RU2611918C1

RU2611918C1 - Device for laser welding of dissected biological tissues

Info

Publication number: RU2611918C1
Application number: RU2015139257A
Authority: RU
Inventors: Александр Юрьевич Герасименко; Виталий Маркович Подгаецкий; Дмитрий Игоревич Рябкин
Priority date: 2015-09-16
Filing date: 2015-09-16
Publication date: 2017-03-01

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: device includes primary and secondary laser emitters connected by a fiber optic radiation output with a fiber optic laser light mixer, and has an inserted laser nano-soldering module with a vessel containing a laser nano-soldering device, measuring module and a microcontroller unit located inside the enclosure. The laser nano-soldering module is connected to the spot of biological tissue welding and the measuring module is connected to the microcontroller unit. The device is also provided with a tubular hose for laser nano-soldering supply, connecting the laser nano-soldering module to the spot of biological tissue welding and comprising a mechanism of programmable metering of laser nano-soldering.

EFFECT: invention improves the reliability of the weld.

7 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области лазерной техники, а более конкретно к устройствам лазерной медицины, и может быть использовано для лазерного сваривания биологических тканей. Изобретение направлено на восстановление первоначальной структуры рассеченных участков поверхностных и внутренних слоев биоткани путем их соединения методом лазерной сварки при обеспечении надежности сварного шва ткани, контролирования и регулирования процесса сваривания.The invention relates to the field of laser technology, and more particularly to laser medicine devices, and can be used for laser welding of biological tissues. The invention is aimed at restoring the original structure of dissected sections of the surface and inner layers of biological tissue by combining them by laser welding while ensuring the reliability of the fabric weld, monitoring and regulating the welding process.

Одним из распространенных недугов человека является дефекты биологической ткани, которые варьируются от незначительных порезов наружных (поверхностных) слоев кожи до серьезных глубоких ран внутренних органов. Возникает задача восстановления первоначальной структуры рассеченных участков поверхностных и внутренних слоев биоткани путем их соединения с целью получения наибольшей механической прочности шва после хирургических операции, со скорейшим временем заживления раны и максимально благоприятным косметическим эффектом.One of the common ailments of a person is defects in biological tissue, which range from minor cuts of the outer (superficial) layers of the skin to serious deep wounds of internal organs. The problem arises of restoring the initial structure of dissected sections of the surface and inner layers of biological tissue by combining them in order to obtain the greatest mechanical strength of the suture after surgery, with the fastest healing time of the wound and the most favorable cosmetic effect.

Соединение рассеченных тканей может быть осуществлено с помощью устройств, которые способны сваривать края раны, точечно воздействуя лазерным излучением на слои рассеченной биоткани, при этом не повреждая окружающие здоровые ткани. Лазерные операции практически бескровны, а заживление ран в месте рассечения биоткани происходит достаточно быстро и качественно. К тому же, лазерное излучение обладает бактерицидным действием, поэтому оперируемые раны практически стерильны.Dissected tissue can be connected using devices that can weld the edges of the wound, using laser radiation to target the layers of dissected biological tissue, without damaging the surrounding healthy tissue. Laser operations are almost bloodless, and wound healing at the site of dissection of biological tissue occurs quite quickly and efficiently. In addition, laser radiation has a bactericidal effect, so the operated wounds are almost sterile.

Для ускорения заживляющих процессов и лучшего сцепления краев раны до и во время операции в устройствах для лазерного соединения рассеченных тканей используют специальные лазерные припои, включающие в себя биологические материалы. Примером таких материалов могут служить такие белки, как альбумин, фиброген и коллаген. Лазерное сваривание тканей с использованием биоприпоев особенно эффективно при восстановлении сплошности мелких кровеносных сосудов, нервных волокон, семенных протоков и т.п., т.е. там, где использование традиционных методов соединения рассеченной биоткани надежно [1]. Вместе с тем, устройства, использующие такие биоприпои, не всегда обеспечивают достаточную прочность на разрыв оперированных биотканей. Поэтому существует необходимость применения в устройствах для лазерного сваривания рассеченных тканей нанобиоприпоев, обладающих высокими сцепляющими края раны свойствами и максимальным поглощением на длине волны генерации используемого лазера, что позволяет получать необходимый прогрев свариваемой ткани, не допуская перегрева смежной здоровой биоткани [2].To accelerate healing processes and better adhesion of wound edges before and during surgery, special laser solders, including biological materials, are used in devices for laser connection of dissected tissues. An example of such materials are proteins such as albumin, fibrogen and collagen. Laser tissue welding using bio solders is especially effective in restoring the integrity of small blood vessels, nerve fibers, seminal ducts, etc., i.e. where the use of traditional methods of joining dissected biological tissue is reliable [1]. However, devices using such bio-solders do not always provide sufficient tensile strength of the operated biological tissues. Therefore, there is a need to use nanobio-solders in devices for laser welding of dissected tissues, which have high wound-edge adhesion properties and maximum absorption at the generation wavelength of the laser used, which allows obtaining the necessary heating of the tissue being welded, preventing overheating of an adjacent healthy biological tissue [2].

Использование специальных устройств для лазерного сваривания рассеченных биотканей имеет большое значение в медицинской практике. Однако известные устройства такого типа имеют определенные недостатки.The use of special devices for laser welding of dissected biological tissues is of great importance in medical practice. However, known devices of this type have certain disadvantages.

Известно устройство для лазерного сваривания рассеченной биоткани, в которое входит оптическое волокно для транспортирования лазерного излучения, выходной конец которого может быть использован для сварки и резки биоткани, и детектор ИК-излучения, приходящего от свариваемого участка биоткани, транспортируемое через оптоволокно. Устройство предусматривает также проведение хирургических процедур при управлении мощностью инфракрасного лазера с целью оптимизации температуры сваривания биоткани путем контроля и регулирования температуры лазерного инструмента [3].A device for laser welding of dissected biological tissue is known, which includes an optical fiber for transporting laser radiation, the output end of which can be used for welding and cutting of biological tissue, and a detector of infrared radiation coming from the welded portion of the biological tissue transported through optical fiber. The device also provides for surgical procedures to control the power of an infrared laser in order to optimize the temperature of welding of biological tissue by controlling and regulating the temperature of the laser tool [3].

