Волоконно-оптические датчики температуры и давления в биомедицине

5. Журавлев В.А. Спорные и нерешенные вопросы хирургии печени / В.А. Журавлев, В.М. Русинов, Ф.У. Намазов // Анналы хирургической гепатологии.— 2006.- Том 11.— № 3.- С. 45 - 46.

6. Неворотин А.И. Введение в лазерную хирургию.// СПб.— СпецЛит.— 2000.— 174 с.

7. Тимербулатов В.М., Плечев В.В., Хасанов А.Г. и др. Современные методы рассечения и коагуляции тканей в хирургии органов брюшной полости.— М.— «МЕДпресс—информ».— 2007.— С. 146—150. Всего 174 с.

8. Чардаров Н.К. Билиарные осложнения после резекций печени / Н.К. Чардаров, Н.Н. Багмет, О.Г. Скипенко // Хирургия.— 2010.— № 8.— С. 61 — 68.

9. Haghighi, K.S. In—line radiofrequency ablation to minimize blood loss in hepatic parenchymal transection / K.S. Haghighi, F. Wang, J. King, S. Daniel et al. // The American Journal of Surgery.— 2005.— 190.— P. 43 — 47.

10. Noritomi ,T. Application of dye—enhanced laser ablation for liver resection / T. Noritomi, Y. Yamashita, T. Kodama, K. Mi-kami et al. // European Surgical research.— 2005.— 37.— P. 153 — 158.

11. Hilal M.A. Bleeding and hemostasis in laparoscopic liver surgery / M.A. Hilal, T. Underwood, M.G. Taylor, et al./ Surgical Endoscopy.—2010, Vol. 24.— № 3.— Р. 35 — 44.

NEW TECHNOLOGIES IN LIVER RESECTIONS I.YA. BONDAREVSKY Chelyabinsk State Medical Academy

The level of complications after liver resections is still high nowadays. In the structure of exudative complications biding, jaundice and external biliary fistula prevail. Liver wound sealing-in is a guarantee of postoperative exudative complications.

At the background of operations with the use of expensive equipment, the results liver resections with application of apparatus and plastic produce a favourable impression. Positive results are achieved by means of simplicity of resection execution and safe wound sealing-in with the help of laser "welding. Favourable postoperative course is secured by minimal amount of intraoperative blood loss, absence of exudative complications in the postoperative period.

Key words: laser, liver resection, biding, complications.

УДК 617

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДАВЛЕНИЯ В БИОМЕДИЦИНЕ

В.А.КОРОЛЁВ, В.Т.ПОТАПОВ*

Представлен обзор современных коммерческих волоконно-оптических датчиков температуры, давления для возможного применения в хирургии и онкологии. Рассмотрена разработка катетера с датчиком температуры для оперативной эндоскопии. Ключевые слова: волоконно-оптические датчики, лазерная хирургия, лазерная гипертермия, эндоскопический катетер.

В последнее десятилетие отмечен дальнейший интерес к разработкам лазерной медицинской техники для хирургии и онкологии [1]. Этому способствуют достижения в области полупроводниковых лазеров, волоконных лазеров и современных оптоволоконных технологий. Широкое внедрение новых разработок в клинику станет в полной мере оправданным с использованием средств, позволяющих осуществлять мониторинг за изменением состояния биологической ткани, подвергаемой лазерному или иному воздействию. Одним из таких средств контроля могут быть волоконно-оптические датчики (ВОД). По принципу действия ВОД разделяются на интерференционные (Фабри-Перо, Маха-Цандера и др.), распределенные (обратное и прямое рассеяние), люминесцентные, на внутриволоконных решетках и комбинированные.

Простой схемой реализации ВОД является использование одножильного оптического волокна как для посылки излучения на исследуемую биоткань, так и для обратной передачи излучения от биоткани. Например, катетеры с оптическим волокном диагностического (или терапевтического) назначения. Излучение источника передается оптоволокном через катетер, введенный во внутрь сосу-

да [2]. Излучение, испускаемое оконечным участком оптического волокна, отражается стенкой сосуда, воспринимается оптическим волокном и передается для анализа в устройство обработки данных для последующей диагностики. Аналогичные схемы ВОД реализуются и в люминесцентных методах медицинской диагностики. [3]. Другой схемой реализации ВОД является конструкция с элементом на торце оптического волокна, чувствительным к изменению температуры, давления или иных параметров [4].

