Устройство для внутриполостной фокусировки светового пучка при фотодинамической терапии внутренних органов
APPARATUS FOR INTRACAVITARY FOCUSING OF A LIGHT BEAM IN PHOTODYNAMIC THERAPY OF INTERNAL ORGANS

Изобретение относится к медицинской технике, а более конкретно к средствам фотодинамической терапии (ФДТ). Фотодинамическая терапия является методом лечения пораженных органов за счет совместного применения света и специальных препаратов, вызывающих фотосенсибилизацию синглетного кислорода, атомы которого разрушают пораженные клетки. Эти препараты обычно называют фотосенсибилизаторами.
Известно устройство для ФДТ (RU 86432, А61В 5/06, 10.09.2009), содержавшее установленный в корпусе облучатель, выполненный в виде блока светодиодов с различными спектрами излучения, который имеет автономную охлаждающую систему, блок питания с выходным напряжением 12 В и блок управления, при котором светодиоды дают излучения с длинами волн 380-420 нм; 490-530 нм и 620-680 нм, что позволяет выполнять различные задачи в ФДТ при варьировании глубины проникновения излучения в биологическую ткань пациента.
Известно универсальное лазерно-диодное медицинское устройство (RU 2687568, А61N 5/067, 15.05.2019), которое содержит лазерный и диодные излучатели с длинами волн в инфракрасном 1255-1275 нм и оптическом 660 нм диапазонах. Устройство способно работать в непрерывном и импульсно-модулированном режимах.
Недостатками названных устройств являются узость светового пучка и, как следствие, низкая проникающая способность излучения в биологическую ткань пациента, которая составляет несколько миллиметров.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является устройство для фото динамической терапии гнойных ран (RU 181767, A61N 5/06, 26.07.2018), обеспечивающее лазерную обработку пораженных органов, при одновременном формировании широкого светового пятна на облучаемом пораженном органе. Устройство содержит лазер как источник когерентного светового излучения, где световой канал выполнен в виде двух оптически сопряженных зеркал, совершающих угловые колебания во взаимно перпендикулярных плоскостях. Устройство обеспечивает построчную развертку луча лазера, формируя большое по площади растровое пятно с возможностью изменения его размеров и интенсивности облучения, что достаточно для лечения больших по размерам, но неглубоких ран на мягких эпителиальных тканях, находящихся близко к поверхности тела пациента.
Недостатком данного устройства является узкая область применения. Когда пораженные ткани образуются на органах, находящихся глубоко внутри тела пациента, световое воздействие на них становится невозможным без предварительного проведения полостных операций.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей ФДТ с обеспечением неинвазийного воздействия света на пораженные ткани, находящиеся на внутренних органах пациента.
Технический результат достигается тем, что устройство для внутриполостной фокусировки светового пучка при фотодинамической терапии внутренних органов, содержащее источник электромагнитного излучения, снабженный системой охлаждения и создающий световой канал, обеспечивающий формирование светового пятна на пораженном органе, и соединенный с блоком управления световым пятном, дополнительно содержит элемент, фокусирующий световое пятно на тканях пораженного органа внутри тела пациента.
Элемент, фокусирующий световое пятно на тканях пораженного органа внутри тела человека, может быть выполнен в виде полой камеры с зеркально отражающей внутренней поверхностью, имеющей форму вытянутого двуосного эллипсоида, усеченного плоскостью, перпендикулярной его большой оси и построенной между геометрическим центром эллипсоида и одним из фокусов, тогда как источник электромагнитного излучения жестко фиксирован в другом фокусе.
Элемент, фокусирующий световое пятно на тканях пораженного органа внутри тела человека, может быть выполнен в виде собирающей линзы, прозрачной в инфракрасном и оптическом диапазонах.
В этом случае устройство дополнительно содержит светофильтры, прозрачные для интервалов длин волн, необходимых по условиям медицинского применения ФДТ.
Система охлаждения может быть выполнена, например, в виде тепловой трубы, содержащей испаритель и конденсатор, образующий замкнутый объем заполненной легколетучей жидкостью с низкой температурой кипения.
Устройство для внутриполостной фокусировки светового пучка при фотодинамической терапии внутренних органов поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан вариант устройства, в котором элемент, фокусирующий световое пятно на тканях пораженного органа внутри тела человека, выполнен в виде камеры с зеркально отражающей внутренней поверхностью, а на фиг. 2 этот элемент выполнен в виде собирающей линзы.
