DE4213053A1 - Laser radiation application device for brain tumour therapy - has radiation element at distal end of flexible light conductor enclosed by cooled hermetically sealed outer sheath - Google Patents
Laser radiation application device for brain tumour therapy - has radiation element at distal end of flexible light conductor enclosed by cooled hermetically sealed outer sheathInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Behandlung von Tumoren in lebenden Organismen, insbesondere bei Menschen. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist innerhalb der Neurochirur gie.The invention relates to devices for the treatment of tumors in living organisms, especially in humans. A preferred area of application is within neurosurgery gie.
Unternehmungen aus den 60er und 70er Jahren bestätigen die Beob achtung, daß Gewebetemperaturen zwischen 42°C und 45°C zu einer deutlichen Reduktion des Tumorwachstums führen.Activities from the 1960s and 1970s confirm the observations attention that tissue temperatures between 42 ° C and 45 ° C lead to a lead to significant reduction in tumor growth.
Ein besonders bemerkenswertes Phänomen ist, daß Krebszellen, die sich besonders resistent gegen ionisierende Strahlen erwiesen, besonders sensibel gegenüber Wärme reagieren. Desweitern läßt sich bei schlecht durchbluteten Tumoren, die für die Strahlenthe rapeuten ein Problem darstellen, eine besondere Wärmeempfindlich keit beobachten.A particularly noteworthy phenomenon is that cancer cells that proved to be particularly resistant to ionizing radiation, react particularly sensitively to heat. Expanding with poorly perfused tumors that are responsible for the radiation therapists pose a problem, a particular heat sensitive watch.
Die Tumorbehandlung durch induzierte Hyperthermie/Thermotherapie wird weltweit erprobt und in wenigen Zentren klinisch eingesetzt. Die Effektivität der Hyperthermiebehandlung, einschließlich ihrer synergistischen Wirkung in Kombination mit Chemo- und Radiothera pie wurde sowohl für Körpertumoren (Coloncarcinom, Melanom, Sarkom) als auch bei malignen gliösen Hirntumoren und Hirnmeta stasen nachgewiesen.Tumor treatment by induced hyperthermia / thermotherapy is being tested worldwide and used clinically in a few centers. The effectiveness of hyperthermia treatment, including it synergistic effect in combination with chemo- and radiothera pie was used for both body tumors (colon carcinoma, melanoma, Sarcoma) as well as malignant glious brain tumors and brain meta proven.
Bei den bisher angewandten und in der Literatur beschriebenen Hyperthermieverfahren erfolgt die Tumorüberwärmung durch Ganzkör perhyperthermie, regionale oder interstitielle Hyperthermietech niken. In the previously used and described in the literature Hyperthermia procedure, the tumor is heated by whole body perhyperthermia, regional or interstitial hyperthermia niken.
Die Ganzkörperhyperthermie stellt eine sehr aufwendige Methode dar, bei der die Körpertemperatur auf 40,5°C-43°C erhöht wird. Probleme, die sich bei der Ganzkörperhyperthermie ergeben, liegen in der Temperaturbegrenzung.Whole body hyperthermia is a very complex method at which the body temperature is increased to 40.5 ° C-43 ° C. There are problems with whole body hyperthermia in the temperature limit.
Zur Vernichtung der Tumore werden hohe Temperaturen benötigt, die auch technisch zu erzielen sind. Die Beherrschung dieser Tempera turwirkungen auf das Kreislauf- und Zentralnervensystem ist aber sehr problematisch, so daß es häufig zu ernsthaften Hirn- und Leberschädigungen kommt.High temperatures are required to destroy the tumors can also be achieved technically. Mastering this tempera effects on the circulatory and central nervous system very problematic so that it often leads to serious brain and Liver damage is coming.
Die regionale Hyperthermie mittels extern angeordneten Applika toren kann mit Mikrowellen, Radiofrequenzen, Ultraschall sowie auf Basis elektromagnetischer Felder durchgeführt werden. Dabei sind externe Einzel- und Mehrfachanordnungen der Applikatoren möglich. Technische Probleme der genannten Hyperthermieverfahren liegen in der geringen Eindringtiefe, in der Systemankopplung, im Auftreten von Interferenzerscheinungen, in der Fokussierung und in der Temperaturmessung.Regional hyperthermia using externally arranged applications toren can with microwaves, radio frequencies, ultrasound as well on the basis of electromagnetic fields. Here are external single and multiple arrangements of the applicators possible. Technical problems of the hyperthermia procedures mentioned lie in the shallow depth of penetration, in the system coupling, in Occurrence of interference, in the focus and in temperature measurement.
