RU2448746C2 - Многоволновая лазерная установка бактерицидного и терапевтического действия для лечения инфекционных заболеваний - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к медицинской техники и может быть использовано для лечения туберкулеза, открытых ран, лорзаболеваний и в гинекологии. Многоволновая лазерная установка содержит лазерный излучатель с длиной волны излучения 1,06 мкм, с системой накачки, источник питания, систему управления, преобразователь излучения в видимую и ультрафиолетовую область спектра на нелинейных кристаллах, систему выделения участков спектра и оптоволоконную систему транспортировки лазерного излучения. Лазерный излучатель выполнен в виде задающего генератора твердотельного лазера с продольной накачкой полупроводниковым диодом 21, содержащего активный элемент 25, выполненный с возможностью генерации излучения с σ-поляризацией, и пассивной модуляции добротности. Использование изобретения позволит повысить мощности излучения в ИК, видимом и ультрафиолетовом диапазонах длин волн, обеспечить малые массогабаритные характеристики и высокую степень безопасности для обслуживающего персонала и пациентов, обеспечить стабильные выходные параметры излучения. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для лечения кавернозных и фиброзно-кавернозных форм туберкулеза и других заболеваний легких. Кроме того, предлагаемое изобретение может быть использовано для лечения костного туберкулеза, открытых ран, лорзаболеваний и в гинекологии.

Известна установка для лечения деструктивных форм туберкулеза легких (патент РФ №2064801, опубл. 10.08.96), содержащая азотный лазер, включающий излучатель с высоковольтной системой накачки и резонатором, источник питания, газовую систему и систему управления. Установка содержит также фокусирующую систему и систему транспортировки лазерного излучения, выполненную в виде волоконного световода со сферическим рассеивателем, и пункционную иглу.

Недостатком известной установки является использование газового лазера с менее плотной средой по сравнению с твердотельными, что приводит к увеличению габаритов установки, использованию высоковольтного разряда, необходимости вакуумной системы и восстановлению активной среды. Кроме того, известная установка работает на длине волны излучения 337 нм, которая не совпадает с пиком бактерицидной активности (250-290 нм).

Известен способ лечения деструктивных форм туберкулеза легких методом эндокавитарного облучения ультрафиолетовым излучением в эксперименте с длиной волны 266 нм, известна также ультрафиолетовая установка для лечения деструктивных форм туберкулеза легких (патент RU 2141859, опубл. 27.11.1999) и содержащая твердотельный ультрафиолетовый лазер, включающий низковольтный источник питания, подключенный своим выходом к системе накачки, которая оптически связана с излучателем.

Лазер содержит также систему термостабилизации, подсоединенную своими выходами соответственно к системе накачки и излучателю, который связан с преобразователем излучения. Входы источника питания и системы термостабилизации подключены к соответствующим выходам системы управления. Выход преобразователя является выходом лазера и оптически связан системой транспортировки лазерного излучения.

Недостатками известной установки являются:

1. Оптическая система лазерного излучателя обеспечивает вывод излучения только в ультрафиолетовой области спектра на длине волны 266 нм;

2. Используется только УФ излучение, которое имеет поглощение в очень тонком слое пораженных тканей (поглощение составляет микроны) и не проникает на большую глубину;

3. В качестве модулятора используются пассивный затвор на кристалле YAG:Сr⁴⁺, который, во-первых, вносит пассивные потери внутри резонатора, во-вторых, изменение уровня накачки приводит к нестабильности импульсов излучения по частоте, длительности импульсов и, как следствие, к изменению пиковой мощности излучения и снижению эффективности преобразования в нелинейных кристаллах;

4. Отсутствие возможности контроля параметров излучения при изменении условий накачки приводит к значительному уменьшению эффективности всей системы в целом.

Известна многоволновая лазерная установка бактерицидного и терапевтического действия, для лечения гнойно-воспалительных процессов в мягких тканях и внутренних органах (патент RU №2234349, опубл. 20.08.2004), взятая в качестве прототипа и содержащая твердотельный лазер с активной (акустооптической или электрооптической) модуляцией добротности, включающий источник питания, излучатель с системой накачки, систему управления, преобразователи излучения в видимую и ультрафиолетовую области спектра на нелинейных кристаллах и оптоволоконную систему доставки лазерного излучения.

