DE2652814A1

DE2652814A1 - Vorrichtung zur ausrichtung eines arbeitslaserstrahls

Info

Publication number: DE2652814A1
Application number: DE19762652814
Authority: DE
Inventors: Baruch Gozhansky; Ami Yachin
Original assignee: Laser Industries Ltd
Current assignee: Laser Industries Ltd
Priority date: 1975-11-27
Filing date: 1976-11-20
Publication date: 1977-06-02
Also published as: BR7607867A; US4123143A; IL48554A; AU503388B2; GB1522235A; JPS5266444A; IL48554A0; AU1996776A

Description

DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT

Orthstraße 12 · D-8000 Mönchen 60 · Telefon 832024/5 Telex 5212744 · Telegramme Interpatent

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L15 Pl/ Gl D

Laser Industries Ltd. Tel Aviv, Israel

Vorrichtung zur Ausrichtung eines Arbeitslaserstrahls

Priorität: 27. November 1975 - ISRAEL Nr. 48 554

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausrichten eines Laserstrahls. Sie ist besonders brauchbar in Verbindung mit manipulierbaren Laserstrahl-Vorrichtungen, die als chirurgische Laser-Skalpelle verwendet werden, und wird im folgenden in Verbindung mit diesem Anwendungsfall beschrieben.

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Bekanntlich, kann ein Laserstrahl auf einen sehr kleinen Punkt (beispielsweise Ί00 Mikron Durchmesser oder kleiner) fokussiert werden, um eine extrem heiße Konzentration der Lichtenergie zu erhalten. Bei Laser-Wellenlängen (beispielsweise 10,6 Mikron) wird die Laser-Energie fast vollständig von Körpergeweben absorbiert, und deshalb kann ein fokussierter Laserstrahl dazu verwendet werden, durch die meisten Gewebearten durch Brennen oder Verdampfen zu schneiden. Einer der wichtigen Vorteile der Verwendung eines Laserstrahls für diesen Zweck besteht darin, daß er saubere und feine Schnitte ergibt, während Schädigungen an Geweben außerhalb der Schnittlinien minimiert werden. Der Laserstrahl koaguliert auch leicht Kapillaren, kleine Venen und kleine Arterien, so daß der Blutverlust minimiert wird und der Arbeitsbereich rein gehalten wird. Wegen dieser und anderer Vorteile werden manipulierbare Laserstrahlen in immer weiterem Umfang als chirurgische Skalpelle verwendet.

Ein Problem bei der Verwendung von Laserstrahlen als chirurgische Skalpelle ist die Schwierigkeit, den fokussierten Strahl präzise auf den Punkt oder längs der Schnittlinie während der Zeit auszurichten, in der die Operation durchgeführt wird. Das liegt an der unsichtbaren Natur dieser Strahlen und an der hohen Energiekonzentration in ihnen. Verschiedene Anordnungen sind vorgeschlagen worden, um dieses Problem zu lösen. Bei einer vorgeschlagenen Anordnung sind zwei externe Lichtquellen vorgesehen, die zwei Lichtstrahlen projizieren, die sich am Brennpunkt des Laserstrahls schneiden. Bei einer anderen vorgeschlagenen Anordnung ist ein Reflektor vorgesehen, der einen Teil des Laserstrahls durchsetzt und ihn an eine Visiereinrichtung weiterleitet, wobei das Feld der Visiereinrichtung auf das Targetfeld transponiert wird, wie es

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durch ein Okular gesehen wird. Solche Anordnungen sind jedoch hinsichtlich der Präzision und Bequemlichkeit der Ausfluchtung, sowie der Manipulation, die der Chirurg bei der Durchführung delikater chirurgischer Operationen ausführen muß, nicht vollständig befriedigend.

Gemäß einem breiten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Ausrichten e.ines Arbeitslaserstrahls mit Bezug auf eine Arbeitsfläche verfügbar gemacht, die aus eine] manipulierbaren Führung besteht, die den Arbeitslaserstrahl aufnimmt und ihn zum Arbeitsbereich leitet; diese Führung besteht aus einer Gelenkstruktur mit Einrichtungen zur Umlenkung des Strahls an den Gelenken, und einem Handmanipulator, mit dem der Strahl im Arbeitsbereich manipuliert werden kann, wobei dieser Manipulator eine Fokussiereinrichtung aufweist, mit der der Laserstrahl auf einen Brennpunkt im Arbeitsbereich fokussiert werden kann, einen Laser, der einen sichtbaren Laserstrahl geringer Energie erzeugt, und eine Einrichtung, mit der der Laserstrahl geringer Energie in und durch die Führung und die Fokussiereinrichtung mit dem Arbeitslaserstrahl geschickt wird, wobei der Laserstrahl geringer Energie einen Divergenzwinkel hat, der nicht merklich größer ist als der des Arbeitslaserstrahls,und Abschnitte auf jeder Seite und im gleichen Abstand von der Mitte des Arbeitslaserstrahls aufweist, wenn beide Strahlen in die manipulierbare Führung eintreten, so daß der Brennpunkt der Abschnitte des Laserstrahls niedriger Energie bei Fokussierung durch die Fokussiereinrichtung auf einen einzigen Punkt den Brennpunkt und die Schärfentiefe des Arbeitslaserstrahls bezeichnet.

