DE3600713C2

DE3600713C2 -

Info

Publication number: DE3600713C2
Application number: DE19863600713
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr. Graz At Schmidt-Kloiber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-01-14
Filing date: 1986-01-13
Publication date: 1988-06-09
Also published as: ATA8085A; AT382777B; DE3600713A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Zerstörung von Harnwegkonkrementen, insbesondere solchen im Harnleiterbe reich, mittels laserinduziertem Durchbruch, mit einer An ordnung zur Erzeugung kurzzeitiger, hochenergetischer La serpulse und einem damit eintrittsseitig über eine Ankop peleinrichtung in Verbindung stehenden flexiblen Lichtlei ter, der in den Harnweg einschiebbar und austrittsseitig in die Nähe des zu zerstörenden Konkrements bringbar ist.The invention relates to a device for the destruction of Urinary tract concretions, especially those in the urinary tract rich, by means of laser-induced breakthrough, with one type regulation for the generation of short-term, high-energy La serpulse and thus on the entry side via an ankop peleinrichtung related flexible Lichtlei ter that can be inserted into the urinary tract and exits can be brought close to the concrement to be destroyed.

Konkremente in den Harnwegen gehören zu jeder Gruppe von Erkrankungen, deren Beherrschung durch operativen Eingriff schon in frühester Zeit versucht worden ist. In diesem Zu sammenhang kam es allerdings erst in jüngster Zeit, verbun den mit der Entwicklung neuer Geräte und unter Ausnutzung physikalischer Erkenntnisse und verbesserter technologi scher Verfahren, zu entscheidenden Fortschritten, die ins besondere auch deswegen sehr bedeutsam sind, da bis heute nur Teilbereiche des sehr komplexen Vorganges der Entste hung von Harnwegkonkrementen geklärt sind und daher auch keine Möglichkeit einer umfassenden steinverhütenden Thera pie gegeben ist.Concrements in the urinary tract belong to every group of Diseases whose control is a result of surgery has been tried in the earliest times. In this To however, it has only recently come together, verbun with the development of new devices and taking advantage physical knowledge and improved technology procedures, decisive advances made in are particularly important because of this until today only parts of the very complex process of the first urinary tract concretions are cleared and therefore also no possibility of a comprehensive stone-preventing Thera pie is given.

Nach heutigen Erkenntnissen haben die verschiedenen Ent stehungsmechanismen bzw. Entstehungsorte von Konkrementen in den Harnwegen auch verschiedenartige Zusammensetzungen dieser Konkremente zur Folge, wobei eine schlüssige Analyse der Zusammensetzung bzw. des Aufbaus eines bestimmten lo kalisierten Konkrements vor dem Eingriff praktisch nicht möglich ist, was naturgemäß die Auswahl der richtigen Methode zur Zerstörung sehr behindert.According to current knowledge, the various ent mechanisms of formation or places of origin of concretions different compositions in the urinary tract These concretions result in a conclusive analysis the composition or structure of a particular lo practically not calibrated concrements before the procedure what is naturally possible is choosing the right one Destruction method very disabled.

Zum Verständnis des allgemeinen Standes der Technik im Zu sammenhang mit der Zerstörung von Harnwegkonkrementen seien im folgenden kurz einige der heute verwendeten bzw. unter suchten Methoden ohne Anspruch auf Vollständigkeit ange führt. To understand the general state of the art in Zu are connected with the destruction of urinary tract concretions in the following briefly some of those used today or under sought methods without claim to completeness leads.

Von all den bisher bekanntgewordenen, nicht oder nur we nig invasiven Verfahren zur Zerstörgung von Harnwegkonkre menten zeichnet sich die Anwendung von Stoßwellen gegenüber allen anderen Möglichkeiten durch eine rasche und wirkungs volle Zerstörung aus. Bei dieser allgemein als Stoßwellen lithotripsie bezeichneten Methode befindet sich das zu zer störende Konkrement in einer Flüssigkeit im Inneren des Körpers des Patienten. Ein kurzdauernder, in der Flüssig keit erzeugter Druckstoß mit großer Amplitude läuft über das Konkrement hinweg, so daß aufgrund des Unterschiedes in der Schallwellenimpedanz zwischen Flüssigkeit und Konkre ment an der Auftreffseite der Stoßwelle Druckspannungen und an der Austrittsseite Zugspannungen entstehen, wodurch das Konkrement zerstört wird. In diesem Zusammenhang sind eini ge bekannte Verfahren bzw. zugehörige Einrichtungen hervor zuheben:Of all of the previously known, not or only we invasive procedures for the destruction of urinary tract congestion the use of shock waves is contrasted all other options through a quick and effective full destruction. In this case, generally as shock waves the method called lithotripsy is to zer disruptive concrement in a liquid inside the Body of the patient. A short-lived, in the liquid generated pressure surge with large amplitude overflows the concrement so that due to the difference in the sound wave impedance between liquid and cone ment on the impact side of the shock wave compressive stresses and Tensile stresses arise on the outlet side, which causes the Concrement is destroyed. In this context, one known methods or associated facilities to lift:

Aus der AT-PS 3 09 663 ist beispielsweise bekannt, außer halb des Körpers in einer starren, flüssigkeitsgefüllten und mit einer elastischen Membran einseitig verschlossenen Kammer durch elektrischen Funkenüberschlag erzeugte Stoßwel len über einen mit der Membran in Verbindung stehenden dünnen Metalldraht an vorzugsweise Harnleiterkonkremente heranzufüh ren. Durch die äußerst kurz dauernden, in axialer Richtung erfolgenden Bewegungen dieses Drahtes werden die zur Zerstör rung der Konkremente notwendigen Kräfte übertragen.From AT-PS 3 09 663 is known, for example, except half of the body in a rigid, fluid-filled and closed on one side with an elastic membrane Chamber created by electrical sparkover len over a thin connected to the membrane Bring metal wire to preferably ureter concrements ren. Due to the extremely short duration in the axial direction movements of this wire become destructive Concrete necessary forces transfer.

