JPH03505683A - 流体によって囲まれた固体を粉砕する方法及び装置 - Google Patents

流体によって囲まれた固体を粉砕する方法及び装置

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 流体によって囲まれた固体を粉砕する 方法及び装置 技術分野 本発明は、流体によって囲まれた固体を粉砕する方法及び装置であって、約50 0nmと約1400nmとの間の範囲の光を放出するレーザの(第1)レーザ光 を吸収媒質に向け、光音響効果又は光学穿孔により吸収媒質中又はこの媒質を囲 んだ流体中に衝撃波を発生して固体を粉砕する方法及び装置に関する。
公知技術 レーザ誘起衝撃波は例えば生体の排尿系、胆嚢範囲、胆管範囲、唾液管等の器官 又は血管内の石又は結石の粉砕、又は血管内の石灰化又は閉塞の除去に利用され る。レーザ誘起衝撃波は超音速で膨張するプラズマによって発生し、プラズマ自 身は好適な媒質にレーザ光を作用させることで発生し、媒質は固体、液体又は気 体とすることができる。本来のプラズマ反応を惹き起こす穿孔とも呼ばれる穿孔 触媒作用はプラズマ反応を維持するのに必要なエネルギーより上の高い瞬時活性 化エネルギーを必要とする。この点については論文[水中におけるレーザ誘起高 圧衝撃波(Laser−inducedhigh pressure 5hoc k waves in water)J :所収「応用物理学レター(Appl ied physics Iej+er) J第10巻、1967年46頁以下 を参照せよ。
特にレーザとして可視スペクトルの赤部又は近赤外部の光を放出するレーザを用 いる場合、集束の悪さ、焦域における不適切な媒質等の故に、パルスエネルギー が大きい場合でもレーザパルスが光学穿孔を惹き起こさないことがある。
それ故、レーザの焦点範囲に光学穿孔用「触媒」として例えばタコ/ゲステン腹 板を配置することが提案されている。かかる構成でもってレーザパルスが光学穿 孔を惹き起こす確率は高まるのではあるが、しかし焦点範囲に配置した物質、つ まり例えばタングステン腹板が強い負荷に曝されるので装置の寿命が低下する。
更に、光学穿孔発生の確率を高めるため例えば鉄(m)溶液等の好適な洗浄媒質 を用いることが提案されれている。しかしこれら洗浄媒質の多く、特に前記鉄( III)溶液は欠点として薬品法の規制下にあり、インビボ投与には現在利用で きない。
レーザ誘起穿孔用に「触媒」を使用するか否かには拘りなく、流体によって囲ま れた固体を粉砕する周知装置には尚以下の問題点がある。
レーザ誘起穿孔時、光エネルギーが機械エネルギー。
熱エネルギーに変換され、これが使用したライトガイドに反作用を及ぼし、ライ トガイドは多かれ少なかれかなりの運転時間後に破損し、もはや集束することが できず、従って衝撃波を発生できなくなる。例えば人体中の石の粉砕はしばしば レーザ誘起衝撃波を数分間、経験的にはレーザパルス約300乃至6000加え た後にはじめて始まるので、ライトガイドが手術中に磨耗によって故障する確率 はきわめて高い。別の問題点として、治療する医師にとって装置の機能故障に気 づくことがしばしば不可能であり、医師はさしあたり尚治療を継続し、普通成る 成果を得てはじめて治療を中本発明は、流体によって囲まれた固体をレーザ誘起 衝撃波により粉砕する方法又は装置を改良し、装置が過度の磨耗を受けることな く衝撃波を確実に発生するようにすることを課題とする。更に、光学穿孔が現れ ていないことに操作者が気づくことができるよう装置を改良しなければならない 。
この課題を解決する本発明方法が請求の範囲1に明示しである。それに対応した 装置が請求の範囲13の対象である。
本発明方法及び本発明装置は、約170nm乃至550nm間の波長を有し媒質 を少なくとも一部イオン化する第2のレーザ光を吸収媒質に向けることを特徴と している。
