CC BY
21Российская оториноларингология № 1 (68) 2014
3. Кузовков В. Е., Пащинина О. А. Комбинированный доступ к среднему и внутреннему уху при проведении хирургического этапа кохлеарной имплантации // Рос. оторинолар. - 2010. - № 2. - С. 38-45.
4. Пальчун В. Т. Оториноларингология: нац. руководство. - М.: ГЭОТАР - Медиа, 2008. - 960 с.
5. Bilateral cochlear implantation in a patient with bilateral temporal bone fractures / J. H. Chung [et al.] // Am. J. of Otolaryngology - Head and Neck Medicine and Surgery. - 2011. - Vol. 32, is. 3. - P. 256-258.
6. Binaural cochlear implantation after bilateral temporal bone fractures / D. Zanetti [et al.] // Intern. J. of Audiology. -2010. - Early Online. - P. 1-6.
7. Cochlear implantation in patients with bilateral cochlear trauma / G. M. Serin [et al.] // American Journal of Otolaryngology - Head and Neck Medicine and Surgery. - 2010. - Vol. 31, is. 5. - P. 350-355.
8. Cochlear implantation in a patient with bilateral temporal bone fractures / J. P. Simons [et al.] // Otolaryngology -Head and Neck Surgery. - 2005. - P. 809-811.
9. Histopathology of temporal bone fractures: Implications for cochlear implantation / W. E. Morgan [et al.] // Laryngoscope. - 1994. - P. 426-432.
10. Successful cochlear implantation in a patient with bilateral progressive sensorineural hearing loss after traumatic subarachnoid hemorrhage and brain contusion / С. Fujimoto [et al.] // Ann Otol Rhinol Laryngol. - 2007. - Dec. -N 116 (12). - P. 897-901.
11. Temporal Bone Fractures / R. J. Wiet [et al.] // The American Journal of Otology. - 1985. - N 3. - P. 207-215.
12. Transverse fracture of the temporal bone: A clinical and histopathological study / J. M. Fredrickson [et al.] // Arch Otolaryngol. - 1963. - P. 770-784.
13. Ward P. H. The Histopathology of auditory and vestibular disorders in head trauma // Ann. Otol. Rhinol. Laryngol. -1969. - P. 227-238.
Третьякова Анна Васильевна - аспирант Санкт-Петербургского НИИ ЛОР. Россия, 190013, Санкт-Петербург,
ул. Бронницкая, д. 9; тел.: +7-911-827-90-01, e-mail: [email protected]
УДК 591.83+547.962.9+536.628.3
ДИСТАНТНАЯ ВАПОРИЗАЦИЯ КОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА 970 нм В ЭКСПЕРИМЕНТЕ
М. Ю. Улупов, Г. В. Портнов, В. А. Голланд
DISTANT BONE VAPORISATION USING 970 цт SEMICONDUCTOR LASER IN EXPERIMENT
M. U. Ulupov, G. V. Portnov, V. A. Golland
ГБОУ ВПО «Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет
им. акад. И. П. Павлова»
(Зав. каф. оториноларингологии с клиникой - проф. С. А. Карпищенко )
Применение лазеров для вапоризации (абляции) кости в травматологии, офтальмологии и оториноларингологии получает все большее распространение с открытием и изучением эффектов воздействия разных длин волн на костную ткань. В литературе описаны в основном методики контактной лазерной вапоризации кости, дистантное же воздействие описано только для лазеров эрбиевый, гольмиевый, CO2. В нашем исследовании в эксперименте на реберной кости свиньи был апробирован полупроводниковый лазер 970 нм в дистантном режиме, получены оптимальные для каждой мощности (10, 20, 30, 40, 50 Вт) длины импульсов, выявлены определенные особенности дистантной вапоризации кости лазером с данной длиной волны, которые могут быть учтены при применении его в оториноларингологии.
Ключевые слова: лазерная вапоризация кости, лазерная остеоперфорация, 0,97 мкм, 970 нм, лазерная абляция кости.
Библиография: 8 источников.
