DE3245846C2 - Sicherheitsvorrichtung für ein chirurgisches Laserstrahlgerät - Google Patents

Abstract

Eine Anzahl von Lichtdetektorpaaren (11 bis 20) wird mit gegenseitigem Abstand zueinander am Umfang eines chirurgischen Laserstrahlhandstücks (1) mit unterschiedlicher konvergierender Schrägstellung angebracht, um von einem Zielpunkt reflektierte Strahlung eines Pilotstrahls (4) aufzufangen. Die durch Differenzbildung verglichenen Ausgangssignale der Detektoren werden einer Abstandsbestimmungseinheit zugeführt, die einen einstellbaren Schwellwert oder einen Majoritätsentscheidungspegel enthält, wodurch festgestellt wird, wenn zwischen Handstück und Ziel ein gewünschter Abstand herrscht, woraufhin der Arbeitslaserstrahl aktiviert wird. Eine derartige Majoritäts-Abstandsbestimmung vermindert Aktivierungsfehler, die auf Reflexionseigenschaften und Konturen der Zieloberfläche und auf den Winkel des Handstücks zu dieser zurückzuführen sind.

Description

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Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsvorrichtung für ein chirurgisches Laserstrahlgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE-OS 23 21 137 ist eine solche Sicherheitseinrichtung zürn Schutz von Schädigungen durch Laserstrahlen, insbesondere bei der Verwendung von flexiblen Lichtleitern bekannt. Hierbei wird ein unkontrolliertes Austreten von Laserstrahlung aus einer Laserabstrahlvorrichtung verhindert. Vor der eigentlichen Laserslrahlbehandlung wird eine schwächere Strahlung im sichtbaren Spektralbereich mit Hilfe eines sogenannten Pilotlichtlasers freigegeben. Dieses Pilotlicht beleuchtet den zu behandelnde.! Teil auf dem Operationsfeld und wirkt mit einem elektrooptischen Verriegelungssystem zusammen. Eine Rückmeldeoptik ist mit einem Filter und einem Detektor versehen, welche im Handstück des Laserstrahlgerät untergebracht sind und unter einem bestimmten Blickwinkel gegenüber der Achse der Fokussieroptik justiert sind. Auf diese Weise wird der durch das Pilotlicht erzeugte Lichtfleck nur unter einem gany. bestimmten Winkel sowie innerhalb eines vorgegebenen Abstandes von der genannten Fokussieroptik wahrgenommen und in ein entsprechendes elektrisches Steuersignal umgewandelt. Das Vorhandensein eines solchen Signales ist Voraussetzung für die Inbetriebnahme des Laserstrahlgerätes. Das bedeutet, daß der Lichtfleck des Pilotlaserlichtes auf der Operationsfläche von der Rückmeldeoptik nur innerhalb bestimmter Grenzen des Abstandes von der Handstückspitze des Lasergerätes und der Operationsfläche gesehen wird. Mittels eines optischen Filters wird sichergestellt, daß nur das gestreute Pilotlicht durchgelassen wird. Hinter dem genannten Filter liegt dann der Detektor, welcher das Vorhandensein des Pilotstreulichtfleckes im Sichtbereich der Rückmeldeoptik zum Lasergerät zurückmeldet. Die erwähnte Verriegelungselektronik gewährleistet, daß die Strahlung des Hochleistungslasers nur bei rückgemeldetem Pilotlicht abgestrahlt werden kann.

Ein solches Laserstrahlgerät weist den Nachteil auf, daß es ein bestimmtes Reflexionsverhalten der zu behandelnden Oberfläche erfordert. Liegen aufgrund der Oberflächenstruktur oder aber auch aufgrund eines bestimmten Neigungswinkels des Laserstrahlgerätes zur Behandlungsoberfläche ungünstige Reflexionen vor, so sind entsprechend aufwendige Maßnahmen notwendig, um das sogenannte Streulicht auszufiltern und entsprechend zur Signalweiterverarbeitung auszuwerten. Außerdem ist es nachteilig, daß möglicherweise durch mehrmaliges Probieren eine entsprechende Ausrichtung des Laserstrahlgerätes auf die zu behandelnde Oberfläche erforderlich ist. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß bei nicht festgestelltem Reflexionslicht nicht ohne weiteres ausgesagt werden kann, ob eine Abstandsüberschreitung oder Abstandsunterschreitung vorliegt, oder aber ob die zu behandelnde Oberfläche eine entsprechend ungünstige Oberflächenstruktur aufweist, oder aber ob das Laserstrahlgerät eine ungünstige Winkellage zur Behandlungsoberfläche aufweist.

Aus der DE-OS 28 29 516 ist ein Verfahren zur automatischen Erkennung thermischer Einwirkungen von Laserstrahlen im biologischen Gewebe bekannt. Durch dieses Verfahren wird es ermöglicht, daß jede Gewebsveränderung sofort automatisch zur Anzeige gebracht wird und daß bei Überschreitung bestimmter Grenzwerte automatisch die Laserstrahlung ausgeschaltet wird Es wird hierbei ein Fokussierungshandstück eingesetzt, in dem ein infrarotempfindlicher Detektor untergebracht ist, vor dem ein sogenanntes Kantenfilter vorgesehen ist. welches zur Unterdrückung der rückgestreuten Laserstrahlung dient. Beim Überschreiten von festgelegten Grenzwerten, ab denen Schaden bei einem Patienten auftreten können, werden die Meßsignale des Infrarotempfängers zur Ansteuerung einer automatischen Ausschaltelektronik herangezogen.

