WO2002078585A2 - Vorrichtung und verfahren zur laserbehandlung von organischem material - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a device for treatment, in particular for in-situ treatment, of organic material, in particular a laser for ablative surgery of the eye.
  • eyes are shaped by laser, for example by ablation, cataractous lens cores are broken up and suctioned off, and further surgical interventions are used, for example, to remove smaller eyelid tumors and to treat glaucoma.
  • lasers depending on the application and tissue type, such as ArF lasers at a wavelength of 193 nm or Nd: YAG at a wavelength of 213 nm or Erbium-Y AG solid-state lasers at a wavelength of 2.94 ⁇ m.
  • DE19718139 describes a method for phacoemulsification in which the biological tissue of the eye lens is ablated by energy input in the form of pulsed laser radiation and the resulting ablation product is sucked off from the processing site.
  • a disadvantage of the prior art is that different laser types must always be used for the different areas of application.
  • the object of the present invention is therefore to provide a device for in-situ treatment or in-vivo treatment of organic material in general, in particular an eye, with which a large number of applications can be carried out with the same device.
  • the object is achieved by a device for treatment, in particular for the in-situ treatment of organic material, in particular an eye, comprising a tunable laser, the laser radiation as ultrashort pulses of a wavelength of 2.2 ⁇ m to 3.0 ⁇ m emitted.
  • a device for treatment in particular for the in-situ treatment of organic material, in particular an eye
  • the laser radiation as ultrashort pulses of a wavelength of 2.2 ⁇ m to 3.0 ⁇ m emitted.
  • the tunable, highly repetitive ultrashort pulse laser in the mid-infrared spectral range results in a low penetration depth in the biological tissue due to the high water absorption at 3 ⁇ m and, on the other hand, leaves an extremely minimally invasive effect on the tissue due to ultrashort pulse lengths. Coupled with a particularly preferred high repetition rate of the laser system in the khz range, there is an efficient working method.
  • a device in which the ultrashort pulses have an average length of less than 100 picoseconds, preferably less than 10 picoseconds, particularly preferably less than 1 picosecond.
  • These particularly short pulse lengths avoid the disadvantage in the prior art that shock waves of several ns are produced there, which lead to cracks in the material to be processed.
  • lasers with a wavelength of 2.94 ⁇ m and a pulse duration of 7 ns lead to cracks with a width of 50 ⁇ m when treating teeth.
  • the ultrashort pulses according to the invention of particularly preferably less than one picosecond, in particular in the femtosecond range, no more shock waves are produced and therefore no more cracks.
  • Radiation with a wavelength of 2.9 to 3.0 ⁇ m, particularly preferably of 2.94 ⁇ m, can be emitted with the laser.
  • the laser can work with a particularly low penetration depth. This also enhances the minimally invasive effect on the tissue, so that the effect of the laser can be metered even more precisely when this wavelength is selected.
  • the combination of the ultra-short pulses and this wavelength with particularly high water absorption lead to a particularly gentle treatment option.
  • the laser is based on a Cr 2+ -doped u-VI semiconductor, preferably based on a Cr ⁇ ZnSe crystal.
  • MTR lasers medium infrared range
  • a Co 2+ : MgF 2 laser is preferably used, which operates in the medium infrared spectral range between 1.8 ⁇ m to 2.4 ⁇ m.
  • lasers based on Cr 2+ -doped ZnS, ZnSe are very particularly preferably used.
  • ZnS, ZnSe and Cd x JVIn x Te belong to the ü-VI semiconductors. These have a laser operation in the middle infrared in the vicinity of 2.5 ⁇ m.
  • a Cr 2+ ion, which is installed in a tetrahedral site of the host lattice, is particularly preferably used as the laser-active center in these materials. This loosens some selection rules that result in the high absorption and emission cross-section of the transition metal ions.
  • Laser operation with Cr ⁇ -doped zinc chalcogenide and a Co 2+ : MgF 2 laser pump arrangement brought efficiencies up to 30% and almost 60% with a Cw-Tm laser as the pump arrangement.
  • the laser has a tuning range of approximately 600 nm with a maximum at approximately 2500 nm. Due to the high bandwidth, mode synchronization of the laser emission enables the generation of ultra-short laser pulses.
  • the ZnSe matrix is particularly preferred because it has excellent thermal and mechanical properties. For example, the thermal conductivity and the thermal shock parameter are higher than in the YAG.
  • a laser in which the pulses can be emitted with a repetition rate of more than 200 Hz, preferably more than 1 kHz, particularly preferably more than 5 kHz.
  • the efficiency of the laser according to the invention can be increased by the high repetition frequencies.
  • the energy input can be easily adjusted via the frequency in conjunction with the ultra-short pulses. Due to the higher repetition frequencies, lens cores of higher hardness can also be shredded with better efficiency, since the effect of core fragmentation, which is known from ultrasound technology, can also be used positively here.
