DE3242612C2 - Laserstrahlvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserstrahlvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (DE 28 09 007 A1).

Es ist bekannt, daß die Wechselwirkung zwischen einer Substanz und einem Strahl abhängt von der Wellenlänge der Strahlung und von den Materialeigenschaften des Ma­ terials, welches durch die Strahlung bestrahlt wird. Die Konstanten beinhalten das Reflexionsvermögen, den Absorptionskoeffizienten, den Streuungskoeffizienten, die Wärmeleitzahl und die thermische Diffusionskonstante. Insbesondere sind das Reflexionsvermögen, der Absorp­ tionskoeffizient und der Streuungskoeffizient abhängig von der Wellenlänge.

Es ist beispielsweise bekannt, daß der Absorptionskoef­ fizient von verschiedenen Absorptionsfaktoren des Materials abhängt und für den Fall festen Materials kann dafür aufgezählt werden die Basisabsorption durch Zwischen­ bandübergang, die Absorption freier Elektronen, die Gitterabsorption (Phononabsorption), die Fremdstoffab­ sorption usw. Diese Absorptionen hängen von der Wellen­ länge des Strahleninputs ab.

Auch bei lebenden Organismen treten ähnliche Phänomene auf. Wasser, welches ein vorherrschender Bestandteil des lebenden Organismus ist, hat ein Absorptionsband entsprechend der Schwingungen der Wassermoleküle im Infrarotbereich. Im sichtbaren Bereich besteht eine Ab­ sorption infolge des Hämoglobins. Weiterhin muß der Streuungskoeffizient im lebenden Organismus als Faktor in die Betrachtung einbezogen werden.

Deshalb variiert die Wirkung einer Strahlung stark in Abhängigkeit von der Oszillations-Wellenlänge, wenn der Laser einer spezifischen Wellenlänge auf ein Objekt strahlt. Wenn beispielsweise ein CO₂ Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 10,6 µm in einen lebenden Organismus ge­ strahlt wird, streut der Laserstrahl nicht innerhalb des lebenden Organismus, sondern wird lokal absorbiert, um einen Einschnitt und eine Verdampfung des lebenden Orga­ nismus zu bewirken. Das ergibt sich daraus, daß der Ab­ sorptionskoeffizient so groß ist wie 200 cm^-1 gegenüber dem Laserstrahl, welcher eine Wellenlänge von 10,6 µm aufweist, während der Streuungskoeffizient gleich 0 ist.

Andererseits ist in dem Fall, in dem ein YAG-Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1,06 µm auf einen lebenden Organismus gestrahlt wird, der Absorptionskoeffizient des lebenden Organismus so niedrig wie ungefähr 1/200 des CO₂-Laserstrahls, aber der Streuungskoeffizient wird etwa so groß wie 10 cm^-1, so daß der Laserstrahl in den lebenden Organismus eindringt. Deshalb ist der YAG-Laser dafür bekannt, daß er geeigneter ist für eine Koagulierung des lebenden Organismus als für einen Einschnitt in diesen Organismus.

Ein Ar-Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 0,53 µm hat eine Absorptionscharakteristik, so daß er gut von dem Hämoglobin des Bluts absorbiert werden kann. Ein identischer Effekt wird erhalten durch die zweiten Ober­ wellen des YAG-Laserstrahls von 0,503 µm.

Die von verschiedenen Einrichtungen erhaltenen klinischen Daten ergeben, daß ein CO₂-Laser nicht selbständig eine Blutung stoppen kann, wenn der Durchmesser des Blutge­ fäßes 1 mm übersteigt. Andererseits wird berichtet, daß der YAG-Laser nicht ausreichend geeignet ist zum Ein­ schneiden in einen lebenden Organismus.

Deshalb ist es in der Laserchirurgie fast unmöglich, blutfreie Operationen durch getrennte und unabhängige Ver­ wendung von chirurgischen CO₂-Lasern, chirurgischen YAG- Lasern oder chirurgischen Ar-Lasern durchzuführen. Es ist eher erwünscht, eine Vielzahl von Laserstrahlen ver­ schiedener Wellenlänge auszustrahlen, um eine Kombination verschiedener Effekte infolge der verschiedenen Wellen­ längen zu erzeugen.

