RU2163790C1

RU2163790C1 - Scanning system

Info

Publication number: RU2163790C1
Application number: RU99115975A
Authority: RU
Inventors: А.Р. Золотарева; В.Б. Куликов; С.Л. Погорельский; В.А. Телышев; А.Г. Шипунов; О.Г. Якунин
Original assignee: Государственное унитарное предприятие "Конструкторское бюро приборостроения"
Priority date: 1999-07-21
Filing date: 1999-07-21
Publication date: 2001-03-10

Abstract

FIELD: medical engineering. SUBSTANCE: device has surgical COCO₂-laser producing continuous beam, manipulator unit, scanning unit with control unit mounted on the manipulator end and lens focusing radiation on biological tissue. Scanning unit has two optical wedges having different wedging properties. The wedges are glued into gears making engagement with double gear fixed on electromotor shaft by means of nut. It enables wedges to rotate at different angular speeds relative to each other. The wedges scan the coming laser beam in this way on helical surface. EFFECT: simplified structure; uniform tissue irradiation. 4 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской технике - лазерные медицинские аппараты, однако может быть использовано и в других областях приборостроения. The invention relates to medical equipment - laser medical devices, but can be used in other areas of instrumentation.

Известен лазерный хирургический аппарат [1], содержащий хирургический лазер, пилотный лазер, устройство совмещения пучков обоих лазеров и манипулятор, снабженный фокусирующей оптической системой. В аппарат введена формирующая оптическая система, расположенная между хирургическим лазером и манипулятором, кинематически связанный с ней привод и устройство управления приводом. Формирующая оптическая система содержит сменные, вводимые в пучок или перемещаемые вдоль оси, линзы. При смене или перемещении линз приводом изменяется размер перетяжки хирургического пучка на выходе манипулятора. Смена размера перетяжки может осуществляться оперативно в ходе хирургического воздействия. Положение перетяжки на выходе манипулятора не изменяется при смене или перемещении линз. Указание точки фокусировки осуществляется при помощи двух пилотных пучков, пересекающихся в перетяжке хирургического пучка на выходе манипулятора. Два пилотных пучка получаются расщеплением пучка пилотного лазера и направляются отражателями в манипулятор. Known laser surgical apparatus [1], containing a surgical laser, a pilot laser, a device for combining the beams of both lasers and a manipulator equipped with a focusing optical system. A forming optical system located between the surgical laser and the manipulator, a kinematically connected drive and a drive control device is introduced into the apparatus. The forming optical system contains interchangeable lenses introduced into the beam or moved along the axis. When changing or moving lenses, the size of the constriction of the surgical beam at the exit of the manipulator changes. A change in the size of the constriction can be carried out promptly during surgical intervention. The position of the waist at the exit of the manipulator does not change when changing or moving lenses. The focus point is indicated using two pilot beams intersecting in the constriction of the surgical beam at the exit of the manipulator. Two pilot beams are obtained by splitting the pilot laser beam and are guided by reflectors to the manipulator.

Острота фокусировки излучения хирургического лазера, т. е. размер перетяжки на выходе манипулятора, и мощность излучения определяют условия воздействия на биоткань. Изменяя размер перетяжки, возможно в широких пределах менять скорость реза, объемного испарения, коагуляции биоткани, но глубокое проникновение излучения в ткань может привести к ее термическому некрозу и обугливанию с возможными выделениями и кровотечением и дальнейшему рубцеванию, что ограничивает применение лазера в медицине, особенно в пластической хирургии. The sharpness of focusing of the radiation of a surgical laser, i.e., the size of the waist at the output of the manipulator, and the radiation power determine the conditions of exposure to biological tissue. By changing the size of the waist, it is possible to widely change the speed of cutting, volumetric evaporation, and coagulation of biological tissue, but the deep penetration of radiation into the tissue can lead to thermal necrosis and carbonization with possible secretions and bleeding and further scarring, which limits the use of the laser in medicine, especially in plastic surgery.