  • the invention is also achieved by using a device according to the invention for refractive surgery and or for the contactless removal of preretinal membranes and / or for cutting the retina and / or for phacoemulcification and / or for the treatment of presbyobia by coagulation on the cornea.
  • the device according to the invention for the treatment of organic material, it is possible to process a large number of applications with the same laser, which traditionally could only be carried out with different lasers.
  • the tunability of the laser used gives the possibility of working in different wavelength ranges and thus realizing different applications. If the laser is used in a range of 2.3 ⁇ m, it can work, for example, coagulatively and treat presbyobia by coagulating on the cornea, whereby the cornea shrinks and is composed in order to correct the presbyopia.
  • the invention is achieved by a method for applying laser radiation to organic material, comprising the steps of generating a radiation of a predetermined wavelength between 2.2 ⁇ m and 3.0 ⁇ m, pulsing the radiation in pulses with an average wavelength of less than 100 ps, preferably less than 1 ps, deflect the laser radiation by a scanner arrangement onto the organic material.
  • a method for applying laser radiation to organic material comprising the steps of generating a radiation of a predetermined wavelength between 2.2 ⁇ m and 3.0 ⁇ m, pulsing the radiation in pulses with an average wavelength of less than 100 ps, preferably less than 1 ps, deflect the laser radiation by a scanner arrangement onto the organic material.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur in-situ-Behandlung von organischem Material, insbesondere einem Auge, umfassend einen Laser (10), wobei der Laser Strahlung als ultrakurze Pulse einer Wellenlänge von 2,2 µm bis 3,0 µm emittiert.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Behandlung von organischem Material
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung, insbesondere zur in-situ- Behandlung, von organischem Material, insbesondere einen Laser zur ablativen Chirurgie des Auges.
In der Ophthalmologie werden durch Laser Augen beispielsweise durch Ablation geformt, es werden kataraktöse Linsenkerne zertrümmert und abgesaugt sowie weitere chirurgische Eingriffe beispielsweise bei der Entfernung von kleineren Lidtumoren als auch bei der Glaukombehandlung eingesetzt. Diese vielfältigen chirurgischen Einsätze am Auge sowie in der refraktiven Chirurgie werden je nach Anwendungsfall und Gewebeart mit verschiedenen Lasern durchgeführt, wie beispielsweise ArF-Laser bei einer Wellenlänge von 193 nm beziehungsweise Nd:YAG bei einer Wellenlänge von 213 nm beziehungsweie Erbium- Y AG-Festkörperlaser bei einer Wellenlänge von 2,94 μm.
In einem wertvollen Beitrag zum Stand der Technik wird in DE19910174 eine Infrarotlaseranordnung, insbesondere für medizinische Anwendungen, beschrieben.
In der DE19718139 wird ein Verfahren zur Phakoemulsifikation beschrieben, bei dem das biologische Gewebe der Augenlinse durch Energieeintrag in Form gepulster Laserstrahlung abladiert und das entstehende Ablationsproduktes vom Bearbeitungsort abgesaugt wird.
Als nachteilig wird beim Stand der Technik empfunden, dass für die verschiedenen Anwendungsbereiche immer unterschiedliche Lasertypen eingesetzt werden müssen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur in-situ- Behandlung bzw. in-vivo-Behandlung von organischem Material im Allgemeinen, insbesondere einem Auge, bereitzustellen, mit der eine Vielzahl von Anwendungen mit derselben Vorrichtung durchgeführt werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Behandlung, insbesondere zur in-situ-Behandlung von organischem Material, insbesondere einem Auge, umfassend einen durchstimmbaren Laser, wobei der Laser Strahlung als ultrakurze Pulse einer Wellenlänge von 2,2 μm bis 3,0 μm emittiert. Mit dieser universell einsetzbaren durchstimmbaren Strahlquelle können bekannte chirurgische Verfahren am Auge wie die refraktive Chirurgie der Cornea, die Phakoemulsifikation, die kontaktlose Entfernung von präretinalen Membranen und andere mikrochirurgischen Techniken in einer sehr schonenden aber effizienten Art realisiert werden. Durch den durchstimmbaren, hochrepetierenden Ultrakurzpulslaser im mittleren infraroten Spektralbereich wird einerseits durch die hohe Wasserabsorbtion bei 3 μm eine geringe Eindringtiefe im biologischen Gewebe bewirkt und andererseits durch ultrakurze Pulslängen eine äußerst minimahnvasive Wirkung am Gewebe hinterlassen. Gekoppelt mit einer besonders bevorzugt hohen Repetitionsrate des Lasersystems in khz-Bereich ist eine effiziente Arbeitsweise gegeben.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen, bei der die ultrakurzen Pulse eine mittlere Länge von weniger als 100 Pikosekunden, bevorzugt von weniger als 10 Pikosekunden, besonders bevorzugt von weiniger als 1 Pikosekunde aufweisen. Durch diese besonders kurzen Pulslängen wird der Nachteil im Stand der Technik vermieden, dass dort bei Impulsdauern von mehreren ns Schockwellen produziert werden, die zu Rissen im zu bearbeitenden Material führen. So führen beispielsweise Laser bei einer Wellenlänge von 2,94 μm und der Impulsdauer von 7 ns bei der Behandlung von Zähnen zu Rissen von einer Breite von 50 μm. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen ultrakurzen Pulse von besonders bevorzugt weniger als einer Pikosekunde, insbesondere im Femtosekundenbereich, werden keine Schockwellen mehr produziert und damit auch keine Risse mehr verursacht. Durch diese kurzen Pulse sind ablauerte Zonen in der refraktiven Chirurgie auch besonders glatt, nekrosefrei und besonders detailliert bearbeitbar. Durch die Verwendung der einzelnen ultrakurzen Pulse kann so eine besonders minimahnvasive Bearbeitung des organischen Materials, insbesondere des Auges, erfolgen.
