DE9311834U1

DE9311834U1 - Laserstrahlungsquelle für medizinische Zwecke

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Publication number: DE9311834U1
Application number: DE9311834U
Authority: DE
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 1993-08-07
Filing date: 1993-08-07
Publication date: 1993-11-04
Anticipated expiration: 2003-08-08

Description

A 51 535 u Anmelderin: Aesculap AG

u-234 Am Aesculap-Platz

4. August 1993 D-7200 Tuttlingen

LASERSTRAHLUNGSQUELLE FUR MEDIZINISCHE ZWECKE

Die Erfindung betrifft eine Laserstrahlungsquelle für medizinische Zwecke, insbesondere zur Ablation von Gewebe.

Laserstrahlung in bestimmten Wellenlängenbereichen hat sich als sehr geeignet erwiesen, gezielt Gewebe abzutragen, beispielsweise Hornhautgewebe zur Formung der Hornhaut. Bewährt hat sich in diesem Zusammenhang die Laserstrahlung eines ArF-Excimer-Lasers, diese Strahlung wird bei einer Wellenlänge von 193 nm ausgesandt. Man erzielt damit gute Abtragungsergebnisse, und medizinische Langzeituntersuchungen haben ergeben, daß keine oder allenfalls geringe Langzeitschädigungen eintreten.

Allerdings haben diese bekannten Systeme den Nachteil, daß das Lasersystem apparativ außerordentlich aufwendig ist, daß Fluorgase Verwendung finden und daß die Lasersysteme nur eine

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begrenzte Standzeit haben. Außerdem ist die Leistung zwar für herkömmliche Verfahren ausreichend, es ist aber schwierig, die Leistung zu steigern. Schließlich ergeben sich in manchen Fällen auch Probleme dadurch, daß der Strahlquerschnitt in der Regel rechteckig ist; dies erschwert das gleichmäßige Überstreichen einer Fläche und macht meist ein Scannen nötig.

Es sind weitere Lasersysteme bekannt, die Strahlung in verschiedenen anderen Wellenlängenbereichen erzeugen, diese Strahlung ist jedoch für das Abtragen von Gewebe weniger geeignet. So können beispielsweise bei Strahlungen in anderen Wellenlängenbereichen thermische oder mutagene Schädigungen des Gewebes eintreten, außerdem sind die Langzeiteinwirkungen derartiger Strahlungen nicht ausreichend bekannt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Laserstrahlungsquelle der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß sie apparativ wesentlich einfacher aufgebaut ist und trotzdem die Vorteile bekannter Laserstrahlungsquellen zumindest beibehält.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Laserstrahlungsquelle der eingangs beschriebenen Art gelöst, die gekennzeichnet ist durch einen Festkörperlaser und mindestens einen diesem nachgeschalteten Frequenzwandler, durch den die Laserstrahlung in einen Wellenlängenbereich zwischen 185 nm und 210 nm transformiert wird.

Es werden also die Excimer-Laser ersetzt durch Festkörperlaser, die in einem ganz bestimmten Wellenlängenbereich betrieben werden, so daß durch eine nachgeschaltete Frequenzvervielfachung Laserstrahlung in einem ganz bestimmten Wellenlängen-

