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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laser-Adapter zur Anordnung an einem Operationsmikroskop sowie einen hierzu geeigneten Laser.
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In der modernen Mikrochirurgie finden zusehends laserchirurgische Techniken Verwendung, bei denen Laser verschiedenster Wellenlängen in Verbindung mit einem Operationsmikroskop eingesetzt werden.
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Üblicherweise sind die Laser hierbei in einer bestimmten Entfernung vom Operationsmikroskop angeordnet und die Strahlführung zum Operationsort erfolgt je nach verwendeter Wellenlänge mittels Gelenkarmen oder faseroptischen Lichtleitern. Für manche chirurgische Anwendungen genügen nunmehr auch Laser mit mittleren Ausgangsleistungen, die dann vorteilhafterweise direkt am Operationsmikroskop angeordnet werden könnten.
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Aus den US-Patenten
US 5 057 100 und
US 4 856 512 ist es bekannt, einen kompakten Laser-Adapter unmittelbar am Operationsmikroskop anzuordnen. Der bekannte Laser-Adapter umfasst ein Gehäuse, das hierzu unterhalb des Operationsmikroskopes befestigt wird. Der eigentliche Laser wiederum ist in einem länglichen und schwenkbaren Zusatzgehäuse neben dem Gehäuse des Laser-Adapters untergebracht. Auch diese Vorrichtung, insbesondere das seitlich angeordnete Zusatzgehäuse inklusive dem eingesetzten CO2-Laser, ist jedoch noch relativ voluminös bauend und kann den Chirurgen während der Operation, insbesondere durch einen eingeschränkten Schwenkbereich, behindern.
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Die
US 5 269 778 A zeigt ein medizinisches Lasersystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Aus der
EP 174 496 A2 ist eine Einrichtung zur Messung von Laserstrahlen mit mehreren, wellenlängenabhängig verschiedene Ausgangssignale liefernden Photodetektoren bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen möglichst einfachen, kompakt-bauenden Laser sowie einen geeigneten Laser-Adapter zu schaffen, der an einem Operationsmikroskop angeordnet werden kann. Desweiteren wird eine möglichst hohe Betriebssicherheit des eingesetzten Lasers im medizinischen Einsatz gewünscht.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen kompakt bauenden Laser mit den Merkmalen des Anspruches 1. Ein in vorteilhafter Weise geeigneter Laser-Adapter ist Gegenstand des Anspruches 11.
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Die Laserpuls-Energie des kompakt bauenden Lasers im erfindungsgemässen Laser-Adapter wird über eine Pulsenergie-Überwachungsvorrichtung geregelt, indem bei Erreichen einer bestimmten, wählbaren Energie pro Puls der Pumpvorgang unterbrochen wird. Dadurch ist es möglich, die erforderliche Kühlung des Lasers beispielsweise als relativ einfache Luft- oder Wasserkühlung auszuführen. Insgesamt resultiert so ein einfacher und kompakter Aufbau des erfindungsgemässen Laser-Adapters, der ohne Schwierigkeiten unterhalb des Operationsmikroskopes angeordnet werden kann und aufgrund seiner kleinen Abmessungen den Chirurgen nicht behindert.
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Desweiteren wird über die erfindungsgemässen Maßnahmen eine hohe Betriebssicherheit des Lasers im chirurgischen Einsatz gewährleistet. So ist über die Pulsenergie-Überwachungsvorrichtung sichergestellt, dass die vom Laser gelieferten Pulse bestimmte, wählbare Energiewerte nicht überschreiten.
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Mit der Energieüberwachungsvorrichtung gekoppelt ist ein im Therapie-Laserstrahlengang angeordnetes Shutter-Element, das elektromotorisch in den Strahlengang einschwenkbar ist. Das Shutter-Element kann aufgrund dieser Anordnung als einfache Metallplatte ausgeführt werden, d. h. es ist kein aufwendiges wellenlängenselektives optisches Filterelement erforderlich. Bei geschlossenem Shutter-Element kann aufgrund der erfindungsgemässen Anordnung in ein oder mehreren ”Probeschüssen” die gewünschte Pulsenergie des Lasers kontrolliert werden.
