ЛАЗЕРНАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к медицинской технике и может использоваться в оперативной урологии, в частности, при лечении мочекаменной болезни (МКБ).
Болезни мочеполовой системы, в том числе мочекаменная болезнь, составлявшие в конце 80-х - начале 90-х годов 4÷5% в общей заболеваемости населения [1], в последнее десятилетие демонстрируют неуклонный рост заболеваемости, которая в индустриально развитых странах составляет 5-15% от всех болезней в популяции, а в некоторых контингентах населения достигает 40% [2-4]. В США у около 5% женщин и 12% мужчин в течение жизни выявляются камни почек, и уровень распространения заболевания растет у обоих полов [5].
С внедрением и развитием в клиническую практику малоинвазивных эндоскопических методов лечения, на начальной стадии многих заболеваний именно хирургическое лечение, а не медикаментозное, является в долгосрочной перспективе более эффективным и экономически оправданным способом [6]. Результатом такого развития является рост интереса к разработкам малоинвазивных технологий лечения и нового медицинского оборудования, в том числе для литотрипсии.
Сегодня при лечении МКБ широко применяется дистанционная ударно-волновая литотрипсия (ДУВЛ), в которой используется фокусировка акустических волн для разрушения небольших камней на мелкие фрагменты, которые самостоятельно отходят по мочеточнику в мочевой пузырь [7]. Современный эндоскопический инструментарий позволяет осуществлять доступ оптического волокна вверх по мочеточнику до почечной лоханки и осуществлять контактную лазерную фрагментацию камней [8]. При перкутанном доступе через небольшие боковые разрезы, возможно осуществление разрушения и удаление фрагментов камней большого размера при лазерной нефролитотрипсии [9].
а
-1
Распространены при фрагментации камней также устройства на основе импульсных Ho:YAG лазеров, с длиной волны излучения 2,1 мкм, работающие в режиме свободной генерации с выходной мощностью излучения до 80 Вт. Имея высокий коэффициент поглощения (µ=26,93 см [10]), излучение Ho:YAG лазера хорошо поглощается водой содержащейся в тканях. Благодаря малой глубине проникновения излучения и независимости поглощения от вида ткани, контактное рассечение, вапоризация и абляция тканей с помощью Ho:YAG лазеров являются эффективными процедурами при лечении ряда заболеваний. Сильное поглощение излучения веществом камня и водой, присутствующей в них, позволяет использовать такие лазеры также и при фрагментации камней при МКБ. Однако необходимость использования высоких энергий импульса ≥2,5 Дж при длительностях импульса до нескольких сот микросекунд и термический механизм разрушения камней создают высокий риск повреждения окружающих камень тканей, вследствие чего область применения таких устройств следует признать ограниченной.
Для использования в литотрипсии более предпочтительны лазерные установки, в которых реализован не термический, а акустический механизм разрушения камней. При длительностях лазерного импульса от одной до нескольких микросекунд разрушение камней происходит за счет генерации ударных волн, распространяющихся в веществе камня после схлопывания кавитационного пузыря на поверхности камня [11].
Одними из первых устройств для лазерной литотрипсии были установки на базе лазеров на красителях с ламповой накачкой. Они имели оптимальную длительность импульса излучения в диапазоне 1-3 мкс, длину волны излучения 0,504 мкм, с локальным минимумом поглощения оксигемоглобином. Недостатком таких лазеров является то, что фрагментации поддаются не все типы камней, а эксплуатация таких лазеров в клинике имеет высокую стоимость [12]. Использование в качестве активной среды токсичных красителей создает дополнительные трудности из-за необходимости периодической смены контейнера с красителем.
