RU2207081C2

RU2207081C2 - Device for carrying out laser-assisted myocardium revascularization

Info

Publication number: RU2207081C2
Application number: RU2000128224/14A
Authority: RU
Inventors: А.П. Кубышкин; В.В. Васильцов; В.Я. Панченко
Original assignee: Кубышкин Александр Петрович; Васильцов Виктор Владимирович; Панченко Владислав Яковлевич
Priority date: 2000-11-14
Filing date: 2000-11-14
Publication date: 2003-06-27

Abstract

FIELD: medical engineering. SUBSTANCE: device has laser radiation source, manipulation unit provided with end piece, acoustic gage and laser. Circuit has unit for building control signal having circuit for comparing acoustic gage signal spectral components selected by applying band filters operating in acoustic oscillation frequency bandwidth specific for laser radiation interaction with cardiac muscle tissue and blood. EFFECT: reduced negative influence of laser radiation; reduced risk of blood vessel thrombosis. 2 dwg

Description

Изобретение относится к управлению системами оперативного вмешательства в организм человека с использованием лазерной техники, в частности управлению лазерной реваскуляризацией миокарда. The invention relates to the management of surgical intervention systems in the human body using laser technology, in particular the management of laser myocardial revascularization.

Известно устройство для проведения хирургических операций по восстановлению кровоснабжения мышцы миокарда путем перфорации узких сквозных каналов в стенке левого желудочка сердца пациента при помощи сфокусированного пучка излучения СО₂ лазера [1, 2] Импульсы лазерного излучения длительностью от 10 до 100 мс, мощностью 800 Вт, обеспечивающей плотность энергии 800 Дж/см² и более, достаточной для пробивки канала в мышце сердца за один импульс, синхронизируются с ритмами сердца.A device is known for performing surgical operations to restore blood supply to the myocardial muscle by perforating narrow through channels in the wall of the patient’s left ventricle using a focused beam of CO ₂ laser radiation [1, 2] Laser pulses of 10 to 100 ms duration, 800 W power, providing an energy density of 800 J / cm ² or more, sufficient to pierce the channel in the heart muscle in one pulse, is synchronized with the rhythms of the heart.

Недостатком указанного устройства является взаимодействие лазерного излучения большой мощности с кровью вследствие проникновения лазерного пучка внутрь сердца. При поглощении кровью лазерного излучения с плотностью энергии выше 3 Дж/см² образуется поток парогазовых пузырьков, распространяющийся в заполненном кровью объеме левого желудочка. Результатом теплового воздействия лазерного излучения на кровь может быть ее свертывание и формирование тромба. Образующиеся пузырьки газа и тромбы в крови представляют опасность закупоривания мелких кровеносных сосудов в организме человека. Устройство не обеспечивает возможности прерывания лазерного импульса после завершения пробивки канала, чтобы ограничить влияние мощного лазерного излучения на кровь.The disadvantage of this device is the interaction of high-power laser radiation with blood due to the penetration of the laser beam into the heart. When blood absorbs laser radiation with an energy density above 3 J / cm ² , a stream of vapor-gas bubbles forms, which propagates in the volume of the left ventricle filled with blood. The result of the thermal effect of laser radiation on blood may be its coagulation and the formation of a blood clot. The resulting gas bubbles and blood clots in the blood present a danger of clogging of small blood vessels in the human body. The device does not provide the ability to interrupt the laser pulse after completion of the punching of the channel in order to limit the effect of powerful laser radiation on the blood.

Известно устройство для диагностики лазерной реваскуляризации миокарда (прототип) [3] , включающее лазерные средства для создания лазерного луча (обычно СO₂-лазер), манипулятор для передачи лазерного излучения, наконечник для фокусировки и контакта лазерного излучения со стенкой сердца, ультразвуковой датчик и индикаторные средства для обнаружения завершения пробивки канала, созданного лазерным лучом.A known device for the diagnosis of laser myocardial revascularization (prototype) [3], including laser means for creating a laser beam (usually a CO ₂ laser), a manipulator for transmitting laser radiation, a tip for focusing and contact of laser radiation with the heart wall, an ultrasonic sensor and indicator means for detecting completion of punching of a channel created by a laser beam.

