DE10055179A1

DE10055179A1 - Laservorrichtung, insbesondere für chirurgische Anwendungen

Info

Publication number: DE10055179A1
Application number: DE10055179A
Authority: DE
Inventors: Heinrich-Otto Teichmann
Original assignee: LISA LASER PRODUCTS oHG FUHRBERG &TEICHMANN; LISA LASER PRODUCTS oHG FUHRBE
Current assignee: Lisa Laser Products De GmbH
Priority date: 2000-11-08
Filing date: 2000-11-08
Publication date: 2002-05-23
Anticipated expiration: 2020-11-09
Also published as: DE10055179B4; US6761713B2; US20020049434A1

Abstract

Eine Laservorrichtung (1), insbesondere für chirurgische Anwendungen, weist mindestens einen Laserkörper (3) aus Lasermaterial (4), eine Mehrzahl von Pumplichtquellen (11, 16) zum Anregen des Lasermaterials (4) für das Erzeugen von Laserstrahlung (7) und eine Übertragungseinrichtung (9) zur Übertragung der Laserstrahlung (7) an einen Einatzort auf. Die Pumplichtquellen (11, 16) umfassen mindestens zwei verschiedene Pumplichtquellentypen, von denen der eine zum kontinuierlichen Anregen des Lasermaterials (4) und zum Erzeugen von kontinuierlicher Laserstrahlung (7) und der andere zum pulsförmigen Anregen des Lasermaterials (4) und zum Erzeugen von gepulster Laserstrahlung (7) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laservorrichtung, insbeson dere für chirurgische Anwendungen, mit mindestens einem Laser körper aus Lasermaterial, mit einer Mehrzahl von Pumplicht quellen zum Anregen des Lasermaterials für das Erzeugen von Laserstrahlung und mit einer Übertragungseinrichtung zum Übertragen der Laserstrahlung an einen Einsatzort. Die Übertragungseinrichtung kann beispielsweise einen Spiegel gelenkarm oder einen Lichtwellenleiter aufweisen.

Für medizinische, insbesondere chirurgische Anwendungen einer Laservorrichtung ist eine Wechselwirkung zwischen Laserstrahlung und Gewebe erforderlich. Bei chirurgischen Anwendungen soll mit der Laserstrahlung dabei einerseits das Schneiden von durch blutetem und nicht durchblutetem Weichgewebe mit nur einem schmalen Koagulationssaum um den Schnittbereich, andererseits die gezielte Koagulation von Weichgewebe und außerdem das Abtragen und Fragmentieren von Hartgewebe möglich sein. Bei dem relevanten Hartgewebe handelt es sich beispielsweise um Knochen, Steine im Harntrakt und Gallensteine. Gleichzeitig soll die Handhabung der Laserstrahlung auch noch möglichst einfach und sicher sein. Idealerweise wird die Laserstrahlung daher nicht offen übertragen, sondern mit einem geschlossenen Spiegel gelenkarm oder einem Lichtwellenleiter an den jeweiligen Operationssitus herangeführt.

Bekannte Laservorrichtungen der eingangs beschriebenen Art sind entweder für das Erzeugen von kontinuierlicher Laserstrahlung oder zum Erzeugen von gepulster Laserstrahlung vorgesehen. Eine bekannte Laservorrichtung der eingangs beschriebenen Art zum Erzeugen von kontinuierlicher Laserstrahlung wird von der Anmel derin hergestellt und vertrieben. Sie weist einen Laserstab als Laserkörper aus dem Lasermaterial auf. Zum Anregen des Laser materials ist eine Mehrzahl von Laserdioden als Pumplichtquellen vorgesehen, deren Pumplicht an einem longitudinalen Ende des Laserstabs in diesen eingekoppelt wird und durch Indexführung, d. h. Totalreflektion in dem Laserstab gehalten wird, bis sie über eine Absorptionslänge von derselben Größenordnung wie die Länge des Laserstabs durch das Lasermaterial absorbiert ist. Die kontinuierliche Laserstrahlung der bekannten Laservorrichtung, die eine Wellenlänge im Bereich von 2 µm aufweist, eignet sich gut zum Schneiden und auch zum reinen Koagulieren von Weich gewebe, wobei sowohl die Schneidleistung gut ist als auch ein gutes Schnittergebnis mit schmalem Koagulationssaum erreicht wird. Zum Abtragen und Fragmentieren von Hartgewebe ist die kontinuierliche Laserstrahlung der bekannten Laservorrichtung hingegen nicht geeignet.

