способ оперативной дифференцированной диагностики типа испаряемой высокоинтенсивным лазерным излучением биоткани

Формула изобретения

Способ оперативной дифференцированной диагностики типа испаряемой высокоинтенсивным лазерным излучением биоткани, заключающийся в автодинном детектировании обратно рассеянного/отраженного излучения из зоны испарения биоткани, отличающийся тем, что используемый лазер с управляемой импульсно-периодической накачкой активной среды периодически генерирует с частотой повторения F₀ от 5 до 50 Гц непрерывное лазерное излучение длительностью в диапазоне от 0,002-1/(10·F₀) с, причем выделение и обработка автодинного сигнала проводится только для этих временных интервалов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине и может быть использовано в хирургии, онкологии, нейрохирургии, косметологии для проведения прецизионных и органосохранных операций.

Известен [1] способ оперативной диагностики процесса испарения биотканей излучением СО₂ лазера с высокочастотной накачкой (ВЧ) активной среды и регулированием мощности лазерного излучения путем изменения скважности модулирующего сигнала накачки. Этот способ использует автодинный метод детектирования обратно рассеянного на продуктах разрушения биотканей операционного излучения, сдвинутого по частоте за счет доплеровского эффекта. Использование метода автодинного детектирования обосновано тем, что автодинное детектирование обратно рассеянного излучения имеет большую чувствительность по сравнению с прямым детектированием и гетеродинным детектированием. Для реализации этого способа в луч операционного лазера вводится диагностирующее устройство, состоящее из ответвителя мощности излучения, широкополосного приемника ИК излучения и блока анализа-обработки автодинного сигнала, вход которого соединен с фотоприемником, а выход подключен к блоку управления параметрами лазерного излучения хирургического аппарата. Предметом анализа является автодинный сигнал - модуляция исходного стабильно генерируемого излучения в результате попадания в резонатор лазера рассеянного на продуктах разрушения биотканей и сдвинутого по частоте операционного излучения. Оперативная диагностика лазерного рассечения, перфорации или испарения биотканей по автодинному сигналу состоит в выявлении различий и характерных особенностей амплитудно-частотных характеристик автодинного сигнала и его производных для различных типов испаряемых биотканей и коррекции параметров подаваемого на биоткань излучения. В основу обработки исходного автодинного сигнала положен Фурье-анализ [4]. Процедура обработки сигнала и выделения полезной части включает: регистрацию с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), формирующегося на фотоприемнике фототока за время Т, применение к зарегистрированному сигналу быстрого Фурье-преобразования и получение спектра мощности автодинного сигнала как зависимость амплитуды спектра от доплеровского сдвига частоты . Для количественной характеристики спектров используется мощность спектра сигнала S в выбранном диапазоне частот = ₂- ₁, вычисляемая по площади спектра в этом спектральном диапазоне, а также средневзвешенная частота _cp спектра как «центр тяжести» данного участка спектра. Сдвигая окно размером Т на заданное число отсчетов АЦП, можно проследить динамику изменения спектральных характеристик S (t) и _cp (t).

Автодинные сигналы при лазерном испарении различных типов тканей существенно различаются как по мощности спектра S, так и по средневзвешенной частоте спектра _cp [1]. По изменению спектральных характеристик S и _cp можно делать вывод о наступлении момента перехода через границу раздела тканей. Причем динамика изменения этих характеристик позволяет отслеживать в реальном масштабе времени момент перехода излучения с одного типа испаряемой ткани на другой тип ткани. Устанавливая критерии перехода лазерного излучения от одного типа ткани к другому типу ткани, диагностируют процесс испарения только одного вида ткани, определяя момент перехода излучения на другой тип ткани и автоматически управляют процессом испарения биоткани в реальном масштабе времени (например, подается звуковой сигнал или прекращается процесс испарения биотканей при достижении заданных условий).

