RU2140305C1 - Перфоратор лазерный - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к лазерной медицинской технике, а именно к устройствам бесконтактной перфорации кожного покрова пациента для забора проб крови. Предлагаемое устройство, содержащее импульсный лазер, фокусирующую систему и систему наведения, содержит устройство для размещения поверхности перфорируемого кожного покрова в зоне фокусировки лазерного излучения между фокусирующей системой и ее фокальной плоскостью на расстоянии 1,5 - 8 мм от фокальной плоскости. Фокусное расстояние фокусирующей системы F, диаметр фокусируемого лазерного пучка b, диаметр сфокусированного лазерного пучка на поверхности кожи d и плотность энергии лазерного излучения на поверхности кожи W заданы следующими соотношениями:

0,2 Дж/мм² ≤ W ≤ 6,0 Дж/мм². Предлагаемое изобретение позволяет снизить болевые ощущения пациента при выполнении перфорации кожного покрова и сформировать необходимую ранку для получения требуемого объема пробы крови. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к медицинской аппаратуре для облучения лазерным излучением, в частности к устройствам бесконтактной перфорации кожного покрова лазерным излучением для забора проб крови.

Известно устройство бесконтактной перфорации кожного покрова для забора крови [1] , содержащее импульсный лазер, оптическую фокусирующую систему и систему наведения сфокусированного лазерного излучения, причем энергия излучения лазера E, фокусное расстояние фокусирующей системы F и расходимость лазерного излучения Θ (рад.) заданы соотношениями:
0,01 Дж ≤ E ≤ 1,5 Дж,
0,05мм ≤ θ•F ≤ 1,5 мм.
В аналогичном устройстве [2] заданы следующие соотношения:
0,5 Дж ≤ E ≤ 4 Дж,
0,2 мм ≤ d ≤ 1,5 мм,
где d - диаметр сфокусированного лазерного пучка.

Известные устройства позволяют оператору (медперсоналу) нанести сфокусированным лазерным излучением на пальце пациента кожную ранку для забора проб крови. Для этого палец пациента вводят в зону фокальной плоскости фокусирующей системы перфоратора, выполняют наводку на требуемое место перфорации по визуально видимому излучению подсветки, устанавливают требуемый режим энергии лазера и включают генерирование лазерного импульса. Поперечные размеры ранки соответствуют размерам сфокусированного лазерного пучка на поверхности кожного покрова пальца пациента, а глубина ранки определяется энергией импульса излучения лазера.

Для выполнения различных анализов крови требуются различные объемы проб крови. В зависимости от этого целесообразно выполнять и соответствующую величину размеров ранки. В известных устройствах для увеличения размеров ранки увеличивают энергию лазерного излучения, что вызывает возрастание глубины ранки.

Глубину ранки h можно оценить с помощью выражения [2]:

где S - площадь поперечного сечения ранки,
K - коэффициент эффективности абляции биоткани кожи (K _≃ 0,54 • 10^-3 г/Дж);
ρ - плотность биоткани кожи ( ρ ≃ 1 г/см³).

Так для E = 1,5 Дж, d = 0,5 мм ( ρ ≃ 0,2 мм²) получим h ≈ 4 мм.

Однако при выполнении перфорации у пациента могут возникать повышенные болевые ощущения, связанные с физическим процессом образования ранки. Излучение используемых в перфораторах лазеров в спектральном диапазоне 2-12 мкм из-за поглощения в содержащейся в биоткани воде имеет малую глубину проникновения в биоткань [3]. Так проникновение в биоткань излучения эрбиевого лазера ( λ =2,94 мкм), наиболее широко используемого в перфораторах, не превышает нескольких микрометров из-за резонансного поглощения в воде биоткани. В результате воздействия импульса лазерного излучения на биоткань кожи в зоне фокусировки происходит взрывное испарение внутри - и внеклеточной воды, структура материала биоткани кожи разрушается и образуется ранка. При глубокой ранке с небольшими поперечными размерами выход паров воды и разрушенного материала биоткани из ранки во внешнюю среду затрудняется. Ударное воздействие паров происходит в объеме ранки из-за реактивного давления паров на биоструктуры кожи, расположенные под зоной испарения, что и вызывает у пациента повышенные болевые ощущения.

