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WO1991005332A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von laserinduzierten stosswellen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von laserinduzierten stosswellen Download PDF

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WO1991005332A1
WO1991005332A1 PCT/DE1990/000771 DE9000771W WO9105332A1 WO 1991005332 A1 WO1991005332 A1 WO 1991005332A1 DE 9000771 W DE9000771 W DE 9000771W WO 9105332 A1 WO9105332 A1 WO 9105332A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fiber
pulse
optical
fibers
laser
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/DE1990/000771
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Müller
Jürgen HELFMANN
Klaus DÖRSCHEL
Hansjörg ALBRECHT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Laser-Medizin-Zentrum Berlin GmbH
Original Assignee
Laser-Medizin-Zentrum Berlin GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Laser-Medizin-Zentrum Berlin GmbH filed Critical Laser-Medizin-Zentrum Berlin GmbH
Publication of WO1991005332A1 publication Critical patent/WO1991005332A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K15/00—Acoustics not otherwise provided for
    • G10K15/04—Sound-producing devices
    • G10K15/046—Sound-producing devices using optical excitation, e.g. laser bundle
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B18/00—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body
    • A61B18/18—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves
    • A61B18/20—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves using laser
    • A61B18/22—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves using laser the beam being directed along or through a flexible conduit, e.g. an optical fibre; Couplings or hand-pieces therefor
    • A61B18/26—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves using laser the beam being directed along or through a flexible conduit, e.g. an optical fibre; Couplings or hand-pieces therefor for producing a shock wave, e.g. laser lithotripsy
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods
    • A61B2017/00017—Electrical control of surgical instruments
    • A61B2017/00137—Details of operation mode
    • A61B2017/00154—Details of operation mode pulsed
    • A61B2017/00172—Pulse trains, bursts, intermittent continuous operation
    • A61B2017/00176—Two pulses, e.g. second pulse having an effect different from the first one
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods
    • A61B17/22—Implements for squeezing-off ulcers or the like on inner organs of the body; Implements for scraping-out cavities of body organs, e.g. bones; for invasive removal or destruction of calculus using mechanical vibrations; for removing obstructions in blood vessels, not otherwise provided for
    • A61B17/22004—Implements for squeezing-off ulcers or the like on inner organs of the body; Implements for scraping-out cavities of body organs, e.g. bones; for invasive removal or destruction of calculus using mechanical vibrations; for removing obstructions in blood vessels, not otherwise provided for using mechanical vibrations, e.g. ultrasonic shock waves
    • A61B2017/22005—Effects, e.g. on tissue
    • A61B2017/22007—Cavitation or pseudocavitation, i.e. creation of gas bubbles generating a secondary shock wave when collapsing
    • A61B2017/22008—Cavitation or pseudocavitation, i.e. creation of gas bubbles generating a secondary shock wave when collapsing used or promoted

Definitions

  • the invention relates to a method in the preamble
  • Light guide systems are from beson their interest in creating an optical breakthrough at the end of these light guide systems, which in turn acts as a source for secondary shock waves that can be used, for example, to erode and destroy material surfaces, membranes or concretions.
  • shock waves generated in this way are used to crush the concretions of the kidneys, bladders, galls, pakreas and saliva stones.
  • focusing optics 1, according to FIG. 1 are provided, or materials are introduced into the optical beam path that have the lowest possible breakthrough threshold, be it in form of solid surfaces, such as in the case of the so-called optoacoustic transducer 2 - according to FIG. 2 - or in the form of small suspended particles 4 in the liquid - according to FIG. 3 Particles are generated and can only be secondary to the Target structure work. If additional focusing auxiliary measures, such as distal optics 1 or 5 - according to FIG.
  • the radiation can also be focused on the target structure to be destroyed and the breakthrough can be achieved directly on the surface.
  • the optical breakthrough can only be achieved if the energy density (J / cm 2 ) is high enough, ie the fibers are sufficiently thin.
  • the invention is based on the object of specifying a method and a device for generating laser-induced shock waves in which the conversion efficiency is increased. This object is achieved with the characterizing features of claim 1.
  • the invention is based, among other things, on the knowledge that the damage thresholds of optical light guide systems not only have an integral upper limit power density both on the surface and in volume, but that the damage threshold is both wavelength and time-dependent.
  • the energy for generating the optical breakthrough is transmitted in the form of two or more successive pulses through the optical waveguide, the time offset of the starting points of the individual pulses being determined by the desired steepness of the shock wave front.
  • the method is used to transmit extremely high light intensities, which generate shock waves by means of an optical breakthrough in order to crush body concrements.
