КОМПАКТНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ИСТОЧНИК ДЛЯ КОСМЕТИЧЕСКОЙ И ТЕРАПЕВТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ
COMPACT SOLID-STATE LASER SOURCE FOR COSMETIC AND THERAPEUTIC TREATMENT OF BIOLOGICAL TISSUES

Уровень техники
Изобретение относится к лазерной технике в медицине и косметологии, а также в обработке материалов и представляет собой многоцелевое лазерное устройство, предназначенное для проведения косметической и/или терапевтической обработки биологических тканей и различных лечебных мероприятий.
В настоящее время существует огромное количество лазерной техники, использующейся в медицине, косметологии и дерматологии, в частности занимающейся исключительно косметической обработкой, исключительно терапевтической обработкой или же их комбинацией. Например, обработка может включать в себя одно или большее количество следующих действий:
- удаление волос;
- удаление татуировок или другой кожной пигментации;
- обработка видимых капилляров, таких как капиллярная гемангиома или поверхностные вены, розовых угрей (розацеи) и подобных нарушений цвета;
- обработка с целью уменьшения видимых проявлений целлюлита и множества других видов обработки.
Лазерный эффект обнаруживает большое количество различных кристаллов и стекол (несколько сотен), однако реально действующих, нашедших практическое применение, существенно меньше. К их числу относится лазер на кристалле рубина - первый в мире лазер, созданный в 1960 Т. Мейманом (Т. Maiman, США). С помощью которых проводилась эпиляция темных волос на светлой коже, а также удалялись татуировки темного цвета. Длина волны рубинового лазера составляет 694,3 нм. Но они считаются устаревшими и их постепенно вытесняют более современные и безопасные аппараты.
Источник лазерного излучения, предпочтительно, выбирается так, чтобы испускать излучение с предварительно заданной длиной волны, выбираемой в соответствии с характером обработки. В случае лазерной обработки для удаления волос источник лазерного излучения, предпочтительно, имеет длину волны в диапазоне между 750 нм и 850 нм.
Александритовый лазер гораздо более эффективен и безопасен при проведении лазерной эпиляции и удалении веснушек и возрастной пигментации. Длина волны александритового лазера - 755 нм. Такая волна максимально поглощается меланином, но подходит только для светлой кожи (I-III типа) и темных волос.
Неодимовый лазер, в котором активной средой иттрий-алюминиевый гранат, активированный неодимом, генерирует длину волны 1064 нм. Такая длина волны активно поглощается гемоглобином. Именно поэтому неодимовые лазеры эффективны при устранении различных сосудистых патологий. Поглощенная энергия лазерного импульса приводит к нагреванию гемоглобина и запаиванию поврежденных кровеносных сосудов при сосудистых патологиях. Неодимовый лазер эффективен для эпиляции седых и светлых волос, с которыми не могут справиться рубиновый и александритовый.
Удаление татуировок производится неодимовым лазером, так как неодимовый лазер воздействует не на меланин, а на гемоглобин, то для него не имеет значения цвет кожи, потому что он запаивает кровеносные сосуды, питающие волосяные фолликулы, что приводит к их гибели и выпадению волос. С помощью неодима можно удалять некоторые татуировки и лечить грибковые заболевания ногтей.
Эрбиевый лазер отличается от неодимового тем, что вместо неодима иттрий-алюминиевый гранат активируют эрбием. Его длина волны - 2940 нм, которая активно поглощается водой, содержащейся в коже. Эти свойства применяются при лазерном омоложении и шлифовке кожи, а также при удалении различных новообразований.
Широкое применение в науке и технике находят лазеры на основе силикатных и фосфатных стекол с неодимом, генерирующие излучения в области 1,05 мкм. Основное назначение лазеров на основе стекол - это генерация одиночных импульсов большой мощности. Активные элменты из стекла отличаются высоким оптическим качеством, могут иметь большой объем при заданной форме элемента. Лазеры на основе фосфатного стекла с неодимом генерируют самые мощные импульсы генерации.
