Результат интеллектуальной деятельности: Способ рассечения биологической ткани лазерным излучением

Изобретение относится к медицине, в частности к лазерной хирургии, и может быть использовано при проведении хирургических операций при рассечении биологической ткани лазерным излучением, преимущественно при поверхностном разрезе через кожу.

Медицинский лазер - это устройство для получения высокоинтенсивных и узконаправленных пучков монохроматического светового излучения. Существуют различные типы лазеров - газовые, жидкостные и твердотельные. Лазерное излучение может быть непрерывным и импульсным. В клинической медицине используют лазеры различных мощностей. Наиболее мощные лазеры используют в хирургии. Действие лазерного излучения основано на резком повышении температуры в облучаемом месте, что вызывает коагуляцию (свертывание) или разрушение биологической ткани. Лазерным лучом можно производить бескровное рассечение тканей. Результат воздействия зависит от вида тканей или органов, их окраски, толщины, плотности и т.д.

При облучении на минимальной мощности процесс терапии неоправданно затягивается и не дает нужного результата и, наоборот, при мощном бесконтрольном облучении возможны отрицательные последствия, например, термический ожог биологической ткани.

Известен способ рассечения биологической ткани [Лазеры в хирургии. Под ред. O.K. Скобелкина, М., Медицина, 1989 г., 256 с], согласно которому рассечение биологической ткани осуществляют с помощью сфокусированного лазерного излучения, направляемого по заданной траектории воздействия либо с помощью системы зеркал, либо с помощью оптического волокна.

Недостатком способа является относительно высокая травмоопасность из-за возможного излишнего «перегрева» биологических тканей, вплоть до образования термической травмы, а также относительно низкая оперативность из-за возможного «недогрева», когда приходится увеличивать время оперативного вмешательства, обрабатывая операционное поле многократно.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является способ проведения лазерной хирургической операции [RU 2251990, C1, А61В 18/20, 20.05.2005], включающий воздействие лазерного излучения с помощью перемещения лазерного луча по облучаемой поверхности биообъекта, причем, одновременно с перемещением сканирующего лазерного луча по облучаемой поверхности биообъекта изменяют пространственное положение объектива путем его кругового и радиального перемещения и изменения угла наклона объектива к поверхности биообъекта, при этом осуществляют контроль состояния облучаемой поверхности путем регистрации ее температуры, сравнения этой температуры с предельно-допустимым значением температуры биообъекта, регулируют мощность излучения.

Недостатком способа является его относительно высокая травмоопасность из-за возможного излишнего «перегрева» биологических тканей, вплоть до образования термической травмы, а также относительно низкая оперативность из-за возможного «недогрева», когда приходится увеличивать время оперативного вмешательства, обрабатывая операционное поле многократно. Это обусловлено тем, что контроль состояния облучаемой поверхности путем регистрации ее температуры, сравнение этой температуры с предельно-допустимым значением температуры и регулировка мощность излучения проводятся уже в процессе воздействия сканирующим лазерным лучом по облучаемой поверхности биообъекта вдоль заданной траектории на этой поверхности, а поскольку не установлена зависимость температуры от мощности излучения, то регулировка мощности от измеренной температуры становится проблематичным и одновременно затягивает процедуру проведения операции. Все указанные недостатки не позволяют обеспечить оптимальную скорость сканирования биологической ткани излучением лазера, что не исключает появление травм при проведении рассечения биологической ткани, а также неоправданно затягивают процесс рассечения. Последнее очень важно для проектирования автоматизированных операционных систем.

Задача создания изобретения заключается в разработке способа, обеспечивающего оперативное проведение операции с безопасным воздействием лазерным излучением на биологическую ткань при ее рассечении, что может быть реализовано путем предоперационного определения скорости сканирования лазерным излучением по заданной траектории.

Требуемый технический результат заключается в снижении травмоопасности и повышении оперативности проведения операции рассечения биологической ткани через кожу.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в способе рассечения биологической ткани лазерным излучением, заключающемся в том, что, воздействуют лазерным излучением на поверхность участка биологической ткани и перемещают лазерный луч по заданной траектории рассечения биологической ткани, согласно изобретению, используют импульсное лазерное излучение и устанавливают скорость перемещения лазерного луча V_ОПЕР из условия

где d - диаметр пятна излучения лазера на поверхности участка биологической ткани,

t_ВОЗД - длительность импульсов лазерного излучения;

t_ОСТ - расчетное время остывания биологической ткани на участке воздействия лазерным излучением.