  • the destruction threshold of the optical light guide systems is not exceeded.
  • the refractive index of the target structure changes and the coupling of subsequent pulses improves.
  • a subsequent pulse for example the second pulse
  • forms in a different wavelength range preferably the first harmonic of the first pulse.
  • the radiation of a pulsed simultaneous frequency-doubled Nd: YAG laser with Q-switching is used.
  • the refractive index of the target structure changes when a short-wave guide pulse is used using non-linear optical effects. The resulting increase in Absorption improves the coupling of subsequent pulses, since the threshold for the optical breakthrough of the subsequent pulse or pulses has been significantly reduced.
  • the first pulse with the higher photon energy ignites a plasma at the target structure, which is "pumped" as a good absorber with the subsequent pulses.
  • the resulting greater energy content of the plasma in turn leads to an improvement in the efficiency of the conversion of laser energy into shock wave energy.
  • a preferred embodiment of a device for carrying out the method according to the invention has a multi-fiber catheter, which transmits the frequency-multiplied pulse as a guide pulse over a part of the fibers and transmits the fundamental wavelength through the remaining fibers with a time delay, or in which a double or multiple pulse is passed over each fiber becomes.
  • Another inexpensive embodiment of the multifiber catheter includes a central channel, for either an additional large diameter fiber for additive large single pulses, or an additional fiber for the guiding pulse, or a dormina basket, or a flexible endoscope, or for adding a liquid to reduce the Breakthrough threshold, or for flushing or suction.
  • a device for performing the method according to the invention enables an increase in effectiveness in the generation of shock waves.
  • shock waves For the laser-induced generation of shock waves, extremely high light intensities are transmitted via optical fibers and thus an optical breakthrough is generated at the exit point, which in turn triggers shock waves that are used to erode and destroy material surfaces, membranes or concretions.
  • shock waves When the shock waves are triggered, not only the target objects are eroded, but also the fiber end.
  • a device is therefore created which prevents the fiber output from becoming ineffective due to geometrical changes in the generation of shock waves or that "combustion products", in particular in medical applications, remain at the shock wave generation site.
  • the shock waves on the target structure are generated almost in direct contact.
  • the threshold for fiber destruction is very different for different wavelengths.
  • the destruction thresholds of the target structures also show a corresponding wavelength dependency, so that it is assumed that the processes for fragmenting the target structure and the fiber end are the same.
  • the possibility of transmitting higher energies is limited by the threshold for the destruction of the fiber end, so that the shock wave generation becomes ineffective for some applications.
  • the location of the triggering of the shock wave can be spatially separated from the coupling out of the radiation at the fiber end by introducing a suitable material between the fiber end and the trigger point for the shock waves.
  • a material which is harder than quartz and is therefore not fragmented by the shock waves is preferred, since it has a higher destruction threshold.
  • protection can be achieved by applying a material to the fiber end that elastically to quasi-plastically dampens the shock waves striking the fiber end.
  • the requirements for the material are sufficient transparency in the spectral range of the laser radiation used, short-term biological compatibility and mechanical damping of the shock wave. Tough, highly viscous polymers that have both elastic and plastic deformability are particularly suitable.
  • Synthetic resins from various classes of material such as epoxy resins, in the form of a sight have proven particularly useful nellklebers, polyurethane resins (DD varnishes), polyvinyl acetate (or a corresponding adhesive).
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a device for carrying out the method according to the invention
  • FIG. 5a shows a diagram to illustrate the temporal course of the pulses in an exemplary embodiment of the method according to the invention
  • FIG. 6 shows an overall view of a laser catheter for use with the method according to the invention
  • FIG. 7 shows a sectional view of FIG. 6
  • FIGS 8 to 12 different embodiments of devices for performing the method according to the invention.
  • a Q-switched Nd: YAG laser or a Q-switched alexandrite laser is used for this.
  • the radiation from the laser is doubled in frequency by a doubler crystal connected downstream of the actual laser generator, and the reason in a downstream optical beam path Wave 6 (cf. FIG. 5) and the frequency-doubled wave 7 are spectrally divided, the fundamental wave being delayed in time with respect to the frequency-doubled wave via an optical delay line 8 with two deflection prisms 8a and 8b, and then both together via a wavelength-selective beam splitter 10 onto the input aperture 9 of the optical fiber 14 are focused.
  • the breakthrough threshold for the subsequent main pulse of the base emission can be lowered so much by the nonlinear optical change in refractive index and partial increase in absorption of the target structure when using so-called bare fibers, the breakthrough threshold is already reached on the target structure and thus complex optical fo kissing units or optomechanical end converters can be omitted.
