DE4432666C2 - Transmission system for the combined transmission of laser radiation, radio frequency and ultrasound - Google Patents

Transmission system for the combined transmission of laser radiation, radio frequency and ultrasound

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Description

Die Erfindung betrifft ein flexibles Übertragungssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a flexible transmission system according to the preamble of claim 1.

Es ist grundsätzlich bekannt, daß Laserstrahlung über op tische Wellenleiter in Form von sog. Faseroptiken über tragen werden kann. It is generally known that laser radiation can be discharged via op diagram waveguide in the form of so-called. Fiberoptics on. Dabei wird das Prinzip der Totalre flexion ausgenutzt. The principle of Totalre flexion is exploited. Dabei besteht der Kern einer derarti gen Faseroptik aus einem für die Nutzstrahlung transpa renten Material des Brechungsindexes und ist ummantelt mit mindestens einem zweiten Material, dessen Brechungs index im Mantel kleiner ist als der Brechungsindex des Kernmaterials. In this case, the core is a fiber optic derarti gene from a to the useful radiation transpa pensions material of refractive index and is coated with at least one second material whose refractive index in the cladding is less than the refractive index of the core material. Es sind nach dem Stand der Technik jedoch auch faseroptische Systeme bekannt, bei denen unter Aus nutzung des Prinzips der anomalen Dispersion eine Kapil lare zur Anwendung kommt, deren Mantelmaterial in der Nä he 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 Dämp fung der zu übertragenden Nutzstrahlung verursacht, ande rerseits aber dazu führt, daß der Realteil des Brechungs indexes < 1 ist und damit die im hohlen Kern vorhandene Luft mit einem Brechungsindex von etwa 1 einen höheren Brechungsindex als das Mantelmaterial bei der Nutzwellen länge aufweist. However, it is according to the prior art fiber-optic systems are known in which use under From the principle of anomalous dispersion a Kapil lare is applied is the jacket material which is ve height of the used wavelength absorption, wherein the maximum of this absorption band is sufficiently far from the wavelength of the useful radiation is removed so that the residual absorption no substantial Dämp evaporation of the transmitted useful radiation caused ande hand, but with the result that the real part of the refractive index is <1, and thus the presence in the hollow core air having a refractive index of about 1 has a higher refractive index than the cladding material in the Nutzwellen length.

Es ist aus der DE 43 22 955 A1 weiterhin bekannt, daß bei Verwendung von Quarzglaslichtwellenleitern vom Typ Kern mantel über eine derartige Faseroptik auch Ultraschall energie übertragen werden kann. It is further known from DE 43 22 955 A1, that the use of silica optical fibers of the type core-sheath over such fiber optic Ultrasonic energy may also be transferred. Hieraus ist ebenfalls be kannt, daß die Übertragung von Ultraschallenergie auch durch eine Quarzglaskapillare bei geeigneter Einkopplung möglich ist. From this it can also be known that the transfer of ultrasonic energy is also possible by a fused silica capillary with a suitable coupling. Gleichzeitig zeigt diese Druckschrift, daß simultan zur Übertragung von Ultraschallenergie bei ge eigneter Einkopplung auch die Übertragung von Laserstrah lung über denselben Wellenleiter möglich ist. At the same time, this document indicates that the transmission of Laserstrah averaging over the same waveguide is simultaneously for the transmission of ultrasonic energy at ge suitably coupling possible.

Aus der DE 37 21 060 A1 ist eine flexible Nachrichtenlei tung bekannt, die einen optischen Wellenleiter sowie eine koaxiale Anordnung von elektrisch leitenden Schichten mit einer dazwischenliegenden Isolierschicht umfaßt und die einerseits optische und andererseits elektrische Signale übertragen kann. From DE 37 21 060 A1 a flexible Nachrichtenlei tung is known which comprises an optical waveguide and a coaxial arrangement of the electrically conductive layers with an intermediate insulating layer, and which can on the one hand and on the other hand transmit optical electrical signals.

