Двухволновые твердотельные лазеры микросекундной длительности для применения в хирургии Кочиев, Давид Георгиевич

Введение к работе

Актуальность темы

В клинической практике лазеры стали применять с 1960-х годов, сразу после своего изобретения. Сегодня с применением лазерных методик лечения выполняется большое количество клинических процедур, большинство из которых является минимально инвазивными хирургическими вмешательствами, использующими эндоскопические и лапароскопические технологии. Применение лазеров позволяет проводить хирургические процедуры с минимальной кровопоте-рей и травматичностью. Эти характеристики являются основной отличительной чертой применения хирургических лазеров, дающей им возможность выступать универсальным хирургическим инструментом и средством лечения.

Внедрение малоинвазивных эндоскопических методов в хирургическую практику привело к тому, что именно хирургические, а не медикаментозные методы лечения на начальной стадии многих заболеваний являются более эффективными и экономически оправданными способами [1]. Результатом развития эндохирургии является рост интереса к разработкам нового медицинского оборудования и инновациям в малоинвазивных технологиях лечения. Распространение лазерных методов лечения, рост количества работ по взаимодействию лазерного излучения с биотканями, появление новых хирургических технологий лечения и разработка новых хирургических лазеров являются показателями эффективности их использования.

Распространение и внедрение в клиническую практику методов лечения с использованием высокоинтенсивного импульсного лазерного излучения активизировались только к середине 1980-х годов. Основная причина такой задержки во внедрении была обусловлена необходимостью исследования механизмов взаимодействия высокоинтенсивного лазерного излучения с биологическими тканями. Влияние параметров биологических тканей, определяющих их оптические и механические свойства, на процессы взаимодействия требует анализа строения тканей на молекулярном уровне. Сложность биологической ткани как

объекта исследований и диапазон необходимых для ее исследования научных дисциплин (от неравновесной термодинамики до фотохимии и от физики плазмы до биомеханики) определяют трудности исследований при взаимодействии высокоинтенсивного импульсного лазерного излучения с тканями [2].

Отличительной чертой импульсного лазерного взаимодействия с веществом является изменение физики происходящих процессов, проявляющееся в быстрой смене основных физических механизмов при переходе к импульсам малой длительности. Физическая картина процессов, протекающих в зоне лазерного воздействия, существенным образом зависит от таких параметров воздействия, как интенсивность лазерного излучения, длительность импульса и энергия кванта излучения [3]. Хирургическое действие импульсных лазеров при клиническом применении не определяется только длиной волны, а скорее комбинацией таких параметров излучения как длина волны, плотность энергии и длительность импульса [4].

Длительность лазерного импульса - один из основных факторов, определяющих эффект воздействия на биологическую ткань, позволяющий разделить термические и нетермические эффекты. Длительность импульса >1 мкс ассоциируется с заметными термическими эффектами при взаимодействии лазерного излучения с тканями [5]. При использовании более коротких импульсов возможна реализация таких типов взаимодействия излучения с биологическими тканями как абляция, фотодеструкция и др.

Существенным в лазерной хирургии является увеличение функциональности лазерной системы при использовании в клинических условиях, получение максимальных объемов удаленной ткани с минимальными побочными эффектами, отсутствием повреждений в тканях, близлежащих к зоне воздействия. Выбор оптимальных параметров лазерного излучения требует учета физических процессов, протекающих в зоне воздействия, и знаний о составе, строении и свойствах ткани, на которую осуществляется воздействие.

Актуальность выполненной работы определяется как возможностями применения новых лазерных систем в хирургии, так и необходимостью внедрения новых лазерных малоинвазивных технологий лечения в клиническую практику. Отсутствие доступных импульсных источников высокоинтенсивного лазерного излучения микросекундной длительности, необходимого как для исследования процессов взаимодействия такого излучения с биологическими тканями, так и для развития новых технологий хирургического лечения, является важной задачей и требует разработки новых образцов лазерной медицинской техники.

Цели диссертационной работы:

1. Исследовать возможность эффективного преобразования во вторую гармонику частоты многомодового излучения твердотельного лазера микросекундной длительности.

2. Выработать оптимальные параметры излучения твердотельного лазера с микросекундной длительностью импульса для эффективного воздействия на биообъекты различной структуры.

