DE19630255A1 - Laser beam applicator for interstitial heat therapy - Google Patents

Laser beam applicator for interstitial heat therapy

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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B18/00—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body
    • A61B18/18—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves
    • A61B18/20—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves using laser
    • A61B2018/2005—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves using laser with beam delivery through an interstitially insertable device, e.g. needle

Abstract

The applicator has an optical waveguide (1) with a quartz glass core. The radiating body (5) at the end of the waveguide is provided with grooves (6) on its cladding surface. The depth of the grooves increases from the proximal to the distal end. The change in depth of successive grooves along the optically active cladding surface of the radiating body corresponds to a Gaussian function. The differences between adjacent grooves in the proximal and distal region of the emitting cladding surface are greater than those in the intermediate regions.

Description

Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt im Einsatz hochenergetischer Laserstrahlung zur thermisch bewirkten irreversiblen Schädigung großvolumiger Tumoren mit schwach ellipsoider bis Kugelgestalt.The field of application of the invention lies in the use of high energy Laser radiation for thermally caused irreversible damage of large volumes Tumors with a slightly ellipsoid to spherical shape.

Aus DE-OS 44 03 134 ist ein Laserstrahlapplikator bekannt, bei dem die hochenergetische Strahlung über einen Lichtwellenleiter mit Quarzglaskern in das Zentrum des zu behandelnden Gewebes geführt wird. Zur Erzielung einer definierten Abstrahlungsgeometrie zur Behandlung stark ellipsoider bis zylinderförmiger Gewebevolumina ist das distale Ende des Quarzglaskerns zebraförmig mit mattierten Ringen versehen, deren Rauhtiefe zum Ende der Faser zunimmt. Dadurch tritt die innerhalb der Faser geführte Strahlung an den mattierten Flächen aus und es ist möglich, die Länge des aktiv über seine Mantelfläche strahlenden Endes entsprechend dem zu behandelnden Gewebebereich zu variieren. Es ist üblich, den strahlenden Quarzfaserkern mit einer mechanisch stabilen und strahlungstransparenten Schutzhülle zu umgeben.From DE-OS 44 03 134 a laser beam applicator is known in which the high-energy radiation via an optical fiber with quartz glass core into the Center of the tissue to be treated is guided. To achieve a defined Radiation geometry for the treatment of strongly ellipsoid to cylindrical Tissue volume is the distal end of the quartz glass core zebra-shaped with frosted Provide rings whose roughness increases at the end of the fiber. This causes the radiation emitted inside the fiber on the matted surfaces and it is possible to match the length of the end that radiates actively over its lateral surface to vary the tissue area to be treated. It is common to shine Quartz fiber core with a mechanically stable and radiation-transparent protective cover to surround.

Ein Nachteil dieser bekannten Lösung besteht darin, daß die über der gesamten wirksamen Mantelfläche ausgekoppelte Strahlung unterschiedliche Abstrahlungsinten­ sitäten aufweist. Das bedeutet, die vorhandenen Strahlungsmaxima bilden eine Grenze für die zugeführte Laserleistung, da in ihrem Wirkungsbereich zuerst unerwünschte Veränderungen (z. B. Karbonisierung) des bestrahlten Gewebes auftreten, wogegen an anderen Abstrahloberflächen die zur Therapie notwendigen Gewebetemperaturen noch nicht erreicht werden und höhere Leistungen ausgekoppelt werden könnten.A disadvantage of this known solution is that the over the entire effective outer surface decoupled radiation different radiation inks features. This means that the existing radiation maxima form a limit for the laser power supplied, since undesirable in its area of effect Changes (e.g. carbonization) of the irradiated tissue occur, whereas other radiation surfaces the tissue temperatures necessary for therapy not yet achieved and higher performance could be coupled.

Insbesondere ungünstig wirkt dieser Nachteil bei der thermischen Verödung großvolumiger Tumoren mit schwach ellipsoider bis Kugelgestalt aus. Hier ist es erforderlich, zur Durchdringung dieses Gewebevolumens eine hohe Laserleistung über eine relativ geringe Oberfläche abzustrahlen. Das bedingt einen hohen Grad an Gleichmäßigkeit der abgestrahlten Laserstrahlung über der wirksamen Abstrahlfläche.This disadvantage has a particularly unfavorable effect in the case of thermal obliteration large-volume tumors with a weak ellipsoid to spherical shape. Here it is required a high laser power to penetrate this tissue volume to radiate a relatively small surface. That requires a high degree Uniformity of the emitted laser radiation over the effective radiation area.

