Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЛУЧЕНИЯ СОСУДОВ И ПОЛЫХ ОРГАНОВ

Настоящее изобретение относится к медицинской технике, а более конкретно к устройствам для лазерного облучения сосудов и внутренних органов, которое вызывает изменение их стенок или образований на внутренней поверхности стенок под действием энергии лазерного излучения с определенной длиной волны.

Наиболее близким аналогом предлагаемому является устройство для внутривенного лазерного облучения стенок варикозных вен, включающее лазер, оптоволоконный кабель, содержащий оптический разъем, световод с оптической сердцевиной, оптической рубашкой и защитной полимерной рубашкой, вытянутый диффузор с оптической сердцевиной и оптической рубашкой, включающий расположенные последовательно технологическую зону, оптическую зону и дистальный конус на конце, защитный колпачок, выполненный из оптически прозрачного инертного материала, прикрепленный своей внутренней цилиндрической поверхностью к оптической рубашке в технологической зоне диффузора, и термоусадочную защитную трубку на прилегающих друг к другу частях защитной полимерной рубашки световода и защитного колпачка диффузора, закрывающую технологическую зону диффузора, в диффузоре на некотором удалении от дистального конуса выполнена, по крайней мере, одна кольцевая канавка треугольного профиля [Патентная заявка US 2011/0282330, опубл. 17.11.2011 г.].

Недостаток известного устройства обусловлен тем, что в процессе его работы происходит нагрев лазерным излучением, рассеянным внутрь световода от конической поверхности дистального конуса и конических поверхностей канавок, области световода вблизи границы защитной полимерной рубашки и места приклейки защитного колпачка, где концентрируется поток рассеянного излучения. Из-за нагрева при высоких уровнях мощности лазерного излучения на поверхности указанной зоны происходит карбонизация крови и других биологических жидкостей на поверхности защитного колпачка и термоусадочной пленки, вызывающая прилипание прилегающих тканей к световоду. Кроме того, нагрев диффузора и колпачка ухудшает прочностные характеристики клея и повышает его хрупкость, а также приводит к быстрому развитию микротрещин в нагретой области. Выполнение кольцевых канавок в боковых стенках световода приводит также к существенному снижению прочности диффузора в области этих канавок и высокой вероятности его механического разрушения из-за быстрого развития в области кольцевых канавок встречных микротрещин (направленных навстречу друг другу). В целом это существенно снижает прочность диффузора во время облучения и часто приводит к его механическому разрушению в процессе процедуры облучения.

Разрушение известного устройства не только срывает проведение операции, но при отрыве колпачка или диффузора внутри сосуда или органа может привести к драматическим последствиям для пациента.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение прочности и надежности предлагаемого устройства в процессе эксплуатации.

Дополнительным техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение однородности распределения мощности излучения по внутренней поверхности облучаемого сосуда или полого органа.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для облучения лазерным излучением сосудов и полых органов, включающем лазер и оптоволоконный кабель, содержащий оптический разъем, световод с оптической сердцевиной, оптической рубашкой и защитной полимерной рубашкой, вытянутый диффузор с оптической сердцевиной и оптической рубашкой, включающий расположенные последовательно технологическую зону, оптическую зону и дистальный конус на конце, защитный колпачок, выполненный из оптически прозрачного инертного материала, прикрепленный своей внутренней цилиндрической поверхностью к оптической рубашке в технологической зоне диффузора, и термоусадочную защитную трубку на прилегающих друг к другу частях защитной полимерной рубашки световода и защитного колпачка диффузора, закрывающую технологическую зону диффузора, на поверхности оптической зоны диффузора выполнена спиральная канавка с шагом не меньше ее ширины и не больше 1/2 длины оптической зоны диффузора, глубина канавки плавно увеличивается по направлению к дистальному конусу, диффузор выполнен с постоянным диаметром в технологической зоне и начальной части оптической зоны диффузора, длина которой составляет не менее 1/2 и не более 3/4 от длины оптической зоны диффузора, а в оставшейся части оптической зоны диаметр диффузора монотонно уменьшается по направлению к дистальному конусу, диаметр дистального конуса равен меньшему диаметру диффузора, коническая поверхность дистального конуса имеет угол относительно оптической оси в пределах (38÷45)°.

