ЛАЗЕРНЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ АППАРАТ Российский патент 2007 года по МПК A61N5/67 

Изобретение относится к лазерной медицине и может быть использовано как для хирургического, так и для терапевтического лечения путем облучения биоткани лазерным излучением. Кроме того, изобретение может быть использовано в лазерных технологических установках для поверхностной обработки и клеймения изделий.

Известно устройство для лазерной терапии, содержащее последовательно соединенные блок питания, блок управления, выполненный с возможностью обеспечения раздельной или совместной работы лазерных диодов, оптический блок с лазерными диодами видимой и инфракрасной области спектра и волоконно-оптический преобразователь для сведения излучения лазерных диодов, выход которого связан с входом сменного волоконно-оптического инструмента (Патент РФ №2112873, кл. 6 A 61 N 5/06, заявл. 22.12.97, опубл. 10.12.98, бюл. №34).

Недостатком указанного устройства является низкая мощность лазерного пучка на выходе волоконно-оптического инструмента. Причиной этого является низкая суммарная мощность используемых лазерных диодов.

Низкая мощность лазерного пучка ограничивает функциональные возможности указанного устройства. В частности, устройство не может быть использовано для хирургического воздействия на биоткань.

Наиболее близким к заявляемому является лазерный медицинский аппарат, содержащий последовательно соединенные блок питания, блок управления, выполненный с возможностью обеспечения раздельной или совместной работы лазерных диодов, оптический блок с лазерными диодами видимой и инфракрасной области спектра и волоконно-оптический преобразователь для сведения излучения лазерных диодов, выполненный в виде волоконного жгута, выход которого связан с входом сменного волоконно-оптического инструмента (Лазерный медицинский аппарат ЛМА-40. Паспорт и техническое описание. ГУЛ КБП, Тула, 1998).

Недостатком указанного аппарата является низкая энергетическая яркость лазерного пучка на выходе волоконно-оптического инструмента. Причиной этого является снижение энергетической яркости лазерного пучка при прохождении волоконно-оптического преобразователя.

Принцип работы волоконно-оптического преобразователя заключается в том, что излучение каждого полупроводникового лазерного диода вводится в отдельный волоконный световод, и затем все волоконные световоды объединяются в общий волоконный жгут.

При вводе излучения в волоконный световод тело свечения лазерного диода проецируется с помощью согласующей оптической системы на входной торец волоконного световода. Параметры согласующей оптической системы выбираются таким образом, чтобы угловая расходимость лазерного пучка на выходе согласующей оптической системы соответствовала входной апертуре волоконного световода, а размеры изображения тела свечения соответствовали диаметру волоконного световода.

Лазерные диоды большой мощности относятся к полупроводниковым лазерам на двойной гетероструктуре с полосковой геометрией. Для них характерны угловая расходимость излучения - θ_||=10° и θ_⊥=30° (в плоскости, параллельной и перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода соответственно), и размер тела свечения - а_||=50-500 мкм (в зависимости от мощности 0.5-5 Вт) и a_⊥=1 мкм (в плоскости, параллельной и перпендикулярной плоскости полупроводникового перехода соответственно) (см., например, Laser diode product catalog. Spektra Diode Labs, 1993).

На входном торце волоконного световода изображение тела свечения, имеющего указанные выше параметры излучения, представляет собой вытянутый прямоугольник с соотношением сторон b_||/b_⊥=а_||/а_⊥·θ_||/θ_⊥=15-150 (в зависимости от мощности 0.5-5 Вт). При прохождении волоконного световода излучение становится аксиально-симметричным, и выходной торец оказывается равномерно заполненным выходящим из него излучением. При этом происходит существенное снижение энергетической яркости лазерного пучка.

Другим недостатком указанного аппарата является отсутствие возможности хирургического воздействия на биоткань сфокусированным лазерным пучком.

В принципе, в указанном аппарате сфокусированный лазерный пучок можно получить с помощью специальной фокусирующей насадки, формирующей на биоткани действительное изображение выходного торца волоконно-оптического инструмента. Однако при низкой энергетической яркости лазерного пучка диаметр фокального пятна на биоткани оказывается слишком большим, чтобы проводить тонкое хирургическое воздействие.

В указанном аппарате диаметр волоконно-оптического инструмента - d_c=0.8 мм, числовая апертура - А_с=0.4. Числовая апертура сфокусированного лазерного пучка не должна быть слишком большой, иначе невозможно обеспечить точную фокусировку лазерного пучка на биоткани. Если принять апертуру сфокусированного лазерного пучка А_ф=0.2, то диаметр фокального пятна составит d_ф=d_c·A_с/A_Ф=1.6 мм. Таким пятном невозможно проводить тонкое хирургическое воздействие, поэтому использование такой фокусирующей насадки в указанном аппарате не оправдано.

