DE9006506U1

DE9006506U1 - Optische Vorrichtung, insbesondere Faseroptikvorrichtung zur Verwendung mit Lasern in der Medizin

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Publication number: DE9006506U1
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Authority: DE
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Priority date: 1989-06-09
Filing date: 1990-06-08
Publication date: 1990-08-16
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Description

Optische Vorrichtung» insbesondere Faseroptikvorrichtung zur Verwendung mit Lasern in der Medizin

Die Neuerung bezieht sich auf eine optische Vorrichtung, insbesondere eine Faseroptikvorrichtung nach den Oberbegriff des Anspruchs l und betrifft hierbei eine verbesserte Linsenanordnung, die der Fokussierung einer Laserstrahlung und der Erzeugung eines Strahlenbündels mit einer als Taille bezeichneten Einschnürung von sehr kleinem Querschnitt und erheblicher Länge an einem gewählten Ort dient. Im speziellen handelt es sich hierbei um eine Vorrichtung zum Entfernen, Durchdringen oder Behandeln von menschlichem Gewebe oder von sonstigen biotischen oder nicht-biotischen Wucherungen, Ablagerungen oder Behinderungen am oder im menschlichen Körper mit einer Laservorrichtung.

Die Anwendung der Laserstrahlung hol medizinischen und zahnmedizinischen Behandlungen ist mit der Zeit immer bedeu-

tender geworden, wobei die Anwendung in der Chirurgie und bei der Behandlung in vielfältigen medizinischen Gebieten möglich

's ist, einschließich der Urologie, der Orthologie, der Gastrolo-

giß/ der Kardiologie und der Ophthalmologie. Hierbei werden

Wellenlängen vom weiten Ultraviolett über das sichtbare

&xgr; Spektrum bis zum weiten Infrarot, je nach Anwendung, verwen-

det. Beim typischen Vorgehen &ngr;'.^&ngr;&aacgr; das Lasarlicht zum Operations- oder Behandlungsort über optische Wellenleiter übertragen. Am Ausgancsende der Faser befindliche Linsen können dazu

f dienen, die durch die Laserstrahlung bewirkte Beleuchtungsstärke zu erhöhen.

v. Q Im Rahmen der Neuerung wird eine optische Vorrichtung vervsndet, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsfonn als Laserkatheter funktioniert. Die optische Vorrichtung enthält eine Lichtquelle von relativ inkohärentem Licht mit einem Kohärenzfaktor von nicht weniger als 2,0. Das von der Quelle emittierte Licht hat eine als Taille oder Minimaltaille bezeichnete Stelle engsten Querschnitts mit einem Minimaltaillen-Radius r_w. Bei der bevorzugten Ausführung umfaßt die Lichtquelle einen Laser, der mit einer Multimodus-Lichtleitfaser gekoppelt ist, und ist der Minimaltaillen-Radius gleich dem Radius des Kerns der Lichtleitfaser. &Egr;&idiagr;&igr;·&bgr; Linse empfängt ein Licht-Eingangsbündel von der Lichtleitfaser, und dieses Singangs- -v bündel wird von der Linso mit einem Bündel-Auftreffradius r_L aufgenommen. Die vordere Hauptebene der Linse hat von der Minimaltaille des Eingangsbündels einen Abstand S. Wird der Bündel -huf t reff radius r_L durch den Radius r_w der Minimaltaille dividiert, so ergibt sich ein Faktor R mit einem Wert, der von Radius des Kerns der Lichtleitfaser abhängt, oder allgemeiner, vom Minimum-Eingangstaillen-Radius. Eer Faktor R liegt zwischen 1,5 und einem Wert X, der nicht höher ist als 4,0 geteilt durch das Zweifache des Bingangrtaillen-Radius r_w (in Millimetern). Die Linse hat eine Brennweite F/ die gemäß dem , erwähnten Abstand S zwischen der Minimal-Eingangstaille und der vorderen Hauptebene der Linse so gewählt ist, daß das Verhältnis der Brennweite zum Abstand S zwischen 0,2b und 0,95 liegt,

Bei der bevorzugten Ausführungsform verwendet der Laserkatheter Austauschbare Ausstattungsteile, einschließlich hohler Spitzen unterschiedlicher Größe. Solche hohlen Spitzen können verwendet werden, um den Schnittvorgang des Ausgangs-Laserbündels tastend zu bestimmen. Bei einer AusfUhrungsform endet die hohle Spitze an einer Stelle zwischen der Linse und dem Ort des minimalen Taillenradius des Ausgangsbündels. Bei einer anderen Ausfuhrungsform endet die hohle Spitze im wesentlichen am Ort des minimalen Taillenradius des AusgangsbUndels. Gemäß einer wiederum abgewandelten Ausführung endet die hohle Spitze an einem Ort distal vom Ort des minimalen Taillenradius. ' Vorzugsweise ist die hohle Spitze konisch geformt und hat an ihrem distalen Ende eine öffnung, die größer ist als der BUndelquerschnitt an der öffnung.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der ßrfindung hat die Linse eine distal von der Katheterspitzenanordnunq liegende Brechungsflache. Die Linse hat vorzugsweise einen Durchmesser etwa gleich dem Außendurchmesser der Katheterupitzen-Baugruppe. Eine solche Linse kann bei einem medizinischen Vorgehen verwendet werden, bei dem die fokussierende Leistung der Linse zuerst dazu verwendet wird, um Gewebe oder anderes biotisches Material ohne Berührung des Materials zu behandeln, und dann ^ dazu verwendet wird, das Gewebe oder sonstige biotische Material zu erwärmen, indem eine Fläche der Linse in Kontakt mit dem Material gebracht wird. Vorzugsweise hat das fokussierte bündel einen Fokusbereich von wenigstens 1 mm und einen minimalen Taillenradius von nicht mehr als 0,25 mm, und zwar in einer Anordnung von wenigstens 3 mm von der hinteren Hauptebene der Linse entfernt.

Weiter Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Neuerung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeioen:

Figur l

Figur 2

&igr; igur 3

Figur 4

Figur 5

Figur 6

Figur 7

Figur &thgr;

Figuren 9A
bis 9C

Figur 10

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echeniatisch einen Laserkatheter, der zum Empfangen von Licht von einer Laser-Lichtquelle angeschlossen ist, mit teilweise weggeschnittener Katheterhülse zur Freilegung der Lichtleitfaser;

perspektivisch eine neuerungsgemaße Vorrichtung unter Darstellung der Laserkatheterspitze und der Lichtleitfaser;

eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung der die Vorrichtung nsch Figur 2 bildenden Baukomponenten;

eine vergrößerte, auseinandergezogene Darstellung eines !Anglichen Halters der Lichtleitfaser, der diese halt;

in vergrößertem Maßstab einen Querschnitt durch die Laserkatheterspitze, in einer Ebene 5-5 in Figur 2;

einen Querschnitt in einer Ebene 6-6 in Figur 5 unter Darstellung des innerhalb einer Faserhalterhülse montierten Halters der Lichtleitfaser;

im Querschnitt das distale Ende der Laserkatheterspitze unter Darstellung einer alternativen AusfUhrungsform, bei der dieses distale Ende eine konische Hülse trägt;

in schemati scher Darstellung die Linse, die das Eingangsbündel zu einem Ausgangsbündel fokussiert;

drei Anordnungen zur Größendimensionierung der konischen Hülse relativ zum Ausgangsbündel;
eine Schnittansicht einer abgewandelten Ausführung der Katheterspitze mit über das Ende der Linsenhülse vorstehender Linse.

