DE3904287C2 - Vorrichtung zum Schneiden mit Laserstrahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schneiden in Material, insbesondere Flüssigkeit enthaltende Stoffe, wie Gewebeproben mit einem scharf gebündelten Lichtstrahl nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Laserstrahlen werden heute insbesondere aufgrund der scharfen Bündelung und der hohen Leistung auch zum Schneiden in Material verwendet. So werden Laserstrahlen einerseits bei der Herstellung von Bauteilen für die Elek­ tronik, insbesondere bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen und andererseits als "chirurgisches Messer" in der Medizin, insbesondere der Augenheilkunde, eingesetzt. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, daß am Auftreffpunkt des Laserstrahles Material- bzw. Stoffverän­ derungen auftreten, die die Leistung am Auftreffpunkt stark beeinträchtigen können.

Aus der GB 2 175 737 A ist eine Vorrichtung mit zwei Laser­ quellen unterschiedlicher Wellenlänge bekannt, bei der die Strahlen beider Quellen über einen Strahlkoppler gemeinsam zeitgleich auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichtet sind. Dadurch wird die Schnittleistung des langwelligen Laserstrahls erhöht, da der kurzwellige Laserstrahl die Materialoberfläche am Arbeitsort verändert und eine vermin­ derte Reflexion bewirkt ist.

Der DE 37 14 504 A1 ist die Lehre zu entnehmen, im Infrarot­ bereich stark reflektierende Metalle, wie Kupfer, Silber oder Gold, mit einem getrennten Hilfsstrahl derart zu modifizieren, daß die Absorptionseigenschaften der Oberfläche bezüglich der Wellenlänge des Arbeitsstrahles verbessert sind. Der Hilfsstrahl muß also vor dem energie­ reicheren Arbeitsstrahl auftreffen, damit der Arbeitsstrahl besser bzw. überhaupt erst von dem zu bearbeitenden Material absorbiert und somit ein Schneiden oder Schweißen möglich ist. Dabei ist es ohne Bedeutung, auf welche Art und Weise der Hilfsstrahl und der Arbeitsstrahl miteinander koordiniert werden. Die Laserstrahlen der einzelnen Laser können sowohl gepulst und/oder kontinuierlich zur Anwendung kommen. Wird ein gepulster Laserstrahl als Hilfsstrahl zusammen mit einem kontinuierlichen Arbeitsstrahl eingesetzt, so ist der Zeitpunkt des Auftreffens des gepulsten Strahles auf das Material jeweils maßgeblich für den Beginn der Materialbearbeitung.

Auch beim Schneiden in biologischem Gewebe dient der Hilfs­ strahl der Steigerung der Schnittleistung des Arbeits­ strahls, wobei z. B. beim Einsatz eines Lasers mit Laser­ strahlen langer Impulsdauer (z. B. thermische Laser) die am Auftreffpunkt umgesetzte Energie als Wärme auch in den benachbarten Bereichen wirkt. Damit kann zwar eine gewünschte thermische Verfestigung der Schnittwände erzielt sein, aber außerhalb des Schnittes treten meist unerwünschte Materialveränderungen auf.

Werden Laser mit sehr energiereichen Laserstrahlen ver­ wendet (z. B. Festkörper-Laser), lassen sich zwar rasch Einschnitte erzielen, insbesondere bei sehr weichen Ma­ terialien sind jedoch die Schnittwände sehr instabil, da sie keine durch Wärmeeinwirkung mögliche Stabilisation erfahren haben.

Insbesondere bei viel Flüssigkeit enthaltenden Stoffen, wie Pflanzenmaterial, menschlichem oder tierischem Gewebe, tritt bei einem Einschnitt mittels eines Laserstrahles Flüssigkeit wie Blut etc. in den Schnitt ein, was zu Schwierigkeiten, insbesondere Behinderungen bei der Laseranwendung führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Schneiden mit einem scharf gebündelten Laserstrahl an­ zugeben, mit der bei hoher Effizienz, insbesondere auch Blutflüssigkeit enthaltende Gewebe geschnitten werden kön­ nen.

