СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ ОПРЕДЕЛЕННОЙ ФОРМЫ В ЛИТОТРИПТЕРЕ И ЛИТОТРИПТЕР
METHOD FOR GENERATING SHAPED LASER PULSES IN A LITHOTRIPTER AND A LITHOTRIPTER

Настоящее изобретение относится к способу генерации импульсов определенной формы в литотриптере и к литотриптеру. Такие импульсы могут, например, генерироваться, используя импульсный твердотельный лазер с накачкой. Кроме того, изобретение также относится к способам использования вышеупомянутого способа, описанного импульса и/или вышеупомянутого литотриптера для литотрипсии.
Механизм дробления камней с помощью импульсного твердотельного лазера известен в области литотрипсии. Основной механизм при использовании инфракрасных лазеров в литотрипсии обычно имеет фототермический характер, при этом преобладающим эффектом является термическое разрушение структуры камня при прямом поглощении света и минимальной волне сжатия. Для максимального эффекта лазерное волокно должно находиться в контакте с конкрементами, подлежащими обработке, или вплотную к ним. Типичный лазерный импульс твердотельного лазера с накачкой импульсной лампой, который обычно используется в области литотрипсии, обычно создает крупный, быстро растущий в окружности пузырек пара. Пока растущий пузырек пара не достиг камня, энергия импульса все еще поглощается в воде. После того как пузырек пара сталкивается с камнем, энергия, излучаемая импульсом после этого события, в лучшем случае не поглощается водой, прежде чем достигнет камня, и может полностью поглощаться конкрементом. Когда пузырек пара разрушается, камень отходит от кончика волокна в результате импульса Кельвина. Кроме того, конкремент также перемещается за счет струи абляции, выбрасываемой вследствие сохранения импульса. Выражения «конкремент» и «камень» в данном тексте используются как синонимы.
Например, в работе автора Канг Х.В. (Kang HW) и др. «Зависимость ретропульсии конкремента от длительности импульса при лазерной литотрипсии алюмоиттриевым гранатом (АИГ), легированным гольмием (Ho:YAG)» (Dependence of Calculus Retropulsion on Pulse Duration During Ho:YAG Laser Lithotripsy) показано, что ретропульсия может быть уменьшена путем применения импульсов малой амплитуды, но с увеличенными длительностями импульсов. Однако Канг также показал, что импульсы увеличенной длительности уменьшают объем абляции.
Как описано ранее, во многих способах на современном уровне техники, лишь небольшая часть энергии импульса используется для разрушения камня. В соответствии с уровнем техники в некоторых случаях ретропульсия уменьшена, а также уменьшена эффективность абляции.
Следующие документы предпосылок создания настоящего изобретения включают документ US 5,820,627, автор Розен (Rosen) и др., раскрывающий управление оптической обратной связью в режиме реального времени лазерной литотрипсии, при этом параметры лазерного импульса регулируются в соответствии с измеренной фотоэмиссией накаливания, излучаемой для облученного биологического материала. Лазерные импульсы направляются в заданную область объекта, используя систему доставки.
В документе WO 94/23478, озаглавленном «Лазерная система с модулируемой добротностью, в особенности, для лазерной литотрипсии» (Q-switched laser system, in particular for laser lithotripsy), автор Мюллер (Müller) и др., раскрыта лазерная система с модулируемой добротностью, которая имеет лазерную активную среду в резонаторе, устройство оптической накачки и пассивный переключатель добротности. Кроме того, удлинение резонатора, имеющего оптический волновод, связано с лазерной активной средой с целью увеличения длительности лазерного импульса.
В документе WO 89/10647 раскрыто устройство для генерации лазерных импульсов переменной длительности. Раскрыто устройство, содержащее резонатор, в котором расположен первый кристалл АИГ, легированный неодимом (Nd:YAG) и оптическое уплотнение, выполненное с возможностью переключения, которое функционирует как переключатель добротности. Для увеличения мощности импульса в траектории луча лазера Nd:YAG с незатухающими колебаниями после резонатора и снаружи уплотнения установлен второй кристалл Nd:YAG, который накачивается в импульсном режиме.
Дополнительную информацию о предпосылках настоящего изобретения можно найти, например, в работе «Импульс отдачи на твердотельной поверхности при развитой лазерной абляции» (Recoil momentum at a solid surface during developed laser ablation) (Квантовая электроника (Quantum Electron) 1993; 23: 1035-1038 автор Кузнецов Л.И. (Kuznetsov LI)), а также в работе «Сравнение влияния коэффициента поглощения и длительности импульса излучения 2,12 мкм и 2,79 мкм на абляцию ткани» (Comparison of the effects of absorption coefficient and pulse duration of 2.12 µm and 2.79 µm radiation on ablation of tissue) (Журнал квантовой электроники (IEEE J Quantum Electron) 1996;32:2025-2036, авторы Френц M. (Frenz M), Пратизо X. (Pratiso Н), Кону Ф. (Konu F) и др.). Дополнительные документы предпосылок включают «Бесконтактная абляция тканей с помощью импульсов лазера на иттрий-скандий-галлиевом гранате, легированном гольмием, в крови» (Non contact tissue ablation by holmium YSGG laser pulses in blood) (Лазеры в хирургии и медицине (Laser Surg. Med.) 1991; 11: 26-34 авторы Ван Лиувен Т.Г. (Van Leeuwen TG), Ван дер Вин М. Дж. (van der Veen MJ), Вердасдонк P.M. (Verdaasdonk RM), Борет С. (Borst С.)). Дополнительную информацию можно также найти в работе «Переходные полости вблизи границ» (Transient cavities near boundaries) (Журнал механики текучих сред (J Fluid Mech.) 1986; 170: 479-479, авторы Блейк Дж. P. (Blake JR), Таиб Б.Б. (Taib ВВ), Догерти Г. (Doherty G.)).
В документе WO 2008/024 022 А1 раскрыто устройство лазера, основанное на двух лазерных излучателях. В документе RU 2272660 C2 раскрыт способ лечения пациентов, страдающих от почечнокаменной болезни.
