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Flat-Top-Beam-Technologie verbessert medizinische Strahlführungsfasern

Unerreichte Zuverlässigkeit im sichtbaren und UV-Bereich

Laserstrahlen mit einem gleichmäßigen Intensitätsprofil, manchmal auch als „Flat-Top“- oder „Top-Hat“-Verteilung bezeichnet, bieten im Allgemeinen eine höhere Effizienz und bessere chirurgische Ergebnisse als das traditionelle Gauß'sche Intensitätsprofil. Die meisten Laser erzeugen jedoch von Natur aus eine Gauß'sche Intensitätsverteilung. Diese in eine "Flat-Top"-Verteilung umzuwandeln, ist bei medizinischen Lasersystemen sowohl aus Kosten- als auch aus Leistungsgründen in der Regel nicht sinnvoll. Um diesen Bedarf zu decken, hat Coherent eine neue Generation von Strahlführungsfasern entwickelt, die intern so strukturiert sind, dass sie einen Gauß'schen Eingangsstrahl in ein Flat-Top-Profil umwandeln. Diese bieten eine einfache Möglichkeit, ein Flat-Top-Profil in Faser-Strahlführungssystemen zu erreichen, ohne die Systemkosten oder die Komplexität wesentlich zu erhöhen.

Laser werden in der Medizin und Zahnmedizin aus verschiedenen Gründen für eine Vielzahl von chirurgischen und therapeutischen Anwendungen eingesetzt. Dazu gehören die Fähigkeit zur hochselektiven Gewebeentfernung oder -behandlung, die Möglichkeit, in einigen Fällen Gewebe mit derselben Quelle zu schneiden, abzutragen und zu koagulieren, sowie die Kompatibilität mit der endoskopischen Anwendung. Zu den Vorteilen einer Laserbehandlung gehören bessere Operationsergebnisse, weniger postoperative Schmerzen und Ödeme sowie eine schnellere Genesung.

Diese Vorteile ergeben sich aus den besonderen Eigenschaften des Lasers. So können Laser beispielsweise auf sehr kleine Punktgrößen fokussiert werden, was ihre räumliche Selektivität ermöglicht. Dies führt zu einer geringeren Schädigung des umliegenden Gewebes. Darüber hinaus kann die Wellenlänge des Lasers so gewählt werden, dass eine bestimmte Leistung auf ein bestimmtes Gewebe einwirkt (manchmal in Kombination mit einem Photosensibilisator), wobei wiederum eine Schädigung der umliegenden Gewebe oder Strukturen vermieden wird. Außerdem erzeugen Laser während der Anwendung keine Vibrationen oder Druck, was die Wundbildung bei einer Operation weiter minimiert.

 

Maximierung der Lasereffektivität

Die meisten Laserverfahren arbeiten in einem photothermischen Modus. Das heißt, das Laserlicht wird durch das Gewebe oder den Photosensibilisator absorbiert, was zu einer Erhitzung führt, die das Gewebe zerstört oder entfernt. Um dies zu erreichen, wird der Laser normalerweise auf einen relativ kleinen Punkt fokussiert. Dadurch wird das Laserlicht gebündelt und seine Intensität so erhöht, dass es den Schwellenwert überschreitet, der erforderlich ist, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen (z. B. Ablation, Koagulation oder beides). Es begrenzt auch den Bereich, in dem diese Erwärmung stattfindet, was die räumliche Selektivität des Lasers ermöglicht.

Die meisten in der Chirurgie verwendeten Festkörperlaser (einschließlich Er:YAG, Nd:YAG, Ho:YAG) erzeugen einen Strahl mit einer Gauß'schen Intensitätsverteilung. Die Faseroptik, die zur Übertragung dieser Strahlen in einem Endoskop verwendet wird, behält dieses Intensitätsprofil weitgehend bei.

Leider ist dieses Gauß'sche Intensitätsprofil für die meisten medizinischen Anwendungen nachteilig. Vor allem aber wird durch diese Intensitätsverteilung Energie verschwendet, wie die Zeichnung zeigt, die die Intensität des Strahls als Funktion der Position darstellt.

Figure 1

Abbildung 1: Bei einem Flat-Top-Profil wird die Laserenergie effizienter genutzt, um den gewünschten chirurgischen Prozess durchzuführen. Ein gaußförmiger Strahl hat große Bereiche, in denen die Intensität entweder zu niedrig ist, wodurch das Gewebe erhitzt wird, ohne es umzuwandeln, oder zu hoch, wodurch Energie verschwendet wird.

Aufgrund der relativ geringen Steigung der Gauß'sche Verteilung ist ein großer Teil des Strahls außerhalb des zentralen Bereichs nicht intensiv genug, um die Ablationsschwelle des Gewebes zu erreichen. Das bedeutet, dass diese Energie das Gewebe erwärmt, es aber nicht abträgt oder eine andere gewünschte Wirkung erzielt. Die überschüssige Hitze, Strahlung oder andere Faktoren, die im Operationsfeld angewendet werden, können zu einer unbeabsichtigten Schädigung des umliegenden gesunden Gewebes führen. Außerdem haben die betroffenen Bereiche keine scharfen oder gut definierten Kanten, da der Gauß'sche Strahl sanft ausläuft. Dadurch wird die räumliche Selektivität des Prozesses verringert.

