О возможности применения импульсных волоконных лазеров с длиной волны излучения 1,94 мкм для лазерной литотрипсии Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Ссылка на статью:

// Радиооптика. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 04. С. 20-35.

Б01: 10.7463/п1о1*.0415.0799055

Представлена в редакцию: 14.06.2015 http://radiooptics.ru Исправлена: 30.06.2015

© МГТУ им. Н.Э. Баумана

УДК 57.089

О возможности применения импульсных волоконных лазеров с длиной волны излучения 1,94 мкм для лазерной литотрипсии

Замятина В. А.1' , Винниченко А. В.2, '' ^тка_£ат93@гшД-ги

Минаев В. П.1, Ларин С. В.2

1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия 2НТО "ИРЭ - Полюс", Фрязино, Россия

В статье представлены результаты исследования влияния параметров лазерного излучения с длиной волны 1,94 мкм и диаметра выходного волоконного инструмента на скорость дробления камней при проведении лазерной литотрипсии. На основании полученных результатов проведено сравнение скорости фрагментации камней излучением с длиной волны 1,94 мкм и 2,09 мкм. В результате проведенных исследований выявлено, что излучение с длиной волны 1,94 мкм может быть эффективно использовано при проведении литотрипсии мочевых и слюнных камней наряду с излучением с длиной волны 2,09 мкм. Кроме того, лазерное излучение с длиной волны 1,94 мкм с импульсами излучения наносекундной длительностью с высокой пиковой мощностью позволяет получить наибольшую скорость фрагментации камней.

Ключевые слова: лазерная литотрипсия, биологическая ткань, мочевые камни, слюнные камни, волоконные лазеры, лазер на Тт - активированном волокне, лазер АИГ: Но, скорость дробления

Введение

Литотрипсия - это современный малоинвазивный метод дробления камней в организме человека. Образование камней в теле человека - часто встречаемое заболевание [1]. Заболеваемость мочекаменной (МКБ) и слюннокаменной (СКБ) болезнями в мире составляет от 0,5 до 5,3%. Болезнь может диагностироваться и у семимесячного ребенка, и у человека старческого возраста, однако в 68% случаев эти болезни развиваются в трудоспособном возрасте (20—60 лет). По данным многих исследователей и Госкомстата РФ, сегодня наблюдается рост заболеваемости МКБ и СКБ среди всех групп населения.

Существуют различные методы дробления камней в организме человека, выбор которого зависит от типа, плотности и расположения камня. Лазерная литотрипсия

Радиооптика

является наименее травматичным и наиболее эффективным методом дробления всех типов мочевых и слюнных камней в организме человека [2].

При разрушении камней лазерным излучением действуют различные механизмы, являющиеся следствием преобразования энергии лазерного излучения в тепло [3]:

- поглощение лазерного излучения на поверхности камня ведет к абляции (уносу испаренного вещества);

- при работе в жидкой среде вблизи камня образуются пузырьки перегретого пара, схлопывание которых ведет к явлению кавитации - образующихся больших перепадов давления, разрушающих камень;

- быстрое (взрывное) выделение тепла в малом объеме камня ведет к образованию ударной волны, разрушающей камень;

- появление плазмы при оптическом пробое жидкости, достигаемом при высокой

9 2

интенсивности падающего лазерного излучения (более 10 Вт/см ), также приводит к образованию ударной волны, эффективно фрагментирующей камень.

Важно, что ударные волны, разрушающие твердые камни, благодаря демпфированию гораздо слабее действуют на окружающие камень мягкие ткани и меньше их повреждают.

Длина волны, а также временные и энергетические параметры лазерного излучения определяют доминирующий механизм фрагментации камней. Непосредственно прямая абляция камней может быть произведена только излучением с длиной волны более 3 мкм. Но такое излучение сильно поглощается в обычном кварцевом волокне, поэтому для его транспортировки можно использовать только сапфировое волокно, которое является дорогостоящим [4]. Сказывается также малодоступность мощных источников лазерного излучения в диапазоне 3 -7 мкм

Вместе с тем, общим для всех типов камней, которые образуются в организме человека, является то, что в них содержится до 10 % воды [5]. По этой причине для разрушения камней может использоваться лазерное излучение, которое имеет сильное поглощение в воде, при этом фрагментация камней будет осуществляться через воду [6].