Der im Patentanspruch angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Laserstrahlapplikator zu schaffen, der die Auskopplung hoher Leistungen zur thermischen Durchsetzung großvolumiger Tumoren der genannten geometrischen Form ermöglicht, wobei die über den Querschnitt des Quarzglaskerns zugeführte Laserleistung mit einem hohen Grad an Gleichmäßigkeit über die definierte Abstrahlfläche auszukoppeln ist. The problem specified in the invention is based on a problem To create a laser beam applicator that enables the decoupling of high power thermal enforcement of large-volume tumors of the geometric Form allows, the supplied over the cross section of the quartz glass core Laser power with a high degree of uniformity over the defined Coupling the radiation surface is to be decoupled.  

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Laserstrahlapplikator gelöst, auf dessen Quarzglaskern im Bereich der abstrahlenden Mantelfläche ringförmig Rillen eingebracht sind, indem die Tiefen aufeinanderfolgender Rillen entsprechend einer Gaußfunktion variiert werden, d. h., die Rillentiefen nehmen in Richtung des distalen Endes der Abstrahlfläche zu, wobei die Differenzen der Tiefen benachbarter Rillen im proximalen und im distalen Bereich der Abstrahlfläche größer als in den dazwischen liegenden Regionen sind.According to the invention, this object is achieved by a laser beam applicator whose quartz glass core has annular grooves in the area of the radiating surface are introduced by the depths of successive grooves corresponding to one Gaussian function can be varied, d. that is, the groove depths take in the direction of the distal End of the radiation surface, the differences in the depths of adjacent grooves in the proximal and in the distal area of the radiation area larger than in the in between lying regions.

Es wurde gefunden, daß bei Zugrundelegen der Annahme, daß die Strahlungsinten­ sität im Querschnittsbereich des Quarzglaskerns vom Faserradius nach einer Gaußfunktion abhängig ist, eine entsprechend dieser funktionsgemäßen Abhängigkeit gestaltete Änderung der Rillentiefen aufeinanderfolgender Rillen zu gleichmäßigen Abstrahlungsintensitäten auf der optisch aktiven Manteloberfläche führt. Damit verbunden tritt im proximalen und distalen Bereich eine weiträumigere Lichtverteilung aufIt has been found that, based on the assumption that the radiation inks in the cross-sectional area of the quartz glass core from the fiber radius to one Gaussian function is dependent, a functionally corresponding dependency designed change of the groove depths of successive grooves to uniform Radiation intensities on the optically active surface leads. In order to connected, a more extensive light distribution occurs in the proximal and distal areas on

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 den Querschnitt eines Laserstrahlapplikators, Fig. 1 shows the cross-section of a Laserstrahlapplikators,

Fig. 2 ein Diagramm der prozentualen Verteilung der Lichtintensität in Abhängigkeit vom Radius des Quarzglaskerns, Fig. 2 is a graph of the percent distribution of light intensity in function of the radius of the quartz glass core,

Fig. 3 die Emissionsflächen am Applikator, Fig. 3 shows the emission surfaces of the applicator,

Fig. 4 die Tabelle der Rillenradien und -tiefen, Fig. 4 shows the table of the groove radii and depths,

Fig. 5 die zugehörige graphische Darstellung zu vorhergehender Tabelle und Fig. 5 shows the corresponding graph to previous table and

Fig. 6 den Verlauf der Differenzbeträge benachbarter Rillenradien. Fig. 6 shows the course of the difference amounts of adjacent groove radii.

Fig. 1 zeigt den üblichen Aufbau eines Laserstrahlapplikators mit einem Lichtwellen­ leiter 1, einer Schutzhülle 2 sowie einer Kapillare 3 zur Zufuhr der Kühlflüssigkeit 4, in welcher ein endseitiger Strahlungskörper 5 gekühlt und mechanisch stabilisiert gebettet ist. Fig. 1 shows the usual structure of a laser beam applicator with a light waveguide 1 , a protective cover 2 and a capillary 3 for supplying the cooling liquid 4 , in which an end radiation body 5 is cooled and mechanically stabilized bed.

Über die in den Quarzglaskern eingebrachten Rillen 6 wird die mantelseitige Abstrah­ lung des Laserlichtes realisiert. Gemäß Fig. 1 befinden sich auf dem Abstrahlkörper 5 zehn Rillen 6.The cladding-side radiation of the laser light is realized via the grooves 6 made in the quartz glass core. Referring to FIG. 1 are located in the radiating grooves 6 5 ten.

