DE4030240A1

DE4030240A1 - Chirurgischer festkoerperlaser

Info

Publication number: DE4030240A1
Application number: DE19904030240
Authority: DE
Inventors: Erwin Dipl Phys Steiger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-09-25
Filing date: 1990-09-25
Publication date: 1991-02-07

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf einen repetitiv gütegeschalteten Dauerstrich- Festkörperlaser für medizinische Therapieverfahren, insbesondere für chir urgische Verfahren wie beispielsweise dem Schneiden von Hart- und/oder Weichgeweben (Photoablation) und dem Koagulieren von Weichgeweben (Photo koagulation).

Derzeit sind zahlreiche Lasersysteme auf dem Medizinmarkt, die entweder nur Hartgewebe und/oder Weichgewebe schneiden oder nur koagulieren können, je doch nicht beides gleichzeitig oder wahlweise. So ist beispielsweise der CO₂-Laser, ein Gaslaser, ein ausgezeichnetes Instrument, um chirurgische Schneidanwendungen an Hart- und/oder Weichgeweben durchzuführen. Der Nd : YAG- Laser, ein Festkörperlaser, gilt als ausgezeichneter Koagulator von Weich geweben, insbesondere bei endoskopisch-chirurgischen Anwendungen in den Hohlräumen des Menschen.

Wird Licht einer bestimmten Wellenlänge stark von Hart- und/oder Weichgewe ben absorbiert, tritt lokal eine sehr schnelle Temperaturerhöhung des Gewe bes auf, wenig Licht wird gestreut oder dringt in das Gewebe ein. Das Er gebnis ist eine örtlich scharf definierte Region, bei der Gewebematerial ablatiert wurde mit geringer lateraler und axialer Wärmeschädigung. Diese Schädigungszone ist um so geringer, je genauer die einzelnen Laserparameter, insbesondere die Dosisleistung und die Wellenlänge, an die physikalischen Eigenschaften des bestrahlten Gewebes angepaßt sind. Wird das Licht einer bestimmten Wellenlänge hingegen nur schwach von Hart- und/oder Weichgewebe absorbiert, dringt es tiefer in das Gewebe ein, wird mehrfach gestreut und erwärmt es durch diffuses Aufheizen. Dabei werden die Proteine des Gewebes denaturiert. Zurück bleibt ein milchig-weißes Gewebeareal mit scharf defi nierter Begrenzung.

Da die menschlichen Gewebearten der verschiedenen Organe räumlich sehr in homogen sind, sind die akuten und chronischen biologischen Reaktionen eines mit Laserstrahlung beaufschlagten lebenden Systems von enormer Bedeutung und können in sehr komplexer Weise von den sie initiierenden ablativen und thermischen Effekten abhängen.

Aus der Patentschrift US-47 91 927 ist ein Zwei-Wellenlängen-Laserskalpell, das sowohl eine Laserwellenlänge im nahen Infrarot-Spektralbereich als auch eine Laserwellenlänge im nahen Ultraviolett-Spektralbereich bereitstellen kann, bekannt.

Ferner sind aus der Patentschrift EP-03 39 896 Laserkristalle, die bei ei ner Anregung mit einer Blitzlampe bei Zimmertemperatur Wellenlängen im Spek tralbereich von 1-3 µm durch unterschiedliche Dotierungen des Ausgangsma terials erzeugen können, bekannt geworden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen neuen, repetitiv gütegeschalteten Dauerstrich-Festkörperlaser für medizinische Anwendungen - insbesondere für endoskopisch-chirurgische Therapieverfahren - bereitzu stellen, der gleichzeitig oder wahlweise das Schneiden von Hart- und/oder Weichgeweben und/oder das Koagulieren von Weichgeweben ermöglicht.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Festkörperlaser zum Schneiden und/oder Koagulieren von Hart- und/oder Weichgeweben vorgeschlagen.

Das Lasersystem besteht aus einer modularen Kombination von Grundmodul und Zusatzmodul.

Das Grundmodul beinhaltet als kohärente Strahlungsquelle einen hocheffizi enten Tm(Thulium)- oder Ho(Holmium)-Laseroszillator mit einem Wellenlängen bereich von 1,85-2,16 µm, einen resonatorinteren optischen Schalter (Q- Schalter), Leistungs-Steuerungselemente, eine Leistungs-Meßeinrichtung, eine Pilotlicht-Einkopplung und eine Fokussiereinheit zur Einkopplung der Laserstrahlung in eine geeignete optische Glasfaser oder in einen geeigne ten Multiglasfaser-Katheter. Das Grundmodul mit einem Wellenlängenbereich von 1,85-2,16 µm eignet sich ausgezeichnet zum Schneiden und Ablatieren von Hart- und/oder Weichgeweben, da dieser Wellenlängenbereich exakt ein relatives Absorptionsmaximum von Wasser bei ca. 1,95 µm überstreicht. Da Gewebe je nach molekularer Zusammensetzung zu 70-90% aus Wasser besteht, ist dadurch ein ausgezeichnetes Schneid- und Ablationsverhalten auf natür liche Weise vorgegeben.

