ЛАЗЕРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЛИТОТРИПСИИ

Полезная модель относится к медицинской технике и может быть использована в оперативной урологии, в частности, в литотрипсии при лечении мочекаменной болезни (далее МКБ).
Проблема лечения урологических заболеваний имеет общегосударственную значимость в связи с повсеместной распространенностью и тенденцией последних десятилетий к неуклонному росту заболеваемости. Распространенность заболевания МКБ в странах Западной Европы составляет от 5% до 9%, в Канаде от 8% до 13%, в США от 9% до 12%. Имеющиеся тенденции роста заболеваемости МКБ делают актуальным разработку новых лазерных устройств, отвечающих требованиям современной малоинвазивной эндоскопической хирургии.
Основной задачей, стоящей в данной области техники и на которую направлено данное изобретение, является создание устройства для эффективного и безопасного воздействия на твердые конкременты при литотрипсии в оперативной урологии.
3
4
4
Из существующего уровня техники известна лазерная система с модулируемой добротностью [патент на изобретение US5963575, Muller G. et al., опубл. 05.10.1999] для осуществления литотрипсии с использованием фотоакустического механизма разрушения при фрагментации конкрементов, содержащая квантрон, выполненный на основе активного элемента кристалла Nd:YAlO и ламп накачки, находящийся в функционально-конструктивном единстве с блоком питания ламп накачки, устройствами управления и воздушного охлаждения, а также включающая в себя, оптически связанные, пассивный затвор с нарушенным полным внутренним отражением, волоконную оптическую линию задержки и внерезонаторный преобразователь излучения во вторую гармонику излучения на нелинейном кристалле KTiOPO. Модуляция добротности в оптическом резонаторе осуществляется с помощью пассивного затвора с нарушенным полным внутренним отражением, а преобразование во вторую гармонику осуществляется внутрирезонаторно нелинейным кристаллом KTiOPO. Длительность импульса генерации достигается изменением длины оптического резонатора за счет внесения в него оптической волоконной задержки. Охлаждение активного элемента квантрона осуществляется жидкостным способом за счет реализации непрерывной циркуляции хладагента, поступающего по трубопроводам от холодильной установки, а ламп накачки - принудительно-воздушной конвекцией, обеспечиваемой за счет обдува мощным вентилятором.
В указанной лазерной системе максимальное значение энергии импульса выходного лазерного излучения на дистальном торце оптического волокна равна 120 мДж в соотношении 20 мДж на длине волны излучения второй гармоники 0,532 мкм и 100 мДж на длине волны первой гармоники 1,064 мкм.
Недостатком применения такой лазерной системы с осуществлением лампового способа накачки активного элемента является получение недостаточного значения энергии выходного лазерного излучения двух длин волн для обеспечения эффективной фрагментации камней разной плотности и химического состава, низкая скорость фрагментации конкрементов, большая мощность энергопотребления лампами накачки квантрона оптического резонатора, низкий ресурс ламп накачки, большие массогабаритные характеристики квантрона и оптического резонатора. Следует отметить, что применение в оптическом резонаторе затвора пассивного типа с нарушенным полным внутренним отражением для осуществления модуляции добротности не позволяет увеличить энергию импульса выходного лазерного излучения из-за возникновения риска повреждения оптических элементов и оптоволоконного хирургического инструмента.
