СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ЛИТОТРИПСИИ Российский патент 2023 года по МПК A61B18/26 

Область техники, к которой относится настоящее изобретение

Настоящее изобретение, в общем, относится к способам и лазерным системам для лечения конкрементов в организме человека или животного с регулированием временной структуры мощности лазерного излучения с целью увеличения скорости дробления камней в соответствии с различными хирургическими методиками. В частности, настоящее изобретение относится к способу и лазерной системе для лечения конкрементов в организме с помощью лазерных импульсов, имеющих усовершенствованную временную структуру за счет модуляции энергии импульса, пиковой мощности и частоты следования импульсов, а также формы импульса.

Предшествующий уровень техники настоящего изобретения

Импульсные источники лазерного излучения могут быть использованы в процедурах дробления конкрементов в организме людей и животных. Конкремент (также именуемый в настоящем документе камнем) представляет собой уплотнение материала, которое может сформироваться в каком-либо органе или протоке организма. Мочевые конкременты включают в себя почечные камни (которые также могут называться почечными конкрементами или нефролитами), а также камни в мочевом пузыре (которые могут также называться мочепузырными конкрементами или цистолитами), и могут характеризоваться любым из различных составов, включая смешанные составы. Основные составы часто включают в себя щавелевокислый кальций, фосфат кальция, фосфат магния и аммония, диаммоний фосфат кальция, фосфат магния, цистеин, мочевую кислоту или урат и ксантин. Конкременты в желчном пузыре и желчевыводящих путях называются желчными камнями, которые образуются, главным образом, солями желчной кислоты и производными холестерина. Конкременты могут также формироваться и в других частях тела, включая носовые проходы, желудочно-кишечный тракт, слюнные железы, миндалины и вены.

Лазерная литотрипсия представляет собой использование лазера для оказания разрушающего воздействия на камень через различные механизмы. Волокно, проходящее вдоль продольной оси жесткого или гибкого или гофрированного эндоскопа, обычно передает пучок лазерного излучения, фрагментирующего камень. Камень может быть разбит на частицы размером от 1 до 3-4 мм (фрагментация), которые могут быть затем удалены через рабочий канал жесткого инструмента с использованием корзинки или иного подобного приспособления. В альтернативном варианте камень может быть разбит на частицы меньшего размера (<1 мм) в ходе выполнения процесса, который называется распылением. Разновидность распыления под названием мелкое распыление (размер частиц от <0,25 до 0,5 мм в зависимости от состава камня и формы пылевых частиц) дает фрагменты достаточно малых размеров для их выведения из организма с мочой или путем стандартного промывания с использованием мешочка с водой/физиологическим раствором, подвешенного на высоте около 40 см. Также возможно выпаривание до молекулярного уровня. Эффективность абляции зависит от состояния подвергаемого воздействию участка, и она может быть достаточно низкой при наличии камней большого размера, или когда оказывается одновременное воздействие на множество камней в ходе одного хирургического вмешательства. Эта проблема более характерна для лечения почечных камней большого размера или множественных почечных камней с использованием гибкого уретроскопа, когда цель состоит в том, чтобы во время хирургического вмешательства выполнить распыление камней контактным или бесконтактным способом.

Еще одной проблемой является смещение камня во время лечения вследствие ретропульсии. Ретропульсия обусловлена явлениями, описанными ниже. Оптическая энергия, поглощенная водой в зазоре между волокном и камнем, создает волну гидроудара, которая толкает камень в сторону от наконечника волокна. При поглощении камнем энергии лазерного излучения и начале процесса абляции импульс отдачи также заставляет камень смещаться в сторону от волокна. Ретропульсия продлевает время операции и затрудняет дробление или распыление камней хирургом, не оставляющее в итоге остаточных частиц камней. Увеличение средней мощности лазерного излучения и времени лечения для компенсации низкой скорости абляции может быть ограничено повышением риска повреждения мягких тканей.

Известно несколько хирургических методов проведения лазерной литотрипсии, основанных на взаимном расположении и относительном смещении, например, наконечника волокна и камня, подвергаемого дроблению. Эти методы обычно входят в одну из следующих категорий: контактная фрагментация, квазиконтактное сканирование (с непрерывным перемещением) и бесконтактные методы («взрывные», т.е. с лопанием пузырьков). При использовании метода фрагментации наконечник волокна вводится в контакт с центром камня, и энергия лазерного излучения подается на камень до тех пор, пока камень не начнет раскалываться на крупные куски и не произойдет его фрагментация. При использовании метода фрагментации мощность лазерного излучения подается на один участок небольшой площади в течение относительно продолжительного периода времени. Такой принцип действия дает в итоге относительно глубоко прошитые дыры и создает термомеханическое напряжение, которое индуцирует образование макротрещин в камне.

При использовании методов сканирования волокно находится в квазиконтакте с камнем (расстояние 0-1 мм) и непрерывно перемещается по поверхности камня. При каждом таком проходе с камня снимается (удаляется) тонкий слой материала. Этот метод предпочтительно использовать для разделения камней на мелкие фрагменты (распыления). Бесконтактный метод используется для лечения небольших фрагментов камня (обычно размерами менее 3 мм), если ретропульсия не позволяет применить контактный или квазиконтактный метод. При использовании бесконтактного метода волокно располагается в фиксированном положении близко к расположению фрагментов-мишеней камня, и лазер срабатывает в бесконтактном режиме. Вследствие испарения воды и схлопывания пузырьков образуется поток воды, который уносит небольшие фрагменты камня. Когда такие фрагменты попадают в зону действия дистального конца хирургического световода, выполняется их дальнейшее фрагментация/распыление, в результате чего образуются еще более мелкие фрагменты камня.

Скорость абляции определяется механизмом абляции, который зависит от химического состава и структуры камня, рабочих параметров лазера (например, длины волны, энергии излучения, пиковой мощности, ширины импульса и частоты следования импульсов), от толщины слоя между концом волокна, испускающим излучение, и поверхностью камня, а также от оптических свойств (прозрачности) вещества в этом слое. Указанные хирургические методы разрушения камней сопровождаются различными физическими процессами и механизмами абляции, включая фотомеханические, фототермические и/или фотохимические механизмы.

Фотомеханический механизм, характерный для лазерных импульсов, длительность которых меньше нескольких микросекунд, констатирует начало процесса абляции, когда лазеро-индуцированное напряжение растяжения превышает предел прочности мишени на растяжение. Ключевые факторы этого механизма включают в себя механические свойства материала мишени и лазеро-индуцированное напряжение. Неустановившееся напряжение растяжения в твердом материале приводит к образованию микроскопических трещин и прочих дефектов, и если это напряжение превышает эффективную прочность материала, может произойти разрушение и выброс материала (процесс под названием отслаивание).

Кроме того, неустановившееся напряжение растяжения в жидкостях может разрывать среду, вызывая явление под названием кавитация. Кавитация предусматривает рост и схлопывание полостей в жидкости, и может привести к повреждению окружающего твердого материала. Энергия лазерного излучения может также привести к образованию плазмы на поверхности вещества. Плазмообразование достигается за счет быстрой ионизации вещества с оптическим пробоем, что представляет собой нелинейный эффект, возникающий при сильном поглощении лазерного излучения облучаемым веществом и/или при высокой плотности энергии, подаваемой на мишень. При лечении в жидких средах лазеро-индуцированное образование пузырьков в жидкости обусловлено прямым или стимулированным плазмой поглощением. Это поглощение создает растущий паровой пузырь. Хотя растущий паровой пузырь может не достичь камня, энергия импульса по-прежнему поглощается жидкостью. Таким образом, перед растущим пузырем формируются биполярные импульсы давления (т.е. акустическая волна), что провоцирует растрескивание камня. Процесс кавитации с образованием пузыря дополнительно способствует росту акустической волны. Таким образом, фокусировка энергии лазерного излучения на материале-мишени последовательно повреждает материал плазмообразованием с оптическим пробоем, генерацией акустической волны и индуцированием отрицательного давления во время пузырьковой кавитации.

Фототермический механизм характерен для лазера с импульсом, длительность которого превышает примерно десяток микросекунд. Лазер с субмиллисекундной или миллисекундной длительностью импульса, длина волны которого приближается к максимуму водопоглощения в пределах 1940 нм (в диапазоне 1,85-2,1 мкс), предпочтителен для литотрипсии с помощью кварцевого волокна, которое используется для подачи энергии. Вода является единственным важнейшим исходным хромофором при преобразовании энергии лазерного излучения, облегчающего дробление камней, в тепловую и термомеханическую энергию, которая отвечает за разрушение камней в спектре инфракрасного излучения, передаваемого кварцевым волокном.

Фототермический механизм может быть реализован в двух режимах. Первый режим предусматривает распыление камней, и это происходит вследствие повышения давления, обусловленного расширением или испарением воды, изначально содержащейся в камнях (около 10% веса/массы камня), между микрокристаллами камня, в порах камня, щелях, исходных микротрещинах и прочих микропространствах. Нагрев и последующее вскипание обусловлено избирательным поглощением воды, окруженной минеральными и органическими компонентами камня, которые сами характеризуются низким уровнем поглощения света с длиной волны около 2 мкм. Этот механизм инициирует сепарацию фрагментов, варьирующихся по размерам от характеристического размера основных микрокристаллов (до нескольких сот микрон, преимущественно в пределах от субмикрон до нескольких десятков микрон) или их кластеров/доменов с характеристическими размерами до 0,5 мм (мелкое распыление) или 1 мм (распыление). Второй режим предусматривает фрагментацию камней (до фрагментов >1 мм), что происходит преимущественно под действием тепловых напряжений в толще камня вокруг области, нагреваемой лазером, и он определяет распыление, когда мощность лазерного излучения подается в одну точку на камне (высверливание камня). Первый режим реализуется практически всегда вне зависимости от применяемой методики хирургического вмешательства, но при этом он доминирует в таких хирургических методиках, как сканирование и взрывной метод. Второй режим подходит для сверхвысоких энергий импульса и метода фрагментации.

Фотохимический механизм абляции основан на поглощении высокоэнергетических фотонов, что приводит к прямой диссоциации межмолекулярных связей в материале. Фотохимический механизм может играть определенную роль в увеличения поглощающей способности камня вследствие карбонизации органических молекул в структуре камня или тепловой химической реакции в минеральной матрице. Хирургические процедуры, такие как мелкое распыление, распыление и фрагментация, эффективность абляции и эффект ретропульсии могут определяться параметрами лазера, такими как ширина импульса, энергия в импульсе, частота следования импульсов и средняя мощность. Кроме того, важную роль играет также способ подачи энергии, например, параметры волокна, такие как диаметр светопроводящей жилы, числовая апертура, состояние дистального наконечника и расстояние между дистальным концом волокна и камнем. И, наконец, на результат взаимодействия между лазером и камнем также влияют все производимые операции, такие как высверливание, сканирование или бесконтактное наложение.

В лазерной литотрипсии могут быть использованы разные типы лазеров, которые выбираются на основании различных критериев. Например, литотриптер на базе гольмиевых лазеров на алюмоиттриевом гранате (Ho:YAG) с импульсной ламповой накачкой обычно рассчитан на высокие энергии импульса (0,1-6 Дж), но ограничен низкой частотой следования импульсов (5-100 Гц) во время проведения процедур, связанных с литотрипсией. Регулирование формы импульса и других характеристик временного характера в значительной степени ограничено для этого лазера из-за импульсной ламповой накачки.