Weiters ist beispielsweise aus der AT-PS 3 21 448 eine Me thode bekanntgeworden, bei der eine bis an die Konkremente heranführbare schwingerregte Sonde verwendet wird, die ein dem Licht einer gepulsten hochenergetischen Lichtquelle ausge setztes flexibles Lichtleitsystem enthält, das zumindest über einen Teil seiner Länge als Energiewandler zur Umsetzung von Lichtenergie in an der Sondenspitze wirksame Stoßenergie aus gebildet ist.Furthermore, for example from AT-PS 3 21 448 is a Me method became known in which one to the concrete approachable vibrating probe is used which is a the light of a pulsed high-energy light source set flexible light guide system that at least contains part of its length as an energy converter to implement Light energy into impact energy effective at the tip of the probe is formed.

Schließlich sind aus "Aktuelle Nephrologie, Heft 1, 1978: Wissenschaftliche Informationen, Fresenius-Stiftung" (S. 138-144) Einrichtungen der eingangs genannten Art bekanntgeworden, bei denen gepulstes Licht eines gütegeschalteten Lasers am Austritt aus einem in den Harnweg einschiebbaren flexiblen Lichtleiter auf so große Leistungsdichte gebracht wird, daß dort befindliche Flüssigkeit schlagartig in den Plasmazustand übergeführt wird (=laserinduzierter Durchbruch). Dadurch ent stehen die gewünschten mechanischen Stoßwellen mit großer Ampli tude, die ihrerseits von der vorhandenen mittleren elektrischen Feldstärke und der Art des Mediums, in dem der Durchbruch auf tritt, abhängen. Der von der Lage des Austrittsendes des für den Energietransport vom Laser zum zu zerstörenden Konkrement benutzten Lichtleiters definierte Ort des Durchbruches wird di rekt an die Oberfläche bzw. in die unmittelbare Umgebung des zu zerstörenden Konkrements gelegt, was auch unter Sichtkontrol le durch einen zusätzlichen Bildleiter in einer in den Harnweg einschiebbaren Sonde erfolgen kann. Die entstehenden Stoßwellen dienen dann auf beschriebene Weise zur Zerstörung bzw. Zerklei nerung des Konkrements.Finally from "Current Nephrology, Issue 1, 1978: Scientific information, Fresenius Foundation "(pp. 138-144) Facilities of the type mentioned have become known, where pulsed light from a Q-switched laser on Exit from a flexible insert that can be inserted into the urinary tract Optical fiber is brought to such a high power density that liquid located there suddenly into the plasma state is transferred (= laser-induced breakthrough). This ent are the desired mechanical shock waves with large ampli tude, in turn, from the existing medium electrical Field strength and the type of medium in which the breakthrough occurs occurs, depend. The location of the exit end of the for the energy transport from the laser to the stone to be destroyed used light guide defined location of the breakthrough is di right to the surface or in the immediate vicinity of the laid to destructive concrements, which is also under visual control le through an additional image guide in one in the urinary tract insertable probe can be made. The resulting shock waves then serve as described for destruction or chopping change of concretion.

Schwierigkeiten treten bei den Einrichtungen der zuletzt ge nannten Art vor allen Dingen deswegen auf, da die zur Zer störung benötigte Laserpulsenergie - um die Verwendung auch im Harnleiter zu ermöglichen - durch einen relativ dünnen Lichtleiter (Kerndurchmesser im Bereich von etwa 0,4 bis 1 mm) transportiert werden muß, wobei an keiner Stelle des optischen Weges in der Einrichtung selbst die Schwellfeld stärke (unterhalb der statistisch gesehen kein dielektri scher Durchbruch auftritt) des entsprechenden Mediums über schritten werden darf, da ansonsten eine Zerstörung der Einrichtung eintreten würde. Die für derartige Zwecke heut zutage zur Verfügung stehenden Laser haben andererseits aber Strahldurchmesser, die wesentlich größer sind (etwa 5 bis 8 mm), so daß insbesonders bei den großen auftretenden Energie- bzw. Leistungsdichten Probleme bei der Ankoppelung des Lichtleiters auftreten, die zur Zerstörung desselben führen können.Difficulties arise with the facilities of the last ge named above all because the to the Zer interference required laser pulse energy - to use too in the ureter - by a relatively thin Light guide (core diameter in the range of about 0.4 to 1 mm) must be transported, at no point of the optical path in the facility itself the swell field strength (below the statistically no dielectric breakthrough occurs) of the corresponding medium may be taken, otherwise the destruction of the Establishment would occur. For such purposes today on the other hand have available lasers but beam diameters that are much larger (about 5 up to 8 mm), so that especially with the large occurring Energy or power density problems when connecting of the light guide occur, destroying it being able to lead.

So muß beispielsweise zur Erzielung eines laserinduzierten Durchbruchs in Wasser zur nachfolgenden sicheren Zerstörung eines Harnsteins beliebiger Zusammensetzung eine Feldstärke von mindestens 60 MV/m am Durchbruchort erzeugt werden, was etwa 14 mJ (bei einem Strahldurchmesser am Durchbruchsort von 100 µm) entspricht - bis dato konnte noch keine Ankop peleinrichtung bereitgestellt werden, die die gestellten An forderungen einfach und sicher erfüllt.For example, to achieve a laser-induced Breakthrough in water for subsequent safe destruction a field strength of a urinary stone of any composition of at least 60 MV / m at the breakthrough location, which about 14 mJ (with a beam diameter at the breakthrough location of 100 µm) corresponds - up to now no ankop could peleinrichtung be provided that the posed An requirements met simply and safely.

