Способы доставки эксимерного лазерного излучения в хирургии
Способы доставки эксимерного лазерного излучения в хирургии
Аннотация
Эксимерные лазеры находят широкое применение в сердечно-сосудистой хирургии, офтальмохирургии и дерматологии. Однако их клиническое использование ограничено проблемами передачи излучения в коротковолновом ультрафиолетовом диапазоне менее 300 нм. Целью работы является систематический анализ современных возможностей применения эксимерных лазеров в различных областях медицины с акцентом на клиническую применимость, безопасность и эффективность. Проведен обзор научных публикаций в базах данных PubMed, Scopus, Web of Science, eLibrary за период 2001–2025 годов, проанализировано 55 источников, из которых 26 включены в список литературы. Рассмотрены ключевые области применения: рефракционная офтальмологическая хирургия (LASIK, ФРК), эксимерлазерная коронарная ангиопластика, лечение периферических артериальных заболеваний, а также дерматологические процедуры. Особое внимание уделено технологиям доставки лазерного излучения — зеркальным и волоконно-оптическим системам, как одному из ограничивающих факторов расширения клинического использования. Показано, что развитие волоконно-оптических технологий открывает новые перспективы для минимально инвазивных вмешательств и расширяет спектр возможных медицинских приложений эксимерных лазеров.
1. Введение
Эксимерный лазер представляет собой современный инструмент, активно применяемый в сердечно-сосудистой хирургии для лечения различных патологий, включая ишемическую болезнь сердца и заболевания периферических артерий , , . Наиболее часто используемым лазером в данной области является лазер с длиной волны 308 нм (CVX-300) . Излучение с более короткой длиной волны (например, 193 нм от ArF-лазера), несмотря на высокую точность фотоабляции, характеризуется чрезвычайно высоким коэффициентом поглощения в стандартных кварцевых оптических волокнах, что приводит к быстрой деградации световода, снижению передаваемой энергии и риску повреждения инструментария при эндоваскулярных или эндоскопических вмешательствах. Высокая пространственная расходимость ультрафиолетового лазерного пучка эксимерных лазеров представляет собой существенное ограничение в клинической практике, требуя применения сложных оптико-механических систем для обеспечения стабильной плотности энергии в зоне хирургического воздействия .
В условиях активного развития принципов минимально инвазивной хирургии, составляющей более 75% всех оперативных вмешательств в развитых странах , проблема эффективной доставки лазерного излучения приобретает особую актуальность. Российские клиники сталкиваются с дополнительными вызовами в связи с санкционными ограничениями, которые затрудняют закупку зарубежного оборудования и расходных материалов для систем доставки лазера . Это создает потребность в разработке отечественных решений и адаптации существующих технологий к современным клиническим требованиям.
Таким образом, одним из критических вопросов в клинической практике является выбор адекватной системы доставки лазерного излучения к месту воздействия. От эффективности системы доставки зависит успешность лазерных вмешательств, длительность процедур, безопасность пациента и экономическая целесообразность применения технологии. Согласно исследованиям, оптимизация систем доставки может сократить время операций на 25–30% и снизить количество осложнений до 15% , что особенно важно в условиях ограниченных ресурсов здравоохранения.
Цель исследования: провести систематический анализ возможностей применения эксимерных лазеров в различных областях хирургии с оценкой их клинической применимости, безопасности и эффективности, уделив внимание техническим аспектам доставки лазерного излучения, как одному из ключевых ограничивающих факторов.
2. Материал и методы исследования
Проведен систематический обзор литературы по вопросам доставки эксимерного лазерного излучения в хирургии согласно принципам протокола Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses (PRISMA) . Поиск научных публикаций осуществлялся в международных базах данных PubMed, Scopus, Web of Science, а также в российской базе данных eLibrary за период с 2001 по 2025 год. Использовались следующие ключевые слова на английском и русском языках: «excimer laser», «laser delivery systems», «fiber optic», «articulated arm», «UV radiation transmission», «эксимерный лазер», «системы доставки излучения», «волоконная оптика».
Критериями включения публикаций в обзор являлись: оригинальные исследования и обзоры, посвященные техническим аспектам доставки эксимерного лазерного излучения в клинической практике; публикации на английском или русском языках; наличие полнотекстового доступа к статье; наличие клинических данных или технических характеристик, релевантных медицинскому применению. Из первоначально выявленных 55 источников после анализа содержания и соответствия критериям включения в окончательный список литературы вошли 26 наиболее релевантных публикаций.