Зарубежные производители выпускают несколько видов ВОД для измерения температуры в биомедицинских исследованиях. Фирма LumaSense Technologies (США) предлагает ВОД температуры на основе люминесцентного термочувствительного элемента (на выходном торце оптического волокна). Импульс излучения светодиода возбуждает флуоресцентное свечение чувствительного элемента. По времени затухания свечения, зависящем от степени нагрева элемента, определяется температура. Изделие марки «STB» (рис.1) выполнено на кварц-кварцевом оптическом волокне (0 200 мк сердцевина, 0 240 мк оболочка), имеет тефлоновое первичное защитное покрытие (толщина 130 мк) оптического волокна и чувствительного элемента. ВОД марки «STB» функционирует с преобразователем сигнала «m3300», обеспечивающем до 4 каналов регистрации температуры. Рабочий диапазон измеряемых температур — 0^120°C, точность измерения в некалиброванном режиме работы ±2°C. При калибровке точность составляет ±0.5°C для температур 0^50°C.

1.05 м

0.5 мм

f

0.5 мм

1

0 .5 мм _ 1

Рис.1. ВОД температуры «STB»

Фирма Fiso Technologies Inc. (Канада) выпускает ВОД температуры интерференционного типа. ВОД имеет миниатюрную кремневую мембрану, являющеюся зеркалом интерферометра Фабри-Перо, с изменением температуры мембрана отклоняется и изменяет длину резонатора интерферометра. Изделие марки «FOT-M» имеет двухметровое оптическое волокно на оконечном участке которого чувствительная зона протяженностью 6.5 мм, конструкция помещена в полиамидную трубку с наружным диаметром 00.8мм (рис.2). ВОД функционирует с преобразователем сигнала «FTI-10» в диапазоне измеряемых температур 20^85°C, точность измерений составляет ±0.2°C.

Фрязинский филиал Учреждения Российской академии наук Института радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН, 141190, Россия, Московская область, г. Фрязино, пл. Введенского, 1.

Рис.2. Выходной участок ВОД температуры «FOT-M»

Фирма «Opsens» (Канада) выпускает ВОД температуры ин-терферометрического (поляризационного) типа. В изделии «OTP-M» чувствительным элементом является двулучепрелом-ляющий кристалл, характеристики которого изменяются с температурой (рис. 3). Кристалл заключен между линейным поляризатором и диэлектрическим зеркалом. «OTP-M» позволяет измерять температуры в диапазоне 0^85°C. Достоинством этого типа ВОД является стабильность во времени характеристик двулуче-преломления кристалла. Точность измерения ±0.15°C заявлена только для калиброванного диапазона 20^45°C. Кристалл длиной 3 мм расположен на оконечном участке оптического волокна в защитной оболочке (диаметр поперечного сечения 01.8 мм).

Рис. 3. Выходной участок ВОД температуры «ОТР-М»

Производитель предлагает и более миниатюрные ВОД температуры неинтерференционного типа с чувствительным элементом 00.17 мм на оконечном торце оголенного оптического волокна (рис. 4). В изделии «ОТО-М» чувствительным элементом служит полупроводниковый кристалл ОаАв. Точность измерения температуры в диапазоне 20^45°С составляет ±0.3°С (±0.8°С для более высоких температур). Излучение источника света на выходе оптического волокна попадает на ОаА кристалл. Часть излучения, определяемая шириной запрещенной зоны полупроводникового кристалла, пропускается и отражается обратно диэлектрическим зеркалом, напыленным на торец кристалла. Оптоволоконная система передает отраженное излучение на спектроанализатор преобразователя сигнала. Ширина запрещенной зоны зависит от температуры, из анализа изменения спектрального распределения отраженного излучения вычисляется температура кристалла. Выпускается шесть модификаций изделий «ОТО-М», имеющих различные размеры сенсора.

