CC BY
268
УДК 611.018.21
О.Р. ШАНГИНА, Р.Д. ГАЙНУТДИНОВА
Всероссийский центр глазной и пластической хирургии МЗ РФ, г. Уфа
Взаимодействие лазерного излучения с биологическими тканями
Контактная информация:
Шангина Ольга Ратмировна - заместитель генерального директора, заведующая лабораторией консервации тканей, профессор Адрес: 450075, г. Уфа, ул. Р. Зорге, д. 67/1, тел.: +7 (3472) 32-80-58, e-mail: alloOlga@mail.ru
В статье представлен обзор данных литературы о медико-биологическом применении лазеров. Кроме того, разработана и предложена для внедрения в практику тканевых банков новая технология лазерного моделирования соединительнотканных трансплантатов, позволяющая сохранять их структуру и биомеханические свойства.
Ключевые слова: лазерное излучение, тепловые эффекты, связанные с взаимодействием между лазером и биологической тканью, лазеркоагуляция, лазерное моделирование.
DOI: 10.32000/2072-1757-2019-1-24-27
(Для цитирования: Шангина О.Р., Гайнутдинова Р.Д. Взаимодействие лазерного излучения с биологическими тканями. Практическая медицина. 2019. Том 17, № 1, C. 24-27)
O.R. SHANGINA, R.D. GAYNUTDINOVA
Russian Eye and Plastic Surgery Center of the Russian Federation Health Ministry, Ufa, the Republic of Bashkortostan, Russian Federation
Interaction of laser radiation with biological tissues
Contact details:
Shangina O.R. - Deputy General Director, Head of Tissue Conservation Laboratory, Doctor of Biological Sciences, Professor
Address: 67/1 R. Sorge St., Ufa, the Republic of Bashkortostan, Russian Federation, 450075, tel.: (347) 232-80-58, e-mail: alloolga@mail.ru
The article presents a review of literature data on the biomedical application of lasers. In addition, a new technology for laser modeling of connective tissue grafts has been developed and proposed for introduction into the practice of tissue banks, which allows preserving their structure and biomechanical properties.
Key words: laser radiation, thermal effects associated with interaction between laser and biological tissuebi, laser coagulation, laser modeling.
(For citation: Shangina O.R., Gaynutdinova R.D. Interaction of laser radiation with biological tissues. Practical medicine. 2019. Vol. 17, no. 1, P. 24-27)
Уникальная способность лазера максимально концентрировать энергию в пространстве, во времени и в спектральном диапазоне делают этот прибор незаменимым средством во многих областях человеческой деятельности, и в частности в медицине [1]. Невозможно представить современную хирургию без лазерных скальпелей, с помощью которых проводят практически бескровные операции. Сфера применения лазерного излучения в медицине
выходит далеко за пределы классических понятий о лазере как инструменте - заменителе скальпеля [2, 3].
Одно из направлений медико-биологического применения лазеров - использование их в качестве инструмента воздействия на биологические объекты. Можно выделить три типа такого воздействия. Первый тип - воздействие на ткани патологического очага импульсным или непрерывным лазерным
Уо!. 17, по. 1. 2019
PRACTICAL МЕРЮЫЕ ^ 25
излучением. Этому типу воздействия соответствует применение лазеров в дерматологии и онкологии для облучения патологических тканевых образований, которое приводит к их коагуляции. Второй тип - рассечение тканей, когда под влиянием излучения лазера непрерывного или импульсного действия часть ткани испаряется, и в ней возникает дефект. В этом случае плотность мощности излучения может превосходить используемую при коагуляции на два порядка (107 Вт/м2) и более. Этому типу воздействия соответствует применение лазеров в хирургии. Третий тип - влияние на ткани и органы низкоэнергетического излучения (единицы или десятки ватт на квадратный метр), обычно не вызывающего явных морфологических изменений, но приводящего к определенным биохимическим и физиологическим сдвигам в организме, то есть воздействие физиотерапевтического типа. К этому типу следует отнести применение гелий-неонового лазера с целью биостимуляции при вяло текущих раневых процессах, трофических язвах и др. [4, 5, 6, 7]. Конечный фотобиологический эффект лазерного облучения проявляется ответной реакцией организма в целом, комплексным реагированием органов и систем. При лазерной терапии многими авторами отмечаются десенсибилизирующий, гипохолестеринемический эффекты, повышение активности общих и местных факторов иммунной защиты. В зависимости от длины волны лазерного облучения появляются бактерицидный или бакте-риостатический эффекты [8, 9, 10].
