CC BY
26
УДК 535.374:621.375.8
А. Н. Солдатов, д-р физ.-мат. наук, Ю. П. Полунин, ст. науч. сотр., А. В. Васильева, мл. науч. сотр., И. Д. Костыря, зав. лабораторией, Д. А. Куксгаузен, магистрант,
Национальный исследовательский Томский государственный университет
Система генератор—усилитель
на парах стронция
для абляции костных тканей
Ключевые слова: лазер на парах стронция, генератор—усилитель, лазерная абляция. Key words: strontium vapor laser, master oscillator-power amplifier system, laser ablation.
Приведены результаты исследования энергетических характеристик лазерной системы генератор—усилитель на парах стронция. Рассмотрены вопросы повышения эффективности работы такой системы в целях применения ее для исследования эффекта резонансной абляции.
Введение
Взаимодействие лазерного излучения с веществом — одно из важнейших научных направлений современной оптики и лазерной физики. Оно позволило существенным образом дополнить представления о фундаментальных фотофизических процессах, происходящих в веществе при взаимодействии его с лазерными пучками различных длительностей и длин волн. Кроме того, оно позволило разработать физические основы многочисленных прикладных направлений, связанных с лазерами и их технологическими применениями.
Особый интерес представляет лазерная резонансная абляция в ИК-диапазоне при наносекунд-ной длительности импульсов. Анализ имеющихся литературных данных свидетельствует о том, что фундаментальные физические механизмы данного процесса до конца не выяснены. Однако исследования показывают, что резонансная абляция под действием инфракрасного лазерного излучения обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с остальными видами взаимодействия. Например, при воздействии УФ-излучения на биологические ткани возникают побочные мутагенные эффекты, в то время как при воздействии ИК-излучения они не наблюдаются.
Сравнительные эксперименты [1] по изучению резки твердых тканей Но:УЛО-, НЕ-, Ег:УЛО- и С02-лазерами выявили зависимость абляции от длины волны лазерного излучения и позволили ввести новый термин «резонансная абляция». Средний ИК-диапазон длин волн оказался наиболее приемлемым для резки костных тканей. Дальнейшие исследования при перестройке длины волны лазерного излучения в области от 2,9 до 9,2 мкм показали, что наилучшим образом для высококачественной резки костных тканей подходит длина волны 6,45 мкм [2]. Был получен максимально глубокий разрез (2,31 мм) без обугливания прилегающих к резу тканей. В этом случае при диаметре цилиндрического отверстия 200 мкм зона сопутствующего термического повреждения была минимальна и составляла 10—20 мкм. В нашей работе было сделано предположение о том, что абляция в данном случае происходит в результате взрывного испарения воды в замкнутом пространстве.
В работе [1] также отмечалось, что на длинах волн 3 и 1 мкм происходит лазерная резонансная абляция биотканей. Авторы объясняют это сильным поглощением воды, содержащейся в тканях. В качестве примера можно рассматривать ИК-спектры поглощения роговицы, нервной ткани и дермы. Характерной особенностью этих спектров является положение моды ОН-полосы воды вблизи 3300 см-1 (3 мкм). Также обнаружены моды: амид I — колебательная мода протеина при 1665 см-1 (6 мкм) и амид II — колебательная мода протеина при 1550 см-1 (6,45 мкм). Тем не менее скорость абляции на длине волны 6,45 мкм выше, чем на 3 и 1 мкм, а термические повреждения меньше.
В качестве источника излучения в работах [1, 2] использовался лазер на свободных электронах, генерирующий макроимпульсы длительностью 4 мкс,
Оптоэлектроника в медицине
которые, в свою очередь, состояли из серии микроимпульсов 1—2 пс. Частота повторения импульсов данного лазера составляла 30 Гц, энергия в импульсе — 22,5 мДж, плотность энергии на поверхности образца — 72 Дж/см2 (диаметр пятна в фокусе 200 мкм). Недостатками такого лазера являются сложность его конструкции, высокая стоимость и большие габаритные размеры, что не позволяет использовать его повсеместно для технологических применений и в медицинских целях. Как альтернатива для получения эффекта резонансной абляции может быть использован лазер на парах стронция, который генерирует на восьми дискретных длинах волн: 6,45; 3,06; 3,01; 2,92; 2,69; 2,6; 1,09; 1,03 [3].
