WO2000010049A1 - Medizinisches handstück für laserstrahlungsquelle - Google Patents

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WO2000010049A1
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laser
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laser radiation
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PCT/EP1999/005889
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Jens Elbrecht
Eckhard SCHRÖDER
Jürgen Kühnert
Gabriele Zimmermann
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Asclepion-Meditec Ag
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    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/241—Light guide terminations

Definitions

  • the invention relates to a medical handpiece which is connected to a laser radiation source via a beam guiding device and with which a laser beam is directed onto a treatment area, the handpiece being relatively freely movable relative to the laser radiation source.
  • the invention further relates to a method for the cosmetic treatment of skin areas when using the handpiece according to the invention.
  • laser radiation is often used for the treatment of fire stains, for the removal of tattoos, for skin renewal and for hair removal.
  • short laser pulses with a pulse duration in the nano and microsecond range are introduced into the tissue. Treatments of this type are used primarily to improve the quality of life of patients and are usually associated with cosmetics.
  • the medical-technical devices for carrying out such treatments essentially comprise a laser radiation source and a handpiece which is used for manual alignment of the radiation emitted by the laser radiation source to the target area.
  • the laser radiation source and handpiece are designed as separate assemblies, the transmission of the Laser radiation from the radiation source to the handpiece takes place by means of a movable beam guiding device.
  • the beam guiding device can consist of a plurality of rigid transmission members which are connected to one another by joints or can also be designed as flexible fiber optics.
  • the handpieces to which the invention relates have a coupling element at the transition from the beam guiding device and are equipped with a radiation surface for the laser radiation.
  • the laser beam is emitted with the same properties with which it is coupled into the handpiece, i.e. in particular, the distribution of the radiation intensity within the beam cross-section and the geometry of the beam cross-section are largely preserved, and the laser radiation is also directed towards the treatment site in this way.
  • a laser beam with a circular cross-section is unfavorable, since with circular spots placed next to one another, either overlaps or imperfections always occur, as a result of which uniform energy irradiation into a treatment area is not possible.
  • the published patent application DE 44 29 1 93 AI specifies a device for generating cross-section-homogenized laser radiation, which is designed as a medical handpiece in the sense of the present new invention. With this device, a mode-homogenized and spatially homogenized radiation can be generated, as is required, for example, for ablation of the cornea of the eye.
  • a pulsed solid-state laser with an emission in the wavelength range of 2 ⁇ m to 3 ⁇ m is used as the radiation source.
  • the pulse energy is between 1 00 ⁇ j and 1J.
  • a fiber is provided which has a length of at least 0.2 m and a diameter between 50 and 1,000 ⁇ m.
  • a transparent rod of quartz, sapphire or YAG with a circular cross-section is provided inside the handpiece, arranged downstream of the fiber.
  • a radiation is obtained intensity profile with a rotationally symmetrical on the emitting surface, wherein the radiated from the laser mode mixtures can be effectively converted into the homogenized radially symmetrical beam profile, for example with Gauss's shear, parabolic or annular intensity distribution.
  • the object of the invention is to further develop a handpiece of the type described above in such a way that laser radiation with a uniform intensity distribution down to the edge zones of the beam cross section is available on the radiation surface and the geometry of the beam cross section is designed in such a way that the risk of influencing the target area is significantly reduced by unwanted energy input.
  • This object is achieved in a handpiece of the aforementioned type in that at least one optical element with a surface structured in the micrometer range and therefore having a micro-optical effect is provided within the handpiece, downstream of the exit surface of the beam guiding device.
  • the optical element with the transparent surface structured in the micrometer range can be realized as a micro-optical array which, through the diffractive or refractive effect, causes a change in the intensity distribution within the laser beam cross section and / or a beam shaping in the sense of a change in cross section.
  • this surface has a diffractively effective structure, the structure width of which is in the order of magnitude of the wavelength of the laser radiation used for the treatment.
  • This can be a height profile varying in this order of magnitude with stripes, cross-shaped, funnel-shaped and / or other shaped elevations, a refractive index varied in the structure width mentioned and / or absorption coefficient varying in this structure width.
  • the surface has a refractive structure in the form of an array of spherical, aspherical, cylindrical and / or elliptical lenses, each of the lenses having an extension perpendicular to the direction of radiation from 10 ⁇ m to 100 ⁇ m. These lenses can be arranged hexagonally and / or orthogonally on the surface.
  • both concave and convex lenses can also be present side by side on the surface.
  • Statistically distributed concave recesses are conceivable, but notches arranged in a circle or spiraling or crossing grids are also suitable.
  • Preferred dimensions for the refractive structures are 0.35 mm in diameter and 0.005 mm in depth.
  • the ratio of depth to diameter should not exceed 0.5. In the case of lens structures, this ratio should be greater than 0.02 and preferably in the range from 0.1 to 0.3.
  • the plurality of optically active structural elements divides the radiation into a plurality of partial beams, the number of partial beams depending on the number of structural elements present on the surface.
  • the finer the micro-optically effective structure the more uniform and homogeneous the radiation intensity is distributed over the entire cross-section of the laser radiation after passing through the area described. In other words: when passing through the microstructured surface, an uneven energy distribution within the beam cross-section is transformed into an energy distribution that is even down to the edge areas of the beam cross-section.
  • the microstructured surface not only achieves the intended homogenization of the intensity within the beam cross section, but depending on the design of the individual structural elements, the direction of the individual partial beams can also be influenced, if this is intended and desired.
  • a laser beam emerging from a fiber for example with a circular cross-section, can be converted into a laser beam with a square, rectangular, hexagonal or other shaped beam cross-section by specifically predetermined configuration of the individual structural elements.
  • the individual spots can be placed next to each other without overlapping and without any untreated defects. With the exclusion of overlaps, too high an energy input, with the exclusion of untreated defects, too low an energy input is avoided and the treatment result is thus significantly improved.
