DE3836336A1 - Verfahren zum erzeugen von laserinduzierten stosswellen intrakorporal - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen von Stoßwellen intrakorporal als Folge eines laserinduzierten Durchbruches in einem geeigneten Spülmedium zum Zwecke der Zertrümmerung von Gegenständen mit einem von einem Lichtleiter übertragenen Laserstrahl, wobei der Laserstrahl mittels linsenförmig ausgebildten Lichtleiterkopfes auf einen vor dem Lichtleiterkopf liegenden Durchbruchspunkt fokussiert wird.

Die intrakorporale Steinzertrümmerung durch laserinduzierte Stoßwellen stellt eine seit einer Reihe von Jahren wirkungsvolle in der Medizin unter dem Begriff "laserinduzierte Stoßwellenlithotripsie" (LISL) bekannte Therapieform dar, wozu beispielsweise auf die Zeitschrift "Laser in Medicine and Surgery" by MZV-EBM Verlag, 3:177-181 (1987) "Physikalische Vorgänge bei der laserinduzierten Stoßwellenlithotripsie" von E. Reichel, H. Schmidt-Kloiber, H. Schöffmann, G. Dohr, R. Hofmann, R. Hartung, verwiesen wird. Kurze intensive Laserpulse werden über Lichtleiter an den Operationsort herangeführt und lösen dort als Folge des laserinduzierten Durchbruches auf sichere Weise die Stoßwellen aus. Damit ist es möglich, Steine in engbegrenzten Hohlräumen, wie beispielsweise Harnleiter oder Gallengang, zu zerstören. Zur Durchführung der Steinzertrümmerung unter visueller Kontrolle wird ein Endoskop eingesetzt, durch das die Lichtleitfaser verschiebbar geführt wird und das zugleich einen Kanal zum Absaugen der entstehenden Konkremente aufweist. Für den Fall, daß keine visuelle Kontrolle vorgesehen ist, wird der Lichtleiter, der den Laserstrahl überträgt, nur in einer rohrförmigen Sonde geführt, durch die auch das Spülmedium geleitet wird.

Im Falle laserinduzierter Stoßwellen wird ein mit Überschallgeschwindigkeit expandierendes Plasma durch eine geeignete Materie, Festkörper, Flüssigkeit, Gas erzeugt, das auf das Spülmedium einwirkt und dadurch die Stoßwellenemission auslöst. Beispielsweise können die Stoßwellen am Ende des Lichtleiters, d.h. vor dem Lichtleiterkopf, durch einen sogenannten Koppler erzeugt werden, beispielsweise einen am distalen Sondenende angeordneten Wolfram-Steg. Es ist auch möglich, mit dem Spülmedium geeignete Materie zu transportieren, beispielsweise Eisen-3-Lösung. Bei dem laserinduzierten Durchbruch wird die optische Energie in mechanische und thermische Energie umgesetzt. Diese Energien wirken jedoch auch auf den Koppler bzw. den Lichtleiterkopf zurück, so daß diese nach einer bestimmten Betriebsdauer verschlissen sind und keine Stoßwellen mehr erzeugt werden können. Intraoperativ gibt es keine Möglichkeit, die Funktionsfähigkeit des Kopplers, Lichtleiters oder der Stoßwellenerzeugung zu kontrollieren. Da die Zertrümmerung eines Gegenstandes, wie Nierensteines, erst nach mehrminütiger Applikation von laserinduzierten Stoßwellen, erfahrungsgemäß etwa zwischen 300 bis 6000 Laserimpulsen, eintritt, kann ein defekter Koppler bzw. Lichtleiterkopf zu dem falschen Eindruck führen, daß der Gegenstand nicht zertrümmerungsfähig ist und die Behandlung wird durch Entfernen der Sonde abgebrochen. Erst nach dem Herausziehen der Sonde kann deren Funktion überprüft werden und man stellt fest, daß der Koppler oder Lichtleiterkopf funktionsuntüchtig geworden war. Dann muß die Operation von vorne begonnen werden. Das ist ein unzuträglicher Zustand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer des Lichtleiterkopfes bei der Erzeugung laserinduzierter Stoßwellen zu erhöhen. Die Zerstörung und Beschädigung des Lichtleiterkopfes erfolgt durch die beim laserinduzierten Durchbruch vor dem Lichtleiterkopf in dem Spülmedium auftretenden hohen mechanischen und thermischen Energien, da die erzeugte Stoßwelle nicht nur nach vorne in Richtung auf den zu zertrümmernden Gegenstand sich ausbreitet, sondern auch rückwärts reflektiert wird und damit den Lichtleiterkopf direkt trifft. Es ist daher das Bestreben, den Fokus und damit den Durchbruchspunkt der Laserstrahlen möglichst weit vor den Lichtleiterkopf zu verlegen. Dies geschieht bisher durch einen entsprechenden linsenförmigen Schliff des Lichtleiterkopfes. Wegen der Härte des Lichtleitermaterials sind diesem linsenförmigen Schleifen des Lichtleiterkopfes jedoch Grenzen gesetzt.