Недостатком такого изобретения является отсутствие визуального контроля места сваривания биологической ткани и смежной биоткани, что необходимо для предотвращения коагуляции биоткани и получения сохраняемого и надежного сварного шва биоткани.The disadvantage of this invention is the lack of visual control of the site of welding of biological tissue and adjacent biological tissue, which is necessary to prevent coagulation of biological tissue and obtain a preserved and reliable weld of biological tissue.

Наиболее близким техническим решением заявляемого устройства является устройство для лазерного сваривания и пайки рассеченных биологических тканей с применением нескольких лазеров, работающих на разных длинах волн в диапазоне 650-850 нм, и нескольких приемников ИК-излучения от нагреваемой биоткани, при контроле мощности лазеров, с использованием биоприпоев, содержащих хитозан, альбумин и хромофоры [4].The closest technical solution of the claimed device is a device for laser welding and soldering dissected biological tissues using several lasers operating at different wavelengths in the range of 650-850 nm, and several receivers of infrared radiation from a heated biological tissue, while controlling the laser power, using bio solders containing chitosan, albumin and chromophores [4].

Недостатком такого изобретения является сложность системы облучения биоткани и трудность одновременного контроля мощности нескольких лазеров, что требует постоянного высококвалифицированного инженерного обслуживания и не обеспечивает долговечность и ремонтопригодность получаемого сварного шва рассеченной биоткани.The disadvantage of this invention is the complexity of the biological tissue irradiation system and the difficulty of simultaneously controlling the power of several lasers, which requires constant highly qualified maintenance and does not ensure the durability and maintainability of the resulting welded seam of the dissected biological tissue.

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства для лазерного сваривания рассеченных биологических тканей, лишенного вышеуказанных недостатков путем использования оригинального технического решения, гарантирующего надежность сварного шва ткани, фиксирующего ее соединение, а также контролирование и регулирование процесса сваривания.The objective of the invention is to provide a device for laser welding of dissected biological tissues, devoid of the above disadvantages by using an original technical solution that guarantees the reliability of the weld fabric, fixing its connection, as well as controlling and regulating the welding process.

Предлагаемое устройство для лазерного сваривания рассеченных биологических тканей иллюстрируется следующим графическим материалом. На Фиг. 1 показана общая схема устройства, где 1 - корпус, 2 - основной лазерный излучатель, 3 - первый оптоволоконный вывод излучения, 4 - оптоволоконный смеситель лазерного излучения, 5 - вспомогательный лазерный излучатель, 6 - второй оптоволоконный вывод излучения, 7 - сваривающее оптоволокно, 8 - место сваривания биоткани, 9 - модуль лазерного наноприпоя, 10 - измерительный модуль, 11 - микроконтроллерный блок, 12 - волоконный кабель, 13 - измерительное оптоволокно, 14 - визуализирующее оптоволокно, 15 - трубчатый шланг, 16 - лазерный наноприпой, 17 - механизм программируемого порционного дозирования, 18 - смежная биоткань, 19 - дисплей. На Фиг. 2 показано устройство модуля лазерного наноприпоя предлагаемого аппарата, где 9 - модуль лазерного наноприпоя, 15 - трубчатый шланг, 16 - лазерный наноприпой, 20 - сосуд, 21 - насос, 23 - термостат, 25 - ультразвуковой гомогенизатор. На Фиг. 3 показано устройство измерительного модуля аппарата, где 10 - измерительный модуль, 11 - микроконтроллерный блок, 13 - измерительное оптоволокно, 14 - визуализирующее оптоволокно, 22 - пирометрический измеритель температуры, 24 - тепловизор, 26 - спектрометр.The proposed device for laser welding dissected biological tissues is illustrated by the following graphic material. In FIG. 1 shows a general diagram of the device, where 1 is the casing, 2 is the main laser emitter, 3 is the first fiber optic output, 4 is the fiber optic laser mixer, 5 is the auxiliary laser, 6 is the second fiber optic output, 7 is the welding fiber, 8 - a place for welding biological tissue, 9 - a laser nanosolder module, 10 - a measuring module, 11 - a microcontroller unit, 12 - a fiber cable, 13 - a measuring optical fiber, 14 - an optical fiber visualizing, 15 - a tubular hose, 16 - a laser nanosolder, 17 - a program mechanism adjustable batch dosage, 18 - adjacent biological tissue, 19 - display. In FIG. 2 shows the device of the laser nanosolder module of the proposed apparatus, where 9 is a laser nanosolder module, 15 is a tubular hose, 16 is a laser nanosolder, 20 is a vessel, 21 is a pump, 23 is a thermostat, 25 is an ultrasonic homogenizer. In FIG. Figure 3 shows the device of the measuring module of the apparatus, where 10 is the measuring module, 11 is the microcontroller unit, 13 is the measuring optical fiber, 14 is the visualizing optical fiber, 22 is the pyrometric temperature meter, 24 is the thermal imager, 26 is the spectrometer.

