Оптический канал транспортировки излучения от источника оптического излучения до биологической ткани для лазерной терапии

 

Изобретение относится к медицинской технике, используемой для лазерной терапии. Устройство содержит основной волоконно-оптический светопроводящий канал, дистальный конец которого закреплен в оправке. Оправка имеет сквозное осевое отверстие и входной и выходной торцы. Во входном торце закреплен дистальный конец канала с выходной апертурой, и между ней и выходным торцом оправки образована полость. Полость выполнена в виде усеченного конуса с углом при вершине не более апертурного угла оптического волокна канала. Большее основание конуса совмещено с выходным торцом оправки. Введен дополнительный волоконно-оптический канал. Плоскость входной апертуры дополнительного канала совпадает с плоскостью выходной апертуры основного канала и с меньшим основанием конуса. Площадь меньшего основания конуса больше суммы площадей расположенных на нем апертур. Внутренняя поверхность конуса выполнена зеркальной. Устройство удобно в эксплуатации, обеспечивает возможность получения информации об оптических характеристиках. 2 ил.

Изобретение относится к медицинской технике, используемой для лазерной терапии, в части создания оптического канала транспортировки излучения от источника оптического излучения до биологической ткани, и может найти широкое применение в аппаратах лазерной терапии с коррекцией мощности падающего на биологическую ткань оптического излучения.

Для эффективного проведения лазерной терапии необходимо определение оптических характеристик биологической ткани (таких, как, например, коэффициент отражения ткани) во время воздействия на нее конкретного источника излучения.

Известен оптический канал транспортировки излучения от источника оптического излучения до биологической ткани для лазерной терапии, содержащий светопроводящий канал в виде фотометрического шара, имеющего входную апертуру, связанную с источником оптического излучения, выходную апертуру, предназначенную для контакта с биологической тканью, и дополнительную выходную апертуру, предназначенную для передачи излучения, отраженного от биологической ткани [1].

Известное устройство обеспечивает возможность определения оптических характеристик (например, коэффициента отражения) биологической ткани во время воздействия на нее конкретного источника излучения, что повышает эффективность лазерной терапии.

Недостатком устройства является то, что оно неудобно в эксплуатации: врачу, проводящему процедуру, приходится держать в руках громоздкую сферу и перемещать ее по биологической ткани. При этом, как правило, на сфере установлен в дополнительной выходной апертуре фотоэлектрический преобразователь со своими электрическими цепями; кроме того, необходимо сочленение излучателя со сферой, что еще больше увеличивает громоздкость перемещаемого устройства.

Известен также оптический канал транспортировки излучения от источника оптического излучения до биологической ткани для лазерной терапии, содержащий основной волоконно-оптический светопроводящий канал и дополнительный волоконно-оптический светопроводящий канал, предназначенный для передачи отраженного биологической тканью излучения. Оба канала выполнены в виде комбинированного волоконно-оптического жгута [2].

Данное устройство также обеспечивает возможность определения оптических характеристик биологической ткани, как и устройство [1], при этом обладает дополнительным преимуществом по сравнению с [1]: волоконно-оптический жгут является более гибкой конструкцией, чем жесткая сфера, то есть более удобным при эксплуатации.

Недостатком устройства является то, что комбинированный жгут содержит возможность взаимного перемещения волокон внутри жгута в процессе перемещения по биологической ткани, в устройстве отсутствует взаимная жесткая фиксация апертур соответствующих волокон и их положения относительно биологической ткани. При этом снижается надежность, достоверность и точность измерения коэффициента отражения ткани.

Также известен оптический канал транспортировки излучения от источника оптического излучения до биологической ткани для лазерной терапии, являющийся по числу общих признаков наиболее близким к заявляемому, содержащий основной волоконно-оптический светопроводящий канал, один конец которого имеет входную апертуру и коннектор для соединения с источником оптического излучения, второй, дистальный конец канала имеет выходную апертуру, плоскость которой перпендикулярна оси транспортируемого излучения, и закреплен в оправке, предназначенной для фиксации в пространстве дистального конца светопроводящего канала относительно биологической ткани, оправка имеет сквозное осевое отверстие и входной и выходной торцы, соответственно расположенные перпендикулярно направлению транспортируемого излучения, при этом дистальный конец канала закреплен внутри сквозного осевого отверстия оправки со стороны ее входного торца так, что в осевом отверстии оправки между выходной апертурой канала и выходным торцом оправки образована цилиндрическая технологическая полость [3].

