DE69122279T2

DE69122279T2 - Gewebeberührendes Laserabgabesystem

Info

Publication number: DE69122279T2
Application number: DE69122279T
Authority: DE
Inventors: Richard G Caro; Enrique M Celaya; James L Hobart; Nubar Manoukian; Gerald M Mitchell; Kenneth Witte
Original assignee: Coherent Inc
Current assignee: Laser Industries Ltd
Priority date: 1990-02-07
Filing date: 1991-02-06
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2011-02-07
Also published as: EP0441606B1; JP3285367B2; IL97130A0; IL97130A; EP0441606A2; EP0441606A3; US5300066A; JPH04215749A; DE69122279D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laserstrahlsonde umfassend eine optische Faser mit einem Eingangsende zur Aufnahme von Laserstrahlung und einem gegenüberliegenden Laserstrahlabgabeende zur Abgabe der Strahlung an eine Stelle mit Gewebe sowie ein äußeres, die Faser umgebendes Stützelement.
Derartige Laserstrahlsonden werden nunmehr für gewisse Arten der Chirurgie benutzt, beispielsweise arthroskopische Chirurgie.
Die Laserstrahlung wird bei chirurgischen Anwendungen eingesetzt, wenn das Schneiden von Gewebe erwünscht ist, oder wenn das Zielgewebe, beispielsweise ein Tumor, zerstört werden soll. Bei derartigen Systemen werden zahlreiche Arten von Laserstrahlung benutzt, und zwar sowohl mit kontinuierlichen als auch mit gepulsten Wellen. Die Strahlung gelangt durch eine optische Faser zu der Faserspitze. Um bessere Schneidwirksamkeit zu erzielen, wird die Faserspitze unmittelbar benachbart dem Zielgewebe plaziert.
Es wurde festgestellt, daß gepulste Laserstrahlung hoher Energie ein effektives Mittel für die Gewebezerstörtung darstellt. Beispielsweise haben wir gefunden, daß eine sehr wirksame Abgabe von Strahlung zustande kommt, wenn Energien von 2 Joule über eine Pulsbreite von 350 µs bei einer Frequenz von 10 Hz abgegeben werden.
Während die Anwendung von gepulster Strahlung hoher Energie für die Zerstörung von Gewebe wirksam ist, wurde festgestellt, daß in manchen Fällen katastrophale Beschädigungen an der Spitze der optischen Faser ebenfalls auftritt, mit der die Strahlung geführt wird. Natürlich ist solche Beschädigung vom Zuverlässigkeitsstandpunkt aus kostenträchtig. Wichtiger noch könnte der Ausfall der Faserspitze während der chirurgischen Arbeit zur Abgabe von Trümmern der zerstörten Spitze in den Körper des Patienten führen.
Der Zusammenbruch der Spitze resultiert aus einer Anzahl von Ursachen. Beispielsweise können innewohnende strukturelle Schwächen aus der Herstellung folgen, beispielsweise Mikrorisse und Polier- oder Spaltdefekte. Wenn genügende Laserleistung durch eine Faser an zahlreiche Arten von Gewebe in Wasser oder einem anderen Medium abgegeben wird, wird, was noch wichtiger ist, das Schneiden durch rasche Verdampfung des im Bindematerial enthaltenden Wassers erzielt. Der sich ergebende unausgeglichene Druck erzeugt Fragmente mit hoher Geschwindigkeit, welche das in der Abgabevorrichtung verwendete Material abschleifen und erodieren.
Es wäre deshalb vorteilhaft, ein Laserstrahlsystem mit kontaktoptischer Faser für die Chirurgie zu schaffen, bei der das Abgabesystem im Hinblick auf minimale Beschädigung an der Faserspitze ausgebildet sein würde, die auf die erzeugten Kräfte zurückzuführen sind, wenn die Laser zur Übertragung von Laserstrahlen hoher Energie auf die Oberfläche der in Frage stehenden Gewebe benutzt wird.
Es ist mit Bezug auf Faseroptiken gut bekannt, daß eine bloße nackte Glasfaser eine viel geringere Zugfestigkeit aufweist, als wenn die Faser mit Kunststoff beschichtet worden ist. (Die Kunststoffbeschichtung wird oft als Puffer oder Mantel bezeichnet.) In einem praktischen Beispiel wurde festgestellt, daß bloße Fasern von 480 µm Durchmesser brechen, wenn sie um einen Kern von 5 cm Durchmesser gewickelt werden, während die gleichen Fasern mit dem Schutz eines Siliconpuffers um einen Kern von 2 cm Durchmesser ohne Bruch gewickelt werden konnten.
Bei vielen medizintechnischen Anwendungen des Lasers ist es wünschenswert, den Laserstrahl über eine gebogene Faser zu leiten, om sonst unzugängliche Stellen zu erreichen. Um den Bruch der Faser zu reduzieren, ist es somit wünschenswert, einen Puffer um die gebogene Faser zu besitzen. Es wurde jedoch festgestellt, daß rostfreier Stahl und Bauteile aus Glas eines Endstückes bei mäßigen Raten erodiert werden und daß andere weiche Materialien, beispielsweise bei der Herstellung des Handstücks verwendete Klebstoffe und die Faserpuffer viel rascher erodieren. Demgemäß wäre es wünschenswert, eine Sonde zu schaffen, die gebogen werden kann, ohne der raschen Erosion zu unterliegen.