Технический результат достигается также тем, что по всей длине оптической зоны диффузора расстояние от оси диффузора до дна канавки составляет не менее D/4, где D - диаметр диффузора в данной его точке.

Технический результат достигается также тем, что поверхность канавки, обращенная к технологической зоне, образует с продольной осью световода угол в пределах 30°÷90°, а поверхность канавки, обращенная к дистальному конусу, образует с продольной осью световода угол в пределах 20°÷90°.

Технический результат достигается также тем, что поверхность канавки, обращенная к технологической зоне, образует с продольной осью световода угол в пределах (38 ± 2,5)°, а поверхность канавки, обращенная к дистальному конусу, образует с продольной осью световода угол в пределах (52 ± 2,5)°.

Технический результат достигается также тем, что присоединительный конец защитного колпачка имеет коническую фаску на внутренней поверхности и скругленный переход между конической фаской и цилиндрической наружной поверхностью.

Технический результат достигается также тем, что присоединительный конец защитного колпачка имеет коническую фаску с углом в диапазоне (45 ± 15)°.

Технический результат достигается также тем, что на наружной поверхности защитного колпачка на расстоянии в пределах 0÷2D_к от присоединительного конца выполнена по крайней мере одна проточка шириной в пределах 0÷2(D_к-d_к) и глубиной 0÷0,35(D_к-d_к), где D_к - внешний диаметр защитного колпачка, d_к - внутренний диаметр защитного колпачка.

Технический результат достигается также тем, что защитный колпачок выполнен из кварца.

Технический результат достигается также тем, что защитный колпачок выполнен из лейкосапфира.

Технический результат достигается также тем, что защитный колпачок выполнен из лейкосапфира, выращенного методом профилированного роста.

Сущность изобретения иллюстрируется Фиг. 1-3.

На Фиг. 1 показано схематически устройство для облучения сосудов и полых органов. Использованы следующие обозначения:

1 - лазер,

2 - оптоволоконный кабель,

3 - оптический разъем,

4 - световод,

5 - диффузор.

На Фиг. 2 показан схематически в разрезе диффузор устройства для облучения сосудов и полых органов. Использованы следующие обозначения:

6 - оптическая сердцевина,

7 - оптическая рубашка,

8 - защитная полимерная рубашка,

9 - защитный колпачок,

10 - слой клея,

11 - спиральная канавка,

12 - поверхность канавки, обращенная к технологической зоне диффузора,

13 - поверхность канавки, обращенная к дистальному конусу диффузора,

14 - проточка на защитном колпачке,

15 - термоусадочная пленка.

На Фиг. 3 схематически показан ход лучей в устройстве для облучения сосудов и полых органов. Использованы следующие обозначения:

16 - центральный луч,

17 - лучи рассеяния центрального луча 16,

18 - луч, близкий к центральному лучу,

19 - луч полного внутреннего отражения луча 18,

20 - выходящий луч от луча 18,

21 - лучи промежуточного наклона к оптической оси,

22 - лучи преломления и рассеяния наружу лучей 21,

23 - луч частичного отражения луча 21 от поверхности канавки, обращенной к технологической зоне диффузора, попадающий на поверхность канавки,

24 - лучи рассеяния от луча 23,

25 - луч частичного отражения луча 21 от поверхности канавки, обращенной к технологической зоне диффузора, попадающий на оптическую рубашку,

26 - луч отражения луча 25 от оптической рубашки, попадающий на поверхность канавки,

27 - лучи преломления и рассеяния наружу луча 26,

28 - луч, близкий к максимальному апертурному углу,

29 - луч отражения луча 28 от оптической рубашки,

30 - лучи преломления и рассеяния наружу луча 29,

31 - луч частичного отражения луча 29 от поверхности канавки, обращенной к технологической зоне диффузора,

32 - лучи преломления и рассеяния наружу луча 31.

Устройство для облучения лазерным излучением сосудов и полых органов (Фиг. 1) включает лазер 1 и оптоволоконный кабель 2, содержащий оптический разъем 3, световод 4 с оптической сердцевиной 6, оптической рубашкой 7 и защитной полимерной рубашкой 8 (Фиг. 2), диффузор 5.

