CN110366392A - 激光烧蚀设备以及用于操作和制造这种设备的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于切割人或动物的天然或人造硬组织(2)的激光烧蚀设备(1)，其包括：切割激光源(12)，其适合提供以适于烧蚀硬组织(2)的波长发射的脉冲切割激光束(121)；成像激光源(11)，其适合提供覆盖宽带光谱区域的成像激光束(111)；以及光束混合结构(132)和定位在光束混合结构之后的可移动扫描镜(133)。光束混合结构(132)适合重定向切割激光源(12)的切割激光束(121)和/或成像激光源(11)的成像激光束(111)，使得切割激光束(121)的光轴平行于成像激光束的光轴。扫描镜(133)设置成引导具有平行光轴时的成像激光束(111)和切割激光束(121)。

Description

激光烧蚀设备以及用于操作和制造这种设备的方法
技术领域
本发明涉及根据独立权利要求1的前序部分所述的激光烧蚀设备，更具体地涉及一种操作这种激光烧蚀设备的方法、制造和操作这种激光烧蚀设备的方法以及一种切割人或动物的天然或人造硬组织的方法。
这种激光烧蚀设备——其包括：切割激光源，其适合提供以适于烧蚀硬组织的波长发射的脉冲切割激光束；和成像激光源，其适合提供覆盖宽带光谱区域的成像激光束——可以用于切割人或动物的天然或人造硬组织，例如骨头。
背景技术
为了切割和钻削各种技术领域中的材料，越来越普及使用向该材料施加激光束的设备。当今，在工业应用中，这种切割或钻削是普遍的，因为它允许以高精度高效地且灵活地加工工件。此外，为了切割诸如骨头、软骨等的人或动物硬组织，越来越多地应用使用激光的切割和钻削。例如，在计算机辅助的外科手术中，已知使用激光束作为切割器械。更具体地，例如，在WO 2011/035792 A1中，描述了一种计算机辅助和机械手引导的激光切骨医疗设备，其允许骨头以及其它人或动物硬组织和软组织的精确和缓和的钻削或切割。
已知的激光诱导的人或动物硬组织的激光诱导光烧蚀的一个常见问题涉及控制脉冲激光中的切割深度、光束强度和重复率。与普遍用于非生物材料如金属和塑料的微机械加工的激光诱导光烧蚀相比，当对人或动物的硬组织进行光烧蚀时，关于附带损害的问题是至关重要的。这种附带损害可能由于不适当的激光束强度例如在相邻软组织中引起的加热而例如作为碳化发生。或者，它们也可能由于超出目标硬组织深度的光烧蚀而发生。与上述非生物材料相比，同类型的人或动物硬组织通常因个体而异，从而使这些问题更加难以处理。此外，人或动物硬组织通常不是均匀的，使得组织的光烧蚀特性会特别是根据切割深度而在单个组织目标内变化。为了防止这种过量或不需要的光烧蚀，通常例如借助于光学相干断层扫描(OCT)来对组织中的光烧蚀深度进行光学监测。然而，这种监测通常相当复杂和麻烦。如果用于激光烧蚀，则这种对深度的光学监测减慢了激光器的切割或操作。
因此，需要一种允许方便地烧蚀人或动物硬组织的方法和设备，特别是在激光束对组织造成的附带损害方面。
发明内容
根据本发明，这种需要通过一种由独立权利要求1的特征定义的激光烧蚀设备、一种由独立权利要求15的特征定义的制造激光烧蚀设备的方法和一种由独立权利要求22的特征定义的操作激光烧蚀设备的方法来解决。优选实施例是从属权利要求的主题。
具体而言，本发明涉及一种用于切割人或动物的天然或人造硬组织的激光烧蚀设备。该激光烧蚀设备包括切割激光源、成像激光源、光束混合结构和扫描镜。切割激光源适合提供以适于烧蚀硬组织的波长发射的脉冲切割激光束。成像激光源适合提供覆盖宽带光谱区域的成像激光束。扫描镜可移动并定位在光束混合结构之后。光束混合结构适合重定向切割激光源的切割激光束和/或成像激光源的成像激光束，使得切割激光束的光轴平行于成像激光束的光轴。扫描镜被布置成将成像激光束和切割激光束在具有平行光轴时优选地引导到要由成像激光束和切割激光束击中的目标上。
术语“激光设备”通常涉及一种设备，该设备设置成产生激光束或者通过基于电磁辐射的受激发射的光学放大过程发光。激光是“通过辐射的受激发射进行光放大”的首字母缩写。激光可能与其它光源不同，因为它相干地(coherently)发光。这种空间相干性可以允许激光聚焦到紧密点，这使得诸如切割或光刻的应用成为可能。激光烧蚀设备尤其可以是激光骨凿。
这里使用的术语“激光脉冲”可以涉及优选具有特定时间宽度、形状和/或功率的给定波长的相对短时间的激光束。
与要通过激光烧蚀设备切割的基底相关的术语“硬组织”可以涉及指甲组织、软骨，特别是涉及骨组织。因此，激光烧蚀设备可以特别设计用于切割骨头。为了适于烧蚀硬组织，特别是骨组织，切割激光束可以具有适合蒸发水的波长，即约2'940纳米(nm)。在这方面，术语“人造”可以涉及用于替代或置换天然硬组织的合成材料。因此，术语“人造硬组织”可以指合成产生的组织或用作骨替代物的材料。
术语“宽带光谱区域”可以涉及光或电磁波的一个范围，其足够宽以提供足够的数据或具有足够的质量以评估和导出关于烧蚀的适当信息。例如，宽带光谱区域可以涉及约50nm的电磁波长的光谱，其特别是覆盖10nm至100nm、特别是20nm至90nm、特别是30nm至80nm、特别是40nm至70nm或特别是45nm至60nm的光谱宽度。
与扫描镜相关的术语“可移动”涉及镜可移位和/或特别是可重新定向。例如，扫描镜可以旋转、重新定位、倾斜、弯曲等以便可移动。这种可移动扫描镜允许精确地引导和/或聚焦激光束或复合激光束。
与可移动扫描镜相关的术语“定位在光束混合结构之后”特别涉及相对于激光束传播方向的布置或定位。特别地，该镜定位成使得激光束首先通过光束混合结构，此后到达扫描镜。这样一来，可以实现混合激光束或复合激光束被扫描镜重定向。通过定位在光束混合结构之后，可移动扫描镜可以在激光束传播方向上定位在光束混合结构的后方。
