DE69331663T2

DE69331663T2 - Laserperforator

Info

Publication number: DE69331663T2
Application number: DE69331663T
Authority: DE
Inventors: T. Flock; H. Vestal; Milton Waner
Original assignee: Transmedica International Inc Australia
Current assignee: Transmedica International Inc Australia
Priority date: 1992-10-28
Filing date: 1993-10-26
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2013-10-27
Also published as: DE69333338D1; DK1133953T3; PT1133952E; ATE285718T1; AU5587694A; ES2173909T3; ATE255371T1; EP1133952B1; ATE255370T1; DE69333733D1; EP1133953B1; ES2211697T3; WO1994009713A1; JPH10501992A; DE69333338T2; DE69333337D1; EP0666726B1; DK1133952T3; PT1133953E; EP1132055B1

Description

Diese Anmeldung ist eine Continuation-in-part der anhängigen US-Seriennummer 07/968,862, welche am 28. Oktober 1992 eingereicht wurde.

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft das Gebiet der medizinischen Ausrüstung, insbesondere lasermedizinische Ausrüstung.

Hintergrund

Das traditionelle Verfahren zum Sammeln kleiner Mengen von Blut von einem Patienten verwendet die mechanische Perforation der Haut mittels eines spitzen Gegenstandes wie beispielsweise eine metallische Lanzette oder Nadel. Dieses Verfahren hat viele Nachteile, wobei zwei davon die mögliche Infektion von Mitarbeitern aus der medizinischen Versorgung oder der breiten Bevölkerung mit einer Vorrichtung, welche zum Perforieren der Haut verwendet wurde, und die kostenintensive Handhabung und Entsorgung von biologisch gefährlichem Abfall, sind.
Wenn Haut mit einer spitzen Vorrichtung wie beispielsweise einer metallischen Lanzette oder Nadel perforiert wird, wird biologischer Abfall in der Form der "Spitze" erzeugt, welche mit Blut und/oder Gewebe des Patienten kontaminiert ist. Wenn der Patient mit irgendeinem hämatogenen Krankheitserreger infiziert ist, wie beispielsweise dem AIDS-Virus (HIV), welches das Autoimmun-Erkrankungssyndrom (AIDS) verursacht, dem Hepatitisvirus oder dem ätiologischen Krankheitserreger anderer Krankheiten, kann die kontaminierte Spitze eine ernsthafte Bedrohung für diejenigen darstellen, welche mit diesem in Kontakt kommen könnten. Es gibt viele dokumentierte Fälle von HIV-Infektionen von medizinischen Mitarbeitern, welche zufällig von einer kontaminierten Spitze gestochen wurden.
Die Beseitigung von Spitzen ist auch ein großes Problem. Die Entsorgung von kontaminiertem Material lädt dem Endverbraucher, wie beispielsweise der medizinischen Institution, sowohl eine logistische als auch eine finanzielle Bürde auf. In den 80er Jahren traten zahlreiche Fälle von unsachgemäß entsorgten biologischen Abfällen auf, welche an öffentlichen Stränden angespült wurden. Außerdem ist das Potential für andere, wie beispielsweise Nutzer von intravenös eingenommenen Drogen, zum Erhalten von unsachgemäß entsorgten Nadeln problematisch.
Es existiert ein weiterer Nachteil des traditionellen Verfahrens zum Gestochenwerden mittels eines spitzen Instruments zum Zwecke des Blutentnehmens. Oftmals muss der Stechvorgang wiederholt werden, bevor genügend Blut erhalten wurde. Dies kann beim Patienten erheblichen Stress und Angst erzeugen.
Offensichtlich hat das gegenwärtige Verfahren zum Punktieren von Haut zum Zwecke des Blutentnehmens signifikante inhärente Probleme. Diese Probleme treten auf, da in dem Verfahren ein spitzes Instrument verwendet wird. Deshalb existiert ein Bedarf an einer Technik zum Punktieren von Haut, welches kein spitzes Instrument verwendet. Dieses Verfahren würde der Notwendigkeit einer Entsorgung von kontaminierten Instrumenten vorbeugen und das Risiko einer Kreuzinfektion reduzieren.
In den vergangenen Jahren wurden Laser als ein sehr effizientes und präzises Werkzeug in verschiedenen chirurgischen Verfahren verwendet. Unter den möglicherweise neuen Quellen für Laserstrahlung sind die Seltene-Erd- Elemente für die Medizin von größtem Interesse. Das vielversprechendste unter diesen ist ein YAG-(Yttrium- Aluminium-Granat) Kristall, welcher mit Erbium- (Er) Ionen dotiert ist. Bei Verwendung dieses Kristalls ist es möglich, einen Erbium-YAG- (Er:YAG) Laser zu bauen, welcher derart eingerichtet sein kann, dass elektromagnetische Energie bei einer Wellenlänge (2,94 um) emittiert wird, welche von Wasser stark absorbiert wird. Wenn Gewebe, welches im Wesentlichen aus Wasser besteht, mit Strahlung bei oder nahe dieser Wellenlänge bestrahlt wird, wird dieses schnell erhitzt. Wenn die Intensität der Strahlung ausreichend ist, ist die Erhitzung schnell genug, um eine Verdampfung des Gewebes zu erzeugen. Einige medizinische Anwendungen des Er:YAG-Lasers wurden in den Gesundheitsfürsorge-Disziplinen der Zahnmedizin, Gynäkologie und Ophthalmologie beschrieben. Siehe z. B. Bogdasarov, B. V., et al., "The Effect of YAG:Er Laser Radiation on Solid and Soft Tissues", Preprint 266, Institute of General Physics, Moscow, 1987; Bol'shakov, E. N. et al., "Experimental Grounds for YAG:Er Laser Application to Dentistry", SPIE 1353: 160-169, Lasers and Medicine (1989).