  • the time offset of two successive pulses is shown in detail in FIG. 5a.
  • the laser power p is plotted as a function of time t. It can be seen here that a second pulse 15 with a wavelength of 1064 nm follows a first pulse 16 of 532 nm offset by approximately one pulse width. The amplitude of the second pulse 15 continues approximately the first pulse 16 in such a way that the two superimposed pulses form a total pulse with a rising edge which is reduced compared to the falling edge of the second pulse.
  • FIG. 7 shows a cross section through an embodiment with 15 fibers.
  • the coupling takes place from a plug 17 via a Y-piece 18.
  • a central channel 19 forming an inner lumen serves to receive, for example, a guide wire.
  • the multifaset is then connected to the Y-piece catheter with its distal exit opposite the Y-piece.
  • FIG. 7 shows an equidistant annular arrangement of the fibers 19a around the central channel 19.
  • the technique of the multiple pulse can be implemented in two different ways.
  • the frequency-multiplied pulse is transmitted as a guide pulse through part of the fibers. With a time delay, the fundamental wavelength is transmitted through the remaining fibers and thus improved coupling to the target structure is used to generate shock waves. 2. In a second embodiment, a double or multiple pulse is transmitted over each fiber, so that the wavelength-dependent increase in the destruction threshold of the fiber and thus the increased energy transmission possibility is additionally exploited.
  • the following options for increasing the efficiency in generating shock waves are favorable:
  • an additional fiber with a large diameter in order to transmit additively large single pulse energies Support in the crushing of body stones, especially in the case of so-called "problem stones”.
  • an additional fiber which, in a simplified embodiment of the double-pulse application, transmits the guide pulse to lower the breakdown threshold, while the fibers of the fiber bundle deliver the single pulse to pump the plasma.
  • FIG. 8 shows an arrangement in which the quartz fiber 21 guides the light via a hard intermediate plate 22 to the target structure 23, on which the shock waves are triggered.
  • Suitable materials for the intermediate plate are all substances which are transparent in the corresponding wavelength range and which have a greater hardness than quartz, such as sapphire or diamond tan.
  • FIG. 9 shows a variant of the solution according to the invention by using a focusing sapphire tip 24 which, in addition to being more stable against destruction by the shock waves, also offers the advantage of focusing the radiation with the effect of a higher power density. This enables an increase in the transmitted energy of approximately 60%.
  • Figure 10 shows an embodiment with a coating of a transparent and highly viscous plastic 25, which prevents fragmentation of the fiber end surface.
  • This coating is preferably drop-shaped (FIG. 11), so that a focusing end member is produced, which in turn offers the advantage of focusing the radiation and generating a higher power density.
  • a focusing end member is produced, which in turn offers the advantage of focusing the radiation and generating a higher power density.
  • the coating of the fiber end surface can also be carried out over a longer length of the fiber (FIG. 12), so that when a tough plastic is used, the coating also acts as an additional protective jacket if the fiber end breaks and no fragments of the fiber remain at the application site.

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Abstract

Verfahren zur Übertragung extrem hoher Lichtintensitäten über Lichtleitsysteme für die Erzeugung von Stoßwellen zur Zertrümmerung von Körperkonkrementen, bei dem zwei oder mehr aufeinanderfolgende Pulse über einen Lichtwellenleiter übertragen werden, wobei die Steilheit der Stoßwellenfront durch den zeitlichen Versatz der Einzelimpulse bestimmt wird und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

_______________________________________________________________________________
Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von
laserinduzierten Stoßwellen
_________________________________________________________________________________
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 angegebenen Art sowie eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens.
Die Übertragung extrem hoher Lichtintensitäten über
Lichtleitsysteme, speziell Lichtleitfasern, ist von beson derem Interesse, um am Ende dieser Lichtleitsysteme einen optischen Durchbruch zu erzeugen, der seinerseits als Quelle für sekundäre Stoßwellen wirkt, die beispielsweise zur Erosion und Zerstörung von Materialoberflächen, Membranen oder Konkrementen genutzt werden können. Im medizinischen Anwendungsbereich werden derartig erzeugte Stoßwellen zur Zertrümmerung von Körperkonkrementen der Nieren, Blasen, Gallen, Pakreas und Speichelsteinen eingesetzt.
