CC BY
10УДК 616.216.2-006ю34.03-089:615.849.19.001.6 doi: 10.18692/1810-4800-2017-2-55-59
воздействие полупроводникового лазера на редукцию костной ткани
Карпищенко С. А., Улупов М. Ю., Портнов Г. В., Болознева Е. В., Фаталиева А. Ф.
ГБОУ ВПО «Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет
им. акад. И. П. Павлова», 197022, Санкт-Петербург, Россия
(Зав. каф. оториноларингологии с клиникой - проф. С. А. Карпищенко)
THE EFFECT OF THE DIODE LASER ON THE BONE TISSuE REDuCTION
Karpishchenko S. A., Ulupov M. Yu., Portnov G. V., Bolozneva E. V., Fatalieva A. F.
Federal State Budgetary Institution Higher Vocational Education "Pavlov First Saint Petersburg State Medical University" of the Ministry of Health of the Russian Federation, Saint Petersburg, Russia
Применение диодного лазера получает все большее распространение в современной медицине. Использование указанного вида лазера в том или ином разделе медицины продиктовано его биологическими эффектами, которые зависят от длины волны, мощности лазера и режима его работы. В литературе найдено достаточное количество сведений о применении CO2-, эрбиевого, гольмиевого лазеров в целях деструкции костной ткани в оториноларингологии. Однако данных о применении полупроводниковых лазеров на костной ткани крайне мало.
Современные операции в области головы и шеи проводятся под контролем эндоскопических методик. Благодаря этому оборудованию и точному дозированию лазерного излучения операции выполняются малоинвазивно, повышается эффективность хирургического лечения, сокращаются сроки послеоперационного периода.
При хирургическом лечении остеомы лобной пазухи, после мобилизации последней, возникают сложности при ее извлечении. Редуцировать свободно расположенную в синусе остеому при помощи боров невозможно. Мы не выполняли конверсию в наружный доступ. Для уменьшения такой опухоли нами использовался полупроводниковый лазер. После уменьшения размеров новообразования его свободно эвакуировали через носолобное соустье. В нашем исследовании в эксперименте на фрагментах подвздошной кости трупа и удаленных остеом объемом 1 см3 был использован полупроводниковый лазер с длиной волны 970 нм в контактном и дистантном непрерывных режимах для сравнения тепловых эффектов и подбора оптимального режима для редукции кости. Экспозиция воздействия излучения составляла от 10 до 30 с на мощности от 6 до 15 Вт в контактном режиме. Нагревались костные фрагменты с различной скоростью и охлаждались физиологическим раствором. Эффективность и безопасность применения диодного лазера оценивалась термометрическими показателями. После серии экспериментов наиболее оптимальным был выбран контактный непрерывный режим, установлено максимальное и минимальное время воздействия на костную ткань.
Ключевые слова: лазерная редукция кости, полупроводниковый лазер, 970 нм, 0,97 мкм, остеома.
Библиография: 10 источников.
The application of a diode laser is becoming more common in the present-day medicine. The use of this type of laser in various fields of medicine is stipulated by its biological effect that depends on the laser wavelength, power and operation mode. In the literature sources we found enough information about the use of CO2, erbium, holmium laser for bone tissue destruction in otorhinolaryngology. However, there is very little information on the laser diode application on bone tissue.
Nowadays operations are carried out under the control of endoscopic techniques in the field of the head and neck. The use of this equipment and precise dosing of laser radiation makes operations minimally invasive, increases the efficacy of surgical treatment, shortens postoperative period.
In the surgical treatment of frontal sinus osteomas, after the mobilization thereof there occur difficulties with its extraction. It is impossible to reduce osteoma located freely in sinus using a drill. We did not perform the conversion to external approach. We used diode laser to reduce such tumors. After reduction of the size of the tumors, they were freely evacuated through frontal ostium.
In our study, we used a diode laser with the wavelength of 970 nm in contact and remote continuous mode to compare the thermal effects and select the optimal mode for bone reduction in the experiment with the fragments of cadaver ilium and the removed 1 cm3 osteomas. The radiation exposure varied from 10 to 30 seconds at the power of 6W through 15W in the contact mode. Bone fragments were heated at different rates and cooled with the natural saline solution. The efficacy and safety of diode laser was estimated based on thermometric indicators. After a series of experiments the contact continuous mode was determined to be the optimal one, the authors established maximum and minimum time of the osseous tissue exposure.
Key words: laser bone reduction, diode laser, 970 nm, 0.97 /xm, osteoma.