Aus der US-PS 35 38 919 ist eine Einkoppelvorrichtung in einen Lichtleiter bekannt, wobei der Laserstrahl durch eine Sammellinse auf den Lichtleiterquerschnitt zusammengezogen wird. Aus der Problemstellung bzw. dem genannten Lichtlei terdurchmesser von 0,051 mm geht klar hervor, daß keine Pulsenergien zur Erzeugung laserinduzierter Durchbrüche übertragen werden sollen bzw. können.From the US-PS 35 38 919 is a coupling device in a light guide known, the laser beam through a Collective lens contracted onto the light guide cross section becomes. From the problem or the Lichtlei mentioned terdiameter of 0.051 mm clearly shows that none Pulse energies for the generation of laser-induced breakthroughs should or can be transferred.

Weiters ist in der US-PS 39 82 541 eine Anordnung zur Quer schnittsverminderung des Laserstrahls mit Hilfe eines tele zentrischen Systems, bestehend aus einer Sammel- und einer Zerstreuungslinse geoffenbart. Dabei wird der Laserstrahl durch ein zentrales Rohr geführt, an dessen Austrittsseite Gewebe durch die thermische Wirkung des Laserstrahls zer stört werden kann. Laserinduzierte Durchbrüche sind hier nicht beabsichtigt; vielmehr würden, ohne zusätzliche Si cherheitsmaßnahmen, auch hier, bei der Übertragung hoher Pulsenergien im Brennpunkt der Einkoppellinse bzw. an oder in unmittelbarer Nähe der Zerstreuungslinse Durchbrüche auftreten, wodurch diese Apparatur unwirksam würde.Furthermore, in US-PS 39 82 541 an arrangement for cross reduction of the laser beam with the help of a tele centric system, consisting of a collection and a Diverging lens revealed. The laser beam passed through a central tube on the outlet side Tissue destroyed by the thermal effect of the laser beam can be disturbed. Laser-induced breakthroughs are here not intended; rather, without additional Si security measures, also here, when transferring high Pulse energies at the focal point of the coupling lens or at or breakthroughs in the immediate vicinity of the diverging lens occur, which would make this apparatus ineffective.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer Ein richtung der eingangs genannten Art dafür zu sorgen, daß auf einfache, robuste, leicht herstellbare und billige Weise bei hohen Leistungs- bzw. Energiedichten eine Ankoppelung des Lichtleiters an den Strahlenausgang des Lasers möglich wird, wobei laserinduzierte Durchbrüche in der Einrichtung selbst sicher vermieden werden müssen.The object of the present invention is at a one direction of the type mentioned to ensure that in a simple, robust, easy to manufacture and cheap way a coupling at high power or energy densities of the light guide to the laser beam output possible being, laser-induced breakthroughs in the device themselves must be avoided.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Lösung der ge nannten Aufgabe bei einer Einrichtung der eingangs genann ten Art dadurch erreicht, daß die Ankoppeleinrichtung in an sich bekannter Weise eine im Laserstrahlweg angeordnete Sammellinse aufweist, deren austrittsseitiger Brennpunkt vor dem Eintrittsquerschnitt des Lichtleiters liegt und die den Laserstahl auf den Eintrittsquerschnitt des Lichtlei ters zusammenzieht, daß ein evakuierter Raum vor dem ein trittsseitigen Ende des Lichtleiters vorhanden ist und daß in diesem Raum die Bereiche erhöhter Leistungsdichte im Laser strahlweg und der Brennpunkt der Sammellinse liegen. Da also nun der austrittsseitige Brennpunkt der in der Ankoppeleinrichtung vorgesehenen Sammellinse vor dem Ein trittsquerschnitt des Lichtleiters liegt, ist mit Sicherheit verhindert, daß es zufolge eines den Laserstrahl in den Lichtleiter hinein fokussierenden Systems im Inneren des Lichtleiters zu einem Brennpunkt kommt, an dem eine Zerstö rung des Lichtleiters bewirkende Durchbrüche auftreten könn ten. Der Laserstrahl wird von dem von der verwendeten An ordnung zur Erzeugung der Laserpulse gegebenen Durchmesser - der von der geforderten Energie abhängt - auf den kleine ren Eintrittsquerschnitt des Lichtleiters zusammengezogen, womit eine Ankoppelung des Lichtleiters unter optimaler Ausnutzung von dessen vollem dem Energietransport zur Ver fügung stehenden Querschnitt möglich ist. Zusätzlich kön nen naturgemäß auch im evakuierten Raum vor dem eintritts seitigen Ende des Lichtleiters keine laserinduzierten Durch brüche auftreten, womit gewährleistet ist, daß die zur An koppelung des aus der Anordnung zur Erzeugung kurzzeitiger, hochenergetischer Laserpulse austretenden Laserstrahls an das Eintrittsende des Lichtleiters erforderliche Transfor mation des Strahlquerschnitts - ob nun tatsächlich Brenn punkte auftreten oder nicht - zufolge lokaler Erhöhung der Energie- bzw. Leistungsdichte zu keiner Zerstörung des Lichtleitereintritts führen kann. Obwohl prinzipiell auch ein Faserlichtleiter mit verkitteten Stirnflächen in Frage kommen könnte, hat sich ein Lichtleiter mit vollem Kernma terial besser bewährt.According to the present invention, a solution of ge named task at a facility of the beginning ten Art achieved in that the coupling device in known one arranged in the laser beam path Has converging lens, the focal point on the exit side before the entrance cross section of the light guide and the the laser steel on the entrance cross section of the Lichtlei ters that an evacuated room in front of the one step-side end of the light guide is present and that in this area the areas of increased power density in the laser beam path and the focal point of the converging lens lie. So since the focal point on the exit side of the the coupling device provided collecting lens before the on cross-section of the light guide is certain prevents a laser beam from entering the Optical fiber focusing system inside the Fiber comes to a focal point at which a destruction breakthroughs causing the light guide can occur The laser beam is emitted by the one used order for generating the laser pulses given diameter - which depends on the required energy - on the small one constricted entry cross section of the light guide, with which a coupling of the light guide under optimal Utilization of its full energy transport to ver standing cross-section is possible. In addition, naturally also in the evacuated room before the entrance end of the light guide no laser-induced through breaks occur, which ensures that the to the coupling the from the arrangement for generating short-term, high-energy laser pulses emerging laser beam Transfor required the entry end of the light guide mation of the beam cross section - whether it is actually burning points occur or not - due to local increase in Energy or power density for no destruction of the Light guide entry can lead. In principle, too a fiber light guide with cemented end faces in question could come, has a light guide with full core dimensions better proven material.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der evakuierte Raum durch eine auf das ein trittsseitige Ende des Lichtleiters vakuumdicht aufgesetzte Hülse gebildet ist, deren dem Eintrittsquerschnitt des Licht leiters abgewandtes Ende lichtdurchlässig abgeschlossen ist. Die Güte des Vakuums in der Hülse am eintrittsseitigen Ende des Lichtleiters braucht für die üblicherweise in diesem Zusammenhang auftretenden Laserleistungen nicht allzu hoch sein - es genügt, wenn für einen Druck im Bereich von einigen mbar gesorgt ist.According to an advantageous embodiment of the invention provided that the evacuated room through one to the one end of the light guide placed on the step side in a vacuum-tight manner Sleeve is formed, the entrance cross-section of the light end facing away from the conductor is translucent. The quality of the vacuum in the sleeve at the inlet end of the light guide is usually required in this The associated laser powers are not too high be - it is enough if for a pressure in the range of some mbar is taken care of.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorge sehen, daß bei einem Laserstrahldurchmesser im Bereich von 5 bis 8 mm und einem Lichtleiter-Kerndurchmesser im Bereich von 0,4 bis 1 mm die Sammellinse eine Brennweite im Bereich von 80 bis 200 mm aufweist, was günstige Verhältnisse im Hinblick auf die Divergenz des durch den Eintrittsquer schnitt des Lichtleiters tretenden Strahls einerseits und im Hinblick auf die konstruktive Anordnung andererseits er gibt.In a preferred embodiment of the invention is pre see that with a laser beam diameter in the range of 5 to 8 mm and a fiber optic core diameter in the range from 0.4 to 1 mm the converging lens has a focal length in the range from 80 to 200 mm, which has favorable conditions in Terms of the divergence of the through the entry cross cut of the light guiding beam on the one hand and with regard to the constructive arrangement, on the other hand, he gives.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Sammellinse im Laserstrahlweg vor dem Eintrittsquerschnitt des Lichtleiters in bekannter Weise zumindest eine weitere Linse nachgeordnet, wodurch ein optisches System aufge baut werden kann, welches die vielfältigen Einflußnahmen auf die Strahlgeometrie am Eintritt in den Lichtleiter er möglicht. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die weitere Linse eine Zerstreuungslinse ist, womit der zentral in die Sammellinse einfallende ur sprüngliche Laserstrahl nach dem Austritt aus dem Linsen system wiederum parallel ist und lediglich einen kleineren Durchmesser - nämlich im wesentlichen den des Eintritts querschnitts des Lichtleiters - aufweist. Zu beachten ist dabei lediglich nur, daß dabei zumindest die Austrittslinse des telezentrischen Systems bereits einer sehr hohen Lei stungsdichte des durchtretenden Laserstrahls ausgesetzt ist, was unter Umständen zu einer Beschädigung oder Zerstörung derselben führen kann, sofern nicht geeignete Materialien verwendet werden.According to a further embodiment of the invention, the Converging lens in the laser beam path before the entrance cross-section of the light guide in a known manner at least one more Subordinate lens, creating an optical system can be built, which the diverse influences on the beam geometry at the entrance to the light guide possible. It is particularly advantageous if the other lens is a diverging lens is what makes the ur jumpy laser beam after emerging from the lens system is parallel and only a smaller one Diameter - essentially that of the entrance cross section of the light guide - has. Please note only that at least the exit lens of the telecentric system already has a very high lei density of the passing laser beam is exposed, which may result in damage or destruction the same can lead, unless suitable materials be used.

