DE4432666A1 - Flexible coaxial transfer cable for transmitting laser light - Google Patents

Flexible coaxial transfer cable for transmitting laser light

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Abstract

Flexible transmission system for transmitting laser light, ultrasound and high frequency radiation via an optical wave conductor, in which the optical component is transmitted in the axis of the coaxial high frequency wave conductor.

Description

AufgabenstellungTask

Es soll ein möglichst platzsparendes und flexibles Über­ tragungssystem zur Übertragung elektromagnetischer Energie im Radio- und Hochfrequenzbereich sowie zur Übertragung von Laserlicht- und Ultraschallenergie entwickelt werden.It should be as flexible and space-saving as possible transmission system for the transmission of electromagnetic Energy in the radio and high frequency range as well as Transmission of laser light and ultrasound energy be developed.

Stand der TechnikState of the art

Es ist grundsätzlich bekannt, daß Laserstrahlung über optische Wellenleiter in Form von sog. Faseroptiken übertragen werden kann. Dabei wird das Prinzip der sog. Totalreflexion ausgenutzt. Dabei besteht der Kern einer derartigen Faseroptik aus einem für die Nutzstrah­ lung transparenten Material des Brechungsindexes im Kern und ist ummantelt mit mindestens einem zweiten Material, dessen Brechungsindex im Mantel kleiner ist als der Brechungsindex des Kernmaterials. Es sind nach dem Stand der Technik jedoch auch faseroptische Systeme bekannt, bei denen unter Ausnutzung des Prinzips der anomalen Dispersion eine Kapillare zur Anwendung kommt, deren Mantelmaterial in der Nähe der Nutzwellenlänge eine Absorption aufweist, wobei das Maximum dieser Absorptionsbande hinreichend weit von der Wellenlänge der Nutzstrahlung entfernt ist, so daß die verbleibende Restabsorption keine wesentliche Dämpfung der zu übertragenden Nutzstrahlung verur­ sacht, andererseits aber dafür zu führt, daß der Realteil des Brechungsindexes < 1 ist und damit die im hohlen Kern vorhandene Luft mit einem Brechungsindex von etwa 1 einen höheren Brechungsindex als das Man­ telmaterial bei der Nutzwellenlänge aufweist. Es ist weiterhin bekannt aus der Patentschrift DE 43 22 955 A1 sowie aus der Schrift DE 51 15 447 C2, daß bei Verwen­ dung von sog. Quarzglaslichtwellenleitern vom Typ Kernmantel über eine derartige Faseroptik auch Ultra­ schallenergie übertragen werden kann. Aus der DE 43 22 955 A1 ist ebenfalls bekannt, daß die Übertragung von Ultraschallenergie auch durch eine Quarzglaska­ pillare bei geeigneter Einkopplung möglich ist. Gleich­ zeitig zeigt diese Anmeldung, daß simultan zur Ultra­ schallenergie auch bei geeigneter Einkopplung die Übertragung von Laserstrahlung über denselben Wellen­ leiter möglich ist.It is known in principle that laser radiation over optical waveguides in the form of so-called fiber optics can be transferred. The principle of so-called total reflection exploited. The core is there such a fiber optic from one for the useful beam the transparent material of the refractive index in the Core and is encased with at least a second Material with a lower refractive index in the cladding than the refractive index of the core material. It's after the prior art, however, also fiber optic Systems known in which, taking advantage of the Principle of anomalous dispersion for a capillary Application comes in, the jacket material nearby the useful wavelength has an absorption, wherein the maximum of this absorption band is sufficiently wide is away from the wavelength of the useful radiation, so that the remaining residual absorption is not essential Attenuation of the useful radiation to be transmitted gently, but on the other hand leads to the fact that the real part of the refractive index is <1 and thus the one in the hollow Core existing air with a refractive index of  about 1 has a higher refractive index than the man tel material at the useful wavelength. It is also known from the patent specification DE 43 22 955 A1 as well as from the document DE 51 15 447 C2 that at Verwen of so-called quartz glass optical fibers of the type Kernmantel over such a fiber optic also Ultra sound energy can be transmitted. From the DE 43 22 955 A1 is also known to be the transmission of ultrasonic energy also through a quartz glass pillare is possible with a suitable coupling. Soon in time, this application shows that simultaneous to the Ultra sound energy even with a suitable coupling Transmission of laser radiation over the same waves is possible.