Для уменьшения этих негативных последствий необходимая плотность мощности лазера должна обеспечиваться в течение короткого времени, чтобы избежать повреждения нижележащих слоев ткани, в то же время желательно иметь диаметр пятна не менее 3 мм, чтобы обеспечить управляемость удаления ткани, поскольку меньший диаметр приводит к значительным повреждениям краев и потере контроля над операционным полем. To reduce these negative consequences, the necessary laser power density should be provided for a short time to avoid damage to the underlying tissue layers, while at the same time it is desirable to have a spot diameter of at least 3 mm to ensure controllability of tissue removal, since a smaller diameter leads to significant damage to the edges and loss of control over the operating field.

Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является система для удаления облученной части живой ткани без повреждения нижележащих слоев по патенту [2], которая содержит лазер, генерирующий непрерывный CO₂-луч, манипулятор, передающий лазерное излучение, развертывающее устройство с блоком управления, закрепленное на конце манипулятора, и линзу, фокусирующую излучение на биоткань. Развертывающее устройство состоит из 2 зеркал, каждое из которых вращается своим двигателем. Зеркала фиксируются на осях двигателей под углом к оси вращения. Двигатели с зеркалами располагаются под углом 45^o к лучу хирургического лазера и к плоскости операционного поля. При вращении двигателей с различными скоростями происходит развертывание луча хирургического лазера вдоль двух ортогональных осей по фигурам Лиссажу.Closest to the claimed technical solution is a system for removing the irradiated part of living tissue without damaging the underlying layers according to the patent [2], which contains a laser generating a continuous CO ₂ beam, a manipulator that transmits laser radiation, a deployment device with a control unit attached to the end a manipulator, and a lens that focuses radiation on a biological tissue. The development device consists of 2 mirrors, each of which rotates with its own engine. Mirrors are fixed on the axes of the engines at an angle to the axis of rotation. Engines with mirrors are located at an angle of 45 ^o to the beam of the surgical laser and to the plane of the surgical field. When engines with different speeds rotate, the surgical laser beam is deployed along two orthogonal axes according to the Lissajous figures.

Недостатками этого технического решения являются:
- сложность конструкции;
- форма образца сканирования луча.The disadvantages of this technical solution are:
- design complexity;
- the shape of the beam scan sample.

Сложность конструкции заключается в необходимости точного взаимного расположения центров вращения зеркал друг относительно друга и в обеспечении точного углового положения каждого зеркала к оси вращения двигателя. The complexity of the design lies in the need for accurate mutual arrangement of the centers of rotation of the mirrors relative to each other and in ensuring the exact angular position of each mirror to the axis of rotation of the engine.

Форма образца сканирования луча, называемая фигурами Лиссажу, представляет ортогонально пересекающиеся эллипсы, что приводит к двойному облучению одного и того же участка ткани. The shape of the beam scan sample, called Lissajous figures, represents orthogonally intersecting ellipses, which leads to double irradiation of the same tissue site.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции и изменение формы образца сканирования луча для достижения более равномерного облучения ткани. The objective of the invention is to simplify the design and change the shape of the sample scanning beam to achieve a more uniform irradiation of tissue.

