DE3836525A1 - Verfahren zum erzeugen von laserinduzierten stosswellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen von Stoßwellen intrakorporal als Folge eines laserinduzierten Durchbruches aus einer geeigneten Materie in einem flüssigen Spülmedium zum Zwecke der Zertrümmerung von Gegenständen mit einem von einem Lichtleiter übertragenen gepulsten Laserstrahl.

Laserinduzierte Stoßwellen werden beispielsweise zum Zwecke der Zertrümmerung von Gegenständen in Organen, Gefäßen oder dergleichen eingesetzt. Der die Laserstrahlen übertragende Lichtleiter wird mit einer Sonde in den Körper eingeführt. Die Sonde ist zweckmäßig mehrlumig mit Kanälen für die Zuführung des Spülmediums und ggf. einer Optik ausgebildet. Eine Vorrichtung zum Erzeugen laserinduzierter Stoßwellen intrakorporal enthält einen den Laserstrahl erzeugenden Laser, einen den Laserstrahl übertragenden Lichtleiter, eine das vordere Ende des Lichtleiters umgebende rohrförmige mehrlumige Sonde, die auch das Spülmedium führt, sowie im Bereich des distalen Sondenendes und des Lichtleiterkopfes für die Erzeugung des Plasma geeignete Materie für den laserinduzierten Durchbruch.

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 von einem Neodym-YAG-Laser erzeugte im IR-Wellenlängenbereich liegende 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. Die Durchbruchskatalyse, kurz Durchbruch genannt, um die Plasma-Reaktion auszulösen, erfordert eine hohe momentane Aktivationsenergie, die über der von der Plasma-Reaktion benötigten Energie liegt. Diese Aktivationsenergie zur Erzeugung des Durchbruchs wird bisher auf zwei verschiedene Weisen zum Erzeugen laserinduzierter Stoßwellen erreicht. Eine Möglichkeit ist der Einsatz eines Kopplers mit einem Wolfram-Steg als geeignetem die Plasma-Reaktion liefernden Material, wobei der Durchbruch durch Bestrahlen mit Laserstrahlen hoher Energie mit Wellenlängen aus dem Infrarot-Bereich erreicht wird. Mit dieser Anordnung wird eine sehr hohe Aktivationsenergie erreicht und die Plasma-Reaktion problemlos ausgelöst.

Eine weitere Möglichkeit zum Erzielen der gewünschten Plasma-Reaktion besteht darin, anstelle einer festen Materie in Gestalt des Kopplers eine Eisen-3-Lösung (Fe₃) mit dem Spülmedium mittels Laserstrahlen aus dem infraroten Wellenbereich zu bestrahlen. Um hierbei den Durchbruch zu erzielen, ist eine zusätzliche Bündelung des Laserstrahles zur Konzentration dessen Energie erforderlich, um in der Eisen-3-Lösung die Durchbruchskatalyse zu erzielen und damit die Plasma-Reaktion einzuleiten.

Eine laserinduzierte Stoßwellen-Therapie unter Einsatz einer Eisen-3-Lösung ist jedoch beim Menschen nicht möglich, da diese Eisen-3-Lösung hochgiftig ist.

Da bei dem laserinduzierten Durchbruch die optische Energie des Laserstrahles in mechanische und thermische Energie umgesetzt wird, wirken diese Energien jedoch auch auf einen eingesetzten Koppler bzw. den Lichtleiter zurück, so daß diese nach einer bestimmten Betriebsdauer verschlissen sind und keine Stoßwellen mehr erzeugt werden können. Die Wahrscheinlichkeit, daß plötzlich der Koppler intraoperativ, d. h. während einer Operation durch Verschleiß ausfällt, kann auf 50% geschätzt werden. 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, daß der Gegenstand nicht zertrümmerungsfähig ist und die Behandlung abgebrochen werden. Erst im nachhinein stellt man fest, daß der Koppler oder Lichtleiterkopf funktionsuntüchtig geworden waren und die Operation müßte von vorne begonnen werden. Das ist ein unzuträglicher Zustand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen Weg zum Erzielen eines katalytischen Durchbruches bei laserinduzierten Stoßwellen zu finden, der eine höhere Lebensdauer des Lichtleiter-Materie-Systems ermöglicht, die in jedem Falle zumindest eine Operationsdurchführung überdauert und die auch nicht nur allgemein, sondern auch beim Menschen anwendbar ist.

