DE3933613A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von laserinduzierten stosswellen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von laserinduzierten stosswellen

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Description

Aufgabenstellung
Die Übertragung extrem hoher Lichtintensitä­ ten über Lichtleitsysteme, speziell Lichtleitfa­ sern, ist von besonderem Interesse, um am Ende dieser Lichtleitsysteme einen optischen Durchbruch zu erzeugen, der seinerseits als Quelle für sekundäre Stoßwellen wirkt, die z. B. zur Erosion und Zerstörung von Mate­ rialoberflächen, Membranen oder Konkre­ menten genutzt werden können. Im medizi­ nischen Anwendungsbereich werden derartig erzeugte Stoßwellen zur Zertrümmerung von Körperkonkrementen der Nieren, Blasen, Gallen, Pankreas und Speichelsteinen einge­ setzt.
Stand der Technik
Nach dem Stand der Technik ist es bekannt, kurz gepulste Lasersysteme zur Erzeugung von Stoßwellen zu benutzen. Dabei werden, insbe­ sondere zur Erzeugung von Stoßwellen im flüssigen Milieu, nach der Übertragung der Lichtpulse durch Lichtwellenleiter (3) fokus­ sierende Optiken (1) in Abb. 1 vorgesehen, bzw. Materialien in den optischen Strahlen­ gang eingebracht, die eine möglichst niedrige Durchbruchschwelle haben, sei es in Form von festen Oberflächen, wie beim sogenannten opt­ toakustischen Wandler (2) in Abb. 2, oder in Form von kleinen suspendierten Teilchen (4) in der Flüssigkeit (Abb. 3). Im Fall der Sen­ kung der Durchbruchschwelle durch zusätz­ liche Materialien wird die Stoßwelle immer an den Oberflächen dieser Materialien bzw. Teil­ chen erzeugt und kann dann erst sekundär auf die Zielstruktur wirken. Im Falle fokussieren­ der Hilfsmaßnahmen, wie distale Optiken (1) oder (5) in Abb. 4, kann im Prinzip auch die Strahlung auf die zu zerstörende Zielstruktur fokussiert und der Durchbruch direkt an der Oberfläche erreicht werden. Allerdings ist es schwierig, im Ausgang eines Lichtwellenleiters durch optische Fokussierhilfen Fokusdurch­ messer zu erreichen, die deutlich kleiner als die Ausgangsapertur des Lichtwellenleiters sind. Insbesondere dann, wenn die zusätzliche Forderung besteht, daß der Durchmesser der Fokussieroptik nicht deutlich über dem Durchmesser des Lichtwellenleiters liegen sollte, um eine hohe Flexibilität des Systems zu erreichen. Es ist weiterhin bekannt, Hoch­ intensitätslichtpulse auch direkt am Ausgang der Faser durch Aufsetzen auf die Zielstruktur zur Erzeugung von Stoßwellen zu benutzen. Allerdings kann dann der optische Durchbruch nur erreicht werden, wenn die Energiedichte (J/cm2) hoch genug ist, d. h. die Fasern hinrei­ chend dünn sind. Auf der anderen Seite ist dann einkoppelseitig die Schwierigkeit vor­ handen, hochenergetische Pulse in die Faser einzukoppeln, weil dann sehr oft die Lei­ stungsdichte im Fasereingang die Zerstör­ schwelle überschreitet. Nach dem Stand der Technik wird dieses Problem dadurch gelöst, daß Laser mit besonders langen Pulslängen benutzt werden, was zu einer Reduktion der Pulsspitzenleistung bei Erhalt der Gesamt­ energie führt. Auf der anderen Seite bringt dies das Problem mit sich, daß am Faseraus­ gang die Druckamplituden der Stoßwellen­ front dadurch geringer ausfallen, da die Ener­ gie erst über einen größeren Zeitraum aufge­ baut wird und insoweit der Wirkungsgrad der Stoßwellenzertrümmerung zurückgeht. Ein weiterer Nachteil aller bestehender Systeme, die die Stoßwelle nicht an oder in der Oberflä­ che des Zielmaterials erzeugen, liegt darin, daß der Wandlungsgrad von Laserenergie in Stoßwellenenergie deutlich kleiner als 10% ist. Erst bei Erzeugung der Stoßwelle direkt in der Zielstruktur können Wandlungswirkungsgrade von größer 60% erreicht werden.
Es soll daher ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Er­ zeugung von laserinduzierten Stoßwellen be­ schrieben werden, die in besonderer Weise den Wandlungswirkungsgrad erhöhen.