本発明は、遊離電子がレーザ誘起穿孔の発生にとって触媒として働くとの認識か ら出発する。穿孔に必要な活性化エネルギーは既存の遊離電子が多ければ多いほ ど低下する。それ数本発明によれば第2のレーザ光が使用され、これがやはり吸 収媒質に向けられ、その波長は第ル−ザ光の波長より短く、特に約170nm乃 至550nm間である。このレーザ光が吸収媒質のイオン化を通して、穿孔閾値 を下げるのに必要な電子を発生し、こうして第ル−ザ光はレーザ誘起穿孔を確実 に惹き起こすことができる。
本発明によるこの構成により、レーザ放射範囲に付加的に挿入された要素(請求 の範囲4)、例えば既に挙げたタングステン腹板の箇所でだけでなく、まさに吸 収媒質が被粉砕固体(請求の範囲2)又は被粉砕固体を囲んだ流体(請求の範囲 3)である場合でも、高エネルギー衝撃波を結果するレーザ誘起穿孔を確実に惹 き起こすことが可能である。
それとともに特に生理的に適合した認可物質、例えば水、生理的食塩水、糖液、 乳濁液又は懸濁液を用いてレーザ誘起穿孔を惹き起こすことが可能となる(請求 の範囲9)。
本発明構成によりレーザ誘起穿孔の発生が容易となり又これでもって吸収媒質と して一連の流体が考慮の対象となるので、特に請求範囲10により、機器定数に よって決まった範囲内でレーザ放射の焦点を変更可能とするため屈折率の異なる 異種流体を使用することが可能である。
屈折率の変更は特に流体の組成、濃度及び/又は温度を変えることで行うことが できる(請求の範囲11)。
本発明によるレーザ誘起衝撃波発生では短波長のレーザ光と長波長のレーザ光を 同時に同じ周波数で脈動させることが可能である(請求の範囲6)。だが請求の 範囲7により短波長のレーザ光と長波長のレーザ光を交互に又は時間をずらして 脈動させることも同様に可能である。
いずれの場合でも2つのレーザ光を単一のライトガイドにより送るのが好ましく (請求の範囲14)、これは特許請求の範囲13によれば周知の軟性又は剛性内 視鏡の構成要素である。
本発明装置は請求の範囲15によれば2つのレーザ、例えば短波長の光を発生す るいわゆるエキシマレーザ、長波長の光を発生するネオジムYAGレーザ又はエ ルビウムYAGレーザ等の赤外レーザを有することができる。
しかし更に本発明装置は、短波長の光を発生するためそのレーザ光が周知の如く 周波数逓倍された単一のレーザを有することも可能である(請求の範囲16)。
ライトガイドとしては長波長のレーザ放射も短波長のレーザ放射も送ることので きる好適な直径のモノフィラメント石英繊維等の石英繊維系ライトガイドを使用 することができる。
本発明装置ではレーザ誘起穿孔用に例えばタングステン腹板又はその他の金属腹 板の形の触媒が必要でないので本発明装置は周知装置より寿命が長い。更に身体 内で金属粒子が遊離することはない。しかし光学穿孔用触媒を用いる場合でも装 置の寿命が高まるがそれは第2レーザ光により生成する遊離電子が光学穿孔発生 の確率を高めることから第ル−ザ光の僅かなパルスエネルギーで動作できるから である。
特にライトガイドヘッドから前に十分な間隔を置いてレーザ光の焦点をずらすこ とにより該ヘッドを誘起衝撃波による熱的及び/又は機械的過負荷から保護する ことか可能となる。ライトガイドの焦点・頂点間の距離を周知装置の場合よりこ のように大きくできるのは特に本発明によるイオン化が穿孔を容易にし、大きい 開口角の光線で作業しなくてもよいからである。
請求の範囲26によれば流体中で発生して逆行する衝撃波を検出する圧力センサ が設けてあり、その出力信号は例えばオシログラフ、マイクロコンピュータ回路 等であり得る評価ユニットが検出してレーザ誘起穿孔を検知する。その際圧力セ ンサを体外に配置し、例えば洗浄媒質であり得る圧力伝達媒質で反射衝撃波によ り発生した圧力変化を伝達するのが好ましい。