К другим лазерам, помимо лазера Ho:YAG, которые используются в лазерной литотрипсии и работают на длине волны, приближающейся к максимуму водопоглощения, т.е. около 1,94 мкм, относятся, помимо прочего: тулиевый лазер на алюмоиттриевом гранате (Tm:YAG) с диодной накачкой и тулиевый волоконный лазер (TFL) с диодной накачкой. В частности, тулиевый (Tm) волоконный лазер с диодной накачкой обладает множеством характеристик, обеспечивающих его преимущество. Эти лазеры могут работать в широком диапазоне энергий импульса (0,001-20 Дж), а также с низкой и высокой частотой следования импульсов (1-1000000 Гц). Были проведены сравнительные исследования конфигураций TFL и Ho:YAG (например, автором по фамилии Blackmon с соавторами, журнал Journal of Biomedical Optics, 16(7): 071403, июль 2011 года). Кроме того, было изучено влияние рабочих параметров лазерного импульса, таких как уставки мощности или параметры, влияющие на уменьшение ретропульсии (например, автором по фамилии White с соавторами, журнал Journal of Endourology, 12(2): 183-186, март 2009 года; и автором Андреевой В. с соавторами, журнал World Journal of Urology, май 2019 года, 4:1-7.). Спектральная линия испускания лазера TFL может быть настроена в диапазоне от 1,85 мкм до 2,2 мкм и максимально приближена к пику водопоглощения в пределах 1,94 мкм (1,94 мкм для воды температурой около 20-30°С и 1,908 мкм для воды температурой около 90-100°С). Порог абляции у TFL-лазеров для камней разных составов намного меньше (примерно в 5 раз), чем аналогичный порог у систем литотрипсии на базе лазеров Ho:YAG, что преобразуется в более низкую энергию импульса при такой же скорости абляции или эквивалентную энергию импульса с более эффективной абляцией камня в сравнении с системами Ho:YAG.

Таким образом, профиль пучка волоконных лазеров, в том числе TFL-лазера, является более однородным и симметричным в сравнении с многомодовым пучком лазера Ho:YAG или других твердотельных лазеров, который не может быть подан в волокна со светопроводящей жилой малого размера из-за неизбежного повреждения волокна. Например, одномодовые (SM) тулиевые волоконные лазеры способны фокусировать лазерный пучок до размера около 25 микрон. Меньший диаметр волокна, предусмотренный TFL-лазером, обеспечивает возможность фокусирования энергии более высокой плотности в сравнении с гольмиевыми лазерами, что также уменьшает ретропульсию. Меньший диаметр волокна увеличивает энергетическую экспозицию или облучаемость поверхности камня, а это означает, что в процессе лазерной абляции могут быть использованы более низкие энергии лазерного импульса. Меньший диаметр волокна имеет большое значение, когда волокно используется в гибком уретроскопе с небольшим рабочим каналом, как для корректировки оросительного потока, так и предотвращения негативного воздействия на угол отклонения уретроскопа. Улучшенный пространственный профиль пучка, обеспечиваемый тулиевыми волоконными лазерами, уменьшает вред, который лазер наносит поверхности проксимального конца волокна, что преобразуется в более длительный срок его службы в сравнении с системами на базе гольмиевых лазеров. Использование волокон меньшего диаметра (менее 150 микрон (мкм), предпочтительно - в пределах 50-125 мкм) может повысить эффективность мелкого распыления за счет фокусировки энергии лазерного излучения между кластерами (доменами) микрокристаллов, а также на трещины и щели на поверхности камня. Гольмиевые лазерные системы также вырабатывают тепло, что способствует отклонению пучка от заданной оси, а это - в свою очередь - может привести к повреждению волокон.

В составе группы волоконные лазеры с диодной накачкой способны выполнять свои функции в рамках более широкого спектра рабочих параметров в сравнении с обычными твердотельными лазерами с импульсной ламповой накачкой, такими как система Ho:YAG. Например, системы Ho:YAG с одной лазерной головкой обычно ограничены частотой следования импульсов <30 Гц из-за возможности перегрева и нанесения термического повреждения стержню лазера. Белый свет, испускаемый импульсной лампой, большей частью растрачивается в виде тепла, и лишь небольшая его часть непосредственно участвует в работе лазера, причем эти системы обычно характеризуются КПД (коэффициентом полезного действия) лазера, измеряемым непосредственно «в розетке», менее 1-2%. Следовательно, возникает потребность в крупногабаритных и громоздких охладительных устройствах (например, водяных охладителях) для этих систем, которые рассеивали бы это тепло, предотвращая повреждение стержня лазера. Для сравнения системы на базе волоконных лазеров с диодной накачкой имеют КПД около 10-50%, а это означает, что могут быть использованы охладительные устройства (например, воздушные охладители) гораздо меньшего размера. Повышенный КПД также обеспечивает возможность работы волоконных систем с более высокой средней мощностью в сравнении с системами на базе гольмиевых лазеров с использованием при этом электрической розетки на 110-120 В.

Прочие преимущества волоконных Tm-лазеров с диодной накачкой включают в себя их способность генерировать различные временные структуры, в том числе широкий спектр форм импульса, что может быть также реализовано при использовании других лазеров с диодной накачкой, излучающих в диапазоне 1,85-2,2 мкм. Например, такой способностью обладает Tm:YAG-лазер с диодной накачкой. Описанные выше преимущества твердотельных и волоконных лазеров с диодной накачкой включены в заявленное изобретение, что будет описано ниже в настоящем документе.

Задачи, связанные с разработкой лазерной литотрипсии, включают в себя уменьшение времени работы, что увязано со скоростью абляции камней, и траектории (скорости) перемещения фрагментов (например, за счет уменьшения ретропульсии), а также продуктов деструкции. Эти задачи могут быть в значительной мере решены за счет оптимизации временной структуры лазерного излучения, и эту возможность обеспечивают волоконные или твердотельные лазеры с диодной накачкой.

Все лазеры, используемые в лазерной литотрипсии, работают с заданной энергией импульса (Е=0,025-6 Дж), частотой следования импульсов (ν=1-2500 Гц), шириной импульса и средней мощностью Р=Е × ν (2-120 Вт). Параметры лазера (Е, ν и Р) выбираются заранее для достижения требуемых результатов: фрагментации, распыления или «взрывного» разрушения, а также для обеспечения запаса прочности, который должен минимизировать риск прободения стенок органов или перегрева воды и термического ожога слизистых оболочек. Однако камни, как было указано выше, характеризуются разным составом, формой и размерами; и хотя фиксированный набор указанных параметров может обеспечить эффективное разрушение одного конкретного камня, для разрушения другого камня он может оказаться неэффективным.

Для обеспечения минимальной ретропульсии с сохранением высокой эффективности абляции было предложено увеличить ширину импульса (режим с импульсом большой длительности) или использовать особый двухимпульсный режим. Патент США №5,321,715 предлагает способ облучения мишени (например, камня), в котором пространство между мишенью и концом волокна, обычно занятое жидкой средой, поглощающей излучение лазера, выполнено прозрачным, что обеспечивается в два этапа: (1) генерирование первого импульса лазера, обладающего достаточной энергией для формирования парового пузырька в жидкой среде на выпускном конце волокна; и (2) генерирование второго импульса лазера через заданный временной интервал после первого импульса, причем заданный временной интервал выбирается таким образом, чтобы паровой пузырек мог расшириться до размеров, достаточных для смещения значительной части жидкой среды относительно пространства между выпускным концом и мишенью с тем, чтобы второй импульс лазера мог быть доставлен к мишени через паровой пузырек, благодаря чему минимизируется лазерное излучение, поглощаемое жидкой средой, и максимально увеличивается лазерное излучение, достигающее мишени. Таким образом, первый импульс создает паровой канал между концом волокна и мишенью (эффект Мозеса), а второй импульс проникает в мишень с минимальными потерями и взаимодействием с жидкостью. Однако это решение, предложенное указанным патентом, оказалось успешным лишь частично.

Следовательно, для литотрипсии на базе импульсного лазера, которая осуществляется лазерной системой, выполненной с возможностью модулирования энергии импульса, пиковой мощности, частоты следования импульсов и формы импульса, существует потребность в обеспечении оптимальных условий взаимодействия лазера с камнем, которые привели бы к сокращению времени лечения и его стоимости.

Краткое раскрытие настоящего изобретения

Эта цель достигается с помощью лазерной системы и способа лечения конкрементов в организме человека или животного согласно настоящему изобретению. В общем, предусмотрено два аспекта изобретательского замысла настоящего изобретения, обеспечивающие высокую скорость абляции с большим КПД с одновременным сведением к минимуму нежелательных эффектов ретропульсии: 1. Модуляция или периодическое изменение энергии импульса, пиковой мощности и частоты следования импульсов (PF); и 2. Придание импульсу оптимальных форм и их сохранение. Каждый из этих аспектов описан в привязке к лазерной системе, предназначенной для лечения конкрементов, и к способу лечения конкрементов. Аспекты дополняют друг друга, а описанные ниже конструктивные признаки одного из этих аспектов могут быть использованы в другом аспекте, что станет абсолютно очевидным для специалиста в области техники, связанной с лазерами и урологией.

Способы согласно соответствующим аспектам настоящего изобретения обеспечивают получение многокомпонентных частиц размерами в пределах менее 1 мм, в предпочтительном варианте менее 0,5 мм, а в наиболее предпочтительном варианте менее 0,25 мм с использованием волоконного лазера с диодной накачкой или твердотельного лазера с диодной накачкой, который функционирует в диапазоне длин волн 1,85-2,2 мкм с заданным диапазоном плотности мощности лазерного излучения. Частицы размерами менее 500 мкм и предпочтительно менее 250 мкм могут быть без труда удалены оросительным потоком, проходящим через уретроскоп, в котором предусмотрено давление, безопасное для почек (высота водяного столба <40 см).

Способ согласно первому аспекту настоящего изобретения относится к модуляции энергии Е импульса и/или пиковой мощности Рр импульса, что называется амплитудной модуляцией (AM), а также к модуляции частоты ν импульсов (т.е. частоты следования импульсов), которая определяется как частотная модуляция (FM). И, наконец, этот способ относится к одновременной модуляции, как по амплитуде, так и по частоте, т.е. к амплитудно-частотной модуляции (AFM).

В частности, указанный способ лечения конкрементов в организме человека или животного согласно первому аспекту настоящего изобретения относится к AM и предусматривает испускание лазером последовательности лазерных импульсов с постоянной частотой следования импульсов (PRF) и с периодически меняющейся пиковой мощностью или энергией импульса или с пиковой мощностью и энергией импульса с периодом Na амплитудной модуляции, составляющим >2.

Способ, связанный с испусканием последовательности лазерных импульсов в режиме AFM, обеспечивает периодическое изменение, по меньшей мере, одного из таких параметров, как пиковая мощность импульса и энергия импульса или пиковая мощность и энергия импульса с периодом Na модуляции, равным количеству импульсов в амплитудно-периодической группе импульсов, и периодическое изменение PRF с периодом Np частотной модуляции, равным количеству импульсов в частотно-периодической группе импульсов.

Оба указанных выше способа согласно первому аспекту настоящего изобретения реализуются с периодом Na модуляции, который варьируется в пределах 2-1000 лазерных импульсов, в предпочтительном варианте - в пределах 2-100 лазерных импульсов, а в более предпочтительном варианте - в пределах 2-10 лазерных импульсов; при этом период Np модуляции PRF варьируется в пределах 2-1000 лазерных импульсов, в предпочтительном варианте в пределах 2-100 лазерных импульсов, а в более предпочтительном варианте - в пределах 2-10 лазерных импульсов. В рамках реализации обоих указанных способов лазерные импульсы излучаются в диапазоне длин волн 1,85-2,2 мкм, а в предпочтительном варианте в диапазоне длин волн 1,91-1,96 мкм.

Второй аспект настоящего изобретения относится к приданию импульсу оптимальных форм согласно двум вариантам осуществления настоящего изобретения, описанным ниже.

В частности, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, способ лечения конкрементов в организме человека или животного включает в себя выдачу управляющего сигнала, содержащего информацию о требуемой форме лазерного импульса. В ответ на управляющий сигнал испускается последовательность лазерных импульсов, в которой требуемая форма каждого лазерного импульса образуется первым и вторым субимпульсами, которые отстоят друг от друга во времени. Энергия первого субимпульса варьируется в диапазоне 0,02-0,15 Дж (предпочтительно, в диапазоне 0,05-0,1 Дж), а диапазон его пиковой мощности составляет 50-500 Вт (предпочтительно, 100-300 Вт). Субимпульсы разделяются во времени в интервале, который варьируется в диапазоне 50-900 мкс, а в предпочтительном варианте - в диапазоне 100-500 мкс. Энергия второго субимпульса превышает энергию первого субимпульса и варьируется в диапазоне 0,1-10 Дж, а его пиковая мощность превышает пиковую мощность первого субимпульса и варьируется в диапазоне 300-20000 Вт.

