автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Лазер на растворах красителей с накачкой лазером на парах меди и фототерапевтическая установка на их основе

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ «ПОЛЮС»

На правах рукописи

РГБ ОД

^ 1 дпр

УДК 621.378

АРМИЧЕВ Анатолий Васильевич

ЛАЗЕР НА РАСТВОРАХ КРАСИТЕЛЕЙ С НАКАЧКОЙ ЛАЗЕРОМ НА ПАРАХ МЕДИ И ФОТОТЕРАПЕВТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 05.27.03 — квантовая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1999

Работа выполнена в Государственном научно-производственном предприятии «Исток».

Научный руководитель:

кандидат физцко-математичвских наук В. С. Алейников

Официальные оппоненты:

доктор технических наук А. И. Ларюшин,

доктор физико-математических наук М. А. Казарян.

Ведущая организация: научно-исследовательский институт «.Зенит».

Защита диссертации состоится в ноябре-декабре 1999 г. на заседании диссертационного Совета Д.105.05.01 в НИИ «Полюс». Адрес: 117342, Москва, ул. Введенского, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИ «Полюс».

Автореферат разослан „_"_1999 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета / ^

доктор физ.-мат. наук, профессор С. Н. Столяров

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В спектре бисмедицинских применений лазерной техники фототерапия занимает одно из ведущих мест. Методы лазерной фототерапии отличаются разнообразием и динамизмом развития. Они базируются на биостимулирующем эффекте, коагуляции тканей, избирательном фотодермолизе, гипертермическом и фотодинамическом эффектах. В широком понимании фототерапия включает свыше сотни направлений. К важнейшим можно отнести низкоинтенсивную лазеротерапию, поверхностную и эндоскопическую коагуляцию новообразований, удаление сосудистых и пигментных повреждений кожи, лазерную эпиляцию, внутритканевую и фотодинамическую терапию. Метод фотодинамической терапии (ФДТ) в настоящее время наибольшее распространение получил в онкологии и начинает применяться для лечения вирусных заболеваний, атеросклероза и кожных патологий.

Метод ФДТ использует фотохимическое воздействие на ткань, созданного за счет введения препарата-фотосенсибилизатора. Фотоактивация последнего служит для возбуждения фотодинамической реакции высокой интенсивности, разрушающей сенсибилизированный препаратом клетки ткани.

Метод ФДТ предъявляет к лазерному источнику вполне конкретные требования:

-длина волны излучения должна совпадать с полосой поглощения используемого фотосенсибилизатора и, как правило, в области максимальной прозрачности ткани (красный и ближний ИК диапазон),

-излучение должно поступать в ткань при плотности мощности до 0,20.5 В1 см", не вызывающей дополнительного нагрева ткани до сообщения рабочей зоне плотности энергии до 200-600 Дж/см2.

Обеспечение этих параметров обычно требует средней мощности лазера в несколько Ватт. Таким образом, для метода ФДТ целесообразно создание лазерного источника, сочетающего относительно высокий уровень средней мощности и возможностью перестройки его длины волны в красной и ближней инфракрасной части спектра. Одним из \стройств, обеспечивающих эти качества, является лазер на растворах красителей (ЛРК), оптически накачиваемый от лазера на парах меди (ЛПМ). Сочетание ЛРК-ЛПМ обладает рядом неоспоримых достоинств: -ЛПМ является эффективным и надежным источником мощного импульсно-периодического излучения в желто-зеленом диапазоне 511,578 нм.

-Выпускается параметрический ряд отпаянных активных элементов ЛПМ с уровнями средней мощности от 1 до 35 Вт.

-Импульсный режим генерации ЛПМ позволяет легко преодолевать порог генерации ЛРК и получать высокую эффективность преобразования (до 30%) в диапазоне 580-700 нм.

Вместе с тем на момент начала работы, известные устройства ЛРК-ЛПМ были ориентированы в основном на задачи спектроскопии и лабораторной фотохимии. В них использовались сложные оптико-механические решения, ориентированные на получение высокомонохроматичного излучения, возможности его оперативной и идентифицируемой перестройки. Конструкции жидкостных активных элементов ЛРК с прокачкой раствора отличались сложностью и ограниченной надежностью. Проблема фотодеградации красителя решалась методом его избыточного резервирования. Поэтому актуальна

была комплексная разработка устройства ЛРК-ЛПМ, предназначенного для биомедицины.

Первоначально была выбрана ориентация не на традиционные прокачные конструкции ЛРК, а на малогабаритные герметичные жидкостные элементы, использующие более простые и эффективные способы тепломассобмена, в частности за счет конвекции при вращении. Такая конструкция занимает промежуточное место между ЛРК с прокачной системой и ЛРК с применением сканируемых твердотельных матриц с внедренными молекулами красителя и может аккумулировать их достоинства. Она позволяет, с одной стороны, использовать простые эффективные резонаторные структуры, с другой стороны, изменяет и упрощает технологию эксплуатации фотонестабильных растворов красителей за счет возможности быстрой смены кюветы и ее перезарядки.

