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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vaporisation von Gewebe
mittels Laserstrahlung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Aus
dem Stand der Technik sind bereits Vorrichtungen und Verfahren zur
Vaporisation von Gewebe mittels Laserstrahlung bekannt. So zeigt
beispielsweise die internationale Patentanmeldung
WO 02/91935 A1 , auf welcher
z. B. auch die
EP 1349509 A1 beruht,
Verfahren zur Laserbehandlung von Weichgewebe. Dabei ist unter anderem
ein Verfahren zur Behandlung von Weichgewebe, insbesondere Prostatagewebe,
offenbart, welches einen Festkörperlaser
vorsieht, welcher Licht mit einer Wellenlänge von 200 bis 1000 nm oder
1100 bis 1800 nm emittiert und ein Laserelement aufweist, welches
angeordnet ist, um Pumpenergie von einer Pumpenergiequelle zu empfangen.
Dabei wird die Strahlungsquelle derart moduliert, dass das Laserelement
dazu gebracht wird, Laserlicht mit einer Pulsdauer zwischen 0.1
und 500 ms und Pulsfrequenzen zwischen 1 und 500 Hz zu emittieren.
Das Laserlicht wird dabei auf das Zielgewebe aufgebracht. Der Festkörperlaser
ist dabei vorzugsweise als ein in bekannter Weise frequenzverdoppelter
Neodym-YAG-Laserausgebildet, der Laserlicht mit einer Wellenlänge von
532 nm emittiert. Als Pumpenergiequelle kann dabei z. B. eine Zündlampe,
eine Bogenlampe oder eine Laserdiode dienen. Der Festkörperlaser
selbst kann jedoch auch als eine mittels elektrischer Energie gepumpte
Laserdiode ausgebildet sein.
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Insbesondere
bei frequenzverdoppelten Neodym-YAG-Lasern (Nd:YAG) tritt die Schwierigkeit auf,
dass die aufgrund der Frequenzverdopplung erzielte grüne Wellenlänge (z.
B. 532 nm) besonders stark von Blut, bzw. dem darin enthaltenen
Hämoglobin
(Hb) und Oxihämoglobin
(HbO2), absorbiert wird. Das Blut wird dadurch
verstärkt
unter dem Einfluss der Laserstrahlung zum Koagulieren gebracht, ändert dabei
jedoch seine Farbe, was dazu führt,
dass dadurch die Absorption von grünem Licht reduziert wird bzw.
keine weitere Absorption mehr erfolgt. Es kann somit lediglich oberflächlich eine
zufrieden stellende Abtragung von Gewebe erzielt werden. Die Abtragung
mehrerer übereinander
liegender Gewebeschichten führt
dann erfahrungsgemäß zu starker
Faserbildung und unzureichender Vaporisationsqualität, so dass
z. B. beim Abtragen keine glatten Oberflächen mehr erzielbar sind. Des
Weiteren führt
die grüne
Wellenlänge
eines frequenzverdoppelten Nd:YAG-Lasers zu Schwierigkeiten bei
der Visualisierung während
der Gewebebehandlung. Da sich der grüne Laserstrahl im sichtbaren
Teil des Spektrums befindet, führt
er zu starken Überblendungen der
zur Visualisierung vom Operateur verwendeten Optik bzw. Kamera,
so dass zusätzliche
Hilfsmittel wie z. B. Filter erforderlich sind. Dadurch ist z. B.
die Dokumentation einer Operation deutlich erschwert. Des Weiteren
müssen
Nd:YAG-Laser, die über eine Güteschaltung
bzw. Q-Switch-Betrieb verfügen,
aufgrund der systemimmanenten Kristall-Eigenschaften auf hoher Frequenz,
z. B. mit 1800 Hz, gepulst werden, um die grüne Wellenlänge von 532 nm zu erzeugen.
Sie sind dabei an eine ständig
hoch bleibende Betriebsfrequenz gebunden, können also lediglich im „Quasi-Dauerstrich-Betrieb" betrieben werden,
wobei zwangsläufig
der mittleren Leistung nach unten Grenzen gesetzt sind, also nicht
mit niedrigen mittleren Leistungen gearbeitet werden kann. Nd:YAG-Laser
weisen zudem eine vergleichsweise hohe Verlustleistung und daher
einen sehr ungünstigen
Wirkungsgrad auf. Sie haben zur Bereitstellung einer zur Vaporisation
von weichem Gewebe geeigneten Laserleistung einen enormen Energiebedarf,
der im einphasigen Betrieb den Grenzbereich der von den Elektrizitätswerken
zur Verfügung
stehenden Strombereitstellung erreicht oder sogar darüber hinaus
angesiedelt ist. Zudem benötigen
sie eine äußerst aufwendige
und effektive Kühlung,
d. h. haben einen hohen Bedarf und Verbrauch an Kühlflüssigkeit
oder sind aufgrund starker Gebläsemotoren
sehr laut. Diodenlaser sind zwar in der Lage, dieses Problem zu vermeiden,
da sie einen deutlich besseren Wirkungsgrad aufweisen. Die bislang
in der Medizintechnik bekannten Diodenlaser weisen jedoch den Nachteil
auf, dass sie nicht im Hochleistungsbetrieb, d. h. über 100 Watt,
betreibbar sind, um insbesondere weiches Gewebe in zufriedenstellender
Weise zu vaporisieren. Hochleistungs-Diodenlaser sind bislang lediglich
aus dem industriellen Umfeld zum Zwecke der Materialbearbeitung
bekannt. Solche Laser-Vorrichtungen sind jedoch aus zahlreichen
Gründen
nicht zur Vaporisation von Gewebe geeignet, insbesondere da hier keine
Vorkehrungen zur Vermeidung von unerwünschter Karbonisation getroffen
werden können, so
dass die zwar durchaus verfügbare
hohe Leistung solcher industrieller Laser-Vorrichtungen nicht in sinnvoller
und sicherer Weise zu medizinischen Zwecken eingesetzt werden können. Zudem
sehen weder Nd:YAG-Laser noch die aus der Medizintechnik bekannten
Diodenlaser eine Betriebsart vor, in der auf vorbestimmte Weise
eine Karbonisation verbleibenden Gewebes zufriedenstellend vermieden
werden kann, ohne die Qualität
der Vaporisation des abzutragenden Gewebes zu beeinträchtigen.
