Регистрация / Вход
Прислать материал

14.579.21.0015

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.579.21.0015
Тематическое направление
Науки о жизни
Исполнитель проекта
Акционерное общество "Государственный оптический институт имени С.И.Вавилова"
Название доклада
Разработка лазерного аппарата с перестраиваемым излучением для прецизионной атравматической хирургии мягких тканей в нейрохирургии и офтальмологии
Докладчик
Серебряков Виктор Анатольевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью исследования является разработка прототипа мультиволнового лазерного Аппарата среднего ИК диапазона, обеспечивающего прецизионное рассечение и послойную деструкцию мягких тканей (с потенциальным применением в офтальмологии, нейрохирургии, сосудистой хирургии).
Исследование направлено на решение следующих задач:
Разработка математической модели лазера с учетом факторов, влияющих на эффективность процесса каскадного нелинейного преобразования частоты излучения лазера накачки в параметрические волны среднего ИК диапазона.
Макетирование конструкции лазера и ее экспериментальное исследование для достижения выходной мощности в диапазоне 5,75-6,45 мкм не ниже 10 Вт с точностью перестройки длины волны не хуже 0,01 мкм; в диапазоне 7,4-8 мкм не ниже 2 Вт с точностью с перестройки длины волны не хуже 0,02 мкм.
Разработка технических требований на конструкцию лазерного аппарата для его использования в экспериментальных исследованиях в нейрохирургии и офтальмологии с последующей постановкой ОКР.
Актуальность и новизна исследования
Лазеры, благодаря их способности фокусировать излучение в пятно малого размера на длине волны селективно поглощаемой тканью, имеют огромный потенциал для создания прецизионных хирургических абляционных методик, целью которых является разрез или удаление микрослоев с сохранением окружающих тканей. Наиболее очевидно использование 2-3 мкм диапазона для абляции тканей за счет сильного поглощения воды (вода - основной компонента ткани). Однако из-за сопровождающих лазерное воздействие коллатеральных термо- и механических повреждений биоткани, накладывается ограничение на использование данного диапазона в высокопрецизионных операциях, например, в нейро- и офтальмохирургии, ангиопластике.
Актуальным является излучение диапазона 6-8 мкм, которое, воздействуя на биоткань при четко подобранных частотных и энергетических режимах, вызывает меньшие коллатеральные повреждения. Существующие лазеры среднего ИК диапазона (лазеры на парах металлов, QCL лазер, лазер на свободных электронах) не удовлетворяют жестким требованиям к излучению (частотные режимы, отсутствие возможности плавной перестройки длин волн, низкая средняя мощность).
Опираясь на литературные данные, необходимо подчеркнуть, что разработка лазеров данного диапазона для клинического применения находится в начальной стадии опытных образцов и макетов, не существует готовых серийных приборов, установленных в операционных, внедрение находится на стадии медико-биологических исследований. Сопутствующей проблемой является доставка излучения к месту воздействия.
Описание исследования

Для абляции мягких и твердых тканей наиболее привлекательным является средний ИК диапазон. Высокое поглощение излучения хромофорами ткани (вода, белок) и, соответственно, субмикронная глубина проникновения излучения, ведут к прецизионной абляции, а возбуждение в полосы колебательных переходов позволяет модифицировать структуру биоткани, влияя тем самым на селективность абляции. Лазерное облучение на длинах волн 6,1 мкм (резонансная полоса поглощения группы Амид I белка и воды) и на 6,45 мкм (резонансная полоса поглощения группы Амид II белка) вызывает конформационные изменения (ослабление) белковой матрицы, повышая эффективность абляции и снижая коллатеральные термоповреждения до 10 мкм при воздействии одиночным импульсом.  Резонансная полоса поглощения Амид III белка (7,5-8,0 мкм) позволяет селективно удалять злокачественные новообразования (определенные злокачественные опухоли поглощают это излучение намного сильнее, чем нормальная ткань, к которой они примыкают). На длине волны 5,75 мкм, находится селективная полоса поглощения холестериновых эфиров атеросклеротических бляшек, при этом  стенка сосуда не поглощает. Это позволяет рассматривать лазерную ангиопластику  на 5,75 мкм как перспективное направление в решении проблемы удаления атеросклеротических бляшек из стенок артерий.

Для эффективной прецизионной хирургии необходимо обеспечить, по крайней мере, 3-5 кратное превышения порога абляции ткани. Предметом нашего исследования является разработка лазера с плавной перестройкой длины волны излучения в диапазоне 6,1-6,45 мкм  обеспечивающего энергию излучения не ниже 10 мДж на частоте следования импульсов 100-500 Гц; для ангиопластики (длина волны излучения 5,75 мкм)  рассматривается повышение частоты следования импульсов до 1000 Гц при энергии импульса ≤1 мДж.  Данные параметры отвечают требованиям эффективной абляции.

