DE4026240A1 - Verfahren zur gewebsabtragung mittels gepulster fokussierter laserstrahlung, insbesondere zur verwendung in der neurochirurgie, sowie vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewebsabtragung mittels gepulster fokussierter Laserstrahlung, insbeson­ dere zur Verwendung in der Neurochirurgie, wobei durch die Energie der auftreffenden Laserstrahlung Gewebe abge­ tragen wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vor­ richtung zur Durchführung des Verfahrens.

In der Medizin werden seit einiger Zeit Laser für ähnli­ che und andere Zwecke eingesetzt. Der grundlegende Vor­ teil der Verwendung von gepulster Laserstrahlung gegen­ über dem Einsatz eines Skalpells besteht darin, daß das dem Gewebeabtragsbereich benachbarte Gewebe wegen der geringeren mechanischen Belastung weniger geschädigt wird.

Andererseits treten aber bei bisher für diesen Zweck verwendeten Lasern unerwünschte Nebenwirkungen auf, näm­ lich durch thermische Einwirkung hervorgerufene Carboni­ sierungen und Koagulationen an den im Gewebeabtragsbe­ reich neu entstehenden frischen Gewebeoberflächen und intrazelluläre sowie interstitielle Flüssigkeitseinlage­ rungen im Sinne eines Ödems.

Diese Nebenwirkungen sind zwar bei manchen Anwendungsfäl­ len noch zu tolerieren, in anderen klinischen Anwendun­ gen können sie aber zu nicht hinnehmbaren Komplikationen führen. Hier sind insbesondere Hirn und Nerven als sehr empfindliche Gewebe zu nennen.

Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren der ein­ gangs genannten Art zu schaffen, mit welchem eine scho­ nende Gewebsabtragung auch bei empfindlichen Geweben sicher möglich ist. Außerdem soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.

Die Lösung des ersten Teils dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs ge­ nannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Pa­ tentanspruchs 1.

Mit dem neuen Verfahren wird eine die Umgebung schonende Gewebsabtragung praktisch ohne schädigende Nebenwirkun­ gen ermöglicht, was durch die verwendete Wellenlänge der Laserstrahlung und durch Verwendung hoher Bestrahlungs­ stärken bei kurzen Pulsdauern, aber ansonsten geringen Energiedichten, erreicht wird, wobei auch noch ausrei­ chend hohe Gewebeabtragsraten gewährleistet sind. Nach dem bisherigen Urteil der Fachwelt sollten gepulste La­ serstrahlen dieses Wellenlängenbereiches nicht oder höch­ stens für wenige besondere Gewebe, insbesondere flüssig­ keitsarme Gewebe, wie Knochen oder Zähne, anwendbar sein, weil eine sehr starke Absorption der Laserstrah­ lung in der bei deren Anwendung auf Weichgewebe anfallen­ den Flüssigkeit auftritt und somit die Strahlung das Gewebe selbst nur noch mit verminderter Stärke erreicht, wobei diese Verminderung zudem ungleichmäßig und damit unberechenbar ist. Diesem Punkt wird u. a. durch das Er­ findungsmerkmal der stetigen Abförderung der anfallenden Flüssigkeit Rechnung getragen, womit eine Abschwächung der Strahlung nur noch in einem geringen, nicht stören­ den Umfang auftreten kann. Andererseits kann dieser Ef­ fekt der Abschwächung auch im Sinne einer Selbstbegren­ zung der Abtragung, insbesondere der Abtragungstiefe, ge­ nutzt werden, wenn z. B. mineralisiertes flüssigkeitsar­ mes Gewebe abgetragen werden soll, welches über empfind­ lichem Weichgewebe liegt. Solange die Laserstrahlung auf das flüssigkeitsarme Gewebe trifft, ist die Absorption gering und die Abtragsrate hoch; sobald das flüssigkeits­ arme Gewebe aber durchstoßen ist und die Laserstrahlung auf Weichgewebe trifft, nimmt sofort die Absorption zu und die Abtragsrate wird wesentlich geringer.

Weiter ist vorgesehen, daß gleichzeitig oder aufeinander­ folgend Laserstrahlung unterschiedlicher Wellenlängen verwendet wird. Hierdurch kann das Verfahren schnell und einfach an unterschiedliche Anwendungsfälle, z. B. ver­ schiedene Gewebe, angepaßt werden. Außerdem kann so für verschiedene Verfahrensphasen innerhalb eines Anwendungs­ falles jeweils die gerade optimale Einzelstrahlung oder Strahlungskombination ausgewählt und angewendet werden.