  • the beam cross section is reshaped by the structural elements on the microstructured surface being selected, shaped and positioned in such a way that the partial beams, especially the peripheral partial beams, are given a direction within the laser beam cross section which is aimed at a desired outer contour of the cross section.
  • the partial beams no longer fill a circular beam cross-section, but instead, for example, fill a square-shaped cross-section evenly (the circular sections are left blank).
  • the handpiece according to the invention is thus distinguished from the prior art by an intensity of the laser radiation on the radiation surface that is homogenized over the entire cross section and also by an adapted cross-sectional shape of the radiation.
  • micro-optically active structures can easily be produced, for example, with the aid of electron beam lithography, photolithography or ion exchange processes.
  • a device for beam focusing is arranged upstream or downstream of the micro-optically structured surface. With this device, the size of the beam cross section can be adjusted.
  • a converging lens can be provided, for example, which is positioned in the beam path before or after the structured surface.
  • zoom optics can also be provided as the device for beam focusing, with which it is possible in a simple manner to influence the size of the spot. If the zoom optics are coupled with a corresponding automatic setting, the spot size can be changed easily during the treatment.
  • the optical element with the micro-optically active surface is designed as a beam-guiding rod, in which the radiation is transmitted by total reflection.
  • the rod has an irradiation surface and a radiation surface for the laser radiation; the irradiation surface is provided with the micro-optically active structure.
  • the beam-guiding rod can be made of quartz glass.
  • the size and cross-sectional shape of the irradiation surface and radiation surface can differ.
  • the irradiation surface should advantageously be circular, this cross section should be retained over at least 90% of the length of the rod, and a reduction and / or change in shape of the cross section should only be provided on the remaining length section.
  • the microoptical structures can also be the structures of a diffusing screen known from the prior art.
  • the indefinable structures of the lens since with the indefinable structures of the lens, the light also enters at an unfavorable angle, the rear radiation, energy losses and thus undesirably high heat development.
  • this is avoided with the micro-optically effective structures provided according to the invention, since they are designed in such a way that unfavorable entry angles do not occur.
  • the radiation surface can have both a circular and a polygonal, such as square or hexagonal cross-section.
  • a layer of a transparent gel for example an ultrasound gel, can be provided between the radiation surface and the skin surface to be treated. This further optimizes the radiation of the laser beam into the skin area to be treated by reducing the reflection and reducing scatter. This also means that lower energy densities are required for the laser light.
  • the refractive index of the gel should match the refractive index of the skin and the gel should be transparent at least for the wavelength of the laser light used.
  • the object of the invention is achieved with a method for the cosmetic treatment of skin areas using the above-described handpiece, in which a gel is applied to the skin area to be treated before the start of the treatment, and is transparent to the wavelength of the laser light used and its Refractive index is adapted to the refractive index of the skin.
  • An ultrasound gel is preferably used which is physiologically harmless and is therefore suitable for cosmetic purposes. It also has good thermal conductivity.
  • the gel further reduces the risk of damage to the epidermis and the formation of smoke and odor during the treatment is avoided since the area of the skin to be treated is at a better temperature.
  • the effectiveness of Gels can be increased even further by removing any hair growth that may be present on the skin area before the treatment begins.
  • Fig.l a first schematic diagram of the arrangement according to the invention
  • FIG. 3 shows a second schematic representation of the arrangement according to the invention.
  • FIG. 4 shows an embodiment variant of the rod
  • the beam path 1 which can be configured by a beam guiding device 2, which can be configured both as a flexible optical fiber and in the form of rigid transmission elements which are connected to one another by joints, there is an optical element, for example a disk 3 made of quartz glass, which has a micro-optical lens effective surface 4 is provided, and zoom optics, indicated by the lenses 5 and 6.
  • the laser radiation is directed onto a skin area 7, for example for the purpose of hair removal or another cosmetic treatment.
  • the surface 4 has, for example, a refractive structure in which a multiplicity of concavely shaped spherical lenses are arranged orthogonally to one another and which is placed in the beam path 1 such that the entire beam path 1 must pass through these microlenses.
  • Each of the lenses has a diameter of approximately 0.35 mm and a depth of 0.005 mm measured perpendicular to the direction of radiation.
  • a microlens array offered by AMS Mikrooptik GmbH, Saar Hampshire, Germany, can be used as disk 3.
  • the position deviations of the individual lenses are less than 0.2 ⁇ m.
  • This division into the multiplicity of partial beams has the effect that the circular cross-section 8 indicated in the beam path 1 is transformed into radiation with a uniform intensity distribution within a square cross-section 9 with a radiation, for example, coming from a ruby laser (see FIG. 2).
  • the radiation is now directed onto the skin area 7 to be treated, the size of the cross-sectional area 1 0 impinging on the skin area 7 being able to be influenced with the aid of the zoom optics 5, 6.
  • the zoom optics for example, the cross-sectional area 1 0 can be enlarged or reduced. This makes it easy to adapt to the area of the area to be treated.
  • the area to be treated is larger than the cross-sectional area 10, which can be adjusted with the zoom optics 5, 6, several spots are placed next to one another on the treatment area 7 such that the treatment area 7 is not only completely covered, but also an overlap of the individual spots is avoided.
  • the surface 4 is provided with a diffractive structure instead of the refractive structure, the homogenization is not achieved by dividing the laser beam into a plurality of partial beams, but by changing the phase.
  • a circular beam cross section with an uneven intensity distribution can be transformed into a square cross section with a uniform intensity distribution with the aid of the optical element that is equipped with this surface.
  • Such diffractive optical elements are acting in Berlin, for example, by the company BIFO Institute of Optics GmbH, Rudower Clice 6, 1 2484 Berlin, German ⁇ land, produced and offered.
