Хирургический волоконный лазер с оперативным контролем процесса испарения биотканей

Полезная модель относится к медицине и может быть использована в хирургии, онкологии, нейрохирургии, косметологии для проведения полостных, малоинвазивных органо-сохранных лазерных операций. Хирургический волоконный лазер с оперативным контролем процесса испарения биотканей состоит из блока управления, блока генерации излучения, Фарадеевского изолятора, оптического Y-разветвителя, оптического разъема, многомодового оптического волокна, приемника оптического излучения. Предложенная модель позволяет с высоким отношением сигнал/шум детектировать по гомодинной схеме доплеровский сигнал обратного рассеяния, и на этой основе создать обратную связь для оперативного контроля процесса лазерного выпаривания биотканей.

Полезная модель относится к медицине и может быть использована в хирургии, онкологии, нейрохирургии, косметологии для проведения полостных, прецизионных и органо-сохранных лазерных операций.

Одной из важных тенденцией развития современной медицины является создание и применение роботических автоматизированных хирургических систем (О. Takeyoshi, А. Degani, D. Schwertzman et al. "A highly articulated robotic surgical systems for minimally invasive surgery.", The Annals of Thoracic Surgery, 87 (4), p. 1253-1258, (2009)), направленных на проведение малоинвазивных, органосохранных операций. Одной из ключевых проблем при создании роботизированных хирургических систем для проведения полостных операций является организация обратной связи, которая бы позволяла в реальном режиме времени не только визуализировать операционное поле (что вполне достигается современными методами получения и передачи изображений), но и получать информацию о ходе процесса хирургического вмешательства и принимать оперативно в автоматизированном режиме решение об изменении условий воздействия на биоткань.

Известна хирургическая установка с обратной связью на основе CO₂ лазера, позволяющая контролировать процесс лазерного рассечения биоткани (Г.А. Варев, В. Гейниц, А.К. Дмитриев, А.Н. Коновалов, В.Н. Кортунов, В.Я. Панченко, И.В. Решетов, А. Ульянов, "Разработка и применение интеллектуальной CO ₂ лазерной хирургической установки для прецизионного и малотравматического испарения биотканей", Альманах клинической медицины, XVII, часть 2, 164, (2008)). Известная установка состоит из блока управления, блока генерации излучения на основе CO ₂ лазера, системы подведения доставки лазерного излучения к объекту. Оперативная диагностика типа испаряемой интенсивным лазерным излучением биоткани в такой установке происходит за счет хорошо известного специалистам автодинного детектирования излучения, рассеянного обратно из зоны взаимодействия лазерного излучения и биоткани. Преимущество такого подхода заключается в хорошей чувствительности автодинного детектирования и в том, что для диагностики не требуется наличие другого лазерного источника, и, кроме того, имеет большую чувствительность по сравнению с прямым детектированием. Существенным недостатком известной хирургической установки является то, что в настоящее время не разработана доставка излучения CO₂ лазера по тонким волокнам, что существенно сужает область ее применения и не позволяет выполнять микрохирургических вмешательств.

Данного недостатка лишены волоконные лазеры. Благодаря гибкости и малым поперечным размерам оптоволокна эти лазеры стали широко использоваться для внутриполостных операций с использованием современной эндоскопической техники (В.П. Минаев, К.М. Жилин, "Современные лазерные аппараты для хирургии и силовой терапии на основе полупроводниковых и волоконных лазеров", 2009, Издатель И.В. Баланов, Москва).

Известна установка волоконного лазера с обратной связью, которая позволяет выполнять микрохирургические вмешательства, в том числе внутриполостные операции с использованием эндоскопической техники (Дмитриев А.К., Коновалов А.Н., Юсупов В.И., "Волоконный лазер с обратной связью", патент на полезную модель 117046, Официальный бюллетень «Изобретения. Полезные модели» с полными описаниями изобретений к патентам РФ, 16, (2012)). Данная установка состоит из блока управления, соединенного с блоком генерации излучения, выход которого соединен с входом оптического Y-разветвителя, один выход которого соединен с оптическим разъемом, с которым состыковано многомодовое оптическое волокно, при этом второй выход оптического Y-разветвителя соединен с приемником оптического излучения, выход которого соединен с блоком управления. В данном аппарате фотоприемником регистрируется сигнал биений выходного излучения волоконного лазера (автодинный сигнал), возникающий за счет попадания в лазер обратно рассеянного излучения при испарении биотканей. При этом выход с фотоприемника соединен с блоком управления, в котором происходит анализ автодинного сигнала и управление мощностью волоконного лазера.

