DE2719016A1

DE2719016A1 - Laserbedienungsgeraet mit doppelten schwenkspiegeln

Info

Publication number: DE2719016A1
Application number: DE19772719016
Authority: DE
Inventors: Harumi Kawasaki
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1976-04-28
Filing date: 1977-04-28
Publication date: 1977-11-10
Also published as: JPS6025133B2; DE2719016C3; US4174154A; DE2719016B2; JPS52131682A

Description

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Asahi Kogaku Kogyo Kabushiki Kaisha, Tokyo, Japan Laserbedienungsgerät mit doppelten Schwenkspiegeln

Die Erfindung betrifft einen optischen Handbedienungsmechanismus mit einer Laserstrahlquelle, einem freibeweglichen Ausgangselement mit einer darin angeordneten Sammellinse zur Fokussierung des Laserstrahls, einer Mehrzahl von hohlen Rohrelementen, die schwenkbar zwischen die Laserstrahlquelle und das Ausgangselement gekoppelt sind und mit einer Mehrzahl von Reflektionsspiegeln, die an den Schwenkverbindungen angeordnet sind und einen durchgehenden optischen Weg für den Strahl im Inneren der rohrförmigen Elemente definieren. Insbesondere betrifft die Erfindung ein vielachsiges Bedienungs- bzw. Manipuliergerät für ein medizinisches Instrument oder dergleichen, beispielsweise ein Laserskalpell, ein optischer Koagulator, eine Laserbearbeitungsvorrichtung usw.

Kohlendioxyd- und Argonlaser werden seit kurzem als medizinische Geräte eingesetzt, und für eine derartige Verwendung ist ein Bedienungsgerät bzw. Manipulator erforderlich, damit der Arzt bzw. der Anwender den Laserstrahl leicht auf den zu bearbeitenden Gegenstand führen kann. Im allgemeinen enthält ein derartiges Bedienungsgerät ein Rohr oder Rohre zur Führung des Laserstrahls, Spiegel zur geeigneten Reflektion des Strahls und eine Sammellinse. Zur Bewegung des fokussierten Lichtflecks

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zu einer gewünschten Stelle in einem gegebenen kubischen Raum ist es typischerweise erforderlich, einen oder mehrere Spiegel an jeder Gelenkverbindung des Bedienungsgerätes anzuordnen und jeden Spiegel um die ankommende oder auslaufende Lichtachse herum zu drehen, damit eine saubere optische Ausrichtung beibehalten wird. Da ein herkömmliches Bedienungsgerät eine große Anzahl von Schwenkarmen und Reflektionsspiegeln enthält, ist sein optischer Weg notwendigerweise recht lang, und die genaue Ausrichtung auf diesem Weg erfordert einen sehr präzisen, komplizierten und kostspieligen Mechanismus.

Die gesamte Bedienungsanordnung bzw. der Bedienungsmechanismus ist ähnlich demjenigen in einem riemengetriebenen Zahnarztbohrgerät, wo die Betriebsleistung bzw. die Antriebsquelle ortsfest ist und das relativ kleine, in der Hand gehaltene Spannfutter mit der Antriebsquelle über eine Mehrzahl von Schwenkarmen gekoppelt ist. Hier ist die Antriebsquelle jedoch der Laser, und es müssen Spiegel an jeder Schwenkverbindung oder Anlenkung vorgesehen sein, um den Lasersbrahl innerhalb der hohlen Schwenkarme sauber zentriert zu halten, während der Anwender (Chirurg) einen in der Hand gehaltenen Ausgangsstift bzw. stiftähnlichen Sondenkopf frei manipuliert.

In neuerer Zeit wurden kleine und leistungsstarke Kohlendioxydlaser entwickelt, wodurch die Laservorrichtung leichter als zuvor tragbar gestaltet werden kann. Wenn also die Laserquelle auf einem tragbaren Betätigungsständer, mit dem ihre Lage horizontal und vertikal grobgesteuert werden kann, montiert ist und wenn der Hubwinkel des Ausgangsstrahls ebenfalls grobgesteuert werden kann, so ist es möglich, den Strahl allgemein in die Nähe eines Patienten bzw. zu behandelnden Gegenstandes zu bringen. Ein herkömmliches langarmiges Bedienungsgerät ist nicht erforderlich und für eine derartige Anwendung ungeeignet; dort ist ein Mechanismus mit kurzem Arm erforderlich, mit dem