Рис.4. ВОД температуры «OTG-M»

Фирмы Opsens и Fiso Technologies Inc. выпускают также ВОД (интерференционного типа) для измерения давления. В изделие FOP-F125 (Fiso Technologies Inc) миниатюрная оконечная часть ВОД, чувствительная к изменению давления, имеет диаметр поперечного сечения 0.125 мм, световедущая часть оптического волокна заключена в тефлоновую оболочку (01.0 мм). Точность измерения составляет ±5 мм рт.ст. для диапазона давлений -25 -ь125 мм рт.ст. Фирма Opsens предлагает ВОД «OPP-M» с оконечной частью, чувствительной к изменению давления, диаметром поперечного сечения 0.250 мм (рис.5). Применяется схема интерферометра Фабри-Перо с мембраной. При точности измерения ±2 мм рт.ст. диапазон измеряемых давлений составляет -50 т +300 мм рт.ст.

Основные характеристики зарубежных ВОД температуры и давления представлены в таблице [5-7]. В России разрабатываются различные типы ВОД: с термочувствительным элементом из стекла (активированного иттербием) [8] и из полупроводника (монокристаллического кремния) и др. [4,9].

Нами предложена конструкция катетера с ВОД для оперативной эндоскопии. На рис.6 представлена принципиальная схема катетера с ВОД. Конструкция имеет гибкую трубку 2, оптическое волокно 3 для лазерного воздействия, оптическое волокно 1

с термочувствительным элементом 4, втулку 5 с осевым каналом 6. Во внеосевом канале 7 расположен с возможностью перемещения оконечный участок оптического волокна 1 с термочувствительным элементом.

Рис.5. Выходной участок ВОД давления «OPP-M»

Таблица

Волоконно-оптические датчики температуры и давления для биомедицины

Марка датчика диапазон измерений точность разрешение размер сенсора время отклика фирма

OTP-M 20+45°C 0+85°C ±0.15°C 0.01°C 3 мм <1 с Opsens

OTG-M 20+45°C >45°C ±0.3°C ±0.8°C 0.05°C 0.17 мм; 0.28;0.36;0.42;0.6мм 3.0 мм <0.010 c <0.22 c 1.5 с

OTG-МРК 20+45°C >45°C ±0.3°C ±0.8°C 0.5; 0.8 мм; <0.55 c

OPP-M25 -50 +300 мм рт.ст. ±2 мм рт.ст. 0.5 мм рт.ст 0.25 мм

OPP-M40 ±1 мм рт.ст. 0.2 мм рт.ст 0.40 мм

FOP-F125 ±300 мм рт.ст. -25 +125 мм рт.ст. ±8 мм рт.ст. ±5 мм рт.ст. <0.4 мм рт.ст. 0.125 мм Fiso Techn.Inc.

FOP-M260-ВА ±300 мм рт.ст. <2 мм рт.ст <0.1 мм рт.ст. 0.260 мм

FOP-MIV-BA (РК) ±300 мм рт.ст. -300 +7500 мм рт.ст. ±1 мм рт.ст. ±8 мм рт.ст. <0.3мм рт.ст. 2.6 мм рт.ст. 0.515 мм

FOT-L-SD - 40 + 300°C 20+85°C ±1°C ±0.5°C 0.1°C 6.5x1.7 мм <1.5 с

FOT-L-BA -40 + 250°C ±1°C 6.5x0.8 мм <0.5 с

FOT-M с модулем FTI-10 или TMI-HR 20+85°C ±0.2°C 0.1°C <6.5x0.8 мм <0.75 с

25+45°C 36+41°C ±0.3°C ±0.1 ^(калибровка) 0.01°C

STB с модулем m3300 0+120°C вблизи 50°C ±2°C ±0.5oC(калибровка) 0.01°C 0.5 мм 0.25 с LumaSense Techn.