US-A-4 819 630 beschreibt eine Kontaktlaserstrahl- Sonde in der Form eines flexiblen Laserkatheters zur perkutanen Einführung in eine Körperhöhle. Der Katheter umfaßt einen rohrförmigen, biegsamen Körper mit einem proximalen Ende, an dem eine optische Zuführkupplong vorgesehen ist. Eine weitere Kupplung ist zur Zufuhr von Kühlflüssigkeit vorgesehen. Das distale Ende beherbergt das optische Sondenende einer optischen Faser. Der flexible Körper besteht aus einer äußeren biegsamen Hülle mit einer sich entlang der Achse erstreckenden optischen Faser. Die Faser ist mit einer Hülse versehen, die aus einer inneren Beschichtung aus Silicon und einem äußeren Puffer aus Teflon besteht. Der Innendurchmesser der biegsamen Hülle ist größer als der Außendurchmesser der Hülse, so daß ein Raum von ringförmigem Querschnitt für den Durchlaß von Kühlflüssigkeit geschaffen wird. Die mit Hülse versehene Faser wird innerhalb der Hülle durch eine Reihe von ringförmigen ebenen Elementen gestützt, die nach innen und außen vorstehende Stützen aufweisen, die jeweils in der Hülse und der Hülle gelegen sind. Räume für Kühlflüssigkeit bestehen zwischen benachbarten Spitzen an den inneren und äußeren Rändern solcher Teile. Die Faser ist an dem Abgabeende bei der optischen Sonde nackt, und die Hülse endet in einem kurzen Abstand vor der Endfläche der Faser. Die Hülle endet leicht jenseits dieser Endfläche. Es werden keine Abmessungen oder Kriterien für die Länge der nackten Faser oder der Trennung der Endfläche der Faser vom offenen Ende der Hülle gegeben.
In DE-A-32 32 007 und US-A-4 503 953 wird eine Laserstrahlsonde zur Ausführung von zahlärztlichen Behandlungen mit einem Laserstrahl beschrieben. Die Sonde ist von der eingangs beschriebenen Art und nimmt die Form eines Gegenwinkel-Applikators an, der an einem Ende einer Handstückgriffeinheit lösbar verbunden ist, durch die sich die optische Faser erstreckt. Die optische Faser besitzt einen zentralen Kern und eine Glasbeschichtung und ist mit einem elastischen Kunstharzmantel versehen. Eine Endlänge der beschichteten Faser führt zu dem Abgabeende der Faser und wird koaxial im Auslaßende des winkelförmigen, rohrförmigen Applikatorelements durch eine Hülse aus Siliciumgummi in einem Halter gehalten, der aus verstärktem Kunststoff oder spritzgegossenem Aluminium besteht und in dem Auslaßende des rohrförmigen Applikatorteils befestigt ist. Die ummantelte Faser steht leicht über das äußere Ende der Gummihülse in einen Raum vor, der teilweise von dem Halter umgeben wird, und das freigelegte Kernteil der Faser erstreckt sich weiter bis jenseits der Endfläche des Halters. Ein Abstandszylinder ist koaxial zum Auslaßende des Applikatorteils befestigt und erstreckt sich in einigem Abstand bis jenseits des freigelegten Kernteils der Faser. Wenn im Gebrauch der Laserstrahl zu gewissen Zeiten nicht durch die Faser übertragen wird, wird Luft durch das Applikatorteil getrieben und gelangt durch Räume, die zwischen dem Halter und dem Applikatorteil gelassen sind und von dort in den Abstandszylinder, der vier Auslaßöffnungen aufweist, die in Umfangsrichtung in seiner unteren Hälfte verteilt angeordnet sind, um die Luft herauszulassen. Der Abstandszylinder hat im großen und ganzen die gleiche Größe wie ein Zahn.
Fig. 1 der Zeichnungen ist ein Längsschnitt, teilweise im Querschnitt, einer bekannten Art von Kontaktlaserstrahlsonde mit einem belüfteten Halter, der die Spitze oder das Ende der optischen Faser umgibt, und
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht des belüfteten Halters der Fig. 1 während der Anwendung, um zu zeigen, wie die Gewebetrümmer und Dampf von der Spitze der optischen Faser abgeleitet werden.
Mit Bezug auf Fig. 1 und 2 ist eine Faserträgereinrichtung mit dem allgemeinen Bezugszeichen 1 gezeigt. An der Spitze der Trägereinrichtung 1 sind Auslässe 3 zwischen den äußeren Spitzen 5 gebildet. Eine optische Faser 7 ist innerhalb der Trägereinrichtung gehalten gezeigt und weist relativ zu den äußeren Punkten 5 einen Abstand nach innen auf, so daß, wenn die Spitzen 5 auf dem Zielgewebe (Fig. 2) ruhen, die Faserspitze 9 der Faser 7 mit einem vorbestimmten Abstand vom Ziel gestützt wird, wodurch ein belüfteter Abstandhalter gebildet wird. Die Faserspitze 9 kann vergütet sein, wie nachher im einzelnen beschrieben, um ihre Widerstandskraft zu verbessern.