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Die
DE 10 2004 017 547
A1 offenbart eine Vorrichtung zur Anwendung von kohärentem,
gepulstem Licht zu therapeutischen Zwecken. Der dort gezeigte Laser
dient nicht zur Vaporisation von Gewebe, sondern lediglich zur therapeutischen Bestrahlung
von Haut zum Zwecke der Stimulation. Durch die geeignete Wahl des
Puls-Pausen-Verhältnisses kann
die mittlere Lichtemissionsleistung des Gerätes gesteuert werden. Diese
kann reduziert werden, indem eine Verlängerung der Pausen zwischen
den Pulsen vorgesehen wird. Die einzelnen Pulse weisen dabei stets
die gleiche Leistung auf.
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Des
Weiteren zeigt die
US 5,632,739 eine Zwei-Puls-Vorrichtung
zur seitlichen Bestrahlung von Gewebe mittels Laserlicht, wobei
ein erster durch einen ersten Lichtleiter übermittelter Lichtpuls der
Bestrahlung einer Flüssigkeit
enthaltenden Region zur Bildung einer Dampfblase dient und ein zweiter
durch einen zweiten Lichtleiter übermittelter
Puls durch die Dampfblase hindurchführbar ist und zum Abtragen von
Gewebe eines Patienten dient. Die Vorrichtung setzt vorzugsweise
einen Ho:YAG-Laser ein, kann aber beispielsweise auch als Infrarot-Diodenlaser ausgebildet
sein. Die Dauer des ersten und des zweiten Lichtpulses sowie die
dazwischen liegende Pulspause kann variiert werden, um die auf das
Zielgewebe zu übertragende
Energie zu maximieren. Das dort verwendete Zwei-Puls-Prinzip dient
der Ausnutzung des sog. „Moses-Effekts" zur Reduktion der
Absorption von Infrarotlicht in Flüssigkeiten, wie z. B. Wasser.
Dabei erfolgt durch den ersten Puls die Expansion einer im Wasser
entstehenden Vaporisationsblase zur Erzeugung eines „Tunnels" für die Energie
des zweiten Laserpulses. Dies hat zum Zweck, dass der Laserstrahl
nicht zu früh
vom Wasser absorbiert wird. Dadurch kann zwar eine höhere Energie
auf das Zielgewebe übertragen
werden, d. h. eine höhere
Eindringtiefe in das Gewebe erzielt werden, um somit möglichst
viel Gewebe zu beseitigen, ohne dabei jedoch das Auftreten von thermischer
Nekrose in der Umgebung des abzutragenden Zielgewebes vermeiden
zu können.
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Der
Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine verbesserte
Vorrichtung zur Vaporisation von Gewebe mittels Laserstrahlung zu schaffen.
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Die
Lösung
des technischen Problems ergibt sich erfindungsgemäß durch
den Gegenstand des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der
Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass stromgepumpte
Laserdioden bei entsprechender Ansteuerung und Konfiguration die Nachteile
der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren
zur Vaporisation insbesondere von weichem Gewebe überwinden
helfen können.
Dies wird erfindungsgemäß gelöst, indem eine
Vorrichtung zur Vaporisation von Gewebe mittels Laserstrahlung vorgeschlagen
wird, umfassend mindestens eine Lasereinheit zur Erzeugung mindestens
eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge im nahen Infrarot-Bereich,
wobei die Lasereinheit als Diodenlaser ausgebildet und zur Vermeidung
einer Karbonisation des Gewebes im Pulsbetrieb betreibbar ist, und
wobei durch die Lasereinheit im Pulsbetrieb Laserlichtpulse und/oder
-pulspakete mit einem variablen Puls-Pausen-Verhältnis erzeugbar sind und aufeinander
folgende Pulse und/oder Pulspakete unterschiedliche Leistungen aufweisen.
Unter einem Pulspaket ist dabei eine Folge einer beliebigen Anzahl
von Einzellaserpulsen gleicher Intensität und -dauer zu verstehen.
Es hat sich herausgestellt, dass es insbesondere zur Vermeidung
einer unerwünschten
Karbonisation des zu bestrahlenden Gewebes sowie zur Erzielung günstiger
Gewebereaktionen von Vorteil ist, je nach Beschaffenheit des Zielgewebes
individuell unterschiedlich ausgestaltete Pulsfolgen zu verwenden.