In diesem Zusammenhang ist nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Sammellinse ortsfest in der Anordnung zur Erzeugung der Laserpulse an geordnet ist und daß die mit einer Planglasscheibe abge schlossene Hülse mitsamt dem Eintrittsende des Lichtleiters und, soweit vorhanden, weiteren Linsen in eine entsprechende Aus nehmung an dieser Anordnung einsteckbar ist. Auf diese Wei se bildet die am Eintrittsende des Lichtleiters aufgesetzte evakuierte Hülse eine Art Stecker für den Lichtleiter, der ein einfaches Auswechseln bei Funktionsausfall des Lichtlei ters ohne zeitaufwendige Neujustierung der Ankoppeleinrich tung ermöglicht, was für die Anwendung am lebenden Organis mus sehr wichtig ist.In this context, another is preferred Embodiment of the invention provided that the converging lens stationary in the arrangement for generating the laser pulses is ordered and that abge with a flat glass closed sleeve together with the entry end of the light guide and, if available, further lenses in a corresponding Aus Taking this arrangement is insertable. In this way se forms the one attached to the entry end of the light guide evacuated sleeve a kind of connector for the light guide, the a simple replacement in the event of a functional failure of the light guide ters without time-consuming readjustment of the coupling device tion enables what is to be used on the living organ mus is very important.

Das in der aufgesteckten Hülse befindliche Ende des Licht leiters kann nach einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung der Erfindung mit einer Temperiereinrichtung in Verbindung stehen, welche die Gefahr einer Zerstörung des besonders ge fährdeten eintrittsseitigen Endes des Lichtleiters durch zu folge der ersten Totalreflexionen des eintretenden Strahls unter Umständen auftretende, lokal erhöhte Energie- bzw. Leistungsdichten verringert.The end of the light located in the attached sleeve Head can according to a preferred further embodiment of the invention in connection with a temperature control device stand, which the risk of destruction of the particularly ge endangered the entry-side end of the light guide follow the first total reflections of the incoming beam under certain circumstances occurring, locally increased energy or Power densities reduced.