Еще один вариант осуществления настоящего изобретения относится к способу лечения конкрементов в организме человека или животного и предусматривает выдачу управляющего сигнала, содержащего информацию о требуемой форме лазерного импульса. В ответ на управляющий сигнал испускается последовательность лазерных импульсов, в которой требуемая форма лазерного импульса характеризуется наличием начального и последующего участков, причем последующий участок характеризуется более высокой мощностью в сравнении с начальным участком. Мощность начального участка постепенно повышается от минимального уровня до уровня мощности последующего участка, причем минимальный уровень мощности варьируется в пределах 0-200 Вт. Продолжительность начального участка варьируется в диапазоне 0,1-10 мс, а энергия начального участка импульса составляет 10-70% от общей энергии импульса. Мощность последующего участка варьируется в пределах 400-20000 Вт, а продолжительность последующего участка варьируется в пределах 0,5-20 мс.

Согласно одному из указанных выше аспектов настоящего изобретения лазерная система согласно заявленному изобретению, предназначенная для лечения конкрементов, предусматривает кластерный механизм лазерной абляции многокомпонентных твердых веществ путем конфигурирования лазера с повторяющимися импульсами. В частности, лазер предусматривает схему с модулируемым лазерным излучением и регулируемой формой лазерного импульса для одновременного (i) регулирования размеров продуктов абляции; (ii) повышения скорости абляции; и (iii) уменьшения ретропульсии камня. Модулированное лазерное излучение и отрегулированная форма лазерного импульса могут быть использованы для повышения скорости абляции и уменьшения ретропульсии также и в режиме фрагментации.

В соответствии с одним из признаков этого аспекта лазерная система согласно настоящему изобретению предусматривает схему с использованием лазера, испускающего последовательность лазерных импульсов и выполненного с возможностью функционирования в режиме AM (AMR). В этом режиме лазер испускает лазерные импульсы с постоянной частотой следования (PRF) и периодически меняющимся, по меньшей мере, одним из таких параметров, как пиковая мощность и энергия импульса, и периодом Na амплитудной модуляции, равным количеству импульсов в амплитудно-периодической группе импульсов.

В соответствии с другим признаком лазерная система согласно настоящему изобретению включает в себя лазер, выполненный с возможностью функционирования в режиме амплитудно-частотной модуляции (AFMR). Этот режим отличается наличием лазера, испускающего последовательность лазерных импульсов с периодически меняющейся пиковой мощностью импульса или энергией импульса или обоими этими параметрами с периодом Na модуляции, равным количеству импульсов в амплитудно-периодической группе импульсов. Режим AMP (AMPR) дополнительно предусматривает испускание последовательности импульсов с периодически меняющейся PRF и периодом Np частотной модуляции, равным количеству импульсов в частотно-периодической группе импульсов.

Типы лазеров, используемых в любой из описанных выше лазерных системах согласно настоящему изобретению, предпочтительно включают в себя твердотельный лазер с диодной накачкой и волоконный лазер с диодной накачкой, например, твердотельный лазер с накачкой. В частности, лазеры с диодной накачкой включают в себя такие лазеры, как Tm:YAG, Tm:YLF, Tm:YAP, Tm:LuAG, Tm:LuLF, Tm:LuAP и волоконный Tm-лазер. Однако в лазерной системе согласно настоящему изобретению может быть использован твердотельный лазер с импульсной ламповой накачкой, такой как Но:YAG-лазер. Более того, из объема настоящего изобретения не исключено использование прямого диодного лазера.

Период Na модуляции периодически изменяющейся пиковой мощности, энергии импульса или обоих этих параметров лежит в пределах 2-100 лазерных импульсов, и применим к обеим указанным лазерным системам. Период модуляции, по меньшей мере, одного из таких параметров, как пиковая мощность и энергия импульса, или обоих указанных параметров в режиме AM лежит в пределах 2-1000 лазерных импульсов. Период Na периодически меняющейся частоты следования импульсов (PF) в режиме AFM лежит в пределах 2-1000 лазерных импульсов.

Лазеры, используемые в обеих указанных конфигурациях лазерной системы согласно настоящему изобретению, испускают лазерные импульсы в диапазоне длин волн от 1,85 мкм до 2,2 мкм, а в предпочтительном варианте в диапазоне длин волн от 1,908 мкм до 1,96 мкм. Работа на этих длинах волн обеспечивает возможность преимущественного поглощения лазерного излучения водой, что крайне важно и полезно для любой из упомянутых выше методик хирургического вмешательства.

Указанные выше лазеры, используемые в обеих описанных конфигурациях, могут работать в режиме свободной генерации, а конструкционные отличия между ними заключаются в типе модулятора добротности. Модулятор, используемый в режиме свободной генерации, включает в себя диодный лазер, тогда как в режиме модуляции добротности используется оптико-акустический или электрооптический модулятор (АОМ и ЕОМ, соответственно).

В режиме свободной генерации любые описанные лазеры выдают последовательность лазерных импульсов с PRF, варьирующейся в диапазоне 2-5000 Гц. Каждый лазерный импульс обладает следующими характеристиками: энергия в лазерном импульсе лежит в диапазоне 0,001-10 Дж; пиковая мощность лазерного импульса лежит в диапазоне 100-20000 Вт, а в предпочтительном варианте в диапазоне 250-3000 Вт; длительность лазерного импульса лежит в диапазоне от 25 мкс до 50 мс, причем диапазон от 100 мкс до 15 мс является предпочтительным.

Лазеры, работающие в режиме модуляции добротности с модулированной величиной резонатора, выдают лазерные импульсы, которые отличаются следующими характеристиками: энергия варьируется в пределах 0,1-10 мДж; пиковая мощность варьируется в пределах 200-1000000 Вт; a PF варьируется в пределах 500-500000 Гц.

Система согласно настоящему изобретению с лазером в обеих описанных конфигурациях включает в себя контроллер, выдающий управляющий сигнал, который содержит информацию о требуемой пиковой мощности или энергии импульса в режиме AM или о требуемой пиковой мощности или энергии импульса и требуемой PRF в режиме AFM. Этот сигнал подается в возбудитель любого из указанных выше модуляторов.

В соответствии с еще одним аспектом лазерная система согласно настоящему изобретению выполнена по схеме, предусматривающей контроллер, который выдает управляющий сигнал, содержащий информацию о форме лазерного импульса. Лазер функционально связан с контроллером таким образом, что в ответ на управляющий сигнал каждый лазерный импульс принимает требуемую форму. Лазерный импульс требуемой формы состоит из первого и второго субимпульсов, которые отстоят друг от друга во времени. Энергия первого субимпульса варьируется в диапазоне 0,02-0,15 Дж (предпочтительно, в диапазоне 0,05-0,1 Дж), а диапазон его пиковой мощности лежит в пределах 50-500 Вт (предпочтительно, в диапазоне 100-250 Вт). Временной интервал между первым субимпульсом и вторым субимпульсом варьируется в диапазоне 50-900 мкс, а в предпочтительном варианте - в диапазоне 100-500 мкс. Энергия второго субимпульса превышает энергию первого субимпульса и варьируется в диапазоне 0,1-10 Дж, а его пиковая мощность превышает пиковую мощность первого субимпульса и варьируется в диапазоне 300-20000 Вт.

Еще одна конфигурация лазерной системы изобретательского уровня согласно этому аспекту настоящего изобретения предусматривает схему с контроллером, который выдает управляющий сигнал, содержащий информацию о требуемой форме лазерного импульса; при этом лазер функционально связан с контроллером и в ответ на управляющий сигнал выдает последовательность лазерных импульсов, причем каждому лазерному импульсу придается требуемая форма. Лазерный импульс требуемой формы состоит из начального и последующего участков, причем последующий участок характеризуется более высокой мощностью в сравнении с начальным участком.

Мощность начального участка постепенно повышается от минимального уровня, варьирующегося в пределах 0-200 Вт, до уровня мощности последующего участка, варьирующегося в пределах 400-20000 Вт. Продолжительность начального участка варьируется в диапазоне 0,1-10 мс, причем энергия начального участка импульса составляет 10-70% от общей энергии импульса, тогда как продолжительность последующего участка варьируется в пределах 0,5-20 мс. Мощность последующего участка возрастает в соответствии с одной из таких функций, как линейная, полиномиальная и экспоненциальная функция. Мощность последующего участка варьируется в пределах 400-20000 Вт, а продолжительность последующего участка варьируется в пределах 0,5-20 мс.

Прочие аспекты, детали конструкции и преимущества настоящего изобретения подробно раскрыты ниже в последующем описании. Кроме того, следует понимать, что как предшествующая информация, так и последующее подробное описание представлены исключительно в качестве иллюстративных примеров реализации различных аспектов и вариантов осуществления настоящего изобретения, и предназначены лишь для того, чтобы обеспечить общее представление о природе и характере заявленных аспектов и вариантов осуществления настоящего изобретения или предоставить основу для их понимания. Как можно легко понять, все указанные выше и раскрытые ниже конструктивные особенности настоящего изобретения могут быть сведены в любую допустимую комбинацию, очевидную специалисту в сфере лазеров и урологии.

Краткое описание фигур

Аспекты настоящего изобретения дополнительно описаны ниже в привязке к прилагаемым чертежам, которые не обязательно вычерчены в масштабе. Фигуры представлены в качестве иллюстрации и обеспечения более глубокого понимания различных конструктивных признаков, и они включены в настоящий документ как его неотъемлемая часть, но не предполагают определение объема какого-либо конкретного варианта осуществления заявленного изобретения. Чертежи, вместе с остальной частью описания, служат для того, чтобы объяснить принципы действия и срабатывания описанных и заявленных аспектов и вариантов осуществления настоящего изобретения. Каждый идентичный или по существу идентичный компонент, показанный на различных фигурах, обозначается одним и тем же номером позиции. С целью исключения двусмысленного толкования на каждой фигуре не обязательно обозначен каждый компонент. При этом представлены чертежи, где:

На фиг. 1 представлено иллюстративное схематическое изображение лазерной системы для литотрипсии согласно настоящему изобретению, снабженной системой подачи;

На фиг. 2А показана последовательность лазерных импульсов с постоянной пиковой мощностью и одинаковым периодом следования, используемых в настоящее время в лазерной литотрипсии известного уровня техники;

На фиг. 2В показана форма импульса волоконного лазера с диодной накачкой или твердотельного лазера, известного из предшествующего уровня техники;

На фиг. 2С показана форма импульса твердотельного лазера с импульсной ламповой накачкой, известного из предшествующего уровня техники;

На фиг. 2D показана форма импульса со всплесками твердотельного лазера с импульсной ламповой накачкой, известного из предшествующего уровня техники;

На фиг. 2Е показана форма импульса твердотельного многоголовочного лазера с импульсной ламповой накачкой, известного из предшествующего уровня техники;

На фиг. 2F показан импульс со специально приданной формой для твердотельного лазера с импульсной ламповой накачкой, выполненного с возможностью минимизации энергетических потерь в воде между дистальным концом волокна и мишенью, который известен из предшествующего уровня техники;

На фиг. 3 приведен пример последовательности лазерных импульсов, испускаемых лазерной системой согласно настоящему изобретению, работающей в режиме амплитудно-частотной модуляции (AFMR), которые отличаются периодически изменяющейся пиковой мощностью Рр или энергией Е с периодом Na модуляции, равным количеству лазерных импульсов в амплитудно-периодической группе импульсов, и периодически изменяющейся частотой следования импульсов с периодом Np модуляции, соответствующим количеству импульсов в частотно-периодической группе импульсов;

На фиг. 4А-4В приведены соответствующие примеры последовательностей лазерных импульсов, известных из предшествующего уровня техники и используемых в экспериментах по распылению, фрагментации и бесконтактному воздействию в качестве обычных режимов;

На фиг. 4С-4Е приведены соответствующие примеры групп лазерных импульсов, испускаемых системой согласно настоящему изобретению, которая работает в режиме амплитудно-частотной модуляции (AFMR) и используется в экспериментах по распылению;

На фиг. 5 приведен пример режима амплитудной модуляции (AMR);

На фиг. 6A-6G приведены примеры амплитудно-периодических групп лазерных импульсов в режиме AM, отличающихся разными периодами Na амплитудной модуляции и используемых при экспериментальных исследованиях в контактном режиме;

На фиг. 7А-7С приведены дополнительные примеры амплитудно-периодических групп лазерных импульсов с соответствующими периодами Na модуляции согласно AMR, используемых при экспериментальных исследованиях в бесконтактном режиме;

На фиг. 8 приведен пример режима частотной модуляции (FMR);

На фиг. 9 приведен пример формы одиночного лазерного импульса с двумя субимпульсами, которые отстоят друг от друга во времени и характеризуются разной пиковой мощностью;

На фиг. 10 приведен пример формы одиночного лазерного импульса с двумя примыкающими друг к другу участками; и

На фиг. 11А, В и С показаны соответствующие формы лазерного импульса, используемые в экспериментах по фрагментации.

