Для учащижся старших классов

Профессия - изобретатель

Лазер начинает и выигрывает

Именно под таким девизом лучше всего построить рассказ о том, как всего за десять-пятнадцать лет лазер завоевал широкое признание в медицинском мире. Причем имеет он своих представителей и в хирургии («лазерный скальпель»), и в терапии (лазерные физиотерапевтические установки), и в диагностике.

Рассмотрим лишь одно направление использования лазеров в медицине — лазерную терапию. Что это такое? Вам хорошо знакомы традиционные методы лечения светом, в основном — ультрафиолетовым облучением. При облучении ультрафиолетовым источником (например, кварцевой лампой) уничтожаются многие болезнетворные организмы, что способствует ускоренному лечению гнойно-воспалительных заболеваний. Механизм этого процесса хорошо известен: свет с определенной длиной волны даже небольшой интенсивности уничтожает болезнетворную микрофлору, поддерживающую воспалительные процессы. Это направление физиотерапии давно известно и носит название «фототерапия», или «светолечение».

С появлением лазера медики, естественно, захотели попробовать для светолечения этот новый экзотический источник излучения. Наиболее доступным оказался лазер с длиной волны излучения 0,6328 мкм, т. е. в красной области спектра. И первые же эксперименты показали, что облучение красным «лазерным» светом резко ускоряет заживление ран, прекрасно залечивает застарелые язвы. В общем, первое впечатление было для многих медиков почти ошеломляющим.

Первые шаги в клиническом использовании лазера сделали наши советские медики. Но, как это часто бывает, от первых успешных экспериментов до появления отечественной серийной лазерной терапевтической аппаратуры прошло очень много времени (более десяти лет). А за это время активизировались энергичные конкуренты, тем более что публикации об успехах советской лазерной терапии все эти годы появлялись в самых разных широкодоступных медицинских изданиях. И уже к 1986 г. только в Италии производилось не менее пяти типов лазерных физиотерапевтических установок различных модификаций (в нашей стране до серийного производства добрались к этому времени только две аналогичные установки, с которыми нам еще предстоит познакомиться). Обидно, конечно, но уже на следующем этапе эволюции лазерной терапевтической техники нашим изобретателям удалось вернуться на лидирующие позиции.

Однако сначала поподробнее о самих установках. Конечно, главный их элемент — лазер, чаще всего гелий-неоновый. Первые задачи, определяемые медиками, касались лечения заболеваний с поверхностной локализацией патологических очагов, т. е. с расположением подвергаемых облучению ран, язв и других «неприятностей» на поверхности тела. При этом задача облучения их лазером сводилась к расфокусировке луча и совмещению светового пятна с объектом лечения. Естественно, что не обошлось и без реле времени, управляющего режимом процедуры, а также и без измерителя мощности лазерного излучения, контролирующего этот режим. Из этих элементов и состоят лазерные физиотерапевтические установки УЛФ-01 и АФЛ-1 (рис. 12, а).

Рис. 12. Лазерные установки УЛФ-01 и АФЛ-1 для фототерапии заболеваний, патологические очаги которых находятся на поверхности тела (а); установка для внутриполостной лазерной терапии «Рамит» (б).

Терапевтический лазер гораздо «слабее» хирургического: мощность используемого в установке источника лазерного излучения не более 25 мВт. Но этого вполне хватает для успешного лечения целого ряда заболеваний с поверхностной локализацией. При реализации конкретных процедур учитывается не абсолютная величина мощности излучения, а плотность мощности, т. е. отношение мощности источника к площади одновременно облучаемой поверхности.

Обратите внимание, как часто употребляются у нас в тексте слова «поверхность», «поверхностная локализация». Именно «поверхностные объекты» до самого последнего времени обслуживала лазерная терапия, точнее, аппаратура для ее осуществления. При этом все выпускаемые за рубежом и у нас в стране лазерные терапевтические установки обеспечивали лечение лишь строго ограниченного круга заболеваний, патологические очаги которых располагались на поверхности тела или в непосредственной близости от нее.

Тут нужно сказать хоть несколько слов о предполагаемых механизмах действия лазерного излучения. Правда, в смысле обоснования действия лазерной терапии наука несколько отстала от практики. За последние годы применения лазерной терапии накоплена весьма убедительная клиническая статистика, т. е. достоверные положительные результаты лечения широкого круга заболеваний, экспериментальным путем выбраны режимы процедур (время облучения и мощность). А вот с теоретическим обоснованием дело несколько хуже. На сегодня с уверенностью можно сказать, что лазерное облучение активизирует обменные процессы в организме, улучшает циркуляцию крови (особенно в мельчайших сосудах) и активизирует иммунную систему организма.

