Аппарат высокоинтенсивного импульсного оптического облучения для лечения раневой инфекции и дерматологических заболеваний Российский патент 2025 года по МПК A61N5/06 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам, лечебное действие которых основано на использовании оптического, включая ультрафиолетового (УФ), излучения, и может применяться, например, в хирургии для лечения и профилактики раневых и ожоговых поверхностей с высокой бактериальной обсемененностью.

В последние годы в этой области медицинской техники получают интенсивное развитие технические решения на основе импульсных источников излучения - газоразрядных импульсных ксеноновых ламп. По сравнению с традиционными источниками УФ-излучения, к которым относятся ртутные газоразрядные лампы непрерывного горения, импульсные ксеноновые лампы обладают рядом преимуществ: практически мгновенная готовность к работе, сплошной спектр и высокая интенсивность оптического, включая УФ, излучения, широкие возможности изменения средних значений мощности излучения при сохранении его спектральных характеристик. По этой причине в качестве аналогов предлагаемого аппарата высокоинтенсивного импульсного облучения для лечения раневой инфекции и дерматологических заболеваний рассматриваются исключительно устройства с источниками излучения в виде импульсных газоразрядных ламп.

Известен медицинский аппарат для импульсного оптического облучения по патенту RU 199574 U1, содержащий облучатель с газоразрядной лампой со свободным расширением плазмы, и блок питания и управления, подключенный к облучателю. Блок питания и управления содержит накопительный конденсатор, зарядное устройство, соединенное с накопительным конденсатором, формирователь импульсов поджига и схему управления, подключенную к зарядному устройству и к формирователю импульсов поджига, при этом накопительный конденсатор и газоразрядная импульсная ксеноновая лампа соединены между собой с образованием разрядного контура. В этом аппарате газоразрядная импульсная ксеноновая лампа выполнена короткодуговой со свободным расширением плазмы и с промежуточными электродами. Такие лампы позволяют достигать высоких значений яркостной температуры излучения (15000 K и более), что обусловливает высокий спектральный коэффициент полезного действия (отношение энергии излучения в УФ диапазоне к полной излученной энергии во всем спектре).

Однако, на практике, несмотря на высокие удельные характеристики таких ламп, для создания необходимой лечебной дозы УФ-излучения на облучаемой поверхности площадью в несколько десятков квадратных сантиметров требуется значительное время, т.к. вследствие малого размера (~3 мм) излучающего тела общее количество УФ-квантов, вырабатываемое такой лампой, невелико и средняя величина облученности поверхности в УФ-диапазоне незначительна.

Известен также аппарат импульсного оптического облучения для лечения ран и дерматологических заболеваний по патенту RU 220270 U1, содержащий облучатель с импульсной газоразрядной лампой, установленной в отражателе, и блок питания и управления, подключенный к облучателю. Блок питания и управления включает в себя импульсный трансформатор, генератор импульсов поджига, накопительный конденсатор, зарядное устройство, и схему управления.

Накопительный конденсатор, вторичная обмотка импульсного трансформатора и импульсная газоразрядная лампа электрически соединены между собой так, что образуют разрядный контур.

В этом известном устройстве используется импульсная трубчатая газоразрядная лампа, в которой излучающее тело представляет собой ограниченный кварцевой колбой плазменный цилиндр с площадью излучающей поверхности 400 и более мм², что на 2 и более порядка превышает площадь излучающей поверхности в устройствах с импульсной лампой со свободным расширением плазмы (предыдущий аналог). К тому же характерная длительность импульса излучения в таких лампах намного больше, чем в лампах со свободным расширением плазмы. В результате даже при меньшей достигаемой яркостной температуре (8000…10000 K) средняя облученность освечиваемой поверхности в УФ-диапазоне оказывается в несколько раз выше, чем у предыдущего аналога и, соответственно, время достижения необходимой лечебной дозы во столько же раз будет меньше.

Известный аппарат по патенту RU 220270 U1 принят за прототип.

