устройство для лазерной реваскуляризации миокарда

Формула изобретения

Устройство для проведения лазерной реваскуляризации миокарда, включающее источник лазерного излучения, манипулятор с наконечником и акустический датчик, отличающееся тем, что в него дополнительно введена схема обратной связи, включающая блок формирования управляющего сигнала обратной связи, соединенный через усилитель с акустическим датчиком и соединенный с блоком управления лазером.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к управлению системами оперативного вмешательства в организм человека с использованием лазерной техники, в частности управлению лазерной реваскуляризацией миокарда.

Известно устройство для проведения хирургических операций по восстановлению кровоснабжения мышцы миокарда путем перфорации узких сквозных каналов в стенке левого желудочка сердца пациента при помощи сфокусированного пучка излучения СО₂ лазера [1, 2] Импульсы лазерного излучения длительностью от 10 до 100 мс, мощностью 800 Вт, обеспечивающей плотность энергии 800 Дж/см² и более, достаточной для пробивки канала в мышце сердца за один импульс, синхронизируются с ритмами сердца.

Недостатком указанного устройства является взаимодействие лазерного излучения большой мощности с кровью вследствие проникновения лазерного пучка внутрь сердца. При поглощении кровью лазерного излучения с плотностью энергии выше 3 Дж/см² образуется поток парогазовых пузырьков, распространяющийся в заполненном кровью объеме левого желудочка. Результатом теплового воздействия лазерного излучения на кровь может быть ее свертывание и формирование тромба. Образующиеся пузырьки газа и тромбы в крови представляют опасность закупоривания мелких кровеносных сосудов в организме человека. Устройство не обеспечивает возможности прерывания лазерного импульса после завершения пробивки канала, чтобы ограничить влияние мощного лазерного излучения на кровь.

Известно устройство для диагностики лазерной реваскуляризации миокарда (прототип) [3] , включающее лазерные средства для создания лазерного луча (обычно СO₂-лазер), манипулятор для передачи лазерного излучения, наконечник для фокусировки и контакта лазерного излучения со стенкой сердца, ультразвуковой датчик и индикаторные средства для обнаружения завершения пробивки канала, созданного лазерным лучом.

Недостатком устройства является отсутствие обратной связи между акустическим датчиком и лазером, что обеспечивало бы возможность прерывания лазерного излучения при появлении соответствующего сигнала датчика. В прототипе отсутствует возможность автоматического дозирования порции энергии лазерного импульса, необходимой и достаточной для пробивки сквозного канала в стенке сердца.

Согласно описанию изобретения источником сигнала датчика в прототипе являются ультразвуковые волны, отраженные от паро-газовых пузырьков, возникающих вследствие проникновения лазерного излучения в кровь. Таким образом, необходимым условием появления сигнала в прототипе является образование достаточного количества пузырьков в крови. После срабатывания системы индикации о завершении пробивки канала время реакции человека на аудио- или видеоиндикатор составляет от 0,5 до 2 с, что исключает возможность управления параметрами лазерного импульса вручную. Заранее определить длительность и энергию лазерного импульса, достаточные для пробивки сквозного канала в мышце сердца, но исключающие взаимодействие излучения с кровью, невозможно из-за переменной толщины стенки сердца и вероятных флуктуаций параметров лазерного пучка. Поэтому в прототипе неизбежно проникновение лазерного излучения в кровь пациента с вероятными отрицательными последствиями, указанными выше.

Задача изобретения - обеспечить автоматическое прерывание лазерного излучения сразу после завершения пробивки канала с целью ограничения воздействия мощного лазерного излучения на кровь пациента во время лазерной реваскуляризации миокарда.

Указанная задача решается тем, что в устройство для диагностики лазерной реваскуляризации миокарда, включающее источник лазерного излучения, манипулятор с наконечником и акустический датчик, согласно изобретению дополнительно введена схема обратной связи, включающая блок формирования управляющего сигнала обратной связи, соединенный через усилитель с акустическим датчиком и соединенный с блоком управления лазером.

Блок формирования управляющего сигнала может включать схему сравнения выделяемых полосовыми фильтрами спектральных компонент сигнала акустического датчика на частотах акустических колебаний, характерных для взаимодействия лазерного излучения с тканью мышцы сердца и кровью.