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Erfindung verwendet einen Laserstrahl zum Perforieren der Haut eines Patienten. Die Perforation wird erzeugt mittels Bestrahlens der Oberfläche der Haut mit einem fokussierten Puls elektromagnetischer Energie, welche von einem Laser emittiert wird. Es ist möglich, mittels einer vernünftigen Auswahl der folgenden Bestrahlungsparameter die Haut bis zu einer wählbaren Tiefe sehr präzise zu perforieren, ohne klinisch relevanten Schaden an gesundem benachbartem Gewebe zu verursachen: Wellenlänge, Energiefluss (bestimmt mittels Dividierens der Pulsenergie durch die bestrahlte Fläche), zeitliche Pulsbreite und Bestrahlungspunktgröße.
Es ist eine Vorrichtung bereitgestellt, welche einen gepulsten Laserstrahl emittiert, welcher auf einen kleinen Lichtpunkt zum Zwecke des Perforierens von Gewebe fokussiert ist. Mittels Einstellens der Ausgangsleistung des Lasers können die Tiefe, Breite und Länge der Perforation gesteuert werden, um an den Zweck angepasst zu sein, für den die Perforation benötigt wird. Dieses Verfahren kann dazu verwendet werden, ein kleines, relativ flaches Loch in der Haut zu erzeugen, welches in das Kapillarbett eindringt, wodurch das Entnehmen von Blut für verschiedene Zwecke ermöglicht wird. Optional kann eine Gewebe-Vorheizeinrichtung hinzugefügt sein, um den Blutfluss vor der Laserperforation zu erhöhen. Vorteilhafterweise sind Sicherheitsunterbrecher in der Vorrichtung inkorporiert, um einen gefährlichen Betrieb und versehentliche Laserbestrahlungen zu vermeiden.
Diese Vorrichtung kann des Weiteren derart modifiziert sein, dass sie einen Behälter enthält. Solch ein Behälter kann hinzugefügt sein, um: (1) die Effizienz bei der Sammlung von Blut und Serum zu erhöhen; (2) den Lärm zu reduzieren, welcher erzeugt wird, während der Laserstrahl das Gewebe des Patienten perforiert; und (3) das abgetragene Gewebe aufzusammeln. Der Behälter ist optional evakuiert, um das Sammeln von Blut und Serum zu beschleunigen. In einer Ausführungsform sammelt der Behälter lediglich abgetragenes Gewebe. Der Lärm, welcher bei der Interaktion des Laserstrahls mit der Haut des Patienten erzeugt wird, kann möglicherweise Angst bei dem Patienten auslösen. Der optionale Behälter reduziert die Lärmintensität und mildert somit Angst und Stress beim Patienten. Der Behälter minimiert auch das Risiko von Kreuzkontaminierung und garantiert die Sterilität der gesammelten Probe. Das Anordnen des Behälters in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist insofern einmalig, als er während der Zeit des Punktierens mittels des Laserstrahls das zu punktierende Gewebe bedeckt, und als er folglich die Blutprobe und/oder abgetragenes Gewebe aufsammeln kann, wenn die Punktierung stattfindet.
Diese Erfindung stellt auch eine Einheit zum Punktieren der Haut eines Patienten in einer solchen Weise zur Verfügung, dass keine Blutung resultiert. Die erzeugte Perforation dringt typischerweise durch die Keratinschicht oder sowohl durch die Keratinschicht als auch die Epidermis hindurch.
Dies ermöglicht die Verabreichung von Pharmazeutika durch die Haut. Es gibt einige Vorteile beispielsweise für die Verabreichung von Medikamenten in dieser Weise: Medikamente können über eine lange Zeitperiode kontinuierlich auf der Basis eines ambulanten Patienten verabreicht werden und die Geschwindigkeit und/oder Effizienz der Medikamentenzuführung kann für Medikamente erhöht werden, welche entweder langsam sind oder unfähig sind, die Haut zu durchdringen. Zusätzlich ermöglicht dieses Zuführverfahren einen alternativen Zuführweg für Medikamente, welche sonst injiziert werden müssten.
Diese Erfindung vermeidet den Gebrauch von Spitzen. Die Abwesenheit von kontaminierten Spitzen eliminiert das Risiko einer versehentlichen Verletzung und die damit verbundenen Risiken für den Mitarbeiter in der medizinischen Versorgung, den Patienten und jedermann, der mit der Spitze in Kontakt kommen könnte, sei es versehentlich oder sei es notgedrungen.
Die Abwesenheit von Spitzen vermeidet somit die Notwendigkeit der Entsorgung von biologisch gefährlichem Abfall. Folglich ermöglicht die Erfindung ein ökologisch vernünftiges Verfahren zum Perforieren von Haut.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erfordert keine speziellen Kenntnisse über ihre Verwendung. Sie ist klein, hat ein geringes Gewicht, und kann mit wiederaufladbaren Batterien betrieben werden. Diese Transportierbarkeit und Einfachheit in der Verwendung macht den Gebrauch dieser Vorrichtung in verschiedenen Umgebungen möglich, wie beispielsweise Krankenhauszimmern, Kliniken oder zu Hause.
Die in diese Vorrichtung inkorporierten Sicherheitsmerkmale erfordern es nicht, dass irgendein spezieller Sicherheits- Augenschutz von dem Betreiber der Vorrichtung, den Patienten oder irgendjemandem sonst in der Umgebung der Vorrichtung getragen werden muss, während die Vorrichtung in Betrieb ist. Dies ist eine deutliche Verbesserung gegenüber Laservorrichtungen aus dem Stand der Technik, welche einen solchen speziellen Schutz erfordern.
L. Esterowitz et al., "Mid-IR Solid State Laser with Fiber Optics as an Ideal Medical Scalpel", in Proceedings Intern. Conference on Lasers, Las Vegas, 1985, pp. 68-71, beschreibt die Verwendung eines Er:YAG-Lasers, welcher bei 2,94 um emittiert, als ein medizinisches Skalpell zur Bestrahlung von biologischen Proben. Auch wird die Verwendung von flexiblen ZrF&sub4;-Fasern zum Übertragen der Laserstrahlung zur biologischen Probe beschrieben. Diese dort beschriebene Vorrichtung weist die Merkmale gemäß der Präambel von Anspruch 1 auf.
U.S. Patent 4 710 940, erteilt am 1. Dezember 1984 an Sipes Jr., beschreibt einen optisch gepumpten Nd:YAG-Laser.
Die europäische Patentanmeldung A-0 214 712, "Infrared Catheter System", beschreibt Laser-Kathetersysteme, welche im mittleren Infrarot arbeiten und Er:YAG-Laser beinhalten, sowie Lichtleitfasersysteme zum Erzeugen und Übertragen von Energie zu einem Operationsplatz zum Zwecke des Gewebeentfernens und Reparierens.

Kurzbeschreibung der Figuren

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen kann die vorliegende Erfindung besser verstanden werden und können ihre Vorteile durch die Fachleute gewürdigt werden, wobei
Fig. 1 eine Laservorrichtung mit seiner Energiequelle, hochspannungs-pulsformendem Netzwerk, Blitzlampe, Laserstab, Spiegel, Gehäuse und Fokussierungslinse zeigt;
Fig. 2 einen optionalen federunterstützten Stromunterbrecher und einen optionalen Hitzeapplikator zeigt;
Fig. 3 eine alternative Einheit zum Anregen des Laserstabes unter Verwendung eines Diodenlasers zeigt;
Fig. 4 einen alternativen Fokussierungsmechanismus zeigt;
Fig. 5A optionale mehrfache Strahlteiler zum Erzeugen mehrfacher simultaner Perforationen zeigt, wie beispielsweise teilweise versilberte Spiegel, dichroitische Spiegel oder strahlteilende Prismen;
Fig. 5B einen optionalen akustooptischen Modulator mit modulierter Hochspannung zum Betreiben des Modulators und Ablenken des Strahls zum Erzeugen mehrfacher simultaner Perforationen zeigt;
Fig. 6 einen Lappen zeigt, welcher zum Sterilisieren der Perforationsstelle verwendet werden kann;
Fig. 7A einen Lappen zum Sterilisieren und/oder Zuführen von Pharmazeutika zeigt;
Fig. 7B einen Lappen mit einem optionalen lasertransparenten Material, wie beispielsweise Glimmer, Quarz oder Saphir, welches transparent für den Laserstrahl in der Mitte des Lappens ist, zeigt;
Fig. 8 einen optionalen Behälter zum Sammeln von Blut und abgetragenem Gewebe und zum Reduzieren von Lärm, welcher von der Interaktion zwischen dem Laser und dem Gewebe des Patienten herrührt, zeigt;
Fig. 9 einen Stöpsel und ein Stöpselperforationszentrum zeigt;
Fig. 10 einen optionalen Behälter zum Sammeln von abgetragenem Gewebe und Reduzieren von Lärm, welcher von der Interaktion zwischen dem Laser und dem Gewebe des Patienten herrührt, zeigt; und
Fig. 11 eine optionale Version des Sammelbehälters zeigt, welcher insbesondere nützlich ist, wenn der Behälter einen Reaktanten zum Mischen mit der Probe beinhaltet.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Diese Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Perforieren von Haut für entweder das Sammeln von Blut oder die Verabreichung von Pharmazeutika zur Verfügung. Die Vorrichtung verwendet einen Laserstrahl, insbesondere fokussiert, und Lasertätigkeit bei einer geeigneten Wellenlänge, vorzugsweise zwischen 2 um und 7 um, um kleine Löcher in der Haut eines Patienten zu erzeugen. Der Laserstrahl wird mittels einer Linse fokussiert, um auf der Haut einen bestrahlten Lichtfleck mit einer Größe von in etwa 0,1 ... 1 mm Durchmesser und einem Energiefluss im Bereich von 10 ... 100.000 J/cm² zu erzeugen. Optional kann der Lichtfleck schlitzförmig sein mit einer Breite von 0,05 ... 0,5 mm und einer Länge von bis zu 2,5 mm.