Ein in Figur 1 dargestellter Laserkatheter 10 umfaßt einen Wellenleiter wie eine Lichtleitfaser 12 und eine distale Spitzenbaugruppe 14. Eine Lichtquelle wie ein Laser 16 ist so

Il Il 1« ·· ·· «·

angeschlossen, daß sie Licht an die Lichtleitfaser 12 liefert. Die Wellenlänge des Lichts wird so gewühlt, daß sie der betreffenden interessierenden medizinischen Anwendung entspricht, und kann beispielsweise im sichtbaren, im ultravioletten oder im infraroten Wellenlängenbereich liegen. Das Licht läuft durch die Faser 12 und verläßt den Katheter 10 an der distalen Spitzenbaugruppe 14. Wie die Figuren 2,3,4 und 5 zeigen, umfaßt die distale Spitzenbaugruppe 14 eine Faserhalterhülse 20, eine LinsenmontagehUlse 22, einen Faserhalter 24 (Figuren 3 und 4) und einen Linsenträger 26 (Figur 3), von denen jedes Bauteil zweckmäßigerweise aus einem haltbaren, hitzefesten und korrosionsbeständigen Material besteht. Zur O Verwendung in den Bauteilen 20, 22 24 und 26 wird eine halbharte Messinglegierung in Kombination mit einer äußeren Schutzplattierung mit 15 &Iacgr;0"⁶ Zoll (38-10"⁵ mm) dickem Gold, dem ein 5-10"* Zoll (15-10*⁵ mm) dicker Nickelstrich folgt, in Betracht gezogen.

Wie Figur 3 zeigt, umfaßt die Faserhaiterhülse 20 einen proximalen Hülsenteil 30, einen mittleren Hülsenteil 32 und einen distalen Hülsenteil 34. Die Angaben "proximal" und "distal" werden hier in Bezug zur Nähe zum Laser 16 verwendet, der das Licht an die Faser 12 liefert. Die FaserhalterhUlse 20 ist zylindrisch und weist eine axiale Bohrung 38 (Figur 3) _v- von gleichförmigem Durchmesser über ihre gesamte Länge auf. Der distale Hülsenteil 34 der Faserhalterhülse 20 hat im Vergleich zum mittleren Hülsenteil 32 eine verminderte Wandstärke, und zwar so, daß er einen verminderten Außendurchmesser aufweist. An seiner Außenseite befindet sich ein Gewinde 40.

Die LinsenmontagehUlse 22 ist zylindrisch und durch sie hindurch verläuft eine Bohrung 42 von gleichförmigem Durchmesser (Figur 3). Wie Figur 5 zeigt, trägt ein proximaler Endteil 46 der LinsenmontagehUlse 22 ein Innengewinde 44, das mit dem Außengewinde 40 am distalen Hülsenteil 34 der Faserhalterhülse 20 verschraubbar ist. Die LinsenmontagehUlse 22 ist an der Faserhalterhülse 20 durch Einschrauben des Außengewindes 40

der Faserhalterhtllse 10 in das Innengewinde 44 bis zum Anschlag des proximalen Endteils 46 an einer Schulter 48 des mittleren Hülsenteils 32 der Hülse 20 befestigt. Zwischen dar Linsenmontagehülse 22 und der Faserhalterhülse 20 kann eine wasserdichte Abdichtung durch Verwendung einer geeigneten Ringscheibe, eines Dichtrings oder einer Dichtungsmessenverbindung geschaffen sein. Die Außendurchmesser der LinsenmontagehUlse 22 und des mittleren Hülsenteils 32 der Faserhalterhülse 20 sind an ihr>r Schnittebene gleich, so daß äußere Obsrflächenunregelmäßigkeiten in der Katheterspitzen-Baugruppe 14 vermieden sind.

} Der Linsenträger 26 umfaßt eine zylindrische Hülse mit einer Mehrzahl von zackenartigen Vorsprüngen 50, die an ihrem distalen Ende in der in Figur 3 dargestellten Weise an der Hülsenperipherie vorstehen. Diese Vorsprünge 50 dienen dem Ergreifen und Festhalten einer Linse 52 innerhalb des Linsenträgers 26. Jeder der Vorsprünge 50 umfaßt einen Abstandsteil 54 und einen Halterteil 56. Die Linse 52 ist in die Vorsprünge 50 des Linsenträgers 26 so eingepaßt, daß aer Umfangs-Randteii. der Eingangsseite der Linse 52 an Schultern 58 der Abstandsteile 54 anliegt. Die Halterteile 56 der Vorsprünge 50 sind über den Umfangs-Randteil der Linse 52 leicht einwärts gebogen, um die Linse 52 an Ort und Stelle zu halten, ohne das

<» aus der Linse austretende Laserlicht zu sperren. Die Abstandsteile 54 der Vorsprünge 50 halten die Linse 52 im Abstand von einem Hauptkörper 60 des Linsenträgers 26 und lassen seitliche fensterartige öffnungen 64 (Figur 5) für den Durchtritt eines Strömungsmittels frei. Der Hauptkörper 60 des Linsenträgers 26 ist so dimensioniert, daß er in einem distalen Endteil 66 der Linsenmontagehülse 22 gleitet. Dieser distale Endteil hat eine verminderte Wandstärke im Vergleich zum proximalen Endteil 46 der Linsenmontagehülse 22 und bietet somit für die Aufnahme des Linsenträgers 26 einen vergrößerten Innendurchmesser-Die Hülse 22 weist eine Schulter 71 auf (Figur 5), die am proximalen Ende des Hauptkörpers des Linsenträgers 26 anliegt. Der Innendurchmesser des Linsenträgers 26 ist dem Innendurchmesser der Faserhalterhülse 20 gleich. Der Durch-

messer der Linse 52 liegt etwa in der Mitte zwischen dem Innendurchmesser des distalen Endteils 66 der Linsenmontagehülse 22 und dem Innendurchmesser des Linsenträgers 26, so daß ein Strömungsdurchgang zwischen dem ümfangsradius der Linse 52 und dem distalen Ende 66 der Linsenmontagehülse 22 verbleibt. Aufgrund des Vorhandenseins der Vorsprünge 50 hat diese Durchgangsöffnung die Form eines segmentierten Rings. Der Linsenträger 26 wird im distalen Endteil 66 der Linsenhülse 22 durch Reibschluß festgehalten, vorzugsweise in Kombination mit einem hitze- und flüssigkeitsfesten Klebemittel wie einem Cyanoacrylat.

Die Linse 52 der bevorzugten Ausführungsform ist eine plankonvexe sphärische Linse aus einem Saphir, dessen C-Achse mit der optischen Achse der Linse 52 zusammenfällt. Saphir hat sich als vorteilhaft zur Reduzierung sphärischer Aberrationen erwiesen. Der Linsendurchmesser wird in Abhängigkeit von den Charakteristiken der Lichtleitfaser gewählt, wie noch im einzelnen beschrieben wird. Jedoch beträgt ein bevorzugter Maximaldurchmesser etwa 4 mm, andere Ausführungsformen haben maximale Linsendurchmesser von 2,7 mm bzw. 2,2 mm. Bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt der Linsendurchmesser 1,3 mm.

Der Faserhalter 24 umfaßt ein langgestrecktes Glied 72 mit T-förmigem Querschnitt und ein langgestrecktes Glied 74 mit U-förmigem Querschnitt und einem Kanal 75 einer Breite, die etwa der der Lichtleitfaser 12 gleicht. In der in der Figur 4 dargestellten Weise sind die Glieder 72 und 74 so gestaltet, daß ein zentraler abstehender Riegel 73 des T-förmigen, oberen Glieds 72 genau in den im U des unten liegenden Glieds 74 gebildeten Kanal 75 hineinpaßt. Die Abstehhöhe des zentralen Riegels 73 ist geringer als die Tiefe des Kanals 75, und zwar um ein Maß gleich dem Durchmesser der Lichtleitfaser 12, so daß ein länglicher Durchgang gebildet ist, in dem die Lichtleitfaser 12 angeordnet ist. Diese wird zwischen den Gliedern 72 und 74 durch Festsitz oder alternativ durch ein chemisches Klebemittel festgehalten.