Данный лазер имеет малую расходимость лазерного излучения, что позволяет создавать высокую плотность энергии в одиночном импульсе. Частота повторения импульсов в таком лазере может изменяться от единиц до десятков килогерц, средняя мощность генерации достигает 10 Вт и более.
О первых экспериментах по лазерной абляции ткани с лазером на парах стронция сообщалось в работе [4]. В данных экспериментах использовался лазерный источник средней мощностью 2,4 Вт, диапазон частот повторения импульсов варьировался от 5 до 20 кГц, плотность энергии — не более 185 мкДж (диаметр пятна в фокусе 130 мкм). Однако низкая энергия в импульсе позволила получить абляцию ткани только при многоимпульсном облучении, что привело к накоплению теплоты в тканях и их термическому повреждению. Полученные результаты свидетельствуют о том, что лазер на парах стронция может использоваться для резонансной абляции, несмотря на существенное отличие режима работы данного лазера от лазера на свободных электронах.
Для дальнейших исследований резонансной абляции биотканей была разработана и создана система генератор—усилитель на парах стронция [5]. В настоящей работе представлены результат исследования данной системы.
Экспериментальная установка
Общая блок-схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. В качестве задающего генератора 1 и усилителя мощности 2 были использованы лазерные активные элементы на парах стронция. Разогрев и возбуждение активных элементов осуществлялись с помощью импульсных источников питания 8, в которых в качестве коммутатора использовался тиратрон TEÈ1-1000/25. Модуляторы запускались задающим генератором 9 с регулируемой задержкой между каналами, позволяющей синхронизировать работу системы генератор—усилитель. Средняя мощность излучения фиксировалась измерителем мощности Nova-II. Для регистрации импульсов тока использовался низкоомный шунт, напряжение регистрировалось с помощью делителя, сигналы подавались на осциллограф Tektronix TDS 2012. Форма импульсов генерации регистрировалась фотоприемником ФСГ-22.
Задающий генератор представлял собой цилиндрическую газоразрядную трубку (ГР^ объемом V = 650 см3 и внутренним диаметром D = 3 см. В качестве буферного газа использовалась смесь гелия при давлении 90 ^рр и неона при давлении 15 ^рр. Неустойчивый резонатор телескопического типа 3 состоял из глухого зеркала радиусом кривизны 1,8 м и выходного зеркала диаметром 2 мм и радиусом кривизны 0,1 м. Частота следования импульса варьировалась в диапазоне 6—9 кГц. В качестве усилителя использовалась TPT активным объемом 540 см3 и D = 2,5 см.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Особенностью работы систем задающий генератор—усилитель лазерного излучения является в определенном смысле копирование в усилителе основных параметров излучения задающего генератора по форме, длительности и расходимости
з з
zn
б
7
б
7
8
8
9
10
Рис. 1
Система генератор—усилитель:
1 — ГРТ-генератор; 2 — ГРТ-усилитель; 3 — неустойчивый резонатор телескопического типа; 4 — блок фильтров; 5 — измеритель мощности; 6 — токовый шунт; 7 — делитель напряжения; 8 — источник питания; 9 — задающий генератор; 10 — осциллограф
№ 3-4 (21-223/2012 |
биотехносфера
1.11 | 1 1 1 1 | , , 1 111<|1<<<|<<11 : 100 нс 111111 1 1 1 ,
1
:
1 № 2 :
г 3 3 ■
-
■ ■ ■ ■ , 1 1 . , , , 1 1 , ■ ■ , 1 .... 1 .... ~ ~.... 1.... 1 1..,, 1 1,,,, 1 1 , , ,
I, нс
Рис. 2
Форма импульса генерации лазера на парах стронция:
1 — суммарный импульс генерации; 2 — импульс генерации в области 3 мкм; 3 — импульс генерации в области 1 мкм
а)
агЪ. ипНв
генерационного импульса. В связи с этим на первом этапе работы было проведено исследование пространственно-временных и частотно-энергетических характеристик генератора.
В ходе экспериментов генерация наблюдалась на шести длинах волн излучения атома стронция и двух линиях иона стронция. Форма импульсов генерации лазера на парах стронция приведена на рис. 2. Выделение фильтрами линий генераций позволило определить временное положение импульсов генерации на длинах волн около 1 и 3 мкм в суммарном импульсе генерации. Видно, что характеристики излучения позволяют сформировать в генераторе излучение с высокой эффективностью для всех длин волн.