Erfindungsgemäß wird als neuer Weg der Durchbruchskatalyse für die laserinduzierte Stoßwellentherapie, intrakorporal, vorgeschlagen, daß die Materie aus der das die Stoßwelle auslösende Plasma erzeugt werden soll, mit einem UV-Laserstrahl zum Induzieren einer Ionisation, so daß Ionen gebildet werden, und mit einem IR-Laserstrahl zum Auslösen der Plasma-Reaktion (Durchbruch) bestrahlt wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Durchbruchskatalyse infolge vorhandener freier Elektronen ermöglicht wird und die für den Durchbruch benötigte Aktivationsenergie um so niedriger wird, je mehr freie Ionen vorhanden sind. Bei Einsatz eines Kopplers in Gestalt eines Wolfram-Steges werden durch den auffallenden Laserstrahl sehr schnell freie Elektronen in großer Anzahl abgegeben, so daß der katalytische Durchbruch relativ günstig, was die Energieverhältnisse angeht, erreicht werden kann. Bei Einsatz einer Eisen-3-Lösung als die das Plasma erzeugende Materie ist eine demgegenüber höhere Aktivationsenergie erforderlich, die jedoch durch Bündelung des Laserstrahles erzielt wird. Erfindungsgemäß wurde nun gefunden, daß auch eine durch ultraviolette Bestrahlung erzielbare Ionisation einer geeigneten Materie ausreicht, um eine Durchbruchskatalyse mit Hilfe eines energiereichen Laserstrahles, der im infraroten Wellenlängenbereich strahlt, zu erzielen. Damit wird es aber möglich, physiologisch verträgliche Materialien für die Plasma-Reaktion einzusetzen, wie beispielsweise Wasser, physiologische Kochsalzlösung, Zuckerlösung oder dergleichen. Die Erfindung nutzt also die Tatsache, daß der für die Erzeugung des Durchbruches benutzte energiereiche IR-Laserstrahl in der Lage ist, auch eine höhere als die bei Einsatz eines Kopplers wie Wolfram-Steg oder einer Eisen-3-Lösung benötigte Aktivationsenergie zu erreichen. Es wird erfindungsgemäß gefolgert, daß der Ionisationgrad der das Plasma erzeugenden Materie, der zum Erzielen der Durchbruchskatalyse erforderlich ist, durch Heraufsetzung der aufzubringenden Aktivationsenergie herabgesetzt werden kann. Der niedrige Ionisationsgrad, jedoch ein ausreichendes Minimum, muß nun nicht mehr durch IR-Laserstrahlen, sondern kann durch UV-Laserstrahlen erzeugt werden. Damit ist es möglich, anstelle von Wolfram oder Fe₃-Lösung physiologisch verträgliche Materien, insbesondere Flüssigkeiten einzusetzen, die durch UV-Strahlen ionisiert werden können.

Bei der erfindungsgemäßen laserinduzierten Stoßwellenerzeugung ist es möglich, den UV-Laserstrahl und den IR-Laserstrahl gleichzeitig und mit gleicher Frequenz zu pulsen und auf die Materie einwirken zu lassen. Ebenso ist es jedoch auch möglich, den UV-Laserstrahl und den IR-Laserstrahl abwechselnd zu pulsen. Der UV-Laserstrahl und der IR-Laserstrahl können problemlos durch denselben Lichtleiter geleitet werden, ggf. ist es möglich, die Bestrahlung mit einer vorlaufenden UV-Laserbestrahlung zu beginnen und dann synchron oder phasenverschoben die IR-Laserstrahlung zu überlagern.