Bibliography: 10 sources.
55S?
Российская оториноларингология № 2 (87) 2017 -
В последние годы значительно возрастает интерес к применению лазеров в качестве хирургической альтернативы, они получают все большее распространение в стоматологии, травматологии, офтальмологии и оториноларингологии. При проведении ретроспективного анализа литературы найдено большое количество сведений о применении CO2-, эрбиевого, гольмиевого лазеров с целью деструкции костной ткани в оториноларингологии. Однако данных о применении полупроводниковых лазеров на костной ткани крайне мало. Первые серьезные попытки по использованию лазеров в целях остеотомии широко изучены Н. Н. Horch [1, 2]. Было выявлено, что чрезмерно высокая температура является основным источником повреждения тканей во время костной остеотомии [3]. A. R. Eriksson и T. Albrektsson описали критическую температуру 47 °С при костной деструкции. Кроме того, они также отметили, что повышение температуры от 44 до 47 °С может уже привести к некрозу тканей [4, 5].
Были найдены данные о применении лазерной вапоризации кости (остеоперфорации) в офтальмологии, в частности для проведения трансканаликулярной дакриоцисториностомии. Группа авторов в исследовании на кости охлажденной бараньей лопатки, выполняя остеопер-форацию при оценке различных режимов как контактного, так и дистантного воздействия гольмиевым лазером с длиной волны 2080 нм, пришли к выводу, что оптимальным для создания в кости перфорации диаметром 6 мм является следующий режим: контактное воздействие при мощности 10 Вт с движением волокна по заданному диаметру отверстия. Авторы утверждают, что при этом способе происходит наименьшее повреждение окружающих тканей, и считают такие режимы целесообразными для трансканали-кулярной дакриоцисториностомии [6, 9]. В своем исследовании авторы приводят данные об успешном применении лазерной вапоризации кости гольмиевым лазером.
При воздействии на кость лазеров, у которых максимум поглощения соответствует воде биологических тканей, образуется повреждение поверхности, в которой выделяют несколько стандартных зон от центра к периферии: зона абляции - кратер, где отсутствует вещество кости; зона вапоризации, где происходит испарение органической составляющей кости, а остающиеся минеральные вещества выглядят в виде белесоватого налета; зона обугливания - фотокарбонизации; зона фотокоагуляции - термического некроза; зона фотогипертермии, где происходят вапоризация мембран и денатурация белков. При контактном воздействии происходят следующие процессы. Образующийся между концом светово-локна и биологической тканью углерод приводит
к многократному, по сравнению со слабопигмен-тированной тканью, возрастанию поглощения лазерного излучения в области карбонизации. Это приводит к выжиганию тканей. Дополнительное выделение углерода при выжигании способствует ограничению области повреждения тканей. Исходя из этого при контактном методе воздействия на костную ткань ограничивается область повреждения благодаря комбинированному воздействию концентрированного лазерного пучка и раскаленного конца волокна.
В эксперименте E. Stein, T. Sedlacek, Richard L. Fabian, Norman S. Nishioka, исследуя термическое повреждение при воздействии эрбиевого лазера на костную ткань лицевого черепа и пазух кроликов, приходят к выводу, что лазерная хирургия может стать важным дополнением к функциональной эндоскопической хирургии синусов [7].
Среди заболеваний ЛОРорганов распространены доброкачественные костные новообразования околоносовых пазух - остеомы. В околоносовых пазухах остеомы чаще всего встречаются в лобной пазухе - в 80% случаев. Гораздо реже они обнаруживаются в решетчатых, еще реже в верхнечелюстных и клиновидных пазухах.
Причины возникновения остеом в околоносовых пазухах неизвестны, существуют отдельные теории, ни одна из которых не может объяснить все случаи возникновения болезни. Остеомы пазух, как правило, вначале имеют бессимптомное течение. Некоторые, к примеру, обнаруживаются случайно при проведении рутинного рентгенологического исследования. Небольшую остеому лобной пазухи, расположенную вдали от соустья и не имеющую клинической симптоматики, можно наблюдать в течение длительного времени, оценивать скорость роста и при наличии прогрессии своевременно выполнить хирургическое вмешательство [10].
