ЛАЗЕРНЫЙ ДИССЕКТОР

Настоящее устройство относится к хирургическим инструментам, а именно к лазерным диссекторам и может применяться, как для микрохирургических операций, так и при проведении микробиологических исследований.
Из уровня техники известен лазерный диссектор, содержащий инвертированный микроскоп с моторизованными трансляторами для перемещения объекта, видеокамеру для регистрации изображения объекта, источник лазерного излучения, дисплей для отображения изображения видеокамеры и значений параметров работы блоков лазерного диссектора, процессорный блок (см. международную заявку WO 03/036266 А1, опубликованную 24.10.2001). В рассмотренном аналоге используется азотный лазер с частотой следования импульсов 1-30 Гц длительностью 3 мс на длине волны 337 нм. Основное назначение аналога состоит в вырезании интересующего фрагмента исследуемого материала, например биологической ткани, и его катапультирование в приемное устройство с помощью лазера.
Известный диссектор с миллисекундной длительностью лазерного импульса, несмотря на субмикронную фокусировку лазерного излучения, характеризуется узкой областью применения и большой площадью повреждения - десятки микрометров на объекте.
Предлагаемое решение направлено на устранение указанных недостатков.
Техническим результатом, достигаемым заявленным решением, является расширение функциональных возможностей прибора за счет осуществления лазерного воздействия на биологические объекты, как в режиме in vitro, так и в режиме in vivo, при уменьшении длительности лазерного импульса и, следовательно, термического воздействия на биологический объект.
-8
Для достижения указанного технического результата сконструирован лазерный диссектор, содержащий инвертированный микроскоп с трансляторами для перемещения объекта, видеокамеру для регистрации изображения объекта, источник лазерного излучения, дисплей для отображения изображения видеокамеры и значений параметров работы блоков лазерного диссектора, процессорный блок, причем процессорный блок выполнен с возможностью управления видеокамерой, а также параметрами блока сопряжения, имеющего оптический вход для ввода лазерного излучения от источника и два выхода - на микрообъектив инвертированного микроскопа для лазерного воздействия на биологические объекты в режиме in vitro и на волоконный эндоскоп, оснащенный оптической системой для фокусировки лазерного излучения, для лазерного воздействия на биологические объекты в режиме in vivo, при этом источник выполнен с возможностью генерирования лазерного излучения длительностью не более 10 с.
Источник лазерного излучения может быть выполнен с возможностью генерации наносекундных, пикосекундных или фемтосекундных лазерных импульсов и их комбинации.
Блок сопряжения может быть выполнен с возможностью преобразования основной частоты источника лазерного излучения в излучение второй и третьей гармоник. И обеспечивает одновременное использование лазерного излучения на трех длинах волн.
Кроме того, блок сопряжения может быть выполнен с возможностью управления, посредством процессорного блока, в ручном или автоматизированном режиме, энергией и/или мощностью, расходимостью и пространственным положением лазерного луча относительно выходного зрачка микрообъектива микроскопа.
Также блок сопряжения может быть выполнен с возможностью формирования двух и более лазерных пучков для заведения в микрообъектив микроскопа и управления их параметрами.
Инвертированный микроскоп может быть оснащен одной или несколькими дополнительными видеокамерами.
Трансляторы для перемещения объекта на предметном столике микроскопа могут быть выполнены моторизированными управляемыми с помощью процессорного блока.
Диссектор может быть дополнительно оснащен манипуляторами для управления всеми или частью моторизованных трансляторов.
Волоконный эндоскоп может иметь длину не менее 1 м.
Принципиальная схема связей элементов диссектора показана на фиг.1, где
1 - Узел переключения между выходами: на микрообъектив инвертированного микроскопа и на волоконный эндоскоп
2 - Узел регулировки энергии/мощности лазерного излучения
3 - Узел генерации высших гармоник лазерного излучения
4 - Узел регулировки расходимости лазерного излучения
5 - Узел формирования двух и более лазерных лучей с возможность регулирования их пространственного положения относительно входного зрачка микрообъектива микроскопа
6 - Блок сопряжения
7 - Волоконный эндоскоп
8 - Инвертированный микроскоп
9 - Микрообъектив микроскопа
10 - Трансляторы для перемещения объекта
11 - Видеокамера
12 - Дихроичное зеркало
13 - Лазерный источник
14 - Контроллер управления моторизованными трансляторами
15 - Процессорный блок
16 - Дисплей
17 - Манипулятор
Лазерный диссектор состоит из инвертированного микроскопа 8 с трансляторами 10 для перемещения объекта, видеокамеры 11 для регистрации изображения объекта, источника лазерного излучения 13, дисплея 16 для отображения изображения видеокамеры и значений параметров работы блоков лазерного диссектора, процессорного блока 15, выполненного с возможностью управления видеокамерой, а также параметрами блока сопряжения 6, имеющего оптический вход для ввода лазерного излучения от источника и два выхода - на микрообъектив 9 инвертированного микроскопа для лазерного воздействия на биологические объекты в режиме in vitro и на волоконный эндоскоп 7, оснащенный оптической системой для фокусировки лазерного излучения, для лазерного воздействия на биологические объекты в режиме in vivo. Трансляторы 10 для перемещения объекта на предметном столике микроскопа могут быть выполнены моторизованными.
