CC BY
9УДК: 591.83 + 547.962.9 + 536.628.3
ЛАЗЕРНАЯ ТЕРМОМОДИФИКАЦИЯ ХРЯЩА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА 1,47 мкм В ЭКСПЕРИМЕНТЕ
М. Ю. Улупов, Г. В. Портнов
LASER CARTILAGE RESHAPING USING DIODE 1,47 |iM LASER: IN VITRO EXPERIMENT
M. J. Ulupov, G. V. Portnov
Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. академика И. П. Павлова
(Зав. каф. оториноларингологии с клиникой - проф. С. А. Карпищенко)
Лазерная модификация хряща (ЛМХ) является перспективной методикой, которая в данный момент активно изучается и отрабатывается многими отечественными и зарубежными авторами. Для успешного применения в клинической практике требуется разработка режимов ее воспроизведения в зависимости от типа лазера, объема модифицируемого хряща. В своей работе мы проводили лазерный нагрев образцов хряща ушной раковины поросят стандартных размеров in vitro с использованием полупроводникового лазера 1,47 мкм. Был произведен подбор оптимальной мощности, диаметра пятна, требуемых для безопасного нагрева заданного объема хряща до температуры 70 °С, при которой происходит релаксация напряжений в хряще. Контроль температуры поверхности облучаемого хряща производился непрерывно при помощи ИК-термометра. Полученные данные могут быть использованы в качестве рекомендации по применению диодного 1,47 мкм лазера в целях ЛМХ.
Ключевые слова: лазер, термомодификация хряща, длина волны 1,47 мкм.
Библиография: 11 источников.
Laser cartilage reshaping (LCR) is a promising technique that is currently being actively studied and practiced by many scientists. For successful application in clinical practice it requires further research, in terms of wavelength, irradiation parameters and volume of modified cartilage. In our work we performed laser heating of porcine ear cartilage standard size specimens in vitro using a semiconductor laser 1.47 microns. We detected optimal power and spot size required for safe heating of the cartilage specimens to 70 °C. Temperature monitoring of the exposed cartilage surface was performed continuously using infrared thermometer. The obtained irradiation parameters can be recommended for laser cartilage reshaping using a diode laser with X = 1.47 /xm in clinical practice.
Key words: laser, cartilage reshaping, 1,47 /xm wavelength.
Bibliography: 11 sources.
В зарубежных статьях и статьях отечественных авторов в течение многих лет используется термин laser cartilage reshaping (LCR) - лазерная модификация хряща (ЛМХ). Интерес к данной теме связан с необходимостью изменять форму хрящей различных анатомических структур при их врожденных или приобретенных деформациях. Оперативные вмешательства при онкологических заболеваниях, травмы, пороки развития могут приводить к деформациям хрящевых структур головы и шеи, таких как ушная раковина, нос, трахея. Одним из способов коррекции таких деформаций является использование трансплантатов из аутохряща, которым достаточно сложно придать необходимую форму из-за наличия свойства памяти у хрящевой ткани.
По данным отечественных [1] и зарубежных авторов, ЛМХ может быть с успехом использована при операциях на искривленной перегородке носа. Некоторые авторы считают данную методику выгодной альтернативой классической хирургии из-за возможности амбулаторного выполнения процедуры, отсутствия побочных эффектов, использования лишь местных аппликационных
анестетиков, бескровности. Однако показания к лазерной модификации хряща носовой перегородки относительно узки, так как большая часть искривлений представлена гребнями или шипами, в ряде случаев переходящими в костный отдел, а сама методика подразумевает только выпрямление изгиба хряща в плоскости без изменения его толщины.
Исследования в области применения лазера для модификации хряща в медицинских целях стали возможны после открытия в 1992 г. Э. Н. Соболем явления релаксации напряжений в хрящевой ткани при неразрушающем лазерном нагреве. Группой ученых, включающей физиков и клиницистов, были изучены физико-химические и гистоморфологические процессы в хрящевой ткани при неразрушающем лазерном воздействии на нее, разработаны методы контроля и управления процессом. Выдвинуты гипотезы, объясняющие изменения упругих свойств хрящевой ткани под воздействием лазерного нагрева [1].
