ЛАЗЕРНЫЙ ХИРУРГИЧЕСКИЙ АППАРАТ Российский патент 1997 года по МПК A61B17/36 A61N5/06 

Изобретение относится к лазерной хирургии и может быть использовано в лазерных скальпелях, коагуляторах, а кроме того в лазерных технологических установках.

Известен лазерный хирургический аппарат [1] содержащий хирургический лазер и манипулятор, включающий жесткие светопроводящие трубки, зеркальные оптические шарниры, ручной инструмент для оперирования сфокусированным лазерным пучком и фокусирующую оптическую систему, встроенную в ручной инструмент. Оптические шарниры манипулятора дают возможность свободно перемещать ручной инструмент и воздействовать сфокусированным лазерным пучком на любую точку и под любыми углами в пределах операционного пространства.

Острота фокусировки излучения хирургического лазера, т.е. размер перетяжки на выходе манипулятора, и мощность излучения определяют условия воздействия на биоткань. Изменяя размер перетяжки, возможно в широких пределах менять скорость реза, объемного испарения, коагуляции биоткани.

Размер и положение перетяжки сфокусированного лазерного пучка на выходе манипулятора определяются расходимостью лазера, удалением лазера от фокусирующей системы и оптической силой фокусирующей системы.

Изменение размера перетяжки на выходе манипулятора осуществляется сменой ручного инструмента на другой, содержащий фокусирующую систему меньшей или большей оптической силы.

Недостатками указанного известного технического решения являются:
отсутствие указателя положения перетяжки сфокусированного лазерного пучка;
низкая оперативность смены ручного инструмента;
трудность обеспечения стерилизации ручного инструмента, содержащего оптические элементы.

Указатель положения перетяжки сфокусированного лазерного излучения необходим для фокусировки и наведения ручного инструмента в точку воздействия во время операции.

Низкая оперативность смены ручного инструмента не позволяет быстро во время операции изменять и подбирать оптимальные условия воздействия.

Необходимость стерилизации сменного ручного инструмента приводит к усложнению его конструкции, конструктивному разделению на нестерилизуемую фокусирующую оптическую систему и внешнюю стерилизуемую оболочку, которая обрабатывается отдельно и соединяется с нестерильной фокусирующей системой перед операцией.

Известен хирургический аппарат [2] в котором фокусирующая оптическая система, расположенная в ручном инструменте, имеет перемещаемые вдоль оси оптические элементы, При этом изменяется оптическая сила фокусирующей системы и размер перетяжки сфокусированного лазерного пучка на выходе манипулятора.

Изменение оптической силы производится вручную, вращением регулировочного кольца, подобно фокусировке объектива фотоаппарата.

В рассматриваемом техническом решении устранены трудности стерилизации ручного инструмента. Сменным является только наконечник ручного инструмента, не содержащий оптических элементов. Он может стерилизоваться без каких-либо ограничений, храниться в стерилизующем растворе и присоединяться к манипулятору непосредственно в ходе операции. Наконечник, кроме того, может быть одноразовым.

Недостатками этого технического решения являются:
отсутствие указателя положения перетяжки сфокусированного лазерного пучка;
низкая оперативность переключения размера перетяжки на выходе манипулятора.

Изменение размера перетяжки в рассматриваемом варианте может быть произведено только двумя руками в паузе операции.

Известен аппарат по заявке [3] в котором ручной инструмент содержит серводвигатель и шестерни, передающие вращение от серводвигателя к регулировочному кольцу для осевого перемещения оптических элементов фокусирующей системы.

Оперативность изменения размера перетяжки в этом решении существенно выше за счет автоматизации вращения регулировочного кольца.

Недостатком этого технического решения является усложнение конструкции и увеличение массы ручного инструмента манипулятора.

Известен лазерный аппарат по патенту [4] с указанием положения перетяжки на выходе манипулятора, содержащий первый хирургический лазер, излучающий высокоэнергетический лазерный пучок, и второй пилотный лазер, излучающий лазерный пучок, видимый для человеческого глаза, устройство совмещения пучков обоих лазеров и манипулятор, включающий ручной инструмент для оперирования сфокусированным лазерным пучком и фокусирующую оптическую систему, которой снабжен ручной инструмент.