Als besonders günstig
beispielsweise hinsichtlich der gezielten Abkühlung des Zielgewebes zwischen
einer Mehrzahl von Pulsen bei gleichzeitiger Gewährleistung hoher Vaporisationsqualität hat sich
dabei die Variierung des Puls-Pause-Verhältnisses, d. h. des Verhältnisses
der Dauer eines Laserlichtpulses zur Dauer der nachfolgenden Pulspause,
erwiesen. Solche individuell ausgestaltete Pulsfolgen, bei denen – anders
als bei aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung mit konstantem
Puls-Pausen-Verhältnis – Laserlichtpulse und/oder
-pulspakete mit unterschiedlichem Puls-Pause-Verhältnis erzeugt
werden, lassen sich mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung in vorteilhafter
Weise realisieren. Es ist dabei sowohl vorstellbar, dass die Dauer
der Laserlichtpulse (d. h. die Pulsbreite) als auch, dass die Länge der
Pulspausen innerhalb einer Puls- bzw. Pulspaketfolge variiert, um ein
variables Puls-Pausen-Verhältnis
zu erzielen. In Versuchen wurde zudem festgestellt, dass für das Auftreten
unerwünschter
thermischer Nekrose nicht nur die Wellenlänge und die isoliert betrachtete
Leistung entscheidend ist, sondern dass vielmehr auch die Art der
hintereinander eingesetzten „Leistungsabfolge", d. h. die z. B.
vorzugsweise stufenweise Anhebung und Absenkung der Laserleistung,
eine Rolle spielen. Somit lässt
sich bei der Gewebeentfernung durch das Variieren der Leistung der
Pulse und/oder Pulspakete eine extrem flexible Anpassung an das Zielgewebe
erreichen und das Auftreten von thermischer Nekrose in kontrollierter
Weise ohne sonstige Qualitätseinbußen beträchtlich
verringern. Es ist des Weiteren auch vorstellbar, dass die Leistung
innerhalb eines Pulses und/oder Pulspaketes selbst variiert. Des
Weiteren ist vorstellbar, dass die Variierung der Leistung nicht
diskret, d. h. z. B. stufenweise, sondern quasi-kontinuierlich,
d. h. unter nahezu stetiger Erhöhung
oder Erniedrigung der Leistung beispielsweise innerhalb eines Laserpulses
und/oder -pulspaketes stattfindet.
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Dabei
wird erfindungsgemäß von dem
vorteilhaften Umstand Gebrauch gemacht, dass Diodenlaser nicht an
eine ständig
hoch bleibende Betriebsfrequenz gebunden sind, sondern eine extreme
Pulsvariation erlauben und daher im Pulsbetrieb äußerst flexibel betrieben werden
können.
Hierbei stellen lediglich das zur Bereitstellung des Pumpstroms
verwendete Netzteil bzw. die zur Steuerung des Netzteils notwendige
Treibersoftware den limitierenden Faktor dar. Auf diese Weise lassen
sich erfindungsgemäß Pulse
bzw. Pulspakete unterschiedlicher und/oder gleicher Pulsbreite und/oder
Pulspausen unterschiedlicher und/oder gleicher Länge zu einer nahezu beliebigen
Pulsfolge zusammensetzen und bestmöglich auf die erwünschte Behandlungsart
sowie das Zielchromatophor, d. h. das mittels des Laserlichts zu
bestrahlende Gewebe, abstimmen. Somit ist für den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung
keine bestimmte Arbeitsfrequenz maßgeblich, sondern eine beliebig
einstellbare Folge von vorzugsweise unterschiedlichen Pulsbreiten
und -pausen zur Erzielung besonders günstiger Gewebereaktionen. Da
zur Erzeugung des Laserstrahls mindestens eine stromgepumpte Laserdiode
verwendet wird, hat die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bereitstellung
einer zur Vaporisation von Gewebe geeigneten Laserleistung keinen über das übliche Maß hinausgehenden
Energiebedarf, der nicht durch die von den Elektrizitätswerken
normalerweise zur Verfügung
gestellten Spannung abzudecken wäre.
Zur Bereitstellung der zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erforderlichen Energie ist keine Hochspannung notwendig, vielmehr
reicht beispielsweise das gemeinhin verfügbare Wechselstromnetz (in
Europa z. B. 230V mit 16 A) zur Stromversorgung aus. Da Diodenlaser
eine vergleichsweise niedrige Verlustleistung und daher einen sehr
günstigen
Wirkungsgrad aufweisen, benötigt
die erfindungsgemäße Vorrichtung
zudem keine besonders aufwendige Kühlung, die einen Verbrauch
an Kühlflüssigkeit
oder große
Gebläsemotoren
nach sich ziehen würde.
Da die Wellenlänge
des Laserlichts der erfindungsgemäßen Vorrichtung sich im nahen
Infrarot-Bereich befindet, kann beispielsweise nicht nur Blut koaguliert, sondern
auch Gewebe verdampft werden. Zwar wird auch infrarotes Licht in
gewissem Maße
von Blut (bzw. Hämoglobin)
absorbiert, jedoch schwächer
als im grünen
Bereich des sichtbaren Spektrums. Vielmehr erfolgt im nahen Infrarotbereich
die Absorption in stärkerem
Maße durch
Wasser bzw. wasserhaltige Bestandteile, so dass bei ausreichender
Leistung eine schnelle Vaporisation erzielbar ist. Blut wird somit
vorzugsweise verdampft, bevor eine Koagulation und somit eine Änderung
seiner Farbe auftritt, d. h. die Absorption des Laserlichts wird
auch nach Behandlung oben liegender Gewebeschichten kaum reduziert.
