DE4114492C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit Hilfe eines Lasers - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit Hilfe eines Lasers

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit Hilfe eines Lasers der im Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 9 genannten Art.
Aus der Literaturstelle "Optical Studies of Pulsed-Laser Fragmentation of Biliary Calculi", Applied Physics B, Springer Verlag 1987, Seiten 73-78, ist ein Verfahren bekannt, bei dem das Ausgangssignal eines Lasers über eine einen Lichtwellenleiter einschließende Laseroptik auf Harn- oder Gallensteine gerichtet wird, um diese zu zertrümmern. In der Laseroptik ist ein halbdurchlässiger Spiegel angeordnet, der einen Teil des von dem Stein reemittierten, zurückreflektierten oder zurückgestreuten Lichtes, das über den Lichtwellenleiter zurückgeleitet wird, auf einen Detektor leitet, dem eine Auswerteschaltung in Form eines Spektralanalysators nachgeschaltet ist.
Aus der EP 01 95 375 A2 ist es bekannt, bei der Entfernung von Ablagerungen auf Geweben den Bearbeitungsbereich mit einem Pilotlaser geringer Leistung zu bestrahlen und die reemittierte Energie bei beispielsweise drei Wellenlängen auszuwerten, um festzustellen, ob das von dem Pilotlaser getroffene Material durch eine Ablagerung oder durch Gewebe gebildet ist, das nicht von einem Bearbeitungslaserimpuls getroffen werden soll. Hierbei ist jedoch ein getrennter Pilotlaser erforderlich, der vor dem Auslösen des Bearbeitungslaserimpulses zur Feststellung des vor der Laseroptik liegenden Materials verwendet wird.
Aus der EP 0 312 650 A1 ist ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei dem bzw. bei der lediglich ein einziger Laser verwendet wird, dessen Laserimpuls vor dem Erreichen der vollen Leistung unterbrochen oder zumindestens in seiner Leistung verringert werden kann, wenn während des Anstiegs des Laserimpulses durch eine Auswertung des zeitlichen Amplitudenverlaufs des von dem Material vor dem dielektrischen Durchbruch zurückkehrenden Lichtes festgestellt wird, daß dieser Laserimpuls auf Gewebe und nicht auf zu entfernendes Material auftrifft.
Die DE 39 18 618 A1 beschreibt ein ähnliches Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit Hilfe eines Lasers, bei dem bzw. bei der in dem Zeitraum zwischen dem Beginn des Laserimpulses und dem frühest möglichen Auftreten des dielektrischen Durchbruches die Intensität des von dem Material reemittierten Lichtes in zumindestens zwei vorgegebenen Spektralbereichen gemessen und ein Quotient der Meßwerte der Lichtenergie in diesen vorgegebenen Spektralbereichen gebildet und ausgewertet und zur Bestimmung des von dem Laserimpuls getroffenen Materials verwendet wird. Dieses Verfahren ist immer dann möglich, wenn entsprechende signifikante Unterschiede im spektralen Verlauf des von unterschiedlichen Materialien reemittierten Lichtes vorliegen. Dies ist jedoch bei manchen Anwendungen nicht der Fall, beispielsweise auf dem Gebiet der der Angioplastie. So zeigen z. B. normale, gesunde Intima und kalzifizierter Plaque bei Anregung mit einem gepulsten Laser der Wellenlänge 375 nm keine signifikanten Unterschiede im Fluoreszenzverlauf und können demzufolge durch dieses Auswertungsverfahren nicht voneinander unterschieden werden, wohl aber z. B. fibrös fettiger Plaque.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem bzw. bei der bei geringem Aufwand eine Identifizierung des zu bearbeitenden Materials selbst dann möglich ist, wenn das von unterschiedlichen Materialien reemittierte Licht im Zeitraum vor dem dielektrischen Durchbruch keine signifikanten Unterschiede aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 bzw. 9 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der Vorrichtung wird eine Identifizierung der Zusammensetzung des bearbeiteten Materials dadurch erreicht, daß die Energiemenge gemessen wird, die dem zu bearbeitenden Material zugeführt wird, bis der durch den Laserimpuls hervorgerufene dielektrischen Durchbruch auf dem zu bearbeitenden Material einsetzt.
Das Ergebnis dieser Messung kann zur Steuerung der Leistung der Bearbeitungsimpulse herangezogen werden, wobei diese Leistung umgehend verringert oder der Laserimpuls abgebrochen wird, wenn nach der Zuführung einer vorgegebenen Energiemenge noch kein dielektrischer Durchbruch eingesetzt hat, was anzeigt, daß der Laserimpuls auf nicht zu bearbeitendes Material auftrifft.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann bei bekanntem konstantem Verlauf der Laserimpulse sowohl hinsichtlich der Impulsdauer als auch der Leistung die Messung der Energiemenge durch eine Messung der Zeit ab der Auslösung des Laserimpulses ersetzt werden.