Устройство совмещения пучков хирургического и пилотного лазеров содержит расщепитель пилотного пучка на два пилотных пучка и отражатели. Отражатели и расщепитель расположены так, что пилотные пучки вводятся в манипулятор симметрично относительно оси пучка хирургического лазера и пересекаются в точке фокусировки хирургического лазера на выходе манипулятора. Смена размера перетяжки хирургического пучка на выходе манипулятора осуществляется сменой ручного инструмента на другой, содержащий фокусирующую систему меньшей или большей оптической силы. Если длины волн хирургического и пилотного лазера различаются, то, при смене ручного инструмента, точка пересечения пилотных пучков не совпадет с перетяжкой хирургического пучка из-за дисперсии материала линзы фокусирующей системы. Чтобы устранить этот недостаток фокусирующая линза выполнена из двух частей: центральной для хирургического пучка и периферийной кольцевой для пилотных пучков.

Оптические силы частей линзы таковы, что пилотные пучки пересекаются в точке положения перетяжки хирургического пучка.

Недостатками рассмотренного известного технического решения являются:
низкая оперативность смены размера перетяжки на выходе манипулятора;
увеличение апертуры фокусирующей системы.

Низкая оперативность смены размера перетяжки связана с необходимостью замены ручного инструмента, а увеличение апертуры с применением составной фокусирующей линзы, такая линза имеет апертуру большую на величину периферийной части.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является аппарат по патенту [5] который содержит первый хирургический лазер, излучающий высокоэнергетический лазерный пучок, и второй пилотный лазер, излучающий лазерный пучок, видимый для человеческого глаза, устройство совмещения пучков обоих лазеров и манипулятор, включающий ручной инструмент для оперирования сфокусированным лазерным пучком и фокусирующую оптическую систему, которой снабжен ручной инструмент.

Недостатками этого технического решения являются:
отсутствие указателя положения перетяжки хирургического пучка на выходе манипулятора;
низкая оперативность смены размера перетяжки на выходе манипулятора;
сложность стерилизации наконечника ручного инструмента.

В рассматриваемом известном решении пилотный пучок на выходе манипулятора указывает ось хирургического пучка, но не указывает положение перетяжки.

Низкая оперативность переключения размера перетяжки обусловлена тем, что переключение производится вручную, сменой наконечников, содержащих фокусирующие системы разной оптической силы.

Наличие в сменном наконечнике оптических элементов затрудняет его стерилизацию, требуются меры, предотвращающие обработку оптических поверхностей.

Целью изобретения является повышение оперативности переключения размера перетяжки на выходе манипулятора и упрощение процедуры стерилизации наконечника без усложнения конструкции ручного инструмента.

Поставленная цель достигается тем, что в лазерный хирургический аппарат, содержащий первый хирургический лазер, излучающий высокоэнергетический лазерный пучок, и второй пилотный лазер, излучающий лазерный пучок, видимый для человеческого глаза, устройство совмещения пучков обоих лазеров и манипулятор, включающий ручной инструмент для оперирования сфокусированным лазерным пучком и фокусирующую оптическую систему, которой снабжен ручной инструмент, вводится формирующая оптическая система, расположенная между хирургическим лазером и манипулятором, кинематически связанный с ней привод и устройство управления приводом.

Для сохранения положения перетяжки пучка хирургического лазера на выходе манипулятора, фокусные расстояния и расположение оптических элементов выбираются среди решения следующей системы уравнений:

где i индекс оптического элемента формирующей оптической системы;
j индекс оптического элемента фокусирующей оптической системы;
k индекс размера перетяжки на выходе манипулятора;
b. конфокальный параметр пучка;
b_о конфокальный параметр хирургического лазера на входе в формирующую оптическую систему;
f. фокусные расстояния оптических элементов;
y. расстояние от передней перетяжки до оптического элемента;
z. расстояние от оптического элемента до задней перетяжки;
z₀ расстояние от последнего элемента фокусирующей системы до перетяжки на выходе манипулятора.

Для указания положения перетяжки на выходе манипулятора, в устройство совмещения пучков вводится расщепитель пучка пилотного лазера и отражатель, расположенные так, что оба пилотных пучка направляются в манипулятор в одной плоскости, симметрично относительно оси пучка хирургического лазера и пересекаются на выходе манипулятора в точке положения перетяжки.

Для реализации дискретного переключения размера перетяжки на выходе манипулятора в формирующую оптическую систему вводится по крайней мере один оптический элемент, закрепленный в подвижной оправе с возможностью ввода в пучок хирургического лазера и вывода за пределы поперечного сечения пучка.

Формирующая оптическая система в простом конкретном варианте исполнения состоит из расширителя пучка, представляющего собой короткофокусную положительную или отрицательную линзу, и сменных положительных линз.