Dieses bekannte Verfahren eignet sich jedoch nicht für eine Pilotanzeige und weist den Nachteil auf, daß es nur bei eingeschaltetem Hauptlaserlicht wirksam wird. Es werden entweder Änderungen der thermischen Rückstrahlung aus dem laserbestrahlten Gewebe registriert und in einer Auswerteelektronik in Tamperaturwerke umgesetzt, oder aber Änderungen des rückgestreuten Laserlichtes aus dem bestrahlten Gewebe im Zentrum der Auftrefffläche des Laserlichtes im Verhältnis zur Rückstreuurj aus Flächenbereichen außerhalb der Auftrefffläche gemessen, registriert und ausgewertet. Hierbei ergibt sieh der Nachteil, daß aufgrund der fehlenden Pilotstrahlmessung eine sehr schnell ansprechende und genaue Elektronik notwendig ist, um Gewebsbeschädigungen aufgrund von zu starker Bestrahlung zu vermeiden.

Aus der DE-OS 29 10 760 ist ein Laser-Skalpell bekannt, bei dem auf einen Brennpunkt oder die Umgebung des Brennpunktes eines Laserstrahls ein soee-

nanntes Führungslicht gestrahlt wird, welches sichtbares Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge ist. Als Ergebnis eines solchen Führungsiichtcs wird zusätzlich zur Anzeigefunktion des Führungslichtes die Erfassung der Lage eines Tumors ermöglicht, und zwar durch z. B. Rot-Fluoreszenz. Ein solches Laser-Skalpell dient lediglich dem Zweck, die entsprechende Operationsstelle zu beleuchten und eine krankhafte Gewebestelle konturenmäßig zu erfassen. Das bekannte Gerät beinhaltet daher keine Sicherheitsvorrichtung.

Aus »Lasers in Surgery and Medicine«, Band 1, Nr. 1, 1980 (S. 15 — 33) ist eine chirurgisch eingesetzte Laservorrichtung bekannt. Diese weist neben anderen Versorgungsteilen ein Handstück auf, an dem im Endbereich sogenannte Ziellichtquellen angebracht sind, um die Zielgenauigkeit zu gewährleisten. Auf diese Weise wird insbesondere vermieden, daß unbeabsichtigt Gewebciei'e beschädig! werden, welche von der Behandlung ausgeschlossen sind. Diese bekannte Vorrichtung arbeitet insbesondere mit einem Mikroskop zusammen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Sicherheitsvorrichtung für ein chirurgisches Laserstrahlgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, welches in stabiler und sicherer Weise für alle Komponenten von regelmäßigen Reflexionen und bei unterschiedlichen Konturen der Objektoberfläche eine eindeutige Bestimmung des Abstandes zwischen dem Endbereich des Laserstrahlgerätes und der zu behandelnden Oberfläche ermöglichen soll. Bei dieser Abstandsbestimmung sollen reflexionsbedingte Fehler weitestgehend vermieden werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Sicherheitsvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Art erfindungsgemäß jeweils durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 und des Anspruchs 2 angegebenen Merkmale gelöst

Beide Lösungen weisen den Vorteil auf, daß aufgrund einer Vielzahl von Paaren von Lichtdetektoren oder von Strahlungsdetektoren mit entsprechendem charakteristischen Verhalten eine fehlerhafte Bestrahlung dadurch vermieden wird, daß jedes Strahlungsdetektorpaar eine eigene Abstandsmessung durchführt. Mit Hilfe von Abstandsvergleichsstufen oder Abstandsdetektorstufen sowie mit Hilfe von einer Feststellungsschaltung wird nun bewertet und festgestellt, ob eine vorgegsbene Anzahl der Strahlungsdetektoren aktiviert worden ist oder nicht. Hierbei wird das Laserstrahlgerät zur Aktivierung des Hauptlaserstrahles dann wirksam bzw. eingeschaltet, wenn die Mehrzahl der Ausgangssignale der Abstands-Vergieichsstufen oder Abstandsdetektorstufen ein Reflexionssignal wahrnehmen. Dies ist der Fall, wenn ein Abstandswert signalisiert wird, welcher kleiner als ein erster vorbestimmter Wert ist. Bei Signalisierung eines Wertes größer als ein zweiter vorbesdmmter Wert durch die Mehrzahl der Ausgangssignaie wird der Hauptlaserstrahl nicht aktiviert. Durch das Vorsehen einer Vielzahl von Strahlungsdetektoren oder Strahlungsdetektorpaaren wird der beim Stand der Technik gegebene nachteilige Einfluß von unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten eliminiert In vorteilhafter Weise sind die zahlreichen Paare der Lichtdetektoren oder Lichtröhren mit verschiedenen Ausrichtungin versehen, wobei jedes Paar oder jede Gruppe ihre eigene Abstandsmessung durchführt. Durch die Vielzahl der Strahlungsdetektoren erfolgt eine stabile Abstandsmessung und -bewertung der Meßergebnisse. Die Verwendung von Strahlungsdetektorpaaren weist den Vorteil auf. daß die einen Strahlungsdetektoren bei einem geringen Abstandswert ihr Maximum zeigen, während die anderen Strahlungsdetektoren ihr Maximum bei einem größeren Abstand aufweisen. Durch die Vereinigung der Auswertesignale der ersten und zweiten Strahlungsdetektoren ergibt sich der Vorteil einer genauen Abslandsanzeige, und zwar im Schnittpunkt der zugehörigen Charakteristiken je eines Detcktorpaaies. Bei einer Vielzahl von Strahlungsdetektorpaaren erhall man in vorteilhafter Weise um das Laserstrahlgerät eine Entfernungsmessung und -auswertung um die zu behandelnde Stelle herum. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß das Laserstrahlgerät nur wirksam werden kann, wenn ein vorgegebener Abstand unterschritten wird, während bei Überschreitung dieses Abstandes eine Abgabe des Hauptlaserstrahles nicht möglich ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

