автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Лазерное формирование медицинского волоконно-оптического рассеивающего инструмента

Введение. Общая характеристика работы.

Глава 1. Постановка и анализ задачи.

1.1 Обзор литературы по медицинскому инструментарию для коагуляции.

1.2 Основные принципы лазерной термокоагуляции.

1.3 Основные принципы конструирования лазерного волоконно-оптического инструмента для термокоагуляции.

1.3.1 Характеристика лазерного источника.

1.3.2 Идея рассеивающего волоконно-оптического инструмента.

Глава 2. Лазерная технология изготовления РВОИ.

2.1 Лазерная установка для формирования РВОИ.

2.2 Технология изготовления РВОИ

2.2.1 Лазерный технологический процесс формирования РВОИ.

2.2.2 Анализ и оптимизация полученных результатов.

2.2.3 Лазерно-плазменная и лазерно-механическая методика формирования РВОИ.

2.3 Оптические характеристики РВОИ.

Глава 3. Аналитическая оценка параметров лазерной термокоагуляции.

3.1 Биофизическая постановка задачи.

3.2 Аналитический расчет.

3.3 Сравнение аналитических и экспериментальных результатов.

Глава 4. Экспериментальные исследования режимов лазерной термокоагуляции. Метод искусственной биоткани.

4.1 Искусственная биоткань. Идея, основные особенности использования.

Общая характеристика работы.

Актуальность работы

Лазеры широко применяют в хирургии. Для проведения хирургических вмешательств на тканях и органах пациента используют два существенно отличающихся подхода: абляцию и коагуляцию. При абляции выполняют локальное удаление патологической ткани, путем ее разреза или иссечения. В случае коагуляции лазерное излучение дозируется таким образом, что участок ткани остается на месте, однако подвергается термической обработке при которой происходит денатурация белка, что приводит к гибели клеток. В послеоперационном периоде коагулированная ткань постепенно рассасывается, что происходит параллельно с излечением больного от основного заболевания. Чаще всего лазерную коагуляцию накожных патологических изменений, главным образом опухолей или различных образований на слизистых оболочках проводят с использованием Nd:YAG (1,064 мкм) лазера, работающего в непрерывном режиме, или близких по длине волны диодных лазеров [1]. В этих случаях дистальный конец волоконного световода устанавливают на некотором расстоянии от места облучения (дистанционный режим).

В последние годы, однако, коагуляцию стали успешно применять и в контактном режиме, при котором дистальный конец инструмента устанавливается непосредственно в толще ткани, подлежащей некрозу. Такой способ обработки ткани называют лазерной интерстициальной термокоагуляцией (laser interstitial thermocoagulation, ЛИТ). Чаще всего метод ЛИТ используют для коагуляции злокачественных опухолей, обычно - метастатического рака печени [2, 3, 4, 5]. В последнее время появились сообщения о возможности применения метода ЛИТ при некоторых не опухолевых патологиях, в частности в случаях нарушения гормональной секреции яичников у женщин [6]. Необходимо подчеркнуть, что подавляющее большинство экспериментальных исследований и все клинические испытания метода ЛИТ выполнены на сегодняшний день лишь в зарубежных клиниках. Также следует отметить, что до сих пор не разработано унифицированного подхода и стандартного технического оснащения для таких процедур. Поэтому результаты метода ЛИТ, особенно клинические, пока еще на много менее удовлетворительны, чем при других видах лазерных вмешательств. Анализ современной литературы позволяет выделить три основных фактора, которые сдерживают широкое внедрение метода ЛИТ:

1. При введении плоскосколотого торца световода непосредственно в ткань из-за высокой плотности мощности имеет место карбонизация (обугливание) пограничного слоя биоткани и световода, что препятствует распространению лазерного излучения вглубь и не дает возможности получить значительные по объему участки коагуляции, и следовательно, обрабатывать крупные опухоли, в этом случае также возможно и разрушение инструмента. Попытки охлаждения наконечника водой или газом уменьшают обугливание, но иногда приводят к эмболии (закупорке) кровеносных сосудов и гибели больного [6, 7, 8].