Исходя из указанного уровня техники настоящее изобретение решает проблему генерации лазерных импульсов, которые затем можно использовать, например, для увеличения эффективности способов и систем, используемых в литотрипсии. Таким образом, изобретение также связано с вопросом того, как в целом улучшить способ и систему лечения, используемые для литотрипсии. Изобретение представляет способ в соответствии с п. 1 и литотриптер в соответствии с п. 9 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Импульс, сформированный в литотриптере, в соответствии со способом согласно изобретению, может характеризоваться тем, что, если длительность импульса разделена на четыре (временных) интервала равной длительности, импульс, сформированный согласно способу по настоящему изобретению, излучает меньше, чем 25% полной энергии всего импульса в первом из этих интервалов. Кроме того, максимальная интенсивность импульса достигается впервые во втором, третьем и/или четвертом временном интервале. В частности, она может не быть достигнута в первом временном интервале. Кроме того, интенсивность, достигнутая после начала третьего и/или четвертого интервала, по меньшей мере один раз, такая же или выше, чем максимальная интенсивность, достигнутая во втором интервале. В частности, максимальная интенсивность импульса может, например, быть достигнута во втором временном интервале и остается постоянной при максимальной интенсивности импульса во время третьего, а в некоторых случаях - также части четвертого интервала. В других примерах максимальная интенсивность импульса может быть достигнута лишь в третьем и/или четвертом интервале. Выражение «по меньшей мере один раз» может означать, что указанная интенсивность достигается по меньшей мере за один раз.
В частности, в первом интервале из четырех интервалов равной длительности, на которые разделена длительность импульса, может быть излучено меньше, чем 25%, в особенности меньше, чем 20%, в особенности меньше, чем 15% и в особенности меньше, чем 10%, в особенности меньше, чем 5% всей (полной) энергии импульса. Импульсы современного уровня могут излучать в первом из четырех интервалов равной длительности больше, чем 25% или даже больше, чем 30%, или большую часть всей (полной) энергии импульса. В данном тексте начало импульса может быть определено как момент, когда импульс достиг 10% от своей максимальной (интенсивности) амплитуды. Соответственно, его окончание можно определить как момент после достижения максимальной амплитуды, когда импульс уменьшился до 10% от своей максимальной (интенсивности) амплитуды.
Когда в данном тексте используются выражения «интервалы» или «временные интервалы», эти выражения могут относиться к (временным) интервалам равной длительности и/или (временным) интервалам не равной длительности. Выражение «временное окно» или «окно» может относиться к (временным) окнам равной или не равной длительности; выражения «временной интервал сигнала накачки» и «временной интервал накачки» могут также относиться к (временным) интервалам сигнала накачки равной или не равной длительности.
Способ генерации лазерного импульса определенной формы согласно изобретению может включать несколько предпочтительно последовательных временных окон, которые могут иметь или могут не иметь ту же длительность. Первое временное окно может иметь длительность 150 микросекунд или меньше и, в особенности, оно может иметь длительность 125 микросекунд или меньше и, в особенности, оно может иметь длительность 100 микросекунд или меньше и, в особенности, оно может иметь длительность 75 микросекунд или меньше. В первом окне полная энергия, которая может быть излучена импульсом, может быть меньше, чем 300 миллиджоулей (мДж). Энергия, излучаемая в первом интервале, может быть меньше, чем 30% от полной энергии, излучаемой лазерным импульсом. В особенности, она может быть меньше, чем 25%, в особенности, меньше, чем 20%, в особенности, меньше, чем 15%, или в особенности, меньше, чем 10%, или меньше, чем 5% от полной энергии, излучаемой лазерным импульсом. В частности, энергия, излучаемая в первом окне, может быть меньше, чем 200 миллиджоулей, в особенности, меньше, чем 150 миллиджоулей, в особенности, меньше, чем 100 миллиджоулей, и в особенности, меньше, чем 50 миллиджоулей в некоторых вариантах осуществления.
Во втором окне интенсивность импульса может увеличиваться и/или оставаться постоянной, и в третьем окне интенсивность лазерного импульса может снова уменьшаться. В частности, лазерный импульс может уменьшаться регулируемо и/или плавно и/или быстро в третьем окне, что означает, что время затухания, во время которого лазерный импульс уменьшается от своей максимальной амплитуды интенсивности до 10% от максимальной амплитуды интенсивности менее чем за 200 мкс, в особенности, менее чем за 150 мкс, в особенности, менее чем за 100 мкс или в особенности, менее чем за 50 мкс или за сравнительно более короткое время, чем длительность импульса, в особенности, за менее чем половину или одну пятую или одну десятую длительности импульса. Полное время (длительность) трех окон, длительность импульса (длительность импульса), может быть меньше, чем 2000 микросекунд. В особенности, она может быть меньше, чем 1500 микросекунд, в особенности, меньше, чем 1000 микросекунд, в особенности, меньше, чем 800 микросекунд, в особенности, меньше, чем 600 микросекунд, и в особенности, меньше, чем 500 микросекунд, в особенности, меньше, чем 400 микросекунд, и в особенности, меньше, чем 300 микросекунд. Длительность импульса может быть измерена, начиная с точки, в которой достигнуто 10% от максимальной амплитуды интенсивности во всем лазерном импульсе и, например, оканчивая в точке во времени после того, как достигнута максимальная амплитуда интенсивности, и импульс уменьшился до 10% от максимальной амплитуды интенсивности.
Когда же слово «амплитуда» используется в одиночку, оно обычно относится к амплитуде интенсивности.
Длительность импульса может быть больше, чем 50 микросекунд, в особенности, больше, чем 100 микросекунд, и в особенности, больше, чем 150 микросекунд, или в особенности, больше, чем 200 микросекунд, и в особенности, больше, чем 250 микросекунд.