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß der Abstand des Fokus des Lichtleiterkopfes für die Laserstrahlen und damit der laserinduzierbare Durchbruchspunkt durch Variation des Brechindexes des den Lichtkopf umgebenden Spülmediums verändert und damit eingestellt wird.

Die Erfindung nutzt hierbei die physikalische Tatsache, daß der Lichtbrechungswinkel auch abhängig ist von dem Verhältnis der Brechwinkel am Übergang zwischen zwei Medien. Der Brechwinkel der Lichtleitfaser, beispielsweise einer Quarzglasfaser, ist vorgegeben und beträgt je nach Reinheit etwa zwischen 1,5 bis 1,67 (Brechindex), wobei dies noch abhängig ist von der Temperatur. Das bei der intraoperativen laserinduzierten Stoßwellentherapie benutzte Spülmedium muß mit dem menschlichen Körper verträglich sein. In der Regel wird eine physiologische Kochsalzlösung eingesetzt, deren Brechindex etwa 1,3 beträgt. Bei dieser bekannten Kombination gelingt es bisher lediglich, den Fokus in einem Abstand von etwa 0,5 mm vom Lichtleiterkopf auszubilden.

Erfindungsgemäß werden nun Spülmedien mit einem größeren Brechindex als demjenigen von Wasser bzw. physiologischen Kochsalzlösungen eingesetzt, wobei deren Brechindex durch Änderung der Konzentration, der Zusammensetzung und/oder Änderung der Temperatur in einem großen Bereich variiert werden kann. Eine Erhöhung des Brechindexes des Spülmediums über den Brechindex von Wasser hinaus bei konstant vorgegebenem Brechindex des Lichtleiters hat eine Vergrößerung des Abstandes des Fokus von dem Lichtleiterkopf zur Folge. Durch diese Vergrößerung des Abstandes des Fokus von dem Lichtleiterkopf wird jedoch der zerstörende Einfluß der laserinduzierten Stoßwelle auf den Lichtleiterkopf verringert, so daß seine Lebensdauer sich erheblich erhöht. Insbesondere ist es notwendig, die Lebensdauer des Lichtleiterkopfes mit Sicherheit so weit zu erhöhen, daß ein Lichtleiterkopf zumindest eine operative Behandlung mit Sicherheit ohne Zerstörung und Beeinträchtigung übersteht.

In weiterer Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß als Spülmedium eine Zuckerlösung verwendet wird, deren Zuckergehalt und/oder Temperatur eingestellt wird. Mit einer Zuckerlösung unterschiedlicher Konzentration können Brechindexe über 1,3 bis etwa 1,7 erzielt werden. Wenn der Fokus bei einem Lichtleiter mit einer physiologischen Kochsalzlösung als Spülmedium etwa 0,5 mm von dem Lichtleiterkopf entfernt ausgebildet werden kann, so kann er mit einer Zuckerlösung bis auf einen Abstand von 5 mm vom Lichtleiterkopf entfernt ausgebildet werden.