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die Lage des fokussierten Laserstrahls so gesteuert werden kann, daß dieser auf einen Zielfleck auftrifft. Zusätzlich ist ein hohes Ausmaß an Freiheit bezüglich der Anwendung und der Ausgangssonde von dem Bedienungsgerät zu fordern, welche die herkömmlichen Mechanismen nicht bieten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Bedienungsmechanismus für einen Laser zu schaffen, der eine große Bewegungsfreiheit der Ausgangssonde ermöglicht und der mit einfachen Mitteln eine präzise Lenkung des fokussierten Laserstrahls auf einen Zielfleck ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch einen Bedienungsmechanismus der eingangs beschriebenen Art gelöst, der gemäß der Erfindung gekennzeichnet ist durch eine Einrichtung zum Haltern wenigstens eines der Spiegel für eine Drehung um zwei zueinander senkrechte Achsen, von denen eine mit dem ankommenden Laserstrahl zusammenfällt und die andere senkrecht ist zu der Ebene, die den ankommenden und den auslaufenden Laserstrahl enthält und von diesen definiert wird und die in der Ebene der Spiegeloberfläche liegt, wobei die Halterungseinrichtung die Drehbewegung des Spiegels derart steuert, daß dieser sich um die andere Achse um einen Winkel dreht, der gleich der Hälfte des Drehwinkels des auslaufenden Laserstrahls um die andere Achse ist.

In dem erfindungsgemäßen optischen Bedienungsgerät bzw. Manipulator ist also ein Rotationsmechanismus vorgesehen, durch den ein einzelner Strahlreflektionsspiegel gleichzeitig um eine optische Eingangsachse und um eine dazu senkrechte Achse gedreht werden kann. Im Ergebnis ist die Gesamtzahl der erforderlichen Reflektionsspiegel wesentlich geringer als bei den herkömmlichen Mechanismen, wodurch die Gesamtgröße und das Gewicht des Bedienungsgerätes reduziert werden können und die Spiegeljustiermechanismen größere Ausrichtfehler gestatten, wodurch die Kosten für ein solches Gerät reduziert werden.

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Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Reflektionsspiegel-Bedienungsgerätes;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bedienungsgerätes;

Fig. 3 eine Schnittansicht eines herkömmlichen einachsigen Spiegeldrehmechanismus; und

Fig. 4 (a) einen zweiachsigen Spiegeldrehmechanismus für das

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' erfindungsgemäße Bedienungsgerät.

Ein Beispiel für ein herkömmliches bzw. bekanntes Bedienungsgerät ist schematisch in Figur 1 dargestellt, wo ein Laserstrahl S an den Mittelpunkten a*, a₂, &■■$! a.^ und a^ jeweils von Spiegeln 1, 2, 3, 4 und 5 reflektiert wird und einen kleinen Lichtfleck (ungefähr 0,1 mm Durchmesser) an einem Brennpunkt T nach Durchlaufen einer Sammellinse 30 bildet. Die X-, Y- und Z-Koordinaten sind so orientiert, wie dies in der Figur dargestellt ist, und die kleinen weißen Kreise auf den optischen Achsen bezeichnen die Spiegelrotationsachsen. Die Spiegel 1, 3, 4 und 5 können sich also jeweils um die Achsen X^, Y₁, X₂ und Y₂ drehen. Der Lichtfleck T kann also genau zu einer gewünschten Koordinate in der Horizontalebene X3Y3 bewegt werden, die als zu bearbeitender Gegenstand oder als zu behandelnde Person angenommen wird, oder aber zu einer gewünschten Koordinate in einer gegebenen senkrechten Ebene, beispielsweise X3Z3 und Y3Z3. Ein Feinsteuerungsmechanismus (nicht dargestellt) stellt die Reflektionsspiegel genau ein, so daß sie Winkel von 45° mit den jeweils auftreffenden Lichtstrahlen bilden, und richtet die Rotationsmittelpunkte der auftreffenden Lichtflecke auf die Spiegeloberflächen. Es ist wichtig, daß das Laserlicht unter einem

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gewünschten Einfallswinkel an der Zielebene X₃Y₃ angewendet werden kann. Bei den meisten Operationsvorgängen wird das Laserlicht senkrecht auf den zu bearbeitenden Gegenstand gerichtet. Aus diesem Grunde sind die Spiegeldrehungen auf jeder der X- und Y-Achsen einander entgegengesetzt, die Drehung der Spiegel auf den X^- und X₃- (Y-j- und Y₂"iAchsen ist also jeweils einander entgegengesetzt.