В клинической практике наибольшее распространение получили лазерные аппараты на алюмо - иттриевом гранате, активированном ионами гольмия (АИГ:Но), с длиной волны излучения 2,09 мкм [7]. Такое излучение позволяет осуществлять фрагментацию всех типов камней. Недостатком таких аппаратов является то, что при фрагментации камней высок риск повреждения окружающих мягких тканей из-за большой глубины проникновения данного излучения (около 100 мкм) [8]. Кроме того, данные лазерные аппараты имеют большие массо-габаритные характеристики и большую стоимость.

В последние годы большой интерес вызывает применение для литотрипсии волоконных лазеров с длиной волны излучения 1,94 мкм, работающих в импульсно-периодическом режиме [9]. На основе последних исследований можно говорить о том, что применение такого излучения является наиболее перспективным благодаря большему по сравнению с излучением 2,09 мкм поглощению излучения водой (рис. 1) [10].

60

2 5

50

40

-2- 30

£

х •

3

о С 1_ о С

20

10

—поглощение в крови -поглощение в воде

-эффективное ослабление в крови

—-

-_Щ1

1.8

1,85

1.9

1,95

2 2,05

длина волны Л, мкм

2,1

Рис.1. Зависимости коэффициентов поглощения для воды, крови и эффективного ослабления ^эфф излучения в крови от длины волны лазерного излучения.

Кроме того, излучение с длиной волны 1,94 мкм имеет малую глубину поглощения в мягких тканях (примерно 15 мкм), что позволяет уменьшить по сравнению с 2,1 мкм повреждения окружающих здоровых тканей при проведении литотрипсии [7].

Наибольшая эффективность преобразования энергии падающего излучения в энергию ударных волн, обеспечивающих фрагментацию камней, достигается при возникновении оптического пробоя жидкости [11]. Однако, существующие волоконные лазеры, генерирующие импульсно - периодическое излучение с длиной волны 1,94 мкм, имеют существенный недостаток - импульсно - периодический режим получается «нарезкой» импульсов из непрерывного режима путем модуляции тока накачки. При этом пиковая мощность излучения равна средней мощности без модуляции (непрерывный режим). В результате, при таком способе получения импульсно - периодического режима трудно достичь значений пиковых мощностей, достаточных для достижения оптического пробоя жидкости.

В данной работе рассмотрена возможность применения импульсных волоконных лазеров с длиной волны излучения 1,94 мкм, импульсно - периодический режим в которых получен путем пассивной модуляции добротности резонатора, с целью увеличения эффективности фрагментации камней при проведении лазерной литотрипсии [12]. Метод модуляции добротности позволяет получить импульсы излучения наносекундной длительности, пиковая мощность которых может достигать нескольких кВт, при этом полная энергия импульса в режиме модулированной добротности оказывается меньшей, нежели в режиме модуляции тока накачки. Тем не менее, выигрыш в пиковой мощности (интенсивности излучения) за счет уменьшения длительности импульса излучения достигает нескольких порядков.

В ходе выполнения работы были проведены следующие исследования, направленные на определение параметров лазерного аппарата для литотрипсии:

1. Определение влияние временных и энергетических параметров лазерного излучения с длиной волны 1,94 мкм на скорость фрагментации мочевых и слюнных камней:

а) длительности и частоты следования импульсов излучения на скорость фрагментации камней;

б) пиковой и средней мощности, энергии, плотности мощности излучения на скорость фрагментации камней.

2. Сравнение результатов фрагментации камней излучением волоконных лазеров с длиной волны излучения 1,94 мкм, работающих в импульсно-периодическом режиме модуляцией добротности или тока накачки диодов с результатами фрагментации камней излучением лазерного аппарата на АИГ:Ho «VersaPulse PowerSuite 60» с длиной волны излучения 2,09 мкм компании «Lumeшs», широко применяющегося для литотрипсии в клинической практике.

1. Материалы и методы

Для исследования влияния параметров лазерного излучения на скорость фрагментации камней были использованы следующие аппараты: лазерный аппарат «Уролаз», импульсно - периодический режим которого получен путем модуляции тока накачки диодов, и макеты импульсно-периодических волоконных лазеров с длиной волны излучения 1,94 мкм с пассивной модуляцией добротности, характеристики которых представлены в табл. 1.

