Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 9
1.1. Общие сведения о действии лазерных и радиочастотных инструментов 9
1.2. Основные модельные системы для анализа действия лазерных и радиочастотных скальпелей 13
1.3. Опыт применения полупроводниковых лазеров в практике оториноларингологии 16
1.4. Опыт применения радиочастотного скальпеля в оториноларингологии 20
1.5. Увулопалатопластика 24
Глава 2. Материалы и методы 28
2.1. Экспериментальный материал 28
2.2. Эксперименты с «фантомом живой ткани» 32
2.3. Клинический материал 34
2.4. Методика проведения увулопалатопластики 36
2.5. Гистологическое исследование 39
Глава 3. Собственные данные 41
3.1. Экспериментальные исследования на «фантоме живой ткани» 41
3.1.1. Выбор режима работы полупроводникового лазера «АТКУС-15» (А=810 нм) 41
3.1.2. Исследование коагуляционных возможностей полупроводникового лазера «АТКУС-15» (А,=810 нм) в непрерывном режиме 47
3.1.3. Исследование коагуляционных возможностей полупроводникового лазера «АТКУС-15» (А,=810 нм) в импульсном режиме 50
3.1.4. Сравнение коагуляционного эффекта полупроводникового лазера (непрерывный режим) и радиочастотного скальпеля 53
3.2. Клиническое использование полупроводникового лазера «АТКУС-15» (А,=810 нм) и радиочастотного скальпеля «СУРГИТРОН» (4.0МГц) при проведении увулопалатопластики 57
3.3. Результаты гистологического исследования 72
Обсуждение результатов 77
Выводы 79
Практические рекомендации 81
Список литературы
- Основные модельные системы для анализа действия лазерных и радиочастотных скальпелей
- Опыт применения радиочастотного скальпеля в оториноларингологии
- Эксперименты с «фантомом живой ткани»
- Исследование коагуляционных возможностей полупроводникового лазера «АТКУС-15» (А,=810 нм) в импульсном режиме
Введение к работе
Большинство хирургических вмешательств в оториноларингологии
требует выполнения манипуляций в труднодоступных, обильно
васкуляризированных и богатых нервными окончаниями зонах. В таких
обстоятельствах особое значение приобретает выбор инструмента, который
обеспечивал бы надежный гемостаз, минимальное повреждение тканей в ходе
операции со своевременной последующей регенерацией. Экономический
аспект диктует необходимость применения портативных приборов, которые
могут использовать специалисты различного профиля в рамках одного
учреждения. Особый интерес приобретают два вида инструментов, а именно
высокоэнергетические лазеры и радиочастотные скальпели.
Полупроводниковые лазеры (ПЛ) с длинами волн в диапазоне от 780 до 1560 нм применяются для оперативного лечения различных заболеваний в оториноларингологии (Плужников М.С. и др., 2002; Карпищенко С.А.,2005, Шавгулидзе М.А., 2004; Рябова М.А., 2005; Астахов Ю.С. и др.,2007; Sroka R. et al., 2007; Caffier P.P. et al.,2008; Narioka J,Ohashi Y.,2008). Альтернативой лазерных вмешательств является радиоволновая хирургия, которая появилась десятилетием позже. Одним из наиболее часто используемых инструментов данного типа являются радиочастотные скальпели (PC), рекомендованные для проведения большого числа манипуляций в оториноларингологии (Погосов B.C. и др.,1998). Необходимым условием для внедрения высокотехнологичного инструментария в клинику является понимание его взаимодействия с тканью, для этого нужна апробация в экспериментальных условиях. Доклиническая отработка режимов проводится такими способами, как компьютерное моделирование, имитация хирургических вмешательств in vivo и ex vivo на тканях животных, а также на органических и неорганических материалах (Неворотин А. И., Кулль М.М.,1989; Неворотин А.И. и др., 1996; Anvari D.et al., 1994; O'Dev D. et al.,2008). Следует отметить, что имеются лишь отдельные
работы, касающиеся испытанию радиочастотных скальпелей и полупроводниковых лазеров на экспериментальных моделях (Агапов Д.Г.,1999, Colome J. Et al., 2007; Caffler P.P. et ah, 2008), но различие экспериментального материала, некорректность в ряде случаев выбора объектов исследования не позволяют сопоставлять результаты этих исследований, прогнозировать клинические эффекты, внедрять инструменты в практику. Исходя из вышеизложенного, сравнительный анализ тканевых эффектов указанных инструментов в эксперименте и клинике представляется своевременным и актуальным.