Der Stand der Technik soll nachfolgend anhand der
Figuren 1 bis 5, die einfache erläuternde Darstellungen bilden, kurz beschrieben werden:
Es ist es bekannt, kurz gepulste Lasersysteme zur Erzeugung von Stoßwellen zu benutzen. Dabei werden, insbesondere zur Erzeugung von Stoßwellen im flüssigen Milieu, nach Übertragung der Lichtpulse durch Lichtwellenleiter 3 fokussierende Optiken 1, - gemäß Figur 1 - vorgesehen, bzw. Materialien in den optischen Strahlengang eingebracht, die eine möglichst niedrige Durchbruchschwelle haben, sei es in Form von festen Oberflächen, wie beim sogenannten optoakustischen Wandler 2 - gemäß Figur 2 - oder in Form von kleinen suspendierten Teilchen 4 in der Flüssigkeit - gemäß Figur 3. Im Fall der Senkung der Durchbruchschwelle durch zusätzliche Materialien wird die Stoßwelle immer an den Oberflächen dieser Materialien bzw. Teilchen erzeugt und kann dann erst sekundär auf die Zielstruktur wirken. Bei Heranziehung zusätzlicher fokussierender Hilfsmaßnahmen, wie distale Optiken 1 oder 5 - gemäß Figur 5 - kann im trindie Strahlung auch auf die zu zerstörende Zielstruktur fokussiert und der Durchbruch direkt an der Oberfläche erreicht werden. Allerdings ist es schwierig, im Ausgang eines Lichtwellenleiters durch optische Fokussierhilfen Fokusdurchmesser zu erreichen, die deutlich kleiner als die Auögangsapertur des Lichtwellenleiters sind, insbesondere dann, wenn die zusätzliehe Forderung besteht, daß der Durchmesser der Fokussieroptik nicht deutlich über dem Durchmesser des Lichtwellenleiters liegen sollte, um eine hohe Flexibilität des Systems zu erreichen. Es ist weiterhin bekannt, Hochintentsitätslichtpulse auch direkt am Ausgang der Faser durch Aufsetzen auf die Zielstruktur zur Erzeugung von Stoßwellen zu benutzen. Allerdings kann dann der optische Durchbruch nur erreicht werden, wenn die Energiedichte (J/cm2) hoch genug ist, d.h. die Fasern hinreichend dünn sind. Auf der anderen Seite ist dann einkoppelseitig die Schwierigkeit vorhanden, hochenergetische Pulse in die Faser einzukoppeln, weil dann sehr oft die Leistungsdichte im Fasereingang die Zerstörschwelle überschreitet. Nach dem Stand der Technik wird dieses Problem dadurch gelöst, daß Laser mit besonders langen Pulslängen benutzt werden, was zu einer Reduktion der Pulsspitzenleistung bei Erhalt der Gesamtenergie führt. Auf der anderen Seite bringt dies das Problem mit sich, daß am Faserausgang die Druckamplituden der Stoßwellenfront dadurch geringer ausfallen, da die Energie erst über einen größeren Zeitraum aufgebaut wird und insoweit der Wirkungsgrad der Stoßwellenzertrümmerung zurückgeht. Ein weiterer Nachteil aller bestehender Systeme, die die Stoßwelle nicht an oder in der Oberfläche des Zielmaterials erzeugen, liegt darin, daß der Wandlungsgrad von Laserenergie in Stoßwellenenergie deutlich kleiner als 10% ist. Erst bei der Erzeugung der Stoßwelle direkt in der Zielstruktur können Wandlungswirkungsgrade von größer 60% erreicht werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von laserinduzierten Stoßwellen anzugeben, bei denen der Wandlungswirkungsgrad erhöht ist. Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung beruht unter anderem auf der Erkenntnis, daß die Zerstörschwellen von optischen Lichtleitsystemen sowohl an der Oberfläche als auch im Volumen nicht nur eine integrale obere Grenzleistungsdichte haben, sondern daß die Zerstörschwelle sowohl Wellenlängen- als auch zeitabhängig ist. Erfindungsgemäß wird die Energie zur Erzeugung des optischen Durchbruchs in Form von zwei oder mehr aufeinanderfolgenden Pulsen durch den Lichtwellenleiter übertragen, wobei der zeitliche Versatz der Einsatzpunkte der Einzelpulse durch die gewünschte Steilheit der Stoßwel- lenfront bestimmt ist. Das Verfahren dient zur Übertragung extrem hoher Lichtintensitäten, die mittels eines optischen Durchbruchs Stoßwellen erzeugen, um Körperkonkremente zu zertrümmern. Durch die Übertragung der Energie in Form von zwei oder mehr aufeinanderfolgenden Pulsen wird die Zerstörschwelle der optischen Lichtleitsysteme nicht überschritten. Eine zusätzliche Steigerung der übertragbaren Gesamtenergie ist gegeben, wenn der zweite Puls in einem anderen Wellenlängenbereich liegt wie bei der Ausführungsform mit einem gepulsten, simultan frequenzverdoppelten NdtYAG-Laser mit Güteschaltung.
