WO1987002884A1 - Device for photo-surgery in particular for keratotomy of the cornea - Google Patents

Device for photo-surgery in particular for keratotomy of the cornea Download PDF

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Hartmut Mennicke
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G. Rodenstock Instrumente Gmbh
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    • A61F2009/00872—Cornea

Definitions

  • the invention relates to a device for light surgery and in particular for keratotomy of the cornea according to the preamble of claim 1.
  • UV light has hitherto been used essentially in the light keratotomy of the human eye.
  • the known excimer lasers in particular have been used, the light of which is good for making cuts or for removing material layers on the Cornea is suitable.
  • the UV radiation of the known excimer lasers has the disadvantage that the risk of mutagenicity and carcinogenicity caused by UV light cannot be neglected.
  • the article mentioned deals in a very general way with questions of laser surgery, in particular human skin, and has no connection to the keratotomy of the eye.
  • HF hydrogen fluorine
  • the HF laser is very unwieldy because of its toxic gases and the total effort required.
  • the object is to provide a device Specification for light surgery and in particular for keratotomy of the eye, which emits light in the range of 2.7 and 3.2 microns in such a way that the light beam of the device is suitable for surgical purposes.
  • an operating light source which has a pulsed laser and a Raman cell filled with a suitable Raman medium, for example a gas or a liquid, in which radiation of the wavelength between approximately 2.7 ⁇ m and approximately 3, with the aid of the stimulated Raman effect, 2 ⁇ m is generated.
  • the pulsed laser serves as a pump light source for the Raman cell. Since the conversion rate for the stimulated Raman effect is generally very high, it is possible in this way to obtain radiation in the region around 3 ⁇ m, the power of which enables light surgery and the “beam quality” of which allows excellent focusing.
  • a laser with a high repetition rate and high pulse power for example in the megawatt range
  • Such a laser is - as claimed in claim 2 - for example an iodine laser with a wavelength of 1.315 ⁇ m or a neodymium-YAG laser with a wavelength of 1.06 ⁇ m.
  • both types of laser can be operated in q-switch or mode-lock mode.
  • the Raman cell can also be filled with HCL, CO, 0 2 or NO (claim 4).
  • Advantageous combinations of these lasers with Raman media are characterized in claims 5 to 7.
  • the structure of the Raman cells can be freely designed within wide limits. When using gases as Raman media, however, high-pressure cells are particularly advantageous (claim 8). When filling with hydrogen or CH. is usually operated at a pressure of about 5 bar, typically around 25 bar. It is particularly advantageous to use a Raman cell of the wave guide type (claim 9). Such a Raman cell has the advantage that it emits a light beam that can be bundled well.
  • Fig. 1 shows a cross section through an inventive
  • Fig. 2 shows the dependence of the Stokes energy on the
  • FIG. 1 schematically shows a cross section through a device according to the invention, in which an NdYAG laser 1 is used as the pump laser, the light of which focuses a lens 2 into a high-pressure Raman cell 3.
  • the light which arises in the Raman cell in the Stokes orders is coupled in by a lens 4 into an operating beam path (not shown in more detail) as parallel light.
  • an NdYAG laser which operates in multimode mode and which delivers an energy of up to 1.5 joules per pulse at a pulse repetition rate of at most 10 Hz and a pulse duration of 15 ns.
  • Raman cell 3 has an inner diameter of approx. 10 mm and a length of approx. Im and is closed off by flat windows 3 'or 3 ".
  • the gas pressure in the Raman cell can be up to 35 bar.
  • the Raman cell is CH. filled.
  • the pressure was varied between about 1 bar and about 35 bar.
  • lenses 2 of different focal lengths have been used to focus the light of the NdYAG laser 1 into the Raman cell.
  • the focal lengths of the lens * 2 are 500 mm, 750 mm and 1000 mm.
  • the best results are obtained when the gas pressure is approximately 27.5 bar and the focal length of the focusing lens 2 is 1000 mm, i.e. roughly equal to the length of the Raman cell.
  • the reason for this is likely to be gas breakthroughs at smaller focal lengths, which lead to a breakdown of the Raman conversion into the 2nd order of stokes and, moreover, to considerable impurities in the Raman cell (splitting into carbon and hydrogen).
  • FIG. 3 shows the dependence of the Stoke energy on the energy of the pump laser radiation with optimal focusing and optimal pressure.
  • pump energies of approximately 500 mJ give energy per shot of approximately 10 mJ, which are sufficient, for example, for radial keratotomy.
  • the invention has been described above on the basis of an exemplary embodiment without restricting the general inventive concept - to use an operating light source which has a Raman cell pumped with a pulsed laser to generate light in the wavelength range between 2.7 ⁇ m and 3.3 ⁇ m .