2. Далеко не всегда удается получить достаточно крупные объемы коагулированной ткани без карбонизации, что, по-видимому, зависит как от неудачно подобранных энергетических параметров, так и от неадекватной геометрической формы рассеивающего наконечника [4, 9].

3. Далекой от оптимума является и форма коагулированных объемов ткани. Согласно литературным данным, полученным при макроскопическом и гистологическом анализе экспериментального и аутопсийного материала, участки коагулированной ткани имеют не сферическую, а скорее вытянутую, близкую к эллиптической форму [2, 4, 9, 10]. Такая конфигурация обработанных зон не рациональна, поскольку метастатические опухоли печени, не выходящие на поверхность, имеют форму близкую к сферической (что объясняется одинаковой скоростью роста патологических клеток во всех направлениях, поэтому коагуляция в виде эллипса может оказаться недостаточной для подавления новообразования крупных размеров или же вынуждает хирурга коагулировать попутно значительный участок неопухолевой ткани, что опасно для больного.

Представляется очевидным, что каждый из указанных факторов в первую очередь определяется несовершенством оптического инструмента (наконечника световода), применяемого для целей метода ЛИТ. В настоящее время описаны несколько различных конструкций наконечников [4, 8, 10, 11], некоторые из которых хотя и исключают карбонизацию, но, тем не менее не обеспечивают коагуляцию достаточно крупных объемов ткани сферической формы. В связи с этим одной из самых актуальных проблем успешного проведения операции методом ЛИТ остается разработка, испытание и клиническое внедрение наконечника типа сферического облучателя, который был бы лишен указанных выше недостатков. Кроме того, для массового испытания новых систем наконечников необходим модельный объект, который позволял бы быстро и с высокой точностью оценивать и отбирать испытуемые разновидности наконечников. Подобный инструмент может быть применен также как для целей низкоинтенсивной терапии (реканализации сосудов и протоков, облучение урогенитальных полостей и протоков), так и для лазерной хирургии (например в лор-практике: коагулирование полипов, раковых новообразований гортани). Таким образом, создание рассеивающего волоконно-оптического инструмента со сферическим фронтом оптического излучения является важной задачей современной лазерной медицинской техники.

Цель работы.

На основании изложенного выше была сформулирована основная цель данной работы:

Разработка и всестороннее исследование рассеивающего волоконно-оптического инструмента (РВОИ) для целей ЛИТ. Достижение указанной цели потребовало решения следующих основных задач: создание базовой конструкции РВОИ и ее модификаций,

- разработки технологии для формирования РВОИ, создание экспериментальной установки для формирования РВОИ, исследования и оптимизации оптических характеристик РВОИ, на основании визуализации результатов взаимодействия лазерного излучения прошедшего через РВОИ с облучаемой тестовой искусственной биотканью (ИТ).

Методы исследования и материалы

Для решения поставленных задач были разработаны и выбраны следующие методы исследования и материалы:

1. Для создания РВОИ разработана и реализована экспериментальная лазерная установка, основанная на механической вытяжке оптического волокна (ОВ) при лазерном нагреве непрерывным излучением СОг-лазера и последующем профилированием полученной поверхности импульсным излучением СОг-лазера.

2. Разработан и использован ряд технологических методов и приемов при создании экспериментальных образцов РВОИ, в том числе: метод механической вытяжки ОВ при лазерном нагреве, лазерное профилирование (абляция) поверхности ОВ,

- механическая обработка оптических поверхностей ОВ, лазерно-плазменная методика обработки ОВ.

3. Разработана методика оценки результатов воздействия лазерного излучения, прошедшего через РВОИ, на биоткань основанная на теоретическом определении глубины термокоагулированного слоя и сравнении ее с экспериментальным значением полученным в результате тестовых экспериментов с живой биотканью и искусственной биотканью.

4. Для определения глубины термокоагуляции был применен математический аппарат теории теплопроводности.

5. Метод сканирующей диафрагмы - для определения диаграмм направленности рассеивающих элементов.