Основным недостатком такого способа оперативной диагностики процесса испарения биотканей излучением СО₂ лазера с высокочастотной накачкой активной среды является тот факт, что в зависимости от типа хирургической операции и типа испаряемой биоткани мощность операционного лазерного излучения может варьироваться в широких пределах от единиц до десятков ватт [2]. Часть мощности, ответвляемая на фотоприемник для детектирования автодинного сигнала, при этом тоже будет изменяться в широких пределах, что будет приводить к неоптимальной по чувствительности засветке лазерным излучением приемного элемента фотоприемника и соответственно к снижению отношения сигнал/шум автодинного приема. К тому же спектр мощности, получаемый при обработке такого сигнала фототока с фотоприемника, несет информацию не только о полезном для автодинного детектирования рассеянном излучении, но и о флуктуациях мощности лазерного излучения, не связанных с автодинным эффектом (например, за счет импульсно-периодического типа накачки активной среды лазера). Так, при использовании в хирургической установке волноводного лазера с высокочастотным возбуждением активной среды и регулированием мощности лазерного излучения путем изменения скважности модулирующего сигнала накачки [3] выходное излучение представляет собой последовательность импульсов некоторой длительности с частотой повторения f ₀=5-20 кГц. Спектр мощности такого импульсно-периодического излучения представляет собой ряд дискретных компонент, расположенных на частотах 1/f₀, 2/f₀, 3/f₀ и т.д. Амплитуда их будет спадать с частотой как 1/f₀ . С точки зрения регистрации доплеровского сигнала такие компоненты являются паразитным шумом. Эти флуктуации могут повлиять на регистрацию и анализ автодинного сигнала. Регистрация сигнала будет возможна только для высоких частот, при которых компоненты автодинного сигнала уже значительно слабее. Может значительно уменьшиться отношение сигнал/шум или вообще его регистрация будет невозможной. Используемый в [1] способ анализа автодинного сигнала включает в себя прием фотоприемником, оцифровка с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и запись в память компьютера некоторого количества лазерных импульсов (10-30), нахождение среднего лазерного импульса путем усреднения этих импульсов, вычитание из каждого полученного импульса рассчитанного среднего импульса, вычисление спектра мощности автодинного сигнала методом быстрого Фурье-преобразования для каждого вычитаемого импульса, усреднение полученных спектров мощности, сравнение полученного истинного усредненного спектра мощности автодинного сигнала с эталонным спектром. Импульсы генерации при таком режиме накачки активной среды лазера имеют короткий передний и более длинный задний фронты, причем с увеличением мощности излучения изменяется соотношение между этими длительностями. В таких лазерах воздействие обратно рассеянного излучения проявляется в модуляции как переднего, так и заднего фронтов лазерного импульса. Во время генерации форма импульсов излучения может не воспроизводиться. Нами установлено, что невоспроизводимость формы импульсов проявляется в изменении перепада на переднем фронте импульса, а также в изменении длительности переднего и заднего фронтов импульса генерации, что определяется работой системы стабилизации мощности излучения. При значительной невоспроизводимости импульсов генерации, когда на протяжении времени усреднения импульсы меняются на единицы процентов и более, компенсация паразитных компонент невозможна, поскольку при вычитании усредненного импульса от текущего импульса будет оставаться некомпенсированная часть. К тому же выбор для анализа переднего или заднего фронтов импульса генерации создает трудности в послеоперационном анализе записанного в память компьютера автодинного спектра.

Нами экспериментально установлено, что амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) автодинного приема (зависимость мощности автодинного сигнала от доплеровской частоты при постоянном уровне инжектируемого в резонатор лазера излучения) для СO₂-лазера с ВЧ накачкой активной среды имеет разные амплитуду и максимальную частоту для разных уровней средней генерируемой мощности лазерного излучения. Поэтому, при детектировании автодинного сигнала описанным выше способом чувствительность автодинного приема при использовании разных уровней мощности генерации при испарении биотканей будет разная.

Цель изобретения - создание способа оперативной дифференцированной диагностики типа испаряемой высокоинтенсивным лазерным излучением биоткани для использования в СO₂ лазерных хирургических аппаратах с импульсно-периодической накачкой активной среды для выполнения прецизионных и органосохранных хирургических операций.

Указанная цель достигается тем, что при лазерном испарении биоткани осуществляется автодинное детектирование обратно рассеянного/отраженного излучения из зоны испарения биоткани, при этом используется СO ₂-лазер с управляемой импульсно-периодической накачкой активной среды, позволяющий периодически с частотой повторения F₀ от 5 Гц до 50 Гц генерировать непрерывное лазерное излучение длительностью в диапазоне от 0,002 сек до 1/(10·F₀), причем выделение и обработка автодинного сигнала проводится только для этих временных интервалов.

