аппарат для лазерной ангиопластики

Формула изобретения

Аппарат для лазерной ангиопластики, содержащий источник излучения, два сканирующих устройства, затвор, последовательно соединенные спектроанализатор и фотоприемное устройство, фотодиод, катетер с первой и второй группой световолокон, вторая из которых на проксимальном конце катетера оптически соединена со спектроанализатором, а первая из них оптически соединена с одним из сканирующих устройств, а также содержащее управляющее устройство, соединенное с фотоприемным устройством, с приводом затвора, приводом первого сканирующего устройства и с фотодиодом, отличающийся тем, что в него введена спектроделительная призма, установленная по ходу лазерного излучения, второй затвор, ряд дополнительных фотодиодов и третья группа световолокон в катетере, на дистальном конце которого световолокна расположен секторами, каждый из которых содержит по меньшей мере по одному световолокну из каждой группы световолокон, а первое и второе сканирующее устройства установлены за спектроделительной призмой так, что первое сканирующее устройство расположено по ходу силового излучения, а второе сканирующее устройство, привод которого электрически соединен с одним из соответствующих выходов управляющего устройства - по ходу диагностического излучения и оптически соединено с третьей группой световолокон катетера, при этом первый затвор размещен между спектроделительной призмой и первым сканирующим устройством, второй затвор, привод которого соединен с выходом управляющего устройства, - между спектроделительной призмой и вторым сканирующим устройством, фотодиоды размещены двумя группами, каждая из которых содержит, как минимум, четыре фотодиода, расположенных с равным шагом по окружности, причем каждая группа фотодиодов установлена с возможностью приема излучения, рассеянного от оправы торца каждого из световолокон первой и третьей групп соответственно, и выход каждого до дополнительных фотодиодов электрически соединен с соответствующим входом управляющего устройства, а источник излучения выполнен многочастотным.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине, а именно к лазерной ангиопластике, и может быть использовано для лечения атеросклероза, в том числе и коронарных сосудов с внутренним диаметром не менее 1,5 мм за счет удаления атеросклеротических бляшек с помощью лазерного излучения. При этом исключается необходимость хирургического обнажения оперируемого сосуда.

Известно устройство для лазерной ангиопластики [1], содержащее источник излучения, затвор, фокусирующую линзу, зеркало с отверстием, спектроанализатор, фотоприемное устройство, управляющее устройство и катетер.

Недостатком этого устройства является недостаточно высокая эффективность, обусловленная потерей мощности при введении излучения в световолокна катетера. Кроме того, не исключается возможность перфорации стенок сосуда из-за невозможности получения картины поперечного среза сосуда.

Известен лазер для диагностики и лечения [2], содержащий источник силового и диагностического излучения, два модулятора, делитель пучка, спектроанализатор, детектор излучения, управляющее устройство и многоволоконный катетер.

Недостатком известного устройства является сложность конструкции, недостаточно высокая эффективность, а также возможность перфорации стенок сосуда.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для лазерной ангиопластики [3], содержащее источники силового и диагностического излучения, затвор, два сканирующих устройства, спектроанализатор, фотоприемное устройство, управляющее устройство и многоволоконный катетер, включающий две группы световолокон. При этом по одной из групп световолокон диагностическое излучение передается от проксимального к дистальному концу катетера и вызывает флюоресценцию исследуемой ткани. Информационное излучение флюоресценции передается по другой группе световолокна от дистального к проксимальному концу катетера, эта группа световолокон оптически соединена со спектроанализатором. При получении информации о наличии бляшки сканирующее устройство располагает соответствующее световолокно перед лучом силового лазера, затвор открывается, и происходит удаление бляшки.

Общими признаками предполагаемого технического решения и прототипа являются источник излучения, два сканирующих устройства, затвор, последовательно соединенные спектроанализатор и фотоприемное устройство, фотодиод, катетер с первой и второй группой световолокон, вторая из которых на проксимальном конце катетера оптически соединена со спектроанализатором, а первая из них оптически соединена с одним из сканирующих устройств, а также содержащее управляющее устройство, соединенное с фотоприемным устройством, с приводом затвора, приводом первого сканирующего устройства и с фотодиодом.

