ES3049185T3 - Apparatus for laser lithotripsy - Google Patents

Abstract

La presente invención proporciona métodos y dispositivos para la litotricia láser de pulsos conformados que proporcionan una alta tasa de ablación, minimizando al mismo tiempo la retropulsión de los productos de la ablación. Un método y un sistema láser para el tratamiento de cálculos en el cuerpo humano o animal, que comprende: un láser que emite una secuencia de pulsos láser, operando dicho láser en un régimen de modulación de amplitud, en el que los pulsos láser se emiten a una frecuencia de pulso constante y con una potencia o energía de pulso pico que varía periódicamente, o con una potencia o energía de pulso pico y energía de pulso con un periodo de modulación de amplitud Na igual al número de pulsos en un grupo de pulsos de amplitud periódica. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0003] Aparato para litotricia láser

[0005] Antecedentes de la invención

[0007] 1. Campo de la invención

[0009] La descripción se orienta de forma general a métodos y sistemas láser para tratar cálculos en el cuerpo humano o animal, con el control de la estructura temporal de la potencia láser para aumentar la velocidad del tratamiento de las piedras según diversas técnicas quirúrgicas. En particular, la invención se refiere a un método y un sistema láser para tratar un cálculo con pulsos láser con una estructura temporal mejorada mediante la modulación de la energía del pulso, la potencia pico y la frecuencia de repetición, así como la forma del pulso.

[0011] 2. Análisis de la técnica relacionada

[0013] Las fuentes láser pulsadas se pueden utilizar en procedimientos de litotricia para eliminar los cálculos en seres humanos y en animales. Un cálculo (en la presente memoria, también denominado piedra) es una concreción de material que se puede formar en un órgano o conducto del cuerpo. Los cálculos urinarios incluyen piedras en el riñón (que también pueden denominarse cálculos renales o nefrolitos) así como piedras en la vejiga (que también pueden denominarse cálculos vesicales o cistolitos), y pueden tener una cualquiera de una variedad de composiciones, incluidas las composiciones mixtas. Las composiciones principales a menudo incluyen oxalato de calcio, fosfato de calcio, fosfato de magnesio y amonio, fosfato de diamonio y calcio, fosfato de magnesio, cisteína, ácido úrico o urato, y xantina. Los cálculos de la vesícula biliar y las vías biliares se denominan piedras biliares y se desarrollan principalmente a partir de sales biliares y derivados del colesterol. Los cálculos también se pueden formar en otras áreas del cuerpo, incluyendo las fosas nasales, el tracto gastrointestinal, las glándulas salivales, las amígdalas y las venas.

[0015] La litotricia láser es el uso de un láser para inducir el daño a la piedra a través de varios mecanismos. Una fibra óptica que se desplaza a lo largo del eje longitudinal de un endoscopio rígido, flexible o estriado, generalmente transmite el haz láser para la fragmentación de piedras. La piedra se puede dividir en partículas con dimensiones de entre 1 y 3 a 4 mm (fragmentación), que posteriormente se pueden extraer a través del canal de trabajo de un instrumento rígido, utilizando una cesta o un dispositivo similar. Alternativamente, la piedra puede dividirse en partículas más pequeñas (<1 mm de tamaño), en un proceso denominado pulverización. Una subclase de pulverización, conocida como pulverización fina (partículas < 0,25 a 0,5 mm, dependiendo de la composición de la piedra y la forma de la partícula de polvo) da como resultado fragmentos suficientemente pequeños como para ser extraídos por el flujo de orina o por el flujo de irrigación estándar suministrado por una bolsa de agua/solución salina colgada a aproximadamente 40 cm de altura. También es posible la vaporización hasta el nivel molecular. La eficacia de la ablación depende de las condiciones del sitio de tratamiento y puede ser considerablemente menor en el caso de piedras grandes o cuando se traten múltiples piedras en un solo procedimiento quirúrgico. Este problema es más común en el tratamiento con un ureteroscopio flexible de piedras renales grandes y múltiples piedras, cuando el objetivo es pulverizar completamente las piedras en los modos con y sin contacto durante la cirugía. En este contexto, debe mencionarse el documento US-2017/036.253 A1.

[0017] Otro problema es el desplazamiento del cálculo durante el tratamiento, debido a la retropulsión. La retropulsión está causada por los siguientes fenómenos. La energía óptica absorbida por el agua en el espacio entre la fibra y la piedra produce una onda de presión de agua, que empuja la piedra en una dirección alejada de la punta de la fibra. Cuando la piedra absorbe la energía láser y se produce la ablación de la piedra, un impulso de retroceso de la ablación también hace que la piedra se desplace alejándose de la fibra. La retropulsión prolonga el tiempo de la operación y dificulta que el cirujano complete la fragmentación o la pulverización de las piedras y logre un resultado libre de partículas residuales de piedras. El aumento de la potencia media del láser y el tiempo de tratamiento para compensar una menor tasa de ablación puede limitarse al aumentar el riesgo de dañar los tejidos blandos.

[0019] Se conocen diversas técnicas quirúrgicas para realizar la litotricia láser, y se basan en una posición mutua y un desplazamiento relativo de, por ejemplo, la punta de la fibra y la piedra a tratar. Estas técnicas generalmente se clasifican en una de las siguientes categorías: técnicas de fragmentación por contacto, de escaneo cuasi-contacto(dancing)y sin contacto(popcorn).Cuando se utiliza la técnica de fragmentación, la punta de la fibra se coloca en contacto con el centro de la piedra y la potencia láser se aplica a la piedra hasta que se produce una macrofisuración y fragmentación de la piedra. En la técnica de fragmentación, la potencia láser se aplica en una pequeña área durante un período de tiempo relativamente largo. Tal modo de operación da como resultado orificios perforados relativamente profundos y una tensión termomecánica que induce a la macrofisuración de la piedra.

[0021] En la técnica de escaneo, la fibra está casi en contacto con la piedra (distancia de 0-1 mm) y se desplaza de forma continua a través de la superficie de la piedra. Cada pasada a través de la superficie de la piedra resulta en la eliminación (ablación) de una capa delgada de piedra. Esta técnica es preferible para la ablación de piedras en pequeños fragmentos (pulverización). La técnica sin contacto se utiliza para el tratamiento de pequeños fragmentos de piedra (normalmente de menos de 3 mm de tamaño) si la retropulsión no hace posible operar en los modos de contacto o de cuasi-contacto. En la técnica sin contacto, la fibra se coloca en un lugar fijo cerca de la ubicación de los fragmentos de piedra objetivo y el láser se dispara de una forma de no contacto. La vaporización del agua y las implosiones de burbujas provocan que el agua fluya, lo que hace que los pequeños fragmentos de piedra se desplacen. Cuando dichos fragmentos entran en el rango efectivo del extremo distal de la fibra quirúrgica, se produce una mayor fragmentación/pulverización, lo que da como resultado fragmentos de piedra aún más pequeños.

[0023] La tasa de ablación se determina mediante el mecanismo de ablación, que depende de la composición química y la estructura de la piedra, los parámetros operativos del láser (p. ej., la longitud de onda, la energía de radiación, la potencia pico, la anchura de pulso y la frecuencia de repetición), del espesor de la capa intermedia entre el extremo de la fibra que aplica radiación y la superficie de la piedra, y de las propiedades ópticas (transparencia) de la sustancia en esta capa intermedia. Diversos procesos físicos y mecanismos de ablación acompañan a las anteriormente mencionadas técnicas quirúrgicas de destrucción de piedras, e incluyen mecanismos fotomecánicos, fototérmicos y/o fotoquímicos.

[0025] El mecanismo fotomecánico, que es típico de los pulsos láser que son más cortos que varios microsegundos, establece que la ablación se inicie cuando el estrés de tracción inducido por el láser supere la resistencia última al estrés del objetivo. Los factores clave de este mecanismo incluyen las propiedades mecánicas del material objetivo y el estrés inducido por el láser. El estrés de tracción transitorio dentro de un material sólido conduce a la formación de fisuras microscópicas y otros defectos, y si el estrés supera la resistencia efectiva del material, puede producirse la fractura y la eyección del material (un proceso denominado espalación). Además, los estrés de tracción transitorios en los líquidos pueden romper el medio, provocando un fenómeno conocido como cavitación. La cavitación implica el crecimiento y el colapso de las cavidades dentro del líquido y puede provocar daños al material sólido circundante. La energía láser también puede provocar la formación de plasma sobre la materia. La formación de plasma se logra mediante la rápida ionización de la materia con ruptura óptica, que es un efecto no lineal que se produce cuando la materia irradiada absorbe fuertemente la radiación láser y/o con una alta densidad de potencia en el objetivo. En los entornos de tratamiento de líquidos, la formación de burbujas inducida por láser en el líquido es provocada por la absorción directa o mediada por plasma. Esta absorción crea una burbuja creciente de vapor. Aunque es posible que la burbuja creciente de vapor no alcance la piedra, el líquido sigue absorbiendo la energía del pulso. Por lo tanto, se forman pulsos de presión bipolares (es decir, ondas de choque) frente a la burbuja creciente, lo que induce el agrietamiento de la piedra. Un proceso de cavitación con la burbuja contribuye aún más al crecimiento de la onda de choque. Por lo tanto, enfocar la energía láser sobre un material objetivo, daña el material mediante la secuencia de formación de plasma con ruptura óptica, la generación de ondas de choque y la inducción de presión negativa durante la cavitación de burbujas.

[0027] El mecanismo fototérmico es típico de un láser con un pulso de más de aproximadamente una docena de microsegundos. Los láseres de submilisegundos y milisegundos con una longitud de onda cercana al pico de absorción de agua a 1940 nm (en el intervalo de 1,85 a 2,1 pm) son preferibles para la litotricia con fibras de sílice utilizadas para el suministro de energía. El agua es el cromóforo inicial más importante de la piedra, lo que facilita la conversión de la energía láser en la energía térmica y termomecánica que es responsable de fracturar las piedras en el espectro infrarrojo transmitido a través de la fibra de sílice.

[0029] El mecanismo fototérmico se puede realizar de dos modos. El primer modo es la pulverización de la piedra, y se produce debido a la elevada presión provocada por la expansión o la evaporación del agua inicialmente confinada en las piedras (alrededor del 10 % en peso de la piedra) entre los microcristales de la piedra, dentro de los poros, las fisuras, las microfisuras iniciales y otros microespacios de la piedra. El calentamiento y la posterior ebullición los provoca la absorción selectiva del agua rodeada de componentes minerales y orgánicos de la piedra que, por sí solos, tienen una baja absorción de luz a una longitud de onda de aproximadamente 2 pm. Este mecanismo conduce a la separación de fragmentos que varían en tamaño desde una dimensión característica de un microcristal básico (hasta varios cientos de micrones, predominantemente desde submicrómetros hasta varias docenas de micrones) o sus clústeres/dominios con dimensiones características de hasta 0,5 mm (pulverización fina) o 1 mm (pulverización). El segundo modo es la fragmentación de la piedra (en fragmentos > 1 mm) y se debe principalmente a los estrés térmicos en el volumen de la piedra alrededor del área calentada por el láser, y predomina la pulverización cuando se aplica la potencia del láser en un punto de la piedra (perforación de la piedra). El primer modo prácticamente siempre está presente independientemente de la técnica quirúrgica, pero domina en las técnicas quirúrgicas de escaneo y depopcorning.El segundo modo es relevante para energías de pulso muy altas y para la técnica de fragmentación.