Das Zusatzmodul beinhaltet einen Frequenzverdopplerkristall zur Verschie bung des fundamentalen Wellenlängenbereichs von 1,85-2,16 µm in den fre quenzverdoppelten Bereich von 0,925-1,08 µm, einen drehbaren Polarisator, eine drehbare Keilplatte, sowie einen Strahlabsorber. Optional können zu sätzlich eine Einkoppellinse und eine Anschlußmöglichkeit für eine geeig nete optische Glasfaser oder einen geeigneten Multiglasfaser-Katheter vor handen sein. Der modular aufgebaute Festkörperlaser ist somit vorteilhaft zum Schneiden und Koagulieren von Hart- und/oder Weichgeweben geeignet.

Beschreibung der Erfindung

Fig. 1: Schematische Darstellung des Grund- und Zusatzmoduls des chirurgi schen Festkörperlasers zur gleichzeitigen bzw. wahlweisen Erzeu gung von Wellenlängen im Bereich von 1,85-2,16 µm bzw. 0,925- 1,08 µm.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die heute verfügbaren medizinischen Lasersysteme - außer dem Farbstofflaser - sind Monotherapiegeräte, d. h. sie können lediglich eine bestimmte Wellen länge im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich zur Verfügung stellen. Deshalb sind für verschiedene Laser-Therapieverfahren mehrere unterschiedliche Lasersysteme wie Argon-, Nd : YAG- oder CO₂-Laser erforderlich.

Der Farbstofflaser ist im Vergleich zum Festkörperlaser jedoch funktions bedingt weiter zuverlässig und groß. Außerdem erfordert die Farbstofflö sung eine manuelle Handhabung beim Wechsel zu anderen Wellenlängenbereichen, wobei das Lösungsmittel selbst oft toxischer Natur ist. Dies ist für einen Einsatz im Operationssaal von Nachteil.

Festkörperlaser wie der Nd : YAG-Laser werden deshalb bevorzugt eingesetzt, weil sie konstruktiv einfacher und zuverlässiger sind.

Die Erfindung wird nachfolgend detailliert beschrieben.

Der modular aufgebaute Festkörperlaser zum gleichzeitigen Schneiden und Koa gulieren ist in Fig. 1 dargestellt. Das Grundmodul 1 beinhaltet wahlweise einen Tm : YAG (Thulium-dotierten Yttrium Aluminium Granat)-, einen Ho : YAG (Holmium-dotierter Yttrium Aluminium Granat)-, einen Ho : YSGG (Holmium- dotierter Yttrium Scandium Gallium Granat)-, einen Ho : Tm : Er : YLS (Holmium, Thulium, Erbium-dotierter Yttrium Lithium Flourid)-, einen Tm : YSGG (Thuli um-dotierter Yttrium Scandium Gallium Granat)-, einen Tm : Ho : YAG (Thulium, Holmium-dotierter Yttrium Aluminium Granat)-, einen Tm : Ho : Cr : YAG (Thulium, Holmium, Chrom-dotierter Yttrium Aluminium Granat)-, einen Tm : Cr : YAG (Thuli um, Chrom-dotierter Yttrium Aluminium Granat)-, einen Tm : Er : YAG (Thulium, Erbium-dotierter Yttrium Aluminium Granat)-, oder einen Tm : Er : Cr : YAG (Thuli um, Erbium, Chrom-dotierter Yttrium Aluminium Granat)-Laserstab 2 unter schiedlicher Dotierungskonzentrationen, der durch die Resonatorspiegel 3 und 3a einen Laseroszillator bildet. Wenigstens einer (hier 3a) der Reso natorspiegel ist teilreflektierend. Das Lasermedium 2 innerhalb der Reso natorkavität wird in konventioneller Weise von einer Pumplichtquelle 4, einer Dauerstrich-Bogenlampe oder einem Laserdioden-Array, angeregt, so daß kohärente Laserstrahlung durch den Spiegel 3a emittiert wird. Die Anregungs quelle 4 wird über eine geeignete Stromversorgung 5 mit Energie gespeist. Innerhalb des Resonators befindet sich ferner ein optischer Schalter 6 (Q- Schalter) aus einem nichtlinearen optischen Material (beispielsweise aus wasserfreiem KDP) zur repetitiven, hochfrequenzten Güteschaltung der konti nuierlich angeregten Laseremission. Durch Repetitionsraten der so gütege schalteten Laserstrahlung im kHz-Bereich entsteht eine quasi-kontinuierli che Ausgangsstrahlung mit leistungsüberhöhten Einzelpulsen im Pulslängen bereich von einigen hundert Nanosekunden Dauer. Die Versorgung des elektro- bzw. akusto-optischen Güteschalters erfolgt durch einen elektronischen Treiber.

