ОФТАЛЬМОЛОГИЧЕСКАЯ ХИРУРГИЧЕСКАЯ ЛАЗЕРНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2003 года по МПК A61F9/07 

Изобретение относится к офтальмологии и может быть применено, в частности, при хирургическом лечении катаракты.

Известны офтальмологические хирургические лазерные установки для лечения катаракты, в которых используются твердотельные лазеры на различных кристаллах.

К офтальмологическим хирургическим лазерным установкам для лечения катаракты предъявляются следующие требования:
- длина волны излучения лазера должна лежать в ИК (1800-10000 нм) спектральном диапазоне, где излучение эффективно поглощается биологическими тканями;
- длительность импульсов должна быть не более 50 нс, чтобы обеспечить испарение (абляцию) тканей без теплового воздействия на окружающие ткани.

Известна офтальмологическая хирургическая лазерная установка, включающая лазер на алюмоиттриевом гранате, легированном эрбием (АИГ:Еr) [1]. Лазер имеет длину волны 2,94 мкм, длительность импульса 200 мкс, энергию импульса 5-50 мДж, частоту повторения импульсов 10-100 Гц. Недостатком этой установки является малая скорость разрушения плотных катаральных ядер, что связано с неоптимальностью длительности импульса лазера. Недостатком установки также является сложность конструкции системы доставки излучения к операционному полю, в которой используется нестойкое к лазерному излучению и дорогое оптическое волокно.

Также известны офтальмологические хирургические лазерные установки, включающие лазер на алюмоиттриевом гранате, легированном гольмием (АИГ:Но), с длиной волны 2,08 мкм [2]. Недостатком этих установок также является малая скорость дробления плотных катаральных ядер, связанная с низким коэффициентом поглощения излучения.

Недостатком всех применяемых офтальмологических хирургических лазерных установок также является то, что они могут работать только на фиксированной длине волны, которая определяется активной средой применяемого лазера, причем совокупность параметров импульсов излучения лазера (длина волны, длительность, энергия, частота повторения) является неоптимальной для микрохирургии.

Известны лазеры с параметрическим преобразованием частоты излучения, которые позволяют плавно перестраивать длину волны излучения или работают с фиксированной длиной волны внутри диапазона перестройки. Эти лазеры состоят из лазера накачки (как правило, ИК-лазера на неодимсодержащих кристаллах) и параметрического генератора света (ПГС). ПГС состоит из нелинейного кристаллического элемента, ориентированного по направлению синхронизма для генерации сигнальной волны, который помещается в оптический резонатор, образованный частично прозрачным для сигнальной волны выходным параметрическим зеркалом и глухим для сигнальной волны параметрическим зеркалом. В ПГС происходит преобразование излучения накачки в более длинноволновое излучение [3].

Известен лазер, работающий в режиме модуляции добротности с внутрирезонаторным ПГС: длина волны 1571 нм, частота повторения импульсов до 100 Гц, энергия импульсов до 30 мДж, длительность импульсов 5 нс [4]. К недостаткам этого лазера можно отнести ограниченную среднюю мощность излучения (одна лазерная головка и наведенные эффекты в оптической схеме лазера).

Наиболее близкой по своей технической сущности к изобретению является офтальмологическая хирургическая лазерная установка для удаления катаральных тканей [4] . В качестве источника излучения в ней использован импульсный лазер на алюмоиттриевом гранате с неодимом (AИГ:Nd) с ламповой накачкой, работающий в режиме свободной генерации (длина волны 1444 нм, энергия импульсов 50-350 мДж, длительность импульсов 250 мкс, частота повторения импульсов 12-30 Гц) с волоконно-оптической системой доставки излучения к операционному полю.

Недостатком этой установки является увеличение вероятности осложнений при удалении плотных катаракт, таких как локальный отек роговицы, повышение внутриглазного давления из-за увеличения времени операции.

В то же время существует потребность в офтальмологической хирургической лазерной установке с оптимальной длиной волны излучения, короткой длительностью и большой частотой повторения импульсов.

Задачей предлагаемого изобретения является создание офтальмологической хирургической лазерной установки, позволяющей при лечении катаракты разрушать плотные катаральные ядра за короткое время при снижении травматического воздействия на глаз.

