WO2004049928A1 - Method and device for conducting in vivo identification of the material composition of a target area of a human or animal body - Google Patents

Method and device for conducting in vivo identification of the material composition of a target area of a human or animal body Download PDF

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WO2004049928A1
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Abstract

The invention relates to a method for conducting in vivo identification of the material composition of a target area of a human or animal body, particularly for differentiating body stones from surrounding tissue in the target area. The inventive method comprises the following steps: a) carrying out the essentially nondestructive stimulation of the target area (2) by at least one optical stimulation signal; b) detecting at least one acoustic, thermal and/or mechanical response signal emitted by the stimulated target area (2); c) analyzing the detected response signal with regard to its properties, particularly with regard to its periodic properties and/or its oscillation modes, and; d) assigning properties of the analyzed response signal and/or of the stimulation signal to predetermined property classes that each represent at least one material composition of the stimulated target area (2). This results in the provision of an improved method for conducting in vivo identification of the material composition of a target area of a human or animal body.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur in vivo Erkennung der Materialbeschaffenheit eines Zielbereiches eines menschlichen oder tierischen KörpersMethod and device for in vivo detection of the material properties of a target area of a human or animal body
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur in vivo Erkennung der Materialbescha fenheit eines Zielbereiches eines menschlichen oder tierischen Körpers gemäß dem Oberbegriff des An- Spruchs 1 und einer zur Durchführung des erfindungsgemäßeη, 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 of a human or animal body according to the preamble of claim 1 and a device suitable for carrying out the inventive method according to the preamble of claim 42.
Die in vivo Erkennung unterschiedlicher Materialien spielt im klinischen Bereich bei Diagnose und Therapie eine großeThe in vivo detection of different materials plays a major role in clinical diagnosis and therapy
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.Role. Such material detection is used for example in endoscopic stone disintegration (lithotripsy) to enable targeted destruction of body concrements, especially kidney stones or gallstones. The material detection is particularly important if the material processing or destruction of body concrements is to be carried out by means of high irradiated laser energies, since damage to the surrounding tissue by the laser pulse must be excluded.
Aus der EP 0 312 650 AI ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit Hilfe eines Lasers bekannt, bei dem von einem zu bearbeitenden Kδrperkonkrement zurückreflektiertes Licht zur Steuerung des materialbearbeitenden Lasers verwendet wird.From EP 0 312 650 A1, a method and a device for material processing with the aid of a laser is known, in which light reflected back from a body concrement to be processed is used to control the material-processing laser.
Aus der US 4,939,336 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit einem Laser bekannt, bei der das von einem zu bearbeitenden Stein zurückgestreute Licht über eine Detektoranordnung zur Steuerung des materialbearbeiten- den Lasers verwendet wird.From US 4,939,336 a method and a device for material processing with a laser is known, in which the light scattered back from a stone to be processed is used via a detector arrangement to control the material-processing laser.
Die bekannten Verfahren zur Erkennung von Körperkonkrementen können beispielsweise durch die Anwesenheit von Einblutungen ihrer Detektionsleistung eingeschränkt sein.The known methods for recognizing body concrements can be limited, for example, by the presence of bleeding in their detection performance.
Die bei dem Erkennungsverfahren eingesetzte optische Detek- tionsmethode 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 Material- bestandteilen, 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 stoffli- chen 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 le- diglich 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 optical detection method used in the detection process must also be usable under the unfavorable conditions that occur in practice, such as a high proportion of scattered light, changing surface conditions of the target surface, as well as with changing fiber positions, inclination angles and different distances of the optical fiber in relation to the target material. Known methods are also unsuitable, inter alia, for immediate clinical use with regard to a target material with unknown material constituents, since this involves essential material-specific parameters before each analysis of the material to be examined must always be determined beforehand, so that the critical presetting of the parameters for the analysis can only take place. A fundamental disadvantage of this and other known methods, which primarily use the substance properties for identification, classification and / or material recognition for analysis purposes, in that they try to obtain an identification of the substances present in the target area on the basis of certain spectroscopic features that the In the case of the practically available target material with a large number of different substances, each with unknown and different compositions and concentrations, and with an inhomogeneous spatial distribution, as is well known to the person skilled in the art, this can lead to extremely complex spectral behavior with variabilities that are difficult to overlook. This results in the fundamental disadvantage for the known methods of this type that a clear and quick determination of certain significant spectral features is practically hardly possible, as a result of which the use of spectral information for obtaining material-specific features as well as a classification and recognition under the occurring practical conditions in most Cases is excluded. Especially in the visible spectral range or near infrared range, which is mainly used in most laser applications, various tissue types, for example, do not show tissue-specific, characteristic and significant absorption bands that can be used for identification. As is also well known to the person skilled in the art in this field, only the spectral features specific to blood in the form of the characteristic hemoglobin bands appear significantly in a spectroscopic analysis of perfused tissue, which is the case with the known methods which determine the optical spectral parameters exploiting the presence of tissue or stone material leads to the disadvantage that in the case of bleeding, which in clinical use, for example, laser lithotripsy with the corresponding Frequency can occur, depending on the type of analysis method used and based on spectroscopic methods, can lead to inevitable errors. It is particularly disadvantageous, for example, if laserithotripsy procedures of this type, which are carried out under certain circumstances without additional visual inspection and thus sudden bleeding cannot be determined, that in this case, due to an incorrect determination of stone material instead of tissue material, a tissue harmful delivery of the high laser energy can take place. It is also conceivable that even in the presence of well-perfused tissue areas such as, for example, parenchyma tissue, unintentional damage to this tissue compared to other less perfused tissue types leads to particularly highly absorbent and, moreover, 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.The object of the present invention is to provide an improved method and an improved 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 object is achieved by a method having 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 is carried out in such a way that the target area first experiences non-destructive excitation by means of at least one optical excitation signal. The at least one acoustic and / or mechanical response signal emitted by the excited target area is then detected and then subjected to an analysis to determine its properties, in particular its periodic properties and / or its vibration modes. The properties of the detected The response signals are then assigned to property classes, each of which represents at least one material quality of the excited target area. By assigning the properties of the detected response signal to a property class, it is possible in this way to make a statement about the homogeneous or heterogeneous material properties of the excited 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 Probenkδrpers in mechanische Schwingungen umgesetzt wird. Diese mechanischen Schwingungen können dann an der 0- berfläche des Probenkörpers oder in dessen Umgebung als mechanische Schwingungen und/oder als akustisches Signal detektiert werden.The method according to the invention takes advantage of the photoacoustic effect. The photoacoustic effect manifests itself in such a way that the optical radiation energy radiated into a sample body is absorbed by the latter and converted into mechanical vibrations within the sample body. These mechanical vibrations can then be detected on the surface of the specimen or in the vicinity thereof as mechanical vibrations and / or as an acoustic signal.
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.It is therefore advantageous that the known optical detection methods are not used for detection, since, due to the system, these do not permit a sufficiently stable and reliable determination of the material properties due to the optical parameters due to the light scattered back into the optical fiber when the aforementioned unfavorable conditions occur.
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 be- züglich 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 An- regungssequenz 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 ge- stützt werden.In order to effect a specific stimulation of the target area and discriminating the detected acoustic and / or mechanical response signal from artifacts is the at least one excitation optical signal from at least one loading züglich specific parameters, in particular the excitation wavelength of the excitation energy, the phase of the time expansion, and / or the pulse sequence controllable light source generated. In particular, a laser is advantageously provided as the light source, since on the one hand the necessary excitation energies can be provided and on the other hand the parameters of the laser are reproducible and can be varied within a wide range. The different parameters of the light source and in particular the laser can also run through a sequence within an excitation signal. In this way, a specific excitation sequence of the excitation signal, which is matched, for example, to the specific properties of the expected material, can be generated. In the subsequent evaluation of the detected response signal, the analysis can also be based on the specific excitation signal, among other things.
Die Detektion des mechanischen und/oder akustischen Antwort- Signals 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 Anwen- düng 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.Depending on the application and practicality, the detection of the mechanical and / or acoustic response signal can be carried out with at least one detector arranged inside and / or outside the body. When using several detectors, on the one hand the signal quality can be improved by summation and, on the other hand, the propagation characteristics of the mechanical and / or acoustic waves can be determined in this way. The use of at least two different detectors at different detection locations further enables the spatial propagation direction and / or the propagation speed of the response signal to be determined from the relationship of the resulting at least two response signals to one another, and the target area to be localized.
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 Ant- wortsignal 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 fol- gende Analyse bereit.In order to be able to carry out the analysis of the response signal efficiently with a high information component and a low noise component, the detected response signal can be processed before the analysis in particular by amplifying, filtering, transforming and other possibilities for improving the signal-to-noise ratio and / or by averaging. For precise determination of the response signal initiated by the excitation signal, the excitation signal and the response signal can be correlated with one another in order to determine the relationships of the two signals to one another from the correlation data to be able to determine and suppress unnecessary signal components, such as echoes. From the correlation data, a plurality of response signals can be synchronized with one another on the basis of the temporal and / or phase correlation data determined and / or can be set in another desired temporal and / or desired phase relationship to one another. The signal / noise ratio can be further improved by synchronizing the response signals. The response signal prepared in this way is now ready for the following analysis.
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 Antwortsig- nals 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. In order to obtain precise information about the material of the excited target area, the vibration properties, in particular the photoacoustic vibration 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 can be determined. Conclusions about the material of the excited target area can also be drawn from the determined cavitation periods.
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 Eigenschaf- ten 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 er- mittelten 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 Materialbe- schaffenheiten 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 interessieren- den Materialien durchgeführt und deren Erkenntnisse zu signifikanten Eigenschaften zusammengefasst . Die jeweils auf analytischem und/oder auf empirischem Wege gewonnenen Erkenntnisse werden dann zu Eigenschaftsklassen zusammenge- fasst, die jeweils für ein Material signifikante Eigenschaf- ten aufweisen.Conclusions regarding the material properties of the target area can be drawn from the properties of the detected response signal determined in the analysis. The properties of the analyzed response signal obtained in the analysis are used for simple handling and for direct evaluation of the properties of an excited target area 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 carried out in particular on the basis of the determined correlation properties of the periodic properties, the oscillation properties and / or the cavitation properties. The predetermination of the combination of certain properties into property classes and the material properties belonging to the property classes can be carried out analytically and / or empirically. The respective materials are theoretically / analytically examined for their respective vibration properties in an analytical way. A sufficient number of test measurements are carried out empirically on the materials of interest and their findings summarized in significant properties. The insights gained analytically and / or empirically are then combined into property classes, each of which has significant properties for a material.
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 Festkörperbeschaffen- heit des Zielbereiches, also dem Vorliegen eines Kδrper- konkrements 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. 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 a- nalysierten Schwingungseigenschaften des angeregten Zielbereiches können also auch im Zusammenhang mit den Anregungsbedingungen, insbesondere mit der Anregungsenergie, der An- regungswellenlänge und der Anregungspulsform in Verbindung gesetzt werden, um auf das jeweilige Material zu schließen.A simple distinction between a body concrement and the tissue surrounding it can be carried out, for example, in such a way that if there are periodic components in the analyzed response signal, it is assumed that the target area has a solid structure, that is to say the presence of a body concrete. Here, the knowledge is used that the photoacoustic effect in solids already occurs at lower energies than with predominantly liquid materials. From specific periodic components of the analyzed response signal of the target area, in particular the detected photoacoustic oscillation modes, the specific material of a solid body can be concluded in a more detailed classification. Parameters of the excitation signal can also be included in the assignment of the respective properties of the detected response signal to the respective property classes. It should be noted in particular that specific periodic properties of a specific material only occur under equally specific excitation conditions. The respectively analyzed vibration properties of the excited target area can also be related in connection with the excitation conditions, in particular with the excitation energy, the excitation wavelength and the excitation pulse shape, in order to infer the respective material.
In einer weiteren Variante der Erfindung werden die bei einer Variation der Anregungsbedingungen auftretenden Variati- onen 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, the variations in the detected response signal that occur when the excitation conditions are varied are included in the assessment of the material properties. In particular, a specific behavior of the respective excited target area is initiated by varying the excitation wavelength and / or the excitation intensity, so that specific material properties can in turn be inferred from the resulting properties of the detected response signal.
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 Materialeigen- Schäften ableiten.Specific material properties can also be inferred from the properties of the cavitation events in the target area, taking into account the respective excitation conditions. If the excitation conditions are varied, specific material properties can also be derived from the resulting variation in the cavitation conditions.
Weiterhin lässt auch die Ausbreitungsrichtung und/oder die Ausbreitungsgeschwindigkeit des vom Zielbereich emittierten akustischen und/oder mechanischen Antwortsignals eine Zuord- nung des Zielbereiches zu mindestens einer Eigenschaftsklasse zu. Hierbei wird unter anderem die Erkenntnis genutzt, dass im Festkörper sowohl Transversal- als auch Longitudi- nalwellen übertragen werden können, wohingegen in einer flüssigen Phase wie z.B. weichem Gewebematerial nur Longitu- dinalwellen transportiert werden können.Furthermore, the direction of propagation and / or the speed of propagation of the acoustic and / or mechanical response signal emitted by the target area also allows the target area to be assigned to at least one property class. Here, among other things, the knowledge is used that both transverse and longitudinal waves can be transmitted in the solid, whereas only longitudinal waves can be transported in a liquid phase such as soft tissue material.
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 Anre- gungssignals 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 Kδrperhohlraum 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 umge- benden 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 visual 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 inserted an optical fiber endoscopically into a body cavity for stone destruction, can easily determine on the basis of the resulting tone characteristics whether the end of the optical fiber is in the area of the body's concrement or whether the optical fiber is in the direction of the surrounding tissue indicates. 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 para etrisiert 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 Materialbeschaf enheit zuordnen. In einer weiteren Variante der Erfindung werden die jeweiligen Eigenschaften des Antwortsignals zusammen mit den Anregungsbedingungen in mehrdimensionalen Merkmalvektoren zusam- mengefasst, die ebenfalls auf einem Bildschirm dargestellt werden können. Die sich in dem jeweiligen Merkmalsraum ergebenden Darstellungen sind ebenfalls wiederum spezifisch für eine bestimmte Materialbeschaffenheit .A graphic representation, for example on a screen, can also be used for an optical representation of the response signal and / or the excitation signal. The excitation signals and the response signals are advantageously displayed in a coordinate system. For example, the excitation signal is advantageously depicted on the abscissa and the response signal on the ordinate of a coordinate system. The graphs, patterns and trajectories that form on the screen when the target area is excited and the response signal is subsequently detected can be characteristically assigned to a specific material quality. In a further variant of the invention, the respective properties of the response signal together with the excitation conditions are combined in multidimensional feature vectors, which can also be displayed on a screen. The representations resulting in the respective feature space are also again specific to a certain material quality.
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.In order to reliably support an operator in his work, the steps for recognizing the material properties of the target area are repeated continuously or periodically. This means that 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 erfin- dungsgemäßen 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 steinzerstδrenden Impulses erfolgt dann auto- matisch. 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 Kδrper- konkrement 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 the automatic control of the material processing of the target area, in particular for lithotripsy. In such an embodiment of the method according to the invention, the material-processing laser pulse is automatically released by the method. The operating surgeon thus only has to take care of the endoscopic guidance of the respective optical fiber, the triggering of the respective stone-destroying impulse then takes place automatically. In another embodiment of the method according to the invention, the triggering of a material-processing impulse, for example by an operator, is only released when a certain material quality, in particular a body concrete, has been detected in the excited target area. In this way, damage to the surrounding tissue or accidental triggering of the material-processing laser pulse can be avoided, which increases the operational reliability of the method.
