EP0207987A1 - Laser for the surgery of hard tissue - Google Patents

Laser for the surgery of hard tissue

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EP0207987A1
EP0207987A1 EP19860900762 EP86900762A EP0207987A1 EP 0207987 A1 EP0207987 A1 EP 0207987A1 EP 19860900762 EP19860900762 EP 19860900762 EP 86900762 A EP86900762 A EP 86900762A EP 0207987 A1 EP0207987 A1 EP 0207987A1
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surgery
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Gerhard Müller
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Carl Zeiss AG
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Carl Zeiss SMT GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
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    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/22—Gases
    • H01S3/223—Gases the active gas being polyatomic, i.e. containing two or more atoms
    • H01S3/2232—Carbon dioxide (CO2) or monoxide [CO]

Definitions

  • calibrated tissue has a typical absorption band at a wavelength around 9.6 ⁇ m. At this wavelength, a factor of 2 to is obtained compared to the previously used wavelength of 10.6 ⁇ m 10 improved energy coupling of the radiation, while on the other hand the water absorption does not change significantly.

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Abstract

Un laser émettant sur la longueur d'onde 9,6 mum est utilisé pour la chirurgie des tissus durs, notamment des parties de tissu calcifiées. Particulièrement avantageux est un laser au CO2 comportant dans son résonateur une seconde cuve à gaz (5), dans laquelle on peut éventuellement faire le vide au moyen d'une pompe (8) ou qui peut être remplie, par l'intermédiaire d'une vanne (9), d'un gaz à absorption sélective sur 10,6 mum. Pour la chirurgie des tissus durs, la cuve à gaz (5) est remplie par ex. de SF6. Le laser émet alors sur 9,6 mum, longueur d'onde à laquelle l'accouplement énergétique du faisceau laser sur les tissus calcifiés est particulièrement bon. Lorsque la cuve à gaz (5) est vide d'air, le laser émet sur 10,6 mum et convient pour la chirurgie des tissus mous.A laser emitting on the wavelength 9.6 mum is used for hard tissue surgery, in particular parts of calcified tissue. Particularly advantageous is a CO2 laser comprising in its resonator a second gas tank (5), in which one can optionally create a vacuum by means of a pump (8) or which can be filled, by means of a valve (9), of a gas with selective absorption over 10.6 mum. For hard tissue surgery, the gas tank (5) is filled, for example. of SF6. The laser then emits on 9.6 mum, wavelength at which the energy coupling of the laser beam on calcified tissue is particularly good. When the gas tank (5) is empty of air, the laser emits on 10.6 mum and is suitable for soft tissue surgery.