6. Калориметрические методы - для определения мощности лазерного излучения и оценки эффективности РВОИ.

7. Методы оптической микроскопии и микрофотографии при изучении результатов воздействия лазерного излучения.

8. Методы гистологического анализа образцов биоткани.

9. Метод экспресс-анализа результатов воздействия лазерного излучения на ИТ.

10. Тестовые хирургические методики коагуляции с использованием лазерного скальпеля, электрокаутера, экспериментальных образцов РВОИ.

Материалами для биофизических исследований служили реальные образцы живой биоткани: раковые опухоли гортани - in vitro, печень крысы, печень кролика, мышечная ткань кролика - in vivo, а также искусственная (тестовая) биоткань.

- Предложена концепция построения рассеивающего волоконно-оптического инструмента для лазерной термокоагуляции, основанная на явлении полного внутреннего отражения в фоконе и диффузного рассеивания мод с низкими модовыми числами, отвечающая требованию сферичности распространяющегося фронта излучения.

- Разработана технология и экспериментальная установка для изготовления РВОИ. Предложены три основные технологические методики производства РВОИ (адаптированные под разные типоразмеры инструмента):

Лазерная - для обработки ОВ с диаметром световедущей сердцевины до

400 мкм.

Впервые предложена и реализована лазерно-плазменная методика формирования, которая позволяет обрабатывать волокна с диаметрами световедущей сердцевины от 400 до 600.

Лазерно-механическая методика максимально упрощена и создана для волокон больших диаметров 1000-1200 мкм).

- Определены основные характеристические закономерности термокоагуляции ИТ под действием лазерного излучения, прошедшего через РВОИ.

- Предложен и разработан метод оптимизации режимов ЛИТ, основанный на сопоставлении экспериментальной глубины коагулированной зоны ИТ с теплофизическим расчетом максимальной глубины проникновения изотермы коагуляции.

Основные результаты выносимые на защиту

Принципиально новая конструкция РВОИ для метода ЛИТ;

Лазерная, лазерно-плазменная, лазерно-механнческая технология формирования РВОИ;

- Методика оптимизации режимов взаимодействия лазерного излучения прошедшего через РВОИ с биотканью, обеспечивающая получение коагулированных зон максимально возможных размеров;

- Принципы оптимизации и совершенствования микрооптических элементов для волоконно-оптических зондов медицинского назначения.

Практическая ценность работы

• Сконструирован и создан экспериментальный образец РВОИ.

• Разработан действующий макет экспериментальной установки для изготовления РВОИ.

• Определены методы тестирования РВОИ и разработаны методики изучения взаимодействия лазерного излучения с тканью на примере специально созданной искусственной биоткани.

• Получены зависимости размеров скоагулированной зоны от времени экспозиции для выбранного образца РВОИ.

• Показана практическая возможность применения разработанного РВОИ для коагуляции злокачественных новообразований.

Реализация на практике

Проведены клинические испытания РВОИ на искусственной биоткани, животных (in vivo), раковых метастазах опухоли человека (in vitro).

Апробация работы

Результаты работы докладывались на:

1. Международной конференции: " 5th Congress of Scandinavian Society for Laser Therapy", Aarhus, Дания, апрель 1997.

Основные результаты работы:

- Предложена концепция конструкции РВОИ для метода ЛИТ, основанная на явлении ПВО в фоконе и диффузного рассеивания мод с низкими модовыми числами, со сферичным фронтом излучения.

- Создана экспериментальная установка и реализованы предложенные методики формирования РВОИ (адаптированные под разные типоразмеры инструмента):

• лазерная - для волокон с диаметром световедущей сердцевины до 400 мкм;

• лазерно-плазменная - для волокон с сердцевиной от 400 до 600 мкм;

• лазерно-механическая -для волокон с сердцевиной от 1000 и более микрометров.

- Установлены основные характеристические закономерности термокоагуляции биоткани под действием лазерного излучения, прошедшего через РВОИ.