В таком импульсе в первом временном окне может быть предварительный импульс, который имеет амплитуду, меньшую, чем максимальная амплитуда второго и/или третьего окна, и/или в первом окне может не быть предварительного импульса. Отсутствие предварительного импульса может означать или заключать, что интенсивность импульса определенной формы возрастает до его максимальной амплитуды непрерывно. В некоторых вариантах осуществления интенсивность лазерного импульса начинается и возрастает во время первого окна (самое большее, первые 150 микросекунд) от 10% от максимальной амплитуды, которые считаются началом лазерного импульса, и может вовсе не уменьшаться в первом окне. Это увеличение может быть экспоненциальным или линейным или любой другой формы, в которой может возрастать амплитуда интенсивности. В других вариантах осуществления лазерный импульс возрастает в первом окне более быстро, и достигает максимума. В этом случае амплитуда интенсивности может снова уменьшаться в первом окне, прежде чем она начинает снова увеличиваться во втором окне. Типичная длительность предварительного импульса предпочтительно может быть меньше, чем 100 мкс. Когда амплитуда в первом окне достигает максимума, амплитуда этого пика может быть меньше, чем максимальная амплитуда импульса во втором и/или третьем окне. В особенности, она может быть меньше, чем 80%, в особенности, меньше, чем 50%, в особенности, меньше, чем 35%, или в особенности, меньше, чем 20%, в особенности, меньше, чем 10% от максимальной амплитуды импульса во втором и/или третьем окне.
Такой лазерный импульс определенной формы может быть сгенерирован повторно. Частота генерации таких импульсов может быть меньше, чем 10 килогерц (кГц), в особенности, меньше, чем 500 герц (Гц) и, в особенности, меньше, чем 250 герц (Гц), в особенности, меньше, чем 200 герц (Гц), в особенности, меньше, чем 100 герц (Гц), в особенности, меньше, чем 50 герц (Гц), и в особенности, меньше, чем 10 герц (Гц).
Такой импульс определенной формы может быть особенно полезен в области литотрипсии.
Когда такой импульс используется в области литотрипсии, повреждение конкремента может увеличиваться при увеличении энергии импульса. Поэтому продолжительность лечения может быть уменьшена с помощью использования импульсов с увеличенной энергией. Однако в то же время, например, следует соблюдать осторожность, чтобы к конкременту не подавалась не слишком большая энергия, так как это может привести также к повреждению окружающей ткани.
Амплитуда импульса, генерируемого с помощью способа, описанного ранее, может быть определена, например, путем расчета или регулирования лазера, когда известно, какой должна быть длительность импульса и полная энергия импульса.
2
2
2
2
Отношение максимальной амплитуды интенсивности импульса к длительности импульса (длительности импульса) может быть высоким. При высоком отношении максимальной амплитуды интенсивности импульса к длительности импульса в данном тексте это означает, что предпочтительное отношение максимальной амплитуды интенсивности импульса к длительности импульса для импульса больше 1 ватта (Вт) в секунду на единицу площади лазерного луча, которая измеряется перпендикулярно направлению лазерного луча и покрывается лазерным лучом (площадь лазерного луча), или больше 5 ватт в секунду на единицу площади лазерного луча, или больше 10 ватт в секунду на единицу площади лазерного луча, или, в особенности, больше 50 ватт в секунду на единицу площади лазерного луча, или, в особенности, больше 500 Вт/с, в особенности, больше, чем 5000 Вт/с, в особенности, больше, чем 50000 Вт/с, в особенности, больше, чем 500000 Вт/с, в особенности, больше, чем 1000000 Вт/с, каждый раз рассчитывая на единицу площади лазерного луча. Типичная площадь лазерного луча может быть меньше или около 100 квадратных микрон (мкм), или меньше или около 1000 квадратных микрон, или меньше или около 10000 квадратных микрон, или меньше, чем 1 квадратный миллиметр (мм), или меньше, чем 10 квадратных миллиметров, в особенности, может быть между 10000 (мкм) и 1 (мм).
Как вариант, выраженное независимо от площади лазерного луча отношение максимальной амплитуды мощности импульса к длительности импульса может быть больше 1 Вт/с, в особенности, больше, чем 5 Вт/с, в особенности, больше, чем 10 Вт/с, в особенности, больше, чем 50 Вт/с, в особенности, больше, чем 5000 Вт/с, в особенности, больше, чем 50000 Вт/с, в особенности, больше, чем 500000 Вт/с, и в особенности, больше, чем 1000000 Вт/с.
Импульсы определенной формы могут быть введены в волокно, в частности, в оптическое стекловолокно, и по нему могут подводиться к мишени. Например, при использовании в области литотрипсии отталкивание камня может увеличиваться с диаметром такого волокна. Типичные диаметры волокон, которые могут использоваться для импульсов, которым придана форма в соответствии со способом по настоящему изобретению в литотриптере, а также для литотриптера в соответствии с настоящим изобретением, могут, например, находиться между 200 и 1000 микронами, в особенности, они могут, например, составлять 200 микрон или 400 микрон, или 600 микрон, или 1000 микрон.
Контроль формы импульса в вышеуказанных способах может в некоторых вариантах осуществления выполняться с помощью контроля полной энергии импульса. Это может обеспечить управление импульсами, которые производятся с помощью данного способа, например, за счет контура обратной связи, и поддержания формы импульса после калибровки путем регулирования амплитуды сигнала накачки.
Энергия импульса определенной формы, сгенерированного в соответствии с настоящим способом, может быть больше, чем 1 мДж, в особенности, больше чем 10 мДж, в особенности, больше чем 25 мДж, в особенности, больше чем 100 мДж, в особенности, больше чем 500 мДж, в особенности, больше чем 600 мДж, в особенности, больше чем 800 мДж, и в особенности, больше чем 1000 мДж, и в особенности, больше чем 1300 мДж. Как вариант или в дополнение, она может быть меньше, чем 5000 мДж, в особенности, меньше, чем 4000 мДж, в особенности, меньше, чем 3500 мДж, в особенности, меньше, чем 2500 мДж, в особенности, меньше, чем 2000 мДж, и в особенности, меньше, чем или больше, чем, и/или около 1500 мДж.
