RU2048794C1

RU2048794C1 - Laser lithotriptor

Info

Publication number: RU2048794C1
Authority: RU
Inventors: Г.И. Дьяконов; В.А. Михайлов; С.К. Пак; В.В. Рандошкин; С.Л. Федоровский; И.А. Щербаков
Original assignee: Малое научно-производственное предприятие "ЛКТ"
Priority date: 1992-07-28
Filing date: 1992-07-28
Publication date: 1995-11-27

Abstract

FIELD: medical engineering. SUBSTANCE: device has pulsed laser of 2.6-3.0 mcm wave length. Laser radiation enters an optic fiber by means of input system. The optic fiber is transparent for the laser radiation wave length. Laser radiation beam scatterer is mounted at the outlet from the optic fiber increasing device performance in crushing concrements. EFFECT: enhanced effectiveness in crushing concrements in living body organs. 6 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к медицине и промышленно применимо в устройствах для разрушения камней внутри органов человеческого тела. The invention relates to medicine and is industrially applicable in devices for destroying stones inside the organs of the human body.

Известны лазерные литотрипторы, содержащие лазер и последовательно установленные по ходу его луча систему ввода излучения в оптическое волокно, оптическое волокно. Known laser lithotripters containing a laser and a system for introducing radiation into an optical fiber, an optical fiber, sequentially installed along its beam.

Недостатком этих литотрипторов является то, что разрушаются не все камни в органах человеческого тела. The disadvantage of these lithotripters is that not all stones in the organs of the human body are destroyed.

Целью изобретения является расширение номенклатуры разрушаемых камней. The aim of the invention is the expansion of the range of destructible stones.

Цель достигается тем, что в известном лазерном литотрипторе, содержащем лазер и последовательно установленные по ходу его луча систему ввода излучения в оптическое волокно и оптическое волокно, лазер выполнен с длиной волны излучения от 2,6 до 3,0 мкм, а оптическое волокно выполнено прозрачным на длине волны излучения лазера. The goal is achieved by the fact that in the known laser lithotripter containing a laser and a system for introducing radiation into an optical fiber and an optical fiber sequentially installed along its beam, the laser is made with a radiation wavelength of from 2.6 to 3.0 μm, and the optical fiber is made transparent at the wavelength of the laser radiation.

В частности, с целью повышения производительности литотриптор может дополнительно содержать расширитель пучка излучения, установленный на выходе оптического волокна. При этом расширитель может быть выполнен в виде полого цилиндра, на одном из торцов которого герметически установлено окно, прозрачное на длине волны излучения лазера, а на другом торце выполнено отверстие, посредством которого расширитель герметически установлен на выходе оптического волокна. Диаметр выходного окна расширителя D может находится в интервале d < D ≅ (4Q/π E_нас)^1/2, где d диаметр оптического волокна; Q номинальная мощность или энергия лазера; Е_нас поверхностная плотность мощности или энергии лазерного излучения, при которой разрушение камней достигает насыщения. При этом с целью регулирования поверхностной плотности энергии лазерного излучения расширитель установлен на выходе оптического волокна с возможностью перемещения.In particular, in order to increase productivity, the lithotripter may further comprise a radiation beam expander mounted at the output of the optical fiber. In this case, the expander can be made in the form of a hollow cylinder, on one of the ends of which a window is sealed that is transparent at the wavelength of the laser radiation, and an opening is made on the other end through which the expander is sealed at the output of the optical fiber. The diameter of the output window of the expander D can be in the range d <D ≅ (4Q / π E _us ) ^1/2 , where d is the diameter of the optical fiber; Q rated power or laser energy; _{We have the} surface density of the power or energy of laser radiation, at which the destruction of stones reaches saturation. In this case, in order to control the surface energy density of the laser radiation, the expander is mounted on the output of the optical fiber with the possibility of movement.

В альтернативном варианте оптическое волокно может быть выполнено с расширенной частью на конце. При этом с целью дополнительного повышения производительности расширенная часть волокна с торца может быть выполнена вогнутой. Alternatively, the optical fiber may be formed with an expanded portion at the end. In order to further increase productivity, the expanded part of the fiber from the end can be made concave.

На фиг. 1 показана блок-схема лазерного литотриптора; на фиг.2 и 3 расширитель пучка лазерного излучения, варианты выполнения; на фиг.4 экспериментальные данные, поясняющие выбор поверхностной плотности энергии лазерного излучения, при которой разрушение камней достигает насыщения. In FIG. 1 shows a block diagram of a laser lithotripter; in Fig.2 and 3, the laser beam expander, embodiments; figure 4 experimental data explaining the choice of the surface energy density of the laser radiation at which the destruction of the stones reaches saturation.

