Die Erfindung bezieht sich auf ein medizinisches Handstück zum Ausrichten eines La
serstrahles auf ein Behandlungsareal, in das die von einer Laserstrahlungsquelle kom
mende Strahlung über eine Strahlführungseinrichtung eingekoppelt wird, wobei das
Handstück relativ zur Laserstrahlungsquelle beweglich ist.
Weltweit werden Laser in der Dermatologie häufig zur Behandlung von Feuermalen, zur
Entfernung von Tätowierungen, zur Hauterneuerung wie auch zur Haarentfernung ge
nutzt. Derartige Behandlungen dienen vorwiegend der Verbesserung der Lebensquali
tät der Patienten und sind in der Regel der Kosmetik zuzuordnen. Dabei werden meist
kurze Laserimpulse mit einer Impulsdauer im Nano- und Mikrosekundenbereich in das
Gewebe eingebracht.
Die medizinisch-technischen Geräte zur Durchführung solcher Behandlungen umfas
sen im wesentlichen eine Laserstrahlungsquelle und ein Handstück, das zur Ausrich
tung der von der Laserstrahlungsquelle emittierten Strahlung auf das Zielgebiet dient.
Um eine leichtgewichtige Bauweise des Handstückes zu erzielen und so eine möglichst
ungehinderte Manipulation mit dem Handstück ermöglichen zu können, sind Laser
strahlungsquelle und Handstück als getrennte Baugruppen ausgeführt, wobei die Über
tragung der Laserstrahlung von der Strahlungsquelle zum Handstück mittels einer be
weglichen Strahlführungseinrichtung erfolgt. Die Strahlführungseinheit kann aus meh
reren, durch Gelenke miteinander verbundenen starren Übertragungsgliedern bestehen
oder auch als biegsame faseroptische Einrichtung ausgebildet sein.
Das Handstück weist am Übergang von der Strahlführungseinheit ein Einkoppelelement
auf; an dem auf das Behandlungsareal zu richtenden Ende des Handstückes ist eine
Abstrahlfläche für die Laserstrahlung vorhanden.
Bei bekannten medizinischen Handstücken dieser Art erfolgt die Abstrahlung des La
serstrahles mit den Eigenschaften, mit denen dieser in das Handstück eingekoppelt
wird, d. h. insbesondere die Verteilung der Strahlungsintensität innerhalb des Strahl
querschnittes und die Geometrie des Strahlquerschnittes bleiben weitestgehend erhal
ten und die Laserstrahlung wird auch so auf den Behandlungsort gerichtet.
Nun ist es für viele dermatologische Anwendungen, bei denen große Hautareale zu
lasern sind, jedoch erforderlich, während der Behandlung die Abstrahlfläche mehrmals
nebeneinander aufzusetzen, um die gesamte zu behandelnde Fläche abzudecken. Da
bei ist es im Sinne einer gleichmäßigen Behandlung der gesamten Fläche von Bedeu
tung, daß einerseits die einzelnen Aufsetzflächen (bzw. Spots) einander nicht Über
schneiden, andererseits aber auch keine unbehandelten Fehlstellen zwischen den Auf
setzflächen verbleiben.
Unter diesem Aspekt ist beispielsweise ein Laserstrahl mit kreisrundem Querschnitt
ungünstig, da bei nebeneinandergesetzten Spots stets entweder Überschneidungen
oder Fehlstellen austreten, wodurch die gleichmäßige Energieeinstrahlung in ein Be
handlungsareal nicht möglich ist. Es ist also wünschenswert, zur effektiven Bearbei
tung die Strahlform am abstrahlungsseitigen Ende des Handstückes so zu gestalten,
daß auch bei Abrasterung eines Behandlungsareals mit mehreren Spots ein gleichmä
ßiger Energieeintrag gewährleistet ist.
Das gilt ebenso für die Energieverteilung innerhalb des Laserstrahlquerschnittes. Ist
beispielsweise die Energiedichte am Rand des Laserstrahlquerschnittes geringer als in
dessen Zentrum, wie das etwa bei einer Gaußverteilung der Fall ist, ist eine gleichmä
ßige therapeutische Wirkung über die gesamte Fläche des Strahlquerschnittes hinweg
nicht erzielbar. Bei derartiger Laserstrahlung ist es notwendig, während der Behand
lung die einzelnen Spots zu überlappen, um ein angenähert kontinuierliches Behand
lungsergebnis über die gesamte zu behandelnde Fläche hinweg zu erzielen. Das aller
dings ist sehr schwer zu bewerkstelligen, hängt weitestgehend vom Feingefühl des
Operateurs ab und kann insbesondere bei einer unkontrollierten Überlappung der
Randgebiete zu einer Summierung der in die Hautpartien eingetragenen Energien an
einzelnen Stellen des Behandlungsareals führen, wodurch die Haut stärker als er
wünscht geschädigt werden kann. Außerdem dauert die Behandlung um so länger, je
weiter die einzelnen Spots sich überschneiden müssen.