Недостатком устройства является отсутствие обратной связи между акустическим датчиком и лазером, что обеспечивало бы возможность прерывания лазерного излучения при появлении соответствующего сигнала датчика. В прототипе отсутствует возможность автоматического дозирования порции энергии лазерного импульса, необходимой и достаточной для пробивки сквозного канала в стенке сердца. The disadvantage of this device is the lack of feedback between the acoustic sensor and the laser, which would ensure the possibility of interruption of laser radiation when the corresponding sensor signal appears. In the prototype there is no possibility of automatically dosing a portion of the laser pulse energy, necessary and sufficient for punching a through channel in the heart wall.

Согласно описанию изобретения источником сигнала датчика в прототипе являются ультразвуковые волны, отраженные от паро-газовых пузырьков, возникающих вследствие проникновения лазерного излучения в кровь. Таким образом, необходимым условием появления сигнала в прототипе является образование достаточного количества пузырьков в крови. После срабатывания системы индикации о завершении пробивки канала время реакции человека на аудио- или видеоиндикатор составляет от 0,5 до 2 с, что исключает возможность управления параметрами лазерного импульса вручную. Заранее определить длительность и энергию лазерного импульса, достаточные для пробивки сквозного канала в мышце сердца, но исключающие взаимодействие излучения с кровью, невозможно из-за переменной толщины стенки сердца и вероятных флуктуаций параметров лазерного пучка. Поэтому в прототипе неизбежно проникновение лазерного излучения в кровь пациента с вероятными отрицательными последствиями, указанными выше. According to the description of the invention, the source of the sensor signal in the prototype are ultrasonic waves reflected from vapor-gas bubbles resulting from the penetration of laser radiation into the blood. Thus, a necessary condition for the appearance of a signal in the prototype is the formation of a sufficient number of bubbles in the blood. After triggering the indication system about the completion of channel punching, the human reaction time to an audio or video indicator is from 0.5 to 2 s, which eliminates the possibility of manually controlling the parameters of the laser pulse. It is impossible to determine in advance the duration and energy of a laser pulse sufficient for punching the through channel in the heart muscle, but excluding the interaction of radiation with blood, due to the variable thickness of the heart wall and the possible fluctuations of the laser beam parameters. Therefore, in the prototype, the penetration of laser radiation into the patient’s blood is inevitable with the likely negative consequences mentioned above.

Задача изобретения - обеспечить автоматическое прерывание лазерного излучения сразу после завершения пробивки канала с целью ограничения воздействия мощного лазерного излучения на кровь пациента во время лазерной реваскуляризации миокарда. The objective of the invention is to provide automatic interruption of laser radiation immediately after completion of the punching of the channel in order to limit the effect of powerful laser radiation on the patient’s blood during laser myocardial revascularization.

Указанная задача решается тем, что в устройство для диагностики лазерной реваскуляризации миокарда, включающее источник лазерного излучения, манипулятор с наконечником и акустический датчик, согласно изобретению дополнительно введена схема обратной связи, включающая блок формирования управляющего сигнала обратной связи, соединенный через усилитель с акустическим датчиком и соединенный с блоком управления лазером. This problem is solved in that in the device for diagnosing laser myocardial revascularization, including a laser source, a tip manipulator and an acoustic sensor, according to the invention, a feedback circuit is further included, including a feedback control signal generating unit connected through an amplifier to an acoustic sensor and connected with laser control unit.

Блок формирования управляющего сигнала может включать схему сравнения выделяемых полосовыми фильтрами спектральных компонент сигнала акустического датчика на частотах акустических колебаний, характерных для взаимодействия лазерного излучения с тканью мышцы сердца и кровью. The control signal generating unit may include a circuit for comparing the spectral components of the acoustic sensor signal emitted by bandpass filters at acoustic frequencies characteristic of the interaction of laser radiation with heart muscle tissue and blood.

