CC BY
48
мости - для электромагнитной развязки малогабаритных, средне- и большегабаритны1х радиоэлектронные узлов и устройств, преимущественно систем управления движением вы-сокоскоростны1х транспортные средств с электроприводом, для экранировки оконны1х проемов от прохождения электромагнитные излучений, для защиты вентиляционные отверстий, обеспечивающей соблюдение правил техники безопасности в части снижения прямого воздействия излучения на человека -при одновременном использовании локальных экранов-аппликаторов на теле человека, для предотвращения утечек электромагнитной энергии в технологических установках с использованием мощных потоков СВЧ излучения - для извлечения редких металлов из промы1шленны1х отходов, для восстановительной обработки железорудного технологического сырья, для извлечения железа и получения композиций материалов для изготовления объемные СВЧ-поглотителей - из золошлаковых отходов при сжигании углей, для термообработки футеровок металлургических емкостей, в технологиях производства оксида титана из природные (ильменитовые) руд, для защиты1 от электромагнитные излучений фотоэлектрических установок.
Ограниченная клиническая апробация разработанного матричного электромагнитного экрана, изготовленного на подложке из биополимера типа полиоксиалканата, закрепляемого с помощью двухстороннего скотча на теле человека в областях биологически активных точек, на лицах у операторов СВЧ-технологических установок и у врачей стоматологов - терапевтов, обслуживающих чернобыльский контингент больных и потому подвергающихся психоэмоциональным и технопатогенным нагрузкам, отчетливо показали снижение степени усталости указанного персонала в течение рабочего дня и существенно меньшее снижение энергетического потенциала организма.
Выводы:
1. Разработанный матричный электромагнитный экран является устройством широкого спектра применения в плане защиты персонала предприятий и учреждений от воздействия патогенных электромагнитных полей.
2. Рассмотренное в статье устройство является абсолютно пассивным энергетическим контуром, который активно на организм не воздействует, а лишь трансформирует энергетические поля, окружающие человека, в том числе и генерируемые его организмом, являясь по сути структу-ризатором патогенных непериодических полей в сумму гармонических колебаний, и по обратной связи благоприятно воздействует на органы, их исказившиеся поля, осуществляя гармонизацию этих полей.
Литература
1. Гаряев П.П., Леонова Е.А. Пересмотр модели генетического кода. Сознание и физическая реальность. М.: Фолиум, 1996. 256 с.
2. Луценко Ю.А., Яшин С.А. Основные принципы при организации синергетических биотехнических систем электромагнитной терапии // Вестник новы1х медицинских технологий. 2013. Т. 20. № 1. С. 22-3.
3. Новиков С.А., Яшин А.А., Яшин С.А. Право- и левосторонние вращающиеся поля в КВЧ-терапии // Вестник новых медицинских технологий. 2007. Т.14. № 4. С. 12-5.
4. Павленко А.П. Компьютер, TV и здоровье. Киев: Основа, 2002. 151 с.
5. Сборник научных докладов VI Межд. Форума-выставки «Интегральная медицина - 2011» (Москва, 16-18 июня 2011 г.). М., 2011. С. 36-8.
6. Брус В.В., Ковалюк З.Д., Марьянчук З.Д., Орлец-кий З.Д., Майструк Э.В. Свойства металлических контактов на пленках TiO2, изготовленных методом реактивного магнетронного распыления // Технологии и конструирование в электронной аппаратуре. 2010. № 5-6. С. 60-2.
7. Яшин С.А. Система регистрации собственных низкоинтенсивных электромагнитных полей организма человека // Вестник новых медицинских технологий. 2013. Т. 20/ № 3. С. 157-63.
References
1. Garyaev PP, Leonova EA. Peresmotr modeli geneti-cheskogo koda. Soznanie i fizicheskaya real'nost'. Mosocw: Folium; 1996. Russian.
2. Lutsenko YuA, Yashin SA. Osnovnye printsipy pri or-ganizatsii sinergeticheskikh biotekhnicheskikh sistem elektro-magnitnoy terapii [The important principles of the organization of synergetic biotechnical systems of electromagnetic therapy]. Vestnik novykh meditsinskikh tekhnologiy. 2013;20(1):22-3. Russian.
3. Novikov SA, Yashin AA, Yashin SA. Pravo- i levo-storonnie vrashchayushchiesya polya v KVCh-terapii [Right-and left-hand rotating fields in the ehf-therapy] // Vestnik no-vykh meditsinskikh tekhnologiy. 2007;14(4):12-5. Russian.