Из этих чисто биологических и медицинских выражений следует сделать простые выводы: за счет интенсификации обменных процессов и улучшения микроциркуляции крови должно происходить ускоренное заживление ран и воспалений. И хотя красный лазерный свет непосредственно и не действует на болезнетворные микроорганизмы, он, активизируя иммунные силы организма, также ускоряет лечение гнойно-воспалительных процессов. В такое вот объяснение хорошо вписывается и существующий клинический опыт. Сегодня с помощью лазера вылечены тысячи больных с долго не заживавшими ранами и язвами, воспалительными заболеваниями стоматологического характера (например, хорошо известным парадонтитом).

Но ведь далеко не все заболевания такого рода проявляются на поверхности тела. Скорее наоборот, большинство из биологически сходных, в принципе поддающихся лазерному лечению заболеваний находятся внутри организма. Это, например, язвы желудка и двенадцатиперстной кишки, воспалительные заболевания околоносовых пазух (гайморит и т. д.), да и лросто долго не заживающие швы после внутриполостных хирургических операций. Почему бы не подобраться к ним лазером, не самим, конечно, а с помощью хорошо известной, например из области связи, световодной техники? Тем более что те же световоды уже активно применяются в лазерной хирургии для «доставки» излучения гораздо большей мощности в зону операции.

С предложением создания специального световодного инструмента для «внутриполостной» лазерной терапии одними из первых выступили ученые Московского областного научно-исследовательского клинического института им. М. Ф. Владимирского (МОНИКИ). Есть такая болезнь — абсцесс легкого. При ней в ткани легкого образуются полости, заполненные гноем (простите за медицинские подробности, но без них не понять сути технического решения). Гнойные полости, которые бы неплохо, по аналогии с уже освоенными «поверхностными» заболеваниями, полечить лазером. Но как подвести туда лазерный луч? Именно с таким вопросом и обратились профессора МОНИКИ Ю. А. Муромский и А. М. Сазонов к специалистам Радиотехнического института им. академика А. Л. Минца АН СССР. Те, имея большой опыт работы со световодной техникой, сразу ответили: «Конечно же, по световоду!» Однако все это оказалось далеко не так просто. Просунуть тонкий световод через полую иглу, которую медики все равно вводят в полость абсцесса для откачки гноя и последующей санации,— это не проблема. Сложнее предварительно завести в световод лазерный луч. Но такое приспособление было сделано, и первые же опыты показали высокую эффективность лазерной терапии в случае одного из тяжелейших легочных заболеваний. Многие десятки бывших больных вышли из легочного отделения МОНИКИ практически здоровыми людьми. Результат этой работы был защищен авторским свидетельством.

Но не это главное. В ходе работы инженерам удалось сформулировать основные требования к инструменту для внутриполостной лазерной терапии. Во-первых, световодный инструмент должен легко и безболезненно подводиться к месту расположения патологического очага. А во-вторых, равномерно освещать всю его поверхность. И это ведь внутри организма, без всякого «прицеливания» и визуального контроля!

Выполнение первого требования связано с проектированием специальных насадок с учетом «пути введения» и формы облучаемой полости. Причем далеко не всегда нужно обязательно уложиться в диаметр отверстия иглы, т. е. далеко не весь инстру мент должен представлять собой лишь тонкий световод¹.

Нужны и другие инструменты, что называется, на все случаи жизни — для самых различных областей медицины. Например, специальный «глоточный световодный зонд» (под таким названием фигурируют сегодня эти инструменты в медицинской практике) для лечения тонзиллита и для облучения миндалин или ректальный зонд для лазерной терапии трещин прямой кишки. Задачи по разработке соответствующего инструмента должны, естественно, ставить серьезные медицинские специалисты, а выполнять — не менее серьезные инженеры со знаниями в области световодной техники, оптики, электроники.