Цель исследования: сравнить эффекты лазерного и радиочастотного хирургического воздействия на экспериментальной модели, а также в клинической практике оториноларингологии.
Задачи исследования:
1. Усовершенствовать обработку модельного объекта, так называемого
«фантома живой ткани», для повышения воспроизводимости и достоверности
результатов экспериментальной оценки действия полупроводникового лазера и
радиочастотного скальпеля.
2. На экспериментальной модели установить зависимость
коагулирующего эффекта от мощности и скорости разреза при использовании в
контактном режиме полупроводникового лазера «АТКУС-15» (810 нм) и
радиочастотного скальпеля «СУРГИТРОН» (4.0 МГц).
С использованием единого экспериментального подхода сопоставить тканевые эффекты полупроводникового лазера и радиочастотного скальпеля и тем самым спрогнозировать оптимальные режимы каждого из инструментов для клинического применения.
Оценить эффективность применения полупроводникового лазера и радиочастотного скальпеля в выбранном режиме при проведении увулопалатопластики с позиций эргономичности, гемостатических свойств и временных затрат на проведение оперативного вмешательства.
5. Провести сравнение морфологических изменений в ткани мягкого неба после увулопалатопластики, выполненной полупроводниковым лазером и радиочастотным скальпелем в выбранном режиме.
Научная новизна: Усовершенствован способ обработки «фантома живой ткани» для анализа результатов термического воздействия при использовании радиочастотного и лазерного скальпелей. Экспериментально обоснованы оптимальные параметры лазерного и радиочастотного воздействия для получения прогнозируемого клинического результата на слизистой оболочке. Выявлены морфологические особенности тканевых повреждений при нанесении разреза каждым из инструментов в режимах, установленных как оптимальные.
Практическая значимость: Выявленные параметры лазерного и
радиочастотного воздействия позволяют обеспечить безопасность и
эргономичность хирургического вмешательства при выполнении
увулопалатопластики, и тем самым предотвратить осложнения, как во время операции, так и в послеоперационном периоде. Полученные результаты могут быть экстраполированы на другие вмешательства на слизистой оболочке, когда эффективный гемостаз во время операции необходимо сочетать с минимальным термическим повреждением ткани с целью предотвращения грубого рубцевания и избыточного лизиса ткани в послеоперационном периоде.
Основные положения, выносимые на защиту:
На экспериментальной модели обоснованы оптимальные параметры работы полупроводникового лазера «АТКУС-15» (810 нм) (мощность 7,5 Вт, скорость не менее 2 мм в секунду) и радиочастотного скальпеля «СУРГИТРОН» (4.0 МГц) (70 Вт независимо от скорости), позволяющие получить прогнозируемый клинический результат.
При выполнении малоинвазивных вмешательств на ЛОР органах необходимо учитывать, что скорость разреза слизистой оболочки с применением полупроводникового лазера ниже, а гемостаз эффективней, чем при использовании радиочастотного скальпеля, а репаративные процессы после
8 лазерного и радиочастотного воздействия сопоставимы по времени и выраженности.
Апробация работы: Основные материалы диссертации доложены на:
Международном конгрессе «Радиоволновая хирургия на современном этапе»
(Москва, 2005 г.); научно-практической конференции «Применение
полупроводниковых лазеров в медицине» (Санкт-Петербург, 2006 г.); IX
Международном конгрессе Европейского общества детских
оториноларингологов «ESPO 2006» (Париж, 2006 г.); 25-й конференции молодых ученых (на английском языке) (Санкт-Петербург, 2006 г.); Всероссийской конференции «Полупроводниковые лазеры в медицине» (г. Тула, 2007 г.); 24-й, 25-й Конференции молодых ученых, проводимой обществом оториноларингологов (Санкт-Петербург, 2007, 2008 гг.); ХПІ Международном Конгрессе Европейской Медицинской Лазерной Ассоциации (EMLA) (Хельсинки, 2008 г.). По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 4 - в периодических изданиях, рекомендованных ВАК.
