ISSN 0021-3454 (печатная версия)
ISSN 2500-0381 (онлайн версия)
Меню

7
Содержание
том 63 / Июль, 2020
СТАТЬЯ

DOI 10.17586/0021-3454-2019-62-2-163-177

УДК 621.373.826:535.21

ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ПАРОГАЗОВОЙ ПОЛОСТИ ПРИ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ БИОТКАНИ В ЖИДКОСТИ МИКРОСЕКУНДНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ Er,Yb:Glass-ЛАЗЕРА

Беликов А. В.
Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация; профессор


Гагарский С. В.
Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация; ведущий инженер


Загорулько А. М.
Санкт-Петербургский филиал МНТК «Микрохирургия глаза» им. академика С.Н. Фёдорова, Санкт- Петербург, 192283, Российская Федерация; заместитель директора по лечебной работе


Сергеев А. Н.
Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация; ассистент


Смирнов С. Н.
Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация; аспирант


Аннотация. Представлены результаты исследования динамики формы и размеров парогазовых полостей, возбуждаемых импульсами излучения лазера на иттербий-эрбиевом стекле с волоконным выходом на длине волны 1,54 мкм в свободном объеме жидкости (воды), а также вблизи границы твердого тела (кварц) и эластичного (хрусталик глаза). Исследовано влияние временной субструктуры импульсов общей длительностью в единицы микросекунд на порог появления и процесс формообразования парогазовой полости в жидкости. Установлено, что при фиксированной энергии импульса в свободном объеме жидкости повышение мощности „лидирующего“ пичка в лазерном импульсе приводит к уменьшению порога формирования и увеличению максимального объема полости. В свободном объеме жидкости при общей длительности лазерного импульса 3—3,5 мкс и энергии порядка E = 100 мДж максимальный объем парогазовой полости достигает 7 мм3 при интенсивности лазерного излучения на выходном торце оптического волокна в момент действия „лидирующего“ пичка порядка 108 Вт/см2. Максимальный объем парогазовой полости достигается через 165 ± 5 мкс от начала действия лазерного импульса, а коллапс полости происходит через 300 ± 10 мкс. Снижение интенсивности при сохранении общей энергии импульса ведет к замедлению роста парогазовой полости и уменьшению ее максимального объема. Вблизи границы твердого тела парогазовая полость деформируется и приобретает гладкую полусферическую форму, ее объем уменьшается, а время жизни увеличивается до 350 ± 10 мкс. Вблизи границы эластичного тела парогазовая полость также деформируется, приобретает полусферическую форму, но при этом в фазе коллапса вблизи хрусталика на поверхности полости формируются микропузыри размером 40—120 мкм. Вблизи катарактального хрусталика время достижения максимального объема полости и время ее жизни снижаются по сравнению с формированием вблизи границы твердого тела и в свободном объеме воды, а хрусталик глаза разрушается.
Ключевые слова: лазер на иттербий-эрбиевом стекле, микросекундные импульсы, парогазовая полость, вода, волокно, биоткани