Таким образом, низкая энергетическая яркость лазерного пучка ограничивает функциональные возможности указанного аппарата. В частности, устройство не может быть использовано для хирургического воздействия на биоткань сфокусированным лазерным пучком.

Задача настоящего изобретения - повышение энергетической яркости лазерного пучка и обеспечение возможности хирургического воздействия на биоткань сфокусированным лазерным пучком.

Для решения поставленной задачи в лазерном медицинском аппарате, содержащем последовательно соединенные блок питания, блок управления, выполненный с возможностью обеспечения раздельной или совместной работы лазерных диодов, оптический блок с полупроводниковыми лазерными диодами видимой области спектра, оптический блок с полупроводниковыми лазерными диодами инфракрасной области спектра, оптический преобразователь для сведения излучения лазерных диодов и сменный оптический инструмент, оптический преобразователь выполнен в виде группы преломляющих призм, оптический блок с лазерными диодами видимой области спектра, оптический блок с лазерными диодами инфракрасной области спектра и оптический преобразователь размещены в одном лазерном блоке, выполненном в виде ручного инструмента, а сменный оптический инструмент содержит одну или несколько фокусирующих насадок, которые крепятся к лазерному блоку в месте выхода излучения.

Выполнение оптического преобразователя в виде группы преломляющих призм позволяет повысить энергетическую яркость лазерного пучка. Размещение оптических блоков с лазерными диодами и оптического преобразователя в одном лазерном блоке, выполненном в виде ручного инструмента, к которому крепятся фокусирующие насадки, позволяет проводить хирургическое воздействие на биоткань сфокусированным лазерным пучком.

В частном случае оптический преобразователь выполнен в виде трех преломляющих призм, ребра преломляющих двугранных углов которых ориентированы параллельно друг другу, оптический блок с лазерными диодами инфракрасной области спектра расположен напротив входной грани первой призмы, оптический блок с лазерными диодами видимой области спектра расположен напротив выходной грани третьей призмы, при этом излучение инфракрасной области спектра проходит через преломляющие призмы, а излучение видимой области спектра отражается от выходной грани третьей призмы.

Выполнение оптического преобразователя в виде трех призм и использование выходной грани последней призмы для соединения излучения видимой и инфракрасной области спектра позволяет обеспечить достаточно высокую мощность излучения в инфракрасной области спектра и одновременно обеспечить относительно небольшие габариты лазерного блока.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 изображена блок-схема лазерного медицинского аппарата, на фиг.2 показан лазерный медицинский аппарат в конкретном конструктивном выполнении.

Лазерный медицинский аппарат содержит последовательно соединенные блок питания 1, блок управления 2, оптический блок 3 с лазерными диодами видимой области спектра, оптический блок 4 с лазерными диодами инфракрасной области спектра и оптический преобразователь 5 для сведения излучения лазерных диодов, выполненный в виде группы преломляющих призм. Оптический блок 3, оптический блок 4 и оптический преобразователь 5 размещены в одном лазерном блоке 6, выполненном в виде ручного инструмента. К лазерному блоку 6 в месте выхода излучения крепится фокусирующая насадка 7.

В частном случае оптический преобразователь 5 выполнен в виде трех преломляющих призм 8, 9 и 10, ребра преломляющих двугранных углов которых ориентированы параллельно друг другу. Оптический блок 4 расположен напротив входной грани призмы 8, оптический блок 3 расположен напротив выходной грани призмы 10. При этом излучение инфракрасной области спектра проходит через преломляющие призмы 8, 9 и 10, а излучение видимой области спектра отражается от выходной грани призмы 10.

В конкретном конструктивном выполнении блок питания 1 и блок управления 2 объединены в один блок питания и управления 11, на котором расположены кнопки управления и жидкокристаллический дисплей. К блоку питания и управления 11 подключены педаль 12 и лазерный блок 6.

К лазерному блоку 6 крепится ручка 13, через которую проходит кабель, связывающий лазерный блок 6 с блоком питания и управления 11.

Вместо фокусирующей насадки 7 к лазерному блоку 6 в месте выхода излучения может также крепиться насадка 14 для ввода излучения в волоконный световод. К выходу насадки 14 крепится сменный волоконно-оптический инструмент 15.

Оптический блок 4 содержит расположенные в один ряд четыре или пять лазерных диодов 16 и такое же количество коллимирующих объективов 17, установленных напротив лазерных диодов. Плоскости полупроводниковых переходов лазерных диодов 16 ориентированы параллельно ребрам преломляющих двугранных углов призм.