An dem anderen, nicht gezeigten Ende der Faser wird Laserstrahlung in die Faser eingekoppelt. Es können viele Arten von Laserstrahlung benutzt werden, die gewählte Art wird von ihrer Fähigkeit diktiert, als Teil eines "Laserskalpells" zu dienen.
Fachleute sind mit der Montage der Faser 7 mit einem Halter vertraut, wie er neuerdings bekannt ist. Es wird jedoch bemerkt, daß die Faser von einer Siliconpufferschicht 11 und einen Nylonmantel 13 umgeben ist. Ein Rohr 15 aus rostfreiem Stahl umgibt die Nylonschicht 13.
Fig. 2 zeigt die Trägereinrichtung 1 der Fig. 1 im Gebrauch benachbart zu einem Zielgewebe 17. Wenn die Laserstrahlung des Lasers 21 auf das Ziel 17 auftrifft, wird ein Hohlraum 19 gebildet, da das Gewebe und die Lösung, welche das Gewebe umgibt, verdampft werden. Dieser Dampf und die mitgeführten Gewebetrümmer können gemäß den Pfeilen durch die Auslässe 3 nach jeder Seite der Spitze austreten, ohne auf die Faserspitze zu treffen. Die zurückgesetzte Anordnung der Spitze hält somit nicht nur die Beschädigung infolge akustischen und möglicherweise thermischem Schocks gering, die Gewebetrümmer und der Dampf, welche zusätzliche Beschädigung verursachen können, werden außerdem abgeleitet, um weitere Beschädigung gering zu halten.
Dieses Ableiten kann durch die Anwendung eines Gasstroms von relativ hohem Druck verstärkt werden, der beispielsweise durch einen ringförmigen Raum um die Faserspitze läuft und durch die Ableitungen 3 austritt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Laserstrahlsonde der zuvor beschriebenen Art dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Trägerteil oder Stützelement zwei offene äußere Kanäle umfaßt, die an der Außenoberfläche nur des äußeren Stützelements gebildet werden, wobei sich jeder Kanal axial von einer Stelle benachbart dem Abgabeende der Faser in eine Richtung zum Eingangsende der optischen Faser erstreckt, um Dampf und Gewebetrümmer von der Gewebestelle abzuleiten, die während der Bestrahlung des Gewebes erzeugt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das optische Faserabgabeende zur Ausrichtung der Strahlung auf ein Zielgewebe mit vorbestimmtem Abstand von dem Zielgewebe gestützt, um das Gewebe der Laserstrahlung auszusetzen, jedoch die Beschädigung der Faserspitze gering zu halten.
Vorzugsweise ist ein Abstandshalter auf dem Ende der Faser montiert, um den optimalen Abstand der Faserspitze von dem Zielgewebe einzuhalten.
Die bevorzugte Ausführungsform umfaßt auch, daß das Ende der Faser mit einer wesentlichen ebenen vergüteten Spitze versehen ist. Das im wesentlichen ebene Ende der Faser wird zur Verbesserung der strukturellen Stabilität und der Widerstandsfähigkeit gegen Beschädigung vergütet.
In einer Ausführungsform umfaßt das Stützelement einen Abstandshalter, der benachbart der Faserspitze gelegen ist und sich nach außen erstreckt, so daß, wenn das äußerste Ende des Abstandshalters auf dem Zielgewebe ruht, die Faserspitze mit einem Abstand von ungefähr 150 bis ongefähr 500 µm von dem Zielgewebe gehalten wird.
In der bevorzugten Ausführungsform wird Puffermaterial zur Vergrößerung des Biegewiderstands der Faser verwendet, jedoch in einem Bereich benachbart dem Abgabeende der Faser entfernt. Der Innendurchmesser des äußeren rohrförmigen Elements ist in diesem Bereich verringert. Zusätzlich wird Klebstoff in den Raum zwischen der entmantelten Faser und dem rohrförmigen Element eingefüllt. Da die Klebstoffschicht viel dünner als der Puffer ist, ist er gegen Erosion widerstandsfähiger. Zusätzlich verhindert der Klebstoff, daß die Sonde in dem ummantelten Bereich gebogen wird. Die Sonde wird in dem Bereich gebogen, der beschichtet ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Abgabeende der Faser vergrößert, um die Faser von Erosion abzuschirmen.
Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung kann hochenergetische gepulste Strahlung durch eine optische Faser zuverlässig und ohne Beschädigung der Faserspitze abgegeben werden. Insbesondere wurde festgestellt, daß die Beschädigung der Faserspitze durch Vergüten der Faserspitze vermieden werden kann. Unter "Vergüten" ist gemeint, daß die Faserspitze, die nach Bildung der Faser nach Kühlen aus dem Schmelzfluß geschnitten und poliert wird, einem weiteren Vergütungsprozeß hoher Temperatur unterworfen wird, einschließlich partieller Wiederaufschmelzung, wobei mechanische Spannungen, Mikrorisse und andere Schwächen behoben und zurückgebildet werden.
Die nachfolgenden Beispiele quantifizieren die auf diese Weise erzielten verbesserten Ergebnisse.

