ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА БИОЛОГИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ ЛАЗЕРА С ДЛИНОЙ ВОЛНЫ 532 НМ В КОНТАКТНОМ НЕПРЕРЫВНОМ РЕЖИМЕ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА ТКАНИ С РАЗЛИЧНЫМИ ОПТИЧЕСКИМИ И МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

УДК 615.849.19:001.891.5

https://doi.org/10.18692/1810-4800-2021-2-50-55

Экспериментальная оценка биологических эффектов лазера с длиной волны 532 нм в контактном непрерывном режиме при воздействии на ткани с различными оптическими и механическими свойствами

Е. К. Тихомирова1

1 Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И. П. Павлова, Санкт-Петербург, 197022, Россия

Experimental evaluation of biological effects of 532 nm wave laser in continuous contact mode under exposure on tissues with various optical and mechanical properties

E. K. Tikhomirova

1 Pavlov First Saint Petersburg State Medical University, Saint Petersburg, 197022, Russia

В работе представлено экспериментальное изучение эффектов лазерного воздействия с длиной волны 532 нм в контактном постоянном режиме на биологические ткани с различными оптическими свойствами. Оценивались ширина зоны абляции и коагуляции, степень вапоризации различных типов тканей. Установлены хорошие коагуляционные свойства лазера при воздействии на пигментированные ткани, однако выраженная цветовая зависимость, характерная для данной длины волны, требует тщательного выбора подходящих по оптическим свойствам биологических объектов. Цель: экспериментальная оценка воздействия лазера с длиной волны 532 нм в контактном непрерывном режиме на ткани с различными оптическими и механическими свойствами. Материалы и методы. Проведено экспериментальное изучение эффектов воздействие лазера с длиной волны 532 нм в контактном непрерывном режиме на биологические ткани с различными оптическими и механическими свойствами. Производилось измерение ширины кратера и зоны боковой коагуляции с помощью операционного микроскопа и предметного стекла с ценой деления 0,1 мм. Выполнялось взвешивание образцов ткани до и после нанесения точечного воздействия. Результаты. Прирост мощности лазерного излучения способствует увеличению ширины разреза и зоны коагуляции. Отмечено более выраженное налипание ткани к торцу волокна при воздействии на ткань печени крупного рогатого скота, что обусловливает меньшие показатели ширины абляционной зоны в сравнении с мышечной тканью курицы и отражается в высоких значениях ошибки средних значений. Наибольшая потеря веса при точечном воздействии 2 с на мощности 5 Вт определялась на мышечной ткани курицы. Выводы: установлены хорошие коагуляционные свойства лазера при воздействии на пигментированные ткани, однако выраженная цветовая зависимость, характерная для данной длины волны, требует тщательного выбора подходящих по оптическим свойствам биологических объектов.

Ключевые слова: лазер 532 нм, абляция, коагуляция, вапоризация.

f

О -uj

0

1

-У £

© Е. К. Тихомирова, 2021 2021;20;2(111)

Для цитирования: Тихомирова Е. К. Экспериментальная оценка биологических эффектов лазера с длиной волны 532 нм в контактном непрерывном режиме при воздействии на ткани с различными оптическими и механическими свойствами. Российская оториноларингология. 2021;20(2):50-55. https://doi. org/10.18692/1810-4800-2021-2-50-55

The study presents the results of the experimental action of laser radiation with a wavelength of 532 nm in continuous contact mode on biological tissues with different optical properties. The width of the ablation and coagulation zone, the degree of vaporization of various types of tissues were evaluated. Good coagulation properties of the laser are established when exposed to pigmented tissues. However, the pronounced color dependence characteristic of a given wavelength requires careful selection of the biological objects that are suitable for optical properties. Objectives: An experimental evaluation of the effects of a laser with a wavelength of 532 nm in a continuous contact mode on tissues with different optical and mechanical properties. Materials and methods. We carried out an experimental study of the effects of a laser with a wavelength of 532 nm in a