Важной характеристикой излучения является распределение мощности генерации по диаметру разрядного канала. При исследовании поперечного распределения мощности генерации диафрагма диаметром 1,5 мм перемещалась с шагом 2 мм по диаметру канала. Это распределение представлено на рис. 3 при средней мощности генерации 4,6, 7,4, 9 Вт соответственно. На полувысоте амплитуда мощности генерации занимает 65 % от всей рабочей площади или 80 % его диаметра. Распределение снято с резонатором Фабри—Перо. Увеличение мощности генерации до 9 Вт существенно не изменило картину распределения мощности генерации по диаметру разрядного канала. Измерение распределения излучения по диаметру пучка бы-
ло проведено при давлении буферного газа 100 Торр (смесь неона и гелия). Увеличение давления буферного газа до 250 Торр показало, что происходит концентрация излучения в приосевой части разрядного канала ГРТ и распределение излучения по сечению имеет более неоднородный характер.
Исследование генератора в диапазоне частот следования импульсов от 6 до 20 кГц показало, что оптимальная частота следования импульсов (ЧСИ) лежит выше 20 кГц. Как видно из рис. 4, средняя мощность на всех длинах волн генерации увеличивается с повышением ЧСИ. Данные результаты согласуются с полученными ранее для ГРТ с малым активным объемом [6].
Однако с точки зрения получения эффективной лазерной абляции необходимо понижение частоты следования импульсов до единиц килогерц [7], поэтому дальнейшие исследования генератора—усилителя были проведены в диапазоне ЧСИ 6-9 кГц.
Известно, что эффективность снятия инверсии в системе генератор—усилитель зависит от соотношения длительностей излучения генератора и времени существования инверсии в усилителе. Очевидно, что большая эффективность достигается при совпадении длительностей указанных импульсов и их синхронизации. На рис. 5 приведены форма и длительности импульсов тока и напряжения, подаваемые на электроды ГРТ генератора и усилителя.
Временное и пространственное согласование работы генератора и усилителя позволило получить стабильную генерацию в многоволновом режиме (табл.). Максимальная средняя мощность генерации равнялась 22 Вт.
В наших экспериментах мы осуществляли регулируемую задержку между запусками тиратронов генератора и усилителя. На рис. 6 приведена
б) , . агЪ. ипив
10
-15 -10 -5
5 10 15 Диаметр, мм
-15 -10 -5
5 10 15 Диаметр, мм
Рис. 3
Распределение мощности излучения лазера на парах стронция по диаметру разрядного канала: а — при суммарной средней мощности генерации 4,6 (1), 7,4 (2), 9 (3) Вт; б — при изменении давления смеси буферных газов гелия и неона 100 (1), 250 (2) Торр
I
P, Вт 6
Р» / Рген
20
F, кГц
Рис. 4
Поведение суммарной мощности генерации на линиях 6,456 мкм (1), 3 мкм (2) и в области 1 мкм (3) от ЧСИ для ГРТ с активным объемом 650 см3
Рис. 5
Осциллограммы импульсов тока (2, 4) и напряжения (1, 3), подаваемые на электроды ГРТ генератора и усилителя, соответственно при суммарной средней мощности генератора—усилителя 6 Вт, частоте следования импульсов 6,5 кГц
Таблица Энергетические характеристики системы генератор—усилитель при различных частотах следования импульсов
F, кГц Р» вт P6,45, Вт Р~3, Вт Р~1, Вт E, мДж
6 6 4 1,2 0,8 1
8 6,15 3,15 2 1 0,7
8 5,5 2,3 2,1 1,1 0,7
9 6,2 3 2 1,2 0,7
19 15 9,7 4 1,3 0,8
19 9 5,5 2,4 1,1 0,5
24 15 10,5 3,5 1 0,6
25 15 11 3 1 0,6
50
100 At, нс
Рис. 6
Зависимость эффективного усиления от временной расстройки
зависимость эффективного усиления от значения временной расстройки. За нулевую точку на временной оси принято значение расстройки, соответствующее одновременной подаче напряжения на тиратроны генератора и усилителя, затем сигнал генератора опережал сигнал, подаваемый на усилитель.