In U. Zwick: "Glas- und Quarzfaserkabel in optischen Übertragungssystemen", TAB 2/86, S. 117-122, werden ver schiedene Wellenleiteraufbauten und Herstellungsverfahren für diese beschrieben. In U. Zwick, "Glass and quartz fiber cable in optical transmission systems," TAB 2/86, pp 117-122, are ver different waveguide structures and fabrication methods described for this.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein noch uni verseller anwendbares flexibles Übertragungssystem zur Übertragung von Laserlicht- und Ultraschallenergie für den medizinischen Einsatz zu entwickeln. The invention is based on the object to develop a more uni versal applicable flexible transmission system for transmitting laser light and ultrasonic energy for medical use.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß bei geeigne ter Dimensionierung eines ultraschall- und laser lichtübertragenden Wellenleiters, wie er in der DE 43 22 955 A1 beschrieben ist, zusätzlich auch Hochfre quenzenergie übertragen werden kann. It has surprisingly been found that when geeigne ter dimensioning of ultrasonic and laser light transmitting fiber, as described in DE 43 22 955 A1, in addition, can be Hochfre frequency energy transmitted.

Es folgt die Beschreibung von Ausführungsformen der Er findung anhand der Abbildungen. Following is the description of embodiments of the invention it based on the pictures. Von diesen zeigen: Of these:

Fig. 1) einen Wellenleiter für Licht-, Ultraschall- und elektromagnetische Wellen, Fig. 1) a waveguide for light, ultrasonic and electromagnetic waves,

Fig. 2) eine optische Faser für Licht- und Ultraschall mit für die Übertragung von elektromagnetischen Wellen geeigneten Beschichtungen, Fig. 2), an optical fiber for light and ultrasound with suitable for the transmission of electromagnetic waves coatings,

Fig. 3) eine Kapillare mit elektrisch leitenden und die lektrischen Innen- und Außenbeschichtungen für die Über tragung von Licht, Ultraschall und elektromagnetischen Wellen und Fig. 3) a capillary having electrically conductive and the interior and exterior coatings for lektrischen to the delegation of light, ultrasound and electromagnetic waves and

Fig. 4) eine Kapillare für die Licht- und Ul traschallübertragung mit elektrisch leitenden Beschich tungen, so daß die Kapillare als HF-Koaxialleiter verwen det werden kann. Fig. 4), a capillary for the light and Ul traschallübertragung obligations with electrically conductive lacquers, so that the capillary as RF coaxial USAGE can be det.

In einer zweckmäßigen Ausführung nach Fig. 1 wird der op tische Mantel 2 eines Kernmantellichtwellenleiters 1 mit einer elektrisch leitenden Beschichtung 3 versehen, die ihrerseits wiederum mit einem dielektrischen weiteren Überzug 4 geschützt wird. In an expedient embodiment according to Fig. 1 of the op diagram casing 2 of a sheath-core optical fiber 1 is provided with an electrically conductive coating 3, which is in turn protected by a further dielectric covering 4. Zusätzlich wird dieses Dielek trikum 4 seinerseits nach außen hin von einem weiteren elektrisch leitenden Material 5 umgeben, das abhängig von der zu übertragenden Hochfrequenz entweder nach dem Stand der Technik aus einem metallischen Geflecht oder aber wiederum aus einem elektrisch leitenden Überzug besteht. In addition, this is Dielek trikum 4 in turn outwardly surrounded by a further electrically conductive material 5, but which in turn is dependent on the high frequency to be transmitted either to the prior art of a metallic mesh or of an electrically conductive coating. Dieser zweite elektrisch leitende Mantel außerhalb des ersten Dielektrikums wird seinerseits nun wiederum mit einem Isolatormaterial 6 umgeben. This second electrically conductive sheath outside of the first dielectric is itself now in turn surrounded with an insulator material. 6 Durch diesen mehrfach konzentrischen Aufbau wird erzielt, daß zwischen den zwei elektrisch leitenden Mantelschichten wie in einem Koa xialwellenleiter Hochfrequenzenergie in einem durch die Geometrie und die verwendeten Materialien bestimmten Fre quenzbereich übertragen werden kann. By this multiple concentric structure is obtained that can be transmitted in a certain frequency range by the geometry and the materials used Fre between the two electrically conductive cladding layers as in a Koa xialwellenleiter RF energy.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 besteht der optische Wellenleiter aus einer sog. Quarz-Quarzfaser 7 handelsüblicher Abmessungen, die di rekt mit Gold 8 beschichtet ist und anschließend zur me chanischen Stabilität mit einem harten Polymer 9 , wie beispielsweise Polyamid, beschichtet wird oder umgekehrt. In a further preferred embodiment according to Fig. 2, the optical waveguide made of a so-called. Quartz-quartz fiber 7 of commercial dimensions, di is rectly coated with gold 8 and then to the me chanical stability with a hard polymer 9 such as polyamide, is coated or the other way around. Auf diese Beschichtung wiederum wird das für die Hochfre quenz- oder Radiofrequenzübertragung notwendige Dielek trikum 10 , vorzugsweise Polyethylen, aufgebracht. This coating, in turn, is QUENCY for Hochfre or radio frequency transmission necessary Dielek trikum 10, preferably polyethylene, applied.