Входная грань каждой призмы оптического преобразователя 5 ориентирована перпендикулярно падающему лазерному пучку. При этом ребра преломляющих двугранных углов призм 8 и 9 расположены по одну сторону относительно лазерного пучка, а ребро преломляющего двугранного угла призмы 10 - по другую сторону.

В системе координат, показанной на фиг.2, плоскости полупроводниковых переходов лазерных диодов 16 ориентированы параллельно плоскости XZ, оптические оси коллимирующих объективов 17 - параллельно оси Z, а ребра преломляющих двугранных углов призм - параллельно оси X.

Т.к. вектор поляризации излучения лазерного диода параллелен плоскости полупроводникового перехода, то вектор поляризации излучения, идущего от оптического блока 4, параллелен оси Х и лежит в плоскости падения. Вектор поляризации излучения, идущего от оптического блока 3, параллелен оси Y и перпендикулярен плоскости падения.

Излучение оптического блока 4 трансформируется оптическим преобразователем 5 и на выходе лазерного блока идет по оси Z₁. Излучение оптического блока 3 после отражения от выходной грани призмы 10 тоже идет по оси Z₁. Тем самым излучение видимой и инфракрасной области спектра сводится в один пучок.

Лазерный медицинский аппарат работает следующим образом. После подключения питания врач с помощью соответствующих кнопок на блоке питания и управления 11 устанавливает выбранные для конкретной лечебной процедуры параметры излучения. После этого, держа лазерный блок 6 с фокусирующей насадкой 7 в руке, врач направляет сфокусированный лазерный пучок видимого излучения на зону воздействия и проводит облучение выбранных участков сфокусированным лазерным пучком инфракрасного излучения. Инфракрасное излучение включается с помощью педали 12.

При работе с волоконно-оптическим инструментом 15 к лазерному блоку 6 вместо фокусирующей насадки 7 крепится насадка 14 для ввода излучения в волоконный световод. К выходу насадки 14 крепится сменный волоконно-оптический инструмент 15. Лазерный блок 6 размещается на блоке питания и управления 11. Держа в руке волоконно-оптический инструмент 15, врач направляет расходящийся лазерный пучок видимого излучения на зону воздействия и проводит облучение выбранных участков расходящимся лазерным пучком инфракрасного излучения.

Блок питания и управления 11 обеспечивает следующие режимы работы:

для излучения видимой области спектра:

мощность на выходе фокусирующей насадки - 0.5-5 мВт;

дискретность установки мощности - 0.5 мВт;

режим излучения - непрерывный;

для излучения инфракрасной области спектра:

мощность на выходе фокусирующей насадки - 0.1-12 Вт;

дискретность установки мощности - 0.1 Вт;

режим излучения - непрерывный или импульсно-периодический;

длительность импульса - 0.1-1 с;

длительность паузы между импульсами - 0.1-1 с.

Лазерный диод оптического блока 3 излучает в области спектра 630-670 нм. Мощность излучения на выходе оптического блока - 5 мВт, диаметр коллимированного пучка - 4 мм, угловая расходимость - 2-5 мрад.

Лазерные диоды 16 оптического блока 4 излучают в области спектра - 900-1100 нм. Мощность излучения каждого диода - 3 Вт, угловая расходимость излучения - 10° и 30° (в плоскости XZ и YZ соответственно), размер тела свечения - 200 мкм и 1 мкм (в плоскости XZ и YZ соответственно).

Фокусное расстояние коллимирующих объективов 17-10 мм, числовая апертура - 0.4, расстояние между осями коллимирующих объективов - 12 мм.

Призмы 8, 9 и 10 изготовлены из стекла с большим показателем преломления. Преломляющий угол призм лежит в пределах от 30° до 35°. Угловое увеличение всей группы призм в плоскости - 1 и 20-25 (в плоскости XZ и YZ соответственно).

Фокусное расстояние фокусирующей насадки 7-29 мм. Числовая апертура сфокусированного лазерного пучка - 0.04 и 0.035 (в плоскости XZ₁ и Y₁Z₁ соответственно). Размер фокального пятна - 0.1 и 0.6 (в направлении Х и Y₁ соответственно).

Соответственно, максимальная поверхностная плотность мощности лазерного излучения в фокальном пятне - 20 кВт/см² и максимальная энергетическая яркость сфокусированного лазерного пучка - 14000 кВт/(см²·ср).

Фокусное расстояние насадка 14 для ввода излучения в волоконный световод - 13 мм. Диаметр волоконно-оптического инструмента - 0.6 мм. Числовая апертура - 0.2.

Соответственно, максимальная поверхностная плотность мощности лазерного излучения на выходе волоконно-оптического инструмента - 4 кВт/см² и максимальная энергетическая яркость сфокусированного лазерного пучка - 120 кВт/(см²·ср).