Um die Abschwächung der Strahlung durch Absorption in der anfallenden Flüssigkeit zu vermindern oder sogar fast ganz zu vermeiden, sieht die Erfindung vor, daß die im Gewebeabtragsbereich anfallende Flüssigkeit abgesaugt und/oder mittels wenigstens eines für die jeweils verwen­ dete Laserstrahlung durchlässigen, gerichteten Gas- oder Flüssigkeitsstrahls ausgespült wird.

Die Erfindungsausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 dient zum ersten dazu, die Menge der abzusaugenden Flüssigkeit zu begrenzen, indem ein Einströmen von Flüssigkeit in den Gewebeabtragsbereich von dessen äußerer Umgebung her verhindert wird, und zum zweiten dazu, den Gewebeabtrags­ bereich selbst besonders gründlich und zugleich schonend von die auftreffende Laserstrahlung absorbierenden Flüs­ sigkeitsanteilen freizuhalten.

Schließlich ist für das Verfahren noch vorgesehen, daß die abgesaugte Flüssigkeit bzw. das abgesaugte Flüssig­ keits-Gas-Gemisch von den mitgeführten organischen Be­ standteilen gereinigt, sterilisiert und für das Aus­ spülen rückgeführt wird. Hierdurch werden besonders saubere Verhältnisse bei der Anwendung des Verfahrens sowohl hinsichtlich des Gewebeabtragsbereiches selbst als auch hinsichtlich der bei der Verfahrensanwendung entstehenden abzuführenden Produkte erreicht.

Die Lösung des zweiten Teils der Aufgabe gelingt erfin­ dungsgemäß durch eine Vorrichtung nach dem Patentan­ spruch 6. Mit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das Verfahren problemlos ausgeführt werden und es kann bei hoher Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit eine schonende Gewebsabtragung auch an empfindlichen Geweben vorgenommen werden. Verfahren und Vorrichtung sind be­ sonders zweckmäßig im Bereich der Neurochirurgie, insbe­ sondere für Gewebsabtragungen am Hirn oder an Nerven bzw. Knochen in deren Umgebung, aber auch in weiteren medizinischen Bereichen, wie z. B. am Auge oder im Innenohr, einsetzbar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 7 bis 14 ange­ geben.

Ein Ablaufbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ein Ausführungsbeispiel der zugehörigen Vorrich­ tung werden im folgenden anhand einer Zeichnung erläu­ tert. Die Figuren der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung in Seitenansicht, teils im Längsschnitt, in Anwendung an einem Gewebe und

Fig. 2 die Vorrichtung im Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1.

Wie die Fig. 1 der Zeichnung zeigt, besteht das hier dargestellte Ausführungsbeispiel der Vorrichtung im wesentlichen aus einem nur teilweise gezeigten Laser von welchem hier nur die nach unten hin weisende Fokussier­ optik 10 sichtbar ist. Der Laser an sich ist kompakt und ortsfest angeordnet, während seine Fokussieroptik an ei­ ner Trag- und Führungseinrichtung 12 gelagert ist, mit­ tels welcher sie in verschiedenen räumlichen Koordinaten bewegbar ist. Dabei ist hier in der Fig. 1 eine horizon­ tale Bewegungsrichtung sowie eine vertikale Bewegungs­ richtung durch entsprechende Pfeile angedeutet. Selbst­ verständlich kann eine senkrecht zur ersten horizontalen Verschiebungsrichtung verlaufende zweite horizontale Ver­ schieblichkeit ebenfalls noch vorgesehen sein.

Die Fokussieroptik 10 befindet sich hier über einem aus­ schnittsweise dargestellten, zu bestrahlenden Gewebe 3 mit einer Gewebeoberfläche 30. Wie der Fig. 1 der Zeich­ nung weiter entnehmbar ist, trifft der aus der Fokussier­ optik 10 des Lasers austretende Laserstrahl 11 gebündelt auf das Gewebe 3 auf und bewirkt dort eine Gewebsabtra­ gung, wodurch ein kraterartiger Gewebeabtragsbereich 31 gebildet wird. Die dabei in dem Gewebeabtragsbereich 31 anfallende Flüssigkeit 32, die im wesentlichen aus Zell­ wasser, Zwischenzellflüssigkeit und Blut zusammengesetzt ist, wird stetig durch eine Absaugkanüle 21 abgesaugt, deren Mündung 21′ in unmittelbarer Nachbarschaft zum Ge­ webeabtragsbereich 31 liegt. Das hier nicht sichtbare an­ dere Ende der Absaugkanüle 21 ist hierzu mit einer ent­ fernt angeordneten, nicht dargestellten Saugpumpe ver­ bunden.

