Лазерный скальпель Российский патент 2023 года по МПК A61B18/20 

Изобретение относится к области лазерной хирургии, а точнее к хирургическим медицинским инструментам, и может быть использовано в лазерных скальпелях, коагуляторах, а кроме того в лазерных технологических установках для проведения хирургических операций, путем создания лазерного скальпеля со сложной пространственной формой области фокусировки излучения - фотонного крюка.

Разнообразные методики хирургического лечения требуют инструмента, позволяющего эффективно рассекать ткани с минимальными побочными эффектами. Сложность строения биологических объектов, значительное разнообразие в характере воздействия на ткани различных физических способов рассечения и коагуляции определяют необходимость использования многих типов скальпелей.

Известны скальпели, при работе которых биологическая ткань термо деструктурируется и аблируется в результате поглощения в ткани электромагнитного излучения в области касания скальпеля [патенты РФ 98123393, 2154435], в частности, известен «радиоскальпель», в котором используется высокочастотное электромагнитное излучение [патенты РФ 2131222, 143680, Patent EP 0910992].

В настоящее время в медицинской практике широко применяются различные виды лечения с использованием лазерной техники. Прежде всего, это хирургические операции, в которых лазерное излучение используется для теплового воздействия на биологические ткани. За счет действия монохроматического когерентного лазерного луча резко повышается температура до 100-400° С на соответствующем участке ткани, в результате чего патологический участок мгновенно сгорает и испаряется.

Преимущества лазерной хирургии состоят в том, что она является локальной, практически бескровной и стерильной. При этом применимость лазерного излучения предопределяется его высокой способностью к гемостазированию.

Известен лазерный скальпель [Патент РФ 570233], содержащий рукоятку с укрепленной на ней длиннофокусной фокусирующей линзы и выходной конец гибкого световода, соединенного с оптическим квантовым генератором.

Известно лазерное медицинское устройство, содержащее генератор лазерного излучения, лазерную излучающую скальпельную головку и систему передачи лазерного излучения от генератора к излучающей головке. Лазерный луч от генератора проходит через оптический световод в излучающий лазерный скальпель, который приводится в контакт с обрабатываемой биологической тканью или выставляется с зазором относительно места обработки на теле пациента. Данное техническое решение реализовано и используется в качестве известных хирургических лазерных скальпелей «ЛСП «ЦРЭ-Полюс» и «Лахта Милон» производства компании «МИЛОН» [Патент РФ 46435].

Известно лазерное излучающее устройство для медицинской обработки [Патент РФ 2038106], содержащее генератор лазерного излучения, лазерную излучающую скальпельную головку и систему передачи лазерного излучения от генератора к излучающей головке, при этом лазерная головка состоит из двух лазерных скальпелей-наконечников, каждый лазерный скальпель-наконечник выполнен из термостойкой керамики, прозрачной для лазерного излучения, а оптические адаптеры, на входы которых поступают лучи с выходов делителя лазерного луча, состоят из фокусирующих линз, закрепленных в корпусе, к концам которых прикреплены, соответственно, входы световодных волокон, которые передают сигналы на скальпельную головку.

В известном устройстве лазерный луч, формируемый генератором лазерного излучения, подводится через световодное волокно к входу блока формирования лазерного излучения, где с помощью делителя лазерного излучения разделяется на два когерентных луча, которые через оптические адаптеры, выходы которых являются выходами блока формирования лазерного излучения, поступают на входы соответствующих световодных волокон и далее на оптические входы первого и второго лазерных скальпелей-наконечников, образующих лазерную головку. Лазерные скальпели-наконечники, установленные на концах держателя, выполненного в виде пинцета излучают с внутренних площадок лазерные лучи, которые направляются в зону медицинской обработки живых тканей.

Известно лазерное излучающее устройство для медицинской обработки [Патент РФ 121437], содержащее генератор лазерного излучения, блок формирования лазерного излучения и скальпельную головку, причем скальпельная головка состоит из двух лазерных скальпелей-наконечников, выполненных из термостойкого материала, прозрачного для лазерного излучения, закрепленных соответственно на первом и втором концах держателя, выполненного в виде пинцета и обращенных излучающими площадками друг к другу, а оптические входы первого и второго лазерных скальпелей через первое и второе световодные волокна присоединены соответственно к первому и второму выходу блока формирования лазерного излучения, вход которого присоединен через третье световодное волокно к выходу генератора лазерного излучения, а блок формирования лазерного излучения состоит из делителя лазерного луча и двух оптических адаптеров, выходы которых являются выходами блока формирования лазерного излучения и подключены ко входам первого и второго световодных волокон соответственно.

