Радіальний світловод

Реферат: Радіальний світловод для об'ємного опромінення порожнин органів та судин високоінтенсивним лазерним випромінюванням виготовлений із кварцового скловолокна. На його дистальному кінці конічний торець сформований за допомогою електродугового зварювання, з кутом при вершині конуса, близьким до 60 °. UA 80902 U (12) UA 80902 U UA 80902 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до медицини, а саме до хірургії, і може бути використана для об'ємного опромінення порожнистих органів та судин високоінтенсивним лазерним випромінюванням. Прикладом використання цієї моделі може бути ендовенозна лазерна коагуляція (ЕВЛК). Для ефективного проведення ряду хірургічних операцій, наприклад ЕВЛК, необхідно, щоб більша частина енергії лазерного випромінювання використовувалась на безпосередній вплив на біологічні тканини, у випадку ЕВЛК - на стінки судини. Для проведення даної процедури через прокол шкіри у варикозно розширену вену вводиться світловод на всю довжину патологічної ділянки і, при повільному вилученні світловода із судини, виконується лазерна коагуляція. Суть операції полягає у локальному термічному пошкодженні вени лазерним випромінюванням, що призводить до виключення вени із патологічного кровотоку, облітерації ураженої ділянки і в подальшому повного її розсмоктування [1]. При проведенні ЕВЛК для доставки лазерного випромінювання від апарата до зони втручання звичайно використовується світловод із скловолокна кварц-кварц (Q/Q) або кварцполімер (Q/P) з різними діаметрами, полімерної оболонки та внутрішньої жили скловолокна. Проксимальний кінець світловоду вмонтований в роз'єм SMA-905. При виході лазерного випромінювання з торця світловоду, якщо він знаходиться в середовищі "повітря" (показник заломлення n відповідає 1), апертурний кут складає 35-40° (фіг. 1). Після введення світловоду в вену апертурний кут зменшується до 20-25°, так як показник заломлення крові n відповідає 1,351,38 (фіг. 2). При подачі енергії лазера на такий світловод промені поширюються вдовж і проходять майже по дотичній до стінок судини. Це не забезпечує достатнього прогрівання судин для термічного пошкодження їх стінок. Процедура виконується за рахунок утворених пухирців пару при поглинанні лазерного випромінювання кров'ю, які створюють всередині судини високу температуру і забезпечують термічне пошкодження ендотелію [2]. Для цього потрібна висока потужність лазера, поглинання енергії якої достатньо для "закипання" крові в судині і опосередкованого пошкодження внутрішньої стінки. Якщо промінь, що виходить із торця світловоду, йде по нормалі із стінкою судини (близько 90-95°), енергію отримують безпосередньо стінки судини, тому процес облітерації відбувається швидше при використанні меншої потужності лазера. Для цього існують світловоди із широким розкриттям променя і при виконанні операції енергія лазерного випромінювання розсіюється у вигляді кільця по всьому діаметру вени (фіг. 3). Використання такого світловоду також [1] дозволяє успішно обробляти вени будь-якого діаметра, зробити процес обробки вени точним і рівномірним. Відомі радіальні світловоди Radial Elves (Biolitec AG, Німеччина) із сформованою мікролінзою на дистальному кінці. Такий світловод забезпечує однорідну фототермічну деструкцію стінок судини, дозволяє уникнути перфорацій судин та звести до мінімуму ускладнення. Недолік даного світловоду - при розташуванні близько до шкіри світловод може спричинити опіки. Також недоліком даного світловоду є особливість закріплення мікролінзи на торці скловолокна, що спричиняє високу вартість такого світловоду. Існує також пристрій для ізотропного опромінення стінок порожнин, в тому числі і судин [3]. Винахід належить до пристроїв для опромінення порожнин за допомогою катетера, що містить скловолокно із конічним наконечником і рукав, який розширюється при подачі рідини. Такі світловоди використовуються в порожнинних органах, де важливо, щоб світло розходилося рівномірно по стінках порожнини. Кінець скловолокна, що кріпиться в катетері, сформовано у вигляді конуса. Недоліки даного пристрою в тому, що конічний наконечник потрібно надійно закріпити в катетері. Місце переходу від скловолокна в захисній оболонці до дистального кінця з катетером дуже ламке і існує небезпека зламу його при проведенні операції. Також не завжди є потреба при проведенні різного роду операцій використовувати рукав для рідини, він лише ускладнює конструкцію приладу. Також такий світловод неможливо використовувати у важкодоступних місцях з малим діаметром порожнини. В радіальному світловоді, що розробляється, ми теж використовуємо