DE19740824A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steigerung der Durchblutung des Herzmuskels - Google Patents

Description

Aufgabenstellung

Es soll eine Vorrichtung entwickelt werden, die es ermöglicht im Rahmen einer klinischen Intervention die Durchblutung in minderversorgten Arealen des Herzmuskelgewebes zu stei­ gern.

Stand der Technik

Unter dem Schlagwort "Trans-Myokardiale Laser- Revaskularisierung" werden derzeit überwiegend drei unter­ schiedliche Lasersysteme, nämlich gepulste CO₂-Laser, gepul­ ste Holmium-YAG-Laser und Excimer-Laser zur Erzeugung kleiner Perforationsöffnungen des Herzmuskels eingesetzt, mit dem Ziel, hierdurch die Durchblutungs- und Versorgungsstö­ rungen des betroffenen Muskelgewebes zu beheben und mit­ tel- bis langfristig die Bildung neuer Gefäße anzuregen. Der­ artige Systeme werden derzeit von den Firmen PLC/USA, CARDIO GENESIS/USA und USSC/USA angeboten. Ob­ wohl bis heute offenbar der Mechanismus, der bei Anwendung dieser Systeme zur Verbesserung der Versorgungssituation im Herzmuskel führt, in keiner Weise verstanden ist, wird in ei­ nem relativ hohen Prozentsatz der behandelten Patienten eine zumindest vorübergehende Verbesserung des Krankheitsbildes beobachtet. Die Marktpreise dieser Systeme liegen zwischen 200 TDM und 1,5 Mio. DM. Die genannten Lasersysteme variieren in ihren Einstellparametern dramatisch sowohl hin­ sichtlich der Wellenlänge als auch der applizierbaren Pulse­ nergie und Wiederholrate der Impulse, wie auch der Pulsbreite und der Art der Anwendung. Vergleiche hierzu das Buch "Transmyokardiale Laserrevaskularisation, Stand und Aus­ blicke, Band 11 der Reihe "Fortschritte in der Lasermedizin", ecomed, Landsberg und München 1996".

Erfindungsgemäße Lösung

überraschenderweise konnte festgestellt werden, daß die bis­ her beim Einsatz dieser hochenergetischen Lasersysteme er­ zielten Erfolge, sich im wesentlichen auf zwei laserinduzierte Effekte zurückführen lassen:
Die Erzeugung intramuskulärer Stoßwellen durch den Prozeß der Photoablation einer schnellen lokalen thermischen Explo­ sion zur Verdampfung des Gewebes in der Zielregion sowie durch die um Grundsatz bei dieser Art der Laseranwendung (gemeint ist der Prozeß der Photoablation) letzlich unver­ meidbare thermische Schädigung der Randzonen, die je nach benutzten Einstellparametern der o. g. Laser von der Karboni­ sierung (d. h. Verkohlung) über Koagulation zur extremen Hyperthermie reicht. Auch für Experten auf diesem Gebiet völlig überraschend konnte nun gezeigt werden, daß die bisher berichteten akuten Erfolge dieses Verfahrens im wesentlichen auf sekundäre Effekte der entstehenden Stoßwellen und damit verbundenen Druckamplituden zurückzuführen sind und daß die Langzeiterfolge im wesentlichen auf die Ausbildung der thermisch beeinflußten Randzone der angelegten Kanäle zu­ rückzuführen ist. Bei den nach dem Stand der Technik einge­ setzten Systemen ist es a priori völlig unmöglich, die Wir­ kungsweise der Stoßwellen, d. h. die entstehende Druck­ amplitude und Druckstoßdauer sowie die damit verbundene Tiefenwirkung getrennt von denen bei Durchführung des Verfahrens auftretenden thermischen Randschädigungen zu optimieren. Ebenso ist es völlig unmöglich, die erkennbar vorteilhafte Ausbildung einer thermischen Randzone getrennt von den Stoßwellen zur Erzielung und Optimierung der be­ richteten Langzeiterfolge weiter zu optimieren.

