АКУСТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ЛАЗЕРНОЙ ПЕРФОРАЦИИ БИОМАТЕРИАЛОВ
АКУСТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ЛАЗЕРНОЙ ПЕРФОРАЦИИ БИОМАТЕРИАЛОВ
Аннотация
Лазерные пункционные технологии широко применяются в медицине, при этом актуальным является контроль за выполнением такой процедуры. В работе на примере трубчатых костей показано, что положение торца лазерного волокна в биоматериале может эффективно контролироваться с помощью акустических методов. Акустический мониторинг, являясь надежным индикатором происходящих процессов при перфорации, позволяет определить моменты начала и окончания перфорации внешней стенки кости, а также момент достижения торцом волокна противоположной внешней стенки. При этом важно, что эти эффекты слабо зависят от используемой длины волны лазерного излучения и способов акустической регистрации. Полученные результаты могут быть использованы для уточнения механизма действия лазерного излучения на биоткани и совершенствования лазерных медицинских технологий.
1. Введение
Лазерные пункционные технологии находят широкое применение в самых разных областях медицине. Своим бурным развитием они обязаны появлению достаточно компактных и мощных лазеров, излучение которых передается по оптическому волокну , , , . Оптоволокно является достаточно тонким, гибким и прочным и может свободно проходить в рабочий канал эндоскопа или выступать в качестве уникального лазерного инструмента в руках хирурга , , , .
Во многих таких технологиях с помощью лазерного волокна проводится перфорация (каналирование) различных тканей, при которой происходит формирование лазерного канала (отверстия) в биоткани путем осевого продвижения оптического волокна при нагреве его торца и близлежащих к нему водосодержащих тканей лазерным излучением. Такое каналирование проводится, например, при лечении межпозвонковых дисков в случае радикулитов, для пункционной лазерной деструкции чувствительного корешка тройничного нерва, при лазерной остеоперфорации (перфорации стенки кости) при лечении остеомиелита , , .
Лазерные медицинские перфорации осуществляются с использованием разнообразных параметров лазерного воздействия, включая режимы непрерывного и импульсного излучения, длину волны, мощность лазера, а также различные типы оптических волокон. Кроме того, важным аспектом является контроль силы прижима оптоволокна к поверхности биологической ткани. Все эти факторы существенно влияют на скорость выполнения процедуры, её эффективность, а также на долгосрочные результаты и безопасность применяемой медицинской технологии. В связи с этим для оптимизации параметров воздействия, улучшения существующих лазерных медицинских технологий и разработки новых решений в области медицинской робототехники необходимо не только проводить систематическое и глубокое исследование процессов, происходящих во время лазерного воздействия , но и осуществлять контроль выполнения процедуры, который может быть эффективно осуществлен за счет методов оптоакустики , , , . Это позволит не только повысить качество медицинских процедур, но и обеспечить более высокий уровень безопасности для пациентов, а также расширить возможности применения лазеров в различных областях медицины.
Рисунок 1 - Фотография части установки с подвижной платформой, скоростной видеокамерой и широкополосным гидрофоном
Рисунок 2 - Конфигурация при регистрация акустического сигнала с помощью широкополосного гидрофона (а) и игольчатого гидрофона (б)
2. Результаты и обсуждение
Рисунок 3 - Фотографии поверхности кости с двумя сформированными в ней отверстиями (а) и сечения кости после лазерной перфорации (б) и 3D изображение части входного отверстия (в)
Примечание: P=12 Вт, нагрузка 200 г
Рисунок 4 - Положение торца лазерного волокна при формировании канала в кости при наличии воды у поверхности кости и без нее
Примечание: показано расположение внешних и внутренних поверхностей стенки кости и костномозгового канала; P=16 Вт, нагрузка 300 г
Рисунок 5 - Пример регистрации гидродинамических процессов при начале перфорации кости с помощью скоростной видеокамеры на скорости 2 кк/с с временем экспозиции 25 мкс
Рисунок 6 - спектры акустических сигналов, зарегистрированных при перфорации кости в присутствии воды при различных мощностях излучения с λ=0,98 мкм
Примечание: пунктирным эллипсом отмечен широкий пик для Р=15 Вт; зеленые стрелки показывают узкие пики для Р=10 Вт, величина нагрузки 200 г
Оказалось, что максимальный акустический сигнал регистрируется в трех случаях:
1) в начальный момент в период между включением лазерного излучения и началом формирования канала в стенке кости;
2) Когда волокно выходит из внутренней поверхности стенки кости в костномозговой канал;
3) При достижении противоположной внутренней стенки кости (рис. 7).
Рисунок 7 - Схема иллюстрирующая связь зарегистрированных акустических сигналов с положением торца оптоволокна в различные моменты времени при лазерной перфорации кости:
1-3 - три характерных случая генерации акустических сигналов
Примечание: показано расположение внешних и внутренних поверхностей стенки кости и костномозгового канала; Р=16 Вт, вес 200 г
3. Заключение
Проведенные исследования показали, что акустический контроль за формированием отверстий в биоматериале на примере трубчатой кости может быть весьма эффективным. Являясь важным индикатором происходящих процессов при перфорации, акустический мониторинг позволяет определить моменты начала и окончания перфорации внешней стенки кости, а также момент достижения торцом волокна противоположной внешней стенки. При этом важно, что эти эффекты слабо зависят от используемой длины волны лазерного излучения и способов акустической регистрации. Полученные результаты могут быть использованы для уточнения механизма действия лазерного излучения на биоткани и совершенствования лазерных медицинских технологий.