4
3
4
Известна лазерная установка [патент на изобретение RU №2315582, МПК: А61В 18/26, опубл. 27.01.2008 г, бюл. №3, ООО «Лазерные технологии в медицине», Бондаренко А.Л., Кочиев Д.Г.] для осуществления литотрипсии с использованием фотоакустического механизма разрушения при фрагментации конкрементов, содержащая два оптически связанных квантрона с лампами накачки активного элемента, находящиеся в функционально-конструктивном единстве с блоком питания ламп накачки, устройствами управления и устройством воздушного охлаждения, а также включающая в себя пассивный затвор с нарушенным полным внутренним отражением, волоконную оптическую линию задержки и внерезонаторный преобразователь излучения во вторую гармонику излучения на нелинейном кристалле KTiOPO. Первый квантрон выполнен на основе кристалла Nd:YAlO с возможностью преобразования импульса выходного лазерного излучение в излучение второй гармоники, второй квантрон - на основе кристалла Nd:YAG с возможностью работы в импульсно-периодическом режиме со средней выходной мощностью лазерного излучения до 100 Вт. Модуляция добротности в оптическом резонаторе осуществляется с помощью пассивного затвора с нарушенным полным внутренним отражением, а преобразование во вторую гармонику осуществляется внутрирезонаторно нелинейным кристаллом KTiOPO. Лазерное излучение первой гармоники необходимо для фрагментации конкрементов, а излучение второй гармоники - для рассечения и коагуляции тканей. Длительность импульса генерации лазерного излучения от 0,5 мкс до 5,0 мкс достигается изменением длины оптического резонатора за счет внесения в него оптической волоконной задержки. Охлаждение активного элемента в каждом квантроне осуществляется жидкостным способом за счет реализации непрерывной циркуляции хладагента, поступающего по трубопроводам от холодильной установки, а ламп накачки - принудительно-воздушной конвекцией, обеспечиваемой за счет обдува мощным вентилятором.
В данной лазерной установке с осуществлением лампового способа накачки активного элемента на выходном дистальном торце оптического волокна оптического резонатора получено максимальное значение энергии импульса выходного лазерного излучения 165 мДж в соотношении 49 мДж на длине волны излучения второй гармоники 0,5396 мкм и 116 мДж на длине волны первой гармоники 1,0896 мкм.
Недостатком применения такой лазерной установки с осуществлением лампового способа накачки активного элемента является низкая эффективность фрагментации конкрементов разной плотности и химического состава из-за получения невысокого значения максимальной энергии как импульса генерации лазерного излучения, так и преобразованной во вторую гармонику части лазерного излучения, низкая скорость фрагментации конкрементов, большая мощность энергопотребления лампами накачки квантронов оптического резонатора, низкий ресурс ламп накачки, большие массогабаритные характеристики квантронов и оптического резонатора.
Следует отметить, что использование пассивного затвора с нарушенным полным внутренним отражением при накачке активного элемента до уровня выше критичного, инициирует образование пичковой структуры на временном профиле импульса генерации выходного лазерного излучения, и, как следствие, модуляция интенсивности, обусловленная такой структурой, при увеличении выходной энергии импульса лазерного излучения ведет к риску повреждения как оптических элементов оптического резонатора, так и волоконного хирургического инструмента.
3
4
Наиболее близким аналогом выбрана лазерная установка [патент на полезную модель RU №95493, МПК: А61В 17/22, опубл. 10.07.2010 г, бюл. №19, Учреждение Российской академии наук Институт общей физики им. A.M. Прохорова РАН (ИОФ РАН), Кочиев Д.Г., Бондаренко А.Л., Щербаков И.А.], содержащая квантрон, выполненный на основе активного элемента кристалла Nd:YAlO и ламп накачки, находящийся в функционально-конструктивном с блоком питания ламп накачки, устройствами управления и воздушно-жидкостными устройством охлаждения, а также включающий в себя активный затвор с нарушенным полным внутренним отражением, волоконную оптическую линию задержки и внерезонаторный преобразователь излучения во вторую гармонику лазерного излучения на нелинейном кристалле KTiOPO, оснащенный системой термостабилизации, включающий в себя термостат, соединенный с микроконтроллером устройства управления. Осуществлена возможность генерации лазерного излучения со значением длительности импульса лазерного излучения от 0,5 мкс до 3,0 мкс и эффективностью преобразования не менее 25%. Длительность импульса генерации лазерного излучения достигается за счет внесения в лазерную установку оптической волоконной линии задержки. Охлаждение активного элемента и ламп накачки квантрона осуществляется с использованием воздушно-жидкостного теплообменника замкнутого цикла, причем охлаждение активного элемента выполняется жидкостным способом за счет реализации непрерывной циркуляции хладагента, поступающего по трубопроводам от холодильной установки, а ламп накачки - принудительно-воздушной конвекцией, обеспечиваемой за счет обдува мощным вентилятором. Измерение и контроль параметров выходного лазерного излучения производится с помощью группы компонентов на основе фотодиодов. В указанной лазерной установке с применением лампового способа накачки активного элемента на выходном дистальном торце оптического волокна оптического резонатора получено максимальное значение энергии импульса выходного лазерного излучения 186 мДж в соотношении 57 мДж на длине волны излучения второй гармоники 0,5396 мкм и 129 мДж на длине волны первой гармоники 1,0796 мкм.
