ХИРУРГИЧЕСКАЯ ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА Российский патент 2019 года по МПК A61B18/20 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к медицинской технике, преимущественно предназначенной для использования в оперативной урологии, в частности, при лечении доброкачественной гиперплазии предстательной железы (ДГПЖ) и при лечении мочекаменной болезни (МКБ).

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

ДГПЖ и МКБ являются наиболее распространенными заболеваниями в урологии. С внедрением в хирургическую практику эндоскопических методов хирургического лечения все большее распространение получают способы лечения с использованием лазеров, при которых доставка лазерного излучения к зоне воздействия осуществляется с помощью оптических волокон. Наиболее востребованы универсальные лазерные системы, которые могут использоваться как для литотрипсии (разрушение камней) при лечении МКБ, так и для рассечения мягких тканей при лечении ДГПЖ и других урологических заболеваний.

Из патента РФ 2318466, опубл. 10.03.2008, известна хирургическая лазерная система, содержащая оптический генератор на основе кристалла Nd:YAlOз с модуляцией добротности и внерезонаторный преобразователь излучения во вторую гармонику. Лазерный излучатель генерирует импульсы излучения с длиной волны λ=0,532 мкм в диапазоне длительностей 0,1-10 мкс. Разрушение твердых конкрементов производится контактным способом при воздействии излучения с энергией импульса до 0,2 Дж и частотой повторения импульсов 10 Гц. Средняя выходная мощность излучения в таком режиме воздействия составляет до 2 Вт, причем фрагментация камней осуществляется за счет ударных волн, генерирующихся при схлопывании кавитационных пузырей на поверхности камня.

Также возможно использование заявленного устройства со средней выходной мощностью излучения от 30 до 100 Вт для контактного рассечения мягкой ткани при лечении ДГПЖ. Однако использование лазера в двух режимах со средней мощностью излучения, отличающейся более чем на порядок величины, экономически нецелесообразно. Кроме этого, при операции зеленым лазером аденому выжигают при высокой температуре за счет вапоризации ткани. Этот метод не нашел широкого распространения, поскольку оставляет ожог прилегающих тканей, и многие пациенты отмечают болезненные ощущения после операций по удалению аденомы простаты зеленым лазером.

Этого недостатка лишены импульсно-периодические Но:YAG лазер с длиной волны излучения 2,09 мкм, нашедшие применение для малоинвазивных хирургических операций на простате (EAU Guidelines on Laser Technologies. European Urology 61(4), 2012). Для гольмиевой лазерной энуклеации простаты (англ. - Holmium Laser Enucleation of the Prostate (HoLEP)), современного «золотого стандарта» лечения ДГПЖ, используются работающие в режиме свободной генерации высокоэнергетичные (~1 Дж/импульс) гольмиевые лазеры с уровнем средней мощности 30-100 Вт. Лазерное воздействие производит точную вапоризацию и/или резку ткани с проникновением лазерной энергии примерно до 0,4 мм в ткани предстательной железы с одновременной коагуляцией кровеносных сосудов с очень малым тепловым рассеянием.

Также последние 20 лет гольмиевые лазеры с энергией импульса 0,1-3 Дж и длительностью импульсов 200-600 мкс используются для дробления камней. Гольмиевая лазерная литотрипсия, при которой фрагментация камней осуществляется за счет фототермического механизма их разрушения, является наиболее эффективной эндоскопической методикой лечения МКБ (Cimino S, et al. Pneumatic lithotripsy versus Holmium:YAG laser lithotripsy in the management of ureteral stones. Euromediterranean biomedical journal. 8 (15), 2013. P. 77). Было продемонстрировано, что литотрипсия с гольмиевым лазером высокоэффективна независимо от размера, местоположения и твердости камня. В настоящее время гольмиевые лазеры считаются «золотым» стандартом в литотрипсии (Bader M.J., Gratzke С., Walther S. et al. Efficacy of retrograde ureteropyeloscopic holmium laser lithotripsy for intrarenal calculi >2 cm. Urol Res 2010; 38(5):397-402).

В настоящее время для гольмиевых хирургических лазерных систем используется относительно дешевая ламповая накачка нескольких активных элементов на основе базового материала YAG, легированного наряду с ионами Но³⁺ также ионами Tm³⁺ и Cr³⁺. Распространение таких лазеров для лазерной хирургии сдерживают их низкая надежность, малый КПД (менее 2%) и большее тепловыделение. Кроме этого, импульсные лампы накачки имеют малое, ~10⁷ импульсов, время жизни, что при нескольких лампах, используемых в хирургической лазерной системе, требует довольно частой их замены.

Высокими КПД, надежностью и ресурсом характеризуется хирургическая оптоволоконная лазерная система для рассечения биоткани с активным элементом, легированным ионами Tm³⁺ (Патент РФ 2535454, опубл. 10.07.2014). В оптоволоконных тулиевых лазерах, применяемых для лазерной хирургии, накачка осуществляется относительно дешевыми непрерывными или CW (англ. - continuous wave(CW)) - лазерными диодами с излучением на длине волны около 790 нм (возможны и другие длины волн излучения накачки). Генерация излучения в диапазоне длин волн 1,87-2,05 мкм осуществляется в непрерывном или модулированном режиме с мощностью на уровне ~100 Вт. К преимуществам тулиевых лазеров с характерной длиной волны излучения 1,94 мкм относятся: эффективное рассечение тканей, сравнимое с гольмиевым лазером; хорошая остановка кровотечения, минимальная травматизация тканей за счет того, что луч проникает на небольшую глубину, ~0,1 мм, благодаря этому практически отсутствует риск повреждения крупных артерий и нервов. Поэтому тулиевый лазер рекомендовано использовать для лечения ДГПЖ небольшой или средней степени (EAU Guidelines on Laser Technologies. European Urology 61(4), 2012).