In der Offenlegungsschrift DE 44 29 193 A1 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung einer
querschnittshomogenisierten Laserstrahlung angegeben, die im Sinne der vorliegenden
neuen Anmeldung als medizinisches Handstück ausgebildet ist. Mit dieser Vorrichtung
kann eine modenhomogenisierte und räumlich homogenisierte Strahlung abgestrahlt
werden, wie sie zur Abtragung der Hornhaut des Auges benötigt wird.
Als Strahlungsquelle wird hierbei ein gepulster Festkörperlaser mit einer Emission im
Wellenlängenbereich 2 µm bis 3 µm eingesetzt. Die Pulsenergie liegt zwischen 100 µJ
und 1J. Zur Übertragung der Energie von der Laseranordnung zum Handstück ist eine
Faser vorgesehen, die eine Länge von mindestens 0,2 m und einen Durchmesser zwi
schen 50 und 1000 µm aufweist. Innerhalb des Handstückes ist, der Faser nachgeord
net, ein transparenter, im Querschnitt kreisrunder Stab aus Quarz, Saphir oder YAG
vorgesehen.
Durch die Kombination der Faser mit dem nachgeordneten transparenten Stab wird an
der Abstrahlfläche eine Strahlung mit einem rotationssymmetrischen Intensitätsprofil
erzielt, bei dem die vom Laser abgestrahlten Modengemische effektiv in das homoge
nisierte radialsymmetrische Strahlprofil, beispielsweise mit gauß'scher, parabolischer
oder ringförmiger Intensitätsverteilung, umgesetzt werden.
Damit ist dieses Handstück jedoch für Anwendungen ungeeignet, die, wie oben be
schrieben, eine gleichmäßige Energieverteilung über den gesamten Strahlungsquer
schnitt und eine Aneinanderreihung der einzelnen Spots während der Behandlung des
Zielareals ohne die Gefahr einer undefinierte Beeinflussung durch ungenaue Über
schneidungen erfordern.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Handstück der vor
beschriebenen Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß an der Abstrahlfläche eine
Laserstrahlung mit bis in die Randzonen des Strahlquerschnittes hinein gleichmäßiger
Intensitätsverteilung verfügbar und die Querschnittsgeometrie der Strahlung so gestal
tet ist, daß die Gefahr ungewollter Beeinflussung des Zielareals durch zu hohen oder
zu geringen Energieeintrag wesentlich verringert wird.
Diese Aufgabe wird bei einem Handstück, bei dem die von einer Laserstrahlungs
quelle kommende Strahlung über eine Strahlführungseinrichtung in das Hand
stück eingekoppelt wird und das Handstück relativ zur Laserstrahlungsquelle be
weglich ist, dadurch gelöst, daß innerhalb des Handstückes, der Strahlführungs
einrichtung nachgeordnet, mindestens ein als strahlführender Stab ausgebildetes
optisches Element vorgesehen ist, in welchem die Strahlung durch Totalreflexion
weitergeleitet wird und das mit einer im Mikrometerbereich strukturierten und
dadurch mikrooptisch wirksamen Einstrahlfläche ausgestattet ist.
In Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, daß die Einstrahlfläche eine diffrak
tiv wirksame Struktur aufweist, deren Strukturbreite in der Größenordnung der Wel
lenlänge der zur Behandlung genutzten Laserstrahlung liegt. Das kann ein in dieser
Größenordnung variierendes Höhenprofil mit streifenförmigen, kreuzförmigen, trich
terförmigen und/oder anderweitig geformten Erhebungen, ein in der genannten Struk
turbreite variierter Brechungsindex und/oder in dieser Strukturbreite variierender Ab
sorptionskoeffizienten sein. Elemente, die mit derartigen Flächen ausgestattet sind,
sind beispielsweise in der Fachliteratur Naumann/Schröder "Bauelemente der Optik",
Carl Hanser Verlag München Wien, 6. Auflage, Seite 584 beschrieben.
