DE3439005A1

DE3439005A1 - Laser-anordnung fuer die augenchirurgie

Info

Publication number: DE3439005A1
Application number: DE19843439005
Authority: DE
Inventors: Michael San Francisko Col. Kessik
Original assignee: Bausch and Lomb Inc
Current assignee: Bausch and Lomb Inc
Priority date: 1983-10-28
Filing date: 1984-10-25
Publication date: 1985-05-09
Also published as: IT8468029A1; GB2149199A; CA1232028A; GB8422411D0; KR850002943A; FR2554283A1; IT8468029A0; IT1179773B; JPS60111486A; IT8453929V0

Description

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Bausch & Lomb Inc., Rochester, NY 14 601, USA Laseranordnung für die Augenchirurgie

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laseranordnung für die Augenchirurgie. In den vergangenen Jahren haben Laseranordnungen als Instrumente für die Augenchirurgie zunehmend Anwendung gefunden, weil sich mit dem Laserstrahl Operationen an und innerhalb des Auges durchführen lassen, die wenig oder keine Operationsnebenwirkungen hervorrufen. Die Laseranordnungen als Instrumente werden dabei für verschiedenste Anwendungszwecke benutzt, so zur Fotokorrektur der Netzhaut, zum Schneiden und Entfernen von Netzhautteilen innerhalb des Auges usw. Bei der erstgenannten Arbeit' erfordert die Operation zeitlich relativ lange Laserwirkungen mit einer relativ kleinen Intensität, während bei der zuletzt genannten Operation Impulse von hoher Lichtenergie und sehr kurzer Dauer sowie großer Spitzenenergie notwendig sind. Solche Impulse sind in der Lage, die Netzhaut am und um den Pokalpunkt herum zu zerstören, ohne daß dabei'unerwünschte thermische Wirkungen auftreten. Die Systeme, die eine Langzeit-Laserwirkung möglich machen, eignen sich nicht für die Erzeugung kurzer Impulse mit hoher Intensität, die für andere und die oben erwähnte Operationstechnik notwendig sind.

Eine bekannte Laseranordnung (US-PS 4 309 998) verwendet einen durch Q-Weichen in seiner Arbeitsweise festgelegten Laser mit YAG-Kristall, der Impulse von ausreichender Charakteristik und Intensität erzeugt, die das chirurgische Schneiden durch optisches Punktieren möglich machen. Dieser Lasersystem erzeugt aber nur Serien von dicht aufeinanderfolgenden Impulsen relativ unkontrollierbarer Formgebung. Es ist schwie-

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rig, die gewünschte Ausgangsenergie oder die gewünschte Anzahl von Impulsen zu produzieren. Darüber hinaus kann dieser Laser nicht die thermischen Wirkungen hervorrufen, die für bestimmte chirurgische Augenoperationstechniken benötigt werden. Darüber hinaus benötigt diese bekannte Laseranordnung ein Kühlsystem, das die von einem ineffizient arbeitenden Laserresonator erzeugte Überschußhitze abführt. Solche mechanischen Kühlsysteme erfordern eine sorgfältige Wartung und sind oft Ursache von Störungen und Ausfällen der Einrichtung. Darüber hinaus erhöht ein solches Kühlsystem die äußeren Abmessungen der Gesamtanordnung und macht es. schwierig, diese zu transportieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laseranordnung zu schaffen, die die obengenannten Nachteile nicht aufweist und die verschiedensten Arten von chirurgischen Augenoperationen erlaubt und dabei im Aufbau leicht und einfach ist und sich ohne Schwierigkeiten und Aufwand warten läßt; sie soll sowohl geeignet sein, die Netzhaut anzuheften oder zu schneiden als auch für andere Operationsarten thermale Effekte möglich machen. Diese Aufgabe wird durch eine Laseranordnung gelöst, die sich kennzeichnet durch einen Laserstab und eine Blitzlichtröhre, die in nicht paralleler Zuordnung zueinander im Gehäuse einer optischen Pumpe angeordnet sind, dessen Innenwandung mit einer hochreflektierenden Beschichtung versehen ist, Spiegelelemente zur Bildung eines instabilen Laser-Resonators zusammen mit dem Laserstab, Steuereinrichtungen für die Betätigung der Blitzlichtröhre mit elektrischen Impulsen, die vorfestgelegte Spannungen, zeitliche Abstände und Anzahlen aufweisen und Einrichtungen zur Einbringung der Laserausgabeimpulse in das Auge des zu behandelnden Patienten. Wie die. Erfindung weiter vorsieht, können dabei zwischen den Spiegelelementen und dem Laserstab Q-Weichenelemente angeordnet sein, die von den Steuereinrichtungen

