RU2174024C1

RU2174024C1 - Laser therapy device

Info

Publication number: RU2174024C1
Application number: RU2000132680/14A
Authority: RU
Inventors: Е.В. Кижаев; В.Е. Мнускин; Л.А. Остапенко; Ф.Ф. Муфазалов
Original assignee: Кижаев Евгений Васильевич; Мнускин Владимир Ефимович; Остапенко Леонид Андреевич; Муфазалов Фагим Фанисович
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2001-09-27

Abstract

FIELD: medical engineering. SUBSTANCE: device has laser of visible range having polarizer set on its outlet with reversed dichroic mirror. Laser is wavelength-adjustable on dyes and solid body matrix. Its resonator unit has cam-type unit to enable the active member to rotate at the same time with its rolling along Archimedes spiral at constant linear speed and laser radiation transmitting system for delivering radiation to a biological object. EFFECT: enhanced effectiveness of treatment; reduced irradiation time. 1 dwg

Description

Изобретение относится к лазерной медицинской и биологической технике. The invention relates to laser medical and biological equipment.

Известные лазерные терапевтические установки, содержащие как газовые непрерывные (например, гелий-неоновые) [1], так и импульсно - периодические лазеры (например, полупроводниковые) [2], работающие на фиксированной длине волны излучения в видимой и ближней ИК - областях спектра соответственно. Недостатком указанной конструкции является то, что облучение биообъекта происходит на фиксированной длине волны, и, следовательно, существенно снижается терапевтический эффект от облучения в зависимости от индивидуальной восприимчивости пациента. Known laser therapeutic units containing both continuous gas (eg helium-neon) [1] and pulsed-periodic lasers (eg semiconductor) [2] operating at a fixed radiation wavelength in the visible and near-IR spectral regions, respectively . The disadvantage of this design is that the irradiation of the biological object occurs at a fixed wavelength, and, therefore, significantly reduces the therapeutic effect of radiation, depending on the individual susceptibility of the patient.

Известен также биомедицинский аппарат, содержащий лазер на парах меди в качестве источника видимого излучения, на выходе которого установлен дополнительный лазер на растворах органических соединений (красителей), работающий с частотой повторения импульсов 8 кГц в спектральном диапазоне 550 - 750 нм [3]. Also known is a biomedical apparatus containing a copper vapor laser as a source of visible radiation, at the output of which an additional laser based on solutions of organic compounds (dyes) is installed, operating with a pulse repetition rate of 8 kHz in the spectral range of 550 - 750 nm [3].

Недостатком данной конструкции является низкая стабильность энергетических характеристик лазерного излучения из-за конвекционной неустойчивости растворов органических красителей. Кроме того, растворы органических красителей (рабочая концентрация) обладают недостаточно высокой фотостойкостью, что существенно влияет на их сохраняемость (т.к. растворы готовятся заранее и хранятся в герметичных кюветах) и ресурс (долговечность) работы. В результате оператор вынужден производить дополнительные операции по подготовке установки к работе перед каждым лечебным сеансом. The disadvantage of this design is the low stability of the energy characteristics of laser radiation due to convective instability of solutions of organic dyes. In addition, solutions of organic dyes (working concentration) do not have high enough photostability, which significantly affects their shelf life (because solutions are prepared in advance and stored in sealed cells) and the resource (durability) of work. As a result, the operator is forced to perform additional operations to prepare the unit for operation before each treatment session.

Наиболее близким решением из известных является устройство для лазерной терапии, включающее лазер видимого излучения (в данном случае - вторая гармоника (λ = 532 нм) лазера на гранате), на выходе которого установлен безжидкостной лазер на красителях в твердотельной матрице, и канал передачи лазерного излучения на биообъект [4]. The closest solution from the known ones is a device for laser therapy, including a visible laser (in this case, the second harmonic (λ = 532 nm) of a garnet laser), at the output of which there is a liquid-free dye laser in a solid-state matrix, and a laser transmission channel on the biological object [4].