So ist es insbesondere vorteilhaft, daß z. B. die inneren Strahlungsdetektoren der Strahlung.sdetcktorpaarc Rohre oder Abschirmelementc aufweisen, so daß das vom Objekt reflektierte Licht nur dann zu den beireffenden Strahlungsdetektoren gelangen kann, wenn der Abstand zwischen dem Endbereich der Lichtabstrahlvorrichtung und dem Objekt geringer als ein erster vorgegebener Wert ist. Die jeweils äußeren Strahlungsdetektoren der einzelnen Paare empfangen aufgrund der Abschin.iwirkung der Rohre oder Abschirmelcmcnte nur dann Licht, wenn der Abstand zwischen dem Endbereich des Laserstrahlgerätes zum Objekt größer als ein zweiter vorgegebener Wert ist. Auf diese Weise wird ein Sicherheitsbereich zwischen beiden Grenzabstandswerten geschaffen. Dies bedeutet, daß bei entsprechender Ausbildung der Abschirmelemente für die einzelnen Strahlungsdetektorpaare ein Abstandsbereich entsteht, in dem weder der eine Lichtdetektor noch der andere Lichtdetektor des betreffender: Strahlungsdctcktorpaares reflektiertes Streulicht empfängt. Dieser Umsiand kann dazu ausgenutzt werden, den gewünschten Bchandlungsabstand zu signalisieren.

Die einzelnen Abstands-Vergleichsstufen bzw. Abstandsdetektorstufen ermitteln nun für jedes Strahlungsdetektorpaar getrennt den Abstand zwischen dem Endbereich des Laserstrahlgerätes und dem Objekt. Bei Verwendung von Strahlungsdetektorpaaren zeigen die einzelnen Abstands-Vergleichsstufen am Ausgang an, ob das Signal des einen Strahlungsdetektors oder des anderen überwiegt. Somit kann auf einfache Weise festgestellt werden, ob der vorgegebene Abstand unterschritten ist oder nicht. Sieht man z. B. N-Strahlun'-sdctektorpaare vor. so kann mit Hilfe der Abstands-Beslimmungsschaltung die Zahl der Abstands-Vcrgleichssiufen bzw. der zugehörigen Strahlungsdetektorpaare festgelegt werden, welche ein Abstandsunterschreitungssignal signalisieren sollen, um ein einwandfreies Abstandsendsignal zu liefern. Diese Anzahl kann z. B. bei /V
— liegen. Sie kann aber auch größer gewählt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen im einzelnen

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Abstandsmessung mit einer herkömmlichen Einrichtung zur Vermeidung fehlerhafter Bestrahlung mit einem chirurgischen Laserstrahl;

F i g. 2 die typische Abstandsausgangscharakieristiken der Lichtdetektoren dieser Einrichtung;

Fig.3 das Blockdiagramm einer herkömmlichen Schutzeinrichtung;

Fig. 4 die Rcflexionsintensitätsverteilung von einem (jcwebcteil (Schinken);

Fi g. 5 die Rcflcxionsintensitätsverleilung von einem (iewcbeleil(KindJ'leber);

Ro ίκ pi c I t>(a) und b(b) eine cndseitige Ansichl bzw. eine Seilenansicht eines erfindungsgemäßen Ausfiihrungsbcispiels der Lichtdetekloranordnung;

Fiji ⁷ ein Blockschaltbild einer Schutzeinrichtung mil der Lichidetektoranordnung gemäß F i g. 6:

F i g. 8 (a) und 8 (b) Axialschnitte von Lichtdetektoren in anderen Ausführungsformen der Erfindung mit Lichtleitfasern und Richtungsplatten;

F i g. 9 das Diagramm des Ausgangssignals in Abhängigkeit vom Abstand des Idealtyps eines Lichtdetektors für die Verwendung bei der Abstandsbestimmung;

Fig. IO eine Axialschnittdarstellung eines Detektors mit einer Charakteristik ähnlich der nach F i g. 9;

Fig. 1! ein Flußdiagramm des Gesamtablaufs einer chirurgischen Einrichtung mit Laserstrahl, in der die Erfindung einsctzbar ist;

Fig. 12 ein vergleichbares Flußdiagramm des Betriebsablaufs eines anderen Typs des chirurgischen Lascrsy.stcms und

Fig. 13 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in Blockdarstellung.

