Диагностика лазерного испарения биотканей по обратно рассеянному излучению

1. ДИАГНОСТИКА ЛАЗЕРНОГО ИСПАРЕНИЯ БИОТКАНЕЙ ПО ОБРАТНО РССЕЯННОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ

В.А.Ульянов
Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН,

2.

Виды воздействия лазерного излучения на биоткань в
зависимости от плотности мощности (энергии) и времени облучения
Прикладная лазерная медицина. Под.ред. Х-П. Берлиена,
Г.Й.Мюллера. М., Интерэксперт, 1997, 336 с.

3.

Основные стадии лазерного испарения биотканей
• Поглощение энергии лазерного излучения, приводящие к нагреву ткани;
• Повышение температуры ткани до 100 С, поверхностное испарение внутритканевой жидкости, диффузия тепла из нагретого объема;
• Перегрев тканевой воды выше 100 С и создание избыточного подповерхностного давления, инициирующего разрушение ткани давлением паров воды;
• Выброс парокапельной смеси
и частиц ткани;
•«Открывание» более холодного слоя ткани, его обезвоживание последующим
облучением, что приводит к уменьшению значений плотности и теплопроводности
ткани;
• Температура повышается, пока не происходит сгорание и обугливание этого
слоя, в результате чего открываются более холодные слои ткани, приводя к
перепаду температуры от 350 до 450 С;
• Часть тепла, не расходуемого на испарение ткани, диффундирует в более
холодные области, создавая зону теплового повреждения ткани.

4.

Особенности реальных биотканей
скелетная мышца
жировая ткань
жировая капля
Совокупность
мышечных волокон
печень
цитоплазма
Гетерогенная
поглощающая среда:
до 30% воды
10.6 (жир) = 1cm-1
10.6 (вода) = 830cm-1
гепатоцит
Гомогенная
поглощающая среда:
до 80% воды с равномерным
объемным распределением

5.

Особенности лазерного испарения реальных
биотканей
Продукты разрушения биоткани –
фрагменты структуры ткани, частицы ткани
мышечная
А
произвольной формы
жировая
кожа
В
Распределение частиц ткани по
размерам при лазерном
испарении мышечной ткани in
vitro:
А - 10 kW/cm2 , 100 мс;
В - 20 kW/cm2 , 100 мс.

6.

Модификация продуктов разрушения биотканей в поле интенсивного
лазерного излучения (численное моделирование)
-9
2
1x10
Сечение обратного рассеяния , м
Однократное рассеяние
Независимые рассеиватели
Светорассеяние по теории Ми
(частицы сферической формы)
"Широкое" начальное
распределение f0(r)
1x10
-10
1x10
-11
1x10
-12
1x10
-13
1x10
-14
Сажеподобный аэрозоль
"Узкое" начальное
распределение f0(r)
Вода
"Широкое" начальное
распределение f0(r)
-15
10
"Узкое" начальное
распределение f0(r)
-16
10
0
5
10
15
20
25
30
35
40
2
Поток энергии, Дж/см
Зависимость сечения обратного рассеяния
сажеподобного и
водного аэрозоля от
плотности энергии излучения.

7.

Сравнение методов
детектирования обратно рассеянного излучения
( перфорация пластины из оргстекла, расположенной на поверхности воды)
прямое
гетеродинное
(с опорным пучком)
A, отн.ед.
A, отн.ед.
автодинное
(прием на
резонатор лазера)
A, отн.ед.
8
20
40
6
15
30
10
20
5
10
пластина
из
оргстекла
4
вода
2
0
0
200
400
t, мс
600
0
0
200
400
t, мс
600
0
0
200
400
t, мс
Автодинное детектирование дает наибольший контраст
600

8.

Автодинное детектирование
обратно рассеянного излучения
Силовое (операционное) излучение одновременно является диагностирующим
Вид автодинного сигнала
CO2 лазер
Накачка РПТ
1,0
0,5
ИК
фотоприемник
0,0
-0,5
-1,0
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0
ВЧ накачка
A, отн.ед.
250
200
150
100
50
передний
фронт
задний
фронт
0
250
Поле скоростей
продуктов
разрушения
биоткани
Самоиндуцированная
модификация спектра
генерации CO2 лазера
обратно рассеянным
излучением c доплеровким сдвигом частоты
Регистрация
и обработка
автодинного
сигнала
200
150
100
50
0
0
50
100
150
200
250
t, мкс
300

9.