Достоинство устройства заключается в обеспечении равномерного уровня плотности энергии в рабочей зоне между площадками лазерных скальпелей и снижении уровня бокового излучения, что обеспечивает повышение эффективности и безопасности его применения при проведении хирургических операций.

Известен лазерный хирургический аппарат [Patent US 3528424], содержащий хирургический лазер и манипулятор, включающий жесткие светопроводящие трубки, зеркальные оптические шарниры, ручной инструмент для оперирования сфокусированным лазерным пучком и фокусирующую оптическую систему, встроенную в ручной инструмент.

Известен лазерный аппарат по патенту [Patent US 4123143] с указанием положения перетяжки на выходе манипулятора, содержащий первый хирургический лазер, излучающий высокоэнергетический лазерный пучок, и второй пилотный лазер, излучающий лазерный пучок, видимый для человеческого глаза, устройство совмещения пучков обоих лазеров и манипулятор, включающий ручной инструмент для оперирования сфокусированным лазерным пучком и фокусирующую оптическую систему, которой снабжен ручной инструмент.

Известно устройство по патенту [Patent US 473074], которое содержит первый хирургический лазер, излучающий высокоэнергетический лазерный пучок, и второй пилотный лазер, излучающий лазерный пучок, видимый для человеческого глаза, устройство совмещения пучков обоих лазеров и манипулятор, включающий ручной инструмент для оперирования сфокусированным лазерным пучком и фокусирующую оптическую систему, которой снабжен ручной инструмент.

Известны лазерные волоконные скальпели, при работе которых биологическая ткань термо деструктурируется и аблируется в результате поглощения в ткани оптического лазерного излучения, доставляемого в оперируемую область через оптический волоконный световод с открытым концом или снабженный фокусирующим объективом [патенты РФ 2172190, US 5366456, EP 0626229].

Известные устройства лазерной хирургии позволяют осуществлять резание, иссечение, абляцию и коагуляцию тканей при проведении хирургических операций в контакте с биологической тканью или в бесконтактном режиме применения.

Острота фокусировки излучения хирургического лазера, т.е. размер перетяжки на выходе лазерного скальпеля, его форма и мощность излучения определяют условия воздействия на биоткань. Например, изменяя размер перетяжки, возможно в широких пределах менять скорость реза, объемного испарения, коагуляции биоткани.

Общими недостатками известных устройств является то, что фокусирующая система формирует область фокусировки лазерного излучения в виде осесимметричного вытянутого эллипсоида, а также относительно большой объем подвергающейся облучению мощного лазерного излучения ткани из-за конечной длины поглощения света в биоткани и сильного светорассеяния в ней.

Важнейшим параметром любого оптического прибора является его предельное разрешение, которое ограничено дифракцией. Минимальный поперечный размер пятна области фокусировки Δx определяется формулой, справедливой для любой оптической системы [Борн М. Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. Перевод с английского. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1973], а область фокусировки излучения имеет вид осесимметричного сфероида равна , а размер продольной полуоси эллипсоида равен 8λ(F/D)². Здесь λ - длина волны излучения, D(=2R) - диаметр фокусирующего элемента, F - фокусное расстояние фокусирующего элемента.

Это соотношение известно в оптике как дифракционный предел и определяет минимальные размеры или максимальное разрешение любых оптических систем.

При использовании линз и сферических зеркал фокусное расстояние всегда больше или примерно равно диаметру фокусирующего элемента, поэтому минимально разрешимое расстояние (предельное разрешение) в лучшем случае порядка длины волны. Следовательно, основные способы улучшения разрешения оптической системы или уменьшения размеров области фокусировки излучения напрямую связаны с уменьшением длины волны или величины фокусного расстояния.