Таким образом, в лазерном медицинском аппарате достигаются малые размеры фокального пятна и высокая энергетическая яркость сфокусированного пучка инфракрасного излучения.

Инфракрасное излучение хорошо поглощается водой и гемоглобином, превосходно коагулируя и вапоризируя любой тип биоткани. Малое фокальное пятно и высокая энергетическая яркость сфокусированного пучка обеспечивает возможность тонкого хирургического воздействия на мелкие участки биоткани.

Преимущество сфокусированного лазерного пучка по сравнению с волоконно-оптическим инструментов состоит также в том, что при воздействии сфокусированным лазерным пучком исключается возможность контакта биоткани с волоконно-оптическим инструментом. Тем самым исключается возможность нечаянного повреждения биоткани или занесения инфекции.

Вместе с тем, т.к. фокусирующая насадка имеет большие габариты, чем волоконно-оптический инструмент, в некоторых случаях предпочтительнее использовать именно волоконно-оптический инструмент. Для этого предусмотрена насадка для ввода излучения в волоконный световод, которая обеспечивает возможность работы с любым волоконно-оптическим инструментом. Тем самым обеспечиваются широкие функциональные возможности лазерного медицинского аппарата.

Лазерный медицинский аппарат применим:

в амбулаторной хирургии - для бескровного рассечения мягких тканей, лечения гигром, атером, синовальных кист, геморроя, кровоточащих язв желудка и двенадцатиперстной кишки, расширенных вен пищевода;

в дерматологии - для лечения папиллом, кондилом, подошвенных бородавок, гнойничковых поражений кожи, невусов, базилиом, телеангиоэкстазий различной локализации;

в косметологии - для удаления гимангиом, винных пятен, расширенных капилляров на лице и нижних конечностях;

в оториноларингологии - для лечения вазомоторного и гипертрофического ринита, синехии полости носа, полипов области носа, фарингита, ронхопатии, доброкачественных образований полости носа и глотки;

в онкологии - для иссечения и деструкции патологических образований кожи и слизистых оболочек;

в стоматологии - для всех воздействий на мягкие ткани полости рта и зубов типа френектомии и френотомии, гивгивэктомии и гивгивопластики, пульпита, дезинфекции корневого канала, включая рассечение и дренаж абсцессов.

Изобретение относится к лазерной медицине и может быть использовано как для хирургического, так и для терапевтического лечения путем облучения биоткани лазерным излучением. Задача настоящего изобретения - повышение энергетической яркости лазерного пучка и обеспечение возможности хирургического воздействия на биоткань сфокусированным лазерным пучком. Для решения поставленной задачи в лазерном медицинском аппарате оптический преобразователь выполнен в виде группы преломляющих призм. Оптический блок с лазерными диодами видимой области спектра, оптический блок с лазерными диодами инфракрасной области спектра и оптический преобразователь размещены в одном лазерном блоке, выполненном в виде ручного инструмента, а сменный оптический инструмент содержит одну или несколько фокусирующих насадок, которые крепятся к лазерному блоку в месте выхода излучения. В частном случае оптический преобразователь выполнен в виде трех преломляющих призм, ребра преломляющих двугранных углов которых ориентированы параллельно друг другу, оптический блок с лазерными диодами инфракрасной области спектра расположен напротив входной грани первой призмы, оптический блок с лазерными диодами видимой области спектра расположен напротив выходной грани третьей призмы, при этом излучение инфракрасной области спектра проходит через преломляющие призмы, а излучение видимой области спектра отражается от выходной грани третьей призмы. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Лазерный медицинский аппарат, содержащий последовательно соединенные блок питания, блок управления, выполненный с возможностью обеспечения раздельной или совместной работы лазерных диодов, оптический блок с лазерными диодами видимой области спектра, оптический блок с лазерными диодами инфракрасной области спектра, оптический преобразователь для сведения излучения лазерных диодов, и сменный оптический инструмент, отличающийся тем, что оптический преобразователь выполнен в виде трех преломляющих призм, ребра преломляющих двугранных углов которых ориентированы параллельно друг другу, оптический блок с лазерными диодами видимой области спектра, оптический блок с лазерными диодами инфракрасной области спектра и оптический преобразователь размещены в одном лазерном блоке, выполненном в виде ручного инструмента, а сменный оптический инструмент содержит одну или несколько фокусирующих насадок, которые крепятся к лазерному блоку в месте выхода излучения.2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что оптический блок с лазерными диодами инфракрасной области спектра расположен напротив входной грани первой призмы, оптический блок с лазерными диодами видимой области спектра расположен напротив выходной грани третьей призмы, чтобы излучение инфракрасной области спектра проходило через преломляющие призмы, а излучение видимой области спектра отражалось от выходной грани третьей призмы.