Eine Identifizierung der Zusammensetzung des bearbeiteten Materials kann hierbei dadurch erreicht werden, daß die Zeitdauer gemessen wird, die zwischen der Auslösung des Laserimpulses und dem Einsetzen des durch den Laserimpuls hervorgerufenen dielektrischen Durchbruchs auf dem zu bearbeitenden Material liegt.
Durch die gleichzeitige Verwendung des Laserimpulses sowohl zur Bearbeitung als auch zur Identifizierung des Materials ist kein getrennter Pilotlaser zur Bestimmung des Materials erforderlich.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
Fig. 2 Diagramme, die Beispiele für einen zeitlichen Verlauf des auf die Detektoranordnung einfallenden Lichtes zeigen.
Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist einen Laser 1 auf, dessen Ausgangsimpulse über einen eine hohe Schaltgeschwindigkeit aufweisenden optischen Schalter 2 einer Laseroptik 3 zugeführt werden, deren Ausgang über einen Lichtwellenleiter 6 auf das zu bearbeitende Material M gerichtet wird. Bei der dargestellten Ausführungsform weist die Laseroptik 3 einen Strahlteiler 4 sowie eine erste Linse 5 zur Fokussierung des Laserlichtimpulses auf den Lichtwellenleiter 6 auf. Von dem zu bearbeitenden Material M reemittiertes Licht gelangt über den Lichtwellenleiter 6, die Linse 5 und den Strahlteiler 4 auf eine weitere Linse 7, die dieses Licht über ein Filter 15 auf eine erste Detektoranordnung 8 fokussiert. Das Ausgangssignal wird einer noch näher zu erläuternden Auswerteschaltung 9 zugeführt, die über Logikschaltungen 10 den optischen Schalter 2 über eine Ausgangsleitung 12 steuert. Wie dies durch eine weitere Ausgangsleitung 11 der Logikschaltung 10 angedeutet ist, kann diese auch den Laser 1 selbst steuern, wobei der optische Schalter 2 entfallen kann.
Bei Auftreffen eines Laserimpulses hoher Energie auf das zu bearbeitende Material M wird in unmittelbarer Nähe dieses zu bearbeitenden Materials ein dielektrischer Durchbruch erzeugt, der eine Schockwelle zur Bearbeitung des Materials auslöst.
Dieses Material kann beispielsweise ein menschlicher Stein, beispielsweise ein Harn- oder Gallenstein sein, der in umgebendes Gewebe eingebettet ist. In diesem Fall bewirkt die Schockwelle eine Steinzertrümmerung. Die entstehende Plasmablase bewirkt durch die hohe Temperatur des Plasmas und die hierbei entstehende Druckwelle eine Materialabsprengung, Materialabtragung oder Aufspaltung am Zielort. Hierbei muß jedoch in vielen Fällen, insbesondere bei dem betrachteten Fall von menschlichen Steinen darauf geachtet werden, daß der am Ende des Lichtwellenleiters 6 austretende Laserimpuls lediglich auf das zu bearbeitende Material M, nicht jedoch auf das umgebende Gewebe auftrifft, damit dieses nicht zerstört wird.
Im Fall der Angioplastie kann dieses Material kalzifiziert oder fibrös fettige Plaque sein, die von gesunder Intima eines Blutgefäßes umgeben wird. In diesem Fall bewirkt die Stoßwelle einen (gewünschten) Abtrag vom Plaque. Es muß jedoch unbedingt darauf geachtet werden, daß der am Ende des Lichtwellenleiters 6 austretende Laserimpuls nicht auf das umgebende gesunde Gewebe (Intima) auftrifft, da sonst sehr leicht die Wand des Blutgefäßes zerstört und das Blutgefäß damit perforiert wird.
Zur Identifizierung des von dem Laserimpuls getroffenen Materials wird mit Hilfe eines zweiten Detektors 17, der einen Teil des Ausgangssignals des Lasers 1 über ein Bandpaßfilter 16 für die Laserwellenlänge empfängt, die bis zu einem jeweiligen Zeitpunkt dem Material zugeführte Energiemenge des Laserimpulses abgeleitet.
Zu diesem Zweck wird das Ausgangssignal des zweiten Detektors 17 gegebenenfalls nach Verstärkung einem Integrator 18 zugeführt. Der Integrator 18 kann entfallen, wenn der zweite Detektor 17 ein integrierender Detektor ist.
