Фотоника:Оптимизация параметров лазерного излучения при хирургическом лечении больных с патологией аноректальной зоны
Авторы: Жижин Н. К., Иванов Д. А., Иванов М. А., Колбас Ю. Ю., Кузин Н. А., Кузнецов Е. В., Шибеко Е. А.
В статье представлен метод оптимизации параметров лазерного излучения и описание разработанной компьютерной программы для больных с патологией аноректальной зоны, определены критерии выбора уровней лазерного воздействия. На основе практических результатов лечения больных показано, что использование разработанного метода позволило снизить уровень воздействия лазерного излучения у 58% пациентов. В то же время у 16% больных было увеличено время воздействия, что обеспечило однократность операции.
Ключевые слова: лазерное излучение, температура ткани, программное обеспечение, диодный лазер, геморрой, хирургия
Лазерные технологии активно внедряются в современную хирургию, чрезвычайно конкурентоспособными в области медицины в настоящее время являются полупроводниковые (диодные) лазеры. Благодаря многообразию конструктивных решений и широкому списку используемых в производстве материалов существует множество различных видов диодных лазеров, обладающих широким спектром возможных мощностей и длин волн (0,5-5 мкм). Отличительной особенностью диодных лазеров является высокий коэффициент полезного действия (КПД), миниатюрность, низкая цена и значительный рабочий ресурс (до 50 000 часов). Наиболее распространено применение диодных лазеров в хирургии, однако благодаря многообразию выходных параметров и доступной цене диодные лазеры в настоящее время являются одним из самых распространенных типов лазеров и в колопроктологии.
В последнее десятилетие активно используется в хирургической коррекции геморроя лазерное излучение. Высокоинтенсивное лазерное излучение успешно используется в абдоминальной хирургии уже более 40 лет [1-4]. В тематической литературе можно встретить сообщения об использовании для коагуляции геморроидальных узлов, кавернозных и сосудистых образований аноректальной области различных параметров лазерного излучения [2, 5] Разрозненная информация по применению лазеров в лечении анальных трещин, свищей прямой кишки, кондиллом, полипов прямой кишки не позволяет определить алгоритм хирургического лечения. Выполнение различных лазерных хирургических тактик при патологии аноректальной зоны разработано, однако четких методических указаний по режиму работы, мощности излучения, времени воздействия не представлено. Вообще не учитываются антропометрические данные пациентов.
Поэтому целью работы стала разработка программы для оптимизации использования лазерного излучения в лечении заболеваний аноректальной зоны. Для достижения цели научному коллективу были поставлены следующие задачи исследования:
Создать компьютерный модуль с учетом антропометрических данных, для оптимизации мощности лазерного излучения и времени его воздействия
Персонифицировать методологию использования лазерного лечения при заболеваниях аноректальной зоны
Использовать геморроидальную болезнь как биологическую модель для написания информационной компьютерной программы
Создать компьютерную базу данных для минимизирования рисков при использовании лазеров в лечении заболеваний аноректальной зоны
Материалы и методы
Для создания компьютерной программы были использованы данные исследований по выборке из 362 пациента, пролеченных с использованием диодного лазера в течение 3 лет (за 2018-2020 годы). Все больных имели патологии аноректальной зоны. Хирургическое лечение всех пациентов выполняли с помощью диодного лазера. Для создания программы использовали базы данных, которые содержали антропометрические данные пациентов - рост и вес, технические параметры лазерного излучения - длина волны, мощность излучения и время воздействия.
При работе с прибором в тестовом режиме было отмечено удобство использования лазерного инструмента: аппарат прост в использовании (используется технология PLUG & PLAY, что упрощает обнаружение аппаратного компонента в системе без необходимости вмешательства пользователя), компактен, удобен при транспортировке и использовании в различных медицинских помещениях в течение рабочего дня. Интерфейс, размещенный на сенсорном экране, использует русский язык, позволяет оперативно использовать несколько рабочих режимов при выполнении оперативных вмешательств, иногда даже и у одного пациента. Для всех оперативных вмешательств использовались торцевые и радиальные световоды, длина волны излучения - 1,46 мкм.
