DE4408111A1

DE4408111A1 - Laservorrichtung

Info

Publication number: DE4408111A1
Application number: DE4408111A
Authority: DE
Inventors: Vahid Saadatmanesh; Marvin P Loeb
Original assignee: Trimedyne Inc
Current assignee: Trimedyne Inc
Priority date: 1993-03-10
Filing date: 1994-03-10
Publication date: 1994-09-15
Also published as: GB2276014A; GB2276014B; IL108675A; IL108675A0; US5387211A; GB9403053D0; JPH079179A; US5387211B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laservorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. 18 und bezieht sich insbe sondere auf Vorrichtungen und Verfahren für die gesteuerte Zuführung von Laserenergie entlang einer ausgewählten Achse zu einem Ziel oder einer Stelle. Die vorliegende Erfindung ist besonders geeignet für die Verwendung in einem medizinischen Instrument, um eine Stelle auf der Oberfläche oder im Körper eines Patienten zu behandeln, ebenso wie für industrielle Verwendungszwecke.

Hintergrund der Erfindung und mit dem Stand der Technik verbundene technische Probleme

Verschiedene Systeme sind entwickelt oder vorgeschlagen worden, um Laserenergie zum Schneiden, Schweißen, Gravieren usw. zu verwenden. Es sind auch chirurgische Laserinstrumente entwickelt worden, um Laserenergie von einem Laser zu einer Stelle auf oder im Körper eines Patienten zu befördern. In einigen Fällen liefern diese chirurgischen Laserinstrumente Laserstrahlung durch einen flexiblen Lichtwellenleiter von einem Laser zu einem Zielgewebe.

Laserenergie kann eingesetzt werden, um eine gewünschte Wir kung auf Gewebe, einschließlich verschiedener Arten menschli chen Gewebes, zu erzielen. Laserenergie kann zum Beispiel ein gesetzt werden, um eiweißähnliche Bestandteile zu denaturieren und um Gewebe zu kauterisieren, abzutragen oder zu schneiden.

Typischerweise können die Auswirkungen eines Laserstrahls auf menschliches Gewebe (z. B. Ablation, Thermo-Koagulation, Dena turierung, Schneiden und ähnliches) mit Impulsen von Laser strahlung erzielt werden, die zum Beispiel bei einer Wellen länge von 2100 nm eine Energiedichte von ungefähr 300 mJ/mm² aufweist, die auf das Gewebe der Zielstelle auftrifft. Die Auswirkungen auf das Gewebe sind natürlich abhängig von der Menge an auftreffender Strahlungsenergie, die vom Gewebe ab sorbiert wird, und von dem Absorptionswirkungsgrad der verwen deten Wellenlänge. Relativ harte Gewebe, wie z. B. ein verkalk ter atherosklerotischer Plaque oder Knochen, erfordern relativ hohe Energieniveaus damit eine Ablation wirkungsam ist. Ebenso benötigt man eine relativ hohe Durchschnittsleistung, um einen malignen Tumor zu abladieren, für eine Knorpelablation bei der Arthroskopie oder ähnlichen medizinischen Verfahren, bei denen relativ große Mengen oder relativ hartes Gewebe entfernt wer den soll. Bei einer Wellenlänge von 2100 nm zum Beispiel wäre eine Leistungszufuhr von 40 bis 130 Watt zum Gewebe (ungefähr 50 bis 150 Watt am Laserkopf) erforderlich.

Bei einer Vielzahl von chirurgischen Verfahren, bei denen Ge webe mit einem Laserstrahl geschnitten wird, ist es erwünscht, das Gewebe relativ schnell zu schneiden. Um gewisse Gewebear ten mit einer relativ hohen Geschwindigkeit zu schneiden, sollte die auftreffende Laserenergie an der Gewebestelle, bei einer Wellenlänge von 2100 nm zum Beispiel, vorzugsweise in Impulsen zugeführt werden, die eine Dauer von ungefähr 200 bis 600 Mikrosekunden bei einer Folgefrequenz von 5 bis 60 Hertz haben.

Bei vielen Arten von kommerziell erhältlichen Lasergeräten, die für das Schneiden von Gewebe in medizinischen Anwendungsberei chen geeignet sind, ist die Erzeugung derartig hoher Energie niveaus oder derartig schneller Impulsfolgefrequenzen mit einem einzelnen Laserresonator oder -oszillator (d. h. Blitz licht, Hohlraum und Kristall) schwierig oder unmöglich, insbe sondere bei einem Excimer-, einem Holmium : YAG-, Erbium : YAG-, Rubin-, Alexandrit- oder ähnlichen Lasern, die ein begrenztes Ausgangsenergieniveau und eine begrenzte Folgefrequenzfähig keit aufweisen. Tatsächlich können viele der kommerziell er hältlichen Lasergeräte, die für das Schneiden von Gewebe geeig net sind, nicht über längere Zeit bei derartig hohen Energie niveaus oder derartigen Folgefrequenzen betrieben werden, ohne übermäßige Wärme zu erzeugen oder das Lasergerät oder den Lichtleiter übermäßig zu belasten, was zu einem vorzeitigen Versagen der Bauteile führen kann.

In Anbetracht der Nachteile des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Laservorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. 18 zu schaffen, die eine größere Flexibilität und Langzeitstabilität aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Anspruch 1 bzw. 18 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß ist es wünschenswert, ein verbessertes System zu schaffen für den Einsatz geeigneter, kommerziell erhältli cher Laserinstrumente zur Erzeugung von Strahlungsenergie mit höheren Energieniveaus, längeren Impulsbreiten oder schnelle ren Folgefrequenzen für die Zuführung zu einer Gewebestelle. Es wäre ebenfalls vorteilhaft, ein verbessertes Lasersystem zu schaffen, das mehrere Laserköpfe oder Lasergeräte aufnehmen kann, um Laserenergie verschiedener Wellenlängen in intermit tierenden oder im wesentlichen kontinuierlichen, verbundenen Impulsen zu liefern.

Vorzugsweise kann ein erfindungsgemäß verbessertes System die Verwendung kommerziell erhältlicher Impuls- oder Dauerlaser vorrichtungen der folgenden Arten berücksichtigen:
Neodym : Yttrium-Aluminium-Granat (Nd : YAG), Erbium : Yttrium- Aluminium-Granat (Er : YAG), Holmium : Yttrium-Aluminium-Granat (Ho : YAG), Rubin, Alexandrit, Kohlenstoffdioxid, Excimer-Laser, wie z. B. Argonfluorid (ArF), Xenonchlorid (XeCl), und andere Impulslaser.

Ein derartiges verbessertes System kann vorzugsweise so arbei ten, daß es das Gewebe Laserenergieimpulsen mit einer ausrei chend hohen Durchschnittsleistung und/oder Folgefrequenz in nerhalb einer relativ kurzen Zeitspanne aussetzt, um die ge wünschte Wirkung im Gewebe zu erzielen. Insbesondere wäre es wünschenswert, die Temperatur des Gewebes auf ein gewünschtes höheres Niveau anzuheben, trotz der Tendenz der Gewebetempera tur, über die Zeit hinweg zu sinken. In dieser Hinsicht ist es erwünscht, daß die Temperatur des Gewebes, die anfangs auf ei ne höhere Temperatur T₀ angehoben worden ist, ungefähr ent sprechend der folgenden Gleichung abnimmt:

T_t = T₀e^-t/k,

wobei T₀ die maximale höhere Temperatur ist, auf die das Ge webe durch einen vorausgehenden Impuls erwärmt worden ist, e die natürliche Logarithmus-Basis ist, t irgendein ausgewählter Zeitabschnitt ist, der der Erreichung der Temperatur T₀ folgt, k die Thermodiffusions-Zeitkonstante des Gewebes ist und T_t die resultierende zeitabhängige Temperatur am Ende des Zeitab schnitts t ist.