Диффузор 5 (Фиг. 2) включает расположенные последовательно технологическую зону, оптическую зону (на Фиг. 1-3 не показаны) и дистальный конус на конце, защитный колпачок 9, выполненный из оптически прозрачного инертного материала, прикрепленный (в частности, приклеенный слоем клея 10) своей внутренней цилиндрической поверхностью к оптической рубашке 7 в технологической зоне диффузора.

Диффузор выполнен с постоянным диаметром в технологической зоне и начальной части оптической зоны диффузора, а в оставшейся части оптической зоны диаметр диффузора монотонно уменьшается по направлению к дистальному конусу.

На поверхности оптической зоны диффузора выполнена спиральная канавка 11 с поверхностью 12, обращенной к технологической зоне, и поверхностью 13, обращенной к дистальному конусу. На поверхности защитного колпачка 9 выполнена проточка 14. Термоусадочная защитная трубка 15 расположена на прилегающих друг к другу частях защитной полимерной рубашки 8 и защитного колпачка 9.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Лазерное излучение от лазера 1 через оптический разъем 3 входит в оптоволоконный кабель 2 и, проходя по световоду 4, входит в диффузор 5 с расходимостью, которая определяется численной апертурой световода.

Рассмотрим ход наиболее характерных лучей лазерного излучения, входящего в диффузор (Фиг. 3). Центральный луч 16, идущий строго по оптической оси, попадает на острие дистального конуса. Энергия света центрального луча 16 частично проходит в виде лучей рассеяния 17 вперед в сторону торца колпачка 9, частично рассеивается назад. Поскольку площадь острия очень мала, то часть энергии излучения центрального луча 16, рассеянная вперед, и часть энергии излучения центрального луча 16, рассеянная назад, ничтожно малы. Луч 18, близкий к центральному, попадает на дистальный конус и, поскольку его угол близок к углу полного внутреннего отражения, отражается. Отраженный луч 19 попадает на противоположную сторону конуса, преломляется на ней и выходит (луч 20) в сторону боковой поверхности колпачка 9. Из-за реальной микрошероховатости конической поверхности дистального конца некоторая часть энергии этих лучей рассеивается, как и в аналоге, внутри световода 4. Но в предлагаемом изобретении доля энергии, которая рассеивается назад, будет существенно меньше по сравнению с аналогом, поскольку эта часть энергии пропорциональна квадрату диаметра основания дистального конуса (а диаметр основания дистального конуса существенно меньше диаметра световода). Соответственно, эта доля энергии, поглощаясь в оптической сердцевине 6, приводит к существенно меньшему нагреву диффузора в зоне приклейки колпачка 9 по сравнению с аналогом.

Лучи 21 с промежуточными углами по отношению к центральному лучу попадают на поверхность 12 канавки 11, обращенную к технологической зоне. Там лучи частично преломляются и выходят наружу, преимущественно в радиальном направлении (лучи 22), частично отражаются внутрь световода и попадают на противоположной стороне либо на поверхность канавки, где, преломляясь и частично рассеиваясь, выходят наружу (луч 24) либо на оптическую рубашку 7. Отраженные от оптической рубашки лучи 26 попадают на поверхность 12, обращенную к технологической зоне, но ближе к дистальному конусу диффузора. Там лучи частично преломляются и выходят наружу, преимущественно в радиальном направлении (лучи 27).

Небольшая часть лучей рассеивается внутри световода и поглощается в материале оптической сердцевины 6, которая, как правило, выполняется из кварца. Однако благодаря оптимально выбранным согласно предлагаемому изобретению углам поверхностей канавки доля излучения, рассеянного внутрь световода, которая может быть поглощена кварцем и вызвать его нагревание, незначительна и распределена по длине диффузора ближе к дистальному конусу.

