Новые технологии в медицине. Лекция

1.

ДИСЦИЛИНА
Новые технологии в медицине
(полное наименование дисциплины без сокращений)
ИНСТИТУТ Институт искусственного интеллекта
КАФЕДРА Биокибернетических систем и технологий
полное наименование кафедры
ВИД УЧЕБНОГО Лекция
МАТЕРИАЛА
(в соответствии с пп.1-11)
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ Пасечник С.В.
(фамилия, имя, отчество)
СЕМЕСТР
1 семестр, 2024-2025 учебный год
(указать семестр обучения, учебный год)

2.

План
• Лекция 1: Направления современной биоинженерии
• Лекция 2: Физические основы использования
электромагнитных полей в биомедицинской диагностике
• Лекция 3: Оптические методы в биомедицинской диагностике
• Лекция 4: Ультразвук в биомедицинской диагностике
• Лекция 5: Микрофлюидные системы: физические принципы
• Лекция 6: Биочиповые технологии и их применение в
биомедицинской диагностике
• Лекция 7: Использование электромагнитных излучений при
терапии онкологических заболеваний: проблемы и способы их
решения
• Лекция 8: Применение лазеров в хирургии: физические
механизмы воздействия на биоткани и примеры реализации.
• Лекция 9: Физические механизмы терапевтического
воздействия ультразвука на системы организма

3.

Рекомендуемая литература:
Основная литература:
1.
2.
3.
4.
Пахарьков Г.Н., Биомедицинская инженерия: проблемы и перспективы : учеб. пособие /
Г.Н. Пахарьков. - СПб. : Политехника, 2011. - 232 с.
Wang, Binseng Medical Equipment Maintenance: Management and Oversight (Synthesis
Lectures on Biomedica Enineering). Morgan&Claypool Publishers, 2012
Mashevsky G.A. Modern Problems of Biomedical and Ecological Engineering: Methodical
instructions for practical work and class projects. Saint-Petersburg, 2016
С.В. Гамаюнов, Н.М. Шахова, А.Н. Денисенко, К.С. Корчагина, Е.В. Гребенкина
Фотодинамическая терапия – преимущества новой методики и организации службы,
Тихоокеанский медицинский журнал, 2014, №2.
Дополнительная литература:
1.
2.
3.
4.
Ультразвук в медицине. Физические основы применения / Бэмбер Дж., Дикинсон Р.,
Эккерсли Р. [и др.] ; ред. Хилл К., Бэмбер Дж., Хаар Г. ; ред. пер. с англ. Гаврилов Л. Р.,
Хохлова В. А., Сапожников О. А. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Физматлит, 2008. - 539 с.
Paul Beard. Biomedical photoacoustic imaging. Interface Focus published online 21 June 2011.
doi: 10.1098/rsfs.2011.0028, p. 1 – 30.
M-X Tang, D.S. Elson, R. Li, C. Dunsby, and R.J. Eckersley. Photoacoustc, thermoacoustics, and
acousto-optics for biomedical imaging. Proc. IMechE Vol. 224 Part H: J. Engineering in
Medicine. JEIM598, p. 291 – 306.
Junjie Yao and Lihong V. Wang. Photoacoustic tomography: fundamentals, advances and
prospects. Contrast Media Mol Imaging. 2011 September; 6(5); 332-345.

4.

Лекция 1: Направления современной
биоинженерии
План лекции
Введение. Предмет дисциплины и ее роль в подготовке магистров;
Основные направления биомедицинской инженерии (БМИ);
Особенности развития БМИ на современном этапе;
Информационная база по новейшим разработкам в области БМИ;
Способы работы с источниками информации;
Заключение.

5.

Введение: предмет и цель освоения
дисциплины
Предмет дисциплины:
• Биомедицинская инженерия, представляет собой широкую
область научных и технических разработок, направленную
на решение актуальных проблем здравоохранения, и
включающую в себя целый ряд основных направлений.
Цель освоения дисциплины:
• Подготовка выпускников к научным исследованиям для
решения задач в области биомедицинской инженерии.

6.

Рынок биомедицинских изделий
• По данным аналитических обзоров (взятые из
информационного
ресурса:
http://www.reportlinker.com/p0570358/World-Medical-MarketForecasts-to-2017 ) объем мирового рынка биомедицинского
оборудования и изделий в 2012 году составлял 307,7 млрд.
долларов США, а согласно сделанному тогда прогнозу он
должен был в худшем сценарии превысить 350 млрд.
долларов США к 2016 году. При этом наилучшие
перспективы имеются у развивающихся рынков Азии,
Латинской Америки и Центральной/Восточной Европы, в
то время на традиционных западных рынках ожидался
более умеренный рост (на долю РФ в 2012 г. приходилось 3
млрд. долларов США).

7.

Основные направления
биомедицинской инженерии
Медицинская инженерия, направленная на разработку новых
методов и создание
соответствующих устройств диагностики,
терапии и хирургии.
Реабилитационная инженерия, занимающаяся исследованиями,
проектированием
и
производством
технических
устройств,
предназначенных для использования людьми с ограниченными
возможностями.
Биоинформационная инженерия, направленная на создание
специфических информационных продуктов, таких как проблемно
ориентированных баз данных для отдельных медицинских
учреждений и системы здравоохранения.
Телемедицина - это направление на стыке нескольких областей медицины, телекоммуникаций, информационных технологий.

8.

Сессия РАН 31.01.2018.
Основные направления биомедицинской
инженерии

9.

Особенности развития БМИ на
современном этапе
Ускоренное внедрение новейших достижений науки и
техники в устройства диагностики, терапии и хирургии.
Комплексный характер проводимых диагностических
исследований, терапевтических процедур и хирургических
операций.
Широкое применение компьютеризированных комплексов
для
анализа
полученной
медико-биологической
информации
и
управления
терапевтическими
процедурами и хирургическими операциями.

10.

Пример:
комбинированная ФДТ/ФТТ терапия
Nanographene oxide-methylene blue as phototherapies
platform for breasttumor ablation and metastasis
prevention in asyngeneic orthotopic murine model (M. S.
Costa dos Santos et al., J Nanobiotechnol (2018) s12951018-0333-62). В фотодинамической терапии (ФДТ)
фотосенсибилизатор поглощает свет и продуцирует
реакционноспособные виды кислорода, что вызывает
повреждение раковых клеток. В фототермической
терапии (ФTT) свет также отвечает за активацию
фототермического
агента,
который
преобразует
поглощенную
энергию
в
тепло.
Лечение
комбинированной
терапией
способствовало
полной абляции опухоли и предотвращению появления
метастаз, тогда как только ФДТ или РТТ не смогли
остановить развитие опухоли.

11.

Комбинированная ФДТ/ФTT терапия
Микроизображение листков диоксида графена
(слева) и распределение температуры (справа)
• Внедрение
новых
достижений:
открытие
графена
(Нобелевская премия по физике за 2010 год Андрей Гейм и
Константин Новосёлов)
• Комплексный характер терапии: сочетание фотодинамической
терапии (ФДТ) и фототермической терапии (PTT)

12.

Информационная база по новейшим
разработкам в области БМИ
Отечественные
журналы
и
сайты
ведущих
исследовательских институтов РАН ( например, ИРЭ РАН
http://www.cplire.ru/rus/)
Зарубежные
периодические
издания
и
сайты
зарубежных
университетов
(например,http://www.scimagojr.com/journalrank.php?catego
ry=2204)
Материалы Российских и международных конференций.
Патенты
Сайты производителей биомедицинской техники в РФ и
за рубежом

13.