В предлагаемом устройстве для лазерного сваривания рассеченных биологических тканей установлены основной лазерный излучатель 2, соединенный первым оптоволоконным выводом излучения 3 с оптоволоконным смесителем лазерного излучения 4, вспомогательный лазерный излучатель 5, соединенный вторым оптоволоконным выводом излучения 6 с оптоволоконным смесителем лазерного излучения 4, и сваривающее оптоволокно 7 для облучения и нагрева места сваривания биоткани 8 с формированием сварного шва. Такое формирование шва является следствием испарения жидкостной компоненты лазерного наноприпоя 16, при котором он переходит из жидкого в твердое фазовое состояние. Воздействие электрического поля лазерного излучения вызывает образование в сварном шве упрочняющей композитной структуры с объемным каркасом из углеродных нанотрубок, что позволяет получить надежное соединение ткани.In the proposed device for laser welding of dissected biological tissues, a main laser emitter 2 is connected, connected by a first fiber optic output of radiation 3 with a fiber optic laser mixer 4, an auxiliary laser emitter 5, connected by a second fiber optic output of radiation 6 with a fiber optic laser radiation mixer 4, and fiber optic 7 for irradiation and heating of the site of welding of biological tissue 8 with the formation of a weld. Such a weld formation is a consequence of the evaporation of the liquid component of the laser nanosolder 16, in which it passes from a liquid to a solid phase state. The influence of the electric field of laser radiation causes the formation of a reinforcing composite structure in the weld with a bulk frame of carbon nanotubes, which allows to obtain a reliable connection of tissue.

Устройство отличается введением в него модуля лазерного наноприпоя 9 с сосудом 20, содержащим лазерный наноприпой 16, в который может входить альбумин и однослойные или многослойные углеродные нанотрубки, измерительного модуля 10 и микроконтроллерного блока 11, расположенные внутри корпуса 1, который может быть изготовлен из материала, непрозрачного для лазерного излучения, например из дюралюминия, магниевого сплава АМГ-6 и т.п. материала, причем модуль лазерного наноприпоя 9 соединен с местом сваривания биоткани 8, а измерительный модуль 10 соединен с микроконтроллерным блоком 11.The device is distinguished by introducing into it a laser nano solder module 9 with a vessel 20 containing a laser nano solder 16, which can include albumin and single-layer or multilayer carbon nanotubes, a measuring module 10 and a microcontroller block 11 located inside the housing 1, which can be made of material opaque to laser radiation, for example from duralumin, AMG-6 magnesium alloy, etc. material, moreover, the laser solder module 9 is connected to the site of welding of the biological tissue 8, and the measuring module 10 is connected to the microcontroller unit 11.

Устройство снабжено волоконным кабелем 12, содержащим сваривающее оптоволокно 7, измерительное оптоволокно 13, визуализирующее оптоволокно 14 и соединяющим основной лазерный излучатель 2, вспомогательный лазерный излучатель 5, длина волны генерации которого находится в диапазоне от 500 до 650 нм, т.е. в области максимальной чувствительности человеческого глаза, и измерительный модуль 10 с местом сваривания биоткани 8. В качестве материала первого оптоволоконного вывода излучения 3, оптоволоконного смесителя лазерного излучения 4, второго оптоволоконного вывода излучения 6, сваривающего оптоволокна 7, измерительного оптоволокна 13 и визуализирующего оптоволокна 14 выбрано кварцевое стекло с коэффициентом затухания излучения в диапазоне от 0,01 до 1,0 дБ/м, что обеспечивает незначительное ослабление проходящего излучения в этих оптоволокнах.The device is equipped with a fiber cable 12 containing a welding optical fiber 7, a measuring optical fiber 13, a visualizing optical fiber 14 and connecting the main laser emitter 2, the auxiliary laser emitter 5, the generation wavelength of which is in the range from 500 to 650 nm, i.e. in the region of maximum sensitivity of the human eye, and the measuring module 10 with the place of welding of the biological tissue 8. As the material of the first fiber optic output of radiation 3, a fiber optic mixer of laser radiation 4, a second fiber optic output of radiation 6, a welding fiber 7, a measuring optical fiber 13 and visualizing optical fiber 14 is selected silica glass with a radiation attenuation coefficient in the range from 0.01 to 1.0 dB / m, which provides a slight attenuation of transmitted radiation in these optical fibers x.

Устройство снабжено трубчатым шлангом 15 для подачи лазерного наноприпоя 16, соединяющим модуль лазерного наноприпоя 9 с местом сваривания биоткани 8. Трубчатый шланг 15 содержит механизм программируемого порционного дозирования 17 лазерного наноприпоя 16. В модуль лазерного наноприпоя 9 введен насос 21, сопряженный с сосудом 20 и трубчатым шлангом 15. Модуль лазерного наноприпоя 9 содержит термостат 23, поддерживающий заданную температуру лазерного наноприпоя 16 в сосуде 20. Модуль лазерного наноприпоя 9 также содержит ультразвуковой гомогенизатор 25 лазерного наноприпоя 16, действие которого обеспечивает однородность материала лазерного наноприпоя 16.The device is equipped with a tubular hose 15 for supplying laser nanosolder 16, connecting the laser nanosolder module 9 with the site of biotissue 8. The tubular hose 15 contains a programmable batching mechanism 17 of the laser nanosolder 16. A pump 21 is inserted into the laser nanosolder module 9, coupled to the vessel 20 and the tubular a hose 15. The laser nano solder module 9 contains a thermostat 23, which maintains the desired temperature of the laser nano solder 16 in the vessel 20. The laser nano solder module 9 also contains an ultrasonic homogenizer p 25 nanopripoya laser 16, the action of which provides uniformity of the laser 16 nanopripoya material.