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Die im erfindungsgemäßen Laser eingesetzte Pulsenergie-Überwachung ist dabei nicht auf den im folgenden beschriebenen Er:YAG-Laser beschränkt, sondern prinzipiell kann auch ein anderer Laser auf diese Art und Weise kompakt ausgelegt werden, um die Anordnung in einem derartigen Laser-Adapter am Operationsmikroskop zu gewährleisten.
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Weitere Vorteile sowie Einzelheiten des erfindungsgemäßen Lasers bzw. Laser-Adapters ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der beiliegenden Figuren.
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Dabei zeigt
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1 eine perspektivische Ansicht eines Operationsmikroskopes in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Laser-Adapter;
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2 den erfindungsgemäßen Laser-Adapter mit einzelnen Komponenten in einer Ansicht von unten;
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3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Lasers inklusive der vorgesehenen Pulsenergie-Überwachungsvorrichtung.
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In 1 ist ein Operationsmikroskop (1) in Verbindung mit dem daran angeordneten erfindungsgemäßen Laser-Adapter (2) perspektivisch dargestellt.
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Über ein Verbindungselement (3) ist das Operationsmikroskop (1) gelenkig mit einem – nicht dargestellten – bekannten Boden- oder Decken-Stativ verbunden. Das in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Laser einzusetzende Operationsmikroskop (1) weist einen prinzipiell bekannten Aufbau auf. So beinhaltet das Operationsmikroskop-Gehäuse (4) ein – nicht dargestelltes – Hauptobjektiv mit ggf. variabler Schnittweite und einem nachgeordneten Vergrößerungswechsel-System, das über den Drehknopf (5) vom Benutzer entsprechend verstellt werden kann.
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Oberhalb des Operationsmikroskop-Gehäuses (4) ist ein bekannter Binokulartubus (6) vorgesehen.
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Unterhalb des Operationsmikroskop-Gehäuses (4) ist das Gehäuse (7) des erfindungsgemäßen Laser-Adapters (2) lösbar angeordnet. Hierzu kann etwa eine mechanische Schwalbenschwanz-Verbindung vorgesehen werden. Im hinteren Teil des Gehäuses (7) des Laser-Adapters sind dabei die einzelnen Komponenten des erfindungsgemäßen Laser-Adapters (2) angeordnet, während der vordere Teil des Gehäuses (7) eine Sichtöffnung für das Hauptobjektiv des Operationsmikroskopes (1) aufweist.
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Desweiteren ist in der Darstellung von
1 ein am Gehäuse (
7) des Laser-Adapters (
2) angeordnetes Bedienelement (
8) eines mechanischen Mikromanipulators erkennbar. Das vom Benutzer auslenkbare Bedienelement (
8) ist mit einem im Adapter-Gehäuse (
7) angeordneten Umlenkspiegel mechanisch gekoppelt. Über den Umlenkspiegel wird der vom vorgesehenen Laser gelieferte Therapie-Laserstrahl in die gewünschte Richtung des Operationsfeldes abgelenkt. Hierzu geeignete Mikromanipulatoren werden beispielsweise in der
DE 42 27 390 A1 und der
DE 94 08 098 U1 der Anmelderin beschrieben.
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Der grundsätzliche Aufbau des erfindungsgemäßen Laser-Adapters (2) wird im folgenden anhand der 2 erläutert. Diese zeigt eine Ansicht des Gehäuses (7) des Laser-Adapters (2) von unten. Im Gehäuse (7) des Laser-Adapters (2) ist ein kompakt-bauender Laser (9) angeordnet. Von diesem Laser (9) ist in der Darstellung der 2 lediglich der Umriß der optischen Kavität sichtbar. Als geeigneter Laser dient im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Festkörper-Laser in Form eines Er:YAG-Lasers, der über eine Blitzlampe optisch gepumpt wird. Die Blitzlampe und der Er:YAG-Festkörperstab sind in einer elliptischen Kavität in bekannter Art und Weise angeordnet. Ferner sind ein geeigneter hochreflektierender Spiegel sowie ein entsprechend teildurchlässiger Auskoppelspiegel vorgesehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Laser-Adapters ist desweiteren keine separate Kühlung, d. h. insbesondere keine Flüssigkeitskühlung mit Pumpen etc., erforderlich. Dieser einfache Aufbau bei gleichzeitig gewährleisteter hoher Betriebssicherheit wird durch die im folgenden noch näher zu erläuternden erfindungsgemäßen Maßnahmen im Zusammenhang mit dem eingesetzten Laser (9) möglich.
