WO1992016154A1 - Vorrichtung zum abtragen von material mit laserlicht - Google Patents

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WO1992016154A1
WO1992016154A1 PCT/DE1992/000219 DE9200219W WO9216154A1 WO 1992016154 A1 WO1992016154 A1 WO 1992016154A1 DE 9200219 W DE9200219 W DE 9200219W WO 9216154 A1 WO9216154 A1 WO 9216154A1
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laser
laser pulse
bundle
shock
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PCT/DE1992/000219
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Kristian Hohla
Johannes Agethen
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Technolas GmbH
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Technolas Laser Technik GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a device for removing material and, in particular, biological tissue, with a laser system that generates laser pulses and a light-guiding device that has bundled light-guiding fibers into which the laser pulses are coupled. and direct the laser pulse to the point at which material is to be removed.
  • laser systems which, due to their high light output, evaporate tissue in such a short time and thus remove it in such a way that there is practically no heat load for the surrounding non-irradiated tissue.
  • a wide variety of laser systems including so-called excimer lasers which emit light in the UV range, have been used for such laser-induced processes.
  • ablation processes described above are also referred to as photoablation and are used above all in microsurgery (angioplasty, ophthalmology, orthopedics, etc.) in order to remove tissue as gently as possible.
  • photoablation is also used to machine workpieces or the like.
  • the known devices for photoablation generally have a light guide device which guides the laser light to the point at which material, for example tissue, is to be removed.
  • the light guide device is integrated in so-called surgical handpieces or flexible catheters and must therefore have great flexibility.
  • optical fibers are generally used as the light-guiding device. Since optical fibers are destroyed by the laser light when it exceeds a certain specific power density, the optical fiber device has a plurality of fibers which are combined into a bundle. This enables high-energy laser pulses to be transported.
  • Each laser pulse only detects and removes a limited depth of tissue.
  • This tissue-specific depth which corresponds approximately to the penetration depth of the laser light, is only a few ⁇ m. So far, efforts have been made to apply the greatest possible amount of energy or power to the largest possible area in order to remove as much tissue as possible per laser pulse.
  • the speed of operation does not depend only from the energy per laser pulse and the area acted upon, but also from the repetition rate (repetition rate) of the laser pulses.
  • the repetition rate is essentially not limited by the physically possible repetition rate of the laser system, but by the thermal stress on the tissue that is too high at higher pulse rates .
  • the repetition rate in known generic devices for removing material is less than about 25 Hz.
  • excimer lasers are used, which emit total energies between 30 and 80 mJ at the fiber bundle exit (depending on the fiber bundle diameter).
  • the individual fibers in the bundle are applied simultaneously and as evenly as possible with the laser beam.
  • laser systems with other wavelengths such as neodymium-YAG lasers, holmium or dye lasers, however, much higher laser pulse energies must be used in order to achieve an ablation effect.
  • the laser originally intended as the atraumatic tool, has therefore proven to be quite damaging in the um area.
  • the invention has for its object to provide a device for removing material and in particular biological tissue with a laser system, in which the removal process is carried out gently, so that it has no or only a negligibly small damaging effect on the environment, for example owns a healthy tissue environment.
  • the invention is based on the knowledge that the cause of the traumatic damage to the surroundings of the ablated area is the ablation process per se, but rather the shock wave associated with the ablation process in the conventional procedure. Therefore, the procedure according to the invention is such that the generation of shock waves during ablation is avoided as far as possible.
  • the light is coupled into the optical fiber bundle in such a way that it is separated in time and space in such a way that the individual optical fibers or groups are deliberately acted upon in time and in serial spatial order by at least one laser pulse each.
  • the invention is based on the idea that the formation of the shock wave is a direct consequence of the high energy per laser pulse, which is necessary when the light is applied over the entire Kätheterguer cutting surface in order to achieve "usable" removal rates.
  • the invention therefore, only one laser pulse is coupled into a single optical fiber or a group of fibers, which only irradiates a small area and whose energy is so low that it does not trigger any or no traumatic shock wave.
  • the thermal load on the area affected by the light spot is low, so that the pulse repetition frequency can be increased significantly in a device according to the invention compared to the prior art (claim 7).
  • the energy of each laser pulse is dimensioned such that the depth of its effect in the tissue corresponds approximately to the spot diameter (claim 11).
  • the maximum achievable pulse repetition frequency is consequently no longer determined by the traumatic effect, but (except by the performance of the laser) only by the fact that the time interval between two laser pulses must be selected so that the shock wave of the first laser pulse is already so has greatly diluted that an overlay with the shock wave, which is generated by the laser pulse transported by the adjacent optical fiber or group, no longer causes a traumatic effect.
  • each individual pressure wave is significantly smaller, so that it has no pain or traumatic effect.
  • the basic idea according to the invention therefore consists in sequentially applying laser pulses to the individual optical fibers of the bundle, a typical pulse repetition frequency being used, for example, in the area of angioplasty for each fiber is approximately 25 laser pulses per second (but not significantly more), so that the same total deposited energy is obtained as if a conventional device were operated with 25 laser pulses per second.
  • the basic concept according to the invention thus differs not only because of the fact that the laser beam - in contrast to the prior art - is "scanned" into an optical fiber bundle, but also fundamentally from the devices in the prior art, in which a " scanning movement "of the laser beam is used:
  • the "scan movement" of the scanning beam is used to ablate an area which is substantially larger than the area which is associated with a "stationary" beam and a correspondingly widened beam spot could be processed therapeutically.