Vorrichtung

Wie in den Figuren gezeigt, weist die Vorrichtung auf einen Stromanschluss, welcher entweder eine elektrische Standardversorgung 10 oder optional ein wiederaufladbarer Batteriestapel 12 ist, optional mit einem Stromunterbrecherschalter 14 zum Zwecke der Sicherheit; ein hochspannungs-pulsformendes Netzwerk 16; eine Laser-Pump- Kavität 18, beinhaltend einen Laserstab 20, vorzugsweise Er:YAG; eine Einheit zum Anregen des Laserstabes, vorzugsweise eine Blitzlampe 22, angeordnet innerhalb der Laser-Pump-Kavität; einen optischen Resonator, aufweisend einen hochreflektierenden Spiegel 24, welcher hinter dem Laserstab positioniert ist, und einem Auskoppelspiegel 26, welcher vor dem Laserstab positioniert ist; eine Transmissions-Fokussierungslinse 28, positioniert jenseits des Auskoppelspiegels; optional eine zweite fokussierende Zylinderlinse 27, positioniert zwischen dem Auskoppelspiegel und der Transmissions-Fokussierungslinse; einen Applikator 30 zum Positionieren der zu untersuchenden Haut am Fokuspunkt des Laserstrahls, welcher optional geheizt werden kann, beispielsweise mittels eines thermoelektrischen Heizers 32, welcher an dem Lasergehäuse 34 angebracht ist; einen Stromunterbrecher 36, positioniert zwischen dem Applikator und der Energieversorgung; und optional einen Strahlabsorber 38, welcher an den Applikator mit einem Fingerabdruck- Zugangsanschluss 40 angebracht ist.
Die Fig. 1 und 2 sind diagrammartige Darstellungen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung bezieht die Energie vorzugsweise von einer 110 V- oder 220 V-Standardstromleitung 10 (eine einzige Phase, 50 oder 60 Hz) welche gleichgerichtet wird und dazu benutzt wird, eine in dem hochspannungs-pulsformenden Netzwerk 16 enthaltene Kondensatorbank aufzuladen. Optional kann ein wiederaufladbarer Batteriestapel 12 an Stelle dessen verwendet werden. Die Kondensatorbank erzeugt eine an einer Hochleistungs-Blitzlampe 22 anliegende Gleichstrom- Hochspannung. Optional kann ein Stromunterbrecher 14, wie beispielsweise ein Schlüsselschalter, vorgesehen sein, welcher ein versehentliches Aufladen der Kondensatoren und somit eine versehentliche Laseranregung vermeidet. Ein zusätzlicher Unterbrecher kann in der Vorrichtung bei dem Applikator hinzugeführt sein, wie beispielsweise ein federunterstützter Stromunterbrecher 36, so dass die Entladung der Kondensatoren ein Freigeben beider Unterbrecher erfordert.
Durch das Niederdrücken eines Schalters kann ein Spannungspuls der bereits an der Blitzlampe anliegenden Spannung überlagert werden, um eine Zünden der Blitzlampe zu verursachen und, als eine Konsequenz daraus, den Lichtblitz zu initiieren. Das Licht der Blitzlampe befindet sich in der Laserkavität 18, welche eine derartige Form hat, dass das meiste Licht effizient auf den Laserstab 20 gerichtet wird, welcher das Licht absorbiert, und zur Abregung nachfolgend last. Die Laser-Kavitätsspiegel mit geringer 26 und hoher 24 Reflektivität, welche kollinear mit der Längsachse des Laserstabes positioniert sind, dienen zur Verstärkung und Ausrichtung des Laserstrahls.
Wie in Fig. 3 gezeigt, kann optional ein Diodenlaser 42, welcher einen Pumpstrahl kollinear mit der Längsachse des Laserkristalls erzeugt, an Stelle der Blitzlampe zum Anregen des Kristalls verwendet werden. Der Pumpstrahl dieses Lasers wird mit einer Kollimatorlinse 44 parallel ausgerichtet und durch den hochreflektierenden Infrarotspiegel 45 zu dem Primär-Laserstab übertragen. Dieser hochreflektierende Spiegel ermöglicht die Übertragung des diodengepumpten Laserstrahls, während er infrarotes Licht des Primär-Lasers reflektiert.
Das Er:YAG-lasende Material ist für den Laserstab das bevorzugte Material, da die Wellenlänge der elektromagnetischen Energie, welche von diesem Laser emittiert wird, 2,94 um, sehr nahe bei der maximalen Absorptions-Wellenlänge (ungefähr 3 um) von Wasser ist. Folglich wird diese Wellenlänge sehr stark von Wasser absorbiert. Die schnelle Aufheizung von Wasser verursacht Perforation der Haut.
Ein anderes nützliches lasendes Material ist jegliches Material, welches, wenn es zum Lasen angeregt wird, eine Wellenlänge emittiert, welche vom Gewebe stark absorbiert wird, wie beispielsweise durch Absorption von Wasser, Nukleinsäuren oder Proteinen, und folglich die notwendige Perforation der Haut verursacht. Ein Laser kann effektiv Gewebe schneiden, um die gewünschten Perforationen zu erzeugen, wo das Gewebe einen Absorptions-Koeffizienten von 10 ... 10.000 cm&supmin;¹ aufzeigt. Beispiele von nützlichen lasenden Elementen sind gepulste CO&sub2;-Laser, Ho:YAG (Holmium:YAG), Er:YAP, Er/Cr:YSGG (Erbium/Chrom:Yttrium-Skandium-Gallium- Granat; 2,796 um), Ho:YSGG (Holmium:YSGG, 2,088 um), Er:GGSG (Erbium:Gadolinium-Gallium-Skandium-Granat), Er:YLF (Erbium:Ytrium-Lithium-Fluorid; 2,8 um), Tm:YAG (Thulium:YAG; 2,01 um), Ho:YAG (Holmium:YAG; 2,127 um), Ho/Nd:YAlO&sub3; (Holmium/Neodym:Yttrium-Aluminat; 2,85 ... 2,92 um), Kobalt:MgF&sub2; (Kobalt:Magnesiumfluorid; 1,75 ... 2,5 um), HF-Chemikalie (Hydrogenfluorid; 2,6 ... 3 um), DF-Chemikalie (Deuteriumfluorid; 3,6 ... 4 um), Kohlenstoffmonoxid (5 ... 6 um), Tiefultraviolettlaser und frequenzverdreifachte Nd:YAG (Neodym:YAG, wobei der Laserstrahl durch Kristalle hindurchtritt, welche eine Verdreifachung der Frequenz verursachen).
Bei der Verwendung der gegenwärtigen Technologie stellen einige dieser Lasermaterialien den zusätzlichen Vorteil einer kleinen Größe zur Verfügung, wodurch die Laser- Perforationsvorrichtung leicht und portabel gemacht wird. Zusätzlich zu Er:YAG bieten Ho:YAG-Laser diesen Vorteil.
Der emittierte Laserstrahl wird mittels Verwendens der Fokussierungslinse 28 auf eine Lichtfleckgröße von einem Millimeter oder weniger als einem Millimeter herunterfokussiert. Die Berücksichtigung von Laser- Sicherheitsbedingungen legen es nahe, dass eine kurzbrennweitige Fokussierungslinse verwendet wird, um sicherzustellen, dass die Energieflussrate (W/cm²) außer am Fokuspunkt der Linse, wo die zu perforierende Gewebeprobe positioniert ist, gering ist. Folglich ist die Gefahr des Laserstrahls minimiert.
Der Strahl kann unter Anwendung einer zylindrischen Fokussierungslinse 27 derart fokussiert werden, dass er entlang einer Achse schmaler ist als entlang der anderen, so dass dadurch eine schlitzförmige Perforation erzeugt wird. Diese Linse, welche den Strahl entlang einer Achse fokussiert, ist in Reihe mit der Transmissions- Fokussierungslinse 28 platziert. Wenn die Perforationen schlitzförmig sind, ist der mit der Perforation verbundene Schmerz beträchtlich reduziert.
Optional kann der Strahl vor dem Fokussieren durch die Fokussierungslinse 28 verbreitert sein, zum Beispiel durch das Verwenden einer konkaven Zerstreuungslinse 46 (siehe Fig. 4). Diese Aufweitung des Strahls resultiert in einem Laserstrahl mit einer entsprechend geringeren Energieflussrate in einem kurzen Abstand hinter dem Fokuspunkt, wodurch der Gefährdungspegel folglich reduziert ist. Ferner reduziert diese optische Anordnung die optischen Aberrationen im Laserlichtpunkt an der Behandlungsposition, wodurch eine wesentlich präzisere Perforation resultiert.
