ЭНДОСКОПИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ОБРАБОТКИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ НЕРАВНОВЕСНОЙ ХОЛОДНОЙ ПЛАЗМОЙ
ENDOSCOPIC ELECTRODE FOR TREATING BIOLOGICAL TISSUES WITH NONEQUILIBRIUM COLD PLASMA

Изобретение относится к области медицины, в частности к эндоскопии, и может быть использовано в электрохирургическом лечении патологических состояний слизистых оболочек внутренних органов пищеварительного тракта, а так же в неотложной помощи с целью остановки кровотечений.
Для коррекции патологических состояний слизистых оболочек внутренних органов наибольшее распространение имеет воздействие физическими методами на патологические очаги под визуальным контролем гибкого видеоэндоскопа. Наибольшую распространенность в своем применении на слизистые оболочки получили электрохирургические генераторы и лазеры, направляющие ток высокой частоты или световой пучок определенной длины волны к месту патологически измененной ткани с целью вызвать деструкцию или остановить кровотечение путем локального формирования высокой температуры в месте воздействия.
Пример устройства для создания аргоновой плазмы с возможностью доставки к месту патологического очага через канал эндоскопа описан в изобретении US5207675. Данное изобретение использует униполярный электрод, формирующий плазму в потоке аргона из дистальной части инструмента. Для формирования факела плазмы возникает необходимость использовать нейтральный электрод путем прямого контакта с телом пациента, а тело пациента, соответственно, выступает в качестве части электрической цепи, что является нежелательным следствием использования данной системы. Также при использовании данного изобретения возникает постоянная необходимость контроля расстояния от дистальной части инструмента до точки воздействия факелом плазмы в диапазоне 5-8 мм. В случае более близкого контакта электрода с тканью возникает риск глубокого ожогового поражения стенки органа высокой температурой. При большем удалении от зоны воздействия и недостаточной силе тока плазменный факел не будет формироваться.
Существует аналог (WO 2011/022069), в котором предлагается использовать в качестве рабочей зоны колпачок-насадку на конец эндоскопа для ограничения зоны воздействия плазмой и исключения ее рассеивания на неизмененную слизистую. Также данное изобретение позволяет контролировать расстояние от электрода до стенки коагулируемого органа. Однако использование в качестве рабочей зоны жесткого колпачка-насадки на торцевой части эндоскопа может осложнять проведение эндоскопа через анатомические сужения глотки и верхней части пищевода и может быть ограничено в использовании у ряда пациентов.
Общим недостатком монополярных электродов является протекание высокочастотного тока через тело пациента с наиболее высокой плотностью непосредственно на площади соприкосновения плазмы с органом. Высокочастотный ток имеет свойство протекать на большую глубину внутри органа, что приводит как к дополнительным, напрямую не зависящим от состава и свойств плазмы термическим эффектам, так и к электрохимическим - электролизу. Эффективность электролиза может существенно возрастать при наличии границ перехода тканей и на поверхности ткани за счет вентильного (выпрямляющего эффекта), а также контактной разности потенциалов. В результате электролиза даже в такой простой модельной среде, как физиологической раствор, образуется набор химически активных соединений и свободных радикалов, которые могут привести к нарушениям как метаболизма клеток, так и повреждению ДНК. Среди них можно указать перекись водорода, гидроксил- анион и радикал, супероксид анион и гидропероксильный радикал, хлорсодержащие кислоты с различной валентностью хлора - соляная, хлорная, хлорноватая и хлорноватистая кислоты, а также их натрийсодержащие соли. А в сложной по составу среде цитоплазмы клеток число потенциально цитотоксичных и мутагенных соединений становится значительно большим и плохо анализируемым. Таким образом, монополярный режим работы аппаратов с аргонусиленной плазмой потенциально опасен для подлежащих (не обрабатываемых плазмой) тканей.
Существуют устройства, формирующие плазму при помощи биполярного электрода. Так, в изобретении US8308724 предложен вариант исполнения электрода, формирующего плазму в электропроводящей жидкости. В данном исполнении активный электрод установлен на дистальном конце рабочей части инструмента в непосредственной близости от нейтрального «плавающего» электрода. Будучи погруженным в электропроводящую жидкость, данное изобретение создает плазму в виде пузырьков. Данная конструкция может быть применима для резки, испарения, коагуляции и обработки тканей в хирургических областях, где имеется возможность создания замкнутой жидкостной «рубашки», например в артроскопии. Однако указанный электрод не лишен ряда недостатков. Так, создаваемая в данной конструкции плазма отличается высокой температурой. Также, поскольку электрод работает при погружении в проводящую жидкость, это не исключает протекания через нее тока со всеми ранее описанными последствиями.
Вариант использования биполярного хирургического инструмента с возможностью формирования плазмы для обработки тканей представлен изобретением US7549990. Предлагаемая конструкция представляет собой биполярные ножницы с гибким каналом для подачи аргонового газа к режущей кромке инструмента, где и происходит формирование плазменного факела за счет конструктивно подведенного коаксиального электрода. Выдувание наэлектризованного газа происходит вдоль режущей кромки инструмента через одно или несколько округлых выпускных отверстий.