Способ может использоваться в системе импульсного твердотельного лазера с накачкой. Он может включать этап накачки лазера сигналом накачки (который может также называться накачивающим сигналом) для генерации импульса системой импульсного твердотельного лазера с накачкой, при этом сигнал накачки включает в себя несколько предпочтительно последовательных временных интервалов сигнала накачки, содержащих по меньшей мере первый интервал сигнала накачки, в котором мощность возрастает, второй интервал сигнала накачки, в котором мощность остается той же самой и/или уменьшается, и третий интервал сигнала накачки, в котором мощность снова возрастает.
С помощью данного способа накачки может быть достигнут импульс, который имеет пониженный или ограниченный, или ликвидированный предпиковый импульс по сравнению с импульсами современного уровня, со сравнимой интенсивностью и/или энергией, и/или эффективностью, и/или более длительным временем нарастания, и/или в котором последняя часть сигнала имеет интенсивности, которые выше, чем выбранная пороговая величина, например, порог разрушения, например, конкрементов, которые могут быть мишенями в вариантах применения, таких как литотрипсия.
Пониженный или ограниченный, или ликвидированный предпиковый импульс по сравнению с импульсами систем современного уровня с такой же максимальной амплитудой интенсивности импульса, может быть результатом сигнала накачки, в котором энергия и/или интенсивность излучаемого накачивающего сигнала во время первого и/или второго интервала сигнала накачки меньше, чем энергия и/или интенсивность, излучаемая сигналом накачки во время или после третьего интервала сигнала накачки. Это может быть вызвано различными максимальными амплитудами интенсивности в тех интервалах сигнала накачки. Это также может быть вызвано накачивающим сигналом, в котором длительность сигнала накачки, излучаемого во время первого и/или второго интервала сигнала накачки, меньше, чем длительность интенсивности (сигнала) накачки, излучаемого во время и/или после третьего интервала сигнала накачки. Это может быть также вызвано сочетанием интенсивности и длительности интервалов сигнала накачки для накачивающего сигнала, который регулируется для конкретного импульса определенной формы.
Регулирование интенсивности и/или длительности накачивающего сигнала в первом и/или втором интервале сигнала накачки по сравнению с интенсивностью и/или длительностью третьего интервала сигнала накачки и/или после него, может использоваться для изменения времени нарастания с небольшим изменением или без него в разрушающей части импульса. Другие варианты осуществления могут включать накачивающие сигналы с такими же максимальными амплитудами в первом и/или втором интервале сигнала накачки, и в третьем интервале сигнала накачки и/или после него.
Вышеупомянутый сигнал накачки может использоваться для генерации импульса системой импульсного твердотельного лазера с накачкой.
В раскрытом выше способе сигнал накачки может содержать четвертый интервал сигнала накачки, в котором мощность уменьшается. Уменьшение во втором и/или четвертом интервале сигнала накачки может быть резким и/или регулируемым, и/или коротким по сравнению с длительностью импульса сигнала накачки. Резкое уменьшение может означать, что накачивающий сигнал падает от максимальной амплитуды интенсивности временного интервала сигнала накачки перед этим (значение максимальной интенсивности, достигнутое ранее во временном интервале сигнала накачки) до 10% от максимальной амплитуды временного интервала перед этим за менее чем 50 микросекунд (мкс), в особенности, за менее чем 25 мкс, в особенности, за менее чем 10 мкс, или в особенности, за менее чем 1 мкс. «Короткий по сравнению с длительностью импульса» может означать, что время затухания меньше, чем половина длительности импульса, в особенности, меньше, чем одна пятая длительности импульса или, в особенности, меньше, чем одна десятая длительности импульса. Когда длительность импульса рассматривается в данном тексте, это, в особенности, может относиться к длительности, в течение которой амплитуда импульса равна или выше, чем десять процентов от максимальной амплитуды импульса. Однако потенциально присутствующий предварительный импульс может не учитываться при определении максимальной амплитуды импульса. Регулирование этой уменьшающейся мощности и/или резкое уменьшение, и/или короткое уменьшение в четвертом интервале сигнала накачки в некоторых вариантах осуществления может иметь то преимущество, что форма затухания лазерного импульса определенной формы может быть изменена. Когда предварительный импульс имеется, уменьшение амплитуды после предварительного импульса может не приниматься во внимание, но длительность импульса может быть измерена от начала предварительного импульса до окончания всего импульса, даже если амплитуда может уменьшаться до более низкого значения, чем вышеупомянутый критерий между ними.
Описанный выше способ может использоваться с системой импульсного твердотельного лазера с накачкой, которая имеет длину волны срабатывания между 1,0 и 3,0 микрон (мкм) или, в особенности, между 1,4 и 2,4 микрон или, в особенности, примерно 2,1 микрон. Такие длины волн могут быть преимущественными, поскольку они находятся в инфракрасной области, и могут быть особенно подходящими для удаления, обработки или абляции определенных типов вещества, между прочим, например, конкрементов. В частности, способ формирования импульса, излучаемого из системы импульсного твердотельного лазера с накачкой, может, например, использовать легированный гольмием кристалл иттриево-алюминиевого граната в качестве вещества, излучающего в оптическом диапазоне. Такой лазер с легированным гольмием кристаллом иттриево-алюминиевого граната в данном тексте будет называться как Ho:YAG лазер.
Сигнал накачки может содержать два или больше накачивающих импульсов. В данном тексте накачивающий импульс может также упоминаться как импульс накачки.
Энергия накачки первого импульса накачки может находиться между 1 джоулем и 500 джоулями. В особенности, она может находиться между 10 джоулями и 100 джоулями и, в особенности, около 50 джоулей.