Разработаны более дешевые, твердотельные лазеры на основе других активных сред, генерирующие импульсы с микросекундной длительностью. Известен, в частности, лазер на кристалле александрита US 5496306 (Engelhardt R. et al, опубл. 24.11.1992), у которого длина волны излучения лежит в диапазоне 0,7-1,0 мкм и попадает в область минимального поглощения окружающей тканью. Вторая гармоника излучения служит для инициации лазерной искры на поверхности камня. Длительность импульса 1,1 мкс реализуется в устройстве с помощью быстрой обратной связи, управляющей пропусканием затвора на основе ячейки Поккельса. Недостатком устройства является пичковая структура временного профиля импульса, с модуляцией интенсивности излучения до 50%, что ведет к повреждению волоконного инструмента при доставке излучения к камню. Кроме того, в процессе дробления происходит разрушение дистального торца волокна, находящегося в контакте с тканью, вызванное неоднородностями временного профиля импульса излучения.
Известен лазер на основе кристалла Nd:YAG с микросекундной длительностью импульса и преобразованием излучения во вторую гармонику (см. US 5963575, Muller G. et al., опубл. 05.10.1999), выбранный в качестве наиболее близкого аналога. Длительность импульса генерации достигается изменением длины резонатора за счет внесения в него оптической задержки. В качестве задержки использована волоконная оптическая задержка. Впервые волоконная оптическая задержка в качестве элемента резонатора для изменения временных характеристик излучения лазера была использована в работах [13-15], а параметры излучения и возможности лазеров с волоконной задержкой исследованы в работах [16-19]. В известном лазере [20] энергия в импульсе равна 120 мДж, в соотношении 20 мДж на длине волны излучения 0,532 мкм и 100 мДж на длине волны - 1,064 мкм. Модуляция добротности осуществляется с помощью пассивного затвора, а преобразование во вторую гармонику осуществляется внутрирезонаторно нелинейным кристаллом КТР. Недостатком устройства является то, что разрушаются при воздействии не все типы камней, и эффективность разрушения камней смешанного состава из оксалата кальция моногидрата и дигидрата составляет 53,4%, струвитов - 68,1%, фосфатов кальция - 58,% [21]. Основной причиной этого является невысокая энергия, как импульса генерации, так и преобразованной во вторую гармонику части излучения. Использование пассивного затвора, при накачке активного элемента до уровня выше порогового, инициирует образование пичковой структуры на временном профиле импульса генерации. Модуляция интенсивности, обусловленная такой структурой, при увеличении энергии импульса ведет к риску повреждения как оптических элементов резонатора, так и волоконного инструмента для доставки излучения к камню.
Основной задачей настоящей полезной модели является создание устройства для воздействия на твердые конкременты при литотрипсии которое было бы лишено отмеченных выше недостатков для установок предназначенных для фрагментации камней при МКБ.
3
Указанная задача решена тем, что в лазерной установке для литотрипсии, содержащей лазерный излучатель, электрически соединенный с блоком питания лампы накачки излучателя и с системой охлаждения, а также контроллер с возможностью управления указанными блоком питания и системой охлаждения, причем лазерный излучатель выполнен с возможностью преобразования излучения во вторую гармонику и включает в себя лазерный резонатор с модуляцией добротности и оптической волоконной линией задержки, согласно полезной модели, лазерный излучатель выполнен с возможностью генерации излучения со значением длительности импульса, лежащим в диапазоне 0,5÷3,0 мкс, на основе кристалла Nd:YAlO с модуляцией добротности затвором с нарушенным полным внутренним отражением, и содержит внерезонаторный преобразователь излучения во вторую гармонику излучения на нелинейном кристалле с эффективностью преобразования не менее 25%.
В предпочтительном случае, в лазерном резонаторе излучателя преобразователь излучения во вторую гармонику оснащен системой термостабилизации, включающей в себя соединенный с контроллером термостат с установленным в нем нелинейным кристаллом.
Предпочтительно, в лазерном резонаторе излучателя преобразователь излучения во вторую гармонику выполнен с возможностью реализации 90°-ого некритичного по углу синхронизма с фокусированием излучения в указанный нелинейный кристалл.
В лазерном резонаторе излучателя предпочтительно обеспечить активную модуляцию добротности, при которой длительность открывания затвора имеет значение более 2 мкс, а длительность открытого состояния - более 6 мкс.