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bereich erzeugt wird, nämlich im Bereich zwischen 185 nm und 210 nm, vorzugsweise bei 193 nm (±2 nm). Derartige Lasersysteme sind apparativ wesentlich weniger aufwendig als Excimer-Laser, und es hat sich herausgestellt, daß die auf diese Weise hergestellte Laserstrahlung für die Ablation von Gewebe gut
geeignet ist und darüber hinaus spezielle Vorteile bietet.
Einerseits kann man auf diese Weise energiereiche Strahlung
genau auf der medizinisch unbedenklichen und etablierten
Wellenlänge erzeugen, andererseits sind Festkörperlaser in der Bauweise kompakt, zeigen eine hohe Zuverlässigkeit sowie geringe Betriebs- und Wartungskosten. Auch im Hinblick auf den Umweltschutz ergeben sich bei Festkörperlasern keine Schwierigkeiten wie bei Excimerlasern durch die Verwendung toxischer
Gase. Günstig ist auch, daß mit derartigen Festköperlasern die Strahlung in einem Strahlenbündel mit rundem Querschnitt austritt, in dem die Strahlungsintensität äußerst homogen ist.
Dadurch ergeben sich häufig Vorteile beim Abtragen kreissymmetrischer Flächen mit dieser Strahlung, wie dies bei der Formgebung der Hornhaut meist erwünscht ist. Auch die Strahlungshomogenität wird verbessert. Schließlich ist die erzielbare
Intensität derartiger Festkörperlaser so hoch, daß in vielen Fällen auf das Scannen verzichtet werden kann; es ist vielmehr möglich, eine bestimmte Fläche durch Aufweitung des Strahlenbündels insgesamt zu beaufschlagen. Durch den Wegfall der notwendigen Scannervorrichtungen lassen sich dadurch erhebliche Vereinfachungen erzielen und die Operationszeiten verkürzen.

Bei einer besonderen Ausgestaltung der Laserstrahlungsquelle ist vorgesehen, daß der Festkörperlaser eine Laserstrahlung der Wellenlänge zwischen 750 nm und 820 nm emittiert und daß dem Festkörperlaser zwei getrennte Frequenzwandler nachgeschaltet sind. Dabei kann es sich beispielsweise um zwei Frequenzverdoppler oder in einem anderen Ausführungsbeispiel um einen

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ersten, die Frequenz verdreifachenden Frequenzwandler und einen zweiten Frequenzwandler handeln, der die Strahlung des ersten
Frequenzwandlers mit der vom Festkörperlaser emittierten Strahlung überlagert und dabei eine Strahlung mit der Summenfrequenz dieser beiden Strahlungen erzeugt.

Als aktive Materialien für derartige Festkörperlaser kommen
beispielsweise die folgenden Substanzen in Frage:

Substanz

Kurzbezeichnung

Emissionsbereich

Be Al	2°4 ^{: Cr}	Al₂O₃	: Cr³ +	Cr³ +	Cr⁴ +	Alexandrit	GSGG
Be₃Al	2 (³¹⁰Sh	: LiSrAlF₆	O₁₂ :	oder Cr⁴+		Emerald
Gd₃ (		: LiCaAlF^		Cr³ +		Cr :
				oder	Cr⁴ +		GGG
Gd₃Ga	2^Ga3°12 ^:				: YAG
	*	Cr³ +		Cr :
^Y3^A15	O₁₂ : Cr⁴+	oder		Cr⁴ +	GSAG
Gd₃ S	C₂Al₂O₁₂ :			Saphir
	:		Cr :	LiSAF
Ti :		Ti :	LiCAF
Cr³ +		Cr :
Cr³ +	Cr :

710 - 820 nm 720 - 842 nm 742 - 842 nm

740 - 840 nm ca.680-1000 nm

735 - 820 nm ca. 650 - 1180 nm ca. 770 - 1020 nm ca. 710 - 830 nm

Es handelt sich bei diesen Substanzen um aktive Lasersubstanzen, die durchstimmbar sind, und zwar durch geeignete apparative Maßnahmen, wie z.B. durch die Orientierung der Kristalle im Laserresonator. Alle diese Substanzen lassen sich so abstimmen, daß sie in einem Bereich zwischen 750 und 820 nm emittie-

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ren, Insbesondere bei 772 nm, so daß durch eine Frequenzvervierfachung dieser Strahlung die gewünschte Wellenlänge im Bereich zwischen 185 nm und 210 nm, insbesondere 193 nm erzeugt werden kann.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß der Festkörperlaser eine Laserstrahlung der Wellenlänge zwischen 550 nm und 630 nm, insbesondere 579 nm, emittiert und daß dem Festkörperlaser ein Frequenzwandler nachgeschaltet ist, der die Frequenz der Strahlung verdreifacht.