В нашей практике имеются клинические случаи хронических доброкачественных медленно прогрессирующих заболеваний фронтальных синусов. Учитывая клинические проявления болезни, лечение исключительно оперативное. Нередко пациенты отказываются от наружного доступа. Операция проводится под контролем ригидных эндоскопов 0°, 30° и 45° при помощи изогнутого под углом 70° алмазного бора, массив остеом редуцируется, расширяется носолобное соустье, после чего мобилизованная в полости пазухи остеома не всегда свободно удаляется через носолобное соустье вследствие имеющихся анатомических особенностей - узкий и длинный носолобный канал.
Цель исследования. Нами была поставлена цель экспериментального изучения тепловых эффектов диодного лазера с длиной волны 970 нм и подбора режимов, необходимых для безопасного
и эффективного применения указанного лазера для редукции мобилизованных остеом.
Материалы и методы исследования. В эксперименте использовались фрагменты подвздошной кости трупа и удаленных остеом объемом 1 см3. Исследование проводилось контактным методом в непрерывном режиме излучения при экспозиции воздействия от 10 до 30 с на мощности от 6 до 15 Вт. При этом костные фрагменты с различной скоростью нагревались до температуры 47 °С и охлаждались физиологическим раствором. Так же провели серию экспериментов в дистантном непрерывном режиме на каждой исследуемой мощности 10-20-30 Вт. Кончик световода был расположен на стандартном расстоянии 10 мм. Контроль температуры поверхности костной ткани производился при помощи инфракрасного термометра с контактным датчиком. Экспозиция облучения контролировалась с помощью секундомера. Макроскопически производилась визуальная оценка редукции костной ткани.
Результаты и обсуждение исследования. В эксперименте для сравнения тепловых эффектов лазерного воздействия мы произвели облучение костной ткани контактно кварцевым волокном при выходной мощности от 6 до 15 Вт. С увеличением мощности лазерного излучения свыше 15 Вт происходило возгорание - резкие вспышки пламени на поверхности кости, сопровождающиеся мощными микровзрывами с выбросом карбонизата и загрязнением им конца световода. Для избежания возгорания мы умень-
35
5
о 1-!-!-!-!-
Юс 15 с 20 25 с 30
Рис. 1. Облучение костной ткани в контактном непрерывном режиме на мощности 6 Вт, время экспозиции 10 с.
шали мощность воздействия. При относительно низкой мощности 6 Вт поверхностно значимой редукции костной ткани не отмечено.
Мы провели серию экспериментов, в результате которых были выбраны оптимальные параметры лазерной редукции в контактном непрерывном режиме воздействия дистальным концом световода с мощностью излучения 10 Вт (рис. 1-3).
За 30 с облучения костная ткань нагрелась до 46,9 °С. Как следует из вышесказанного, для предотвращения термического повреждения соседних тканей повышение температуры костной ткани не должно превышать 47 °С. В условиях непрерывной ирригации физиологическим раствором с температурой 20-22 °С отсутствует термическое повреждение здоровых тканей. Таким образом, в среднем костные фрагменты, температура которых изначально составляла 23,5 °С, охлаждались за 40 с до исходной температуры. За 20 с экспозиции воздействия костные фрагменты нагревались до 36,5 °С, охлаждались до 24,1 °С при орошении физиологическим раствором за 29 с. За 10 с облучения костной ткани температура на поверхности повышалась до 33 °С и снижалась до исходной за 28 с. При этом макроспокопически зона редукции имела значительные размеры.
Во второй части эксперимента облучение костной ткани проводилось в дистантном непрерывном режиме излучения кварцевым волокном, расположенным на стандартном расстоянии - 10 мм с одинаковой экспозицией 30 с.
60
10--
О -Т-Т-Т-Т-
Юс 15 с 20 с 25 с 30 с 35 с 40 с
Рис. 3. Облучение костной ткани в контактном непрерывном режиме на мощности 15 Вт, время экспозиции 10 с.
и
о
а, р у
т
Юс 15с 20с 25с 30с 35с 40с 45с 50 с 55с 60с
Рис. 2. Облучение костной ткани в контактном непрерывном Рис. 4. Облучение костной ткани в дистантном непрерывном
режиме на мощности 10 Вт, время экспозиции 10 с.
режиме на мощности 10 Вт, время экспозиции 30 с.
Российская оториноларингология № 2 (87) 2017
^^ =
Рис. 5. Облучение костной ткани в дистантном непрерывном режиме на мощности 20 Вт, время экспозиции 30 с.
При мощности 30 Вт моментально происходило воспламенение с образованием нагара на торце волокна. То есть при увеличении мощности увеличивается глубина проникновения, но уменьшается зона бокового повреждения. На мощ-
Рис. 6. Облучение костной ткани в дистантном непрерывном режиме на мощности 30 Вт, время экспозиции 30 с.
