СПОСОБ ОПТО-ТЕРМО-МЕХАНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКУЮ ТКАНЬ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF OPTO-THERMO-MECHANICAL IMPACT ONTO BIOLOGICAL TISSUE AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к области медицины, а именно к способам лечебного воздействия на биологические ткани путем локальной модификации их структуры и физико-химических свойств.
С деформацией и дегенерацией биологических тканей связаны различные заболевания, лечение которых осуществляют, в большинстве случаев, хирургическими методами, для которых характерны высокая травматичность, обильное кровотечение, болезненность, необходимость общей анестезии и длительного пребывания в стационаре.
2
2
В известной экспериментальной работе (см. статью E.Helidonis, E.Sobol, G.Kavalos et. al., American Journal of Otolaryngology, 1993, Vol.14, №6, pp.410-412) впервые описан способ изменения формы хрящевой ткани ушной раковины кролика с помощью шаблона и облучения СО-лазером. В этой работе образцы хрящевой ткани толщиной от 0,4 мм до 1 мм, с различной начальной деформацией (изогнутые и прямые) выделяют из уха кролика. Далее путем внешнего механического воздействия исходную изогнутую хрящевую ткань, вручную, с помощью пинцета распрямляют, а образцы ткани прямой конфигурации изгибают. Затем с помощью игл эти образцы закрепляют на деревянном шаблоне и облучают излучением СО-лазера в сканирующем режиме. Таким способом было получено устойчивое изменение формы предварительно выделенной хрящевой ткани для трансплантации в живой организм. Однако ввиду того, что ткань выделяют из организма, используют травмирующий инструмент - этот способ весьма травматичен.
2
В другой известной работе (см. E.Helidonis, E.Sobol, G.Velegrakis, J.Bizakis, Laser in Medical Science, 1994, Vol.6, pp.51-54) предварительно выделенные образцы хрящевой ткани перегородки носа человека и кролика подвергают деформации с помощью шаблона и также облучают СО-лазером. Способ дает устойчивые результаты изменения формы выделенной хрящевой ткани при сохранении последней в физиологическом растворе. Он применим в реконструктивных операциях, осуществляемых путем выделения хрящевой ткани из организма больного, затем ее механической и лазерной обработкой и последующей трансплантацией. Подобные операции травматичны, трудоемки и, кроме того, не исключают возможности рецидива исходной патологии. Отметим, что в указанных известных работах представлены результаты экспериментов in vitro, т.к. выделенная хрящевая ткань подвергалась воздействию лазерного излучения вне организма.
2
Известен способ ринологической операции лечения формы хряща перегородки носа человека (см. Патент RU №2114569 от 07.09.93). В примере клинического применения показано выпрямление искривленной перегородки носа человека с помощью CO-лазера.
2
Согласно указанному способу в области искривления перегородки носа отсепаровывают слизистую оболочку, хрящевую пластину распрямляют и удерживают ее в таком состоянии с помощью известного зажима. Обычно такой зажим представляет собой двухбраншевые удерживающие щипцы с плоскими сплошными браншами, с помощью которых осуществляют захват, изгиб хрящевой пластины в сторону, противоположную патологической деформации, и удерживание ее в течение всего времени облучения. Затем проводят облучение хряща вдоль линии сгиба сканирующим со скоростью 0,03 см/с лучом CO-лазера. После облучения снимают зажим и осуществляют визуальный контроль измененной формы перегородки носа.
Хотя получены стабильные результаты клинических испытаний, все же применимость указанного способа в медицинской практике весьма проблематична. В способе отсутствует контроль процесса облучения хряща. Используемое излучение проникает в хрящ на глубину менее чем 50 мкм, что приводит к неизбежному перегреву поверхностного слоя и разрушению надхрящницы. В примере клинического использования осуществляют отсепаровывание слизистой оболочки и надхрящницы, что само по себе ведет к кровопотере, страданиям больного и в дальнейшем может способствовать развитию атрофических процессов.
2
Известен, например, также способ изменения формы хряща трахеального кольца собаки (см. Shapshay S.M., Pankratov M.M. et al., Ann. Otol. Rhinol. Laryngol., 1996, Vol.105, pp.176-181) с применением лазерного излучения. В известном способе, при стенозах гортани и трахеи, для улучшения дыхания с помощью эндоскопа и CO-лазера проводят рассечение стянутого хрящевого элемента трахеи и, далее, с помощью того же эндоскопа пучком Nd:YAG-лазера с длиной волны 1,44 мкм проводят облучение деформированной хрящевой ткани сквозь слизистую оболочку, вдоль внутренней поверхности стянутого хрящевого элемента трахеи.
Способ имеет преимущества доставки излучения и визуального контроля зоны обработки, особенно при изменении формы хрящей труднодоступной локализации. Однако он технически сложен и требует последовательного применения двух лазерных воздействий. Кроме того, для перемещения патологически деформированного участка хрящевой ткани в нормальное положение он требует значительного внешнего механического воздействия. Такое воздействие осуществляют с помощью гибкого эндоскопа, выполняющего функции механического бужа. При этом последний должен обладать достаточной механической прочностью и жесткостью. Однако, ввиду ограниченной механической прочности эндоскопа, способ применим только для расширения хрящевых элементов с относительно малой радиальной деформацией, порядка 1-2 мм и не более.