Wenn Gewebe einem ersten Impuls von Laserenergie ausgesetzt wird, steigt die Gewebetemperatur auf eine maximale Temperatur T₀, und dann beginnt die Gewebetemperatur zu sinken. Da die Gewebetemperatur anfangs steigt, wäre es wünschenswert, dem Gewebe höhere Energie zuzuführen. Man glaubt, daß die Wirksam keit der Laserablation von Gewebe erhöht werden kann, indem man das Gewebe Impulsen von Laserenergie auf eine Weise aus setzt, die zu geringem oder keinem Temperaturabfall zwischen Laserenergieimpulsen führt. Dementsprechend sollte die Zeit spanne zwischen Impulsen relativ kurz sein, vorzugsweise kürzer als die Thermodiffusions-Zeitkonstante des Gewebes.

Wenn zum Beispiel eine Ziel stelle eines typischen Gewebes auf eine anfängliche Temperatur von ungefähr 100°C erhöht wird, sinkt die Gewebetemperatur in 5 Millisekunden auf ungefähr 97°C, und es wäre wünschenswert, das Gewebe einer Vielzahl von Laserenergieimpulsen innerhalb eines solchen Zeitabschnitts oder innerhalb einer noch kürzeren Zeit auszusetzen.

Ein verbessertes Lasersystem sollte vorzugsweise die Abgabe von Energieimpulsen von zwei oder mehr herkömmlichen, medi zinischen Lasern innerhalb eines solchen Zeitabschnitts be rücksichtigen, wobei die Laserenergieimpulse eine typische zeitliche Trennung von weniger als 5 Millisekunden - und eine Impulsbreite von ungefähr 200 bis 600 Mikrosekunden aufweisen. Die Impulsbreite kann, abhängig von einer speziellen Verwen dung, variieren. Für die Zertrümmerung von Harnwegs-, Nieren- oder Gallensteinen zum Beispiel kann eine Impulsbreite von ungefähr 10 bis 1000 Nanosekunden wünschenswert sein.

Während Laserenergie aus zwei Laserquellen durch zwei unabhän gige Lichtwellenleiter, wie sie aus dem Stand der Technik be kannt sind, zugeführt werden kann, ist es vorteilhaft, ein derartiges verbessertes Laserenergie-Zuführungssystem zu schaffen, das derartig beträchtliche Laserenergie durch einen einzigen Lichtwellenleiter oder ein Bündel von Lichtwellenlei tern, einen einzigen Hohlleiter oder einen Gelenkarm zuführen kann. Ein derartiges System kann ebenfalls mit zwei oder mehr verschiedenen Laserarten arbeiten, um das Gewebe nacheinander Laserenergie mit verschiedenen Wellenlängen auszusetzen, um verschiedene Auswirkungen auf das Gewebe, wie z. B. Kauterisie rung durch eine Wellenlänge und Schneiden oder Ablation durch eine andere, zu erzielen.

Die vorliegende Erfindung schafft ein verbessertes Laserener gie-Zuführungssystem, das Vorrichtungen mit den oben disku tierten Vorteilen und Merkmalen aufnehmen kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft ein einzigartiges Mehrfach- Lasersystem, um eine Zielstelle Laserenergie mit einer relativ größeren Durchschnittsleistung und/oder längerer Impulsbreite oder höherer Impulsfolgefrequenz an der Stelle auszusetzen als dies mit einem einzelnen Laser möglich ist.

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere geeignet für die Verwendung in einem medizinischen System, um strahlende Laser energieimpulse auf eine kontrollierte Weise einer ausgewählten Gewebestelle zuzuführen. Die Erfindung ist besonders gut ge eignet für die Verwendung bei chirurgischen Verfahren, um re lativ weiche Gewebe schnell zu koagulieren oder zu schneiden, und ebenso, um relativ harte Gewebe abzutragen oder zu abla dieren. Weiterhin kann eine Vielzahl von verschiedenen Wel lenlängen von Laserenergie mit verschiedenen Absorptionscha rakteristiken der Reihe nach entlang einer einzigen Achse di rekt oder durch einen oder mehrere Lichtwellenleiter oder durch einen Gelenkarm einer Zielstelle zugeführt werden.

Entsprechend einem bevorzugten Gesichtspunkt der Erfindung ist eine Laservorrichtung für die koaxiale Positionierung mehrerer Laserstrahlen entlang einer einzigen Achse vorgesehen. Minde stens zwei Laserresonatoren oder -oszillatoren sind für die Erzeugung eines Laserstrahls durch jeden der derartigen Reso natoren oder Oszillatoren vorgesehen. Eine Drehreflektorvor richtung ist so angebracht, daß sie zumindest einen der er zeugten Laserstrahlen auffängt und den aufgefangenen Laser strahl getrennt von dem anderen Laserstrahl, aber entlang einer einzigen Achse, die von diesem festgelegt wird, leitet.

Zahlreiche andere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Er findung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung, aus den Ansprüchen und aus den beigefügten Zeich nungen ersichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den beigefügten Zeichnungen, die einen Teil der Beschrei bung darstellen und in denen durchweg gleiche Bezugsziffern zur Bezeichnung derselben Teile verwendet werden, zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mehrkopf-Laseranordnung der vorlie genden Erfindung;

Fig. 2 eine teilweise schematische Ansicht der Vorderseite ei nes Drehreflektors, im wesentlichen entlang der Ebene 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine Ansicht, die der in Fig. 2 ähnlich ist, aber eine andere Ausführungsform eines Drehreflektors zeigt;

Fig. 4 ein schematisches Diagramm einer anderen Ausführungs form einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung;

Fig. 5 eine Ansicht eines Drehreflektors, im wesentlichen ent lang der Ebene 5-5 in Fig. 4;

Fig. 6 ein schematisches Diagramm einer weiteren Ausführungs form einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung;

Fig. 7 eine Ansicht eines Drehreflektors, im wesentlichen ent lang der Ebene 7-7 in Fig. 6; und

Fig. 8 ein vereinfachtes Diagramm, das eine graphische Dar stellung des Betriebs des Laservorrichtungssystems als eine Funktion der Zeit zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die vorliegende Erfindung schafft ein verbessertes Laserzufüh rungssystem, das insbesondere geeignet ist für die Verwendung in der Chirurgie und anderen medizinischen ebenso wie indu striellen Anwendungsbereichen. Das System umfaßt mehrere La serresonatoren oder -oszillatoren, die ungewöhnlich angeordnet sind, so daß sie der Reihe nach Laserenergiestrahlen entlang einer einzigen Achse zu einer einer Zielstelle abgeben. Das System kann somit, ohne einen Wechsel der numerischen-Apertur des Systems erforderlich zu machen, einer Gewebestelle oder einem Werkstück durch einen einzigen Wellenleiter, einen Ge lenkarm, einen Hohlleiter oder dergleichen, Laserenergie mit einer höheren Durchschnittsleistung und größerer Energiedichte zuführen, ohne die übertragenden Wellenleiter zu beschädigen, oder mit einer relativ schnelleren Impulsfolgefrequenz.

Während die vorliegende Erfindung für Ausgestaltungen in vie len verschiedenen Formen geeignet ist, beschreibt diese Be schreibung und die beigefügten Zeichnungen nur einige spe zielle Formen als Beispiele der Erfindung. Es ist jedoch nicht beabsichtigt, die Erfindung auf die so beschriebenen Ausfüh rungsformen zu beschränken. Der Umfang der Erfindung ist in den Ansprüchen dargelegt.

Zur Erleichterung der Beschreibung ist die erfindungsgemäße Laservorrichtung in einer ausgewählten Betriebsstellung beschrieben, und Begriffe wie oben, unten, horizontal, etc. werden mit Bezug auf diese Stellung verwendet. Es versteht sich jedoch, daß die erfindungsgemäße Laserenergievorrichtung auch in einer anderen Ausrichtung als der beschriebenen Stel lung hergestellt, gelagert, transportiert, verwendet und verkauft werden kann.