Предпочтительно, в лазерном резонаторе излучателя волоконная задержка установлена таким образом, что один из торцов волоконной задержки находится на расстоянии порядка диаметра кварцевой жилы волокна от отражающей поверхности сферического зеркала резонатора, а второй торец согласован по выходной апертуре с апертурой активного элемента резонатора.
Также предпочтительно, чтобы в лазерном резонаторе первого излучателя между активным элементом и волоконной задержкой была установлена поляризационная развязка на основе ромба Френеля и поляризатора.
Указанная длительность импульса излучения, генерируемого в излучателе, является оптимальной с точки зрения надежности и эффективности установки - при длительностях импульса менее 0,5 мкс существенно возрастает риск повреждения волоконного катетера при доставке излучения к поверхности конкремента, а при длительностях более 3 мкс уменьшается эффективность энерговклада в генерацию ударной волны и, как следствие, снижается эффективность фрагментации конкрементов.
Полезная модель поясняется далее более подробно на конкретном неограничительном примере ее осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
- на фиг.1 - блок-схема установки;
- на фиг.2 - оптическая схема установки;
- на фиг.3 - временной профиль пропускания затвора НПВО и форма импульса генерации.
3
Как показано на блок-схеме, на фиг.1, установка по полезной модели состоит из лазерного излучателя с активным элементом из кристала NdiYAlO 1. Накачка активного элемента 1 осуществляется блоком питания ламп накачки 4, управляемого контроллером 7. Модуляция добротности резонатора в излучателе осуществляется модулятором 2 на основе затвора с нарушенным полным внутренним отражением (затвор НПВО), блок управления которого связан с контроллером 7. Внерезонаторное преобразование излучения во вторую гармонику осуществляется нелинейным кристаллом, находящимся в термостате 3. Система охлаждения 5 с воздушно-водяным теплообменником замкнутого цикла осуществляет охлаждение активного элемента 1 и лампы накачки. Измерение и контроль выходных параметров излучения производится с помощью группы компонентов 10, на основе фотодиодов. Присутствующий в показанном на фиг.1 примере сенсорный монитор 8 служит как в качестве контрольной панели для управления пользователем работой установки, так и в качестве видеомонитора для отображения сигнала эндовидеокамеры, обработка которого осуществляется блоком обработки 9. Блок обработки видеосигнала 9 может служить не только для отображения хода вмешательства в реальном времени на экране монитора 8, но и может производить запись видеосигнала на внешний мобильный носитель данных (например, на портативный жесткий диск, подключаемый с использованием USB-интерфейса), для архивирования или последующего анализа.
В рассмотренном ранее аналоге (лазерном литотрипторе, US 5963575, Muller G. et al.) модуляция добротности резонатора осуществляется с помощью пассивного затвора, что ведет к образованию пичковой временной структуры импульса генерации. Увеличение энергии импульса генерации в таких условиях ведет к увеличению модуляции интенсивности временного профиля импульса и риску повреждения оптических элементов резонатора и волоконного инструмента. С другой стороны невысокая плотность интенсивности излучения в нелинейном кристалле КТР, обусловленная размером пучка и длительностью импульса 1 мкс, при внутрирезонаторном преобразовании излучения во вторую гармонику дает невысокую эффективность преобразования. Ограничение общей выходной энергии импульса и невысокая эффективность преобразования дают на выходе излучателя общую энергию импульса равную 120 мДж, а долю преобразованного излучения - 20 мДж.
2
4
В отличие от указанного аналога, в заявленной полезной модели для увеличения выходной энергии импульса и увеличения эффективности преобразования, реализована схема лазерного резонатора, позволяющая получить одиночный импульс генерации, с гладким временным профилем излучения. В отличие от указанного аналога реализована активная модуляция добротности резонатора затвором НПВО. Для достижения эффективного преобразования частоты излучения с плотностью мощности <1,0 МВт/см требуется его фокусировка в нелинейный кристалл. При углах фокусировки излучения, равных нескольким градусам, необходима реализация некритичного по обоим углам синхронизма - 90° синхронизма. Некритичный по углам синхронизм в кристалле КТР (КТiРO) для излучения 1,0796 мкм имеет достаточную для фокусировки угловую ширину, при нагреве кристалла до температуры 54°С ширина углов синхронизма становится максимальной и равной 4 и 12 градусов для углов синхронизма φ и θ, соответственно. В отличие от аналога, осуществлено внерезонаторное преобразование излучения во вторую гармонику с некритичным по углу, 90°-ым синхронизмом с фокусировкой излучения в нелинейный кристалл КТР.