Пример зарубежных периодических
изданий

14.

Пример: сайт ИРЭ РАН

15.

Лекция 2:
Физические основы использования
электромагнитных полей в
биомедицинской диагностике
План лекции
Введение.
Новые
перспективы
использования
электромагнитных полей в медицинской
электроимпедансной томографии;
квазистационарных
диагностике; метод
Методы регистрации сверх слабых магнитных полей человека.
Магнитокардиография и магнитоэнцефалография;
Диагностическая система НЕОКОРТЕК _ С
СВЧ диагностика тепловых полей организма;
Применение ТГц излучения в биомедицинской диагностике и контроле
лекарственных средств.
Заключение.

16.

Метод электроимпедансной
томографии
•ЭИТ - методика, позволяющая визуализировать пространственное
распределение электрического импеданса (или проводимости) внутри
объекта, в частности, внутри тела человека, по результатам неинвазивных
электрических измерений.
•Зондирующий фактор: слабый (около 0.5 мА) электрический ток
(постоянный или низкочастотный (10-50 кГц)), протекающий между
набором электродов (например – 256 электродов на окружности диаметром
12 см придиагностике молочной железы или 64 электрода – при
диагностике грудной клетки.
•Измеряемая величина: электрический потенциал в различных точках
поверхности биообъекта.
•Решаемые проблемы: разработка аппаратуры для высокоточных измерений
измерения и алгоритма быстрой реконструкции пространственного
распределения электропроводности, что обеспечивает визуализацию
различных процессов (например, сокращение сердечной мышцы) в
реальном масштабе времени.
•Преимущества: безвредность, простота и низкая стоимость обследования.
Возможна замена рентгенологического исследования при диагностике ряда
заболеваний (например, рак легких).
•Недостатки: низкое пространственное разрешение

17.

Магнитоиндукционная томография
(МИТ) и электрополевая томография
(ЭПТ)
МИТ - используется взаимодействие переменного магнитного поля с
проводящей средой. Такое поле, которое может возбуждаться и
регистрироваться с помощью компактных катушек, расположенных вокруг
объекта, подвергается возмущению под воздействием вихревых токов,
возникающих в объекте. Распределение электропроводности (и
диэлектрической проницаемости) в объекте может быть реконструировано
по результатам измерений возмущенного поля вне объекта.
ЭПТ - использует взаимодействие высокочастотного электрического поля
с неоднородной проводящей средой без контакта с электродами. В отличие
от электроимпедансной томографии здесь отсутствует инжекция
электрического тока в среду извне. Взаимодействие сопровождается
высокочастотным перераспределением свободных зарядов внутри среды и
приводит к небольшим фазовым сдвигам электрического поля в
пространстве окружающем объект. Такого типа явления часто называют
Максвелл-Вагнеровской релаксацией. Измеряя возмущения поля с
помощью набора электродов, расположенных вокруг объекта, можно
реконструировать внутреннюю структуру среды.

18.

Методы магнитокардиогрфии (МКГ)
и магнитоэнцефлографии
(МЭГ)
Физическая основа – регистрация магнитных полей,
генерируемых сердечной мышцей и головным мозгом.
• Метод регистрации- использование сверхпроводящих СКВИД
градиентных датчиков, для регистрации сверхслабых полей
(индукция полей в миллионы раз меньше индукции поля Земли
-1 Гс)
•Преимущества – в отличие от электрического поля, биоткани
не экранируют магнитные поля
•Пример реализации – диагностика сердечной деятельности
плода и матери.

19.

Диагностическая система
НЕОКОРТЕК _ С
•Система НЕОКОРТЕК-С предназначена для регистрации и
анализа фоновой электроэнцефалограммы (ЭЭГ) и вызванных
потенциалов (ВП) - слуховых, зрительных и когнитивных – т.е. для
исследования и диагностики центральной нервной системы
(ЦНС).
•Одновременно с биопотенциалами мозга человека система
позволяет регистрировать электроокулограмму (ЭОГ),
поверхностную электромиограмму (ЭМГ) и электрокардиограмму
(ЭКГ), а при наличии видео-камеры проводить синхронную
•Видео-запись пациента (видео-ЭЭГ) и её последующий просмотр.

20.

Диагностическая система
НЕОКОРТЕК _ С: ЭЭГ диаграммы и
спектральный анализ

21.

Диагностическая система
НЕОКОРТЕК _ С: картирование
спектральной мощности

22.

Микроволновая (СВЧ)
радиотермометрия: принцип
действия
• Микроволновая радиотермография позволяет измерять собственное
электромагнитное излучение внутренних
тканей человека
в
микроволновом диапазоне и визуализировать результаты измерения в
виде полей температур. Интенсивность
излучения тканей в
микроволновом диапазоне пропорциональна их температуре.
• Тепловые аномалии во внутренних тканях –
первый признак
злокачественного
роста,
воспаления,
нарушение
кровотока,
дегенеративных явлений.

23.

Микроволновая (СВЧ)
радиотермометрия: проблема
диагностики рака молочной железы
Сегодня в России отсутствует эффективная система
инструментального скрининга рака молочной железы в возрастной
группе 20-40 лет
Рентген маммография (40-60 лет)
Недостатки:
•наличие ионизирующего облучения,
•болезненная процедура;
•низкая эффективность высокий процент не
выявленных быстрорастущих раков

24.

Микроволновая (СВЧ)
радиотермометрия:
основные преимущества
Отсутствие лучевой нагрузки, возможность проведения
многократных измерений
Высокая чувствительность метода
Выявление патологий на ранней стадии (тепловые изменения
наступают на несколько лет раньше, чем структурные
изменения, которые фиксируются с помощью рентген
маммографии и ультразвуковых обследований
Наглядность представления результатов
Простота и компактность аппаратуры
В отличие от традиционной инфракрасной термографии,
которая визуализирует температуру кожи, микроволновая
радиотермография позволяет неинвазивно выявлять
тепловые аномалии на глубине нескольких сантиметров.

25.

Микроволновая (СВЧ)
радиотермометрия
Визуализация температуры головного мозга в
процессе лечения инсульта
Поле внутренних температур
головного мозга в норме
Поле внутренних температур
головного мозга при ишемическом
инсульте

26.

Микроволновая (СВЧ)
радиотермометрия: диагностика
меланомы кожи
Меланома кожи левого плеча pT2N0M0 1ст
Внешний вид
Поле температур
Обследовано 402 пациента с раком кожи
Чувствительность метода 98%
Специфичность 96%

27.

Субмикроволновая (ТГц)
диагностика: особенности ТГц
излучения
Диапазон частот/длин волн – 0,3…10 ТГц /1мм…30мкм
Слабое затухание в диэлектрических средах
Сильное поглощение в воде и водосодержащих
материалах
Наличие специальных полос поглощения, позволяющих
идентифицировать химическое строение объекта.
При 0.5 ТГц глубина проникновения – 0.5 мм (вода), 0.6
мм(кожа), 6 мм (жировая ткань).
Диагностика – только на отражении волны от
биообъекта

28.

Субмикроволновая (ТГц)
диагностика рака
Преимущества:
Высокое разрешение
Возможность ранней диагностики
Возможность диагностики опухолей, неразличимых на рентгеновских
снимках
Фото ткани, ТГц изображение

29.

