Сравнение биологических эффектов контактного действия полупроводниковых лазеров с длиной волны 1470 и 810 нм в эксперименте

Н.А. Шумилова, Ю.С. Федотова, М.А. Рябова

Ключевые слова: полупроводниковый лазер 1470 нм; полупроводниковый лазер 810 нм; коагуляция; вапоризация.

Цель исследования — определить особенности биологических эффектов контактного воздействия на ткани с различными оптическими и механическими свойствами полупроводниковым лазером с длиной волны 1470 нм в сравнении с воздействием лазерного излучения с длиной волны 810 нм.

Материалы и методы. Исследование выполнено на мышечной ткани курицы, печени крупного рогатого скота, полипе полости носа, удаленном хряще перегородки носа. Производилась оценка ширины зон абляции и коагуляции в ходе линейного разреза тканей лазером со скоростью 2 мм/с, глубины кратера с последующим измерением в условиях микроскопии. Выполнялось взвешивание образцов ткани до и после нанесения точечного воздействия. Стандартизация скорости воздействия осуществлялась с использованием равномерно двигающейся ленты самописца.

Результаты. Прирост мощности излучения лазера с длиной волны 1470 нм в большей степени способствует росту ширины зон абляции и коагуляции, чем воздействие лазера с длиной волны 810 нм. Действие лазера с длиной волны 1470 нм мощностью 1 Вт приводит к налипанию ткани к волокну. При мощности 2 Вт зона коагуляции мягких тканей сопоставима, а в ряде случаев превышает таковую после действия лазера с длиной волны 810 нм. По глубине кратера излучение с длиной волны 1470 нм уступает излучению с длиной волны 810 нм, а по вапоризационным способностям — превосходит его.

Заключение. Для рассечения тканей лазером с длиной волны 1470 нм оптимальной является мощность 2 Вт, которая обеспечивает щадящее неглубокое воздействие и по коагуляционным свойствам в ряде случаев превышает действие лазерного излучения с длиной волны 810 нм мощностью 7 Вт. Образование менее глубокого кратера при использовании лазера с длиной волны 1470 нм позволяет рекомендовать его для поверхностной коагуляции сосудистых образований.

Наибольшее распространение в медицине получили полупроводниковые лазеры с длиной волны в диапазоне от 800 до 1060 нм, характеризующиеся высоким поглощением излучения в гемоглобине крови и низким поглощением в воде, в связи с чем такое излучение получило название «гемоглобинпоглощаемое» [1, 2]. В хирургической практике накоплен большой опыт применения лазерного излучения с длиной волны 810 нм, которое хорошо зарекомендовало себя как для выполнения разрезов, так и для гемостаза. Проведена серия экспериментальных исследований по выбору оптимальных параметров воздействия этим лазером на биологические ткани с использованием фантома живой ткани [3]. Широкое применение лазера с длиной волны 810 нм в различных областях хирургии, знание особенностей биологических эффектов его действия позволяют использовать этот лазер для проведения сравнительных исследований с другими видами воздействия на ткани — электроножом, радиочастотным скальпелем, лазерами с различными длинами волн [4].