Создание фототерапевтической установки ЛРК-ЛПМ требует также решения проблем управления излучениями ЛРК и ЛПМ, его согласования со световодом, разработки адекватной оптико-механической конструкции сервисных электронных блоков. Цель работы. Проведение комплекса расчетно-экспериментальных исследований, направленных на создание специализированного лазера на растворах красителей с накачкой лазером на парах меди и фототерапевтической установки на их основе. В рамках этой цели было необходимо решить следующие задачи:

-выявить возможность использования жидкостной вращаемой жидкосной кюветы в качестве активного элемента лазера на красителе, -установить оптимальные параметры подобного лазера при накачке лазером на парах меди,

-исследовать характеристики генерации ряда. красителей и выявить наиболее эффективные и фотостойкие,

-разработать на базе созданной лазерной структуры фототерапевтическую установку.

Научная новизна работы. Научная новизна состоит в предложенном принципе действия ЛРК, в котором раствор красителя заключен в оптическую кювету, вращаемую под лучем импульсной когерентной накачки, теоретическом и экспериментальном обосновании его работоспособности при накачке излучением ЛПМ, в результатах реализации медицинской установки ЛРК-ЛПМ и некоторых результатах биофизических и медицинских исследований воздействия излучения. Положения, выносимые на защиту.

1. Возможность генерации излучения высокой средней мощности в растворе красителя с большим термооптическим коэффициентом, заключенным в зазор вращаемой оптической кюветы, находящейся под действием излучения накачки, подвергающим непосредственному нагреву кольцевую зону слоя раствора в зазоре кюветы, связана с формированием в этой зоне дополнительного локального тепло-массопереноса конвективной природы, поддерживающего достаточную оптическую однородность зоны накачки. При отсутствии этого тепло-массопереноса (при малых зазорах) генерация отсутствует.

2. Обеспечение долговременной стабильности генерации кюветы с фотонестабильными красителями связано с сохранением прозрачности внутренних оптических поверхностей кюветы в зоне накачки за счет обнаруженного эффекта самоочистки (нарушения адгезии продуктов фоторазложения красителя), осуществляемого

непосредственно излучением накачки в режиме эксплуатации. При этом самоочистка начинается с уровней импульсной плотности мощности накачки (порядка 106 Вт/см2) вплоть до порога разрушения загрязненного стекла (порядка 109 Вт/см2).

3. Широкополосная генерация растворов красителей во вращаемой кювете наиболее эффективна в схеме с продольной накачкой при использовании устойчивого резонатора, поперечные размеры перетяжки которого совпадают с размерами поля излучения накачки, сфокусированного до импульсной плотности мощности порядка 5-

10'107 Вт/см2.

4. Достаточная для получения фотодинамического некроза доза световой энергии при точности >настройки длины волны излучения порядка 1-3 нм на длинноволновый максимум поглощения препарата "Фотогем" (порядка 630 нм) не зависит от ширины линии излучения вплоть до величины 10-15 нм.

Практическая ценность. Выполненная работа служит научно-технической базой разработки лазерных фототерапевтических установок серии "Яхрома". Автор являлся научным руководителем данной работы. В ходе проведенных НИОКР разработаны три типа установок. На устройство "Яхрома-2" создан полный комплект конструкторско-технологической документации; Установка прошла технические и медицинские испытания и разрешена к применению Комитетом по новой медицинской технике МЗ РФ( (регистрационное удостоверение МЗМП РФ №29-199/267-25 от 31.03.94г). Выпущены мелкосерийные партии установок "Яхрома" (6 шт.) и "Яхрома-2" (11 шт.).Установки поставлены в ряд ведущих учреждений страны, включая РОНЦ РАМН им. Н.Н.Блохина, Государственный научный центр лазерной медицины МЗРФ, МНИОИ им. П.А. Герцена,

МОНИКИ. 6 клиническую больницу скорой помощи г. Москвы, ММСИ им. H.A. Семашко.

С использованием установок пройдены первые этапы внедрения фотодинамической терапии в отечественную клиническую практику. Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались ка 12 конференциях, в число которых входят "Лазерная техника и ее применение в медицине" (Москва, 1984), IX Всесоюзная конференция ''Современные тенденции развития медицинского приборостроения" (Москва, 1987), Всесоюзная конференция "Применение лазеров в клинике и эксперименте (Москва, 1987), Конференция "Лазеры и медицина" (Москва, 1989), Международная конференция по фотодинамической терапии и лазерной медицине (Пекин, Китай, 1991), Международная конференция SPIE (Лос-Анжелес, США, 1992), Конференция "Перспективные направления лазерной медицины (Москва, 1992), Конференция "Новые направления лазерной медицины" (Москва, 1996), VII, VIII, IX Конференциях "Лазеры в науке, технике и медицине" (Москва, 1996-1998), Конференции BIOS Europe'96 (Вена, Австрия, 1996), Конференции LPHYS'98 (Берлин, Германия, 1998).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 39 печатных работ, включая 10 изобретений.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованной литературы из 91 наименования. Объем диссертации включает 120 страниц текста и 29 рисунков и 7 таблиц.