与切割和成像激光束的光轴相关的术语“平行”可以涉及几何平行布置、基本上平行的取向，即包括微小的对准偏差，特别是涉及激光束的基本上或精确的同轴取向。
通过扫描镜引导具有平行光轴的成像激光束和切割激光束，切割和成像激光束沿相同方向传播，使得它们在同一区域中或同一光斑上撞击硬组织或目标。这允许经由成像激光束收集或多或少精确的、其中切割激光束撞击并烧蚀硬组织的相同部位或区域的信息。所述信息可以与切割激光束的效果相当密切地相关，从而可以得出有效、快速和精确的结论，以便最小化或防止切割激光束对硬组织造成的附带损伤。
此外，通过组合激光束，可以通过相同的部件来执行或实现精确地引导复合激光束。这允许相对有效且简单的实施。
由于光轴的平行或同轴取向，可以减少或消除由撞击硬组织的不同激光束之间的时间和/或空间偏差引起的模糊效应。这允许有效地提供关于通过切割激光束烧蚀的硬组织的情况的准确反馈。这样一来，评估可以比较快，例如实时。
在这方面，术语“同轴”涉及不同光束的传播轴之间的空间关系。对于可能由于具有多个脉冲激光束而产生的时间关系，它没有意义。
在这方面，术语“实时”可以涉及激光装置的操作，其中没有任何限制地提供脉冲切割激光束，并且切割评估和计划在切割激光束的单个脉冲之间执行。防止了切割激光束的操作延迟。
特别地，控制单元优选地设置并构造成实时评估成像激光束的反射。
此外，可以有效地实施平行激光束的评估，以使激光适应对所收集信息的自动反应。因此，激光烧蚀设备允许方便地烧蚀硬组织。
优选地，光束混合结构是光机械结构。这种光机械结构可以包括用于准直每个单独的激光束的光束整形光学器件、用于允许激光束的适当平行对准的不同光束路径中的偏转镜和/或用于组合平行激光束的分色镜。在一些实施例中，使成像激光束透射以用于光束混合结构会是有利的。为了保护光学元件免受杂质影响，光束混合结构可以包括跟随扫描镜的外耦合窗口。
为了聚焦复合激光束，激光烧蚀设备可以配备有光束聚焦元件，该光束聚焦元件可以由扫描镜构成。光束聚焦元件可以是透镜系统、反射光学器件或两者的组合。优选地，作为反射光学系统的扫描镜适合聚焦切割激光束和成像激光束。由此，扫描镜可以是安装在可移动扫描单元上的凹面镜，其可以简化对准和控制。这种反射光学器件设计还具有当使用不同波长时损耗更小并且没有色差的优点。以这种方式，激光烧蚀设备的特别有效的操作是可能的。
优选地，激光烧蚀设备还包括控制单元，该控制单元设置并构造成评估成像激光束在切割激光束的两个后续切割激光脉冲之间的反射。
与控制单元有关的术语“设置并构造成”可以涉及控制系统被实施为能够履行某些功能。因此，控制单元可以配备且设置有必要的结构，例如与电源、中央处理单元(CPU)存储器等的连接(设置)。此外，其或其结构可以被调节、调整或编程以履行必要的功能(构造)。
控制单元可以以适于实现其功能或目的的任何方式实现。有利地，它是集成在激光源的电子器件中的嵌入式系统。例如，它可以被集成(例如，作为专用电路)在控制激光束的电路板上。这样一来，可以对反射进行特别快速的评估，并且可以响应于该评估来快速调整激光束。
处理单元可以包括若干与内部和外部部件如喷嘴、温度相机、激光源等的接口。有利地，它具有外部用户界面，以定义切割几何形状、设置参数并使进度和系统状态可视化。激光烧蚀设备可以与用于增加工作范围的另外的致动器以及用于跟进工作范围和/或致动器的移动的跟踪装置组合。这可能需要控制单元中与这些装置的附加接口。
例如，为了确保适当的硬件控制，控制单元可以包括以下与内部设备的接口：用于包括模拟测量信号的成像激光源的模拟和数字输入/输出(I/O)；用于切割激光源的模拟和数字I/O；用于光束混合结构的光力学的模拟和数字I/O；用于与温度相机通信的通信装置；与用于确保无碳化切割的冷却装置或喷嘴的接口；瞄准激光源打开/关闭装置。
控制单元允许自动评估通过成像激光源收集的信息。由此，它可以在成像激光束的物理特性(例如强度、波长相位等)方面评估成像激光束的反射。作为该评估的结果，控制单元可以自动采取任何措施，例如开始切割激光束的变化。
由此，控制单元优选地设置并构造成紧在切割激光束的每个切割激光脉冲之前和之后评估来自被烧蚀表面的成像激光束的反射。
在这方面，术语“紧在”可以涉及在时间上以技术或情理上可行的方式接近激光脉冲。特别地，它可以涉及在激光脉冲之前尽可能短或适当的以及在激光脉冲之后尽可能短或适当的相应评估。这样一来，可以在激光脉冲之前和之后获得关于硬组织在它被激光束击中的斑点处的硬组织斑点的信息。这允许在被提供之前调节切割激光束并且知道激光脉冲的结果。例如，当烧蚀激光器以10Hz操作时，合理的时间差为毫秒级。对于其它脉冲频率，其它时间差可能是适当的。
优选地，控制单元设置并构造成根据从评估的成像激光束的反射导出的信息来控制切割激光束。这样一来，可以自动调节切割激光束。
由此，控制切割激光束优选地包括改变下一个切割激光束脉冲的功率。例如，如果从成像激光束的评估的反射导出的信息表明骨结构仍然相对较厚或者烧蚀深度小于预期，则可以自动提高下一个切割激光束脉冲的功率。
附加地或替代地，切割激光束优选地包括改变切割激光束的切割激光束脉冲的重复率。
此外，附加地或替代地，控制切割激光束优选地包括改变下一个切割激光束脉冲的形状。与切割激光束脉冲有关的术语“形状”可以涉及激光束脉冲的特性，例如它们的时间宽度、高度或强度。例如，它可以涉及它们与时间与强度关系等相关的形式。
从评估的成像激光束的反射导出的信息优选地包括骨头中的切口的横截面。术语“横向”尤其可以涉及不在切割方向上的截面。由此，通过设置切骨线或切骨几何形状，可以例如在术前规划步骤中预先限定切口。横截面可以是垂直于切割线或切骨线方向的截面。它也可以是偏离垂直取向如角度或准对角线取向的截面。