Die im Laserstrahlweg liegenden Teile der Ankoppeleinrich tung können nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zumindest teilweise mit einer optischen Vergütung versehen sein, was zu einer Verringerung von Reflexionsverlusten und damit auch zu einer Erhöhung der am Lichtleiteraustritt zur Verfügung stehenden Leistung führt.The parts of the coupling device located in the laser beam path device can according to a further embodiment of the invention at least partially provided with an optical coating be, resulting in a reduction in reflection loss and thus also to an increase in the light guide exit Available performance leads.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläu tert.The invention is described below with reference to the drawing schematically illustrated embodiments tert.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung in schematischer Darstel lung, Fig. 1 shows the basic construction of a device according to the present invention in a schematic depicting lung,

Fig. 2 einen teilweisen schematischen Schnitt durch eine Ankoppeleinrichtung bei einer Einrichtung nach der Erfin dung, Fig. 2 dung a partial schematic section through a coupling device with a device according to the OF INVENTION,

Fig. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel in einer der Fig. 2 entsprechenden Darstellung und Fig. 3 shows another embodiment in a representation corresponding to FIG. 2 and

Fig. 4 einen teilweise schematischen Schnitt durch die An koppeleinrichtung eines anderen Ausführungsbeispiels. Fig. 4 is a partially schematic section through the coupling device to another embodiment.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung dient primär zur Zerstörung von Harnwegkonkrementen mit 1 bezeichnet - insbesonders solchen im Harnleiterbereich, ist aber - im wesentlichen ohne irgendwelche Änderungen, und auf alle Fälle ohne die vorliegende Erfindung berührende Änderungen - auch unmittel bar verwendbar zur Zerkleinerung bzw. Zerstörung beliebi ger anderer Konkremente im menschlichen oder tierischen Organismus, zur Öffnung arterieller Verschlüsse (Stenosen) od. dgl. sowie ganz allgemein zur Materialbearbeitung (Bohren, Schneiden, Schweißen od. dgl.).The device shown schematically in Fig. 1 according to the present invention is primarily used for the destruction of urinary tract with 1 - especially those in the ureter area, but is - essentially without any changes, and in any case without changes affecting the present invention - immediately cash usable for crushing or destroying any other concretions in the human or animal organism, for opening arterial occlusions (stenoses) or the like, and in general for processing materials (drilling, cutting, welding or the like).

Besonders vorteilhaft ist der Einsatz einer derartigen Einrichtung insbesondere dort, wo zufolge der äußeren Um stände ein flexibler Zugang zur zu bearbeitenden Stelle über dünne Kanäle, Öffnungen od. dgl. erforderlich ist.The use of such a device is particularly advantageous Establishment particularly where, according to the external order there would be flexible access to the job to be processed via thin channels, openings or the like is required.

Im wesentlichen besteht die Einrichtung aus einer Anordnung 2 zur Erzeugung kurzzeitiger, hochenergetischer Laserpulse, einer Ankoppeleinrichtung 3 sowie einem damit eintrittssei tig in Verbindung stehenden flexiblen Lichtleiter 4. Die An ordnung 2 zur Erzeugung kurzzeitiger, hochenergetischer La serpulse kann beispielsweise einen gütegeschalteten Neodym- YAG-Laser (Wellenlänge λ = 1064 nm, Pulsdauer t _p = 1,5 · 10^-8 sec) enthalten, dessen Photonenenergie mit 1,2 eV zwar weit unter der benötigten Ionisierungsenergie von Atomen oder Molekülen liegt, der aber zufolge der durch mehrere gleichzeitige Pho tonen ermöglichten Multiphotonenabsorption auch ohne Vor handensein freier Elektroden zur Induzierung eines Durch bruchs geeignet ist.Essentially, the device consists of an arrangement 2 for generating short-term, high-energy laser pulses, a coupling device 3 and a flexible light guide 4 connected thereto on the entry side. The arrangement 2 for generating short-term, high-energy laser pulses can, for example, contain a Q-switched neodymium YAG laser (wavelength λ = 1064 nm, pulse duration t _p = 1.5 · 10 ^-8 sec), the photon energy of which is 1.2 eV is far below the required ionization energy of atoms or molecules, but due to the multiphoton absorption made possible by several simultaneous photons, it is also suitable for inducing breakthrough without the presence of free electrodes.

Der in der Ankoppeleinrichtung 3 in den Lichtleiter einge koppelte Laserstrahl wird zufolge Totalreflexion im Inneren desselben weitergeleitet und tritt am Austrittsende 5 des selben im wesentlichen parallel zur Achse des Lichtleiters aus. Obwohl prinzipiell der Lichtleiter 4 auch als Faser bündel mit vielen dünnen Einzelfasern und verkitteten Stirn flächen augeführt sein könnte, hat sich ein einzelner Licht leiter mit einem Kerndurchmesser im Bereich von 0,4 bis 1 mm und einer Länge zwischen Eintritt und Austritt von etwa 0,6 m bis zu mehreren Metern als zweckmäßiger erwiesen.The laser beam coupled into the coupling device 3 into the light guide is transmitted in the interior thereof due to total reflection and emerges at the exit end 5 of the same essentially parallel to the axis of the light guide. Although in principle the light guide 4 could also be implemented as a fiber bundle with many thin individual fibers and cemented end faces, a single light guide with a core diameter in the range of 0.4 to 1 mm and a length between entry and exit of approximately 0. 6 m up to several meters proved to be more appropriate.