1
2
По первому варианту своего изготовления устройство для внутриполостной фокусировки светового пучка при фотодинамической терапии внутренних органов, включает элемент, фокусирующий световое пятно на тканях пораженного органа внутри тела человека, выполненный в виде камеры 1, полой внутри и имеющей зеркально отражающую внутреннюю поверхность 2. Форма камеры 1 является вытянутым эллипсоидом вращения с двумя фокусами А и В, расположенными на большой оси а'а'' эллипсоида на равных расстояниях ƒ и ƒ от его геометрического центра С.
Камера 1 усечена плоскостью 3, которая проходит между фокусами A и В перпендикулярно большой оси а'а''. В фокусе А камеры 1 жестко фиксируется источник электромагнитного излучения 4, например, блок светодиодов. Фокус В находится, за плоскостью 3, т.е. вне камеры 1.
Пациент 5 укладывается на подвижный стол 6, расположенный под камерой 1. Подвижный стол 6 имеет возможность горизонтального и вертикального перемещения. Внутри тела пациента 5 на глубине l от его кожного покрова находится пораженный орган 7 с злокачественной опухолью.
Местоположение пораженного органа 7 пациента 5 устанавливается блоком диагностики 8, входящим, например, в систему ультразвукового исследования. Источник электромагнитного излучения 4 имеет соединение с блоком управления световым пятном 9, обеспечивающим управление мощностью и временем работы источника электромагнитного излучения 4.
Источник электромагнитного излучения 4 снабжен системой охлаждения, которая может быть выполнена, например, в виде тепловой трубы. В этом варианте система охлаждения имеет испаритель 10 и конденсатор 11, в которых воздух и пары жидкости находятся при пониженном давлении. Испаритель 10 заполнен летучей жидкостью 12, кипящей при температуре около 50°С (П. Дан, Д. Рей. Тепловые трубы. - М.: Энергия, 1979. - С. 10-11).
Источник электромагнитного излучения 4 имеет соединение с источником питания 13, обеспечивающим необходимые условия работы его светоизлучающих элементов, т.е. с возможностью перехода от стандартного напряжения сети 220 В на напряжения 12 В, 5 В и 3,3 В, он также имеет возможность работать от аккумулятора.
По рассмотренному варианту, камера 1 может быть изготовлена, например, из штампованного медного листа, с последующим шлифованием и полированием его поверхности до четырнадцатого класса чистоты.
Камеру 1 можно также изготовить литьем из стекла, с последующим нанесением на ее внутреннюю поверхность слоя ртутной амальгамы.
Источник электромагнитного излучения 4 может быть выполнен в виде, например, матрицы светодиодов, полупроводниковых лазеров, или представлять собой лампу накаливания большой мощности. Всем этим обеспечивается получение необходимого спектра длин волн падающего излучения. Выбор того или иного диапазона длин волн обеспечивается блоком управления световым пятном 9 источника электромагнитного излучения 4.
Во втором варианте изготовления устройства для внутриполостной фокусировки светового пучка при фотодинамической терапии внутренних органов элемент, фокусирующий световое пятно на тканях пораженного органа внутри тела человека, может быть выполнен в виде собирающей линзы 14, двояковыпуклой или плосковыпуклой, прозрачной для оптического диапазона и ближних к нему участков ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов. Такая собирающая линза 14 может быть изготовлена, например, из кристаллов фтористого лития LiF.
Собирающая линза 14 помещается в защитном корпусе 15, исключающем загрязнение поверхности собирающей линзы 14, попадание на нее водяных капель и воздействие различного вида ударов. Прочие элементы устройства остаются такими же, как и в первом варианте его исполнения.
Устройство для внутриполостной фокусировки светового пучка при фотодинамической терапии внутренних органов работает следующим образом. Перед медицинской процедурой пациент принимает лекарственный препарат, являющийся фотосенсибилизатором, активность которого резко возрастает при воздействии светового излучения, и который способен накапливаться в пораженном органе 7 до необходимой терапевтической концентрации.
Известно, что электромагнитное излучение оптического, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов может проникать на некоторое расстояние l в биологическую ткань тела человека, уменьшаясь по своей интенсивности. Ослабление пучка света возникает, как из-за рассеяния, так и поглощения энергии излучения биологической тканью человека.
