激光源、激光装置和切割组织的方法

技术领域

本发明涉及根据独立权利要求1的前序的激光源，以及更具体地涉及具有这种激光源的激光装置和切割组织的方法。这种被配置为传播多个激光束的激光源在许多应用或领域中有用。

背景技术

对于在各种技术领域中切割和钻孔材料，使用将激光束施加到材料上的设备变得越来越流行。今天，在工业应用中，这种切割或钻孔很普遍，因为它允许以高精度高效且灵活地加工工件。此外，为了切割人体或动物的硬组织，诸如骨骼、软骨等，用激光切割和钻孔越来越适用。例如，在计算机辅助手术中，已知使用激光束作为切割工具。更具体地，例如，在WO 2011/035792 A1中，描述了一种计算机辅助和机器人引导的激光截骨医疗装置，其允许精确和温和地钻孔和切割骨骼和其他人或动物的硬组织和软组织。

更具体地，软生物组织的激光组织消融正在皮肤病学、泌尿学、肿瘤学、神经外科和其他领域中使用，其中组织和血液凝固的切割是重要的。为此目的，普遍使用不同的激光系统，如铥(Tm)、钬(Ho)、钕(Nd)或铒(Er)嵌入在以棒的形式机加工的在光谱的红外(IR)部分发出激光的各种固态玻璃或晶体中，其由闪光灯(FL)或激光二极管(LD)泵浦。此外，LDs用于止血的目的。Nd:YAG激光器用于泌尿科、牙科和其他口腔外科领域的软组织切割。低强度Nd:YAG激光器还可用于治疗视网膜脱落和其他眼科手术。Nd:YAG激光器的另一主要领域是脂肪分解，使得机械吸脂更快愈合、更少出血、和更少的广告事件以及更好的结果。此外，这些激光器还用于许多皮肤科应用和整形外科应用。此外，CO

在切割或消融组织时，例如在手术中，经常遇到的情况是目标组织的类型随着切割深度的增加或沿着切割而变化。不均匀组织中组织类型的这种变化可能会降低激光消融的效率，或者在某些情况下甚至会停止切割或消融过程。例如，当切割骨头时，诸如横向切割完整的股骨，组织从作为皮质和海绵状骨的外硬部分向中心部分(即髓质，广泛由脂肪组织组成)变化。这两种类型的组织由两种不同波长的激光束更有效地消融。这主要是因为骨组织含有待用给定的激光束消融的足够的水，而内部脂肪组织没有或具有可忽略不计的水含量，但其使用不同的激光束会更好地消融。即使使用水溶液喷雾冷却表面，这已知可提高消融效率，脂肪组织也是疏水性的，并且当使用来自例如被水强烈吸收的约3μm的Er:YAG激光发射线的光束波长时，切割效率，消融过程仍然效率低下。

因此，需要允许有效地切割不均匀的目标组织的装置、系统或方法。

发明内容

根据本发明，该需求通过由独立权利要求1的特征限定的激光源、由独立权利要求15的特征限定的激光装置和如由独立权利要求25的特征限定的方法来解决。优选实施例是从属权利要求的主题。

在一个方面，本发明是一种激光源，包括：(i)第一光束产生配置，其适于产生脉冲化的初级消融激光束，所述脉冲化的初级消融激光束的脉冲具有第一发射谱和第一时间脉冲宽度；(i i)第二光束产生配置，其适于产生脉冲化的次级消融激光束，所述脉冲化的次级消融激光束的脉冲具有不同于第一发射谱的第二发射谱和第二时间脉冲宽度；(i i i)第三光束产生配置，其适于产生脉冲化的分析激光束，所述脉冲化的分析激光束的至少一个脉冲具有第三发射谱和第三时间脉冲宽度，该第三发射谱可以与第一或第二发射谱相同，并且该第三时间脉冲宽度短于第一时间脉冲宽度并短于第二时间脉冲宽度；以及(iv)具有光束对准元件的光束引导光学器件，该光束对准元件适于使初级消融激光束、次级消融激光束和分析激光束，使得激光源沿着相同的传播路径传播激光束。

目标组织特别地可以是人或动物的天然硬组织或软组织。具体地，目标组织可以是骨组织或骨骼，诸如股骨。

术语“激光器”通常可以指被配置为产生激光束或通过基于电磁辐射的受激发射的光学放大过程来发射光的装置或布置。激光是“辐射的受激发射的光放大”的缩写。激光与其他光源的不同之处在于它以相干方式发射光。这种空间相干性可以允许激光聚焦到狭窄的点，该狭窄的点使得诸如切割或光刻之类的应用成为可能。在一些情况下，光束产生配置可以被称为激光器。

术语“脉冲”或“激光脉冲”可以指优选给定波长的比较短时间的激光束，其具有特定时间宽度、形状和功率。关于产生激光脉冲，本文使用术语“发射”，其指的是激光源的光束产生配置或激光器之一的激活，使得产生给定电压、电流和时间分布的电压脉冲。

通常，通过各种物理效应发生通过脉冲化激光束的组织消融。在最常见的情况下，激光被如蛋白质、脂质、胶原蛋白和/或其他生物化合物的分子吸收。吸收的激光能量的转换会产生热，从而导致强烈而快速的温度升高。在这个过程中，最常见的是，组织中的分子直接降解并转化为从消融点喷射出的碎屑。这可以称为通过热性质的直接消融过程进行的消融。这样的过程可能不期望地导致组织碳化，从而妨碍随后的愈合。因此，必须在切割过程中精确优化和控制用于消融的条件。

除了这种直接消融之外，当使用喷水冷却和加湿被消融的组织区域时，还存在间接消融过程。在被激光束消融的组织表面处凝结的水滴和/或水膜可以通过由激光束脉冲提供的大量动能破碎。这些碎片可能会与组织壁碰撞，从而将其消融。在某些情况下，这种过程甚至可以是消融的主要或唯一贡献者，例如在牙齿组织的情况下，即，在牙科应用中。骨外科手术的示例可以是硬组织(如骨骼和胶原组织)的间接或冷消融，或疏水性组织(诸如股骨的脂肪中心部分，即股骨的髓质)的间接消融。

