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Die Erfindung betrifft einen Laser Manipulator zum manuellen Steuern des Fokuspunktes eines sichtbaren und bzw. oder unsichtbaren Lasers entlang eines, insbes. medizinischen, Präparates, wobei das optische System des Manipulators vorzugsweise ausschliesslich aus Spiegelelementen besteht und der Laserstrahl insbes. durch einen konvexen Spiegel aufgeweitet und zu einem konkaven Spiegel reflektiert wird.
Bei chirurgischen bzw. mikrochirurgischen Anwendungen muss der Laserstrahl auf einen Durchmesser von unter 1 mm (typischer Weise 0, 1mm bis 0, 5mm) fokussiert und über das zu behandelnde Gewebe geführt werden. Die dabei erzielte Wirkung muss nicht nur mit freiem Auge, sondern vorzugsweise auch mittels Lupenbrille oder Operationsmikroskop beobachtet werden können.
Zum manuellen Führen eines Laserstrahls in der Chirurgie sind unterschiedliche Vorrichtungen und Verfahren vorgeschlagen worden : Aus den Patentschriften US 5257992, US 5304174 und US 4607919 sind Vorrichtungen bekannt, mit welchen der Laserstrahl mithilfe eines schwenkbaren, teildurchlässigen Planspiegels geführt werden kann. Man kann dabei die Operationsstelle zwar mit einem Operationsmikroskop einsehen, aber der teildurchlässige Planspiegel, der für das Operationsmikroskop als schiefstehende Planplatte wirkt, bewirkt einerseits Farbveränderungen durch die Teilerschicht und andererseits durch den im optischen Strahlengang des Mikroskops hervorgerufe-
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deren Hilfe der Laserstrahl durch einen schwenkbaren Planspiegel ("Scanspiegel") geführt wird, weicher sich seitlich der Beobachtungsrichtung befindet.
Alle vorgenannten Verfahren erfordern es, dass der Laserstrahl durch optische Elemente, die sich vor dem jeweiligen Scanspiegel befinden, fokussiert werden muss.
Zur Bestimmung der Lage des Fokuspunktes wird bei einem unsichtbaren Arbeitslaser (z. B. einem CO2-Laser) meist ein Führungslaser im sichtbaren Spektralbereich verwendet, der in den Strahlengang des CO2-lnfrarot-Lasers eingespiegelt und wie dieser durch den beweglichen Spiegelarm des Chirurgielasers geführt wird (z. B. US 5198926). Wegen der wellenlängenabhängigen Brechzahl der optischen Materialien ist die gleichzeitige Fokussierung beider Laserstrahlen am selben Ort jedoch schwierig (US 5289557).
Die Nachteile der oben angeführten, bekannten Lösungen werden erfindungsgemäss dadurch vermieden, dass der Laserstrahl durch den konkaven Spiegel in einen Fokuspunkt der Arbeits-
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in dieser Ebene, vorzugsweise manuell, verschiebbar ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der konkave Fokusspiegel zur Führung des Fokuspunktes in der Arbeitsebene bzw. Scanfläche in einer Richtung durch eine Kippbewegung um eine Achse durch den Scheitelpunkt des Konkavspiegels oder durch einen Punkt in dessen Nähe und in der senkrechten Richtung durch eine Schiebebewegung, bewegbar
In einer zweckmässigen Weiterbildung der Erfindung gleitet bei einem Laser Manipulator, der einen Betätigungshebel ("Joy Stick") zur Steuerung des Fokusspiegels aufweist und dessen kugelförmig ausgebildetes Ende in einem Kalottenlager gelagert ist, auf einem zylindrischen Schaft des Betätigungshebels eine durchbohrte Kugel, die ihrerseits in einem Kalottenlager des fest mit dem Fokusspiegel verbunden Spiegelträgers gelagert ist, weicher relativ zu einer Grundplatte, die die X-Y-Ebene definiert,
und einer mit dieser verbundenen Führungsplatte verschiebbar ist.
Vorzugsweise ist die Führungsplatte gemeinsam mit dem Gleitstück in Y-Richtung und bei relativ zur Grundplatte feststehendem Gleitstück in X-Richtung beweglich angeordnet.