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 klini- sehen Bereich vielfach eingesetzt.In an extension of the method, in addition to the detected mechanical and / or acoustic response signal As well as the excited target area, at least one ultrasound signal of the target area is also detected by means of ultrasound echoscopy. Different methods of ultrasound echoscopy are widely known and are widely used in the clinical field.
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.The ultrasound signal generated and received with the ultrasound echoscopy method is advantageously correlated with at least one optical excitation signal and / or at least one photoacoustic response signal. Using the correlation data obtained, the ultrasound signal can be synchronized with at least one excitation signal and / or with at least one response signal and / or can be set in another predetermined temporal relationship and / or a predetermined phase relationship to one another. In this way, an ultrasound image and information about the material properties of the target area of interest can be obtained simultaneously.
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 Ultraschall- signals Eigenschaften des Zielbereichs erfahren.Since the ultrasonic signal is also modulated by the mechanical vibrations of the optically excited target area, properties of the target area can also be learned from the received ultrasonic signals by determining periodic properties and / or determining the photoacoustic oscillation modes of the ultrasonic signal.
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 target area can be achieved if the ultrasound image obtained with the ultrasound echoscopy method is provided with the material properties of the respective target area determined with the method according to the invention. In this way, different material properties can be indicated and marked in the ultrasound image and displayed clearly, which supports the work of an operator. It is advantageous to generate an ultrasound image and / or an ultrasound image. Provide sound image controllable by at least one response signal.
Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung zur Durch- führung des beschriebenen Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 42 gelöst.The object is further achieved by a device for performing the described method with the features of claim 42.
Demgemäß weist die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mindestens eine Lichtquelle zur optischen Anregung ei- nes 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 Eigenscha ten der detektierten Antwortsignale und mindestens ein Darstellungsmittel zur Darstellung des Antwortsignals und/oder der Eigenschaften des analysierten Antwortsignals auf.Accordingly, the device for carrying out the method has at least one light source for the optical excitation of 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 analysis means for analysis the properties of the detected response signals and at least one display means for displaying the response signal and / or the properties of the analyzed response signal.
Um eine hinreichend energetische und modulierbare Lichtquel- le 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 can be controlled relatively easily with regard to its parameters, in particular its wavelength, its intensity and its pulse sequence.
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 attached to the endoscope itself or an optical fiber is provided for guiding the light emitted by the light source. This optical fiber can be easily arranged on an endoscope.
Ein preiswerter und zuverlässiger Detektor zur Detektion mechanischer und/oder akustischer Schwingungen wird durch Pie- zoele ente ausgeführt .An inexpensive and reliable detector for the detection of mechanical and / or acoustic vibrations is implemented by piezoelectric ducks.
Zusammenfassend ist zu konstatieren, dass die vorliegende Erfindung auf einem Verfahren und Vorrichtung zur Bestrahlung von Kδrpergeweben, Körperflüssigkeiten bzw. festen Körperkonkrementen mit Hilfe von spezifisch ausgewiesener Strahlungsenergie basiert. Der mit der Strahlungsenergie beaufschlagte Zielbereich (Targetmaterial) zeigt aufgrund der ein- gebrachten 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 Materi- albearbeitung 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 Strah- lungsparameter und Abgabe der S rahlungsenergie für die jeweils zu erfolgende therapeutische Anwendung bzw. Materialbearbeitung zu ermöglichen.In summary, it can be stated that the present invention is based on a method and apparatus for radiation of body tissues, body fluids or solid body concrements with the help of specifically designated radiation energy. The target area exposed to the radiation energy (target material) shows various photo-induced reactions due to the introduced photonic energies, which can be used for diagnostic purposes as well as for different therapeutic purposes or for material processing. A selective therapeutic application and / or material processing can also take place under feedback-controlled conditions if appropriate information is derived from the diagnostic method and the material properties determined thereby serve to specify the requirements for a specified and appropriately controlled setting of the radiation parameters and To enable delivery of the radiation energy for the respective therapeutic application or material processing.
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 Kδrper- konkre enten (Gallensteine, Nierensteine, Blasensteine, Speichelsteine u.a.) erzielt werden. Die mit einer gezielten Beaufschlagung mit entsprechend spezifizierter Strahlungsener- gie 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 zerstörungs- freie 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 the radiation energies on the target material can consist on the one hand in that certain photo-induced entropic or elastic reversible states are excited in the present target material and on the other hand at specific, higher radiation energies also specific desired irreversible structural changes such as photoablation and / or photothermoplasty on tissues or crushing or fragmentation of body concretes (gallstones, kidney stones, bladder stones, saliva stones, etc.) can also be achieved. The different interactions with different radiation parameters associated with the respective target material associated with a specific exposure to correspondingly specified radiation energy can be used in such a way that with the aid of correspondingly specified optical excitation and suitable detection and analysis methods, a non-destructive in vivo analysis for Determination of the material properties of the irradiated target area is made possible. On On the basis of these analysis results, a selective and controlled therapeutic application or material processing of the same target area and target material can be achieved in immediate succession, with suitable feedback processes being implemented for process automation.
Die vorliegende Erfindung gibt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung an, mit dem in einem ersten Schritt eine zerstö- rungsfreie 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 Material- Zusammensetzungen 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 Bear- beitung 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 specifies a method and a device with which, in a first step, a non-destructive in vivo analysis of the respective target material is 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 is possible. In a subsequent step, a targeted and selective application of the radiation energy applied to the same target area and the same target material can then take place for different therapeutic purposes and for processing the target material according to the requirements of the previous in vivo analysis results. Thereby, the therapy process or material processing process takes place through currently specified and controllable different settings of the radiation energy as well as through other relevant radiation parameters in the course of the diagnostic process or through correspondingly suitable 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 Plasmaauslδsung 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 the case of application of the method and device in the field of laser lithotripsy, the invention offers the possibility that the high laser energy required for plasma release and stone fragmentation is selectively applied only if the stone material to be processed is present. This ensures that the high laser energy used for lithotripsy never hits the tissue to be protected. Any unwanted colla- teral damage to the tissue surrounding the stone is excluded with certainty. Reliable and safe selective material processing is also possible without visual inspection, whereby even in the case of a blind process, selective stone fragmentation is achieved without damage to the surrounding tissue, which can be achieved by means of an appropriately suitable automated feedback process control. Here, the analysis data determined before each processing step and in each preceding analysis step are used for feedback control of the selective laser processing method.
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 erfindungs- gemäße Verfahren den Vorteil einer für die Anwendung hinreichenden Trennschärfe aufweist und auf einfache und unmittelbare Weise ein geeignetes Analyseergebnis erzielt wird.To determine the material properties present in the target area, various photo-induced interactions with the target material are used individually or in combination for analysis purposes in order to obtain reliable, unambiguous and significant target-specific features for discrimination, classification, material and structure recognition, the inventions derived therefrom method has the advantage of sufficient selectivity for the application and a suitable analysis result is achieved in a simple and immediate manner.
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.Likewise, the radiation energy applied to the target area to determine material properties in no case 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. 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.Advantageously, therefore, only low radiation energies are used to excite the target area, which indeed lead to a correspondingly specified optical excitation of the target material that is necessary in the sense of the analysis method, but completely exclude damage. The detection method can be used with different laser types at different wavelengths as well as with pulsed lasers with different laser pulse durations as well as for CW lasers or modulated CW lasers.
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, photo- thermischen 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 Analyse- zwecken, 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 belie- biger 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 be- kannten 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 Gewebema- terialien 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 morphologi- sehen Strukturen, welche wiederum auf unmittelbare Weise mit den funktioneilen physiologischen Eigenschaften verknüpft sind. Die Analyse dieser strukturellen Kennzeichen bringt somit den Vorteil mit sich, dass damit die Anwendung strukturdynamischer und rheologischer Analyseverfahren zur Fest- Stellung und genauen Differenzierung von Gewebeeigenschaften sowie zur funktionalen Charakterisierung geeignet sind.The use of non-optical detection systems has the advantage that the different structural dynamics of the photoacoustic, photo-thermal or photo-elastic effects triggered by optical excitation of the target material are used to determine the material properties. The principle advantage of this type of detection is that the detected signal depends exclusively on the radiation energy actually absorbed in the target material, which means that no disturbances in the measurement can occur due to the strong scattered radiation that usually occurs with such materials and thus the disadvantages of the known optical detection methods in this regard omitted. Another advantage can be seen in the fact that there are practically unlimited possibilities of usable radiation energies available for the effective excitation of the target material for analysis purposes, it being possible to work with very different radiation sources and radiation conditions. Thus, the photonic emission used for excitation can basically take place with a largely arbitrary spectral distribution and also over an extremely broadband wavelength range, which results in the advantage of a largely free choice of the wavelengths or wavelength ranges used depending on the application and the radiation source used. The particularly advantageous high detection sensitivity of the detection method compared to the known methods in connection with the high specificity and selectivity of the analysis method that can be achieved with this solution is due to the essential difference that the tissue materials to be examined are fundamentally not clear and sufficiently precise with regard to their purely material characteristics because most fabrics do not differ significantly in terms of their material content and composition. However, the corresponding tissue types differ significantly in terms of their morphological structures, which in turn are directly linked to the functional physiological properties. The analysis of these structural characteristics therefore has the advantage that the use of structural dynamic and rheological analysis methods are suitable for determining and precisely differentiating tissue properties and for functional characterization.
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.It is therefore advantageous to use appropriate acoustic or mechanical vibration detectors or other known methods with which the thermal, acoustic or elastic waves emanating from the target area with optical excitation can be detected.
Die Detektion dieser thermischen, akustischen bzw. elasti- sehen 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 Abstrah- lungscharakteristiken 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 these thermal, acoustic or elastic waves has the further advantage that they spread linearly over large distances in the body tissue themselves and reach the surface of the body, where they are applied without additional sensors and without further effort sensors attached to the body surface can be easily detected. This solution has the further advantage that a spatial and temporal assignment of the acoustic waves emitted by the target area is possible by attaching additional sensors at different positions on the body surface. The simultaneous registration with several detectors at different detector positions and / or the use of correspondingly arranged and operatively coupled sensors, e.g. for focused detection on certain selected target points or target areas, is particularly advantageous because with this solution, in addition to a spatial position determination of the acoustic source also further additional significant target-specific features with regard to the different acoustic radiation characteristics in connection with the other structural dynamic features obtained on the basis of the photoacoustic, photothermal or photoelastic interactions taking place in the target material itself for analysis purposes and also also for assessing the therapeutic success achieved with each therapeutic radiation exposure or else can be used to evaluate the processing state brought about by the laser energy and the effectiveness of the processing.
Zum Beispiel unterscheiden sich feste Materialien wie Steinkonkremente gegenüber weichem Gewebematerial nicht nur hin- sichtlich 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 Körper- gewebe 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 Diskri inationleistung, Materi- alklassifizierung 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 in the soft body - tissue only longitudinal wave propagation takes place. These different properties of acoustic wave propagation known to the person skilled in the art are advantageously used for the analysis purposes according to the invention and for achieving 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 je- weils 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 mangeln- den 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 Anwendungsbe- reich erheblich erweitert.It is particularly advantageous if, as in the case of laser lithotripsy, for example, the application is carried out without visual inspection (blind procedure) and with this solution, the degree of fragmentation of the stone concrement achieved can be easily determined and displayed accordingly. An additional benefit also results from the fact that when used in the blind process, the solution according to the invention can also be used to easily implement a navigation and positioning aid, which is necessary to achieve an optimal fiber position for the effective stone destruction or an optimal stone contact can be exploited. This solution has the advantage that even larger target areas can still be navigated and probed even if an endoscopic visual inspection is impossible due to the lack of access for the endoscope, but due to the considerably smaller fiber diameter of the laser fiber, access to it is impossible Fiber in certain cavitations with a lower lumen such as bile ducts is nevertheless possible. This solution significantly extends the safe clinical application area.
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 funktioneilen 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, kon- stituieren sich die gewebsmorphologischen Strukturbildungprozesse mit entsprechend ausgewiesener adaptiver Plastizität und die damit verknüpfte funktionelle physiologische bzw. pa- thophysiologische 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. stukturdynamisehen Merkmale wird vorteilhaft zur sensitiven und sicheren Feststel- lung, 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 Aktivie- rungszustände auszeichnen. Hierbei spielen bestimmte gewebs- mechanische Funktionalitäten, wie Plastizität, Entropische Elastizität oder Viskoelastizität eine bedeutende Rolle. Auch die Möglichkeit zur in vivo Untersuchung verschiedener Mecha- nismen 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 au- ßerdem 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, zellu- lären 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 erfindungsge- mäßen 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 ikrozirkulatorischer hämodynamischer Parameter. Im Rahmen einer selektiven und kontrollierten laserinduzierten Schockwellenanwendung ergibt sich die erfindungsgemäße Möglichkeit sowohl zum Einsatz des Verfahrens für verschiedenar- tige konservative physiotherapeutische bzw. orthopädische Schockwellenbehandlungen als auch zu deren invasiver Anwendung.The detection method for determining the material properties can be used clinically immediately and without any prior knowledge of the type and composition of the material constituents, even without any prior knowledge. The advantageous relationship between the different structural, structural dynamic and functional rheological properties of body materials is used. This solution is based on the knowledge that there is a reciprocal relationship between the morphological properties of biological tissue structures and their corresponding specific physiological functionality. As is known from structure theory, structural biology and biophysics of tissues, the tissue morphological structure formation processes with correspondingly proven adaptive plasticity and the associated functional physiological and pathophysiological functionality mutually constitute each other in a highly specific and complementary way. The detection and determination according to the invention of certain extremely significant tissue elastic properties (tissue rheology) present in the target area and their associated highly specific structural or structural dynamics features is advantageous for the sensitive and reliable detection, selective differentiation, classification and detection of biological materials and / or solid body concrete 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, different novel in vivo analysis tools for biomedical research purposes for the elucidation of diverse biological energy and structure conversion processes or structural vibration modes and their dynamics are also possible, such as with different types of cellular organizational processes or in morphogenetic development phases and growth processes, which are characterized by specific conformational changes and / or activation states. Certain tissue mechanical functionalities, such as plasticity, entropic elasticity or viscoelasticity, play an important role here. The possibility of in vivo investigation of various mechanisms of mechanotransduction or certain photoelastic and thermoelastic transduction processes, etc., opens up far-reaching application perspectives for future biotechnological, biomedical in vivo analysis methods and clinical diagnostic methods. Various uses are also conceivable for selective and feedback-controlled biomedical intervention, for example for selective photoelastic, photothermal or photoacoustic-induced structural integration or disintegration in selected regional tissue compartments, cellular structures or for the targeted generation and servo control of specific anisotropies and gradient fields, viscoelastic and tissue rheological conditions, as well as certain local microaccellations. Further conceivable applications arise according to the principles of the method according to the invention in connection with the targeted application of selected biological micro- and nanostructures with specifically controllable radiation energy with the help of suitable optical applicators and through the photo-induced selective local sonic excitation or sono-stimulation which can be achieved thereby. to achieve various controllable, highly specific physiological effects, such as For example, the specific influencing of 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 of microcirculatory hemodynamic parameters. In the context of a selective and controlled laser-induced shock wave application, the possibility according to the invention arises both for the use of the method for various conservative physiotherapeutic or orthopedic shock wave treatments and for 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 a- nalysierbaren 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 UN-Bereich bis hin zur Röntgen- oder Gammastrahlung zur Anregung zu nutzen.A particular principal advantage of the solution according to the invention lies in the fact that the structural-dynamic order states that are generated in the target material by means of optical excitation and can be detected and analyzed 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 results in a largely unrestricted selection of the radiation systems that can be used for this purpose. This enables the method to be used over an extremely wide wavelength range, e.g. from the microwave, IR, VIS, or UN range to X-ray or gamma radiation for excitation.
