DE4108146C2 - Vorrichtung zum Abtragen von Material mit Laserlicht - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Abtragen von Material, insbesondere von biologischem Gewebe, mit einem Lasersystem, das Laserpulse erzeugt, die über eine Fokussier- und Ablenkeinrichtung in zu einem Bündel zusammengefaßte Lichtleitfasern ein­ koppelbar sind, die den Laserpuls an die Stelle leiten, an der Material abgetragen werden soll, wobei das Bündel in wenigstens zwei Gruppen von Lichtleitfasern aufgeteilt ist, so daß die einzelnen Gruppen von Licht­ leitfasern nacheinander mit Laserpulsen beaufschlagbar sind.

Beispielsweise in der Laserchirurgie werden Lasersyste­ me verwendet, die aufgrund ihrer hohen Lichtleistung Gewebe in so kurzer Zeit verdampfen, daß praktisch keine Wärmebelastung für das nichtbestrahlte, gesunde Gewebe auftritt. Für derartige Laser-induzierte Vorgän­ ge werden die verschiedensten Lasersysteme, darunter seit einiger Zeit verstärkt sog. Excimer-Laser, die Licht im UV-Bereich emittieren, verwendet.

Die vorstehend beschriebenen Abtragungsprozesse werden auch als Photoablationsmechanismen bezeichnet und fin­ den vor allem in der Mikrochirurgie (Angioplastie, Oph­ thalmologie, Orthopädie etc.) Anwendung, um auf mög­ lichst schonende Weise Gewebe abzutragen.

In der Regel werden bei mikrochirurgischen Operationen sog. Operationshandstücke, beispielsweise Katheder verwendet, in denen das Laserlicht in sogenannten Lichtleitfasern an die Stelle geleitet wird, an der Material, d. h. beispielsweise Gewebe abgetragen werden soll. Die Fähigkeit der Lichtleitfasern, Laserlicht zu transportieren, ist jedoch begrenzt, da ab einer spezi­ fischen Leistungsdichte die Fasern durch das Laserlicht zerstört werden.

Da - um beispielsweise ein flexibles Katheder zu erhal­ ten - dünne Fasern benutzt werden müssen, die zu Bün­ deln zusammengefaßt sind, weisen die Operationshand­ stücke in Regel viele Fasern auf, damit Laserpulse hoher Energie transportiert werden können, so daß mög­ lichst schnell und effizient operieren werden kann.

Vor allem im Bereich der Angioplastie, d. h. der Gefäß­ chirurgie tritt jedoch folgendes Problem auf: Jeder Laserpuls erfaßt und entfernt nur eine begrenzte Gewe­ betiefe. Diese gewebespezifische Tiefe, die in etwa der Eindringtiefe des Laserlichtes entspricht. Beträgt nur wenige um. Bislang ist man bestrebt gewesen, eine mö­ glichst hohe Flächendichte der Energie bzw. Leistung am Faserausgang zu erreichen. Die Operationsgeschwindig­ keit hängt dabei nicht nur von der Energie pro Laser­ puls, sondern auch von der Wiederholrate (Repititions­ rate) der Laserpulse ab. Diese ist bei bekannten Vor­ richtungen zum Abtragen von Material und insbesondere von biologischem Gewebe, mit einem Lasersystem auf Werte von weniger als ca. 25 Hz begrenzt, da bei höhe­ ren Pulsraten das Gewebe zu stark thermisch belastet wird.

Um hohe Operationsgeschwindigkeiten zu erreichen, ist man in der Vergangenheit bestrebt gewesen, so viel Energie wie möglich pro Laserpuls durch das Faserbündel zu leiten. Beispielsweise in der Angioplastie wird mit Excimer-Lasern gearbeitet, die am Faserbündelausgang (je nach Faserbündeldurchmesser) Gesamtenergien zwi­ schen 30 und 80 mJ abgeben. Die einzelnen Fasern im Bündel werden dabei gleichzeitig und möglichst gleich­ mäßig mit dem Laserstrahl beaufschlagt. Bei Lasersyste­ men mit anderen Wellenlänge, wie beispielsweise Neo­ dym-YAG-Lasern, Holmium- oder Dylaser müssen jedoch noch sehr viel höhere Laserpulsenergien verwendet wer­ den, um einen Ablationseffekt zu erzielen.

Aufgrund der schnellen Verdampfung des Gewebes - die Verdampfungsvorgänge laufen typischerweise im Mikrose­ kunden-Bereich ab - bildet sich eine Stoßwelle aus, die in das umliegende Gewebe eindringt. Die dabei auftre­ tenden hohen Druckgradienten können zu erheblichen Disruptionen und Schädigungen in der Umgebung führen. Eine Schädigung des Gewebes und der Zellagen, die rela­ tiv weit von dem ablatierten Bereich entfernt liegen, ist somit unvermeidbar. Es kommt zu traumatischen Ver­ änderungen, die zu erheblichen Gewebeirritationen füh­ ren können. Als Folge wird ein erneutes Wachstum der Zellagen beobachtet, wodurch eine Restenosierung (Wie­ derverengung) einsetzen kann.