Med FP с модулем Focal Point 0+120°C ±2°C 0.1°C 0.5 мм 0.25 с

Рис.6. Схема катетера с ВОД температуры

Катетер вводится через полый канал эндоскопа. Безопасный ввод катетера с ВОД во внутреннюю полость органа тела человека выполняется при утопленном оконечном участке оптического

волокна 1 во внутрь втулки 5. Последнее исключает риск травмирования стенки органа. Перед облучением выходной торец катетера подводится к участку облучения, а оптическое волокно 1 с чувствительным элементом 4 выдвигается из внеосевого канала 7 в окрестность зоны облучения до контакта с биотканью. После облучения оконечный участок оптического волокна с чувствительным элементом перемещается внутрь втулки 5, и катетер выводится из эндоскопа. Измерение температуры биоткани позволяет устранить перегрев биоткани при лазерном облучении. Дополнительное использование в катетере двух и более внеосевых каналов позволяет измерять температуру в нескольких участках биоткани, что исключает возможность перегрева близлежащей к зоне облучения биоткани. В конструкции могут использоваться трубка 2 из фторопласта марки «Tefzel» (наружный диаметр трубки около 5.8 мм), кварц-полимерное оптическое волокно 3 и кварц-кварцевые оптические волокна 1, соответственно, со световедущей жилой диаметром 0.4 мм и 0.1 мм. На оконечный участок торца оптических волокон 1 привариваются термочувствительные элементы 4 из монокристаллического кремния с поперечным размером до 0.12x0.12 мм2. Металлическая втулка 5 имеет осевой канал диаметром 0.75 мм (для размещения выходного участка оптического волокна 3) и внеосевые каналы, расположенные диаметрально противоположно, диаметром около 1.2 мм для размещения термочувствительного элемента 4 оконечного участка оптического волокна 1. Использование чувствительных элементов из кремния обеспечивает регистрацию температуры с точностью измерения ±0.2°С в диапазоне температур 40-110°С [4]. Предлагаемая конструкция катетера с ВОД может функционировать с гастрофиброскопом Olympus GIF-XT30, имеющем операционный канал с диаметром поперечного сечения 6.0. мм.

К настоящему времени ВОД положительно зарекомендовали себя в различных биомедицинских исследованиях. ВОД используются для локальной лазерной гипертермии в онкологии, радиочастотной (и микроволновой) термической абляции и термопластики биоткани, при томографических исследованиях внутренних органов тела человека. В медицинской эндоскопии предложен хирургический инструмент с ВОД давления, инструменты такого рода перспективны для задач микрохирургии. В кардиохирургии и других областях разрабатываются катетеры с ВОД давления, в флебологии возможна апробация ВОД для внутрисосудистого контроля температуры коагуляции вен при варикозе [10-12]. Отдельные разработки ВОД весьма миниатюрны, имеют внешний диаметр рабочей части менее 0.2 мм, что открывает возможность их применения в составе имплантируемых медицинских устройств и миниатюрного инструментария, например, для задач нейрохирургии. Кроме того исследователи могут использовать ряд коммерческих ВОД, как базовую основу для биомедицинского инструмента различного назначения. К клинической апробации ВОД предъявляются определенные требования по дезинфекции (или более жесткие условия по стерилизации инструмента). Например, ВОД температуры «Med FP» (см. табл.) выдерживает однократную 30 минутную стерилизацию (при температуре паров 121°C), следовательно, инструмент является для отдельных назначений одноразовым. Следует также учитывать, что законодательство ограничивает продажу, например, «Med FP» (и других представленных в таблице ВОД) по врачебным требованиям. Производители указывают на отсутствие разрешения на использование ВОД в качестве медицинского инструмента. Таким образом, сертифицирование инструмента и получение разрешения на клиническое применение, является обязанностью заказчика продукции.

Развитие коммерческого рынка и обзор научных публикаций свидетельствуют о росте интереса к применению достаточно миниатюрных ВОД температуры и давления в биомедицинских задачах. Успехи в создании малогабаритных волоконных лазеров и прогресс в новейших оптоволоконных технологиях послужат дальнейшему внедрению как лазеров, так и ВОД в медицинскую практику.

Литература

1. Миков А. А., Свирин В. Н. // Медицинская техника. 2009.-№4.- С. 26

2. Pat. 20080139897 USA. Catheter with optical fiber sensor / Ainsworth R. D. et al.

3. Kesler G. et al. // Journal of Clinical Laser Medicine & Sur-

gery.- 2003.— Vol.21, №4.— P.209—217.

