Трехрежимный лазерно-полихроматический облучатель для гиперпирексического воздействия на биоткани

Полезная модель относится к области медицинской техники, в частности к технике лучевой гиперпирексической обработки биотканей и предназначено для гипертермии биоткани посредством использования энергии поляритонов при поверхностном плазмоном резонансе внедренных в нее наночастиц кварца покрытых золотом с заданной толщиной золотого покрытия 5-20 нм. Устройство позволяет осуществлять три режима облучения: лазером в инфракрасной области длиной волны 400-1200 нм; совмещенное облучение лазерном в инфракрасной области длиной волны 400-1200 нм и полихроматическим излучателем с суммарным лучистым с длиной волны 200-5000 нм. и облучение полихроматическим излучателем с длиной волны 750-900 нм. Характеристики когерентного и полихроматического излучения задают из условия получения множественного поверхностного плазменного резонанаса. получения множественного поверхностного плазменного резонанаса. Устройство состоит из полихроматического и лазерного источников излучения, с коллимирующей оптической насадкой для совмещения когерентных и полихроматических лучей. Диапазон рабочего спектра совмещенного полихроматического и когерентного излучения установлен в пределах длин волн лучистых потоков 200 нм - 50000 нм. 1 н.п., 2 з.п. ф-лы, 5 ил., фиг.2 - в бюлл.

Полезная модель относится к области медицинской техники, в частности к технике лучевой гиперпирексической обработки биологических тканей (далее - биотканей) и предназначено для гипертермии биоткани посредством использования энергии поляритонов при поверхностном плазмоном резонансе внедренных в нее наночастиц кварца покрытых золотом.

Устройство может использоваться как в медицине, так и ветеринарии и других областях, где требуется эффективная местная гиперпирексия с применением в обрабатываемой области наночастиц. Достигаемая в процессе облучения гиперпирексия (гипертермия) преследует цель нагревания биоткани до высокой температуры (41,1°С или выше), при которой погибают раковые клетки.

Из уровня техники известны устройства, используемые в области гипертермии биоткани с внедренными в нее наночастицами золота, которые относятся к наноразмерам в диапазоне от 1 до 100 нм (единица измерения нанометр - миллиардная доля метра). Основой гиперпирексии (фототермической терапии) является способность наночастиц покрытых золотом поглощать свет и превращать его в тепло в результате плазменного резонанса.

Некоторые электроны частиц золота не привязаны к определенному атому и образуют электронный газ. Свет, падающий на эти электроны, заставляет их колебаться как единое целое, при этом взаимодействие электромагнитных волн с возбуждениями среды, приводящее к их связи, становится особенно сильным, когда одновременно их частоты и волновые векторы совпадают (резонанс). В этой области образуются связанные волны, т.е. составные квазичастицы - поляритоны. Поверхностный плазменный резонанс можно настроить, причем размеры наночастиц можно подобрать так, чтобы максимум плазменного резонанса приходился на разные участки видимого спектра

Длину резонансной волны можно настраивать, изменяя размер частиц и, чем толще золотое покрытие, тем сильнее цвет отраженного света от наночастиц смещается от красного к голубому и синему или приближается к ближней ИК-области спектра.

Преобразование света в тепло происходит благодаря физическому эффекту, заключающемуся в том, что на резонансной частоте свет обычно как рассеивается наночастицами, так и поглощается ими, поэтому, контролируя размер наночастиц можно добиться максимального поглощения света и выделения тепла.

Известен лазерно-полихроиматический облучатель для гиперпирексического воздействия на биоткани, содержащий источник лазерного излучения, источник полихроматического излучения плазменного типа с рабочими электродами в корпусе, с которым соединена коллимирующая насадка с входным световодным каналом для лазерных лучей, сопряженным со стеклянным защитным конфузором, между которым и коллимирующей насадкой образован конический световодный канал для полихроматических лучей, на выходной части коллимирующей насадки закреплен блок линз и светофильтров, соединенный световодом с оптическим излучателем (опубликованная заявка РФ RU 2008132311, МПК-8, A61B 18/00, опубликована 20.02.2010 г.).