Der Laser, ursprünglich als das atraumatische Werkzeug gepriesen, erweist sich im µm-Bereich als durchaus schädigend. Ursache hierfür dürfte - wie erfindungsge­ mäß erkannt worden ist - nicht der Ablationsprozeß per se sein, sondern die mit dem Ablationsprozeß bei her­ kömmlichen Lasersystemen verbundene Stoßwelle.

Das vorgenannte Stoßwellenproblem wird weder in der DE 37 42 553 A1 angesprochen, aus der eine Laserstrahl­ vorrichtung für ein Laserarbeitsplatzsystem hervor­ geht und technologisch als Stand der Technik anzusehen ist. Noch wird in der US 4 967 745 der Kerngedanke der Stoßwellenerzeugung aufgeworfen, zumal darin eine Laserkatheterspitze beschrieben ist, die eine körperliche Abtrennung zwischen dem zu bestrahlendem Material und der Lichtaustrittsfläche einer Lichtleit­ faser vorsieht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zum Abtragen von Material und insbesondere von biologischem Gewebe mit einem Lasersystem anzugeben, bei der der Abtragungsprozeß schonend ausgeführt wird, so daß er keine oder nur eine vernachläßigbar kleine schädigende Wirkung auf das zurückbleibende Material, insbesondere auf das gesunde Gewebeumfeld, be­ sitzt.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, daß es zur Lösung dieser Aufgabe erforderlich ist, die Erzeu­ gung von Stoßwellen bei der Ablation zu vermeiden.

Überraschenderweise kann dieser Grundgedanke dadurch realisiert werden, daß weiterhin von einer Vorrichtung zum Abtragen von Material und insbesondere von biologi­ schem Gewebe, mit einem Lasersystem, das Laserpulse erzeugt, die in zu einem Bündel zusammengefaßte Licht­ leitfasern einkoppelbar sind, die den Laserpuls an die Stelle leiten, an der Material abgetragen werden soll, ausgegangen wird.

Eine derartige Vorrichtung wird erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, daß die Aufeinanderfolge zweier Laser­ pulse, die in das Bündel von Lichtleitfasern einge­ koppelt werden, derart gewählt ist, daß sich durch die Lichtapplikation pro Laserpuls innerhalb des abzu­ tragenden Materials entstehende Stoßwellen zeitlich nicht überlagern. Hierzu ist das Bündel in bekannter Weise in wenigstens zwei Gruppen von Lichtleitfasern aufgeteilt, so daß jeder Laserpuls in wenigstens eine Gruppe von Lichtleitfasern nicht eingekoppelt wird.

Anders ausgedrückt, erfolgt die Lichteinkoppelung in das Lichtleitfaserbündel derart zeitlich und räumlich getrennt, daß die einzelnen Lichtleitfasern bzw. -grup­ pen zeitlich getrennt und in serieller räumlicher Ab­ folge von jeweils mindestens einem Laserimpuls gezielt bestrahlbar sind.

Die Erfindung geht dabei von der Vorstellung aus, daß die Ausbildung der Stoßwelle eine direkte Folge der hohen Energie pro Laserpuls ist, die über die gesamte Katheterquerschnittsfläche an das Gewebe appliziert wird. Wird nur eine einzelne Faser aus dem Laserfaser­ bündel mit dem Laserlicht bestrahlt, so wird wesentlich weniger Energie am Katheterausgang freigesetzt; folg­ lich wird die Stoßwelle bedeutend geringer. Das gleiche gilt aber auch für die Gewebemenge, die ablatiert wird. Um diesen Effekt zu kompensieren, werden mit der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung die Fasern des Bündels sequen­ tiell mit Laserlicht bestrahlt, d. h. jede Faser wird in zeitlicher Aufeinanderfolge einzeln mit Licht beauf­ schlagt. Der zeitliche Abstand zwischen zwei Laser­ pulsen muß hierbei so gewählt werden, daß die Stoßwelle des ersten Laserpulses sich bereits so weit verdünnt hat, daß eine Überlagerung mit der von der benachbarten Faser ausgesendeten Druckwelle ausgeschlossen werden kann. Da sich Druckwellen typischerweise mit einigen 1000 m/sec. ausbreiten und die Gewebetiefe, innerhalb der eine Schädigung vermieden werden soll, maximal 1 mm beträgt, berechnet sich so eine minimale Zeit zwischen zwei Pulsen zu ca. 10^-6 sec. Werden hingegen die ein­ zelnen Fasern mit einer Frequenz von kleiner als 10⁶ Hz mit Licht versorgt, so werden die sich ausbildenden Druckwellen sich nicht überlagern können. Jede einzelne Druckwelle wird wesentlich kleiner sein, da sie nur von der Energie einer einzelnen Faser erzeugt wird.