В измерительный модуль 10, который может быть изготовлен из материала, непрозрачного для лазерного излучения, например из дюралюминия, магниевого сплава АМГ-6 и т.п. материала, введен пирометрический измеритель температуры 22 нанесенного лазерного наноприпоя 16 в месте сваривания биоткани 8, оптически сопряженный с измерительным оптоволокном 13, электрически сопряженный с микроконтроллерным блоком 11 для поддержания оптимальной температуры места сваривания биоткани 8 и смежной биоткани 18 и электрически сопряженный с дисплеем 19 на внешней стенке корпуса 1. В измерительный модуль 10 введен тепловизор 24 для визуального контроля процесса лазерной сварки, оптически сопряженный с визуализирующим оптоволокном 14. В измерительный модуль 10 введен спектрометр 26, оптически сопряженный с визуализирующим оптоволокном 14, для контроля спектрального состава излучения, которое поступает от лазерного наноприпоя 16, находящегося в месте сваривания биоткани 8. Микроконтроллерный блок 11 электрически сопряжен с основным лазерным излучателем 2 и пирометрическим измерителем температуры 22. Действие микроконтроллерного блока 11 обеспечивает надежное контролирование и регулирование процесса сваривания рассеченной биоткани, что устраняет опасность перегрева (недогрева) сварного шва, что может влиять на его прочность и долговечность.In the measuring module 10, which can be made of a material opaque to laser radiation, for example from duralumin, magnesium alloy AMG-6, etc. material, a pyrometric temperature meter 22 of the deposited laser nano solder 16 was introduced at the site of welding of the biological tissue 8, optically coupled to the measuring optical fiber 13, electrically coupled to the microcontroller unit 11 to maintain the optimum temperature of the point of welding of the biological tissue 8 and adjacent biological tissue 18, and electrically coupled to the display 19 on the external housing wall 1. A thermal imager 24 is introduced into the measuring module 10 to visually control the laser welding process, optically coupled to a visualizing optical fiber ohm 14. A spectrometer 26, optically coupled to the visualizing optical fiber 14, is introduced into the measuring module 10 to control the spectral composition of the radiation that comes from the laser nanofoil 16 located at the site of the biological tissue 8. The microcontroller unit 11 is electrically coupled to the main laser emitter 2 and a pyrometric a temperature meter 22. The action of the microcontroller unit 11 provides reliable control and regulation of the welding process of dissected biological tissue, which eliminates the risk of overheating and (underheating) of the weld, which may affect its strength and durability.

Предлагаемое устройство для лазерного сваривания рассеченных биологических тканей работает следующим образом. После включения устройства запускают режим подготовки лазерного наноприпоя 16 путем его диспергирования в течение ~30 мин при температуре, заданной термостатом 23 в диапазоне от 20 до 40°C, с использованием ультразвукового гомогенизатора 25 при выбранной мощности ультразвука в диапазоне от 20 до 100 Вт. После подготовки лазерного наноприпоя 16 осуществляют его подачу к месту сваривания биоткани 8, с использованием насоса 21 и трубчатого шланга 15. С целью формирования сварного шва наносят лазерный наноприпой 16 на свариваемую поверхность рассеченной биоткани с использованием механизма программируемого порционного дозирования 17. Роль нанесенного лазерного наноприпоя 16 на этой стадии работы устройства, в частности, заключается в первичном «склеивании» краев раны. Температуру лазерного наноприпоя 16 в сосуде 20 при этом поддерживают в диапазоне от 20 до 40°C, с точностью ±0,1°C, с использованием термостата 23, что контролируется с помощью датчика измерения температуры (не показан), показания которого выводятся на дисплей 19. На дисплее 19 отображают также показания пирометрического измерителя температуры 22. Однородность материала лазерного наноприпоя 16 обеспечивают действием ультразвукового гомогенизатора 25.The proposed device for laser welding of dissected biological tissues works as follows. After the device is turned on, the preparation of laser nanosolder 16 is started by dispersing it for ~ 30 min at a temperature set by thermostat 23 in the range from 20 to 40 ° C, using an ultrasonic homogenizer 25 at a selected ultrasound power in the range from 20 to 100 watts. After preparation of the laser nanofluid 16, it is supplied to the site of welding of the biological tissue 8 using a pump 21 and a tubular hose 15. In order to form a weld, laser nanofoil 16 is applied to the welded surface of the dissected biological tissue using a programmable batch dosage mechanism 17. The role of the applied laser nanofoil 16 At this stage of the operation of the device, in particular, it consists in the primary “gluing” of the edges of the wound. The temperature of the laser nano solder 16 in the vessel 20 is maintained in the range from 20 to 40 ° C, with an accuracy of ± 0.1 ° C, using the thermostat 23, which is controlled by a temperature measuring sensor (not shown), the readings of which are displayed 19. The display 19 also displays the readings of the pyrometric temperature meter 22. The uniformity of the material of the laser nanosolder 16 is ensured by the action of an ultrasonic homogenizer 25.

Следующий шаг в работе предлагаемого устройства заключается в облучении места сваривания биоткани 8 с формирования сварного шва для восстановления сплошности свариваемой рассеченной биоткани. Излучение основного лазерного излучателя 2 транспортируют с помощью первого оптоволоконного вывода излучения 3 через оптоволоконный смеситель лазерного излучения 4 и сваривающее оптоволокно 7, находящееся в волоконном кабеле 12, на место сваривания 8 рассеченной биологической ткани или органа (рану) организма человека (животного). Нацеливание луча основного лазерного излучателя 2 на рану производят с использованием излучения вспомогательного лазерного излучателя 5, луч которого, проходящий через второй оптоволоконный вывод излучения 6, оптоволоконный смеситель лазерного излучения 4 и визуализирующее оптоволокно 14 в волоконном кабеле 12, отмечает место сваривания биоткани 8, покрытое нанесенным лазерным наноприпоем 16. После включения питания основного лазерного излучателя 2 его луч попадает на место сваривания биоткани 8, отмеченное лучом вспомогательного лазерного излучателя 5. Далее, под тепловым воздействием поглощенного излучения основного лазерного излучателя 2 происходит локальный нагрев рассеченной биоткани. Таким образом, инициируют затвердевание материала лазерного наноприпоя 16 и формирование сварного шва на месте сваривания биоткани 8. С использованием измерительного модуля 10 осуществляют контроль процесса лазерной сварки. Показания пирометрического измерителя температуры 22, как и датчика измерения температуры (не показан) лазерного наноприпоя 16, выводят на дисплей 19.The next step in the work of the proposed device is to irradiate the place of welding of the biological tissue 8 with the formation of the weld to restore the continuity of the welded dissected biological tissue. The radiation of the main laser emitter 2 is transported using the first fiber-optic output of radiation 3 through a fiber-optic laser mixer 4 and a welding fiber 7 located in the fiber cable 12 to the site of welding 8 of the dissected biological tissue or organ (wound) of the human body (animal). The beam of the main laser emitter 2 is aimed at the wound using radiation from the auxiliary laser emitter 5, the beam of which passing through the second fiber-optic output of radiation 6, the fiber-optic laser mixer 4 and the visualizing optical fiber 14 in the fiber cable 12, marks the place of welding of the biological tissue 8, coated with applied laser nanosolder 16. After turning on the power of the main laser emitter 2, its beam hits the site of welding of biological tissue 8, marked by the beam of the auxiliary laser emitter 5. Further, under the thermal influence of the absorbed radiation of the main laser emitter 2, local dissection of the biological tissue occurs locally. Thus, hardening of the material of the laser nano solder 16 and the formation of a weld at the site of welding of the biological tissue 8 are initiated. Using the measuring module 10, the laser welding process is monitored. The readings of the pyrometric temperature meter 22, as well as the temperature sensor (not shown) of the laser nano solder 16, are displayed 19.