结合本发明，已经观察到，对于用激光束切割组织，特别是生物组织，在使用机械工具时区分软组织和硬组织并不像预测的那样重要，但更适合的是区分诸如含水细胞的亲水性组织或含水组织和疏水性组织，疏水性组织也与低水量有关，诸如神经细胞和脂肪组织。此外，由于这些组织的疏水特性，水不能粘附或凝结在被消融的表面上，这意味着上述间接消融过程不能有效地应用。相反，在这种情况下，直接消融过程是有益的，因为可以选择合适的波长以被所讨论的疏水性组织有效吸收。事实上，观察到在疏水性表面上，例如股骨中的髓质表面，来自水性喷雾的水滴形成的水膜迅速从表面撤回，使表面干燥，从而不发生或仅发生很少的间接消融。更具体地，为了克服疏水性组织的激光消融问题，具有与用于亲水性组织的波长不同的其他波长的激光束呈现更好的结果。例如，Nd:YAG激光器的使用适用于脂类和大多数生物疏水性材料的消融。在这些情况下，消融主要基于如上定义的激光能量的直接吸收，即它是直接消融过程。另一方面，脂肪和脂类通常在化学上更稳定，可以抵抗更高的温度。然而，脂肪和脂类主要是熔化的，并且可以在激光脉冲的影响下解吸。脂肪和脂质的降解，或它们的碳化，在这里是一个非常小的过程。

如上所述，切割组织时的重要问题是先验地知道消融激光将遇到什么类型的组织，以决定哪种类型的消融激光束波长将用于随后的激光脉冲。为此目的，根据本发明的激光源提供一个或多个采样脉冲(即分析激光束的一个或多个脉冲)的发送，例如，来诱导高温等离子体，并以待通过任何合适的分析方法进行分析的碎片形式消融少量目标组织。一旦分析方法确定所讨论的组织有足够量的水来诱导有效消融，诸如超过1％的水，则可以激活激光源以发射初级消融激光束或次级消融激光束中的一种，以更适合识别的组织为准。反之亦然，如果发现被分析的组织不含有足够的水用于相应的直接消融和/或如果其表面是疏水性的，则可以激活激光源以发射初级消融激光束或次级消融激光束中的另一种。特别地，可以操作激光源，使得连续地或有规律地提供分析激光束并且与所识别的组织类型对应地发射适合的初级消融激光束或次级消融激光束。这样的过程可以在整个切割或消融过程中继续。例如，考虑到在遇到髓质之前需要许多激光脉冲来消融例如股骨的皮质部分，不一定需要在初级或次级激光束的每个脉冲之后都执行分析激光束的发射。相反，在遇到髓质之前，初级和次级消融激光束中任一种的每五个或更多脉冲用分析激光束进行激光照射就足够了。实际上，使激光源提供共享相同同轴传播路径的两种或多种不同波长的激光束允许多种不同的操作模式，从而在切割不同的生物组织时提供高度灵活性。

结合传播路径使用的术语“同轴”是指不同光束的传播轴之间的空间关系。其对于可能通过具有多个脉冲激光束产生的时间关系没有意义。此外，同轴还可以涵盖特别相似的紧密平行方向。

根据本发明，产生具有不同发射谱和不同时间脉冲宽度的脉冲的同轴或相同传播路径初级和次级激光束的激光源允许根据目标组织提供两种或更多种不同的消融模式。特别地，激光源允许从初级消融激光束(诸如在自由运行模式下的Er:YAG激光束产生配置的激光束)切换到次级激光束(诸如在自由运行模式下的Nd：YAG激光束产生配置的激光束)。首字母缩写词“Er”代表铒，首字母缩写词“Nd”代表钕，以及首字母缩写词“YAG”代表钇铝石榴石(Y

根据本发明的激光源可以用于至少三个激光束的许多激光发射序列或模式。例如，分析激光束可以以与初级和/或次级消融激光束相同的频率持续发射，最后具有小的偏移，以便它们不重叠并且有足够的时间用于分析系统以识别要消融的组织。然而，这种激光发射操作模式可能会延迟整个过程。在诸如横向切割股骨的情况下，可以以这样的方式布置发射序列，使得一旦分析激光束和分析系统识别出股骨的外皮质部分，那么在来自分析激光束的下一个脉冲再次发射之前，从任一消融激光束发射给定数量的激光脉冲，例如10个激光脉冲。在这种情况下，分析激光束的频率或重复率可以是初级或次级消融激光束频率的1/10。此外，还可以发射分析激光束的一个以上脉冲以确保正被消融的组织的识别具有高的精确度。这个示例，例如对于横向切割股骨的情况，可以独立于消融激光束的发射频率，这是用于皮质骨的正确激光，直到遇到髓质。此外，可以以如下的方式操作激光源：使得三个激光束中的任何一个的两个连续脉冲之间的时间不一定需要是恒定的。例如，如果用于分析由分析激光束产生的碎片的分析方法需要一些时间来分析，例如1/10秒，那么初级或次级消融激光束应该等待，例如触发信号，以根据识别的组织类型发射任一激光束。

因此，根据本发明的激光源允许有效地切割不均匀的目标组织，诸如具有不同类型组织的骨骼。更具体地说，具有两种类型的组织的骨骼，诸如股骨，其中一种组织是亲水性的，即具有用于直接消融的大量水，而另一种组织是疏水性的，诸如来自喷雾的水含量不会粘附到切割或孔的表面，和/或具有可忽略的少量水使用具有不同波长的脉冲激光消融光束是非常有益的。采用这里提出的激光源，通过使用例如用于皮质部分的初级消融激光束和用于髓质的次级消融激光束可以更容易地切割股骨或其他类似组织。

优选地，第一光束产生配置具有增益介质以产生初级消融激光束，并且第二光束产生配置具有与第一增益介质不同的第二增益介质以产生次级消融激光束。当设置激光源时，可以根据激光源的预期应用选择增益介质。特别地，可以采用适当的增益介质以允许产生适合切割或消融所涉及的组织类型的消融激光束。

第三光束产生配置可以具有自己的增益介质以生成分析激光束。该第三增益介质可以与第一和第二增益介质中的任一个相同或不同。然而，优选地，第三光束产生配置优选地包括第二增益介质。像这样，第三增益介质可用于产生次级消融激光束以及分析激光束。在这样的实施例中，第三发射谱也有利地与第二发射谱相同。这允许特别有效地实施激光源。