Erfindungsgemäß wird daher ein Gerätesatz entwickelt, mit dem es möglich ist, die beiden derzeit ausschließlich durch einen einzigen Laser erzeugten Effekte - Stoßwelle und ther­ mische Randzone - unabhängig voneinander einzustellen und patientenspezifisch zu optimieren.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß zur Erzeugung der notwendigen Perforation des Muskelgewebes auch über Lichtwellenleiter geführte Ultraschallwellen, deren grundsätz­ liche Erzeugung aus der DE (Anmeldenummer einsetzen) be­ kannt ist, benutzt werden können. Dies ist um so erstaunli­ cher, als die herrschende Lehrmeinung davon ausgeht, daß Ultraschallchirurgie-Einrichtungen ausschließlich entweder an parenchymatösen oder Hirngewebe und in begrenztem Um­ fange an Hartgewebe eingesetzt werden können, jedoch nicht primär an kolagenhaltigen Geweben, wie Muskelgewebe. Er­ findungsgemäß wird dieses Problem dadurch gelöst, daß die Arbeitsfrequenz des Ultraschallerzeugers in einem Frequenz­ bereich zwischen 20 und 100 kHz gewählt wird, vorzugsweise im Bereich zwischen 30 und 50 kHz. Durch die Verwendung von Ultraschall höherer Frequenz läßt sich so auch kollagene Faserstruktur wie Muskelgewebe gezielt zerstören, wobei der ursprünglich athermische Prozeß der US-Gewebezerstörung aufgrund der zunehmenden Friktion am Gewebe gezielt zu einem partiell thermischen Prozeß erweitert werden kann, um wie für die hier dargestellte erfindungsgemäße Lösung nicht nur einen feinen Kanal im Myokard zu erzeugen, sondern die­ sen auch mit einer einstellbaren Koagulationszone versehen kann. Eine derartige Vorrichtung besteht aus einem, entweder magnetostriktiven oder piezoelektrischen Ultraschallschwin­ ger, an dem ein nach dem Stand der Technik berechneter Amplitudentransformator (Ultraschallhorn) zur Ankopplung der optischen Faser angesetzt wird. Mit einem derartigen Handstück gelingt es sodann, durch Anlegen der ultrafre­ quenten Zug- und Druckspannungen an das Zielgewebe, die Gewebestruktur zu zerreißen und Kanäle (Bohrungen) im Muskelgewebe mit etwa dem Durchmesser der schallführen­ den Glasfaser anzulegen. Durch aktive Regelung der Ultra­ schallfrequenz kann sodann während des Anlegens der Boh­ rung die Impedanzanpassung der Schallübertragung zwischen schallführender Glasfaser und Gewebe gezielt variiert werden, mit der Folge, daß die bei Fehlanpassung überschüssige Ultra­ schallenergie als Reibungsverluste auf die Kanalwand übertra­ gen werden und hier zu einer kontrollierten Aufwärmung und damit zur Erzeugung der gewünschten thermischen Randzone genutzt werden können. Aus der DE (eigene Ultraschallpa­ tentnummer angeben) ist ebenfalls bekannt, daß grundsätzlich der für die Ankopplung die Lichtleitfaser zu verwendende Ultraschallschwinger mit einer zentralen Bohrung versehen werden kann, so daß in die schallführende Arbeitsfaser reto­ grad durch Einbringen einer weiteren Lichtleitfaser in das Ul­ traschallhandstück, grundsätzlich auch Laserlicht eingekoppelt werden kann. Diese Möglichkeit, die derzeit nach dem Stand der Technik ausschließlich zur Übertragung von kontinuierli­ chem (CW) Laserlicht genutzt wird, soll nun erfindungsgemäß dazu verwendet werden, Impulse eines gütegeschalteten Neo­ dym-YAG-Lasers simultan zur Schallübertragung an das di­ stale Ende der Arbeitsfaser zu führen. Dabei werden die Pul­ senergien des verwendeten gütegeschalteten Lasers so einge­ stellt, daß im Arbeitsbereich ein optischer Durchbruch am Zielgewebe erreicht werden kann, was unmittelbar zur Erzeu­ gung von Stoßwellen führt. Nach dem Stand der Technik ist bekannt, daß oberhalb dieser optischen Durchbruchschwelle die Druckamplituden der Stoßwellen durch Erhöhung der Laserenergie in weiten Bereichen variiert werden kann. Es ist ebenfalls nach dem Stand der Technik bekannt, daß die Puls­ länge eines gütegeschalteten Lasers durch aktive Güteschal­ tung beispielsweise mittels einer Pockels-Zelle ebenfalls in weiten Bereichen variiert werden kann.