Микроконтроллерный блок 11, электрически сопряженный с основным лазерным излучателем 2 и пирометрическим измерителем температуры 22, предназначен для осуществления обратной связи между температурой свариваемой ткани и интенсивностью ее облучения, что позволяет осуществить постоянный мониторинг области взаимодействия лазерного излучения со свариваемой рассеченной тканью. Для этого микроконтроллерный блок 11 вырабатывает выходной сигнал силы тока, подаваемый на блок питания (не показан) основного лазерного излучателя 2 с целью регулировки мощности (энергии) излучения основного лазерного излучателя 2 путем противодействия отклонению регулируемой величины температуры лазерного наноприпоя 16 в месте сваривания биоткани 8 от заданных значений, носящему опасность перегрева (недогрева) лазерного шва, что может влиять на его прочность и долговечность. Температура места сваривания ткани 8 и смежной биоткани 18 при этом поддерживают в оптимальном диапазоне температур от 40 до 65°C, с точностью ±0,1°C, что обеспечивает эффективность и безопасность процесса лазерной сварки биоткани и формирование надежного сварного шва.The microcontroller unit 11, electrically coupled to the main laser emitter 2 and the pyrometric temperature meter 22, is designed to provide feedback between the temperature of the tissue being welded and the intensity of its irradiation, which allows constant monitoring of the interaction region of laser radiation with the welded dissected tissue. For this, the microcontroller unit 11 generates an output current signal supplied to the power supply unit (not shown) of the main laser emitter 2 in order to adjust the radiation power (energy) of the main laser emitter 2 by counteracting the deviation of the controlled temperature of the laser nanofluid 16 at the site of welding of the biological tissue 8 from preset values, which carries the danger of overheating (underheating) of the laser seam, which can affect its strength and durability. The temperature of the place of welding of fabric 8 and adjacent biological tissue 18 is maintained in the optimal temperature range from 40 to 65 ° C, with an accuracy of ± 0.1 ° C, which ensures the efficiency and safety of the laser welding process of biological tissue and the formation of a reliable weld.

Система обратной температурной связи состоит из пирометрического измерителя температуры 22 и микроконтроллерного блока 8, анализирующего полученную с них информацию (с учетом визуальной информации, поступающей с тепловизора 24 и регулирующего силу тока блока питания (не показан) основного лазерного излучателя 2. Программа работы микроконтроллерного блока 11 основана на пропорционально интегрально дифференциальном алгоритме (ПИД алгоритме), что позволят плавно и быстро регулировать температуру, не допуская перегрева (или недогрева) биоткани.The temperature feedback system consists of a pyrometric temperature meter 22 and a microcontroller unit 8, analyzing the information received from them (taking into account visual information coming from the thermal imager 24 and regulating the current strength of the power supply unit (not shown) of the main laser emitter 2. The program of work of the microcontroller unit 11 based on a proportionally integrated differential algorithm (PID algorithm), which will allow you to smoothly and quickly control the temperature, preventing overheating (or underheating) of the biot ani.

Воздействие направленного излучения основного лазерного излучателя 2 на материал лазерного наноприпоя 16 вызывает формирование наноструктурированного материала сварного шва, подобное происходящему в процессе образования объемного нанотрубочного материала в водно-белковой дисперсии углеродных нанотрубок под действием лазерного излучения [5]. В состав лазерного наноприпоя 16 при этом могут входить транспортный белок альбумин и специально очищенные однослойные или многослойные углеродные нанотрубки, остальное - дистиллированная вода (см. подробно [6]).The effect of the directed radiation of the main laser emitter 2 on the material of the laser nanosolder 16 causes the formation of a nanostructured weld material similar to that occurring during the formation of a bulk nanotube material in a water-protein dispersion of carbon nanotubes under the action of laser radiation [5]. In this case, the composition of laser nano-solder 16 may include albumin transport protein and specially purified single-layer or multilayer carbon nanotubes, the rest being distilled water (see in detail [6]).

