DE3933613C2

DE3933613C2 - Vorrichtung zur Erzeugung von laserinduzierten Stoßwellen

Info

Publication number: DE3933613C2
Application number: DE19893933613
Authority: DE
Inventors: Gerhard Prof Dr Mueller; Juergen Dipl Phys Helfmann; Klaus Dr Doerschel; Hansjoerg Dr Albrecht
Original assignee: LASER- und MEDIZIN-TECHNOLOGIE GGMBH BERLIN 12207 BERLIN DE; Laser und Medizin Technologie GmbH
Current assignee: Clyxon Laser 12489 Berlin De GmbH
Priority date: 1989-10-07
Filing date: 1989-10-07
Publication date: 1998-10-08
Anticipated expiration: 2009-10-08
Also published as: DE3942920C2; WO1991005332A1; DE3933613A1; DE3942920A1

Description

Die Übertragung extrem hoher Lichtintensitäten über Licht leitsysteme, speziell Lichtleitfasern, ist von besonderem Interesse, um am Ende dieser Lichtleitsysteme einen opti schen Durchbruch zu erzeugen, der seinerseits als Quelle für sekundäre Stoßwellen wirkt, die z. B. zur Erosion und Zerstörung von Materialoberflächen, Membranen oder Konkre menten genutzt werden können. Im medizinischen Anwendungs bereich werden derartig erzeugte Stoßwellen zur Zertrümme rung von Körperkonkrementen der Nieren, Blasen, Gallen, Pankreas und Speichelsteinen eingesetzt.

Nach dem Stand der Technik ist es - etwa aus der STORZ- Firmenschrift "Die Welt der Endoskopie". CALCULAS: System zur laserinduzierten Stoßwellen-Lithotripsie (LISL), 9/87, LITH 8/9 - bekannt, kurz gepulste Lasersysteme zur Erzeu gung von Stoßwellen zu benutzen. Dabei werden, insbesonde re zur Erzeugung von Stoßwellen im flüssigen Milieu, nach der Übertragung der Lichtpulse durch Lichtwellenleiter (3) fokussierende Optiken (1) in Abb. 1 vorgesehen, bzw. Mate rialien in den optischen Strahlengang eingebracht, die ei ne möglichst niedrige Durchbruchschwelle haben, sei es in Form von festen Oberflächen, wie beim sogenannten optoaku stischen Wandler (2) in Abb. 2, oder in Form von kleinen suspendierten Teilchen (4) in der Flüssigkeit (Abb. 3). Im Fall der Senkung der Durchbruchschwelle durch zusätzliche Materialien wird die Stoßwelle immer an den Oberflächen dieser Materialien bzw. Teilchen erzeugt und kann dann erst sekundär auf die Zielstruktur wirken. Im Falle fokus sierender 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 di rekt an der Oberfläche erreicht werden. Allerdings ist es schwierig, im Ausgang eines Lichtwellenleiters durch opti sche Fokussierhilfen Fokusdurchmesser zu erreichen, die deutlich kleiner als die Ausgangsapertur des Lichtwellen leiters sind. Insbesondere dann, wenn die zusätzliche For derung 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, Hochintensitätslicht pulse 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 hinreichend dünn sind. Auf der anderen Seite ist dann einkoppelseitig die Schwierigkeit vorhan den, hochenergetische Pulse in die Faser einzukoppeln, weil dann sehr oft die Leistungsdichte im Fasereingang die Zerstörschwelle überschreitet. Nach dem Stand der Technik wird dieses Problem dadurch gelöst, daß Laser mit beson ders langen Pulslängen benutzt werden, was zu einer Reduk tion der Pulsspitzenleistung bei Erhalt der Gesamtenergie führt. Auf der anderen Seite bringt dies das Problem mit sich, daß am Faserausgang die Druckamplituden der Stoßwel lenfront dadurch geringer ausfallen, da die Energie erst über einen größeren Zeitraum aufgebaut wird und insoweit der Wirkungsgrad der Stoßwellenzertrümmerung zurückgeht. Ein weiterer Nachteil aller bestehender Systeme, die die Stoßwelle nicht an oder in der Oberfläche des Zielmateri als erzeugen, liegt darin, daß der Wandlungsgrad von La serenergie in Stoßwellenenergie deutlich kleiner als 10% ist. Erst bei Erzeugung der Stoßwelle direkt in der Ziel struktur können Wandlungswirkungsgrade von größer 60% er reicht werden.

