DE4038295A1

DE4038295A1 - Verfahren und anordnung zur zerstoerung von konkrementen

Info

Publication number: DE4038295A1
Application number: DE19904038295
Authority: DE
Inventors: Juergen Kraenert; Holger Mueller; Dieter Sonnefeld; Elke Ebert
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1990-11-28
Filing date: 1990-11-28
Publication date: 1992-06-04

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Zerstörung von Konkrementen, die an schwer zugänglichen Stellen unter Ausnutzung lichtinduzierter Stoßwellen eine Zertrümmerung fester Körper ermöglicht, wobei sie primär in der Humanmedizin aber auch in anderen materialbearbeitenden Prozessen ihre Anwendung findet.

Es sind verschiedene Lösungen bekannt, die insbesondere in der Medizin die Zerstörung von festen Körpern im menschlichen Körper mit verschiedenen Mitteln und unterschiedlichen Verfahren realisieren. Einen besonderen Stellenwert besitzt bei einigen dieser Lösungen die Ausnutzung des sogenannten "Breakdown-Effektes", eine Erkenntnis, die u. a. Munschau (Munschau, J.: Theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Erzeugung, Ausbreitung und Anwendung laserinduzierter Stoßwellen; Dissertation TU Berlin, 1981) weitestgehend wissenschaftlich verfolgte. Seine gesicherten Erkenntnisse wurden lösungsbezogen verschiedenartig konzipiert und mit unterschiedlichem Erfolg umgesetzt.

So sind in der Medizin verschiedene Verfahren zur Entfernung von Gallen- bzw. Nierensteinen bekannt, bei denen neben dem operativen Eingriff eben modernere Methoden an Bedeutung gewinnen, deren Lösungen ein Zerkleinern der Steine im menschlichen Körper so realisieren, daß die dann vorliegenden miniaturisierten Steinfrakturen auf natürlichem Wege ausscheidbar sind. Besondere erfolgreich entwickelte sich in den letzten Jahren die sogenannte Stoßwellenlithographie, bei der mittels verschiedener Erzeugungsmechanismen mechanische Stoßwellen direkt auf den Stein gerichtet oder in dessen Nähe erzeugt und dann auf ihn gerichtet werden, die den Stein zertrümmern. Die Stoßwellenerzeugung erfolgt dabei mechanisch mittels einer eingeführten Sonde mit mechanischem Schwinger, oder elektrisch mittels einer Sonde mit Funkenstrecke, aber auch explosiv mittels Sonde mit Sprengladung oder durch den erwähnten LIB (laser induced breakdown) mittels Lichtleitfaser mit endseitiger Plasmabildung oder auch extrakorporal (elektromagnetisch, piezoelektrisch). Unter allen genannten Methoden besitzt eben die Methode der "Laserinduzierten Stoßwellenlithotripsie" (LISL) wesentliche Vorteile gegenüber den anderen Methoden, wie beispielsweise in den DE-OS 36 00 730, DE-OS 37 27 003, DE-OS 35 06 249, DE-PS 25 38 960 lösungsgemäße realisiert. Bei diesen Lösungen wird ein gütegeschalteter Impulslaser in einen Lichtwellenleiter eingekoppelt, wobei letzterer bequem an den Stein, beispielsweise mittels Endoskop, herangeführt ist. Der Laserimpuls wird hier mit einem geeigneten Endstück so geformt, daß in unmittelbarer Steinnähe ein LIB erzeugt wird. Zwingend notwendig sind aber dafür Impulsbreiten des Laserimpulses im <µs-Bereich, wobei hier die erzeugten Impulsbreiten der mechanischen Wellen (je nach eingesetztem Absorber) im Bereich von 1 µs bis 5 µs mit Anstiegszeiten im ns-Bereich liegen. Die Impulsabstände der einzelnen Impulse sind je nach Erzeugungsart unterschiedlich. Bei der LISL sind jedoch nachteiligerweise nur Impulsabstände 10 ms technisch vertretbar, wobei hier lösungsgemäß die Folgefrequenz der Lampe <100 Hz ist. So benutzt die Lösung der DE-OS 37 11 086 einen gepulsten Laser, wobei nachteiligerweise hier in den Impulspausen eine Neupositionierung des Steines erforderlich ist. Weiterhin sind generell notwendige Impulszahlen zwischen ungefähr 50 bis 5000 zu realisieren. Die DE-OS 25 38 960 verwendet ebenfalls einen Q-switch-Laser. Mit dieser Lösung erfolgt die Fokussierung der Schockwelle auf ein Konkrement, wobei deren Realisierung gerätetechnisch sehr aufwendig ist und Energieverluste bei der Bereitstellung der benötigten Schockwellenenergie unvermeidbar sind. Die gerätetechnisch erzeugten Impulsfolgen gestatten außerdem keine vollständige Zertrümmerung des Konkrements. Die DE-OS 35 06 249 setzt auch einen Q-switch-Laser ein, wobei die hier realisierten Stoßwellen, die das Konkrement zerstören sollen, verlustbehaftet zum Zerstörungsort gelangen. In der entsprechenden gerätetechnischen Umsetzung nach Firmenprospekt MBB : Litholas ist ebenso die Impulsfolgefrequenz auf 30 Hz beschränkt, das bedeutet also eine Realisierung der Impulsabstände 30 ms. In der DE-PS 32 40 691 ist auf den wesentlichen Einfluß der Impulsabstände hingewiesen. Um eine Überlagerung der mechanischen Wellen im Stein zu erreichen wird lösungsbezogen, wobei eine Verringerung der Erzeugnisimpulsabstände nicht angegeben wurde, ein mechanischer Einzelimpuls aufgespalten und dessen Überlagerung über Reflexionen erreicht. Nachteilig ist allerdings, daß die Gesamtenergie dabei keineswegs wieder erreicht werden kann. Das "Gedächtnis" des Steines für einen Einzelimpuls ist bei dieser Lösung im Bereich bis 10 µs angegeben, wobei jedoch zu bemerken ist, daß die Zeit-, Druck- und Raumverhältnisse praktisch realisierbarer Messungen hohe Unsicherheiten beinhalten. Die DE-OS 36 00 730 informiert über ein Gedächtnis der Plasmablase von 50 µs bis 100 µs. Die praktische Realisierung einer Resonanzverstärkung wird nicht beschrieben. Allen genannten Lösungen, die DE-PS 32 40 691 ausgenommen, besitzen den Nachteil, daß auf eine schnellere und wirksamere Methode der Steinzerstörung mit Hilfe einer denkbaren Resonanzverstärkung der Plasmablase oder im Stein selbst verzichtet wird. Eine Überlagerung der Erzeugungsimpulse ist in keinem Falle möglich und technisch einfach realisierbar.

