Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского ______________________________________________ Кафедра оптики и биофотоники __________________________________________________ Башкатов А.Н., Генина Э.А., Тучин В.В. ФГБОУ ВПО Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского Оптимизация длины волны лазерного излучения для фототермического воздействия на ткани толстой кишки человека

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского ______________________________________________ Кафедра оптики и биофотоники __________________________________________________ Важной проблемой профилактики рака толстой кишки является диагностика и лечение ее предраковых заболеваний, центральное место среди которых занимают околоректальные полипы. Частота их появления варьирует от 2 до 49%, а уровень малигнизации достигает 15-25%. Таким образом, своевременное выявление и удаление полипов толстой кишки лежит в основе вторичной профилактики колоректального рака. В настоящее время с целью абляции полипов желудочно-кишечного тракта помимо метода электрохирургии применяются также методы лазерной хирургии. Применение лазерных скальпелей в хирургии и эндоскопии способствует уменьшению травматичности операции, протекции гемостаза, повышению надежности швов, уменьшению болевых ощущений, ускорению заживления лазерных ран с формированием более нежного рубца, сокращению количества осложнений и сроков выздоровления.

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского ______________________________________________ Кафедра оптики и биофотоники __________________________________________________ К сожалению, несмотря на несомненную социальную значимость проблемы оооколоректальных полипов и рака, применение портативных лазерных скальпелей в хирургической эндоскопии толстой кишки пока не получило широкого распространения, что отрицательно сказывается на частоте, эффективности и безопасности применения лазерных скальпелей в практике хирургической гастроинтестинальной эндоскопии. В частности, это связано с отсутствием научно- обоснованных критериев, опираясь на которые эндоскопист мог бы сделать оптимальный выбор длины волны лазерного излучения для проведения абляции полипов и реканализации стенозирующих раковых опухолей толстой кишки.

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского ______________________________________________ Кафедра оптики и биофотоники __________________________________________________ Тип лазера Длина волны, нм аргоновый лазер 514 диодные лазеры 810, 970, 1450 неодимовый лазер 1064, 1320 эрбиевый лазер 1560 волоконный лазер на тулий- активированном волокне 1900

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского ______________________________________________ Кафедра оптики и биофотоники __________________________________________________ 5 абв Схематическое изображение лазерной фотокоагуляции полипа: а – полип плоского типа; б – коагуляционные метки по контуру полипа на границе с нормальной слизистой оболочкой; в – фотокоагуляция всей площади поверхности полипа по типу «решета»

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского ______________________________________________ Кафедра оптики и биофотоники __________________________________________________ Определение оптимальной длины волны лазерного излучения для фототермического воздействия на ткани оооколоректальных полипов и ткани толстой кишки выполнялось на основе анализа спектральной зависимости доли поглощенного в биоткани падающего излучения. Расчет данного параметра производился методом Монте-Карло с использованием оптических и структурных параметров различных слоев ткани толстой кишки. Материалы и методы

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского ______________________________________________ Кафедра оптики и биофотоники __________________________________________________ Моделирование было выполнено в спектральном диапазоне нм. При проведении моделирования предполагалось, что числовая апертура облучающего волокна 0.2, диаметр 600 мкм и угол ввода излучения в ткань полипа градусов от нормали к поверхности. Показатель преломления внутри толстой кишки считался равным 1, а вне толстой кишки равным показателю преломления воды Материалы и методы

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского ______________________________________________ Кафедра оптики и биофотоники __________________________________________________ Материалы и методы Геометрия расчета доли излучения поглощенного в оооколоректальных полипах и тканях толстой кишки человека

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского ______________________________________________ Кафедра оптики и биофотоники __________________________________________________ 9 Толщина слизистой оболочки мкм Объемная доля рассеивателей 4-20% Размер рассеивателей (коллагеновые волокна) мкм Диаметр кровеносных сосудов мкм Степень оксигенации крови % Объемная доля крови - 1 до 10% Слизистая оболочка

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского ______________________________________________ Кафедра оптики и биофотоники __________________________________________________ 10 Толщина подслизистой оболочки мкм Объемная доля рассеивателей – 15-60% Размер рассеивателей 1-6 мкм Диаметр кровеносных сосудов мкм. Степень оксигенации крови 50-75% Содержание крови - от 5 до 20% Подслизистая оболочка