Der Laserstrahl kann ferner durch eine Blende 7 in seiner lateralen Aus dehnung begrenzt werden. Dies ist vorteilhaft für die anschließende Fre quenzverdopplung der fundamentalen Laserstrahlung, da dadurch die Strahl divergenz der durch den Resonatorspiegel 3a emittierten Strahlung verrin gert wird. Der Strahlengang innerhalb des Resonators kann ferner durch ei nen Strahlschalter 8 unterbrochen werden. Die optische Leistung des Laser strahlbündels kann ferner optional über weitere optische Elemente (Polari satoren) außerhalb des Resonators eingestellt werden, wobei beispielsweise ein Polarisator fest, der andere drehbar angeordnet ist. Des weiteren kann über einen teilreflektierenden Spiegel hinter dieser Anordnung ein geringer Teil des Laserstrahls aus dem Hauptstrahlengang ausgekoppelt und mit einem lichtempfindlichen Element, beispielsweise einer Photodiode, gemessen wer den. Ein zusätzlicher Strahlteiler verhindert die Weiterleitung des Strahls während der Einstellphase der gewünschten optischen Leistung durch einen zentralen Steuerrechner.

Der Zusatzmodul 1a beinhaltet ein optisches Element 9, das den fundamenta len Wellenlängenbereich des Laserozillators 1 verschiebt. Dies kann mit einem nichtlinearen optischen Kristall erfolgen, der die Schwingungsfre quenz des einfallenden Laserlichts verdoppelt (Generator für die 2. Har monische). Hierfür können verschiedene Verdopplerkristalle verwendet wer den. Vorteilhaft wird erfindungsgemäß ein tetragonaler Chalcopyrit-Kristall - z. B. Silber-Gallium-Selenid (AgGaSe₂) oder Silber-Gallium-Sulfid (AgGaS₂) - eingesetzt. Bei der sogenannten Typ I-Phasenanpassung am harmonischen Ge nerator 9, die erfindungsgemäß zur Frequenzverdopplung der fundamentalen Laserstrahlung verwendet wird, stehen die Polaristaionsrichtungen der fun damentalen und frequenzverdoppelten Wellenlängen senkrecht aufeinander, so daß die beiden Wellenlängenbereiche von 1,85-2,16 µm bzw. 0,925-1,08 µm durch einen weiteren Polarisator 10 voneinander getrennt werden können. Das erfindungsgemäße Lasersystem kann somit so ausgelegt werden, daß ent weder beide Wellenlängenbereiche gleichzeitig zur Verfügung stehen oder eine Wellenlängenauswahl durch einfaches Drehen des optionalen Polarisators zwischen dem Betrieb "Schneiden" (1,85-2,16 µm) und dem Betrieb "Koagulie ren" (0,925-1,08 µm) getroffen werden kann. Die therapeutisch nicht ver wendbare Strahlung (fundamental oder frequenzverdoppelt) kann entweder durch einen Absorber 11 aufgefangen oder über eine optionale Linse 13a in ein weiteres optionales optisches Übertragungssystem 14a, beispielsweise eine optische Glasfaser oder einen Multiglasfaser-Katheter eingekoppelt werden und steht zusätzlich oder wahlweise für andere Therapieverfahren zur Verfügung. Ohne Polarisator 10 sind die fundamentale und die frequenzver doppelte Laserstrahlung simultan verfügbar.

Da der Strahlwinkel zwischen der fundamentalen und frequenzverdoppelten Laserstrahlung nach dem Durchgang durch den Verdopplerkristall 9 im Falle des Chalcopyrit-Kristalls klein ist, ist es möglich, beide Strahlen unter schiedlicher Wellenlänge ohne zusätzliche Justierung über eine Linse 13 gleichzeitig in dasselbe optische Übertragungssystem 14 einzukoppeln. Ein optionales dispersives Element 12 (Keilplatte) kann zusätzlich dazu ver wendet werden, beide Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen exakt kolline ar zur optischen Achse des optischen Übertragungssystems 14 auszurichten, um beide Strahlenbündel unterschiedlicher Wellenlängenbereiche mit optima lem Wirkungsgrad einzukoppeln. Die optische Glasfaser und die Einzelfasern des Multiglasfaser-Katheters sind erfindungsgemäß für beide Wellenlängen bereiche von 1,85-2,16 µm bzw. 0,925-1,08 µm vorteilhaft aus demselben Material, vorzugsweise aus wasserfreiem Quarzglasmaterial.