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zeitlich mit der Blitzlichtröhrenbetätigung synchronisiert betätigbar sind. Der Innenraum des Pumpengehäuses weist zweckmäßig kurvenförmig gewölbte geschlossene Innenwandungen auf, die z.B. kugelförmig gewölbt sein können. Die Blitzlichtröhre und der Laserstab sind im Abstand voneinander winklig zueinander angeordnet und das Pumpengehäuse besteht vorteilhaft aus einem Werkstoff hoher Wärmeleit- und Aufnahmefähigkeit. Die Innenwandbeschichtung des Innenraums des Pumpengehäuses kann ein Bariumsulfatpulver mit einem Haftmittel enthalten. Die Spiegelelemente bestehen erfindungsgemäß aus einem ersten konkaven und einem zweiten konvexen Spiegel; der zweite Spiegel weist dabei einen zentralen Spot auf, der aus einer Schicht, in der Wellenlänge des Lasersystems hochreflektierenden Werkstoffs besteht und von einer nicht reflektierenden für ein Teil der Laserstrahlen durchlässigen, einen Ausgäbesammler bildenden Beschichtung umgeben ist. Die Anordnung enthält ferner zweckmäßig einen Gas-Laser mit kontinuierlicher Ausgabe, dessen Ausgangsstrahl in der optischen Achse der Laserstrahlen auf dessen Ausgangsimpulsstrahl ausgerichtet ist. Die Spiegel sollen im wesentlichen für die Wellenlänge des von diesem Gaslaser ausgehenden Lichtstrahls durchlässig sein. Der Laserstab wird vorteilhaft aus Yttrium-Aluminium-Garnet gebildet und mit einer starken Schicht von Neodymium überzogen. Die Laseranordnung soll einen Mikroprozessor aufweisen, der so programmiert ist, daß die Q-Weichen geöffnet und die Blitzlichtröhre mit in kurzen Abständen aufeinanderfolgenden Impulsen versorgt wird. Die Impulse können dabei einen zeitlichen Abstand aufweisen, der kleiner ist als die Verfallzeit der in den Laserstab eingebrachten Elektroneninversion., Der Mikroprozessor soll weiter so programmiert sein, daß die Q-Weichen zeitlich synchronisiert mit der Betätigung der Blitzlichtröhre betätigbar sind. Den Blitzlicht-

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röhren kann eine Mehrzahl von Impulsformnetzen zugeordnet werden, die binär anrufbare Adressen aufweisen. Ferner kann ein einen Teil der Laserausgabeimpulse aufnehmender Fotosensor vorgesehen sein und der Mikroprozessor kann Einrichtungen zur Integration der von dem Fotosensor ausgehenden Signale zur Bestimmung der Energie der Laserausgangsimpulse aufweisen. Mittels einer geschlossenen Rückführungsschleife in der Steuereinrichtung können die der Blitzlichtröhre zuzuführenden Spannungen geändert werden, wenn diese ναι der erwarteten Impulsenergie abweichen. Die optische Pumpeinrichtung besteht erfindungsgemäß zweckmäßig aus einem Blockkörper mit geschlossenem Innenraum mit kurvenförmig gewölbten Innenwandungen, einem Laserstab in diesem Innenraum, der kolinear zur optischen Achse angeordnet ist, einer nicht parallel zu diesem Laserstab angeordneten Blitzlichtröhre und einer stark diffus reflektierenden Beschichtung der Innenwandungen. Blitzlichtröhre und Laserstab werden dabei zweckmäßig mit geringem Abstand und rechtwinklig zueinander angeordnet. Weiterhin kann die Laseranordnung aus einem auf dem Boden aufstehenden, den Laser und dessen elektrische Steuereinrichtung aufnehmenden Gehäuse bestehen und weiter aus einem mit dem Gehäuse verbundenen, vertikal verschieb- und festlegbaren Tischelement sowie einer auf dem Tischelement angeordneten Blendenlampe mit Bi-Mikroskop und einer an der Unterseite des Tischelements angeordneten Lasereinrichtung sowie aus Elementen zur unmittelbaren Kupplung der Lasereinrichtung mit der Blendenlampe und dem Bi-Mikroskop.

Die Anordnung kann für thermale Operationsmethoden verwendet werden, wobei der Laserkristall durch kurze Blitzlichtröhrenblitze in dichter Aufeinanderfolge simuliert wird, wobei die Elektroneninversion im Kristall aufrechterhalten wird und der erzeugte lange Impulszug mit einem vorfestgelegten ZeIt-

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Stärkeumfang eine beinahe kontinuierliche Ausgabe hervorruft und damit die thermisch-physiologischen Wirkungen erzeugt, die für bestimmte Operationstechniken mit Lasern notwendig sind. Bei Anwendung der Q-Weichentechnik erzeugt die Kombination von Mikroprozessorsteuerung/ kurzem Innenraum der optischen Pumpe, unstabiler Resonatorausbildung und Kristallstab von kleinem Durchmesser kurzer Länge sehr dichte Impulse hoher Intensität, eine gute Strahlenqualität und eine genaue Einstellung von Dauer, Abstand und Energie der Laserimpulse.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 die Vorrichtung in schematischer Darstellung von vorn gesehen,

Fig. 2 die Seitenansicht von Fig. 1,

Fig. 3 die Draufsicht auf einen Schnitt nach der Linie 3-3 durch Fig. 2,

Fig. 4 die perspektivische Darstellung einer Einzelheit in vergrößertem Maßstab teilweise geschnitten,

Fig. 5 die Ansicht der Bedienungstafel für den Betrieb der Vorrichtung in schematischer Darstellung,

Fig. 6 das Blockdiagramm der Steuerungselemente der Vorr,ichtung,

Fig. 7 das Schaltbild einer Einzelheit der Steuerung der Vorrichtung, und

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Fig. 8 die Seitenansicht einer Einzelheit, teilweise geschnitten in vergrößertem Maßstab.