Объем и структура работы: Диссертация изложена на 104 страницах машинописного текста. Состоит из введения, 3 глав, обсуждения, выводов, практических рекомендаций и приложения. Указатель литературы включает 56 отечественных и 94 иностранных источника. Работа иллюстрирована 2 таблицами и 19 рисунками.
Реализация результатов работы: Результаты исследования внедрены в практику клиники оториноларингологии СПбГМУ им. акад. И.П. Павлова, АНО «Центр общей врачебной (семейной) практики "Делор"», включены в программу обучения курсантов Центра Лазерной Медицины СПбГМУ им. акад. И.П. Павлова.
Основные модельные системы для анализа действия лазерных и радиочастотных скальпелей
Широкое применение высокотехнологичного инструментария подразумевает экспериментально обоснованный выбор параметров работы в зависимости от хирургических ситуаций, поскольку возможность заранее прогнозировать результаты воздействия позволяет сводить до минимума сопутствующие повреждения и тем самым добиваться оптимального клинического эффекта. Доклиническая отработка режимов проводится разнообразными способами, включая компьютерное моделирование, имитацию хирургических вмешательств in vivo и ex vivo на тканях животных, а также на органических и неорганических материалах (Неворотин А. И., Кулль М.М., 1989; Неворотин А.И. др., 1996; Anvari D., et al., 1994; Colome J. et al., 2007; Caffier P.P. et al.,2008; O Dev D. et al., 2008).
Большинство доклинических исследований, проводимых хирургами различных специальностей, выполняется на экспериментальных животных. (Jennings Т, et al., 1990; Рое D.S., 2000; Sato М. et al., 2001; Nakagawa Т. et al., 2008). Наиболее часто используются крысы, морские свинки и кролики, поскольку для получения достоверных результатов необходимо достаточное количество особей, большинство из которых периодически выводится из эксперимента.
Учитывая многообразие разработанных на данный момент инструментов, найти исследования посвященные сравнению результатов воздействия именно интересующих нас приборов, а именно полупроводникового лазера и радиочастотного скальпеля, поначалу казалось неразрешимой задачей. Тем не менее, отечественными исследователями проводились экспериментальные работы, направленные на сравнение эффективности воздействия различных хирургических инструментов. Так, Юшкин А.С. и соавт. тестировали радиоволновой скальпель, лазеры Скальпель-1 и Ромашка-1 (длина волны лазерного излучения не указана) и различные электрохирургические инструменты на кроликах и собаках, оценивалась скорость нанесения разреза, качество гемостаза, характер морфологических изменений в области воздействия и течение репаративных процессов. Радиочастотный скальпель характеризуется исследователями, как прибор, который с максимальной эффективностью может быть использован только для рассечения тканей, особенно когда к разрезу предъявляются повышенные требования. При этом его коагулирующая способность оказалась весьма низкой, поскольку даже небольшое скопление крови в ране делает практически невозможным осуществление коагуляции. При этом существенно повлиять на гемостаз не позволяют изменение ни одного из режимов воздействия, таких как форма волны, мощность и длительность экспозиции (Юшкин А.С., Майстренко Н.А., Андреев А.Л., 2003). Поскольку лазеры, тестируемые в цитированной выше работе не относятся к полупроводниковым, результаты их испытаний здесь не приводятся.
Лейзерман М.Г. и соавторы проводили исследование на крысах, нанося повреждения радиочастотным скальпелем, гольмиевым лазером и ультрозвуковым диссектором с оценкой таких параметров как скорость нанесения разрезов, коагуляционный эффект и характер заживления. Было отмечено, что разрез кожи животных с помощью радиочастотного скальпеля наносил наименьшую травму при минимальных морфологических и сосудистых нарушениях в ране по сравнению с отмеченными выше инструментами. Более активным представлялся также и процесс регенерации; раны заживали первичным натяжением, а рубцовые изменения были минимальными, в то время как лазерные и ультразвуковые разрезы вызывали широкую зону некроза, значительные перифокальные изменения в тканях и чаще заживали вторичным натяжением ( Лейзерман М.Г., 2003).