Das Ausgangssignal des zweiten Detektors 17 bzw. des Integrators 18 kann einer Schwellwertschaltung 19 zugeführt werden, die nach Zuführung einer vorgegebenen Energiemenge an das Material ein Ausgangssignal liefert.
Das Ausgangssignal des Schwellwertverstärkers 19 wird der Auswerteschaltung 9 zugeführt, die außerdem das Ausgangssignal des ersten Detektors 8 für das von dem Material M zurückkehrende Licht empfängt, wobei das letztere Ausgangssignal ein Anzeigesignal für den Beginn des dielektrischen Durchbruches an dem zu bearbeitenden Material bildet.
Wenn der zeitliche Verlauf des Laserimpulse und seine maximale Leistung bekannt und konstant ist, kann der zweite Detektor 17 ausschließlich die Auslösung des Laserimpulses feststellen, und in der Auswerteschaltung 9 wird dann die Zeitdifferenz zwischen der Auslösung des Laserimpulses und dem Beginn des dielektrischen Durchbruches an dem Material M bestimmt, da die jeweils abgelaufene Zeit ein Maß der dem Material zugeführten Energiemenge darstellt.
Da bei unterschiedlichen Materialien der dielektrische Durchbruch nach Zuführung einer bestimmten, von dem Material abhängigen Energiemenge auftritt, ist eine Identifizierung des Materials durch Messung der bis zum Durchbruch zugeführten Energiemenge bzw. Zeit möglich. Die jeweiligen Zeiten bzw. Energien sind jeweils typisch für eine bestimmte Bearbeitungswellenlänge und das jeweilige Zielmaterial.
Die Auswerteschaltung 9 ermöglicht damit eine sehr einfache und schnelle Ermittlung, ob zu bearbeitendes Material am Ende des Lichtwellenleiters 6 angeordnet ist, oder ob dieses Ende des Lichtwellenleiters auf Material gerichtet ist, das nicht mit dem Laserimpuls, zumindestens nicht mit einem Laserimpuls voller Leistung beaufschlagt werden darf.
Diese Art der Auswertung wird anhand der Fig. 2 näher erläutert.
In dieser Fig. 2 ist der Verlauf des Laserimpulses mit L bezeichnet, während der Verlauf des von unterschiedlichen Materialen M reemittierte Lichtes in Form des Ausgangssignals der Detektoranordnung 8 für unterschiedlich stark kalzifiziertes Gewebe mit D1 bis D3 und für nicht oder schwach kalzifiziertes Gewebe mit D4 bezeichnet ist.
Bei diesem Beispiel betrug die Gesamtenergie eines Laserimpulses 88 mJ bei einer Wellenlänge von 600 nm, und der Laserimpuls wurde dem Material über einen Lichtwellenleiter mit einem Durchmesser von 200 Mikrometern zugeführt. Bei anderen Wellen­ längen und Lichtwellenleitern ergeben sich selbstverständlich andere Werte, doch bleibt das Prinzip gleich.
Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, beginnt der den dielektrischen Durchbruch anzeigende Anstieg der Ausgangssignale D1 bis D3 der Detektoranordnung 8 bei Auftreffen des Laserlichtes auf kalzifiziertes Gewebe bereits nach etwa 1,8-2,5 Mikrosekunden nach der durch das Ausgangssignal des Detektors 17 bzw. des Schwellwertverstärkers 19 angezeigten Auslösung des Laserimpulses L, während bei Auftreffen auf nicht bzw. schwach kalzifiziertes Gewebe dieser Anstieg erst etwa 3,2 Mikrosekunden nach Auslösen des Laserimpulses erfolgt. Diese Zeiten entsprechen jeweils einer vorgegebenen, dem Material zugeführten Energiemenge.
Wenn daher in diesem Fall nach etwa 2,5 Mikrosekunden noch kein dielektrischer Durchbruch der Auswerteschaltung 9 angezeigt wird, so bedeutet dies, daß der Laserimpuls auf nicht zu bearbeitendes Material auftrifft. Die Auswerteschaltung 9 verringert dann über die Leitung 11 die Leistung des Lasers 1 oder unterbricht den Laserimpuls über die Leitung 12 und den optischen Schalter 2.
Selbst wenn der Laserimpuls zu Beginn des dielektrischen Durchbruchs über die Leitung 11 und/oder die Leitung 12 mit Hilfe des schnellen optischen Schalters 2 unterbrochen wird, ist es noch möglich, die dem Material M zugeführte Leistung auf einen für nicht zu bearbeitendes Material (gesundes Gewebe) unschädlichen Wert zu begrenzen.

