Биофизическое основание, теория и воздействие

Известно, разрушающее действие оптического излучения, которое создаётся в основном с использованием лазерного излучения достаточной мощности. При этом в зависимости от уровня световой энергии условно выделяется несколько типов реакций биологического объекта.

При нагревании биологической ткани в диапазоне температур 40...63 °С происходит обратимая реакция белка, называемая денатурацией. Суть этой реакции состоит в том, что разрушаются коллагеновые и индивидуальные связи белковой субстанции. Коллаген денатурируется или плавится, превращаясь в свою первоначальную форму. Причём на этой стадии часть связей сохраняется и присутствует наряду с частично разрушенными. При снижении температуры ниже 40 "С эти связи вновь соединяются, но не обязательно с их предыдущим партнёром. Поэтому может наблюдаться некоторое переустройство матрикса из коллагеновых волокон.

При температурах больше 55 °С возникает деградация белка. Она характеризуется тем, что все оставшиеся жизнеспособными при денатурации гидрогенные связи разрушаются. При этом вся структура матрикса претерпевает коллапс. Основная жидкость разрушенных связей фильтруется в индивидуальные волоконные пучки. При снижении температуры матрикс полностью не восстанавливается. Происходит повреждение клетки, и наблюдаются фотодеструктивные изменения.

При температуре больше 63 °С наблюдается коагуляция. Нормальная структура целлюлярной массы и коллагеновый матрикс исчезает. Вместо них появляется ровная плотная масса. В эпидермальных и дермальных клетках ядер обнаруживаются изменения. При температуре больше 90 °С меж- и внутрицеллюлярная жидкость начинает закипать. Образуются маленькие пузырьки, вакуоли.

При 100 ' °С жидкость испаряется. Под действием пара давление в ткани резко повышается. Она буквально взрывается и расходится. При этом частицы ткани выбрасываются вместе с паром. При испарении тепло передаётся в близлежащие ткани, вызывая коагуляционный некроз в ближайших и денатурацию — в более отдалённых тканях.

Если температура больше 120 °С, наблюдается процесс карбонизации — обугливания тканей.

С точки зрения физики реакции биологического объекта на воздействие лазерным лучом считается, что каждый поглощённый биообъектом фотон образует возбуждённую частицу, например: атом, молекулу или свободный радикал. Возбуждение есть первичная реакция на лазерное воздействие. Возвращение к исходному состоянию может происходить разными путями. Этот этап относят ко вторичной реакции, которая может быть: фототермической (используется при испарениях или коагуляции), фотоэлектрической, фотомагнитной, фотодинамической или фотохимической. Считается, что последняя реакция является основой фотоактивации биологической ткани.

Разрушающее действие ультразвуковых колебаний связывают с явлением кавитации, создающей в клетках и тканях неустойчивые полости. Кавитация сопровождается возникновением ударной волны, люминесценцией, сильным повышением температуры, появлением активных радикалов. Ультразвуковая кавитация в биологических организмах вызывает их грубые повреждения, разрывы. Разрывы наблюдаются либо в области микроскопических газовых пузырьков, всегда имеющихся в тканях или возникающих в результате дегазации жидкости, либо на границе тканей или сред. Кавитация зависит от количества газа, растворённого в жидкости, вязкости жидкости, внешнего давления, частоты ультразвука и его интенсивности. Кавитация возникает при больших интенсивностях (более 3-4 Вт/см2). При резонансных частотах уровень интенсивности, при котором она возникает, существенно уменьшается. Так, например, резонансная частота для пузырьков с радиусом 3,3 мкм составляет около 1 МГц. Резонансные частоты зависят от типа клеток, их размеров и свойств клеточных мембран.

Характерным для повреждающего действия ультразвука считается мгновенное разрушение клеток и клеточных структур.

Разрушающее действие ультразвуковых колебаний используют в ультразвуковых скальпелях, принципы построения которых будут рассмотрены в п. 8.3, и в литотрипторах — аппаратах, предназначенных для разрушения твёрдых отложений, в частности уретральных камней (находящихся в мочеточнике и мочевом пузыре), а также ренальных (почечных), билиарных (камней желчного пузыря) и панкреатических (поджелудочной железы) камней.

Разрушение камней производится путём воздействия на них ударной волны или серии ударных волн, под воздействием которых в камне возникают трещины, после чего он разрушается на мелкие части и принудительно вымывается проточной водой или постепенно выводится из организма при естественных мочеиспусканиях.

В последнее время всё шире распространяются лазерные интракорпоральные литотрипторы, в которых в качестве лптотрипсионного зонда используют гибкий световод, присоединённый к лазерной установке.

Литотрипсия проходит в жидкой проточной среде. На дистальном конце световода при каждой световой вспышке в жидкой среде возникает светосид равлическнй эффект. Лазерный литотриптор разрушает камни бесконтактно. Гибкий светодиод (от 0,3 до 0,6 мм в диаметре) имеет возможность с соответствующим фиброскопом доходить до самых труднодоступных камней. Благодаря высоким энергиям разрушению поддаётся до 75 % всех камней.