wie die Figuren 4, 5 und 6 zeigen, hat der Faserhalter 24 einander gegenüberliegend an den Gliedern 72 bzw. 74 gebildet eine Oberseite 76 iind eine Unterseite 78, die jeweils bogenförmig entsprechend der Kurvatur der axialen Bohrung 38 der Faserhalterhülse 20 gewölbt sind. Die Glieder 72 und 74 des Faserhalters 24 sind so dimensioniert, daß sie in die Bohrung 38 der Hülse 20 einfügbar sind, und zwar so, daß der Abstem; zwischen den runden Außenflächen 76 und 78 angenähert gleich dem Durchmesser der Bohrung 38 ist, wodurch der Faserhalter 24 mi. präzisem Sit. in der Hülse 20 angeordnet weraen kann. Vorzugsweise ist der Faserhalter in der Hülse 20 durch eis chemisches Klebemittel befestigt. Der Abstand zwischen gegenüber!legenden Seitenflächen 80, 82 (Figur 3) des Faserhalters 24 ist deutlich kleiner als der Durchmesser der Bohrung 38, so daß Seitenkanäle 84 und 86 (Figur 6) für den Durchtritt eines Strömungsmittels um den Faserhalter 24 frei bleiben. Der Faserhalter 24 hält die Faser 12 in einer axialen Ausrichtung so, daß die Faserachse mit der zentralen Achse der Hülsen 20, 22 fluchtet. Vorzugsweise steht das distale Ende 90 der Faser 12 nur um ein kleines stück über den Faserhalter vor, um ein Durchhängen oder Biegen des Endes 90 zu verhindern. Der Faserhalter 24 ist in der Falserhalterhülse 20 so ausgerichtet, daß die darin angeordnete Lichtleitfaser 12 zentriert und axial auf die optische Achse der Linse 52 ausgerichtet ist. Die Faser 12 wird in der Faserhülse 20 stationär so gehalten, daß der Abstand zwischen der Linse 52 und dem distalen Ende 90 der Faser 12 konstant bleibt. Jedoch kann die relative Lage des Faserendes 90 zur Linse 52 justiert werden, indem der Faserhalter 24 in der Faserhalterhülse 20 neu positioniert wird.

Die Lichtleitfaser 12 ist eine Mehrmoduefaser mit einem Kern von relativ hoher Brechungezahl, der von einer Beschichtung mit relativ niedriger Brechungszahl umgeben ist. Der Kern kann aus purem geschmolzenen Quarz bestehen und die den Kern umgebende Beschichtung kann geschmolzenen Quarz enthalten, der

zur Erniedrigung der Brechungszahl dotiert worden ist. Das Kernmaterial ist vorzugsweise besonders frei von metallischen Verunreinigungen, mit dem Ergebnis einer niedrigen Dämpfung der übertragenen Laserenergie bei ihrem Weg durch die Faser 12. Fasern für speziellen Zweck, die an sich bekannt und am Markt erhältlich sind, können für bestimmte Wellenlängen bevorzugenswert sein, die durch übliche Lichtleitfasern nur schwer Übertrages werden können. Beispielsweise eÄgnen siel· üV-gradige Fasern für sehr kurze WellesläügsB iai4 haben sich Zirkonf luoridfasern als vorteilhaft für sehr lüge Wellenlängen erwiesen. In bestimmten Fällen haben auch HohHeer"'-Wellenleiter Anwendung gefunden.

Die Faser 12 ist typisch -»eise at"«a 50 bis 500 cm lang, vorzuc 'eise etwa 200 cm bis 400 cm- Gemäß einer Ausführungsform hat der K®rn einen Durch»?:-se.; vor angenähert 200 /im mit einem durchmesser des Kerns plus der Beschichtung von angenähert 220 [M urw hat eine numerische Apertur von 0,22. Der Kerndurchmesser &ngr; in Lichtleitfasern für medizinische Anwendungen liegt typischerweise im Bereich von 100 bis 700 /un.

Die Lichtleitfaser 12 ist von einer Schutz-Katheterhfilse 92 umgeben, die aus Materialien wie PVC, gehärtetem Epoxy oder Polytetrafluoräthylen (Teflon) bestehen kann. Der Außendurchmesser der Katheterhülse 92 gleicht dem des mittleren Hülsenteils 32 der Faserhalterhülse 20. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Katheterdurchmesser 1,8 mm, bei anderen Ausführungsbeispielen beträgt er 2,2 mm und 2,7 mm. Allgemein ist der Durchmesser der Katheterhülse 92 typischerweise nicht größer als 4,0 mm. Der proximal &thgr; Hülsenteil 30 der Faserhalterhülse 20 hat einen relativ zum Durchmesser des mittleren Hülsenteils 32 um die doppelte Dicke der Katheterhülse 92 verringerten Außendurchmesser, so daß die Katheterhülse 92 in engem Sitz auf den Hülsenteil 30 gesteckt ist, wobei das distale Ende der Katheterhülse 92 an einer Schulter 94 (Figur 5) am mittleren Hülsenteil 32 der Faserhalterhülse 20 anliegt. Dies ermöglicht, daß die Außenfläche der Katheterhülse 92 stetig in die Außenfläche dsr distslsn Spitser.bsu-

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gruppe 14 des Katheters ohne Oberflächenunregalmäßigkeiten

fibergeht. Vorzugsweise Ist der Katheter 92 mit dem Hülsenteil 30 durch ein chemisches Klebemittel verbunden, um eine wasserdichte Verbindung sicherzustellen.

§ D^ich die Katheterhülse 92 kann eine Kochsalzlösung oder eine

OasstrSwang von einer Druckquöide &igr; r distalen Spitzenbaugruppe 14 des Katheters 10 hindurchgeleitet werden. Die Salzlösung p oder Gasströmung tritt durch die seitlichen öffnungen 64 im Linsenträger 26 und verläßt die Katheterspitzen-Baugruppe zwischen dem Umfang der Linse 52 und der Linsenro~Äitagehülse f 22. Dem Laserkathet&r kann ein (nicht dargestelltes) Vakuum- > &Ggr;) system zugeordnet sein, um ausgestoßenes Gas oder Salz von rier % Katheterspitze abzuziehen. Das G&s oder die Salzlösung werden ^;v zweckmäßigerweise dazu gebraucht, die Alterung der Linse 54

zu reduzieren. Beispielsweise können, wenn bei einem chirurgischen Eingriff Gewebe durch Laserlicht hoher Spitzenenergie entfernt werden soll, etwa bei der kardialen Angioplastie, die entfernten Produkte zurück zur Spitzenbaugruppe 14 spritzen und sich auf der Linse 52 festsetzen. Solche Ablagerungen auf der Linse 52 tendieren dazu, Laserlicht zu absorbieren und hierdurch Wärmegradienten zu erzeugen, die die Linse 52 brechen oder verschlechtern können. Durch die Zwischenlage einer zusammenhängenden Schicht von Salzlösung oder Gas -&lgr; zwischen der Linse 52 und dem Gewebe kann das Absetzen der Teilchen auf der Linse 52 verhindert werden. Außerdem können das Gas oder die Salzlösung dazu dienen, die Linse 52 und die Faser Ii zu kühlen.

In Figur 7 ist eine alternative Ausführung der Katheterspitzen-Baugruppe 14 dargestellt. Hierbei is,t der distale Teil 66 der Linsenmontagehülse 22 distal so verlängert, daß ein Hülsenteil für die Einführung eines Zusatzgerätes wie einer hohlen Tastspitze entsteht, die gemfiß der bevorzugten Ausführungsform eine konische scheide 96 bildet Diese umfaßt einen proximalen Endteil 98 und einen distalen Endteil 100. ner proximale Endteil 90 ist zylindrisch und größenmäßity so , UzR sr in den verlängerten distalen Endteil 66

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der LinsenhUlee 22 einschiebbar ist. In der bevorzugten AusfUhrungsform ist der proximele Endteil 98 mit der Linsenhülse 22 verbunden. Der distale Endteil 100 ist konisch geformt und sein Durchmesser ist größer als der des proximalen Endteils 98 an der Übergangsstelle zwischen ihnen, so daß eine Ringschulter 102 entsteht, an der das distale Ende 66 der Linsenhülse 22 anliegt. Eine abgeschnittene Endspitze 106 des distalen Endteils 100 der konischen Scheide 96 hat einen Innendurchmesser, der wenigstens ebenso groß ist wie der Durchmesser des fokussierten Laserbündels in seinem l/e^z-Profil, wodurch verhindert wird, daß die übertragene Leistung des hindurchlaufenden Laserbündels abgeblendet wird. Das 1/e²-( Bündelprofil wird vom Fachmann verstanden als das, was den Teil des Bündels wiedergibt, der etwa 85% der Bündel-Intensität umzirkelt. Es wird an eine Mehrzahl axialer Längen der Scheide 96 gedacht, mit der Wahl der Länge in Abhängigkeit von der verwendeten Linsenkonfiguration und dem erwünschten chirurgischen Erfolg.

