Твердотельная лазерная установка с диодной накачкой для лечения сосудистых образований кожи и подкожной клетчатки
DIODE-PUMPED SOLID-STATE LASER DEVICE FOR TREATMENT OF VASCULAR FORMATIONS OF THE SKIN AND SUBCUTANEOUS TISSUE

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для лечения сосудистых образований кожи и подкожной клетчатки.
В настоящее время наиболее перспективным способом лечения доброкачественных сосудистых образований является фотодеструкция лазерным излучением, основанный на селективном фототермолизе [1-2] - избирательном поглощении лазерного излучения пигментом, гемоглобином, с последующей его коагуляцией в тканях сосудистых образований, в дальнейшем их склерозировании и регрессии.
Селективность фототермолиза патологических сосудистых тканей обеспечивает отсутствие повреждения окружающих здоровых тканевых структур, что сочетает радикальность лечения с минимальным травматическим компонентом. Это позволит при лечении данной патологии достичь оптимально возможного хорошего клинического и эстетического результата с отсутствием осложнений общего и местного характера. Анализ работ по изучению комбинированной селективной лазерной деструкции тканей объемных глубоких форм гемангиом и капиллярной поверхностной сосудистой патологии, показал, что лазерное излучение в желто-зеленом диапазоне спектра, вблизи пиков поглощения гемоглобина и оксигемоглобина, является оптимальным для удаления патологических сосудистых проявлений (различных форм ангиодисплазии, «винных пятен», других сосудистых мальформаций, а также сосудистых опухолей гемангиом). В этом случае почти полностью отсутствует повреждение близлежащих здоровых тканевых структур, включая кожу и ее зону роста.
Разработаны требования по выбору оптимальных параметров лазерного излучения. Если параметры подобраны правильно, то компонент ткани, например расширенный аномальный кровеносный сосуд, разрушится селективно, без повреждения окружающей ткани. Для удаления аномальных сосудов кожи, в соответствии с концепцией селективного фототермолиза, необходимо, чтобы длина волны лазера попадала в зеленый или желтый пик поглощения гемоглобина и оксигемоглобина - 540-545 или 575-585 нм, размер пятна от лазерного луча на коже был сравним с диаметром аномальных сосудов, время импульса было меньше или равно времени тепловой релаксации сосудов, мощность лазерного луча должна быть достаточной для коагуляции сосудов.
Поглощение света и глубина проникновения различны и зависят, в первую очередь, от длины волны. Выбирая длину волны, мы можем воздействовать на отдельные структурные тканевые компоненты кожи и подкожной клетчатки. Гемоглобин имеет кривую поглощения с двумя локальными максимумами около 540 и 577 нм. Именно длина волны 577 нм является оптимальной для селективного воздействия на гемоглобин, так как поглощение меланина здесь меньше, а глубина проникновения света в ткань больше, чем в сине-зеленом спектре.
Известны импульсные лазеры, излучающие желто-зеленый свет, такие как лазеры на красителях с ламповой накачкой, например модели ScleroPlus и Vbeam [3] 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, лазер на красителе нуждается в водяном охлаждении, 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);
Известен Nd:YAG - лазер с преобразованием во вторую гармонику, модель QuadroStar 532 компании «Asclepion Laser Technologies GmbH» [4]), 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 селективной коагуляции сосудов, 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 источники света на импульсных лампах (например, Photoderm, Quantum SR фирмы Lumenis [5]. Поставляемые в комплекте фильтры способны убрать только часть излучаемого спектра, все остальные длины волн в диапазоне, например, 550-1100 нм (в зависимости от используемого фильтра), излучаются одновременно. Остальные длины волн, присутствующие в излучении импульсной лампы, производят неконтролируемый и непредсказуемый нагрев тканей пациента. Второй серьезный недостаток IPL состоит в невозможности сфокусировать излучение определенной мощности в достаточно маленькое пятно - типичный размер светового пятна IPL - 8 мм × 35 мм.
Известна лазерная установка на парах меди - модель «Яхрома-Мед» [6] Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, содержащая лазер, работающий в желто-зеленом диапазоне длин волн в диапазоне 511 и 578 нм, включающий источник питания, излучатель с системой накачки, систему управления, и оптоволоконную систему транспортировки лазерного излучения. Установка излучает одновременно две длины волны - 511 и 578 нм (зеленый и желтый свет), с помощью фильтров можно выделить любую из них. Зеленым светом лучше удаляются поверхностные дефекты, например пигментные пятна, желтым - более глубокие образования. Сейчас в России это один из самых популярных аппаратов для удаления сосудистых и пигментных патологий кожи. Установка взята нами в качестве прототипа.