Целью настоящего изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик лазерного перфоратора, обеспечивающих уменьшение болевых ощущений пациента при перфорации кожного покрова для забора проб крови.

Поставленная цель достигается тем, что перфоратор кожного покрова, содержащий импульсный лазер, оптическую фокусирующую систему и систему наведения содержит устройство для размещения поверхности перфорируемого кожного покрова в зоне фокусировки лазерного излучения между фокусирующей системой и ее фокальной плоскостью на расстоянии 1,5-8 мм от фокальной плоскости, при этом фокусное расстояние фокусирующей системы F, диаметр фокусируемого лазерного пучка b, диаметр сфокусированного лазерного пучка на поверхности кожи d и плотность энергии лазерного излучения на поверхности кожи W заданы следующими соотношениями:

0,2 Дж/мм² ≤ W ≤ 6,0 Дж/мм².

Изменение размеров ранки достигается не только варьированием глубины ранки путем регулировки энергии лазерного излучения, но и изменением поперечных размеров ранки путем
а) регулировки угла между осью лазерного пучка и нормалью к поверхности перфорируемого кожного покрова до значений превышающих 45^o;
б) введения в фокусирующую систему рассеивающей цилиндрической линзы, при этом фокусное расстояние фокусирующей системы в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра цилиндрической линзы F_ц, и фокусное расстояние фокусирующей системы в плоскости, проходящей через ось цилиндра цилиндрической линзы F, заданы соотношением:
F_ц ≥ 1,2 F;
в) регулировки положения поверхности перфорируемого кожного покрова вдоль оси лазерного пучка.

При этом, согласно предполагаемому изобретению, образуется конусообразная по глубине, раскрывающаяся к поверхности кожного покрова форма ранки. Такая форма ранки обеспечивает более свободный выход паров воды и разрушенного материала биоткани из ранки во внешнюю среду, что в результате и приводит к снижению болевых ощущений у пациента. Ограничение на соотношение d•F/b снизу устанавливает то, что минимальный диаметр перетяжки лазерного пучка локализуется не на поверхности или вблизи к поверхности кожного покрова, а на достаточной глубине - в зоне кровеносных сосудов кожи, без образования перетяжки отверстия ранки. Ограничение сверху устанавливает то, что для глубоких ранок обеспечивается достаточная конусность отверстия ранки. Ограничение плотности энергии лазерного излучения позволяет установить предельную глубину ранки (в соответствии с (I) h ≲ 3,0 мм), примерно соответствующей глубине, образуемой при использовании механического скарификатора. Ограничения по углу между осью лазерного пучка и нормалью к поверхности перфорируемого кожного покрова, а также по фокусному расстоянию, связанному с рассеивающей цилиндрической линзой, устанавливают заметное влияние ( ≳ 20%) изменения поперечных размеров ранки. Регулировка положения поверхности перфорируемого кожного покрова вдоль оси лазерного пучка позволяет регулировать в определенных пределах и установить требуемый диаметр фокусировки лазерного пучка на поверхности кожи.

Использование предлагаемого решения особенно актуально при конструировании перфоратора, предназначенного для детей. В этом случае безболезненность перфорации является одним из весьма важных факторов. Причем для перфорации детской кожи достаточна энергия импульса лазерного излучения до 0.4 Дж. Такой уровень энергии позволяет значительно уменьшить весо-габаритные показатели перфоратора из-за уменьшения весо-габаритных показателей блока питания и излучателя импульсного лазера.

В этом случае оператор (медперсонал) при выполнении процедуры может держать такой инструмент непосредственно в руке и, следовательно, проводить более свободные манипуляции при выборе положения и требуемого места перфорации.