With the discovery and studying of the different wavelengths laser radiation effects on the bone tissue using of lasers for bone vaporisation (ablation) in traumatology, ophthalmology and otorhinolaryngology is becoming more common. In literature contact laser vaporisation methods are more frequently reported, but distant method is described only for erbium, holmium, carbon dioxide lasers. In our study, in an experiment on
= ^^
61-я науч.-практ. конф. «Молодые ученые - российской оториноларингологии»
the rib bones of pigs semiconductor laser 970 /xm was tested in the distant mode: optimal pulse lengths for each wattage (10, 20, 30 , 40 , 50 W) were obtained, certain characteristics of distant laser bone vaporization, which can be applied in otorhinolaryngology, were identified.
Key words: laser bone vaporization, laser osteoperforation, 0,97 microns, 970 /xm, laser bone ablation. Bibliography: 8 sources.
В современной медицине применение хирургических лазеров получает все большее распространение. Применение хирургического лазера в том или ином разделе медицины продиктовано его биологическими эффектами, которые зависят от длины волны лазера, а также способа подведения лазерного излучения, мощности излучения и режима (импульсный или постоянный) работы лазера.
В зависимости от длины волны пучка монохроматического света, излучаемого лазером, глубина проникновения может меняться от нескольких микрометров до нескольких сантиметров. Интенсивность света на определенной глубине при распространении его в биологической среде согласно закону Бугера-Ламберта-Бера зависит от интенсивности входящего пучка, толщины слоя вещества, через которое проходит свет, коэффициента поглощения и длины волны. Таким образом, в зависимости от пиков поглощения элементов биологической ткани целесообразно использование лазера с определенными волновыми характеристиками. При этом, например, для тканевых хромофоров, таких как меланин и гемоглобин, поглощение излучения тем интенсивнее, чем короче длина волны.
Одной из областей применения хирургического лазера является абляция (вапоризация) кости, в том числе в целях остеоперфорации. В изученной нами литературе встречается относительно небольшое количество данных о применении хирургических лазеров на костной ткани.
Так, мы нашли данные о применении лазерной вапоризации кости (остеоперфорации) в офтальмологии, в частности для проведения транска-наликулярной дакриоцисториностомии. Группа авторов в исследовании на кости охлажденной бараньей лопатки, выполняя остеоперфорацию при оценке различных режимов как контактного, так и дистантного воздействия гольмиевым лазером с длиной волны 2080 нм пришли к выводу, что оптимальным для создания в кости перфорации диаметром 6 мм является следующий режим: контактное воздействие при мощности 10 Вт, с движением волокна по заданному диаметру отверстия необходимой величины. Авторы утверждают, что при данном способе происходит наименьшее повреждение окружающих тканей и считают данный режим целесообразным для трансканаликулярной дакриоцисториностомии [3]. В своем исследовании авторы приводят данные об успешном применении лазерной вапоризации кости гольмиевым лазером.
При воздействии на кость лазеров, у которых максимум поглощения соответствует воде биологических тканей, образуется повреждение поверхности, в которой выделяют несколько стандартных зон от центра к периферии: зона абляции - кратер, где отсутствует вещество кости, зона вапоризации - зона, где происходит испарение органической составляющей кости, а остающиеся минеральные вещества выглядят в виде белесоватого налета; далее следует зона обугливания - фотокарбонизации, за ней зона фотокоагуляции - термического некроза - и зона фотогипертермии, где происходят вапоризация мембран, денатурация белков.
Группа авторов приводит сравнительный анализ эффектов лазерной абляции кости черепа морских свинок при помощи различных лазеров (Nd:YAG с X = 1,064 мкм, Ho:YSGG с X = 2,10 мкм, Er:YAG с X = 2,94 мкм в импульсных режимах и Nd:YAG с X = 1,064 мкм и CO2 с X = 10,6 мкм в режимах постоянного воздействия) [7]. При помощи микроскопии была выявлена и оценена зона повреждения кости, которая для применяемых в импульсных режимах лазеров составила от 10 до 15 мкм для эрбиевого и неодимового лазеров, от 20 до 90 мкм для гольмиевого лазера и от 60 до 135 мкм для используемых в режиме постоянного воздействия углекислого и неодимового лазеров. Таким образом, в среднем при постоянном режиме воздействия и с увеличением длины волны происходит увеличение зоны бокового повреждения вокруг зоны абляции.
