CC BY
49
ОКТ-МОНИТОРИНГ ИЗМЕНЕНИЙ БИОТКАНЕЙ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ РАДИОВОЛНОВОГО И ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
1 о о ^ ^ ^
М.А.Шахова , Г.Ю Голубятников , В.А.Каменский , А.В.Шахов , А.Б.Терентьева , Л.Б.Снопова 1ГУЗ Нижегородская областная клиническая больница им. Н.А.Семашко; maha-shakh@yandex.ru
2 Институт прикладной физики РАН;
3Нижегородская государственная медицинская академия Россдрава РФ, Нижний Новгород, Россия
Введение
В последние годы очень перспективным направлением в ларингологии является использование физических факторов, таких как лазерное излучение (CO2 и Nd-YAG лазеры) и радиоволновое воздействие [1-3]. Лазерная хирургия является методом выбора при лечении ранних форм злокачественных опухолей. Однако одной из проблем остается формирование стенозов гортани при таком виде операций. Проблема лечения больных при рубцовых стенозах гортани и трахеи сама по себе является одной из самых обсуждаемых в научной литературе. Не только хирургические вмешательства, но и пролонгированная интубация, нехирургические травмы органов респираторной системы, неспецифические воспалительные процессы, лучевые способы лечения по поводу злокачественных новообразований гортани и глотки являются факторами риска в развитии стенозирующих рубцовых процессов в гортани и трахее [4-6]. Использование высокотехнологичных методов в лечении рубцовых стенозов гортани и трахеи позволило существенно повысить эффективность хирургических вмешательств, одновременно сократив количество интра- и послеоперационных осложнений. Однако сохраняется возможность развития рестенозов вследствие продолжения роста рубцовой ткани, развития грануляций [7,8].
Во многом несовершенство предлагаемых методик высокоэнергетических воздействий связано с отсутствием полной информации об особенностях реакции тканей гортани и трахеи на лазерное или радиоволновое воздействие, о глубине повреждающего воздействия при различных режимах работы приборов [9]. По нашему мнению, развитие технологий, позволяющих изучать изменение структуры тканей в момент воздействия, может способствовать совершенствованию технологий самих воздействий.
Нами начато изучение возможности мониторинга повреждения биологических тканей, в том числе хрящей гортани, при инфракрасном (ИК) лазерном и высокочастотном (ВЧ) воздействии с использованием оптической когерентной томографии (ОКТ). ОКТ основана на интерферометрическом детектировании обратно рассеянного света ближнего инфракрасного диапазона и позволяет неинвазивно получать информацию о внутренней структуре тканей на глубину до 2мм с разрешением на уровне тканевых слоев [10,11].
Цель исследования
Целью исследования является сравнительное изучение структурных изменений биотканей в ответ на лазерное и высокочастотное воздействия с использованием ОКТ. Так как в режиме резекции тканей сложно выделить различия между воздействиями ИК-излучением и ВЧ-полем из-за очень выраженных повреждений (обугливание), на данном этапе работы нами выбран более «мягкий» режим (нагрев ткани до 100С), используемый при термопластике, где было возможно оптимизировать работу приборов под контролем ОКТ.
Материалы и методы
Объектами экспериментов были ткани человека и животных ex vivo: сухожилия курицы, межпозвоночные диски кролика, хрящ уха кролика, хрящ носовой перегородки и гортань человека.
Для лазерной обработки образцов тканей использовали излучение эрбиевого волоконного лазера на длине волны 1.56 мкм ЛС-1.56 ("ИРЭ-Полюс", Россия). Излучение лазера подводилось через оптическое волокно диаметром 400 мкм. Выходная мощность могла варьироваться от 0.1 до 6 Вт. Изменение плотности потока мощности и диаметр облучаемой зоны изменялось также как временными режимами работы лазера (импульсно переодический режим модуляции), так и использованием сменных оптических насадок ("Полироник", Россия). Типичный размер облучаемой зоны составлял 1-2 мм, типичное время облучения 3-10 секунд.
Нагрев тканей высокочастотным полем осуществлялся радиохирургическим прибором (Surgitron FFPF EMC, Ellman International Inc., www.ellman.com) с монополярным электродом, работающим на частоте 3.8 МГц, выходное напряжение до 400-600 Вольт.