Содержание работы

Во введении обсуждается актуальность темы. Показана целесообразность разработки специализированного для фотомедицины устройства на базе лазеров на парах меди и растворов красителей с применением простых и эффективных средств теплообмена раствора красителя. Сформулированы также цели и задачи исследования, научная новизна и защищаемые положения. Описаны методы и этапы работы, ее практическая значимость, приведены сведения об апробации.

Первая глава посвящена анализу литературных данных по состоянию развития лазеров на основе красителей с накачкой от лазеров на парах меди (ЛРК-ЛРМ) и их применению в лазерной медицине.

Дан анализ положения ЛРК-ЛПМ среди других типов перестраиваемых лазеров.

Отмечено, что ЛРК-ЛПМ наиболее эффективен в сравнении с ЛРК с накачкой от Аг + лазера и от АИГ:Ш+3 лазера.

Изложен принцип действия лазера ЛРК-ЛПМ. Приведены оптико-физические и технические параметры известных типов ЛПМ. Отмечено, что для практических задач, наиболее приемлемы активные отпаянные элементы ЛПМ, имеющие высокую надежность и долговечность с уровнями средней мощности от 2 до 30 Вт.

Проанализированы известные конструкции ЛРК-ЛПМ с использованием продольной и поперечной схем накачки, применением дисперсионных резонаторов различных структур, схем генератор-усилитель.

Приведены параметры некоторых устройств ЛРК-ЛПМ, предназначенных для фотохимии и локации. Даны сведения о физических и конструктивных особенностях прокачных систем,

включая струйные. Отмечено, что техника твердотельных сканируемых матриц с красителем неприемлема для накачки ЛПМ имеющим большую величину средней мощности.

Отмечено также, что ЛПМ широко применяется для фототерапии (тепловые и коагулирующие методики) в дерматологии, гастроэнтерологии, оториноларингологии, гинекологии, бронхоскопии. Возможно достаточно эффективное применение мощного излучения ткани и разрушения минерализованных образований - склеротических бляшек. В основе этого применения лежит сравнительио неглубокое проникновение желто-зеленого излучения в ткань 0,1-0,2 мм в сочетании с высокой средней мощностью и импульсным характером. Необходимо отметить, что с помощью излучения ЛПМ возможен режим фотоаккустического разрушения ткани. Специфичной отраслью применения ЛПМ является дерматология, где возможна эффективная избирательная коагуляция (фотодермолиз) как пигментных повреждений (меланин), так и сосудистых (гемоглобин) за счет существенного различия их поглощения на линиях 511 и 578 мм.

Оптическая накачка ЛРК с помощью ЛПМ сдвигает длину волны излучения в красный диапазон-область большей прозрачности ткани, не меняя временной структуры излучения ЛПМ. В диапазоне 630-670 мм возрастает глубина проникновения до 3-4 мм.

Увеличение объемности воздействия целесообразно для методов воздействия на отдельные фотоакцепторы - хромофоры распределенные с малой концентрацией в ткани. Избирательное фотобиохимическое воздействие хромофоров, по-видимому, является одним из звеньев механизма биостимулирующей лазеротерапии (БЛТ). В красной части спектра лежат полосы поглощения фермента каталазы (630 мм), растворенного кислорода (638 мм), излучение в области 630-670 мм

стимулирует митогенную активность клеток за счет возбуждения мембраносвязанных молекул порфиринового ряда.

В последнее время красная часть спектра активно используется для нового метода - фотодинамической терапии (ФДТ). В этом методе фотоакцептор - препарат краситель-фотосенсибилизатор вводится в ткань искусственно. При этом используют сенсибилизаторы, имеющие полосы поглощения в красной и ближней инфракрасной части спектра. Облучение сенсибилизатора проводят с целью создания фотодинамического эффекта высокой интенсивности, приводящей к некрозу сенсибилизированных тканей.

В главе приведены основные параметры и особенности метода ФДТ, тенденции его развития. Проведен анализ использования различных типов лазеров для ФДТ в т.ч. ЛРК с различными типами накачки, твердотельных и полупроводниковых лазеров, квантоскопов, некогерентных излучателей.

Показано, что ЛРК-ЛПМ обеспечивает возможность создания мощного, эффективного и универсального источника для ФДТ.

Отмечено, что ЛРК-ЛПМ может служить аппаратурной основой для создания новых "комплексных" методов.