continuous contact mode on biological tissues with different optical and mechanical properties. The crater width and side coagulation zone were measured using an operating microscope and a glass slide with a scale value of 0.1 mm. The tissue samples were weighed before and after the application of a point impact. The increase in laser power contributes to an increase in the width of the incision and the coagulation zone. A more pronounced adhesion of the tissue to the fiber end was noted when exposed to the liver tissue of cattle, which causes smaller values of the ablation zone width in comparison with the muscle tissue of the chicken and is reflected in high values of the error of the mean values. The greatest weight loss with a 2 seconds point impact at a power of 5 W was determined on the muscle tissue of the chicken. Conclusions. Good coagulation properties of the laser have been established when exposed to pigmented tissues, however, the pronounced color dependence characteristic of a given wavelength requires careful selection of the biological objects suitable for optical properties. Keywords: 532 nm laser, ablation, coagulation, vaporization.

For citation: Tikhomirova E. K. Experimental evaluation of biological effects of 532 nm wave laser in continuous contact mode under exposure on tissues with various optical and mechanical properties. Rossiiskaya otorinolarmgologiya. 2021;20(2):50-55. https://doi.org/10.18692/1810-4800-2021-2-50-55

Более 40 лет медицинские лазеры с успехом применяются в различных областях хирургии, в том числе и в оториноларингологии. Хирургия ЛОР-органов сопряжена с воздействием на ткани, обладающие различными оптическими и механическими свойствами. Необходимость выполнения манипуляций на разных типах тканей во время одной операции требуют тщательного подбора параметров лазерного воздействия. Большое разнообразие современных лазерных аппаратов дает возможность выбрать наиболее оптимальный инструмент для каждого хирургического вмешательства, однако производители лазерных аппаратов предоставляют лишь стандартные рекомендации по выбору режимов воздействия. Зачастую эффекты применения различных типов лазеров описываются на основании клинического опыта, без предварительной экспериментальной апробации на разных биологических тканях, что создает предпосылки для развития осложнений и нежелательных явлений. Непредсказуемость эффектов воздействия лазерного излучения ограничивает хирургов в использовании новых аппаратов, что, в свою очередь, нередко приводит к простою дорогостоящего оборудования.

Оперативные вмешательства в оториноларингологии охватывают ткани с богатой ва-скуляризацией и сопряжены с высоким риском кровотечения. Поэтому в настоящее время растет интерес к лазерным аппаратам с избирательными гемоглобинпоглощающими свойствами, в частности с излучением с длиной волны 532 нм. Излучение данного типа лазера находится в зеленом спектре и преимущественно поглощается пигментированными тканями, содержащими гемоглобин и меланин [1]. Благодаря своим спектральным характеристикам лазер с длиной волны 532 нм является весьма привлекательным для операций на хорошо кровоснабжаемых тканях. В зарубежной литературе представлен опыт применения зеленого лазера в различных сферах ЛОР-хирургии, где показаны его хорошие коагу-

ляционные и гемостатические свойства [2-5]. Несмотря на успешное применение в зарубежной ЛОР-практике, область применения лазера с длиной волны 532 нм в России в основном ограничивается дерматологией, урологией и сосудистой хирургией, где он используется для удаления пигментных новообразований кожи, облитерации мелких сосудов [6, 7].

В доступной литературе представлены единичные данные о биологических эффектах зеленого лазера. МегсеЬш^ег et а1. (2011) проводили изучение гемостатических, коагуляционных и абляционных свойств при воздействии излучения с длиной волны 532 нм на ткани кровоснаб-жаемой почки и предстательной железы в контактном режиме в сравнении с лазерами 980, 1470 и 2000 нм [8]. При воздействии на ткани крово-снабжаемой почки излучением с длиной волны 532 нм отмечена более низкая скорость абляции ткани, которая составила 3,99 г/10 мин, что оказалось в 2 раза ниже по сравнению с излучением с длиной волны 2000 и 980 нм. Глубина зоны некроза при воздействии зеленым лазером оказалась в 7,7-8,7 раза меньше в сравнении с лазером с длиной волны 980 нм. Таким образом, излучение длиной волны 532 нм обладает меньшими режущими свойствами в сравнении с лазерами длиной волны в диапазоне 980-2000 нм, а также небольшой глубиной коагуляции ткани, что делает перспективным его использование при выполнении поверхностных воздействий. ^ Однако авторы не указывают параметры воз- § действия лазерного излучения, что затрудняет ^ сравнительную оценку с другими лазерами и про- ^ гнозирование результатов воздействия на разные 3 ткани в других режимах. 8