Полученные исследователями результаты безусловно, важны для клинической практики. К сожалению, однако, в этих работах отсутствует информация о выбранных режимах работы приборов. Эксперименты на животных представляются весьма трудоемкими, при манипуляциях на живой ткани крайне сложно стандартизировать режимы воздействия из-за естественной тканевой и клеточной гетерогенности живых объектов.
Поэтому при выборе биологической модели для доклинического испытания хирургических приборов необходимо руководствоваться следующим: модель должна быть легко доступной, получаемые с ее помощью результаты воспроизводимы, а изменения, происходящие с моделью коррелировать с изменениями в живой ткани.
Опыт применения радиочастотного скальпеля в оториноларингологии
Вместо высокозатратного и не вполне гуманного метода апробации новых хирургических инструментов на экспериментальных животных (von Glass W., Hauerstein Т., 1998, Hines-Peralta A. Et al, 2006,Veverkova L., 2006, Russo G. Et al., 2007, Nakagawa T. Et al, 2008; Plaper H.A,2008), в настоящей работе в качестве модели был применен так называемый фантом живой ткани человека (ФЖТ), разработанный и уже неоднократно апробированный в различных ситуациях, имитирующих хирургические процедуры с применением хирургических лазеров и некоторых электрохирургических инструментов (Неворотин А.И. и др., 1996, Агапов Д.Г., 1999, Неворотин А.И., 2000). Образец ФЖТ, распластанный на предметном стекле, представлен на Рис.1.
При взаимодействии с инфракрасным лазерным излучением «фантом живой ткани» во многом имитирует реакцию живой ткани на термическое воздействие, а именно - изменяет цвет, подвергается существенному уплотнению за счет коагуляции белка, а главное - в зоне разогрева приобретает монолитность, обеспечивающую возможность выделения коагулята из интактного образца (Рис. 2, 3), что практически недостижимо в случае живой ткани или любой другой из ее известных имитаций.
По данным спектроскопии, пики поглощения и пропускания у данного экспериментального материала из-за наличия в нем цельной крови человека, близки к таковым у гемоглобина (Агапов Д.Г., 1999), что еще больше сближает этот материал с реальной живой тканью. Помимо крови, многокомпонентный состав содержит нативный яичный белок от куриц породы Хайсекс Браун, глицерин, обеспечивающий высокую вязкость и плотный мелкодисперсный водонерастворимый наполнитель, эктеола целлюлозу. В настоящей работе, в отличие от прототипа (Неворотин А.И. и др., 1996), кровь обрабатывалась для предотвращения свертывания не добавлением навески гепарина, а помещением ее в обработанные заводским способом пробирки с ЭДТА. Для приготовления фантома живой ткани все компоненты смешивались до гомогенного состояния. В готовом виде материал представлял собой легко формуемую пасту розового цвета тестообразной консистенции. Содержание сухого остатка составляло 44% и при этом на 100 мл яичного белка приходилось 4,8 мл крови, 15,5 мл глицерина, 31 грамм эктеола целлюлозы.
Навески материала распластывались шпателем на предметном стекле толщиной 5 мм, накрывались другим стеклом и замораживались. Вначале мы сохраняли приготовленную пасту при температуре -18С в полиэтиленовой пленке в течение длительного времени, как это было рекомендовано в предыдущих исследованиях (Неворотин А.И. и др., 1996; Агапов Д.Г., 1999). Однако в настоящей работе было замечено, что сроки хранения фантома могут ощутимо сказываться на размерах коагулята, что нежелательно из-за угрозы искажения результатов (см. главу "Собственные данные"). Вместе с тем, использовать свежеприготовленный материал сразу же после изготовления не представлялось возможным из-за изначально весьма вязкой консистенции, не позволяющей продвигать испытываемый инструмент с необходимой скоростью. Поэтому в ходе дальнейших исследований мы сократили срок хранения до одних суток и при этом готовили образцы фантома накануне, замораживали их при температуре -18С и, непосредственно перед экспериментом, размораживали образцы в течение часа.
При термическом воздействии на «фантом живой ткани» в зоне непосредственного контакта лазерного волокна или электрода радиочастотного скальпеля происходили абляция участков экспериментального образца и коагуляция участков фантома по краям разреза. Коагулированные участки изменяли цвет, уплотнялись и могли быть выделенными из интактного образца с целью дальнейших измерений. Методика выделения коагулированных участков была упрощена по сравнению с прототипом, образцы фантома погружались в теплую воду (t=40C) и после встряхивания пинцетом отделялись от интактной массы. После высушивания коагулятов производились замеры ширины зоны бокового повреждения или массы точечных коагулятов в зависимости от поставленных задач.