Wie sich aus Fig. 3 ergibt, besteht die Vorrichtung aus einer Grundplatte 11, an der die einzelnen Elemente aufgehängt sind; sie kann bspw. etwa 150 χ 250 mm groß und aus nichtrostendem Stahl hergestellt sein, der eine sehr geringe Wärmedehnung aufweist. Mit der Grundplatte 11 ist weiter eine optische Pump-Einrichtung 12 verbunden, die in ihren Einzelheiten in Fig. 4 wiedergegeben wird. Der etwa kubische Körper dieser Pumpeinrichtung 12 wird von einem Paar quaderförmiger fester Körper 13 und 14 gebildet, von denen jeder eine etwa halbkugelförmige Innenausnehmung 16 bzw. 17 aufweist, deren Kreisöffnungen sich mit ihren -Kanten bündig einander gegenüberliegen und gemeinsam eine kugelförmige Ausnehmung 18 bilden. In einer bevorzugten Ausbildungsform hat der von den beiden festen Körpern 13 und 14 gebildete kubische Block eine Kantenlänge von etwa 38 mm und der Durchmesser der kugelförmigen Ausnehmung 18 beträgt etwa 25 mm. Die festen Körper 13 und 14 können aus Aluminium oder aus einem Werkstoff mit ähnlichen thermischen Eigenschaften und ähnlichem Gefüge hergestellt sein; sie werden von durch Bohrungen geführten Schrauben zusammengehalten.

Jeder der Körper 13 und 14 weist Bohrungen 19 bzw. 21 auf, die koaxial von zwei Seiten in die Innenausnehmungen 16 bzw. 17 geführt sind, wobei die gemeinsamen Mittenachsen der Bohrungspaare 19 und 21 mit Abstand übereinander, vorzugsweise in einem Winkel von 90 verlaufen. Es können aber auch andere Winkel angewendet werden. In den Bohrungen 19 ist eine Blitzlichtröhre 22 befestigt, deren Licht in die Ausnehmung 18 strahlt, und deren Elektroden 23 und 24 aus der Pumpeinrichtung 12 herausragen. In die Bohrungen 21 ist

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entsprechend ein Laserstab 26 eingesetzt, der bspw. aus einem Nd:YAG-Kristall gebildet wird, der mit Noedymium überzogen ist, um einen großen Verstärkungsfaktor zu erreichen. Ein schmaler Durchmesser des Laserstabes 26 erhöht die Wirksamkeit des Systems und die Qualität des Laserstrahlausgangs.

Die Innenfläche der kugelförmigen Ausnehmung 18 ist mit einer hochwirksamen diffus reflektierenden Beschichtung überzogen, deren Reflektionswirkung größer als 99% ist. Die reflektierende Beschichtung wie bspw. ein mit einem Binder gemischtes Bariumsulfatpulver kann dabei unmittelbar auf die Innenfläche der kugelförmigen Ausnehmung 18 aufgebracht werden. Es ist auch möglich, die Beständigkeit der Beschichtung dadurch zu erhöhen, daß die, die kugelförmige Ausnehmung 18 bildenden beiden Innenausnehmungen 16 und 17 mit halbkugelförmigen Glasschalen ausgekleidet werden, wobei ein sehr reines Bariumsulfatpulver ohne Zumischung eines Bindemittels zwischen der Außenfläche der Glaskugeln und der Innenfläche der jeweiligen Innenausnehmung 16 bzw. 17 gehalten wird.

Die Pumpeinrichtung 12 wird mit den Bohrungen 21 und dem in diesen gehaltenen Laserstab 26 genau auf deren optische Achse justiert, zwischen den Spiegeleinrichtungen 32 und 33 eines von diesen gebildeten Laser-Resonators auf der Grundplatte 12 befestigt. Die Spiegeleinrichtung 32 weist einen Hohlspiegel 34 mit einem sphärischen Radius von etwa 500 mm auf. Die konkave Oberfläche 35 des Hohlspiegels 34 ist mit einer Mehrfachbeschichtung aus dielektrischem Werkstoff versehen, die mit Bezug auf die YAG-Laserwellenlänge von 1.064,um mehr als 99% reflektiv ist. Die Spiegeleinrichtung 33 weist einen Spiegel mit einer konvexen Oberfläche 36 mit einem sphärischen Radius von 330 mm auf. Dieser Spiegel ist auf einem Meniscus-Substrat 37 mit einer gegenreflektierenden Beschichtung 38 auf der YAG-Laserwellenlänge geformt, die auf beide Oberflächen des Sub-

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strats aufgebracht ist. In der Mitte der konvexen Oberfläche 36 befindet sich ein etwa 2,2 nun großer Reflektionsspot 39 einer Beschichtung, die auf der YAG-Laserwellenlänge reflektiert.

Der Brennpunkt des vom Hohlspiegel 34 ausgehenden Strahls sollte nahe dem Reflektionsspot 39 liegen, damit ein Teil des Laserstrahls auf den Laserstab 26 zurückgeworfen wird. Die kreisförmige Umgebung mit antireflektierendem Werkstoff 38 dient als Ausgangskuppler für den Laserstrahl, der hier hindurch in die Einrichtung zur Verwendung des Laserstrahls eintritt. In dem instabilen Laser-Resonator, der aus den Spiegeleinrichtungen 32 und 33 gebildet wird, wird die gesamte vorhandene Laserstrahlausgabe so verarbeitet, daß die gesamte verfügbare Laserenergie in den kleinstmöglichen Spot fokussiert wird. Darüber hinaus bewirkt der Spot-Ausgangskuppler unter starker Reduzierung der Reflektionen einen proportional starken Strahl axial durch den Laserstab 26, der die Erzeugung extrem kurzer Impulse erlaubt.