Кроме этого, указанным способом возможно облучение хряща только вдоль внутренней поверхности кольцевого элемента, при этом внешняя сторона остается недоступной для облучения.
Известен способ лечения деформированной хрящевой ткани и инструмент для его осуществления (заявка WO 01/22863 A2 от 05.04.2001, МПК А61В, Соболь и др.), являющийся наиближайшим аналогом заявленного технического решения.
Способ основан на лазерном воздействии с одновременным контролем параметров хрящевой ткани и изменении энергетических параметров лазерного воздействия.
Недостатком данного способа является то, что положительный эффект изменения формы хрящевой ткани достигается в узком диапазоне лазерных параметров, выход за пределы которого приводит к повреждению ткани или рецидиву деформации, а примененная в нем контрольная система основана на измерении интегральной характеристики биологической ткани и не учитывает пространственную неоднородность указанных характеристик, что является источником ошибок при выборе момента окончания лазерного воздействия. Существенным недостатком данного способа является также отсутствие контроля за характеристиками биологической ткани в области, прилежащей к области непосредственного лазерного воздействия, что создает предпосылки для нежелательного воздействия на окружающие ткани и увеличивает опасность побочных эффектов. Кроме того, данный способ неприменим для лечения поврежденных биологических тканей, например для суставных хрящей и межпозвонковых дисков.
Известен способ лечения заболеваний межпозвонковых дисков с помощью лазерной абляции (выпаривания) грыжи и декомпрессии диска (см. D.Choy DSJ, Case RB, Fielding W. Percutaneous laser nucleolysis of lumbar disc. New England Journal of Medicine, 1987, 317:771-772).
Недостатками данного подхода являются неизбежный перегрев тканей, прилегающих к зоне абляции, и нежелательное воздействие на окружающие ткани, которое проявляется в образовании грубой рубцовой ткани, а также большая вероятность возникновения рецидивов заболевания, связанных с тем, что данный метод так же, как и традиционное хирургическое удаление грыжи диска, не устраняет дефекта фиброзного кольца, который, во многих случаях, является основной причиной заболевания.
Таким образом, до настоящего времени не существует эффективного и безопасного подхода к нетравматическому лечению заболеваний, связанных с деформацией и повреждением биологических тканей.
Указанные выше недостатки устраняет разработанный авторами настоящего изобретения способ опто-термо-механического воздействия на биологическую ткань и устройство для его осуществления. Указанный способ и устройство формируют регулируемые пространственно-временные неоднородности температуры и неоднородности механических напряжений в биологических тканях путем их облучения оптическим облучением, модулированным в пространстве и во времени.
Пространственно-временная модуляция (ПВМ) оптического излучения представляет собой управляемоe по заданному закону изменениe пространственного распределения мощности излучения во времени. ПВМ включает импульсно-периодический характер лазерного излучения и известные законы сканирования лазерного пучка, но отличается от них произвольно заданным пространственно-временным распределением оптического излучения и как следствие этого - возможностью по заданному закону изменять пространственные и временные характеристики оптического нагрева и поля термических напряжений, то есть обладает более широкими возможностями опто-термо-механического воздействия на биологическую ткань, в частности управления градиентами температуры и механических напряжений. Как установлено исследованиями последних нескольких лет, хондроциты, фибробласты и некоторые другие клетки биологических тканей чувствительны к полю внешних механических напряжений, в частности способность к размножению и регенеративная способность клеток может быть увеличена или уменьшена в зависимости от параметров внешнего механического воздействия. В настоящее время отсутствуют способы управляемого локального термического и механического воздействия на клетки в живых организмах. Требование управляемости необходимо для обеспечения эффективности и предсказуемости результатов воздействия. Требование локальности определяется необходимостью предотвратить нежелательное воздействие на окружающие ткани, то есть обеспечить безопасность воздействия.
Следует также отметить, что заявленный способ и устройство его осуществления обеспечивают формирование регулируемых и согласованных между собой пространственно-временных неоднородностей температуры и термомеханических напряжений, а также акустических волн в биологических тканях.
Локальное термическое воздействие на биологическую ткань необходимо для локального необратимого изменения микроструктуры - «локального плавления отдельных элементов структуры» биологической ткани, приводящего к релаксации механических напряжений и к созданию оптимальных неоднородностей остаточных напряжений в ткани. При этом осуществляется механическое воздействие на ткань согласно заявленному способу и, в частности, на ее биологические клетки, которые участвуют в процессах регенерации ткани, кроме того, контролируемое термическое воздействие ускоряет все физико-химические процессы, лежащие в основе лечебного воздействия. Однако перегрев ткани приводит к ее денатурации и к разрушению в зоне непосредственного воздействия, а также к нежелательным эффектам за ее пределами (нарушение принципов локальности и безопасности).
Долговременный результат лечебного воздействия на биологическую ткань зависит как от кинетики, степени завершения необратимых процессов, так и от распределения остаточных напряжений после окончания лазерного воздействия. Так как поле остаточных напряжений влияет на работу клеток по обновлению ткани, для достижения положительного результата (эффективности) и обеспечения безопасности процедуры необходимо проводить согласование термического и механического воздействия на биологическую ткань.