对于这种横截面，激光烧蚀设备可以包括图像处理，其允许从骨头中的切口的经处理的横截面中提取出可靠的深度值(B-扫描)。这可以以如下方式进行：首先横向于A-扫描方向(z方向)过滤重建的B-扫描。特别地，可以应用中值滤波器。这具有显著衰减在A-扫描之间变化的噪声的效果。然而，骨表面信号保持很强，因为骨表面往往与过滤器方向相似。在第二步骤中，计算深度直方图。在每个A-扫描中，最大强度被定位并且存储其对应的单个深度值。假设最大信号强度的起源是骨表面。基于B-扫描中的所有A-扫描的单个深度值，计算直方图。深度直方图反映了测定深度在B-扫描中的分布。理想情况下，存在两个峰：一个用于骨表面，另一个用于切割表面。当然，现实看起来不同，因为存在更多的峰。为了解决这个问题，弱峰被排除在候选之外。从剩余的峰开始，第一个和最后一个峰被认为是骨表面和切割表面，而精确的分配并不重要。最终切割深度值是这两个识别出的峰之间的深度差。
A-扫描可以定义为具有在工作区域上的单个点处利用OCT系统获取的固定数量的点(矢量)的一维要素。这种A-扫描包含单个深度轮廓。通过使工作区域上的焦点在特定路径中移动来组合多个A-扫描，可以创建称为B-扫描的二维图像。优选地，这种B-扫描是在切割区域上的横向扫描，其导致切割的横截面深度轮廓。
附加地或替代地，从评估的成像激光束的反射导出的信息优选地包含与硬组织相邻的组织在烧蚀方向(z方向)上的距离的指示。这种指示可以是从相邻组织反射的光的量或偏振，其允许内插距相邻组织的距离。例如，当切割骨头时，在骨头达到小于约0.5mm或更小之后，下方组织将由于反射而可见。因此，可以评估相邻组织有多远，并且当硬组织被事先切穿或紧密切割时可以精确地停止烧蚀。或者可以调节切割激光束，例如，降低其功率，切口越深，相邻组织越靠近。
优选地，OCT系统包括成像激光源。在这方面，缩写OCT涉及光学相干断层摄影术，其特别是使用光从诸如硬组织的光学散射介质内捕获微米分辨率的三维图像的成熟的医学成像技术。由此，激光烧蚀设备包括完整的OCT系统。这种OCT系统可以具有宽带扫频源、包括传输基准臂和与光束整形光学器件的连接的光纤以及平衡检测单元。输出信号可以由处理单元数字化，并且在借助于成像处理提取深度值之前，所得到的原始信号可以经受专用信号处理。信号处理的核心步骤可以是DC去除、傅里叶变换(频率到空间域)、色散补偿以及取决于获取模式的频域中的再映射功能。这种OCT系统允许精确且快速地接收与烧蚀的几何形状且特别是烧蚀深度有关的信息。
由此，成像激光束优选地是波长可扫描的。这种成像激光束允许有效评估并有效地收集关于硬组织的信息。替代地或附加地，成像激光束是固定的宽带波长发射。
优选地，切割激光束的时间脉宽在约1纳秒至约1毫秒的范围内或约1微秒至约900微秒的范围内或约200微秒至约500微秒的范围内。这样的时间宽度可以允许有效地切割人或动物的硬组织而不允许温度在单个激光脉冲期间升高到有害水平。
优选地，两个后续切割激光束脉冲之间的停顿在约1毫秒至约200毫秒的范围内或约10毫秒至约100毫秒的范围内。
优选地，激光烧蚀设备包括温度传感器，该温度传感器设置成在被有切割激光源产生的切割光束激光脉冲击中之后感测硬组织表面的温度。特别地，温度传感器可以设置成在被切割光束激光脉冲击中之后立即或之时感测目标表面的温度。这种温度传感器允许实时监测目标部位的温度。特别地，当目标是在烧蚀过程中可以降解或破坏的温度敏感材料如人或动物硬组织时，监测温度变得非常重要。例如，当切割人或动物硬组织时，重要的是防止组织的温度超过阈值。否则，传递到切割线或切割几何形状的位置和其余组织的大量热量使表面碳化，从而排除或延迟后续愈合。因此，控制温度在医疗应用中是必不可少的。
由此，温度传感器优选地包括远程红外传感器。在本文中，术语“远程”涉及传感器相对于待由激光器处理的目标或材料的位置。特别地，传感器可以通过偏离目标或远离目标而不接触它而是远程的。例如，这种传感器允许设置在激光器上并且在向目标提供激光脉冲时不需要与目标接触来监测温度。因此，这种优选具有适当的成像光学器件的远程红外传感器允许在被激光器处理时有效且精确地监测目标的温度。
优选地，激光烧蚀设备还包括瞄准激光源，其适合提供用于指示切割激光束被预期撞击硬组织的目标位置的可见瞄准激光束。其中，光束混合结构适合重定向瞄准激光源的瞄准激光束，使得瞄准激光束的光轴平行于成像激光束的光轴和切割激光束的光轴，并且扫描镜设置成引导具有平行光轴时的瞄准激光束、成像激光束和切割激光束。
瞄准激光束尤其可以是如在规定条款中定义的瞄准激光束。这种定义可以是：光辐射束，其产生用于指示工作光束(即切割激光束)的预期撞击点的可见瞄准光束斑点。瞄准光束斑点可以定义为瞄准激光束在工作区域(即硬组织)内的撞击区域。瞄准激光器可以定义为发射瞄准激光束的激光器。
本发明的又一方面涉及一种制造用于切割人或动物的天然或人造硬组织的激光烧蚀设备的方法(制造方法)。该制造方法包括将激光烧蚀设备与适合提供以适于烧蚀硬组织的波长发射的脉冲切割激光束的切割激光源以及适合提供覆盖宽带光谱区域的成像激光束的成像激光源组装在一起。该方法还包括以下步骤：将激光烧蚀设备与光束混合结构和位于光束混合结构之后的可移动扫描镜组装在一起，使光束混合结构适配于重定向切割激光源的切割激光束和/或成像激光源的成像激光束，使得切割激光束的光轴平行于成像激光束的光轴，以及将扫描镜设置成引导具有平行光轴时的成像激光束和切割激光束。
这种制造方法允许有效地提供根据本发明的激光烧蚀设备及其效果和益处。该制造方法还可以包括用于实现上述激光烧蚀设备的优选实施例的附加特征的步骤或设置成用于实现所述特征。以这种方式，可以有效地实现上面结合相应的附加特征提及的效果和优点。