Известен способ уменьшения облучаемой биоткани при использовании лазерного волоконного скальпеля, заключающийся в субволновой фокусировке излучения на биообъекте [V. N. Astratov, A. Darafsheh, M. D. Kerr, K. W. Allen, N. M. Fried, A. N. Antoszyk, et al. (2010) Photonic nanojets for laser surgery. SPIE-Newsroom. 10.1117/2.1201002.002578], в размещении цепочки микросфер внутри полых волноводов или капилляров, облучении их лазерным излучением и формировании «фотонной струи» непосредственно на выходе цепочки микросфер.

Известен способ уменьшения облучаемой биоткани при использовании лазерного волоконного скальпеля, заключающийся в фокусировке света сверх предела дифракции с помощью 3D мезомасштабных частиц в форме кубоида и формирования «фотонной струи», при нанесении их на наконечники лазерных скальпелей для потенциального использования в сверхточной лазерной хирургии и тем самым в локализации травматируемой области [Minin O.V., Minin I.V., Kharitoshin N. Microcubes Aided Photonic Jet Scalpel Tips for Potential Use in Ultraprecise Laser Surgery // Proc. 2015 Intern. Conf. on Biomedical Engineering and Computational Technologies (SIBIRCON). Novosibirsk, Russia. October, 2015. P. 18-21].

Использование микросфер с возможностью формирования «фотонной струи» обеспечивает субволновую фокусировку свет с протяженностью не более нескольких длин волн и работу в режиме контакта с биотканью. Небольшая оптическая глубина проникновения лазера в сочетании с малым диаметром пятна, достигаемым с помощью этого микрозонда, может обеспечить более точное удаление тканей.

Фотонные струи это узкая область фокусировки, формируемая на теневой границе диэлектрической частицы с различной формой поверхности, с относительно небольшими относительными показателями преломления (N≤2), с протяженностью более длины волны излучения λ и минимальной шириной порядка λ/3-λ/4 [V. N. Astratov, A. Darafsheh, M. D. Kerr, K. W. Allen, N. M. Fried, A. N. Antoszyk, and H. S. Ying, Photonic nanojets for laser surgery // SPIE Newsroom 12, 32-34 (2010); Минин И.В., Минин О.В. Фотонные струи в науке и технике // Вестник СГУГиТ, Т. 22, № 2, 2017, с. 212-234; Minin I. V., Minin O. V. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit. - Springer, 2016 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; Boris S. Luk’yanchuk, Ramón Paniagua-Domínguez, Igor Minin, Oleg Minin, and Zengbo Wang. Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow // Optical Materials Express Vol. 7, Issue 6, pp. 1820-1847 (2017) https://doi.org/10.1364/OME.7.001820].

Известно оптическое микрозондовое устройство для фокусировки мультимодальных излучений с пространственным разрешением в масштабе длины волны и передаче сфокусированного излучения на образец, которое может быть применено в лазерном скальпеле [Patent US 8554031], состоящее из источника излучения; и одной или более из множества оптически прозрачных или полупрозрачных сфер и множества оптически прозрачных или полупрозрачных цилиндров, оптически соединенных с источником излучения; в котором одна или более из множества оптически прозрачных или полупрозрачных сфер и множество оптически прозрачных или полупрозрачных цилиндров периодически локализуют излучение, оптически передаваемое от источника излучения, создающиее периодические сфокусированные лучи таким образом, что излучение в конечном итоге передается образцу. При этом используются сферы и цилиндры, выполненные из материала с показателем преломления от 1,7 до 2,0.

Достоинством оптического микрозондового устройства является возможность удаления, например, патологических оболочек; однако глубина операции должна точно контролироваться, чтобы защитить чувствительную нижележащую сетчатку.

Недостатком является сложность устройства и что фокусирующая система формирует область фокусировки лазерного излучения в виде осесимметричного вытянутого эллипсоида.

Известно устройство лазерного скальпеля [T.C. Hutchens, A. Darafsheh, A. Fardad, A.N. Antoszyk, H.S. Ying, V.N. Astratov, and N.M. Fried, Characterization of novel microsphere chain fiber optic tips for potential use in ophthalmic laser surgery // Journal of Biomedical Optics 17(6), 068004 (June 2012)], состоящего из источника лазерного излучения, полого оптического волновода в котором размещена цепь из микросфер с показателем преломления 1,71 и находящихся в непосредственном контакте друг с другом, причем ближайшая к биообъекту микросфера выполнялась с диаметром не менее внутреннего диаметра полого оптического волновода, оптический полый волновод оптически связан с источником излучения.