Optional kann der Strahl auch mittels Strahlteilern zum Erzeugen mehrerer Strahlen aufgeteilt werden, welche an verschiedenen Stellen gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig perforieren können. Fig. 5 stellt zwei Variationen von nützlichen Strahlteilern zur Verfügung. Bei einer Version können mehrere Strahlteiler 48, wie beispielsweise teilweise versilberte Spiegel, dichroitische Spiegel oder strahlteilende Prismen, vorgesehen sein, nachdem der Strahl fokussiert wurde. Alternativ kann ein akustooptischer Modulator 52 mit modulierter Hochspannung zum Betreiben des Modulators 52 und Ablenken des Strahls eingesetzt werden. Dieser Modulator befindet sich außerhalb der Laserkavität. Er funktioniert durch sequentielles und schnelles Ablenken des Laserstrahls in verschiedene Winkel, um so die Produktion von mehreren Strahlen zu simulieren.
Ein kleines Heizelement, wie beispielsweise ein thermoelektrisches Heizelement 32, ist optional am Ende des Laserapplikators in der Nähe der Stelle der Perforation angeordnet. Das Heizelement erhöht vor der Laserbestrahlung die Temperatur der Haut und der Kapillaren im Gewebe, welches perforiert werden soll. Dies erhöht den Blutfluss, wodurch das Volumen des zu sammelnden Blutes erhöht wird, wenn die Vorrichtung für diesen Zweck verwendet wird. Ein vorgeschlagener Bereich für die Hauttemperatur liegt zwischen 36ºC und 45ºC, obwohl jegliche andere Temperatur geeignet ist, welche eine Gefäßerweiterung und den daraus resultierenden Anstieg im Blutfluss ohne Veränderung der Blutchemie verursacht.
Ein Behälter 68 ist optional in das Lasergehäuse eingepasst und ist nächstliegend zu der Perforationsstelle positioniert.
Der Behälter reduziert die Intensität des Geräuschs, das erzeugt wird, wenn der Laserstrahl das Gewebe des Patienten perforiert, erhöht die Effizienz beim Sammeln des Blutes und sammelt das entfernte Gewebe. Der Behälter ist derart geformt, dass ein einfaches Einsetzen in das Lasergehäuse ermöglicht ist und dass eine Reibpassung innerhalb des Lasergehäuses bereitgestellt wird. Fig. 8 zeigt den in das Lasergehäuse eingefügten und über der Perforationsstelle angeordneten Behälter.
Die Form und Größe des Behälters sind derart, dass das Einsetzen in den Applikator ermöglicht ist und dass das Sammeln der Blutprobe und/oder des entfernten Gewebes ermöglicht ist. Vorzugsweise ist der Behälter kugelförmig mit einem Volumen von ungefähr 1,5 ml.
In der bevorzugten Ausführungsform ist der Behälter aus Glas oder Plastik hergestellt. In einer Ausführungsform ist der Behälter evakuiert. Das optionale Vakuum in dem Behälter bildet einen negativen Druck über der Perforationsstelle, wodurch die Effizienz beim Sammeln des Blutes erhöht wird. Der Behälter ist optional mit Antigerinnungs- und/oder Konservierungschemikalien beschichtet. Beispiele für Konservierungsmittel enthalten Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) oder Natriumbenzoat. Beispiele für Antigerinnungschemikalien sind Natriumheparin und Natriumcitrat.
Das hinsichtlich der Perforationsstelle nächstgelegene Ende des Behälters ist optional mit einem Stöpsel 70 luftdicht abgedichtet. Der Stöpsel ist aus einem Material mit geeigneter Flexibilität hergestellt, so dass er sich den Konturen der Perforationsstelle (beispielsweise dem Finger) anpasst. Die gewünschte Perforationsstelle wird fest gegen den Stöpsel gedrückt. Das Stöpselmaterial ist für Gasdurchfluss undurchlässig. Weiterhin ist das Stöpselmaterial dünn genug, um mittels des Lasers die Perforation sowohl des Materials als auch der Haut zu ermöglichen. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Stöpsel aus Kautschuk hergestellt.
Das Stöpselperforationszentrum 74, wie in Fig. 9 gezeigt, ist vorzugsweise aus einem dünnen Kautschukmaterial hergestellt. Die Dicke des Stöpsels ist derart, dass der Stöpsel das Vakuum vor der Perforation aufrechterhalten kann und der Laser sowohl den Stöpsel als auch das dem Stöpsel benachbarte Gewebe perforieren kann. Zur Verwendung mit einem Er:YAG-Laser sollte der Stöpsel im Bereich von ungefähr 100 ... 500 um dick sein, aber höchstens 1 mm dick.
Das Stöpselperforationszentrum 74 ist groß genug um die Perforationsstelle zu bedecken. Optional ist die Perforationsstelle ein rundes Loch mit einem ungefähren Durchmesser von 0,1 ... 1 mm oder schlitzförmig mit einer ungefähren Breite von 0,05 ... 0,5 mm und einer ungefähren Länge von bis zu 2,5 mm. Somit ist das Stöpselperforationszentrum ausreichend groß, um die Perforationsstellen dieser Größen zu bedecken.
Die Perforationsstelle wird fest gegen das Kautschukmaterial gepresst. Optional kann ein kreisförmiger Ring aus Klebstoff auf dem Kautschukstöpsel angebracht werden, um eine luftdichte Dichtung zwischen der Perforationsstelle und dem Behälter bereitzustellen. Vorzugsweise wird die Perforationsstelle auf dem Stöpsel gedehnt, wenn das Gewebe gegen den Stöpsel gepresst wird. Dieses Dehnen des Stöpselmaterials verursacht, dass das in dem Stöpsel erzeugte Loch vergrößert wird über die Größe des Lochs, welches in dem Gewebe erzeugt wird. Als Resultat kann das Blut und/oder das Serum ungehindert in den Behälter 68 fließen.
Der Behälter 68 enthält ein Fenster 72, das aus einem infrarotdurchlässigen Material hergestellt ist und das in dem Strahlweg des Laserstrahls, am hinsichtlich des Strahls nächstgelegenen Ende des Behälters, positioniert ist. Der Laserstrahl tritt durch das Fenster durch den Behälter hindurch, perforiert das Stöpselperforationszentrum 74 und perforiert das Gewebe des Patienten. In der bevorzugten Ausführungsform ist das infrarotdurchlässige Material Quarz, aber andere Beispiele geeigneten Infrarotmaterials enthalten Steinsalz, Germanium und Polyethylen.
In einer zweiten Ausführungsform des Behälters, wie in Fig. 10 gezeigt, enthält der Behälter 68 ein Loch 76, durch welches der Laser hindurchtritt. In dieser zweiten Ausführungsform sammelt der Behälter nur entferntes Gewebe. Wie in der ersten Ausführungsform ist die Perforationsstelle fest gegen den Behälter gedrückt. Der Behälter kann optional nächstgelegen zu der Perforationsstelle einen Stöpsel enthalten, dies ist jedoch nicht wesentlich, da ein Vakuum in der zweiten Ausführungsform nicht aufrechterhalten werden muss. Beide Ausführungsformen des Behälters reduzieren das Geräusch, das auf Grund der Interaktion zwischen dem Laserstrahl und dem Gewebe des Patienten erzeugt wird, und mildern somit Angst und Stress beim Patienten.