Besonders bevorzugt ist mit dem Laser eine Strahlung einer Wellenlänge von 2,9 bis 3,0 μm, besonders bevorzugt von 2,94 μm emittierbar. In diesem Bereich der besonders hohen Wasser-Absorbtion kann der Laser mit einer besonders geringen Eindringtiefe arbeiten. Hierdurch wird ebenfalls die minimalinvasive Wirkung auf das Gewebe verstärkt, so dass bei der Wahl dieser Wellenlänge die Wirkung des Lasers noch genauer dosiert werden kann. Die Kombination der ultrakurzen Pulse und dieser Wellenlänge mit besonders hoher Wasser-Absorbtion führen zu einer besonders schonenden Behandlungsmöglichkeit.
Bei einer weiteren bevorzugten Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist der Laser auf der Basis eines Cr2+-dotierten ü-VI-Halbleiters, bevorzugt auf Basis eines Cr^ZnSe-Kristalles, aufgebaut. Für die Realisierung der bevorzugt eingesetzten Festkörper-Laser im mittleren Infrarotbereich (MTR-Laser) eignen sich besonders bevorzugt übergangsmetalldotierte Kristalle, die einerseits auf Grund von Kopplung zwischen elektronischen Niveaus der 3-D-Elektronen mit den Gitterschwingungen eine Breitbandfmoreszenz zeigen und andererseits zuverlässig, einfach und in hoher optischer Qualität herzustellen sind. Bevorzugt wird ein Co2+:MgF2-Laser eingesetzt, der im mittleren Infrarotspektralbereich zwischen 1,8 μm bis 2,4 μm arbeitet. Ebenfalls denkbar ist der Einsatz von Bleisalz-Dioden-Laser sowie Laser mit Ionen derseltenen Erden. Ganz besonders bevorzugt werden Laser auf der Basis von Cr2+-dotierten ZnS, ZnSe verwendet. ZnS, ZnSe und Cdx JVInxTe gehören zu den ü-VI-Halbleitern. Diese weisen einen Laserbetrieb im mittleren Infrarot in der Nähe von 2,5 μm auf. Als laseraktives Zentrum in diesen Materialien wird besonders bevorzugt ein Cr2+-Ion eingesetzt, das in einem Tetraederplatz des Wirtsgitters eingebaut wird. Dadurch werden einige Auswahlregeln gelockert, die die hohe Absorbtions- und Emissionsquerschnitt bei den Übergangmetall-Ionen zum Ergebnis haben. Der Laserbetrieb mit Cr^-dotierten Zink-Chalcogenid und einer Co2+:MgF2-Laser- Pumpanordnung brachte Wirkungsgrade bis 30 % und nahezu 60 % mit einem Cw-Tm- Laser als Pumpanordnung. Der Laser weist einen Durchstimmbereich von ungefähr 600 nm mit einem Maximum bei ca. 2500 nm auf. Auf Grund der hohen Bandbreite ist somit durch eine Modensynchronisation der Laseremission die Möglichkeit gegeben, ultrakurze Laserimpulse zu erzeugen. Die ZnSe-Matrix wird besonders bevorzugt verwendet, da sie ausgezeichnete thermische und mechanische Eigenschaften aufweist. So ist beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit und der thermische Schockparameter höher als im YAG. Durch Laser auf Basis dieser Kristalle ist es möglich, einen kompakten, hocheffizienten Festkörper-Laser für medizinische Anwendungen zu entwickeln, der besonders bevorzugt mittels eines InGaAsP-Diodenlasers mit der Wellenlänge von ca. 1,8 μm gepumpt werden kann und im Bereich des mittleren Infrarots zwischen 2,2 μm bis 3,0 μm durchstimmbar ist.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Laser vorgesehen, bei dem die Pulse mit einer Repetitionsrate von mehr als 200 Hz, bevorzugt von mehr als 1 kHz, besonders bevorzugt von mehr als 5 kHz, emittierbar sind. Durch die hohen Folgefrequenzen kann die Effizienz des erfindungsgemäßen Lasers erhöht werden. Der Energieeintrag ist im Zusammenspiel mit den ultrakurzen Pulsen über die Frequenz leicht einstellbar. Durch die höheren Folgefrequenzen lassen sich auch Linsenkerne einer höheren Härte mit besserer Effizienz zerkleinern, da hier der aus der Ultraschalltechnologie bekannte Effekt der Kernfragmentation positiv zusätzlich ausgenutzt werden kann.