  • the optical fibers are aligned in such a way that the light exit surfaces of optical fibers, the light entry surfaces of which are adjacent, are also adjacent.
  • the optical fibers can be arranged in the bundle regularly and in particular in a linear manner (claim 3).
  • a scanning device each of which applies a laser pulse to a specific group of optical fibers
  • the "scanning pattern" of the scanning device is imaged on the light entry surfaces of the optical fibers on the light exit surfaces, so that even when several optical fibers are exposed to a laser pulse at the output the optical fibers are defined and reproducible conditions.
  • a shock or pressure wave sensor which detects the shock wave or pressure wave triggered by each individual laser pulse.
  • An evaluation unit records the respective impact or pressure wave in association with the optical fiber or group of optical fibers acted upon by the triggering laser pulse.
  • the maximum value and the amplitude of the shock wave triggered by a laser pulse with a certain pulse duration and with a certain energy depend on the material that the laser pulse hits:
  • shock wave profiles for plaque and calcined tissue there are different shock wave profiles for plaque and calcined tissue than for normal tissue.
  • the detection of the generated shock wave in association with the respectively applied optical fiber or group of optical fibers and thus - i.e. on the basis of the features of claims 2 and 3, the location where the laser pulse strikes, a statement about the type of ablated material.
  • any pressure sensors for example intracorporeal sensors, which are arranged in a ring around the distal end of the optical fiber bundle can be used as the shock or pressure wave sensor.
  • shock or pressure wave sensor can be arranged extracorporeally, since it detects the shock or pressure wave transmitted by the bundle of optical fibers.
  • the property of a device according to the invention that the pulsed laser beam sequentially scans the area to be ablated can also be used for an optical determination of the type of material to be ablated:
  • an optical sensor is provided which detects the wavelength distribution of the fluorescent light triggered by each individual laser pulse.
  • An evaluation unit determines the material of the affected area from the wavelength distribution in association with the optical fiber or group of optical fibers acted upon by the triggering laser pulse.
  • any scanning devices for example the scanning devices described in WO 87/01819, can be used as the scanning device which generates the "scanning" movement of the pulsed laser beam over the optical fiber bundle.
  • the scanning device can have a mirror or a prism arrangement mounted on a rotating disk.
  • FIG. 3 shows a simplified illustration to explain the function of a device according to the invention with mirror deflection
  • FIG. 4 shows a cross section through a device according to the invention with a rotating prismatic disk.
  • the device shows the distal region of a device for removing tissue 4.
  • the device has a large number of optical fibers 1, which are arranged in a bundle 2 and integrated into a catheter 2 1 .
  • FIG. 2 shows that, in known devices for photoablation, the individual fibers 1 in the multifiber bundle 2 are exposed to laser light.
  • a laser beam 6 generated by a laser system (not shown) is emitted from an optical imaging or focusing lens 7 (or a lens system) onto the coupling surface 8 'of the multifiber bundle 2 while at the same time adapting the beam spot to the size and shape the coupling surface 8 'shown.
  • All individual optical fibers 1 which are guided within the multifiber bundle 2 are thus irradiated with laser light simultaneously and as uniformly as possible. Due to the 8 "at each laser pulse at the output of the multifiber bundle 2 exiting light energy, the layers of tissue 4 lying directly against the (distal) catheter head are subjected to such a high thermal load that the tissue evaporates.
  • tissue material 3 Due to the explosive expansion of tissue material 3, the ablated material is displaced to the side in front of the catheter head and, on the other hand, a shock wave 5, which spreads into the surrounding tissue area, occurs, which can lead to tissue and cell line damage.
  • FIG 3 shows a device according to the invention, in which the individual laser pulses of the laser system, which in turn is not shown, are sequentially coupled into individual optical fibers 1 contained in the multifiber bundle 2.
  • the laser beam 6 is imaged via the focusing lens 7 and a deflection unit, which has a mirror 9 rotatably mounted about a pivot axis D, in each case on individual optical fibers 1 or groups in such a way that different optical fibers or groups are acted upon one after the other become.
  • the individual optical fibers which are combined to form a multifiber bundle 2 in a catheter (not shown), are arranged linearly. Different, regular spatial arrangements of optical fibers are also conceivable (e.g. triangle, rectangle, etc.).
  • the clock frequency of the mirror adjustment does not necessarily have to match the repetition rate of the laser system, ie more than one light pulse can be transmitted per beam image on an optical fiber 1 or group.
  • a shock or pressure wave sensor 10 is also provided, which detects the shock wave or pressure wave 5 triggered by each individual laser pulse.
  • the shock or pressure wave sensor 10 is arranged extracorporeally and detects the shock or pressure wave 5 transmitted by the bundle 2 of optical fibers 1.
  • An evaluation unit (not shown) determines the respective shock or pressure wave from the output signal of the sensor 10 in association with the optical fiber 1 or group of optical fibers acted upon by the triggering laser pulse.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the invention, which differs from the embodiment shown in FIG. 3 by the design of the deflection unit, which in this embodiment is a disk 11 with prisms 12 'that can be rotated about an axis R , 12 ", .. is formed.
