УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЛОКАЛЬНОЙ УПРАВЛЯЕМОЙ ЛАЗЕРНОЙ ГИПЕРТЕРМИИ

Полезная модель относится к области лазерной медицины, а именно к устройствам для проведения локальной лазерной гипертермии злокачественных новообразований на поверхности или на глубине кожи или мягких тканей.
В литературе отмечается большая перспективность использования устройств, осуществляющих гипертермию для лечения онкологических заболеваний [National Comprehensive Cancer Network. Hyperthermia: Using Heat to Treat Cancer. Accessed at www.nccn.com/component/content/article/60-treatment/932-hyperthermia-treatment.html on June 17, 2013]. Происходит это следующим образом: устройства для гипертермии искусственно повышают температуру патологического новообразования до 42-46 градусов Цельсия на некоторый период времени, который оказывается достаточным, чтобы вызвать гибель раковых клеток.
В клиниках для индуцирования нагрева используют высокоинтенсивное сфокусированное ультразвуковое излучение, либо микроволновое и радиочастотное излучения, или переменное магнитное поле [Jones E.L. et al. J.Clin. Oncol., 2005, 23, 3079-3085]. Так же для нагрева биологических тканей применяют устройства для лазерной гипертермии. Для достижения максимальной глубины терапии в биотканях, используют длины волн лазерного возбуждения в ближнем ИК-диапазоне, относящемся к так называемому «окну прозрачности биотканей», в котором рассеивание и поглощение биотканей минимально, при этом также снижается нагрев биоткани от лазера, связанный с собственным поглощением лазерного излучения биотканей. Максимальная глубина воздействия для человеческих тканей составляет несколько сантиметров [Helmchen F., Denk W., Nat. Methods, 2005, 2, 932-940]. Терапия более глубоких слоев возможна при использовании оптоволоконных средств доставки лазерного излучения или эндоскопических методов.
Основным недостатком применяемых устройств является нагрев здоровых тканей, приводящий к дискомфорту и ожогам [N. Leitgeb et al., Exposure of Non-Target Tissues in Medical Diathermy.Bioelectromagnetics, 31:12-19, 2010]. Причина этого заключается в отсутствии селективности нагрева данными устройствами.
Также недостатками этих устройств являются ограниченная глубина воздействия, а также отсутствие контроля терапии, что может приводить к неполному проведению лечения и рецидивам.
Для улучшения лечебного эффекта при минимизации побочных явлений, таких как перегрев здоровых тканей, а также с целью исключить возможность неполной деструкции опухоли, используют специальные термо-агенты, в качестве которых могут выступать магнитные и плазмонные наночастицы, наночастицы, допированные ионами редких земель, а также квантовые точки [С.М. Pitsillides et. al. Selective Cell Targeting with Light-Absorbing Microparticles and Nanoparticles. Biophysical Journal. 2003 V84(6):40234032. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/S0006-3495(03)75128-5]. При этом устройства для лазерной гипертермии повышают температуру не всего объема облучаемой опухоли, а только микрообъемов, центрами которых являются наночастицы. Это позволяет в большей мере избегать интоксикации вследствие обширного некроза, который реализуется при тотальной гипертермии, поскольку в результате локального нагрева запускается механизм гибели клеток по типу апоптоза, приводящий к постепенному замещению погибающих опухолевых клеток на здоровую ткань.
Основной недостаток подобных устройств заключается в отсутствии контроля терапии, что может приводить к неполному проведению лечения и рецидивам.
Для контроля терапии применяют устройства, позволяющие осуществлять бесконтактную оценку температуры. Для этого лазерное излучение от источника возбуждает люминесценцию частиц редкоземельных ионов (термо-агентов). Полученное люминесцентное излучение регистрируют и производят анализ ширины и положения полос эмиссии. Используя распределение Больцмана и полученные данные, вычисляют значение температуры [Elisa Carrasco et al. Intratumoral Thermal Reading During Photo-Thermal Therapy by Multifunctional Fluorescent Nanoparticles, Advanced Functional Materials 01/2015; 25(4):615]. Проведение гипертермии с одновременным контролем локальной температуры наночастиц и биологического окружения вблизи поверхности наночастиц позволяет подбирать оптимальный режим воздействия и избежать перегрева окружающих тканей.
Основной недостаток подобных устройств для бесконтактной оценки температуры заключается в том, что температура рассчитывается по спектрам из поверхностной области облучения, температура на глубине остается неизвестной.
Также недостатками этого устройства является отсутствие охлаждения поверхности кожи, в результате чего пациент чувствует дискомфорт, и повреждение поверхностных здоровых тканей кожи.
