DE2652814A1 - Vorrichtung zur ausrichtung eines arbeitslaserstrahls - Google Patents
Vorrichtung zur ausrichtung eines arbeitslaserstrahlsInfo
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Description
DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT
Orthstraße 12 · D-8000 Mönchen 60 · Telefon 832024/5
Telex 5212744 · Telegramme Interpatent
οι hv»i ι.' 0
L15 Pl/ Gl D
Laser Industries Ltd. Tel Aviv, Israel
Vorrichtung zur Ausrichtung eines Arbeitslaserstrahls
Priorität: 27. November 1975 - ISRAEL Nr. 48 554
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausrichten eines Laserstrahls. Sie ist besonders brauchbar in Verbindung
mit manipulierbaren Laserstrahl-Vorrichtungen, die als chirurgische Laser-Skalpelle verwendet werden,
und wird im folgenden in Verbindung mit diesem Anwendungsfall beschrieben.
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Bekanntlich, kann ein Laserstrahl auf einen sehr kleinen
Punkt (beispielsweise Ί00 Mikron Durchmesser oder kleiner) fokussiert werden, um eine extrem heiße Konzentration der
Lichtenergie zu erhalten. Bei Laser-Wellenlängen (beispielsweise 10,6 Mikron) wird die Laser-Energie fast vollständig
von Körpergeweben absorbiert, und deshalb kann ein fokussierter Laserstrahl dazu verwendet werden, durch
die meisten Gewebearten durch Brennen oder Verdampfen zu schneiden. Einer der wichtigen Vorteile der Verwendung
eines Laserstrahls für diesen Zweck besteht darin, daß er saubere und feine Schnitte ergibt, während Schädigungen
an Geweben außerhalb der Schnittlinien minimiert werden. Der Laserstrahl koaguliert auch leicht Kapillaren, kleine
Venen und kleine Arterien, so daß der Blutverlust minimiert wird und der Arbeitsbereich rein gehalten wird.
Wegen dieser und anderer Vorteile werden manipulierbare Laserstrahlen in immer weiterem Umfang als chirurgische
Skalpelle verwendet.
Ein Problem bei der Verwendung von Laserstrahlen als chirurgische Skalpelle ist die Schwierigkeit, den fokussierten
Strahl präzise auf den Punkt oder längs der Schnittlinie während der Zeit auszurichten, in der die Operation durchgeführt
wird. Das liegt an der unsichtbaren Natur dieser Strahlen und an der hohen Energiekonzentration in ihnen.
Verschiedene Anordnungen sind vorgeschlagen worden, um dieses Problem zu lösen. Bei einer vorgeschlagenen Anordnung
sind zwei externe Lichtquellen vorgesehen, die zwei Lichtstrahlen projizieren, die sich am Brennpunkt des
Laserstrahls schneiden. Bei einer anderen vorgeschlagenen Anordnung ist ein Reflektor vorgesehen, der einen Teil
des Laserstrahls durchsetzt und ihn an eine Visiereinrichtung weiterleitet, wobei das Feld der Visiereinrichtung
auf das Targetfeld transponiert wird, wie es
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durch ein Okular gesehen wird. Solche Anordnungen sind jedoch hinsichtlich der Präzision und Bequemlichkeit der
Ausfluchtung, sowie der Manipulation, die der Chirurg bei der Durchführung delikater chirurgischer Operationen
ausführen muß, nicht vollständig befriedigend.
