Способ разрушения камней в органах человеческого тела

 

Использование: изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в технике лазерной литотрипсии. Сущность изобретения: импульсы излучения, генерируемые лазером, вводятся в оптическое волокно. Волокно подводится через эндоскоп к месту расположения камня внутри тела. На выходном конце волокна закреплен соосно с волокном металлический стержень с возможностью возвратно-поступательного движения. Лазерный импульс вызывает оптический пробой на торцевой поверхности металлического стержня. Образовавшаяся плазма, резко расширяясь, передает механический импульс стержню и вызывает его движение в направлении распространения излучения. Инструментальный конец стержня, находясь в соприкосновении с камнем и ударяя по нему, механически его разрушает. Выходной конец волокна и стержень находятся в жидкой среде, окружающей камень, что уменьшает порог оптического пробоя. По окончании расширения плазмы стержень возвращается в исходное положение. 2 ил.

Изобретение относится к медицинской технике, в частности к способам разрушения камней внутри органов человеческого тела, и может быть использовано в технике лазерной литотрипсии.

Известен способ разрушения камней ультразвуковым инструментом, заключающийся в генерации ультразвуковых акустических волн, передаче акустических волн по звукопроводу к месту нахождения камней внутри органов человеческого тела и механическом разрушении камня инструментом насадкой, приводящимся в движение ультразвуковыми колебаниями. Недостатками данного способа являются большой диаметр звукопровода и инструмента (до 10 мм), затрудняющий их введение внутрь тела по эндоскопу, и нагрев звукопровода вследствие акустических потерь, возникающих при его изгибах. Изгибы неизбежны при введении звукопровода в тело пациента.

Известен также способ разрушения камней с помощью лазерного излучения, являющийся прототипом предлагаемого изобретения и заключающийся в последовательной генерации импульсов лазерного излучения, вводе и доставке излучения по оптическому волокну к месту нахождения камней внутри органов человеческого тела, ионизации и оптическом пробое в жидкой среде на поверхности металлического стержня, закрепленного на конце волокна, генерации ударной акустической волны расширяющейся плазмой оптического пробоя и разрушении камня акустической волной.

Основным недостатком способа-прототипа является ограниченность плотности энергии и мощности ударной акустической волны на поверхности разрушаемого камня, что не позволяет фрагментировать твердые камни типа моногидрата оксалата или цистина. Предельное давление, развиваемое акустической волной на поверхности камня, ограничено величиной максимальной энергии импульса лазерного излучения, который можно пропустить по оптическому волокну без его разрушения.

Кроме того, металлический стержень устройства, реализующего способ-прототип, располагается между возникающей плазмой и разрушаемым камнем и, тем самым, экранирует акустическую ударную волну, то есть уменьшает ее амплитуду.

Задачей настоящего изобретения является разрушение камней любого химического состава. Это достигается увеличением разрушающего камень давления, развиваемого на поверхности камня стержнем-инструментом.

Сущность изобретения заключается в том, что разрушение осуществляется механически металлическим стержнем-инструментом, двигающимся возвратно-поступательно под действием импульса отдачи, возникающего при расширении плазмы оптического пробоя.

В процессе патентного поиска нами не выявлены способы, обладающие такой же, как и предлагаемый способ, совокупностью существенных признаков. Поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию "Новизна". Нами также не выявлены способы, достигающие того же технического результата и функционально совпадающие с предлагаемым способом. Поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию "Изобретательский уровень".

Импульсы излучения лазера вводятся в оптическое волокно и через эндоскоп подводятся к месту расположения камня внутри тела. На выходном конце волокна закреплен соосно с волокном металлический стержень-инструмент с возможностью возвратно-поступательного движения. Лазерный импульс вызывает оптический пробой на торцевой поверхности этого стержня. Образовавшаяся плазма, резко расширяясь, передает механический импульс стержню и вызывает его движение в направлении распространения излучения. Инструментальный конец стержня, находясь в соприкосновении с камнем и ударяя по нему, механически его разрушает. Таким образом, под воздействием серии импульсов излучения стержень-инструмент, многократно ударяя, разрушает камень подобно отбойному молотку.

В предлагаемом способе всегда существует отличная от нуля производительность, поскольку всегда можно заострить конец стержня-инструмента так, что его удар отколет хоть и малую, но конечную величину камня. В способе-прототипе это не так, так как существует пороговая величина давления, при превышении которой только и возможно разрушение камня.

На фиг. 1 представлено первое устройство, реализующее предлагаемый способ; на фиг.2 изображено второе устройство, также реализующее предлагаемый способ.