Einige der Figuren, die Ausführungsformen des Gerätes darstel len, zeigen bauliche Details und mechanische Elemente, die ein Fachmann erkennt. Die detaillierten Beschreibungen derartiger Elemente sind jedoch für das Verständnis der Erfindung nicht notwendig, und können dementsprechend hier entfallen.

Weiterhin wird das erfindungsgemäße Gerät mit gewissen her kömmlichen Bauteilen, deren Einzelheiten nicht vollständig dargestellt oder detailliert beschrieben sind, verwendet oder umfaßt diese.

Das erfindungsgemäße Gerät kann zum Beispiel mit geeigneten herkömmlichen Laserquellen (Laserresonatoren oder -oszillato ren), Gelenkarmen, Spiegeln, Hohlleitern, Lichtwellenleitern und Verbindungssystemen dafür verwendet werden, deren Einzel heiten, obwohl sie nicht vollständig dargestellt oder ausführ lich beschrieben sind, für Fachleute, die etwas von den not wendigen Funktionen derartiger Bauteile verstehen, klar sind. Die detaillierten Beschreibungen derartiger Bauteile sind für das Verständnis der Erfindung nicht notwendig und werden hier nicht vorgelegt, da die baulichen und betrieblichen Einzelhei ten derartiger Bauteile für sich genommen nicht Teil der vor liegenden Erfindung bilden.

Eine erste Art der die vorliegende Erfindung darstellenden La servorrichtung oder -systems ist in den Fig. 1 und 2 ge zeigt. Die Vorrichtung ist geeignet zum Leiten von Strahlen oder Impulsen von Laserstrahlung entlang einer einzigen Achse 10 zu einem Ziel oder einer Stelle 12. Das System ist insbe sondere geeignet zum Leiten von Laserstrahlung zu einem Ziel 12 von menschlichem Gewebe auf der Oberfläche eines Körpers, innerhalb eines natürlichen Lumens oder Hohlraums oder in einem chirurgisch geschaffenen Bereich, Hohlraum oder Durch gang in Körpergewebe. Bei chirurgischen oder anderen medizi nischen Anwendungsbereichen kann das Gewebe, auf das die La serenergie gerichtet ist, typischerweise so charakterisiert werden, daß es eine Körperstelle festlegt, die einen durch den Einsatz von Laserstrahlungsenergie zu ändernden Stoff enthält. Der Stoff kann Teil des Gewebes per se sein oder kann eine abgeänderte Form des Gewebes sein, wie z. B. krebsartiges Gewe be oder atherosklerotischer Plaque. Der Stoff kann ebenfalls eine zusätzliche Ablagerung auf dem Gewebe sein oder ein Mate rial, das für industrielle Zwecke entfernt werden soll.

Die Laserstrahlung kann wie gewünscht entlang der Achse 10 zu und dann durch einen geeigneten wie oben erwähnten (nicht dar gestellten) Lichtwellenleiter oder ähnlichen Lichtleiter über tragen werden. Ein solcher Lichtleiter kann ein herkömmlicher, länglicher, flexibler Lichtwellenleiter sein, der eine gebo gene Form einnehmen kann und der als eine Laserenergie-Über tragungsleitung wirkt. Ein solcher Leiter kann an seinem nächstgelegenen Ende mit einer herkömmlichen Linse oder Kopplungsanordnung 16 verbunden oder gekoppelt sein, in die die Laserenergie aus mindestens zwei Laserquellen oder Laser oszillatoren gerichtet ist: einem ersten Laseroszillator 21 und einem zweiten Laseroszillator 22. Der Lichtleiter kann auch ein hohles, flexibles Rohr sein, das ein reflektierendes inneres Lumen, wie es für die Übertragung von CO₂-Laserenergie verwendet wird, aufweist.

Die Bauart, die Konstruktion und der Betrieb der Laseroszilla toren, Lichtwellenleiter, Lichtleiter, laserreflektierenden Spiegel und Kopplungsanordnungen sind in der Technik wohlbe kannt und sind hierin nicht detailliert beschrieben. Die Ein zelheiten der Bauart, der Konstruktion und des Betriebs derar tiger Bauteile bilden per se nicht Teil der vorliegenden Er findung.

Die Begriffe "Laserenergie", "Laserstrahlung", "Laserstrahl" und Abwandlungen davon, wie sie in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet werden, sollen so verstanden werden, daß sie Impulswellen- oder intermittierende (unterbrochene) kontinuierliche Wellen-Laserenergie mit einem breiten Bereich von Frequenzen, Impulsbreiten und Folgefrequenzcharakteristi ken und Energiedichten oder -flüsse und -leistungen umfassen. Die Laserstrahlung kann auf geeignete Weise durch eine her kömmliche Laservorrichtung erzeugt werden, die Impulse der gewünschten Wellenlänge erzeugt. Beispiele für Laserarten, die Energien erzeugen können, die für chirurgische Anwendungsbe reiche geeignet sind, umfassen die folgenden: Excimer (z. B. 193 Nanometer und 308 Nanometer Wellenlänge), Alexandrit, Titan, Saphir, Argon, Neodym : Yttrium-Aluminium-Granat (Nd : YAG), frequenzverdoppelte Nd : YAG (KTP-Laser), Holmium : Yttrium-Aluminium-Granat (Holmium : YAG), Erbium : Yttrium-Aluminium-Granat (Er : YAG), Kohlenstoffdioxid (CO₂), Rubin und ähnliche.

Die Laseroszillatoren 21 und 22 werden in Verbindung mit ande ren Bauteilen angeordnet und gesteuert, um getrennte Impulsla serstrahlen zu erzeugen, die der Reihe nach entlang der einzi gen Achse 10 geleitet werden. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform sind die beiden Laseroszillatoren 21 und 22 identisch und sind so angeordnet, daß sie die Impulslaser strahlen aus den Ausgangsöffnungen in einer im wesentlichen parallelen Anordnung aussenden. Die Laserenergie des ersten Laseroszillators 21 wird in einem Impulsstrahl 26 in einer geraden Linie übertragen, die mit der Achse 10 zusammenfällt und diese festlegt.

Der zweite Laseroszillator 22 erzeugt einen Impulsstrahl, der entlang eines ersten Wegs 30 verläuft, der vom Strahl 26 des ersten Laseroszillators beabstandet, aber zu diesem parallel ist. Am Ende des ersten Wegs 30 wird der Strahl 28 des zweiten Laseroszillators durch eine Reflektorvorrichtung, wie z. B. einen herkömmlichen laserenergiereflektierenden Spiegel 32 einer geeigneten Art, reflektiert. Der zweite Strahl 28 wird durch den Spiegel 32 vom ersten Weg 30 entlang einem zweiten Weg 34 reflektiert, der im allgemeinen senkrecht zum ersten Weg 30 und somit auch zum Strahl 26 des ersten Laseroszil lators auf der Achse 10 senkrecht ist. Im Betrieb ist der Spiegel 32 normalerweise ortsfest. Der Spiegel kann jedoch eine geeignete herkömmliche Vorrichtung zur Einstellung des Winkels des Spiegels relativ zum ersten Weg 30 des Strahls umfassen, um die Ausrichtung des zweiten Wegs 34 des Strahls zu vereinfachen.

Der zweite Weg 34 des Strahls und der Weg des Strahls 26 des ersten Laseroszillators kreuzen sich im allgemeinen in einem Kreuzungsbereich 36 in einem rechten Winkel. Obwohl die Wege der Strahlen ausgerichtet werden, damit sie sich im Bereich 36 (Fig. 1) kreuzen, werden die beiden Laseroszillatoren zu ver schiedenen Zeiten betrieben, wie es nachfolgend hier noch de tailliert beschrieben werden wird, so daß die Strahlenimpulse nicht zeitlich, sondern nur räumlich zusammenfallen.