[0030] El mecanismo fotoquímico de la ablación se basa en la absorción de fotones de alta energía, lo que conduce a una disociación directa de los enlaces moleculares en el material. El mecanismo fotoquímico puede desempeñar un papel en el aumento de la absorción de la piedra debido a la carbonización de las moléculas orgánicas dentro de la estructura de la piedra o a la reacción química térmica en la matriz mineral. Los procedimientos quirúrgicos, tal como la pulverización fina, la pulverización y la fragmentación, la eficiencia de la ablación y el efecto de retropulsión, pueden controlarse mediante parámetros láser, tales como la anchura del pulso, la energía por pulso, la frecuencia de repetición del pulso y la potencia promedio. Además, el método de suministro de energía, p. ej., los parámetros de la fibra, tales como el diámetro del núcleo, la apertura numérica, las condiciones de la punta distal y la distancia entre el extremo distal de la fibra y la piedra, también desempeña un papel importante. Por último, la perforación, el escaneo o la aplicación sin contacto también contribuyen al resultado de la interacción láser-piedra.

[0032] Se pueden utilizar diversos tipos de láseres en los procedimientos de litotricia láser, y se seleccionan según diferentes criterios. Por ejemplo, el litotriptor láser Ho:YAG (holmio:YAG) bombeado por lámpara de destello, normalmente se opera a altas energías de pulso (0,1 -6J), pero se limita a frecuencias de pulso bajas (5-100 Hz) durante los procedimientos de litotricia. La forma del pulso y el control de otras características de naturaleza temporal son muy limitados para este láser debido al bombeo por lámpara de destello.

[0034] Otros láseres, además del Ho:YAG, utilizados en la litotricia láser y que operan con longitudes de onda cercanas al pico de absorción del agua de aproximadamente 1,94 pm, incluyen, pero no se limitan a: el láser de tulio Tm: YAG bombeado por diodo, y el láser de fibra de Tm (TFL) bombeado por diodo. En particular, el láser de fibra de Tm bombeado por diodo tiene muchas características ventajosas. Estos láseres pueden operar en un amplio intervalo de energía de pulso (0,001-20 J) y a frecuencias de pulso bajas y altas (1-1000000 Hz). Se han realizado estudios comparativos de configuraciones de TFL y Ho:YAG. (véase, por ejemplo, Blackmon y col., Journal of Biomedical Optics, 16(7): 071403, julio de 2011). Además, se ha estudiado el efecto de los parámetros operativos del pulso láser, tales como los ajustes de potencia o sobre la reducción de la retropulsión (véase, por ejemplo, White y col., Journal of Endourology, 12(2):183-186, marzo de 2009, y Andreeva V y col., World journal of urology. 4:1-7, mayo de 2019). La línea de emisión del TFL se puede ajustar en el intervalo entre 1,85 y 2,2 pm, y hacer que se acerque mucho a un pico de absorción del agua de aproximadamente 1,94 pm (1,94 pm para agua a aproximadamente 20-30 0C, y 1,908 pm para agua a aproximadamente 90-100 0C). Los umbrales de ablación del TFL para diferentes composiciones de piedras son mucho más bajos (aproximadamente 5 veces) que los de los sistemas de litotricia con Ho:YAG, lo que se traduce en una menor energía de pulso para la misma tasa de ablación, o una energía de pulso equivalente, pero una ablación de piedras más eficiente que en los sistemas de Ho:YAG.

[0036] El perfil del haz de los láseres de fibra, incluido el TFL, es, por lo tanto, más uniforme y simétrico que el haz multimodal del láser Ho:YAG u otros láseres de estado sólido, los cuales no se pueden acoplar a fibras de núcleo pequeño debido al daño inevitable a la fibra. Por ejemplo, los láseres de fibra de tulio monomodo (SM) son capaces de enfocar el haz láser hasta aproximadamente 25 micras. Los diámetros de fibra más pequeños ofrecidos por el TFL permiten enfocar densidades de potencia más altas que en el caso de los láseres de holmio, lo que también reduce la retropulsión. El menor diámetro de la fibra aumenta la exposición radiante o la irradiancia sobre la superficie de la piedra, lo que significa que es posible utilizar energías de pulso láser más bajas durante los procesos de ablación con láser. Los menores diámetros de fibra son importantes cuando la fibra se utiliza en un ureteroscopio flexible con un canal de trabajo pequeño, tanto para mejorar el flujo de irrigación como para no comprometer el ángulo de deflexión del ureteroscopio. El perfil de haz espacial mejorado que ofrecen los láseres de fibra de tulio, reduce el daño inducido por el láser en la superficie de la punta de la fibra proximal, lo que se traduce en una vida útil más larga que la de un sistema basado en holmio. El uso de fibras de menor diámetro (menos de 150 micrones [pm], preferiblemente entre 50 y 125 pm) puede aumentar la eficiencia de la pulverización fina al enfocar la energía láser entre clústeres (dominios) de microcristales y en grietas y fisuras sobre la superficie de la piedra. Los sistemas láser de holmio también generan calor, lo que contribuye a la desalineación del haz, lo que a su vez tiene el potencial de dañar la fibra.

[0038] Como grupo, los láseres de fibra bombeados por diodos son capaces de operar con una mayor variedad de parámetros operativos del láser, que los láseres de estado sólido bombeados por lámpara de destello convencionales, tales como el sistema Ho:YAG. Por ejemplo, los sistemas Ho:YAG de cabezal láser único normalmente están limitados a frecuencias de pulso < 30 Hz, debido al posible sobrecalentamiento y a causar daño térmico a la varilla del láser. La luz blanca de la lámpara de destello en mayor parte se desperdicia en forma de calor, con solo una pequeña fracción contribuyendo a la operación real del láser, y estos sistemas normalmente tienen una eficiencia de enchufe de pared < 1-2 %. Por lo tanto, se requieren dispositivos de refrigeración grandes y voluminosos (p. ej., dispositivos de refrigeración por agua) para que estos sistemas disipen este calor y eviten dañar la varilla láser. Por el contrario, los sistemas láser de fibra bombeados por diodos tienen una eficiencia de enchufe de pared de aproximadamente el 10 al 50 %, lo que significa que se puede utilizar un dispositivo de enfriamiento mucho más pequeño (p. ej., refrigerado por aire). La mayor eficiencia de enchufe de pared también permite que los sistemas basados en fibra operen con una potencia promedio más alta que los sistemas basados en holmio, pero que aún así puedan utilizar una toma de corriente de 110-120 V.

[0040] Otras ventajas de los láseres de fibra Tm bombeados por diodos incluyen su capacidad para generar diferentes estructuras temporales, incluidos amplios intervalos de formas de pulso, que también se pueden implementar con otros láseres bombeados por diodos que emitan en el intervalo de 1,85 a 2,2 pm. Por ejemplo, el láser TM:YAG con bombeo láser por diodo tiene esta capacidad. Las ventajas descritas anteriormente de los láseres de estado sólido y de fibra bombeados por diodos, se incorporan en la presente invención, tal como se analizará en la presente solicitud.

[0041] Los problemas asociados al desarrollo de la litotricia láser incluyen la reducción del tiempo de la operación, que está asociado a la tasa de ablación de las piedras, la trayectoria (velocidad) del desplazamiento de los fragmentos (p. ej., la reducción de la retropulsión), así como los productos de la destrucción. Este problema puede mejorarse significativamente optimizando la estructura temporal de la emisión láser; los láseres de fibra o estado sólido bombeados por diodos otorgan esta capacidad.

[0042] Todos los láseres utilizados para la litotricia láser operan con una energía preestablecida por pulso (E = 0,025-6 J), una frecuencia de repetición (v = 1-2500 Hz), un ancho de pulso y una potencia promedio P = E x v (2-120 W). Los parámetros del láser (E, v, y P) se preseleccionan para lograr los resultados deseados: fragmentación, pulverización 0popcorning,y para proporcionar un margen de seguridad que reduzca al mínimo el riesgo de perforación de la pared del órgano, o de sobrecalentamiento del agua, y de quemaduras térmicas de la mucosa. Sin embargo, las piedras, como se mencionó anteriormente, tienen diferentes composiciones, formas y tamaños. Si bien el conjunto fijo de los parámetros mencionados puede romper eficazmente una piedra específica, puede que sea ineficaz para otra.

[0044] Para lograr una retropulsión mínima con una alta eficiencia de ablación, se propuso extender el ancho del pulso (modo de pulso largo) o utilizar un régimen especial de doble pulso. La patente US-5.321.715 propone un método para irradiar un objetivo (una piedra, como ejemplo), en el que el espacio entre el objetivo y el extremo de la fibra, normalmente ocupado por un medio líquido que absorbe la radiación láser, se hace transparente en dos etapas: (1) generar un primer pulso láser con suficiente energía para formar una burbuja de vapor en el medio líquido en el extremo de entrega de la fibra, y (2) generar un segundo pulso láser en un intervalo de tiempo predeterminado después del primer pulso, donde el intervalo de tiempo predeterminado se selecciona para permitir que la burbuja de vapor se expanda una cantidad suficiente como para desplazar una parte sustancial del medio líquido del espacio entre el extremo de entrega del objetivo, de modo que el segundo pulso láser pueda entregarse al objetivo a través de la burbuja de vapor, minimizando así la radiación láser absorbida por el medio líquido y maximizando la radiación láser que alcanza al objetivo. Por lo tanto, el primer pulso crea un canal de vapor entre el extremo de la fibra y el objetivo (efecto Moses), y el segundo pulso se propaga al objetivo con pérdidas e interacción mínimas con el líquido. Sin embargo, la solución enseñada por esta patente solo obtuvo un éxito parcial.

[0046] Por lo tanto, existe la necesidad de una litotricia láser pulsada moldeada realizada mediante un sistema láser operativo para modular la energía del pulso, la potencia pico, la frecuencia de repetición del pulso y la forma del pulso, para proporcionar condiciones óptimas para la interacción láser-piedra, lo que conduce a una disminución del tiempo y el coste del tratamiento.

[0048] Resumen

[0050] Este objetivo se cumple con el sistema láser de la invención para el tratamiento de cálculos en un cuerpo humano o animal. En general, existen dos aspectos del concepto de la invención para proporcionar altas tasas de eficiencia de ablación, minimizando al mismo tiempo los efectos indeseables de la retropulsión: 1. Modulación o variación periódica de la energía del pulso, la potencia pico y la frecuencia del pulso, y 2. Formación y mantenimiento de formas de pulso óptimas. Cada uno de los aspectos se analiza en vista de un sistema láser para el tratamiento de cálculos y un método para el tratamiento de los cálculos. Los aspectos son complementarios entre sí y las características estructurales que se describen a continuación de uno de los aspectos pueden utilizarse en el otro aspecto, como será evidente para un experto en las técnicas láser y urológica.