Diese Aufgabe wird nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung er­ möglicht die Anwendung zweier unterschiedlicher Lasertypen bei ein und demselben Schneidvorgang.

Die durch den einen Lasertyp am Auftreffpunkt des Laser­ strahles bewirkten Material- bzw. Stoffveränderungen sind bei Einwirkung des anderen Laserstrahles ohne Einfluß, so daß durch die alternierende Anwendung unterschiedlicher Laserstrahlen an ein und demselben Auftreffpunkt mit hoher Effizienz Schnitte ausgeführt werden können.

Insbesondere bei Schnitten in einem Blutflüssigkeit ent­ haltenden tierischen oder menschlichen Gewebe ist die Auf­ einanderfolge der unterschiedlichen Lasertypen vorteilhaft. Die Energie des Laserstrahles des thermischen Lasers wird im Gewebe in Braun′sche Molekularbewegung und damit in Wärme überführt. Bei geringer Leistung erfolgt eine Koagulation des Gewebes, wodurch dieses im Bereich der Schnittstelle verfestigt und ein weiterer Flüssigkeits­ austritt verhindert wird. Der dann folgende Laserstrahl des disruptiven Lasers bewirkt aufgrund seiner hohen Energie­ leistung eine Ionisation im Gewebe, wodurch Moleküle und Atome zertrümmert werden. Es wird an der Schnittstelle ein Plasma im physikalischen Sinne erzeugt. Das Plasma spei­ chert die Lichtenergie des Laserstrahles als Zwischen­ vermittler und gibt sie plötzlich in Form einer effizienten Verdampfung wieder ab. Diese bewirkt eine Sprengung und somit eine Umsetzung in mechanische Energie, wodurch das Gewebe an der Schnittstelle aufgerissen wird. Dabei ist die Umsetzung in mechanische Energie so effizient, daß um den Bereich der Schnittstelle sich das Gewebe kaum erwärmt.

Der auf den Laserstrahl des disruptiven Lasers nun wieder folgende Laserstrahl des thermischen Lasers bewirkt in der Schnittstelle die bereits erwähnte Verkochung, wodurch die Schnittwände stabilisiert und das Eintreten weiterer Flüssigkeit in den Schnitt verhindert wird.

Hat der Laserstrahl des thermischen Lasers eine erhöhte Energie, wird diese - wie schon beschrieben - wieder über die Braun′sche Molekularbewegung in Wärme überführt, wobei das Gewebe über nicht nur verkocht, sondern durch die höhere Energie auch mittels Verdampfung gesprengt wird, wodurch der durch den Laserstrahl des disruptiven Lasers gebildete Schnitt vergrößert wird. Dabei erfolgt die Verdampfung in dem durch den photodisruptiven Laserstrahl gebildeten Gewebeloch, welches als Lichtfalle das ankom­ mende Licht des thermischen Lasers auffängt und durch multiple Reflexion endgültig zur Entladung zwingt. Dadurch wird die im thermischen Laserstrahl enthaltene Energie mit hoher Effizienz umgesetzt.

Der auf den thermischen Laserstrahl wiederum folgende disruptive Laserstrahl trifft auf den Boden der ent­ standenen Sprenghöhle auf und bildet wiederum - in der be­ schriebenen Weise - einen Spalt im Boden der Sprenghöhle, der dann aufgrund der alternierenden Folge der Laser­ strahlen weiter vergrößert werden kann. Auf diese Weise wird durch die alternierende Anwendung von Laserstrahlen unterschiedlichen Typs ein präziser Schnitt beliebiger Tiefe mit stabilisierten Schnittwänden erzielt.

Zusätzlich wird bei der zweiten Anwendung des disruptiven Lasers durch die Implosionsphase nach der Explosion ein teilweises Abreißen des verkochten Gewebes und damit eine weitere Ver­ größerung der Sprenghöhle erzielt.

Die Taktfolge der Perioden, innerhalb der ein thermischer und ein disruptiver Laserstrahl wirksam wird, ist bevorzugt kleiner als 1 Sekunde.