Используемая в качестве активного элемента твердотельная матрица представляет собой диск из полиметилметакрилата с равномерно распределенными по его объему органическим красителем - родамин 6Ж, родамин С, оксазин 17, феноламин 510, оксазин 1, или кристаллов Li F со стабилизированными F₂ ⁺ центрами. За счет этого обеспечивается индивидуальный подбор режима терапевтического воздействия в диапазоне длин волн 550 - 1040 нм.The solid-state matrix used as an active element is a disk made of polymethyl methacrylate with an organic dye uniformly distributed over its volume - rhodamine 6G, rhodamine C, oxazine 17, phenolamine 510, oxazine 1, or Li F crystals with stabilized F ₂ ⁺ centers. Due to this, an individual selection of the therapeutic regimen in the wavelength range of 550 - 1040 nm is provided.

Работоспособность обеспечивается введенной в резонатор лазера на красителях системой вращения твердотельной матрицы, осуществляющей сканирование луча лазера видимого диапазона по поверхности твердотельной матрицы, причем скорость вращения (V) и апертура сканируемого луча (α) связаны соотношением:
V = f α /2 π R,
где f - частота повторения импульсов излучения лазера видимого диапазона,
a R - радиус вращения твердотельной матрицы.The operability is ensured by the rotation system of the solid-state matrix introduced into the dye laser resonator, which scans the visible laser beam on the surface of the solid-state matrix, and the rotation speed (V) and the aperture of the scanned beam (α) are related by the ratio:
V = f α / 2 π R,
where f is the pulse repetition frequency of the visible laser,
a R is the radius of rotation of the solid-state matrix.

Недостатком прототипа является низкая спектрально - энергетическая эффективность лазерного излучения из-за влияния как поляризации, так и ИК - спектра излучения лазера видимого диапазона на мощность генерации лазера на красителях, что приводит к увеличению времени проведения лечебного воздействия и существенному снижению терапевтического эффекта. The disadvantage of the prototype is the low spectral and energy efficiency of laser radiation due to the influence of both the polarization and the IR spectrum of the visible laser on the dye laser power, which leads to an increase in the time of treatment and a significant decrease in the therapeutic effect.

Кроме того, из-за малого диаметра (~100 мкм) луча накачки, сфокусированного на поверхность активного элемента лазера на красителях (твердотельной матрицы), используемая система вращения обеспечивает площадь сканированной поверхности активного элемента (получаемой в виде отдельных концентрических окружностей) весьма незначительного размера. Поэтому в работе лазера на красителях используется небольшая часть площади активного элемента, что существенно ограничивает время эксплуатации (долговечность) прибора. In addition, due to the small diameter (~ 100 μm) of the pump beam focused on the surface of the active element of the dye laser (solid-state matrix), the rotation system used provides the area of the scanned surface of the active element (obtained as separate concentric circles) of a very small size. Therefore, in the operation of the dye laser, a small part of the area of the active element is used, which significantly limits the operating time (durability) of the device.

Техническая сущность изобретения заключается в повышении спектрально-энергетической эффективности лазерного излучения в период проведения лечебного воздействия при одновременном сокращении времени облучения и увеличении долговечности аппарата. The technical essence of the invention is to increase the spectral and energy efficiency of laser radiation during the treatment period while reducing the exposure time and increasing the durability of the apparatus.

Указанная цель достигается тем, что лазерный терапевтический аппарат содержит безжидкостной лазер видимого диапазона (вторая гармоника лазера на алюминате иттрия), на выходе которого установлен поляризатор с возвратным дихроичным зеркалом и перестраиваемый по длинам волн лазер на красителях в твердотельной матрице, и канал неинвазивной передачи лазерного излучения на биобъект. This goal is achieved by the fact that the laser therapeutic apparatus contains a liquid-free visible-range laser (second harmonic of a yttrium aluminate laser), at the output of which there is a polarizer with a return dichroic mirror and a dye laser tunable by wavelengths in a solid-state matrix, and a non-invasive laser transmission channel on the biological object.