Однако тулиевые лазеры не столь эффективны для лечения мочекаменной болезни методом лазерной литотрипсии, как гольмиевые лазеры. Это связано с тем, что в тулиевых лазерах с непрерывными или CW (англ. - continuous wave(CW)) - лазерными диодами накачки не осуществлены режимы с высокими импульсной мощностью (2-5 кВт) и энергией (~1 Дж/импульс). Проведенные исследования (Глыбочко П.В., Альтшулер Г.Б., и др. Тулиевая (Tm) лазерная литотрипсия. Экспериментальное исследование. V Российский Конгресс по Эндоурологии и Новым Технологиям 27.02.2017) показали, что при достижении мощности 500 Вт (сейчас в медицинском волоконном Tm лазере средняя и пиковая мощность 120 Вт) происходит эффективное разрушение камней. Однако такое увеличение мощности может привести к существенному увеличению себестоимости лазера, что экономически не оправдано.

Здесь и далее лазерные диоды, предназначенные для работы в непрерывном режиме, будем называть непрерывными лазерными диодами или CW- лазерными диодами. Другой тип диодов, предназначенных для работы в квазинепрерывном режиме здесь и далее будем называть квазинепрерывными лазерными диодами или QCW- лазерными диодами. Термин "квазинепрерывный режим работы" лазерного диода означает, что он находится в состоянии "включено" в течение настолько коротких интервалов времени, насколько это необходимо для снижения эффектов, связанных с выделением тепла в структуре, но все же достаточно длительными для стабильного излучения, близкого к непрерывному. Работа в квазинепрерывном режиме приводит к повышению пиковой мощности за счет падения средней мощности. QCW- лазерные диоды с более высокой по сравнению с CW- лазерными диодами пиковой мощностью используются для работы с большой частотой следования импульсов при длительности импульсов, как правило, не более 500 мкс и рабочем цикле, не превышающем нескольких процентов.

Также, здесь и далее «лазерные диоды накачки» означает «лазерные диоды для накачки» или «лазерные диоды, предназначенные для накачки».

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В основу изобретения положена задача создания универсальных хирургических лазерных систем, свободных от недостатков аналогов и наиболее полно отвечающих требованиям, предъявляемым к лазерным системам для хирургической урологии.

Выполнение поставленной задачи возможно с помощью хирургической лазерной системы, содержащей лазерное устройство с выводом излучения через оптоволокно, дистальный конец которого подсоединен к хирургическому инструменту.

Устройство характеризуется тем, что лазерное устройство включает в себя импульсный задающий генератор, функционирующий в режиме свободной генерации, и, по меньшей мере, один усилитель мощности, активные элементы задающего генератора и усилителя мощности содержат базовый материал, легированный ионами редкоземельного элемента, при этом задающий генератор снабжен сборками квазинепрерывных или QCW-лазерных диодов накачки, а усилитель мощности снабжен сборками непрерывных или CW-лазерных диодов накачки.

В вариантах реализации изобретения накачка активного элемента усилителя мощности осуществляется в непрерывном режиме, а временной интервал t между импульсами задающего генератора равен или меньше эффективного времени жизни τ верхнего лазерного уровня активного элемента усилителя мощности: t≤τ.

Активные элементы задающего генератора и усилителя мощности могут содержать базовый материал, легированный ионами Tm³⁺ и Но³⁺.

В другом варианте активные элементы задающего генератора и усилителя мощности содержат базовый материал, легированный ионами Tm³⁺.

Базовый материал активных элементов задающего генератора и усилителя мощности может быть выбран из группы: Υ₃Al₅O₁₂ (ΥAG), Υ₃AlO₃ (ΥAP), LiΥF₄ (ΥLF), Υ₃GeO₅(OH, F)₃, Lu₂O₃, Υ₃Sc₂Ga₃O₁₂ (ΥSGG), Gd₃Sc₂Ga₃O₁₂ (GSGG), Υ₃Ga₅O₁₂ (YGG), LaF₃, Υ₂O₃, BaΥ₂F₈, KCaF₃, SiO₂, кварцевое оптоволокно.

В вариантах изобретения активный элемент задающего генератора выполнен в виде стержня.

В вариантах изобретения каждый активный элемент усилителя выполнен в виде стержня.

Предпочтительно длительность импульсов излучения задающего генератора не меньше 200 мкс.

Предпочтительно длительность импульсов накачки задающего генератора не более 600 мкс

В вариантах изобретения лазерное устройство характеризуется возможностью переключения с импульсно- периодического режима на работу в режиме пачек или пакетов импульсов.

В вариантах изобретения лазерное устройство характеризуется возможностью переключения на режим непрерывной генерации лазерного излучения.

В другом аспекте изобретение относится к хирургической лазерной системе, содержащей лазерное устройство с выводом излучения через оптоволокно, дистальный конец которого подсоединен к хирургическому инструменту, характеризующейся тем, что лазерное устройство включает в себя импульсный задающий генератор, функционирующий в режиме свободной генерации, и, по меньшей мере, один усилитель мощности, активные элементы задающего генератора и усилителя мощности содержат базовый материал легированный ионами Tm³⁺, базовым материалом активного элемента усилителя мощности является LiΥF₄, задающий генератор снабжен сборками QCW- лазерных диодов накачки, а усилитель мощности снабжен сборками CW- лазерных диодов накачки.

