DE4211526A1

DE4211526A1 - Optical working shaft for rigid endoscope for photo therapy - radiates optical radiation of high power e.g of laser isotropically through working shaft at distal end in predetermined spaced segments

Info

Publication number: DE4211526A1
Application number: DE19924211526
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Prof Berlien; Juergen Dr Beuthan; Gerhard Prof Mueller
Original assignee: BERLIN LASER MEDIZIN ZENTRUM
Current assignee: Ceramoptec GmbH
Priority date: 1992-04-06
Filing date: 1992-04-06
Publication date: 1993-10-07

Abstract

The shaft includes a transparent optical stray light dome (5) which is fitted at the distal end, in which the light wave conductor (2) is guided across lead in lock (12) through the sleeve tube (11) coaxial with the working shaft. The optical dome is made of an opalising mineral material or glass. The shape of the dome is matched to the desired radiation characteristic. Articulated mirror segments are fitted inside the stray dome (5), so that additionally the radiation characteristic can be actively altered. USE/ADVANTAGE - Photochemical and photo-thermal reactions can be activated and controlled. In preselectable spatial angles optical radiation as isotropic as possible can be transmitted in wavelength range of 400 nm to 1400 nm.

Description

Task

Es soll ein Applikatorsystem entwickelt werden, das in einfacher Weise mit den heute marktgängigen Endoskopie- und Kathetersystemen benutzt werden kann, um im Körperinneren photochemische und photothermische Reaktionen auszulösen und zu steuern. Insbesondere soll es dabei möglich sein, in vorher wählbaren Raumwinkeln möglichst isotrop optische Strahlung im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 1400 nm zu übertragen.An applicator system is to be developed that in a simple way with the ones currently available on the market Endoscopy and catheter systems are used can to photochemical and inside the body trigger and close photothermal reactions Taxes. In particular, it should be possible in previously selectable solid angles as isotropic as possible optical radiation in the wavelength range of 400 nm to 1400 nm to transmit.

State of the art

Aus DE P 40 41 234 ist bekannt, optische Strahlung durch Lichtleitfasern und Kathetersysteme in das Körperinnere zu übertragen, wobei die Licht leitfaser oder mehrere Lichtleitfasern jeweils distal mit geeigneten Streukörpern versehen sind. Um derartige Systeme auch im Rahmen der endosko pischen Chirurgie bzw. interventionell nutzen zu können, ergeben sich jedoch eine Reihe von gravie renden Problemen. Zum einen ist die Abstrahlrich tung nicht steuerbar, zum anderen ist die Wirkung nicht gleichzeitig visuell beobachtbar bzw. generell modifizierbar.From DE P 40 41 234 optical radiation is known through optical fibers and catheter systems in the Transfer body interior, taking the light fiber or several optical fibers each distally are provided with suitable scattering bodies. Around such systems also within the framework of endosko medical surgery or interventional use However, there are a number of gravies problems. On the one hand is the emission level not controllable, on the other hand the effect not visually observable or general at the same time modifiable.