Интенсивность излучения, прошедшего через биологические ткани на глубину l, удовлетворяет закону Бугера-Ламберта:
0
2
где I - начальная интенсивность излучения, падающего на поверхность биологической ткани, Вт/м; α - натуральный коэффициент поглощения среды для узкого пучка падающего излучения, 1/м.
Величина, обратная коэффициенту поглощения  называемая, проникающей способностью излучения, определяет расстояние, на котором интенсивность излучения уменьшается в 2,718 раз.
Глубина проникновения электромагнитного излучения из ультрафиолетовой части спектра составляет около 0,8 мм, на желто-оранжевой части оптического спектра она нарастает до 2,5 мм. Для красных линий спектра глубина проникновения излучения доходит до 20-30 мм. В ближнем диапазоне инфракрасного излучения при длине волны λ=950 нм она достигает максимума в 60-70 мм.
В среднем и дальнем диапазоне инфракрасной части спектра глубина проникновения лучей резко снижается до 0,3-0,5 мм. (Г.Н. Пономаренко, И.И. Турковский Биофизические основы физиотерапии. М., «Медицина», 2006 г., стр. 17-18).
Наибольшей глубиной проникновения, а, следовательно, и наибольшей активностью обладает излучение оптического и ближнего инфракрасного диапазонов, находящееся в интервале длин волн λ=660-1200 нм. Такие длины волн имеет, например, излучение светодиодов, отмеченных в таблице.
0
Из представленной формулы (1) легко получить, что после прохождения через мягкие биологические ткани на глубину 5 см интенсивность света красных линий спектра снизится почти в 1650 раз. Знание этой величины позволяет задать необходимую начальную интенсивность светового потока I, который создается источником электромагнитного излучения 4 с первичным излучением, имеющем длину волны λ=660-1220 нм.
Особенностью фокусирующего элемента в устройстве для внутриполостной фокусировки светового пучка при фотодинамической терапии внутренних органов, выполненном по первому варианту является то, что, если источник электромагнитного излучения 4 - точечный и расположен в фокусе А, то зеркально отражающая внутренняя поверхность 2 соберет световые лучи в фокусе В. Ход световых лучей показан стрелками на фиг. 1.
b'b''
Для того чтобы источник электромагнитного излучения 4 мог считаться точечным и излучающим равномерно на все участки зеркально отражающей внутренней поверхности 2 камеры 1, он должен иметь сферическую форму, а его диаметр d должен быть не больше 1/10 длины малой оси эллипсоида l.
Расстояние между фокусами А и В камеры 1 задается изначально при изготовлении установки, по численному значению эксцентриситета эллипсоида. Для предотвращения теплового воздействия на пациента непосредственно от близко расположенного источника электромагнитного излучения 4 целесообразно изготавливать камеру 1 с большим эксцентриситетом, т.е. вытянутым вдоль большой оси.
Для светового воздействия на органы, находящиеся внутри тела человека на глубине не меньшей 5 см, камера 1 должна иметь габариты по малой оси эллипсоида b'b'' не меньше, чем 50 см.
Для светового воздействия на ткани, находящиеся на глубине, не превышающей 2-3 см, камера 1 может быть изготовлена в виде эллипсоида с малой осью b'b'', длиной не меньшей 20-30 см.
Хотя чистая фокусировка падающего излучения в точку для такой рассеивающей среды, как биологическая ткань человека, проблематична, но в ФДТ не нужна. Гнойные раны, злокачественные образования в виде метастаз и другие поражения внутренних органов обычно занимают большую площадь. Кроме того, по принципу ФДТ встает необходимость воздействовать излучением на фотосенсибилизаторы, которые имеют наибольшую концентрацию на этих достаточно больших участках.
По сравнению с прототипом предлагаемое устройство позволяет получить широкое световое пятно на поверхности тела пациента, которое фокусируется на пораженном органе 7 внутри тела пациента 5. Это дает возможность проводить лечение внутренних органов без проведения полосных операций, тем самым значительно сокращая время реабилитации пациентов.
Предполагаемый эффект от внедрения заявляемого устройства для внутриполостной фокусировки светового пучка при фотодинамической терапии внутренних органов сводится к повышению эффективности лечения пациентов и снижению количества летальных исходов при проводимых операциях.