[0052] La invención se define en el conjunto de reivindicaciones adjunto. Los métodos mencionados a continuación no forman parte de la presente invención.

[0054] Los métodos de los aspectos respectivos proporcionan partículas de tamaño multicomponente en el rango inferior a 1 mm, preferiblemente inferior a 0,5 mm y, lo más preferiblemente, inferior a 0,25 mm mediante el uso de un láser de fibra bombeado por diodo o un láser de estado sólido bombeado por diodo que operen en un intervalo de longitud de onda de 1,85 a 2,2 pm en un intervalo específico de densidad de potencia láser. Las partículas de menos de 500 pm, y preferiblemente de menos de 250 pm, pueden eliminarse fácilmente mediante el flujo de irrigación a través de un ureteroscopio configurado con una presión que sea segura para el riñón (<40 cm de altura de columna de agua).

[0055] El método según el primer aspecto se refiere a la modulación de la energía del pulso E y/o la potencia pico del pulso Pp, y se denomina modulación de amplitud (AM), así como a la modulación de la frecuencia del pulso (es decir, la frecuencia de repetición de pulso), definida como modulación de frecuencia (FM). Finalmente, el método se refiere a la modulación simultánea de amplitud y frecuencia: modulación de frecuencia de amplitud (AFM).

[0057] En particular, el método para tratar cálculos en un cuerpo humano o animal según el primer aspecto, se refiere a la AM, e incluye emitir la secuencia de pulsos láser desde un láser a una frecuencia de repetición de pulsos (PRF) constante, y con una potencia pico o una energía de pulso periódicamente variable, o una potencia pico y una energía de pulso con un período de modulación de amplitud Na > 2.

[0059] El método que consiste en la emisión por AFM de una secuencia de pulsos láser permite variar periódicamente al menos una de entre una potencia pico de pulso o energía de pulso, o una potencia pico y energía de pulso con un período de modulación Na igual al número de pulsos en un grupo periódico de pulsos de amplitud, y variar periódicamente la PRF con un período de modulación de frecuencia Np igual al número de pulsos en un grupo periódico de pulsos de frecuencia.

[0060] Ambos métodos anteriores del primer aspecto se implementan con un período de modulación Na que oscila de 2 a 1000 pulsos láser, preferiblemente de 2 a 100 pulsos láser, lo más preferiblemente de 2 a 10 pulsos láser, el período de modulación Np del PRF varía de 2 a 1000 pulsos láser, preferiblemente de 2 a 100 pulsos láser, lo más preferiblemente de 2 a 10 pulsos láser. En ambos métodos, los pulsos láser se emiten en un intervalo de longitudes de onda de 1,85 a 2,2 pm, y preferiblemente en un intervalo de longitudes de onda de 1,91 a 1,96 pm.

[0062] El segundo aspecto de la invención se refiere a la formación de formas de pulso óptimas formadas según las dos realizaciones siguientes.

[0064] En particular, en una realización, el método para el tratamiento de cálculos en un cuerpo humano o animal incluye emitir una señal de control que contiene información sobre la forma deseada del pulso láser. En respuesta a la señal de control, se emite una secuencia de pulsos láser de manera que cada pulso láser, con la forma de láser deseada, se forma con un primer y un segundo subpulsos espaciados temporalmente entre sí. La energía del primer subpulso varía en un intervalo de 0,02 a 0,15 J (preferiblemente, de 0,05 a 0,1 J) y su potencia pico varía de 50 a 500 W (preferiblemente, de 100 a 300 W). Los subpulsos se espacian temporalmente en un intervalo que varía en un intervalo de 50 a 900 ps, siendo preferible un intervalo de 100 a 500 ps. La energía del segundo subpulso supera a la del primer subpulso y varía en un intervalo de 0,1 a 10 J, mientras que su potencia pico supera la potencia pico del primer subpulso y varía en un intervalo de 300 a 20000 W.

[0066] La otra realización se refiere al método para tratar cálculos en un cuerpo humano o animal e incluye emitir una señal de control que contiene información sobre la forma deseada del pulso láser. En respuesta a la señal de control, se emite una secuencia de pulsos de láser de manera que la forma deseada de pulso de láser tenga una sección inicial y una subsiguiente, teniendo la sesión subsiguiente un mayor nivel de potencia que la sección inicial. La potencia de la sección inicial aumenta monótonamente desde un nivel de potencia mínimo hasta el nivel de potencia de la sesión subsiguiente, variando el nivel de potencia mínimo entre 0 y 200 W. La duración de la sección inicial varía en un intervalo de 0,1 a 10 ms, mientras que la energía de la sección inicial del pulso constituye del 10 al 70 % de la energía total del pulso. La sección subsiguiente tiene una potencia que varía entre 400 y 20000 W y la duración de la sección subsiguiente varía en un intervalo de 0,5 a 20 ms.

[0068] Según un aspecto de la invención mencionado anteriormente, el sistema láser de la invención para el tratamiento de cálculos proporciona el mecanismo de tipo clúster de ablación por láser de sólidos multicomponentes mediante la configuración de un láser de pulsos repetitivos. En particular, el láser está configurado con una radiación láser modulada y una forma controlada del pulso láser para simultáneamente (i) controlar el tamaño de los productos de ablación, (ii) mejorar la tasa de ablación, y (iii) disminuir la retropulsión de las piedras. La emisión láser modulada y la forma controlada del pulso láser se pueden utilizar para mejorar la tasa de ablación, así como disminuir la retropulsión en el modo de fragmentación.

[0070] Según una característica de este aspecto, el sistema láser de la invención está configurado con un láser que emite una secuencia de pulsos láser y que puede operar en un régimen de AM (AMR). En este régimen, el láser emite pulsos láser a una frecuencia de repetición de pulsos (PRF) constante y varía periódicamente al menos una de entre la potencia pico y la energía de pulso con un período de modulación de amplitud igual al número de pulsos láser en un grupo de pulsos de amplitud periódica.

[0072] Según otra característica, el sistema láser de la invención incluye el láser que puede operar en un régimen de modulación de amplitud-frecuencia (AFMR). Este régimen se caracteriza porque el láser emite una secuencia de pulsos láser con una potencia pico de pulso o de energía de pulso, o ambas, variadas periódicamente, con un período de modulación Na igual al número de pulsos en un grupo periódico de pulsos de amplitud. El régimen AMPR proporciona además la secuencia de pulsos emitidos con una PRF variada periódicamente, con un período de modulación de frecuencia Np igual al número de pulsos en un grupo periódico de pulsos de frecuencia.

[0074] El tipo de láseres utilizados en cualquiera de los sistemas láser de la invención analizados anteriormente incluye preferiblemente un láser de estado sólido bombeado por diodos y un láser de fibra bombeado por diodos, tal como un láser de estado sólido bombeado. En particular, los láseres bombeados por diodos son TM:Yag, Tm:YLF, TM:YaP, TM:LuAg, TM:LuLf, TM:LuAp y el láser de fibra de Tm. Sin embargo, en el sistema láser de la invención se puede emplear un láser de estado sólido bombeado por lámpara de destello, tal como el HO:YAG. Además, el uso de un láser de diodo directo no está excluido del alcance de la presente invención.

[0076] El período de modulación Na de la potencia pico, la energía de pulso, o ambas, variadas periódicamente, oscila entre 2 y 100 pulsos láser y es aplicable a ambos sistemas láser analizados. El período de modulación de al menos una de entre la potencia pico o la energía de pulso, o ambas, en el AMR, oscila entre 2 y 1000 pulsos láser. El período Np de la PF (frecuencia de pulso) variada periódicamente en el AFMR, varía de 2 a 1000 pulsos láser.

[0078] Los láseres utilizados en ambas configuraciones analizadas del sistema láser de la invención emiten pulsos láser en un intervalo de longitud de onda de 1,85 a 2,2 pm, y preferiblemente en un intervalo de longitud de onda de 1,908 a 1,96 pm. La operación a estas longitudes de onda permite la absorción predominante de la radiación láser por el agua, lo que es altamente beneficioso para cualquiera de las técnicas quirúrgicas mencionadas anteriormente.

[0079] Los láseres mencionados anteriormente, utilizados en ambas configuraciones analizadas, pueden operar en el modo de funcionamiento libre y en el de conmutación Q, con una diferencia estructural entre ellos al ser un tipo de modulador. El modulador utilizado en el régimen de funcionamiento libre incluye un láser de diodo, mientras que el modo de conmutación Q está asociado a un modulador acústico-óptico o electro-óptico (AOM y EOM, respectivamente).

[0080] En el modo de funcionamiento libre, cualquiera de los láseres descritos emite la secuencia de pulsos láser con una PRF que oscila entre 2 y 5000 Hz. Cada pulso láser tiene las siguientes características: una energía de pulso láser en un intervalo de 0,001 J a 10 J, una potencia pico de pulso láser en un intervalo de 100 a 20000 W, preferiblemente en un intervalo de 250 a 3000 W, y una duración del pulso láser en un intervalo de 25 ps a 50 ms, siendo preferible un intervalo de 100 ps a 15 ms.

[0082] Los láseres que operan en modo de conmutación Q con calidad modulada del resonador, emiten los pulsos láser que se caracterizan por las siguientes características de pulso: la energía varía entre 0,1 y 10 mJ, la potencia pico oscila entre 200 y 1000000 W, y la PF oscila entre 500 y 500000 Hz.

[0084] El sistema de la invención de ambas configuraciones láser analizadas incluye un controlador que emite una señal de control que contiene información sobre la potencia pico o la energía de pulso deseadas en el AMR, o la potencia pico o la energía de pulso deseadas, y la PRF deseada en el AFMR. La señal se acopla a un controlador de cualquiera de los moduladores anteriormente mencionados.

[0086] Según el otro aspecto, el sistema láser de la invención está configurado con un controlador que emite una señal de control que contiene información sobre una forma deseada de pulso láser. El láser está acoplado operativamente al controlador de manera que, en respuesta a la señal de control, cada pulso láser tenga la forma deseada de pulso láser. El pulso láser conformado se forma con un primer y un segundo subpulsos espaciados temporalmente entre sí. La energía del primer subpulso varía en un intervalo de 0,02 a 0,15 J (preferiblemente, de 0,05 a 0,1 J) y tiene una potencia pico del primer subpulso que varía en un intervalo de 50 a 500 W (preferiblemente, de 100 a 250 W). El intervalo entre el primer y el segundo subpulsos varía en un intervalo de 50 a 900 ps, siendo preferible un intervalo de 100 a 500 ps. El segundo subpulso tiene una energía que supera la energía del primer subpulso y varía en un intervalo de 0,1 a 10 J, y una potencia pico que supera la potencia pico del primer subpulso y que varía en un intervalo de 300 a 20000 W.

[0088] Otra configuración más del sistema láser de la invención según este aspecto está estructurada con un controlador que emite una señal de control que contiene información sobre la forma deseada de pulso láser. Un láser está acoplado operativamente al controlador y emite una secuencia de pulsos láser, en respuesta a la señal de control, de modo que cada pulso láser se forme con la forma deseada de pulso láser. El pulso láser conformado se forma con una sección inicial y una subsiguiente, teniendo la sección subsiguiente una mayor potencia que la de la sección inicial.