Известны устройства для охлаждения поверхности кожи при проведении процедур гипертермии и фотодинамической терапии. Так, например, известно устройство для контактного облучения с системой охлаждения включающее источник лазерного излучения, соединенный с ним световод; охлаждающий блок, включающий сапфировое окно, электронный элемент Пельтье с центральным отверстием, при этом сапфировое окно, оснащенное термодатчиком, соединено с «холодной» стороной элемента Пельтье, а «горячая» сторона элемента Пельтье снабжена радиатором с развитой поверхностью и отверстием для прохождения света, приспособление для крепления волокна; а так же электронный блок, состоящий из драйвера, ПИД регулятора, блока индикации [ПАТЕНТ RU 120008 A61N 5/00 2011 - прототип].
Данное устройство позволяет повысить эффективность процедуры гипертермии, за счет снижения времени приготовления к процедуре, стабилизации температуры облучаемой поверхности, а также осуществления контроля температуры поверхности облучаемого объекта и снижения болевого эффекта во время процедур гипертермии и ФДТ.
Основной недостаток известного устройства заключается в том, что оно не позволяет осуществлять селективность нагрева и не обеспечивает контроль температуры в глубине нагрева ткани.
Задачей данной полезной модели является создание устройства, позволяющего улучшить лечебный эффект лазерной гипертермии при минимизации побочных явлений за счет селективности нагрева и контроля температуры внутри области облучения.
Поставленная задача решается тем, что устройство для проведения локальной управляемой лазерной гипертермии включает источник лазерного излучения для гипертермии и соединенный с ним с помощью световода охлаждающий блок, при этом охлаждающий блок включает в себя сапфировое окно, оснащенное термодатчиком, электронный элемент Пельтье с центральным отверстием, причем сапфировое окно соединено с «холодной» стороной элемента Пельтье, а «горячая» сторона элемента Пельтье снабжена радиатором с развитой поверхностью и отверстием для прохождения света, при этом устройство выполнено с возможностью подсоединения к нему электронного блока, состоящего из драйвера, ПИД регулятора и блока индикации, отличающееся тем, что устройство выполнено с возможностью подсоединения к нему волоконно-оптического блока для контроля температуры в глубине и определения изменений оптических свойств ткани, состоящего из лазерного источника лазерного излучения для термометрии и определения оптических свойств ткани, спектрометра и компьютера с программным обеспечением для обработки сигналов от спектрометра и регулировки мощности источника лазерного излучения для гипертермии, при этом указанный источник лазерного излучения для термометрии подсоединяется к охлаждающему блоку с одной стороны через оптоволокно для ввода излучения для термометрии, а спектрометр подсоединяется к охлаждающему блоку с диаметрально противоположной стороны с помощью оптоволокна для приема и передачи люминесцентного сигнала термометрии.
Кроме того, задача решается тем, что волоконно-оптический блок для контроля температуры в глубине и определения изменений оптических свойств ткани оснащен портами, позволяющими вводить лазерное излучение для термометрии и принимать люминесцентный сигнал термометрии под разными углами к поверхности облучения.
Кроме того, задача решается тем, что волоконно-оптический блок для контроля температуры в глубине и определения изменений оптических свойств ткани оснащен портами, позволяющими изменять расстояние между вводом лазерного излучения для термометрии и приемом люминесцентного сигнала термометрии.
Кроме того, задача решается тем, что источник лазерного излучения для гипертермии имеет обратную связь, позволяющую программно регулировать мощность лазерного излучения.
Кроме того, задача решается тем, что в качестве источника лазерного излучения для гипертермии используется импульсный лазер.
Кроме того задача решается тем, что радиатор устройства оснащен средством для дополнительного обдува.
Устройство для проведения локальной управляемой лазерной гипертермии изображено на Фигуре 1 и содержит: источник лазерного излучения для гипертермии 1, соединенный с ним световод 2, охлаждающий блок 3, включающий сапфировое окно 4, теплоизолирующий кожух 5, медную пластину 6, электронный элемент Пельтье с центральным отверстием 7, термодатчик 8, радиатор с развитой поверхностью 9, приспособление для крепления световода 10; электронный блок 11, состоящий из индикатора температурного диапазона 12, драйвера, ПИД регулятора, кожуха с электронными проводами 13, волоконно-оптический блок для контроля температуры в глубине и определения изменений оптических свойств ткани, включающий оптоволокно для ввода лазерного излучения для термометрии 14, источника лазерного излучения для термометрии 15, оптоволокно для передачи и приема люминесцентного сигнала термометрии 16, спектрометр 17; компьютер с программным обеспечением 18.