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Im Fall höherer geforderter Pulsenergien kann eine möglicherweise erforderliche Flüssigkeitskühlung der Kavität relativ einfach ausgeführt werden.
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Der verwendete Er:YAG-Laser im dargestellten Ausführungsbeispiel liefert einen Therapie-Laserstrahl (10) bei der Wellenlänge 2,94 μm. Die mit einem derartigen Laser (9) realisierbaren Pulsenergien liegen dabei im Bereich 0–200 mJ bei einer Pulsdauer von 50–1000 μs.
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Der vom Laser (9) emittierte Therapie-Laserstrahl (10) gelangt im erfindungsgemäßen Laser-Adapter (2) zunächst auf ein erstes Strahlteilerelement (11). Über dieses erste Strahlteilerelement (11) wird ein Teil des Therapie-Laserstrahles (10) in Richtung einer Pulsenergie-Überwachungsvorrichtung ausgekoppelt. Der aus dem Therapie-Laserstrahl (10) ausgekoppelte Anteil liegt dabei im Bereich zwischen 1% und 10% der ursprünglichen Gesamtenergie des Therapie-Laserstrahles (10). Als Strahlteilerelement (11) dient im dargestellten Ausführungsbeispiel eine unter 45° zum Therapie-Laserstrahl (10) angeordnete, planparallele Platte. Alternativ hierzu sind selbstverständlich auch andere bekannte physikalische Strahlteiler wie Teilerwürfel, Teilungsprismen mit ggf. erforderlichen Beschichtungen etc. einsetzbar. Der ausgekoppelte Anteil des Therapie-Laserstrahles (10) gelangt anschließend auf eine zur Pulsenergie-Überwachungsvorrichtung gehörende Detektoranordnung (12).
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Die Detektoranordnung (12) umfaßt einen Hohlraum (13), dessen Innenseite für die verwendete Wellenlänge des Therapie-Laserstrahles (10) diffus reflektierend wirkt. Auf diese Art und Weise wird der eintretende Anteil des Therapie-Laserstrahles (10) vielfach reflektiert und es resultiert so eine homogene Ausleuchtung des Hohlraums (13). Zur Messung der Energie der abgegebenen Laserpulse sind in die Wandungen des Hohlraumes (13) zwei Detektoren (14a, 14b) integriert. Diese Detektoren (14a, 14b) sind als entsprechend wellenlängenselektive Photodioden, z. B. PbSe-Dioden oder PbS-Dioden, als pyroelektrischer Detektor, als Hg Cd Te-Detektor oder ähnliches ausgeführt und arbeiten unabhängig voneinander, womit eine Redundanz der Energiemessung gewährleistet ist. Aufgrund der homogenen Ausleuchtung des Hohlraumes (13) werden beide Detektoren (14a, 14b) mit der gleichen Bestrahlungsstärke beaufschlagt und liefern im Idealfall identische Signale an die CPU der Pulsenergie-Überwachungsvorrichtung. Auf diese Art und Weise wird somit eine mehrkanalige Messung der Laserpulsenergie realisiert.
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Zur weiteren Signalverarbeitung innerhalb der Pulsenergie-Überwachungsvorrichtung des erfindungsgemäßen Lasers sei an dieser Stelle auf die Beschreibung der 3 verwiesen.