Vorteilhaft ist ein Halter für das Präparat in an sich bekannter Weise mit dem Manipulator verbunden, wobei dieser Halter zur Veränderung der Arbeitsebene am Präparat gegenüber dem Manipulator verstellbar ist
Die in der Chirurgie zur Gewebebehandlung häufig verwendeten CO2-Laser können meist in einem Leistungsbereich von 1 W bis 50W Ausgangsleistung geregelt werden. Für viele Anwendungen der Mikrochirurgie, (z. B. Koagulation) sind jedoch oft Ausgangsleistungen weit unter 500 mW erforderlich. Die erforderliche Leistungsreduzierung erfolgt meist über polarisationsabhängige Strahlenteiler, die zu unkontrollierten Leistungsschwankungen führen können.
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Ebene A-A in Abb. 1. In Abb. 2 ist schematisch der Strahlengang des Laser Manipulators gemäss Abb. 1 gezeigt.
In Abb. 3 ist, ebenfalls schematisch der Strahlengang eines weiteren Ausführungsbeispieles der Erfindung dargestellt, wobei der Fokusspiegel in mehreren Einstellungen gezeigt ist.
Die Abb. 4 veranschaulicht eine Variante des als Teiles des Manipulators gemäss Abb. 1 gezeigten Reduzierstückes. In der Abb. 5 wird schliesslich eine Alternative zu der in der Abb. 1 gezeigten Lösung dargestellt, bei welcher der CO2- Arbeitslaser über einen Licht- bzw. Wellenleiter mit dem Manipulator verbunden ist.
Der erfindungsgemässe Laser Manipulator, der die Nachteile der oa. bekannten Lösungen vermeidet, ist in einem Ausführungsbeispiel in Abb. 1 dargestellt. Er wird vorzugsweise an das Endstück des nicht dargestellten Spiegelarmes eines Chirurgielasers mittels Normgewinde 1a angeschlossen. Ist eine Reduzierung der Laserleistung erforderlich, erfolgt diese in einem in Abb. 1 dargestellten Reduzierstück 2, das zwischen dem Endstück des nicht dargestellten Spiegelarmes und dem Laser Manipulator angeordnet wird. Die Anbindung an das Endstück des Spiegelarmes erfolgt dann mittels Normgewinde 1 b.
Die optische Wirkungsweise des erfindungsgemässen Laser Manipulators ist mittels Strahlengang in Abb. 2 und Abb. 3 vereinfacht dargestellt : Der Laserstrahl 6 wird gegebenenfalls durch die Blende 13 auf die benötigte Leistung abgeschwächt und dabei durch Beugung in seinem Diver- genzwinkel vergrössert. 6a bezeichnet die Strahlachse, 6b und 6c die hier divergenten Öffnungsstrahlen. Der Laserstrahl 6 wird gegebenenfalls durch den Umlenkspiegel 7 in Abb. 2 umgelenkt. Diese Strahlumlenkung ist zur Vereinfachung in der Zeichnungsebene dargestellt. Der Umlenkspiegel 7 kann jedoch auch so angeordnet sein, dass Laserstrahlen, die nicht aus der Zeichnungsebene kommen sondern beispielsweise normal zu dieser liegen, in die Zeichnungsebene umgelenkt werden.
Der Laserstrahl 6 trifft direkt oder nach entsprechender Leistungsabschwächung wie in Abb. 3 dargestellt, oder nach Strahlumlenkung durch den Umlenkspiegel 7 wie in Abb. 2 gezeigt, auf den Konvexspiegel 8 und wird vom Konvexspiegel 8 zum konkaven Fokusspiegel 9 umgelenkt, wobei der Divergenzwinkel des Laserstrahles durch die Reflexion am Konvexspiegel 8 vergrössert wird. Der Fokusspiegel 9 fokussiert die Laserstrahlung, die symbolisch durch die Strahlachse 6a' und die beiden hier konvergenten Öffnungsstrahlen 6b'und 6c'dargestellt sind, im Fokuspunkt 10.