4. Егоров Ф.А. и др. //ВНМТ.— 2005.— №3—4.— С.112.

5. Проспект Opsens. 2010.

6. Проспект Fiso Technologies. Inc. 2010.

7. Проспект LumaSense Technologies. 2010.

8. Пат. РФ 2241211. Датчик температуры и устройство для измерения температуры./ Садовский П.И. и др. //Изобретения. Полезные модели.— 2004.— №12.

9. Пат. на полезную модель 87081. Лазерный катетер с волоконно—оптическим датчиком/ Королев В.А., Потапов В.Т. //Изобретения. Полезные модели.— 2009.— №27.

10. Pat. 20090287092 USA. Temperature compensated strain sensing catheter/ Leo G. et al.

11. Pat. 20020072680 USA. Intra—aortic balloon catheter having a fiberoptic sensor/ Schock R.B. et al.

12. Королев В.А., Потапов В.Т. //ВНМТ.— 2007.— №2.—

С. 140.

FIBER-OPTIC SENSORS TEMPERATURE AND PRESSURE IN BIOMEDICINE

V.A.KOROLYOV, V.T.POTAPOV

Fryazino Branch of Russian Academy of Sciences, Institute of Radio Engineering and Electronics after V.A. Kotelnikov

The article presents the review of modern commercial fiberoptic sensors of temperature and pressure for possible use in surgery and oncology. r The development of a catheter with a temperature sensor for rapid endoscopy is consided .

Key words: fiber-optic sensors, laser surgery, laser hyper-thermia, endoscopic catheter.

УДК 615. 281 [6:539] — 022.532

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ НАНОЧАСТИЦ МЕТАЛЛОВ НА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К АНТИБИОТИКАМ КЛИНИЧЕСКИХ ШТАММОВ МИКРООРГАНИЗМОВ

И.В. БАБУШКИНА*, Е.Г.ЧЕБОТАРЕВА**, Е.В. БОРОДУЛИНА**, И.А. МАМОНОВА*, М. САККАЛА**, М. ЭЛЬБУБУ**

В работе изучено влияние наночастиц металлов на антибиотикоре-зистентность и плазмидную ДНК клинических штаммов Psеudomonas aeruginosa и Staphylococcus aureus, выделенных от больных с гнойными осложнениями травматолого-ортопедического стационара. Выявлено восстановление чувствительности к цефтази-диму и влияние на плазмидную ДНК у части штаммов Psеudomonas aeruginosa после воздействия наночастиц меди. Изменений чувствительности ко всем исследуемым антибиотикам у штаммов Staphylo-coccus aureus после воздействия наночастиц меди, железа, цинка и их сплава не выявлено.

Ключевые слова: наночастицы, железо, медь, плазмидная ДНК

Проблема устойчивости микроорганизмов к антибиотикам требует новых подходов к лечению вызванных ими заболеваний.

Существуют внутрибольничные штаммы Pseudomonas aeruginosa и Staphylococcus aureus, устойчивые ко всем известным антибиотикам. Вследствие наличия у Ps. aeruginosa многочисленных факторов вирулентности, инфекции, вызываемые этим микроорганизмом, потенциально более опасны, чем вызванные другими условно-патогенными микроорганизмами [1].

В связи с постоянно возрастающим числом гнойных осложнений создание высокоэффективных антибактериальных препаратов является актуальной проблемой современной медицины. Высокий процент инфекционных осложнений у больных, развитие резистентности у микроорганизмов к используемым лекарственным препаратам требуют дальнейшего изучения, разработки и совершенствования методов лечения. Известно также, что мощная антибиотикотерапия способствует снижению специфических и неспецифических факторов резистентности организма, что в свою очередь, может значительно ухудшить течение заболевания [2].

Исследование свойств наночастиц металлов показало их ра-нозаживляющую активность, регенерирующие и бактерицидные свойства, что делает перспективным их использование для лечения гнойно-воспалительных осложнений [3]. Наночастицы меди обладают многосторонним действием на бактериальную клетку.

* ФГУ «СарНИИТО» Минздравсоцразвития РФ

ГОУ ВПО «СГМУ им. В.И.Разумовского» Минздравсоцразвития РФ