Bei einem kurzwelligen Führungspuls verändert sich der Brechungsindex der Zielstruktur und verbessert die Ankopplung nachfolgender Pulse.
Eine zusätzliche Steigerung der übertragbaren Gesamtenergie ist dann gegeben, wenn ein nachfolgender, z.B. der zweite, Puls in einem anderen Wellenlängenbereich, vorzugsweise die erste Harmonischen des ersten Pulses bildet. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird daher die Strahlung eines gepulsten simultanfrequenzverdoppelten Nd:YAG-Lasers mit Güteschaltung verwendet. Neben der Tatsache, daß durch die Mehrpulsübertragung die Limitierung der Übertragbarkeit von hochenergetischen Laserpulsen durch Lichtleitsysteme zum Teil aufgehoben werden kann, hat sich weiterhin gezeigt, daß sich bei Benutzung eines kurzwelligen Führungspulses unter Ausnutzung nichtlinearer optischer Effekte der BrechungsIndex der Zielstruktur ändert. Die dadurch bedingte Erhöhung der Absorption verbessert die Ankopplung nachfolgender Pulse, da die Schwelle für den optischen Durchbruch des oder der nachfolgenden Pulse deutlich gesenkt wurde. Der erste Puls mit der höheren Photonenenergie zündet an der Zielstruktur ein Plasma, das als guter Absorber mit den nachfolgenden Pulsen "gepumpt" wird. Der dadurch erreichte größere Energieinhalt des Plasmas führt wiederum zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades der Wandlung von Laserenergie in Stoßwellenenergie.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist einen Multifaserkatheter auf, der wahlweise über einen Teil der Fasern den frequenzvervielfachten Puls als Führungspuls und zeitverzögert durch die restlichen Fasern die fundamentale Wellenlänge überträgt, oder bei dem über jede Faser ein Doppel- oder Mehrfachpuls geleitet wird.
Eine, andere günstige Ausführungsform des Multifaserkatheters enthält einen Zentralkanal, für entweder eine zusätzliche Faser mit großem Durchmesser für additive große Einzelpulse, oder eine zusätzliche Faser für den Führungspuls, oder ein Dorminakörbchen, oder ein flexibles Endoskop, oder für die Zugabe einer Flüssigkeit zum Herabsetzen der Durchbruchschwelle, oder zur Spülung oder Absaugung.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht eine Effektivitätssteigerung bei der Stoßwellenerzeugung. Zur laserinduzierten Erzeugung von Stoßwellen werden extrem hohe Lichtintensitäten über Lichtleitfasern übertragen und damit an der Austrittstelle ein optischer Durchbruch erzeugt, der seinerseits Stoßwellen auslöst, die zur Erosion und Zerstörung von Materialoberflächen, Membranen oder Konkrementen benutzt werden. Bei der Auslösung der Stoßwellen werden nicht nur die Zielσbjekte erodiert, sondern auch das Faserende. Es wird daher eine Vorrichtung geschaffen, welche verhindert, daß durch geometrische Änderungen das Faserausgangs die Erzeugung von Stoßwellen ineffektiv wird oder daß "Abbrandprodukte", insbesondere bei medizinischen Anwendungen, an der Stoßwellenerzeugungsstelle zurückbleiben.
Bei der Applikation der Stoßwellen auf verschieden harte Zielstrukturen hat es sich gezeigt, daß bei bestimmten Materialien ein erhöhter Abbrand oder Verschleiß des distalen Faserendes auftritt. Es gibt erste Hinweise, daß bei medizinischen Anwendungen derartig erzeugter Stoßwellen Lichtleitfaserreste zurückbleiben, die bei späteren Operationen im entsprechenden Organ gefunden wurden.
Bei Verwendung einer Faser ohne distale Optiken werden die Schockwellen auf der Zielstruktur nahezu im direkten Kontakt erzeugt. Die Schwelle für die Zerstörung der Faser ist für verschiedene Wellenlängen sehr unterschiedlich. Eine entsprechende Wellenlängenabhängigkeit zeigen auch die Zerstörschwellen der Zielstrukturen, so daß angenommen wird, daß die Prozesse zur Fragmentierung der Zielstruktur und des Faserendes dieselben sind. Bei den bekannten derartigen Vorrichtungen ist die Möglichkeit zur Übertragung höherer Energien durch die Schwelle für die Zerstörung des Faserendes begrenzt, so daß die Stoßwellenerzeugung für einige Anwendungen ineffektiv wird.
