[go: up one dir, main page]

RU2741236C1 - Light guide instrument with microfocusing - Google Patents

Light guide instrument with microfocusing Download PDF

Info

Publication number
RU2741236C1
RU2741236C1 RU2020128843A RU2020128843A RU2741236C1 RU 2741236 C1 RU2741236 C1 RU 2741236C1 RU 2020128843 A RU2020128843 A RU 2020128843A RU 2020128843 A RU2020128843 A RU 2020128843A RU 2741236 C1 RU2741236 C1 RU 2741236C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
radiation
light guide
microfocusing
point
fiber
Prior art date
Application number
RU2020128843A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Ирина Алексеевна Шикунова
Владимир Николаевич Курлов
Ирина Николаевна Долганова
Кирилл Игоревич Зайцев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН)
Priority to RU2020128843A priority Critical patent/RU2741236C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2741236C1 publication Critical patent/RU2741236C1/en

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61NELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00Radiation therapy
    • A61N5/06Radiation therapy using light

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Laser Surgery Devices (AREA)
  • Radiation-Therapy Devices (AREA)

Abstract

FIELD: medicine.SUBSTANCE: invention refers to medical equipment, namely to lightguide devices for delivery of radiation from a source to an object with point focusing. Light guide instrument with microfocusing consists of a fiber-optic light guide arranged in a sapphire capillary channel having a closed working part with a combined profile, in which smooth narrowing with transition to rod of smaller diameter ends with hemispherical microlens with diameter of not more than 500 mcm.EFFECT: technical result consists in reduction of losses when delivering radiation for creation of point radiation volumes, increase in the range of occurrence depth of objects of laser point action performed by the device.1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам лазерной медицины, а именно к световодным устройствам для доставки излучения от источника к объекту с точечной фокусировкой. Изобретение может быть использовано для лазерной хирургии, терапии, диагностики, фотостимуляции в различных областях клинической медицины: в офтальмологии, нейрохиругии и др., а также в биомедицинской оптической спектроскопии, экспериментальной медицине.SUBSTANCE: invention relates to devices for laser medicine, in particular to light guide devices for delivering radiation from a source to an object with point focusing. The invention can be used for laser surgery, therapy, diagnostics, photostimulation in various fields of clinical medicine: in ophthalmology, neurosurgery, etc., as well as in biomedical optical spectroscopy, experimental medicine.

От световодных устройств с фокусировкой требуется сочетание высокого пространственного разрешения и малых потерь при передаче излучения с высокой энергией.Focusing light guide devices require a combination of high spatial resolution and low transmission loss for high energy radiation.

Известным устройством для получения микронной перетяжки лазерного пучка на выходе гибкого волновода, предназначенным для прецизионной лазерной хирургии, является контактный фокусирующий микрозонд [Astratov V.N. Patent US 2012091369 А1 Focusing multimodal optical microprobe devices US 2012091369 A1 2012-04-19]. Устройство включает от 1 до 20 сапфировых микросфер, располагаемых в полой трубке, на другом конце которой закреплен дистальный конец световодного волокна, присоединенного к источнику излучения. Диаметры и количество сфер выбраны таким образом, что на выходе последней сферы лазерный пучок имеет минимальный размер перетяжки (от 2,5 мкм для 1 сферы до 0,8 мкм для 15 сфер).A known device for obtaining a micron laser beam waist at the exit of a flexible waveguide, intended for precision laser surgery, is a contact focusing microprobe [Astratov V.N. Patent US 2012091369 A1 Focusing multimodal optical microprobe devices US 2012091369 A1 2012-04-19]. The device includes from 1 to 20 sapphire microspheres located in a hollow tube, at the other end of which the distal end of a light-guide fiber connected to a radiation source is fixed. The diameters and the number of spheres are chosen so that at the exit of the last sphere the laser beam has a minimum waist size (from 2.5 μm for 1 sphere to 0.8 μm for 15 spheres).