Description

Laser zur medizinischen Chirurgie von HartgewebenLasers for medical surgery of hard tissues
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laser zur medizinischen Chirurgie von Hartgeweben, insbesondere von kalzifizierten Gewebsteilen.The present invention relates to a laser for medical surgery of hard tissues, in particular of calcified tissue parts.
Seit mehr als 15 Jahren wird in der medizinischen Laserchirurgie der CO2 -Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 μm eingesetzt. Mit einem solchen Laser werden in der Weichteilchirurgie sehr gute Ergebnisse erzielt. Dies liegt darin begründet, daß im Spektralbereich um 10,6 μm die Energieankopplung des Laserstrahls an das Gewebe im wesentlichen durch das im Gewebe enthaltene Wasser geschieht. Dieses besitzt in diesem Spektralbereich einen extrem hohen Absorptionskoeffizienten.The CO 2 laser with a wavelength of 10.6 μm has been used in medical laser surgery for more than 15 years. With such a laser, very good results are achieved in soft tissue surgery. This is due to the fact that, in the spectral range around 10.6 μm, the energy coupling of the laser beam to the tissue occurs essentially through the water contained in the tissue. This has an extremely high absorption coefficient in this spectral range.
Bei der Chirurgie von Hartgeweben, wie Knochen oder Zahnhartsubstanz hat sich die Anwendung des bekannten CO2 -Lasers als problematisch erwiesen. Dies ist nach den der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Erkenntnissen darauf zurückzuführen, daß in Hartgewebe, d.h. also in kodifizierten Gewebsteilen nur ein geringer Wassergehalt zu beobachten ist. Aus diesem Grund ist mit den üblicherweise in der Laserchirurgie verwendeten CO2 -Lasern das Schneiden oder Abtragen von Knochensubstanz nur mit wesentlich erhöhter Strahlungsleistung möglich. Dies führt bei den praktisch immer vorhandenen organischen Rückständen relativ schnell zu einer Verkohlung und damit zu einer verminderten Heilung der entsprechenden Körperteile. Außerdem sind leistungsstarke und deshalb relativgroße und teure CO2 -Laser zu verwenden.The use of the known CO 2 laser has proven to be problematic in the surgery of hard tissues such as bone or hard tooth substance. According to the knowledge on which the present invention is based, this is due to the fact that only a low water content can be observed in hard tissue, that is to say in codified tissue parts. For this reason, with the CO 2 lasers commonly used in laser surgery, cutting or removing bone substance is only possible with a significantly increased radiation output. With the organic residues that are practically always present, this quickly leads to charring and thus to a reduced healing of the corresponding parts of the body. In addition, powerful and therefore relatively large and expensive CO 2 lasers must be used.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Laser zur Chirurgie von Hartgeweben, insbesondere von kalzifizierten Gewebsteilen zu schaffen, der es ermöglicht die Hartgewebs-Chirurgie zu verbilligen und zugleich zu verbessern. Diese Aufgabe wird entsprechend dem Kennzeichen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß ein Laser verwendet wird, dessen Emissionswellenlänge bei 9, 6 μm liegt.It is the object of the present invention to provide a laser for the surgery of hard tissues, in particular of calcified tissue parts, which enables the surgery to be made cheaper and at the same time improved. This object is achieved in accordance with the characterizing part of claim 1 in that a laser is used whose emission wavelength is 9.6 μm.
Untersuchungen im Zusammenhang mit der Erfindung haben ergeben, daß kalizifziertes Gewebe bei einer Wellenlänge um 9,6 μm ein typisches Absorptionsband aufweist. Bei dieser Wellenlänge ergibt sich gegenüber der bisher verwendeten Wellenlänge von 10, 6 μm eine um den Faktor 2 bis 10 verbesserte Energieankopplung der Strahlung, während sich andererseits die Wasserabsorption nicht wesentlich ändert.Studies in connection with the invention have shown that calibrated tissue has a typical absorption band at a wavelength around 9.6 μm. At this wavelength, a factor of 2 to is obtained compared to the previously used wavelength of 10.6 μm 10 improved energy coupling of the radiation, while on the other hand the water absorption does not change significantly.
Verwendet man also entsprechend der Erfindung in der Hartgewebs-Chirurgie einen Laser mit einer Emissionswellenlänge von 9, 6 μm, so lassen sich Knochensubstanz, Zahnhartsubstanz und auch arteriosklerotische Ablagerungen abtragen, ohne daß eine Verkohlung in Kauf genommen werden muß. Die Chirurgie an solchem kalzifizierten Gewebe läßt sich mit Lasern bewirken, die gegenüber den bisher verwendeten CO2 -Lasern wesentlich weniger Leistung abgeben und die deshalb kleiner, handlicher und billiger sind.If, according to the invention, a laser with an emission wavelength of 9.6 μm is used in hard tissue surgery, then bone substance, hard tooth substance and also arteriosclerotic deposits can be removed without having to accept charring. Surgery on such calcified tissue can be effected with lasers which emit considerably less power than the CO 2 lasers previously used and which are therefore smaller, more manageable and cheaper.
