The Development of a Method for Monitoring Laser Ablative Exposure Using Spectroscopy in Endoscopic Operations

Research article
DOI:
https://doi.org/10.60797/IRJ.2024.143.172
Issue: № 5 (143) S, 2024
Suggested:
27.02.2024
Accepted:
22.03.2024
Published:
31.05.2024
78
2
XML
PDF

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.

В соответствии с предложенным методом, область, подвергающаяся лазерному абляционному воздействию, подсвечивается широкополосным излучением видимого оптического диапазона, которое подводится к области воздействия по оптическому волокну, по которому также подводится и воздействующее лазерное излучение. Обратно рассеянное излучение по тому же оптическому волокну через систему спектрального разделения поступает на спектрометр. С помощью системы спектрального разделения осуществляется объединение широкополосного излучения подсветки и лазерного воздействующего излучения, а также отсечение излучения лазера в обратно рассеянном излучении. Описанный метод может использоваться как дополнение к существующим устройствам для лазерной абляции тканей, а также может быть изменен для использования с приборами, которые производят абляцию тканей другим воздействующим излучением.
Схема метода

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

В ходе исследования метода были проведены экспериментальные исследования по лазерному абляционному воздействию на бедренную мышцу и миокард свиньи ex vivo. Для лазерного воздействия использовался хирургический лазер с длиной волны 1064нм и волоконным выходом. Подсветка области воздействия осуществлялась с помощью галогеновой лампы AvaLight Hal-S фирмы Avantes
. Регистрация данных производилась спектрометром AvaSpec-2048, Avantes
. Для воздействия использовался диапазон мощности лазерного излучения 15-30Вт, а длительность воздействия варьировалась в зависимости от наблюдаемого результата. Поверхность ткани в ходе абляционного воздействия подвергалась охлаждению за счет ирригации раствором NaCl.
Спектральные характеристики на разных этапах воздействия для эксперимента на сердечной мышце свиньи для мощности 20Вт и длительности воздействия 15 секунд

Рисунок 2 - Спектральные характеристики на разных этапах воздействия для эксперимента на сердечной мышце свиньи для мощности 20Вт и длительности воздействия 15 секунд

Относительные графики 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

В ходе экспериментов была отмечена характерная динамика изменения спектральной характеристики при оказании воздействия, которая в большинстве случаев состоит из трех этапов: этап роста интенсивности сигнала, этап стабилизации и этап падения. Общий рост интенсивности характеристики соответствует постепенному развитию абляционного некроза, который на этапе стабилизации распространяется вглубь тканей и не сопровождается видимыми изменениями на поверхности. Последующее снижение интенсивности спектральной характеристики обуславливается тем, что на поверхности ткани началось локальное потемнение, впоследствии переходящее в обугливание. По результатам серии экспериментов были получены спектральные характеристики, которые представлены на рисунках 2 и 4, а также графики отношений спектров (рисунок 3 и 5).
Спектральные характеристики на разных этапах воздействия для эксперимента на сердечной мышце свиньи для мощности 20Вт и длительности воздействия 100 секунд

Рисунок 4 - Спектральные характеристики на разных этапах воздействия для эксперимента на сердечной мышце свиньи для мощности 20Вт и длительности воздействия 100 секунд

Относительные графики 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

По экспериментам было выявлено, что воздействие лазерной мощностью больше 20Вт чаще приводит к негативному воздействию (вскипанию или разрыву) на ткани.

5. Описание оптической системы спектрального разделения

Для эффективной работы предлагаемого метода была разработана оптическая система спектрального разделения. Данная система позволяет объединять широкополосное излучение лампы подсветки и лазерное воздействующее излучение в оптическом волокне катетера, а также избежать засветки приемника спектрометра лазерным излучением. Оптическая система была помещена в корпус, в котором также размещаются оптические волокна. Внешний вид разработанной оптической системы представлен на рисунке 6.
Оптическая система спектрального разделения в корпусе

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.

На разработанное ПО было получено свидетельство о регистрации программы ЭВМ №2022611677
.
Окно разработанной программы для спектрометра

Рисунок 7 - Окно разработанной программы для спектрометра

7. Второй этап экспериментальных исследований

Следующим этапом были проведены экспериментальные исследования с использованием разработанной оптической системы спектрального разделения и разработанного программного обеспечения для спектрометра. В этих экспериментах выполнялось лазерное абляционное воздействие на миокард свиньи ex vivo в различных условиях: на воздухе, при погружении образца в раствор NaCl и смесь раствора NaCl и крови. Время воздействия варьировалось в зависимости от наблюдаемого результата воздействия, а диапазон воздействующей лазерной мощности был 2,5-10Вт. Результаты воздействия наблюдались с помощью разработанного программного обеспечения.
Трехмерные спектральные характеристики для проведенных эксперимента в смеси раствора NaCl и крови на сердечной мышце свиньи

Рисунок 8 - Трехмерные спектральные характеристики для проведенных эксперимента в смеси раствора NaCl и крови на сердечной мышце свиньи

В ходе экспериментов были записаны нормированные трехмерные спектральные характеристики, некоторые из которых представлены на рисунках 8-10.
Трехмерные спектральные характеристики для проведенных эксперимента в смеси растворе NaCl на сердечной мышце свиньи эксперимент в смеси раствора NaCl и крови

Рисунок 9 - Трехмерные спектральные характеристики для проведенных эксперимента в смеси растворе NaCl на сердечной мышце свиньи эксперимент в смеси раствора NaCl и крови

Во всех спектральных характеристиках были отмечены выявленные ранее характерные этапы эволюции спектральной характеристики при абляционном воздействии. В одном из экспериментов в спектре на этапе падения были отмечены явные спектральные изменения (рисунок 10). Спектры в некоторые моменты времени для этапа падения представлены на рисунке 11.
Спектральная характеристика для эксперимента на воздухе: а – вид спереди; б – изометрия

Рисунок 10 - Спектральная характеристика для эксперимента на воздухе: 

а – вид спереди; б – изометрия

На рисунке 11 видны спектральные пики на длине волны 580нм и в области 680-720нм. Подобные спектральные пики могут быть использованы для более глубокого анализа абляционного процесса.
Спектры этапа падения в некоторые моменты времени

Рисунок 11 - Спектры этапа падения в некоторые моменты времени

По результатам проведенных экспериментов в 93% случаев удавалось отследить начало чрезмерного воздействия на ткань и прекратить воздействие до начала повреждения поверхности миокарда в области абляции. Примеры полученной абляции тканей показаны на рисунке 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

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.

Article metrics

Views:78
Downloads:2
Views
Total:
Views:78