Gemäß einem breiten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung
zum Ausrichten e.ines Arbeitslaserstrahls mit Bezug auf eine Arbeitsfläche verfügbar gemacht, die aus eine]
manipulierbaren Führung besteht, die den Arbeitslaserstrahl aufnimmt und ihn zum Arbeitsbereich leitet; diese Führung
besteht aus einer Gelenkstruktur mit Einrichtungen zur Umlenkung des Strahls an den Gelenken, und einem Handmanipulator, mit dem der Strahl im Arbeitsbereich manipuliert
werden kann, wobei dieser Manipulator eine Fokussiereinrichtung
aufweist, mit der der Laserstrahl auf einen Brennpunkt im Arbeitsbereich fokussiert werden kann, einen
Laser, der einen sichtbaren Laserstrahl geringer Energie erzeugt, und eine Einrichtung, mit der der Laserstrahl geringer
Energie in und durch die Führung und die Fokussiereinrichtung mit dem Arbeitslaserstrahl geschickt wird,
wobei der Laserstrahl geringer Energie einen Divergenzwinkel hat, der nicht merklich größer ist als der des
Arbeitslaserstrahls,und Abschnitte auf jeder Seite und im
gleichen Abstand von der Mitte des Arbeitslaserstrahls aufweist, wenn beide Strahlen in die manipulierbare Führung
eintreten, so daß der Brennpunkt der Abschnitte des Laserstrahls niedriger Energie bei Fokussierung durch die
Fokussiereinrichtung auf einen einzigen Punkt den Brennpunkt
und die Schärfentiefe des Arbeitslaserstrahls bezeichnet.
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Da der sichtbare Laserstrahl geringer Energie einen Divergenzwinkel hat, der nicht merklich größer ist als
der des Arbeitslaserstrahls, zeigt ersichtlich die Fokussierung der sichtbaren Laserstrahlsektionen auch den
Brennpunkt des Arbeitslaserstrahls an, auch wenn beide Strahlen über relativ lange Distanzen laufen (die lineare
Länge der Laserführung liegt beispielsweise in der Größenordnung von 2,5 m), so daß, wenn der Chirurg den Manipulator
bewegt und den Brennpunkt des sichtbaren Laserstrahls beobachtet, er kontinuierlich den Brennpunkt des Arbeitslaserstrahls
kennt, auch wenn dieser Strahl noch nicht eingeschaltet ist. Zusätzlich lernt er auch die Schärfentiefe
des Strahls kennen, d.h. die Distanz längs der Strahlachse zwischen der Auftreffebene des Strahls und der Brennebene.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Lasermanipulier-Einrichtung nach
der Erfindung;
Fig. la den zusammengesetzten Querschnitt längs Linie A-A auf der Einlaßseite der Gelenkführungstruktur;
Fig. 2 die Anordnung zur Erzeugung der zusammengesetzten
Arbeitslaser- und Sichtlaser-Strahlen am Einlaß der Gelenkführungstruktur nach Fig. 1;
Fig. 5 Details der optischen Einrichtung zur Aufspaltung
des sichtbaren Laserstrahls in zwei Strahlsektionen
und zur Erzeugung des zusammengesetzten Strahls daraus, und aus dem Arbeitslaserstrahl, die zusammen
in die Gelenkführungstruktur nach Fig. 1 eingeführt werden;
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Fig. 4a schematisch die Art und Weise, in der die sichtbaren
StrahlSektionen geringer Energie auf im wesentlichen den gleichen Brennpunkt fokussiert
werden wie der energiereiche unsichtbare Laserstrahl, wobei angenommen wird, daß die Wellenlängen
der beiden Strahlen im wesentlichen gleich sind;
Fig. 4b schematisch die Erscheinung, die sich ergibt,
wenn die beiden Wellenlängen nicht ausreichend benachbart sind, um auf den gleichen Brennpunkt
fokussiert zu werden; und
Fig. 4c
und 4d schematisch zwei Anordnungen, die verwendet werden können, wenn die Wellenlängen der beiden Laserstrahlen
deutlich unterschiedlich sind.
In Fig. 1 ist ein Laserstrahl-Manipulator dargestellt, wie er besonders als chirurgisches Laserskalpell verwendbar
ist. Der Manipulator weist eine Einrichtung zur Erzeugung des Laserstrahls auf, die schematisch als Block 2 dargestellt
ist, und eine Gelenkführungstruktur, die allgemein mit 4 bezeichnet ist, um den Laserstrahl zu einem Handmanipulator 6 zu führen, der seinerseits eine Fokussieroptik
8 aufweist, mit der der Laserstrahl auf den Arbeitsbereich fokussiert wird. Die Gelenkführungstruktur 4 besteht
aus einer Anzahl hohler Abschnitte (beispielsweise 10), die schwenk- und drehbar aneinander montiert sind, und die
Spiegel 12 an den Gelenkpunkten aufweisen, um den Strahl umzulenken, so daß dieser innerhalb der Führungstruktur 4
geführt wird, bis er aus dem Ende des Handmanipulators 6 austritt, nachdem er von der Optik 8 fokussiert ist.
