УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО СВАРИВАНИЯ РАССЕЧЕННЫХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ
DEVICE FOR LASER WELDING OF DISSECTED BIOLOGICAL TISSUES

Изобретение относится к области лазерной техники, а более конкретно к устройствам лазерной медицины, и может быть использовано для лазерного сваривания биологических тканей. Изобретение направлено на восстановление первоначальной структуры рассеченных участков поверхностных и внутренних слоев биоткани путем их соединения методом лазерной сварки при обеспечении надежности сварного шва ткани, контролирования и регулирования процесса сваривания.
Одним из распространенных недугов человека является дефекты биологической ткани, которые варьируются от незначительных порезов наружных (поверхностных) слоев кожи до серьезных глубоких ран внутренних органов. Возникает задача восстановления первоначальной структуры рассеченных участков поверхностных и внутренних слоев биоткани путем их соединения с целью получения наибольшей механической прочности шва после хирургических операции, со скорейшим временем заживления раны и максимально благоприятным косметическим эффектом.
Соединение рассеченных тканей может быть осуществлено с помощью устройств, которые способны сваривать края раны, точечно воздействуя лазерным излучением на слои рассеченной биоткани, при этом не повреждая окружающие здоровые ткани. Лазерные операции практически бескровны, а заживление ран в месте рассечения биоткани происходит достаточно быстро и качественно. К тому же, лазерное излучение обладает бактерицидным действием, поэтому оперируемые раны практически стерильны.
Для ускорения заживляющих процессов и лучшего сцепления краев раны до и во время операции в устройствах для лазерного соединения рассеченных тканей используют специальные лазерные припои, включающие в себя биологические материалы. Примером таких материалов могут служить такие белки, как альбумин, фиброген и коллаген. Лазерное сваривание тканей с использованием биоприпоев особенно эффективно при восстановлении сплошности мелких кровеносных сосудов, нервных волокон, семенных протоков и т.п., т.е. там, где использование традиционных методов соединения рассеченной биоткани надежно [1]. Вместе с тем, устройства, использующие такие биоприпои, не всегда обеспечивают достаточную прочность на разрыв оперированных биотканей. Поэтому существует необходимость применения в устройствах для лазерного сваривания рассеченных тканей нанобиоприпоев, обладающих высокими сцепляющими края раны свойствами и максимальным поглощением на длине волны генерации используемого лазера, что позволяет получать необходимый прогрев свариваемой ткани, не допуская перегрева смежной здоровой биоткани [2].
Использование специальных устройств для лазерного сваривания рассеченных биотканей имеет большое значение в медицинской практике. Однако известные устройства такого типа имеют определенные недостатки.
Известно устройство для лазерного сваривания рассеченной биоткани, в которое входит оптическое волокно для транспортирования лазерного излучения, выходной конец которого может быть использован для сварки и резки биоткани, и детектор ИК-излучения, приходящего от свариваемого участка биоткани, транспортируемое через оптоволокно. Устройство предусматривает также проведение хирургических процедур при управлении мощностью инфракрасного лазера с целью оптимизации температуры сваривания биоткани путем контроля и регулирования температуры лазерного инструмента [3].
Недостатком такого изобретения является отсутствие визуального контроля места сваривания биологической ткани и смежной биоткани, что необходимо для предотвращения коагуляции биоткани и получения сохраняемого и надежного сварного шва биоткани.
Наиболее близким техническим решением заявляемого устройства является устройство для лазерного сваривания и пайки рассеченных биологических тканей с применением нескольких лазеров, работающих на разных длинах волн в диапазоне 650-850 нм, и нескольких приемников ИК-излучения от нагреваемой биоткани, при контроле мощности лазеров, с использованием биоприпоев, содержащих хитозан, альбумин и хромофоры [4].
Недостатком такого изобретения является сложность системы облучения биоткани и трудность одновременного контроля мощности нескольких лазеров, что требует постоянного высококвалифицированного инженерного обслуживания и не обеспечивает долговечность и ремонтопригодность получаемого сварного шва рассеченной биоткани.
Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства для лазерного сваривания рассеченных биологических тканей, лишенного вышеуказанных недостатков путем использования оригинального технического решения, гарантирующего надежность сварного шва ткани, фиксирующего ее соединение, а также контролирование и регулирование процесса сваривания.
Предлагаемое устройство для лазерного сваривания рассеченных биологических тканей иллюстрируется следующим графическим материалом. На Фиг. 1 показана общая схема устройства, где 1 - корпус, 2 - основной лазерный излучатель, 3 - первый оптоволоконный вывод излучения, 4 - оптоволоконный смеситель лазерного излучения, 5 - вспомогательный лазерный излучатель, 6 - второй оптоволоконный вывод излучения, 7 - сваривающее оптоволокно, 8 - место сваривания биоткани, 9 - модуль лазерного наноприпоя, 10 - измерительный модуль, 11 - микроконтроллерный блок, 12 - волоконный кабель, 13 - измерительное оптоволокно, 14 - визуализирующее оптоволокно, 15 - трубчатый шланг, 16 - лазерный наноприпой, 17 - механизм программируемого порционного дозирования, 18 - смежная биоткань, 19 - дисплей. На Фиг. 2 показано устройство модуля лазерного наноприпоя предлагаемого аппарата, где 9 - модуль лазерного наноприпоя, 15 - трубчатый шланг, 16 - лазерный наноприпой, 20 - сосуд, 21 - насос, 23 - термостат, 25 - ультразвуковой гомогенизатор. На Фиг. 3 показано устройство измерительного модуля аппарата, где 10 - измерительный модуль, 11 - микроконтроллерный блок, 13 - измерительное оптоволокно, 14 - визуализирующее оптоволокно, 22 - пирометрический измеритель температуры, 24 - тепловизор, 26 - спектрометр.
В предлагаемом устройстве для лазерного сваривания рассеченных биологических тканей установлены основной лазерный излучатель 2, соединенный первым оптоволоконным выводом излучения 3 с оптоволоконным смесителем лазерного излучения 4, вспомогательный лазерный излучатель 5, соединенный вторым оптоволоконным выводом излучения 6 с оптоволоконным смесителем лазерного излучения 4, и сваривающее оптоволокно 7 для облучения и нагрева места сваривания биоткани 8 с формированием сварного шва. Такое формирование шва является следствием испарения жидкостной компоненты лазерного наноприпоя 16, при котором он переходит из жидкого в твердое фазовое состояние. Воздействие электрического поля лазерного излучения вызывает образование в сварном шве упрочняющей композитной структуры с объемным каркасом из углеродных нанотрубок, что позволяет получить надежное соединение ткани.
Устройство отличается введением в него модуля лазерного наноприпоя 9 с сосудом 20, содержащим лазерный наноприпой 16, в который может входить альбумин и однослойные или многослойные углеродные нанотрубки, измерительного модуля 10 и микроконтроллерного блока 11, расположенные внутри корпуса 1, который может быть изготовлен из материала, непрозрачного для лазерного излучения, например из дюралюминия, магниевого сплава АМГ-6 и т.п. материала, причем модуль лазерного наноприпоя 9 соединен с местом сваривания биоткани 8, а измерительный модуль 10 соединен с микроконтроллерным блоком 11.
Устройство снабжено волоконным кабелем 12, содержащим сваривающее оптоволокно 7, измерительное оптоволокно 13, визуализирующее оптоволокно 14 и соединяющим основной лазерный излучатель 2, вспомогательный лазерный излучатель 5, длина волны генерации которого находится в диапазоне от 500 до 650 нм, т.е. в области максимальной чувствительности человеческого глаза, и измерительный модуль 10 с местом сваривания биоткани 8. В качестве материала первого оптоволоконного вывода излучения 3, оптоволоконного смесителя лазерного излучения 4, второго оптоволоконного вывода излучения 6, сваривающего оптоволокна 7, измерительного оптоволокна 13 и визуализирующего оптоволокна 14 выбрано кварцевое стекло с коэффициентом затухания излучения в диапазоне от 0,01 до 1,0 дБ/м, что обеспечивает незначительное ослабление проходящего излучения в этих оптоволокнах.