Figur 8 zeigt schematisch die Linsenanordnung der bevorzugten AusfUhrungsform. Wie dort dick gestrichelt eingezeichnet ist, nämlich als Darstellung des i/e²-Bündelprofils, bildet das aus der Faser 12 austretende Licht ein Eingangsbündel, das zur Linse 52 gerichtet ist, von der es fokussiert wird, um ein &iacgr; Ausgangsbündel zu ergeben.

Die mit r_w bezeichnete Größe ist der minimale Taillenradius, also der Radius am Ort des Minimum-Querschnitts, des Eingangsbündels für eine Lichtquelle mit endlicher Fläche. Bsim bevorzugten Ausführungsbeispiel dient das Ende 90 der Lichtleitfaser 12 als Quelle endlicher Fläche und ist der Radius der minimalen Eingangstaille der Radius des Kerns der Lichtleitfaser 12. Licht vom Ende 90 der Lichtleitfaser divergiert mit einem endlichen Winkel Q₄, der allgemein als Divergenzwinkel bezeichnet wird. Dieser Winkel 9_d steht in Beziehung zur nuiserischen Apertur (NA) der Lichtleitfaser durch die folgende Gleichung:

Ik= sin e_d

(D

Die numerische Apertur (NA) ist durch die folgende Beziehung definiert:

NA

clad

(2)

wobei : n_eoft = Brechungszahl des Faserkerns; n_eled = Brechungszahi des Faserüberzüys; und H_-^_11- = Brechungszahl dss «umgebenden Mediums. Aus der Gleichung (2) ist ersichtlich, daß die numerische Apertur NA nicht nur von den Faserparametern abhängt, sondern auch von der Brechungszahl des die Faser umgebenden Mediums. Bei der Berechnung der numerischen Apertur müssen deshalb Faktoren berücksichtigt werden wie, ob die Vorrichtung in Verbindung mit Salzlösung oder in Luft gebraucht wird.

Das Lichtleitfaserende 90 hat von der vorderen Hauptebene 110 der Linse 52 einen Abstand S. Allgemeiner ausgedrückt gibt der Abstand S die axiale Entfernung von der vorderen Hauptebene 110 der Linse zum ort 90 der Minimum-Einaangstaille. Für Linsensysteme, die mehrere Linseneiemente verwenden, gelten die hier angegebenen Beziehungen hinsichtlich der Hauptebenen als auf die Hauptebenen des Linsensystems bezogen.

Die numerische Apertur (NA) und der Abstand S werden vorzugsweise so gewählt, daß das auf die Linse 52 auf treff ende Lichtbündel im l/e²-Bündelprofxl einen Radius r_L hat. Die Größe r_t wird im Folgenden als "Bündelauf treff radius" bezeichnet, was dem Bündelradius am l/e^z-Bündelprofil am Schnittort des Bündels mit der vorderen Hauptebene 110 der Linse (oder im Fall eines Mehrelemente-Linsensystems der vorderen Hauptebene des Linsensystems) entspricht. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Bündelauftreffradius geringfügig kleiner als der Radius der Linse 52 und ist gleich dem Radius der Linse 52 minus der Dicke des vom Linsenträger 26 bedeckten Umfangsrands der Linse 52. Beispielsweise bedecken die

I · ·
> I t

Vorsprünge 50 etwa 0,1 mm des Linsenumfapgs, so daß eine Linse 52 mit einem Durchmesser von 1,3 nun (Radius 0,65 mm) einen Bündelauftreffradius von etwa 0,55 mm hat. Mathematisch kann der Bündelauf treff radius r_L folgendermaßen ausgedrückt werden:

r_L =

-Ji + (s/Z_f)² (3)

wobei: Z_f = r_w/sin 9_d. Der Parameter Zf, der im folgenden als "Eingangs-Fokalbereich" bezeichnet wird, gibt die Länge an, übet die der Eingangsbündslradius um 2 größer ist »le der Minimum-Taillenradius des Eingangsbündels im l/e²-Bündelprofil. Die Gleichung (3) kann auch folgendermaßen umgeschrieben werden:

^rL = -RT(S sin &THgr;,)² (4)

wobei: sin 9_d = NA aus Gleichung (l).

Die Brennweite (F) der Linse 52 hängt von Faktoren wie der Brechungszahl des Linsenmaterials, der Brechungszahl des umgebenden Mediums und der Linsenkrümmung ab, wie dem Fachmann bekannt ist. Eine allgemeine Formel für die Brennweite ist folgende:

1 = (N-I) [C₁ - C₂ + T(N-I) C₁C₂] (5)

F N

wobei: T = Dicke der Linse an ihrer optischen Achse; C₁ = Krüjprnung der Eingangsseite der Linse; C₂ = Krümmung der Ausgangsseite der Linse (wobei C₂ für eine Linse mit positiver Brennweite negativ ist); und N = Brechungszahl des Linsenmediums geteilt durch Brechungszahl des umgebenden Mediums.

für eine plenkonvexe Linse, wie sie bei der bevorzugten Ausführungsfarm verwendet wird, ist C₁ null, und die Gleichung reduziert sich auf:

1 = (N-I) (-C₂) (6)

Entsprechende Gleichungen für komplexere Linseng<3staltungeii sind in der Technik bekannt und der zuständigen Literatur zu entnehmen. Für ein Mehrelementen-Linsensystem ist die Brennweite (F) gleich der äquivalenten Brennweite des Linse.nsystems.

Aus diesen Gleichungen ist ersichtlich, daß die Brennweite auch vom Medium, das die Linse umgibt, abhängt, so daß sie unter Berücksichtigung der Umgebung, in der die Linse eingesetzt wird, gewählt werden muß. Soll also die Linse im Gebrauch in eine Salzlösung eingetaucht sein, so ist die Brennweite unter Berücksichtigung der Brechungszahl der Salzlösung zu wählen,· und soll die Linse in Luft verwendet werden, so muß die Brennweite unter Berücksichtigung der Brechungszahl von Luft (1,0) bestimmt werden.

Das durch die Linse 52 tretende Licht wird von diesei so fokussiert, daß es eine Ausgangstaille mit einem Zentrum 111 bildet, an dem die Taille des Bündels ein Minimum ergibt. Der l/_e ²-Radius der Bündeltaille ist am Zentrum JIl in Figur 8 als Dimension r'_w bezeichnet. Im axialen Abstand Z'_f auf beiden Seiten des Zentrums 111 der Bündeltaille hat das Bündel einen Radius von 2r'_w im l/e²-Profil , dieser Bereich ist der Eingangs-Fokalbereich; in diesem Abstand ist die Lichtflußdichte auf die Hälfte des Werts am Zentrum 111 der Bündeltaille abgefallen. Der Abstand vom Zentrum 111 der Ausgangs-Bündeltaille, also vom Ort des minimalen Bündeldurchmessers, zur hi!*tsren Hauptebene 112 der Linse ist in Figur 8 als die Größe S' bezeichnet. Bei der bevorzugten Ausführungsform mit der plankonvexen Linse 52 liegt die hintere Hauptebene 112

entlang einer Tangente zur Ausgangsfläche und senkrecht zur optischen Achse.

Die neuerungsgemäße Linsenanordnung ist speziell zur Verwendung mit relativ inkohärentem Licht eines Kohärenzfaktors K_c > 2 und vorzugsweise >3 entworfen, wobei der Kohärenzfaktor K_c definiert ist als:

wobei: = Lichtwellenlänge; r_w und ©_d = wie oben definiert. Die Gleichung (7) kann durch geeigneten Ersatz der Gleichung (1) auch für Lichtleitfasern angewendet werden.