Для решения поставленной задачи в офтальмологической хирургической лазерной установке, включающей импульсный твердотельный лазер с ламповой накачкой и волоконно-оптическую систему доставки излучения к операционному полю, применен лазер с параметрическим генератором света внутри резонатора, включающий последовательно расположенные выходное параметрическое зеркало, частично прозрачное для сигнальной волны и полностью отражающее для волны накачки, кристаллический нелинейный элемент, ориентированный по направлению синхронизма для генерации сигнальной волны в диапазоне 1930-1950 нм, внутреннее параметрическое зеркало, прозрачное для волны накачки и глухое для сигнальной волны, образующие параметрический генератор света, первый активный элемент, 90^o-вращатель плоскости поляризации, линза с фокусным расстоянием F₀, второй активный элемент, электрооптический затвор, состоящий из двух поляризаторов и электрооптического элемента между ними, и концевой отражатель в виде зеркала, глухого для волны накачки, или в виде призмы-крыши, причем фокусное расстояние линзы F₀ выбирается из соотношения

где L= a+b; F₁ и F₂ - фокусные расстояния термических линз, наведенных излучением ламповой накачки в активных элементах, а - расстояние от линзы до концевого отражателя; b - расстояние от линзы до выходного параметрического зеркала, I_нпор - пороговая плотность энергии параметрического генератора света; I_пред - лучевая прочность электрооптического элемента.

Существенным отличительным признаком настоящего изобретения от прототипа является замена АИГ:Nd лазера, работающего в режиме свободной генерации, на лазер с ПГС, работающий в режиме модуляции добротности резонатора, длина волны излучения которого совмещена с локальным максимумом поглощения катаральных ядер в диапазоне 1930-1950 нм. При этом одновременно достигнуты качественно новые свойства установки:
- длительность импульсов попала в наносекундный диапазон и поэтому термическое воздействие на окружающие ткани существенно снижено;
- энергия импульсов, необходимая для абляции, уменьшилась и, следовательно, уменьшилось травматическое воздействие на глаз;
- предельная частота повторения импульсов (при двух активных элементах и двух лампах накачки) возросла, что привело к сокращению времени проведения операции.

Более того, увеличивая расстояния а и b, можно уменьшить пиковую мощность импульсов за счет увеличения длительности импульсов излучения (оставаясь при этом в наносекундном диапазоне) до величины, которая позволяет пропускать импульсы излучения с необходимой энергией через оптоволокно без повреждения последнего.

Преимуществом установки также является то, что может быть использовано оптическое волокно из кварца, прозрачное для рабочей длины волны лазера.

На чертеже представлена принципиальная оптическая схема предлагаемой лазерной установки.

Резонатор лазера образован выходным параметрическим зеркалом 1, глухим для волны накачки и частично прозрачным для сигнальной волны, и концевым отражателем 2, выполненным либо в виде зеркала, глухого для волны накачки, либо в виде призмы-крыши, ребро которой лежит в плоскости чертежа. Кристаллический нелинейный элемент 3 ориентирован по направлению синхронизма для генерации длины волны в диапазоне 1930-1950 нм. Внутреннее параметрическое зеркало 4 полностью пропускает излучение накачки и полностью отражает сигнальную волну. Первый активный элемент 5 цилиндрической формы из кристалла, активированного ионами Nd и имеющего кубическую кристаллическую решетку (АИГ: Nd, ГCГГ: Cr,Nd, ИCГГ:Cr,Nd и т.д.), выращенного в направлении [001], ориентированный так, что кристаллографические оси Х и Y составляют угол ±45^o с плоскостью чертежа. Если кристалл выращен в направлении [111], то его азимутальная ориентация может быть произвольной. В случае применения активных элементов из одноосных кристаллов AИ:Nd, ИЛФ:Nd и т.д. элемент 5 ориентирован так, что плоскость поляризации излучения лежит в плоскости чертежа. Сам элемент помещен в осветитель, содержащий отражатель и лампу накачки. Второй активный элемент 6 помещен в такой же осветитель, что и элемент 5. Если он из кубического кристалла, то ориентируется так же, как и элемент 5. В случае если элемент 6 из одноосного кристалла, то его плоскость поляризации излучения должна лежать в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа. Между активными элементами 5 и 6 расположен 90^o-вращатель плоскости поляризации излучения накачки 7 для взаимной компенсации двулучепреломления, термически наведенного излучением ламп накачки в активных элементах. Рядом с активным элементом 6 размещена линза 8, роль которой заключается в корректировке суммарной линзы с фокусным расстоянием F₀, выбираемым из соотношения:

где L= a+b; F₁ и F₂ - фокусные расстояния термических линз, наведенных излучением ламповой накачки в активных элементах, а - расстояние от линзы до концевого отражателя; b - расстояние от линзы до выходного параметрического зеркала; I_нпор - пороговая плотность энергии параметрического генератора света; I_пред - лучевая прочность электрооптического элемента.