Trotz des Vorteils der Nicht-Invasivität treten aufgrund o.g. Probleme Nachteile auf, die in einer inhomogenen Energiezufuhr im beaufschlagten Gewebevolumen und in einer Schädigung des tumor umgebenden Normalgewebes zu sehen sind.Despite the advantage of non-invasiveness, due to the above Problems have disadvantages in an inhomogeneous energy supply in the impacted tissue volume and damage to the tumor surrounding normal tissue can be seen.
Die Entwicklung interstitieller Hyperthermietechniken begann erst Ende der 70er Jahre. Diese interstitiellen Verfahren besitzen trotz des Nachteils der Invasivität, eine Reihe wesentlicher Vorteile, die in einer homogenen Energieverteilung therapeuti scher Temperaturen, in einer besseren Schonung des tumorumgeben den Normalgewebes, in der Möglichkeit der Therapie von tieflie genden Tumoren sowie in der besseren Behandlungskontrolle und Auswertung durch ausgedehntes "thermal mapping" im Zielvolumen liegen.The development of interstitial hyperthermia techniques only started Late 1970s. Have these interstitial procedures despite the disadvantage of invasiveness, a number of essential Advantages that therapeuti in a homogeneous energy distribution shear temperatures, in a better protection of the tumor the normal tissue, in the possibility of therapy from deep tumors as well as better treatment control and Evaluation by means of extensive "thermal mapping" in the target volume lie.
Bei den interstitiellen Hyperthermieverfahren erfolgt die Wärme zufuhr in die Zielstruktur über implantierte Wärmeapplikatoren, die als Elektroden, Antennen, Seeds bzw. Nadeln ausgebildet sind. With the interstitial hyperthermia procedures, the heat takes place delivery to the target structure via implanted heat applicators, which are designed as electrodes, antennas, seeds or needles.
Es lassen sich die konventionellen interstitiellen Hyperthermie techniken in die resistive Radiofrequenzhyperthermie (RF-HT), die radiative Mikrowellenhyperthermie (MW-HT), die induktive ferroma gnetische Seed-Hyperthermie (FMS-HT) und konduktive Heißwasser- Perfusions-Hyperthermie (HWT-HT) differenzieren. Erst in den letzten Jahren hat eine neue interstitielle Hyperthermietechnik, und zwar die Laserhyperthermie, Einzug in die Therapie maligner Tumoren gehalten.There can be conventional interstitial hyperthermia techniques in resistive radio frequency hyperthermia (RF-HT), the radiative microwave hyperthermia (MW-HT), the inductive ferroma genetic seed hyperthermia (FMS-HT) and conductive hot water Differentiate perfusion hyperthermia (HWT-HT). Only in the recent years has a new interstitial hyperthermia technique, namely laser hyperthermia, moving into malignant therapy Tumors kept.
BOWN nutzte erstmals im Jahre 1983 den Nd : YAG-Laser zur Hyper thermie. Er brachte eine blanke Faser direkt in den Tumor ein. Dies führte aufgrund der hohen Energiedichte an der Faserspitze zu einer Zerstörung der Spitze und zu einer Gewebeverdampfung. Es wurde jedoch nur eine sehr begrenzte Gewebemenge durch dieses kleine Gebiet lokaler Temperaturerhöhung aufgeheizt und außerdem traten Schwierigkeiten bei der Steuerung und Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Tumortemperatur über einen längeren Zeitraum ein.BOWN first used the Nd: YAG laser for Hyper in 1983 thermal. He inserted a bare fiber directly into the tumor. This resulted due to the high energy density at the fiber tip destruction of the tip and tissue evaporation. It however, only a very limited amount of tissue was created by this small area of local temperature rise and also heated up encountered control and maintenance difficulties an even tumor temperature over a longer period of time a.
Ein neues computergesteuertes Kontakt-Nd : YAG-Laser-System für die interstitielle Hyperthermie stellte im Jahre 1988 DAIKUZONO vor (Lasers in Surgery and Medicine 8: 254-258 (1988)). Das dort vorgestellte Laserhyperthermiesystem nutzt nur einen einzigen interstitiellen Kopf mit einer festen Energiequelle, der einen thermischen Effekt im Durchmesser von 1-2 cm bewirkt.A new computer controlled contact Nd: YAG laser system for the Interstitial Hyperthermia introduced DAIKUZONO in 1988 (Lasers in Surgery and Medicine 8: 254-258 (1988)). That there presented laser hyperthermia system uses only one interstitial head with a fixed source of energy that one thermal effect with a diameter of 1-2 cm.
