Введение к работе
Актуальность работы
В ведущих медицинских центрах мира все большее применение заходят концепции минимально-инвазивного лечения и методы, :вязанные с селективным воздействием на очаги патологии, которые івляются для пациента более щадящими .
В современной онкологии одним из таких способов лечения $локачественных опухолей является фотодинамическая терапия(ФДТ). 2утъ метода ФДТ состоит в использовании свойства некоторых юединений - фотосенсибилизаторов (ФС) накапливаться в опухолевых гканях в значительно большей степени, чем в окружающих здоровых гканях и последующем возбуждении светом этих соединений в активное состояние. В результате светового воздействия в клетках опухолевой гкани накопившей ФС образуется активный кислород (синглетный), іриводящий к гибели клеток опухоли.
При использовании ФС и длин волн лазерного излучения, іаиболее способствующих фотогенерации синглетного кислорода из эастворенного а тканях молекулярного кислорода, сохраняется шасность повреждения нормальных клеток в области облучения. При >том отмечается, что невысокий контраст накопления известных ФС іасто приводит к сравнимой степени поражения здоровых и юрмальных тканей. Эффективность ФДТ определяется прежде всего ;елективным разрушением клеток злокачественной опухоли без ювреждения клеток окружающих нормальных тканей. Обеспечение :елективности, и следовательно, уменьшение травматизма здоровых тканей является актуальной задачей.
Несмотря на то, что для проведения ФДТ не обязательно іспользовать лазерное излучение, обычно для ФДТ используют газерные источники света, обладающие высокой плотностью мощности «лучения, стабильной длиной волны, незначительными потерями інергии при доставке ее к опухоли с помощью волоконной оптики, юзможностью управления лазерным излучением и точного измерения іараметров действующего на ткань излучения.
Одним из основных способов повышения эффективности ФДТ [вляется повышение селективности воздействия на очаг патологии. Можно выделить три пути повышения селективности: химический -юиск и направленный синтез новых ФС с повышенной уморотропностыо; биотехнологический - искусственное изменение :войств микроокружения опухолевой клетки; технический - управление
лазерным излучением. Одна из основных задач настоящей работы -создание технических средств и методов повышения селективности воздействия при ФДТ.
Современное развитие оптико-электронных устройств позволяет формировать световое поле, доставляемое к опухоли, в зависимости от конфигурации новообразования (люминесцентного образа опухоли), и обеспечивает возможность автоматического формирования пучка излучения и удержания его на опухоли.
Люминесцентный образ опухоли, полученный на этапе ее вьщеления на фоне здоровых тканей с применением ФС, может служить маской-диафрагмой по отношению к пучку лазерного излучения, что позволяет включать форму опухоли как элемент обратной связи при управлении излучением. Применение ФС позволяет обнаруживать опухоли диаметром до 2 мм.
Задача селективного воздействия может быть решена с помощью медицинского комплекса сочетающего в себе спектрально-оптическое выявление опухоли с использованием ФС и терапевтическое воздействие на нее методом ФДТ.
Целью диссертационной работы является разработка комплекса аппаратуры, обеспечивающего управление потоком лазерного излучения, для проведения контрольной диагностики и избирательной фототерапии злокачественных новообразований, и исследование его функциональных возможностей.
Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:
-
Изучение возможности проведения диагностики и терапии по видеоизображению и люминесцентной картине операционного пространства, обеспечивая избирательность фотовоздействия;
-
Выбор светомодулирующего устройства и разработка средств доставки лазерного излучения, обеспечивающих равномерность облучения опухолей.
-
Изучение возможности избирательного действия лазерного излучения на онкообразование средствами аппаратуры комплекса;
4. Изучение параметров флюоресцентного сигнала и
возможности создания следящей системы по отношению к положению и
форме флюоресцентного сигнала от сенсибилизированной опухоли;
5. Исследование функциональных взаимосвязей компонентов
комплекса, разработка алгоритмов автоматической настройки
аппаратуры комплекса и методического обеспечения по применению
комплекса в клинике.
б.Эксперименталыюе исследование диагностических и терапевтических возможностей комплекса;
Методы и средства исследований В процессе решения поставленных задач использованы экспериментальные методы исследований. Анализ, выбор и оптимизация параметров проводились с использованием графоаналитических и численных методов, а также экспериментально и посредством моделирования на ЭВМ с применением языков PASCAL 7.0 и C++.
Экспериментальные исследования проводились с использованием стандартных вычислительных и измерительных средств: измерителя лазерного излучения ИМО-4С, спектрофотометра Hitachi-850, специально разработанного оборудования, на макетных, опытных образцах функциональных модулей приборов и устройств по методикам, установленным нормативной документацией.
Экспериментальные медико-биологические исследования проводилсь на мышах линии A/Snell; С57В1/Т6 и гибридах F1(CBA* С57В1/Т6) с перевиваемыми опухолями.
Научная новизна состоит в предложенном способе управления параметрами лазерного излучения и его аппаратной реализации с использованием пространственно-временного модулятора света и управлением распределением энергии потока от персональной ЭВМ, в качестве элемента обратной связи; экспериментальном обосновании его работоспособности; в создании специальных средств доставки лазерного излучения и медицинского комплекса; результатах исследований воздействия лазерного излучения на опухоли в присутствии фотосенсибилизатора средствами комплекса. Новизна технических решений подтверждена тремя патентами России.