优选地，第三光束产生配置包括巨型脉冲形成器。在此上下文中，术语“巨型脉冲形成器”是指具有相对高的峰值功率(例如千兆瓦峰值功率)的激光束脉冲的形成。其也可以被称为脉冲压缩器，因为在有利的实施例中，巨型脉冲是通过压缩脉冲形成的。这种巨型脉冲形成器允许对特别地适用于碎屑的分析的激光束脉冲进行整形或生成，其中，该碎屑由击中目标组织的分析激光束产生。特别地，它允许提供相对短但高能量的激光脉冲，这种激光脉冲非选择性地消融所有类型的组织，但仅消融相对少的量。

在一个优选实施例中，巨型脉冲形成器具有光电元件，诸如有源Q开关装置。这种光电元件或有源Q开关装置允许有效地提供复杂的巨型激光脉冲，该巨型激光脉冲特别地适用于所涉及的目标组织，诸如生物组织。

在另一优选实施例中，第三光束产生配置包括两个谐振腔镜，并且巨型脉冲形成器具有机电旋转器，第三光束产生配置的两个谐振腔镜之一安装到该机电旋转器。当两个谐振腔镜在短时间内正确对准时，通过旋转谐振腔镜，可以通过相对简单的方式产生巨型脉冲。

在另一个实施例中，可以使用无源Q开关元件或装置。对于无源Q开关，可以使用饱和吸收器，该饱和吸收器包括当光强度超过阈值时其透射率增加的材料。该材料可以是离子掺杂晶体、可漂白染料或无源半导体。最初，吸收器的损耗很高，但仍然足够低以允许一些激光作用。大量能量以这种方式存储在增益介质中。随着功率的增加，激光束使吸收器饱和，从而迅速降低谐振器损耗。这可以使吸收器进入具有低损耗的状态以允许有效提取存储的能量。因此产生了具有高峰值功率的非常短的脉冲，即所谓的巨型脉冲。在脉冲之后，吸收器恢复到其高损耗状态。

如本文所用，术语“Q-开关模式”或“Q-开关”可以指腔内光电机械过程或指通过用于选通激光以产生光的短激光脉冲的合适吸收器执行的过程。这里有源和无源Q-开关装置是合适的。Q-开关可以通过在激光器的光学谐振腔内放置可变衰减器来实现。当衰减器工作时，离开增益介质的光不会返回，因此不会产生激光。腔内的这种衰减对应于光学谐振器的Q因子或品质因子的降低。因此，当用于此目的时，可变衰减器通常称为“Q-开关”。高Q因子对应于每次往返的低谐振器损耗，反之亦然。最初可以泵浦激光介质，同时设置Q-开关以防止光反馈到增益介质中，从而产生具有低Q因子的光学谐振器。这产生粒子数反转，但由于没有来自谐振器的反馈，因此还不能进行激光操作。由于受激发射的速率取决于进入介质的光量，因此存储在增益介质中的能量的量可能会随着介质被泵浦而增加。由于来自自发辐射和其他过程的损耗，存储的能量可以在一定时间后达到某个最大值。介质可以说是增益饱和的。此时，Q-开关装置从低Q值快速变为高Q值，从而允许开始反馈和受激发射的光放大过程。由于增益介质中已经存储了大量能量，激光谐振腔中的光强可以非常快地建立。这也可以导致存储在介质中的能量几乎同样快地耗尽。最终结果可能是从激光器输出可能具有高峰值强度的短脉冲光。

优选地，第一发射谱在约2'900nm至约3'000nm的范围内、在约2'950nm至约2'980nm的范围内或在约2'960nm至约2'970nm的范围内或在约2'964nm具有最大值。这种发射谱对于消融亲水性组织特别有效。如本文所用，术语“亲水性的”可指具有相当高的水量使得可实现直接消融的组织类型。例如，这种发射谱可以特别适合切割或消融骨骼(诸如股骨)的皮质部分。这种发射谱可以例如由Er:YAG光束产生配置生成。

优选地，第二发射谱在约1'000nm至约1'100nm的范围内、在约1'050nm至约1'080nm的范围内或在约1'060nm至约1'070nm的范围内，或在约1'064nm具有最大值。如本文所用，术语“疏水性的”可指来自喷雾的水基本上不粘附到其表面和/或具有可忽略的水量(诸如小于约1％)的组织类型。这样的发射谱可以例如由Nd:YAG光束生成配置生成，该Nd:YAG束生成配置可以特别有效地消融疏水性组织，诸如骨骼(例如股骨)的髓质。Nd:YAG光束产生配置的一个优点是其可以在两种模式下操作。在自由运行操作中，其产生长脉冲，例如从大约100μs到大约400μs；以及高功率，例如约100mJ至约1J，其是UTL装置中用于次级消融激光束的理想激光器。

Nd:YAG激光器或初级消融激光束的基本激光谱可以是1’064nm，其落在适合于消融疏水性组织的非常方便的红外(IR)光谱区。相同的激光或激光光谱可用于在1’064nm的其基本激光谱下分析(即分析激光束)。可替代地，第三发射谱优选地在约500nm至约560nm的范围内、或在约520nm至约540nm的范围内、或约532nm具有最大值。特别是，其二次谐波版本(SHG)中的第三发射谱可以位于532nm光束的光谱的可见部分。这种SHG可以在特殊条件下使用倍频晶体(诸如KDP晶体(磷酸二氢钾)或其他晶体)生成。因为就脉冲峰值功率而言，SHG效应是非线性过程，所以，与在通过Q-开关装置操作Nd:YAG激光器时获得的那些可见频率相比，当激光脉冲相对较短(例如小于20ns)时，可以更有效地获得这种可见频率。532nm光束的时间分布可能与1'064nm光束的时间分布相似或略短，但其强度可能低得多，诸如是基本强度的一小部分。倍频晶体通常放置在腔外和腔内Q-开关装置之后，并且相对于入射的1'063nm光束以特定角度调整。对于倍频晶体，两束激光束可以以同轴方式出现，因此，要使用一束或另一束激光束，必须使用滤光器来阻挡两种波长中的一种，或者使用分色镜或棱镜来分离两种颜色。