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского ______________________________________________ Кафедра оптики и биофотоники __________________________________________________ 11 Толщина от 600 до 1010 мкм Диаметр кровеносных сосудов – мкм Объемная доля крови в мышечном слое % Размер жгутов коллагеновых волокон, входящих в состав мышечного слоя, лежит в пределах от 50 до 200 мкм Объемная доля рассеивателей составляет 24% Мышечный слой

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского ______________________________________________ Кафедра оптики и биофотоники __________________________________________________ 12 Толщина – мкм Диаметр кровеносных сосудов в полипах толстой кишки мкм Объемная доля крови – % Степень оксигенации % Полип

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского ______________________________________________ Кафедра оптики и биофотоники __________________________________________________ Материалы и методы Friebel M. et al. // J. Biomed. Opt., Vol. 14(3), , 2009

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского ______________________________________________ Кафедра оптики и биофотоники __________________________________________________ Материалы и методы Башкатов А.Н. и др. // Квантовая Электроника, 44(8), , 2014

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского ______________________________________________ Кафедра оптики и биофотоники __________________________________________________ Материалы и методы Kolesnikova E.A., Muldasheva A.A., Ireneva Ju.P., Zmeeva D.N., Bashkatov A.N., Genina E.A., Kochubey V.I., Knyazev A.B., Tuchin V.V. // Saratov Fall Meeting, 2012 Bashkatov A.N., Genina E.A., Kochubey V.I., Kozintseva M.D., Tuchin V.V. // Saratov Fall Meeting, 2011

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского ______________________________________________ Кафедра оптики и биофотоники __________________________________________________ Материалы и методы Для моделирования использовались оптические параметры, представляющие собой комбинацию оптических параметров измеренной нами практически обескровленной ткани (остаточное содержание крови оценивается нами в 1-2%) и оптических параметров крови. Коэффициенты поглощения, рассеяния и фактор анизотропии рассеяния соответствующих слоев (полип, слизистая оболочка, подслизистая оболочка, мышечный слой) кровенасыщенной ткани определялись как:

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского ______________________________________________ Кафедра оптики и биофотоники __________________________________________________ 17 S – степень оксигенации крови; C bl - объемная доля крови в соответствующем слое биоткани; C k корректирующий фактор, учитывающий локализацию крови в кровеносных сосудах. При этом зондирующее излучение взаимодействует не со всем объемом крови в сосудах, что снижает вклад крови в параметры рассеяния и поглощения кровенасыщенной биоткани

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского ______________________________________________ Кафедра оптики и биофотоники __________________________________________________ Результаты Влияние степени оксигенации крови Длина волны, нм Доля поглощенной энергии, % Стенка толстой кишки в целом Полип Слизистая оболочка Подслизистая оболочка Мышечный слой × ×

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского ______________________________________________ Кафедра оптики и биофотоники __________________________________________________ Результаты Влияние объемной доли крови и диаметра кровеносных сосудов

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского ______________________________________________ Кафедра оптики и биофотоники __________________________________________________ Результаты Влияние толщины отдельных слоев ткани стенки толстой кишки Длина волны, нм Доля поглощенной энергии, % Стенка толстой кишки в целом Полип Слизистая оболочка Подслизистая оболочка Мышечный слой (4 1)×10 -4 (8 7)× × ×

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского ______________________________________________ Кафедра оптики и биофотоники __________________________________________________ Выводы 1)доля поглощенной энергии практически не зависит от степени оксигенации крови 2)изменения в кровенасыщенности не являются существенно важным параметром для дозиметрии лазерного излучения при планировании операций по удалению оооколоректальных полипов с использованием лазерного излучения 3)доля энергии, поглощенная во всех слоях стенки толстой кишки (полип, слизистая и подслизистая оболочки, мышечный слой), практически не зависит от вариабильности толщины внутренних слоев (слизистая и подслизистая оболочки, мышечный слой) толстой кишки при фиксированной высоте полипа

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского ______________________________________________ Кафедра оптики и биофотоники __________________________________________________ Наиболее оптимальными длинами волн лазерного излучения для удаления оооколоректальных полипов являются 1450 и 1900 нм

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского ______________________________________________ Кафедра оптики и биофотоники __________________________________________________