Als aktive Substanz kann in diesem Falle beispielsweise Forsterit (Cr⁺ : Mg₂SiO₄) Verwendung finden.

Zur Erzeugung der frequenzgewandelten Strahlung können verschiedene Kristalle verwendet werden, die nichtlineare optische Eigenschaften haben, beispielsweise

-BaB₂O₄ (Kurzname BBO)

KH₂PO₄ (Kurzname KDP oder KD*P mit D statt H)

KBe₂BO₃F₂ (Kurzname KBBF) oder

LiB₃O₅ (Kurzname LBO).

Diese Kristalle haben je nach der Kristallorientierung im Strahlengang die Eigenschaft, eine Frequenzverdoppelung (1. Harmonische) eine Frequenzverdreifachung (2. Harmonische) oder

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eine Frequenzüberlagerung der 2. Harmonischen mit der Grundfrequenz zu erzeugen, und zwar aufgrund ihrer speziellen optischen Eigenschaften bis in einen Wellenlängenbereich hinein, der unter 190 nm liegt. Damit ist es mit einer solchen Anordnung möglich, Laserstrahlung im gewünschten Bereich von 185 nm bis 210 nm, vorzugsweise 193 nm, mit Festkörperlasern in der für die Behandlung des Gewebes notwendigen Intensität zu erzeugen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen werden, daß der Festkörperlaser eine Laserstrahlung der Wellenlänge zwischen 370 nm und 420 nm emittiert und daß dem Festkörperlaser ein einziger Frequenzwandler nachgeschaltet ist, der die Frequenz der Strahlung verdoppelt. Es handelt sich bei diesen Festkörperlasersubstanzen um solche, die besonders kurzwellig emittieren. Beispielsweise erhält man durch den Einbau von Cer-Atomen in ein LiCaAlFg-Gitter eine Lasersubstanz, die im Blauen emittiert und diesen Wellenlängen schon sehr nahekommt. Durch geeignete Kombinationen der zur Verfügung stehenden Gitter und der möglichen Dotierungsatome lassen sich auch Festkörpersubstanzen erzeugen, die in den genannten Wellenlängenbereichen zwischen 370 nm und 420 nm emittieren.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Fest

körper-Strahlungsquelle mit einem Frequenzwandler,

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Fig. 2 eine Ansicht ähnlich Fig. 2 mit zwei hinter-

einandergeschalteten Frequenzwandlern und

Fig. 3 eine spezielle Ausführungsform einer Anord

nung gemäß Fig. 2.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 1 wird ein Festkörperlaser 1 zur Erzeugung einer Strahlung verwendet, deren Wellenlänge im Bereich zwischen 550 nm und 630 nm liegt, beispielsweise kann die aktive Lasersubstanz Forsterit sein. Diesem Festkörperlaser 1 ist ein Frequenzwandler 2 nachgeschaltet, der die Frequenz der auftreffenden Strahlung verdreifacht und somit eine Strahlung emittiert, deren Wellenlänge zwischen 185 nm und 210 nm liegt. Diese Strahlung wird dann auf einen Gewebebereich gerichtet, von dem ein Teil abgetragen werden soll, beispielsweise auf die Hornhaut eines Auges 3.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 wird ein Festkörperlaser verwendet, dessen aktives Lasermaterial eine Strahlung in einem Bereich zwischen 750 nm und 820 nm emittiert, mögliche Substanzen sind vorstehend angegeben. Wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 trifft diese Strahlung auf einen Frequenzwandler 2 und in diesem Falle auf einen weiteren Frequenzwandler 4, von dem die Strahlung auf das Auge 3 gerichtet wird.

Der erste Frequenzwandler 2 kann ein Frequenzverdoppler sein, dann wird auch der zweite Frequenzwandler 4 als Frequenzverdoppler ausgeführt, so daß die auf das Auge auffallende Strahlung im Bereich zwischen 185 nm und 210 nm liegt.