Die weitestgehend im Stand der Technik bekannten Anwendungen in der Medizin und Materialbearbeitung verfolgen mit ihren Lösungskonzepten, die Laserstrahlung hoher Energie und Leistung über Lichtwellenleiter an den Zerstörungsort zu führen. Es besteht allerdings die Notwendigkeit, das Laserstrahlenbündel so in den Lichtwellenleiter zu fokussieren, daß

a) die numerische Apertur der Faser nicht überschritten und
b) für eine vollständige Übertragung der Gesamtenergie/-leistung der Bündeldurchmesser an den Faserdurchmesser angepaßt wird.

Praktisch relevant sind die genannten Probleme vorwiegend für Hochleistungslaser, insbesondere für Festkörperlaser. CO₂-Laser sind für Lichtwellenleiter ungeeignet. Beide Bedingungen sind aber für Festkörperlaser prinzipiell erfüllbar. Ungeachtet dessen ist die Grenze der übertragbaren Energie bzw. Leistung durch die Zerstörungsschwelle des Lichtwellenleiters gesetzt. So werden insbesondere im Impulsfall durch die Fokussierung schnell die Grenzwerte selbst für beste Glassorten, beispielsweise für Quarz ≈1 . . . 4 GW/cm², erreicht. Bei allen bekannten Lösungen zeigt sich, daß die kritische Stelle der Einkopplung die Eintrittsfläche des Lichtwellenleiters ist, da hier der Ort der höchsten Leistungsdichte mit dem Grenzübergang zweier Medien zusammentrifft, was in der Praxis zu Plasmabildung, optischen Durchbrüchen und in der Folge zur Laserdamage der Fasereintrittsfläche führt. Da die Zerstörungsschwelle im Kernmaterial bedeutend größer als an der Eintrittsfläche ist, wird bei bekannten Lösungen versucht, die Eintrittsfläche geeignet zu gestalten. So ist mit der DE-PS 30 00 713 eine Lösung bekannt, bei der vor der Faserendfläche mittels Vakuum die Gefahr des optischen Durchbruchs verringert werden soll. Neben dem hohen apparativen Aufwand ist diese Lösung jedoch nur geeignet, die Eintrittsfläche definierter und zuverlässiger an einen Sollwert der Damageschwelle heranzuführen. Die EP-PS 03 08 604 stellt ebenfalls ein Spiegelsystem zur Einkopplung von Laserlicht in einen Lichtwellenleiter vor, wobei das Einkoppeln in Faserrichtung geschieht. Auch diese Lösung sieht keine den Schwellwert der Zerstörung heraufsetzende Einrichtung vor. Die IP-PS 55-1 53 737 offenbart eine ähnliche Lösung mit der Einkopplung in Faserrichtung, wobei lediglich eine Überwachung aller Flächen und eine geeignete Abschaltung vorgesehen ist. Eine Erhöhung der Maximalenergie/-leistung ist mit dieser Anordnung nicht möglich. Die GB-PS 21 54 017, DE-OS 38 36 377, DD-PS 2 43 123 und WO 88/01 065 stellen analoge Einkoppelsysteme mit Einkopplung längs der Faserachse vor, wobei einer genauen Justierung bzw. einem Verhindern von Randbeschädigungen des Lichtwellenleiters der Vorrang gegeben wird. Die DE-OS 35 44 136 schlägt eine Vergrößerung der Fasereintrittsfläche vor, wobei eine sich konisch verjüngende Faser zum Einsatz gelangen soll (sogenannte Fasertaper). Im Anwendungsfall eröffnen sich bei dieser Lösung vermutlich größere technologische Probleme, da praktisch jedes Faserstück einzeln unter Beachtung sich verändernder Brechzahlprofile gezogen wird.