Показана целесообразность создания специализированного для фототерапии устройства ЛРК-ЛПМ. Перечислены основные проблемы этой разработки:

-создание надежного, простого и компактного ЛРК без применения прокачных систем, например, на основе герметичной вращаемой кюветы;

-разработка и исследование структуры ЛРК-ЛПМ максимальной эффективности удобной для экспериментальной и клинической практики.

Вторая глава посвящена созданию лазера с раствором красителя, заключенным во вращаемую под .лучом накачки кювету. Такая конструкция отличается от традиционной прокачной простотой и миниатюрностью. Она позволяет использовать, для поддержания термооптической стабильности раствора, сочетание механического смещения раствора из зоны накачки с эффективной локальной конвекцией в слое растворе в центростремительном поле вращения. Использование кюветы наиболее эффективно для продольной схемы накачки ЛРК, приведенной на рис.1.

Кювета состоит из двух плоскопараллельных оптических пластин (1,2), герметично укрепленных в корпусе (3) и разделенных плоскопараллельных зазором (11), в котором находится слой раствора красителя (4). Ось вращения кюветы (г) смещена на расстояние (г) относительно единой оси излучений накачки (5) и генерации ($). Резонатор ЛРК образован зеркалами 7 и 8 с перетяжкой сечением 2\У0 в которую и помещен жидкостный слой. В последний также элементом 9

с фокусным расстоянием Р[ через дихроичное зеркало 7 фокусируется до размеров Р| • А = «1 , где А - расходимость излучения накачки. Скорость вращения кюветы Г на валу шпинделя 10 выбрано из условия полногь смещения вращением зоны на расстояние 2й за время между импульсами накачки 1Л7 исходя из соотношения

На первом этапе, установившем работоспособность конструкции было показано, что эффективность генерации зависит от степени фокусировки луча накачки, при этом критерием эффективности служит импульсная плотность мощности накачки р .

Экспериментально показано,что максимальная эффективность накачки с помощью ЛПМ достигается при величине р ■ 107-108 Вт/см2. Это позволяет выбрать оптимальный размер перетяжки резонатора 2Wo совмещенного и равного по размеру со сфокусированным до оптимальной плотности мощности в размерах d лучом накачки с длительностью импульса г средней мощностью Рср. в соответствии с выражением:

Это выражение регулирует дальнейший экспериментальный выбор как геометрии резонатора ЛРК, так и средств фокусировки луча ЛПМ.

Миниатюрная кювета, использующая активную среду на основе этанола с ограниченными термооптическими и теплопроводящими параметрами, использует значительно более жесткий тепловой режим эксплуатации красителей в сравнении с прокачными.

Проведенный тепловой расчет стационарного режима показал невозможность генерации (термооптические градиенты в кольцевой

f >dF/?rr.

зоне подвергаемой накачки, превышали критические значения, нарушающие когерентность (ЛгЛЗг = 2 • 10'2 см'1) .

Вместе с тем в районе теплового кольца во вращаемом слое кольцевой зоны может возникать дополнительный конвективный тепломассоперенос эффективно релаксирующий, термооптические градиенты и восстанавливающие оптическую однородность. Оценки с помощью уравнения Навье-Стокса показали эффективность этого механизма, а также обнаружили наличии минимальных значений зазора при которых вязкость раствора в зазоре препятствует конвекции. Экспериментально было проверено влияние изменения зазора Ь £ пределах 0,1 - 10 мм на эффективность генерации. Установлено наличие критического зазора И ~ 0,08-0,120 мм, при котором генерация отсутствует полностью. Измерение пульсаций излучения свидетельствует о наличии конвекции. Определен диапазон значений величин г и ( достаточной для эффективной генерации.

С учетом полученных данных была расчитана геометрия резон атора в соответствии с соотношениями Фокса-Ли. Проведена оптимизация коэффициента отражения выходного зеркала. Показана возможная эффективность использования плоско-сферического резонатора.

В третьей главе изложены результаты исследования параметров широкополосной генерации набора красителей.

ЛРК с вращаемой кюветой малого объема (16-20 с\г) представляет широкие возможности для исследования генерационных характеристик красителей. Он позволяет проводить измерение спектро-энергетических параметров и фотостойкости с использованием малых масс красителя порядка 10 мг, что не возможно с использованием обычных прокачных систем.

В JIPK с вращаемой кюветой краситель может эксплуатироваться в условиях как при повышенной температуре (в среднем на 10-30 tj так и при дополнительных термооптических градиентах в зоне накачки. Это позволяет выбрать наиболее термоустойчивые красители.

Приведены результаты скрининга эффективности, спектра генерации и фотостойкости более 30 типов известных и экспериментальных красителей, разработанных МНПО НИИОПИК (рук. разработки Резниченко A.B.). Выявлены более 20 типов наиболее эффективных, обеспечивающих сплошное заполнение диапазона 536702 нм.

