Волоконный тулиевый лазер поможет врачам в малоинвазивной хирургии | Новости науки
В МГТУ им. Н. Э. Баумана разрабатывают волоконные тулиевые лазеры, генерирующие сверхкороткие импульсы. Это одно из самых инновационных направлений лазерной урологии. Короткая длительность импульсов позволит хирургу удалять биологические ткани с минимальным воздействием на окружающие клетки, не затрагивая и не нагревая их. Подобных коммерчески доступных приборов для хирургии нет ни в России, ни за рубежом, сообщили в пресс-службе вуза.
Как объяснили ученые, особенность их разработки состоит в режиме генерации пачек сверхкоротких импульсов на длине волны 1,94 мкм. Такой режим позволит значительно увеличить скорость удаления мягких и твердых биологических тканей (камней, соединительной ткани и др.). В результате прецизионная хирургия с минимальным повреждением окружающих тканей станет быстрой и доступной для лечения большого количества патологий.
Разрабатываемая в МГТУ им. Н. Э. Баумана лазерная система на базе оптоволокна, легированного редкоземельным элементом тулием, будет генерировать направленное высокоэнергетическое электромагнитное излучение. Это будет непрерывная низкочастотная (10-100 килогерц) последовательность групп импульсов (10-60 импульсов в группе) с высокой частотой следования импульсов внутри группы (более 100 мегагерц). Энергия одиночного импульса будет составлять порядка 1 микроджоуля, средняя мощность — 0,6 ватт, а длительность импульсов — меньше одной триллионной секунды (1 пс). Длина волны разрабатываемого источника — порядка 1,9 мкм. Именно в этой области спектра расположены локальные пики поглощения воды и коллагена, основных компонентов мягких тканей человека, что повышает эффективность работы лазера.
В современной хирургии распространены лазеры с длинными импульсами (0,01 сек), они приводят к сильному нагреву и карбонизации окружающих тканей, поэтому период послеоперационного восстановления пациентов возрастает, как и риск повреждения важных органов. Использование же сверхкоротких импульсов значительно снижает повреждение окружающих тканей. Но на сегодняшний день скорость удаления тканей в таком режиме очень низкая (0,1 куб. мм/мин), что не позволяет проводить большинство операций, уточнили в универститете.
Бауманские специалисты стремятся серьезно повысить скорость удаления тканей в фемтосекундном режиме, что сделает доступными хирургические операции с минимальным повреждением окружающих тканей для лечения многих патологий. Такого повышения ученые хотят достичь за счет эффекта абляционного охлаждения. При нем ультракороткие импульсы следуют с высокой частотой повторения и удаляют ткань быстрее, чем тепло успевает распространиться на соседние ткани. Так же повысить скорость удаления тканей поможет эффективное поглощение излучения в спектральном диапазоне (1,9-1,95 мкм) компонентами биологических тканей.
Благодаря короткой длительности импульсов, генерируемых лазерной системой, появляется возможность удалять мягкие и твердые биологические ткани с минимальным воздействием на окружающие ткани, не нагревая их. Это актуально для меньшей травматизации при операциях и более быстрого заживления, а также при операциях вблизи органов, повреждение которых недопустимо.
Ученые уже полностью разработали конструкцию лазерного источника и создали лабораторный образец задающего генератора, который генерирует импульсы на длине волны 1915 нанометров с частотой повторения импульсов, изменяющейся в диапазоне от 84 до 500 мегагерц. Длительность импульсов составляет 500 фемтосекунд, энергия импульсов равна примерно 1 наноджоулю, а максимальная средняя мощность составляет 0,6 ватт. Для достижения энергий импульсов, при которых возможно удаление тканей, исследователи ведут сборку усилителя, а также разрабатывают корпус лазерной системы для возможности его перемещения. После разработки лазерной системы специалисты проведут эксперименты по измерению скорости абляции (удаления) тканей.
«Наш центр плотно работает с врачами — лидерами отрасли и медицинскими учреждениями. У отечественной медицины есть запрос в российском лазерном оборудовании для малоинвазивной хирургии, и мы его начали делать. На данном этапе разработки (УГТ-2) мы исследуем увеличение скорости абляции тканей при режиме генерации пачек ультракоротких импульсов. При достаточном увеличении скорости будем масштабировать и среднюю мощность излучения», — рассказал руководитель лаборатории ИК-лазерных систем НОЦ «Фотоника и ИК-техника» МГТУ им. Н. Э. Баумана Михаил Тарабрин.
Работа выполняется в рамках программы «Приоритет 2030» (трек «Фотоника» стратегического проекта Bauman DeepTech).