ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2009, том 73, № 10, с. 1424-1428
УДК 548-55,616-006.04
CАПФИРОВЫЕ ИГЛОВЫЕ КАПИЛЛЯРЫ ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ МЕДИЦИНЫ © 2009 г. И. А. Шикунова1, В. В. Волков2, В. Н. Курлов1, В. Б. Лощенов2
E-mail:yardy@mail.ru; kurlov@issp.ac.ru
На основе сапфировых игловых капилляров разработаны новые устройства, которые эффективно могут быть использованы для лазерных фотохимических и термических методов лечения опухолей различных органов, например простаты, печени, щитовидной железы, мозга. Использование предлагаемых устройств позволяет существенно увеличить объем облучения, за счет высокой теплопроводности сапфира выровнять температуру по всему объему облучателя, упростить конструкцию и исключить систему охлаждения устройства.
Способность лазерного излучения эффективно возбуждать фотохимические реакции и разогревать ткани используется в современных методах лечения объемных опухолей печени, легких, простаты, мозга и др.
В настоящее время наиболее перспективны следующие направления лазерной терапии: фотодинамическая терапия (ФДТ), лазерная ин-терстициальная (внутритканевая) термотерапия (ЛИТТ). ФДТ предполагает доставку однородного излучения к очагу опухоли для возбуждения введенных красителей-фотосенсибилизаторов (ФС), концентрация которых высока в опухоли. ФС под действием света определенной длины волны превращает обычный кислород, находящийся в опухоли, в активную форму метастабиль-ного (синглетного) кислорода, который вызывает гибель опухолевых клеток ткани посредством комбинации прямого разрушения их компонентов и нарушения процессов кровообращения в облученной области [1]. Несомненно, уникальным, присущим только ФДТ результатом является сохранение структуры ткани, ее "каркаса", т.е. это терапия с максимально достижимым на сегодняшний день органосохраняющим эффектом. Лазерная внутритканевая термотерапия, которая, по сравнению с ФДТ, требует использования более высоких мощностей излучения, имеет большие перспективы для лечения злокачественных образований печени, легких, мозга путем объемного нагрева свыше 60°С (тепловой некроз) или абляции (испарения ткани) лазерным излучением [2—4]. Развитие расчетного компьютерного планирования операций [5] и возможность визуализации магниторезонансной термометрией [4, 6] изменений, происходящих в биотканях, позво-
1 Учреждение Российской академии наук Институт физики твердого тела РАН, Черноголовка.
2 Учреждение Российской академии наук Центр естественно-научных исследований, Институт общей физики РАН, Москва.
ляют успешно использовать данные методы для терапии опухолей головы и шеи, поджелудочной железы, простаты и т.д.
Для облучения подкожных и глубоколежащих образований требуются световоды, способные при общем нагреве выдерживать длительный контакт со средой организма и продуктами фототермического разложения без изменения качества и геометрии пучка. Кварцевые световоды имеют низкие допустимые уровни мощности передаваемого лазерного излучения при внутритканевом облучении — это сдерживающий фактор для развития прогрессивных методов терапии в онкологии с имеющимися устройствами. Световод для внутритканевого облучения содержит кварцевое оптоволокно, кварцевую или полимерную насадку на облучающем конце (диффузор), и применяется с катетером, который используется для внедрения в ткань хрупкого облучателя. Начиная с режима фотокоагуляции, который характеризуется повышением температуры до 60°С, требуется охлаждение кварцевого световода, а фотоабляция (испарение ткани) короткими мощными импульсами возможна лишь бесконтактным образом охлаждаемым световодом [7, 8].
С кварцевыми облучателями велика вероятность локальных перегревов, что может привести к образованию зон карбонизации (обугливания). За исключением фотоабляции, при облучении запланированного объема крайне нежелательна карбонизация тканей, так как появление поглощающей излучение сажи уменьшает область эффективного облучения, нарушает качество и геометрию лазерного пучка и приводит к быстрому перегреву и разрушению самого световода. Вспомогательные устройства для внедрения световода и охлаждающая система увеличивают диаметр системы доставки света и, следовательно, травма-тичность процедуры. В качестве других недостатков кварцевых волокон, работающих в прямом контакте с кровью и тканями, можно выделить
невозможность стерилизации и многократного использования.
Для решения этих проблем нами разработан новый класс контактных облучателей на основе игловых капилляров, выполненных из сапфира, который обладает высокими термостойкостью, твердостью, прочностью, теплопроводностью, коррозионной стойкостью, химической инертностью к крови и тканям человека (в том числе и электролитической пассивностью), имеющих пропускание в широком диапазоне длин волн. При этом сапфировый капилляр выполняет функцию не только защиты кварцевого волокна от взаимодействия с кровью и тканями, но и формирует в области внедряемого в ткань конца световода требуемое световое поле, которое, что очень важно, остается стабильным во время всей процедуры облучения.
