Трансмиокардиальная лазерная реваскуляризациямиокарда твердотельным лазером алюмоиттриевого граната

В статье приводятся результаты сравнительного анализа СО₂ -лазера для трансмиокардиальной лазерной реваскуляризации (ТМЛР) и предлагаемого твердотельного лазера с длиной волны излучения 1,44 мкм и устройства для осуществления на его основе. Показан возможный процесс взаимодействия лазерного излучения с длиной волны 1,44 мкм с биотканью. Приведены результаты гистологических исследований по результатам перфораций миокарда излучением твердотельного лазера на основе АИГ:Nd, работающего на длине волны 1,44 мкм. Приведены его технические характеристики.

Актуальность. Ишемическая болезнь сердца (ИБС), несмотря на усилия современной кардиологии, остается основной причиной смертности взрослого населения ведущих стран мира. В настоящее время наиболее распространенной хирургической операцией, позволяющей увеличить продолжительность жизни больных ИБС, является аортокоронарное шунтирование (АКШ). Однако у 19-25% пациентов состояние коронарных сосудов не позволяет эффективно провести шунтирование, а если у больного имеет место диффузная поражения коронарных артерий, операцию АКШ выполнить в принципе невозможно. Имеются и другие противопоказания для проведения операции АКШ. Ежегодно около 25% пациентов получают отказ в хирургическом лечении[1].

Другим способом восстановления сердечного кровотока является трансмиокардиальная лазерная реваскуляризация (ТМЛР) [2,3]. В процессе такой операции в толще сердечной мышцы левого желудочка с помощью лазерного луча формируют неcколько десятков каналов диаметром от 0,3 до 1,5 мм, открывающихся в полость сердца. Эффективность методы ТМЛР клинически подтверждена у больных ИБС, кроме того экспериментально доказано наличие ангиогенезав послеоперационном периоде. ТМЛР совместно с медикаментозным лечением, приводит к длительным срокам свободы от неблагоприятных сердечных осложнений у больных ИБС.

Цель исследования: изучение эффективности твердотельного лазера с длиной волны излучения 1,44 мкм у больных с ИБС.

Материал и методы. Идея использовать лазер для реваскуляризации миокардапринадлежит М. Мirhoseini [4]. В мировой практике для экспериментальных и клинических целей ТМЛР применяются различные типы лазеров, в частности СО₂- лазер [6].

Этот лазер обладает следующими характеристиками:

• длина волны излучения – 10,6 мкм;
• поглощение в воде – 700 см^-1;
• длительность импульса лазерного излучения – 50мс;
• энергия импульса лазерного излучения – 15-40 Дж.

СО₂-лазер, таким образом, позволяет генерировать мощные импульсы излучения и образовывать сквозные каналы в сердечной мышце. Некоторое неудобство создает громоздкая конструкция лазера и необходимость доставки излучения к месту воздейтсвия по т.н. «зеркальному световоду» - подвижной системе зеркал.

Иной тип лазера, который, как нам представляется, мог бы найти клиническое применение для ТМЛР – твердотельный лазер с длиной волны излучения 1,44 мкм и оптоволоконной доставкой излучения. Несмотря на сравнительно небольшую энергиюимпульса (4 Дж), этот лазер, благодаря тому, что излучающий торец оптического кварцевого волокна располагается при операции на поверхности сердечной мышцы, позволяет за один импульс (до 20 мс)образовать в миокарде сквозной канал длиной 2025 мм и диаметром около миллиметра. Эффективность воздействия излучения на протяжении всего времени импульса обеспечивается непрерывной механической подачей оптического волокна по направлению действия излучения. При этом рабочая часть оптического волокна внедряется в ткань миокарда, пробивая себе путь лазерным излучением.

Для реализации этого способа лазерного воздейтвия на сердечную мышцу предлагается специальный инструмент – автоматическое оконечное устройтсво, которое обеспечивает синхронное с лазерным импульсом поступательное движение рабочей части оптического волокна, а также дает возможность одновременной медикаментозной инъекции в зону проведения ТМЛР.