Устройство снабжено трубчатым шлангом 15 для подачи лазерного наноприпоя 16, соединяющим модуль лазерного наноприпоя 9 с местом сваривания биоткани 8. Трубчатый шланг 15 содержит механизм программируемого порционного дозирования 17 лазерного наноприпоя 16. В модуль лазерного наноприпоя 9 введен насос 21, сопряженный с сосудом 20 и трубчатым шлангом 15. Модуль лазерного наноприпоя 9 содержит термостат 23, поддерживающий заданную температуру лазерного наноприпоя 16 в сосуде 20. Модуль лазерного наноприпоя 9 также содержит ультразвуковой гомогенизатор 25 лазерного наноприпоя 16, действие которого обеспечивает однородность материала лазерного наноприпоя 16.
В измерительный модуль 10, который может быть изготовлен из материала, непрозрачного для лазерного излучения, например из дюралюминия, магниевого сплава АМГ-6 и т.п. материала, введен пирометрический измеритель температуры 22 нанесенного лазерного наноприпоя 16 в месте сваривания биоткани 8, оптически сопряженный с измерительным оптоволокном 13, электрически сопряженный с микроконтроллерным блоком 11 для поддержания оптимальной температуры места сваривания биоткани 8 и смежной биоткани 18 и электрически сопряженный с дисплеем 19 на внешней стенке корпуса 1. В измерительный модуль 10 введен тепловизор 24 для визуального контроля процесса лазерной сварки, оптически сопряженный с визуализирующим оптоволокном 14. В измерительный модуль 10 введен спектрометр 26, оптически сопряженный с визуализирующим оптоволокном 14, для контроля спектрального состава излучения, которое поступает от лазерного наноприпоя 16, находящегося в месте сваривания биоткани 8. Микроконтроллерный блок 11 электрически сопряжен с основным лазерным излучателем 2 и пирометрическим измерителем температуры 22. Действие микроконтроллерного блока 11 обеспечивает надежное контролирование и регулирование процесса сваривания рассеченной биоткани, что устраняет опасность перегрева (недогрева) сварного шва, что может влиять на его прочность и долговечность.
Предлагаемое устройство для лазерного сваривания рассеченных биологических тканей работает следующим образом. После включения устройства запускают режим подготовки лазерного наноприпоя 16 путем его диспергирования в течение ~30 мин при температуре, заданной термостатом 23 в диапазоне от 20 до 40°C, с использованием ультразвукового гомогенизатора 25 при выбранной мощности ультразвука в диапазоне от 20 до 100 Вт. После подготовки лазерного наноприпоя 16 осуществляют его подачу к месту сваривания биоткани 8, с использованием насоса 21 и трубчатого шланга 15. С целью формирования сварного шва наносят лазерный наноприпой 16 на свариваемую поверхность рассеченной биоткани с использованием механизма программируемого порционного дозирования 17. Роль нанесенного лазерного наноприпоя 16 на этой стадии работы устройства, в частности, заключается в первичном «склеивании» краев раны. Температуру лазерного наноприпоя 16 в сосуде 20 при этом поддерживают в диапазоне от 20 до 40°C, с точностью ±0,1°C, с использованием термостата 23, что контролируется с помощью датчика измерения температуры (не показан), показания которого выводятся на дисплей 19. На дисплее 19 отображают также показания пирометрического измерителя температуры 22. Однородность материала лазерного наноприпоя 16 обеспечивают действием ультразвукового гомогенизатора 25.