Недостаток известного аппарата заключается в неопределенности достигаемого лечебного эффекта из-за неопределенности состояния импульсной газоразрядной лампы и ее излучательных характеристик в конкретный момент выполнения лечебной процедуры. Дело в том, что в процессе эксплуатации в той или иной степени происходит неизбежная деградация излучательных свойств импульсной газоразрядной (физическими причинами этого могут быть распыление электродов лампы, приводящее к осаждению материала электродов на внутренней поверхности колбы лампы, а также помутнение колбы вследствие непосредственного контакта высокотемпературной плотной электроразрядной плазмы с материалом колбы). Эти процессы обычно ведут к постепенному снижению энергии излучаемых импульсов, но в отдельные временные интервалы возможно частичное восстановление утраченных излучательных свойств импульсной газоразрядной лампы (например, «самоочищение» колбы лампы из-за сильного разогрева при интенсивной эксплуатации).

Таким образом, излучательные свойства импульсной газоразрядной лампы во время конкретной лечебной процедуры являются в некоторой степени неопределенными, что и обусловливает неопределенность получаемого лечебного эффекта.

Кроме того, применение известного устройства доставляет врачу-оператору и пациенту определенные неудобства. Так, в процессе выполнения лечебной процедуры желательно иметь информацию о времени, оставшемся до окончания сеанса облучения.

Кроме того, известный аппарат не позволяет изменять спектральный состав генерируемого излучения, что ограничивает его функциональные возможности.

Технический результат от использования предлагаемого технического решения заключается в повышении стабильности и предсказуемости достигаемого лечебного эффекта, а также в расширении функциональных возможностей и повышении удобства при использовании.

Указанный технический результат достигается тем, что в аппарате высокоинтенсивного импульсного оптического облучения для лечения раневой инфекции и дерматологических заболеваний, содержащем облучатель с импульсной газоразрядной лампой, установленной в отражателе, и блок питания и управления, подключенный к облучателю, блок питания и управления включает в себя импульсный трансформатор, генератор импульсов поджига, соединенный с первичной обмоткой импульсного трансформатора, накопительный конденсатор, зарядное устройство, соединенное с накопительным конденсатором и вторичной обмоткой импульсного трансформатора, и схему управления на основе микропроцессора, подключенную к зарядному устройству и к генератору импульсов поджига, при этом накопительный конденсатор, вторичная обмотка импульсного трансформатора и импульсная газоразрядная лампа электрически соединены между собой так, что образуют разрядный контур, корпус блока питания и управления снабжен ложементом для облучателя, при этом в ложементе установлен датчик контроля интенсивности излучения импульсной газоразрядной лампы, подключенный к схеме управления, причем микропроцессор схемы управления выполнен с возможностью вычисления необходимого для достижения заданной фототерапевтической дозы количества импульсов излучения и длительности сеанса облучения с учетом фактической излучательной способности импульсной газоразрядной лампы, определенной датчиком контроля интенсивности излучения.

Датчик контроля интенсивности излучения импульсной газоразрядной лампы может быть выполнен в виде фотоприемного устройства со спектральной характеристикой чувствительности в ультрафиолетовом диапазоне и с постоянной времени τ, величина которой связана с длительностью t_и импульсов излучения и периодом Т повторения импульсов излучения соотношением

Корпус блока питания и управления может быть снабжен сенсорным дисплеем, подключенным к схеме управления.

В облучателе может быть установлен датчик расстояния между облучателем и обрабатываемой поверхностью, подключенный к схеме управления.

Облучатель может быть выполнен с возможностью установки сменных светофильтров.

Изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг.1 показано трехмерное изображение конкретного варианта выполнения предлагаемого аппарата, а на фиг.2 - его структурная и функциональная блок-схема.

Аппарат высокоинтенсивного импульсного облучения для лечения раневой инфекции и дерматологических заболеваний содержит облучатель 1, блок питания и управления 2 и гибкий электрический кабель 3 между ними.

На лицевой поверхности блока питания и управления 2 размещен сенсорный дисплей 4 и необходимые для медицинской техники ключ 5 для включения/выключения аппарата и кнопка 6 экстренного отключения рабочего режима. На боковой поверхности блока питания и управления установлен ложемент 7 для удобного размещения облучателя 1 между сеансами облучения. На ручке облучателя 1 установлена кнопка 8 включения рабочего режима. В ложементе 7 установлен датчик 9 контроля интенсивности излучения импульсной газоразрядной лампы.

