DE3934646A1

DE3934646A1 - Verfahren und vorrichtung zur leistungs- bzw. pulsenergiesteuerung bei der lasermaterialbearbeitung organischer materialien

Info

Publication number: DE3934646A1
Application number: DE3934646A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Prof Dr Mueller; Thomas Dipl Phys Brodzinski
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Dornier Medizintechnik GmbH
Priority date: 1989-10-17
Filing date: 1989-10-17
Publication date: 1991-04-25
Also published as: DE3934646C2

Description

Aufgabenstellung

Bei der Anwendung von kontinuierlicher oder lang gepulster Laserstrahlung auf organische Substanzen entstehen je nach Dauer der Einwirkzeit verschiedene thermische Effekte in Form einer Reaktionskaskade, die mit der Temperaturerhöhung in einem bestimmten Volumen beginnen. Die Temperaturerhöhung und die Größe des aufgeheizten Volumens hängen ab von der Absorption der eingestrahlten Laserwellenlänge durch die bestrahlte Substanz, von der Wärmeleitung in der Substanz und von der Reaktion der bestrahlten Substanz selbst, wie Phasenübergänge, Schmelzen oder Verdampfen, Austrocknen oder Verbrennen.

Bei Anwendung von Laserstrahlung im Bereich von 100 bis 20 000 nm und der Bestrahlung von biologischem Gewebe folgen mit zunehmender Intensität oder Bestrahlungsdauer folgende Reaktionen aufeinander:

Aufwärmen, Gewebeverschweißen, Koagulieren, Austrocknen, partielle Verbrennung (Karbonisation, Pyrolyse) und Verdampfen. Die letzten beiden Reaktionen treten beim Laserschneiden auf, wobei das Ziel in einer kontrollierten Verdampfung ohne partieller Zersetzung oder Verbrennung liegt und die Bildung von Pyrolyseprodukten unerwünscht ist.

Stand der Technik

Laserbestrahlung zum Zwecke des Laserschneidens wird heute in der Materialbearbeitung und der Medizin vielfältig bei unterschiedlichen Substanzen eingesetzt. Ziel ist die Steuerung der Laserleistung oder Laserpulsenergie und Wiederholrate derart, daß auch kleinste Strukturen ohne thermische Schädigung der anliegenden Bereiche mit sauberen Schnitträndern ohne Anhaften von Pyrolyseprodukten geschnitten werden können. Insbesondere beim Laserschneiden unterschiedlicher biologischer Gewebe fördert das Vermeiden von thermischen Schädigungszonen und von Karbonisationsrändern längs des Schnittkanals entscheidend den Heilungsprozeß. Die grundsätzliche Bestimmung der Prozeßparameter und ihres Variationsbereichs für eine bestimmte Laserwellenlänge und verschiedene Gewebearten erfolgt in umfangreichen experimentellen und tierexperimentellen Untersuchungen.

In der praktischen Anwendung wird basierend auf diesen Ergebnissen die Laserleistung oder Bestrahlungsstärke nach dem visuellen Eindruck beim Schneiden manuell variiert und die entstandenen Karbonisationszonen notfalls anschließend entfernt.

Beim Prozeß des Koagulierens von biologischem Gewebe, d. h. der Bestrahlung ohne Schneiden, ist ein Verfahren zur Steuerung der Bestrahlungsstärke bekannt, das auf der Autofluoreszenz des biologischen Gewebes beruht. In der DE 38 13 918 A1, bzw. der DE 33 19 203 C2, ist eine Vorrichtung zur Laserbehandlung von Gewebe beschrieben, bei der ein Sensor die von dem bestrahlten Gewebe ausgehende Fluoreszenzstrahlung erfaßt und in Verbindung mit einer Spektralanalyseeinheit eine Identifizierung des Gewebes und Bestimmung der notwendigen Bestrahlungsstärke ermöglicht. Diese Fluoreszenzstrahlung tritt bei Bestrahlungsstärken auf, die kleiner als die für das Laserschneiden notwendigen Intensitäten sind.