Субмикроволновая (ТГц)
диагностика: спектроскопия ткани
груди

30.

Лекция 3: Оптические методы в
биомедицинской диагностике
План лекции
Введение.
Использование теплового ИК излучения тела человека в биомедицинской диагностике;
Основные механизмы взаимодействия низкоэнергетического излучения видимого и
ближнего ИК диапазонов с биотканями;
Спектроскопия рассеяния света в медицинской диагностике;
Флуоресцентная спектроскопия кожи человека;
Эффект Доплера как основа мониторинга потоков крови в сердечно-сосудистой системе;
Оптическая диагностика деятельности центральной нервной системы: нейрофотоника;
Воздействие ультрафиолетового излучения человека: способы контроля и защиты;
Заключение.

31.

Основные механизмы взаимодействия
низкоэнергетического излучения
видимого и ближнего ИК диапазонов с
биотканями
Основные механизмы потери энергии световой
волны:
•Поглощение света хромофорами с последующим
преобразованием в тепло или в энергию вторичных
квантов (флуоресцнция, комбинационное рассеяние)
• Рассеяние света на пространственных структурах
(клетках, клеточных органеллах, мембранах клеток)

32.

Прохождение оптического излучения
через кожный покров

33.

Прохождение оптического излучения через
кожный покров
Спектры пропускания поверхностных тканей организма (1–роговый слой
0,03 мм; 2–слой эпидермиса 0,05мм; 3–слой кожи 2 мм; 4–слой кожи 25 мм)

34.

Поглощение света хромофорами биомолекул
Спектральные диапазоны поглощения основных хромофоров кожи. Для
хромофоров, помеченных звездочкой, определены на уровне полуширины

35.

Спектроскопия рассеяния света в медицинской
диагностике
Пример оборудования, использованного для получения спектров отражения
о опухoлей кожи in situ

36.

Применение поляризационного излучения в
биомедицинской диагностике.
Схема системы для поляризационной СРС

37.

Применение поляризационного излучения в
биомедицинской диагностике.
Изображение веснушки в неполяризованном свете (слева)
и ее изображение с использованием в качестве параметра
визуализации степени поляризации. Поляризационная
визуализация удаляет меланин из веснушки. Меланосомы
веснушки не проявляются в изображении.

38.

Применение поляризационного излучения в
биомедицинской диагностике.
Доброкачественная пигментированная nevus. На поляризационном
изображении (справа) отсутствует меланин, но видна структура nevus

39.

Флуоресцентная спектроскопия кожи человека.
Микроспектроскопическая
установка
для
возбуждения
флуоресценции и спектроскопии испускания с дополнительным
сквозным освещением: М1 – зеркало, М2 – дихроичное зеркало.

40.

Оптическая диагностика деятельности
центральной нервной системы:
нейрофотоника.

41.

Прохождение УФ излучения через атмосферу
Зависимость относительной интенсивности УФ–излучения Солнца над
земной атмосферой (1) и после ее прохождения (2) от длины волны
излучения.

42.

Области УФ излучения
•бактерицидная область – УФС (200–280 нм) – полностью задерживается озоновым
слоем – вызывает эритему, загар, канцерогенез, мутации, бактерицидный эффект;
•эритемная область – УФВ (280–320 нм) – частично задерживается озоновым
слоем, на 70% отражается роговым слоем кожи, на 20 % ослабляется при
прохождении через эпидермис (в дерму проникает менее 10%). На данную область
приходится не более 1,5 % энергии солнечного излучения.
•антирахитная область – УФА (320–380 нм) – не задерживается озоновым слоем,
проходит сквозь роговой слой кожи. За счет поглощения, отражения и рассеивания
при прохождении через эпидермис в дерму проникает только 20–30% УФА. На
данную область приходится не более 6–7% энергии солнечного излучения

43.

Каналы воздействия УФ излучения на
организм человека

44.

Биологическое действие УФ А и УФ В
излучения
Эффекты
Немедленная пигментация
Солнечный ожог
Загар
Фототоксическое действие
Иммуносупрессия (угнетение иммунитета)
Фотостарение
Канцерогенез
УФВ
УФА
нет
да
да
да
да
да
да
да
слабо
да
да
да
да
да

45.

Лекция 4: Ультразвук в
биомедицинской диагностике
План лекции
Введение.
Физические основы ультразвуковой диагностики.
Механизмы взаимодействия ультразвука с биотканями.
Виды ультразвуковых исследований в медицине.
Сравнение методов ультразвуковой и электромагнитной диагностики:
аналогии и отличия.
Проблемы ультразвуковой диагностики
Заключение.

46.

Введение
• Приборы ультразвуковой диагностики занимают
существенную часть рынка диагностической
аппаратуры. Кроме того, ультразвук находит
широкое применение в терапии и хирургии.

47.

Физические основы ультразвуковой
диагностики
Ультразвук – распространяющиеся в пространстве
колебания среды с частотами выше 20 кГц.
механические
Типы ультразвуковых волн:
- Продольные – смещение частиц происходит в направлении
распространения волны (костные ткани, мягкие ткани, биожидкости)
- Сдвиговые – смещение частиц происходит в направлении,
перпендикулярном направлению распространения волны (костные
ткани)
- Поверхностные – распространяются вдоль границы двух сред (костная
ткань - мышечная ткань)
Большинство УЗ сканеров работают на явлении отражения УЗ от границы
раздела двух сред с различными акустическими импедансами на
явлении рассеяния УЗ на движущихся клеточных структурах
(эритроциты крови)

48.

Механизмы взаимодействия
ультразвука с биотканями
Основные механизмы:
1. Поглощение ультразвука биотканями (растет с увеличением частоты УЗ,
обусловлено сдвиговой вязкостью и релаксационными процессами);
результат: уменьшение амплитуды волны и нагрев биоткани
2. Рассеяние УЗ на неоднородностях (играет существенную роль при длинах
волн, сравнимых с размерами неоднородностей); результат: уменьшение
амплитуды волны
3. Возникновение акустических потоков во внутриклеточной и
межклеточной средах; результат: ускорение обменных процессов,
деформация клеточных мембран, смещение внутриклеточных органелл
4. Акустическая кавитация – нарушение сплошности среды и возникновение
кавитационных полостей; резульатат: разрыв клеточных мембран, гибель
клеток
В УЗ диагностике основную роль играют линейные механизмы (поглощение
и рассеяние ультразвука)

49.

Виды ультразвуковых исследований
в медицине
• Энцефалография – метод определения опухолей и отека
головного мозга.
• Ультразвуковая кардиография – измерение объёмов
сердца в динамике.
• Ультразвуковая локация (в офтальмологии) – определение
размеров глазных сред.
• УЗИ плода
• УЗИ брюшной полости

50.

Ультразвуковая кардиография

51.

УЗИ плода

52.

Сравнение методов ультразвуковой
и электромагнитной диагностики
Аналогии:
•В обоих случаях используются волновые процессы
•Неспецифические эффекты: нагрев биотканей за счет поглощения
ультразвука и уменьшение амплитуды волны за счет поглощения и
рассеяния на пространственных неоднородностях.
•Существование релаксационных процессов, приводящих к диссипации
энергии волны
Отличия:
•Различные частотные диапазоны при одинаковых длинах волн ( УЗ – МГц,
ЭМП – ТГц)
•Большая глубина проникновения УЗ волн в сочетании с высоким
разрешением
•Различие в физической природе релаксационных механизмов
•Различие в выражениях для импедансов ЭМ волн и УЗ волн

53.