Схожие данные получены в совместном исследовании других клиницистов и физиков: проводится сравнение воздействия на кость стенки трупной верхнечелюстной пазухи и септальный хрящ Er:YAG и С02-лазеров при максимальной переданной энергии до 6 Дж. Так, зона термического повреждения, смежная с зоной абляции, для кости составила 5 против 67 мкм для эрбиевого и углекислого лазеров соответственно, для хряща - 2 против 21 мкм, что, по мнению авторов, говорит в пользу перспективности применения эрбиевого лазера в оториноларингологии за счет меньшего бокового термического повреждения [6]. А в другом исследовании E. Stein, T. Sedlacek, Richard L. Fabian, Norman S. Nishioka, исследуя термическое повреждение при воздействии эрбиевого лазера на костную ткань лицевого черепа и пазух кроликов, приходят к выводу, что лазерная хирургия может стать важным дополнением к функциональной эндоскопической хирургии синусов [4].
■^llS*
Российская оториноларингология № 1 (68) 2014 :
Д. В. Давыдов и соавторы в эксперименте исследовали воздействие лазера с длиной волны 970 нм на костную ткань фрагментов костей черепа человека [2]. В своем исследовании авторы предлагают целесообразные режимы воздействия на кость в целях формирования в ней отверстия заданного диаметра. Авторы приходят к выводу, что дистантное воздействие является неэффективным, в связи с чем они предлагают производить остеоперфорацию в контактном режиме: мощность 12 Вт, в импульсном режиме с соотношением длительности импульса к продолжительности паузы 4 : 1, считая этот режим наиболее оптимальным по степени выраженности зон фотоабляции и фотокарбонизации и по времени перфорации. Однако при контактном воздействии на торце волокна обязательно образуется нагар (за счет налипания карбонизата), который препятствует дальнейшему равномерному распространению лучистой энергии, искажая выходные параметры мощности и приводя к увеличению термического эффекта воздействия за счет перегрева конца волокна.
Большое количество сообщений и экспериментальных исследований относятся к травматологии и гнойной хирургии. В них приводится успешный опыт наложения искусственных каналов в трубчатых костях для лечения гонартроза, санации различных форм остеомиелита трубчатых костей за счет лазерной абляции (вапоризации) пораженной костной ткани, костных секвестров [1, 5, 8]. В указанных статьях авторами используется дистантный СО2-лазер, для которого глубина проникновения задается аппаратно, учитывая данные о максимальной глубине проникновения излучения с длиной волны 10 600 нм.
Таким образом, в изученной нами литературе мы не встретили данных о применении полупроводниковых лазеров с длиной волны 970 нм в дистантном режиме, в статьях приводятся данные и рекомендации лишь по использованию подобных лазеров в контактном режиме [2]. В оториноларингологии методики контактного лазерного воздействия не всегда являются приемлемыми. Так, при необходимости вапоризации кости на большей площади, но в труднодоступных локализациях (носовые синусы) понадобится подведение лазерной энергии по гибкому световоду на расстояние удобное для зрячего манипулирования.
Цель исследования. Экспериментальное изучение дистантного воздействия полупроводникового лазера с длиной волны 970 нм на различных мощностях на компактную костную ткань.
Материалы и методы. В эксперименте мы использовали фрагменты реберных костей свиньи стандартных размеров 70х15 мм. Кость была тщательно очищена от мягких тканей и надкостницы.
Облучение производилось при помощи высокомощного полупроводникового лазерного аппарата с длиной волны 970 нм и мощностью до 60 Вт и кварцевого световода с диаметром внутреннего сердечника 400 мк, предварительно подготовленного для дистантного воздействия. Учитывая низкое поглощение поверхностью кости излучения данной длины волны, мы искусственно наносили на поверхность темный краситель, имитируя карбонизат, обычно образующийся после контактного лазерного воздействия, - черные чернила. Кончик световода был расположен на стандартном расстоянии 10 мм перпендикулярно к поверхности.
Результаты. В первой части эксперимента для сравнения эффекта лазерного воздействия мы произвели облучения интактной и окрашенной чернилами поверхности кости. При одинаковой экспозиции (волокно двигалось вдоль длинника кости со скоростью = 0,5 см/с) и мощности воздействия (25 Вт) на неокрашенной поверхности мы практически не получили следов воздействия, тогда как на поверхности, окрашенной черным чернилами, мы получили эффект абляции кости (рис. 1).
Далее на интактной реберной кости нами производилось облучение по три серии на каж-
Рис. 1. Лазерная абляция интактной (I) и окрашенной (II) свиной реберной кости.