Н. С. Грачёв (2011) проанализировал и срав- 3'

нил результаты воздействия лазерным излу- Э

чением с длиной волны 10,6, 2,09 и 0,53 мкм 3'

ч

в контактном импульсном режиме на хорошо ва- ^ скуляризованную ткань петушиного гребня [9]. с§ При макро- и микроскопической оценке после-

операционных изменении в ткани автор отмечает более щадящее воздействие лазером с длиной волны 532 нм, которое выражалось менее глубоким фиброзированием ткани гребня в лазируе-мой зоне и менее выраженной воспалительной инфильтрацией окружающей ткани. Однако экспериментальное исследование выполнено только в режиме 2 Гц /3 Дж для лазера с длиной волны 532 нм, что не позволяет дать рекомендации по выбору оптимальных параметров воздействия.

Таким образом, для подбора наиболее безопасных параметров воздействия лазерным излучением с длиной волны 532 нм необходимо экспериментальное изучение биологических эффектов лазера с длиной волны 532 нм при воздействии на различные типы тканей в разных режимах.

Цель исследования

Экспериментальная оценка эффектов лазера с длиной волны 532 нм на ткани с различными оптическими и механическими свойствами.

Материалы и методы исследования

На кафедре оториноларингологии с клиникой Первого Санкт-Петербургского государственного медицинского университета имени акад. И. П. Павлова проведено экспериментальное изучение эффектов воздействие лазера с длиной волны 532 нм («АЛОД-01», АЛКОМ медика, Санкт-Петербург, выходная мощность до 5 Вт) на биологические ткани с различными оптическими и механическими свойствами: печень крупного рогатого скота, мышечная ткань курицы, полип полости носа, удаленная небная миндалина. Выбранные объекты позволяют спрогнозировать

влияние лазерного излучения на ткани организма человека - слизистые оболочки, мышечную ткань и полипозную ткань. Эффекты лазерного воздействия оценивались в контактном постоянном режиме.

В работе изучали абляционные и коагуляци-онные свойства лазера, а также способность к вапоризации. Абляционные свойства оценивали по ширине сформированного кратера, коагуляцион-ные - по ширине зоны побеления вокруг кратера. Ширину зоны абляции и коагуляции измеряли после нанесения линейных разрезов на мышечную ткань курицы и печень крупного рогатого скота. Выполнение разрезов производили с помощью тонкого кварц-полимерного волокна диаметром 400 мкм с предварительно обожженным торцом. Для каждого типа ткани было выполнено по 5 линейных разрезов на мощности от 1 до 5 Вт с шагом 1 Вт. Измерения ширины кратера и зоны боковой коагуляции выполняли с помощью операционного микроскопа и предметного стекла с ценой деления 0,1 мм. В каждой серии экспериментов производили по 5 измерений.

Для оценки вапоризационных свойств на образцы ткани печени крупного рогатого скота, мышечной ткани курицы, полипа полости носа и удаленной небной миндалины наносили точечное лазерное воздействие путем погружения торца обожженного волокна в ее толщу под углом 90 градусов к поверхности. Исследование проводили в постоянном контактном режиме при мощности 5 Вт с экспозицией 2 секунды. Образцы тканей взвешивали до и после лазерного воздействия на весах с диапазоном измерений 0-1000 мг, затем вычитали разницу в массе.

Т а б л и ц а 1

Зависимость ширины кратера и боковой зоны коагуляции от мощности лазерного воздействия с длиной волны 532 нм при выполнении линейных разрезов в постоянном режиме

T a b l e 1

Dependence of the crater width and lateral coagulation zone on the laser power with a wavelength of 532 nm

when performing linear cuts in a constant mode

f I

s-

"o

•S

'C о

■UJ

0

1

Ai

о

Показатель мощность, Вт Мышечная ткань курицы, М± Печень крупного рогатого скота, М±

1 78±23 48±15

2 76±22 42±19

Абляция /102 мм 3 118±16* 46±16*

4 106±9 74±16

5 102±13 80±19

Коагуляция/102 1 84±15 44±10

мм 2 72±15 52±9

3 64±5 48±10

4 90±27 64±8

5 72±14 78±10

* Значимые различия с мышечной тканью / тканью печени с той же мощностью и длиной волны (критерий Манна-Уитни, р < 0,05); данные представлены в виде М±т, где М- среднее значение, т - ошибка среднего; абляция - ширина кратера, коагуляция - ширина боковой зоны коагуляции.