Задачей изобретения является создание способа опто-термо-механического воздействия на биологическую ткань и устройства для его осуществления, обеспечивающих эффективный и безопасный подход к нетравматическому лечению заболеваний, связанных с деформацией и повреждением биологических тканей, путем создания регулируемых остаточных напряжений и регулируемого пространственного распределения необратимых изменений структуры биологических тканей.
Указанный результат достигается тем, что соответствующий изобретению способ опто-термо-механического воздействия на биологическую ткань основывается на осуществлении следующих этапов:
- определяют на основе предоперационного обследования пациента пространственное распределение физико-химических и геометрических свойств биологической ткани в области, подлежащей лечебному опто-термо-механическому воздействию,
- при необходимости, осуществляют механическое воздействие на участок биологической ткани, подлежащий лечебному воздействию, в частности придают указанному участку заданную форму,
- осуществляют облучение области биологической ткани модулированным и сформированным в пространстве по заданному закону излучением в диапазоне оптических длин волн с предварительно заданными параметрами, сопровождающееся одновременным тепловым и механическим воздействием на указанную область,
- одновременно с указанным облучением области биологической ткани осуществляют измерение пространственного распределения физико-химических и геометрических характеристик как в зоне непосредственного оптического воздействия, так и за пределами указанной области,
- осуществляют согласование параметров пространственного формирования излучения и модуляции оптического излучения между собой и с указанными характеристиками биологической ткани,
- определяют изменение указанных характеристик относительно измерений указанных характеристик на этапе предоперационного воздействия,
- регулируют параметры оптического излучения в процессе облучения в зависимости от непрерывно измеряемых характеристик пространственного распределения физико-химических и геометрических характеристик как в области непосредственного воздействия биологической ткани, так и за ее пределами,
- при получении требуемых характеристик пространственного распределения физико-химических и геометрических параметров прекращают облучение указанной области биологической ткани, при этом параметры опто-термо-механического лечебного воздействия на биологическую ткань задаются из условия обеспечения регулирования остаточных механических напряжений и обеспечения процесса регулируемой необратимой модификации структуры биологической ткани.
Кроме того, излучение в оптическом диапазоне длин волн представляет собой лазерное излучение в диапазоне от 0,1 до 11 микрометров.
При этом лазерное излучение может быть импульсным или непрерывным.
2
Плотность мощности лазерного излучения лежит в диапазоне от 1 до 1000 Вт/cм.
Длительность облучения области биологической ткани лазерным излучением выбирают из диапазона 0,1 с до 30 мин.
Кроме того, пространственным формированием оптического излучения, например лазерного излучения, является:
(а) формирование заданного распределения плотности мощности излучения на поверхности и в объеме области биологической ткани;
(б) сканирование лазерного луча по трем координатам по заданному закону;
(в) комбинация этапов (а) и (б).
К параметрам оптического излучения, регулируемым в процессе облучения области биологической ткани в зависимости от непрерывно измеряемых характеристик пространственного распределения физико-химических и геометрических характеристик как области непосредственного воздействия биологической ткани, так и за ее пределами, относятся длина волны излучения, мощность излучения, плотность мощности и пространственно-временной закон ее изменения, а также параметры модуляции и пространственного формирования лазерного излучения, например глубины и частоты модуляции на поверхности и в объеме биологической ткани, пространственное распределение мощности излучения.
9
Глубина модуляции согласно изобретению находится в пределах 1-100%, частота модуляции находится в диапазоне 1-10 Гц.
При этом измерение пространственного распределения физико-химических и геометрических характеристик как в зоне непосредственного лазерного воздействия, так и за пределами указанной области осуществляют с учетом спектрального состава сигнала отклика области биологической ткани на модулированное лазерное облучение указанной области.
В указанном способе согласно изобретению дополнительно осуществляют измерение амплитуды и фазы колебаний сигнала отклика области биологической ткани на модулированное лазерное облучение указанной области.
При этом предварительно заданная величина частоты модуляции лазерного излучения выбирается из условия согласования с резонансными частотами механических колебаний в области лечебного воздействия биологической ткани.
Кроме того, при необходимости перед этапом облучения биологической ткани осуществляют локальное надавливание на участки биологической ткани, например, кожи или слизистой оболочки, покрывающие область биологической ткани, подлежащей лечебному воздействию.
Согласно второму аспекту изобретения обеспечивается устройство для лечебного воздействия на биологические ткани, содержащее источник оптического излучения с блоком управления мощностью оптического излучения и временной модуляции, оптически сопряженный с устройством переноса оптического излучения и формирования пространственного распределения плотности мощности оптического излучения на поверхности и в объеме области биологической ткани, а также контрольно-диагностическую систему, обеспечивающую определение пространственного распределения физико-химических и геометрических характеристик области биологической ткани, подлежащей лечебному воздействию, и прилегающей к ней области, при этом контрольно-диагностическая система подключена к источнику оптического излучения, блоку управления мощностью оптического излучения и временной модуляции, устройству переноса оптического излучения и формирования пространственного распределения плотности мощности оптического излучения на поверхности и в объеме области биологической ткани, соответственно.