此外，相同的增益介质可以用腔内光学元件(即在光学谐振器内部)或光电元件(诸如Q-开关装置)来操作，其将脉冲缩短到例如在低功率脉冲(例如μJ)中约10ns至约20ns，因此非常适合分析激光束。或者，如果脉冲具有更长的时间宽度，则每个脉冲的能量也应该更高以能够维持组织的消融和碎屑中碎屑碎屑的电离和/或电子激发；重要的是，定义为脉冲能量/时间宽度的峰值功率仍然很高，如后续段落中举例说明的那样。使用Nd:YAG激光的另一个优点是，如果需要，可以减少组织出血，而没有传统的组织碳化效应。此外，在消融激光束之前，多个激光脉冲(诸如在短而精确的时间帧(诸如ns到μs)内大约2个至大约6个)的组可以减少冲击波和/或可以准备表面，并且可以提高切割速度。

激光消融以及碎屑中的碎屑电离的潜在相关性的参数不仅是每个脉冲的能量，而且是决定峰值功率的脉冲的时间宽度。对于例如在200μs内散布例如1J的能量的自由运行Er:YAG或Nd:YAG激光器的脉冲的上述典型情况，峰值功率总计为5kW，而对于在15ns内散布例如100mJ的Q-开关Nd：YAG激光器，峰值功率为6.7MW，其是相同激光器以自由运行模式运行时的数千倍。将这些值与在10W下操作的cw(连续波)激光器的值比较也很重要，该cw激光器具有也为10W的非常低的峰值功率，这解释了cw激光器不适合激光消融的事实。

对于涉及骨骼切割的外科应用，使用具有上文提及的发射谱的脉冲化消融激光束是非常有益的。因此，传播具有上述发射谱的消融激光束的激光源允许通过使用用于皮质部分的初级消融激光束和用于髓质的次级消融激光束来容易地切割诸如股骨的骨骼。

优选地，光束引导光学器件包括光束组合元件，其被布置成将初级消融激光束、次级消融激光束和分析激光束组合。通常，存在三种可能的方式来同轴组合具有不同波长的光束。第一种方式涉及通过分色镜组合。该镜可以反射具有较高波长的激光束并透射具有较低波长的激光束。第二种方式涉及光机械装置，其中，例如，一个或两个可调节镜安装在机电滑块上。滑块可以有两个位置，在该两个位置，可以选择每个光束。第三种方式涉及通过安装在旋转轴上的镜(例如振镜装置)将光束组合。无论如何，需要一些光机械元件来匹配不同激光源的不同发散度，以分别准直每个单独的激光束，并通过不同的镜单独偏转光束，以用于正确地平行对准激光束。在一些实施例中，使分析激光束传输用于光束混合结构可能是有利的。当光束同轴或平行组合时，并考虑到大多数情况下光束由脉冲组成，不同的脉冲化光束通常不会同时在同一空间传播。在这个意义上，同轴或平行的概念可以指两个脉冲光束在同一空间传播，但时间段略有不同。

优选地，第一时间脉冲宽度和第二时间脉冲宽度在约1μs至约1ms的范围内或在约150μs至约300μs的范围内。这种相对长的激光脉冲可能特别适合消融组织以切割或钻孔目标组织。

优选地，第三时间脉冲宽度在约1ps至约100ns的范围内或在约1ns至约50ns的范围内。这种相对较短的激光脉冲能够特别适合在高温下消融一小部分组织，以便同时电子激发诸如Ca

优选地，激光源包括至少一个闪光灯，作为用于第一光束产生配置、第二光束产生配置和/或第三光束产生配置的光源。因此，每个光束产生配置可以配备自己的闪光灯。或者，更有效地，可以使用闪光灯来组合任一光束产生配置。特别地，可以提供一个闪光灯作为用于第一光束产生配置的光源，并且可以提供另一闪光灯作为一起用于第二光束产生配置和第三光束产生配置的光源。

这种闪光灯允许向增益介质提供光脉冲，使得发射激光脉冲，这对于温度敏感材料是特别有益的。例如，单个激光脉冲的形状、时间宽度和能量可以适合于消融任何类型的组织，诸如骨组织。尽管在某些情况下FL与其他泵浦光源(例如激光二极管)相比可能存在一些缺点，但当单个泵浦光源以相对较低的脉冲重复率操作使得它可以针对热敏材料而实现时，FL的灯特定的优势通常占主导地位。

优选地，激光源包括作为用于第一光束产生配置、第二光束产生配置和/或第三光束产生配置的光源的至少一个激光二极管。这种激光二极管泵浦激光器可以替代上述闪光灯，这在一些应用中可能是有益的。

在有效的实施例中，第三光束产生配置包括第一光束产生配置或第二光束产生配置的组件。例如，第三光束产生配置可以包括与第一或第二光束产生配置中的任一个相同的增益介质。

在另一方面，本发明是一种激光装置。特别地，激光装置包括如上所述的激光源和被配置为调整光束引导光学器件的控制单元。这种激光装置允许有效地实施和实现与根据本发明及其优选实施例的激光源相关的上述过程、效果和益处。

在优选实施例中，激光装置还包括羽流分析布置，其适于识别通过分析激光束撞击目标组织而产生的羽流碎屑中的组织类型。

如本文所用，术语“羽流”可以指由激光消融引起的燃烧或碳化过程的产物，并且可以包括被称为碎屑的有气味的分子、烟雾、气溶胶等。更具体地，在激光消融的背景下，羽流可以概括或包括在撞击目标组织时由激光束喷射的作为碎屑的任何物质。因此，就羽流而言，术语“碎屑”可以指由目标组织的消融产生的任何分子，诸如目标组织的挥发性小固体部分、烟雾、气溶胶、有气味的分子等。