Die Vorrichtung weist ferner eine Q-Weiche 41 auf, die in der optischen Achse zwischen dem Spiegel 34 und dem Reflektionsspot 39 angeordnet ist, vorzugsweise zwischen der Spiegeleinrichtung 33 und dem Laserstab 26, damit dieser durch den breiteren Abschnitt des Laserstrahls beleuchtet wird, der zwischen den Spiegeln reflektiert wird. Die Q-Weiche 41 kann aus einem elektro-optischen Transvers-Feldmodulator bestehen, der ein Lithium-Niobat-Kristall verwendet und aus einem einzelnen Polarisator 42 mit mehrschichtigem Dünnfilm-Dielektrikum bekannter Bauart besteht. Bei der Q-Weichenoperation wird der Kristall mit einer positiven Spannung auf die Viertelwellen-Verzögerungsgröße vorgespannt, um die Lasertätigkeit zu blockieren. Die Umlenkwirkung der Q-Weiche 41 wird durch

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einen vom Kontrollschaltkreis ausgelösten negativen Schrittimpuls bewirkt und dabei durch Verschiebung der Strahlpolarisation die Laseraktion eingeleitet. Es ist aber auch möglich, eine Laseroperation ohne Q-Weichenumlenkung durchzuführen, ohne daß die Q-Weiche 41 oder die Dünnfilm-Polarisationseinrichtung entfernt werden müssen.

Auf der Grundplatte 11 ist weiter ein Laser 46 mit niedriger Stärke angeordnet, der kontinuierlich sichtbares Licht ausstrahlt. Vorzugsweise kommt ein Helium-Neon (HeNe) Gas-Laser in Frage. Der Ausgangsstrahl von diesem Laser 46 ist in der optischen Achse auf einen 180° Reflektor 47 gerichtet, der ein Paar von Spiegeln 48, 49 aufweist, die mit jeweiligen Winkeln von 45° zum vom Laser 46 ausgehenden Strahl angeordnet sind. Eine zweiseitig konkave Linse 40 und eine einseitig konvexe Linse 50 sind am Eingang bzw. am Ausgang des 180 -Reflektors 47 angeordnet und bilden einen Strahlenrichter, der den Durchmesser des HeNe-Strahls auf den Durchmesser des YAG-Strahls gleichrichtet. Der HeNe-Strahl tritt aus der einseitig konvexen Linse 50 aus und wird durch den Spiegel 35 sowie den Laserstab 26 geführt, die beide im wesentlichen für die HeNe-Wellenlänge 633 nm durchlässig sind. Die Ausgangs-Spiegeleinrichtung 33 ist ebenfalls durchlässig für den HeNe-Strahl, so daß beide Laserstrahlen die Spiegeleinrichtung 33 in kolinearer Ausrichtung verlassen.

Von der Spiegeleinrichtung 33 gelangen die Strahlen über Strahl-Zerstreuungslinse 60 zu einer Spiegeleinrichtung 51, in der ein Spiegel 52 dazu benutzt wird, die Strahlen um 90 nach oben umzulenken. Der Strahlzerstreuungseffekt bringt die Möglichkeit einer entsprechenden starken Sammeleinstellung der Strahlen auf das Operationsfeld innerhalb des Auges mit sich, so daß nur der Netzhautabschnitt, der abgeschnitten oder behandelt werden soll, von den Laserimpulsen getroffen wird.

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Der Streustrahl verringert darüber hinaus die Schwierigkeiten der folgenden Spiegel und Linsenoberflächen und Werkstoffe durch Reduzierung der Energiedichte des Strahls. Mit der Spiegeleinrichtung 51 ist ein Fotosensor 53 verbunden, der etwa 1% der Strahlenergie aufnimmt, die durch den Spiegel 52 geführt ist. Der Ausgang des Fotosensors 53 ist mit der Steuereinrichtung verbunden, um eine geschlossene Rückübertragungsschleife für die Kalibrierung des Energieausbringens des Lasers mit Bezug auf die eingebrachte Lichtenergie zu bilden, wie dies anschließend näher erläutert wird.

Die Vorrichtung, wie sie vollständig in den Fig. 1 und 2 wiedergegeben ist, weist ein Schrankgehäuse 56 auf, in dem die Einrichtungen zur Erzeugung elektrischer bzw. elektronischer Energie und die Steuereinrichtungen untergebracht sind. Auf dem Schrankgehäuse ist das Steuerpult 58 angeordnet. Ein seitlich an dem Schrankgehäuse 56 angeordneter Stelltisch 59 ist zur Anpassung an die Größe des zu behandelnden Patienten vertikal verstell- und festlegbar. Die Anordnung dieses Stelltisches 59 als Kragelement erlaubt es, die von diesem getragenen Instrumente auch auf Personen einzustellen, die in einem Rollstuhl sitzen. Diese Besonderheit ist deshalb wichtig, wenn man berücksichtigt, daß zahlreiche Patienten, die Operationen des Augeninneren benötigen, alt und gebrechlich sind. Die Grundplatte 11 der Vorrichtung ist unterhalb der Auflagefläche des Stelltisches 59 befestigt. Der Stelltisch trägt ein Biokulares Untersuchungsmikroskop 61, eine Blendenleuchte 62 und einen Kopfhalter 63 zur Ausrichtung und zum Festhalten des Kopfes des Patienten, der behandelt wird. Die gesamte Laser-Operationsvorrichtung benötigt keine weiteren Einrichtungen für die Operation und kein Kühlsystem, sie ist fest zu dem Untersuchungsmikroskop 51 mit der Blendenleuchte 62 ausgerichtet

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und wird mit diesen vertikal auf und abbewegt, so daß keine Ausrichtungsprobleme zwischen den einzelnen Elementen der Vorrichtung entstehen; ebenso sind bewegliche Spiegel, die eine beachtliche Fehlerquelle bei bekannten Vorrichtungen darstellen, vollständig vermieden. Die ganze Einrichtung benötigt nur einen verhältnismäßig kleinen Platz auf dem schmalen Tisch.

