem Energiebereich von E
= 30 bis 120 mJ im Bereich von TK = 400 bis 800 ms, wobei die TK (E)-Kennlinien
ein weitgehend mit der Laserenergie E linear ansteigenden Verlauf
aufweisen. Im Gegensatz dazu treten die Kavitationen bei Geweben
erst bei wesentlich höheren
Energieschwellen auf, beispielsweise im Fall einer Gallenblase bei
Energien größer als
60 mJ und zeigen außerdem über den
gesamten Kennlinienbereich hinweg weitaus geringere Werte der Kavitationsperiode
TK als Gallensteine. Beispielsweise beträgt die Kavitationsperiode für Gallenblasengewebe
Dieses Verfahren kann weiterhin durch die Messung wellenlängendispersiver Eigenschaften verbessert werden. Hierzu werden die Kavitationsperiodenkennlinien bezüglich der Energie und der Wellenlänge bei bestimmten Energien und bestimmten Wellenlängen ermittelt, woraus einerseits zusätzliche Informationen über die Art des Probenmaterials gewonnen werden können und wodurch andererseits auch die Trennschärfe der Stein/Gewebeerkennung zusätzlich verbessert wird.This procedure can continue through the measurement is more wavelength-dispersive Properties are improved. The cavitation period characteristics are used for this in terms of of energy and wavelength determined at certain energies and certain wavelengths, from which on the one hand additional information about the Type of sample material can be obtained and on the other hand also the selectivity the stone / tissue recognition additionally is improved.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird zusätzlich die Möglichkeit gegeben, Einblutungen im Zielbereich im Verlauf einer Lithotripsiebehandlung zu erkennen. Dies ist besonders in den Fällen vorteilhaft, wenn der Einsatz des beanspruchten Verfahrens im Blindverfahren erfolgen soll und dabei klinisch relevante Informationen über das Vorliegen bzw. über das Maß akuter Einblutungen von Bedeutung sind oder wenn eine gesicherte Information über das Vorliegen von besonders blutreichem Gewebematerial, wie z. B. Parenchymgewebe oder von stark durchbluteten Gewebekompartimenten oder Vaskularisationen für die weitere Behandlung entscheidend ist. Der Ausführungsform liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass die Absorptionseigenschaften des Hämoglobins sehr charakteristische Banden aufweisen, wodurch mit Hilfe einer entsprechend spezifizierten wellenlängendispersiven und energiedispersiven Anregung des Probenmaterials eine sichere Erkennung von Einblutungen oder blutreichen Gewebetypen möglich ist. Aus den Daten kann ebenso ein Maß für den Durchblutungsgrad von Geweben abgeleitet werden.In another embodiment the invention is additional the possibility bleeding in the target area during a lithotripsy treatment to recognize. This is particularly advantageous in cases where the Use of the claimed process in the blind process should and at the same time clinically relevant information about the existence or about the Measure more acute Bleeding is important or if there is reliable information about the Presence of particularly blood-rich tissue material, such as. B. parenchyma tissue or from highly perfused tissue compartments or vascularizations for the further treatment is crucial. The embodiment is the Underlying knowledge that the absorption properties of hemoglobin have very characteristic bands, so that with the help of a according to specified wavelength dispersive and energy dispersive Excitation of the sample material a reliable detection of bleeding or blood-rich tissue types possible is. The data can also be used to measure the degree of blood flow to tissues be derived.
Die aus der Analyse gewonnenen Eigenschaften des detektierten Antwortsignals werden zusammen mit den entsprechenden Daten der Anregungsparameter in Merkmaldatensätze umgewandelt und anschließend zu mehrdimensionalen Merkmalvektoren zusammengefasst, entsprechend klassifiziert und zur Erkennung von Stein- bzw. Gewebematerial genutzt.The properties obtained from the analysis of the detected response signal are together with the corresponding Data of the excitation parameters converted into feature data sets and then to multidimensional feature vectors summarized accordingly classified and used for the detection of stone or tissue material.
