ЛАЗЕРНЫЙ ЛИТОТРИПТОР Российский патент 1995 года по МПК A61B17/225 

Изобретение относится к медицине и промышленно применимо в устройствах для разрушения камней внутри органов человеческого тела.

Известны лазерные литотрипторы, содержащие лазер и последовательно установленные по ходу его луча систему ввода излучения в оптическое волокно, оптическое волокно.

Недостатком этих литотрипторов является то, что разрушаются не все камни в органах человеческого тела.

Целью изобретения является расширение номенклатуры разрушаемых камней.

Цель достигается тем, что в известном лазерном литотрипторе, содержащем лазер и последовательно установленные по ходу его луча систему ввода излучения в оптическое волокно и оптическое волокно, лазер выполнен с длиной волны излучения от 2,6 до 3,0 мкм, а оптическое волокно выполнено прозрачным на длине волны излучения лазера.

В частности, с целью повышения производительности литотриптор может дополнительно содержать расширитель пучка излучения, установленный на выходе оптического волокна. При этом расширитель может быть выполнен в виде полого цилиндра, на одном из торцов которого герметически установлено окно, прозрачное на длине волны излучения лазера, а на другом торце выполнено отверстие, посредством которого расширитель герметически установлен на выходе оптического волокна. Диаметр выходного окна расширителя D может находится в интервале d < D ≅ (4Q/π E_нас)^1/2, где d диаметр оптического волокна; Q номинальная мощность или энергия лазера; Е_нас поверхностная плотность мощности или энергии лазерного излучения, при которой разрушение камней достигает насыщения. При этом с целью регулирования поверхностной плотности энергии лазерного излучения расширитель установлен на выходе оптического волокна с возможностью перемещения.

В альтернативном варианте оптическое волокно может быть выполнено с расширенной частью на конце. При этом с целью дополнительного повышения производительности расширенная часть волокна с торца может быть выполнена вогнутой.

На фиг. 1 показана блок-схема лазерного литотриптора; на фиг.2 и 3 расширитель пучка лазерного излучения, варианты выполнения; на фиг.4 экспериментальные данные, поясняющие выбор поверхностной плотности энергии лазерного излучения, при которой разрушение камней достигает насыщения.

Лазерный литотриптор (фиг.1) содержит лазер 1, систему 2 ввода излучения в оптическое волокно, оптическое волокно 3, расширитель 4 пучка лазерного излучения, оптически и акустически связанный с камнем 5. Оптическое волокно (фиг.2) может быть выполнено с расширенной частью на конце 6, торец которого может быть выполнен с вогнутой поверхностью. Во втором варианте выполнения расширитель может содержать полый цилиндр 7, на выходном торце которого установлено прозрачное окно 8, а в противоположном торце выполнено отверстие 9.

Лазерный литотриптор работает следующим образом.

Излучение лазера с длиной волны от 2,6 до 3,0 мкм хорошо поглощается материалом всех камней, которые могут образовываться внутри органов человеческого тела. В этом диапазоне излучают лазеры, в которых активатором являются ионы эрбия, причем длина волны излучения зависит от типа кристаллической матрицы лазерного материала. Импульсы излучения лазера с помощью системы ввода излучения в оптическое волокно 2, например, фокусирующей линзы, вводятся в оптическое волокно 3, которое излучение лазера практически без потерь подводит до разрушаемого камня 5. Для увеличения сечения лазерного пучка используют расширитель. В результате последовательных действий импульсов лазерного излучения происходит разрушение камня. Волокно 3 с расширителем 4 с помощью эндоскопа подводится к месту расположения камня внутри человеческого тела.

В прототипе вблизи поверхности камня образуется лучевой пробой с образованием быстрорасширяющегося объема горячей плазмы. При этом камень испытывает толчок и разрушается. В прототипе длина волны излучения неоптимальна, так как не поглощается в ряде камней, поэтому они не разрушаются. Увеличение энергии лазерного излучения в прототипе не позволяет добиться разрушения самых прочных камней, при этом происходит разрушение выходного конца волокна.

В предлагаемом лазерном литотрипторе указанный выбор длины волны излучения лазера обеспечивает его сильное поглощение во всех камнях, которые могут образовываться в органах человеческого тела. Кроме того, такое излучение сильно поглощается во всех жидкостях и растворах, окружающих камни в органах человеческого тела. Это обеспечивает образование ударной волны, несвойственной прототипу, которая приводит к дополнительному разрушению камня. Выполнение торца расширенной части оптического волокна с вогнутой поверхностью обеспечивает "фокусировку" ударной акустической волны, что ускоряет разрушение камня. Экспериментально обнаружено также, что имеется определенная поверхностная плотность энергии лазерного излучения Е_нас, превышение которой не приводит к повышению производительности в разрушении камней. Это означает, что при мощном лазере целесообразно применять расширитель 4 пучка лазерного излучения. Оптимальный диаметр расширенного пучка D можно определить из соотношения
E_нас Q/S (4Q/π D²).

Расширитель 4 обеспечивает максимальную производительность при разрушении камня, обеспечивая при этом щадящий режим воздействия на органы человеческого тела.