Es soll daher eine Vorrichtung zur Erzeu gung von laserinduzierten Stoßwellen beschrieben werden, die in besonderer Weise den Wandlungswirkungsgrad erhöht.

Überrraschenderweise hat sieh gezeigt, daß die Zerstör schwellen von optischen Lichtleitsystemen sowohl an der Oberfläche als auch im Volumen nicht nur eine integrale obere Grenzleistungsdichte haben, sondern, daß die Zer störschwelle sowohl wellenlängen- auch zeitabhängig ist. Daher ist erfindungsgemäß die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr auf einanderfolgende Pulse über einen Lichtwellenleiter über tragen werden, wobei der zeitliche Versatz der Einzelpulse die Steilheit der Stoßwellen front bestimmt.

Eine zusätzliche Steigerung der übertragbaren Gesamtener gie 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 Strahlung 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 vergrößerten 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 Körperkonkremententen, 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 Dormiakörbchen 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

1. Vorrichtung zur Übertragung extrem hoher Lichtinten sitäten über ein Lichtleitsystem für die Erzeugung von Stoßwellen zur Zertrümmerung von Körperkonkrementen, da durch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr aufeinanderfol gende Pulse über einen Lichtwellenleiter übertragen wer den, 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 Wellenlängenbereich liegt als der erste.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß ein gütegeschalteter Nd: YAG- oder Alexan dritlaser vorgesehen ist, dessen Strahlung frequenzverdop pelt, spektral aufgeteilt und die Grundwelle über eine op tische Verzögerungsleitung geführt wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die Grundwelle und die frequenz verdoppelte Welle gemeinsam durch eine Blende hindurchtre ten und auf die Eintrittsapertur eines Lichtwellenleiters fokussiert werden.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß eine dünne Faser ohne distale Fokussierhilfsmittel vorgesehen ist und der optische Durchbruch durch den höherfrequenten Führungspuls gezündet wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß durch die nachfolgenden Pulse die Laserenergie zur Auslösung der Stoßwellen in das ent standene Plasma gepumpt wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß anstelle der Einzelfaser ein Fa serbündel vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß über einen Teil der Fasern der höherfrequente Füh rungspuls und über die restlichen Fasern zeitverzögert die fundamentale Wellenlänge übertragen wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet, daß über jede Faser ein Doppel- oder Mehrfach puls übertragen wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß die einzelnen Fasern, insbeson dere drei Fasern, des Multifaserkatheters sequentiell an gesteuert werden.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß der Multifaserkatheter einen Zentralkanal aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß im Zentralkanal eine zusätzliche dicke Faser zur Applikation von großen Einzelpulsenergien vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß in einer vereinfachten Mehrfachpulsanwendung im Zentralkanal eine Faser den Führungspuls appliziert und die Fasern des Katheters die längerwelligen Pulse übertra gen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß im Zentralkanal ein Dormiakörbchen zur Fixierung eines Körperkonkrements vorgeschoben werden kann.

15. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß im Zentralkanal ein flexibles Endoskop zur Beob achtung des Prozesses vorgeschoben werden kann.

16. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß durch den Zentralkanal eine Flüssigkeit zur Her absetzung der Durchbruchschwelle appliziert werden kann.

17. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß der Zentralkanal zur Spülung oder Absaugung aus gebildet ist.