3
Недостатком данной лазерной установки с применением в квантроне оптического резонатора ламп для накачки кристалла Nd:YAlO является невысокая скорость фрагментации, что сильно снижает эффективность фрагментации конкрементов разной плотности и химического состава и больших каменных массивов при лечении коралловидного нефролитиаза, большая мощность энергопотребления лампами накачки, низкий ресурс ламп накачки, большие массогабаритные характеристики квантрона и оптического резонатора, невозможность обеспечения непрерывного режима работы.
Технический результат полезной модели заключается в повышении эффективности и безопасности, а также улучшении эксплуатационных возможностей при одновременном уменьшении массогабаритных характеристик.
3
Указанный технический результат полезной модели достигается тем, что в лазерном устройстве для литотрипсии, содержащем квантрон, выполненный на основе активного элемента кристалла Nd:YAlO, соединенный с устройством охлаждения и блоком питания, управляемыми микроконтроллером, затвор с нарушенным полным отражением, волоконную оптическую линию задержки и внерезонаторный преобразователь излучения во вторую гармонику, выполненный на нелинейном кристалле, новым является то, что в состав квантрона включены лазерные диодные решетки с теплообменником в каждой решетке, объединенные в идентичные модульные линейки для накачки активного элемента по 3-х лучевой схеме, при этом модульные линейки размещены равномерно вокруг цилиндрической поверхности активного элемента и равноудалены от его оптической оси, устройство охлаждения образует вместе с каналами теплообменников и каналом охлаждения активного элемента замкнутый контур жидкостного охлаждения, причем на всех поверхностях деталей квантрона, контактирующих с хладагентом, нанесено коррозионностойкое покрытие.
Влияние отличительных признаков патентной формулы полезной модели на технический результат.
3
Включение в состав квантрона лазерных диодных решеток с теплообменником в каждой решетке и объединенных в идентичные модульные линейки для накачки активного элемента по 3-х лучевой схеме, позволяет исключить высоковольтные схемы зажигания ламп накачки из системы управления и появление фотоиндуцированных центров поглощения в активной среде кристалла Nd:YAlO из-за отсутствия в спектре излучения диодной накачки ультрафиолетовой составляющей, что способствует более надежной работе лазерного устройства, ослабить термоэффекты в активной среде лазера и реализовать стабильность значений параметров лазерного излучения на выходном дистального торце оптического волокна при смене таких режимов работы лазерного устройства как частота следования лазерных импульсов, ток накачки лазерных диодных решеток и средняя мощность выходного лазерного излучения, имеющих важное значение для получения высокоэффективного удвоения частоты и работы оптоволоконного хирургического инструмента, значительно уменьшить массогабаритные характеристики квантрона. осуществить лазерное устройство передвижного типа, увеличить срок эксплуатации лазерного устройства и оптоволоконного хирургического инструмента.
Размещение модульных линеек равномерно вокруг цилиндрической поверхности активного элемента и равноудаленно от его оптической оси, обеспечивает увеличение равномерности пространственного распределения энергии по сечению активного элемента, также позволяет увеличить эффективность накачки активного элемента и снизить мощность потребления элементами накачки - лазерными диодными решетками, что повышает эффективность и эксплуатационные возможности лазерного устройства.