优选地，该制造方法还包括：将所述激光烧蚀设备与控制单元组装在一起；并且将控制单元设置并构造成评估成像激光束在切割激光束的两个后续切割激光脉冲之间的反射。
由此，该制造方法优选地包括将控制单元设置并构造成实时评估成像激光束在切割激光束的两个后续切割激光脉冲之间的反射。
此外，该制造方法优选地包括将控制单元设置并构造成评估成像激光束紧在切割激光束的每个切割激光脉冲之前和之后的反射。
优选地，该制造方法包括将控制单元设置并构造成根据从评估的成像激光束的反射导出的信息来控制切割激光束。由此，控制切割激光束优选地包括改变下一个切割激光束脉冲的功率。附加地或替代地，控制切割激光束优选地包括改变切割激光束的切割激光束脉冲的重复率。此外，附加地或替代地，控制切割激光束优选地包括改变下一个切割激光束脉冲的形状。
从评估的成像激光束的反射导出的信息优选地包括骨中切口的横截面。替代地或附加地，从评估的成像激光束的反射导出的信息优选地包括距与硬组织相邻的组织的距离的指示。
本发明的又一方面涉及一种切割人或动物天然或人造硬组织的方法(切割方法)。该切割方法包括以下步骤：切割激光源提供以适于烧蚀硬组织的波长发射的脉冲切割激光束；成像激光源提供覆盖宽带光谱区域的成像激光束；光束混合结构重定向切割激光源的切割激光束和/或成像激光源的成像激光束，使得切割激光束的光轴平行于成像激光束的光轴；以及定位在光束混合结构之后的可移动扫描镜引导具有平行光轴时的成像激光束和切割激光束。相同的切割方法也可以适用于切割除了人或动物的天然或人造硬组织之外的目标。
这种切割方法允许有效地实现上面结合根据本发明的激光烧蚀设备描述的效果和益处。该切割方法还可以包括实现上述激光烧蚀设备的优选实施例的附加特征的步骤或设置成用于实现所述特征。以这种方式，可以有效地实现上面结合相应的附加特征或优选实施例提到的效果和优点。
优选地，该切割方法还包括控制单元评估成像激光束在切割激光束的两个后续切割激光脉冲之间的反射。因此，控制单元优选地实时评估成像激光束在切割激光束的两个后续切割激光脉冲之间的反射。
优选地，该切割方法包括控制单元评估成像激光束紧在切割激光束的每个切割激光脉冲之前和之后的反射。
优选地，该切割方法包括控制单元根据从评估的成像激光束的反射导出的信息来控制切割激光束。
由此，控制切割激光束优选地包括改变下一个切割激光束脉冲的功率。附加地或替代地，控制切割激光束优选地包括改变切割激光束的切割激光束脉冲的重复率。此外，替代地或附加地，控制切割激光束优选地包括改变下一个切割激光束脉冲的形状。
从评估的成像激光束的反射导出的信息优选地包括骨中切口的横截面，优选地包括这种切口的深度信息。附加地或替代地，从评估的成像激光束的反射导出的信息优选地包括距与硬组织相邻的组织的距离的指示。
优选地，该切割方法不是用于通过手术或疗法来治疗人体或动物体的方法，也不是在人体或动物体上实践的诊断方法。
本发明的又一方面涉及一种操作激光烧蚀设备的方法(操作方法)。该操作方法包括以下步骤：激光烧蚀设备的切割激光源提供优选地以适于烧蚀人或动物的天然或人造硬组织的波长发射的脉冲切割激光束；激光烧蚀设备的成像激光源提供覆盖宽带光谱区域的成像激光束；激光烧蚀设备的光束混合结构重定向切割激光源的切割激光束和/或成像激光源的成像激光束，使得切割激光束的光轴平行于成像激光束的光轴；定位在激光烧蚀设备的光束混合结构之后的激光烧蚀设备的可移动扫描镜引导具有平行光轴时的成像激光束和切割激光束。
这种操作方法允许有效地实现上面结合根据本发明的激光烧蚀设备描述的效果和益处。该操作方法还可以包括用于实现上述激光烧蚀设备的优选实施例的附加特征的步骤或设置成用于实现所述特征。以这种方式，可以有效地实现上面结合相应的附加特征或优选实施例提到的效果和优点。
优选地，该操作方法包括激光烧蚀设备的扫描镜聚焦切割激光束和成像激光束。
优选地，该操作方法包括激光烧蚀设备的控制单元评估成像激光束在切割激光束的两个后续切割激光脉冲之间的反射。
由此，激光烧蚀设备的控制单元优选地实时评估成像激光束在切割激光束的两个后续切割激光脉冲之间的反射。
此外，该操作方法优选地包括控制单元评估成像激光束紧在切割激光束的每个切割激光脉冲之前和之后的反射。
优选地，该操作方法包括激光烧蚀设备的控制单元根据从评估的成像激光束的反射导出的信息来控制切割激光束。由此，激光烧蚀设备的控制单元控制切割激光束优选地包括改变下一个切割激光束脉冲的功率。
从评估的成像激光束的反射导出的信息优选地包括距与硬组织相邻的组织的距离的指示。
优选地，激光烧蚀设备的控制单元控制切割激光束包括改变切割激光束的切割激光束脉冲的重复率。替代地或附加地，激光烧蚀设备的控制单元控制切割激光束优选地包括改变下一个切割激光束脉冲的形状。
优选地，从评估的成像激光束的反射导出的信息包括骨中切口的横截面。
优选地，激光烧蚀设备的切割激光源提供切割激光束，其时间脉宽在约1纳秒至约1毫秒的范围内，或约1微秒至约900微秒的范围内，或约100微秒至约700微秒的范围内。
激光烧蚀设备的切割激光源优选地为切割激光束提供在两个后续切割激光束脉冲之间的停顿，该停顿在约1毫秒至约200毫秒的范围内，或约10毫秒至约100毫秒的范围内。
优选地，该操作方法包括激光烧蚀设备的温度传感器在被由激光烧蚀设备的切割激光源产生的切割光束激光脉冲击中之后感测硬组织表面的温度。
优选地，该操作方法还包括以下步骤：激光烧蚀设备的瞄准激光源提供用于指示切割激光束被预期撞击硬组织的目标位置的可见瞄准激光束，其中激光烧蚀设备的光束混合结构重定向激光烧蚀设备的瞄准激光源的瞄准激光束，使得瞄准激光束的光轴平行于成像激光束的光轴和切割激光束的光轴，并且激光烧蚀设备的扫描镜引导具有平行光轴时的瞄准激光束、成像激光束和切割激光束。