Следующий шаг в работе предлагаемого устройства заключается в облучении места сваривания биоткани 8 с формирования сварного шва для восстановления сплошности свариваемой рассеченной биоткани. Излучение основного лазерного излучателя 2 транспортируют с помощью первого оптоволоконного вывода излучения 3 через оптоволоконный смеситель лазерного излучения 4 и сваривающее оптоволокно 7, находящееся в волоконном кабеле 12, на место сваривания 8 рассеченной биологической ткани или органа (рану) организма человека (животного). Нацеливание луча основного лазерного излучателя 2 на рану производят с использованием излучения вспомогательного лазерного излучателя 5, луч которого, проходящий через второй оптоволоконный вывод излучения 6, оптоволоконный смеситель лазерного излучения 4 и визуализирующее оптоволокно 14 в волоконном кабеле 12, отмечает место сваривания биоткани 8, покрытое нанесенным лазерным наноприпоем 16. После включения питания основного лазерного излучателя 2 его луч попадает на место сваривания биоткани 8, отмеченное лучом вспомогательного лазерного излучателя 5. Далее, под тепловым воздействием поглощенного излучения основного лазерного излучателя 2 происходит локальный нагрев рассеченной биоткани. Таким образом, инициируют затвердевание материала лазерного наноприпоя 16 и формирование сварного шва на месте сваривания биоткани 8. С использованием измерительного модуля 10 осуществляют контроль процесса лазерной сварки. Показания пирометрического измерителя температуры 22, как и датчика измерения температуры (не показан) лазерного наноприпоя 16, выводят на дисплей 19.
Микроконтроллерный блок 11, электрически сопряженный с основным лазерным излучателем 2 и пирометрическим измерителем температуры 22, предназначен для осуществления обратной связи между температурой свариваемой ткани и интенсивностью ее облучения, что позволяет осуществить постоянный мониторинг области взаимодействия лазерного излучения со свариваемой рассеченной тканью. Для этого микроконтроллерный блок 11 вырабатывает выходной сигнал силы тока, подаваемый на блок питания (не показан) основного лазерного излучателя 2 с целью регулировки мощности (энергии) излучения основного лазерного излучателя 2 путем противодействия отклонению регулируемой величины температуры лазерного наноприпоя 16 в месте сваривания биоткани 8 от заданных значений, носящему опасность перегрева (недогрева) лазерного шва, что может влиять на его прочность и долговечность. Температура места сваривания ткани 8 и смежной биоткани 18 при этом поддерживают в оптимальном диапазоне температур от 40 до 65°C, с точностью ±0,1°C, что обеспечивает эффективность и безопасность процесса лазерной сварки биоткани и формирование надежного сварного шва.
Система обратной температурной связи состоит из пирометрического измерителя температуры 22 и микроконтроллерного блока 8, анализирующего полученную с них информацию (с учетом визуальной информации, поступающей с тепловизора 24 и регулирующего силу тока блока питания (не показан) основного лазерного излучателя 2. Программа работы микроконтроллерного блока 11 основана на пропорционально интегрально дифференциальном алгоритме (ПИД алгоритме), что позволят плавно и быстро регулировать температуру, не допуская перегрева (или недогрева) биоткани.
Воздействие направленного излучения основного лазерного излучателя 2 на материал лазерного наноприпоя 16 вызывает формирование наноструктурированного материала сварного шва, подобное происходящему в процессе образования объемного нанотрубочного материала в водно-белковой дисперсии углеродных нанотрубок под действием лазерного излучения [5]. В состав лазерного наноприпоя 16 при этом могут входить транспортный белок альбумин и специально очищенные однослойные или многослойные углеродные нанотрубки, остальное - дистиллированная вода (см. подробно [6]).
Длина волны генерации основного 2 (одного или нескольких) лазерного излучателя предлагаемого устройства для лазерной сварки биотканей может быть выбрана в диапазоне длин волн приблизительно от 400 до 1500 нм, т.е. в той части спектра, где находятся длины волн генерации наиболее распространенных и коммерчески доступных лазеров и достаточно мало затухание лазерного излучения на длине оптоволоконных световодов, используемых в устройстве. Эксплуатация и контроль мощности таких лазеров достаточна просты. В случае вспомогательного лазерного излучателя 5 выбор длины волны генерации в диапазоне длин волн приблизительно от 500 до 650 нм, который соответствует области максимальной чувствительности человеческого глаза (максимумы чувствительности соответствуют длинам волн 510 нм для темно-адаптированного и ~550 нм для свето-адаптированного глаза), обеспечивает точность наведения луча основного лазерного излучателя 2 в место сваривания биоткани 8. Использование кварцевого стекла с коэффициентом затухания излучения в диапазоне приблизительно от 0,01 до 1,0 дБ/м в качестве материала оптоволоконного смесителя лазерного излучения 4, сваривающего оптоволокна 7, измерительного оптоволокна 13, визуализирующего оптоволокна 14, первого оптоволоконного вывода излучения 3 и второго оптоволоконного вывода излучения 6 обеспечивает малое ослабление проходящего излучения в этих оптоволокнах.
