Способ модулирования лазерного излучения и устройство для его осуществления

Способ модулирования лазерного излучения и устройство для его осуществления

Реферат

 

Изобретение относится к медицинской технике для применения в лазерной хирургии. Способ модулирования лазерного излучения заключается в получении импульсно-переменного режима генерации в генераторе лазерного излучения посредством размещения электронно-механического прерывания между глухим зеркалом резонатора и квантроном на одной оптической оси. Частоту следования импульсов выбирают до 200 Гц с дискретностью регулирования частоты 10 Гц. Длительность работы открытого резонатора выбирают в пределах К=t_ген/t_пр=15, где t_ген - время генерации, t_пр - время прерывания, которое обеспечивается выполнением электронно-механического прерывателя в виде связанного с выходом блока источника питания генератора лазерного излучения блока, состоящего из двигателя постоянного тока, на валу которого закреплен прерыватель, представляющий собой полукруглую плоскую пластину с флажком, соотношение дуги которого и полной окружности составляет 1:15. Блок источника питания генератора соединен с блоком зажигания, подключенным к генератору лазерного излучения, в состав которого входит квантрон с лампой накачки. Изобретение позволяет получить наиболее оптимальный режим модуляции для различных типов биологической ткани, не допуская перегрева их граничных кромок и обугливания при проведении хирургической операции. 2 с.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к медицинскому приборостроению и предназначается для применения в лазерной хирургии для лечения онкозаболеваний различных органов.

Известен способ накачки лазерного излучения, осуществляемый устройством источника питания СПИК-1, при котором поджиг лампы генератора осуществляется путем подачи коротких высоковольтного импульсов 25 - 30 кВ, подачи подпитывающего напряжения 1500 В для формирования устойчивой дуги в лампе, подачи силового питания на лампу. При изменении напряжения на лампу изменяется проходящий через нее ток, а при увеличении тока накачки появляется генерация на выходе излучателя (Система питания, испытания и контроля работы излучателя СПИК-1. Паспорт УРМ 2.625.004 ПС).

Недостатками непрерывного способа накачки лазерного излучения является ограниченный диапазон непрерывного режима, так как при обработке материала, в том числе биологических тканей, происходит перегрев граничных кромок и нарушение их структуры. При применении непрерывного режима накачки со ступенчатой регулировкой мощности невозможно добиться получения стабильных параметров лазерного излучения из-за снижения энергетических параметров при наработке ламп.

В качестве прототипа предлагаемых способа и устройства рассмотрены способ накачки лампы генератора лазерного излучения и устройство для его осуществления (RU 2110382 C1, 10.05.98). Модулирование лазерного излучения в известном способе осуществляется в импульсно-переменном режиме генерации, в результате поджига лампы накачки генератора лазерного излучения, формирование дуги и подачи на лампу регулируемого напряжения. Известная схема содержит блок питания, соединенный с блоком зажигания, также генератор лазерного излучения, включающий квантрон с лампой накачки.

Недостатком известного устройства является малая градация частот и чисто импульсный режим накачки и излучения. При воздействии на биологическую ткань импульса излучения основные продольные моды испаряют клетки, не образуя продуктов горения за счет высокой плотности энергии в пике импульса. Поперечные моды, присутствующие в импульсе, нагревают ткань до температуры горения (обугливания), так как имеют более низкую плотность энергии. Из-за большой энергии в импульсе происходит перегрев граничных кромок биологической ткани.

Предлагаемое изобретение направлено на устранение этих недостатков путем исключения перегрева кромок ткани при проведении хирургической операции, а также выбрать необходимый режим воздействия, учитывающий тип ткани за счет выбора режима модуляции.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в способе модулирования лазерного излучения, осуществляемом путем поджига лампы накачки генератора лазерного излучения, формирования дуги и подачи на лампу регулирующего напряжения с получением импульсно-переменного режима генерации. Резонатор лампы накачки модулируют электронно-механическим прерывателем с частотой следования импульсов до 200 Гц и дискретностью регулирования частоты 10 Гц, при этом длительность работы открытого резонатора выбирают в пределах постоянной величины где t_ген - время генерации; t_пр - время прерывания, при этом t_ген + t_пр = Т, где Т - период лазерного извлечения.

Поставленная задача достигается также тем, что в устройстве модулирования лазерного излучения, содержащем блок источника питания генератора, соединенный с блоком зажигания, и генератор лазерного излучения, включающий квантрон с лампой накачки, между глухим зеркалом резонатора и квантроном, на одной оптической оси с ними и выходным зеркалом, размещен прерыватель.

Прерыватель выполнен в виде полукруглой плоской пластины с флажком, закрепленной на валу двигателя постоянного тока с обеспечением балансировки пластины при вращении вала двигателя, причем соотношение длины дуги, которую занимает флажок к полной окружности, описываемой этим прерывателем за один оборот, составляет 1:15. Прерыватель и двигатель постоянного тока составляют электронно-механический прерыватель, вход блока источника питания которого соединен с выходом блока источника питания генератора лазерного излучения.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен график релаксационно-колебательного режима генерации электромагнитных волн в резонаторе, на фиг. 2 представлен график перераспределения энергии в резонаторе, на фиг. 3 изображена блок-схема устройства, на фиг. 4 приведено распределение мощности излучения по диаметру пучка при различных режимах накачки, на фиг. 5 изображен электронно-механический прерыватель, на фиг. 6 - пластина прерывателя.