Данная установка с обратной связью обладает рядом недостатков.

Во-первых, она обладает крайне узкой частотной полосой (не более 10-15 кГц) регистрируемого доплеровского сигнала обратного рассеяния. Узкая полоса обусловлена узким резонансом автодинного усиления для подобного типа лазеров (А.К. Дмитриев, А.Н. Коновалов, В.А. Ульянов, "Самогетеродинирование обратнорассеянного излучения в одномодовом волоконном эрбиевом лазере для задач доплеровской спектроскопии и измерения скоростей", Квантовая электроника, т. 44, 4, стр. 309, (2014)). Для сравнения полоса автодинного приема для хирургических CO₂ лазеров порядка 300-400 кГц (В.М. Гордиенко, А.Н. Коновалов, В.А. Ульянов, "Самогетеродинирование обратно рассеянного излучения в одномодовых CO₂ лазерах", Квантовая электроника, т. 41, N5, стр. 433-440, 2011.).

Во-вторых, в данной установке не решена полностью проблема возникновения сильной обратной связи между лазером и рассеивающим внешним объектом (в данном случае биоткань). Известно, что для подобных лазеров при относительно сильных сигналах обратного рассеяния может происходить сбой генерации излучателя и он может перейти в пульсирующий хаотических режим со 100% модуляцией Эта проблема в данной установке решается путем подбора многомодового волокна, которое подсоединяется к выходному разъему. Такой способ подавления обратного сигнала является не универсальным, и в ряде случаев хирургического вмешательства, уровень обратного сигнала может быть достаточно высоким. Например, сильный обратно рассеянный/отраженный сигнал возникает при проведении операций контактным способом, когда торец выходного волокна контактирует с биотканью. В этом случае обратный сигнал, поступающий в лазер, может быть сопоставим по уровню с отражением от торца волокна. Таким образом, в ряде случаев для данной установки подавление обратно рассеянного/отраженного сигнала может оказаться недостаточным для предотвращения "паразитного" эффекта хаотических пульсаций лазера.

Задачей полезной модели является создание на основе волоконного лазера хирургической установки с оперативным контролем процесса испарения биоткани по доплеровскому сигналу обратного рассеяния, регистрируемому по гомодинной схеме. Известный гомодинный метод регистрации рассеянного сигнала (Б.С. Ринкевичюс, "Лазерная диагностика потоков", МЭИ, 1990 г) заключается в детектировании сигнала смешения между стабильным опорным лазерным излучением и рассеянным. Такой метод аналогичен оптическому гетеродинированию, но без дополнительного сдвига частоты опорного излучения. В отличии от автодинного детектирования данный метод не обладает ограничением на регистрируемые доплеровские сдвиги частоты.

Поставленная задача достигается хирургическим волоконным лазером с оперативным контролем процесса испарения биотканей, который состоит из блока управления, соединенного с блоком генерации излучения, выход которого соединен с волоконным Фарадеевским изолятором, выход которого соединен с оптическим Y-разветвителем, таким образом, что разветвитель соединяет Фарадеевский изолятор и разъем для подсоединения многомодового волокна, а второй выход Y-разветвителя, который отводит часть обратно рассеянного/отраженного сигнала, соединен с приемником оптического излучения, выход которого соединен с блоком управления.

Заявленный технический результат достигается тем, что в такой схеме обратно рассеянное излучение, несущее информацию о процессе лазерного выпаривания биоткани, детектируется гомодинным методом, а "паразитный" эффект пульсаций лазера устраняется благодаря наличию Фарадеевского изолятора.