Система импульсного твердотельного лазера с накачкой может накачиваться с помощью накачивающего излучателя, который может быть импульсной лампой. Придание формы импульс в данном случае может быть выполнено посредством широтно-импульсной модуляции мощности (ШИМ) импульсной лампы. Как вариант, амплитуда накачивающего сигнала может быть модулирована, например, за счет регулирования тока и/или напряжения, используемого для накачивающего сигнала. Такая модуляция может быть выбрана с учетом лазерного импульса, генерируемого в лазере. Накачивающий излучатель может также быть диодом. Диод может быть лазерным диодом, обладающим возможностью излучать свет с длиной волны, необходимой для накачки твердотельной среды, генерирующей в оптическом диапазоне, или с немного меньшей длиной волны. В других вариантах осуществления система импульсного твердотельного лазера с накачкой может накачиваться с помощью двух или большего количества накачивающих излучателей, которые могут содержать две или больше импульсных ламп, или два или больше диодов, или сочетание одной или большего количества импульсных ламп и одного или большего количества диодов. Как описано ранее, диод может быть лазерным диодом, обладающим возможностью излучать свет с длиной волны, необходимой для накачки твердотельной среды, генерирующей в оптическом диапазоне, или с немного меньшей длиной волны. Накачивающий излучатель и/или излучатели могут накачивать систему с помощью излучаемых импульсов, которые могут иметь определенную временную корреляцию. Например, первый накачивающий излучатель может начинать излучение сигнала в течение заранее заданного времени, прежде чем второй излучатель начнет излучать сигнал. Каждый накачивающий излучатель может также излучать сигналы с определенной интенсивностью и/или длительностью, и/или энергией, и/или спектральными свойствами. Интенсивность и/или длительность, и/или энергия, и/или спектральные свойства сигналов, которые могут испускаться одним, двумя или большим количеством накачивающих излучателей в системе, могут быть регулируемыми или заранее заданными для каждого накачивающего излучателя отдельно.
Сигналы, излучаемые накачивающим излучателем или накачивающими излучателями, могут содержать два или больше импульсов (или являться ими), которые могут быть последовательными по времени друг относительно друга, и быть заключенными в отдельных временных интервалах сигнала накачки, или быть заключенными в полностью или частично перекрывающихся временных интервалах сигнала накачки.
Для каждой используемой импульсной лампы, ШИМ может быть использована для накачивающего сигнала или сигналов для влияния на результирующую форму импульса для импульса. Первый накачивающий импульс может иметь длительность между 50 и 500 микросекунд, или в особенности, между 150 микросекунд и 500 микросекунд, или между 100 и 400 микросекунд, или в особенности, между 150 и 350 микросекунд. Кроме того, второй накачивающий импульс может иметь длительность между 100 и 2000 микросекунд или, в особенности, между 100 и 1500 микросекунд, в особенности, между 100 и 1000 микросекунд, в особенности, между 100 и 800 микросекунд, в особенности, между 100 и 600 микросекунд, в особенности, между 100 и 500 микросекунд и, в особенности, между 100 и 400 микросекунд или между 200 и 600 микросекунд, или в особенности, между 300 и 500 микросекунд. Сигнал накачки и/или первый и/или второй накачивающий импульс могут включать и/или состоять из одного или большего количества (например, эквивалента) микроимпульсов. Каждый из микроимпульсов может, например, иметь равную длительность и/или интенсивность с другими микроимпульсами накачивающего сигнала и/или накачивающих сигналов, и/или каждый или некоторые, или все из них, например, могут иметь отличающуюся от одного или от большего количества, или от всех других микроимпульсов накачивающего сигнала и/или накачивающих сигналов длительность и/или интенсивность.
Микроимпульсы могут дополнительно или альтернативно иметь равные и/или отличающиеся интервалы импульсов. Интервал импульса может означать интервал между началом импульса и началом последующего за ним импульса. Таким образом, в настоящем изобретении, все эти интервалы в одном сигнале накачки могут быть равными, или все из них могут быть различными, или некоторые могут быть равными другим в том же сигнале накачки, а некоторые - различными.
Второй накачивающий импульс в некоторых вариантах осуществления может начинаться между 5 и 400 микросекундами или в особенности, между 50 и 150 микросекундами, или в особенности, между 75 и 125 микросекундами, в особенности, между 80 микросекундами и 100 микросекундами после первого накачивающего импульса. В частности, это может означать, что второй накачивающий импульс начинается через описанное количество времени после того, как первый накачивающий импульс уменьшился до 50% и/или 25%, и/или 10% от максимальной амплитуды, достигнутой импульсом, и/или при этом второй накачивающий импульс начинается через описанное количество времени после того, как первый накачивающий импульс достигнет максимальной амплитуды интенсивности. В других вариантах осуществления это может указывать момент, от которого первый накачивающий импульс достигает 10% от максимальной амплитуды.
Импульсы определенной формы, как описано ранее, которые могут, например, быть сгенерированы в системе импульсного твердотельного лазера с накачкой, могут быть созданы с помощью схемы накачки, описанной ранее. В случае лазерного импульса определенной формы, имеющего предварительный импульс, накачивающий импульс в первом и втором интервале сигнала накачки для накачивающего сигнала может быть более длительным, чем в лазерном импульсе, в котором не создается предварительный импульс.
Причиной этого может быть то, что сигнал накачки может (нагревать) увеличивать энергию генерирующего кристалла в первом/втором интервале сигнала накачки для накачивающего сигнала, не достигая порога генерации. Таким образом, (термически) подготовленный кристалл может производить импульс с пониженным или не существующим предпиковым импульсом при накачке сигналом накачки третьего интервала сигнала накачки. Чем длительнее накачивающий импульс в первом и/или втором интервале сигнала накачки для сигнала накачки, тем выше может быть энергия генерирующего кристалла. Следовательно, она может быть близка к порогу генерации и/или даже достигать порога генерации.
Это может создавать (различные) импульсы, которые могут излучаться генерирующей системой по настоящему изобретению.
В некоторых вариантах осуществления, использующих твердотельную генерирующую систему, импульсы накачки должны регулироваться перед использованием, чтобы быть пригодными для системы генерации лазерных импульсов, как описано ранее.