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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist der erste Frequenzwandler 2 ein Frequenzverdreifacher, dann wird der zweite Frequenzwandler 4 als Additionsstufe ausgebildet, in der die Strahlung mit der verdreifachten Frequenz mit der Grundstrahlung des Festkörperlasers überlagert wird, so daß insgesamt eine Strahlung in vierfacher Frequenz entsteht. Dies läßt sich teilweise unter Verwendung derselben Kristalle mit nichtlinearen optischen Eigenschaften erreichen, die entsprechend ihrer jeweiligen Orientierung im Strahlengang mit unterschiedlicher Intensität höhere Harmonische sowie Summenfrequenzen erzeugen, die dann entsprechend ausgewählt werden können. Geeignet dafür sind beispielsweise Kristalle mit den Kurzbezeichnungen BBO, KBBF, KDP oder LBO.

Eine Anordnung gemäß Fig. 2 ist in Fig. 3 etwas detaillierter dargestellt. Der Festkörperlaser 1 umfaßt dabei einen hochreflektierenden Spiegel 5 sowie einen Auskoppelspiegel 6, zwischen denen der Resonator des Lasers ausgebildet wird. In diesem Resonator ist als aktive Lasersubstanz ein Laserkristall 7 angeordnet, der aus einer der vorstehend genannten aktiven Lasersubstanzen besteht, beispielsweise aus Alexandrit oder aus Ti:Saphir.

Zwischen dem hochreflektierenden Spiegel 5 und dem Laserkristall 7 befindet sich ein sogenannter Q-Switch 8, der dazu führt, daß die vom Festkörperlaser abgegebene Strahlung in Form kurzer Impulse ausgestrahlt wird. Ein solcher Q-Switch kann beispielsweise durch einen LiNbOo-Kristall (Pockelzelle) gebildet werden.

Die aus dem Festkörperlaser 1 austretende Strahlung verläßt diesen mit einer Wellenlänge &Lgr;. -, , also der Grundwellenlänge

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des Festkörperlasers, beispielsweise mit einer Wellenlänge von 769 nm. Sie trifft auf den ersten Frequenzwandler 2, der im dargestellten Ausführungsbeispiel beispielsweise aus BBO besteht und so angeordnet ist, daß Strahlung mit der dreifachen Frequenz A ^ erzeugt wird. Damit verlassen den ersten Frequenzwandler 2 zwei Strahlungsarten, nämlich ein Strahlungsanteil mit der Grundwellenlänge &Lgr;. -, und ein Strahlungsanteil mit der Wellenlänge X ^₁ also mit der dreifachen Frequenz. Diese beiden Strahlungsanteile treffen auf den zweiten Frequenzwandler 4, der ebenfalls aus BBO bestehen kann, jedoch mit anderer Orientierung. Dadurch werden in Strahlrichtung zusätzlich zu den einfallenden Strahlungsanteilen auch Strahlungsanteile erzeugt, die die Summenfrequenz der beiden Strahlungsanteile mit den Wellenlängen &lgr; -j. ^unc* ^ ? ^au^~ weisen. In der den Frequenzwandler 4 verlassenden Strahlung befinden sich somit auch Strahlungsanteile mit der Wellenlänge X 2' ^al^so mit einer vierfachen Frequenz der Grundfrequenz des Festkörperlasers. Diese Strahlung mit den unterschiedlichen Frequenzanteilen wird durch ein Filter 9 gelenkt, welches nur den Strahlungsanteil mit der vierfachen Grundfrequenz hindurchtreten läßt, also mit einer Frequenz zwischen 190 nm und 200 nm, vorzugsweise bei 193 nm. Diese ausgefilterte Strahlung mit der Wellenlänge &Lgr; 3 gelangt daraufhin durch ein Aufweitteleskop 10 auf das Auge 3 und kann dort aufgrund der hohen Strahlungsintensität gegebenenfalls die gesamte exponierte Hornhautfläche gleichzeitig bestrahlen. Der Strahlungsquerschnitt läßt sich durch eine in den Strahlengang gebrachte Blende 11 oder durch andere den Strahlenquerschnitt variierende Mittel beeinflussen, so daß entsprechend der Verteilung des abzutragenden Gewebes eine unterschiedliche Abtragung in verschiedenen Bereichen der Hornhaut erfolgen kann.

