Лазерно-информационные технологии для медицины

1.

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ЛАЗЕРНЫХ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РАН
ЛАЗЕРНО-ИНФОРМАЦИОННЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ
ДЛЯ МЕДИЦИНЫ
В.Я. Панченко, В.А.Ульянов

2.

ЛАЗЕРНАЯ СТЕРЕОЛИТОГРАФИЯ
ЛАЗЕРНО - ИНФОРМАЦИОННЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ
БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ
ДЛЯ БИОМОДЕЛИРОВАНИЯ

3. Технология дистанционного изготовления биомоделей по томографическим данным обследования пациентов

Internet
Internet
Предоперационная
компьютерная
диагностика
Банк
данных
томограм
Эксперт 1
Internet
3-D модели
http://www.laser.ru/rapid/
Эксперт 2
Информационный
центр
видеокоммуникаций
Компьютерная
3-D Модель
Эксперт 3
Лазерный
стереолитограф
Эксперт 4
Биомодели
Изображения
Центр видеокоммуникаций

4.

ЛАЗЕРНАЯ СТЕРЕОЛИТОГРАФИЯ
ПОСЛОЙНОЕ ИЗГОТОВЛЕНИЕ ТРЕХМЕРНОГО ОБЪЕКТА
1
2
1 – изготовление первого слоя
2 – изготовление второго и
всех других слоев
Готовая модель на платформе

5.

ЛАЗЕРНАЯ СТЕРЕОЛИТОГРАФИЯ
Лазерные стереолитографы
Предназначены
для оперативного
трехмерных объектов любой степени
Комплексы
для изготовления
лазерной стереолитографии,
сложности (с точностью не хуже 0,1 мм) из отверждаемых под действием лазерного
разработанные
и изготовленные
в ИПЛИТ РАН
излучения
полимерных (в том числе
композитных) материалов
ЛС-350/500
ЛС-120

6.

ЛАЗЕРНАЯ СТЕРЕОЛИТОГРАФИЯ
Свойства фотополимеризующейся композиции (ФПК)
СТЕРИЛИЗАЦИЯ:
на основе акрилатов ЛСЛ -10325 ТУ 2216-405 – 05-84-2005
Параметр
Величина
После кипячения
(1 час)
Без дополимеризации
Ударная вязкость
(с надрезом), кДж/м2
Предел прочности,
Н/мм2
Предельный угол
изгиба
Твердость HB, MПа
1.2
0.65
71
22
16.7
8.5
108
103
После дополимеризации в УФ камере (30 мин)
Ударная вязкость
(с надрезом), кДж/м2
Предел прочности,
Н/мм2
Предельный угол
изгиба
Твердость HB, MПа
2.6
2.2
89
29
17.6
7
140
110
LS5149, LS5170, LS5520 – 3D Systems
Somos 2110, 3110, 6110 - DuPont
Автоклав
(120 C, до 3 атм., 1-2 часа)
Этиленоксид или озон,
дегазации в вакууме)

7.

ЛАЗЕРНАЯ СТЕРЕОЛИТОГРАФИЯ
Изготовление имплантата в операционной
Институт Нейрохирургии им. Н.Н.Бурденко, г.Москва

8.

ЛАЗЕРНАЯ СТЕРЕОЛИТОГРАФИЯ
Операция с изготовлением имплантата
19 лет.
Обширный
посттравматический
дефект черепа
В операционной
После операции
Институте Нейрохирургии им. Н.Н.Бурденко

9.

ЛАЗЕРНАЯ СТЕРЕОЛИТОГРАФИЯ
Подготовка и планирование операций
в челюстно-лицевой хирургии
Искривление носа и
деформация орбиты
глазницы
Установка
дистракционнокомпрессионного
аппарата
Планирование и
репетиция репозиции
фрагментов черепа
Устранены
дефекты
центральной
зоны лица
Отделении челюстно-лицевой хирургии
МОНИКИ им. М.Ф.Владимирского

10.

ЛАЗЕРНАЯ СТЕРЕОЛИТОГРАФИЯ
Подготовка и планирование операции
в хирургии позвоночника
Компьютерная
модель
Пластиковая
модель
Подгонка имплантата
на пластиковой модели.
Установка
имплантата
Московская ГКБ №13

11.

ЛАЗЕРНАЯ СТЕРЕОЛИТОГРАФИЯ
Дентальная имплантология
Стоматологическая клиника «Демостом», г. Москва

12.

ЛАЗЕРНАЯ СТЕРЕОЛИТОГРАФИЯ
Стереолитографическое моделирование
сердечно-сосудистой системы
(реконструкция выполнена по 4D X-ray (временное
разрешение не хуже 0,1 с) и NMR CT данным)
Злокачественное
новообразование на
сердечном клапане
НЦ ССХ им. А.Н. Бакулева

13.

ЛАЗЕРНАЯ СТЕРЕОЛИТОГРАФИЯ
Изготовление масок для лечения онкологических
больных методом контактной радиотерапии
Компьютерная модель
головы пациента
Пластиковая модель с
катетером в канале
Компьютерная модель маски с
каналами для катетеров
“Примерка”
МНИОИ им. П.А. Герцена)
Компьютерная подгонка маски
Типы масок

14.