В изобретении, кроме того, создан литотриптер, содержащий лазерную систему, настроенную для излучения лазерного импульса определенной формы, в которой, если длительность импульса разделена на четыре (временных) интервала равной длительности, в первом из этих интервалов излучается меньше, чем 25% от (полной) энергии всего импульса. В особенности, меньше, чем 20%, в особенности, меньше, чем 15%, в особенности, меньше, чем 10% и в особенности, меньше, чем 5% от всей (полной) энергии импульса может излучаться в первом из четырех интервалов равной длительности. Кроме того, лазерная система, составленная таким литотриптером, настроена таким образом, чтобы максимальная интенсивность импульса достигалась впервые во втором, третьем или четвертом временном интервале. В частности, она может не быть достигнута в первом временном интервале. Кроме того, интенсивность, достигнутая после начала третьего и/или четвертого интервала, по меньшей мере один раз, такая же или выше, чем максимальная интенсивность, достигнутая во втором интервале. В частности, максимальная интенсивность импульса может, например, быть достигнута во втором временном интервале, и остается постоянной на максимуме импульса во время третьего, и в некоторых случаях - также части четвертого интервала. В других примерах максимальная интенсивность импульса может быть достигнута лишь в третьем и/или четвертом интервале. Выражение «по меньшей мере один раз» может означать, что указанная интенсивность достигается по меньшей мере за один раз.
В частности, система может быть настроена для излучения лазерного импульса определенной формы, сгенерированного посредством вышеупомянутых способов.
Такой литотриптер и/или лазерная система может быть настроена таким образом, что ее импульс может содержать несколько, предпочтительно последовательных временных интервалов, которые могут иметь одинаковые длительности. Такие временные интервалы могут быть таким же временными интервалами, как те, которые раскрыты в способе генерации импульса определенной формы раньше, относительно импульса определенной формы.
Литотриптер, содержащий лазерную систему и/или лазерная система может быть выполнена или содержать средства, обеспечивающие выполнение одного или большего количества вышеупомянутых способов, и/или выполнена так, чтобы обеспечивать выполнение одного или большего количества вышеупомянутых способов.
В частности, такая лазерная система может быть системой импульсного твердотельного лазера с накачкой для излучения импульса определенной формы, в особенности, импульса, которому придана форма с помощью одного из ранее раскрытых способов. Система может быть выполнена таким образом, что импульс формируется посредством сигнала накачки, содержащего несколько, предпочтительно последовательных временных интервалов сигнала накачки, которые включают по меньшей мере первый интервал сигнала накачки, в котором мощность возрастает, второй интервал сигнала накачки, в котором мощность остается одинаковой и/или уменьшается, и третий интервал сигнала накачки, в котором мощность снова возрастает.
Литотриптер и/или система может быть выполнена таким образом, что может излучать импульс определенной формы, например, импульс, которому придана форма с помощью раскрытых ранее способов.
Литотриптер и/или система может, например, быть выполнена таким образом, что сигнал накачки может содержать четвертый интервал сигнала накачки, в котором мощность уменьшается. Уменьшение во втором и/или четвертом интервале сигнала накачки может быть резким и/или регулируемым, и/или коротким по сравнению с длительностью импульса. Резкое уменьшение может означать, что сигнал (накачки) падает от максимальной амплитуды временного интервала (сигнала накачки) перед этим до 10% от максимальной амплитуды временного интервала (сигнала накачки) перед этим за менее чем 50 микросекунд (мкс), в особенности, за менее чем 25 мкс, в особенности, за менее чем 10 мкс, или в особенности, за менее чем 1 мкс. Максимальная амплитуда временного интервала (сигнала накачки) перед этим может быть максимальной амплитудой, достигаемой во временном интервале (сигнала накачки) перед этим. «Короткий по сравнению с длительностью импульса» может означать, что время затухания меньше, чем половина длительности импульса, в особенности, меньше, чем одна пятая длительности импульса или, в особенности, меньше, чем одна десятая длительности импульса. Длительность импульса может быть измерена, как описано выше, например, между временем, когда импульс достигает 10% от максимальной амплитуды, и моментом, когда импульс падает до 10% от максимальной амплитуды импульса.
В литотриптере и/или системе могут соответственно выполняться один или больше или все этапы, которые были раскрыты ранее относительно способа генерации импульса определенной формы. Поэтому литотриптер и/или система могут быть способны выполнять один или больше, или все этапы способов, описанных ранее, и могут включать в себя части, могущие содержаться в литотриптере и/или системе, которые были описаны в связи со способом генерации лазерного импульса определенной формы в литотриптере, и в которых может быть выполнен описанный выше способ генерации импульса определенной формы.
Кроме того, изобретение представляет способ использования импульсов литотриптера определенной формы, содержащего лазерную систему для литотрипсии. В частности, такая лазерная система может быть системой импульсного твердотельного лазера с накачкой. В данном способе импульсам может быть придана форма в соответствии с описанными выше способами. Данное изобретение также представляет способ использования способа генерирования лазерного импульса определенной формы в литотриптере для литотрипсии.
Эти способы могут быть предпочтительными. Мелкий пузырек пара, который может создаваться с помощью способов или в системе или литотриптере, описанных выше, может при сплющивании иметь меньшее воздействие на конкременты.
В двух описанных выше способах использования описанного выше литотриптера и описанном выше литотриптере, и описанном выше способе генерации лазерных импульсов определенной формы в литотриптере для литотрипсии, пузырек пара, проходящий от волокна к камню, может быть сформирован до окончания импульса, который может испускаться, например, системой импульсного твердотельного лазера с накачкой. В этом случае «перед окончанием импульса» значит, что предпочтительно пузырек пара был в контакте с камнем, и освободил путь для лазерного луча по меньшей мере после двух третей длительности импульса, и/или после одной пятой длительности импульса, и/или одной десятой длительности импульса. Поэтому энергия от части импульса, которая испускается лазерной системой после формирования пузырька пара, может полностью использоваться для дробления конкрементов. Интенсивность предпочтительно может быть выше порога разрушения конкремента.