4. Pavlenko AP. Komp'yuter, TV i zdorov'e. Kiev: Osnova; 2002. Russian.
5. Sbornik nauchnykh dokladov VI Mezhd. Foruma-vystavki «Integral'naya meditsina - 2011» (Moskva, 1618 iyunya 2011 g.). Moscow; 2011. Russian.
6. Brus VV, Kovalyuk ZD, Mar'yanchuk ZD, Orlets-kiy ZD, Maystruk EV. Svoystva metallicheskikh kontaktov na plenkakh TiO2, izgotovlennykh metodom reaktivnogo magne-tronnogo raspyleniya. Tekhnologii i konstruirovanie v elektronnoy apparature. 2010;5-6:60-2. Russian.
7. Yashin SA. Sistema registratsii sobstvennykh nizkoin-tensivnykh elektromagnitnykh poley organizma chelo-veka [Registration system of own low-intensity elec-tromagnetic fields of the human body]. Vestnik novykh meditsinskikh tekhnologiy. 2013;20(3):157-63. Russian.
УДК 618-089 Э01: 10.12737/3323
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ ЛАЗЕРНОГО РАССЕЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ В ХИРУРГИИ
Е.И. БРЕХОВ*, П.Г. ПЛЕШАНОВ**
* Учебно-научный медицинский центр Управления Делами Президента РФ, ул. Маршала Тимошенко, д. 21, Москва, Россия, 121359 **Российский Государственный Университет нефти и газа им. И.М.Губкина, Ленинский пр-т., д. 65, Москва, Россия, 119991
Аннотация. Лазеры являются генераторными системами, реализующими концентрацию экстремальной излучаемой энергии в спектре, пространства и времени. Тепло из биологических тканей электромагнитным излучением, в том числе мощ-
ного инфракрасного лазерного излучения, может привести к их деструкции: испарению, сублимации и рассечению. Кровообращение вызывает эффективное охлаждение, а механическое давление ткани вызывает интенсивное проникновение лазерного излучения с меньшей потерей когерентности.
Специальная серия хирургических инструментов была разработана, изготовлена, запатентована и практически используется в течение сорока лет. Инструменты позволили достичь механического сдавливания тканей, фиксирования и перемещения лазерного луча, локальной блокировки циркуляции крови.
Использованы реальные теплофизические характеристики для различных тканей, оценивались оптимальные режимы лазерного хирургического воздействия на ткани.
Ключевые слова: лазерное излучение, лазерная хирургия.
OPTIMIZATION OF REGIMES OF LASER CUT BIOLOGICAL TISSUES IN SURGERY
E.I. BREKOV*, P. G. PLESHANOV**
* Educational-scientific medical centre of the Administration of RF President, Marshal Timoshenko str., 21, Moscow, Russia, 121359 ** Russian State I.M. Gubkin University of oil and gas, Leninsky av. 65, Moscow, Russia, 119991
Abstract. Lasers are generating systems that implement the extreme concentration of the emitted energy in the spectrum, space and time. Heating of biological tissues by electromagnetic radiation, including powerful infrared laser radiation, can cause of their destruction: evaporation, sublimation and dissection. Blood circulation causes efficient cooling, and mechanical pressure tissueinduces intensive penetration of the laser radiation with lower loss of coherence.
The special series of surgical instruments has been developed, patented and used in practical activities for 4 decades. Theinstru-ments allowed to reaching a mechanical compression of tissue, positioning and moving the laser beam, locally block the blood circulation, the optimal regimes of laser surgical exposure of tissues were estimated by using the real thermo-physical characteristics for different tissues.
Key words: laser radiation, laser surgery.
Лазеры - генераторные системы, реализующие экстремальные концентрации энергии излучения во времени, спектре и пространстве. С появлением мощных инфракрасных лазеров непрерывного действия открылись возможности быстрого бесконтактного нагрева, плавления, испарения, сублимации вещества [1].