-8
Источник лазерного излучения генерирует импульсное излучение с длительностью импульса не более 10 с, например, с нано, пико или фемтосекундной длительностью или их комбинацией, позволяющее минимизировать термическое воздействие на биологический объект, уменьшить область лазерного воздействия и, в конечном счете, снизить риск повреждения объекта.
Полученный лазерный луч поступает в блок сопряжения 6. Блок сопряжения формирует требуемые параметры лазерного луча, полученного от источника лазерного излучения 13, для заведения в микрообъектив микроскопа 8 или в волоконный эндоскоп 7 с помощью узла регулировки 2 энергии или мощности лазерного излучения, и узла регулировки расходимости 4 лазерного излучения, а также осуществляет при помощи узла переключения 1 распределение вывода лазерного луча либо в микрообъектив 9 микроскопа (выход 1), либо в волоконный эндоскоп 7 (выход 2). При воздействии на биологический объект может требоваться лазерное излучение коротковолновой области спектра. Для этого в блок сопряжения установлен узел генерации 3 второй и/или третьей гармоники, обеспечивающий на выходе блока сопряжения лазерное излучение второй λ/2 и третьей гармоники λ/3. Применение гармоник позволяет уменьшить размер сфокусированного лазерного излучения на объекте и осуществлять адресное воздействие на биологический объект или его структурную единицу в той области спектра, где поглощение лазерного излучения объектом максимально. При заведении излучения через микрообъектив 9 микроскопа 8 может потребоваться фокусировка лазерного излучения в двух и более точках на объекте, находящихся в пределах поля зрения. Для этого блок сопряжения оснащен узлом 5, обеспечивающим разделение лазерного луча на два и более и управление их пространственным положением. Оси сформированных лазерных лучей не параллельны, а сами лучи при прохождении входного зрачка микрообъектива микроскопа не испытывают виньетирования.
Фокусирующий элемент диссектора (микрообъектив микроскопа или оптическая система эндоскопа) обеспечивает фокусировку лазерного излучения на объекте. Оптическая система эндоскопа 7 закреплена на выходе волоконного эндоскопа и выполнена в виде тубуса. Точка концентрации лазерного излучения находится на расстоянии нескольких сантиметров от торца тубуса. Для манипуляции лазерным излучением пользователь удерживает тубус в руке. В процессе работы диссектора процессорный блок 15 обеспечивает управление всеми моторизованными элементами в блоке сопряжения 6, отвечающими за формирование лазерного излучения с требуемыми параметрами (энергия/мощность лазерного излучения, расходимость) и за переключение между выходами блока сопряжения, включением/выключением лазерного источника 15, моторизованными трансляторами с объектом 10, параметрами видеокамеры/нескольких видеокамер, изображением, отображаемым на дисплее 16.
Входящая в состав лазерного диссектора видеокамера 11 предназначена для регистрации изображения объекта, закрепленного на трансляторах 10 для перемещения объекта. Дополнительная видеокамера закрепляется на свободном порте микроскопа 8. В качестве дополнительной видеокамеры может быть использована видеокамера, отличающаяся повышенной чувствительностью, лучшим пространственным разрешением, формирующая цветное/черно-белое изображение, наличием внешнего запуска, запускающим регистрацию изображения по входящему сигналу и т.д. Все входящие в состав лазерного диссектора видеокамеры имеют цифровой выход и подключаются к процессорному блоку, осуществляющему управление их параметрами (временем экспозиции, коэффициентом усиления и т.д.).
Управление моторизованными трансляторами для перемещения объекта осуществляют через контроллер 14, как с помощью манипулятора 17 типа «джойстик», «мышь» или «трекбол», так и с помощью программного комплекса установленного в операционной системе процессорного блока 15. Единый программный комплекс, установленный в операционной системе процессорного блока, и отображаемый на дисплее, служит для доступа ко всем элементам управления автоматизированными узлами, а также для отображения изображения с видеокамеры 11 в реальном масштабе времени. Программный комплекс обеспечивает как ручное управление отдельными узлами лазерного диссектора, так и автоматизированное. Автоматизированное управление обеспечивается при помощи макросов - последовательностей управляющих команд для различных узлов лазерного диссектора. Примером исполнения макроса может быть движение объекта по заданной траектории с синхронным включением/выключением лазерного источника и управлением параметрами лазерного излучения в блоке сопряжения.
Также управление перемещением объекта может осуществляться в ручном режиме, при помощи не моторизованных трансляторов.
Применение предложенного устройства в режиме in vitro повышает эффективность процедуры оптической трансфекции клеток (в том числе стволовых) и наноинжекции макромолекул, повышает точность диссекции (разрезания) отдельных клеток и точности воздействия на отдельные структурные элементы клетки (субмикронные размеры области повреждения биологического объекта), повышает эффективность слияния клеток (селективная гибридизация), также позволяет осуществлять изоляцию интересующего объекта на срезе ткани, расположенном на препаратодержателе микроскопа и проводить инактивацию отдельных органелл клеток при сохранении жизнеспособности клетки в целом.
Применение предложенного устройства в режиме in vivo обеспечивает широкую область применения, например: бесконтактную диссекцию мягких тканей объекта, в стоматологии - для удаления тканей зуба, пораженных кариесом и для полимеризации материалов используемых при протезировании, в хирургии глаза - для диссоциации плотной ткани роговицы.