Bei einer bekannten gattungsgemäßen Laserstrahlvorrichtung (DE-OS 28 09 007) werden zwei Laser unterschiedlicher Wellen­ längen (ein Nd-YAG-Laser mit einer Wellenlänge von λ=1,06 µm und ein CO₂-Laser einer Wellenlänge von λ=10,6 µm) zur Koagulation bzw. zum Schneiden von Gewebe verwendet. Die aus der Vorrichtung austretenden Strahlen werden in einen zur Lichtführung dienenden Manipulator eingekoppelt. Die beiden Laser können als Schneid- und Koagulationslaser wechselweise oder zusammen betrieben werden. Dabei besteht im allgemeinen die Gefahr, daß beim Einstellen des Verhältnisses, wofür die beiden Leistungsregler der zwei Laser jeweils nachgeführt werden müssen, die zulässige Gesamtleistung des Ausgangsstrahls überschritten wird. Während eines chirurgischen Eingriffes ist nämlich nicht das Aufrechterhalten der abgegebenen Gesamtleistung des Ausgangs­ strahls im Verlauf der Eingriffszeit kritisch, sondern das Verhältnis zwischen Schneid- und Verfestigungswirkung muß über den Zeitverlauf ständig nachgeregelt oder angepaßt werden. Wenn die abgegebene Gesamtleistung des Ausgangsstrahls konstant gehalten werden soll, sind zum Nachregeln des Verhältnisses zwischen Schneid- und Koagulationswirkung immer zwei Stellglieder abgestimmt aufeinander gleichzeitig zu betätigen. Dies ist für eine Bedienungsperson, die z. B. als eigentliche Tätigkeit gleichzeitig einen Eingriff an einem Lebewesen vornimmt, nicht ohne weiteres zuverlässig fehlerfrei durchzuführen.

Bekannt ist es auch, die Leistung eines Lasers kontinuierlich einzustellen. In Verbindung mit einem Telefaxgerät (DE 27 04 291 A1) wird die Intensität des (aufzeichnenden) Laserstrahls an die eingestellte Arbeitsgeschwindigkeit/Auflösung des Telefaxgerätes angepaßt. In Verbindung mit einer Leistungssteuerung der Lichtstrahlung eines mit Gleichstrom angeregten Gaslasers mittels überlagerter Hochfrequenz (DE 23 36 831 B2) werden verschiedene Möglichkeiten der Leistungssteuerung von Gas­ lasern angegeben, die u. a. zu einer geringen Trägheit und einer Verminderung des durch Gleichstromanregung hervor­ gerufenen Rauschens führen sollen. In Verbindung mit einer Ansteuerung für einen optisch gepumpten Laser (US-PS 3,896,396) wird die Blitzlampe zum Pumpen direkt über eine Wechselspannung (zwei- oder dreiphasig) versorgt und somit ein großvolumiger Energiespeicher umgangen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Laserstrahlvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung zu schaffen, die auf einfache Weise zuverlässig nachgeführt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Ein wesentlicher Effekt der Erfindung besteht darin, daß während des Betriebs, z. B. eines Eingriffs die Anteil der einzelnen Laserstrahlen mit einer Einrichtung, nämlich der Anteileinstelleinrichtung alleine eingestellt werden können, um z. B. bei der Laserchirurgie das Verhältnis zwischen schneidendem und koagulierendem Strahl ggf. schnell nachregeln zu können, ohne dabei Gefahr zu laufen, eine zulässige Gesamtleistung zu überschreiten. Die Leistung wird mit der Leistungseinstelleinrichtung vor Beginn eingestellt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Aus­ führungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Ausführungs­ form der Erfindung und

Fig. 2 in schematischer Darstellung ein Beispiel der Ausgangs-Einstellungseinrichtung 9 und der Einstellungseinrichtung 8 für das Mischungs­ verhältnis.

Mit dem Bezugszeichen 1 ist eine erste Laserquelle be­ zeichnet. In diesem Fall wird ein CO₂-Laserresonator verwendet. Ein YAG-Laserresonator (Yttrium-Aluminium- Garnet-Laserresonator) wird als zweite Laserquelle 2 verwendet. Ein He-Ne-Laserresonator (Helium-Neon-Laser) wird eingesetzt als Führungslaserquelle 3.

Jeder der Laserstrahlen 101, 201 und 301, die von den Quellen 1, 2 und 3 ausgestrahlt werden, ist koaxial in bekannter Weise durch Verwendung dichroitischer Spiegel 10, 11 und eines Reflexionsspiegels 12 miteinander überlagert.