  • the beam path 1 of the laser radiation coupled in via the beam guiding device 2 also initially has a circular cross section 8 with an inhomogeneous distribution of the radiation intensity.
  • a collecting lens 1 2 is placed in this radiation, which focuses the laser beam onto the irradiation surface 1 3 of a beam-guiding rod 1 4, which can be made of quartz glass with a length of 55 mm and a circular cross-section of 8 mm diameter, for example.
  • the irradiation surface 13 is provided with a structure of microlenses arranged next to one another.
  • the laser radiation is also divided into a plurality of partial radiations as it passes through the irradiation surface 13, thereby achieving a homogenization of the intensity distribution.
  • the laser radiation is passed on by total reflection, a further homogenization being achieved.
  • a laser beam is available on the radiation surface 15, which is placed on the treatment area 7, the cross section of which has a radiation intensity that is uniform down to the edge regions.
  • the cross section of the beam-guiding rod 14 tapers in the shape of a truncated cone in the direction of radiation, as is shown by way of example in FIG.
  • the rod 1 4 not only is an improved homogenization achieved, but at the same time the cross-section of the laser radiation is also influenced, in that the radiation surface 1 5, like the radiation surface 1 3, has a circular cross-section, but with a smaller diameter (see FIG. 5 a ).
  • the radiation surface 15 has a cross-sectional shape, as shown in FIGS. 5b to 5d, that is to say a hexagonal, square or also triangular cross section.
  • the irradiation surface 1 3, as shown in FIG. 6, is flat (FIG. 6 a), concave (FIG. 6 b) or also convex (FIG. 6 c).
  • FIG. 6 a shows several design variants of the irradiation surface 1 3 in plan view.
  • Various structures are shown here, which have been enlarged considerably to clarify them and are also not drawn to scale.
  • FIG. 7 a shows the arrangement of a plurality of lens-like depressions which are statistically distributed over the entire irradiation surface 1 3.
  • FIG. 7 a shows the arrangement of a plurality of lens-like depressions which are statistically distributed over the entire irradiation surface 1 3.
  • the structure consists of centrally arranged grooves of different diameters, each of which has a wedge-shaped cross section.
  • a cross section is shown by way of example in FIG. 8.
  • Fig.7c a spiral structure of grooves is provided.
  • FIG. 7d shows a network of intersecting straight-line grooves, which can likewise have a cross section according to FIG. 8.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein medizinisches Handstück, das über eine Strahlführungseinrichtung (2) mit einer Laserstrahlungsquelle verbunden ist und mit dem ein Strahlengang (1) auf ein Behandlungsareal (7) gerichtet wird, wobei das Handstück relativ zur Laserstrahlungsquelle beweglich ist. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur kosmetischen Behandlung von Hautflächen bei Verwendung des erfindungsgemäßen Handstücks. Erfindungsgemäß ist innerhalb des Handstückes, der Austrittsfläche der Strahlführungseinrichtung (2) nachgeordnet, mindestens ein optisches Element, beispielsweise eine transparente Scheibe (3), mit einer im Mikrometerbereich strukturierten und dadurch mikrooptisch wirksamen Fläche (4) vorgesehen. Dem optischen Element kann eine aus Linsen (5, 6) gebildete Zoomoptik zugeordnet sein. Die im Mikrometerbereich strukturierte Fläche (4) kann durch mikrooptische Arrays realisiert sein, die je nach Struktur durch diffraktive oder refraktive Wirkung eine Änderung der Intensitätsverteilung innerhalb des Laserstrahlquerschnittes und/oder eine Strahlformung im Sinne einer Änderung des Strahlquerschnittes (8, 9, 10) bewirken.

Description

Titel
MED IZINISCHES HANDSTÜCK FÜR LASERSTRAHLUNGSQUELLE
Gebiet der Erfindung Die Erfindung bezieht sich auf ein medizinisches Handstück, das über eine Strahlführungseinrichtung mit einer Laserstrahlungsquelle verbunden ist und mit dem ein Laserstrahl auf ein Behandlungsareal gerichtet wird, wobei das Handstück zur Laserstrahlungsquelle relativ frei beweglich ist. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur kosmetischen Behandlung von Hautflächen bei Verwendung des erfindungsgemäßen Handstücks.
Stand der Technik
In der Dermatologie wird häufig Laserstrahlung zur Behandlung von Feuermalen, zur Entfernung von Tätowierungen, zur Hauterneuerung wie auch zur Haarentfernung genutzt. Dabei werden meist kurze Laserimpulse mit einer Impulsdauer im Nano- und Mikrosekundenbereich in das Gewebe eingebracht. Derartige Behandlungen dienen vorwiegend der Verbesserung der Lebensqualität der Patienten und sind in der Regel der Kosmetik zuzuordnen.
Die medizinisch-technischen Geräte zur Durchführung solcher Behandlungen umfassen im wesentlichen eine Laserstrahlungsquelle und ein Handstück, das zur manuellen Ausrichtung der von der Laserstrahlungsquelle emittierten Strahlung auf das Zielgebiet dient.
Um eine leichtgewichtige Bauweise des Handstückes zu erzielen und so eine möglichst ungehinderte Manipulation zu ermöglichen, sind Laserstrahlungsquelle und Handstück als getrennte Baugruppen ausgeführt, wobei die Übertragung der Laserstrahlung von der Strahlungsquelle zum Handstück mittels einer beweglichen Strahlführungseinrichtung erfolgt. Die Strahlführungseinrichtung kann aus mehreren, durch Gelenke miteinander verbundenen starren Übertragungsgliedern bestehen oder auch als biegsame Faseroptik ausgebildet sein.
Die Handstücke, auf die sich die Erfindung bezieht, weisen am Übergang von der Strahlführungseinrichtung ein Einkoppelelement auf und sind mit einer Abstrahlfläche für die Laserstrahlung ausgestattet.