  • the laser beam 6 also passes through an optical imaging lens 7 and then passes through a prism 12 'embedded in the edge region of the disk 11 rotating about the axis R, which deflects the beam 6 onto an optical fiber 1 or group of the bundle 2.
  • the prisms (only two are shown in the cross-sectional representation, namely 12 ', 12 ") are arranged radially in the edge region of the disk 11 in such a way that the laser beam passes through the prisms (12, 12 ', ...) one after the other and is deflected differently.
  • the speed of rotation of the disk then indicates the average pulse rate of the arrangement.
  • the methods of sequential scanning can also be used to activate only parts of the catheter cross section.
  • optical fibers are specifically excluded from the radiation, which is technically easy to implement in the deflection devices shown. This is of particular interest if a suitable detection method is used which allows the tissue in front of the catheter to be recognized.
  • Another advantage of this beam deflection method is that the same energy can be applied to each individual fiber. This is very difficult with simultaneous illumination of the bundle, since each laser beam has more or less pronounced inhomogeneities. The total average power, which is thus transported by a fiber 1, can be increased not inconsiderably in this way, so that there is a considerable increase in the cutting speed.
  • the frequency of the laser pulses must be increased accordingly, the energy of the individual laser pulse is reduced accordingly.
  • Approx. 50 optical fibers 1 are arranged in a typical angioplasty catheter.
  • the laser With a pulse repetition rate of 25 Hz per fiber 1, the laser must be operated with a total repetition rate of 1,250 Hz. At the same time, the individual pulses must be mapped onto a single fiber or onto a group of fibers. The laser beam must be scanned over the entrance surface 8 'of the fiber bundle 2, so to speak.
  • the laser pulse frequency is in orders of magnitude below the limit frequency of 10 Hz estimated above.
  • the device according to the invention can thus be easily implemented in practice by arranging any scanning or scanning device on the light-entry-side (proximal) end 8 'of the optical fibers, which deflects the laser pulses in such a way that the laser pulses Entry surfaces of the individual fibers 1 "scanned".
  • the invention can be used both in the field of medical technology and for material processing of technical workpieces.

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Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zum Abtragen von Material und insbesondere von biologischem Gewebe, mit einem Lasersystem, das Laserpulse erzeugt, und einer Lichtleit-Einrichtung, die zu einem Bündel (2) zusammengefaße Lichtleitfasern (1) aufweist, in die die Laserpulse (6) eingekoppelt werden, und die den Laserpuls (6) an die Stelle leiten, an der Material abgetragen werden soll. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das Bündel (2) in wenigstens zwei Gruppen von Lichtleitfasern (1) aufgeteilt ist, und daß jeder Laserpuls (6) in wenigstens eine Gruppe von Lichtleitfasern (1) nicht eingekoppelt wird.

Description

Vorrichtung zum Abtragen von Material mit Laserlicht
B e s c h r e i b u n g
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Abtra¬ gen von Material und insbesondere von biologischem Gewebe, mit einem Lasersystem, das Laserpulse erzeugt, und einer Lichtleit-Einrichtung, die zu einem Bündel zusammengefaßte Lichtleitfasern aufweist, in die die Laserpulse eingekop¬ pelt werden, und die den Laserpuls an die Stelle leiten, an der Material abgetragen werden soll.
Beispielsweise in der Laserchirurgie werden Lasersysteme verwendet, die aufgrund ihrer hohen Lichtleistung Gewebe in so kurzer Zeit verdampfen und damit abtragen, daß prak¬ tisch keine Wärmebelastung für das umgebende nichtbe- strahlte Gewebe auftritt. Für derartige Laser-induzierte Vorgänge werden die verschiedensten Lasersysteme, darunter seit einiger Zeit verstärkt sog. Excimer-Laser verwendet, die Licht im UV-Bereich emittieren.
Die vorstehend beschriebenen Abtragungsprozesse werden auch als Photoablation bezeichnet und finden vor allem in der Mikrochirurgie (Angioplastie, Ophthalmologie, Ortho¬ pädie etc.) Anwendung, um auf möglichst schonende Weise Gewebe abzutragen.
Daneben findet die Photoablation aber auch Anwendung zur Bearbeitung von Werkstücken oder dgl. Stand der Technik
Die bekannten Vorrichtungen zur Photoablation weisen in der Regel eine Lichtleit-Einrichtung auf, die das Laser¬ licht an die Stelle leitet, an der Material, beispielswei¬ se Gewebe abgetragen werden soll.
Bei mikrochirurgischen Operationen ist die Lichtleit-Ein¬ richtung in sog. Operationshandstücke oder biegsame Kathe¬ der integriert und muß folglich eine große Flexibilität habe .
Deshalb werden als Lichtleit-Einrichtung in der Regel dünne Lichtleitfasern verwendet. Da Lichtleitfasern durch das Laserlicht zerstört werden, wenn dieses eine bestimmte spezifische Leistungsdichte überschreitet, weist die Lichtleit-Einrichtung eine Mehrzahl von Fasern auf, die zu einem Bündel zusammengefaßt sind. Damit können Laserpulse hoher Energie transportiert werden.