В облучателе 1 установлены импульсная газоразрядная лампа 10 трубчатой конструкции, отражатель 11 и датчик 12 расстояния между облучателем 1 и обрабатываемой поверхностью 13, а также сменный светофильтр 14.

Импульсная газоразрядная лампа 10 представляет собой цилиндрическую кварцевую колбу с герметично вваренными в ее торцы электродами. При этом межэлектродное пространство заполнено инертным газом, например ксеноном или криптоном.

Отражатель 11 конструктивно может выполняться различным образом. В примере выполнения отражатель 11 представляет собой вогнутую цилиндрическую поверхность с преимущественно диффузным характером отражения. Такую характеристику отражения можно получить, например, путем пескоструйной обработки пластины из алюминиевого сплава или применением специального тонкослойного светоотражающего материла типа «MIRO®УФ» от компании АЛАНОД ГмбХ & Компания КГ (https://alanod.com/) с выпуклыми элементами, рассеивающими излучение.

Датчик 12 расстояния между облучателем и обрабатываемой поверхностью выполнен ультразвуковым или оптическим (лазерным, инфракрасным). Выходной электрический сигнал датчика 12 в цифровой или аналоговой форме содержит информацию о величине h - расстоянии между облучателем 1 и обрабатываемой поверхностью 13.

Датчик 9 контроля интенсивности излучения импульсной газоразрядной лампы выполнен в виде фотоприемного устройства на основе SiC фотодиода. Спектральная характеристика чувствительности такого фотодиода лежит в УФ области спектра, постоянная времени фотоприемного устройства удовлетворяет неравенству (1). Левая часть этого неравенства обеспечивает практически пропорциональную зависимость амплитуды выходного сигнала от поверхностной плотности энергии излучения на входном окне (в Дж/см²) фотоприемного устройства в единичном импульсе, правая часть неравенства (1) гарантирует отсутствие наложение отдельных выходных импульсов друг на друга.

В конкретном примере выполнения постоянная времени т фотоприемного устройства составляет несколько миллисекунд (мс). Длительность импульсов излучения t_и составляет 20…50 микросекунд (мкс), а период повторения Т импульсов излучения составляет 50…1000 мс.

Блок питания и управления 2 содержит схему управления 15, зарядное устройство 16, накопительный конденсатор 17, генератор импульсов поджига 18, повышающий импульсный трансформатор 19 и датчик 9 контроля интенсивности излучения импульсной газоразрядной лампы 10. Зарядное устройство 16, генератор импульсов поджига 18, датчик 9 контроля интенсивности излучения импульсной газоразрядной лампы, а также установленный в облучателе 1 датчик 12 расстояния между облучателем и обрабатываемой поверхностью 13, подключены к схеме управления 15. Выход генератора импульсов поджига 18 соединен с первичной обмоткой импульсного трансформатора 19.

Накопительный конденсатор 17, вторичная обмотка импульсного трансформатора 19 и импульсная газоразрядная лампа 10 электрически соединены между собой с образованием разрядного контура.

Схема управления 15 выполнена на основе микропроцессора и в ней функционально присутствуют ячейки памяти, счетчик импульсов, компараторы зарядного напряжения, источники вторичного электропитания узлов и блоков. Зарядное устройство 16 выполнено в виде AC/DC преобразователя и функционально представляет собой высоковольтный источник тока. Генератор импульсов поджига 18 представляет собой сравнительно слаботочную разрядную схему на основе конденсатора и тиристора, вырабатывающую импульсы напряжения величиной 600…800 В и длительностью 1…10 мкс. Импульсный трансформатор 19 выполнен на ферритовом кольце, первичная обмотка которого содержит 1…2 витка, а вторичная - 20…30 витков.

При подготовке к применению предложенного аппарата высокоинтенсивного импульсного облучения для лечения раневой инфекции и дерматологических заболеваний в качестве медицинского изделия проводятся различные виды технических испытаний. В частности, исследуется зависимость плотности энергии облучения поверхности при изменении расстояния h между облучателем 1 и облучаемой поверхностью 13, а также изменение размеров поля облучения на поверхности 13. Эти данные обрабатываются, анализируются, усредняются и заносятся в память схемы управления 15 в виде таблицы соответствия величины h и достигаемыми параметрами облучения (плотность энергии облучения на обрабатываемой поверхности и размер поля облучения).