Фотостойкость большинства типов красителей не превышала 102103 квант/молек. Максимальную фототермостойкость в исследованном диапазоне имели красители на основе родаминов и феналеминов до 104 квант/молек. Пиридиновые красители длинноволнового диапазона оказались непригодными из-за малой термостойкости. Вместе с тем кювета позволяла эффективно эксплуатировать красители с ограниченным фоторесурсом циклами по 0,5-2 часа с высвечиванием до 104-105 Дж световой энергии.

Кювета не содержит специальных средств для защиты от продуктов фоторазложения, компенсируя это возможностью быстрой перезарядки новой порцией раствора.

Доказаны возможность длительной эксплуатации кюветы с многократной перезарядкой фотонестабильных растворов несмотря на интенсивное осаждение из раствора продуктов фрторазложения на внутренние оптические поверхности. Это оказалось связано с эффектом самоочистки рабочей зоны - потерей адгезии загрязняющих частиц на поверхности под лучем накачки ЛПМ, непосредственно сопровождающим процесс генерации ЛРК. Установлен диапазон

рабочих плотностей мощности ЛПМ, обеспечивающих самоочистку, он составил 106 - 109 Вт/см и перекрывает диапазон оптимальной генерации 10?- 108 Вт/см.

С применением наиболее фотостойких красителей на основе родаминов и феналеминов была установлена возможность работы ЛРК с жидкостными кюветами при накачке излучением ЛПМ с мощностью до 20-28 Вт. Подобный режим сопровождался разогревом раствора до Т -50-60 "С, что однако не снижало эффективности.

Установлена возможность сплошного заполнения диапазона 600670 нм линиями широкополосной генерации четырех типов красителей за счет вариации их концентрации с эффективностью 20-25% и уровнем средней мощности 2-6 Вт.

Найдено, что положение максимумов суперлюминисценции красителей родамин 101, фенапемин 4/35 и Б17 близки к точкам 630, 661 и 670 нм, что целесообразно для ФДТ с применением препаратов фотогема, хлорина, фотосенса. Проведены испытания ЛРК до 1ТЮ час. с красителями родамин 101 и обнаружили устойчивый уровень средней мощности генерации 4-6 Вт, при этом перезарядка кюветы осуществлялась через 5-20 час.

Четвертая глава посвящена разработке и оптимизации параметров фототерапевтических установок ЛРК-ЛПМ типа "Яхрома".

Проведен выбор единой базовой структуры установки, использующей унифицированные оптико-механические элементы и предполагающей накачку от различных типов ЛПМ со средними мощностями в диапазоне 3-30 Вт. Структура включает лазер накачки, на оси излучения которого расположены затвор, регулируемая диафрагма, блок селекции-ответвления линий излучения ЛПМ, и излучатель ЛРК, включающий элементы резонатора и жидкостную кювету, укрепленную

на шпинделе вращения. Излучение ЛРК через согласующую линзу направляется на торец моноволоконного световодного инструмента. Ответвленное суммарное или разделенное по линиям излучение ЛПМ может быть также . направлено в дополнительный световод. Разработанное устройство содержит также релейные и электронные элементы для управления затвором, шпинделем вращения, фильтрации помех ЛПМ, измерительного блока, реле времени. Для контроля средней мощности излучения использован термо-электрический преобразователь типа ТИ-З.

Сформулированы требования к оптимальной конструкции активного элемента ЛРК - кювете и средств ее вращения. Разработана конструкция малогабаритной герметичной жидкостной кюветы, расчитанной на многократную перезарядку. Приведены ее конструктивно-технологические параметры.

Проведенные циклические испытания (до 200ч.) и испытания на сохраняемость (свыше 2-х лет) обнаружили надежность и сохранение эффективности генерации при многократной перезарядке раствором.

На основании измерений структуры излучения ЛПМ различной мощности и апертуры проведен выбор параметров резонаторов ЛПМ с позиций получения максимальной эффективности преобразования в ЛРК.

Показано, что при увеличении мощности излучения ЛПМ от 2 до 25 Вт допустимо увеличение расходимости основного пучка ЛПМ с 0,51 до 2-5 мрад, что возможно с использованием устойчивых структур резонатора (плоско-сферических).

Использование неустойчивых резонаторов ЛПМ с большим геометрическим увеличением (М>3) недопустимо из-за возможности повреждения оптических поверхностей кюветы ЛРК.

Проведена оптимизация параметров резонатора ЛРК, пригодного для работы в вышеуказанном диапазоне мощностей накачки. Показана возможность эффективного использования плоскосферического резонатора, у которого выходным зеркалом используется непосредственно поверхность вращаемой кюветы. Обоснована эффективность использования монолинзового элемента, служащего одновременного для фокусировки луча накачки и отражения луча генерации, определена его оптимальная геометрия.