В отличие от прототипа на выходе лазера видимого диапазона устанавливается поляризатор из кристаллического кварца, поворачивающий плоскость поляризации таким образом, чтобы вектор электрического поля E излучения лазера видимого диапазона лежал в плоскости резонатора перестраиваемого лазера на красителях в твердотельной матрице, и возвратное дихроичное зеркало, которое является прозрачным для видимого (λ = 534 нм) и глухим для ИК - спектра (λ = 1064 нм) излучения накачки. При совпадении векторов линейной поляризации лазера накачки и лазера на красителях в твердотельной матрице и фильтрации ИК - спектра излучения лазера накачки обеспечивается максимальная спектрально - энергетическая эффективность лазерного излучения аппарата. Unlike the prototype, a crystal quartz polarizer is installed at the output of the visible laser, turning the plane of polarization so that the vector of the electric field E of the visible laser lies in the resonator plane of the tunable dye laser in the solid-state matrix, and a return dichroic mirror, which is transparent for visible (λ = 534 nm) and deaf for the IR spectrum (λ = 1064 nm) pump radiation. When the linear polarization vectors of the pump laser and the dye laser in the solid-state matrix coincide and the IR spectrum of the pump laser is filtered, the maximum spectral and energy efficiency of the laser radiation of the apparatus is ensured.

Долговечность и ресурс работы активного элемента - красителя в твердотельной матрице, выполненного в виде плоскопараллельного диска, обеспечивается устройством кулачкового типа, осуществляющим вращение активного элемента совместно с его качанием по спирали Архимеда с постоянной линейной скоростью. При этом обеспечивается практически равная всей поверхности активного элемента площадь поверхности сканирования. The durability and working life of the active element - the dye in the solid-state matrix, made in the form of a plane-parallel disk, is provided by a cam-type device that rotates the active element together with its swinging along the spiral of Archimedes at a constant linear speed. This ensures that the scanning surface area is almost equal to the entire surface of the active element.

Использование предлагаемой конструкции лазерного терапевтического аппарата позволяет значительно повысить его спектрально - энергетическую эффективность, на порядок увеличить время эксплуатации без замены активного элемента и, следовательно, сократить время как на подготовку аппарата к работе, так и на проведение лечебного воздействия. The use of the proposed design of a laser therapeutic apparatus can significantly increase its spectral - energy efficiency, increase the operating time by an order of magnitude without replacing the active element, and, therefore, reduce the time required to prepare the apparatus for operation and to conduct therapeutic treatment.

На чертеже представлена структурно - функциональная схема аппарата. The drawing shows a structural - functional diagram of the apparatus.

Аппарат содержит безжидкостной лазер 1 видимого диапазона излучения, например, лазер на алюминате иттрия, дихроичное возвратное зеркало 2 и поляризатор 3, а также перестраиваемый по длинам волн лазер на красителях в твердотельной матрице 4 с устройством вращения и сканирования луча накачки 5 и систему передачи лазерного излучения на биообъект 6 на основе гибкого световода. Вся конструкция выполнена в едином корпусе. The apparatus contains a liquid-free laser 1 of the visible radiation range, for example, a yttrium aluminate laser, a dichroic return mirror 2 and a polarizer 3, as well as a wavelength-tunable dye laser in a solid-state matrix 4 with a rotation and scanning unit for the pump beam 5 and a laser radiation transmission system on bioobject 6 based on a flexible fiber. The whole structure is made in a single housing.

В конкретном варианте исполнения лазерного терапевтического аппарата поляризатор выполнен из кристаллического кварца размером 3.5 мм x 10 мм x 10 мм, дихроичное возвратное зеркало - диаметром 20 мм и толщиной 5 мм, а твердотельная матрица - в виде диска диаметром 50 мм и толщиной 8 мм из полиметилметакрилата с равномерно распределенными по его объему органическими красителями - родамином 6Ж, родамином C, оксазином 17, феноламином 510, оксазином 1 или кристаллов Li F со стабилизированным F₂ ⁺ - центрами. Оптическая накачка активного элемента - красителя в твердотельной матрице, установленного под углом Брюстера к оптической оси резонатора (для уменьшения потерь), осуществляется 2-й гармоникой (λ = 534 нм) лазера 1 по продольной схеме накачки. Селекция необходимой длины волны излучения аппарата обеспечивается призменным дисперсионным резонатором лазера 4, а перестройка длины волны излучения - поворотом глухого зеркала в плоскость резонатора лазера 4.In a specific embodiment of the laser therapeutic apparatus, the polarizer is made of crystalline quartz measuring 3.5 mm x 10 mm x 10 mm, the dichroic return mirror is 20 mm in diameter and 5 mm thick, and the solid-state matrix is in the form of a disk with a diameter of 50 mm and 8 mm thick of polymethyl methacrylate with organic dyes uniformly distributed over its volume - rhodamine 6G, rhodamine C, oxazine 17, phenolamine 510, oxazine 1 or Li F crystals with stabilized F ₂ ⁺ centers. Optical pumping of the active element, a dye in a solid-state matrix, mounted at a Brewster angle to the optical axis of the resonator (to reduce losses), is carried out by the 2nd harmonic (λ = 534 nm) of laser 1 according to the longitudinal pump scheme. The selection of the required radiation wavelength of the apparatus is provided by a prism dispersion laser resonator 4, and the adjustment of the radiation wavelength is provided by turning a deaf mirror into the plane of the laser resonator 4.