Hierbei können verschiedene geeignete Kriterien jeweils einzeln oder im Zusammenhang verwendet werden. Je nach Ausführungsform kommen hierzu z.B. die beim Vorliegen von Stein- bzw. Gewebematerial unterscheidbaren dynamischen und/oder räumlichen Signalparameter zur Anwendung, welche sich aus den jeweils materialspezifisch determinierten Dynamischen Systemübertragungseigenschaften ergeben. Wie bekannt ist, lassen sich aus dem systemtheoretischen Zusammenhang zwischen der entsprechend gewählten Dynamischen Eingangsfunktion in Form der optischen Anregungsfunktion der Laserbestrahlung und den vom Targetmaterial ausgehenden und entsprechend detektierten Dynamischen Ausgangsfunktion die durch die Wechselwirkungen im Targetmaterial sowie durch das Übertragungsmedium spezifizierte Dynamischen Systemübertragungseigenschaften bestimmen.Various suitable ones can be used here Criteria can be used individually or in context. Depending on the embodiment come here e.g. which are distinguishable when stone or fabric material is present dynamic and / or spatial Signal parameters for use, which result from the respective material-specific determined dynamic system transmission properties. As is known, can be deduced from the system-theoretical context between the accordingly chosen Dynamic input function in the form of the optical excitation function Laser radiation and those emanating from the target material and detected accordingly Dynamic output function due to the interactions in the target material as well as through the transmission medium specified dynamic system transmission properties determine.
Erst nach der Feststellung von Steinmaterial werden
die mittels entsprechender Steuersignale
Nach der Feststellung von Steinmaterial
werden entsprechende Steuersignale erzeugt
Die Steinbearbeitung wird entweder
unter automatischer Feedbackkontrolle z.B. beim Einsatz des beanspruchten
Verfahrens ohne Sichtkontrolle oder aber aufgrund einer Maßgabe des
O perateurs, z. B. nach Inspektion des Fragmentierungsgrades, solange
fortgesetzt, bis das Behandlungsziel erreicht worden ist. Im Falle
der Feststellung von Gewebematerial wird der Diagnosemodus entweder
automatisch oder durch entsprechende Maßgaben des Anwenders bzw. Operateurs
fortgesetzt. Hierzu werden die für
diesen Anregungsmodus spezifizierten Bestrahlungsparameter mit Hilfe
der entsprechend gewählten
Analyseroutine vom Anwender mit Hilfe eines entsprechenden Interfaces
zur Prozesskontrolle
Neben bestimmten Eingabemedien
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, bestimmte Teile des Prozessablaufs oder diesen in seiner Gesamtheit halbautomatisch oder automatisch zu kontrollieren, wobei die automatisierte Stein/Gewebeerkennung ebenso auch parallel zu einer entsprechenden subjektiven Bewertung, Klassifizierung und Erkennung durch den Anwender erfolgen kann.There is still the possibility certain parts of the process flow or this as a whole semi-automatic or automatic control, the automated Stone / tissue recognition also parallel to a corresponding one subjective evaluation, classification and recognition by the user can be done.
Die Steuerung und Regelung der verschiedenartigen Bearbeitungsprozesse und/oder ihre Feedback-Kontrolle nach den Maßgaben der bei jedem Analysezyklus festgestellten Materialeigenschaften erfolgt anhand von entsprechend spezifizierten Kontrollparametern, welche hinsichtlich der jeweils verwendeten Ausführungsform und Anwendung vorher bestimmt werden.The control and regulation of the various Processing processes and / or their feedback control according to the requirements of material properties determined during each analysis cycle based on correspondingly specified control parameters, which with regard to the particular embodiment and application used beforehand be determined.