Optional ist der Behälter ein Einwegartikel, so dass der Behälter und der Stöpsel nach der Nutzung weggeworfen werden können. Zusätzlich kann der Behälter Reagenzien für unterschiedliche auf das gesammelte Blut durchzuführende Tests enthalten. Beispiele solcher Reagenzien sind Natriumheparin und andere Reagenzien, die im Stand der Technik für die Nutzung in chemischen Standardbluttests bekannt sind. Es wird beispielsweise auf D. Garza et al. Phlebotomy Handbook (3rd Edition), Appleton and Lang Pub. Co., Norwalk, CT, 1993, verwiesen, welches hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist. Die Reagenzien sind derart positioniert, dass sie sich nicht in dem Strahlweg des Laserlichts befinden. Die Reagenzien sind vorzugsweise in trockener Form vorhanden, beschichten die inneren Wände des Behälters und sind somit unmittelbar zur Interaktion mit der Blutprobe, so wie sie gesammelt worden ist, verfügbar. Eine bevorzugte Ausgestaltung für den Behälter ist, wenn er ein in Fig. 11 gezeigtes Reagenz enthält. In dieser Ausgestaltung weist der Behälter an der Basis eine derartige Einkerbung 78 auf, dass jede beliebige flüssige Reagenz, die in dem Behälter vorhanden ist, nicht in den Strahlweg des Laserstrahls fällt, wenn der Behälter entweder vertikal oder horizontal gehalten wird. Der Scheitelpunkt des eingekerbten Bereichs ist aus infrarotdurchlässiger Substanz, wie beispielsweise Quarz, hergestellt.
Wenn Reagenzien in dem Behälter enthalten sind, bevor die Blutprobe gesammelt wird, so ist es vorteilhaft, den Behälter in irgendeiner Weise dahingehend zu kennzeichnen, welche Reagenzien in dem Behälter enthalten sind oder dahingehend, welcher Test auf die Probe unter Verwendung dieser Reagenzien ausgeführt werden soll. Ein bevorzugtes Verfahren für eine solche Markierung erfolgt unter Verwendung von farbkodierten Stöpseln. Beispielsweise kann ein blauer Stöpsel die Existenz einer Reagenz A anzeigen, wohingegen ein roter Stöpsel die Präsenz von Reagenzien B plus C innerhalb des Behälters anzeigen kann.
Um die Haut vor der Perforation zu sterilisieren kann ein steriler alkohol-imprägnierter Lappen oder ein Papier oder anderes dünnes Material optional über der zu perforierenden Stelle platziert werden. Dieses Material kann ferner das Abspringen möglicherweise infizierten Gewebes in der Dampffahne verhindern, die durch die Perforation freigesetzt wird. Das Material muss für den Laserstrahl durchlässig sein. Beispiele solcher Materialien sind eine dünne Schicht aus Quarz, Glimmer oder Saphir. Alternativ kann eine dünne Schicht aus Plastik wie beispielsweise eine Schicht aus Polyvinylchlorid über der Haut platziert werden. Obwohl der Laserstrahl das Plastik perforieren wird, verhindert das Plastik, dass das meiste der Ablösungen wegfliegt und verringert somit jedes mögliche Risiko einer Kontamination durch infiziertes Gewebe. Zusätzlich kann eine Schicht aus einer viskosen sterilen Substanz, wie beispielsweise Vaseline, dem durchlässigen Material oder der Plastikschicht hinzugefügt werden, um die Haftung des Materials oder des Plastiks an der Haut zu erhöhen und ferner die Kontamination der Dampffahne zu verringern. Zusätzlich kann ein solcher Lappen verwendet werden, um Allergene, lokale Anästhetika oder andere Pharmazeutika zuzuführen, wie unten beschrieben wird.
Beispiele eines solchen Lappens sind in den Fig. 6 und 7 bereitgestellt. In Fig. 6 ist ein alkohol-imprägniertes Papier 54 von einem temporär klebenden Streifen 58 umgeben. Seitenansichten von zwei alternativen Lappen sind in den Fig. 7a und 7b gezeigt, in denen sterilisierender Alkohol antibiotische Salbe, Allergen oder ein Pharmazeutikum in dem Zentralbereich des Lappens 60 vorhanden ist. Dieses Material wird mittels eines Papiers oder einer Plastikschicht 62 an der Stelle gehalten, optional mit einem laserdurchlässigen Material 64 (gezeigt in Fig. 7b), wie beispielsweise Glimmer, Quarz oder Saphir, welches im Zentrum des Lappens für den Laserstrahl durchlässig ist. Der Lappen kann unter Verwendung eines Klebstoffs 66 auf der Haut platziert sein.
Beim Definieren des Laserstrahls zu berücksichtigende Faktoren sind Wellenlänge, Energiefluss, zeitliche Pulsbreite und Strahlfleckgröße. Die Wellenlänge ist durch das Lasermaterial bestimmt, wie beispielsweise Er:YAG, welches in der Vorrichtung verwendet wird. Die zeitliche Pulsbreite ist eine Folge der Breite des Pulses, welcher von der Kondensatorbank, der Blitzlampe und dem Laserstabmaterial erzeugt wird. Die Pulsbreite liegt optimal zwischen 1 us und 1000 us. Der Laserstrahl ist exakt auf die Haut fokussiert, erzeugt einen schlitzförmigen Fokuspunkt mit einer Breite von 0,05 ... 0,5 mm und einer Länge von bis zu 2,5 mm oder einen ellipsenförmigen Fokuspunkt von 0,2 ... 0,3 mm mal 1 ... 2 mm. Die Energiedichte, welche eine Funktion der Laserausgangsenergie (in Joule) und der Größe des Strahls an dem Fokuspunkt (cm²) ist, sollten in dem Bereich von 10 ... 100.000 J/cm² liegen. Die Fokuslänge der Linse kann beliebig groß sein, beträgt jedoch in einer Ausführungsform der Vorrichtung 30 mm. Die Energieflussrate liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1,3·10&sup4; ... 6,4·10¹&sup0; W/cm² und gleichzeitig liegt die Energieflussrate vorzugsweise im Bereich von 1,3·10¹ ... 6,4·10&sup7; W/cm².
Die Vorrichtung arbeitet wie folgt: Der Stromunterbrecher wird initiiert, womit das Aufladen der Kondensatoren gestartet wird. Die Vorrichtung wird in einer Weise manipuliert, dass ein Abschnitt der Haut des Patienten an der Stelle des Laserfokus innerhalb des Applikators positioniert wird. Zum Sammeln von Blut ist die Perforationsstelle optimal an einer Stelle, an welcher der Blutfluss hoch ist. Beispiele solcher Bereiche der Haut sind auf einer Fingerspitze, oder die Ferse eines Fußes. Für die Perforation zum Zuführen von Anästhetika oder Pharmazeutika oder zum Immunisieren ist ein Bereich der Haut bevorzugt, der einen geringeren Kontakt mit harten Objekten oder mit Kontaminationsquellen hat. Beispiele sind die Haut auf dem Arm, dem Bein, dem Abdomen oder dem Rücken. Optional wird das Hautheizelement zu dieser Zeit aktiviert.
Vorzugsweise wird ein Halteelement mit einem Loch bereitgestellt, welches mit der Fokusebene des optischen Systems zusammenfällt. Optional kann ein federunterstützter Stromunterbrecher 36 an dem Halteelement befestigt sein, so dass für den Fall, dass der Patient eine geringe Menge an Druck auf den Stromunterbrecher ausübt, dieser zu dem Fokuspunkt hinuntergeführt wird, ein Schalter geschlossen wird und der Laser einen Strahlungspuls initiiert. In diesem Aufbau ist der Fokuspunkt des Strahls nicht in einer Linie mit dem Ende des Halteelements solange dieses Ende niedergedrückt wird. In dem extrem unwahrscheinlichen Ereignis einer störungsbedingten Entladung des Lasers vor der korrekten Positionierung des Gewebes an dem Ende des Laserapplikators resultiert diese Situation bei der optischen Anordnung in einer Energieflussrate, die signifikant niedrig ist, womit ein vernachlässigbarer Effekt auf ungewollten Zielen verursacht wird.
Für bestimmte Zwecke ist es nützlich, eine Vielzahl von Perforationen auf der Haut gleichzeitig oder in schneller Abfolge zu erzeugen. Um dies zu erreichen kann der Vorrichtung optional ein Strahlteiler hinzugefügt werden.