Недостатками устройства являются существенные энергетические потери при прохождении излучением нескольких границ раздела сред «воздух-сапфир», где последний имеет большой показатель преломления. Высокая кривизна поверхности шариков приводит к существенной доле излучения, рассеиваемого в латеральном направлении, к доле полезной энергии (от отношения 1:1 для одного шарика до отношения 100:1 для 10 шариков и выше), при этом световод работает как диффузор, и лишь малая часть излучения формирует рабочий пучок. В случае передачи излучения высокой мощности, необходимой для хирургического воздействия, это неизбежно будет приводить к разогреву зонда и термическому повреждению тканей, прилегающих к наконечнику, особенно существенно при контактном внутритканевом использовании. Кроме того, наличие границы между первой микросферой и трубкой, выходящей на рабочую поверхность устройства, накладывает ограничения на режимы передаваемой мощности, так как все соединения должны оставаться нетоксичными и не деградировать при высоких рабочих температурах, а также делает затруднительным полную стерилизацию устройства.The disadvantages of the device are significant energy losses when the radiation passes through several interfaces between the "air-sapphire" media, where the latter has a high refractive index. The high curvature of the surface of the balls leads to a significant proportion of radiation scattered in the lateral direction to a fraction of useful energy (from a 1: 1 ratio for one ball to a ratio of 100: 1 for 10 balls and more), while the fiber acts as a diffuser, and only a small part of the radiation forms the working beam. In the case of transmission of radiation of high power required for surgical treatment, this will inevitably lead to heating of the probe and thermal damage to the tissues adjacent to the tip, especially during contact interstitial use. In addition, the presence of a boundary between the first microsphere and the tube that emerges on the working surface of the device imposes restrictions on the modes of transmitted power, since all compounds must remain non-toxic and not degrade at high operating temperatures, and also makes it difficult to completely sterilize the device.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению устройством является внутритканевый облучатель на основе сапфирового закрытого капилляра [Курлов В.Н. и др. Патент РФ 2379071 Устройство для внутритканевого облучения биологической ткани лазерным излучением / опубл. 20.01.2010. бюлл. №2]. Устройство представляет собой оптоволоконный световод, размещенный в канале закрытого сапфирового капилляра. Устройство, предназначенное для объемного внутритканевого облучения, имеет закрытую часть в форме конуса, использующуюся для введения инструмента вглубь ткани, а также формирующую равномерно распределенный в полусферу пучок на выходе из конуса. Высокая физико-химическая стойкость сапфира, а также теплопроводность позволяет избежать зон перегрева (непрозрачных для излучения) на наконечнике и в облучаемом объеме и, таким образом, способствует облучению запланированного объема в окрестности облучателя в требуемом режиме плотности мощности излучения. Объем зоны облучения существенно превышает поперечные размеры облучателя.The device closest to the proposed invention is an interstitial irradiator based on a sapphire closed capillary [Kurlov V.N. and other RF Patent 2379071 Device for interstitial irradiation of biological tissue with laser radiation / publ. 20.01.2010. bull. No. 2]. The device is a fiber-optic light guide placed in the channel of a closed sapphire capillary. The device, designed for volumetric interstitial irradiation, has a closed cone-shaped part that is used to insert the instrument deep into the tissue, and also forms a beam uniformly distributed into the hemisphere at the exit from the cone. The high physicochemical stability of sapphire, as well as thermal conductivity, allows avoiding overheating zones (opaque for radiation) on the tip and in the irradiated volume and, thus, contributes to the irradiation of the planned volume in the vicinity of the irradiator in the required radiation power density mode. The volume of the irradiation zone significantly exceeds the transverse dimensions of the feed.

Технический результат, на который направлено изобретение, состоит в уменьшении потерь при доставке излучения для создания точечных объемов облучения, увеличения диапазона глубины залегания объектов точечного лазерного воздействия, осуществляемого устройством.The technical result, to which the invention is directed, consists in reducing the losses in the delivery of radiation to create point volumes of irradiation, increasing the range of the depth of the objects of point laser action carried out by the device.

Технический результат, достигается за счет того, что в световодном инструменте с микрофокусировкой состоящем из оптоволоконного световода, размещенного в канале сапфирового капилляра, имеющего закрытую рабочую часть, рабочая часть капилляра имеет комбинированный профиль, в котором плавное сужение с переходом к стержню меньшего диаметра оканчивается полусферической микролинзой диаметром не более 500 мкм.The technical result is achieved due to the fact that in a light guide instrument with microfocusing consisting of a fiber optic light guide placed in the channel of a sapphire capillary having a closed working part, the working part of the capillary has a combined profile, in which a smooth narrowing with a transition to a rod of a smaller diameter ends in a hemispherical microlens with a diameter of not more than 500 microns.