Wie der Fachmann erkennt, hängt die Kohärenz des durch die Linse tretenden Lichts von der Kohärenz des vom Laser emittierten Lichts ab, und bei Verwendung einer Lichtleitfaser von den Eigenschaften der Lichtleitfaser. Kommerziell erhältliche medizinische Laser arbeiten gewöhnlich in mehrfachem Schwingungsmodus und erzeugen relativ inkohärentes Licht. Multimodus-Lichtleitfasern, wie sie beim bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet werden, leiten das Licht typischerweise in Tausenden von Modi, die dispersiv sind und das Licht, während es durch die Faser läuft, vermischen können. Eine solche Streuung und Mischung reduziert die Kohärenz des Lichts noch weiter und im allgemeinen ist das Licht in der Faser beim Austritt inkohärenter als beim Eintritt.

Für viele medizinische Anwendungen wird bevorzugt eine Faserund Linsenanordnung gewählt, die (1) am laillenzentruin eine relativ hohe Lichtflußdichte (kleiner r'_M) erzielt, (2) einen relativ großen Abstand S* von der Linse zum Taillenzentrum erzielt, um so einen relativ weiten "Wurf" des Ausgangsbündels zu ergeben, und (3) einen relativ langen Taillen-Fokalbereich Z' ergibt. Unglücklicherweise beziehen sich diese Ausgangsbündel -enaraktsristiken auf diw Linssnsysteüi^Chsrsktsristiker. in

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sehr komplexer und hoch unlinearer Weise, mit dem Ergebnis von Anomalien im Verhalten des Ausgangsbündels. Beispielsweise stellt es einen der bedeutsameren Aspekte dieses anomalen Verhaltens dar, daß die Wurfweite des Ausgangsbündels sich nicht mit steigendem Abstand S kontinuierlich erhöht. Es wurde herausgefunden, daß der Ort der Ausgangstaille anfänglich mit wachsendem S steigt und dann plötzlich die Richtung umkehrt und mit wachsendem S mieder näher zur Linse rückt. Dieser Verhalten ist erstaunlich und wird auf optische Zwiscnenaktionen zurückgeführt, die mit der Inkoherenz des Bündels zusamiSunhäi ?£» Außerdem nimmt mit steigendem Abstand S «lie Größe der MiniffiüiB-Aasgangstaille in Bezug zur Minimum-Eingangstaille ( , nichtlinear ab. Diese Anomalien und nichtlinearen Verhaltensweisen füi-ran zu konkurrierenden Betrachtungen, die die Optimierung der Systemparameter erschweren. Es wurde jedoch herausgefunden, daß mit Hilfe eines einmaligen und neuartigen Vorgehens die Bündelparameter im allgemeinen dadurch optimiert werden können, daß die Faser und die Linse passend gewählt werden und diese Elemente relativ zueinander so angeordnet werden, daß sie die folgenden Beziehungen (8) und (9) erfüllen:

1,5 < R < X (8)

0,25 < F/S < 0,95 (9;i

V wobei : (1) R = das Verhältnis des Bündelauftreffradius (r_L) zum Eingangs-Taillenradius r_H (beispielsweise zum Faserkernradius ), (2) F und S = wie oben unter Bezugnahme auf Figur 8 definiert, und (3) X= der Linsendurchmesser geteilt durch den zweifachen Wert des Eingangs-Taillenradius r_u.

Bei der bevorzugten AusfUhrungsfonn der Neuerung beträgt der maximale Linsendurchmesser 4 mm, so daß für einen Eingangsbündel-Minimum-Taillenradius von 50 &mgr;&pgr;&igr; entsprechend einem Faserkerndurchmesser von 100 &mgr;&pgr;&igr; der Wert X in der Gleichung (8) 40 beträgt und der bevorzugte Bereich für R 1,5 bis 40 ist. Im allgemeinen erhöhen sich der Wert von X und der zugeordnete Bereich paSeenuer Werte für S, wsnn dsr Miniraun».-

Taillenradius abnimmt, und erhöhen sich diese Großen, wenn der Minimum-Taillenradius zunimmt. Beispielsweise beträgt für einen Eingangsbündel-Minimum-Taillenradius von 90 /im (entsprechend einem Faserkerndurchmesser von 180 /im) der Wert X 22,2 und der Bereich für R 1,5 bis 22,2; für einen Eingangsbündel-Minimum-Taillenradius von 150 /im (entsprechend einem Faserkerndurchmesser von 300 itm) der Wert X 13,3 uiftd <3@r Bereich für R 1,5 bis 13,3; für einen Eiügangsbi!»del-MiniiBa«t-Taillearadius von 250 /im (entsprechend einem Faser ^ersei&rchmesser von 500 /im) der Wert X 8,0 und der Bereich für R 1.5 bis 3,0; utod für si.nen Eingangsbündel-Minimum-i^illenradius von 350 im (entsprechend ein*-» Faserkerndurchmesser von 700 /im) der Wert . ^ X 5,7 und der Bereich kl,' bis 5,7.

£usät:I'Ch zu den beschriebenen linsendurchmessern wurde ermittelt, daß die durch die Se^: s^? nger (8) und (9) gegebenen Bereiche insbesondere für kleinere Linsendurchmesser geeignet sind, beispielweise für 2,7 mm, 2,2 mm und 1,8 mm oder weniger.

innerhalb der oben gegebenen Grenzen für R und F/S können die Linsen- und Faserparameter weiter verfeinert werden, wä an die spezielle medizinische Anwendung angepaßt zu sein, und zwar durch ein iteratives Vorgehen. Bei diesem Vorgehen werden der Bündelauftreffradius r_L und der Faserradius r_w so gewählt, daß, wie beschrieben, sich für R ein Wert innerhalb der zweckmäßigen Grenzen ergibt. Sodann wird der Eingangsbündel-Fokalbereich Z_f bestimmt, indem der Faserradius durch die numerische Apertur der Faser geteilt wird. Anschließend wird der Abstand S entsprechend der folgenden Beziehung bestimmt:

S ■ Z_f VR² - 1 (10)

Für diesen Abstand S wird eine Linse passender Brennweite F gewählt, um die Bedingung (9) zu erfüllen. Die Ergebnisse

/I.

werden dann auf die folgende Gruppe von Gleichungen angewandt:

S/F - 1

^S'/F = 1 + (s/F - I)' + (Z, /F)² (H)

£ ^M " [(I - S/F)' + (Z, /F)']¹" (12;

J r_f = sPz_t (13)

Obei: M = Vergrößerung des Linsensystems (also r'_w : r_w). Die Gleichungen (11), (12) und (13) können so gelöst werden,

daß die Charakteristiken des Ausgangsbündels bestimmt werden, ^ nämlich die Vergrößerung M (die den Wert r'_w bestimmt), der

Abstand S · zwischen der Linse und der Ausgangstaille und der

'] Fokalbereich Z', der ein Maß für die Länge der Ausgangstaille s gibt.

Das iterative Vorgehen wird für verschiedene Fasern und Linsen wiederholt, bis die gewünschte Linsenanordung für die betreffende Anwendung ermittelt wird.