Vor allem im Bereich der Angioplastie, d.h. der Gefä߬ chirurgie tritt jedoch folgendes Problem auf:
Jeder Laserpuls erfaßt und entfernt nur eine begrenzte Gewebetiefe. Diese gewebespezifische Tiefe, die in etwa der Eindringtiefe des Laserlichtes entspricht, beträgt nur wenige um. Bislang ist man bestrebt gewesen, eine mög¬ lichst große Fläche mit möglichst hoher Energie bzw. Lei¬ stung zu beaufschlagen, um möglichst viel Gewebe pro Laserpuls abzutragen.
Die erreichte Operationsgeschwindigkeit hängt aber nicht
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nur von der Energie pro Laserpuls und der beaufschlagten Fläche, sondern auch von der Wiederholrate (Repititions- rate) der Laserpulse ab. Die Repititionsrate ist bei be¬ kannten gattungsgemäßen Vorrichtungen zum Abtragen von Ma¬ terial und insbesondere von biologischem Gewebe im wesent¬ lichen nicht durch die physikalische mögliche Repitionsra- te des Lasersystems, sondern durch die bei höheren Pulsra¬ ten zu starke thermische Belastung des Gewebes begrenzt.
Typischerweise beträgt die Repititionsrate bei bekannten gattungsgemäßen Vorrichtung zum Abtragen von Material weniger als ca. 25 Hz.
Weiterhin tritt bei der Vorgehensweise, wie sie bei be¬ kannten gattungsgemäßen Vorrichtungen zum Abtragen von Material üblich ist, folgendes weitere Problem auf:
Beispielsweise in der Angioplastie wird mit Excimer-Lasern gearbeitet, die am Faserbündelausgang (je nach Faserbün¬ deldurchmesser) Gesamtenergien zwischen 30 und 80 mJ abge¬ ben. Die einzelnen Fasern im Bündel werden dabei gleich¬ zeitig und möglichst gleichmäßig mit dem Laserstrahl be¬ aufschlagt. Bei Lasersystemen mit anderen Wellenlängen, wie beispielsweise Neodym-YAG-Lasern, Holmium- oder Dye- lasern müssen jedoch noch sehr viel höhere Laserpulsener¬ gien verwendet werden, um einen Ablationseffekt zu erzie¬ len.
Aufgrund der schnellen Verdampfung des Gewebes - die Ver¬ dampfungsvorgänge laufen typischerweise im Mikrosekunden- Bereich ab - bildet sich eine Stoßwelle aus, die in das umliegende Gewebe eindringt. Die dabei auftretenden hohen Druckgradienten können zu erheblichen Disruptionen und Schädigungen in der Umgebung führen. Eine Schädigung des Gewebes und der Zellagen, die relativ weit von dem ab- latierten Bereich entfernt liegen, ist damit häufig unver- meidbar. Es kommt zu traumatischen Veränderungen, die zu erheblichen Gewebeirritationen führen können. Als Folge wird ein erneutes Wachstum der Zellagen beobachtet, wo¬ durch eine Restenosierung (Wiederverengung) einsetzen kann.
Der Laser, ursprünglich als das atraumatische Werkzeug gedacht, erweist sich deshalb im um-Bereich als durchaus schädigend.
Beschreibung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Abtragen von Material und insbesondere von biologi¬ schem Gewebe mit einem Lasersystem anzugeben, bei der der Abtragungsprozeß schonend ausgeführt wird, so daß er keine oder nur eine vernachläßigbar kleine schädigende Wirkung auf die Umgebung, beispielsweise das gesunde Gewebeumfeld besitzt.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im An¬ spruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Ursache für die traumatische Schädigung der Umgebung des ablatier- ten Bereichs der Ablationsprozess per se, sondern die mit dem Ablationsprozess bei herkömmlicher Vorgehensweise verbundene Stoßwelle sein dürfte. Erfindungsgemäß wird deshalb so vorgegangen, daß die Erzeugung von Stoßwellen bei der Ablation so weit wie möglich vermieden wird.
Dies kann überraschenderweise dadurch erreicht werden, daß weiterhin von einer Vorrichtung zum Abtragen von Material und insbesondere von biologischem Gewebe gemäß dem Oberbe- griff des Anspruchs 1 ausgegangen wird, und diese Vorrich¬ tung erfindungsgemäß dadurch weitergebildet wird, daß das Bündel in wenigstens zwei Gruppen von Lichtleitfasern aufgeteilt ist, und daß jeder Laserpuls in wenigstens eine Gruppe von Lichtleitfasern nicht eingekoppelt wird.
Anders ausgedrückt, erfolgt die Lichteinkoppelung in das Lichtleitfaser-Bündel derart zeitlich und räumlich ge¬ trennt, daß die einzelnen Lichtleitfasern bzw. -gruppen zeitlich getrennt und in serieller räumlicher Abfolge von jeweils mindestens einem Laserimpuls gezielt beaufschlagt werden.