Als Beispiele für solche Laser seien genannt ein H2O-Laser, der bei Verwendung einer H2O-He-Mischung im Laserresonator u.a. eine Emissionswellenlänge von 9.5674 μm aufweist, und ein NH3 -Laser, der bei Verwendung einer N14H3 -N2 -Mischung im Laserresonator u.a. eine Emissionswellenlänge von 9,6 μm aufweist. Die genannten Wellenlängen lassen sich beispielsweise durch Filter im Strahlengana. isolieren.Examples of such lasers are an H 2 O laser which, when using an H 2 O-He mixture in the laser resonator, has an emission wavelength of 9.5674 μm, and an NH 3 laser which, when using an N 14 H 3 -N 2 mixture in the laser resonator has an emission wavelength of 9.6 μm. The wavelengths mentioned can be, for example, by filters in the radiation organ. isolate.
Als Laser zur Hartgewebs-Chirurgie läßt sich ganz besonders vorteilhaft ein CO2 -Laser verwenden, der wahlweise bei einer für die Hartgewebs-Chirurgie und einer für die Weichteilchirurgie optimal geeigneten Emissionswellenlänge betrieben werden kann.A CO 2 laser can be used very particularly advantageously as a laser for hard tissue surgery, which can be operated optionally at an emission wavelength optimally suited for hard tissue surgery and for soft tissue surgery.
Bei einem CO2 -Laser schwingen die Linien 10,6 und 9, 6 μm gleichzeitig an. Da jedoch die Wellenlänge 10,6 μm eine wesentlich höhere Verstärkung im Laser aufweist als die 9 ,6 μm Bande wird die Emission bei 9, 6 μm weitgehend unterdrückt.With a CO 2 laser, lines 10, 6 and 9, 6 μm oscillate simultaneously. However, since the wavelength 10.6 μm has a significantly higher gain in the laser than the 9, 6 μm band, the emission at 9, 6 μm is largely suppressed.
Aus der US-PS 3 569 859 ist es bekannt einen CO2 -Laser dadurch bei einer Emissionswellenlänge von 9, 6 μm zu betreiben, daß im Laserresonator eine Platte aus Zinksulfid angebracht wird, welche bei 10,6 μm absorbiert und deshalb diese Strahlung unterdrückt.From US Pat. No. 3,569,859 it is known to operate a CO 2 laser at an emission wavelength of 9.6 μm by attaching a plate of zinc sulfide in the laser resonator which absorbs at 10.6 μm and therefore suppresses this radiation .
Es ist auch bekannt einen Spiegel des Laserresonators als geblaztes Gitter auszubilden und durch mechanische Verstellung dieses Gitters eine Abstimmung au f die verschiedenen Laserwellenlängen zu erreichen . Will man einen Laser alternativ bei zwei Wellenlängen betreiben, also vor allem einen CO2 -Laser wahlweise bei 10,6 μm oder 9,6 μm, so sind bei den bekannten Lasern Elemente im Laserresonator mechanisch zu bewegen. Eine derartige mechanische Einstellung verschiedener Resonanzwellenlängen im Laserresonator führt unter realen Betriebsbedingungen zu Justierproblemen und somit zu Stabilitätsproblemen der Laseremission.It is also known to design a mirror of the laser resonator as a blazed grating and to achieve tuning for the different laser wavelengths by mechanically adjusting this grating. If you want to operate a laser alternatively at two wavelengths, i.e. above all a CO 2 laser either at 10.6 μm or 9.6 μm, then elements in the known laser have to be moved mechanically in the known lasers. Such a mechanical setting of different resonance wavelengths in the laser resonator leads to adjustment problems under real operating conditions and thus to stability problems of the laser emission.
Es ist nun nach einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens möglich einen CO2 -Laser so auszubilden daß er wahlweise bei einer Emissionswellenlänge von 10,6 μm oder 9,6 μm betrieben werden kann, ohne daß mechanische Einstellungen im Laserresonator erforderlich sind. Ermöglicht wird dies durch die im Kennzeichen des Anspruchs 2 angeführten Merkmale.According to a further development of the inventive concept, it is now possible to design a CO 2 laser in such a way that it can be operated either at an emission wavelength of 10.6 μm or 9.6 μm, without mechanical adjustments in the laser resonator being required. This is made possible by the features stated in the characterizing part of claim 2.
Wird bei dem Laser nach der Erfindung die zweite Gasküvette im Laserresonator mit einem selektiv bei 10,6 μm absorbierenden Gas gefüllt, so wird die Emission bei 10,6 μm unterdrückt und die Wellenlänge 9 , 6 μm wird emittiert. Damit ist der Laser zur Hartgewebs-Chirurgie eingestellt.If, in the laser according to the invention, the second gas cuvette in the laser resonator is filled with a gas which selectively absorbs at 10.6 μm, the emission is suppressed at 10.6 μm and the wavelength 9.6 μm is emitted. The laser is now set for hard tissue surgery.
Wird die zweite Gasküvette im Laserresonator evakuiert, so emittiert der Laser bei 10,6 μm, d.h. er ist zur Weichteil-Chirurgie optimal eingestellt.If the second gas cuvette is evacuated in the laser resonator, the laser emits at 10.6 μm, i.e. it is optimally set for soft tissue surgery.
Bildet man den Laser gemäß Anspruch 5 aus, so läßt sich durch dosierte Zugabe des selektiven Absorbergases eine gesteuerte Schwächung der Emission bei 10,6 μm erreichen, d.h. das Verhältnis der Intensitäten der Emission bei 10,6 μm und 9,6 μm läßt sich entsprechend der jeweiligen Erfordernis einstellen.If the laser is constructed in accordance with claim 5, a controlled attenuation of the emission at 10.6 μm can be achieved by metered addition of the selective absorber gas, i.e. the ratio of the intensities of the emission at 10.6 μm and 9.6 μm can be set according to the respective requirement.
Wird die Emission bei 10,6 μm vollständig unterdrückt, so ist die maximal erreichbare Intensität bei 9, 6 μm etwa 20% geringer als die Intensität bei 10,6 μm unter sonst vergleichbaren Bedingungen. Dieser Intensitätsverlust ist im Hinblick auf die um Faktoren besseren Energieankopplung bei der Hartgewebs-Chirurgie ohne Belang.If the emission at 10.6 μm is completely suppressed, the maximum achievable intensity at 9.6 μm is about 20% lower than the intensity at 10.6 μm under otherwise comparable conditions. This loss of intensity is irrelevant in view of the fact that energy coupling in hard tissue surgery is better by factors.