In
Parallel zur akustischen Detektion
der vom Zielbereich ausgehenden Schallwellenfront werden entsprechende
Ultraschall-Echoskopieverfahren
eingesetzt, wobei der hierbei verwendete Schallkopf
Bei der Bilderzeugung und Bildverarbeitung
Zur gezielten Abstimmung werden auch
entsprechende aus der Korrelation
Weiterhin können auch entsprechende bekannte
Mittel der Bildbearbeitung eingesetzt werden
Die in den adaptierten und zeitkorrelierten Bildinformationen
enthaltenen und sich hinsichtlich ihrer unterschiedlichen Relevanz
und Signifikanz unterscheidenden Bildparameter und Bildmerkmale werden
dann mittels einer Parameter- und Merkmalsextraktion
Die zusätzlich gewonnenen Informationen über die
Eigenschaften des Zielbereiches werden nach entsprechender Parameter
bzw. Merkmalextraktion
Entsprechendes gilt auch für die parallel
eingesetzten und auf komplementäre
Weise miteinander korrelierten echoskopischen
Die dem selektiven Lithotripsieverfahren mit selektiver Stein/Gewebeerkennung zugrunde liegenden technischen Merkmale sind also dadurch gekennzeichnet, dass dazu einerseits ein geeigneter Laserstrahl (treatment beam) mit einer hohen Energie und entsprechend ausgezeichneten Strahlungsparametern zum Zwecke der Steinzertrümmerung eingesetzt wird, wobei es im Zielbereich zum dielektrischen Durchbruch in Verbindung mit einer Plasmaauslösung und damit zu der beabsichtigten Fragmentierung des Steinkonkrementes kommt. Andererseits wird zum Zwecke der Feststellung der im Zielbereich vorliegenden Materialeigenschaften und im besonderen zur in vivo Stein/Gewebeerkennung der gleiche oder ein weiterer geeigneter Laserstrahl mit möglichst geringer Energie und mit entsprechend ausgezeichneten Strahlungsparametern in der Weise eingesetzt, dass im Verlauf der Stein/Gewebeerkennung ein unerwünschter dielektrischer Durchbruch bzw. eine Plasmaentstehung mit Sicherheit ausgeschlossen wird, damit keine schädigende Laserwirkung auf das umgebende bzw. den Stein einbettende Gewebe erfolgt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die verschiedenen bei der Laseranregung des Zielbereichs unterhalb der Plasmaschwelle erzielbaren bekannten re versiblen photothermischen, photoelastischen oder photoakustischen Effekte ausgenutzt, um hierdurch eine zerstörungsfreie Stein/Gewebe-Diskrimination zu erreichen, welche auf der Detektion und Analyse der im Targetmaterial spezifisch anregbaren materialspezifischen und leicht unterscheidbaren strukturelastischen dynamischen Moden beruht. Dieser Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das mit Hilfe einer entsprechend geeigneten dynamischen Applikation der Laserstrahlung im gepulsten bzw. modulierten Betrieb das optisch angeregte Targetmaterial im Zielbereich eine materialspezifisch determinierte Quelle thermischer- und/oder elastischer- und/oder akustischer Wellenfelder darstellt, welche mittels geeigneter Detektoren nachgewiesen und im Sinne der Erfindung entsprechend ausgewertet werden können.The selective lithotripsy procedure with selective stone / tissue detection underlying technical Features are therefore characterized in that on the one hand a suitable laser beam (treatment beam) with high energy and correspondingly excellent radiation parameters for the purpose the stone destruction used being connected in the target area to dielectric breakdown with a plasma release and thus to the intended fragmentation of the stone concrement comes. On the other hand, for the purpose of determining which is present in the target area Material properties and especially for in vivo stone / tissue detection the same or another suitable laser beam with as much as possible low energy and with correspondingly excellent radiation parameters used in such a way that in the course of stone / tissue recognition an undesirable dielectric breakdown or plasma formation with certainty is excluded so that no damaging laser effect on the surrounding tissue or embedding the stone. In the method according to the invention become the different in laser excitation of the target area Known reversible photothermal, achievable below the plasma threshold, photoelastic or photoacoustic effects exploited to thereby non-destructive stone / tissue discrimination to achieve which is specific to the detection and analysis of the target material excitable material-specific and easily distinguishable structural elastic dynamic modes. This solution is based on the knowledge that with the help of an appropriately suitable dynamic application the laser radiation in pulsed or modulated operation optically stimulated target material in the target area a material-specific Determined source of thermal and / or elastic and / or acoustic wave fields which is detected by means of suitable detectors and can be evaluated accordingly in the sense of the invention.
