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Lichtleiteranordnung für Endoskope
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtieiteranordnung, insbesondere
eine Laser-Lichtleiteranordnung zum Durchführen von Eingriffen im Inneren des Körpers
mit Hilfe hochintensiver gebündelter Laserstrahlung.
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Eingriffe im Inneren des Körpers werden häufig mit hochintensiver,
gebündelter Laserstrahlung durchgeführt.
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Man verwendet hierzu ein Endoskope, in dessen Biopsie-Kanal sich ein
Lichtleiter befindet, dessen Lichteintrittsende mit einem Laser gekoppelt ist, z.B.
einem Nd-YAG-Dauerstrichlaser, der Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,06 ijm
emittiert. Am Lichtaustrittsende steht gewöhnlich eine Strahlungsleistung bis zu
größenordnungsmäßig 100 W zur Verfügung. Der Lichtleiter besteht im allgemeinen
aus einer etwa 0,6 mm dicken Quarzglasfaser.
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Bei solchen Laser-Endoskopen ist es wesentlich, daß a) die am Vorderende
des Endoskops austretende Strahlung ausreichend gebündelt ist, also keine zu große
Divergenz aufweist, da der nutzbare Bereich des Arbeitsabstandes zwischen dem Vorderende
des Lichtleiters und der Oberfläche des zu behandelnden, z.B.
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zu koagulierenden Gewebes mit zunehmender Divergenz des austretenden
Laserstrahlungsbündels abnimmt, und daß b) das Endoskop nicht durch die hohe Strahlungsleistung
übermäßig erwärmt und gegebenenfalls sogar beschädigt wird.
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Ein bekanntes Endoskop, das den obigen Bedingungen genügt, enthält
einen fest eingebauten Quarzfaser-Lichtleiter mit einem konisch vergrößerten Lichtaustrittsende
und einem in nahem Abstand von der polierten, ebenen Stirnfläche dieses Lichtaustrittsendes
in der Spitze des Endoskops fest montierten Lichtaustrittsfenster. Die konische
Verdickung des Lichtaustrittsendes reduziert die Divergenz des austretenden Laserstrahlungsbündels
auf etwa 30, so daß Koagulationen in einem Abstandsbereich von etwa 5 cm ordnungsgemäß
durchgeführt werden können, ohne daß die Gefahr einer Verkohlung oder einer zu geringen
Erwärmung des Gewebes besteht. Das Fenster schützt das empfindliche Ende des Lichtleiters.
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Der oben erwähnte Quarzfaserlichtleiter mit konisch verdicktem Lichtaustrittsende
ist schwierig herzustellen und daher in jüngerer Zeit zunehmend durch Quarzfaserlichtleiter
mit gleichbleibendem Querschnitt verdrängt worden, die als sehr preiswerte Meterware
zur Verfügung stehen. Die Divergenz der Laserstrahlung, die aus dem polierten ebenen
Stirnende einer solchen Quarzfaser gleichbleibenden Querschnitts austritt, beträgt
jedoch
etwa 100, so daß der nutzbare Bereich des Arbeitsabstandes
zwischen der das Lichtaustrittsende bildenden, polierten Stirnfläche der Quarzfaser
und dem zu behandelnden Gewebe nur noch etwa 1 bis 2 cm beträgt. Der Faserlichtleiter
muß daher in der Praxis im Biopsie-Kanal des Endoskops verschiebbar angeordnet werden,
so daß sein Lichtaustrittsende durch Verschieben des Faserlichtleiters in den richtigen
Abstand von dem zu behandelnden Gewebe gebracht werden kann. Eine solche "Schiebefaser"
hat nicht nur den Nachteil, daß ihre Positionierung eine zusätzliche, kritische
Aufgabe für den den Eingriff durchführenden Arzt darstellt, sondern auch daß das
ungeschützte Lichtaustrittsende leicht verschmutzt und beschädigt wird, so daß der
ganze Faserlichtleiter häufig ersetzt werden muß.
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Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde,
eine Lichtleiteranordnung anzugeben, die einen Faserlichtleiter gleichbleibenden
Querschnitts enthält, also dementsprechend preiswert ist, und trotzdem Strahlung
mit ausreichend niedriger Divergenz liefert, so daß sich ein großer Arbeitsabstandsbereich
ergibt, und die außerdem verhältnismäßig unempfindlich ist.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Lichtleiteranordnung
gelöst.