その際、レーザ誘起衝撃波は被粉砕物体に作用するだけでなく物体を囲んだ流体 によっても逆方向に伝達され、例えば洗浄媒質によってプローブの通路内を通っ てプローブの近位端へと伝搬するとの考えから出発する。従って例えば圧力セン サを洗浄媒質内に挿入することで衝撃波を検出することができる。レーザパルス において衝撃波が検出されない場合、レーザ誘起穿孔は起きなかったと考えるこ とができる。その原因として例えばライトガイドの光射出面が閉じていることが ある。
更に、硬い対象物に衝突した衝撃波もこの対象物で反射し、特に洗浄媒質を通し てプローブの近位端へと伝搬する。ライトガイドヘッドの前に「硬いJ対象物が なく、専ら組織及び液体が存在するとき、レーザにより誘起された衝撃波は逆行 するだけである。従って洗浄媒質中の圧力差及び/又は圧力最大値間の時間遅延 を検出することで穿孔箇所と硬い対象物との間の距離を推論することができる。
更に、硬い対象物の「消失」後に衝撃波がこれで反射されることもないので粉砕 成果を確認することが可能であり、一連のレーザパルス後に「第2圧力最大値」 が消失することは例えば石が粉砕されたことの証となる。
図面の簡単な説明 本発明を以下、一般的発明思想を制限することなく図面を参考に実施例について 説明する。ちなみに本文のなかで詳しく説明してない本発明の全ての細部の開示 内容については図面を参照するようはっきり指摘する。
第1図はレーザ誘起衝撃波による硬い対象物の粉砕。
第2図はライトガイドから射出したレーザ光の集束。
第3図はプラズマを発生するのに必要なエネルギー。
第4図は本発明による衝撃波発生装置の実施例。
第5図は第4図の一部の拡大図。
第6.7図は別の実施例。
実施例の説明 第1図はレーザ誘起衝撃波による硬い対象物7の粉砕を概略示す。ライトガイド 2がレーザ光を硬い物体を囲んだ流体4内に送る。レーザ光はヘッド、即ちライ トガイド2の面21から射出し、ライトガイドヘッド21の前に位置する媒質4 の範囲6(以下穿孔箇所とも呼ぶ)内に衝撃波11を発生し、これが被粉砕対象 物7に衝突してこれに作用する。
第2図はライトガイド2から射出したレーザ光Sを集束する可能性を示す。ライ トガイド射出面21が凸面に形成してあり、射出したレーザ光は焦点Fに集束す る。焦点F内で穿孔が起きる。有利には焦点F1従って穿孔箇所6はライトガイ ドヘッド21の頂点よりできるだけ前に置かれる。
焦点Fとライトガイドヘッド21の頂点との距離Bは凸面射出面の曲率だけでな くライトガイドファイバ2の屈折率n1と周囲の洗浄媒質4の屈折率n2との比 によっても決まる。
ライトガイド2の屈折率n1が石英繊維によって与えられているとき焦点の距離 Bは洗浄媒質4の屈折率n2を大きくすることで拡大し又これでもってライトガ イドヘッド21から十分な距離にずらすことができる。
焦点距離Bの任意の調整は例えば所定の洗浄媒質4内に濃縮溶液、例えばぶどう 糖溶液を混入し、しかも焦点Fとの面21の頂点との任意の距離Bになるまで混 入することで行うことができる。
第3図はプラズマを発生するのに必要なエネルギーを概略示す。プラズマ反応を 安定的に維持するにはエネルギーE、が必要である。これは任意の出発エネルギ ーE1より高い。だが穿孔を達成するには、即ちプラズマ反応を起こすにはE、 より大きい活性化エネルギーEAが必要である。プラズマ反応を起こした後はじ めてこれは低いエネルギーE、により維持される。
このことが第3図の横座標に記入した時間tにより概略示しである。
第4図は体内治療、例えば腎石、胆石等の硬い対象物7を粉砕したり又は血管中 の石灰化や閉塞を除去するのに利用することのできる衝撃波を発生する本発明装 置の実施例を示す。
例えば赤外領域の光を放出するレーザ1の光がライトガイド2によりその遠位光 射出面21へと送られる。
本発明によればこのレーザが供給するエネルギーは穿孔箇所6に穿孔触媒作用を 惹き起こす。
レーザ誘起衝撃波発生装置の図示実施例では第2のレーザ10が設けてあり、こ れが紫外領域又は可視スペクトルの青領域の光を発生する。紫外レーザ10のレ ーザ放射は別のライトガイド15を介しう、イトガイド2に供給され、紫外レー ザ光と赤外レーザ光が単一の石英繊維2を通してその遠位端21から一緒に射出 する。その逆に紫外放射を通すライトガイド内に赤外レーザ光を導入することも 当然可能である。
