DE4114492C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit Hilfe eines Lasers - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit Hilfe eines LasersInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine
Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit Hilfe eines Lasers der
im Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 9 genannten Art.
Aus der Literaturstelle "Optical Studies of Pulsed-Laser
Fragmentation of Biliary Calculi", Applied Physics B, Springer
Verlag 1987, Seiten 73-78, ist ein Verfahren bekannt, bei dem das
Ausgangssignal eines Lasers über eine einen Lichtwellenleiter
einschließende Laseroptik auf Harn- oder Gallensteine gerichtet
wird, um diese zu zertrümmern. In der Laseroptik ist ein
halbdurchlässiger Spiegel angeordnet, der einen Teil des von dem
Stein reemittierten, zurückreflektierten oder zurückgestreuten
Lichtes, das über den Lichtwellenleiter zurückgeleitet wird, auf
einen Detektor leitet, dem eine Auswerteschaltung in Form
eines Spektralanalysators nachgeschaltet ist.
Aus der EP 01 95 375 A2 ist es bekannt, bei der Entfernung
von Ablagerungen auf Geweben den Bearbeitungsbereich mit einem
Pilotlaser geringer Leistung zu bestrahlen und die reemittierte
Energie bei beispielsweise drei Wellenlängen auszuwerten, um
festzustellen, ob das von dem Pilotlaser getroffene Material
durch eine Ablagerung oder durch Gewebe gebildet ist, das nicht
von einem Bearbeitungslaserimpuls getroffen werden soll. Hierbei
ist jedoch ein getrennter Pilotlaser erforderlich, der vor dem
Auslösen des Bearbeitungslaserimpulses zur Feststellung des vor
der Laseroptik liegenden Materials verwendet wird.
Aus der EP 0 312 650 A1 ist ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art bekannt, bei dem bzw. bei der
lediglich ein einziger Laser verwendet wird, dessen Laserimpuls
vor dem Erreichen der vollen Leistung unterbrochen oder
zumindestens in seiner Leistung verringert werden kann, wenn
während des Anstiegs des Laserimpulses durch eine Auswertung des
zeitlichen Amplitudenverlaufs des von dem Material vor dem
dielektrischen Durchbruch zurückkehrenden Lichtes festgestellt
wird, daß dieser Laserimpuls auf Gewebe und nicht auf zu
entfernendes Material auftrifft.
Die DE 39 18 618 A1 beschreibt ein ähnliches Verfahren bzw. eine
Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit Hilfe eines Lasers, bei
dem bzw. bei der in dem Zeitraum zwischen dem Beginn des
Laserimpulses und dem frühest möglichen Auftreten des
dielektrischen Durchbruches die Intensität des von dem Material
reemittierten Lichtes in zumindestens zwei vorgegebenen
Spektralbereichen gemessen und ein Quotient der Meßwerte der
Lichtenergie in diesen vorgegebenen Spektralbereichen gebildet
und ausgewertet und zur Bestimmung des von dem Laserimpuls
getroffenen Materials verwendet wird. Dieses Verfahren ist
immer dann möglich, wenn entsprechende signifikante Unterschiede
im spektralen Verlauf des von unterschiedlichen Materialien
reemittierten Lichtes vorliegen. Dies ist jedoch bei manchen
Anwendungen nicht der Fall, beispielsweise auf dem Gebiet der
der Angioplastie. So zeigen z. B. normale, gesunde Intima und
kalzifizierter Plaque bei Anregung mit einem gepulsten Laser
der Wellenlänge 375 nm keine signifikanten Unterschiede im
Fluoreszenzverlauf und können demzufolge durch dieses
Auswertungsverfahren nicht voneinander unterschieden werden,
wohl aber z. B. fibrös fettiger Plaque.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie
eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem
bzw. bei der bei geringem Aufwand eine Identifizierung des zu
bearbeitenden Materials selbst dann möglich ist, wenn das von
unterschiedlichen Materialien reemittierte Licht im Zeitraum vor
dem dielektrischen Durchbruch keine signifikanten Unterschiede
aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des
Patentanspruchs 1 bzw. 9 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der Vorrichtung wird
eine Identifizierung der Zusammensetzung des bearbeiteten
Materials dadurch erreicht, daß die Energiemenge gemessen wird,
die dem zu bearbeitenden Material zugeführt wird, bis der durch
den Laserimpuls hervorgerufene dielektrischen Durchbruch auf dem
zu bearbeitenden Material einsetzt.