Der Durchmesser der Laserstrahlung im Fokuspunkt ergibt sich dabei entsprechend den Gesetzmässigkeiten der geometrischen Optik unter Berücksichtigung der Beugungserscheinung für kohärente Strahlung aus dem Durchmesser der Blende 13, den Abständen der angesprochenen optischen Bauteile und ihren Krümmungsradien. Die optisch wirksamen Flächen der Spiegel können sphärisch oder asphärisch ausgebildet sein.
Um die Lage des Fokuspunktes 10 ohne Lageänderung des Laser Manipulators zu verändern, wird der Fokusspiegel 9 vorzugsweise durch translatorische Bewegung in der Zeichnungsebene (X-Richtung) und normal zur Zeichnungsebene (Y-Richtung) in Abb. 3 in seiner Lage verändert. In Abb. 3 ist der Strahlengang für 3 unterschiedliche Positionen des Fokusspiegels 9 bezüglich der X-Richtung mit den korrespondierenden Lagen der Fokuspunkte 10 dargestellt. Beispielsweise ist der Fokuspunkt 10a der Schnittpunkt der Öffnungsstrahlen 6b'und 6c'wenn sich der Fokusspiegel in der mit 9a gekennzeichneten Position befindet.
Die Scanbewegung des Fokuspunktes 10 durch translatorische Bewegung des Fokusspiegels 9 in X-Richtung, wie sie in Abb. 3 dargestellt ist, hat dabei den Vorteil, dass der Fokuspunkt näherungsweise in einer Ebene normal zur Zeichnungsebene liegt (Scanfläche 12), die gegenüber der Strahlachse 6a' (dem Hauptstrahl) gekippt ist.
Dadurch ist die Beobachtung der Operationsstelle normal zur Scanfläche 12 sowohl bei Verwendung von Operationsmikroskopen und Lupenbrillen, als auch bei direkter Beobachtung möglich.
Die Fokusbewegung normal zur Zeichnungsebene kann dabei sowohl durch Verschieben des Fokusspiegels 9 normal zur Zeichnungsebene als auch durch Schwenken des Fokusspiegels 9 um die X-Achse (als X-Richtung dargestellt) erfolgen. Die Verwendung eines erfindungsgemässen Spiegelsystem hat zudem den Vorteil, dass Scan- und Fokussierfunktion unabhängig von der jeweiligen Wellenlänge sind. Der IR-Arbeitslaser und der sichtbare Führungslaser werden stets an der selben Stelle fokussiert, wenn sie aus der selben Richtung kommend durch die Blende 13 treten.
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In einer weiteren Variante gemäss Abb. 5 kann die Anbindung an den Laser über einen flexiblen Licht- bzw. Wellenleiter erfolgen. Dabei wird die Laserstrahlung an Stelle der Blende 13 durch das Ende eines Licht- bzw. Wellenleiters eingebracht und das Ende des Licht- bzw. Wellenleiters durch das in Abb. 2 beziehungsweise Abb. 3 dargestellte Spiegelsystem in der Scanfläche abgebildet.
Bedingt durch den grösseren Öffnungswinkel der aus dem Licht- bzw. Wellenleiter austretenden Laserstrahlung müssen die jeweiligen Abstände und Radien des Spiegelsystem allerdings entsprechend modifiziert und, wie in Abb. 5 gezeigt, ein sichtbarer Führungslaser in den Strahlengang eingesiegelt werden.
In Abb. 1 bzw. in der vergrösserten Schnittdarstellung Abb. 1a ist der konstruktive Aufbau einer Variante des erfindungsgemässen Laser Manipulators dargestellt. Der Manipulator, der über das Normgewinde 1 a direkt, oder bei Zwischenschaltung der Leistungsreduzierung 2 über das Normgewinde 1 b, an den Laser bzw. dessen Spiegelarm anschliessbar ist, weist einen geteilten Betätigungshebel 14 und 15 auf, dessen kugelförmig ausgebildetes Ende 16 in einem Kalottenlager 17 gelagert ist. Dieser Betätigungshebel kann somit um den Mittelpunkt dieses Lagers in beliebigen Richtungen geschwenkt werden. Am zylindrischen Schaft des Hebels 14,15 gleitet eine durchbohrte Kugel 18, die ihrerseits in einem Kalottenlager des Spiegelträgers 19 gelagert ist.