Bei bekannten Handstücken dieser Art erfolgt die Abstrahlung des Laserstrahles mit denselben Eigenschaften, mit denen dieser in das Handstück eingekoppelt wird, d.h. es bleiben insbesondere die Verteilung der Strahlungsintensität innerhalb des Strahlquerschnittes und die Geometrie des Strahlquerschnittes weitest- gehend erhalten, 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. Dabei ist es im Sinne einer gleichmäßigen Behandlung der gesamten Fläche von Bedeutung, daß einerseits die einzelnen Aufsetzflächen (Spots) einander nicht Überschneiden, andererseits aber auch keine unbehandelten Fehlstellen zwischen den Aufsetzflächen verbleiben.
Unter diesem Aspekt ist beispielsweise ein Laserstrahl mit kreisrundem Querschnitt ungünstig, da bei nebeneinandergesetzten kreisrunden Spots stets entweder Überschneidungen oder Fehlstellen auftreten, wodurch eine gleichmäßige Energieeinstrahlung in ein Behandlungsareal nicht möglich ist. Es ist also wünschenswert, zur effektiven Bearbeitung die Strahlform am abstrahlungsseitigen Ende des Handstückes so zu gestalten, daß bei Abrasterung eines Behandlungsareals mit mehreren Spots ein gleichmäßiger Energieeintrag gewährleistet ist.
Das gilt auch in bezug auf die Energieverteilung innerhalb des Laserstrahlquerschnittes. Ist die Energiedichte am Rand des Laserstrahlquerschnittes geringer als in dessen Zentrum, wie das beispielsweise bei einer gauß'schen Verteilung der Fall ist, ist eine gleichmäßige Einwirkung über die gesamte Fläche des Strahlquerschnittes hinweg nicht erzielbar. Bei Laserstrahlung mit gauß'scher Energieverteilung ist es notwendig, während der Behandlung die einzelnen Spots zu überlappen, um ein angenähert kontinuierliches Behandlungsergebnis über die gesamte zu behandelnde Fläche hinweg zu erzielen. Das allerdings ist sehr schwer zu bewerkstelligen, hängt weitestgehend vom Feingefühl des Operateurs ab und kann insbesondere bei einer unkontrollierten Überlappung der Randge- biete zu einer Summierung der in die Hautpartien eingetragenen Energien an einzelnen Stellen des Behandlungsareals führen, durch die die Haut stärker als erwünscht geschädigt werden kann. Außerdem dauert die Behandlung um so länger, je weiter die einzelnen Spots sich überschneiden müssen.
In der Offenlegungsschrift DE 44 29 1 93 AI ist eine Vorrichtung zur Erzeugung einer querschnittshomogenisierten Laserstrahlung angegeben, die als medizinisches Handstück im Sinne der vorliegenden neuen Erfindung ausgebildet ist. Mit dieser Vorrichtung kann eine modenhomogenisierte und räumlich homogenisierte Strahlung erzeugt werden, wie sie beispielsweise zur Abtragung der Hornhaut des Auges benötigt wird.
Als Strahlungsquelle wird hierbei ein gepulster Festkörperlaser mit einer Emission im Wellenlängenbereich 2μm bis 3μm eingesetzt. Die Pulsenergie liegt zwischen 1 00 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 zwischen 50 und 1 000 μm aufweist. Innerhalb des Handstük- kes ist, der Faser nachgeordnet, 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 homogenisierte radialsymmetrische Strahlprofil, beispielsweise mit gauß ' scher, parabolischer oder ringförmiger Intensitätsverteilung, umgesetzt werden.
Damit ist dieses Handstück jedoch für Anwendungen ungeeignet, die, wie oben beschrieben, eine gleichmäßige Energieverteilung über den gesamten Strahlungsquerschnitt erfordern. Beschreibunq der Erfindung
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Handstück der vorbeschriebenen Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß an der Abstrahlfläche eine Laserstrahlung mit bis in die Randzonen des Strahlquerschnittes hinein gleichmäßiger Intensitätsverteilung verfügbar und die Geometrie des Strahlquerschnittes so gestaltet ist, daß die Gefahr der Beeinflussung des Zielareals durch ungewollten Energieeintrag wesentlich verringert wird.
Diese Aufgabe wird bei einem Handstück der vorgenannten Art dadurch gelöst, daß innerhalb des Handstückes, der Austrittsfläche der Strahlführungseinrichtung nachgeordnet, mindestens ein optisches Element mit einer im Mikrometerbereich strukturierten und dadurch mikrooptisch wirksamen Fläche vorgesehen ist.
Das optische Element mit der transparenten, im Mikrometerbereich strukturierten Fläche kann als mikrooptisches Array realisiert sein, das durch diffraktive oder refraktive Wirkung eine Änderung der Intensitätsverteilung innerhalb des Laserstrahlquerschnittes und/oder eine Strahlformung im Sinne einer Querschnittsänderung hervorruft.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß diese Fläche eine dif- fraktiv wirksame Struktur aufweist, deren Strukturbreite in der Größenordnung der Wellenlänge der zur Behandlung genutzten Laserstrahlung liegt. Das kann ein in dieser Größenordnung variierendes Höhenprofil mit streifenförmigen, kreuz- förmigen, trichterförmigen und/oder anderweitig geformten Erhebungen, ein in der genannten Strukturbreite variierter Brechungsindex und/oder in dieser Strukturbreite variierender Absorptionskoeffizienten 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 Fläche wird erreicht, daß sich bei Durchgang der Laserstrahlung durch diese Fläche die Energieverteilung innerhalb des Strahlungsquerschnittes bis in die Randbereiche hinein vergleichmäßigt, d.h. über den gesamten Strahlungsquerschnitt hinweg ist im Strahlengang nach dieser Fläche eine über den Querschnitt vergleichmäßigte Strahlungsintensität vorhanden. Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist die Fläche eine refraktiv wirkende Struktur in Form eines Arrays aus sphärischen, asphärischen, zylindrischen und/oder elliptischen Linsen auf, wobei jede der Linsen eine Ausdehnung senkrecht zur Strahlungsrichtung von l Oμm bis l OOOμm hat. Diese Linsen kön- nen auf der Fläche hexagonal und/oder orthogonal angeordnet sein. Sie können sowohl als Zerstreuungslinsen konkav oder auch als Sammellinsen konvex geformt sein; es können auch sowohl konkav als auch konvex geformte Linsen nebeneinander auf der Fläche vorhanden sein. Es sind statistisch verteilte konkave Aussparungen denkbar, geeignet sind aber auch kreisförmig angeordnete bzw. spiralförmig verlaufende Einkerbungen oder auch sich kreuzende Gitter.