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Gemäß der dargestellten Ausführungsform der Erfindung weist
die Lasereinheit 2 nicht nur den energiereichen Arbeitslaser auf, sondern auch einen zusätzlichen energieschwachen
Laser, der einen sichtbaren Strahl liefert. Der aus Einheit 2 austretende Strahl 14 ist also ein zusammengesetzter
Strahl, der einen energiereichen Arbeitsteil 16 (Fig. la) und energiearme sichtbare Teile 18a und 18b aufweist.
Das ist genauer in Fig. 2 dargestellt, wobei die in Fig. 1 allgemein mit 2 bezeichnete Einheit einen ersten Laser 20
aufweist, der den energiereichen Arbeitslaserstrahl 16 erzeugt, der durch eine optische Einrichtung 22 hindurchtritt,
und einen zweiten Laser 26, der einen einzigen energiearmen sichtbaren Laserstrahl 18 erzeugt, der in die optische Einrichtung
22 eintritt und aus dieser in Form von zwei Strahlabschnitten 18a, 18b austritt, die auf parallelen Wegen in
geringen und gleichen Abständen auf beiden Seiten des Arbeitslaserstrahls 16 (Fig. la) verlaufen. Dieser zusammengesetzte
Strahl, der in Fig. 1 mit 14 bezeichnet ist, tritt in die Gelenkführungstruktur 4- "ein und tritt aus dieser
am Handmanipulatorende 6 aus, nachdem er mit der Optik 8
fokussiert worden ist.
Der kleinere Laser 26 ist so ausgewählt, daß er einen Strahl liefert, dessen Divergenzwinkel nicht merklich größer ist
als der des Strahls 16 vom Arbeitslaser 20, so daß die Strahlen im wesentlichen parallel zueinander bleiben,
unabhängig von der Distanz, die sie durchlaufen (beispielsweise etwa 2,5 m), ehe sie in die Fokussieroptik 8 eintreten,
wo sie auf einen Punkt fokussiert werden. Der spezielle Punkt, auf den die beiden sichtbaren Stahlsektionen
18a, 18b zu einem feinen Punkt fokussiert werden, ist auch der Brennpunkt des Arbeitslaserstrahls 16, und durch
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Beobachtung dieses sichtbaren Punktes lernt der Chirurg kontinuierlich den Brennpunkt des Arbeitslaserstrahls 16
kennen, auch wenn dieser Laser nicht erregt ist.
Die allgemein mit 22 in Fig. 2 bezeichnete optische Einheit ist näher in Fig. 3 dargestellt. Sie besteht aus einer
Platte 40, die den energieschwachen sichtbaren Laser 26 trägt, der mittels eines Ringes 42 und einer Schraube 44
an jedem Ende des Lasers daran befestigt ist. Die Platte ist ihrerseits mittels Schrauben 46 an einer Basis 48
befestigt, die auch den energiereichen Arbeitslaser 20 trägt.