Ну а когда есть достойная задача и достаточные технические средства для ее реализации — дело за исполнителем. Таковым стала Лаборатория медицинской радиоэлектроники Радиотехнического института им. академика А. Л. Минца АН СССР (РТИ). О девизе их совместной работы мы уже знаем — «внутриполостная лазерная терапия». И вот всего за два года был создан «Базовый комплект для внутриполостной лазерной терапии» с романтическим названием «Рамит» (по имени одного из красивейших ущелий Таджикистана). В составе комплекта источник лазерного излучения, узел ввода излучения в световод, блоки питания и управления и, самое главное,— пять специализированных наборов световодного инструмента для самых различных областей медицины.

Пройдемся по отдельным элементам комплекта и поясним, почему именно «Рамит» стал значительным событием в истории развития лазерной терапии.

Начнем с источника лазерного излучения. В этой роли может выступать практически любой из широкой гаммы «промышленных» (т. е. специально не приспособленных для медицины и поэтому более дешевых) лазеров, подходящий, естественно, по мощности и длине волны излучения. Например, широко применяемый сегодня гелий-неоновый лазер ЛГ-75-1 мощностью 25 мВт или ЛГ-38 мощностью 50 мВт. Для стыковки инструмента с конкретным лазером в комплекте предусмотрен универсальный узел ввода излучения в световод с набором переходных колец (адаптеров) к различным лазерам.

Спрашивается, а почему так уж важно обеспечить замену одного лазера на другой? Ведь в уже существующих лазерных те-, рапевтических установках лазер прочно прикован к укрепленному на каталке поворотному штативу, и ни одному инженеру не придет в голову менять его на лазер иной конструкции. И если вдруг завод-изготовитель сменит модель лазера, модернизирует конструкцию с изменением габаритныхфазмеров, то сразу же потребуется и соответствующая доработка лазерной терапевтической установки. Те же проблемы возникнут и тогда, когда потребуется изменить параметры излучения — мощность, длину волны. Опять новый лазер и новая доработка.

В рассматриваемом нами комплекте для лазерной терапии смена лазера повлечет за собой лишь установку на узел ввода излучения нового переходного кольца из имеющегося запаса. Конечно, такое преимущество обусловлено прежде всего тем, что при наличии световодного инструмента отпадает надобность в сложной конструкции для «прицеливания» — каталке с поворотной консолью и специальной оптикой. Их функции берет на себя магистральный световод со специальными насадками-облучателями — световодным инструментом. Итак, представим себе идеальный кабинет для лазерной терапии, оснащенный аппаратурой, входящей в состав комплекта «Рамит» (рис. 12, б). В углу за ширмой установлен лазер 1 с блоком питания 2, включенный в сеть через специальный блок управления 3. В составе этого блока предусмотрен развязывающий трансформатор, через который и включается в сеть «штатный» лазерный блок питания; таким образом обеспечивается электробезопасность эксплуатации аппаратуры в соответствии с медицинскими стандартами. В блоке управления установлен также электронный таймер, определяющий время процедуры. Но и это не все: пуск процедуры может производиться как непосредственно с клавиатуры блока управления, так и дистанционно, со специального пульта 4. А для этого в блоке управления предусмотрен еще и приемник инфракрасного излучения (как в самых последних моделях телевизоров), воспринимающий команды от дистанционного пульта.

На торце лазера закреплен узел ввода излучения — довольно сложное оптико-механическое устройство 5, позволяющее сфокусировать лазерный луч и направить его в тонкий (диаметр световедущей жилы 0,2—0,4 мм) магистральный световод 6 для доставки в зону отпуска процедур. На концах магистрального световода и всех инструментов — оптические разъемы, позволяющие оперативно менять инструмент.

Зона отпуска процедур может быть отнесена от места размещения лазера и блока управления на 3—5 м. При этом соединяющий их магистральный световод не имеет никаких металлических деталей (в том числе и в защитной оболочке), что обеспечивает идеальную гальваническую «развязку» аппаратуры и пациента. Алгоритм работы медсестры, отпускающей процедуры, весьма прост. Перед началом работы она включает лазер и устанавливает на клавиатуре блока управления длительность облучения, а затем переходит в зону отпуска процедур. В руках у медсестры маленький дистанционный пульт с батарейным питанием; у него две функции — управление включением процедуры и контроль мощности излучения. Проверив мощность на конце магистрального световода и убедившись в том, что она не ниже заданной величины, медсестра присоединяет с помощью оптического разъема инструмент и устанавливает его в зоне расположения патологического очага. И только после этого нажатием кнопки на пульте начинает процедуру.