Dieses Dielektrikum wird nun seinerseits mit einem dünnen Metallgewebe 11 nach dem Stand der Technik ummantelt, das nach außen hin durch eine Isolationsschicht 12 geschützt wird. This dielectric is then in turn coated with a thin metal fabric 11 according to the prior art, which is protected by an insulating layer 12 to the outside. Typische Dimensionierungen sind hierbei etwa 600 µm Kerndurchmesser der Quarzfaser bei einem Außendurchmesser incl. Polyamid und Goldcoating von etwa 800 bis 900 µm, einer Dicke der Polyethylen-Ummantelung von etwa 500 µm und einer Dicke der äußeren Metallisierung incl. Isolati on von weiteren 250 µm. Typical dimensions are in this case about 600 micron core diameter of the quartz fiber with an outer diameter incl. Polyamide and gold coating of about 800 to 900 microns, a thickness of the polyethylene sheath of about 500 microns and a thickness of the outer metallization incl. Isolati on by another 250 microns. Damit ist der Durchmesser des ge samten Übertragungssystem etwa 2,1 mm entsprechend F 7, dh er entspricht den Standardmessungen medizinisch üb licher Katheter. Thus, the diameter of the entire transmission system ge about 2.1 mm, corresponding to F 7, ie it corresponds to the standard measurements medical üb Licher catheter.

Die Einkopplung der Hochfrequenz erfolgt 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 entfernt ist, so daß eine verlustfreie Einkopplung in Arbeitsrichtung gewährleistet ist. The coupling of the high frequency is preferably laterally in the transmission system in a place which is the quarter-wave condition of the high frequency for the purpose of reflection from the coupling of the ultrasonic and laser radiation at the open end, so that a loss-free coupling is ensured in the working direction.