Подробное раскрытие настоящего изобретения

Ниже будут подробно описаны варианты осуществления настоящего изобретения. Везде, где это возможно, одни и те же или одинаковые детали или стадии, обозначенные на чертежах или указанные в описании, обозначены одними и теми же или одинаковыми номерами позиций. Чертежи выполнены в упрощенной форме, при этом они не обязательно вычерчены в масштабе. Термины направления (вверх/вниз и т.д.) или движения (вперед/назад и т.д.) могут быть использованы в привязке к чертежам исключительно для удобства и во избежание разночтений. Термин «соединение» и термины подобного рода не обязательно обозначают прямое и непосредственное соединение, а могут также включать в себя соединения, выполняемые через промежуточные элементы или устройства.

Изобретательский замысел настоящего изобретения основан на обеспечении высокой скорости абляции путем повышения КПД абляции с минимизацией эффекта ретропульсии. Этот замысел реализуется за счет (а) модуляции (периодического изменения) энергии Е(n) или пиковой мощности Рр(n) импульса или обоих этих параметров, которая обозначается сокращением AM; (b) модуляции частоты ν(n) следования импульсов (частоты повторения импульсов) в период Т(n) следования импульсов, которая обозначается сокращением FM; (с) одновременной модуляции по амплитуде и частоте, сокращенно обозначаемой AFM; и (d) конфигурирования конкретной формы импульса.

Первый аспект настоящего изобретения, т.е. модуляцию пиковой мощности и/или энергии импульса, можно лучше понять после ознакомления с последующим разъяснением. В лазерных системах согласно заявленному изобретению, предназначенных для лечения конкрементов в организме человека или животного, временная структура мощности лазерного излучения представляет собой периодическую последовательность (пачку) импульсов, которая может быть описана следующей формулой:

где величина P(t) обозначает мгновенную мощность лазерного излучения; величина Рр обозначает пиковую мощность; величина f(t) обозначает форму (профиль) отдельного импульса; а величина Т обозначает период последовательности, который обратно пропорционален частоте следования импульсов: Т=1/ν. Энергия в импульсе является интегралом от мощности:

где величина τ обозначает рабочую ширину импульса.

Периодическая последовательность импульсов может быть также описана следующей формулой:

Форма (профиль) f(t) отдельного импульса характеризуется шириной τ импульса. Для лазерной системы, используемой в литотрипсии, ширина импульса намного меньше периода последовательности: τ<<Т или τ<0,1Т.

Традиционные методы лечения камней основаны на режимах, где величины Рр, Т, ν и Е задаются перед лечением и остаются неизменными в ходе его проведения. Некоторые лазерные системы могут иметь схему с двумя режимами лечения, обеспечивающую возможностью переключения между двумя наборами параметров с постоянной пиковой мощностью, частотой и энергией в импульсе: Pp₁, T₁, ν₁, E₁ и Pp₂, T₂, V₂, E₂.

АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯПИЯ ГАМ) СОГЛАСНО НАСТОЯЩЕМУ ИЗОБРЕТЕНИЮ

Б отличие от предшествующего уровня техники амплитудная модуляция определена в настоящем документе как режим с постоянным периодом Т и частотой ν, но с периодически изменяющейся пиковой мощностью Рр:

или энергией

где Pp(n)=Pp(n-Na) или E(n)=E(n-Na) или t(n)=t(n-Na) или комбинации этих равенств, а величина Na указывает на положительное целое число, обозначающее период амплитудной модуляции. В режиме AM (AMR) работы лазера согласно настоящему изобретению все последовательности лазерных импульсов могут быть представлены в виде периодической последовательности группы импульсов Na с изменяемой амплитудой в группе (амплитудно-модулированной периодической группы импульсов).

На фиг. 6A-6G и 7А-7С показана последовательность лазерных импульсов с разными периодами Na модуляции, которые испускаются лазерной системой согласно настоящему изобретению, работающей в режиме AM. Эти фигуры подробно описаны ниже.

ЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ (ЕМ) СОГЛАСНО НАСТОЯЩЕМУ ИЗОБРЕТЕНИЮ

Б отличие от предшествующего уровня техники частотная модуляция в контексте настоящего документа определена как режим с постоянной пиковой мощностью Рр или энергией Е, но с периодически изменяющейся частотой ν или периодом Т следования импульсов:

или

где T(n)=T(n-Np), а величина Np указывает на положительное целое число, обозначающее период частотной модуляции. Частотная модуляция означает частотную модуляцию потому, что ν(n)=1/T(n)=ν(n-Np).

Б режиме FM(FMR) все последовательности лазерных импульсов могут быть представлены в виде периодической последовательности группы импульсов Np с изменяемым временным интервалом между импульсами в группе (частотно-модулированной периодической группы импульсов).

На фиг. 8 показана лазерная система согласно настоящему изобретению, работающая в режиме ЕМ.

АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ (АЕМ) СОГЛАСНО НАСТОЯЩЕМУ ИЗОБРЕТЕНИЮ

Исходя из определений AM и FM согласно настоящему изобретению, амплитудно-частотная модуляция определена как режим с одновременным периодическим изменением пиковой мощности Рр (или энергии Е) и частоты ν (и периода Т):

или энергии

где Pp(n)=Pp(n-Na) или E(n)=E(n-Na) или τ(n)=τ(n-Na) и T(n)=T(n-Np).

На фиг. 3 и 4ААС показана система согласно настоящему изобретению, работающая в режиме AFM. Эти фигуры подробно описаны ниже.

Если обратиться к фиг. 1, где схематически показан один из примеров реализации лазерной системы 100 согласно настоящему изобретению, то специалисты в данной области техники сразу же поймут, что конструктивно эта система соотносится с описанием обоих аспектов заявленного изобретения и может быть реализована с использованием лазерной технологии различных типов. Однако один из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения основан на лазерной технологии конкретного типа, в частности, на технологии импульсного лазера, включающего в себя импульсный лазер 104, работающий или в режиме свободной генерации, или в режиме модуляции добротности. В любом из режимов работы лазера и вне зависимости от его типа лазерная система 100 согласно настоящему изобретению снабжена устройством 103 накачки, которое возбуждает лазер 104. Обычно устройство 104 накачки предусматривает использование одного или нескольких диодных лазеров. В оптимальном варианте осуществления настоящего изобретения технология импульсного лазера предусматривает использование устройства для аккумулирования энергии (например, электрических конденсаторов, индукторов или сочетаний указанных устройств).

Источник 101 питания подает питание в систему, а необязательное устройство 102 для аккумулирования энергии аккумулирует достаточный объем энергии, необходимый для формирования лазерного импульса. В ответ на управляющий сигнал, выданный управляющим модулем 108, возбудитель 103 устройства накачки 104 формирует электрический импульс с особыми характеристиками. Электрические импульсы принимаются одним или несколькими диодами устройства 104 накачки, которые формируют оптический импульс, необходимый для накачки лазерной среды в резонаторе 105 лазера. Выходное излучение лазерной среды подается в систему 107 доставки, которая рассматривается как система, внешняя по отношению к лазерной системе и соединенная с ней через оптопару 106.

Вся система в целом управляется управляющим модулем 108, который предоставляет калибровочные кривые или таблицы (определяющие характеристики электрического импульса, необходимые для получения требуемого выходного оптического излучения), содержащие данные об управляющем сигнале, согласовании по времени и мерах по обеспечению безопасности. Вместо диодов накачки в качестве источников накачки могут быть использованы другие устройства, такие как, например, импульсные лампы.

В альтернативном варианте в качестве устройства для аккумулирования энергии может быть использована сама лазерная среда. В этой конфигурации формирование импульсов обеспечивается за счет применения внутреннего оптического модулятора потерь в резонаторе в качестве устройств модуляции добротности, таких как оптико-акустические, электрооптические или пассивные модуляторы.

В целях настоящего изобретения перечисленные ниже термины определены следующим образом:

лазерный импульс представляет собой выходное излучение лазерной системы 100 согласно настоящему изобретению, генерируемое путем прямой модуляции тока диода, подаваемого возбудителем 103 лазера, или с помощью единичного цикла зарядки-разрядки устройства 102 аккумулирования энергии;

последовательность лазерных импульсов представляет собой выходное излучение лазерной системы, генерируемое множеством единичных прямых модуляций или единичных циклов зарядки-разрядки устройства 102 аккумулирования энергии.

Таким образом, модуляция последовательности импульсов согласно одному из аспектов настоящего изобретения обеспечивается путем задания управляющим модулем 108 требуемой пиковой мощности Рр или энергии Е импульса для AM или временного интервала Т между двумя последовательными импульсами в режиме FM. Придание импульсу определенной формы согласно другому аспекту настоящего изобретения обеспечивается за счет формирования требуемой временной структуры импульса в возбудителе 103 лазера.

На основании представленных выше уравнений 4-9, которые математически описывают AM и комбинированную модуляцию AM и FM изобретательского уровня, работа лазерной системы 100 согласно первому аспекту настоящего изобретения с регулированием временной структуры лазерного излучения управляется через:

(a) Модулирование пиковой мощности Рр или энергии Е импульса для ряда импульсов в последовательности импульсов Pp(n)=Pp(n-Na), где величина Na обозначает период амплитудной модуляции;

(b) Модулирование периода Т (и, соответственно, частоты ν) последовательности импульсов для ряда импульсов T(n)=T(n-Np), где величина Np обозначает период частотной модуляции;

(c) Объединение методов модуляции, описанных выше в пунктах а) и b); например, одновременное модулирование амплитуды и частоты (амплитудно-частотная модуляция).

Все три типа модуляции (амплитудная, частотная и амплитудно-частотная), а также корректировка формы отдельного импульса, используются в различных аспектах настоящего изобретения. Волоконные (в предпочтительном варианте) и твердотельные лазеры с диодной накачкой могут модулироваться за счет регулирования тока диодов накачки, обеспечивая возможность изменения параметров лазера путем варьирования тока в диодах накачки. В предпочтительном варианте ток диодов должен варьироваться в диапазоне от порогового тока I_th лазера с диодной накачкой до определенного максимального тока, значение которого лежит ниже уровня насыщения мощности лазерного излучения, зависящей от диодного тока I_st. В этом диапазоне мощность лазерного излучения находится по существу в линейной зависимости от диодного тока, и различные временные структуры лазера могут создаваться путем программирования тока накачки в возбудителе лазера.