Entnahme von Blut oder Serum

Die Vorrichtung kann verwendet werden zum Perforieren der Haut bis zu der Kapillarschicht, um das Sammeln von Blut zu ermöglichen. Das Blut kann für eine große Zahl unterschiedlicher Tests verwendet werden, wie beispielsweise zum Bestimmen der Blutchemie (Blutzucker, CBC, Harnstoff, Elektrolyte, Kreatinin, Cholesterin, etc.) und/oder es kann in seine Komponenten aufgeteilt werden, wie beispielsweise in Serum und Zellen für eine Vielzahl unterschiedlicher Zwecke, wie beispielsweise das Bestimmen der Zahl roter Blutkörperchen. Das Blut kann ferner für Zwecke verwendet werden, wie beispielsweise eine genetische Analyse für eine genetische Beratung.
Mit der anderen Parametereinstellung bestimmt die Intensität der Laserpumpquelle die Intensität des Laserpulses, welcher wiederum die Tiefe der resultierenden Perforation bestimmt. Deshalb können unterschiedliche Einstellungen der Vorrichtung bereitgestellt werden, um das Durchdringen unterschiedlicher Hautdicken zu ermöglichen.
Wie oben beschrieben worden ist kann die Haut vorgeheizt werden, so dass die Kapillaren erweitert werden und der Blutfluss vor der Perforation erhöht wird. Der erhöhte Blutfluss erlaubt das Sammeln eines erhöhten Blutvolumens und vermeidet das Bedürfnis nach einer Vielzahl von Perforationen. Das Vorheizen kann erreicht werden mittels Hinzufügens eines Vorheizelements, wie oben beschrieben, oder mittels anderer Einrichtungen zum Vorheizen der Haut, bevor sie auf dem Laserapplikatorteil der Vorrichtung positioniert wird.
Optional wird ein Strahlabsorber in einer solchen Weise positioniert, dass die Verwendung des Lasers zum Punktieren von Fingerspitzen nicht behindert wird. Der Strahlabsorber absorbiert jedwede Streuung elektromagnetischer Strahlung des Strahls, die nicht von dem Gewebe absorbiert wird, wodurch verhindert wird, dass irgendeine Streustrahlung Schaden verursacht. Der Strahlabsorber ist leicht entfernbar für Situationen, in denen die Präsenz des Strahlabsorbers das Platzieren eines Körperteils auf dem Applikator behindern würde.
Dieses Verfahren zur Blutentnahme erzeugt eine sehr kleine Zone, in der Gewebe verdampft wird und nur eine extrem kleine Zone thermischer Nekrose. Ein im Wesentlichen rundes Loch kann einen Durchmesser in einem Bereich von 0,1 ... 1 mm aufweisen, wohingegen ein schlitzförmiges Loch eine Breite in einem Bereich von ungefähr 0,05 ... 0,5 mm und eine Länge von bis zu ungefähr 2,5 mm aufweisen kann. Als Ergebnis verläuft die Heilung schneller oder gleich schnell wie die Heilung nach einer Hautpunktierung mit einem spitzen Instrument.
Das Blut kann in einem geeigneten Gefäß gesammelt werden, wie beispielsweise einer kleinen Teströhre oder einer Kapillarröhre oder in einem Behälter, der zwischen dem Laser und dem Gewebe, wie oben beschrieben, platziert wird. Der Laser dieser Erfindung ist besonders geeignet zum Sammeln von Blut, da er das Blut nach dem Durchdringen der Haut nicht gerinnen lässt. Ferner ist das Verfahren nicht-kontaktierend und somit werden weder der Patient, das zu entnehmende Blut noch das die Perforation durchführende Instrument kontaminiert.

Zuführen von Pharmazeutika

Mittels geeigneter Modifikation des Energiepegels und/oder der Fleckgröße des Laserstrahls können Perforationen hergestellt werden, welche die Haut nicht so tief durchdringen wie oben beschrieben. Diese Perforationen können nur durch die oberen Flächen, wie beispielsweise die Keratinschicht oder sowohl die Keratinschicht als auch die Epidermis gemacht werden. Optional kann ein optischer Strahlteiler verwendet werden, so dass entweder einzelne Perforationen oder eine Anzahl von Perforationen innerhalb eines gewünschten Bereichs durchgeführt werden können. Nach der Perforation können die Pharmazeutika der Haut in Form einer Creme, einer Lotion oder eines Lappens zugeführt werden.

Immunisierung

Wie beim Zuführen der Pharmazeutika können Antigene durch die Haut für Immunisierungszwecke verabreicht werden. Die Perforationen werden entweder einzeln oder in einer Vielzahl durch die äußeren Schichten der Haut gemacht und das Immunogen wird in einer geeigneten Form bereitgestellt. Für Booster-Immunisierungen, wobei das Zuführen über eine Zeitperiode hinweg die Immunantwort erhöht, kann das Immunogen in einer Form bereitgestellt werden, welche die Perforationen langsam durchdringt, jedoch mit einer Rate, die größer ist als es durch unperforierte Haut möglich wäre.

Zuführen von Anästhetika

Lokalisierte Anästhetika können unter Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung der Erfindung zugeführt werden. Örtlich angewendete Anästhetika müssen die Keratinschicht durchdringen, um zu wirken. Derzeit werden als Medikamententräger fungierende Verbindungen verwendet, um die transdermale Diffusion einiger Medikamente zu ermöglichen. Diese Träger verändern manchmal das Verhalten der Medikamente oder sind selbst toxisch. Der Energiepegel der Vorrichtung kann geeignet eingestellt werden, so dass die Keratinschicht durchdrungen wird, ohne die Kapillarschicht zu durchdringen. Anästhetika können dann den Perforationen zugeführt werden, beispielsweise in einem mit einer Salbe imprägnierten Lappen.

Zuführen von Allergenen

Diese Vorrichtung und das Verfahren können ferner angewendet werden auf das Zuführen von Allergenen beispielsweise für einen Allergietest. Eine Vielzahl von Perforationen können realisiert werden, welche zwar die äußere Hautschicht durchdringen, jedoch die Kapillarschicht nicht durchdringen. Eine Vielzahl unterschiedlicher Allergene können dann der Haut zugeführt werden, wie bei einem Pflaster-Haut-Test.
Die folgenden Beispiele sind Beschreibungen der Verwendung der Vorrichtung dieser Erfindung zum Zwecke der Blutentnahme. Diese Beispiele sind nicht als den Schutzbereich der Erfindung beschränkend anzusehen und stellen lediglich eine Ausführungsform dar.

Beispiel 1

Ein Infrarot-Laserstrahl-Puls wurde gebildet unter Verwendung eines gepulsten Multimode-Festkörper-Er:YAG-Lasers, welcher aus zwei flachen Resonatorspiegeln, einem Er:YAG-Kristall als ein aktives Medium, einer Stromversorgung und einer Einrichtung zum Fokussieren des Laserstrahls besteht. Die Wellenlänge des Laserstrahls betrug 2,94 um. Die Dauer des Pulses betrug ungefähr 100 ms. Die elliptische Fleckgröße war ungefähr 0,2 ... 0,3 mm mal 1 ... 2 mm. Die verwendete Impulsenergie betrug 0,7 J, 0,9 J oder 2,0 J für jeweils dünne bis dicke Haut. Einzelne Pulse wurden verwendet, in einem Test wurden jedoch 6 Pulse pro Minute verwendet, wobei jeder ein separates Gewebestück bestrahlte.
Die Betriebsparameter waren wie folgt: Die Energie pro Puls betrug 2 J, wobei die Größe des Strahls an dem Fokuspunkt 0,2 mm betrug, womit ein Energiefluss von 10³ J/cm² erzeugt wurde. Die zeitliche Pulsbreite betrug 100 us, womit eine Energieflussrate von 1·10&sup7; W/cm² erzeugt wurde.
Jeder Finger des Patienten wurde vor der Perforation mit 96%- igem Ethylalkohol behandelt, um Bakterien zu entfernen. Der Finger wurde an dem Fokuspunkt des Lasers platziert und der Laser wurde entladen. Das Blut wurde von der Perforation mit einer Glaskapillarröhre entnommen. Das Volumen des entnommen Bluts (ohne den Finger zu quetschen) variierte von 0,5 ... 1,0 ml. Dieses Blut unterschied sich in der chemischen Zusammensetzung nicht von vergleichbaren Proben, die mittels einer Lanzettenpunktierung während Kontrolltests erhalten wurden. Der von der Laserperforation ausgelöste Schmerz wurde als ungefähr gleich oder geringer geschätzt verglichen mit dem Schmerz, der durch Stechpunktierung einer Lanzette ausgelöst wurde.
Eine morphologische Analyse der Wirkung der Laserperforation auf das Hautgewebe zeigte einen minimalen Bereich thermischer Zerstörung (weniger als 20 ... 40 um jenseits des Randes der erzeugten Perforation) ohne irgendein Zeichen von Verkohlung. Die Wunden waren konisch geformt. Es wurde festgestellt, dass die Tiefe und Breite der Wunden proportional zu dem Energiefluss waren und annähernd zusammenhingen mit dem Inversen der Dauer des Laserpulses.