Weiterhin wird eine entsprechend geeignete Operationalisie- rung 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 je- weiligen 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 on- line Bedingung unter Implementierung bestimmter anwendungsspezifischer Prozessroutinen durchgeführt.A correspondingly suitable operationalization of the non-destructive in vivo detection method and material detection system with correspondingly selected corresponding applicator systems is also brought about. These applicator systems, which are suitable for the selective application of the target material in each case and which work with radiation types which have been selected appropriately and are suitable for achieving the respective material processing task or therapeutic task, and so on on the basis of the determined material properties, a correspondingly controlled delivery of the radiation energies is achieved with precisely defined radiation parameters. This operationalization is possibly carried out under online conditions with the implementation of certain application-specific process routines.
Eine derartige z.B. halbautomatische Prozessroutine kann u.a. darin bestehen, dass nachdem die Materialeigenschaft mit Hil- fe 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 Bearbeitungs- zieles 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 Son- dierungs- 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. 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 Operationalisie- rung 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 Kon- trollparameter in Echtzeit abgeleitet werden, welche dann zur Steuerung und Regelung der verschiedenen Bestrahlungs- parameter verwendet werden. Vorteilhaft ist es, wenn diese Prozessroutinen auch eine entsprechende Steuerungslogik enthalten, welche mit Hilfe entsprechend implementierter Si- cherheitskriterien die verschiedenen Risiken einer Fehlbedienung und Fehlbehandlung sowie eine GewebeSchädigung ausschließt .Such a semi-automatic process routine, for example, can consist in that, after the material property has been automatically determined with the aid of the recognition system, based on suitable specific characteristics, the user can use this data according to his own specifications to achieve his specific and with the help the selective radiation application, processing or therapeutic intervention continues until the processing target is reached on the basis of the desired progress ascertained after each processing step by means of the recognition system. In order that the progress of the processing and the achievement of the processing target can be easily recognized by the user at any time, appropriate means are provided which, based on a suitable visual and / or acoustic representation and display of the current analysis data, enable quick and easy assessment allow the effectiveness or success of the processing. For this purpose, different known parametric and / or symbolic representation techniques can be advantageously used for the appropriate online representation of the acute analysis result, which also provide the user with additional probing and / or navigation and / or positioning aids for optimal application of the radiation energies such as for example for the targeted guidance and selective positioning of an optical fiber introduced into the corresponding cavitation. Corresponding aids can also advantageously be provided, which allow easy operation and quick adjustment of the required radiation parameters. This process routine used in the sense of the invention serves on the one hand the control for a targeted, effective and selective material processing and on the other hand also serves as a safety system which in any case excludes with certainty an undesired and damaging application of the radiation energy to the material to be protected or the surrounding tissue. In addition to a semi-automatic operationalization of the method according to the invention, automatic process routines are also conceivable, with the aid of which direct feedback control is possible. For this purpose, suitable control parameters can be derived in real time from the analysis process data obtained, which are then used to control and regulate the various radiation parameters. It is advantageous if these process routines also contain a corresponding control logic, which, with the aid of appropriately implemented security criteria, excludes the various risks of incorrect operation and incorrect handling as well as tissue damage.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen der Figuren anhand dreier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to the drawings of the figures using three exemplary embodiments. Show it:
Fig. 1 schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur in vivo Erkennung der Materialbeschaffenheit eines Ziel- bereichs eines menschlichen oder tierischen Körpers,1 shows a schematic representation of the method according to the invention and the device according to the invention for in vivo detection of the material properties of a target area of a human or animal body,
Fig. 2 schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung in ei- ner zweiten Ausführungsform mit automatischer oder halbautomatischer Materialbearbeitung, und Fig. 3 schematische Darstellung des Verfahrens und der Vorrichtung der Figur 2 mit zusätzlichem Ultraschall- Echoskopieverfahren.2 shows a schematic representation of the method according to the invention and the device according to the invention in a second embodiment with automatic or semi-automatic material processing, and Fig. 3 is a schematic representation of the method and the device of Figure 2 with additional ultrasound echoscopy.
In Figur 1 ist schematisch der Vorgang der Materialerkennung und die dazu erforderliche Vorrichtung gezeigt. Eine optische Faser 1 wird von dem Operateur in das betreffende Ziel- bereich 2 des Körpers des zu behandelnden Patienten, bei- spielsweise mit Hilfe eines Endoskops, geführt. Durch die Lichtleitfaser 1 kann über einen Laser 7 (laser sources) ein optisches Anregungssignal in den Zielbereich 2 geleitet werden. Die einzelnen Parameter des Lasers 7 werden über eine Kontrolleinrichtung 6 (laser paramter control) manuell oder automatisch kontrolliert. Über die Kontrolleinrichtung 6 lassen sich so beispielsweise die Laserwellenlänge beziehungsweise die Laserwellenlängen, die Intensität des Lasers, die Bestrahlungsdauer bzw. die Pulsfolge und deren jeweilige Variation einstellen.In Figure 1, the process of material detection and the necessary device is shown schematically. The surgeon guides an optical fiber 1 into the relevant target area 2 of the body of the patient to be treated, for example with the aid of an endoscope. An optical excitation signal can be directed into the target area 2 through the optical fiber 1 via a laser 7 (laser sources). The individual parameters of the laser 7 are controlled manually or automatically via a control device 6 (laser parameter control). The control device 6 can thus be used, for example, to set the laser wavelength or laser wavelengths, the intensity of the laser, the radiation duration or the pulse sequence and their respective variation.
Der Zielbereich 2 kann so über die Lichtleitfaser 1 mit dem Laser 7 mit einem in seinen Parametern spezifizierten optischen Anregungssignal beaufschlagt werden. Über die Kontrolleinrichtung 6 lassen sich auch unterschiedliche Parame- terprofile für den Laser 7 abrufen bzw. Folgen von unterschiedlichen Parameterprofilen als Sequenzen durchlaufen. Ein derartiges Parameterprofil ist unter anderem durch mehrere Werte für die entsprechenden zu durchlaufenden Folgen von Anregungssequenzen spezifiziert, wie beispielsweise den hierbei applizierten Strahlungsenergien und Strahlungsleistungen, den dynamischen Parametern, den Modulationsarten (z.B. AM, FM, PM, PRBSC) und den Modulationsparametern (z.B. Modulationsfrequenz, Modulationsgrad) , den spektralradiomet- rischen Parametern (z.B. Wellenlängen, spektrale Zusammen- setzung) sowie den Strahlungsfeldparametern sowie den ent- sprechenden räumlichen Bestrahlungspositionen auf dem Probenkörper.The target area 2 can thus be acted upon by the optical fiber 1 with the laser 7 with an optical excitation signal specified in its parameters. Different parameter profiles for the laser 7 can also be called up via the control device 6 or sequences of different parameter profiles can be run as sequences. Such a parameter profile is specified, among other things, by several values for the corresponding sequences of excitation sequences to be run through, such as the radiation energies and radiation powers applied here, the dynamic parameters, the types of modulation (e.g. AM, FM, PM, PRBSC) and the modulation parameters (e.g. modulation frequency , Degree of modulation), the spectroradiometric parameters (eg wavelengths, spectral composition) as well as the radiation field parameters and the speaking spatial irradiation positions on the specimen.
Außerhalb oder innerhalb des Körpers des zu behandelnden Pa- tienten ist ein Detektor 8 angebracht, mit dem akustische und/oder mechanische Antwortsignale aufgenommen werden können. Durch den Detektor 8 werden die von dem angeregten Zielbereich 2 ausgesendeten akustischen und/oder mechanischen Antwortsignale, die als Reaktion auf das optische An- regungssignal emittiert werden, aufgenommen. Diese vom Detektor 8 aufgenommenen Antwortsignale werden zunächst in einer Aufbereitungsstufe 8a (detector signal processing) aufbereitet . Die Aufbereitung der Antwortsignale umfasst dabei beispielsweise eine Verstärkung des Signals, eine Filterung, insbesondere mit einem Bandpassfilter, eine Transformation des Antwortsignals, eine Mittelwertbildung oder andere Methoden zur Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses. Das in der Aufbereitungsstufe 8a aufbereitete Signal wird nun in einer Analysestufe 11 (analysing procedures) analysiert.A detector 8 is attached outside or inside the body of the patient to be treated, by means of which acoustic and / or mechanical response signals can be recorded. The acoustic and / or mechanical response signals emitted by the excited target area 2, which are emitted in response to the optical excitation signal, are recorded by the detector 8. These response signals picked up by the detector 8 are first processed in a processing stage 8a (detector signal processing). The processing of the response signals includes, for example, amplifying the signal, filtering, in particular using a bandpass filter, transforming the response signal, averaging or other methods for improving the signal / noise ratio. The signal processed in processing stage 8a is now analyzed in an analysis stage 11 (analyzing procedures).
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 2 angeregt werden. Weiterhin kann auch die Ka- vitationsperiode von im angeregten Zielbereich erfolgenden Kavitationsereignissen ermittelt werden. Kavitation tritt im Zielbereich durch die Vaporisation der liquiden Phase und der darauffolgenden adiabatischen Abkühlung auf.To analyze the response signal, for example, the periodic properties of the detected response signal are determined. This is done, for example, using known methods such as Fast Fourier Transformation (FFT), Wavelet or others. Using the known method of dynamic analysis, the vibration modes of the excited target area can also be determined from the response signal, which are excited by the photoacoustic effect with optical excitation of the target area 2. Furthermore, the cavitation period of cavitation events taking place in the excited target area can also be determined. Cavitation occurs in the target area due to the vaporization of the liquid phase and the subsequent adiabatic cooling.
In einer Zuordnungseinheit 12a (classification and recogni- tion) werden nun die ermittelten Eigenschaften des Antwort- signals zu Eigenschaftsklassen zugeordnet, die jeweils Materialeigenschaften repräsentieren. Diese Einordnung der Eigenschaften des Antwortsignals kann auch unter Zuhilfenahme der Anregungsparameter des optischen Anregungssignals erfol- gen.In an assignment unit 12a (classification and recognition) the determined properties of the response signals assigned to property classes, each representing material properties. This classification of the properties of the response signal can also take place with the aid of the excitation parameters of the optical excitation signal.
Die Einordnung der Eigenschaften des Antwortsignals kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. In einer besonders einfachen Variante der Erfindung wird das Antwortsignal le- diglich 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 ei- nes 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 Schwingungs- moden nachweisbar sind.The properties of the response signal can be classified in different ways. In a particularly simple variant of the invention, the response signal is only examined to determine whether a specific photoacoustic event takes place in the target area after the optical excitation. Based on the knowledge of the material properties under different excitation conditions, it is possible to decide whether the optical excitation has affected a solid or the tissue surrounding it. In the case of the solid body, specific oscillation modes can be identified in the response signal at a specific excitation energy, and in the case of excitation of the surrounding tissue, no oscillation modes can then be detected with this excitation energy.
In einem zweiten Zuordnungsverfahren wird dem Umstand Rechnung getragen, dass unterschiedliche homogene oder heterogene Materialien unterschiedliche photoakustische Schwingungs- moden 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 process, the fact is taken into account that different homogeneous or heterogeneous materials have different photoacoustic vibration modes. If vibrational modes in the area of the tissue are also excited at higher excitation energies, these have a completely different spectrum than, for example, that of a stone. The analysis of the excited target area can also be carried out here, for example, in such a way that the analyzed signals are represented as two- or multi-dimensional vectors and are, for example, plotted on a screen. The resulting path curves or trajectories are each specific to the excited material of the target area. Furthermore, the trajectory curves change specifically under different excitation conditions, especially with different excitation wavelengths. and different excitation energies. These changes in the response signal initiated by changing the excitation conditions can also give a specific signature of the material.
Eine weitere einfache Möglichkeit der Unterscheidung zwischen Gewebe und Kδrperkonkrement 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 Bonifikation 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 Ge- hörs hörbar gemacht. In diesem Falle können zur weiteren Signalaufbereitung zum Zweck der Audifikation und/oder Bonifikation 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 elektroakusti- scher Klangeffekte verwendet werden. Der Operateur kann so einfach zwischen dem umgebenden Gewebe und einem Körper- konkrement, 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 Opera- teur so den richtigen Zeitpunkt und die richtige Position der Lichtleitfaser bestimmen.A further simple possibility of distinguishing between tissue and body concrement 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 bonuses. In a simple case, the processed or analyzed signal is applied, for example, to a voltage-controlled oscillator (VCO) and 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 and / or other known means for generating different ones by the respective can be used for further signal processing for the purpose of auditing and / or bonusing Response signal triggered, parametrically controlled and / or modulated electroacoustic sound effects are used. The surgeon can thus easily distinguish between the surrounding tissue and a body concrete, in particular a gall or kidney stone due to the received pitch, the received sound and / or the received tonal pattern. The operator can thus determine the right time and the correct position of the optical fiber to destroy the respective body concrement.
Eine weitere Möglichkeit zur Analyse und Einordnung des detektierten Antwortsignals ist die Bestimmung der Kavitati- onseigenschaften 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 kön- nen so die unterschiedlichen Materialien aufgrund der signifikanten Unterschiede im Spektrum der Schwingungsmoden der jeweiligen Materialien ermittelt werden.Another possibility for analyzing and classifying the detected response signal is to determine the cavitation properties of the excited target area. Different methods can be used here. For one thing it is possible to measure the vibration modes of the respective material excited by the cavitation in the target area and to treat them as already described above. The different materials can be determined from the vibration modes of the target area on the basis of the significant differences in the spectrum of the vibration modes of the respective materials.
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.A further possibility is offered by the determination of the cavitation periods themselves. The knowledge is exploited that the cavitation periods depend on the one hand on the irradiated energy and the irradiated wavelength, and on the other hand show a clear dependence on the excited material. Based on the knowledge of the excitation signal, the material can be concluded from the determined cavitation period.
In einer parametrisierten dynamischen Methode wird die Kavitationsperiode für unterschiedliche Anregungsenergien be- stimmt. Der Verlauf der Kavitationsperioden bei Variation der Anregungsenergie ist ebenfalls signifikant für unterschiedliche Materialien. Diese para etrisierte dynamische Methode kann weiterhin auch mit unterschiedlichen Anregungswellenlängen und Anregungsdynamiken durchgeführt werden.In a parameterized dynamic method, the cavitation period is determined for different excitation energies. The course of the cavitation periods with variation of the excitation energy is also significant for different materials. This para etrized dynamic method can also be carried out 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 cha- rakteristische 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 Ein- blutungen 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, knowledge of the excitation conditions can also be used to determine whether bleeding is occurring in the target area. Since hemoglobin shows characteristic spectral absorption properties, the excited oscillation modes or the cavitation periods in the target area change during bleeding, since the excitation of the target area is modified characteristically due to the hemoglobin. Bleeding can also be identified when analyzing the vibration modes, since the excitation conditions of the Change target area significantly due to the characteristic hemoglobin bands.