Das Ergebnis dieser Messung kann zur Steuerung der Leistung der
Bearbeitungsimpulse herangezogen werden, wobei diese Leistung
umgehend verringert oder der Laserimpuls abgebrochen wird, wenn
nach der Zuführung einer vorgegebenen Energiemenge noch kein
dielektrischer Durchbruch eingesetzt hat, was anzeigt, daß der
Laserimpuls auf nicht zu bearbeitendes Material auftrifft.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann bei
bekanntem konstantem Verlauf der Laserimpulse sowohl
hinsichtlich der Impulsdauer als auch der Leistung die Messung der
Energiemenge durch eine Messung der Zeit ab der Auslösung des
Laserimpulses ersetzt werden.
Eine Identifizierung der Zusammensetzung des bearbeiteten
Materials kann hierbei dadurch erreicht werden, daß die
Zeitdauer gemessen wird, die zwischen der Auslösung des
Laserimpulses und dem Einsetzen des durch den Laserimpuls
hervorgerufenen dielektrischen Durchbruchs auf dem zu
bearbeitenden Material liegt.
Durch die gleichzeitige Verwendung des Laserimpulses sowohl zur
Bearbeitung als auch zur Identifizierung des Materials ist kein
getrennter Pilotlaser zur Bestimmung des Materials erforderlich.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens,
Fig. 2 Diagramme, die Beispiele für einen zeitlichen Verlauf
des auf die Detektoranordnung einfallenden Lichtes
zeigen.
Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform einer Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens weist einen Laser 1 auf, dessen
Ausgangsimpulse über einen eine hohe Schaltgeschwindigkeit
aufweisenden optischen Schalter 2 einer Laseroptik 3 zugeführt
werden, deren Ausgang über einen Lichtwellenleiter 6 auf das zu
bearbeitende Material M gerichtet wird. Bei der dargestellten
Ausführungsform weist die Laseroptik 3 einen
Strahlteiler 4 sowie eine erste Linse 5 zur Fokussierung des
Laserlichtimpulses auf den Lichtwellenleiter 6 auf. Von dem zu
bearbeitenden Material M reemittiertes Licht gelangt über den
Lichtwellenleiter 6, die Linse 5 und den Strahlteiler 4 auf eine
weitere Linse 7, die dieses Licht über ein Filter 15 auf eine erste
Detektoranordnung 8 fokussiert. Das Ausgangssignal wird einer
noch näher zu erläuternden Auswerteschaltung 9 zugeführt, die
über Logikschaltungen 10 den optischen Schalter 2 über eine
Ausgangsleitung 12 steuert. Wie dies durch eine weitere
Ausgangsleitung 11 der Logikschaltung 10 angedeutet ist, kann
diese auch den Laser 1 selbst steuern, wobei der optische
Schalter 2 entfallen kann.
Bei Auftreffen eines Laserimpulses hoher Energie auf das zu
bearbeitende Material M wird in unmittelbarer Nähe dieses zu
bearbeitenden Materials ein dielektrischer Durchbruch erzeugt,
der eine Schockwelle zur Bearbeitung des Materials auslöst.