В основе предлагаемого устройства лежит экспериментально установленный факт, что частота акустических колебаний, генерируемых струей пара, испускаемой из канала, проливаемого лазерным излучением в стенке мышцы сердца, зависит от положения дна канала. Характерная частота акустических колебаний определяется скоростью потока пара, истекающего из канала, V и диаметром канала d:

F=V/d.

В момент прохождения дном канала задней стенки мышцы сердца, граничащей с кровью, и проникновения излучения в кровь условия истечения струи пара изменяются, соответственно изменяется и частота акустических колебаний. Сигнал управления прерыванием лазерного излучения формируется в момент изменения спектра колебаний, воспринимаемых акустическим датчиком.

Фиг. 1 показывает схему предлагаемого устройства.

Устройство содержит акустический датчик 1, подключенный к входу усилителя сигнала 2, выход которого соединен с двумя аналоговыми полосовыми спектральными фильтрами 3 и 4, настроенными на выделение сигнала в областях спектра F₁ и F₂, соответствующих частотам акустических колебаний, возникающих при взаимодействии лазерного пучка с тканью мышцы сердца и кровью. Например, в качестве характерных частот акустических колебаний F₁ и F₂ могут быть приняты частоты F₁=1,2 кГц и F₂=3 кГц, связанные с колебаниями паровой струи, выбрасываемой из канала. Выходы фильтров 3 и 4 подключены к соответствующим входам компараторов 5 и 6, на другие входы которых подаются напряжения U₁ и U₂, задающие пороговый уровень их срабатывания. Выходы компараторов подключены к входу логической схемы 7, обеспечивающей сравнение временных интервалов сигналов компараторов и сигнала синхронизации лазера 8 от блока управления лазером и формирующей управляющий сигнал обратной связи для прерывания лазерного импульса 9, подаваемый на вход блока управления лазерным излучением. Спектральные фильтры 3 и 4, компараторы 5 и 6, а также схема сравнения временных интервалов 7 составляют блок формирования управляющего сигнала обратной связи 10.

Блок формирования управляющего сигнала обратной связи 10 может быть выполнен в виде микропроцессорного цифрового устройства, включающего аналого-цифровой преобразователь, процессор и программный код, реализующий алгоритм цифровой фильтрации сигнала, сравнения амплитуд спектральных гармоник, и формирующего управляющий сигнал обратной связи 9.

В устройство могут быть включены средства аудио- или видеоиндикации, информирующие хирурга о завершении пробивки канала лазерным лучом.

Принцип работы предлагаемого устройства поясняет фиг.2.

Пучок лазерного излучения 11, передаваемый от лазера 12 с помощью манипулятора 13, фокусируется линзой 14 и направляется через наконечник 15 на находящуюся с ним в контакте поверхность оперируемого участка левого желудочка сердца 16, В результате взаимодействия лазерного излучения с мышечной тканью в стенке сердца формируется канал 17, который углубляется по мере продолжения воздействия лазерного импульса.

Поток испаренного лазерным излучением вещества 18 выбрасывается из канала через отверстия 19 наконечника 15. Генерируемые при этом звуковые колебания воспринимаются акустическим датчиком 1 и преобразуются в виде электрического сигнала 20, имеющего характерную частоту F₁, соответствующую этим акустическим колебаниям.

При достижении каналом внутренней границы мышцы сердца 16, контактирующей с кровью 21, наполняющей левый желудочек, условия истечения потока 18 на выходе из канала 17 изменяются, вследствие чего изменяются частота (F₂) и амплитуда электрического сигнала 20.

Пройдя через усилитель 2, сигнал акустического датчика поступает на входы полосовых спектральных фильтров 3 или 4 блока формирования управляющего сигнала обратной связи 10, показанного на фиг.1. Фильтры выделяют спектральные компоненты сигнала S₁(t) и S₂(t) на частоте колебаний F₁ и F₂, соответствующих взаимодействию лазерного лучка 11 с различными участками сердца, а именно, со стенкой мышцы сердца 16 - F₁ и с кровью 21 - F₂. Далее сигналы поступают па соответствующие входы компараторов 5 или 6, где сравниваются с заданными пороговыми уровнями срабатывания U₁ или U₂. Значения U₁ и U₂ позволяют исключить срабатывание компараторов 5 и 6 от случайных электрических помех и шумов и устанавливаются так, чтобы компаратор 5 выдавал сигнал K₁, равный логической "1", при наличии сигнала S₁ на его входе и логического "0" - при отсутствии сигнала, а компаратор 6 выдавал сигнал К₂, равный "1", при наличии сигнала S₂ и "0" - при его отсутствии.