Наиболее близким к предлагаемому решению является вариант биполярного электрода коаксиальной конструкции WO2014053844. Электрод представляет собой трубку из диэлектрика, на дистальном конце которой внутри располагается открытый высокочастотный электрод. Второй заземленный электрод покрыт диэлектриком внутри стенки трубки. Горение высокочастотного разряда происходит в потоке газа, подаваемого сквозь трубку как внутри трубки, так и вдоль поверхности снаружи трубки возле его дистального конца. Таким образом, обеспечивается локализация плазмы на торцевой части трубки и исключается протекание тока через ткани пациента. Однако использование указанного электрода в трубчатых органах, например, в пищеводе, затруднено, поскольку рабочей зоной является дистальный торец электрода. Дистальная наружная сторона электрода, где происходит также горение разряда, плохо поддерживает необходимый состав плазмы, поскольку имеет открытую конструкцию. Использование указанного электрода в узких трубчатых органах может приводить к замыканию тока через ткани органа при случайном прикосновении к его стенкам. Таким образом, проблема поддержания горения плазмы в непосредственной близости от поверхности органа с исключением протекания тока через ткани органа в данной конструкции полностью не решена.
Технической задачей, решаемой представленным изобретением, является создание эндоскопического электрода, проводимого через инструментальный канал эндоскопа, для формирования неравновесной холодной плазмы требуемого состава с заданной плотностью мощности и низкой температурой для коррекции патологических изменений со стороны слизистых оболочек внутренних трубчатых органов с исключением прямого контакта плазмы с органом, приводящего к протеканию тока через ткани.
Решение поставленной задачи достигается созданием коаксиального электрода биполярной конструкции, представляющим собой трубку из диэлектрика, на дистальном конце которой внутри располагается открытый высокочастотный электрод, а второй заземленный электрод покрыт диэлектриком, внутри стенки трубки, через которую подводится газ. Так, высокочастотный электрод выполнен в виде проводящего стержня, покрытого диэлектриком, с заглушкой с дистального конца, а заземленный электрод также наглухо заглушен в дистальной области, но имеет на боковой части отверстия для выхода продуктов, сформированных плазмой.
Таким образом, в коаксиальном электроде биполярной конструкции, по сравнению с прототипом, введен ряд новых элементов: проводящий стержень, покрытый диэлектриком, с заглушкой с дистального конца, расположенный по оси электрода, заглушка на дистальном конце электрода, отверстия на боковой стенке электрода.
Приведенная совокупность признаков приводит к тому, что плазма формируется внутри электрода, а газообразные продукты выходят через отверстия на боковой стенке электрода, что позволяет удобно обрабатывать полые трубчатые органы. Электрический ток через плазму протекает также только внутри электрода, и при соприкосновении с тканью органа исключается протекание тока через тело пациента. Внутри электрода поддерживается постоянный состав плазмы, не зависящий от расстояния до обрабатываемой поверхности органа. Наличие диэлектрической рубашки у проводящего электрода снижает поступление в плазму продуктов эрозии электрода.
На Фиг. 1 дана схема предлагаемого устройства. Предложенное устройство эндоскопического электрода имеет коаксиальную конструкцию. На оси электрода имеется округлый проводящий стержень (1), покрытый слоем диэлектрика, обеспечивающего достаточную, в зависимости от материала, для исключения пробоя, электрическую прочность при подаче на стержень высоковольтного, высокочастотного, монополярного импульса напряжения. Материал стержня выбирается не только из класса электрически прочных, но и должен обеспечивать высокую устойчивость к электроразрядной эрозии. В качестве варианта конкретного исполнения можно использовать оксид алюминия, оксид бериллия, карбид кремния и др. Заземленный электрод (2) также покрыт диэлектриком, представляет собой правильный полый цилиндр и имеет несколько, или по меньшей мере одно, боковые отверстия в стенках и глухую заглушку с дистальной стороны. Расстояние между электродами составляет по меньшей мере 0,5 мм. Диаметр отверстий, составляющий по меньшей мере 0,5 мм, и их количество, но не менее одного выбираются исходя из локализации обрабатываемого участка ткани, а так же площади ее поверхности. Так, при необходимости единовременной обработки округлых поверхностей (таких как пищевод), наиболее целесообразно использовать конструкцию с расположением отверстий по всей окружности электрода. Проводящий стержень жестко фиксируется внутри электрода с помощью плотно обжатой манжеты (3), которая по форме представляет правильный полый цилиндр, имеющий несколько, но не менее одного, отверстий для подвода газа. Для изготовления фиксирующей манжеты возможно использовать материал обладающий высокой прочностью и диэлектрическими свойствами. В качестве варианта исполнения можно использовать сапфир, кремния диоксид (стекло, керамика) и др. В качестве рабочего газа используется окружающий атмосферный воздух рабочего кабинета. Газовый состав, температура и влажность используемого воздуха соответствуют принятым нормам и стандартам (t +18-25°С при относительной влажности 50-60%). Рядом экспериментов доказано отсутствие влияния колебаний газового состава, влажности и температуры используемого воздуха в переделах принятых норм на качество, а так же плотность, получаемых продуктов плазмохимической реакции. В качестве рабочего, так же возможно использовать вместо воздуха инертные газы (гелий, аргон, ксенон и др.), которые будут так же обеспечивать горение плазмы. Данный спектр газов возможно использовать в случаях, когда отсутствует необходимость в стимуляции активности пролиферации и ангиогенеза. Эффект будет достигаться исключением получения в качестве продуктов плазмохимической реакции соединений азота (пероксинитрит, оксиды азота различной валентности).