Эксперименты с «фантомом живой ткани»
Операционный материал, а именно, фрагменты мягкого неба, удаленные в процессе проведения увулопалатопластики, фиксировали в 10% растворе нейтрального формалина в течение 3-х суток. После этого из каждого фиксированного препарата вырезали фрагмент в плоскости, перпендикулярной линии разреза. Далее материал обезвоживали в спиртах с восходящей концентрацией и заливали в парафин по стандартной методике. Изготавливали серийные срезы толщиной 5 мкм с каждого блока через всю зону воздействия и прилегающие к ней внешне неизмененные участки ткани. Депарафинированные срезы окрашивали гематоксилином и эозином. Препараты исследовали и фотографировали при увеличении х125 и хЗбО микроскопа «МИКМЕД. 1». Размеры площади исследуемых участков измеряли с помощью окуляр микрометра (х10).
Морфологическая оценка материала включала в себя макроскопический и гистологический анализ. Макроскопически оценивали: 1. наличие четко видимой невооруженным глазом зоны некроза; 2. перинекротическую область; 3. отдаленную от повреждения зону; 4. глубину повреждения.
Микроскопически исследовали степень повреждения эпителия, соединительной ткани, мышечной ткани, микроциркуляторного русла.
При гистологическом исследовании выявляли признаки альтерации а, именно, некроза или дистрофии клеток и межклеточного вещества, а также нарушения микроциркуляции. Критериями гибели клеток по типу некроза были изменения ядер, проявляющиеся в кариопикнозе, кариолизисе и кариорексисе. Признаками клеточной дистрофии считали появление нетипичных для нормальных клеток включений в цитоплазме, таких как разнокалиберные оптически пустые вакуоли и эозинофильные белковые зернистые включений. Измеряли размеры тканевых повреждений как в зоне близкого контакта с инструментом (контактная зона), так и в прилежащих тканях (переходная зона).
В этом разделе представлены результаты ряда экспериментов, направленных на выявление оптимального режима работы полупроводникового лазера (А,=810 нм).
Под оптимальными, с учетом адекватной биометрической обработки материала, подразумевали такие параметры времени и мощности, при которых зона повреждений за пределами абляционного дефекта (кратера при точечном воздействии) в каждом повторном опыте данного эксперимента была бы постоянной по объему. Путем точечного воздействия при мощностях-5, 7.5 и 10 Вт и различных по времени экспозициях (от 2 до 15 сек непрерывного облучения) следуя методике, подробно описанной в предыдущей главе, были получены точечные коагуляты. Затем были произведены замеры их массы. Выстроена линейная зависимость между временем, мощностью воздействия и изменением массы коагулятов (Рис. 4).
Изменения массы коагулята (в миллиграммах) во времени. Функции при мощностях 5,0; 7,5 и 10,0 Вт маркированы штриховой, пунктирной и сплошной линиями соответственно. В интервале от 1 до 8 сек результаты замеров массы коагулятов могут быть аппроксимированы параметрической функцией: M(t)=v(P)t, (1), где Р(Вт) - мощность излучения, v(P) (мг/с) - скорость процесса (изменение массы коагулята за единицу времени), причем если Р= Const., то и v(P)=Const.
Затем был проведен ряд замеров в диапазоне мощностей от 5 до 10 Вт с пошаговым увеличением мощности на 0,5 Вт. Для каждой мощности были построены линейные зависимости изменения массы коагулятов в единицу времени. Далее проведено сопоставление полученных в рамках эксперимента результатов с графическим изображением математической модели (Рис. 5).
Рис.5. Сопоставление результатов, полученных во второй серии, с графическим изображением математической модели. Изменения массы коагулята (мг - указаны по оси "Y") во времени (сек, - указаны по оси "X"). Сплошная линия построена по формуле математической модели, пунктирные-по данным замеров коагулята при использованных мощностях лазера (указаны в верхней части графиков).