конічний наконечник для поширення лазерного випромінювання на стінки судин та порожнин, однак конструкція світловоду спрощена і такий рукав для подачі рідини відсутній. Також існують світловоди для лазерного судинного анастомозу із радіальним розкриттям променя [4]. Дистальний кінець такого світловоду сформований у вигляді конуса. Лазерний промінь, який падає на межі розділу повітря та волокна, відбивається повним внутрішнім відбиттям і, падаючи на протилежний бік стінки волокна, виходить у повітря. Таким чином лазерне проміння відбивається від протилежної стінки і формує випромінювання у вигляді кільця. Розкриття променів у вигляді кільця дозволяє забезпечити однорідну фототермічну деструкцію стінок судини, оптимально використати потужність лазерного випромінювання, уникнути перфорацій судин та звести до мінімуму ускладнення в післяопераційному періоді, 1 UA 80902 U 5 10 15 20 25 дозволяє безпечно закрити судини, уникаючи опіків та пошкодження нервів. Конічний наконечник формується ще при витягуванні скловолокна, потім полірується при складних технологічних умовах для досягнення ідеально гладкої поверхні кварцу. Недоліки даного винаходу - незахищеність торця світловоду, складність технології виготовлення та полірування торців. Цей патент був вибраний за прототип для нашого радіального світловоду. Приклад розкриття променів світловоду, який використовується для ЕВЛК [1], показано на фіг. 1, де: 1 - кварцова жила скловолокна. Розкриття променів на 40° можливе при перебування скловолокна у середовищі повітря, n=1. На фіг. 2 показано розкриття променів світловоду [1] при його введенні у вену, що становить лише 20°, де: 1 - кварцова жила скловолокна, 3 судина. На фіг. 3 показано розроблений радіальний світловод, де: 1 - кварцова жила, 2 - полімерна оболонка світловоду, 3 - судина, L - промені, які потрапляють безпосередньо на стінки судини. Однакові частини світловоду позначені однаковими цифрами на фіг. 1-5. На фіг. 4 більш детально показано хід променя L1. Промінь із середовища з показником заломлення n (повітря) потрапляє у кварцову жилу 1 з показником заломлення n 1 і піддається повному внутрішньому відбиттю на границі з оболонкою 2, яка має показник заломлення n 2. Коефіцієнт заломлення n1 кварцу 1,54 лише незначно перевищує коефіцієнт заломлення n2 оболонки 1,495, тому світло, що введене у жилу з торця волокна, повністю відбивається від границі розділу кварцу і оболонки і розповсюджується тільки в ньому. Промінь L1 проходить з максимальною апертурою для даного волокна. Для прикладу було взяте скловолокно з діаметром кварцової жили Ø=400 мкм, NA дорівнює 0,37. Визначаємо кут θmax - критичний кут падіння світлового потоку. Промені світла, що падають на границю розділу під кутом, меншим критичного, потрапляють в оболонку і в подальшому поглинаються покриттям (захисною оболонкою). Промені світла, що прийшли до границі розділу під кутом, більшим критичного, повністю відбиваються, постійно повторюючись, що забезпечує розповсюдження випромінювання вздовж світловоду [5-7].   0    arcSin 145  14   216 , , , , 2 0    arcSin n1  n2  max , 2 2 30 40 45 50  θmax=21,6°, під таким же кутом проводимо промінь L1. Оскільки світловий промінь L1 проходить із середовища з меншим показником заломлення в середовище з більшим показником, то цей промінь піддається заломленню. Визначаємо кут заломлення променя L1, що падає на границю розділу повітря-світловод. Використовуємо закон заломлення променів: Sin   n'   Sin ' n 35 2    1 Sin 216  ,  n  Sin      13,88 '  arcSin  arcSin    n' 1.54     . *B цьому випадку кут падіння  відповідає куту θ. Проводимо нормаль до точки падіння променя. Визначаємо кут падіння із прямокутного трикутника, від складає 76º7'. Під таким же кутом θmax, що дорівнює 21,6°, промінь L1 виходить із дистального кінця світловоду. Показники, наведені вище, показують, що звичайний світловод не дозволяє розкрити лазерне випромінювання у вигляді кільця, як це потрібно для виконання операцій ЕВЛК. Максимальне розкриття променя ми отримаємо не більше критичного кута θmax. Для виготовлення розробленого радіального світловоду можна використовувати кварцове скловолокно з різним діаметром кварцової жили. Для прикладу, щоб показати в порівнянні розкриття променів на торці розробленого радіального світловоду та звичайного світловоду [1] на фіг. 2 ми використали скловолокно з діаметром кварцової жили 400 мкм, NA дорівнює 0,37. Кут входу у скловолокно θ променя L2 та кут заломлення ε у волокні відповідає кутам променя L1 на фіг. 4. На фіг. 5 показано: дистальна частина розробленого радіального світловоду із полімерною оболонкою 2, кварцовою жилою 1 та торець, виконаний вигляді конусу 4. Також показаний хід променя L2, що проходить в кварцовий жилі і заломлюється в середовищі кварц-повітря під кутом α. Кут падіння лазерного променя L2 з лінією нормалі до конуса в першій точці падіння називається α. Також показано лазерний промінь L3, що падає на межу розділу кварц-повітря, відбивається по закону повного внутрішнього відбиття під кутом θ/2 і виходить із протилежної стінки волокна із максимальним кутом заломлення β, під кутом 90° до конічної частини. 