Unter Zucker sind hier im weitesten Sinne Polysaccharide, Monosaccharide, Glukose, Fruktosen, Pentosen usw. zu verstehen, die einzeln oder in Mischungen in der Zuckerlösung vorhanden sein können.

Neben Zuckerlösungen können selbstverständlich auch andere Spülmedien, beispielsweise auf Ölbasis eingesetzt werden oder auch Salzlösungen, deren Brechindex durch Konzentration des Salzgehaltes veränderbar wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei allen Lichtleitern zum Erzeugen laserinduzierter Stoßwellen eingesetzt werden, bei denen der Durchbruch in einem Spülmedium erfolgt, das zugleich die plasmabildende Materie, z.B. in Gestalt einer Eisen-3-Lösung, enthält. Beispielsweise kann der Lichtleiter in Verbindung mit einem Endoskop mit mehreren Arbeitskanälen eingesetzt werden, wobei in einem Arbeitskanal der Lichtleiter, d.h. die Quarzfaser, entlangschiebbar ist, in einem weiteren Kanal beispielsweise eine Optik zur visuellen Kontrolle geführt wird und in einem dritten Arbeitskanal das Spülmedium eingeführt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch mit Lichtleitern einsetzbar, bei denen der laserinduzierte Durchbruch zum Erzeugen der Stoßwellen an einem festen Material, das vor dem Lichtleiterkopf angebracht ist, erzeugt wird. Solches Material kann beispielsweise Wolfram sein, das in Stegform vor dem Lichtleiterkopf angebracht wird und als Koppler bezeichnet wird. Lichtleiter, die mit einem Koppler zusammenarbeiten, werden in einer Sonde geführt, die gleichzeitig auch einen Kanal für das Spülmedium aufweist. Auch der Abstand zwischen dem Koppler und dem Lichtleiterkopf sollte so groß wie möglich sein, um eine schädliche Rückwirkung und frühe Zerstörung des Lichtleiterkopfes durch die erzeugten Stoßwellen zu vermeiden bzw. zu reduzieren. Auch hier kann durch eine Fokussierung der Durchbruchpunkt des Kopplers erfindungsgemäß in einem größeren Abstand von dem Lichtleiterkopf realisiert werden.

Die Erfindung wird in der Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zum Erzeugen laserinduzierter Stoßwellen für die intrakorporale Therapie

Fig. 2 das Schema der Stoßwellenzertrümmerung eines Gegenstandes

Fig. 3 Schema der Fokussierung der Laserstrahlen.

In der Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung zum Erzeugen von Stoßwellen mittels Laserstrahlen für die intrakorporale Therapie dargestellt, die beispielsweise für die Zertrümmerung von Nierensteinen, Gallensteinen oder zur Beseitigung von Verkalkungen oder Verstopfungen in Gefäßen eingesetzt werden kann. Der Laser 1 ist mit dem flexiblen Lichtleiter 2, beispielsweise einer Quarzfaser, ausgestattet, dessen vorderes Ende von der rohrförmigen Sonde 5 zum Einführen in Körperhöhlen umgeben ist. Die hier schematisch dargestellte Sonde 5 kann beispielsweise als Endoskop ausgebildet sein. Am proximalen Ende 51 der Sonde ist ein Anschluß 8 für das Spülmedium 4 vorgesehen. Das Spülmedium 4 wird aus dem Vorratsbehälter 83 mittels der Pumpe 82 über die Zuleitung 81 gesteuert und dosiert eingebracht. Der Lichtleiterkopf 21 des Lichtleiters befindet sich am distalen Ende 52 der Sonde 5, durch die er ggf. schiebbar geführt wird. Im Abstand B vor dem Lichtleiterkopf 21 befindet sich der Durchbruchspunkt bzw. die Durchbruchsebene, an der die durch die Laserstrahlen induzierte Stoßwelle entsteht. Die Stoßwelle breitet sich dann aus und trifft auf den möglichst dicht dem Durchbruchspunkt zugeordneten zu zertrümmernden Gegenstand 7.