Erfindungsgemäße Lösung

Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß mit zunehmender Bestrahlungsstärke die Fluoreszenzintensität zuerst abnimmt und beim Einsetzen der Karbonisation mit einer pyrolysebedingten Leuchterscheinung stark ansteigt. Dieser Anstieg beginnt, wenn das Wasser im Gewebe vollständig verdampft ist. Bei weiterer Bestrahlung kommt es zur Pyrolyse oder Karbonisation, die sich durch eine schlagartige Schwarzfärbung der bestrahlten Stelle und ein Aufleuchten des karbonisierten Gewebes in der Laserstrahlung bemerkbar macht. Mit dem Auftreten der ersten verkohlten Partikel setzen einzelne weiße Lichtblitze ein, die rasch in ein weißes Aufleuchten übergehen, daß bei Beobachtung der Intensität einen dramatischen Signalanstieg hervorruft.

Bei einer Anordnung nach Abb. 1 wird Laserstrahlung (1) im Wellenlängenbereich von 100- 20 000 nm über ein Umlenkspiegel (2) im Freistrahl auf das zu schneidende Gewebe (3) gerichtet. Üblicherweise, aber nicht notwendigerweise, wird die Laserstrahlung mit einer Sammellinse (4) auf das Gewebe fokussiert. Der Umlenkspiegel (2) kann alternativ ebenfalls zur Fokussierung benutzt werden. Abb. 1a zeigt eine Anordnung mit einem Spiegelgelenkarm, die mit den Varianten Sammellinse (4) oder fokussierender Spiegel (2a) kombiniert werden kann.

Die entstehende Fluoreszenzstrahlung und das Pyrolyseleuchten werden bei dieser Anordnung rückwärts durch die Fokussierlinse erfaßt und an geeigneter Stelle aus dem Primärstrahlengang ausgekoppelt. Alternativ erfolgt dies durch einen teildurchlässigen Spiegel (2b) anstelle des Umlenkspiegels (2) - siehe Abb. 1b - oder durch einen zusätzlichen teildurchlässigen Umlenkspiegel (5) in Abb. 1c. Die Strahlung wird einem Sensor (6) zugeführt, der in einer einfachen Ausführung aus einer Sammellinse (7) und einem Photodetektor (8) und wahlweise dazwischen angeordnet einem Spektralapparat (9) besteht. Beim Spiegelgelenkarm oder der Anordnung von Abb. 2 mit einem Lichtwellenleiter wird die Auskopplung vorzugsweise am proximalen Ende erfolgen.

Abb. 2 zeigt eine Anordnung mit einem Lichtwellenleiter (10), in den die Laserstrahlung mit einer Linse (11) eingekoppelt wird. Die Laserstrahlung wird mit der Faser direkt (bare fiber) oder mit einer Kontaktspitze (12) - siehe Abb. 2a- auf das Gewebe appliziert.

Für die Detektion des Pyrolyseleuchtens wird die entstehende Strahlung rückwärts durch die Faser erfaßt und zwischen Laser und Einkoppellinse (11) mit einem teildurchlässigen Spiegel (5) wieder ausgekoppelt und einem Sensor (6) entsprechend Abb. 1 zugeführt. Diese Anordnung ist sowohl für das Freihand-Laserschneiden als auch für eine Benutzung in einer endoskopischen Anwendung und in Weiterführung des Erfindungsgedankens auch zum Kontaktschneiden mit Lichtleitfasern und Saphirspitzen geeignet.

