Лазерная гидроакустическая обработка хрусталика глаза микросекундными импульсами излучения лазера на иттербий-эрбиевом стекле Смирнов Сергей Николаевич

Введение к работе

Актуальность темы исследования

К настоящему моменту лазеры нашли широкое применение в науке, технике и медицине. Перспективность использования лазеров для биомедицинских приложений связана с локальностью, высокой селективностью и эффективностью лазерного воздействия на биоткани. Обработка биотканей лазерным излучением при корректном подборе его параметров характеризуется малой инвазивностью, что позволяет сохранить интактность близлежащих тканей.

Лазерная гидроакустическая обработка биотканей представляет собой лазерную обработку биотканей в жидкости, которая сопровождается возбуждением акустических волн и гидродинамическими процессами. Подобные явления могут увеличивать эффективность удаления патологической биоткани за счёт непосредственного деструктивного воздействия акустических волн, очищения лазерного кратера от продуктов лазерного разрушения, эффективной передачи излучения через парогазовую полость и т.д.

Вышеперечисленные достоинства позволяют с успехом использовать лазерную гидроакустическую обработку в такой области медицины, как офтальмология. Одной из современных малоинвазивных технологий микрохирургии глаза является лазерная экстракция катаракты (ЛЭК), основанная на фрагментации хрусталика в передней камере глаза под действием импульсов свободной генерации Nd:YAG лазера с длиной волны X = 1.44 мкм, попадающей в область локального пика поглощения воды. Основным достоинством ЛЭК является возможность полного удаления катарактальных хрусталиков любой плотности с высокой производительностью и без повреждения близлежащих биотканей при использовании только энергии лазерного излучения. В отличие от иных современных методов хирургии катаракты, при ЛЭК отсутствует необходимость предварительного размягчения хрусталика и не требуется применение ультразвуковых факоэмульсификаторов.

Современные тенденции в области проектирования медицинского оборудования обуславливают необходимость создания новых мобильных, малогабаритных и энергетически эффективных систем. В связи с этим дальнейшее развитие технологии ЛЭК может быть связано с внедрением нового компактного излучателя с диодной накачкой. Перспективными для ЛЭК с точки зрения реализации диодной накачки являются лазеры на иттербий-эрбиевом стекле. Длина волны генерации этих лазеров составляет Х= 1.54 мкм и также, как и А, = 1.44 мкм, попадет в область локального пика поглощения воды. Микросекундный диапазон длительностей импульсов излучения этого лазера практически не применяется в биомедицинских технологиях, а для ЛЭК не используется. Также известно, что характер лазерно-индуцированных гидроакустических эффектов зависит не только от интенсивности и объёмной плотности поглощённой энергии лазерного излучения, но и от временной структуры импульсов. Таким образом, актуальным является исследование взаимодействия микросекундных импульсов излучения лазера на иттербий-

эрбиевом стекле различной энергии и временной структуры с катарактальным хрусталиком глаза человека.

Цель и задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы является изучение влияния лазерно-индуцированных гидроакустических эффектов на процесс фрагментации катарактального хрусталика глаза человека микросекундными импульсами излучения лазера на иттербий-эрбиевом стекле и эффективность удаления хрусталика такими импульсами.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать экспериментальные макеты микросекундного лазера на иттербий-эрбиевом стекле с ламповой и диодной накачкой для лазерной гидроакустической обработки катарактальных хрусталиков с возможностью управления временной структурой микросекундного импульса излучения.

2. Исследовать гидроакустические эффекты в свободном объёме жидкости при воздействии микросекундными импульсами излучения лазера на иттербий-эрбиевом стекле с различной энергией и временной структурой.

3. Исследовать динамику формы и размеров парогазовых полостей в жидкости при их формировании вблизи твёрдой и эластичной границ, а также вблизи поверхности катарактального хрусталика глаза человека.