  • the arrangement proposed according to the invention has the advantage that, with comparatively little effort, a light source can be obtained which emits light of good beam quality in the wave range from 2.7 ⁇ m to 3.2 ⁇ m, which according to the invention is particularly suitable for the keratotomy of the eye and the extensive ablation of layers of the cornea has been appropriately recognized.
  • the device for light surgery can have a known structure;
  • a laser device with slit lamp known per se can be used, in which the laser beam covers the area in which an incision is made. should be brought, scanned or this area illuminated.

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Description

Vorrichtung zur Lichtchirurgie und insbesondere zur Keratotomie der Cornea
B e s c h r e i b u n g
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Licht¬ chirurgie und insbesondere zur Keratotomie der Cornea gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Stand der Technik
Es ist bekannt, biologisches Gewebe und insbesondere die menschliche Haut mit dem Licht von C02-Lasern, das eine Wellenlänge von 10,6 μm hat, zu behandeln und insbesondere zu operieren. Licht dieser Wellenlänge hat jedoch eine vergleichsweise große Eindringtiefe in biologisches Gewe¬ be, so daß C02-Laser zur Keratotomie des menschlichen Auges in der Praxis nicht verwendet werden: Wenn bei¬ spielsweise Schnitte zur Behebung von Astigmatismus etc. in die Cornea eingebracht werden sollen, können darunter¬ liegende Schichten des Auges geschädigt werden.
Deshalb ist bislang im wesentlichen mit UV-Licht bei der Licht-Keratotomie des menschlichen Auges gearbeitet wor¬ den. Hierzu sind insbesondere die bekannten Excimer-Laser verwendet worden, deren Licht sich gut zum Einbringen von Schnitten bzw. zum Abtragen von Materialschichten an der Cornea eignet.
Die UV-Strahlung der bekannten Excimer-Laser hat jedoch den Nachteil, daß die Gefahr der durch UV-Licht hervorge¬ rufenen Mutagenität und der Karzinogenität nicht zu ver¬ nachlässigen ist.
Es ist deshalb von M.L. Wolbarsht in einem im IEEE Journal of Quantum Electronics, 1984 erschienenen Artikel "Laser Surgery: C02 or HF" vorgeschlagen worden, einen HF-Laser mit einer Wellenlänge von 2,9 μm für die Laserchirurgie zu verwenden, da-Wasser für derartige Wellenlängen ein ausge¬ prägtes Absorptionsmaximum hat, so daß die Strahlung nur eine sehr geringe Eindringtiefe hat.
Der genannte Artikel beschäftigt sich in sehr allgemeiner Weise mit Fragen der Laserdhirurgie insbesondere der menschlichen Haut, ein Bezug zur Keratotomie des Auges ist nicht hergestellt.
Die von Wolbarsht vorgeschlagene Verwendung von HF (Was¬ serstoffluor)-Lasern hat jedoch den Nachteil, daß die optische Strahlqualität derartiger Laser und damit die Fokussierbarkeit dieser Laser unbefriedigend ist. Eine gute Fokussierbarkeit ist aber insbesondere für die Anwen¬ dung bei der Keratotomie des Auges unverzichtbar.
Darüberhinaus ist der HF-Laser wegen seiner giftigen Gase und des gesamten bei ihm erforderlichen Aufwandes sehr unhandlich.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gestellt, eine Vorrich- tung zur Lichtchirurgie und insbesondere zur Keratotomie des Auges anzugeben, die Licht im Bereich von 2,7 und 3,2 μm in einer Weise abgibt, daß der Lichtstrahl der Vorrich¬ tung zu Operationszwecken geeignet ist.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß wird eine Operationslichtquelle verwendet, die einen gepulsten Laser und eine mit einem geeigne sn Ramanmedium, beispielweise einem Gas oder einer Flüssig¬ keit gefüllte Ramanzelle aufweist, in der mit Hilfe des stimulierten Ramaneffektes Strahlung der Wellenlänge zwischen etwa 2,7 μm und etwa 3,2 μm erzeugt wird. Der gepulste Laser dient als Pumplichtquelle für die Raman¬ zelle. Da die Konversionsrate beim stimulierten Ramanef- fekt in der Regel sehr hoch ist, ist es möglich, auf diese Weise Strahlung im Bereich um 3 μm zu erhalten, deren Leistung Lichtchirurgie ermöglicht und deren "Strahlquali¬ tät" eine hervorragende Fokussierung erlaubt.