Figur 3 zeigt einen herkömmlichen Spiegeldrehmechanismus, bei dem ein Laserstrahl 6 an der Oberfläche 7 eines Spiegels 10 senkrecht als auslaufender Lichtstrahl 8 reflektiert wird. Eine Lagerung 12 ist in einer Spiegelhalterung 9 befestigt, so daß ein Eingangsrohr 11 um eine optische Achse 6-7 rotieren kann. Gleich wie die Spiegelhalterung 9 gedreht wird, ist es notwendig, daß der auslaufende Lichtstrahl 8 auf der mittleren Achse des Auslaßrohres 13 liegt, und für diesen Zweck ist ein (nicht dargestellter) Feinmechanismus erforderlich, um den Spiegel 10 auf genau 45° einzustellen und den Reflektionspunkt der Spiegeloberfläche genau zu justieren.

Bei dem erfindungsgemäßen Bedienungsgerät bzw. Manipulator, der schematisch in Figur 2 dargestellt ist, können Spiegel 1 und 3 gleichzeitig jeweils um die X₁- und Y.-Achsen und um die X₂ ^- und Y^-Achsen gedreht werden, während der Spiegel 2 fest eingebaut ist. Der Lichtfleck T kann also nicht nur zu einem gewünschten Punkt in der X₃Y₃~Ebene bewegt werden, sondern auch zu einem gewünschten Punkt in der X₃Z₃- und in der Y₃Z₃~Ebene, ähnlich wie bei dem Mechanismus nach Figur 1. Die Vorzüge der erfindungsgemäßen Anordnung bestehen darin, daß, da die Spiegel 1 und 3 jeweils um zwei Achsen gedreht werden können, die Anzahl der erforderlichen Spiegel um zwei reduziert wird, wodurch die Länge des Laserlichtweges und folglich die Zylinderlänge des Bedienungsgerätes beträchtlich verkürzt werden können. So kann ein einfaches, kleines und leichtes Bedienungsgerät erzielt werden. Bei chirurgischen Operationen ist zweifelsohne ein hohes Ausmaß

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an Freiheit von einem Bedienungsgerät bzw. Manipulator zu fordern, beispielsweise bei Verwendung einer stiftähnlichen Vorrichtung, wobei die Herabsetzung der Anzahl von Reflektionsspiegeln ein bedeutender Vorteil ist. Da ferner die Anzahl der Reflektionsoberflachen reduziert wird, wird auch die Anzahl der Winkeleinstellungen der Spiegel reduziert, und die Toleranz für jede Winkeleinstellung wird weniger kritisch, was ein sehr bedeutender Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung mit zwei Rotationsachsen ist. Da die Reflektionswinkelgenauigkeit des Laserstrahls zweimal so hoch ist wie diejenige des Reflektionsspiegels, verhält sich beispielsweise die erlaubte Winkelgenauigkeit wie die zweite Potenz der Anzahl der Spiegel. Obwohl Spiegel 2 als festeingebauter Spiegel dargestellt ist, kann er auch um die Z-Achse drehbar ausgebildet werden, wodurch die durch das Bedienungsgerät ermöglichte Bedienungsfreiheit weiter verbessert wird.

Figur 4 zeigt eine zweiachsige Drehvorrichtung für das erfindungsgemäße Bedienungsgerät.

Bei der in Figur 4 gezeigten Anordnung kann ein Spiegel 10 sich um die O-Achse (senkrecht zur Zeichenebene) und um die A-A'-Achse senkrecht zur O-Achse und zu der Ebene, die den einfallenden und den auslaufenden Lichtstrahl enthält, gedreht werden. Der Spiegel 10 und seine Spiegelhalterung 9 sind tatsächlich auf einen Winkel von 45° zur Zeichenebene eingestellt, obwohl es so aussieht, als seien sie parallel zur Zeichnung. Der Mechanismus zur Drehung des Spiegels 10 um die O-Achse herum kann ein herkömmlicher Mechanismus sein, wie er in Figur 3 gezeigt ist, und alle Elemente, die mit den Bezugszeichen 9 bis 25 in Figur 4 gekennzeichnet sind, werden von diesem Mechanismus verdreht.