Таблица 1. Технические характеристики лазерных аппаратов

Макет №1 (НТО «ИРЭ - Полюс») Макет №2 (НТО «ИРЭ - Полюс») Лазерный аппарат "Уролаз" (НТО «ИРЭ - Полюс»)

Основные характеристики:

Длина волны - 1.94 мкм Импульсно-периодический режим Максимальная выходная мощность - 16 Вт(максимальная мощность на конце световода 10 Вт) Длительность импульса - 100 нс Частота следования импульсов - 85 - 100 кГц Длина волны - 1.94 мкм Импульсно-периодический режим Максимальная выходная мощность - 5 Вт Длительность импульса - 100 нс Частота следования импульсов -11 кГц Длина волны - 1.94 мкм/1,56 мкм Максимальная выходная мощность - 120 Вт(максимальная мощность на конце световода 100 Вт)/15 Вт Непрерывный режим Импульсно - периодический режим Импульсный режим Длительность импульса/паузы -от 200 мкс до 10 с

Для исследования использовались мочевые и слюнные камни. Мочевые камни были представлены следующими типами:

- уратовые,

- фосфатовые,

- кальций - оксалатовые.

Исследование проведено с использованием 2 видов выходных световодов при 24 режимах воздействия лазерным излучением аппарата «Уролаз» (использовался только канал с излучением с длиной волны 1,94 мкм) (таблица 2) [9] и при 13 режимах воздействия излучением лазеров с пассивной модуляцией добротности (таблица 3) [13]:

1) Кварц-кварцевое волокно 200/220 мкм, с защитной оболочкой из полиимида диаметром 245 мкм.

2) Кварц-кварцевое волокно 400/440 мкм, защитной оболочкой из полиамида диаметром 470 мкм

Параметры аппаратов: частота следования импульсов излучения /, средняя мощность Р ср и энергия излучения W определялись по формулам:

1 = гЪ (1)

Р ср = Р п и кТ О 1 (2)

Ю = ^=Р п и кТ О, (3)

где длительность импульсов лазерного излучения, длительность паузы

лазерного излучения, Рп и к - пиковая мощность лазерного излучения.

Таблица 2. Режимы воздействия лазерным излучением аппарата «Уролаз»

№ режима т0, мс /, Гц Р Вт г пик, В1 Рср, Вт \\1, Д ж

1 10 2 0,2

2 30 6 0,6

3 20 10 50 10 1

4 70 14 1,4

5 90 18 1,8

6 100 20 2

7 10 1 0,1

8 30 3 0,3

9 10 10 50 5 0,5

10 70 7 0,7

11 90 9 0,9

12 100 10 1

13 10 0,02 0,002

14 30 0,06 0,006

15 0,2 10 50 0,1 0,01

16 70 0,14 0,014

17 90 0,18 0,018

18 100 0,2 0,02

19 10 2 0,002

20 30 6 0,006

21 0,2 1000 50 10 0,01

22 70 14 0,014

23 90 18 0,018

24 100 20 0,02

Таблица 3. Режимы воздействия излучением с длиной волны 1,94 мкм импульсного волоконного лазер с

пассивной модуляцией добротности

№ режима т0, нс /, кГц Рср, Вт Р , Вт 1 пик, В* мкДж

1 1,5 150 15

2 3 300 30

3 100 100 5 500 50

4 7 700 70

5 10 1000 100

6 1,5 160 18

7 3 353 35

8 100 85 5 588 559

9 7 824 82

10 10 1176 118

11 1 1070 91

12 100 11 3 3208 273

13 5 5348 455

Образцы камней были разделены по составу и для каждого конкремента определены масса и характерные размеры.

Камни помещались в кювету с физиологическим раствором и дробились на

фрагменты, максимальный размер которых не превышал 2 мм. Контроль размеров фрагментов во время воздействия излучением на камни осуществлялся с помощью линейки с ценой деления 1 мм, помещенной под кювету. Воздействие осуществлялось при контакте торца световода с камнем. Время фрагментации фиксировалось с помощью секундомера (рис. 2).

Рис.2. Схема эксперимента по фрагментации камней

Для каждого результата фрагментации была рассчитана скорость фрагментации камней по формуле:

^ = = (4)

где m - масса камня, t - время фрагментации.

Для сравнения результатов фрагментации камней излучением волоконных лазеров с длиной волны излучения 1,94 мкм с результатами фрагментации камней излучением лазерного аппарата на АИГ:Ho «VersaPulse PowerSuite 60» с длиной волны излучения 2,09 мкм компании «Lumeшs», широко применяющийся в клинической практике для литотрипсии, были использованы следующие типы камней одинаковой массы:

- Кальциево-оксалатный,

- Смешанный: 80% - урат, 20% - оксалат.

Для исследования были использованы следующие режимы воздействия аппарата <^егеаРи^е PowerSuite 60», которые применяются в клинической практике:

- для литотрипсии на крупные фрагменты: энергия в импульсе - 2 Дж, частота следования импульсов - 10 Гц;

- для литотрипсии «в пыль»: энергия в импульсе - 0,5 Дж, частота следования импульсов - 30 Гц.