В известном лазерном скальпеле использовались сапфировые сферы диаметром 300 и 350 мкм на длине волны излучения лазера 2940 нм и с показателем преломления 1,71.

Достоинством известного лазерного скальпеля является возможность точного удаления ткани в контактном режиме. Высокофокусированный луч на поверхности зонда в сочетании с малой глубиной оптического проникновения эрбиевого YAG-лазера может обеспечить лучшие результаты операции в более чувствительных и тонких областях, таких как макула, где достигается детальное зрение и хирургическая точность наиболее важна.

Недостатком известного устройства является его сложность и что фокусирующая система формирует область фокусировки лазерного излучения в виде осесимметричного вытянутого эллипсоида.

В последнее время был предложен новый тип фокусировки изогнутого луча, названный фотонным крюком [I. Minin, O. Minin, Diffractive Optics and Nanophotonics: Resolution Below the Diffraction Limit, Springer, Switzerland 2015; L. Yue, O. V. Minin, Z. Wang, J. Monks, A. Shalin, I. V., Minin, Photonic hook: a new curved light beam // Opt. Lett. 2018, 43, 771; I. V. Minin, O. V. Minin, G. Katyba, N. Chernomyrdin, V. Kurlov, K. Zaytsev, L. Yue, Z. Wang, D. Christodoulides, Experimental observation of a photonic hook // Appl. Phys. Lett. 2019, 114, 031105; K. Dholakia, G. Bruce, Optical hooks // Nat. Photon. 2019, 13, 225]. Фотонный крюк это искривленная фотонная струя на протяженности порядка длины волны излучения.

В качестве прототипа выбран лазерный скальпель [Igor V. Minin, Oleg V. Minin, Yan-Yu Liu, Valery V. Tuchin, Cheng-Yang Liu. Concept of photonic hook scalpel generated by shaped fiber tip with asymmetric radiation // J. Biophotonics. 2021;14:e202000342. https://doi.org/10.1002/jbio.202000342], состоящего из источника лазерного излучения, оптоволокна, оптически сопряженного с источником излучения и фокусирующего наконечника лазерного скальпеля формирующего фотонный крюк, выполненного в виде мезоразмерной полусферической диэлектрической частицы с амплитудной несимметричной маской, расположенной на плоском основании полусферы, при этом плоское основание полусферы сопряжено с оптоволокном.

Субволновой фотонный крюк формировался вблизи фасонного наконечника волокна с асимметричным излучением. Фотонный крюк имел поперечный размер менее половины длины волны используемого излучения.

Волоконные наконечники на основе фотонного крючка позволяют оптимизировать режимы резки тканей за счет регулируемой изогнутой формы области локализации поля.

В качестве материала оптоволокна и полусферического наконечника использовался чистый кремнезем с показателем преломления 1,44. Диаметр сердцевины оптического волокна составлял 4 мкм. Амплитудная маска изготавливалась из алюминия толщиной 100 нм.

Недостатком известного устройства является его сложность, большие потери энергии в оптическом тракте с амплитудной маской.

Задачей, на которую направлено предлагаемое устройство, является уменьшение потерь энергии в оптическом тракте и его упрощение, за счет исключения из конструкции амплитудной маски.

Технический эффект достигается созданием полностью фазового оптического тракта и лазерного наконечника оптического волокна.

Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство лазерного крючкового скальпеля, состоящего из источника лазерного излучения, оптоволокна, оптически сопряженного с источником излучения, и фокусирующего наконечника лазерного скальпеля, формирующего фотонный крюк, новым является то, что фокусирующий наконечник лазерного скальпеля выполнен в виде мезоразмерного усеченного конуса с непараллельными основаниями, большим основанием оптически соединенным с оптоволокном, а меньшее основание находится под углом α к большему основанию не менее 20 градусов и выполнен из материала с показателем преломления не менее 1,3 и не более 2.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана схема устройства оптического крючкового скальпеля.