BEISPIELE

1. Vergleichsbeispiel ungeschützte Faserspitze in Wasser

Ein Experiment wurde durchgeführt, indem eine abgetrennte Faserspitze von 200 µm Durchmesser in Wasser plaziert wurde, um die Salzwasserumgebung zu simulieren, bei welcher die meisten chirurgischen Arbeiten unter Verwendung der Erfindung vorkommen. Strahlung wurde unter Verwendung eines Ho:YAG-Lasers bei einer mittleren Leistung von 13 W und einer Wiederholrate von 10 Hz abgegeben.
In diesem Beispiel wurden neun Fasern getestet, und eine katastrophale Zerstörung der Spitze kam in ungefähr 70 % der Fälle nach 3000 Pulsen vor. Die Faserspitze brach typischerweise parallel zur optischen Achse, und typische Fragemente hatten eine Größe in der Größenordnung von 300 µm Länge.
Ein ähnliches Experiment wurde mit einer polierten Faser von 400 µm Durchmesser ausgeführt. Diese Faser verhielt sich besser, zeigte jedoch fehlende Stücke von ungefähr 400 µm Länge nach 4000 Impulsen in ungefähr 40 % der Fälle. Es wird darauf hingewiesen, daß ähnliche Faserzerstörung beobachtet wird, wenn diese Fasern zum Schneiden von Gewebe unter salzhaltigen Bedingungen verwendet werden.

2. Beispiel - vergütete Spitze

Um zu testen, ob die Beschädigung durch Anwendung einer vergüteten Spitze kleingehalten werden kann, wurden Beschädigungen verglichen, die bei unbehandelten Faserspitzen vorkommen, mit Beschädigungen, die vorkommen, wenn die Faserspitze vergütet war, um mechanische Spannungen und Oberflächenstufen zu beseitigen.
Es wurden Bedingungen wie in dem obigen Vergleichsbeispiel angewendet (Faser aus niedrigem OH erschmolzenem Silicat mit einem Kerndurchmesser von 200 µm abgespalten), jedoch wurde im vorliegenden Fall die Faserspitze vergütet. Um die Faserspitze zu vergüten, wurde ein Aufschmelz-Splicer mit zwei Elektroden (der Firma Orionic) verwendet, um die Faserspitze langsam in den Zustand der weißen Heißglut zu bringen, so daß die Spitze bis zu einer Tiefe von ungefähr 200 µm aufgeschmolzen wurde. Dieses Verfahren führt zur Glättung der Ecken oder Kanten der spitzen Vorderseite. Man glaubt, daß dieses Verfahren zur Vergütung der Spitze wirkt, so daß in der Spitze vorhandene mechanische Spannungen klein gehalten werden.
Danach wurde die Faserspitze in Wasser plaziert, und 3000 Strahlungsimpulse (15 W, 10 Hz) wurden angelegt.
Es wurden zunächst fünf derartige Fasern getestet, und es wurde kein Schaden beobachtet. Dieses Experiment zeigt somit eine überraschende Null-Fehler-Rate durch Anwendung der vergüteten Faserspitze. Nachfolgende Experimente zum Testen von mehr als vierzig Fasern unter ähnlichen Bedingungen stellten sicher, daß die Anwendung einer vergüteten und teilweise wiederaufgeschmolzenen Spitze sicherstellt, daß keine Beschädigung an der Faserspitze vorkommt, wenn die Faser in Wasser benutzt wird. Dieses Ergebnis ist insbesondere im Vergleich mit dem Ergebnis des Vergleichsbeispiels 1 ermutigend, bei dem die Faserspitze eine derartig hohe Häufigkeit von katastrophalen Beschädigungen zeigte.
Während diese Experimente unter Verwendung gepulster Strahlung ausgeführt wurden, glaubt man, daß dieses Verfahren wirksam sein wird, die Stabilität der Faserspitze unter jeglichen Umständen sicherzustellen, in denen hochenergetische Strahlung verwendet wird, die sonst zur Beschädigung der Spitze führen würde, ob nun diese Strahlung gepulst oder kontinuierlich ist.
Während es bekannt ist, sogenannte "linsenendigende" Fasern in einigen medizinischen Anwendungen zu verwenden, bei denen Hochtemperaturtechniken zur Anwendung kommen, wurde keine Beschreibung mit Bezug auf die Vergütung von Spitzen gefunden, um dieser gesteigerte Widerstandsfähigkeit gegenüber Beschädigungen zu erteilen.
Wie von Russo et al. "Lens-ended Fibers for Medical Applications: A New Fabrication Technique", in Applied Optics, Oktober 1984, beschrieben, können kolbenartige, kugelartig gewölbte und elliptisch gewölbte Faserspitzen als Mikrolinsen verwendet werden, um die Leistungsdichte zu erhöhen, die an ein Zielgewebe abgegeben wird. Eine Anzahl von Verfahren zur Bildung der Linse wird diskutiert, darunter die Erhitzung der Spitze durch Anwendung eines Mikrobrenners. Die Entwicklung derartiger mit Linsen endigender Fasern hat sich nicht direkt den Problemen der Faserspitzenzerstörung zugewandt. In der Tat wurde gefunden, daß solche linsenendigende Fasern eine vergrößerte Empfänglichkeit gegenüber Beschädigungen von Trümmern unterliegen, die erzeugt werden, wenn die Spitze benachbart dem Zielgewebe während der Operation plaziert wird.
Ungleich diesem Stand der Technik ist festgestellt worden, daß die Faserspitze in einer im wesentlichen ebenen Ausrichtung gehalten werden sollte, um die Widerstandsfähigkeit der Spitze großzuhalten. Für die Anwendung als Linsen geeignete Gestaltungen tendieren dazu, gegenüber den im wesentlichen ebenen Konfigurationen leichter beschädigt zu werden. Es wird deshalb bevorzugt, daß eine im wesentlichen ebene vergütete Spitze verwendet wird.
Obzwar das durch Beispiel 1 illustrierte Problem durch das obige Verfahren der Spitzenvergütung im wesentlichen angegangen worden ist, wurden weitere Probleme beobachtet, wenn die Spitzen zur Verdampfung von tatsächlichem Gewebe verwendet wurden. Das nachfolgende Beispiel illustriert dieses Problem.