Эксперимент проводился аналогично эксперименту по исследованию фрагментации камней излучением с длиной волны 1,94 мкм. Для каждого результата фрагментации фиксировалось время дробления камней (скорость фрагментации камней не определялась, т.к. камни имели одинаковую массу) (4). Полученные результаты по фрагментации камней излучением 2,09 мкм сопоставлены с результатами фрагментации камней излучением 1,94 мкм.

2. Результаты

На рисунке 3 представлен уратовый камень до и после фрагментации излучением с длиной волны 1,94 мкм.

Рис. 3. Уратовый камень до (слева) и после (справа) фрагментации лазерным излучением

Результаты фрагментации камней излучением с длиной волны 1,94 мкм лазерного аппарата «Уролаз» в зависимости от временных и энергетических параметров излучения представлены на рисунках 4-6. По полученным данным средствами MathCAD 15 проведен линейный регрессионный анализ значений скорости фрагментации камней. Установлена зависимость скорости фрагментации уратовых, фосфатовых и кальций-оксалатовых камней от пиковой мощности лазерного излучения с длиной волны 1,94 мкм для двух типов выходных световодов:

ПРпик) = Рппк +

Определены коэффициенты линейной регрессии 80, 8] и коэффициент корреляции Я, которые сведены в таблицу 4 (коэффициенты линейной регрессии и корреляции находились для экспериментов с количеством результатов больше 3).

Таблица 4. Значения коэффициентов линейной регрессии и корреляции для зависимости скорости фрагментации камней излучением с длиной волны 1,94 мкм аппарата «Уролаз» от пиковой мощности излучения для двух типов волоконных инструментов

Параметр с МГ S0 , - 0 ' В т • с с МГ 7 R

L1 0,060 0,113 0,99

L2 0,053 0,296 0,98

L3 0,028 0,741 0,99

L4 0,029 0,145 0,98

L5 0,027 0,133 0,98

L6 0,013 0,408 0,99

L7 0,017 0,635 0,97

L8 0,016 0,612 0,97

L9 0,012 0,201 0,89

L10 0,015 0,772 0,99

L11 0,053 0,296 0,98

L12 0,028 0,741 0,99

8 6

S 2

* 4

L1 L2

L3

0

0 20 40 60 80 100 120

Пиковая мощность, Вт 20 мс, 10 Гц 10 мс, 10 Гц 200 мкс, 1кГц

01 с; ю

о

Q.

3

с 12

S

1 0

0

L4 L5

L6

120

20 40 60 80 100 Пиковая мощность, Вт

20 мс, 10 Гц 10 мс, 10 Гц 200 мкс, 1 кГц

Рис. 4. Зависимость скорости дробления уратовых мочевых камней от пиковой мощности лазерного излучения при диаметре выходного волокна 400 мкм (слева) и 200 мкм (справа).

s 2,5

,яи 2

I 1,5

о. 1 Í 0,5

L7 L8

L9

20

100

20

40 60 80 Пиковая мощность, Вт мс, 10 Гц 10 мс, 10 Гц 200 мкс, 1 кГц

120

2,5 2 1,5 1

0,5 0

L10

20 40 60 80 100 Пиковая мощность, Вт

120

20 мс, 10 Гц 10 мс, 10 Гц 200 мкс, 1 кГц

Рис. 5. Зависимость скорости дробления фосфатовых мочевых камней от пиковой мощности лазерного излучения при диаметре выходного волокна 400 мкм (слева) и 200 мкм (справа).

3

0

0

0

с; ю о

0,3

0,2

- 0,1

0 20 40 60 80 100 120 Пиковая мощность, Вт

20 мс, 10 Гц 10 мс, 10 Гц 200 мкс, 1 кГц

ю о

0,15 0,1 0,05 0

20 40 60 80 100 Пиковая мощность, Вт

120

20 мс, 10 Гц 10 мс, 10 Гц 200 мкс, 1 кГц

Рис. 6. Зависимость скорости дробления кальций - оксалатовых мочевых камней от пиковой мощности лазерного излучения при диаметре выходного волокна 400 мкм (слева) и 200 мкм (справа).

0

0

Фрагментация слюнных камней не была достигнута ни при одном режиме воздействия аппарата «Уролаз».

Выявлено, что увеличение энергии, связанное с увеличением пиковой мощности и длительности импульсов излучения приводит к увеличению скорости фрагментации камней. А также, увеличение частоты следования импульсов при неизменной энергии приводит к увеличению скорости фрагментации камней.