Возможно исполнение основного лазерного излучателя 2 предлагаемого устройства в виде полупроводникового диодного лазера, который функционирует в непрерывном режиме с мощностью генерации от 10 до 100 Вт. Возможно также исполнение основного лазерного излучателя 2 в виде твердотельного лазера, который функционирует в частотном режиме с энергией импульса генерации от 0,1 до 1,0 Дж и средней мощностью генерации от 10 до 100 Вт. Возможно также исполнение основного лазерного излучателя 2 в виде оптоволоконного лазера с активным кварцевым оптоволокном, легированным эрбием, при накачке лазерным диодом синего свечения с мощностью от 5,0 до 40 Вт, который функционирует в непрерывном режиме с мощностью генерации от 3,0 до 30 Вт.
Введение в устройство модуля лазерного наноприпоя 9 с сосудом 20, содержащим лазерный наноприпой 16, измерительного модуля 10 и микроконтроллерного блока 11 позволяет осуществить формирование надежного сварного шва рассеченных биотканей. Наличие в устройстве модуля лазерного наноприпоя 9 позволяет осуществлять быстрое и точное нанесение лазерного наноприпоя 16 на место сваривания биоткани 8 с использованием соединенных с сосудом 20 насоса 21 и трубчатого шланга 15, а также оперативную замену отработанного состава лазерного наноприпоя 16 на свежий состав путем перезаполнения сосуда 20. Наличие в устройстве измерительного модуля 10 создает возможность постоянного мониторинга области взаимодействия лазерного излучения с тканью и оптимизации процесса сварки биоткани. Введение в устройство микроконтроллерного блока 11 позволяет оптимизировать процесс сваривания биоткани путем регулировки режима работы основного лазерного излучателя 2 для избегания перегрева места сваривания биоткани 8, которое снижает прочность возникающего сварного шва и может вызвать деструкцию смежной биоткани 18. При этом также устраняется возможный недостаточный нагрев зоны сваривания биоткани, что может иметь следствием сниженную надежность соединения рассеченных тканей при уменьшении прочности сварного шва биоткани.
Снабжение устройства волоконным кабелем 12, содержащим сваривающее оптоволокно 7, измерительное оптоволокно 13 и визуализирующее оптоволокно 14 и соединяющим корпус 1 с местом сваривания биоткани 8 позволяет обеспечить локальный нагрев лазерного наноприпоя 16, который, в свою очередь, передает тепло биоткани, вызывая выделение клеточного матрикса, что обеспечивает соединение краев раны, а также ее высушивание при формировании сварного шва.
Выбор в предлагаемом устройстве длины волны генерации вспомогательного лазерного излучателя 5 предложенного устройства в области длин волн приблизительно от 500 до 650 нм, т.е. в области максимальной чувствительности человеческого глаза, способствует точному нацеливанию луча основного лазерного излучателя 2 в место сваривания биоткани 8, тем самым обеспечивая снижение времени операции по соединению рассеченных тканей и органов, а также времени постоперационного восстановления организма больного. Диодные лазерные устройства на указанных длинах волн достаточно просты в эксплуатации, не требуя специального квалифицированного инженерного обслуживания. Применение в устройстве кварцевого стекла с коэффициентом затухания излучения в диапазоне приблизительно от 0,01 до 1,0 дБ/м в качестве материала первого оптоволоконного вывода излучения 3, оптоволоконного смесителя лазерного излучения 4, второго оптоволоконного вывода излучения 6, сваривающего оптоволокна 7, измерительного оптоволокна 13 и визуализирующего оптоволокна 14 позволяет снизить потери проходящего излучения в этих оптоволокнах и обеспечить малое ослабление интенсивности проходящего излучения.