Es wird nun der Mechnismus beschrieben, mit dem die Drehung um die zweite Achse A-A¹ durchgeführt wird. Für eine derartige Drehung muß der Spiegel 10 sich genau halb so viel wie das Aus-

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laßrohr 13 drehen, um eine optische Ausrichtung des Laserauslaßstrahls 8 innerhalb des Rohres 13 beizubehalten. Wenn also das Auslaßrohr um einen Winkel x um die A-A'-Achse gedreht wird, so muß der Spiegel um einen Winkel i /2 gedreht werden. Bei diesem Mechanismus wird das Auslaßrohr um eine in Figur 4 (b) dargestellte Gestängeanordnung verdreht, und die Spiegelhalterung 9 wird mit einer in Figur 4(c) dargestellten Gestängeanordnung verdreht. Wie am besten aus Figur 4(a) zu ersehen ist, ist die Spiegelhalterung9 an einer internen Welle 16 befestigt, die verschiebbar (drehbar) über ein inneres Joch 14 und Lagereinrichtungen dazwischen an eine äußere Welle 17 angekoppelt ist. In Figur 4 (a) bezeichnen die kleinen weißen Kreise Drehgelenke oder -kupplungen, während die kleinen schwarzen bzw. ausgefüllten Kreise ortsfeste bzw. feststehende Verbindungen bezeichnen. Das Auslaßrohr 13 ist fest an einem äußeren Joch 15 montiert, koaxial zum Mittelpunkt 0 des Reflektionsspiegels, und kann folglich um die A-A*-Achse gedreht werden. Der Mechanismus zur Ermöglichung einer Drehung um die O-Achse ist nicht im einzelnen gezeigt; er kann beispielsweise ein weiteres Jochelement enthalten, das um die A-A¹-Achse drehbar gelagert ist und außerhalb des Jochs 15 angeordnet ist, sowie ein Einlaßrohr 11, das in der aus Figur 3 ersichtlichen Weise drehbar an dieses weitere Jochelement angekoppelt ist. Das weitere Jochelement wäre dann starr mit dem inneren Joch 14 verbunden, beispielsweise durch einen dazwischen montierten abgewinkelten Steg oder dergleichen, so daß die Schwenkachse B (weiter unten beschrieben) ortsfest bezüglich des weiteren Jochelements und des Einlaßrohres 11 verbleibt. Der Rotations-Gelenkmechanismus ist in Figur 4(b) dargestellt; ein Radiusarm 19 mit vorbestimmter Länge ist an einen Arm 18 an einem Gleitgelenk 25 angekoppelt und kann sich um eine Welle 17 herum entlang einem Umfang 24 drehen. Der Arm 18 kann ferner um eine Achse B gedreht werden, die auf dem Umfang 24 liegt. Bei geometrischer Betrachtung ist der Rotationswinkel des Armes 18 genau ·<-/2, wenn der Arm 19 um einen Winkel «. gedreht wird.

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Figur 4 (c) zeigt den Rotations-Gelenkmechanismus für die Spiegelhalterung 9. Dies ist ein Mechanismus mit parallelen Stangen zur übertragung des Rotationswinkels <-c/2 um die Achse B herum auf die A-A¹-Achse, dargestellt durch die innere Welle 16, und enthält Streben 20, 21 und 22, wobei die Streben 20 und 21 dieselbe wirksame Länge aufweisen und die Strebe 22 die gleiche Länge aufweist wie der Radiusarm 19. Dieser Mechanismus mit parallelen Stangen ist an einem Gelenkpunkt 2 3 mit dem Arm 18 mittels einer Kopplungsstrebe verbunden, die sich durch einen Schlitz in dem inneren Joch 14 hindurch erstreckt. Mit dieser Anordnung bewirkt die Drehung des Auslaßrohres 13 um die A-A¹-Achse herum, daß die Spiegelhalterung 9 sich um den halben Winkel dreht.

Es soll betont werden, daß die in Figur 4 gezeigte Gestängeanordnung nur schematisch dargestellt ist und nicht der tatsächlichen Ausführungsform entspricht. Beispielsweise können in Wirklichkeit die Streben 18 und 22 in der Nähe ihres mittleren Teiles gebogen oder gekrümmt sein, um eine Drehung um größere Winkel zu ermöglichen, um also das Anstoßen gegen die Wellen 17 und 16 zu verhindern. Wenn die Streben 18 und 20 einstückig und ausreichend starr ausgebildet werden, so können ferner die Koppelungsstrebe und der Gelenkpunkt 2 3 entfallen.

Das beschriebene Bedienungsgerät mit Spiegeldrehung um zwei Achsen kann nicht nur durch den beschriebenen Gestängemechanismus verwirklicht werden, sondern genauso gut mittels eines Zahnradsystems, eines Reibradmechanismus oder dergleichen. Die Anwendung des Bedienungsmechanismus ist ferner nicht auf chirurgische Laserskalpelle beschränkt, sondern kann genauso gut bei Präzisionsbearbeitungsvorrichtungen Einsatz finden, beispielsweise Holzschnitzgeräte, Materialschneider und Schweißgeräte.