In einer in Fig. 3 gezeigten Weiterführung des Erfin dungsgedankens kann statt des Quarzglaswellenleiters mit festem Quarzglaskern auch eine innenverspiegelte Kapilla re 13 verwendet werden, die von ihren Materialeigenschaf ten entweder die Möglichkeit bietet, zur Wellenleitung das Prinzip der anomalen Dispersion nach dem Stand der Technik zu nutzen oder aber auf der Innenseite elektro chemisch spiegelnd beschichtet ist, beispielsweise mit Silber und Silberjodid. In an embodiment shown in Fig. 3 continuation of the OF INVENTION dung idea, instead of the silica glass waveguide with solid quartz glass core and a innenverspiegelte Kapilla re used 13 th of their material properties sheep either provides the ability to the shaft line, the principle of anomalous dispersion according to the prior art to use or is coated on the inside electrochemically specularly, for example, silver and silver iodide. Im letzteren Falle kann bereits diese Metallisierung 14 als Kern für den erfindungsgemä ßen koaxialen Hochfrequenzwellenleiter genutzt werden. In the latter case this metallization can already be used 14 as a core for the inventive SEN coaxial high frequency waveguides. Im Falle der Ausnutzung der anomalen Dispersion, ist wei terhin zusätzlich außen auf der Kapillare eine Metalli sierung 15 anzubringen. In the case of use of the anomalous dispersion, is white terhin additionally on the outside of the capillary a Metalli tion to attach 15th Ein derartiges weiterführendes System ermöglicht grundsätzlich die Übertragung sowohl infraroten Laserlichtes durch die Hohlleiter als auch sichtbaren Laserlichtes durch die transparente Glaskapil lare sowie die Ultraschallübertragung durch die Glaska pillare und zusätzlich nach dem erfindungsgemäßen Prinzip die Übertragung von Hochfrequenzenergie durch den so ge bildeten koaxialen Wellenleiter. Such further leading system generally allows the transmission of both infrared laser light through the waveguide as well as visible laser light through the transparent Glaskapil lare and pillare the ultrasonic transmission through the Glaska and additionally according to the inventive principle, the transmission of high frequency energy through the so-formed coaxial waveguide.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des erfin dungsgemäßen Übertragungssystems wird, wie in Fig. 4 dar gestellt, zur Übertragung von CO 2 - und Er : YAG-Laser strahlung vorzugsweise eine Quarzglaskapillare 13 verwen det, die auf ihrer Innenseite elektrochemisch zunächst mit Silber 16 und sodann mit Silberjodid 17 verspiegelt ist, wie beispielsweise im US Patent 4 930 863 beschrie ben. In a further advantageous embodiment of the OF INVENTION to the invention the transmission system as shown in Fig, 4 is provided, for the transfer of CO 2 - and He. YAG laser preferably radiation a fused silica capillary 13 USAGE det, the electrochemically on its inside first with silver 16 and then is mirrored with silver iodide 17, for example in US Patent 4 930 863 ben beschrie. Bei einer Dimensionierung des Innendurchmessers auf etwa 400 µm und einer Wandstärke der Glaskapillare von etwa 200 bis 250 µm wird diese innenverspiegelte Kapilla re zusätzlich außen mit einer Gold- oder Silberschicht 18 überzogen und sodann aus mechanischen Stabilitätsgründen mit einem Hartpolymer 19 , wie Polyamid, geschützt. At a dimensioning of the inner diameter to about 400 microns and a wall thickness of the glass capillary from about 200 up to 250 microns innenverspiegelte Kapilla is re additionally outside with a gold or silver layer coated 18, and then protected from mechanical stability, with a hard polymer 19, such as polyamide. In diesem Falle wirkt das Material der Kapillare selbst als Dielektrikum für die Hochfrequenz. In this case, the material of the capillary itself acts as a dielectric for the high frequency. Damit wird eine weite re Verringerung des Außendurchmessers des Übertragungssy stems auf etwa 1 mm erreicht. Thus, a wide re reducing the outer diameter of the stems Übertragungssy is achieved at about 1 mm. Damit kann ein derartiges System zusätzlich mit einem konventionellen Hochfrequenz leiter in einem typischen F7-Katheter plaziert werden, so daß bipolare Hochfrequenzchirurgie grundsätzlich gleich zeitig mit Laser- und Ultraschallchirurgie möglich ist. For such a system can also be placed in a typical F7 catheter with a conventional high frequency circuit, so that bipolar high-frequency surgery is in principle possible simultaneously with laser or ultrasonic surgery.