[0090] La sección inicial tiene una potencia que aumenta monótonamente desde un nivel de potencia mínimo que varía entre 0 y 200 W hasta el nivel de potencia de la sección subsiguiente que varía entre 400 y 20000 W. La duración de la sección inicial varía en un intervalo de 0,1 a 10 ms, siendo la sección inicial del 10 al 70 % de la energía total del pulso, mientras que la duración de la sección subsiguiente varía en un intervalo de 0,5 a 20 ms. La potencia de la sección inicial aumenta según una de entre las funciones lineal, polinómica y exponencial.

[0092] Otros aspectos, detalles estructurales y ventajas adicionales de la invención se analizan en detalle a continuación en la descripción específica. Además, debe entenderse que tanto la información anterior como la siguiente descripción detallada son simplemente ejemplos ilustrativos de varios aspectos y realizaciones, y pretenden proporcionar una visión general o marco para comprender la naturaleza y el carácter de los aspectos y realizaciones reivindicados. Como se puede entender fácilmente, todas las particularidades estructurales de la invención analizadas anteriormente y a continuación, se pueden combinar en cualquier combinación razonable que pueda entender fácilmente un experto en los campos del láser y la urología.

[0094] Breve descripción de los dibujos

[0096] Los aspectos de la invención se analizan con más detalle a continuación haciendo referencia a las figuras adjuntas, que no pretenden estar dibujadas a escala. Las figuras se incluyen para proporcionar una ilustración y una mayor comprensión de las diversas características estructurales, y se incorporan a, y constituyen una parte de, esta memoria descriptiva, pero no pretenden ser una definición de los límites de ninguna realización en particular. Los dibujos, junto con el resto de la memoria descriptiva, sirven para explicar los principios y las operaciones de los aspectos y realizaciones descritos y reivindicados. En las figuras, cada componente idéntico o casi idéntico que se ilustra en diversas figuras está representado por un número similar. Por motivos de claridad, no todos los componentes pueden etiquetarse en todas las figuras. En las figuras:

[0098] La Figura 1 es un esquema diagramático ilustrativo del sistema láser de la invención para litotricia y el sistema de entrega;

[0099] la Figura 2A ilustra una secuencia de pulsos láser con una potencia pico constante y un período de pulso uniforme que se utilizan actualmente en la litotricia láser de la técnica anterior conocida;

[0100] la Figura 2B ilustra la forma de pulso de un láser de estado sólido o de fibra bombeado por diodos, conocido en la técnica;

[0101] la Figura 2C ilustra la forma de pulso de un láser de estado sólido bombeado por lámpara de destello, conocido en la técnica;

[0102] la Figura 2D ilustra la forma de pulso de un láser de estado sólido bombeado por lámpara de destello con picos, conocido en la técnica;

[0103] la Figura 2E ilustra la forma de pulso de un láser de estado sólido bombeado por lámpara de destello de múltiples cabezales, conocido en la técnica;

[0104] la Figura 2D ilustra la forma de pulso de un láser de estado sólido bombeado por lámpara de destello con picos, conocido en la técnica;

[0105] la Figura 2F ilustra la forma de pulso especialmente construida de un láser de estado sólido bombeado por lámpara de destello, diseñado para minimizar las pérdidas de energía en el agua entre el extremo distal de la fibra y el objetivo, conocido en la técnica;

[0106] la Figura 3 ilustra una secuencia ilustrativa de pulsos láser emitidos por el sistema láser de la invención, que opera un régimen de modulación de amplitud-frecuencia (AFMR) caracterizado por una potencia pico Pp o una energía E variadas periódicamente, con un período de modulación Na que es igual a un número de pulsos láser. En el grupo periódico de pulsos de amplitud; una frecuencia de pulso variada periódicamente con un período de modulación Np correspondiente a un número de pulsos en el grupo periódico de pulsos de frecuencia;

[0107] las Figuras 4A-4B ilustran ejemplos respectivos de secuencias de pulsos láser conocidas en la técnica y utilizadas en los experimentos de pulverización, de fragmentación y sin contacto como regímenes regulares;

[0108] las Figuras 4C-4E ilustran ejemplos respectivos de grupos de pulsos láser emitidos por el sistema de la invención, que operan en un régimen de modulación de amplitud-frecuencia (AFMR) y utilizados en experimentos de pulverización; la Figura 5 es un ejemplo de un régimen de amplitud modulada (AMR);

[0109] las Figuras 6A-6G son ejemplos de grupos de pulsos láser de amplitud periódica en el AMR, caracterizados por un período de modulación de amplitud Na diferente y utilizados en experimentos en el modo de contacto;

[0110] las Figuras 7A-7C ilustran otros ejemplos de grupos de pulsos láser de amplitud periódica con respectivos períodos de modulación Na según el AMR y utilizados en experimentos en el modo sin contacto;

[0111] la Figura 8 es un ejemplo de un régimen de frecuencia modulada (FMR);

[0112] la Figura 9 es un ejemplo de un único pulso láser conformado con dos subpulsos espaciados temporalmente, que tienen diferentes potencias pico;

[0113] la Figura 10 es un ejemplo de un único pulso láser conformado con dos secciones adyacentes; y

[0114] las Figuras 11A, B y C son diferentes formas de pulso láser respectivas utilizadas en experimentos de fragmentación.

[0115] Descripción detallada

[0116] Ahora se hará referencia en detalle a las realizaciones de la invención. Siempre que sea posible, se usan números o letras de referencia iguales o similares en los dibujos y la descripción, para hacer referencia a las mismas partes o etapas. Los dibujos están en forma simplificada y no están a escala precisa. Solo con fines de conveniencia y claridad, se pueden usar términos direccionales (arriba/abajo, etc.) o de desplazamiento (adelante/atrás, etc.) con respecto a los dibujos. El término “acoplar” y términos similares no indican necesariamente conexiones directas e inmediatas, sino que también incluyen conexiones a través de elementos o dispositivos intermedios.

[0117] El concepto inventivo de la presente invención se basa en proporcionar una alta tasa de ablación aumentando la eficiencia de la ablación y, al mismo tiempo, minimizando el efecto de retropulsión. El concepto se realiza mediante (a) la modulación (variación periódica) de la energía de pulso E(n) o la potencia pico Pp(n) o ambas, que se define como AM; (b) la modulación de la frecuencia de pulso (frecuencia de repetición) v(n) de un período de pulsado T(n), que se define como FM; (c) la modulación simultánea de amplitud y frecuencia, denominada AFM; y (d) la configuración de una forma de pulso específica.

[0118] El primer aspecto de la invención —la modulación de la potencia pico y/o de la energía del pulso— se puede entender mejor a la luz de la siguiente explicación. Los sistemas láser actuales para el tratamiento de cálculos en el cuerpo humano o animal presentan una estructura temporal de la potencia láser que es una secuencia periódica de pulsos (tren), que se puede describir mediante la fórmula:

[0121]

[0124] donde P(t) es la potencia instantánea del láser, Pp es la potencia pico, f(t) es la forma (perfil) del pulso individual, y T es el período de secuencia, que es inversamente proporcional a la frecuencia del pulso: T = 1/v. La energía por pulso es una integral de la potencia:

[0126] £= INT (P(t), 0, T)= Pp*t, (2)

[0128] donde<t>es la anchura efectiva del pulso.

[0130] La secuencia periódica de pulsos también se puede describir mediante la fórmula:

[0132] P(í) - (E/T}*fít-T*n), (3)

[0134] La forma (perfil) del pulso individual f(t) se caracteriza por la anchura del pulso<t>. Para un sistema láser de litotricia, la anchura de pulso es mucho menor que el período de la secuencia:<t><< T, o<t>< 0,1T.

[0136] Las técnicas convencionales de tratamiento de piedras se basan en regímenes en los que Pp, T, v y E se establecen antes del tratamiento y se mantienen constantes durante el tratamiento. Algunos sistemas láser se pueden configurar con un parámetro de tratamiento de doble pedal que se puede conmutar entre dos conjuntos de parámetros con potencia pico, frecuencia y energía por pulso constantes: Pp<1>, Ti, V<1>, E<1>, y Pp<2>, T<2>, V<2>, E<2>.

[0138] Modulación de amplitud (AM) según la invención:

[0140] A diferencia de la técnica anterior conocida, la modulación de amplitud se define en este caso como un régimen con un período T y una frecuencia v constantes y una variación periódica de la potencia pico Pp:

[0142] P(t) - Pp(n)*í(t~T%), n—0,1,2 ,...

(4)

[0144] o energía,

[0146] P(t) :::: E{rs)/T(n)* íft-T^n), ÍS)

[0148] donde Pp(n) = Pp(n-Na), o E(n) = E(N-na), o T(n) = T(n-NA), o sus combinaciones, y Na es un número entero positivo, denominado el período de la modulación de amplitud. En el régimen de AM (AMR) del láser de la invención, todas las secuencias de pulsos láser pueden presentarse como una secuencia periódica de un grupo de pulsos de Na con amplitud variable en el grupo (grupo periódico de pulsos de amplitud modulada).

[0150] Las Figuras 6A-6G, 2 y 7A-7C ilustran la secuencia de pulsos láser con un diferente período de modulación Na, que se emiten desde el sistema láser de la invención que opera en el AMR. Estas figuras se analizan en detalle a continuación.

[0152] Modulación de frecuencia (FM) según la invención

[0154] A diferencia de la técnica anterior conocida, la modulación de frecuencia, tal como se usa en esta solicitud, se define como un régimen con una potencia pico Pp o energía E constantes y una variación periódica de la frecuencia v o período de pulsado T:

[0156] P(t) Pp*f(t-T(íi)*ii}, n—0,1,2,.,. (6)

[0158] o

[0160] P(t) - E/<t>* f(í-T(n}*n), (7)

[0162] donde T(n) = T(n-Np), y Np es un número entero positivo, denominado período de modulación de frecuencia. La modulación de frecuencia implica una modulación de frecuencia porque v(n) = 1/T(n) = v(n-Np). En el régimen de FM (FMR), todas las secuencias de pulsos láser se pueden presentar como una secuencia periódica de un grupo de pulsos de Np con un período variable entre los pulsos del grupo (grupo periódico de pulsos modulados en frecuencia).

[0163] La Figura 8 ilustra el sistema láser de la invención que opera en el FMR.

[0165] Modulación de amplitud-frecuencia (AFM) según la invención:

[0167] En función de la AM y la FM definidas según la invención, una modulación de amplitud-frecuencia se define como un régimen con una variación periódica simultánea de la potencia pico Pp (o energía E) y la frecuencia v (y el período T):

[0169] P(t) ::: Pp(íi)*f(l-T(íi)*n), rs—0.1,2,.., (8)

[0171] o energía,

[0173] P(t) - E(n)/T(n)* f(t~Tín)*n), (9)

[0175] donde Pp(n) = Pp(n-Na), o E(n) = E(N-na), o T(n) = T(n-NA), y T(n) = T(n-Np).

[0177] Las Figuras 3 y 4A-4C ilustran el sistema de la invención que opera en el AFMR, y se analizan en detalle a continuación.