Am Austrittsende 5 des Lichtleiters 4 kann eine hier nicht weiter interessierende Anordnung zur Erhöhung der lo kalen Energie- bzw. Leistungsdichte des aus dem Lichtlei ter 4 austretenden Laserstrahls vorgesehen sein, welche da zu dient, die lokale Leistungsdichte am Ort des gewünschten Durchbruches - hier möglichst unmittelbar an der Oberfläche des Konkrements 1 - auf ein zur Erzielung eines sicheren Durchbruchs im dort befindlichen Medium - üblicherweise eine Flüssigkeit - ausreichendes Maß zu erhöhen. Im gesam ten übrigen Weg des Laserstrahls und insbesondere im Licht leiter 4 muß natürlich dafür gesorgt sein, daß an keiner Stelle die Schwellfeldstärke des jeweiligen Mediums über schritten wird, da ansonsten dort ein Durchbruch auftreten und zur Zerstörung bzw. zum Funktionsausfall der Einrichtung führen würde.At the exit end 5 of the light guide 4 , an arrangement of no further interest here can be provided for increasing the local energy or power density of the laser beam emerging from the light guide 4 , which serves to serve the local power density at the location of the desired breakthrough - here if possible directly on the surface of the concrement 1 - to a sufficient extent to achieve a safe breakthrough in the medium located there - usually a liquid. In the total remaining path of the laser beam and in particular in the light conductor 4, it must of course be ensured that the threshold field strength of the respective medium is not exceeded at any point, since otherwise a breakthrough would occur and would lead to the destruction or functional failure of the device.

Wenn nun durch einen hochenergetischen Laserpuls die zur Er zielung eines Durchbruchs im dort befindlichen Medium er forderliche Feldstärke vor dem Austrittsende des Lichtlei ters 4 überschritten wird, wird die am Ort des Durchbruchs befindliche Materie, gleichgültig ob sie sich im gasförmigen, flüssigen oder festen Aggregatszustand befindet, schlagartig in den Plasmazustand übergeführt. Gleichzeitig mit dem Auf treten des Plasmas werden Stoßwellen festgestellt, deren Am plitude von der mittleren elektrischen Feldstärke und auch von der Art des Mediums abhängen. Die wichtigsten Stadien des Durchbruchverlaufs sind: die Plasmaentstehung, die Plas maexpansion, das Abklingen der Plasmaexpansion und die Ab strahlung der Stoßwelle sowie die Ausbreitung der Stoßwelle im Medium.If the field strength required to achieve a breakthrough in the medium there is exceeded by a high-energy laser pulse before the exit end of the light guide 4 , the material located at the breakthrough becomes irrelevant whether it is in the gaseous, liquid or solid state of matter , suddenly changed to the plasma state. At the same time as the plasma occurs, shock waves are detected, whose amplitude depends on the mean electric field strength and also on the type of medium. The most important stages in the breakthrough process are: plasma formation, plasma expansion, decay of the plasma expansion and radiation of the shock wave, as well as the propagation of the shock wave in the medium.

Während der erste Teil der während der Dauer des Laserpulses eingestrahlten Laserenergie vorzugsweise der Plasmaproduktion dient, steigt in weiterer Folge die Plasmatemperatur aufgrund der folgenden Lichtabsorption aus dem restlichen Laserpuls stark an und erreicht dabei mehrere tausend Kelvin. Die Grenzschicht der entstehenden Plasmablase gegen das angren zende Medium stellt eine Unstetigkeitsfläche bezüglich Dich te, Druck und Temperatur dar, welche sich als Stoßwelle aus breitet und während der Expansionsphase mit der Plasmabegren zung identisch ist. Nach dem Ende der Lasereinstrahlung wird die Plasmabewegung verlangsamt und die Unstetigkeitsfläche (Stoßwelle) breitet sich mit Überschallgeschwindigkeit im angrenzenden Medium aus. Das zurückbleibende erkaltende Plas ma führt in Flüssigkeiten zur Ausbildung von Kavitation und wird durch den hydrostatischen Druck der umgebenden Flüssig keit so stark komprimiert, bis der Innendruck dem Außendruck entgegenwirkt. Dadurch beginnt die Plasmablase zu oszillieren, wobei jedesmal nach Durchlaufen des Minimalvolumens der Blase eine weitere Stoßwelle abgestrahlt wird. Zufolge des damit verbundenen Energieverlustes wird die Blasenschwingung rasch gedämpft und klingt dann aus.During the first part of the duration of the laser pulse radiated laser energy preferably the plasma production serves, the plasma temperature subsequently increases due to the following light absorption from the remaining laser pulse strong and reaches several thousand Kelvin. The Boundary layer of the resulting plasma bubble against the angren zende medium represents an area of discontinuity with respect to you te, pressure and temperature, which is a shock wave spreads and during the expansion phase with the plasma limits tion is identical. After the laser radiation ends the plasma movement slows down and the discontinuity area (Shock wave) propagates at supersonic speed in the adjacent medium. The remaining cold plas ma leads to the formation of cavitation and is caused by the hydrostatic pressure of the surrounding liquid compressed until the internal pressure is equal to the external pressure counteracts. This causes the plasma bubble to oscillate, each time after passing through the minimum volume of the bladder another shock wave is emitted. As a result of that associated energy loss, the bubble vibration becomes rapid muffled and then fades away.

Der Vollständigkeit halber ist hier auch zu erwähnen, daß - da ein großer Teil der bei jedem Laserpuls am Ort des Durchbruchs umgesetzten Energie für die anfängliche Plasmaerzeugung er forderlich ist - durch Mehrfachbeschuß während der Schwin gungsdauer bzw. Lebensdauer einer einmal erzeugten Gasblase (etwa 50 bis 100 µsec), am besten wenn die Blase jeweils ihr minimales Volumen hat, die Schockwellenenergie auf einfache Weise ohne unzulässige Belastung des Lichtleiters erhöht werden kann.For the sake of completeness, it should also be mentioned here that - there much of that at each laser pulse at the breakthrough location converted energy for the initial plasma generation is required - by multiple shots during the swine duration or lifetime of a gas bubble once generated (about 50 to 100 µsec), ideally if the bladder is in each has minimal volume, the shock wave energy to simple Way increased without undue stress on the light guide can be.