Применение устройства охлаждения, образующего вместе с каналами теплообменников и каналом охлаждения активного элемента замкнутый контур жидкостного охлаждения, позволяет исключить воздушный тип охлаждения элементов накачки, повысить эффективность и стабильность параметров накачки активного элемента модульными линейками лазерных диодных решеток, уменьшить массогабаритные характеристики квантрона, обеспечить неограниченное время работы на лазерном устройстве, что также влияет на вышеуказанный технический результат.
Нанесение коррозионностойкого покрытия на всех поверхностях деталей квантрона, контактирующих с хладагентом, позволяет предотвратить коррозию и старение деталей, что повышает срок службы деталей, а также процесс образования и отложения продуктов самопроизвольного разрушения металлов в хладагенте устройства охлаждения, что минимизирует возможность загрязнения поверхностей пылевлагозащитных покровных стекол, защищающих излучающие области лазерных диодных решеток от внешних воздействий, и кварцевой трубки, изолирующей активный элемент, тем самым позволяя сохранять эффективность светопропускания стекол и кварцевой трубки долгое время, что также влияет на повышение эффективности и эксплуатационных возможностей лазерного устройства.
Полезная модель поясняется далее более подробно на конкретном примере ее осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображены:
- на фиг. 1 - блок-схема лазерного устройства для литотрипсии;
- на фиг. 2 - оптическая схема лазерного устройства для литотрипсии;
- на фиг. 3 - временной профиль импульса пропускания затвора с нарушенным полным внутренним отражением;
- на фиг. 4 - форма импульса выходной лазерной генерации;
- на фиг. 5 - общий вид лазерного устройства для литотрипсии.
Позициями на фигурах обозначены:
1 - сенсорный дисплей,
2 - мини-компьютер,
3 – микроконтроллер,
4 - блок питания,
5 - устройство охлаждения,
6 – термостат,
7 – фотоприемники,
8 - затвор с нарушенным полным внутренним отражением,
9 – квантрон,
10 - активный элемент,
11 - лазерные диодные решетки,
12 – зеркало,
13 - волоконная оптическая линия задержки,
14 – объектив,
15 - поляризационная развязка на основе ромба Френеля,
16 – поляризатор,
17. 18 - поворотные зеркала,
19 – линза,
20 - нелинейный кристалл,
21, 22 – объективы,
23 - выходной дистальный торец оптического волокна,
24 - оптоволоконный хирургический инструмент.
3
4
Как показано на блок-схеме - фиг. 1 и оптической схеме - фиг. 2, лазерное устройство состоит блока питания 4, сенсорного дисплея 1, квантрона 9, в котором накачка активного элемента 10 на базе кристалла NdiYAlO осуществляется лазерными диодными решетками 11, подключенными к блоку питания 4, управляемому микроконтроллером 3. Модуляция добротности лазерного излучения выполняется активным затвором с нарушенным полным внутренним отражением 8, внерезонаторное преобразование лазерного излучения во вторую гармонику осуществляется нелинейным кристаллом 20 на базе кристалла KTiOPO, находящимся в корпусе термостата 6. Модуляция добротности и внерезонаторное преобразование управляется микроконтроллером 3 мини-компьютера 2. Устройство охлаждения 5 обеспечивает циркуляцию хладагента к теплообменникам лазерных диодных решеток 11 и активному элементу 10, изолированному в кварцевую трубку квантрона 9. Термостат 6 твердотельного типа обеспечивает температурную стабилизацию нелинейного кристалла 20 для реализации некритичного по углам синхронизма и управляется микроконтроллером 3 мини-компьютера 2. Измерение и контроль параметров выходного лазерного излучения производится с помощью группы фотоприемников 7. Сенсорный дисплей 1 используется в качестве контрольной панели для управления пользователем работой лазерной установки и видеомонитора для отображения сигнала эндовидеокамеры, обрабатываемого блоком обработки видеосигнала. Блок обработки видеосигнала может не только осуществлять отображение хода вмешательства в реальном времени на экране сенсорного дисплея 1, но и производить запись видеосигнала на внешний портативный жесткий диск, подключаемый с использованием USB-интерфейса. для архивирования или последующего анализа полученных данных.