Dieses Material kann beispielsweise ein menschlicher Stein,
beispielsweise ein Harn- oder Gallenstein sein, der in
umgebendes Gewebe eingebettet ist. In diesem Fall bewirkt die
Schockwelle eine Steinzertrümmerung. Die entstehende Plasmablase
bewirkt durch die hohe Temperatur des Plasmas und die hierbei
entstehende Druckwelle eine Materialabsprengung,
Materialabtragung oder Aufspaltung am Zielort. Hierbei muß
jedoch in vielen Fällen, insbesondere bei dem betrachteten Fall
von menschlichen Steinen darauf geachtet werden, daß der am Ende
des Lichtwellenleiters 6 austretende Laserimpuls lediglich auf
das zu bearbeitende Material M, nicht jedoch auf das umgebende
Gewebe auftrifft, damit dieses nicht zerstört wird.
Im Fall der Angioplastie kann dieses Material kalzifiziert
oder fibrös fettige Plaque sein, die von gesunder Intima eines
Blutgefäßes umgeben wird. In diesem Fall bewirkt die Stoßwelle
einen (gewünschten) Abtrag vom Plaque. Es muß jedoch unbedingt
darauf geachtet werden, daß der am Ende des Lichtwellenleiters
6 austretende Laserimpuls nicht auf das umgebende gesunde Gewebe
(Intima) auftrifft, da sonst sehr leicht die Wand des
Blutgefäßes zerstört und das Blutgefäß damit perforiert wird.
Zur Identifizierung des von dem Laserimpuls getroffenen
Materials wird mit Hilfe eines zweiten Detektors 17, der einen
Teil des Ausgangssignals des Lasers 1 über ein Bandpaßfilter 16
für die Laserwellenlänge empfängt, die bis zu einem jeweiligen
Zeitpunkt dem Material zugeführte Energiemenge des Laserimpulses
abgeleitet.
Zu diesem Zweck wird das Ausgangssignal des zweiten Detektors 17
gegebenenfalls nach Verstärkung einem Integrator 18 zugeführt.
Der Integrator 18 kann entfallen, wenn der zweite Detektor 17 ein
integrierender Detektor ist.
Das Ausgangssignal des zweiten Detektors 17 bzw. des Integrators 18 kann
einer Schwellwertschaltung 19 zugeführt werden, die nach
Zuführung einer vorgegebenen Energiemenge an das Material ein
Ausgangssignal liefert.
Das Ausgangssignal des Schwellwertverstärkers 19 wird der
Auswerteschaltung 9 zugeführt, die außerdem das Ausgangssignal
des ersten Detektors 8 für das von dem Material M zurückkehrende Licht
empfängt, wobei das letztere Ausgangssignal ein
Anzeigesignal für den Beginn des dielektrischen Durchbruches an
dem zu bearbeitenden Material bildet.
Wenn der zeitliche Verlauf des Laserimpulse und seine maximale
Leistung bekannt und konstant ist, kann der zweite Detektor 17
ausschließlich die Auslösung des Laserimpulses feststellen, und
in der Auswerteschaltung 9 wird dann die Zeitdifferenz zwischen
der Auslösung des Laserimpulses und dem Beginn des
dielektrischen Durchbruches an dem Material M bestimmt, da die
jeweils abgelaufene Zeit ein Maß der dem Material zugeführten
Energiemenge darstellt.
Da bei unterschiedlichen Materialien der dielektrische
Durchbruch nach Zuführung einer bestimmten, von dem Material
abhängigen Energiemenge auftritt, ist eine Identifizierung des
Materials durch Messung der bis zum Durchbruch zugeführten
Energiemenge bzw. Zeit möglich. Die jeweiligen Zeiten bzw. Energien
sind jeweils typisch für eine bestimmte Bearbeitungswellenlänge
und das jeweilige Zielmaterial.
Die Auswerteschaltung 9 ermöglicht damit eine sehr einfache und
schnelle Ermittlung, ob zu bearbeitendes Material am Ende des
Lichtwellenleiters 6 angeordnet ist, oder ob dieses Ende des
Lichtwellenleiters auf Material gerichtet ist, das nicht mit dem
Laserimpuls, zumindestens nicht mit einem Laserimpuls voller
Leistung beaufschlagt werden darf.