Предпочтительно базовым материалом активного элемента задающего генератора является LiΥF₄.

В вариантах реализации изобретения накачка активного элемента усилителя мощности осуществляется в непрерывном режиме, а частота f повторения импульсов задающего генератора равна или больше величины, обратной эффективному времени жизни τ_Tm верхнего лазерного уровня ³F₄ Tm³⁺: f≥1/τ_Tm.

В вариантах реализации изобретения генерация излучения осуществляется на длине волны, около 1,88 мкм, для которой коэффициент поглощения излучения биотканями и водой, такой же, как у излучения Но-лазеров.

В других вариантах длина волны лазерного излучения может быть 1,907 мкм

Резонатор задающего генератора может быть снабжен двухпозиционным поляризатором, обеспечивающим в первой и второй позициях соответственно π-поляризацию и σ- поляризацию лазерного излучения.

Предпочтительно длительность импульсов излучения задающего генератора не меньше 200 мкс.

Предпочтительно длительность импульсов накачки задающего генератора не более 600 мкс.

Техническим результатом изобретения является создание предназначенных для лечения основных урологических заболеваний высокоэффективных хирургических лазерных систем с высокими импульсной (2-5 кВт) и средней (до 100 Вт и более) мощностью излучения на длине волны, выбираемой в диапазоне 1,84-2,12 мкм.

Указанные объекты, особенности и преимущества изобретения, а также само изобретение будет более понятным из последующего описания вариантов реализации изобретения, иллюстрируемых прилагаемыми чертежами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Существо изобретение поясняется чертежами.

Фиг. 1 - Схематичное изображение лазерного устройства.

Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4 - иллюстрация режимов работы лазерных диодов накачки.

Фиг. 5 - Зависимость коэффициента поглощения воды от длины волны излучения.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное описание служит для иллюстрации осуществления изобретения и ни в коей мере объема настоящего изобретения.

В соответствии с примером осуществления изобретения, схематично представленном на Фиг. 1, хирургическая лазерная система содержит лазерное устройство 1 с выводом излучения через оптоволокно 2, дистальный конец которого подсоединен к хирургическому инструменту 3. Лазерное устройство 1 включает в себя импульсный задающий генератор 4, функционирующий в режиме свободной генерации, и, по меньшей мере, один усилитель мощности 5. Активные элементы 6, 7 задающего генератора 4 и усилителя мощности 5 содержат базовый материал, легированный ионами редкоземельного элемента. Задающий генератор 4 снабжен для накачки сборками квазинепрерывных или QCW- лазерных диодов 8, а усилитель мощности 5 снабжен для накачки сборками непрерывных или CW- лазерных диодов 9 накачки.

В соответствии с изобретением накачку относительно низкоэнергетичного задающего генератора 4 осуществляют сборками мощных QCW- лазерных диодов 8, обеспечивая работу задающего генератора 4 в режиме свободной генерации, а накачку высокоэнергетичного усилителя 5 осуществляют сборками CW- лазерных диодов 9 относительно небольшой мощности и потому не столь дорогих, что позволяет минимизировать стоимость лазерной системы 1, обеспечивая ее коммерческую доступность. В соответствии с этим предпочтительно, что выходная энергия лазерного устройства многократно превосходит энергию лазерного излучения задающего генератора, что позволяет уменьшить количество более мощных, а потому и более дорогих сборок QCW- лазерных диодов 8.

В вариантах изобретения лазерное устройство может содержать несколько усилителей мощности, которые могут быть многопроходными. Это позволяет масштабировать выходные параметры лазерного устройства 1.

При выполнении в предложенном виде хирургические лазерные системы наряду с достоинствами систем ближнего ПК-диапазона (предпочтительно 1,84-2,12 мкм), к которым относится точная обработка тканей с одновременной коагуляцией кровеносных сосудов при очень малом тепловым рассеянием, сочетают в себе высокую эффективность и надежность систем с лазерно- диодной накачкой с высокой импульсной мощностью лазерного излучения, присущей хирургическим лазерным системам с ламповой накачкой. В результате достигается универсальность хирургической лазерной системы, которая с высокой эффективностью может использоваться для лечения основных урологических заболеваний: ДГПЖ, МКБ и др.

В соответствии с примером осуществления изобретения (Фиг. 1) активный элемент 6 задающего генератора 4 и активный элемент 7 усилителя мощности 5 могут быть выполнены в виде стержней с боковой диодной накачкой. Активные элементы 6, 7 вместе с соответствующими сборками лазерных диодов 8 и 9 могут быть размещены в герметичных корпусах 10, 11 и охлаждаться протоком жидкого теплоносителя, в частности, дистиллированной водой с помощью системы охлаждения 12. В других вариантах изобретения сборки лазерных диодов 8, 9 могут охлаждаться кондуктивным теплоотводом. Таким образом, лазерное устройство может быть построено на основе лазерных модулей или квантронов с боковой лазерно- диодной накачкой.

В вариантах реализации изобретения накачка активных элементов лазерной системы может быть продольной.

В вариантах изобретения задающий генератор 4 может быть снабжен сборками дополнительных CW- лазерных диодов 13 накачки. За счет этого возможно переключение лазерного устройства 1 на работу в непрерывном режиме, при котором накачка задающего генератора 4 осуществляется сборками дополнительных CW- лазерных диодов накачки 13.