Die F i g. I zeigt eine bekannte Vorrichtung. Ein Lascrstrahlhandstück 1 ist mit einem Paar von Lichtdetektoren 2 und 3 versehen, die sich in Röhren befinden, welche einen bestimmten Winkel zur Strahlrichtung einnehmen. Ein sichtbarer Strahl 4 von in Axialrichtung des Mundstückes verlaufendem Laserlicht, beispielsweise von einer Helium-Neon-Pilotquelle, wird vom Abstrahlende des Handstückes auf ein Ziel 5 gerichtet. Das diffus reflektierte Licht wird dann von den beiden Lichtdetek türen 2 und 3 aufgenommen.

Die herkömmliche Schutzvorrichtung mit einem Paar von Lichtdetcktoren 2 und 3 ist gemäß der Darstellung der Fig. 3 so aufgebaut, daß ein den Abstand bestimmendes Element etwa ein Differenzkomparator zur Besiimmung dient, ob der Differenzwert aus den Detektorausgangswerten im Einschalt- oder Ausschaltbereich liegt. Eine Lasersteuereinheit 8 dient zur Steuerung der l.aserspeisungsquelle 10 und der Laserstrahl-Abgabeeinheit 9. und zwar aufgrund des Differenzvergleiches. Der Arbcitslaserstrahl wird nur dann abgegeben, wenn der Operateur den Schalter 6 am Handstück eingeschaltet hat und sich der Zielbereich innerhalb der Einschaltzone befindet. Der Pilotstrahl 4 bleibt während des Betriebes des Systemes stets eingeschaltet. Er wird von einer nicht dargestellten separaten Energiequelle gespeist.

In F i g. 2 sind nun Ausgangscharakteristiken von entsprechend eingestellten Detektoren bei unterschiedlichen Zielabständen dargestellt. Ao, A\, Ai sind die abstandsabhängigen Ausgangscharakteristiken des Lichtdetektors 2, während mit Sb, B\ und Bz diejenigen für den Lichtdetektor 3 dargestellt sind. Die Kurven dieser Charakteristiken ändern sich zwar in Verbindung mit den Reflexionsfaktoren und mit der Neigung gegenüber derZielfläche. jedoch tritt im wesentlichen keine Veränderung der Kreuzungspunkte der charakteristischen Kurven der beiden Detektoren ein. Der differentielle Ausgangswert der beiden Detektoren liegt also auch bei unterschiedlichen Zielen praktisch an einem konstanten Punkt.

Durch Verwendung des zu einem derartigen Kreuzungspunkt gehörenden Abstandes als Bezugspunkt kann der unsichtbare chirurgische Laserstrahl, etwa von einer COvQuellc, freigegeben oder blockiert werden, sobald die Grenzen eines bestimmten Abstandsbereichs beiderseits des Bezugspunktes erreicht werden.

Zum besseren Verständnis der Funktionsweise des ί Systems wird auf die in den F i g. 11 und 12 wiedergegebenen Flußdiagramme zweier typischer chirurgischer Lasereinrichtiingen herkömmlicher Art Bezug genommen. Im Schritt I in F i g. 11 wird ein Hauptschalter geschlossen, wodurch der Pilotlaseroszillator eingeschal-

lu tet wird und auch die Einrichtung zum Überwachen des Abstandes zwischen Handstück und Ziel ihre Funktion aufnimmt. Nachdem die Speisung für den Arbeitslaserstrahl und die Aussendeperiode in Stufe III eingestellt worden sind und der Vorbereitungsschalter für die Abgäbe des Arbeitslaserstrahls in Stufe IV eingeschaltet worden ist, beginnt der Arbeitslaseroszillator in Stufe V seinen Betrieb. Als nächstes wird ein mit der Hand oder dem Fuß betätigter Schalter für die Abgabe des Arbeitslaserstrahls in Stufe 6 geschaltet, woraufhin der Abstand zwischen Handstück und Ziel, auf das der Pilotlaserstrahl abgegeben wird, in Stufe VII bestimmt wird. Wird ermittelt, daß der Abstand im Einschaltbereich liegt, wird ein Stellverschluß, der bis dahin verhindert hat, daß der Arbeitslaserstrahl abgegeben wird, in Stuss fe VIII geöffnet, so daß der chirurgische Arbeitsvorgang beginnt. Nach Ende dieses chirurgischen Arbeitsvorgangs wird der Schalter für die Abgabe des Arbeitslaserstrahls in Stufe IX ausgeschaltet, und der Stellverschluß vor der Laserstrahlquelle wird dann in Stufe X wieder geschlossen.

