Устройство для внутритканевого облучения биологической ткани лазерным излучением

Устройство для внутритканевого облучения биологической ткани лазерным излучением

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к лазерной терапии, а более конкретно к устройствам для объемного облучения лазерным излучением, которое используется, в частности, для фотодинамической терапии, лазерной гипертермии, объемной лазерной коагуляции, интерстициальной лазерной термотерапии и абляции опухолей разных органов, например, простаты, печени, щитовидной железы, мозга.

Для облучения таких опухолей в тело опухоли вводят одно или несколько световодных устройств, которые в зависимости от задачи могут иметь диаграммы направленности излучения вперед, вбок или равномерную в объеме («цилиндрическую»). При этом необходимо обеспечить возможность введения этих устройств в опухолевую ткань без значительного механического воздействия, чтобы избежать как механического повреждения устройства, так и грубого травмирующего воздействия на биоткань, которое в частности может вызывать значительное кровотечение в области введения. В методах, где используется объемное термическое воздействие, индуцируемое лазерным облучением, важно избегать образований областей перегрева, ведущих к карбонизации прилегающих к световоду тканей, снижающих общую область терморазрушения из-за непрозрачности этих загрязнений. Для этого используют охлаждение световода. Охлаждаемые световоды также используют для контролируемой абляции (выпаривания) биоткани лазерным излучением для защиты световода от разрушения при передаче излучения высокой мощности и, с другой стороны, для получения минимальной толщины слоя коагуляции под выжигаемой областью с целью сохранения здоровых прилегающих тканей.

Известно устройство для внутритканевого облучения биологических тканей, в котором для отклонения светового пучка на выходе волокна с целью защиты здоровых тканей и формирования цилиндрической диаграммы направленности излучения применяют наконечники, имеющие концевые зеркальные металлические элементы [US 5242438, 1993-09-07]. Применение наконечников с отклоняющими элементами с целью формирования равномерного в радиальном направлении пучка, а также формирования пучка излучения «вбок» при высокой световой мощности ведет к сильному нагреву наконечника, а, главное, на конце такого устройства образуется «мертвая зона» - излучение не выходит из частей устройства, занимаемых металлическим наконечником. Из-за этого, при необходимости облучения определенной области опухоли приходится вводить устройство вглубь биологической ткани (органа) намного дальше (на глубину «мертвой зоны») по отношению к патологической зоне, вследствие чего травмируются здоровые части ткани (органа). Одной из основных проблем устройства для внутритканевого облучения является быстрое старение материалов световода (кварц, полимеры), ухудшение их оптических характеристик в процессе облучения (помутнение), невозможность надежной стерилизации в случаях, когда в качестве оптических материалов используются кварцевое стекло, оптические стекла или полимерные материалы.

Известно устройство для внутритканевого облучения биологических тканей, принятое за прототип, содержащее оптоволокно и сапфировый наконечник [Прикладная лазерная медицина. Учебное и справочное пособие / Под ред. Х.-П.Берлиена, Г.Й.Мюллера: Пер. с нем. - М.: Интерэксперт, 1997. - 356 с.]. Сапфировые наконечники помещаются перед волокном, излучение из которого направлено преимущественно вперед. Находясь в контакте с биологической тканью во время облучения, сапфировые наконечники не подвержены каким-либо изменениям структуры или поверхности и могут быть многократно стерилизованы любым способом. Они применяются во всех методах контактного лазерного воздействия, включая лазерную абляцию короткими мощными импульсами.

Недостатком данного устройства является значительное неконтролируемое нагревание наконечника. Излучение, исходящее из торца волокна, падает на входную торцевую поверхность наконечника в пределах малого пятна. Так как сапфир имеет высокий показатель преломления, доля излучения, отраженного от границы раздела «воздух-сапфир» (Френелевские потери), высока и энергия этого излучения преобразуется в тепло, раскаляющее весь наконечник. Оно может привести к образованию непрозрачных для лазерного излучения тромбов вблизи наконечника или вносить искажения в индуцированное лазерным излучением температурное поле.

Чтобы исключить эту нежелательную, неконтролируемую компоненту, в устройстве предусмотрено охлаждение, для чего на световодное волокно надевается дополнительный кожух с циркулирующей жидкостью, что приводит к усложнению конструкции и увеличению поперечных размеров устройства.

Так как излучение наконечниками данного устройства может доставляться только «точечно» (локализовано на рабочем торце сапфирового наконечника), то с помощью данного устройства можно осуществлять воздействия на небольшие объемы биологических тканей, где глубина проникновения излучения определяется только длиной волны излучения лазера и свойствами самой ткани. Таким образом, для облучения объемных образований требуется перемещение устройства с последовательным облучением. При необходимости облучения объемных образований, это приводит к увеличению времени и травматичности операции.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в существенном увеличении объема облучения, выравнивании температуры по всему объему облучателя без зон перегрева (очагов образования тромбов), упрощении конструкции за счет исключения системы охлаждения устройства, в возможности формирования различных, в том числе несимметричных относительно оси устройства диаграмм направленности излучения, в возможности формирования нужной структуры зоны деструкции лазерным излучением с возможностью охлаждения прилежащих к облучателю тканей, в возможности самостоятельного введения устройства на требуемую глубину, в уменьшении травматичности введения и извлечения устройства, в повышении прочности устройства для внутритканевого облучения.