Bevorzugte Abmessungen für die refraktiv wirkenden Strukturen sind Durchmesser von 0,35mm und Tiefen von 0,005mm. Das Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser sollte den Wert 0,5 nicht überschreiten. Bei Linsenstrukturen sollte dieser Verhältniswert größer als 0,02 sein und bevorzugt im Bereich von 0, 1 bis 0,3 liegen.
Passiert der Laserstrahl die so strukturierte Fläche, erfolgt durch die Vielzahl der optisch wirksamen Strukturelemente (Linsen oder Höhenprofile) eine Aufteilung der Strahlung in eine Vielzahl von Teilstrahlen, wobei die Anzahl der Teilstrahlen von der Anzahl der auf der Fläche vorhandenen Strukturelemente abhängig ist. Je feiner die mikrooptisch wirksame Struktur ausgebildet ist, um so gleichmäßiger und homogener ist die Strahlungsintensität über den gesamten Querschnitt der Laserstrahlung nach Durchgang durch die beschriebene Fläche verteilt. Mit ande- ren Worten: beim Passieren der mikrostrukturierten Fläche erfolgt die Transformation einer ungleichmäßigen Energieverteilung innerhalb des Strahlquerschnittes in eine bis in die Randbereiche des Strahlquerschnittes hinein vergleichmäßigte Energieverteilung.
Diese Vergleichmäßigung ist insbesondere bei Verwendung eines Rubinlasers als Strahlungsquelle notwendig und vorteilhaft, da dessen Strahlung bekanntermaßen eine stark inhomogene Intensitätsverteilung in ihrem Querschnitt aufweist. Dabei kommt noch hinzu, daß die Intensitätsverteilung in der Rubinlaserstrahlung nicht konstant ist, sondern sich von Spot zu Spot ändert, so daß es bei Ver- wendung des Rubinlasers ohne die erfindungsgemäß vorgeschlagene Einrichtung leicht zu Verbrennungen kommen kann. Mit der mikrostrukturierten Fläche wird nicht nur die beabsichtigte Vergleichmäßigung der Intensität innerhalb des Strahlquerschnittes erzielt, sondern je nach Ausbildung der einzelnen Strukturelemente kann weiterhin, sofern das beabsichtigt und gewünscht ist, auch die Richtung der einzelnen Teilstrahlen beeinflußt werden. Das heißt, ein aus einer Faser beispielhaft mit kreisrundem Querschnitt austretender Laserstrahl kann durch gezielt vorgegebene Ausgestaltung der einzelnen Strukturelemente in einen Laserstrahl mit quadratisch, rechteckig, sechseckig oder anderweitig geformtem Strahlquerschnitt übergeführt werden.
Werden nämlich quadratisch, rechteckig oder sechseckig geformte Strahlquerschnitte auf das zu behandelnde Hautareal gerichtet, lassen sich die einzelnen Spots ohne gegenseitige Überlappung und auch ohne unbehandelte Fehlstellen nebeneinander setzen. Mit dem Ausschluß von Überlappungen wird ein zu hoher, mit Ausschluß von unbehandelten Fehlstellen ein zu niedriger Energieeintrag vermieden und so das Behandlungsergebnis bedeutend verbessert.
Die Umformung des Strahlquerschnittes wird erreicht, indem die Strukturelemente auf der mikrostrukturierten Fläche so ausgewählt, geformt und positioniert sind, daß den Teilstrahlen, vor allem den peripheren Teilstrahlen, eine Richtung innerhalb des Laserstrahlquerschnittes gegeben wird, die auf eine gewünschte Außenkontur des Querschnitts zielt. Die Teilstrahlen füllen also nicht mehr einen kreisrunden Strahlquerschnitt, sondern beispielsweise einen quadratisch geformten Querschnitt gleichmäßig aus (die Kreisabschnitte sind ausgespart).
Das erfindungsgemäße Handstück zeichnet sich also gegenüber dem Stand der Technik durch eine über den gesamten Querschnitt homogenisierte Intensität der Laserstrahlung an der Abstrahlfläche und außerdem durch eine angepaßte Querschnittsform der Strahlung aus.
Die mikrooptisch wirksamen Strukturen sind beispielsweise mit Hilfe von Elek- tronenstrahllithographie, Photolithographie oder lonenaustauschverfahren leicht herstellbar.
Hier werden gemäß der Fresnelschen Gleichungen (Zusammenhang zwischen Polarisation, Reflexion, Absorption) circa 96 % der Laserstrahlung eingekoppelt, wodurch der Energieverlust und damit auch die Wärmeentwicklung auf ein vertretbares Maß beschränkt ist. ln einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der mikrooptisch strukturierten Fläche eine Einrichtung zur Strahlfokussierung vor- oder nachgeordnet ist. Mit dieser Einrichtung läßt sich die Größe des Strahlquerschnittes einstellen. Als derartige Einrichtung kann beispielhaft eine Sammellinse vorgesehen sein, die im Strahlengang vor oder nach der strukturierten Fläche positioniert ist.