БИОМАТЕРИАЛЫ
ЛАЗЕРНО-ИНФОРМАЦИОННЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ
БИОМАТЕРИАЛОВ
• Селективное лазерное спекание и синтез полимерных
матриц для тканевой инженерии
• СКФ синтез биоактивных полимерных частиц и композитов

15.

БИОМАТЕРИАЛЫ
Поверхностно-Селективное Лазерное Спекание
ПСЛС основано на расплаве поверхности полимерных частиц, прозрачных для лазерного
излучения, при его поглощении малым (<0.1 вес.%) количеством наночастиц (~300нм)
углерода, равномерно распределенных по поверхности полимерного порошка.
Лазерный луч
углерод
Матрица
Полимер
(полилактид,
полигликолид)
Биорезорбируемые биомодели
Хондроциты и остеобласты на ПСЛС матрицах

16.

Система селективного лазерного спекания для
формирования трехмерных матриц

17.

БИОМАТЕРИАЛЫ
Синтез полимерных микрочастиц и композитов в
сверхкритическом диоксиде углерода (ск-СО2)
Принципиально новый подход к проблеме создания биорезорбируемых
полимерных частиц заданного размера, формы и морфологии, содержащих
биоактивные компоненты и не имеющих следов органических растворителей.
Стадия I
Стадия II
Стадия III
CO22
CO2
полимер
БАК
растворение
(вспенивание)
Инкорпорирование БАК
в микрочастицу полилактида
CO2
CO
2
интенсивное
перемешивание
контролируемый
сброс давления
Микрочастицы поли-е-капролактона

18.

Управление кинетикой выхода биоактивных компонент
из полимерных матриц
60
Исходные частицы
Выход, %
40
1,5 превышение порога
3 превышение порога
20
6 превышение порога
0
1
2
3
18
Время выхода, часы
Кинетика выход трипсина из полилактидных микрочастиц и матриц,
полученных при различном превышении пороговой мощности размягчения
поверхности полимерных частиц.

19.

Контроль кинетики выхода биоактивных соединений из
полимерных матриц
120
Активность %
100
80
60
40
20
0
Исходный
1,5
3
6
Превышение над порогом
Активность трипсина, инкапсулированного в полилактидные частицы,
до и после лазерного спекания при различном превышении пороговой
мощности размягчения поверхности частиц.

20.

БИОМАТЕРИАЛЫ
Биорезорбируемые имплантаты
Изготовление биоактивных биорезорбируемых полимерных имплантатов
заданного размера, формы и морфологии, не имеющих следов органических
растворителей с помощью сверхкритического диоксида углерода.
Пресс-формы
ПЛ/ГАП имплантаты для замены дефектов нижней челюсти
a
б
ПЛ/ГАП имплантаты для пластики дна Гайморовой пазухи.
a – вид сбоку, б – вид сверху.

21.

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ
ТЕХНОЛОГИИ НА ОСНОВЕ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ЛАЗЕРНЫХ
МЕДИЦИНСКИХ СИСТЕМ

22.

23.

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ
Трансмиокардиальная лазерная реваскуляризация
• операция на работающем сердце без
использования аппарата искусственного
кровообращения
• перфорация в режиме мощного одиночного
лазерного импульса
• лазерный импульс синхронизируется с
ЭКГ пациента
Типичное расположение лазерных
каналов на поверхности миокарда

24. Динамика изменения канала в миокарде после лазерного воздействия (ткани животных in vivo, СО2 лазер)

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ
Динамика изменения канала
в миокарде после лазерного воздействия
(ткани животных in vivo, СО2 лазер)
микрокапилляры
После перфорации
Через 24 часа
Желатиновые
модели
фиброзная ткань
Через 140 дней (на месте
канала – фиброзная ткань
с обилием мелких сосудов)

25. Эффекты, сопровождающие формирование глубоких лазерных каналов в биотканях:

Локальная лазерная рана
Тепловое воздействие ( Т )
Ударно-волновое
воздействие ( Р )
Возможные механизмы положительного
эффекта ТМЛР:
• воспалительная реакция в ответ на
лазерное воздействие приводит к
стимуляции регенерации и развитию
капилляров
• тепловое повреждение ткани в области
канала активирует клеточные элементы
(тромбоциты, фибробласты, макрофаги и др.)
как источники комплекса факторов роста,
в частности, фактора
роста сосудистого
эндотелия и фактора роста фибробластов
• образование микроразрывов в стенках
канала и установление нового уровня
потребления кислорода
в области
канала инициируют рост и развитие
капилляров

26. Параметры перфорации миокарда импульсом СО2 лазера

Tpulse, мс
30-50
Epulse, Дж
20-25
Зона обугливания,
мкм
30-40
Зона коагуляции (ср.),
мкм
Давление в канале,
атм
до 150-200
до 0,3
«Древообразное» тепловое повреждение
миокарда вокруг канала способствует
интенсивному
формированию
сети
капилляров в области лазерного воздействия

27.