Es sind weiterhin Lösungen bekannt, bei denen sich gütegeschaltete Laserimpulse hoher Leistung derart fokussieren lassen, daß in beliebigen Medien ein LIB auftritt. Für eine praktikable Anwendung in der Medizin ist es aber notwendig, die Fokussierung eines solchen Laserimpulses nach der Transmission über einen Lichtwellenleiter an den Ort der Steinzertrümmung zu realisieren. Die über solche Lichtwellenleiter übertragbaren Leistungsdichten mit ca. 1 GW/cm² müssen nach dem Verlassen des Lichtwellenleiters auf mehr als 10 GW/cm² erhöht werden, um einen LIB zu erreichen. Da die Apertur des Lichtwellenleiters im wesentlichen ausgenutzt wird, werden vorzugsweise vielfach Mikrolinsen in bekannten Lösungen eingesetzt. Notwendigerweise ist der Ort der LIB-Stelle dicht an der Auskoppeloptik angeordnet. In der Praxis hat sich gezeigt, daß allerdings nicht nur der Stein sondern auch die Optik von einer Zerstörung, die durch die mechanischen Stoßwellen verursacht wird, betroffen ist. So beschreibt die DE-OS 32 41 026 eine Fokussierungseinrichtung für mechanische Wellen, ohne die Art der optischen Fokussierung anzugeben. Ihr komplizierter Aufbau schließt Gefährdungen im Bereich der Stoßwellenerzeugung nicht aus. Die DE-OS 36 32 743, EP-PS 02 33 639, EP-PS 01 55 379 und DE-OS 34 43 073 beschreiben unter weiteren bekannten Lösungen die Anordnung von Linsen und deren Zuordnung zu Lichtwellenleitern, wobei die Herstellung einer Mikrolinse aus dem Lichtwellenleitermaterial, wie in der DE-OS 36 32 743 beispielsweise offenbart, als eines der kritischen Probleme nicht gelöst ist. In der US-PS 46 78 268 wird die Mikrolinsenherstellung für speziell diesen Anwendungsfall untersucht, wobei ein Schutz vor Zerstörung nicht gegeben ist. Aus verschiedenen Fachartikeln sind ferner verschiedene Mikroobjektive bekannt, bei denen ein vergrößerter Arbeitsabstand zu Lasten des äußeren Durchmessers erzielt wurde. Diese Mikroobjektive sind jedoch praktisch nicht mehr für alle Anwendungsfälle einsetzbar. Daneben wird mit teilweisem Erfolg auf eine Fokussierung ganz verzichtet. Statt dessen setzt man die LIB-Schwelle mit einem Absorber herab. Unweigerlich wird mit solch einer Lösung die Wirkung der mechanischen Welle herabgesetzt, wobei derartig angeordnete Absorber verstärkt der Zerstörung ausgesetzt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Zerstörung von Konkrementen zu schaffen, mit der Laserimpulse hoher Leistung nach deren erfolgten Transmission über einen Lichtwellenleiter, der einen geringen Kerndurchmesser besitzt, nutzbar sind, die die erforderlichen Leistungsdichten zur Erzeugung eines LIB (laser induced break-down) in einem Fluidum realisieren, wobei die Fokussieroptik einer Zerstörung durch generierte mechanische Wellen widersteht und eine optimale Zertrümmerung eines in einem Fluidum lokalisierten Konkrement garantiert ist.

Diese Aufgabe für ein Verfahren zur Zerstörung von Konkrementen, vorzugsweise zur Entfernung von Gallen- oder Nierensteinen im menschlichen Körper, bei dem in der Umgebung eines von einem Fluidum umgebenen Konkrements eine Impulsenergie aus Einzelimpulsenergie integriert wird, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die gesamte Impulsenergie aus Einzelimpulsenergien gebildet wird, deren Gesamtfrequenz aus einer Entladungsimpulsfrequenz und einer Gruppenimpulsfolgefrequenz innerhalb einer Periode eines Entladungsimpulses zusammengesetzt wird, daß in zeitlichen Abständen die Einzelimpulsenergien in Gruppen dem Konkrement zugeführt werden, wobei ein Impulsregime eine verstärkende oszillierende und in Resonanz sich aufschwingende Zerstörung des Konkrementes ermöglicht. Die elektrisch initiierte Entladungsimpulsfrequenz und die lichtinitiierte Gruppenimpulsfolgefrequenz wird variabel realisiert. Die Variation der Gruppenimpulsfolgefrequenz wird über die Regelung einer Lichteingangsenergie vorgenommen.