Erfindungsgemäße Lösung
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die Zerstörschwellen von optischen Lichtleitsy­ stemen sowohl an der Oberfläche als auch im Volumen nicht nur eine integrale obere Grenzleistungsdichte haben, sondern daß die Zerstörschwelle sowohl wellenlängen- als auch zeitabhängig ist. Daher wird erfindungsgemäß die Energie zur Erzeugung des optischen Durchbruches in Form von zwei oder mehr aufeinanderfolgenden Pulsen durch den Lichtwellenleiter übertragen, wobei der zeitli­ che Versatz der Einsatzpunkte der Einzelpulse durch die gewünschte Steilheit der Stoßwellen­ front bestimmt ist.
Eine zusätzliche Steigerung der übertragbaren Gesamtenergie ist dann gegeben, wenn bei­ spielsweise der zweite Puls in einem anderen Wellenlängenbereich, z. B. der ersten Harmo­ nischen des ersten Pulses liegt. In einem be­ vorzugten Ausführungsbeispiel wird daher die Strahlung eines gepulsten simultanfrequenz­ verdoppelten Nd:YAG-Lasers mit Güteschal­ tung verwendet. Neben der Tatsache, daß durch die Mehrpulsübertragung die Limitie­ rung der Übertragbarkeit von hochenergeti­ schen Laserpulsen durch Lichtleitsysteme zum Teil aufgehoben werden kann, hat sich zusätz­ lich gezeigt, daß sich bei Benutzung eines kurzwelligen Führungspulses unter Aus­ nutzung nichtlinearer optischer Effekte der Brechungsindex der Zielstruktur ändert. Die dadurch bedingte Erhöhung der Absorption verbessert die Ankopplung nachfolgender Pulse, da die Schwelle für den optischen Durchbruch des oder der nachfolgenden Pulse deutlich gesenkt wurde. Der erste Puls mit der höheren Photonenenergie zündet an der Ziel­ struktur ein Plasma, das als guter Absorber mit den nachfolgenden Pulsen "gepumpt" wird. Der dadurch erreichte größere Energieinhalt des Plasmas führt wiederum zu einer Verbes­ serung des Wirkungsgrades der Wandlung von Laserenergie in Stoßwellenenergie.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird dazu ein gütegeschalteter Nd:YAG-Laser oder ein gütegeschalteter Alexandritlaser ver­ wendet. Dabei wird die Stahlung des Lasers durch einen dem eigentlichen Lasergenerator nachgeschalteten Verdopplerkristall frequenz­ verdoppelt und in einem nachgeschalteten op­ tischen Strahlengang die Grundwelle (6) - siehe Abb. 5 - und die frequenzverdoppelte Welle (7) spektral aufgeteilt, wobei die Grundwelle über eine optische Verzöge­ rungsleitung (8) zeitlich gegenüber der fre­ quenzverdoppelten Welle verzögert wird und dann beide über einen wellenlängenselektiven Strahlteiler (10) gemeinsam auf die Eingangs­ apertur (9) des optischen Lichtwellenleiters (14) fokussiert werden. Dabei hat es sich als besonders günstig erwiesen, sowohl die Strah­ lung der Grundwelle als auch der frequenz­ verdoppelten zunächst durch eine Blende (11) hindurchtreten zu lassen, die ihrerseits über eine Abbildungslinse (13) auf die Eintrittsaper­ tur des Lichtwellenleiters abgebildet wird (Abb. 5). Dabei ist für die beiden Wellenlän­ gen darauf zu achten, daß die Blenden an op­ tisch konjugierten Punkten stehen, was insge­ samt dazu führt, daß die Strahltaille (12) der Laserstrahlung kurz vor der eigentlichen Oberfläche des Lichtwellenleiters liegt und durch die Abbildung der Blende eine Über­ strahlung des optischen Kerns des Lichtwel­ lenleiters vermieden wird. Insbesondere ergibt sich ein Vorteil des Doppel- oder Mehrpuls­ verfahrens mit unterschiedlichen Frequenzen, z. B. den harmonischen und den jeweiligen Grundemissionen, dadurch, daß durch die nichtlineare optische Brechungsindexänderung und partielle Absorptionserhöhung der Ziel­ struktur die Durchbruchschwelle für den nach­ folgenden Hauptpuls der Grundemission so weit gesenkt werden kann, daß bei Benutzung sogenannter nackter Fasern bereits die Durchbruchschwelle an der Zielstruktur er­ reicht wird und somit aufwendige optische Fo­ kussiereinheiten oder optomechanische End­ wandler entfallen können.
In Weiterführung des Erfindungsgedankens zur Steigerung der über eine Faser übertrag­ bare Pulsenergie und zur Senkung der Durch­ bruchschwelle an der Zielstruktur kann an­ stelle oder zusätzlich zur Einzelfaser ein Fa­ serbündel in Abb. 6 verwendet werden, das bei vergrößertem Gesamtquerschnitt und damit erhöhter Energieübertragung die Flexibilität des Lichtleitsystems erhält. Einen Querschnitt durch eine Ausführungsform mit 15 Fasern zeigt Abb. 7.