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Da der sichtbare Laserstrahl geringer Energie einen Divergenzwinkel hat, der nicht merklich größer ist als der des Arbeitslaserstrahls, zeigt ersichtlich die Fokussierung der sichtbaren Laserstrahlsektionen auch den Brennpunkt des Arbeitslaserstrahls an, auch wenn beide Strahlen über relativ lange Distanzen laufen (die lineare Länge der Laserführung liegt beispielsweise in der Größenordnung von 2,5 m), so daß, wenn der Chirurg den Manipulator bewegt und den Brennpunkt des sichtbaren Laserstrahls beobachtet, er kontinuierlich den Brennpunkt des Arbeitslaserstrahls kennt, auch wenn dieser Strahl noch nicht eingeschaltet ist. Zusätzlich lernt er auch die Schärfentiefe des Strahls kennen, d.h. die Distanz längs der Strahlachse zwischen der Auftreffebene des Strahls und der Brennebene.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Lasermanipulier-Einrichtung nach der Erfindung;

Fig. la den zusammengesetzten Querschnitt längs Linie A-A auf der Einlaßseite der Gelenkführungstruktur;

Fig. 2 die Anordnung zur Erzeugung der zusammengesetzten Arbeitslaser- und Sichtlaser-Strahlen am Einlaß der Gelenkführungstruktur nach Fig. 1;

Fig. 5 Details der optischen Einrichtung zur Aufspaltung des sichtbaren Laserstrahls in zwei Strahlsektionen und zur Erzeugung des zusammengesetzten Strahls daraus, und aus dem Arbeitslaserstrahl, die zusammen in die Gelenkführungstruktur nach Fig. 1 eingeführt werden;

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Fig. 4a schematisch die Art und Weise, in der die sichtbaren StrahlSektionen geringer Energie auf im wesentlichen den gleichen Brennpunkt fokussiert werden wie der energiereiche unsichtbare Laserstrahl, wobei angenommen wird, daß die Wellenlängen der beiden Strahlen im wesentlichen gleich sind;

Fig. 4b schematisch die Erscheinung, die sich ergibt, wenn die beiden Wellenlängen nicht ausreichend benachbart sind, um auf den gleichen Brennpunkt fokussiert zu werden; und

Fig. 4c

und 4d schematisch zwei Anordnungen, die verwendet werden können, wenn die Wellenlängen der beiden Laserstrahlen deutlich unterschiedlich sind.

In Fig. 1 ist ein Laserstrahl-Manipulator dargestellt, wie er besonders als chirurgisches Laserskalpell verwendbar ist. Der Manipulator weist eine Einrichtung zur Erzeugung des Laserstrahls auf, die schematisch als Block 2 dargestellt ist, und eine Gelenkführungstruktur, die allgemein mit 4 bezeichnet ist, um den Laserstrahl zu einem Handmanipulator 6 zu führen, der seinerseits eine Fokussieroptik 8 aufweist, mit der der Laserstrahl auf den Arbeitsbereich fokussiert wird. Die Gelenkführungstruktur 4 besteht aus einer Anzahl hohler Abschnitte (beispielsweise 10), die schwenk- und drehbar aneinander montiert sind, und die Spiegel 12 an den Gelenkpunkten aufweisen, um den Strahl umzulenken, so daß dieser innerhalb der Führungstruktur 4 geführt wird, bis er aus dem Ende des Handmanipulators 6 austritt, nachdem er von der Optik 8 fokussiert ist.

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Gemäß der dargestellten Ausführungsform der Erfindung weist die Lasereinheit 2 nicht nur den energiereichen Arbeitslaser auf, sondern auch einen zusätzlichen energieschwachen Laser, der einen sichtbaren Strahl liefert. Der aus Einheit 2 austretende Strahl 14 ist also ein zusammengesetzter Strahl, der einen energiereichen Arbeitsteil 16 (Fig. la) und energiearme sichtbare Teile 18a und 18b aufweist.

