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Di Neuerung betrifft einen Laser Manipulator zum Bearbeiten von insbes. medizinischen Präparaten mit einem sichtbaren und bzw. oder unsichtbaren Laser mit Mitteln zur Leistungsreduktion des Laserstrahles, in welchen die überschüssige
Leistung zum Grossteil in Wärme umgesetzt wird.
Bei chirurgischen bzw. mikrochirurgischen Anwendungen muss der Laserstrahl auf einen Durchmesser von unter Imm (typischer Weise 0, 1mm bis 0,5mm) fokussiert und über das zu behandelnde Gewebe geführt werden. Die fokussierte Laserstrahlung wird am Gewebe in Wärme umgesetzt. Je nach Einsatz muss die Leistung des Lasers sehr unterschiedlich eingestellt werden. So sind beispielsweise beim Einsatz als Laser-Skalpell relativ hohe Leistungen erforderlich, während zum Koagulieren von Blutgefässen oder Nervenfasern nur sehr geringe Leistungen angewendet werden können. Zu berücksichtigen ist hierbei auch das Absorbtionsvermögen des jeweiligen Gewebes. So erfordert eine Behandlung der Hornhaut oder Linse des Auges eine andere Leistungseinstellung wie etwa die eines inneren Organs oder der Haut.
Die erzielte Wirkung wird wohl mit freiem Auge, mittels Lupenbrille oder Operationsmikroskop kontrolliert, die Leistungseinstellung muss aber bereits vor dem Eingriff auf Grund von Erfahrungswerten vorgenommen werden und muss dann auch während der Operation unverändert bleiben. Während des Eingriffes
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kann vom Chirurgen wenn überhaupt, nur eine Feinjustage der Leistung vorgenommen werden Die in der Chirurgie zur Gewebebehandlung häufig verwendeten CO-Laser können meist in einem Leistungsbereich von IW bis 50W Ausgangsleistung
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sind jedoch oft Ausgangsleistungen weit unter 500 mW erforderlich. Die erforderliche Leistungsreduzierung erfolgt meist über polarisationsabhängige
Strahlenteiler, die zu unkontrollierten Leistungsschwankungen führen können.
Diese Nachteil wird gemäss der Neuerung dadurch beseitigt, dass die Leistungsreduzierung mittels einer Blende oder mehreren, inbes. koaxialen Blenden erfolgt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Neuerung reflektiert zumindest eine der Blenden einen Teil des Laserstrahlbündels auf einen Sensor, der mit einem Anzeigegerät verbunden ist, welches die Leistung der an der Blende reflektierten Laserstrahlung anzeigt, welche Leistung proportional der Leistung der die Blende passierenden Laserstrahlung ist, wodurch sich eine Leistungsmessung der NutzLaserstrahlung in Echtzeit ergibt. Der Chirurg hat damit eine exakte Rückmeldung der tatsächlichen Leistung des Lasers.
Weitere Merkmale der Neuerung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Die Abb. l zeigt einen Achsialschnitt durch den erfindungsgemässen Laser Manipulator. Abb.
1 a ist ein Schnitt gemäss der Ebene A-A in Abb. 1. In Abb. 2 ist schematisch der Strahlengang des Laser Manipulators gemäss Abb. l gezeigt. In Abb. 3 ist, ebenfalls schematisch der Strahlengang eines weiteren Ausführungsbeispieles der Neuerung dargestellt, wobei der Fokusspiegel in mehreren Einstellungen gezeigt ist.
Die Abb. 4 veranschaulicht eine Variante des als Teiles des Manipulators gemäss Abb.
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1 gezeigten Reduzierstückes In der Abb. 5 wird schliesslich eine Alternative zu der in der Abb. 1 gezeigten Lösung dargestellt, bei welcher der C02- 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. l dargestellt. Er wird vorzugsweise an das Endstück des nicht dargestellten Spiegelarmes eines
Chirurgielasers mittels Normgewinde la 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 Divergenzwinkel 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
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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 (YRichtung) 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 Spiegelsystems 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 Vanante 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 Spiegelsystems 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. la ist der konstruktive
Aufbau einer Variante des erfindungsgemässen Laser Manipulators dargestellt. Der Manipulator, der über das Normgewinde la 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
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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 Leistungsreduzierung in seinem Durchmesser soweit verringert wird, dass Führungslaser und IR-Laser gleiche oder ähnliche
Apertur aufweisen. Die Schärfentiefe des IR-Lasers ist bedingt 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.
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Abb. 4 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemässen
Leistungsreduzierung, bei welcher 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
Spiegelschicht 26 versehen. Die an dieser Spiegelschicht 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.
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 la 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
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Strahlenteiler ausgelegt sein, dessen Reflexionsfläche die IR-Laserstrahlung reflektiert, sichtbares Licht jedoch durchlässt.
Die parallele Strahlversetzung des für die sichtbare Laserstrahlung als schiefstehende Planparallelplatte wirkendenden Umlenkspiegels 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.