В последние годы в хирургической практике активно применяется лазер с длиной волны 1470 нм. Для лазерных аппаратов с длиной волны, близкой к 1,5 мкм, поглощение в воде является преобладающим свойством, что обусловливает особые биологические эффекты в результате воздействия. Такие лазеры получили название «водопоглощаемые» или «водоспецифичные» [5] и используются главным образом в урологии и для эндовенозной облитерации вен [6–10]. Некоторыми фирмами-изготовителями указывается возможность применения лазерного излучения с длиной волны 1470 нм для выполнения оперативных вмешательств в других областях медицины, в частности в оториноларингологии. В доступной литературе встречаются лишь единичные экспериментальные исследования биологических эффектов лазерного излучения с указанной длиной волны. При изучении эффективности действия лазера на ткани предстательной железы в сравнении с КТР-лазером (potassium-titanyl-phosphate) [11] выявлены менее выраженные режущие свойства диодного лазера, но более значимые коагуляционные способности. Проведена оценка количества вапоризованной ткани, образующейся при воздействии лазерным излучением с длиной волны 1470 нм на ткань свиной почки, а также оценка кровопотери за время лазерного воздействия на модели кровоснабжаемой свиной почки [12]. Зона некроза составила 1,30 мм, что оказалось значительно меньше в сравнении со значениями при использовании лазера длиной волны 980 нм — 4,18 мм. Различные условия и методики проведения опубликованных экспериментальных работ не позволяют проводить сравнительную оценку их результатов и прогнозировать эффекты лазерного воздействия на ткани. В клинической практике режим воздействия лазерного аппарата подбирается исключительно эмпирически. Знание особенностей биологических эффектов лазера уменьшит риск нанесения непрогнозируемого воздействия на ткани, позволит с учетом спектральных характеристик излучения расширить и обосновать область использования лазера в хирургии, разработать рекомендации по выбору оптимальных режимов воздействия для рассечения и коагуляции тканей. Сравнение эффектов лазера с длиной волны 1470 нм и лазерного излучения с длиной волны 810 нм позволит в полной мере оценить особенности его воздействия на ткани и возможности.

Следует сказать, что эффект лазерного воздействия обусловлен не только спектральными характеристиками излучения, мощностью, экспозицией лазера, но и оптическими свойствами тканей. Поэтому выбор параметров воздействия в каждом конкретном случае должен основываться на результатах экспериментальных исследований, проведенных на различных биологических тканях, с учетом их оптических и механических свойств.

Материалы и методы. Работа выполнена на кафедре отоларингологии с клиникой Первого Санкт-Петербургского государственного медицинского университета имени акад. И.П. Павлова.Оценку действия полупроводниковых лазеров осуществляли в контактном непрерывном режиме. Эффекты лазера с длиной волны 1470 нм («Лахта-Милон», ф. «Милон-лазер», Россия) с максимальной выходной мощностью 5 Вт изучали при мощности от 1 до 5 Вт с шагом в 1 Вт. Действие лазерного излучения с длиной волны 810 нм («Аткус-15», ф. «Полупроводниковые приборы», Россия) оценивали при наиболее часто используемых в клинической практике показателях мощности: 3, 5, 7 и 9 Вт.

В качестве объектов, подвергаемых лазерному воздействию, выбраны биологические ткани с различными оптическими и механическими свойствами: удаленные полипы полости носа, печень крупного рогатого скота, мышечная ткань курицы, удаленный хрящ перегородки носа, в результате чего полученные данные позволят прогнозировать эффекты лазерного воздействия на различные ткани организма — мышечную, хрящевую, полипозную ткань, характеризующуюся высоким содержанием воды, и паренхиматозные органы. С целью улучшения режущих свойств во всех случаях лазерное воздействие осуществлялось обугленным концом оптоволокна.

Для оценки ширины зон абляции и коагуляции на образец биологической ткани наносили линейный разрез. Стандартизацию скорости воздействия осуществляли посредством подвижной равномерно двигающейся ленты самописца (рис. 1). Лазерное волокно фиксировали с помощью штативов под углом 60° относительно поверхности по ходу выполнения разреза. Для нанесения воздействий на ткани применяли скоростной режим 2 мм/с как наиболее часто используемый в клинических условиях.

Рис. 1. Выполнение линейного разреза ткани

Измерение ширины зоны абляции и ширины боковой зоны коагуляции осуществляли в условиях микроскопии с помощью окуляр-микрометра при увеличении 40 на аппарате LKB Ultramicrotome, Model 8802A (Швеция) (рис. 2). Полученный результат умножали на табличный коэффициент, соответствующий цене одного деления окуляр-микрометра в микрометрах. Выполнено 3 серии опытов, в каждой производилось по 5 измерений. Глубину образовавшегося кратера оценивали путем выполнения поперечных срезов относительно линии разреза с последующим измерением в условиях микроскопии вышеописанным способом.