Для достижения поставленной цели в системе сканирующей, содержащей хирургический CO₂-лазер, генерирующий непрерывный луч, и манипулятор, передающий излучение, развертывающее устройство с блоком управления, закрепленное на конце манипулятора, и фокусирующую линзу, развертывающее устройство выполнено в виде двух оптических клиньев с разной клиновидностью, вклеенных в зубчатые колеса, которые находятся в зацеплении с двухвенцовой шестерней, закрепленной на валу электродвигателя, управляемого по программе в пределах цикла, определяемого срабатыванием датчиков взаимного положения клиньев. Электродвигатель вращает оптические клинья в одну сторону с переменными угловыми скоростями W_i и w_i, но при W_i / w_i = const, что обеспечивает развертывание проходящего лазерного луча по спирали, траектория которой определяется из уравнений:
X_i = R_cos(W_it_i) + r_cos(w_it_i) (1)
Y_i = R_sin(W_it_i) + r_sin(w_it_i) (2)
где i - индекс точки на графике траектории сканирования,
R - радиус окружности, получаемой при вращении первого клина,
r - радиус окружности, получаемой при вращении второго клина, причем R > r,
W_i - угловая скорость вращения первого клина,
w_i - угловая скорость вращения второго клина,
t_i = t_maxi/N - время, прошедшее с начала цикла,
где N - число точек на графике траектории сканирования,
t_max - время, за которое совершается один цикл.To achieve this goal in a scanning system containing a surgical CO ₂ laser generating a continuous beam and a radiation transmitting arm, a deployment device with a control unit attached to the end of the manipulator, and a focusing lens, the deployment device is made in the form of two optical wedges with different wedge-shaped glued into the gears, which are meshed with a two-pinion gear mounted on the shaft of an electric motor, controlled by the program within the cycle defined triggering the sensors of the relative position of the wedges. The electric motor rotates the optical wedges in one direction with variable angular velocities W _i and w _i , but at W _i / w _i = const, which ensures the deployment of the transmitted laser beam in a spiral, the trajectory of which is determined from the equations:
X _i = R _cos (W _i t _i ) + r _cos (w _i t _i ) (1)
Y _i = R _sin (W _i t _i ) + r _sin (w _i t _i ) (2)
where i is the index of the point on the graph of the scan path,
R is the radius of the circle obtained by rotation of the first wedge,
r is the radius of the circle obtained by rotation of the second wedge, with R> r,
W _i - the angular velocity of rotation of the first wedge,
w _i - the angular velocity of rotation of the second wedge,
t _i = t _max i / N is the time elapsed since the beginning of the cycle,
where N is the number of points on the graph of the scan path,
t _max - time for which one cycle is completed.

Разность R и r такова, что наименьший радиус траектории отличается от 0 на величину, равную половине диаметра пятна сканируемого излучения. The difference between R and r is such that the smallest radius of the trajectory differs from 0 by an amount equal to half the diameter of the spot of the scanned radiation.

Диски с пазами, выставленные относительно клиньев, обеспечивают срабатывание датчиков взаимного положения клиньев через равное количество оборотов двигателя, что позволяет управлять скоростью вращения электродвигателя по программе в пределах цикла сканирования, добиваясь более равномерного распределения плотности мощности излучения. Disks with grooves set relative to the wedges provide the sensors of the relative position of the wedges through an equal number of engine revolutions, which allows you to control the speed of the electric motor according to the program within the scan cycle, achieving a more uniform distribution of the radiation power density.

Предлагаемое техническое решение поясняется фиг. 1 - 4, где на фиг. 1 представлен общий вид системы сканирующей, на фиг. 2 представлено развертывающее устройство, на фиг. 3 представлены датчики взаимного положения клиньев и на фиг. 4 представлен образец траектории сканирования луча. The proposed technical solution is illustrated in FIG. 1 to 4, where in FIG. 1 is a perspective view of a scanning system; FIG. 2 shows a deployment device, FIG. 3 presents the sensors of the relative position of the wedges and in FIG. 4 shows a sample of a beam scanning path.

Общий вид системы сканирующей поясняет фиг. 1. Излучение хирургического лазера 1 совмещается с излучением пилотного лазера 2 в устройстве совмещения пучков обоих лазеров 3. Совмещенные лазерные пучки манипулятором 4, на конце которого накидной гайкой 5 закреплено развертывающее устройство 6, доставляются к биоткани и фокусируются линзой 17 в пятно воздействия. A general view of the scanning system is illustrated in FIG. 1. The radiation of the surgical laser 1 is combined with the radiation of the pilot laser 2 in the device for combining the beams of both lasers 3. The combined laser beams by the manipulator 4, at the end of which a deployment device 6 is mounted with a union nut 5, are delivered to the biological tissue and focused by the lens 17 into the exposure spot.