Приведены отдельные данные по конструктивным особенностям разработанных установок типа "Яхрома", "Яхрома-1", "Яхрома-2". Изложены некоторые параметры и характеристики разработанных установок, важнейшие из которых приведены в таблице 1 автореферата.

В Заключении проведено обобщение полученных результатов и приведены основные положения диссертации и общие выводы, изложенные ниже.

1. Обоснована целесообразность создания специализированного для фототерапии устройства с лазерами на парах меди и растворах красителей . Это связано с тем, что параметры устройства: высокая эффективность и достаточная средняя мощность излучения, перестраиваемого в диапазоне 540-700 нм, удовлетворяют требованиям универсального источника для фотодинамической терапии.

2. Предложена конструкция лазера на растворах красителей, использующая , герметичную оптическую жидкостную кювету, вращаемую под лучом накачки, в частности лазера на парах меди. Теоретически и экспериментально исследованы условия генерации лазера такой конструкции. Установлено, что для генерации

красителей во вращаемой кювете принципиально необходим дополнительный локальный конвективный тепломассобмен в слое раствора в поле центростремительной силы. Установлено, что для получения максимальной эффективности -генерации раствора красителя необходима концентрация излучения накачки на слой раствора до значений плотности мощности в импульсе порядка 107108 Вт/см2. Экспериментально установлен оптимальный жидкостный зазор кюветы и его минимальное значение, при котором генерация не возникает из-за отсутствия конвекции.

3. Предложена комплексная модель инженерного расчета лазера на расворах красителей с вращаемой кюветой, включающая условия геометрическое согласование полей генерации и накачки," его оптимальной фокусировки, теплофизики поведения раствора.

4. Обнаружен эффект самоочистки (отсутствия адгезии непрозрачных продуктов фоторазложения красителя) на внутренних оптических поверхностях кюветы в зоне накачки. Эффект сопутствует оптимальному режиму накачки и начинается с плотности мощности накачки порядка 106 Вт/см2 вплоть до порога разрушения стекла, составляющего 109 Вт/см2.

5. Разработана конструкция кюветы, пригодная для длительной эксплуатации в режиме многократной перезарядки. Разработана конструкция излучателя лазера на растворах красителей с согласующим дихроичным элементом линзой-зеркалом пригодным для широкого диапазона средних мощностей накачки (Р=2-30 Вт). Экспериментально установлены конфигурации резонаторов лазера на парах меди, оптимальные для накачки растворов красителей в продольной схеме.

6. Исследованы спектроэнергетические параметры и фотостойкость более 40 типов красителей, генерирующих в диапазоне 540-800 нм. Выявлены наиболее эффективные и фотостойкие. Установлено, что в диапазоне 600-67G нм максимальную эффективность (20-25%) обеспечивают красители на основе родаминов и феналеминов.

7. Предложена структура фототерапевтической установки на базе разработанного лазера, включающая оптико-механические и электронные, элементы, обеспечивающая эффективную генерацию излучения, переключение спектра выходного излучения, дозирование и контроль средней мощности.

8. Разработана конструкция фототерапевтической установки типа "Яхрома" в НПО "Исток". С участием автора в качестве научного руководителя проведен НИОКР "Яхрома-2". Проведены клинические испытания установки. Получено разрешение МЗ РФ на использование установки в клинической практике. В лечебные учреждения страны поставлены 11 установок.

9. Совместно с медицинскими специалистами предложены два метода лечения с использованием ЛРК-ЛПМ, защищенных изобретениями. С использованием установок "Яхрома-2" приведены первые этапы внедрения метода фотодинамической терапии в отечественную клиническую практику.

Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в следующих печатных работах:

1. Армичев A.B., Алейников B.C., Фогельсон Т.Б. Газовый лазер// A.C. JV» 884534опубл. Б.И. -1981, № 43,с.300.

2. Армичев A.B., Алейников B.C., Мамедли В.Г. Создание медицинской установки с перестраиваемой длиной волны в

области 0,51-0,65 мкм и уровнем средней мощности до 0,1 Вт для лазерной терапии// Технический отчет по теме "Яхрома" № 2476871 НПО "Исток"- 1983.75с.

3. Армичев A.B., Алейников B.C., Беляев В.П. Лазерная медицинская установка с перестраиваемой длиной волны// Электронная промышленность, -1984№ 10, с.31-35.

4. Армичев A.B., Коптелов М.А. Газовый лазер// A.C. № 1045799 опубл. Б.И-1983, № 38с.213.

5. Армичев A.B., Алейников B.C. Лазерный биомедицинский аппарат//A.C. № 1396325, опубл.Б.И.- 1988 №18,с.247.

6. Армичев A.B., Алейников B.C., Беляев В.П., Зубов В.В. Лазерная установка "Яхрома" с перестраиваемой длиной волны// Материалы всесоюзной школы "Лазерная техника и ее применение в медицине"- Москва: 1984, с. 19.