Для достижения указанного технического результата устройство для внутритканевого облучения биологической ткани лазерным излучением, содержащее оптоволоконный световод и сапфировый наконечник, представляющий собой открытый или закрытый капилляр, в канале которого размещен оптоволоконный световод, выполнен с острием, капилляр выполнен с утолщением закрытой части в виде шара или части шара, часть внешней и/или внутренней поверхности капилляра выполнена шероховатой, часть внешней поверхности капилляра выполнена с зеркальным покрытием, угол между осью капилляра и его торцом изменяется в пределах от 10 до 90°, в канале капилляра расположен отклоняющий зеркальный элемент, в канале капилляра циркулирует жидкость или газ, жидкость или газ может свободно вытекать (выходить) из капилляра, по крайней мере, часть поверхности волокна, размещенного в капилляре, выполнена диффузно рассеивающей, на часть внешней и/или внутренней поверхности капилляра нанесено покрытие (просветляющее, биосовместимое, супергидрофобное и т.д.), часть канала капилляра, где излучение выходит из световода, заполнена иммерсионной жидкостью.

Отличительной особенностью заявляемого изобретения является то, что в новом устройстве для облучения биологической ткани волоконный световод помещается в канале сапфирового капилляра, что позволяет за счет высокой прочности сапфира увеличить механическую прочность волоконного облучателя, осуществить изоляцию части волокна, из которой выходит излучение, или изоляцию всей протяженной диффузно рассеивающей части волокна от контакта с биологическими тканями без какого-либо экранирования световых пучков.

Использование сапфира позволяет получить наилучшие эксплуатационные параметры за счет его чрезвычайной термохимической стойкости и возможности формирования стабильного острия с субмикронным радиусом скругления, что обеспечивает возможность самостоятельного введения устройства в опухолевую ткань без значительного механического воздействия, чтобы избежать как механического повреждения устройства, так и грубого травмирующего воздействия на биоткань, которое, в частности, может вызвать значительное кровотечение в области введения. Аналогично преодолеваются возможные проблемы при извлечении устройства из биологической ткани, принимая во внимание как отсутствие физико-химического взаимодействия ткани и крови с поверхностью сапфирового капилляра (особенно при высокой плотности мощности облучения), так и возможные спазмы опухолевой и мышечной ткани, например, из-за значительных болевых эффектов при облучении.

Наряду с высокой химической стойкостью сапфировых защитных капилляров можно управлять распределением лазерного излучения в ткани в зависимости от геометрии острия (получение большей равномерности распределения света вдоль оси устройства), при этом желательна однородность распределения излучения в радиальном направлении, что соблюдается при выполнении острия телом вращения с осью, совпадающей с осью капилляра. Выполнение острия в виде конуса позволяет получить световой пучок, индикатриса излучения которого в прямом направлении сильно ослаблена, что позволяет сохранить лежащие за облучаемым объемом ткани, улучшить контроль за объемом облучения и распространить методы фотодеструкции для лечения сильно неоднородных или располагающихся вблизи жизненно важных органов опухолей.

Выполнение закрытой части капилляра с утолщением, которое является шаром или частью шара, позволяет получать с использованием данного облучения световые пучки, преимущественно направленные вперед и имеющие перетяжку с максимальной плотностью световой энергии на некотором расстоянии от крайней точки поверхности облучателя. Учитывая возможность эффективного охлаждения облучателя за счет высокой теплопроводности сапфира, возможно поддержание температуры капилляра на уровне, безопасном для здоровых тканей, повышая мощность подводимой световой энергии до уровня, необходимого для требуемого эффекта в области световой перетяжки.

Выполнение части внешней и внутренней поверхности капилляра шероховатой, части внешней поверхности капилляра с зеркальным покрытием, выполнение части волокна с диффузной поверхностью обеспечивает эффективный выход излучения в радиальном направлении из части световода, располагающейся в канале, излучение затем проходит в радиальном направлении через внутреннюю цилиндрическую поверхность канала и наружную цилиндрическую поверхность наконечника. Излучение вводится в сапфировый наконечник не локально, а через протяженную внутреннюю поверхность канала, что в сочетании с высокой теплопроводностью сапфира (эффективным перераспределением тепла в наконечнике) приводит к уменьшению вероятности локального перегрева наконечника.

Выполнение капилляра с торцом под углом к оси капилляра, с зеркальным покрытием на скошенном торце или размещение отклоняющего зеркального элемента в канале капилляра позволяет получить распределение излучения на выходе световода преимущественно вбок, которое требуется в локальном облучении полых органов, а также при необходимости размещения облучателя в ложе опухоли.