附图说明
下文通过示例性实施例的方式并参照附图更详细地描述根据本发明的的激光烧蚀设备和方法，在附图中：
图1示出了根据本发明的激光烧蚀设备的一个实施例的设置；
图2示出了图1的激光烧蚀设备的光束配置器的细节；
图3示出了根据本发明的操作和切割方法的一个实施例的流程；以及
图4示出了图1的激光烧蚀设备在图3的方法中的操作。
具体实施方式
在以下描述中，某些术语出于方便的考虑而被使用且并非旨在限制本发明。术语“右”、“左”、“上”、“下”、“下方”和“上方”指的是图中的方向。该术语包括清楚地提到的用语以及它们的派生词和具有相似含义的用语。此外，可能使用诸如“在...之下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”、“近侧”、“远侧”等空间相对术语以描述如图所示的一个元件或特征结构与另一元件或特征结构的关系。这些空间相对术语旨在除图中所示的位置和取向以外还涵盖使用或操作中的喷嘴装置的不同位置和取向。例如，如果将图中的装置或其特定部分翻转，则被描述为在其它元件或特征结构“之下”或“下方”的元件于是将在其它元件或特征结构“上方”或“上面”。因此，示例性术语“在...之下”可以涵盖上方和下方两种取向。所述装置可以其它方式取向(旋转90度或以其它取向)并且相应地阐述文中使用的空间相对术语。同样，沿着和围绕各种轴线的移动的描述包括各种特殊装置位置和取向。
为了避免各个方面和说明性实施例在附图以及说明内容中的重复，应当理解的是，许多特征结构是许多方面和实施例共有的。从说明内容或附图中省略一个方面并不意味着该方面从结合有该方面的实施例中缺失。相反，该方面可为了清楚而被省略并且避免冗长的说明。
在本上下文中，以下适用于本说明书的其余部分。如果为了使附图清楚，附图包含未在说明书的直接相关部分中说明的附图标记，则可在前面或以下的说明章节中参照该附图标记。此外，为了清晰，如果在附图中未针对一个部件的全部特征设置附图标记，则其参照示出同一部件的其它附图。两个或更多附图中的相似标号表示相同或相似的元件。
图1示出了根据本发明的激光烧蚀设备1的一个实施例的示意图。激光烧蚀设备1包括作为成像激光源的OCT激光源11、切割激光源12、瞄准激光源15和控制单元14。OCT激光源11设置成提供覆盖50nm的宽带光谱区域的成像激光束111。切割激光源12设置成提供脉冲切割激光束121，其能够烧蚀骨头2的组织。瞄准激光源15设置成提供可见光的瞄准激光束151。
激光烧蚀设备1还包括光束配置器13，该光束配置器13设置成收集成像激光束111、切割激光束121和瞄准激光束151并将它们组合为复合激光束131。复合激光束131被提供给骨头2。具体而言，它沿着术前限定在骨头2上或其图像上的切骨线21被驱动。为了沿着切骨线21驱动复合激光束131，一方面，光束配置器13具有相应的引导装置，如下面结合图2更详细地说明的。另一方面，激光烧蚀设备1安装在致动支持系统3的机械臂31上，该机械臂31允许以比光束配置器13的引导装置可以实现的程度更大的程度精确地移动激光烧蚀设备1。
致动支持系统3还包括导航器32和用户界面33。用户界面33设置成允许用户或操作者与激光烧蚀设备1的控制单元14交互。
控制单元14包括用于与激光烧蚀设备1内部或外部的其它部件通信的多个接口。特别地，控制单元14经由这些接口连接到机械臂31、导航器32、用户界面33、切割激光源12、OCT激光源11、瞄准激光源15、光束配置器13、冷却喷嘴16和作为温度传感器的红外(IR)相机17。
控制单元14适合或设置并构造成在操作激光烧蚀设备1时执行多个任务。它评估成像激光束111在切割激光束121的两个后续脉冲之间的反射，以及如在下面的图4中更详细地看到的紧在切割激光束121的每个脉冲之后的反射。通过评估该反射，控制单元14导出关于切割激光束121的脉冲的影响的信息，例如被烧蚀组织的横截面。根据该信息，控制单元调节切割激光源12，使得切割激光束121的下一个脉冲适合该组织处的实际情况。这种调节可以包括改变切割激光束121的功率、改变其重复率、改变其光束形状等。
冷却喷嘴16适于在复合激光束131撞击骨头2的组织的点处——即在切骨线21处——朝向骨头2喷射冷却介质。该冷却介质尤其可以优选为与诸如空气的气体组合的无菌液体，例如水。由此，可以由控制单元14通过调节由喷嘴16产生的喷雾的组成、状态和方向来调节冷却。
IR相机17还在复合激光束131撞击骨头2的组织的点处——即在切骨线21处——指向骨头2。由此，它在被烧蚀的同时不断测量组织的温度。在温度超过特定阈值(例如45℃)的情况下，控制单元14中断切割激光束121的提供，直到组织被再次充分冷却。
在图2中，更详细地示出了激光烧蚀设备1的光束配置器13。它配备有作为扫描镜的抛物面镜133和包括镜1321的作为光束混合结构的光机械系统132、第一分色镜1322和第二分色镜1323。镜1321设置成将瞄准激光束151重定向到第一分色镜1322的后侧。第一分色镜1322对于瞄准激光束151是透明的，并且将成像激光束111朝向第二分色镜1323的后侧重定向到与瞄准激光束151相同的方向上。第二分色镜1323对于瞄准激光束151和成像激光束111是透明的。它将切割激光束121朝向抛物面镜133重定向到与瞄准激光束151和成像激光束111相同的方向上。
在该阶段，瞄准激光束151、成像激光束111和切割激光束121的光轴平行或同轴，使得它们共同形成复合激光束131。抛物面镜133可由控制单元14移动和调节。这样一来，它经由外部耦合窗134精确地沿着切骨线21聚焦复合激光束131并将其引导到骨头2。因此，它建立了光束配置器13的引导装置。