Eine Anordnung zur Durchführung vorstehend beschriebenen Verfahrens zur Zerstörung von Konkrementen, die aus einer optischen Lichtquelle, einem Einkoppelsystem, einem Lichtwellenleiter und einer Auskoppeloptik besteht, wobei das Einkoppelsystem aus einer Linsenkombination und einem Faserende des Lichtwellenleiters zusammengesetzt ist, bei der am anderen Faserende des Lichtwellenleiters eine Auskoppeloptik angeordnet ist, die auf das von einem Fluidum umgebende Konkrement gerichtet ist, bei der eine Sammellinse, die in einer optischen Achse im Strahlengang des Einkoppelsystems mit einer nachgeordneten Zerstreuungslinse als Linsenkombination zu verstehen ist, zur Einkopplung der von der Lichtquelle abgegebenen Lichtstrahlenbündel vorgesehen ist, bei der der Lichtwellenleiter einen kreisförmigen Faserquerschnitt besitzt, wobei der Manteldurchmesser auf seinen Faserkerndurchmesser reduziert und über seine gestreckte Länge konstant gehalten ist, bei der die Auskoppeloptik im festen Verbund mit dem Lichtwellenleiter installiert ist, wobei diese eine aus einem dielektrischen und elastischen Material bestehende fokussierende Mikrolinse ist, die vorzugsweise aus einem geeigneten Epoxidharz oder Silikonkautschuk gestaltet ist, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das dem Einkoppelsystem zugeordnete Faserende durch eine eingeschrägte Faserendfläche und durch eine rechteckige Fasereintrittsfläche charakterisiert ist, daß die Auskoppeloptik an ihrem Lichtaustrittsende einen Querschnitt besitzt, der nicht wesentlich größer als der Faserquerschnitt des Lichtwellenleiters ist, daß innerhalb der optischen Lichtquelle ein passiver Güteschalter eingesetzt ist, der mit einem farbzentrendatierten LiF-Kristall realisiert ist.

Das dem Einkoppelsystem zugeordnete Faserende des Lichtwellenleiters mit der Brechzahl n_G seines Faserkernmaterials ist ein abgeschnittener Zylinder, der durch die verschiedenen mathematischen Beziehungen:

charakterisiert ist. Der äußere Manteldurchmesser des Lichtwellenleiters ist vertikal in einer Ordinatenrichtung, und eine nicht abgeschnittene äußere Mantellinie des Lichtwellenleiters ist horizontal in einer Abzissenrichtung angeordnet, wobei diese Mantellinse im rechten Winkel auf dem äußeren Manteldurchmesser sitzt und den Koordinatenursprung schneidet. Die Mantellinie ist von einer Strecke eingegrenzt, die durch einen Endpunkt begrenzt ist. Der äußere Manteldurchmesser ist durch eine Strecke dargestellt. Die beiden Strecken und sind von einem spitzen Winkel eingeschlossen. Ein kreisförmiger Lichtstrahlquerschnitt, der sich aus dem ausgekoppelten Lichtstrahlenbündel der Linsenkombination ergibt, ist auf einen Teil der Fasereintrittsfläche mit einer Länge, die durch eine Strecke dargestellt ist, abgebildet. Ein weiterer zur Fasereintrittsfläche gehörender Querschnitt ist mit einer Länge dem vorgenannten Querschnitt nachgeordnet. Durch einen Punkt, der die Strecke in die beiden Strecken und unterteilt, tritt ein am äußeren Rand des Lichtstrahlquerschnittes lokalisierter Lichtstrahl durch die Fasereintrittsfläche ein, der innerhalb des Lichtwellenleiters in Richtung des Punktes, der auf die Ordinate liegt und den äußeren Manteldurchmesser begrenzt, von der gegenüberliegenden Mantelseite in den Lichtwellenleiter hinein reflektiert ist. Zwischen jeden einzelnen an der Fasereintrittsfläche eingekoppelten Lichtstrahl in den Lichtwellenleiter und einem außerhalb der Fasereintrittsfläche in einem ihrer Lichteintrittspunkte auf der Strecke gefällten Lot ist ein spitzer Winkel eingeschlossen.

Die eingeschrägte Faserendfläche ist durch eine numerische Apertur NA<0,4 charakterisiert, wobei die Einkopplung des vorzugsweise niederaperturigen Lichtstrahlenbündels unter einem Winkel zwischen 25° und 30° vorgesehen ist.