Hier hat es sich gezeigt, daß das Faserende eines Lichtleiters prinzipiell auf zwei verschiedene Weisen geschützt werden kann.
Einerseits kann der Ort der Auslösung der Stoßwelle von der Auskopplung der Strahlung am Faserende räumlich getrennt werden, indem ein geeignetes Material zwischen Faserende und Auslösungsstelle für die Schockwellen eingebracht wird. Hierfür kommt vorzugsweise ein Material in Betracht, das härter als Quarz ist und deshalb von den Schockwellen nicht fragmentiert wird, da es eine höhere Zerstörschwelle besitzt. Andererseits kann der Schutz durch Aufbringen eines Materials auf das Faserende erreicht werden, das elastisch bis quasi plastisch die auf das Faserende auftreffenden Schockwellen dämpft. Die Anforderungen an das Material sind ausreichende Transparenz im Spektralbereich der verwendeten Laserstrahlung, kurzzeitige biologische Verträglichkeit und mechanische Dämpfung der Stoßwelle. Besonders geeignet sind zähe, hochviskose Polymere, die sowohl eine elastische als auch plastische Verformbarkeit aufweisen.
Insbesondere bewährt haben sich Kunstharze aus verschiedenen Stoffklassen, wie z.B. Epoxidharze, in Form eines Seh nellklebers, Polyurethanharze (DD-Lacke), Polyvinylacetat (bzw. ein entsprechender Kleber).
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen: Figur 5 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 5a ein Diagramm zur Veranschaulichung des zeitlichen Verlaufs der Impulse bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 6 eine Gesamtansicht eines Laserkatheters zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, Figur 7 eine Schnittdarstellung zu Figur 6 sowie
Figuren 8 bis 12 verschiedene Ausführungsbeispiele zu Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird dazu ein gütegeschalteter Nd:YAG-Laser oder ein gütegeschalteter Alexandritlaser verwendet. Dabei wird die Strahlung des Lasers durch einen dem eigentlichen Lasergenerator nachgeschalteten Verdopplerkristall frequenzverdoppelt und in einem nachgeschalteten optischen Strahlengang die Grund welle 6 (vgl. Figur 5) und die frequenzverdoppelte Welle 7 spektral aufgeteilt, wobei die Grundwelle über eine optische Verzögerungsleitung 8 mit zwei Umlenkprismen 8a und 8b zeitlich gegenüber der frequenzverdoppelten Welle verzögert wird und dann beide über einen wellenlängenselektiven Strahlteiler 10 gemeinsam auf die Eingangsapertur 9 des optischen Lichtwellenleiters 14 fokussiert werden.
Es hat sich dabei als besonders günstig erwiesen, sowohl die Strahlung der Grundwelle als auch der frequenzverdoppelten zunächst durch eine Blende 11 hindurchtreten zu lassen, die ihrerseits über eine Abbildungslinse 13 auf die Eintrittsapertur des Lichtwellenleiters abgebildet wird.
Für die beiden Wellenlängen ist darauf zu achten, daß die Blenden an optisch konjugierten Punkten positioniert sind, was insgesamt dazu führt, daß die Strahltaille 12 der Laserstrahlung kurz vor der eigentlichen Oberfläche des Lichtwellenleiters liegt und durch die Abbildung der Blende eine Überstrahlung des optischen Kerns des Lichtwellenleiters vermieden wird. Insbesondere ergibt sich ein Vorteil des Doppel- oder Mehrpulsverfahrens mit unterschiedlichen Frequenzen, z.B. den harmonischen und den jeweiligen Grundemissionen, dadurch, daß durch die nichtlineare optische Brechungsindexänderung und partielle Absorptionserhöhung der Zielstruktur die Durchbruchschwelle für den nachfolgenden Hauptimpuls der Grundemission so weit gesenkt werden kann, daß bei Benutzung sogenannter nackter Fasern bereits die Durchbruchschwelle an der Zielstruktur erreicht wird und somit aufwendige optische Fo kussiereinheiten oder optomechanische Endwandler entfallen können.
Der zeitliche Versatz zweier aufeinanderfolgender Impulse ist in Figur 5a in einer grafischen Darstellung im Einzelnen wiedergegeben. Hierbei ist die Laserleistung p in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen. Hierbei ist ersichtlich, daß ein zweiter Impuls 15 mit einer Wellenlänge von 1064 nm einem ersten Impuls 16 von 532 nm um etwa eine Impulsbreite versetzt folgt. Die Amplitude des zweiten Impulses 15 setzt näherungsweise den ersten Impuls 16 in der Weise fort, daß die beiden einander überlagerten Impulse einen Gesamtimpuls mit einer ansteigenden Flanke bilden, die gegenüber der abfallenden Flanke des zweiten Impulses verringert ist.