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Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Lichtleiteranordnung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Bei der Lichtleiteranordnung gemäß der Erfindung kann eine Lichtleitfaser
gleichbleibenden Querschnitts verwendet werden, insbesondere handelsübliche Si02-
oder
Quarzglasfasern, die durch Ziehen aus der Knallgasflamme sowie
anschließendes Siliconisieren hergestellt und als Meterware geliefert werden. Die
Divergenz der aus der Lichtleiteranordnung austretenden Strahlung ist genügend klein,
so daß der Arbeitsabstand unkritisch ist. Die mit dem lichtaustrittsseitigen Ende
der Lichtleitfaser verbundene Fokussier- und Lichtaustrittsanordnung ist so konstruiert,
daß sie durch vagabundierende Strahlung nicht übermäßig erwärmt werden kann; sie
läßt sich außerdem leicht auswechseln, falls sie durch verspritzendes Blut oder
Gewebe übermäßig verschmutzt oder beschädigt wird. Die Divergenz der aus der Linse
austretenden Strahlung ist verhältnismäßig unempfindlich gegen eine mäßige Verschiebung
des Lichtaustrittsendes der Lichtleitfaser.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher erläutert, dabei werden auch noch weitere Merkmale und
Vorteile der Erfindung zur Sprache kommen.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Axialschnitt des Vorderendes einer Lichtleiteranordnung
gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2 einen Axialschnitt des
Vorderendes einer Lichtleiteranordnung gemäß einer zweiten, bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und Fig. 3 einen Axialschnitt des Vorderendes einer Lichtleiteranordnung
gemäß einer dritten, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Die Lichtleiteranordnung gemäß Fig. 1 enthält eine z.B.
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0,6 mm dicke Lichtleitfaser 10 aus Si02 oder Quarzglas.
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Die Lichtleitfaser 10 ist vorzugsweise, wie bekannt, aus der Knallgasflamme
gezogen und anschließend oberflächlich siliconisiert, so daß sie eine feuerpolierte,
fehlerfreie Oberfläche hat und dementsprechend bruchfest ist. Die oberflächliche
Siliconschicht ist in den Figuren nicht dargestellt. Die Lichtleitfaser 10 hat eine
ebene, polierte Stirnfläche 12, die als Lichteintrittsfläche dient und, wie nur
schematisch dargestellt ist, mit einem Laser 14, z.B. einem Nd-YAG-Laser gekoppelt
ist, der eine Dauerleistung von z.B. 100 Watt und mehr bei einer Wellenlänge von
1,06 Mm zu liefern vermag. Die andere Stirnfläche 16, die die Lichtaustrittsfläche
bildet, ist ebenfalls eben und optisch poliert.
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Die Lichtleitfaser 10 kann in bekannter Weise von einem Schutzschlauch
17 aus Kunststoff umgeben sein, der bei der vorliegenden Lichtleiteranordnung jedoch
in einem gewissen Abstand vor der Stirnfläche 16 endet.
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Die Divergenz der aus der Stirnfläche 16 austretenden Laserstrahlung
beträgt etwa 100, so daß sich ohne zusätzliche Maßnahmen ein nutzbarer Arbeitsabstandsbereich
von nur etwa 10 bis 20 mm ergäbe. Um die Divergenz Delta zu verringern, ist vor
der Stirnfläche 16 eine sammelnde Linse 18, z.B. eine Plankonvexlinse, z. B.
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mit zur Lichtleitfaser 10 hin weisender konvexer Fläche angeordnet.
Der Abstand zwischen der Stirnfläche 16 und der Linse 18 ist etwa gleich der Brennweite
der Linse.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung hat die konvexe Oberfläche
der Linse einen Krümmungsradius von 3 mm und die Linse hat eine Brennweite von etwa
8 mm. Die Linse beste#ht vorzugsweise aus SiO? oder Quarzglas, da dieses
am
unempfindlichsten gegen Verunreinigungen und thermische Beanspruchungen ist.
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Zur Halterung und Fixierung der Linse 18 bezüglich der Stirnfläche
16 der Lichtleitfaser 10 dient eine Halterungsvorrichtung 20, welche eine rohrförmige
Hülse 24 und ein aus nichtrostendem Edelstahl bestehendes, dünnwandiges Röhrchen
22 enthält, in dessen Vorderende die Linse 18 durch thermisches Aufschrumpfen befestigt
ist. Die rohrförmige Hülse 24 besteht aus einem für die Laserstrahlung durchlässigen
dielektrischen Material, wie Keramik, vorzugsweise Quarzglas und ist auf das vom
Schutzschlauch 17 freie lichtaustrittsseitige Ende der Lichtleitfaser aufgeschoben.
Die axiale Länge der Hülse 24 ist so bemessen, daß das der Linse 18 abgewandte,
hintere Ende der Hülse 24 ein Stück aus dem Edelstahl-Röhrchen 22 herausragt, so
daß die Hülse 24 an diesem Ende bezüglich der Lichtleitfaser 10 fixiert werden kann,
was vorzugsweise durch einen Kunststoff-Schrumpfschlauch 28 geschieht, der z.B.
aus kristallisiertem PVDF (Handelsname Kynar) oder irgendeinem anderen geeigneten
wärmeschrumpfbaren Kunststoff bestehen kann.
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Im montierten Zustand ist die Hülse 24 in das Röhrchen 22 bis zu einer
Tiefe, die durch einen ringförmigen Anschlag 26 begrenzt ist, eingeschoben, wie
es in Fig. 1 dargestellt ist, so daß sich die lichtaustrittsseitige Stirnfläche
1 6 im richtigen Abstand von der Linse 18 befindet. Die Anordnung aus der Linse
18 und dem Röhrchen 22 kann mittels eines am Röhrchen 22 vorgesehenen Außengewindes
30 im Vorderende des nicht dargestellten Endoskops befestigt sein, so daß sie leicht
ausgewechselt oder ersetzt werden kann. Das Röhrchen 24, welches das empfindliche
vordere Ende der Lichtleitfaser 10 umgibt und schützt, ist mit der Lichtleitfaser
10 durch den
Schrumpfschlauch 28 verbunden, so daß die Untereinheit
aus Lichtleitfaser 10, Hülse 24 und Schrumpfschlauch 28 nach Bedarf in das Röhrchen
22 eingeschoben bzw. aus diesem herausgezogen werden kann.