Список литературы:
  1. Hale G. M., Querry M. R. Optical constants of water in the 200-nm to 200-μm wavelength region // Appl. Opt. 1973. Vol. 12, N 3. P. 555—563. DOI: 10.1364/AO.12.000555.
  2. Беликов А. В., Гагарский С. В., Губин А. Б., Вайнер C. Я., Сергеев А. Н., Смирнов С. Н. Субджоульный лазер на иттербий-эрбиевом стекле с диодной накачкой и модуляцией полезных потерь резонатора для экстракции катаракты // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Т. 15, № 6. С. 1021—1029. DOI: 10.17586/2226-1494-2015-15-6-1021-1029.
  3. Беликов А. В., Гагарский С. В., Сергеев А. Н., Смирнов С. Н. Исследование гидродинамических процессов в жидкости при воздействии мощных микросекундных импульсов Yb,Er:Glass-лазера // Изв. вузов. Приборостроение. 2017. Т. 60, № 4. С. 367—374. DOI: 10.17586/0021-3454-2017-60-4-367-374.
  4. Vogel A., Engelhardt R., Behnle U., Parlitz U. Minimization of cavitation effects in pulsed laser ablation illustrated on laser angioplasty // Appl. Phys. B. 1996. Vol. 62, is. 2. P. 173—182. DOI: 10.1007/BF01081122.
  5. Vogel A., Schmidt P., Flucke B. Minimization of thermo-mechanical side effects in IR ablation by use of Q-switched double pulses // Proc. SPIE. 2001. Vol. 4257A. P. 1—8. DOI: 10.1117/12.434703.
  6. Vogel A., Schmidt P., Flucke B. Minimization of thermomechanical side effects and increase of ablation efficiency in IR ablation by use of multiply Q-switched laser pulses // Proc. SPIE. 2002. Vol. 4617. P. 105—111. DOI: 10.1117/12.472512.
  7. Lu T., Xiao Q., Xia D., Ruan K., Li Z. Cavitation effect of holmium laser pulse applied to ablation of hard tissue underwater // J. of Biomedical Optics. 2010. Vol. 15, is. 4. P. 048002. DOI: 10.1117/1.3470092.
  8. Zhang X., Chen C., Chen F., Zhan Z., Xie S., Ye Q. In vitro investigation on Ho:YAG laser-assisted bone ablation underwater // Lasers Med Sci. 2016. Vol. 1, is. 5. P. 891—898. DOI: 10.1007/s10103-016-1931-x 891-898.
  9. Brujan E.-A., Nahen K., Schmidt P., Vogel A. Dynamics of laser-induced cavitation bubbles near an elastic boundary // J. Fluid Mech. 2001. Vol. 433. P. 251—281. DOI: 10.1063/1.1309246.
  10. Brujan E.-A., Nahen K., Schmidt P., Vogel A. Dynamics of laser-induced cavitation bubbles near elastic boundaries: influence of the elastic modulus // J. Fluid Mech. 2001. Vol. 433. P. 283—314. DOI: 10.1017/S0022112000003335.
  11. Gregorčič P., Lukač N., Možina J., Jezeršek M. In vitro study of the erbium:yttrium aluminum garnet laser cleaning of root canal by the use of shadow photography // J. of Biomedical Optics. 2016. Vol. 21, is. 1. P. 015008. DOI: 10.1117/1.JBO.21.1.015008.
  12. Asshauer T., Delacrétaz G., Jansen E. D., Welch A. J., Frenz M. Acoustic transients in pulsed holmium laser ablation: effects of pulse duration // Proc. SPIE. 1995. Vol. 2323. P. 117—129. DOI: 10.1117/12.199189.
  13. Jansen E. D., Asshauer T., Frenz M., Motamedi M., Delacretaz G., Welch A. J. Effect of pulse duration on bubble formation and laser-induced pressure waves during holmium laser ablation // Lasers in Surgery and Medicine. 1996. Vol. 18. P. 278—293. DOI: 10.1002/(SICI)1096-9101(1996)18:3<278::AID-LSM10>3.0.CO;2-2.
  14. Frenz M., Pratisto H., Konz F., Jansen E. D., Welch A. J., Weber H. P. Comparison of the effects of absorption coefficient and pulse duration of 2.12-um and 2.79-um radiation on laser ablation of tissue // IEEE J. of Quantum Electronics. 1996. Vol. 32, N 12. P. 2025—2036. DOI: 10.1109/3.544746.