Обработка автодинного сигнала для выявления
особенностей испаряемой биоткани в реальном времени
Диагностика процесса лазерного испарения биотканей состоит в выявлении
различий и характерных особенностей амплитудно-частотных характеристик
автодинного сигнала и его производных для различных типов биотканей.
В основе обработки сигнала - фурье-анализ, метод оконных выборок.
Спектр фототока на фотоприемнике : i(ν)=1/(2π)1/2 i(t)exp(i2πνt)dt
Временное окно длительностью Т:
1 : 0 t T
П (t )
0 : t 0, t T
Участок спектра на отрезке времени (t-τ): i(t, τ) = i(t)П(t-τ)
Площадь спектра в выделенном диапазоне частот
Средневзвешанная частота в выделенном
диапазоне частот
1
S ( )
( 1 2 )T
f 0 ( )
1
T
2T
2T
i( k , )
k 1T
k i (
k 1T
2T
k 1T
k , )
i ( k , )
2
2
2

10.

Амплитудно-частотная характеристика автодинного приема
для одномодовых CO2 лазеров:
с накачкой разрядом
постоянного тока (РПТ)
G, отн.ед.
120
с импульсно-периодической
(ИП) накачкой
<G>, отн.ед.
P = 5 Вт
100
40
P = 5 Вт
80
60
P = 10 Вт
40
P = 15 Вт
P = 15 Вт
P = 20 Вт
20
0
0,0
P = 10 Вт
20
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
P = 20 Вт
1,4
1,6
f, МГц
0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
f, МГц
1. Автодинное усиление имеет резонансный характер
2. При накачке РПТ чувствительность автодинного приема выше, а
полоса приема уже по сравнению с ИП накачкой.
2. С увеличением мощности излучения (накачки) чувствительность
автодинного приема падает.

11.

Зависимость максимума автодинного
усиления от превышения над порогом генерации.
выходная мощность, Вт
0
Gmax
10000
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Автодинные лидары
1000
100
Диагностика
10
2
4
6
8
10
превышение накачки над порогом генерации
Чувствительность автодинного приема при лазерных
операциях может меняться более чем на порядок

12.

100
M, %
10
1
0,1
0,01
Линейный режим
Линейный и нелинейный режимы автодинного приема
C = 2.02 (P = 2 Вт)
M < 50 %
Типичный
диапазон для
медицинских
CO2 лазеров
1E-8
1E-7
1E-6
Зависимость
глубины
модуляции
лазерного излучения М от коэффициента
обратной связи
Линейный режим
1E-5
1E-4
1E-3
0,01
1. В типичном для медицинских СО2 лазеров диапазоне интенсивностей излучения
на биоткани 103- 105 Вт/см2 глубина модуляции излучения не превышает 10%.
2. Автодинный эффект в CO2 лазерах линеен по отношению к внешнему
рассеянному/ отраженному сигналу вплоть до значений коэффициентов
обратного рассеяния ~ 10-3, обеспечивающих глубину модуляции до 50%

13.

Некоторые возможности диагностики лазерного испарения
биотканей по автодинному сигналу
А. Диагностика типа испаряемой ткани
1 - костная
2 - жировая
3 - скелетная мышца
35
10
1 – костная
2 – жировая
3 – скелетная мышца
Средняя частота, кГц
8
А, отн. ед.
2
6
1
4
3
2
0
0
100
200
300
400
500
Частота, кГц
Доплеровские спектры для различных
биотканей in vitro ( 15 кВт/см2) .
2
30
25
1
20
15
3
5
10
15
20
25
Интенсивность излучения, кВт/см
30
2
Автодинный сигнал в зависимости от
интенсивности лазерного излучения .
По доплеровским спектрам можно отличать ткани относительно друг друга

14.

В. Диагностика прохождения излучения через границы
слоев тканей в реальном времени
(на примере перфорации биомодели «мышечная ткань-кровь», 20
кВт/см2).
Скачок автодинного сигнала вблизи границы тканей достигает 15-50%
в зависимости от типа тканей
Такие зависимости дают информацию о динамике прохождения лазерного
излучения через границы тканей в реальном времени

15.