Als Einrichtung zur Strahlfokussierung kann aber auch eine Zoomoptik vorgesehen sein, mit der es in einfacher Weise möglich ist, die Größe des Spots zu beeinflussen. Ist die Zoomoptik mit einer entsprechenden Stellautomatik gekoppelt, kann die Spotgröße unkompliziert während der Behandlung verändert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das optische Element mit der mikrooptisch wirksamen Fläche als strahlführender Stab ausgebildet ist, in welchem die Strahlung durch Totalreflexion weitergeleitet wird. Der Stab verfügt über eine Einstrahlfläche und eine Abstrahlfläche für die Laserstrahlung; dabei ist die Einstrahlfläche mit der mikrooptisch wirksamen Struktur versehen. Der strahlführende Stab kann aus Quarzglas gefertigt sein. Die Größe und Querschnittsform können bei Einstrahlfläche und Abstrahlfläche voneinander abweichen. Vorteilhaft jedoch sollte die Einstrahlfläche kreisrund ausgeführt sein, dieser Querschnitt über wenigstens 90% der Länge des Stabes erhalten bleiben und erst auf dem verbleibenden Längenabschnitt eine Reduzierung und/oder Formänderung des Querschnitts vorgesehen sein.
Aufgrund der Totalreflexionen innerhalb des strahlführenden Stab wird eine wei- tere „Durchmischung" der nach dem Passieren der strukturierten Fläche vorhandenen Vielzahl der einzelnen Teilstrahlen erreicht und damit eine weitere Vergleichmäßigung der Strahlungsintensität, bezogen auf den Strahlquerschnitt, bewirkt.
Eine zusätzliche Beeinflussung der über den Querschnitt verteilten Strahlungsintensität läßt sich erzielen, wenn die strukturierte Fläche gewölbt, bevorzugt konkav, besonders bevorzugt aber auch konvex ausgebildet ist.
Es ist anzumerken, daß als mikrooptische Strukturen, sofern diese wie erfin- dungsgemäß vorgesehen auf der Einstrahlfläche eines strahlführenden Stabes ausgebildet sind, auch die Strukturen einer aus dem Stand der Technik bekannten Streuscheibe sein können. Da bei den undefinierbaren Strukturen der Streuscheibe jedoch das Licht auch unter ungünstigen Winkel eintritt, hätte das Rück- strahlungen, Energieverluste und damit auch unerwünscht hohe Wärmeentwicklung zur Folge. Das aber wird mit den erfindungsgemäß vorgesehenen mikrooptisch wirksamen Strukturen vermieden, da diese so ausgebildet sind, daß ungünstige Eintrittswinkel nicht auftreten.
Die Abstrahlfläche kann sowohl einen kreisrunden als auch einen vieleckigen, wie beispielsweise quadratischen oder sechseckigen Querschnitt aufweisen.
Im Rahmen der Erfindung liegen weiterhin Ausgestaltungen, bei denen als Laser- Strahlungsquelle ein Rubinlaser oder eine in das Handstück integriert Laserdiode vorgesehen ist.
Des weiteren kann zwischen der Abstrahlfläche und der zu behandelnden Hautfläche eine Schicht aus einem transparenten Gel, beispielsweise einem Ultra- schallgel vorgesehen sein. Hiermit wird die Einstrahlung des Laserstrahls in die zu behandelnde Hautfläche durch Reduzierung der Reflexion und verminderte Streuung weiter optimiert. Dies führt auch dazu, daß für das Laserlicht geringere Energiedichten benötigt werden. Der Brechungsindex des Gels soll dem Brechungsindex der Haut angepaßt und das Gel sollte mindestens für die Wellenlän- ge des verwendeten Laserlichtes transparent sein.
In diesem Zusammenhang wird die Aufgabe der Erfindung mit einem Verfahren zur kosmetischen Behandlung von Hautflächen unter Verwendung des vorbeschriebenen Handstückes gelöst, bei dem auf die zu behandelnde Hautfläche vor Beginn der Behandlung ein Gel aufgetragen wird, das für die Wellenlänge des verwendeten Laserlichtes transparent ist und dessen Brechungsindex dem Brechungsindex der Haut angepaßt ist.
Damit wird eine effektive Eintragung der Laserenergie in die Haut erzielt, da das von der Haut reflektierte Licht auf einen unwesentlichen Anteil reduziert wird, wodurch Nebenwirkungen, die sonst durch Verlustwärme entstehen, vermieden werden. Bevorzugt wird ein Ultraschallgel verwendet, das physiologisch unbedenklich und insofern für kosmetische Zwecke geeignet ist. Es besitzt außerdem gute Wärmeleitfähigkeit.
Durch das Gel wird die Gefahr der Beschädigung der Epidermis noch weiter verringert und die Bildung von Rauch und Geruch bei der Behandlung wird vermieden, da die zu behandelnde Hautstelle besser temperiert ist. Die Wirksamkeit des Gels kann noch weiter gesteigert werden, indem von der behandelnden Hautpartie vor Beginn der Behandlung eventuell vorhandener Haarwuchs entfernt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
Fig.l eine erste Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung
Fig.2 unterschiedliche Strahlquerschnitte
Fig.3 eine zweite Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung Fig.4 eine Ausführungsvariante des Stabes
Fig.5 Querschnittsformen der Abstrahlfläche
Fig.6 Gestaltungsvarianten der Einstrahlfläche
Fig.7 Gestaltungsvarianten der MikroStruktur
Fig.8 einen Querschnitt durch eine MikroStruktur
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In Fig. l ist die erfindungsgemäße Strahlführung und Beeinflussung der Laserstrahlung innerhalb des medizinischen Handstückes in einer ersten Ausgestal- tungsvariante prinzipiell dargestellt. Im Strahlengang 1 der von einer Strahlführungseinrichtung 2, die sowohl als flexible Lichtleitfaser als auch in Form starrer Übertragungsglieder, die durch Gelenke miteinander verbunden sind, ausgestaltet sein kann, befinden sich ein optisches Element, beispielsweise eine aus Quarzglas bestehende Scheibe 3, die mit einer mikrooptisch wirksamen Fläche 4 versehen ist, und eine Zoomoptik, angedeutet durch die Linsen 5 und 6.