Предлагаемая аппаратура позволяет осуществить перфорацию миокарда на работающем сердце в течение одного сердечного цикла с возможностью ЭКГ- синхронизации.

Отметим некоторые преимущества предлагаемого устройства по сравнению с использованием СО₂-лазера:

• возможность применения кварцевого оптического волокна для простоты и удобства доставки излучения в зону перфорации;
• уменьшение необходимой для оперции энергии лазерного импульса, что приводит к снижению травматизации миокарда;
• возможность использования оконечных устройств (т.н. «аппликаторов») для одновременного лазерного и медикаментозного воздействия;
• простоту технического обслуживания;
• меньшие габариты аппаратуры;
• сравнительно малую себестоимость.

В механизме действия лазерного излучения на биоткань основную роль играет поглощение водой [5]. Зависимость коэффициента поглощения воды от длины волны излучения предствлена на рис. 1.

Результаты и обсуждение. В процессе взаимодействия излучения с биотканями происходит их мгновенный неравномерный нагрев. Генерация тепла и достигаемая температура зависят от энергии излучения, длительности лазерного импульса и коэффициента поглощения ткани. Как видно на рис. 1, излучение с длиной волны 1,44 мкм имеет локальный максимум кривой поглощения, который составляет около 4,5 мм^-1. Таким образом, подведенное по оптическому волокну диаметром 0,6 мм излучение поглощается практически полностью в 1 мм³ биоткани.

В зависимости от максимально достигаемой температуры биоткани можно выделить различные стадии воздействия излучения, такие как гипертермия, коагуляция, обезвоживание, карбонизация и газификация:

• изменение структуры биомолекул наблюдается при температурах порядка 42-52⁰С;
• денатурация белка, приводящая к коагуляции биоткани, начинается с температур близких к 60⁰С;
• бурное обезвоживание биоткани наступает при достижении температуры 100⁰ С, когда вода, содержащаяся в биоткани, начинает интенсивно испаряться (вскипает);
• обезвоженная биоткань разлагается и обугливается при температуре свыше 150⁰С;

При проведении перфорации миокарда с помощью разработанного лазерного устройства в силу небольших значений энергии импульса лазерного излучения не происходит нагрева ткани до температур, превышающих стадию активного обезвоживания (около 100⁰ ), что обуславливает равномерный и «мягкий» характер воздейтсвия.

Ниже приводятся результаты гистологических исследований образцов ткани миокарда, подвергнутой воздействию лазерного излучения по предложенному способу:

• общая глубина поражения 11-13 мм;
• диаметр канала 0,93-1,43 мм;
• зона коагуляции 49-153 мкм.

В результате воздействия лазерного излучения на сердечную мышцу произошло взрывное испарение воды и удаления фрагментов клеточных структур за пределы ткани, в результате чего сформировалась так называемая зона абляции (зона разрушения, канал), которая представлена на рисунке 2-4.

В результате исследования гистологических препаратов миокардов была выявлена также зона коагуляции ткани. Анализ краевой зоны канала показал, что под воздействием лазерного излучения произошло уплотнение ткани миокарда, при этом клетки не были разрушены, ядра хорошо детектируются. Целыми остаются и крупные кровеносоные сосуды (рисунок 3).

Известно, что при действии лазерного излучения вместе с перегретым материалом из ткани удаляется часть тепловой энергии, а ее оставшаяся доля приводит к термическим повреждениям за пределами зоны абляции.

На рисунке 2, 4 показана граница канала, подвергнутая термическому воздействию. Можно предположить, что в зоне абляции температура достигала порядка 100⁰ С, в результате чего произошел процесс обезвоживания, без видимых признаков карбонизации. Температура, вызвавшая коагуляцию ткани на границе канала, была порядка 60⁰С. Однако адекватно оценить процессы, а также реакцию клеток при воздействии лазерного излучения, представляется возможным, так как исследования выполнены на препарате postmortem.

