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Aufgabenstellung:
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Es soll ein Verfahren zur intrakorporalen
Zertrümmerurg
von Konkrementen durch laserinduzierte Plasmen und deren Folgeprozesse
gefunden werden.
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Stand der Technik:
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Es wurde gezeigt, dass auf Steinen
mit Laserpulsen Plasmen erzeugt werden können, deren Ausdehnung in einer
Flüssigkeitsumgebung
zu so starken mechanischen Folgewirkungen wie Stosswellen und Kavitation
führt,
dass hiermit die Steine zertrümmert
werden können
(N.C. Anderholm, Appl. Phys. Lett. 16, 1970). Für die medizinische Nutzung dieses
Prinzips bei der Lithotripsie ist eine Übertragung der Laserpulse bis
zum Körperkonkrement
notwendig, die über
Lichtwellenleiter geschieht. Deren Zerstörschwelle setzt eine obere
Grenze für
die nutzbaren Pulsenergien, die jedoch von der Pulsdauer abhängt (P.
Hering, Laser Lithotripsy: Clinical use and technical aspects, Springer
Berlin, 1988).
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Es wurden deshalb in einer Reihe
von Verfahren und Patenten Möglichkeiten
beschrieben, die Pulsdauer soweit zu verlängern, dass eine möglichst große Pulsenergie über die
Faser übertragen
werden kann. Bei Festkörperlasern
wurden freilaufend blitzlampengepumpte Systeme mit Ho:YAG- (
US 5,820,627 , K.F. Chan,
Lasers in Surg. Med. 25, 1999) oder Nd:YAG-Lasern (bei 1,44 μm Wellenlänge) beruhend
auf der Wasserabsorption beschrieben (
US 5,135,534 ),
die im Bereich von Hundert Mikrosekunden jedoch nur noch thermisch
wirksam sind, und damit keinen Unterschied in der Zertörung von
Steinen und umgebenden Weichgewebe mehr machen – mithin sehr riskant in der
Anwendung sind.
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Mit blitzlampengepumpten Farbstofflasern zwischen
445 und 600 nm Emissionswellenlänge werden
Laserpulse im Bereich 1–3 μs erzeugt,
die aufgrund der Absorption durch die Steine in der Lage sind auch
mit den eingesetzten kleinen Laserleistungen auf Steinen ein Plasma
zu erzeugen und die Steine zu zertrümmern (G.M. Watson, J. Urol.
138, 1987) . Blitzlampengepumpte Farbstofflaser stellen jedoch einen
sehr aufwändigen,
empfindlichen und im medizinischen Bereich ungern genutzten Lasertyp dar.
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Durch eine Verlängerung des Laserresonators
wird ein passiv gütegeschalteter
Festkörperlaser mit
Laserpulsen im Bereich mehrerer Hundert Nanosekunden bis zwei Mikrosekunden
betrieben (
US 5,963,575 ,
DE 4310023 ,
DE 4336947 ). Mit dem beschriebenen
Nd-YAG-Laser bei 1064 nm kann jedoch kein Plasma auf Steinen und
damit keine Zertrümmerung
erzeugt werden, da die Absorption bei dieser Wellenlänge zu klein
ist, bzw. die Leistung zu gering ist. Erst wenn gleichzeitig noch
eine Frequenzverdopplung im gleichen Laser genutzt wird, um grünes Licht
der Wellenlänge
532 nm zu erzeugen, kann über
die größere Absorption
bei dieser Wellenlänge ein
Plasma erzeugt werden (
DE 3933613 ).
Neben dem großen
Aufwand der Pulsverlängerung
und der Frequenzverdopplung ist bei hellen bis weißen Steinen
der Mechanismus unwirksam.
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Es ist ein weiteres Verfahren bekannt
die Pulsdauer zu verlängern
(
DE 4401917C2 ,
US 5496306 ). Hierbei wird
durch Regelung des Güteschalters
im Resonator eine größere Pulsdauer
erreicht, die auf den Alexandrit-Laser bezogen die Zerstörung der Übertragungsfaser
verhindern kann, dann aber in einem Leistungsbereich arbeitet, bei dem
nicht mehr alle Steine zerstört
werden können. Hierfür wird dann
die Möglichkeit
der Frequenzverdopplung eines Teils des Laserpulses angeboten, um mit
der erhöhten
Absorption bei 350 nm auch diese Steine zu zertrümmern.