Solution according to the invention

Über den Arbeitskanal eines Endoskops wird ein zweiter Optikschaft vorgeschoben, der am distalen Ende einen flüssigkeitsdichten für den jeweiligen Applikationswellenlängenbereich aber optisch durchlässigen Dom spezieller Formgebung besitzt, wobei die Formgebung in Kombination mit den Streueigenschaften des Dommaterials derart gewählt wird, daß vorherbestimmbare Volumen elemente hinreichend isotrop mit optischer Strah lung beaufschlagt werden können. Dabei hat sich überraschenderweise gezeigt, daß opalisierende Materialien sowohl in Kristall- als auch in Glasform in besonderer Weise als Lichtstreuer geeignet sind, inbesondere bei der Verwendung eines Nd:YAG- Lasers. Dabei wird erfindungsgemäß die Strahlung des Nd:YAG-Lasers durch einen optischen Licht wellenleiter an eine proximale optische Schnitt stelle des Endoskops geführt und innerhalb des Endoskops mit geeigneter Relaisoptik zum distalen Ende geführt. Dabei ist die Relaisoptik so ausge legt, daß der distal angebrachte Streulichtdom möglichst homogen ausgeleuchtet wird. Je nach Größe des Endoskopssystems wird in Weiterfüh rung des Erfindungsgedankens die energieüber tragende Lichtleitfaser auch innerhalb des Endo skopschaftes weitergeführt bis zum distal ange brachten Streulichtdom. In diesem Falle ist jedoch erfindungsgemäß die numerische Apertur der Lichtleitfaser dem gewünschten Raumwinkel anzu passen. In Weiterführung des Erfindungsgedankens wird das in den Arbeitskanal eines Endoskops ein geführte Streulichtrohr mit einer Flüssigkeit gespült, um eine Aufwärmung des Applikators selbst durch vagabundierendes Streulicht der Laserstrahlung zu vermeiden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird dabei als Kühlmedium wiederum eine lichtstreuende Flüs sigkeit verwendet, wie z. B. eine Öl-Wasser-Emul sion, die in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel aus Silikonöl und Wasser (ggf. versetzt mit geeig neten Detergentien) in einem Ultraschallbad hergestellt wird, um sodann über eine Umwälz pumpe durch den Endoskopschaft koaxial geführt wird, wobei durch die Frequenz und Intensität des Ultraschallbades die Streueigenschaften der Öl- Wasser-Emulsion in weiten Bereich eingestellt werden können, um damit die Abstrahlcharakte ristik am distalen Ende des optischen Streurohres in vorherstimmbarer Weise verändert werden kann.An is placed over the working channel of an endoscope advanced second optic shaft, the distal End a liquid-tight for each Application wavelength range but optically permeable dome has a special shape, the design in combination with the Scattering properties of the dome material in this way is chosen that predetermined volume elements sufficiently isotropic with optical beam can be applied. It did surprisingly shown that opalescent Materials in both crystal and glass form are particularly suitable as light scatterers, especially when using a Nd: YAG Lasers. According to the invention, the radiation the Nd: YAG laser by an optical light waveguide to a proximal optical incision place of the endoscope and within the Endoscope with suitable relay optics for the distal End led. The relay optics is so out that the distal scattered light dome is illuminated as homogeneously as possible. Depending on The size of the endoscope system will be continued the idea of the invention the energy transfer carrying optical fiber also within the Endo scope shaft continued to the distal brought stray light dome. In this case, however according to the invention the numerical aperture of the Optical fiber to the desired solid angle fit. In continuation of the inventive concept that will enter the working channel of an endoscope guided light pipe with a liquid rinsed to warm up the applicator even through stray light from the To avoid laser radiation. In one particularly preferred embodiment is as Cooling medium, in turn, a light-scattering river liquid used such. B. an oil-water emul sion in the preferred embodiment made of silicone oil and water (if necessary mixed with suitable detergents) in an ultrasonic bath is produced, then through a circulation pump coaxially guided through the endoscope shaft being, by the frequency and intensity of the The scattering properties of the oil Water emulsion set in wide range can be to make the radiation characteristics Statistics on the distal end of the optical scattering tube can be changed in a predictable manner.