Рис. 2. Микрофотография - линейный лазерный разрез на мышечной ткани курицы (лазер 532 нм, мощность 2 Вт) с накладным измерительным стеклом (*14). Визуализируются участки неизмененной мышечной ткани в лазируемой зоне Fig. 2. Micrograph - linear laser incision on chicken muscle tissue (532 nm laser, 2 W power) with a measuring glass overlay (*14). Areas of unchanged muscle tissue are visualized in the lazy zone

Рис. 1. Макрофотография - линейные лазерные разрезы ткани печени крупного рогатого скота (лазер 532 нм, мощность

слева направо 1-5 Вт) Fig. 1. Macrograph - linear laser incisions of bovine liver tissue (laser 532 nm, power from left to right 1-5 W)

Все манипуляции лазером с длиной волны 532 нм выполняли в защитных очках со светоотражающими фильтрами.

Результаты и обсуждение исследования

В ходе оценки абляционных и коагуляцион-ных свойств лазера с длиной волны 532 нм выявлены следующие особенности. Ширина зоны абляции при контактном непрерывном воздействии лазера с длиной волны 532 нм на мышечную ткань курицы превышала ширину разреза на печени крупного рогатого скота при той же мощности (табл. 1, различия оказались статистически достоверными только при выходной мощности 3 Вт, р < 0,05). Теоретически, лазер с длиной волны 532 нм в большей степени должен поглощаться более пигментированной тканью, то есть печенью крупного рогатого скота.

Отмечено, что на ткани печени крупного рогатого скота разрез, формируемый лазером с длиной волны 532 нм, определяется в виде прерывистой линии за счет значительного налипания ткани к торцу волокна при выполнении воздействия в диапазоне мощности от 1 до 5 Вт (рис. 1), что обусловливает меньшие показатели ширины абляционной зоны в сравнении с мышечной тканью курицы и отражается в высоких значениях ошибки средних значений.

При воздействии на мышечную ткань курицы, в меньшей степени поглощающей излучение лазера с длиной волны 532 нм, зоны неизмененной ткани по линии разреза за счет налипания к торцу волокна отмечены при мощности до 3 Вт (рис. 2). Ширина зоны коагуляции, как и ширина разреза, закономерно имела тенденцию к увеличению с ростом мощности лазерного излучения. Однако ширина коагуляции на мышечной ткани курицы также несколько превышала ширину коагуляции на печени крупного рогатого скота (данные раз-

Рис. 3. Микрофотография - линейный лазерный разрез ткани печени крупного рогатого скота (лазер 532 нм, мощность

5 Вт) с накладным измерительным стеклом (*14) Fig. 3. Micrograph - linear laser incision of bovine liver tissue (laser 532 nm, power 5 W) with a measuring glass overlay (*14)

s i

личия оказались статистически недостоверными, р > 0,05), что, вероятно, также обусловлено выраженным налипанием более пигментированной ® ткани печени к оптоволокну. 8

Таким образом, в ходе клинического при- 3' менения зеленого лазера для рассечения тканей Ц1 в контактном постоянном режиме следует ожи- 3' дать образование очагов кровоточивости за счет °§ налипания пигментированных тканей к торцу i волокна. С этой точки зрения, применение лазера

Т а б л и ц а 2

Потеря массы образцом биологической ткани при контактном воздействии лазером с длиной волны 532

нм (мощность 5 Вт, экспозиция 2 секунды)

T a b l e 2

Weight loss by a sample of biological tissue when exposed to a laser with a wavelength of 532 nm

(power 5 W, exposure 2 seconds)

Длина волны лазера Разница в массе, мг (M±m)

Мышечная ткань курицы Печень крупного рогатого скота Небная миндалина Полип полости носа

532 нм * Значимые разли р < 0,05); данные пр коагуляция - ширина 5,0±0,6 * чия с мышечной тканью/ гдставлены в виде M±m, боковой зоны коагуляции 3,0±0,3 * 'тканью печени с той же мощ где M - среднее значение, т 4,0±0,6 ностью и длиной волны (кр - ошибка среднего; абляц 1,7±0,3 итерий Манна-Уитни, ия - ширина кратера,

f I

s-

"S

•S 'si

о

■uj

0

1

-у

о

с*

с длиной волны 532 нм в большей степени подходит для коагуляции, а не рассечения тканей.