Задача исследований по механизму биологического воздействия лазерного излучения сводится к изучению процессов, которые лежат в основе эффектов, вызываемых облучением - коагуляции тканей, их испарения, биостимуляционных сдвигов в организме. Каждая ткань в силу своей биологической природы неоднородна, имеет сложную микроструктуру. В состав мягких тканей входит значительное количество воды. В состав костной ткани - различные минералы. Следствием этого является тот факт, что воздействие излучения на ткани (в особенности разрушающее для разных тканей и длин волн излучение) различается не только количественно, но и качественно. Это означает, что существует несколько совершенно различных механизмов хирургического удаления биологических тканей: тепловой и низкоэнергетический коагуля-ционный с последующей резорбцией, взрывные механизмы, «холодная» абляция [11].
Сложность строения биологических объектов, разнообразие характера их взаимодействия со светом, обуславливают необходимость использования в хирургии большого количества разных типов лазеров и лазерных систем. Для повышения эффективности воздействия применяют разного рода фокусирующие устройства. Кроме того, существуют специальные насадки, позволяющие контролировать температуру в области взаимодействия [12].
С появлением новых областей применения лазерного излучения для обработки биологических тканей возникла острая необходимость выработки методик и критериев параметров лазерных излучателей. Для этих целей разрабатываются различные математические модели, призванные решить задачу оптимизации параметров лазерного излучателя и оценить результат, полученный при воздействии уже выбранным режимом на биологическую среду. При помощи модели, описывающей какой-либо конкретный процесс, на основе результата воздей-
ствия при определенных параметрах можно, последовательно изменяя исходные параметры, произвести оптимизацию спектральных и энергетических параметров лазерных излучателей для достижения необходимого в каждом конкретном случае нужного эффекта [13, 14, 15, 16, 17].
Известно, что фотофизические реакции обусловлены преимущественно нагреванием объекта до различной степени (в пределах 0,1-0,3 оС) и распространением тепла в биологических тканях. Разница температуры более выражена на биологических мембранах, что ведет к оттоку ионов Ыа+ и Ка+, раскрытию белковых каналов и увеличению транспорта молекул и ионов. Фотохимические реакции обусловлены возбуждением электронов в атомах поглощающего свет вещества. На молекулярном уровне это выражается в виде фотоионизации вещества, его восстановления или фотоокисления, фотодиссоциации молекул, в их перестройке -фотоизомеризации [18]. При взаимодействии лазерного излучения с биологическими тканями наблюдается целый ряд эффектов: термический (обусловленный селективным поглощением квантов света), возникновение волн сдавления и упругого удара в среде, действие мощных электромагнитных полей, сопровождающих в ряде случаев лазерное излучение, а также ряд других эффектов, обусловленных оптическими свойствами самой среды [3].
При выборе типа лазера либо лазерной системы должны учитываться оптические, термические и механические свойства биологической ткани. Лазерный луч, падая на ткань, может отражаться, рассеиваться и трансформироваться в другие виды энергии, и именно длина волны излучения определяет количественное соотношение между этими составляющими. Рассеянное отражение и рассеяние внутри ткани имеют место только для видимого и ближнего инфракрасного излучения, но не для среднего инфракрасного излучения. Инфракрасное излучение 10,6 мкм СО2-лазера имеет глубину проникновения от 1 до 20 м2 км, в этом случае его рассеяние незначительно [5]. В этой области спектра излучение поглощается из-за возбуждения вращательного и колебательного состояния молекул. Посредством атомарного и молекулярного поглощения и последующей релаксации возбужденных частиц оптическая энергия преобразуется в тепловую энергию. Передаче возбуждения способствуют хромофоры ткани (молекулы, способные поглотить излучение и превратить его в тепло). Эффект воздействия зависит от соотношения целевых и конкурирующих хромофоров ткани. Целевыми для излучения СО2-лазера являются молекулы воды. Длина волны излучения этих лазеров позволяет достичь эффективного фотохимического испарения тканей, содержащих большое количество воды (эпителий, связки, мозг, мышцы). С другой стороны, энергия СО2-лазера плохо поглощается маловодными тканям и (жировой, костной). В этих тканях происходит диффузное рассеяние энергии излучения, что приводит к ожогу или даже горению раньше, чем образуется кратер испарения. Данный факт может быть использован для удаления инфильтрата, сосредоточенного в объеме ткани, обедненного водой, который подвергается фотохимическому испарению излучением С02-лазера [5, 19]. Высокое содержание воды в больш инстве биологических тканей в значительной степени объясняет тот факт, что именно термический эффект имеет существенное значение в характеристике их повреждений, особенно при
действии излучения в красной и инфракрасной областях спектра, так как поглощение в этой части спектра обусловлено практически полностью водой [20]. При плотностях потока излучения, превышающих указанные, происходит поглощение лазерной энергии молекулами воды, что приводит к их испарению и последующей коагуляции молекулы белка. Наблюдаемые при этом структурные изменения аналогичны результатам обычного термического воздействия. Однако лазерное излучение обеспечивает строгую локализацию поражения, чему способствует обводненность биообъекта и поглощение рассеивающейся энергии в пограничных с облучаемой областях. При импульсных термических воздействиях ввиду короткого времени воздействия и быстрого испарения воды наблюдается так называемый взрывной эффект: возникает выброс, состоящий из частиц ткани и паров воды [13].
