Способ изготовления лазерного волоконного скальпеля со стабилизированной температурой термооптического наконечника Российский патент 2022 года по МПК A61B18/22 G02B6/00 

Изобретение относится к медицинской технике, в частности к способам изготовления лазерных устройств, и может быть использовано для производства применяемых в хирургии или терапии лазерных скальпелей, принцип работы которых основан на термовоздействии.

Важным аспектом эффективности онкохирургии является выбор адекватного инструмента для резекции и методики его использования. С одной стороны, выбранный инструмент должен соответствовать принципам абластики, а с другой - позволять выполнить операцию достаточно быстро и не ухудшать возможность проведения последующей диагностики операционного поля. Термически пораженный слой, возникший от лазерного скальпеля, важен для создания бескровного разреза. Большой его размер приводит к воспалению и плохому заживлению, поэтому он должен быть оптимален. Размер разреза зависит от методики лазерной резекции, от параметров излучения, от угла наклона скальпеля к поверхности и т.д. Минимизация операционной травмы определяет степень сохранности функции органа и, тем самым, уровень качества жизни пациента, а степень радикальности удаления опухоли - возможность продолженного роста и/или возникновения рецидива процесса.

На данный момент считается, что лазерная хирургия пережила этап исследования режимов воздействия и стала медицинской технологией. Для создания ровного бескровного шва нужен одинаковый размер зоны коагуляции, который зависит от стабильного значения температуры режущей части кварцевого оптоволокна. Измерение температуры в условиях резки затруднено локальностью (диаметр волокна 400-550 мкм), рассеянием биоткани и карбонизацией биоткани в процессе резки. Попытки организовать обратную связь по мощности излучения, и таким образом стабилизировать температуру, не привели к клиническому применению. В последнее время стали появляться новые теоретические модели лазерной резекции опухолей, с помощью которых стало возможно понять физические принципы процесса и определить оптимальные параметры излучения.

По патенту RU 2586847 «Лазерный волоконный скальпель с термооптическим наконечником и способ его изготовления» (публ. 10.06.2016 г., МПК А61В 18/22) известен способ изготовления лазерного волоконного скальпеля, включающий зачернение выходного конца волоконного световода путем нанесения приготовленного коллоидного раствора порошка графита в кремнийорганическом лаке на торец и на прилегающую цилиндрическую часть (~0,5 мм) волоконного световода, что позволяет длительно поддерживать на нем высокую температуру за счет поглощения им оптического излучения лазера. Способ включает также подсушку и проверку качества нанесенного покрытия. В данном патенте описан способ изготовления волоконного скальпеля с термооптическим наконечником без возможности поддержания определенного уровня температуры этого наконечника в процессе работы.

По патенту US 6015404 «Laser dermatology with feedback control)) (публ. 18.01.2000 г., МПК A61B 18/20, A61B 18/00) известен способ и устройство для лазерной дерматологии. В предлагаемом способе контролируют уровень температуры эпидермиса, на который воздействуют лазерным импульсом, не допуская превышения порогового уровня за счет обратной связи и управления мощностью и длительностью импульса. Однако данный способ применим только для импульсно-периодического режима, в то время как большинство лазерных хирургических аппаратов имеет также непрерывный режим излучения.

В качестве прототипа выбран способ изготовления лазерного хирургического скальпеля, описанный в патенте US 8956343 «Dental surgical laser with feedback mechanisms» (публ. 17.02.2015 г., МПК A61B 18/20). Известный способ изготовления термооптического наконечника включает получение оптического наконечника из оптически прозрачного материала, нанесение на дистальный конец волоконного световода оптически поглощающего материала, отжиг наконечника путем приложения мощности лазера к наконечнику. Поддержание заданного уровня температуры наконечника во время работы скальпеля осуществляют путем автоматической регулировки мощности лазера.

Недостатком данного способа является необходимость постоянного контроля и регулирования температуры наконечника во время работы, что осуществляется с помощью системы обратной связи. Такое решение усложняет конструкцию и увеличивает ее стоимость. Также недостатком предложенного способа является сложная калибровка системы обратной связи в зависимости от степени модификации биоткани, которая претерпевает несколько фазовых переходов под действием температуры, меняется спектр обратного рассеяния.

Задачей, на решение которой направлено предполагаемое изобретение, является разработка способа изготовления лазерного волоконного скальпеля, обеспечивающего стабильную температуру термооптического наконечника во время работы без применения дополнительных систем контроля и регулировки температуры.

Технический результат в предлагаемом способе изготовления лазерного волоконного скальпеля со стабилизированной температурой термооптического наконечника достигается за счет того, что он, как и способ-прототип, включает нанесение на дистальный конец волоконного световода оптически поглощающего материала, отжиг наконечника путем его кратковременного нагревания до температуры ниже температуры абляция поглощающего материала, поддержание заданного уровня температуры наконечника во время работы лазерного волоконного скальпеля. Новым в предлагаемом способе является то, что после отжига наконечник нагревают до температуры абляции материала, добиваются стабилизации тепловыделения на слое поглощающего материала путем сохранения процесса абляции этого материала, тем самым во время работы лазерного волоконного скальпеля поддерживают заданный уровень температуры наконечника на уровне температуры абляции.