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Bei der beschriebenen Verwendung eines BBO-Kristalls im ersten und im zweiten Frequenzwandler wird z.B. für diesen ein Phasenanpassungswinkel von 48 Grad im ersten Frequenzwandler und von 76 Grad im zweiten Frequenzwandler gewählt. Dadurch läßt sich die beschriebene Frequenzumwandlung mit der gewünschten Intensität erreichen.

Claims

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SCHUTZ ANSPRÜCHE

1. Laserstrahlungsquelle für medizinische Zwecke, insbesondere zur Ablation von Gewebe, gekennzeichnet durch einen Festkörperlaser (1) und mindestens einen diesem nachgeschalteten Frequenzwandler (2, 4), durch den die Laserstrahlung in einen Wellenlängenbereich zwischen 185 nm und 210 nm transformiert wird.

2. Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperlaser (1) eine Laserstrahlung der Wellenlänge zwischen 750 nm und 820 nm emittiert und daß dem Festkörperlaser (1) zwei getrennte Frequenzwandler (2, 4) nachgeschaltet sind.

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3. Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Substanz des Festkörperlasers Alexandrit (BeAl₂O* : Cr ) ist.

4. Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Substanz des Festkörperlasers Emerald (BeqAl₉ (SiOq),- : Cr ) ist.

5. Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Substanz des Festkörperlasers Cr : GSGG (Gd₃ (Sc, Ga)₂ Ga₃O₁₂ : Cr³⁺) ist.

6. Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Substanz des Festkörperlasers Cr : GGG (Gd₃Ga₂Ga₃O₁₂ : Cr³⁺) ist.

7. Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Substanz des Festkörperlasers Cr : GSAG (Gd₃Sc₂Al₂O₁₂ : Cr³⁺) ist.

8. Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Substanz des Festkörperlasers Ti : Saphir (Ti : Al₉Oq) ist.

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9. Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Substanz des Festkörperlasers Cr : LiSAF (Cr³⁺ : LiSrAlF₆) ist.

10. Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Substanz es Festkörperlasers Cr⁴⁺ : YAG (Cr⁴⁺ : Y₃Al₅O₁₂) ist.

11. Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Substanz des Festkörperlasers Cr : LiCAF (Cr³⁺ : LiCaAlF₆) ist.

12. Laserstrahlungsquelle nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Frequenzwandler (2, 4) jeweils Frequenzverdoppler sind.

13. Laserstrahlungsquelle nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Frequenzwandler (2) die Frequenz des Festkörperlasers (1) verdreifacht und daß der zweite Frequenzwandler (4) diese vom ersten Frequenzwandler (2) emittierte Strahlung mit der vom Festkörperlaser (1) emittierten Strahlung überlagert und dabei eine Strahlung mit der Summenfrequenz dieser beiden Strahlungen erzeugt.

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14. Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperlaser (1) eine Laserstrahlung der Wellenlänge zwischen 550 nm und 630 nm emittiert und daß dem Festkörperlaser (1) ein Frequenzwandler (2) nachgeschaltet ist, der die Frequenz der Strahlung verdreifacht.

15. Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Substanz des Festkörperlasers (1) Forsterit (Cr : Mg₂SiO₄) ist.

16. Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperlaser (1) eine Laserstrahlung der Wellenlänge zwischen 370 nm und 420 nm emittiert und daß dem Festkörperlaser (1) ein einziger Frequenzwandler nachgeschaltet ist, der die Frequenz der Strahlung verdoppelt.

17. Laserstrahlungsquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzwandler aus BBO ( &bgr; -BaB₂O₄) besteht.

18. Laserstrahlungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzwandler (2, 4) aus KBBF (KBe₂BO₃F₂) besteht.

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19. Laserstrahlungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzwandler (2, 4) aus LBO (LiB₃O₅) besteht.

20. Laserstrahlungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzwandler (2, 4) aus KDP (KH₂PO₄ oder KD₂PO₄) besteht.