На чертеже приведен пример конструкции перфоратора кожного покрова, предназначенного для детей, где
1 - импульсный лазерный излучатель на иттрий-эрбий-алюминиевом гранате (длина волны излучения 2,94 мкм, энергия импульса излучения до 0,4 Дж, длительность лазерного импульса 600 мкс, диаметр лазерного пучка на выходе излучателя 3 мм, расходимость пучка лазерного излучения не более 10•10^-3 рад);
2-блок питания и управления лазерного излучателя 1 (обеспечивает регулировку энергии импульса лазерного излучения путем изменения энергии импульса накачки до 80 Дж, устанавливает предельную частоту повторения импульсов не более 0,01 Гц);
3 - тонкая положительная линза для фокусировки пучка лазерного излучения излучателя 1 (фокусное расстояние 30 мм, световой диаметр 10 мм);
4 - поворотная площадка с осевым отверстием 0,5 мм для размещения пальца пациента при выполнении перфорации (обеспечивает вывод сфокусированного пучка лазерного излучения на палец пациента так, что угол между осью пучка и нормально к поверхности перфорируемой кожи может быть установлен до 60^o);
5 - тубус, соосно установленный пучку лазерного излучения, в котором со стороны излучателя 1 закреплена линза 3, а с другой стороны закреплена поворотная площадка 4 так, что расстояние между линзой 3 и центром осевого отверстия площадки 4 составляет 25 мм (тубус обеспечивает наведение на палец пациента, размещенный на поворотной площадке 4, лазерного излучения, сфокусированного линзой 3, в начальной зоне перетяжки лазерного пучка диаметром ~ 0,5 мм и плотностью энергии излучения до ~ 2 Дж/мм²).

Перфоратор работает следующим образом. Оператор (медперсонал) устанавливает требуемый угол поворота площадки 4 и размещает на ней палец пациента таким образом, чтоб центр отверстия площадки 4 находился в требуемом месте выполнения ранки, и включает блок питания и управления 2 лазерного излучателя 1. Лазерный излучатель 1 генерирует импульс лазерного излучения. Пучок лазерного излучения с помощью линзы 3 фокусируется, причем минимальный диаметр перетяжки пучка локализуется в зоне фокальной плоскости на фокусном расстоянии 30 мм от линзы 3. Площадка 4, на которой размещен палец пациента, выбором длины тубуса 5 смещена от фокальной плоскости к линзе 3 на 5 мм. Поэтому на поверхности кожного покрова пальца пациента диаметр сфокусированного лазерного пучка будет несколько большим, чем диаметр пучка в фокальной плоскости. Конкретное значение диаметра пучка на кожном покрове зависит от размеров перетяжки лазерного пучка в направлении его распространения и определяется главным образом расходимостью лазерного излучения. Таким образом, в результате воздействия лазерного излучения на пальце пациента образуется требуемых размеров ранка конусообразной по глубине формы, выполненная наименее болезненным способом по сравнению с аналогичными ранками, выполненными с помощью других известных перфораторов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:
1. Патент РФ N 2005515, кл. A 61 N 5/06, 1991
2. Патент США N 5165418, кл. A 61 B 5/00, 1992
3. Электронная промышленность, 1984, в. 10, стр. 5.

Claims (4)

1. Перфоратор лазерный кожного покрова для забора проб крови, содержащий импульсный лазер, оптическую фокусирующую систему и систему наведения, отличающийся тем, что система наведения содержит устройство для размещения поверхности перфорируемого кожного покрова в зоне фокусировки лазерного излучения между фокусирующей системой и ее фокальной плоскостью на расстоянии 1,5 - 8 мм от фокальной плоскости, при этом фокусное расстояние фокусирующей системы F, диаметр фокусируемого лазерного пучка b, диаметр сфокусированного лазерного пучка на поверхности кожи d и плотность энергии лазерного излучения на поверхности кожи W заданы следующими соотношениями:

0,2 Дж/мм² ≤ W ≤ 6,0 Дж/мм².

2. Перфоратор по п.1, отличающийся тем, что угол между осью лазерного пучка и нормалью к поверхности перфорируемого кожного покрова составляет не менее 45^o.

3. Перфоратор по п.1, отличающийся тем, что оптическая фокусирующая система содержит рассеивающую цилиндрическую линзу, при этом фокусное расстояние фокусирующей системы в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра цилиндрической линзы, F_ц и фокусное расстояние фокусирующей системы в плоскости, проходящей через ось цилиндра цилиндрической линзы, заданы соотношением
F_ц ≥ 1,2F.

4. Перфоратор по п.1, отличающийся тем, что система наведения содержит устройство регулировки положения поверхности перфорируемого кожного покрова вдоль оси лазерного пучка