Лазерный литотриптор (фиг.1) содержит лазер 1, систему 2 ввода излучения в оптическое волокно, оптическое волокно 3, расширитель 4 пучка лазерного излучения, оптически и акустически связанный с камнем 5. Оптическое волокно (фиг.2) может быть выполнено с расширенной частью на конце 6, торец которого может быть выполнен с вогнутой поверхностью. Во втором варианте выполнения расширитель может содержать полый цилиндр 7, на выходном торце которого установлено прозрачное окно 8, а в противоположном торце выполнено отверстие 9. The laser lithotripter (Fig. 1) comprises a laser 1, a system 2 for introducing radiation into an optical fiber, an optical fiber 3, an expander 4 of a laser beam, optically and acoustically coupled to a stone 5. The optical fiber (Fig. 2) can be made with an expanded part at the end 6, the end of which can be made with a concave surface. In the second embodiment, the expander may comprise a hollow cylinder 7, at the output end of which a transparent window 8 is installed, and an opening 9 is made in the opposite end.

Лазерный литотриптор работает следующим образом. Laser lithotripter works as follows.

Излучение лазера с длиной волны от 2,6 до 3,0 мкм хорошо поглощается материалом всех камней, которые могут образовываться внутри органов человеческого тела. В этом диапазоне излучают лазеры, в которых активатором являются ионы эрбия, причем длина волны излучения зависит от типа кристаллической матрицы лазерного материала. Импульсы излучения лазера с помощью системы ввода излучения в оптическое волокно 2, например, фокусирующей линзы, вводятся в оптическое волокно 3, которое излучение лазера практически без потерь подводит до разрушаемого камня 5. Для увеличения сечения лазерного пучка используют расширитель. В результате последовательных действий импульсов лазерного излучения происходит разрушение камня. Волокно 3 с расширителем 4 с помощью эндоскопа подводится к месту расположения камня внутри человеческого тела. Laser radiation with a wavelength of 2.6 to 3.0 microns is well absorbed by the material of all stones that can form inside the organs of the human body. In this range, lasers are emitted in which erbium ions are the activator, and the radiation wavelength depends on the type of crystal matrix of the laser material. The laser radiation pulses using the radiation input system in the optical fiber 2, for example, a focusing lens, are introduced into the optical fiber 3, which laser radiation leads almost without loss to the destructible stone 5. To increase the cross section of the laser beam, use an expander. As a result of successive actions of laser pulses, the stone is destroyed. Fiber 3 with an expander 4 using an endoscope is fed to the location of the stone inside the human body.

В прототипе вблизи поверхности камня образуется лучевой пробой с образованием быстрорасширяющегося объема горячей плазмы. При этом камень испытывает толчок и разрушается. В прототипе длина волны излучения неоптимальна, так как не поглощается в ряде камней, поэтому они не разрушаются. Увеличение энергии лазерного излучения в прототипе не позволяет добиться разрушения самых прочных камней, при этом происходит разрушение выходного конца волокна. In the prototype, near the surface of the stone, a radiation breakdown is formed with the formation of a rapidly expanding volume of hot plasma. In this case, the stone experiences a shock and collapses. In the prototype, the radiation wavelength is not optimal, as it is not absorbed in a number of stones, so they are not destroyed. The increase in laser radiation energy in the prototype does not allow the destruction of the most durable stones, while the destruction of the output end of the fiber occurs.