Недостатками известной установки являются:

1) В качестве модулятора используются активные акустооптический или электрооптический затворы, которые, во-первых, требуют использования специальных генераторов управляющего напряжения и, во-вторых, приводит к необходимости их дополнительного охлаждения, что, как следствие, вызывает дополнительное энергопотребление и увеличение массогабаритных параметров. Кроме того, такие затворы и системы их управления достаточно дороги;

2) Генератор синусоидального напряжения для активного акустооптического затвора является мощным источником СВЧ (высокочастотным 50-70 МГц) сигнала;

3) Генератор управления для активного электрооптического затвора работает с высоковольтными напряжениями (2-4 кВ);

4) При использовании активных затворов затруднительно получать импульсы излучения порядка нескольких наносекунд, что приводит к уменьшению эффективности нелинейного преобразования лазерного излучения в ультрафиолетовый диапазон длин волн.

В основу настоящего изобретения положена задача создания многоволновой лазерной установки бактерицидного и терапевтического действия для лечения заболеваний широкого спектра, обеспечивающей за счет конструктивного выполнения повышение мощности излучения в ИК, видимом и ультрафиолетовом диапазонах длин волн, обеспечения малых массогабаритных характеристик и высокой степени безопасности для обслуживающего персонала и пациентов.

Многоволновая лазерная установка бактерицидного и терапевтического действия для лечения инфекционных заболеваний содержит лазерный излучатель с длиной волны излучения 1,06 мкм, с системой накачки, источник питания, систему управления, преобразователь излучения в видимую и ультрафиолетовую область спектра на нелинейных кристаллах, систему выделения участков спектра и оптоволоконную систему транспортировки лазерного излучения, при этом лазерный излучатель выполнен в виде задающего генератора твердотельного лазера с продольной накачкой полупроводниковым диодом и пассивной модуляции добротности и лазерного усилителя с боковой накачкой, состоящего из активного элемента и линейки лазерных диодов для продольной накачки.

В частности, для задающего генератора используют активный элемент на основе кристаллов ванадатов Nd:YVO₄, Nd:GdVO₄, Nd:LaVO₄ и Nd:LuVO₄ и смешанных ванадатов Nd:Y_xGd_1-xVO₄, и имеющие большую разницу коэффициентов преломления.

В частности, одна из граней активного элемента закошена на угол 1.5-3 градуса для разделения π- и σ-поляризации излучения.

В частности, для упомянутого задающего генератора используют σ-поляризация активного элемента.

В частности, для модуляции добротности задающего генератора используют пассивные затворы на кристаллах YAG:Gr⁴⁺ или YAG:V²⁺ совместно с σ-поляризацией активного элемента.

В частности, для усилителя используют активный элемент в виде слэба (пластины) скользящего падения на основе кристаллов ванадатов Nd:YVO₄, Nd:GdVO₄, Nd:LaVO₄, Nd:LuVO₄ и смешанных ванадатов Nd:Y_xGd_1-xVO₄.

В частности, для усилителя используют π-поляризация излучения активного элемента.

Кристаллы ванадатов, активированные ионами неодима (Nd:YVO₄, Nd:GdVO₄, Nd:LaVO₄ и Nd:LuVO₄ и смешанных ванадатов Nd:Y_xGd_1-xVO₄) в качестве активной среды лазеров с диодной накачкой обладают рядом преимуществ по сравнению с наиболее распространенными в настоящее время кристаллами: большие коэффициент поглощения, ширина линии поглощения и сечения поглощения и вынужденного излучения приводят к высокой эффективности лазеров, работающих в непрерывном режиме.

Кристаллы ванадатов являются положительными одноосными кристаллами. В качестве активных элементов лазеров обычно применяются кристаллы Nd:YVO₄, вырезанные вдоль оси с (Е||α, неполяризованное излучение), или вдоль оси а, в которых возможны две поляризации - σ (Е||a) и π (Е||c). Кристаллы, вырезанные вдоль оси a, обладают сильной анизотропией. Показатели преломления на длине волны 1,06 нм составляют n_е=2,168 (Е||a), n_о=1,958 соответственно.