Электрооптический затвор, работающий по схеме λ/2, состоит из электрооптического элемента 9 и двух поляризаторов 10 и 11, пропускающих излучение в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа. Можно использовать также поляризаторы с плоскостью пропускания в плоскости чертежа, тогда следует повернуть активные элементы 5, 6 (если они из одноосных кристаллов) и нелинейный элемент 3 на 90^o вокруг своей геометрической оси, параллельной оси резонатора. Поворотные зеркала 12 позволяют уменьшить продольные габариты лазера.

Излучение лазера, выходящее через зеркало 1, фокусируется линзой 13 в оптическое волокно 14, по которому излучение передается к пациенту. Оптоволокно оканчивается лазерным наконечником с рабочей иглой, которая представляет собой полую трубку, содержащую в себе световод, выступающий из дистального конца трубки на 0,5-2 мм.

Роль линзы 8 заключается в корректировке суммарной линзы с эквивалентным фокусным расстоянием
F-1Σ

Из расчета каустики излучения в резонаторе, состоящем из двух плоских зеркал с несимметрично расположенной линзой, следует, что площади сечений излучения накачки S₃ на элементе 3 и S₉ на элементе 9 относятся как
S₉/S₃ = (F_Σ-a)/(F_Σ-b). (3)
По результатам экспериментальных исследований режимов работы лазера с внутрирезонаторным ПГС было определено, что лучевая прочность элемента 9 с 30% запасом должна быть больше пороговой плотности энергии импульсов излучения накачки I_ппор, соответствующей порогу генерации ПГС:

Из уравнений (2) и (3) следует определение для нижней границы оптической линзы 8:

Другим условием работы лазера является нахождение его резонатора в области устойчивости, которая достигается при F_Σ<L/2, где L=a+b. Поэтому нижнюю границу для F₀ определяют из неравенства 2/L-F₁ ^-1-F₂ ^-1≥F₀ ^-1.

Значения I_пред, I_нпор, F₁ и F₂ определяются расчетным или экспериментальным путем.

Предлагаемая установка работает следующим образом.

В импульсно-периодическом режиме за время каждого импульса лампы накачки (разряды через лампы осуществляются синхронно) при закрытом электрооптическом затворе происходит накопление инверсной населенности в активных элементах 5 и 6. При подаче отпирающего импульса высокого напряжения на электроды электрооптического элемента 9 затвор открывается и в резонаторе генерируется импульс излучения накачки. С небольшой задержкой относительно его начала в ПГС генерируется импульс сигнальной волны, длительность которою зависит в частности от длины резонатора L=a+b. Если энергия импульсов выходного излучения лазера достаточна, чтобы, выходя из оптоволокна, разрушать плотные катаральные ядра, но при этом наблюдаются оптические повреждения оптоволокна, то следует увеличить плечи резонатора а и b и вновь подобрать линзу с F₀, соответствующим соотношению (1). При этом длительность импульсов излучения увеличится, а пиковая мощность снизится до величины, безопасной для данного типа оптоволокна. Частота повторения импульсов выбирается близкой к предельной, определяемой допустимой электрической мощностью ламп накачки с целью сократить время проведения операции.

Рабочую иглу лазерного наконечника вводят через парацентез роговицы в переднюю камеру глаза. Рабочую иглу подводят максимально близко к поверхности хрусталика и включают генерацию лазерных импульсов. Происходит постепенное разрушение вещества хрусталика. Одновременно осуществляют аспирацию фрагментов хрусталика. После того как ядро хрусталика "разбивается" на несколько фрагментов, производят их поочередное разрушение и аспирацию. Затем производят вымывание остатков хрусталиковых масс по стандартной методике.