2 UA 80902 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Таким чином всі лазерні промені, відбиваючись, заломлюються вбік і утворюють кільце навколо. Тому більшу частину лазерної енергії, яка потрібна для ефективного проведення ЕВЛК, отримують стінки судин. Для такого розкриття променів необхідно сформувати дистальний конусний кінець з кутом при вершині конуса φ. Sinα=1/n, (n=1,5); звідси α=42°, α=90-φ/2; звідси φ=96°. Але, якщо припустити, що NA скловолокна визначається на основі показника заломлення кварцової жили та полімерної оболонки n, лазерні промені можуть бути проведені в діапазоні ±15° (залежно від типу волокна та діаметра жили). Лазерні промені, які падають на стінку під кутом 15°, мають повне внутрішнє відбиття, а лазерні промені, які перебувають за межею критичного кута 15°, йдуть за стінку конічного наконечника. Тому бажано відобразити всі лазерні промені у повному внутрішньому відбитті. Для цієї мети конічний наконечник повинен бути з кутом при вершині φ=96°-30°, припускаючи, що волокно має свою NA. Отже, найкращий світловод той, в якому вершина наконечника φ дорівнює 60°. Для формування дистального кінця була використана установка для електродугового зварювання КСС-111. На фіг. 6 показана конструкція апарата для електродугової зварки оптичних волокон, де: 5 - вольфрамові електроди, 6 - привід для горизонтального фіксатора оптичного волокна, 7 - мікроскоп, 8 - оптичне волокно, 9 - привід вертикального переміщення електродів, 10 - ручка керування приводами, 11 - столики для юстування, 12 - підготовлене скловолокно. Підготовлене для зварювання оптичне волокно 12 закріпляється у V-подібних канавках для фіксації волокна. Кварцове скловолокно 12 розплавляється дуговим розрядом, що виникає між вольфрамовими електродами 5, в цей час за допомогою ручок керування 10 столики 11 розводяться. При цьому на кінці кварцового волокна, яке перебуває в розплавленому стані, формується торець у формі конуса, з кутом при вершині φ. Від сили струму, швидкості розплавлення волокна, руху столиків залежить кут φ, який повинен бути близьким до 60°. Переваги такого світловоду: дозволяє успішно обробляти вени будь-якого діаметра, зробити процес обробки вени точним і рівномірним, здешевлення технології виготовлення торця радіального світловоду. Недоліки: незахищеність торця світловоду, сформований конусний торець за допомогою електродугової зварки є одноразовим і може бути використаний для проведення однієї операції. Джерела інформації:: 1. Криса В.М. Ендовенозна лазерна коагуляція в лікуванні варикозної хвороби нижніх кінцівок / Криса В.М., Пантьо В.І. - Івано-Франківськ, Ужгород, -2012-8 с. 2. Соколов А.Л, Лядов К.В., Белянина Е.О., Луценко М.М. Применение лазерного излучения с длиной волны 0,94-0,98 мкм в лечении заболеваний периферических вен. - Медицинская технология. - М.: "Изд. И.В. Балабанов", 2009.-32 с. 3. US5354293A DE, A61N 506, Apparatus for the isotropic irradiation of cavity walls /Wolfgang Beyer, Armin Heinze, Dieter Jocham, Klaus Schmitt, Eberhard Unsoeld. - Publ. Dec. 18, 1989. 4. US4625724A JP A61B 17/36, Laser vascular anastomosis apparatus / Masane Suzuki, Hiroshi Shibamoto, Motonori Kanaya-Publ. Dec. 02, 1986. 5. Верещагин И.К. и др. Введение в оптоэлектронику: Учеб. пособие для втузов / И.К. Верещагин, Л.А. Косяченко, С.М. Кокин. - М.: Высш. шк., 1991.-191 с. 6. Волоконно-оптические датчики / Под ред. Т.Окоси: Пер. С япон. - Л.: Єнергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1990,-256 с. 7. Листвин А.В. Оптические волокна для линий связи / Листвин А.В., Листвин В.Н., Швыркин Д.Н. - М., 2003-154 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Радіальний світловод для об'ємного опромінення порожнин органів та судин високоінтенсивним лазерним випромінюванням, який виготовлений із кварцового скловолокна, який відрізняється тим, що на дистальному кінці конічний торець сформований за допомогою електродугового зварювання, з кутом при вершині конуса, близьким до 60°. 3 UA 80902 U 4 UA 80902 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5