3. Разработать многофункциональную лазерную хирургическую установку и определить эффективность ее применения в клинической практике.

4. Разработать новые лазерные медицинские технологии лечения на основе предложенного хирургического лазера.

Научная новизна работы:

5. Разработана модель и реализована двухчастотная лазерная установка на основе кристалла Nd:YA10₃ с микросекундной длительностью импульса, состоящая из задающего генератора с волоконно-оптической задержкой в резонаторе и двухпроходного усилителя.

6. Реализовано с эффективностью более 30% внерезонаторное преобразование во вторую гармонику частоты многомодового излучения лазера на основе

Ш:УА10з микросекундной длительности. Установлены пороговые значения плотности энергии 107±11 Дж/см² и 40+4 Дж/см² поверхностного разрушения кристалла КТР смешанным излучением двух волн для кристаллов с полированным входным торцом и кристаллов с просветляющим покрытием соответственно.

3. Развита расчетная модель ввода многомодового лазерного излучения в волокно и на ее основе рассчитаны и изготовлены оптические системы ввода излучения в волокно с диаметром сердцевины 800 мкм, а также осуществлена транспортировка по волокну излучения со средней мощностью до 1,6 кВт при апер-турных углах до 0,19 радиан. Реализован ввод многомодового двухволнового излучения в волокно с диаметром сердцевины 300 мкм с пиковой мощностью до 120 кВт.

4. Установлены параметры двухволнового лазерного излучения микросекундной длительности, при которых реализуется избирательность воздействия на биообъекты различной структуры.

5. На основе полученных результатов создана лазерная хирургическая установка, которая содержит двухволновый лазерный литотриптор и лазерный скальпель-коагулятор, обеспечивающая как разрушение твердых конкрементов, так и рассечение и коагуляцию тканей, и превосходящая по ряду параметров зарубежные аналоги.

6. С применением созданной установки разработаны новые медицинские технологии лечения: «Трансуретральная контактная лазерная уретеролитотрипсия с использованием лазерного хирургического комплекса «Лазурит»» ФС № 2008/270; «Эндоскопическое лечение непротяженных стриктур уретры лазерным хирургическим комплексом «Лазурит»» ФС№ 2008/271, и Федеральной службой по надзору в сфере здравоохранения и социального развития РФ выданы разрешения на их применение в клинической практике.

Практическая значимость работы:

1. Разработана лазерная хирургическая установка, содержащая двухволновый лазерный литотриптор и лазерный скальпель-коагулятор. Установка внесена в Государственный реестр изделий медицинского назначения и внедрена в клиническую практику отечественного здравоохранения.

2. Разработаные новые медицинские технологии лечения «Трансуретральная контактная лазерная уретеролитотрипсия с использованием лазерного хирургического комплекса «Лазурит»»; «Эндоскопическое лечение непротяженных стриктур уретры лазерным хирургическим комплексом «Лазурит»» применяются в клинической практике. На сегодняшний день проведено более 5 000 операций в 15 клиниках.

3. Созданы новые лазерные медицинские технологии лечения: «Эндоскопическое лазерное лечение поверхностных опухолей мочевого пузыря» и «Лазерная лапароскопическая резекция почки при поверхностных опухолях в стадии рака TiN₀Mo» с использованием лазерного хирургического комплекса «Лазурит» и проведена их клиническая апробация.

4. Продемонстрирована возможность реализации многофункциональной двух-частотной лазерной установки с микросекундной длительностью импульса, состоящей из задающего генератора и двухпроходного усилителя эффективной как для проведения литотрипсии, так и для абляции биотканей.

Апробация работы:

Результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на следующих конференциях: III международной конференции «Актуальные вопросы лазерной медицины и операционной эндоскопии» (Москва-Видное, 30 Мая - 1 Июня, 1994), VIII International Meeting of the Society for Minimally Invasive Therapy (Milan, Italy, September 18-20, 1996), конференциях «Фундаментальные науки - медицине» (25-26 ноября, 2002; 10-11 декабря, 2003; 14-15 декабря, 2005, Москва), XV International Symposium on Gas Flow and Chemical

Lasers & High Power Lasers (30 Aug - 03 Sep, 2004, Prague), I и II Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине» (19-21 Мая, 2004; 16-19 Мая, 2006, Троицк), 24-м и 25-м World Congress of Endourology, (17-20 August, 2006,Cleveland, USA; October 30 - November 3, Cancun, Mexico), International Symposium on Laser Medical Applications (July 5-July 6, 2010, Moscow), SPIE Photonics West: BIOS (22 - 27 January, 2011, San Francisco, USA).