Известно, что хрящ на 70-80% состоит из воды, связанной с молекулами протеоглика-нов и сетью коллагеновых волокон II типа.
Электростатическое взаимодействие заряженных групп в полимерных цепях протеогликанов обеспечивает силы внутреннего напряжения в хряще. При нагреве хряща молекулы воды из связанной фазы (вода, связанная с протеогликанами и коллагеном) переходят в свободную, меняются заряды, электростатические силы. Протеогликаны при нагреве играют роль термостабилизаторов, за счет которых сохраняется структура коллагена II типа в хряще перегородки носа при нагреве до 100 °С, они же обеспечивают низкую жесткость хряща, которая резко меняется при лазерной релаксации напряжений в хряще [1].
Y. Chae, G. Aguilar, E. J. Lavernia, B. J. Wong [2] выдвинули другую гипотезу механизма релаксации напряжений в хряще при лазерном воздействии. Согласно ей, изменение формы хряща вызвано локальными процессами минерализации и деполимеризации, на что указывает присутствие малых кристаллов, выявленных при атомной силовой микроскопии.
В работе С. В. Аверкиева, Н. Ю. Игнатьевой, Э. Н. Соболя [1] проведено сравнительное гистологическое исследование окрашенных по Ван-Гизону образцов ткани, подвергнутой лазерному нагреву, и нативной хрящевой ткани. Было выявлено, что максимальная степень деградации коллагена II типа при нагреве до 70 °С без последующей отдачи хрящу тепла на данной температуре носит пороговый характер и не превышает 15-16 % (по сравнению с нативными образцами, где степень деградации 2-5%). Именно при этой температуре происходит определенная дезорганизация коллагеновой и протеогликановой подсистем хрящевой ткани, при дальнейшем же нагреве структура разрушается за счет процесса денатурации.
В литературе на тему ЛМХ имеются данные об использовании различных лазеров с указанием разнообразных режимов их применения. Э. Н. Соболем и соавт. в их фундаментальном исследовании [1] приведен сравнительный анализ СО2, гольмиевого и эрбиевого лазеров с длинами волн 10,6, 2,09 и 1,56 мкм соответственно. Коэффициенты поглощения хрящевой тканью излучения данных длин волн сильно различаются. При использовании С02-лазера происходит нежелательный перегрев поверхностных слоев хрящевой пластины. Глубина проникновения и соответственно равномерность нагрева у эрбие-вого лазера больше, нежели у гольмиевого. Таким образом, авторы рекомендуют эрбиевый лазер с длиной волны 1,56 мкм для модификации хряща толщиной 1-3 мм. Авторы указывают, что мощность лазера при работе его в доабляционнном режиме, не приводящем к образованию свободных радикалов, должна быть меньше 40 Вт • см2. Лазерное воздействие в неабляционном режиме
при температуре выше 70 °С длительностью более 10 с разрушает регулярную структуру колла-геновых волокон [1].
В статье V. V. Bagratashvili, E. N. Sobol, A. Sviridov [10] указывается значение энергии, необходимой для осуществления фазового перехода в хряще, - 1,5 кДж/г.
В другой статье рядом авторов [4] в опыте на хрящах носовой перегородки 12-месячных телят приводится гистоморфологическая оценка результатов воздействия неразрушающего лазерного излучения, указываются конкретные режимы лазерной модификации при применении эрбие-вого волоконного ИК-лазера (X = 1,56 мкм, «ИРЭ-Полюс»). Плотность энергии излучения лазера у поверхности равнялась 6 Вт/см2, поглощенная энергия - около 50 Дж/(г • с). При мощности 2 и 3,5 Вт время облучения составляло от 10 до 50 с.
M. D. Gaon, K.-H. K. Ho, B. J. F. Wong исследовали эластические свойства хряща носовой перегородки свиньи после воздействия на него Nd: YAG- лазера [8]. Авторами указан следующий режим лазерного излучения: длина волны лазера -1,32 мкм, диаметр пятна - 6 мм, плотность мощности - 21-22 Вт/см2, экспозиция - 30 с. Упругие свойства хряща измерялись сразу после нагрева лазером до 70 °С и после 40-минутной регидрата-ции в изотоническом растворе при температуре 25 °С. Полученные данные свидетельствовали о том, что подвергнутый термомодификации лазером хрящ меняет свои упругие свойства, которые после регидратации возвращаются к исходным параметрам.