Проблемы ультразвуковой
диагностики
•Улучшение пространственного разрешения ( способ – повышение частоты
УЗ)
•Обработка УЗ изображений ( способ – восстановление изображений с
помощью компьютерной обработки сигналов)
•Разработка методов и алгоритмов ультразвуковой томографии (способмногопозиционное сканирование, компьютерная обработка)
• Хилл К. Применение ультразвука в медицине: Физические основы Пер. с
англ. - М: Мир,1989. - 589с.
•Осипов Л.В. Ультразвуковые диагностические приборы. Режимы, методы
и технологии Москва: Изомед, 2011. — 316

54.

Лекция 5: Микрофлюидные
системы: физические принципы
План лекции
Введение.
Физические основы микрофлюидной технологии.
Физические явления в микрофлюидиках
Потоки Пуазейля и электроосмотические потоки
Капиллярные силы
Способы реализации капельных потоков
Способы смешивания капель
Заключение.

55.

Введение
Микрофлюидная система – компактное устройство,
которое
оперирует
небольшим
количеством
жидкости, используя каналы с размерами десятки сотни микрон.
Направления микрофлюидики:
- Цифровая (управление движением капель на
подложке)
- Капельная (формирование капель в жидкой среде,
перемещение их по закрытым каналам в различные
области микрочипа)
- Сегментированные потоки

56.

Физические основы
микрофлюидных технологий
Микрофлюидика – это междисциплинарная наука, включающая в себя
такие разделы, как физика, гидродинамика, тепло-массобмен,
кинетика реакции, биология и инженерные дисциплины
Физические явления в микрофлюидиках:
- поток жидкости в канале прямоугольного сечения под действием
градиента давления (поток Пуазейля)
Объемный расход Q=dV/dT = ΔP/Z
Z = η/К –
гидродинамическое сопротивление
η – вязкость , К –постоянная капилляра
Плоский капилляр
Цилиндр (радиус r)
(зазор d, ширина А,
длина L)
Аналог – закон Ома I = U/R

57.

Физические основы
микрофлюидных технологий
Физические явления в микрофлюидиках:
- Поток жидкости в канале прямоугольного сечения
под действием постоянного электрического поля
(электроосмотический поток)
Е – напряженность поля,
ζ – дзета потенциал (10…100 мВ)
k = 1/l, l ~1/√c – длина Дебая,
с- концентрация ионов

58.

Физические основы
микрофлюидных технологий
Пример электроосмотического потока:
- Поток изотропной жидкости и жидкого кристалла 5 СВ в
пористой полимерной пленке (через образец пленки –слева;
через единичные поры – справа)

59.

Физические основы
микрофлюидных технологий
Капиллярные силы:
-Капиллярное давление на границе раздела двух сред ( σ- коэффициент
поверхностного натяжения, ϴ - краевой угол, R – радиус кривизны);
-ϴ <<π/2 - хорошее смачивание ϴ> π/2 – плохое смачивание .
-Следствия:
-(1) при малых размеров капилляра могут возникнуть большие
капиллярные силы, препятствующие заполнению капилляра;
-(2) образование капель при смешении двух жидкостей в микроканалах

60.

Способы реализации капельных потоков

61.

Способы смешивания капель

62.

Способы смешивания капель

63.

64.

65.

Лекция 6: Биочиповые технологии и
их применение в биомедицинской
диагностике
План лекции
Введение.
Биочиповые технологии и их применение в биомедицинской диагностике
Принципы построения биочипов.
Виды биочипов и области их применения
Биохимические биочипы.
ДНК-биочипы. Тканевые биочипы
Заключение.

66.

Введение
• Биологические чипы – эффективная технология 21 века,
позволяющая быстро и
в компактном формате
анализировать
сотни
или
тысячи
образцов
одновременно.
• С помощью биочипов можно быстро и надежно
идентифицировать важные внутриклеточные процессы,
анализировать
генетическую
информацию
и обнаруживать биологически значимые молекулы.

67.

Биочип
Биологический микрочип, биочип (biochip, греч. bio(s) —
жизнь и logos — понятие, учение; греч. mikros — маленький
и англ. chip — осколок) - пластинка-носитель, на которой в
определенном порядке расположены многочисленные ячейки
(до
несколько
десятков
тыс.)
с
различными
иммобилизованными
в
них
одноцепочечными
олигонуклеотидами или олигопептидами, каждый из которых
способен избирательно связывать определенное вещество,
содержащееся в сложной смеси в анализируемом растворе.

68.

Применение биочипов

69.

Принцип работы
• На
матричную
подложку
иммобилизуют
одноцепочечный
олигонуклеотид (пробу). При добавлении к микрочипу меченных
флюоресцентными красителями фрагментов ДНК, например генома
человека, происходит их высокоспецифичное взаимодействие.
• В случае комплементарного связывания пробы с фрагментом ДНК в
соответствующем элементе чипа наблюдается свечение.

70.

Назначение
1) аналитические,
2) функциональные
3) чипы
с обращенной
фазой

71.

Виды биочипов
Биочипы
Биохимические
микрочипы
Углеводные микрочипы
Тканевые микрочипы
ДНК-микрочипы
Белковые и пептидные
чипы

72.

Биохимические микрочипы
• В основе применения микрочипов лежит принцип быстрого
определения взаимодействий тех или иных лигандов со множеством
различных зондов одновременно. Собственно биологические
микрочипы представляют собой ту или иную твердую подложку, на
которой нанесены или определенные фрагменты нуклеиновых кислот,
или белки, или углеводы, или какие-либо иные молекулы-зонды,
способные быть узнанными или проявлять биологическую
активность. Количество различных зондов на подложке может
достигать сотен тысяч, причем чипы каждого типа строго идентичны
и при существующих технологиях могут быть реплицированы в
сотнях тысяч и миллионах копий нанесенных на подложку.

73.

ДНК-микрочипы
• ДНК–чипы представляют собой уникальный аналитический
инструмент, позволяющий определять наличие в анализируемом
образце (как правило, биологического происхождения) заданных
последовательностей ДНК (т.н. гибридизационный анализ).
Проведение анализа с помощью ДНК–чипов обходится в несколько
раз дешевле, чем при использовании альтернативных технологий
(электрофорез, ПЦР в реальном времени) и допускает, при наличии
детектора несложной конструкции, работу вне лаборатории.
• ДНК–чип представляет собой твердую подложку, на которой
иммобилизованы (как правило, ковалентно) однонитевые фрагменты
ДНК разной длины: короткие – 15-25 нуклеотидов, длинные – 25-60
нуклеотидов и кДНК фрагменты – от 100 до 3000 нуклеотидов. В
качестве материала подложки используют стекло, кремний, различные
полимеры, гидрогели (например, на основе полиакриламида) и даже
золото. Наиболее распространенные подложки – из стекла.

74.

Белковые и пептидные чипы
• Для анализа продуктов трансляции генов используют чипы,
построенных на основе полипептидов. Большинство лекарственных
мишеней являются белками, следовательно, белковые и пептидные
чипы могут быть полезны для поиска новых лекарств. Белковые
микрочипы могут оказаться чрезвычайно полезными в медицине в
качестве миниатюрных аналитических систем для определения
иммунного статуса организма, выявления аллергической
сенсибилизации и идентификации специфических аллергенов.
Микрочипы, представляющие собрание основных антигенов главных
патогенных организмов (бактерии, грибы и вирусы), позволяют
анализировать образцы крови на присутствие одновременно сотен,
тысяч антител и быстро идентифицировать инфекции.