Die Beziehungen (8) und (9) ergeben somit einen Parameterbereich, der mit Hilfe der Gleichungen (10) bis (13) noch verfeinert werden kann. Allgemein ist zu beobachten, daß die Anwendung eines F/S-Werts am oberen Ende des Bereichs «inen ) relativ langen 3findelwurf mit gewissen Einbußen der Lichtflußdichte ergibt, während ein F/S-Wert am unteren Ende des Bereiche eine relativ hohe Lichtflußdichte und einen etwas verkürzten Bündelwurf ergibt. Niedrigere Werte von R tendieren dazu, in höheren Lientflußdichten zu resultieren (also der Lichtflußdichte an der Elngangsbündel-Minimum-Taille relativ zur der an der Ausgangsbündel-Minimum-Taille), während höhere Werte von R eher einen langen BUndelwurf ergeben, insbesondere bei Werten von F/S nahe dem oberen Ende des Bereichs. Außerdem kann es für relativ große Faserdurchmesser (> 400 /im) zweckmä- ! ßig sein, den Wert von F/S auf 0,9 oder weniger zu begrenzen. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Wert von R etwa 5,/5 und der Wert von F/S etwa 0,67.

obwohl die obigen Gleichungen unabhängig entwickelt wurden, zeigt sich, daß sie die selbe Form haben wie Self's Gauß'sehe BUndelfortschreitungsgleichungen. Diese Gleichungen werden in einem Artikel von Sidney A. Self vorgestellt, nämlich "Focusing of Spherical Gaussian Beams, " Applied Optics, Bd. 22, Nr. 5 (1. März 1983), der hier als dem Fachmann bekannt vorausgesetzt und zur Offenbarung gehörig gerechnet wird. Die Self'sehen Gleichungen wurden für kohärentes Licht entwickelt, während die Gleichungen (ü), (12) und (13) für inkohärentes Licht entwickelt wurden. Der prinzipielle Unterschied zwischen den Self'sehen Gleichungen und den Gleichungen (11), (12) und (13) liegt im Fokalbereich-Paramter Z_f. In den Self'sehen Gleichungen wird stattdessen der Rayleigh-Bereich Z_r verwendet. Die Parameter Z_f und Z_p nennen zwar in den beiden jeweiligen Gleichungsgruppen die gleiche Stelle ein, sie werden jedoch unterschiedlich berechnet und führen zu ganz unterschiedlichen Ergebnissen.

Wie angegeben, ist der Parameter Z_f gleich r_w/sin e_d. Im Gegensatz hierzu wird gemäß Self der Rayleigh Bereich Z_p folgendermaßen berechnet:

wobei: W₀ = Minimum-Taillenradius für das Eingangsbündel und K= optische Wellenlänge.

Die formelle Ähnlichkeit zwischen den Self'sehen Gleichungen der Gauß'sehen Bündel fortschreitung und den Gleichungen (11), (12) und (13) machen es leicht, das beschriebene iterative Vorgehen an einem Rechner durchzuführen. Es gibt eine Anzahl kommerziell verfügbarer Rechnerprograirane, die sich zur Lösung der Gauß'sehen Bündelfortschreitungsgleichung nach Self eignen, beispielsweise das Programm "Code 5" von Optical Research Associates, Pasadena, Californien, USA, das hier als dem Fachmann bekannt vorausgesetzt wird und auf das für die Offenbarung Bezug genommen wird. Diese Rechnerprogramme können

zur Lösung der Gleichungen (11), (12) und (13) adaptiert werden, indem &sfgr;/esetzt wird W₀ = r_w und Z_r = Z₁, und indem statt &lgr; die folgende Wellenlänge \* eingeführt wird (die im folgenden als "fiktive Wellenlänge" bezeichnet wird):

&lgr;* = &tgr;¹"«⁰« (15)

Interessanterwei.se kann die fiktive Wellenlänge X* ziemlich lang sein und es wurde herausgefunden, daß sie für einige inkohärente Lichtqusllsnar.crdnungen in den Mikrowellenbereich vordringt.

Während die obigen Gleichungen als Gauß'sche Bündelannäherungen für inkohärentes Licht abgeleitet wurden, wurde herausgefunden, daß die Annäherung nahezu ebenso gut für Bündel mit gleichförmiger Verteilung ist. Da die Lichtabgabe von Mehrmodus-Fasern typischerweise eine allgemein gleichförmige Bündelverteilung aufweist, können die Gleichungen auch recht vorteilhaft für solche Fasern angewandt werden«

Die Kalkulation des Orts der Ausgangstaille bei S* und des Minimum-Ausgangsbündel-Radius r'_w gemäß den Gleichungen (11) bis (13) geht davon aus, daß die Föküssierlinse frsi vor. Aberrationen ist. In der Praxis können jedoch Linsen bestimmte Aberrationen wie sphärische Aberration zeigen, deren Ausmaß nach bekannten Techniken bestimmt werden kann. Für die einfache plankonvexe Linse 52 nach der bevorzugten Ausführungsform kann das Vorhandensein von Aberrationen, insbesondere von sphärischer Aberration, dazu führen, daß die Parameter der Ausgangstaille tatsächlich etwas anders sind als es mit den obigen Gleichungen errechnet wird. Das Ausmaß der Abweichung erweist sich jedoch als relativ klein. In einem typischen Fall mit Verwendung einer plankonvexen Linse aus Saphir, dem derzeit bevorzugten Material, erwies sich der Abstand S¹ des Orts der tatsächlichen Minimum-Taille als um nur 16% kürzer als der aus der Gleichung (10) ermittelte Wert. Der Wert des Ausgangstaillenradius r^: _w erwies sich als is Wesentliehen gleich dem mit der Gleichung (11) berechneten Wert. In

der Praxis haben also die Aberrationen keinen größeren Einfluß auf die Auswahl einer optimalen Linsengestaltung auf der Grundlage der dargelegten Gleichungen. Außerdem können die Effekte der Aberrationen reduziert oder im Wesentlichen eliminiert werden, indem eine Linse mit asphärischer Oberflüche oder ein aus mehreren Elementen bestehendes sphärisches Linsensystem, gemäß an sich bekannter Technik, verwendet wird. Die beschriebenen optischen Anordnungen und Techniken können dazu verwendet werden, ein Ausgangslichtbündel mit einer relativ kleinen Bündeltaille am Punkt des minimalen Radius (r'_w), einem relativ langen "Wurf" des Bündels (also einem langen Abstand S¹) und einem relativ langen Fokalbereich (Z'_f) zu erzeugen. Im Rahmen der Neuerung wird bevorzugt eine Bündel-Wurfweite, also ein Abstand S' von angenähert 3 bis
6 mm erreicht. Eine typische Wurfweite für allgemeinen Gebrauch kann in der Größenordnung von 4 mm liegen. Eine relativ lange Wurfweite ist insofern vorteilhaft, als sie den Brennpunkt in einiger Entfernung vom Ende des Katheters legt und so ein besseres Beobachten des zu schneidenden oder zu behandelnden Flächenbündels oder Bereichs ermöglicht. Außerdem vermindert eine lange Wurfweite das Zurückspritzen von Gewebeteilchen auf die Linse 52.

Der Fokalbereich (Z*_f) an beiden Seiten des Orts der Minimumtaille beträgt vorzugsweise etwa l bis 2 mm, mit einem typischen Abstand von 1,5 mm. Ein relativ langer Fokalbereich ist deshalb erwünscht, weil er eine längere Strecke schafft, durch die hindurch die Intensität der Bündeltaille relativ hoch ist. Der Strahl muß also nicht so genau positioniert werden und es gibt ein gewisses Ausmaß an "Spiel" an beiden Ssitrn der Minimum-Taille, so daß der Benutzer des Laserkatheters mit mehr Kontrolle und Gefühl für den Vorgang arbeiten kann.

Eine geringe Taillengröße ist nicht nur für die Erhöhung der Leistungsdichte am Brennpunkt vorteilhaft, sondern auch im Hinblick auf eine Erniedrigung öes Leistungsabgabesrf ordernisses des Lasers 16. Wird weniger Leistung der Lichtquelle

verlangt, so kann ein Lasser niedrigerer Leistung, der daftlr kompakter und leichter transportabel ist als übliche in medizinischen Anwendungen verwendete Laser, verwendet werden. Allgemein liegt der Minimum-Taillendurchmesser vorzugsweise im Bereich von 0,1 mm bis 0,4 mm, und für manche Anwendungen wird ein Minimum Taillendurchmesser von etwa 0,25 mm oder weniger bevorzugt.