Для ОКТ-мониторинга нами применена модификация ОКТ - поляризационно-чувствительная ОКТ, которая позволяет получать информацию не только о структуре объекта по параметрам обратного рассеяния, но и повреждении этой структуры по способности тканей к двулучепреломлению и деполяризации [12]. Поляризационно-чувствительная ОКТ является крайне чувствительным методом диагностики малых изменений в хрящевых тканях [13]. В данной работе применялась двухканальная установка для кросс-поляризационной ОКТ (КП ОКТ) (ИПФ РАН, Н.Новогород, Россия), которая позволяет получать одновременно оптические изображения объекта в прямой и ортогональной поляризации [14]. Технические характеристики: длина волны зондирующего излучения 980 нм, спектральная ширина 45 нм, разрешение в латеральном направлении 25 мкм, по глубине 10 мкм. Томограф оснащен гибким волоконно-оптическим зондом с торцевым окном оптического сканера диаметром 2.7 мм.
Морфологическая верификация оптических данных проводилась по стандартной методике (окраска гематоксилин-эозином и окраска по методу Ван-Гизона).
Результаты
Исследования структурных изменений в хрящевых тканях при нагреве лазером на длине волны 1.56 мкм (ЛС-1.56) до температур 60-80С методом ОКТ воспроизвели результаты, полученные ранее в работах [9,15], где также проводились измерения степени денатурации коллагена, методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК).
Предыдущие и настоящие исследования показали, что КП ОКТ способна фиксировать различные степени нарушения двулучепреломления хряща, которое имеет место при определенных режимах воздействия, что гистологически соответствует разным степеням повреждения хряща.
Поскольку максимальная выходная мощность ВЧ-установки 140 Вт, и выходное напряжение 400 В, то достаточно сложно контролировать дозу облучения ткани. Поэтому, в нашем случае, оценка поглощаемой высокочастотной мощности проводилась путем сравнения степени изменений в тканях для ВЧ и лазерного излучений под контролем ОКТ.
На рис. 1 даны ОКТ изображения интактной ткани сухожилия голени курицы (слева) и после ВЧ обработки с экспозицией 10 сек (справа). В нижней части рис.1 представлены соответствующие пространственные спектры двойного лучепреломления (поперечное сечение 130, усреднение по 10 точкам). После обработки ткани ВЧ полем происходит изменение пространственного периода: пространственный период интактной ткани 110 мкм, характерные периоды после ВЧ-воздействия 83 мкм и 172 мкм. Отчетливо наблюдаются два пика в интерференционном спектре (нижний график справа рис.1), что может свидетельствовать о неполной денатурации коллагена. Настоящее утверждение подтверждается гистологией. При гистологическом изучении структуры сухожилия
после радиоволнового воздействия выявлено расслоение и разрывы коллагеновых волокон на всей площади воздействия. При окраске гематоксилином и эозином отмечается неравномерная базофилия волокон с сохранением участков нормального (розового) окрашивания. Соответственно, при окраске по Ван-Гизону отмечается неравномерное окрашивание волокон фуксином, отмечаются участки, не воспринимающие фуксин. Описанные изменения, по-видимому, отражают частичную, избирательную денатурацию коллагена в отдельных пучках волокон или их частях. На гистологических срезах визуально неизмененные волокна перемежаются с денатурированными, о чем можно судить по нарушению восприятия применяемых красителей. _
Рис. 1. КП ОКТ данные интактного сухожилия и после ВЧ воздействия.
При близких по мощности дозах облучения ИК-лазером, наблюдались аналогичные полосатые структуры двойного лучепреломления, за исключением разрывов, т.е. ткань в области нагрева была однородной. Настоящий факт свидетельствует о мелкомасштабной неоднородности ВЧ-нагрева, обусловленный, как и в случае с ИК излучением, поглощением водой, содержащейся в тканях.
Заключение
Результаты работы показали, что КП ОКТ может детектировать не только изменения двулучепреломления в ответ на воздействие, но и особенности ответной реакции биотканей в зависимости от вида воздействия. Нами обнаружены принципиальное различие между ИК и ВЧ нагревом. При ВЧ воздействии происходит локальный (масштаб порядка 100 мкм) нагрев содержащейся в ткани воды. При более высоких мощностях это приведет к изменению характера резекции ткани - разрыв ткани внутренним давлением воды, что было зафиксировано на ОКТ-изображениях и подтаерждено гистологически.