Abb. 3 zeigt eine Modifikation der Anordnung nach Fig. 2 derart, daß am distalen Faserende eine Fokussierlinse (13), beispielsweise in einem Fokussierhandstück (14) angeordnet ist. Insoweit die Fasern zur Übertragung der Laserwellenlänge für die Karbonisationsstrahlung nicht transparent sind, kann wie in Abb. 4 dargestellt, parallel zum Primärstrahlengang eine Detektionsfaser (15) zur Erfassung der Karbonisationsstrahlung angeordnet werden. Diese Strahlung wird wieder einem Sensor (6) zugeführt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele verwenden einen Argon-Ionen- oder Nd : YAG-Laser als Bestrahlungslaser, bei dem die Lichtleitfaser sowohl zum Transport der Primärstrahlung als auch zur Detektion des Karbonisationsleuchtens benutzt werden kann.

Die aus dem Primärstrahlengang ausgekoppelte Karbonisationsstrahlung enthält als wesentlichen Anteil Licht im sichtbaren Spektralbereich. Der Spektralapparat (9) im Detektor (6) ist als Bandpaß ausgebildet, um das eigentliche, von den Pyrolyseprozessen des Gewebes herrührenden Nutzsignal von Störstrahlungen, wie der Umgebungsbeleuchtung und eventuell sichtbaren Primärlaserstrahlung oder Strahlung des Pilotlasers, abzutrennen.

Das Signal des Detektors (8) wird einer Signalverarbeitungseinheit (16) in Abb. 5 zugeführt, die daraus nach verschiedenen, nachfolgend beschriebenen Algorithmen ein Steuersignal ableitet. Dieses Steuersignal wird dazu benutzt, die Bestrahlungsstärke zu beeinflussen, indem entweder die Laserleistung, das Taktverhältnis oder die Pulsenergie verändert werden. Die Regelung der Laserleistung erfolgt beispielsweise über die Steuerung der Stromversorgung des Lasers bzw. der Pumplichtquelle.

Die Steuerung der Laserleistung erfolgt beispielsweise derart, daß ein vorgebbarer Anteil (Algorithmus 1) des Intensitätssignals im Sensor nicht überschritten wird (obere Grenze). Darüber hinaus ist auch der Aufbau eines selbstkalibrierenden Systems möglich, indem das bei Laserbestrahlung von Gewebe im sichtbaren Spektralbereich entstehende Fluoreszenzsignal (17) zur Kalibrierung eines floatenden Nullpunktes (Bezugswert für die untere Grenze) herangezogen wird (Abb. 6). Bei Laserstrahlung außerhalb des sichtbaren Bereichs, wie z. B. beim Nd : YAG- oder CO₂-Laser, kann eine zusätzliche Lichtquelle zur Fluoreszenzanregung benutzt werden.

Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß bei Verwendung hinreichend schneller Detektoren und bei schnell regelbaren Lasern die Fluoreszenzanregungslichtquelle auch bei Laserstrahlung außerhalb des sichtbaren Bereichs entfallen kann, indem der Intensitätspeak (18) (siehe Abb. 7) beim ersten Auftreten des pyrolytischen Leuchtens (19) zur Kalibrierung der unteren und der oberen Schwellen benutzt wird. Ein vorgehbarer Anteil, beispielsweise von einem Zehntel dieser Lichtintensität dient zur Festlegung der unteren Schneidegrenze und das dreifache als obere Grenze (Algorithmus 2). In Weiterführung des Erfindungsgedankens sind diese Faktoren zur Anpassung an unterschiedliche Gewebearten und Strahlführungssysteme vom Anwender veränderbar.

In einer weiteren Ausführungsform wird auf die Detektion des ersten Intensitätspeaks der Pyrolysestrahlung verzichtet und mitlaufend die zeitliche Veränderung der Intensität im beispielsweise 1 ms-Abstand daraufhin überprüft, ob das Meßwerttripel I, II und III im Abstand von 1, 3 und 5 ms Werte aufweist, die beispielhaft nach der Beziehung (III-I) < 2*(II-I) einen Intensitätsanstieg detektieren. Beim Erkennen des Pyrolyseleuchtens wird dieser Wert als untere Grenze festgehalten und die obere Grenze aus den Werten zu diesem Zeitpunkt aus der Beziehung 3*F*(I + III)/2 abgeleitet, wobei der Faktor F nach Erfahrungswerten des Anwenders gewebebezogen und faserabhängig vorgegeben werden kann. Fall 1 kennzeichnet den Intensitätsverlauf vor und Fall 2 beim Einsetzen des Pyrolyseleuchtens.