Erfindungsgemäße LösungSolution according to the invention

Es hat sich nun überraschenderweise gezeigt, daß bei geeigneter Dimensionierung eines ultraschall- und laser­ lichtübertragenden Wellenleiters, wie in der DE 43 22 955 A1 beschrieben, zusätzlich auch Hochfre­ quenzenergie übertragen werden kann. Dazu wird erfin­ dungsgemäß der optische Mantel (2) des Kernman­ tellichtwellenleiters (1) mit einer elektrisch leitenden Beschichtung (3) versehen, die ihrerseits wiederum mit einem dielektrischen weiteren Überzug (4) geschützt wird. Zusätzlich wird dieses Dielektrikum (4) seinerseits nach außen hin von einem weiteren elektrisch leitenden Material (5) umgeben, das abhängig von der zu übertra­ genden Hochfrequenz entweder nach dem Stand der Technik aus einem metallischen Geflecht oder aber wie­ derum aus einem elektrisch leitenden Überzug besteht. Dieser zweite elektrisch leitende Mantel außerhalb des ersten Dielektrikums wird seinerseits nun wiederum mit einem Isolatormaterial (6) umgeben. Durch diesen mehrfach konzentrischen Aufbau wird erzielt, daß zwischen den zwei elektrisch leitenden Mantelschichten wie in einem Koaxialwellenleiter Hochfrequenzenergie in einem durch die Geometrie und die verwendeten Materialien bestimmten Frequenzbereich übertragen werden kann.Surprisingly, it has now been shown that, with suitable dimensioning of an ultrasound and laser light-transmitting waveguide, as described in DE 43 22 955 A1, high-frequency energy can also be transmitted. For this purpose, according to the invention, the optical cladding ( 2 ) of the Kernman tel light waveguide ( 1 ) is provided with an electrically conductive coating ( 3 ), which in turn is protected with a further dielectric coating ( 4 ). In addition, this dielectric ( 4 ) is in turn surrounded on the outside by a further electrically conductive material ( 5 ) which, depending on the radio frequency to be transmitted, either consists of a metallic mesh according to the prior art or, in turn, consists of an electrically conductive coating . This second electrically conductive jacket outside the first dielectric is in turn now surrounded with an insulator material ( 6 ). This multi-concentric structure ensures that high-frequency energy can be transmitted between the two electrically conductive cladding layers as in a coaxial waveguide in a frequency range determined by the geometry and the materials used.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der optische Wellenleiter aus einer sog. Quarz-Quarzfaser (7) handelsüblicher Abmessungen, der wahlweise ent­ weder direkt mit Gold (8) beschichtet ist und anschlie­ ßend zur mechanischen Stabilität mit einem harten Polymer (9), wie beispielsweise Polyamid, oder umge­ kehrt beschichtet wird. Auf diese Beschichtung wie­ derum wird das für die Hochfrequenz- oder Radiofre­ quenzübertragung notwendige Dielektrikum (10), vor­ zugsweise Polyethylen, aufgebracht. Dieses Dielektri­ kum wird nun seinerseits mit einem dünnen Metallge­ webe (11) nach dem Stand der Technik ummantelt, das nach außen hin durch eine Isolationsschicht (12) ge­ schützt wird. Typische Dimensionierungen sind hierbei etwa 600 µm Kerndurchmesser der Quarzfaser bei einem Außendurchmesser incl. Polyamid und Gold­ coating von etwa 800 bis 900 µm, einer Dicke der Polyethylen-Ummantelung von etwa 500 µm und einer Dicke der äußeren Metallisierung incl. Isolation von weiteren 250 µm. Ist der Durchmesser des gesamten Übertragungssystem etwa 2,1 mm entsprechend F7, d. h. er entspricht den Standardmessungen medizinisch üblicher Katheter.In a preferred embodiment, the optical waveguide consists of a so-called quartz-quartz fiber ( 7 ) of commercial dimensions, which is optionally either coated directly with gold ( 8 ) and then for mechanical stability with a hard polymer ( 9 ), such as polyamide , or vice versa is coated. On this coating again the dielectric ( 10 ) necessary for the high-frequency or radio frequency transmission, preferably polyethylene, is applied. This Dielektri kum is in turn coated with a thin Metallge webe ( 11 ) according to the prior art, which is protected to the outside by an insulating layer ( 12 ) ge. Typical dimensions are approximately 600 µm core diameter of the quartz fiber with an outer diameter including polyamide and gold coating of approximately 800 to 900 µm, a thickness of the polyethylene sheathing of approximately 500 µm and a thickness of the outer metallization including insulation of a further 250 µm. If the diameter of the entire transmission system is approximately 2.1 mm in accordance with F7, ie it corresponds to the standard measurements of medically customary catheters.