Ebenso wirkt das mit dem Laser unter diesen Bedingungen optisch angeregte Targetmaterial im Zielbereich für einen auf dieses Gebiet ausgerichteten Ultraschallstrahl als ein materialspezifisch determinierter Ultraschall-Reflektor, wobei sich das Reflexionsverhalten unter der dynamisch gesteuerten Laseranregung auf signifikante Weise verändert. Die mittels eines Ultraschallempfängers empfangenen Echosignale von der optoakustisch angeregten Targetoberfläche können aufgrund der hierin enthaltenen materialspezifischen Merkmale im Sinne der Erfindung entsprechend ausgewertet werden. Vorteilhaft lassen sich zum Senden und Empfang von Ultraschallsignalen auch die bekannten Ultraschall-Echoskopieverfahren mit entsprechender zusätzlicher Steuerschaltung zu dem erfindungsgemäßen Zweck einsetzen.This also works with the laser These conditions optically excited target material in the target area for one ultrasound beam aimed at this area as a material specific Determined ultrasound reflector, the reflection behavior under the dynamically controlled laser excitation in a significant way changed. The echo signals received by means of an ultrasound receiver from the opto-acoustically excited target surface due to the contained therein Material-specific features in the sense of the invention accordingly be evaluated. Can be advantageous for sending and receiving of ultrasound signals also the known ultrasound echoscopy methods with corresponding additional control circuit use for the purpose of the invention.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird der Analyse-Laserstrahl direkt mit Hilfe derselben, auch zum Zwecke der Lithotripsieanwendung bestimmten Laserquelle erzeugt, wobei die jeweils zu Analysezwecken bzw. zu Therapiezwecken verwendeten Strahlungsparameter durch entsprechende Mittel auf die hierzu erforderlichen unterschiedlichen Bedingungen, einer geeigneten zerstörungsfreien Anregung des Targetmaterials mit entsprechend niedrigen Laserenergien (unterhalb der Plasmaschwelle), aber auch zur destruktiven Materialbearbeitung mit entsprechend hohen Laserenergien, aktuell eingestellt werden können. Im Fall einer durch das Analysesystem eindeutig festgestellten positiven Steinerkennung werden mit Hilfe einer entsprechend geeigneten Feedback-Prozess-Steuerungsroutine die zur Durchführung einer Steinzertrümmerung erforderlichen Laserparameter automatisch eingestellt. Dieser Vorgang kann bis zum Erreichen eines vorgegebenen Fragmentierungsgrades des Steines entsprechend wiederholt werden.In one embodiment of the invention, the analysis laser beam is generated directly with the aid of the same laser source, which is also determined for the purpose of using lithotripsy, the radiation parameters used for analysis purposes or for therapy purposes in each case by appropriate means to the different conditions required for this, a suitable non-destructive excitation of the Target materials with correspondingly low laser energies (below the plasma threshold), but also for destructive material processing with correspondingly high laser energies, can currently be set. In the case of a positive stone detection that is clearly determined by the analysis system, the laser parameters required to carry out stone fragmentation are automatically set with the aid of a suitable feedback process control routine. This process can take place until a predetermined degree of fragmentation of the stone is reached be repeated speaking.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Laserstrahl zum Zwecke der Analyse mittels einer zusätzlichen, gesonderten Laserquelle unabhängig von der zur Materialbearbeitung eingesetzten Laserquelle erzeugt, so dass beide Laserstrahlungen zusammen in eine gemeinsame Faser optisch eingekoppelt werden, welche dann auf das vorliegende Targetmaterial gerichtet ist. Denkbar ist jedoch auch die Verwendung getrennter Fasersysteme hierzu. Diese Ausführung in Form einer Zweistrahl Anordnung ist besonders in dem Fall vorteilhaft, wenn unter Umständen vielseitigere Anregungsbedingungen wünschenswert sind. So ist die Anregung grundsätzlich nicht mehr auf die Verwendung der gleichen Wellenlänge bzw. auf die Verwendung kurzer Laserpulse wie beim Therapie-Laser-System beschränkt, sondern lässt eine weitgehend freie Wahl der für Analysezwecke verwendbaren optimal abgestimmten Laserwellenlängen sowie der jeweils am besten geeigneten Puls- bzw. Modulationsparameter zu. Für den Fall, dass z.B. ein modulierter CW-Analyse-Laser in Verbindung mit einem notwendigerweise gepulsten Therapie-Laser in einer Zweistrahl-Anordnung eingesetzt wird, ergibt sich der Vorteil, dass der CW-Analyse-Laser für eine kontinuierliche Analyse bzw. zur Untersuchung größerer Zielbereiche bzw. zum Zweck einer Navigations- und Positionierungshilfe im Falle eines Blindverfahrens verwendet werden kann. Zusätzlich ergibt sich die Möglichkeit zur Erzielung verschiedenartiger und jeweils zweckmäßig einsetzbarer Modulationsarten (z.B. AM, FM, PCM etc.) und Modulationsparameter (z.B. Modulationsfrequenzen, Modulationsgrade, FM-Hub, Frequenz-Sweeps u.v.a.m.).In another embodiment the laser beam is used for analysis by means of an additional, separate laser source independently generated by the laser source used for material processing, so that both laser beams together in one fiber be optically coupled, which then on the target material present is directed. However, the use of separate ones is also conceivable Fiber systems for this. This execution in the form of a two-beam arrangement is particularly advantageous in the case if under circumstances more versatile excitation conditions are desirable. That's how it is Basically no suggestion more on the use of the same wavelength or on the use short laser pulses as in the therapy laser system, but limited leaves one largely free choice of for Optimally matched laser wavelengths used for analysis purposes as well the most suitable pulse or modulation parameters to. For the case that e.g. a modulated CW analysis laser in conjunction with one necessarily pulsed therapy laser used in a two-beam arrangement there is the advantage that the CW analysis laser for continuous Analysis or to examine larger target areas or for the purpose of navigation and positioning aid in the case a blind process can be used. There is also the possibility to achieve different types and each usable Modulation types (e.g. AM, FM, PCM etc.) and modulation parameters (e.g. modulation frequencies, degrees of modulation, FM hub, frequency sweeps and much more).