Изобретение иллюстрируется следующими рисунками.

На фиг. 1 схематически показан волоконный световод с нанесенным на его торец слоем из оптически поглощающего материала.

На фиг. 2 показаны зависимости температуры термооптического наконечника от времени, измеренной экспериментально (точки) и рассчитанной с помощью модели (линии) для различных мощностей лазерного излучения: а) для мощности 3 Вт и 4 Вт, б) для мощности 5 Вт и 6 Вт.

На фиг. 3 показаны зависимости оптической плотности материала наконечника от времени, рассчитанные с помощью модели для различных мощностей лазерного излучения: а) для мощности 3 Вт и 4 Вт, б) для мощности 5 Вт и 6 Вт.

На фиг. 4 показаны зависимости температуры оптически поглощающего материала от времени, рассчитанные с помощью модели, в следующих приближениях: точки - учет всех видов потерь, тонкие сплошные линии - учет только абляции, толстая сплошная линия - учет только потерь на излучение и теплообмен с окружающей средой а) для мощности 3 Вт и 4 Вт, б) для мощности 5 Вт и 6 Вт.

Способ осуществляют следующим образом.

По разработанному способу на дистальный конец волоконного световода наносят слой оптически поглощающего материала путем погружения зачищенного конца оптического волокна в небольшое количество этого материала. Затем волокно кратковременно нагревают до температуры ниже температуры абляция поглощающего материала, что позволяет зафиксировать этот материал на волокне и получить термооптический наконечник.

В частном случае в качестве поглощающего материала использовали смесь микрочастиц пиротехнического угля и кремнийорганического лака. Коэффициент поглощения покрытия был измерен и составил 1200 см^-1.

После отжига наконечник нагревают до температуры абляции материала, добиваются стабилизации тепловыделения на слое поглощающего материала путем сохранения процесса абляции этого материала, тем самым во время работы лазерного волоконного скальпеля поддерживают заданный уровень температуры наконечника на уровне температуры абляции.

Теоретическая модель, описывающая процесс стабилизации температуры наконечника в результате абляции поглощающего материала, изложена в статье ((Investigation of the Effect of Temperature Stabilization in Radiation-Heat Converters Based on a Strong Absorbing Coating» (авторы Natalia Sapogova, Vladimir Bredikhin, Andrey Afanasiev, Vladislav Kamensky and Nikita Bityurin, публ. 02.10.2021 г.), где рассмотрена задача о распространении тепла в оптоволокне с нанесенным на торец слоем оптически поглощающего материала. Лазерное излучение, проходя через поглощающий слой, нагревает его. В модели учитывают, что при достаточном нагреве материал сильно поглощающего слоя будет испаряться. Уменьшение толщины поглощающего слоя приводит к уменьшению нагрева, происходящего за счет поглощения излучения. Расчеты показывают, каким образом будет изменяться температура в системе в результате этих процессов для различных мощностей излучения.

Для решения задачи использована следующая модель: в цилиндрической системе координат (z, r, ϕ) рассматривают полубесконечный световод цилиндрической формы радиуса R, расположенный вдоль положительного направления оси z (см. фиг. 1). Точка r=0 совпадает с центром волокна. Торец оптоволокна находится в точке z=0. Материал световода считают однородным. Считают, что по азимутальному углу ср задача однородна. На торце оптоволокна в точке z=0 находится сильно поглощающий слой, при решении задачи будем считать толщину поглощающего слоя бесконечно малой величиной. Будем считать, что вещество поглощающего слоя однородно и толщина слоя сохраняется одинаковой на всей площади торца волокна.

Коэффициент поглощения нанесенного на торец волокна сильно поглощающего слоя на длине волны излучения лазерного диода λ=965 нм был измерен, и составил α_sAc=1200 см^-1. Коэффициент поглощения вещества световода составляет примерно 10^-2 см^-1, что существенно меньше поглощения вещества слоя, поэтому поглощением лазерного излучения непосредственно в световоде пренебрегают, считая его оптически прозрачным.