Mit der in dieser Weise mikrostrukturierten Einstrahlfläche wird erreicht, daß sich bei
Durchgang der Laserstrahlung die Energieverteilung innerhalb des Strahlungsquer
schnittes bis in die Randbereiche hinein vergleichmäßigt, d. h. über den gesamten
Strahlungsquerschnitt hinweg ist nach Durchgang in der Laserstrahlung eine gleichmä
ßige Strahlungsintensität gegeben.
Außerdem ist es möglich, mit der so mikrostrukturierten Einstrahlfläche die Quer
schnittsgeometrie des Laserstrahles zu beeinflussen und so eine Abstrahlung auf das
zu behandelnde Hautareal zu gewährleisten, deren Querschnitt eine Aneinanderrei
hung von Spots flächendeckend über das gesamte Behandlungsareal ohne die Über
lappung zweier aufeinanderfolgender Spots ermöglicht.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die mikrooptisch
wirksame Einstrahlfläche eine refraktiv wirksame Struktur in Form eines Arrays aus
sphärischen, asphärischen, zylindrischen und/oder elliptischen Linsen aufweist, von
denen jede eine Ausdehnung senkrecht zur Strahlungsrichtung von 10 µm bis
1000 µm hat. Diese Linsen können auf der Einstrahlfläche hexagonal und/oder or
thogonal angeordnet sein. Sie können sowohl als Zerstreuungslinsen konkav oder auch
als Sammellinsen konvex geformt sein, bzw. können beide Arten von Linsen auf der
Fläche vorhanden sein.
Passiert der Laserstrahl diese Einstrahlfläche, erfolgt durch die Vielzahl der optisch
wirksamen Strukturelemente eine gleichmäßige Aufspaltung der Energie in eine durch
die Anzahl der Strukturelemente vorgegebene Anzahl von Teilstrahlen. Dabei erfolgt
die Transformation der gauß'schen oder auch anderweitigen Energieverteilung inner
halb des Strahlquerschnittes in eine über den gesamten Strahlquerschnitt bis in die
Randbereiche hinein gleichmäßige Energieverteilung.
Durch die Auswahl und Anordnung der einzelnen Strukturelemente erfolgt nicht nur
die Vergleichmäßigung der Energieverteilung innerhalb des Strahlquerschnittes, son
dern die Richtung der einzelnen Teilstrahlen kann auch so beeinflußt werden, daß der
Laserstrahl nach Passieren der Einstrahlfläche eine definierte geometrische Quer
schnittsform aufweist, beispielsweise eine dreieckige, quadratische, sechseckige oder
kreisrunde Form.
Das erfindungsgemäße Handstück zeichnet sich durch eine über den gesamten Quer
schnitt homogenisierte Intensität der Laserstrahlung an der Abstrahlfläche und außer
dem durch eine optimal angepaßte geometrische Querschnittsform der Strahlung aus.
Es ist dadurch vorteilhaft für die Anwendung zur Haarentfernung und für anderweitige
dermatologische Behandlungen geeignet.
Das ist insbesondere bei Verwendung eines Rubinlasers als Strahlungsquelle nützlich,
da dessen Strahlung bekanntermaßen eine stark inhomogene Intensitätsverteilung in
ihrem Querschnitt aufweist. Dabei kommt noch hinzu, daß die Intensitätsverteilung
nicht konstant ist, sondern sich von Spot zu Spot ändert, so daß es bei Verwendung
des Rubinlasers zur Haarentfernung ohne die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ein
richtung zur Homogenisierung der Strahlungsintensität entweder zu Verbrennungen
kommen kann oder der therapeutische Effekt nicht eintritt.
Mikrooptisch wirksame Strukturen sind beispielsweise mit Hilfe von Elektronenstrahlli
thographie, Photolithographie oder Ionenaustauschverfahren technologisch leicht er
zielbar. Durch die Wahl des Strukturverlaufs ist eine exakte Kontrolle der reflektierten
oder transmittierten Lichtwellen möglich. Dabei sind die diffraktiv wirksamen Struktu
ren durch den gesteuerten Einsatz der Beugung der Lichtwellen gekennzeichnet. Des
halb sind mit derartigen Elementen Funktionen realisierbar, die mit konventionellen
Optiken wie Spiegeln, Linsen usw. nicht möglich sind.