7. Армичев A.B., Алейников B.C. Лазер на растворах органических красителей с лазерной накачкой//А.С. №1230331, опубл. Б.И. 1986,№17 с.270.

8. Армичев A.B., Веревкин В.А. Лазер с оптической накачкой// A.C. № 11688038.

9. Армичев A.B., Иванов A.C., Аничков Н.М., Киселева Н.М. Биохимические и морфологические данные о механизме действия лазерного излучения// Материалы 9 Всесоюзной конференции "Восстановительные и компенсаторные процессы при лучевых поражениях",- Ленинград: 1986.С.26-28.

10.Армичев A.B., Пославский М.В., Шаповалов A.M., Чурсин А.Д. Первый опыт апробации лазерных установок "Яхрома"// Тезисы Всесоюзной конференции "Современные тенденции развития медицинского приборостроения",- М.: 1987. с.119.

1 КАрмичев A.B., Алейников B.C. Лазерный активный элемент на растворах генерирующих красителей для медикобиологических применений// Электронная техника, cep.ll, Лазерная техника и опюэлектроника, №3- 1987. №3, С.34-39.

12.Армичев A.B., Корочкин И.М., Пославский М.В. Внешнее воздействие лазерным излучением - новый метод лечения язвенной болезни желудка// Тезисы Республиканской конференции "Применение лазеров в хирургии"- Алма-Ата: 1987. С.74-76.

13.Армичев A.B., Алейников B.C., Пославский М.В., Корочкин И.М. Первые результаты использования лазеров с перестраиваемой длиной волны для лечения язвенной болезни// Тезисы Всесоюзной конференции "Применение лазеров в клинике и эксперименте", -Москва: 1987. С.143-144.

14.Армичев A.B., Барабаш Р.Д., Шаповалов A.M., Миронов А.Ф. Особенности фотодинамического повреждения перевитой аденокарциномы мышей при использовании двух лекарственных форм гематопорфирина и различных режимов облучения// Тезисы Всесоюзной конференции "Применение лазеров в клинике и эксперименте"- Москва: 1987. с.221-222.

15.Армичев A.B., Алейников B.C., Парфенов A.C., Пославский М.В. Воздействие внешнего лазерного облучения на заживление язвенного дефекта// Электронная промышленность .-1988: №8 (176) с. 18-19.

16.Армичев A.B., Алейников B.C. Лазерный аппарат для медико-биологических применений// A.C. № 1396325, опубл. Б.И-1988. № 18„ с.247.

17.Армиче5 A.B., Алейников B.C., Быканов А.Н. Способ измерения мощности лазерного излучения// A.C. № 1400237.

18.Армичев A.B., Коржова В.В., Василевская JI.H., Власова Л.И., Сальникова З.В., Беляев В.П. Способ повышения защитных сил организма при гнойно-септических заболеваниях// A.C. № 1448454.

19.Армичев A.B., Алейников B.C., Корочкин И.М., Пославский М.В. Способ лечения язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки// A.C. № 1474942.

20.Армичев A.B., Ипполитова Л.А. Способ очистки замкнутых полостей// A.C. № 1460806,о публ. Б.И. -1989, №7. с.276.

21.Армичев А.В.,Лябин H.A., Чурсин А.Д., Плешанов С.А. Импульсный лазер// A.C. № 1565320.

22.Армичев A.B., Коржова В.В., Василевская Л.Н. Определение коэффициента поглощения лазерного излучения сывороткой крови в оптическом диапазоне// Сборник тезисов докладов медицинской конференции "Лазеры и медицина-М.: 1989, с.89.

23.Армичев A.B., Алейников B.C., Мамедли Л.Д. Изготовление и испытание экспериментальных образцов физиотерапевтической установки на основе лазера на парах меди с перестраиваемой длиной волны// Технический отчет по теме "Яхрома-2", № 129* 8461, НПО "Исток".-1989. 48с.

24.Armichev A.V., Aleinikov V.S. PDT DYE module with rotation active medium and pumping CVL// Abstracts of International conference on Photodynamic Therapy.-Sofia: 1989.pl 7.

25.Армичев A.B., Васин В.И., Иванов A.B., Пославский M.B. Контроль морфологических изменений эритроцитов при облучении крови наносекундными импульсами лазерного

излучения в диапазоне 0,51-0,65// Современные методы контроля и оценки эффективности лазерной терапии.- Новосибирск: 1990, с.19-20.

26.Armichev A.V., Zakharov S.D., Ivanov A.V. Laser systems for biomedical research of step-wise absorption possibilities// International conference on photodynamic therapy and laser medicine, Abstracts, -Beijing, China: 1991.p.41.