Основная цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы увеличить скорость распыления или фрагментации камня, сохранив при этом или повысив (в предпочтительном варианте) показатели безопасности. Эта цель может быть достигнута за счет придания импульсу надлежащей формы или путем модулирования последовательности импульсов (используя один или несколько методов модуляции, описанных выше). Такая модуляция может оказаться оптимальной для любого режима лечения, такого как контактное распыление или фрагментация и бесконтактное распыление.

Для контактного распыления требуемым конечным результатом является фрагментация камней до состояния мелких частиц размерами менее 1 мм, в предпочтительном варианте - менее 0,5 мм, а в наиболее предпочтительном варианте - менее 0,25 мм. В существующих лазерных системах этот режим требует непрерывного перемещения волокна по поверхности камня с использованием относительно низкой энергии импульса (0,025-0,3 Дж). Для компенсации малого объема абляции в расчете на импульс из-за низкой энергии в импульсе частота следования импульсов должна быть максимально высокой, при этом средняя мощность Ра=E*ν должна удерживаться в безопасных пределах во избежание термического повреждения мягких тканей вследствие нагрева воды в мочеиспускательном канале. Этот безопасный предел максимальной мощности Ра зависит от скорости орошения и общего времени лечения. Для повышения скорости абляции с сохранением средней мощности на прежнем уровне может быть оптимизирована временная структура выходного лазерного излучения, что достигается путем придания определенной формы лазерному импульсу и/или модулирования последовательности лазерных импульсов с одновременным уменьшением ретропульсии или, по меньшей мере, ее сохранением на прежнем уровне. Эффективность абляции и эффект ретропульсии являются следствием сочетания множества факторов, которые включают в себя, помимо прочего:

1. Энергию импульса, пиковую мощность или ширину импульса, и частоту следования импульсов;

2. Диаметр пучка, который зависит от диаметра светопроводящей жилы волокна;

3. Расстояние между волокном и камнем;

4. Скорость перемещения волокна. Этот фактор соотносится с количеством рабочих импульсов, подаваемых в одну точку. Это количество может быть определено формулой K=(d/2v)*v, где величина d обозначает диаметр пучка на поверхности камня, а величина v обозначает скорость перемещения волокна. Эффективность абляции снижается с увеличением величины K вследствие увеличения расстояния между концом волокна и нижней частью лазерного кратера, эффекта затенения продуктами абляции, потери воды в нижней части лазерного кратера и других факторов;

5. Колебание волокна, вызванное пульсацией лазера. Волокно может колебаться в пределах определенной амплитуды. Эти колебания обусловлены силой, возникающей вследствие лазеро-индуцированного формирования пузырьков в воде, эффектом электрострикции и прочими механизмами. Колебание волокна эффективно уменьшает количество импульсов, подаваемых в одну точку K, что может повысить эффективность абляции; и

6. Размеры и форму камня.

Импульсная модуляция увязана со всеми перечисленными факторами, но может вызывать при этом разные последствия. Например, периодическое повышение энергии лазера от минимума до максимума может компенсировать снижение эффективности абляции при подаче лазерного излучения с постоянной энергией в одну точку с одной и той же частотой и средней мощностью и скоростью перемещения волокна. Приведенное ниже экспериментальное сравнение абляции камня и скорости ретропульсии при использовании постоянной энергии импульса и пиковой мощности и частоты в разных амплитудных режимах (обычных режимах, которые представляют собой используемые в настоящее время режимы лечения камней), амплитудная и амплитудно-частотная модуляция доказывают преимущества предложенных режимов контактного и бесконтактного воздействия.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВРЕМЕННЫХ РЕЖИМОВ ЛАЗЕРНОЙ ЛИТОТРИПСИИ

Ключевой задачей оптимизации лазерной литотрипсии является ускорение процедуры, обеспечение разбивки камней на фрагменты требуемого размера и минимизация частоты возникновения побочных эффектов. Среди параметров, имеющих значение для достижения этой цели, двумя важнейшими параметрами являются: эффективность абляции камня и величина эффекта ретропульсии. Для сравнения различных временных режимов лазерного излучения мы используем следующие исходные параметры: 1) Эффективность абляции Kа камня, определяемая как Va/Et, где величина Va обозначает общий распыленный объем материала, а величина Et обозначает общую энергию лазера [мм³/Дж]; 2) Критическая скорость Vr ретропульсии, определяемая как скорость ретропульсии в момент начала лечения лазером [мм/с]; 3) Абсолютная величина временного режима Qa, определяемая как Ka/Vr [мм²/Вт], которая увеличивается вместе с эффективностью абляции и уменьшается вместе с ретропульсией; 4) Относительная величина временного режима Qr, определяемая как (Qa)/(Qa)ref, где индекс ref обозначает эталонный обычный режим [безразмерная величина]; 5) Время раскалывания камня, которое определяется как время, затрачиваемое на раскалывание камня в режиме фрагментации.

Для сравнения различных временных режимов были использованы следующие экспериментальные методы:

ЭКСПЕРИМЕНТЫ СО СКАНИРОВАНИЕМ

Оборудование:

1) Волоконный Tm-лазер с длиной волны 1,94 мкм, пиковая мощность до 1000 Вт;

2) Выводное волокно с диаметром светопроводящей жилы 200 мкм;

3) Столик с двухкоординатным приводом;

4) Высокоскоростная камера (Phantom Miro М310 от компании Phantom Vision Research);

5) Держатель волокна;

6) Механический профилометр (Contracer® от компании Mitutoyo, г. Кавасаки, Япония).

Материалы и способы:

Все эксперименты проводились с использованием искусственных моделей камней. Камни были получены из порошка BegoStone (от компании Bego GmbH, г. Бремен, Германия) с соотношением между порошком и водой 5:1. Образцы были разрезаны на куски размерами 60 × 40 × 8 мм. Камни отмачивались в воде в течение 24 часов перед их облучением лазером.

Эффективность абляции и эффект ретропульсии измерялись на двух разных установках.

Сначала камни были помещены в контейнер с водой (для выбора правильного положения установки было использовано два пузырьковых уровня). На столике с двухкоординатным приводом был установлен держатель волокна. За счет одномерного горизонтального перемещения волокна со скоростью 6 мм/с, которая представляет собой стандартную скорость сканирования при лечении, были получены линейные кратеры длиной 30 мм. Параметры лазера варьировались в соответствии с данными в таблицах, представленных ниже. Измерения площади поперечного сечения, глубины и ширины кратера были проведены с использованием механического профилометра. Скорость и эффективность абляции были рассчитаны с использованием значений поперечного сечения профилей, умноженных на скорость сканирования и поделенных на среднюю мощность лазера. Во время сканирования расстояние между концом волокна и плоской поверхностью камня поддерживалось на уровне около 0,2±0,1 мм.

Затем был измерен эффект ретропульсии при таких же параметрах лазера. Для измерения величины смещения камня по длинным сторонам были закреплены две линейки, образуя прямоугольный лоток. Лоток был погружен в водяную ванну. Для выбора правильного положения установки было использовано два пузырьковых уровня. В лоток были помещены образцы камней (кубики размерами 5×5×5 мм). Через держатель, расположенный в отверстии боковой стенки установки, было введено волокно. Конец волокна был приведен в контакт с центром камня. Для фиксации перемещения камня была использована высокоскоростная (1000 кадров в секунду) камера Phantom MIRO М310 от компании Phantom Vision Research, США. Перемещение камня анализировалось в течение первых 0,5 секунды облучения. Перемещение камня как функция времени определялось с использованием программного обеспечения Image, а скорость перемещения камня в начальные моменты генерации лазерного излучения рассчитывалась как наклон такой функции в начале генерации лазерного излучения.

ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ХАРАКТЕРИСТИК ПУЗЫРЬКОВ

Оборудование:

1) Волоконный Tm-лазер с длиной волны 1,94 мкм, пиковая мощность до 1000 Вт;

2) Волокно с диаметром светопроводящей жилы 200 мкм;

3) Кварцевая кювета;

4) Штатив;

5) Галогенная осветительная система;

6) Высокоскоростная камера Phantom Miro М310.

Материалы и способы:

Держатель волокна был закреплен на штативе. Волокно было помещено в кварцевую кювету, наполненную водой. С использованием высокоскоростной камеры осуществлялась видеофиксация формирования пузырька одиночным импульсом при различных параметрах лазера (энергии и пиковой мощности лазера в диапазоне от 0,025 мДж до 0,4 Дж и от 100 до 500 Вт, соответственно). Частота смены кадров в камере составляла 120000 кадров в секунду, а время облучения - 7 мкс. Для освещения рабочего пространства была использована галогенная осветительная система. Записанное видео было использовано для определения времени роста пузырька до 1 мм, до 2,5 мм и до максимальных размеров пузырька. Длина пузырька определялась с использованием программного обеспечения ImageJ.

БЕСКОНТАКТНЫЙ РЕЖИМ

Оборудование:

1) Волоконный Tm-лазер с длиной волны 1,94 мкм, пиковая мощность до 1000 Вт;

2) Волокно с диаметром светопроводящей жилы 200 мкм;

3) Гибкий эндоскоп;

4) Две стеклянные кюветы.

Материалы и способы:

Экспериментальная установка включала в себя внутреннюю кювету особой конструкции диаметром 13 мм, снабженную отверстиями диаметром 0,25 мм, которые были просверлены в стенках на высоте 40 мм. Лечение лазером проводилось с использованием гибкого эндоскопа. Расход воды, протекающей через гибкий эндоскоп, составил 10 мл/мин. Внутренняя кювета была помещена во внешнюю кювету, в которой собиралась отводимая вода со взвешенными в ней частицами пыли размерами менее 0,25 мм, которые во время литотрипсии удалялись потоком воды, протекающим через боковые отверстия. В этом исследовании в качестве моделей использовались шарики BegaStone радиусом 2 мм. Для каждого параметра лазера было использовано 5 шариков. Литотрипсия проводилась в течение 2 минут и 40 секунд. По завершении литотрипсии были взвешены фрагменты, оставшиеся во внутренней кювете. Масса пыли была определена как разница между первоначальной массой шариков и массой оставшихся фрагментов. Скорость абляции была определена как соотношение между массой пыли и продолжительностью лечения.

ВЫСВЕРЛИВАНИЕ И РАСКАЛЫВАНИЕ

Оборудование:

1) Волоконный Tm-лазер с длиной волны 1,94 мкм, пиковая мощность до 1000 Вт;

2) Волокно с диаметром светопроводящей жилы 200 мкм;

3) Держатель волокна;

4) Стеклянная кювета;

5) Секундомер.

Материалы и способы:

Эксперименты проводились с использованием искусственных моделей камней. Камни были получены из порошка BegoStone (от компании Bego GmbH, г. Бремен, Германия) с соотношением между порошком и водой 5:1. Камням были приданы размеры 5 × 2,5 × 2,5 мм. Камни отмачивались в воде в течение 24 часов перед их облучением лазером. Образцы камней были помещены в стеклянную кювету, заполненную водой. Камни просверливались насквозь при различных параметрах лазерного излучения таким образом, чтобы волокно всегда контактировало с камнем по центру его стороны размерами 5 × 2,5 мм, инициируя режим фрагментации при лечении. В ходе эксперимента было зафиксировано время раскалывания образцов камня на два фрагмента, что было сделано с помощью секундомера. После этого была определена ретропульсия при таких же параметрах лазера с использованием установки, описанной в вышеприведенном разделе «Эксперименты со сканированием».

Для каждой уставки все измерения были повторены три раза, после чего было рассчитано ее среднее значение и среднеквадратическое отклонение.

АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ (AFM)

Общий случай последовательности лазерных импульсов, используемой в настоящее время в рассматриваемой лазерной литотрипсии, проиллюстрирован на фиг. 2. В данном случае последовательность характеризуется постоянной величиной (пиковой мощностью) Рр, постоянной энергией Е импульса и постоянным периодом Т каждого отдельного импульса (фиг. 2А). С другой стороны, форма отдельного импульса (201) может варьироваться между простой квазипрямоугольной формой импульса 202 (фиг. 2В), типичной для лазеров с диодной накачкой; формой импульса 203 (фиг. 2С), характерной для лазеров с импульсной ламповой накачкой, с пологим передним фронтом и вытянутым срезом; формой импульса 204 (фиг. 2D), которая также типична для твердотельных лазеров с импульсной ламповой накачкой, где в плавную общую форму вносятся непериодические микроимпульсы или всплески, обусловленные релаксационными колебаниями лазера; или сложной формой импульса (фиг. 2D), возникающей в многоловочных твердотельных лазерных системах с импульсной ламповой накачкой. Из предшествующего уровня техники известны другие формы импульса, такие как, например, пакет регулярных микроимпульсов [авторы Blackmon R. L., Fried N. М. и Irby Р.В., статья «Enhanced thulium fiber laser lithotripsy using micro-pulse train modulation)) («Литотрипсия посредством усовершенствованного тулиевого волоконного лазера с использованием модуляции последовательностей микроимпульсов»), журнал Journal of Biomedical Optics, февраль 2012 года; 17(2):028002] или импульс, состоящий из двух субимпульсов 206 (фиг.2Е), с передним субимпульсом, обладающим более низкой энергией, за которым следует задний субимпульс 206, обладающий более высокой энергией, с временным интервалом 100-200 мкс [патент США №5 321 715].

В то же время настоящее изобретение выделяет различные преимущества и выгоды, обусловленные варьированием одной или нескольких таких величин, как Рр, Е, и Т в соответствии с уравнениями (4-9).

Наиболее общим типом модуляции, которая охватывается настоящим изобретением, является амплитудно-частотная модуляция (AFM). Один из примеров AFM показан на фиг. 3. В данном случае период Na амплитудной модуляции соотносится с частотной модуляцией Np и равен 6. Модуляция AFM может характеризоваться средним периодом Taν группы, который определяется следующим образом:

где величина Ng обозначает количество импульсов в периодической группе, а величина Ti обозначает период i-го импульса.

Модуляция AFM дает положительный эффект как в контактном режиме, так и в бесконтактном режиме лечения. Предпочтительные параметры AFM перечислены ниже:

1. Режим сканирования

Предпочтительные параметры:

Длина волны 1,81-2,2 мкм, предпочтительнее 1,908-1,98 мкм;

Пиковая мощность Ра=250-5000 Вт, предпочтительнее 400-1000 Вт;

Энергия в импульсе 0,01-2 Дж, предпочтительнее 0,05-0,5 Дж;

Частота следования импульсов ν=5-3000 Гц/Период Т=0,00033-0,2 с, предпочтительнее 50-1000 Гц, 0,001-0,02 с;

Na=2-10;

Np=1-100.

Эти уставки представлены в качестве примера на фиг. 4 и в Таблице 1. Все эксперименты были проведены с одинаковой средней мощностью 30 Вт для соответствия профилям безопасности мягких тканей.

Таблица показывает, что режимы AFM существенно повышают эффективность абляции (до 3,1 раза) и глубину абляции без увеличения ретропульсии в сравнении с обычными (немодулированными) режимами с пиковой мощностью 500 Вт и 1000 Вт.

2. Контактный режим/режим фрагментации Предпочтительные параметры:

Длина волны 1,81-2,2 мкм, предпочтительнее 1,908-1,98 мкм;

Пиковая мощность Ра=100-2000 Вт, предпочтительнее 250-1000 Вт;

Энергия в импульсе 0,2-10 Дж, предпочтительнее 0,5-5 Дж;

Частота следования импульсов ν=1-300 Гц/Период Т=0,0033-1 с;

Na=2-10;

Np=1-100.

3. Бесконтактный («взрывной») режим

Предпочтительные параметры:

Длина волны 1,81-2,2 мкм, предпочтительнее 1,908-1,98 мкм;

Пиковая мощность Ра=500-3000 Вт, предпочтительнее 500-2000 Вт;

Энергия в импульсе 0,05-1 Дж, предпочтительнее 0,05-0,5 Дж;

Частота следования импульсов ν=10-1000 Гц/Период Т=0,001-0,1 с;

Na=2-100;

Np=1-100.

АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Амплитудная модуляция является частным случаем AFM, когда период следования импульсов остается неизменным. Типичный случай амплитудной модуляции (AM) показан на фиг. 5. В данном случае величина Рр или Е варьируется в периоде Na=3, тогда как период Т между отдельными импульсами остается неизменным. Группа 501 импульсов во временном интервале T*Na называется амплитудно-модулированной периодической группой импульсов.

Может быть предусмотрено множество разновидностей групп импульсов. Некоторые из них проиллюстрированы на фиг. 6(a-g). Как можно видеть на фиг. 6, в рамках AM может изменяться как величина Рр, так и величина Е.

Модуляция AM может дать положительный эффект в обоих основных режимах лазерной литотрипсии. Ниже суммированы предпочтительные режимы и иллюстративные примеры:

1. Контактный режим/режим сканирования

Предпочтительные параметры:

Длина волны 1,81-2,2 мкм, предпочтительнее 1,908-1,98 мкм;

Пиковая мощность Ра=250-3000 Вт, предпочтительнее 400-1000 Вт;

Энергия в импульсе 0,02-2 Дж, предпочтительнее 0,05-0,5 Дж;

Частота следования импульсов ν=5-3000 Гц/Период Т=0,00033-0,2 с, предпочтительнее 50-1000 Гц, 0,001-0,02 с;

Na=2-10.

Эти уставки представлены в качестве примера на фиг. 6 и в Таблице 2.

Таблица 2. Примеры последовательностей AM для контактного режима литотрипсии/режима сканирования.

Эти данные указывают на то, что амплитудная модуляция может повысить качество описываемого режима лечения более чем в три раза.

2. Контактный режим/режим фрагментации

Предпочтительные параметры:

Длина волны 1,81-2,2 мкм, предпочтительнее 1,908-1,98 мкм;

Пиковая мощность Ра=100-2000 Вт, предпочтительнее 250-3000 Вт;

Энергия в импульсе 0,2-20 Дж, предпочтительнее 0,5-10 Дж;

Частота следования импульсов ν=1-500 Гц/Период Т=0,0002-1 с;

Na=2-1.

3. Бесконтактный («взрывной») режим

Предпочтительные параметры:

Длина волны 1,81-2,2 мкм, предпочтительнее 1,908-1,98 мкм;

Пиковая мощность Ра=500-3000 Вт, предпочтительнее 500-2000 Вт;

Энергия в импульсе 0,05-1 Дж, предпочтительнее 0,05-0,5 Дж;

Частота следования импульсов ν=10-3000 Гц/Период Т=0,0003-0,1 с;

Na=2-100.

Эти уставки представлены в качестве примера на фиг. 7 и в Таблице 3.

Эти данные указывают на то, что амплитудная модуляция может значительно (до 60%) сократить время, необходимое для проведения процедуры бесконтактного распыления с одновременным сохранением средней мощности лазерного излучения на неизменном уровне.

ЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ (FM)

Эта частотная модуляция является частным случаем FM, когда период следования импульсов изменяется, а энергия импульса, равно как и пиковая мощность, остается неизменной. Типичный случай частотной модуляции показан на фиг. 8. В данном случае величина Рр или Е остается постоянной, тогда как период следования импульсов варьируется в периоде Np=5. Как и AFM, FM характеризуется средним периодом следования импульсов, обозначаемым величиной Tav. Группа 801 импульсов во временном интервале Tav*Np образует периодическую группу импульсов.

Может быть предусмотрено множество разновидностей групп импульсов FM.

Модуляция FM может дать положительный эффект в обоих основных режимах лазерной литотрипсии (т.е. в контактном и бесконтактном режимах). Ниже суммированы предпочтительные режимы:

1. Контактный режим/режим сканирования

Предпочтительные параметры:

Длина волны 1,81-2,2 мкм, предпочтительнее 1,908-1,98 мкм;

Пиковая мощность Ра=250-3000 Вт, предпочтительнее 400-1000 Вт;

Энергия в импульсе 0,02-2 Дж, предпочтительнее 0,05-0,5 Дж;

Частота следования импульсов ν=5-3000 Гц/Период Т=0,00033-0,2 с, предпочтительнее 50-1000 Гц, 0,001-0,02 с;

Np=10-100.

1. Контактный режим/режим фрагментации

Предпочтительные параметры:

Длина волны 1,81-2,2 мкм, предпочтительнее 1,908-1,98 мкм;

Пиковая мощность Ра=100-3000 Вт, предпочтительнее 400-1000 Вт;

Энергия в импульсе 0,2-20 Дж, предпочтительнее 0,5-10 Дж;

Частота следования импульсов ν=1-300 Гц/Период Т=0,0033-1 с;

Np=10-100.

3. Бесконтактный («взрывной») режим

Предпочтительные параметры:

Длина волны 1,81-2,2 мкм, предпочтительнее 1,908-1,98 мкм;

Пиковая мощность Ра=250-5000 Вт, предпочтительнее 250-1000 Вт;

Энергия в импульсе 0,02-1 Дж, предпочтительнее 0,05-0,5 Дж;

Частота следования импульсов ν=10-1000 Гц/Период Т=0,001-0,1 с;

Np=10-100.

ФОРМА ИМПУЛЬСА

Энергия лазерного излучения, излучаемая концом волокна и проходящая через жидкую среду (воду) в зазоре между концом волокна и камнем или поверхностью ткани в направлении камня-мишени или ткани-мишени, будет поглощаться, но объем поглощенной энергии может оказаться меньше предполагаемого, что обусловлено «эффектом Мозеса», при котором первая составляющая излучаемой энергии поглощается жидкостью и образует пар в жидкой среде, вследствие чего остальная часть энергии проходит через менее ограничивающую или поглощающую газообразную/паровую среду с более низким оптическим затуханием. Лазеро-индуцированный паровой пузырек, образованный во время подачи начального импульса, служит для «раздвижения» воды, что обеспечивает возможность более эффективной доставки следующего импульса к камню. Было предложено использовать это явление для повышения эффективности абляции камней с помощью двух импульсов: первого короткого низкоэнергетического импульса, создающего паровой пузырек, и последующего более продолжительного импульса более высокой энергии, выполняющего лечебную функцию (см. патент США №5,321,715).

В настоящем изобретении регулирование временной структуры мощности лазерного излучения используется для минимизации эффекта ретропульсии. Пузырек воды, образующийся между камнем и дистальным концом волокна, может создать давление и усилие, толкающие камень в сторону от волокна. Этот эффект может быть минимизирован за счет уменьшения мощности и энергии лазерного излучения во время формирования пузырька. Схлопывание пузырька в промежутке между импульсами может создать отрицательное давление и усилие для камня, что компенсирует его смещение вследствие роста пузырька и отскок во время абляции камня (эффект втягивания). Эти эффекты могут регулироваться путем варьирования формы f(t) отдельных импульсов, энергии Е импульса и временного интервала Т между импульсами.

Лазерная абляция обычно требует сочетания высокой эффективности абляции с низким уровнем ретропульсии. Для сопоставления различных временных структур лазера может быть использована эффективность η_ab1 лазерной абляции, которая определяется как объем продукта абляции, поделенный на суммарную энергию лазерного излучения, затраченную на абляцию этого объема, и скорость V смещения камня вследствие эффекта ретропульсии в самом начале генерирования импульсов лазером. Величина V определяется воздействием одиночного импульса при низкой частоте следования импульсов или воздействием ряда импульсов в течение около 0,1 с в лазерной системе с высокой частотой следования импульсов. В частности, соотношение η_ab1/V может характеризовать практическую (комплексную) эффективность скорости лечения.

Форма импульса твердотельного лазера, снабженного импульсной лампой для накачки, обычно имеет нерегулярную игольчатую структуру, и она может регулироваться током, протекающим через импульсную лампу накачки, лишь в довольно ограниченном объеме. В то же время волоконные и твердотельные лазеры с диодной накачкой обеспечивают возможность точной регулировки формы импульса в широком диапазоне параметров и увеличения скорости лечения.