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbei spiel wird anstelle des starren optischen Streuroh res ein flexibler Katheterschlauch verwendet, der am distalen Ende anstelle des optischen Streu domes eine expandierbare Verschlußkappe trägt, die für die benutzte Wirkstrahlung transparent ist und nicht absorbiert. Dieser so abgeschlossene Katheterschlauch wird dann ebenfalls wieder wie am oben ausgeführten Beispiel des starren Streu rohres mit einer biokompatiblen Streuflüssigkeit, z. B. einer Fett/Öl-Wasser-Emulsion - wie z. B. einer Infusionslösung - durchströmt. Die Laserstrahlung wird im Inneren des Katheters über eine reguläre Lichtleitfaser geführt, wobei die Lichtleitfaser end ständig mit dem Katheterschlauch die Strahlung in die expandierbare Verschlußkappe abgibt. Dabei besitzt die Verschlußkappe ein Füllvolumen von typischerweise 0,5 bis 2 cm³ je nach Ausführungsart und weist im entfalteten Zustand eine Länge von typischerweise 5-20 mm auf, die sich ebenfalls am beabsichtigten Anwendungsgebiet orientiert, und ebenso kann der Durchmesser im expandierten Zustand zwischen dem Durchmesser des Katheter schlauches und etwa 1 cm variieren. Die Ver schlußkappe selber ist dabei aus einem formtreuen, nur bedingt elastischen Kunststoffmaterial gefertigt, um im expandierten Zustand eine radialsymmetrische Konfiguration anzunehmen. Der Expansionszustand der Verschlußkappe wird über eine Drucksteuerung an der Einlaßseite der Kühl- und Streuflüssigkeit geregelt. Bei zusätzlicher Verwendung eines Kühlthermostaten im Zuflußkreislauf der Streuflüssigkeit kann über einen Temperatursensor im Zu- und Ablauf auch eine zusätzliche Kühlwirkung an der Wandung der Verschlußkappe zum Gewebe erreicht werden, wodurch eine zusätzliche Schonung der randständigen Gewebeschichten bei der Bestrahlung erreicht wird. Bei der Anwendung dieses Kathetersystems im Gewebe kann die Beaufschlagung mit einem Kompressionsdruck die Lichtausbreitung im Gewebe deutlich verbessern. Bei Anwendung eines derartigen Systems in stärker durchbluteten Körperarealen wie dem Gefäßsystem oder parenchymatösen Organen hat sich gezeigt, daß Oberflächenkühlung der expandierten Verschlußkappe durch Vorkühlung des Streumediums ein gelegentliches Anhaften von Gewebekompartimenten an der entfaltbaren Kunststoffmembran der Verschlußkappe nicht sicher verhindern kann. Dieses Problem wird erfin dungsgemäß dadurch gelöst, daß die Membran der Verschlußkappe in Abstrahlrichtung mehrere prä formierte Poren erhält, durch die ein Teil der Per fusionsflüssigkeit austreten kann und so immer einen Flüssigkeitsfilm zwischen Kunststoffmembran und Gewebe aufrechterhält. Es ist daher notwen dig, wie eingangs erwähnt, biokompatible Streuflüs sigkeiten, wie z. B. einer Fett/Öl-Wasser-Emulsion- Infusionslösung, zu verwenden.In a further preferred embodiment, a flexible catheter tube is used instead of the rigid optical scatter tube, which carries an expandable closure cap at the distal end instead of the optical scatter dome, which is transparent to the active radiation used and does not absorb. This catheter tube thus closed is then again, as in the example of the rigid scattering tube explained above, with a biocompatible scattering liquid, e.g. B. a fat / oil-water emulsion - such. B. an infusion solution - flows through. The laser radiation is guided inside the catheter via a regular optical fiber, the optical fiber continuously emitting the radiation into the expandable cap with the catheter tube. The cap has a filling volume of typically 0.5 to 2 cm ³ depending on the design and has a length of typically 5-20 mm in the unfolded state, which is also based on the intended field of application, and also the diameter in the expanded state between the diameter of the catheter tube and vary about 1 cm. The United cap itself is made of a true-to-shape, only partially elastic plastic material to assume a radially symmetrical configuration in the expanded state. The expansion state of the cap is regulated by a pressure control on the inlet side of the cooling and stray liquid. With additional use of a cooling thermostat in the inflow circuit of the stray liquid, an additional cooling effect on the wall of the closure cap to the tissue can also be achieved via a temperature sensor in the inlet and outlet, whereby additional protection of the marginal tissue layers during radiation is achieved. When this catheter system is used in the tissue, the application of a compression pressure can significantly improve the light propagation in the tissue. When using such a system in areas of the body with greater blood flow, such as the vascular system or parenchymatous organs, it has been shown that surface cooling of the expanded closure cap by precooling the scattering medium cannot reliably prevent occasional adherence of tissue compartments to the deployable plastic membrane of the closure cap. This problem is inventively solved according to the fact that the membrane of the closure cap in the radiation direction receives several pre-formed pores through which part of the per fusion liquid can escape and thus always maintains a liquid film between the plastic membrane and the tissue. It is therefore neces sary, as mentioned in the beginning, biocompatible Streuflüs liquids such. B. a fat / oil-water emulsion infusion solution to use.