Eine andere Schrittfolge ist in der Fig. 12 dargestellt, in der die Stufen I bis IV mit denen in F i g. 11 identisch sind. Im Anschluß an Stufe IV wird der Hand- oder Fußschalter für die Abgabe des Arbeitslaserstrahls in Stufe V eingeschaltet, und in Stufe Vl wird dann der Abstand zwischen Handstück und Ziel bestimmt. Liegen die richtigen Bedingungen vor, dann wird der Arbeitslaseroszillator in Gang gesetzt, und der Arbeitslaserstrahi wird in Stufe VII ausgesendet. Nachdem der chirurgisehe Vorgang beendet ist. wird der Schalter für die Abgabe des Arbeitslaserstrahls in Stufe VIII abgeschaltet, und in Stufe IX beendet der Arbeitslaseroszillator seinen Betrieb.

Im herkömmlichen System sind die Strahlungs-Detektoren aus nur zwei Winkelrichtungen von einer Seite des Handstückes auf den reflektierten Pilotstrahl gerichtet, wohingegen das Handstück in bezug auf das Gewebeteil oder den Körper eine große Anzahl unterschiedlicher Richtungen und Positionen einnehmen kann, wozu auch die unregelmäßige Oberfläche des anvisierten Körperteiles beiträgt, so daß daß System sehr leicht instabil wird. Außerdem hat ein derartiges System den Nachteil, daß es bei Zielflächen mit einem über der normalen Reflexion liegenden Reflexionsfaktor instabil arbeitet, denn der Aufbau des Systems ist für Einsatz bei diffuser Reflexion ausgelegt. In den F i g. 4 und 5, welche die Messung der Reflexionskomponenten von Zielkörpern wie Schinken und Rindsleber darstellen, ist ersichtlich, daß die Oberfläche von Schinken im wesentlichen diffuse Reflexionskomponenten erzeugt, während die Oberfläche der Leber weit stärker regelmäßig reflektiert, so daß sich eine scharf ausgeprägte Spitzenamplitude in einer Richtung ausbildet (im dargestellten Fall bei 90°). Wenn nur diese Komponente der scharf gebündelten, regelmäßigen Reflexion von einem der beiden Detektoren empfangen wird, dann ist die daraus erhaltene Abstandsbestimmung fehlerhaft. Auch Gestaltveränderungen der Zieloberfläche beim Einschneiden

durch den Arbeitslaserstrahl führen zu Instabilitäten im Abstandssteuervorgang.

Bei den im folgenden beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ist der Gesamtarbeitsablauf des chirurgischen Lasersystems gleich dem in den Flußdiagrammen der Fig. 11 und 12 wiedergegebenen Ablauf, wobei sich nur Jer Schritt der Feststellung des Abstands zwischen Handstück und Zielpunkt ändert.

Die F i g. 6 (a) und 6 (b) zeigen das Ausbauprinzip eines erfindungsgemäßen, einen Laserstrahl, abgebenden Handstückes mit fünf Paaren in einem Winkel zur Laserstrahlachse am Umfang der Handstückspitze angeordneten Lichtdetektoren U bis 20. Das Blockdiagramm der Fig. 7 zeigt die zugehörige Schaltung für die Einrichtung zur Vermeidung fehlerhafter Bestrahlung mit dem chirurgischen Laserstrahl. Der Pilotlaserstrahl 4 wird am Ziel 5 diffus reflektiert und von sämtlichen fünf Paaren der Strahlunesdetektoren 11 bis 20 erfaßt.

Ein Strahlungsdetektorpaar, z. B. das Paar 11, 12, erzeugt Ausgangssignale, die dem empfangenen Licht entsprechen und einer Vergleichseinrichtung 21 in Gestalt eines Differentialkomparators zugeführt werden. Dieser erzeugt ein Ausgangssignal A — B aus den Signalen A des Detektors 11 und B des Detektors 12. Ist das Ergebnis A-B > 0, so haben die Detektoren 11,12 den Einschaltbereich festgestellt und geben ein Η-Signal ab. Ist das Ergebnis A — B < 0, so haben die Detektoren 11, 12 den Ausschaltbereich festgestellt, und die Vergleichseinrichtung 21 erzeugt ein L-Signal. Auch die anderen Vergleichseinrichtungen 22 bis 25 erzeugen in gleicher Weise H- oder L-Signale gemäß den Ausgangswerten der anderen Paare der Strahlungsdetektoren.

Die Signale der einzelnen Vergleichseinrichtungen 21 bis 25 werden einem Addierer 26 zugeführt, der sie alle zusammenfaßt. Der Summationsausgang des Addierers 26 wird einer Abstandsbestimmungseinrichtung 27 zugeführt, in der er mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen wird (z. B. bei einer Mehrheitsentscheidung mit dem Wert 2,5). Diese Abstandsbestimmungseinrichtung 27 deutet auf den E'-rtschaltbereich, wenn der Addierausgangswert den Schwellwert übersteigt. Liegt dagegen der Ausgangswert des Addierers 26 unterhalb des Schwellwertes, dann bedeutet dies den Ausschaltbereich.