Исходя из всего вышесказанного становится понятно, что при разработке лазерной техники в медицине и/или косметологии требуется создание либо отдельного лазерного устройства предназначенного для проведения каждой косметической и/или терапевтической обработки биологической ткани, то есть под каждый вид лечебного мероприятия, либо создание достаточно крупной и сложной установки многоцелевого действия, которая будет содержать несколько активных элементов (которые будут находиться в очень сложном техническом взаимодействии друг с другом), чтобы она могла работать в большом диапазоне частот (для разных видов деятельности).
Недостатками первого варианта устройств является то, что они работают только в определенном узком диапазоне длин волн и предназначены только для реализации какого-то одного способа обработки ткани, а устройства второго варианта требуют большого времени (более 35 минут) прогрева и имеют большие габариты, вес и энергопотребление (до 1700 Вт.), а также очень сложны в изготовлении, а значит стоимость их достаточно велика.
Таким образом, существует потребность в мощном, очень компактном и легком устройстве, которое могло бы уместиться в руке оператора, экономичным и простым в изготовлении, а значит надежном и, при этом, такое устройство являлось бы многофункциональным с возможностью выбора спектра излучения.
Изобретение относится к лазерной технике в медицине и косметологии, в частности для проведения лазерных лечебных мероприятий, а также в обработке материалов и представляет собой многоцелевое лазерное устройство.
Известен Nd:YAG - лазер с преобразованием во вторую гармонику, модель QuadroStar 532 компании «Asclepion Laser Technologies GmbH», которая работает на длине волны 532 нм. Лазер содержит сложную оптическую часть и требует довольно серьезного технического обслуживания. Длина волны 532 нм не является оптимальной для определенных видов медицинского и косметологического воздействия на кожу человека, поглощение меланином выше, чем для излучения 578 нм, поэтому следует ожидать меньшего эффекта, в виду большого риска повреждения кожи и образования ее рубцовой деформации.
Известны импульсные лазеры, такие как лазеры на красителях с ламповой накачкой, например, модели ScleroPlus и Vbeam фирмы Candelac длиной волны излучения 585-590 нм, которая использует мощную импульсную дуговую лампу возбуждающую жидкий краситель. Такие системы имеют большие массогабаритные параметры и высокое энергопотребление, кроме того, краситель является органическим, токсичным веществом, а растворитель огнеопасен, что повышает требования безопасности при эксплуатации прибора. Требуется регулярная замена красителя, и, следовательно, эксплуатация лазера обходится довольно дорого. Блоки питания лазеров на красителях работают с высоковольтными напряжениями (от 1,5 до 20 киловольт);
Известна твердотельная лазерная установка с диодной накачкой для лечения сосудистых образований кожи и подкожной клетчатки (патент №2644690, A61N 5/00), содержащая лазер, работающий в желто-зеленом диапазоне длин волн, источник питания, излучатель с системой накачки, систему управления и оптоволоконную систему транспортировки лазерного излучения, при этом установка дополнительно содержит преобразователи излучения в инфракрасную область спектра (1150-1250 нм), генератор второй гармоники или генератор суммарной частоты для преобразования излучения в желто-зеленую область спектра на нелинейных кристаллах и генератор синусоидальных напряжений, при этом излучатель выполнен в виде твердотельного лазера с накачкой полупроводниковым диодом, состоящим из неодимсодержащего активного элемента, полупрозрачного зеркала и размещенного между ними акустооптического затвора, подключенного к генератору синусоидальных напряжений. Недостатками данного устройства является то, что данная установка работает только в желто-зеленом диапазоне длин волн и предназначена только для реализации способа прецизионной селективной лазерной фотодеструкции сосудистых образований кожи и подкожной клетчатки, что лазер требует большого времени (более 35 минут) прогрева и имеет большие габариты, вес и энергопотребление до 1700 Вт.