如本文所用，术语“物质”可以指单一物质、多种物质的混合物或给定数量的质量或分子的模式、任何光谱模式等。

在现代手术中，越来越需要在介入期间“在线”分析组织，以便外科医生在手术期间具有所有可能的可用信息，以减少手术时间，并且最可能地减少第二次介入。例如，在肿瘤的输精管切除术中，需要介入期间的组织信息来区分健康组织和癌组织。例如，在肿瘤识别中，精确的肿瘤边缘检测代表了外科手术介入(诸如骨骼中肿瘤切除)过程中的核心挑战。在这种情况下，外科医生需要知道在肿瘤周围切割的组织是否健康，或者其是否也有癌细胞。对于这项任务，通常通过多次活检进行的分析太慢，并且外科医生选择切割额外的组织以提高致癌物组织被切除的确定性。事实上，尽管最近的技术进步，活检仍然耗时且程序繁琐。此外，取决于活检结果，有时会在手术后进行标准活检，可能需要进行后续手术介入。换句话说，这样的过程不允许在介入期间根据外科医生和患者所期望的活检结果做出反应。因此，切割过程中的在线分析可以提供所需的信息，以仅切割肿瘤组织并缩短手术时间。

类似地，激光装置的羽流分析布置允许提供对目标组织的快速且可靠的识别，使得可以选择最佳消融激光束。特别地，通过将羽流分析装置实施到激光装置中，可以提供独立于任何外部分析装置等的操作。

这种激光装置背后的操作原理是分析激光束产生带有来自目标组织的碎屑的羽流或微等离子体。在每个激光脉冲撞击目标组织后，该羽流大致沿传入的消融激光束的方向反向传播。这种碎屑包括分子、原子、细胞碎屑以及碎屑形式的离子和电子。碎屑的构成指示组织正在消融。因此，它可以是消融组织类型的特征或“签名”。

因此，控制单元优选地被配置为根据由羽流分析布置识别的组织类型自动激活激光源的第一光束产生配置或激光源的第二光束产生配置。更具体地，羽流分析布置优选地适于识别亲水性组织类型和疏水性组织类型。

像这样，激光装置允许以相对快速和精确的方式并且有利地在外科介入的期间准确地切割亲水性和疏水性组织并在医学尤其是外科介入期间分析组织。所提出的激光装置可以消除通过光学活检进行的术后耗时的活检的需要，因此尽可能地避免第二次介入。

羽流分析布置可以包括激光光谱仪。激光光谱仪可以包括激光诱导荧光(LIF)光谱仪、相干反斯托克斯拉曼散射光谱仪(CARS)、激光光声光谱仪(LPAS)、激光诱导击穿光谱仪(LIBS)、原子发射光谱仪(AES)、AES/LIBS、谐振增强多光子电离(REMPI)光谱仪、质谱仪(MS)、通过其碰撞截面分离分子的系统(诸如离子迁移光谱仪(IMS))，或弹性散射(ES)光谱仪。特定激光光谱仪的选择可以取决于手头的具体问题。此外，在某些应用中，将多个这些激光光谱仪组合在单个激光装置中可能有利。例如，光学相干断层扫描(OCT)、LIBS和质谱仪(MS)的组合可能特别有益。

激光光谱仪允许精确地识别和量化羽流碎屑中的物质。这种光谱仪还允许用特定的激光束实时探测起源的羽流。因此，它允许相对快速的分析，使得可以或多或少地实时或至少在介入时间内识别物质。在这一点上，术语“实时”可以指激光装置的操作，在该操作中，脉冲化的消融激光束被无任何限制地提供并且羽流评估在操作期间执行。激光装置的操作中的基本延迟，尤其是中断被阻碍。

具有激光光谱仪的激光装置还可用于确定或分析留在刚消融区域的表面中的组织而不是羽流中的喷射出的碎屑。在特定实施例中，甚至有可能羽流分析装置仅能够分析剩余的组织，并且由激光束消融目标组织产生的羽流碎屑中的物质没有被识别或没有被正确识别。

优选地，控制单元被配置为当由羽流分析布置识别的组织类型是亲水性组织类型时激活激光源的第一光束产生配置，并且当由羽流分析布置识别的组织类型是疏水性组织类型时激活激光源的第二光束产生配置。因此，控制单元优选地被配置为当由羽流分析布置识别的组织类型是亲水性组织类型或疏水性组织类型时同时激活第一光束产生配置和第二光束产生配置。

优选地，控制单元被配置为激活激光源的第三光束产生配置以消融目标组织，以生成具有羽流的碎屑。像这样，对目标组织的分析可能特别有益。

优选地，激光装置还包括冷却系统，该冷却系统被配置为冷却被初级消融激光束或次级消融激光束撞击的目标组织。

优选地，控制单元被配置为同步初级消融激光束、次级消融激光束和分析激光束的脉冲。控制单元还可以被配置为执行各种其他任务。特别地，控制单元可以是控制整个激光装置或其大部分部分的中央控制单元。控制单元可以包括计算机或处理单元、数据存储器、存储器等。

在另一方面，本发明是一种通过如上所述的激光装置切割组织的方法。该方法包括以下步骤：(i)将组织定位在激光装置的操作区域中，其中激光源的引导光学器件引导激光源的激光束；(i i)激光装置的激光源传播由第三激光束产生配置产生的分析激光束；(ii i)识别由分析激光束撞击组织所产生的碎屑的羽流中的主要组织类型；(iv)选择适合识别的主要组织类型的第一光束产生配置或第二光束产生配置；以及(v)通过激光源的选择的第一激光生成配置或第二激光生成配置消融组织。

这样的方法允许有效地实施和实现上文结合根据本发明及其优选实施例的激光装置描述的过程、效果和益处。

由此，识别主要组织类型和选择第一光束产生配置或第二光束产生配置的步骤优选地由激光装置的羽流分析装置自动执行。

该方法优选地包括预定义消融几何形状的步骤，其中目标组织被激光源的选择的第一激光产生配置或第二激光产生配置沿着消融几何形状消融。因此，切割几何形状可以由一系列相邻目标点来预定义，其中，每个激光脉冲在该一系列相邻目标点中的预定义目标点处撞击目标。两个连续的激光脉冲中的每一个可以在该一系列相邻点中的两个不同的目标点处撞击目标，其中两个目标点彼此不相邻。此外，对于当单个消融脉冲不足以切割所讨论的整个组织时遇到的最常见的情况，可以通过多次扫过同一路径来重复该过程，直到完成手术过程。

更进一步地，该方法可以是体外方法，或者，体内方法。

附图说明

下面通过示例性实施例并参考附图更详细地描述根据本发明的激光源、根据本发明的激光装置和根据本发明的方法的各方面，其中：

图1示出了在根据本发明的激光装置的实施例中的根据本发明的激光源的实施例的设置的示意图，该激光装置的实施例适合于执行根据本发明的以用于取决于其含水量消融组织以及识别被分析组织的方法的实施例；