75.

Углеводные микрочипы
• Многие природные биомолекулы (белки, липиды) модифицированы
сахарными остатками. Часто биологические процессы включают
связывание сахаров с рецепторами, и микрочипы могут стать важным
инструментом в исследовании таких взаимодействий. Гликолипиды,
нанесенные на нитроцеллюлозу или поливинилиденфторид, представляют
пример углеводных микрочипов.
• Эти гликолипиды взаимодействуют с белками с известной углеводсвязывающей специфичностью для подтверждения предсказанных
олигосахарид-белковых взаимодействий. Связывание углеводов с
мембранами регистрируют с помощью флуоресцентно меченых
гликолипидов. Таким образом, по взаимодействию олигосахаридов,
последовательность которых известна, с мембраной могут быть
идентифицированы конкретные связанные с сахарами белковые мотивы. И,
наоборот, путем связывания неизвестных олигосахаридов с мембраной
можно отобрать белки с известной структурой, чтобы определить, с какими
олигосахаридами они связаны.

76.

Тканевые микрочипы
• Изготовление микрочипа включает объединение до тысячи иголочных
биопсий, взятых из помещенных в парафин образцов ткани, в
парафиновом блоке с определенными координатами. Из этого блока
делается до 300 срезов, которые переносятся на стекло для
прокрашивания и анализа. Таким образом, из одного блока может
быть произведено до 300 тысяч анализов.При этом такой способ
вызывает минимальное повреждение ткани.
• Тканевые микрочипы довольно активно используются для поиска
маркеров, ассоциированных с теми или иными заболеваниями, в
первую очередь, с онкологическими. Показаны примеры успешного
применения тканевых чипов для анализа аутоиммунных заболеваний,
сердечной недостаточности, диабета и нейродегенеративных
патологий.

77.

Лекция 7: Использование
электромагнитных излучений при
терапии онкологических заболеваний:
проблемы и способы их решения.
План лекции
Введение.
Механизмы терапевтического воздействие электромагнитных излучений
различных спектральных диапазонов на злокачественные новообразования.
Тепловая абляция биотканей с помощью низкочастотных электромагнитных
полей.
Использование СВЧ диапазона для дистанционного нагрева поврежденных
биоструктур.
Принципы фотодинамической терапии.
Заключение.

78.

Введение
• За последнее время возник и быстро сформировался новый фактор
окружающей среды – электромагнитное поле (ЭМП) антропогенного
(искусственного) происхождения.
• К его источникам относят все типы радиотехнических объектов,
аппараты сотовой связи, телевизоры, радиоприемники, компьютеры,
микроволновые печи, а также промышленное, медицинское, торговое
оборудование и др.

79.

Краткая характеристика ЭМП
Электромагнитное поле – это особая форма материи,
посредством которой осуществляется взаимодействие между
электрическими заряженными частицами.
Основными величинами, определяющими электромагнитное
поле, являются вектор электрической напряженности поля Е и
вектор магнитной напряженности поля Н.
Физические причины существования ЭМП связаны с тем, что
изменяющееся во времени электрическое поле Е порождает
магнитное Н, а изменяющееся Н – вихревое электрическое поле Е:
обе компоненты Е и Н, непрерывно изменяются, возбуждают друг
друга.
При ускоренном движении заряженных частиц, ЭМП
«отрывается» от них и существует независимо в форме
электромагнитных волн, не исчезая с устранением источника.

80.

Применение ЭМП
• Электромагнитные излучения различной частоты достаточно широко
используются в различных областях биологии и медицины.
Сложившееся представление о преимущественно стимулирующем
влиянии высокочастотных физических факторов, особенно с тепловым
компонентом действия, в определенной степени служило тормозом для
использования электромагнитных излучений в терапии опухолей. В
последние десятилетия появились сведения о применении в онкологии
не только интенсивных, но и малоинтенсивных электромагнитных
полей различного диапазона и высокочастотных токов, что повышает
интерес к этим физическим факторам не только онкологов, но и врачей
других специальностей.

81.

Электромагнитотерапия в медицине
Среди современных методов физической медицины особое место
занимает
высокочастотная
электротерапия,
прежде
всего
электромагнитотерапия (СВЧ-терапия, микроволновая терапия),
основанная на использовании с лечебно-профилактическими целями
электромагнитных волн сверхвысокой частоты (микроволны).
Основным действующим фактором всех методов высокочастотной
электротерапии считается переменный ток, который либо
непосредственно подводится к телу пациента, либо возникает в
тканях и средах организма под влиянием переменных
высокочастотных полей или электромагнитных колебаний (как при
микроволновой терапии).
В спектре радиоволн микроволны занимают промежуточное
положение между ультракороткими волнами (3O—3OO МГц),
которые также используются в некоторых технологиях лечения
опухолей, и инфракрасными лучами (76O—1OOOO нм), причем по
своим физическим свойствам они приближаются к свету.

82.

Методы СВЧ-терапии
В настоящее время разработаны и применяются в медицине три
метода СВЧ-терапии: дециметроволновая терапия (ДМВ-терапия),
сантиметроволновая терапия (СМВ-терапия) и миллиметроволновая
терапия (ММВ-терапия или КВЧ-терапия).
Воздействие
микроволнами
сопровождается
отражением,
проникновением и поглощением их энергии, зависящими от длины
волны. Для выбора метода важное значение имеет глубина
проникновения микроволн в ткани организма. Принято считать, что
миллиметровые волны поглощаются самыми поверхностными слоями
кожи, сантиметровые волны — кожей и подкожно-жировой клетчаткой, а
дециметровые — мышцами и внутренними органами. В среднем
миллиметровые волны проникают на глубину до 1—2 мм, сантиметровые
— 3—5 см, а дециметровые — 8— 1O см.

83.

Физиологические и лечебные действия
В основе физиологического и лечебного действия сверхвысокочастотных
электрических колебаний лежит их взаимодействие с электрически заряженными
частицами
биологических
тканей,
сопровождающееся
дозозависимыми
специфическим (осцилляторным) и неспецифическим (тепловым) эффектами. Тепло
в тканях при действии СВЧ-колебаний образуется вследствие трения и соударений
при колебательном движении ионов (ток проводимости) и поворотах дипольных
молекул (ток смещения, или ток поляризации). Количество образующегося тепла
определяется как параметрами действующего физического фактора, так и
биофизическими свойствами тканей, поэтому нагрев последних при микроволновой
терапии носит избирательный (селективный) характер. Преимущественно
поглощают и нагреваются те ткани или даже отдельные клеточные структуры, для
которых частота действующего фактора будет находиться ближе к избирательной.
Повышение температуры в тканях сопровождается гиперемией, повышением
проницаемости гистогематических барьеров, усилением микроциркуляции,
стимуляцией обмена веществ и другими биологически значимыми процессами. При
использовании электромагнитного излучения (ЭМИ) высокой интенсивности
возможно значительное повышение температуры в тканях, приводящее к их
повреждению вплоть до коагуляционного некроза, что можно использовать,
например, для абляции опухолей в онкологии.

84.

