Световодный инструмент с микрофокусировкой
LIGHT GUIDE INSTRUMENT WITH MICROFOCUSING

Изобретение относится к устройствам лазерной медицины, а именно к световодным устройствам для доставки излучения от источника к объекту с точечной фокусировкой. Изобретение может быть использовано для лазерной хирургии, терапии, диагностики, фотостимуляции в различных областях клинической медицины: в офтальмологии, нейрохиругии и др., а также в биомедицинской оптической спектроскопии, экспериментальной медицине.
От световодных устройств с фокусировкой требуется сочетание высокого пространственного разрешения и малых потерь при передаче излучения с высокой энергией.
Известным устройством для получения микронной перетяжки лазерного пучка на выходе гибкого волновода, предназначенным для прецизионной лазерной хирургии, является контактный фокусирующий микрозонд [Astratov V.N. Patent US 2012091369 А1 Focusing multimodal optical microprobe devices US 2012091369 A1 2012-04-19]. Устройство включает от 1 до 20 сапфировых микросфер, располагаемых в полой трубке, на другом конце которой закреплен дистальный конец световодного волокна, присоединенного к источнику излучения. Диаметры и количество сфер выбраны таким образом, что на выходе последней сферы лазерный пучок имеет минимальный размер перетяжки (от 2,5 мкм для 1 сферы до 0,8 мкм для 15 сфер).
Недостатками устройства являются существенные энергетические потери при прохождении излучением нескольких границ раздела сред «воздух-сапфир», где последний имеет большой показатель преломления. Высокая кривизна поверхности шариков приводит к существенной доле излучения, рассеиваемого в латеральном направлении, к доле полезной энергии (от отношения 1:1 для одного шарика до отношения 100:1 для 10 шариков и выше), при этом световод работает как диффузор, и лишь малая часть излучения формирует рабочий пучок. В случае передачи излучения высокой мощности, необходимой для хирургического воздействия, это неизбежно будет приводить к разогреву зонда и термическому повреждению тканей, прилегающих к наконечнику, особенно существенно при контактном внутритканевом использовании. Кроме того, наличие границы между первой микросферой и трубкой, выходящей на рабочую поверхность устройства, накладывает ограничения на режимы передаваемой мощности, так как все соединения должны оставаться нетоксичными и не деградировать при высоких рабочих температурах, а также делает затруднительным полную стерилизацию устройства.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению устройством является внутритканевый облучатель на основе сапфирового закрытого капилляра [Курлов В.Н. и др. Патент РФ 2379071 Устройство для внутритканевого облучения биологической ткани лазерным излучением / опубл. 20.01.2010. бюлл. №2]. Устройство представляет собой оптоволоконный световод, размещенный в канале закрытого сапфирового капилляра. Устройство, предназначенное для объемного внутритканевого облучения, имеет закрытую часть в форме конуса, использующуюся для введения инструмента вглубь ткани, а также формирующую равномерно распределенный в полусферу пучок на выходе из конуса. Высокая физико-химическая стойкость сапфира, а также теплопроводность позволяет избежать зон перегрева (непрозрачных для излучения) на наконечнике и в облучаемом объеме и, таким образом, способствует облучению запланированного объема в окрестности облучателя в требуемом режиме плотности мощности излучения. Объем зоны облучения существенно превышает поперечные размеры облучателя.
Технический результат, на который направлено изобретение, состоит в уменьшении потерь при доставке излучения для создания точечных объемов облучения, увеличения диапазона глубины залегания объектов точечного лазерного воздействия, осуществляемого устройством.
Технический результат, достигается за счет того, что в световодном инструменте с микрофокусировкой состоящем из оптоволоконного световода, размещенного в канале сапфирового капилляра, имеющего закрытую рабочую часть, рабочая часть капилляра имеет комбинированный профиль, в котором плавное сужение с переходом к стержню меньшего диаметра оканчивается полусферической микролинзой диаметром не более 500 мкм.