Преимуществом данного устройства по сравнению с [1] и [2] являются его технологичность и удобство в эксплуатации, обусловленные гибкостью волоконно-оптических элементов, их жестким закреплением в оправке, фиксирующей как взаимное положение светопроводящих каналов, так и их положение относительно биологической ткани при перемещении по ней, отсутствием громоздких перемещаемых элементов.

Недостатком устройства является невозможность получения информации об оптических характеристиках облучаемой биологической ткани, что существенно снижает эффективность терапевтического воздействия при использовании устройства и ограничивает диапазон его применимости.

Целью изобретения является повышение эффективности терапевтического воздействия при использовании устройства и расширение диапазона его применимости за счет обеспечения возможности получения информации об оптических характеристиках облучаемой биологической ткани с одновременным сохранением технологичности устройства и удобства в эксплуатации.

Поставленная цель достигается тем, что в оптическом канале транспортировки излучения от источника излучения до биологической ткани для лазерной терапии, содержащем основной волоконно-оптический светопроводящий канал, один конец которого имеет входную апертуру и коннектор для соединения с источником оптического излучения, второй, дистальный конец канала имеет выходную апертуру, плоскость которой перпендикулярна оси транспортируемого излучения, и закреплен в оправке, предназначенной для фиксации в пространстве дистального конца светопроводящего канала относительно биологической ткани, оправка имеет сквозное осевое отверстие и входной и выходной торцы, соответственно расположенные перпендикулярно направлению транспортируемого излучения, при этом дистальный конец канала закреплен внутри сквозного осевого отверстия оправки со стороны ее входного торца так, что в осевом отверстии оправки между выходной апертурой канала и выходным торцом оправки образована полость, согласно изобретению в устройство введен дополнительный волоконно-оптический светопроводящий канал, предназначенный для передачи излучения, отраженного от биологической ткани, плоскость входной апертуры дополнительного канала совпадает с плоскостью выходной апертуры основного канала, упомянутая полость в оправке выполнена в виде усеченного конуса с углом при его вершине, не превышающим апертурный угол оптического волокна основного и дополнительного каналов, большее основание конуса совмещено с выходным торцом оправки и является выходной апертурой устройства, а меньшее основание с плоскостью выходной апертуры основного канала, при этом площадь меньшего основания конуса больше суммы площадей этой апертуры и входной апертуры дополнительного канала, при этом внутренняя поверхность конуса выполнена зеркальной.

Сущность изобретения состоит в том, что за счет введения в устройство дополнительного волоконно-оптического канала технологическая полость устройства-прототипа преобразована в фотометрическую полость, форма которой в виде усеченного конуса с внутренней зеркальной поверхностью, оговоренными расположением и размерами оснований и углом при вершине обеспечивает высокую эффективность ввода отраженного биологической тканью излучения в дополнительный канал, что обеспечивает повышение эффективности терапевтического воздействия при использовании устройства, расширяет диапазон его применимости, сохраняя технологичность и удобство в эксплуатации, свойственные прототипу.

На фиг.1 представлено продольное сечение устройства.

На фиг.2 - сечение по А-А на фиг.1.