Das ist genauer in Fig. 2 dargestellt, wobei die in Fig. 1 allgemein mit 2 bezeichnete Einheit einen ersten Laser 20 aufweist, der den energiereichen Arbeitslaserstrahl 16 erzeugt, der durch eine optische Einrichtung 22 hindurchtritt, und einen zweiten Laser 26, der einen einzigen energiearmen sichtbaren Laserstrahl 18 erzeugt, der in die optische Einrichtung 22 eintritt und aus dieser in Form von zwei Strahlabschnitten 18a, 18b austritt, die auf parallelen Wegen in geringen und gleichen Abständen auf beiden Seiten des Arbeitslaserstrahls 16 (Fig. la) verlaufen. Dieser zusammengesetzte Strahl, der in Fig. 1 mit 14 bezeichnet ist, tritt in die Gelenkführungstruktur 4- "ein und tritt aus dieser am Handmanipulatorende 6 aus, nachdem er mit der Optik 8 fokussiert worden ist.

Der kleinere Laser 26 ist so ausgewählt, daß er einen Strahl liefert, dessen Divergenzwinkel nicht merklich größer ist als der des Strahls 16 vom Arbeitslaser 20, so daß die Strahlen im wesentlichen parallel zueinander bleiben, unabhängig von der Distanz, die sie durchlaufen (beispielsweise etwa 2,5 m), ehe sie in die Fokussieroptik 8 eintreten, wo sie auf einen Punkt fokussiert werden. Der spezielle Punkt, auf den die beiden sichtbaren Stahlsektionen 18a, 18b zu einem feinen Punkt fokussiert werden, ist auch der Brennpunkt des Arbeitslaserstrahls 16, und durch

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Beobachtung dieses sichtbaren Punktes lernt der Chirurg kontinuierlich den Brennpunkt des Arbeitslaserstrahls 16 kennen, auch wenn dieser Laser nicht erregt ist.

Die allgemein mit 22 in Fig. 2 bezeichnete optische Einheit ist näher in Fig. 3 dargestellt. Sie besteht aus einer Platte 40, die den energieschwachen sichtbaren Laser 26 trägt, der mittels eines Ringes 42 und einer Schraube 44 an jedem Ende des Lasers daran befestigt ist. Die Platte ist ihrerseits mittels Schrauben 46 an einer Basis 48 befestigt, die auch den energiereichen Arbeitslaser 20 trägt.

Die optische Einheit 22 weist ein Gehäuse 50 auf, das zwei Spiegel 52, 5^ vjxa. einen Strahlenteiler 56 trägt. Der Spiegel 52 ist unter 45 Grad zum Strahl 18 orientiert, der aus dem Laser 26 austritt, so daß dieser Strahl rechtwinklig (d.h. in vertikaler Richtung in Fig. 3) reflektiert wird, wo er auf den Strahlenteiler 56 auftrifft. Der letztere ist ebenfalls unter 45 Grad zur Achse des Lasers 26, d.h. parallel zum Spiegel 52, orientiert, und spaltet den Strahl in zwei Teile auf, nämlich einen ersten Teil 18a, der durch den Strahlenteiler zum oberen Teil des zweiten Spiegels 54 durchgelassen wird, und einen zweiten Teil 18b, der zum ersten Spiegel 52 zurückreflektiert wird und von dort wieder zum unteren Teil des Spiegels 5^· Der Spiegel 54 ist ebenfalls unter 45 Grad zur Achse des Lasers 26 angeordnet, so daß er die beiden Strahlteile 18a, 18b parallel und im Abstand zum ursprünglichen Laserstrahl 18 (d.h. in der horizontalen Ebene, Fig. 3)? jedoch in der entgegengesetzten Richtung reflektiert.

Der Spiegel 5^ weist eine zentrale öffnung 58 auf, durch die der energiereiche Strahl 16 vom Arbeitslaser 20

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hindurchtritt. Der letztere Strahl tritt also aus der optischen Einheit 22 genau mitten zwischen den beiden sichtbaren Strahlteilen 18a, 18b und parallel zu diesen aus, wie in Fig. la dargestellt, und dieser zusammengesetzte Strahl (in Fig. 1 mit 14 bezeichnet) tritt an der Einlaßseite in die Gelenkführungstruktur 4 ein.