Данное устройство является наиболее близким к изобретению, поэтому принято за прототип.

Недостатком прототипа является ограниченные эксплуатационные возможности в связи использованием устройства только в сублимированном режиме когерентного и полихроматического потока излучения, сложность конструкции колиматорного узла, а также недостаточная эффективность нагрева из-за отсутствия стабильности возникновения множественного плазменного резонанса.

Техническим результатом от использования полезной модели являются: расширение эксплуатационных возможностей за счет возможности работы устройства в трех различных режимах облучения; упрощение конструкции коллиматорного узла, повышение эффективности нагрева посредством стабилизации возникновения множественного плазменного резонанса за счет увеличения количества резонирующих наночастиц вследствие их подбора по размерам и расширении охвата лазерным воздействием наночастиц используемого размерного ряда оптимизацией диапазонам частот и рабочих режимов.

Ниже приведены общие и частные существенные признаки, характеризующие причинно-следственную связь полезной модели с указанным техническим результатом:

Трехрежимный лазерно-полихроиматический облучатель для гиперпирексического воздействия на биоткани, содержащий источник лазерного излучения, источник полихроматического излучения плазменного типа с рабочими электродами в корпусе, с которым соединена коллимирующая насадка с входными световодным каналом для лазерных лучей, сопряженным со стеклянным защитным конфузором, между которым и коллимирующей насадкой образован конический световодный канал для полихроматических лучей, на выходной части коллимирующей насадки закреплен блок линз и светофильтров, соединенный световодом с оптическим излучателем. Входной световодный канал лазерного излучателя выполнен в виде трубки, закрепленной на коллимирующей насадке с размещенным в ней световодом, выходной конец которого размещен в фокусе сферического отражателя, закрепленного на конце трубки Диаметр отражателя не меньше диаметра спряженного с ним торца стеклянного защитного конфузора, при этом входной конец световода соединен с источником лазерного излучения, электрически связанным с трежрежимным переключателем, выполненным с возможностью раздельного включения лазерного источника излучения или полихроматического источника излучения или одновременного комбинированного включения лазерного и полихроматического источников излучения. Оптический излучатель выполнен в виде корпуса со сквозным отверстием с одной стороны которого вставлен световод, беззазорно сопряженный с светопрозрачной насадкой, закрепленной с другой стороны отверстия, причем конец светопрозрачной насадки для работы облучателя в режимах комбинированного и лазерного излучения имеет в продольном сечении параболическую или эллиптическую форму, а в режиме полихроматического излучения - сферическую форму. Указанная светопрозрачная насадка может быть выполнена из кварца или сапфира.

Техническое решение иллюстрируется чертежами, где: на фиг.1 представлена схема осуществления способа; на фиг.2 - вид I на фиг.1; на фиг.3 - вид II на фиг.1; на фиг.4 - вид II на фиг.1, вариант; на фиг.5 - волновые параметры лазерно-полихроматического излучения.

Для осуществления способа гиперпирексического воздействия на биоткани используется трехрежимный лазерно-полихроматический облучатель, включающий в себя источник электропитания 1, соединенный с преобразователем 2, содержащим переключатель режимов 3, связанный с источником лазерного излучения (лазером) 4 и с источником полихроматического излучения 5 плазменного типа с рабочими электродами в корпусе 6. Переключатель режимов 3 выполнен с возможностью выборочного независимого включения лазера 4 или источника полихроматического излучения 5 или их совместно. С корпусом 6 соединена коллимирующая насадка 7 с входным световодным каналом для лазерных лучей LR, сопряженным со стеклянным защитным конфузором 8, между которым и коллимирующей насадкой 7 образован конический световодный канал для полихроматических лучей.