Создание лазерных технологий обработки материалов, высокоточной резки и сварки металлов естественным образом поставило вопрос о возможности использования эффектов лазерного воздействия в хирургии [2-4]. Воздействие лазерного излучения на биологические ткани характеризуется рядом физических особенностей. Процессы нагрева и испарения биологических тканей мощным электромагнитным излучением явилось предметом большой серии работ [2-10], причём первые теоретические построения, учитывающие процессы теплообмена в живых системах, относятся к 1959 году. Предполагалось, что скорости метаболических процессов и эффективность охлаждающего и теплопереносящего действия кровотока нелинейно связаны с локальными температурами. Уравнение теплопроводности в этом случае записывается в виде:
?) = ~дх^~дхТ^) + (^тгде: Т(хД) - распределение температур; с, р, к - теплоёмкость, плотность, температуропроводность слоя биологической ткани; (Т) -
тепловой поток, связанный с балансом тепла, выделяемого за счёт процессов метаболизма и отводимого за счёт кровотока; 0т(х) - поток тепла, выделяющегося за счёт взаимодействия с излучением.
Для случая нагрева, например, микроволновыш элек-
\в\2
тромагнитным излучением 0т (х)=Р 0 W(x); Ш(х)=1/2а“^ -объёмная плотность сечения поглощения; |в|2 - распределение амплитуд напряжённости электрического поля в слое биологической ткани; а - проводимость ткани.
Нелинейности в системе могут возникать вследствие терморегуляторных эффектов. В общем случае: 0^=А*(Т)
Т(хД)+В*(Т). Такое соотношение включает учёт метаболиче-
ских процессов Qm и эффектов, связанных с наличием кровотока (Qf - blood flow): Qty=Qm+Qbf.
Если коэффициенты A* и B* постоянны, то процессы являются линейными.
В этом случае можно предположить постоянство метаболической теплопродукции и эффективный «линейный» теплоотвод за счёт процессов кровотока [4,5]: Qf= -B{T(x,t)-T}, где B - коэффициент, зависящий от скорости кровотока и теплоёмкости крови; Т - температура артериальной крови, питающей ткань.
В случае пренебрежения радиационными потерями (излучение разогретой поверхности) распространение тепла в полубесконечном слое вещества, ограниченного плоскостью Z=0, на которую падает излучение, уравнение теп-
1 д A
лопроводности имеет вид: AT(x,y,z,t)-~~д^Т У z* ^ = - k ’ где T -
температура; х - коэффициент температуропроводности; А - количество тепла, выделяющегося в единице объёма в единицу времени.
Начальные условия: ^x,y,z,0)=0.
Граничные условия: Т^ 0 при Z ^ и отсутствует тепловой поток через Z=0.
В случае воздействия непрерывного излучения с гауссовским профилем распределения интенсивности по сечению пучка на облучаемой поверхности, температура на поверхности равна:
Fd у - г
Т (».°Л=—А’ \~7:
+а2)' -- " (*)
При наличии процессов теплоотвода возможно ожидать установления стационарного состояния, для которого (путём интегрирования (*) в пределах от 0 до ~) температу-
Ч _ 17 ап
ра равна Т неПр (0,0,да) _ ^о ~ ’ где d - диаметр пучка; к -
коэффициент теплопроводности; Б0 - постоянная плотность потока излучения, поглощаемого в центре пучка.
Воздействие мощного лазерного излучения на вещество сопровождается быстропротекающими процессами роста температуры, вскипанием и испарением жидкофаз-
ных компонентов вещества, термодеструкцией и возгонкой конденсированной фазы.
Рассматриваются процессы плавления под действием лазерного излучения, которые предполагают наличие движущейся внутри образца границы между расплавленным и твёрдым веществом. Математически требуется решить уравнение теплопроводности как для расплава, так и для вещества в конденсированном состоянии с учётом выполнения закона сохранения энергии на движущейся границе:
к дТ2 к дТ' - ГпдХ)
к2^— кі ~Г~- ьр , дх дх ді
где Х(1) - положение границы1 в момент времени 1; Ь - удельная теплота плавления; р - плотность; к - коэффициент теплопроводности.
Температура на границе равна температуре плавления.
На поверхности раздела фаз имеем: -к“Х= ^(?); х=0, где Б^) - плотность поглощаемого потока излучения;
дТг д2Тг
= Хг ~~Г; 1=1,2, 1 - жидкость, 2 -конденсированная фаза,
X - коэффициент температуропроводности.
дТ , дТ2 дХ (?)
-к, —- + К—2 = рР — •
1 дх дх д?
дТ-
На границе х=Х(1): Т1=Т2=Тпл.; -к1 ”дХ~=Б.
Время, проходящее от момента включения излучения до начала плавления:
1 пп.4X2^'
Испарение под действием лазерного излучения происходит при очень быстром нагреве поверхности материала
до температуры испарения: = "4^КрС~^Т^((п - То) , где к,
с, р, Р - соответственно теплопроводность, удельная теплоёмкость, плотность вещества и плотность потока лазерного излучения; Тисп. - температура испарения; Т0 - начальная температура.