В качестве биологической модели при написании программы была выбрана геморроидальная болезнь. В лечении геморроя были использованы торцевые световоды, при этом наблюдается эффект "белой денатурации" тканей. Иногда раневой дефект дополнительно прошивался нитью Викрил 3-0 на круглой игле с целью дополнительного гемостаза и лифтинга слизистой. При использовании радиальных световодов световод вводился чрезкожно в подслизистый слой, и коагуляция геморроидальных узлов проводилась веерно. Работа осуществлялась на мощности лазерного излучения не более 8 Вт, при этом эффект "белой денатурации" тканей не наблюдался. При проллапсе слизистой выполнялся ее лифтинг нитью Викрил 3-0 на круглой игле. В послеоперационном периоде болевой синдром был минимален и исчезал на 2‑е сутки после операции, а средний срок нетрудоспособности составил 10-12 дней. Анализ болевого синдрома проводили по цифровой ретинговой шкале (NRS).
Болевой синдром составил 3-4 балла при использовании торцевых световодов, 1-2 балла при использовании радиальных световодов, к 3‑м суткам болевой синдром отсутствовал. Всем больным выполнялась эпидуральная анестезия (362 случая). Данный вид анестезии предполагает введение анестетика в непосредственной близости от спинного мозга, поэтому их объединяют понятием "центральная анестезия". С целью предупреждения развития артериальной гипотонии пациентам проводится волемическая (инфузионная) нагрузка растворами кристаллоидов, при необходимости растворами коллоидов. Это ведет к увеличению преднагрузки и таким образом - к увеличению венозного возврата и нормализации сердечного выброса. Динамический мониторинг артериального давления, пульса, частоты дыхания, пульсоксиметрии проводится при первичном осмотре пациента, во время подготовки и проведения анестезии, в послеоперационном периоде.
Разумеется, ранее также были предложены устройства, позволяющие проводить подобное лечение. Например, подобная установка, использующая механическую компрессию, УЗ-диагностику и УЗ-коагуляцию, предложена в работе Jimin Zhang et al [6].
Основным отличием использования лазерного излучения от ультразвукового нагрева или немонохроматической фотокоагуляции является возможность обеспечения селективного воздействия на ткани при правильном выборе длины волны излучения. Это означает, что использование лазерного излучения для решения задачи коагуляции крови в сосуде приводит к относительно малому разогреву окружающих тканей [3]. Для эффективной коагуляции крови излучение должно эффективно поглощаться гемоглобином, при этом поглощение излучения окружающими сосуд тканями должно быть меньше для обеспечения принципа селекции. Также для решения задачи лазерной коагуляции целесообразным является использование импульсно-периодического режима воздействия, который позволит повысить эффективность коагуляции крови и обеспечит безопасность окружающих тканей ввиду меньшей зоны нагрева.
Важно также отметить малоинвазивность и удобство способов доставки лазерного излучения в зону воздействия. Излучение лазера подается к месту воздействия в толще тканей по гибкому оптоволокну малого диаметра с использованием линз, а сам процесс коагуляции может быть осуществлен как эндовазально, так и черестканно [3, 5, 7-10].
Лазерное излучение имеет ряд иных преимуществ: зона термических повреждений стерильна и минимальна (не более 0,15 мм). Коагуляция крови и лимфы в просвете мелких сосудов диаметром 0,3-0,5 мм обеспечивает гемо- и лимфостаз, что полностью исключает возможность кровотечения из раны и развития застойных отеков окружающих тканей [11, 12].
Описание лазерной установки
В работе была использована лазерная установка (рис. 1) на базе диодного медицинского лазера ACT DUAL производства ООО "Юрикон-Группа " с выводом излучения через радиальное оптическое волокно с линзой [12].