При оценке вапоризационных свойств лазера с длиной волны 532 нм отмечено, что наибольшая потеря массы в ходе точечного лазерного воздействия в контактном непрерывном режиме с экспозицией 2 секунды определялась на мышечной ткани курицы, далее - на небной миндалине, ткани печени крупного рогатого скота, минимальная - на полипе полости носа, отличающемся от других тканей небольшим содержанием целевых хромофоров для излучения с длиной волны 532 нм (табл. 2). Небольшие вапоризационные свойства лазера на ткани печени крупного рогатого скота, содержащей наибольшее количество целевых хромофоров среди всех испытуемых биологических объектов, вероятно, обусловлены выраженным налипанием ткани к волокну и потерей участков ткани при отсоединении волокна.

Поскольку воздействие лазером с длиной волны 532 нм осуществляется в специальных очках со светоотражающими фильтрами, это затрудняет визуальную оценку степени наносимых термических повреждений, что ограничивает возможности применения лазера с длиной волны 532 нм для рассечения и вапоризации массивов тканей в клинической практике.

Широкое использование лазера с длиной волны 532 нм в клинической практике ограничено в связи выраженной цветовой зависимостью биологических эффектов и необходимостью тщательного подбора биологических объектов, в значительной степени поглощающих данный вид

лазерного излучения (в частности, сосудистые образования). Например, попытка применения лазера длиной волны 532 нм для коагуляции мало пигментированных тканей (в частности, полипов полости носа) будет характеризоваться низкой скоростью деструкции и приведет к значительному термическому повреждению близлежащих более пигментированных тканей (интактной слизистой оболочки полости носа).

Однако лазера длиной волны 532 нм делает перспективным его применение для удаления сосудистых образований, при остановке носовых кровотечений. Применение лазера длиной волны 532 нм мощностью до 5 Вт для рассечения тканей теоретически возможно, но сопряжено с риском налипания ткани к торцу волокна, однако хорошие коагуляционные свойства позволяют рекомендовать его для вапоризации.

Заключение

Лазер с длиной волны 532 нм можно успешно использовать для коагуляции тканей в диапазоне мощности 1-5 Вт, преимущество пигментированных, что обусловлено выраженной цветовой зависимостью биологических эффектов зеленого лазера. Перспективным может являться применение лазера с длиной волны 532 нм для избирательной вапоризации тканей, предварительно окрашенных цветным красителем.

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

The author declares no conflicts of interest.

ЛИТЕРАТУРА

Шахно Е. А. Физические основы применения лазеров в медицине. СПб.: НИУ ИТМО, 2012. 129 с.

1. 2.

4.

Levine H. H. The potassium-titanyl phosphate laser for treatment of turbinate dysfunction. Otolaryngol. Head and Neck. 1991;104(2):247-251 doi: 10.1177/019459989110400215

Ossoff R. H., Coleman J. A., Courney M. S., Duncavage J. A., Werkhaven J. A., Reinisch L. Clinical Applications of Lasers in Otolaryngology - Head and Neck Surgery. Lasers in Surgery and Medicine. 1994;15(3):217-248. PMID: 7830468.

Huttenbrink K. B. Lasers in Otorhinolaryngology. Thieme, 2011. 184 p.

5. Hazarika P., Nayak D. R., Balakrishnan R., Raj G., Pillai S. Endoscopic and KTP Laser-Assisted Surgery for Juvenile Nasopharyngeal Angiofibroma. American Journal of Otolaryngology. 2002;23(5):282-286. https://doi.org/10.1053/ ajot.2002.126324.