Рис. 2. Измерение ширины зон абляции и коагуляции (в мкм) с использованием окуляр-микрометра, ×40

Для оценки степени вапоризации производили точечное воздействие излучением на образец биологической ткани в течение 5 с. Лазерное волокно фиксировали с помощью штативов под углом 90° к поверхности ткани. До и после выполнения точечного воздействия выполняли взвешивание образцов биологической ткани на весах Techniprot (Польша) с диапазоном измерений 0–1000 мг.

Результаты исследования обрабатывались с использованием t-критерия Стьюдента для определения различий значений относительных и абсолютных величин. Критический уровень достоверности нулевой статистической гипотезы (об отсутствии различий и влияний) принимали равным 0,05.

Результаты и обсуждение. Прирост мощности лазерного излучения с длиной волны 1470 нм от 1 до 5 Вт приводит к значительному увеличению ширины кратера, в меньшей степени — боковой зоны коагуляции на всех биологических объектах (табл. 1). Исключение составила ткань полипа, при воздействии на которую нарастание мощности излучения до 3 Вт и выше вызывает деформацию и сморщивание.

Таблица 1. Ширина зон абляции и коагуляции при воздействии на различные ткани лазерным излучением с длиной волны 1470 и 810 нм

При контактном воздействии лазерного излучения с длиной волны 810 нм прирост его мощности увеличивает ширину кратера и боковой зоны коагуляции в меньшей степени в сравнении с лазером с длиной волны 1470 нм. К примеру, увеличение мощности излучения с 3 до 9 Вт у лазера с длиной волны 810 нм при действии на мышечную ткань курицы приводит к росту ширины кратера на 20% и к росту боковой зоны коагуляции на 63% (рис. 3), а рост мощности излучения с длиной волны 1470 нм с 1 до 5 Вт характеризуется увеличением указанных показателей на 256 и 193% соответственно (см. табл. 1).

Рис. 3. Линейный разрез при действии лазерного излучения с длиной волны 810 нм на мышечную ткань курицы; мощность сверху вниз — 9, 7, 5, 3 Вт (макрофотография)

Максимальная по ширине зона абляции формируется при действии лазерного излучения с длиной волны 1470 нм на мышечную ткань курицы и печень крупного рогатого скота (различия для большинства измерений статистически не значимы, р>0,05), что обусловлено высоким содержанием воды в данных биологических тканях. В случае использования лазера с длиной волны 810 нм максимальный по ширине кратер образуется при действии на печень крупного рогатого скота, характеризующуюся высоким содержанием гемоглобина, который является целевым хромофором, способным поглощать излучение и превращать его в тепловую энергию (рис. 4).

Рис. 4. Оценка зоны абляции и боковой зоны коагуляции на ткани печени крупного рогатого скота (макрофотография)

Минимальные показатели ширины зон абляции выявлены при действии лазерным излучением с длиной волны 1470 нм на полипозную ткань за счет ее деформации, с длиной волны 810 нм — на хрящ перегородки носа, что обусловлено как низким содержанием целевых хромофоров, так и высокой плотностью хрящевой ткани. Формирование наименьшего кратера при воздействии на полипозную ткань лазерным излучением с длиной волны 1470 нм в результате ее сморщивания и деформации может быть объяснено интенсивным испарением воды, характерным для данного спектра лазерного излучения. Это заключение подтверждается более выраженной потерей массы образцом ткани полипа в сравнении с другими биологическими объектами при точечном лазерном воздействии с длиной волны 1470 нм (табл. 2).

Таблица 2. Потеря массы образцами биологических тканей до и после точечного воздействия лазерным излучением, мг

В ходе выполнения линейного разреза лазером с длиной волны 1470 нм мощностью 1 Вт отмечено выраженное налипание к лазерному волокну тканей с большим содержанием воды — печени крупного рогатого скота и мышечной ткани курицы. Это приводило к формированию неравномерного по ширине кратера на указанных биологических объектах и в статистических вычислениях отразилось в высоких значениях ошибок средних арифметических значений. Образование прогнозируемого по ширине разреза на печени крупного рогатого скота и мышечной ткани курицы обеспечивает мощность воздействия лазерного излучения с длиной волны 1470 нм не менее 2 Вт.