В рамках данной модели были построены зависимости температуры сильно поглощающего слоя от времени облучения для разных мощностей лазерного излучения. Для мощностей 4 Вт и 5 Вт эксперимент проводился дважды, поэтому на графиках представлено по два набора данных для этих мощностей. Было проведено сравнение полученных кривых с имеющимися экспериментальными данными (см. фиг. 2а, б). При сравнении учитывалось, что в ходе выполнения эксперимента сильно поглощающий слой каждый раз наносился заново, и начальная толщина слоя могла варьироваться от эксперимента к эксперименту. Соответственно, в начальный момент времени величина оптической плотности поглощающего слоя D, равная произведению толщины слоя на коэффициент поглощения α_sAC, также меняется от эксперимента к эксперименту. Для каждого отдельного эксперимента величина оптической плотности в начальный момент времени задавалась в соответствии с наблюдающимися в эксперименте данными. Коэффициент поглощения α_sac в ходе испарения слоя предполагается неизменным. Изменение оптической плотности сильно поглощающего слоя представлено на фиг. 3а, б. Для мощностей 4 Вт и 5 Вт также приведены по две кривые. Как видно из данных графиков, независимо от оптической толщины поглощающего слоя в начальный момент времени при нагреве в ходе абляции вещества оптическая плотность уменьшается и достигает некоторого уровня, который слабо зависит от мощности лазерного излучения. Например, на фиг. 3б представлены две зависимости оптической плотности от времени для мощности 5 Вт: несмотря на различную оптическую плотность в начале эксперимента, со временем в обоих случаях оптическая плотность начинает совпадать. Поскольку оптическая плотность пропорциональна толщине поглощающего слоя, то очевидно, что начальная толщина слоя не влияет на итоговую толщину, которая устанавливается в ходе нагрева поглощающего слоя в течение ~ 5 сек.

Как видно из данных фиг. 2а, б и фиг. 3а, б, мощность излучения, с помощью которой проводится нагрев конца оптоволокна с нанесенным на него оптически поглощающим материалом, а также начальная толщина слоя этого материала слабо влияют на устанавливаемую температуру конца оптоволокна. С увеличением нагрева сильно поглощающего слоя за счет увеличения мощности поглощаемого излучения или увеличения толщины слоя материал слоя начинает быстрее испаряться. Уменьшение толщины поглощающего слоя в свою очередь снижает дальнейшую эффективность нагрева и приводит к уменьшению температуры поглощающего слоя. В результате такого процесса саморегуляции температура торца оптоволокна через несколько секунд (~5 сек) после включения лазера достигает величины порядка 2000 К независимо от мощности лазерного излучения или начальной толщины поглощающего слоя.

В статье также рассмотрено насколько существенна роль процесса абляции сильно поглощающего слоя в процессе стабилизации температуры. Для этого рассчитывают изменение температуры поглощающего слоя и его оптической плотности в случаях, когда: в системе не учитываются потери на излучение и теплообмен с окружающей средой, потери на абляцию учитываются; и в системе учитываются только потери на излучение и теплообмен с воздухом, слой не испаряется. Результаты расчетов приведены на фиг. 4. Из этих данных видно, что испарение вещества поглощающего слоя играет принципиальную роль в процессе стабилизации температуры. Излучение и теплообмен не существенным образом влияют на изменение температуры поглощающего слоя, тогда как в отсутствие абляции температурные графики имеют принципиально иной характер.

Экспериментально изучена временная зависимость температуры конца оптоволокна с нанесенным на него сильно поглощающим слоем при облучении волокна непрерывным лазером. Обнаружено, что в определенном интервале лазерной мощности динамика температуры слабо зависит от величины этой мощности. При этом значение температуры выходит на почти стационарное плато.

Таким образом, заявленный способ изготовления лазерного волоконного скальпеля позволяет обеспечить стабильную температуру термооптического наконечника скальпеля во время работы без применения дополнительных систем контроля и регулировки температуры.

Изобретение относится к медицинской технике, в частности к способам изготовления лазерных устройств, и может быть использовано для производства применяемых в хирургии или терапии лазерных скальпелей, принцип работы которых основан на термовоздействии. Заявленный способ изготовления лазерного волоконного скальпеля со стабилизированной температурой термооптического наконечника включает нанесение на дистальный конец волоконного световода оптически поглощающего материала, отжиг наконечника путем его кратковременного нагревания до температуры ниже температуры абляция поглощающего материала, поддержание заданного уровня температуры наконечника во время работы лазерного волоконного скальпеля. Причем после отжига наконечник нагревают до температуры абляции материала, добиваются стабилизации тепловыделения на слое поглощающего материала путем сохранения процесса абляции этого материала, тем самым во время работы лазерного волоконного скальпеля поддерживают заданный уровень температуры наконечника на уровне температуры абляции. Технический результат - разработка способа изготовления лазерного волоконного скальпеля, обеспечивающего стабильную температуру термооптического наконечника во время работы без применения дополнительных систем контроля и регулировки температуры. 4 ил.

Способ изготовления лазерного волоконного скальпеля со стабилизированной температурой термооптического наконечника, включающий нанесение на дистальный конец волоконного световода оптически поглощающего материала, отжиг наконечника путем его кратковременного нагревания до температуры ниже температуры абляция поглощающего материала, поддержание заданного уровня температуры наконечника во время работы лазерного волоконного скальпеля, отличающийся тем, что после отжига наконечник нагревают до температуры абляции материала, добиваются стабилизации тепловыделения на слое поглощающего материала путем сохранения процесса абляции этого материала, тем самым во время работы лазерного волоконного скальпеля поддерживают заданный уровень температуры наконечника на уровне температуры абляции.