- Предложен и разработан эмпирический метод оптимизации режимов ЛИТ, основанный на сопоставлении экспериментальной глубины коагулированной зоны в ИТ с теплофизическим расчетом и определении на этой основе длительности и мощности облучения биоткани, обеспечивающих максимальную глубину проникновения изотермы коагуляции.

- Создан экспериментальный образец РВОИ. Определены методы тестирования РВОИ и разработаны методики изучения взаимодействия лазерного излучения с тканью на примере специально созданной ИТ.

- Показана практическая возможность применения разработанного РВОИ для коагуляции злокачественных новообразований

Созданное семейство РВОИ может быть с успехом применено для различных разделов лазерной медицины, где требуется точное дозирование излучения в заданном пространстве биообъекта. Вероятно, что подобный инструмент может быть применен и в технике, например, в качестве диффузного источника света при эндоскопии скрытых полостей деталей и механизмов.

В случае клинического применения разработанного инструмента, следует отметить необходимость повышения степени автоматизации процесса формирования РВОИ, с целью минимизации ручных операций, для повышения технологичности производства.

Заключение.

1. Wheeland R.G. Clinical uses of lasers in dermatology. // Lasers Surg. Med., 1995, V.16, P. 2-23.

2. Castren-Persons M., Lopasti M., Puolakkainen P., Schroder T. Laser-induced hyperthermia: comparison of two different metods. // Lasers Surg. Med., 1992, V.12, P. 665-668.

3. Dowlatshahi K.,Bangert J.D., Haklin M.F., Rhodes C.K., Weinstein R.S., Economon S.G., Protection of fiber function by para-axial fluid flou in interstitial laser therapy of malignat tumors. // Laser Surg. Med., 1990, V.10, P. 322-327.

4. Van Hillergersberg R., Van Staveren H.J., Kort W.J., Zondervan P.E., Tersptra O.L., Interstitial Nd:YAG laser coagulation with a cylindrical diffusing fiber tip in experimental liver metastases. // Laser Surg. Med., 1994, V.14, P. 124-138.

5. Wyman D., Wilson В., Adams K. Dependence of laser coaculation on interstitial delivery parameters.//Laser Surg. Med., 1994, V.14, P. 59-64.

6. Beek J.F., Kaaijk E.M., Van der Veen, de Boer K., Ankum W.M., ten Kate F.J.W., Lammes F.B., van Germert M.J.C., Interstitial laser treatment of the ovary: an experimential stady in goats. // Laser Surg. Med. 1996, V.l 8, P. 34-38.

7. Auvari В., Motamedi M., Forres J.H., Rasteger S., Orihuela E., Effects of surface irrigation on the thermal response of tissue during laser irradiation. // Laser Surg. Med., 1994, V.14, P. 386-395.

8. Godlevski G., Rouy S., Pinodel C., Ould-Said H., Edeljam J.J., Bbourgeois J.M., Sambuc P. Deep localized Neodymium (Nd)-YAG laser coagulation in liver using a new water cooled and ecoguided handpiece. // Laser Surg. Med., 1988, V.8, P. 501

9. Matsumoto R., Selig A.M., Colucci V.M., Jolesz F.A., Interstitial Nd:YAG laser ablation in normal rabbit liver: trial to maximize the size of laser-induced lesions. // Laser Surg. Med., 1992, V.12, P. 650-658.

10. Panjehpour M., Overholt B.P., Milligan A.I., Swaggerty M.W., Wilkinson J.E., Klebanow E.R. Nd: YAG laser-induced interstitial hypertermia using a long frosted contact probe. // Laser Surg. Med., 1990, V.10, P. 16-24.

11. Dalcuzono N., Suzuki S., Tajiri H., Tsunekawa H., Ohyama M., Joffe S.N. Laserothermia: a new computer-controlled contact Nd:YAG system for interstitial laser hyperthermia. //Laser Surg. Med., 1988, V.8, P. 254-258.

12. Пионтковский И.А., Арсен Д'Арсонваль. // Природа, №3, 1946, с.87.