Устройство, изображенное на фиг.1, состоит из лазера 1, устройства ввода излучения (не показано) в оптическое волокно 2 и наконечника 3, разрушающего находящийся в жидкой среде камень 4. В экспериментах нами использован серийный лазер ЛТИ-207 (изготовлен в соответствии с ОДО.397.411ТУ, изготовитель завод технохимических изделий г. Богородицка), представляющий собой импульсный лазер на алюмоиттриевом гранате, активированном неодимом (АИГ:Nd). Лазер имел следующие параметры: длина волны 1,06 мкм; частота повторения импульсов 20 Гц; энергия в импульсе до 100 мДж; длительность импульса 10-15 нсек; расходимость излучения 15-20 угл.минут; диаметр пучка 8 нм. Для реализации предлагаемого способа можно использовать, например, и другие серийные лазеры АИГ:Nd сходных параметров (см. таблицы 4.4 и 4.5 стр.108 [3]). Излучение вводилось в кварц-кварцевое волокно [4] диаметром 400 мкм и длиной 2 м с помощью кварцевой двояковыпуклой линзы с фокусным расстоянием 25 мм и диаметром 20 мм. Эффективность ввода излучения составляла 90-92% Тип волокна может быть различным, но должен выдерживать лучевые нагрузки до 1 ГВт/см².

На выходном (рабочем) конце волокна располагается наконечник 3. Рабочий конец волокна 5 опрессовывается в корпусе 6 наконечника. Центральный керн волокна 7 освобождается от оболочки на 1-2 мм, чтобы не было нагара на рабочем конце. Стержень-инструмент 8, разрушающий камень, установлен в корпусе 6 и зафиксирован крышкой 9. Стержень может двигаться вперед под воздействием ударной акустической волны и возвращается в исходное положение пружиной 10. Все детали наконечника выполнены из нержавеющей стали. Расстояние от плоскости выходного торца волокна до стержня-инструмента в исходном положении составляет 1-6 мм. Отверстия 11 диаметром 0,5 мм, расположенные осесимметрично, необходимы для проникновения жидкой среды, окружающей камень, внутрь наконечника и отвода выбросов жидкости при оптическом пробое. Внешний диаметр наконечника составляет 1,9 мм, длина не более 20 мм.

Способ осуществляют следующим образом.

Импульсы излучения, генерируемые лазером 1, вводятся в оптическое волокно 2. Волокно 2 подводится через эндоскоп к месту расположен камня внутри тела. На выходном конце волокна закреплен соосно с волокном 2 наконечник 3, содержащий металлический стержень-инструмент 8 с возможностью возвратно-поступательного движения. Лазерный импульс вызывает оптический пробой на торцевой поверхности металлического стержня 8, ближней к выходному концу волокна 7. Образовавшаяся плазма, резко расширясь, передает механический импульс стержню и вызывает его движение в направлении распространения излучения. Инструментальный конец стержня 8, находясь в соприкосновении с камнем 4 и ударяя по нему, механически его разрушает. Выходной конец волокна 7 и стержень-инструмент 8 с крепежным устройством 6 находятся в жидкой среде, окружающей камень (моча в случае мочевых камней, желчь в случае желчных камней и т.д.), что уменьшает порог оптического пробоя. По окончании расширения плазмы стержень-инструмент 8 возвращается в исходное положение под действием пружины 10.

Величина механической энергии и импульса, приобретаемая стержнем-инструментом 8 вследствие расширения плазмы, сравнима с величиной энергии и импульса ударной акустической волны, генерируемой способом-прототипом. Однако в случае способа-прототипа акустический импульс действует на участок поверхности камня площадью, по крайней мере, более площади сечения выходного конца волокна S. Для типичных диаметров волокон d 0,3-0,4 мм, используемых в литотрипсии, площадь сечения составляет S ≈ 0,07-0,13 мм². Максимальное давление на поверхности камня можно оценить как Рmax Fmax/S, где Fmax максимальная величина импульса ударной акустической волны, соответствующей максимальной энергии лазерных импульсов, пропускаемых через волокно без его разрушения. Таким образом, при данном диаметре волокна и его лучевой стойкости давление на поверхности камня ограничено величиной Рmax.

Импульс, приобретаемый стержнем-инструментом в устройствах, реализующих предлагаемый способ, по своей величине сравним с Fmax и, в большинстве случаев, превышает его. Более того, развиваемое давление может увеличиваться (при фиксированной энергии лазерных импульсов) уменьшением площади инструментального конца стержня (заострением его), которая может составлять 0,0007-0,0013 мм² при характерных размерах диаметра острия d ≈ 0,03-0,04 мм. Такая возможность в способе-прототипе отсутствует. Увеличение давления в 10-100 раз позволяет превысить порог разрушения камня любого химического состава.

На практике предлагаемый способ прошел апробацию по разрушению мочевых и желчных камней in vitro. Импульсы лазерного излучения, прошедшие волокно, поглощаются торцевой поверхностью стержня-инструмента. Каждый импульс вызывает оптический пробой на поверхности с образованием плазмы. Плазма резко расширяется (с характерными временами процесса ≈ 1 мксек), передает механический импульс стержню-инструменту. При энергии 20 мДж стержень-инструмент перемещается в пределах 1-2 мм. Образовавшийся избыток давления внутри корпуса наконечника демпфируется отверстиями 11, через которые в момент образования плазмы вытесняется часть жидкости с последующим возвращением назад. Под действием лазерных импульсов, следующих с частотой повторения, стержень-инструмент двигается возвратно-поступательно (колеблется) и разрушает камень подобно отбойному молотку. В эксперименте использовался стержень с заостренным инструментальным концом площадью не более 0,001 мм².