图3示出了激光烧蚀设备1的操作的工作流程。开始是切割执行及其参数的设置，该设置需要例如经由用户界面33来自外部上级系统3A的用户输入。在第二步骤中，切割设计从外部1A加载到控制单元14并且控制单元14计划第一切割激光脉冲1B，然后定义切割参数1C。在第一切割激光束脉冲之前，控制单元14根据计划位置1D设定光束配置器13。然后激光烧蚀通过提供切割激光束121脉冲1E的脉冲来执行。视配置而定，在切割激光束脉冲1E之前和/或之后获取1F成像激光束11的测量值。直接在获取之后，该反射由控制单元14评估1G并且通过计划下一个切割激光束脉冲1B来更新切割执行。取决于外部致动器和/或跟踪系统的使用，该步骤需要或不需要与外部部件3B进行交互。
在图4中，示出了表示切割激光源12、抛物面镜133和OCT激光源111的动作的指标I121、I133、I111的曲线图。由此，可以看出，紧在提供切割激光束121脉冲之后(由指标I121表示)，抛物面镜133被移动(由指标I133表示)，从而扫描组织被烧蚀的骨头2的位置。由此，恒定提供的OCT激光束111允许产生骨头2的切口的横截面图像(由指标I111表示)。控制单元从该图像至少导出深度，并且在适当的情况下得出调整下一个切割激光束121脉冲的结论。
本说明书和图示本发明的方面和实施例的附图不应当被视为限制了限定受保护的发明的权利要求。换言之，虽然已在附图和前面的描述中详细示出和描述本发明，但这种图示和描述应该被看作说明性的或示例性的而不是限制性的。可做出各种机械、组成、结构、电气和操作变更而不脱离该描述和权利要求的精神和范围。在一些情形中，未详细示出公知的回路、结构和技术以免使本发明变得难以理解。因此，应理解本领域的普通技术人员可以在以下权利要求的范围和精神内作出变更和修改。特别地，本发明涵盖具有上文和下文描述的不同实施例的特征的任意组合的其它实施例。
本公开还涵盖附图所示的所有其它特征，尽管它们在前面或下面的描述中可能未被个别地描述。此外，可从本发明的主题或从所公开的主题放弃附图和说明书中描述的实施例的单一替代方案及其特征的单一替代方案。本公开包括由在权利要求中或示例性实施例定义的特征组成的主题以及包含所述特征的主题。
此外，在权利要求中，用词“包括”不排除其它要素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个单元或步骤可实现在权利要求中叙述的多个特征的功能。在相互不同的从属权利要求中叙述的特定措施的纯粹事实并不表示这些措施的结合不可有利地使用。与定语或值相结合的用语“基本上”、“大约”、“近似”等特别是还分别明确地定义该定语或明确地定义该值。给定数值或范围的情况下的用语“约”指的是例如给定值或范围的20％以内、10％以内、5％以内或2％以内的值或范围。被描述为联接的或连接的构件可电气地或机械地直接联接，或它们可经由一个或多个中间构件间接地联接。权利要求中的任何附图标记均不应当被解释为限制保护范围。

Claims (57)

1.一种用于切割人或动物的天然或人造硬组织(2)的激光烧蚀设备(1)，包括：
切割激光源(12)，其适合提供以适于烧蚀所述硬组织(2)的波长发射的脉冲切割激光束(121)，以及
成像激光源(11)，其适合提供覆盖宽带光谱区域的成像激光束(111)，
其特征在于还包括光束混合结构(132)和定位在所述光束混合结构(132)之后的可移动扫描镜(133)，其中
所述光束混合结构(132)适合重定向所述切割激光源(12)的切割激光束(121)和/或所述成像激光源(11)的成像激光束(111)，使得所述切割激光束(121)的光轴平行于所述成像激光束(111)的光轴，并且
所述扫描镜(133)设置成引导具有平行光轴时的成像激光束(111)和切割激光束(121)。
2.根据权利要求1所述的激光烧蚀设备(1)，还包括控制单元(14)，所述控制单元设置并构造成评估所述成像激光束(111)在所述切割激光束(121)的两个后续切割激光脉冲之间的反射。
3.根据权利要求2所述的激光烧蚀设备(1)，其中，所述控制单元(14)设置并构造成评估所述成像激光束(111)紧在所述切割激光束(121)的每个切割激光脉冲之前和之后的反射。
4.根据权利要求2或3所述的激光烧蚀设备(1)，其中，所述控制单元(14)设置并构造成根据从评估的所述成像激光束(111)的反射导出的信息来控制所述切割激光束(121)。
5.根据权利要求4所述的激光烧蚀设备(1)，其中，控制所述切割激光束(121)包括改变下一个切割激光束(121)脉冲的功率。
6.根据权利要求4或5所述的激光烧蚀设备(1)，其中，控制所述切割激光束(121)包括改变所述切割激光束(121)的切割激光束(121)脉冲的重复率。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的激光烧蚀设备(1)，其中，控制所述切割激光束(121)包括改变下一个切割激光束(121)脉冲的形状。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的激光烧蚀设备(1)，其中，从所评估的所述成像激光束(111)的反射导出的信息包含所述硬组织(2)中的切口的横截面。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的激光烧蚀设备(1)，其中，从所评估的所述成像激光束(111)的反射导出的信息包括距与所述硬组织(2)相邻的组织的距离的指示。
10.根据权利要求2至9中任一项所述的激光烧蚀设备(1)，其中，所述控制单元(14)设置并构造成实时评估所述成像激光束(111)的反射。
11.根据前述权利要求中任一项所述的激光烧蚀设备(1)，其中，所述成像激光源(11)被包括在OCT系统中。