Der CO2-Laser nach der Erfindung kann kleiner und deshalb billiger ausgebildet werden als ein üblicherweise auch zur Hartgewebs-Chirurgie verwendeter CO2-Laser mit 10,6 μm-Emission. Dies führt zu einer deutlichen Kostenreduktion bei der Laserchirurgie.The CO 2 laser according to the invention can be made smaller and therefore cheaper than one usually also for hard tissue surgery CO 2 laser used with 10.6 μm emission. This leads to a significant cost reduction in laser surgery.
Beispiele für selektiv bei 10,6 μm absorbierenden Gasen sind in den Ansprüchen 3 und 4 angegeben.Examples of gases selectively absorbing at 10.6 μm are given in claims 3 and 4.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1-3 der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to FIGS. 1-3 of the accompanying drawings. Show:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines nach der Erfindung ausgebildeten CO2-Lasers;1 shows an embodiment of a CO 2 laser designed according to the invention;
Fig. 2 die Transmission von zwei kalzifizierten Geweben in Abhängigkeit von der Wellenlänge;2 shows the transmission of two calcified tissues as a function of the wavelength;
Fig. 3 die Transmission von SF6 in Abhängigkeit von der Wellenlänge.Fig. 3 shows the transmission of SF 6 depending on the wavelength.
In Fig. 1 ist mit 1 eine erste Gasküvette bezeichnet, die mit einem Gemisch aus CO2 und He gefüllt ist. Mit 2 ist eine Hochfrequenzquelle zur elektrischen Anregung des Gases in der Küvette 1 bezeichnet. Die Küvette 1 ist zwischen den Spiegeln 3 und 4 angeordnet, die den Laserresonator begrenzen.In Fig. 1, 1 denotes a first gas cuvette which is filled with a mixture of CO 2 and He. 2 with a high frequency source for electrical excitation of the gas in the cuvette 1 is designated. The cuvette 1 is arranged between the mirrors 3 and 4, which limit the laser resonator.
Im Laserresonator ist eine zweite Gasküvette 5 angeordnet. Diese ist mit einem Anschlußrohr 6 versehen, das mittels eines Drei-Weg-Hahnes 7 entweder mit einer Vakuumpumpe 8 oder mit einem Druckreduzierventil 9 verbunden ist. Mit diesem Ventil ist ein Gasbehälter 10 verbunden, der ein selektiv bei 10,6 μm absorbierendes Gas, beispielsweise Schwefelhexafluorid SF6 enthält.A second gas cuvette 5 is arranged in the laser resonator. This is provided with a connecting pipe 6, which is connected by means of a three-way valve 7 either to a vacuum pump 8 or to a pressure reducing valve 9. A gas container 10 is connected to this valve and contains a gas that selectively absorbs at 10.6 μm, for example sulfur hexafluoride SF 6 .
Wie aus Kurve 12 bei Fig. 3 zu erkennen ist, hat SF6 bei 10,6 μm eine starke Absorptionsbande, während es für 9,6 μm durchlässig ist.As can be seen from curve 12 in FIG. 3, SF 6 has a strong absorption band at 10.6 μm, while it is permeable to 9.6 μm.
Wird bei dem CO2-Laser der Fig. 1 die Küvette 5 mit der Pumpe 8 verbunden, so schwingt der Laser bei 10,6 μm an und emittiert Strahlung 11 dieser Wellenlänge ungehindert. In diesem Betriebszustand ist der Laser optimal zur Weichteilchirurgie geeignet. Wird nun bei der in Fig. 1 dargestellten Stellung des Hahnes 7 die Gasküvette 5 mit dem Behälter 10 für SF6 verbunden, so wird mittels des Ventils 9 dosiert SF6-Gas in die Küvette 5 geleitet. Dadurch wird die Emission bei 10,6 μm geschwächt, während die Intensität der 9,6 μrn-Bande in gleichem Maße ansteigt. Schließlich wird bei einem Gasdruck von 0,5-1 Torr in der Küvette 5 die 10,6 μm-Bande völlig unterdrückt und der Laser emittiert Strahlung 11 einer Wellenlänge von 9,6 μm.If the cuvette 5 is connected to the pump 8 in the CO 2 laser of FIG. 1, the laser oscillates at 10.6 μm and emits radiation 11 of this wavelength unhindered. In this operating state, the laser is ideal for soft tissue surgery. If, in the position of the cock 7 shown in FIG. 1, the gas cuvette 5 is connected to the container 10 for SF 6 , SF 6 gas is metered into the cuvette 5 by means of the valve 9. As a result, the emission at 10.6 μm is weakened, while the intensity of the 9.6 μrn band increases to the same extent. Finally, at a gas pressure of 0.5-1 Torr in the cuvette 5, the 10.6 μm band is completely suppressed and the laser emits radiation 11 with a wavelength of 9.6 μm.
Wie die Kurven 13 und 14 der Fig. 2 zeigen haben kalzifierte Gewebe, beispielsweise Knochen- oder Zahnhartsubstanz eine ausgesprochene Absorptionsbande bei 9 , 6 μm, während die Absorption bei 10,6 μm ganz wesentlich geringer ist. Aus diesem Grund ist die Energieankopplung eines bei 9 , 6 μm emittierenden Lasers bei der Hartgewebs-Chirurgie besonders gut, d.h. bei gefüllter Küvette 5 ist der Laser der Fig. 1 optimal zur Hartgewebs-Chirurgie geeignet.As curves 13 and 14 of FIG. 2 show, calcified tissues, for example bone or hard tooth substance, have a pronounced absorption band at 9.6 μm, while the absorption at 10.6 μm is very much lower. For this reason, the energy coupling of a laser emitting at 9.6 μm is particularly good in hard tissue surgery, i.e. when the cuvette 5 is filled, the laser of FIG. 1 is optimally suitable for hard tissue surgery.
Anstelle von SF6 kann als selektiv bei 10,6 μm absorbierendes Gas Äthylbromid C2 H5Br verwendet werden.. Instead of SF 6 , ethyl bromide C 2 H 5 Br can be used as the selective gas at 10.6 μm.