В хирургической установке используется волноводный СO₂-лазер с высокочастотным возбуждением активной среды и регулированием мощности лазерного излучения путем изменения скважности модулирующего сигнала накачки [3]. Выходное излучение представляет собой такого лазера последовательность импульсов некоторой длительности с частотой повторения f ₀=5-20 кГц. Для проведения определенной хирургической операции согласно рекомендациям [2] выбирается средняя мощность генерации лазерного излучения. Включается лазер, лазерное излучение фокусируется на биоткань и происходит испарение материала биоткани. В определенное время включается режим с непрерывной генерацией лазером излучения длительностью . Синхронно с этим АЦП начинает считывать сигнал фототока (автодинный сигнал) в буферную память с фотоприемника, на который отщепляется часть генерируемого лазером излучения. Считывание сигнала продолжается время, равное . Затем опять включается основной режим генерации лазерного излучения - генерации лазерных импульсов. В это время из буферной памяти записанный цифровой сигнал передается в память компьютера, где по специальной программе проходит спектральную обработку. Обработка сигнала включает в себя фильтрацию, вычисление методом быстрого Фурье-преобразования спектров мощности сигнала, вычисление мощности и средневзвешенной частоты автодинного сигнала в определенном спектральном диапазоне.

Такой режим включения генерации непрерывной мощности излучения и считывания автодинного сигнала повторяется периодически через время Т₀. Мощность излучения при этом режиме постоянна и составляет максимальное значение.

Показанная на фиг.1 зависимость выходной мощности излучения лазера от времени поясняет процесс введения окон с непрерывной генерацией лазерного излучения. По оси абсцисс отложено время генерации лазерного излучения в мсек. По оси ординат отложена генерируемая лазером мощность в относительных единицах. На фиг.1: 1 - мощность лазерного излучения при воздействии на биоткань в основном режиме генерации, имеющая среднее значение Р₀, 2 - непрерывная генерация лазерного излучения в дополнительном диагностическом режиме, длительностью и мощностью излучения Рд. Введение таких диагностических окон с заранее известной максимальной мощностью излучения позволяет оптимизировать мощность лазерного излучения, падающего на фотоприемник. Прием и обработка автодинного сигнала осуществляется только для этих временных окон 2, когда АЧХ автодинного приема остается неизменной. В спектре автодинного сигнала будут отсутствовать резонансные частоты, связанные с импульсной накачкой активной среды. Параметры режима непрерывной генерации лазерного излучения (длительность и частота повторения окна 2) выбираются таким образом, чтобы существенно не влиять на процесс испарения биотканей. На основе сравнения получаемых в процессе лазерного испарения обработанных автодинных спектров с известными автодинными спектрами испаряемых биотканей вырабатывается информационный сигнал, например звуковой, который информирует о типе биоткани, испаряемой в данный момент времени.

Введение описанного выше непрерывного режима генерации лазерного излучения позволяет:

- с максимально возможной степенью вероятности для автодинного метода диагностировать процесс испарения только одного вида ткани и определять момент перехода излучения к другой ткани;

- управлять процессом лазерного выпаривания ткани - прекращать, прерывать или продолжать процесс при достижении заданных условий.

Обоснование заявленных в изобретении параметров диагностических окон состоит в следующем. На фиг.2 показана мощность импульса лазерной генерации во времени, которая представляет собой экспоненциально нарастающий и экспоненциально релаксирующий передний 3 и задний 4 фронты соответственно. Для таких лазеров характерное время релаксации для фронтов составляет время ₀=10-100 мксек. Это время есть время релаксации к новому стационарному значению при ступенчатом изменении тока накачки. Длительность окна с непрерывным излучением при автодинной диагностике процесса испарения биотканей, с одной стороны, должна быть существенно больше этого времени релаксации, что бы за это время излучение заведомо пришло к новому стационарному значению

С другой стороны длительность окна должна быть такой, чтобы не повлиять сильно на среднюю выходную мощность излучения лазера Р₀. Средняя мощность лазера при периодическом включении окон определяется как Р ₀- (Р₀-Рд)/Т₀, где 1/Т₀ - частота включения окон с непрерывным излучением мощностью Рд и длительностью . Таким образом