Diese Parallelbeziehung der beiden energieschwachen sichtbaren Strahlteile 18a, 18b mit dem energiereichen Arbeitsstrahl 16 wird aufrechterhalten, wenn der zusammengesetzte Strahl durch die Gelenkführungstruktur 4 geführt wird, bis er die Fokussieroptik 8 am Handmanipulatorende 6 erreicht. Die Optik 8 fokussiert den Arbeitsstrahl 16 im wesentlichen genauso wie die sichtbaren Strahlabschnitte 18a, 18b, so daß, wenn die letzteren in der oben erwähnten Weise auf einen feinen Fleck fokussiert werden, dieser Fleck auch den Brennpunkt des Arbeitslaserstrahls 16 angibt. Der Chirurg kann also die sichtbaren Strahlsektionen fokussieren, während der Arbeitsstrahl abgeschaltet ist, und sobald einmal der Brennpunkt bestimmt worden ist, kann der Arbeitsstrahl eingeschaltet werden.

Die beiden Spiegel 52, 54 und der Strahlenteiler 56 weisen jeder einen ringförmigen Halter 60, einen Haltering 62 und eine Anzahl Befestigungselemente 64 auf, die eine Justierung der Einheit mit Bezug auf das Gehäuse 50 erlauben,

Das Schema in Fig. 4a zeigt, wie die energieschwachen Laserstrahlteile 18a, 18b von der Fokussieroptik 8 auf einen gemeinsamen Brennpunkt FP fokussiert werden, der auch den Brennpunkt des energiereichen unsichtbaren Laserstrahls 16 bildet. Dieses Schema gilt dann, wenn die Wellenlängen der beiden Laserstrahlen sehr eng benachbart sind, so daß sie im wesentlichen auf den gleichen Brennpunkt fokussiert werden.

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In einigen Fällen kann es erwünscht sein, einen energiearmen Laserstrahl zu verwenden, dessen Wellenlänge sich erheblich von der des energiereichen Strahls unterscheidet. Eine solche Situation ist schematisch in Fig. 4-b dargestellt, woraus erkennbar ist, daß die energieschwachen Laserstrahlteile 118a, 118b zwar parallel zum energiereichen Strahl 116 bis zur Fokussieroptik 108 laufen, jedoch zu einem anderen Brennpunkt FP' gebrochen werden als zum Brennpunkt FP des energiereichen Laserstrahls 116, und zwar wegen des erheblichen Unterschiedes der Wellenlängen der beiden Laserstrahlen. Fig. 4-c und 4-d zeigen zwei Anordnungen, die als Kompensation verwendet werden können.

Gemäß Fig. 4-c wird dafür gesorgt, daß die beiden energieschwachen Laserstrahlteile 118a, 118b sich an einem Punkt X vor der Fokussieroptik 108 schneiden. Dieser Schnittpunkt kann so justiert werden (beispielsweise durch Justierung der Spiegel 52, 5^), daß der Schnittpunkt hinter der Fokussieroptik 108 mit dem Brennpunkt FP des energiereichen Laserstrahls 116 zusammenfällt. Fig. 4-d zeigt eine zweite mögliche Anordnung, wobei die Fokussieroptik 108 zwei Abschnitte aufweist, nämlich einen Mittelteil 108a, mit dem der energiereiche Laserstrahl 116 gebrochen wird, und einen äußeren Eingabschnitt 108b, mit dem die energieschwachen sichtbaren Strahlteile 118a, 118b gebrochen werden, wobei die Brechungsindices der beiden Abschnitte mit Bezug auf die Wellenlängen der beiden Laserstrahlen so ausgewählt sind, daß beide zu einem gemeinsamen Brennpunkt FP gebracht werden.

Beispielsweise kann der energieschwache Laser 20 für den sichtbaren Strahl ein Helium-Neon-Laser sein, der energiereiche Arbeitslaser kann ein C^-Laser sein, der Spiegel

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goldplattiert und der Spiegel 54- aus rostfreiem Stahl mit einer Mittelöffnung 58 sein. Viele Variationen ergeben
sich jedoch. Beispielsweise kann der Spiegel 5^ aus Germanium sein, das für den Strahl vom COp-Laser durchlässig ist, aber den Helium-Neon-Laserstrahl reflektiert. Ferner ist es möglich, statt den energieschwacheη sichtbaren
Laserstrahl in zwei kreisförmige Abschnitte aufzuspalten, von denen jeder auf einer Seite des energiereichen Arbeitslaserstrahls liegt, daß der energieschwache Strahl ringförmig ist, wobei der energiereiche Strahl durch die Ringmitte hindurchtritt, so daß die Fokussierung des energieschwachen Strahls auf einen Fleck auch den Brennpunkt des energiereichen Strahls angibt. Die Erfindung ist zwar mit Bezug auf ein Chirurgen-Skalpell beschrieben worden, ersichtlich kann sie jedoch zweckmaßigerweise auch in anderen Anwendungsfällen verwendet werden, beispielsweise beim
Präzisionsschweißen und dergl.