Для питания сборок лазерных диодов 8, 9, а также для питания системы охлаждения 12 и других узлов лазерной системы предназначен блок источников питания 14.

Торцы каждого из активных элементов 6, 7 лазерной системы выведены наружу герметичных корпусов 10, 11 для прохождения через них лазерного излучения.

Зеркала 15, 16 оптического резонатора служат для формирования лазерного пучка 17 задающего генератора 4. Зеркало 15 является полностью отражающим на длине волны излучения хирургической лазерной системы и может быть прозрачным для длин волн лазерных диодов накачки или лазера- целеуказателя видимого диапазона. Энергия излучения задающего генератора 4 усиливается при проходе через активный элемент 7 усилителя мощности 5, формируя выходной лазерный пучок 18.

В вариантах реализации изобретения для формирования лазерного пучка 17 задающего генератора 4 могут применяться дополнительные оптические элементы, в частности, внутрирезонаторный поляризатор 19.

Вывод излучения в оптоволокно 2 осуществляется с помощью оптической системы или оптического элемента 20.

Оптоволокно 2 может быть сменным, присоединяемым к лазерному устройству 1 посредством оптического коннектора 21.

Хирургический инструмент 3 может содержать лазерный зонд 22, к которому дистальный конец оптоволокна 2 подсоединен через оптический коннектор 23. Лазерный зонд 22 предназначен для доставки энергии лазерного излучения к зоне воздействия, в частности, к гиперплазированной ткани предстательной железы, подвергаемой резке и/или абляции или к камню, подвергаемому фрагментации. В зависимости от конструкции лазерного зонда 22 лазерная энергия выходит через его дистальный конец вдоль оси, либо под углом к оси лазерного зонда 22. В некоторых вариантах лазерный зонд 22 и оптоволокно 2 могут быть совмещены, то есть дистальный конец оптоволокна 2 может служить для вывода лазерного ИК излучения, воздействующего на ткани.

Хирургическая лазерная система также содержит программируемый блок управления 24 с панелью управления и индикации, исполнительный механизм 25, например, в виде беспроводной одиночной или двойной педали, и блок вспомогательного оборудования 26.

Настройки программируемого блока управления 24 включают в себя установки величин длительности лазерных импульсов, лазерной энергии, частоты f следования импульсов и/или средней мощности излучения для нескольких режимов работы лазерного устройства 1. Педаль или педали исполнительного механизма 25 позволяют во время операции включать лазерное устройство 1 в различных режимах его работы.

Блок вспомогательного оборудования 26 может включать в себя ирригатор для подачи и вывода через каналы в хирургическом инструменте 3 раствора, омывающего дистальный конец хирургического инструмента 3. На дистальном конце хирургического инструмента 3 в одном из его каналов установлена миниатюрная видеокамера с подсветом, управляемая собственным контроллером. Изображение с миниатюрной видеокамеры передается на монитор, с помощью которого хирург наблюдает за изображением зоны воздействия. Блок вспомогательного оборудования 26 также может включать в себя устройство для захвата и удерживания фрагментируемого камня, а также морцеллятор для удаления энуклеированных долей предстательной железы после лазерного воздействия.

В вариантах реализации изобретения базовый материал активных элементов 6, 7 задающего генератора 4 и усилителя мощности 5 легирован ионами Tm³⁺ и Ho³⁺. При этом генерация лазерного ИК излучения с длиной волны около 2,1 мкм, оптимальной для целого ряда применений в лазерной урологии, осуществляется на переходе ⁵I₇→⁵I₈ ионов гольмия Ho³⁺.

В предложенной хирургической Ho- лазерной системе лазерно- диодная накачка значительно более эффективна по сравнению с ранее использовавшейся ламповой, что позволяет значительно (примерно в 4 раза) повысить КПД лазерного устройства. Кроме этого, диодная накачка компактнее, долговечнее и требует меньшую инфраструктуру для своей работы по сравнению с накачкой разрядными лампами.

В других вариантах изобретения базовый материал активных элементов 6, 7 задающего генератора 4 и усилителя мощности 5 легирован ионами тулия Tm³⁺. При этом генерация лазерного излучения с длиной волны, выбираемой в диапазоне 1,84- 2,07 мкм осуществляется на переходе ³H₄→³H₆ ионов тулия Tm³⁺.

В этом варианте реализации изобретения КПД Tm- лазерного устройства может достигать 20%, что примерно в 2 раза выше, чем для гольмиевого лазерного устройства, выполненного в соответствии с настоящим изобретением. В отличие от известных хирургических Tm- лазерных систем достигается возможность работы с высокой, 2- 5 кВт, импульсной мощностью лазерного излучения, что обеспечивает универсальность хирургической Tm- лазерной системы.

В соответствии с изобретением базовый материал активных элементов выбран из группы: Υ₃Al₅O₁₂ (ΥAG), Υ₃AlO₃ (ΥAP), LiΥF₄ (ΥLF), Υ₃GeO₅(OH, F)₃, Lu₂O₃, Υ₃Sc₂Ga₃O₁₂ (ΥSGG), Gd₃Sc₂Ga₃O₁₂ (GSGG), Υ₃Ga₅O₁₂ (YGG), LaF₃, Υ₂O₃, BaΥ₂F₈, KCaF₃, SiO₂, кварцевое оптоволокно. Базовый материал определяет теплофизические и механические свойства активных элементов лазерного устройства, а также время жизни верхнего лазерного уровня τ, позволяя оптимизировать характеристики лазерного устройства 1.