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Es werden weitere Systeme beschrieben, die
einen Nd:YAG-Laser mit 100 bis 300 ns (
DE 3813482 ) betreiben bzw. einen Alexandrit-Laser
im gleichen Pulsdauerbereich mit zusätzlicher Frequenzverdopplung
(
DE 4029530 ). Hier haben
Untersuchungen zur Faserstabilität
gezeigt, das in diesem Pulsdauerbereich eine rapide Zerstörung der
Faser einsetzt, die medizinisch nicht tolerabel ist (J. Tschepe,
Optical Fibers in Medicine VII, SPIE Vol. 1649; 1992).
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Weitere Möglichkeiten zur Lösung der
Problematik bestehen in der Nutzung großer Faserdurchmesser für die Laserpulsübertragung.
Hier ist dann am distalen Ende die Intensität so gering, dass über eine
Nachfokussierung die Intensität
wieder erhöht
werden muss. Dies wird zum einen mit angeschmolzenen Faserenden
(
DE 3917663 ) in nur
mäßiger Qualität erreicht,
die zudem eine empfindliche Endfläche schafft, die bei einsetzender
Steinzertrümmerung
sofort beschädigt
wird und ihrer Funktion nicht mehr gerecht wird. In anderer Form
wird diese Fokussierung durch ein optisches System erreicht, was
zwar höhere
Qualität
und Standzeit bedeutet, aber in einem medizinisch kaum akzeptablen
Durchmesser des Applikators resultiert (
DE 3711086C2 , F. Wondrazek,
Laser lithotripsy, Springer Berlin, 1988). Anstelle oder auch ergänzend zu
dem vorgenannten Verfahren wird die Umgebung des Steines modifiziert,
so dass ein Plasma auch bei geringen Energien oder Intensitäten entsteht.
Dies geschieht durch eine spezielle Spüllösung (
DE 3819019 ,
DE 3728814 ,
US 4,960,108 ) oder durch einen metallischen
Steg (F. Wondrazek, Laser lithotripsy, Springer Berlin, 1988) vor
der Faser und Fokussieroptik. Neben der mangelnden Standzeit des
metallischen Stegs oder auch der im Zusammenhang mit der speziellen
Spüllösung eingesetzten
angeschmolzenen Faser sind diese Verfahren nicht sinnvoll medizinisch
einsetzbar.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Die Problematik bei der Laser-Lithotripsie besteht
in der Notwendigkeit, die erforderliche Laserstrahlung über einen
optischen Lichtwellenleiter zu transportieren ohne ihn zu zerstören und
gleichzeitig am Körperkonkrement
Prozesse in Gang zu setzen, die für dessen Zerstörung sorgen.
Eine weitere wichtige Forderung ist, dass umgebendes Weichgewebe bei
irrtümlicher
Bestrahlung nicht geschädigt
wird.
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Es hat sich nun überraschend gezeigt, dass durch
einen speziellen zeitlichen Verlauf der applizierten Laserleistung
sowohl eine sichere Übertragung
der Laserstrahlung über
Lichtwellenleiter als auch die Erzeugung eines Plasmas mit nachfolgenden
Stosswellen auf Konkrementen möglich
ist, die das Körperkonkrement
fragmentieren. Hierzu wird in einem ersten Teil des Laserpulses
eine sehr hohe Leistung bei geringer Energie abgegeben, die ein
Mikroplasma zündet.
Im zweiten Teil des Laserpulses wird bei einer geringeren Leistung
eine hohe Energie übertragen,
die zur Zertrümmerung
des Konkrementes dient und aufgrund des vorhandenen Mikroplasmas
effizient absorbiert wird. Der prinzipielle Verlauf des Laserpulses
ist in 1 zu sehen.
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Die Übertragung von Laserstrahlung über Lichtwellenleiter
ist begrenzt durch eine Zerstörschwelle.
Die übertragbare
Energiedichte nimmt mit der Wurzel aus der Pulsdauer zu. Für die Übertragung
der Leistungsdichte bedeutet dies entsprechend eine Abnahme proportional
dem Kehrwert der Wurzel aus der Pulsdauer. Die im Stand der Technik beschriebenen
Verfahren beruhen alle darauf, dass durch eine möglichst hohe Energie thermisch
ein Plasma initiiert wird. Die Pulsdauer muss dann entsprechend
lange gewählt
werden, so dass die Faser hierbei nicht zerstört wird. Der Energieanteil
des Laserpulses vor dem Zünden
des Plasmas, ist für
den Steinzertrümmerungsprozess
verlorengegangen.