6. Шептий О. В., Круглова Л. С., Жукова О. В., Эктова Т. В., Ракша Д. А., Шматова А. А. Высокоэнергетическое лазерное излучение в дерматологии и косметологии. Российский журнал кожнъх и венерических болезней. 2012;6:39-43. https://elibrary.ru/download/elibrary_18749599_83172738.pdf

7. Большаков А. А., Гейнц А. В. Применение лазерных технологий в лечении сосудистых поражений кожи. Лазерная медицина. 2007;11(2):17-20. https://elibrary.ru/download/elibrary_16553603_66163155.pdf

8. Herrmann T. R., Liatsikos E. N., Nagele U., Traxer O., Merseburger A. S. EAU Guidelines on Laser Technologies, EAU Guidelines Panel on Lasers, Technologies.European Urology. 2012;61(4):783-795. doi: 10.1016/j.eururo.2012.01.010.

9. Грачев Н. С. Лазерная хирургия хронического вазомоторного ринита: автореф. дис. ...канд. мед. наук. М., 2011. 25 с. Доступно по: https://dlib.rsl.ru/viewer/01004845175#?page = 1. Ссылка активна на 29.04.2019

REFERENCES

1. Shakhno E. A. Fizicheskie osnovy primeneniya lazerov v meditsine. SPb.: NIU ITMO, 2012. 129 р. (In Russ.)

2. Levine H. H. The potassium-titanyl phosphate laser for treatment of turbinate dysfunction. Otolaryngol. Head and Neck. 1991;104(2):247-251 doi: 10.1177/019459989110400215

3. Ossoff R. H., Coleman J. A., Courney M. S., Duncavage J. A., Werkhaven J. A., Reinisch L. Clinical Applications of Lasers in Otolaryngology - Head and Neck Surgery. Lasers in Surgery and Medicine. 1994;15(3):217-248. PMID: 7830468.

4. HUttenbrink K. B. Lasers in Otorhinolaryngology. Thieme, 2011. 184 p.

5. Hazarika P., Nayak D. R., Balakrishnan R., Raj G., Pillai S. Endoscopic and KTP Laser-Assisted Surgery for Juvenile Nasopharyngeal Angiofibroma. American Journal of Otolaryngology. 2002;23(5):282-286. https://doi.org/10.1053/ajot.2002.126324.

6. Sheptii O. V., Kruglova L. S., Zhukova O. V., Ektova T. V., Raksha D. A., Shmatova A. A. High-energy laser radiation in dermatology and cosmetology. Rossiiskii zhurnal kozhnykh i venericheskikh boleznei. 2012;6:39-43. (In Russ.). https://elibrary.ru/download/ elibrary_18749599_83172738.pdf

7. Bol'shakov A. A., Geints A. V. The use of laser technology in the treatment of vascular lesions of the skin. Lazernaya meditsina. 2007;11(2):17-20. (In Russ.). https://elibrary.ru/download/elibrary_16553603_66163155.pdf

8. Herrmann T. R., Liatsikos E. N., Nagele U., Traxer O., Merseburger A. S. EAU Guidelines on Laser Technologies, EAU Guidelines Panel on Lasers, Technologies. European Urology. 2012;61(4):783-795. doi:10.1016/j.eururo.2012.01.010

9. Grachev N. S. Lazernaya khirurgiya khronicheskogo vazomotornogo rinita [Laser surgery for chronic vasomotor rhinitis]. Avtoref. diss. ... kand. med. nauk. Moskva., 2011. 25 p. (In Russ.). Avaliable at: https://dlib.rsl.ru/viewer/01004845175#?page=1. Accessed: April 29, 2019.

Информация об авторе

Тихомирова Екатерина Константиновна - врач-ординатор отделения оториноларингологии, Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И. П. Павлова (197022, Россия, Санкт-Петербург, ул. Льва Толстого, д. 6/8); тел.: (812) 338-71-76, e-mail: kt-92@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6952-6543

Information about the author

Ekaterina K. Tikhomirova - Resident of the Otorhinolaryngology Department, Pavlov First Saint Petersburg State Medical University (6/8, Lev Tolstoy str., Saint Petersburg, Russia, 197022); phone: (812) 338-71-76, e-mail: kt-92@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6952-6543

о

s

1

0

S

S' f

1

f I