图2示出了图1的激光装置的其他部件的示意性详细视图。

图2a示出了由图1的激光源产生的两束消融激光束相互的时序，其中Δt是交替模式中它们之间的时间偏移或延迟；

图2b示出了当一个消融激光束在另一消融激光束的两次激光发射之后发射时，由图1的激光源产生的两束消融激光束的时序；

图2c示出了当仅由图1的激光源产生的分析激光束发射时的时序。

图2d示出了当一个消融激光束在另一消融激光束的两次激光发射之后发射时，由图1的激光源产生的两束消融激光束的时序；

图3a示出了与图1的激光源结合使用的两种可能电源的示意图。

图3b示出了与图1的激光源结合使用的两种其他可能电源的示意图。

具体实施方式

在以下描述中，某些术语为了方便起见被使用并且不旨在限制本发明。术语“右”、“左”、“上(up)”、“下(down)”、“下(under)”和“上(above)”是指图中的方向。术语包括明确提及的术语及其派生词和具有相似含义的术语。此外，空间相对术语，诸如“下方(beneath)”、“下面(below)”、“更低(lower)”、“上面(above)”、“更上方(upper)”、“近端(proximal)”、“远端(distal)”等，可用于描述如图所示的一个元素或特征与另一元素或特征的关系。除了图中所示的位置和取向之外，这些空间相对术语旨在涵盖装置在使用或操作中的不同位置和取向。例如，如果图中的装置被翻转，则被描述为“在”其他元件或特征“下面”或“下方”的元件将在其他元件或特征的“上面”或“上方”。因此，示例性术语“下面”可以包括上面和下面的位置和取向。装置可以以其他方式取向(旋转90度或以其他方向)，并且相应地解释此处使用的空间相对描述符。同样，沿着和围绕各个轴的运动的描述包括各种特殊的装置位置和方向。

为了避免在附图以及各个方面和说明性实施例的说明书中的重复，应当理解，许多特征对于许多方面和实施例是共同的。从说明书或图中省略的方面并不意味着该方面从并入该方面的实施例中缺失。相反，为了清楚和避免冗长的描述，可能已经省略了该方面。在此上下文中，以下内容适用于本说明书的其余部分：如果为了使附图清晰，图中包含未在说明书的直接相关部分中解释的附图标记，则参考之前或之后的说明书部分。此外，为了清楚起见，如果在附图中未对部件的所有特征都提供附图标记，则参考显示相同部件的其他附图。两个或多个图中相同的数字代表相同或相似的元素。

图1示出了根据本发明的激光装置100的实施例，激光装置100的实施例具有根据本发明的激光源101的实施例并且实施根据本发明的方法的实施例。激光装置100在下文中也称为通用组织激光装置100或UTL装置100。

激光源101包括布置成泵浦作为第一增益介质的Er:YAG固态棒111的第一闪光灯(FL)112，以及嵌入Er:YAG固态棒111的两个第一谐振腔镜113。第一闪光灯112、Er:YAG固态棒111和两个第一谐振腔镜113一起形成第一光束产生配置110，其也被称为第一激光器110。第一光束产生配置110适于产生脉冲化的初级消融激光束162，其脉冲具有第一发射谱和第一时间脉冲宽度，如下更详细描述的。

激光源101还包括被布置为泵浦作为第二增益介质的Nd:YAG棒121的第二闪光灯(FL)122、嵌入Nd:YAG棒121的两个第二谐振腔镜123、以及作为光电元件的Q-开关装置126。第二闪光灯122、Nd:YAG固态棒121和两个第二谐振腔镜123一起形成第二光束产生配置120，其也被称为第二激光器120。此外，相同的第二闪光灯122、Nd:YAG固态棒121和两个第二谐振腔镜123与Q-开关装置126一起形成第三光束产生配置120，其也被称为第二或第三激光器120。第二光束产生配置120适于产生脉冲化的次级消融激光束163，其脉冲具有第一发射谱和第一时间脉冲宽度，如下更详细描述的。第三光束产生配置120适于产生脉冲化的分析激光束161，其脉冲具有第三发射谱和比第一时间脉冲宽度短且比第二时间脉冲宽度短的第三时间脉冲宽度，如下文更详细描述的。

激光源101另外配备有光束引导和整形光学器件125，其具有作为光束对准元件的多个镜，光束对准元件适于使初级消融激光束162、次级消融激光束163和分析激光束161对准，使得激光源101沿着相同的传播路径传播三个激光束160。光束引导光学器件125还具有光束整形光学器件171，以校正不同的发散或初级消融激光束162和分析激光束161；以及第一光束组合元件170，以将组合的次级消融和分析激光束161/163与初级消融激光束162组合。

除了激光源101之外，UTL装置100还包括中央电源130、中央冷却系统140和总线200，该总线200用于在UTL装置100和诸如引导激光源101的机器人的其他部件之间进行通信。

在图2中，示出了UTL装置100的附加组件。特别地，UTL装置100还包括控制单元190、作为羽流分析布置的分析单元180、光束分离单元210、光束聚焦元件211和用于Q-开关装置126的电子器件132。控制单元190耦合到冷却系统140、电源130、分析单元180和诸如通过总线200引导激光源101的机器人的外部组件。电子器件132嵌入在为整个UTL装置100供电的电源130中。

光束分离单元210位于传播路径中。它被布置成将三个激光束160朝向光束聚焦元件211引导，在那里它们被聚焦并被导向目标组织230。由于分析激光束161与目标组织230的相互作用，从目标组织反射或发射的光，例如，来自被转化为碎屑的一些组织碎片的荧光，可以被向后导引沿着光路反向传播并被分析单元180捕获。该光被称为分析光164，其用于分析单元180中的LIBS。由分析单元180对捕获的分析光164的实时分析的结果可以进一步被控制单元190和/或其他组件使用，以进一步控制消融过程或其他装置。