Аппарат высокоинтенсивного импульсного облучения для лечения раневой инфекции и дерматологических заболеваний работает следующим образом.

В исходном положении облучатель 1 находится в ложементе 7 без светофильтра 14. Вилка шнура питания (на рис. не показан) вставляется в розетку ~ 230 В, ключ 5 переводится в положение «Включено», все системы и функциональные узлы аппарата запитываются рабочими напряжениями питания. На сенсорном дисплее 4 появляется базовая информация и предложение пройти тестовую проверку работоспособности аппарата и контроля излучательных характеристик импульсной газоразрядной лампы 10. Для этого нажимается соответствующее поле на сенсорном дисплее 4 и аппарат вырабатывает несколько тестовых импульсов излучения, которые воспринимаются установленным в углублении ложемента 7 датчиком 9 контроля интенсивности излучения импульсной газоразрядной лампы 10. Измеренная датчиком 9 величина, пропорциональная плотности энергии единичного импульса излучения на входном окне фотодиода фотоприемного устройства, запоминается, а на сенсорном дисплее 4 отображается результат тестовой проверки и приглашение к выбору параметров облучения. В случае снижения измеренной датчиком 9 величины ниже установленного предела на сенсорном дисплее 4 отображается информация о необходимости замены импульсной газоразрядной лампы.

Врач-оператор, исходя из характера заболевания, степени поражения тканей и плана лечения, на сенсорном дисплее 4 задает величину необходимой фототерапевтической дозы. Микропроцессор схемы управления 15 вычисляет необходимое для достижения заданной фототерапевтической дозы количество импульсов излучения и длительность предстоящего сеанса облучения. При этом в расчете автоматически учитывается фактическая излучательная способность импульсной газоразрядной лампы 10, определенная датчиком 9 во время тестовой проверки. Вычисленная длительность предстоящего сеанса облучения с учетом фактического состояния импульсной газоразрядной лампы выводится на сенсорный дисплей 4.

Затем врач-оператор снимает облучатель 1 с ложемента 7, устанавливает при необходимости, нужный светофильтр 14 и подводит облучатель 1 к пораженному участку поверхности 13, либо выдерживая оговоренное в документации расстояние от облучателя 1 до обрабатываемой поверхности (при реализации аппарата в объеме совокупности признаков по п. 1, п. 2 или п. 3 формулы изобретения), либо ориентируясь на показания датчика 12 (при реализации аппарата в объеме совокупности признаков по п. 4 формулы изобретения).

Во втором случае датчик 12 расстояния между облучателем 1 и обрабатываемой поверхностью 13 измеряет величину h и передает эту информацию в микропроцессор схемы управления 15. Рабочий диапазон значений величины h составляет 20…200 мм. На основе табличных данных в памяти схемы управления 15 микропроцессор определяет величину плотности энергии излучения на поверхности 13 в единичном импульсе излучения и размер поля облучения, соответствующие измеренной датчиком 12 величине h, вычисляет количество импульсов излучения, необходимое для получения заданной фототерапевтической дозы, и требуемое время облучения с учетом измеренной датчиком 9 величины энергетической облученности. Информация о размере поля облучения и времени облучения выводится на сенсорный дисплей 4. Если врачу необходимо скорректировать эти параметры (например, уменьшить поле облучения до фактических размеров пораженного участка тела пациента), то он изменяет величину h в нужную сторону (например, приближает облучатель 1 к облучаемой поверхности 13), при этом микропроцессор тут же выводит на сенсорный дисплей 4 новые данные о размере поля облучения и времени облучения, соответствующие новому значению величины h при неизменной величине заданной фототерапевтической дозы.

Таким образом, врач-оператор легко и удобно добивается оптимальных значений размеров поля и времени облучения.

Далее врач-оператор нажимает кнопку 8 на облучателе 1, после чего запускается обратный отсчет времени облучения на сенсорном дисплее 4 и начинается автоматический процесс генерации импульсов излучения в следующей последовательности.