Кроме того, в указанном устройстве источник оптического излучения является источником лазерного излучения.
При этом источник лазерного излучения формирует лазерное излучение в диапазоне от 0,1 до 11 микрометров.
Кроме того, контрольно-диагностическая система содержит, по меньшей мере, один датчик состояния биологической ткани, обеспечивающий измерение характеристик области биологической ткани в области лечебного воздействия и непосредственной близости, соединенный с блоком обработки данных, обеспечивающим формирование управляющих сигналов для регулирования параметров оптического излучения в процессе облучения, а также устройство визуализации и отображения информации.
При этом, по меньшей мере, один датчик состояния биологической ткани контрольно-диагностической системы измеряет физико-химические и геометрические характеристики области биологической ткани, например температуру, концентрацию воды биологической ткани, механические напряжения, характеристики светорассеяния, скорость звука, декремент затухания оптоакустических волн, геометрические размеры биологической ткани.
Блок обработки сигналов контрольно-диагностической системы на основе сигналов, поступающих от, по меньшей мере, одного датчика состояния биологической ткани, обеспечивает управляющие сигналы в источник оптического излучения, блок управления мощностью оптического излучения и временной модуляции, устройство переноса оптического излучения и формирования пространственного распределения плотности мощности оптического излучения на поверхности и в объеме области биологической ткани, соответственно.
Блок управления мощностью оптического излучения и временной модуляции выполнен в виде электрооптического модулятора или акустооптического модулятора, или механического модулятора.
Кроме того, модуляция оптического излучения осуществляется изменением мощности накачки, например, источника лазерного излучения.
Устройство переноса оптического излучения и формирования пространственного распределения плотности мощности оптического излучения на поверхности и в объеме области биологической ткани выполнено в виде оптически сопряженных формирующей оптической системы и электрооптического сканера.
Устройство переноса оптического излучения и формирования пространственного распределения плотности мощности оптического излучения на поверхности и в объеме области биологической ткани выполнено в виде оптически сопряженных формирующей оптической системы и растровой системы.
Кроме того, формирующая оптическая система выполнена в виде отрезка оптического волокна или системы линз и зеркал, обеспечивающей доставку лазерного излучения от источника оптического излучения к области биологической ткани.
Устройство визуализации и отображения информации согласно изобретению выполнено в виде, например, эндоскопа и дисплея, формирующего отображение области биологической ткани, или оптического когерентного томографа.
Кроме того, устройство визуализации и отображения информации осуществляет измерение геометрических характеристик области биологической ткани.
При этом обратная связь осуществляется контрольно-диагностической системой на основе оптотермического отклика биологической ткани на лазерное излучение с временной модуляцией.
Кроме того, обратная связь осуществляется контрольно-диагностической системой на основе анализа спектрального состава сигнала отклика биологической ткани на модулированное лазерное воздействие.
Обратная связь осуществляется контрольно-диагностической системой на основе анализа амплитуды и фазы сигнала отклика биологической ткани на модулированное лазерное воздействие.
Временной закон модуляции лазерного излучения, в частности амплитуда, глубина, частота и форма модуляции, определяется контрольно-диагностической системой по данным предоперационной диагностики и корректируется в процессе лазерного воздействия на основе управляющего сигнала указанной контрольно-диагностической системы.
Закон формирования пространственного распределения лазерного излучения определяется по данным предоперационной диагностики и корректируется в процессе лазерного воздействия на основе управляющего сигнала контрольно-диагностической системы.
Кроме того, параметры процесса сканирования или пространственного распределения лазерного излучения определяются по данным предоперационной диагностики и корректируются в процессе лазерного воздействия на основе управляющего сигнала контрольно-диагностической системы.
В указанном устройстве обеспечивается согласование законов модуляции и пространственного формирования лазерного излучения на основе данных предоперационной диагностики и осуществляется их корректировка в процессе лазерного воздействия на основе сигнала контрольно-диагностической системы.
Кроме того, в указанном устройстве осуществляется обратная связь на основе оптоакустического отклика биологической ткани на модулированное лазерное излучение, сформированное по заданному пространственному распределению на поверхности и в объеме биологической ткани.
Обратная связь осуществляется также на основе оптоэлектрического отклика биологической ткани на модулированное лазерное излучение, сформированное в соответствии с заданным пространственным распределением на поверхности и в объеме биологической ткани.
Кроме того, обратная связь осуществляется на основе мониторинга изменения оптических свойств биологической ткани при лазерном воздействии излучением, модулированным и сформированным по заданному пространственному распределению на поверхности и в объеме биологической ткани.
В устройстве согласно изобретению, по меньшей мере, один датчик состояния биологической ткани контрольно-диагностической системы может быть установлен непосредственно в область биологической ткани посредством хирургического инструмента.
Заявленный способ и устройство его реализации позволяют:
(1) снизить температуру, при которой достигается лечебный эффект, расширить область допустимых режимов воздействия, расширить область безопасного применения способа в медицине (в частности, для лечения заболеваний позвоночника);
(2) оптимизировать (усилить) лечебное опто-термо-механическое воздействие на биоткани, в частности, за счет (механических и акустических) колебательных эффектов и возникающих резонансов;
(3) повысить точность и надежность работы системы обратной связи;
(4) предотвратить нежелательное воздействие на окружающие ткани и уменьшить вероятность или полностью исключить возникновение осложнений и нежелательных побочных эффектов.