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Claims

Ll 5 Pl/Gl D Ansprüclie

1. ) Vorrichtung zur Ausrichtung eines Arbeitslaserstrahls ^~»-^ mit Bezug auf eine Arbeitsfläche, gekennzeichnet durch eine manipulierbare Führung zur Aufnahme des Arbeitslaserstrahls, mit der dieser zum Arbeitsbereich geführt wird und die aus einer Gelenkstruktur besteht, in der Strahlumlenkeinrichtungen an den Gelenken vorgesehen sind, sowie einem Handmanipulator, mit dem der Strahl auf den Arbeitsbereich manipuliert wird und der eine Fokussiereinrichtung aufweist, mit der der Laserstrahl auf einen Brennpunkt im Arbeitsbereich fokussiert wird, einen Laser, der einen energieschwachen sichtbaren Laserstrahl erzeugt,und Einrichtungen, mit denen der energieschwache Laserstrahl in und durch die Führungs- und Fokussiereinrichtung mit dem Arbeitslaserstrahl gerichtet wird, wobei der energieschwache Laserstrahl einen Divergenzwinkel hat, der nicht wesentlich größer ist als der des Arbeitslaserstrahls,und Abschnitte auf beiden Seiten und in gleichen Abständen von der Mitte des Arbeitslaserstrahls aufweist, wenn beide Strahlen in die manipulierbare Führung eintreten, so daß der Brennpunkt der Abschnitte des energieschwachen Laserstrahls bei Fokussierung durch die Fokussiereinrichtung auf einen einzelnen Punkt den Brennpunkt und die Schärfentiefe des Arbeitslaserstrahls angibt.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den energieschwachen Laserstrahl erzeugende Laser einen einzigen sichtbaren Laserstrahl erzeugt und daß eine optische Einrichtung vorgesehen ist, mit der der letztere Strahl so umgeformt wird, daß er Strahlabschnitte auf beiden Seiten des Arbeitslaserstrahls aufweist, wenn dieser in die Gelenke der manipulierbaren Führungs- und Fokussiereinrichtung eintritt und durch diese hindurchläuft.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung aus zwei Spiegeln und einem Strahlenteiler besteht, daß der erste Spiegel so orientiert ist, daß er den sichtbaren Laserstrahl auf den Strahlenteiler richtet, der Strahlenteiler so orientiert ist, daß er einen Teil des sichtbaren Strahls auf den zweiten Spiegel richtet, und einen anderen Teil des sichtbaren Strahls auf den ersten Spiegel zuriickrichtet, wobei der zum ersten Spiegel zurückreflektierte Teil von diesem zum zweiten Spiegel längs eines zum ersten, vom Strahlen-■ teiler zum zweiten Spiegel durchgelassenen Strahl parallelen und im Abstand von diesem befindlichen Weges reflektiert wird, und daß der zweite Spiegel den Arbeitslaserstrahl durchläßt und so orientiert ist, daß die beiden Strahlenteile auf parallelen Wegen in gleichen Abständen auf beiden Seiten des Arbeitslaserstrahls reflektiert werden.

4-, Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Spiegel eine öffnung als Durchtritt für den Arbeitslaserstrahl aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Spiegel für den Arbeitslaserstrahl durchlässig, aber für den energieschwachen Laserstrahl reflektierend ist.

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6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 "bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlängen des energieschwachen Laserstrahls und des Arbeitslaserstrahls ausreichend eng benachbart sind, so daß beide mit der Fokussiereinrichtung im wesentlichen auf den gleichen Brennpunkt fokussiert werden.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5₅ dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlängen des energieschwachen Laserstrahls und des Arbeitslaserstrahls deutlich unterschiedlich sind, daß Einrichtungen vorgesehen sind, mit denen dafür gesorgt wird, daß die Teile des energieschwachen Laserstrahls sich an einem Punkt vor der Fokussiereinrichtung schneiden, und eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der eine Justierung dieses Schnittpunktes möglich ist, so daß eine Justierung des Schnittpunktes hinter der Fokussiereinrichtung auf den Brennpunkt des Arbeitslaserstrahls möglich ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5i dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlängen des energieschwachen Laserstrahls und des ArbeitslaserStrahls deutlich unterschiedlich sind, und daß die Fokussiereinrichtung getrennte Abschnitte für jeden der Strahlen aufweist, so daß beide im wesentlichen auf den gleichen Brennpunkt fokussiert werden.

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