[0179] Volviendo a la Figura 1, que ilustra un sistema láser 100 ilustrativo de la invención mostrado esquemáticamente, los expertos en la materia se dan cuenta inmediatamente de que, estructuralmente, este sistema es relevante para el análisis de ambos aspectos de la invención, y puede implementarse mediante varios tipos de tecnología láser. Sin embargo, una realización preferida se basa en una clase particular de tecnología láser, específicamente, una tecnología de láser pulsado que incluye un láser pulsado 104 que opera en un modo de funcionamiento libre o en un modo de conmutación Q. En cualquier modo operativo del láser, e independientemente del tipo de láser, el sistema láser 100 de la invención está configurado con una bomba 103 que energiza el láser 104. Normalmente, la bomba 104 está configurada con uno o más láseres de diodo. En una realización óptima, la tecnología de láser pulsado implica el uso de un dispositivo de almacenamiento de energía (p. ej., condensadores eléctricos, inductores o combinaciones de estos).

[0181] La fuente 101 de alimentación suministra energía al sistema, opcionalmente, el dispositivo 102 de almacenamiento de energía almacena una cantidad suficiente de energía necesaria para formar un pulso láser. El controlador 130 del láser de la bomba 104 forma un pulso eléctrico de características especificadas en respuesta a una señal de control del módulo 108 de control. Los pulsos eléctricos son recibidos por uno o más diodos de la bomba 104, que forman un pulso óptico necesario para bombear el medio láser en una cavidad láser 105. La salida del medio láser se acopla al sistema 107 de entrega, que se considera externo al sistema láser, a través del acoplador óptico 106.

[0183] Todo el sistema está controlado por el módulo (108) de control CM, que proporciona curvas o tablas de calibración (que definen las características del pulso eléctrico necesario para lograr la salida óptica deseada), que contienen la señal de control, la temporización y las características de seguridad. En lugar de los diodos de bombeo, se pueden utilizar como fuentes de bombeo otros dispositivos, tales como, p. ej., lámparas de destello.

[0185] Alternativamente, el propio medio láser puede utilizarse como un dispositivo de almacenamiento de energía. En esta configuración, la formación de pulsos se logra mediante la aplicación de un modulador óptico interno de las pérdidas de cavidad como dispositivos de modulación Q, tales como moduladores acústico-ópticos, electro-ópticos o pasivos.

[0186] Para los fines de la presente invención, los siguientes términos se definen como:

[0188] el pulso láser es una salida del sistema láser 100 de la invención, generada por la modulación directa de la corriente del diodo por el controlador 103 del láser, o un único ciclo de carga-descarga del dispositivo 102 de almacenamiento de energía,

[0190] la secuencia de pulsos láser es una salida del sistema láser generada por múltiples ciclos directos de modulación única o de carga-descarga única del dispositivo 102 de almacenamiento de energía.

[0192] Por lo tanto, la modulación de la secuencia de pulsos según un aspecto de la invención se logra mediante el establecimiento de la potencia pico Pp o la energía de pulso E deseadas para la AM o el intervalo T entre dos pulsos<consecutivos en el régimen de>F<m mediante el módulo 108 de control. La conformación del pulso según el otro aspecto>de la invención se logra mediante la formación de la estructura temporal deseada de un pulso en el controlador 103 del láser.

[0194] En función de las ecuaciones 4 a 9 analizadas anteriormente, que describen matemáticamente la AM de la invención, y la AM y la FM combinadas, el sistema láser 100 opera según el primer aspecto, controlando la estructura temporal de la emisión láser que se controla mediante:

[0195] a) Modular la potencia pico Pp o la energía de pulso E para un número de pulsos en una secuencia de pulsos Pp(n) = Pp(n-NA), donde Na es el período de la modulación de amplitud;

[0197] b) Modular el período T (y, respectivamente, la frecuencia v) de la secuencia de pulsos para un número de pulsos T(n) = T(n-Np), donde Np es el período de la modulación de frecuencia;

[0199] c) Combinar las modalidades de modulación descritas anteriormente en a), b) y c); por ejemplo, la modulación simultánea de la amplitud y la frecuencia (modulación de amplitud-frecuencia).

[0201] Los tres tipos de modulación (amplitud, frecuencia y amplitud-frecuencia), así como el ajuste de la forma de pulso individual, se utilizan en diversos aspectos de la presente invención. Los láseres de fibra bombeados por diodos (preferiblemente) y de estado sólido se pueden modular controlando la corriente de los diodos de bombeo, y permiten modificar los parámetros del láser variando la corriente en los diodos de bombeo. Preferiblemente, la corriente de diodo debería variarse en el intervalo entre la corriente umbral I<th>de la generación de láser bombeado por diodo y alguna corriente máxima, que está por debajo del nivel de saturación de la potencia láser como función de la corriente del diodo I<st>. En este intervalo, la potencia láser depende casi linealmente de la corriente del diodo, y se pueden producir diferentes estructuras temporales del láser programando la corriente de bombeo del controlador del láser.

[0202] El objetivo principal de la invención es aumentar la velocidad de la pulverización o la fragmentación de la piedra sin comprometer o (preferiblemente) aumentar el perfil de seguridad. Esto se puede lograr mediante la conformación adecuada de los pulsos o mediante la modulación de la secuencia de pulsos (con una o más de las modalidades de modulación descritas anteriormente). Dicha modulación puede ser óptima para cada modo de tratamiento, tal como la pulverización o la fragmentación por contacto, y para la pulverización sin contacto.

[0204] En el caso de la pulverización por contacto, el resultado final deseado es la fragmentación de las piedras en partículas pequeñas de menos de 1 mm, preferiblemente de menos de 0,5 mm y, lo más preferiblemente, de menos de 0,25 mm. En los sistemas láser actuales, este régimen requiere un desplazamiento continuo de la fibra a través de la superficie de la piedra utilizando una energía por pulso relativamente baja (0,025-0,3 J). Para compensar el bajo volumen de ablación por pulso debido a la baja energía por pulso, la frecuencia de repetición debe ser lo más alta posible, manteniendo la potencia promedio Pa = E*v dentro de los límites seguros a fin de evitar el daño térmico de los tejidos blandos debido al calentamiento del agua en las vías urinarias. Este límite de seguridad de Pa<max>depende de la tasa de riego del agua y del tiempo total de tratamiento. La estructura temporal de la salida del láser se puede optimizar para lograr una mayor velocidad de ablación con una misma potencia promedio mediante la conformación del pulso láser y/o la modulación de la secuencia de pulsos láser y, al mismo tiempo, disminuyendo nivel de retropulsión, o al menos manteniendo el mismo. La eficiencia de la ablación y el efecto de retropulsión son el resultado de la combinación de muchos factores que incluyen, entre otros:

[0206] 1. Energía de pulso, potencia pico de pulso o anchura de pulso, frecuencia de repetición.

[0208] 2. Diámetro del haz, que depende del diámetro del núcleo de la fibra.

[0210] 3. La distancia entre el extremo de la fibra y la piedra.

[0212] 4. La velocidad de desplazamiento de la fibra. Este factor está relacionado con el número de pulsos efectivos aplicados a un punto. Este número se puede estimar mediante la fórmula K = (d/2v)*v, donde d es el diámetro del haz sobre la superficie de la piedra, y v es la velocidad de desplazamiento de la fibra. La eficiencia de la ablación disminuye con el aumento de K, debido a la creciente distancia entre el extremo de la fibra y el fondo del cráter láser, el efecto de sombreado de los productos de la ablación, la pérdida de agua en el fondo del cráter láser y otros factores.

[0214] 5. Oscilación de la fibra inducida por el pulsado láser. La fibra puede oscilar en su alcance con una cierta amplitud. Estas oscilaciones son inducidas por la fuerza de la formación de burbujas en el agua inducida por el láser, el efecto de electrostricción y otros mecanismos. La oscilación de la fibra reduce eficazmente el número de pulsos aplicados a un punto K, lo que puede aumentar la eficiencia de la ablación.

[0216] 6. Tamaño y forma de una piedra.

[0218] La modulación del pulso funciona en combinación con todos los factores enumerados, pero puede provocar diferentes efectos. Por ejemplo, un aumento periódico de la energía láser desde el mínimo hasta el máximo puede compensar la disminución de la eficiencia de la ablación mientras se emite láser con energía constante en un punto con la misma frecuencia y potencia promedio y velocidad de desplazamiento de la fibra. A continuación, se presenta una comparación experimental de la velocidad de ablación y retropulsión de piedras mediante energía de pulso constante y potencia pico y frecuencia con diferentes regímenes de amplitud (regímenes regulares, que representan el régimen actual de tratamiento de la piedra), la modulación de amplitud y de amplitud-frecuencia que demuestra las ventajas de los regímenes propuestos para los modos por contacto y sin contacto.

[0220] Caracterización de los regímenes temporales de litotricia láser

[0221] El objetivo general de optimizar la litotricia láser es acelerar el procedimiento, garantizar la rotura de las piedras en fragmentos del tamaño deseado, y minimizar la incidencia de efectos secundarios. Entre los parámetros relevantes para este objetivo, los dos más importantes son la eficiencia de la ablación de piedras y la magnitud del efecto de retropulsión. Con el fin de comparar varios regímenes temporales de emisión láser, utilizamos las siguientes métricas: 1) Eficiencia de la ablación de piedrasKa,definida comoVa/Et,dondeVaes el volumen total de ablación, Et es la energía láser total [mm3/J]; 2) Velocidad crítica de retropulsión Vr, definida como la velocidad de retropulsión en la primera instancia de tratamiento con láser [mm/s]; 3) Calidad absoluta del régimen temporalQa,definida comoKa/Vr[mm2/W], que aumenta con la eficiencia de la ablación y disminuye con la retropulsión; 4) Calidad relativa del régimen temporalQr,definida como(Qa)/(Qa)ref,donde el índicerefse refiere a un régimen regular de referencia [adimensional]; 5) Tiempo de agrietamiento de la piedra, que se define como el tiempo para agrietar la piedra en modo de fragmentación

[0222] Se utilizaron las siguientes técnicas experimentales para caracterizar y comparar varios regímenes temporales: Experimentos de escaneo

[0223] Equipamiento:

[0224] 1) Láser de fibra TM con longitud de onda de 1,94 pm, potencia pico de hasta 1000 W

[0225] 2) Fibra de entrega con un diámetro de núcleo de 200 pm

[0226] 3) Plataforma motorizada 2D

[0227] 4) Cámara de alta velocidad (Phantom Miro M310, de Phantom Vision Research)

[0228] 5) Soporte de fibra

[0229] 6) Perfilómetro mecánico (Contracer®, de Mitutoyo, Kawasaki, Japón)

[0230] Materiales y métodos:

[0231] Todos los experimentos se realizaron con fantomas de piedra artificial. Las piedras se produjeron utilizando polvo BegoStone (Bego GmbH, Bremen, Alemania) con una proporción de polvo a agua de 5:1. Las muestras se cortaron en placas con dimensiones de 60 x 40 x 8 mm. Las piedras se sumergieron en agua durante 24 horas antes de la exposición al láser.