В основе предлагаемого устройства лежит экспериментально установленный факт, что частота акустических колебаний, генерируемых струей пара, испускаемой из канала, проливаемого лазерным излучением в стенке мышцы сердца, зависит от положения дна канала. Характерная частота акустических колебаний определяется скоростью потока пара, истекающего из канала, V и диаметром канала d:
F=V/d.The basis of the proposed device is an experimentally established fact that the frequency of acoustic oscillations generated by a steam jet emitted from a channel shed by laser radiation in the wall of the heart muscle depends on the position of the bottom of the channel. The characteristic frequency of acoustic vibrations is determined by the flow rate of the steam flowing out of the channel, V and the channel diameter d:
F = V / d.

В момент прохождения дном канала задней стенки мышцы сердца, граничащей с кровью, и проникновения излучения в кровь условия истечения струи пара изменяются, соответственно изменяется и частота акустических колебаний. Сигнал управления прерыванием лазерного излучения формируется в момент изменения спектра колебаний, воспринимаемых акустическим датчиком. At the moment the bottom of the channel passes through the posterior wall of the heart muscle bordering the blood and the radiation penetrates into the blood, the conditions for the expiration of the steam jet change, and the frequency of acoustic vibrations changes accordingly. The control signal for the interruption of laser radiation is generated at the time of changing the spectrum of oscillations perceived by the acoustic sensor.

Фиг. 1 показывает схему предлагаемого устройства. FIG. 1 shows a diagram of the proposed device.

Устройство содержит акустический датчик 1, подключенный к входу усилителя сигнала 2, выход которого соединен с двумя аналоговыми полосовыми спектральными фильтрами 3 и 4, настроенными на выделение сигнала в областях спектра F₁ и F₂, соответствующих частотам акустических колебаний, возникающих при взаимодействии лазерного пучка с тканью мышцы сердца и кровью. Например, в качестве характерных частот акустических колебаний F₁ и F₂ могут быть приняты частоты F₁=1,2 кГц и F₂=3 кГц, связанные с колебаниями паровой струи, выбрасываемой из канала. Выходы фильтров 3 и 4 подключены к соответствующим входам компараторов 5 и 6, на другие входы которых подаются напряжения U₁ и U₂, задающие пороговый уровень их срабатывания. Выходы компараторов подключены к входу логической схемы 7, обеспечивающей сравнение временных интервалов сигналов компараторов и сигнала синхронизации лазера 8 от блока управления лазером и формирующей управляющий сигнал обратной связи для прерывания лазерного импульса 9, подаваемый на вход блока управления лазерным излучением. Спектральные фильтры 3 и 4, компараторы 5 и 6, а также схема сравнения временных интервалов 7 составляют блок формирования управляющего сигнала обратной связи 10.The device contains an acoustic sensor 1 connected to the input of the signal amplifier 2, the output of which is connected to two analog band-pass spectral filters 3 and 4, configured to isolate the signal in the spectral regions F ₁ and F ₂ corresponding to the frequencies of acoustic vibrations arising from the interaction of the laser beam with heart muscle tissue and blood. For example, the frequencies F ₁ = 1.2 kHz and F ₂ = 3 kHz associated with the vibrations of the steam jet ejected from the channel can be taken as characteristic frequencies of acoustic vibrations F ₁ and F ₂ . The outputs of the filters 3 and 4 are connected to the corresponding inputs of the comparators 5 and 6, the other inputs of which are supplied with voltage U ₁ and U ₂ , which determine the threshold level of their operation. The outputs of the comparators are connected to the input of the logic circuit 7, which compares the time intervals of the signals of the comparators and the synchronization signal of the laser 8 from the laser control unit and generates a control feedback signal to interrupt the laser pulse 9, which is fed to the input of the laser radiation control unit. Spectral filters 3 and 4, comparators 5 and 6, as well as a circuit for comparing time intervals 7 comprise a block for generating a feedback control signal 10.