Микроволны
в
небольших
дозировках
оказывают
противовоспалительное,
сосудорасширяющее,
иммуномодулирующее, болеутоляющее действие, что определяет их
использование при заболеваниях различных органов и систем
воспалительного, обменного и аллергического характера. Эти
лечебные эффекты, как показывают исследования последних лет,
могут представлять интерес и для онкологии, прежде всего для
лечения сопутствующих заболеваний и при реабилитации больных
со злокачественными опухолями.
При использовании микроволн повышенной интенсивности в их
действии на организм преобладают тепловые эффекты, которые в
зависимости от степени повышения температуры тканей могут
сопровождаться либо изменениями клеточного гомеостаза и
повышением резистентности клеток (38—43°С), либо коагуляцией
белка (более 50 °С), что можно использовать, как уже отмечалось,
для абляции (вапоризации) злокачественных новообразований.
Следует, что в онкологии для решения различных лечебнореабилитационных задач могут применяться как слабые, так и
сильные электромагнитные поля радиочастотного диапазона.

85.

Высокоинтенсивная радиочастотная
терапия в онкологии
• Высокоинтенсивные
электромагнитные
волны
радиочастотного диапазона наиболее часто используются
для локального нагрева (гипертермия) злокачественных
опухолей. В настоящее время электромагнитная
гипертермия во многих странах рассматривается как один
из перспективных способов повышения эффективности
лучевой и комбинированной терапии онкологических
больных. Это связано с тем, что при гипертермии в
основном повреждаются опухолевые клетки, находящиеся
в состоянии гипоксии и S-фазе митотического цикла, то
есть клетки, наиболее устойчивые к действию
ионизирующего излучения. В то же время она подавляет
способность клеток к репарации после воздействия
ионизирующей радиацией или введения химиопрепаратов.

86.

Использование микроволн низкой
интенсивности в онкологии
Среди микроволн низкой интенсивности, изучаемых с целью
применения в комплексном лечении злокачественных опухолей,
наибольшего внимания заслуживает ЭМИ крайне высокой частоты (КВЧ,
миллиметровые волны).
При использовании ЭМИ КВЧ у больных отмечено следующее:
1)
в процессе лечения и ближайшие 1—3 нед положительная
клиническая динамика выявляется у большинства больных.
Существенное повышение качества жизни наблюдается в 82% случаев;
2)
КВЧ-терапия позволяет купировать основные клинические
симптомы у онкологических больных и по эффективности не уступает
традиционному в таких случаях медикаментозному лечению;
3)
у некоторых больных наблюдается стабилизация или редукция
опухолевого процесса и переход инкурабельной формы в курабельную;
4) в ходе проводимого лечения злокачественная опухоль может терять
свою злокачественность, а именно способность к метастазированию и
инвазивному росту.

87.

Лечение доброкачественных и
злокачественных опухолей
• При лечении доброкачественных опухолей используют как монотерапию
ЭМИ КВЧ, так и комбинированное лечение с применением
миллиметровых волн. Эффективное использования КВЧ-терапии
наблюдается у больных с полипами желудка, миомой матки и
доброкачественными эпителиальными опухолями яичников.
• При злокачественных новообразованиях КВЧ-терапия применялась в
комплексе с хирургическим лечением или наряду с химио- и
радиотерапией. У больных злокачественной меланомой кожи КВЧтерапия обычно проводилась после хирургического удаления первичного
очага.

88.

Фотодинамическая терапия
• Фотодинамическая терапия – современный,
клинически
обоснованный,
минимальноинвазивный терапевтический
метод,
базирующийся
на
принципе
селективного
цитотоксического
повреждения опухолей.

89.

Преимущества
Минимальная токсичность для окружающих здоровых тканей
Незначительные системные эффекты,
Отсутствие механизмов первичной и приобретенной резистентности
Возможность амбулаторного проведения процедуры
Низкий уровень болевых ощущений (в большинстве случаев не
требуется обезболивания),
Легкость при формировании фигурных полей,
Возможность комбинации с другими методами лечебного воздействия,
Отсутствие лимитирующих кумулятивных доз фотосенсибилизатора и
светового воздействия и возможность многократного повторения,
процедуры
Удобство применения при множественном характере поражения

90.

Недостатки
- Ограниченная глубина проникновения лазерного света
(4–8 мм в зависимости от длины волны)
- Зависимость эффективности процедуры от
кровоснабжения и степени оксигенации опухоли
- Отсутствие морфологического контроля
- Высокая стоимость фотосенсибилизаторов
- Эмпирический характер подбора режимов воздействия

91.

Основные этапы фотодинамической
терапии рака
а – введение сенсибилизатора в организм;
б – накопление сенсибилизатора в опухоли, диагностика опухоли;
в – облучение пораженного участка красным светом;
г – некроз опухоли

92.

Сущность терапии
В процессе подготовки к лечению пациенту вводятся внутривенно
специальные фотосенсбилизаторы.
Эти вещества накапливаются в клетках опухоли через несколько часов или
несколько десятков часов после введения. Далее, пораженные раком ткани
облучают с помощью лазера с определенной длинной волны. Молекулы
фотосенсбилизаторов, находящиеся в раковой опухоли под действием такого
излучения распадаются и в результате этого распада образуются свободные
высокоактивные радикалы.
Продукты распада приводят к апоптозу (регулируемый процесс клеточной
гибели – клетка распадается на отдельные тельца) и некрозу раковых
клеток. За счет этого достигается излечение или значительное улучшение
состояния больного.
Глубина расположения опухоли не имеет значения так как, если опухоль
расположена глубоко, то доступ света к ней осуществляется через
специальные световоды – гибкие трубочки небольшого диаметра с
оптоволокном. Внутрь организма больного они заводятся либо через
естественные отверстия организма либо через небольшие разрезы в коже.
После проведенной терапии нормальные клетки заполняют оставшийся каркас
органов, что важно при терапии органов с тонкими стенками, либо трубчатых
органов (пищевод кишечник, мочевой пузырь, бронхи).

93.

94.

95.

Эффективность
• При рецидивах рака кожи полная регрессия злокачественных
кожных новообразований составляет порядка 90%.
• При раке легкого, в том числе метастатическом, полный либо
частичный некроз опухоли наступает у 70-75% больных.
• Новое действующее фотосенсбилизирующее вещество – хлорин
Е6 частично сохраняет свои свойства не только при внутреннем и
наружном применении, но и если он принимается перорально.
• Благодаря этому появился препарат пролонгированного
действия, который могут принимать больные, как обычную
таблетку, и расщепление которого в тканях опухолях наступает
под действием дневного света.
Естественно, что эффект при подобной процедуре менее
выражен, чем при фотодинамической терапии с помощью лазера.
Однако, это позволяет использовать данный препарат в качестве
профилактического средства
для недопущения рецидивов
опухоли.

96.

Фотодинамическая терапия рака шейки матки

97.

Лекция 8: Применение лазеров в
хирургии: физические механизмы
воздействия на биоткани и примеры
реализации.
План лекции
Введение.
Основные типы и характеристики лазеров медицинского
назначения, применяемых в хирургии.
Особенности взаимодействия лазерного излучения с
различными биотканями.
Глубина проникновения лазерного излучения.
Скорость нагрева биотканей лазерным излучением.
Основные биологические эффекты приводящие к повреждению
биотканей в области воздействия лазерного излучения.
Заключение.

98.