В настоящем изобретении, помимо AM и AFM, временная структура лазерного излучения регулируется путем модуляции формы f(t) отдельных импульсов с целью обеспечения оптимальных условий для абляции камня с максимальной эффективностью и уменьшенным уровнем ретропульсии.

При лечении камней в контактном режиме цель состоит в том, чтобы повысить эффективность абляции камня с целью сокращения общего времени, затрачиваемого на фрагментацию камня. Эта цель может быть достигнута за счет регулирования формы импульса путем уменьшения интенсивности первого участка импульса с целью формирования канала Мозеса с минимальными потерями энергии, но с одновременной минимизацией эффекта ретропульсии такого импульса, с последующим увеличением интенсивности второго участка импульса для максимизации теплового или термомеханического воздействия на камень. Потери второго участка импульса на водопоглощение будут значительно сокращены за счет канала Мозеса, сформированного первым участком импульса. Однако испаряющийся пузырек или канал Мозеса, растущий в пространстве между концом волокна и камнем, создает давление и усилие, действующие на камень, что в свою очередь создает эффект ретропульсии. Для уменьшения эффекта ретропульсии в настоящем изобретении предложено минимизировать пиковую мощность и энергию импульса лазера. В экспериментальной установке были измерены динамические характеристики пузырьков на конце волокна диаметром 0,2 мм с использованием высокоскоростной видеокамеры с частотой смены кадров 120000 кадров в секунду. Был также замерен эффект смещения образца камня при облучении одиночными импульсами. Описание экспериментальной установки представлено выше.

В Таблице 4 суммированы экспериментальные данные по TFL-лазеру с длиной волны 1940 нм и диаметром светопроводящей жилы 0,2 мм. Результаты указывают на то, что длина пузырька и смещение камня, пропорциональное давлению пузырька, возрастают по мере увеличения пиковой мощности и энергии лазерного импульса. Значения расстояния между концом волокна и камнем при регулировке контактов для лечения лежат в диапазоне 0-1 м, но во время лечения в течение коротких отрезков времени это расстояние может превышать 2,5 мм. Для реализации преимущества канала Мозеса (испаряющегося) с целью повышения эффективности абляции и минимизации эффекта ретропульсии предлагается использовать параметры первого субимпульса лазера, который создает пузырьки длиной, не превышающей 2,5 мм, с минимальным давлением. С учетом измеренных данных о пиковой мощности первого субимпульса лазера, который формирует канал Мозеса (паровой), пиковая мощность должна лежать в пределах 50-500 Вт, предпочтительно в пределах 100-300 Вт, а энергия в импульса должна составлять 0,02-0,15 Дж, предпочтительно от 0,05 Дж до 0,1 Дж. Для обеспечения эффективной абляции временной интервал между первым и вторым субимпульсами должен определяться, исходя из следующих критериев: 1) Второй субимпульс должен подаваться по достижении камня фронтом канала водяного пара, т.е. когда пузырек вырастет до 2,5 мм, предпочтительно - до 1 мм; и 2) Давление, действующее на пузырек, резко упало или стало отрицательным, обеспечивая возможность создания эффекта втягивания камня.

В Таблице 5 показана продолжительность времени роста пузырька до 1 мм и 3 мм в зависимости от пиковой мощности и энергии лазерного излучения в предложенном диапазоне. Таким образом, временной интервал между субимпульсами должен лежать в пределах 50-900 мкс, а в предпочтительном варианте в пределах 100-500 мкс. Энергия второго субимпульса должна лежать в пределах 0,1-10 Дж. Такая форма импульса проиллюстрирована на фиг. 9.

В других вариантах осуществления настоящего изобретения мы предлагаем форму импульса с непрерывной подачей мощности в течение длительности импульса. Эта форма наиболее эффективная для режима фрагментации, в котором оператор использует метод высверливания, обеспечивая при этом плотный контакт между концом волокна лазера и камнем во всех циклах лечения. В этом случае толщина слоя воды между концом волокна и камнем может быть минимальной (менее 0,5 мм), или же такой слой может вообще отсутствовать. Лазер, который используется в настоящее время в литотрипсии, характеризуется импульсам в виде равномерных прямоугольников или импульсами с плоской верхушкой, что типично для волоконных и твердотельных лазеров с диодной накачкой (фиг. 2). Импульсы твердотельных лазеров с импульсной ламповой накачкой, таких как Но:YAG-лазеры, имеют ассиметричную форму с более высокой мощностью в начале импульса и постепенным снижением мощности на срезе 203 или 204 (фиг. 2). Эти формы импульса не являются оптимальными для раскалывания камней во время высверливания. Для повышения эффективности абляции во время высверливания и фрагментации в настоящем изобретении мы предлагаем использовать импульс с двумя участками, в котором первый участок используется для удаления остатков воды между волокном и камнем и абляции камня и предварительного нагрева камня вокруг кратера абляции (фиг. 10). Предварительный нагрев, осуществляемый первым участком импульса с более низкой мощностью, приведет к повышению теплового напряжения вокруг кратера абляции и увеличению коэффициента поглощения матрицы камня вследствие нагрева до температуры свыше 100-250°С. Второй участок импульса более высокой мощности будет более эффективно поглощаться материалом камня, и он будет обеспечивать более эффективное механическое разрушение камня из-за лучшего поглощения в сравнении с первым участком импульса и вследствие более высокой пиковой мощности второго участка импульса и начального механического напряжения в камне вокруг лазерного кратера. В результате возрастает вероятность раскалывания камня на крупные куски. В то же время уменьшается эффект ретропульсии при такой генерации импульсов вследствие более эффективного преобразования энергии лазера в раскалывание, а не абляцию небольших частиц с большим импульсом отдачи. Это проиллюстрировано на фиг. 10, где величина τ₁ обозначает продолжительность первого участка импульса, а величина τ₂ обозначает продолжительность второго участка импульса. Профиль мощности первого участка импульса f₁(t) может быть постоянным на уровне P_min, или представлять собой монотонную функцию, такую как линейная, экспоненциальная или полиномиальная функция, возрастающую от P_min до P_max, где величина обозначает пиковую мощность второго участка импульса. Также возможны и другие временные зависимости интенсивности, очевидные специалистам в данной области техники. Продолжительность первого участка импульса может быть определена с учетом минимальной энергии, необходимой для формирования канала Мозеса и обеспечения абляции камня с сильным нагревом матрицы камня вокруг лазерного кратера для повышения поглощающей способности матрицы камня и усиления эффекта макрораскалывания камня. В альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения продолжительность первого участка импульса может устанавливаться в режиме реального времени с использованием механизма обратной связи. Механизм обратной связи сигнализирует о формировании канала Мозеса и/или о температуре кратера камня, и он может быть основан на использовании оптической, акустической или иной технологии. Например, температура камня может быть определена путем измерения теплового излучения, испускаемого камнем, с помощью того же волокна, что используется для подачи мощности лазерного излучения. Для TFL-лазера с длиной волны 1,94 мкм экспериментальным путем было установлено, что мощность лазерного излучения первого участка импульса должна лежать в пределах P_min=50-200 Вт, а продолжительность zi импульса должна лежать в пределах 0,1-10 мс с энергией первого участка импульса, составляющей 10-70% от общей энергии импульса, тогда как мощность второго участка импульса должна лежать в пределах 400-20000 Вт, а его продолжительность - в пределах 0,5-20 мс.

Примеры форм импульса, рассчитанных на высверливание и фрагментацию камней, приведены на фиг. 11 и в Таблице 6.

Таблица 6 показывает, что повышение пиковой мощности в обычных режимах лечения приводит к сокращению времени раскалывания, но при этом также увеличивает эффект ретропульсии, вследствие чего итоговый результат применения этих режимов остается по существу таким же. В то же время придание импульсу формы согласно настоящему изобретению уменьшает как время раскалывания, так и эффект ретропульсии, что приводит к требуемому повышению качества лечения в указанных режимах.

Вышеприведенное описание и примеры представлены исключительно для иллюстрации настоящего раскрытия и никоим образом не носят ограничительного характера. Соответственно, настоящее раскрытие должно рассматриваться в более широком смысле как включающее в себя все изменения, входящие в объем заявленного изобретения.

Группа изобретений относится к медицинской технике. Предложены способы и устройства для литотрипсии с использованием импульсного лазера с целью обеспечения высокой скорости абляции с одновременной минимизацией ретропульсии продуктов абляции. Способ и лазерная система для лечения конкрементов в организме человека или животного, содержит лазер, испускающий последовательность лазерных импульсов, причем лазер выполнен с возможностью работы в режиме амплитудной модуляции, в котором испускаемые лазерные импульсы характеризуются следующими параметрами: постоянной частотой следования импульсов и периодически изменяющейся пиковой мощностью или энергией импульса или пиковой мощностью или энергией импульса с периодом Na амплитудной модуляции, равной количеству импульсов в амплитудно-периодической группе импульсов. 4 н. и 30 з.п. ф-лы, 11 ил., 6 табл.

1. Лазерная система для разрушения конкрементов, содержащая:

лазер, испускающий последовательность лазерных импульсов, причем лазер выполнен с возможностью функционирования в режиме амплитудно-частотной модуляции (AFMR), в котором лазерные импульсы испускаются с:

периодически меняющимся, по меньшей мере, одним параметром из числа пиковой мощности импульса и энергии импульса с периодом Na модуляции, равным количеству импульсов в амплитудно-периодической группе импульсов, причем пиковая мощность и/или энергия импульса, соответственно, монотонно увеличивается от первого до последнего импульса в указанной амплитудно-периодической группе импульсов; и

периодически меняющейся PF с периодом Np частотной модуляции, равным количеству импульсов в частотно-периодической группе импульсов.

2. Лазерная система по п. 1, в которой период Na модуляции, по меньшей мере, одного параметра из числа пиковой мощности импульса и энергии импульса варьируется в диапазоне 2-1000 лазерных импульсов, в предпочтительном варианте - в диапазоне 2-100 лазерных импульсов, а в наиболее предпочтительном варианте в диапазоне 2-10 лазерных импульсов.

3. Лазерная система по п. 2, в которой период Np модуляции PF варьируется в диапазоне 2-1000 лазерных импульсов, в предпочтительном варианте - в диапазоне 2-100 лазерных импульсов, а в наиболее предпочтительном варианте - в диапазоне 2-10 лазерных импульсов.

4. Лазерная система по п. 1, в которой лазер выбирается из числа таких лазеров, как твердотельный лазер с диодной накачкой, волоконный лазер с диодной накачкой, твердотельный лазер с импульсной ламповой накачкой и прямой диодный лазер.

5. Лазерная система по п. 1, в которой лазер работает в диапазоне длин волн от 1,85 мкм до 2,2 мкм, в предпочтительном варианте в диапазоне длин волн 1,908-1,96 мкм.

6. Лазерная система по п. 5, в которой лазером служит один из таких лазеров, как Tm:YAG, Tm:YLF, Tm:YAP, Tm:LuAG, Tm:LuLF, Tm:LuAP, волоконный Тm-лазер или Ho:YAG лазер.

7. Лазерная система по п. 1, в которой лазер функционирует в режиме свободной генерации, выдавая последовательность лазерных импульсов с PF, варьирующейся в диапазоне 2-5000 Гц, причем каждый лазерный импульс характеризуется:

энергией лазерного импульса в пределах 0,01-10 Дж;

пиковой мощностью лазерного импульса в пределах 100-20000 Вт, а в предпочтительном варианте - в пределах 250-3000 Вт; и

продолжительностью лазерного импульса в пределах от 25 мкс до 20 мс, а в предпочтительном варианте в пределах от 50 мкс до 10 мс.

8. Лазерная система по п. 1, дополнительно содержащая: контроллер, выдающий управляющий сигнал, который содержит информацию о требуемой пиковой мощности или энергии импульса в режиме AMR или о требуемой пиковой мощности или энергии импульса и требуемой PF в AFMR; и

возбудитель, соединенный с контроллером и выполненный с возможностью выдачи последовательности электрических импульсов, которые периодически модулируются и подаются на вход устройства накачки, возбуждающего лазер.