Лазерный скальпель
• малая травматичность
• прецизионность
• возможность регулирования скорости удаления ткани
в широких пределах
• возможность управления гемостазом вплоть до
бескровных операций

16. Некоторые особенности применения лазеров в хирургии

Лазерная операция переход (или
совокупность
переходов) от
испарения одного типа ткани к другому.
ПРОБЛЕМЫ
Как обеспечить:
• безопасность операции ?
• полное удаление больных тканей ?
• минимальное повреждение здоровых
тканей ?
• органосохранное лечение ?
Как объективно оценить качество
выполнения лазерной операции ?

17.

Лазерной операцией будущего станет такая процедура,
при которой вид, количество и способ доставки энергии на
объект
будет
в
точности соответствовать
объему удаляемой или коагулируемой ткани с
поправкой на расширение зоны некроза во времени.
А.И.Неворотин. Введение в лазерную хирургию.
СПб.:СпецЛит, 2000, 175 с.

18.

Традиционная технология
лазерного хирургического вмешательства
Лазерный
скальпель
Визуальное
наблюдение
Блок
управления
Обратной связь
– зрение и опыт
хирурга
Биоткань
Временная задержка в восприятии визуальной информации ~0.2-0.3 c и
механической реакции ~0.3-1.0 c от исполнительного органа (руки, ноги)

19.

Технология лазерной операции на основе
интеллектуальных (роботизированных) хирургических систем
Блок хирургического
скальпеля
Датчик
Блок
управления
Блок
обратной связи
Биоткань
Автоматизированное управление процессом
лазерного хирургического вмешательства

20.

Возможности системы оперативной диагностики
на основе автодинного эффекта интеллектуальной
CO2 лазерной хирургической установки
- идентификация типа испаряемой ткани;
- определение момента перехода излучения от одного типа ткани к другому;
- звуковая индикация при изменении типа испаряемой ткани;
- выдача управляющих воздействий (прекращение, прерывание или
продолжение испарения при достижении заданных условий) на систему
управления лазером;
- протоколирование лазерного хирургического вмешательства в
реальном масштабе времени.
Лазерный луч
Объективный контроль качества
выполняемой лазерной операции
проводится на основе разных
уровней автодинного сигнала от
здоровой и больной тканей.

21.

Основные требования к построению
системы оперативной диагностики на основе автодинного эффекта
I. Стабильность основной моды условиях
возмущающего воздействия обратно рассеянного излучения
II. Оптимальное
соотношение «сигнал/шум» при
построении оптико-информационного канала обратной связи
III. Обеспечение взаимодействия системы оперативной
диагностики с
системой управления лазерной
хирургической установки

22.

сред невзвеш енная частота спектра, кГц
Последствия нестабильности основной моды
120
90
60
0
300
600
время записи спектра, отн.ед.
В момент нарушения одномодовости излучения
частотном диапазоне формируется фальш-сигнал .
в измеряемом

23. Диагностический канал

20 Вт
-делительная пластина
ZnSe 1%
0.2 Вт
ослабители
излучения
Охлаждаемый КРТ приемник
(с Пельтье холодильником):
- температура чувствительного
элемента - 220 0К,
-чувствительность – 900 В/Вт,
-удельная обнаружительная
способность –1..5x107см Гц1/2/Вт
Сигнал/шум (500кГц) =75-80
10 мВт
КРТ
фотоприемник
АЦП
Неохлаждаемый КРТ приемник
- температура чувствительного
элемента - 300 0К,
чувствительность – 60 В/Вт,
-удельная обнаружительная
способность –1.4x106см Гц1/2/Вт
Сигнал/шум (500кГц) =5-7

24.

ПО «Real Time Monitoring» и его программные модули
БЛОК
ОБРАБОТКИ
ГЗ
БЛОК УПРАВЛЕНИЯ АЦП
ИНТЕРФЕЙС
ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ
АЦП
БЛОК ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
МИКРОКОНТРОЛЛЕР
МП САУ
УСТАНОВКИ
Блок – схема программного обеспечения
Модуль «Управление параметрами АЦП»
Модули «Обработка автодинного сигнала» и
«Управление параметрами лазера»

25.

Особенности опухолевых тканей
Структурно-тканевый атипизм
Структура здоровой
и опухолевой ткани
(на примере
мышечной ткани).
Биохимический атипизм
- избыточное накопление жидкости в межклеточном пространстве опухолей (следствие
нарушения обмена воды)
- нарушение белкового и жирового обмена, усиление распада углеводов
Изменение физических свойств
- различия в оптических характеристиках, плотности ткани и др.