3. Vergleichsbeispiel - ungeschützte Faserstitze bei der Gewebeoberfläche

Es ist Standardpraxis, die Spitze einer optischen Faser direkt benachbart dem zu bestrahlenden Gewebe zu positionieren, um maximale Wirksamkeit zu erzielen. Um das Ausmaß der Faserbeschädigung unter diesen Bedingungen zu bestimmen, wurde eine optische Faser aus erschmolzenem Silicat getestet, indem die Faserspitze direkt benachbart dem Gewebe (Meniskus der Kuh) plaziert und der Laser ausgelöst wurde. Die Faser war dem obigen Verfahren der Spitzenvergütung unterworfen gewesen und wurde ohne Beschädigung in einer salzigen Umgebung in Abwesenheit vor Gewebe betrieben.
Eine Beschädigung in Form einer konischen Einsenkung in der Vorderseite der Faser wurde beobachtet. Die Tiefe des Konus nahm mit der Anzahl der "Schüsse" zu, die durch die Faser geführt wurden. Als Beispiel wurde Strahlung von einem gepulsten Ho:YAG-Laser bei einer mittleren Leistung von 13 W und einer Wiederholrate von 10 Hz verwendet und gefunden, daß ein Konus von ungefähr 220 µm in Tiefe auf der Faserspitze bei 3000 Schüssen gebildet worden war und eine Konustiefe von ungefähr 425 µm bei 6000 Schüssen gebildet wurde. Zusätzlich zur Beschädigung der Spitze gemäß der Konusgestalt kam andere Grubenbildung und Rißbildung in der Spitze vor.
Es wird theoretisiert, daß Trümmer und Dampf, die wegen der explosiven Laserableitung des Gewebes erzeugt werden, die Beschädigung verursachen. Es wurden Tests ausgeführt unter Anwendung des explosiven Ableitungsmodells, um die erwartete relative Dichte der Stöße auf die Faserspitzenfläche bei verschiedenen Abständen vom Zielgewebe zu bestimmen.
Die Ergebnisse zeigen an, daß die Dichte der Partikel, von denen Stöße auf die Vorderseite der Spitze erwartet wurden, im wesentlichen an der Stelle abnimmt, wenn die Faserspitze mit einem speziellen Abstand vom Zielgewebe gehalten wird, wie in der nachfolgenden Tabelle gezeigt. Tabelle
Wie ersichtlich, wurde festgestellt, daß die erwartete Dichte der Partikel, die auf die Vorderseite der Spitze auftreffen, mit einem Faktor von ungefähr 8 abnimmt, wenn man von einem Abstand eines halben Faserkernradius vom Gewebe zu einem Abstand von 1,5 Faserkernradius fortschreitet.
Dieses Ergebnis zeigt, daß die Beschädigung als Funktion des Trennabstandes abnimmt, wenn die Beschädigung an der Spitze tatsächlich eine starke Abhängigkeit von den erzeugten explosiven Kräften zeigt, im Gegensatz zu thermalen oder anderen Kräften, die ins Spiel kommen. Der Abstand, mit dem die Faserspitze von dem Ziel gehalten wird, um die Beschädigung kleinzuhalten, muß jedoch mit der Notwendigkeit zufriedenstellender Übertragung der Laserstrahlung auf das Ziel in Einklang gebracht werden, gewöhnlich durch eine absorbierende, salzhaltige Lösung. Daher war es unklar, ob ein Laserstrahlsystem hergestellt werden könnte, das mit einem praktischen Grad an Wirksamkeit betrieben werden kann, wenn es in einem Abstand vom Zielgewebe angewendet wird, bei dem die Faserspitze signifikant weniger der Beschädigung ausgesetzt wird. Es wurde jedoch überraschend gefunden, daß Abstände von ungefähr 150 µm bis etwa 500 µm einen guten Kompromiß zwischen Schutz und Strahlungswirksamkeit darstellen, wenn ein gepulster Ho:YAG-Laser von 2,1 µm Wellenlänge mit einer Faser aus erschmolzenem Silicat mit niedrigem OH zusammen mit einer vergüteten Spitze und einem Kerndurchmesser von 200 bis 600 µm und einer Beschichtungsdicke von 40 bis 100 µm verwendet wurde. Als praktische Grenze wurde festgestellt, daß vorzugsweise in einem Bereich von Trennabständen von 200 bis 400 µm gearbeitet werden sollte, da bei 400 µm die Absorption des Wassers begann, die Faserspitze erreichende Energie zu beeinträchtigen. Es wurde auch festgestellt, daß keine Beschädigung der Faserspitze für Trennabstände über 200 µm vorkamen. Es sollte jedoch bedacht werden, daß der Abstand, mit dem die Faserspitze von dem Zielgewebe getrennt ist, auch außerhalb dieses Bereichs variieren kann, und zwar in Abhängigkeit von Faktoren, wie Faserart, Fasergröße, Strahlungsintensität und Typ, und selbst vom Gewebetyp abhängt.