Выполнение устройства с циркуляцией или свободным вытеканием жидкости или газа обеспечивает режимы облучения с формированием определенной зоны термического поражения вокруг облучателя, например с узкой зоной коагуляции или применение капилляров в методах, где используется сочетание поражающих опухоль механизмов, например фотодинамическая терапия рака простаты, сочетанная с гипертермией.

Выполнение устройства с нанесением на внутренней и/или внешней поверхностях капилляра просветляющего покрытия, а также заполнением иммерсионной жидкостью части канала капилляра, где излучение выходит из световода, характеризуется пониженными внутренними потерями, так что эффективность использования света на выполнение терапевтической процедуры облучения оказывается очень высокой. При этом плотность мощности светового потока на поверхности сапфирового наконечника, которая контактирует с биологической тканью, оказывается более чем в 4 раза ниже по сравнению с плотностью мощности на цилиндрической поверхности или торце световода.

Устройство с биосовместимым, супергидрофобным и т.д. покрытиями может быть использовано для облучения биологических тканей с различным (от кратковременного - на время проведения процедуры, до длительного) временем присутствия в контакте с биотканями без изменения качества параметров процедур облучения и негативного влияния на прилегающие биологические ткани, что особенно важно при облучении структур мозга.

Устройство поясняется чертежами, представленными на фиг.1-3. На фиг.1 показана схема устройства, включающего световод 1 с сердцевиной 2 и оптической оболочкой 3, которая на дистальном конце 4 световода удалена или имеет нарушенную сплошность в прилегающей к торцу 5 части световода и сапфировый капилляр 6 с внутренней поверхностью 9 канала 7 и внешней поверхностью 11, причем канал 7 капилляра 6 закрыт с одного торца для световода 1 и на торце капилляра 6 изготовлено острие 8 с поверхностью 12. Излучение 13 выходит частично из торца 5 световода 1, частично через прилегающую к торцу часть световода с нарушенной или удаленной оптической оболочкой 3. Выходящая из торца часть излучения 13 проходит через окончание 10 канала и выходит через поверхность острия 12. Часть излучения 13, выходящая через прилегающую к торцу часть световода с нарушенной или удаленной оптической оболочкой 3, проходит через цилиндрические внутреннюю 9 и внешнюю 11 поверхности капилляра 6.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Предлагаемое устройство вводится в биологическую ткань опухоли органа на глубину патологического очага, который необходимо облучить. Благодаря использованию сапфирового капилляра 6 с острием 8, устройство входит в биологическую ткань без значительных усилий, введение не вызывает значительного кровотечения и гематом в ткани. В процессе облучения лазерное излучение распространяется по центральному оптоволокну 2 световода 1 в сторону его дистального конца 4 и выходит из него частично в приосевом, частично в радиальном направлении через часть прилегающей к торцу оптической оболочки световода 3, выполненную с нарушением сплошности, цилиндрическую поверхность 9 канала для световода и наружную цилиндрическую поверхность 11 капилляра 6. Выходящее из торца световода 5 излучение входит в острие 8. Попадая на поверхность 12 острия 8, излучение частично рассеивается в радиальном направлении, частично испытывает полное внутреннее отражение благодаря высокому показателю преломления сапфира, попадает на поверхность острия 8 с противоположной стороны и также выходит в радиальном направлении. При этом не образуется ни «мертвой зоны» на конце устройства, ни потока света вперед по направлению его распространения в световоде (фиг.2, фиг.3).

1. Устройство для внутритканевого облучения биологической ткани лазерным излучением, содержащее оптоволоконный световод и сапфировый наконечник, отличающееся тем, что наконечник представляет собой открытый или закрытый капилляр, в канале которого размещен оптоволоконный световод.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что капилляр выполнен с острием.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что капилляр выполнен с утолщением закрытой части.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что утолщение выполнено в виде шара или части шара.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по крайней мере, часть внешней поверхности капилляра выполнена шероховатой.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по крайней мере, часть поверхности канала капилляра выполнена шероховатой.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по крайней мере, часть внешней поверхности капилляра выполнена с зеркальным покрытием.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что угол между осью капилляра и его торцем изменяется в пределах от 10 до 90°.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в канале капилляра расположен отклоняющий зеркальный элемент.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в канале капилляра циркулирует жидкость или газ.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что жидкость или газ может свободно вытекать или выходить из капилляра.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по крайней мере, часть поверхности волокна, размещенного в капилляре, выполнена диффузно рассеивающей.

13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по крайней мере, на часть внешней и/или внутренней поверхности капилляра нанесено просветляющее покрытие.

14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по крайней мере, на часть внешней поверхности капилляра нанесено биосовместимое покрытие.

15. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по крайней мере, на часть внешней и/или внутренней поверхности капилляра нанесено супергидрофобное покрытие.

16. Устройство по п.1, отличающееся тем, что часть канала капилляра, где излучение выходит из световода, заполнена иммерсионной жидкостью.