DE19507939A1 - Zweistufiger gepulster Mehrwellenlängen-Laser für die Medizin - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung in ausreichender Nähe des Operationsfeldes, speziell zum Abtragen von Zahnhartsubstanz, Knochen- und Weichge­ webe. Die Anwendung von Laserstrahlung in der Medizin, besonders in der Zahnheilkunde, erfordert das Beherrschen ausgewählter, auch augensicherer Wellenlängen, vorrangig in den Bereichen 2,6 bis 3,1 µm und 0,9 bis 2,1 µm. Das Verfahren ist aber auch für andere Wellenlängenbereiche anwend­ bar, die für medizinische oder technische Aufgabenstellungen von Interesse sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Transformation einer Pumplaserwellenlänge andere behandlungsspezifische Laserwellenlängen zu erzeugen und sowohl die eine als auch die anderen durch einfachen Wechsel eines Führungshandstücks einer Behandlungsapparatur für Applikationen verfügbar zu machen, ohne dabei einen komplizierten mechanisch-optischen Strahlführungsmecha­ nismus in Bewegung setzen zu müssen.

Fig. 1 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Anordnung.

In der ersten Stufe wird eine ausgewählte Laserstrahlung an das auswechselbare Führungshandstück der Behandlungsapparatur herangeführt. Diese Laserstrahlung wirkt auf das durch Dotierung spezi­ fisch sensibilisierte und aktivierte Wandlermedium als Pumplichtquelle. Der jeweilige Wandler im Führungshandstück wirkt dann selbst als Laser und erzeugt die zur Behandlung effektive, auch au­ gensichere Laserstrahlung einer anderen, behandlungsspezifisch geforderten Wellenlänge.

Das Verfahren erstreckt sich im weitesten Sinne auf mehrstufige Strahlungswandlungslaser für medi­ zinische Applikationen, die eine wechselhafte Laserstrahlung spezieller, mehrerer unmittelbar indu­ zierbarer Wellenlängen erfordern, auch solcher, für die die Verwendung bekannter langer flexibler Lichtwellenleiter entweder infolge zu hoher Strahlungsabsorption oder Sprödigkeit nicht geeignet ist. Verfahren und Vorrichtung bieten sich im Wellenlängenbereich um 3 µm besonders für zahnmedizini­ sche Applikationen an, auf die das vorliegende Verfahren besonders ausgerichtet wurde.

Für die Ablation von Zahnhartsubstanz, vor allem kariöser Kavitäten des Dentins, kann bekannter­ maßen mit guter Effektivität und ohne Schaden für die umgebende Zahnsubstanz die Strahlung eines Erbiumlasers der Wellenlänge 2,69 µm gleichwertige Ergebnisse erzielt werden. Beide Wellenlängen befinden sich in einem Bereich gleicher Absorptionseigenschaften der Zahnsubstanz, was vor allem auf den Wassergehalt zurückgeführt wird. Deshalb wird davon ausgegangen, daß jede in diesem Wellenlängenbereich erzeugbare Laserstrahlung zu gleichwertigem Ergebnis führt. Die Schwierigkeit besteht vor allem im Heranführen der Laserstrahlung dieses Wellenlängenbereichs an die Behand­ lungsstelle. Das läßt sich nur bedingt über einen Lichtwellenleiter realisieren.

Die bekannten verwendbaren Fasern aus wasserarmen Quarzglas weisen im genannten 3-µm- Bereich eine mit dem Ansteigen der Wellenlänge zunehmende Absorption auf. So ist für die 2,94-µm- Laserstrahlung real nur eine sehr kurze Faser (wenige cm) transparent, während die 2,69-µm- Strahlung noch gut 50 bis 70 cm Faserlänge passieren kann.

Bis zur Ankoppelstelle der Faser wird deshalb die Strahlung über ein mehr oder weniger kompliziertes mechanisch-optisches Strahlführungssystem geleitet.

Obwohl es mehrere verschiedene Vorrichtungen zur Zahnbehandlung mit Laser gibt, hat sich der Laser in der Zahnheilkunde noch nicht allseitig durchgesetzt. Ein gewichtiger Grund dafür ist sicher auch in dem noch recht massiven Laserkopf mit seiner leistungsstarken Pumplichtquelle und dem Flüssigkeitskühlsystem in Nähe der Behandlungsstelle, gekoppelt an das mechanisch-optische Strahlführungssystem zu suchen.

