CC BY
133
УДК: 616-006 + 615.849.19
лазерный медицинский комплекс для лечения онкологических заболеваний «литт-фдт»
А.н. Солдатов12, А.в. гейниц3, в.А. Евтушенко4,
Е.ф. Странадко3, и.в реймер15, М. в. вусик4
томский государственный университет1 западно-Сибирский филиал Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства, г. томск2 Центр лазерной медицины, г. москва3 ГУ «нии онкологии томского научного центра Со РАМН»4
ооо «литт», г. томск5 634050, г. томск, пр. ленина, 36, e-mail: rector@tsu.ru
Представлен новый лазерный медицинский комплекс для лечения онкологических заболеваний «ЛИТТ-ФДТ». Лазерный комплекс основан на системе лазера на красителе с накачкой излучением лазера на парах меди и имеет возможность плавной перестройки длины волны, что позволяет работать с любым фотосенсибилизатором при фотодинамической терапии. Приведены результаты клинической апробации комплекса «ЛИТТ-ФДТ» у больных базальноклеточным раком кожи. Ключевые слова: лазерный медицинский комплекс на красителе, фотодинамическая терапия, базальноклеточный рак кожи.
LASER MEDICAL COMPLEX FOR CANCER TREATMENT A.N. Soldatov1,2, A.V Geinits3, V.A. Evtushenko4, E.F. Stranadko3, I.V Reimer1,5, M.V Vusik4
Tomsk State University1
West-Siberian Branch of the Russian State University of Innovation Techniques and Business, Tomsk2
Center of Laser Medicine, Moscow3 Cancer Research Institute, SB RAMS, Tomsk4 Limited Company "LITT", Tomsk5 36, Lenina Street, Tomsk-634050, Russia, e-mail: rector@tsu.ru
The new laser medical complex «LITT-FDT» for cancer treatment has been presented. The laser complex is based on the system of the dye laser with copper vapor laser pumping and is capable of smoothly reconstructing the wave length, allowing the use of any photosensitizer for photodynamic therapy. Results of clinical trial of the complex «LITT-FDT» for patients with basal-cell skin cancer have been presented.
Key words: laser medical complex on the dye, photodynamic therapy, basal-cell skin cancer.
За последнее десятилетие во всем мире отмечается стремительный рост заболеваемости злокачественными новообразованиями кожи (ЗНК). В США ЗНК вышли на первое место в структуре онкологических заболеваний. В структуре онкологической заболеваемости в России злокачественные опухоли кожи прочно занимают 3-е место, за период с 1996 по 2002 г. заболеваемость ЗНК увеличилась у мужчин
- на 41 %, у женщин - на 38 %. В Москве, по данным онкологических учреждений, за период 1996-99 гг., зарегистрировано 7796 первичных больных с ЗНК (в основном базальноклеточные карциномы), среди них было 2947 мужчин и 4849 женщин. Возраст больных варьировал от 18 до 97 лет. Средний возраст составил 68,54 ±
0,14 года [1]. Часто возникновению ЗНК предшествуют различные предопухолевые и другие патологические состояния кожи.
Одним из новейших подходов к лечению злокачественных новообразований является фотодинамическая терапия (ФДТ). Этот метод. основанный на лекарственной фотосенсибилизации опухолей и последующем световом воздействии, является новой перспективной медицинской технологией, позволяющей добиваться селективного разрушения опухоли с максимальным сохранением окружающей здоровой ткани. В мировой практике ФДТ при раке кожи проводится, как правило, в случаях неудачи предшествующего традиционного лечения, невозможности выполнения хирургиче-
ской операции из-за сопутствующей патологии или возможности нанесения существенного косметического повреждения, а также при наличии у больных множественных опухолевых поражений.
Для лечения злокачественных новообразований методом ФДТ используются различные типы лазеров. В работе [5] были сформулированы следующие требования к источнику света для ФДТ:
- генерация света с длиной волны, соответствующей пику поглощения фотосенсибилизатора (ФС), и достаточной мощности;
- перестраиваемая длина волны;
- возможность подведения света к тканям по гибким тонким (200-400 микрон) световодам;
- невысокая стоимость;
- портативность и удобство для клинического применения.