Высокую производительность при разрушении уретральных камней обеспечивают также литотрипторы, использующие для создания ударных волн электрогидравлический эффект. Сущность эффекта состоит в образовании импульса давления в жидкости благодаря прохождению импульсного искрового разряда между парой погруженных в неё электродов. В момент искрового разряда при напряжении от 1,8 до 2 кВ в жидкой среде резко поднимается температура, мгновенно образуется паровое облачко, которое под действием температуры окружающей жидкости тут же конденсируется.

Дистальный конец зонда электрогидравлического литотриптора выполняется в виде пары электродов. В отличие от ультразвуковых зондов, электрогидравлический зонд разрушает камень бесконтактно.

В экстракорпоральных электрогидравлических литотрипторах электрогидравлический разрядник помещают внутри эластичного мешка, наполненного дистиллированной водой, а мешок контактирует с вогнутым рефлектором для фокусировки волнового узла на подлежащем разрушению камне.

Известна конструкция литотриптора, работающего внутри ванны с обессоленной дегазированной водой, куда и помещается пациент,

В этой схеме ударная волна формируется в отражателе с разрядником. Для создания ударной сфокусированной волны по команде компьютерной системы управления (КСУ) в которой формируется высоковольтный импульс (около 20 кВ), который вызывает электрический разряд в искровом промежутке разрядника. Этот разряд фокусируется отражателем в определённой точке ванны с водой .

Перед проведением литотрипсии пациент с поражённым органом (ПО) с помощью специальной подставки с высокой степенью точности перемещается в ванне таким образом, чтобы фокус ударной волны попал на разрушаемый камень (К) поражённого органа.

Наблюдение за процессом перемещения осуществляется по экрану монитора (М) с помощью двухканальной рентгеновской установки с рентгеновскими источниками (РИ1 и РИ2) и рентгеновскими детекторами (РД1 и РД2).

Рис. 8.2. Функциональная схема лзгготрнптора в водяной ванне: PHI. РП2 — рентгеновские источники; РД1. РД2 — рентгеновские детекторы: Отр — отражатель; КСУ — компьютерная система управления; Р — разрядник: К — камень; ПО — поражённый орган: В — ванна с водой; М — монитор

Когда в результате перемещения рентгеновские детекторы зафиксируют факт совмещения камня с фокусом ударной волны, положение пациента фиксируется и КСУ включает последовательность импульсов разряда (до нескольких тысяч импульсов), дробящих инородное тело. В медицинской практике находит применение и разрушающее действие высокочастотного электрического тока при построении высокочастотных скальпелей. Идея построения такого скальпеля основана на разрушающем действии токов больших плотностей. Такие токи создаются при использовании электродов, имеющих малую площадь соприкосновения с биотканью. При этом в результате быстрого нагревания жидкость в клетках быстро вскипает и клетка как бы “взрывается”. Выбором мощности и скорости движения электрода можно добиться того, что электрод высокочастотного хирургического прибора рассекает биоткань как острый скальпель. Резание «высокочастотным ножом» практически бескровно, так как под действием тепловой энергии кровь свёртывается и кровотечение останавливается. В этом заключается важное преимущество перед обычным скальпелем, при использовании которого хирург вынужден перерезать сосуды, а потом перевязывать их по отдельности, чтобы предотвратить большие кровопотери. Для резания обычно применяют высокочастотные токи с постоянной амплитудой. Для коагуляции (остановки кровотечения) чаще всего применяют токи, модулированные по амплитуде. Сложная волна, представляющая собой комбинацию этих двух форм, позволяет одновременно реализовать и резание, и коагуляцию. В высокочастотных хирургических установках используют частоты порядка 0,4...2 МГц.

При небольших хирургических вмешательствах достаточно иметь установки с выходной мощностью 30...50 Вт. Для крупных операций необходимо иметь выход-

ную мощность 300...500 Вт. Причем о большой выходной мощностью могут применяться дли терапии и в водной среде (дли урологических операций).

Второй электрод, необходимый дли опадании электрического токи, должен иметь большую площадь поверхности, чтобы плотность электрического тока под ним и тепловой патрон были бы как можно меньше. Кроме того если электрод разместить так, что площадь контактирования будет мала, то пациент может получить ожоги па-па большого количества тепла, рассеиваемого на малой площади. В ряде разработок вводятся специальные электронные узлы, предназначенные для контроля переходного сопротивления между этим электродом и телом пациента. При превышении им определённого значения установка автоматически отключается. Активные электроды для хирургии имеют различные формы: шара, петли, иглы, ножа, лопатки, колец и т.п. Так как при операциях часто бывает необходимым применять несколько видов электродов, в конструкции установки обычно предусматривается их одновременное подключение. Регулирование мощности и включение или выключение высокочастотной энергии осуществляется, как правило, ножным переключателем.

При проектировании подобных установок особое внимание уделяется электровзрывобезопасности. Это объясняется тем, что в операционной может находиться смесь эфира с воздухом, которая взрывоопасна, а также может оказаться повышенная концентрация кислорода. Особенно высокие требования предъявляются к ножным переключателям, поскольку взрывоопасные и легкозагорающиеся газы тяжелее воздуха и скапливаются внизу.