Eine Reflektorvorrichtung 40 ist am Wegkreuzungsbereich 36 vorgesehen, um den Strahl 28 des zweiten Laseroszillators aufzufangen und den Strahl entlang der Achse zu leiten. Die Reflektorvorrichtung 40 weist eine Dreh-Unterbrechungsvorrich tung 42 auf, die auf einer Welle 44 gelagert ist, die sich von einem Antriebsmotor 46 erstreckt. Die Reflektorvorrichtung 40 kann ein spezieller oder herkömmlicher Lichtstrahlunterbrecher sein. Unterbrecher, die für diese Verwendung geeignet sind, sind kommerziell unter der Bezeichnung Model 220 Light Beam Chopper von Ithaco, 735 West Clinton Street, P.O. Box 437, Ithaca, New York 14851-6437, erhältlich.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 umfaßt die Dreh-Unterbrechungsvor richtung 42 eine Vielzahl von Armen oder Blättern 50. In der dargestellten Ausführungsform erstrecken sich fünf solche Blätter 50 radial nach außen und sind gleich voneinander beab standet, um Spalten oder Lücken 52 festzulegen. Jedes Blatt 50 weist eine vordere Oberfläche (d. h. die Oberfläche, die dem einfallenden Strahl 28 des zweiten Laseroszillators gegenüber liegt), die durch eine reflektierende Oberfläche, wie z. B. ei nen beschichteten Glasspiegel, festgelegt ist.

Der Motor 46 ist vorzugsweise ein Elektromotor mit einstell barer Geschwindigkeit, der die Unterbrechungsvorrichtung 42 über einen Bereich von Drehzahlen drehen kann. Für eine gegen wärtig erwogene Betriebsweise für die in Fig. 1 und 2 darge stellte Ausführungsform kann die Unterbrechungsvorrichtung 42 mit einer Geschwindigkeit im Bereich von ungefähr 12 Umdrehun gen/Minute bis ungefähr 10 000 Umdrehungen/Minute gedreht wer den.

Ein herkömmlicher Referenzaufnahme-Photosensor oder -Posi tionssensor 54 ist auf eine herkömmliche Weise angrenzend an das Drehelement 42 angeordnet, um das Vorhandensein oder das Nicht-Vorhandensein eines Blattes 50 zu erfassen.

Ein herkömmliches Steuerungssystem ist vorgesehen und es um faßt einen Umdrehungszähler 56 zum Empfangen eines Signals 58 vom Positionssensor 54. Der Umdrehungszähler 56 registriert die Frequenz oder Geschwindigkeit, mit der sich die Blätter 50 am Sensor 54 vorbeidrehen. Ein Steuersignal 60, das dieser Frequenz entspricht, wird zu einer zentralen Verarbeitungsein heit 62 übertragen. Der Motor 46 der Unterbrechungsvorrichtung wird vorzugsweise durch ein herkömmliches Steuersignal 64 ge steuert, das auf das Umdrehungszähler-Signal 60 und ein her kömmliches Frequenzsteuersystem reagieren kann.

Der erste Laseroszillator 21 wird von der zentralen Verarbei tungseinheit 62 über ein Steuersignal 71 gesteuert, und der zweite Laseroszillator 22 wird von der zentralen Verarbei tungseinheit 62 durch ein Steuersignal 72 gesteuert.

Im Betrieb betätigt (d. h. löst aus oder feuert) die zentrale Verarbeitungseinheit 62 abwechselnd den ersten Laseroszillator 21 und den zweiten Laseroszillator 22. Für den herkömmlichen Betrieb wird der Motor 46 typischerweise mit einer konstanten ausgewählten Geschwindigkeit betrieben. Wenn eines der fünf Blätter 50 durch den Positionssensor (Photosensor) 54 erfaßt wird, ermöglicht der Spalt oder die Lücke 52, der/die 180° von dem erfaßten Blatt 50 entfernt ist, den Durchgang des Strahls 26 des ersten Laseroszillators 21 entlang der Achse 10 zum Ziel 12. Die zentrale Verarbeitungseinheit 62 betätigt zu diesem Zeitpunkt den ersten Laseroszillator 21, damit dieser den Laserenergie-Strahl oder -Impuls 26 abgibt. Der Impuls endet, sobald sich ein Blatt 50 in den Strahlweg dreht.

Wenn das Drehelement 42 ein Blatt 50 in den Weg des Strahls 26 und daher auch in den Weg 34 des Strahls des zweiten Laseros zillators bewegt, wird die Position dieses Blattes 50 durch den Positionssensor 54 bestimmt, der die entsprechendem Lücke oder den Spalt 52, die/der 36° entfernt ist, erfaßt. Die zen trale Verarbeitungseinheit 62 betätigt dann den zweiten Laser oszillator 22, damit dieser einen Impulslaserstrahl 28 abgibt, der vom Spiegel 32 als Strahl 34 reflektiert wird, der wiede rum vom Blatt 50 des Elements 42 im Kreuzungsbereich 36 re flektiert und entlang der Achse zum Ziel 12 geleitet wird. Dieser Vorgang wiederholt sich, während sich das Drehelement 42 dreht, und die Laserstrahlimpulse werden somit abwechselnd und der Reihe nach von den beiden Laseroszillatoren zum Ziel 12 übertragen. Dies ist in Fig. 8 graphisch dargestellt, in der das Ausgangssignal des Photosensors 54 durch die Wellen form-Linie (1) gezeigt ist. Hoch in einer Wellenform (1) entspricht der Erfassung der Spiegelteile der Drehunterbre chungsvorrichtung 42. "Tief" in der Wellenform (1) entspricht der Erfassung der offenen oder Aperturabschnitte des Drehun terbrechers 42. Eine Wellenform (2) von Fig. 8 zeigt das Feuerbefehls-Signal 71, wie es von der zentralen Verarbei tungseinheit oder Steuerung 62 abgegeben wird. Eine Wellenform (3) von Fig. 8 zeigt das Feuerbefehls-Signal 72, wie es von der Steuerung 62 abgegeben wird. Das Feuerbefehls-Signal 71 wird abgegeben, um den Oszillator 21 während des "tiefen" Ab schnitts der Wellenform (1) zu betätigen, wie es in Fig. 8 gezeigt ist. Dies ist der Zeitabschnitt, in dem sich der La serimpuls vom Oszillator 21 ununterbrochen zur Kopplungsan ordnung 16 durch ausbreiten kann. Das Feuerbefehls-Signal 72 wird jedoch nur während dem "hohen" Abschnitt der Wellenform (1) abgegeben. Dies ist der Zeitabschnitt, in dem ein reflek tierendes Blatt 50 oder etwas ähnliches durch den Drehunter brecher 42 in den Weg eines Laserimpulses vom Oszillator 22 gebracht wird. Dies ermöglicht, daß der Impuls vom Oszillator 22 durch das reflektierende Blatt 50 an einem mit dem Impuls vom Oszillator 21 zusammentreffenden Kreuzungspunkt im Raum reflektiert wird.

Somit sind die Feuerbefehls-Signale 71 und 72, die in Fig. 8 in den Wellenformen (2) bzw. (3) erscheinen, zumindest um 180 Grad phasenverschoben. Die Betriebsweise, bei der zwei aufein anderfolgende Feuerbefehlssignale um 180 Grad auseinanderlie gen, sorgt für die kürzest mögliche Impulsabstandsverzögerung, die durch die Winkelgeschwindigkeit des Drehelements bestimmt wird. Dies nützt bei der Erreichung der doppelten Energie ei nes einzelnen Impulses, soweit es die photothermische Ablation betrifft. Wie oben erwähnt, wird die Impulsabstandsverzögerung lang genug gewählt, um zu ermöglichen, daß sich die Schallwir kungen eines ersten Laserimpulses ausbreiten können, bevor ein zweiter Laserimpuls eingeführt wird. Bei dieser Betriebsweise addieren sich die akustischen Impulse zweier aufeinanderfol gender Laserimpulse nicht.