12.根据前述权利要求中任一项所述的激光烧蚀设备(1)，其中，所述切割激光束(121)的时间脉宽在约1纳秒至约1毫秒的范围内，或约1微秒至约900微秒的范围内，或约200微秒至约500微秒的范围内。
13.根据前述权利要求中任一项所述的激光烧蚀设备(1)，其中，两个后续切割激光束(121)脉冲之间的停顿在约1毫秒至约200毫秒的范围内，或约10毫秒至约100毫秒的范围内。
14.根据前述权利要求中任一项所述的激光烧蚀设备(1)，包括温度传感器(17)，所述温度传感器(17)设置成在被由所述切割激光源产生的切割光束激光脉冲击中之后感测所述硬组织(2)的表面的温度。
15.根据权利要求14所述的激光烧蚀设备(1)，其中，所述温度传感器(17)包括远程红外传感器。
16.根据前述权利要求中任一项所述的激光烧蚀设备(1)，还包括瞄准激光源(15)，该瞄准激光源适合提供用于指示所述切割激光束(121)被预期撞击硬组织(2)的目标位置的可见瞄准激光束(151)，其中
所述光束混合结构(132)适合重定向所述瞄准激光源(15)的瞄准激光束(151)，使得所述瞄准激光束(151)的光轴平行于所述成像激光束(111)的光轴和所述切割激光束(121)的光轴，并且
所述扫描镜(133)设置成引导具有平行光轴时的所述瞄准激光束(151)、所述成像激光束(111)和所述切割激光束(121)。
17.根据前述权利要求中任一项所述的激光烧蚀设备(1)，其中，所述光束混合结构包括光机械结构。
18.根据前述权利要求中任一项所述的激光烧蚀设备(1)，其中，所述扫描镜适于聚焦所述切割激光束(121)和所述成像激光束(111)。
19.根据前述权利要求中任一项所述的激光烧蚀设备(1)，其中，所述成像激光束(111)是波长可扫描的。
20.根据前述权利要求中任一项所述的激光烧蚀设备(1)，其中，所述成像激光束(111)是固定的宽带波长发射。
21.一种操作激光烧蚀设备(1)的方法，包括：
所述激光烧蚀设备(1)的切割激光源(12)提供脉冲切割激光束(121)，其优选地以适于烧蚀人或动物的天然或人造硬组织(2)的波长发射激光；
所述激光烧蚀设备(1)的成像激光源(11)提供覆盖宽带光谱区域的成像激光束(111)；
所述激光烧蚀设备(1)的光束混合结构(132)重定向所述切割激光源(12)的切割激光束(121)和/或所述成像激光源(11)的成像激光束(111)，使得所述切割激光束(121)的光轴平行于所述成像激光束(111)的光轴；以及
定位在所述激光烧蚀设备(1)的光束混合结构(132)之后的所述激光烧蚀设备(1)的可移动扫描镜(133)引导具有平行光轴的所述成像激光束(111)和所述切割激光束(121)。
22.根据权利要求21所述的方法，包括所述激光烧蚀设备(1)的所述扫描镜(133)聚焦所述切割激光束(121)和所述成像激光束(111)。
23.根据权利要求20或21所述的方法，包括所述激光烧蚀设备(1)的控制单元(14)评估所述成像激光束(111)在所述切割激光束(121)的两个后续切割激光脉冲之间的反射。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述激光烧蚀设备(1)的控制单元(14)实时评估所述成像激光束(111)在所述切割激光束(121)的两个后续切割激光脉冲之间的反射。
25.根据权利要求23或24所述的方法，包括所述控制单元(14)评估所述成像激光束(111)紧在所述切割激光束(121)的每个切割激光脉冲之前和之后的反射。
26.根据权利要求23至25中任一项所述的方法，包括所述激光烧蚀设备(1)的控制单元(14)根据从评估的所述成像激光束(111)的反射导出的信息来控制所述切割激光束(121)。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述激光烧蚀设备(1)的控制单元(14)控制所述切割激光束(121)包括改变下一个切割激光束脉冲的功率。
28.根据权利要求26或27所述的方法，其中，从评估的所述成像激光束(111)的反射导出的信息包括距与所述硬组织(2)相邻的组织的距离的指示。
29.根据权利要求26至28中任一项所述的方法，其中，所述激光烧蚀设备(1)的控制单元(14)控制所述切割激光束(121)包括改变所述切割激光束(121)的切割激光束脉冲的重复率。
30.根据权利要求26至29中任一项所述的方法，其中，所述激光烧蚀设备(1)的控制单元(14)控制所述切割激光束(121)包括改变下一个切割激光束脉冲的形状。
31.根据权利要求26至30中任一项所述的方法，其中，从评估的所述成像激光束(111)的反射导出的信息包含所述硬组织(2)中的切口的横截面。
32.根据权利要求21至31中任一项所述的方法，其中，所述激光烧蚀设备(1)的所述切割激光源(12)为所述切割激光束(121)提供在约1纳秒至约1毫秒的范围内或约1微秒至约900微秒的范围内或约100微秒至约700微秒的范围内的时间脉宽。
33.根据权利要求21至32中任一项所述的方法，其中，所述激光烧蚀设备(1)的所述切割激光源(12)为所述切割激光束(121)提供两个后续切割激光束脉冲之间的停顿，所述停顿在约1毫秒至约200毫秒的范围内或约10毫秒至约100毫秒的范围内。
34.根据权利要求21至33中任一项所述的方法，包括所述激光烧蚀设备(1)的温度传感器(17)在被由所述激光烧蚀设备(1)的所述切割激光源(12)产生的切割激光束脉冲击中后感测所述硬组织(2)的表面的温度。