В предлагаемом лазерном литотрипторе указанный выбор длины волны излучения лазера обеспечивает его сильное поглощение во всех камнях, которые могут образовываться в органах человеческого тела. Кроме того, такое излучение сильно поглощается во всех жидкостях и растворах, окружающих камни в органах человеческого тела. Это обеспечивает образование ударной волны, несвойственной прототипу, которая приводит к дополнительному разрушению камня. Выполнение торца расширенной части оптического волокна с вогнутой поверхностью обеспечивает "фокусировку" ударной акустической волны, что ускоряет разрушение камня. Экспериментально обнаружено также, что имеется определенная поверхностная плотность энергии лазерного излучения Е_нас, превышение которой не приводит к повышению производительности в разрушении камней. Это означает, что при мощном лазере целесообразно применять расширитель 4 пучка лазерного излучения. Оптимальный диаметр расширенного пучка D можно определить из соотношения
E_нас Q/S (4Q/π D²).In the proposed laser lithotripter, the specified choice of the wavelength of the laser radiation ensures its strong absorption in all stones that can form in the organs of the human body. In addition, such radiation is strongly absorbed in all liquids and solutions surrounding the stones in the organs of the human body. This ensures the formation of a shock wave, unusual for the prototype, which leads to additional destruction of the stone. The execution of the end face of the expanded part of the optical fiber with a concave surface provides the "focusing" of the shock acoustic wave, which accelerates the destruction of the stone. It was also experimentally found that there is a certain surface density of laser radiation energy E _us , exceeding which does not lead to an increase in the productivity in the destruction of stones. This means that with a powerful laser it is advisable to use a laser beam expander 4. The optimal diameter of the expanded beam D can be determined from the relation
E _us Q / S (4Q / π D ² ).

Расширитель 4 обеспечивает максимальную производительность при разрушении камня, обеспечивая при этом щадящий режим воздействия на органы человеческого тела. Expander 4 provides maximum performance in the destruction of the stone, while ensuring a gentle mode of exposure to the organs of the human body.

В экспериментах использовали импульсные твердотельные лазеры на базе иттрий-алюминиевого, гадолиний-галлиевого, иттрий-скандий-алюминиевого, гадолиний-скандий-алюминиевого, иттрий-скандий-галлиевого, гадолиний-скандий-галлиевого, гадолиний-кальций-магний-цирконий-гал- лиевого, кальций-ниобий-галлиевого гранатов, в которых активатором являлись ионы эрбия. Лазеры использовали как в режиме свободной генерации с длительностью от 100 до 250 мкас, так и в режиме генерации коротких импульсов до ≈0,1 нс. Частота импульсов составляла от 0,2 до 10 Гц, энергия до 10 Дж. В качестве системы ввода излучения в оптическое волокно использовали фокусирующую линзу. Использовали оптическое волокно 3 из материалов с малым светоослаблением, в частности из флюорита и фторидных стекол. Эти волоконные световоды с малым светоослаблением в инфракрасной области прозрачны в диапазоне длин волн от 2,6 до 3,0 мкм, выбор которой зависит от кристаллической матрицы лазерного элемента. Полый цилиндр 7 выполняли из металла. Выходное окно 8 выполняли из сапфира. Герметичность цилиндра 7 обеспечивали с помощью герметика. Изменяя расстояние l (фиг.3), варьировали диаметр выходного пучка излучения D и, как следствие, поверхностную плотность энергии лазерного излучения, влияющую на производительность при разрушении камня. На фиг.4 показаны типичные зависимости обратной величины производительности разрушения камня 1/P для различных типов камней от плотности энергии импульсов излучения эрбиевого лазера на основе иттрий-алюминиевого граната Е. Производительность определяли как 1/P Δ m/E, где Δ m масса разрушенной части камня, EQ/S; Q энергия импульса лазерного излучения; S площадь поперечного сечения выходного пучка лазерного излучения. Оптическое волокно из флюорита имело выходной диаметр 0,2 мм. The experiments used pulsed solid-state lasers based on yttrium-aluminum, gadolinium-gallium, yttrium-scandium-aluminum, gadolinium-scandium-aluminum, yttrium-scandium-gallium, gadolinium-scandium-gallium, gadolinium-calcium-magnesium-zirconium-gallium lithium, calcium-niobium-gallium garnets, in which erbium ions were the activator. Lasers were used both in the free-running mode with a duration from 100 to 250 μs, and in the short-pulse generation mode up to ≈0.1 ns. The pulse frequency was from 0.2 to 10 Hz, the energy was up to 10 J. A focusing lens was used as a system for introducing radiation into the optical fiber. Used optical fiber 3 from materials with low light attenuation, in particular from fluorite and fluoride glasses. These infrared optical fibers with low light attenuation are transparent in the wavelength range from 2.6 to 3.0 μm, the choice of which depends on the crystal matrix of the laser element. The hollow cylinder 7 was made of metal. The exit window 8 was made of sapphire. The tightness of the cylinder 7 was provided with a sealant. Changing the distance l (Fig. 3), we varied the diameter of the output radiation beam D and, as a result, the surface energy density of the laser radiation, which affects the productivity during stone destruction. Figure 4 shows typical dependences of the reciprocal of the 1 / P stone destruction productivity for various types of stones on the energy density of the radiation pulses of an erbium laser based on yttrium-aluminum garnet E. Productivity was determined as 1 / P Δ m / E, where Δ m is the mass of the destroyed stone parts, EQ / S; Q is the energy of the laser pulse; S is the cross-sectional area of the output laser beam. The fluorite optical fiber had an output diameter of 0.2 mm.