Важно, что применение модуляции лазерного излучения позволяет принципиально изменить работу контрольно-диагностических систем, которые будут регистрировать отклик биологической ткани именно на модулированное воздействие. При этом появляется возможность регистрировать опто-термо-механический отклик, анализировать спектральный состав отклика, его фазу, а не только амплитуду сигнала, как это было, например, в заявке WO 01/22863 A2.
Изобретение поясняется ниже на примерах осуществления со ссылками на чертеж, на котором представлена блок-схема устройства для лечебного воздействия на биологическую ткань, на примере которой осуществляется способ опто-термо-механического воздействия на указанную биологическую ткань.
Ниже описан способ опто-термо-механического воздействия на биологическую ткань, реализуемый устройством для его осуществления, которое также является объектом настоящего изобретения.
Описание указанных способа и устройства для его осуществления представлено со ссылками на чертеж. Устройство для лечебного воздействия на биологическую ткань согласно чертежу состоит из источника оптического излучения поз.1; блока управления мощностью оптического излучения и временной модуляции поз.2; устройства переноса оптического излучения и формирования пространственного распределения плотности мощности оптического излучения на поверхности и в объеме биологической ткани поз.3; контрольно-диагностической системы поз.4, при этом контрольно-диагностическая система включает устройство визуализации и отображения информации поз.5, по меньшей мере, один датчик состояния биологической ткани поз.6, блок обработки данных поз.7, под поз.8 обозначена область биологической ткани, подлежащая лечебному воздействию.
Источник оптического излучения поз.1 представляет собой источник лазерного излучения, который может быть как импульсно-периодическим, так и непрерывным с модулированной во времени выходной мощностью. Это может, например, быть импульсно-периодический Nd:YAG лазер на длине волны 1,32 мкм или непрерывный волоконный лазер с периодически модулированным излучением на длине волны 1,56 мкм.
Блок управления мощностью оптического излучения и временной модуляции поз.2 может быть как внутренней частью системы возбуждения лазера, так и внешним блоком, не связанным напрямую с лазером. В первом случае модуляция излучения осуществляется путем модуляции мощности накачки лазера, например, напряжением питания. Во втором случае модуляция излучения может осуществляться, например, с помощью электрооптического модулятора, акустооптического модулятора или механического модулятора (прерывателя).
Устройство переноса оптического излучения и формирования пространственного распределения плотности мощности оптического излучения на поверхности и в объеме биологической ткани поз.3 может быть двух типов. В первом типе используется периодическое или апериодическое сканирование лазерного луча по биоткани по трем координатам. При этом частота и амплитуда сканирования, а также размер лазерного пятна, могут варьироваться, с тем, чтобы обеспечить оптимальные условия воздействия на ткань. В качестве сканатора может использоваться, например, электрооптический сканатор.
Во втором типе с помощью оптической (например, растровой) системы формируется лазерное пятно на поверхности биологической ткани с заданным, в частности, модулированным в пространстве излучением (например, периодически изменяющимся по пространству) распределением плотности мощности по пятну. Перенос лазерного излучения от источника излучения (1) к биоткани осуществляется посредством формирующей оптической системы, выполненной из системы линз и зеркал либо в виде отрезка оптического волокна.
Контрольно-диагностическая система поз.4 состоит из устройства визуализации и отображения информации поз.5, выполнена, например, в виде эндоскопа с дисплеем или оптического когерентного томографа, по меньшей мере, одного датчика поз.6 состояния биологической ткани и блока обработки данных поз.7, формирующего на основе сигналов, по меньшей мере, одного датчика состояния биологической ткани управляющие команды для источника оптического излучения поз.1, блока управления мощностью оптического излучения и временной модуляции поз.2 и устройства доставки оптического излучения и формирования пространственного распределения плотности мощности оптического излучения поз.3.
Датчик(и) поз.6 состояния биологической ткани представляют собой устройства, регистрирующие изменение физико-химических свойств биотканей, подвергающихся опто-термо-механическому воздействию, и, в зависимости от вида лечебного воздействия, типа, локализации и размеров биологической ткани, подлежащей лечебному воздействию, могут быть специально разработанными датчиками температуры, датчиками амплитуды, фазы и частоты акустических сигналов, датчиками механических напряжений, датчиками амплитуды, фазы и частоты, а также пространственного распределения рассеянного света, датчиками концентрации воды в облучаемой биоткани.
Блок обработки данных (поз.7) может представлять собой, по крайней мере, одну компьютерную плату, например процессор Intel Pentium-2, звуковую карту DC-XG Legacy Sound System или виртуальный многоканальный осциллограф, встроенную в персональный компьютер, обрабатывающую сигналы, поступающие от датчиков контрольно-диагностической системы (поз.6), и формирующую по определенному алгоритму управляющие сигналы для источника оптического излучения (поз.1), для блока управления мощностью оптического излучения и временной модуляции (поз.2) и для устройства переноса оптического излучения и формирования пространственного распределения плотности мощности (поз.3) на изменение мощности излучения, параметров модуляции и пространственного распределения плотности мощности оптического излучения на поверхности и в объеме биологической ткани или выключение лазера.