In der Fig. 2 ist das Funktionsschema nochmals dargestellt. Der mit dem Lichtleiter 2 herangeführte Laserstrahl tritt am Lichtleiterkopf 21 aus und in das Spülmedium 4 ein. An der Durchbruchebene bzw. Durchbruchpunkt 13, der im Abstand B vor dem Lichtleiterkopf liegt, wird die Stoßwelle 11 ausgelöst, die auf den zu zertrümmernden Gegenstand 7 trifft.

Um die Rückwirkung der Stoßwelle 11 auf den Lichtleiterkopf 21 zu minimieren, ist die Durchbruchebene 13 möglichst weit vor dem Lichtleiterkopf 21 auszubilden, wobei jedoch gleichzeitig die Intensität und die transmittierbare Laserenergie nicht verlorengehen soll.

Eine Bündelung des durch den Lichtleiter 2 herangeführten Laserstrahls S wird, wie in der Fig. 3 schematisch dargestellt, durch den linsenförmig geformten Kopf 21 des Lichtleiters erreicht. Dadurch werden die aus dem Lichtleiter 2 austretenden Laserstrahlen am Fokus F fokussiert. Die Fokusebene bildet zugleich die Durchbruchebene 13. Der Abstand B des Fokus F von dem Lichtleiterkopf 21 wird nicht nur durch die Form der Linse des Lichtleiterkopfes bestimmt, sondern auch durch das Verhältnis des Brechungsindex n 1 der Lichtleiterfaser 2 und des Brechungsindex n 2 des umgebenden Spülmediums 4.

Bei vorgegebenen Brechindex n 1 des Lichtleiters 2 durch die Quarzfaser kann der Abstand B des Fokus durch Vergrößerung des Brechindex n 2 des Spülmediums 4 vergrößert werden und damit in einem ausreichendem Abstand von dem Lichtleiterkopf 21 verlegt werden.

Die beliebige Einstellung des Fokusabstandes B kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß in ein vorgegebenes Spülmedium 4 eine konzentrierte Lösung, z.B. eine Glukoselösung, eindosiert wird, und zwar so lange, bis der gewünschte Abstand B des Fokus erreicht ist.

Claims (5)

1. Verfahren zum Erzeugen von Stoßwellen intrakorporal als Folge eines laserinduzierten Durchbruches in einem geeigneten Spülmedium zum Zwecke der Zertrümmerung von Gegenständen mit einem von einem Lichtleiter übertragenen Laserstrahl, wobei der Laserstrahl mittels linsenförmig ausgebildten Lichtleiterkopfes auf einen vor dem Lichtleiterkopf liegenden Durchbruchspunkt fokussiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (B) des Fokus (F) des Lichtleiterkopfes (21) für die Laserstrahlen und damit der laserinduzierbare Durchbruchspunkt durch Variation des Brechindexes (n 2) des den Lichtleiterkopf (21) umgebenden Spülmediums (4) verändert und eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechindex (n 2) des Spülmediums (4) durch Änderung der Konzentration, Zusammensetzung und/oder Änderung der Temperatur desselben eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Spülmedium ein Medium mit einem größeren Brechindex (n 2) als demjenigen einer physiologischen Kochsalzlösung verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Spülmedium eine Zuckerlösung verwendet wird, deren Zuckergehalt und/oder Temperatur eingestellt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Spülmedium eine Salzlösung verwendet wird, deren Salzgehalt und/oder Temperatur verändert wird.