Блок формирования управляющего сигнала обратной связи 10 может быть выполнен в виде микропроцессорного цифрового устройства, включающего аналого-цифровой преобразователь, процессор и программный код, реализующий алгоритм цифровой фильтрации сигнала, сравнения амплитуд спектральных гармоник, и формирующего управляющий сигнал обратной связи 9. The feedback control signal generating unit 10 can be made in the form of a microprocessor-based digital device, including an analog-to-digital converter, a processor, and program code that implements an algorithm for digital signal filtering, comparing the amplitudes of spectral harmonics, and generating a feedback control signal 9.

В устройство могут быть включены средства аудио- или видеоиндикации, информирующие хирурга о завершении пробивки канала лазерным лучом. The device may include audio or video indicators, informing the surgeon about the completion of the channel punching with a laser beam.

Принцип работы предлагаемого устройства поясняет фиг.2. The principle of operation of the proposed device is illustrated in figure 2.

Пучок лазерного излучения 11, передаваемый от лазера 12 с помощью манипулятора 13, фокусируется линзой 14 и направляется через наконечник 15 на находящуюся с ним в контакте поверхность оперируемого участка левого желудочка сердца 16, В результате взаимодействия лазерного излучения с мышечной тканью в стенке сердца формируется канал 17, который углубляется по мере продолжения воздействия лазерного импульса. The laser beam 11 transmitted from the laser 12 using the manipulator 13 is focused by the lens 14 and directed through the tip 15 onto the surface of the operated portion of the left ventricle of the heart that is in contact with it 16. As a result of the interaction of the laser radiation with muscle tissue, a channel 17 is formed in the heart wall which deepens as the laser pulse continues.

Поток испаренного лазерным излучением вещества 18 выбрасывается из канала через отверстия 19 наконечника 15. Генерируемые при этом звуковые колебания воспринимаются акустическим датчиком 1 и преобразуются в виде электрического сигнала 20, имеющего характерную частоту F₁, соответствующую этим акустическим колебаниям.The flow of the substance 18 vaporized by the laser radiation is ejected from the channel through the openings 19 of the tip 15. The sound vibrations generated in this case are sensed by the acoustic sensor 1 and converted into an electric signal 20 having a characteristic frequency F ₁ corresponding to these acoustic vibrations.

При достижении каналом внутренней границы мышцы сердца 16, контактирующей с кровью 21, наполняющей левый желудочек, условия истечения потока 18 на выходе из канала 17 изменяются, вследствие чего изменяются частота (F₂) и амплитуда электрического сигнала 20.When the channel reaches the inner border of the heart muscle 16 in contact with the blood 21 filling the left ventricle, the conditions for the flow 18 at the outlet of the channel 17 change, as a result of which the frequency (F ₂ ) and the amplitude of the electric signal 20 change.

Пройдя через усилитель 2, сигнал акустического датчика поступает на входы полосовых спектральных фильтров 3 или 4 блока формирования управляющего сигнала обратной связи 10, показанного на фиг.1. Фильтры выделяют спектральные компоненты сигнала S₁(t) и S₂(t) на частоте колебаний F₁ и F₂, соответствующих взаимодействию лазерного лучка 11 с различными участками сердца, а именно, со стенкой мышцы сердца 16 - F₁ и с кровью 21 - F₂. Далее сигналы поступают па соответствующие входы компараторов 5 или 6, где сравниваются с заданными пороговыми уровнями срабатывания U₁ или U₂. Значения U₁ и U₂ позволяют исключить срабатывание компараторов 5 и 6 от случайных электрических помех и шумов и устанавливаются так, чтобы компаратор 5 выдавал сигнал K₁, равный логической "1", при наличии сигнала S₁ на его входе и логического "0" - при отсутствии сигнала, а компаратор 6 выдавал сигнал К₂, равный "1", при наличии сигнала S₂ и "0" - при его отсутствии.After passing through the amplifier 2, the signal of the acoustic sensor is fed to the inputs of the band-pass spectral filters 3 or 4 of the block forming the control feedback signal 10, shown in figure 1. The filters isolate the spectral components of the signal S ₁ (t) and S ₂ (t) at the oscillation frequency F ₁ and F ₂ corresponding to the interaction of the laser beam 11 with different parts of the heart, namely, with the wall of the heart muscle 16 - F ₁ and with blood 21 - F ₂ . Next, the signals are fed to the corresponding inputs of the comparators 5 or 6, where they are compared with predetermined threshold levels of operation U ₁ or U ₂ . The values of U ₁ and U ₂ make it possible to exclude the operation of the comparators 5 and 6 from random electrical noise and noise and are set so that the comparator 5 produces a signal K ₁ equal to logical "1", if there is a signal S ₁ at its input and logical "0" - in the absence of a signal, and the comparator 6 gave a signal K ₂ equal to "1", in the presence of a signal S ₂ and "0" in its absence.