Kurz umrissen wird also durch die Erfindung ein Handbedienungsmechanismus für einen chirurgischen oder industriellen Laser

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geschaffen, bei dem Reflektionsspiegel zum Einsatz kommen, die jeweils um zwei zueinander senkrechte Achsen drehbar sind, so daß die Gesamtanzahl der erforderlichen Spiegel herabgesetzt wird und der Gesamtmechanismus vereinfacht wird. Die optische Ausrichtung wird durch eine Gestänge- und Jochanordnung beibehalten, die vollständig um eine erste Achse drehbar ist und bewirkt, daß der gesteuerte Spiegel um einen Winkel geschwekt wird, der halb so groß ist wie der Winkel der Schwenkbewegung des Auslaßrohres für den Laserstrahl um eine zweite Achse herum. Das Gestänge kann durch einen Zahnrad- oder Reibradmechanismus ersetzt werden.

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Claims

Il Patentansprüche

1. Optischer Handbedienungsmechanismus mit einer Laserstrahlquelle, einem freibeweglichen Ausgangselement mit einer darin angeordneten Sammellinse zur Konzentrierung des Laserstrahls, einer Mehrzahl von hohlen Rohrelementen, die schwenkbar zwischen die Laserstrahlqualle und das Ausgangselement gekoppelt sind und mit einer Mehrzahl von Reflektionsspiegeln, die an den Schwenkverbindungen angeordnet sind und einen durchgehenden optischen Weg für den Strahl im Inneren der rohrförmigen Elemente definieren, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Haltern wenigstens eines der Spiegel (10) für eine Drehung um zwei zueinander senkrechte Achsen (0, A-A¹ ), von denen eine mit dem ankommenden Laserstrahl zusammenfällt und die andere senkrecht ist zu der Ebene, die den ankommenden und den auslaufenden Laserstrahl enthält und von diesen definiert wird und die in der Ebene der Spiegeloberfläche liegt, wobei die Halterungseinrichtung (9) die Drehbewegung des Spiegels (10) der art steuert, daß dieser sich um die andere Achse um einen Winkel dreht, der gleich der Hälfte des Drehwinkels des auslaufenden Laserstrahls (8) um die andere Achse ist.

2. Bedienungsmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Halterungseinrichtung (9) die folgenden Elemente enthält:

ein erstes Jochelement, das im Hinblick auf eine Drehbewegung um die andere Achse herum schwenkbar montiert ist, ein Laserstrahl-Einlaßrohr (11), das drehbar an dem ersten Jochelement gelagert und konzentrisch um den ankommenden Laserstrahl herum angeordnet ist,

ein zweites Jochelement, das im Hinblick auf eine Drehbewegung um die andere Achse herum schwenkbar montiert und bezüglich des ersten Jochelements innen angeordnet ist,

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ORIGINAL INSPECTED

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ein Laserstrahl-Auslaßrohr (13), das an dem zweiten Jochelement befestigt und konzentrisch um den auslaufenden Laserstrahl herum angeordnet ist,

ein drittes Jochelement, das im Hinblick auf eine Drehbewegung um die andere Achse herum schwenkbar montiert und bezüglich des zweiten Jochelements auf der Innenseite angeordnet ist, einen Spiegelrahmen, der um die andere Achse herum drehbar gelagert und bezüglich des dritten Jochelements auf der Innenseite angeordnet ist,

eine Einrichtung, durch die das erste und das dritte Jochelement starr miteinander verbunden werden, und eine Kopplungseinrichtung, die das zweite und das dritte Jochelement und den Spiegelrahmen derart miteinander verbindet, daß der Spiegelrahmen sich um den halben Betrag des Winkels der zweiten Jocheinrichtung um die andere Achse dreht.

3. Handbedienungsmechanismus nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungseinrichtung eine Mehrzahl von fest, schwenkbar und gleitbar verbundenen Gestängestreben enthält.

4. Handbedienungsmechanismus nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, d£ die Kopplungseinrichtung eine Zahnrad-Ubertragungsvorrichtung enthält.

5. Handbedienungsmechanismus nach einem der Ansprüche 1-4, gekennzeichnet durch zwei Lagerungseinrichtungen zum individuellen Steuern der Drehung von zweien der Spiegel.

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