Устройство для создания модулированного лазерного излучения содержит последовательно соединенные блок источника питания генератора 1, блок зажигания 2 и генератор 3 лазерного излучения, включающий квантрон 4, глухое 5 и выходное 6 зеркала, а также последовательно соединенные электронно-механический прерыватель 7 и блок источника питания прерывателя 8, причем вход блока источника питания прерывателя связан со выходом блока источника питания генератора, а прерыватель установлен между глухим зеркалом и квантроном на одной оси с ними и выходным зеркалом.

Квантрон 4 состоит из блока нагрузки 9 (лампы накачки), предназначенной для возбуждения квантов и возникновения спонтанного излучения возбужденных активных частиц в активном элементе 10 (фиг. 3). Мощность накачки лампы - минимальная 3 кВт, максимальная 7 кВт.

Глухое и выходное зеркала представляют собой резонатор, который обеспечивает раскачку колебаний с частотами в пределах ширины линии усиления активной среды и вывод части возбуждаемой электромагнитной волны наружу, через выходное зеркало.

Электронно-механический прерыватель состоит из двигателя постоянного тока 11 с закрепленным на его валу 12 прерывателем в виде полукруглой плоской пластины 13 с флажком 14, причем соотношение длины дуги, которую занимает флажок, и полной окружности, описываемой этим прерывателем за один оборот составляет 1:15.

Генератор лазерного излучения является автоколебательной системой с положительной обратной связью, генерация электромагнитных колебаний в которой осуществляется за счет когерентного усиления в результате индуцированных квантовых переходов. Резонатор, состоящий из одного глухого 4 (непрозрачного) зеркала и расположенного параллельно ему выходного 3 (полупрозрачного) зеркала, осуществляет раскачку колебаний с частотами в пределах ширины линии усиления активного элемента и вывод части возбуждаемой электромагнитной волны наружу через выходное зеркало.

Предлагаемым устройством реализуют способ модулирования лазерного излучения, который заключается в поджиге лампы, формировании излучения с непрерывным режимом генерации и осуществлении режима модуляции.

Поджиг лампы накачки лазерного излучения осуществляют в несколько этапов.

На первом этапе производят накопление энергии в источнике питания генератора 1 до 1000 В, в блоке зажигания 2 формируют короткий высоковольтный импульс напряжением 18-25 кВ. Происходит разряд энергии, накопленной в источнике питания генератора.

Далее источник питания генератора переключают в режим работы стабилизации тока лампы накачки 9 генератора лазерного излучения. Внутри генератора формируют излучение с непрерывным режимом генерации.

Для обеспечения режима модуляции включают электронно-механический прерыватель, который преобразует внутри резонатора непрерывный режим генерации в импульсно-периодический со скважностью генератора в пределах постоянной величины К = 15 с сохранением постоянной величины частоты следования импульсов лазерного излучения до 200 Гц, выбираемой из соотношения: где t_ген - время генерации, t_пр - время прерывания, при этом t_ген + t_пр = Т, где Т - период лазерного излучения.

Частота следования импульсов лазерного излучения может регулироваться до 200 Гц. Регулировку осуществляют путем подачи стабилизированного напряжения на двигатель постоянного тока от генератора 8, который вырабатывает постоянное стабилизированное напряжение разной величины. Как известно, при подаче разной величины напряжения изменяется скорость вращения на валу электродвигателя.

Для точной установки частоты вращения вала подбирают стабилизированное напряжение для любого типа электродвигателя.

При включении блока электронно-механического прерывателя 7 осуществляют попеременное прерывание в оптической оси резонатора с частотой прерывания до 200 Гц, причем время открытого резонатора в 15 раз больше закрытого.

В момент закрытия резонатора электронно-механическим прерывателем не происходит выброса лазерного излучения через выходное зеркало. В это же самое время в теле активного элемента происходит возбуждение ионов и переход их на более высокий энергетический уровень.

В момент открытия резонатора электронно-механическим прерывателем происходит процесс раскачки генерации. Частота вынужденных переходов сравнивается со скоростью возбуждения верхнего лазерного уровня, за счет чего интенсивность поля начинает лавинообразно расти.

Величина энергии лазерного излучения в этот момент достигает своего максимального значения.

Величина энергии при работе прерывателя составляет: E_пр = 0,98Е_н, где Е_н - энергия лазерного излучения при работе в непрерывном режиме. Соотношение длительности работы резонатора (открытый) к длительности закрытого резонатора составляет 15/1, т.е. это 6,25% от потери энергии, если бы прерыватель находился не в резонаторе, то он являлся бы ослабителем и величина ослабления составила 6,25%. E_осл = 0,9375Е_н, где E_осл - энергия ослабителя.