13. П.Долецкий С.Я., Драбкин P.JL, Ленюшкин А.И. Высокочастотнаяэлектрохирургия, // Москва, 1980.

14. Bennet R.G., C.V. Mosby. Electrosurgery, in Fundamentals of Cutaneous Surgery. // St. Louis, 1988, pp. 553-590.

15. Spiller W.F., Spiller R.F. Treatment of basal cell epithelioma by curettage and electrodesiccation. // J. Am. Acad. Dermatol V.l 1, N7, p.808, 1984.

16. Sherman J.A. Oral Radiosurgery (An illustrated clinical guide) // Martin Dunitz 1997, p.l 84

17. Waldman S.R. Management of superficial Skin Lesions in a cosmetic surgery practice. Plastic and Reconstructive Surgery of the Head and Neck. // Proceedings of the Fifth International Symposium. Chapter 120. Pp.595-598, 1997.

18. Kalkwarf K.L., Krejci R.F., Wentz F.M. Healing of electrosurgical incisions in gingiva: Early histologic observations in adult men. // J. Prosthet Dent V.46, 1981, pp.662-669.

19. Kalkwarf K.L., Krejci R.F. Epithelial and connective tissue healing following electrosurgical incisions in human gingiva. // J. Oral Maxillofac Surg 1983, V.41, pp.80-85.

20. Arembanc D., Bryan-Wade A. A comparative wound healing study following gingivectomy by electrosurgery and knives. // J Periodont Res V.8, p.42, 1973.

21. Maiman T.H. Stimulated optical radiation in ruby. // Nature 1960 V.187 pp. 44934494.

22. Koester C.J., Snitzer E., Campbell C.J., Rittler M.C. Experimental laser retina photocoagulation. // J. Opt. Soc. Am. 1962, V.52, p.607.

23. Goldman L„ Blaney D., Kindel D.J. Jr., Richfield D., Franke E.K. Pathology of the effect of the laser beam on the skin. // Nature 1963, V. 197, pp.614-617.

24. Welch A. J.The thermal response of laser irradiated tissue. // IEEE J. Quantum Electronics 1984 QE-20 pp. 1471-1481.

25. McKenzie A.L. Physics of thermal processes in laser-tissue interaction. // J. Phys. Med. Biol. 1990 V.35 pp. 1175-1209.

26. Haldorson T., Langerholc J. Thermodynamic analysis of laser irradiation of biological tissue. // Appl Optics 1978 V.17 pp. 3948-3958.

27. Langerholc J. Moving fase transitions in laser irradiated biological tissue. // Appl Optics 1979 V.18 pp. 2286-2293.

28. Nishisaka T. Ozawa Y., Yonekava M. Analytical calculation of temperature distribution in biological tissue under laser irradiation. In: Atsumi K. (eds) New frontiers in laser medicine and surgery. // Excerpta Medica, Amsterdam, pp. 83-90.

29. Yoon G., Welch A.J., Motammedi M, van Gemert C.J. Development and application of three dimensional light distribution model for laser irradiated tissue. // IEEE J. Quantum Electronics QE-23 pp. 1721-1732.

30. Patterson M.S., Wilson B.S. Wyman D.R. The propagation of optical radiation in tissue. I: Models of radiation transport and their application. // Lasers in Surgery and Medicine 1991 V.6 N2 pp. 155-168.

31. Patterson M.S., Wilson B.S., Wyman D.R. The propagation of optical radiation in tissue. II: Optical properties of tissues and resulting fluence distributions. // Lasers in Surgery and Medicine V.6 N3 pp. 379-390.

32. Mullins F„ Hoye R.C., Ketcham A.S., Kelly M.G., O'Gara R.W., McKnight W.B., Jennings B. Studies in laser destructions of chemically induced primate hepatomas. // J. Am Surg 1967V.33 N3. Pp.298-303.

33. Hoye R.C., Thomas L.B., Riggle G.C., Ketcham A.S. Effects ofNd laser on normal liver and Vx2 carcinoma transplanted into the liver of experimental animals. // J. Natl Cancer Inst 1968 V.41 pp. 1071-1082.