PANJEHPOUR berichtet in seiner Veröffentlichung (Lasers in Surgery and Medicine 10: 16-24 (1990)) im Jahre 1990 über die Entwicklung eines laserinduzierten Hyperthermiesystems. Dieses nutzt eine 13 mm lange und sich nach vorn verjüngende sowie beschichtete Kon taktsonde, um Laserlicht (1064 nm) interstitiell ins Gewebe zu leiten und dort hypertherme Wirkungen zu erzielen. Er konnte in seinen Studien einen therapeutisch relevanten Temperaturanstieg in einem etwa 3,5 cm3 großen zylindrischen Gewebevolumen nachwei sen. PANJEHPOUR reports in its publication (Lasers in Surgery and Medicine 10: 16-24 (1990)) in 1990 about the development of a laser-induced hyperthermia system. This uses a 13 mm long, tapered and coated contact probe to guide laser light (1064 nm) interstitially into the tissue and to achieve hyperthermic effects there. In his studies, he was able to demonstrate a therapeutically relevant rise in temperature in an approximately 3.5 cm 3 cylindrical tissue volume.
Eine Anzahl weiterer Autoren berichtet über experimentelle Studi en auf dem Gebiet der Laserhyperthermie. WALD0W (Lasers in Surge ry and Medicine 8: 510-514 (1988)) nutzt den Nd : YAG-Laser zur Hyperthermie bei Mäusen mit dem SMT-F-Mammakarzinom, ELIAS (Lasers in Surgery and Medicine 7: 370-375 (1987)) brachte eine optische Faser direkt in das normale Rattengehirn ein und MANG (Lasers in Surgery and Medicine 10: 173-178 (1990)) untersucht die Kombination von Laserhyperthermie und photodynamischer Thera pie.A number of other authors report on experimental studies s in the field of laser hyperthermia. WALD0W (Lasers in Surge ry and Medicine 8: 510-514 (1988)) uses the Nd: YAG laser for Hyperthermia in mice with SMT-F breast cancer, ELIAS (Lasers in Surgery and Medicine 7: 370-375 (1987)) brought one optical fiber directly into the normal rat brain and MANG (Lasers in Surgery and Medicine 10: 173-178 (1990)) the combination of laser hyperthermia and photodynamic Thera pie.
Desweiteren liegen klinische Studien über stereotaktisch durchge führte, kernspintomografisch und PET-Scan kontrollierte, laserin duzierte interstitielle Thermotherapien mittels ITT-Lichtleiter vor(Lasermedizin 7 (1991), S. 41-51).Furthermore, there are clinical studies on stereotactic led, MRI and PET scan controlled, laserin reduced interstitial thermotherapy using ITT light guides before (Laser Medicine 7 (1991), pp. 41-51).
Für die Applikation von Licht, vorzugsweise von Laserstrahlung, in Tumoren zum Zwecke der Erwärmung nimmt das Faserübertragungs system eine Schlüsselstellung ein.For the application of light, preferably laser radiation, in tumors for the purpose of warming this takes fiber transfer system a key position.
Bisher bekannte Übertragungssysteme sind: (Lasermedizin 7 (1991), S. 41-5)Known transmission systems are: (Laser Medicine 7 (1991), pp. 41-5)
- - Bare-Fibre: kleine Austrittsfläche der Strahlung bewirkt eine hohe Leistungsdichte und damit ein hohes Risiko der Karbonisierung des Gewebes;- Bare-Fiber: small exit area of the radiation causes one high power density and thus a high risk the carbonization of the tissue;
- - Diffusoren: Glaskappen erzeugen je nach Aufbau eine diffuse, radiale Abstrahlung des Laserlichtes über eine Länge von 5-15mm, Leistungsdichte am Faser-Gewebe- Übergang ist niedriger als bei der bare-Fiber und schließt eine Karbonisierung aus, konstruktiver Aufbau der Kappe begrenzt jedoch die maximal über tragbare Leistung auf 1 Watt, Leistung reicht nicht für die Zwecke der Hyperthermie/Thermotherapie aus;- Diffusers: Depending on the structure, glass caps produce a diffuse, radial emission of the laser light over a Length of 5-15mm, power density on the fiber fabric Transition is lower than that of the bare-fiber and precludes carbonization, more constructive Structure of the cap, however, limits the maximum over portable power to 1 watt, power is not enough for the purposes of hyperthermia / thermotherapy;
- - Saphirspitzen: diffuse, radiale Abstrahlung des Laserlichtes, maximal übertragbare Leistungen bis zu 3 Watt, Leistung unzureichend; - Sapphire tips: diffuse, radial radiation of the laser light, maximum transferable power up to 3 watts, Poor performance;
- - ITT-Faser: kegelförmige, zirkumferenzielle Abstrahlung, Leistungen von 3-10 Watt übertragbar.- ITT fiber: conical, circumferential radiation, Outputs of 3-10 watts can be transferred.