Umgekehrt ist die Lichtintensität in einem Großteil des zentralen Teils des Strahls wesentlich höher als die Ablationsschwelle. Das bedeutet, dass es mehr Energie liefert, als zur Erzielung der gewünschten Wirkung erforderlich ist. Ein Großteil der Laserenergie wird daher verschwendet.

Mit einem Flat-Top-Strahlprofil können all diese Probleme vermieden werden, wenn die Laserleistung so eingestellt wird, dass die maximale Intensität knapp über der Abtragsschwelle liegt. Der Großteil der Laserenergie wird dann für den gewünschten Prozess eingesetzt, und nur sehr wenig wird verschwendet oder dient lediglich der Erwärmung des Gewebes. Außerdem ist der Bereich, in dem die Strahlintensität unterhalb der Abtragsschwelle liegt, recht klein. Dies erhöht die Genauigkeit des Prozesses und macht die Ränder des mit dem Laser behandelten Bereichs schärfer definiert.

 

Traditionelle Komponenten zur Umwandlung der Strahlintensität

Flat-Top-Laserstrahlen sind für viele Anwendungen außerhalb der Medizin wünschenswert, daher wurden im Laufe der Jahre verschiedene Methoden zur Umwandlung von Gauß'schen Strahlen in dieses Format entwickelt. Dabei handelt es sich in der Regel um optische Komponenten oder Komponentenbaugruppen, die außerhalb des Lasers verwendet werden, um dessen Ausgangsintensitätsverteilung zu verändern. 

Diese Komponenten lassen sich grob in solche mit traditioneller refraktiver oder reflektierender Optik und solche mit diffraktiven Komponenten einteilen. Bei den refraktiven Verfahren können herkömmliche sphärische Linsen, Asphären oder auch Freiformoptiken zum Einsatz kommen. Letztlich wird bei all diesen Methoden ein Teil des Lichts aus der Mitte des Strahls selektiv zu den Rändern hin umgeleitet, um das Intensitätsprofil abzuflachen. 

Mit diesem Ansatz kann eine sehr hohe Homogenität des Strahls erreicht werden. Diese Systeme verwenden jedoch häufig mehrere Elemente, was sie physisch größer und in der Regel auch teurer macht. Außerdem reagieren sie in der Regel relativ empfindlich auf Änderungen des Eingangsstrahldurchmessers. 

Zu den diffraktiven Methoden gehören sowohl traditionelle Oberflächenreliefgitter als auch holografische Komponenten. Diese können die Form von Linsenarrays haben, die den Eingangsstrahl in viele verschiedene Einzelstrahlen aufteilen, die sich dann zu einem Flat-Top-Profil im Fernfeld verbinden. In ähnlicher Weise können holografische Gitter den Eingangsstrahl in mehrere sich überlappende Strahlenbündel beugen, die ein Flat-Top-Profil in der Fokusebene ergeben. 

Diffraktive Methoden benötigen oft nur ein Bauteil, was sie kosteneffektiver und kleiner macht als refraktive Systeme. Allerdings erzielen sie im Allgemeinen nicht die gleiche Qualität der Ergebnisse in Bezug auf die Gleichmäßigkeit der Intensität. Außerdem sind diffraktive Komponenten in der Regel empfindlicher gegenüber Ausrichtung und Wellenlänge als refraktive Methoden. 

 

Flat-Top-Strahlführungsfasern

Keine der Methoden, die sich auf diskrete optische Komponenten stützen, bietet die für medizinische Anwendungen erforderliche Kombination aus optischen, mechanischen und wirtschaftlichen Eigenschaften. Da bei vielen chirurgischen und therapeutischen Laserverfahren bereits Fasern zum Einsatz kommen, bietet die Verwendung der Faser selbst zur Transformation der Intensitätsverteilung eine ideale Lösung. Sie macht das System nicht größer oder komplexer und hat relativ geringe Auswirkungen auf die Gesamtkosten des Systems. 

Seit einiger Zeit gibt es auch spezielle Faseroptiken für die Strahl- und Intensitätsprofilformung. Dabei kommen verschiedene Techniken zum Einsatz, darunter geformte Kerne, Gitter mit langer Periode und Multimode-Interferenzverfahren. Alle diese Methoden bieten die mit der Glasfasertechnologie verbundenen Vorteile, wie z. B. niedrige Einfügungswerte, geringe Größe und hohe Zuverlässigkeit. Aber auch sie sind aus verschiedenen Gründen entweder nicht praktikabel zu implementieren oder liefern nicht die erforderliche Leistung. Es bestand also weiterhin Bedarf an einer leistungsstarken, skalierbaren, faserübergreifenden Methode zur Transformation des Strahlprofils. 