In einem besonderen Ausführungsbeispiel eines Multifaserkatheters, das ein solches Faserbündel enthält, kann die Technik des Mehrfachpulses auf zwei verschiedene Arten realisiert werden.
  • 1. Es wird durch einen Teil der Fasern der frequenzvervielfachte Puls als Füh­ rungspuls übertragen. Zeitverzögert werden durch die restlichen Fasern die fundamentale Wellenlänge übertragen und somit die auf der Zielstruktur ver­ besserte Ankopplung zur Stoßwellener­ zeugung genutzt.
  • 2. Bei einer zweiten Ausführungsform wird über jede Faser ein Doppel- oder Mehrfachpuls übertragen, womit die wellenlängenabhängige Erhöhung der Zerstörschwelle der Faser und damit die erhöhte Energie-Übertragungsmög­ lichkeit zusätzlich ausgenutzt wird.
Eine weitere Ausführungsform des Multifaser­ katheters weist einen Zentralkanal auf (Abb. 7), der für folgende Möglichkeiten zur Steige­ rung des Wirkungsgrades bei der Stoßwellen­ erzeugung benutzt wird:
  • 1. eine zusätzliche Faser mit großem Durchmesser, um additiv große Einzel­ pulsenergien zu übertragen zur Unter­ stützung bei der Zertrümmerung von Körperkonkrementen, insbesondere bei sogenannten "Problemsteinen".
  • 2. eine zusätzliche Faser, die bei einer vereinfachten Ausführungsform der Doppelpulsanwendung den Führungs­ puls zur Herabsetzung der Durchbruch­ schwelle überträgt, während die Fasern des Faserbündels den Einfachpuls zum Pumpen des Plasmas liefern.
  • 3. ein Dorminakörbchen zum Fixieren eines Körperkonkrementes.
  • 4. ein flexibles Endoskop zur visuellen Kontrolle des Prozesses.
  • 5. Zugabe einer Flüssigkeit zum Herab­ setzen der Durchbruchschwelle.
  • 6. Spülung oder Absaugung.
Die einzelnen Möglichkeiten können auch kombiniert oder im Wechsel benutzt werden.

Claims (17)

1. Vorrichtung zur Übertragung extrem hoher Lichtintensitäten über Lichtleit­ systeme für die Erzeugung von Stoßwellen zur Zertrümmerung von Körperkonkrementen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder nehr aufeinanderfolgende Pulse über einen Lichtwellenleiter übertragen werden, wobei der zeitliche Versatz der Einzelpulse die Steilheit der Stoßwellenfront bestimmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Puls in einem anderen Wel­ lenlängenbereich liegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein gütegeschalteter Nd:YAG- oder Alexandritlaser verwendet wird, dessen Strahlung frequenzverdoppelt, spektral aufgeteilt und die Grundwelle über eine optische Verzögerungsleitung geführt wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundwelle und die frequenzver­ doppelte Welle gemeinsam durch eine Blende hindurchtreten und auf die Ein­ trittsapertur eines Lichtwellenleiters fokussiert werden.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine dünne Faser ohne distale Fokus­ sierhilfsmittel benutzt wird und der op­ tische Durchbruch durch den höherfre­ quenten Führungspuls gezündet wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch die nachfolgenden Pulse die Laserenergie zur Auslösung der Stoßwellen in das entstandene Plasma gepumpt wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Einzelfaser ein Faserbün­ del verwendet wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß über einen Teil der Fasern der höher­ frequente Führungspuls und über die restlichen Fasern zeitverzögert die fun­ damentale Wellenlänge übertragen wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß über jede Faser ein Doppel- oder Mehrfachpuls übertragen wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Fasern - im einfachsten Fall drei Fasern - des Multifaserkathe­ ters sequentiell angesteuert werden können.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Multifaserkatheter einen Zentralka­ nal aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Zentralkanal eine zusätzliche dicke Faser zur Applikation von großen Ein­ zelpulsenergien verwendet wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß in einer vereinfachten Ausführungsform der Mehrfachpulsanwendung im Zen­ tralkanal eine Faser den Führungspuls appliziert und die Fasern des Katheters die längerwellige Pulse übertragen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Zentralkanal ein Dormakörbchen zur Fixierung eines Körperkonkrements vorgeschoben werden kann.
15. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Zentralkanal ein flexibles Endoskop zur Beobachtung des Prozesses vorge­ schoben werden kann.
16. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Zentralkanal eine Flüssigkeit zur Herabsetzung der Durchbruch­ schwelle appliziert werden kann.
17. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralkanal zur Spülung oder Ab­ saugung benutzt werden kann.
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