Die Laserstrahlung ist bei entsprechender Handhabung des Handstückes auf eine Hautpartie 7 gerichtet, etwa zum Zweck der Haarentfernung oder einer anderweitigen kosmetischen Behandlung.
Die Fläche 4 weist beispielhaft eine refraktiv wirksame Struktur auf, bei der eine Vielzahl konkav geformter sphärischer Linsen orthogonal zueinander angeordnet ist und die so in den Strahlengang 1 gestellt ist, daß der gesamte Strahlengang 1 diese Mikrolinsen passieren muß. Jede der Linsen hat dabei einen senkrecht zur Strahlungsrichtung gemessenen Durchmesser von etwa 0,35 mm und einer Tiefe von 0,005 mm. Als Scheibe 3 kann beispielsweise ein von der Firma AMS Mikrooptik GmbH, Saarbrücken, Deutschland, angebotenes Mikrolinsenarray eingesetzt sein. Die Positionsabweichungen der einzelnen Linsen sind dabei kleiner als 0,2 μm. Beim Durchgang der Laserstrahlung durch die Mikrolinsenanordnung auf der Fläche 4 erfolgt die Aufteilung der Laserstrahlung in eine Vielzahl von Teilstrahlungen, die der Anzahl der Mikrolinsen entspricht.
Diese Aufteilung in die Vielzahl von Teilstrahlen bewirkt, daß der im Strahlengang 1 angedeutete kreisrunde Querschnitt 8 mit einer beispielhaft von einem Rubinlaser kommenden Strahlung ungleichmäßiger Intensitätsverteilung in eine Strahlung mit gleichmäßiger Intensitätsverteilung innerhalb eines quadratischen Querschnittes 9 transformiert wird (vgl. Fig.2).
Mit dieser quadratischen Querschnittsform wird nun die Strahlung auf die zu behandelnde Hautpartie 7 gerichtet, wobei mit Hilfe der Zoomoptik 5, 6 die Größe der auf die Hautpartie 7 auftreffenden Querschnittsfläche 1 0 beeinflußbar ist. Durch Variation der Zoomoptik beispielsweise läßt sich die Querschnittsfläche 1 0 vergrößern oder verkleinern. Damit ist eine Anpassung an die Fläche des zu behandelnden Areals unkompliziert möglich.
Ist das zu behandelnde Areal größer als die Querschnittsfläche 1 0, die mit der Zoomoptik 5,6 einstellbar ist, werden mehrere Spots auf dem Behandlungsareal 7 so nebeneinander gesetzt, daß das Behandlungsareal 7 nicht nur lückenlos abgedeckt ist, sondern auch eine Überschneidung der einzelnen Spots vermieden wird.
Wird beispielhaft die Fläche 4 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 Fläche ausgestattet ist, beispielsweise ein kreisrunder Strahlquerschnitt mit ungleichmäßiger Intensitätsverteilung in einen quadratischen Querschnitt mit vergleichmäßigter Intensitätsverteilung transformieren. Derartige diffraktiv wirkende optische Elemente werden beispielsweise von der Firma BIFO Berliner Institut für Optik GmbH, Rudower Chaussee 6, 1 2484 Berlin, Deutsch¬ land, hergestellt und angeboten. Fig.3 zeigt eine zweite Ausgestaltungsvariante der Erfindung, bei welcher der Strahlengang 1 der über die Strahlführungseinrichtung 2 eingekoppelten Laserstrahlung zunächst ebenfalls einen kreisrunden Querschnitt 8 mit inhomogener Verteilung der Strahlungsintensität aufweist. In diese Strahlung ist eine Sammel- linse 1 2 gestellt, die den Laserstrahl auf die Einstrahlfläche 1 3 eines strahlführenden Stabes 1 4 fokussiert, der beispielhaft aus Quarzglas mit einer Länge von 55 mm und einem kreisrunden Querschnitt von 8mm Durchmesser gefertigt sein kann.
Die Einstrahlfläche 1 3 ist, wie bereits oben anhand der Fläche 4 beschrieben, mit einer Struktur aus nebeneinander angeordneten Mikrolinsen versehen. Dabei wird die Laserstrahlung auch hier beim Durchgang durch die Einstrahlfläche 1 3 in eine Vielzahl von Teilstrahlungen aufgeteilt und dadurch eine Homogenisierung der Intensitätsverteilung erzielt.
Innerhalb des strahlführenden Stabes 1 4 wird die Laserstrahlung durch Totalreflexion weitergeleitet, wobei eine weitere Homogenisierung erzielt wird. Somit ist an der Abstrahlfläche 1 5, die auf das Behandlungsareal 7 aufgesetzt ist, ein Laserstrahl verfügbar, dessen Querschnitt eine bis in die Randbereiche hinein gleichmäßige Strahlungsintensität aufweist.