Зачем так подробно описывать порядок работы с установкой? Потому, что среди читателей наверняка найдутся люди, не только эксплуатирующие современную радиоэлектронную технику, но и интересующиеся устройством магнитофонов, телевизоров, видеоаппаратуры. Но ведь соответствующий сервис нужен не только в классном электропроигрывателе — не менее важен он и в любой аппаратуре массового применения, в частности и в медицинской. А подход к этой задаче везде одинаков. Так что вполне возможно, что через три-пять лет кто-то из сегодняшних меломанов-радиолюбителей окажется в рядах разработчиков радиоэлектронной аппаратуры для медицины — поверьте, она не менее увлекательна, чем тюнеры и видеокассетники.

Однако мы еще не рассказали про главную изюминку комплекта — световодный инструмент. Среди многочисленных его функциональных модификаций, входящих в пять специализированных наборов инструмента, следует выделить три принципиально различных типа конструкций. Это прежде всего, световоды или гибкие световодные зонды. Помните еще, что такое световод? Тонкий, вроде рыбацкой лески, кабель примерно миллиметрового диаметра. Световодный зонд внешне — это кусок обычного световода с оптическим разъемом на конце. Но это внешне. На самом деле рабочий конец световода обработан по специальной технологии и обеспечивает необходимую для равномерного облучения патологического очага диаграмму направленности излучения. Например, для облучения гайморовой пазухи — сферическая диаграмма: облучается изнутри поверхность в виде шара. В других случаях эта поверхность имеет вид цилиндра или конуса.

Так что требования к световодному зонду самые разнообразные, но при этом толщина его не должна превышать толщины исходного световода, так как проводить $го нужно через тонкий просвет иглы.

И такой инструмент был создан: в наборе есть зонды с шаровой, цилиндрической, конусной и другими диаграммами излучения.

А вместе с гибкими световодными зондами в комплект входит и инструмент двух других типов: гибкие световодные катетеры и жесткие световодные зонды. Первый тип — те же световоды, но вставленные в уже известные нам катетеры. В ряде случаев упаковка световодного зонда в катетер нужна для того, чтобы он стал видимым в рентгеновских лучах — тогда катетер выполняется, естественно, из рентгеноконтрастного материала. В других случаях в качестве оболочки световода используют специализированные катетеры, на поверхность которых нанесены метки для визуального контроля глубины их введения. И во всех случаях наличие на световоде катетерной оболочки позволяет резко упростить технологию формирования диаграмм направленности излучения, размещая в образованной катетером полости различные светоотражающие и светорассеивающие наполнители.

Жесткие световодные зонды — это рассеивающие насадки различной формы, укрепленные с помощью стальной трубки на специальных ручках, оснащенных оптическими разъемами. Форма насадок выбрана таким образом, чтобы обеспечить безболезненное и атравматическое их введение в облучаемую полость, а диаграмма излучения, реализуемая насадкой, обеспечивает равномерное облучение внутренней поверхности этой полости.

Итак, мы рассмотрели пример комплексного, системного подхода к реализации конкретной медицинской задачи; привлечение современных технических средств помогло решить серьезную проблему практического здравоохранения. При этом были задействованы достижения самых передовых областей техники — оптической, лазерной, радиоэлектронной. А главное — к делу были привлечены и активно сотрудничали изобретатели — медики и инженеры.

А теперь расстанемся с медициной и перейдем к другим, не менее интересным сферам приложения изобретательских способностей. Причем давайте изменим порядок представления изобретений — начнем не с личности автора и не с потребностей какой-либо сферы деятельности человека в новом техническом решении. Посмотрим теперь, как одна, но яркая научная находка вызывает появление изобретений в самых разных областях (кстати, о научных находках: чаще всего речь идет о выявлении новых, неизвестных ранее физических закономерностей, свойств веществ — о том, что несколько позже мы будем рассматривать как предмет научного открытия). В качестве объекта выберем эффект памяти формы — интереснейшее свойство некоторых сплавов. Итак...

¹ Световод — это кабель для передачи света. Световедущая жила его выполнена из стекла, кварца или полимера и покрыта слоем материала с отличным от материала самой жилы коэффициентом светопреломления. При этом свет локализуется в световедущей жиле и, многократно отражаясь от покрытия, с незначительными потерями распространяется вдоль световода. Для предупреждения механических повреждений поверх отражающего слоя наносятся защитные покрытия из полимеров или других материалов.