Neben der Anwendung der Erfindung zur selektiven feedback gesteuerten Laser-Lithotripsie mit implementierter zerstörungsfreier in vivo Stein/Gewebe-Erkennung werden im folgenden beispielhaft erweiterte Anwendungsmöglichkeiten dargestellt. Vorteilhaft lassen sich die beanspruchten Verfahren und Vorrichtungen im Bereich der klinischen Endoskopie zum Zwecke einer Laserstimulierten Funktionellen Endoskopie (LFE) einsetzen. Diese Lösung weist den Vorteil auf, dass zusätzlich zur bekannten phänomenologischen morphologischen Befundung durch Inspektion des Endoskopischen Bildes ebenso eine objektive zerstörungsfreie in vivo Funktionsdiagnostische Analyse gleichzeitig mit dem aktuell inspizierten Gewebebereich erfolgen kann.In addition to applying the invention for selective feedback-controlled laser lithotripsy with implemented non-destructive In vivo stone / tissue detection are expanded as examples below applications shown. The claimed methods and Devices in the field of clinical endoscopy for the purpose of a Use laser-stimulated functional endoscopy (LFE). This Solution points the benefit of that in addition to the well-known phenomenological morphological diagnosis by inspection of the endoscopic image also an objective non-destructive in vivo functional diagnostic analysis simultaneously with the current inspected tissue area can take place.
Eine diesbezügliche, hier nicht gezeigte Ausführungsform weist zu diesem Zweck ein optisches System auf, welches beispielhaft aus entsprechend ausgebildeten optischen Fasern bestehen kann, die sowohl in den Endoskopiekanal als auch in den Arbeitskanal eingebracht werden. Zur Erzeugung des Anregungslichtes können verschiedenartige Laser-Quellen mit entsprechend ausgebildeten Laser-Generatoren und Treibern sowie Laser-Controllern eingesetzt werden. Das Analyse-System besteht aus der operativen Verbindung der entsprechend ausgebildeten Verfahren und Vorrichtungen zur optischen Anregung des Gewebematerials, im funktionellen Zusammenhang mit bestimmten geeigneten Verfahren und Vorrichtungen zum Nachweis der photoinduzierten spezifischen Gewebereaktionen, wie z.B. mit Hilfe entsprechend ausgebildeter Photoakustischer Detektionssysteme und/oder mittels entsprechend ausgebildeter Ultraschall-Echoskopie-Verfahren.A related one, not shown here embodiment has an optical system for this purpose, which is exemplary can consist of appropriately trained optical fibers, both introduced into the endoscopy channel as well as into the working channel become. Various types of laser sources can be used to generate the excitation light with appropriately trained laser generators and drivers as well Laser controllers are used. The analysis system consists of the operative connection of the correspondingly trained procedures and devices for the optical excitation of the tissue material, in functional relationship with certain appropriate procedures and Devices for the detection of photo-induced specific tissue reactions, such as. with the help of appropriately trained photoacoustic detection systems and / or by means of appropriately trained ultrasound echoscopy methods.