Ein kleiner Taillendurchmesser ermöglicht auch eine Verminderung des maximalen Durchmessers des Katheters 10, da weniger übertragenes Licht benötigt wird, um ein gleiches oder höheres Maß an Schneidleistung am gewünschten Brennpunkt zu ergeben, verglichen mit einer Laserkathetervorrichtung nach dem Stand der Technik. Ein verminderter Katheterdurchmesser ergibt einen leichteren Zugang zu und eine leichtere Positionierung der Laserkatheter vorrichtung in Bereichen, die möglicherweise nach dem Stand der Technik nicht erreichbar sind oder nur unter extremen Schwierigkeiten oder Manipulationen bei. üblichen Laserkathetervorrichtungen zugänglich sind. Beispielsweise erfordert bei der konventionellen orthoskopischen Chirurgie der Gebrauch des Laserkatheters für Risse am hinteren medialen Meniskus des Knies gegenwärtig ein manuelles eier mechanisches Ziehen dss Oberschenkelknochens vom Meniskus weg. um so für die konventionellen Laserkatheter einen Zugang zu schaffen und den Riß im Band oder Knorpel zu richten. Ein Katheter verminderten Durchmessers erleichtert das Einführen des Katheters zwischen dem Oberschenkelknochen und dem Meniskus ohne Manipulation des Knie- und Beinbereic^Kr 'as Patienten, wodurch das Wundrisiko und das Risiko von Verletzungen oder Schmerz für den Patienten vermindert werden und zusätzlich eine genauere und präzisere Chirurgie ermöglicht wird. Der lange Wurf und der lange Fokalbereich des Ausgangs-Laserbünclüls ist auch für verschiedene medizinische Eingriffsanwendungen in der orthoskopischen Chirurgie insofern nützlich, als die Laserkatheterspitze 14 ua einen nennenswerten Abstand weiter weg vom chirurgischen oder Gewebewegnahme-Ort angeordnet werden kann, wodurch wiederum die Gefahr einer zusätzlichen traumatischen Verletzung oder einer Verwundung für den

chirurgischen Patienten verringert wird, sich für den Benutzer eine grfißere Kontrolle oder ein größeres Gefühl ergibt und außerdem der zu behandelnde Ort leichter eingesehen werden kann.

Bei der bevorzugten Ausführungsform hat die Faser 12 einen Kerndurchmesser von 200 &mgr;&pgr;&igr;, wie bereits erwähnt, und eine numerische Apertur von 0,22. Der Laser 16 ist ein Nd:YAG-Laser, der bei seiner Verwendung mit der Lichtleitfaser 12 Licht am Faserende 90 mit einem Kohärenzfaktor in der Größenordnung von etwa 65 liefert. Der Laser 16 der bevorzugten Ausführungsform hat eine Wellenlänge von 1,064 pm. Die Linse 52 ist plankonvex mit einem Durchmesser von 1,3 mm, einem Bündelauftreffradius von 0,545 mm und einer Brennweite von 1,7 mm. Die Dicke der Linse 52, entlang ihrer optischen Achse gemessen, beträgt 0,315 mm und die Linse 52 besteht aus Saphir, dessen C-Achse auf die optische Achse der Linse ausgerichtet ist. Der Abstand S zwischen der Linse 52 und dem Ende 90 der Faser 12 beträgt etwa 2,53 mm, was einen Abstand S· für den Ort der Minimum-Ausgangstaille von 4,45 mm ergibt. Der Faktor R beträgt etwa 5,45 und das Verhältnis F/S etwa 0,67. Der Bündelquerschnittsdurchmesser am Ort der Minimum-Ausgangstaille beträgt etwa 350 &mgr;&idiagr;&eegr; für das l/e²-Bündelprofil und der Fokalbereich Z'_f beträgt etwa 1,45 mm (oder 2 Z'_f = 2,9 mm). Für die bevorzugte Ausführungsform haben sowohl die Katheterspitzen-Baugruppe 14 als auch die Katheterhülse 92 einen Durchmesser von 1,8 mm. Diese Anordnung liefert ein
26-Faches an konzentrierter Energie, im Vergleich zur im Abstand von 4,5 mm von einer blanken, nicht mit einer Linse versehenen Faser erhaltenen Energie.

Die Figuren 9A, 9B und 9C sind drei schematische Darstellungen des Verlaufs fokussierten Lichts, das aus der Linse 52 austritt. Die Konfiguration der Scheide 96 kann in Übereinstimmung mit dem fokussierten Lichtverlaüf so gewählt werden, daß sich ein Tastindikator hinsichtlich der Schneidwirkung des vom Katheter 10 kommenden Laserlichts ergibt. Beispielsweise kann gemäß Figur vä die am diitslen Endteil 66 der Linsenhülss

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22 (Figur 7) befestigte konische Scheide 96 größenmäßig so dimensioniert sein, daß ihre abgeschnittene Spitze 106 am Punkt des Zentrums 111 mit dem Minimum-Taillenradius r'_H des fokussierten Ausgangslichtbündels endet. Da der Bereich nahe dem Punkt des minimalen Taillenradius r'_u des fokussierten Laserlichts eine maximale Laserleistung je Flächeneinheit ergibt/ ermöglicht es die Größendimensionierung dar maischen Scheide 96 so, daß die Spitze 106 ihres distalen Endes 100 ar Minimum-Taülenradius des Bündels endet, daß der Benätzer die Spitze 106 tastend an das Gewebe anlegt, um so die maximale Laser 'chneidleistu^g zu erzielen.

Figur 9B zeigt eine alternative Ausführung der konischen Scheide SS. leren distales Ende 100 mit ihrer abgeschnittenen Spitze 106 jenseits des Punkts des Zentrums ill des Minimum-Taillenradius r'_H des fokussierten Ausgangslichtbündels endet. Die Dimensionierung der Länge der Scheide 96 so, daß sich deren Spitze 106 bis distal jenseits des Punkts des minimalen Querschnitts des Ausgangsbündels erstreckt, stellt sicher, daß eine an der Spitze 106 anliegende Fläche defokussiertem Laserlicht ausgesetzt ist. Das defokussierte Laserlicht ermöglicht das Schneiden oder die Behandlung eines größerflächigen Behandlungsorts.

Figur 9C stellt eine weitere alternative Ausführung der konischen Scheide 96 dar, bei der die abgeschnittene Spitze 106 noch vor dem Ort des Zentrums 111 des minimalen Durchmessers r' des fokussierten Lichts endet. Diese Positionierung der Spitze 106 ergibt einen projizierten Bündelbrennpunkt für ein relativ tiefes Schneiden oder Behandeln jenseits des Endes der konischen Spitze 106. In dieser Konfiguration wird das Schneiden mit zunehmender Gewebetiefe bei Annäherung an die Stelle, an der die Minimum-Bündeltaille auftritt, aggressiver und der Benutzer kann durch Tasten bestimmen, daß der Laserbrennpunkt jenseits der Fläche liegt, an der die Spitze 106 der Scheide 96 anliegt.

Die zusammenlaufende konische Gestaltung der Scheide 96 wirkt zusätzlich als Trichter für das Leiten von Kühlgas oder Salzlösung zum Ort der Gewebebeeinflussung durch den Laser. Da der Innendurchmesser der Scheide 96 abnimmt, erhöht sich die Geschwindigkeit des austretenden Gases oder der Flüssigkeit. Dies dient dazu, die Menge an Gewebe, Blut oder teilchenförmiger Substanz, die &zgr;&ugr;&khgr; Linse 52 zur%k-*j9vc?fen wird und sich auf dieser niederschlägt, zu vermindern, wodurch die Betriebsweise des Katheters verbessert wird. Bsi <ian bevorzugten Ausführungsformen ist der Ort des Centra ^s ill mit &aacgr;&&ohacgr; Minisuim-Ausgangstaillenradius wenige ans um einen Fokalbereir:h von der hinteren Heuptebene der Linse entfernt und die T?.stspitze der Scheid« 56 c~?*et isaerialb eiues Fokalbereichs vom Ort des minimalen Tau' «nradius. Außerdem liegt der Ort aes S-ntrums ill mit dem Mini^im-Ausgangstaillenradius vorzugsweise wenigstens mc eir-t B ^nnv^ite von der hinteren Hauptrbene der Linse 52 ab.