Сложный профиль, представляющий собой комбинацию нескольких тел вращения, позволяет концентрировать световую энергию на выходе облучателя в субмиллиметровом объеме. Так как значение показателя преломления сапфира выше, чем у воды, фокусировка сохраняется при воздействии с введенным вглубь ткани облучателем. В случае, когда диаметр микролинзы на окончании сапфирового капилляра составляет 500 мкм и меньше, диаметр перетяжки, формируемой излучением на выходе устройства, по крайней мере, не превышает это значение, и при использовании волокна с малой числовой апертурой диаметр перетяжки может быть существенно уменьшен для специальных применений. В сапфировом капилляре не имеется поверхностей с большими углами наклона по отношению к пути распространения излучения, что делает потери на отражение, и, соответственно, латеральное высвечивание минимальными. Таким образом, доля излучения, участвующая в формировании точечной фокусировки максимальна. Отсутствие нагревания нерабочей части световодного инструмента гарантирует безопасное проведение воздействия на биологические объекты, расположенные в ткани на глубине до 300 мм.A complex profile, which is a combination of several bodies of revolution, makes it possible to concentrate the light energy at the output of the feed in a submillimeter volume. Since the value of the refractive index of sapphire is higher than that of water, focusing is maintained when exposed to an irradiator inserted deep into the tissue. In the case when the diameter of the microlens at the end of the sapphire capillary is 500 μm or less, the diameter of the waist formed by the radiation at the output of the device does not at least exceed this value, and when using a fiber with a small numerical aperture, the diameter of the waist can be significantly reduced for special applications. The sapphire capillary does not have surfaces with large angles of inclination with respect to the radiation propagation path, which makes the reflection loss and, accordingly, the lateral emission to a minimum. Thus, the fraction of radiation involved in the formation of point focusing is maximum. The absence of heating of the non-working part of the light-guiding instrument guarantees safe exposure to biological objects located in the tissue at a depth of up to 300 mm.

Изобретение поясняется рисунками:The invention is illustrated by drawings:

Фиг. 1 схема облучателя;FIG. 1 diagram of the irradiator;

Фиг. 2 внешний вид рабочего окончания облучателя;FIG. 2 external view of the working end of the irradiator;

Фиг. 3 моделирование распространения излучения через устройство в оптически плотную среду при использовании оптоволоконных световодов с различными параметрами;FIG. 3 modeling the propagation of radiation through the device into an optically dense medium using fiber-optic light guides with different parameters;

Фиг. 4 фотография коагулированных объемов фрагмента печени при различной мощности испольуемого лазерного излучения;FIG. 4 photograph of the coagulated volumes of a liver fragment at different power of the laser radiation used;

Фиг. 5 зависимость объема коагулированной области от мощности передаваемого лазерного излучения при длительности облучения 20 секунд.FIG. 5 dependence of the volume of the coagulated area on the power of the transmitted laser radiation with an irradiation duration of 20 seconds.

Устройство предназначено для получения коллимированных и точечно сфокусированных пучков с субмиллиметровым поперечным размером пятна, сохраняющимся при использовании в оптически плотных средах. Для создания точечной перетяжки лазерного пучка, доставляемого от источника излучения 1 посредством оптоволоконного световода 2, рабочий конец которого размещен в канале сапфирового наконечника 3, последний имеет выпуклое дно капиллярного канала 4, световодную часть 5 и фокусирующий элемент (полусферическую линзу) 6, Фиг. 1.The device is designed to produce collimated and point-focused beams with a submillimeter transverse spot size, which is preserved when used in optically dense media. To create a point-like waist of a laser beam delivered from a radiation source 1 by means of an optical fiber 2, the working end of which is located in the channel of a sapphire tip 3, the latter has a convex bottom of the capillary channel 4, a light guide part 5 and a focusing element (hemispherical lens) 6, Fig. one.