В экспериментах использовали импульсные твердотельные лазеры на базе иттрий-алюминиевого, гадолиний-галлиевого, иттрий-скандий-алюминиевого, гадолиний-скандий-алюминиевого, иттрий-скандий-галлиевого, гадолиний-скандий-галлиевого, гадолиний-кальций-магний-цирконий-гал- лиевого, кальций-ниобий-галлиевого гранатов, в которых активатором являлись ионы эрбия. Лазеры использовали как в режиме свободной генерации с длительностью от 100 до 250 мкас, так и в режиме генерации коротких импульсов до ≈0,1 нс. Частота импульсов составляла от 0,2 до 10 Гц, энергия до 10 Дж. В качестве системы ввода излучения в оптическое волокно использовали фокусирующую линзу. Использовали оптическое волокно 3 из материалов с малым светоослаблением, в частности из флюорита и фторидных стекол. Эти волоконные световоды с малым светоослаблением в инфракрасной области прозрачны в диапазоне длин волн от 2,6 до 3,0 мкм, выбор которой зависит от кристаллической матрицы лазерного элемента. Полый цилиндр 7 выполняли из металла. Выходное окно 8 выполняли из сапфира. Герметичность цилиндра 7 обеспечивали с помощью герметика. Изменяя расстояние l (фиг.3), варьировали диаметр выходного пучка излучения D и, как следствие, поверхностную плотность энергии лазерного излучения, влияющую на производительность при разрушении камня. На фиг.4 показаны типичные зависимости обратной величины производительности разрушения камня 1/P для различных типов камней от плотности энергии импульсов излучения эрбиевого лазера на основе иттрий-алюминиевого граната Е. Производительность определяли как 1/P Δ m/E, где Δ m масса разрушенной части камня, EQ/S; Q энергия импульса лазерного излучения; S площадь поперечного сечения выходного пучка лазерного излучения. Оптическое волокно из флюорита имело выходной диаметр 0,2 мм.

Использовали 20 типов камней, практически полностью перекрывающих спектр практически интересных. Все камни эффективно разрушались с помощью эрбиевого лазера. В частности, кривая 13 относится к камню из мочевого пузыря, который не разрушается с помощью прототипа из-за слабого поглощения лазерного излучения. Кривая 15 относится к моногидрату фосфата кальция наиболее прочному камню. Из фиг.4 видно, что при плотности энергии лазерного излучения Е Е_нас, равной приблизительно 100 Дж/см², наступает насыщение производительности разрушения Р, т.е. при дальнейшем увеличении Е значение Р практически не меняется. Если величина 4Q/π d² превышает Е_нас, то целесообразно использовать расширитель 4 для повышения производительности Р, что подтверждено экспериментально при увеличении диаметра выходного пучка лазерного излучения с 0,2 до 1,0 мм, который является оптимальным при Q 1 Дж.

В режиме генерации коротких лазерных импульсов для эффективного формирования ударной волны вогнутая поверхность торца светового волокна имела радиус от 1 до 3 мм, при этом ударная волна фокусировалась в центре сферической поверхности, при этом производительность разрушения камней оказалась выше, чем в режиме свободной генерации.

Дополнительным преимуществом предлагаемого лазерного литотриптора является более щадящий режим проведения операции из-за сокращения ее длительности и отсутствия воздействия лазерного излучения на органы человеческого тела, которое практически полностью поглощается материалом камня и окружающей его жидкостью, тогда как в прототипе, где такое поглощение отсутствует, лазерное излучение может попадать на поверхности органов человеческого тела и травмировать их.

Использование: в медицине, в устройствах для разрушения камней внутри органов человеческого тела. Сущность изобретения: лазерный литотриптор содержит импульсный лазер с длиной волны от 2,6 до 3,0 мкм. Излучение лазера с помощью системы ввода излучения вводится в оптическое волокно, прозрачное на длине волны лазерного излучения. На выходе оптического волокна находится расширитель пучка лазерного излучения, повышающий производительность при разрушении камней. 5 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. ЛАЗЕРНЫЙ ЛИТОТРИПТОР, содержащий импульсный эрбиевый лазер, оптическое волокно и систему ввода излучения в него, отличающийся тем, что литотриптор дополнительно содержит расширитель пучка излучения на дистальном конце оптического волокна, а эрбиевый лазер выполнен с длиной волны излучения 2,6
3,0 мкм. 2. Литотриптор по п.1, отличающийся тем, что расширитель пучка выполнен в виде расширенного дистального конца оптического волокна. 3. Литотриптор по п.2, отличающийся тем, что торец расширенного дистального конца оптического волокна выполнен вогнутым. 4. Литотриптор по п.1, отличающийся тем, что расширитель выполнен в виде полого цилиндра с окном на одном из торцов, прозрачным на длине волны излучения лазера, и отверстием на другом торце для герметичного крепления цилиндра на оптическом волокне. 5. Литотриптор по п.4, отличающийся тем, что окно расширителя выполнено с диаметром D, удовлетворяющим условию
d<D≅(4Q/πE_нас)^1/2,
где d-диаметр оптического волокна;
Q номинальная энергия импульса излучателя;
E_нас поверхностная плотность энергии лазерного излучения, при которой производительность разрушения камней достигает насыщения. 6. Литотриптор по пп.4 и 5, отличающийся тем, что расширитель установлен с возможностью перемещения вдоль оптического волокна.