На выходной части коллимирующей насадки 7 закреплен блок 9 линз 10 и блок 11 светофильтров 12 с регулировочным устройством 13, соединенным световодом 14 с оптическим излучателем 15 со светопрозрачной насадкой 16.

Входной световодный канал лазерного излучателя выполнен в виде трубки 17. закрепленной на коллимирующей насадке 7 с размещенным в ней световодом 18. выходной конец которого размещен в фокусе сферического отражателя 19, закрепленного на конце трубки 17, при этом диаметр отражателя 19 не меньше диаметра спряженного с ним торца стеклянного защитного конфузора 8.

Входной конец световода 18 соединен с источником лазерного излучения 4.

Оптический излучатель 15 выполнен в виде корпуса со сквозным отверстием, с одной стороны которого вставлен световод 14 с оптическим каналом 20 (фиг.3, фиг.4), беззазорно сопряженным со светопрозрачной насадкой 16, закрепленной с другой стороны отверстия в корпусе 15, причем конец светопрозрачной насадки 16 для работы облучателя в режимах комбинированного и лазерного излучения имеет в продольном сечении параболическую или эллиптическую форму (фиг.3) с возможностью внедрения в биоткань, а в режиме полихроматического излучения светопрозрачная насадка 16 имеет сферическую форму и помещена в дефлектор 21 (фиг.4), закрепленный одним концом в корпусе светопрозрачной насадки 16 и, имеющим на другом конце раструб, направляющий поток полихроматического излучения на поверхность биоткани.

На схеме фиг.5 показаны показаны волновые границы областей трех режимов свето-лазерных излучений: область ультрафиолетовых длин волн «УФ» - онкология, хирургия, ветеринария, антибактерицидная обработка в медицине; области - «Видимая область и область инфракрасных длин волн «ИК» - изготовление композиционных биологически совместимых нанопорошков для онкологии, медицины и ветеринарии.

Следует отметить, что назначение светового полихроматического источника излучения - обеспечить предварительную поверхностную или приповерхностно-объемную активацию обрабатываемых наночастиц в зоне термовоздействия, в том числе за счет использования определенного заданного спектрального диапазона излучения, вида плазмообразующего газа (аргон, ксенон, криптон, гелий или их смеси в заданном соотношении) и давления плазмообразующего газа.

В качестве источника полихроматического излучения, как правило, используется лучистый поток световой плазмы образуемой в инертном газе (аргон, ксенон, криптон, гелий или их смеси в заданном соотношении) за счет горения дуги между катодом и анодом. Излучение плазмы с помощью специальных рефлекторов фокусируется в рабочую зону на изделии, за счет чего достигается заданная необходимая температура для терморегулируемой лучевой активации материалов в фокусной точке обработки. При этом плотность энергии в фокусной точке обработки достигает значений 1×10²-1×10 ³ Вт\см². Это позволяет повысить коэффициент поглощения когерентного излучения. При этом длина волны света полихроматического излучения может быть в широком диапазоне, например, от 360 нм до 3400 нм.

Назначение лазерного (когерентного) источника излучения - обеспечить высокую плотность энергии в локальной области. При совмещенном лазерном и полихроматическом излучении растет коэффициент поглощения лазерного излучения и повышается количество случаев плазменного резонанса наночастиц разного размера. При этом плотность энергии в фокусной точке обработки с повышенным коэффициентом поглощения когерентного источника достигает значений 1×10⁶ Вт\см ² и более.

Сравнение заявленного технического решения с уровнем техники известным из научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках не выявило техническое решение, которому присущи признаки, идентичные всем признакам, содержащимся в предложенной заявителем формуле полезной модели, включая характеристику назначения. Т.е., совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна и не тождественна каким-либо известным техническим решениям, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".

Техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость», поскольку оно может быть осуществлено, например, так, как указано в прототипе и следующий публикации, ставшими известными до даты подачи заявки:

«В 2004 г. Халас и ее коллега Дженнифер Уэст (Jennifer West) ввели в кровоток мышей со злокачественными опухолями плазменные частицы и обнаружили, что они не токсичны. Более того, наносферы сконцентрировались не в здоровых тканях тела грызунов, а в быстрорастущих злокачественных опухолях, к которым интенсивнее поступает кровь.