Diese Art der Auswertung wird anhand der Fig. 2 näher erläutert.
In dieser Fig. 2 ist der Verlauf des Laserimpulses mit L
bezeichnet, während der Verlauf des von unterschiedlichen
Materialen M reemittierte Lichtes in Form des Ausgangssignals
der Detektoranordnung 8 für unterschiedlich stark kalzifiziertes
Gewebe mit D1 bis D3 und für nicht oder schwach kalzifiziertes
Gewebe mit D4 bezeichnet ist.
Bei diesem Beispiel betrug die Gesamtenergie eines Laserimpulses
88 mJ bei einer Wellenlänge von 600 nm, und der Laserimpuls
wurde dem Material über einen Lichtwellenleiter mit einem
Durchmesser von 200 Mikrometern zugeführt. Bei anderen Wellen
längen und Lichtwellenleitern ergeben sich selbstverständlich
andere Werte, doch bleibt das Prinzip gleich.
Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, beginnt der den dielektrischen
Durchbruch anzeigende Anstieg der Ausgangssignale D1 bis D3 der
Detektoranordnung 8 bei Auftreffen des Laserlichtes auf
kalzifiziertes Gewebe bereits nach etwa 1,8-2,5 Mikrosekunden
nach der durch das Ausgangssignal des Detektors 17 bzw. des
Schwellwertverstärkers 19 angezeigten Auslösung des
Laserimpulses L, während bei Auftreffen auf nicht bzw. schwach
kalzifiziertes Gewebe dieser Anstieg erst etwa 3,2 Mikrosekunden
nach Auslösen des Laserimpulses erfolgt. Diese Zeiten
entsprechen jeweils einer vorgegebenen, dem Material zugeführten
Energiemenge.
Wenn daher in diesem Fall nach etwa 2,5 Mikrosekunden noch kein
dielektrischer Durchbruch der Auswerteschaltung 9 angezeigt
wird, so bedeutet dies, daß der Laserimpuls auf nicht zu
bearbeitendes Material auftrifft. Die Auswerteschaltung 9
verringert dann über die Leitung 11 die Leistung des Lasers 1
oder unterbricht den Laserimpuls über die Leitung 12 und den
optischen Schalter 2.
Selbst wenn der Laserimpuls zu Beginn des dielektrischen
Durchbruchs über die Leitung 11 und/oder die Leitung 12 mit
Hilfe des schnellen optischen Schalters 2 unterbrochen wird,
ist es noch möglich, die dem Material M zugeführte Leistung auf
einen für nicht zu bearbeitendes Material (gesundes Gewebe)
unschädlichen Wert zu begrenzen.