Um die bevorzugte Trennung der Faserspitze vom Zielgewebe durchzuführen, wurde der Halter oder die in den angefügten Zeichnungen skizzierte Sonde entwickelt.
Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Fig. 3 bis 5 der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 4 einen Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform der Erfindung.
Mit Bezug auf Fig. 3 ist ein erster Halter oder eine die Erfindung verkörpernde Sonde 20 dargestellt. Die interne Struktur dieser Ausführungsform kann die gleiche sein wie in der Sonde 1 der Fig. 1.
Der hauptsächlichste Unterschied in der Ausführung besteht in der Hinzufügung eines Paares von sich gegenüberstehenden, sich axial erstreckenden, offenen äußeren Kanälen 30. Diese Kanäle sind vorgesehen, um die oben diskutierte Belüftungswirkung zu verstärken. Auf diese Art können Dampf und Trümmer, die sonst das Abgabeende der Faser 1 beschädigen können, effektiver entfernt werden.
Die offenen äußeren Kanäle 30 können in Kombination mit den Belüftungsöffnungen 3 benutzt werden, wie es Fig. 3 zeigt. Alternativ können die Kanäle 30 allein benutzt werden. In Abhängigkeit von den angewendeten Verfahren und der Wirksamkeit des Belüftungs- oder Ableitungssystems muß es nicht notwendig sein, das Abgabeende der Faser von dem Zielgewebe in Abstand zu halten.
Man glaubt, daß die Konstruktion mit verstärkter Belüftung und Ableitung, wie in Fig. 3 gezeigt, es der Sonde ermöglicht, in Umgebungen verwendet zu werden, bei denen der Kontakt mit dem Zielgewebe vergrößert ist. Beispielsweise würde es diese Auslegung ermöglichen, die Sonde zum Bohren von Löchern in Gewebe zu verwenden, bei denen die Gefahren der Beschädigung infolge Gewebetrümmern größer ist, als wenn die Sonde bei Einschnitten verwendet wird.
Mit Bezug auf Fig. 4 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die auch zur minimierten Erosion des faseroptischen Materials ausgelegt ist. Wie in der Ausführungsform zuvor umfaßt die Sonde 50 eine Glasfaser 51, die von einem rohrförmigen Trägerelement 52 aus rostfreiem Stahl umgeben und gestützt wird.
Wie zuvor erwähnt, wird die Glasfaser typischerweise von einem Puffer 54 umgeben, der beispielsweise aus Silicon gebildet ist. Das Puffermaterial ist zur Verstärkung der Faser vorgesehen, damit diese ohne Beschädigung gebogen werden kann. Die Pufferschicht ist relativ dick in der Größenordnung von 100 mm. Leider erodiert dieses Material ziemlich schnell infolge der Trümmer und des Dampfes während der chirurgischen Arbeit. Wenn diese Erosion stattfindet, wird das Ende der Faser frei, sich innerhalb des Trägerelements aus rostfreiem Stahl zu bewegen und abzubrechen.
Um diese Schwierigkeit zu überwinden, wäre es wünschenswert, den Abstand zwischen dem Außendurchmesser der Faser und dem Innendurchmesser des rohrförmigen Trägerelements kleinzuhalten. Um dieses Ziel zu erreichen wird das Puffermaterial 54 von der Glasfaser in einem Bereich am Abgabeende abgestreift. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Puffer um einen Abstand von ungefähr 0,64 cm (0,25 Zoll) nach rückwärts gestreift. Der Innendurchmesser des Stützelements 52 wird dann so reduziert, daß der Abstand zwischen der äußeren Umfangsoberfläche der Faser und der inneren Umfangsoberfläche des Trägerelements sehr klein wird. In der bevorzugten Ausführungsform liegt dieser Abstand in der Größenordnung von 0,0013 cm (0,0005 Zoll).
Diese Struktur ist gegenüber Erosion höchst widerstandsfähig. Jedoch unterliegt der Bereich der Faser, der von dem Puffer entmantelt ist, viel wahrscheinlicher dem Bruch, wenn die Sonde während der Herstellung gebogen wird. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, wird ein Klebstoff 56 in die Sonde injiziert, so daß er den Raum zwischen der Faser und dem Trägerelement ausfüllt und die Faser einkapselt. Der Klebstoff 56 ist von einer Art, der sich nicht biegt. Geeignete Klebstoffe sind verfügbar und sind zur Montage von Sonden verwendet worden. Beispielsweise ist EPO-TEK 353 ND, ein von der Firma Epoxy Technology hergestelltes Epoxiharz, von uns verwendet worden.