Mit der Mikrolinse ist eine Brennweite 5 mm realisierbar.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die erfinderische Lösung eine Systemlösung anbietet, die bei geringem technologischen Aufwand und praktikabler Handhabung von Laserquelle und Lichtwellenleiter eine effektive und sichere Zerstörung von Konkrementen in einem Fluidium unter minimalem zeitlichen Aufwand ermöglicht. Mit ihr sind Laserimpulse hoher Leistung nach deren Transmission über einen Lichtwellenleiter nutzbar, wobei ein Lichtwellenleiter mit einem Kerndurchmesser geringer Weite nutzbar ist. Die Laserimpulse realisieren die erforderlichen Leistungsdichten zur Erzeugung eines LIB in unmittelbarer Nähe des zu zerstörenden Konkrementes. Die einzusetzende Fokussieroptik wird von einer Zerstörung, die durch generierte mechanische Wellen provoziert ist, verschont. Die erfinderische Lösung bietet die optimale Zertrümmerung des Konkrementes an. Vorteilhaft ist bei dieser Lösung weiterhin eine wesentlich günstigere Ausnutzung der Lampenlebensdauer (Laserpuls/Lampenpuls bis 10 : 1) sowie ein höherer Wirkungsgrad des Lasersystems.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 die erfindungsgemäße Anordnung zur Zerstörung von Konkrementen;

Fig. 2 das dem Einkoppelsystem zugeordnete Faserende des Lichtwellenleiters der erfindungsgemäßen Anordnung;

Fig. 3 die modifizierte erfindungsgemäße Anordnung.

Ein Q-switch-Laser wird derart beschrieben, daß bei feststehenden Einzelimpulsenergien die Gesamtfrequenz des Lasers sich aus einer Folgefrequenz der Entladungslampe, bei der ≲100 Hz entsprechend die Impulsabstände im ms-Bereich sind, und einer Gruppenfrequenz innerhalb eines Lampenimpulses im Bereich von 10 µs bis 200 µs zusammensetzt. Die gesamte Impulsenergie, die aus Einzelimpulsenergien gebildet und deren Gesamtfrequenz sich aus einer Entladungsimpuls- und einer Gruppenimpulsfolgefrequenz innerhalb einer Periode eines Entladungsimpulses zusammensetzt, wird in der Umgebung eines sich in Flüssigkeit befindlichen Steins integriert. Die Einzelimpulsenergien sind dabei gruppenweise in zeitlichen Abständen vertreten. Diese Impulsgruppen werden an den Ort der Steinzertrümmerung in eine Flüssigkeit geleitet. Durch die Impulsabstände innerhalb einer Gruppe kommt es sowohl in einer Plasmablase als auch auf der Steinoberfläche zu einer die Wirkung verstärkenden oszillierenden und in Resonanz sich aufschwingenden Steinzerstörung. Die Erzeugung derartiger Impulsregime wird durch die Verwendung eines gütegesteuerten Lasers mittels passiven Schalters möglich. Die Variation der Gruppenimpulsfolgefrequenz erfolgt über die Regelung der Lasereingangsenergie. Sowohl die elektrisch initiierte Entladungsimpulsfrequenz als auch die laserinitiierte Gruppenimpulsfolgefrequenz sind variierbar. Für sinnvolle Einzelimpulsenergien mit beispielsweise 100 mJ wird über die Wahl des Reflektionsgrades eines Auskoppelspiegels gesorgt. In einer gerätetechnischen Umsetzung sollte die Laserausgangsenergie über eine Modenblende oder einen Abschwächer regulierbar sein. Die beispielgemäße Umsetzung sieht überdies einen Impulsabstand der Lampenentladung von 51 ms und eine Halbwertbreite der Laserimpulse von ungefähr 15 ns bis 20 ns vor.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung besteht aus einer optischen Lichtquelle 1, die der erwähnte Q-switch-Laser verkörpert, einem Einkoppelsystem 3, einem Lichtwellenleiter 6 und einer Auskoppeloptik 8. Das Einkoppelsystem 3 setzt sich aus einer Linsenkombination und einem Faserende des Lichtwellenleiters 6 zusammen. Als Linsenkombination ist eine Sammellinse 4 und eine nachgeordnete Zerstreuungslinse 5 zu verstehen, die beide in einer optischen Achse im Strahlengang des Einkoppelsystems 3 angeordnet sind. Am anderen Faserende des Lichtwellenleiters 6 sitzt eine Auskoppeloptik 8, die auf das von einer Flüssigkeit 12 umgebene Konkrement 9, beispielsweise den hinter einer Körperwandung 11 sich befindenden und bereits genannten Stein, gerichtet ist. Zwischen der Auskoppeloptik 8 und dem Zerstörungsobjekt in Gestalt des Steines ist durchaus die zusätzliche Anordnung eines Absorbers 10 im Strahlengang denkbar. Der Lichtwellenleiter 6 besitzt einen kreisförmigen Faserquerschnitt, wobei der Manteldurchmesser im Einkoppelbereich auf seinen Faserkerndurchmesser reduziert und über seine gestreckte Länge konstant gehalten ist. Die Auskoppeloptik 8 ist im festen Verbund mit dem Lichtwellenleiter 6 installiert. Sie verkörpert eine aus einem dielektrischen und gleichzeitig elastischen Material fokussierende Mikrolinse, die vorzugsweise aus einem geeigneten Epoxidharz oder Silikonkautschuk gestaltet ist. Das dem Einkoppelsystem 3 zugeordnete Faserende 7 ist durch eine eingeschrägte Faserendfläche 13 und durch eine rechteckige Fasereintrittsfläche 14 charakterisiert. Die Auskoppeloptik 8 besitzt an ihrem Lichtaustrittsende einen Querschnitt, der nicht wesentlich größer als der Faserquerschnitt des Lichtwellenleiters 6 ist. Innerhalb des Lasers ist ein passiver Güteschalter eingesetzt, der mit einem farbzentrendatierten LiF-Kristall realisiert ist. Das dem Einkoppelsystem 3 zugeordnete Faserende 7 des Lichtwellenleiters 6 mit der Brechzahl n_G seines Faserkernmaterials besitzt die körperliche Form eines abgeschnittenen Zylinders, der durch die nachfolgenden mathematischen Beziehungen:

charakterisiert ist. In der Fig. 2 ist eine detaillierte Darstellung des genannten Faserendes ersichtlich. Hier ist der äußere Manteldurchmesser 2r des Lichtwellenleiters 6 vertikal in einer Ordinatenrichtung und die nicht abgeschnittene äußere Mantellinie des Lichtwellenleiters 6 horizontal in einer Abzissenrichtung angeordnet. Diese Mantellinie sitzt im rechten Winkel auf dem äußeren Manteldurchmeser 2r und schneidet den Koordinatenursprung A. Sie ist von einer Strecke eingegrenzt, wobei die Strecke durch den Koordinatenursprung A und einen Punkt C begrenzt ist. Der äußere Manteldurchmesser 2r ist durch die Strecke , und die eingeschrägte Faserendfläche 13 ist durch die Strecke dargestellt. Die beiden Strecken und sind von einem spitzen Winkel β eingeschlossen. Die Strecken , und bilden gemeinsam ein rechtwinkliges Dreieck. Ein kreisförmiger Lichtstrahlquerschnitt 2r₁, der sich aus dem ausgekoppelten Laserstrahlbündel 2 der Linsenkombination ergibt, ist auf einen Teil der Fasereintrittsfläche 14 mit einer Länge X_e, die durch eine Strecke dargestellt ist, abgebildet. Ein weiterer zur Fasereintrittsfläche 14 gehörender Querschnitt mit einer Länge K ist dem vorgenannten Querschnitt nachgeordnet. Durch einen Punkt E, der die Strecke und die beiden Strecken und unterteilt, tritt ein am äußeren Rand des Lichtstrahlquerschnittes 2r₁ lokalisierter Laserstrahl durch die Fasereintrittsfläche 14 ein. Dieser Laserstrahl ist innerhalb des Lichtwellenleiters 6 in Richtung des Punktes B von der gegenüberliegenden Mantelseite in den Lichtwellenleiter 6 hinein reflektiert. Der genannte Punkt B liegt auf der Ordinate und begrenzt den äußeren Manteldurchmesser 2r. Zwischen jeden einzelnen an der Fasereintrittsfläche 14 eingekoppelten Laserstrahl in den Lichtwellenleiter 6 und einem außerhalb der Fasereintrittsfläche 14 in einen ihrer Lichteintrittspunkte auf der Länge X_e gefällten Lot ist ein spitzer Winkel α₁ eingeschlossen. Die eingeschrägte Faserendfläche 13 ist durch eine numerische Apertur NA0,4 charakterisiert. Die Einkopplung des vorzugsweise niederaperturigen Laserstrahlenbündels 2 erfolgt unter einem Winkel α₁ zwischen 25° und 30° in den Lichtwellenleiter 6.