3
Квантрон 9 собран на базе активного элемента 10 кристалла Nd:YAlO размерами ∅ 6,3×100 мм. В квантроне 9 для накачки активного элемента 10 по 3-х лучевой схеме используют объединенные в идентичные модульные линейки лазерные диодные решетки 11 с теплообменником в корпусе каждой решетки, причем.модульные линейки лазерных диодных решеток размещены равномерно вокруг цилиндрической поверхности активного элемента, а расстояние от излучающих поверхностей лазерных диодных решеток до оптической оси активного элемента составляет 22 мм. В конструкции квантрона 9 для охлаждения теплообменников лазерных диодных решеток 11 и активного элемента 10, помещенного в кварцевую трубку квантрона. дополнительно предусмотрены каналы для подвода хладагента от устройства охлаждения 5, причем на всех поверхностях деталей квантрона. контактирующих с хладагентом, нанесено коррозионностойкое покрытие.
Изменение эффективной длины выполнено за счет установки волоконной оптической линии задержки 13. Согласование апертуры лазерного излучения на выходном торце волоконной оптической линии задержки 13 с апертурой активного элемента 10 выполняется объективом 14.
Возврат излучения, вышедшего из противоположного торца волоконной оптической линии задержки 13, осуществляется зеркалом 12. являющимся задним глухим зеркалом.
2
Далее, поворотные зеркала 17 и 18 служат для уменьшения габаритов лазерного устройства, в то время как линза 19 предназначена для фокусировки излучения на поверхность переднего торца нелинейного кристалла 20. Передний торец нелинейного кристалла 20 представляет собой полированную поверхность без покрытий и служит выходным зеркалом оптического резонатора с коэффициентом отражения R≈7%. Угол фокусировки излучения не превышает ширину углов некритичного синхронизма в нелинейном кристалле 20, а пиковые значения плотности энергии на поверхности нелинейного кристалла не превышают 18 Дж/см, что ниже пороговых значений поверхностного повреждения нелинейного кристалла.
4
Модуляция добротности лазерного излучения первой гармоники осуществляется внерезонаторным преобразованием лазерного излучения во вторую гармонику с некритичным по углу 90°-ым синхронизмом с фокусировкой излучения в нелинейный кристалл 20 на базе кристалла KTiOPO и выполняется затвором с нарушенным полным внутренним отражением 8, расположенным между линзой 19 и нелинейным кристаллом 20. Между активным элементом 10 и торцом волокна волоконной оптической линии задержки 13 установлены поляризационная развязка на основе ромба Френеля 15 и поляризатора 16. Поляризационная развязка 16 служит для подавления генерации, которая может возникать между торцом нелинейного кристалла 20 и торцом волокна волоконной оптической линии задержки 13, препятствуя образованию связанных резонаторов.
Представленные графики временного профиля импульса пропускания затвора с нарушенным полным внутренним отражением 8 до преобразования лазерного излучения во вторую гармонику на фиг. 3 и формы выходного лазерного импульса генерации на фиг. 4, получены при значении энергии импульса выходного лазерного излучения 150 мДж, частоте следования лазерного излучения 50 Гц, токе накачке 108 А лазерных диодных решеток 11. На графике фиг. 3 видно, что временной профиль импульса имеет гладкую временную форму без модуляций, ассиметричную по времени и характерную для лазеров с модулированной добротностью с более коротким передним и затянутым задним фронтом. На графике фиг. 4 видно, что распределение плотности энергии от центра лазерного пятна имеет равномерный характер, без «горячих точек» и провалов, отклонение значения плотности энергии от среднего значения плотности в локальной области пучка составляет не более ±10% и такое же распределение плотности энергии пучка, только уменьшенное в несколько раз, имеет место на входном торце оптоволоконного инструмента.