この導入は破線で示したように同軸ガイドを通して行うか又は導入すべきレーザ 光を転向部と結合して導入するかのいずれかで行うことができる。かかる転向が 第5図に例示しである。レーザ10により発生したレーザ光はライトガイド15 を介し半透明鏡16へと送られ、該鏡により赤外レーザ光を通すライトガイド2 内に同軸で反射される。これにより両レーザ光は遠位ライトガイドヘッド21か ら一緒に射出し、ライトガイドヘッド21の凸面構成により穿孔箇所6に集束レ ーザ10の光が媒質4をイオン化し、プラズマ発生のため印加すべき活性化エネ ルギーEAが低下し、プラズマの形成が赤外レーザ光により供給されたエネルギ ーにより容易となり、従ってレーザ1の先行技術よりも少ないレーザパルスエネ ルギーで衝撃波が発生する。
ライトガイド2は好ましくは軟性ライトガイド、例えば石英繊維である。石英ガ ラス繊維2は例えば絶縁スリーブ3、例えばポリテトラフルオロエチレン製のそ れにより囲まれている。ライトガイド2の一部は結石等を粉砕すべく体腔内に挿 入される周知の管状プローブ5で囲まれている。プローブ5は好ましくは可撓性 であり、当該体腔内に曲げて挿入することもできる。
更に例えば内視鏡であるこのプローブは少なくともライトガイド2を場合によっ ては指動可能な通路内にそして洗浄媒質4用の少なくとも1つの通路内に受容す るため多肢構成である。管状プローブ5は粉砕生成物等を吸引するため別の通路 を例えば光学素子用に装備しておくこともできる。プローブの近位端51範囲に は洗浄媒質4、例えば水又は糖溶液用接続管8が設けてあり、洗浄媒質は貯槽8 3から導管81を介しポンプ82により計量して装入される。洗浄媒質4はプロ ーブ5の遠位端52から射出し、ライトガイドヘッド21を囲む。洗浄媒質はそ れ自身がプラズマ発生物質であるか又はそれを含んだものとすることができる。
第6,7図は本発明装置の別の実施例を示しており、そこではプローブ5の遠位 端52にライトガイドヘッド21より前で支持体6により好適な要素61が配置 しである。この要素はレーザ誘起穿孔用「触媒」、即ちプラズマとして働き、例 えばタングステン腹板であり得る。ちなみにこの実施例では同じ部品には同じ符 号が付けである。
タングステン腹板61はレーザ誘起衝撃波2用穿孔箇所又は穿孔位置10となる 。これが第7図に拡大して図示しである。ライトガイドにより伝送されたレーザ パルスはタングステン腹板61に直接衝突して衝撃波11vを発生し、衝撃波は 光方向に更に硬い対象物、例えば石7へと伝搬する。同時に対象物は穿孔箇所1 0で発生した衝撃波を反射し、これが衝撃波11Rとしてプローブの近位端51 へと伝搬する。プローブ5を通して(既に述べたように)洗浄媒質4、つまり液 体が導入され、プローブ遠位端52から射出し、体腔内への空間及び被粉砕対象 物7の周囲を満たす。この洗浄液はタングステン腹板61、即ち穿孔箇所で誘起 された衝撃波用伝達媒質となる。洗浄媒質として水又はその他の身体に適合した 好適な液体も利用することができる。
穿孔箇所10から逆行する衝撃波の他、石7に衝突した衝撃波11Vも穿孔箇所 10で反射し、第1衝撃波11Rより遅れて第2衝撃波11VRとして近位端方 向に伝搬する。両方の衝撃波は洗浄媒質によりプローブ5の通路を通して圧力セ ンサ9へと転送され、センサの出力信号は例えばオシログラフ12により表示さ れる。洗浄媒質4内をプローブ遠位端52から反射して逆行しプローブ5の近位 端へと移動する衝撃波を測定する圧力センサ9は図示実施例の場合例示的に接続 管8の範囲で出口穴84に取り付けである。圧力センサ9をプローブ5内のプロ ーブ近位端51の範囲に直接配置することも可能であり、その際衝撃波は圧力セ ンサのできるだけ正面に当たるべきである。