Наиболее близким известным решением является твердотельный коаксиальный лазер «УНИТРОН» (патент на полезную модель №8171), содержащий однородный или многокомпонентный лазерный стержень. Зеркала резонатора выполнены на торцах кристалла в виде многогранников полного внутреннего отражения, газоразрядную камеру с анодом и катодом, отражатель и систему охлаждения, причем активный элемент впаян в электроды газоразрядной цилиндрической камеры. Которая окружена отражающим слоем и является лампой накачки. Данная полезная модель относится к области твердотельной лазерной техники, конкретнее к компактным твердотельный излучателям и объединяет в единой конструкции активный элемент, зеркала резонатора, лампу накачки и отражатель.
2
7
К недостаткам данного устройства можно отнести тот факт, что мощность применяемого в данной полезной модели непрерывного излучения относительно невысока и не превышает 30 мВт/см, в то время как импульсные лазеры обладают большой мощностью в импульсе (до 10 Вт и выше) при чрезвычайно малой длительности импульса и, вследствие этого, малой средней мощностью за период. Импульсное лазерное излучение характеризуется большей биостимулирующей эффективностью, чем непрерывное. Также для изготовления многогранников, использующихся в качестве зеркал резонатора, требуется дополнительная механическая обработка высокого качества, точности и сложности. Также в конструкции не предусмотрено активное охлаждение активного элемента жидкостью, что не позволяет ей работать в импульсно-периодических режимах с энергией достаточной для обеспечения эффективных термических процессов (абляции, деструкции и т.п.) проходящих в биологических тканях. Конструкция не подразумевает замены активного элемента, значит она может работать только в одном диапазоне частот что полностью исключает многофункциональность данного устройства.
Отличительными характеристиками заявленного устройства являются: - введение конструктивной особенности, которая состоит из двух отверстий одного диаметра (соответствующего диаметру активного элемента), расположенных на разных сторонах фланцев и закрепленных в них муфтах с кольцами, которые снабжены закрепляющими винтами. При необходимости данные винты можно немного ослаблять и, посредством этого, свободно извлекать и заменять активные элементы устройства, что позволяет расширить функциональные возможности данного устройства и сделать его многофункциональным;
- предусмотрено активное охлаждение сразу нескольких элементов устройства одновременно, а именно, активного элемента, лампы накачки и отражателя, что обеспечивает возможность работы устройства длительное времени на частоте до 10 Гц. Одновременно, единый охлаждающий контур для всех элементов способствует уменьшению массогабаритных параметров;
- торцы активного элемента одновременно являются и зеркалами резонатора - это достигается нанесением диэлектрического напыления, что позволяет уменьшить длину излучателя до длины активного элемента и устранить необходимость юстировки резонатора.
При разработке лазерных излучателей для медицины, дерматологии и косметологии необходимо учитывать, что лазер должен обладать минимально возможными массогабаритными параметрами высокой эффективностью и высокой надежностью.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей установки, за счет возможности смены активного элемента без юстировки и замены зеркал резонатора. В качестве активного элемента могут использоваться кристаллы и стекла допированные различными активаторами, что позволяет использовать данную конструкцию для генерации лазерного излучения разной длины волны, а также создание компактного и универсального устройства, в частности, позволяющего встраивать источник в медицинскую манипулу.
Данное изобретение решает задачу создания многофункционального, не юстируемого, компактного, импульсного твердотельного лазера со стабильными характеристиками. Сущность изобретения заключается в том, что твердотельный лазер, содержит активный элемент, резонатор, источник оптической накачки, центрирующие пластины и систему активного жидкостного охлаждения.
Задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей устройства с уменьшением массогабаритных характеристик, а также увеличение выходной мощности и эффективности лазера, что означает, улучшение эксплуатационных возможностей.
Таким образом, технический результат, получаемый при осуществлении описываемого изобретения, состоит в упрощении конструкции прибора и расширении функциональных возможностей за счет универсальной конструкции устройства, которая позволяет свободно и быстро менять активные элементы для каждого определенного воздействия, требующего своего диапазона длины волны, а также в уменьшении массогабаритных параметров путем создания единого активного контура охлаждения и нанесением диэлектрического напыления на торцы активного элемента, что позволяет ему выполнять функцию зеркал резонатора. Все эти факторы способствуют существенному повышению эффективности устройства, повышению удобства эксплуатации и его высокой надежности.