4. Исследовать эффективность удаления катарактальных хрусталиков глаза человека на воздухе и в жидкости: выявить зависимость эффективности его удаления от положения дистального торца оптического волокна относительно поверхности хрусталика, от энергии в лазерном импульсе, от количества импульсов, доставленных в одну точку и от степени катаракты.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

5. Получены пакеты импульсов генерации лазера на иттербий-эрбиевом стекле с диодной накачкой, следующие друг за другом с максимальной частотой 15 Гц, длительностью 0.2-2 мс состоящие из 2-4 лазерных импульсов с энергией 120 ± 20 мДж в каждом импульсе и длительностью 0.1-3 мкс, генерируемые за счёт многократного срабатывания НПВО-затвора за один импульс накачки, при этом эффективная частота повторения импульсов достигает 30-60 Гц и ограничивается термомеханической стойкостью активного элемента.

6. Установлено, что в режиме модуляции полезных потерь трёхзеркального "глухого" Т-образного резонатора лазера на иттербий-эрбиевом стекле возможна регулировка пиковой мощности "лидирующего" пичка микросекундного импульса излучения в широких пределах с сохранением интегральной энергии импульса путём изменения длительности электрического управляющего импульса, подаваемого на пьезоэлементы НПВО-затвора, в диапазоне 8-12 мкс, длительности его фронта и спада - в

диапазоне 0.4-3 мкс, при максимальном пропускании НПВО-затвора 80-90 %.

3. Установлено, что для микросекундных импульсов излучения лазера на иттербий-эрбиевом стекле с "лидирующим" пичком, пиковая мощность которого в 3-4 раза превышает пиковую мощность следующих за ним пичков, время формирования цельной парогазовой полости гладкой сферической формы в свободном объёме жидкости меньше, порог формирования ниже, чем для импульсов с той же энергией, но вдвое меньшей пиковой мощностью "лидирующего" пичка, а максимальный объём полости для таких импульсов больше.

4. Показано, что при лазерной гидроакустической обработке с применением микросекундных импульсов лазера на иттербий-эрбиевом стекле при приближении торца оптического волокна к поверхности катарактального хрусталика глаза на расстояние 0.2 /г < 1.0 мм формируемая в жидкости парогазовая полость деформируется и приобретает гладкую полусферическую форму. При коллапсе такой полости происходит деформация поверхности мягких биотканей, что в случае хрусталика глаза, приводит к росту эффективности его удаления.

Практическая значимость и реализация результатов работы

1. Разработан экспериментальный макет компактного лазера на иттербий-эрбиевом стекле с диодной накачкой офтальмологической системы для лазерной экстракции катаракты (подтверждено актом внедрения…).

2. Разработана методика и аппаратура для комплексного исследования лазерно-индуцированных гидроакустических процессов в жидкости при помощи стробоскопической фотографии и измерения параметров акустического сигнала (экспериментальный стенд используется в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 12.03.05 "Лазерная техника и лазерные технологии" и магистров по направлению 12.04.05 "Лазерная техника и лазерные технологии").

3. Предложен новый метод лазерной экстракции катаракты с использованием микросекундных импульсов излучения лазера на иттербий-эрбиевом стекле.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

4. В лазере на иттербий-эрбиевом стекле с "глухим" Т-образным трёхзеркальным резонатором и выводом излучения через подключенный в режиме "на растяжение" НПВО-затвор пиковая мощность "лидирующего" пичка микросекундного импульса излучения может регулироваться в широких пределах за счёт управления формой электрического импульса, подаваемого на пьезоэлементы затвора, что позволяет генерировать лазерные импульсы, имеющие выраженный высокоинтенсивный "лидирующий" пичок и обеспечивающие эффективную лазерную экстракцию катаракты.

5. Пиковая мощность "лидирующего" пичка в микросекундном импульсе излучения лазера на иттербий-эрбиевом стекле оказывает существенное

влияние на порог формирования и максимальный объём парогазовой полости, а её увеличение в 2.5^3 раза приводит к 5^7ми кратному увеличению удалённого объёма катарактального хрусталика, связанному с генерацией более мощных акустических волн.