Bei einer anderen Betriebsweise, bei der eine hohe Folgefre quenz gewünscht ist, werden die Laseroszillatoren 21 und 22 so betätigt, daß sie mit einer relativ langen Verzögerung zwi schen ihren beiden entsprechenden Impulsen feuern. Wenn zum Beispiel eine Folgefrequenz von 50 Impulsen pro Sekunde ge wünscht ist, feuert der Laseroszillator 21 einen Impuls durch ein offenes Teil mit einer Folgefrequenz von 25 Impulsen pro Sekunde, und ungefähr 20 Millisekunden später feuert der La seroszillator 22 einen Impuls mit einer Folgefrequenz von 25 Impulsen pro Sekunde in ein Spiegelteil. Auf diese Weise sind die Impulse gleich voneinander beabstandet und eine Gesamtheit von 50 Impulsen pro Sekunde wird erreicht.

In jedem beliebigen Beispiel darf die Impulsbreite nicht den Zeitabschnitt überschreiten, so daß entweder die Apertur oder die strahlenreflektierende Oberfläche zur Verfügung steht, um den gesamten Strahl zu reflektieren.

Bei einer gegenwärtig erwogenen Betriebsweise, bei der ein herkömmliches reflektierendes Element 42 mit fünf Blättern verwendet wird, können die Laseroszillatoren 21 und 22 beide Holmium : YAG-Laser sein, von denen jeder mit mindestens unge fähr einer 1-Hertz-Impulsfolgefrequenz mit einer 10 bis 10 000 Mikrosekunden typischen Impulsbreite betrieben kann (bei einer Leistungsabgabe von ungefähr 8000 Millÿoules pro Impuls und einer Wellenlänge von ungefähr 2100 Nanometern, wenn sie bei einer maximalen Durchschnittsleistung von ungefähr 75 Watt pro Oszillator arbeiten).

Wenn sich eine Hinterkante eines Blattes aus dem Weg des Strahls 26 des ersten Laseroszillators bewegt, damit sich der erste Strahl 26 zum Ziel weiterbewegen kann, ist im allgemei nen durch die zentrale Verarbeitungseinheit 62 vorzugsweise eine Zeitverzögerung mit 800 Mikrosekunden Abstand vorgesehen, um zu gewährleisten, daß der erste Laseroszillator 21 betätigt wird, wenn der Strahlweg vollständig offen ist. Auf ähnliche Weise ist, wenn sich die Vorderkante des nächsten Blattes 50 in den durch den Strahl 34 für den Strahl 28 des zweiten La seroszillators festgelegten Weg zu bewegen beginnt, durch die zentrale Verarbeitungseinheit 62 ein 800-Mikrosekunden-Zeit verzögerungsabstand vorgesehen, bevor der zweite Laseroszil lator 22 betätigt wird. Dies gewährleistet, daß der gesamte Strahl 28 durch das reflektierende Blatt 50 reflektiert wird. Natürlich hängt dieses Verzögerungsintervall von der Winkel geschwindigkeit des Blattes ab.

Das Beabstanden von einzelnen Impulsen kann zum Modulieren der Schallwirkungen des verwendeten Impulslaserstrahls genutzt werden. Zur Maximierung der zur Verfügung stehenden Schallwir kungen, zum Beispiel für die Zertrümmerung eines relativ har ten Materiale wie z. B. eines Nieren- oder Gallensteins, wird die Impulsbeabstandung minimiert, d. h., die Impulse werden relativ nahe zueinander erzeugt. Durch die Beabstandung der aufeinanderfolgenden Impulse relativ nahe zueinander wird die Impulsbreite beträchtlich vergrößert, so daß eine relativ höhere Durchschnittsleistung einem Ziel zugeführt werden kann, ohne den für die Übertragung derselben verwendeten Lichtwel lenleiter zu beschädigen. Dies ist insbesondere vorteilhaft für die Abgabe relativ hoher Energieimpulse aus Excimer-La sern.

Andererseits werden die einzelnen Impulse durch mindestens 800 Mikrosekunden beabstandet, um die Schallwirkungen zu minimie ren.

Zur Maximierung der Wärmewirkungen, während die Schallwirkun gen minimiert werden, sind die einzelnen aufeinanderfolgenden Impulse um mindestens 800 Mikrosekunden beabstandet, aber sie sind innerhalb eines Zeitabschnitts kaskadiert, der geringer ist als der Zeitabschnitt, während dem die durch die vorherge henden Impulse erzeugte Wärme im wesentlichen entweicht. Die Dauer dieses letzteren Zeitabschnitts variiert je nach der zu schneidenden oder abzutragenden Gewebeart und ist eine Funk tion der Temperatur-Integrationszeit, die für das bestimmte Gewebe konstant ist. Wenn zum Beispiel die Wärmediffusions- Zeitkonstante k den Wert 150 Millisekunden aufweist, zeigt die Verwendung der oben erwähnten Formel

T_t = T₀e^-t/k,

daß beginnend mit einer Gewebetemperatur von 100°C die Gewebe temperatur nach 5 Millisekunden

T_t = 100 × e^-0,005/0,15 = 96,7°C

beträgt. Dementsprechend führt die Abgabe eines zweiten Laser energieimpulses innerhalb von 5 Millisekunden nach der Abgabe des vorhergehenden Impulses zu einer Akkumulierung der jewei ligen Wärmewirkungen.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht den Einsatz von kommer ziell erhältlichen medizinischen Lasern, die Laserstrahlener gien erzeugen, die während der Übertragung beachtlicher Dämp fung ausgesetzt sind. Bei einer durch die vorliegende Erfin dung erwogenen Betriebsweise können zwei solcher identischer, herkömmlicher medizinischer Laser für die Laseroszillatoren 21 und 22 eingesetzt werden, und jeder Oszillator wird so betä tigt, daß er Laserstrahlung zum Beispiel mit einer Leistung von 75 Watt an der Abgabeöffnung erzeugt, damit er ungefähr 65 Watt dem Ziel zuführt. Die beiden Laseroszillatoren können so betätigt werden, daß sie Impulse mit einer Frequenz von unge fähr 15 Hertz erzeugen, so daß ein Impuls aus einem Laseros zillator und der nächste Impuls aus dem anderen Laseroszil lator aufeinanderfolgend und koaxial in einer relativ kurzen Zeitspanne auftreten. Somit wird das Ziel einer Gesamtheit von 130 Watt Durchschnittsleistung bei einer Folgefrequenz von 30 Impulsen pro Sekunde unterzogen.

Das Ziel 12, wie z. B. Gewebe, kann durch die Laserstrahlim pulse vorzugsweise effektiver geschnitten werden, wenn die beiden Impulse mit einem relativ kurzen Zeitintervall zwischen den beiden Impulsen auf das Gewebe übertragen werden. Zum Beispiel wäre es bei Impulsen, die je eine Impulsbreite von ungefähr 250 Mikrosekunden und eine Folgefrequenz von 15 Hertz aufweisen, wünschenswert, den zweiten Impuls innerhalb von 0,5 bis 5 Millisekunden nach dem Ende des ersten Impulses einzu leiten. Durch geeignete Auswahl des Aufbaus des Drehreflektors oder -unterbrechers (d. h., der Anzahl und Breite an reflektie renden Oberflächen und an Lücken) und durch geeigneten Auswahl der Drehgeschwindigkeit, können Paare von aufeinanderfolgenden Laserstrahlimpulsen erzeugt werden, so daß der Zeitabschnitt zwischen den beiden Impulsen nur wenige hundert Mikrosekunden klein ist. Die Abgabe aufeinanderfolgender Impulse mit einem relativ kurzen Zeitintervall dazwischen weist in einem ther modynamischen Sinn die gleiche Wärmewirkung gegenüber der Ge webezielstelle auf, wie wenn es sich um einen einzelnen Impuls handeln würde, der die kombinierten Energien der Mehrfachim pulse aufweist. In einem akustischen Sinn bleiben die abgege benen Impulse jedoch (als) zwei getrennte Impulse, insofern als sich Knallgeräusch und die erzeugte Dampfblase innerhalb von ungefähr 800 bis 900 Mikrosekunden ausbreiten. Das heißt, die Abgabe aufeinanderfolgender Laserenergieimpulse kann so gesteuert werden, daß derartige Impulse zeitlich nahe genug zueinander abgegeben werden, um an einer Zielstelle, z. B. Nie ren- oder Gallensteinen, eine additive Schallwirkung hervor zurufen. Auf eine ähnliche Weise können zwei aufeinanderfol gende Laserenergieimpulse zeitlich voneinander beabstandet abgegeben werden, um an einer Zielstelle, z. B. auf einem Knie knorpel oder bei einer Blutgefäßverstopfung, eine zusätzliche Wärmewirkung hervorzurufen, aber ohne eine zusätzliche Schall wirkung hervorzurufen.