С целью уменьшения апертуры лазерного пучка внутри манипулятора, в фокусирующую оптическую систему вводится промежуточная корректирующая линза, расположенная между ручным инструментом и входом манипулятора, преимущественно на половине расстояния.

С целью уменьшения числа сменных оптических элементов формирующая система содержит сменные линзы, число которых на единицу меньше, чем число возможных переключаемых пучков на выходе манипулятора, при этом один из пучков формируется при выведенных всех сменных линзах.

Для реализации непрерывного измерения размера перетяжки на выходе манипулятора формирующая оптическая система содержит, по крайней мере, один оптический элемент, закрепленный в подвижной оправе с возможностью продольного осевого перемещения в пучке хирургического лазера.

Для сохранения заданного положения перетяжки на выходе манипулятора формирующая система содержит две линзы, закрепленные в подвижных оправах с возможностью осевого перемещения в пучке хирургического лазера.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что формирующая оптическая система изменяет расходимость пучка излучения хирургического лазера на входе манипулятора, в результате чего изменяется размер перетяжки пучка излучения на выходе манипулятора. Смена или осевое перемещение элементов формирующей оптической системы осуществляется управляемым приводом и может производиться с высокой оперативностью, дистанционно, в паузе или в процессе хирургического воздействия, при этом не усложняется конструкция и не увеличивается масса подвижных частей манипулятора.

Если расположение и фокусные расстояния формирующей и фокусирующей оптических систем, выбраны среди решений системы уравнений, которая содержит уравнение передачи пучка излучения от лазера к выходу манипулятора и требование равного удаления перетяжек всех выходных пучков от фокусирующей оптической системы, то положение перетяжки пучка на выходе манипулятора не изменяется. В приведенной системе уравнений индекс k дискретен, если переключение размера перетяжки осуществляется дискретно, т.е. формирующая оптическая система содержит сменные элементы, и индекс k изменяется непрерывно, если изменение размера перетяжки осуществляется непрерывно, т.п. формирующая оптическая система содержит перемещаемые вдоль оси элементы.

Указание точки фокусировки хирургического излучения, т.е. положения перетяжки на биоткани, осуществляется при помощи двух пилотных пучков, пересекающихся в перетяжке пучка хирургического лазера на выходе манипулятора. Наличие на операционной поверхности двух светящихся пятен от пилотных пучков указывает на расфокусировку. Фокусировка достигается осевым перемещением ручного инструмента относительно биоткани до слияния пилотных пятен.

Дискретное переключение размера перетяжки на выходе манипулятора производится поочередным вводом в формирующую систему сменных линз, непрерывное изменение размера перетяжки производится осевым продольным перемещением, по крайней мере, одной линзы.

Непрерывное изменение размера перетяжки на выходе манипулятора на заданном расстоянии от фокусирующей системы (два параметра) требует согласованого осевого перемещения, по крайней мере, двух линз.

Уменьшение апертуры лазерного пучка внутри манипулятора достигается корректирующей линзой, которая дополнительно подфокусирует лазерный пучок и, таким образом, уменьшает его апертуру.

Предлагаемое техническое решение поясняется фигурами 1, 2, 8, где фиг.1 изображает функциональную схему лазерного хирургического аппарата, фиг.2 изображает аппарат с дискретным переключением размера перетяжки на выходе манипулятора, фиг.3 изображает аппарат с непрерывным изменением размера перетяжки и указанием положения точки фокусировки при помощи двух пилотных пучков, фиг.4 изображает ход пучка хирургического лазера и пилотных пучков через фокусирующую систему и на выходе манипулятора, фиг.5 изображает ход пучка хирургического лазера через формирующую и фокусирующую оптические системы при дискретном переключении размера перетяжки, фиг.6 изображает ход пучка хирургического лазера через формирующую оптическую систему и фокусирующую систему с корректирующей линзой при дискретном переключении размера перетяжки, фиг.7 изображает ход пучка хирургического лазера через формирующую систему с уменьшенным числом сменных элементов и фокусирующую систему при дискретном переключении размера перетяжки, фиг. 8 изображает ход пучка через формирующую и фокусирующую оптические системы при непрерывном изменении размера перетяжки.

Функциональную схему лазерного хирургического аппарата поясняет фиг.1. Излучение хирургического лазера проходит через формирующую оптическую систему, подвижные оптические элементы которой перемещаются управляемым приводом и через устройство совмещения с пучком пилотного лазера. Совмещенные хирургические и пилотный пучки манипулятором доставляются к биоткани и фокусируются в точку воздействия.