Использовали 20 типов камней, практически полностью перекрывающих спектр практически интересных. Все камни эффективно разрушались с помощью эрбиевого лазера. В частности, кривая 13 относится к камню из мочевого пузыря, который не разрушается с помощью прототипа из-за слабого поглощения лазерного излучения. Кривая 15 относится к моногидрату фосфата кальция наиболее прочному камню. Из фиг.4 видно, что при плотности энергии лазерного излучения Е Е_нас, равной приблизительно 100 Дж/см², наступает насыщение производительности разрушения Р, т.е. при дальнейшем увеличении Е значение Р практически не меняется. Если величина 4Q/π d² превышает Е_нас, то целесообразно использовать расширитель 4 для повышения производительности Р, что подтверждено экспериментально при увеличении диаметра выходного пучка лазерного излучения с 0,2 до 1,0 мм, который является оптимальным при Q 1 Дж.Used 20 types of stones, almost completely covering the spectrum of almost interesting. All stones were effectively destroyed using an erbium laser. In particular, curve 13 refers to a stone from the bladder, which is not destroyed by the prototype due to weak absorption of laser radiation. Curve 15 refers to calcium phosphate monohydrate, the most durable stone. From Fig. 4 it is seen that at a laser energy density E E _us equal to approximately 100 J / cm ² , saturation of the fracture productivity P occurs, i.e. with a further increase in E, the value of P remains virtually unchanged. If the value of 4Q / π d ² exceeds E _us , then it is advisable to use the expander 4 to increase the performance P, which is confirmed experimentally by increasing the diameter of the output laser beam from 0.2 to 1.0 mm, which is optimal at Q 1 J.

В режиме генерации коротких лазерных импульсов для эффективного формирования ударной волны вогнутая поверхность торца светового волокна имела радиус от 1 до 3 мм, при этом ударная волна фокусировалась в центре сферической поверхности, при этом производительность разрушения камней оказалась выше, чем в режиме свободной генерации. In the mode of generation of short laser pulses for the effective formation of a shock wave, the concave surface of the end of the light fiber had a radius of 1 to 3 mm, while the shock wave was focused at the center of the spherical surface, and the stone fracture productivity was higher than in the free-running mode.

Дополнительным преимуществом предлагаемого лазерного литотриптора является более щадящий режим проведения операции из-за сокращения ее длительности и отсутствия воздействия лазерного излучения на органы человеческого тела, которое практически полностью поглощается материалом камня и окружающей его жидкостью, тогда как в прототипе, где такое поглощение отсутствует, лазерное излучение может попадать на поверхности органов человеческого тела и травмировать их. An additional advantage of the proposed laser lithotripter is a more sparing operation mode due to the reduction of its duration and the absence of laser radiation on the organs of the human body, which is almost completely absorbed by the stone material and the surrounding liquid, while in the prototype, where such absorption is absent, laser radiation may fall on the surface of organs of the human body and injure them.

Claims

1. LASER LITHOTRIPTOR containing a pulsed erbium laser, an optical fiber and a radiation input system into it, characterized in that the lithotripter further comprises a radiation beam expander at the distal end of the optical fiber, and the erbium laser is made with a radiation wavelength of 2.6
3.0 microns.

2. Lithotripter according to claim 1, characterized in that the beam expander is made in the form of an expanded distal end of the optical fiber.

3. The lithotripter according to claim 2, characterized in that the end face of the expanded distal end of the optical fiber is made concave.

4. The lithotripter according to claim 1, characterized in that the expander is made in the form of a hollow cylinder with a window on one of the ends, transparent at the wavelength of the laser radiation, and a hole on the other end for tightly mounting the cylinder on an optical fiber.

5. The lithotripter according to claim 4, characterized in that the expander window is made with a diameter D satisfying the condition
d <D≅ (4Q / πE _us ) ^1/2 ,
where d is the diameter of the optical fiber;
Q is the rated pulse energy of the emitter;
E _n _a _{c is the} surface energy density of laser radiation, at which the stone destruction performance reaches saturation.

6. Lithotripter according to claims 4 and 5, characterized in that the expander is mounted to move along the optical fiber.