Достижение заявленного результата, а именно, создание хирургического волоконного лазера с оперативным контролем процесса испарения биотканей, технически достигается тем, что выход блока генерации излучения соединен с Фарадеевским изолятором, выход которого соединен с оптическим Y-разветвителем, таким образом, что вход разветвителя сопряжен через разъем с многомодовым волокном, основной выход Y-разветвителя соединен с выходом Фарадеевского изолятора, а второй выход Y-разветвителя, отводящий часть излучения, поступающего обратно по многомодовому волокну, соединен с приемником оптического излучения, выход которого соединен с блоком управления. При такой схеме фотоприемник регистрирует гомодинный сигнал, который возникает за счет смешения обратно рассеянного излучения от движущихся продуктов разрушения биологической ткани и обратно отраженного от торца волокна излучения или других неподвижных элементов оптической выходной схемы. В отличии от "классических" гомодинных схем, в которых для согласования опорного лазерного и рассеянного используются интерферометры, здесь согласование фронтов этих волн происходит автоматически без каких-либо внешних узлов.

На фиг. 1 представлена блок схема заявляемого устройства.

Хирургический волоконный лазер с оперативным контролем процесса испарения биотканей состоит из блока управления (1), соединенного с блоком генерации излучения (2), выход которого соединен с волоконным Фарадеевским изолятором (3), выход которого соединен с оптическим Y-разветвителем (4), таким образом, что разветвитель соединяет Фарадеевский изолятор (3) и разъем (5) для подсоединения многомодового волокна (6), а второй выход Y-разветвителя, который отводит часть обратно рассеянного/отраженного сигнала, соединен с приемником оптического излучения (7), выход которого соединен с блоком управления (1).

В отличие от прототипа, в данном случае обратно рассеянное/отраженное излучение, поступающее в лазер блока генерации излучения (2), практически полностью подавляется (на 30 dB-40 dB) за счет использования Фарадеевского изолятора (3). Это устраняет проблему сбоя генерации лазера при сильном обратном сигнале. Кроме того, обратная связь, необходимая для оперативного контроля процесса выпаривания биоткани в данной полезной модели, формируется не за счет регистрации автодинного сигнала, как это делается в прототипе, а за счет регистрации гомодинным методом доплеровского сигнала обратного рассеяния. В предложенной схеме данной полезной модели гомодинный сигнал формируется за счет автоматического смешения излучений отраженного от неподвижных элементов оптической схемы (например, с торцов многомодового волокна) и сигнала рассеянного на движущихся продуктах разрушения биоткани. Такой метод позволяет регистрировать доплеровские сигналы обратного рассеяния в значительно более широком спектральном диапазоне, который ограничивается только параметрами приемника оптического излучения (7), тогда как в прототипе эта полоса определяется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) автодинного приема.

Конкретное аппаратурное оформление заявляемого устройства, а именно, блок управления, блок генерации излучения, Фарадеевский изолятор, оптический Y-разветвитель, оптический разъем, оптическое волокно и приемник оптического излучения являются стандартными и их характеристики зависят от поставленной задачи измерения, и типа хирургического вмешательства.

Например, в качестве блока генерации излучения лазера может быть использован волоконный одномодовый лазер на длине волны 1.56 мкм и выходной мощностью до 5-10 Вт. Несмотря на сильный обратно рассеянный сигнал, возникающий при контактном способе воздействия на биоткань (волокно непосредственно касается биоткани) работа лазера не нарушается, поскольку в схеме встроен Фарадеевский изолятор. В качестве изолятора можно использовать стандартные Фарадеевские волоконные изоляторы, которые подавляют обратный сигнал на 30-50 dB. В качестве приемника излучения на длине волны 1.56 мкм могут использоваться любые стандартные фотоприемники, например на основе InGaAs. Y-разветвитель можно использовать стандартный с диаметром сердцевины 50 мкм. При этом второй выход Y-разветвителя, по которому отводится обратно рассеянное/отраженное излучение, можно делать с ослаблением 1:100. В этом случае основное "силовое" излучение, которое поступает через разветвитель с Фарадеевского изолятора на разъем и далее на многомодовое волокно, будет проходить с потерей в 1%, что никак не повлияет на возможность выпаривания биоткани. В качестве выходного многомодового волокна можно использовать волокна с разным диаметром сердцевины.