6
Устройство работает следующим образом. При подаче высоковольтного импульса с напряжением не менее 5000 Вольт, длительностью не более 1 микросекунды и частотой повторения от 0 до 1 МГц (10 Гц) на проводящий стержень (1) между стержнем и заземленным электродом (2) формируется барьерный разряд в газе, подаваемом через отверстия в манжете (3). В результате, активные продукты плазмохимических превращений, формирующиеся в газовой среде, выносятся через боковые отверстия электрода и поступают на поверхность обрабатываемого полого трубчатого органа. Амплитуда напряжения и длительность импульсов выбираются из условия поддержания горения плазмы внутри электрода и минимизации вероятности электрического пробоя.
Таким образом, в предложенном устройстве протекание тока и горение плазмы происходит внутри электрода, а активные продукты плазмохимических превращений, происходящих в газе, поступают наружу к поверхности обрабатываемого трубчатого полого органа. В отличие от прототипа, исключается протекание тока через орган, поддерживается стабильный режим горения плазмы и, соответственно, стабильный состав образующихся продуктов.
Эффективность опытного образца электрода для обработки полых органов продуктами плазмохимических превращений доказана в ряде экспериментов.
Так, при горении плазмы в воздушной среде над поверхностью воды в замкнутом пространстве обнаруживается снижение рН, изменение УФ спектра поглощения. В спектре появляются пики поглощения, соответствующие анионам оксидов азота различной валентности, пероксинитрита, перекиси водорода. Методами капиллярного электрофореза подтверждается наличие анионов оксидов азота различной валентности. Методами иодометрии обнаруживается формирование перекиси водорода в среде.
Настоящее изобретение позволяет производить локально под визуальным контролем обработку биологических тканей с терапевтической целью путем доставки продуктов плазмохимической реакции неравновесной холодной плазмы требуемого состава с заданной плотностью мощности и низкой температурой без прямого контакта плазмы с органом и исключением протекания электрического тока через организм пациента благодаря биполярной конструкции электрода. Визуальный контроль будет обеспечиваться возможностью проведения электрода через инструментальный канал эндоскопа.
Эффективность предлагаемого электрода для обработки биологических тканей неравновесной холодной плазмой доказана лабораторными примерами.
Пример 1. В эксперимент включены лабораторные животные, половозрелые крысы (самцы и самки массой 200-250 гр) линии Wistar, которые разделены на две, равные по численности, группы (экспериментальная и контрольная). Для доступа к слизистой тонкой кишки животным экспериментальной группы производилась лапаротомия с продольным рассечением стенки кишки. Обработка плазмой слизистой кишки при помощи электрода производилась на протяжении 3 минут. После обработки восстанавливалась целостность просвета кишки путем ушивания стенки и далее лапаротомной раны. Животным из контрольной группы производился аналогичный объем оперативного вмешательства без обработки плазмой. Через 24 часа животные были выведены из эксперимента. Доказано, что при горении плазмы над поверхностью слизистой тонкого кишечника крыс линии Wistar в замкнутом пространстве in vivo в течение по крайней мере 180 секунд, через 24 часа после обработки обнаруживается методом TUNEL изменение доли клеток в стадии апоптоза на 2,9% и снижение среднего числа эпителиальных клеток со 126 до 105,2.
Пример 2. Произведено культивирование органотипических культур, полученных от пациентов с подтвержденным диагнозом МКБ 10: К22.7 Пищевод Барретта. За основу взят протокол Organotypic Slice Cultures of Human Gastric and Esophagogastric Junction Cancer. Материал для культивирования получен биопсийным путем. В стерильных условиях произведена диссекция полученных образцов на срезы толщиной до 400 мкм. Культивирование производилось на питательной среде под мембранными вставками во влажном инкубаторе в течение 24 часов. После этого производилась обработка плазмой образцов при помощи электрода на протяжении 3 минут. После обработки образцы возвращены во влажный инкубатор. Через 24 часа образцы фиксированы для последующего их окрашивания и оценки. Доказано, что при горении плазмы в замкнутом пространстве над поверхностью культуральной среды с органотипической культурой пищевода Барретта человека in vitro в течение по крайней мере 180 секунд, через 24 часа после обработки обнаруживается методом TUNEL изменение доли клеток в стадии апоптоза на 8,21%.