Der Spiegelträger 19 ist in einer Gleitführung relativ zur Grundplatte 21 und der mit dieser fest verbundenen Führungsplatte 22 in X-Richtung und zusammen mit dem Gleitstück 20 in Y- Richtung verschiebbar gelagert. Mit dem Spiegelträger 19 ist der Fokusspiegel 9, vorzugsweise durch eine Klebeverbindung, fest verbunden. Wird nun der Betätigungshebel 14,15 in beliebiger Richtung bewegt, so erfolgt aus dieser Schwenkbewegung eine Linearbewegung des Spiegelträgers 19 und damit des Fokusspiegels 9 in gleicher Richtung und einer aus dem Hebelgesetz ableitbaren verminderten Grösse.
Da der in Abb. 1 nicht dargestellte Fokuspunkt 10 des Laserstrahles 6, welcher durch den Umlenkspiegel 7 umgelenkt, durch den Konvexspiegel 8 aufgeweitet und durch den konkaven Fokusspiegel 9 fokussiert wird, einer Verschiebung des Fokusspiegels 9 in gleicher Richtung folgt, ist somit eine feinfühlige Einstellung der Lage des nicht dargestellten Fokuspunktes 10 in der Scanfläche 12 möglich.
Das Auffinden der Fokusebene des IR-Arbeitslasers ist durch Beobachtung des Fokuspunktes des Führungslasers besonders dann leicht möglich, wenn der IR-Laserstrahl durch eine Blende zur
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durch seine grössere Wellenlänge und die dadurch bedingte grössere Strahltaille grösser als die des Führungslasers.
In bestimmten Anwendungsfällen, beispielsweise bei Gewebsverklebungen, ist eine mechanische Fixierung der zu behandelnden Gewebsteile in der Fokusebene vorteilhaft. Dazu kann nach Abb. 1 ein Fixierelement 23 beispielsweise mittels Raste und Rastfeder 24 am Manipulator befestigt werden. Die exakte Einstellung des Fixierelementes 23 in die Position der Scanfläche 12 kann mittels geeignetem Verschiebemechanismus, beispielsweise einer Klemmvorrichtung 25 erfolgen. Die gegebenenfalls erforderliche Leistungsreduzierung 2 für den Laserstrahl 6 kann beispielsweise über kaskadenartig angeordnete Blenden 3,4 und 5 erfolgen, die in ihren Durchmessern derart abgestuft sind, dass jede Blende in etwa den gleichen Anteil der überschüssigen Laserleistung durch Absorption in Wärme umsetzt.
Durch diese Art der Leistungsreduzierung wird vom Gauss'schen Intensitätsprofil der Laserstrahlung nur der Zentralteil durchgelassen, wobei der durchgehende Laserstrahl durch Beugung aufgeweitet und dadurch die Wirkung des Konvexspiegels 8 unterstützt wird. Abweichungen der Achse des Laserstrahles 6 von der Achse des Spiegelgelenkarmes führen bei dieser Art der Leistungsreduzierung nur zu einer geringfügigen Leistungsschwankung und der Fokuspunkt des IR-Lasers ist immer deckungsgleich mit dem Fokuspunkt des Führungslasers.
Abb. 4 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemässen Leistungsreduzierung, bei weicher zusätzlich die Leistung der Laserstrahlung gemessen wird. Dazu ist beispielsweise die Blende 5 des Reduzierstückes 2 gekippt angeordnet und mit einer für die IR-Laserstrahlung wirksamen Siegelschicht 26 versehen. Die an dieser Siegelschicht reflektierte Strahlung, deren Leistung proportional der Leistung des durchgehenden Strahlungsanteiles ist, trifft auf den Detektor 27 und führt somit zu einem der Leistung proportionalen Ausgangssignal, das über die Leitung 28 einem entsprechenden Verstärker und Anzeigegerät zugeführt wird.