На фиг.2 показана оптическая схема устройства.
3
A
A
Лазерный резонатор излучателя собран на базе активного элемента из кристалла Nd:YAlO 27. Изменение эффективной длины резонатора выполнено за счет установки волоконной оптической задержки 21. Согласование апертуры излучения на выходном торце волокна оптической задержки 21 с апертурой активного элемента 27 выполняется объективом 22, фокусное расстояние которого в описываемом конкретном случае выбиралось равным 18 мм. Возврат излучения, вышедшего из противоположного торца оптической задержки 21, осуществляется сферическим зеркалом 20. В описываемом предпочтительно случае осуществления полезной модели, торец волокна (с диаметром кварцевой жилы d=300 мкм) предпочтительно расположен на малом расстоянии Δ от отражающей поверхности зеркала 20, равном диаметру кварцевой жилы волокна: d≈Δ. Радиус R сферической поверхности зеркала 20 выбран таким, чтобы R>>d, а выбор конкретного значения радиуса R, определяется конструкцией узла крепления зеркала. Размер отражающего покрытия на зеркале 20, должен быть меньше D, внутреннего диаметра детали 20.1, чтобы предотвратить загрязнение или повреждение при сборке узла. Экспериментально определено, что при выбранном зазоре между торцом волокна типа кварц/кварц, с диаметром жилы 300 мкм, и отражающей поверхностью зеркала 20 равном Δ=260 мкм, при длине волокна 70 м, и длине волны излучения 1,0796 мкм - числовая апертура излучения, выходящая из торца волокна в сторону активного элемента 27, по уровню 96% от полной энергии излучения не превышает N=0,16. Радиус изгиба волокна, свернутого в кольца, равен 150 мм. Если в фокальной плоскости объектива 22 установить диафрагму 23 диаметром, соответствующим такой же числовой апертуре N=0,16, она в свою очередь будет отсекать излучение с большими углами, распространяющееся в резонаторе в сторону оптической задержки. Узел сферического зеркала 20 может служить своеобразным селектором углов за счет увеличения потерь для излучения, имеющего большие значения числовой апертуры при возврате в оптическую задержку.
4
2
Далее, поворотные зеркала 26 и 28 служат для уменьшения габаритов резонатора литотриптора, в то время как линза 29 (например, с фокусным расстоянием 99 мм) предназначена для фокусирования излучения на поверхность переднего торца нелинейного кристалла 31, в качестве которого может быть выбран кристалл КТР (КТiOPO). Передний торец кристалла КТР 31 представляет собой полированную поверхность, без покрытий, и служит выходным зеркалом резонатора, с коэффициентом отражения R≈7%. При этом линзой 29 строится изображение диафрагмы 23 на поверхности торца кристалла с коэффициентом уменьшения, например М≈3,5. Угол фокусировки излучения не превышает ширину углов некритичного синхронизма в кристалле 31, а пиковые значения плотности энергии на поверхности кристалла 31 не превышают 18 Дж/см, что ниже пороговых значений поверхностного повреждения кристалла КТР [22].
ф
Модуляция добротности резонатора первого излучателя осуществляется затвором НПВО 30, расположенном между линзой 29 и кристаллом 31. Параметры управления затвором НПВО и его характеристики предпочтительно подбирать таким образом, чтобы время открытого состояния затвора 30 было в 10-15 раз больше времени полного прохода резонатора, а время открывания затвора 30 в два раза превышало длительность импульса генерации. В данном конкретном случае исполнения была установлена длительность открытого состояния затвора НПВО 30 t>6 мкс, а длительность открывания t≥2 мкс. На фиг.3 представлены характерная форма кривой пропускания затвора НПВО и временная форма лазерного импульса генерации.