Схема управления 15 включает зарядное устройство 16, которое обеспечивает заряд накопительного конденсатора 17. Напряжение заряда накопительного конденсатора 17 контролируется схемой управления 15 и при достижении нужной величины (800…1400 В), определяемой настройкой входящего в состав схемы управления 15 компаратора напряжения, отключает зарядное устройство 16. В этом состоянии напряжение накопительного конденсатора 17 через вторичную обмотку импульсного трансформатора 19 оказывается приложенным к электродам импульсной газоразрядной трубчатой лампы 10. Указанное напряжение недостаточно для пробоя инертного газа в межэлектродном промежутке. Далее схема управления 15 включает генератор импульсов поджига 18, который вырабатывает импульс напряжения величиной 600…800 В и длительностью 1…10 мкс, поступающий на первичную обмотку импульсного трансформатора 19. Во вторичной обмотке импульсного повышающего трансформатора 19, являющейся частью разрядного контура, инициируется цуг высоковольтных (~15…25 кВ) импульсов, который осуществляет первичный пробой межэлектродного промежутка импульсной газоразрядной трубчатой лампы 10 и образование стримера - первичного электрического токопроводящего канала. Разрядный контур оказывается электрически замкнутым и накопительный конденсатор 17 разряжается через вторичную обмотку импульсного трансформатора 19 и импульсную газоразрядную трубчатую лампу 10. В процессе разряда электрический ток в межэлектродном промежутке растет, ксенон интенсивно ионизируется и разогревается, переходя в состояние высокотемпературной излучающей плазмы с эффективной температурой излучения 8000…10000 К. В результате импульсная газоразрядная ксеноновая трубчатая лампа 10 излучает мощный импульс излучения непрерывного спектра, включая УФ составляющую. Одна часть этого излучения попадает непосредственно на обрабатываемую поверхность 13, другая - падает на отражатель 11, диффузно отражается от него и также поступает на обрабатываемую пораженную поверхность тела пациента, осуществляя лечебный эффект.

По завершении разряда накопительного конденсатора 17 ток через импульсную газоразрядную ксеноновую трубчатую лампу 10 прекращается, ксенон в межэлектродном промежутке остывает и деионизируется, переходя в атомарное состояние, электрическая проводимость исчезает, все компоненты аппарата переходят в исходное состояние.

Затем начинается новый цикл: зарядка накопительного конденсатора 17 зарядным устройством 16, формирование импульса поджига генератором импульсов поджига 18, формирование цуга высоковольтных импульсов во вторичной обмотке импульсного трансформатора 19, пробой межэлектродного промежутка, разряд накопительного конденсатора 17, образование высокотемпературной излучающей плазмы, генерация импульса излучения, остывание плазмы и переход в исходное состояние.

Рабочие циклы повторяются с частотой несколько Гц в течение времени, рассчитанного микропроцессором схемы управления 15 для создания заданной врачом лечебной фототерапевтической дозы УФ-излучения на пораженной поверхности.

При работе предложенного аппарата высокоинтенсивного импульсного облучения для лечения раневой инфекции и дерматологических заболеваний автоматически учитывается и компенсируется изменение излучательных свойств импульсной газоразрядной лампы в процессе эксплуатации. Тем самым обеспечивается достижение заявленного технического результата от использования предлагаемого технического решения в части повышения стабильности и предсказуемости достигаемого лечебного эффекта за счет повышения стабильности получаемой пораженной поверхностью фототерапевтической дозы в процессе всего срока эксплуатации предлагаемого аппарата.

В процессе сеанса облучения на сенсорном дисплее отображается оставшееся до окончания процедуры время, что удобно для врача и пациента.

Типовое значение длительности сеанса облучения составляет 20…60 с.

Дополнительное удобство для врача-оператора создается в случае реализации предложенного аппарата высокоинтенсивного импульсного облучения для лечения раневой инфекции и дерматологических заболеваний автоматически в соответствии с п. 4 формулы изобретения. В этом случае при изменении величины h (непроизвольное или случайное смещение облучателя) микропроцессор схемы управления по находящейся в памяти таблице соответствия определяет новое значение поверхностной плотности энергии УФ излучения в единичном импульсе, пересчитывает оставшуюся недополученную фототерапевтическую дозу в количество импульсов и оставшееся время до конца процедуры при условии неизменности заданной врачом величины фототерапевтической дозы.