Излучение от источника оптического излучения поз.1 на основе данных предоперационного обследования модулируется во времени с помощью блока управления мощностью оптического излучения и временной модуляции поз.2, с помощью устройства переноса оптического излучения и формирования пространственного распределения плотности мощности оптического излучения поз.3 формируется и подводится к облучаемой биологической ткани. По меньшей мере, один датчик состояния биологической ткани поз.6 закрепляется вблизи или в непосредственном контакте с облучаемой тканью так, чтобы обеспечить оптимальное получение информации о состоянии биологической ткани.
2
Способ опто-термо-механического воздействия на биологическую ткань согласно изобретению осуществляют следующим образом. Предварительно определяют область биологической ткани, подлежащую лечебному воздействию, например, с помощью устройства визуализации и отображения информации поз.5 или на основании данных предоперационного томографического обследования пациента. Затем устанавливают датчик(и) состояния биологической ткани поз.6 контрольно-диагностической системы поз.4, включают указанную контрольно-диагностическую систему и определяют пространственное распределение физико-химических и геометрических свойств биологической ткани в области, подлежащей лечебному воздействию, например измеряют пространственное распределение механических напряжений с помощью микротензометра, измеряют декремент затухания акустических колебаний при возбуждении оптоакустических волн путем модулированного лазерного воздействия низкой интенсивности (плотностью мощности 0,01-0,5 Вт/см), при которой изменение температуры в зоне лазерного воздействия не превышает 1 К. Пространственное распределение температуры в биологической ткани измеряют, например, с помощью микротермопары или сканирующего тепловизора. Геометрические свойства (форму и размеры) области биологической ткани, подлежащей лечебному воздействию, определяют с помощью устройства визуализации и отображения информации (поз.5), например с помощью оптического когерентного томографа. Пространственное распределение неоднородности структуры биологической ткани определяют, например, с помощью оптического когерентного томографа.
Затем данные предоперационного обследования пациента обрабатываются с помощью устройства обработки данных поз.7, которое на основании предварительно заданного алгоритма выдает рекомендации по выбору начальных параметров лазерного облучения. В частности, форма и размеры лазерного пятна и закон сканирования выбираются в соответствии с геометрическими свойствами и пространственным распределением напряжений в области биологической ткани, подлежащей лечебному воздействию. Предварительно заданная величина частоты модуляции оптического излучения выбирается, например, из условия согласования с резонансными частотами механических колебаний в области лечебного воздействия биологической ткани. Задают начальные параметры лазерного излучения, например длину волны 1,5 микрометров, мощность лазерного источника 2 Вт, форму пятна лазерного излучения, например круг диаметром 1 мм, частоту модуляции 26 Гц, глубину модуляции 80%, закон сканирования излучения в пространстве (по трем координатам) и во времени.
При лечении деформированной хрящевой ткани, при необходимости, с помощью хирургического инструмента придают заданную форму путем механического воздействия области биологической ткани, подлежащей лечебному воздействию.
При необходимости, механический инструмент используют также для локального надавливания на участки биологической ткани, например кожи или слизистой оболочки, покрывающие область биологической ткани, подлежащей лечебному воздействию. Локальное надавливание повышает безопасность опто-термо-механического воздействия. При надавливании происходит локальное уменьшение концентрации воды и, соответственно, локальное уменьшение коэффициента поглощения излучения в приповерхностных слоях указанных биологических тканей, что обеспечивает смещение максимума температуры в объем биологической ткани, подлежащей лечебному воздействию, и предотвращает перегрев и повреждение поверхностных слоев, например, кожи, слизистой оболочки и надхрящницы.
Устройство для опто-термо-механического воздействия на биологическую ткань согласно изобретению работает следующим образом.
Оптическое, например лазерное, изучение от источника излучения поз.1 модулируется во времени с помощью блока управления мощностью оптического излучения и временной модуляции (например, акустооптического модулятора) поз.2 и с помощью оптической формирующей системы, например, оптического волокна, подается на устройство формирования пространственного распределения плотности мощности оптического излучения, поз.3, например микролинзовый оптический растр, расположенный вблизи поверхности (на расстоянии 5-10 мм) облучаемого участка биологической ткани. Нагрев биоткани лазерным излучением приводит к изменению пространственного распределения ее геометрических и физико-химических характеристик, например поля температур, поля напряжений или диаграммы рассеяния лазерного излучения, которые непрерывно контролируются устройством визуализации и отображения информации поз.5, например оптическим когерентным томографом, например, типа IMALUX, датчиками поз.6, например сканирующим ИК радиометром или микротезодатчиком на основе тензорезистора, или оптическим многоканальным анализатором (ОМА), например, типа МОРС-11. Сигналы с датчиков поз.6 и устройства визуализации и отображения информации поз.5 непрерывно подаются на блок обработки данных поз.7, где обрабатываются и выводятся на видеодисплей для непрерывного визуального мониторинга, обеспечивающего возможность визуального слежения за характеристиками облучаемой ткани и ручного управления параметрами облучения. Одновременно блок обработки данных поз.7 на основе сигналов с датчиков поз.6 и устройства визуализации и отображения информации поз.5 формирует по определенному алгоритму команды для блока управления мощностью оптического излучения и временной модуляции поз.2 и устройства доставки оптического излучения и формирования пространственного распределения поз.3 для изменения мощности, параметров временной модуляции и параметров пространственного распределения плотности мощности оптического излучения, а также команду источнику оптического излучения поз.1 на его выключение при достижении необходимых характеристик облучаемой биоткани, например температуры хряща носовой перегородки - 70°С.