Die Strahlformung erfolgt beispielsweise dadurch, daß die Intensitätsverteilung zu den
Randbereichen des Strahlquerschnittes hin, in denen keine Energieeinstrahlung in die
Hautpartie erwünscht ist, auf Null oder auf einen Wert transformiert wird, der keine
Wirkung mehr in der Hautpartie hervorruft. Damit läßt sich aus einem Laserstrahl mit
kreisrunder Querschnittsgeometrie und inhomogener Intensitätsverteilung ein Laser
strahl mit quadratischer Querschnittsgeometrie und gleichmäßiger Intensitätsvertei
lung erzielen.
Auf diese Weise lassen sich auch Laserstrahlquerschnitte mit sechseckiger Quer
schnittsform erzielen, die dann auf den Behandlungsareal Spot für Spot wabenartig
zusammengesetzt werden, bis die gesamte Fläche des zu behandelnden Hautareales
abgedeckt ist.
In einer weiteren Ausgestaltungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, daß der struk
turierten Einstrahlfläche eine Einrichtung zur Strahlfokussierung vorgeordnet ist. Mit
dieser Einrichtung läßt sich die Größe des Strahlquerschnittes einstellen. Als derartige
Einrichtung kann beispielhaft eine Sammellinse vorgesehen sein.
Der strahlführende Stab kann aus Quarzglas gefertigt sein. Die Größe und die Geome
trie der Einstrahl- und der Abstrahlfläche können voneinander abweichend ausgeführt
sein. Vorteilhaft jedoch sollte die Einstrahlfläche kreisrund ausgeführt und der Quer
schnitt der Einstrahlfläche gleichbleibend über wenigstens 90% der Länge des Stabes in
Richtung des Behandlungsareales vorgesehen sein, während erst auf dem verbleiben
den Längenabschnitt eine Querschnittsreduzierung und/oder Formänderung vorge
nommen sein sollte.
Der strahlführende Stab bewirkt, daß sich die Laserstrahlung, deren Strahlungsintensi
tät nach dem Passieren der Einstrahlfläche bereits homogenisiert ist, innerhalb des
strahlführenden Stabes bis zur Hautpartie geführt werden kann, wobei die Abstrahlflä
che, an der die homogenisierte Laserstrahlung verfügbar ist, auf der Hautpartie aufge
setzt werden kann. Innerhalb des strahlführenden Stabes wird durch die Totalreflexio
nen eine weitere "Durchmischung" der nach dem Passieren der strukturierten Fläche
vorhandenen Vielzahl einzelner Teilstrahlen erreicht und damit eine weitere Ver
gleichmäßigung der Strahlungsintensität, bezogen auf den Strahlquerschnitt, vorge
nommen.
Besondere Ausgestaltungsvarianten können weiterhin darin bestehen, daß die struktu
rierte Einstrahlfläche gewölbt, bevorzugt konkav, besonders bevorzugt aber auch
konvex ausgebildet ist. Auf diese Weise läßt sich eine weitere Beeinflussung der Ver
teilung der Strahlungsintensität erzielen. Auch ist es denkbar, die Einstrahlfläche mit
einer Struktur zu versehen, wie sie von der herkömmlichen Streuscheibe bekannt ist.
Die Abstrahlfläche kann erfindungsgemäß sowohl einen kreisrunden Querschnitt als
auch einen vieleckigen, wie beispielsweise quadratisch oder sechseckig geformten
Querschnitt, aufweisen.
Im Rahmen der Erfindung liegt weiterhin eine Ausgestaltung, bei der als Laserstrah
lungsquelle ein Rubinlaser vorgesehen, der Strahlführungseinrichtung eine Sammellin
se nachgeordnet ist und im Strahlengang nach der Sammellinse ein strahlführender
Stab angeordnet ist.
Denkbar, hier jedoch nicht weiter ausgeführt, ist eine im Rahmen der Erfindung liegen
de Variante, bei der als Strahlungsquelle eine Laserdiode vorgesehen und gegebenen
falls in das Handstück integriert ist.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert
werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung
Fig. 2 eine Ausführungsvariante des Stabes
Fig. 3 Querschnitts formen der Abstrahlfläche
Fig. 4 Gestaltungsvarianten der Einstrahlfläche
Fig. 1 zeigt die prinzipielle Darstellung der erfindungsgemäßen Strahlführung und
Strahlbeeinflussung innerhalb eines medizinischen Handstückes, mit dem Laser
strahlung auf eine Hautpartie 7 gerichtet ist, etwa zum Zweck der Haarentfer
nung oder einer anderweitigen dermatologischen Behandlung.