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Abb. 5 zeigt eine Ausführung, bei der die Strahlung des IR-Arbeitslasers durch einen IR-Lichtleiter 35 zugeführt wird. Die Weiterleitung der IR-Strahlung erfolgt dabei durch Totalreflexion an der Grenzschicht zwischen Kern 35 mit höherem Brechungsindex und Mantel 34 mit niedrigerem Brechungsindex. Alternativ kann ein IR-Lichtleiter mit Stufenindexprofil verwendet werden.
Der IR-Lichtleiter ist im Tubus 33 zentriert und mit dem Anschlussstück 32 am Normgewinde 1a des Laser Manipulators befestigt. Bedingt durch die grössere Divergenz der aus dem IR-Lichtleiter austretenden Laserstrahlung kann es sinnvoll sein, den Spiegel 8 abweichend von der Darstellung als Planspiegel und den Umlenkspiegel 7 als Konkavspiegel auszubilden.
Wird vom IR-Arbeitslaser kein sichtbarer Führungslaser bereitgestellt, beispielsweise weil der IR-Lichtleiter für sichtbares Licht eine zu starke Absorption aufweist, kann die Strahlung eines Lasers oder einer Laserdiode in den Strahlengang des IR-Lasers eingesiegelt werden. Das Prinzip ist in Abb. 5 beispielsweise dargestellt. Die sichtbare Strahlung der Laserdiode bzw. des Lasers, beispielsweise eines frequenzverdoppelten Nd-YAG-Lasers 29 wird durch das Objektiv 30 dem Divergenzwinkel der IR-Laserstrahlung 6 angeglichen und beispielsweise über den Umlenkspiegel 31 in die Richtung des vom Umlenkspiegel 7 umgelenkten IR-Laserstrahles 6 gelenkt.
Der Umlenkspiegel 7 muss dabei als Strahlenteiler ausgelegt sein, dessen Reflexionsfläche die IRLaserstrahlung reflektiert, sichtbares Licht jedoch durchlässt. Die parallele Strahlversetzung des für die sichtbare Laserstrahlung als schiefstehende Planparallelplatte wirkendenden Umlenkspiegel 7 wird dabei durch geeignete Positionierung des Umlenkspiegel 31 ausgeglichen.
IR-Laserstrahl 6 und sichtbarer Laserstrahl 37 laufen nach Umlenkung bzw. Durchgang durch den als Strahlenteiler ausgebildeten Umlenkspiegel 7 mit gleichem Divergenzwinkel als gemeinsamer Laserstrahl 36 in dieselbe Richtung und werden gemeinsam nach Reflexion über den Spiegel 8 durch den Konkavspiegel 9 in die Scanfläche 12 fokussiert.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Laser Manipulator zum manuellen Steuern des Fokuspunktes eines sichtbaren und bzw. oder unsichtbaren Lasers entlang eines, insbes. medizinischen, Präparates, wobei das op- tische System des Manipulators vorzugsweise ausschliesslich aus Spiegel elementen be- steht und der Laserstrahl insbes. durch einen konvexen Spiegel aufgeweitet und zu einem konkaven Spiegel reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (6) durch den konkaven Spiegel (9) in einen Fokuspunkt (10) der Arbeits- bzw. Scanfläche (12) fokussierbar und zur Führung des Fokuspunktes (10) in der Scanflä- che (12) durch zumindest eine Schiebebewegung in einer X-Y-Ebene, vorzugsweise durch
Schiebebewegungen in zwei, insbes. orthogonale, Richtungen in dieser Ebene, beispiels- weise in die X-Richtung oder Y-Richtung in dieser Ebene, vorzugsweise manuell, ver- schiebbar ist.
2. Laser Manipulator nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der konkave Fokusspiegel (9) zur Führung des Fokuspunktes (10) in der Arbeitsebene bzw. Scanfläche (12) in einer Richtung durch eine Kippbewegung um eine Achse durch den Scheitelpunkt (11) des Konkavspiegels (9) oder durch einen Punkt in dessen Nähe und in der senkrechten Richtung durch eine Schiebebewegung, bewegbar ist.