METHODS OF DELIVERING EXCIMER LASER RADIATION IN SURGERY
METHODS OF DELIVERING EXCIMER LASER RADIATION IN SURGERY
Abstract
Excimer lasers are widely used in cardiovascular surgery, ophthalmosurgery and dermatology. However, their clinical use is limited by challenges related to radiation transmission in the short-wavelength ultraviolet range below 300 nm. The aim of this study is to conduct a systematic analysis of the current applications of excimer lasers in various fields of medicine, with a focus on clinical applicability, safety, and efficacy. A review of scientific publications in the PubMed, Scopus, Web of Science, and eLibrary databases for the period 2001–2025 was conducted; 55 sources were analyzed, of which 26 were included in the reference list. Key areas of application are examined: refractive ophthalmosurgery (LASIK, PRK), excimer laser coronary angioplasty, treatment of peripheral arterial diseases, as well as dermatological procedures. Particular attention is paid to laser radiation delivery technologies — mirror and fiber-optic systems — as one of the limiting factors for expanding clinical use. It is shown that the development of fiber-optic technologies opens up new prospects for minimally invasive procedures and expands the range of possible medical applications for excimer lasers.
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.