Beispielhaft werden die folgenden Offenlegungsschriften genannt.

DE 42 11 233 Kaltenbach & Voigt GmbH & Co, Zahnärztliches Laser-Behandlungsgerät DE 42 11 234 Kaltenbach & Voigt GmbH & Co, Zahnärztliches Laser-Behandlungsgerät DE 40 30 240 A1 Steiger, Erwin: "Chirurgischer Festkörperlaser".

Ziel der Erfindung ist es, die negativen Effekte der mechanisch-optischen Strahlführung zu umgehen und die für die Zahnmedizin bzw. für andere Anwendungsgebiete behandlungsspezifische Laserstrah­ lung in unmittelbarer Nähe der Applikationsstelle in einer zweiten Laserstufe, in einem sogenannten "Wandlerlaser" geringer Abmessungen zu erzeugen, wodurch wechselseitig austauschbar unter­ schiedliche Laserwellenlängen aus einer Behandlungsapparatur verfügbar gemacht werden können. Erfindungsgemäß wird die zum Abtragen von Zahnhartsubstanz bedeutungsvolle Laserstrahlung im Wellenlängenbereich um 3 µm unmittelbar im Führungshandstück des behandelnden Arztes erzeugt, indem ein Wandlermedium die speziell gewählte Laserstrahlung einer zugeführten Wellenlänge in Laserstrahlung der geforderten abzugebenden anderen Wellenlänge transformiert.

Dieser Wandlerlaser, in dem die gewünschte Laserstrahlung erzeugt wird, muß seine Pumpenergie von einem anderen Laser erhalten, der mit einer Wellenlänge strahlt, welche sich zum Beispiel gut durch einen hinreichend langen flexiblen Lichtwellenleiter aus Quarzglas an den Wandler heranführen läßt.

Der Pumplaser, der auf konventioneller Art von einer Pumplichtquelle angeregt wird, kann zusammen mit dem Kühlkreislauf und der Stromversorgung aus dem Behandlungsraum des Arztes verbannt werden. Dieses Verfahren ermöglicht die Verwendung von billigen bekannten technischen Lösungen der bereits als konventionell zu bezeichnenden Lasertechnik.

Erfindungsgemäß ist es auch möglich, die Pumpenergie aus Halbleiterlaserdioden zu gewinnen und sie direkt in das Wandlermedium einzukoppeln, was somit zu einer erheblichen Reduzierung des sonst üblichen Energieverbrauchs, zur Einsparung des Lichtwellenleiters und zur Verringerung der Abmessungen im Vergleich zu einer konventionellen Pumplichtquelle führt.

Bekannt ist bereits eine stattliche Anzahl durch Dotierung sensibilisier- und aktivierbarer Medien für die zweite Laserstufe, in der durch Wandlung des Laserpumplichts der ersten Stufe die 3-µm- Strahlung erzeugt werden kann.

In der beigefügten Tabelle ist eine gewisse Auswahl solcher Medien zusammengestellt, die sich erfin­ dungsgemäß zur Lösung der gestellten Aufgabe eignen.

Die in der Tabelle genannten Medien enthalten dabei als Aktivator jeweils Ionen eines Elements der folgenden drei Seltenen Erden: Erbium (Er), Holmium (Ho) oder Dysprosium (Dy). Die Anregung er­ folgt entweder auf direktem Wege oder über die Absorptionsbande (0,9-1 µm) des als Sensibilisator verwendeten Ytterbium (Yb).

Erfindungsgemäß besitzen solche Wandlerlaser einen großen Querschnitt des Übergangs der indu­ zierten Emission 10^-20 cm, was geringe Abmessungen des Kristalls bewirkt. Wechselprozesse zum Beispiel in der Bande ⁵|₆→⁵|₇ des Holmium-Ions zwischen dem induzierten Niveau und dem Grund­ zustand, die sich gewöhnlich zwischen effektiver Sensibilisierung der Besetzung des oberen Zustands und intensiver Rekonversion in den Grundzustand bewegen, wirken jedoch begrenzend auf die Ener­ gieausbeute vom jeweiligen Übergang.