Claims

Repetitiv gütegeschalteter Dauerstrich-Festkörperlaser für medizinische Therapieverfahren, insbesondere für chirurgische Verfahren wie dem Schnei den von Hart- und/oder Weichgeweben und dem Koagulieren von Weichgeweben, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- 1) das Festkörper-Lasersystem besteht aus einer Kombination von Grundmodul, das kohärente Laserstrahlung zur Photoablation im fundamentalen Wellen längenbereich von 1,85-2,16 µm erzeugt, und einem Zusatzmodul, das durch Frequenzverdopplung der fundamentalen Laserstrahlung des Grundmo duls kohärente Laserstrahlung zur Photokoagulation im Wellenlängenbe reich von 0,925-1,08 µm erzeugt,
- 2) das Grundmodul des Festkörper-Lasersystems enthält als Lasermedium wahlweise einen Kristall aus Tm : YAG, Ho : YAG, Ho : YSGG, Tm : YSGG, Tm : Ho : YAG, Ho : Tm : Er : YLF, Tm : Ho : Cr : YAG, Tm : Cr : YAG, Tm : Er : YAG, Tm : Cr : YAG mit un terschiedlicher Dotierung der laseraktiven Atome des Kristalls,
- 3) das Grundmodul des Festkörper-Lasersystems enthält zur hochfrequenten repetitiven Güteschaltung der kohärenten Laserstrahlung einen optischen Schalter aus nichtlinearem optischen Material, das im Wellenlängenbe reich von 1,85-2,16 µm transparent ist,
- 4) der optische Schalter ist ein elektro- oder akusto-optischer Güteschal ter aus wasserfreiem nichtlinearen optischen Material,
- 5) die kohärente Laserstrahlung des Grundmoduls wird durch eine optische oder mechanische Blende in ihrer lateralen Ausdehnung begrenzt,
- 6) die optische Ausgangsleistung des Grundmoduls des Festkörper-Lasersy stems ist durch eine Kombination von zwei optischen Polarisatoren, wobei ein Polarisator fest, der andere drehbar angeordnet ist, kontinuierlich einstellbar,
- 7) die optische Ausgangsleistung des Grundmoduls des Festkörper-Lasersy stems ist während des Laserbetriebs kontinuierlich meßbar,
- 8) dem kohärenten Laserstrahl des Grundmoduls ist über ein optisches Um lenkelement ein sichtbarer Pilotlichtstrahl kollinear überlagert,
- 9) das Zusatzmodul des Festkörper-Lasersystems enthält zur Frequenzver dopplung des fundamentalen Wellenlängenbereichs des Grundmoduls einen tetragonalen Chalcopyrit-Kristall,
- 10) der Chalcopyrit-Kristall ist entweder AgGaSe₂ oder AgGaS₂,
- 11) das Zusatzmodul des Festkörper-Lasersystems besitzt einen optischen Po larisator, der drehbar im Hauptstrahlengang so angeordnet ist, daß seine jeweilige Stellung in Durchlässigkeit der fundamentalen und fre quenzverdoppelten Laserstrahlung regelt,
- 12) das Zusatzmodul besitzt ein optisch dispersives Element aus wasserfrei em optischen Material zur Anpassung der Strahllagen der fundamentalen und frequenzverdoppelten Laserstrahlung,
- 13) das Zusatzmodul besitzt eine Einrichtung zur Fokussierung der fundamen talen oder frequenzverdoppelten Laserstrahlung,
- 14) das Zusatzmodul besitzt eine Anschlußmöglichkeit für ein optisches Übertragungssystem,
- 15) das optische Übertragungssystem besteht aus einer optischen Einzelglas faser, einem Multiglasfaser-Kathetersystem oder anderen Glasfaser- Applikatoren aus wasserfreiem optischen Material,
- 16) das Festkörper-Lasersystem aus Grundmodul und Zusatzmodul be sitzt eine Einrichtung zur Fokussierung der fundamentalen oder frequenz verdoppelten Laserstrahlung,
- 17) das Festkörper-Lasersystem bestehend aus Grundmodul und Zusatzmodul be sitzt eine Anschlußmöglichkeit für ein optisches Übertragungssystem,
- 18) das optische Übertragungssystem besteht aus einer optischen Einzelglas faser, einem Multiglasfaser-Kathetersystem oder anderen Glasfaser- Applikatoren aus wasserfreiem optischen Material.