Dies ist umso überraschender, als in der Vergangenheit "seit der Erfindung des Laser" als Operationslichtquellen ausschließlich Laser und insbesondere Argon-, NdYAG-, Excimer und C02-Laser in Betracht gezogen worden sind.
Weiter ildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In jedem Falle ist es besonders vorteilhaft, als Pump¬ lichtquelle einen Laser mit hoher Repetitionsrate und hoher Impulsleistung, beispielsweise im Megawatt-Bereich zu verwenden. Ein derartiger Laser ist - wie im Anspruch 2 beansprucht - beispielsweise ein Jodlaser mit einer Wellenlänge von 1,315 μm oder ein Neodym-YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1,06 μm. Beide Lasertypen können im vorliegenden Einsatzfall im q-switch oder mode-lock-Betrieb betrieben werden.
Als Gase, mit denen die Ramanzellen gefüllt sind, können gemäß Anspruch 3 insbesondere CH. oder D2 eingesetzt werden. Bei beiden Gasen ist es möglich, die 2.Stokeswelle zu erzeugen, die Licht im gewünschten Wellenlängenbereich liefert:
Beispielsweise beträgt bei Verwendung eines NdYAG-Lasers als Pumplichtquelle ( = l,064μm) die Ramanverschiebung von D2 2986 cm -1 und die von CH. 2916,7 cm-1, so daß man
"Operationslicht" mit einer Wellenlänge von 2,92 m bzw.
2,8μm erhält.
Ferner kann die Ramanzelle auch mit HCL, CO, 02 oder NO gefüllt sein (Anspruch 4) .
Weitere Laser, die als Pumplichtquelle verwendet werden können, sind beispielsweise Rubin-Laser, Alexandrit-Laser oder Erbium-Laser. In den Ansprüchen 5 bis 7 sind vorteil¬ hafte Kombinationen dieser Laser mit Ramanmedien gekenn¬ zeichnet.
Der Aufbau der Ramanzellen kann in weiten Grenzen frei gestaltet werden. Bei Verwendung von Gasen als Ramanmedien sind jedoch Hochdruckzellen besonders vorteilhaft (An¬ spruch 8). Bei der Füllung mit Wasserstoff oder CH. wird in der Regel mit einem Druck ab ca. 5 bar, typischerweise um 25 bar gearbeitet. Dabei ist es besonders vorteilhaft, eine Ramanzelle vom wave-guide-Typ zu verwenden (Anspruch 9). Eine derartige Ramanzelle hat den Vorteil, daß sie einen gut bündelbaren Lichtstrahl abgibt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs¬ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be¬ schrieben, in der zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße
Vorrichtung, Fig. 2 die Abhängigkeit der Stokesenergie von dem
Druck in der Ramanzelle, und Fig. 3 di'e Abhängigkeit der Stokesenergie von der
Pum energie.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
Fig. 1 zeigt schematisiert einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der als Pumplaser ein NdYAG-Laser 1 verwendet wird, dessen Licht eine Linse 2 in eine Hochdruck-Ramanzelle 3 fokussiert. Das in der Raman¬ zelle in den Stokesordnungen entstehende Licht wird von einer Linse 4 in einen nicht näher dargestellten Opera¬ tionstrahlengang als paralleles Licht eingekoppelt.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein im multi- mode-Betrieb arbeitender NdYAG-Laser verwendet, der bei einer Impulswiederholungsrate von maximal 10Hz und einer Impulsdauer von 15ns eine Energie von bis zu 1,5 Joule pro Impuls liefert. Die Ramanzelle 3 hat einen Innendurchmesser von ca 10mm und eine Länge von ca Im und ist von planen Fenstern 3' bzw. 3" abgeschlossen. Der Gasdruck in der Ramanzelle kann bis zu 35 bar betragen.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Raman¬ zelle mit CH. gefüllt. Der Druck wurde zwischen etwa 1 Bar und ca 35 Bar variiert. Ferner sind Linsen 2 unterschied¬ licher Brennweite zur Fokussierung des Licht des NdYAG- Lasers 1 in die Ramanzelle verwendet worden.
Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der Energie der 2. Stokes- ordnung, deren Wellenlänge ca 2,8 μm ist, vom Gasdruck für unterschiedliche Brennweiten der Linse 2 bei einer festen Pumpenergie (150 mJ pro Laserschuß). Die Brennweiten der Linse* 2 sind 500 mm, 750 mm und 1000 mm.
Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, erhält man die besten Ergeb¬ nisse, wenn der Gasdruck etwa 27,5 bar und die Brennweite der Fokussierungslinse 2 1000 mm ist, d.h. in etwa gleich der Länge der Ramanzelle. Die Ursache hierfür dürften Gasdurchbrüche bei kleineren Brennweiten sein, die zu einem Zusammenbruch der Ramankonversion in die 2.Stokes- ordnung und darüberhinaus auch zu erheblichen .Verunreini¬ gungen der Ramanzelle (Aufspaltung in Kohlenstoff und Wasserstoff) führen.
Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit der Stokesenergie von der Energie der Pump-Laserstrahlung bei optimaler Fokussierung und optimalen Druck. Wie man Fig. 3 entnimmt, erhält man bei Pumpenergien von ca 500 mJ Energien pro Schuß von ca lOmJ, die beispielsweise für die radiale Keratotomie ausreichend sind. Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei¬ spiels ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedan¬ kens - zur Erzeugung von Licht im Wellenlängenbereich zwischen 2,7 μm und 3,3 μm eine Operationslichtquelle zu verwenden, die eine mit einem gepulsten Laser gepumpte Ramanzelle aufweist - beschrieben worden.
Beispielsweise erhält man eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades im Vergleich zu dem erläuterten Ausfüh¬ rungsbeispiel, wenn man den NdYAG-Laser im mono-mode- Betrieb betreibt und in den Strahlengang ein Teleskop einsetzt.
Ferner ist es möglich, eine Ramanzelle vom wave-guide-typ zu verwenden; hierdurch wird die Strahlqualität der 3μm- Strahlung und damit deren Fokussierbarkeit weiter erhöht.
Ausdrücklich wird jedoch darauf hingewiesen, daß auch andere Ramanzellen und Ramanmedien, darunter auch flüssi¬ ge, beispielsweise Benzol, oder feste Medien, eingesetzt werden können. In jedem Falle hat die erfindungsgemäß vorgeschlagene Anordnung den Vorteil, daß man mit ver¬ gleichsweise geringem Aufwand eine Lichtquelle erhält, die Licht guter Strahlqualität in dem Wellenbereich 2,7 μm bis 3,2 μm abgibt, der erfindungsgemäß als besonders für die Keratotomie des Auges sowie das flächige Abtragen von Schichten der Cornea geeignet erkannt worden ist.
Die Vorrichtung zur Lichtchirurgie kann dabei einen be¬ kannten Aufbau haben; beispielsweise kann bei einer Vor¬ richtung zur Keratotomie der Cornea eine an sich bekannte Laservorrichtung mit Spaltlampe verwendet werden, bei der der Laserstrahl den Bereich, in dem ein Schnitt einge- bracht werden soll, abtastet oder diesen Bereich flächig beleuchtet.
Ferner können zur Strahlführung und Strahlbeeinflussung bekannte optische Maßnahmen, wie Drehprismen, Spiegelele¬ mente etc. verwendet werden, da der erfindungsgemäße für die Lichtchirurgie und insbesondere für die Keratotomie des Auges vorgeschlagene Wellenlängenbereich von 2,7 μm bis 3,2 μm im Gegensatz zum UV-Bereich oder zu dem Wellen- längenbereich von C02-Lasern keinen besonderen optischen Aufwand verlangt. Deshalb wird auf die detaillierte Beschreibung des Aufbaus einer derartigen Vorrichtung verzichtet.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Vorrichtung zur Lichtchirurgie und insbesondere zur Keratotomie des Auges, mit einer Operationslichtquelle, deren Licht auf den zu operierenden Bereich des Gewebes abbildbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von Licht im Wellenlängenbereich zwischen 2,7 μm und 3,3 μm eine Opera¬ tionslichtquelle verwendet wird, die eine mit einem ge¬ pulsten Laser (1) gepumpte Ramanzelle (3) aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gepulste Laser ein Jod¬ laser oder ein NdYAG-Laser ist, der im q-switch- oder im mode-lock-Betrieb arbeitet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die Ramanzelle mit D2 oder
CH. gefüllt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gepulste Laser ein Neodym- YAG-Laser und die Ramanzelle mit D2, HCL, CO, 02, CH. oder NO gefüllt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gepulste Laser ein Rubin- Laser und die Ramanzelle mit HJ oder NO gefüllt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gepulste Laser ein Alexan¬ drit-Laser und die Ramanzelle mit HBr, CO, N2 oder NO gefüllt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gepulste Laser ein Erbium- Laser und die Ramanzelle mit „, CO, 02 oder HJ gefüllt ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ramanzelle eine Hochdruck¬ zelle ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ramanzelle eine wave- guide-Zelle ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht des Pumplasers ein optisches System (2) in die Ramanzelle (3) fokussiert, dessen Brennweite in etwa gleich der Länge der Ramanzelle ist.
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