Grundlage aller dieser Anwendungen sind die spezifischen unter entsprechender photonischer Anregung bzw. Stimulation auftretenden dynamischen entropisch-elastischen und/oder thermoelastischen und/oder rheologischen Zustandsänderungen der Gewebe. Somit kann die Funktionelle Morphologie zahlreicher und verschiedenartiger physiologisch bzw. pathophysioplogisch veränderter Gewebetypen mit Hilfe der beanspruchten systemanalytischen Verfahren und Vorrichtung zerstörungsfrei und unter in vivo Bedingungen objektiv untersucht werden. Neben dem Vorteil einer gezielt lokalisierbaren Applikation photonischer Energien auf bestimmte Gewebeareale besteht außerdem die Möglichkeit, die hierbei eingesetzten Strahlungsparameter für den jeweiligen Anwendungsfall weitgehend frei auszuwählen und diese im Verlauf des Prozesses entweder nach den entsprechend vorgegebenen Kontrollparametern oder nach den aus den Analysedaten ermittelten Maßgaben auf rekursive Weise zu kontrollieren (Feedback-Kontrolle). Die erfindungsgemäße und entsprechend spezifizierte endoskopische Strahlungsapplikation kann ebenso vorteilhaft zu Zwecken der selektiven Biostimulation unter Feedback-Kontrolle hinsichtlich der jeweils zu erzielenden Stimulationswirkungen genutzt werden. Zum Beispiel lassen sich durch eine gezielte endoskopische Laseranregung in den verschiedenen Gewebearten und an unterschiedlichen Gewebeschichten bzw. Gewebekompartimenten eine Vielzahl verschiedenartiger bekannter Wirkungen auf die in vivo ablaufenden biochemischen, biophysikalischen subzellulären, zellulären bzw. interzellulären Prozesse zu entsprechenden therapeutischen Zwecken erzielen.Basis of all these applications are the specific ones with appropriate photonic excitation dynamic entropic-elastic and / or thermoelastic and / or rheological changes in state of the Tissue. Thus the functional morphology can be numerous and different types of physiologically or pathophysioplogically modified Tissue types with the help of the claimed system analytical processes and device non-destructively and be examined objectively under in vivo conditions. Next the advantage of a specifically localizable application of photonic Energies on certain tissue areas there is also the possibility the radiation parameters used for the respective application largely free to choose and this in the course of the process either according to the specified control parameters or according to the analysis data determined measures to control in a recursive manner (feedback control). The invention and accordingly specified endoscopic radiation application can also be advantageous for the purposes of selective biostimulation under feedback control with regard to the stimulation effects to be achieved in each case become. For example, through a targeted endoscopic Laser stimulation in different tissue types and at different Tissue layers or tissue compartments a variety of different types known effects on the in vivo biochemical, biophysical subcellular, cellular or intercellular Achieve processes for appropriate therapeutic purposes.
Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens zur in vivo Gewebe-Funktionsdiagnostik z.B. an verschiedenartigen Bindegeweben wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass derartige sogenannte bradytrophe Gewebearten jeweils eine ganz spezifische signifikante und physiologisch relevante strukturelle Plastizität besitzen. Derartige gewebsrheologische Merkmale lassen sich demzufolge aufgrund der mittels einer geeigneten Laseranregung akut induzierten reversiblen entropisch-elastischen Zustandsänderungen sowie durch die damit verbundene Analyse der hierbei auftretenden strukturdynamischen Moden zur gewebsdiagnostischen Befundung nutzen. Der Einsatz des beanspruchten Verfahrens sowie der entsprechenden Vorrichtungen zur non-destruktiven und funktionellen in vivo Gewebediagnostik ist überall dann vorteilhaft, wo eine Entnahme von Gewebeproben z.B. mittels Biopsie und mit nachträglicher histologischer in vitro Laboruntersuchung vermieden werden soll oder muss. Ein wesentlicher Nachteil herkömmlicher bekannter Histologischer Untersuchungen von entnommenem Biopsie-Material besteht darin, dass diese verfahrensbedingt nur eine entsprechend verzögerte sowie stichprobenartige in vitro Befundung gestattet. Ein weiterer grundsätzlicher Nachteil aller bekannten in vitro Untersuchungs-methoden ist darin zu sehen, dass durch die Entnahme der Gewebeproben und durch die damit verbundene Isolierung des Gewebes aus seinem morphologischen und funktionellen Zusammenhang sowie auch als Folge der Anwendung entsprechender histologischer Präparationstechniken, lediglich Untersuchungen unter weitgehend unphysiologischen Bedingungen möglich sind. Diese prinzipiellen Nachteile werden durch die Anwendung des beanspruchten in vivo Verfahrens vermieden. Des weiteren ist die Anwendung der Erfindung im Gegensatz zu den bekannten Histologischen Methoden nicht nur auf wenige Stichproben beschränkt, sondern ermöglicht demnach auch ein großflächiges Gewebe-Screening unter den jeweils akut vorherrschenden physiologischen bzw. pathophysiologischen Bedingungen.When using the method according to the invention for in vivo tissue function diagnosis, for example on various types of connective tissue, the knowledge