Die erfindungsgemäße Idee besteht daher darin, die einzelnen Fasern des Bündels sequentiell mit Laser­ pulsen zu belasten, wobei im Bereich der Angioplastie jede Faser nicht mehr als 25 Laserpulse pro Sekunde erhalten soll. Auf diese Weise wird der gleiche Effekt erzielt, als würden alle Fasern gleichzeitig 25 Laser­ pulse pro Sekunde erhalten. Die Frequenz der Laserpulse muß entsprechend heraufgesetzt werden, die Energie des einzelnen Laserpulses wird entsprechend herunterge­ setzt.

Die obengenannte Überlegung soll mit dem folgenden Zahlenbeispiel verdeutlicht werden:
In einem typischen Angliopalastie-Katheter sind ca. 50 Lichtleitfasern angeordnet. Bei einer Einzelfaserfre­ quenz von 25 Hz müßte der Laser mit einer Wiederholrate von 1.250 Hz betrieben werden. Gleichzeitig müssen die einzelnen Pulse auf jede einzelne Faser abgebildet werden. Der Laserstrahl muß sozusagen über das Faser­ bündel gescannt werden. Die Laserpulsfrequenz liegt in Größenordnungen unterhalb der oben abgeschätzten Grenz­ frequenz von 10⁶ Hz. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in der Praxis beispielsweise dadurch realisiert werden, daß am lichteintrittseitigen (proximalen) Ende der Lichtleitfasern ein Scanvorrichtung angeordnet ist, die die Laserpulse derart ablenkt, daß die Laser­ impulse die Licht-Eintrittsflächen der einzelnen Fasern "abtastet".

Da die Betriebsdaten beispielsweise von Excimer-Lasern eine solche Betriebsform ermöglichen, ist diese Form der schonenden Behendlung mit bekannten Lasersystem möglich.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla­ risch beschrieben.

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise zur Gewebeabtragung mit einem herkömmlichen Multifaserbündel,

Fig. 2 eine herkömmliche Anordnung zur simultanen Laserstrahleinkopplung in ein Multifaser­ bündel,

Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung zur Erläuterung der Funktion einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung mit Spiegelumlenkung und

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit rotierender Prismenscheibe.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zum Abtragen von Gewebe 4 weist einen Katheter 2, in dessen Inneren eine Vielzahl von Lichtleitfasern 1 geführt sind. Bei den bisher angewandten Photoablationstechniken werden die einzelnen Fasern im Bündel simultan mit dem Laser­ strahl beaufschlagt. Durch die pro Laserimpuls am Fa­ serausgang austretenden Lichtenergien werden die unmit­ telbar an dem Katheterkopf anliegenden Gewebe schichten derart thermisch stark belastet, daß das Gewebe ver­ dampft. Aufgrund des sich hierbei explosionsartig aus­ dehnenden Gewebematerials 3 wird zum einen das abla­ tierte Material vor dem Katheterkopf zur Seite ver­ drängt und zum anderen entsteht eine sich in den umlie­ genden Gewebebereich ausbreitende Stoßwelle 5, die zu besagten Gewebe- und Zellagenschädigungen führen.

In Fig. 2 wird die bislang in der Laserchirurgie ange­ wandte Lichteinkopplung in sogenannte Multifaserbündel dargestellt. Hierbei durchläuft der vom Lasersystem kommende Laserstrahl 6 eine optische Abbildungslinse 7, die den Lichtstrahl in Größe und Form an die geometri­ schen Verhältnisse der Einkoppelfläche eines Multifa­ serbündels 8 anpaßt. Dabei werden alle einzelnen Licht­ leitfasern, die innerhalb des Multifaserbündels geführt werden, gleichzeitig und möglichst gleichmäßig mit Laserlicht bestrahlt.