Авторы выражают благодарность персоналу Областной клинической больницы, на базе которой проводилось исследование. Работа частично финансирована за счет гранта РФФИ № 06-08-00950 и госконтракта Федерального агенства по науке и инновациям № 02.522.11.2002.
1. Богомильский М.Р. с соавт. Эндоскопическое применение хирургических лазеров при стойких обструктивных процессах в гортанной части глотки, гортани и трахее у детей // Вестник оториноларингологии, N 1-1999, стр. 39-41.
2. Monnier P.et al The role of the CO2 laser in the management of laryngotracheal stenosis: a survey of 100 cases. // Eur Arch Otorhinolaryngol. 2005 Aug; 262(8):602-8.
3. http://www.ellman.com/medical
4. Valdez T.A., Shapshaj S.M. Idiopathic subglottic stenosis revisited. // Ann Otol Rhinol Laryngol. 2002 Aug; 111(8):690-5.
5. Danic D. et al Laryngotracheal stenosis - etiology and therapeutic options. // Acta Med Croatica. 2006 Sep; 60(4):319-23.
6. Koshkareva Y., Gaughan J.P., Soliman A.M. Risk factors for adult laryngotracheal stenosis: a review of 74 cases. // Ann Otol Rhinol Laryngol. 2007 Mar; 116(3):206-10.
7. Shakhov A.V. et al Optical Coherence Tomography Monitoring for Laser Surgery of Laryngeal Carcinoma //J. Surg. Oncol, 2001, 77, p. 253-259.
8. Jovic R.M., Baros B., Duric D., Bjelovic M., Canji K., Kljajic V. Our results in surgical treatment of laryngotracheal stenosis - ten years experience. // Med Pregl. 2006 Jul-Aug; 59(7-8):309-16.
9. Логунова М.А. с соавт.Эффект уменьшения термостабильности коллагена при нарушении целостности ткани щитовидного хряща гортани // Биофизика (в печати).
10. Fujimoto J.G. et al. Optical Cohernce Tomography, An Emerging Technology for Biomedical Imaging and Optical Biopsy // Neoplasia . - 2000. - Vol. 2 - P. 9-25
11. Руководство по оптической когерентной томографии. Под ред. Гладковой Н.Д., Шаховой Н.М., Сергеева А.М. Москва: Физматлит, Медицинская книга, 2007, 296 с.
12. de Boer J. F.et al. Imaging thermally damaged tissue by polarization sensitive optical coherence tomography // Opt. Expr. - 1998. - Vol 3. - P. 212-218
13. V. M. Gelikonov, G. V. Gelikonov New approach to cross-polarized optical coherence tomography based on orthogonal arbitrarily polarized modes // Laser Physics Letters, 2006, Vol.3, Issue 9, p. 445-451
14. S.J Matche, C.P. Winlove, S. V Gangnus. The collagen structure of bovine intervertebral disc studied using polarization-sensitive optical coherence tomography. Phys. Med. Biol. 49 (2004) 1295-1306
15. N.Yu. Ignatieva et al IR Laser and Heat-induced Changes in Annulus Fibrosus Collagen Structure // Photochem. Photobiol., 2007, Vol. 83(3) 675-685.
The goal of the research is comparative analysis of PS OCT images and morphological data obtained at monitoring of structural alterations of biotissues exposed to infrared (IR) laser and radiofrequency (RF) radiation. In our experiments we used different biotissues ex vivo. The IR source was Er:glass fiber laser (IRE-POLUS, Russia), with output radiation (max power of 2.5 W) at 1.56 |im. A surgical apparatus "Surgitron" (operating frequency 3.8 MHz) was used as an RF source. The degree of tissue alteration was controlled by a two-channel portable CP OCT device designed at the Institute of Applied Physics RAS (N. Novgorod). Morphological study was performed by a standard technique, the biopsy samples were stained by H&E and Van Gieson s solution. It was found that changes in biotissue arising on laser and radio-wave exposure are registered by CP OCT.