Coherent hat eine neue Fasertechnologie entwickelt, um diesen Bedarf zu decken. Sie beruht auf der Tatsache, dass die meisten Glasfasern zumindest potenziell Hunderte oder Tausende von verschiedenen transversalen Moden unterstützen können (siehe Abbildung 2). In den meisten Fällen sind Fasern und Faserkopplungsoptiken so konstruiert, dass die Kopplung in diese Moden höherer Ordnung minimiert wird, da dies die Größe des fokussierten Spots erhöht und die Intensität aus dem Zentrum des Strahls entfernt. 

Figure 2

Abbildung 2: Eine Galerie der Intensitätsprofile einiger transversaler Moden einer typischen Multimode-Lichtleitfaser mit Stufenindex und rundem Kern.

In diesem Fall ist es jedoch sinnvoll, in die Moden höherer Ordnung einzukoppeln. Allerdings muss dies auf völlig deterministische und zuverlässige Weise geschehen, damit eine flache Intensitätsverteilung mit der erforderlichen Größe und dem erforderlichen Divergenzwinkel entsteht. 

Der Schlüssel dazu ist die Auswahl einer Reihe spezifischer Moden, die, wenn sie in den richtigen Verhältnissen überlagert werden, genau die gewünschte Ausgangsverteilung ergeben. Coherent hat nun Fasern entwickelt, die dies zuverlässig und wiederholbar tun, indem sie „Mode Mixing“-Elemente in den Faserkern einbauen. Diese "Mode Mixing“-Elemente verwenden eine Kombination aus Brechungsindex- und Ausrichtungsvariationen. Sie verteilen die benötigte Lichtmenge auf die gewählten Moden höherer Ordnung. 

Die Abbildung zeigt ein Beispiel für die transversale Moden-Verteilung und das sich daraus ergebende Flat-Top-Ausgangsintensitätsprofil für die Coherent Flat-Top-Faser, genannt NuBeam Flat-Top. Konkret wird die relative Energieverteilung der ersten 400 transversalen Moden dargestellt, wenn ein Monomode-Laserstrahl in die Flat-Top-Faser eingekoppelt wird. Zum Vergleich ist die Moden-Zusammensetzung einer Standard-Multimodefaser unter den gleichen Betriebsbedingungen dargestellt.

Figure 3

Abbildung 3: Relative Leistung in den ersten 400 transversalen Moden einer Flat-Top-Faser und einer Standard-Multimode-Strahlführungsfaser. Das sich daraus ergebende Flat-Top-Profil ist ebenfalls dargestellt.

Der resultierende Flat-Top-Ausgang ist recht gleichmäßig, und die Dämpfung unterscheidet sich nicht wesentlich von der von Standard-Stufenindexfasern mit reinem Quarzkern. Ebenso wichtig ist, dass diese spezielle Flat-Top-Faser mit den gleichen Spezifikationen wie eine Standard-Strahlführungsfaser entwickelt wurde (siehe Tabelle). Somit bietet die NuBEAM Flat-Top die gewünschten Ausgangseigenschaften und behält gleichzeitig alle anderen physikalischen und optischen Eigenschaften von Standardfasern bei. Dadurch lässt sie sich leicht in ein bestehendes System mit minimaler Umgestaltung integrieren. 

Parameter Standard-BD-Kabel NuBEAM Flat-Top-Faser

Kerndurchmesser (µm)

100

100

Durchmesser des Innenmantels (µm)

120

120

Durchmesser des Außenmantels (µm)

360

360

Kern NA

0.22

0.22

Anzahl der Moden

~1700

~1700

Länge (m)

5 bis > 30

5 bis > 30

Mode Mixing Element 

Nein

Ja

Tabelle 1: Die NuBEAM Flat-Top-Faser hat die gleichen Eigenschaften wie andere gängige Strahlführungsfasern und kann daher ohne wesentliche Systemumgestaltung verwendet werden. 

Ein weiterer wichtiger Aspekt der NuBEAM Flat-Top Technologie ist die einfache Skalierbarkeit. Insbesondere kann das Strahlparameterprodukt (BPP) für diesen Fasertyp verändert werden, wobei ein gut homogenisiertes, flaches Strahlprofil erhalten bleibt. Dies wird erreicht, indem man das Design der Mode-Mixing-Elemente so abstimmt, dass die genaue Kombination der unterstützten Moden und die Menge der in die einzelnen Moden eingekoppelten Energie verändert wird. Auf diese Weise kann die Faserleistung speziell an die Bedürfnisse der Anwendung angepasst werden.

 

Conclusion

Flat-top beam profiles offer better outcomes in a variety of surgical and therapeutic applications. But, the cost and practical difficulties of converting the Gaussian intensity profile output from most lasers into this format have prevented widespread use of flat-top beams in medical systems. The NuBEAM Flat-Top technology provides an easy way to obtain the flat-top beam profile from a delivery fiber which is in other all respects substantially the same as those already in use. This makes the technology easy to adopt, without risk or technical difficulty, and without impact time-to-market.

 

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