Оптимальная температура в термостате 6 с нелинейным кристаллом 20 для реализации некритичного по углам синхронизма устанавливается равной 54,0±0,1°С. Далее, система ввода из двух объективов 21 и 22 предназначается для ввода излучения двух длин волн в оптоволоконный хирургический инструмент 24. Объективы 21 и 22 с фокусными расстояниями F=14 мм и F=18 мм соответственно оптимизированы для минимизации сферических и хроматических аберраций для двух длин волн: 1,0796 мкм и 0,5398 мкм. С их помощью изображение пятна лазерного пучка в плоскости выходного зеркала, на торце нелинейного кристалла 20, строится в плоскости входного торца оптоволоконного хирургического инструмента 24, с коэффициентом уменьшения М≈6,7. Диаметр пятна лазерного излучения на входном торце оптоволоконного хирургического инструмента 24 составляет 272 мкм при диаметре кварцевой жилы оптического волокна 300 мкм. Эффективность ввода излучения в оптическое волокно, с учетом потерь на Френелевские отражения на торцах оптоволоконного инструмента и потери на объективах, составляет 91% для излучения с длиной волны 1,0796 мкм и 85% с длиной волны 0,5398 мкм.
Для фрагментации конкрементов при лечении мочекаменной болезни лазерная установка может быть применена следующим образом.
Оптоволоконный хирургический инструмент 24 проводится в рабочий канал хирургического эндоскопического инструмента (например, уретероскопа). В режиме реального времени под прямым визуальным контролем, при отображении процесса вмешательства с помощью эндовидеокамеры на сенсорном дисплее 1, осуществляется контактное воздействие лазерного излучения на поверхность конкремента. В данном исполнении, показанном на чертежах, значение максимальной энергии выходного лазерного излучения в импульсе на выходном дистальном торце оптического волокна 23 с диаметром кварцевой жилы 300 мкм составило 158 мДж в соотношении 53 мДж - энергия лазерного излучения в импульсе на длине волны второй гармоники, 105 мДж - энергия на длине волны первой гармоники, при этом значение длительности импульса выходного лазерного излучения составило 0,94 мкс. При контактном воздействии «in vitro» на конкременты в диапазоне энергии импульса от 120 мДж до 158 мДж были успешно разрушены конкременты разного химического состава и размера.
Результаты проведенных экспериментов на опытном образце лазерного устройства показали, что осуществление в квантроне диодного способа накачки вместо лампового позволило, для получения значения суммарной энергии выходного лазерного излучения лазерного устройства 150 мДж, при частотах следования импульсов 50 Гц или 100 Гц, уменьшить мощность энергопотребления лазерного устройства более чем в 12 раз. Также экспериментально установлено, что при длительностях импульса лазерного излучения менее 0,5 мкс существенно возрастает риск повреждения оптоволоконного хирургического инструмента при доставке излучения к поверхности конкремента, а при длительностях импульса более 1,5 мкс уменьшается эффективность энерговклада в генерацию ударной волны, в результате чего снижается эффективность фрагментации конкрементов, поэтому предполагается, что примененная микросекундная длительность импульса лазерного излучения, генерируемого в лазерном устройстве, является оптимальной с точки зрения надежности и эффективности лазерного устройства.
Вышеуказанные примеры приведены исключительно для лучшего понимания сущности заявленной полезной модели и не может рассматриваться в качестве ограничивающего объем притязаний. Специалисту будут ясны и другие частные случаи осуществления полезной модели, не выходящие за рамки испрашиваемой правовой охраны, определяемой исключительно прилагаемой формулой.
В заключении следует отметить, что в случае применения ламповой накачки активного элемента в квантроне лазерного устройства оказывается очень затруднительно получить приемлемые технические параметры лазерного устройства такие как вес, габариты, тепловыделение в помещении и мощность энергопотребления, удовлетворяющие стандартным требованиям, предъявляемым к медицинским лазерным устройствам такого типа, предназначенным для эксплуатации в помещениях хирургических операционных, а также практически невозможным получить заданные характеристики выходного лазерного излучения при смене режимов лазерного устройства из-за образования вышеупомянутых термоэффектов в среде активного элемента. Поэтому применение диодной накачки в квантроне лазерного устройства сохраняет перспективу по дальнейшему снижению массогабаритных характеристик, повышению эффективности и безопасности лазерного устройства.