Wenn die Abstandsbestimmungseinrichtung 27 den Einschaltbereich feststellt, wenn das Handstück 6 eingeschaltet ist, so betätigt eine Laserstrahlsteuerschaltung 8 eine Laserspeisungsquelle 10, so daß ein energiereicher Laserstrahl vom Laserstrahlerzeuger 9 des Handstücks abgegeben wird. Wird jedoch durch die Abstandsbestimmungseinrichtung 27 der Abschaltbereich festgestellt, so wird auch bei eingeschaltetem Schalter 6 im Handstück die Laserenergiequelle 10 nicht erregt, so daß auch kein Hochenergielaserstrahl abgegeben wird.

Somit wird, wenn derselbe Abstand gemäß den jeweiligen Paaren von Strahlungsdetektoren festgestellt wird, sich dieselbe Entscheidung aus der Abstandsmeßeinrichtung ergeben, auch wenn keine Komponenten regelmäßiger Reflexion von irgendeinem der Detektoren empfangen werden. Wenn irgendeiner der Detektoren eine scharf reflexierte Komponente empfängt, dann besteht Fehlergefahr, wenn die Abstandsentscheidung nur aufgrund eines Detektorpaares durchgeführt wird. Doch ist die Fehlergefahr nahezu Null, wenn die Abstandsbestimmung aufgrund einer Majoritätsentscheidung vorgenommen wird, die auf der von fünf untereinander beabstandeten Detektorpaaren empfangenen Lichtstrahlung beruht. Es läßt sich überdies auch ein stabiler Betrieb bei Zielen mit sehr rauher oder sich verändernder Oberfläche erreichen, wenn eins reflektierte Licht des Laserstrahls in fünf unterschiedlichen ■5 Richtungen aufgenommen wird. In einem solchem Fall sollte dann ein Wert von 3,5 als Entscheidungsschwellwert gewählt werden. Das System wird dann stets fehlerfrei arbeiten.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind fünf

ίο Paare von Strahlungsdetektoren verwendet worden, was jedoch nur beispielhaft zu verstehen ist, da jede Zahl von Paaren größer als drei verwendbar ist. .Stall des Addierers 26 lassen sich auch Logikkreise oder Mikrocomputer einsetzen.

Bei dem bisher beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden die Strahlungsdetektoren als Einzeleinheitcn beschrieben, die mit dem Handstück verbunden sind. Doch läßt sich die gleiche Wirkung auch erzielen, wenn die Strahlungsdetektoren an die Enden in gleicher Wcise orientierter optischer Fasern angeschlossen werden. Um dann die Richtwirkung zu erzielen, sollte /wischt-n die inneren Fasern 28,30 und die äußeren Fasern 29, 31 ein Richtungsabschirmungsteil 32 eingefügt sein, wie in den F i g. 8 (a) und 8 (b) dargestellt. Bei Einsatz dcrariiger Fasern könnte die Verminderung der Brauchbarkeit für chirurgische Zwecke, die mit der Anbringung der Detektoren zusammenhängt, vermieden werden, und auch das äußere Erscheinungsbild der gesamten Einrichtung wird dadurch verbessert.

Die Ausgangscharakteristik gemäß F i g. 2 läßt sich mit einer Anordnung erzielen, bei der die Strahlungsdetektoren in der Richtung der Umfangsfläche des den Laserstrahl abgebenden Endes angeordnet sind, wodurch alle eine verschiedene Richtung erhalten.

Die Schutzvorrichtung ist in Verbindung mit einem chirurgischen Laserstrahlinstrument beschrieben worden. Sie kann jedoch auch an einem anderen Arbeitsgerät, das einen Laserstrahl benützt, eingesetzt werden. Außerdem kann anstelle eines sichtbaren Pilotlaser-Strahls auch der Hauptlaserstrahl für die chirurgischen Zwecke in Verbindung mit dem Pilotlaserstrahl des vorliegenden Systems verwendet werden, wodurch dann nur ein einziger Laseroszillator als Quelle sowohl für den Pilotstrahl als auch den Hauptstrahl benötigt wird.

In diesem Fall sind dann Vorkehrungen nötig, die die Abgabe des Hauptlaserstrahls verhindern, wenn die Strahlungsdetektoren auf einen nicht geeigneten Abstand entscheiden. Es genügt dann beispielsweise, den Hauptlaserstrahl mit einer Verschlußplatte abzudecken.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbcispiden sind mehrere Paare von Strahlungsdetektoren verwendet worden. Statt mehrerer Strahlungsdetektoren, die einen idealen Zusammenhang zwischen Abstand und Ausgangsgröße haben, wie in F i g. 9 dargestellt, lassen sich ähnlich gute Ergebnisse erzielen, wenn sie am Handstück so angebracht sind, daß sie es umgeben. Ein solcher Detektor ist in Fig. 10 gezeigt. Bei einem speziellen Beispiel, bei der der Durchmesser der optischen Fasern 28, 30 0,1 mm beträgt, liegt zwischen den Enden der Fasern und dem Ende dem Richtungsabschirmungsteil 32 ein Abstand von 20 mm. Der Durchmesser des Richtungsabschirmungsteiles beträgt an den Enden der optischen Fasern 19,6 mm und an ihrem eigener¹ Ende 14,5 mm. Der Durchmesser des sichtbaren Pilotlaser-Strahls ist 0,2 mm. Die Ein/Aus-Steuerung läßt sich in einem solchen Fall für einen Abstand von 70 ± 5 mm erreichen.