In der Praxis hat sich herausgestellt, daß ein lückenloses aneinanderschließen der Laserstrahlen im Ausgangsstrahl bis hin zu einer Überlappung bzw. Gleichzeitigkeit der Laser­ strahlen der unterschiedlichen Lasertypen vorteilhaft sein kann.

Bevorzugt ist zwischen den Perioden des Ausgangsstrahles jeweils eine Pause vorgesehen, wobei zwei Perioden in der eingangs beschriebenen Weise zur Ausführung eines Schnittes vorteilhaft sind.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den wei­ teren Ansprüchen.

In der Zeichnung ist ein im Folgenden im einzelnen beschriebenes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Anordnung der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung aus einem thermischen Laser und einem photodisruptiven Laser,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Betriebszustände der Laser über der Zeit.

Die Vorrichtung (Fig. 1) ist in einem Ge­ häuse 1 angeordnet und besteht aus einem Gas-Laser 2 und einem Feststoff-Laser 3, deren Laserstrahlen 4, 5 über eine Spiegelanordnung 6 auf eine gemeinsame optische Achse 7 eingespiegelt werden. Hierzu wird der Laserstrahl 4 des Gas-Lasers 2 über einen ersten Spiegel 6a zur optischen Achse 7 umgelenkt und über einen auf der optischen Achse 7 angeordneten Spiegel 6b in der optischen Achse zum Ausgang 8 eingespiegelt. Der Laserstrahl 5 des Feststoff-Lasers 3 wird ebenfalls über einen ersten Spiegel 6c zur optischen Achse 7 umgelenkt und über einen auf der optischen Achse 6d liegenden Spiegel - auf der optischen Achse 7 liegend - zum Ausgang 8 umgeleitet. Dabei durchdringt der Strahl des Feststoff-Lasers den auf der optischen Achse 7 liegenden Spiegel 6b, der zu diesem Zweck durchlässig verspiegelt ist. Die Spiegel 6a bis 6d sind zur Justierung der Laser­ strahlen 4 und 5 entsprechend verstellbar aufgehängt. Der Ausgangsstrahl 9 der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann somit sowohl der Laserstrahl 4 des Gas-Lasers 2 als auch der Laserstrahl 5 des Feststoff-Lasers 3 sein.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Gas-Laser 2 ein Argon-Laser, der im wesentlichen aus einem mit Argon ge­ füllten, etwa rechteckigen Ringrohr besteht. Dieser Ring kann in drei Abschnitte gegliedert werden. Das eigentliche Laserrohr 10, das zwischen zwei Endrohren 11 mit den soge­ nannten Brewster-Fenstern liegt und der mit einer Spule 12 umgebenen Rohrstrecke 13, in der die zur Entladung notwen­ dige Energie zugeführt wird. Dabei hat der Rohrabschnitt 13, dem die Energie zugeführt wird, einen erheblich größeren Durchmesser, als das eigentliche Laserrohr 10.

Über Spulen 14 wird der Ionenstrom derart magnetisch be­ einflußt, daß die Ionen im engeren Laserrohr in eine Bahn gezwungen werden und nicht auf die Wände auftreffen; dadurch bleibt die thermische Belastung der Rohrwandung des Laserrohres gering.

An dem einen Endrohr 11 ist dem Brewster-Fenster gegenüber liegend ein Selektions-Prisma 15 angeordnet, mit der die Wellenlänge des durch den Ausgangsspiegel 16 austretenden Laserstrahles 4 in bestimmten Grenzen einstellbar ist.

Die Spule 12 dient als Hochfrequenz-Einkoppelschleife, die von einem Verstärker 17 gespeist ist. Dabei wird die Hochfrequenzenergie nur dann auf die HF-Einkoppelschleife 12 übertragen, wenn ein Steuergerät 20 ein entsprechendes Signal auf eine Steuerleitung 21 abgibt.