Недостатками известного технического решения являются сложность конструкции, обусловленная наличием двух источников излучения, недостаточно высокая эффективность работы устройства, обусловленная потерей мощности при вводе лазерного излучения в световолокно. Кроме того, не исключена возможность повреждения информационных световолокон при передаче по ним силового излучения, что уменьшает надежность работы устройства в целом.

Целью изобретения является повышение надежности и эффективности работы при упрощении устройства.

Поставленная цель достигается тем, что усовершенствуется аппарат для лазерной ангиопластики, содержащей источник излучения, два сканирующих устройства, затвор, последовательно соединенные спектроанализатор и фотоприемное устройство, фотодиод, катетер с первой и второй группой световолокон, вторая из которых на проксимальном конце катетера оптически соединена со спектроанализатором, а первая из них оптически соединена с одним из сканирующих устройств, а также содержащее управляющее устройство, соединенное с фотоприемным устройством, с приводом затвора, приводом первого сканирующего устройства и с фотодиодом.

Отличительными признаками аппарата для лазерной ангиопластики является то, что в него введены спектроделительная призма, установленная по ходу лазерного излучения, второй затвор, ряд дополнительных фотодиодов и третья группа световолокон в катетере на дистальном конце которого световолокна расположены секторами, каждый из которых содержит по меньшей мере по одному световолокну из каждой группы световолокон, а первое и второе сканирующее устройства установлены за спектроделительной призмой так, что первое сканирующее устройство расположено по ходу силового излучения, а второе сканирующее устройство, привод которого электрически соединен с одним из соответствующих выходов управляющего устройства, - по ходу оптического излучения и оптически соединено с третьей группой световолокон катетера, при этом первый затвор размещен между спектроделительной призмой и первым сканирующим устройством, второй затвор, привод которого соединен с выходом управляющего устройства, между спектроделительной призмой и вторым сканирующим устройством, фотодиоды размещены двумя группами, каждая из которых содержит, как минимум, четыре фотодиода, расположенных с равным шагом по окружности, причем каждая группа фотодиодов установлена с возможностью приема излучения, рассеянного от оправы торца каждого из световолокон первой и третьей групп соответственно и выход каждого из дополнительных фотодиодов электрически соединен с соответствующим входом управляющего устройства, а источник излучения выполнен многочастотным.

На фиг. 1 представлена оптическая схема устройства; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1, показывающий расположение фотодиодов в перпендикулярной лазерному лучу плоскости; на фиг. 3 - оптическая схема источника излучения; на фиг. 4 - оптическая схема спектроанализатора; на фиг. 5 - вид Б на фиг. 1, показывающий расположение световолокон на дистальном конце катетера; на фиг. 6 и 7 - алгоритм работы микропроцессора.

Устройство для лазерной ангиопластики содержит источник излучения 1 и спектроделительную призму 2, установленную по ходу лазерного излучения. Кроме того, содержит установленные за спектроделительной призмой 2 первое и второе сканирующие устройства 3, 4 и многоволоконный катетер 5, содержащий первую 6, вторую 7 и третью 8 группы световолокон на проксимальном его конце. При этом первое сканирующее устройство 3 установлено по ходу силового излучения и оптически соединено с первой группой 6 световолокон катетера 5, а второе сканирующее устройство 4 - по ходу диагностического излучения и оптически соединено с третьей группой 8 световолокон катетера 5. Кроме того, содержит первый 9 и второй 10 затворы, установление между спектроделительной призмой 2 и первым и вторым сканирующим устройством 3 и 4 соответственно. Кроме того, содержит последовательно соединенные спектроанализатор 11 и фотоприемное устройство 12, выход которого соединен с первым входом управляющего устройства 13, первый и второй выходы которого соединены соответственно с приводами первого затвора 9 и первого сканирующего устройства 3, а третий и четвертый выходы управляющего устройства 13 соединены соответственно с приводами второго сканирующего устройства 4 и второго затвора 10. При этом вторая группа 7 световолокон катетера 5 оптически соединена со спектроанализатором 11. Кроме того, устройство содержит первую и вторую группы 14 и 15 фотодиодов, каждая из которых содержит как минимум четыре фотодиода 16 (фиг. 2), расположенные с равным шагом по окружности. Причем каждая группа 14 и 15 фотодиодов 16 установлена с возможностью приема излучения, рассеянного от торца оправы каждого из световолокон первой 6 и третьей 8 групп световолокон проксимального конца катетера 5 соответственно. При этом выход каждого из фотодиодов 16 соединен с соответствующим входом управляющего устройства 13. А на дистальном конце катетера 5 световолокна расположены секторами (фиг. 5), каждый из которых содержит как минимум по одному световолокну 32, 33 и 34 из каждой группы 6, 7 и 8 световолокон проксимального конца катетера 5. При этом источник излучения 1 выполнен многочастотным (фиг. 3).