При анализе научных источников основное внимание уделялось клинически значимым параметрам: безопасности применения, точности наведения лазерного луча, стабильности передачи энергии, совместимости с эндоваскулярными и эндоскопическими платформами, а также влиянию технологии доставки на исходы хирургического вмешательства. Особое значение придавалось оценке эффективности систем в условиях минимально инвазивных процедур — с учётом таких критериев, как частота осложнений, длительность вмешательства, восстановительный период и потребность в повторных вмешательствах.
Клиническая релевантность систем доставки была проанализирована в контексте их применения в кардиохирургии (включая эксимерлазерную коронарную ангиопластику), офтальмологической рефракционной хирургии (LASIK, ФРК) и эндоваскулярной интервенционной хирургии периферических артерий.
3. Результаты исследования и их обсуждение
3.1. Основы эксимерных лазеров и их медицинское применение
Эксимерные лазеры представляют собой тип газовых лазеров, генерирующих импульсное излучение в ультрафиолетовой части спектра. Название «эксимер» является сокращением от «excited dimer» (возбужденный димер). Активной средой в таких лазерах служит смесь инертного газа (аргон, криптон, ксенон) и галогена (фтор, хлор). Под действием высоковольтного электрического разряда молекулы смеси переходят в возбужденное, но нестабильное состояние. При их распаде высвобождаются фотоны с энергией, соответствующей энергии связи молекулы, что и формирует лазерное излучение .
В зависимости от состава газовой смеси эксимерные лазеры генерируют излучение с различной длиной волны, что определяет их клиническое применение. В офтальмохирургии наиболее широко используются аргон-фторидный (ArF) эксимерный лазер с длиной волны 193 нм и пятая гармоника твердотельного Nd:YAG-лазера (213 нм), обеспечивающие высокоточную фотоабляцию роговичной ткани при выполнении рефракционных операций. В кардиохирургии единственным одобренным для клинического применения эксимерным лазером является ксенон-хлоридный (XeCl) лазер с длиной волны 308 нм, зарегистрированный в составе системы эксимерлазерной коронарной ангиопластики (например, CVX-300®) и используемый для реканализации окклюзий коронарных и периферических артерий , , .
Ключевой особенностью эксимерных лазеров является их способность вызывать фотоабляцию — «холодное» испарение ткани без значительного термического повреждения окружающих структур. Высокоэнергетические ультрафиолетовые фотоны разрывают межмолекулярные связи в ткани, что приводит к ее послойному удалению с микронной точностью (1–2 мкм на один импульс). Этот механизм обеспечивает очень чистый и точный разрез, что делает эксимерные лазеры идеальным инструментом для прецизионной хирургии .
Благодаря своим уникальным свойствам эксимерные лазеры нашли широкое применение в различных областях медицины. В офтальмологии это основная сфера применения, где эксимерные лазеры используются для коррекции аномалий рефракции (близорукости, дальнозоркости, астигматизма) методами LASIK и фоторефракционной кератэктомии (ФРК), а также в хирургии катаракты и лечении помутнений роговицы . В кардиологии эксимерлазерная коронарная ангиопластика применяется для удаления атеросклеротических бляшек в коронарных артериях, особенно в сложных случаях, когда традиционные методы неэффективны . Согласно исследованиям Jawad-Ul-Qamar et al. и Iiya et al. , эксимерная лазерная ангиопластика коронарных артерий демонстрирует клиническую эффективность и безопасность при лечении различных форм коронарной патологии, включая острые коронарные синдромы. В исследовании Wang et al. описана новая система абляции бляшек на частоте 355 нм для лечения заболеваний периферических артерий, что расширяет спектр медицинского применения эксимерных лазеров. В дерматологии лазеры используются для лечения таких заболеваний, как псориаз и витилиго, а также для шлифовки кожи и удаления рубцов .
3.2. Проблема доставки излучения эксимерного лазера в медицине
Создание клинически эффективных систем доставки эксимерного лазерного излучения сталкивается с рядом фундаментальных ограничений, вызванных высокой энергией фотонов и интенсивным поглощением коротковолнового ультрафиолетового излучения в биологических тканях и оптических материалах, что напрямую определяет безопасность, точность и практическую применимость данных технологий в хирургии.
Широкое применение эксимерных лазеров в хирургии сдерживается трудностями, связанными с передачей ультрафиолетового излучения к зоне операции — особенно при минимально инвазивных вмешательствах, когда доступ осуществляется через катетеры или эндоскопы. Основная причина — сильное поглощение коротковолнового ультрафиолетового света (длина волны менее 300 нм) материалами, из которых изготавливаются стандартные световоды. Это приводит к быстрому износу волокон: они теряют прозрачность, перегреваются и могут разрушиться во время операции. В случае эндоваскулярного или эндоскопического вмешательства это создаёт реальный риск повреждения стенки сосуда или слизистой оболочки, что может вызвать кровотечение, перфорацию или другие осложнения .