Оптический канал транспортировки излучения от источника оптического излучения (на фигурах не показан) до биологической ткани для лазерной терапии содержит основной волоконно-оптический светопроводящий канал 1 (фиг.1), один конец которого (входной) имеет входную апертуру 2 и коннектор 3 для соединения с источником оптического излучения, второй дистальный (выходной) конец канала имеет выходную апертуру 4, плоскость которой перпендикулярна оси транспортируемого излучения, и закреплен в оправке 5, предназначенной для фиксации в пространстве дистального конца светопроводящего канала 1 относительно биологической ткани. Оправка 5 имеет сквозное осевое отверстие 6 и входной 7 и выходной 8 торцы, соответственно расположенные перпендикулярно направлению транспортируемого излучения. Дистальный конец канала 1 закреплен внутри сквозного осевого отверстия 6 оправки 5 со стороны ее входного торца 7 так, что в осевом отверстии оправки 5 между выходной апертурой 4 канала 1 и выходным торцом 8 оправки 5 образована полость 9. В устройство введен дополнительный волоконно-оптический светопроводящий канал 10, предназначенный для передачи излучения, отраженного от биологической ткани. Плоскость входной апертуры 11 дополнительного канала 10 совпадает с плоскостью выходной апертуры 4 основного канала 1. Упомянутая полость 9 в оправке 5 выполнена в виде усеченного конуса с углом α при его вершине "В", не превышающим апертурный угол β оптического волокна основного и дополнительного каналов. (Апертурный угол - это телесный угол, в пределах которого оптическое излучение выходит из торца оптического волокна, и предельное значение угла, под которым оптическое излучение может поступать извне в оптическое волокно. Для оптического волокна апертурный угол определяется как β=2 arcSin NA, где NA - числовая апертура оптического волокна; для обычно используемых оптических волокон значение апертурного угла β, как правило, составляет ~30^o. На фиг.1 показан угол β для волокна канала 1. Для волокна канала 10 такой же угол β на фиг.1 не показан). Большее основание конуса совмещено с выходным торцом 8 оправки 5, а меньшее основание - с плоскостью выходной апертуры 4 основного канала 1. Площадь S меньшего основания конуса больше суммы площадей S_вых этой апертуры 4 и S_вх апертуры 11 дополнительного канала 10 (фиг.2). Внутренняя поверхность 12 конуса выполнена зеркальной (фиг.1). Поскольку выходная апертура 4 канала 1 расположена в глубине конической полости 9 оправки 5 (совмещена с плоскостью ее меньшего основания), то в качестве выходной апертуры оптического канала транспортировки излучения (в целом, как устройства из собственно волоконно-оптического канала и оправки) необходимо рассматривать большее основание усеченного конуса, совмещенное с выходным торцом 8 оправки 5. При этом размер (площадь S'_вых) выходной апертуры оптического канала транспортировки излучения в целом определяется углом α, связанным с апертурным углом используемого оптического волокна, и высотой h усеченного конуса. Указанный угол α при вершине "В" усеченного конуса, в виде которого выполнена полость 9 оправки 5, удовлетворяет условию: α<2 arcSin NA, где NA - числовая апертура используемого оптического волокна.

Основной волоконно-оптический светопроводящий канал 1 может быть выполнен в виде оптического моноволокна или волоконно-оптического регулярного или нерегулярного жгута. При этом размер (площадь S_вых) выходной апертуры 4 этого канала 1 равен площади сердцевины оптического моноволокна световода или сумме аналогичных площадей всех оптических волокон при использовании волоконно-оптического жгута. В случае выполнения основного канала 1 в виде моноволокна (одной оптической жилы) ось этого основного световода целесообразно располагать по оси конуса, образующего фотометрическую полость 9.

Дополнительный волоконно-оптический светопроводящий канал 10 может быть выполнен в виде как оптического моноволокна, так и регулярного или нерегулярного волоконно-оптического жгута или связки независимых таких жгутов. Размер (площадь _вх) входной апертуры 11 канала 10 равен площади сердцевины оптического моноволокна световода или сумме аналогичных площадей оптических волокон, образующих жгут или жгуты.

Устройство работает следующим образом.

Выходная апертура устройства (большее основание конуса оправки 5 на выходном ее торце 8) устанавливается на биологическую ткань.