Установка для проведения ТМЛР состоит из твердотельного 1,44-мкм лазера с оптоволоконной системой доставки излучения и аппликатора (оконечное устройство) для перфорирования миокарда и производства инъекций медикаментозных препаратов. Система электронного управления позволяет синхронизовать работу установки с ЭКГ-ритмом работы сердца.

Технические характеристики:

• длина волны лазерного излучения - 1,44 мкм;
• максимальная энергия излучения в импульсе (10 мс) – 3 Дж;
• импульсная мощность (10мс) – 300 Вт;
• максимальная средняя мощность излучения - 7,5 Вт при 5 Гц;
• частота повторения импульсов - от одиночных до 10 Гц;
• длительность импульса – 2-20мс;
• подача излучения – гибкий оптоволоконный кабель (2-3 м) с оптическим волокном диаметром 600 мкм;
• ход рабочей части волокна – 25 мм.

Также имеется возможность одновременного инъекционного введения медикаментозных препаратов в зону перфорации миокарда.

Выводы.

Приведенный в работе материал свидетельствует о возможности применения твердотельного лазера на основе алюмоиттриевого граната, легированном неодимом с длиной волны излучения 1,44 мкм, при операциях трансмиокардиальной лазерной реваскуляризации. Для правомочности клинического применения разработанного нами лазера необходимы экспериментальные исследования для подтверждения безопасности по применению и доклинические исследования для оценки его безопасности и эффекивности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Айткожин Г.К., Исраилова В.К. Трансмиокардиальная лазерная реваскуляризация миокарда – новый метод хирургического лечения больных ишемической болезнью сердца // Кардиология. - 2002. - №1. - Т. 42.
2. Айткожин Г.К., Сигаев И.Ю., ИсраиловаВ.К.Результатытрансмиокардиальной лазерной реваскуляризации миокарда у больных ишемической болезнью сердца.//Лазерная медицина, 2001. - Том 5. - Выпуск 2. - С. 4-8.
3. Айткожин Г.К., Сигаев И.Ю., Исраилова В.К. Хирургическое лечение ишемической болезни сердца методом трансмиокардиальной лазерной реваскуляризации миокарда.// Хирургия. - № 9. - 2001. - С. 4-7.
4. Айткожин Г.К., И.И. Беришвили., Сигаев И.Ю., Исраилова В.К. Трансмиокардиальная лазерная реваскуляризация миокарда СО 2 и XeCI лазерами у больных ишемической болезнью сердца. //Военно-медицинский журнал. - № 8. - 2001. - С. 79.
5. Айткожин Г.К., Исраилова В.К. //Трансмиокардиальная лазерная реваскуляризация миокарда – новый метод хирургического лечения больных ИБС. //Кардиология. - № 12. - 2001. - С. 34 – 36.
6. Бокерия Л.А., Айткожин Г.К., Беришвили И.И., Сигаев И.Ю., Исраилова В.К. Трансмиокардиальная лазерная реваскуляризация миокарда СО2и XeCL – лазером у больных ишемической болезнью сердца. // Кардиология. - № 10. - 2001. - С. 24 – 27.
7. Бокерия Л. А., Беришвили И. И., Сигаев И. Ю. и др. ТМЛР – чем определяется ее роль в лечении больных ИБС? // Бюллетень НЦССХ им. А. Н. Бакулева РАМН. - 2003. - Т. 4. – С. 58-69.
8. Бокерия Л. А., Беришвили И. И., Бузиашвили Ю. И. и др.Результаты сочетанных операций трансмиокардиальной лазерной реваскуляризации миокарда (ТМЛР) и минимально реваскуляризации миокарда (МИРМ).
9. Mirhoseini M., Cayton MM. Revascularization of the heart by laser // J. Microsurg. - 1981. - Vol.2. - P. 253-260.