Die optische Einheit 22 weist ein Gehäuse 50 auf, das zwei
Spiegel 52, 5^ vjxa. einen Strahlenteiler 56 trägt. Der
Spiegel 52 ist unter 45 Grad zum Strahl 18 orientiert,
der aus dem Laser 26 austritt, so daß dieser Strahl rechtwinklig (d.h. in vertikaler Richtung in Fig. 3) reflektiert
wird, wo er auf den Strahlenteiler 56 auftrifft. Der
letztere ist ebenfalls unter 45 Grad zur Achse des Lasers 26, d.h. parallel zum Spiegel 52, orientiert, und spaltet den
Strahl in zwei Teile auf, nämlich einen ersten Teil 18a, der durch den Strahlenteiler zum oberen Teil des zweiten
Spiegels 54 durchgelassen wird, und einen zweiten Teil 18b,
der zum ersten Spiegel 52 zurückreflektiert wird und von
dort wieder zum unteren Teil des Spiegels 5^· Der Spiegel
54 ist ebenfalls unter 45 Grad zur Achse des Lasers 26
angeordnet, so daß er die beiden Strahlteile 18a, 18b parallel und im Abstand zum ursprünglichen Laserstrahl 18
(d.h. in der horizontalen Ebene, Fig. 3)? jedoch in der
entgegengesetzten Richtung reflektiert.
Der Spiegel 5^ weist eine zentrale öffnung 58 auf, durch
die der energiereiche Strahl 16 vom Arbeitslaser 20
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λλ
hindurchtritt. Der letztere Strahl tritt also aus der optischen Einheit 22 genau mitten zwischen den beiden
sichtbaren Strahlteilen 18a, 18b und parallel zu diesen aus, wie in Fig. la dargestellt, und dieser zusammengesetzte
Strahl (in Fig. 1 mit 14 bezeichnet) tritt an der Einlaßseite in die Gelenkführungstruktur 4 ein.
Diese Parallelbeziehung der beiden energieschwachen sichtbaren Strahlteile 18a, 18b mit dem energiereichen Arbeitsstrahl 16 wird aufrechterhalten, wenn der zusammengesetzte
Strahl durch die Gelenkführungstruktur 4 geführt wird, bis er die Fokussieroptik 8 am Handmanipulatorende 6 erreicht.
Die Optik 8 fokussiert den Arbeitsstrahl 16 im wesentlichen genauso wie die sichtbaren Strahlabschnitte
18a, 18b, so daß, wenn die letzteren in der oben erwähnten Weise auf einen feinen Fleck fokussiert werden, dieser
Fleck auch den Brennpunkt des Arbeitslaserstrahls 16 angibt. Der Chirurg kann also die sichtbaren Strahlsektionen
fokussieren, während der Arbeitsstrahl abgeschaltet ist, und sobald einmal der Brennpunkt bestimmt worden ist, kann
der Arbeitsstrahl eingeschaltet werden.
Die beiden Spiegel 52, 54 und der Strahlenteiler 56 weisen
jeder einen ringförmigen Halter 60, einen Haltering 62 und eine Anzahl Befestigungselemente 64 auf, die eine
Justierung der Einheit mit Bezug auf das Gehäuse 50 erlauben,
Das Schema in Fig. 4a zeigt, wie die energieschwachen Laserstrahlteile 18a, 18b von der Fokussieroptik 8 auf
einen gemeinsamen Brennpunkt FP fokussiert werden, der auch den Brennpunkt des energiereichen unsichtbaren Laserstrahls
16 bildet. Dieses Schema gilt dann, wenn die Wellenlängen der beiden Laserstrahlen sehr eng benachbart
sind, so daß sie im wesentlichen auf den gleichen Brennpunkt fokussiert werden.
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In einigen Fällen kann es erwünscht sein, einen energiearmen Laserstrahl zu verwenden, dessen Wellenlänge sich
erheblich von der des energiereichen Strahls unterscheidet. Eine solche Situation ist schematisch in Fig. 4-b
dargestellt, woraus erkennbar ist, daß die energieschwachen Laserstrahlteile 118a, 118b zwar parallel zum energiereichen
Strahl 116 bis zur Fokussieroptik 108 laufen, jedoch zu einem anderen Brennpunkt FP' gebrochen werden
als zum Brennpunkt FP des energiereichen Laserstrahls 116, und zwar wegen des erheblichen Unterschiedes der Wellenlängen
der beiden Laserstrahlen. Fig. 4-c und 4-d zeigen
zwei Anordnungen, die als Kompensation verwendet werden können.