Laservorrichtungen der eingangs beschriebenen Art zum Erzeugen von kontinuierlicher Laserstrahlung mit Laserdioden als Pump lichtquellen sind auch in Ausführungsformen mit transversaler Pumpgeometrie bekannt.

Weiterhin sind Laservorrichtungen bekannt, bei denen ein Laser körper aus Lasermaterial, beispielsweise wieder ein Laserstab, mit einer Blitzlampe als Pumplichtquelle in transversaler Pumpgeometrie angeregt wird. Die Pumplichtleistung einer Blitzlampe kann zwar so weit erhöht werden, daß eine pulsförmige Laserstrahlung mit hoher Pulsspitzenleistung im Multi-Kilowatt- Bereich und Pulsenergie im Multi-Joule-Bereich der Einzelpulse entsteht. Die Frequenz der Einzelpulse wird aber dadurch begrenzt, daß mit einer Blitzlampe nur zu einem gewissen Anteil die erwünschte Anregung und ansonsten eine Erwärmung des Lasermaterials erreicht wird und daß das Lasermaterial des Laserstabs nicht überhitzen darf. Eine auch aus thermischen Gründen interessante longitudinale Pumpgeometrie wäre mit einer Blitzlampe aber nur schwer realisierbar, da hierfür die Wellenlänge des Pumplichts auf eine Energie knapp oberhalb des anzuregenden Übergangs einzustellen ist, damit eine geeignete Absorptionslänge in dem Lasermaterial erreicht wird. Eine derartige Feinabstimmung ist bei Blitzlampen, die eher breit bandig abstrahlen, nicht möglich. Hinzu kommt, daß die geome trische Abstrahlungscharakteristik der Blitzlampe der Einkopp lung des abgegebenen Pumplichtes in den Laserstab entgegensteht. Mit der gepulsten Laserstrahlung der bekannten Laservorrichtung mit der Blitzlampe als Pumplichtquelle ist eine Abtragung und Fragmentierung von Hartgewebe gut möglich. Die einzelnen Pulse lösen Stoßwellen aus, die sich in kontrollierter Weise zer störend auf das jeweilige Hartgewebe auswirken. Bei geringer Pulsfolge sind hingegen sowohl die Schneidleistung als auch das Schnittergebnis schlecht. Bei hoher Pulsfolge steigt zwar die Schneidleistung. Die Schnittränder sind aber weiterhin wegen der Pulsung stark zerfranst. Auch ein reines Koagulieren von Weichgewebe wird durch die Pulsung der Laserstrahlung behindert, deren Frequenz bei den bekannten Laservorrichtungen mit einer Blitzlampe als Pumplichtquelle 50 Hz nicht überschreitet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Laservor richtung der eingangs beschriebenen Art aufzuzeigen, die allen Anforderungen bei chirurgischen Anwendungen gerecht wird, d. h. sowohl zum Schneiden von Weichgewebe mit schmalem Koagulations saum als auch vom reinen Koagulieren von Weichgewebe als auch zum Abtragen und Fragmentieren von Hartgewebe geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Laservorrichtung der eingangs beschriebenen Art dadurch erreicht, daß die Pump lichtquellen mindestens zwei verschiedene Pumplichtquellentypen umfassen, von denen der eine zum kontinuierlichen Anregen des Lasermaterials und zum Erzeugen von kontinuierlicher Laser strahlung und der andere zum pulsförmigen Erregen des Laser materials und zum Erzeugen von gepulster Laserstrahlung vorgesehen ist.