Изображение варианта рабочего окончания световодного инструмента по данному изобретению представлено на Фиг. 2. Моделирование распространения излучения через данный вариант устройства показано на Фиг. 3. Излучение, выходящее из кварцевого световода в виде расходящегося пучка, входит в сапфировый капилляр через вогнутый торец канала с уменьшенными потерями на Френелевское отражение. Далее пучок проходит в стержневой части капилляра, где лучи, распространяющиеся под большим углом, испытывают несколько отражений от боковых стенок. Приосевые лучи попадают в фокусирующий элемент напрямую и образуют на его выходе перетяжку. Лучи, испытавшие одно, два и более полных внутренних отражений, образуют кольцевые конические пучки вокруг приосевого пучка с существенно меньшей яркостью. На Фиг. 3а показано получение коллимированного пучка с диаметром перетяжки менее 500 мкм с применением волокна с NA равным 0,22 (300 мкм). Получение сфокусированного пучка с диаметром перетяжки около 100 мкм с применением волокна с числовой апертурой NA равным 0,05 (14 мкм) показано Фиг. 3б.An embodiment of the working end of the light guide tool according to the present invention is shown in FIG. 2. Modeling of radiation propagation through this embodiment of the device is shown in FIG. 3. The radiation emerging from the quartz fiber in the form of a diverging beam enters the sapphire capillary through the concave end of the channel with reduced losses to Fresnel reflection. Further, the beam passes through the rod part of the capillary, where the rays propagating at a large angle experience several reflections from the side walls. The paraxial rays enter the focusing element directly and form a waist at its output. Beams that have experienced one, two or more total internal reflections form annular conical beams around the paraxial beam with a significantly lower brightness. FIG. 3a shows the production of a collimated beam with a waist diameter of less than 500 μm using a fiber with NA equal to 0.22 (300 μm). The production of a focused beam with a waist diameter of about 100 μm using a fiber with a NA of 0.05 (14 μm) is shown in FIG. 3b.

В качестве примера использования световодного инструмента с фокусировкой приведена мягкая локальная коагуляция печени ex-vivo с использованием излучения с длиной волны λ равной 1080 нм, имеющего большую глубину проникновения в биологические ткани.As an example of the use of a focusing light guide instrument, ex-vivo soft local coagulation of the liver using radiation with a wavelength λ equal to 1080 nm, having a large penetration depth into biological tissues, is shown.

Вид зон коагуляции, полученных при внутритканевом облучении, представлен на Фиг. 4. При возрастании мощности излучения от 3,5 Вт до 5,0 Вт (плотность мощности на поверхности микролинзы устройства - 2,3 и 3.3 Вт/мм2, соответственно) объем коагулированной в течение 20 секунд ткани пропорционально увеличивается в среднем от 10 до 50 мм3, Фиг. 5. Форма полученных областей коагуляции соответствует форме поля рассеянного излучения, где наибольшая плотность мощности создается в объеме ткани на расстоянии 0,3…1 мм от внешней поверхности микролинзы (указано стрелками). Это позволяет избежать перегревания и пригорания ткани, сохраняет чистоту контактной поверхности и способствует контролируемому протеканию фототермической деструкции с высокой радиальной однородностью. Отсутствие подсыхания и прилипания ткани к контактным поверхностям облучателя к ткани обеспечивает его безопасное извлечение и снижает потенциальную травматичность при его использовании.The view of the coagulation zones obtained by interstitial irradiation is shown in FIG. 4. With an increase in the radiation power from 3.5 W to 5.0 W (the power density on the surface of the microlens of the device is 2.3 and 3.3 W / mm 2 , respectively), the volume of tissue coagulated within 20 seconds proportionally increases on average from 10 to 50 mm 3 , Fig. 5. The shape of the obtained coagulation areas corresponds to the shape of the scattered radiation field, where the highest power density is created in the tissue volume at a distance of 0.3 ... 1 mm from the outer surface of the microlens (indicated by arrows). This avoids overheating and burning of the tissue, maintains the cleanliness of the contact surface and promotes controlled photothermal destruction with high radial homogeneity. The absence of drying and adhesion of tissue to the contact surfaces of the irradiator to the tissue ensures its safe removal and reduces the potential for injury during its use.

Claims (1)

Световодный инструмент с микрофокусировкой, состоящий из оптоволоконного световода, размещенного в канале сапфирового капилляра, имеющего закрытую рабочую часть, отличающийся тем, что рабочая часть капилляра имеет комбинированный профиль, в котором плавное сужение с переходом к стержню меньшего диаметра оканчивается полусферической микролинзой диаметром не более 500 мкм.An optical fiber instrument with microfocusing, consisting of an optical fiber placed in the channel of a sapphire capillary having a closed working part, characterized in that the working part of the capillary has a combined profile, in which a smooth narrowing with a transition to a rod of smaller diameter ends in a hemispherical microlens with a diameter of not more than 500 μm ...
RU2020128843A 2020-08-31 2020-08-31 Light guide instrument with microfocusing RU2741236C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020128843A RU2741236C1 (en) 2020-08-31 2020-08-31 Light guide instrument with microfocusing