К счастью, ткани живых организмов прозрачны для инфракрасного излучения в определенном диапазоне длин волн. Когда исследователи направляли свет инфракрасного лазера через кожу мышей на опухоли.

Так же как клетки других животных, автоматически регулирующих температуру своего тела, клетки мышей оптимально функционируют при температуре тела от 36.5 до 37.5 градусов по Цельсию.

При температуре выше 42 градусов по Цельсию клетки начинают умирать, так как сворачиваются белки, поддерживающие их нормальную жизнедеятельность. резонансное поглощение энергии во внедренных наносферах поднимало температуру злокачественных образований с 37°С до 45°С. Светотепловое нагревание убивало раковые клетки, оставляя окружающую здоровую ткань нетронутой.

У мышей, которых лечили наночастицами, все признаки рака исчезли в течение десяти дней, тогда как у животных из контрольных групп опухоли продолжали быстро расти». (Гарри Этуотер, «Плазмоника», vsip.mgopu.ru/data/1960.doc).

Примером реализации данного изобретения являются и результаты испытаний проведенных заявителем совместно с Институтом биохимической физики им. Н.М.Эмануэля РАН, где лабораторные эксперименты проводились на 40 мышах с раковыми опухолями.

В кровоток вводился нанопрепарат - кварцевые наночастицы размером 40-70 нм с толщиной золотого покрытия 5-20 нм.

Нагрев опухоли проводился лазерным источником излучения с длиной волны 810 нм путем воздействия на внедренные наночастицы. Температура в опухоли контролировалась с помощью термопары, подсоединенной к измерительному устройству «Многоканальный регулятор температуры Термодат-11-МЗ».

В результате лазерной гйпертермии в опухолевом узле достигнута температура 44°C, которая поддерживалась 15 минут за сеанс.

В результате эксперимента установлено торможение развития опухоли на 50-70% по сравнению с контрольной группой (Отчет о НИР по теме «Экспериментальное изучение противоопухолевой активности комплексного применения нанопрепарата и гипертермии». Шифр «Нанотермотерапия», январь-февраль 2011 г.).

Устройство работает следующим образом.

Полихроматическое излучение PR (фиг.2) подается по каналу между коллимирующей насадкой 7, закрепленной винтами 22 в обойме 23, прикрепленной к корпусу 6 полихроматического источника излучения 5, и стеклянным конфузором 8. Коллимирующая насадка 7 изготовлена из плотного материала со светоотражающим покрытием 24. По трубке 17, прикрепленной к коллимирующей насадке буртом 25 и гайкой 26 по световодному каналу 18 в коллимирующую насадку 7 направляется лазерное излучение LR, которое рассеивается в конфузор 8 отражателем 19, закрепленным гайкой 26 на трубке 17. Далее совмещенный световой поток лазерного и полихроматического излучения LPR подается на блок 9 линз 10 и блок 11 светофильтров 12 (фиг.1), посредством которых устанавливается полоса пропускания для суммарного светового потока в диапазоне 200 нм - 5000 нм.

В процессе облучения при помощи лазера, работающего в инфракрасном диапазоне волн и полихроматического источника облучения, вызывается процесс плазменного резонанса, в ходе которого выделяется тепло, уничтожающее больные клетки или используемое для диагностики состояния опухоли. В физике плазмоном называется квазичастица, являющаяся квантом плазменных колебания, аналогично тому, как фотон и фонон являются квантами световой и звуковой волн соответственно. Так называемые поверхностные плазмоны полностью локализуются на поверхности. Поверхностный плазменный резонанс в устройстве позволяет повысить эффективность нагрева обрабатываемой биоткани, поскольку увеличение числа плазмонов на поверхности наночастиц позволяет оказывать сильное оптическое воздействие на малое количество материала. Установлено, что суммарное воздействие на образец с поверхностным плазменным резонансом, в 40 раз превышает воздействие, измеренное при отсутствии плазменного возбуждения.