Die neue Laservorrichtung löst sich von dem Gedanken, daß mit einer einzigen Art der Erzeugung von Laserstrahlung allen Anforderungen bei chirurgischen Anwendungen gerecht werden kann. Entsprechend sind bei ihr Einrichtungen sowohl zum Erzeugen von kontinuierlicher Laserstrahlung als auch von gepulster Laserstrahlung vorgesehen. Dabei bedeutet die Erzeugung von kontinuierlicher Laserstrahlung hier, daß entweder eine echte sogenannte Dauerstrichlaserstrahlung oder aber eine quasi- Dauerstrichlaserstrahlung aus sehr schnell aufeinanderfolgenden, ineinander übergehenden Einzelpulsen bereitgestellt wird. Hierbei sollte die Frequenz der Einzelpulse klar über 100 Hz liegen und vorzugsweise mindestens 200 Hz betragen. Mit solcher kontinuierliche Laserstrahlung ist jeweils ein sauberes Schneiden von Weichgewebe ohne Ausfransung der Schnittränder möglich. Bei geeigneter Wahl der Wellenlänge der Laserstrahlung, die ihre Absorption im Gewebe bestimmt, werden dabei schmale Koagulationssäume erzielt und auch die reine Koagulation von Weichgewebe ist problemlos. Für das Abtragen und Fragmentieren von Hartgewebe greift die neue Laservorrichtung auf das bekannte Prinzip der gepulsten Laserstrahlung mit der von dieser hervor gerufenen Stoßwellenwirkung zurück. Hier bedeutet dann gepulste Laserstrahlung, daß diese getrennte Einzelpulse mit hoher Puls spitzenleistung im Multi-Kilowatt-Bereich und Pulsenergie im Multi-Joule-Bereich der Einzelpulse aufweist. Die hohe Pulsspitzenleistung führt zu einer sofortigen Umsetzung der absorbierten Laserenergie in die Verdampfung von in dem jeweiligen Gewebe eingelagertem Wasser. Nur ein vergleichsweise geringer Teil der absorbierten Laserenergie gelangt über Wärmeleitung in das unmittelbar angrenzende Gewebe und führt dort zu der gewünschten aber räumlich begrenzten Koagulation. Die Hitzeschädigung des angrenzenden Gewebes wird über die geeignete Wahl der mittleren Leistung und der Einschaltdauer des Lasers in den beabsichtigten Grenzen gehalten.

Zu dem einen Pumplichtquellentyp für die Erzeugung von konti nuierlicher Laserstrahlung gehören beispielsweise Laserdioden. Zu dem anderen Pumplichtquellentyp für die Erzeugung von gepulster Laserstrahlung gehören beispielsweise Blitzlampen.

Bei dem Lasermaterial kann es sich um ein mit Tm³⁺ und/oder Ho³⁺- Ionen dotiertes Lasermaterial handeln. Die Ionen Tm³⁺ und Ho³⁺ sind die bekanntesten Laserionen mit einer Laserwellenlänge bei 2 µm, daß heißt im Bereich von 1,8 bis 2,2 µm. Diese Laser wellenlänge steht für eine Absorptionslänge in im wesentlichen aus Wasser bestehendem Weichgewebe, die zu kontrollierter Koagulation und schmalen Koagulationssäumen beim Schneiden von Weichgewebe führt.

Die Pumplichtquellen des einen Pumplichtquellentyps, die zur Erzeugung der kontinuierlichen Laserstrahlung dienen, können das Lasermaterial eines Laserstabs als Laserkörper in longitudinaler und/oder transversaler Pumpgeometrie anregen. Dabei können die Pumplichtquellen des anderen Pumplichtquellentyps, die zum Erzeugen der gepulsten Laserstrahlung dienen, das Lasermaterial eines Laserstabs als Laserkörper in transversaler Pumpgeomtrie anregen. Diese Pumpgeometrien entsprechen für sich genommen jeweils bekannten Laservorrichtungen.