Wie aus Fig. 8 zu ersehen, treten die aus dem Spiegel 52 kommenden Strahlenbündel durch eine öffnung im Oberteil 57 des Tragtisches und gelangen in den Strahlerzeuger 66, der ein Paar von Spiegeln 67 und 68 aufweist, die in parallelen Ebenen aufeinander ausgerichtet die Laserstrahlenbündel zu einer Doppellinsenanordnung 69 führen, die die Strahlenbündel fokussiert, wobei sie durch einen Umlenkspiegel 71 auf einen Punkt innerhalb des Auges des Patienten gerichtet werden. Die Blendenleuchte 62 ist auf einen Umlenkspiegel 72 gerichtet, der das Licht dieser Lichtquelle durch den Umlenkspiegel 71 hindurch in das Auge des Patienten richtet. Das Untersuchungsmikroskop 61 ist durch den Umlenkspiegel 71 hindurch über die Seiten des Spiegels 72 gerichtet, um die Konvergenz der Strahlenbündel innerhalb des Auges und die Position und die Größe des fokussierten Punktes für den Beobachter erkennbar zu machen. Damit das HeNe-Richtstrahlbündel auf den gleichen Punkt fokussiert wird wie die YAG-Impulse, ist die Doppellinsenanordnung 69 so ausgebildet, daß sie gleiche Brennweiten für 1064 nm und 633 nm haben. In einer bevorzugten Ausführung soll die Auswahl solcher achromatischen Linsen so getroffen werden, daß der fokale Spot-Durchmesser den Notwendigkeiten während der Augenoperation entsprechend veränderbar ist.

Da die Laservorrichtung unmittelbar der Blendenleuchteinrichtung zugeordnet ist, können praktisch keine Justierprobleme auftreten, und es werden weniger Spiegel benötigt als sonst üblich.

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Ein hervorragendes Merkmal der beschriebenen Vorrichtung ist die Steuereinrichtung, die eine genaue Auswahl der Impulsenergie, Impulslänge und Impulszahl erlaubt, die der Laser der Operationseinrichtung zuführt. Dieses Kontrollsystem nach Fig. 6 weist Funktionsblöcke auf, in die der relativ große Schaltkreis aufgeteilt ist. Die Einzelheiten der Erzeugungseinrichtungen für elektrische Energie für diese Schaltkreise sind der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt. Die Steuereinrichtung weist einen Mikroprozessor 76 mit den notwendigen ROM, RAM und den Programmen für die Durchführung der nachfolgenden Funktionen und Abläufe auf. Der Mikroprozessor 76 hat eine Eingabe/Ausgabe I/O (Sektion 77), eine Relais-Betätigungssektion 78 und einen Analog-Digital ■ (ADC) Konverter 79. Weiter weist die Steuereinrichtung einen Schaltkreis 81 auf, der sich aus allen elektrischen Elementen zusammensetzt, die für die Lasereinrichtung mit Ausnahme des HeNe-Lasers 46 notwendig sind. In diesem Schaltkreis 81 liegt auch die Blitzlichtröhre 22 und der Fotosensor 53, der die Energie des YAG-Ausgabe-Strahlenbündels mißt sowie die Q-Weiche 41. Ist an der Pumpeinrichtung 12 ein Thermofühler 82 angeordnet der die Temperatur in dieser mißt. Der Schaltkreis 81 enthält weiter Solenoide zur Betätigung des Laserstrahldämpfers 83 und einen Shutter 84 in bekannter Anordnung und Ausbildung. Die Relais-Betätigungssektion ist mit dem Laserstrahldämpfer 83 und dem Shutter 84 und mit der HeNe-Energiequelle 86 verbunden, die ihrerseits den HeNe-Laser 46 mit Energie versorgt.

Die elektrische Schaltung enthält ferner ein Impulsformnetz 87, das Hochspannungsimpulse vorausgewählter Spannung, Abstände und Anzahl erzeugt. Die Hochspannungsimpulse werden über einen Induktor 88 und über normalerweise offene Relaiskontakte 89 zu der Blitzlichtröhre 22 geführt. Das Relais 91,

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das die Relaiskontakte 89 betätigt, ist mit der Relaisbetätigungssektion 78 des Mikroporzessors 76 verbunden. Das Impulsformnetz 87 erhält die Hochspannung, die für die Impulse benötigt werden von der Energiequelle 96 über den Ladekreis 104.

Für die Blitzlichtröhre 22 ist ein Steuerkreis 97 vorgesehen, der einen Timer 98 aufweist, der das Zünden der negativen Startimpulse verzögert und kontrolliert, die von dem Q-Weichenantrieb und der Energiequelle 101 bewirkt werden. Während der Q-Weichen-Operation wird die Q-Weiche etwa 70 Mikrosekunden, nachdem die Blitzlichtröhre 22 durch den Hochspannungsimpuls gezündet wurde, geöffnet, um die Laserspitzenwirkung zuzulassen, bevor der Impuls geliefert wird. Eine Triggersektion 99, die mit dem Impulsformnetz 87 verbunden ist, macht das Pulsformnetz 87 auf ein vom Mikroprozessor 76 ausgehendes Kommando hin wirksam.