В предпочтительных вариантах изобретения длительность импульсов излучения задающего генератора не меньше 200 мкс, что позволяет обеспечить высокий ресурс оптоволокна 2 при передаче импульса с большими энергией лазерного излучения, а также оптимизировать количество QCW- лазерных диодов 8 накачки.

Верхняя граница длительности импульсов накачки задающего генератора 4 определяется номинальным режимом работы квазинепрерывных QCW- лазерных диодов 8, в соответствии с которым длительность импульсов накачки задающего генератора предпочтительно не превышает 600 мкс. В вариантах реализации изобретения базовый материал активных элементов 6, 7 задающего генератора 4 и усилителя мощности 5 легирован ионами Tm³⁺ и Ho³⁺. При этом генерация лазерного ИК излучения с длиной волны около 2,1 мкм, оптимальной для целого ряда применений в лазерной урологии, осуществляется на переходе ⁵I₇→⁵I₈ ионов гольмия Ho³⁺.

В предложенной хирургической Ho- лазерной системе лазерно- диодная накачка значительно более эффективна по сравнению с ранее использовавшейся ламповой, что позволяет значительно (примерно в 4 раза) повысить КПД лазерного устройства. Кроме этого, диодная накачка компактнее, долговечнее и требует меньшую инфраструктуру для своей работы по сравнению с накачкой разрядными лампами.

В других вариантах изобретения базовый материал активных элементов 6, 7 задающего генератора 4 и усилителя мощности 5 легирован ионами тулия Tm³⁺. При этом генерация лазерного излучения с длиной волны, выбираемой в диапазоне 1,84- 2,07 мкм осуществляется на переходе ³H₄→³H₆ ионов тулия Tm³⁺.

В этом варианте реализации изобретения КПД Tm- лазерного устройства может достигать 20%, что примерно в 2 раза выше, чем для гольмиевого лазерного устройства, выполненного в соответствии с настоящим изобретением. В отличие от известных хирургических Tm- лазерных систем достигается возможность работы с высокой, 2- 5 кВт, импульсной мощностью лазерного излучения, что обеспечивает универсальность хирургической Tm- лазерной системы.

В соответствии с изобретением базовый материал активных элементов выбран из группы: Υ₃Al₅O₁₂ (ΥAG), Υ₃AlO₃ (ΥAP), LiYF₄ (ΥLF), Υ₃GeO₅(OH, F)₃, Lu₂O₃, Υ₃Sc₂Ga₃O₁₂ (ΥSGG), Gd₃Sc₂Ga₃O₁₂ (GSGG), Υ₃Ga₅O₁₂ (ΥGG), LaF₃, Υ₂O₃, BaΥ₂F₈, KCaF₃, SiO₂, кварцевое оптоволокно. Базовый материал определяет теплофизические и механические свойства активных элементов лазерного устройства, а также время жизни верхнего лазерного уровня τ, позволяя оптимизировать характеристики лазерного устройства 1.

В предпочтительных вариантах изобретения длительность импульсов излучения задающего генератора не меньше 200 мкс, что позволяет обеспечить высокий ресурс оптоволокна 2 при передаче импульса с большими энергией лазерного излучения, а также оптимизировать количество QCW- лазерных диодов 8 накачки.

Верхняя граница длительности импульсов накачки задающего генератора 4 определяется номинальным режимом работы квазинепрерывных QCW- лазерных диодов 8, в соответствии с которым длительность импульсов накачки задающего генератора предпочтительно не превышает 600 мкс.

Tm: ΥLF- усилитель мощности наиболее эффективен при работе на длине волны лазерного излучения 1,907 мкм. В соответствии с этим в вариантах реализации изобретения длина волны лазерного излучения хирургической лазерной системы- 1,907 мкм.

Длина волны 1,907 мкм близка к экстремуму зависимости коэффициента поглощения излучения водой, Фиг. 5. В соответствии с этим глубина проникновения излучения с длиной волны 1,907 мкм в воду и биоткани мала (~0,135 мм). Соответственно, при использовании Tm: ΥLF- лазерного устройства с длиной волны излучения 1,907 мкм достигается большая точность и безопасность хирургических операций.

В другом варианте реализации изобретения хирургическая лазерная система характеризуется генерацией излучения на длине волны, около 1,88 мкм, для которой коэффициент поглощения излучения биологическими тканями и водой, такой же, как у излучения Ho-лазеров, как это иллюстрируется Фиг. 5. В этих вариантах излучение лазерного устройства π- поляризовано, что достигается за счет применения внутрирезонаторного поляризатора 19, либо за счет применения π- поляризованного излучения лазерных диодов накачки 8, 9, 13. Излучение с длиной волны 1,88 мкм проникает в биологические ткани и воду на глубину около 0,4 мм, как излучение с длиной волны 2,09 мкм, характерной для Ho- лазеров, Фиг. 5.

В связи с этим внедрению высокоэффективной хирургической Tm:YLF- лазерной системы, выполненной в соответствии с настоящим изобретением, способствует возможность использования для них уже существующих материальной базы и хирургических методик, созданных для медицинских Ho-лазеров. При этом хирургическая Tm: ΥLF-лазерная система, выполненная в соответствии с изобретением, может быть столь же универсальной для применений в хирургической урологии, как и хирургические Ho:YAG- лазерные системы.