Установлено, что наибольшая скорость фрагментации камней достигалась при одновременном уменьшении длительности и увеличении частоты следования импульсов излучения при одинаковой пиковой мощности излучения. Это указывает на то, что воздействие более частыми импульсами излучения с меньшей энергией повышает эффективность фрагментации камней. Кроме того, уменьшение длительности импульсов может позволить минимизировать риск повреждения окружающий мягких биотканей.

Увеличением диаметра выходного световода, приводящее к уменьшению плотности мощности излучения, обеспечивает увеличение скорости фрагментации камней. Это в свою очередь говорит о том, что на скорость фрагментации камней влияет не плотность мощности излучения, а размер области воздействия, который прямо пропорционально зависит от диаметра выходного волоконного инструмента.

Наибольшая скорость фрагментации камней получена при воздействии излучением с длительностью импульсов 200 мкс, частотой следования импульсов 1 кГц и пиковой мощностью - 100 Вт (диаметр выходного световода 400 мкм).

Результаты фрагментации камней излучением с длиной волны 1,94 мкм импульсного волоконного лазера с пассивной модуляцией добротности (макет №1 и №2) в зависимости от временных и энергетических параметров излучения представлены на рисунках 7 - 10. По полученным данным средствами MathCAD 15 также проведен линейный регрессионный анализ значений скорости фрагментации камней.

Таблица 5. Значения коэффициентов линейной регрессии и корреляции для зависимости скорости фрагментации камней излучением с длиной волны 1,94 мкм лазера с пассивной модуляцией добротности от средней мощности излучения для двух типов волоконных инструментов

Параметр с МГ ОЛ , - 0 ' В т • с с МГ 7 Я

Ь1 0,454 2,784 0,98

Ь2 0,305 1,558 0,96

Ь3 0,266 1,846 0,96

Ь4 0,171 0,320 0,97

Ь5 0,251 -0,094 0,99

Ь6 0,151 0,186 0,93

Ь7 0,083 0,010 0,98

Ь8 0,060 0,102 0,93

10

I 8

4 6 8 Средняя мощность, Вт

100 кГц

85 кГц

И

1.2

10

12

6

с

г 5

,яи 4

г з

ю

о р

д

2 4 6 8 Средняя мощность, Вт 100 кГц 85 кГц

1.3

1.4

10

12

6

4

2

0

0

2

0

Рис. 7. Зависимость скорости дробления уратовых мочевых камней от средней мощности импульсов лазерного излучения при диаметре выходного волокна 400 мкм (слева) и 200 мкм (справа)

е

2

ю

т с о

оро 0

4 6 8 Средняя мощность, Вт

100 кГц

85 кГц

1.5

1.6

10

12

1,5

ю

о

15,5

О100 кГц

85 кГц

1.7

1.8

4 6 8 10 Средняя мощность, Вт

12

Рис. 8. Зависимость скорости дробления фосфатовых мочевых камней от средней мощности импульсов лазерного излучения при диаметре выходного волокна 400 мкм (слева) и 200 мкм (справа)

3

2

1

0

0

2

0

2

0,2

О

®0,15

I 0,1

ю о

£0,05

о о.

о ^

и

2 4 6 8 10 Средняя мощность, Вт

100 кГц 85 кГц

12

0,2

«0,15

н е

^ ю

о

0,1

д0,05

2 4 6 8 10 Средняя мощность, Вт

100 кГц 85 кГц

12

Рис. 9. Зависимость скорости дробления кальций - оксалатовых мочевых камней от средней мощности импульсов лазерного излучения при диаметре выходного волокна 400 мкм (слева) и 200 мкм (справа)

0

0

0

0

0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0

2 4 6 8

Средняя мощность, Вт 100 кГц 85 кГц

10

12

0,08

,я

I е 0,06

ю

0,04

ь м

т с 0,02

о

ро к С 0

0 2 4 6 8 Средняя мощность, Вт 100 кГц 85 кГц

10

12

Рис. 10. Зависимость скорости дробления слюнных камней от средней мощности импульсов лазерного излучения при диаметре выходного волокна 400 мкм (слева) и 200 мкм (справа)

0

Установлено, что увеличение средней мощности при неизменной частоте следования импульсов излучения приводит к увеличению скорости фрагментации мочевых и слюнных камней.