Der Grund, weswegen die Charakteristik zwischen

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Abstand und Ausgangssignal nach F i g. 9 als ideal zu bezeichnen ist, wird kurz erläutert. Aligemein ist eine Abhängigkeit zwischen Abstand und Ausgangssignal mit einem kritischen Punkt, bei dem das Ausgangssignal sich sprunghaft ändert, besonders günstig, weil damit eine genaue Abstandsbestimmung möglich wird. Es ist äußerst schwierig, eine Strecke korrekt zu bestimmen oder festzustellen, wenn in der Ansprechkurve ein derartiger kritischer Punkt nicht vorhanden ist, sofern der Detektor nicht auf Differenzbasis arbeitet.

Chirurgische Arbeiten werden gewöhnlich unter intensiver Beleuchtung durch Lampen ausgeführt, so daß es erforderlich ist, unerwünschte Einflüsse von diesen Lampen her zu unterbinden. Ein System, wie es in der Fig. 13 dargestellt ist, kann wirksam einen Pilotstrahl vom Licht der Arbeitsfeldbeleuchtung unterscheiden.

Gemäß Fig. 13 zerhackt ein auf der Ausgangsseite des Piloilascroszillators 92 vorgesehener Lichtzerhakker 93 den Pilotstrahl, der sowohl dem Handstiirk 1 al? auch synchronisierten Verstärkern 101 bis 110 zügeführt wird, dir zwischen die Detektoren 11 bis 20 und die Vcrgleichseinrichtungen 21 bis 25 eingefügt sind. Mit einer solchen Anordnung wird erreicht; daß die taktsynchronisierten Verstärker 101 bis 110 Licht nur mit einer Frequenz aufnehmen, die der Frequenz des Pilotstrahls entspricht, wodurch Einflüsse des Umgebungslichts ausgeschaltet werden. Anstelle der taktsynchronisierten Verstärker lassen sich auch Filter an den Eingängen zu den Vergleichseinrichtungen verwenden.

30 Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

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Claims (12)

Patentansprüche:

1. Sicherheitsvorrichtung für ein chirurgisches Lasergerät zur Vermeidung fehlerhafter Bestrahlung von einem chirurgisch zu behandelnden Gewebeteil (5),

— mit einer Laserstrahl-Abgabevorrichtung (1) für einen Pilotlaserstrahl und einen Hauptlaserstrahl,

— mit einer Strahlungsdetektor-Vorrichtung (2,3). die zur Aufnahme des vom Gewebeteil (5) reflektierten Pilotlaserstrahls dient, und

— mit einer Steuerschaltung (8) zur Steuerung der Abgabe und Abstrahlung des Hauptlaserstrahls, welche mit der Strahlungsdetektorvorrichtung verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet,

— daß die Strahlungsdetektorvorrichtung aus mehreren rund um den Umfang der Laserstrahl-Abgabevorrichtung verteilt angeordneten Strahlungsdetektorpaaren (11, 12; ... 19, 20) besteht,

— daß die Strahlungsdetektorpaare jeweils aus einem ersten und einem zweiten Strahlungsdetektor (11,12) bestehen,

— daß jeweils der erste Strahlungsdetektor (11) die von dem Gewebeteil (5) reflektierte Strahlung umfaßt, soweit sich dieser innerhalb eines vorgegebenen Abstandes von dem Endabschnitt der Laserstrahl-Abghbevorrichtung befindet.

— daß jeweils der zweite Strahlungsdetektor (12) die vom Gewebeteil (5) reflektierte Strahlung erfaßt, soweit sich dieser in größerem als einem vorgegebenen zweiten Abstand von dem Endabschnitt der Laserstrahl-Abgabevorrichtung

(I) befindet,

— daß jedem Strahlungsdetektorpaar (11, 12) eine Vergleichseinrichtung (21) zugeordnet ist. die mit dem ersten und zweiten Strahlungsdetektor (11,12) verbunden ist,

— daß die Vergleichseinrichtung (21) ein erstes Vergleichs-Ausgangssignal liefert, wenn das Ausgangssignal des ersten Strahlungsdetektors

(II) größer ist als das Ausgangssignal des zweiten Strahlungsdetektors (12) und ein zweites Ausgangssignal erzeugt, wenn das Ausgangssignai des zweiten Strahlungsdetektors (12) größer als das Ausgangssignal des ersten Strahlungsdetektors (1 1) ist,

— daß eine Abstands-Bestimmungseinrichtung (26, 27) vorhanden ist, der alle Vergleichs-Ausgangssignale der Vergleichseinrichtungen (21 bis 25) zugeführt werden und diese Abstands-Bestimmungseinrichtung (26, 27) ein erstes Bestimmungs-Ausgangssignal erzeugt, wenn die Mehrzahl der Vergleichseinrichtungen (21 bis 25) das erste Vergleichs-Ausgangssignal abgeben, und ein zweites Bcstimmungs-Ausgangssignal erzeugt, wenn die Mehrzahl der Vergleichseinrichtungen (21 bis 25) ein zweites Be- es stimmungs-Ausgangssignal abgeben, und

— daß die Steuerschaltung (8) mit dem Ausgang der Abstands-Bestimmungseinrichtung (26, 27) verbunden ist und bei Vorliegen des ersten Bestimmungs-Ausgangssignals die Abgabe des Hauptlaserstrahls bewirkt, hingegen bei Vorliegen des zweiten Bestimmungs-Ausgangssignals die Abgabe des Hauptlaserstrahls verhindert.

2. Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet,

— daß die Strahlungsdetektorvorrichtung aus mehreren Strahlungsdetektoren besteht, die im Bereich des Endabschnittes der Laserstrahl-Abgabevorrichtung um diese herum verteilt angeordnet sind,

— daß die Strahlungsdetektoren Ausgangssignalc erzeugen, deren Amplitude abrupt absinkt, wenn die von ihnen aufgenommene reflektierte Strahlung von einem Gewebeteil herrührt, dessen Abstand zum Endabschnitt der Laserstrahl-Abgabevorrichtung größer als ein vorgegebener Bezugsabstand ist,

— daß jeweils eine Detektor-Auswertestufe einem Strahlungsdetektor zugeordnet und mit diesem verbunden ist, die ein Ausgangssignal erzeugt, das angibt, ob der Abstand des Gewebeteils größer oder kfeiner als der Bezugsabstand ist,

— daß eine Auswerteschaltung vorhanden ist, welcher alle Ausgangssignale der Detektor-Auswertestufen zugeführt werden, und diese Auswerteschaltung über die Steuerschaltung die Abgabe des Hauptlaserstrahls bewirkt, wenn die Mehrzahl der Ausgangssignalc der Delektor-Auswertestufen einen kleineren Abstand des Gewebeteils signalisieren als der Bezugsabstand beträgt, und ferner die Auswerteschaltung über die Steuerschaltung die Abgabe des Hauptlaserstahls verhindert, wenn die Mehrzahl der Ausgangssignale (£·-·.- Detektor-Auswerteschaltungen den gleichen oder einen größeren Abstand des Gewebeteils signalisieren als der Bezugsabstand beträgt.

3. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die um die Lascrstrahl-Abgabevorrichtung herum angeordneten Strahlungsdetektoren von einem optischen Richtungsabschirmteil umgeben sind, das entsprechend dem Wert des vorgegebenen Bezugsabstandes entsprechend weit die Strahlungsdetektoren überragt.

4. Sicherheitsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsdetektoren (11 bis 20) über den Umfang eines zur Laserstrahlachse senkrecht liegenden Kreises verteilt angeordnet sind.

5. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsdetektoren optische Fasern (28 bis 31) aufweisen, die verteilt am Umfang des Endes der Laserstrahl-Abgabevorrichtung angeordnet sind und mit deren hinteren Enden die Strahlungsdetektoren (11 bis 20) verbunden sind, die mit Abstand vom Lascrstrahl-Abgabeendc angeordnet sind.

6. Sicherheitsvorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der l'iloilaserstrahl ein sichtbarer Laserstrahl ist.

7. Sicherheitsvorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Piloilaserstrahl (4) mittels eines Lichtmodulalors (93) ec-

pulst am Ende der Laserstrahl-Abgabevorrichtung (1) abgegeben wird und daß die Strahlungsdetektoren mit taktsynchronisierten Verstärkern (101 bis 110) zusammenwirken, die durch den Lichtmodulator (93) getaktet werden.

8. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den äußeren und inneren optischen Fasern (29, 31; 28, 30) der Faserpaare ein optisches Richtungs-Abschirmungsteil (32) zu Erzielung der gewünschten Meßrichtungswirkung zwischen jeweils der äußeren und inneren optischen Faser eines Faserpaares eingefügt ist, und daß die Strahlungsdetektoren (U bis 20) unterschiedliche Richtungen haben.

9. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Richtungs-Abschirmungsteil (32) entweder als Platte ausgebildet ist oder koaxial zur Laserstrahl-Abgabevorrichtung und konusförmig in Richtung der Laserstrahlabgabe zugespitzt verläuft.

10. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruchs dadurch gekennzeichnet, daß der Abschirmungskonus das Ende der Laserstrahl-Abgabevorrichtung um eine bestimmte Länge überragt.

11. Sicherheitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstands-Auswerteschaltung eine Addierstufe für die individuellen Abstands-Ausgangssignale sowie eine nachgeschaltete Abstands-Vergleichsstufe aufweist, die auf einen vorgegebenen Vergleichs- oder Schwellwert eingestellt ist, der kennzeichnend dafür ist, daß zumindest die Hälfte der Abstands-Ausgangssignale einen Abstand innerhalb des Bezugsabstandes signalisieren.

12. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichs- oder Schwellwerk gleich der Hälfte der Summe der gesamten Bezugsabstände ist.