Allen ist gemeinsam, daß ein therapeutischer Effekt in einem sehr begrenztem Bereich mit einem Durchmesser von 1 cm bis maximal 3 cm nachzuweisen ist. Die Erhöhung der einkoppelbaren Leistung ohne Gewebeverbrennung ist der entscheidende Faktor für das maximal zerstörbare Tumorvolumen.Common to all is that a therapeutic effect in a very limited area with a diameter of 1 cm to a maximum of 3 cm must be demonstrated. The increase in power that can be coupled in without Tissue burn is the deciding factor for the maximum destructible tumor volume.
Ziel der Erfindung ist eine klinisch anwendbare Einrichtung zur direkten interstitiellen Hyperthermie/Thermotherapie sowie photodynamischen Therapie, vorzugsweise von Hirntumoren.The aim of the invention is a clinically applicable device for direct interstitial hyperthermia / thermotherapy as well photodynamic therapy, preferably brain tumors.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine maximale, gleich mäßige, therapeutisch relevante Temperaturverteilung ohne Karbo nisierung im Tumor zu erzeugen.The invention has for its object a maximum, the same moderate, therapeutically relevant temperature distribution without carbo generation in the tumor.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mittels einer Einrichtung zur interstitiellen Hyperthermie/Thermotherapie/photodynamischen Therapie.The object is achieved according to the invention by means of a device for interstitial hyperthermia / thermotherapy / photodynamic Therapy.
Die erfindungsgemäße Einrichtung besteht darin, daß die über einen Lichtwellenleiter zugeführte Strahlung durch eine Einrich tung zur gleichmäßigen Einstrahlung im Gewebe verteilt wird und ein Kühlsystem vorhanden ist, so daß die bei der Strahlungsab sorption im Tumorgewebe entstehende Wärme teilweise aus dem Körper abgeführt wird und somit Leistungen bis zu 50 Watt über tragbar sind, womit große Tumorvolumen zerstört werden können. The inventive device is that the over an optical fiber supplied radiation by a device is distributed in the tissue for even radiation and a cooling system is available, so that the radiation at sorption in the tumor tissue arises partly from the Body is dissipated and thus powers up to 50 watts above are portable, with which large tumor volumes can be destroyed.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.The invention is illustrated by an embodiment explained.
In der zugehörigen Zeichnung zeigen:In the accompanying drawing:
Fig. 1 Temperaturverläufe bei laserinduzierter Hyperthermie/Thermotherapie, Fig. 1 Temperature gradients in laser-induced hyperthermia / thermotherapy,
Fig. 2 Auführungsform eines Hyperthermie/Thermotherapie applikators, Fig. 2 Auführungsform a hyperthermia / applicator thermotherapy,
Fig. 3 Querschnitte unterschiedlicher Innenaufbauten. Fig. 3 cross sections of different interior structures.
Den Temperaturverlauf im Tumor zeigt Fig. 1 schematisch. Kurve A ergibt sich, wenn die Laserleistung über eine geeignete Einrich tung, zum Beispiel einen zylindrischen Diffusor, in das Gewebe eingestrahlt wird. Durch die hohe Strahlungskonzentration an der Einstrahlungsfläche am Mantel des Diffusors ist die Temperatur dort auf den zulässigen Maximalwert TM angestiegen, bei dem es noch zu keiner Karbonisierung des Gewebes kommt. Von dort fällt die Temperatur monoton zur Tumorperipherie hin ab. Am Tumorrand RG wird die Temperatur nur wenig über der Ausgangstemperatur TV liegen. Erhöht man die applizierte Strahlungsleistung, kann die Temperatur auch an diesem Punkt den zum Therapieeffekt nötigen Wert TT erreichen, am Applikator wird jedoch die zulässige Tempe ratur TM überschritten, was zur Karbonisierung des Gewebes und zur Selbstzerstörung des Applikators führen kann.The temperature profile in the tumor, Fig. 1 schematically. Curve A results when the laser power is irradiated into the tissue via a suitable device, for example a cylindrical diffuser. As a result of the high radiation concentration on the irradiation surface on the jacket of the diffuser, the temperature there has risen to the permissible maximum value T M , at which there is still no carbonization of the tissue. From there, the temperature drops monotonically towards the tumor periphery. At the tumor edge R G , the temperature will be only slightly above the initial temperature T V. If the applied radiation power is increased, the temperature can also reach the value T T necessary for the therapeutic effect at this point, but the permissible temperature T M is exceeded at the applicator, which can lead to carbonization of the tissue and self-destruction of the applicator.