В основу разработки лазера среднего ИК диапазона легли следующие принципы и решения.

Применение двухмикронного источника накачки лазера 5,75-8 мкм. Для эффективной работы лазерного Аппарата необходимо иметь компактный источник накачки, причем с учетом его возможного применения в медицинской практике. Нами используется тандем гольмиевого и тулиевого лазеров, которые обеспечивают необходимые характеристики излучения с длиной волны 2,05 мкм (накачка) для последующего параметрического преобразования в средний ИК диапазон.

Использование параметрического преобразователя частоты на кристалле ZnGeP2 (ZGP) для получения генерации в среднем ИК диапазоне. Использование параметрических усилителей на  кристаллах ZGP для усиления мощности излучения 6-8 мкм лазера.

Использование математических моделей при конструировании: оптимизация длины нелинейного кристалла, числа Френеля резонатора.

Использование модернизированной технологии роста крупногабаритных кристаллов ZnGeP2 (синтез поликристаллического материала ZnGeP2, технология послеростовой обработки монокристалла, решение проблем лучевой прочности, технологии обработки поверхностей для последующего нанесения высокопрочных просветляющих покрытий). Используются кристаллы российского производства.

Применение оптики с высокопрочными зеркальными и просветляющими покрытиями для среднего ИК-диапазона (технологии обработки поверхностей для последующего нанесения высокопрочных оптических покрытий, технология нанесения малопоглощающих слоев  материалов на оптические заготовки  в  спектральном  диапазоне 5,75–8 мкм, технология синтеза интерференционных зеркал с отражением не менее 99 % на длине волны 6,1 мкм).

Контроль оптической однородности нелинейных кристаллов для параметрического генератора и усилителей: этот параметр влияет на фазовый фронт излучения, проходящего через кристалл. Однородность кристалла ZGP тестируется по уникальной методике в интерферометре Маха-Цандера с помощью одночастотного непрерывного Nd:YAG лазера и высокочувствительной ПЗС матрицы.

С учетом вышеизложенных принципов и решений, создается лазерный аппарат, который позволит провести медико-биологические исследования в области прецизионной хирургии, преимущественно в офтальмологии, нейрохирургии, сосудистой хирургии.

Результаты исследования

Разработан макет и опытный образец мультиволнового лазерного аппарата среднего ИК диапазона для потенциального применения в прецизионной атравматической хирургии. Обоснован выбор параметров и оптической схемы лазера с параметрической генерацией света в полосы поглощения белков и холестериновых эфиров атеросклеротических бляшек, 5,75-8 мкм; проведена экспериментальная апробация его ключевых элементов.

Для накачки непрозрачных в видимом диапазоне нелинейных кристаллов параметрического генератора на кристалле ZGP разработан импульсно-периодический Ho:YLF лазер (λ=2,05 мкм) с уникальными параметрами: энергия в импульсе до 80 мДж на частоте 100 Гц и 50 мДж на 1000 Гц, длительность импульса ~20 нс, расходимость M2~1.5. Эффективная генерация с высоким качеством пучка (малые стоксовые потери) достигается благодаря использованию волоконного Tm-лазера (λ=1,94 мкм) с диодной накачкой.

Параметрическое преобразование излучения Ho:YLF лазера в средний ИК диапазон спектра выполнено по схеме двухрезонаторного параметрического генератора на ZGP с параметрическим усилителем. В диапазоне 5,75-6,45 мкм достигнута энергия до 10 мДж на частоте следования импульсов 100-1000 Гц (эффективность преобразования суммарной энергии сигнальной и холостой волн ~40%). Достигнутая энергия излучения, даже с учетом 50% поглощения ИК световодом, превышает почти на порядок величины порог абляции биоткани.

Разработана рабочая конструкторская документация на лазерный Аппарат, конструкторская и программная документация на Аппаратно-программный комплекс для измерения и управления параметрами излучения лазерного Аппарата. Индустриальным партерном проекта разработана конструкторская документация на систему транспортировки лазерного излучения к биоткани, проведено ее тестирование.

Практическая значимость исследования
Полученные результаты позволят провести экспериментальные исследования по воздействию лазерного излучения среднего ИК-диапазона на биологическую ткань применительно к целям хирургии (офтальмология, нейрохирургия, сосудистая хирургия). В перспективе внедрение лазерных аппаратов позволит повысить доступность и снижение стоимости офтальмологических операций при отсутствии длительного реабилитационного периода. Появится возможность своевременно проводить малоинвазивные внутрисосудистые операции (опосредованное лечение и профилактика ишемической болезни сердца), «бескровные» операции в нейрохирургии, селективное удаление злокачественных новообразований.