Так как клиническое применение метода ЛМХ требует оценки жизнеспособности хряща, рядом зарубежных авторов в 2005 г. [7] было проведено исследование на кроликах in vivo. Исследователи производили ЛМХ предварительно извлеченного хряща перегородки носа с последующей ре-имплантацией его подкожно. После извлечения хрящей на 8 и 12 месяцы производилась оценка изменений путем проточной цитометрии и гистологического исследования. В данном случае использовался неодимовый лазер в импульсном режиме облучения (длина волны - 1,32 мкм, диаметр пятна - 5,4 мм, мощность - 10 Вт, длительность импульса - 10 с). Полученные данные свидетельствовали о потере хрящевого матрикса в обработанном лазером и реимплантированном хряще, в связи с чем авторами сделаны выводы о необходимости дальнейшего изучения режимов и тщательной дозиметрии при ЛМХ.
По мере изучения эффектов лазерного излучения разрабатываются методики бесконтактного и контактного охлаждения тканей, покрывающих модифицируемый хрящ [8, 9]. В работе S. Mordon с соавт. [5] описано контактное охлаждение при термомодификации хряща уха кролика при
■¿£2095'
помощи 1,54 мкм Er-лазера (процедура проводилась в 15 точках на 10 параллельных линиях в импульсном режиме: длительность импульса - 3 мс, 7 импульсов, плотность мощности - 12 Дж/см2, площадь облучаемой поверхности - 84 см2). Охлаждение производилось при помощи специальной охлаждающей рукоятки, контактирующей с кожей уха кролика, к которой был прикреплен излучающий лазер. Авторы также производили гистоморфоло-гическую оценку последствий ЛМХ. Было отмечено, что в зоне облучения хряща происходит пролиферация хондроцитов с истончением хрящевой пластинки, что совпадает с данными исследования A. M. Karamzadeh, J. C. Chang [7], где показана резорбция обработанных лазером хрящевых пластинок. Таким образом, дальнейшие исследования необходимы и для предварительной оценки отдаленных последствий ЛМХ.
Перспективы применения лазерной модификации хряща не ограничиваются лишь хрящом перегородки носа или ушной раковины. В статье C. Bourolias, J. Hajiioannou, E. Sobol [6] приводится опыт использования С02-лазера для термомодификации надгортанника на трупной гортани. На трех гортанях после их экстирпации по поводу рака было проведено облучение язычной поверхности надгортанника с использованием СО2-лазера в следующем режиме: диаметр пятна - 2 мм, длительность импульса - 0,5 с, выходная мощность - 3 Вт. При каждой экспозиции энергия, переданная хрящу, составляла в среднем около 48 Дж/см2, т. е. от 20 до 30 импульсов по 500 мс или 60-90 Дж. Исследователи предполагают, что данное вмешательство может быть использовано как малоинвазивный способ лечения ларингомаляции или обструктивного апноэ, связанного с деформацией надгортанника. При этом авторами не отрицается наличие повреждения слизистой оболочки в зоне разогрева, наоборот, они считают, что рубцевание может привести к еще большей антефлексии хряща.
В 2008 г. учеными Y. Chae, D. Protsenko, P. K. Holden [2] было проведено исследование влияния неразрушающего лазерного нагрева хрящей трахеи кролика in vitro с использованием диодного лазера. Отмечено, что максимальная переданная хрящу энергия не должна превышать 350 Дж/см2, оптимальная температура - 65 °С.
В другой статье [11] проводится сравнительное исследование применения лазерной термомодификации хрящей и резекции трахеи с последующим стентированием на собаках in vivo с экспериментальной деформацией трахеи после трахеотомии. В исследовании использовался не-одимовый лазер в дистантном импульсном режиме на мощностях от 2 до 4 Вт, с частотой 20 Гц. Авторы утверждают, что эффективность лазерной термомодификации может быть сравнима с клас-
сическим подходом в лечении стенозов трахеи, так как просвет в послеоперационном периоде в обоих случаях сохранялся стабильно адекватным.