3. Коллапс полусферических парогазовых полостей, формируемых в жидкости вблизи поверхности хрусталика глаза под действием микросекундных импульсов излучения лазера на иттербий-эрбиевом стекле, приводит к повышению эффективности лазерной гидроакустической обработки катарактальных хрусталиков глаза по отношению к эффективности при контактной обработке и при коллапсе сферических парогазовых полостей.

4. При лазерной гидроакустической обработке хрусталика глаза человека микросекундными импульсами излучения лазера на иттербий-эрбиевом стекле эффективность удаления хрусталика нелинейно зависит от расстояния между дистальным торцом оптического волокна и поверхностью хрусталика, и при плотности мощности "лидирующего" пичка 100 МВт/см² максимальна при расстоянии 0.5 ± 0.1 мм.

Апробация результатов работы и публикации

Результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих международных и российских конференциях:

XLIV, XLV и XLVI Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (Санкт-Петербург, 2015, 2016, 2018);

IV, VI и VII Всероссийский конгресс молодых ученых (Санкт-Петербург, 2015, 2017, 2018);

. International Symposium "Fundamentals of Laser Assisted Micro- and

Nanotechnologies" (Санкт-Петербург (г. Пушкин), 2016); . Saratov Fall Meeting: International symposium "Optics and biophotonics - IV, V"

(Саратов, 2016, 2017); . XXIX Международная конференция "Лазеры в науке, технике, медицине"

(Москва, 2018).

Доклад соискателя "Лазер на иттербий-эрбиевом стекле с диодной накачкой для применения в офтальмологии" был отмечен дипломом "за лучший доклад" на IV Всероссийском конгрессе молодых ученых (7-10 апреля 2015 г.). Доклад "Исследование фотоакустического сигнала при лазерной гидроакустической обработке биоткани в жидкости микросекундными импульсами излучения лазера на иттербий-эрбиевом стекле" был отмечен дипломом "за лучший доклад" на VII Всероссийском конгрессе молодых ученых (17-20 апреля 2018 г.).

Работа была поддержана следующими грантами: РФФИ (молнр, проект № 16-32-50164, 2016); премия Правительства Санкт-Петербурга победителям конкурса грантов для студентов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга (2017).

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 работах, из них 2 публикации в изданиях, рецензируемых Web of Science или Scopus, 3 публикации в журналах из перечня ВАК.

Степень достоверности результатов и методы исследования

Достоверность результатов работы и выводов обеспечивается за счёт использования современных методов и приборов для измерения параметров лазерного излучения, корректных и одобренных специалистами методов подготовки биологических образцов, современных методов статистического анализа полученных экспериментальных результатов. Экспериментальные исследования проведены при помощи высокоскоростной видеосъёмки, оптического зондирования, регистрации акустического сигнала калиброванным гидрофоном, стробоскопического фотографирования, оптической микроскопии, а также спектрофотометрических измерений с использованием современного прецизионного оборудования и обработкой их результатов при помощи общепринятых методов.

Личный вклад автора

Постановка цели и задач диссертационной работы проведены совместно с научным руководителем. Все экспериментальные исследования, разработка и сборка экспериментальных стендов выполнены лично соискателем, либо при его непосредственном участии. Обработка результатов экспериментов выполнена лично автором, обсуждение и анализ полученных результатов проводились совместно с научным руководителем и соавторами.

Автор выражает благодарность своим соавторам – сотрудникам кафедры лазерных технологий и систем Университета ИТМО кандидату физико-математических наук С.В. Гагарскому и кандидату технических наук А.Н. Сергееву за постоянный интерес к работе, помощь в подготовке экспериментов и полезные обсуждения их результатов, а также кандидату медицинских наук, доктору экономических наук, заместителю директора по лечебной работе Санкт-Петербургского филиала МНТК "Микрохирургия глаза" им. академика С. Н. Фёдорова А.М. Загорулько за предоставленные образцы биоткани и полезные обсуждения.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы. Материал диссертации изложен на 147 страницах, содержит 63 рисунка, 12 таблиц и список цитируемой литературы из 150 наименований.