26.

Тестирование системы оперативной диагностики
на лабораторных животных
(с Московским научно-исследовательским онкологическим институтом
им. П.А.Герцена)
ЗАПИСЬ АВТОДИННОГО СИГНАЛА
В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ
В ПРОЦЕССЕ
ХИРУРГИЧЕСКОГО
ВМЕШАТЕЛЬСТВА С
ОДНОВРЕМЕННОЙ КИНОСЪЕМКОЙ
ВСЕХ МАНИПУЛЯЦИЙ ХИРУРГА В
ОПЕРИРУЕМОЙ ОБЛАСТИ И
УСТНЫМИ КОММЕНТАРИЯМИ
ХИРУРГА
5w
35
30
25
power, a.u.
ДЛЯ ОДНОЗНАЧНОГО
СОПОСТАВЛЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЙ
АВТОДИННОГО СИГНАЛА С
ИЗМЕНЕНИЯМИ В ОПЕРАЦИОННОЙ
ЗОНЕ ПОЛНЫЙ
МОНИТОРИНГ
ЛАЗЕРНОЙ ОПЕРАЦИИ
ВКЛЮЧАЛ:
20
15
10
5
саркома
мышца
20
40
60
80
100
time, sec
ИСПАРЕНИЕ МЫШЕЧНОЙ ТКАНИ
И САРКОМЫ ( крыса, in vivo)

27.

Тестирование системы оперативной диагностики на
лабораторных животных
(Московский научно-исследовательский онкологический институт им. П.А.Герцена)
5w
250
200
power, a.u.
150
100
50
0
35
40
45
50
55
60
65
time, sec
РАССЕЧЕНИЕ ОПУХОЛИ ( справа) С ИНВАЗИЕЙ В МЫШЕЧНУЮ ТКАНЬ (слева) ( крыса, in vivo).

28.

Фрагменты протоколов некоторых лазерных операций
Мощность сигнала, отн. ед.
W = 3 Вт
40
Отдельные этапы операции:
20
I
0
III
II
20
I – глубокое подрезание по
внешней границе кисты;
II – испарение и коагуляция
ткани кисты (1-ый проход);
III – повторное выпаривание
остатков ткани кисты
(2-ой проход);
время , сек
Лазерное удаление кисты на ступне человека (с ГНЦ лазерной медицины).

29.

У р о в е н ь с и г н а л а , о т н .е д .
Фрагменты протоколов лазерных операций по удалению
здоровая ткань
разных видов
опухолей
50
45
40
35
Лазерное удаление рака гортани
в МНИОИ им. П.А.Герцена.
30
25
20
15
опухоль
10
0
20
40
60
80
У ровень сигнала, отн.ед.
Время, сек
здоровая ткань мозга
22000
20000
18000
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
опухоль
сосуд
опухоль
2000
135
140
145
150
155
160
165
170
175
Время, сек
Лазерное удаление менингососудистой опухоли левого полушария мозга
в Отделении нейрохирургии Тульской областной больницы.

30.

Фрагменты протоколов лазерных операций по удалению
опухолей в жировых тканях
Лазерное удаление рака молочной
железы
(РОНЦ им. Блохина)
Лазерное удаление липом
(ГНЦ лазерной медицины, Москва)

31. Доступ к операционному полю

Манипулятор
(автодинный сигнал/шум):
30
Полое волокно
(автодинный сигнал/шум):
4
Кристаллическое волокно
(автодинный сигнал/шум):
10

32. СО2 лазеры были предложены к применению в медицине практически с момента их создания (1964 г., C. Patel). В настоящее время они по-прежнему остаютс

C. K. N. Patel "Continuous-Wave Laser Action
on Vibrational Rotational Transitions of CO2,"
Physics Review, Vol. 136 A, (Nov., 1964) P. 1187
СО2 лазеры были предложены к
применению в медицине практически
с момента их создания (1964 г., C. Patel).
В настоящее время они по-прежнему
остаются
одним из
наиболее
распространенных и востребованных
лазерных медицинских инструментов.

33.

34.

БЛАГОДАРЮ
ЗА
ВНИМАНИЕ !