is exploited that such so-called bradytrophic tissue types each have a very specific, significant and physiologically relevant structural plasticity. Such rheological features of the tissue can therefore be used for tissue diagnosis based on the reversible entropic-elastic state changes acutely induced by means of a suitable laser excitation and on the associated analysis of the structural dynamic modes that occur. The use of the claimed method and the corresponding devices for non-destructive and functional in vivo tissue diagnosis is over all advantageous where a tissue sample should be or must be avoided, for example by means of a biopsy and with subsequent histological in vitro laboratory examination. A major disadvantage of conventionally known histological examinations of biopsy material that has been removed is that, due to the method, this only permits a correspondingly delayed and sample-like in vitro diagnosis. Another fundamental disadvantage of all known in vitro examination methods is that the taking of the tissue samples and the associated isolation of the tissue from its morphological and functional context, and also as a result of the use of appropriate histological preparation techniques, means only extensive examinations unphysiological conditions are possible. These fundamental disadvantages are avoided by using the claimed in vivo method. Furthermore, in contrast to the known histological methods, the application of the invention is not limited to just a few samples, but accordingly also enables large-area tissue screening under the respectively prevailing physiological or pathophysiological conditions.
Ein besonderer Vorteil gegenüber den bekannten Verfahren, bei denen eine Gewebeentnahme erforderlich ist, besteht darin, dass sich die Gewebeuntersuchungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren immer am intakten Gewebe und an demselben Substrat jederzeit wiederholt werden können, wodurch sich der zusätzliche Nutzen ergibt, dass sich dadurch sowohl kinetische als auch verlaufsdiagnostische Untersuchungen anstellen lassen. Zudem sind die dabei festgestellten unterschiedlichen physiologischen bzw. pathophysiologischen Funktionalitäten aufgrund der Erhaltung der intakten Gewebemorphologie immer wieder reproduzierbar und auch objektiv quantifizierbar. Damit ergibt sich überhaupt erst die Möglichkeit mit Hilfe des beanspruchten Verfahrens zu einer objektiven und therapiebegleitenden Bewertung der Wirkungen bestimmter therapeutischer Interventionen zu kommen, wodurch sich auch die Möglichkeit einer feedback-kontrollierten selektiven und am unmittelbaren Therapieerfolg gemessenen wirksamen Behandlung ergibt. Ebenso werden die mit einer Entnahme von Gewebeproben verbundenen Risiken und Nebenwirkungen damit ausgeschlossen. Weiterführende Anwendungen der Erfindung sind auch darin zu sehen, dass diese im Sinne einer erweiterten klinischen Gewebediagnostik und/oder zur Aufklärung vielfältiger strukturdynamischer zellulärer bzw. gewebsrheologischer Prozesse wie z.B. an unterschiedlichen Gewebekompartimenten oder Gefäßabschnitten vorteilhaft eingesetzt werden kann. Denkbar ist z.B., dass mittels einer entsprechend spezifizierte Laser-Anregung an bestimmten Gefäßabschnitten in Verbindung mit einem im Sinne der Erfindung geeigneten Detektionsverfahren, diese ebenso auch als Tracer Methoden für unterschiedliche Kreislaufparameter (z.B. Flow, Pulse Transit Time, Compliance u.a.) zur Bestimmung verschiedener klinisch relevanter hämodynamischer bzw. vaso-elastischer oder vaso-motorischer Parameter Verwendung finden können.A special advantage over the known methods in which tissue removal is required is that the tissue examinations after the method according to the invention always repeated on the intact tissue and on the same substrate at any time can be what the additional Benefit shows that this results in both kinetic and course diagnostic Have investigations carried out. In addition, the different physiological or pathophysiological functionalities the preservation of the intact tissue morphology is always reproducible and also objectively quantifiable. This results in all first the possibility with the help of the claimed method to an objective and therapy accompanying Assessment of the effects of certain therapeutic interventions to come, which also gives the possibility of a feedback-controlled selective and effective based on the immediate success of therapy Treatment results. Likewise, those with taking tissue samples associated risks and side effects are excluded. Further applications The invention can also be seen in the fact that this in the sense of a advanced clinical tissue diagnostics and / or to elucidate diverse structural dynamics cellular or tissue rheological processes such as at different Tissue compartments or vascular sections can be used advantageously. It is conceivable, for example, that by means of a correspondingly specified laser excitation on certain sections of the vessel in connection with a detection method suitable in the sense of the invention, these also as tracer methods for different circulatory parameters (e.g. flow, pulse transit time, compliance etc.) for determination various clinically relevant hemodynamic or vaso-elastic or vaso-motor parameters can be used.