Um ein Zuströmen von Flüssigkeit 33 von außen her ent­ lang der Gewebeoberfläche 30 in den Gewebeabtragsbereich 31 zu verhindern, ist die Vorrichtung mit einem Absperr­ ring 2 ausgestattet. Dieser Absperring 2 besitzt eine ge­ schlossene Form und ist in diesem Ausführungsbeispiel kreisrund. Selbstverständlich kann dieser Absperring 2 auch eine ovale oder elliptische Form oder auch vielecki­ ge Formen aufweisen, wobei bei letzteren Formen vorzugs­ weise die Eckbereiche ausgerundet sind. Der Absperring 2 ist mit einer vorgebbaren Andruckkraft auf die Ober­ fläche 30 des Gewebes 3 flach aufgelegt und etwas in das Gewebe 3 eingedrückt. Hierdurch wird neben einer mecha­ nischen Absperrung der auf der Gewebeoberfläche 30 vor­ handenen Flüssigkeit 33 auch eine Kompressenwirkung um den Gewebeabtragsbereich 31 herum erreicht. Dadurch wird auch das Zuströmen von Flüssigkeit durch die oberen Schichten des Gewebes 3 in den Gewebeabtragsbereich 31 vermindert. Um eine genaue Einstellung der Andruckkraft des Absperringes 2 zu ermöglichen, ist dieser relativ zur Fokussieroptik 10 höhenverschieblich ausgebildet. Hierzu ist der Absperring 2 über hier zwei von dem Ring 2 nach oben verlaufende, armförmige Ringhalter 20 unter Zwischenschaltung einer Gleitführung 20′ mit einem die Fokussieroptik 10 des Lasers enthaltenen Gehäuseteil verbunden. Die Andruckkraft kann beispielsweise durch eine oder mehrere Andruckfedern, durch ein pneumatisches System oder auf magnetischem Wege erzeugt werden. Um auch bei nicht genau senkrecht zueinander verlaufender Ausrichtungen zwischen der optischen Längsachse des Laserstrahls 11 und der Gewebeoberfläche 30 einen gleich­ mäßigen Andruck des Absperringes 2 über seine ganze un­ terseitige Ringfläche zu gewährleisten, ist der Absperr­ ring 2 gelenkig mit seinen Ringhaltern 20 verbunden. Außerdem sind diese einzeln in der Höhe verschiebbar, so daß auch Winkelfehlstellungen zwischen der optischen Längsachse des Laserstrahls 11 und der Gewebeoberfläche 3 in einem gewissen Bereich selbsttätig ausgeglichen werden.

Um die innerhalb des Gewebeabtragsbereiches 31 anfallen­ de Flüssigkeit 32 noch intensiver aus dem Gewebeabtrags­ bereich 31 zu entfernen und um so die durch diese verur­ sachte Absorption und damit Schwächung des Laserstrahls 11 zu vermindern, ist eine Spülkanüle 22 vorgesehen. Durch diese Spülkanüle 22 kann ein Spülfluid, beispiels­ weise Gas oder eine geeignete, für die jeweils verwende­ te Laserstrahlung durchlässige Spülflüssigkeit, in das Innere des Absperringes 2 geleitet werden. Die Spülkanü­ le verläuft dabei zumindest in ihrem letzten Teil zur Erzielung eines gerichteten Fluidstrahles gradlinig so­ wie unter einem Winkel größer als 60° zur Gewebeoberflä­ che 30, wodurch bestimmte, günstige Strömungsverhältnis­ se innerhalb des Absperringes 2 erzielt werden, die hier durch Strömungspfeile in ihrem Verlauf angedeutet sind. Von dem Spülfluid wird die innerhalb des Gewebeabtrags­ bereiches 31 anfallende Flüssigkeit 32 wirksam mitgenom­ men und der Mündung 21′ der Absaugkanüle 21 zugeführt. Die Mündung 21′ der Absaugkanüle 21 ist durch einen schrägen Anschnitt der Kanüle 21 gebildet, wobei die Schnittfläche annähernd in Richtung der neu entstehenden seitlichen Oberfläche des Gewebeabtragsbereiches 31 ver­ läuft. Die Mündung 22′ der Spülkanüle 22 ist ebenfalls durch einen Anschnitt gebildet, wobei dessen Richtung hier so gewählt ist, daß die Kanülenmündung 22′ ober­ seitig abgedeckt ist, so daß ein Austritt von Spülflüs­ sigkeit oder -gas nach oben hin in Richtung zur Fokus­ sieroptik 10 vermieden wird.