Длина волны генерации основного 2 (одного или нескольких) лазерного излучателя предлагаемого устройства для лазерной сварки биотканей может быть выбрана в диапазоне длин волн приблизительно от 400 до 1500 нм, т.е. в той части спектра, где находятся длины волн генерации наиболее распространенных и коммерчески доступных лазеров и достаточно мало затухание лазерного излучения на длине оптоволоконных световодов, используемых в устройстве. Эксплуатация и контроль мощности таких лазеров достаточна просты. В случае вспомогательного лазерного излучателя 5 выбор длины волны генерации в диапазоне длин волн приблизительно от 500 до 650 нм, который соответствует области максимальной чувствительности человеческого глаза (максимумы чувствительности соответствуют длинам волн 510 нм для темно-адаптированного и ~550 нм для свето-адаптированного глаза), обеспечивает точность наведения луча основного лазерного излучателя 2 в место сваривания биоткани 8. Использование кварцевого стекла с коэффициентом затухания излучения в диапазоне приблизительно от 0,01 до 1,0 дБ/м в качестве материала оптоволоконного смесителя лазерного излучения 4, сваривающего оптоволокна 7, измерительного оптоволокна 13, визуализирующего оптоволокна 14, первого оптоволоконного вывода излучения 3 и второго оптоволоконного вывода излучения 6 обеспечивает малое ослабление проходящего излучения в этих оптоволокнах.The wavelength of the generation of the main 2 (one or more) laser emitters of the proposed device for laser welding of biological tissues can be selected in the wavelength range from approximately 400 to 1500 nm, i.e. in that part of the spectrum where the generation wavelengths of the most common and commercially available lasers are located and the laser radiation attenuation along the length of the optical fibers used in the device is rather small. The operation and power control of such lasers is quite simple. In the case of the auxiliary laser emitter 5, the choice of the generation wavelength in the wavelength range from approximately 500 to 650 nm, which corresponds to the region of maximum sensitivity of the human eye (sensitivity maxima correspond to wavelengths of 510 nm for the dark-adapted and ~ 550 nm for the light-adapted eye) , ensures the accuracy of the guidance of the beam of the main laser emitter 2 in the place of welding of the biological tissue 8. The use of quartz glass with a radiation attenuation coefficient in the range of about 0.01 up to 1.0 dB / m as the material of the optical fiber mixer of laser radiation 4, welding optical fiber 7, measuring optical fiber 13, visualizing optical fiber 14, the first optical fiber output 3 and the second optical fiber output 6 provides a small attenuation of transmitted radiation in these optical fibers.

Возможно исполнение основного лазерного излучателя 2 предлагаемого устройства в виде полупроводникового диодного лазера, который функционирует в непрерывном режиме с мощностью генерации от 10 до 100 Вт. Возможно также исполнение основного лазерного излучателя 2 в виде твердотельного лазера, который функционирует в частотном режиме с энергией импульса генерации от 0,1 до 1,0 Дж и средней мощностью генерации от 10 до 100 Вт. Возможно также исполнение основного лазерного излучателя 2 в виде оптоволоконного лазера с активным кварцевым оптоволокном, легированным эрбием, при накачке лазерным диодом синего свечения с мощностью от 5,0 до 40 Вт, который функционирует в непрерывном режиме с мощностью генерации от 3,0 до 30 Вт.Possible execution of the main laser emitter 2 of the proposed device in the form of a semiconductor diode laser, which operates in a continuous mode with a generation power of 10 to 100 watts. It is also possible to design the main laser emitter 2 in the form of a solid-state laser, which operates in the frequency mode with a pulse energy of 0.1 to 1.0 J and an average power of 10 to 100 watts. It is also possible to design the main laser emitter 2 in the form of an optical fiber with an active quartz fiber doped with erbium when pumped by a laser diode with a blue glow with a power from 5.0 to 40 W, which operates in a continuous mode with a generation power from 3.0 to 30 W .

Введение в устройство модуля лазерного наноприпоя 9 с сосудом 20, содержащим лазерный наноприпой 16, измерительного модуля 10 и микроконтроллерного блока 11 позволяет осуществить формирование надежного сварного шва рассеченных биотканей. Наличие в устройстве модуля лазерного наноприпоя 9 позволяет осуществлять быстрое и точное нанесение лазерного наноприпоя 16 на место сваривания биоткани 8 с использованием соединенных с сосудом 20 насоса 21 и трубчатого шланга 15, а также оперативную замену отработанного состава лазерного наноприпоя 16 на свежий состав путем перезаполнения сосуда 20. Наличие в устройстве измерительного модуля 10 создает возможность постоянного мониторинга области взаимодействия лазерного излучения с тканью и оптимизации процесса сварки биоткани. Введение в устройство микроконтроллерного блока 11 позволяет оптимизировать процесс сваривания биоткани путем регулировки режима работы основного лазерного излучателя 2 для избегания перегрева места сваривания биоткани 8, которое снижает прочность возникающего сварного шва и может вызвать деструкцию смежной биоткани 18. При этом также устраняется возможный недостаточный нагрев зоны сваривания биоткани, что может иметь следствием сниженную надежность соединения рассеченных тканей при уменьшении прочности сварного шва биоткани.The introduction into the device of the module of laser nano solder 9 with the vessel 20 containing the laser nano solder 16, the measuring module 10 and the microcontroller unit 11 allows the formation of a reliable weld of dissected biological tissues. The presence in the device of the module of laser nanosolder 9 allows for quick and accurate application of laser nanosolder 16 to the site of welding of biological tissue 8 using a pump 21 and a tubular hose 15 connected to the vessel 20, as well as the rapid replacement of the spent composition of the laser nanosolder 16 with a fresh composition by refilling the vessel 20 The presence in the device of the measuring module 10 makes it possible to continuously monitor the area of interaction of laser radiation with tissue and optimize the welding process of biological tissue. Introduction to the device of the microcontroller unit 11 allows you to optimize the welding process of biological tissue by adjusting the operating mode of the main laser emitter 2 to avoid overheating of the welding site of biological tissue 8, which reduces the strength of the weld and the destruction of the adjacent biological tissue 18. This also eliminates the possible insufficient heating of the welding zone biological tissue, which may result in reduced reliability of the connection of dissected tissues while reducing the strength of the weld of the biological tissue.

Снабжение устройства волоконным кабелем 12, содержащим сваривающее оптоволокно 7, измерительное оптоволокно 13 и визуализирующее оптоволокно 14 и соединяющим корпус 1 с местом сваривания биоткани 8 позволяет обеспечить локальный нагрев лазерного наноприпоя 16, который, в свою очередь, передает тепло биоткани, вызывая выделение клеточного матрикса, что обеспечивает соединение краев раны, а также ее высушивание при формировании сварного шва.Providing the device with a fiber cable 12 containing a welding optical fiber 7, a measuring optical fiber 13 and a visualizing optical fiber 14 and connecting the housing 1 to the welding site of the biological tissue 8 allows local heating of the laser nanofoil 16, which, in turn, transfers heat to the biological tissue, causing the release of the cell matrix, which ensures the connection of the edges of the wound, as well as its drying during the formation of the weld.