Оптическое излучение от источника излучения, например, от лазера терапевтического аппарата, совместно с которым работает описываемое устройство, вводится с помощью коннектора 3 во входную апертуру 2 основного волоконно-оптического светопроводящего канала 1. Затем излучение по оптическому волокну поступает на дистальный конец канала 1 к его выходной апертуре 4 и далее в фотометрическую полость 9, через нее поступает через выходную апертуру устройства в плоскости торца 8 оправки 5 на облучаемую биологическую ткань, закрывающую эту апертуру. Часть падающего на биологическую ткань оптического излучения отражается ею, и пропорциональная отраженному потоку часть излучения через входную апертуру 11 дополнительного волоконно-оптического канала 10 поступает в соответствующий фотоэлектрический преобразователь (не показан), неся информацию об оптических характеристиках облучаемого биообъекта для дальнейшего использования этой информации в целях повышения эффективности терапевтической лазерной процедуры.

За счет того, что в устройство введен дополнительный волоконно-оптический светопроводящий канал 10, технологическая полость в оправке устройства-прототипа преобразована в фотометрическую полость 9, что расширило диапазоны применимости устройства: перевело его из разряда типового магистрального световода в разряд метрологического устройства, обеспечивающего возможность повышения эффективности лазерной терапии за счет использования информации "обратной связи" от биологического объекта при непосредственном воздействии на него лазерным излучением.

За счет того, что в устройстве плоскость входной апертуры 11 дополнительного канала 10 совпадает с плоскостью выходной апертуры 4 основного канала 1, с одной стороны, сохранена технологичность прототипа (происходит технологическая операция оптической полировки одной детали торец 7), с другой стороны, такое расположение элементов способствует повышению эффективности лазерной терапии при использовании устройства, так как исключает дополнительные оптические искажения и "затенение" при вводе отраженного излучения в канал 10 при любом "ступенчатом" взаимном расположении указанных апертур.

За счет того, что полость 9 в оправке 5 выполнена в виде усеченного конуса, при этом угол α при его вершине не более апертурного угла β оптического волокна светопроводящих каналов, а большее основание конуса совмещено с выходным торцом 8 оправки 5 и является выходной апертурой устройства, а меньшее основание - с плоскостью выходной апертуры 4 канала 1, устройство выполнено с высокой эффективностью ввода отраженного излучения в дополнительный канал 10, что повышает эффективность терапии при использовании данного устройства.

За счет того, что площадь "S" меньшего основания конуса больше суммы площадей "S_выx" и "S_вx" соответственно выходной апертуры 4 основного 1 и входной апертуры 11 дополнительного 10 светопроводящих каналов (фиг.2), исключены оптические потери как по ходу лазерного излучения, так и отраженного излучения, что повышает эффективность лазерной терапии.

За счет того, что внутренняя поверхность 12 конуса выполнена зеркальной (с коэффициентом отражения ~100%), обеспечена концентрация потока оптического излучения, падающего на биологическую ткань, и повышена эффективность воздействия этого потока на нее, при этом повышена эффективность ввода в дополнительный канал 10 отраженного биотканью излучения, что способствует повышению эффективности лазерной терапии при использовании описанного устройства.