Eine weitere Analysemδglichkeit bietet sich, wenn mindestens zwei Detektoren 8 verwendet werden, deren Signalform bezüglich ihrer Phase, ihrer Intensität und/oder ihrer Laufzeit miteinander verglichen werden oder miteinander korreliert werden, so dass sich eine Ausbreitungsrichtung des emittierten AntwortSignals feststellen lässt. Dabei wird die Er- kenntnis ausgenutzt, dass sich im Festkörper sowohl Transversalwellen als auch Longitudinalwellen ausbreiten können, wohingegen in der flüssigen Phase sowie in weichem Gewebe nur Longitudinalwellen Ausbreitung finden. Aufgrund dieser Kenntnis lässt sich hier wiederum einfach eine Unterschei- düng zwischen einem Korperkonkrement und dem umgebenden Gewebe durchführen.A further analysis option is available if at least two detectors 8 are used, the signal shape of which is compared or correlated with respect to their phase, their intensity and / or their transit time, so that a direction of propagation of the emitted response signal can be determined. This exploits the knowledge that both transverse waves and longitudinal waves can propagate in the solid, whereas only longitudinal waves are propagated in the liquid phase and in soft tissue. On the basis of this knowledge, it is again easy to differentiate between a body concrement and the surrounding tissue.
Desweiteren lassen sich ebenso die mit den Gesetzen der Schallausbreitung verbundenen unterschiedlichen Strahlungs- Charakteristiken 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 Rich- tungsabhängigkeit 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 pho- toakustischen Signalen bzw. den am Targetmaterial reflektierten Ultraschall-Echosignalen weitere signifikante Merkmale zum Zwecke der Stein/Gewebeerkennung als auch zur artefakt- freien 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 dependence of the sound fields emitted by the optically excited target material is also used, advantageously suitable detection systems in a corresponding number or with a correspondingly suitable spatial one Arrangement can be used in relation to the acoustic target source. 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 can also be used on the body surface 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 completely dispensed with, 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, it is also possible to use the specific temporal correlations between the laser excitation and the respectively detected photoacoustic signals or the ultrasound echo signals reflected on the target material for the purpose of stone / tissue recognition as well as for artifact-free signal detection and Advantageously use improvement of 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 tissue surrounding the stone.
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- sehe und photothermische Eigenschaften des angeregten Ziel- bereiches 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, thermodynamisehen und optischen Eigenschaften sowie von der stofflichen Zusammenset- zung 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 die- ser multiplen und miteinander interagierenden komplexen aber dadurch auch hochsignifikanten dispersiven photonisch induzierten Wechselwirkungen gleichsam eine Art von komplexer Signatur (Fingerprint) von dem Probenkorper unter operativen in vivo Bedingungen zu erhalten.The entire method 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 parametrically controlled optical excitation of the target area, intrinsic photoelastic, photoacoustic see and photothermal properties of the excited target area can be determined by analysis of periodic properties and can be assigned to a specific material type. With the characteristic excitation, certain intrinsic sample-specific nonlinear effects, such as photoelastic, photoacoustic or photothermal transduction processes, which can be achieved thereby, are used in order to obtain a characteristic signature of the complex properties of the sample body. These nonlinear intrinsic transduction processes taking place in the specimen depend in a characteristic way on the structure-elastic, plasto-elastic, thermodynamic and optical properties as well as on the material composition of the sample material as well as on the quality of its surface characterizing selected excitation conditions, for the type, material properties and composition of the specimen. The method aims to obtain a kind of complex signature (fingerprint) from the specimen under operational in vivo conditions due to these multiple and interacting complex but also highly significant dispersive photonically induced interactions.
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 method discriminates, recognizes and interprets the complex modal oscillation events triggered by means of multiple parametric radiation excitation of the specimen and their modal radiation and is able to locate and display the recognized specimen.
Für eine automatisierte bzw. halbautomatisierte Klassifikation der Antwortsignale können verschiedenartige Entscheidungsalgorithmen, wie z. B. Schwellendiskriminatoren, spekt- rale 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, different types of decision algorithms, such as. For example, threshold discriminators, spectral window discriminators, fuzzy discriminators, neural networks and others are used. Another possibility The analysis or classification of the response signal lies in storing certain properties of the detected response signal obtained in the analysis of the response signal together with the excitation conditions in an n-dimensional feature space. Each measurement is thus mapped with its excitation parameters and with its significant analysis parameters to a point in the n-dimensional feature space. Based on already known feature vectors, it can thus be decided which material a certain feature vector should be assigned to.
In Figur 2 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Dabei wird wiederum eine oder mehrere Lichtleitfasern 1 (beam delivery) durch den Operateur an das Zielbe- reich des Körpers des zu behandelnden Patienten 2 herangeführt. Das Zielbereich 2 wird dann mit einer entsprechend spezifizierten Impulsfolge bzw. einem oder mehreren definierten Folgen entsprechend modulierter Laserstrahlung optisch angeregt. Die Bedingungen der jeweils applizierten Strahlung werden durch die hierzu entsprechend ausgewähltenA further embodiment of the invention is shown in FIG. One or more optical fibers 1 (beam delivery) are in turn guided by the surgeon to the target area of the body of the patient 2 to be treated. The target area 2 is then optically excited with a correspondingly specified pulse sequence or one or more defined sequences according to modulated laser radiation. The conditions of the radiation applied in each case are selected accordingly for this
Laserquellen 7 (laser sources) , sowie durch die jeweils damit einstellbaren Laserparameter 6 (laser parameter control) vorher festgelegt und zu entsprechenden vordefinierten Gruppen von AnregungsSequenzen zusammengefasst , welche in Form entsprechend gespeicherter Datensätze vorliegen können. Aufgrund der in den unterschiedlichen Anregungssequenzen enthaltenen Parameterprofile 4 (parameter setting) , die aus den entsprechenden gespeicherten Datensätzen stammen, werden mittels einer entsprechenden Steuereinheit 5 (parametric drive) , die Laserparameter mittels einer entsprechenden Prozessroutine 6 (laser parametric control) automatisch derart kontrolliert, dass die Laserquellen 7 (laser sources) die entsprechend spezifizierte Strahlung emittieren.Laser sources 7 (laser sources), as well as previously defined by the laser parameters 6 (laser parameter control) that can be set with them and combined into corresponding predefined groups of excitation sequences, which can be in the form of correspondingly stored data records. On the basis of the parameter profiles 4 (parameter setting) contained in the different excitation sequences, which originate from the corresponding stored data records, the laser parameters are automatically checked by means of a corresponding control unit 5 (parametric drive) in such a way that a corresponding process routine 6 (laser parametric control) the laser sources 7 (laser sources) emit the correspondingly specified radiation.
Hierzu können unterschiedliche und verschiedenartige Bestrahlungs-Quellen, -Bedingungen und- Parameter zur geeigneten An- regung bzw. Stimulation des vorliegenden Targetmaterials im Zielbereich 2 einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden, um mit Hilfe der detektierten und auf sensitive und selektive Weise von der Struktur des Targetmaterials ab- hängigen Ausbildung von thermischen, elastischen bzw. akustischer Wellenfelder bestimmte targetspezifische Merkmale anhand einer strukturdynamischen Analyse zu gewinnen. Damit ergeben sich vielfältige unterschiedliche Ausführungsformen des Analyseverfahrens bzw. des Bearbeitungs- oder Therapieverfah- rens in Verbindung mit den hierzu erforderlichen Prozessroutinen für die jeweils gewünschten Anwendungen, wie z.B. der selektiven und spezifisch steuerbaren Bearbeitung des Targetmaterials zum Zwecke der Ablation, plastischen Verformung (Thermoplastie, Angioplastie etc.), Lasersektion von Gewebe- material, Laserkoagulation oder zur Zertrümmerung (Fraktionierung) von festen Körperkonkrementen. Denkbar ist hierbei außerdem eine gleichzeitige Bearbeitung von Gewebematerialien zum Zwecke einer Biostimulation oder Photodynamischen Therapie oder einer konservativen photoinduzierten physiotherapeu- tischen Ultraschallbehandlung bzw. Schockwellentherapie.Different and different types of radiation sources, conditions and parameters can be Excitation or stimulation of the present target material in target area 2 can be used individually or in combination with one another in order to determine specific target-specific features with the aid of the formation of thermal, elastic or acoustic wave fields that is dependent on the structure of the target material and is sensitive and selective a structural dynamic analysis. This results in a variety of different embodiments of the analysis method or the processing or therapy method in connection with the process routines required for this in each case for the desired applications, such as, for example, the selective and specifically controllable processing of the target material for the purpose of ablation, plastic deformation (thermoplastic, Angioplasty etc.), laser sectioning of tissue material, laser coagulation or for breaking up (fractionation) of solid body concrements. It is also conceivable to simultaneously process tissue materials for the purpose of biostimulation or photodynamic therapy or conservative photo-induced physiotherapy ultrasound treatment or shock wave therapy.
Unterschiedliche denkbare Formen einer dynamisch dispersiven und/oder spektral dispersiven Laseranregung können eingesetzt werden, wie z.B. eine transiente Anregung mit einem oder ei- ner 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, so- wie 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 forms of dynamically dispersive and / or spectrally dispersive laser excitation can be used, such as, for example, a transient excitation with one or a series of short laser pulses or by means of an appropriately selected periodic and / or randomized and / or parametric laser excitation with the aid a modulated CW laser source with specifically identified amplitude modulation and / or frequency modulation and / or pulse code modulation, as well as through a laser excitation at different wavelengths specified on the basis of different spectral parameters, all of which individually or in combination each have a specifically defined dynamic input function represents for the examined excitation and detection system and, in connection with the respectively detected dynamic output function, which the target material system transfer characteristic that can be determined in a significant manner.
In einer speziellen Ausführungsform wurde als Laserquelle 7 ein Freddy-Laser verwendet. Das hierbei einsetzbare Parameterprofil weist zwei unterschiedliche Laserwellenlängen bei 532 nm und 1064 nm mit einer abstufbaren Laserenergie im Bereich von 20 mJ bis 124 J und der Möglichkeit zur wahlweisen Ξinzelpuls-, Doppelpuls- bzw. Tripelpulsanregung mit ei- ner variierbaren Pulsfrequenz bis zu 15 Hz auf. Dieses Lasersystem liefert die notwendigen Voraussetzungen für eine frequenzdispersive Anregung bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen, wobei der Grünanteil bei 532 nm konstant eine E- nergie von ca. 18 mJ aufweist wohingegen der Infrarotanteil bei 1064 nm im gesamten vorgegebenen Laserenergiebereich variierbar ist. Weiterhin liefert das Lasersystem aufgrund der wählbaren Mehr achpulsanregung sowie der Möglichkeit zur Pulsfrequenzvariation ebenso die Voraussetzung für eine zeitdispersive Laseranregung.In a special embodiment, a Freddy laser was used as the laser source 7. The parameter profile that can be used here has two different laser wavelengths at 532 nm and 1064 nm with a graduable laser energy in the range from 20 mJ to 124 J and the possibility of optional single pulse, double pulse or triple pulse excitation with a variable pulse frequency up to 15 Hz , This laser system provides the necessary prerequisites for frequency-dispersive excitation at two different wavelengths, the green component at 532 nm constantly having an energy of approx. 18 mJ, whereas the infrared component at 1064 nm can be varied in the entire specified laser energy range. Furthermore, due to the selectable multi-pulse excitation and the possibility of pulse frequency variation, the laser system also provides the prerequisites for time-dispersive laser excitation.
Mit Hilfe einer Anzahl entsprechend ausgebildeter extrakor- poral- und/oder intrakorporal eingesetzter Detektorsysteme 8 (n-detectors) , welche an entsprechend ausgewählten unterschiedlichen Positionen des Körpers des Patienten angebracht sind, werden die von dem angeregten Zielbereich 1 ausgehenden Antwortsignale empfangen und einer weiteren Signalverarbeitung 8a (detector signal processing) unterzogen. Hierbei können die detektierten Antwortsignale bekannten und verfügbaren analogen und/oder digitalen Verfahren wie z.B. be- stimmten mathematischen Signaltransformationen, Filtertechniken, Korrelationstechniken bzw. Techniken zur Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses und andere unterzogen werden, um damit optimale Voraussetzungen für den nachfolgenden Analyseschritt 11 (analyzing procedures) zu schaffen. Als De- tektorsysteme können zwei bzw. drei piezoelektrische Aufnehmer an der Körperoberfläche des Patienten in geeigneter Wei- se so angebracht werden, dass die vom Zielbereich imitierten akustischen Signale an unterschiedlichen Körperpositionen empfangen werden und dann in getrennten Kanälen entsprechend weiterverarbeitet werden. Mittels eines entsprechenden Band- passfilters werden außerdem Artefakte, wie beispielsweise Körpergeräusche hinreichend unterdrückt .With the aid of a number of appropriately trained extracorporeal and / or intracorporeally used detector systems 8 (n-detectors), which are attached to appropriately selected different positions of the patient's body, the response signals originating from the excited target area 1 are received and further signal processing 8a (detector signal processing). Here, the detected response signals can be subjected to known and available analog and / or digital methods such as, for example, certain mathematical signal transformations, filtering techniques, correlation techniques or techniques for improving the signal-to-noise ratio, and others, in order in this way to optimal conditions for the subsequent analysis step 11 (analyzing procedures). Two or three piezoelectric sensors on the patient's body surface can be used as detector systems in a suitable manner. They are attached in such a way that the acoustic signals imitated by the target area are received at different body positions and then processed accordingly in separate channels. Artifacts such as body noises are also sufficiently suppressed by means of a corresponding bandpass filter.