Использование для задающего генератора активных элементов на основе кристаллов ванадатов (Nd:YVO₄, Nd:GdVO₄, Nd:LaVO₄ и Nd:LuVO₄ и смешанных ванадатов Nd:Y_xGd_1-xVO₄), вырезанных вдоль оси а (σ-поляризация) и пассивного затвора (например, на основе YAG:Cr⁴⁺ или YAG:V²⁺), позволяет обеспечить стабильные выходные параметры излучения, оптимизировать частоту и сократить длительность импульсов, и тем самым увеличить эффективность дальнейшего преобразования лазерного излучения. С целью селекции π- и σ-поляризации излучения грань активных элементов на основе кристаллов ванадатов закашивается на угол 1.5-3 градуса. Использование σ-поляризации для задающего генератора на основе кристаллов ванадатов, вырезанных вдоль оси а, позволяет обеспечить оптимальные параметры (получение короткой длительности импульсов и максимальной энергии в импульсе) для пассивной модуляции добротности на кристаллах YAG:Cr⁴⁺ или YAG:V²⁺. Одно- или многопроходный усилитель в виде слэба (пластины) скользящего падения на основе кристаллов ванадатов (иттриевого Nd:YVO₄, гадолиниевого Nd:GdVO₄, смешанного Nd:Y_xGd_1-xVO₄), вырезанных вдоль оси а и продольной накачкой с помощью линейки лазерных диодов, позволяет увеличить мощность излучения в следствии высокого усиления для π-поляризации. Поддержание стабильности по частоте следования импульсов и длительность импульсов обеспечивается задающим генератором, а энергетика - усилителем.

В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется конкретным примером его выполнения и прилагаемыми чертежами.

Фиг.1 представляет собой блок-схему многоволновой лазерной установки бактерицидного и терапевтического действия для лечения инфекционных заболеваний, согласно изобретению, на которой 1 - микропроцессорная система управления; 2 - задающий лазерный генератор; 3 - лазерный усилитель; 4 - блок питания генератора; 5 - блок термостабилизации задающего лазерного генератора; 6 - блок питания усилителя; 7 - блок термостабилизации усилителя; 8 - преобразователь во вторую гармонику; 9 - преобразователь в четвертую или третью гармонику; 10 - устройство выделения спектрального диапазона; 11 - устройство транспортировки лазерного излучения.

Преобразователь 8 излучения во вторую гармонику состоит из соосно расположенных относительно друг друга коллимирующего объектива и нелинейного кристалла (КТР или LiJO₃), размещенных в юстировочном узле.

Преобразователь 9 излучения в третью гармонику или в четвертую гармонику состоит из нелинейного кристалла (LBO или CLBO), размещенных в юстировочном узле.

Устройство для выделения требуемой длины волны излучения 10 состоит из набора интерференционных фильтров (для выделения излучения с длинами волн 1064, 532, 355 и 266 нм и их комбинаций 1064+355, 1064+266, 532+355, 532+266 нм) и устройства смены фильтров, выполненного в виде вращающегося барабана, связанного с электромеханической системой и системой управления 1.

Система 11 доставки лазерного излучения содержит установленную в юстировочном узле фокусирующую линзу и волоконный световод. Волоконный световод соединен с корпусом посредством оптоволоконного разъема.

Фиг.2 представляет собой схему задающего лазерного генератора 2, на которой 21 - лазерный диод; 22 - оптическое волокно; 23 - объектив; 24 - входное зеркало резонатора; 25 - активный элемент; 26 - пассивный затвор; 27 - выходное зеркало резонатора.

Излучатель выполнен в виде твердотельного лазера с накачкой полупроводниковым диодом, состоящего из активного элемента 25 (Nd:YVO₄, Nd:GdVO₄, Nd:LaVO₄ и Nd:LuVO₄ и смешанных ванадатов Nd:Y_xGd_1-xVO₄). Излучатель содержит также пассивный затвор 26 и полупрозрачное зеркало 27, вмонтированное в юстировочном узле. Резонатор задающего лазера 2 образован покрытиями 24 и 27, нанесенными соответственно на переднюю грянь активного элемента 25 и заднюю грань пассивного затвора 26.