Die Erfindung geht dabei von der Vorstellung aus, daß die Ausbildung der Stoßwelle eine direkte Folge der hohen Energie pro Laserpuls ist, die bei einer Applizierung des Lichts über die gesamte KätheterguerSchnittsfläche erfor¬ derlich ist, um "brauchbare" Abtragraten zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird deshalb in eine einzelne Lichtleit¬ faser bzw. eine Gruppe von Fasern jeweils nur ein Laser¬ puls eingekoppelt, der lediglich eine kleine Fläche be¬ strahlt und dessen Energie so gering ist, daß er keine bzw. keine traumatische Stoßwelle auslöst. Durch die scannende Bewegung des Lichtflecks über den zu ablatie- renden Bereich ist die thermische Belastung des jeweils vom Lichtfleck beaufschlagten Bereichs gering, so daß bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die Pulsfolgefrequenz deutlich gegenüber dem Stand der Technik erhöht werden kann (Anspruch 7) . Damit können trotz der "Abtastbewe¬ gung" , die der Laserstrahl über den zu ablatierenden Ge¬ samtbereich ausführt, und der verringerten Energie pro Laserpuls die gleichen oder sogar höhere Abtragraten wie beim Stand der Technik erreicht werden. Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Energie jedes Laser¬ pulses so bemessen ist, daß die Tiefe seiner Wirkung im Gewebe in etwa dem Fleckdurchmesser entspricht (Anspruch 11) .
Die maximal erreichbare Pulsfolgefrequenz ist folglich nicht mehr durch die traumatische Wirkung, sondern (außer durch das Leistungsvermögen des Lasers) nur noch dadurch bestimmt, daß der zeitliche Abstand zwischen zwei Laser¬ pulsen so gewählt werden muß, daß die Stoßwelle des ersten Laserpulses sich bereits so weit verdünnt hat, daß eine Überlagerung mit der Stoßwelle, die von dem von der be¬ nachbarten Lichtleitfaser bzw. Gruppe transportierten Laserpuls erzeugt wird, keine traumatische Wirkung mehr hervorruft.
Da sich Druckwellen typischerweise mit einigen 1000 m/sec. ausbreiten und die Gewebetiefe, innerhalb der eine Schädi¬ gung vermieden werden soll, maximal 1 mm beträgt, berech¬ net sich so eine minimale Zeit zwischen zwei Pulsen zu ca. 10 see.
Werden damit die einzelnen Fasern mit einer Impulsfolge- frequenz von kleiner als 10 Hz mit Licht beaufschlagt, so überlagern sich die entstehenden Druckwellen nicht. Auf¬ grund der verringerten Energie ist jede einzelne Druckwel¬ le wesentlich kleiner, so daß sie keine Schmerzwirkung bzw. keine traumatische Wirkung hervorruft.
Der erfindungsgemäße Grundgedanke besteht also darin, die einzelnen Lichtleitfasern des Bündels sequentiell mit Laserpulsen zu beaufschlagen, wobei beispielsweise im Bereich der Angioplastie eine typische Pulsfolgefrequenz für jede Faser ca 25 Laserpulse pro Sekunde (jedoch nicht wesentlich mehr) beträgt, so daß man die gleiche insgesamt deponierte Energie erhält, als wenn eine herkömmliche Vor¬ richtung mit 25 Laserpulsen pro Sekunde betrieben würde.
Da die Betriebsdaten beispielsweise von Excimer-Lasern eine Betriebsform, bei der die einzelnen Lichtleitfasern mit einer Pulsfolgefrequenz von 25 Hz beaufschlagt werden, ermöglichen, ist diese Form der schonenden Behandlung mit bekannten Lasersystemen möglich.
Die erfindungsgemäße Grundkonzeption unterscheidet sich damit nicht nur aufgrund der Tatsache, daß der Laserstrahl - im Gegensatz zum Stand der Technik - "scannend" in ein Lichtleitfaser-Bündel eingekoppelt wird, sondern auch grundsätzlich von den Vorrichtungen im Stand der Technik, bei denen ebenfalls eine "scannende Bewegung" des Laser¬ strahls verwendet wird:
So wird bei der in der US-PS 4 538 608 beschriebenen Vor¬ richtung die "Scan-Bewegung" des Abtaststrahls dazu ver¬ wendet, einen Bereich zu ablatieren, der wesentlich größer ist, als der Bereich, der mit einem "stationären" Strahl und einem entsprechend aufgeweiteten Strahlfleck thera¬ peutisch bearbeitet werden könnte.
In der WO 87/01819 dagegen wird der kontinuierliche, d.h. nicht gepulste Laserstrahl auf einen kleinen Fleck fokus- siert, um einen großen öffnungsWinkel des Strahl und damit eine therapeutische Wirkung im wesentlichen nur in der Fokusebene zu erhalten. Die Scanbewegung dient ausschlie߬ lich dazu, mit diese fokussierten Strahl einen vergleichs¬ weise großen Fleck bearbeiten zu können. Die Verringerung der Pulsleistung bzw. der -energie bei gleichzeitiger Erhöhung der Pulsfolgefrequenz zur Ver¬ meidung traumatisch wirksamer Stoßwellen ist in beiden Veröffentlichungen nicht angesprochen.
Im Anspruch 2 ist beansprucht, daß die Lichtleitfasern derart ausgerichtet sind, daß auch die Lichtaustrittsflä¬ chen von Lichtleitfasern, deren Lichteintrittsflächen be¬ nachbart sind, benachbart sind. Hierzu können die Licht¬ leitfasern in dem Bündel regelmäßig und insbesondere line¬ ar angeordnet sein (Anspruch 3) .