Выбор в предлагаемом устройстве длины волны генерации вспомогательного лазерного излучателя 5 предложенного устройства в области длин волн приблизительно от 500 до 650 нм, т.е. в области максимальной чувствительности человеческого глаза, способствует точному нацеливанию луча основного лазерного излучателя 2 в место сваривания биоткани 8, тем самым обеспечивая снижение времени операции по соединению рассеченных тканей и органов, а также времени постоперационного восстановления организма больного. Диодные лазерные устройства на указанных длинах волн достаточно просты в эксплуатации, не требуя специального квалифицированного инженерного обслуживания. Применение в устройстве кварцевого стекла с коэффициентом затухания излучения в диапазоне приблизительно от 0,01 до 1,0 дБ/м в качестве материала первого оптоволоконного вывода излучения 3, оптоволоконного смесителя лазерного излучения 4, второго оптоволоконного вывода излучения 6, сваривающего оптоволокна 7, измерительного оптоволокна 13 и визуализирующего оптоволокна 14 позволяет снизить потери проходящего излучения в этих оптоволокнах и обеспечить малое ослабление интенсивности проходящего излучения.The choice in the proposed device of the wavelength of the generation of the auxiliary laser emitter 5 of the proposed device in the range of wavelengths from about 500 to 650 nm, i.e. in the region of maximum sensitivity of the human eye, it contributes to the precise aiming of the beam of the main laser emitter 2 at the site of welding of the biological tissue 8, thereby ensuring a reduction in the time of operation to connect dissected tissues and organs, as well as the time of postoperative recovery of the patient's body. Diode laser devices at the indicated wavelengths are quite simple to operate, without requiring special qualified engineering services. The use of a quartz glass device with a radiation attenuation coefficient in the range of about 0.01 to 1.0 dB / m as the material of the first fiber optic output of radiation 3, a fiber optic mixer of laser radiation 4, a second fiber optic output of radiation 6, a fiber optic 7, a welding fiber 13 and the visualizing optical fiber 14 can reduce the loss of transmitted radiation in these optical fibers and provide a small attenuation of the intensity of the transmitted radiation.

Снабжение предлагаемого устройства трубчатым шлангом 15 для подачи лазерного наноприпоя 16 в место сваривания биоткани 8 позволяет осуществить подачу туда подготовленного лазерного наноприпоя 16 способом, удобным для медицинского персонала, осуществляющего лазерное сваривание биотканей. Содержание в трубчатом шланге 15 механизма программируемого порционного дозирования 17 лазерного наноприпоя 16 позволяет оптимизировать процесс нанесения лазерного наноприпоя 16 на рану и ускорить процесс лазерного сваривания. Комплектное содержание в модуле лазерного наноприпоя 9 сосуда 20 с лазерным наноприпоем 16, сопряженного с трубчатым шлангом 15 и сопряженного с насосом 19, обеспечивает быстроту и надежность нанесения лазерного наноприпоя 16 на место сваривания биоткани 8.Providing the proposed device with a tubular hose 15 for supplying laser nanofoil 16 to the site of welding of biological tissue 8 allows you to feed the prepared laser nanofoil 16 in a manner convenient for medical personnel carrying out laser welding of biological tissue. The content in the tubular hose 15 of the programmable batch dosing mechanism 17 of the laser nano solder 16 allows you to optimize the process of applying laser nano solder 16 to the wound and accelerate the laser welding process. The complete content in the module of laser nano solder 9 of the vessel 20 with the laser nano solder 16, paired with a tubular hose 15 and paired with a pump 19, provides the speed and reliability of applying the laser nano solder 16 to the site of welding of biological tissue 8.

Содержание в модуле лазерного наноприпоя 9 термостата 23, поддерживающего постоянную температуру лазерного наноприпоя 16 в сосуде 20 в диапазоне от 20 до 40°C, с точностью ±0,1°C, обеспечивает сохранение качества и постоянства состава лазерного наноприпоя 16 при подаче его на место сваривания биоткани 8. Содержание в модуле лазерного наноприпоя 9 ультразвукового гомогенизатора 25 лазерного наноприпоя 16 с мощностью в диапазоне от 20 до 100 Вт дает возможность поддержания качества и однородности состава лазерного наноприпоя 16 в различных условиях эксплуатации предложенного устройства.The content in the laser nano solder module 9 of the thermostat 23, which maintains a constant temperature of the laser nano solder 16 in the vessel 20 in the range from 20 to 40 ° C, with an accuracy of ± 0.1 ° C, ensures the quality and constancy of the composition of the laser nano solder 16 when it is put in place welding of biotissue 8. The content of the ultrasonic homogenizer 25 of the laser nanosolder 16 in the laser nano solder module 9 with a power in the range from 20 to 100 W makes it possible to maintain the quality and uniformity of the laser nano solder 16 composition under various conditions operation of the proposed device.

Электрическое сопряжение измерительного модуля 10 с микроконтроллерным блоком 11 позволяет осуществлять постоянный мониторинг области взаимодействия лазерного излучения со свариваемой биотканью при поддержке оптимальной температуры места сваривания биоткани 8 и смежной биоткани 22 в диапазоне от 40 до 65°C для получения безотказного сварного шва. Содержание в измерительном модуле 10 пирометрического измерителя температуры 23 лазерного наноприпоя 16 в месте сваривания биоткани 8 позволяет поддерживать обратную связь между температурой места сваривания биоткани 8 и интенсивностью его лазерного облучения для различных типов биоткани и состава лазерного наноприпоя 16, тем самым обеспечивая эффективность и безопасность процесса лазерной сварки биоткани и надежность получаемого сварного шва.The electrical connection of the measuring module 10 with the microcontroller unit 11 allows constant monitoring of the interaction area of the laser radiation with the welded biological tissue while maintaining the optimum temperature of the weld point of the biological tissue 8 and adjacent biological tissue 22 in the range from 40 to 65 ° C to obtain a faultless weld. The content in the measuring module 10 of the pyrometric temperature meter 23 of the laser solder 16 at the site of welding of the biological tissue 8 allows you to maintain an inverse relationship between the temperature of the place of welding of the biological tissue 8 and the intensity of its laser irradiation for various types of biological tissue and the composition of the laser nanosolder 16, thereby ensuring the efficiency and safety of the laser process welding tissue and the reliability of the resulting weld.