Eine Vorrichtung zur sequentiellen Lichteinkopplung in einzelne in einem Multifaserbündel enthaltene Licht­ leitfasern ist in Fig. 3 dargestellt. Der Laserstrahl 9 wird durch eine Abbildungslinse 10 und über einen, um die Rotationsachse D drehbar gelagerten, Spiegel auf jeweils einzelne Lichtleitfasern bzw. -gruppen räumlich abgebildet. Um die Spiegelführung möglichst einfach zu gestalten, sind die einzelnen Lichtleitfasern, die zu einem Multifaserbündel 12 zusammenfinden, linear ange­ ordnet. Jede davon abweichende, regelmäßige räumliche Anordnung von Lichtleitfasern ist jedoch ebenfalls denkbar (z. B. Dreieck, Rechteck etc.). Durch taktweises Verdrehen des Spiegels 11 um die Rotationsachse D wer­ den in zeitlicher Übereinstimmung mit der Repetitions­ rate des Pulslasers somit nacheinander alle Lichtlei­ tfasern bzw. -gruppen beleuchtet.

Die Taktfrequenz der Spiegelverstellung muß jedoch nicht notwendigerweise mit der Repetitionsrate des Lasersystems übereinstimmen, d. h. pro Strahlabbildung auf eine Lichtleitfaser bzw. -gruppe kann mehr als ein Lichtimpuls übertragen werden.

Eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung ist in Fig. 4 dargestellt. Das Laserstrahlbündel 13 durchläuft ebenfalls eine optische Abbildungslinse 14 und passiert anschließend ein speziell in den Randbereich einer sich um die Achse R drehenden Scheibe 16 eingelassenes Prisma 15, das das Strahlbündel 13 auf eine Lichtleit­ faser bzw. -gruppe 17 fokussiert. Dabei ist die radiale Anbringung einer Vielzahl von Prismen (in der Quer­ schnittsdarstellung sind nur zwei dargestellt - 15, 15′) im Randbereich der Scheibe 17 derart vorgesehen, daß der Laserstrahl die Prismen (15, 15′, . . . ) zeitlich hin­ tereinander durchdringt, wobei die Strahlabbildung während der Rotation der Scheibe 16 jede Lichtleitfaser bzw. -gruppe in Abfolge erfaßt. Die Rotationsgeschwin­ digkeit der Scheibe gibt dann die mittlere Pulsrate der Anordnung an.

Die Methoden des sequentiellen Abtastens können auch dazu benützt werden, nur Teile des Katheterquerschnitts zu aktivieren. Hierbei werden Lichtleitfasern gezielt von der Bestrahlung ausgenommen, was technisch bei den dargestellten Vorrichtungen leicht zu realisieren ist. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn eine geeignete Nachweismethode verwendet wird, die es er­ laubt, das vor dem Katheter befindliche Gewebe zu er­ kennen.

Als weiterer Vorteil dieser Strahlablenkungs-Methode kommt hinzu, daß damit jede einzelne Faser mit der gleichen Energie beaufschlagt werden kann. Dies ist bei einer gleichzeitigen Beleuchtung des Bündels nur sehr schwer möglich, da jeder Laserstrahl mehr oder weniger ausgeprägte Inhomogenitäten aufweist. Die gesamte mitt­ lere Leistung, die somit durch eine Faser transportiert wird, kann auf diese Weise nicht unerheblich gesteigert werden, so daß sich eine erhebliche Steigerung der Schnittgeschwindigkeit ergibt.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Abtragen von Material (4), ins­ besondere von biologischem Gewebe, mit einem Laser­ system, das Laserpulse erzeugt, die über eine Fokussier- und Ablenkeinrichtung in zu einem Bündel zusammengefaßte Lichtleitfasern (1) einkoppelbar sind, die den Laserpuls an die Stelle leiten, an der Material abgetragen werden soll, wobei das Bündel in wenigstens zwei Gruppen (17) von Lichtleitfasern aufge­ teilt ist, so daß die einzelnen Gruppen von Lichtleitfasern nacheinander mit Laserpulsen beaufschlagbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufeinanderfolge zweier Laserpulse, die in das Bündel (8, 12) von Licht­ leitfasern eingekoppelt werden, derart gewählt ist, daß sich durch die Lichtapplikation pro Laserpuls innerhalb des abzutragenden Materials entstehende Stoßwellen zeit­ lich nicht überlagern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Re­ petitionsfrequenz der Laserpulse 10 MHz beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Re­ petitionsrate mit der eine Lichtleitfaser (1) mit einem Laserpuls beaufschlagt wird, 25 Hz beträgt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfasern regel­ mäßig, vorzugsweise linear, innerhalb des Lichtleit­ faserbündels angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteinkopplung in jede einzelne Lichtleitfaser bzw. -gruppe über einen Spiegel (11) vornehmbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteinkopplung in jede einzelne Lichtleitfaser bzw. -gruppe durch eine, auf einer rotierenden Scheibe (16) angebrachten, Prismenanordnung (15, 15′, . . . ) vornehmbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie jedes Laser­ pulses so bemessen ist, daß die Tiefe seiner Wirkung im Material in etwa dem Fleckdurchmesser entspricht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasersystem einen Excimer-Laser aufweist.