Для подтверждения эффективности предложенного устройства была испытана установка, включающая лазер на элементах из AИГ:Nd размером ⊘5х65 мм, нелинейный элемент из КТР (угол синхронизма θ = 55^°,ϕ = 0^°) электрооптический элемент из кристалла LiNbO₃ и оптоволокно ⊘400 мкм из кварца. Для получения длительности импульса 15 нс были выбраны L=1,7 м, а=0,7 м, b=1 м. Экспериментально были определены значения F₁=F₂=5 м, I_нпор=100 МВт/см², I_пред=100 МВт/см². По формуле (1) 1,67 м≤F₀≤10 м, поэтому была выбрана линза с F₀=2 м.

Испытания установки были проведены на кроликах. Энергия импульса излучения на выходе волокна составляла 16-18 мДж, длина волны 1,942 мкм, частота 50 Гц. Прозрачный хрусталик кролика был удален с помощью лазерной установки. Через оппозиционный разрез роговицы в капсульный мешок было имплантировано плотное ядро хрусталика человека, удаленное во время экстракапсулярной экстракции катаракты. Затем имплантированное плотное ядро было удалено с помощью лазерной установки и аспирационной системы.

Таким образом, предлагаемая офтальмологическая хирургическая лазерная установка позволяет разрушать плотные катаральные ядра при лечении катаракты, что подтверждает ее эффективность.

Источники информации
1. "Phacolase^ТМ The ErYAG Laser System", проспект фирмы Aesculap-Meditec GmbH.

2. Т. Kecik, D. Kecik, J. Kasprzak, A. Pratnicki, Z. Jankiewicz, A. Zajac, "Experimental studies on the usage possibilities of the holmium laser in cataract surgery". Proc. SPIE, vol. 2781, pp.34-39, 1996.

3. Ахманов С. А. , Хохлов Р.В. "Параметрические усилители и генераторы света", Успехи физических наук, 1966, т. 88, вып.3, с. 439.

4. Патент РФ 2101817, H 01 S 3/10.

5. С. Н. Федоров, В.Г. Копаева, Ю.В. Андреев, А.В. Беликов, "Результаты 1000 лазерных экстракций катаракты", Офтальмохирургия, 3, 1999, с.3-14 - прототип.

Изобретение относится к офтальмологии и может быть применено при хирургическом лечении катаракты. В установке применен лазер с параметрическим генератором света внутри резонатора, включающий последовательно расположенные выходное параметрическое зеркало, частично прозрачное для сигнальной волны и полностью отражающее для волны накачки, кристаллический нелинейный элемент, ориентированный по направлению синхронизма для генерации сигнальной волны в диапазоне 1930...1950 нм, внутреннее параметрическое зеркало, прозрачное для волны накачки и глухое для сигнальной волны, образующие параметрический генератор света, первый активный элемент, 90^o-вращатель плоскости поляризации, линзу с фокусным расстоянием F₀, второй активный элемент, электрооптический затвор и концевой отражатель в виде зеркала, глухого для волны накачки, или в виде призмы-крыши, причем фокусное расстояние линзы F₀ выбирается из определенного соотношения. Изобретение позволяет при лечении катаракты разрушать плотные катаральные ядра за короткое время при снижении травматического воздействия на глаз. 1 ил.

Офтальмологическая хирургическая лазерная установка, включающая импульсный твердотельный лазер с ламповой накачкой и волоконно-оптическую систему доставки излучения к операционному полю, отличающаяся тем, что импульсный твердотельный лазер выполнен в виде лазера с параметрическим генератором света внутри резонатора и содержит последовательно расположенные выходное параметрическое зеркало, частично прозрачное для сигнальной волны и полностью отражающее для волны накачки, кристаллический нелинейный элемент, ориентированный по направлению синхронизма для генерации сигнальной волны в диапазоне 1930...1950 нм, внутреннее параметрическое зеркало, прозрачное для волны накачки и глухое для сигнальной волны, образующие параметрический генератор света, первый активный элемент, 90^o-вращатель плоскости поляризации, линзу с фокусным расстоянием F₀, второй активный элемент, электрооптический затвор, состоящий из двух поляризаторов и электрооптического элемента между ними, и концевой отражатель в виде зеркала, глухого для волны накачки, или в виде призмы-крыши, причем фокусное расстояние линзы F₀ выбирается из соотношения

где L=a+b;
F₁ и F₂ - фокусные расстояния термических линз, наведенных излучением ламповой накачки в активных элементах;
а - расстояние от линзы до концевого отражателя;
b - расстояние от линзы до выходного параметрического зеркала;
I_нпор - пороговая плотность энергии параметрического генератора света;
I_пред - лучевая прочность электрооптического элемента.