Fig. 2 zeigt unter Zugrundelegen der Annahme, daß die Strahlungsintensität im Quarzglaskern über dessen Querschnitt eine Gaußfunktion ist, die in Abhängigkeit vom Faserradius errechnete prozentuale Strahlungsintensität bei einer Laserleistung von 25 W und einem Quarzglaskerndurchmesser von 0.6 mm. Hiervon wurden nun die erforderlichen Rillentiefen abgeleitet, um eine konstante Abstrahlung zu erzielen. Das bedeutet, die Rillentiefen nehmen proximal beginnend zu, wobei die Differenz zweier benachbarter Rillen 6 im proximalen und im distalen Abschnitt des als Strahlungskörper genützten Faserabschnitts größer sein muß als in den dazwischen liegenden Bereichen. Durch die größeren Änderungen der Rillentiefen im proximalen und distalen Bereich treten dort verstärkt Beugungserscheinungen auf, die zu einer zusätzlichen Lichtstreuung führen. Fig. 2 shows, based on the assumption that the radiation intensity in the quartz glass core over its cross section is a Gaussian function, the percentage radiation intensity calculated as a function of the fiber radius at a laser power of 25 W and a quartz glass core diameter of 0.6 mm. The required groove depths were then derived from this in order to achieve a constant radiation. This means that the groove depths increase proximally, the difference between two adjacent grooves 6 in the proximal and in the distal section of the fiber section used as the radiating body having to be greater than in the areas in between. Due to the larger changes in the groove depths in the proximal and distal areas, diffraction phenomena occur increasingly, which lead to additional light scattering.

Ausgehend von der Applikatorgeometrie wird zunächst die pro Rille radial abzustrahlende Laserleistung mit Hilfe einer Gleichung bestimmt, indem die Emissionsflächen des Strahlungskörpers 5 gemäß Fig. 3 ins Verhältnis gesetzt werden. Als Emissionsflächen treten die Zylinderoberfläche AZ einer Rille und des dazugehörigen Steges und die Halbkugelfläche AK auf. Es wird dabei von einem Durchmesser d des Laserstrahlapplikators von 3.4 mm und einer Rillen- und Stegbreite bR von 2 mm sowie einer Laserleistung von 25 W ausgegangen.On the basis of the applicator geometry, the laser power to be radially radiated per groove is first determined using an equation in which the emission areas of the radiation body 5 according to FIG. 3 are compared. The cylinder surfaces A Z of a groove and the associated web and the hemispherical surface A K appear as emission surfaces. A diameter d of the laser beam applicator of 3.4 mm and a groove and web width b R of 2 mm and a laser power of 25 W are assumed.

Die Emissionsflächen werden berechnet mit:The emission areas are calculated with:

AZ = π*d*bR = π*3.4 mm*2 mm = 21.4 mm²
AK = π*d²/2 = π*3.42 mm²/2 = 18.2 mm²A Z = π * d * b R = π * 3.4 mm * 2 mm = 21.4 mm²
A K = π * d² / 2 = π * 3.42 mm² / 2 = 18.2 mm²

Die pro Rille zu emittierende Laserleistung ergibt sich aus:The laser power to be emitted per groove results from:

Daraus resultiert, daß an der Stirnfläche (AK) des Laserstrahlapplikators ca. das 0.85- fache der Leistung, die an einer Rille (AZ) radial austritt, emittiert werden muß. Da von einer Laserleistung von 25 W ausgegangen wurde, müssen demnach ca. 2.3 W pro Rille 6 sowie ca. 1.9 W an der distalen Stirnfläche (AK) emittiert werden. Zur Realisierung dieser Forderung wurde eine rekursive Formel zur Ermittlung der Rillendurchmesser unter Beachtung des Intensitätsprofiles im Querschnitt des Quarzglaskerns hergeleitet. Ausgangspunkt dieser Berechnung ist die Beziehung:The result of this is that approximately 0.85 times the power that radially exits at a groove (A Z ) has to be emitted on the end face (A K ) of the laser beam applicator. Since a laser power of 25 W was assumed, approx. 2.3 W per groove 6 and approx. 1.9 W must be emitted on the distal end face (A K ). To implement this requirement, a recursive formula for determining the groove diameter was taken into account, taking into account the intensity profile in the cross section of the quartz glass core. The starting point for this calculation is the relationship:

PLR = I(r)*AKR
PLR = zu emittierende Laserleistung pro Rille [W]
I(r) = Intensität des Laserstrahles im Lichtwellenleiter in Abhängigkeit vom Radius des Quarzglaskerns [W/mm²]
AKR = Emissionsfläche pro Rille (Kreisring) [mm²]P LR = I (r) * A KR
P LR = laser power to be emitted per groove [W]
I (r) = intensity of the laser beam in the optical waveguide depending on the radius of the quartz glass core [W / mm²]
A KR = emission area per groove (annulus) [mm²]

MitWith

und WL = rK
sowie unter Berücksichtigung eines Faktors von 1.25 zur Korrektur von modellie­ rungsbedingten Fehlern erhält man:and W L = r K
and taking into account a factor of 1.25 to correct modeling-related errors:

rK = Kernradius des Lichtwellenleiters (LWL) [mm]
I₀ = Max. Lichtintensität von 177 W/mm² im Zentrum (doppelter Betrag gegenüber Rechteckverteilung
WL = Radius, bei dem I₀ vom Zentrum auf das 1/e²-fache abgefallen ist.r K = core radius of the optical fiber (LWL) [mm]
I₀ = Max. Light intensity of 177 W / mm² in the center (double the amount compared to rectangular distribution
W L = radius at which I₀ has dropped 1 / e² times from the center.