Der Steuerkreis 9 7 für die Blitzlichtröhre 22 enthält ferner eine Simmer-L/S-Sektion 102, die die Blitzlichtröhre 22 zündet und danach die Ionisation in dieser aufrechterhält, indem sie einen Simmer-Strom von etwa 30 mA von einer Stromquelle liefert. Die Lampenzündung wird durch die Simmer-Sektion 102 durch Aufschaltung eines scharfen Impulses auf den Impulstransformator 103 bewirkt, der einen Impuls von einigen kV liefert, die ausreichen eine Entladung durch die Blitzlichtröhre zu bewirken und die Operation einzuleiten. Die Q-Weiche und der Shutter bleiben geschlossen. Der Simmerstrom reicht dann aus, die Blitzlichtlampe 22 in Bereitschaft zu halten, durch 200 bis 400 Voltimpulse vom Impulsformnetz 87 zum Leuchten gebracht zu werden. Die Relaiskontakte 89 sind während der Blitzlichtröhren-Zündoperation offen, so daß der Hochspannungsstartstoß das Impulsformnetz nicht beschädigen kann.

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Der Steuerkreis 97 enthält weiter eine Signalkonditionierungssektion 106, die mit dem Thermofühler 82 und dem Fotosensor 53 verbunden ist; sie konditioniert die von dem Thermofühler 82 und dem Potosensor 83 kommenden Signale und führt sie zu dem Analog/Digital-Konverter 79 des Mikroprozessors 76. Dieser Mikroprozessor 76 integriert das vom Fotosensor kommende Signal, um die Strahlenergie des YAG-Lasers unmittelbar nach der Zündung abzuleiten. Das Thermofühlersignal wird wiederholt angezeigt um sicherzustellen, daß die Temperatur des Lasersystems nicht die im Speicher festgehaltenen Operationsparamter überschreitet. Die Steuerung ist weiter mit einer Formel programmiert, die die von der Stromquelle kommende Spannung bestimmt, die zur Blitzlichtröhre 22 geführt werden muß, um einen Laserimpuls, einer gewünschten Stärke zu erzeugen. Wenn der Fotofühler ermittelt, daß der erzeugte Impuls in der Strahlenergie deutlich von der Vorgabe abweicht, bewirkt die Steuerung eine Änderung der Formel in Richtung einer größeren Annäherung an die gemessene Ausgabe. Wie bereits gesagt, bewirkt eine geschlossene Rückführschleife,daß die Ausgabe des Lasersystems so genau und richtig wie möglich rekalibriert wird.

Die Steuereinrichtung weist ein Steuerpult 58 auf, das mit dem Mikroprozessor verbunden ist und es dem Chirurgen erlaubt, die für die Operation notwendigen Besonderheiten der Laseranwendung auszuwählen, wie z.B. die Impulsenergie und den Impulsabstand. Das Steuerpult 58 weist Anzeigelampen 111, LED- oder LCD-Displays 112 und numerisch und funktional wirkende Stellschalter 113 auf. Zusätzlich ist ein fußschalterbetätigter Schaltkreis 114 mit einem Fußschalter 116 vorgesehen, der die Zündung des Lasersystems durch ein Pedal anstelle manueller Auslösung durch den Chirurgen erlaubt.

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Wie sich aus Fig. 7 ergibt, enthält der Impulsform-Trigger-Schaltkreis 99 einen Adressendecoder 121, der von dem Mikroprozessor die numerischen Adressen eines oder mehrerer Impulsformnetze und ihrer entsprechenden Trigger-Schaltkreise 122. In einer bevorzugten Ausführung sind 56 Impulsformnetze (PFN) vorgesehen, von denen jede einen eigenen Trigger-Schaltkreis 122 besitzt. Vierzig dieser Impulsformnetze sind in fünf Reihen von je acht miteinander verbunden, in erster Linie um die Verknüpfung mit einem binären Digital-Mikroprozessor zu erleichtern. Zwölf der Impulsformnetze sind individuell oparabel und vier stellen Ersatzstücke dar, die durch den Mikroprozessor für jedes der Impulsformnetze eingesetzt werden können, das ausfällt. Jeder Trigger-Schaltkreis ist mit dem zugehörigen Impulsformnetz in ähnlicher Anordnung verbunden.

Jeder Impulsformnetz-Trigger 122 weist einen Opto-Isolator

123 auf, der mit der Basis des Transistors 124 verbunden ist. Ein Kondensator 126 ist zwischen dem Kollektor des Transistors 124 und dem Abgrenzwiderstand 127 angeordnet, der umgekehrt mit dem Emitter des Transistors 124 verbunden ist. Der Kondensator 126 ist weiter mit einer Niedervoltschiene 128 verbunden. Wenn ein Netz 122 durch den Mikroprozessor ausgewählt wurde, um einen Impuls für die Blitzlichtröhre zu bilden, werden alle acht der Impulsformnetze in diesem Bereich mit einer Spannung beschickt, die der Mikroprozessor über die Schiene 128 bestimmt. Die Adresse des ausgewählten Impulsformnetzes wird dem Decoder 121 übermittelt, der die Signallinie 129 des entsprechenden PFN-Triggers erdet. Die LED-Anzeige des Opto-Isolators 123 wird betätigt und schaltet dabei den Transistor 124. Wenn dieser Transistor