Bei der neuen Laservorrichtung kann das Lasermaterial, das von den Pumplichtquellen der beiden Pumplichtquellentypen angeregt wird, auch auf mindestens zwei Laserkörper verteilt sein, wobei mindestens das Lasermaterial eines Laserkörpers von den Pump lichtquellen des einen Pumplichtquellentyps und das Laser material mindestens einen anderen Laserkörpers von den Pump lichtquellen des anderen Pumplichtquellentyps angeregt wird. Bevorzugt sind aber Ausführungsformen der neuen Laservor richtung, bei denen die Pumplichtquellen des einen und des anderen Pumplichtquellentyp das Lasermaterial desselben Laserkörpers anregen. D. h., die neue Laservorrichtung weist dann beispielsweise nur einen einzigen Laserstab aus Laser material auf. In longitudinaler und/oder transversaler Pumpgeometrie wird dieser durch Laserdioden angeregt, um kontinuierliche Laserstrahlung zu erzeugen. In transversaler Pumpgeometrie erfolgt eine Anregung durch eine Blitzlampe für die Erzeugung der gepulsten Laserstrahlung.

Dabei wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Laservorrichtung von der Möglichkeit Gebrauch gemacht, daß die Pumplichtquellen des anderen Pumplichtquellentyps das Lasermate rial des Laserstabs bei gleichzeitiger Anregung des Lasermateri als durch die Pumplichtquellen des einen Pumplichtquellentyps anregen, wobei die Anregung des Lasermaterials durch die Pumplichtquellen des einen Pumplichtquellentyps unter einer Laserschwelle bleibt. Dies bedeutet im konkreten Beispiel, daß zum Erzeugen von gepulster Laserstrahlung das Lasermaterial des Laserstabs eine Grundanregung durch das von den Laserdioden abgestrahlte Pumplicht erfährt. Hierbei wird aber die Laser schwelle nicht überschritten. Zur Erzeugung gepulster Laser strahlung wird die Laserschwelle kurzzeitig mit Pumplichtpulsen von der Blitzlampe überschritten. Dabei kann für die Laser leistung jedes Pulses der gepulsten Laserstrahlung die Grundanregung des Lasermaterials genutzt werden. Entsprechend muß die gesamte Laserleistung in den Laserstrahlungspulsen nicht mit Hilfe der grundsätzlich wenig effektiven Blitzlampe hervor gerufen werden. Damit kann trotz der mit der Blitzlampe erzielbaren Pulsenergien und -leistungen eine wirksame Kühlung des Laserstabs über seinen radialen Umfang erfolgen.

Bei der neuen Laservorrichtung ist es realisierbar, daß die kontinuierliche Laserstrahlung eine Laserleistung von 100 Watt erreicht. Hierzu kann die neue Laservorrichtung gegebenenfalls auch mehrere in Reihe geschaltete Laserstäbe aufweisen. Von diesen müssen nicht alle neben der Anregung über zugeordnete Pumplichtquellen des einen Pumplichtquellentyps auch durch Pumplichtquellen des anderen Pumplichtquellentyps anregbar sein. Die doppelte Anregung eines einzigen Laserstabs durch Pumplicht quellen beider Pumplichtquellentypen ist grundsätzlich ausreichend, um sowohl kontinuierliche als auch gepulste Laserstrahlung zu erzeugen.