Аппарат обеспечивает проведение неинвазивного лазеротерапевтического воздействия на патологический очаг в диапазоне длин волн от 550 нм до 1050 нм импульсами короткой длительности до 2•10^-8 с, с частотой повторения импульсов 1 - 3 Гц и энергией в импульсе 0.25 - 1.5 мДж.The device provides a non-invasive laser therapeutic effect on the pathological lesion in the wavelength range from 550 nm to 1050 nm with pulses of short duration up to 2 • 10 ^-8 s, with a pulse repetition rate of 1 - 3 Hz and an energy of 0.25 - 1.5 mJ per pulse.

Экспериментальные образцы устройства, изготовленные в соответствии с заявленным техническим решением, прошли успешно клинические испытания в Главном военном Клиническом госпитале им. Н.Н. Бурденко МОРФ (радиологический центр, физиотерапевтическое отделение и отделение интенсивной терапии), Центральном военном научно-исследовательском авиационном госпитале (физиотерапевтическое отделение) МОРФ, Башкирском онкодиспансере г. Уфа. Российской медицинской академии последипломного обучения МЗ и МП РФ (радиологический центр, кафедра клинической радиологии, кафедра военно-полевой терапии), Российском научном центре реабилитации и физиотерапии МЗ и МП РФ и подтвердили эффект, изложенный в описании изобретения. Experimental samples of the device, made in accordance with the claimed technical solution, have successfully passed clinical trials at the Main Military Clinical Hospital named after N.N. Burdenko MORF (radiological center, physiotherapy department and intensive care unit), Central Military Research Aviation Hospital (physiotherapeutic department) MORF, Bashkir Oncology Center, Ufa. The Russian Medical Academy of Postgraduate Education of the Ministry of Health and Medicine of the Russian Federation (Radiological Center, Department of Clinical Radiology, Department of Military Field Therapy), Russian Scientific Center for Rehabilitation and Physiotherapy of the Ministry of Health and Medical Sciences of the Russian Federation confirmed the effect described in the description of the invention.

Источники информации
1. Александров М.Т., Бойкова Р.А., Журкин А.В. и др. Применение гелий-неонового лазера в стоматологии. Электронная промышленность, 1979 г., вып. 8-9, с. 56-58.Sources of information
1. Alexandrov M.T., Boykova R.A., Zhurkin A.V. et al. Use of a helium-neon laser in dentistry. Electronic Industry, 1979, no. 8-9, p. 56-58.

2. Каталог медицинских электронных приборов, 1990 г., N 3, с. 29-30. 2. Catalog of medical electronic devices, 1990, N 3, p. 29-30.

3. Авторское свидетельство СССР N 1396325, кл. A 61 N 5/6 от 29.04. 1984 г. 3. Copyright certificate of the USSR N 1396325, cl. A 61 N 5/6 dated April 29. 1984 year

4. Свидетельство на полезную модель N 285, Бюллетень изобретений и открытий N 3, 1995 г. - прототип. 4. Certificate for utility model N 285, Bulletin of inventions and discoveries N 3, 1995 - prototype.

Claims

A laser therapeutic apparatus comprising a visible-range laser, a tunable dye laser in a solid-state matrix with a rotation system and a non-invasive transmission of laser radiation to a biological object, characterized in that a polarizer with a return dichroic mirror is mounted at the output of the visible-range laser so that the vector is linear the visible laser polarization coincides with the linear polarization vector of the tunable dye laser, while the tunable laser resonator on dyes, it contains a cam-type device that rotates the active element in the solid-state matrix together with its swinging in a spiral of Archimedes with a constant linear speed.