Als nächster Schritt werden mit Hilfe geeigneter bekannter Korrelationsverfahren 9 (signal correlation) die zeitlichen bzw. Phasenkorrelationen 10 (phasing and timing) bezüglich der zeitlichen Beziehungen zwischen der jeweils erfolgenden Laseranregung 6 und den detektierten AntwortSignalen 9 ermittelt. Weiterhin ist es möglich, die jeweiligen Antwortsignale miteinander entsprechend zu synchronisieren bzw. hinsichtlich einer zu erzielenden gewünschten zeitlichen Beziehung wie z.B. gemäß den unterschiedlichen Signallaufzeiten und bezüglich der dabei auftretenden Zeitdifferenzen entsprechend zu modifizieren, so dass die daraus ermittelten Informationen über die zeitlichen Beziehungen zwischen der jeweils erfolgenden Laseranregung und den unterschiedlichenThe next step is to use suitable known correlation methods 9 (signal correlation) to determine the temporal or phase correlations 10 (phasing and timing) with regard to the temporal relationships between the laser excitation 6 taking place and the detected response signals 9. Furthermore, it is possible to synchronize the respective response signals with one another accordingly or with regard to a desired temporal relationship to be achieved, e.g. Modify accordingly in accordance with the different signal propagation times and with regard to the time differences that occur, so that the information determined therefrom about the temporal relationships between the laser excitation taking place and the different ones
Signalantworten eines oder mehrerer Detektoren 8 an unterschiedlichen räumlichen Positionen bei der nachfolgenden A- nalyse genutzt werden können. Die zeitliche Synchronisation der jeweiligen Antwortsignale erfolgt dabei hinsichtlich des Zeitpunktes der Abgabe der Anregungssignale mit Hilfe entsprechender Triggerschaltungen, wodurch eine zeitliche kohärente Aufsummierung einer bestimmten Anzahl von Antwortsignalen möglich ist, wodurch das Signal/Rauschverhältnis verbessert wird. Dadurch können auch entsprechend schwache Ant- wortsignale eines mit geringer Laserenergie (z.B. 20 mJ) angeregten Zielbereiches 2 noch ausreichend nachgewiesen werden. Dadurch wird die Nachweisempfindlichkeit der Detektion vergrößert. Des weiteren sorgt die zeitliche Synchronisation der Antwortsignale untereinander und mit den Laserimpulsen ebenso für eine Bestimmung der Schalllaufzeiten bzw. der Schallausbreitungsgeschwindigkeiten, welche einerseits zur Ortung des Zielbereiches und andererseits auch zur zeitlichen Ausblendung von reflektierten akustischen Signalanteilen genutzt wird. Mit Hilfe eines entsprechend eingestellten Zeitfensters können so nur die jeweils direkten und unre- flektierten Antwortsignale er asst werden.Signal responses from one or more detectors 8 at different spatial positions can be used in the subsequent analysis. The temporal synchronization of the respective response signals takes place with respect to the point in time at which the excitation signals are emitted with the aid of appropriate trigger circuits, as a result of which a certain number of response signals can be added up coherently over time, which improves the signal / noise ratio. Correspondingly weak response signals of a target area 2 excited with low laser energy (for example 20 mJ) can thus still be adequately detected. This increases the detection sensitivity of the detection. Furthermore, the temporal synchronization of the response signals with one another and with the laser pulses also ensures a determination of the sound propagation times or the sound propagation speeds, which on the one hand Location of the target area and on the other hand is also used to hide reflected acoustic signal components over time. With the help of an appropriately set time window, only the direct and unreflected response signals can be measured.
In Verbindung mit dem parametrisch spezifizierten Anregungsprofil 4 der Laserbestrahlung einschließlich dessen zeitlicher Determinierung werden die damit korrelierenden und ent- sprechend aufbereiteten Antwortsignale eines oder mehrerer Signalkanäle einer nachfolgenden Analyse 11 (analyzing pro- cedures) unterzogen.In connection with the parametrically specified excitation profile 4 of the laser radiation, including its temporal determination, the response signals of one or more signal channels which are correlated and prepared accordingly are subjected to a subsequent analysis 11 (analyzing procedures).
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 Korperkonkremente 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.During the analysis, a certain number of properties of the respective response signal are determined. The properties to be determined can be selected on the basis of empirically or analytically gained knowledge. Different analysis strategies are used individually or in combination for the analysis. Hard body stones differ from soft tissue material, among other things, in terms of their different and modal vibration states triggered by the laser excitation specified and in terms of their material-specific different spectral absorption behavior, which can be determined on the basis of corresponding combined dynamic characteristics of the respective response signal in conjunction with corresponding energy-dependent threshold characteristics and certain wavelength-dependent ones Features can be reliably demonstrated.
In einer einfachen Form des Verfahrens werden die aus derIn a simple form of the procedure, the
Dynamik der angeregten Schwingungsmoden gewonnenen Merkmale, welche z.B. mittels einer entsprechenden dynamischen Analyse gewonnen werden, mit den jeweils spezifischen charakteristischen Schwellenenergien bei unterschiedlichen Laserwellen- längen 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.Dynamics of the excited vibration modes, which are obtained, for example, by means of a corresponding dynamic analysis, are combined with the respectively specific characteristic threshold energies at different laser wavelengths. In this case, the assignment to the property classes can be limited to determining whether vibration modes exist at all in the excited target area at a certain laser energy and laser wavelength.
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 Kδrpergewebe für festes Steinmaterial bzw. weiches Gewebematerial auf signifikante Weise unterscheiden. Das Steinmaterial bzw. das Gewebematerial wirken hierbei als die entsprechenden charakteristischen Schallquellen. Zur A- nalyse werden die synchronisierten Antwortsignale von zwei oder mehreren Detektoren an unterschiedlichen Detektorposi- tionen auf der Körperoberfläche des Patienten genutzt und diese in Form von zwei- bzw. mehrdimensionalen Signalvektoren dargestellt. Die erzeugten Bahnkurven der Signalvektoren beschreiben demzufolge charakteristische Tra ektorien, welche eine eindeutige Zuordnung zu Eigenschaftsklassen und da- mit eine Stein/Gewebeklassifizierung- und -erkennung ermöglichen.Another solution, which can also be implemented with little effort, results from the application of the knowledge that the optically excited vibration modes and the spread of the relevant acoustic wave fronts in the surrounding body tissue differ significantly for solid stone material or soft tissue material. The stone material or the fabric material act as the corresponding characteristic sound sources. For the analysis, the synchronized response signals from two or more detectors at different detector positions on the patient's body surface are used and these are represented in the form of two- or multi-dimensional signal vectors. The generated trajectories of the signal vectors therefore describe characteristic tractors, which enable clear assignment to property classes and thus stone / tissue classification and recognition.
Eine Auswertung der signifikanten Trajektorienverläufe bei repetiver bzw. periodischer Anregung und/oder unter Mehr- fachpulsanregung 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 trajectory curves with repetitive or periodic excitation and / or with multiple pulse excitation and / or under different energies and / or excitation wavelengths can be used for further analysis purposes. The course of the respective trajectories is used to assign property classes.
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 Ant- wortsignale 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 dy- namisch veränderten akustischen Tonsignals repräsentiert wird. Der Operateur kann dann anhand der jeweiligen charakteristischen Tonhöhenveränderung feststellen, ob sich die Lichtleitfaser 1 im Zielbereich im Bereich eines Steines o- der im Bereich des den Stein umgebenden Gewebes befindet . Aus diesem frequenzmodulierten AntwortSignalen lassen sich wiederum geeignete Merkmale für eine automatische Steinerkennung gewinnen.In a further simple embodiment of the invention, the assignment to property classes is based on making the appropriately prepared and analyzed response signals audible. Here, the response signals for each channel are processed in such a way that the respective one filtered with a corresponding bandpass and with the laser Pulse-synchronized response signal controls a voltage-controlled oscillator (VCO) in a defined manner, so that the detected dynamic waveforms are represented in the form of an acoustic tone signal that is dynamically changed in pitch. The surgeon can then use the respective characteristic change in pitch to determine whether the optical fiber 1 is in the target area in the area of a stone or in the area of the tissue surrounding the stone. Suitable characteristics for automatic stone recognition can be obtained from this frequency-modulated response signal.
Eine weitere Möglichkeit zur Ausführung des Verfahrens bil- det 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 - Tl) = TK ermittelt werden. Diese charakteristischen Werte für die Kavitationsperiode TK, sowie ihre signifikante Abhängigkeit von den Laserparametern, wie z. B. von der Laser- energie E und/oder der Laserwellenlänge λ werden aus dem Zusammenhang mit dem jeweils durchlaufenden Anregungsprofil ermittelt .Another possibility for executing the method is formed by the formation of cavitations in the target area that occur with laser excitation with certain laser energies. As is known, cavitation bubbles expand under the effect of the laser energy introduced and collapse with a characteristic cavitation dynamic or periodic. The characteristic and material-specific cavitation periods are then determined from the response signals generated with the aid of a specified laser excitation and synchronized and detected with this, on the basis of the different vibration modes generated in the process. The time differences between the occurrence of the first and second cavitation signals (T2 - Tl) = TK can advantageously be determined. These characteristic values for the cavitation period TK, as well as their significant dependence on the laser parameters, such as. B. of the laser energy E and / or the laser wavelength λ are determined from the context of the excitation profile that is passed through in each case.
Die Kavitationsperioden können bei jeweils ausgewählten La- serenergien 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 Ausführungs- form 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 E- nergiebereich 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 500 ms bei einer eingestrahlten Energie von 120 mJ, wobei die Kavitationsperiode für Gallensteine 800 ms bei einer eingestrahlten Leistung von 120 mJ beträgt. Damit lassen sich Steine und das umgebende Gewebe klar voneinander unterscheiden.The cavitation periods can be determined at selected laser energies and selected laser wavelengths, with one or the other parameter being constant in each case is held. From the data obtained in this way, significant information can in turn be obtained with regard to the properties to be determined of the respective sample material in the target area. This embodiment is based on the knowledge that the characteristics of the cavitation period TK (E) with a fixed wavelength λ and variable energies E generally have a significantly different profile for different materials. For example, the cavitation periods for gallstones in the laser system used with an energy range from E = 30 to 120 mJ are in the range from TK = 400 to 800 ms, the TK (E) characteristic curves having a curve that increases largely linearly with the laser energy E. , In contrast, cavitation in tissues only occurs at significantly higher energy thresholds, for example in the case of a gallbladder at energies greater than 60 mJ, and also shows much lower values of the cavitation period TK than gallstones over the entire range of characteristic curves. For example, the cavitation period for gallbladder tissue is 500 ms with an irradiated energy of 120 mJ, the cavitation period for gallstones being 800 ms with an irradiated power of 120 mJ. This allows stones and the surrounding tissue to be clearly distinguished from one another.
Dieses Verfahren kann weiterhin durch die Messung wellenlän- gendispersiver 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 method can be further improved by measuring wavelength-dispersive properties. For this purpose, the cavitation period characteristics with respect to the energy and the wavelength at certain energies and certain wavelengths are determined, from which, on the one hand, additional information about the type of sample material can be obtained and, on the other hand, the selectivity of the stone / tissue recognition is additionally 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 o- der wenn eine gesicherte Information über das Vorliegen von besonders blutreichem Gewebematerial, wie z. B. Parenchymge- webe 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 e- nergiedispersiven 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 a further embodiment of the invention, the possibility is additionally given of bleeding in the target area in the To recognize the course of a lithotripsy treatment. This is particularly advantageous in cases when the claimed method is to be used in the blind method and clinically relevant information about the presence or the extent of 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 heavily perfused tissue compartments or vascularizations is crucial for further treatment. The embodiment is based on the knowledge that the absorption properties of the hemoglobin have very characteristic bands, so that with the aid of a correspondingly specified wavelength-dispersive and energy-dispersive excitation of the sample material, reliable detection of bleeding or blood-rich tissue types is possible. A measure of the degree of blood flow to tissues can also be derived from the data.
Die aus der Analyse gewonnenen Eigenschaften des detektier- ten Antwortsignals werden zusammen mit den entsprechendenThe properties of the detected response signal obtained from the analysis are combined with the corresponding ones
Daten der Anregungsparameter in Merkmaldatensätze umgewandelt und anschließend zu mehrdimensionalen Merkmalvektoren zusammengefasst , entsprechend klassifiziert und zur Erkennung von Stein- bzw. Gewebematerial genutzt.Data of the excitation parameters are converted into feature data sets and then combined into multidimensional feature vectors, classified accordingly 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 Steinbzw. 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 Eingangsfunkti- on 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 criteria can be used individually or in context. Depending on the embodiment, there are, for example, the presence of stone or. Tissue material distinguishable dynamic and / or spatial signal parameters for use, which result from the material-specific determined dynamic system transmission properties. As is known, the system-theoretical relationship between the correspondingly chosen dynamic input function in the form of the optical excitation function of the laser irradiation and that emanating from the target material can be used accordingly detected dynamic output function determine the dynamic system transmission properties specified by the interactions in the target material and by the transmission medium.
Erst nach der Feststellung von Steinmaterial werden die mittels entsprechender Steuersignale 13 (control signal deriva- tion) über eine Feedback-Kontrollschleife 14 (feedback control) , 15 (cControl signal processing) daraufhin die für die selektive Steinbearbeitung, beispielsweise die Laserlithotripsie erforderlichen Laserleistungen, Pulsfolgen und Pulsfrequenzen bzw. Wellenlängen in der Art eingestellt, dass mittels des Behandlungsstrahls eine Steinfragmentierung erreicht wird. Der Wechsel zwischen dem Materialerkennungs- modus und dem Bearbeitungsmodus erfolgt automatisch durch entsprechend implementierte Prozessroutinen 16 (procedural control) bzw. halbautomatisch durch den Anwender mittels Bedieneinheiten 17 (user platform) .It is only after stone material has been determined that the corresponding control signals 13 (control signal derivation) via a feedback control loop 14 (feedback control), 15 (control signal processing) then trigger the laser powers required for selective stone processing, for example laser lithotripsy, pulse sequences and pulse frequencies or wavelengths set in such a way that a stone fragmentation is achieved by means of the treatment beam. The change between the material detection mode and the processing mode is carried out automatically by appropriately implemented process routines 16 (procedural control) or semi-automatically by the user by means of control units 17 (user platform).
Nach der Feststellung von Steinmaterial werden entsprechendeAfter the discovery of stone material will be appropriate
Steuersignale erzeugt 13, welche in Form einer entsprechenden automatisierten Feedbackkontrolle 14 und einer nachfolgenden weiteren entsprechend geeigneten Signalaufbereitung 15 unterzogen wird. Damit werden dann die Laserparameter auf den vorher bestimmten und entsprechend ausgewählten Steinbearbeitungsmodus eingestellt, wodurch mittels der Lichtleitfaser 1 eine entsprechend hohe und zur Steinzertrümmerung ausreichende Laserleistung ausschließlich auf das festgestellte Steinmaterial aufgebracht wird. Nach wiederholter bzw. periodischer Anwendung der Bearbeitung kommt es zur beabsichtigten Fragmentierung des Steinmaterials, wobei das den Stein umgebende Gewebe geschont wird.Control signals are generated 13, which is subjected in the form of a corresponding automated feedback control 14 and a subsequent further, correspondingly suitable signal processing 15. The laser parameters are then set to the previously determined and correspondingly selected stone processing mode, as a result of which a correspondingly high laser power which is sufficient for stone destruction is applied exclusively to the determined stone material by means of the optical fiber 1. After repeated or periodic use of the processing, the intended fragmentation of the stone material occurs, with the tissue surrounding the stone being protected.
Die Steinbearbeitung wird entweder unter automatischer Feed- backkontrolle z.B. beim Einsatz des beanspruchten Verfahrens ohne Sichtkontrolle oder aber aufgrund einer Maßgabe des 0- 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 16 sowie einer entsprechend aus- gebildeten Benutzeroberfläche 17 festgelegt.The stone processing is carried out either under automatic feedback control, for example when using the claimed process without visual inspection, or on the basis of a requirement of 0- perateurs, e.g. B. after inspection of the degree of fragmentation, until the treatment goal has been achieved. If tissue material is found, the diagnostic mode is continued either automatically or by appropriate measures by the user or surgeon. For this purpose, the radiation parameters specified for this excitation mode are determined by the user with the aid of the correspondingly selected analysis routine with the aid of a corresponding interface for process control 16 and a correspondingly designed user interface 17.