[0232] La eficiencia de ablación y el efecto de retropulsión se midieron en dos configuraciones diferentes.

[0233] Primero, las piedras se colocaron en un recipiente con agua (para un posicionamiento adecuado de la configuración, se usaron dos niveles de burbuja). El soporte de fibra se montó en una plataforma motorizada 2D. Los cráteres lineales de 30 mm de longitud se crearon mediante un desplazamiento de fibra horizontal en 1 dimensión con una velocidad de 6 mm/s, lo que representa una típica velocidad clínica de escaneo. Los parámetros del láser se variaron según las tablas siguientes. Las mediciones del área de sección transversal, la profundidad y la anchura del cráter se realizaron mediante el perfilómetro mecánico. La tasa de ablación y la eficiencia se calcularon utilizando secciones transversales de perfiles multiplicadas por la velocidad de escaneo, y divididas por la potencia promedio del láser. Durante el escaneo, la distancia entre el extremo de la fibra y la superficie plana de la piedra se mantuvo en aproximadamente 0,2 /- 0,1 mm.

[0234] En segundo lugar, se midió el efecto de retropulsión para los mismos parámetros del láser. Para medir la magnitud del desplazamiento de la piedra, se fijaron dos reglas lineales a lo largo de los lados largos, formando una ranura de 90°. La ranura se sumergió en un baño de agua. Para un posicionamiento adecuado de la configuración, se utilizaron dos niveles de burbuja. Se colocaron en la ranura muestras de piedras (cubos de 5 x 5 x 5 mm). La fibra se introdujo a través de un soporte ubicado en un orificio en la pared lateral de la configuración. La punta de la fibra se puso en contacto con el centro de la piedra. Para capturar el desplazamiento de la piedra, se utilizó una cámara de alta velocidad (1000 fotogramas por segundo) (Phantom MIRO M310, Phantom Vision Research, EE. UU.). El desplazamiento de la piedra se analizó durante los primeros 0,5 segundos de la exposición. El desplazamiento de la piedra como función del tiempo, se cuantificó mediante el software Image, y la velocidad del desplazamiento de la piedra en los momentos iniciales de la emisión láser se calculó como la pendiente de dicha función al inicio de la emisión láser.

[0235] Experimentos de caracterización de burbujas

[0236] Equipamiento:

[0237] 1) Láser de fibra TM con longitud de onda de 1,94 pm, potencia pico de hasta 1000 W

[0238] 2) Fibra con un diámetro de núcleo de 200 pm

[0239] 3) Cubeta de cuarzo

[0240] 4) Soporte de laboratorio

[0241] 5) Sistema de iluminación halógena

[0242] 6) Cámara de alta velocidad Phantom Miro M310

[0243] Materiales y métodos:

[0244] El soporte de fibra se fijó a un soporte de laboratorio. La fibra se colocó en una cubeta de cuarzo llena de agua. Mediante una cámara de alta velocidad, se grabó un vídeo de la formación de burbujas mediante un solo pulso para varios parámetros del láser (láser de energía y de potencia pico en el intervalo de 0,025 mJ a 0,4 J, y de 100 a 500 W, respectivamente). La frecuencia de fotogramas de la cámara fue de 120.000 fotogramas por segundo, el tiempo de exposición fue de 7 ps. Se utilizó un sistema de iluminación halógena para iluminar la escena. El vídeo grabado se utilizó para evaluar el tiempo de crecimiento de una burbuja hasta 1 mm, hasta 2,5 mm, y hasta las dimensiones máximas de la burbuja. La longitud de la burbuja se cuantificó mediante el software ImageJ.

[0245] Modo sin contacto

[0246] Equipamiento:

[0247] 1) Láser de fibra TM con longitud de onda de 1,94 pm, potencia pico de hasta 1000 W

[0248] 2) Fibra con un diámetro de núcleo de 200 pm

[0249] 3) Endoscopio flexible

[0250] 4) Dos cubetas de vidrio

[0251] Materiales y métodos:

[0252] La configuración experimental incluyó una cubeta interior especialmente construida de 13 mm de diámetro, con orificios de 0,25 mm perforados en las paredes a una altura de 40 mm. El tratamiento con láser se llevó a cabo a través de un endoscopio flexible. El flujo de agua a través del endoscopio flexible fue de 10 ml/min. La cubeta interior se colocó en una cubeta exterior, que recogía el agua saliente con partículas de polvo suspendidas de menos de 0,25 mm, evacuadas durante la litotricia por el flujo de agua a través de los orificios laterales. En este estudio se utilizaron bolas BegaStone con un radio de 2 mm como fantomas de piedra. Se utilizaron 5 bolas para cada parámetro láser. La litotricia se realizó durante 2 minutos y 40 segundos. Tras la litotricia, se pesaron los fragmentos que quedaron en la cubeta interior. La masa de polvo se determinó como la diferencia entre la masa inicial de las bolas y la de los fragmentos restantes. La tasa de ablación se definió como la relación entre la masa de polvo y la duración del tratamiento.

[0253] Perforación y agrietamiento

[0254] Equipamiento:

[0255] 1) Láser de fibra TM con longitud de onda de 1,94 pm, potencia pico de hasta 1000 W

[0256] 2) Fibra con un diámetro de núcleo de 200 pm

[0257] 3) Soporte de fibra

[0258] 4) Cubeta de vidrio

[0259] 5) Cronómetro

[0260] Materiales y métodos:

[0261] El experimento se realizó con fantomas de piedra artificial. Las piedras se produjeron utilizando polvo BegoStone (Bego GmbH, Bremen, Alemania) con una proporción de polvo a agua de 5:1. Las piedras tenían un tamaño de 5 x 2,5 x 2,5 mm. Las piedras se sumergieron en agua durante 24 horas antes de la exposición al láser. Las muestras de piedra se colocaron en una cubeta de vidrio llena de agua. Los cálculos se perforaron con varios parámetros de radiación láser, de tal manera que la fibra estuviera siempre en contacto con la piedra en el centro de un lado de 5 x 2,5 mm para imitar un régimen de tratamiento de fragmentación. Durante el experimento, el tiempo de agrietamiento de las muestras de piedra en dos fragmentos se registró utilizando un cronómetro. Después de eso, la retropulsión se evaluó con los mismos parámetros del láser mediante la configuración descrita en la sección experimental de escaneo anterior.

[0263] Todas las mediciones se repitieron 3 veces para cada punto de ajuste, se calcularon el valor medio y la desviación estándar.

[0265] Modulación de amplitud-frecuencia (AFM)

[0267] El caso general de la secuencia de pulsos láser utilizada actualmente en la litotricia láser actual se ilustra en la Figura 2. En este caso, la secuencia se caracteriza por la magnitud constante (potencia pico) Pp, la energía de pulso constanteE,y el período constanteT,de cada pulso único (Figura 2A). La forma del pulso único (201), por otro lado, puede variar entre un pulso cuasi-rectangular 202 simple (Figura 2B), que es típico de los láseres bombeados por diodos; forma 203 de pulso (Figura 2C), característica de los láseres bombeados por lámpara de destello, con borde ascendente inclinado y cola larga; la forma 204 de pulso (Figura 2D), que también es común en los láseres de estado sólido bombeados por lámpara de destello, donde la forma general suave se modula con micropulsos o picos irregulares, debido a la oscilación de relajación del láser; o forma 205 de pulso compuesto (Figura 2D), que aparece en sistemas láser de estado sólido con lámpara de destello de múltiples cabezales. En la técnica se conocen otras formas de pulso, tales como, por ejemplo, un conjunto de micropulsos regulares [Blackmon RL, Fried NM, Irby PB. Enhanced thulium fiber laser lithotripsy using micro-pulse train modulation. Journal of biomedical optics. Febrero de 2012;17(2):028002] o un pulso que consiste en dos subpulsos 206 (Figura 2E), que tiene un subpulso inicial de menor energía seguido de un subpulso 206 posterior de mayor energía después de un intervalo de 100 a 200 ps [patente US-5.321.715].

[0269] Por el contrario, la presente invención enfatiza varias ventajas y beneficios que se obtienen al variar una o más de las cantidadesPp, E,yTsegún las ecuaciones (4-9). Las modulaciones de amplitud-frecuencia son el tipo de modulación más general cubierto por la presente invención. En la Figura 3 se muestra un ejemplo de AFM. En este caso, el período de modulación de amplitud Na es igual a la modulación de frecuencia Np y es igual a 6. La AFM puede caracterizarse por un período grupal promedio Tav, definido como:

[0272]

[0275] donde Ng es el número de pulsos en el grupo periódico, Ti es el período del pulso i-ésimo. La AFM es beneficiosa tanto para los modos de tratamiento con contacto como sin contacto. Los parámetros AFM preferidos son los siguientes:

[0277] 1. Modo de escaneo

[0279] Parámetros preferibles:

[0281] Longitud de onda 1,81 -2,2 pm, más preferiblemente 1,908-1,98 pm

[0283] Potencia pico Pa = 250-5000 W, más preferiblemente 400-1000 W

[0285] Energía por pulso 0,01 -2 J, más preferiblemente 0,05-0,5 J

[0287] Frecuencia de repetición del pulso v = 5-3000 Hz/Período T = 0,00033-0,2 s, más preferiblemente 50-1000 Hz, 0,001 -0,02 s

[0290] NíKMQ

[0292] N p ::: 1 -100

[0294] Estos ajustes se ejemplifican en la Figura 4 y la Tabla 1. Todos los experimentos se realizaron con una potencia promedio idéntica de 30 W, para proporcionar el mismo perfil de seguridad de los tejidos blandos.

[0296] Tabla 1. Ejemplos de secuencias de AFM para el modo de contacto/escaneo de la litotricia.

[0297]

[0299] La tabla muestra que los regímenes de AFMM aumentan significativamente la eficiencia de la ablación (hasta 3,1 veces) y la profundidad de la ablación, sin aumentar la retropulsión, en comparación con los regímenes regulares (no modulados) con 500 W y 1000 W de potencia pico.

[0300] Modo contacto/fragmentación

[0301] Parámetros preferibles:

[0302] Longitud de onda 1,81 -2,2 gm, más preferiblemente 1,908-1,98 gm

[0303] Potencia pico Pa = 100-2000 W, más preferiblemente 250-1000 W

[0304] Energía por pulso 0,2-10 J, más preferiblemente 0,5-5 J

[0305] Frecuencia de repetición de pulso v = 1-300 Hz/Período T = 0,0033-1 s

[0306] Na=2-10

[0307] Np-MUO

[0308] 2. Modo sin contacto(popcorning)

[0309] Parámetros preferibles:

[0310] Longitud de onda 1,81 -2,2 gm, más preferiblemente 1,908-1,98 gm

[0311] Potencia pico Pa = 500-3000 W, más preferiblemente 500-2000 W

[0312] Energía por pulso 0,05-1 J, más preferiblemente 0,05-0,5 J

[0313] Frecuencia de repetición de pulso v = 10-1000 Hz/Período T = 0,001 -0,1 s

[0314] Na-2-100

[0315] Np~ 1 -100

[0316] Modulación de amplitud

[0317] La modulación de amplitud es un caso particular de AFM, cuando el período del pulso permanece constante. Un caso típico de modulación de amplitud (AM) se muestra en la Figura 5. En este caso, la magnitud (Pp oE)varía con el período Na = 3, mientras que el período T entre los pulsos individuales permanece constante. El grupo de pulsos 501 en el intervalo de tiempoT*Nase denomina grupo periódico de pulsos modulados en amplitud.