Лучи, входящие в диффузор под большими углами к оси, близкими к предельному апертурному ограничению световода (для световодов с числовой апертурой NA=0,22 предельный угол составляет 24,5°), попадают на границу оптической сердцевины 6 и оптической рубашки 7 в зоне, наиболее близкой к месту стыковки защитного колпачка 9 и защитной полимерной рубашки 8. Луч 28, входящий под углом, близким к углу предельного апертурного ограничения световода, отражается (луч 29) от границы оптической сердцевины и оптической рубашки без потерь и попадает либо на такую же границу оптической сердцевины и оптической рубашки ближе к дистальному концу диффузора, либо на поверхность 12 спиральной канавки 11, обращенную к технологической зоне. На этой поверхности часть попавших на канавку лучей выходит за счет преломления и рассеяния наружу, формируя лучи 30, часть (луч 31) за счет отражения и рассеяния отражаются внутрь световода и попадает на ту же поверхность 12 канавки с противоположной стороны.

Некоторая часть лучей при отражении от поверхности 12 канавки, обращенной к технологической зоне, из-за рассеяния на микрошероховатостях этой поверхности может попасть на поверхность 13 канавки, обращенной к технологической зоне, и после цепочки переотражений получить направление в сторону присоединительного конца диффузора. Но, как показывают исследования авторов, при дальнейших переотражениях, благодаря предлагаемой в настоящем изобретении конструкции диффузора с плавно уменьшающимся диаметром на части оптической зоны и спиральной канавки 11 с плавно увеличивающейся глубиной по направлению к дистальному конусу, излучение попадает на поверхность 12 канавки, обращенной к технологической зоне, и, преломляясь, выходит из диффузора преимущественно в радиальном направлении.

Таким образом, в предлагаемом устройстве лазерное излучение выходит из диффузора через защитный колпачок в преимущественно радиальном направлении с достаточно равномерным распределением вдоль диффузора. Наиболее эффективно это реализуется, если поверхность канавки, обращенная к технологической зоне, образует с продольной осью световода угол в пределах (38 ± 2,5)°, а поверхность канавки, обращенная к дистальному конусу, образует с продольной осью световода угол в пределах (52 ± 2,5)°.

При этом в любом сечении диффузора нет диаметрально встречного расположения канавок, что способствует как повышению прочности диффузора и безопасности его использования, так и повышению равномерности распределения плотности мощности вдоль диффузора. Выполнение диффузора с плавно уменьшающимся диаметром на части оптической зоны и спиральной канавки с плавно увеличивающейся глубиной по направлению к дистальному конусу позволяет существенно уменьшить долю энергии лазерного излучения, рассеянной внутри световода, и обеспечить ее распределение вдоль оси световода в зоне, приближенной к дистальному конусу и удаленной от места сочленения защитного колпачка с оптической рубашкой световода. Вследствие этого и зона максимального нагрева диффузора смещается к дистальному конусу, то есть отдаляется от места сочленения защитного колпачка с оптической рубашкой световода.

Все это существенно повышает безопасность и надежность использования предлагаемого устройства, особенно при высоких уровнях мощности лазерного излучения.

Выполнение защитного колпачка согласно предлагаемому изобретению с конической фаской на внутренней поверхности, угол которой лежит в диапазоне (45 ± 15)°, и скругленным переходом между конической фаской и цилиндрической наружной поверхностью присоединительного конца цилиндрического стаканчика способствует повышению прочности склейки защитного колпачка со световодом, что повышает безопасность и надежность использования предлагаемого устройства.

Выполнение на наружной поверхности защитного колпачка, по крайней мере, одной проточки шириной в пределах 0÷2(D_к-d_к) и глубиной 0÷0,35(D_к-d_к) на расстоянии в пределах 0…2D_к от присоединительного конца (где D_к - внешний диаметр защитного колпачка, d_к - внутренний диаметр защитного колпачка) повышает сцепление термоусадочной пленки с защитным колпачком и благодаря этому повышает безопасность и надежность использования предлагаемого устройства.

Выполнение защитного колпачка из кварца или лейкосапфира (в частности, выращенного методом профилированного роста) повышает термостойкость и инертность к биологическим жидкостям (в частности, крови) диффузора. Благодаря этому также повышаются безопасность и надежность использования предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство может быть использовано при эндоваскулярной лазерной облитерации варикозных вен, лазерной гипертермии и фотодинамической терапии новообразований и других патологий полых органов.