WO1986003958A1

WO1986003958A1 - Laser for the surgery of hard tissue

Info

Publication number: WO1986003958A1
Application number: PCT/EP1986/000010
Authority: WO
Inventors: Gerhard Müller
Original assignee: Firma Carl Zeiss; Carl Zeiss - Stiftung Handelnd Als Carl Zeiss
Priority date: 1985-01-12
Filing date: 1986-01-11
Publication date: 1986-07-17
Also published as: DE3500900A1; JPS62502170A; EP0207987A1

Description

Laser zur medizinischen Chirurgie von Hartgeweben

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laser zur medizinischen Chirurgie von Hartgeweben, insbesondere von kalzifizierten Gewebsteilen.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Wird die zweite Gasküvette im Laserresonator evakuiert, so emittiert der Laser bei 10,6 μm, d.h. er ist zur Weichteil-Chirurgie optimal eingestellt.

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.

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.

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.

Beispiele für selektiv bei 10,6 μm absorbierenden Gasen sind in den Ansprüchen 3 und 4 angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1-3 der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines nach der Erfindung ausgebildeten CO₂-Lasers;

Fig. 2 die Transmission von zwei kalzifizierten Geweben in Abhängigkeit von der Wellenlänge;

Fig. 3 die Transmission von SF₆ in Abhängigkeit von der Wellenlänge.

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.

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.

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.

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.

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.

Anstelle von SF₆ kann als selektiv bei 10,6 μm absorbierendes Gas Äthylbromid C₂ H₅Br verwendet werden..

Claims

Patentansprüche:

1. Laser zur medizinischen Chirurgie von Hartgeweben, insbesondere kal zifizierten Gewebsteilen, dadurch gekennzeichnet, daß seine Emissionswellenlänge bei 9,6 μm liegt.

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 .

3. CO₂ -Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Füllung der zweiten Gasküvette (5) Schwefelhexizfluorid SF₆ verwendet ist.

4. CO₂ -Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Füllung der zweiten Gasküvette (5) Äthylbromid C₂ H₅Br verwendet ist.

5. CO₂ -Laser nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die

Vorrichtung zur Füllung der zweiten Gasküvette (5) ein Ventil (9) zur Einstellung des Gasdrucks enthält.