光束分离单元210可以由多个光机械元件组成，诸如例如反射镜、二向色镜或透镜，以适当地将不同的光学路径彼此对准，例如共线或平行。光束聚焦元件211可以是透镜系统、反射光学器件或两者的组合。优选地，作为反射光学器件的扫描镜适于使切割激光束和成像激光束聚焦。因此，扫描镜可以是安装在可移动扫描单元上的凹面镜，这可以简化对准和控制。在使用不同波长时，这种反射光学设计还具有损耗更小和无色差的优势。以此方式，激光消融装置的特别有效的操作是可能的。

分析激光束161具有1’064nm处的最大波长并且使用Q-开关装置126操作以递送高能量的短脉冲，即，具有大约10ns的时间宽度。这种分析激光束161产生高温等离子体，其以电子方式激发碎屑中的一些降解产物，这些降解产物可以通过分析单元180内的激光诱导荧光(LIF)方便地分析。为此目的，从分析激光束161反射的撞击目标组织230的光被导引到分析单元180作为分析光164。此外，UTL装置100还用激光诱导击穿光谱(LIBS)施加分析。特别地，当目标组织是生物组织并且特别是骨骼组织时，紧密聚焦在目标组织230上的分析激光束161产生羽流，在羽流中，碎屑具有以下离子中的一些：Ca

原则上，LIBS可以分析任何物质，无论其物理状态如何，无论是固态、液态还是气态，因为在被激发到足够高的温度时所有元素都会发出特征频率的光。当待分析材料的成分已知时，LIBS可用于评估每个组成元素的相对丰度，或监测杂质的存在。由于在LIBS过程期间消耗相对较少量的材料，因此该技术基本上被认为是非破坏性的或破坏性最低的，并且通过在目标处的总平均功率小于1瓦，消融部位周围几乎没有热量。LIBS也是非常快速的技术，可在几秒钟内给出结果，从而使其特别地用于手头(即实时)的目的。LIBS是完全光学技术，使得其只需要对样品进行光学访问。作为光学、非侵入性和非接触式技术，LIBS在UTL装置100中实施是特别适合和有效的。

从技术上讲，LIBS可以通过一个或不同激光波长的双激光脉冲来完成，其中两个激光脉冲之间的延迟在5μs或更短的范围内。第一激光脉冲仅用于产生清洁和干燥的表面，而第二脉冲用于分析纯组织表面。在自由运行模式下使用低强度Er:YAG激光脉冲来消融生物流体和水，而来自激活第三激光器120的Q-开关装置126的后续激光短脉冲撞击该纯目标组织230。

UTL装置100及其分析激光束161允许在用消融激光束162、163进行后续切割之前进行组织表面分析。此外，在通过初级或次级消融激光束162、163中的任一个进行切割期间，分析激光束161的短分析脉冲可随时用于产生合适的碎屑，以由分析180方便地分析，例如应用LIBS。在任何时候，控制单元190可以根据由分析单元180识别的组织类型选择合适的消融激光束162、163。

在用于消融诸如人体硬组织和特别是骨组织的基底的激光器中，在水中强烈吸收的波长2'964nm处发射的固态铒(Er)激光器正成为最适合于各种技术原因的激光器。特别是，它们可以在其2’964nm波长发射线处提供高吸水性，并有可能将它们小型化以集成到医疗装置100中，并且维护要求相对较低。因此，这种类型的激光器体现在第一光束产生配置110中。

用于消融诸如人体硬组织和特别是骨组织的基底的具有类似益处的其他激光器是发射类似波长的光的固态钬(Ho)激光器，而这些后来的激光器似乎最适合于内科，因为它更容易找到用于通过例如内窥镜将激光引入体内的波导。Er激光器比Ho激光器更适合于自由空间(诸如用于开放式手术的空气)中的光传播，而Ho激光器用于例如微创手术介入，因为光可以发射到任何类型的光纤中。

在第一增益介质111和第二增益介质121中采用的Er:YAG和Nd:YAG晶体分别用第一和第二闪光灯112、122泵浦，但也可以替代地用激光二极管(LD)泵浦，其中YAG代表钇铝石榴石(YAG＝Y3Al5O12)。它们通常用于闪光灯泵浦的Q-开关激光器以缩短脉冲持续时间。在本发明的上下文中，Nd:YAG激光器将用于a)所谓的自由运行模式以产生主要取决于泵浦FL的时间宽度的微秒范围内的相对长的脉冲，如通过第二光束产生配置实现的，以及在b)Q-开关模式中，以产生纳秒范围内的短脉冲，如通过第三激光束产生配置实现的。Er:YAG激光器，如通过第一光束产生配置实现的，将专门用于自由运行模式，从而递送超过100微秒的脉冲。

LD泵浦的LD-Er:YAG和Nd:YAG激光器在转移能量以产生粒子数反转方面比由FL(即FL-Er:YAG)泵浦时更有效，并且它们在光学器件以及他们的电子期间方面更容易小型化。此外，与通常在10至20Hz下操作的FL泵浦的激光器相比，LD泵浦的Er和Nd激光器可以以更高的重复率操作，诸如高达kHz的重复率。两种激光器都可以在自由运行或Q-开关模式下操作。在本发明的上下文中，使用FL泵浦激光器。

FL 112、122用于高脉冲能量。它们的效率相当低，因为它们产生宽光谱的光，导致大部分能量在增益介质中作为热量浪费掉，而DL具有尖锐的波长发射，因此更少的能量以热量的形式损失。

总之，FL-Er:YAG激光器的优点是：可以产生相对高的泵浦功率(特别是峰值功率)；所产生的泵浦功率每瓦的价格相对较低；并且灯相当坚固，例如不受电压或电流尖峰的影响。它们的缺点是：寿命相对有限(通常是几百或几千个操作小时，或者，就闪光而言，大约为五百万次)；激光器的电能到光的转换效率相对较低(通常最多几个百分点)；并且电源通常涉及高电压，当其涉及到医疗装置时，高电压会带来额外的安全问题。低转换效率的后果不仅是更高的电力消耗，而且是更高的热负荷，这可能需要更强大的冷却系统。

特别是在人类或动物组织消融目的的背景下，LD-Er:YAG与FL-Er:YAG相比的缺点是：激光束的质量较差(即更高的M2)，这使得聚焦相对困难；以及长脉冲中相对较低的峰值功率，与转化为到达在例如正被切割的骨骼的剩余组织壁中的热量的电磁能相比，降低了转移到碎屑中的电磁能的比率。