Da der Ionisationsgrad von der Wellenlänge der UV-Strahlen abhängig ist, und zwar in der Weise, daß je kleiner die Wellenlänge, desto mehr Ionen gebildet werden, wird erfindungsgemäß mit UV-Strahlen gearbeitet, also möglichst kurz sind. Die aufgrund der geringen Wellenlänge allerdings geringere Energie der UV-Strahlen reicht nicht aus, um den katalytischen Durchbruch zu erzielen. Aus diesem Grunde wird erfindungsgemäß die für den katalytischen Durchbruch benötigte Aktivationsenergie mittels Laserstrahlen aus dem infraroten Bereich zugeführt. Je nach den gegebenen Verhältnissen wird es zweckmäßig sein, auch dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Fokussierung des UV-Laserstrahls und des IR-Laserstrahls auf einen Durchbruchsort durch einen entsprechenden Linsenschliff des Lichtleiterkopfes vorzunehmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise mit einem sogenannten Excimer-Laser zum Erzeugen der ultravioletten Laserstrahlen und mit einem Neodym-YAG-Laser oder Erbium-YAG-Laser zum Erzeugen der infraroten Laserstrahlen durchgeführt werden. Als Lichtleiter können Quarzfaserleiter, wie monofile Quarzfasern geeigneter Durchmesser eingesetzt werden, die sowohl die UV-Laserstrahlen als auch die IR-Laserstrahlen leiten können.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden keine Koppler in Gestalt von Wolfram-Stegen benötigt, die eine sehr kurze Lebensdauer aufweisen und die bereits nach kurzer Bestrahlungsdauer verschlissen sind. Durch eine Verlegung des Fokus für die IR-Strahlen und UV-Strahlen in ausreichendem Abstand vor dem Lichtleiterkopf ist es auch möglich, diesen vor einer thermischen und mechanischen Überlastung durch die induzierten Stoßwellen zu schützen, so daß auch der Lichtleiterkopf eine höhere Lebensdauer zu erwarten hat und vor frühzeitigem Verschleiß geschützt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren weist einen Weg, die laserinduzierte Stoßwelle zur intrakorporalen Therapie zur Zertrümmerung von Gegenständen, wie Nierensteinen, Gallenstein, Harnsteinen, Verkalkungen in Gefäßen, Verstopfungen, bei der Herzchirurgie und dergleichen mehr beim Menschen anzuwenden.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft erläutert. In der Fig. 1 ist das Funktionsschema für die Zertrümmerung eines harten Gegenstandes 7 durch einen mittels des Lichtleiters 2 herangeführten Laserstrahles im Prinzip dargestellt. Der Laserstrahl tritt am Lichtleiterkopf 21 aus und löst in dem Medium 4, das sich vor dem Lichtleiterkopf befindet, am Durchbruchsort 6 die Stoßwelle 11 aus, die auf den zu zertrümmernden Gegenstand 7 trifft.

Fig. 2 zeigt schematisch die Bündelung der mit dem Lichtleiter 2 herangeführten Laserstrahlen S durch den linsenförmig geschliffenen Kopf 21 des Lichtleiters, wodurch der Durchbruchsort, der durch den Fokus F bestimmt wird, soweit als möglich mit Abstand vor den Lichtleiterkopf gelegt werden kann. Der Fokusort wird sogleich durch das Verhältnis des Brechindex n 1 des Lichtleiters 2 zu dem Brechindex n 2 des den Lichtleiterkopf umgebenden Mediums, nämlich Spülmedium einschließlich erzeugender Materie 4, bestimmt.

In der Fig. 3 ist schematisch das der Erzeugung des Plasmas zugrunde liegende Energieverhältnis dargestellt. Für die Plasma-Reaktion ist eine Energie E _P erforderlich. Diese liegt über einer beliebigen Ausgangsenergie E 1. Um jedoch den Durchbruch zu erzielen, d. h. die Plasma-Reaktion auszulösen, ist eine Aktivationsenergie EA erforderlich, die über E _P liegt. Nach dem Auslösen der Plasma-Reaktion kann diese mit verringerter Energie E _P weiterlaufen. t deutet in der Fig. 3 den Zeitablauf an.