Лазерный луч избирательно поглощается патологическими образованиями кожи, нагревает и разрушает их без повреждения здоровой ткани. Селективность воздействия позволяет получить отличные клинические и косметические результаты. Короткий восстановительный период после лечения и отсутствие побочных эффектов удовлетворят самых взыскательных пациентов. Лечение не требует анестезии. Удобство и простота применения, современный дизайн делают "Яхрому-Мед" незаменимой для использования в косметологических клиниках и медицинских центрах.
Недостатком устройства является то, что в нем используются отпаянные лазерные трубки с невысоким сроком службы (1500 часов - для сравнения срок службы лазерных диодов более 10000 часов). Лазер требует большое время (более 35 минут) прогрева и имеет большие габариты, вес и энергопотребление до 1700 Вт. Блоки питания лазеров на парах меди работают с высоковольтными напряжениями (от 1,5 до 20 киловольт) и являются мощным источником СВЧ излучения.
Последние достижения в физике твердотельных лазеров связаны с разработкой и исследованием полупроводниковых лазерных диодов и лазеров с диодной накачкой.
Задача предлагаемого изобретения заключается в создании устройства, работающего в желто-зеленом диапазоне длин волн и предназначенного для реализации способа прецизионной селективной лазерной фотодеструкции сосудистых образований кожи и подкожной клетчатки у пациентов детского возраста и взрослых.
Техническим результатом решения поставленной задачи является разработка твердотельного лазера с диодной накачкой, обладающего высокой стабильностью излучения при малых массогабаритных параметрах, с низким энергопотреблением и длительным сроком службы.
3+
3+
2
4
Сущность устройства заключается в том, что в предлагаемом устройстве - твердотельном лазере с диодной накачкой, используют кристалл алюмината иттрия YAP:Nd, который обеспечивает работу с длиной волны 1080 нм, что позволяет реализовать длину волны лазерной генерации в зеленой области спектра, близкой к оптимальной и равной 540 нм. Кроме того, в предлагаемом устройстве используют кристалл форстерита MgSiO:Cr, который обеспечивает работу с длиной волны 1150-1250 нм, что позволяет реализовать длину волны лазерной генерации в желтой области спектра, близкой к оптимальной и равной 577 нм. Также используют нелинейные кристаллы LBO, КТР или PPLN с угловой или температурной перестройкой угла синхронизма для получения либо генерации второй гармоники либо генерации суммарной частоты с целью внутри резонаторного преобразования излучения в зеленую (540 нм) или желтую (577 нм) область спектра соответственно.
3+
Лазерная медицинская установка, работающая в желто-зеленом диапазоне длин волн, согласно изобретению, содержит твердотельный лазер с длиной волны 1080 нм, включающий источник питания, излучатель с системой накачки, систему управления, внутрирезонаторный преобразователь излучения в инфракрасную область спектра (1150-1250 нм) и внутрирезонаторный генератор второй гармоники или генератор суммарной частоты с целью преобразования излучения в желто-зеленую область спектра (540-580 нм) на нелинейных кристаллах и оптоволоконную систему доставки лазерного излучения, дополнительно содержит активный акустооптический затвор, а излучатель выполнен в виде твердотельного лазера с накачкой полупроводниковым диодом, состоящего из неодимсодержащего активного элемента, выполненного в виде кристалла алюмината иттрия YAP:Nd, полупрозрачного зеркала и размещенного между ними активного акустооптического затвора.
Предлагаемое устройство поясняется конкретным примером его выполнения.
На Фиг. 1 представлена блок-схема лазерной медицинской установки, работающая в желто-зеленом диапазоне длин волн для лечения сосудистых образований кожи и подкожной клетчатки, согласно изобретению, на которой: 1 - микропроцессорная система управления, 2 - твердотельный лазерный источник, 3 - блок питания твердотельного лазерного источника, 4 - блок питания акустооптического затвора, 5 - блок термостабилизации твердотельного лазерного источника, 6 - блок термостабилизации преобразователя излучения в инфракрасную область спектра (1150-1250 нм), 7 - блок термостабилизации генератора суммарной частоты, 8 - устройство волоконной транспортировки лазерного излучения.
На Фиг. 2 представлена схема твердотельного лазерного источника 2, на которой: 9 - лазерный диод; 10 - термохолодильник Пельтье; 11 - объектив; 12 - входное зеркало резонатора; 13 - активный элемент; 14 - термохолодильник Пельтье; 15 - акустооптический модулятор добротности; 16 - активный элемент инфракрасного преобразователя; 17 - термохолодильник Пельтье; 18 - возвратное зеркало резонатора; 19 - генератор второй гармоники или суммарной частоты; 20 - термохолодильник Пельтье; 21 - выходное зеркало резонатора; 22 - радиатор; 23 - линза; 24 - волоконный световод.