Weitere vorteilhafte Anwendungen der Erfindung ergeben sich auch überall dort, wo bestimmte Volumenänderungen oder auch andere vielfältige spezifische gewebsmechanische Aktivitäten und Reaktivitäten auftreten können, welche sich dann in unterschiedlichen Formen von Bewegungen, lokalen Akzellerationen, Stofftransport-Prozessen und Gradientenbildungen oder in strukturellen-, rheologischen-, oder viskoelastischen Phasenübergängen manifestieren.Other advantageous applications the invention also arise everywhere where there are certain volume changes or other diverse specific tissue mechanical activities and reactivities may occur, which then result in different forms of movements, local accellerations, Mass transfer processes and gradient formation or in structural, manifest rheological or viscoelastic phase transitions.
Weitere vorteilhafte Anwendungen
der Erfindung ergeben sich durch den Einsatz der besonderen Ausführungsform
gemäß
Weitere vorstellbare Anwendungen der erfindungsgemäßen Verfahrens können z.B. auch darin bestehen, dass anstelle eines Ultraschall-Bildgebenden Verfahrens ebenso auch entsprechend geeignete Thermographische bildgebende Verfahren (z.B. Thermal Imaging) vorteilhaft eingesetzt werden können.Other conceivable applications of the method according to the invention can also be found therein, for example exist that instead of an ultrasound imaging method, correspondingly suitable thermographic imaging methods (for example thermal imaging) can also be used advantageously.
Eine weitere denkbare Ausführungsform wäre ebenfalls geeignet für die Erzielung zusätzlicher photothermischer Kontraste, welche im Sinne der Erfindung zur in vivo Diagnostik von Gewebe auch in Verbindung mit den bisher bezeichneten Ausführungsformen eingesetzt werden können. Hierbei liefern die gewebespezifischen sogenannten heat dissipation functions, die thermischen Diffusionslängen, Wärmeleitzahlen, Wärmeübergänge sowie entsprechende thermoregulatorische Parameter u.a. geeignete klinisch relevante Merkmale z.B. über die Gewebedurchblutung, Stoffwechselaktivität, Diffusionsvorgänge u.v.a.m. (Klinischer Einsatz z.B. bei Arthroskopischen bzw. Lapraskopischen Verfahren).Another conceivable embodiment would also be suitable for achieving additional photothermal Contrasts, which in the sense of the invention for in vivo diagnostics of tissue also in connection with the previously described embodiments can be used. Here, the tissue-specific so-called heat dissipation deliver functions, the thermal diffusion lengths, thermal conductivities, heat transfers as well corresponding thermoregulatory parameters etc. appropriate clinically relevant features e.g. about tissue blood flow, metabolic activity, diffusion processes and much more (Clinical use e.g. for arthroscopic or laprascopic Method).
Darüber hinaus lassen sich die erfindungsgemäßen Verfahren über die klinisch-diagnostischen Anwendungen hinweg ebenso auch zur quantitativen und objektiven Dosimetrie verschiedener physikalischer Therapieverfahren wie z.B. bei der konservativen Lasertherapie oder konservativen extrakorporalen Stosswellentherapie anwenden.In addition, the inventive method over the clinical diagnostic applications also for quantitative and objective dosimetry of various physical therapy methods such as. with conservative laser therapy or conservative Use extracorporeal shock wave therapy.
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