Для решения этой проблемы разработаны специальные световоды из высокочистого синтетического кварца, в состав которого добавляют фтор или хлор. Такие материалы гораздо лучше «проводят» ультрафиолетовое излучение и выдерживают длительное использование, что особенно важно при сложных и продолжительных операциях — например, при реканализации окклюзии коронарных артерий .
Ещё одна важная особенность эксимерных лазеров — их луч быстро «расходится» (расширяется) при прохождении даже короткого расстояния. В хирургической практике это означает, что энергия лазера становится менее концентрированной на ткани, и глубина удаления (абляции) становится непредсказуемой. Даже небольшое расширение пучка (на 10–15%) может привести к отклонению глубины обработки на 5–10 мкм — этого достаточно, чтобы нарушить точность коррекции зрения при LASIK или ФРК, где допустимая погрешность составляет всего 1–2 мкм .
Для минимизации этих эффектов в современных системах доставки применяются телескопические коллимирующие модули и линзовые системы с 1:1-переносом изображения (beam relay optics), позволяющие сохранять геометрию и плотность энергии пучка вдоль всего оптического пути. Такие решения обеспечивают стабильность профиля пятна на роговице с отклонением менее 2 мкм и являются неотъемлемой частью клинических установок для LASIK и ФРК
3.3. Типы систем доставки лазерного излучения
Для преодоления перечисленных физических трудностей были разработаны несколько типов систем доставки, каждая из которых адаптирована под конкретные медицинские задачи. Выбор системы доставки в значительной степени определяется типом вмешательства, требованиями к точности и характером доступа к операционному полю.
Зеркальные системы используются, когда лазерная установка находится удаленно от операционной, например, в соседнем помещении или в специальном помещении управления. Система представляет собой серию высокопреломляющих зеркал и линз, которые направляют лазерный луч от источника к целевой области .
Зеркальные системы с шарнирными манипуляторами являются наиболее распространенными в офтальмологической практике, особенно при проведении рефракционных операций. Они представляют собой специализированные оптико-механические устройства, состоящие из ряда сегментов (звеньев), соединенных шарнирами с разными степенями свободы, внутри которых расположены высокопреломляющие зеркала и другие оптические компоненты. Типичные системы могут иметь 6 или 7 шарниров (осей), что обеспечивает высокую гибкость и маневренность, позволяя достигать сложных рабочих зон. Анализ исследований Aharon O. и Ramos J.A. с соавт. демонстрирует, что такие системы обеспечивают передачу до 95% энергии лазерного излучения при длине оптического пути до 3 метров, что критически важно для сохранения точности абляции в LASIK-процедурах , .
Клинические исследования, проведенные в ЯГМУ, показали, что при использовании шарнирных манипуляторов с 7 осями вращения достигается позиционная точность луча 5-10 мкм на рабочем расстоянии, что соответствует требованиям современной рефракционной хирургии . Системы с жесткой опорной конструкцией обеспечивают виброизоляцию, снижая колебания луча до 20 угловых секунд, что предотвращает отклонение более чем на 100 мкм на расстоянии 3 метров.
Однако анализ клинического опыта, представленного в работах Au J.T. с соавт. и Kurnosov A. с соавт., выявил существенные ограничения таких систем в минимально инвазивной хирургии , . При проведении эндоваскулярных процедур использование шарнирных манипуляторов невозможно из-за их габаритов (минимальные размеры составляют 1.2×0.8×0.6 м), что делает их неприменимыми в условиях ограниченного пространства.
Исследования Morgado P.F. с соавт. подтвердили, что несмотря на высокую мощность передачи (до 1000 Вт в импульсе), зеркальные системы требуют сложной калибровки перед каждой процедурой, что увеличивает время подготовки на 15–20 минут и создает дополнительную нагрузку на персонал . В 12% случаев, по данным Kurnosov A., требуется экстренная перекалибровка системы во время длительных операций из-за микросмещений зеркал, что увеличивает риск хирургических ошибок .
Несмотря на достоинства зеркальных систем, их применение ограничено невозможностью использования при минимально инвазивных процедурах. Волоконно-оптические системы являются незаменимыми для доставки лазерного излучения внутрь организма пациента через катетеры и эндоскопические инструменты . Основной вызов заключается в создании волокон, способных эффективно проводить коротковолновое ультрафиолетовое излучение без значительных потерь и повреждения.