На фиг. 2 показано сечение фокусирующего наконечника оптического крючкового скальпеля.

На фиг. 3 показаны результаты моделирования формирования «фотонного» крюка фокусирующим наконечником лазерного скальпеля в виде усеченного конуса с непараллельными основаниями.

На фиг. обозначены: 1 - источник лазерного излучения; 2 - падающее излучение в оптическое волокно; 3 - фокусирующий наконечник лазерного скальпеля в виде мезоразмерного усеченного конуса с непараллельными основаниями; 4 - «фотонный» крюк.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Источник электромагнитного излучения, например, лазер 1 формирует электромагнитное излучение 2, которое поступает в оптическое волокно 3, преимущественно одномодовое, на выходе которого находится устройство фокусирующего наконечника лазерного скальпеля в виде усеченного конуса с непараллельными основаниями, который формирует «фотонный крюк 4, находящийся в контакте с обрабатываемой биологической тканью.

В результате дифракции электромагнитной волны на углах усеченного конуса с непараллельными основаниями 3 и интерференции волн прошедших через усеченный конус с непараллельными основаниями 3 формируется область фокусировки излучения в форме «фотонного» крюка 4.

В результате экспериментальных исследований и результатов математического моделирования было обнаружено, что выполнение лазерного скальпеля для фокусировки излучения в форме усеченного конуса с непараллельными основаниями из материала с показателем преломления, по отношению к показателю преломления окружающей среды, более примерно 2 происходит формирование «фотонного» крюка внутри тела устройства. При эффективном относительном показателе преломления менее 1,3 область формирования «фотонного» крюка удаляется от плоской выходной апертуры устройства и происходит его дефокусировка.

Большее основание усеченного конуса с непараллельными основаниями оптически соединено с оптоволокном, а меньшее основание находится под углом α к большему основанию не менее 20 градусов. При угле α менее примерно 20 градусов на выходе устройства не происходит формирования «фотонного» крючка, а формируется «фотонная» струя. С увеличением угла α происходит искривление «фотонной» струи и формируется «фотонный» крюк».

Минимальный размер фокусирующего наконечника лазерного скальпеля в виде мезоразмерного усеченного конуса с непараллельными основаниями, порядка длины волны используемого излучения.

Особенностью устройства является его чисто фазовый характер, что позволяет его использовать при больших интенсивностях падающего излучения.

Изготовление устройства для фокусировки излучения в форме усеченного конуса с непараллельными основаниями на торце оптоволоконного кабеля возможно по известным технологиям приведенным, например, в [Federica Piccirillo, Martino Giaquinto, Armando Ricciardi, Andrea Cusano. (INVITED)Miniaturized lenses integrated on optical fibers: Towards a new milestone along the lab-on-fiber technology roadmap // Results in Optics 6 (2022) 100203].

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в лазерных скальпелях, коагуляторах, а кроме того в лазерных технологических установках для проведения хирургических операций путем создания лазерного скальпеля со сложной пространственной формой области фокусировки излучения - фотонного крюка. Изобретение позволяет уменьшить потери энергии в оптическом тракте и упростить конструкцию за счет исключения из конструкции амплитудной маски, при этом достигается созданием полностью фазового оптического тракта и лазерного наконечника оптического волокна. Лазерный скальпель состоит из источника лазерного излучения, оптоволокна, оптически сопряженного с источником излучения, и фокусирующего наконечника лазерного скальпеля, формирующего фотонный крюк и выполненного в виде усеченного конуса с непараллельными основаниями, большим основанием оптически соединенного с оптоволокном, а меньшее основание находится под углом α к большему основанию не менее 20 градусов, и выполненного из материала с показателем преломления не менее 1,3 и не более 2. 3 ил.

Лазерный скальпель, содержащий источник лазерного излучения, оптически сопряженное с ним оптоволокно и фокусирующий наконечник, формирующий фотонный крюк, отличающийся тем, что фокусирующий наконечник выполнен в виде усеченного конуса с непараллельными основаниями, большим основанием оптически соединенного с оптоволокном, а меньшее основание находится под углом α к большему основанию не менее 20 градусов, при этом фокусирующий наконечник выполнен из материала с показателем преломления не менее 1,3 и не более 2.