Wenn man in den Bereich des induzierten Durchbruchs bzw. der schwingenden Plasmablase Material mit gegenüber der Umgebung unterschiedlicher Schallimpedanz - also beispielsweise das Konkrement 1 - bringt, so wird dieses von den genannten Stoß wellen getroffen, wobei durch die Schallimpedanzunterschiede an den Grenzflächen mechanische Spannungen auftreten, die das Konkrement zerstören. Sofern der Durchbruch unmittelbar in der Nähe der Oberfläche des Konkrements stattfindet, wirken zusätzliche Kavitationseffekte unterstützend bei der Konkre mentzerstörung bzw. Zerkleinerung mit.If you bring material into the area of the induced breakthrough or the vibrating plasma bubble with a sound impedance that is different from the surroundings - for example, the concrement 1 - this is hit by the shock waves mentioned, mechanical stresses occurring at the interfaces due to the sound impedance differences, that destroy the concrement. If the breakthrough takes place in the immediate vicinity of the surface of the concrement, additional cavitation effects help support the destruction or crushing of the concrement.

Die in Fig. 2 dargestellte Ankoppeleinrichtung weist eine im Weg des Laserstrahls 6 angeordnete Sammellinse 7 auf, deren austrittsseitiger Brennpunkt 8 vor dem Eintrittsquerschnitt 9 des Lichtleiters 4 liegt und die den Laserstrahl 6 auf den Eintrittsquerschnitt des Lichtleiters 4 zusammenzieht. Das eintrittsseitige Ende 10 des Lichtleiters 4, der im wesentli chen nur aus Kernmaterial 11 und optischer Isolation 12 be steht, ist dabei von einer vakuumdicht aufgesetzten Hülse 13 umgeben, die an ihrem dem Eintrittsquerschnitt 9 des Licht leiters 4 abgewandten Ende mittels einer Planglasscheibe 14 lichtdurchläsig abgeschlossen ist.The coupling device shown in FIG. 2 has a converging lens 7 arranged in the path of the laser beam 6 , whose focal point 8 on the exit side lies in front of the entry cross section 9 of the light guide 4 and which contracts the laser beam 6 onto the entry cross section of the light guide 4 . The entry-side end 10 of the light guide 4 , which is essentially made of core material 11 and optical insulation 12 , is surrounded by a vacuum-tight sleeve 13 , which at its end facing away from the entry cross-section 9 of the light guide 4, is translucent by means of a flat glass pane 14 is completed.

Die über eine Zwischenschicht 15 mit dem Ende 10 des Licht leiters 4 in Verbindung stehende Hülse 13 umgibt einen eva kuierten Raum 16 vor dem Eintrittsquerschnitt des Lichtlei ters 4, in dem die Bereiche erhöhter Leistungsdichte im Laserstrahlweg und insbesondere der Brennpunkt 8 der Sammel linse 7 liegen. Auf diese einfache Weise ist sichergestellt, daß bei der Transformation des Querschnitts des Laserstrahl 6 zur optimalen Einkoppelung ins Kernmaterial 11 des Licht leiters 4 zufolge der erhöhten Leistungsdichte keine Durch brüche vor dem Eintrittsquerschnitt 9 des Lichtleiters 4 auf treten können. Da der Brennpunkt 8 vor dem Eintrittsquer schnitt 9 liegt, wird weiters eine Fokussierung des Laser strahls ins Material des Lichtleiters vermieden, was sehr wesentlich ist, da es ansonsten ebenfalls zu einer Zerstö rung des Eintrittsendes des Lichtleiters 4 kommen könnte.The via an intermediate layer 15 with the end 10 of the light guide 4 in connection sleeve 13 surrounds an evacuated space 16 in front of the inlet cross section of the light guide 4 , in which the areas of increased power density in the laser beam path and in particular the focal point 8 of the condenser lens 7 are . In this simple way it is ensured that in the transformation of the cross section of the laser beam 6 for optimal coupling into the core material 11 of the light guide 4 due to the increased power density no breakthroughs before the entry cross section 9 of the light guide 4 can occur. Since the focal point 8 lies in front of the entry cross section 9 , further focusing of the laser beam into the material of the light guide is avoided, which is very important, since otherwise the entry end of the light guide 4 could also be destroyed.

Die aufgesetzte Hülse 13 bildet eine Art Stecker für den Lichtleiter 4, was die einfache Auswechselbarkeit des Licht leiters ohne aufwendige Neujustierung der Einrichtung ermög licht - siehe dazu auch die Beschreibung zur Fig. 4.The attached sleeve 13 forms a kind of connector for the light guide 4 , which allows the easy replacement of the light guide without complex readjustment of the device - see also the description of FIG. 4.

Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich insofern von dem nach Fig. 2 als nunmehr im Laserstrahl weg vor dem Eintrittsquerschnitt 9 des Lichtleiters 4 eine weitere Linse 17 - hier eine Zerstreuungslinse - angeordnet ist, welche zusammen mit der Sammellinse 7 ein telezentri sches optisches System bildet, das den Querschnitt des ein fallenden Laserstrahls 6 auf den Eintrittsquerschnitt 9 des Lichtleiters 4 zusammenzieht. Abweichend von der dargestell ten Anordnung wäre es natürlich auch möglich, entweder beide Linsen innerhalb der Hülse 13 oder aber außerhalb der Hülse 13 vorzusehen, wobei lediglich darauf geachtet werden muß, daß die Schwellfeldstärke für einen laserinduzierten Durch bruch im jeweiligen Medium nicht überschritten werden darf.The embodiment shown in Fig. 3 differs from that of FIG. 2 as now in the laser beam away from the entrance cross-section 9 of the light guide 4, another lens 17 - here a diverging lens - is arranged, which together with the converging lens 7 is a telecentric optical Forms a system that contracts the cross section of a falling laser beam 6 onto the entry cross section 9 of the light guide 4 . In a departure from the arrangement shown, it would of course also be possible to provide either both lenses inside the sleeve 13 or outside the sleeve 13 , only care being taken that the threshold field strength for a laser-induced breakdown in the respective medium must not be exceeded.