Оптимальная аппроксимация экспериментальных данных с расчитанными по формуле (1) наблюдалась при экспозициях до 7 сек, причем при мощности 7,5 Вт (Рис. 56) вероятность совпадения сравниваемых результатов (т.е., реальных с расчетными) наиболее высока (р= 0.97).
Для клинической практики это означает, что именно в таких условиях результаты хирургического вмешательства по объему коагуляции, а, следовательно, и по масштабу послеоперационных тканевых повреждений, окажутся наиболее предсказуемыми из всех других возможных сочетаний указанных параметров. Именно это повышает вероятность примерно одинаковых коагуляционных повреждений на реальных объектах, в первую очередь - на васкуляризированных тканях пациента, включая таковые в органах ЛОР области
Исследование коагуляционных возможностей полупроводникового лазера «АТКУС-15» (А,=810 нм) в импульсном режиме
Что касается импульсного режима, то таковой в оториноларингологии применяют чаще всего для точечных воздействий (Банхаева З.М.,2006). Принимая во внимание незначительное латеральное повреждение тканей, возникающее после воздействия импульсными лазерами (Е.Е. Rebeiz, 1990; P.Janda, 2002), является рациональным испытать и использовать импульсный режим полупроводникового лазера для тех вмешательств, при которых основное значение приобретает не гемостатический эффект, а максимальное снижение зоны глубоких тканевых изменений, соответствующих коагуляции. С этой целью проводилось сравнение зоны латерального повреждения при нанесении линейных разрезов в импульсном и непрерывном режимах в диапазоне мощностей от 5 до 15 Вт и при одинаковой для обоих режимов скорости 2 мм в секунду. При нанесении разрезов в импульсном режиме использовали скважность импульсов 2, длительность импульса 10 мс.
Ширина зоны латеральной коагуляции при воздействии полупроводниковым лазером в постоянном и импульсном режимах (синяя и красная маркировка, соответственно) при скорости нанесения разреза 2 мм в секунду, разброс от средних значений не превосходил 6,5%).
Как и предполагалось, при работе лазером с двумя режимами достоверно меньшее повреждение при одинаковых мощностях возникало в случаях использовании импульсного режима (Рис.10, табл.1)
Таким образом, наши наблюдения совпадают с результатами экспериментов, выполненных ранее на подопытных животных (Rebeiz Е.Е. et al.,1990; Bass L.S.,1991). Из этого следует, что в клинической практике использование импульсного режима полупроводникового лазера при выполнении разрезов целесообразно рекомендовать для достижения прецизионности, когда требуется уменьшить зону бокового повреждения и тем самым избежать выраженных реактивных явлений в послеоперационном периоде. Такие рекомендации актуальны при удалении нодозных образований гортани, папиллом глотки, доброкачественных образований в полости носа. В то же время меньший объем зоны коагуляции неминуемо приведет к не всегда достаточному гемостатичекому эффекту, для усиления которого целесообразно настраивать прибор на непрерывный режим.
Радиочастотный скальпель «СУРГИТРОН» (4,0 МГц) среди хирургических инструментов признан оптимальным для разъединения тканей с минимальными повреждениями прилежащих структур (Н.А.Майстренко,2005). При этом в литературных источниках указывается на удовлетворительный гемостаз в ходе разреза ткани, причем в инструкции по применению рекомендованы методы повышения гемостатического эффекта, в частности, путем замедления скорости нанесения разреза и/или увеличения мощности. Однако, довольно часто используя радиочастотный прибор в своей амбулаторной практике, нам далеко не всегда удавалось достигать желаемого гемостатического эффекта, в том числе следуя рекомендациям инструкции по эксплуатации. Целью настоящего эксперимента явилось определение того, какие именно параметры воздействия и в какой степени могут повлиять на коагуляционные и, следовательно, коагуляционные возможности радиочастотного скальпеля. Как и в предыдущих опытах, образцы фантома живой ткани перемещали при помощи протяжного механизма с различными заданными скоростями. При этом игольчатый электрод устанавливали под углом 60 относительно поверхности экспериментального материала по ходу резания. В результате термического воздействия образовывались линейные коагуляты, которые в дальнейшем выделяли по ранее описанной методике с последующим замером ширины зоны коагуляции (Рис 11).