В случае использования лазера с длиной волны 810 нм налипание ткани к волокну отмечено только при действии на богатую целевыми хромофорами печень крупного рогатого скота при мощности воздействия 3 и 5 Вт. Избежать налипания ткани к волокну и снизить вероятность кровотечения при отсоединении волокна от ткани в ходе воздействия на печень крупного рогатого скота позволяет использование мощности лазерного воздействия с длиной волны 810 нм не менее 7 Вт.

При оценке глубины разреза в результате линейного воздействия лазерами с длиной волны 810 и 1470 нм статистически значимых различий в зависимости от вида ткани не выявлено. На всех биологических объектах глубина разреза, формирующегося при лазерном воздействии с длиной волны 1470 нм, даже при максимальной мощности (5 Вт) не превышала глубины кратера, образующегося при действии лазера с длиной волны 810 нм. В табл. 3 приведены результаты измерения глубины кратера на мышечной ткани курицы, характеризующейся высоким содержанием целевых хромофоров, для обоих видов полупроводниковых лазеров. Формирование менее глубокого кратера при действии лазерным излучением с длиной волны 1470 нм имеет преимущества в ходе выполнения щадящих воздействий на ткани.

Таблица 3. Глубина кратера при воздействии на мышечную ткань курицы лазерным излучением с длиной волны 1470 и 810 нм

Ширина боковой зоны коагуляции при действии лазерным излучением с длинами волн 1470 и 810 нм была статистически значимо выше на печени крупного рогатого скота и мышечной ткани курицы. При действии на хрящ перегородки носа лазерное излучение с длиной волны 1470 нм в отличие от лазера с длиной волны 810 нм не позволяет реализовать коагулирующий эффект в связи с низким содержанием воды в данной биологической ткани. При действии на полип полости носа зона коагуляции формируется при мощности не менее 3 Вт для лазера с длиной волны 1470 нм и не менее 5 Вт — в случае лазерного излучения с длиной волны 810 нм.

Таким образом, контактное применение лазерного излучения с длиной волны 1470 нм в сравнении с лазером с длиной волны 810 нм характеризуется формированием статистически значимо менее глубокого кратера на всех биологических объектах, что позволяет рекомендовать его использование в анатомических областях, требующих максимально щадящего воздействия, или при нанесении поверхностных разрезов. При мощности 2 Вт контактное действие лазерного излучения с длиной волны 1470 нм в сравнении с лазером с длиной волны 810 нм мощностью 7 Вт обеспечивает формирование достоверно менее широкого кратера при действии на все биологические объекты за исключением мышечной ткани и более значимой боковой зоны коагуляции ткани печени (p<0,05). В связи с этим применение лазера с длиной волны 1470 нм в контактном режиме оправдано как для рассечения тканей, так и с целью гемостаза с учетом особенностей биологических эффектов, обусловленных длиной волны лазерного излучения.

Заключение. Для выполнения разрезов всех видов биологических тканей лазером с длиной волны 1470 нм оптимальной является мощность 2 Вт, обеспечивающая образование прогнозируемого по ширине кратера. Формирование менее широкого и глубокого разреза при данных параметрах излучения по сравнению с действием лазера с длиной волны 810 нм мощностью 7 Вт имеет преимущества в анатомических областях, требующих щадящего воздействия на ткани. Коагуляционный эффект лазера с длиной волны 1470 нм мощностью 2 Вт сопоставим, а в ряде случаев и превышает действие лазерного излучения с длиной волны 810 нм мощностью 7 Вт, что может использоваться для поверхностной коагуляции сосудистых образований, вапоризации мягких тканей.

Финансирование исследование. Данное исследование проводилось без какой-либо финансовой поддержки.

Конфликт интересов. У авторов нет конфликта интересов.