Применение лазера в качестве режущего инструмента или коагулятора основано на превращении энергии электромагнитного излучения в тепловую энергию, что возможно, только если это излучение будет поглощено специфическими хромофорами ткани. Поглощенная тепловая энергия вызывает локальное повышение температуры в объеме ткани, подвергнутом облучению. Если температура меньше некоторой критической соответствующей фазовому переходу из твердого или жидкого состояния в газообразное, то температура повышается пропорционально плотности энергии. Термические свойства биологической ткани определяются в основном ее теплопроводностью, отводом тепла сосудистой системой и способностью ткани к накоплению тепла [5, 13]. Ряд авторов считает, что проникновение лазерного излучения зависит от спектральной области излучения и от типа ткани, при этом имеет значение не только гистологическая природа ткани, но и ее принадлежность [21, 22]. Сравнение глубины проникновения в различные ткани излучения гелий-неонового (длина волны 630 нм) и аргонового (514 нм) лазеров показало, что первое проникает в среднем в 3 раза глубже. Мышечная ткань кролика оказалась наиболее проницаемой, чем соответствующая ткань коровы и различные ткани человека.
В последние годы с появлением новых областей применения лазера для обработки биологических тканей возникла необходимость выработки методик и критериев для оптимизации параметров лазерных излучателей. Имеются данные об использовании лазера для изготовления аллотрансплантатов из кадаверных тканей [23, 24]. Этап моделирования (придания необходимой формы) трансплантатов осуществляют лазером, при этом особо важным являются аспекты максимально щадящего воздействия на гистоструктуру донорских тканей. В этой связи проведено гистологическое изучение када-верной аорты и твердой оболочки головного мозга после различных технологических воздействий на них трепаном, лучем лазера и гидроножом. Было установлено, что наименьшее отклонение в структуре волокнистых компонентов в зоне реза донорской ткани наблюдалось при использовании лазерной технологии [24].
Эффективность лазерного моделирования соединительнотканных трансплантатов изучали и другие авторы [25]. Проведены исследования зоны лазерного реза трансплантатов, изготовленных из различных видов соединительной ткани: рыхлой волокнистой соединительной ткани (висцеральные
оболочки внутренних органов, фасции), плотной неоформленной волокнистой соединительной ткани (дерма, твердая оболочка головного мозга), плотной оформленной волокнистой соединительной ткани (сухожилия различных локализаций). Анализ полученных данных показал следующее: у трансплантатов твердой мозговой оболочки и пяточного сухожилия в зоне лазерного реза происходит частичная гомогенизация пучков коллагеновых волокон, которая наиболее выражена у края трансплантата, то есть в зоне прохождения луча лазера. По мере отдаления от зоны реза степень гомогене-зации пучков коллагеновых волокон уменьшается. Максимальная ширина зоны деструкции достигает 4 мкм. Подобная картина наблюдается и при исследовании трансплантатов дермы. У данных трансплантатов в зоне лазерного реза пучки коллаге-новых волокон теряют структурную организацию и приобретают вид аморфной массы. Ширина зоны деструкции пучков коллагеновых волокон трансплантатов дермы достигает 5 мкм. У трансплантатов, изготовленных из фиброзной капсулы почки и глиссоновой капсулы печени, в зоне лазерного воздействия наблюдаются редкие очаги деструкции пучков коллагеновых волокон в виде набухания и частичной дезорганизации последних. Максимальная ширина таких очагов не превышает 1 мкм. В целом структурная организация в зоне лазерного реза у трансплантата фиброзной капсулы почки и глиссоновой капсулы печени не изменяется [25].
Обзор данных литературы по существующим на сегодняшний день результатам исследований воздействия лазера на биологическую ткань показал, что механизм воздействия до конца не выяснен. Опубликованных данных на эту тему не много. Таким образом, необходимо проведение дальнейших исследований по поиску оптимальных режимов лазерного излучения для повышения эффективности воздействия на биологические ткани.
Шангина О.Р. - ORCID ID: 0000 0002 0343 1792 Гайнутдинова Р.Д. - ORCID ID: 0000 0001 5062 7811
ЛИТЕРАТУРА
1. Щербаков А.И. Лазерная физика в медицине // УФН. - 2010. -Т. 180, №6. - С. 661-665.
2. Елагин В.В., Шахова М.А., Карабут М.М. и др. Оценка режущих свойств лазерного скальпеля, оснащенного сильно поглощающим покрытием оптического волокна // Биомедицинские исследования. - 2015. - Т. 7, № 3. - С. 55-60.