3+
В схеме использовалась диодная накачка с волоконным подводом излучения. Активный элемент YAP:ND-лазера помещался вблизи глухого зеркала, через которое осуществлялась накачка. Излучение накачки фокусировалось в активном элементе в пятно радиусом ~100-300 мкм. Резонатор образован зеркалами 12 и 21.
Для активной модуляции добротности лазера использовался акустооптический модулятор МЛ-321, торцы которого были просветлены для длины волны генерации 1,06-1.125 мкм. Управление модулятором осуществлялось генератором синусоидальных напряжений ГСН 50-30 и с максимальной мощностью высокочастотного сигнала 30 Вт.
3+
3+
1
3
2
3
5
4
3
Излучение YAP:Nd-лазера частично преобразовывали внутри резонатора (зеркала З-З) в излучение инфракрасной области спектра (1150-1250 нм) с помощью кристалла форстерита MgSiO4:Cr, находящегося в том же резонаторе. Далее излучение на двух длинах волн преобразуется внутри резонатора в нелинейном кристалле трибората лития (LiBO)LBO или титанил-фосфата калия (KTiOPO) KTP или кристаллы ниобата лития с доменной структурой (LiNbO) PPLN. Угловая или температурная перестройка угла синхронизма в нелинейных кристаллах позволяет реализовать либо преобразование во вторую гармонику либо в излучение суммарной частоты.
3+
3+
2
3
5
4
3
1
3
2
Использовали кристаллы алюмината YAP:Nd размерами 4×4×12 мм с атомной концентрацией ионов неодима 0.9%. Лазерный кристалл был вмонтирован с индиевой фольгой в медный блок, охлаждаемый термохолодильником Пельтье. Для накачки использовали линейки лазерных диодов с волоконным выводом. Лазерный диод монтировали на микрохолодильнике Пельтье и стабилизировали по температуре с точностью ±0.1°С. Охлаждение микрохолодильника воздушное с помощью радиатора и вентилятора. Для преобразования излучения в инфракрасную область спектра (1150-1250 нм) использовали кристалл форстерита MgSiO4:Cr (размерами 3×3×15 мм). Кристалл монтировали на микрохолодильнике Пельтье и стабилизировали по температуре с точностью ±0.1°С. Для преобразования излучения во вторую гармонику, либо в излучение суммарной частоты, использовали нелинейные кристаллы трибората лития (LiBО)LBO или титанил-фосфата калия(KTiOPO)KTP или кристаллы ниобата лития с доменной структурой (LiNbO)PPLN, размещенные непосредственно перед выходным зеркалом лазера. Кристалл монтировали на микрохолодильнике Пельтье и подстраивали по температуре с точностью ±0.1°С или по углу для реализации либо преобразования во вторую гармонику либо в излучение суммарной частоты. Резонатор лазера был образован глухим плоским зеркалом З (диэлектрическое покрытие с высоким отражением на длину волны 1064-1250 нм и с просветлением на длину волны излучения накачки 808 нм) и плоским выходным зеркалом З (диэлектрическое покрытие с высоким отражением на длину волны 1064-1250 нм и с просветлением на длину волны 540-580 нм). Зеркало З (диэлектрическое покрытие с высоким отражением на длины волн 540-580 нм и с просветлением на длины волн 1064-1250 нм) служит для возврата желто-зеленого излучения при преобразовании в другую сторону в нелинейном элементе. Для повышения эффективности системы использовали импульсный режим работы лазера, т.е. режим активной модуляции добротности лазера с использованием акустооптического модулятора МЛ-321. Излучение с длинами волн 1064 и 1250 нм после преобразования в желто-зеленую область (540-580 нм) фокусируется линзой на входной торец волоконного световода, транспортируется по нему и доставляется в операционную область.
Предлагаемое устройство - лазерная установка для лечения сосудистых образований кожи и подкожной клетчатки у взрослых и детей, работает следующим образом.
3+
Согласно командам микропроцессорной системы 1 управления производится подготовка твердотельного лазера, заключающаяся в достижении необходимой температуры на лазерном полупроводниковом диоде 9, на активном элементе 13, преобразователе 16, нелинейном элементе 19. Блок термостабилизации лазерного диода 10 поддерживает заданную температуру диода 9 для его подстройки на длину волны излучения, соответствующую длине волны линии поглощения в активном элементе 13 (неодимсодержащие кристаллы Nd:YAP). Низковольтный источник тока 3 запитывает лазерный диод 9. Излучение с твердотельного лазера подается сначала в преобразователь 16 и затем в нелинейный элемент 19.
Система 1 управления обеспечивает необходимый диапазон экспозиций облучения лазером от 0 до 20 мин. Непрерывное излучение накачки поглощается в активном элементе 13, в результате формируется инверсная населенность. Излучение формируется в резонаторе лазера 2, образованном зеркалами 12 и полупрозрачного зеркала 21. Активный акустооптический затвор 20 обеспечивает модуляцию излучения лазера 2, что позволяет повысить пиковую мощность излучения лазера 2. Высокая плотность падающего излучения позволяет обеспечить хорошие условия для внутрирезонаторного преобразования излучения в инфракрасную область спектра.