Основные научные положения, выносимые на защиту:

5. Многомодовое лазерное излучение с высокой средней мощностью до 1,6 кВт с неоднородным пространственным и временным распределением энергии в пучке транспортировано по кварцевым волоконным световодам. При оптимальных параметрах системы транспортировки пропускание световода диаметром 0,8 мм и 1,0 мм длиной 3 и 10 метров практически не зависит от его диаметра, длины и радиуса изгиба и составляет величину 0,90±О,02. Распределение интенсивности излучения на выходе из световода имеет ярко выраженную спекл-структуру.

6. Реализация некритичного по обоим углам синхронизма в нелинейном кристалле КТР позволяет получать внерезонаторное преобразование во вторую гармонику частоты многомодового излучения лазера на основе Nd:YA10₃ (1079,6 нм) микросекундной длительности с эффективностью более 30%.

7. Двухчастотное излучение микросекундной длительности основной и второй гармоник лазера на основе Nd:YAl0₃ эффективно в лечении мочекаменной болезни при контактном разрушении камней. Излучение в диапазоне энергий импульса 100+150 мДж с 20+30% долей излучения второй гармоники фраг-ментирует камни разного химического состава и любой локализации.

8. Воздействие двухчастотного излучения основной и второй гармоник лазера на основе Nd:YA10₃ с микросекундной длительностью импульса и интенсивностью, эффективной для фрагментации камней, на окружающие камень мягкие ткани незначительно и носит обратимый характер.

5. Лазерная установка на основе кристалла Nd:YA10₃ с микросекундной длительностью импульса, состоящая из задающего генератора с волоконно-оптической задержкой в резонаторе и двухпроходного усилителя позволяет реализовать параметры выходного излучения эффективные как для литот-рипсии, так и для абляции тканей.

Публикации

По результатам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, включая 2 патента РФ на изобретение и 1 патент РФ на полезную модель.

Структура и объём диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав и списка литературы. Объем диссертации составляет 213 страниц, в том числе 83 рисунка и 21 таблицу. Список литературы включает 394 наименования.

Похожие диссертации на Двухволновые твердотельные лазеры микросекундной длительности для применения в хирургии

Воздействие импульсов неодимового лазера различной длительности на твердые ткани зубаДемьянова Татьяна Сергеевна

Обращение волнового фронта излучения CO2-лазеров с большой длительностью импульса на тепловых динамических голограммах в элегазе и органических жидкостяхСоколов Виктор Николаевич

Получение мощных световых импульсов длительностью 10-10-10-13с и их применение для исследования нестационарных процессов в плотной лазерной плазме и конденсированных средахЧекалин, Сергей Васильевич

Нелинейные эффекты в мощных фокусированных ультразвуковых пучках: моделирование и применение в неинвазивной хирургииБессонова Ольга Владимировна

Физические особенности применения лазерного излучения в хирургии и терапии челюстно-лицевой областиЦурцумия, Варадебули Леванович

Динамика взаимодействия излучения СО2 лазера с веществом в окружающей атмосфере при длительностях импульса порядка 10-6 - 5 10-5 ССемак, Владимир Владимирович

Разработка методов формирования интенсивных электронных и ионных пучков микросекундной длительности, создание на их основе ускорителей и их применениеЭнгелько Владимир Иванович

Сравнительная оценка применения различных лазеров в хирургии желудочно-кишечного тракта (клинико-экспериментальное исследование)Гонджилашвили, Владимир Георгиевич

Клинико-экспериментальное обоснование применения углекислотных лазеров в хирургии мужской половой железы, придатка, семявыносящего протокаКорпусенко, Игорь Васильевич

Клиническое применение гольмиевого лазера в хирургии среднего ухаМхаймар Нихад