Die gepulste Laserstrahlung kann bei der neuen Laservorrichtung über Pulse von 0,5 bis 1,0 msec Dauer eine Laserleistung von 10 kW erreichen. Hiermit ist eine sehr effektive Abtragung und Fragmentierung von Hartgewebe bei minimalem thermischen Effekt möglich.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigt die Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der Laservorrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Laservorrichtung 1 weist einen Laserstab 2 als Laserkörper 3 aus Lasermaterial 4 auf. Der Laserstab 2 ist zwischen zwei Resonatorspiegeln 5 und 6 angeordnet. Über dem Resonatorspiegel 5 tritt Laserstrahlung 7 aus dem so gebildeten Resonator 5, 2, 6 aus und wird über eine Optik 8 in einen Lichtwellenleiter 9, der beispielsweise auf einer optischen Quarzfaser basiert, eingekoppelt. Über den Lichtwellenleiter 9 gelangt die Laserstrahlung hier bis zu einem Handstück 10, wo sie zur Anwendung in einem Operationssitus austritt. Zur Anregung des Lasermaterials 4 ist einmal eine Pumplichtquelle 11 vorgesehen, bei der es sich um einen Laserdiodenstack 12 handelt. Das von der Pumplichtquelle 11 kommende Pumplicht 13 wird über eine Optik 14 und den für das Pumplicht 13 durchlässigen Resonatorspiegel 6 longitudinal in den Laserstab 4 eingekoppelt. Mit der Pumplichtquelle 11 wird der Laserstab 2 für die Erzeugung kontinuierlicher Laserstrahlung 7 angeregt. Dabei erfolgt die Anregung des Lasermaterials 4 mit dem Pumplicht 13 bis über die Laserschwelle des Lasermaterials 4. Zur Erzeugung von gepulster Laserstrahlung 7 mit derselben Vorrichtung 1 wird das Lasermaterial 4 mit dem Pumplicht 13 nur bis knapp unter seine Laserschwelle angeregt. Zur Auslösung der einzelnen Laserpulse erfolgt dann eine zusätzliche Anregung mit Pumplicht 15 von einer Pumplichtquelle 16, die als Blitzlampe 17 ausgebildet ist. Das Pumplicht 15 regt das Lasermaterial 14 bis über die Laserschwelle an und löst damit einzelne Pulse von Laserstrahlung 7 aus. Bei dieser Vorgehensweise ergibt sich der Vorteil, daß sich durch die kontinuierliche Anregung des Laserkörpers 33 mit dem Laserlicht 13 in dem Laserstab 2 ein Temperaturprofil aufbaut, das den Resonator 5, 2, 6 vorstabilisiert, als wäre er bereits im Wiederholungsbetrieb bei herkömmlicher Erzeugung von gepulster Laserstrahlung 7. Die Folge ist eine größere Puls zu Puls Stabilität in der Anlaufphase der Laservorrichtung 1. Durch Voranregung mit dem Pumplicht 13 bis eben unterhalb der Laser schwelle des Lasermaterials 4 muß zum Auslösen eines einzelnen Pulses der Laserstrahlung 7 mit der Blitzlampe 14 nur noch eine geringere Anregungsenergie in den Laserstab 2 eingebracht werden, als wenn vor der Auslösung der Blitzlampe 17 alle Laserionen in dem Laserstab im energetischen Grundzustand wären. Entsprechend ist der elektrische Aufwand für die Blitzlampe 17 reduziert. Darüberhinaus kann mit dem Pumplicht 13 von dem Laserdiodenstack 12 ein sehr schmalbandiges Pumpen durchgeführt werden, wodurch weniger Verlustleistung in dem Laserstab 2 ver glichen mit dem spektral breitbandigen Pumpen über die Blitz lampe 17 anfällt. So ist die Wärmebelastung des Lasermaterials verglichen mit der Laserleistung beim Erzeugen gepulster Laserstrahlung 7 deutlich reduziert. Dies ist bei mit dreiwertigen Tm- bzw. Ho-Ionen dotiertem Lasermaterial 4, bei dem sich das untere Laserniveau nur wenige 100 cm^-1 über dem absoluten Grundzustand befindet, besonders bedeutend. Bei Temperaturerhöhungen innerhalb des Laserkörpers 3, die durch Verlustleistung des Pumplichts 15 erreicht werden können, wird das untere Laserniveau thermisch besetzt und damit wird die Laserschwelle angehoben. Eine starke Absenkung des Wirkungsgrads der Laservorrichtung 1 ist die Folge. Dies wird bei der neuen Laservorrichtung 1 dadurch verhindert, daß die Blitzlampe 17 mit der vergleichsweise geringen Effizienz des Pumplichts 15 nur zum Überschreiten der Laserschwelle des Lasermaterials 4 verwendet wird.