例えばタングステン腹板又はライトガイド2の射出面21が磨耗して衝撃波がも はや発生しないなら反射衝撃波を圧力センサ9が記録することもない。これでも ってレーザ誘起衝撃波を発生するプローブの機能性を明確に点検することが操作 中でも可能となる。更に本装置でもって、プローブの遠位端が被粉砕対象物7に 十分近くに接近しているかどうかを点検することができる。プローブが石7の直 前にあるときにはじめて、発生した衝撃波が反射され又圧力センサ9による検出 及び記録が可能となる。これはプローブがレーザパルスを送出しながら、内視鏡 を利用する必要もなしに、体腔内の任意の箇所にまで挿入できることを意味する 。
プローブの遠位端が被粉砕対象物に接近するやオシロスコープ12の圧力表示が 変化し、任意の位置決めを行うことができる。対象物7が粉砕されたならもはや 衝撃波が対象物で反射されないので再びオシロスコープ12の圧力表示が変化し 、執刀医は彼が目的を達成したことを知る。圧力が完全に落ちるとこのことは衝 撃波がもはや発生せずそして装置が機能停止したことの兆候である。こうしたこ とは結合器の故障又はライトガイドヘッドの破損により起きることがある。
圧力センサとしては市販の高感度圧力ビックアップを使用することができる。圧 電式圧力ビックアップの場合圧力ビックアップから送出された電荷信号は通常ど おり電荷増幅器により比例出力信号に変換され、これが次に評価装置に供給され る。
更に本発明によれば2つの圧力センサを同時に且つ穿孔箇所から等間隔で使用し て雑音を 別し測定精度を高めることも可能である。
以上、一般的発明思想を制限することな〈実施例に基づき本発明を説明してきた が、その枠内でさまざまな変形態様も勿論可能である。
例えば本発明では反射した単数又は複数の衝撃波を基に圧力変化の検出を行うが 、これは体内で行うこともできる。例えばタングステン腹板の形の結合器が設け ていないときでも勿論圧力測定は行うことができる。
本発明により行う圧力測定では粉砕成果の監視も可能であるので、吸収媒質のイ オン化に第2のレーザ放射を使用しない装置においてこれを利用することさえ可 能である。かかる装置が第6図に示しである。
更に、異なる波長範囲の光を発生するのに2つのレーザを設ける必要は勿論ない 。むしろ、発生したレーザ光の一部を周知の如く短波長の光を発生するため周波 数逓倍するようになったレーザ、例えばネオジムY AGレーザを使って作業す ることもできる。かかる周波数逓倍はネオジムYAGレーザ以外のレーザでも勿 論行うことができる。
国際調査報告 DE 8900677 5A    31B02

Claims (28)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.流体によって囲まれた固体を粉砕する方法であって、約500nmと約14 00nmとの間の範囲の光を放出するレーザの(第1)レーザ光を吸収媒質に向 け、光音響効果又は光学穿孔により吸収媒質中又はこの媒質を囲んだ流体中に衝 撃波を発生して固体を粉砕する方法において、約170nm乃至550nm間の 波長を有し媒質を少なくとも一部イオン化する第2のレーザ光を吸収媒質に向け ることを特徴とする方法。
  2. 2.媒質が被粉砕固体であることを特徴とする請求の範囲1記載の方法。
  3. 3.媒質が被粉砕固体を囲んだ流体であることを特徴とする請求の範囲1記載の 方法。
  4. 4.媒質がレーザ放射範囲内に付加的に挿入した要素であることを特徴とする請 求の範囲1記載の方法。
  5. 5.2つのレーザ光を脈動させることを特徴とする請求の範囲1乃至4のいずれ か1項記載の方法。
  6. 6.2つのレーザ光を同時に同じ周波数で脈動させることを特徴とする請求の範 囲5記載の方法。
  7. 7.第2レーザ光のレーザパルスが第1レーザ光のレーザパルスより前で始まる ことを特徴とする請求の範囲5記載の方法。
  8. 8.両方のレーザ光を吸収媒質に集束することを特徴とする請求の範囲1乃至7 記載のいずれか1項記載の方法。