34. Panjehpour M. Overholt В., Milligan A.J., Swaggerty M.W., Wilkinson J.E., Klebanow E.R. Nd: YAG laser induced interstitial hyperthermia using a long frosted contact probe. // Lasers in Surgery and Medicine 1990 V.10 N1 pp. 16-24.

35. Уч. и справочное пособие под ред. Х.-П. Берлиена. Е.Й. Мюллера Прикладная лазерная медицина. // Интерэксперт, Москва, 1997.

36. Мачулка F. А. Лазерная обработка стекла. // Москва, Наука 1977.

37. Вейнберг В. Б., Саттаров Д.К. Оптика световодов. // Ленинград. Машиностроение 1977.

38. Вейнберг В.Б., Кузьминина Н.П., Фролов Д.М. Действие лазерного излучения на волоконно-оптические детали. // Оптико-механическая промышленность, № 5,1976.

39. V. Russo . G. С. Righini . S. Sottini , S. Trigari. Lens-ended fibers for medical applications: a new fabrication tehnique. // Applied optics Vol. 23, No 19, 1984, pp 3277-3283.

40. H. M. Presby , A. F. Benner . C. A. Edwards. Laser micromachining of efficient fiber microlenses. // Applied optics / Vol. 29, No 18/1990, pp 2692-2695

41. Тихонов A.H., Самарский А.А. Уравнения математической физики. // Москва. Наука. 1977 г.

42. Беляев Н.М., Рядно А.А. Методы нестационарной теплопроводности. // Москва. Высш. Школа. 1978 г.

43. Slatkine М., Mead D., Konwitz Е., Rosenberg Z. Near infrared fiber delivery systems for interstitial photothermal therapy. // Procidings of SPIE, Vol 2396, pp. 190-196.

44. Masters A., Sheger A.C., Bown. Role of interstitial therapy in the treatment of liver cancer. // Br. J. Surg. 78, pp. 518-523, 1991.

45. Неворотин A.M. Жлоба А.А., Ильясов И.К., Томсон В.В., Юкина Е.Ю. Суррогат живой ткани для тестирования хирургических лазеров. II Бюлл. Эксп. Биол. Мед. №11., с. 597-600, 1996.

46. Публикации по теме диссертации.

47. V.P. Veiko, А.К. Kromin, S.V. Kukhtin, М.Р. Tokarev, V.F. Pashin, V.A. Chuiko "Laser-mechanical methods of optical fiber treatment for number of microoptical components fabrication". // Proceedings of SPIE , vol 2383,22, 1995.

48. V.P. Veiko. V.A. Chuiko, V.P. Chulkov, A.K. Kromin, S.V. Kukhtin, M.P. Tokarev, "Controlled-in-time laser technique for fiber-end microlenses fabrication". //Proceedings of SPIE , vol 2383, 1995.

49. Artushenko V.G., Berezin Yu.D., Veiko V.P. , Kukhtin S.V. "Innovative technologies for fiber-tools fabrications". //BiOS: Biomedical Optics Conference v.2396, 1995.

50. V.P.Veiko, Yu.D. Berezin, V.A. Chuiko, A.K. Kromin, S.V. Kukhtin, S.A.Rodionov, M.P. Tokarev. "New method of fiber-optic tools fabrication based on laser technologies". //Proceedings of SPIE , vol 3091,122-128, 1995.

51. В.П. Вейко, Ю.Д. Березин, В.А. Чуйко, A.K. Кромин, С.В. Кухтин, С.А. Родионов, М.П. Токарев. /Лазерные технологии формирования волоконно-оптических инструментов. //Известия Академии Наук, серия физическая т.61 №8. 1635-1639

52. Veiko V.P., Kukhtin S.V., Tokarev М.Р., Chuiko V.A., Agapov D.G., Stolbovsky K.S., Nevorotin A.J."Microoptical fiber-tip components based on laser tecnology and its applications for medicine". //Proceedings of SPIE , vol 3573, p 604-608, 1998.