Если материал облучается постоянным потоком большой мощности и спустя время 1исп начинает испаряться или сублимировать, то скорость удаления вещества будет приближаться к стационарному значению, равному
Устщ ==р [Л + С (Тисп, - То) где л - удельная теплота испарения или сублимации единицы массы.
Приведём некоторые теплофизические характеристики биологических тканей [5,7]:
Мышечная
ткань
Жировая
ткань
см рм = 0,8025 кал/см3°С к = 0,0012 кал/см-с°С
м
сж рж =0,6025 кал/см3°С км =0,00055 кал/см^с°С
где к - коэффициент теплопроводности; с - удельная теплоёмкость; р - плотность ткани.
В работе [7] приведены теплофизические характеристики биологических тканей (табл.).
В работе [6] показано, что механическое сдавливание биологической ткани, на поверхность которой падает лазерное излучение, приводит к её уплотнению, снижению её «микропористости» и приданию ткани большей оптической однородности, что позволяет лазерному излучению проникать с наименьшими потерями когерентных свойств на большую глубину. Кроме того, посредством механиче-
ского сдавливания ткани возможно достичь приостановления кровотока в выделенных участках органов и тканей.
Таблица
Теплофизические характеристики биологических тканей
Ткань Плотность, кг/м3 Удельная теплоёмкость, Дж/кг^град Теплопроводность, Вт/м^град
Эпидермис 1200-1600 3600-3700
Кожа 2930-3445 0,45-0,5
Жировая ткань 850-916 2250-2300 0,2
Кровь 1050 3600-3900 0,53-0,55
Мягкие ткани и мышцы 3360 3500 0,5
Совокупное применение этих приёмов позволяет практически исключить теплоотводящее действие кровотока и получить быстрое эффективное объёмное тепловыделение, приводящее к пространственно локализованной термодеструкции тканей.
Пусть пучок непрерывного лазерного излучения с длиной волны 10,6 мкм, мощностью 10Вт и диаметром -23 мм падает нормально на механически сдавленный участок биологической ткани, в котором за счёт механического уплотнения прекращён кровоток (рис. 1).
Рис. 1. Пучок непрерывного лазерного излучения
Плотность потока падающей энергии в этом случае составляет 3,2 • 105 Дж/м2с.
Число фотонов с энергией £ф~0,12эВ имеет порядок
2 - ,
1,7Л023фот/м2с. Таким образом, в объёме —4-Ь = 15,7 -10-9м3 в
1 сек. выделяется 10 Дж тепла. Объёмная плотность поглощаемой энергии составляет -0,7 МВт/м3.
При указанных режимах облучения с учётом соотношений (*) и коэффициента теплопроводности для мышеч-
~ 1 ~ 0 5 Вт/ 0
ной ткани к 0,5 / м С оценочные значения температуры составит 1140 К или ~870 С. При включении излучения такие температуры достигаются за время ~0,2 сек.
Пусть пучок перемещается по пути рассечения ткани. Тогда при смещении пучка на расстояние, равное его диаметру, весь объём ткани, подвергающийся воздействию излучения, должен быть испарён и сублимирован. Для этого в данном объёме за время перемещения необходимо поглощение энергии, минимально необходимой для осуществления указанных процессов. В этом состоит принцип выбора оптимальных параметров режимов лазерного рассечения тканей, а именно - мощности падающего излучения, геометрических характеристик пучка, длин волн и соответствующей скорости перемещения пучка.
Количество энергии, необходимой для быстрого нагрева, испарения и сублимации механически уплотнённой мышечной ткани плотностью ~3400 кг/м3, удельной теплоёмкостью ~3500Дж/кгград, удельной теплотой испарения и сублимации ~2,4406Дж/кг, объемом ~1,6.10-9м3 составляет ~30Дж.
Рис. 2. Хирургический инструментарий
При мощности лазерного излучения ~10Вт, диаметра пучка ~2 мм и толщины образца 5 мм, время выделения и поглощения такого количества энергии составит ~1,5-2 сек.
При таких режимах оптимальная скорость перемещения пучка и рассечения тканей составит ~1-2 мм/с. При повышении мощности излучения, скорость рассечения должна быть увеличена. В процессе рассечения происходит термокоагуляция крови в сосудах, непосредственно находящихся в приграничных областях зоны рассечения.