Устройство аппарата с дискретным переключением размера перетяжки поясняет фиг.2. Аппарат содержит хирургический лазер 1, пилотный лазер 2, устройство совмещения пучков обоих лазеров 3, формирующую оптическую систему, содержащую сменные линзы 4, 5, привод линз 6, устройство управления приводом 7, манипулятор 8 с фокусирующей линзой 9 и сменным стерилизуемым наконечником 10. Оператор (хирург) при помощи устройства 7 управляет приводом 6, который поочередно вводит сменные линзы 4, 5 в пучок хирургического лазера 1. Пучки хирургического лазера 1 и пилотного лазера 2 совмещаются устройством 3 и манипулятором 8 с фокусирующей линзой 9 доставляются в точку воздействия к биоткани. Таким образом, изменение размера перетяжки на выходе манипулятора производится оперативно, без смены наконечника 10.

Устройство аппарата с непрерывным изменением размера перетяжки и указанием положения перетяжки при помощи двух пилотных пучков поясняет фиг.3. В отличие от предыдущего случая, аппарат содержит перемещаемые вдоль оси линзы 11, 12, а устройство совмещения хирургического и пилотного пучков содержит делитель 13 и отражатель 14. Привод 6, управляемый при помощи устройства 7, согласовано перемещает вдоль оси линзы 11, 12, которые изменяют расходимость пучка хирургического лазера 1 на входе манипулятора 8. Пучок пилотного лазера 2, делителем 13 расщепляется на два пилотных пучка. Отражатель 14 и делитель 13 направляют пилотные пучки в манипулятор симметрично относительно оси пучка хирургического лазера 1.

Ход пучка хирургического лазера и двух пилотных пучков через фокусирующую линзу поясняет фиг.4. Хирургический пучок 15, фокусируется линзой 9 в точке 16. Пилотные пучки 17, 18 проходят через линзу 9 и пересекаются в точке 16, т.е. в перетяжке пучка хирургического лазера на выходе манипулятора. При правильной фокусировке, на оперируемой поверхности 19 наблюдается одно светящееся пилотное пятно в точке 16. Если оперируемая поверхность находится дальше или ближе фокуса, наблюдаются два пилотных пятна, точки 20, 21 или точки 22, 23. Таким образом осуществляется указание положения перетяжки.

Ход хирургического пучка через формирующую и фокусирующую системы при дискретном переключении размера перетяжки поясняет фиг.5. Формирующая оптическая система содержит расширяющую линзу 24 и сменные линзы 4 и 5. Лазер 1 излучает хирургический пучок 15, который затем расширяется линзой 24. Линза 4 формирует необходимую расходимость пучка на входе манипулятора, а линза 9 фокусирует хирургический пучок на выходе манипулятора в точке 16. Переключение размера перетяжки в точке 16 производится переключением линз 4, 5, линза 4 выводится из пучка 15, а линза 5 вводится в пучок 15.

Ход хирургического пучка через формирующую оптическую систему и фокусирующую систему с корректирующей линзой поясняет фиг.6. Формирующая оптическая система содержит сменные линзы 4 и 5, а фокусирующая система содержит корректирующую линзу 25 и фокусирующую линзу 9. Переключение размера перетяжки в точке 16 производится переключением линз 4, 5. Корректирующая линза 25, подфокусирует хирургический пучок 15, при этом уменьшается апертура пучка и необходимое проходное сечение манипулятора.

Ход хирургического пучка через формирующую систему с уменьшенным числом сменных элементов и фокусирующую систему поясняет фиг.7. Переключение размера перетяжки хирургического пучка в точке 16 осуществляется переключением линзы 4. Один из пучков формируется при выведенной линзе 4, или при всех выведенных линзах, если формирующая система содержит более одной сменной линзы. Число сменных линз меньше на единицу, чем число возможных перетяжек в точке 16.

Ход хирургического пучка через формирующую и фокусирующую оптические системы при непрерывном изменении размера перетяжки поясняет фиг.8. Формирующая система содержит перемещаемые вдоль оси пучка 15 линзы 11, 12. При согласованном перемещении линз 11, 12 изменяется размер перетяжки хирургического пучка в точке 16.

1. Патент США N 3528424 кл. А 61 В 17/36, 1970 г.