Кроме того, увеличение частоты следования импульсов излучения (до 100 кГц с энергией импульсов 200 мкДж) при неизменной средней мощности, приводит также к увеличению скорости фрагментации камней. При частоте следования импульсов излучения 11 кГц с максимальной энергией 500 мкДж видимого разрушения камней не происходило. Это доказывает то, что, как и в предыдущем случае, воздействие на камни более частыми импульсами с меньшей энергией позволяет повысить эффективность фрагментации камней.

Также, как и в предыдущем случае, получена аналогичная зависимость скорости фрагментации камней от плотности мощности излучения (диаметра выходного световода).

Максимальная скорость фрагментации камней излучением лазера с пассивной модуляцией добротности на Tm - активированном волокне была получена при воздействии импульсами излучения с длительностью около 100 нс частотой следования импульсов 100 кГц и средней мощностью излучения 10 Вт (диаметр выходного световода 400 мкм).

Для определения возможности использования волоконных лазерных аппаратов с длиной волны излучения 1,94 мкм для контактной лазерной литотрипсии, проведем сравнение результатов фрагментации камней излучением волоконных лазерных аппаратов с длиной волны 1,94 мкм с результатами фрагментации камней излучением лазерного аппарата «УегеаРике PowerSuite 60» на АИГ: Но с длиной волны излучения 2,09 мкм компании «ЬишешБ», который широко применяется в клинической практике для контактной лазерной литотрипсии.

Режимы воздействия для волоконных лазерных аппаратов были выбраны на основе полученных результатов исследования (рис. 4-10), в которых была достигнута наибольшая скорость фрагментации камней (табл. 6).

Таблица 6. Режимы воздействия лазерных аппаратов для сравнения времени фрагментации камней излучением с длиной волны 1,94 мкм и излучением с длиной волны 2,09 мкм

Лазерный аппарат «VersaPulse PowerSuite 60», Lumenis Лазерный аппарат «Уролаз», НТО «ИРЭ -Полюс» Импульсный волоконный лазер с длиной волны излучения 1,94 мкм с пассивной модуляцией добротности, НТО «ИРЭ - Полюс»

Энергия: 0,5 Дж Частота следования импульсов: 30 Гц Средняя мощность: 15 Вт Пиковая мощность: 100 Вт Частота следования импульсов: 1000 Гц Длительность импульсов: 200 мкс Средняя мощность: 10 Вт Частота следования импульсов: 100 кГц Длительность импульсов: 100 нс

Энергия: 2 Дж Частота следования импульсов: 10 Гц Средняя мощность: 20 Вт

Результаты данного исследования представлены в таблице 7. В данном исследовании

Таблица 7. Результаты фрагментации камней излучением с длиной волны 1,94 мкм и излучением с длиной

волны 2,09 мкм

Режим Тип камня

Кальциевооксалатный Смешанный

«УегеаРи^е PowerSuite 60» 0.5 Дж/30 Гц 2 минуты 55 секунд (фрагменты менее 2 мм) 1 минута 30 секунд (фрагменты более 2 мм)

«УегеаРи^е PowerSuite 60» 2 Дж/10 Гц 3 минуты 5 секунд (фрагменты более 2 мм) 2 минуты (фрагменты более 2 мм)

Макет №1 4 минуты (фрагменты менее 1 мм) 2 минуты 30 секунд (фрагменты менее 1 мм)

«Уролаз» 4 минуты 18 секунд (фрагменты менее 2 мм) 3 минуты 20 секунд (фрагменты менее 1 мм)

3. Обсуждение

На основе полученных результатов можно сделать вывод, что несмотря на большую разницу в энергии импульсов излучения, различия во времени дробления камней

излучением с длиной волны 1,94 мкм и временем дробления излучением с длиной волны 2,09 мкм составляют около 1 мин). Одним из преимуществ дробления камней излучением волоконных лазерных аппаратов с длиной волны 1,94 мкм является возможность получения фрагментов камней менее 1 мм. Это связано с тем, что- энергия импульсов излучения волоконных лазерных аппаратов меньше энергии импульсов излучения лазерных аппаратов на АИГ: Но, поэтому при воздействии импульсно - периодическим излучением волоконных лазерных аппаратов получается меньшая величина смещения камня под действием реактивной (ударной) силы. Таким образом, уменьшение величины смещения камня позволяет осуществлять точное попадание в небольшие конкременты, осуществляя дробление на еще более мелкие фрагменты.