В вариантах реализации изобретения хирургическая лазерная система может быть выполнен с возможностью переключения, например, с помощью поляризатора 19, в режимы генерации лазерного излучения либо с π- поляризацией, либо с σ- поляризацией, что позволяет изменять длину волны лазерного излучения с 1.88 на 1.907 мкм

Хирургическая лазерная система работает следующим образом. Через панель управления и индикации программируемого блока управления 24 врач вводит информацию о требуемых режимах работы лазерного устройства 1. Врач располагает хирургический инструмент 3 в операционном поле и активирует исполнительный механизм 25. Сигнал от исполнительного механизма 25 поступает на программируемый контроллер блока управления 24, которым осуществляется включение источников питания 14 задающего генератора 4 и усилителя мощности 5. ИК излучение лазерного устройства 1,Tm: ΥLF- усилитель мощности наиболее эффективен при работе на длине волны лазерного излучения 1,907 мкм. В соответствии с этим в вариантах реализации изобретения длина волны лазерного излучения хирургической лазерной системы- 1,907 мкм.

Длина волны 1,907 мкм близка к экстремуму зависимости коэффициента поглощения излучения водой, Фиг. 5. В соответствии с этим глубина проникновения излучения с длиной волны 1,907 мкм в воду и биоткани мала (~0,135 мм). Соответственно, при использовании Tm: ΥLF- лазерного устройства с длиной волны излучения 1,907 мкм достигается большая точность и безопасность хирургических операций.

В другом варианте реализации изобретения хирургическая лазерная система характеризуется генерацией излучения на длине волны, около 1,88 мкм, для которой коэффициент поглощения излучения биологическими тканями и водой, такой же, как у излучения Ho-лазеров, как это иллюстрируется Фиг. 5. В этих вариантах излучение лазерного устройства π - поляризовано, что достигается за счет применения внутрирезонаторного поляризатора 19, либо за счет применения π- поляризованного излучения лазерных диодов накачки 8, 9, 13. Излучение с длиной волны 1,88 мкм проникает в биологические ткани и воду на глубину около 0,4 мм, как излучение с длиной волны 2,09 мкм, характерной для Ho-лазеров, Фиг. 5.

В связи с этим внедрению высокоэффективной хирургической Tm:YLF- лазерной системы, выполненной в соответствии с настоящим изобретением, способствует возможность использования для них уже существующих материальной базы и хирургических методик, созданных для медицинских Ho-лазеров. При этом хирургическая Tm: ΥLF- лазерная система, выполненная в соответствии с изобретением, может быть столь же универсальной для применений в хирургической урологии, как и хирургические Ho:YAG- лазерные системы.

В вариантах реализации изобретения хирургическая лазерная система может быть выполнен с возможностью переключения, например, с помощью поляризатора 19, в режимы генерации лазерного излучения либо с π- поляризацией, либо с σ- поляризацией, что позволяет изменять длину волны лазерного излучения с 1.88 на 1.907 мкм

Хирургическая лазерная система работает следующим образом. Через панель управления и индикации программируемого блока управления 24 врач вводит информацию о требуемых режимах работы лазерного устройства 1. Врач располагает хирургический инструмент 3 в операционном поле и активирует исполнительный механизм 25. Сигнал от исполнительного механизма 25 поступает на программируемый контроллер блока управления 24, которым осуществляется включение источников питания 14 задающего генератора 4 и усилителя мощности 5. ИК излучение лазерного устройства 1,

транспортируемое к зоне воздействия через оптоволокно 2 и лазерный зонд 22 хирургического инструмента 3, осуществляет разрушение конкрементов или абляцию и/или испарение биоткани. По достижении необходимого результата врач прекращает работу лазерного устройства 1 или переводит его в другой режим работы через исполнительный механизм 25.

Генерация ИК-излучения лазерного устройства 1 осуществляется следующим образом. Накачка активных элементов 7 усилителя мощности 5 осуществляется излучением сборок CW- лазерных диодов 9, а накачку активного элемента 6 задающего генератора 4, функционирующего в режиме свободной генерации, осуществляется импульсным излучением сборок QCW- лазерных диодов 8.

В процессе работы активные элементы 6, 7, предпочтительно выполненные в виде стержней с боковой диодной накачкой и размещенные в герметичных корпусах 10, 11 вместе со сборками лазерных диодов 8 и 9, охлаждаются с помощью системы охлаждения 12. Электропитание сборок лазерных диодов 6, 7, а также питание системы охлаждения 12 осуществляется с помощью блока источников питания 14. Зеркала 15, 16 резонатора служат для формирования лазерного пучка 17 задающего генератора 4, энергия излучения которого усиливается при проходе через усилитель мощности 5, формируя выходной лазерный пучок 18, который с помощью оптического элемента или элементов 20 вводится в гибкое оптоволокно 2.

Предпочтительно, что в режиме с максимальной средней мощностью излучения накачка активного элемента 7 усилителя мощности 5 осуществляется в непрерывном режиме. При этом работа задающего генератора 4 осуществляется в импульсно- периодическом режиме с временным интервалом t между импульсами, равным или меньшим эффективного времени жизни τ верхнего лазерного уровня активного элемента 7 усилителя мощности: t ≤ τ, Фиг. 2. В вариантах реализации изобретения генерацию лазерного излучения осуществляют в режиме периодической генерации пакетов импульсов, Фиг. 3 или в режиме с малой частотой малой частотой следования импульсов, Фиг. 4. При этом длительность t накачки активного элемента 7 усилителя мощности не превышает эффективное время жизни τ верхнего лазерного уровня: t ≤ τ.