Stattdessen zielt die Wellenlänge
der erfindungsgemäßen Vorrichtung weniger
auf die Absorption des Laserlichts durch Blut (bzw. Hämoglobin)
als vielmehr durch Wasser als Zielchromatophor ab, weswegen insbesondere
die Vaporisation von weichem Gewebe, welches stark wasserhaltig
ist, in vorteilhafter Weise durchführbar ist. Es kann somit nicht nur
lediglich oberflächlich
eine zufrieden stellende Abtragung von Gewebe erzielt werden, sondern
es ist eine tiefgründige
Abtragung mehrerer übereinander
liegender Gewebeschichten ohne unerwünschtes „Ausfransen" aufgrund von Faserbildung
möglich, so
dass trotz großflächiger Abtragung
mehrerer Schichten noch glatte Oberflächen mit hervorragender Vaporisationsqualität erzielbar
sind. Neben einer großflächigen Abtragung
mehrerer Schichten ist jedoch auch bei entsprechender Einstellung
des Pulsbetriebs und der Laserleistung eine präzise punktgenaue Vaporisation
durchführbar.
Da sich der Laserstrahl nicht im sichtbaren Bereich des Spektrums
befindet, werden zudem unerwünschte Überblendungen
bei der Visualisierung der Operation vermieden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
ist dabei insbesondere zur Anwendung in der Urologie, beispielsweise
zur Behandlung von Prostata-Hyperplasien geeignet, da in besonders
vorteilhafter Weise mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Vaporisation
von Prostatagewebe durchführbar
ist. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung
bei entsprechender Konfiguration hinsichtlich Pulsbetrieb und Laserleistung
zum Schneiden von Gewebe oder zur Lithotripsie, d. h. zur Steinzertrümmerung
von z. B. Gallen- bzw. Nierensteinen, einsetzbar ist.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
sind die Pulsbreite und/oder die Länge einer Pulspause und/oder
das Puls-Pause-Verhältnis
beliebig variierbar. Bei der „Pulsbreite" kann es sich dabei
entweder um die zeitliche Dauer eines Einzelpulses oder eines Pulspakets
handeln. Als „Pulspause" kann sowohl die
Pause vor oder nach einem Einzelpuls als auch die Pause vor oder
nach einem Pulspaket verstanden werden. Die Parameter zur Festlegung
der jeweiligen Betriebsart, d. h. der je nach Art des zu behandelnden
Gewebes hinsichtlich der zu erwartenden Gewebereaktionen günstigsten
Kombination von Pulsfolgen individueller Pulsbreite sowie Pulspausen
individueller Länge
können
vorzugsweise durch den Operateur vorab ausgewählt und weiter vorzugsweise mittels
einer Eingabeeinheit über
eine Benutzerschnittstelle eingestellt werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Pulsbreiten
aufeinander folgender Pulse und/oder Pulspakete und/oder die Pulspausen zwischen
aufeinander folgenden Pulsen und/oder Pulspaketen unterschiedlich
lang. Als besonders günstig
z. B. hinsichtlich der Vermeidung einer Karbonisation verbleibenden
Gewebes bei gleichzeitiger Gewährleistung
hoher Vaporisationsqualität
hat sich dabei die Variierung der Pulsbreite aufeinander folgender
Pulse bzw. Pulspakete und/oder die Variierung der Länge aufeinander
folgender Pulspausen erwiesen, da somit eine gezielte Abkühlung des
Zielgewebes zwischen einer Mehrzahl von Pulsen in kontrollierter
Weise erreicht und je nach Gewebeart auch individuell angepasst
werden kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die unterschiedlichen
Leistungen aufeinander folgender Pulse und/oder Pulspakete in vorbestimmter
Weise unterschiedlichen Pulsbreiten zuordenbar. Dadurch ist insbesondere
vorzugsweise in Verbindung mit der beliebigen Variierung der Pulsbreiten
und/oder der Länge
der Pulspausen und/oder des jeweiligen Puls-Pause-Verhältnisses
eine im höchsten
Maße flexible
Gestaltung der Pulsfolgen realisierbar. Somit lässt sich mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
eine äußerst flexible
und bestmöglich
hinsichtlich der erwünschten
Gewebereaktion auf das jeweilige Zielgewebe individuell adaptierbare
Gewebebehandlung erzielen. Weiter vorzugsweise ist auch die unterschiedliche
Leistung aufeinander folgender Pulse und/oder Pulspakete beliebig variierbar
und durch den Operateur vorab auswählbar sowie über eine
Benutzerschnittstelle individuell einstellbar. Des weiteren ist
vorstellbar, dass die Einstellungen einer oder mehrerer bestimmter,
bevorzugt eingesetzter Betriebsarten, die jeweils hinsichtlich Pulsbreite,
Pulspause sowie jeweils zugeordneter Leistung unterschiedliche Pulsfolgen
aufweisen, im zugehörigen
Speicher einer Steuereinheit abgelegt und mittels einer Steuerungssoftware
als voreingestellte Arbeitsprogramme abrufbar sind. Im Rahmen der
Leistungsfähigkeit
von Netzteil und Treibersoftware sind also vorzugsweise die Leistung
in Verbindung mit der Pulsbetriebsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung
nahezu beliebig variierbar und einstellbar.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Lasereinheit
mit einer mittleren Leistung von mindestens 100 Watt betreibbar.