Существуют различные лазерные установки для лечения онкологических заболеваний методом ФДТ. В основном это полупроводниковые лазерные установки, главным недостатком которых является дискретность длины волны и ориентация только на один тип фотосенсибилизатора. В данной работе представлен лазерный медицинский комплекс «ЛИТТ-ФДТ» с возможностью плавной перестройки длины волны в широком диапазоне, который перекрывает большинство полос поглощения выпускаемых современных фотосенсибилизаторов. В основу разработки такой системы был положен лазер на красителе (ЛК) с накачкой излучением лазера на парах меди (ЛПМ). За счет плавной перестройки длины волны такая лазерная система является универсальной и позволит работать в паре с любым промышленным ФС. Многолетний опыт работ в практическом использовании ЛК с накачкой излучением ЛПМ требовал создания приборных образцов с высокими энергетическими характеристиками и КПД, небольшими габаритами, удобными в обращении и отвечающими высокому уровню эксплуатационных свойств по надежности, стабильности, долговечности. Для создания такой лазерной системы необходимо было решить следующие задачи:
- оптимизировать активную среду лазера на красителе с целью повышения срока службы и расширения диапазона перестройки длины волны;
- оптимизировать оптическую схему ЛК и управление лазерным медицинским комплексом (ЛМК) для применения в ФДТ;
- провести клиническую апробацию для определения возможности использования такой системы для ФДТ.
Оптимизация активной среды. Одним из требований для эффективного лечения методом ФДТ является генерация света с длиной волны, соответствующей пику поглощения ФС, и достаточной мощности. Для решения данной задачи были проведены спектрально-люминесцентные измерения, исследования по эффективности преобразования излучения ЛПМ в генерацию растворов красителей и измерения, направленные на повышение ресурса работы активных сред лазера на красителях.
Для того, чтобы получить необходимую мощность в диапазоне длин волн 630-700 нм, нужно было подобрать активную среду ЛК таким образом, чтобы она, во-первых, хорошо поглощала излучение ЛПМ (510,6 нм и 578,2 нм) и, во-вторых, генерировала излучения на длинах волн, соответствующих длинам волн поглощения ФС. Несмотря на то, что имеется достаточно большое количество лазерных красителей, генерирующих в области 630-700 нм, для выполнения поставленной задачи этого оказалось недостаточно, так как ни один из них не позволяет перекрывать этот диапазон полностью. Возникла необходимость проведения дополнительных исследований по оптимизации активной среды с целью расширения диапазона перестройки длины волны, при использовании всего одной активной среды ЛК. Были проведены измерения спектрально-люминесцентных свойств пяти красителей и трех растворителей, которые являются хорошими активными средами для лазера на красителе в диапазоне 600750 нм. Измерения включали в себя изучение спектров поглощения и флуоресценции этих красителей в различных растворителях. Спектры поглощения регистрировались на спектрофотометре СФ26, а спектры флуоресценции - на спектрофотометре SDL-2. В ходе работы была получена активная среда ЛК, которая позволила перекрыть диапазон 630-700 нм с наибольшей эффективностью. Экспериментальные исследования по перекрытию спектрального диапазона
ЛАЗЕРНЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЛЕЧЕНИЯ ОНКОЛОГИЧЕСКИХ ЗАБОЛЕВАНИЙ
------------------------------------------------------------------------------ 53
Рис. 1. Спектр генерации на длине волны 662 нм
630-670 нм проводились на лазерной установке, которая имеет беспрокачную систему смены раствора красителя. Ранее на экспериментальных образцах уже были получены высокие генерационные характеристики с различными растворами красителей [4, 6]. Для измерения генерационных характеристик использовался измеритель мощности израильской фирмы «ОрЫг» и измеритель длины волны ЛСИ-02.
Второй задачей было исследование активной среды ЛК на ресурс работы. Известно, что растворы красителей под действием излучения подвергаются деструкции. Особенно это важно, когда мы работаем с импульсными лазерами, т.к. у них очень высокая пиковая импульсная мощность, что сильно сказывается на времени работы одного раствора красителя. Для увеличения срока службы раствора красителя была проведена серия экспериментов, направленная на исследование изменения генерационных характеристик растворов красителей со временем работы. В ходе работы было получено увеличение срока службы активной среды ЛК до 300 ч с падением мощности 5-7 %.