Длительность импульсов лазерного излучения задающего генератора 4 выбирают в диапазоне от 200 до 600 мкс, чтобы обеспечить высокий ресурс оптоволокна 2 и оптимизировать работу QCW- лазерных диодов 8.

В вариантах изобретения лазерную систему переключают с импульсно- периодического режима, иллюстрируемого Фиг. 2, Фиг. 4, на режим пачек или пакетов импульсов, Фиг. 3. В вариантах изобретения возможно переключение лазерного устройства 1транспортируемое к зоне воздействия через оптоволокно 2 и лазерный зонд 22 хирургического инструмента 3, осуществляет разрушение конкрементов или абляцию и/или испарение биоткани. По достижении необходимого результата врач прекращает работу лазерного устройства 1 или переводит его в другой режим работы через исполнительный механизм 25.

Генерация ИК-излучения лазерного устройства 1 осуществляется следующим образом. Накачка активных элементов 7 усилителя мощности 5 осуществляется излучением сборок CW-лазерных диодов 9, а накачку активного элемента 6 задающего генератора 4, функционирующего в режиме свободной генерации, осуществляется импульсным излучением сборок QCW- лазерных диодов 8.

В процессе работы активные элементы 6, 7, предпочтительно выполненные в виде стержней с боковой диодной накачкой и размещенные в герметичных корпусах 10, 11 вместе со сборками лазерных диодов 8 и 9, охлаждаются с помощью системы охлаждения 12. Электропитание сборок лазерных диодов 6, 7, а также питание системы охлаждения 12 осуществляется с помощью блока источников питания 14. Зеркала 15, 16 резонатора служат для формирования лазерного пучка 17 задающего генератора 4, энергия излучения которого усиливается при проходе через усилитель мощности 5, формируя выходной лазерный пучок 18, который с помощью оптического элемента или элементов 20 вводится в гибкое оптоволокно 2.

Предпочтительно, что в режиме с максимальной средней мощностью излучения накачка активного элемента 7 усилителя мощности 5 осуществляется в непрерывном режиме. При этом работа задающего генератора 4 осуществляется в импульсно- периодическом режиме с временным интервалом t между импульсами, равным или меньшим эффективного времени жизни τ верхнего лазерного уровня активного элемента 7 усилителя мощности: t ≤ τ, Фиг. 2. В вариантах реализации изобретения генерацию лазерного излучения осуществляют в режиме периодической генерации пакетов импульсов, Фиг. 3 или в режиме с малой частотой малой частотой следования импульсов, Фиг. 4. При этом длительность t накачки активного элемента 7 усилителя мощности не превышает эффективное время жизни τ верхнего лазерного уровня: t ≤ τ.

Длительность импульсов лазерного излучения задающего генератора 4 выбирают в диапазоне от 200 до 600 мкс, чтобы обеспечить высокий ресурс оптоволокна 2 и оптимизировать работу QCW- лазерных диодов 8.

В вариантах изобретения лазерную систему переключают с импульсно- периодического режима, иллюстрируемого Фиг. 2, Фиг. 4, на режим пачек или пакетов импульсов, Фиг. 3. В вариантах изобретения возможно переключение лазерного устройства 1

на работу в непрерывном режиме, при котором накачка задающего генератора 4 осуществляется сборками дополнительных CW- лазерных диодов накачки 13.

В вариантах изобретения генерацию лазерного ИК излучения с длиной волны 2,09±0,04 мкм осуществляют на переходе ⁵I₇→⁵I₈ ионов Но³. При этом каждый активный элемент лазерной системы состоит из базового материала, легированного одновременно ионами тулия Tm³⁺ и ионами Но³⁺.

В вариантах изобретения генерацию лазерного ИК излучения с длиной волны, выбираемой в диапазоне 1,84-2,07 мкм, осуществляют на переходе ³H₄→³H₆ ионов Tm³⁺, используя активные элементы из базового материала, легированного ионами тулия Tm³⁺.

В вариантах изобретения генерацию осуществляют с использованием в качестве базового материала активных элементов LiΥF₄.

В вариантах изобретения генерацию излучения осуществляют с использованием активных элементов Tm:LiΥF₄ на длин t волны 1,907 мкм, либо 1,88 мкм. Для длины волны 1,88 мкм коэффициент поглощения излучения гидратированными биологическими тканями и водой, такой же, как у излучения импульсно- периодических Но-лазеров, используемых для современных «золотых стандартов» лечения основных урологических заболеваний: ДГПЖ и МКБ. В режимах с максимальной средней мощностью излучения накачку активного элемента Tm: ΥLF- усилителя мощности 5 предпочтительно осуществляют в непрерывном режиме при частоте f повторения импульсов задающего генератора 4 равной или большей величине, обратной эффективному времени жизни τ_Tm верхнего лазерного уровня ³F₄ Tm³⁺: f≥1/τ_Tm≈65 Гц, Фиг. 2, что позволяет достичь высокую импульсную (2-5 кВт) и среднюю (100 Вт и более) мощность лазерного излучения. Таким образом, изобретение позволяет сделать высокоэффективные Tm- лазерные системы столь же универсальным и высокопроизводительными хирургическим инструментом, как и гольмиевые лазеры.

Техническим результатом изобретения является создание высокоэффективных хирургических лазерных систем с высокими импульсной (2-5 кВт) и средней (100 и более Вт) мощностью излучения на длине волны, выбираемой в диапазоне 1,85-2,1 мкм, предназначенных для лечения основных урологических заболеваний.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Предложенные хирургические лазерные системы предназначены для применения в качестве улучшенного универсального хирургического инструмента для малоинвазивных урологических операций.