Die Erfindung wird im einzelnen anhand der Abb. 1 bis 3 erläutert. Dabei zeigt die Abb. 1 einen starren Optikschaft (1), wie er zur Einfüh rung in den Arbeitskanal von Endoskopen verwen det werden kann. Der Optikschaft (1) trägt am distalen Ende einen lichtdurchlässigen Streulicht dom (5), in den der Lichtwellenleiter (2) über eine Einführungsschleuse (12) geführt ist. Im inneren des Optikschaftes kann eine Streuflüssigkeit (21), die über den Zulauf (3) eingeführt wird und in einem koaxialen Hüllrohr (11) zum Abfluß (4) rückströmend zirkulieren. In verschiedenen Aus führungsvarianten kann dabei der Streulichtdom (5) zylindrisch gerundet oder kegelig (51) bzw. mit seitlicher Abstrahlung (52) versehen sein. Bei seit licher Abstrahlung ist ein Spiegelelement (53) zur gerichteten Reflexion der Wirkstrahlung vorgese hen. Abb. 2 zeigt die Vorrichtung zur Umwälzung der kühlenden Streulichtflüssigkeit, die in einem Ultraschallmischer und Reservoir (33) homogeni siert wird, sodann über einen Thermostat (32), der über einen Temperaturfühler in der Rücklauflei tung (34) geregelt wird einer Pumpe (31) zugeführt. Der Sekundärdruck der Pumpe wird über einen Druckwächter (35) in der Zulaufleitung (3) gere gelt. In der Abb. 3 ist die bevorzugte Ausführungs form in Form eines flexiblen Optikschaftes (Streulichtkatheter) gezeigt. Dabei stellt (6) den flexiblen Katheterschlauch dar, der am distalen Ende mit einer optisch transparenten, bedingt elastischen formstabilen Membran (7) abgeschlos sen ist, in der präformierte Poren (71) eingebracht sind. Der Lichtwellenleiter (2) ist wiederum über eine Schleuse (12) in den Optikschaft eingeführt. Die kühlende Streuflüssigkeit (21) wird über einen Zulauf (3) in den mindestens zweilumigen Katheter eingebracht und strömt über den Ablauf (4) den Versorgungsgeräten zu. Die Versorgungsgeräte sind in der Abb. 3b im einzelnen dargestellt. Dabei wird der Ablauf (4) zunächst einem Reservoir (36) zugeführt, von dort über ein Thermostat (32), der über einen Temperaturfühler (34) in der Rück laufleitung gesteuert wird einer Druckpumpe (31) zugeführt, die ihrerseits über einen Druckwächter (35) im Zufluß (3) gesteuert wird.The invention is explained in detail with reference to Figs. 1 to 3. Fig. 1 shows a rigid optical shaft ( 1 ) as it can be used for insertion into the working channel of endoscopes. At the distal end, the optical shaft ( 1 ) carries a translucent scattered light dome ( 5 ), into which the optical waveguide ( 2 ) is guided via an insertion lock ( 12 ). A scattering liquid ( 21 ), which is introduced via the inlet ( 3 ) and in a coaxial cladding tube ( 11 ) to the drain ( 4 ), can circulate backwards in the interior of the optical shaft. In various design variants, the scattered light dome ( 5 ) can be cylindrically rounded or conical ( 51 ) or provided with lateral radiation ( 52 ). If radiation has occurred since then, a mirror element ( 53 ) is provided for directed reflection of the active radiation. Fig. 2 shows the device for circulating the cooling scattered light liquid, which is homogenized in an ultrasonic mixer and reservoir ( 33 ), then via a thermostat ( 32 ), which is controlled by a temperature sensor in the return line ( 34 ), a pump ( 31 ) fed. The secondary pressure of the pump is regulated via a pressure switch ( 35 ) in the feed line ( 3 ). Fig. 3 shows the preferred embodiment in the form of a flexible optical shaft (scattered light catheter). ( 6 ) represents the flexible catheter tube, which is closed at the distal end with an optically transparent, conditionally elastic, dimensionally stable membrane ( 7 ), in which preformed pores ( 71 ) are introduced. The optical waveguide ( 2 ) is in turn inserted into the optical shaft via a lock ( 12 ). The cooling stray liquid ( 21 ) is introduced into the at least two-lumen catheter via an inlet ( 3 ) and flows to the supply devices via the outlet ( 4 ). The supply devices are shown in detail in Fig. 3b. The drain ( 4 ) is first fed to a reservoir ( 36 ), from there via a thermostat ( 32 ), which is controlled by a temperature sensor ( 34 ) in the return line, to a pressure pump ( 31 ), which in turn is fed via a pressure switch ( 35 ) is controlled in the inflow ( 3 ).