Unter Ausnutzung der Strahl- und Lichtwellenleitereigenschaften erfolgt also unter einem genügend großen Winkel α₁≈30° unter Verletzung der NA der Faser 0,4 (20°) erfindungsgemäß die Einkopplung der Laserstrahlung in die Faser. Über die eingeschrägte Faserendfläche 13 beginnt mittels Totalreflexion die Ausbreitung entlang der Faserachse. Die Leistungsdichte auf der Fasereintrittsfläche 14 wird durch die erhöhte Gesamtfläche wesentlich reduziert. Zur Strahlformung kann die Faser selbst benutzt werden, insbesondere ist die Erzeugung eines niederaperturigen Laserstrahlenbündels 2 hoher Leistungs-/Energiedichte jetzt überhaupt erst möglich. Erwähnenswert ist bei der beschriebenen Vorzugsvariante, daß die Laserstrahlung mit einer minimalen Divergenz möglichst parallel entlang der Faser sich ausbreiten soll, wobei dann die Winkel α₃ und β gleich groß sind. Dazu wird der kreisrunde Strahlquerschnitt mittels der genannten Linsenkombination des Einkoppelsystems 3 sowie unter Einbeziehung der Linsenwirkung der Fasermantelfläche 14 auf einen rechteckigen Querschnitt mit nahezu beugungsbegrenzter Divergenz in der Faser abgebildet. Hierzu sind die bereits genannten mathematischen Beziehungen für die Abbildung in der x-y-Ebene genannt, wobei zu berücksichtigen ist, daß der Winkel βarc sin 1/n_G ist. Weiterhin soll unter Beachtung der in Fig. 3 dargestellten Anordnung gelten, daß f₁ · R_L<2r_F und L=f₁+f₃ ist.

In diesen genannten mathematischen Beziehungen stellen R_L:
die Divergenz der Laserstrahlung und
2r_F: den Faserdurchmesser des Lichtwellenleiters 6 dar,
wobei L: der Abstand zwischen der Sammellinse 4 und der Fasereintrittsfläche 14 ist.

Letzterer ergibt sich nur bei der Realisierung des Linsensystems ohne Zerstreuungslinse 5. Dann gilt ferner auch f₃=2r_F.

Beispielgemäß ergibt sich für ein n_G=1,55 und r_F=200 µm ein variierender Winkel β=f (α₁) von 25° bis 40° für einen Winkel α₁ von 90° bis ≈15°. Damit kann die Gesamtenergie/- leistung der eingekoppelten Laserenergie/-leistung bei gleicher Flächenleistungsdichte bis auf das 2,4fache gesteigert werden. Vorzugsweise ist, wie bereits erwähnt, der Winkel im Bereich von 25° bis 30° anzuschleifen und der Winkel α₁ entsprechend zu justieren, damit der Nutzflächenverlust (∼tanβ) gering gehalten werden kann.

Als besondere Ausgestaltungsform der beschriebenen Anordnung interessiert die Gestaltung der Auskoppeloptik 8, die durch eine elastische Mikrolinse vergegenständlicht ist. Sie wird an den Lichtwellenleiter 6 mit einem Faserdurchmesser 2r_F im Bereich 600 µm angegossen. Die Brennweite der Mikrolinse soll vorzugsweise <5 mm sein. Eine Formung der Mikrolinse aus dem Lichtwellenleiter 6 selbst durch eine entsprechende technologische Behandlung, beispielsweise Wärmebehandlung, ist denkbar. Auch ein Einkitten oder -kleben in den Faserkerndurchmesser des Lichtwellenleiters 6 ist zu vertreiben. Der feste Verbund von Lichtwellenleiterende und Mikrolinse garantiert einen optimalen Grenzflächenübertritt. Mit einem elastischen 2-Komponenten- Epoxydharzkleber sind Laserfestigkeiten von <800 MW/cm², also im Bereich der Laserfestigkeit von Quarz, nachweisbar.

Liste der Bezugszeichen

1 Optische Lichtquelle
2 Lichtstrahlenbündel
3 Einkoppelsystem
4 Sammellinse
5 Zerstreuungslinse
6 Lichtwellenleiter
7 Faserende
8 Auskoppeloptik
9 Konkrement
10 Absorber
11 Körperwandung
12 Fluidum
13 eingeschrägte Faserendfläche
14 rechteckige Fasereintrittsfläche

Claims

1. Verfahren zur Zerstörung von Konkrementen, vorzugsweise zur Entfernung von Gallen- oder Nierensteinen im menschlichen Körper, bei dem in der Umgebung eines von einem Fluidum umgebenen Konkrementes eine Impulsenergie integriert wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die gesamte Impulsenergie aus Einzelimpulsenergien gebildet wird, deren Gesamtfrequenz aus einer Entladungsimpulsfrequenz und einer Gruppenimpulsfolgefrequenz innerhalb einer Periode eines Entladungsimpulses zusammengesetzt wird,
daß in zeitlichen Abständen die Einzelimpulsenergien in Gruppen dem Konkrement zugeführt werden, wobei ein Impulsregime eine verstärkende oszillierende und in Resonanz sich aufschwingende Zerstörung des Konkrementes ermöglicht.

2. Verfahren zur Zerstörung von Konkrementen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch initiierte Entladungsimpulsfrequenz und die lichtinitiierte Gruppenimpulsfolgefrequenz variabel realisiert wird.