Таким образом, мощность генерации составляет 1,2—1,8 Вт в зависимости от длины волны в диапазоне 630—700 нм, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к источникам света для ФДТ. На рис. 1 представлен спектр генерации на длине волны 662 нм, где ширина линии составляет 2 нм, что позволяет точно попадать в линию поглощения определенного
Оптимизация оптической схемы и управления
Рис. 2. Оптическая блок-схема лазерного медицинского комплекса «ЛИТТ-ФДТ»: 1 - двигатель узла ослабителя,
2 - диафрагма, 3 - двигатель узла светофильтров, 4 - набор светофильтров, 5 - двигатель поворотного зеркала,
6 - поворотное зеркало, 7 - цилиндрическая линза,
8 - кювета с раствором красителя, 9 - двигатель кюветы лазера на красителе, 10 - сферическая линза, 11 - двигатель узла решетки, 12 - дифракционная решетка, 13 - сферическая линза, 14 - узел световода I оптического канала, 15 - сферическая линза, 16 - узел световода II оптического канала,
17 - электронный спектрометр, 18 - блок сопряжения
фотосенсибилизатора (фотодитазина), работающего в диапазоне 630-700 нм.
Для управления ЛМК используется система управления двигателями, основанная на FTDI и8В чипсете (рис. 2). Данный чипсет посредством и8В позволяет осуществлять физическую связь двигателей с компьютером. Система управляет четырьмя шаговыми двигателями (1, 3, 5, 11 на рис. 2). Полный оборот каждого шагового двигателя (с дроблением шага) составляет 400 шагов. Общая схема управления данной установкой выглядит следующим образом:
1. От компьютера, в специальном виде, подается команда на чипсет.
2. Чипсет, в зависимости от принятой команды, осуществляет вращение в ту или иную сторону на определенное количество шагов одним из шаговых двигателей.
Спектрометр подключается к компьютеру посредством и8В. Имеющийся у него контроллер позволяет по команде с компьютера получить спектр. Данный контроллер позволяет производить и настройку спектрометра. Запросы подаются определенными командами в определенном формате. Так как работа устройства предполагает постоянное интерактивное взаимодействие с пользователем, то для управления устройством разработано программное обеспечение, в функции которого входит предоставление пользователю управления установкой и спектрометром.
Программное обеспечение представляет собой программу, написанную на языке программирования С+ + . Данная программа работает под самыми распространенными, на сегодняшний день, операционными системами компании
Microsoft: Windows 2000 или Windows XP Таким образом, была реализована автоматизация ЛМК и адаптация под медицинские методики с помощью компьютера.
Технические характеристики. В настоящее время с созданным действующим ЛМК «ЛИТТ-ФДТ» наработан большой опыт по их изготовлению. В комплексе реализовано автоматизированное управление от компьютера, что позволяет изменять параметры генерируемого лазерного излучения и задавать режимы работы всего комплекса с помощью специально разработанной программы, что делает комплекс удобным в эксплуатации (рис. 3).
Кювета имеет новую запатентованную конструкцию [3]. Частота следования импульсов излучения 15 кГц. Человеческий глаз воспринимает такое излучение как непрерывное, однако микроструктуры биологических тканей воспринимают такое излучение как импульсное. Комплекс позволяет работать желтой длиной волны, зеленой или обеими вместе. Установка режимов и последовательности облучения, а также контроль за их выполнением осуществляются от компьютера с помощью специальной программы, что делает ЛМК «ЛИТТ-ФДТ» удобным и простым в применении.
Ниже приведены основные технические характеристики ЛМК «ЛИТТ-ФДТ»:
- длины волн желто-зеленого
излучения, нм..................510,6; 578,2
- длины волн красного излучения
с плавной перестройкой, нм .........630-700
- точность перестройки излучения, нм...... 1
- средняя мощность желто-зеленого
излучения, Вт.......................0,05-8
Рис. 3. Общий вид ЛМК «ЛИТТ-ФДТ» СИБИРСКИЙ ОНКОЛОГИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ. 2009. №1 (31)
лазерный медицинский комплекс для лечения онкологических заболеваний -------------------------------------------------------------------------- 55
- максимальная средняя мощность
красного излучения, Вт..............1,2—1,8
- время работы красителя без замены, ч 300
- потребляемая мощность от сети, кВт....2,5
Дополнительным преимуществом лазерной
медицинской установки «ЛИТТ-ФДТ» является то, что в ней реализовано программное обеспечение, которое дает возможность осуществлять управление с помощью компьютера для любого пользователя по прилагающейся к установке инструкции: установка режимов и последовательности облучения, а также контроль за их выполнением. Это позволяет не только комфортно и быстро работать, но и создавать и хранить информацию в удобном виде, в том числе базы данных больных, и иметь доступ к специальным медицинским методикам в электронном виде.