Gemäß Fig. 4-c wird dafür gesorgt, daß die beiden energieschwachen
Laserstrahlteile 118a, 118b sich an einem Punkt X vor der Fokussieroptik 108 schneiden. Dieser Schnittpunkt
kann so justiert werden (beispielsweise durch Justierung der Spiegel 52, 5^), daß der Schnittpunkt hinter der
Fokussieroptik 108 mit dem Brennpunkt FP des energiereichen Laserstrahls 116 zusammenfällt. Fig. 4-d zeigt eine
zweite mögliche Anordnung, wobei die Fokussieroptik 108 zwei Abschnitte aufweist, nämlich einen Mittelteil 108a,
mit dem der energiereiche Laserstrahl 116 gebrochen wird, und einen äußeren Eingabschnitt 108b, mit dem die energieschwachen
sichtbaren Strahlteile 118a, 118b gebrochen werden, wobei die Brechungsindices der beiden Abschnitte mit
Bezug auf die Wellenlängen der beiden Laserstrahlen so ausgewählt sind, daß beide zu einem gemeinsamen Brennpunkt
FP gebracht werden.
Beispielsweise kann der energieschwache Laser 20 für den
sichtbaren Strahl ein Helium-Neon-Laser sein, der energiereiche Arbeitslaser kann ein C^-Laser sein, der Spiegel
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goldplattiert und der Spiegel 54- aus rostfreiem Stahl mit
einer Mittelöffnung 58 sein. Viele Variationen ergeben
sich jedoch. Beispielsweise kann der Spiegel 5^ aus Germanium sein, das für den Strahl vom COp-Laser durchlässig ist, aber den Helium-Neon-Laserstrahl reflektiert. Ferner ist es möglich, statt den energieschwacheη sichtbaren
Laserstrahl in zwei kreisförmige Abschnitte aufzuspalten, von denen jeder auf einer Seite des energiereichen Arbeitslaserstrahls liegt, daß der energieschwache Strahl ringförmig ist, wobei der energiereiche Strahl durch die Ringmitte hindurchtritt, so daß die Fokussierung des energieschwachen Strahls auf einen Fleck auch den Brennpunkt des energiereichen Strahls angibt. Die Erfindung ist zwar mit Bezug auf ein Chirurgen-Skalpell beschrieben worden, ersichtlich kann sie jedoch zweckmaßigerweise auch in anderen Anwendungsfällen verwendet werden, beispielsweise beim
Präzisionsschweißen und dergl.
sich jedoch. Beispielsweise kann der Spiegel 5^ aus Germanium sein, das für den Strahl vom COp-Laser durchlässig ist, aber den Helium-Neon-Laserstrahl reflektiert. Ferner ist es möglich, statt den energieschwacheη sichtbaren
Laserstrahl in zwei kreisförmige Abschnitte aufzuspalten, von denen jeder auf einer Seite des energiereichen Arbeitslaserstrahls liegt, daß der energieschwache Strahl ringförmig ist, wobei der energiereiche Strahl durch die Ringmitte hindurchtritt, so daß die Fokussierung des energieschwachen Strahls auf einen Fleck auch den Brennpunkt des energiereichen Strahls angibt. Die Erfindung ist zwar mit Bezug auf ein Chirurgen-Skalpell beschrieben worden, ersichtlich kann sie jedoch zweckmaßigerweise auch in anderen Anwendungsfällen verwendet werden, beispielsweise beim
Präzisionsschweißen und dergl.