Из проведенного нами анализа литературы на тему ЛМХ следует, что, несмотря на обилие экспериментальных исследований, до сих пор не имеется четких рекомендаций по использованию режимов лазера. Необходимо ли использовать импульсный режим? Или передаваемая в импульсном режиме энергия недостаточна для относительно быстрого разогрева хряща, и требуется лазер высокой мощности? Какова необходимая плотность мощности на поверхности модифицируемого хряща? Какое оптимальное время нагрева? Все эти вопросы являются несомненно важными для возможного дальнейшего клинического применения этой технологии.
В нашем исследовании для воспроизведения процесса ЛМХ был использован полупроводниковый лазер c длиной волны 1,47 мкм. Указанная часть инфракрасного спектра наиболее хорошо поглощается водой, которая составляет 70-80% массы хряща. При обзоре литературы на данную тему мы не нашли примеров использования полупроводниковых лазеров именно этой длины волны.
Цель исследования. В эксперименте in vitro найти оптимальные параметры и способы лазерного облучения хряща для термомодификации полупроводниковым лазером с длиной волны 1,47 мкм.
Материалы и методы. Выбор режима лазерного облучения был продиктован как литературными данными, так и техническими возможностями: облучение проводилось с использованием кварцевого световода с фокусирующей линзой на конце, максимальная допустимая выходная мощность для которого составляет 2 Вт. Использование микролинзы позволило получить пятно облучения заданного диаметра, в то время как при попытке воспроизведения эксперимента с обычным кварцевым волокном невозможно было четко задать диаметр пятна - интенсивности излучения в центре и по периферии пятна значительно различались.
Для облучения использовались стандартные пластины хряща ушной раковины поросят, извлеченные post mortem, площадью 15 х 15 мм и толщиной 2 мм (толщина контролировалась при помощи штангенциркуля). После препарирования и истончения хряща до стандартного размера пластины хранились в 0,9%-ном растворе NaCl при температуре 6-8 °С не более 1 суток.
Лазерное волокно было расположено перпендикулярно к плоскости хряща, диаметр пятна регулировался расстоянием от линзы до облучаемой поверхности. При этом хрящ не был каким-либо образом фиксирован, а свободно лежал на
: 60-я науч.-практ. конф. «Молодые ученые - российской оториноларингологии»
горизонтальной поверхности. Нами были выбраны три стандартных размера пятна: 5, 10 и 15 мм, площадью 0,2, 0,8 и 1,8 см2 соответственно. При выходной мощности 2 Вт полученная плотность мощности составляла 5; 2,5 и 1,1 Вт/см2 соответственно. Облучение производилось в постоянном режиме.
Всего было произведено 15 сеансов облучения: по 5 повторений для каждой площади пятна. По данным литературы, температура на поверхности хряща, необходимая и достаточная для его лазерной модификации, должна составлять 65-70 °С. До начала лазерного облучения температура поверхности хряща составляла 20-21 °С. Контроль температуры с поверхности осуществлялся с помощью бесконтактного инфракрасного пирометра. Лазерное облучение производили в указанных выше режимах до достижения температуры 70 °С. Время экспозиции фиксировали при помощи секундомера.
Результаты. При диаметре пятна 5 мм и площади облучаемой поверхности 0,2 см2 (мощность 2 Вт) время экспозиции для нагрева хряща до 70 °С составило в среднем более 220 с. При этом наблюдалась характерная динамика: темп роста температуры поверхности хряща значительно замедлялся со временем. Одновременно макроскопически наблюдались явления денатурации (визуально - побеление) структур поверхности хряща с последующим обугливанием (черное пятно в центре). Полученный результат, как нам кажется, объясняется следующим: при высокой плотности мощности на ограниченном участке хряща происходят интенсивное выпаривание воды (что было видно по активному испарению с поверхности), неконтролируемая денатурация, а затем и обугливание поверхностного слоя хряща, вследствие чего снижается дальнейшее поглощение лазерного излучения и нагрев поверхности. Мы повторили эксперимент на мощности 1 Вт, что также привело к вышеуказанным последствиям неконтролируемого прогрева поверхности хряща с дальнейшим снижением темпа роста температуры, при этом время экспозиции было еще больше (после 150 с температура поверхности хряща достигала лишь 47 °С и дальнейшего повышения температуры прибором не фиксировалось в течение 20 с).