Авторами был создан и испытан в лабораторных условиях вариант заявляемого хирургического волоконного лазера с оперативным контролем процесса испарения биотканей. В качестве блока генерации излучения использовался блок на основе одномодового лазера с длиной волны 1.56 мкм и выходной мощностью от 0 до 5 Вт, в качестве оптического волокна Y-разветвителя применялось кварцевое волокно с диаметром сердцевины 50 мкм, в качестве приемника излучения использовался стандартный фотоприемник на основе InGaAs. В качестве изолятора использовался стандартный волоконный Фарадеевский изолятор. Созданная установка позволяла выпаривать разные типы биотканей как в контактном, так и в безконтактном режиме воздействия. Причем, во всех случаях наблюдалась стабильная работа лазера, с минимальным его возмущением (амплитуда возмущения не более 2% от средней выходной мощности). Данное слабое возмущение лазера вызвано попаданием остатка обратно рассеянного/отраженного излучения, прошедшего через Фарадеевский изолятор. В процессе выпаривания биотканей нами регистрировался доплеровский сигнал обратного рассеяния по гомодинной схеме, предложенной в данной полезной модели. Сигнал во всех случаях регистрировался с высоким отношением сигнал/шум (более 100). Таким образом, наши испытания показали, что при любых способах лазерного воздействия и любых типах биотканей, созданная установка работала надежно. Это открывает возможность использования таких установок для операций любого типа с применением волоконных лазеров.

Для сравнения нами были измерены АЧХ (Фиг. 2) для двух методов регистрации обратно рассеянного излучения: 1. автодинный прием; 2. гомодинная схема регистрации, предложенная в данной полезной модели. АЧХ измерялась как зависимость мощности регистрируемого сигнала в зависимости от доплеровского сдвига частоты. При этом в качестве источника рассеянного излучения использовалась поверхность вращающегося диска при различных скоростях вращения. Как видно из Фиг. 2 мощность автодинного сигнала (1) быстро спадает при удалении от резонанса на частоте 222 кГц. Тогда как для гомодинной схемы регистрации мощность сигнала (2) при отстройке от частоты 222 кГц спадает не так быстро, и при этом выходит на некоторый постоянный уровень. Данный резонанс в сигнале, который регистрировался по гомодинной схеме (2), обусловлен тем, что Фарадеевский изолятор не полностью подавляет обратно рассеянное излучение, поступающее в резонатор лазера. Таким образом, предложенная нами схема регистрации обратно рассеянного сигнала сохраняет преимущества автодинного детектирования (высокая чувствительность в резонансе), но при этом имеет практически неограниченную полосу регистрируемых доплеровских сдвигов частоты.

Также в наших испытаниях, сигнал с фотоприемника подавался на блок управления, который по написанной нами программе подавал управляющие команды на блок генерации, например команду на экстренное выключение лазера. Это позволило нам испарять один тип биоткани и не затрагивать другую соседнюю ткань.

Таким образом, достигнут заявленный технический результат, а именно создана хирургическая установка на основе волоконного лазера с оперативным контролем процесса испарения биоткани.

Хирургический волоконный лазер с оперативным контролем процесса испарения биотканей, состоящий из блока управления, соединенного с блоком генерации излучения, выход которого соединён через Y-разветвитель с оптоволоконным разъёмом, к которому подсоединяется многомодовое волокно, а второй выход Y-разветвителя, подсоединен к приёмнику оптического излучения, выход которого соединен с блоком управления, отличающийся тем, что выход блока генерации соединён с входом Фарадеевского изолятора, выход которого соединён с Y-разветвителем, который встраивается в систему так, что его вход сопряжён с волоконным разъёмом, к которому подсоединяется многомодовое волокно, основной выход Y-разветвителя соединён с выходом Фарадеевского изолятора, а второй выход Y-разветвителя, отводящий часть излучения, поступающего обратно по многомодовому волокну, соединён с приёмником оптического излучения.

РИСУНКИ