Diese Anordnung der Lichtleitfasern hat eine Reihe von Vorteilen:
Ist gemäß Anspruch 4 eine Abtasteinrichtung vorgesehen, die jeweils eine bestimmte Gruppe von Lichtleitfasern mit einem Laserpuls beaufschlagt, so wird das "Abtastmuster" der Abtasteinrichtung auf den Lichteintrittsflächen der Lichtleitfasern auf die Lichtaustrittsflächen abgebildet, so daß auch bei Beaufschlagung mehrerer Lichtleitfasern mit einem Laserpuls am Ausgang der Lichtleitfasern defi¬ nierte und reproduzierbare Verhältnisse gegeben sind.
Die Tatsache, daß das Einkoppeln eines Laserpulses in ganz bestimmte Lichtleitfasern zu einem Austritt dieses Laser¬ pulses an einer genau festgelegten Stelle führt, kann ferner dazu benutzt werden, eine ortsaufgelöste Erfassung des ablatierten Materials zu realisieren:
Bei der im Anspruch 8 beschriebenen Ausführung ist ein Stoß- bzw. Druckwellensensor vorgesehen, der die von jedem einzelnen Laserpuls ausgelöste Stoßwelle bzw. Druckwelle erfaßt. Eine Auswerteeinheit erfaßt die jeweilige Stoß- bzw. Druckwelle in Zuordnung zu der mit dem auslösenden Laserpuls beaufschlagten Lichtleitfaser bzw. Gruppe von Lichtleitfasern. Der Maximalwert und die Amplitude der durch einen Laserpuls mit bestimmter Pulsdauer und mit bestimmter Energie ausgelösten Stoßwelle hängen nämlich von dem Material ab, auf das der Laserpuls auftrifft:
Beispielsweise ergeben sich bei Plaque und calziniertem Gewebe andere Stoßwellen-Verläufe als bei normalem Gewebe. Somit ermöglicht die Erfassung der erzeugten Stoßwelle in Zuordnung zur jeweils beaufschlagten Lichtleitfaser bzw. Gruppe von Lichtleitfasern und damit - d.h. aufgrund der Merkmale der Ansprüche 2 bzw. 3 - zum Ort, auf den der Laserpuls auftrifft, eine Aussage über die Art des abla- tierten Materials.
Als Stoß- bzw. Druckwellensensor können im Prinzip belie¬ bige Drucksensoren, beispielsweise intrakorporale Sensoren verwendet werden, die ringförmig um das distale Ende des Lichtleitfaser-Bündels angeordnet sind.
Im Anspruch 9 ist eine Weiterbildung gekennzeichnet, bei der es nicht erforderlich ist, einen Sensor intrakorporal anzuordnen. Vielmehr kann der Stoß- bzw. Druckwellensensor extrakorporal angeordnet sein, da er die durch das Bündel von Lichtleitfasern übertragene Stoß- bzw. Druckwelle erfaßt.
Die Eigenschaft einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, daß der gepulste Laserstrahl nacheinander den zu ablatierenden Bereich abtastet, kann auch für eine optische Ermittlung der Art des ablatierten Materials genutzt werden: Hierzu ist ein optischer Sensor vorgesehen, der die Wel¬ lenlängenverteilung des von jedem einzelnen Laserpuls ausgelösten Fluoreszenzlichts erfaßt. Eine Auswerteeinheit ermittelt aus der Wellenlängenverteilung in Zuordnung zu der mit dem auslösenden Laserpuls beaufschlagten Licht¬ leitfaser bzw. Gruppe von Lichtleitfasern das Material des beaufschlagten Gebiet. Zu Einzelheiten der Ermittlung des ablatierten Materials aus dem im Lichtleiter "zurücklau¬ fenden" Lichts wird beispielsweise auf die WO 88/08279 verwiesen, auf die im übrigen zur Erläuterung aller hier nicht näher erläuterten Einzelheiten ausdrücklich Bezug genommen wird.
Als Abtasteinrichtung, die die "scannende" Bewegung des gepulsten Laserstrahls über das Lichtleitfaser-Bündel erzeugt, können im Prinzip beliebige Abtasteinrichtungen, beispielsweise die in der WO 87/01819 beschriebenen Ab- tasteinrichtungen verwendet werden.
Im Hinblick darauf, daß bei der erfindungsgemäßen Vorrich¬ tung ein gepulster Laserstrahl verwendet wird, bieten es sich jedoch an, die in den Ansprüchen 5 und 6 gekennzeich¬ neten einfachen Abtasteinrichtungen einzusetzen.
Gemäß diesen Ansprüchen kann die Abtasteinrichtung einen Spiegel oder eine auf einer rotierenden Scheibe angebrach¬ te Prismenanordnung aufweisen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des all¬ gemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbei- spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise zur Gewebeabtragung mit einem her¬ kömmlichen Multifaserbündel,
Fig. 2 eine herkömmliche Anordnung zur simultanen Laser¬ strahleinkopplung in ein Multifaserbündel,
Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung zur Erläuterung der Funktion einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Spiegelumlenkung, und
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vor¬ richtung mit rotierender Prismenscheibe.
Darstellung von Ausführungsbeispielen
In den folgenden Figuren sind gleiche Elemente jeweils mit den selben Bezugszeichen versehen, so daß bei erneutem Auftreten dieser Elemente auf eine neuerliche Vorstellung verzichtet wird.
Fig. 1 zeigt den distalen Bereich einer Vorrichtung zum Abtragen von Gewebe 4. Die Vorrichtung weist eine Vielzahl von Lichtleitfasern 1 auf, die in einem Bündel 2 angeord¬ net und in einen Katheter 21 integriert sind.