Zusammenfassend läßt sich also feststellen, daß mit der be­ schriebenen Vorrichtung bestehend aus einem Ultraschallsen­ der mit angekoppelter optischer Arbeitsfaser und zentral von einem gütegeschalteten Laser zugeführten gepulsten Laser­ strahlung die Zielparameter - Ausbildung einer thermischen Randzone und Druckwellenamplitude - getrennt und unab­ hängig voneinander optimal eingestellt werden können. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird sodann durch Vorversuche eine optimale Pulsbreite des gütegeschalteten Lasers festgelegt und dann bei festgehaltener Pulsbreite nur noch die Pulsenergie variiert. Hierfür ist in besonderer Weise ein passiv gütegeschalteter Neodym-YAG-Laser geeignet, wie er beispielsweise im wesentlichen aus den handgehaltenen militärischen Entfernungsmessern bekannt ist.

In einer bevorzugten konstruktiven Ausführungsvariante wird der Ultraschallschwinger mit angekoppelter Arbeitsfaser im Inneren eines Hüllrohres angebracht, dergestalt daß seine Po­ sition im Hüllrohr mit bekannten Maßnahmen nach dem Stand der Technik, beispielsweise mittels Elektromotor und Getrie­ be, hydraulisch oder rein mechanisch (Federwerk) in seiner achsialen Position kontrolliert verschoben werden kann. Am äußeren Hüllrohr wir sodann am distalen Ende eine Fixiervor­ richtung angebracht, dergestalt daß das Hüllrohr am Epikard des zu behandelnden Herzmuskels verankert werden kann und sodann nach Aktivierung der Verschiebeeinrichtung der Ultra­ schallperforationsprozeß mit kontrolliertem Vorschub in Gang gesetzt werden kann. Gleichzeitig wird auch das proximale Ende des Hüllrohres in miniaturisierter passiv gütegeschalteter Neodym-YAG-Laser angeflanscht, dessen Strahlung dann über ein geeignetes optisches System durch die zentrale Boh­ rung des Ultraschallschwingers in die Arbeitsfaser eingekop­ pelt wird. Derartige passiv gütegeschaltete Neodym-YAG- Laser können mit einer Baugröße von ca. 5-8 cm Länge und 3-4 cm Durchmesser gebaut werden, von ähnlicher Größe ist der Ultraschallschwinger, so daß eine derartige erfindungsge­ mäße Vorrichtung eine Baulänge von ca. 20 (+ 5) cm besitzen kann, bei einem voreinstellbaren Arbeitshub der Verschiebe­ einrichtung von ca. 3 cm. Die erfindungsgemäße Lösung ist in den Abb. 1 näher beschrieben und erläutert.

Es folgt die Beschreibung der Abbildungen.

Fig. 1 Dargestellt ist das gesamte Applikationssystem, bestehend aus einer Laser-Baugruppe (1), einem die Baugruppen aufneh­ mendes Handstück (2), einer elektrischen Motoreinheit (3) die es ermöglicht den gelagerten Ultraschallwandler (6) linear in axialer Richtung zu verschieben. Angekoppelt an den Ultra­ schallwandler (6) befindet sich der opto-akustische Wellen­ leiter (7) und (7a) der sowohl die von (6) erzeugte Ultra­ schallenergie sowie die über die Stirnfläche (5) eingekoppelte Laserenergie überträgt. Zur Lasereinkopplung ist im Freistrahl eine Linse (4) angeordnet. Ein Positionierteller mit Gewebe- Fixiereinrichtung (9) ermöglicht über einen seitlich offenen Bereich (8) das visuelle unterstützte Positionieren des Appli­ kators.

Claims (1)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Kanälen im Herz­ muskelgewebe, dadurch gekennzeichnet, daß daß bei der Erzeugung der Kanäle der thermische Ein­ trag in die Kanalwand und in der Tiefe des Gewebes wirkende Druckamplituden getrennt voneinander einge­ stellt werden können, wobei die Erzeugung des Kanals mittels Ultraschallenergie und die Erzeugung der Druckamplituden mittels Laserenergie erfolgt.