In der Fig. 4 ist schematisch eine Vorrichtung zum Erzeugen von Stoßwellen mittels UV- und IR-Laserstrahlen gemäß der Erfindung für eine intrakorporale Therapie, beispielsweise die Zertrümmerung von harten Gegenständen 7, wie eines Nierensteines, dargestellt. Für die hohe, die Durchbruchskatalyse am Durchbruchsort 6 bewirkende Energie ist der Laser 1, der eine Laserstrahlung im IR-Bereich liefert, vorgesehen, wobei der IR-Laserstrahl durch den flexiblen Lichtleiter, beispielsweise eine Quarzfaser, bis zum distalen Ende des Lichtleiters, dem Lichtleiterkopf 21, geführt wird und dort austritt. Das Ende des Lichtleiters 2 ist mit der rohrförmigen Sonde zum Einführen in die Körperhöhlen umgeben. Diese rohrförmige Sonde ist mehrlumig ausgebildet, um zumindest den Lichtleiter 2, ggf. in einem verschiebbaren Kanal aufzunehmen und auch das Spülmedium 4. Die rohrförmige Sonde 5 kann auch mit weiterem Kanal für eine Optik ausgerüstet sein. Im Bereich des proximalen Endes 51 der Sonde ist der Anschlußstutzen 8 für das Spülmedium 4, beispielsweise Wasser oder eine Zuckerlösung, vorgesehen, die aus Vorratsbehälter 83 über die Leitung 81 mittels der Pumpe 82 dosiert eingegeben wird. Das Spülmedium 4 tritt am distalen Ende 52 der Sonde 5 aus und umgibt den Lichtleiterkopf. Das Spülmedium kann selbst die plasmaerzeugende Materie bilden oder aber diese enthalten. Die Vorrichtung zum Erzeugen laserinduzierter Stoßwellen gemäß Fig. 4 ist des weiteren mit einem weiteren Laser zum Erzeugen einer UV-Laserstrahlung ausgerüstet. Die UV-Laserstrahlung des UV-Lasers 10 wird über einen weiteren Lichtleiter 15 dem Lichtleiter 2 zugeführt, so daß der UV-Laserstrahl und der IR-Laserstrahl gemeinsam durch eine einzige Quarzfaser am Ende austreten. Es ist natürlich auch möglich, umgekehrt die IR-Laserstrahlen in den die UV-Strahlung führenden Lichtleiter einzuleiten. Diese Einleitung kann, wie gestrichelt dargestellt, entweder durch koaxiale Führung erfolgen oder aber durch eine mit einer Umlenkung verbundene Einleitung des einzuführenden Laserstrahles. Eine solche Umlenkung ist beispielsweise in der Fig. 5 dargestellt, wo der von dem UV-Laser 10 erzeugte UV-Laserstrahl über den Lichtleiter 15 geführt und an einem halbdurchsichtigen Spiegel 16, so daß er koaxial in dem Lichtleiter 2, in dem der IR-Laserstrahl geführt wird, weiterläuft und bei Austritt an dem Lichtleiterkopf 21 entsprechend dem Linsenkopf an dem Durchbruchsort 6 fokussiert wird. Die Erzeugung der Stoßwelle 11 erfolgt, wie eingangs beschrieben, durch Induzierung der Ionisation des Mediums 4 mittels des UV-Laserstrahles und der Durchbruch wird durch die durch den IR-Laserstrahl zugeführte Energie erzielt, wodurch das Bilden des Plasmas eingeleitet wird.

Claims (8)

1. Verfahren zum Erzeugen von Stoßwellen intrakorporal als Folge eines laserinduzierten Durchbruches aus einer geeigneten Materie in einem flüssigen Spülmedium zum Zwecke der Zertrümmerung von Gegenständen mit einem von einem Lichtleiter übertragenen gepulsten Laserstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß die Materie, aus der das die Stoßwelle auslösende Plasma erzeugt werden soll, mit einem UV-Laserstrahl zum Induzieren einer Ionisation, so daß Ionen gebildet werden, und mit einem IR-Laserstrahl zum Auslösen der Plasma-Reaktion (Durchbruch) bestrahlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der UV-Laserstrahl und der IR-Laserstrahl gleichzeitig und mit gleicher Frequenz gepulst werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der UV-Laserstrahl und der IR-Laserstrahl abwechselnd gepulst werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der UV-Laserstrahl und der IR-Laserstrahl durch denselben Lichtleiter geleitet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die UV-Laserbestrahlung vorlaufend der IR-Laserbestrahlung begonnen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß UV-Laserstrahlen, deren Wellenlänge (λ) sehr kurz ist, angewendet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der UV-Laserstrahl und der IR-Laserstrahl auf einen Durchbruchsort fokussiert werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als das Plasma erzeugende Materie eine physiologisch unbedenkliche Materie, wie Wasser, physiologische Kochsalzlösung, Zuckerlösung oder dergleichen eingesetzt wird.