Aufgrund der vergleichsweise hohen mittleren Leistung (und den somit
ebenfalls vergleichsweise hohen Pulsspitzen von beispielsweise mindestens
200 W) können
für die
gleiche Leistungsübertragung
kürzere
Pulse eingesetzt werden. Neben einer geringeren Erwärmung der
tiefer liegenden Schichten ermöglicht
dies auch eine höhere
Arbeitsgeschwindigkeit, d. h. es ist ein besonders schnelles und
schonendes Abtragen bzw. Verdampfen von Gewebe möglich.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform beträgt die Pulsbreite
mindestens eines Pulses und/oder mindestens eines Pulspakets und/oder mindestens
eine Pulspause weniger als 1 ms. Die auf diese Weise erzielten extrem
kurzen, aber sehr energiereichen Pulse weisen eine geringere schädigende Wirkung
für das
Gewebe auf, da in den unterhalb des Zielgewebes liegenden Schichten
nahezu keine Erwärmung
stattfindet. Je kürzer
dabei die Pulsbreite, desto zielgenauer kann ohne eine ausgedehnte
unerwünschte
Karbonisation vaporisiert werden. Die Pulsbreiten und/oder Pulspausen
liegen dabei vorzugsweise im Mikrosekundenbereich, d. h. ca. zwischen
1 und 1000 μs.
Es ist aber auch denkbar, dass bei entsprechender Leistungsfähigkeit
des Netzteils bzw. der Treibersoftware noch kürzere Pulsbreiten bzw. -pausen
zur Anwendung kommen, beispielsweise im Piko- oder Nanosekundenbereich.
Je kürzer dabei
der Puls, desto höher
muss die Pulsspitzenleistung sein, damit noch ein gewebewirksamer
Effekt erreicht werden kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform beträgt die Pulsbreite
mindestens eines Pulses und/oder mindestens eines Pulspakets und/oder
die mindestens eine Pulspause zwischen 50 und 200 μs. Zwar gilt,
je kürzer
die Pulsbreite, desto zielgenauer kann die Vaporisierung ohne unerwünschte Erwärmung der
unterhalb des Zielgewebes liegenden Schichten von statten gehen.
Technisch sind jedoch zum heutigen Zeitpunkt Pulse mit einer Pulsbreite, die
kürzer
als 50 μs
ist, nur schwierig und mit großem Aufwand
zu realisieren. Daher ist im Bereich zwischen 50 und 200 μs die erfindungsgemäße Vorrichtung
angesichts der steigenden Kosten bei noch kürzeren Pulsen besonders effizient
betreibbar. Da mit diesen Pulsbreiten und -pausen auch äußerst zufrieden
stellende Vaporisationsergebnisse erzielbar sind, erreicht das Kosten-Nutzen-Verhältnis in
diesem Bereich ein Maximum.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen jeweils mindestens
eine aufeinander folgende Pulsbreite und Pulspause im Wesentlichen
die gleiche Länge
auf. Dies hat sich in Versuchen für bestimmte Gewebearten hinsichtlich
der erwünschten Gewebereaktionen,
d. h. maximale Vaporisation des Zielgewebes bei minimaler Schädigung des
umliegenden Gewebes, als besonders vorteilhaft erwiesen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen jeweils mindestens
eine aufeinander folgende Pulsbreite und Pulspause im Wesentlichen unterschiedliche
Längen
auf. Dies hat sich in Versuchen für bestimmte weitere Gewebearten
hinsichtlich der erwünschten
Gewebereaktionen, d. h. maximale Vaporisation des Zielgewebes bei
minimaler Schädigung
des umliegenden Gewebes, als besonders vorteilhaft erwiesen. Die
individuelle Gestaltung der Puls-Pausen-Abfolgen sowohl mit gleicher
als auch mit unterschiedlicher Länge
ist dabei mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne größeren Aufwand realisierbar.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen jeweils mindestens
eine aufeinander folgende Pulsbreite und Pulspause zusammen eine Länge von
etwa 100 μs
auf. Unter der Angabe „etwa 100 μs" lässt sich
dabei ein Toleranzbereich von +/–10% subsumieren. Es hat sich
gezeigt, dass insbesondere für
weiches Gewebe bei einer Gesamtdauer von etwa 100 μs besonders
günstige
Verdampfungseigenschaften in Verbindung mit einer möglichst
geringen Schädigung
des umliegenden Gewebes aufgrund von Erwärmung vorliegen. Dies hängt mit
der jeweiligen thermischen Relaxationszeit des Ziel- bzw. umliegenden
Gewebes zusammen, wobei diesbezüglich
insbesondere für
Prostatagewebe bei einer Gesamtdauer von ca. 100 μs ein lokales
Optimum vorliegt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist mindestens
ein Pulspaket zwischen 500 und 5000 Einzelpulse auf. Dies entspricht
einer Größenordnung,
bei der sich der auftretende Zielkonflikt am besten handhaben lässt, dass
höhere
Frequenzen (d. h. kürzere
Pulse) zwar eine schnellere Gewebeabtragung ermöglichen, bei zu hohen Frequenzen ohne
dazwischen liegende Pause jedoch zuviel Energie pro Pulspaket übertragen
wird und die Erwärmung
des umliegenden Gewebes dann zu hoch wird.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform beträgt die Wellenlänge des
mittels der Lasereinheit erzeugbaren Laserlichts zwischen 800 nm und
1000 nm. Bei dieser Wellenlänge
im nahen Infrarot-Bereich kann bei einer ausreichenden mittleren Laserleistung – z. B.