Zur Vermeidung von Energieverlusten im Laserstrahl können die Linsen 7, 17 bzw. auch die Planglasscheibe 14 mit optischen Vergütungen versehen werden, welche Rückreflexionen verrin gern.In order to avoid energy losses in the laser beam, the lenses 7, 17 and also the plane glass pane 14 can be provided with optical coatings which reduce back reflections.

Ausdrücklich darauf hinzuweisen ist auch noch, daß aich bei der Ausführung nach Fig. 3 der austrittsseitige Brennpunkt der Sammellinse 7 für sich vor dem Eintrittsquerschnitt 9 des Lichtleiters liegt und daß - falls erforderlich - auch wei tere oder anders ausgebildete zusätzliche Linsen in der An koppeleinrichtung vorgesehen werden könnten.It should also be expressly pointed out that aich in the embodiment according to FIG. 3 the focal point of the converging lens 7 for itself lies in front of the inlet cross section 9 of the light guide and that - if necessary - also white or other additional lenses are provided in the coupling device could become.

Bei der Ausführung nach Fig. 4 ist die Hülse 13 auf dem eintrittsseitigen Ende 10 des Lichtleiters 4 in eine Aus nehmung 18 an der Anordnung 2 zur Erzeugung hochenergetischer Laserpulse eingesteckt dargestellt, wobei eine Ringschulter 19 als Anschlag für eine reproduzierbare Ausrichtung dient. Die Sammellinse 7 ist hier unmittelbar als Abschluß des dem Eintrittsquerschnitt 9 des Lichtleiters 4 abgewandten Endes der Hülse 13 ausgebildet. Im übrigen entspricht diese Ausbil dung im wesentlichen der gemäß Fig. 2.In the embodiment of Fig. 4, the sleeve 13 is the light guide 4 recess on the inlet end 10 to an off shown inserted for generating high-energy laser pulses to the arrangement 2 18, wherein an annular shoulder 19 serves as a stop for a reproducible orientation. The converging lens 7 is formed here directly as the end of the end of the sleeve 13 facing away from the entry cross section 9 of the light guide 4 . Otherwise, this training corresponds essentially to that of FIG. 2nd

Zusätzlich ist in Fig. 4 auch noch angedeutet, daß das in der aufgesetzten Hülse 13 befindliche Ende 10 des Lichtleiters 4 mit einer Temperiereinrichtung 20, deren spezieller Aufbau hier nicht wesentlich ist, versehen sein kann, die über Zu- und Ableitungen 21, 22 beaufschlagbar ist. Über diese Tem periereinrichtung 20 kann die Gefahr, daß zufolge der ersten paar im Lichtleiter 4 auftretenden Totalreflexionen des ein tretenden Laserstrahls unter Umständen auftretende Bereiche erhöhter Leistungsdichte im Inneren des Kernmaterials zu dielektrischen Durchbrüchen und damit zur Zerstörung des Lichtleiters führen, verringert werden.In addition, it is also indicated in FIG. 4 that the end 10 of the light guide 4 located in the attached sleeve 13 can be provided with a temperature control device 20 , the special construction of which is not essential here, which can be acted upon via supply and discharge lines 21, 22 is. About this Tem periereinrichtung 20 , the risk that, due to the first few occurring in the light guide 4 total reflections of an emerging laser beam may occur areas of increased power density inside the core material to dielectric breakdowns and thus lead to the destruction of the light guide.

Claims

1.Device for destroying urinary tract concretions, especially those in the ureter area, by means of laser-induced breakthrough, with an arrangement for generating short-term, high-energy laser pulses and a flexible light guide connected to the inlet side via a coupling device, which can be inserted into the urine and inserted can be brought into the vicinity of the concrement to be destroyed on the outlet side, characterized in that the Ankoppeleinrich device ( 3 ) has, in a manner known per se, a collecting lens ( 7 ) arranged in the laser beam path, the focal point ( 8 ) of the outlet side before the entry cross section ( 9 ) of the The light guide ( 4 ) lies and which pulls the laser beam ( 6 ) onto the entry cross-section ( 9 ) of the light guide ( 4 ) together so that an evacuated space ( 16 ) in front of the entry end ( 10 ) of the light guide ( 9 ) is present and that in this room ( 16 ) the areas of increased power density in the laser beam path and the Bre nnpunkt ( 8 ) of the converging lens ( 7 ).

2. Device according to claim 1, characterized in that the evacuated space ( 16 ) is formed by a on the entry end ( 10 ) of the light guide ( 4 ) vacuum-sealed sleeve ( 13 ), the cross section of the entry ( 9 ) of the The light guide ( 4 ) facing away from the end is translucent.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that with a laser beam diameter in the range of 5-8 mm and a light guide core diameter in the range 0.1-1 mm, the converging lens ( 7 ) has a focal length in the range of 80-200 mm having.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the converging lens ( 7 ) in the laser beam path before the one cross-section ( 9 ) of the light guide ( 4 ) is arranged in a known manner at least one further lens ( 17 ).

5. Device according to claim 4, characterized in that the further lens ( 17 ) is a diverging lens in a known manner ( Fig. 3).

6. Device according to claim 2, characterized in that the converging lens ( 7 ) is arranged in a fixed manner in the arrangement ( 2 ) for generating the laser pulses and that the sleeve ( 13 ) closed off with a flat glass pane ( 14 ) together with the entry end ( 10 ) of the light guide ( 4 and, if available, further lenses can be inserted into a corresponding recess ( 18 ) in this arrangement ( 2 ).

7. Device according to one of claims 2 to 6, characterized in that in the attached sleeve ( 13 ) be sensitive end ( 10 ) of the light guide ( 4 ) with a Tem periereinrichtung ( 20 ) is in communication.

8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized ge indicates that the parts lying in the laser beam path the coupling device at least partially with an op table remuneration.