Оптические волокна с фторированным покрытием (fluorine-doped silica cladding) обеспечивают более высокую пропускную способность для ультрафиолетового излучения. Это покрытие существенно снижает потери энергии и увеличивает стабильность передачи ультрафиолетового излучения по сравнению со стандартными кварцевыми волокнами. Фторированные волокна могут эффективно передавать излучение в диапазоне 248-308 нм с потерями менее 2 дБ на метр , . Фторированное покрытие успешно себя показывает при проведении вмешательств на коронарных артериях с длинной волны 308 нм. 30-дневная летальность по данным Jawad- Ul- Qamar M, et al. составляет 2%, свобода от осложнений — 94%. В данном исследовании при использовании фторированных волокон достигается передача 75–82% исходной энергии при длине волокна 1,5–2 метра, что обеспечивает эффективную абляцию атеросклеротических бляшек даже в кальцинированных коронарных сегментах .
Волокна, обработанные водородом (hydrogen-loaded fibers) демонстрируют улучшенную передачу ультрафиолетового излучения, так как водород снижает дефекты в структуре стекла, которые могут поглощать ультрафиолетовое излучение . Работа Heiden S. с соавт. выявила, что водородная обработка позволяет снизить коэффициент поглощения кварцевых волокон для излучения с длиной волны 213 нм с 15 дБ/м до 4.2 дБ/м, что делает возможным их клиническое применение в офтальмологической хирургии . Однако исследование показало, что эффективность передачи снижается на 35–40% в течение первых 6 месяцев эксплуатации из-за диффузии водорода из структуры волокна, что требует регулярной замены или повторной обработки .
Полые волокна со стеклянными конусами (hollow-core fibers). Для концентрации лазерного излучения перед его вводом в оптоволокно используется полый стеклянный конус (hollow glass taper). Эта технология позволяет эффективно направлять пучок света в сердцевину волокна, минимизируя рассеивание и потери энергии. Полые оптические волокна со стеклянными конусами представляют наибольший интерес для будущих медицинских применений. Результаты исследований Mears R. с соавт. демонстрируют, что такие волокна могут передавать излучение с длиной волны до 190 нм с потерями менее 0.5 дБ/м, что превосходит показатели традиционных волокон в 3–5 раз . Gebert F. с соавт. подтвердили, что полые волокна сохраняют 90% передаваемой энергии после 10⁶ лазерных импульсов, тогда как стандартные кварцевые волокна требуют замены после 10⁴ импульсов .
Клинические исследования Miyoshi Y. с соавт. внедрили полые волокна в эндоскопические системы для лазерной абляции новообразований желудочно-кишечного тракта, что позволило достичь точности наведения 50–70 мкм при диаметре рабочей части 2,8 мм . В сравнительном исследовании с участием 45 пациентов с предраковыми поражениями пищевода использование полых волокон сократило время процедуры на 40% и снизило частоту рубцевания на 32% по сравнению со стандартными методиками .
Анализ экономической эффективности, представленный Knight J. с соавт., показал, что хотя первоначальная стоимость полых волокон в 2,5 раза выше стандартных, их долговечность (более 2 лет активного использования) делает их экономически выгодными для клиник с высокой загрузкой . Для медицинских учреждений с низкой интенсивностью лазерных процедур экономически оправдано использование фторированных волокон средней длины (1.5–2 м) с заменой каждые 6–8 месяцев.
Проведенный анализ свидетельствует о том, что волоконно-оптические технологии активно развиваются в направлении повышения эффективности передачи ультрафиолетового излучения, что расширяет возможности их применения в минимально инвазивных хирургических процедурах. Полые волокна представляют наибольший потенциал для будущих инноваций в хирургии.
4. Заключение
Эксимерные лазеры демонстрируют значительный потенциал в различных областях медицины благодаря уникальной способности к прецизионной «холодной» фотоабляции. Их применение охватывает офтальмохирургию, сердечно-сосудистую хирургию, дерматологию и эндоскопические вмешательства. Однако широкое внедрение этих технологий сдерживается рядом технических ограничений, главным из которых является эффективная доставка коротковолнового ультрафиолетового излучения к зоне воздействия. Зеркальные системы доставки, несмотря на высокую стабильность и мощность передачи, оказываются непригодными для минимально инвазивных процедур из-за своей громоздкости и ограниченной маневренности. В то же время развитие волоконно-оптических технологий — включая фторированные световоды, гидрогенизированные волокна и полые стеклянные конусы — открывает новые возможности для безопасной и эффективной передачи лазерной энергии через катетеры и эндоскопические инструменты. Эти достижения расширяют спектр клинического применения эксимерных лазеров. Дальнейшее совершенствование систем доставки излучения остаётся ключевым направлением для реализации полного потенциала эксимерных лазеров в современной медицине.