Claims

Patentansprüche: Claims:
1. Laser zur medizinischen Chirurgie von Hartgeweben, insbesondere kal zifizierten Gewebsteilen, dadurch gekennzeichnet, daß seine Emissionswellenlänge bei 9,6 μm liegt.1. Laser for medical surgery of hard tissues, in particular cal-certified tissue parts, characterized in that its emission wavelength is 9.6 microns.
2. CO2-Laser zur medizinischen Laserchirurgie mit einem Laserresonator, der eine zwischen zwei Spiegeln (3,4) angeordnete, mit dem Lasermedium gefüllte Gasküvette (1) enthält und einer Quelle (2) zur Anregung des Lasermediums, dadurch gekennzeichnet, daß im Laserresonator zusätzlich eine zweite Gasküvette (5) angeordnet und mit einer Vorrichtung (6 bis 10) zur wahlweisen Füllung der Küvette (5) mit einem selektiv bei 10,6 μm absorbierenden Gas oder zur Evakuierung der Küvett e ( 5 ) verbunden ist .2. CO 2 laser for medical laser surgery with a laser resonator which contains a gas cuvette (1) arranged between two mirrors (3, 4) and filled with the laser medium and a source (2) for excitation of the laser medium, characterized in that in Laser resonator additionally arranged a second gas cuvette (5) and connected to a device (6 to 10) for optionally filling the cuvette (5) with a selectively absorbing gas at 10.6 μm or for evacuating the cuvette e (5).
3. CO2 -Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Füllung der zweiten Gasküvette (5) Schwefelhexizfluorid SF6 verwendet ist.3. CO 2 laser according to claim 1, characterized in that sulfur hexizfluoride SF 6 is used for filling the second gas cuvette (5).
4. CO2 -Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Füllung der zweiten Gasküvette (5) Äthylbromid C2 H5Br verwendet ist.4. CO 2 laser according to claim 1, characterized in that for the filling of the second gas cuvette (5) ethyl bromide C 2 H 5 Br is used.
5. CO2 -Laser nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die5. CO 2 laser according to claim 1 to 3, characterized in that the
Vorrichtung zur Füllung der zweiten Gasküvette (5) ein Ventil (9) zur Einstellung des Gasdrucks enthält. Device for filling the second gas cuvette (5) contains a valve (9) for adjusting the gas pressure.
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