  9. 9.流体が水,生理的食塩水,糖溶液又は懸濁液であることを特徴とする請求の 範囲3乃至8のいずれか1項記載の方法。
  10. 10.焦点を調整するため流体の屈折率が可変であることを特徴とする請求の範 囲8に関連した請求の範囲9記載の方法。
  11. 11.流体の組成,濃度及び/又は温度を変えることで屈折率が変更を行うこと を特徴とする請求の範囲10記載の方法。
  12. 12.第1レーザ光の波長が270nm乃至400nm、第2レーザ光の波長が 700nm乃至1200nmであることを特徴とする請求の範囲1乃至11いず れか1項記載の方法。
  13. 13.生体の排尿系,胆嚢範囲,胆管範囲又は唾液管内の結石を粉砕する装置で あって、約500nm乃至約1400nm間の範囲の光を放出するレーザ装置を 有し、これがライトガイドを吸収媒質に向け、光音響効果又は光学穿孔を利用し て吸収媒質中又はこの媒質を囲んだ流体中に衝撃波を発生して結石を粉砕するも のにおいて、レーザ装置が波長約170nm乃至550nm間の第2のレーザ光 を放出し、これが媒質を一部イオン化することを特徴とする装置。
  14. 14.ライトガイドが周知内視鏡の構成要素であることを特徴とする請求の範囲 13記載の装置。
  15. 15.単一のライトガイドが波長約500nm乃至1400nm間の光と波長約 170nm乃至550nm間の光を器官又は血管内に送ることを特徴とする請求 の範囲13又は14記載の装置。
  16. 16.レーザ装置が2つのレーザを有し、これらが約500nm乃至1400n m間の範囲と約170nm乃至550nm間の範囲の光を発生することを特徴と する請求の範囲13乃至15のいずれか1項記載の装置。
  17. 17.レーザ装置が約500nm乃至1400nm間の範囲の光を発生するレー ザを有し、これが約170nm乃至550nm間の範囲の光を発生するための周 波数逓倍してあることを特徴とする請求の範囲13,14のいずれかに記載の装 置。
  18. 18.2つのレーザ光を脈動させたことを特徴とする請求の範囲13乃至17の いずれか1項記載の装置。
  19. 19.2つのレーザ光を同時に同じ周波数で脈動させたことを特徴とする請求の 範囲18記載の装置。
  20. 20.第2のレーザ光のレーザパルスが第1レーザ光のレーザパルスの前で始ま ることを特徴とする請求の範囲18記載の装置。
  21. 21.ライトガイドに接続して集束装置が設けてあり、これがレーザ光を吸収媒 質に集束することを特徴とする請求の範囲13乃至20のいずれか1項記載の装 置。
  22. 22.内視鏡が少なくとも更に1つ別の通路を有し、これを通して洗浄液として 水,生理的食塩水,糖溶液又は懸濁液等の流体が供給可能であることを特徴とす る請求の範囲13乃至21のいずれか1項記載の装置。
  23. 23.焦点を調整するため流体の屈折率が可変であることを特徴とする請求の範 囲21に関連した請求の範囲22記載の装置。
  24. 24.流体の組成,濃度及び/又は温度を変えることで屈折率の変更を行うこと を特徴とする請求の範囲23記載の装置。
  25. 25.内視鏡が周知の如く被粉砕結石を目視観察する装置を有することを特徴と する請求の範囲13乃至24のいずれか1項記載の装置。
  26. 26.流体中に発生して逆行する衝撃波を検出する圧力センサが設けてあり、そ の出力信号を評価ユニットが検出してレーザ誘起穿孔を検出することを特徴とす る請求の範囲13乃至25のいずれか1項又は請求の範囲13の前提部分に記載 した装置。
  27. 27.圧力センサを体外に配置し、圧力伝達媒質を設けたことを特徴とする請求 の範囲26記載の装置。
  28. 28.2つの圧力センサを設けたことを特徴とする請求の範囲26又は27記載 の装置。
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