Сапфировые капилляры, запаянные с одной стороны, выращивали методом Степанова из расплава. При этом решали довольно сложную техническую задачу формирования и поддержания в кристалле геометрии капиллярного канала, которая сводилась не только к оптимизации скоростей выращивания и температурных режимов в зоне кристаллизации, но и к использованию новых подходов к конструкции формообразующих устройств и к системе контроля за состоянием фронта кристаллизации.
Внутренний диаметр сапфирового иглового капилляра (0.5—0.6 мм) был выбран на основании требований к прочности капилляра и с учетом диаметра стандартного кварцевого оптоволокна 400 мкм (рис. 1а). Внешний диаметр (1.2 мм) и длина сапфировых игл (>200 мм) позволяют использовать их для внутритканевого облучения тканей простаты в установках для чрезкожной лучевой терапии (брахитерапии) простаты под контролем ультразвука. Высокая твердость сапфира позволяет формировать острие очень малого радиуса закругления (до 25 нм), стабильное при многократных рабочих циклах, включая стерилизацию. Малый внешний диаметр облучателей с игловой заточкой, отсутствие утолщений, высокая чистота контактирующей с биотканью сапфировой пов приспособлений, увеличивающих сечение облучателей. Последнее обстоятельство значительно снижает вероятность кровотечений.
Сапфировые капилляры были испытаны на взаимодействие с кровью с использованием лазера мощностью 2.5 Вт (X = 630 нм). Исследование показало, что при полном погружении кристаллической насадки в концентрат эритроцитов ее поверхность не подвергаются каким-либо изменениям вплоть до дозы облучения в 2.3 кДжж при наличии коагуляции и испарения жидкой компоненты [9].
д
гтттттттттттштш
Рис. 1. Сапфировые игловые капилляры (внешний диаметр — 1.2 мм, внутренний диаметр — 0.5 мм): а — капилляр с закрытым торцом после выращивания; б — капилляр с острием, полученным механической обработкой торца; в — капилляр с острием и диффузором (шлифованной наружной поверхностью), полученными механической обработкой; г, д — различные варианты геометрии торца капилляров, полученные непосредственно в процессе выращивания.
Наряду с высокой химической стойкостью сапфировых защитных капилляров можно управлять распределением лазерного излучения в ткани в зависимости от геометрии и состояния поверхности наконечника. Окончание капилляра в зависимости от задачи может быть выполнено разной формы как механическим путем (рис. 1б, в), так и в процессе выращивания: шарик, заострение (рис. 1г, д). В частности, при конусной заточке полученная сапфировая опорная игла может перераспределять пучок, выходящий из торца волокна так, что излучение вперед, в большинстве случаев нежелательное, сильно ослабляется, а остальное излучение распределяется равномерно во всем объеме (рис. 2а, б). Специально созданными диффузными рассеивателя-ми (можно формировать диффузную поверхность как на самом кварцевом световоде, так и на внешней поверхности сапфирового капилляра — см. рис. 1) решаются проблемы распределения световых потоков и тепловых полей внутри биологических тканей различных органов человека. Например, шлифованная диффузная поверхность капилляра позволяет получить выровненный цилиндрический лазерный пучок (рис. 2в), который эффективно используется для внутритканевой ФДТ и лазерной термотерапии опухолей большого объема. Для дополнительного увеличения объема облучения можно использовать смещение световода с диффузором в оптически про-
Рис. 2. Геометрия светового поля в объеме крови при облучении: а — через торцевое кварцевое волокно (наблюдается неравномерность поля и паразитное излучение вперед); б — через то же волокно, помещенное в сапфировый игловой капилляр; в — волокно с диффузором длиной 25 мм в сапфировом игловом капилляре с ростовой поверхностью; г — торец волокна оттянут от торца капилляра на 15 мм.
зрачном капилляре в процессе лазерной терапии (рис. 2г).
Применение волокна или сапфирового капилляра с диффузной поверхностью позволяет сни-
зить плотность мощности излучения на единице поверхности облучателя. При этом для одной и той же сообщенной биоткани дозе от точечного облучателя и диффузора нагрев сапфирового капилляра с диффузором значительно меньше и эффективное проведение сеанса терапии возможно в рамках теплового ограничения планируемого воздействия.
Разработанная система также позволяет установить пороговые значения постоянных потоков и локальных флуктуаций световых и тепловых полей, приводящих к необратимым изменениям в биотканях. Для сапфировой опорной иглы с волокном, длина диффузора которого составила 25 мм, были определены параметры облучения, при котором биологическая ткань прогревается до 39°С, т.е. термические изменения в ней отсутствуют. Этот режим требуется в ФДТ, где в классической схеме механизм повреждения раковых клеток является чисто фотохимическим. Экспериментально была подобрана мощность лазера (X = 810 нм), работающего в непрерывном режиме, при которой для ткани с введенным облучателем (диффузор полностью погруже
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.