С выходов компараторов 5 и 6 сигналы поступают в схему сравнения временных интервалов 7, на которую также поступает сигнал синхронизации 8 от блока управления лазером 22. Он вырабатывается в течение времени генерации лазера 12 после его запуска. При наличии сигнала синхронизации 8 схема 7 анализирует состояние сигналов компараторов 5, 6. Изменение сигнала K₁ из уровня "1" в уровень "0" при одновременном изменении сигнала К₂ из уровня "0" в уровень "1" соответствует моменту завершения пробивки канала в стенке сердечной мышцы и началу проникновения лазерного пучка в кровь. В этот момент схема 7 вырабатывает сигнал 9, поступающий на блок управления лазером 22, и прерывает лазерную генерацию, при этом время взаимодействия лазерного пучка с кровью ограничено временем срабатывания электронных схем формирования управляющего сигнала обратной связи 9 и управляющей генерацией лазера 23.

Авторами был изготовлен и испытан образец устройства, выполненного в соответствии с изобретением.

В качестве источника лазерного излучения для перфорации каналов в биоткани использовался CO₂-лазер "Геном-4" мощностью излучения 500 Вт на длине волны 10,6 мкм с длительностью импульса от 100 мс. Акустические колебания регистрировались микрофонным приемником типа МД-47, встроенным в наконечник манипулятора. В качестве имитации ткани сердечной мышцы человека использовались образцы разной толщины, вырезанные из сердечной мышцы левого желудочка свиньи. Образцы биоткани размещались на поверхности сосуда, заполненного кровью. Процесс пробивки отверстия фиксировался с помощью скоростной видеосъемки пробиваемого участка через прозрачную стенку сосуда с частотой 1000 кадров в секунду.

При воздействии излучения СО₂-лазера на модельный объект с использованием предлагаемого устройства зафиксированы частоты акустических колебаний, соответствующие взаимодействию лазерного излучения с тканью мышцы сердца F₁= 1,50,3 кГц и с кровью F₂=30,5 кГц, электронный блок имел время формирования управляющего сигнала 0,1 мс.

Получено время взаимодействия пучка лазерного излучения с кровью 0,2 мс при проникновении в кровь на глубину не более 1 мм. Для прототипа время взаимодействия излучения с кровью составляет порядка 10 мс при проникновении в кровь на глубину около 20 мм. Общее количество парогазовых пузырьков и тромбов определяется глубиной проникновения лазерного излучения в кровь и уменьшается по сравнению с прототипом в 20 раз. Вероятность закупоривания мелких кровеносных сосудов в организме человека снижается также в 20 раз.

Благодаря введению обратной связи, включающей блок формирования управляющего сигнала обратной связи, соединенный через усилитель с акустическим датчиком и соединенный с блоком управления лазером, заявляемое устройство позволяет значительно уменьшить время воздействия мощного лазерного излучения на кровь пациента во время лазерной реваскуляризации миокарда, ограничив его временем, необходимым для срабатывания электронной схемы управления лазером.

Авторами впервые был зарегистрирован факт изменения спектра акустических колебаний, генерируемых струей пара, испускаемой из канала, пробиваемого лазерным излучением в стенке мышцы сердца при прохождении границы "сердечная мышца - кровь" лучом СО₂-лазера.

Предлагаемое устройство может быть использовано в практике хирургических операций лазерной реваскуляризации миокарда для осуществления автоматического управления лазерной установкой.

Источники информации

1. Mirhoseini M., Cayton M.M., Revascularization of the heart by laser. / J/Microsur. v.2, pp.253-260 (1981).

2. Transmyocardial revascularization with "The Heart Laser". PLC Medical System, Inc., The NMR Company, 1997.

3. Patent USA, Ultrasonic delection system for transmyocardial revascularization, 5724975, 1998-03-10, US, C1, 128/661.09.