[0318] Son posibles muchas variedades de grupos de pulsos. Algunos se ilustran en la Figura 6(a-g). Como puede verse en la Figura 6, tanto elPpcomo elEpueden variarse dentro del marco de la AM.

[0319] La AM puede ser beneficiosa para ambos modos principales de la litotricia láser (es decir, con y sin contacto). A continuación, se resumen los regímenes preferibles y los ejemplos ilustrativos:

[0320] 1. Modo contacto/escaneo

[0321] Parámetros preferibles:

[0322] Longitud de onda 1,81 -2,2 pm, más preferiblemente 1,908-1,98 pm

[0323] Potencia pico Pa = 250-3000 W, más preferiblemente 400-1000 W

[0324] Energía por pulso 0,02-2 J, más preferiblemente 0,05-0,5 J

[0325] Frecuencia de repetición del pulso v = 5-3000 Hz/Período T = 0,00033-0,2 s, más preferiblemente 50-1000 Hz, 0,001 -0,02 s

[0326] Na===2-10

[0327] Estos ajustes se ejemplifican en la Figura 6 y la Tabla 2.

[0328] Tabla 2. Ejemplos de secuencias de AM para el modo de contacto/escaneo de la litotricia.

[0330]

[0331]

[0333] Estos datos sugieren que la modulación de amplitud puede aumentar la calidad del régimen en más de 3 veces. 2. Modo contacto/fragmentación

[0334] Parámetros preferibles:

[0335] Longitud de onda 1,81 -2,2 pm, más preferiblemente 1,908-1,98 pm

[0336] Potencia pico Pa = 100-20000 W, más preferiblemente 250-3000 W

[0337] Energía por pulso 0,2-20 J, más preferiblemente 0,5-10 J

[0338] Frecuencia de repetición de pulso v = 1-500 Hz/período T = 0,0002-1 s

[0339] Na-2-10

[0340] 3. Modo sin contacto (popcorning)

[0341] Parámetros preferibles:

[0342] Longitud de onda 1,81 -2,2 pm, más preferiblemente 1,908-1,98 pm

[0343] Potencia pico Pa = 500-3000 W, más preferiblemente 500-2000 W

[0344] Energía por pulso 0,05-1 J, más preferiblemente 0,05-0,5 J

[0345] Frecuencia de repetición de pulso v = 10-3000 Hz/Período T = 0,0003-0,1 s

[0346] Na~2-100

[0347] Estos ajustes se ejemplifican en la Figura 7 y la Tabla 3.

[0348] Tabla 3. Ejemplos de secuencias AM para el modo de litotricia sin contacto. Todos los experimentos se realizaron con una potencia promedio idéntica de 40 W, con el fin de hacer coincidir los perfiles de seguridad de los tejidos blandos para diferentes montajes.

[0350]

[0352] Estos datos sugieren que la modulación de amplitud puede reducir significativamente (hasta un 60 %) el tiempo necesario para completar el procedimiento de pulverización sin contacto, al tiempo que mantiene constante la potencia promedio del láser

[0353] Modulación de frecuencia (FM)

[0354] La modulación de frecuencia es un caso particular de FM, cuando el período del pulso varía, mientras que tanto la energía del pulso como la potencia pico permanecen constantes. Un caso típico de modulación de frecuencia se muestra en la Figura 8. En este caso, la magnitud (Pp yE)permanece constante, mientras que el período del pulso varía con el período Np = 5. Como AFM, la FM se caracteriza por el período de pulso promedio Tav. El grupo de pulsos 801 en el intervalo de tiempoTav*Npforma el grupo periódico de pulsos.

[0355] Son posibles muchas variedades de grupos de pulsos de FM.

[0356] La FM puede ser beneficiosa para ambos modos principales de la litotricia láser (es decir, con y sin contacto). A continuación, se resumen los regímenes preferibles:

[0357] 1. Modo contacto/escaneo

[0358] Parámetros preferibles:

[0359] Longitud de onda 1,81 -2,2 pm, más preferiblemente 1,908-1,98 pm

[0360] Potencia pico Pa = 250-3000 W, más preferiblemente 400-1000 W

[0361] Energía por pulso 0,02-2 J, más preferiblemente 0,05-0,5 J

[0362] Frecuencia de repetición del pulso v = 5-3000 Hz/período T = 0,00033,2 s, más preferiblemente 50-1000 Hz, 0,001-0,02 s

[0364]

[0366] 2. Modo contacto/fragmentación

[0367] Parámetros preferibles:

[0368] Longitud de onda 1,81 -2,2 pm, más preferiblemente 1,908-1,98 pm

[0369] Potencia pico Pa = 100-3000 W, más preferiblemente 400-1000 W

[0370] Energía por pulso 0,2-20 J, más preferiblemente 0,5-5 J

[0371] Frecuencia de repetición de pulso v = 1-300 Hz/Período T = 0,0033-1 s

[0372] Np-10-100

[0373] 3. Modo sin contacto(popcorning)

[0374] Parámetros preferibles:

[0375] Longitud de onda 1,81 -2,2, más preferiblemente 1,908-1,98

[0376] Potencia pico Pa = 250-5000 W, más preferiblemente 250-1000 W

[0377] Energía por pulso 0,02-1 J, más preferiblemente 0,05-0,5 J

[0378] Frecuencia de repetición de pulso v = 10-1000 Hz/Período T = 0,001 -0,1 s

[0379] N p - 10-100

[0380] Forma de pulso

[0381] La energía láser que se emite desde el extremo de la fibra y que viaja en un medio líquido (agua) en el espacio entre el extremo de la fibra y la superficie de una piedra o un tejido hacia la piedra o tejido objetivos, se absorberá, pero la absorción puede ser inferior a la esperada, lo que se atribuye al “efecto Moses” , en el que el líquido absorbe un primer componente de la energía emitida y crea una burbuja de vapor en el medio líquido a fin de que la energía restante atraviese un medio gaseoso/de vapor menos restrictivo o absorbente, caracterizado por una menor atenuación óptica. La burbuja de vapor inducida por láser que se crea durante el pulso inicial funciona para “separar el agua” , lo que permite que el pulso posterior se entregue de manera más eficiente a la piedra. Se ha propuesto utilizar este fenómeno para aumentar la eficiencia de la ablación de piedras utilizando dos pulsos: primero, entregar un pulso corto de baja energía que crea una burbuja de vapor, seguido de un pulso de tratamiento más largo y de mayor energía (véase la patente US-5.321.715).

[0383] En la presente invención, controlar la estructura temporal de la potencia láser se utiliza para minimizar el efecto de retropulsión. La burbuja de agua que se forma entre la piedra y el extremo distal de la fibra puede generar presión y fuerza para desplazar la piedra lejos de la fibra. Este efecto se puede minimizar disminuyendo la potencia y la energía del láser durante la formación de burbujas. El colapso de la burbuja entre los pulsos puede generar presión y fuerza negativas en la piedra y compensar el desplazamiento de la piedra debido al crecimiento de la burbuja y al desplazamiento de retroceso durante la ablación de la piedra (efecto de succión). Estos efectos se pueden controlar variando la forma del pulso individual f(t), la energía del pulso E y el intervalo entre pulsos T.

[0385] La ablación con láser normalmente requiere la combinación de una alta eficiencia de ablación y un bajo efecto de retropulsión. Para comparar diferentes estructuras láser temporales, se puede utilizar la eficiencia de ablación láser r<|abl>, que se define como el volumen del producto de la ablación dividido entre la energía láser total gastada para ablar este volumen, y la velocidad del desplazamiento V del cálculo debido a la retropulsión en el preciso inicio del pulsado láser. El valor de V se determina por el impacto de un solo pulso para una baja frecuencia de repetición o por el impacto de un número de pulsos durante aproximadamente 0,1 s para un sistema láser de alta frecuencia de repeticiones. Específicamente, la relación q<abl>/V puede caracterizar la eficiencia práctica (compuesta) o la velocidad de tratamiento.

[0386] La forma del pulso para un láser de estado sólido configurado con el bombeo por lámpara de destello, normalmente tiene una estructura puntiaguda irregular y puede controlarse mediante la corriente bombeando la lámpara de destello de una manera muy limitada. Por el contrario, las fibras bombeadas por diodos y los láseres de estado sólido permiten un control preciso de la forma del pulso dentro de una amplia gama de parámetros y aumentan la velocidad de tratamiento.

[0388] En la presente invención, además de la AM y la AFM, la estructura temporal de la emisión láser se controla mediante la modulación de la forma del pulso individual f(t) para proporcionar las condiciones óptimas para la ablación de piedras con la máxima eficiencia y una retropulsión reducida;

[0390] Cuando se tratan piedras en el modo de contacto, el objetivo es aumentar la eficiencia de la ablación de piedras para reducir el tiempo total necesario para fragmentar la piedra. Esto se puede lograr ajustando la forma del pulso aplicando una intensidad reducida en la primera parte del pulso a fin de establecer un canal de Moses con pérdidas mínimas de energía (pero al mismo tiempo minimizar el efecto de retropulsión de dicho pulso), seguido de la aplicación de una mayor intensidad en la segunda parte del pulso a fin de maximizar el efecto térmico o termomecánico sobre la piedra. Las pérdidas por absorción de agua de la segunda parte del pulso se reducirán considerablemente debido a un canal de Moses establecido por la primera parte del pulso. Sin embargo, la burbuja o canal de vaporización de Moses, que crece entre el extremo de la fibra y la piedra, produce presión y fuerza sobre la piedra y, por lo tanto, crea un efecto de retropulsión. En la presente invención, se propone minimizar la potencia pico y la energía del pulso láser para reducir el efecto de retropulsión. En una configuración experimental, la dinámica de las burbujas se midió en el extremo de una fibra de 0,2 mm mediante una cámara de vídeo de alta velocidad, con una velocidad de 120.000 fotogramas por segundo. Se midió el efecto de desplazamiento de la muestra de piedra de una exposición de pulso único. Véase más arriba la descripción de la configuración experimental.

[0392] Tabla 5. Dimensiones de las burbujas de vapor.