Insbesondere wird die Erfindung auch gelöst durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für die refraktive Chirurgie und oder die kontaktlose Entfernung von präretinalen Membranen und/oder zum Schneiden der Netzhaut und/oder zur Phakoemulzifikation und/oder zur Behandlung der Presbyobie durch Koagulation auf der Hornhaut.
Durch die universelle Einsatzbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Behandlung von organischem Material ist es möglich, mit dem selben Laser eine Vielzahl von Anwendungen zu bearbeiten, die traditionell nur mit verschiedenen Lasern durchgeführt werden konnten. Dabei ist insbesondere über die Durchstimmbarkeit des verwendeten Lasers die Möglichkeit gegeben, in verschiedenen Wellenlängenbereichen zu arbeiten und damit verschiedene Anwendungen zu realisieren. Wird der Laser in einem Bereich von 2,3 μm benutzt, so kann er beispielsweise koagulativ arbeiten und die Presbyobie durch Koagulation auf der Hornhaut behandeln, wobei die Hornhaut schrumpft und sich so zusammensetzt, um die Altersweitsichtigkeit zu korrigieren.
Weiterhin wird die Erfindung durch ein Verfahren zur Applikation von Laserstrahlung auf organisches Material umfassend die Schritte erzeugen einer Strahlung vorbestimmter Wellenlänge zwischen 2,2 μm und 3,0 μm, Pulsen der Strahlung in Pulsen mit einer mittleren Wellenlänge von weniger als 100 ps, bevorzugt weniger als 1 ps, ablenken der Laserstrahlung durch eine Scanneranordnung auf das organische Material gelöst. Mit diesem Verfahren ist es möglich, jegliche Laserstrahlung im Bereich von 2,2 μm und 3,0 μm gezielt und gerichtet auf das zu bearbeitende organische Material abzulenken und so die Wirkung zu erzielen, die mit der vorbestimmten Wellenlänge beabsichtigt ist.
Auf diese Weise wurde eine Vorrichtung zur Behandlung, insbesondere zur in-situ- bzw. in-vivo-Behandlung von organischem Material bereitgestellt, mit der eine Vielzahl von Anwendungen mit derselben Vorrichtung durchgeführt werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Behandlung von organischem Material, insbesondere einem Auge, umfassend einen durchstimmbaren Laser (10) dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (10) Strahlung als ultrakurze Pulse einer Wellenlänge von 2,2 μm bis 3,0 μm emittiert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die ultrakurzen Pulse eine mittlere Länge von weniger als lOOps, bevorzugt von weniger als 10 ps, besonders bevorzugt von weniger als 1 ps, aufweisen.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Laser (10) Strahlung einer Wellenlänge von 2,9 bis 3,0 μm, bevorzugt von 2,94 μm, emittierbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Laser auf der Basis eines Cr2+-dotierten H-VI-Halbleiters, bevorzugt auf Basis eines Cr^-ZnSe-Kristalles, aufgebaut ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Pulse mit einer Repetitionsrate von mehr als 200 Hz, bevorzugt von mehr als 1 kHz, besonders bevorzugt von mehr als 5 kHz emittierbar sind.
6. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche für die refraktive Chirurgie und/oder die kontaktose Entfernung von präretinalen Membranen und/oder zum Schneiden der Netzhaut und/oder zur Phacoemulsifikation und/oder zur Behandlung der Presbyobie durch Koagualtion auf der Hornhaut.
7. Verfahren zur Applikation von Laserstrahlung auf organischem Material umfassend diese Schritte
Erzeugen einer Strahlung vorbestimmter Wellenlänge zwischen 2,2 μm und 3,0 μm Pulsen der Strahlung in Pulsen mit einer mittleren Wellenlänge von weniger als 100 ps, bevorzugt weniger als 1 ps,
Ablenken der Laserstrahlung durch eine Scanneranordnung auf das organische Material.
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