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 университете.

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).