Während der Klebstoff die Spitze daran hindert, gebogen zu werden, kann der Rest der Sonde während der Herstellung auf den gewünschten Winkel gebogen werden. Die Beseitigung der Biegsamkeit in der Spitze sollte nicht den Zusammenbau von Sonden mit einer Vielzahl von Biegewinkeln verhindern.
Wie in Fig. 4 dargestellt, kommt der Klebstoff in drei Bereichen im Ende der Sonde vor. Der Klebstoff wird vorzugsweise in eine Stelle injiziert, die sich etwas im Bereich A erstreckt, der mit dem Puffer bedeckt ist. In der bevorzugten Ausführungsform beträgt die Überlappungsregion ungefähr 0,64 cm (0,125 Zoll). Der Klebstoff kann durch eine Bohrung 58 eingespritzt werden, die im Träger 52 vorgesehen ist.
Es ist wünschenswert, daß der Klebstoff im Bereich A vorhanden ist, weil er den Spalt zwischen dem Puffer und dem Träger ausfüllt. Dieser Spalt tendiert dazu, variabel zu sein, weil die Schwankungen im Durchmesser des Trägers und der Faser (jede hat Toleranzen von einigen Mus (1 Mil = 0,00254 cm)) sowie auch unkontrollierte Zentrierung der Faser innerhalb des Trägergliedes vorkommen. Wenn der Spalt vorhanden ist, hat die Faser die Tendenz, nach einer Seite des Trägergliedes gestoßen zu werden, wenn die Sonde gebogen wird, was zu seitlichen Spannungen auf der Faser führt, vielleicht auch in einem unbeschichteten Bereich. Durch Füllen des Spaltes mit Klebstoff wird diese Schwierigkeit vermieden. Es ist auch wünschenswert, die Region B zu füllen, an der der Übergang zu der unbeschichteten Faser stattfindet, und der Innendurchmesser des Trägerelements wird zur weiteren Reduzierung der Spannung in der Faser verkleinert.
Zusätzlich zur Verhinderung des Biegens behindert der Klebstoff im Bereich C die seitliche Bewegung der Faser, die entweder durch direkten Kontakt mit dem zu schneidenden Gewebe eingeleitet wird oder durch Kräfte, die von der Verdampfung des Wassers und des Gewebes während jedes Laserimpulses erzeugt werden. Die Einkapselung verhindert auch, daß Wasser und Wasserdampf in die Faser eindringen, was zur Verringerung der Faserwiderstandskraft führen würde.
Das Trägerelement 52 kann sich bis jenseits des Abgabeendes der Faser 51 erstrecken. Zusätzlich kann das Abgabeende der Faser 51 vergütet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform sind diese Merkmale in die Sonde einbezogen.
Ein zusätzlicher Lösungsansatz zur Verringerung der Beschädigung infolge Erosion ist in der Sonde 60 gezeigt, die in Fig. 5 skizziert ist. Wie zuvor bemerkt, die Erosion tritt am raschesten zwischen der Faser 61 und dem Trägerelement 62 auf. Demgemäß wird der Durchmesser des Endes der Faser 61 vergrößert, um den Bereich unmittelbar hinter der Verbreiterung von Trümmern und Dampf abzuschirmen. Diese Verbreiterung kann mit einer Vielzahl von Verfahren erzeugt werden. Beispielsweise kann die Verbreiterung im Bogen einer Faseraufschmelzmaschine gebildet werden. Als Alternative kann eine getrennte Hülse 64 aus gegenüber Erosion resistentem Material, beispielsweise Glas, auf die Faser aufgesteckt werden. Dieser Lösungsansatz zur Verringerung der Erosion kann auch in Verbindung mit anderen, oben diskutieren Lösungsansätzen verwendet werden. Beispielsweise kann eine dünne Schicht von Klebstoff 66 in den engen Spalt zwischen der entmantelten Faser und dem Trägerelement 62 eingespritzt werden.
Es ist ebenfalls ersichtlich, daß die Stütze für die Faserspitze in einem vorbestimmten Abstand von dem Zielgegenstand auch dann erzielt werden kann, wenn andere Gehäusematerialien Verwendung finden oder in anderen Arten vorgegangen wird. Beispielsweise ist es möglich, einen Gasstrom mit relativ hohem Druck durch einen konzentrischen Kanal anzuwenden, der die Faser umgibt, um sowohl eine Stütze für die Faserspitze als auch einen Strom zu erzeugen, der den Dampf und die Trümmer aus der Laserbestrahlung daran hindert, auf die Faserspitze aufzutreffen.