Перемещение конкрементов при сплющивании пузырька пара может быть уменьшено с помощью описанных выше способов и/или литотриптера, и/или лазерной системы, создавая пузырек при плавном расширении и небольшом и продольном формировании пузырька пара. Кроме того, уменьшение или устранение предпикового импульса также может влиять на пузырек пара, чтобы он плавно расширялся и оставался малым образованием. Всякий раз, когда в данном тексте используется термин «предпиковый импульс», это может относиться к предпиковому импульсу лазерных систем современного уровня техники, который настоящее изобретение может уменьшать и/или устранять, а формулировка «предварительный импульс» может относиться к предварительному импульсу, имеющемуся в некоторых вариантах осуществления импульсов, генерируемых в соответствии с настоящим изобретением.
Некоторые предпочтительные варианты осуществления описаны со ссылками на чертежи. Чертежи включают:
фиг. 1, показывающую иллюстративный пример сигнала накачки;
фиг. 2, показывающую формы импульсов;
фиг. 3, показывающую перемещение камня и уменьшение объема по маятниковой модели.
На фиг. 1 приведен иллюстративный сигнал накачки, который может использоваться в сочетании с импульсным твердотельным лазером с накачкой, и в котором первый импульс имеет длительность 250 микросекунд. После паузы 100 микросекунд испускается второй импульс, который в данном показанном варианте осуществления полностью отделен от первого импульса накачки, и имеет длительность 250 микросекунд. Эти два импульса вместе могут использоваться для создания одного лазерного импульса определенной формы в лазерной системе и/или литотриптере. В других вариантах осуществления, которые здесь не показаны, два импульса могут быть не полностью отделены. В некоторых вариантах осуществления сигнал накачки может быть создан с помощью накачки, используя два различных сигнала накачки и/или используя два или больше частично или полностью перекрывающихся или отдельных сигналов накачки. Это может быть выполнено, например, с использованием двух различных диодов накачки и/или с использованием двух различных импульсных ламп, которые могут иметь различные спектральные характеристики и/или различную или одинаковую мощность, и/или с использованием одного диода для накачки системы и одной импульсной лампы. В вариантах осуществления, содержащих диоды, последние предпочтительно испускают свет с длиной волн, которые имеют подходящую энергию, необходимую для накачки лазерной системы, или испускают свет с немного большей энергией, чем необходимо для накачки лазерной системы. Если энергия света, испускаемого лазерным диодом, была меньше, чем энергия, необходимая для накачки излучающего вещества, накачка не будет достигнута. Если энергия света, испускаемого лазерным диодом, была намного больше, чем энергия, необходимая для накачки излучающего вещества, поглощение может быть неэффективным, снова, возможно, подавляя эффективную накачку материала лазера.
На фиг. 2a приведен пример импульса определенной формы, который может использоваться для литотрипсии и может иметь форму, которая может быть создана способами по настоящему изобретению и/или в литотриптере по настоящему изобретению. Как видно, импульс состоит из малого пикового предварительного импульса 1, который уменьшен или (почти) исключен по сравнению с некоторыми импульсами современного уровня, времени 2 нарастания, во время которого может формироваться пузырек пара, разрушающей части 3 импульса с интенсивностью, которая может использоваться для разрушения камня. В частности, разрушающая часть 3 импульса может обеспечить энергию, необходимую для разрушения конкрементов. Могут использоваться короткие импульсы с высокой максимальной амплитудой. Кроме того, как показано в данном варианте осуществления, импульс по фиг.3 имеет короткое время 4 затухания.
Устраненный или по меньшей мере уменьшенный предпиковый импульс и/или увеличенное время нарастания такого импульса определенной формы может приводить к плавному расширению и образованию мелкого пузырька пара при использовании для применения в литотрипсии. Это значит, что путь для светового луча может быть освобожден и/или, что эффект Моисея (выражение, которое в данном контексте может описывать разделение воды для создания пути к камню для лазерного луча) может быть вызван низкой энергией или по меньшей мере энергией, меньшей, чем энергия, используемая в некоторых системах современного уровня для создания импульсов с такой же энергией и/или интенсивностью, и/или эффективностью. Исследования с помощью высокоскоростных кинокамер показали, что при постоянном расстоянии от кончика волокна до конкрементов, время до достижения пузырьком пара контакта с конкрементами не зависит от полной энергии. Поэтому пузырек пара может создаваться с помощью низкой энергии или по меньшей мере меньшей энергии, чем необходимо во многих системах современного уровня, используя импульсы с такой же максимальной интенсивностью и/или эффективностью. После того как пузырек пара от кончика волокна до камня сформирован, пузырек пара, как правило, не увеличивается последующей частью импульса. Это может быть полезным, так как интенсивность части импульса, которая не поглощается водой, может затем полностью использоваться для абляции конкрементов. Дополнительным преимуществом меньшего пузырька является то, что он приводит к меньшей миграции камня при сплющивании.
Короткое время затухания импульса может быть удобным, например, если импульс должен использоваться для таких применений, как литотрипсия. Когда система используется в литотрипсии, затухание импульса может вызывать плавное сплющивание пузырька воздуха.
На фиг. 2b приведен идеальный импульс в варианте осуществления изобретения, которому придана форма и который может использоваться в литотрипсии. В области 2, когда импульс используется для литотрипсии, подготавливается пузырек пара от кончика волокна до камня. Пузырек пара может плавно расширяться. За интервалом 2 предпочтительно следует интервал 3, в котором энергия может быть использована (почти) полностью для разрушения камня. За этим интервалом предпочтительно следует плавное сплющивание пузырька в области 4. В идеальном импульсе отсутствует предпиковый импульс.
Предпочтительно, если пузырек пара формируется между кончиком волокна до камня, например, в интервале 2 до того, как достигнута максимальная или высокая интенсивность, так как это может вести к минимальной энергии, используемой для образования пузырька. Кроме того, если пузырек пара не полностью сформирован от кончика волокна до камня, часть интенсивности, которая могла бы использоваться для разрушения конкремента, в противном случае была бы поглощена водой, все еще остающейся в пути между кончиком и камнем.
