DE3819019A1 - Fluid zur verbesserung des laser-induzierten optischen durchbruchs - Google Patents
Fluid zur verbesserung des laser-induzierten optischen durchbruchsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Fluid zur Verbesserung
des Laser-induzierten optischen Durchbruchs gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Wird Licht und im speziellen Laserlicht von ausreichender
Intensität in ein Medium eingekoppelt, so führt dies zum
sogenannten Laser-induzierten Durchbruch.
Der Laser-induzierte Durchbruch äußert sich in einem
Lichtblitz, der vom entstehenden Plasma herrührt, sowie
einem Knall, der auf die Ausbreitung der entstandenen
Stoßwelle zurückzuführen ist.
Der Laser-induzierte Durchbruch ist in seiner Auswirkung
vergleichbar mit einem elektrischen Kurzschluß über Fun
kenentladung.
Der Laser-induzierte optische Durchbruch wird beispielsweise
bei der Zerstörung von Steinen bzw. Konkrementen aller Art
in biologischem Gewebe mittels der sogenannten Laser-indu
zierten Stoßwellen-Lithotripsie verwendet.
Hierbei wird das Licht vom Laser über einen Lichtleiter an
den Fragmentationsort übertragen. Da der Lichtleiter nicht
beliebig hohe Lichtintensitäten übertragen kann, ist ein
optimaler optischer Durchbruch nicht durch Einsatz sehr
hoher Ausgangsleistungen herbeizuführen.
Es sind bislang die verschiedensten Verfahren und Vorrich
tungen vorgeschlagen worden, die Effizienz des Laser-
induzierten optischen Durchbruchs und damit z. B. der
Laser-induzierten Stoßwellen-Lithotrypsie verbessern sol
len.
Beispielsweise ist es aus dem Artikel "In vitro distruc
tion of primary calculi by laser induced stress waves" von
H. D. Fair (Medical Instrumentation, 12, 1978, Seite 100)
bekannt, im Strahlengang des Lasers angeordnete Metall-
Absorber zu verwenden.
Die Verwendung eines Metall-Absorbers zur Auslösung der
Laser-induzierten Stoßwelle hat jedoch den Nachteil, daß
die Lebensdauer des in der Regel fest in ein Endoskopie-
Instrument eingebauten Absorbers nur vergleichsweise ge
ring ist: Der Absorber ist nämlich nicht nur dem energie
reichen Laserlicht, sondern auch der an ihm "kristalli
sierten" Stoßwelle ausgesetzt. Die gleichzeitige Einwir
kung von Stoßwellen und Laserlicht zerstört bereits nach
kurzer Zeit die Oberflächenstruktur des Absorbers, so daß
bei weiterer Einwirkung des Laserlichts und der Stoßwellen
die Gefahr besteht, daß "größere Brocken" aus dem Absorber
herausbrechen und im Körperinneren verbleiben.
Deshalb ist eine Modifikation dieses Metall-Absorbers
vorgeschlagen worden, bei dem ein relativ dickwandiges
Teil für eine Umlenkung der Laser-induzierten Stoßwellen
energie sorgt. Diese Modifikation hat zwar den Vorteil,
daß die Lebensdauer des energieumlenkenden Metall-Absor
bers größer als bei der vorstehend diskutierten Ausfüh
rungsform ist, dafür ist aber von Nachteil, daß das dem
Lichtleiter "vorgesetzte" energieumlemkende Element sehr
groß ist.
Dieser Nachteil besteht auch bei einer weiteren vorge
schlagenen Lösung, bei der durch den Einsatz eines "Licht
trichters" zwar auf ein das Laserlicht absorbierendes
Element verzichtet werden kann, durch den Lichttrichter
aber ebenfalls die Baugröße in unerwünschter Weise vergrö
ßert wird.