В зависимости от параметров и режима облучения в месте локализации наночастиц в ткани может быть за короткое время достигнута высокая температура (до 55 град. Цельсия), при которой раковые клетки погибают. В ближней инфракрасной области спектра (длина световой волны 750-900 нанометров) излучение может проникать через биологическую ткань на глубину нескольких сантиметров, что открывает пути неинвазивного лечения опухолей достаточно глубокой локализации.

При компьютерном (автоматизированном) регулировании состава и давления смеси газов в светолучевом излучателе возможно получать заданные оптимальные (максимальные) значения плазмонов для конкретного имеющегося в раковой опухоли размерного диапазона наночастиц с конкретным размерным диапазоном толщин золотого покрытия на наночастицах. Учитывая возможность изменения длины волны совместного когерентного и полихроматического излучения возможен выбор длины волны, обеспечивающей требуемое проникновение лучей в биоткань. Таким образом, функцией будет являться заданное максимальное значение плазмонов в биоткани, а изменяемыми аргументами - состав газов, давление смеси газов, величина электрического тока на электродах излучателя и другие изменяемые в реальном масштабе времени параметры в трехрежимном облучателе.

Устройство может использоваться для целей хирургии и терапии с достаточной эффективностью, как для ПЭГилированных, так и для не ПЭГиИлированных наночастиц. Лучи света высокой интенсивности - лазерные являются минимально агрессивной техникой, вследствие подведения через светопрозрачный наконечник 16 к опухоли биологического объекта 27 через стекловолоконный кабель 14, чтобы воздействовать на биоткань. Совмещенное лазерное и полихроматическое излучение более широкого диапазона спектра позволяет проникать на различную глубину в биологическую ткань с достаточно высоким гиперпирексическим эффектом.

1. Трехрежимный лазерно-полихроматический облучатель для гиперпирексического воздействия на биоткани, содержащий источник лазерного излучения, источник полихроматического излучения плазменного типа с рабочими электродами в корпусе, с которым соединена коллимирующая насадка с входным световодным каналом для лазерных лучей, сопряженным со стеклянным защитным конфузором, между которым и коллимирующей насадкой образован конический световодный канал для полихроматических лучей, на выходной части коллимирующей насадки закреплен блок линз и светофильтров, соединенный световодом с оптическим излучателем, отличающийся тем, что входной световодный канал лазерного излучателя выполнен в виде трубки, закрепленной на коллимирующей насадке с размещенным в ней световодом, выходной конец которого размещен в фокусе сферического отражателя, закрепленного на конце трубки, причем диаметр отражателя не меньше диаметра спряженного с ним торца стеклянного защитного конфузора, входной конец световода соединен с источником лазерного излучения, электрически связанным с трехрежимным переключателем, выполненным с возможностью раздельного включения лазерного источника излучения, или полихроматического источника излучения, или одновременного комбинированного включения лазерного и полихроматического источников излучения, при этом оптический излучатель выполнен в виде корпуса со сквозным отверстием, с одной стороны которого вставлен световод, беззазорно сопряженный с светопрозрачной насадкой, закрепленной с другой стороны отверстия, причем конец светопрозрачной насадки для работы облучателя в режимах комбинированного и лазерного излучения имеет в продольном сечении параболическую или эллиптическую форму, а в режиме полихроматического излучения насадка имеет сферическую форму и помещена в дефлектор, закрепленный одним концом в корпусе и имеющим на другом конце раструб.

2. Трехрежимный лазерно-полихроматический облучатель по п.1, отличающийся тем, что указанная светопрозрачная насадка выполнена из кварца.

3. Трехрежимный лазерно-полихроматический облучатель по п.1, отличающийся тем, что указанная светопрозрачная насадка выполнена из сапфира.