ностях воздействия 10 и 20 Вт мы не получили поверхностно значимой редукции костной ткани, а оценка повреждения глубоких слоев костного новообразования не является целью эксперимента (рис. 4-6).
Выводы
Таким образом, на основании результатов эксперимента получены следующие выводы: оптимальным режимом лазерной редукции костного образования является воздействие на биологическую ткань полупроводникового лазера с длиной волны 970 нм в контактном режиме с мощностью 10 Вт. При этом минимальное время воздействия составило 10 с, а максимальное - 30 с.
Такой режим предоставляет предсказуемые результаты, что делает их безопасными, позволяя контролировать тепловые эффекты и повреждения окружающих тканей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Horch H. H. Zum aktuellen Stand der Laser-osteotomie // Orthopadie. 1984. N 13. P. 125. [PubMed]
2. Gholami A., Baradaran-Ghahfarokhi M., Ebrahimi M., Baradaran-Ghahfarokhi M. Thermal Effects of Laser-osteotomy on Bone: Mathematical Computation Using Maple // Jurn. Med Signals Sens. 2013. N 3(4). P. 262-268.
3. Li S., Chien S., Branemark P. I. Heat shock-induced necrosis and apoptosis in osteoblasts // Jurn. Orthop Res. 1999. N 17. P. 891-899. [PubMed]
4. Eriksson A. R., Albrektsson T. Temperature threshold levels for heat-induced bone tissue injury: A vital-microscopic study in the rabbit // Jurn. Prosthet Dent. 1983. N 50. P. 101-107. [PubMed]
5. Eriksson R. A, Albrektsson T. The effect of heat on bone regeneration: An experimental study in the rabbit using the bone // Jurn. Oral. Maxillofac Surg. 1984. Vol. 42(11). P. 705-711 [PubMed]
6. Белоглазов В. Г., Атькова Е. Л., Абдурахманов Г. А., Юсипова Э. Р., Исаев М. П. Экспериментально-клиническое обоснование применения гольмиевого лазера при дакриоцисториностомии // Офтальмохирургия. 2009. N 4. P. 30-33.
7. Stein E. Acute and chronic effects of bone ablation with a pulsed holmium laser // Lasers in Surgery and Medicine. 1990. Vol. 10, N 4. P. 384-388.
8. Шумилова Н. А. Опыт применения высокоэнергетических лазеров в оториноларингологии // Folia Otorhinolaryngologiae et pathologiae respiratoriae. 2014. № 22 (1). С. 75-83.
9. Schlachter D. M., Richani K., Black E. H. Diode Laser-Assisted Endocanalicular Dacryocystorhinostomy: A Prospective Study // Ophthal Plast Reconstr Surg. 2016. N 32(3). P. 183-186.
10. Alt J. A., Mace J. C., Smith T. L., Soler Z. M. Endoscopic sinus surgery improves cognitive dysfunction in patients with chronic rhinosinusitis. 2016. doi: 10.1002/alr.21820.
Карпищенко Сергей Анатольевич - докт. мед. наук, профессор, зав. каф. оториноларингологии с клиникой Первого СПбГМУ им. акад. И. П. Павлова. Россия, 197022, Санкт-Петербург, ул. Льва Толстого, д. 6-8; тел. 8 (812) 338-71-19, e-mail: karpischenkos@mail.ru
Улупов Михаил Юрьевич - канд. мед. наук, доцент каф. оториноларингологии с клиникой Первого СПбГМУ им. акад. И. П. Павлова. Россия, 197022, Санкт-Петербург, ул. Льва Толстого, д. 6-8; тел. 8 (812) 338-71-19, e-mail: mike.ulupov@gmail.com
Портнов Глеб Валерьевич - канд. мед. наук, врач-оториноларинголог каф. оториноларингологии с клиникой Первого СПбГМУ им. акад. И. П. Павлова. Россия, 197022, Санкт-Петербург, ул. Льва Толстого, д. 6-8; тел. 8 (812) 338-71-19, e-mail: gleb_portnov@mail.ru
Болознева Елизавета Викторовна - аспирант, врач-оториноларинголог каф. оториноларингологии с клиникой Первого СПбГМУ им. акад. И. П. Павлова. Россия, 197022, Санкт-Петербург, ул. Льва Толстого, д. 6-8; e-mail: Bolozneva-ev@yandex.ru
Фаталиева Аида Фаталиевна - клинический ординатор каф. оториноларингологии с клиникой Первого СПбГМУ им. акад. И. П. Павлова. Россия, 197022, Санкт-Петербург, ул. Льва Толстого, д. 6-8; тел. 8-967-513-2463, e-mail: fatalievaaida@rambler.ru
REFERENSES
1. Horch H. H. Zum aktuellen Stand der Laser-osteotomie. Orthopadie. 1984; 13: 125 [PubMed]
2. Gholami A., Baradaran-Ghahfarokhi M., Ebrahimi M., Baradaran-Ghahfarokhi M. Thermal Effects of Laser-osteotomy on Bone: Mathematical Computation Using Maple. Jurn. Med Signals Sens. 2013; 3(4): 262-268.