Далее излучение на двух длинах волн проходит через нелинейный кристалл 19, который преобразует излучение во вторую гармонику либо в излучение суммарной частоты (длина волны 540 нм или 577 нм). Излучение после преобразования 8 фокусируется линзой 23 на входной торец волоконного световода 24, транспортируется по нему и доставляется в операционную область к объекту воздействия.
Твердотельные лазеры с диодной накачкой обладают большими преимуществами перед газовыми и твердотельными лазерами с ламповой накачкой. Они могут работать в различных режимах генерации, обеспечивая высокие КПД, обладают высокой стабильностью излучения при малых массогабаритных параметрах, имеют низкое энергопотребление и высокий срок службы. Используется только низковольтное питание, что обеспечивает безопасность обслуживающего персонала и пациентов.
Предлагаемая твердотельная лазерная установка с диодной накачкой может быть использована для лечения сосудистых образований кожи и подкожной клетчатки.
Для подтверждения селективности фотодеструкции гемоглобин содержащих тканевых структур лазерным излучением предлагаемой установки были проведены медико-биологические экспериментальные исследования на биологических моделях.
Сначала в качестве биологических моделей были использованы охлажденные образцы печени и кожи мини-свиней светлогорской популяции. На образцы воздействовали точечным лазерным излучением с длиной волны 577 нм. При одинаковых параметрах воздействия лазерного излучения на коже отмечали минимальное термическое повреждение в виде небольшой элевации кожи округлой формы со слегка заметным углублением в центре (Фиг. 3), тогда как на печени отмечена выраженная термическая деструкция в виде кратера с ободком из коагулированных тканей (Фиг. 4). Показано, что кожа пропускает значительную часть лазерного излучения, которое, попадая на печень, оказывает видимое термическое повреждение. Пример подтверждает селективность поглощения используемого лазерного излучения печенью, содержащей значительно большее количество гемоглобина, по сравнению с кожей.
Затем в качестве биологической модели сосудистых структур были использованы гребешки живых белых кур. Анестезиологическое пособие: препарат Золетил на 100 мг веса 0,01 мл разведенного по инструкции для внутримышечного введения. Режимы воздействия: длина волны постоянная, реализуемая установкой, мощность постоянная 3 Вт, длительность лазерного импульса 2 мс; 5 мс и 10 мс, время экспозиции 5 мс.
На гребешки воздействовали точечно и в режиме сканирования при одних и тех же заданных параметрах лазерного излучения. Светлые зоны образовались сразу после воздействия при небольшой длительности импульса 2 мс и 5 мс (Фиг. 5). Более выраженные термические изменения были отмечены после воздействия большей длительности импульса 5 мс и 10 мс (Фиг. 6). Через 30 суток светлые зоны сохраняются при большей длительности импульса 5 мс и 10 мс, деформации кожи нет (Фиг. 7). Также через 30 суток светлые зоны остаются заметными и при меньшей длительности импульса 2 мс и 5 мс, деформации кожи нет (Фиг. 8). Кожные покровы при этом не подвергаются деформирующим изменениям. Хороший стойкий эффект белого цвета в зонах лазерного воздействия связан с селективной коагуляцией белка гемоглобина, запустеванием и рубцовой организацией сосудистых структур гребешков кур.
Экспериментальные исследования подтверждают селективность поглощения используемого лазерного излучения гемоглобином, содержащимся в сосудистых структурах гребешков, и минимальным поглощением структурами кожи на их поверхности.
Таким образом, заявляемое устройство, работающее в желто-зеленом диапазоне длин волн, после проведения клинических исследований в установленном порядке, целесообразно использовать как способ прецизионной селективной лазерной фотодеструкции сосудистых образований кожи и подкожной клетчатки у пациентов детского возраста и взрослых.
Литература
1. Anderson R.R., Parrish J.A. Microvasculature Can Be Selectively Damaged Using Dye Lasers: A Basic Theory and Experimental Evidence in Human Skin. Lasers Surg Med 1981, 1: 263.
2. Anderson R.R., Parrich J.A. Selective phototermolysis: precise microsurgery by selective absorption of pulsed radiation. Science. 1983; 220: 524-527.
3. http://candela-laser.ru/catalog/vbeam.html
4. http://asclepion.com/asclepion_product/quadrostar-pro-green/
5. http://www.lumenis.com
6. Ключарева С.В., Пономарев И.В. Выбор лазерного аппарата при лечении сосудистых дефектов кожи. - "Вестник Эстетической Медицины", 2004, №4 том 1, стр. 22-28.