3. Verfahren zur Zerstörung von Konkrementen nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Variation der Gruppenimpulsfolgefrequenz über die Regelung einer Lichteingangsenergie realisiert wird.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Zerstörung von Konkrementen, die aus einer optischen Lichtquelle, einem Einkoppelsystem, einem Lichtwellenleiter und einer Auskoppeloptik besteht, wobei das Einkoppelsystem aus einer Linsenkombination und einem Faserende des Lichtwellenleiters zusammengesetzt ist, bei der am anderen Faserende des Lichtwellenleiters eine Auskoppeloptik angeordnet ist, die auf das von einem Fluidum umgebende Konkrement gerichtet ist, bei der eine Sammellinse, die in einer optischen Achse im Strahlengang des Einkoppelsystems mit einer nachgeordneten Zerstreuungslinse als Linsenkombination zu verstehen ist, zur Einkopplung der von der Lichtquelle abgegebenen Lichtstrahlenbündel vorgesehen ist, bei der der Lichtwellenleiter einen kreisförmigen Faserquerschnitt besitzt, wobei der Manteldurchmesser auf seinen Faserkerndurchmesser reduziert und über eine gestreckte Länge konstant gehalten ist, bei der die Auskoppeloptik im festen Verbund mit dem Lichtwellenleiter installiert ist, wobei diese eine aus einem dielektrischen und elastischen Material bestehende fokussierende Mikrolinse ist, die vorzugsweise aus einem geeigneten Epoxidharz oder Silikonkautschuk gestaltet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß das Einkoppelsystem (3) zugeordnete Faserende (7) durch eine eingeschrägte Faserendfläche (13) und durch eine rechteckige Fasereintrittsfläche (14) charakterisiert ist,
daß die Auskoppeloptik (8) an ihrem Lichtaustrittsende einen Querschnitt besitzt, der nicht wesentlich größer als der Faserquerschnitt des Lichtwellenleiters (6) ist,
daß innerhalb der optischen Lichtquelle ein passiver Güteschalter eingesetzt ist, der mit einem farbzentrendatierten LiF-Kristall realisiert ist.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Zerstörung von Konkrementen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Einkoppelsystem (3) zugeordnete Faserende (7) des Lichtwellenleiters (6) mit der Brechzahl n_G seines Faserkernmaterials ein abgeschnittener Zylinder ist, der durch die verschiedenen mathematischen Beziehungen: charakterisiert ist, bei der der äußere Manteldurchmesser (2r) des Lichtwellenleiters (6) vertikal in einer Ordinatenrichtung und eine nicht abgeschnittene äußere Mantellinie des Lichtwellenleiters (6) horizontal in einer Abzissenrichtung angeordnet ist, wobei diese Mantellinie im rechten Winkel auf dem äußeren Manteldurchmesser (2r) sitzt und den Koordinatenursprung (A) schneidet, bei der diese Mantellinie von einer Strecke eingegrenzt ist, die durch einen Endpunkt (C) begrenzt ist, bei der der äußere Manteldurchmesser (2r) durch eine Strecke dargestellt ist und die beiden Strecken und von einem spitzen Winkel (β) eingeschlossen sind, bei der ein kreisförmiger Lichtstrahlquerschnitt (2r₁), der sich aus dem ausgekoppelten Lichtstrahlenbündel (2) der Linsenkombination ergibt, auf einen Teil der Fasereintrittsfläche (14) mit einer Länge (X_e), die durch eine Strecke dargestellt ist, abgebildet ist, bei der ein weiterer zur Fasereintrittsfläche (14) gehörender Querschnitt mit einer Länge (K) dem vorgenannten Querschnitt nachgeordnet ist, bei der durch einen Punkt (E), der die Strecke in die beiden Strecken und unterteilt, ein am äußeren Rand des Lichtstrahlquerschnittes (2r₁) lokalisierter Lichtstrahl durch die Fasereintrittsfläche (14) eintritt, der innerhalb des Lichtwellenleiters (6) in Richtung des Punktes (B), der auf der Ordinate liegt und den äußeren Manteldurchmesser (2r) begrenzt, von der gegenüberliegenden Mantelseite in den Lichtwellenleiter (6) hinein reflektiert ist, bei der zwischen jeden einzelnen an der Fasereintrittsfläche (14) eingekoppelten Lichtstrahl in den Lichtwellenleiter (6) und einem außerhalb der Fasereintrittsfläche (14) in einem ihrer Lichteintrittspunkte auf der Länge (X_e) gefällten Lot ein spitzer Winkel (α₁) eingeschlossen ist.

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Zerstörung von Konkrementen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die eingeschrägte Faserendfläche (13) durch eine numerische Apertur NA0,4 charakterisiert ist, wobei die Einkopplung des vorzugsweise niederaperturigen Lichtstrahlenbündels (2) unter einem Winkel α₁ zwischen 25° und 30° in den Lichtwellenleiter (6) vorgesehen ist.

7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Zerstörung von Konkrementen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Mikrolinse eine Brennweite 5 mm realisierbar ist.