Unter Nutzung der Absorptionsbande des ebenfalls im Stab vorhandenen Ytterbiums kann eine effek­ tive Sensibilisierung des oberen Laserniveaus des Übergangs ⁵|₆→⁵|₇ des Holmium-Ions bewirkt werden.

Die Langlebigkeit des Grundzustands wirkt dem Lasereffekt jedoch schädlich entgegen.

Erfindungsgemäß wird ein Coaktivator zum Quenchen dieser Langlebigkeit des Grundzustands zu­ sätzlich dotiert eingebracht, um so eine nutzbare Energieausbeute zu erreichen.

Bei richtiger Wahl der Komponenten eines Wandlermedium kann man eine wirksame Kombination aus einem holmium-, erbium- oder dysprosiumdotiertem Laserstab, einer Pumplaserwellenlänge, einem Sensibilisator und einem Coaktivator zum Quenchen der Langlebigkeit des jeweils unteren Laserniveaus (Grundzustands) einer aktivierbaren Bande so definieren, daß im Wandlermedium die jeweils geforderte Strahlung, zum Beispiel im Bereich um 3 µm, erzeugt wird.

Ein optimales Wandlermedium ist die Grundvoraussetzung zur Schaffung eines gepulsten handlichen 3 µm-Strahlung-Lasers für eine unschädliche hartsubstanzabtragende Zahnbehandlung.

Erfindungsgemäß ermöglicht das Verfahren durch einfachen Wechsel der Führungshandstücke eine einfache Laserkombination, bei der auch die Pumplaserwellenlänge für andere Behandlungsaufgaben verfügbar sein kann.

Ausführungsbeispiele

Wie aus der folgenden Tabelle zu entnehmen ist, ermöglichen Pumplaser mit einer der Wellenlängen 0,79; 1,047; 1,054; 1,08; 1,12 und 1,54 µm die Anregung einer Laserstrahlung im Bereich um 3 µm mit einer der folgenden Wellenlängen: 2,79; 2,81; 2,82; 2,83; 2,85; 2,90; 2,92; 2,97 und 3,02 µm.

Beispiel 1

Mit den Kristallen BaYb₂F₈ : Ho und LiYbF₄ : Ho verfügt man über Medien mit niedrigem Anre­ gungsschwellwert, wenn man die Pumpstrahlung 1,047 µm des Nd-YLF-Lasers zusammen mit der Absorptionsbande des Ytterbium-Ions einsetzt, um eine Laserstrahlung der Wellen­ länge 2,90 µm zu induzieren. Zur Erzeugung einer Strahlungsenergie von 300-500 mJ ist ein Wandlervolumen von 3-5 cm³ erforderlich.

Beispiel 2

Im direkten Verfahren wird das obere Niveau ⁵|₆ des Holmium-Ions in YAlO₃ : Ho-Kristallen mit der Pumpstrahlung 1,08 µm des Nd : YAlO₃ angeregt. Die niedrige Absorption der Pumpstrahlung im Wandlermedium erfordert eine spezielle Sensibilisierung, um die Laserstrahlung der Wellenlänge 2,92 µm zu induzieren. Dieses Verfahren erfordert den Einsatz eines gewählt dotierten Coaktiva­ tors zum Quenchen des unteren Laserniveaus, um zur entsprechenden Verbesserung der Energie­ ausbeute zu gelangen.

Tabelle

Möglichkeiten der Transformation einer Pumplaserstrahlung in eine 3-µm-Strahlung

Quellennachweis

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/3/ Keller U., Hibst R. Experimental studies of the application of the Er:YAG laser on dental hard substances: II. Light microscopic and SEM investigation. "Lasers in Surgery and Medicine", 1989, 9, 345-351.
/4/ Keller U., Hibst R. Ultrastructural changes of enamel and dentin following Er:YAG laser radiation on teeth. "Laser Surgery: Advanced Characterization, Therapeutics and Systems II", 1990, Proc. SPIE, V.1200, 408-415.
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Bagdassarow u. a.: Verfahren der Laserbiophysik und ihre Anwendung in der Medizin

Antipenko u. a.: Spektroskopische Aspekte des Lasermediums YAG:Cr,Tm,Er

Mak u. a.: Einwirkung der 2,69-µm-Laserstrahlung auf Hart- und Weichgewebe der Mundhöhle. Ausgangspunkte und Untersuchungsergebnisse. Internationales Laserseminar 1993, Sankt Pe tersburg.