Также устройство может быть оснащено обратной связью 19, которая позволяет изменять мощность источника лазерного излучения для гипертермии.
Также устройство может быть оснащено портами 20, 21, которые позволяют вводить лазерное излучение для термометрии и принимать люминесцентный сигнал термометрии под разными углами (Фиг. 2).
Также устройство может быть оснащено портами 22, 23, которые позволяют изменять расстояние между вводом лазерного излучения для термометрии и приемом люминесцентного сигнала термометрии (Фиг. 3).
Устройство для проведения локальной управляемой лазерной гипертермии работает следующим образом.
Пациенту предварительно системно вводят препарат, состоящий из мультифункциональньгх термо-агентов, которые избирательно накапливаются в раковых клетках. Излучение от лазерного источника 1 для гипертермии вводят в охлаждающий блок 3 с помощью световода 2, который фиксируют в средстве крепления 10. Охлаждающий блок 3 соединяют электронными проводами 13 с электронным блоком и устанавливают на поверхность над раковой областью, таким образом, чтобы сапфировое окно 4 было плотно прижато к облучаемой поверхности. Включают охлаждающий блок 3 при помощи тумблера, расположенного на электронном блоке 11. Диодный индикатор 12 загорается синим цветом. Это означает, что охлаждающий блок 3 работает и температура поверхности сапфирового окна 4 меньше, чем 26°С. Время выхода на рабочий температурный диапазон менее 15 секунд. Излучение от лазерного источника для термометрии 15 вводят в блок контроля температуры в глубине с помощью оптоволокна 14. Волокно для приема люминесцентного сигнала 16 соединяют с блоком контроля температуры на глубине с одной стороны, а с другой со спектрометром 17. Спектрометр 17 соединяют с компьютером 18 и запускают программное обеспечение. Включают источник лазерного излучения для гипертермии 1 в соответствии с рассчитанными параметрами излучения. Включают источник лазерного излучения для термометрии 15. Убеждаются, что спектрометр 17 принимает люминесцентный сигнал термометрии. Начинают процесс лазерной гипертермии.
Если устройство оснащено портами 20, 21, то задают угол наклона оптоволокон ввода 14 и приема 16 излучения. Изменение углов портов 20, 21 позволяет изменять глубину, с которой проводится анализ оптических свойств ткани. Если устройство оснащено портами 22, 23, то задают расстояние между осью блока охлаждения и портами 22, 23. Изменение расстояния между портами 22 и 23 позволяет изменять глубину, с которой проводится измерение температуры.
В процессе облучения программное обеспечение, установленное на компьютере 18, обрабатывает сигналы от спектрометра 17, получая при этом значение температуры на глубине облучения и изменение коэффициента рассеяния биологической ткани. При изменении температуры биологической ткани происходит изменение ее коэффициента рассеяния. Об этом можно судить по изменению интенсивности пика рассеянного лазерного излучения для термометрии на спектре от спектрометра 17. Увеличение этого пика свидетельствует об увеличении коэффициента рассеяния вследствие коагуляции облучаемой ткани. При этом температура в области облучения должна находиться в области 42-46°С. При превышении температуры 46°С необходимо снизить мощность лазерного излучения. Блок индикации 12 может изменять цвет в зависимости от температуры на поверхности облучения. Синий цвет означает, что температура поверхности находится в диапазоне менее 26°С, зеленый - 26-42.5°С, красный - выше 42.5°С. Электронный блок 11 при этом анализирует сигнал от датчика температуры 8, и изменяет ток подаваемый на модуль Пельтье 7. Тепло с «горячей» стороны элемента Пельтье 7 передается через медную пластину 6 на радиатор с развитой поверхностью 9. Теплоизолирующий кожух 5 при этом защищает пациента и врача от контакта с отводимым теплом. Если блок индикации горит красным цветом, то необходимо уменьшить мощность лазерного излучения.
Если устройство оснащено обратной связью 19, то электрическим кабелем соединяют компьютер 18 и источник лазерного излучения для гипертермии 1. В процессе облучения при превышении температуры 46°С программное обеспечение автоматически подает сигнал по электрическому кабелю обратной связи 19 к источнику лазерного излучения для гипертермии 1 на снижение мощности лазерного излучения.
Таким образом, предложено устройство, позволяющее улучшить лечебный эффект лазерной гипертермии при минимизации побочных явлений за счет селективности нагрева и контроля температуры как на поверхности, так и в глубине облучения.