Claims (16)
1. Verfahren zur Materialbearbeitung mit Hilfe eines Lasers,
bei dem das Laserlicht über eine Laseroptik auf das Material
gerichtet und das von dem Material reemittierte Licht auf eine
die Intensität dieses Lichtes messende erste Detektoranordnung
geleitet wird, von der ein Anzeigesignal an eine Auswerteschal
tung zur Verringerung der Laserleistung und/oder zur Unter
brechung der Laserimpulse geliefert wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die dem Material über die Laseroptik zugeführte Energiemenge
in einer zweiten Detektoranordnung gemessen wird, daß die erste
Detektoranordnung bei der durch den Beginn des dielektrischen
Durchbruchs hervorgerufenen Vergrößerung der Intensität des re
emittierten Lichts ein diesen Beginn des dielektrischen Durch
bruchs anzeigendes Anzeigesignal liefert, und daß von der Aus
werteschaltung ein Steuersignal erzeugt wird, durch das die
Leistung des Lasers verringert und/oder der Laserimpuls unter
brochen wird, wenn dem Material eine vorgegebene Energiemenge
zugeführt worden ist, ohne daß das Anzeigesignal von der ersten
Detektoranordnung erzeugt wurde.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß bei konstantem Verlauf der Laser
impulse die dem Material zugeführte Energiemenge durch eine
Messung der seit der Auslösung des Laserimpulses abgelaufenen
Zeit ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer zwischen der Auslösung
des Laserimpulses und dem Beginn des dielektrischen Durchbruches
gemessen und zur Erkennung des von dem Laserimpuls getroffenen
Materials verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt der Auslösung des
Laserimpulses mit einem auf die Laserwellenlänge ansprechenden
weiteren Detektor gemessen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der dem Material zuge
führten Energiemenge ein Teil des Ausgangssignals des Lasers in der
zweiten Detektoranordnung gemessen, integriert und einem
Schwellwertschalter zugeführt wird, der nach Messung einer
vorgegebenen Energiemenge ein Ausgangssignal an die Auswerte
schaltung liefert.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Detektoranordnung
ein integrierender Detektor verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der zweiten Detektoranordnung ein
Integrator nachgeschaltet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das reemittierte Licht über eine die
Laserlinie ausblendende Filteranordnung auf die erste Detektor
anordnung geleitet wird.
9. Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit Hilfe eines Lasers,
mit einer Laseroptik, die die Laserimpulse auf das zu bearbei
tende Material lenkt und von diesem reemittiertes Licht auf eine
erste Detektoranordnung zur Messung der Intensität des Lichtes
umlenkt, und mit einer Auswerteschaltung, die das die Intensität
des reemittierten Lichtes darstellende Ausgangssignal der ersten
Detektoranordnung empfängt und ein Steuersignal zur Verringerung
der Leistung an den Laser und/oder zur Unterbrechung der Laser
impulse liefert,
dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Detektoranordnung (16-
19) zur Messung der dem Material (M) über die Laseroptik (3)
zugeführten Energiemenge vorgesehen ist, daß das Ausgangssignal
der zweiten Detektoranordnung (16-19) ebenfalls zur Auswerte
schaltung (9) gelangt, daß die erste Detektoranordnung (8, 15)
bei Beginn des dielektrischen Durchbruches an dem Material (M)
ein Anzeigesignal an die Auswerteschaltung (9) liefert, und daß
die Auswerteschaltung (9) das Steuersignal liefert, wenn nach
Messung einer vorgegebenen Energiemenge das Anzeigesignal von
der ersten Detektoranordnung (8, 15) fehlt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Laserimpulse einen konstanten
Verlauf aufweisen, daß die zweite Detektoranordnung (16-19)
zum Zeitpunkt der Auslösung des Laserimpulses ein Startsignal
für eine Zeitmessung liefert, und daß der Ermittlung der dem
Material (M) zugeführten Energiemenge eine Messung der seit der
Auslösung des Laserimpulses abgelaufenen Zeit zugrunde liegt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Laseroptik (3) einen Strahl
teiler (4) einschließt, der von dem mit dem Laserimpuls
beaufschlagten Material (M) reemittiertes Licht auf die erste
Detektoranordnung (8) umlenkt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Laseroptik eine zwischen dem
Strahlteiler (4) und der ersten Detektoranordnung (8, 15)
angeordnete, die Laserlinie ausblendende Filteranordnung (15)
einschließt.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Detektoranordnung (16-19)
ausschließlich auf die Laserwellenlänge anspricht.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Detektoranordnung (16-19)
einen Schwellwertverstärker (19) einschließt, der das Ausgangs
signal des Detektors (17) an die Auswerteschaltung (9) weiter
leitet.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 und 11 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Detektoranordnung (16-19)
einen integrierenden Detektor (17) einschließt.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 und 11 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Detektoranordnung (16-19)
einen dem Detektor (17) nachgeschalteten Integrator (18) ein
schließt.
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