Mit dem Gas-Laser 2 ist ein weitgehend kontinuierlicher Ausgangsstrahl 4 erzielbar, der eine Ausgangsleistung von 2 W bis zu 100 W aufweisen kann. Im vorgesehenen Ausfüh­ rungsbeispiel ist die Dauer des Gas-Laserstrahles 4 im Be­ reich von 0,1 Sek. vorgesehen.

Der Feststoff-Laser 3 besteht aus einem Festkörper 18, bei dem Neodym in einem Yttrium-Aluminium-Oxyd-Kristallgitter vorgesehen ist. Ein derartiger YAG-Laser besteht aus einem innenverspiegelten Elipsoid 19, in dessen einer Achse der Festkörper 18 angeordnet ist. In der anderen Achse ist eine Blitzlampe 22 vorgesehen, die von einer Schaltanordnung 23 mit Energie gespeist ist. Die Schaltanordnung nimmt die Blitzlampe 22 immer dann in Betrieb, wenn das Steuergerät 20 auf den Steuerleitungen 24 ein entsprechendes Signal ab­ gibt.

Mit der Blitzentladung wird Licht in den zylindrischen Feststoffkörper 18 gepumpt, dessen axialen Stirnseiten jeweils ein Spiegel 25, 26 gegenüber liegt. Der Spiegel 26 ist halbdurchlässig beschichtet und läßt den Laserstrahl 5 durch, sobald der zwischen dem Spiegel 25 und 26 reflek­ tierte Strahl ein Energieniveau erhält, das den Durchtritt durch den Spiegel 26 möglich macht.

Mit dem Festkörper-Laser können Ausgangsenergien von 1 bis 100 Ws erzeugt werden. Da ein Feststoffkörper im wesent­ lichen nur als Impuls-Laser von sehr geringer Impulsdauer im Bereich von einer 1 ms benutzt werden kann, liegen die auftretenden Leistungen zwischen 1 und 100 KW. Im Ausfüh­ rungsbeispiel hat der Laserstrahl 5 des Festkörper-Lasers eine Impulsdauer von 0.000001 sec.

Die Vorrichtung wird über die Steuer­ einrichtung 20 in Betrieb genommen. Dabei zeigen Kontrolleuten 30 bzw. 31 die Betriebsbereitschaft der Laser 2 und 3 an. Über die Regler 32 und 33 kann die gewünschte Impulsdauer des Laserstrahles eingestellt werden. Der Regler 34 dient dabei der Einstellung der Taktfolge, mit der die beiden Laser 2 und 3 alternierend in Betrieb zu nehmen sind. Mit dem Regler 35 läßt sich schließlich eine Pausenzeit zwischen zwei aufeinander folgenden Takten einstellen. Mit den Kontrolleuchten 36 und 37 werden Störungen des einen oder anderen Lasers angezeigt.

Wie Fig. 2 zeigt, werden die beiden Laser 2 und 3 abwech­ selnd eingeschaltet und senden ihren jeweiligen Laserstrahl 4 und 5 als Ausgangsstrahl 9 durch den Ausgang 8. In Fig. 2 linke Seite ist dargestellt, daß die beiden Laser unmit­ telbar aneinander anschließend geschaltet werden, so daß sich ein Ausgangsstrahl 9 ergibt, in dem die Laserstrahlen 4, 5 abwechselnd und unmittelbar aneinander anschließend vorliegen. Ein derartiges lückenloses aneinander Anschließen der Laserstrahlen 4 und 5 kann soweit gehen, daß die Laserstrahlen 4, 5 fast gleichzeitig im Ausgangs­ strahl 9 vorliegen. Eine Überdeckung kann dabei vorteilhaft sein.