vorzugsweise mindestens 100 W – beispielsweise
Blut nicht nur koaguliert, sondern besonders gut unmittelbar verdampft
werden, da in diesem Wellenlängenbereich
die Absorption des Laserlichts überwiegend
durch Wasser erfolgt, so dass bei ausreichender Leistung eine schnelle
Vaporisation erzielbar ist. Blut wird somit vorzugsweise verdampft,
bevor eine Koagulation und somit eine Änderung seiner Farbe auftritt,
d. h. die Absorption des Laserlichts wird auch nach Behandlung oben
liegender Gewebeschichten kaum aufgrund von unerwünschter
Koagulation reduziert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
beträgt
die Wellenlänge
des mittels der Lasereinheit erzeugbaren Laserlichts zwischen 910
nm und 990 nm. In diesem Wellenlängenbereich,
vorzugsweise bei den Wellenlängen
von z. B. 940 nm oder z. B. 980 nm oder z. B. 915 nm, lassen sich
bei entsprechender Taktung der Pulsfolgen, d. h. bei einem jeweils
vorab zu bestimmenden Puls-Pause-Verhältnis, besonders günstige Verdampfungseigenschaften
ohne unerwünschte
Karbonisation erzielen. Dabei ist bei der Angabe der exakten Wellenlänge in der
Praxis aufgrund der systemimmanenten Eigenschaften von Laserdioden
von einer Variation innerhalb eines Toleranzbereichs von +/–10 nm auszugehen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Diodenlaser
eine Dauerstrich-Leistung von mindestens 200 Watt auf. Unter „Dauerstrich" (sog. „continuous
wave") ist dabei
ein Betriebszustand zu verstehen, bei dem ein konstanter Laserstrahl
ohne Pulspausen und Pulsbreiten erzeugt wird. Eine Dauerstrich-Leistung
von mindestens 200 W ermöglicht
zum einen eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit und zum anderen im Pulsbetrieb
eine vergleichsweise geringe Erwärmung
tiefer liegender Schichten und somit ein vermindertes Auftreten
unerwünschter
Karbonisation, da kürzere
Pulse für
die gleiche Leistungsübertragung
verwendet werden können
als bei geringeren Dauerstrich-Leistungen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens ein
Lichtleiter zur Applizierung des mittels der Lasereinheit erzeugbaren
Laserstrahls vorgesehen, wobei der Laserstrahl an einem distalen
Ende seitlich aus dem Lichtleiter austritt. Dies ist insbesondere
bei der Behandlung von urologischen Erkrankungen, beispielsweise
Prostata-Hyperplasien, von Vorteil, da der Lichtleiter durch die Harnröhre des
Patienten unmittelbar bis zum Ort der Erkrankung, d. h. z. B. zur
Prostata, eingeführt
werden kann und durch den seitlich aus dem Lichtleiter austretenden
Laserstrahl dann eine zielgenaue Vaporisierung des erkrankten Gewebes
bei bestmöglicher
Handhabung des Laserstrahls durchführbar ist. Es ist aber ebenso
auch denkbar, dass ein herkömmlicher
Lichtleiter Verwendung findet, bei welchem der Laserstrahl am distalen
Ende gerade austritt (z. B. zur Behandlung von Blasentumoren).
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens ein
Pilotstrahl im sichtbaren Wellenlängenbereich erzeugbar, welcher
in Richtung des von der Lasereinheit erzeugbaren Laserstrahls gerichtet
ist. Auf diese Weise lässt
sich die Zielrichtung des mit bloßem Auge nicht sichtbaren Infrarot-Laserstrahls
für den
Operateur sichtbar machen, so dass dieser den Laserstrahl präzise und
punktgenau am Zielgewebe applizieren kann. Ein derartiger Pilotstrahl
kann beispielsweise durch Laserlicht im Milliwatt-Bereich erzeugt
werden, wobei vorzugsweise z. B. rotes oder grünes Laserlicht mit einer Leistung nicht
größer als
5 mW verwendet wird, um unerwünschte Überblendungen
zu vermeiden. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass an Stelle von
Laserlicht herkömmliches
farbiges Licht zur Erzeugung des Pilotstrahls verwendet wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. In
den zugehörigen
Zeichnungen zeigen
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Vaporisation von
Gewebe mittels Laserstrahlung,
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2 ein
Diagramm zur Veranschaulichung der Absorptionsverläufe verschiedener
Gewebebestandteile bei unterschiedlichen Wellenlängen,
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3 eine
schematische Darstellung einer beispielhaften Pulsfolge der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und
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4 eine
schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Pulsfolge
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Vaporisation von Gewebe mittels Laserstrahlung. Dabei ist eine
Lasereinheit 1 zur Erzeugung eines Laserstrahls 3 mit
einer Wellenlänge
im nahen Infrarot-Bereich, z. B. vorzugsweise 940 nm, vorgesehen.
Die Lasereinheit 1 umfasst eine Laserdiode (nicht dargestellt),
die stromgepumpt ist und zur Vermeidung einer Karbonisation des
Gewebes im Pulsbetrieb betreibbar ist. Des Weiteren ist eine Kühleinheit 4,
ein Diodentreiber 6, welcher ein integriertes Netzteil
(nicht dargestellt) umfasst, sowie eine Steuereinheit 10 vorgesehen,
die gemeinsam mit der Lasereinheit 1 in einem Gehäuse 12 angeordnet sind.
Ein Lichtleiter 15 ist zur Applizierung des mittels der
Lasereinheit 1 erzeugbaren Laserstrahls 3 vorgesehen,
wobei der Laserstrahl 3 an einem distalen Ende 16 vorzugsweise
seitlich aus dem Lichtleiter 15 austritt. Der Diodentreiber 6 dient
zur Bereitstellung der Pumpenergie für die Lasereinheit 1.