Отток крови отсутствует благодаря механическому сдавливанию ткани, дополнительный теплоотвод обеспечивается материалом браншей специальных зажимов, что позволяет при надлежащем выборе скорости рассечения пространственно минимизировать область возможного краевого некроза, «обугливания» (7) тканей и достичь практически полного гемостаза.
Создан специальный хирургический инструментарий [8-13] (рис. 2), позволяющий осуществлять механическое фиксирующее сдавливание тканей, выбрать профиль и участок рассечения, а также фиксировать и осуществлять направленное перемещение пучка лазерного излучения.
Литература
1. Рэди Дж. Действие мощного лазерного излучения. М.: МИР, 1974.
2. Goldman L., Medical and Surgical uses for lasers // New Scientists. 1964. №21. P. 284-286.
3. Goldman L. Biomedical aspects of laser. NY.: Springer-Verlag, 1967.
4. Гамалея Н.Ф. Лазеры в эксперименте и клинике. М.: Медицина, 1972.
5. Carslaw H.S., Jaeger J.C. Conduction of heat in solids. Oxford Univ.Press-N.Y., 1959.
6. Caorsi S. Electromagnetic heating of the layered bioilog-ical systems with nonlinear thermoregulatory properties // Radio. 1984. V.19. №5. P. 1199-1204.
7. Bardati F. Time-dependent microwave heating and sor-
face cooling of simulated living tissues; solutiion of heat conduction equation // Radio 1984. V.19. № 5. P.1204-1208.
8. Guy A.W., Lehmann J., Stonebridge J.B. Therapeutic applications 0f electromagnetic power // Proc. IEEE. 1974. V. 62. №1. P. 55-75.
9. Аскарьян Г.А. Увеличение прохождения лазерного и другого излучения через пористые и неоднородные среды при их механичесом уплотнении // Квантовая электроника. 1982. №9.
10. Брехов Е.И., Скобелкин О.К. и др., Устройство для рассечения тканей Авт. Свид №1021034,1983.
11. Брехов Е.И., Скобелкин О.К., Малышев Б.Н. Способ бескровного развеза биотканей лазерным излучением и аппарат для его осуществления. Авт.свид. №10739141,1983.
12. Brekhov E.I., Skobelkin O.K. Resection apparatus, patent 4,485,811,USA,1984.
13. Брехов Е.И., Скобелкин О.К. Хирургический зажим для лазерного рассечения тканей. Авт.свид. №1319343, 1987.
References
1. Redi Dzh. Deystvie moshchnogo lazernogo izlucheniya. Moscow: MIR; 1974. Russian.
2. Goldman L. Medical and Surgical uses for lasers. New Scientists. 1964;21:284-6.
3. Goldman L. Biomedical aspects of laser. NY.: Springer-Verlag; 1967.
4. Gamaleya NF. Lazery v eksperimente i klinike. Moscow: Meditsina; 1972. Russian.
5. Carslaw HS, Jaeger JC. Conduction of heat in solids. Oxford Univ.Press-N.Y.; 1959.
6. Caorsi S. Electromagnetic heating of the layered bioilog-ical systems with nonlinear thermoregulatory properties. Radio. 1984;19(5):1199-204.
7. Bardati F. Time-dependent microwave heating and sor-face cooling of simulated living tissues; solutiion of heat conduction equation. Radio 1984;19(5):1204-8.
8. Guy AW, Lehmann J, Stonebridge JB. Therapeutic applications 0f electromagnetic power. Proc. IEEE. 1974;62(1):55-75.
9. Askar'yan GA. Uvelichenie prokhozhdeniya lazernogo i drugogo izlucheniya cherez poristye i neodnorodnye sredy pri ikh mekhanichesom uplotnenii. Kvantovaya elektronika. 1982;9. Russian.
10. Brekhov EI, Skobelkin OK, ue al, inventors; Ustroystvo dlya rassecheniya tkaney/ Russian federation patent RU 1021034. 1983. Russian.
11. Brekhov EI, Skobelkin OK, Malyshev BN, inventors; Sposob beskrovnogo razveza biotkaney lazernym izlucheniem i apparat dlya ego osushchestvleniya. Russian Federation patent RU 10739141. 1983. Russian.
12. Brekhov EI, Skobelkin OK, inventors; Resection apparatus. USA patent 4,485,811. 1984.
13. Brekhov EI, Skobelkin OK, inventors; Khirurgiche-skiy zazhim dlya lazernogo rassecheniya tkaney. Russian Federation patent RU 1319343. 1987. Russian.