Bezugszeichenliste

1 Dotiertes Wandlermedium im Führungshandstück
2 Auswechselbares Führungshandstück
3 Lange flexible Lichtleitfaser aus Quarzglas zur Verbindung mit dem Pumplaser
4 Externer Pumplaser mit Stromversorgung, und Kühlkreislauf
5 Kurze Lichtleitfaser für behandlungsspezifische Strahlung, z. B. 2,92-µm-Strahlung

Claims (7)

1. Zweistufiges Verfahren zum Betreiben eines gepulsten Mehrwellenlängen-Lasers für die Medi­ zin, vornehmlich zum Abtragen von Zahnhartsubstanz, Knochen- und Weichgewebe dadurch gekennzeichnet, daß die geforderte behandlungsspezifische Wellenlänge unmittelbar in einem speziell dotierten Wandlermedium im auswechselbaren Führungshandstück einer Behandlungs­ apparatur durch Transformation der zugeführten Wellenlänge erzeugt wird, wobei als erste Stufe die Pumplaserstrahlung auf verschiedener Weise erzeugt und unmittelbar an das Behandlungs­ feld oder an das Wandlermedium herangeführt werden kann und in der zweiten Stufe das Wandlermedium selbst als Laser wirkt und die zur Behandlung jeweils effektive Strahlung einer anderen Wellenlänge abgibt.

2. Wandlermedium nach Anspruch 1 auf der Basis eines holmium-, erbium- oder dysprosiumdotier­ ten und speziell sensibilisierten Laserstabs, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich mit ei­ nem Coaktivator dotiert wird, um die Langlebigkeit des unteren Zustands des wirksamen La­ serübergangs und die dadurch bedingte intensive Rekonversion zu quenchen und somit eine hin­ reichende Energieausbeute zu gewinnen.

3. Wandlermedium nach Anspruch 1 auf der Basis von Laserstäben mit niedrigen Anregungs­ schwellwerten dadurch gekennzeichnet, daß unter Ausnutzung der sensibilisierenden Ytterbium- Ionen schon bei kleinen Abmessungen des Wandlermediums (ca. 5 cm³) eine Laserstrahlung hinreichender Energieausbeute (ca. 0,5 Joule) für eine Zahnbehandlung erzeugt werden kann.

4. Wandlermedium nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß es innerhalb der Abmessungen des Führungshandstücks einer Behandlungsapparatur eingebaut werden kann, um die jeweils effektive Wellenlänge zu erzeugen und somit dem Arzt ein flexibles und handliches Behand­ lungsinstrument verfügbar zu machen.

5. Führungshandstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es austauschbar ist und durch Wechseln der Handstücke Laserstrahlung verschiedener Wellenlängen erzeugt und somit auch direkt die dem Wandlermedium zugeführte Pumplaserstrahlung verwendet werden kann, um verschiedenen Anforderungen der operativen Behandlungen zu genügen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumplaserstrahlung für Arzt und Patienten entweder in gefahrloser Entfernung bzw. außerhalb des Behandlungsraumes erzeugt und über einen bekannten und leicht verfügbaren, flexiblen Lichtwellenleiter aus wasserfreiem Quarzglas bis zum Wandlermedium im Handstück über mehrere Meter herangeführt werden kann, oder daß als Pumplichtquelle Halbleiter-Laserdioden verwendet werden können, die direkt an den Wandler gekoppelt sind.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum direkten Heranführen des La­ serstrahls aus dem Wandlerlaser an das Operationsfeld bei der Zahnbehandlung nur ein kurzes austauschbares Stück flexibler Lichtleitfaser erforderlich ist, deren Dicke und Form behand­ lungsspezifisch gewählt werden kann.