Фиг.3 представляет собой схему лазерного усилителя 3, на которой 2 - задающий лазерный генератор, 32 - активный элемент; 33 - линейка лазерных диодов; 34 - цилиндрическая линза; 35 - поворотное зеркало; 36 - поворотное зеркало, 37 - усиленное лазерное излучение.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Согласно командам от микропроцессорной системы 1 управления производится подготовка задающего лазерного генератора 2 и лазерного усилителя 3, заключающаяся в достижении необходимой температуры на лазерном полупроводниковом диоде 21 и линейки лазерных диодов 33. Блок термостабилизации задающего лазерного генератора 5 поддерживает заданную температуру диода 21 для его подстройки на длину волны излучения, соответствующую длине волны линии поглощения в активном элементе 25 (неодимсодержащие кристаллы Nd:YVO₄, Nd:GdVO₄, Nd:LaVO₄ и Nd:LuVO₄ и смешанных ванадатов Nd:Y_xGd_1-xVO₄YVO₄). Блок термостабилизации усилителя 5 поддерживает заданную температуру линейки лазерных диодов 33 для его подстройки на длину волны излучения, соответствующую длине волны линии поглощения в активном элементе 32 (неодимсодержащие кристаллы Nd:YVO₄, Nd:GdVO₄, Nd:LaVO₄ и Nd:LuVO₄ и смешанных ванадатов Nd:Y_xGd_1-xVO₄YVO₄). Низковольтный источник 2 тока запитывает лазерный диод 21. Низковольтный источник 6 тока запитывает линейку лазерных диодов 33. Излучение с задающего лазерного генератора 2 подают на лазерный усилитель 3, с выхода которого излучение подают сначала в преобразователь во вторую гармонику 8 и далее в преобразователь в третью или четвертую гармонику 9. Преобразованное излучение проходит через один из интерференционный фильтр устройства 10 для выделения требуемой длины волны излучения.

Далее преобразованное излучение подают в устройство 11 транспортировки лазерного излучения.

Задающий лазерный генератор 2 представляет собой лазерный диод 21, излучение накачки с которого подают по оптическому волокну 22 в объектив 23 и далее на активный элемент 25. Непрерывное излучение накачки поглощается в активном элементе 25, в результате формируется инверсная населенность. Излучение лазера формируется в резонаторе лазера 2, образованном двумя плоскими зеркалами 24 и 27, нанесенными на грани активного элемента 25 и пассивного затвора 26. Пассивный затвор 26 обеспечивает модуляцию излучения лазера 2, что позволяет повысить пиковую мощность излучения.

Лазерный усилитель 3 представляет собой активный элемент 32 с системой накачки в виде линейки 33 лазерных диодов. На упомянутый активный элемент подают излучение с линейки 33 лазерных диодов, проходящее через цилиндрическую линзу 34. Непрерывное излучение накачки поглощается в активном элементе 32, в результате формируется инверсная населенность. Излучение от задающего лазерного генератора 2 проходит через активный элемент 32 и усиливается за один проход или несколько проходов с помощью поворотных зеркал 35 и 36. Позицией 37 на Фиг.3 показано усиленное лазерное излучение.

Твердотельные лазеры с диодной накачкой обладают большими преимуществами перед газовыми и твердотельными лазерами с ламповой накачкой. Они могут работать в различных режимах генерации, обеспечивая высокие КПД, обладают высокой стабильностью излучения при малых массогабаритных параметрах, имеют низкое энергопотребление и высокий срок службы. Используется только низковольтное питание, что обеспечивает безопасность обслуживающего персонала и пациентов.

Claims (4)

1. Многоволновая лазерная установка бактерицидного и терапевтического действия для лечения инфекционных заболеваний, содержащая лазерный излучатель с длиной волны излучения 1,06 мкм, с системой накачки, источник питания, систему управления, преобразователь излучения в видимую и ультрафиолетовую область спектра на нелинейных кристаллах, систему выделения участков спектра и оптоволоконную систему транспортировки лазерного излучения, отличающаяся тем, что лазерный излучатель выполнен в виде задающего генератора твердотельного лазера с продольной накачкой полупроводниковым диодом, содержащего активный элемент, выполненный с возможностью генерации излучения с σ-поляризацией и пассивной модуляции добротности.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что для задающего генератора используют активный элемент на основе кристаллов ванадатов Nd:YVO₄, Nd:GdVO₄, Nd:LaVO₄ и Nd:LuVO₄ и смешанных ванадатов Nd:SGd_1-xY_xVO₄, Nd:Sc_1-xY_xVO₄ и имеющие большую разницу коэффициентов преломления для обыкновенной и необыкновенной волны.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что одна из граней активного элемента закошена на угол 1,5-3° для разделения π- и σ-поляризации излучения.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что для модуляции добротности задающего генератора используют пассивные затворы на кристаллах YAG:Cr⁴⁺ или YAG:V²⁺ при генерации излучения с σ-поляризацией.

Images