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Dadurch, daß die Hülse 24 aus dielektrischem Material, wie SiO2 besteht,
besteht keine Gefahr, daß sie durch vagabundierende Strahlung übermäßig erwärmt
wird, die z.B. dann in die Hülse 24 eintreten kann, wenn der Rand der Stirnfläche
16 beschädigt oder abgesplittert ist oder die Faser 10 sich bezüglich der Hülse
24 unabsichtlich verschiebt.
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Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der gemäß
Fig. 1 in erster Linie dadurch, daß anstelle der relativ dünnen Quarz-Linse 18 eine
stabförmige, ebenfalls aus Quarz bzw. Si02 bestehende Linse 18a mit konvexer Außenfläche
und planer Innenfläche verwendet wird. Die axiale Länge der Linse 18a ist so groß,
daß sie den Raum zwischen der Hülse 24 und der konvexen Linsenaußenfläche im wesentlichen
ausfüllt. Man kann die Linse 18a also als Lichtleitstab mit ebener Lichteintrittsfläche
und meniskusförmiger Lichtaustrittsfläche ansehen. Die stabförmige Linse 18a ist
in einer z.B. etwa 10 llm dicken Zone 18b, die sich an ihre zylindrische Außenfläche
anschließt, vorzugsweise mit Fluor dotiert, um den Brechungsindex in dieser Zone
herabzusetzen. Die Ausbildung der Linse 18a als kurzer, stabförmiger Lichtleiter
(~Lichtleitstummel") hat den Vorteil, daß vagabundierende Strahlung, die z.B. infolge
von Beschädigungen des Lichtaustrittsendes der Lichtleitfaser 10 in Richtung auf
die Innenwand des Röhrchens 22 austreten, zumindest zum überwiegenden Teil an der
zylindrischen Außensette der Linse 1 8a reflektiert werden, so daß sie aus der meniskusförmigen
Vorderfläche austreten und zur Nutzstrahlung beitragen.
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Bei der AusSü}-lrunysforrn gemäß Fiu. ;? ist lie k#Iit 1 i 1 ser 10
in der Hülse 24 vorzugsweise so fixiert, daß die Stirnfläche 16 etwas, z.B. 1 mm,
hinter der der Linse 18a zugewandten Stirnfläche der Hülse 24 liegt. Ein Anschlag
entsprechend dem Anschlag 26 in Fig. 1, ist bei Fig. 2 nicht erforderlich, da die
ebene hintere Lichteintrittsfläche der Linse 18a als Anschlag dient. Die Ausführungsform
gemäß Fig. 2 ist wegen der Lichtleitereigenschaften der Linse 1 8a besonders unempfindlich
gegen axiale Verschiebungen der Lichtleitfaser 10. Außerdem ist es bei Fig. 2 einfacher,
die Linse 18a fest sowie flüssigkeits-und gasdicht im Röhrchen 22 zu haltern. Im
übrigen kann die Lichtleiteranordnung gemäß Fig. 2 so ausgebildet sein und so verwendet
werden, wie es oben in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben worden ist.
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Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und 2 kann die Hülse 24 auch
fest im Röhrchen 22 fixiert sein.
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Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 enthält wie die gemäß Fig. 2 eine
stabförmige "Lichtleiter"-Linse 18a und eine aus dielektrischem Material bestehende
Hülse 24, die mit einer Lichtleiterfaser 10 durch einen Schrumpfschlauch 28 verbunden
ist. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 fehlt jedoch das Röhrchen 22, dafür ist
die stabförmige Linse 18a an ihrem hinteren Ende längs ihres Umfanges durch eine
Verschmelzung 32 mit dem Röhrchen 24 fest verbunden.
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Hier kann die Anordnung 18a-24 als Auswechselteil ausgebildet sein
und jeweils durch eine relativ kurzes Stück Schrumpfschlauch 28 an der Lichtleitfaser
10 befestigt werden.
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Bei der Lichtleiteranordnung gemäß der Erfindung sind die Verluste
praktisch auf die Fresnel-Verluste beschränkt,
so daß eine übermäßige
Erhitzung und Zerstörung des Lichtaustrittsendes der Lichtleiteranordnung und des
Endoskops verhindert werden.
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Bei einer bevorzugten, praktischen Ausführungsform der Erfindung gemäß
Fig. 2 und 3 bestanden die Hülse 24 und die Linse 18a aus Quarzglas geringer Uv-Absorption
oder SiO2. Die axiale Länge der Linse 18a betrug 9 mm, der Durchmesser 2 mm und
der Krümmungsradius der vorderen M#niskenfläche betrug 3 mm.
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