Die intrakorporale Benutzung eines erfindungs gemäßen starren oder flexiblen Optikschaftes kann entweder wiederum über den eingangs erwähnten Arbeitsschaft eines Endoskopes erfolgen bzw. bei nichtendoskopischem Vorgehen mit dem flexiblen Katheter mittels eines Trokars oder einer üblichen Schleuse, wobei bei Anwendungen im solid Gewebe zunächst der Weg zum Applikationsort mit einem Mandrin aufbougiert werden muß; sodann wird anstelle des Mandrins der Lichtstreukatheter eingeführt und anschließend das Einführungs besteck so weit zurückgezogen, daß es nicht mehr im Wirkbereich der Strahlung liegt.The intracorporeal use of an invention according to rigid or flexible optical shaft either again via the aforementioned Work shaft of an endoscope non-endoscopic approach with the flexible Catheter using a trocar or a conventional one Lock, with applications in solid Tissue first the way to the application site with need to be bumped on a stylet; then becomes the light scattering catheter instead of the stylet introduced and then the introductory cutlery withdrawn so far that it is no longer is in the effective range of the radiation.

Claims

1. Optical working shaft for a rigid endoscope characterized in that optical radiation of higher power, for. B. a laser can be radiated isotropically by this working shaft at the distal end in predetermined space segments.

2. Optical work shaft after 1 characterized in that at the distal end for active radiation transparent optical dome is attached.

3. Optical work shaft after 1 and 2 characterized in that an opali as material for the optical dome mineral or glass is used.

4. Optical working shaft after 1 and 2 characterized in that the shape of the optical dome of the desired radiation pattern is adapted.

5. Optical work shaft after 1 to 4 characterized in that inside the scattering dome mirror segments are articulably attached, so that additional The radiation pattern is active can be changed.

6. Optical work shaft after 1 characterized in that in addition to the light scattering optical Dom inside a coolant vice versa is wallowing, which in turn is a phase spreader works.

7. Optical work shaft according to 1 and 6 characterized in that as a cooling medium and optically scattering rivers an emulsion of silicone oil and what ser is used.

8. Optical work shaft after 1 and 7 characterized in that the emulsion of water and oil with one Ultrasonic transducer is mixed.

9. Optical working shaft according to 1, 6, 7 and 8 characterized in that to stabilize the ultrasound generated Emulsion a detergent is used.

10. Flexible light scattering catheter as a guide shaft for an optical fiber for the transmission of active radiation in the world length range of 400-1400 nm characterized in that the catheter at the distal end with a optically transparent expandable ver end cap is provided.

11. Optical working shaft (catheter) according to 1, 7 and 10 characterized in that the temperature of the optically scattering cooling liquid is regulated.

12. Optical working shaft after 10 and 11 characterized in that a pressure control for controlled Expansion of the cap provided is.

13. Optical working shaft after 10, 11 and 12 characterized in that Material for the cap a form stable, partially elastic plastic membrane is used.

14. Optical work shaft after 10 to 13 characterized in that the plastic membrane of the cap preformed pores for fluid leakage contains.

15. Optical work shaft after 10 to 14 characterized in that as a biocompatible litter liquid Fat / oil-water emulsion infusion solution is used.