In Ausgestaltungen kann allerdings auch vorgesehen sein, daß sich der Querschnitt des strahlführenden Stabes 14 in Strahlungsrichtung kegelstumpfförmig verjüngt, wie das beispielhaft in Fig.4 dargestellt ist. Damit wird mit dem Stab 1 4 nicht nur eine verbesserte Homogenisierung erzielt, sondern zugleich auch eine Beeinflussung des Querschnitts der Laserstrahlung vorgenommen, indem die Abstrahlfläche 1 5 wie die Einstrahlfläche 1 3 einen kreisrunden Querschnitt aufweist, jedoch mit kleinerem Durchmesser (vgl. Fig.5a). In weiteren Ausgestaltungsvarianten ist es auch denkbar, daß die Abstrahlfläche 1 5 eine Querschnitts- form aufweist, wie in Fig.5b bis 5d dargestellt ist, also einen sechseckigen, quadratischen oder auch dreieckigen Querschnitt.
In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung ist die Einstrahlfläche 1 3, wie in Fig.6 dargestellt, plan (Fig.6a), konkav (Fig.6b) oder auch konvex (Fig.6c) geformt. Durch Zusammenwirken mit der strukturierten Einstrahlfläche 1 3 ist so eine weitere gezielte Beeinflussung der Intensitätsverteilung wie auch der Querschnittsform möglich. In Fig.7 sind mehrere Ausgestaltungsvarianten der Einstrahlfläche 1 3 in Draufsicht erkennbar. Hier sind verschiedene Strukturen dargestellt, die zu ihrer Verdeutlichung wesentlich vergrößert und auch nicht maßstäblich gezeichnet sind. So zeigt Fig.7a beispielsweise die Anordnung einer Vielzahl von linsenartigen Vertiefungen, die über die gesamte Einstrahlfläche 1 3 statistisch verteilt sind. In Fig.7b besteht die Struktur aus zentrisch angeordneten Rillen verschiedener Durchmesser, die jeweils einen keilförmigen Querschnitt aufweisen. Ein solcher Querschnitt ist beispielhaft in Fig.8 dargestellt. In Fig.7c ist eine spiralförmige Struktur aus Rillen vorgesehen. Fig.7d dagegen zeigt ein Netz aus sich kreuzen- den geradlinigen Rillen, die ebenfalls einen Querschnitt gemäß Fig.8 aufweisen können.

Claims

Ansprüche
1 . Medizinisches Handstück, das über eine Strahlführungseinrichtung (2) mit einer Laserstrahlungsquelle verbunden ist und mit dem ein Laserstrahl auf ein Behandlungsareal (7) gerichtet wird, wobei das Handstück zur Laserstrahlungsquelle relativ frei beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsfläche der Strahlführungseinrichtung (2) innerhalb des Handstückes mindestens ein optisches Element nachgeordnet ist, das eine im Mikrometer- bereich strukturierte und dadurch mikrooptisch wirksame Fläche (4, 1 3) aufweist.
2. Medizinisches Handstück nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (4, 1 3) eine diffraktiv wirksame Struktur aufweist, bei der die Struktur- breite etwa der Wellenlänge der zur Behandlung genutzten Laserstrahlung entspricht und die als variierendes Höhenprofil mit streifenförmigen, kreuzförmigen, trichterförmigen und/oder anderweitig geformten Erhebungen, als variierter Brechungsindex und/oder - in Form eines variierten Absorptionskoeffizienten ausgebildet ist.
3. Medizinisches Handstück nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (4, 1 3) eine refraktiv wirksame Struktur in Form eines Arrays aus sphärischen, asphärischen, zylindrischen und/oder elliptischen, hexagonal und/oder orthogonal angeordneten, konkav und/oder konvex geformten
Linsen aufweist, wobei die Ausdehnung einer einzelnen Linse senkrecht zur Strahlungsrichtung l Oμm bis 1 OOOμm beträgt.
4. Medizinisches Handstück nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch ge- kennzeichnet, daß dem optischen Element eine Einrichtung zur Strahlfokussierung, bevorzugt eine Sammellinse (1 2), vor- oder nachgeordnet ist.
5. Medizinisches Handstück nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß dem optischen Element eine Zoomoptik (5 ,6) nachge- ordnet ist.
6. Medizinisches Handstück nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element als strahlführender Stab (1 4) ausgebildet ist, in welchem die Strahlung durch Totalreflexion weitergeleitet wird und der über eine Einstrahlfläche (1 3) und eine Abstrahlfläche
(1 5) für die Laserstrahlung verfügt, wobei die Einstrahlfläche (1 3) refraktiv wirkend strukturiert ist.
7. Medizinisches Handstück nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte Fläche (4,1 3) gewölbt, bevorzugt konkav, besonders bevorzugt konvex ausgebildet ist.
8. Medizinisches Handstück nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstrahlfläche (1 5) einen kreisrunden Querschnitt aufweist.
9. Medizinisches Handstück nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstrahlfläche (1 5) einen vieleckigen Querschnitt, bevorzugt einen quadratischen, besonders bevorzugt einen sechseckigen Querschnitt aufweist.
10. Medizinisches Handstück nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Laserstrahlungsquelle ein Rubinlaser vorge- sehen ist.
1 1 . Medizinisches Handstück nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Abstrahlfläche (1 5) und dem Behandlungsareal (7) eine Schicht aus einem für die Laserstrahlung transpa- renten Medium, bevorzugt ein Gel, besonders bevorzugt ein Ultraschallgel, vorgesehen ist.
1 2. Verfahren zur kosmetischen Behandlung von Hautflächen bei Verwendung eines Handstücks nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekenn- zeichnet, daß vor Beginn der Behandlung ein Medium auf die Abstrahlfläche (1 5) und/oder auf das Behandlungsareal (7) aufgetragen wird, durch das die Reflexion der Laserstrahlung von der Haut verringert dadurch die Effizienz des Energieeintrages in die Haut erhöht wird.
1 3. Medizinisches Handstück nach einem der Ansprüche 1 1 oder 1 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Medium ein Ultraschallgel bis zu einer Dicke von 1 mm auf das Behandlungsareal (7) aufgetragen wird.
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