Erfindungsgemäß erfolgt die Einkopplung der Hochfre­ quenz vorzugsweise seitlich in das Übertragungssystem an einem Ort, der von der Einkopplung der Ultraschall- und Laserstrahlung die Viertelwellenbedingung der Hochfrequenz zwecks Reflexion am offenen Ende ent­ fernt ist, so daß eine verlustfreie Einkopplung in Arbeitsrichtung gewährleistet ist.According to the invention, the Hochfre is coupled quenz preferably laterally in the transmission system  in a place that depends on the coupling of the ultrasound and laser radiation the quarter wave condition of High frequency for reflection at the open end is distant, so that a lossless coupling in Working direction is guaranteed.

In Weiterführung des Erfindungsgedankens kann statt des Quarzglaswellenleiters mit festem Quarzglaskern auch eine innenverspiegelte Kapillare (13) verwendet werden, die von ihren Materialeigenschaften entweder die Möglichkeit bietet, zur Wellenleitung das Prinzip der anomalen Dispersion nach dem Stand der Technik zu nutzen oder aber auf der Innenseite elektrochemisch spiegelnd beschichtet ist, beispielsweise mit Silber und Silberjodid. Im letzteren Falle kann bereits diese Metallisierung (14) als Kern für den erfindungsgemäßen koaxialen Hochfrequenzwellenleiter genutzt werden. Im Falle der Ausnutzung der anomalen Dispersion, ist wei­ terhin zusätzlich außen auf der Kapillare eine Metallisie­ rung (15) anzubringen. Ein derartiges weiterführendes System ermöglicht grundsätzlich die Übertragung sowohl infraroten Laserlichtes durch die Hohlleiter als auch sichtbaren Laserlichtes durch die transparente Glaskapillare sowie die Ultraschallübertragung durch die Glaskapillare und zusätzlich nach dem erfindungs­ gemäßen Prinzip die Übertragung von Hochfre­ quenzenergie durch den so gebildeten koaxialen Wellen­ leiter.As a continuation of the inventive concept, instead of the quartz glass waveguide with a solid quartz glass core, an internally mirrored capillary ( 13 ) can also be used, the material properties of which offer either the possibility of using the principle of anomalous dispersion according to the prior art for waveguiding or electrochemically on the inside is coated with a mirror coating, for example with silver and silver iodide. In the latter case, this metallization ( 14 ) can already be used as a core for the coaxial high-frequency waveguide according to the invention. If the anomalous dispersion is used, a metallization ( 15 ) must also be attached to the outside of the capillary. Such a further system basically enables the transmission of both infrared laser light through the waveguide and visible laser light through the transparent glass capillary and the ultrasound transmission through the glass capillary and additionally according to the principle of the invention, the transmission of radio frequency energy through the coaxial waveguide thus formed.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des erfin­ dungsgemäßen Übertragungssystems wird wiederum vorzugsweise eine Quarzglaskapillare (13) verwendet, die auf ihrer Innenseite elektrochemisch zunächst mit Silber (16), sodann mit Silberjodid (17) verspiegelt ist, wie beispielsweise von Croitóru US Patent 4,930,863, June 5, 1990 zur Übertragung von CO₂- und Er:YAG- Laserstrahlung. Bei einer Dimensionierung des Innen­ durchmessers auf etwa 400 µm und einer Wandstärke der Glaskapillare von etwa 200 