Снабжение предлагаемого устройства трубчатым шлангом 15 для подачи лазерного наноприпоя 16 в место сваривания биоткани 8 позволяет осуществить подачу туда подготовленного лазерного наноприпоя 16 способом, удобным для медицинского персонала, осуществляющего лазерное сваривание биотканей. Содержание в трубчатом шланге 15 механизма программируемого порционного дозирования 17 лазерного наноприпоя 16 позволяет оптимизировать процесс нанесения лазерного наноприпоя 16 на рану и ускорить процесс лазерного сваривания. Комплектное содержание в модуле лазерного наноприпоя 9 сосуда 20 с лазерным наноприпоем 16, сопряженного с трубчатым шлангом 15 и сопряженного с насосом 19, обеспечивает быстроту и надежность нанесения лазерного наноприпоя 16 на место сваривания биоткани 8.
Содержание в модуле лазерного наноприпоя 9 термостата 23, поддерживающего постоянную температуру лазерного наноприпоя 16 в сосуде 20 в диапазоне от 20 до 40°C, с точностью ±0,1°C, обеспечивает сохранение качества и постоянства состава лазерного наноприпоя 16 при подаче его на место сваривания биоткани 8. Содержание в модуле лазерного наноприпоя 9 ультразвукового гомогенизатора 25 лазерного наноприпоя 16 с мощностью в диапазоне от 20 до 100 Вт дает возможность поддержания качества и однородности состава лазерного наноприпоя 16 в различных условиях эксплуатации предложенного устройства.
Электрическое сопряжение измерительного модуля 10 с микроконтроллерным блоком 11 позволяет осуществлять постоянный мониторинг области взаимодействия лазерного излучения со свариваемой биотканью при поддержке оптимальной температуры места сваривания биоткани 8 и смежной биоткани 22 в диапазоне от 40 до 65°C для получения безотказного сварного шва. Содержание в измерительном модуле 10 пирометрического измерителя температуры 23 лазерного наноприпоя 16 в месте сваривания биоткани 8 позволяет поддерживать обратную связь между температурой места сваривания биоткани 8 и интенсивностью его лазерного облучения для различных типов биоткани и состава лазерного наноприпоя 16, тем самым обеспечивая эффективность и безопасность процесса лазерной сварки биоткани и надежность получаемого сварного шва.
Использование тепловизора 24 для контроля процесса лазерной сварки, с анализом вида и геометрических характеристик получаемого сварного шва дает возможность осуществлять постоянный визуальный контроль ИК-излучения, поступающего от нагретого лазерного наноприпоя 16, находящегося в месте сваривания биоткани 8, и подобрать оптимальный режим функционирования основного лазерного излучателя 2. Применение спектрометра 26 позволяет осуществлять контроль спектрального состава излучения, поступающего от нагретого лазерного наноприпоя 16, находящегося в месте сваривания биоткани 8. Это также создает возможность оценки температуры лазерного наноприпоя 16 с целью обеспечения эффективности и безопасности процесса лазерной сварки и получения надежного сварного шва биоткани.
Электрическое сопряжение микроконтроллерного блока 11 с основным лазерным излучателем 2 и пирометрическим измерителем температуры 22 дает возможность осуществления обратной связи между температурой места сваривания биоткани 8 и интенсивностью (мощностью) лазерного облучения места сваривания биоткани 8, с возможностью регулирования мощности излучения основного лазерного излучателя 2 с целью получения надежного сварного шва рассеченной биоткани.
Благодаря новому техническому решению по предлагаемому устройству для лазерного сваривания рассеченных биологических тканей может быть обеспечено их надежное и прочное соединение таких тканей создаваемым сварным швом. Устройство достаточно удобно в эксплуатации и может использоваться без привлечения дорогостоящего специального инженерного обслуживания. Оно пригодно также для широкого применения в медицине и в биологических исследованиях в качестве универсального источника лазерного облучения.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Е.А. Шахно. Физические основы применения лазеров в медицине. - СПб: НИУ ИТМО, 2012. - 129 с.
2. А.И. Неворотин. Введение в лазерную хирургию: Учебное пособие. - СПб: Спецлит, 2000. - 174 с.
3. US Patent 5057099.
4. Patent EP 1958584 A1 - прототип.
5. Патент РФ 2347740.
6. Патент РФ 2425700.