Claims

1. Laserstrahlsonde mit folgenden Merkmalen:

eine optische Faser (7) weist ein Eingangsende zur Aufnahme von Laserstrahlung und ein gegenüberliegendes Laserstrahlabgabeende (9) zur Abgabe der Strahlung an eine Stelle mit Gewebe auf;

ein äußeres Stützelement (15) umgibt die Faser (7), dadurch gekennzeichnet,

daß das äußere Stützelement (15) zwei offene äußere Kanäle (30) umfaßt, die an der Außenoberfläche nur des äußeren Stützelements (15) gebildet sind, und daß jeder Kanal (30) sich axial von einer Stelle benachbart dem Abgabeende (9) der Faser (7) in Richtung zum Eingangsende der optischen Faser erstreckt, um Dampf und Gewebetrümmer von der Gewebestelle abzuleiten, die während der Bestrahlung des Gewebes erzeugt werden.

2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kanal (30) sich von einer Belüftungsöffnung (3) erstreckt, die zwischen Spitzenteilen (5) des Stützelements (15) gebildet sind.

3. Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der inneren Umfangsoberfläche des Stützelements (52) und der äußeren Umfangsoberfläche der Faser (51) benachbart dem Abgabeende möglichst klein gehalten wird, um Erosion zu reduzieren.

4. Sonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand in der Größenordnung von 12,7 µm (0,0005 Zoll) beträgt.

5. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser (51) mit einer äußeren Beschichtung (54) aus Puffermaterial zur Erleichterung der Biegung versehen ist, wobei ein Bereich (B.C.) der Faser (51) unter Einschluß des Abgabeendes vom Puffermaterial befreit ist, und daß ein Klebstoff (56) den Bereich zwischen der Faser (51) und dem Stützelement (52) mindestens in dem Bereich ohne Beschichtung (B.C.) ausfüllt, wobei der Klebstoff (56) das Biegen der Sonde verhindert und die Beschädigung infolge Gewebetrümmern und Dampf verringert.

6. Sonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff (56) sich von dem Abgabeende bis zu einer Stelle bis jenseits des Bereichs ohne Beschichtung (B.C.) erstreckt.

7. Sonde nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff (56) ein Epoxiharz darstellt.

8. Sonde nach Anspruch 5 oder 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des Stützelements (52) in mindestens einem den Bereich ohne Beschichtung (B.C.) umgebenden Abschnitt verringert ist, um zusätzliche Abstützung für die Faser (51) vorzusehen und das Ausgesetztsein den Gewebetrümmern und dem Dampf klein zu halten.

9. Sonde nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Innendurchmesser des Stützelements (52) und dem Außendurchmesser der Faser (51) im Bereich ohne Beschichtung (B.C.) in der Größenordnung von 12,7 µm (0,0005 Zoll) beträgt.

10. Sonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützelement (52) eine Öffnung (58) zum Einspritzen des Klebstoffs (56) umfaßt.

11. Sonde nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (58) an einer Stelle entfernt von dem Abgabeende und jenseits des Bereichs ohne Beschichtung (B.C.) gelegen ist.

12. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser (61) ein Abgabeende (64) mit verbreitertem Durchmesser zum Schutz der Faser aufweist.

13. Sonde nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützelement (62) sich bis jenseits des Abgabeendes (64) der Faser (61) erstreckt.

14. Sonde nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenumfangsoberfläche des Stützelements (62) von der äußeren Umfangsoberfläche des verbreiterten Abgabeendes (64) entfernt angeordnet ist.

15. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (5) vorgesehen sind, um das Abgabeende der optischen Faser (7) in einem vorbestimmten Abstand von der Gewebestelle zu halten.

16. Sonde nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgabeende der Faser mit einem Abstand von ungefähr 150 bis ungefähr 500 µm von der Gewebestelle gestützt wird.

17. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser (7) eine vergütete Spitze an dem Abgabeende aufweist.

18. Sonde nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die vergütete Spitze mit einer im wesentlichen ebenen Seite ausgebildet ist.

19. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützelement (15) eine Abstandseinrichtung (5) aufweist, die benachbart dem Abgabeende der Faser ist und sich von dieser weg erstreckt.

20. Sonde nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandseinrichtung (5) von einer solchen Größe ist, daß, wenn das äußerste Ende der Abstandseinrichtung (5) auf der Gewebestelle aufruht, das Abgabeende der Faser (7) in einem Abstand von ungefähr 150 bis ungefähr 500 µm von der Gewebestelle gehalten wird.

21. Sonde nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandseinrichtung Öffnungen (3) umfaßt, die in dem Stützelement gebildet sind und die zwischen dem äußersten Ende der Abstandseinrichtung (5) und dem Abgabeende der Faser (7) gelegen sind.

22. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (30) des Paares diametral einander entgegengesetzt angeordnet sind.