При облучении поверхности хряща с диаметром пятна 10 мм и плотностью мощности 2,5 Вт/см2 время экспозиции составило от 50 до 65 с. При этом темпы роста температуры облучаемой поверх-
ности сохранялись относительно стабильными и составляли от 0,8 до 1,5 °С/с и после облучения визуально поверхность хряща не изменяла свой цвет, т. е. процессов денатурации не наблюдалось.
При диаметре пятна 15 мм и той же мощности 2 Вт (соответственно плотности мощности 1,1 Вт/см2) получены следующие результаты. Время экспозиции составило от 70 до 90 с. Темпы роста температуры также оставались относительно стабильными: около 0,5-1,0 °С/с. Визуально изменения цвета поверхности хряща также не отмечалось. При этом в 2-х случаях хрящевая пластина уже при достижении поверхностной температуры 63-65 °С начинала самопроизвольно изгибаться по плоскости в сторону облучаемой поверхности. Этот феномен, как нам кажется, демонстрирует сам процесс термомодификации: при отсутствии действующей на хрящ силы релаксация напряжений на облучаемой поверхности привела к изгибу пластины. Можно предположить, что это также связано и с тем, что площадь облучения сравнима с площадью самой пластины и практически отсутствовала значимая теплопередача в хряще.
Во второй части эксперимента с использованием диодного лазера 1,47 мкм нами был проведен отдельный опыт in vitro с тремя хрящевыми пластинами ушной раковины поросенка площадью 45х20 мм и толщиной 2 мм. Пластина была изогнута между пальцами таким образом, что угол между двумя равными ее участками составил около 100°.
При помощи диодного лазера на мощности 2 Вт и кварцевого волокна с линзой, фиксированного в наконечнике перпендикулярно к плоскости облучаемой поверхности (диаметр пятна - 10 мм), производился равномерный нагрев пластины в месте изгиба сканирующими движениями (площадь облучаемой поверхности около 2 см2) до достижения температуры 70 °С. Время экспозиции составило от 120 до 150 с. После удаления действующей силы (пластина свободно уложена на плоскую поверхность ребром) отмечалось сохранение заданной деформации, т. е. угла между двумя участками около 110-120°. Тот же угол сохранялся и после экспозиции хряща в растворе NaCl 0,9% в течение 3 суток.
Таким образом, проделанные нами in vitro эксперименты позволяют непосредственно убедиться в наличии относительно стойкого эффекта деформации после лазерной модификации хряща, а указанные параметры сопоставимы с результатами исследований других авторов [8-10, 12].
Выводы
Изучение нескольких режимов лазерного облучения позволило предложить оптимальные параметры лазерной термомодификации хряща: постоянный режим облучения на мощности 2 Вт, размер пятна 10 мм. Плотность мощности 2,5 Вт/см2, энергия облучения 150 Дж.
ЛИТЕРАТУРА
1. Модификация коллагеновых волокон при лазерной обработке хрящевой ткани / С. В. Аверкиев [и др.]// Вестн. Московского ун-та. Сер. 2. Химия. - 2006. - Т. 47, № 6. - С. 367-373.
2. Characterisation of temperature dependent mechanical behaviour of cartilage/ Y. Chae [et al.]// Lasers in Surgery and Medicine. - 2003. - Vol. 32, N 4. - P. 271-278.
3. Endoscopic laser-assisted reshaping of collapsed tracheal cartilage:a laboratory study/ Z. Wang [et al.]// The Annals of Otology, Rhinology and Laryngology. - 1996. - Vol. 105, N 3. - P. 176-181.