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Claims (8)
1. ) Vorrichtung zur Ausrichtung eines Arbeitslaserstrahls
^~»-^ mit Bezug auf eine Arbeitsfläche, gekennzeichnet durch
eine manipulierbare Führung zur Aufnahme des Arbeitslaserstrahls, mit der dieser zum Arbeitsbereich geführt
wird und die aus einer Gelenkstruktur besteht, in der Strahlumlenkeinrichtungen an den Gelenken vorgesehen sind,
sowie einem Handmanipulator, mit dem der Strahl auf den
Arbeitsbereich manipuliert wird und der eine Fokussiereinrichtung aufweist, mit der der Laserstrahl auf einen
Brennpunkt im Arbeitsbereich fokussiert wird, einen Laser, der einen energieschwachen sichtbaren Laserstrahl
erzeugt,und Einrichtungen, mit denen der energieschwache Laserstrahl in und durch die Führungs- und Fokussiereinrichtung
mit dem Arbeitslaserstrahl gerichtet wird, wobei der energieschwache Laserstrahl einen Divergenzwinkel
hat, der nicht wesentlich größer ist als der des Arbeitslaserstrahls,und Abschnitte auf beiden Seiten
und in gleichen Abständen von der Mitte des Arbeitslaserstrahls aufweist, wenn beide Strahlen in die manipulierbare
Führung eintreten, so daß der Brennpunkt der Abschnitte des energieschwachen Laserstrahls bei Fokussierung
durch die Fokussiereinrichtung auf einen einzelnen Punkt den Brennpunkt und die Schärfentiefe des Arbeitslaserstrahls
angibt.
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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den energieschwachen Laserstrahl erzeugende Laser
einen einzigen sichtbaren Laserstrahl erzeugt und daß eine optische Einrichtung vorgesehen ist, mit der der
letztere Strahl so umgeformt wird, daß er Strahlabschnitte
auf beiden Seiten des Arbeitslaserstrahls aufweist, wenn dieser in die Gelenke der manipulierbaren Führungs- und
Fokussiereinrichtung eintritt und durch diese hindurchläuft.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung aus zwei Spiegeln und einem
Strahlenteiler besteht, daß der erste Spiegel so orientiert ist, daß er den sichtbaren Laserstrahl auf den Strahlenteiler
richtet, der Strahlenteiler so orientiert ist, daß er einen Teil des sichtbaren Strahls auf den zweiten
Spiegel richtet, und einen anderen Teil des sichtbaren Strahls auf den ersten Spiegel zuriickrichtet, wobei der
zum ersten Spiegel zurückreflektierte Teil von diesem zum zweiten Spiegel längs eines zum ersten, vom Strahlen-■
teiler zum zweiten Spiegel durchgelassenen Strahl parallelen und im Abstand von diesem befindlichen Weges reflektiert
wird, und daß der zweite Spiegel den Arbeitslaserstrahl durchläßt und so orientiert ist, daß die beiden Strahlenteile
auf parallelen Wegen in gleichen Abständen auf beiden Seiten des Arbeitslaserstrahls reflektiert werden.
4-, Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der zweite Spiegel eine öffnung als Durchtritt für den Arbeitslaserstrahl aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß
der zweite Spiegel für den Arbeitslaserstrahl durchlässig, aber für den energieschwachen Laserstrahl reflektierend ist.
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6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 "bis 5» dadurch
gekennzeichnet, daß die Wellenlängen des energieschwachen
Laserstrahls und des Arbeitslaserstrahls ausreichend eng benachbart sind, so daß beide mit der Fokussiereinrichtung
im wesentlichen auf den gleichen Brennpunkt fokussiert werden.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 55 dadurch
gekennzeichnet, daß die Wellenlängen des energieschwachen
Laserstrahls und des Arbeitslaserstrahls deutlich unterschiedlich sind, daß Einrichtungen vorgesehen sind, mit
denen dafür gesorgt wird, daß die Teile des energieschwachen Laserstrahls sich an einem Punkt vor der Fokussiereinrichtung
schneiden, und eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der eine Justierung dieses Schnittpunktes möglich ist,
so daß eine Justierung des Schnittpunktes hinter der Fokussiereinrichtung auf den Brennpunkt des Arbeitslaserstrahls
möglich ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5i dadurch
gekennzeichnet, daß die Wellenlängen des energieschwachen Laserstrahls und des ArbeitslaserStrahls deutlich unterschiedlich
sind, und daß die Fokussiereinrichtung getrennte Abschnitte für jeden der Strahlen aufweist, so daß beide
im wesentlichen auf den gleichen Brennpunkt fokussiert
werden.
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Applications Claiming Priority (1)
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