Введение
• Механизм действия лазерного скальпеля основан на том, что
энергия монохроматичного, когерентного светового пучка резко
повышает температуру на соответствующем ограниченном
участке тела и приводит к его мгновенному сгоранию и
испарению. Тепловое воздействие на окружающие ткани при
этом распространяется на очень небольшое расстояние, так как
ширина сфокусированного пучка составляет 0,01 мм. Под
влиянием лазерного излучения также происходит «взрывное»
разрушение ткани от воздействия своеобразной ударной волны,
образующейся при мгновенном переходе тканевой жидкости в
газообразное состояние. Особенности биологического действия
лазерного излучения зависят от ряда его характеристик: длины
волны, длительности импульсов, структуры ткани, физических
свойств ткани.

99.

Характеристики
• Лазер с длиной волны 1064 нм. Излучение проникает
относительно глубоко, до 5–7 мм. При температуре свыше 43 °C
белковые молекулы необратимо повреждаются (денатурируют),
ткань погибает, подвергаясь термической коагуляции; при
температуре выше 100 °C начинается испарение воды; при
температуре свыше 300 °C происходит горение с выделением
продуктов сгорания и осаждением их на поверхности кратера.
• Разрушение ткани путем формирования в ходе лазерной
операции кратера, отверстия или разреза называется абляцией, а
условия, при которых она происходит, – абляционным режимом
работы лазера. При низкой мощности излучения и
кратковременной экспозиции нагревание ткани относительно
невелико и происходит лишь ее коагуляция или плавление
(субабляционный режим).

100.

Характеристики
• Лазер с длиной волны от 3 до 10 нм действует на мягкие ткани
схожим образом. Они наиболее часто применяются при
выполнении косметических операций на коже.
• Эксимерные лазеры с длиной волны 300 нм обладают
наибольшей, по сравнению с другими группами лазеров,
мощностью. Энергия интенсивно поглощается не водными
компонентами мягких и твердых тканей, включая белки ДНК.
Зона термических поражений при его воздействии составляет
несколько микрометров. Гемостатический эффект выражен
слабо.
• Интересными свойствами обладает лазер на парах меди с
длинами волн 578 и 585 мкм. Кожные покровы для него
«прозрачны», субстанцией, воспринимающей излучение,
являются меланин и гемоглобин, что предоставляет уникальные
возможности в лечении гемангиом.

101.

СО2 - лазер
• Высокое поглощение в воде и органических соединениях (типичная
глубина проникновения 0,1 мм) делает СО2-лазер подходящим для
широкого спектра хирургических вмешательств.
• Поверхностное воздействие лазера позволяет иссекать биоткань без
глубокого ожога. Это также делает CO2-лазер не опасным для глаз, т.к.
излучение
не
проходит
сквозь
роговицу
и
хрусталик.
Конечно, мощный направленный луч может повредить роговицу, но
для защиты достаточно иметь обычные стеклянные или пластиковые
очки.
• Недостаток длины волны 10 мкм состоит в том, что очень трудно
изготовить подходящее оптическое волокно с хорошим пропусканием.
И до сих пор наилучшим решением является зеркальный шарнирный
манипулятор, хотя это достаточно дорогое устройство, сложное в
юстировке и чувствительное к ударам и вибрации.

102.

Неодимовый лазер
Активная среда - кристалл алюмоиттриевого граната, активированного
ионами неодима Nd:YAG, - позволяет получить мощное излучение в ближнем
ИК-диапазоне на длине волны 1,06 мкм практически в любом режиме работы
с высоким КПД и с возможностью волоконного выхода излучения.
Глубина проникновения такого излучения в биоткани равна 6 - 8 мм и
довольно сильно зависит от ее типа. Это означает, что для достижения такого
же режущего или испаряющего эффекта, как у CO2-лазера, для неодимового
требуется в несколько раз более высокая мощность излучения. А во-вторых,
происходит значительное повреждение подлежащих и окружающих лазерную
рану тканей, что отрицательно сказывается на послеоперационном ее
заживлении, вызывая различные осложнения, типичные для ожоговой
реакции - рубцевание, стеноз, стриктура и т.п.
Предпочтительная сфера хирургического применения неодимового лазера это объемная и глубокая коагуляция в урологии, гинекологии, онкологические
опухоли, внутренние кровотечения и т. п. как в открытых, так и в
эндоскопических операциях

103.

Гольмиевый лазер
• Кристалл алюмоиттриевого граната, активированный ионами
гольмия, - Ho:YAG, способен генерировать лазерное излучение
на длине волны 2,1 мкм, которое хорошо поглощается
биотканью. Глубина его проникновения в биоткань составляет
около 0,4 мм, т.е. сравнима с CO2-лазером. Поэтому гольмиевый
лазер
обладает
применительно
к
хирургии
всеми
преимуществами СО2-лазера.
• Излучение гольмиевого лазера хорошо коагулирует сосуды
размером до 0,5 мм, что вполне достаточно для большинства
хирургических вмешательств. Двухмикронное излучение, к
тому же, вполне безопасно для глаз.
• Типичные выходные параметры гольмиевого лазера: средняя
выходная мощность 5 - 100 Вт, максимальная энергия
излучения - до 6 Дж, частота повторения импульсов - до 40 Гц,
длительность импульса - около 500 мкс.

104.

Эрбиевый лазер
• Эрбиевый (Er:YAG) лазер имеет длину волны излучения 2,94
мкм (средний ИК-диапазон). Режим работы - импульсный.
Глубина проникновения в биоткань излучения эрбиевого лазера
составляет не более 0,05 мм (50 мкм), т.е. его поглощение еще в
5 - 10 раз выше, чем у CO2-лазера, и он оказывает
исключительно
поверхностное
воздействие.
Такие параметры практически не позволяют коагулировать
биоткань.
• Основные направления применения эрбиевого лазера в
медицине:
- микрошлифовка кожи,
- перфорация кожи для взятия проб крови,
- испарение твердых тканей зуба,
- испарение поверхности роговицы глаза для исправления
дальнозоркости.

105.

Диодный лазер
• Типичная выходная мощность одиночного диода редко превышает 1
Вт в непрерывном режиме, а энергия импульса - не более 1 - 5 мДж.
Для получения мощности, достаточной для хирургии, одиночные
диоды объединяют в наборы, состоящие от 10 до 100 элементов,
расположенные в виде линейки, или к каждому диоду присоединяют
тонкие волокна, которые собирают в жгут. Такие композитные лазеры
позволяют получать 50 Вт и более непрерывного излучения на длине
волны 810 - 960 нм, которые сегодня применяются в гинекологии,
офтальмологии, косметологии и др.
• Основной режим работы диодных лазеров - непрерывный, что
ограничивает возможности их использования в лазерной хирургии.
При попытках реализовать суперимпульсный режим работы чересчур
длинные импульсы (порядка 0,1 с) на длинах волн генерации диодных
лазеров в ближнем ИК-диапазоне рискуют вызвать чрезмерный нагрев
и последующее ожоговое воспаление окружающих тканей.

106.

В результате высокоинтенсивного лазерного
воздействия в мягкой биоткани образуется
лазерная рана, состоящая из нескольких
областей
Лазерная рана при бесконтактном воздействии (слева) и при
контактном воздействии (справа)
1) область, в которой температура составляет более 300°С, и ткань испаряется с
образованием лазерного кратера;
2) область, в которой температура превышает 200°С, и ткань обугливается;
3) область, в которой температура превышает 60°С и ткань коагулируется;
4) область, в которой ткань незначительно нагревается, не более 45°С, и не
происходит необратимых повреждений.

107.

Эффекты в биоткани при различных
температурах

108.

Изменение свойств биоткани при
изменении температуры

109.