3. Скобелкин О.К. Лазеры в хирургии. - М.: Медицина, 1989. -256 с.
4. Гамалея Н.Ф. Лазеры в эксперименте и клинике. - М.: Медицина, 1972. - 232 с.
5. Плужников М.С., Лопотко А.И., Рябова М.А. Лазерная хирургия в оториноларингологии: монография. - С.Пб. - Мн.: ПП «АНАЛМ». - БДП, 2000. - 224 с.
6. Москвин С.В. Эффективность лазерной терапии. - М.: НПЛЦ «Техника». - 2003. - 256 с.
7. Pustovalov V.K., Jean B. Induced Thermal Damage in Pigmented Retinal Tissues. I. Modeling of Laser-Induced Heating of Melanosomes and Selective Thermal Processes in Retinal Tissues // Bulletin of Mathematical Biology. - 2007. - Vol. 69, № 1. - P. 245-263.
8. Владимиров Ю.А. Три гипотезы о механизме действия лазерного облучения на клетки и организм человека // Эфферентная медицина. - М.: ИБМХ РАМН, 1994. - С. 51-67.
9. Булякова Н.В., Попова М.Ф., Зубкова С.М. и др. Стимуляция регенерации облученных и необлученных скелетных мышц млекопитающих. Лазерная и тканевая терапия. - М.: Наука, 1995. -154 с.
10. Krespi Y.P., Mayer M., Slatkine M. Laser Photocoagulation of the Inferior Turbinates // Operative technigues in otolaryngology - Head and Neck Surgery. - 1994. - Vol. 5, № 4. - P. 287-291.
11. Шахно Е.А. Физические основы применения лазеров в медицине. - СПб: НИУ ИТМО, 2012. - 129 с.
12. Беликов А.В., Скрипник А.В. Лазерные биомедицинские
Vol. 17, no. 1. 2019
PRACTICAL MEDICINE ^ 27
технологии. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. - 100 с.
13. Пушкарева А.Е. Методы математического моделирования в оптике биоткани: учебное пособие. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2008. -103 с.
14. Куликова И.В., Малюков С.П., Бростилов С.А. Моделирование теплового воздействия лазерного излучения на биологические ткани // Фундаментальные исследования. - 2012,- № 11-2. -С. 425-429.
15. Крайнов А.Ю., Шаповалов А.В., Моисеева К.М. Тепловое воздействие на биоткань от наночастицы, нагреваемой периодическим импульсным излучением лазера // Известия вузов. Физика. -2016. - Т. 59, № 8. - С. 84-89.
16. Yasin Citkaya A., Selim Seker S. Modeling and simulation of temperature distribution in laser-tissue interaction // Progress in Electromagnetics Research Symposium. - 2011. - Р. 844-847.
17. Onyejekwe O., Sajjadi A.Y., Abdulla U. et al. Mathematical models for analyzing tissue ablation using short pulse lasers // ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Proceedings. - 2010. - Р. 179-185
18. Гримблатов В. М. Современная аппаратура и проблемы низкоинтенсивной лазерной терапии // Применение лазеров в биологии и медицине. - Киев: Техника, 1996. -С. 123-127.
19. Liu Y., Niemz M. Ablation of femural bone with femtosecond laser pulses - a feasibility study // Lasers in Medical Science. - 2007. -
Vol. 22, № 3. - P. 171-174.
20. Елисеенко В.И., Пархоменко Ю.Г. Патогенетические механизмы взаимодействия лазерного излучения с биологическими тканями // Лазеры в хирургии. - М.: Медицина, 1989. - С. 44-50.
21. Чирков В.Д., Яхонтов Н. Е., Щелоков А. И. Лазеры и их применение в биологии и медицине : учебн.-метод. пособие. - Горький: ГМИ., 1978. - 65 c .
22. Svaasand L., Elingsen R. Optical penetration in human intracranical tumors // Photochemistry and Photobiology, 1985. -Vol. 41, - P. 73-76.
23. Шангина О.Р., Хасанов Р.А. Устройство для лазерной резки трансплантатов из биологических тканей. Свидетельство на полезную модель № 23402. Зарегистрировано в Гос. Реестре полезных моделей РФ 11.01.2002.
24. Канюков В.Н., Стадников А.А., Трубина О.М. Биологическое и экспериментально-гистологическое обоснование новых технологий в офтальмохирургии. - М.: Медицина, 2005. - 160 с.
25. Шангина О.Р., Гайнутдинова Р.Д. Оценка степени лазеркоа-гуляции в зоне лазерного реза у различных по структуре соединительнотканных трансплантатов // Актуальные вопросы тканевой и клеточной транспланталогии - 2017: сборник тезисов.- Астрахань. - С. 30-32.