124 zum Schalten veranlaßt wird, gelangt die Ladung des Kondensators 126 zum Gate des SCR des entsprechenden Impulsformnetzes. Jedes der Impulsformnetze innerhalb des Funktionsblocks

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87 enthält einen großen Kondensator, der durch die Energiequelle 96 aufgeladen wird und über ein SCR mit der Blitzlichtröhre verbunden ist. Wenn der SCR betätigt wurde, erzeugt die daraus resultierende Entladung einen Blitzlicht* röhrenimpuls von etwa 50 nsec Dauer, wobei die Intensität ··■ ['·' des Impulses empirisch aus der Spannung der Entladung festgelegt ist. Diese bekannte Beziehung erlaubt es dem Mikro-'.·■ prozessor die in Frage kommende Ladespannung auszuwählen, damit die gewünschte Blitzintensität den Laserimpuls mit der vorgesehenen Energie erzeugt.

Jeder Blitzlichtröhrenimpuls produziert, wie erläutert, einen Laserausgabeimpuls. Der Mikroprozessor kann dabei die Impulsformnetze einzeln, in Serie oder im Abstand voneinander zünden, um einen Impulszug von festgelegter Impulsenergie, Impulsabstand und Impulslänge zu erzeugen. Für jeden Ausgangsimpuls bei der Q-Weichenmethode wird die Q-Weiche etwa 70 msec nach dem Beginn der Blitzlichtröhrenentladung geöffnet. Das Lasersystem ist in der bevorzugten Ausbildung in der Lage Impulse von 5-10 msec Dauer zu erzeugen. Diese Impulse können einzeln oder in Stößen von 1-10 Impulsen in einem 10 msec-Intervall geliefert werden oder in Wiederholungen mit 3 Hz.

Ein besonderes Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß sie einen frei bestimmbaren Betrieb ermöglicht, bei dem das Ausbringen des Lasers so steuerbar ist, .., daß die thermisch-physiologischen Effekte, die die Licht-Operation am Auge erfordert, sehr genau voreinstellbar sind. Das Lasersystem kann Serien von 100-500 mJ-Impulsen von 50 msec Dauer in einer Periode von 1-10 msec liefern. Dies wird durch Versorgung der notwendigen Impulsformnetze mit der notwendigen Spannung, öffnen der Q-Weiche und des Shutters und Zünden der

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Impulsformnetze in 50-200 msec-Intervallen erreicht. Die erste Blitzlichtröhrenentladung veranlaßt eine beachtliche Menge der Neodymium-Elektronen auf den Laser-Emissionsstand zu springen und damit einen Laserimpuls, zu erzeugen. Die Inversion dieser Elektronemnenge innerhalb dieses Emissionsbandes hält sich nur für 400 msec. Die schnelle Blitzlich tröhrenzündung nimmt den Vorteil dieser Mengeninversion wahr und veranlaßt die Restimulation des Lasers, bevor die Energie, die die Elektronenmengeninversion veranlaßte, verlorengeht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet deshalb sehr effizient und benötigt, wie bereits gesagt, kein Kühlsystem. Die Energie gegen Zeitcharakteristik der erzeugten Impulse führt zu physiologischen Effekten, die den Langzeitthermal-Impulsen entsprechen, die von Gaslasern oder ähnlichen Einrichtungen erzeugt werden, wobei die Flexibilität in der Länge solcher Impulse gegenüber diesen bedeutend größer ist.

Das Steuerpult 58 nach Fig. 5 weist einen LED-Ausleser 131 auf, der die für den YAG-Laser eingestellte Impulsenergie anzeigt. Anschlußstellschalter sind vorgesehen, um dem Chirurgen zu erlauben, die Einstellung nach unten oder nach oben zu verändern. Ein weiterer LED-Ausleser 133 zeigt die eingestellte Impulslänge und die Nummer der gewünschten Impulse an. Der LED Ausleser 136 zeigt die Anzahl der durch den Laser gelieferten Impulse an und kann durch den Schalter 137 zurückgestellt werden. Eine Mehrzahl von Stellschaltern 138 ist vorgesehen, um das Laserausbringen zum Schneiden zu verwenden, bei dem die Netzhaut optisch punktiert wird. Diese Stellschalter können einzelne Impulse, einen kontinuierlichen Impulszug -von 3 Hz oder einen Impulsstoß auswählen. Der Auswahlschalter 139 erlaubt es dem Chirurgen, die Thermaloperationsmethode, bei der der Laser einen Impulszug erzeugt, der die Wirkung eines einzelnen langen Thermalimpulses mit sich

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bringt. Die Kippschalter 141 und 142 machen den YAG-Laser
wirksam bzw. unwirksam und öffnen bzw. schließen den Shutter. Die Warnlampen 143 und 144 zeigen an/ wenn die Laseremission Unregelmäßigkeiten aufweist bzw. das System einen Fehler hat. Der Schalter 140 ist der Ein- und Ausschalter des Systems.