Um auch andere räumliche Lagen als die dargestellte hori­ zontale Lage der Gewebeoberflfäche 30 ermöglichen zu kön­ nen, ist ergänzend der Absperring 2 oberseitig mit einer flüssigkeitsdichten, jedoch für die jeweils verwendete Laserstrahlung durchlässigen Abdeckung 23 versehen, die hier in Fig. 1 dargestellt ist. Hierdurch wird ein ge­ schlossener Raum innerhalb des Absperringes 2 gebildet, so daß in jeder beliebigen räumlichen Lage der gewünsch­ te Absperreffekt erzielt wird. Dabei kann die Abdeckung 23 auch so ausgebildet sein, daß sie für den Laserstrahl 11 als Linse wirkt und so zur Fokussierung beiträgt.

Fig. 2 der Zeichnung zeigt im Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1 insbesondere die Gestaltung des Ab­ sperringes 2. Wie schon erwähnt, ist der Absperring 2 hier im Horizontalschnitt gesehen kreisringförmig ausge­ bildet und umschließt konzentrisch den Gewebeabtragsbe­ reich 31. Im Zentrum und tiefsten Punkt des Gewebeab­ tragsbereiches 31 sammelt sich die bei der Gewebsabtra­ gung durch den Laserstrahl anfallende Flüssigkeit 32 und wird von dort, unterstützt durch das Spülfluid, mittels der Absaugkanüle 21 durch deren innerhalb des Ringes 2 liegende Mündung 21′ abgesaugt, wie dies hier ebenfalls durch Strömungspfeile angedeutet ist.

Der Gewebeabtragsbereich 31 hat dabei einen minimalen Durchmesser von weniger als 1 mm und dementsprechend liegt der lichte Durchmesser des Absperringes 2 typi­ scherweise im Bereich von etwa 2-10 mm, so daß sehr exakt umgrenzte, kleinräumige Gewebsabtragungen ermög­ licht werden.

Im Hintergrund der Fig. 2 liegt ein Ausschnitt des be­ strahlten Gewebes 3, das hier von einer dünnen Schicht der Flüssigkeit 33 bedeckt ist. Diese Flüssigkeit 33 wird durch den Absperring 2 daran gehindert, in das Inne­ re des Gewebeabtragsbereiches 31 einzuströmen.

In der Zeichnung ist die Vorrichtung in einer bevorzug­ ten Orientierung dargestellt, bei welcher der Laser­ strahl 11 mit seiner optischen Längsachse im wesentli­ chen vertikal von oben nach unten verläuft und die Gewe­ beoberfläche 30 im wesentlichen eine horizontale Ebene bildet. Selbstverständlich sind auch andere räumliche Ausrichtungen denkbar, solange extreme Neigungswinkel nicht überschritten werden, bei welchen die beschriebe­ nen Strömungsverhältnisse nicht mehr erzeugbar sind, da sie durch entgegenwirkende Schwerkrafteinwirkungen gestört werden.

Claims (14)

1. Verfahren zur Gewebsabtragung mittels gepulster fokussierter Laserstrahlung, insbesondere zur Ver­ wendung in der Neurochirurgie, wobei durch die Ener­ gie der auftreffenden Laserstrahlung Gewebe abgetra­ gen wird, dadurch gekennzeichnet,

• - daß Laserstrahlung des fernen UV-Bereiches mit Wel­ lenlängen im Bereich von um 193 nm bis um 351 nm und/oder des IR-Bereiches mit Wellenlängen um 2 bis 3 µm oder um 10,6 µm verwendet wird,
• - daß eine Bestrahlungsstärke zwischen dem Zweifa­ chen und Zehnfachen der Schwellenbestrahlungsstär­ ke angewendet wird und
• - daß während der Bestrahlung die im Gewebeabtrags­ bereich anfallende, im wesentlichen aus Zellwas­ ser, Zwischenzellflüssigkeit und Blut gebildete Flüssigkeit stetig aus dem Gewebeabtragsbereich abgefördert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig oder aufeinanderfolgend Laserstrah­ lung unterschiedlicher Wellenlängen verwendet wird.

3. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Gewebeabtrags­ bereich anfallende Flüssigkeit abgesaugt und/oder mittels wenigstens eines für die jeweils verwendete Laserstrahlung durchlässigen, gerichteten Gas- oder Flüssigkeitsstrahls ausgespült wird.