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Der nicht ausgekoppelte Anteil des Therapie-Laserstrahles (10) gelangt nach der erfolgten Umlenkung über das erste Strahlteilerelement (11) an einen elektromotorisch betriebenen Shutter (15) vorbei auf ein zweites Strahlteilerelement (20). Der elektromotorisch betriebene Shutter (15) umfaßt ein um eine Drehachse (16) drehbares Shutterelement (17), ausgeführt als einfaches Winkelblech. Als Antrieb dient ein geeigneter Schrittmotor. Möglich ist jedoch auch der Einsatz eines elektromotorisch betätigten Zugmagneten usw.. Je nach Drehstellung des Shutterelementes (17) ist somit ein vollständiges Blockieren oder aber ein Durchlassen des Therapie-Laserstrahlenganges (10) möglich. Innerhalb des elektromotorisch betriebenen Shutters (15) ist desweiteren eine Überwachungsvorrichtung mit einer gegenüber dem Shutter-Element (17) angeordneten Reflexlichtschranke (18) sowie einem am Shutter-Element (17) angeordneten Reflektor (19) vorgesehen. Die Überwachungsvorrichtung ermöglicht eine Stellungsüberwachung des Shutter-Elementes (17), d. h. je nachdem ob an der Reflexlichtschranke (18) ein reflektiertes Signal vom Reflektor (19) registriert wird, kann mit Hilfe einer geeigneten Auswerteschaltung ermittelt werden, ob das Shutter-Element (17) sich im blockierenden Zustand befindet oder aber den Therapie-Laserstrahl (10) passieren läßt.
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Die Relativanordnung des Strahlteilerelementes (11), der Detektoranordnung (12), der Pulsenergie-Überwachungsvorrichtung und des nachgeordneten elektromotorisch betriebenen Shutters (15) im erfindungsgemäßen Laser-Adapter (2) gewährleistet nunmehr, daß bei geschlossenem Shutterelement (17) eine Reihe von ”Testpulsen” vom Laser abgegeben werden können und deren Energie jeweils von der Pulsenergie-Überwachungsvorrichtung bestimmt werden kann. Auf diese Art und Weise kann ohne Gefahr für den Patienten überprüft werden, ob die tatsächliche Pulsenergie mit der gewählten Soll-Pulsenergie übereinstimmt. Erst wenn dies gewährleistet ist, wird das Shutterelement (17) geöffnet und der Therapie-Laserstrahl (10) in Richtung Behandlungsort freigegeben.
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Vorteilhaft ist aufgrund dieser Relativanordnung ferner, daß zum Blockieren des Therapie-Laserstrahles (10) an dieser Stelle beispielsweise ein einfaches dünnes Blech eingesetzt werden kann, auf das die Laserpulse auftreffen.
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Über das im weiteren Therapie-Laserstrahlengang (10) angeordnete zweite Strahlteilerelement (20) erfolgt zum einen die Umlenkung des Therapie-Laserstrahlenganges (10) in Richtung des Manipulatorspiegels (21). Gleichzeitig wird über das zweite Strahlteilerelement (20) jedoch auch ein im sichtbaren Spektralbereich liegender Ziellaser-Strahl (27), der von einer Laserdiode (22) erzeugt wird, koaxial mit dem Therapie-Laserstrahl (10) vereinigt. Die verwendete Laserdiode (22), liefert Licht der Wellenlänge 630–680 nm bei 0,1–10 mW Leistung. Vor der Laserdiode (22) sind ein oder mehrere optische Elemente (23) zur Strahlaufweitung bzw. Strahldimensionierung des Ziellaser-Strahles (27) angeordnet.
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Vor diesen optischen Elementen (23) wiederum ist eine Blende (24) im Ziellaser-Strahl (27) angeordnet, die ein bestimmtes Zielmarkenmuster in der Zielebene liefert. Hierbei kann eine Blendenform, z. B. Vierlochblende, gewählt werden, die eine Reihe von Punkten um den – unsichtbaren – Therapie-Laserstrahl liefert. Damit ist ein sicheres Einschätzen für den Chirurgen möglich, wie der Therapie-Laserstrahl relativ zu dem sichtbaren Ziellaserstrahl liegt.