В дальнейшем способ опто-термо-механического воздействия на биологические ткани описывается на следующих конкретных примерах его осуществления.
Пример 1
Мужчина 49 лет поступил в клинику с жалобами на боли в поясничном отделе позвоночника через год после перенесенной операции по удалению грыжи межпозвонкового диска. Предоперационное обследование, в т.ч. с помощью компьютерной томографии и дискографии, установило нестабильность позвоночника и наличие дефекта фиброзного кольца оперированного прежде межпозвонкового диска.
При лечении патологии сначала были определены топология и размеры дефекта и определено распределение механических напряжений в области фиброзного кольца с помощью микротензометра, введенного в межпозвоночный диск через иглу диаметром 1,6 мм. В качестве источника лазерного излучения выбран Er-glass волоконный лазер с длиной волны 1,56 мкм, мощностью излучения от 0,2 до 5 Вт, модуляцией излучения с частотой в диапазоне от 1 до 80 Гц и глубиной от 50 до 100%. На основе предоперационной диагностики были выбраны следующие начальные параметры лазерного облучения: мощность лазерного источника 0,9 Вт, частота модуляции 5 Гц, глубина модуляции 80%. Применили местную анестезию (инъекцию новокаина). Излучение подвели к зоне дефекта через волоконный световод диаметром 600 мкм, вставленный в металлическую иглу длиной 25 см и внешним диаметром 1,2 мм.
В операции использовались два датчика контрольно-диагностической системы:
акустический датчик для измерения оптоакустического отклика биологической ткани на модулированное лазерное воздействие и микротермопара для измерения температуры. Оба датчика крепились на второй металлической игле длиной 25 см и диаметром 2 мм, которая была введена в межпозвоночный диск под углом 30 градусов к первой игле и перемещалась в процессе облучения в новое положение каждые 5 секунд с шагом 0,5 мм. Визуализация положения обеих игл и зоны воздействия осуществлялась с помощью эндоскопической системы. Изменения в структуре ткани фиброзного кольца регистрировались с помощью оптического когерентного томографа. Общее время воздействия составляло 160 с. Температурные измерения показали, что повышение температуры в фиброзном кольце вблизи спинномозгового канала составляло не более 1,2°С, что обеспечило безопасность опто-термо-механического лечения. Боли в области позвоночника значительно уменьшились сразу после окончания процедуры. Контрольные обследования, проведенные с помощью томографа, дискографии и методом измерения скорости распространения акустических волн через 3 и 9 месяцев после лечения, показали зарастание дефекта фиброзного кольца хрящевой тканью. Таким образом, правильный выбор режимов опто-термо-механического воздействия модулированного лазерного воздействия на поврежденное фиброзное кольцо межпозвонкового диска обеспечил процесс регулируемой необратимой модификации его структуры и, в результате, привел к желаемому стойкому лечебному эффекту - устранению боли и нестабильности позвоночника.
Пример 2
Женщина 55 лет обратилась в клинику по поводу эстетических недостатков формы носа. Предоперационное обследование с помощью устройства визуализации и отображения информации, включающего эндоскоп и оптический когерентный томограф, показало искривление хрящевых пластинок крыльев носа без патологии в костном отделе носа.
В качестве источника лазерного излучения был выбран Nd:YAG твердотельный импульсно-периодический лазер с длиной волны 1,32 мкм, средней мощностью излучения от 0,3 до 5 Вт, длительностью импульса 1 мс, частотой следования импульсов от 10 до 700 Гц. Блок формирования пространственного распределения излучения обеспечивал фокусировку излучения в виде четырех круглых пятен диаметром от 0,4 до 3 мм, расположенных на расстоянии от 0,5 до 10 мм друг от друга, а также сканирование излучения по трем координатам со скоростью от 0,1 до 20 см/с.