Изобретение направлено на создание универсальной хирургической лазерной системы преимущественно для использования в оперативной урологии, в частности, при лечении доброкачественной гиперплазии предстательной железы и мочекаменной болезни. Задачи изобретения решаются тем, что задающий генератор снабжен сборками квазинепрерывных или QCW-лазерных диодов накачки, а усилитель мощности снабжен сборками непрерывных или CW-лазерных диодов накачки. В вариантах изобретения накачка активного элемента усилителя мощности осуществляется CW - лазерными диодами в непрерывном режиме, а временной интервал t между импульсами задающего генератора равен или меньше эффективного времени жизни τ верхнего лазерного уровня: t≤τ. Активные элементы лазерной системы могут содержать базовый материал, предпочтительно LiYF₄, легированный ионами Tm³⁺, либо ионами Tm³⁺ и Но³⁺. Технический результат - создание высокоэффективных хирургических лазерных систем с высокими импульсной (2-5 кВт) и средней (100 Вт и более) мощностью излучения на длине волны, выбираемой в диапазоне 1,85-2,1 мкм. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Хирургическая лазерная система, содержащая лазерное устройство (1) с выводом излучения через оптоволокно (2), дистальный конец которого подсоединен к хирургическому инструменту (3), характеризующаяся тем, что

лазерное устройство включает в себя импульсный задающий генератор, функционирующий в режиме свободной генерации, и по меньшей мере один усилитель мощности, активные элементы задающего генератора и усилителя мощности содержат базовый материал, легированный ионами редкоземельного элемента, при этом задающий генератор (4) снабжен сборками квазинепрерывных или QCW-лазерных диодов (8) накачки, а усилитель мощности (5) снабжен сборками непрерывных или CW-лазерных диодов (9) накачки.

2. Система по п. 1, в которой накачка активного элемента (7) усилителя мощности (5) осуществляется в непрерывном режиме, а временной интервал t между импульсами задающего генератора (4) равен или меньше эффективного времени жизни τ верхнего лазерного уровня активного элемента (7) усилителя мощности (5): t ≤ τ.

3. Система по п. 1, в которой базовый материал активных элементов (6), (7) задающего генератора и усилителя мощности легирован ионами Tm³⁺ и Ho³⁺.

4. Система по п. 1, в которой активные элементы (6), (7) задающего генератора и усилителя мощности содержат базовый материал, легированный ионами Tm³⁺.

5. Система по п. 1, в которой базовый материал активных элементов (6), (7) выбран из группы: Υ₃Al₅O₁₂ (ΥAG), Υ₃AlO₃ (ΥAP), LiΥF₄ (ΥLF), Υ₃GeO₅(OH, F)₃, Lu₂O₃, Υ₃Sc₂Ga₃O₁₂ (ΥSGG), Gd₃Sc₂Ga₃O₁₂ (GSGG), Υ₃Ga₅O₁₂ (ΥGG), LaF₃, Υ₂O₃, BaΥ₂F₈, KCaF₃, SiO₂, кварцевое оптоволокно.

6. Система по п. 1, в которой активный элемент (6) задающего генератора (4) выполнен в виде стержня.

7. Система по п. 1, в которой активный элемент (7) усилителя мощности (3) выполнен в виде стержня.

8. Система по п. 1, в которой длительность импульсов излучения задающего генератора не меньше 200 мкс.

9. Система по п. 1, в которой длительность импульсов накачки задающего генератора не более 600 мкс

10. Система по п. 1, в которой лазерное устройство характеризуется возможностью переключения с импульсно-периодического режима на работу в режиме пачек импульсов.

11. Система по п. 1, в которой лазерное устройство характеризуется возможностью переключения на режим непрерывной генерации лазерного излучения.

12. Хирургическая лазерная система, содержащая лазерное устройство с выводом излучения через оптоволокно, дистальный конец которого подсоединен к хирургическому инструменту, характеризующаяся тем, что

лазерное устройство (1) включает в себя импульсный задающий генератор (4), функционирующий в режиме свободной генерации, и по меньшей мере один усилитель мощности (5),

активные элементы (6), (7) задающего генератора (4) и усилителя мощности (5) содержат базовый материал, легированный ионами Tm³⁺,

базовым материалом активного элемента (7) усилителя мощности является LiΥF₄,

задающий генератор (4) снабжен сборками QCW-лазерных диодов (8) накачки, а усилитель мощности (5) снабжен сборками CW-лазерных диодов (9) накачки.

13. Система по п. 12, в которой базовым материалом активного элемента задающего генератора является LiΥF₄.

14. Система по п. 12, в которой накачка активного элемента (7) усилителя мощности (5) осуществляется в непрерывном режиме, а частота f повторения импульсов задающего генератора (4) равна или больше величины, обратной эффективному времени жизни τ_Tm верхнего лазерного уровня ³F₄ Tm ³⁺: f ≥ 1/ τ_Tm.

15. Система по п. 12 с генерацией излучения на длине волны, около 1,88 мкм, для которой коэффициент поглощения излучения биотканями и водой, такой же, как у излучения Ho-лазеров.

16. Система по п. 12, в которой длина волны лазерного излучения 1,907 мкм.

17. Система по п. 12, в которой длительность импульсов излучения задающего генератора не меньше 200 мкс.

18. Система по п. 12, в которой длительность импульсов накачки задающего генератора не более 600 мкс.