Рис. 2. Лазерная абляция окрашенной свиной реберной кости в постоянном режиме на разных мощностях.
: 61-я науч.-практ. конф. «Молодые ученые - российской оториноларингологии»
Т а б л и ц а
Энергия, переданная кости, при разных мощностях на максимальной длительности импульса
Мощность (Вт) 20 30 40 50
Длина импульса (мс) 500 130 70 30
Переданная энергия (Дж) 10 3,9 2,8 1,5
дой исследуемой мощности с шагом в 10 Вт, начиная с 10 Вт, с последовательным увеличением длительности единичного импульса (в импуль-сно-количественном режиме) до появления признаков возгорания - резкой вспышки пламени на поверхности кости, сопровождающейся мощными микровзрывами с выбросом карбонизата и загрязнением им конца световода. Лазерное волокно при этом было расположено на стандартном от поверхности расстоянии - 10 мм, которое позволяло избежать загрязнения кончика торца кварцевого световода. Загрязнение в данном случае связано с происходящими на поверхности кости микровзрывами и вылетом карбонизата. При этом нами было отмечено, что со снижением мощности увеличивается максимальное время экспозиции (длительности импульса), при котором происходит возгорание. Так, для мощности 50 Вт максимальная длительность одиночного импульса, т. е. порог, составила 30 мс; далее мы наблюдали моментальное воспламенение: для 40 Вт - 70 мс, для 30 Вт - 150 мс, для 20 Вт - 600 мс и для 10 Вт - 900 мс. При загрязнении конца световода возгорание происходило в произвольные сроки.
Во второй части эксперимента кварцевое волокно, расположенное на стандартном расстоянии 10 мм перпендикулярно к плоскости кости, с равномерной скоростью ~0,25 см/с при помощи лентопротяжного механизма двигалось вдоль длинника кости. Эксперимент повторен на мощностях 15, 20, 30 и 40 Вт, при мощности 50 Вт моментально происходило воспламенение с образованием нагара на торце волокна. При этом (рис. 2) даже макроскопически было заметно, что ширина зоны повреждения росла вместе с мощностью.
Далее математически была подсчитана энергия одного импульса максимальной длительности на каждой мощности (длительность импульса в секундах умножена на мощность в ваттах). Таким образом, мы получили максимальную энергию, передаваемую за время импульса (таблица).
Затем мы производили воздействие на поверхность кости с нанесенными на нее красителем точками в импульсном режиме с паузой между импульсами 500 мс на каждой мощности 20, 30, 40 и 50 Вт до получения равной энергии
Рис. 3. Оценка глубины и ширины зоны лазерной абляции окрашенной свиной реберной кости на разных мощностях при переданной энергии 30 Дж.
30 Дж для сравнения изменений, наступающих при передаче биологической ткани одинакового количества энергии (в данном случае для мощности 20 Вт понадобилось 3 импульса, для 30 Вт - 8, для 40 Вт - 11, для 50 Вт - 30 импульсов). На представленной фотографии (рис. 3) после удаления карбонизата и остатков красителя, мы можем видеть, что на относительно низкой мощности получается больший по диаметру дефект ткани, но с меньшей глубиной повреждения. И, наоборот, при увеличении мощности (соответственно уменьшении длительности импульса) увеличивается глубина проникновения, но уменьшается зона бокового повреждения.
Обсуждение. Лазерное излучение в пределах ближнего инфракрасного диапазона в биологических тканях в основном поглощается гемоглобином крови либо другими темными пигментами. Поэтому в исследовании Д. В. Давыдова и соавторов [2] об экспериментальной лазерной абляции при помощи полупроводникового лазера 970 нм представлены данные о безуспешности применения дистантного воздействия на чистую поверхность кости, которая при отсутствии крови или других непрозрачных остатков тканей не поглощала излучения, что не приводило к эффективной вапоризации. Таким образом, дистантную вапоризацию кости можно производить лазером данной длины волны лишь при наличии на поверхности кости:
- какого-либо пигмента (оксигемоглобина крови, остатков кровенаполненных тканей);
Российская оториноларингология № 1 (68) 2014 :
- карбонизированного участка, полученного при предшествующем контактном воздействии либо после окрашивания ее поверхности красителями.