[0394]

[0397] La Tabla 5 resume los datos experimentales para un TFL con una longitud de onda de 1940 nm y un núcleo de fibra de 0,2 mm. Los resultados indican que la longitud del desplazamiento de la burbuja y la piedra, que es proporcional a la presión de la burbuja, aumenta con la potencia pico y la energía del pulso láser. Las distancias entre el extremo de la fibra y la piedra en una configuración de contacto clínico oscilan entre 0 y 1 mm, aunque durante el tratamiento para períodos cortos de tiempo pueden superar los 2,5 mm. Para aprovechar la eficiencia de la ablación con el canal (vaporizado) de Moses, pero minimizando el efecto de retropulsión, se propone utilizar parámetros láser del primer subpulso para crear burbujas de una longitud no superior a 2,5 mm con una mínima presión. En función de los datos medidos de potencia pico del primer subpulso láser, que crea un canal de (vapor) Moses, la potencia pico debe estar en el intervalo de 50 a 500 W, preferiblemente de 100 a 300 W, y la energía por pulso debe ser de 0,02 a 0,15 J, preferiblemente de 0,05 a 0,1 J. El intervalo entre el primer y el segundo subpulsos para una ablación eficaz debe definirse en función de los siguientes criterios: 1) El segundo subpulso debe iniciarse después de que el frente del canal de vapor alcance la piedra, es decir, cuando la burbuja haya crecido hasta 2,5 mm, preferiblemente 1 mm; 2) La presión sobre la burbuja ha disminuido o se ha vuelto negativa para producir un efecto de succión sobre la piedra.

[0399] Tabla 6. Tiempos de crecimiento de las burbujas de vapor.

[0401]

[0404] La Tabla 6 muestra la duración del crecimiento de las burbujas hasta 1 mm y 3 mm, como función de la potencia pico y la energía del láser a partir del intervalo propuesto. Por lo tanto, el intervalo entre los subpulsos debe estar en el intervalo de 50 a 900 ps, preferiblemente de 100 a 500 ps. La energía del segundo subpulso debe estar en el intervalo de 0,1 a 10 J. Tal forma de pulso se ilustra en la Figura 9.

[0406] En otras realizaciones de la presente invención, se propone la forma de pulso con potencia entregada de forma continua durante el pulso. Esta forma es la más eficaz para el modo de fragmentación cuando el operador utiliza la técnica de perforación y, al mismo tiempo, proporciona un contacto cercano entre el extremo de la fibra láser y la piedra durante todo el ciclo de tratamiento. En este caso, la capa de agua entre el extremo de la fibra y la piedra puede ser muy mínima (por debajo de 0,5 mm) o no estar presente en absoluto. El láser que se utiliza actualmente para la litotricia tiene un pulso uniforme rectangular o de superficie plana, que es típico de los láseres 202 de fibra y estado sólido bombeados por diodos (Figura 2). Los láseres de estado sólido con bombeo por destello, tal como el Ho:YAG, tienen una forma asimétrica con una mayor potencia al principio del pulso y una relajación lenta de la potencia en la cola posterior 203 o 204 (Figura 2). Estas formas de pulso no son óptimas para el agrietamiento de la piedra durante la perforación. Con el fin de aumentar la eficiencia de la ablación durante la perforación y la fragmentación, en la presente invención se propone utilizar pulsos con dos partes, donde la primera parte se utiliza para eliminar el agua residual entre la fibra y la piedra, y para la ablación de la piedra y el precalentamiento de la piedra alrededor del cráter de ablación (Figura 10). El precalentamiento de la primera parte del pulso con menor potencia dará como resultado un aumento del estrés térmico alrededor del cráter láser y un aumento del coeficiente de absorción de la matriz de piedra debido al calentamiento por encima de 100-250° C. La segunda parte del pulso con mayor potencia se absorberá más eficazmente por el material de la piedra y producirá un daño mecánico más eficaz debido a una mejor absorción que la de la primera parte del pulso y a una mayor potencia pico de la segunda parte y al estrés mecánico inicial en la piedra alrededor del cráter láser. Como resultado, aumentará la probabilidad de que la piedra se agriete en partes grandes. Al mismo tiempo, el efecto de retropulsión de tal pulsado disminuirá debido a una transformación más eficaz de la energía láser en agrietamiento en lugar de a la ablación de pequeñas partículas con un elevado momento de retroceso. Esto se ilustra en la Figura 10,dondeties la duración de la primera parte del pulso y T<2>es la duración de la segunda parte del pulso. El perfil de potencia de la primera parte del pulso f<1>(t) puede ser constante en el nivel P<min>o una función monótona, tal como funciones lineales, exponenciales y polinómicas que aumentan desde P<min>hasta P<max>, donde P<max>es la potencia pico de la segunda parte del pulso. También son posibles otras dependencias temporales de la intensidad y serán obvias para los expertos en la materia. La duración de la primera parte del pulso se puede determinar teniendo en cuenta la energía mínima requerida para establecer el canal de Moses y producir la ablación de la piedra con un calentamiento sustancial de la matriz de la piedra alrededor del cráter láser para aumentar la absorción de la matriz de la piedra y mejorar el efecto de macrofisuración de la piedra. En realizaciones alternativas, la duración de la primera parte se puede determinar en tiempo real mediante un mecanismo de retroalimentación. El mecanismo de retroalimentación indicará el establecimiento de la temperatura del canal de Moses y/o del cráter de piedra, y puede basarse en tecnologías ópticas, acústicas o de otro tipo. Por ejemplo, la temperatura de la piedra se puede detectar mediante la medición de la radiación térmica emitida por la piedra a través de la misma fibra que se utiliza para la entrega de energía láser. Para el TFL con una longitud de onda de 1,94 pm, hemos descubierto experimentalmente que la potencia láser de la primera parte del pulso debe estar en el intervalo de P<min>= 50-200 W. La duración del pulsotidebe estar en el intervalo de 0,1 a 10 ms, con una energía de la primera parte del 10 al 70 % de la energía total del pulso, mientras que la potencia de la segunda parte del pulso debe estar en el intervalo de 400 a 20000 W y su duración en el intervalo de 0,5 a 20 ms.

[0408] En la Figura 11 y la Tabla 7 se muestran ejemplos de formas de pulso optimizadas para la perforación y fragmentación de piedras.

[0410] Tabla 7. Las formas de pulso son preferibles para la perforación y fragmentación de piedras. Todos los experimentos se realizaron con una potencia promedio idéntica de 9 W, con el fin de hacer coincidir los perfiles de seguridad de los tejidos blandos para diferentes configuraciones.

[0412]

[0415] La Tabla 7 muestra que el aumento de la potencia pico en los regímenes regulares conduce a una disminución del tiempo de agrietamiento, aunque también aumenta el efecto de retropulsión, por lo que la calidad del régimen resultante permanece casi igual. Por el contrario, la confirmación del pulso propuesta en la presente invención reduce tanto el tiempo de agrietamiento como el efecto de retropulsión, lo que conduce al aumento deseado en la calidad del régimen.

[0417] La descripción y los ejemplos anteriores se han expuesto simplemente para ilustrar la descripción y no pretenden ser limitativos. En consecuencia, la descripción debe interpretarse en sentido amplio para incluir todas las variaciones dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (7)

1. REIVINDICACIONES

i.Un sistema láser (100) para el tratamiento de cálculos en un cuerpo humano o animal, que comprende:

un láser (105) configurado para emitir una secuencia de pulsos láser, el láser (105) configurado para operarse en un régimen de modulación de amplitud-frecuencia, AFMR, en donde el láser (105) es un láser de fibra Tm bombeado por diodos, TFL, configurado para emitir los pulsos láser con: una potencia pico de pulso y/o energía de pulso variadas periódicamente con un período de modulación Na igual al número de pulsos en un grupo periódico de pulsos en amplitud, y una frecuencia de pulso, PF, variada periódicamente con un período de modulación de frecuencia Np igual al número de pulsos en un grupo periódico de pulsos en frecuencia;

una fibra (107) que guía los pulsos láser hacia los cálculos;

una bomba (104) configurada para energizar el láser (105), y que comprende uno o más láseres de diodo; un controlador (108) configurado para emitir una señal de control que contiene información sobre la potencia máxima y/o la energía de pulso deseadas, y la PF deseada en el AFMR;

un controlador (103) de láser acoplado al controlador (108) y configurado para emitir una secuencia de pulsos de corriente eléctrica que se modulan periódicamente y se acoplan a una entrada de la bomba (104), comprendiendo además el controlador (103) del láser:

un dispositivo (102) de almacenamiento de energía acoplado operativamente al controlador (108).

2. El sistema láser (100) de la reivindicación 1, en donde el período de modulación Na de al menos una de entre la potencia pico y la energía de pulso, oscila de 2 a 1000 pulsos láser, preferiblemente de 2 a 100 pulsos láser, lo más preferiblemente de 2 a 10 pulsos láser.

3. El sistema láser (100) de la reivindicación 1, en donde el período de modulación Np de la PF varía de 2 a 1000 pulsos láser, preferiblemente de 2 a 100 pulsos láser, lo más preferiblemente de 2 a 10 pulsos láser.

4. El sistema láser (100) de la reivindicación 1, en donde el láser (105) está configurado para operar en un modo de funcionamiento libre emitiendo la secuencia de pulsos láser con una PF que oscila entre 2 y 5000 Hz, caracterizándose cada pulso láser por:

una energía de pulso láser en un intervalo de 0,01 J a 10 J,

una potencia pico de pulso láser en un intervalo de 100 a 20000 W, preferiblemente un intervalo de 250 a 3000 W, y

una duración del pulso láser en un intervalo de 25 ps a 20 ms, siendo preferible un intervalo de 50 ps a 10 ms.

5. El sistema láser (100) de la reivindicación 1, en donde el láser (105) que opera en el AFMR en un procedimiento quirúrgico de escaneo está configurado para emitir la secuencia de pulsos ópticos con:

la PF = de 5 a 3000 Hz, más preferiblemente un intervalo de 50 a 1000 Hz,

el período de modulación de amplitud Na que oscila entre 2 y 10 pulsos ópticos, el período de modulación de frecuencia Np que oscila entre 1 y 100 pulsos ópticos, emitiéndose cada uno de los pulsos ópticos con

un intervalo de potencia pico siendo preferible de 400 a 1000 W,

y la energía por pulso en el intervalo de 0,01 a 2 J, preferiblemente de 0,05 a 0,5 J.

6. El sistema láser (100) de la reivindicación 1, en donde el láser (105) que opera en la AFMR durante un procedimiento quirúrgico de fragmentación está configurado para emitir la secuencia de pulsos ópticos con

la PF que varía entre 1 y 5000 Hz,

el período de modulación de amplitudes Na que oscila entre 2 y 10 pulsos ópticos, y el período de modulación de frecuencia Np que oscila entre 1 y 100 pulsos ópticos: emitiéndose cada uno de los pulsos ópticos con

un intervalo de potencia pico entre 100 y 20000 W, con un intervalo de 250 a 3000 W siendo preferible,

una energía por pulso que varía entre 0,2 y 20 J, y preferiblemente entre 0,5 y 10 J.

7. El sistema láser (100) de la reivindicación 1, en donde el láser (105) que opera en el AFMR en un procedimiento quirúrgico sin contacto está configurado para emitir la secuencia de pulsos ópticos con:

la PF que varía entre 10 y 3000 Hz,

el período de modulación de amplitudes Na que oscila entre 2 y 100 pulsos ópticos, y el período de modulación de frecuencia Np que oscila entre 1 y 100 pulsos ópticos,

emitiéndose cada uno de los pulsos ópticos

con una potencia pico en un intervalo de 250 a 3000 W, siendo preferible un intervalo de 250 a 1000 W,

con una energía por pulso que varía entre 0,02 y 1 J, y preferiblemente en un intervalo de 0,05 a 0,5 J.