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020128843A RU2741236C1 (en) 2020-08-31 2020-08-31 Light guide instrument with microfocusing

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2741236C1 true RU2741236C1 (en) 2021-01-22

Family

ID=74213216

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020128843A RU2741236C1 (en) 2020-08-31 2020-08-31 Light guide instrument with microfocusing

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2741236C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2766748C1 (en) * 2021-05-14 2022-03-15 федеральное государственное автономное учреждение "Национальный медицинский исследовательский центр "Межотраслевой научно-технический комплекс "Микрохирургия глаза" имени академика С.Н. Федорова" Министерства здравоохранения Российской Федерации Intraocular tumour transscleral laser thermotherapy device
RU2790924C1 (en) * 2021-10-25 2023-02-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук (ИФТТ РАН) Waveguide with subwavelength focusing for terahertz endoscopy

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2045935C1 (en) * 1993-08-10 1995-10-20 Алексей Стефанович Полунченко Device for laser therapy
RU2092197C1 (en) * 1991-05-15 1997-10-10 С.Л.Т. Джапэн Ко., Лтд. Device for performing of laser irradiation
RU2379071C1 (en) * 2008-07-09 2010-01-20 Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА РАН (ИФТТ РАН) Laser light device for interstitial irradiation of biological tissue

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2092197C1 (en) * 1991-05-15 1997-10-10 С.Л.Т. Джапэн Ко., Лтд. Device for performing of laser irradiation
RU2045935C1 (en) * 1993-08-10 1995-10-20 Алексей Стефанович Полунченко Device for laser therapy
RU2379071C1 (en) * 2008-07-09 2010-01-20 Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА РАН (ИФТТ РАН) Laser light device for interstitial irradiation of biological tissue

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2766748C1 (en) * 2021-05-14 2022-03-15 федеральное государственное автономное учреждение "Национальный медицинский исследовательский центр "Межотраслевой научно-технический комплекс "Микрохирургия глаза" имени академика С.Н. Федорова" Министерства здравоохранения Российской Федерации Intraocular tumour transscleral laser thermotherapy device
RU2790924C1 (en) * 2021-10-25 2023-02-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук (ИФТТ РАН) Waveguide with subwavelength focusing for terahertz endoscopy

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5415655A (en) Medical device including light energy emitting contact tip with means for raising temperature of the tip
JP2882818B2 (en) Laser irradiation equipment
US5163935A (en) Surgical laser endoscopic focusing guide with an optical fiber link
Hutchens et al. Characterization of novel microsphere chain fiber optic tips for potential use in ophthalmic laser surgery
EP3597133B1 (en) Side-fire laser fiber having a molded reflective surface
US20200155233A1 (en) Fiber optic laser surgical instrument having a radial dispersion pattern
JPH067835B2 (en) Internal and surgical laser probe
RU2741236C1 (en) Light guide instrument with microfocusing
EP3801755B1 (en) Optical fiber device for laser thermal ablation and thermal therapy
JP7061566B2 (en) Laser device for selective treatment of acne that reduces the temperature rise of the skin
CN206910396U (en) Fibre-optical splice and Medical Devices
Verdaasdonk et al. Optics of fibers and fiber probes
Darafsheh et al. Contact focusing multimodal probes for potential use in ophthalmic surgery with the Erbium: YAG laser
JPH11276499A (en) Laser irradiator
Watanabe et al. Side‐firing sealing caps for hollow optical fibers
Ströbl et al. Homogeneously emitting, mechanically stable, and efficient fs‐laser‐machined fiber diffusers for medical applications
RU2528655C1 (en) Fibre-optic tool with curved distal working part
Volkov et al. Fibreoptic diffuse-light irradiators of biological tissues
Hutchens et al. Novel microsphere chain fiber tips for use in mid-infrared ophthalmic laser surgery
US20240390066A1 (en) Optical fiber device and method for thermal therapy and laser thermal ablation treatments
CN219000555U (en) Holmium laser fiber
Gonzalez et al. Thulium fiber laser lithotripsy using small, medium, and large muzzle brake fiber optic tips
Denisov et al. Optimization of the noncontact fiber delivery systems for clinical laser applications
Fried et al. Lasers in Medicine and Surgery
Guth CO2 Laser Fabrication of Optical Surfaces on Fiber Optic Devices