С выходов компараторов 5 и 6 сигналы поступают в схему сравнения временных интервалов 7, на которую также поступает сигнал синхронизации 8 от блока управления лазером 22. Он вырабатывается в течение времени генерации лазера 12 после его запуска. При наличии сигнала синхронизации 8 схема 7 анализирует состояние сигналов компараторов 5, 6. Изменение сигнала K₁ из уровня "1" в уровень "0" при одновременном изменении сигнала К₂ из уровня "0" в уровень "1" соответствует моменту завершения пробивки канала в стенке сердечной мышцы и началу проникновения лазерного пучка в кровь. В этот момент схема 7 вырабатывает сигнал 9, поступающий на блок управления лазером 22, и прерывает лазерную генерацию, при этом время взаимодействия лазерного пучка с кровью ограничено временем срабатывания электронных схем формирования управляющего сигнала обратной связи 9 и управляющей генерацией лазера 23.From the outputs of the comparators 5 and 6, the signals are fed to a circuit for comparing time intervals 7, which also receives a synchronization signal 8 from the laser control unit 22. It is generated during the generation time of the laser 12 after it is started. If there is a synchronization signal 8, circuit 7 analyzes the state of the signals of the comparators 5, 6. Changing the signal K ₁ from level "1" to level "0" while changing the signal K ₂ from level "0" to level "1" corresponds to the moment of completion of channel punching in the wall of the heart muscle and the beginning of the penetration of the laser beam into the blood. At this moment, the circuit 7 generates a signal 9 supplied to the laser control unit 22 and interrupts the laser generation, while the time of interaction of the laser beam with blood is limited by the response time of the electronic circuits for generating the feedback control signal 9 and the control laser generation 23.

Авторами был изготовлен и испытан образец устройства, выполненного в соответствии с изобретением. The authors made and tested a sample device made in accordance with the invention.

В качестве источника лазерного излучения для перфорации каналов в биоткани использовался CO₂-лазер "Геном-4" мощностью излучения 500 Вт на длине волны 10,6 мкм с длительностью импульса от 100 мс. Акустические колебания регистрировались микрофонным приемником типа МД-47, встроенным в наконечник манипулятора. В качестве имитации ткани сердечной мышцы человека использовались образцы разной толщины, вырезанные из сердечной мышцы левого желудочка свиньи. Образцы биоткани размещались на поверхности сосуда, заполненного кровью. Процесс пробивки отверстия фиксировался с помощью скоростной видеосъемки пробиваемого участка через прозрачную стенку сосуда с частотой 1000 кадров в секунду.A Genom-4 CO ₂ laser with a radiation power of 500 W at a wavelength of 10.6 μm with a pulse duration of 100 ms or more was used as a laser radiation source for channel perforation in biological tissue. Acoustic vibrations were recorded with an MD-47 type microphone receiver built into the tip of the manipulator. As an imitation of human heart muscle tissue, samples of different thicknesses were cut from the heart muscle of the pig’s left ventricle. Biological tissue samples were placed on the surface of a vessel filled with blood. The hole punching process was recorded using high-speed video recording of the punched area through the transparent wall of the vessel with a frequency of 1000 frames per second.