В качестве сигнала обратной связи использовали фазу рассеянного излучения при облучении крыльев носа дополнительным низкоинтенсивным источником света диодного лазера с длиной волны 0,68 мкм и сигнал микротермопары. Двум симметрично расположенным хрящам крыльев носа придавалась вновь заданная форма с помощью хирургического инструмента, обеспечивающего плавный изгиб расположенных внутри крыльев носа хрящей без их хирургического выделения. Две хрящевые пластинки поочередно облучались импульсами лазерного излучения с частотой 20 Гц через оптическое волокно и растровую оптическую систему. Мощность лазерного излучения в первые 12 с облучения составляла 2,5 Вт, затем, после получения сигнала с микротермопары, свидетельствующего о стабилизации температуры нагреваемого хряща на уровне 52°С, повышалась до 4,4 Вт. Выключение лазера осуществлялось после получения сигнала от контрольно-диагностической системы о смене фазы сигнала светорассеяния на 180°, что свидетельствует о завершении процесса релаксации напряжений в нагреваемом хряще. Для двух разных хрящевых пластинок времена нагрева при лазерной мощности 4,4 Вт составляли 4,2 и 5,1 с, соответственно, при одинаковой достигнутой температуре 68°С. Послеоперационная диагностика с помощью оптического когерентного томографа, выполненная непосредственно после операции и через 6 месяцев, показала стабильность вновь приданной конфигурации обоих крыльев носа без видимых повреждений слизистой оболочки и других прилежащих тканей. Таким образом, выбранные режимы опто-термо-механического воздействия модулированного во времени и сформированного в пространстве лазерного воздействия на деформированные хрящевые пластинки крыльев носа обеспечили процесс регулируемой необратимой модификации его структуры и, как следствие, привели к желаемому косметологическому эффекту - восстановлению заданной формы деформированных крыльев носа.
Пример 3
Подросток 13 лет обратился в клинику с жалобами на затрудненность носового дыхания. Предоперационное обследование и с помощью эндоскопической системы визуализации, и с помощью оптического когерентного томографа показало искривление хрящевого отдела перегородки носа, связанное с травмой носа без патологических изменений костных тканей.
В качестве источника лазерного излучения выбран Er-glass волоконный лазер с длиной волны 1,56 мкм, мощностью излучения от 0,2 до 5 Вт, начальной модуляцией излучения с частотой в 365 Гц и глубиной 30%.
Используется контрольно-диагностическая система на основе оптоакустического датчика и микротензометра. Включается лазерный источник с пониженным уровнем мощности - 0,1 Вт и пятном диаметром 1 мм и сканируются линейно области хрящевой ткани, подлежащей лечебному воздействию, с частотой 0,1 Гц и амплитудой 5 см, при этом измеряется пространственное распределение амплитуды оптоакустического сигнала, по которому устройство обработки данных (поз.7 на фиг.1) выбирает начальное пространственное распределение лазерной мощности. В результате лазерное пятно на поверхности слизистой оболочки, через которую облучаются хрящи, выбирается в виде строчки длиной 28 мм и шириной 0,3 мм, расположенной вдоль линии изгиба хрящевой пластинки на расстоянии 5 мм от зоны роста хряща, что гарантирует предотвращение ее перегрева. Выпрямление и фиксация заданной формы носовой перегородки, а также механическое надавливание на слизистую оболочку, покрывающую хрящевую ткань в области лечебного воздействия, осуществлялись с помощью хирургического инструмента. Лазерный нагрев осуществлялся при мощности лазерного излучения 4,5 Вт в течение 6 с. Выключение лазера осуществлялось после получения сигнала с микротензометра о достижении пространственной неоднородности остаточных напряжений в носовой перегородке на уровне 10%. При этом характерный шаг неоднородностей составлял 300 мкм, что коррелирует с характерным расстоянием между активными клетками хрящевой ткани - хондроцитами. В процессе операции, выполненной с использованием аппликационной анестезии, пациент не испытывал боли и покинул клинику самостоятельно через 30 минут после завершения операции. Томографические и риноскопические исследования, проведенные непосредственно после облучения, а также через 3 и 9 месяцев, выявили стабильность новой заданной формы хряща носовой перегородки и равенство газопотоков через оба носовых прохода. Оптическая когерентная томография не выявила каких-либо повреждений прилегающей к носовой перегородке слизистой оболочки и надхрящницы. Таким образом, выбранные режимы опто-термо-механического воздействия модулированного во времени и сформированного в пространстве лазерного воздействия на деформированный хрящ носовой перегородки обеспечили регулируемую неоднородность остаточных механических напряжений в хрящевой ткани, что привело к желаемому лечебному эффекту - выпрямлению носовой перегородки и восстановлению нормального дыхания. Кроме того, обеспечена безопасность восстановления формы хряща, так как в процессе лазерного опто-термо-механического воздействия не задеваются зоны роста хряща, что позволяет предотвратить аномалии развития и диспропорций, которые могут возникать вследствие обычного высокотравматического хирургического вмешательства.
Настоящее изобретение представляет собой новый способ управляемого опто-термо-механического воздействия на пространственную неоднородность температуры напряжений и структуры биологических тканей. Способ опто-термо-механического воздействия на биологическую ткань и устройство для его осуществления может быть использовано в различных областях медицины, в частности в отоларингологии и косметологии, для коррекции формы хрящевой ткани, в офтальмологии для коррекции формы роговицы глаза, в ортопедии и спинальной хирургии для лечения заболеваний суставов и межпозвонковых дисков.
Перечень позиций, указанных на чертеже
1 - источник лазерного излучения,
2 - блок управления параметрами и модулирования излучения,
3 - блок переноса и формирования пространственного распределения излучения,
4 - контрольно-диагностическая система,
5 - устройство визуализации и отображения информации,
6 - датчик(и) состояния биологической ткани,
7 - блок обработки данных,
8 - зона лечебного воздействия биологической ткани.