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Im vereinigten Strahlengang von Therapie- und Ziel-Laser folgt anschließend eine Zoom-Optik (25), bestehend aus mehreren optischen Elementen. Die Zoom-Optik (25) dient hierbei sowohl zur Strahldimensionierung des vereinigten Strahlenbündels, d. h. insbesondere zur Strahlaufweitung, als auch zur Fokussierung in die gewünschte Zielebene. Die Zoom-Optik (25) ist hierbei auf die Hauptobjektiv-Schnittweite des Operationsmikroskopes abzustimmen.
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Zur Strahldimensionierung bzw. -fokussierung ist, wie durch den Pfeil (26) angedeutet, mindestens ein optisches Element der Zoom-Optik (25) entlang der optischen Achse verschiebbar angeordnet. Über ein nicht dargestelltes Betätigungselement am Laser-Adapter kann der Benutzer somit eine Strahlquerschnitts-Variation wie auch die gewünschte Fokussierung je nach Anwendung vornehmen.
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Die vereinigten Laserstrahlen gelangen im Anschluß an die Zoom-Optik (25) schließlich auf einen beweglich gelagerten Manipulatorspiegel (21), der mit einem – in dieser Darstellung nicht sichtbaren Bedienelement – mechanisch verbunden ist. Über diese bereits erwähnte Mikromanipulatoranordnung ist die definierte Positionierung des vereinigten Strahlenbündels in der Zielebene möglich.
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Eine Beschreibung des erfindungsgemäßen Lasers sowie der in Verbindung damit eingesetzten Pulsenergie-Überwachungsvorrichtung erfolgt nunmehr anhand der 3, die ein Blockschaltbild mit wichtigen Komponenten dieser Anordnung zeigt.
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Als problematisch beim Einsatz von Festkörperlasern erweist sich üblicherweise die Ausbildung sogenannter thermischer Linsen aufgrund der Erwärmung des Lasermediums und des sich ausbildenden Temperatur-Gradienten im Lasermedium. Es resultieren entsprechende Anforderungen an die Kühlung des jeweils verwendeten Lasermediums. Kritisch ist diese Problematik insbesondere bei Er:YAG-Lasern sowie bei Er- oder Cr-dotierten anderen Kristallmaterialien, wie etwa YSGG. Im Verlauf mehrerer abgegebener Laserpulse verändert sich beim optischen Pumpen die Kristalltemperatur, d. h. es resultiert ein Aufheizen des Kristalles. Die Ausgangsenergie der gelieferten Laserpulse hängt jedoch unmittelbar mit der Kristalltemperatur zusammen. Das Aufheizen des Kristalles ist desweiteren von der Pulsfrequenz abhängig. Als Folge dieser komplexen Zusammenhänge ergeben sich variierende Pulsenergien im Verlauf einer Pulsserie mit schwankenden Pulsformen. Dabei variieren sowohl die Pulsamplituden als auch die Pulsbreiten. Medizinische Lasergeräte erfordern jedoch eine möglichst konstante Ausgangsenergie der abgegebenen Laserpulse.
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Erfindungsgemäß wird deshalb die Energie der gelieferten Laserpulse on-line über die Pulsenergie-Überwachungsvorrichtung erfaßt. Sobald ein Laser-Puls die gewünschte, vom Benutzer vorgewählte Energie aufweist, wird über ein oder mehrere geeignete Schaltelemente der Pulsenergie-Überwachungsvorrichtung der Pumpvorgang unterbrochen. Im Falle des optischen Pumpens bedeutet dies, daß der Pumpstrom abgeschaltet wird.
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Es resultiert somit eine konstante Energie pro Laserpuls, unabhängig von den jeweiligen Anregungsbedingungen. Für nicht allzu hohe Pulsleistungen bzw. Pulsfrequenzen stellt dies eine zufriedenstellende Lösung dar und ermöglicht so einen kompakten Laser-Aufbau ohne aufwendige Kühlsysteme.