9. Лазерная система по п. 8, в которой возбудитель лазера дополнительно содержит устройство аккумулирования энергии, функционально связанное с контроллером.

10. Лазерная система по п. 8, дополнительно содержащая оптико-акустический модулятор (АОМ), электрооптический модулятор (ЕОМ) или пассивный модулятор, соединенный с контроллером, и лазер, функционирующий в режиме модуляции добротности с модулированной величиной резонатора и выдающий лазерные импульсы, каждый из которых характеризуется:

энергией, варьирующейся в диапазоне 0,1-10 мДж;

пиковой мощностью, варьирующейся в диапазоне 200-1000 000 Вт; и

PF, варьирующейся в диапазоне 500-500000 Гц.

11. Лазерная система по п. 1, в которой лазер, работающий в AFMR во время хирургической процедуры фрагментации, выдает последовательность лазерных импульсов с такими параметрами:

частотой PF, лежащей в диапазоне 1-5000 Гц;

периодом Na амплитудной модуляции, варьирующимся в диапазоне 2-10 лазерных импульсов; и

периодом Np частотной модуляции, варьирующимся в диапазоне 1-100 лазерных импульсов; при этом:

каждый лазерный импульс выдается:

с длиной волн, лежащей в диапазоне 1,81-2,2 мкм, причем предпочтительным является диапазон 1,908-1,98 мкм;

с пиковой мощностью, лежащей в диапазоне 100-20000 Вт, причем предпочтительным является диапазон 250-3000 Вт; и

с энергией в импульсе, варьирующейся в диапазоне 0,2-20 Дж, причем предпочтительным является диапазон 0,5-10 Дж.

12. Лазерная система по п. 1, в которой лазер, работающий в AFMR во время бесконтактной хирургической процедуры, выдает последовательность лазерных импульсов с такими параметрами:

частотой PF, лежащей в диапазоне 10-3000 Гц;

периодом Na амплитудной модуляции, варьирующимся в диапазоне 2-100 лазерных импульсов; и

периодом Np частотной модуляции, варьирующимся в диапазоне 1-100 лазерных импульсов; при этом:

каждый лазерный импульс выдается:

с длиной волн, лежащей в диапазоне 1,81-2,2 мкм, причем предпочтительным является диапазон 1,908-1,98 мкм;

с пиковой мощностью, лежащей в диапазоне 250-3000 Вт, причем предпочтительным является диапазон 250-1000 Вт; и

с энергией в импульсе, варьирующейся в диапазоне 0,02-1 Дж, причем предпочтительным является диапазон 0,05-0,5 Дж.

13. Лазерная система по п. 1, дополнительно содержащая волокно, направляющее лазерные импульсы на конкременты.

14. Лазерная система для разрушения конкрементов, содержащая:

контроллер, выдающий управляющий сигнал, который содержит информацию о требуемой форме лазерного импульса; и

лазер, испускающий последовательность лазерных импульсов и функционально связанный с контроллером таким образом, что каждый лазерный импульс характеризуется требуемой формой лазерного импульса, которая образуется:

первым и вторым субимпульсами, отделенными друг от друга во времени; при этом:

энергия первого субимпульса варьируется в диапазоне 0,02-0,15 Дж;

пиковая мощность первого субимпульса варьируется в диапазоне 50-500 Вт;

временной интервал между первым субимпульсом и вторым субимпульсом варьируется в диапазоне 50-900 мкс;

энергия второго субимпульса превышает энергию первого субимпульса и варьируется в диапазоне 0,1-10 Дж; и

пиковая мощность второго субимпульса превышает пиковую мощность первого субимпульса и варьируется в диапазоне 300-20000 Вт.

15. Лазерная система для разрушения конкрементов, содержащая:

контроллер, выдающий управляющий сигнал, который содержит информацию о требуемой форме лазерного импульса; и

лазер, испускающий последовательность лазерных импульсов и функционально связанный с контроллером таким образом, что каждый лазерный импульс формируется с требуемой формой лазерного импульса, которая характеризуется наличием:

начального и последующего участков, причем последующий участок характеризуется более высокой мощностью в сравнении с начальным участком; при этом:

мощность начального участка постепенно повышается от минимального уровня до уровня мощности последующего участка;

минимальный уровень мощности начального участка импульса варьируется в пределах 0-200 Вт;

продолжительность начального участка варьируется в диапазоне 0,1-10 мс; энергия начального участка импульса составляет 10-70% от общей энергии импульса;

мощность последующего участка варьируется в пределах 400-20000 Вт; и продолжительность последующего участка варьируется в пределах 0,5-20 мс.

16. Лазерная система по п. 15, в которой мощность начального участка возрастает в соответствии с одной из таких функций, как линейная, полиномиальная и экспоненциальная функция.

17. Лазерная система по п. 14 или 15, в которой лазер выбирается из числа таких лазеров, как твердотельный лазер с диодной накачкой, волоконный лазер с диодной накачкой, твердотельный лазер с импульсной ламповой накачкой и прямой диодный лазер.

18. Лазерная система по п. 16, в которой лазером служит один из таких лазеров, как Tm:YAG, Tm:YLF, Tm:YAP, Tm:LuAG, Tm:LuLF, Tm:LuAP, волоконный Тm-лазер или Ho:YAG лазер.

19. Лазерная система по п. 14 или 15, в которой лазер работает в диапазоне длин волн от 1,85 мкм до 2,2 мкм, в предпочтительном варианте - в диапазоне 1,908-1,96 мкм.

20. Лазерная система по п. 14 или 15, дополнительно содержащая волокно, направляющее лазерные импульсы на конкременты.

21. Способ разрушения конкрементов, предусматривающий:

испускание лазером последовательности лазерных импульсов с: периодически изменяющимся, по меньшей мере, одним параметром из числа пиковой мощности или энергии импульса или пиковой мощности или энергии импульса с периодом Na амплитудной модуляции, равной количеству импульсов в амплитудно-периодической группе импульсов, причем пиковая мощность и/или энергия импульса, соответственно, монотонно увеличивается от первого до последнего импульса в указанной амплитудно-периодической группе импульсов; и

периодически изменяющейся PRF с периодом Np частотной модуляции, равной количеству импульсов в частотно-периодической группе импульсов.

22. Способ по п. 21, в котором период Na модуляции, по меньшей мере, одного параметра из числа пиковой мощности и энергии импульса варьируется в диапазоне 2-1000 лазерных импульсов, в предпочтительном варианте - в диапазоне 2-100 лазерных импульсов, а в наиболее предпочтительном варианте - в диапазоне 2-10 лазерных импульсов.

23. Способ по п. 21, в котором период Np модуляции PRF варьируется в диапазоне 2-1000 лазерных импульсов, в предпочтительном варианте в диапазоне 2-100 лазерных импульсов, а в наиболее предпочтительном варианте - в диапазоне 2-10 лазерных импульсов.

24. Способ по п. 21, в котором лазер выбирается из числа таких лазеров, как твердотельный лазер с диодной накачкой, волоконный лазер с диодной накачкой, твердотельный лазер с импульсной ламповой накачкой и прямой диодный лазер.

25. Способ по п. 21, в котором работает в диапазоне длин волн от 1,85 мкм до 2,2 мкм, а в предпочтительном варианте - в диапазоне 1,91-1,96 мкм.

26. Способ по п. 21, дополнительно предусматривающий подачу последовательности лазерных импульсов во время хирургической процедуры фрагментации с такими параметрами:

частотой PF, лежащей в диапазоне 1-3000 Гц;

периодом Na амплитудной модуляции, варьирующимся в диапазоне 2-10 лазерных импульсов; и

периодом Np частотной модуляции, варьирующимся в диапазоне 1-100 лазерных импульсов; при этом:

каждый лазерный импульс выдается:

с длиной волн, лежащей в диапазоне 1,81-2,2 мкм, причем предпочтительным является диапазон 1,908-1,98 мкм;

с пиковой мощностью, лежащей в диапазоне 100-20000 Вт, причем предпочтительным является диапазон 250-3000 Вт; и

с энергией в импульсе, варьирующейся в диапазоне 0,2-20 Дж, причем предпочтительным является диапазон 0,5-10 Дж.

27. Способ по п. 21, дополнительно предусматривающий подачу последовательности лазерных импульсов во время бесконтактной хирургической процедуры с такими параметрами:

частотой ν следования импульсов (PF), лежащей в диапазоне 10-1000 Гц;

периодом Na амплитудной модуляции, варьирующимся в диапазоне 2-100 лазерных импульсов; и

периодом Np частотной модуляции, варьирующимся в диапазоне 1-100 лазерных импульсов; при этом:

каждый лазерный импульс выдается:

с длиной волн, лежащей в диапазоне 1,81-2,2 мкм, причем предпочтительным является диапазон 1,908-1,98 мкм;

с пиковой мощностью, лежащей в диапазоне 250-5000 Вт, причем предпочтительным является диапазон 250-1000 Вт; и

с энергией в импульсе, варьирующейся в диапазоне 0,05-1 Дж, причем предпочтительным является диапазон 0,05-0,5 Дж.

28. Способ разрушения конкрементов, предусматривающий:

выдачу управляющего сигнала, содержащего информацию о требуемой форме лазерного импульса; и

испускание последовательности лазерных импульсов, каждый из которых имеет требуемую форму, которая образуется с помощью:

первого и второго субимпульсов, отделенных друг от друга во времени; при этом:

энергия первого субимпульса варьируется в диапазоне 0,02-0,15 Дж;

пиковая мощность первого субимпульса варьируется в диапазоне 50-500 Вт;

временной интервал между первым субимпульсом и вторым субимпульсом варьируется в диапазоне 50-900 мкс, а в предпочтительном варианте в диапазоне 100-500 мкс;

энергия второго субимпульса превышает энергию первого субимпульса и варьируется в диапазоне 0,1-10 Дж; и

пиковая мощность второго субимпульса превышает пиковую мощность первого субимпульса и варьируется в диапазоне 300-20000 Вт.

29. Способ разрушения конкрементов, предусматривающий:

выдачу управляющего сигнала, содержащего информацию о требуемой форме лазерного импульса; и

испускание последовательности лазерных импульсов, каждый из которых имеет требуемую форму, которая характеризуется наличием:

начального и последующего участков, причем последующий участок характеризуется более высокой мощностью в сравнении с начальным участком; при этом:

мощность начального участка постепенно повышается от минимального уровня до уровня мощности последующего участка;

минимальный уровень мощности начального участка импульса варьируется в пределах 0-200 Вт;

продолжительность начального участка варьируется в диапазоне 0,1-10 мс; энергия начального участка импульса составляет 10-70% от общей энергии импульса;

мощность последующего участка варьируется в пределах 400-20000 Вт; и продолжительность последующего участка варьируется в пределах 0,5-20 мс.

30. Способ по п. 29, дополнительно предусматривающий повышение мощности начального участка в соответствии с одной из таких функций, как линейная, полиномиальная и экспоненциальная функция.

31. Способ по п. 28 или 29, в котором лазер выбирается из числа таких лазеров, как твердотельный лазер с диодной накачкой, волоконный лазер с диодной накачкой, твердотельный лазер с импульсной ламповой накачкой и прямой диодный лазер.

32. Способ по п. 31, в котором лазером служит один из таких лазеров, как Tm:YAG, Tm:YLF, Tm:YAP, Tm:LuAG, Tm:LuLF, Tm:LuAP, волоконный Tm-лазер или Ho:YAG лазер.

33. Способ по п. 28 или 29, в котором лазер работает в диапазоне длин волн от 1,85 мкм до 2,2 мкм, в предпочтительном варианте в диапазоне 1,908-1,96 мкм.

34. Способ по п. 28 или 29, дополнительно предусматривающий направление последовательности лазерных импульсов, попадающих на конкременты в организме человека или животного через выводное волокно.