Weiterhin ist vorgeschlagen worden, das distale Ende des
Fiberendstücks "fokussierend" auszuführen. Diese Lösung
hat jedoch den Nachteil einer geringen Effizienz, d. h.,
das Verhältnis Energie der erzeugten Stoßwellen zu Laser
energie ist vergleichsweise klein. Darüberhinaus besteht
bei unsachgemäßer Ausführung des fokussierenden distalen
Fiberendstücks die Gefahr der Zerstörung des distalen
Fiber-Endes.
Deshalb ist auch in Betracht gezogen worden, Laser-indu
zierte Stoßwellen durch Verwendung eines Spülfluids zu
"kristallisieren", das aus einer Lösung von Metallionen,
beispeilsweise von NaCl, Eisenchlorid oder Magnesium be
steht. Die Verwendung einer derartigen Lösung beseitigt
zwar die Baugrößen- und Lebensdauer-bedingten Nachteile
der vorstehend diskutierten Vorschläge, sie hat aber wei
terhin den Nachteil einer zu geringen Effizienz.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Effizienz
des Laser-induzierten optischen Durchbruchs Zu erhöhen,
ohne daß hierzu Einrichtungen mit einer insbesondere für
die intrakorporale Behandlung zu großen Baugröße und/oder
mit einer zu geringen Lebensdauer erforderlich wären.
Eine erfindumgsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren
Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß
die Durchbruchschwelle von der Beschaffenheit und Zu
sammensetzung des Mediums abhängig ist, in dem ein opti
scher Durchbruch auftreten soll. Die Durchbruchschwelle
erniedrigt sich bei Vorhandensein von Inhomogenitäten und
vor allen von freien und quasifreien Elektronen.
Überraschenderweise ist es möglich, die erfindungsgemäß
gestellte Aufgabe dadurch zu lösen, daß weiterhin von
einem Fluid ausgegangen wird, und dieses Fluid dadurch
weitergebildet wird, daß es aus einer Suspension von das
Licht des verwendeten Lasers absorbierenden Teilchen in
einem Medium besteht, wobei die Teilchen so beschaffen
sind, daß sie durch die Absorption des Laserlichts freie
bzw. quasifreie Elektronen freisetzen.
Das erfindungsgemäß verwendete Fluid hat gegenüber den
bekannten Fluiden, die aus einer Lösung von Metallionen
bestehen, eine Reihe von Vorteilen:
Die als Suspension in dem Medium vorliegenden Teilchen,
deren Teilchengröße gemäß Anspruch 7 bevorzugt 15 µm
ist, zünden das Plasma wesentlich effizienter als in Lö
sung befindliche Metallionen. Der Grund hierfür dürfte
sein, daß die Teilchengröße beispielsweise bei Verwendung
eines Neodyn-YAG-Lasers wenigstens gleich der Wellenlänge,
in der Regel aber ein Mehrfaches der Wellenlänge des ver
wendeten Lasers beträgt, und somit das Teilchen fur die
Strahlung eine Inhomogenität bzw. einen Absorber dar
stellt.
Zudem steht wegen des einfachen Herauslösens von freien
Elektronen aus dem Metall eine sehr hohe örtliche Konzen
tration freier Elektronen zur Verfügung, die die Durch
bruchsschwelle herabsetzt.
Gegenüber den weiteren einleitend beschriebenen bekannten
Methoden, durch Zünden eines Plasmas eine Stoßwelle zu
erzeugen, hat die erfindungsgemäße Verwendung eines aus
einer Suspension bestehenden Fluids den Vorteil, daß sich
aufgrund der in bekannter Weise durchgeführten Umwälzung
des Fluids keine Lebensdauerprobleme ergeben. Darüber
hinaus ist die erfindungsgemäß verwendete Suspension ohne
großen Aufwand herstellbar und es stellt sich bei geeigne
ter Auswahl der Suspension nicht das Problem der Verträg
lichkeit bei intrakorporalem Einsatz. Es hat sich gezeigt,
daß wenige mg Metalloxid (Teilchengröße < 15 µm) pro Liter
Flüssigkeit vollkommen ausreichend sind, den gewünschten
Laser-induzierten Durchbruch optimal auszulösen.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Gemäß Anspruch 2 bestehen die in einer Suspension in dem
Fluid befindlichen Teilchen aus einem Metall, das gemäß
Anspruch 3 beispielsweise Aluminium, Eisen, Magnesium oder
Quecksilber sein kann.