3. Li S., Chien S., Branemark P. I. Heat shock-induced necrosis and apoptosis in osteoblasts. Jurn. Orthop Res. 1999; 17: 891-899. [PubMed]
4. Eriksson A. R., Albrektsson T. Temperature threshold levels for heat-induced bone tissue injury: A vital-microscopic study in the rabbit. Jurn. Prosthet Dent. 1983;50:101-7. [PubMed]
5. Eriksson R. A., Albrektsson T. The effect of heat on bone regeneration: An experimental study in the rabbit using the bone. Jurn. Oral Maxillofac Surg. 1984; 42(11): 705-711 [PubMed]
6. Beloglazov V. G., Atkov E. L., Abdurakhmanov G. A., Yusipova E. R., Isaev M. P. Eksperimental'no-klinicheskoe obosnovanie primeneniya gol'mievogo lazera pri dakriotsistorinostomii [Experimental and clinical substantiation of holmium laser application in dacryocystorhinostomy]. Oftal'mokhirurgiya. 2009; (4): 30-33 (In Russian).
7. E. Stein Acute and chronic effects of bone ablation with a pulsed holmium laser. Lasers in Surgery and Medicine. 1990; 10(4): 384-388.
8. Shumilova N. A. Opyt primeneniya vysokoenergeticheskikh lazerov v otorinolaringologii [The experience of high-energy lasers application in otorhinolaryngology]. Folia Otorhinolaryngologiae etpathologiae respiratoriae. 2014; 22 (1): 75-83 (In Russian).
9. Schlachter D. M., Richani K., Black E. H. Diode Laser-Assisted Endocanalicular Dacryocystorhinostomy: A Prospective Study. Ophthal. Plast Reconstr Surg. 2016; 32(3): 183-186.
10. Alt J. A., Mace J. C., Smith T. L., Soler Z. M. Endoscopic sinus surgery improves cognitive dysfunction in patients with chronic rhinosinusitis. 2016. doi: 10.1002/alr.21820.
Sergei Anatol'evich Karpishchenko - MD, Professor, Head of the Chair of Otorhinolaryngology with Clinic of Pavlov First Saint Petersburg State Medical University. 197022, Saint Petersburg, 6/8, Lva Tolstogo str., tel.: 8 (812) 338-71-19, e-mail: karpischenkos@ mail.ru
Mikhail Yur'evich Ulupov - MD Candidate, Associate Professor of the Chair of Otorhinolaryngology with Clinic of Pavlov First Saint Petersburg State Medical University. 197022, Saint Petersburg, 6/8, Lva Tolstogo str., tel.: 8 (812) 338-71-19 e-mail: mike.ulupov@ gmail.com
Gleb Valer'evich Portnov - MD Candidate, otorhinolaryngologist of the Chair of Otorhinolaryngology with Clinic of Pavlov First Saint Petersburg State Medical University. 197022, Saint Petersburg, 6/8, Lva Tolstogo str., tel.: 8 (812) 338-71-19, e-mail: gleb_portnov@ mail.ru
Elizaveta Viktorovna Bolozneva - post-graduate student, otorhinolaryngologist of the Chair of Otorhinolaryngology with Clinic of Pavlov First Saint Petersburg State Medical University. 197022, Saint Petersburg, 6/8, Lva Tolstogo str., e-mail: Bolozneva-ev@yandex.ru Aida Fatalievna Fatalieva - resident medical practitioner of the Chair of Otorhinolaryngology with Clinic of Pavlov First Saint Petersburg State Medical University. 197022, Saint Petersburg, 6/8, Lva Tolstogo str., tel.: 8-967-513-24-63, e-mail: fatalievaaida@ rambler.ru