Используется излучение длиной волны 1470 нм. Мощность и длительность воздействия варьируется в широких пределах: мощность до 16 Вт, длительность воздействия в одном импульсе до 1000 мс. Суммарное время воздействия может быть установлено любым, поскольку задается любое количество повторяющихся импульсов.
Описание программы
Разработанная программа оснащена интуитивно понятным интерфейсом (рис. 2). Для расчета персонифицированной математической модели необходимо ввести несколько входных параметров (длину волны, температуру воздействия, тип кожи пациента, диаметр лазерного пучка и мощность). Также необходимо ввести данные пациента, а именно: ФИО, пол и возраст. После расчетов интерфейс позволяет хирургу видеть, как будет изменяться температура ткани при воздействии лазера на биоткань в разные моменты времени и на разной глубине от поверхности и по сечению луча. Рассчитанные параметры, а также данные пациента записываются в базу данных программы (рис. 3), использование которой позволяет собирать анонимную статистику с целью дальнейшего развития программы и методики.
Для расчета математической модели используется следующий алгоритм:
1. Рассчитывается изменение температуры рассматриваемого цилиндра под воздействием лазера в горизонтальном и вертикальном направлениях: ΔT = Qi C ⋅mi (1) где C - теплоемкость биологической ткани, mi - масса рассматриваемого цилиндра на шаге интегрирования, Qi - количество передаваемого тепла, i - номер шага;
2. Рассчитывается количество передаваемого тепла между слоями вследствие диффузии:
Qi = −χ ⋅ S⋅ di − di−1 ( ) dl dt, (2) где S - площадь сечения, di - диаметр сечения на шаQге, i = −χ ⋅ S⋅ di − di−1 ( ) dl - коэффиdtциент теплопроводности, dt - время шага интегрирования;
3. Вычисления по п. п. 1 и 2 рекурсивно выполняют до тех пор, пока рассчитанная температура слоя с заданной глубиной (формула 3) не будет равна установленной: Ti = Ti + Qi C ⋅mi (3) Необходимые для расчета константы, используемые программой (коэффициенты отражения, теплоемкость и теплопроводность биологической ткани), приведены в табл. 2.
Обсуждение полученных результатов
Ниже представлены результаты использования разработанного алгоритма и программы. Всего было пролечено 362 пациента, распределение которых по полу, возрасту и диагнозу заболевания представлено на рис. 4-6.
Без использования расчетной программы алгоритм лечения предусматривал установку выходной мощности диодного лазера 10 Вт и варьирование времени воздействия в диапазоне 800-3200 мс в зависимости от диаметра обрабатываемой зоны как субъективный выбор хирурга. С одной стороны, это приводило к избыточному повреждению тканей, с другой - в некоторых случаях требовалась повторная обработка. Использование расчетной программы устранило этот недостаток, в результате выбор параметров воздействующего лазерного излучения стал персонифицированным. Как видно из диаграммы на рис. 7, для 41,45% пациентов мощность лазерного излучения была снижена на 20%, а для 29,57% мощность потребовалось снизить даже на 30%. Диаграмма на рис. 8 показывает, что почти для 16% пациентов пришлось существенно увеличить время воздействия вплоть до 12 000 мс. Зато операция была завершена за 1 цикл без повторения воздействия.
Заключение
Учет антропометрических параметров позволяет оптимизировать мощность излучения, что в дальнейшем улучшает морфометрические параметры раневого процесса, а также позволяет сократить сроки заживления.
Все эти данные учитывались при написании компьютерной программы, вводились следующие параметры: рост, вес больного, время воздействия в секундах, длина волны, мощность излучения в единицах ватт - все эти данные в дальнейшем обрабатывались, и с использованием методов математического моделирования персонифицировалось лазерное воздействие. Разработанное программное обеспечение позволяет персонифицировать лазерное воздействие на ткани индивидуального для каждого пациента. Биологическая модель - геморрой - требует дальнейшей разработки цитологических и гистологических параметров с учетом индивидуальных данных.