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Ein wesentlich effizienteres Vorgehen
stellt der umgekehrte Ansatz, der in diesem Patent beschrieben wird,
dar. Die Pulsdauer eines Laserpulses wird soweit verkürzt, so
dass eine hohe Leistungsdichte über
die Faser übertragen
werden kann, die durch einen optischen Durchbruch an der Steinoberfläche ein
Plasma erzeugt. Die dafür
notwendige Energie ist sehr klein verglichen mit den üblichen
Pulsenergien, die für
die Plasmaerzeugung bei der Steinzertrümmerung eingesetzt wird. Durch
den nicht-thermischen Prozess der Plasmaerzeugung, ist diese Methode
unabhängig
von der Absorption der Körperkonkremente
und funktioniert damit auch auf weißen oder sehr hellen Steinen.
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Dieses so erzeugte Plasma besitzt
durch die hohe Dichte freier Elektronen eine steinunabhängige hohe
Absorption insbesondere für
Laserstrahlung großer
Wellenlängen.
In Weiterführung
des Erfindungsgedankens wird der Energieinhalt des Mikroplasmas
durch einen zweiten Laserpuls erhöht, um die für die effiziente
Fragmentierung notwendige Energie am Stein zu konzentrieren. Dieser
zweite Laserpuls weist eine geringere Leistungsdichte auf als der
erste und bei deutlich längerer
Pulsdauer eine viel höhere
Energie. Dies ist damit zum einen verträglich mit der Übertragung über eine
Faser und liefert zum anderen verlustfrei die Energie für den Fragmentierungsprozess.
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Für
die erfolgreiche Nutzung dieses Prinzips ist es unerheblich, ob
der erste und zweite Laserpuls von verschiedenen Lasermedien mit
eventuell unterschiedlicher Wellenlänge herrühren oder, ob in einem Laserresonator
der zeitliche Leistungsverlauf so gesteuert wird , dass die Eigenschaften
und Wirkungen des vorher beschriebenen ersten und zweiten Laserpulses
entstehen.
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Beschreibung
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In einer bevorzugten Ausführungsform (2) werden als Lasermedium
Nd:YAG oder Nd:Glas benutzt, die aufgrund ihrer langen Fluoreszenzlebensdauer
von 230 μs
beziehungsweise >300 μs genug Energie
speichern können.
Um die erforderlichen Pulslängen
und Leistungen zu erzeugen, wird der Resonator gütegeschaltet.
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In einem ersten Resonator (5)
wird die hohe Anfangsleistung erzeugt. Die Pumpleistung wird durch
mehrere Laserdioden realisiert und beträgt etwa 250 W. Die hohe Verstärkung im
Lasermedium verlangt nach einem Güteschalter mit hohen Anfangsverlusten
und schnellen Schaltzeiten, die durch eine Pockelzelle erzeugt werden.
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In einem zweiten Resonator (4),
der eine große
Energie bei niedriger Leistung zur Verfügung stellt, wird ein längerer Puls
erzeugt. Hierfür
kann ein einfach ansteuerbarer akustooptischer Modulator verwendet
werden. Durch die höhere
Pulsenergie ist hier der Einsatz einer Blitzlampe als Pumplichtquelle ökonomischer.
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Beide Laserstrahlen werden werden
räumlich
durch eine Polarisationskopplung überlagert und zeitlich so synchronisiert,
dass der Puls mit niedriger Leistung dem Führungspuls hoher Leistung direkt folgt.
die Energie des Anfangspulses beträgt ca. 10 mJ bei einer Leistung
von 0,5 bis 5 MW. Die Energie des Folgepulses beträgt ca. 100
mJ bei einer Leistung von 50 bis 200 kW.
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- (1)
- Zeitachse
- (2)
- Leistungsachse
- (3)
- Laserpulsverlauf
- (4)
- zweiter
Resonator
- (5)
- erster
Resonator
- (6)
- Synchronisation
- (7)
- Rückspiegel
- (8)
- Laserstab
- (9)
- Güteschalter,
akustooptischer Modulator
- (10)
- Auskoppelspiegel
- (11)
- Verbindung
Synchronisation zum Güteschalter
- (12)
- Rückspiegel
- (13)
- Laserstab
- (14)
- Güteschalter,
Pockelzelle
- (15)
- Auskoppelspiegel
- (16)
- Verbindung
Synchronisation zum Güteschalter
- (17)
- Polarisationsstrahlvereiniger
- (18)
- Fokussierlinse
- (19)
- Lichtleitfaser