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ
Эффективность лазерной реваскуляризации миокарда
Функциональный класс
стенокардии
4
"Перфокор" (НЦССХ им. А.Н.Бакулева,
138 пациента)
FC
3
2
1
0
0
начальный
3 мес.
6 мес.
1 год
Общая летальность
НЦССХ
им. А.Н.Бакулева
TLR.Int
Registry
USA
Trial
4,2%
13,3%
18%
2-3,5 года

28. Кардиохирургические СО2 лазеры серии «Перфокор» разработки ИПЛИТ РАН

поперечное
канала
сечение

29.

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ
Принцип организации обратной связи интеллектуальной
хирургической установки на основе СО2 лазера
Испарение новообразований и диагностика в реальном
времени осуществляются одним и тем же лазерным
пучком – метод автодинного детектирования (прием на
резонатор лазера) обратно рассеянного излучения
CO2 лазер
Биоткань
Лазерный луч
Объективный контроль качества
выполняемой лазерной операции
проводится на основе разных
уровней автодинного сигнала от
здоровой и больной тканей.

30.

Интеллектуальная хирургическая установка
на основе СО2 лазера
Функции системы оперативной
диагностики лазерной установки:
идентификация типа испаряемой
биоткани относительно друг друга;
• звуковая индикация при переходе
границы испаряемой биоткани;
• управление параметрами лазерного
излучением в зависимости от
особенностей операции;
• протоколирование лазерной
операции в реальном масштабе
времени.

31.

Фрагменты протоколов 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
( ГНЦ лазерной медицины).

32.

Фрагменты протоколов лазерных операций по удалению
здоровая ткань
Уровень сигнала, отн.ед.
50
45
40
35
30
Лазерное удаление рака гортани
(МНИОИ им. П.А.Герцена)
25
20
15
опухоль
10
0
20
40
60
80
Время, сек
здоровая ткань мозга
22000
Уровень сигнала, отн.ед.
опухолей
20000
18000
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
135
опухоль
140
сосуд
145
опухоль
150
155
160
165
170
175
Время, сек
Лазерное удаление менингососудистой опухоли левого полушария мозга
(Отделении нейрохирургии Тульской областной больницы)

33.

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ
Лазерная коррекция формы перегородки носа
Особенности лазерной процедуры
до операции
Контроль степени теплового воздействия
по температуре поверхности перегородки
после операции

34.

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ
Лазерная реконструкция межпозвонковых дисков
Особенности процедуры лазерной регенерации хрящевой ткани
60
o
Temperature, C
50
40
30
20
10
0
20
40
60
Exposure, s
80
100
120
Контроль степени теплового воздействия
по светорассеянию

35.

АДАПТИВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
ОПТИКО-ИНФОРМАЦИОННЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ
ДЛЯ ОФТАЛЬМОЛОГИИ

36.

АДАПТИВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Цифровая фундус-камера с адаптивной оптической
системой и аберрометром реального времени
Уникальный офтальмологический
диагностический прибор.
Позволяет получить изображения
глазного дна с высоким разрешением
(до 1 мкм) и одновременно
производить оптометрические
измерения с точностью 0,02 мкм.
Искаженное
изображение
сетчатки
Изображение сетчатки
с адаптивной
компенсацией
Интерферограмма
волнового фронта
реального глаза

37. Офтальмологические адаптивные системы для ретиноскопии

АДАПТИВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Офтальмологические адаптивные системы
для ретиноскопии
ИПЛИТ-МГУ
AO-II
ИПЛИТ - МГУ
AO-I
Установлена в
ГУ НИИГБ РАМН
LOUM
Rochester

38. Сравнение традиционной фундус-камеры и камеры с адаптивной оптической системой Сетчатка глаза при диабетической ретинопатии

АДАПТИВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Сравнение традиционной фундус-камеры и камеры с
адаптивной оптической системой
Сетчатка глаза при диабетической ретинопатии
Снимок обычной фундус-камерой Topcon
(Япония)
Тот же участок сетчатки, полученный при
помощи АОФК разработки ИПЛИТ РАН-МГУ

39. Лазерная персонализированная коррекция зрения на основе данных аберрометрии

АДАПТИВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Лазерная персонализированная коррекция зрения на
основе данных аберрометрии
Расчет профиля
персонализированной
абляции
Аберрометр
МГУ-ИПЛИТ
Эксимерный лазер
Микроскан
ЦФП-ИОФ РАН
Совместный проект ИПЛИТ РАН,
МГУ, ЦФП ИОФ РАН и
МНТК "Микрохирургия глаза"

40. Развитие персонализированной коррекции с использованием фемтосекундного лазера FLOKS для интрастромальной обработки роговицы

АДАПТИВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Развитие персонализированной коррекции с
использованием фемтосекундного лазера FLOKS для
интрастромальной обработки роговицы
•Центр Физического приборостроения Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН
•ФГУ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова»
•Физический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова
•ООО «Визионика»
•ООО «Оптосистемы»,

41.

ЛАЗЕРНО-ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ
БЛАГОДАРЮ ЗА
ВНИМАНИЕ !