27.Armichev A.V., Aleinikov V.S., Ivanov A.V. Laser systems for biomedical research of step-wise absorption possibilities// International conference on photodynamic therapy and laser medicine, Abstracts, -Beijing, China: 199l.p.38.

28.Armichev A.V., Aleinikov V.S., Masychev V.I. Quality biotissue boring by transparent tips// Proc. SPIE - 1992.V.1646. p.366-374.

29.Армичев A.B., Скобелкин O.K., Странадко Е.Ф., Алейников B.C. Возможности создания комплекса для диагностики и фотодинамической терапии// Материалы международной конференции "Перспективные направления лазерной медицины", -Москва: 1992, с.434-435.

30.Армичев А.В., Алейников B.C., Лябин Н.А. Возможности лазерных установок типа "Яхрома"// Материалы международной конференции "Перспективные направления лазерной медицины"-

lOQO г АЛО

ЗКАрмичев А.В., Немцев И.З., Захаров С.Д., Перов С.Н., Иванов А.В., Панасенко Н.А. Обоснование применения гелий-неонового лазера в медицинской реабилитации больных с атрофиями// Авиакосмическая и экологическая медицина- 1992, т.26. с.57-61.

32.Армичев А.В. Лазерные установки для фотодинамические терапии// Материалы 1 Всероссийского симпозиума по

фотодинамической терапии злокачественных опухолей- М. 1995.С.15.

33.Armichev A.V., Zakharov S.D., Ivanov A.V. Spectral dependence of eritrozit response to low intensity irradiation 570-590 nm// J. of Rassian laser reseach, 1995., v.16, №2, pl86-187.

34. Армичев A.B., Странадко Е.Ф., Соколов B.B., Рябов М.В., Лябин H.A., Черный В.В. Опыт использования лазеров на основе паров меди, золота и растворов красителей. для фотодинамической терапии// Материалы международной конференции "Новые направления лазерной медицины"- М.: 1996, с.353.

35.Армичев A.B., Леонтьев М.Я., Минаев В.П., Пантелеев A.M., Плотников В.М., Чижевский О.Т. Лазерная установка для фотодинамической терапии и амбулаторной хирургии "Лазон"// Материалы международной конференции "Новые направления лазерной медицины"- М: 1996, с.354-355.

36. Armichev A.V., Stranadko E.F., Cherny V.V., Liabin N.A. Our experience of dye and copper vapour laser system for PDT// BIOS Europe?96, Abstracts-Viena, Austria: 1996.p21.

37. Армичев A.B., Алейников B.C., Доманов M.C., Лябин H.A. Перестраиваемые лазеры без расхода раствора активного вещества с накачкой лазером на парах меди// Материалы VIII Международной научно-технической конференции "Лазеры в науке, технике, медицине - Пушкинские Горы, M., 1997, с. 18.

38. Армичев A.B., Давыдов C.B., Минаев В.П./ Леонтьев М.Я. Возможности создания комплекса для термотерапии на базе лазерной установки "Лазон"// Материалы VIII Международной научно-технической конференции "Лазеры в науке, технике, медицине - Пушкинские Горы"- M.: 1997. с.49.

«

26

>). Armichev A.V., Minaev V.P., Stranadko E.F. Instrumental and Technical problems in photodynamic and interstitial Thermotherapy// Book of abstracts of 7lh international Workshop on Laser Physics (LPHYS'98) - Berlin, Germany, 1998, v.2, p. 17.

Таблица 1.

ПАРАМЕТРЫ УСТАНОВОК "ЯХРОМА"

Параметр Тип ЛПМ

Кулон Клен CVL-10

Суммарная средняя мощность излучен ЛПМ, Р|, Вт 1,5-5 12-25 10

Длительность импульса излучения и, не 15-25 20-30 15-25

Частота следования импульсов Б, 1/сек (8-10)-103 8-10103 104

Потребляемая сетевая мощность Рс, кВт 0,8-1,2 2,5-3,5 1,2-1,5

Время готовности мин 30 70 30

Спектральный диапазон излучения ЛРК 8)1,нм 540-800 600-670 600-670

Рабочий поддиапазон красителя А X, нм 15-30 15-30 15-30

Полуширина линии излучения ЛРК соХ, нм 7-9 7-9 7-9

Диапазон средних мощностей генерации ЛРК Р2, Вт 0,15-0,5 0,5-5 0,3-2

Расходимость луча генерации ЛРК А, мрад 3-10 5-20 4-15

Световая энергия, высвечиваемая порцией заряда кюветы (N=1019 молекул) А, Дж 510М04 5-102-2-105 5102-105

Длительность цикла генерации порции заряда 1, час 2-30 0,8-20

Эффективность сопряжения луча ЛРК моноволоконным" световодом (400 мкм), % 70-90 60-80 60-80

Назначение Биофизич. эксперимент НИЛТ клиника ФДТ клиника ФДТ