На основе проведенных исследований можно утверждать, что импульсные волоконные лазеры с длиной волны излучения 1.94 мкм с пассивной модуляцией добротности, за счет увеличения пиковой мощности и частоты следования импульсов излучения, позволяют получить еще большую скорость фрагментации камней по сравнению с излучением волоконных лазеров той же длины волны, импульсно -периодический режим которых получен путем модуляции тока накачки. Кроме того, короткая длительность импульсов излучения (около 100 нс) может позволить минимизировать риск повреждения мягких окружающих тканей.

В свою очередь, при проведении контактной лазерной литотрипсии необходимо стремиться к уменьшению диаметра выходного световода из-за того, что подвод волоконного инструмента осуществляется по естественным полостям организма человека. Поэтому, с одной стороны, уменьшение диаметра выходного световода будет приводить к уменьшению скорости фрагментации камней, но, с другой стороны, будет способствовать уменьшению травматичности процедуры и болевых ощущений во время нее.

На основании исследования сравнения результатов фрагментации камней излучением твердотельного лазера с длиной волны 2,09 мкм и излучением волоконных лазеров с длиной волны 1,94 мкм, можно утверждать, что волоконные лазерные аппараты с длиной волны излучения 1,94 мкм могут быть использованы, как альтернативный инструмент хирурга для проведения контактной лазерной хирургии.

Кроме того, не менее важными преимуществами волоконных лазерных аппаратов являются следующие:

- малые массо - габаритные характеристики;

- невысокая стоимость;

- возможность использования тонких гибких волоконных инструментов (< 0200

мкм).

Список литературы

1. А. Д. Адо, М. А. Адо, В. И. Пыцкий, Г. В. Порядин, Ю. А. Владимиров.

Патологическая физиология. М.: Триада-Х, 2000. 607 с.

2. Iglesias Prieto. Contact lithotripsy. Advantages and disadvantages // Arch Esp Urol.. 2001. № 54(9):885-93.

3. Kin Foong Chan, T. Joshua Pfefer, Joel M.H. Teichman, and Ashley J. Welch. A Perspective on Laser Lithotripsy: The Fragmentation Processes. Journal of Endourology, 2001. 15(3). Pp. 257-273.

4. Г. И. Дьяконов, В. А. Михайлов, С. К. Пак, А. М. Суслов, С. Л. Федоровский, И. А. Щербаков, "ИСГГ: Cr: Er-лазер со светодиодной доставкой излучения для целей интракорпоральной литотрипсии", Квант. электрон., 1993. № 20:2 , С. 194-197.

5. «Прикладная лазерная медицина» под ред. Берлиена Х.П., Мюллера Г.Й.: Пер. с нем.-М.: АО «Интерэксперт», 1997г. -356с.

6. JL. Boulnois. Photophysical Processes in Recent Medical Laser Developments: a Review. Laser in Medical Science, 1986. Vol. 1

7. T.A. Wollin, J.D. Denstedt. The holmium laser in urology. J.Clin.Laser Med.Surg. 1998. 16 (1). P. 13 - 20.

8. Yaroslavsky A., Yaroslavsky I., Goldbach T., Schwarzmaier H. The optical properties of blood in the near infrared spectral range // SPIE, 1996. Vol. 2678. pp. 314 - 324.

9. N.M. Fried. Thulium fiber laser lithotripsy: an in vitro analysis of stone fragmentation using a modulated 110-watt Thulium fiber laser at 1.94 micrometers. Lasers Surg.Med, 2005. № 37 (1). pp. 53 - 58.

10. R. L. Blackmon, P. B. Irby, N.M. Fried. Comparison of holmium: YAG and thulium fiber laser lithotripsy: ablation thresholds, ablation rates, and retropulsion effects. Journal of Biomedical Optics, 2011. 16(7).

11. Серебряков В. А. Опорный конспект лекций по курсу «Лазерные технологии в медицине». СПб: СБПГУ ИТМО, 2009. 266 с.

12. A. Vinnichenko. Urinary stones fragmentation by short pulse Thulium fiber laser // 16th International Conference Laser Optics 2014. St. Petersburg, 2014.

13. В. В. Тучин. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. Саратов: Из - во Саратавского университета, 2010. 384 с.

Radiooptics

Radiooptics of the Bauman MSTU, 2015, no. 04, pp. 20-35.