Es muß nicht im Detail ausgeführt werden, daß der Strahl 201, der von der Quelle 2 ausgestrahlt wird, durch den dichroitischen Spiegel 11 reflektiert wird, daß aber der Strahl 301, der von der Quelle 3 ausgestrahlt wird, durch den Spiegel hindurchgeht. Der von der Quelle 1 aus­ gestrahlte Strahl 101 tritt durch den dichroitischen Spiegel 10 hindurch, während beide Strahlen 201 und 301 durch diesen Spiegel reflektiert werden.

Der überlagerte Laserstrahl 100 wird in eine Licht­ führung 13 eingeleitet und durch eine Linse 14 fokussiert. Danach wird der fokussierte Strahl zu dem Teil hin ausgestrahlt, welcher bestrahlt werden soll. Eine Lichtführung in Form eines gegliederten Armes und/ oder eine optische Faser werden als Lichtführung 13 ver­ wendet.

Eine erste Einrichtung 4 zur Veränderung des Laseroutputs ist mit der ersten Laserquelle 1 verbunden. Ferner ist eine zweite Einrichtung 5 zur Veränderung des Laseroutputs mit der zweiten Laserquelle 2 in identischer Weise wie bei der ersten Laserquelle 1 verbunden. Bekanntlich ist die Einrichtung 4 zur Veränderung des ersten Laseroutputs die Einrichtung zur Einstellung des Entladestroms der ersten Laserquelle 1. Die zweite Einrichtung 5 zur Ver­ änderung des Laseroutputs ist die Einrichtung zur Ein­ stellung des Outputs der Erregerblitzlampe der zweiten Laserquelle 2. M. a. W., die Einrichtungen 4 und 5 zur Ver­ änderung des Outputs sind die Einrichtungen zur Ein­ stellung des Oszillationsoutputs der Laserquellen 1 und 2.

Es ist nicht erforderlich zu sagen, daß diese Einrichtungen 4 und 5 zur Veränderung des Outputs einen Hochspannungs­ stromkreis aufweisen, um eine hohe Spannung an die Laser­ strahlquellen 1 und 2 zu bringen.

Eine erste Signaleinrichtung 7 für die Veränderung des Outputs ist mit der ersten Einrichtung 4 zur Veränderung des Laseroutputs verbunden. Eine zweite Signaleinrichtung 6 zur Veränderung des Outputs ist mit der zweiten Ein­ richtung 4 zur Veränderung des Laseroutputs verbunden. Die Einrichtungen 6 und 7 zur Veränderung des Outputs sind von bekanntem Aufbau und erzeugen Signale zur Regelung der ersten und zweiten Einrichtung zur Verände­ rung des Laseroutputs.

In anderen Worten gesagt, wird die Einrichtung 4 zur Ver­ änderung des ersten Laseroutputs betätigt durch Signale von der ersten Signaleinrichtung 7 zur Veränderung des Outputs und der Entladestrom wird derart geregelt, daß ein Output der ersten Laserquelle 1 als gewählter Wert eingestellt wird. Auf identische Weise wird die zweite Einrichtung 5 zur Veränderung des Outputs betätigt durch die Signale von der zweiten Signaleinrichtung 6 zur Ver­ änderung des Outputs und der Output der Erregerblitz­ lampe wird geregelt, um den Output der zweiten Laser­ quelle 2 als einen gewählten Wert einzustellen.

Eine Output-Einstellungseinrichtung 9 gibt Signale aus, um den Output der Laserquellen 1 und 2 in der Lampe ein­ zustellen. Die Signale werden dann in eine Einstellungs­ einrichtung 8 für das Mischungsverhältnis eingegeben. Wenn die Signale eingegeben sind, gibt die Einstellungs­ einrichtung 8 für das Mischungsverhältnis Signale aus, um den Output der ersten und zweiten Laserquelle 1 und 2 unabhängig einzustellen. Die Einrichtung 8 verändert das Outputverhältnis der ersten und zweiten Quellen 1 und 2. Natürlich regelt die Eingabe der Signale in die erste und die zweite Signaleinrichtung 6 und 7 zur Ver­ änderung des Outputs den Laseroutput.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung der Output-Einstellungsein­ richtung 9 und der Einstellungseinrichtung 8 für das Mischungsverhältnis, welche in Fig. 1 dargestellt sind.

Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, legt die Output-Einstellungs­ einrichtung 9 eine Gleichstromspannung V an das eine Ende eines einzigen Stellwiderstands 15. Das andere Ende des Stellwiderstandes 15 ist geerdet. Die von dem Schiebe­ ausgang 151 erhaltene Signalspannung des Stellwider­ standes 15 wird in die Einstellungseinrichtung 8 für das Mischungsverhältnis eingegeben.

Die Einstellungseinrichtung 8 für das Mischungsverhältnis besteht aus zwei Stellwiderständen 16 und 17 und die Signalspannung wird an Anschlußpunkten fester Widerstände 162 und 172 von Widerständen 16 und 17 ein­ gegeben. Die anderen Enden der Widerstände 16 und 17 sind geerdet. Die Signalspannung, die zwischen dem ver­ schiebbaren Ausgang 161 des Widerstands 16 und seiner Erde erhalten wird, setzt sich in eine erhöhte Signal­ spannung um. Auf der anderen Seite setzt sich die Signal­ spannung, die zwischen dem Schiebeausgang 171 des Wider­ stands 17 und dessen Erde erhalten wird, in eine vermin­ derte Signalspannung um. Deshalb hat der Ausgang des erhöhten Signals einen 0-Wert, wenn der Ausgang des ver­ minderten Signals einen maximalen Wert aufweist. Wenn je­ doch der Ausgang des erhöhten Signals einen maximalen Wert aufweist, nimmt der Ausgang des verminderten Signals einen 0-Wert an. Die Anordnung ist derart, daß die Signal­ spannungen, die von den verschiebbaren Ausgängen der Wider­ stände 161 und 171 erhalten werden, zu Signalen umgewandelt werden, welche das Output-Verhältnis der ersten und der zweiten Laserquelle 1 und 2 regeln.

Wie vorstehend ausgeführt, werden die Signale, welche von der Einstellungseinrichtung 8 für das Mischungsver­ hältnis ausgegeben werden, in die erste und die zweite Signaleinrichtung 6 und 7 zur Veränderung des Outputs eingegeben, um den Output der Laserquellen 1 und 2 zu bestimmen. Deshalb wird das Output-Verhältnis der Laser­ quellen 1 und 2 wahlweise geregelt durch Einstellung der Einstellungseinrichtung 8 für das Mischungsverhältnis. Der Output der Laserquellen 1 und 2 wird auch wahlweise geregelt durch Einstellung der Einstellungseinrichtung 9 für den Output.

Aus vorstehender Beschreibung ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung eine Laserstrahlvorrichtung schafft, welche eine Vielzahl von Laserstrahlen ausstrahlt, die eine unterschiedliche Wellenlänge aufweisen. Die Vor­ richtung enthält Einrichtungen zur Veränderung des Out­ puts jeder Laserquelle und Einrichtungen zur wahlweisen Veränderung des Ausgangsverhältnisses. Deshalb kann die Vorrichtung, wenn sie in der medizinischen Behandlung ver­ wendet wird, den Output und das geeignetste Outputver­ hältnis der Laserstrahlen auswählen und somit auf die unterschiedlichen Bedingungen ansprechen. Damit kann die medizinische Behandlung eines lebenden Organismus unter den am besten geeigneten Bedingungen durchgeführt werden.

Deshalb können gewünschte komplexe medizinische Behand­ lungseffekte vollständig erlangt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann wirksam einge­ setzt werden für Laserverfahren für verschiedene Gegen­ stände. Wie vorstehend erwähnt ist, erfordert die Be­ arbeitung von Gegenständen die Veränderung der Wellen­ länge. Beispielsweise variiert das Reflexionsvermögen des Materials abhängig von der Wellenlänge der ausge­ strahlten Laserstrahlen. Ferner wird die Größe des ge­ bündelten Punktes des Strahls kleiner und die Energie­ stärke steigt an, wenn die Wellenlänge des Laserstrahles kürzer ist. Erfindungsgemäß können verschiedene Tätig­ keiten wie Bohren, Schneiden, Härten und Schweißen an verschiedenen Materialarten vorgenommen werden. Ferner ist es möglich, bei gleichzeitiger Ausstrahlung einer Vielzahl von Laserstrahlen, von denen jeder eine ver­ schiedene Wellenlänge aufweist, komplexe Wirkungen zu erlangen, welche von der Ausstrahlung eines einzigen Laserstrahls nicht erwartet werden können.