Die Kühlung des Applikators, zum Beispiel durch eine Spülung im Inneren mit einer Kühlflüssigkeit mit der Temperatur TK, leitet entsprechend dem Wärmeleitwert des Tumorgewebes die zu große Wärmeleistung aus der Applikatorumgebung ab.The cooling of the applicator, for example by rinsing the inside with a cooling liquid with the temperature T K , derives the excessive heat output from the applicator environment in accordance with the thermal conductivity of the tumor tissue.
Aufgrund der Eindringtiefe der Strahlung wird aber ein größeres Volumen erwärmt, als durch die Kühlung erreicht werden kann, was zu einem Temperaturverlauf C führen kann. Durch Regelung von Laserleistung und Kühlflüssigkeitsmenge läßt sich der Temperatur verlauf an die Tumorgröße anpassen. Due to the penetration depth of the radiation, however, it becomes larger Volume heated than what can be achieved by cooling can lead to a temperature curve C. By regulating Laser power and amount of coolant can be adjusted to the temperature adapt the course to the size of the tumor.
Nach Fig. 2 ist der Aufbau eines solchen flexibel-starren Appli kators vorzugsweise dadurch möglich, daß in einem einseitig geschlossenen, biokompatiblen, transparenten Hüllkatheter/-rohr (1) ein Lichtwellenleiter (2), der mit einer Vorrichtung zur gleichmäßigen Strahlungsverteilung (3) (vorzugsweise zylinderför mig) verbunden ist und die Innenkatheter/-rohre (4), die die Kühlflüssigkeit zu- und abführen, angeordnet sind. Die Kühlflüs sigkeit KE wird zur Applikatorspitze (5) geleitet, wo sie die Vorrichtung zur gleichmäßigen Einstrahlung (3) umspült und die Innenseite des Hüllkatheters/-rohres (1) an der Einstrahlungs stelle im Tumor (6) kühlt, bevor sie den Hüllkatheter/-rohr (1) an den Austrittsstelle KA verläßt.According to Fig. 2, the construction of such a flexible-rigid applicator is preferably possible in that, in a biocompatible, transparent sheath catheter / tube ( 1 ) closed on one side, an optical waveguide ( 2 ), which is provided with a device for uniform radiation distribution ( 3 ) (preferably zylinderför mig) is connected and the inner catheter / tubes ( 4 ) which supply and discharge the cooling liquid are arranged. The Kühlflüs liquid K E is passed to the applicator tip ( 5 ), where it rinses the device for uniform radiation ( 3 ) and the inside of the sheath catheter / tube ( 1 ) at the irradiation point in the tumor ( 6 ) cools before the sheath catheter / pipe ( 1 ) at the exit point K A leaves.
Fig. 3 zeigt Querschnitte unterschiedlicher Ausführungsformen der Katheter. Fig. 3 shows cross-sections of different embodiments of the catheter.
Nach Fig. 3a sind sowohl Lichtwellenleiter (2) als auch Innen katheter/-rohr (4) kollinear im Hüllkatheter/-rohr (1) eingezo gen.According to Fig. 3a, both optical fibers ( 2 ) and inner catheter / tube ( 4 ) are collinear in the sheath catheter / tube ( 1 ).
Fig. 3b zeigt eine konzentrische Anordnung aller Stränge zur günstigeren Aufteilung der Querschnitte. Fig. 3b shows a concentric arrangement of all strands for more favorable division of the cross sections.
Auch eine mehrfache Anordnung der Innenkatheter/-rohre (4) ent sprechend Fig. 3c ist möglich.A multiple arrangement of the inner catheter / tubes ( 4 ) accordingly Fig. 3c is possible.
Ein Beispiel der Verwendung von gekammerten Innenkathetern/ rohren (4) zeigt Fig. 3d.An example of the use of chambered inner catheters / tubes ( 4 ) is shown in Fig. 3d.
Auch eine Umkehrung der Fließrichtung, die die Innenkatheter/ rohre (4) als Kühlmittelabfluß nutzen, ist möglich, aber wegen der Herabsetzung der Temperatur in Katheter-/Rohrnähe und der damit verbundenen Störung des Therapieeffektes nicht günstig.A reversal of the flow direction, which the inner catheter / tubes ( 4 ) use as a coolant drain, is possible, but not favorable because of the lowering of the temperature near the catheter / tube and the associated disruption of the therapeutic effect.
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