Между активным элементом 27 и торцом волокна оптической задержки установлена поляризационная развязка на основе ромба Френеля 24 и поляризатора 25. Поляризационная развязка служит для подавления генерации, которая может возникать в резонаторе, образованном между торцом нелинейного кристалла 31 и торцом волокна оптической задержки 21, препятствуя образованию связанных резонаторов. Импульсы короткой длительности 10-100 нс, в случае возникновения генерации в таком резонаторе, модулируют временной профиль интенсивности микросекундного импульса, что в результате может привести к разрушению оптических элементов резонатора.
При выбранных параметрах оптической схемы резонатора первого излучателя максимальная энергия импульса лазерного излучения на его выходе составила в рассматриваемом примере 186 мДж, а длительность импульса по полувысоте - 0,92 мкс. Оптимальная температура в термостате 4 с кристаллом КТР 27 для реализации некритичного по углам синхронизма устанавливалась равной 54,0°С±0,1°С. При длине кристалла равной 24 мм доля энергии преобразованного во вторую гармонику излучения составила 57 мДж (≈31%).
Далее, система ввода из двух объективов 32 и 34 предназначается для ввода излучения двух длин волн в присоединяемый к первому излучателю волоконный инструмент (волоконный катетер) 37. Часть излучения пластиной 33 отводится для контроля выходной энергии импульса на группу компонентов, где 34 и 36 - энергометры на основе фотодиодов, а 35 - дихроичное зеркало. Объективы 32 (с фокусным расстоянием 114 мм), и 34 (с фокусным расстоянием 18,4 мм) 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 резонатора, на торце кристалла КТР 31 строится в плоскости входного торца волоконного инструмента 37, с коэффициентом уменьшения около 6,7. Диаметр пятна лазерного излучения на входном торце волоконного инструмента составляет 240 мкм при диаметре кварцевой жилы волокна 300 мкм. Эффективность ввода излучения в волокно, с учетом потерь на Френелевские отражения на торцах волоконного инструмента и потери на объективах, составляет 91% для излучения с длиной волны 1,0796 мкм и 85% - с длиной волны 0,5396 мкм.
Для фрагментации камней при лечении МКБ установка может быть применена следующим образом.
Волоконный катетер 37 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 мониторе 9, осуществляется контактное воздействие лазерного излучения на поверхность камня. В конкретном исполнении, показанном на чертежах, максимальная выходная энергия лазерного импульса на дистальном торце волокна 37 первого излучателя с диаметром кварцевой жилы 300 мкм составила 165 мДж, из них 49 мДж - энергия излучения в импульсе на длине волны второй гармоники. Длительность выходного импульса при этом составляет 0,92 мкс. При контактном воздействии «in vitro» на камни в диапазоне энергии импульса от 120 мДж до 165 мДж были успешно разрушены камни разного химического состава.
В заключение следует отметить, что вышеуказанный пример приведен 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.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. В.А.Максимов. Организационное обеспечение профилактики урологических заболеваний в Москве // Методические рекомендации №32. - М: Правительство Москвы: Комитет Здравоохранения. 2002. с.3.
2. Выявление и профилактика болезней, обусловленных характером работы // Доклад комитета экспертов ВОЗ (серия технических докладов №174). - Женева: ВОЗ 1987.
3. О.Л.Тиктинский, В.Б.Александров. Мочекаменная болезнь - С-Пб: 2000. с.379.
4. Ramello A., Vitale С., Marangella М. Epidemiology of nephrolithiasis. // J Nephrol. 2000. Nov-Dec; v.l3. №3. pp.45-50.
5. F.L.Сое, A.Evan, E.Worcester. Kidney stone disease // The Journal of Clinical Investigation. 2005. v.115. pp.2598-2608.