bis 250 µm wird diese innenverspiegelte Kapillare zusätzlich außen mit einer Gold- oder Silberschicht (18) überzogen und sodann aus mechanischen Stabilitätsgründen mit einem Hartpolymer (19), wie Polyamid, geschützt. In diesem Falle wirkt das Material der Kapillare selbst als Dielektrikum für die Hochfrequenz. Damit wird eine weitere Verringerung des Außendurchinessers des Übertragungssystems auf etwa 1 mm erreicht. Damit kann ein derartiges System zusätzlich mit einem konventionellen Hochfrequenzleiter in einem typischerweise F7-Katheter plaziert werden, so daß bipolare Hochfrequenzchirurgie grundsätzlich gleichzeitig zur Laser- und Ultraschallchirurgie möglich ist. Erfindungsgemäß ist selbstverständlich auch, daß anstelle bzw. parallel zu der Energieübertragung von Ultraschallaserstrahlung und Hochfrequenz auch Signalübertragung zu meßtechnischen Zwecken stattfin­ den kann.In a further advantageous embodiment of the transmission system according to the invention, a quartz glass capillary ( 13 ) is in turn preferably used, which is first electrochemically mirrored on the inside with silver ( 16 ), then with silver iodide ( 17 ), as described, for example, by Croitóru US Patent 4,930,863, June 5 , 1990 for the transmission of CO₂ and Er: YAG laser radiation. With a dimensioning of the inner diameter to about 400 microns and a wall thickness of the glass capillary of about 200 to 250 microns, this internally mirrored capillary is additionally coated on the outside with a gold or silver layer ( 18 ) and then for mechanical stability reasons with a hard polymer ( 19 ), such as Polyamide, protected. In this case, the material of the capillary itself acts as a dielectric for the high frequency. This further reduces the outside diameter of the transmission system to approximately 1 mm. This means that such a system can also be placed with a conventional high-frequency conductor in a typically F7 catheter, so that bipolar high-frequency surgery is basically possible at the same time as laser and ultrasound surgery. According to the invention is of course also that instead of or parallel to the energy transmission of ultrasound fiber radiation and high frequency signal transmission for metrological purposes can take place.

Es folgt die Beschreibung der Abbildungen:The description of the figures follows:

Fig. 1 Wellenleiter für Licht-, Ultraschall- und elek­ tromagnetische Wellen; Fig. 1 waveguide for light, ultrasound and elec tromagnetic waves;

Fig. 2 Optische Faser für Licht- und Ultraschall mit für die Übertragung von elektromagnetischen Wellen geeigneter Beschichtungen; Fig. 2 optical fiber for light and ultrasound with coatings suitable for the transmission of electromagnetic waves;

Fig. 3 Kapillare mit elektrisch leitenden und dielek­ trischen Innen- und Außenbeschichtungen für die Übertragung von Licht, Ultraschall und elektromagnetischen Wellen; Fig. 3 capillary with electrically conductive and dielectric internal and external coatings for the transmission of light, ultrasound and electromagnetic waves;

Fig. 4 Kapillare für die Licht- und Ultraschallüber­ tragung mit elektrisch leitenden Beschich­ tungen, so daß die Kapillare als HF-Koaxial­ leiter verwendet werden kann. Fig. 4 capillary for the light and ultrasound transmission with electrically conductive coatings, so that the capillary can be used as an RF coaxial conductor.