In Weiterführung des Erfindungsgedankens zur Steigerung der über eine Faser übertragbare Pulsenergie und zur Senkung der Durchbruchschwelle an der Zielstruktur kann anstelle oder zusätzlich zur Einzelfaser ein Faserbündel verwendet werden, wie es in Figur 6 in Seitenansicht wiedergegeben ist und das bei vergrößertem Gesamtquerschnitt und damit erhöhter Energieübertragung die Flexibilität des Lichtleitsystems erhält. Einen Querschnitt durch eine Ausführungsform mit 15 Fasern zeigt dabei Figur 7.
Bei der in Figur 6 in Seitenansicht dargestellten Anordnung erfolgt die Einkopplung von einem Stecker 17 her über ein Y-Stück 18. Ein ein Innenlumen bildender Zentralkanal 19 dient zur Aufnahme beispielsweise eines Führungsdrahtes. An das Y-Stück schließt sich dann de Multifaset katheter an, wobei sein distaler Ausgang dem Y-Stück gegenüber gelegen ist.
Das in Figur 7 wiedergegebene Schnittbild zeigt äquidistante ringförmige Anordnung der Fasern 19a um den Zentralkanal 19 herum.
In dem weiteren Ausführungsbeispiel eines Multifaserkatheters, das ein solches Faserbündel enthält, kann die Technik des Mehrfachpulses auf zwei verschiedene Arten realisiert werden.
1. Es wird durch einen Teil der Fasern der frequenzvervielfachte Puls als Führungspuls übertragen. Zeitverzögert wird durch die restlichen Fasern die fundamentale Wellenlänge übertragen und somit auf die Zielstruktur verbesserte Ankopplung zur Stoßwellenerzeugung genutzt. 2. Bei einer zweiten Ausführungsform wird über jede Faser ein Doppel- oder Mehrfachpuls übertragen, womit die wellenlängenabhängige Erhöhung der Zerstörschwelle der Faser und damit die erhöhte Energie-Übertragungsmöglichkeit zusätzlich ausgenutzt wird.
Bei einer Ausführungsform des Multifaserkatheters mit einem Zentralkanal auf, sind folgende Möglichkeiten zur Steigerung des Wirkungsgrades bei der Stoßwellenerzeugung günstig:
1. eine zusätzliche Faser mit großem Durchmesser, um additiv große Einzelpulsenergien zu übertragen zur Unterstützung bei der Zertrümmerung von Körperkonkrementen, insbesondere bei sogenannten "Problem- steinen". 2. eine zusätzliche Faser, die bei einer vereinfachten Ausführungsform der Doppelpuϊsanwendung den Führungspuls zur Herabsetzung der Durchbruchschwelle überträgt, während die Fasern des Faserbündels den Einfachpuls zum Pumpen des Plasmas liefern.
3. ein Dorminakörbchen zum Fixieren eines Körperkönkrementes.
4. ein flexibles Endoskop zur visuellen Kontrolle des Prozesses.
5. Zugabe einer Flüssigkeit zum Herabsetzen der Durchbruchschwelle 6. Spülung oder Absaugung .
Die verschiedenen Möglichkeiten können dabei auch kombiniert oder wechselweise benutzt werden. Figur 8 zeigt eine Anordnung, in der die Quarzfaser 21 das Licht über eine harte Zwischenplatte 22 auf die Zie l struktur 23 leitet, an der die Stoßwellen ausgelöst werden. Als Material für die Zwischenplatte kommen alle im entsprechenden Wellenlängenbereich transparenten Substanzen in Frage, die eine größere Harte als Quarz aufweisen, wie Saphir oder Diamaanntt. Figur 9 zeigt eine Variante der erfindungsgemäßen Lösung durch Verwendung einer fokussierenden Saphirspitze 24, die neben der höheren Standfestigkeit gegenüber der Zerstörung durch die Schockwellen auch den Vorteil der Fokussierung der Strahlung mit dem Effekt einer höheren Leistungsdichte bietet. Damit läßt sich eine Steigerung der übertragenen Energie um ca. 60% erreichen.
Figur 10 zeigt eine Ausführung mit einer Beschichtung aus einem transparenten und hochviskosen Kunststoff 25, der eine Fragmentierung der Faserendfläche verhindert.