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Ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Pulsenergie-Überwachungsvorrichtung in Verbindung mit einem Er:YAG-Laser sei nunmehr anhand der 3 beschrieben. Hierbei wird wieder auf die zweikanalige Energiemessung Bezug genommen, wie sie im Ausführungsbeispiel des Laser-Adapters aus 2 realisiert ist, wobei prinzipiell auch eine einkanalige Energiemessung genügen würde.
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Die auf die Detektoren (30a, 30b) gelangende Laserstrahlung des Therapie-Laserstrahles, veranschaulicht durch die Pfeile mit den Bezugszeichen (40), bewirkt jeweils einen Strompuls in den als Photodioden ausgeführten Detektoren (30a, 30b). Über nachgeschaltete Strom-Spannungs-Wandler (31a, 31b) und Verstärker (32a, 32b) in den beiden Meßkanälen gelangen die Spannungssignale jeweils auf einen Integrator (33a, 33b). Die Integratoren (33a, 33b) übernehmen in den Meßkanälen das Integrieren der registrierten momentanen Pulsleistung im zeitlichen Verlauf eines Laser-Pulses. Die Integrator-Signale, d. h. die momentane Energie der Laserpulse, gelangen anschließend jeweils auf einen Eingang eines Komparators (34a, 34b), ausgeführt als herkömmliche schnelle Operationsverstärker. Über die Komparatoren (34a, 34b) wird on-line die aktuelle Pulsenergie mit einem Soll-Vorgabewert der Pulsenergie verglichen. Die Soll-Vorgabewerte der Pulsenergie werden von der CPU (35) der Pulsenergie-Überwachungsvorrichtung über einen entsprechenden D/A-Wandler (38) an den jeweils anderen Eingang des Komparators (34a, 34b) übergeben. Zum Wählen der Pulsenergie ist mit der CPU (35) eine geeignete – nicht dargestellte – Eingabe-Schnittstelle zu verbinden, über die ein Benutzer gewünschte Pulsenergien für die jeweilige Anwendung vorgibt.
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Sobald der Komparator (34a, 34b) registriert, daß die aufintegrierte, gemessene Pulsenergie den Soll-Vorgabewert überschreitet, wird ein entsprechendes Signal an je ein Schaltelement (36a, 36b) übergeben. Über das jeweilige Schaltelement (36a, 36b) wird daraufhin der Pumpvorgang des Lasermediums (39) über die gezündete Blitzlampe (37) unmittelbar unterbrochen, was durch Abschalten des Entladestromes der Blitzlampe (37) erfolgt.
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Nahezu gleichzeitig mit dem Unterbrechen des Pumpvorganges bzw. dem Abschalten des Entladestroms der Blitzlampe (37) wird die Lasertätigkeit im angeregten Lasermedium (39) unterbrochen. Es resultiert ein Laserpuls mit der gewünschten Pulsenergie.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel der 3 wurde eine mehrkanalige Pulsenergie-Überwachungsvorrichtung beschrieben. Prinzipiell kann eine derartige Vorrichtung jedoch auch einkanalig ausgelegt werden.
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Ebenso sei darauf hingewiesen, daß das Prinzip einer derartigen Pulsenergie-Überwachungsvorrichtung selbstverständlich nicht nur für den Einsatz in einem Er:YAG-Laser geeignet ist, sondern in einer Vielfalt anderer Laser-Typen eingesetzt werden kann.
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Eine mögliche Anwendung des erfindungsgemäßen Laser-Adapters am Operationsmikroskop ist beispielsweise in der Mikrochirurgie am Ohr zu sehen, wo relativ geringe Laser-Leistungen ausreichen, um die gewünschten Eingriffe vorzunehmen. Beispielsweise ist es möglich, mit Hilfe des erfindungsgemäßen Laser-Adapters und mit dem integrierten Er:YAG-Laser definierte Öffnungen im Trommelfell zu setzen, um bei Mittelohrentzündungen den nötigen Sekret-Abfluß sicherzustellen. Daneben sind jedoch vielfältigste weitere Einsatzmöglichkeiten, insbesondere im HNO-Bereich, der Ophthalmologie usw. realisierbar.