На графических иллюстрациях представлены:

- таблица 1 - глубина L разреза биологической ткани в зависимости от длины волны излучения лазера и цвета кажи;

- таблица 2 - коэффициенты отражения, теплоемкость и теплопроводность биологической ткани;

- фиг. 1 - график изменения от времени мощности лазерного излучения;

- фиг. 2 - график изменения от времени температуры нагрева ткани в луче диаметром d и глубиной L;

- фиг. 3 - зависимость температуры цилиндра ткани в примере реализации способа;

- фиг. 4 - зависимость температуры ткани от глубины.

Предложенный способ реализуется следующим образом.

Предварительно проведем его теоретическое обоснование.

В зависимости от производимого оперативного вмешательства возникает задача нагрева биологических тканей пациента лучом мощностью Р, диаметром d на глубину L до температуры Т за время одного лазерного импульса t_ВОЗД=τ (фиг. 1). Т - это температура разрушения биологических тканей, составляющая примерно 80-100°С.

Длительность паузы между импульсами выбирается из условия, что за время паузы луч лазера перемещают на величину диметра d пятна излучения, составляющего обычно 1-1,5 мм. Длительность паузы между импульсами t_ОСТ рассчитывается из условия, что за время паузы между импульсами участок, подвергающийся воздействию излучения остынет. Скорость остывания зависит от выбранного типа охлаждения оперируемой области, от диаметра пятна, мощности и глубины проникновения лазера, теплоемкости и теплопроводности оперируемой области, а также температуры до которой она нагревается за время импульса.

Глубина разреза L выбирается исходя из глубины, которую необходимо прорезать за один проход. Она определяется глубиной проникновения излучения лазера и зависит от длины волны генерации λ и типа разрезаемой ткани. Глубина разреза L в зависимости от длины волны излучения и цвета кожи при поверхностном разрезе представлена в таблице 1.

Поскольку время операции следует делать минимальным, чтобы тепло от операционного поля не передалось окружающим тканям и не травмировало их, время лазерного импульса t_ВОЗД=τ, следует задавать минимальным, которое способен обеспечить используемый лазер.

Для ее расчета используется следующий алгоритм:

1. Рассчитывают нагрев цилиндра под воздействием лазера за время t_ВОЗД=τ

T_{i верт}= T_{i верт}+Δ T_{i верт}

T_{i гор}= T_{i гор+}Δ T_{i гор}

2. Рассчитывают передачу тепла между слоями в следствие диффузии за время τ

где C - теплоемкость биологической ткани, χ - коэффициент теплопроводности;

V_Bepт=π⋅d⋅dl

V_{i гор}=π⋅(d_i-d_i-1)⋅dl

m_верт=ρ⋅V_верт

m_{i гор}=ρ⋅V_{i гор}

3. Вычисления по п.п. 1 и 2 выполняют до тех пор, пока температура слоя с заданной глубиной не будет рана установленной.

Коэффициенты отражения, теплоемкость и теплопроводность биологической ткани приведены в таблице 2.

Окончательно может быть определена оптимальная скорость сканирования V_ОПЕР луча лазера по поверхности биологической ткани при поверхностном разрезе через кожу

где d - диаметр пятна излучения лазера на поверхности участка биологической ткани,

t_ВОЗД - длительность импульса лазерного излучения;

t_ОСТ - расчетное время остывания биологической ткани на участке воздействия лазерным излучением.

Пример реализации способа рассечения биологической ткани лазерным излучением.

Пациент К., женщина, 48 лет.

Оперируемая область: слизистая оболочка прямой кишки, длина волны λ=1530 нм, мощность Р_имп=7.0 Вт, диаметр пятна d=0.5 мм, размер оперируемой области S=1.4 см², коэффициент отражения: k_отр=0.05, коэффициент теплопроводности: χ=0.44, теплоемкость биологической ткани С=3360, температура воздействия Т=100°С, глубина реза 7.7 мм.

Автоматизированные вычисления по п.п. 1 и 2 указанного выше алгоритма позволяли установить на 5360-ом шаге итерации, что температура слоя с заданной глубиной станет равной установленной через 0.092 сек.

Скорость оперирования составила

Таким образом, в предложенном способе достигается требуемый технический результат, который заключается в снижении травмоопасности и повышении оперативности проведения операции рассечения биологической ткани через кожу.

Способ рассечения биологической ткани лазерным излучением