Es können verschiedene Kombinationen von Lasern und hohlen Spitzen verwendet werden, ohne daß der Katheter gewechselt ,irden muß, und zwar nur durch Abschrauben der Linsenmontagehülse 52 und Ersatz durch eine Linsenmontagehülse feit einer anderen Linse und einer anderen hohlen Spitze. Andere Arten von Zubehör wie Kontaktspitzen können in gleicher Weise mit dem Katheter verbunden werden, so daß ein einziger Laserkatheter für eine Vielzahl von Zwecken ausgenützt werden kann. Beispielsweise kann unter Verwendung einer der Scheiden 96 die Entfernung von abgelagertem Plaque bewerkstelligt werden. Die Kauterisation eines Blutgefäßes während der kardialen Laser-Angioplastie kann ohne Wechseln des Katheters nur durch Ersetzen der Hülse 22 durch eine gewöhnliche Kontaktspitze oder durch eine Hülse mit unterschiedlicher Scheide und Linse durchgeführt werden.

Figur 10 zeigt eine andere Ausführung der Laserkatheterspitzen-Baugruppe 14, die eine dicke Linse 113 mit einer Länge verwendet, die wesentlich größer ist als ihr Durchmesser. Sie hst sin distsles Ende 114 und «in nroxintales Ende 115.

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Letzteres ist zylindrisch und größenmäßig so dimensioniert, daß es in die Bohrung 42 (Figur 3) des distalen Endteils 66 der Linsenmontagehülse 22 bis zur Anlage an der Schulter 71 einschiebbar ist. Das distale Ende 114 weist einen zylindrischen Körper 120 mit einer konvexen Linsenfläche 122 auf, die d' >tal jenseits der Linsenmontagehülse 22 liegt. Der Durchmesser das Körpers 120 ist tainGöwt- s so groß wie der, aber vorzugsweise gleich dem Durchmesser der Linsenhülse 22. .*usstoßlöcher 1?4 in der Liasenhülse 22 zwischen der Linse 113 und der Faserhalterhülse 20 dienen dem Ausstoßen eines Kühlgases und/oder von Salzlösung. Die dicke Lixr.e i\3 ist insofern vorteilhaft, als sie einen vergrößerten Bündelauftreffradius r_L im Vergleich zu dem der Linse 52 ergibt. Durch

^} die Positionierung der brechenden Linsenfläche 122 distal jenseits der Linsenmontagehülse 22 kann diese Linsenfläche größer sein, als andernfalls möglich wäre, da ihr Durchmesser nicht durch eine umgebende Linsenhalterung eingeschränkt ist. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser der Linse 113 an der brechenden Fläche 122 im wesentlichen gleich dem Maximaldurchmesser der Katheterspitzen-Baugruppe 14. Die größere Brechungsfläche ermöglicht es, daß die Linse 113 das Ausgangsbündel enger als die Linse 52 fokussiert - sofern die anderen Gegebenheiten unverändert sind - , was für bestimmte Anwendungen sehr erwünscht ist. Ein weiterer Vorteil der Linse 113 ist, daß sie für die Kauter isation als Kontaktspitze

.) verwendet werden kann. Im Betrieb wird die Linse naturgemäß vom Laserlicht auf eine Temperatur erwärmt, die für die Kauteri&ation ausreichend ist, und die runde, distal liegende Linsenbrechungsfläche 122 kann, sofern erwünscht, in gleicher Weise wie eine Kontaktspitze verwendet werden. Man kann also mit der Linse zunächst Gewebe schneiden und sie dann zur Kauter isierung desselben Gewebes verwenden, wodurch also beide Vorgänge durchgeführt werden können, ohne daß ein Wechsel des Katheters oder auch nur der Katheterspitze erforderlich ist. Bei der beschriebenen AusfUhrungsform besteht die Linse 113 vorzugsweise aus Saphir.

Es wird darauf hingewiesen, daß die beschriebenen und dargestellten Konstruktionen nur die derzeit bevorzugten Ausführungsformen der Neuerung wiedergeben und verschiedene Modifikationen und Hinzufügungen möglich sind, ohne vom Gegenstand und der Idee der Neuerung abzuweichen.

Zusammengefaßt dargestellt funktioniert die optische Vorrichtung als Laserkatheter 10 für die Entfernung, Durchdringung oder Behandlung von menschlichem Gewebe oder anderem biotischen Material. Die Gestaltung und Anordnung der optischen Elemente, einschließlich der Brennweite F der Linse 52 und des Abstands S zwischen der Linse und der Lichtquelle sind so gewählt, daß ein Ausgangs-Lichtbündel mit vorteilhaften Charakteristiken erhalten wird, die sich speziell fHr die medizinische Laserbehandlung eignen. 3u diesen Charakteristiken gehören eine relativ lange Bündel-Wurfweite S', ein langer Fokalbereich Z'_f und eine enge Ausgangsbündel-Taille r'_v, eine vorzugsweise konisch geformte Spitze 106 dient als Tastindikator beispielsweise bei der Schneidaktion des Ausgangsbündels.

Claims

Schutzansprüche

1. Optische Vorrichtung mit einer Lichtquelle (16, 12) eines LichtbUndels mit einer taillenartigen Einschnürung und einem Minimum-Taillenradius r_M, deren Licht relativ inkohärent ist und einen Kohärenzfaktor K₀ nicht unter 2/0 hat, gekennzeichnet durch eine Linse (52, 113) zum Fokussieren des Lichtbündels, die (i) einen Durchmesser von nicht mehr als 4 Millimetern, (H) eine Brennweite F, (iii) einen Bündelauflreff radius r_L und (iv) eine vordere Hauptebene, die von der ninimüni-Teilie ujü ein«n Abstand 3 entfernt ist, aufweist, und dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle und die Linse relativ zueir ^nder gemäß den folgenden Beziehungen positioniert sind:

1,5 < R < X

0,25 < F/S < 0,95

wobei: R = r_L/r_w, und X < 4 geteilt durch den doppelten Minimum-Taillenradius r_u in Millimetern.

2. Vorrichtung nach Absatz 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle einen Laser (16) umfaßt, der mit einem optischen Wellenleiter (12) gekoppelt ist, und daß sich die Minimufii-Taille am Ausgangsende (90) des Wellenleiters befindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (52) zum Fokussieren des Lichts zur Schaffung eines Ausgangsbündel-Minimum-Tail lenradius an einer wenigstens 2 mm von einer hinteren Hauptebene (112) der Linse (52) entfernten Stelle gestaltet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (52) zum Fokussieren des Lichts zur Schaffung eines Ausgangs-Fokalbereichs Z'_f von wenigstens 1 mm gestaltet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder einem der auf Anspruch 2 rückbezogenen Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß

der Wellenleiter eine Lichtleitfaser (12) ist, die an einer Katheterspitzen-Baugruppe (14) befestigt ist, welche ihrerseits (i) einen langgestreckten Faserhalter (24), der in einer Faserhalterhülse (22) angeordnet ist, und (ii) einen Linsenträger (26) zum Montieren der Linse (52) enthält.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder einem der auf Anspruch 2 rtickbezogenen Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (12) an einer die Linse (52) tragenden Katheterspitzen-Baugruppe (14) befestigt ist und daß die Vorrichtung zusätzlich eine an der Katheterspitzen-flaugruppe angebrachte hohle Spitze (96) umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die hohle Spitze (96) an einer Stelle (106) endet, die innerhalb eines Fokalbereichs vom Ort (111) des Minimum-Taillenradius des von der Linse (52) fokussierten Lichtbündels liegt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die hohle Spitze (96) an einer Stelle zwischen der Linse (52) und dem Ort (111) des Minimvim-Taillenradius des von der Linse fokussiert*^ Lichtbündels endet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die hohle Spitze (96) im Wesentlichen am Ort (111) des Minimum-Taillenradius des von der Linse (52) fokussierten Lichtbündels endet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die hohle Spitze (96) an einer Stelle distal vom Ort (111) des Minimum-Taillenradius des von der Linse (52) fokussierten Lichtbündels endet.

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