Fig. 2 zeigt, daß bei bekannten Vorrichtungen zur Photoab¬ lation die einzelnen Fasern 1 im Multifaser-Bündel 2 si¬ multan mit Laserlicht beaufschlagt werden. Hierzu wird ein von einem nicht dargestellten Lasersystem erzeugter Laser¬ strahl 6 von einer optische Abbildungs- bzw. Fokussierlin- se 7 (bzw. einem Linsensystem) auf die Einkoppelfläche 8' des Multifaser-Bündels 2 unter gleichzeitiger Anpassung des Strahlflecks an die Größe und Form der Einkoppelfläche 8' abgebildet. Somit werden alle einzelnen Lichtleitfasern 1, die innerhalb des Multifaserbündels 2 geführt werden, gleichzeitig und möglichst gleichmäßig mit Laserlicht bestrahlt. Durch die bei jedem Laserimpuls am Ausgang 8" des Multifaser-Bündels 2 austretenden Lichtenergie werden die unmittelbar an dem (distalen) Katheterkopf anliegenden Schichten des Gewebes 4 derart thermisch stark belastet, daß das Gewebe verdampft.
Aufgrund von sich hierbei explosionsartig ausdehnenden Gewebematerials 3 wird zum einen das ablatierte Material vor dem Katheterkopf zur Seite verdrängt und zum anderen entsteht eine sich in den umliegenden Gewebebereich aus¬ breitende Stoßwelle 5, die zu Gewebe- und Zeilagenschädi¬ gungen führen kann.
Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der die einzelnen Laserpulse des wiederum nicht dargestellten Lasersystems sequentiell in einzelne in dem Multifaser- Bündel 2 enthaltene Lichtleitfasern 1 eingekoppelt werden.
Hierzu wird der Laserstrahl 6 über die Fokussierlinse 7 und eine Ablenkeinheit, die einen um eine Schwenkachse D drehbar gelagerten Spiegel 9 aufweist, jeweils auf einzel¬ ne Lichtleitfasern 1 bzw. -gruppen derart abgebildet, daß nacheinander unterschiedliche Lichtleitfasern bzw. -grup¬ pen beaufschlagt werden. Um die Spiegelführung möglichst einfach zu gestalten, sind bei dem gezeigten Ausführungs¬ beispiel die einzelnen Lichtleitfasern, die in einem nicht dargestellten Katheder zu einem Multifaserbündel 2 zusam¬ mengefaßt sind, linear angeordnet. Auch davon abweichende, regelmäßige räumliche Anordnungen von Lichtleitfasern sind denkbar (z.B. Dreieck, Rechteck etc.). Durch taktweises, d.h. mit den Laserpulsen synchronisiertes Verdrehen des Spiegels 9 um die Rotationsachse D werden nacheinander alle Lichtleitfasern 1 bzw. -gruppen beleuchtet bzw. be¬ aufschlagt. Die Taktfrequenz der Spiegelverstellung muß jedoch nicht notwendigerweise mit der Repetitionsrate des Lasersystems übereinstimmen, d.h. pro Strahlabbildung auf eine Licht¬ leitfaser 1 bzw. -gruppe kann mehr als ein Lichtimpuls übertragen werden.
Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Stoß- bzw. Druckwellen¬ sensor 10 vorgesehen, der die von jedem einzelnen Laser¬ puls ausgelöste Stoßwelle bzw. Druckwelle 5 erfaßt. Der Stoß- bzw. Druckwellensensor 10 ist extrakorporal angeord¬ net ist und erfaßt die durch das Bündel 2 von Lichtleit¬ fasern 1 übertragene Stoß- bzw. Druckwelle 5 erfaßt. Eine nicht dargestellte Auswerteeinheit ermittelt aus dem Ausgangssignal des Sensors 10 die jeweilige Stoß- bzw. Druckwelle in Zuordnung zu der mit dem auslösenden Laser¬ puls beaufschlagten Lichtleitfaser 1 bzw. Gruppe von Lichtleitfasern.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin¬ dung, das sich von dem in Fig. 3 dargestellten Ausfüh¬ rungsbeispiel durch die Ausbildung der Ablenkeinheit un¬ terscheidet, die bei diesem Ausführungsbeispiel als eine um eine Achse R drehbare Scheibe 11 mit Prismen 12',12",.. ausgebildet ist.
Das Laserstrahlbündel 6 durchläuft ebenfalls eine optische Abbildungslinse 7 und passiert anschließend ein in den Randbereich der sich um die Achse R drehenden Scheibe 11 eingelassenes Prisma 12', das das Strahlbündel 6 auf eine Lichtleitfaser 1 bzw. -gruppe des Bündels 2 ablenkt.
Dabei sind die Prismen (in der QuerschnittsdarStellung sind nur zwei dargestellt, nämlich 12',12") im Randbereich der Scheibe 11 radial derart angeordnet, daß der Laser- strahl die Prismen (12,12',...) zeitlich hintereinander passiert und unterschiedlich abgelenkt wird. Die Rota¬ tionsgeschwindigkeit 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 dargestell¬ ten Ablenkvorrichtungen leicht zu realisieren ist. Dies ist insbesonders dann von Interesse, wenn eine geeignete Nachweismethode verwendet wird, die es erlaubt, das vor dem Katheter befindliche Gewebe zu erkennen.