Falls es erwünscht ist, kann ein Detektor 76 auf der Achse 10 stromabwärts der Drehreflektorvorrichtung 40 vorgesehen sein, um die Energieniveaus der Strahlen zu überwachen. Der Detektor 76 kann verbunden sein, um der zentralen Verarbeitungseinheit 62 ein Signal 77 zuzuführen. Der Detektor 76 kann jegliche ge eignete spezielle oder herkömmliche Bauart aufweisen, die Fachleuten wohlbekannt ist. Die detaillierte Konstruktion, Aufbau und Betriebsweise eines derartigen Detektors ist nicht Teil der vorliegenden Erfindung.

Falls gewünscht, kann auch ein Zielstrahl vorgesehen sein. Zu diesem Zweck kann ein Helium-Neon-(HeNe)-Laser 80 vorgesehen sein, um einen Strahl 82 zu einem Spiegel 84 zu leiten, der den Strahl 82 durch die Fokussierlinse 16 (wenn verwendet) re flektiert. Der Helium-Neon-Laser kann herkömmlicher Art sein, der, wie es in der Technik bekannt ist, einen Zielstrahl mit niedriger Leistung schafft. Die detaillierte Konstruktion, Aufbau und Betriebsweise eines derartigen Zielstrahllasers ist nicht Teil der vorliegenden Erfindung.

Das in Fig. 1 dargestellte System kann auch zusätzliche Bau teile, wie z. B. andere Spiegel, Antireflexbeläge, Fokussier elemente, Gehäuse, automatisch betätigte Strahlenblockiervor richtungen oder -verschlüsse und ähnliches (das nicht darge stellt ist), umfassen. Die detaillierte Konstruktion, Aufbau und Betriebsweise derartiger Bauteile per se ist nicht Teil der vorliegenden Erfindung.

Man erkennt auch, daß das in Fig. 1 dargestellte System abge ändert werden kann. Der zweite Laseroszillator 22 muß zum Bei spiel nicht so ausgerichtet sein, daß er den Strahl 28 entlang einem ersten Strahlweg 30 abgibt, der zum Strahl 26 des ersten Laseroszillators 21 parallel ist. Statt dessen könnte der Spie gel 32 weggelassen werden, und der zweite Laseroszillator 22 könnte so ausgerichtet werden, daß er seinen Strahl 28 von An fang an direkt entlang dem Strahlweg 34 in der Richtung ab gibt, die im wesentlichen senkrecht zum Strahl 26 des ersten Laseroszillators ist.

Der zweite Laseroszillator 22 könnte ebenfalls, je nach der Ausrichtung des Spiegels 32 und der Drehreflektorvorrichtung 40, in anderen schiefen Winkeln ausgerichtet werden.

Bezüglich der Konstruktion und der Betriebsweise der Drehre flektorvorrichtung 40 können verschiedene Abänderungen oder Alternativen zum Einsatz kommen. Das Drehreflektorelement 42 kann zum Beispiel eher in Form einer Scheibe mit einzelnen (nicht dargestellten) Stützen oder Aperturen vorgesehen sein, als mit Blättern 50 und Spalten 52, wie es in Fig. 2 darge stellt ist. Darüber hinaus können die Laseroszillatoren auf eine bekannte Weise gütegeschaltet (Q-geschaltet) oder phasen verriegelt sein, um relativ kurze Impulse synchron mit der Drehreflektorvorrichtung und mit einer Folgefrequenz im Nano sekunden- oder Pikosekundenbereich zu erzeugen, damit sie eine größere Schallwirkung erzeugen und für die Zertrümmerung von Nierensteinen, Gallensteinen und ähnlichem geeignet sind.

Eine Abänderung eines Drehreflektorelements ist in Fig. 3 dar gestellt, in der es im allgemeinen durch die Bezugsziffer 42A bezeichnet ist. Das Drehreflektorelement 42A ist dazu geeig net, auf dieselbe Weise auf einer Welle gedreht zu werden wie das oben mit Bezug auf Fig. 2 beschriebene Blatt-Reflektorele ment 42. Das Reflektorelement 42A umfaßt jedoch nicht getrenn te Blätter per se. Das Element 42A weist vielmehr die Form einer einzelnen Scheibe auf, die mit einem transparenten Be reich 41A und einem koplanaren reflektierenden Bereich 43A versehen ist. Jeder Bereich 41A und 43A weist eine im wesent lichen halbkreisförmige Form auf. Der transparente Bereich ist vorzugsweise mit einem Antireflexbelag überzogen, und der Re flektorbereich 43A ist vorzugsweise mit einem in der Technik bekannten dielektrischen Reflexbelag überzogen.

Die einzige, in Fig. 3 dargestellte, Drehscheibe 42A könnte ebenfalls durch das Vorsehen einer Anzahl von tortenförmigen transparenten Segmenten, die durch (nicht dargestellte) tor tenförmige Reflektorsegmente getrennt sind, modifiziert wer den.

Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung können auch bei Sy stemen verwendet werden, bei denen mehr als zwei Laseroszilla toren eingesetzt werden. Fig. 4 zeigt ein System, bei dem drei Laseroszillatoren eingesetzt werden: ein erster Laseroszilla tor 221, ein zweiter Laseroszillator 222 und ein dritter La seroszillator 223. Der erste Laseroszillator ist so ausgerich tet, daß er einen Impulslaserstrahl 226 entlang einer Achse 210 abgibt, die durch eine Stelle oder ein Ziel 212 verläuft. Der zweite Laseroszillator 222 ist so ausgerichtet, daß er ei nen Strahl 228 zu einem Spiegel 232 abgibt, damit dieser ent lang einem Weg 234, der sich mit dem Weg des Strahls 226 ent lang der Achse 210 kreuzt, reflektiert wird. Auf eine ähnliche Weise gibt der dritte Laseroszillator 223 einen Strahl 229 zur Reflexion durch einen Spiegel 233 entlang einem Weg 235 ab, damit dieser sich mit dem Weg des Strahls 226 (entlang der Achse 210) im rechten Winkel kreuzt.

Eine erste Drehreflektorvorrichtung oder -unterbrecher 240 ist am Kreuzungsbereich der Wege der Strahlen 226 und 228 angeord net, und eine zweite Drehreflektorvorrichtung oder -unterbre cher 245 ist am Kreuzungsbereich der Wege der Strahlen 226 und 235 angeordnet. Jeder Unterbrecher 240 und 245 umfaßt ein Re flektorelement 242 (Fig. 5), das vier Blätter 250 umfaßt. Das Winkelmaß oder der Umfangsabstand zwischen der Vorderkante ei nes Blattes 250 und der Vorderkante des nächsten benachbarten Blattes 250 ist durch den Bezugsbuchstaben P bezeichnet. Das Winkelmaß jedes Blattes 250 beträgt 1/3P, und das Winkelmaß des Raums zwischen benachbarten Blättern 250 beträgt 2/3P.

Wie in der ersten, in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform, ist ein Steuersystem zur Steuerung des Betriebs der Laseros zillatoren und der Drehreflektorunterbrecher 240 und 245 vor gesehen. Steuersignale sind im allgemeinen schematisch durch gestrichelte Linien in Fig. 4 dargestellt.