В процессе работы стержень-инструмент изнашивается из-за испарения материала с поверхности, на которой происходит оптический пробой. Количество металла, удаляемого с торцевой поверхности стержня-инструмента, зависит от многих параметров: интенсивности и энергии импульсов лазерного излучения, материала стержня и т.д. Процесс разрушения стержня под действием излучения имеет место, как в способе-прототипе, так и предлагаемом способе. В обоих случаях при достаточно большом количестве импульсов излучения стержень разрушается. Однако в предлагаемом способе разрушению подвергается торцевая часть стержня-инструмента. Длина стержня-инструмента имеет характерные размеры 5-8 мм, из которых без нарушения функционирования рабочего устройства могут быть разрушены 1-2 мм. В способе-прототипе стержень расположен поперек выходящего из волокна излучения. Причем, является принципиальным, чтобы его диаметр был не более диаметра пучка. При характерных размерах диаметра волокна (пучка) 0,4 мм такое же примерно значение имеет толщина стержня. Соответственно, при прочих равных условиях ресурс работы наконечника по предлагаемому способу будет в 2-4 раза больше, чем в способе-прототипе.

На практике ресурс одного стержня превышает 100 тыс. импульсов (срок службы одной лампы накачки, входящей в состав импульсных твердотельных лазеров). В способе-прототипе ресурс стержня из вольфрама не превышает 7000 импульсов.

В сравнительных экспериментах разрушались мочевые и желчные камни (в кол-ве 20 шт.), в том числе и камни типа цистина и моногидрата оксалата. Разрушаемый камень помещался в кювету, наполненную дистиллированной водой. К камню подводилось волокно с инструментальной насадкой. Процесс разрушения наиболее твердых камней идет с эффективностью 200 400 мкг/имп. причем разрушаются все типы камней. Типичный вес камня составляет 0,2-0,8 г. Для разрушения камня из моногидрата оксалата весом 0,8 г лазерными импульсами с энергией 40 мДж и частотой 10 Гц требуется порядка 7 минут. В то же время способом-прототипом такие камни не разрушаются вообще.

На фиг.2 изображено второе устройство, реализующее предлагаемый способ.

Устройство N2, изображенное на фиг.2, также состоит из лазера (1), ввода излучения в волокно и оптического волокна (2) и наконечника (3), разрушающего находящийся в жидкой среде камень (4). В качестве лазера может быть использован лазер на красителе, используемый в литотрипторе фирмы Candela "Candela air-cooled LaserTripter system", разработка 1991 г. Лазер имеет следующие параметры: длина волны 0,504 мкм; частота повторения импульсов 1-10 Гц; энергия в импульсе до 80-140 мДж (в зависимости от диаметра волокна); длительность импульса 1,2 мкс. Излучение вводится в фокон, к концу которого прикреплено кварц-кварцевое волокно [4] диаметром 200 600 мкм и длиной 2м.

На выходном (рабочем) конце волокна располагается наконечник (3). Рабочий конец волокна (5) опрессовывается в корпусе (6) наконечника. Центральный керн волокна (7) освобождается от оболочки на 1-2 мм, чтобы не было нагара на рабочем конце. В описываемом устройстве в качестве стержня-инструмента служит сам наконечник. Инструментом, разрушающим камень, является передняя часть наконечника (8), выполненная в виде буровой насадки. Непосредственно за инструментальной частью наконечника располагаются ряд параллельных прорезей (9). Эти прорези образуют пружину из части корпуса наконечника и одновременно служат отверстиями для отвода выбросов жидкости при образовании плазмы. Внешний диаметр наконечника составляет не более 2 мм, длина не более 20 мм. Прорези шириной 0,5 мм наносятся на наконечник, выполненный из нержавеющей стали, с периодом 0,8 мм на длину 7-10 мм.

Приведенные данные и сравнительные испытания устройств, реализующих заявленный способ и способ-прототип, доказывают преимущества предлагаемого способа разрушения камней, образующихся внутри органов человеческого тела.

Формула изобретения

СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ КАМНЕЙ В ОРГАНАХ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ТЕЛА, включающий генерацию импульсов лазерного излучения, доставку импульсов излучения по оптическому волокну к месту расположения камня, ионизацию и оптический пробой под действием лазерного излучения с образованием плазмы в жидкой среде на поверхности металлического стержня, а также разрушающее воздействие на камень, отличающийся тем, что разрушающее воздействие на камень осуществляют в результате механического удара по камню заостренным концом металлического стержня, двигающегося возвратно-поступательно под действием импульса отдачи, возникающего при расширении плазмы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2