На фиг. 2c приведен иллюстративный импульс, который может использоваться для литотрипсии в системе существующего уровня техники. Как видно, такой импульс, излучаемый импульсным твердотельным лазером с накачкой, имеет очень высокий предпиковый импульс 1, который может быть в несколько раз выше, чем сам лазерный импульс. Данный твердотельный лазер накачивается с помощью импульсной лампы. За этим предпиковым импульсом, как правило, следует короткое время нарастания 2 с возрастающей амплитудой (которое в данном случае едва заметно). Во время предпикового импульса и возрастающей амплитуды 2 в начале импульса создается очень большой и быстро растущий пузырек пара, если данный импульс используется для литотрипсии. Затем импульс имеет пологий участок 3. Поскольку, если импульс используется для литотрипсии, пузырек пара обычно не встречается с камнем для создания пузырька пара для лазерного луча (эффект Моисея), когда достигается пологий участок 3, обычно часть энергии пологого участка 3 поглощается водой. Остальная часть этой энергии может затем поглощаться конкрементом при использовании в литотрипсии. Импульс имеет затухающую часть 4 в конце импульса, во время которого пузырек пара сплющивается. Вследствие этого, как правило, камень отодвигается от кончика волокна под воздействием импульса Кельвина. Чем больше пузырек пара, тем больше может быть импульс Кельвина.
Пузырек пара, который создается импульсом, начерченным на фиг. 2c, обычно большой и быстро растущий, а также быстро сплющивающийся, и обычно приводит к большому перемещению камня.
На фиг. 2d показан иллюстративный импульс в соответствии с изобретением, в котором имеется предварительный импульс. Как видно, имеется предварительный импульс 5 с меньшей интенсивностью, затем основной импульс в интервале 3. Основной импульс в интервале 3 может создавать разрушающую энергию. Этот предварительный импульс может быть ответственным за формирование мелкого пузырька пара. Поскольку энергия, содержащаяся в предварительном импульсе 5, меньше, чем энергия в следующем остальном импульсе, такой пузырек может формироваться при низкой энергии или по меньшей мере энергии, меньшей, чем энергия, используемая в некоторых системах современного уровня техники. После того как пузырек сформировался, и путь очищен (эффект Моисея), остальная интенсивность импульса не поглощается водой, но может быть использована почти полностью для разрушения камня. Энергия интервала 3 может поэтому (почти) полностью использоваться для разрушения. Затухающая часть 4 импульса может быть такой, чтобы это приводило к плавному сплющиванию пузырька пара.
Таким образом, система или способ в соответствии с изобретением может быть более эффективна, чем система или способ современного уровня техники, использующая ту же энергию. Кроме того, меньший пузырек может вызывать меньшую миграцию камня при сплющивании, тем самым еще больше улучшая систему или способ.
На фиг. 3a показано перемещение искусственного камня в воде при наведении импульса 1200 миллиджоулей (мДж) на дальний конец волокна 400 мкм; на фиг. 3b полученное уменьшение объема от лазерных импульсов по фиг. 3a при использовании системы современного уровня техники по сравнению с системой по изобретению или способом для генерации лазерного импульса определенной формы в соответствии с изобретением.
На фиг. 3a можно видеть, что импульс определенной формы с примерно 25% от полной энергии в первом интервале показывает значительно меньшее перемещение камня по сравнению с лазерным импульсом современного уровня техники. В отличие от публикации Канга, в соответствии с фиг. 3b перемещение камня может быть снижено без уменьшения абляции объема.
На фиг. 3b также показано возможное уменьшение объема за счет импульса определенной формы с примерно 15% от полной энергии в первом интервале импульса. Вследствие такого уменьшения приложенной энергии в первом интервале импульса определенной формы по сравнению с 25% от импульса определенной формы, уменьшение объема искусственных камней может быть значительно увеличено по сравнению с импульсом современного уровня техники, при приложении равной энергии к искусственному камню в воде. На фиг. 3a показано результирующее перемещение камня импульсами примерно 15%. Значительно большее перемещение камня 15% лазерным импульсом определенной формы может приводить к значительно большему объему абляции, который увеличивает также импульс за счет струи, выбрасываемой из камня.
Эти различные формы импульсов по изобретению могут улучшить и ускорить лечение конкрементов в живых существах. Формы импульсов с высокой эффективностью абляции могут использоваться при низкой миграции камня, например, при увеличенных конкрементах, или если конкременты внедрены в ткань или в почку, поскольку там меньше пространства для перемещения, или если для предотвращения перемещения конкремента используется корзинчатый катетер.
Формы импульсов, которые приводят к меньшему перемещению камня, но одинаковой эффективности абляции по сравнению с существующим уровнем техники, могут использоваться для меньших конкрементов или фрагментов и, если миграция является проблемой, например, в мочеточнике.
Типичный лазерный импульс определенной формы, генерируемый в соответствии со способом по изобретению и/или в литотриптере, и/или лазерная система в соответствии с изобретением включает в первом из четырех временных интервалов равной длительности менее чем 20% от энергии импульса.
В первом временном окне, которое может иметь длительность около 100 мкс или меньше, и/или в первом временном интервале, имеющем длительность около 25% от длительности импульса, может испускаться менее чем 20% от полной энергии импульса. Лазерный импульс определенной формы может иметь длительность между 200 мкс и 500 мкс и может иметь предварительный импульс с амплитудой, меньшей, чем 50% от максимальной амплитуды, достигаемый во втором или третьем временном окне.
Полная энергия такого импульса может быть больше, чем 500 мДж и/или меньше, чем 4000 мДж.
Типичный сигнал накачки для генерации лазерного импульса определенной формы может включать в себя два импульса накачки. Первый импульс накачки может иметь длительность между 150 мкс и 500 мкс. Второй импульс накачки может иметь длительность между 100 мкс и 500 мкс и может начинаться между 80 мкс и 100 мкс после первого импульса накачки.
Типичный литотриптер, содержащий лазерную систему, может быть выполнен с возможностью излучения лазерного импульса определенной формы в соответствии с описанным выше способом и/или содержит средства для обеспечения выполнения вышеуказанных способов, в особенности, способов с описанными выше параметрами.