Проведены технические испытания в Сиб-НИИ ЦМТ. В настоящий момент разработка находится на стадии регистрации.
Клиническая апробация. В течение года нами проводилась клиническая апробация лазерного медицинского комплекса [2]. С помощью ЛМК «ЛИТТ-ФДТ» уже изучена возможность лечения базальноклеточного рака кожи методом ФДТ у пациентов с тяжелой сопутствующей патологией. В исследование включено 15 больных базальноклеточным раком кожи в возрасте 60—86 лет с сахарным диабетом, гипертонической болезнью, перенесенным инсультом и инфарктом миокарда. Фотодинамическая терапия проводилась с препаратом Фотодитазин, лазерное облучение проводилось в дозе 300— 350 Дж/см2 с помощью лазера на красителях с перестраиваемой волной излучения «ЛИТТ-ФДТ». Сеансы ФДТ все пациенты перенесли хорошо, патологических реакций на введение Фотодитазина и лазерное облучение не было, ухудшения общего состояния в течение месяца не отмечено. При оценке непосредственного эффекта в течение 3 мес у 13 больных отмечена полная регрессия опухоли, у 2 больных проведены повторно сеансы ФДТ с хорошим эффектом. Сроки наблюдения за больными составляют 4—6 мес. Применение метода ФДТ с препаратом Фотодитазин при лечении базальноклеточного
рака кожи с использованием лазерного комплекса «ЛИТТ-ФДТ» позволяет провести адекватное лечение опухоли при наличии тяжелой сопутствующей патологии у пожилых больных в амбулаторных условиях.
Таким образом, ЛМК «ЛИТТ-ФДТ» по своему техническому содержанию существенно отличается от известных лазерных установок, применяемых для этих же целей. «ЛИТТ-ФДТ» -это новый лазерный медицинский комплекс на основе ЛК с накачкой излучением ЛПМ, который генерирует лазерное излучение в красной области спектра с плавной перестройкой длины волны в диапазоне 630-700 нм при сохранении высокой интенсивности излучения на каждой из длин волн, необходимой для проведения лечения методами ФДТ. Наличие излучения в красной области спектра (630-700 нм) обеспечивает лечение онкологических заболеваний методом ФДТ с возможностью применения практически любого ФС. По сути, ЛМК «ЛИТТ-ФДТ» позволяет заменить несколько полупроводниковых установок, применяемых для лечения методом ФДТ, что позволяет сэкономить на их покупке. Также ЛМК позволяет реализовывать методы низкоинтенсивной лазерной терапии для лечения предраковых и дерматологических заболеваний, т. к. одновременно может генерировать лазерное излучение на жёлтой и зелёной дискретных линиях спектра.
ЛИТЕРАТУРА
1.АхмедовБ.Т. Скрининг рака кожи // Современная онкология. 2000. № 4. С. 199.
2. Евтушенко В.А. ФДТ с фотодитазином больных базальноклеточным раком кожи и тяжелыми сопутствующими заболеваниями // Российский биотерапевтический журнал. 2007. № 1. С. 15.
3. Патент на изобретение № 2308794. Кювета для импульсного лазера на растворе красителя.
4. Патент на полезную модель. № 59895. Импульсный лазер на растворе красителя.
5. Солдатов А.Н., Ермолаев А.П., ВороновВ.Н. и др. Лазерный медицинский комплекс для лечения онкологических и кожных заболеваний // Тезисы докладов симпозиума «Лазеры на парах металлов» (ЛПМ-2004), посвященного памяти М.Ф. Сэма Лоо. Ростов н/Д, 2004. С. 88.
6. Soldatov A.N., Voronov VI., Shumeiko A.S. et at. A CVL-Pumped Dye Laser System for Oncological and Dermatological Applications // The 7-th Russian-Chinise conf. Tomsk, 2004. P. 204-207.
Поступила 1.06.08