Было отмечено, что максимум эффективного усиления приходится на диапазон задержки 20-40 нс. За это время в активной среде усилителя успевает сформироваться инверсия населенностей и уже небольшого входного сигнала достаточно для эффективной генерации.
На представленной установке были выполнены первые исследования резонансной абляции костных тканей in vitro под действием импульсно-пе-риодического излучения лазера на парах стронция при изменении параметров лазерного излучения в широком диапазоне условий (энергия в импульсе 0,5-1 мДж, частота повторения импульсов 6-10 кГц). При данных условиях побочные тепловые эффекты были явно выражены, ширина зоны термического повреждения составляла 200-300 мкм (при ширине реза 100-150 мкм).
Полученные результаты свидетельствуют о том, что лазер на парах стронция может использоваться для резонансной абляции, однако необходимо улучшать качество пучка для минимизации побочных эффектов и увеличения интенсивности абляции.
Заключение
Приведены результаты исследования энергетических характеристик лазерной системы генератор—усилитель на парах стронция. При понижении частоты следования импульсов до 6 кГц была увеличена энергия в импульсе до 1 мДж, что позволяет в дальнейшем использовать данную систему для исследования эффекта резонансной абляции биотканей.
0
№ 3-4 (21-22)/2012 |
биотехносфера
Оптоэлектроника в медицине
Настоящая работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 11-02-98019-р_ сибирь_а.
| Литература |
1. Edwards G. S., Austin R. H., Carroll F. E. Free-electron-laser-based biophysical and biomedical instrumentation // Re-view of scientific instruments. 2003. Vol. 74, N 7. P. 3207-3245.
2. Peavy G. M., Reinisch L., Payne J. T., Venugopalan V. Comparison of Cortical Bone Ablations by Using Infrared Laser Wavelengths 2.9 to 9.2 pm // Lasers in Surgery and Medicine. 1999. N 26. P. 421-434.
3. Солдатов A. H. Многоволновые лазеры с наносекундной длительностью импульсов генерации в парогазовых актив-
ных средах // Изв. вузов. Физика. Т. 53, № 5/2. C. 91-100.
4. Ablation of Soft Tissue at 6.45 pm using a Strontium Vapor Laser / M. A. Mackanos, B. Ivanov, A. N. Soldatov [et al.] // Proc. SPIE. 2003. Vol. 5483. P. 252-261.
5. Лазерная система «генератор—усилитель» на парах стронция со средней мощностью более 20 Вт / А. Н. Солдатов, А. Г. Филонов, Ю. П. Полунин, А. В. Васильева // Оптика атмосферы и океана. 2008. Т. 21, № 8. C. 666-668.
6. Солдатов А. Н., Филонов А. Г., Васильева А. В. Исследование работы Sr-лазера при высоких частотах повторения импульсов // Оптика атмосферы и океана. 2006. Т. 19. № 2-3. С. 224-226.
7. 6450 nm wavelength tissue ablation using a nanosecond laser based on difference frequency mixing and stimulated Raman scatterin /G. S. Edwards, R. D. Pearlstein, M. L. Co-peland [et al.]// Optics Letters. 2007. Vol. 32. N 11. P. 1426-1428.
ОАО «Издательство "ПОЛИТЕХНИКА" » предлагает:
Л. В. Илясов
БИОМЕДИЦИНСКАЯ АНАЛИТИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА
ISBN 978-5-7325-1012-6 Объем 350 с. Формат 60x90 Vie Тираж 1000 экз.
В учебном пособии изложены принципы действия и описаны наиболее распространенные схемы современных механических, спектральных, электрохимических, хроматографи-ческих, электрофоретических, цитологических и других средств аналитической техники, применяемых в медико-биологических исследованиях.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям «Биомедицинская техника» и «Биомедицинская инженерия», имеет гриф У МО РФ.
Книгу можно приобрести в издательстве по адресу: 191023, Санкт-Петербург, Инженерная ул., д. 6. Тел.: (812) 312-44-95, 710-62-73, тел./факс: (812) 312-57-68. e-mail: sales@polytechnics.ru, gfm@polytechnics.spb.ru http//www.polytechnics.ru Возможна отправка книг «Книга—почтой». Книги рассылаются покупателям в России наложнным платежом (без задатка). Почтовые расходы составляют 40 % и выше от стоимости заказанных Вами книг.
06526044