Развертывающее устройство поясняется фиг. 2. Развертывающее устройство состоит из двух оптических клиньев 7 и 8 с разной клиновидностью, вклеенных в зубчатые колеса 9 и 10, кинематически связанные с двухвенцовой шестерней 11, закрепленной на валу электродвигателя 12 гайкой 13. Зубчатые колеса на подшипниках 14 стоят в корпусах 15 и 16, соединенных друг с другом. На конце корпуса 15 находится фокусирующая линза 17. Корпуса помещены в защитные кожуха 18 и 19 со сменным наконечником 20, снабженным штуцером 21 для дымоотвода. The deployment device is illustrated in FIG. 2. The development device consists of two optical wedges 7 and 8 with different wedges glued to the gears 9 and 10 kinematically connected to the two-pinion gear 11 mounted on the shaft of the electric motor 12 by the nut 13. The gear wheels on the bearings 14 are housed in housings 15 and 16 connected to each other. At the end of the housing 15 is a focusing lens 17. The housings are placed in a protective casing 18 and 19 with a replaceable tip 20, equipped with a fitting 21 for flue.

Фиг. 3 поясняет положение дисков с пазами 22 и 23, выставленных относительно клиньев. Совмещение пазов обоих дисков приводит к срабатыванию датчиков взаимного положения клиньев 24 и 25. FIG. 3 illustrates the position of the disks with grooves 22 and 23 set relative to the wedges. The combination of the grooves of both disks leads to the operation of the sensors of the relative position of the wedges 24 and 25.

Фиг. 4 представляет форму образца сканирования луча, траектория которого описывается уравнениями 1 и 2. FIG. 4 represents the shape of a beam scanning sample, the trajectory of which is described by equations 1 and 2.

Таким образом, в описанном выше развертывающем устройстве сканирование оптическими клиньями проходящего излучения позволяет в 2 раза снизить ошибку сканирования по сравнению с прототипом, где зеркала должны устанавливаться с половинными углами, а значит и с точностью, в 2 раза большей. Жесткая связь между клиньями, вращаемыми одним двигателем с W_i / w_i = const, исключает зависимость от параметров двигателя и значительно облегчает процесс его управления. Все это упрощает конструкцию развертывающего устройства, помогает добиться более равномерного распределения плотности мощности излучения и позволяет считать задачу предлагаемого изобретения выполненной.Thus, in the scattering device described above, scanning with optical wedges of transmitted radiation makes it possible to reduce the scanning error by 2 times in comparison with the prototype, where the mirrors must be installed with half angles, and therefore with an accuracy 2 times greater. The rigid connection between the wedges rotated by the same engine with W _i / w _i = const eliminates the dependence on the engine parameters and greatly facilitates the process of its control. All this simplifies the design of the deployment device, helps to achieve a more uniform distribution of the radiation power density and allows us to consider the task of the invention completed.

Источники информации
1. Лазерный хирургический аппарат, патент РФ N 2090157 C1 от 20.09.97 г. , МКИ A 61 B 17/36, A 61 N 5/16 - аналог.Sources of information
1. Laser surgical apparatus, RF patent N 2090157 C1 from 09/20/97, MKI A 61 B 17/36, A 61 N 5/16 - analogue.

2. Система для удаления облученной части живой ткани без повреждения нижележащих слоев, патент США 5411502 от 2.05.95 г., МКИ A 61 B 17/36 - прототип. 2. System for removing the irradiated part of living tissue without damaging the underlying layers, US patent 5411502 from 2.05.95, MKI A 61 B 17/36 - prototype.

Claims

Scanning system, consisting of an apparatus containing a surgical CO ₂ laser, generating a continuous beam and a manipulator, transmitting laser radiation, a deploying device with a control unit attached to the end of the manipulator, and a lens focusing the radiation on a biological tissue, characterized in that the deploying device consists of two optical wedges with different wedges glued to the gears, which are meshed with a two-pinion gear mounted on the shaft of an electric motor controlled by gram within the loop defined by the triggering sensors the mutual position of the wedges, with the possibility of optical wedges rotation in one direction with varying angular velocity W _i and w _i, but with respect to the velocity W _{_i} / w _i = const, and software deployment passing the laser beam in a spiral .