Сложный профиль, представляющий собой комбинацию нескольких тел вращения, позволяет концентрировать световую энергию на выходе облучателя в субмиллиметровом объеме. Так как значение показателя преломления сапфира выше, чем у воды, фокусировка сохраняется при воздействии с введенным вглубь ткани облучателем. В случае, когда диаметр микролинзы на окончании сапфирового капилляра составляет 500 мкм и меньше, диаметр перетяжки, формируемой излучением на выходе устройства, по крайней мере, не превышает это значение, и при использовании волокна с малой числовой апертурой диаметр перетяжки может быть существенно уменьшен для специальных применений. В сапфировом капилляре не имеется поверхностей с большими углами наклона по отношению к пути распространения излучения, что делает потери на отражение, и, соответственно, латеральное высвечивание минимальными. Таким образом, доля излучения, участвующая в формировании точечной фокусировки максимальна. Отсутствие нагревания нерабочей части световодного инструмента гарантирует безопасное проведение воздействия на биологические объекты, расположенные в ткани на глубине до 300 мм.
Изобретение поясняется рисунками:
Фиг. 1 схема облучателя;
Фиг. 2 внешний вид рабочего окончания облучателя;
Фиг. 3 моделирование распространения излучения через устройство в оптически плотную среду при использовании оптоволоконных световодов с различными параметрами;
Фиг. 4 фотография коагулированных объемов фрагмента печени при различной мощности испольуемого лазерного излучения;
Фиг. 5 зависимость объема коагулированной области от мощности передаваемого лазерного излучения при длительности облучения 20 секунд.
Устройство предназначено для получения коллимированных и точечно сфокусированных пучков с субмиллиметровым поперечным размером пятна, сохраняющимся при использовании в оптически плотных средах. Для создания точечной перетяжки лазерного пучка, доставляемого от источника излучения 1 посредством оптоволоконного световода 2, рабочий конец которого размещен в канале сапфирового наконечника 3, последний имеет выпуклое дно капиллярного канала 4, световодную часть 5 и фокусирующий элемент (полусферическую линзу) 6, Фиг. 1.
Изображение варианта рабочего окончания световодного инструмента по данному изобретению представлено на Фиг. 2. Моделирование распространения излучения через данный вариант устройства показано на Фиг. 3. Излучение, выходящее из кварцевого световода в виде расходящегося пучка, входит в сапфировый капилляр через вогнутый торец канала с уменьшенными потерями на Френелевское отражение. Далее пучок проходит в стержневой части капилляра, где лучи, распространяющиеся под большим углом, испытывают несколько отражений от боковых стенок. Приосевые лучи попадают в фокусирующий элемент напрямую и образуют на его выходе перетяжку. Лучи, испытавшие одно, два и более полных внутренних отражений, образуют кольцевые конические пучки вокруг приосевого пучка с существенно меньшей яркостью. На Фиг. 3а показано получение коллимированного пучка с диаметром перетяжки менее 500 мкм с применением волокна с NA равным 0,22 (300 мкм). Получение сфокусированного пучка с диаметром перетяжки около 100 мкм с применением волокна с числовой апертурой NA равным 0,05 (14 мкм) показано Фиг. 3б.
В качестве примера использования световодного инструмента с фокусировкой приведена мягкая локальная коагуляция печени ex-vivo с использованием излучения с длиной волны λ равной 1080 нм, имеющего большую глубину проникновения в биологические ткани.
2
3
Вид зон коагуляции, полученных при внутритканевом облучении, представлен на Фиг. 4. При возрастании мощности излучения от 3,5 Вт до 5,0 Вт (плотность мощности на поверхности микролинзы устройства - 2,3 и 3.3 Вт/мм, соответственно) объем коагулированной в течение 20 секунд ткани пропорционально увеличивается в среднем от 10 до 50 мм, Фиг. 5. Форма полученных областей коагуляции соответствует форме поля рассеянного излучения, где наибольшая плотность мощности создается в объеме ткани на расстоянии 0,3…1 мм от внешней поверхности микролинзы (указано стрелками). Это позволяет избежать перегревания и пригорания ткани, сохраняет чистоту контактной поверхности и способствует контролируемому протеканию фототермической деструкции с высокой радиальной однородностью. Отсутствие подсыхания и прилипания ткани к контактным поверхностям облучателя к ткани обеспечивает его безопасное извлечение и снижает потенциальную травматичность при его использовании.