Neben bestimmten Eingabemedien 17a (input actuators) stehen dem Anwender bzw. dem Operateur mit dem Interface 16 und der Benutzeroberfläche 17 auch verschiedene entsprechend ausge- bildete Ausgabemedien 17b (output representations) zur Verfügung. Die Ausgabemedien 17b ermöglichen, unterschiedliche Darstellungsmittel und Darstellungsarten, wie z. B. grafische Anzeigen mit entsprechenden Formen mathematischer, logischer, numerischer, grafischer bzw. symbolischer Repräsen- tationen oder entsprechende farbgrafische Encodierungen von systembezogenen bzw. prozessbezogenen Parametern und ihre funktionellen, logischen und semantischen Zusammenhänge zu repräsentieren. Eine vorteilhafte Echtzeitprozessvisualisie- rung kann weiterhin durch Darstellungen von funktionalen Be- Ziehungen, Graphen oder Übertragungseigenschaften, Zustands- variablen, Zustandsräumen, Merkmalräumen, Vektorräumen, Tra- jektorienplots, Lorenzplots, Poincareplots und verschiedenen Mappingverfahren erreicht werden.In addition to certain input media 17a (input actuators), the user or the operator with the interface 16 and the user interface 17 also have various appropriately designed output media 17b (output representations) available. The output media 17b enable different display means and display types, such as. B. Represent graphic displays with corresponding forms of mathematical, logical, numerical, graphic or symbolic representations or corresponding color-graphic encodings of system-related or process-related parameters and their functional, logical and semantic relationships. Advantageous real-time process visualization can also be achieved by displaying functional relationships, graphs or transfer properties, state variables, state spaces, feature spaces, vector spaces, trajectory plots, Lorenz plots, Poincare plots and various mapping methods.
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, bestimmte Teile desThere is still the possibility of certain parts of the
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. Die Steuerung und Regelung der verschiedenartigen Bearbeitungs-prozesse und/oder ihre Feedback-Kontrolle nach den Maßgaben der bei jedem Analysezyklus festgestellten Materialeigenschaften erfolgt anhand von entsprechend spezifizier- ten Kontrollparametern, welche hinsichtlich der jeweils verwendeten Ausführungsform und Anwendung vorher bestimmt werden.Process flow or to control this in its entirety semi-automatically or automatically, whereby the automated stone / tissue recognition can also be carried out in parallel with a corresponding subjective evaluation, classification and recognition by the user. The control and regulation of the various processing processes and / or their feedback control according to the requirements of the material properties determined during each analysis cycle is carried out on the basis of correspondingly specified control parameters which are determined beforehand with regard to the embodiment and application used in each case.
In Figur 3 ist das Verfahren der Figur 2 um eine zusätzliche Ultraschallanalysemöglichkeit ergänzt.In Figure 3, the method of Figure 2 is supplemented by an additional ultrasound analysis option.
Parallel zur akustischen Detektion der vom Zielbereich ausgehenden Schallwellenfront werden entsprechende Ultraschall- Echoskopieverfahren eingesetzt, wobei der hierbei verwendete Schallkopf 18 (US echoscopy Scanner) auf denselben durch Strahlung entsprechend angeregten Zielbereich 2 ausgerichtet wird. Damit werden die entsprechenden Ultraschallbilder in einer oder mehreren der jeweils vorgegebenen bekannten Scanmoden, wie z.B. A-mode, B-mode, TM-mode, 4D-mode und anderen jeweils vom identischen Zielbereich 2 gewonnen.Corresponding ultrasound echoscopy methods are used in parallel with the acoustic detection of the sound wave front emanating from the target area, the transducer 18 used here (US echoscopy scanner) being aligned with the same target area 2, which is stimulated by radiation accordingly. The corresponding ultrasound images are thus in one or more of the known scan modes, such as A-mode, B-mode, TM-mode, 4D-mode and others each won from the same target area 2.
Bei der Bilderzeugung und Bildverarbeitung 21 (US imaging procedures) der Ultraschallbilder werden die zeitlichen Beziehungen der Bildgebung für jeden Ultraschallstrahl im je- weiligen Scankanal bzw. im zeitlichen Verlauf eines entsprechenden Scanalgorithmus auf eine geeignete Weise sowohl mit der Strahlungsanregung als auch mit der photoakustischen Detektion 8 und/oder mit der Detektion thermischer Wellen 19 (thermal wave detector) und/oder weiteren anderen denkbaren eingesetzten intrakorporalen und/oder extrakorpuralen Detektionsverfahren 20 (other detection schemes) miteinander entsprechend synchronisiert und korreliert 21a (phasing and timing procedures) . Dabei können aufgrund der im Prozess aktuell auftretenden zeitlichen Beziehungen, wie beispielsweise hinsichtlich der Schallwellenlaufzeiten und/oder hinsichtlich der dynamischen Verhältnisse bzw. Kinetiken diese durch entsprechend ausgebildete Mittel auf vorbestimmte Weise aufeinander abgestimmt werden.In the imaging and image processing 21 (US imaging procedures) of the ultrasound images, the temporal relationships of the imaging for each ultrasound beam in the respective scan channel or in the time profile of a corresponding scanning algorithm are appropriately determined both with the radiation excitation and with the photoacoustic detection 8 and / or with the detection of thermal waves 19 (thermal wave detector) and / or other conceivable intracorporeal and / or extracorpural detection methods 20 (other detection schemes) used accordingly synchronized and correlated 21a (phasing and timing procedures). Here, due to the temporal relationships currently occurring in the process, such as, for example, with regard to the sound wave propagation times and / or with regard to the dynamic conditions or kinetics, appropriately trained means are coordinated with one another in a predetermined manner.
Zur gezielten Abstimmung werden auch entsprechende aus der Korrelation 10 gewonnene geeignete Korrelationsdaten des photoakustischen Verfahrens verwendet. So werden bestimmte, sowohl mit der Anregung als auch untereinander zeitkorre- lierte Bildscans von dem Probenkörper gewonnen, wie z.B. a- daptive images, faced images, strain images, occurrence images und modular images. Diese Bilder können anhand der Ultraschallbilder bzw. der Bildsequenzen und/oder der ther- mografischen Bilder und/oder der Infrarotbilder oder von andersartigen Bildern erstellt werden, welche durch Anwendung weiterer entsprechender geeigneter bildgebender Verfahren erzeugt werden.Corresponding suitable correlation data of the photoacoustic method obtained from the correlation 10 are also used for the targeted coordination. Certain image scans, time-corrected both with the excitation and with one another, are obtained from the specimen, e.g. a- daptive images, faced images, strain images, occurrence images and modular images. These images can be created on the basis of the ultrasound images or the image sequences and / or the thermographic images and / or the infrared images or of other types of images which are generated by using further corresponding suitable imaging methods.
Weiterhin können auch entsprechende bekannte Mittel der Bildbearbeitung eingesetzt werden 21b (encoding and symboli- zation procedures) , wodurch unter anderem bestimmte ge- wünschte oder ausgezeichnete Bildbereiche entsprechend markiert werden können. Hierzu kann mit Hilfe bekannter und entsprechend geeigneter Verfahren z. B. einer gezielte ortszeitliche Steuerung der Bildhelligkeit bzw. des Bildkontrastes und/oder eine gezielte parametrisch gesteuerte selektive Ortsfrequenzfilterung oder -anfärbung zur Markierung bestimmter Bildbereiche und/oder bestimmter zeitlicher Beziehungen der entsprechenden Bildsequenzen bewirkt werden. Die mit Hilfe der Bildgebung gewonnenen und entsprechend bearbeiteten, adaptierten und zeitlich korrelierten Bildinforma- tionen werden mittels verschiedener Prozessroutinen 22 (a- dapted frame procedures) zur Darstellung 23 (correlated a- dapted images) gebracht. Die Prozessinformationen werden dann in Form einer entsprechend wählbaren Repräsentation 17b entsprechend dargestellt, welche dem Anwender verschiedene Alternativen hinsichtlich der entsprechend signifikanten Vi- sualisierungsformen zur besseren Beurteilung der Eigenschaften des Zielbereiches erlaubt.Corresponding known means of image processing can also be used 21b (encoding and symbolization procedures), as a result of which, among other things, certain desired or excellent image areas can be marked accordingly. For this purpose, using known and correspondingly suitable methods, for. B. a targeted local time control of the image brightness or the image contrast and / or a targeted parametrically controlled selective spatial frequency filtering or staining for marking certain image areas and / or certain temporal relationships of the corresponding image sequences. The image information obtained with the aid of imaging and correspondingly processed, adapted and temporally correlated is displayed using various process routines 22 (adapted frame procedures) 23 (correlated adapted images). The process information is then displayed in the form of a correspondingly selectable representation 17b, which gives the user various alternatives with regard to the correspondingly significant video Forms of visualization allowed for better assessment of the properties of the target area.
Die in den adaptierten und zeitkorrelierten Bildinformatio- nen enthaltenen und sich hinsichtlich ihrer unterschiedlichen Relevanz und Signifikanz unterscheidenden Bildparameter und Bildmerkmale werden dann mittels einer Parameter- und Merkmalsextraktion 24 (parameter and feature extraction) entsprechend extrahiert, wobei z.B. aus den strukturellen Eigenschaften bestimmte Texturparameter bzw. bestimmte Texturmerkmale gewonnen werden. Ebenso lassen sich aus den miteinander korrelierten Beziehungen zwischen der Anregung und den dabei komplementär zueinander ermittelten und am Probenkörper reflektierten Wellenfronten bestimmte Eigenschaften der Schallabstrahlcharakteristik sowie der Schallausbreitungsbedingungen ableiten, woraus dann entsprechende relevante Parameter bzw. signifikante Merkmale ermittelt werden.The image parameters and image features contained in the adapted and time-correlated image information and differing in their different relevance and significance are then extracted accordingly by means of a parameter and feature extraction 24, with e.g. certain texture parameters or certain texture features are obtained from the structural properties. Likewise, certain properties of the sound radiation characteristic and the sound propagation conditions can be derived from the correlated relationships between the excitation and the wave fronts that are determined complementarily to one another and reflected on the specimen, from which corresponding relevant parameters or significant features are then determined.
Die zusätzlich gewonnenen Informationen über die Eigenschaf- ten des Zielbereiches werden nach entsprechender Parameter bzw. Merkmalextraktion 24 hinsichtlich ihrer spatiotempora- len Korrelation ausgewertet 25 (spatiotemporal image corre- lations) und diese zusätzlichen Ergebnisse dem nachgeschalteten und entsprechend erweiterten Analyseverfahren zuge- führt.The additional information obtained about the properties of the target area are evaluated 25 according to their parameters or feature extraction 24 with regard to their spatiotemporal correlation (spatiotemporal image corrections) and these additional results are fed to the downstream and correspondingly expanded analysis method.
Entsprechendes gilt auch für die parallel eingesetzten und auf komplementäre Weise miteinander korrelierten echoskopi- schen 18, photoakustischen 8, photothermischen bzw. radio- metrischen 19 und/oder anderen geeigneten intrakorporal und/oder extrakorporal applizierten Nachweisverfahren 20. Diese mittels entsprechender Detektoren synchron zueinander registrierten Antwortsignale werden in entsprechenden Signalkanälen parallel entsprechend weiterverarbeitet 8a, wobei aus den jeweiligen Zeitsignalen einerseits die dynamische Signalkorrelation 9 bezüglich ihrer jeweiligen Phasenlage und/oder Zeitbeziehung ermittelt werden und wobei andererseits aus den jeweils parallel dazu eingesetzten bildgebenden Verfahren 18, 19 ebenso die spatiotemporalen Implikationen 25 hinsichtlich ihrer auf entsprechende Weise in den Bildinformationen erhaltenen Korrelationen bzw. funktionalen Zusammenhänge ermittelt werden. Darüber hinaus werden ebenso auch die zwischen den parallel eingesetzten und zueinander komplementären verschiedenen Nachweisverfahren sowie die in den entsprechend zugeordneten Kanälen übertragenen Zeit- und/oder Bildsignale untereinander korreliert 26 (compleme- tary correlatinos) . Diese entsprechenden Korrelationen werden dann dem in der Ausführungsform nach Figur 2 beschriebenen Analyseverfahren zugeführt und entsprechend weiterverarbeitet .The same applies correspondingly to the echoscopic 18, photoacoustic 8, photothermal or radiometric 19 and / or other suitable intracorporeal and / or extracorporeal detection methods 20 used in parallel and complementarily correlated with one another. These response signals registered synchronously with one another by means of corresponding detectors are correspondingly further processed 8a in parallel in corresponding signal channels, the dynamic signal correlation 9 with respect to their respective phase position on the one hand from the respective time signals and / or temporal relationship are determined and, on the other hand, the spatiotemporal implications 25 with respect to their correlations or functional relationships obtained in a corresponding manner in the image information are also determined from the imaging methods 18, 19 used in parallel. In addition, the various detection methods used in parallel and complementary to one another and the time and / or image signals transmitted in the correspondingly assigned channels are also correlated with one another 26 (complementary correlatinos). These corresponding correlations are then fed to the analysis method described in the embodiment according to FIG. 2 and processed accordingly.
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 Ener- gie und entsprechend ausgezeichneten Strahlungsparametern zumThe technical features on which the selective lithotripsy method with selective stone / tissue recognition is based are thus characterized in that on the one hand a suitable laser beam (treatment beam) with high energy and correspondingly excellent radiation parameters
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 ange- regte 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.Purpose of stone destruction is used, with dielectric breakdown in connection with a plasma release in the target area and thus the intended fragmentation of the stone concrement. On the other hand, for the purpose of determining the material properties present in the target area and in particular for in vivo stone / tissue recognition, the same or a further suitable laser beam with the lowest possible energy and with correspondingly excellent radiation parameters is used in such a way that an undesirable one occurs in the course of the stone / tissue recognition dielectric breakthrough or plasma formation is excluded with certainty so that there is no damaging laser effect on the surrounding tissue or the stone embedding tissue. In the method according to the invention, the various known known values that can be achieved with laser excitation of the target area below the plasma threshold are Versible photothermal, photoelastic or photoacoustic effects are used to achieve a non-destructive stone / tissue discrimination, which is based on the detection and analysis of the material-specific and easily distinguishable structure-elastic dynamic modes that can be specifically stimulated in the target material. This solution is based on the knowledge that, with the aid of a correspondingly suitable dynamic application of the laser radiation in pulsed or modulated operation, the optically excited target material in the target area represents a material-specific determined source of thermal and / or elastic and / or acoustic wave fields, which can be detected by means of suitable detectors and 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 materialspezi ischen 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.Likewise, the target material optically excited with the laser under these conditions acts in the target area for an ultrasound beam aimed at this area as a material-specific determined ultrasound reflector, the reflection behavior changing significantly under the dynamically controlled laser excitation. The echo signals received by means of an ultrasound receiver from the opto-acoustically excited target surface can be evaluated accordingly in the sense of the invention on the basis of the material-specific features contained therein. The known ultrasound echoscopy methods with a corresponding additional control circuit can advantageously also be used for the purpose according to the invention for transmitting and receiving ultrasound signals.
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 verwen- deten 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 in each case for analysis purposes or for therapy purposes using appropriate means to suit the different conditions required for this, one suitable non-destructive excitation of the target material with correspondingly low laser energies (below the plasma threshold), but also for destructive material processing with correspondingly high laser energies. 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 an appropriately suitable feedback process control routine. This process can be repeated accordingly until a predetermined degree of fragmentation of the stone is reached.