Заявителем изготовлено устройство в различных вариантах исполнения: с различными типами волоконно-оптических каналов. В качестве конструктивной основы использован магистральный световод [3]. Основной волоконно-оптический канал был выполнен в вариантах: в виде моноволокна (кварц-полимер с диаметром оптической жилы 400 мкм) и в виде волоконно-оптического жгута (11 оптических волокон кварц-полимер с диаметром оптической жилы 100 мкм). Дополнительный волоконно-оптический канал был выполнен в вариантах: в виде моноволокна (кварц-полимер с диаметром оптической жилы 400 мкм), в виде волоконно-оптического жгута (7 оптических волокон кварц-полимер с диаметром оптической жилы 100 мкм) и в виде волоконно-оптического жгута (11 оптических волокон кварц-полимер с диаметром оптической жилы 100 мкм). Концы гибких оптических волокон запрессованы во входном торце оправки (вариант механического закрепления - с использованием эпоксидного клея). Фотометрическая полость оправки (разработки заявителя) была выполнена в виде усеченного конуса с углом при вершине ~ 25^o и диаметрами оснований: меньшее основание - 2 мм (площадь этого основания больше суммы площадей сердцевин оптических волокон основного и дополнительного каналов), большее основание - 8 мм. Зеркальное покрытие внутреннего конуса - алюминий (вариант выполнения - полировка). В качестве источника лазерного излучения использовался лазерный терапевтический аппарат "Кристалл-Т2". Испытания этих вариантов устройства доказали их эффективность при использовании в аппаратах лазерной терапии. Каждый из описанных признаков устройства в отдельности оказался необходим, а в совокупности признаки достаточны для достижения поставленной цели: - достигнуто удобство в эксплуатации: оправку удобно держать врачу-оператору в руке при проведении лазерных лечебных процедур, оптические каналы жестко фиксированы относительно друг друга и облучаемой биологической ткани, что одновременно повышает надежность, достоверность и точность измерения коэффициента отражения биологической ткани, и, тем самым, способствует повышению эффективности терапевтической процедуры; - устройство технологично в производстве: концы гибких оптических волокон каналов жестко (механически) зафиксированы, что обеспечивает одновременную полировку их торцов и создание их единой плоскости при гарантированной неизменности их взаимного расположения, что также "работает" на повышение эффективности терапевтической процедуры; - обеспечена возможность повышения эффективности терапевтического воздействия за счет получения по дополнительно введенному волоконно-оптическому светопроводящему каналу информации об оптических характеристиках облучаемой биологической ткани в процессе воздействия на нее лазерного излучения; - расширен диапазон применимости устройства: из пассивного устройства-световода устройство превратилось в метрологический элемент с наличием диагностических функций, сохранив при этом все функциональные характеристики устройства-световода, что одновременно способствует, как показано выше, повышению эффективности терапевтической процедуры.

Таким образом, описанное устройство найдет широкое применение в аппаратах лазерной терапии с коррекцией мощности падающего на биологическую ткань оптического излучения, в лечебно-диагностических лазерных терапевтических аппаратах, а также при проведении научных и медико-биологических исследований взаимодействия лазерного излучения с биологическими тканями.

Источники информации 1. А.П. Ромашков. Аппаратура для лазерной терапии: метрология, унификация, стандартизация. - М., ВНИИОФИ, 1995 г., с.28. - аналог.

2. А.П. Ромашков. Аппаратура для лазерной терапии: метрология, унификация, стандартизация. - М., ВНИИОФИ, 1995 г., с.28-29. - аналог.

3. Рекламный лист "Комплект изделий для внутривенного лазерного облучения крови КИВЛ-01" - Институт прикладных проблем волоконной оптики, 117942, М., ул. Вавилова, 3 - прототип.

Формула изобретения

Оптический канал транспортировки излучения от источника оптического излучения до биологической ткани для лазерной терапии, содержащий основной волоконно-оптический светопроводящий канал, один конец которого имеет входную апертуру и коннектор для соединения с источником оптического излучения, второй, дистальный конец канала имеет выходную апертуру, плоскость которой перпендикулярна оси транспортируемого излучения, и закреплен в оправке, предназначенной для фиксации в пространстве дистального конца светопроводящего канала относительно биологической ткани, оправка имеет сквозное осевое отверстие и входной и выходной торцы, соответственно расположенные перпендикулярно направлению транспортируемого излучения, при этом дистальный конец канала закреплен внутри сквозного осевого отверстия оправки со стороны ее входного торца так, что в осевом отверстии оправки между выходной апертурой канала и выходным торцом оправки образована полость, отличающийся тем, что в устройство введен дополнительный волоконно-оптический светопроводящий канал, предназначенный для передачи излучения, отраженного от биологической ткани, плоскость входной апертуры дополнительного канала совпадает с плоскостью выходной апертуры основного канала, упомянутая полость в оправке выполнена в виде усеченного конуса с углом при его вершине, не превышающим апертурный угол оптического волокна основного и дополнительного каналов, большее основание конуса совмещено с выходным торцом оправки и является выходной апертурой устройства, а меньшее основание - с плоскостью выходной апертуры основного канала, при этом площадь меньшего основания конуса больше суммы площадей этой апертуры и входной апертуры дополнительного канала, при этом внутренняя поверхность конуса выполнена зеркальной.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2