4. Epiglottis reshaping using CO2-laser: a minimally invasive technique and its potent applications/ C. Bourolias [et al.] // Head Face Med. - 2008. - Vol. 4. - P. 15-19.
5. In vivo experimental evaluation of skin remodeling by using an Er:Glass laser with contact cooling/ S. Mordon [et al.] // Lasers in Surgery and Medicine. - 2000. - Vol. 27. - P. 1-9.
6. Laser reshaping of cartilage/ Y. M. Ovchinnikov [et al.]// Biotechnol & Gen Eng Rev. - 2000. - Vol. 17. - P. 539-564.
7. Longterm in vivo stability of rabbit nasal septal cartilage following laser cartilage reshaping: a pilot investigation / A. M. Karamzadeh [et al.]// Lasers in surgery and medicine. - 2005. - Vol. 36, N 2. - Р. 147-154.
8. Measurement of the elastic modulus of porcine septal cartilage specimens following Nd: YAG laser treatment / M. D. Gaon [et al.] // Lasers in medical science. - 2003. - Vol. 18, N 3. - P. 148-153.
9. Minimally invasive ear reshaping with a 1450-nm diode laser using cryogen spray cooling in new Zealand white rabbits / P. K. Holden [et al.]// Arch. Facial Plast. Surg. - 2009. - Vol. 11, N 6. - P. 399-404.
10. Thermal and diffusion processes in laser-induced stress relaxation and reshaping of cartilage / V. V. Bagratashvili [et al.] // Journal of Biomechanics. - 1997. - Vol. 30. - P. 813-817.
11. Thermoforming of tracheal cartilage: viability, shape change, and mechanical behavior / Y. Chae [et al.]// Lasers in Surgery and Medicine. - 2008. - Vol. 40, N 8. - P. 550-561.
Улупов Михаил Юрьевич - канд. мед. наук, врач-оторинолариноголог клиники ЛОР СПбГМУ им. акад.
И. П. Павлова. 197022, Санкт-Петербург, ул. Льва Толстого, д. 6/8; e-mail: mike.ulupov@gmail.com
Портнов Глеб Валерьевич - клинический ординатор каф. оториноларингологии с клиникой СПбГМУ им. акад.
И. П. Павлова. 197022, Санкт-Петербург, ул. Льва Толстого, д. 6/8; тел.: 8-951-669-09-71, e-mail: gleb_portnov@
mail.ru
УДК: 616.216.1-002:612.119-053.2-089.843
ОСОБЕННОСТИ ТЕЧЕНИЯ СИНУСИТОВ У ДЕТЕЙ И ПОДРОСТКОВ ПОСЛЕ ТРАНСПЛАНТАЦИИ ГЕМОПОЭТИЧЕСКИХ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК
Е. С. Утимишева, М. Ю. Аверьянова, Н. В. Станчева
FEATURES OF SINUSITIS IN CHILDREN AND ADOLESCENTS
AFTER HEMATOPOIETIC STEM CELL TRANSPLANTATION
E. S. Utimisheva, M. Yu. Averyanova, N. B. Stancheva
ГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И. П. Павлова»
(Зав. каф. оториноларингологии с клиникой - проф. С. А. Карпищенко;
профессор каф. гематологии, трансфузиологии и трансплантологии - Л. С. Зубаровская)
В статье рассмотрены некоторые особенности течения инфекционных осложнений, в частности синуситов, у детей и подростков после трансплантации гемопоэтических стволовых клеток, представлена статистика заболеваемости синуситом у данной категории пациентов. Особое внимание уделено взаимосвязи между проявлениями реакции «трансплантат против хозяина» и развитием синусита.
Ключевые слова: синусит, трансплантация гемопоэтических стволовых клеток, реакция «трансплантат против хозяина».
Библиография: 15 источников.
The article discusses some features of the course of infection, particularly sinusitis in children and adolescents after transplantation of allogenic hematopoietic stem cells, provides statistics of morbidity sinusitis in these patients. Particular attention is paid to the relationship between the occurrence of the reaction of „graft versus host" disease and the development of sinusitis.
Key words: sinusitis, hematopoietic stem cells transplantation, graft-versus-host disease.
Bibliography: 15 sources.