На фиг. 3 представлена оптическая схема источника излучения, где 17 - глухое вогнутое зеркало; 18 - активный элемент; 19 - лампа накачки; 20 - отражатель; 21 - возвратное зеркало; 22 - выходное плоское зеркало; 23 - поворотные зеркала; 24 - первый нелинейный кристалл; 25 - акустооптический модулятор; 26 - диафрагмы; 27 - второй нелинейный кристалл.

Источник излучения работает в квазинепрерывном режиме с модуляцией добротности резонатора с помощью акустооптического модулятора 25, питаемого от генератора синусоидального напряжения частотой 10-12 кГц.

Первая гармоника излучения имеет длину волны ₁ =1080 нм.

Лазер излучает вторую гармонику на длине волны ₂ =540 нм, что обеспечивается за счет удвоения частоты в первом нелинейном кристалле 24 типа KDP.

Выходное плоское зеркало 22 резонатора имеет интерференционное диэлектрическое покрытие, обеспечивающее оптимальный коэффициент отражения на длине волны 1080 нм, и просветление на длине волны второй гармоники ₂ =540 нм.

Возвратное зеркало 21 имеет высокий коэффициент отражения на длине волны ₂ = 540 нм и просветлено на длине волны ₁ = 1080 нм. Для получения диагностического излучения с длиной волны ₃ = 355 нм за счет смещения во втором нелинейном кристалле 27 типа KDP основной и удвоенной частот излучения возвратное зеркало 21 и выходное плоское зеркало 22 оптимизированы по коэффициентам пропускания и отражения на длинах волн основной и удвоенной гармоник.

Для повышения коэффициента преобразования длины волны излучения во вторую гармонику используется модуляция добротности резонатора с помощью акустооптического модулятора 25 (М3-305-1). Для обеспечения пространственной селекции поперечных мод резонатора используют диафрагмы 26.

Таким образом реализовано устройство для лазерной ангиопластики, где в качестве активного элемента 18 лазера использован кристалл ортоалюмината иттрия (Y AIO₃), лигированный ионами неодима (Nd³⁺) в форме цилиндра диаметром 5 мм, длиной 100 мм с просветленными торцевыми поверхностями.

Сканирующие устройства 3 и 4 представляют собой плоское зеркало, установленное на двухкоординатном пьезоприводе типа ПД-1. В устройстве использованы затворы 9 и 10 с электромагнитным приводом.

В качестве фотоприемного устройства 12 использован фотоприемник с зарядовой связью ФП3СА1122.

Управляющее устройство 13 выполнено в виде одноплатного микропроцессора на основе микросхем 580-ой серии в стандарте ТТЛ. Алгоритм работы микропроцессора представлен на фиг. 6 и 7.

Спектроанализатор (фиг. 4) содержит первый объектив 28, дисперсионные элементы 29 и 30, а также второй объектив 31.

Катетер 5 имеет три группы световолокон 6, 7 и 8, при этом каждая группа световолокон на проксимальном конце расположена в линейный ряд, а на дистальном конце катетера световолокна расположены четырьмя секторами (фиг. 5), каждый из которых содержит по одному световолокну для введения силового и диагностического излучений 32 и 33 соответственно с диаметром сердцевины по 100 мкм каждый и по два световолокна 34 для передачи информационного излучения от биологических тканей с диаметром сердцевины 10-20 мкм.