Расширение функциональных возможностей предлагаемого аппарата заключается в том, что с учетом широкого и непрерывного спектра излучения с помощью соответствующего сменного светофильтра можно выделить актуальную для различных лечебных методов часть спектра излучения: бактерицидная обработка, ПУВА-терапия, фотодинамическая терапия, косметологические процедуры при использовании излучения видимого диапазона - синий, красный и др. - лечение акне, омоложение кожи, лечение рубцов и т.п.

Изобретение относится к медицинской технике. Аппарат высокоинтенсивного импульсного оптического облучения для лечения раневой инфекции и дерматологических заболеваний содержит облучатель (1) с импульсной газоразрядной лампой и подключенный к облучателю блок питания и управления (2). Импульсная газоразрядная лампа установлена в отражателе. Блок питания и управления включает в себя импульсный трансформатор, генератор импульсов поджига, накопительный конденсатор, зарядное устройство и схему управления. Накопительный конденсатор, вторичная обмотка импульсного трансформатора и импульсная газоразрядная лампа электрически соединены между собой так, что образуют разрядный контур. Корпус блока питания и управления снабжен ложементом (7) для облучателя. В ложементе установлен датчик контроля интенсивности излучения (9) импульсной газоразрядной лампы. Микропроцессор схемы управления выполнен с возможностью вычисления необходимого для достижения заданной фототерапевтической дозы количества импульсов излучения и длительности сеанса облучения с учетом фактической излучательной способности импульсной газоразрядной лампы, определенной датчиком контроля интенсивности излучения. Достигается повышение стабильности и предсказуемости достигаемого лечебного эффекта, а также расширение функциональных возможностей и повышение удобства при использовании. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Аппарат высокоинтенсивного импульсного оптического облучения для лечения раневой инфекции и дерматологических заболеваний, содержащий облучатель с импульсной газоразрядной лампой, установленной в отражателе, и блок питания и управления, подключенный к облучателю, блок питания и управления включает в себя импульсный трансформатор, генератор импульсов поджига, соединенный с первичной обмоткой импульсного трансформатора, накопительный конденсатор, зарядное устройство, соединенное с накопительным конденсатором и вторичной обмоткой импульсного трансформатора, и схему управления на основе микропроцессора, подключенную к зарядному устройству и к генератору импульсов поджига, при этом накопительный конденсатор, вторичная обмотка импульсного трансформатора и импульсная газоразрядная лампа электрически соединены между собой так, что образуют разрядный контур, отличающийся тем, что корпус блока питания и управления снабжен ложементом для облучателя, при этом в ложементе установлен датчик контроля интенсивности излучения импульсной газоразрядной лампы, подключенный к схеме управления, причем микропроцессор схемы управления выполнен с возможностью вычисления необходимого для достижения заданной фототерапевтической дозы количества импульсов излучения и длительности сеанса облучения с учетом фактической излучательной способности импульсной газоразрядной лампы, определенной датчиком контроля интенсивности излучения.

2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что датчик контроля интенсивности излучения импульсной газоразрядной лампы выполнен в виде фотоприемного устройства со спектральной характеристикой чувствительности в ультрафиолетовом диапазоне и с постоянной времени τ, величина которой связана с длительностью t_и импульсов излучения и периодом Т повторения импульсов излучения соотношением

10 t_и ≤ τ ≤ 0,1 Т.

3. Аппарат по п. 1 или 2, отличающийся тем, что корпус блока питания и управления снабжен сенсорным дисплеем, подключенным к схеме управления.

4. Аппарат по п. 1, 2 или 3, отличающийся тем, что в облучателе установлен датчик расстояния между облучателем и обрабатываемой поверхностью, подключенный к схеме управления.

5. Аппарат по п. 1, 2, 3 или 4, отличающийся тем, что облучатель выполнен с возможностью установки сменных светофильтров.