Bevorzugt ist diese Beschichtung tropfenförmig ausgebildet (Figur 11), so daß ein fokussierendes Endglied entsteht, das wiederum den Vorteil einer Fokussierung der Strahlung und Erzeugung einer höheren Leistungsdichte bietet. Mit dieser Anordnung ist eine Steigerung der übertragenen Energie um ca. 100% im Vergleich zur nackten Faserendfläche möglich.
Darüberhinaus kann die Beschichtung der Faserendfläche auch in einer größeren Länge der Faser ausgeführt werden (Figur 12), so daß bei Verwendung eines zähen Kunststoffes die Beschichtung auch als zusätzlicher Schutzmantel bei Bruch des Faserendes wirkt und keine Fragmente der Faser an der Anwendungsstelle zurückbleiben.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugte Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
* * * * *

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Übertragung extrem hoher Lichtintensitäten über Lichtleitsysteme für die Erzeugung von Stoßwellen zur Zertrümmerung von Körperkonkrementen, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t , daß zwei oder mehr aufeinanderfolgende Pulse über einen Lichtwellenleiter übertragen werden, wobei die Steilheit der Stoßwellenfront durch den zeitlichen Versatz der Einzelimpulse bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t , daß der zweite Puls in einem anderen Wellenlängenbereich liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein gütegeschalteter Nd:YAG- oder Alexandritlaser verwendet wird, dessen Strahlung frequenzverdoppelt, spektral aufgeteilt und die Grundwelle über eine optische Verzögerungsleitung geführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Grundwelle und die frequenzverdoppelte Welle gemeinsam durch eine Blende hindurchtreten und auf die Eintrittsapertur eines LichtWellenleiters fokussiert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine dünne Faser ohne distale Fokussierhilfsmittel benutzt wird und der optische Durchbruch durch den höherfrequenten Führungspuls gezündet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß durch die nachfolgenden Pulse die Laserenergie zur Auslösung der Stoßwellen in das entstandene Plasma gepumpt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß anstelle der Einzelfaser ein Faserbündel verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß über einen' Teil der Fasern der höherfrequente Führungspuls und über die restlichen Fasern zeitverzögert die fundamtentale Wellenlänge übertragen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß über jede Faser ein Doppeloder Mehrfachpuls übertragen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die einzelnen Fasern von mindestens drei Fasern des Multifaserkatheters sequentiell angesteuert werden.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t , daß im Zentralkanal des Multifaserkatheters eine zusätz- liehe dicke Faser zur Applikation von großen Einzelpulsenergien vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Zentralkanal eine Faser zur Übertragung des Führungsimpulses vorgesehen ist, während in den Fasern des Katheters die längerwelligen Pulse übertragen werden.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Zentralkanal ein Dorminakörbchen zur Fixierung eines Körperkonkrements oder ein flexibles Endoskop zur Beobachtung des Prozesses vorschiebbar ist, eine Flüssigkeit zur Herabsetzung der Durchbruchschwelle applizierbar ist oder dieser zur Spülung oder Absaugung dient.
14. Vorrichtung zum Schutz der Faserendfläche von Lichtwellenleitern bei der Erzeugung von laserinduzierten Stoßwellen mit kurzgepulsten Lasersystemen, für ein Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e nn z e i c h n e t, daß der Ort der Auskopplung aus der Lichtleitfaser räumlich vom Ort der Stoßwellenerzeugung getrennt ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Raum zwischen dem distalen Ende und dem Ort der Stoßwellenerzeugung mit einem Abstandsstück aus einem Material gefüllt wird, das härter als Quarz und für die verwendete Laserstrahlung durchlässig ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Abstandsstück aus Saphir oder Diamant besteht und/oder eine fokussierende Spitze bildet.
17. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Abstandsstück aus einem hochviskosen Kunstharz besteht, das die Stoßwellen quasielastisch dämpft.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Abstandsstück durch eine gleichmäßige Beschichtung des Faserendes aus Kunstharz oder eine tropfenförmige Beschichtung aus Kunstharz gebildet wird, wobei letztere für die Laserstrahlung fokussierend wirkt.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, d a d u r c h g e k e nn z e i c h n e t, daß die Beschichtung aus Kunstharz die Form der freipräparierten Quarzfaserspitze und zusätzlich einen Teil des Fasermantels als zäher Überzug vollständig umschließt, derart daß auch bei Faserbruch die Spitze mit der Beschichtung verbunden bleibt.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18, d a d u r c h g e k e n n, z e i c h n e t, daß das Kunstharz aus Epoxidharz, insbesondere aus einem entsprechenden schnellhärtenden Kleber, aus Polyurethanharz, insbesondere aus einem DD- Lack, oder aus Polyvinylacetat, insbesondere einem ensprechenden konfektionierten Kleber, besteht.
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