ACOUSTIC CONTROL OF LASER PERFORATION OF BIOMATERIALS
ACOUSTIC CONTROL OF LASER PERFORATION OF BIOMATERIALS
Abstract
Laser puncture technologies are widely used in medicine, and it is important to control the execution of such a procedure. In this work, using tubular bones as an example, it is shown that the position of the laser fibre end face in the biomaterial can be effectively monitored using acoustic methods. Acoustic monitoring, being a reliable indicator of the processes occurring during perforation, makes it possible to determine the moments of the beginning and the end of perforation of the external wall of the bone, as well as the moment when the fibre end reaches the opposite external wall. It is important that these effects are weakly dependent on the laser radiation wavelength used and the methods of acoustic registration. The results obtained can be used to clarify the mechanism of action of laser radiation on biotissues and to improve laser medical technologies.
1. Введение
Лазерные пункционные технологии находят широкое применение в самых разных областях медицине. Своим бурным развитием они обязаны появлению достаточно компактных и мощных лазеров, излучение которых передается по оптическому волокну , , , . Оптоволокно является достаточно тонким, гибким и прочным и может свободно проходить в рабочий канал эндоскопа или выступать в качестве уникального лазерного инструмента в руках хирурга , , , .
Во многих таких технологиях с помощью лазерного волокна проводится перфорация (каналирование) различных тканей, при которой происходит формирование лазерного канала (отверстия) в биоткани путем осевого продвижения оптического волокна при нагреве его торца и близлежащих к нему водосодержащих тканей лазерным излучением. Такое каналирование проводится, например, при лечении межпозвонковых дисков в случае радикулитов, для пункционной лазерной деструкции чувствительного корешка тройничного нерва, при лазерной остеоперфорации (перфорации стенки кости) при лечении остеомиелита , , .
Лазерные медицинские перфорации осуществляются с использованием разнообразных параметров лазерного воздействия, включая режимы непрерывного и импульсного излучения, длину волны, мощность лазера, а также различные типы оптических волокон. Кроме того, важным аспектом является контроль силы прижима оптоволокна к поверхности биологической ткани. Все эти факторы существенно влияют на скорость выполнения процедуры, её эффективность, а также на долгосрочные результаты и безопасность применяемой медицинской технологии. В связи с этим для оптимизации параметров воздействия, улучшения существующих лазерных медицинских технологий и разработки новых решений в области медицинской робототехники необходимо не только проводить систематическое и глубокое исследование процессов, происходящих во время лазерного воздействия , но и осуществлять контроль выполнения процедуры, который может быть эффективно осуществлен за счет методов оптоакустики , , , . Это позволит не только повысить качество медицинских процедур, но и обеспечить более высокий уровень безопасности для пациентов, а также расширить возможности применения лазеров в различных областях медицины.
Рисунок 1 - Фотография части установки с подвижной платформой, скоростной видеокамерой и широкополосным гидрофоном
Рисунок 2 - Конфигурация при регистрация акустического сигнала с помощью широкополосного гидрофона (а) и игольчатого гидрофона (б)
2. Результаты и обсуждение
Рисунок 3 - Фотографии поверхности кости с двумя сформированными в ней отверстиями (а) и сечения кости после лазерной перфорации (б) и 3D изображение части входного отверстия (в)
Примечание: P=12 Вт, нагрузка 200 г
Рисунок 4 - Положение торца лазерного волокна при формировании канала в кости при наличии воды у поверхности кости и без нее
Примечание: показано расположение внешних и внутренних поверхностей стенки кости и костномозгового канала; P=16 Вт, нагрузка 300 г
Рисунок 5 - Пример регистрации гидродинамических процессов при начале перфорации кости с помощью скоростной видеокамеры на скорости 2 кк/с с временем экспозиции 25 мкс
Рисунок 6 - спектры акустических сигналов, зарегистрированных при перфорации кости в присутствии воды при различных мощностях излучения с λ=0,98 мкм
Примечание: пунктирным эллипсом отмечен широкий пик для Р=15 Вт; зеленые стрелки показывают узкие пики для Р=10 Вт, величина нагрузки 200 г
Оказалось, что максимальный акустический сигнал регистрируется в трех случаях:
1) в начальный момент в период между включением лазерного излучения и началом формирования канала в стенке кости;
2) Когда волокно выходит из внутренней поверхности стенки кости в костномозговой канал;
3) При достижении противоположной внутренней стенки кости (рис. 7).
Рисунок 7 - Схема иллюстрирующая связь зарегистрированных акустических сигналов с положением торца оптоволокна в различные моменты времени при лазерной перфорации кости:
1-3 - три характерных случая генерации акустических сигналов
Примечание: показано расположение внешних и внутренних поверхностей стенки кости и костномозгового канала; Р=16 Вт, вес 200 г
3. Заключение
Проведенные исследования показали, что акустический контроль за формированием отверстий в биоматериале на примере трубчатой кости может быть весьма эффективным. Являясь важным индикатором происходящих процессов при перфорации, акустический мониторинг позволяет определить моменты начала и окончания перфорации внешней стенки кости, а также момент достижения торцом волокна противоположной внешней стенки. При этом важно, что эти эффекты слабо зависят от используемой длины волны лазерного излучения и способов акустической регистрации. Полученные результаты могут быть использованы для уточнения механизма действия лазерного излучения на биоткани и совершенствования лазерных медицинских технологий.