Metalle mit einer hohen Dichte quasifreier Elektronen sind
- wie erfindungsgemäß erkannt worden ist - besonders ge
eignet, Laser-induzierte Durchbrüche auszulösen.
Selbstverständlich ist es auch möglich, daß die Teilchen
nicht aus einem Metall, sondern aus einem Metalloxid (An
spruch 4), beispielsweise Eisenoxid oder Aluminiumoxid
bestehen. Diese Metalloxide besitzen den Vorteil, daß die
Teilchengrößen extrem klein hergestellt werden und somit
in einer Flüssigkeit zu einer relativ homogenen Verteilung
führen. Ferner ist es möglich, eine aus Graphit beste
hende Suspension zu verwenden.
Die vorstehend angegebenen Teilchen, die die Suspension
bilden, stellen eine mögliche Auswahl aus der Vielzahl von
Stoffen dar, die das Licht der üblicherweise zur Erzeugung
eines Laser-induzierten optischen Durchbruchs verwendeten
Laser, beispielsweise Neodym-YAG-Laser, Farbstoff-Laser,
Alexandrit-Laser, Excimer-Laser oder frequenzverdoppelte
Laser auf Neodymbasis absorbieren. Die Auswahl kann auf
grund der hohen Effizienz der erfindungsgemäß verwendeten
Suspension insbesondere bei der Lithotripsie von Nieren-
und/oder Gallensteinen nicht nur unter dem Gesichtspunkt
der Effizienz der Umwandlung der Laserenergie in Stoßwel
lenenergie vorgenommen werden, sondern auch unter dem
Gesichtspunkt der Körperverträglichkeit.
Dabei ist insbesondere Zu berücksichtigen, daß es auch bei
Einrichtungen bei denen die Erzeugung einer Stoßwelle mit
Metalldrähten, Lichttrichtern oder dgl. vorgenommen wird,
erforderlich ist, eine Spülflüssigkeit zu verwenden, die
Bruchstücke der zerstörten Steine aus dem Körperinneren
abführt.
Diese Spülflüssigkeit bzw. diese Spülmedium, das bei
spielsweise Wasser oder ein Gas, wie Sauerstoff, Helium
oder dgl., aber auch ein mehrphasiges Fluid sein kann,
kann problemlos als Trägerfluid bzw. Trägermedium für die
Suspension verwendet werden, da Löslichkeitsgesichtspunkte
etc. eine Rolle spielen.
Da der Mechanismus, durch den das Plasma und danit die
Stoßwelle erzeugt wird, offensichtlich durch die Größe
eines einzelen Teilchens der Suspension beeinflußt wird,
ist es darüberhinaus ohne weiteres möglich, die Stömungs
geschwindigkeit des Fluids in einem weiten Rahmen zu vari
ieren, der insbesondere durch Gesichtspunkte, wie Abfuhr
der Bruchstücke etc., bestimmt sein kann. Bei Verwendung
einer Lösung ist es dagegen erforderlich, zusätzlich die
Stömungsgeschwindigkeit des Fluids in dem Zuführ- und
Absaugkanal unter dem Gesichtspunkt der Effizienz der
Stoßwellenerzeugung zu wählen.
Vorstehend ist der allgemeine Erfindungsgedanke - ein aus
einer Suspension von das Licht des verwendeten Lasers
absorbierenden und dadurch Elektronen freisetzenden Teil
chen in einem Medium bestehendes Fluid zur Erzeugung des
Plasmas und danit der Stoßwelle zu verwenden - allgemein
beschrieben worden. Dem auf dem einschlägigen Gebiet täti
gen Fachmann ist es anhand dieser allgemeinen Beschreibung
jederzeit möglich, eine speziellen Einsatzbedingungen
angepaßte Suspension auszuwählen. Dabei wird er insbeson
dere die Wellenlänge des verwendeten Lasers sowie das
intrakorporale Einsatzgebiet - Niere, Galle etc. - berück
sichtigen. Als intrakorporal einsetzbare Instrumente
bieten sich Instrumente auf Endoskopbasis mit einem Licht
wellenleiter für das Licht des verwendeten Lasers an.