Лекция 9: Физические механизмы
терапевтического воздействия
ультразвука на системы организма.
План лекции
Введение.
Физические основы и примеры использования ультразвука в терапии
Мощный ультразвук и механизмы его воздействия на биоткани.
Ультразвук в хирургии: преимущества и проблемы
Заключение.

110.

Введение
• Ультразвук — упругие механические колебания среды, частота
которых превышает верхний предел слышимости уха человека (около
18 кГц). Они находятся в диапазоне частот от 18 кГц до 15 МГц.
Колебания эти распространяются в виде волн, которые представляют
собой периодически чередующиеся области растяжения и сжатия.
Скорость распространения упругой волны определяется свойствами
среды и не зависит ни от частоты, ни от интенсивности ультразвука.
Особенности ультразвуковых колебаний — их направленность и
возможность фокусирования энергии на небольшой площади
рабочего инструмента.
• Ультразвук, применяемый в медицине, может быть условно разделен
на ультразвук низких и высоких интенсивностей. Основная задача
применения ультразвука низких интенсивностей (0,125 - 3,0 Вт/см2) неповреждающий нагрев или какие-либо нетепловые эффекты, а
также стимуляция и ускорение нормальных физиологических
реакций при лечении повреждений. При более высоких
интенсивностях (> 5 Вт/см2) основная цель - вызвать управляемое
избирательное
разрушение
в
тканях.

111.

УЗ терапия
Воздействия на организм человека:
• Механическое. При нём происходит
«микромассаж» тканей и клеток.
• Физико-химическое. Ультразвук способствует
ускорению обменных, а также физических и
химических процессов.
• Термическое или тепловое. Ткани при
ультразвуковой терапии нагреваются примерно на
один градус.

112.

Механическое воздействие
• Механическое действие ультразвука, обусловленное
переменным
акустическим
давлением,
вызывает
микровибрацию, своеобразный «микромассаж» тканей, что
приводит к изменению функционального состояния
клеток: повышается проницаемость клеточных мембран,
усиливаются процессы диффузии и осмоса, изменяются
кислотно-щелочное
равновесие,
пространственное
взаимоотношение субмикроскопических структур в клетке.

113.

Термическое воздействие
• Термическое действие ультразвука связано, с одной
стороны, с переходом механической энергии в тепловую, а
с другой - интенсификацией биохимических процессов.
Эндогенное
тепло,
образующееся
в
тканях,
распространяется неравномерно, оно больше проявляется
в плотных тканях и пограничных слоях.

114.

Тепловое воздействие
• Повышение температуры в тканях способствует
расширению кровеносных и лимфатических сосудов,
изменению микроциркуляции. В результате этого
активируются тканевые обменные процессы, проявляется
противовоспалительное и рассасывающее действие
ультразвука.

115.

Лечебный эффект ультразвука
Противовоспалительный.
Анальгетический или обезболивающий – ультразвуковая
терапия действенна при необходимости снять болевой синдром.
Метаболический – нормализуется обмен веществ.
Бактерицидный.
Спазмолитический.
Антигистаминный – при аллергиях.
Регенеративный – способность к регенерации тканей
значительно повышается.
Тонизирующий.
Проводимость нервных волокон возвращается в норму.
Улучшается кровоток и лимфообращение.
Жировые клетки разрушаются.
Отшелушиваются отмершие клетки кожи.
Рассасываются и сглаживаются рубцы и шрамы

116.

Основные способы применения
ЛОКАЛЬНЫЕ РАЗРУШЕНИЯ В
ГЛУБИНЕ ТКАНЕЙ С ПОМОЩЬЮ
способность сильно
фокусированного пучка
ультразвука вызывать локальные
разрушения в тканях – это
ультразвуковой скальпель.
Операции проводились на мозге,
печени, почках, глазе.
ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ХИРУРГИЯ
механические колебания
ультразвуковой частоты
накладываются на
хирургические инструменты
типа лезвий, пил, механических
наконечников. Такие
инструменты называются
ультразвуковая пила,
ультразвуковая бормашина.

117.

Ультразвуковой нож
• Рабочая часть ультразвукового хирургического ножа имеет
традиционную форму лезвия скальпеля, соединенного
волноводом
с
магнитострикционным
или
пьезокерамическим преобразователем. Рабочая часть
может иметь и другую форму в соответствии с
требованиями выполняемой операции. Амплитуда
колебаний режущей кромки в зависимости от
поставленной задачи может быть изменена от 1 до 350
мкм, а частота выбирается в диапазоне от 20 до 100 кГц.
Как известно, трение покоя больше, чем трение
скольжения, поэтому трение между двумя поверхностями
уменьшается, если одна из них совершает колебательные
движения. Именно поэтому работа с ультразвуковыми
инструментами требует от хирурга меньших усилий.

118.

Помогает расслаивать мягкие ткани, отделяя
патологические образования и структуры от нормальных.
Как правило, это инструмент применяется при:
• Пластических операциях
• Удалении различных опухолей
• Иссечении рубцов
• Вскрытии очагов воспаления Это очень эффективный
инструмент, позволяющий осуществлять
вышеперечисленные действия с минимальным стрессом
для пациента и с применение минимальных усилий со
стороны врача.

119.

Ультразвуковая пила
• На режущей кромке ультразвуковой пилы располагаются зубья с шагом
и высотой 1 мм.
• Ультразвуковую пилу рекомендуется использовать: — для рассечения
костей в труднодоступных местах с опасной близостью кровеносных
сосудов
и
нервов;
— для выполнения ламинэктомии и трепанации черепа;
— для рассечения грудины, ключиц, ребер, костей лицевого скелета,
кисти и стопы.
• Образование костной мозоли, перестройка костных трансплантатов
после применения ультразвуковой пилы происходят обычно быстрее,
чем после использования обычных инструментов (пилы или долота).
• Ультразвуковая пила не разминает и не прижигает ткани. Кроме того, не
происходит повреждение остающихся их частей.
• С помощью ультразвуковой пилы возможно моделирование костных
трансплантатов с высокой точностью.

120.

Ультразвуковая «сварка» костей
• Для ультразвукового остеосинтеза используют инструменты с колебаниями
рабочих частей с частотой 20-32 кГц.
• При ультразвуковой «сварке» происходят следующие процессы:
— быстрое соединение стромы
фрагментов;
— «сваривание» коллагеновых
волокон одного фрагмента с
коллагеновыми фрагментами
другого фрагмента;
— моментальная диффузия
мономера (например, циакрина);
— полимеризация мономера в
кратчайшие сроки (30-40 секунд).

121.

Преимущества УЗ в хирургии
минимальное повреждение мягких тканей полости рта,
максимальная безопасность для пациентов;
высокая точность и скорость операции;
отсутствие кровотечения во время и после операции;
возможность проведения операций в труднодоступных
местах;
сокращение сроков реабилитации после хирургического
вмешательства;
безболезненность операции;
антибактериальный эффект ультразвука, дополнительная
антисептическая обработка раны.

122.

Основные проблемы
• Проблема атравматичного и бескровного разделения
тканей на протяжении многих лет является одной из
самых актуальных в хирургии. Мировой опыт
использования различных методов физической диссекции
и коагуляции тканей убедительно свидетельствует о том,
что универсального инструмента для рассечения тканей не
существует. Бескровный и безопасный скальпель,
использование которого способствует оптимальному
заживлению ран, – давняя мечта хирургов разных
специализаций.