Die Steuereinheit 10 steuert mittels einer Steuerelektronik
den Diodentreiber 6 und damit auch die Lasereinheit 1 sowie
vorzugsweise auch die Kühleinheit 4.
Durch die Lasereinheit 1 sind erfindungsgemäß im Pulsbetrieb Laserlichtpulse
und/oder -pulspakete mit einem variablen Puls-Pause-Verhältnis erzeugbar
(s. 3 und 4). Mittels Steuereinheit 10 und
Diodentreiber 6 ist die jeweilige Betriebsart der Lasereinheit 1 steuerbar,
wobei nahezu beliebige Folgen von Laserlichtpulsen einstellbar sind.
Dabei ist erfindungsgemäß die Pulsbreite 25,
d. h. die zeitliche Dauer eines Laserlichtpulses bzw. -pulspakets,
und/oder die Länge einer
Pulspause 26 und/oder das Puls-Pause-Verhältnis
und/oder die unterschiedliche Leistung aufeinander folgender Pulse 22 und/oder
Pulspakete 23 (vgl. 3 und 4)
und/oder die jeweilige Leistung in Verbindung mit der Pulsbetriebsart
nahezu beliebig variierbar und einstellbar. Die Parameter zur Festlegung
der jeweiligen Betriebsart, d. h. der je nach Art des zu behandelnden
Gewebes hinsichtlich der zu erwartenden Gewebereaktionen günstigsten Kombination
von Pulsfolgen individueller Pulsbreite 25 sowie Pulspausen 26 individueller
Länge können durch
den Operateur vorab ausgewählt
und mittels einer Eingabeeinheit (nicht dargestellt) über eine
Benutzerschnittstelle eingestellt werden. Die Einstellungen einer
oder mehrerer bestimmter bevorzugt eingesetzter Betriebsarten, die
jeweils hinsichtlich Pulsbreite 25, Pulspause 26 (vgl. 3 und 4)
sowie jeweils zugeordneter Leistung unterschiedliche Pulsfolgen
aufweisen, sind in einem zugehörigen
Speicher (nicht dargestellt) der Steuereinheit 10 abgelegt und
mittels einer Steuerungssoftware als voreingestellte Arbeitsprogramme
abrufbar. Die Lasereinheit 1 ist mit einer mittleren Leistung
von mindestens 100 Watt und einer Dauerstrich-Leistung von mindestens 200
Watt betreibbar. Des Weiteren ist – z. B. durch rotes Laserlicht
mit einer Leistung von ca. 5 mW – ein Pilotstrahl (nicht dargestellt)
im sichtbaren Wellenlängenbereich
erzeugbar, welcher in Richtung des von der Lasereinheit 1 erzeugbaren
Laserstrahls 3 gerichtet ist.
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2 zeigt
ein Diagramm zur Veranschaulichung der Absorptionsverläufe verschiedener
Gewebebestandteile bei unterschiedlichen Wellenlängen. Dabei ist auf der Abszisse
die Wellenlänge
in nm und auf der Ordinate der jeweilige Absorptions-Koeffizient in logarithmischer
Darstellung aufgetragen. Dargestellt sind die Absorptionsverläufe von
Hämoglobin (Hb)
17, von HbO2 (d. h. mit Sauerstoff gesättigtem Hämoglobin) 18,
von Melanin 19 und von Wasser 20. Dabei ist insbesondere
zu erkennen, dass die Lichtabsorption von Hämoglobin und von HbO2 zwischen 500 und 600 nm ein lokales Maximum
aufweist und nachfolgend mit zunehmender Wellenlänge abnimmt, während die
Lichtabsorption von Wasser zwischen 500 und 1000 nm nahezu stetig
ansteigt und zwischen 900 und 1000 nm ein lokales Maximum erreicht.
Zu bemerken ist dabei, dass Laserlicht mit einer Wellenlänge von
z. B. 532 nm in viel stärkerem Maße von Hämoglobin
bzw. von HbO2 absorbiert wird als von Wasser,
während
Laserlicht mit einer Wellenlänge
im nahen Infrarotbereich, also von z. B. 940 nm, in viel stärkerem Maße von Wasser
absorbiert wird als von Hämoglobin
bzw. von HbO2. Dies erklärt, warum bei Wellenlängen im
nahen Infrarotbereich bei weichem, d. h. stark wasserhaltigem Gewebe
besonders gute Vaporisationsresultate erzielbar sind, da in diesem
Wellenlängenbereich
in besonders starkem Maße
die wasserhaltigen Bestandteile des Gewebes das Laserlicht absorbieren
und somit besonders schnell verdampft werden können.
-
3 und 4 zeigen
jeweils eine schematische Darstellung einer beispielhaften Pulsfolge von
Laserlichtpulsen bzw. -pulspaketen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Dabei stellt die Abszisse die Zeitachse dar, während auf der Ordinate die Leistung
der Lichtpulse aufgetragen ist. Dabei sind jeweils unterschiedliche
Pulspakete 23, 23a, 23b, 23c, 23d, 23e dargestellt,
die jeweils eine bestimmte Pulsbreite 25, 25a, 25b, 25c, 25d, 25e aufweisen
und jeweils durch Pulspausen 26, 26a, 26b, 26c, 26d unterbrochen
d. h. zeitlich voneinander getrennt sind. Ein Pulspaket 23, 23a, 23b, 23c, 23d, 23e ist
dabei als eine Folge einer beliebigen Anzahl einzelner Pulse 22, 22a, 22b, 22c, 22d, 22e gleicher
Intensität
und -dauer zu verstehen. In 3 und 4 sind
die einzelnen Pulse 22, 22a, 22b, 22c, 22d, 22e eines
Pulspakets 23, 23a, 23b, 23c, 23d, 23e lediglich
zur Veranschaulichung schematisch angedeutet und die dargestellte
Anzahl der Einzelpulse innerhalb eines Pakets entspricht nicht der
tatsächlichen
Anzahl in der Realität.