Beispiel 2

Der Laserperforator weist auf eine Blitzlampe (PSC Lamps, Webster, NY), einen Er:YAG-Kristall (Union Carbide Crystal Products, Washagoul, WA), optische Resonatorspiegel (CVI Laser Corp., Albuquerque, NM), eine infrarotdurchlässige Linse (Esco Products Inc., Oak Ridge, NJ), sowie eine Anzahl von elektrischen Standardbauelementen wie beispielsweise Kondensatoren, Widerstände, Induktoren, Transistoren, Dioden, Silizium-gesteuerte Gleichrichter, Sicherungen und Schalter, die von jeder beliebigen Vertriebsfirma zum Vertrieb elektrischer Bauelemente erhalten werden können, wie beispielsweise von Newark Electronics, Little Rock, AR.

Beispiel 3

Ein Infrarot-Laserstrahl-Puls wurde gebildet unter Verwendung eines gepulsten Multimode-Festkörper-Er:YAG-Lasers, welcher aus zwei flachen Resonatorspiegeln, einem Er:YAG-Kristall als ein aktives Medium, einer Stromversorgung und einer Einrichtung zum Fokussieren des Laserstrahls besteht. Die Wellenlänge des Laserstrahls betrug 2,94 um. Die Dauer des Pulses betrug ungefähr 100 ms. Die elliptische Fleckgröße betrug ungefähr 0,2 ... 0,3 mm mal 1 ... 2 mm. Die verwendete Impulsenergie betrug 0,7 J, 0,9 J oder 2,0 J jeweils für dünne bis dicke Haut. Einzelne Pulse wurden verwendet, in einem Test wurden jedoch 6 Pulse pro Minute verwendet, wobei jeder ein separates Gewebestück bestrahlte.
Die Betriebsparameter waren wie folgt: Die Energie pro Puls betrug 2,0 J, wobei die Größe des Laserstrahls in dem Fokuspunkt 0,2 mm mal 1 mm betrug, wodurch ein Energiefluss von 10³ J/cm² erzeugt wurde. Die zeitliche Pulsbreite betrug 100 us, womit eine Energieflussrate von 1·10&sup7; W/cm² erzeugt wurde.
Jeder Finger des Patienten wurde vor der Perforation mit 96%- igem Ethylalkohol behandelt, um Bakterien zu entfernen. Der Finger wurde an den Fokuspunkt des Lasers platziert und der Laser wurde entladen. Das Blut wurde von der Perforation mit einer Glaskapillarröhre entnommen. Das Volumen des entnommenen Blutes (ohne den Finger zu quetschen) variierte von 0,5 ... 1,0 ml. Dieses Blut unterschied sich in seiner chemischen Zusammensetzung nicht von vergleichbaren Proben, die mittels Lanzettenpunktierung während Kontrolltests erhalten wurden. Der durch die Laserperforation ausgelöste Schmerz wurde als ungefähr gleich geschätzt zu dem Schmerz, der durch die Stechpunktierung einer Lanzette ausgelöst wurde.
Eine morphologische Analyse der Wirkung der Laserperforation auf das Hautgewebe zeigte einen minimalen Bereich thermischer Zerstörung (weniger als 20 ... 40 um jenseits des Randes der erzeugten Perforation) ohne irgendein Zeichen von Verkohlung. Die Wunden waren schlitzförmig. Es wurde festgestellt, dass die Tiefe und die Breite der Wunden proportional zu dem Energiefluss waren, und dass sie annähernd zusammenhingen mit dem Inversen der Dauer des Laserpulses.

Beispiel 4

Die Perforation wird durchgeführt wie in Beispiel 1 oder 3 mit der Ausnahme, dass die Vorrichtung modifiziert ist, so dass sie eine Blut-Sammelröhre enthält, die fest zwischen das vordere Ende der Laservorrichtung und dem Fokuspunkt des Lasers, durch welchen der Laserstrahl hindurchtritt, eingepasst ist. Die Röhre ist 2,0 cm lang und weist einen Durchmesser von 1,0 cm auf, hat eine Einkerbung in dem Boden, welche den Boden 1,0 cm in das Zentrum der Röhre drückt. Als Ergebnis fällt keine Flüssigkeit oder ein kristallisiertes Additiv, wie beispielsweise das Antigerinnungsmittel Natriumheparin, in den Strahlweg des Laserstrahls, wenn die Röhre entweder vertikal oder horizontal gehalten wird. Der Scheitelpunkt des eingekerbten Bereichs ist aus einer Quarzscheibe hergestellt, welche für den Laserstrahl durchlässig ist.
Das ferne Ende der Röhre ist mit einem Kautschukstöpsel bedeckt. Der Stöpsel ist außen mit einem Klebstoff beschichtet, um die Haftung des Stöpsels auf der zu perforierenden Haut zu bewirken. In der Röhre selbst wird vor der Perforation ein inneres Vakuum aufrechterhalten. Die Röhre ist ferner innen mit Natriumheparin beschichtet, um als Antigerinnungsmittel zu fungieren, um ein Blutbild auf die erhaltene Probe zu bilden.
Anschließend wird der Laser gezündet, wodurch der Laserstrahl durch die Röhre hindurch geführt wird und nur das ferne Ende (der Stöpsel) der Röhre sowie die Haut perforiert werden. Eine Blutprobe von annähernd 1 cm³ fließt dann in die Röhre und vermischt sich mit dem Natriumheparin. Die gesamte Blutprobe und jedes explodierte/abgetragene Gewebe wird auf diese Weise innerhalb der Röhre aufgenommen, womit eine Kontaminierung und die Verbreitung von Krankheiten verhindert werden.
Während Ausführungsformen und Anwendungen dieser Erfindung gezeigt und beschrieben wurden ist es für die Fachleute offensichtlich, dass viel mehr Veränderungen möglich sind, ohne das erfinderische Konzept, wie es in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.

Claims

1. Eine Laserperforationsvorrichtung zum Perforieren von Haut aufweisend:

a) ein Laserelement (20), welches einen gepulsten Strahl emittiert, ausgewählt aus nachfolgender Gruppe:

Er:YAG, gepulster CO&sub2;, Ho:YAG, Er:YAP, Er/Cr:YSGG, Ho:YSGG, Er:GGSG, Er:YLF, Tm:YAG, Ho:YAG, Ho/Nd:YAlO&sub3;, Co:MgF&sub2;, HF chemisch, DF chemisch, Kohlenmonoxid, tiefe UV-Laser und frequenzverdreifachter Nd:YAG;

b) eine Energiequelle (10) oder (12);

c) ein mit der Energiequelle verbundenes Hochspannungspulse formendes Netzwerk (16);

d) eine Einheit (22) zum Anregen des Laserelements (20), welches mit dem pulsformenden Netzwerk (16) verbunden ist;

e) eine Laserkavität (18);

gekennzeichnet durch

f) eine Fokussiereinheit (28), welche den Strahl des Laserelements (20) in einer Entfernung von 10 mm zum Laserelement in mindestens einen Strahl fokussiert, welcher als geschlossen-konischer ellipsenförmiger oder schlitzförmiger Abschnitt geformt ist, wobei am Fokuspunkt eines jeden Strahls eine Achse des geschlossen-konischen Abschnitts weniger als 1 mm beträgt.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei welcher die Laserwellenlänge zwischen 2 um und 7 um und insbesondere zwischen 2,9 um und 3,0 um beträgt.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei welcher die Fokussiereinheit (28) den Strahl von dem Element (20) in einem Abstand von mindestens 10 mm zu dem Laserelement fokussiert.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, welche weiterhin aufweist einen Applikator (30), welcher entlang des Strahlweges zwischen der Laserkavität und dem zu perforierenden Gewebe angeordnet ist, so dass der Fokuspunkt des Strahls innerhalb oder an einem Ende des Applikators (30) liegt.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, bei welcher der Applikator geheizt wird.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei welcher das Heizelement ein thermoelektrisches Heizelement ist.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5 oder 6, welche aufweist einen Stromunterbrecher (14) zwischen dem Hochspannungspulse formenden Netzwerk (16) und der Energiequelle, wodurch der Laser bis zum Entfernen des Stromunterbrechers nicht entladbar ist.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei welcher der Stromunterbrecher optional ein federunterstützter Stromunterbrecher ist, welcher mittels Niederdrückens des Applikators aktiviert wird.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, bei welcher der Applikator (30) einen Strahlabsorber (38) aufweist.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, bei welcher der Applikator (30) einen Fingerabdruck-Zugangsanschluss (40) aufweist.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei welcher die Energiequelle ein Batteriestapel (12) ist.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei welcher der Batteriestapel (12) wiederaufladbar ist.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei welcher die Einheit (22) zum Anregen des Lasermaterials (20) aus einer Blitzlampe und einem Diodenlaser ausgewählt wird.