4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Gewebeabtrags­ bereich umgebender Gewebeoberflächenbereich gegen von außen zuströmende Flüssigkeit ohne Unterbrechung des Laserstrahls mechanisch abgesperrt wird, daß die Flüssigkeitsabsaugung aus dem Inneren des abgesperr­ ten Gewebeoberflächenbereiches erfolgt und daß der Gas- oder Flüssigkeitsstrahl unter einem Neigungs­ winkel größer als 60° gegen die Gewebeoberfläche in das Innere des abgesperrten Gewebeoberflächenberei­ ches gerichtet wird.

5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die abgesaugte Flüs­ sigkeit bzw. das abgesaugte Flüssigkeits-Gas-Gemisch von den mitgeführten organischen Bestandteilen gerei­ nigt, sterilisiert und für das Ausspülen rückgeführt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, mit wenig­ stens einem gepulsten Laser mit einer nachge­ schalteten Fokussieroptik (10), dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Laser ein UV-Laser ist, dessen Strahlung im Wellenlängenbereich von um 193 nm bis um 351 nm liegt, oder ein IR-Laser ist, dessen Strahlung im Wellenlängenbereich um 2 bis 3 µm oder um 10,6 µm liegt,
• - daß dem Laser eine Regeleinrichtung für die Regelung der Bestrahlungsstärke mittels Verände­ rung der Pulswiederholungsfrequenz und/oder Puls­ folgenlänge zugeordnet ist, und
• - daß eine Abförderungseinrichtung für die im Gewebe­ abtragsbereich (31) anfallende Flüssigkeit (32) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch mehrere parallel betreibbare Laser unterschiedlicher Wellenlängen, deren Strahlen zu einem gemeinsamen Laserstrahl (11) zusammenführbar sind.

8. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet daß die Abförderein­ richtung wenigstens eine Absaugkanüle (21), die aus­ serhalb des Laserstrahls (11) endend in die unmittel­ bare Nachbarschaft des Gewebeabtragsbereiches (31) geführt ist, sowie eine Spüleinrichtung mit wenig­ stens einer Spülkanüle (22), die zu einem Punkt seit­ lich oberhalb des Gewebeabtragsbereiches (31) ge­ führt ist und durch welche ein für die jeweils ver­ wendete Laserstrahlung durchlässiger, gerichteter Gas- oder Flüssigkeitsstrahl in den Gewebeabtragsbe­ reich (31) leitbar ist, umfaßt.

9. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch einen Absperring (2), in den die Absaugkanüle (21) mündet, der mit letzterer verbunden ist und der mit einer vorgebbaren Andruck­ kraft flach auf den den Gewebeabtragsbereich (31) umgebenden Gewebeoberflächenbereich (30) auflegbar ist, wobei die Spülkanüle (22) zumindest in ihrem Endbereich unter einem Winkel größer als 60° zur Ge­ webeoberfläche (30) verläuft und die gedachte Verlän­ gerung der Spülkanüle (22) in das Innere des Absper­ ringes (2) weist.

10. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch eine mit der Absaugka­ nüle (21) und mit der Spülkanüle (22) verbundene Pump- und Aufbereitungseinrichtung, mittels welcher die abgesaugte Flüssigkeit bzw. das abgesaugte Flüs­ sigkeits-Gas-Gemisch von den mitgeführten organi­ schen Bestandteilen reinigbar, sterilisierbar und zur Spülkanüle (22) rückführbar ist.

11. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierop­ tik(en) (10) des/der Laser(s), der Absperring (2) mit der Absaugkanüle (21) und die Spülkanüle (22) an einer gemeinsamen Trag- und Führungseinrichtung (12) angeordnet und gemeinsam relativ zu einem zu be­ strahlenden Gewebebereich (3) bewegbar sind.

12. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Absperring (2) mit der Fokussieroptik (10) über eine eigene Halterung (20, 20′) höhenverschieblich sowie kippbeweglich verbunden ist und daß die Absaugkanüle (21) und die Spülkanüle (22) in Gleitführungen (13) verschieblich gehalten und/oder zumindest in Teilbereichen ihrer Länge flexibel ausgeführt sind.

13. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Absperring (2) oberseitig mit einer flüssigkeitsdichten, für die jeweils verwendete Laserstrahlung durchlässigen Abdeckung (23) versehen ist, wobei sowohl die Absaugkanüle (21) als auch die Spülkanüle (22) in den von dem Absperring (2) und dessen Abdeckung gebildeten Raum münden.

14. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (23) als Linse für den Laserstrahl (11) ausgebildet ist.