Selbstverständlich kann zusätzlich zu der erfindungsge
maßen Verwendung einer Suspension zur Erzeugung des Plas
mas das Austrittsende des Lichtwellenleiters für das La
serslicht so gestaltet sein, daß er die Erzeugung des
Laser-induzierten optischen Durchbruchs unterstützt. Bei
spielsweise ist es in an sich bekannter Weise möglich, das
Austrittsende des Lichtwellenleiters abzurunden, damit
als fokussierende Linse auszubilden um im Fokus eine für
den optischen Durchbruch ausreichend hohe Lichtintensität
zu erhalten. Ferner können in an sich bekannter Weise
zusätzlich Licht- und/oder Stoßwellen leitende Elemente
vorgesehen sein.
In jedem Falle erhält man durch die erfindungsgemäße Ver
wendung einer Suspension eine effiziente Umwandlung der
Laserenergie in Stoßwellenenergie, ohne daß zusätzliche
Elemente mit großen Abmessungen erforderlich wären.
Claims (11)
1. Fluid zur Verbesserung des Laser-induzierten optischen
Durchbruchs und insbesondere zur Laser-induzierten Zerstö
rung von Steinen bzw. Konkrementen aller Art in biologi
schem Gewebe,
dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid aus einer Suspension
von Teilchen in einem Medium besteht, die das Licht des
verwendeten Lasers absorbieren und dabei Elektronen frei
setzen.
2. Fluid nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen aus einem Metall
bestehen.
3. Fluid nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Aluminium, Eisen,
Magnesium oder Hg ist.
4. Fluid nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen aus einem Metall
oxid bestehen.
5. Fluid nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen aus Fe2O3 oder
Al2O3 bestehen.
8. Fluid nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen aus Graphit be
stehen.
7. Fluid nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchengröße 15 µm ist.
8. Fluid nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermedium ein ein- oder
mehrphasiges Gas und/oder eine Flüssigkeit ist.
9. Fluid nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit eine Suspen
sion oder eine Lösung organischer oder anorganischer Aus
gangsstoffe ist.
10. Fluid nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermedium H2O ist.
11. Fluid nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermedium O2 und/oder
He ist.
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| DE (1) | DE3819019A1 (de) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3736953A1 (de) * | 1986-11-13 | 1988-05-26 | Messerschmitt Boelkow Blohm | Vorrichtung zur zertruemmerung eines von einem fluid umgebenen festen koerpers |
-
1988
- 1988-06-03 DE DE19883819019 patent/DE3819019A1/de active Granted
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3736953A1 (de) * | 1986-11-13 | 1988-05-26 | Messerschmitt Boelkow Blohm | Vorrichtung zur zertruemmerung eines von einem fluid umgebenen festen koerpers |
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|---|
| Medical Instrumentation, Vol. 12, No. 2, March/ April 1978, S. 100-105 "In vitro destruction of urinary calculi by laserinduced stress waves" * |
| SCHMIDT-KLOIBER, H. u. REICHEL, E.: Die Abhän- gigkeit der Druckamplitude einer Stoßwelle von derFeldstärke beim laserinduzierten Durchbruch in Flüssigkeiten. In: Acustica, Vol.54, 1984, S.284-288 * |
| SCHMIDT-KLOIBER, H., REICHEL, E. u. SCHÖFFMANN,H.:Laserinduced Shock-Wave Lithotripsy (LISL). In: Biomedizinische Technik, Bd.30, H.7/8, 1985, S.173-181 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE3819019C2 (de) | 1990-08-23 |
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