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. Modulationspara- meter 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 Ziel- bereiche 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, Fre- quenz-Sweeps u.v.a.m.).In a further embodiment, the laser beam is generated for the purpose of analysis by means of an additional, separate laser source independently of the laser source used for material processing, so that both laser beams are optically coupled together in a common fiber, which is then directed at the target material present. However, the use of separate fiber systems is also conceivable for this. This design in the form of a two-beam arrangement is particularly advantageous in the case when more versatile excitation conditions are desirable. In principle, the excitation is no longer restricted to the use of the same wavelength or to the use of short laser pulses as in the therapy laser system, but allows a largely free choice of the optimally matched laser wavelengths that can be used for analysis purposes and the most suitable pulse or modulation parameters too. In the event that, for example, a modulated CW analysis laser is used in conjunction with a necessarily pulsed therapy laser in a two-beam arrangement, there is the advantage that the CW analysis laser is used for continuous analysis or for examination larger target areas or for the purpose of navigation and positioning aid in the case of a blind procedure can. In addition, there is the possibility of achieving various types of modulation (such as AM, FM, PCM etc.) and modulation parameters (such as 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 phanomenologischen 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 the application of the invention for selective feedback-controlled laser lithotripsy with implemented non-destructive in vivo stone / tissue detection, the following are examples of extended possible uses. The claimed methods and devices can advantageously be used in the field of clinical endoscopy for the purpose of laser-stimulated functional endoscopy (LFE). This solution has the advantage that, in addition to the known phenomenological morphological findings through inspection of the endoscopic image, an objective, non-destructive in vivo functional diagnostic analysis can also be carried out simultaneously with the tissue area currently being inspected.
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 ausge- bildeten Verfahren und Vorrichtungen zur optischen Anregung des Gewebematerials, im funktioneilen Zusammenhang mit bestimmten geeigneten Verfahren und Vorrichtungen zum Nachweis der photoinduzierten spezifischen Gewebereaktionen, wie z.B. mit Hilfe entsprechend ausgebildeter Photoakustischer Detek- tionssysteme und/oder mittels entsprechend ausgebildeter Ultraschall-Echoskopie-Verfahren. 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. pathophysi- oplogisch 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 Strah- lungsapplikation 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.A related embodiment, not shown here, has an optical system for this purpose, which can consist, for example, of appropriately designed optical fibers which are introduced both into the endoscopy channel and into the working channel. Various types of laser sources with appropriately trained laser generators and drivers as well as laser controllers can be used to generate the excitation light. The analysis system consists of the operative connection of the appropriately trained methods and devices for the optical excitation of the tissue material, in the functional context with certain suitable methods and devices for the detection of the photo-induced specific tissue reactions, such as with the help of appropriately trained photoacoustic detection systems and / or by means of an appropriately trained ultrasound echoscopy method. All of these applications are based on the specific dynamic entropic-elastic and / or thermoelastic and / or rheological changes in the state of the tissue that occur under appropriate photonic excitation or stimulation. Thus, the functional morphology of numerous and different types of physiologically or pathophysiologically modified tissue types can be objectively examined with the aid of the claimed system-analytical methods and device and under in vivo conditions. In addition to the advantage of a specifically localizable application of photonic energies to certain tissue areas, there is also the possibility to largely freely select the radiation parameters used for the respective application and to use them recursively in the course of the process either according to the specified control parameters or according to the criteria determined from the analysis data Way to control (feedback control). The endoscopic radiation application according to the invention and correspondingly specified can also be used advantageously for the purposes of selective biostimulation under feedback control with regard to the stimulation effects to be achieved in each case. For example, a variety of known effects on the in vivo biochemical, biophysical, subcellular, cellular or intercellular processes for appropriate therapeutic purposes can be achieved by targeted endoscopic laser excitation in the different tissue types and on different tissue layers or tissue compartments.
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 ge- websdiagnostischen Befundung nutzen. Der Einsatz des beanspruchten Verfahrens sowie der entsprechenden Vorrichtungen zur non-destruktiven und funktioneilen in vivo Gewebediagnostik ist überall dann vorteilhaft, wo eine Entnahme von Gewebeproben z.B. mittels Biopsie und mit nachträglicher his- tologischer 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 Be- fundung 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 funktioneilen Zusammenhang sowie auch als Folge der Anwendung entsprechender histologischer Präparationstech- niken, 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. pa- thophysiologischen 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 tissue rheological features leave consequently make use of the diagnostic diagnosis of the tissue due to the reversible entropic-elastic state changes acutely induced by means of a suitable laser excitation as well as 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 diagnostics is advantageous wherever a removal of tissue samples, for example by means of a biopsy and with subsequent histological in vitro laboratory examination, should or must be avoided. A major disadvantage of conventionally known histological examinations of biopsy material that has been removed is that, due to the method, this permits only a correspondingly delayed and sample-like in vitro determination. Another fundamental disadvantage of all known in vitro examination methods is the fact that by taking the tissue samples and isolating the tissue from its morphological and functional context and also by using appropriate histological preparation techniques, only examinations are possible under largely unphysiological conditions. These fundamental disadvantages are avoided by using the claimed in vivo method. Furthermore, in contrast to the known histological methods, the use 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 wie- der 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 e- benso auch als Tracer Methoden für unterschiedliche Kreislaufparameter ( z.B. Flow, Pulse Transit Time, Compliance u.a.) zur Bestimmung verschiedener klinisch relevanter hämo- dynamischer bzw. vaso-elastischer oder vaso-motorischer Parameter Verwendung finden können.A particular advantage over the known methods in which a tissue sample is required, is' is that the tissue analysis by the inventive method always intact tissue and on the same substrate can be repeated at any time, whereby the additional benefit results that characterized both kinetic and also have historical diagnostic examinations carried out. In addition, the different physiological or pathophysiological functionalities determined here are always reproducible and also objectively quantifiable due to the maintenance of the intact tissue morphology. This is the only way to get an objective and therapy-accompanying evaluation of the effects of certain therapeutic interventions with the help of the claimed method, which also results in the possibility of a feedback-controlled selective treatment that is measured by the immediate success of the therapy. The risks and side effects associated with taking tissue samples are also excluded. Further applications of the invention are also to be seen in the fact that it can be used advantageously in the sense of expanded clinical tissue diagnostics and / or for the elucidation of diverse structural-dynamic cellular or tissue rheological processes, such as, for example, on different tissue compartments or vessel sections. It is conceivable, for example, that by means of a correspondingly specified laser excitation on certain vascular sections in connection with a detection method suitable in the sense of the invention, these also as tracer methods for different circulatory parameters (for example flow, pulse transit time, compliance etc.) for the 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 Akzelleratio- nen, Stofftransport-Prozessen und Gradientenbildungen oder in strukturellen- , rheologischen-, oder viskoelastischen Phasenübergängen manifestieren. Weitere vorteilhafte Anwendungen der Erfindung ergeben sich durch den Einsatz der besonderen Ausführungsform gemäß Fig. 3. Dieses komplementäre photoakustisch-echoskopische Analyse- verfahren lässt sich in Verbindung mit den im Zusammenhang damit eingesetzten verschiedenen bildgebenden Ultraschallverfahren verwenden. Durch die Nutzung der mit den bekannten Ultraschallverfahren darstellbaren Bildmoden (z.B. A,-B-, TM- mode) in Verbindung mit den durch die Laseranregung hervorge- rufenen Struktur-dynamischen Gewebezustände, werden mittels einer zeitlich korrelierten photoakustischen und echoskopi- schen Bilderzeugung, neuartige funktionsspezifische Bilddarstellungen möglich (z.B. occurence imaging, strain imaging, phased imaging etc.). Hierbei werden synchron zur Laseranre- gung die Ultraschallbilder bestimmter photoakustisch angeregter Gewebekompartimente in ihrer zueinander korrelierenden Phasenbeziehung entsprechend ausgewertet und dargestellt. Die unter diesen Bedingungen synchron zueinander auftretenden unterschiedlichen Kontraste können vorteilhaft für eine morphologisch-funktionelle Gewebediagnostik ausgenutzt werden. Das bezeichnete eröffnet damit gänzlich neue zueinander komplementäre funktionsdiagnostische Befundungen von Geweben im Zusammenhang mit den bekannten Ultraschall- Bildgebenden Verfahren hinsichtlich einer weitreichenden Analyse bzw. Diagnostik unterschiedlicher gewebespezifischer photothermischer, thermochemischer, thermodynamischer, photochemischer und biochemischer Transduktionsprozesse, Regenerationsprozesse oder Wachstumsprozesse, welche allesamt unmittelbar mit den jeweils spezifischen entropisch- elastischen strukturdynamischen Zustandsänderungen verbunden sind. Die systematische Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahren ermöglicht die Evaluierung und Quantifizierung spezifischer Gewebemerkmale (z.B. Morphogenese, Diversifizierung, Differenzierung, Rigidität, Plastizität, Viskoe- lastizität, Rheologie u.v.a.m.). 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. Ther- mal Imaging) vorteilhaft eingesetzt werden können.Further advantageous applications of the invention also arise wherever certain volume changes or other diverse specific tissue-mechanical activities and reactivities can occur, which then result in different forms of movements, local cell ions, mass transfer processes and gradient formation or in structural, manifest rheological or viscoelastic phase transitions. Further advantageous applications of the invention result from the use of the special embodiment according to FIG. 3. This complementary photoacoustic-echoscopic analysis method can be used in connection with the various imaging ultrasound methods used in connection therewith. By using the image modes that can be represented with the known ultrasound methods (eg A, -B-, TM-mode) in connection with the structure-dynamic tissue conditions caused by the laser excitation, new types are created by means of a temporally correlated photoacoustic and echoscopic image generation Function-specific image representations possible (e.g. occurence imaging, strain imaging, phased imaging etc.). Here, in synchronism with the laser excitation, the ultrasound images of certain photoacoustically stimulated tissue compartments are correspondingly evaluated and displayed in their correlating phase relationship. The different contrasts that occur synchronously with one another under these conditions can advantageously be used for a morphological-functional tissue diagnosis. The designation thus opens up completely new complementary functional diagnostic findings of tissues in connection with the known ultrasound imaging methods with regard to a far-reaching analysis or diagnosis of different tissue-specific photothermal, thermochemical, thermodynamic, photochemical and biochemical transduction processes, regeneration processes or growth processes, all of which are directly connected with the specific entropic-elastic structural-dynamic changes in state are connected. The systematic application of the methods according to the invention enables the evaluation and quantification of specific tissue features (eg morphogenesis, diversification, differentiation, rigidity, plasticity, viscoelasticity, rheology and much more). Further conceivable applications of the method according to the invention can also consist, for example, in 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 Ge- webe 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. ge- eignete 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, can also be used for the in vivo diagnosis of tissues in connection with the previously described embodiments. Here, the tissue-specific so-called heat dissipation functions, the thermal diffusion lengths, thermal conductivity numbers, heat transfers and corresponding thermoregulatory parameters, etc. suitable clinically relevant characteristics e.g. about tissue blood flow, metabolic activity, diffusion processes and much more (Clinical use e.g. in arthroscopic or laprascopic procedures).
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 methods according to the invention can also be used for the quantitative and objective dosimetry of various physical therapy methods such as e.g. use in conservative laser therapy or conservative extracorporeal shock wave therapy.
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Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur in vivo Erkennung der Materialbeschaffen- heit eines Zielbereichs eines menschlichen oder tierischen Körpers, insbesondere zur Unterscheidung von Körperkonkrementen vom umgebenden Gewebe im Zielbereich, mit den Schritten:1. 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, with the steps:
a) Im Wesentlichen zerstörungsfreie Anregung desa) Essentially non-destructive excitation of the
Zielbereichs (2) durch mindestens ein optisches Anregungssignal ,Target area (2) by at least one optical excitation signal,
b) Detektion mindestens eines vom angeregten Zielbe- reich (2) emittierten akustischen, thermischen und/oder mechanischen Antwortsignals,b) detection of at least one acoustic, thermal and / or mechanical response signal emitted by the excited target area (2),
c) Analyse des mindestens einen detektierten Antwortsignals bezüglich seiner Eigenschaften, ins- besondere seiner periodischen Eigenschaften und/oder seiner Schwingungsmoden, undc) analysis of the at least one detected response signal with regard to its properties, in particular its periodic properties and / or its vibration modes, and
d) Zuordnung der Eigenschaften des mindestens einen analysierten Antwortsignals und/oder mindestens eines Anregungssignals zu vorbestimmten Eigenschaftsklassen, die jeweils mindestens eine Materialbeschaffenheit des angeregten Zielbereichs (2) repräsentieren.d) assigning the properties of the at least one analyzed response signal and / or at least one excitation signal to predetermined property classes, each of which represents at least one material quality of the excited target area (2).
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Anregungssignal von mindestens einer bezüglich Parameter, insbesondere der Anregungswellenlänge, der Anregungsenergie, der Phase, der zeitlichen Ausdehnung und/oder der Pulsfolge steuerbaren Lichtquelle (7) , insbesondere einem Laser, erzeugt wird. 2. The method as claimed in claim 1, characterized in that the at least one excitation signal is generated by at least one light source (7), in particular a laser, which can be controlled with respect to parameters, in particular the excitation wavelength, the excitation energy, the phase, the temporal extent and / or the pulse sequence ,
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungssignal mindestens eine vorgebbare Sequenz unterschiedlicher Parameter durchläuft.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the excitation signal passes through at least one predeterminable sequence of different parameters.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antwortsignal mit mindestens einem innerhalb und/oder außerhalb des Körpers angeordnetem Detektor (8) detektiert wird.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the response signal is detected with at least one detector (8) arranged inside and / or outside the body.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei an unterschiedlichen Detektionsorten angeordnete Detektoren (8) zur Detektion mindestens zweier Antwortsignale vorgesehen sind.5. The method according to claim 4, characterized in that at least two detectors (8) arranged at different detection locations are provided for the detection of at least two response signals.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Beziehung der mindestens zwei Antwortsignale zueinander, insbesondere aus der zeitlichen, der intensitätsmäßigen und/oder der phasenmäßigen Beziehung zueinander, die räumliche Ausbreitungsrichtung, der Ort, die Quelle und/oder die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Antwortsignals bestimmt wird.6. The method according to claim 5, characterized in that from the relationship of the at least two response signals to one another, in particular from the temporal, the intensity and / or the phase relationship to one another, the spatial direction of propagation, the location, the source and / or the speed of propagation Response signal is determined.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das detektierte Antwortsignal vor der Analyse insbesondere durch Verstärken, Filtern,7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the detected response signal before the analysis, in particular by amplifying, filtering,
Transformieren, Verbessern des Signal/Rauschabstandes und/oder Mittelwertbildung aufbereitet wird. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das detektierte Antwortsignal mit dem Anregungssignal zur Bestimmung der zeitlichen und/oder der Phasenkorrelationsdaten korreliert wird.Transforming, improving the signal-to-noise ratio and / or averaging is prepared. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the detected response signal is correlated with the excitation signal for determining the temporal and / or the phase correlation data.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die detektierten Antwortsignale aufgrund der zeitlichen und/oder Phasenkorrelationsdaten miteinander synchroni- siert werden und/oder in eine gewünschte zeitliche oder9. The method according to claim 8, characterized in that the detected response signals are synchronized with one another on the basis of the temporal and / or phase correlation data and / or in a desired temporal or
Phasenbeziehung zueinander gesetzt werden.Phase relationship to each other.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Analyse des detektierten Antwortsignals die periodischen Eigenschaften des detektierten Antwortsignals ermittelt werden.10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the periodic properties of the detected response signal are determined in the analysis of the detected response signal.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungseigenschaften, insbesondere die photoakustischen Schwingungseigenschaften des detektierten Antwortsignals ermittelt werden.11. The method according to claim 10, characterized in that the vibration properties, in particular the photoacoustic vibration properties of the detected response signal are determined.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem detektierten Antwortsignal die Schwingungsmoden, insbesondere die photoakustischen Schwingungsmoden, des angeregten Zielbereichs mittels dynami- scher Analyse ermittelt werden.12. The method according to claim 10 or 11, characterized in that the vibration modes, in particular the photoacoustic vibration modes, of the excited target area are determined by means of dynamic analysis from the detected response signal.