Jeder Drehreflektorunterbrecher oder -zerhacker 240 und 245 wird in Verbindung mit Positionssensoren 254 und einem Steuer system betätigt, das einen Umdrehungszähler 256 und eine zen trale Verarbeitungseinheit 262 umfaßt. Das Steuersystem betä tigt den ersten Laseroszillator 221, so daß dieser den ersten Strahl 226 zwischen den Blättern 250 in beiden Drehreflektor unterbrechern 240 und 245 abgibt. Wenn sich die Drehreflektor unterbrecher 240 und 245 drehen, hört die Erzeugung des Laser strahlimpulses aus dem ersten Laseroszillator 221 auf, und der zweite Laseroszillator 222 wird betätigt, so daß er den zwei ten Laserstrahlimpuls 228 erzeugt, der von einem Blatt 250 reflektiert wird, das nun in den Strahlweg-Kreuzungsbereich gedreht worden ist. Die Drehreflektorunterbrecher 240 und 245 werden so eingestellt, daß sie sich mit einer Phasendifferenz drehen, die gleich dem Winkelmaß eines der Blätter 250 ist. Die Drehreflektorvorrichtung 245 eilt dem Drehreflektorunter brecher 240 um einen Winkel nach, der 1/3P entspricht. Wenn der Reflektorunterbrecher 240 ein Blatt gedreht hat, damit es den zweiten Strahl 228 reflektiert, stellt die Reflektorvor richtung 245 somit immer noch eine Lücke oder einen Spalt 252 in den Strahlweg entlang der Achse 210.

Nach weiterer Drehung der Reflektorunterbrecher 240 und 245, bringt der Reflektorunterbrecher 245 ein Blatt 250, damit es den dritten Strahl 229 reflektiert, der durch den dritten Laseroszillator 223 als Reaktion auf die Steuerung durch die zentrale Verarbeitungseinheit 262 abgegeben wird.

Ein Laserenergiedetektor 276 kann im Weg der Strahlen vorgese hen sein, damit er das Energieniveau überwacht und/oder der zentralen Verarbeitungseinheit ein Rückkopplungssignal zur Steuerung der Laseroszillatorleistung liefert.

Man erkennt, daß das in Fig. 4 gezeigte System so betrieben werden kann, daß es in einer relativ kurzen Zeitspanne eine Reihe von drei Laserimpulsen aufeinanderfolgend aus drei ge trennten Laseroszillatoren liefert. Während bei dem in Fig. 4 gezeigten System zwei der drei vorgesehenen Laseroszillatoren mit den Drehreflektorvorrichtungen zusammenarbeiten, die durch die Reflektorunterbrecher 240 und 245 gebildet werden, können die Prinzipien des in Fig. 4 gezeigten Systems durch Änderung der Beabstandungen der Unterbrecher-Reflektoroberflächen oder -blätter und durch geeignete Abänderungen des Steuersystems auch bei vier oder mehr Laseroszillatoren verwendet werden.

Fig. 6 zeigt noch eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein erster Laseroszillator 331, ein zweiter Laseroszillator 332 und ein dritter Laseroszillator 333 ver wendet wird, die je mit einer Drehreflektorvorrichtung zusam menarbeiten. Zu diesem Zweck ist eine Drehreflektorvorrichtung 340 vorgesehen, um die Strahlen aus den einzelnen Laseroszil latoren entlang einer gemeinsamen Achse 310 zu einem Ziel 312 zu leiten. Wie es in Fig. 7 gezeigt ist, umfaßt die Reflektor vorrichtung 340 drei Spiegel 351, 352 und 353. Die Spiegel 351, 352 und 353 sind in schiefen Winkeln angebracht, wie es für die Spiegel 351 und 352 in einem Bereich von Fig. 6 de tailliert gezeigt ist, die eine Querschnitts-Ansicht entlang zweier Ebenen 6-6 in Fig. 7 umfaßt. Die Reflektorvorrichtung 340 wird durch einen Motor 346 um eine zentrale Achse 355 in der Richtung des Pfeils 357 gedreht.

Die Drehreflektorvorrichtung 340 ist so angeordnet, daß sie einen ersten Laserstrahlimpuls 326, der vom ersten Laseros zillator 331 abgegeben und zur Reflektorvorrichtung 340 durch einen Spiegel 302 reflektiert wird, einen zweiten Laserstrahl impuls 328, der vom zweiten Laseroszillator 332 abgegeben und zur Reflektorvorrichtung 340 durch einen Spiegel 304 reflek tiert wird, und einen dritten Laserstrahlimpuls 329 auffängt, der vom dritten Laseroszillator 333 abgegeben und zur Reflek torvorrichtung 340 durch einen Spiegel 306 reflektiert wird.

Die drei Strahlen 326, 328 und 329 werden zu einem gemeinsamen Punkt geleitet, in den jeder Spiegel 351, 352 und 353 bewegt wird, wenn sich die Reflektorvorrichtung 340 dreht. Die drei reflektierenden Spiegel 351, 352 und 353 begrenzen je eine konkave Spiegeloberfläche. Jeder Spiegel 351, 352 und 353 ist in einem anderen Winkel relativ zur zentralen Achse 355 ange ordnet, um die sich die Drehreflektorvorrichtung 340 dreht. Wie es in Fig. 6 gezeigt ist, ist der Spiegel 351 in einem Winkel A ausgerichtet, und der Spiegel 352 ist in einem grö ßeren Winkel B ausgerichtet. Der Ausrichtungswinkel des Spie gels 353 ist in den Figuren nicht dargestellt, aber er ist größer als der Winkel B.

Der Spiegelwinkel A wird so ausgewählt, daß der Spiegel 351, wenn er in er sich in der gezeigten Position befindet, den Laserstrahl 329 entlang der Achse 310 zum Ziel 312 reflektie ren kann. Der Winkel B des Spiegels 352 wird so ausgewählt, daß, wenn der Spiegel 352 zur Strahlabfangposition (die in den Figuren gezeigte Position, die durch den Spiegel 351 besetzt ist) gedreht wird, der Spiegel 352 den Laserstrahl 328 aus dem zweiten Laseroszillator 332 entlang derselben Achse 310 zum Ziel 312 reflektiert. Schließlich wird der Ausrichtungswinkel für den Spiegel 353 so ausgewählt, daß, wenn sich der Spiegel 353 in der Strahlabfangposition (die in den Figuren gezeigte Position, die durch den Spiegel 351 besetzt ist) befindet, der Spiegel 353 den Strahl 326 aus dem ersten Laseroszillator 331 entlang der Achse 310 zum Ziel 312 reflektiert.

Ein Positionssensor 354 ist angrenzend an die Drehreflektor vorrichtung 340 vorgesehen, um beabstandete Bezugskerben 361 zu erfassen, die je mit einem der Spiegel 351, 352 und 353 verbunden sind. Eine Steuerung 362, die eine herkömmliche zen trale Verarbeitungseinheit und einen Zähler, der auf den Posi tionssensor 354 reagiert, umfassen kann, wird verwendet, um die Drehgeschwindigkeit der Drehreflektorvorrichtung 340 und den Betrieb der Laseroszillatoren 331, 332 und 333 zu steuern. Steuersignalwege sind im allgemeinen schematisch durch gestri chelte Linien in Fig. 6 dargestellt.

Wenn jeder Spiegel 351, 352 und 353 in die Strahlabfangposi tion gedreht wird, betätigt die Steuerung 362 insbesondere den Laseroszillator, der demjenigen Spiegel zur Erzeugung eines Laserstrahlimpulses zugeordnet ist. Die erzeugten Strahlim pulse aus den drei Lasern werden der Reihe nach erzeugt und der Reihe nach zu dem Ziel 312 reflektiert, um die Laserener gieimpulse in einer relativ kurzen Zeitspanne effizient zu liefern.