Положения, выносимые на защиту.
1. Люминесцентный образ опухоли может выступать элементом обратной связи при селективном фотооблучении. Управление лазерным излучением с использованием пространственно-временного модулятора света позволяет реализовать режим "самооблучения" объекта, когда он сам задает и регулирует форму пучка и интенсивность действующего лазерного излучения. Наблюдаемое при ФДТ различие в накоплении ФС опухолевой и нормальной тканями можно использовать для спектрально-оптического выявления новообразований с помощью ПЗС - матриц и программной обработки изображения.
2. Аппаратная реализация метода избирательного воздействия лазерного излучения на злокачественное новообразование с помощью пространственно-временного модулятора света(ПВМС) на основе структуры МДП-ЖК и программного обеспечения позволяет получить картину фотовоздействия, соответствующую люминесцентному образу опухоли и обеспечить однородность распределения интенсивности лазерного излучения по поверхности опухоли. Разработанные устройства и метод проведения избирательной фототерапии при ФДТ могут существенно повысить эффективность ФДТ за счет повышения избирательности фотовоздействия и снижения травматизма прилегающих здоровых тканей.
3.Формирование маски-диафрагмы в соответствии с конфигурацией новообразования может производится автоматически или с участием оператора средствами программного обеспечения(ПО). Средствами ПО можно обеспечить в реальном времени обработку видеоизображения, формирование маски-диафрагмы и управление устройствами медицинского комплекса.
4. Однократное фотовоздействие при управлении лазерным излучением в соответствии с люминесцентным образом опухоли и использовании фотосенсибилизатора на основе Хлорина еб обеспечивает выраженное ингибирующее действие на опухоли, при этом некроз здоровых участков тканей не обнаруживается.
Практическая ценность работы состоит в аппаратной реализации метода ФДТ с автоматизацией значительной части манипуляций по настройке и обеспечению режимов работы комплекса, и реализации практически всех преимуществ метода, а именно: возможность обнаруживать небольшие (порядка 2 мм) по размеру опухоли, одновременно в режиме терапии облучать несколько небольших опухолевых узлов, находящихся в поле зрения. Реализация метода с помощью комплекса аппаратуры дает возможность лечить множественные опухоли.
Преимущество используемого комплекса заключается в возможности снизить объем оперативного хирургического вмешательства и лучевой нагрузки при лечении новообразований, а в ряде случаев и отказаться от них. Помимо этого, пропускная способность лечебно-диагностических центров, оснащенных автоматизированными комплексами, может быть увеличена за счет амбулаторного их использования.
Полученные результаты позволяют определить требования, которые необходимо предъявлять к функциональным узлам комплексов для фотодинамической терапии. Приведенные в работе данные могут быть использованы при выборе или расчете параметров устройств, применяемых для лечения не только оптически доступных злокачественных опухолей, но и других патологических образований, имеющих выраженные спектрально-оптические отличия от нормы. Комплекс может использоваться в любом онкологическом, дерматологическом или косметологическом центре или стационаре, имеющем онкологическое или дерматологическое отделение.
Внедрение полученных результатов Создан опытный образец комплекса и проводятся его доклинические испытания.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Пятой международной конференции "Лазерные технологии '95 " , ILLA'95 - 1995 г. 24-26 июня, г.Шатура, Восьмой международной конференции оптики лазеров, ICONO"95,- 1995 г. 27.06.-1.07 г.С.-Петербург, Международной конференции European Biomedical Optics Week, BiOS, Europe'95, Barcelona, Spain - 1995 r. 12.09-16.09, Шестой международной научно-технической конференции "Лазеры в науке, технике и медицине"-
1995 г. 19-21 сентября в г.Суздаль, Третьей конференции с
международным участием "Медицинская физика-95" - 1995 г. 4-9
декабря в Москва, Шестой международной конференции "Применение
лазеров в медицине"- "LALS" 1996 г. 23-27 сентября, г. ИЕНА,
Германия, Двадцатой научно-технической конференции. Новые
технологии создания и испытания глобальных информационно-
управляющих систем. Диверсификация систем оборонного назначения -
1997 г. 15-17 апреля , Москва, LIV Научной сессии, посвященной дню
радио, 1999, 19-20 мая, Москва, 3-ей международной конференции
"Радиоэлектроника в медицинской диагностике", 1999г., 29.09-1.10,
Москва.
Работа была представлена на следующих выставках:
1. Приборы и автоматизированные системы управления
технологического оборудования АПК", 1995 г. 13 ноября - 29 февраля
1996 г. Москва, ВВЦ, За участие в выставке Награждена медалью
"Лауреат ВВЦ".
2. Выставка "Медицина для Вас-96",1996 г. 3-6 июня г.Москва.
3. Выставка-ярмарка "Помоги себе сам", 1997 г. 1-4 декабря,
Москва.
4. Международная выставка-ярмарка "ИННОВАЦИИ-98", 1998 г. 20-24 октября, Москва.
Публикации По результатам выполненных исследований и разработок имеется 14 публикаций, получены 3 патента Российской Федерации.
Объем и структура диссертации. Работа написана на русском языке, состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и приложений. Объем диссертации 140 страниц машинописного текста, список литературы включает 112 отечественных и зарубежных наименований, приложение - на 18с.