2. Harrington I.F. Proc.SPIF, v.1228,p 178-186,1990.

3. Заявка Японии N 57-58943 кл. А 61 В 17/36, 1982 г.

4. Патент США N 4123143 кл. А 61 В 17/36, 1978 г.

5. Патент США N 473074 кл. А 61 В 17/36, 1984 г.

Использование: изобретение относится к лазерной хирургии и может быть использовано в лазерных скальпелях, коагуляторах, а кроме того в лазерных технологических установках. Сущность изобретения: аппарат содержит хирургический лазер, пилотный лазер, устройство совмещения пучков обоих лазеров и манипулятор, снабженный фокусирующей оптической системой. В аппарат введена формирующая оптическая система, расположенная между хирургическим лазером и манипулятором, кинематически связанный с ней привод и устройство управления приводом. Формирующая оптическая система содержит сменные, вводимые в пучок или перемещаемые вдоль оси линзы. При смене или перемещении линз приводом изменяется размер перетяжки хирургического пучка на выходе манипулятора. Смена размера перетяжки может осуществляться оперативно в ходе хирургического воздействия. Если параметры формирующей и фокусирующей систем выбраны среди решений системы уравнений, содержащей уравнения передачи хирургического лазерного пучка и краевые условия, то положение перетяжки на выходе манипулятора не изменяется при смене или перемещении линз. Указание точки фокусировки осуществляется при помощи двух пилотных пучков, пересекающихся в перетяжке хирургического пучка на выходе манипулятора. Два пилотных пучка получаются расщеплением пучка пилотного лазера и направляются отражателями в манипулятор. 6 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Лазерный хирургический аппарат, содержащий хирургический лазер, пилотный лазер, и манипулятор, включающий ручной инструмент с фокусирующей оптической системой, отличающийся тем, что он дополнительно содержит формирующую оптическую систему, расположенную между хирургическим лазером и манипулятором, а также кинематически связанный с ней привод и устройство управления приводом, при этом расположение и фокусные расстояния оптических элементов формирующей и фокусирующей оптических систем определены из следующих зависимостей:
b_i=o,k b_o;

b_j=o,k b_i n, k;
i 1, 2, n;


Z_j=m,k Z<Mv>o;
j 1, 2, m;
k 1, 2,l,
где i индекс оптического элемента формирующей оптической системы;
j индекс оптического элемента фокусирующей оптической системы;
k индекс размера перетяжки на выходе фокусирующей системы;
b конфокальный параметр лазерного пучка;
b_o конфокальный параметр лазерного пучка на входе в формирующую оптическую систему;
f фокусное расстояние оптического элемента;
y расстояние от начала перетяжки до оптического элемента;
Z расстояние от конца перетяжки до оптического элемента;
Z_o расстояние от последнего оптического элемента фокусирующей системы до перетяжки на выходе манипулятора. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что формирующая оптическая система содержит по крайней мере один сменный оптический элемент, закрепленный в подвижной оправе с возможностью ввода в пучок хирургического лазера и вывода за пределы поперечного сечения пучка хирургического лазера. 3. Аппарат по п.2, отличающийся тем, что формирующая оптическая система содержит расширитель пучка хирургического лазера, представляющий собой короткофокусную положительную или отрицательную линзу, и сменные положительные линзы. 4. Аппарат по п.2, отличающийся тем, что фокусирующая оптическая система содержит промежуточную корректирующую линзу, расположенную в манипуляторе на половине расстояния между ручным инструментом и входом манипулятора, а формирующая оптическая система содержит сменные линзы. 5. Аппарат по п.2, отличающийся тем, что фокусирующая оптическая система содержит промежуточную корректирующую линзу, расположенную в манипуляторе на половине расстояния между ручным инструментом и входом манипулятора, а формирующая оптическая система содержит сменные линзы, число которых на единицу меньше, чем число возможных пучков на выходе манипулятора, с возможностью формирования одного из пучков при выведенных сменных линзах. 6. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что формирующая оптическая система содержит по крайней мере один оптический элемент, закрепленный в подвижной оправе с возможностью продольного осевого перемещения в пучке хирургического лазера. 7. Аппарат по п.5, отличающийся тем, что фокусирующая оптическая система содержит промежуточную корректирующую линзу, расположенную в манипуляторе на половине расстояния между ручным инструментом и входом манипулятора, а формирующая оптическая система содержит две линзы, закрепленные в подвижных оправах с возможностью согласованного осевого продольного перемещения в пучке хирургического лазера.