Применение же красителя на планируемой для облучения поверхности может служить не только экспериментальным моделированием, но и предоперационной разметкой, ограничением поля при дистантном воздействии. При этом следует учитывать возможное горение веществ в лазерном луче при превышении указанных максимальных длительностей импульсов, а также загрязнение торца кварцевого волокна в процессе облучения.
Соответственно в зависимости от поставленных задач при лазерной вапоризации кости мы можем порекомендовать различные мощности и импульсные режимы. Так, в эксперименте при вапоризации на высоких мощностях (50 Вт) мы
получили большую глубину деструкции, но меньшую площадь. И, наоборот, при меньшей мощности воздействия зона деструкции получается шире, а глубина - меньше. При этом за счет равных пауз между импульсами вапоризация одинаковой площади на высокой мощности займет большее время. Но в оториноларингологии большинство вмешательств проводятся в анатомически узких пространствах, а при дистантном воздействии горение веществ в луче лазера может вызвать нежелательное термическое повреждение окружающих тканей, поэтому стоит учитывать полученную критическую длину импульса в целях каждой мощности. Например, для дакрио-цисториностомии при трансназальном доступе для формирования остеоперфорации необходимо обработать большую площадь и рационально было бы использовать меньшую мощность с большей длительностью импульса.
Выводы
Полупроводниковый лазер с длиной волны 970 нм может быть использован для дистантной вапоризации костной ткани.
Для эффективной вапоризации костная ткань должна быть покрыта карбонизатом, биологическими пигментами либо окрашена искусственными красителями.
Изменение параметров дистантного лазерного облучения при помощи указанного лазера позволяет получить разные площадь и глубину вапоризации вещества кости.
ЛИТЕРАТУРА
1. Перфорация субхондральной кости с использованием лазерных скальпелей и спиц при моделировании лечения гонартроза (эксперимент) / А. А. Саакян [и др.]. // Лазерная медицина. - 2011. - Т. 15, №1. - С. 28-32.
2. Результаты экспериментальных исследований воздействия лазерного излучения с длиной волны 0,97 мкм на фрагменты костей черепа человека / Д. В. Давыдов [и др.] // Офтальмохирургия. - 2005. - № 2. - С. 25-29.
3. Экспериментально-клиническое обоснование применения гольмиевого лазера при дакриоцисториносто-мии / Белоглазов В. Г. [и др.] // Офтальмохирургия. - 2009. - № 4. - С. 30-33.
4. Acute and chronic effects of bone ablation with a pulsed holmium laser / E. Stein [et al.] // Lasers in Surgery and Medicine. - 1990. - Vol. 10, N 4. - P. 384-388.
5. CO2-laser surgery in osteomyelitis / A. Ceballos [et al.] // Clin. Laser. Med. Surg. - 1997. - Vol. 15, N 5. - P. 221-223.
6. Comparison of the erbium-yttrium aluminum garnet and carbon dioxide lasers for in vitro bone and cartilage ablation / C. Gonzalez [et al.] // The Laryngoscope. - 1990. - Vol. 100, N 1. - P. 14-17.
7. Infrared laser bone ablation / R. C. Nuss [et al.] // Lasers in Surgery and Medicine. - 1988. - Vol. 8, N 4. - P. 381-391.
8. Philandrianos G. Chronic nonhematogenous osteomyelitis treated with adjuvant CO2-laser sterilization: a preliminary report // Clin. Laser Med. Surg. - 1992. - Vol. 10, N 6. - P. 439-444.
Улупов Михаил Юрьевич - канд. мед. наук, сотрудник каф. оториноларингологии с клиникой Первого Санкт-Петербургского ГМУ им. акад. И. П. Павлова. Россия, 197022, Санкт-Петербург, ул. Льва Толстого, д. 6-8; e-mail: [email protected]
Портнов Глеб Валерьевич - аспирант каф. оториноларингологии с клиникой Первого Санкт-Петербургского ГМУ им. акад. И. П. Павлова. Россия, 197022, Санкт-Петербург, ул. Льва Толстого, д. 6-8; тел.: 8-951-669-09-71, e-mail: [email protected]
Голланд Владимир Алексеевич - студент 6-го курса Первого Санкт-Петербургского ГМУ им. акад. И. П. Павлова. Россия, 197022, Санкт-Петербург, ул. Льва Толстого, д. 6-8; e-mail: [email protected]