Natürlich können mehr als drei Laseroszillatoren verwendet werden, indem man zusätzliche Spiegel zur Drehreflektorvor richtung 340 zufügt und das Steuersystem wie notwendig ab ändert.

Weiterhin erkennt man, daß die Laseroszillatoren nicht wie gezeigt angeordnet werden müssen, um die Laserstrahlen entlang der durch die ortsfesten Spiegel 302, 304, 306 festgelegten Wege zu übertragen. Wenn es gewünscht ist, könnten die Laser oszillatoren so angeordnet werden, daß sie die Laserstrahlen entlang gerader Leitungswege direkt zum Drehspiegel-Abfang punkt abgeben. Jedoch macht die dargestellte Verwendung der Spiegel 302, 304 und 306 den Ausrichtungsvorgang bequemer, da nur die Ausrichtung der relativ kleinen Spiegel und nicht die spezielle Positionierung jedes gesamten Laseroszillators nötig ist.

Es können auch andere Abänderungen der dargestellten Ausfüh rungsformen der vorliegenden Erfindung erfolgen. Man erkennt jedoch, daß die vorliegende Erfindung eine neuartige Vorrich tung schafft, um Laserstrahlimpulse aus einer Vielzahl von Laseroszillatoren der Reihe nach entlang einer gemeinsamen Achse zu leiten. Dieses System ermöglicht es, eine Anzahl von Laserenergieimpulsen in einem relativ kurzen Zeitabschnitt zu einem Ziel zu leiten, um Gewebe unterschiedlicher Härte effi zient, gründlich und rationell zu schneiden oder abzutragen. Weiterhin kann man mit diesem System ein Ziel einer Anzahl von verschiedenen Arten von Laserenergie aus verschiedenen Arten von Laseroszillatoren aussetzen, wo eine derartige Betriebs weise gewünscht ist.

Aus der obigen detaillierten Beschreibung der Erfindung und aus den Darstellungen dieser wird klar und deutlich, daß zahl reiche Variationen und Modifikationen vorgenommen werden kön nen, ohne vom Geist und Sinn der neuen Gedanken oder Prinzi pien dieser Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Laservorrichtung für die koaxiale Positionierung mehrerer Laserstrahlen entlang einer einzigen Achse, wobei die Vorrich tung folgendes aufweist:
mindestens zwei Laseroszillatoren zur Erzeugung eines La serstrahls durch jeden Oszillator; und
eine Drehreflektorvorrichtung, die so angebracht ist, daß sie zumindest einen der erzeugten Laserstrahlen auffängt und den aufgefangenen Laserstrahl getrennt von dem ande ren Laserstrahl, aber entlang einer einzigen Achse, die von diesem festgelegt wird, leitet.

2. Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß
die Vorrichtung eine Ausrichtungsvorrichtung umfaßt, um die jeweiligen Laserstrahlen von jedem der Oszillatoren in einem Winkel entlang von Wegen, die sich in einem Be reich kreuzen, auszurichten;
die Reflektorvorrichtung ein Reflektorelement umfaßt so wie eine Drehvorrichtung zum Drehen des Reflektorelements durch den Wegkreuzungsbereich; und
die Vorrichtung eine Steuervorrichtung zum Betätigen ei nes der Oszillatoren umfaßt, damit dieser erst dann einen Impuls des einen Laserstrahls abgibt, wenn sich das Re flektorelement durch den Wegkreuzungsbereich dreht, damit es den einen Strahlimpuls entlang der einzigen Achse re flektiert, und zum Betätigen eines anderen Oszillators, so daß dieser erst dann einen Impuls des anderen Laser strahls abgibt, wenn sich das Reflektorelement über den Wegkreuzungsbereich hinausgedreht hat, so daß der andere Strahlimpuls ungehindert die einzige Achse entlangläuft.

3. Laservorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Drehreflektorvorrichtung eine einzelne Dreh scheibe ist, die mit mehreren, unabhängigen, reflektierenden Oberflächen und einer gleichen Anzahl an getrennten Öffnungen mit im wesentlichen derselben Größe versehen ist.

4. Laservorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß für jede der unabhängigen reflektierenden Oberflächen ein Fokussierelement vorhanden ist.

5. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehreflektorvorrichtung eine einzelne Drehscheibe ist, die mit mehreren Öffnungen in einer durchgehenden ebenen, reflektierenden Oberfläche versehen ist.

6. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehreflektorvorrichtung eine einzelne Drehscheibe ist, die mit einem transparenten Bereich und einem koplanaren reflektierenden Bereich versehen ist.

7. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laseroszillatoren mit der Drehreflektorvorrichtung synchron güteschaltbar (Q-schaltbar) sind.

8. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehreflektorvorrichtung mit einer Geschwindigkeit im Bereich von ungefähr 12 Umdrehungen pro Minute bis ungefähr 10 000 Umdrehungen pro Minute drehbar ist.

9. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von Laseroszillatoren vorgesehen ist und daß die Drehreflektorvorrichtung so ange bracht ist, daß sie periodisch einen der erzeugten Laserstrah len auffängt.

10. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß drei Laseroszillatoren und die Drehreflektorvorrichtung miteinander zusammenarbeiten.

11. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß drei Laseroszillatoren vorgesehen sind und zwei der drei Oszillatoren mit der Drehreflektorvor richtung zusammenarbeiten.

12. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laseroszillatoren Holmium : YAG- Laserenergie mit einer Impulsfrequenz von mindestens ungefähr 1 Hertz und mit einer Impulsbreite im Bereich von ungefähr 10 bis ungefähr 10 000 Mikrosekunden abgeben.

13. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laseroszillatoren mit der Drehreflektorvorrichtung synchron phasenverriegelt sind.

14. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laseroszillatoren Nd : YAG- Laserenergie abgeben.

15. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laseroszillatoren Excimer- Laserenergie abgeben.

16. Laservorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich net, daß die Excimer-Laserenergie mit einer Wellenlänge von 193 Nanometern abgegeben wird.

17. Laservorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich net, daß die Excimer-Laserenergie mit einer Wellenlänge von 308 Nanometern abgegeben wird.

18. Laservorrichtung für die koaxiale Positionierung mehrerer Laserstrahlen entlang einer einzigen Achse, wobei die Vorrich tung folgendes aufweist:
mindestens zwei Laseroszillatoren zur Erzeugung eines La serstrahls durch jeden Oszillator;
eine Drehreflektorvorrichtung, die so angebracht ist, daß sie zumindest einen der erzeugten Laserstrahlen auffängt und den aufgefangenen Laserstrahl getrennt von dem ande ren Laserstrahl, aber entlang einer einzigen Achse, die von diesem festgelegt wird, leitet; und
eine Steuervorrichtung zum Betätigen eines der Oszillato ren, damit dieser erst dann einen Impuls des einen Laser strahls abgibt, wenn sich das Reflektorelement durch den Wegkreuzungsbereich dreht, damit es den einen Strahlim puls entlang der einzigen Achse reflektiert, und zum Be tätigen eines anderen Oszillators, so daß dieser erst dann einen Impuls des anderen Laserstrahls abgibt, wenn sich das Reflektorelement über den Wegkreuzungsbereich hinausgedreht hat, so daß der andere Strahlimpuls unge hindert die einzige Achse entlangläuft.

19. Laservorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich net, daß die Steuervorrichtung bewirkt, daß zwei aufeinander folgende Laserenergie-Impulse zeitlich nahe genug zueinander abgegeben werden, um eine zusätzliche akustische Wirkung an einer Zielstelle herauszuholen.

20. Laservorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekenn zeichnet, daß die Steuervorrichtung bewirkt, daß zwei aufein anderfolgende Laserenergie-Impulse zeitlich voneinander beab standet sind, um eine zusätzliche Wärmewirkung herauszuholen, ohne eine zusätzliche akustische Wirkung an einer Zielstelle herauszuholen.