При воздействии излучения СО₂-лазера на модельный объект с использованием предлагаемого устройства зафиксированы частоты акустических колебаний, соответствующие взаимодействию лазерного излучения с тканью мышцы сердца F₁= 1,5±0,3 кГц и с кровью F₂=3±0,5 кГц, электронный блок имел время формирования управляющего сигнала 0,1 мс.When exposed to CO ₂ laser radiation on a model object using the proposed device, acoustic frequencies were recorded corresponding to the interaction of laser radiation with heart muscle tissue F ₁ = 1.5 ± 0.3 kHz and with blood F ₂ = 3 ± 0.5 kHz , the electronic unit had a control signal formation time of 0.1 ms.

Получено время взаимодействия пучка лазерного излучения с кровью 0,2 мс при проникновении в кровь на глубину не более 1 мм. Для прототипа время взаимодействия излучения с кровью составляет порядка 10 мс при проникновении в кровь на глубину около 20 мм. Общее количество парогазовых пузырьков и тромбов определяется глубиной проникновения лазерного излучения в кровь и уменьшается по сравнению с прототипом в 20 раз. Вероятность закупоривания мелких кровеносных сосудов в организме человека снижается также в 20 раз. The interaction time of the laser beam with blood of 0.2 ms was obtained upon penetration into the blood to a depth of not more than 1 mm. For the prototype, the interaction time of radiation with blood is about 10 ms when it penetrates into the blood to a depth of about 20 mm. The total number of vapor-gas vesicles and blood clots is determined by the depth of laser radiation penetration into the blood and decreases by 20 times compared with the prototype. The likelihood of clogging of small blood vessels in the human body is also reduced by 20 times.

Благодаря введению обратной связи, включающей блок формирования управляющего сигнала обратной связи, соединенный через усилитель с акустическим датчиком и соединенный с блоком управления лазером, заявляемое устройство позволяет значительно уменьшить время воздействия мощного лазерного излучения на кровь пациента во время лазерной реваскуляризации миокарда, ограничив его временем, необходимым для срабатывания электронной схемы управления лазером. Thanks to the introduction of feedback, including a feedback control signal generating unit connected through an amplifier to an acoustic sensor and connected to a laser control unit, the claimed device can significantly reduce the time of exposure to powerful laser radiation on the patient's blood during laser myocardial revascularization, limiting it to the time necessary to trigger an electronic laser control circuit.

Авторами впервые был зарегистрирован факт изменения спектра акустических колебаний, генерируемых струей пара, испускаемой из канала, пробиваемого лазерным излучением в стенке мышцы сердца при прохождении границы "сердечная мышца - кровь" лучом СО₂-лазера.For the first time, the authors registered the fact of a change in the spectrum of acoustic oscillations generated by a steam jet emitted from a channel pierced by laser radiation in the wall of the heart muscle when passing the border “heart muscle - blood” with a CO ₂ laser beam.

Предлагаемое устройство может быть использовано в практике хирургических операций лазерной реваскуляризации миокарда для осуществления автоматического управления лазерной установкой. The proposed device can be used in the practice of surgical operations of laser myocardial revascularization to implement automatic control of the laser unit.

Источники информации
1. Mirhoseini M., Cayton M.M., Revascularization of the heart by laser. / J/Microsur. v.2, pp.253-260 (1981).Sources of information
1. Mirhoseini M., Cayton MM, Revascularization of the heart by laser. / J / Microsur. v.2, pp. 253-260 (1981).

2. Transmyocardial revascularization with "The Heart Laser". PLC Medical System, Inc., The NMR Company, 1997. 2. Transmyocardial revascularization with "The Heart Laser". PLC Medical System, Inc., The NMR Company, 1997.

3. Patent USA, Ultrasonic delection system for transmyocardial revascularization, 5724975, 1998-03-10, US, C1, 128/661.09. 3. Patent USA, Ultrasonic delection system for transmyocardial revascularization, 5724975, 1998-03-10, US, C1, 128 / 661.09.

Claims

A device for laser myocardial revascularization, including a laser source, a manipulator with a tip, and an acoustic sensor, characterized in that it additionally includes a feedback circuit including a feedback control signal generating unit connected through an amplifier to an acoustic sensor and connected to a control unit with a laser.