In der Figur ist eine Anordnung gezeigt, bei der das Pumplicht 13 in longitudinaler Pumpgeometrie den Laserstab 2 anregt, wäh rend das Pumplicht 15 den Laserstab 2 in transversaler Pumpgeo metrie anregt. Grundsätzlich ist auch ein Wechsel der beiden Pumpgeometrien möglich, so daß die Erzeugung der kontinuier lichen Laserstrahlung mit transversaler Pumpgeometrie erfolgt und die Auslösung der gepulsten Laserstrahlung mit longi tudinaler Pumpgeometrie. Zudem kann sowohl das Pumplicht 13 als auch das Pumplicht 15 in transversaler bzw. longitudinaler Pumpgeometrie den Laserstab 2 anregen. Die in der Fig. 1 dargestellte Anordnung stellt aber die derzeit bevorzugte Ausführungsform der neuen Laservorrichtung dar.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Laservorrichtung

2

Laserstab

3

Laserkörper

4

Lasermaterial

5

Resonatorspiegel

6

Resonatorspiegel

7

Laserstrahlung

8

Optik

9

Lichtwellenleiter

10

Handstück

11

Pumplichtquelle

12

Laserdiodenstack

13

Pumplicht

14

Optik

15

Pumplicht

16

Pumplichtquelle

17

Blitzlampe

Claims

1. Laservorrichtung, insbesondere für chirurgische Anwendun gen, mit mindestens einem Laserkörper aus Lasermaterial, mit einer Mehrzahl von Pumplichtquellen zum Anregen des Laser materials für das Erzeugen von Laserstrahlung und mit einer Übertragungseinrichtung zur Übertragung der Laserstrahlung an einen Einsatzort, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumplicht quellen (11, 16) mindestens zwei verschiedene Pumplichtquellen typen umfassen, von denen der eine zum kontinuierlichen Anregen des Lasermaterials (4) und zum Erzeugen von kontinuierlicher Laserstrahlung (7) und der andere zum pulsförmigen Anregen des Lasermaterials (4) und zum Erzeugen von gepulster Laserstrahlung (7) vorgesehen ist.

2. Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Pumplichtquellentyp eine Laserdiode umfaßt.

3. Laservorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der andere Pumplichtquellentyp eine Blitzlampe (17) umfaßt.

4. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasermaterial (4) mit Tm³⁺ und/oder Ho³⁺- Ionen dotiert ist.

5. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Pumplichtquelle (11) des einen Pumplichtquellentyps das Lasermaterial (4) eines Laserstab (2) als Laserkörper (3) in longitudinaler und/oder transversaler Pumpgeometrie anregt.

6. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Pumplichtquelle (16) des anderen Pump lichtquellentyps das Lasermaterial (4) eines Laserstab (2) als Laserkörper (3) in transversaler Pumpgeometrie anregt.

7. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumplichtquellen (11, 16) des einen und des anderen Pumplichtquellentyps das Lasermaterial (4) desselben Laserstabs (2) anregen.

8. Laservorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumplichtquellen (16) des anderen Pumplichtquellentyps das Lasermaterial (4) des Laserstabs (2) bei gleichzeitiger Anregung des Lasermaterials (4) durch die Pumplichtquellen (11) des einen Pumplichtquellentyps anregen, wobei die Anregung des Lasermaterials (4) durch die Pumplichtquellen (11) des einen Pumplichtquellentyps unter einer Laserschwelle bleibt.

9. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die kontinuierliche Laserstrahlung (7) eine Laserleistung von 100 W erreicht.

10. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die gepulste Laserstrahlung (7) über 0,5 bis 1,0 msec eine Laserleistung von 10 kW erreicht.