Использование тепловизора 24 для контроля процесса лазерной сварки, с анализом вида и геометрических характеристик получаемого сварного шва дает возможность осуществлять постоянный визуальный контроль ИК-излучения, поступающего от нагретого лазерного наноприпоя 16, находящегося в месте сваривания биоткани 8, и подобрать оптимальный режим функционирования основного лазерного излучателя 2. Применение спектрометра 26 позволяет осуществлять контроль спектрального состава излучения, поступающего от нагретого лазерного наноприпоя 16, находящегося в месте сваривания биоткани 8. Это также создает возможность оценки температуры лазерного наноприпоя 16 с целью обеспечения эффективности и безопасности процесса лазерной сварки и получения надежного сварного шва биоткани.The use of a thermal imager 24 for monitoring the laser welding process, with an analysis of the type and geometric characteristics of the resulting weld, makes it possible to constantly monitor the infrared radiation from the heated laser nanofoil 16 located at the site of welding of the biological tissue 8 and select the optimal mode of operation of the main laser emitter 2. The use of the spectrometer 26 allows you to control the spectral composition of the radiation from the heated laser nanofoil 16, finding which is visible at the point of welding of the biological tissue 8. This also makes it possible to estimate the temperature of the laser nano solder 16 in order to ensure the efficiency and safety of the laser welding process and to obtain a reliable weld of the biological tissue.

Электрическое сопряжение микроконтроллерного блока 11 с основным лазерным излучателем 2 и пирометрическим измерителем температуры 22 дает возможность осуществления обратной связи между температурой места сваривания биоткани 8 и интенсивностью (мощностью) лазерного облучения места сваривания биоткани 8, с возможностью регулирования мощности излучения основного лазерного излучателя 2 с целью получения надежного сварного шва рассеченной биоткани.The electrical coupling of the microcontroller unit 11 with the main laser emitter 2 and the pyrometric temperature meter 22 allows feedback between the temperature of the site of welding of the biological tissue 8 and the intensity (power) of the laser irradiation of the site of welding of the biological tissue 8, with the possibility of controlling the radiation power of the main laser emitter 2 in order to obtain reliable weld of dissected biological tissue.

Благодаря новому техническому решению по предлагаемому устройству для лазерного сваривания рассеченных биологических тканей может быть обеспечено их надежное и прочное соединение таких тканей создаваемым сварным швом. Устройство достаточно удобно в эксплуатации и может использоваться без привлечения дорогостоящего специального инженерного обслуживания. Оно пригодно также для широкого применения в медицине и в биологических исследованиях в качестве универсального источника лазерного облучения.Thanks to a new technical solution for the proposed device for laser welding of dissected biological tissues, their reliable and durable connection of such tissues by a welded seam can be ensured. The device is quite convenient to use and can be used without involving expensive special engineering services. It is also suitable for widespread use in medicine and in biological research as a universal source of laser irradiation.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. Е.А. Шахно. Физические основы применения лазеров в медицине. - СПб: НИУ ИТМО, 2012. - 129 с.1. E.A. Shah. Physical fundamentals of the use of lasers in medicine. - St. Petersburg: NRU ITMO, 2012 .-- 129 p.

2. А.И. Неворотин. Введение в лазерную хирургию: Учебное пособие. - СПб: Спецлит, 2000. - 174 с.2. A.I. Nevorotin. Introduction to Laser Surgery: A Training Manual. - St. Petersburg: Spetslit, 2000 .-- 174 p.

3. US Patent 5057099.3. US Patent 5057099.

4. Patent EP 1958584 A1 - прототип.4. Patent EP 1958584 A1 - prototype.

5. Патент РФ 2347740.5. RF patent 2347740.

6. Патент РФ 2425700.6. RF patent 2425700.

Claims

1. A device for laser welding of dissected biological tissues, in the casing of which a main laser emitter is connected, connected by a first fiber-optic radiation output to a fiber-optic laser mixer, an auxiliary laser emitter connected by a second fiber-optic radiation output and a fiber-optic laser radiation mixer, connected to the microcontroller unit and a laser nano solder module with a vessel containing a laser nano solder and connected to a weld point Ivanov biotissue weldable fiber for irradiation and the heating of biological tissue welding locations to form a welded seam, characterized in that the tubular hose device is provided for supplying the laser nanopripoya connecting module nanopripoya laser spot welding with biological tissue and comprising a programmable mechanism batching nanopripoya laser.

2. The device according to claim 1, characterized in that it is equipped with a fiber cable containing a welding optical fiber, a measuring optical fiber, visualizing the optical fiber and connecting the main laser emitter, auxiliary laser emitter and measuring module to the site of welding of the biological tissue.

3. The device according to claim 1, characterized in that a pump coupled to the vessel and the tubular hose is introduced into the laser nanosolder module.

4. The device according to p. 1, characterized in that the laser nanosolder module contains a thermostat that maintains a constant temperature of the laser nanosolder in the vessel.

5. The device according to claim 1, characterized in that the laser nanosolder module contains an ultrasonic homogenizer of laser nanosolder.

6. The device according to claim 1, characterized in that a thermal imager is introduced into the measuring module to control the laser welding process, which is optically coupled to a visualizing optical fiber.

7. The device according to claim 1, characterized in that a spectrometer is introduced into the measuring module to monitor the radiation coming from the laser nanosolder located at the site of welding of the biological tissue, optically coupled to a visualizing optical fiber.