Claims (6)

1. Flexibles Übertragungssystem zur Übertragung von Laserstrahlung und Ultraschall sowie zusätz­ lich von Hochfrequenzstrahlung über einen optischen Wellenleiter, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung des optischen Teils in der Achse des koaxial aufgebauten Hochfrequenzwellen­ leiters erfolgt.1. Flexible transmission system for the transmission of laser radiation and ultrasound and additional Lich of high-frequency radiation via an optical waveguide, characterized in that the transmission of the optical part takes place in the axis of the coaxially constructed high-frequency waveguide. 2. Übertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seele des koaxialen Hochfrequenzieiters als faseroptisches Bauelement vom Typ Kernmantel­ faser bzw. Gradientenindexfaser ausgelegt ist und in geeigneter Weise mit einem elektrisch leitenden Überzug versehen wird, der über ein geeignetes Dielektrikum vorzugsweise Polyethylen von einem äußeren, elektrisch leitenden und nach außen iso­ lierten Mantel in geeignetem Abstand gehalten wird.2. Transmission system according to claim 1, characterized in that the soul of the coaxial high frequency conductor as fiber-optic component of the kernmantel type fiber or gradient index fiber is designed and suitably with an electrically conductive Cover is provided over a suitable Dielectric preferably from a polyethylene outer, electrically conductive and externally iso lined coat kept at a suitable distance becomes. 3. Übertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als innerer Kern eine Glaskapillare als Hohlleiter für optische Strahlung verwendet wird, der seiner­ seits wiederum auf der äußeren Seite elektrischlei­ tend beschichtet ist, und über ein geeignetes Die­ lektrikum gegen eine zweite äußere elektrischleitende Schicht und weiter nach außen hin durch einen Polymer isoliert ist.3. Transmission system according to claim 1, characterized in that as an inner core a glass capillary as a waveguide is used for optical radiation, its on the other hand electrical on the outside  tend is coated, and a suitable die dielectric against a second outer electrically conductive Layer and further outwards a polymer is isolated. 4. Übertragungssystem nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Hohlleiter nach dem Prinzip der anomalen Dispersion ausgelegt ist.4. Transmission system according to claim 1 and 3, characterized in that the optical waveguide according to the principle of abnormal dispersion is designed. 5. Übertragungssystem nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Hohlleiter innen durch elektroche­ mische Beschichtung verspiegelt ist und zur simul­ tanen Übertragung von Infrarotlaserstrahlung im luftgefüllten Kern sowie zur Übertragung von Laserlicht im sichtbaren Spektralbereich durch den Glasmantel genutzt wird.5. Transmission system according to claim 1 and 3, characterized in that the optical waveguide inside by electroche mixed coating is mirrored and simul tanen transmission of infrared laser radiation in air-filled core and for the transmission of Laser light in the visible spectral range through the Glass jacket is used. 6. Übertragssystem nach den Ansprüchen 1, 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Glasmantel zusätzlich außen elektrischleitend beschichtet ist und seinerseits, daß Dielektrikum des koaxialen Hochfrequenzieiters darstellt. Zusätzlich befindet sich außen noch eine elektrisch isolierende Stabilisierungsschicht aus einem Hart­ polymer, vorzugsweise Polyamid.6. transmission system according to claims 1, 3 and 5, characterized in that the glass jacket also electrically conductive on the outside is coated and in turn that dielectric of the coaxial high-frequency conductor. In addition, there is an electrical one on the outside insulating stabilizing layer made of a hard polymer, preferably polyamide.
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