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

1 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

2 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.

3 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.

4 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

5 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»

6 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

7 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

8 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

9 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

10 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

11 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

12 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

13 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

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

15 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

16 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:

17 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

18 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 × ×

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

20 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)× × ×

21 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

22 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

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