  15. Gregorčič P., Jezeršek M., Možina J. Optodynamic energy-conversion efficiency during an Er:YAG-laser-pulse delivery into a liquid through different fiber-tip geometries // J. of Biomedical Optics. 2012. Vol. 17, is. 7. P. 075006. DOI: 10.1117/1.JBO.17.7.075006.
  16. Копаева В. Г., Андреев Ю. В. Лазерная экстракция катаракты. М.: Офтальмология, 2011. 262 с.
  17. Комплекс для лазерной экстракции катаракт РАКОТ-6М
  18. Bach T., Herrmann T. R. W., Haecker A., Michel M.S., Gross A. Thulium:yttrium-aluminium-garnet laser prostatectomy in men with refractory urinary retention // BJU Intern. 2009. Vol. 104, is. 3. P. 361—364. DOI: 10.1111/j.1464-410X.2009.08412.x.
  19. Karabyt M. M., Belikov A. V., Skripnik A. V. et al. Laser microablative tunnel formation to initiate alveolar bone regeneration. Pilot ex vivo study. // Sovremennye Tehnologii v Medicine. 2013. Vol. 5, N 4. P. 6—18.
  20. Altshuler G. B., Belikov A. V., Shatilova K. V., Yaremenkoc A. I., Zernitskiyc A. Y., Zernitckaia E. A. Pilot in vivo animal study of bone regeneration by fractional Er: YAG-laser // Proc. SPIE. 2016. Vol. 9917. P. 991702. DOI: 10.1117/12.2229391.
  21. Shangguan H. Q., Casperson L. W., Shearin A., Gregory K. W., Prahl S. A. Drug delivery with microsecond laser pulses into gelatin // Applied Optics. 1996. Vol. 35, N 19. P. 3347—3357. DOI: 10.1364/AO.35.003347.
  22. Gagarskii S. V., Galagan B. I., Denker B. I. et al. Diode-pumped ytterbium-erbium glass microlasers with optical Q-switching based on frustrated total internal reflection // Quantum Electronics. 2000. Vol. 30, N 1. P. 10—12. DOI: 10.1070/QE2000v030n01ABEH001647.
  23. Bufetova G. A., Nikolaev D. A., Seregin V. F., Shcherbakov I. A., Tsvetkov V. B. Long pulse lasing with Q-switching by FTIR shutter // Laser Physics. 1999. Vol. 9, N 1. P. 314—318.
  24. Денкер Б. И., Осико В. В., Сверчков С. Е. и др. Высокоэффективные лазеры на эрбиевом стекле с модуляцией добротности затвором на основе нарушенного полного внутреннего отражения // Квантовая электроника. 1992. Т. 19, № 6. С. 544—547.
  25. Buratto L., Apple D. J., Werner L., Zanini M. Phacoemulsification: Principles and Techniques. Slack Incorporated, 2003. 768 p.
  26. Isselin J.-C., Alloncle A.-P., Autric M. On laser induced single bubble near a solid boundary: Contribution to the understanding of erosion phenomena // J. Appl. Phys. 1998. Vol. 84, is. 10. P. 5766. DOI: 10.1063/1.368841.
  27. Shaw S. J., Schiffers W.P., Gentry T. P., Emmony T. P. The interaction of a laser-generated cavity with a solid boundary // J. Acoust. Soc. Am. 2000. Vol. 107, N 6. P. 3065—3072.
  28. Yang Y. X., Wang Q. X., Keat T. S. Dynamic features of a laser-induced cavitation bubble near a solid boundary // Ultrasonics Sonochemistry. 2013. Vol. 20, is. 4. P. 1098—1103. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2013.01.010.
  29. Sugimoto Y., Yamanishi Y., Sato K., Moriyama M. Measurement of bubble behavior and impact on solid wall induced by fiber-holmium:YAG laser // J. of Flow Control, Measurement & Visualization. 2015. Vol. 3, N 4. P. 135—143. DOI: 10.4236/jfcmv.2015.34013.
  30. Palanker D., Turovets I., Lewis A. Dynamics of ArF excimer laser-induced cavitation bubbles in gel surrounded by a liquid medium // Lasers in Surgery and Medicine. 1997. Vol. 21, is. 3. P. 294—300. DOI: 10.1002/(SICI)1096-9101(1997)21:3<294::AID-LSM10>3.0.CO;2-D.
  31. Vogel A., Brujan E.-A., Schmidt P., Nahen K. Interaction of laser-produced cavitation bubbles with an elastic tissue model // Proc. SPIE. 2001. Vol. 4257. P. 167—177. DOI: 10.1117/12.434701.