Также длительность окна непрерывного излучения должна быть достаточной, чтобы получить и усреднить спектр автодинного сигнала, или какую-либо другую его характеристику, по которой происходит анализ процесса испарения биотканей. По нашим данным при исследовании автодинных сигналов, возникающих в процессе испарения биотканей, это время обработки T₁ должно быть не менее 2 мс. Если время усреднения меньше, то параметры автодинного сигнала сильно флуктуируют и не дают возможность уверенно идентифицировать испаряемую ткань. Таким образом, имеем:

Период следования окон Т₀ фактически будет определять быстродействие системы диагностики - время получения информации о биоткани. Быстродействие должно быть таким, чтобы за этот интервал испарился небольшой участок ткани (требование малой травматичности). Участок ткани, который испаряется за данное время, равен L=V₀T₀ , где V₀ есть скорость передвижения лазерного пучка по поверхности испаряемой биоткани. Характерный масштаб неоднородности тканей порядка 1 мм [2, 4]. Это могут быть сосуды, инородные включения. Следовательно, малая травматичность означает, что лазерный пучок должен повредить ткань участком меньше 1 мм за время Т₀. Стандартная скорость перемещения (сканирования) пучка по биоткани составляет 1-5 мм/сек в зависимости от типа биоткани [3]. Следовательно

Таким образом, исходя из требований (3) и (4), получаем, что частота следования окон (F₀ =1/T₀) с непрерывной накачкой должна удовлетворять требованию

5 Гц<F₀<1/(10·T ₀)(50 Гц).

Длительность окна выбирается из условия (2). Для определенности положим, чтобы длительность окна была как минимум в 10 раз меньше периода следования окон, тогда с учетом требования >T₁ (0.002 сек) получаем условие на длительность

0.002 сек< <1/(10·F₀).

Длительность окна с непрерывным излучением для обработки автодинного сигнала необходимо увеличивать в случае идентификации биотканей с примерно одинаковым водосодержанием и имеющих поэтому слабо различающиеся автодинные спектры испарения.

Для подтверждения вышеописанного были проведены эксперименты по лазерной резке жировой ткани СО₂ лазером. Использовались режим непрерывной работы лазера с мощностью 20 Вт и режим с импульсно-периодической накачкой при средней мощности лазерного излучения 20 Вт. Детектируемые фотоприемником во время лазерной резки биоткани автодинные сигналы оцифровывались АЦП и записывались в память компьютера. Далее автодинные сигналы обрабатывались с помощью спектрального анализа. На фиг.3. показаны графики усредненных спектров мощности автодинных сигналов при резке жировой ткани для непрерывного (5) и импульсно-периодического (6) режимов работы лазера при мощности лазерного излучения 20 Вт. Автодинные спектры представляют собой зависимость мощности спектра (в относительных единицах) от частоты, измеряемой в МГц. Представленные на фиг.3 спектры мощности автодинных сигналов нормированы на спектры мощности шумов так, чтобы амплитуда спектра мощности шума равнялась единице. Видно, что амплитуда спектра мощности автодинного сигнала для непрерывного режима работы лазера в 2 раза больше, чем в случае импульсно-периодического режима работы лазера.

Список используемой литературы

1. Гордиенко В.М. и др. Лазерная абляция биотканей и ее диагностика по доплеровскому сигналу обратного рассеяния. Биомедицинские технологии и радиоэлектроника, 2002, № 2, с.34-42.

2. Скобелкин O.K., Козлов В.И., Гейниц А.В., Данилин Н.А., Дербенев В.А. Применение лазерных хирургических аппаратов «Ланцет» в медицинской практике // М., 1996, - 94 с.

3. Долгов В.В., Жуков С.А., Колесников Г.И., Лазукин В.Ф., Майборода В.Ф., Погорельский С.Л., Шипунов А.Г. Способ управления мощностью излучения газового лазера с высокочастотной накачкой и устройство для его осуществления. Патент РФ № 2062542 от 20.06.1996.

4. Walsh J.Т., Deutsch T.F. Pulsed CO₂ laser ablation of tissue: effect of mechanical properties. IEEE Trans. Biomed. Eng., 1989, v.36, p.p.1195-1201.