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Claims

PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERICH*· *GERD MÖLLER*· D. GROSSE · F. POLLMEIER 123 h.ni - |«Τΐ- onnnc 20-10-1984 Bausch & Lomb Inc., Rochester, NY 14 601, USA Patentansprüche

1. Laseranordnung für die Augenchirurgie gekennzeichnet durch einen Laserstab mit einer Blitzlichtröhre/ die in nicht paralleler Zuordnung zueinander im Gehäuse einer optischen Pumpe angeordnet sind, dessen Innenwandung mit einer hochreflektierenden Beschichtung versehen ist, Spiegelelemente zur Bildung eines instabilen Laser-Resonators zusammen mit dem Laserstab, Steuereinrichtungen für die Betätigung der Blitzlichtröhre mit elektrischen Impulsen, die vorfestgelegte Spannungen, zeitliche Abstände und Anzahlen aufweisen und Einrichtungen zur Einbringung der Laserimpulse in das Auge des zu behandelnden Patienten..

2. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Spiegelelementen und dem Laserstab Q-Weichenelernente angeordnet sind, die von den Steuereinrichtungen zeitlich mit der Blitzlichtröhrenbetätigung synchronisiert betätigbar sind.

3. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Pumpengehäuses kurvenförmig gewölbte, geschlossene Innenwandungen aufweist.

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4. Laseranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung kuegelförmig gewölbt ist.

5. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Blitzlichtröhre und Laserstab mit Abstand voneinander winklig zueinander angeordnet sind.

6. Laseranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpengehäuse aus einem Werkstoff hoher Wärmeleit- und Speicherfähigkeit besteht.

7. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandbeschichtung des Innenraums des Pumpengehäuses Bariumsulfatpulver und Haftmittel enthält.

8. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelelemente einen ersten konkaven und einen zweiten konvexen Spiegel aufweisen.

9. Laseranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Spiegel einen zentralen Spot aufweist, der aus einer Schicht von, in der Wellenlänge des Lasersystems hochreflektierenden Werkstoffs besteht, und daß rund um den Spot eine nicht reflektierende, für einen Teil der Laserstrahlen durchlässige, einen Ausgäbesammler bildende Beschichtung aufgebracht ist.

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10. Laseranordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen Gas-Laser mit kontinuierlicher Ausgabe, dessen Ausgangsstrahl in der optischen Achse der Laserstrahlen auf dessen Ausgangsimpulsstrahlen ausgerichtet ist.

11. Laseranordnung nach den Ansprüchen 8 und/oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel im wesentlichen für die Wellenlänge des vom Gas-Laser ausgegebenen Lichtstrahls durchlässig sind.

12. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstab aus Yttrium-Aluminium-Garnet besteht und einen starken Überzug aus Neodymium aufweist.

13. Laseranordnung nach Anspruch 1,

■ dadurch gekennzeich η e t , daß die Laseranordnung einen Mikroprozessor aufweist,

14. Laseranordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor so programmiert istr daß die Q-Weichen geöffnet und die Blitzlichtröhre mit, in kurzen Abständen aufeinanderfolgenden Impulsen versorgt wird.

15. Laseranordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse einen zeitlichen Abstand aufweisen, der kleiner ist als die Verfallzeit der in den Laserstab eingebrachten Elektronen-Inversion.

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16. Laseranordnung nach Anspruch 13/ dadurch gekennzeichnet/ daß der Mikroprozessor so programmiert ist/ daß die Q-Weichen zeitlich synchronisiert mit der Blitzlichtröhrenbetätigung betätigbar sind.

17. Laseranordnung nach Anspruch 13/ gekennzeichnet durch die Zuordnung einer Mehrzahl von Impulsformnetzen zu der Blitzlichtröhre.

18. Laseranordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsformnetze binär anrufbare Adressen aufweisen.

19. Laseranordnung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen, einen Teil der Laser-Ausgabe-Impulse aufnehmenden Fotosensor.

20. Laseranordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor Einrichtungen zur Integration von, von dem Fotosensor ausgehenden, Signalen zur Bestimmung der Energie der Laserausgangsimpulse aufweist.

21. Laseranordnung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch eine geschlossene Rückführungsschleife in der Steuereinrichtung, die die der Blitzlichtröhre zuzuführende Spannung dann ändert, wenn diese von der erwarteten Impulsenergie ab we i ch t.

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22. Optische Pumpeinrichtung für Laser

bestehend aus einem Blockkörper mit geschlossenem Innenraum mit kurvenförmig gewölbten Innenwandungen, einen, in diesem kolinear zur optischen Achse angeordneten Laserstab, eine nicht parallel zu diesem Laserstab angeordnete Blitzlichtröhre und eine stark diffus reflektierende Beschichtung der Innenwandungen.

23. Laseranordnung nach Anspruch 22,
dadurch gekennzeichnet, daß die Innenraumwölbung kugelförmig ist.

24. Laseranordnung nach Anspruch 22,
dadurch gekenn ze lehnet, daß die Blitzlichtröhre rechtwinklig mit geringem Abstand zum Laserstab angeordnet ist.

25. r.aseranordnung nach Anspruch 22,
dadurch gekennzeichnet, däß der Blockkörper aus einem Werkstoff hoher Wärmeleit- und Speicherfähigkeit besteht.

26. Laseranordnung für die Augenchirurgie

bestehend aus einem, auf dem Boden aufstehenden, den Laser und dessen elektrische Steuerung aufnehmenden Gehäuse, einem, mit dem Gehäuse verbundenen, vertikal verschieb- und festlegbaren Tischelement, eine auf dem Tischelement angeordnete Blendenlampe mit Bi-Mikroskop und einer an der Unterseite des Tischelementes angeordneten Lasereinrichtung sowie Elemente zur unmittelbaren Kupplung der Laserelemente mit der Blendenlampe und dem Bi-Mikroskop.