В устройстве использованы фотодиоды 14 и 15 типа ФД-24 для силового канала и УФ-ФД на основе фосфида галлия - для диагностического канала.

Устройство для лазерной ангиопластики работает следующим образом. Излучение с длинами волн ₂ и ₃ от источника излучения 1 попадает на спектроделительную призму 2, где происходит спектрально-пространственное разделение лазерного пучка, и образуются силовой и диагностический каналы устройства.

Лазерная операция на сосуде начинается с диагностического исследования его ткани. Для чего открывается второй затвор 10 и по диагностическому каналу в просвет сосуда направляется ультрафиолетовое излучение с длиной волны ₃ 355 нм, вызывающее флюоресценцию облучаемой ткани. За спектроделительной призмой 2 в диагностическом канале после второго затвора 10 установлено второе сканирующее устройство 4, осуществляющее ввод лазерного диагностического излучения в третью группу 8 световолокон катетера 5. Таким образом диагностическое излучение передается от проксимального к дистальному концу многоволоконного катетера 5 и облучает исследуемую ткань сосуда.

Информационный сигнал флюоресценции ткани поступает к проксимальному концу катетера 5 по второй группе 7 световолокон и попадает на спектроанализатор 11 (фиг. 4), обеспечивающий пространственное разложение спектра информационного сигнала флюоресценции. При этом объектив 28 собирает излучение из апертуры световолокна и преобразует его в параллельный пучок, дисперсионные элементы 29 и 30 разлагают излучение в спектр, а второй объектив 31 фокусирует излучение в плоскость фотоприемного устройства 12. На выходе фотоприемного устройства 12 формируются сигналы интенсивности излучения, соответствующие определенной длине волны информационного спектра флюоресценции. Эти сигналы обрабатываются и анализируются микропроцессором 13. На основе этого анализа делается вывод о наличии или отсутствии бляшки перед дистальным концом катетера 5.

В случае отсутствия бляшки производится дальнейшее продвижение катетера 5 в просвет сосуда, и процедура диагностики ткани повторяется.

При наличии бляшки перед дистальным концом катетера микропроцессор 13 вырабатывает команду на включение силового канала устройства. Наведение силового излучения на торец световолокна осуществляется при закрытом первом затворе 9, при этом он пропускает 1% силового излучения. После точной юстировки излучения относительно торца световолокна микропроцессор 13 обеспечивает открывание первого затвора 9, установленного за спектральной призмой 2, и включение первого сканирующего устройства 3 для ввода силового лазерного излучения в первую группу 6 световолокон катетера 5. Таким образом силовое излучение передается от проксимального к дистальному концу катетера 5 и производится разрушение атеросклеротической бляшки. Информация об эффективности разрушения бляшки поступает в микропроцессор 13. Работа устройства продолжается до восстановления кровотока оперируемого сосуда.

Чтобы исключить при воздействии силовым лазерным излучением перфорацию стенки сосуда, необходимо знать точное геометрическое расположение атеросклеротической бляшки в просвете этого кровеносного сосуда. Поэтому дистальный конец катетера 5 разбит на сектора, каждый из которых содержит хотя бы по одному волокну из первой 6, второй 7 и третьей 8 групп световолокон катетера 5. А на проксимальном конце катетера 5 производится сканирование по волокнам третьей 8 и первой 6 групп световолокон катетера 5 с помощью сканирующих устройств 4 и 3 соответственно. Для удобства сканирования световолокна каждой из указанных групп на проксимальном конце катетера 5 расположены в линейный ряд. Сканирующие устройства 3 и 4 представляют собой двухкоординатные пьезоприводы, управляемые микропроцессором 13. Настройка на каждое из световолокон производится в два этапа. На первом этапе сканирующее устройство осуществляет переключение излучения с одного волокна на другое, при этом шаг переключения заложен в память микропроцессора 13 и является постоянным. На втором этапе сканирующее устройство производит точную юстировку положения фокального пятна излучения относительно торца световолокна по сигналу обратной оптической связи с фотодиодов 16. Фотодиоды 16 расположены двумя группами 14 и 15 перед группами 6 и 8 световолокон соответственно на проксимальном конце катетера 5. В каждой из групп 14 и 15 четыре фотодиода 16 с равным шагом размещены по окружности. При неточном попадании лазерного луча в световолокно группы 6 (8) на проксимальном конце катетера 5 происходит рассеяние излучения от торца оправы световолокна, что фиксируется соответствующими фотодиодами из группы 14 (15). Последние направляют электрический сигнал на микропроцессор 13, который дает команду сканирующему устройству 3(4) для соответствующей подьюстировки лазерного луча. При этом практически исключаются потери мощности излучения при вводе диагностического и силового излучений в световолокна.