13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitationsperiode von im angeregten Zielbereich er- folgenden Kavitationsereignissen ermittelt wird. 13. The method according to claim 10, characterized in that the cavitation period is determined from cavitation events occurring in the excited target area.
14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung der Eigenschaften des analysierten Antwortsignals zu Eigenschaftsklassen aufgrund der ermittelten Korrelationseigenschaften, periodischen Eigenschaften, Schwingungseigenschaften und/oder Kavitationseigenschaften durchgeführt wird.14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the properties of the analyzed response signal are assigned to property classes on the basis of the determined correlation properties, periodic properties, vibration properties and / or cavitation properties.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen periodischer Komponenten des analysierten Antwortsignals, insbesondere beim Vorliegen von Schwingungsmoden, der Zielbereich einer Eigenschaftsklasse zugeordnet wird, die Festkδrperbeschaffenheit repräsen- tiert.15. The method according to claim 14, characterized in that in the presence of periodic components of the analyzed response signal, in particular when vibration modes are present, the target area is assigned to a property class which represents the solid state.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass spezifische periodische Komponenten des analysierten Antwortsignals, insbesondere die Schwingungsmoden, Eigenschaftsklassen zugeordnet werden, die spezifische Festkörper repräsentieren.16. The method according to claim 15, characterized in that specific periodic components of the analyzed response signal, in particular the vibration modes, are assigned property classes which represent specific solids.
17. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Zuordnung der Eigenschaften des analysierten Antwortsignals zu den Eigenschaftsklassen die Anregungsbedingungen, insbesondere die Parameter des Anregungssignals eingehen.17. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the excitation conditions, in particular the parameters of the excitation signal, are included in the assignment of the properties of the analyzed response signal to the property classes.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass dem Zielbereich (2) bei Vorliegen periodischer Komponenten des analysierten Antwortsignals bei einer vorbe- stimmten Anregungsintensität und/oder einer vorbestimm- ten Anregungswellenlänge Festkörpereigenschaften zugeschrieben werden.18. The method according to claim 17, characterized in that the target area (2) in the presence of periodic components of the analyzed response signal with a predetermined excitation intensity and / or a predetermined Solid-state properties are attributed to the excitation wavelength.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Variation der Anregungsbedingungen, insbesondere der Anregungswellenlänge und/oder der Anregungsintensität, vorgenommen wird und aus der Variation der Eigenschaften des detektierten Antwortsignals die Zuordnung des Zielbereichs zu einer die Materialbeschaffenheit repräsentierenden Eigenschaftsklasse vorgenommen wird.19. The method according to claim 17 or 18, characterized in that a variation of the excitation conditions, in particular the excitation wavelength and / or the excitation intensity, is carried out and from the variation of the properties of the detected response signal, the assignment of the target area to a property class representing the material quality is carried out ,
20. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Anregungsbedingungen des Anregungssignals und der ermittelten Kavitationsperiode eine Zuordnung des Zielbereichs zu mindestens einer Eigenschaftsklasse vorgenommen wird.20. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the excitation conditions of the excitation signal and the determined cavitation period are used to assign the target area to at least one property class.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die aus einer Variation der Anregungsbedingungen, insbesondere einer Variation der Wellenlänge und/oder der In- tensität, resultierende Variation der Kavitationsperiode zur Zuordnung des Zielbereichs zu mindestens einer Eigenschaftsklasse genutzt wird.21. The method according to claim 20, characterized in that the variation of the cavitation period resulting from a variation of the excitation conditions, in particular a variation of the wavelength and / or the intensity, is used to assign the target area to at least one property class.
22. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbreitungsrichtung und/oder Ausbreitungsgeschwindigkeit des vom angeregten Zielbereich emittierten akustischen, thermischen und/oder mechanischen Antwortsignals zur Zuordnung des Zielbereichs (2) zu mindestens einer Eigenschaftsklasse genutzt wird. 22. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the direction and / or speed of propagation of the acoustic, thermal and / or mechanical response signal emitted by the excited target area is used to assign the target area (2) to at least one property class.
23. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das detektierte Antwortsignal, das aufbereitete Antwortsignal und/oder das analysierte Antwortsignal akustisch und/oder optisch dargestellt wird.23. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the detected response signal, the processed response signal and / or the analyzed response signal is represented acoustically and / or optically.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsbedingungen, insbesondere die Parameter des Anregungssignals, in die akustische und/oder optische Darstellung eingehen.24. The method according to claim 23, characterized in that the excitation conditions, in particular the parameters of the excitation signal, are included in the acoustic and / or optical representation.
25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeich- net, dass das Antwortsignal und/oder das Anregungssignal über einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) und/oder andere Mittel hörbar gemacht wird.25. The method according to claim 23 or 24, characterized in that the response signal and / or the excitation signal is made audible via a voltage-controlled oscillator (VCO) and / or other means.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Antwortsignal und/oder das Anregungssignal auf einem Bildschirm sichtbar gemacht werden.26. The method according to any one of claims 23 to 25, characterized in that the response signal and / or the excitation signal are made visible on a screen.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungssignal und/oder das Antwortsignal parametrisch in Form von Koordinaten repräsentiert und dargestellt wird.27. The method according to claim 26, characterized in that the excitation signal and / or the response signal is represented and represented parametrically in the form of coordinates.
28. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte zur Erkennung der Materialbeschaffenheit des Zielbereichs kontinuierlich o- der periodisch wiederholt werden. 28. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the steps for recognizing the material properties of the target area are repeated continuously or periodically.
29. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung des Zielbereichs zu einer eine Materialbeschaffenheit repräsentierende Eigenschaftsklasse zur Steuerung einer Materialbearbeitung des Zielbereichs (2) , insbesondere zur Li- thotripsie, verwendet wird.29. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the assignment of the target area to a property class representing a material quality is used to control material processing of the target area (2), in particular for lithotripsy.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass eine Materialbearbeitung des Zielbereichs mit einem hochenergetischen optischen Signal nur dann möglich ist, wenn die Eigenschaften des Zielbereichs (2) mindestens einer bestimmten Eigenschaftsklasse zugeordnet sind.30. The method according to claim 29, characterized in that a material processing of the target area with a high-energy optical signal is only possible if the properties of the target area (2) are assigned to at least one specific property class.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Schritt der Materialbearbeitung wiederum eine Erkennung der Materialbeschaf- fenheit des Zielbereichs (2) vorgenommen wird.31. The method according to any one of claims 29 or 30, characterized in that after a step of material processing, the material quality of the target area (2) is in turn recognized.
32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialbearbeitung in einem vorgegebenen, insbeson- dere kurzen oder pulsförmigen, Zeitabschnitt erfolgt und darauf eine erneute Ermittlung der Materialbeschaffenheit des Zielbereichs (2) durchgeführt wird.32. The method according to claim 31, characterized in that the material processing takes place in a predetermined, in particular short or pulsed, time period and then a new determination of the material properties of the target area (2) is carried out.
33. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ultraschallsignal des Zielbereichs (2) mittels Ultraschall Echoskopie de- tektiert wird. 33. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one ultrasound signal of the target area (2) is detected by means of ultrasound echoscopy.
34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallsignal mittels mindestens einem Ultraschallsender (18) ausgesendet und mittels mindestens einem Ultraschallempfänger (18) detektiert wird.34. The method according to claim 33, characterized in that the ultrasound signal is emitted by means of at least one ultrasound transmitter (18) and is detected by means of at least one ultrasound receiver (18).
35. Verfahren nach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ultraschallsignal mit mindestens einem Anregungssignal und/oder mindestens einem Antwortsignal korreliert wird.35. The method according to claim 33 or 34, characterized in that at least one ultrasound signal is correlated with at least one excitation signal and / or at least one response signal.
36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallsignal mit mindestens einem Anregungssignal und/oder mindestens einem Antwortsignal synchroni- siert und/oder in eine vorgegebene zeitliche Beziehung und/oder Phasenbeziehung zueinander gesetzt wird.36. The method according to claim 35, characterized in that the ultrasound signal is synchronized with at least one excitation signal and / or at least one response signal and / or is set in a predetermined temporal relationship and / or phase relationship to one another.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass aus den vom angeregten Zielbereich (2) reflektierten Ultraschallsignalen Eigenschaften des Zielbereichs ermittelt werden.37. Method according to one of claims 33 to 36, characterized in that properties of the target area are determined from the ultrasound signals reflected by the excited target area (2).
38. Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallsignale zur Ermittlung ihrer Eigenschaften, insbesondere ihrer periodischen Eigenschaften, analysiert werden.38. The method according to claim 37, characterized in that the ultrasonic signals are analyzed to determine their properties, in particular their periodic properties.
39. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaften des Ultraschallsignals, insbesondere unter Einbeziehung der Anregungsbedingungen, mindestens einer Eigenschaftsklasse zugeordnet werden, die jeweils mindestens eine Materialbeschaffenheit repräsentiert. 39. The method according to claim 38, characterized in that the properties of the ultrasound signal, in particular taking into account the excitation conditions, are assigned to at least one property class, each of which represents at least one material quality.
40. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass das detektierte Ultraschallsignal optisch und/oder akustisch dargestellt wird.40. The method according to any one of claims 33 to 39, characterized in that the detected ultrasound signal is displayed optically and / or acoustically.
41. Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, dass bestimmte Bereiche des Zielbereichs (2) in einer optischen Darstellung aufgrund der aus dem Antwortsignal und/oder dem Ultraschallsignal ermittelten Eigenschaften markiert werden.41. The method according to claim 40, characterized in that certain areas of the target area (2) are marked in an optical representation on the basis of the properties determined from the response signal and / or the ultrasound signal.
42. Verfahren nach Anspruch 40 oder 41, dadurch gekennzeich- net, dass die Erzeugung einer Darstellung eines Ultraschallbildes und/oder die Darstellung eines Ultraschall- bildes durch mindestens ein Antwortsignal steuerbar ist.42. The method according to claim 40 or 41, characterized in that the generation of a representation of an ultrasound image and / or the representation of an ultrasound image can be controlled by at least one response signal.
43. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß mindestens einem der vorstehenden Ansprüche mit mindestens einer Lichtquelle (7) zur optischen Anregung eines Ziel- bereiches (2) in einem menschlichen oder tierischen Körper, mindestens einem am oder im Körper anordbaren De- tektor (8) zur Detektion mechanischer und/oder akustischer Antwortsignale, mindestens einem Analysemittel (11) zur Analyse der Eigenschaften der detektierten Antwortsignale und mindestens einem Darstellungsmittel (17b, 100) zur Darstellung des Antwortsignals und/oder der Eigenschaften des analysierten Antwortsignals.43. Device for carrying out the method according to at least one of the preceding claims, with at least one light source (7) for the optical excitation of a target area (2) in a human or animal body, at least one detector (8) which can be arranged on or in the body. for the detection of mechanical and / or acoustic response signals, at least one analysis means (11) for analyzing the properties of the detected response signals and at least one display means (17b, 100) for displaying the response signal and / or the properties of the analyzed response signal.
44. Vorrichtung nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle ein Laser (7) ist. 44. Device according to claim 43, characterized in that the light source is a laser (7).
45. Vorrichtung nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (7) bezüglich seiner Parameter, insbesondere seiner Wellenlänge, seiner Intensität und seiner Pulsfolge, modulierbar ist.45. Device according to claim 44, characterized in that the laser (7) can be modulated with regard to its parameters, in particular its wavelength, its intensity and its pulse sequence.
46. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 43 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtleitfaser (1) zur Leitung des von der Lichtquelle (7) emittierten Lichtes vorgesehen ist.46. Device according to one of the preceding claims 43 to 45, characterized in that an optical fiber (1) is provided for guiding the light emitted by the light source (7).
47. Vorrichtung nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitfaser (1) und/oder die Lichtquelle (1) an einem Endoskop angeordnet sind.47. Device according to claim 46, characterized in that the optical fiber (1) and / or the light source (1) are arranged on an endoscope.
48. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 43 bis 47, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Detektor (8) als Piezo-Element ausgebildet ist.48. Device according to one of claims 43 to 47, characterized in that at least one detector (8) is designed as a piezo element.
49. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 43 bis 48, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Zuordnungsmittel (12a) zur Zuordnung der Eigenschaften des analysierten Antwortsignals zu mindestens einer Eigenschaftsklasse.49. Device according to one of claims 43 to 48, characterized in that at least one assignment means (12a) for assigning the properties of the analyzed response signal to at least one property class.
50. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 43 bis 49, dadurch gekennzeichnet, dass die Darstellungsmittel (17b, 100) einen über einen spannungsgesteuerten Oszillator und/oder andere Mittel angesteuerten akustischen elekt- roakustischen Wandler, insbesondere einen Lautsprecher, umfassen. 50. Device according to one of claims 43 to 49, characterized in that the display means (17b, 100) comprise an acoustic electro-acoustic transducer, in particular a loudspeaker, controlled via a voltage-controlled oscillator and / or other means.
51. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 43 bis 50, dadurch gekennzeichnet, dass die Darstellungsmittel (17b, 100) mindestens einen Bildschirm umfassen.51. Device according to one of claims 43 to 50, characterized in that the display means (17b, 100) comprise at least one screen.
52. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 43 bis 51, dadurch gekennzeichnet, dass Korrelationsmittel (9) zur Korrelation des Anregungssignals mit dem Antwortsignal vorgesehen sind.52. Device according to one of claims 43 to 51, characterized in that correlation means (9) are provided for correlating the excitation signal with the response signal.
53. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 43 bis 52, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Aufnahme von Ultraschallbildern (18) .53. Device according to one of the preceding claims 43 to 52, characterized by a device for recording ultrasound images (18).
54. Vorrichtung nach Anspruch 53, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ultraschallkopf (18) mit mindestens einer Ultraschallquelle und mindestens einem Ultraschalldetektor vorgesehen ist.54. Device according to claim 53, characterized in that an ultrasound head (18) with at least one ultrasound source and at least one ultrasound detector is provided.
55. Vorrichtung nach Anspruch 53 oder 54, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erzeugung einer Darstellung eines Ultraschallbildes und/oder die Darstellung eines Ultraschallbildes vorgesehen sind, die durch mindestens ein Antwortsignal steuerbar sind.55. Device according to claim 53 or 54, characterized in that means for generating a representation of an ultrasound image and / or the representation of an ultrasound image are provided which can be controlled by at least one response signal.
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