Claims

1. Verfahren und Vorrichtung zur Leistung- bzw. Pulsenergiesteuerung bei Lasermaterialbearbeitung, insbesondere Laserschneiden organischer Substanzen mit Laserwellenlängen im Spektralbereich von 100-20 000 nm, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Pyrolyseprozeß entstehende Leuchterscheinung als Regelsignal genutzt wird.

2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlführungssystem für die Bestrahlung gleichzeitig zur Rückführung der beim Pyrolyseprozeß entstehenden Strahlung benutzt wird.

3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung über einen Spiegelgelenkarm appliziert wird und dieselbe Optik das Pyrolyseleuchten erfaßt, das am proximalen Ende mit einem teildurchlässigen Spiegel ausgekoppelt und einem Sensor zugeführt wird.

4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung über einen Spiegelgelenkarm appliziert wird und dieselbe Optik das Pyrolyseleuchten erfaßt, das am ersten Umlenkspiegel, der für die Pyrolysestrahlung teildurchlässig ausgebildet ist, ausgekoppelt und einem Sensor zugeführt wird.

5. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung über eine Faser appliziert wird und diese Faser über dieselbe Optik das Pyrolyseleuchten erfaßt, das am proximalen Ende mit einem teildurchlässigen Spiegel ausgekoppelt und einem Sensor zugeführt wird.

6. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyrolysestrahlung nicht über dasselbe Strahlführungssystem geleitet werden kann, weil die zur Übertragung der Laserwellenlänge verwendeten Fasern oder die Beschichtungen der Spiegel im Gelenkarm im sichtbaren Spektralbereich nicht einsetzbar sind und der Sensor im Handstück angeordnet wird.

7. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyrolysestrahlung nicht über dasselbe Strahlführungssystem geleitet werden kann, weil die zur Übertragung der Laserwellenlänge verwendeten Faser oder die Beschichtungen der Spiegel im Gelenkarm im sichtbaren Spektralbereich nicht einsetzbar sind und parallel zu dieser Faser eine zweite Faser zur Detektion des Pyrolyseleuchtens verwendet wird.

8. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 oder 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyrolysestrahlung durch einen Spektralapparat von Störstrahlung getrennt und durch einen Fotodetektor in ein elektrisches Signal gewandelt wird.

9. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 8 oder 1, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal des Fotodetektors durch eine Signalverarbeitungseinheit nach verschiedenen Algorithmen in ein Steuersignal zur Regelung der Laserleistung oder der Pulsenergie verwandelt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß in einem selbstkalibrierenden System für die Festlegung der unteren Grenze für den Regelbereich die beobachtete Autofluoreszenzstrahlung als Nullinie dient.

11. Verfahren nach Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Algorithmus für die Bewertung des Fotodetektorsignals die Bestimmung des ersten Anstiegspeaks zur Festlegung der unteren Schwelle und die dreifache Intensität für die obere Schwelle dient.

12. Verfahren nach Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Algorithmus für die Bewertung des Fotodetektorsignals die laufende Intensitätsmessung mit einem zeitlichen Raster in äquidistanten Abständen dient, derart, daß bei Verknüpfung der Meßwerte I, II und III in Abb. 7 der Beginn der Pyrolyse aus der Beziehung (III-I) < 2*(II-I) als die untere Grenze und der Wert 3*F*(I + III)/2 zum gleichen Zeitpunkt als obere Grenze dient. Der Faktor F ermöglicht eine vorgebbare Modifikation in Abhängigkeit von Gewebe- und Faserart.