Это достигается тем, что компактный твердотельный лазерный источник, содержащий центрирующие пластины, отражатель с эллиптической отражающей поверхностью, лампу накачки и твердотельный активный элемент цилиндрической формы, за счет своей универсальной конструкции, а именно, введения конструктивной особенности, которая состоит из двух отверстий одного диаметра (соответствующего диаметру активного элемента), расположенных на разных сторонах фланцев и закрепленных в них муфтах с кольцами, которые снабжены закрепляющими винтами, что способствует свободному извлечению и замене активных элементов устройства, что позволяет расширить функциональные возможности данного устройства и сделать его многофункциональным, с введением единого активного охлаждения сразу для нескольких элементов устройства одновременно, а именно, активного элемента, лампы накачки и отражателя, что обеспечивает возможность работы устройства длительное времени на частоте до 10 Гц. и уменьшению массогабаритных параметров за счет нанесения на торцы активного элемента диэлектрического напыления, что позволяет им выполнять функцию зеркал резонатора, а, следовательно, позволяет уменьшить габариты излучателя до размеров активного элемента и устранить необходимость юстировки резонатора, но при этом, введение в устройство центрирующих пластин, которые ориентируют и скрепляют фланцы для обеспечения позиционирования активного элемента по заданной оптической оси и позволяет при необходимости производить дополнительную юстировку активного элемента относительно выносных элементов лазера (линз, телескопов и др. насадок).
Заявленное устройство поясняется рис. 1, на котором изображена конструкция устройства, а именно вид данного устройства в разрезе, и рис. 2, на котором представлено схематическое изображение работы всей системы.
1 - электроды лампы накачки, 2 - активный элемент, 3 - фланец, 4 -отражатель, 5 - центрирующие пластины, 6 - муфта крепления активного элемента, 7 - винты, 8 - канал подачи жидкости, 9 - канал вывода жидкости; 12 - резиновое кольцо (прокладка, уплотнение)
10 - портативный излучатель, 11 - гибкий шланг, 12 - система электрического питания лампы-накачки, 13 - часть системы охлаждения, состоящая из насоса, расширительного бака и радиатора, 14 - лазерное излучение
Данное устройство работает следующим образом:
Лампа накачки (1) служит для создания инверсной населенности в активном элементе (2). Активный элемент крепится в отверстиях фланца (3) и необходим для генерации лазерного излучения. Герметизация и крепление активного элемента производится съемными муфтами (6) и резиновыми кольцами уплотнения (12) с закрепляющими винтами (7), которые либо жестко фиксируют активный элемент в устройстве, либо освобождают его для замены. Таким образом, для расширения функциональности можно использовать различные активные элементы с подходящими геометрическими параметрами.
Отражатель (4) и фланцы (3) образуют замкнутую полость, через которую циркулирует охлаждающая жидкость, подающаяся насосом (13) по длинным, тонким, гибким шлангам (11) через входной канал подачи жидкости (8) и отводится через выводной канал (9) по шлангу (11) до радиатора (13) и дальше по замкнутому кругу. Таким образом, производя быстрое охлаждение одновременно: активного элемента, лампы накачки и отражателя, что обеспечивает возможность работы устройства длительного времени на частоте до 10 Гц.
На торцы активного элемента нанесены диэлектрические зеркала резонатора, что позволяет уменьшить габариты излучателя и устранить необходимость юстировки резонатора.
Данное устройство позволяет устранить юстировку резонатора в принципе, но при необходимости, имеется возможность юстировки активного элемента относительно выносных элементов лазера (линз, телескопов и др. насадок) за счет центрирующих пластин (5), фиксирующихся при помощи винтов, которые ориентируют и скрепляют фланцы (3), что обеспечивает позиционирование активного элемента по заданной оптической оси.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Таким образом, описываемое изобретение представляет собой универсальный, компактный, простой и надежный, многофункциональный прибор, который позволяет эффективно реализовывать различные методы воздействия лазерным излучением на биологические объекты.
Устройство по настоящему изобретению являются эффективным, производительным, экономичным и безопасным для использования в медицине и косметологии, а также в обработке материалов.