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 13, bei welcher der Diodenlaser (42) vorhergehend zum Lasermaterial (20) ist, und bei welcher der Laserstrahl des Diodenlasers auf das Lasermaterial durch eine Kollimator-Linse (44) hindurch fokussiert wird.

15. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, welche weiterhin aufweist einen derartig angeordneten Strahlteiler (48), dass mehrere Strahlen simultan aus der Vorrichtung ausgestrahlt werden.

16. Vorrichtung gemäß Anspruch 15, bei welcher der Strahlteiler (48) aus einer Serie von teilweise versilberten Spiegeln, einer Serie von dichroitischen Spiegeln und einer Serie von strahlteilenden Prismen optional ausgewählt wird.

17. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, welche weiterhin aufweist einen akustooptischen Modulator (52) außerhalb der Laserkavität (18), wobei der Modulator den Strahl nacheinander mit unterschiedlichen Winkeln ablenkt, um unterschiedliche Orte der Perforation der Haut zu erzeugen.

18. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, welche weiterhin aufweist einen zwischen Laserelement (20) und Gewebe angeordneten Behälter (68) zum Aufsammeln von mittels der Perforation des Gewebes gelöstem biologischem oder anderem Material, wobei der Behälter außer am dem Gewebe nächstgelegenen Ende abgeschlossen ist, und wobei der Behälter Körperflüssigkeit oder abgetragenes Gewebe aufsammelt.

19. Vorrichtung gemäß Anspruch 18, bei welcher der Behälter (68) Vakuum aufweist.

20. Vorrichtung gemäß Anspruch 18, bei welcher der Behälter (68) weiterhin aufweist einen Stöpsel (70), welcher optional aus einem Material gefertigt ist, welches für Gasdurchfluss undurchlässig ist, welcher derart geformt ist, dass der Stöpsel mit den Konturen des Perforationsorts übereinstimmt, und welcher nächstliegend zu dem Perforationsort ist, wobei der Stöpsel optional ein Vakuum in dem Behälter aufrechterhält.

21. Vorrichtung gemäß Anspruch 20, bei welcher der Stöpsel (70) aus Kautschuk hergestellt ist.

22. Vorrichtung gemäß Anspruch 20, bei welcher der Stöpsel (70) ein Stöpselperforationszentrum (74) aufweist.

23. Vorrichtung gemäß Anspruch 22, bei welcher das Stöpselperforationszentrum (74) aus Kautschuk mit einer Dicke im Bereich von ca. 100 ... 500 um hergestellt ist.

24. Vorrichtung gemäß Anspruch 18, bei welcher der Behälter (68) einen Eingang (72), (76) oder (78) für den Laserstrahl aufweist.

25. Vorrichtung gemäß Anspruch 24, bei welcher der Eingang (72), (76) oder (78) für den Laserstrahl ein Fenster (72) ist, welches optional eine infrarotdurchlässiges Material aufweist und welches im Weg des Laserstahls angeordnet ist, wobei das Fenster für den Laserstrahl transparent ist, und wobei das Fenster optional aus einem Material hergestellt ist, welches aus der folgenden Gruppe wählbar ist: Quarz, Steinsalz, Germanium und Polyethylen.

26. Vorrichtung gemäß Anspruch 24, bei welcher der Eingang für den Laserstrahl ein im Weg des Laserstrahls angeordnetes Loch (76) ist.

27. Vorrichtung gemäß Anspruch 18, bei welcher der Behälter (68) mit einer Antigerinnungschemikalie beschichtet ist, welche optional aus Natriumheparin und Natriumcitrat gewählt wird.

28. Vorrichtung gemäß Anspruch 18, bei welcher der Behälter (68) mit einem Konservierungsmittel beschichtet ist, welches optional aus Ethylendiamintetraessigsäure und Natriumbenzoat gewählt wird.

29. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Fokussiereinheit (28) den Strahl von dem Laserelement in ein eine elliptische oder schlitzähnliche Form mit einer Breite zwischen 0,05 mm und 0,5 mm und einer Länge von kleiner oder gleich 2,5 mm fokussiert.

30. Vorrichtung gemäß Anspruch 29, bei welcher die Pulsenergie und die zeitliche Pulsbreite derartig sind, dass die Energiedichte zum Erzeugen eines Loches ausreicht, welches mindestens so tief wie die Keratinschicht und maximal so tief wie die Kapillarschicht der Haut einer Person ist.

31. Vorrichtung gemäß Anspruch 29, bei welcher die Pulsenergie und die zeitliche Pulsbreite derartig sind, dass die Energiedichte zum Erzeugen eines Loches ausreicht, welches mindestens so tief wie die Kapillarschicht der Haut einer Person ist.

32. Vorrichtung gemäß Anspruch 29, bei welcher die Pulsenergie und die zeitliche Pulsbreite derartig sind, dass die Energiedichte zum Erzeugen eines Loches ausreicht, welches mindestens so tief wie die Keratinschicht aber nicht so tief wie die Kapillarschicht ist, und bei welcher eine Einheit zum simultanen Erzeugen von mehr als einem Loch vorgesehen ist.

33. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 30 bis 32, bei welcher die Pulsenergie 2,0 J beträgt, während die Strahlgröße am Fokuspunkt ca. 0,2 mm mal 1 mm beträgt, und die zeitliche Pulsbreite beträgt ca. 100 us, wodurch eine Energieflussrate von ca. 1·10&sup7; W/cm² erzeugt wird.

34. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei welcher der Laserstrahl eine Wellenlänge von 2,94 um hat.

35. Vorrichtung gemäß Anspruch 31, bei welcher ein Blutsammelbehälter benachbart zum Perforationsort angeordnet ist und durch welchen der Laserstrahl hindurchläuft.

36. Vorrichtung gemäß Anspruch 32, bei welcher eine Einheit zum Auftragen eines Pharmazeutikums vorgesehen ist.

37. Vorrichtung gemäß Anspruch 36, bei welcher die Einheit zum Auftragen eines Pharmazeutikums ein über der Perforation angeordnetes Pflaster ist.

38. Vorrichtung gemäß Anspruch 29, bei welcher eine Achse des Lichtpunkts am Fokuspunkt ca. 0,2 mm misst und die andere Achse des Strahls ca. 1,0 mm misst.

39. Vorrichtung gemäß Anspruch 18, bei welcher die Behältereinheit (68) entfernbar ist.

40. Vorrichtung gemäß Anspruch 18, bei welcher die Behältereinheit (68) einen Hauptbehälter aufweist, welcher aufweist:

a) einen Kragen, gegen den das Gewebe gepresst wird;

b) eine zumindest teilweise transparente Linse (72), durch welche des Strahl hindurchläuft; und

c) eine Wand, welche sich von dem äußeren Umfang der Linse zu dem Kragen erstreckt und den Raum zwischen dem Gewebe und der Linse einschließt.

41. Vorrichtung gemäß Anspruch 40, bei welcher die Behältereinheit (68) weiterhin einen Sockel aufweist.

42. Vorrichtung gemäß Anspruch 41, bei welcher der Sockel weiterhin eine Einheit zum Aktivieren der Laserperforationsvorrichtung aufweist.

43. Vorrichtung gemäß Anspruch 41, bei welcher der Sockel weiterhin eine Einheit zum Auslösen eines Sicherheitsmechanismus auf der Laserperforationsvorrichtung aufweist.

44. Vorrichtung gemäß Anspruch 40, bei welcher die Behältereinheit (68) weiterhin ein Gefäß zum Aufsammeln von mittels der Perforation des Gewebes gelöstem flüssigem und/oder korpuskularem Material aufweist.

45. Vorrichtung gemäß Anspruch 44, bei welcher das Gefäß ein offenes Ende hat und das Gefäß weiterhin einen Stopfen (70) aufweist, welcher an dem offenen Ende des Gefäßes angebracht wird, um Schmutzstoffe aus dem Gefäß herauszuhalten.

46. Vorrichtung gemäß Anspruch 44, bei welcher das Gefäß entfernbar ist.