35.根据权利要求21至34中任一项所述的方法，还包括：所述激光烧蚀设备(1)的瞄准激光源(15)提供用于指示所述切割激光束(121)被预期撞击所述硬组织(2)的目标位置的可见瞄准激光束(151)，其中所述激光烧蚀设备(1)的所述光束混合结构(132)重定向所述激光烧蚀设备(1)的所述瞄准激光源(15)的瞄准激光束(151)，使得所述瞄准激光束的光轴平行于所述成像激光束(111)的光轴和所述切割激光束的光轴，并且所述激光烧蚀设备的扫描镜引导具有平行光轴时的所述瞄准激光束、所述成像激光束(111)和所述切割激光束(121)。
36.根据权利要求21-35中任一项的方法，其不是通过手术或疗法来治疗人体或动物体的方法，也不是在人体或动物体上实践的诊断方法。
37.一种制造用于切割人或动物的天然或人造硬组织(2)的激光烧蚀设备(1)的方法，包括将所述激光烧蚀设备(1)与切割激光源(12)和成像激光源(11)组装在一起，所述切割激光源(12)适于提供以适于烧蚀所述硬组织(2)的波长发射的脉冲切割激光束(121)，所述成像激光源(11)适于提供覆盖宽带光谱区域的成像激光束(111)，
其特征在于还包括
将所述激光烧蚀设备(1)与光束混合结构(132)和定位在所述光束混合结构(132)之后的可移动扫描镜(133)组装在一起，
调整所述光束混合结构(132)以重定向所述切割激光源(12)的切割激光束(121)和/或所述成像激光源(11)的成像激光束(111)，使得所述切割激光束(121)的光轴平行于所述成像激光束(151)的光轴，以及
将所述扫描镜(133)设置成引导具有平行光轴时的所述成像激光束(111)和所述切割激光束(121)。
38.根据权利要求35所述的方法，还包括：
将所述激光烧蚀设备(1)与控制单元组装在一起，以及
将所述控制单元(14)设置并构造成评估所述成像激光束(111)在所述切割激光束(121)的两个后续切割激光脉冲之间的反射。
39.根据权利要求35所述的方法，其中，所述激光烧蚀设备(1)的控制单元(14)设置并构造成实时评估所述成像激光束(111)在所述切割激光束(121)的两个后续切割激光脉冲之间的反射。
40.根据权利要求38或39所述的方法，包括
将所述控制单元(14)设置并构造成评估所述成像激光束(111)紧在所述切割激光束(121)的每个切割激光脉冲之前和之后的反射。
41.根据权利要求38至40中任一项所述的方法，包括：
将所述控制单元(14)设置并构造成根据从评估的所述成像激光束(111)的反射导出的信息来控制所述切割激光束(121)。
42.根据权利要求41所述的方法，其中，控制所述切割激光束(121)包括改变下一个切割激光束(121)脉冲的功率。
43.根据权利要求41或42所述的方法，其中，控制所述切割激光束(121)包括改变所述切割激光束(121)的所述切割激光束(121)脉冲的重复率。
44.根据权利要求41至43中任一项所述的方法，其中，控制所述切割激光束(121)包括改变下一个切割激光束(121)脉冲的形状。
45.根据权利要求41至44中任一项所述的方法，其中，从所评估的所述成像激光束(111)的反射导出的信息包含所述硬组织(2)中的切口的横截面。
46.根据权利要求41至45中任一项所述的方法，其中，从所评估的所述成像激光束的反射导出的信息包含距与所述硬组织(2)相邻的组织的距离的指示。
47.一种操作激光烧蚀设备(1)的方法，包括
所述激光烧蚀设备(1)的切割激光源(12)提供脉冲切割激光束(121)，所述脉冲切割激光束优选地以适于烧蚀人或动物的天然或人造硬组织(2)的波长发射，
所述激光烧蚀设备(1)的成像激光源(11)提供覆盖宽带光谱区域的成像激光束(111)，
所述激光烧蚀设备(1)的光束混合结构(132)重定向所述切割激光源(12)的切割激光束(121)和/或所述成像激光源(11)的成像激光束(111)，使得所述切割激光束(121)的光轴平行于所述成像激光束的光轴，以及
定位在所述激光烧蚀设备(1)的所述光束混合结构(132)之后的所述激光烧蚀设备(1)的可移动扫描镜(133)引导具有平行光轴的所述成像激光束(111)和所述切割激光束(121)。
48.根据权利要求47所述的方法，还包括控制单元评估所述成像激光束(111)在所述切割激光束(121)的两个后续切割激光脉冲之间的反射。
49.根据权利要求48所述的方法，其中，所述控制单元实时评估所述成像激光束(111)在所述切割激光束(121)的两个后续切割激光脉冲之间的反射。
50.根据权利要求47至49中任一项所述的方法，包括所述控制单元评估所述成像激光束(111)紧在所述切割激光束的每个切割激光脉冲之前和之后的反射。
51.根据权利要求48至50中任一项所述的方法，包括所述控制单元根据从评估的所述成像激光束(111)的反射导出的信息来控制所述切割激光束(121)。
52.根据权利要求51所述的方法，其中，控制所述切割激光束(121)包括改变下一个切割激光束脉冲的功率。
53.根据权利要求51或52所述的方法，其中，控制所述切割激光束(121)包括改变所述切割激光束(121)的切割激光束脉冲的重复率。
54.根据权利要求51至53中任一项所述的方法，其中，控制所述切割激光束(121)包括改变下一个切割激光束脉冲的形状。
55.根据权利要求51至54中任一项所述的方法，其中，从所评估的所述成像激光束(111)的反射导出的信息包括所述硬组织(2)中的切口的横截面。
56.根据权利要求51至55中任一项所述的方法，其中，从所评估的所述成像激光束(111)的反射导出的信息包括距与所述硬组织(2)相邻的组织的距离的指示。
57.根据权利要求47至56中任一项所述的方法，其不是通过手术或疗法来治疗人体或动物体的方法，也不是在人体或动物体上实践的诊断方法。
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