DE10230626A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas auf einem Körperkonkrement für die Lithotripsie - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas auf einem Körperkonkrement für die Lithotripsie Download PDF

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Gerhard Prof. Dr.-Ing. Müller
Jürgen Dr. rer.nat. Helfmann
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    • A61B18/18Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas auf einem Körperkonkrement für die Lithotripsie, bei dem durch einen speziellen zeitlichen Pulsverlauf kurzzeitig hoher Leistungsdichte und nachfolgend geringer Leistungsdichte in einem nicht-thermischen Prozess sowohl eine sichere Übertragung der Laserstrahlung über einen optischen Lichtwellenleiter als auch die Erzeugung eines Plasmas mit nachfolgender Fragmentierung des Konkrements durch Stoßwellen möglich ist.

Description

  • Aufgabenstellung:
  • Es soll ein Verfahren zur intrakorporalen Zertrümmerurg von Konkrementen durch laserinduzierte Plasmen und deren Folgeprozesse gefunden werden.
  • Stand der Technik:
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • Erfindungsgemäße Lösung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Beschreibung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • (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

Claims (6)

  1. Verfahren und Vorrichtung zur Steinzertrümmerung mit gepultster Laserstrahlung dadurch gekennzeichnet, dass durch einen zeitlichen Pulsverlauf mit kurzzeitig hoher Leistungsdichte und nachfolgend geringer Leistungsdichte ein Plasma auf Körperkonkrementen gezündet und diese zertrümmert werden.
  2. Verfahren und Vorrichtung nach 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichte in den ersten 100 Nanosekunden des gesamten Pulsverlaufs wenigstens kurzzeitig so hoch war, dass ein Plasma entsteht und die Laserleistung zwischen 0,5 und 5 MW liegt. Im verbleibenden Laserpulsverlauf sinkt die Leistung auf 50 bis 200 kW.
  3. Verfahren und Vorrichtung nach 2 dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Leistungsverlauf in einem Resonator erzeugt wird.
  4. Verfahren und Vorrichtung nach 2 dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Leistungsverlauf in zwei Resonatoren erzeugt wird, deren Laserstrahlung vor der Einkopplung in eine Lichtleitfaser vereinigt wird.
  5. Verfahren und Vorrichtung nach 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der beiden Resonatoren die gleiche ist.
  6. Verfahren und Vorrichtung nach 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der beiden Resonatoren verschieden ist.
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Cited By (1)

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WO2013159793A1 (en) * 2012-04-26 2013-10-31 Dornier Medtech Laser Gmbh A method for generating shaped laser pulses in a lithotripter and a lithotripter

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WO2013159793A1 (en) * 2012-04-26 2013-10-31 Dornier Medtech Laser Gmbh A method for generating shaped laser pulses in a lithotripter and a lithotripter
RU2602943C2 (ru) * 2012-04-26 2016-11-20 Дорниер Медтек Лазер Гмбх Способ генерации лазерных импульсов определенной формы в литотриптере и литотриптер
US10258410B2 (en) 2012-04-26 2019-04-16 Dornier Medtech Laser Gmbh Method for generating shaped laser pulses in a lithotripter and a lithotripter

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