DOI: 10.7463/rdopt.0415.0799055

Received: 14.06.2015

Revised: 30.06.2015

http://radiooptics.ru © Bauman Moscow State Technical Unversity

On the Possible Use of 1.94^m Pulsed Fiber Lasers in Laser Lithotripsy

V.A. Zamiatina1'*, A.V. VinnichenkO2, ^Tka_£am93:grnail-ru

V.P. Minaev1, S.V. Larin2

1Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia 2IPG "IRE - Polus", Fryazino, Russia

Keywords: laser lithotripsy, biological tissue, urinary stones, salivary stones, fiber lasers, thulium fiber laser at 1.94 micrometers, holmium laser, rate of fragmentation

Currently, laser lithotripsy is the least traumatic and most effective method for fragmentation all types of urinary and salivary stones in the body. In clinical practice, 2.09^m holmium-doped yttrium aluminium garnet (YAG : Ho) laser devices are the most widely used. This radiation allows the fragmentation of all kinds of stones. A disadvantage of such devices is that under stone fragmentation there is a high risk to damage the surrounding soft tissue because of the deep penetration of radiation (about 100 ^m). In addition, these laser devices have large weight-size characteristics and are costly.

The paper considers a possibility to use the 1.94^m pulsed fiber lasers in contact laser lithotripsy as an alternative tool. Research activities enabled us to determine time and power parameters of laser to be used in lithotripsy. Furthermore, stone fragmentation results at 1.94^m wavelength radiation were compared with those of at 2.09^m wavelength radiation.

The studies revealed that 1.94^m wavelength radiation along with 2.09^m wavelength radiation might be efficiently used in lithotripsy of salivary and urinary stones. In addition, 1.94^m radiation of passive Q-switch pulsed fiber lasers (high peak power pulse length of about 100 ns) allows the best rate of stone fragmentation in comparison with the fiber laser of the same wavelength, pulse - periodic mode of which is provided by the pumping current modulation. And what is more, the short-pulse radiation (about 100 ns) can allow us to minimize the risk to damage the surrounding soft tissues.

References

1. Ado A.D., Ado M.A., Pytskiy V.I., Poryadin G.V., Vladimirov Yu.A. Patologicheskaya fiziologiya [Pathophysiology]. Moscow, Triada-Kh Publ., 2000. 607 p. (in Russian).

2. Iglesias Prieto. Contact lithotripsy. Advantages and disadvantages. Arch Esp Urol, 2001, no. 54(9), pp. 885-893.

3. Kin Foong Chan, T. Joshua Pfefer, Joel M.H. Teichman, and Ashley J. Welch. A Perspective on Laser Lithotripsy: The Fragmentation Processes. Journal of Endourology, 2001, no. 15(3), pp. 257-273.

4. D'yakonov G.I., Mikhaylov V.A., Pak S.K., Suslov A.M., Fedorovskiy S.L., Shcherbakov I.A. Cr, Er: YSGG laser with an optical-fiber transport system for lithotrity. Kvant electron -Quantum electron, 1993, no. 20:2, pp. 194-197. (in Russian).

5. Prikladnaya lazernaya meditsina [Applied laser medicine]. Moscow, «Interekspert» Corp., 1997. 356 p. (in Russian).

6. Boulnois JL. Photophysical Processes in Recent Medical Laser Developments: a Review. Laser in Medical Science, 1986, vol. 1, issue 1, pp. 47-66.

7. Wollin T.A., Denstedt J.D. The holmium laser in urology. J. Clin. Laser Med. Surg. 1998, no. 16 (1), pp. 13-20.

8. Yaroslavsky A., Yaroslavsky I., Goldbach T., Schwarzmaier H. The optical properties of blood in the near infrared spectral range. SPIE, 1996, vol. 2678, pp. 314-324.

9. Fried N.M. Thulium fiber laser lithotripsy: an in vitro analysis of stone fragmentation using a modulated 110-watt Thulium fiber laser at 1.94 micrometers. Lasers Surg Med, 2005, no. 37(1), pp. 53-58.

10. Blackmon R.L., Irby P.B., Fried N.M. Comparison of holmium: YAG and thulium fiber laser lithotripsy: ablation thresholds, ablation rates, and retropulsion effects. Journal of Biomedical Optics, 2011, no. 16(7).

11. Serebryakov V.A. Opornyy konspekt lektsiy po kursu "Lazernye tekhnologii v meditsine" [Supportive lecture notes on "Laser technologies in medicine" course]. St-Petersburg, SBPSUITMO Publ., 2009. 266 p. (in Russian)

12. Vinnichenko A. Urinary stones fragmentation by short pulse Thulium fiber laser. 16th Int. Conf. "Laser Optics"2014, St. Petersburg, 2014.

13. Tuchin V.V. Lazery i volokonnaya optika v biomeditsinskikh issledovaniyakh [Lasers and fiber optics in biomedical research]. Saratov, Saratovsky University Publ., 2010. 384 p. (in Russian).