Bevorzugt ist vorgesehen, im Ausgangsstrahl eine Laser­ strahlfolge vorzusehen, die aus dem Strahl 4 des einen Lasers mit einem vorteilhaft daran anschließenden Strahl 5 des anderen Lasers und nachfolgender Pause besteht. Diese Sequenz wiederholt sich im Ausgangsstrahl entsprechend. Dabei hat sich bei insbesondere Flüssigkeit enthaltender Materie, wie menschliches oder tierisches Gewebe, als vor­ teilhaft erwiesen, zunächst den Argon-Laser 2, dann den Nd:YAG-Laser 3 zu schalten und danach eine Pause vorzu­ sehen. Diese Folge wird mit dem am Regler 34 eingestellten Takt wiederholt, der vorzugsweise kleiner als 1 sec. ist. Eine derartige Folge ist in Fig. 2, rechte Seite dar­ gestellt.

Die Anwendung unterschiedlicher Lasertypen sind insbesondere bei Schnitten in Flüssigkeit enthaltenden Geweben, wie tierische oder menschliche Gewebeproben, vorteilhaft. Hervorzuheben ist die vorteilhafte Anwendung der Vorrichtung in der Augenchirurgie. Mit der Vorrichtung lassen sich komplizierte Schnitte bei minimalen Blutungen ausführen, welche das wiederholte Schneiden mit dem Festkörperlaser stark behindern können. Dabei ist die erzielte Festigkeit der Schnittwandung vorteilhaft, die bereits durch ein leichtes Verkochen erzielt ist, ohne daß dadurch ein Heilungsprozeß angeregt wird. Hierzu ist der bei der mindestens zweimaligen Anwendung des Nd:YAG-Lasers beobachtete Implosionseffekt nach der Explosion vorteilhaft auszunutzen. Durch die Implosion wird nämlich überflüssiges verkochtes Gewebe aus der Sprenghöhle herausgerissen, was diese vorteilhaft vergrößert. Dabei ist die einzustellende Stärke des Laserstrahles wichtig. Wird zu viel Gewebe aus dem Sprengloch herausgerissen, so blutet es, wird zu wenig herausgerissen, so kommt es zur vernarbenden Verheilung. Ideal ist eben die Weiterbohrung durch den YAG-Laser mit einer Stärke, welche verkochtes Nachbargewebe nicht vollends aber zum Großteil herausreißt und die Sprenghöhle vergrößert ohne diese zum Einsturz zu bringen.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Schneiden in Material, insbesondere Flüssigkeit enthaltende Stoffe, wie Gewebeproben, mit einem scharf gebündelten Lichtstrahl (9), bestehend aus einem ersten photodisruptiven Laser (3) und einem zweiten, thermischen Laser (2), deren gebün­ delte Strahlen (4, 5) auf eine gemeinsame Schnittstelle fokussiert sind, mit einer ersten Schaltvorrichtung (17) zur Inbetriebnahme des thermischen Lasers (2), gekennzeichnet durch eine zweite Schaltvorrichtung (23) zur Inbetriebnahme des photodisruptiven Lasers (3) und durch eine gemeinsame Steuereinrichtung (20) zur alternierenden Steuerung der Schaltvorrichtungen (17, 23) in einer vorgebbaren Taktfolge, derart, daß der in der Schnittstelle auftreffende resultierende Strahl (9) der Vorrichtung aus einander abwechselnden Pulsen des einen Laserstrahls (4) und des anderen Laserstrahls (5) zusammengesetzt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Laser (2) ein Gas-Laser, vorzugsweise ein Argon-Laser ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der photodisruptive Laser ein Festkörper-Laser, insbesondere ein Neodym/YAG-Laser ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgangsstrahl (9) die Laserstrahlen (4) des einen Lasers (2) lückenlos an die Laserstrahlen (5) des anderen Lasers (3) anschließen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Laserstrahlen (4, 5) im Ausgangsstrahl (9) überlappen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsstrahl (9) aus einer Folge von jeweils von einer Pause getrennten Se­ quenzen besteht, in denen jeweils ein Laserstrahl (4) des einen Lasers (2) an einen Laserstrahl (5) des anderen Lasers (3) anschließt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Sequenz der begin­ nende Laserstrahl (4) der des thermischen Lasers (2) ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgangsstrahl (9) zwischen den Laserstrahlen (4) des einen Lasers (2) und den Laserstrahlen (5) des anderen Lasers (3) jeweils eine Pause liegt.