The Development of a Method for Monitoring Laser Ablative Exposure Using Spectroscopy in Endoscopic Operations
The Development of a Method for Monitoring Laser Ablative Exposure Using Spectroscopy in Endoscopic Operations
Abstract
One of known problems of medical surgeries of laser ablation of tissues is no possibility of straight monitoring of field of ablation. Laser exposure can cause both excessive and insufficient effect what depends on laser settings (laser power, wavelength, size of field of illumination). Excessive ablation causes necrosis, carbonization of tissues and optical fiber may be burnt. Feedback between the value of exposure and performing degree of ablation must be fast for prevention of the unwanted damage during laser ablation. The article presents results of the research of the method of the real-time estimations of laser ablation on biological tissues for using during endoscopic surgery. According to results of preformed experiments were showed efficiency, workability and operation speed of the method.
1. Введение
С начала 90х годов 20 века в медицине началось активное развитие малоинвазивных эндоскопических операций, которые позволяют направленно осуществлять воздействие на целевую область тканей, а также уменьшить степень хирургического вмешательства . В настоящее время широкое распространение получили малоинвазивные эндоскопические операции, в ходе которых производится абляционное воздействие на ткани. Для воздействия применяются различные воздействующие факторы: радиочастотное, лазерное излучения, низкотемпературное воздействие , , . Такой вид операций применяется во многих областях медицины, а именно в кардиологии, флебологии и онкологии , , . Эндоскопические операции по абляционному воздействию, например, применяются для лечения аритмии, нарушения ритма сердца, варикозной болезни вен нижних конечностей , . Каждая из областей медицины использует различные методы для обеспечения эффективности операции. В частности, во флебологии при эндоваскулярной лазерной абляции вен режим работы лазера определяется по предварительным ультразвуковым исследованиям вен . При радиочастотной или лазерной абляции сердца необходимый эффект воздействия наблюдается по ЭКГ или по измерению разности потенциалов области, подвергаемой воздействию . Описанные методы мониторинга абляционного воздействия не дают полной картины об эффективности абляции ткани, а также не всегда могут быть использованы в процессе проведения операции, что может стать причиной чрезмерного или недостаточного воздействия на биологическую ткань. Развитие быстродействующих методов мониторинга абляционных процессов в режиме реального времени для использования в эндоскопических операциях является актуальной задачей. За счет использования методов спектроскопии может быть выполнен контроль степени абляционного воздействия.
2. Описание предлагаемого метода мониторинга лазерной абляции
Был предложен метод мониторинга абляционного лазерного воздействия в режиме реального времени для использования во время эндоскопических операций. Метод основывается на непрерывной регистрации спектральной характеристики области, которая подвергается лазерному абляционному воздействию. Схема метода представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схема метода
3. Описание изменений в мышечных тканях в ходе абляционного воздействия
При воздействии различными факторами (высокая или низкая температура, ультрафиолетовое, инфракрасное, ионизирующее и пр. излучения) на мышечную ткань происходит денатурация белка, входящего в её состав. Под воздействием увеличивается колебательное движение молекулы белка, происходит разрыв слабых взаимосвязей и белок разрушается. Денатурация белков мышечных тканей происходит при достижении определенных для каждого белка температур. Например, температура денатурации наиболее чувствительного к нагреву белка – миозина – составляет 45-50°С Данный белок составляет до 40-60% от количества мышечных белков . Для белка миоглобина денатурация наступает при температуре 60°С , . В молекуле этого белка содержится хромофорная группа гем, обусловливающая окраску мышечных тканей. При денатурации из гема образуется гемин, обусловливающий изменение цвета тканей.
4. Первые эксперименты по лазерной абляции биологических тканей
Рисунок 2 - Спектральные характеристики на разных этапах воздействия для эксперимента на сердечной мышце свиньи для мощности 20Вт и длительности воздействия 15 секунд
Рисунок 3 - Относительные графики для эксперимента на сердечной мышце свиньи для мощности 20Вт и длительности воздействия 15 секунд
Рисунок 4 - Спектральные характеристики на разных этапах воздействия для эксперимента на сердечной мышце свиньи для мощности 20Вт и длительности воздействия 100 секунд
Рисунок 5 - Относительные графики для эксперимента на сердечной мышце свиньи для мощности 20Вт и длительности воздействия 100 секунд
5. Описание оптической системы спектрального разделения
Рисунок 6 - Оптическая система спектрального разделения в корпусе
6. Описание программы разработанной для спектрометра
В рамках исследования также было разработано дополнительное программное обеспечение для спектрометра AvaSpec-2048. Разработанная программа имеет несколько особенностей, отличающих её от стандартного программного обеспечения AvaSoft. Разработанное ПО позволяет отображать спектральные характеристики в течение некоторого промежутка времени в виде трехмерной функции, а также сохранять двумерный массив данных со спектральными характеристиками в течение задаваемого интервала времени в формате данных *.csv. В ПО отображение спектра зависит от настроек временных параметров – времени интеграции и усреднения. При низкой интенсивности поступающего на спектрометр сигнала для увеличения различимости спектральных составляющих предусмотрена возможность увеличить время накопления сигнала. Частота записи данных зависит от времени накопления и числа усреднений. Также программа позволяет отображать и записывать первые две производные по частоте и по времени. В разработанной программе реализована возможность производить нормировку спектральной функции на выбранный начальный спектр. Дополнительно была добавлена функция воспроизведения записанных файлов. Окно разработанной программы представлено на рисунке 7.
Рисунок 7 - Окно разработанной программы для спектрометра
7. Второй этап экспериментальных исследований
Рисунок 8 - Трехмерные спектральные характеристики для проведенных эксперимента в смеси раствора NaCl и крови на сердечной мышце свиньи
Рисунок 9 - Трехмерные спектральные характеристики для проведенных эксперимента в смеси растворе NaCl на сердечной мышце свиньи эксперимент в смеси раствора NaCl и крови
Рисунок 10 - Спектральная характеристика для эксперимента на воздухе:
а – вид спереди; б – изометрия
Рисунок 11 - Спектры этапа падения в некоторые моменты времени
Рисунок 12 - Абляция тканей, полученная в ходе экспериментов:
а – эксперимент в растворе NaCl при мощности 5,5Вт и длительности воздействия 20 секунд; б – эксперимент в смеси раствора NaCl и крови при мощности 6,6Вт и длительности воздействия 20 секунд
8. Заключение
На основе материалов, представленных в данной статье, были получены следующие результаты:
1) предложен и апробирован метод мониторинга степени абляционного лазерного воздействия в режиме реального времени в процессе проведения эндоскопических операций;
2) разработана оптическая система спектрального разделения и программное обеспечение для спектрометра;
3) показана эффективность и быстродействие предложенного метода на основе экспериментальных исследований, в которых в 93% случаев (проведено 43 эксперимента) удавалось отследить начало чрезмерного воздействия на ткань.
В настоящий момент продолжаются экспериментальные исследования для выявления более точных закономерностей.