Способ рассечения биологической ткани лазерным излучением
Владельцы патента RU 2760617:
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (RU)
Изобретение относится к медицине, а именно к лазерной хирургии, и может быть использовано для рассечения биологической ткани лазерным излучением. Воздействуют лазерным излучением на поверхность участка биологической ткани и перемещают лазерный луч по заданной траектории рассечения биологической ткани. При этом используют импульсное лазерное излучение и устанавливают скорость перемещения лазерного луча Vопер из условия где d - диаметр пятна излучения лазера на поверхности участка биологической ткани; tвозд - длительность импульса лазерного излучения, которое задают минимальным, обеспечиваемого используемым лазером; tост - расчетное время остывания биологической ткани на участке воздействия лазерным излучением. Способ обеспечивает снижение травмоопасности и повышение оперативности проведения операции рассечения биологической ткани через кожу за счет определения скорости перемещения лазерного луча. 4 ил., 2 табл.
Изобретение относится к медицине, в частности к лазерной хирургии, и может быть использовано при проведении хирургических операций при рассечении биологической ткани лазерным излучением, преимущественно при поверхностном разрезе через кожу.
Медицинский лазер - это устройство для получения высокоинтенсивных и узконаправленных пучков монохроматического светового излучения. Существуют различные типы лазеров - газовые, жидкостные и твердотельные. Лазерное излучение может быть непрерывным и импульсным. В клинической медицине используют лазеры различных мощностей. Наиболее мощные лазеры используют в хирургии. Действие лазерного излучения основано на резком повышении температуры в облучаемом месте, что вызывает коагуляцию (свертывание) или разрушение биологической ткани. Лазерным лучом можно производить бескровное рассечение тканей. Результат воздействия зависит от вида тканей или органов, их окраски, толщины, плотности и т.д.
При облучении на минимальной мощности процесс терапии неоправданно затягивается и не дает нужного результата и, наоборот, при мощном бесконтрольном облучении возможны отрицательные последствия, например, термический ожог биологической ткани.
Известен способ рассечения биологической ткани [Лазеры в хирургии. Под ред. O.K. Скобелкина, М., Медицина, 1989 г., 256 с], согласно которому рассечение биологической ткани осуществляют с помощью сфокусированного лазерного излучения, направляемого по заданной траектории воздействия либо с помощью системы зеркал, либо с помощью оптического волокна.
Недостатком способа является относительно высокая травмоопасность из-за возможного излишнего «перегрева» биологических тканей, вплоть до образования термической травмы, а также относительно низкая оперативность из-за возможного «недогрева», когда приходится увеличивать время оперативного вмешательства, обрабатывая операционное поле многократно.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является способ проведения лазерной хирургической операции [RU 2251990, C1, А61В 18/20, 20.05.2005], включающий воздействие лазерного излучения с помощью перемещения лазерного луча по облучаемой поверхности биообъекта, причем, одновременно с перемещением сканирующего лазерного луча по облучаемой поверхности биообъекта изменяют пространственное положение объектива путем его кругового и радиального перемещения и изменения угла наклона объектива к поверхности биообъекта, при этом осуществляют контроль состояния облучаемой поверхности путем регистрации ее температуры, сравнения этой температуры с предельно-допустимым значением температуры биообъекта, регулируют мощность излучения.
Недостатком способа является его относительно высокая травмоопасность из-за возможного излишнего «перегрева» биологических тканей, вплоть до образования термической травмы, а также относительно низкая оперативность из-за возможного «недогрева», когда приходится увеличивать время оперативного вмешательства, обрабатывая операционное поле многократно. Это обусловлено тем, что контроль состояния облучаемой поверхности путем регистрации ее температуры, сравнение этой температуры с предельно-допустимым значением температуры и регулировка мощность излучения проводятся уже в процессе воздействия сканирующим лазерным лучом по облучаемой поверхности биообъекта вдоль заданной траектории на этой поверхности, а поскольку не установлена зависимость температуры от мощности излучения, то регулировка мощности от измеренной температуры становится проблематичным и одновременно затягивает процедуру проведения операции. Все указанные недостатки не позволяют обеспечить оптимальную скорость сканирования биологической ткани излучением лазера, что не исключает появление травм при проведении рассечения биологической ткани, а также неоправданно затягивают процесс рассечения. Последнее очень важно для проектирования автоматизированных операционных систем.
Задача создания изобретения заключается в разработке способа, обеспечивающего оперативное проведение операции с безопасным воздействием лазерным излучением на биологическую ткань при ее рассечении, что может быть реализовано путем предоперационного определения скорости сканирования лазерным излучением по заданной траектории.
Требуемый технический результат заключается в снижении травмоопасности и повышении оперативности проведения операции рассечения биологической ткани через кожу.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в способе рассечения биологической ткани лазерным излучением, заключающемся в том, что, воздействуют лазерным излучением на поверхность участка биологической ткани и перемещают лазерный луч по заданной траектории рассечения биологической ткани, согласно изобретению, используют импульсное лазерное излучение и устанавливают скорость перемещения лазерного луча VОПЕР из условия
где d - диаметр пятна излучения лазера на поверхности участка биологической ткани,
tВОЗД - длительность импульсов лазерного излучения;
tОСТ - расчетное время остывания биологической ткани на участке воздействия лазерным излучением.