Vielmehr weist ein Pulspaket 23, 23a, 23b, 23c, 23d, 23e tatsächlich jeweils
vorzugsweise zwischen 500 und 5000 einzelne Pulse 22, 22a, 22b, 22c, 22d, 22e auf.
Bei den in 3 und 4 dargestellten
Pulsfolgen ist von einer Wellenlänge
des Laserlichts im nahen Infrarot-Bereich auszugehen, z. B. vorzugsweise
zwischen 800 nm und 1000 nm, weiter vorzugsweise zwischen 910 nm
und 990 nm und weiter vorzugsweise z. B. 940 nm, wie mittels der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
erzeugbar. In 3 ist zu erkennen, dass innerhalb
der Pulsfolge eine Variierung des Puls-Pause-Verhältnisses,
d. h. des Verhältnisses
der Dauer eines Laserlichtpulses zur Dauer der nachfolgenden Pause,
erfolgt. So weisen z. B. das erste Pulspaket 23 mit der
Pulsbreite 25 und die Pulspause 26, welche aufeinander
folgen, im Wesentlichen die gleiche Länge auf, nämlich z. B. jeweils 100 μs, d. h.
das Puls-Pause-Verhältnis
beträgt 1:1.
Demgegenüber
weisen das zweite Pulspaket 23a mit der Pulsbreite 25 und
die danach folgende Pulspause 26a im Wesentlichen unterschiedliche Längen und
somit auch ein anderes Puls-Pause-Verhältnis auf. Um ein variables
Puls-Pause-Verhältnis zu
erzielen, kann dabei sowohl die Dauer der Laserlichtpulse (d. h.
die Pulsbreite 25, 25a, 25b, 25c, 25d, 25e)
als auch die Länge
der Pulspausen 26, 26a, 26b, 26c, 26d innerhalb
der Puls- bzw. Pulspaketfolgen variieren. So sind z. B. die Pulsbreiten 25, 25a der
aufeinander folgenden Pulspakete 23a, 23b und die
Pulspausen 26a, 26b zwischen den aufeinander folgenden
Pulspaketen 26a, 26b unterschiedlich lang. Während in 3 die
Pulse der Pulspakete 23, 23a, 23b alle
die gleiche Leistung aufweisen, wird demgegenüber in 4 eine Pulsfolge
gezeigt, bei der die darin enthaltenen Pulspakete 23c, 23d, 23e (einschließlich der
aufeinander folgenden Pulspakete 23c, 23d) jeweils
Laserlichtpulse mit unterschiedlicher Amplitude, d. h. mit unterschiedlichen
Leistungen, aufweisen. Die unterschiedlichen Leistungen der Pulspakete 23c, 23d, 23e sind
dabei in vorbestimmter Weise jeweils bestimmten, Pulsbreiten 25c, 25d,
die zumindest teilweise unterschiedlich sind, zugeordnet. Sowohl
in 3 als auch in 4 beträgt die Pulsbreite 25, 25a, 25b, 25c, 25d, 25e eines Pulspakets 23, 23a, 23b, 23c, 23d, 23e und
eine Pulspause 26, 26a, 26b, 26c, 26d jeweils
weniger als 1 ms. Vorzugsweise beträgt die Pulsbreite 25, 25a, 25b, 25c, 25d, 25e eines
Pulspakets 23, 23a, 23b, 23c, 23d, 23e und
eine Pulspause 26, 26a, 26b, 26c, 26d jeweils
zwischen 50 und 200 μs.
Zumindest teilweise weisen jeweils eine aufeinander folgende Pulsbreite 25c und
Pulspause 26c zusammen eine Länge von etwa 100 μs auf. In
gleicher Weise wie lediglich beispielhaft für Pulspakete in 4 dargestellt,
können
auch jegliche Einzelpulse, wie z. B. der in 3 mit der
Pulsbreite 25b oder z. B. die in 4 gezeigten
Pulse 22c, 22d, 22e, hinsichtlich Pulsbreite und/oder
der Pause zum vorangehenden oder nachfolgenden Puls bzw. Pulspaket
und/oder hinsichtlich ihrer jeweiligen Leistung beliebig variiert
werden.
-
- 1
- Lasereinheit
- 3
- Laserstrahl
- 4
- Kühleinheit
- 6
- Diodentreiber
- 10
- Steuereinheit
- 12
- Gehäuse
- 15
- Lichtleiter
- 16
- distales
Ende
- 17
- Absorptionsverlauf
von Hämoglobin
- 18
- Absorptionsverlauf
von HbO2
- 19
- Absorptionsverlauf
von Melanin
- 20
- Absorptionsverlauf
von Wasser
- 22,
22a, 22b, 22c, 22d, 22e
- Puls
- 23,
23a, 23b, 23c, 23d, 23e
- Pulspaket
- 25,
25a, 25b, 25c, 25d, 25e
- Pulsbreite
- 26,
26a, 26b, 26c, 26d
- Pulspause