Es ist klar, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt ist, sondern daß, wie in den beigefügten Ansprüchen be­ stimmt ist, viele offensichtlich sehr unterschiedliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung möglich sind, ohne aus dem Bereich der Erfindung zu gelangen. Beispielsweise können die Einstellungseinrichtung 9 für den Output und die Einstellungseinrichtung 8 für das Mischungsverhältnis einen Digitalkreis oder ein Mikro­ computer aufweisen.

Ferner sind die erste Laserquelle 1 und die zweite Laser­ quelle 2 nicht beschränkt auf einen CO₂-Laser und einen YAG-Laser. Beispielsweise kann ein Ar-Laser und ein CO- Laser an deren Stelle Verwendung finden. Die Anzahl der Laserquellen ist nicht auf zwei beschränkt. Das wesent­ liche der Erfindung liegt darin, eine Laserstrahlvor­ richtung zu schaffen, welche eine Vielzahl von Laser­ resonatoren aufweist, um Laserstrahlen auszustrahlen, von denen jeder eine verschiedene Wellenlänge aufweist, um eine Wechselwirkung zwischen den Laserstrahlen und dem zu bestrahlenden Material zu erhalten.

Weiterhin sind die ausgestrahlten Laserstrahlen von der Vielzahl der Laserquellen nicht auf CW-Oszillation be­ schränkt. In einigen Fällen kann die CW-Oszillation und Impulsoszillation zusammen Verwendung finden. In anderen Fällen kann nur die Impulsoszillation verwendet werden. In diesem besonderen Fall ist es möglich, die Impulsoszil­ lation des YAG-Lasers in einen Q-Switchimpuls umzuwandeln und die des CO₂-Lasers in einen Höchstwertimpuls unter Benutzung eines Verstärkungsschalters, usw.

Claims (3)

1. Laserstrahlvorrichtung zum Erzeugen eines Laserstrahls mit Laserstrahlanteilen unterschiedlicher Wellen­ längen mit

• - mehreren Laserquellen (1, 2, 3) von denen jede einen Laserstrahl (101, 201, 301) einer bestimmten Wellenlänge ausstrahlt, wobei sich die Wellenlängen der Laserstrahlen (101, 201, 301) unterscheiden,
• - einer optischen Einrichtung (10, 11, 12), die die Laserstrahlen (101, 201, 301) zur Erzeugung eines Ausgangslaserstrahls (100) koaxial überlagert,
• - einer Lichtführungseinrichtung (13, 14) zum Übertragen des Ausgangslaserstrahls (100) auf einen gewünschten Abschnitt des zu bestrahlenden Objekts,
• - mehreren Betätigungseinrichtungen (4, 5), die jeweils an eine der Laserquellen (1, 2) zugeordnete Hochspannungen anlegen und dadurch die jeweilige Laserleistung steuern,
• - mehreren Signaleinrichtungen (6, 7), die jeweils eine Betätigungseinrichtung (4, 5) in Abhängigkeit von zugeordneten Signalen ansteuern,

gekennzeichnet durch

• - eine Anteileinstelleinrichtung (8), mit der die jeweiligen Laserstrahlanteile der Laserquellen (1, 2) am Ausgangslaserstrahl (100) eingestellt werden und die als zugeordnete Signale Steuersignale für die Signaleinrichtungen (6, 7) entsprechend den eingestellten Anteilen erzeugt, wobei die Laserstrahlanteile in der Anteileinstell­ einrichtung (8) in einem gegenläufigen Verhältnis verändert werden können, und
• - eine Leistungseinstelleinrichtung (9), mit der die Gesamtleistung des Ausgangslaserstrahls (100) eingestellt wird und die der Anteileinstelleinrichtung (8) vorgeschaltet ist.

2. Laserstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Laser­ quelle (1) zur Ausgabe eines ersten Laserstrahls (101), hauptsächlich wirksam ist zur Ausführung eines Einschnitts in dem Objekt und eine zweite Laser­ quelle (2) zur Ausgabe eines zweiten Laserstrahls (201), hauptsächlich wirksam ist zum Verfestigen des Objekts.