6. J.М.Hollingsworth, J.T.Wei. Economic impact of surgical intervention in the treatment of Benign Prostatic Hyperplasia // Reviews in urology. 2006. v.8, suppl. 3, pp.s9-sl5.
7. Lingeman J. E., Kim S.C., Kuo R. L., McAteer J.A., Evan A.P. Shockwave lithotripsy: anecdotes and insights // J. Endourol. 2003. v.17. pp.687-693.
8. Bagley D.H. Expanding role of ureteroscopy and laser lithotripsy for treatment of proximal ureteral and intrarenal calculi // Curr. Opin. Urol. 2002. v.12. pp.277-280.
9. Сhayman R.V. Percutaneous nephrolithotomy: an update [comment]. // J. Urol. 2005. v.173. pp.1199.
10. G.М.Hale and М.R.Querryю Optical constants of water in the 200 nm to 200 µm wavelength region // App. Opt. 1973. v.12. pp 555-563.
11. К.Rink, G.Delacretaz, R.P.Slathe. Fragmentation process of current laser lithotriptors // Lasers in Surgery and Medicine. 1995. v.16. №2. pp.134-146.
12. M.A.Imamoglu, H.Bakirtas, O.Yigitbasi, H.Ersoy, N. Sert3elik. Use of pulsed dyelaser lithotripsy in the treatment of ureteral stones and its results // Urologia. 2000. v.67.№1.
13. E.M.Дианов, С.К.Исаев, Л.С.Корниенко, Н.В.Кравцов, В.В.Фирсов. Лазер со световодным резонатором // Квантовая электроника. 1976. т.3, №11. стр.2503-2505.
14. E.M.Дианов, С.К.Исаев, Л.С.Корниенко, Н.В.Кравцов, В.В.Фирсов. Комбинационный лазер со световодным резонатором // Квантовая электроника 1978. т.5, №6, стр.1305-1309.
15. S.К.Isaev, L.S.Kornienko, N.V.Kravtsov, N.M.Naumkin, B.G.Skuibin, V.V.Firsov Y.P.Yatsenko. Mode self-locking in solid-state lasers with long resonators. // J. Opt. Soc. Am. 1978. v.68. №11. pp.1621-1622.
16. A.M.Забелин, С.К.Исаев, Л.С.Корниенко. Селекция мод и перестройка частоты в лазере со световодным резонатором // Квантовая электроника. 1981. т. 8ю №12ю стр.2695-2697.
3+
17. M.Nakazawa, M.Tokuda, N.Uchida. Lasing characteristics of a Nd laser with a long optical-fiber resonator. // J. Opt. Soc. Am. 1983. v.73, №66, pp.838-842.
18. E.M.Дианов, А.M.Забелин, С.К.Исаев, Л.С.Корниенко. Кольцевой гранатовый лазер со световодным резонатором. // Квантовая электроника 1984. т.11. №8. стр.1509-1510.
19. E.M.Дианов, С.К.Исаев, Л.С.Корниенко, В.В.Фирсов, Ю.П.Яценко. Синхронизация компонент ВРМБ в лазере со световодным резонатором // Квантовая электроника. 1989. т.16. №1. стр.5-6.
20. Т.Zorcher, J.Hochberger, К.Schrott, R.Kiihn, W.Schafhauser. In vitro study concerning the efficiency of the Frequency-Doubled Double-Pulse Neodymium:YAG Laser (FREDDY) for lithotrlpsv of calculi in the urinary tract. // Lasers in Surgery and Medicine. 1999. v.25. pp.38-42.
21. S.Lahme, E.Eipper, A.Stenzl. Effect of laser lithotripsy by means of frequency doubled dual-pulse Nd:YAG laser (FREDDY) - An in vitro study with natural urinary calculi // European Urology Supplements. 2004. v.3, №3. pp.189-190.
22. Абросимов С.А., Гречин С.Г., Кочиев Д.Г., Маклакова Н.Ю., Семененко В.Н. ГВГ в кристалле КТР моноимпульсов микросекундной длительности // Квантовая электроника. 2001. т.31. №7. стр.643-646.