与LD-Er:YAG相比，特别是在某些限制内，自由运行的FL-Er:YAG的优点可以是FL-Er:YAG激光器可以以在相对较短的脉冲(诸如小于400μs)之间的长时间窗口进行控制，与在低峰值功率下具有例如相同总能量(例如，在具有1ms甚至更长的时间宽度的脉冲中为10W)的LD-Er:YAG相比，这允许提高转化为碎屑的电磁能相对于流入壁的热量的比率，由于例如，当骨组织被切割时，与剩余组织壁中的热量相比，长得多的脉冲宽度和其能量流的很大一部分。

考虑到在大多数情况下第一和第二激光器110、120中只有一个同时是活动的，激光器的冷却由单个冷却系统140实现。冷却管因此串联连接，即，冷却液首先通过一个激光器110、120，然后通过另一个激光器110、120。

如上所述，UTL装置100可以安装在机器人装置或任何其他致动装置上，以用于定位医疗装置或经由总线200与UTL装置100通信的任何装置的一部分。因此，UTL装置100可被配置为“从机”，并且医疗装置可配置为“主机”。

图2a至图2d示出了具有可能的发射序列的各种操作模式的示意图。在图2a中，存在分析激光束161的脉冲以产生具有少量碎屑的羽流，从而使用体现LIBS的分析单元180来确定遇到什么类型的组织。取决于该信息，发射初级和次级消融激光束162、163中任一个的单脉冲。分析激光束161的脉冲之间的时间间隔Δτ与消融激光束162、163的任意脉冲的脉冲之间的时间间隔具有相同的重复率，即频率Δτ(1)。

然而，并且考虑到要遇到的组织的量不随着许多消融激光束162、163脉冲改变，用户可以选择以由更长的时间间隔的低得多的重复率Δτ(2)发射分析激光束161，如图2b所示。在这种情况下，分析激光束161的重复率Δτ(2)可以方便地选择为但不一定是消融激光束162、163的重复率Δτ(1)的偶分数(even fraction)。

图2c示出了与图2b所示的情况类似的情况，显示了从用初级消融激光束162消融到次级消融激光束163的转变。

图2d对应于分析和消融激光束161、162、163中的任一个的重复率不恒定的发射布置。当分析单元180需要更多时间来确定羽流中碎屑的成分以及因此正在消融什么类型的组织因此每个脉冲将具有不同的时间间隔Δτ时，可能会遇到这种情况。

图3a描绘了由两个单独的电源电路组成的电源130的简化示意图。一个电路130.6用于初级或第一激光器110，另一个电路130.7用于次级或第二激光器120。附加的第三电路132用于控制Q-开关装置126。所有三个电路都由电源控制器130.5控制，电源控制器130.5还可以控制冷却系统140并连接到定义脉冲设置和闪烁模式的控制单元190。

每个电源电路130.6、130.7被布置为发射第一激光110或第二激光120。在电源电路130.6、130.7中，具有充电电路130.1，其负责将AC(即交流电源)输入转换为定义的DC(即直流)电压。电容器单元130.2存储所需的能量并且由充电电路130.1充电到定义的电压电平。电容器和充电电路的组合被设计为使得为FL中所需的所有适用脉冲形状和重复率提供足够的能量。与FL 112、122并联的是点火电路130.3，其通过施加到FL 112、122的千伏范围内的高电压来点燃灯。为了在点火后保持相应的FL 112、122被点燃，脉冲电路130.4内的慢火电路向灯施加直流电压。控制器130.5通过集成在脉冲电路130.4内的开关将FL 112、122上的电路闭合定义的脉冲宽度时间。这导致FL 112、122闪烁期望的脉冲宽度。这种开关可以用任何高功率开关来实现。

用于Q-开关装置126的电源电路132取决于所使用的Q-开关装置126。例如，如果使用电光装置，则电源132必须提供高达千伏范围内的高电压。例如，如果使用声光装置，则Q-开关电源132可以实现提供数百兆赫范围内的频率的高RF电路。

与图3a相比，图3b示出了用于第一激光器110的两个电源电路130.6和第二激光器120的电源电路130.7的特定组合。在该实施例中，仅存在用于两个电源电路的一个充电130.1和一个电容器电路130.2。这简化了设计，然而，限制了在任何时间独立地使第一和第二激光器110、120产生脉冲的灵活性。

示出本发明的方面和实施例的该说明书和附图不应被认为是对本发明的限制-所述权利要求限定了受保护的发明。换句话说，虽然在附图和前面的描述中详细地说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述被认为是说明性的或示例性的而不是限制性的。在不脱离本说明书和权利要求书的精神和范围的情况下，可以进行各种机械、组成、结构、电气和操作的改变。在某些情况下，为了不混淆本发明，没有详细示出众所周知的电路、结构和技术。因此，应当理解，普通技术人员可以在所附权利要求的范围和精神内做出改变和修改。特别地，本发明涵盖具有来自上文和下文描述的不同实施例的特征的任意组合的进一步实施例。例如，尽管上述大多数示例和说明是在外科领域，但本发明的基本原理也可用于其他技术领域。特别地，本发明可用于切割有利地以不同波长和/或脉冲宽度切割的任何异质基质。或者，可以在具有多于三个光束产生配置的实施例中操作本发明，以用于提供额外的消融和/或分析激光束。

本公开还涵盖了在图中单独示出的所有进一步的特征，尽管它们可能没有在之前或之后的说明书中被描述。此外，附图和说明书中描述的实施例的单一替代方案以及其特征的单一替代方案可以从本发明的主题或公开的主题中排除。本公开包括由权利要求或示例性实施例中限定的特征组成的主题以及包括所述特征的主题。

此外，在权利要求中，词语“包括”不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个单元或步骤可以实现权利要求中记载的几个特征的功能。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的纯粹事实并不表示这些措施的组合不能有利地使用。结合属性或值的术语“基本上”、“大约”、“近似”等尤其也分别精确地定义了属性或精确地定义了值。在给定数值或范围的上下文中，术语“约”是指例如在给定值或范围的20％、10％、5％或2％以内的值或范围。描述为耦接或连接的部件可以电或机械地直接耦接，或者它们可以经由一个或多个中间部件间接耦接。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。