Umgestellt nach r₂ ergibt:Converted to r₂ results in:

Verallgemeinert entsteht daraus die rekursive Berechnungsformel für die Rillenradien der i-ten Rille (proximal beginnend):Generalized, this results in the recursive calculation formula for the Groove radii of the i-th groove (starting proximally):

mit i=1 . . . n und r₀ = rK
n = Anzahl der Rillen.with i = 1. . . n and r₀ = r K
n = number of grooves.

Für einen LWL mit einem Durchmesser des Quarzglaskerns von 600 µm, einer Rillenanzahl von 10 sowie einer maximalen Laserleistung von 25 Watt sind für den verwendeten Applikator folgende Parameter gültig:For an optical fiber with a diameter of the quartz glass core of 600 µm, one Grooves of 10 and a maximum laser power of 25 watts are for the the following parameters apply:

PLR = 2.3 W
I₀ = 177 W/mm²
rK = r₀ = 0.3 mmP LR = 2.3 W.
I₀ = 177 W / mm²
r K = r₀ = 0.3 mm

Es ergeben sich daraus die in Fig. 4 tabellarisch dargestellten Rillenradien und -tiefen. Die dementsprechende graphische Darstellung der Rillenradien und -tiefen zeigt Fig. 5. Hier ist am Balkenverlauf der Rillenradien deutlich der um -90° gedrehte Verlauf eines Gaußprofiles (eine Hälfte) erkennbar. In Bereichen mit geringerer Intensität muß demnach tiefer in den Quarzglaskern eingedrungen werden als in Bereichen mit höherer Lichtintensität, um konstante Emissionsraten zu gewährleisten. Betrachtet man den Verlauf der Radiendifferenzen benachbarter Rillen gemäß Fig. 6, quasi ein Maß für die Änderung des Anstiegs einer Funktion, so werden starke gegensinnige Änderungen im proximalen und im distalen Bereich der Emissionslänge sichtbar. Mit einem derartig aufgebauten Laserstrahlapplikator, bei dem zusätzlich durch eine Kühlanordnung das angrenzende Gewebe gekühlt wurde, konnten bei auf 37°C temperierten, frischem postmortalen Schweinehirngewebe schwach ellipsoide bis kugelförmige Gewebezonen von ca. 65 mm Durchmesser bei einer Laserleistung von 25 Watt therapeutisch wirksam erwärmt werden.The groove radii and depths shown in table 4 in FIG. 4 result from this. The corresponding graphical representation of the groove radii and depths is shown in FIG. 5. Here, the course of a Gaussian profile (one half) rotated by -90 ° can be clearly seen on the bar course of the groove radii. In areas with a lower intensity it is therefore necessary to penetrate deeper into the quartz glass core than in areas with a higher light intensity in order to ensure constant emission rates. If one considers the course of the radius differences of adjacent grooves according to FIG. 6, quasi a measure of the change in the increase in a function, then strong opposite changes in the proximal and distal region of the emission length become visible. With a laser beam applicator constructed in this way, in which the adjacent tissue was additionally cooled by a cooling arrangement, weakly ellipsoidal to spherical tissue zones with a diameter of approx. 65 mm and a laser output of 25 watts could be warmed effectively with fresh postmortem porcine tissue at a temperature of 37 ° C .

Claims (1)

Laserstrahlapplikator zur interstitiellen Thermotherapie mit einem Lichtwellenleiter mit Quarzglaskern, dessen endseitiger Strahlungskörper auf seiner Mantelfläche mit Rillen versehen ist, deren Rauhtiefen proximal beginnend zum distalen Ende hin zunehmen, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Tiefen aufeinanderfolgender Rillen (6) entlang der optisch aktiven Mantelfläche des Strahlungskörpers (5) einer Gaußfunktion entspricht, wobei die Differenzen benachbarter Rillen (6) im proximalen und im distalen Bereich der abstrahlenden Mantelfläche größer als in den dazwischen liegenden Regionen sind.Laser beam applicator for interstitial thermotherapy with an optical waveguide with a quartz glass core, the end-side radiation body of which is provided on its outer surface with grooves, the roughness of which increases proximally beginning towards the distal end, characterized in that the course of the depths of successive grooves ( 6 ) along the optically active outer surface of the Radiation body ( 5 ) corresponds to a Gaussian function, the differences between adjacent grooves ( 6 ) in the proximal and in the distal region of the radiating lateral surface being greater than in the regions lying between them.
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