Таким образом E_эф = (0,98 - 0,93)Е_н ~ 0,05Е_н, где Е_эф - эффективная энергия, получаемая при использовании прерывателя. Из представленного графика (фиг. 2) видно, что резонатор, работающий в режиме прерывания с изменяющимися временными параметрами, среднюю энергию по времени излучает меньше, чем в режиме непрерывной накачки: E_н > E_пр - величина неизменная во всем диапазоне частот следования импульсов лазерного излучения до 200 Гц и составляет 98% от _н.

Излучатель работает в режиме импульсного возбуждения, продолжающегося, как правило, более 1 мкс и является так называемым "пичковым режимом генерации".

Из представленного графика (фиг. 1) видно, что несмотря на непрерывное в течение всего светового импульса накачки возбуждение с интенсивностью 1_н (1_н - ток накачки через лампу) излучение лазера появляется через некоторое время задержки и имеет вид отдельных пичков с характерной длительность 1 мкс и интервалами между ними 10 мкс. К числу основных процессов, ответственных за пичковый характер генерации твердотельных лазеров, необходимо отнести так называемый релаксационно-колебательный режим генерации электромагнитных волн в резонаторе.

Предлагаемый способ накачки, не формируя больших пичковых значений энергии импульса за счет модуляции резонатора электронно-механическим прерывателем, позволяет формировать серии пичков излучения, регулируемых как по длительности, так и по частоте, что позволяет не доводить температуру граничных слоев ткани, на которые воздействуют поперечные моды, до температуры термического разрушения (обугливания) и стимулирует процесс коагуляции.

Результаты экспериментов были использованы при создании устройства, обеспечивающего контактный способ рассечения тканей на любую глубину и тканей различной структуры и плотности лазерным лучом, исходящим из твердотельного Nd: YAG лазера. В конструкции устройства были учтены все основные требования к приборам такого назначения: длина волны излучения - 1064 нм; диапазон регулирования мощности - 0...100 Вт; расходимость излучения - 3...5 м рад; частота следования импульсов - 0...200 Гц; дискретность регулирования частоты - 10 Гц.

Выбор режимов модуляции для различных биологических тканей иллюстрируется следующими примерами: Пример 1.

Частота следования импульсов f = 70 Гц.

Период лазерного излучения Т = 14,2 мкс (Т = 1/f= 1/70 = 0,0142 с или 14,2 мкс).

Время генерации t_ген = 14/15 х 14,2 мкс = 13,25 мкс.

Время прерывания t_пр = 1/15 х 14,2 мкс = 0,95 мкс.

Пример 2.

Частота следования импульсов от f = 70 Гц до 140 Гц - обработка тканей средней плотности.

Частота следования импульсов f = 140 Гц.

Период лазерного излучения Т = 7,1 мкс (Т = 1/f= 1/140 = 0,0714 с или 7,14 мкс).

Время генерации t_ген = 14/15 х 7,1 мкс = 6,63 мкс.

Время прерывания t_пр = 1/15 х 7,1 мкс = 0,47 мкс.

Пример 3.

Частота следования импульсов от 140 Гц до 200 Гц - обработка мягких тканей.

Частота следования импульсов f = 200 Гц.

Период лазерного излучения Т = 5 мкс (Т = 1/f= 1/200 = 0,005 с = 5 мкс).

Время генерации t_ген = 14/15 х 7,1 мкс = 6,63 мкс.

Время прерывания t_пр = 1/15 х 7,1 мкс = 0,47 мкс.

Применение воздействия лазерным лучом по предлагаемому устройству увеличит эффективность лечения онкозаболеваний, оказывая сильное воздействие на ткани злокачественных опухолей и минимальное на здоровые ткани.

Большой диапазон регулирования частоты следования импульсов до 200 Гц с дискретностью 10 Гц значительно расширит применение различных методик хирургического вмешательства.

Формула изобретения

1. Способ модулирования лазерного излучения путем поджига лампы накачки генератора лазерного излучения, формирования дуги и подачи на лампу регулируемого напряжения с получением импульсно-переменного режима генерации, отличающийся тем, что резонатор лампы накачки модулируют электронно-механическим прерывателем с частотой следования импульсов до 200 Гц и дискретностью регулирования частоты 10 Гц, при этом длительность работы открытого резонатора выбирают в пределах постоянной величины К=t_ген/t_пр=15, где t_ген - время генерации, t_пр - время прерывания, а t_ген+t_пр=Т, где Т - период лазерного излучения.

2. Устройство для модулирования лазерного излучения, содержащее блок источника питания генератора, соединенный с блоком зажигания и генератор лазерного излучения, включающий квантрон с лампой накачки, отличающееся тем, что между глухим зеркалом резонатора и квантроном, на одной оптической оси с ними и выходным зеркалом размещен прерыватель, выполненный в виде полукруглой плоской пластины с флажком, соотношение длины дуги которого к полной окружности составляет 1:15, закрепленной на валу двигателя постоянного тока с образованием ими электронно-механического прерывателя, вход которого связан с выходом блока источника питания генератора лазерного излучения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6