На графических иллюстрациях представлены:
- таблица 1 - глубина L разреза биологической ткани в зависимости от длины волны излучения лазера и цвета кажи;
- таблица 2 - коэффициенты отражения, теплоемкость и теплопроводность биологической ткани;
- фиг. 1 - график изменения от времени мощности лазерного излучения;
- фиг. 2 - график изменения от времени температуры нагрева ткани в луче диаметром d и глубиной L;
- фиг. 3 - зависимость температуры цилиндра ткани в примере реализации способа;
- фиг. 4 - зависимость температуры ткани от глубины.
Предложенный способ реализуется следующим образом.
Предварительно проведем его теоретическое обоснование.
В зависимости от производимого оперативного вмешательства возникает задача нагрева биологических тканей пациента лучом мощностью Р, диаметром d на глубину L до температуры Т за время одного лазерного импульса tВОЗД=τ (фиг. 1). Т - это температура разрушения биологических тканей, составляющая примерно 80-100°С.
Длительность паузы между импульсами выбирается из условия, что за время паузы луч лазера перемещают на величину диметра d пятна излучения, составляющего обычно 1-1,5 мм. Длительность паузы между импульсами tОСТ рассчитывается из условия, что за время паузы между импульсами участок, подвергающийся воздействию излучения остынет. Скорость остывания зависит от выбранного типа охлаждения оперируемой области, от диаметра пятна, мощности и глубины проникновения лазера, теплоемкости и теплопроводности оперируемой области, а также температуры до которой она нагревается за время импульса.
Глубина разреза L выбирается исходя из глубины, которую необходимо прорезать за один проход. Она определяется глубиной проникновения излучения лазера и зависит от длины волны генерации λ и типа разрезаемой ткани. Глубина разреза L в зависимости от длины волны излучения и цвета кожи при поверхностном разрезе представлена в таблице 1.
Поскольку время операции следует делать минимальным, чтобы тепло от операционного поля не передалось окружающим тканям и не травмировало их, время лазерного импульса tВОЗД=τ, следует задавать минимальным, которое способен обеспечить используемый лазер.
Для ее расчета используется следующий алгоритм:
1. Рассчитывают нагрев цилиндра под воздействием лазера за время tВОЗД=τ
Ti верт= Ti верт+Δ Ti верт
Ti гор= Ti гор+Δ Ti гор
2. Рассчитывают передачу тепла между слоями в следствие диффузии за время τ
где C - теплоемкость биологической ткани, χ - коэффициент теплопроводности;
VBepт=π⋅d⋅dl
Vi гор=π⋅(di-di-1)⋅dl
mверт=ρ⋅Vверт
mi гор=ρ⋅Vi гор
3. Вычисления по п.п. 1 и 2 выполняют до тех пор, пока температура слоя с заданной глубиной не будет рана установленной.
Коэффициенты отражения, теплоемкость и теплопроводность биологической ткани приведены в таблице 2.
Окончательно может быть определена оптимальная скорость сканирования VОПЕР луча лазера по поверхности биологической ткани при поверхностном разрезе через кожу
где d - диаметр пятна излучения лазера на поверхности участка биологической ткани,
tВОЗД - длительность импульса лазерного излучения;
tОСТ - расчетное время остывания биологической ткани на участке воздействия лазерным излучением.
Пример реализации способа рассечения биологической ткани лазерным излучением.
Пациент К., женщина, 48 лет.
Оперируемая область: слизистая оболочка прямой кишки, длина волны λ=1530 нм, мощность Римп=7.0 Вт, диаметр пятна d=0.5 мм, размер оперируемой области S=1.4 см2, коэффициент отражения: kотр=0.05, коэффициент теплопроводности: χ=0.44, теплоемкость биологической ткани С=3360, температура воздействия Т=100°С, глубина реза 7.7 мм.
Автоматизированные вычисления по п.п. 1 и 2 указанного выше алгоритма позволяли установить на 5360-ом шаге итерации, что температура слоя с заданной глубиной станет равной установленной через 0.092 сек.
Скорость оперирования составила
Таким образом, в предложенном способе достигается требуемый технический результат, который заключается в снижении травмоопасности и повышении оперативности проведения операции рассечения биологической ткани через кожу.
Способ рассечения биологической ткани лазерным излучением
Способ рассечения биологической ткани лазерным излучением, заключающийся в том, что воздействуют лазерным излучением на поверхность участка биологической ткани и перемещают лазерный луч по заданной траектории рассечения биологической ткани, отличающийся тем, что используют импульсное лазерное излучение и устанавливают скорость перемещения лазерного луча Vопер из условия
где d - диаметр пятна излучения лазера на поверхности участка биологической ткани;
tвозд - длительность импульса лазерного излучения, которое задают минимальным, обеспечиваемого используемым лазером;
tост - расчетное время остывания биологической ткани на участке воздействия лазерным излучением.