Claims (6)

1. Flexibles Leistungsübertragungssystem für den medi zinischen Einsatz, mit einem optischen Wellenleiter ( 1 bis 6 ; 7 bis 12 ; 12 bis 15 ; 12 bis 18 ) zur Übertragung von Laserstrahlung und Ultraschall, dadurch gekennzeichnet , daß der Wellenleiter als Hochfrequenzwellenleiter zur gleichzeitigen Übertragung von Hochfrequenzleistung der art mehrfach koaxial aufgebaut ist, daß die Übertragung der Laserstrahlung in einer Seele ( 1 , 2 ; 7 ) oder einem optischen Hohlleiter ( 13 ) in der optischen Achse erfolgt. 1. A flexible power transmission system for the medi zinischen use, comprising an optical waveguide (1 to 6; 7 to 12; 12 to 15; 12 to 18) for transmitting the laser radiation and ultrasound, characterized in that the waveguide as the high frequency waveguide for simultaneous transmission of high-frequency power of art multiple coaxially constructed such that the transmission of the laser radiation in a core (1, 2; 7) is performed or an optical waveguide (13) in the optical axis.
2. Leistungsübertragungssystem nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Seele des koaxialen Hoch frequenzleiters als faseroptisches Bauelement ( 1 , 2 ; 7 ) vom Typ Kernmantelfaser bzw. Gradientenindexfaser ausge legt und in geeigneter Weise mit einem elektrisch leiten den Überzug ( 3 ; 8 ) versehen ist, der über ein Dielektri kum ( 4 ; 10 ) von einem äußeren, elektrisch leitenden und nach außen isolierten Mantel ( 5 ; 11 ) in geeignetem Ab stand gehalten wird. Sets and being of the type sheath-core fiber and graded index fiber in a suitable manner with an electrically conduct the coating (3; 2 power transmission system according to claim 1, as characterized by, that the core of the coaxial high-frequency waveguide as a fiber-optical component (7 1, 2), 8 is provided), via a Dielektri cum (4; was 11) in a suitable Ab is held; 10) from an outer, electrically conductive and insulated to the outside shell (. 5
3. Leistungsübertragungssystem nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß als innerer Kern eine Glaska pillare ( 13 ) als Hohlleiter für optische Strahlung ver wendet wird, der seinerseits auf der äußeren Seite elek trisch leitend beschichtet und über ein Dielektrikum ge gen eine zweite äußere elektrisch leitende Schicht und weiter nach außen hin durch einen Polymer isoliert ist. 3. A power transmission system according to claim 1, as characterized by, that as the inner core has a Glaska pillare (13) as a waveguide for optical radiation uses ver is the gene for its part coated trically conductive on the outer side elec and ge through a dielectric, a second outer electrically conductive layer and further insulated from the outside by a polymer.
4. Leistungsübertragungssystem nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Hohlleiter ( 13 ) nach dem Prinzip der anomalen Dispersion ausgelegt ist. 4. Power transmission system according to claim 1 or 3, characterized in that the optical waveguide (13) is designed according to the principle of anomalous dispersion.
5. Leistungsübertragungssystem nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Hohlleiter innen durch elektrochemische Beschichtung verspiegelt ist und zur simultanen Übertragung von Infrarotlaserstrahlung im luftgefüllten Kern sowie zur Übertragung von Laserlicht im sichtbaren Spektralbereich durch den Glasmantel ge nutzt wird. 5. Power transmission system according to claim 1 or 3, characterized in that the optical waveguide is mirrored inside by electrochemical coating and for the simultaneous transmission of infrared laser radiation in the air-filled core and for the transmission of laser light in the visible spectral range through the glass jacket ge uses will.
6. Leistungsübertragungssystem nach Anspruch 5, da durch gekennzeichnet, daß der optische Hohlleiter zusätz lich außen elektrisch leitend beschichtet ist und seiner seits das Dielektrikum des koaxialen Hochfrequenzwellen leiters darstellt und außen eine elektrisch isolierende Stabilisierungsschicht aus einem Hartpolymer vorgesehen ist. 6. power transmission system according to claim 5, as by in that the optical waveguide is zusätz Lich exterior coated electrically conductive and, in turn, representing the dielectric of the coaxial high-frequency wave conductor and outside an electrically insulating stabilizing layer is provided from a hard polymer.
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