Weiterhin können auch unterschiedliche Stellen mit dem Licht unterschiedlicher Laser bestrahlt werden.
Als weiterer Vorteil dieser Strahlablenkungs-Methode kommt hinzu, daß jede einzelne Faser mit der gleichen Energie beaufschlagt werden kann. Dies ist bei einer gleichzeiti¬ gen Beleuchtung des Bündels nur sehr schwer möglich, da jeder Laserstrahl mehr oder weniger ausgeprägte Inhomoge¬ nitäten aufweist. Die gesamte mittlere Leistung, die somit durch eine Faser 1 transportiert wird, kann auf diese Weise nicht unerheblich gesteigert werden, so daß sich eine erhebliche Steigerung der Schnittgeschwindigkeit ergibt.
Die Frequenz der Laserpulse muß entsprechend heraufgesetzt werden, die Energie des einzelnen Laserpulses wird ent¬ sprechend heruntergesetzt.
Die obengenannte Überlegung soll mit dem folgenden Zahlen¬ beispiel verdeutlicht werden: In einem typischen Angioplastie-Katheter sind ca. 50 Lichtleitfasern 1 angeordnet.
Bei einer Puls-Wiederholrate von 25 Hz pro Faser 1 muß der Laser mit einer Gesamt-Wiederholrate von 1.250 Hz betrie¬ ben werden. Gleichzeitig müssen die einzelnen Pulse auf jeweils eine einzelne Faser oder auf eine Gruppe von Fa¬ sern abgebildet werden. Der Laserstrahl muß sozusagen über die Eintrittsfläche 8' des Faserbündels 2 gescannt werden. Die Laserpulsfrequenz liegt in Größenordnungen unterhalb der vorstehend abgeschätzten Grenzfrequenz von 10 Hz.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann damit in der Praxis leicht dadurch realisiert werden, daß am Licht-eintritts- seitigen (proximalen) Ende 8' der Lichtleitfasern eine beliebige Abtast- bzw. Scanvorrichtung angeordnet ist, die die Laserpulse derart ablenkt, daß die Laserimpulse die Licht-Eintrittsflächen der einzelnen Fasern 1 "abtastet".
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die Erfindung kann sowohl im Bereich der Medizintechnik als auch zur Materialbearbeitung von technischen Werk¬ stücken verwendet werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Vorrichtung zum Abtragen von Material (4) und insbe¬ sondere von biologischem Gewebe, mit einem Lasersystem, das Laserpulse erzeugt, und einer Lichtleit-Einrichtung, die zu einem Bündel (2) zusammengefaßte Lichtleitfasern (1) aufweist, in die die Laserpulse eingekoppelt werden, und die den Laserpuls an die Stelle leiten, an der Material abgetragen werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß das Bündel (2) in wenigstens zwei Gruppen von Lichtleitfasern aufgeteilt ist, und daß jeder Laserpuls in wenigstens eine Gruppe von Licht¬ leitfasern nicht eingekoppelt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfasern (1) derart ausgerichtet sind, daß auch die Lichtaustrittsflächen (8") von Lichtleitfasern (1), deren Lichteintrittsflächen (8') benachbart sind, benachbart sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfasern (1) in dem Bündel regelmäßig und insbesondere linear angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abtasteinrichtung vorge¬ sehen ist, die jeweils eine bestimmte Gruppe von Licht¬ leitfasern (1) mit einem Laserpuls beaufschlagt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung einen schwenkbaren Spiegel (9) aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung eine auf einer rotierenden Scheibe (11) angebrachte Prismenanord¬ nung (12' , 12" , ... ) aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Repetitionsrate pro Lichtleitfaser (1) bzw. -gruppe 25 Hz beträgt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stoß- bzw. Druckwellen¬ sensor (10) vorgesehen ist, der die von jedem einzelnen Laserpuls ausgelöste Stoßwelle bzw. Druckwelle erfaßt, und daß eine Auswerteeinheit die jeweilige Stoß- bzw. Druck¬ welle in Zuordnung zu der mit dem auslösenden Laserpuls beaufschlagten Lichtleitfaser (1) bzw. Gruppe von Licht- leit-fasern erfaßt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoß- bzw. Druckwellen¬ sensor (10) extrakorporal angeordnet ist, und die durch das Bündel (2) von Lichtleitfasern (1) übertragene Sto߬ bzw. Druckwelle erfaßt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein optischer Sensor vorgese¬ hen ist, der die Wellenlängenverteilung des von jedem einzelnen Laserpuls ausgelösten Fluoreszenzlichts erfaßt, und daß eine Auswerteeinheit aus der Wellenlängenverteilung in Zuordnung zu der mit dem auslösenden Laserpuls beauf¬ schlagten Lichtleitfaser (1) bzw. Gruppe von Lichtleit¬ fasern das Material des beaufschlagten Gebiet ermittelt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie jedes Laserpulses so bemessen ist, daß die Tiefe seiner Wirkung im Gewebe (4) in etwa dem Fleckdurchmesser entspricht und/oder daß er keine traumatisch wirksame Stoß- bzw. Druckwelle auslöst.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasersystem einen Excimer- Laser aufweist.
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