Dabei hat der Strahlengang 1 der über eine Strahlführungseinrichtung 2 einge
koppelten Laserstrahlung zunächst einen kreisrunden Querschnitt 8 mit inhomo
gener Verteilung der Strahlungsintensität. In den Strahlengang 1 ist eine Sammellin
se 12 gestellt, die den Laserstrahl fokussiert auf die Einstrahlfläche 13 eines strahlfüh
renden Stabes 14 lenkt, der bei einer Länge von 55 mm und einem kreisrunden Quer
schnitt von 8 mm Durchmesser aus Quarzglas gefertigt sein kann.
Die Einstrahlfläche 13 weist beispielsweise eine refraktiv wirksame Struktur in Form
einer Vielzahl nebeneinander angeordneter, konkav geformter sphärischer Mikrolinsen
auf, die so angeordnet ist, daß der gesamte Strahlengang 1 diese Mikrolinsen passie
ren muß. Jede der Linsen hat dabei einen senkrecht zur Strahlungsrichtung gemesse
nen Durchmesser von etwa 200 µm.
Beim Durchgang durch die Einstrahlfläche 13 wird die Laserstrahlung in eine der
Vielzahl von Mikrolinsen entsprechende Anzahl Teilstrahlungen aufgeteilt und
dadurch eine Homogenisierung der Intensitätsverteilung erzielt.
Innerhalb des strahlführenden Stabes 14 wird die Laserstrahlung durch Totalreflexion
weitergeleitet, wobei eine weitere Homogenisierung erzielt wird. Somit ist an der Ab
strahlfläche 15, die in diesem Fall nahe oder unmittelbar im Kontakt mit der Hautpar
tie 7 positioniert ist, ein Laserstrahl verfügbar, dessen Querschnitt bis in die Randbe
reiche hinein eine gleichmäßige Strahlungsintensität aufweist und damit eine gleich
mäßige Behandlung des mit der Laserstrahlung beaufschlagten Abschnitts des Haut
partie 7 gewährleistet.
In Ausgestaltungsvarianten der Erfindung kann allerdings auch vorgesehen sein, daß
sich der Querschnitt des strahlführenden Stabes 14 in Strahlungsrichtung kegelstumpf
förmig verjüngt, wie das beispielsweise in Fig. 2 dargestellt ist. Damit wird mit dem
strahlführenden Stab 14 nicht nur der Effekt einer Verstärkung der Homogenisierung
erzielt, sondern auch noch eine Beeinflussung der Querschnittsform und -größe vorge
nommen, indem die Abstrahlfläche 15 beispielhaft wie die Einstrahlfläche 13 einen
kreisrunden Querschnitt aufweist, jedoch mit kleinerem Durchmesser (vgl. Fig. 3a). In
weiteren Ausgestaltungsvarianten ist es allerdings auch denkbar, daß die Abstrahlflä
che 15 in Querschnittsform und -größe wie in Fig. 3b bis d ausgeführt ist, also eine
sechseckige, quadratische oder auch dreieckige Querschnittsform aufweist, während
bei der Einstrahlfläche 13 der kreisrunde Querschnitt beibehalten ist.
In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung ist die Einstrahlfläche 13, wie in Fig. 4 dar
gestellt, plan (vgl. Fig. 4e), konkav (vgl. Fig. 4f) oder auch konvex (vgl. Fig. 4 g) ge
formt. Damit ist in Zusammenwirkung mit der Auswahl der Struktur, die auf die Ein
strahlfläche 13 aufgebracht ist, eine gezielte Beeinflussung der Strahlungsintensität
wie auch des Strahlquerschnittes möglich.
Wird in einer alternativen Ausgestaltung beispielsweise die Einstrahlfläche 13 anstelle
der refraktiv wirksamen Struktur mit einer diffraktiv wirksamen Struktur versehen, so
wird die Homogenisierung nicht durch Aufteilung des Laserstrahles in eine Vielzahl von
Teilstrahlen, sondern durch Phasenänderung erzielt. Auch dabei läßt sich mit Hilfe des
optischen Elementes, das mit dieser Einstrahlfläche ausgestattet ist, beispielsweise
ein kreisrunder Strahlquerschnitt mit ungleichmäßiger Intensitätsverteilung in einen
quadratischen Querschnitt mit vergleichmäßigter Intensitätsverteilung transformieren.
Bezugszeichenliste
1
Strahlengang
2
Strahlführungseinrichtung
7
Hautpartie
8
Querschnitt
12
Sammellinse
13
Einstrahlfläche
14
Stab
15
Abstrahlfläche