Операция по удалению бляшки происходит посекторно. В один из секторов дистального конца катетера по третьей группе 8 световолокна катетера 5 направляется диагностическое излучение, из этого же сектора катетера 5 приходит информационное излучение по второй группе 7 световолокон. При обнаружении бляшки в этот же сектор катетера 5 по первой группе 6 световолокон направляется силовое излучение. При отсутствии бляшки перед данным сектором катетера 5 силовое излучение в этот сектор не направляется, и сканирующие устройства 3 и 4 осуществляют переход к световолокнам следующего сектора на проксимальном конце катетера 5. Алгоритм работы повторяется до тех пор, пока не будет охвачена вся область поперечного сечения сосуда перед дистальным концом катетера 5. Затем катетер 5 продвигается дальше, и исследуется следующий участок стенки сосуда.

Цель изобретения достигается за счет использования одного источника излучения, работающего в многочастотном режиме, что значительно упрощает устройство и повышает надежность его работы.

Кроме того, цель изобретения достигается за счет введения в устройство спектроделительной призмы, а в катетер - третьей группы световолокон, что позволило надежно разделить информационный и силовой каналы. Это дает возможность исключить зашумление информационного канала и тем самым повысить эффективность работы устройства за счет точного диагностирования типа исследуемой ткани. Кроме того, повышена надежность работы устройства за счет исключения разрушения световолокон при передаче силового излучения. Цель изобретения достигается также за счет того, что на дистальном конце катетера световолокна расположены секторами, каждый из которых содержит как минимум по одному световолокну из каждой группы световолокон на проксимальном конце катетера.

Это позволяет точно определить местоположение бляшек в просвете сосуда и удалить ее без повреждения здоровой ткани, что повысило эффективность и надежность работы устройства.

Кроме того, цель изобретения достигается за счет того, что первое и второе сканирующие устройства установлены за спектроделительной призмой так, что первое сканирующее устройство расположено по ходу силового излучения, а второе сканирующее устройство, привод которого электрически соединен с одним из соответствующих выходов управляющего устройства, - по ходу диагностического излучения и оптически соединено с третьей группой световолокон катетера, при этом первый затвор размещен между спектроделительной призмой и первым сканирующим устройством, второй затвор, привод которого соединен с выходом управляющего устройства, между спектроделительной призмой и вторым сканирующим устройством, фотодиоды размещены двумя группами, каждая из которых содержит, как минимум, четыре фотодиода, расположенных с равным шагом по окружности, причем каждая группа фотодиодов установлена с возможностью приема излучения, рассеянного от оправы торца каждого из световолокон первой и третьей групп соответственно и выход каждого из дополнительных фотодиодов электрически соединен с соответствующим входом управляющего устройства.

Это позволило повысить точность наведения излучения за соответствующее световолокно проксимального конца катетера, что значительно уменьшило потери излучения и повысило эффективность и надежность работы устройства.

Эксперименты по испытанию устройства проводились на сегментах бедренных артерий человека "in vitro". Всего было исследовано около 500 образцов артерий в разной стадии атеросклероза, в том числе и в стадии полной окклюзии.

Проведенные эксперименты подтвердили высокую эффективность, надежность и работоспособность устройства. Полностью исключена перфорация стенок сосуда. Устройство позволяет точно и надежно идентифицировать тип исследуемой ткани и ликвидировать окклюзию сосуда.

Таким образом, по сравнению с прототипом предложенное устройство отличается повышенной эффективностью и надежностью при упрощении конструкции устройства.