Claims (16)

1. Verfahren zur Materialbearbeitung mit Hilfe eines Lasers, bei dem das Laserlicht über eine Laseroptik auf das Material gerichtet und das von dem Material reemittierte Licht auf eine die Intensität dieses Lichtes messende erste Detektoranordnung geleitet wird, von der ein Anzeigesignal an eine Auswerteschal­ tung zur Verringerung der Laserleistung und/oder zur Unter­ brechung der Laserimpulse geliefert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Material über die Laseroptik zugeführte Energiemenge in einer zweiten Detektoranordnung gemessen wird, daß die erste Detektoranordnung bei der durch den Beginn des dielektrischen Durchbruchs hervorgerufenen Vergrößerung der Intensität des re­ emittierten Lichts ein diesen Beginn des dielektrischen Durch­ bruchs anzeigendes Anzeigesignal liefert, und daß von der Aus­ werteschaltung ein Steuersignal erzeugt wird, durch das die Leistung des Lasers verringert und/oder der Laserimpuls unter­ brochen wird, wenn dem Material eine vorgegebene Energiemenge zugeführt worden ist, ohne daß das Anzeigesignal von der ersten Detektoranordnung erzeugt wurde.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei konstantem Verlauf der Laser­ impulse die dem Material zugeführte Energiemenge durch eine Messung der seit der Auslösung des Laserimpulses abgelaufenen Zeit ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer zwischen der Auslösung des Laserimpulses und dem Beginn des dielektrischen Durchbruches gemessen und zur Erkennung des von dem Laserimpuls getroffenen Materials verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt der Auslösung des Laserimpulses mit einem auf die Laserwellenlänge ansprechenden weiteren Detektor gemessen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der dem Material zuge­ führten Energiemenge ein Teil des Ausgangssignals des Lasers in der zweiten Detektoranordnung gemessen, integriert und einem Schwellwertschalter zugeführt wird, der nach Messung einer vorgegebenen Energiemenge ein Ausgangssignal an die Auswerte­ schaltung liefert.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Detektoranordnung ein integrierender Detektor verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweiten Detektoranordnung ein Integrator nachgeschaltet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das reemittierte Licht über eine die Laserlinie ausblendende Filteranordnung auf die erste Detektor­ anordnung geleitet wird.
9. Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit Hilfe eines Lasers, mit einer Laseroptik, die die Laserimpulse auf das zu bearbei­ tende Material lenkt und von diesem reemittiertes Licht auf eine erste Detektoranordnung zur Messung der Intensität des Lichtes umlenkt, und mit einer Auswerteschaltung, die das die Intensität des reemittierten Lichtes darstellende Ausgangssignal der ersten Detektoranordnung empfängt und ein Steuersignal zur Verringerung der Leistung an den Laser und/oder zur Unterbrechung der Laser­ impulse liefert, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Detektoranordnung (16- 19) zur Messung der dem Material (M) über die Laseroptik (3) zugeführten Energiemenge vorgesehen ist, daß das Ausgangssignal der zweiten Detektoranordnung (16-19) ebenfalls zur Auswerte­ schaltung (9) gelangt, daß die erste Detektoranordnung (8, 15) bei Beginn des dielektrischen Durchbruches an dem Material (M) ein Anzeigesignal an die Auswerteschaltung (9) liefert, und daß die Auswerteschaltung (9) das Steuersignal liefert, wenn nach Messung einer vorgegebenen Energiemenge das Anzeigesignal von der ersten Detektoranordnung (8, 15) fehlt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserimpulse einen konstanten Verlauf aufweisen, daß die zweite Detektoranordnung (16-19) zum Zeitpunkt der Auslösung des Laserimpulses ein Startsignal für eine Zeitmessung liefert, und daß der Ermittlung der dem Material (M) zugeführten Energiemenge eine Messung der seit der Auslösung des Laserimpulses abgelaufenen Zeit zugrunde liegt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Laseroptik (3) einen Strahl­ teiler (4) einschließt, der von dem mit dem Laserimpuls beaufschlagten Material (M) reemittiertes Licht auf die erste Detektoranordnung (8) umlenkt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Laseroptik eine zwischen dem Strahlteiler (4) und der ersten Detektoranordnung (8, 15) angeordnete, die Laserlinie ausblendende Filteranordnung (15) einschließt.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Detektoranordnung (16-19) ausschließlich auf die Laserwellenlänge anspricht.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Detektoranordnung (16-19) einen Schwellwertverstärker (19) einschließt, der das Ausgangs­ signal des Detektors (17) an die Auswerteschaltung (9) weiter­ leitet.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 und 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Detektoranordnung (16-19) einen integrierenden Detektor (17) einschließt.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 und 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Detektoranordnung (16-19) einen dem Detektor (17) nachgeschalteten Integrator (18) ein­ schließt.
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