Развитие совершенствования программного обеспечения на базе созданной модели с учетом рискометрических параметров позволит расширить потенциал использования диодных лазеров в колопроктологии. И этот метод лазерной хирургии станет традиционным инструментом для врача.
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.8.676.686
Статья получена: 22.10.2021 Статья принята: 17.11.2021
АО "НИИ "Полюс" им. М. Ф. Стельмаха", Москва Федеральный медицинский центр Росимущества
REFERENCES
1. Воробьев, Г. И. Основы колопроктологии / Г. И. Воробьев. - Ростов-на-Дону: Издательство "Феникс", 2001. - 416 с. Vorob`yov, G. I. Osnovy koloproktologii / G. I. Vorob`ev. - Rostov-na-Donu: Izdatel`stvo "Feniks", 2001. - 416 s.
2. ZHizhin N. K., Sarkisyan YU. G., Potapova YU. V., Ivanov YU. V. Ispol`zovanie diodnogo lazera v lechenii gemorroidal`noj bolezni. Klinicheskaya praktika. - 2016. - № 4. - S. 9-14. Жижин Н. К., Саркисян Ю. Г., Потапова Ю. В., Иванов Ю. В. Использование диодного лазера в лечении геморроидальной болезни. Клиническая практика. - 2016. - № 4. - С. 9-14.
3. Rivkin V. L. Rukovodstvo po koloproktologii / V. L. Rivkin, A. S. Bronshtejn, S. N. Fajn. - M.: Izd-vo "Medpraktika", 2001. - 300 s. Ривкин В. Л. Руководство по колопроктологии / В. Л. Ривкин, А. С. Бронштейн, С. Н. Файн. - М.: Изд-во "Медпрактика", 2001. - 300 с.
4. Tarhov N. S., Davydova E. A. / Lazernyj dvuhvolnovoj hirurgicheskij apparat // Izvestiya Tul`skogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki. 2016; 12: 233-236. Тархов Н. С., Давыдова Е. А. / Лазерный двухволновой хирургический аппарат // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016;12: 233-236.
5. Nasim H., Jamil Y. Diode lasers: From laboratory to industry. Optics & Laser Technology. 2014;56: 211-222. DOI: 10.1016/j.optlastec.2013.08.012.
6. Jahanshani A., Mashhadizadeh E., Sarmast M. H. Diode laser for treatment of symptomatic hemorrhoid: a short term clinical result of a mini invasive treatment, and one year follow up. Polish Journal of Surgery. 2012;84:329-332.
7. Bursics A, Morvay K, Kupcsulik P, Flautner L. Comparison of early and 1‑year follow- up results of conventional hemorrhoidectomy and hemorrhoid artery ligation: a randomized study. Int J Colorectal Dis. 2019; 19(2):176-80. DOI: 10.1007/s00384-003-0517-9.
8. Simon S. B., et as. "Short-Term and Long-Term Results of Combined Sclerotherapy and Rubber Band Ligation of Hemorrhoids and Mucosal Prolapse". Dis Colon Rectum. 2019;46(9): 1232-1237.
9. Sohn N, Aronoff JS, Cohen FS., Weinstein MA. Transanal hemorroidal dearterilization is an alternativ the operativ hemorroidectomy. Am. J. Surgery. 2018; 182(5):515-519. DOI: 10.1016/s0002-9610(01)00759-0.
10. N.K. ZHizhin, YU.YU. Kolbas, V. V. Harlamov, S. A. Nikitin, A.YU. Krylova, S. V. Titov. Innovacionnyj metod ispol`zovaniya diodnogo lazera v lechenii gemorroidal`noj bolezni. Kachestvo. Innovacii. Obrazovanie, № 6 (170), 2020 g., s.99-104. DOI: 10.31145 / 1999-513x‑2020-6-99-104 Н. К. Жижин, Ю. Ю. Колбас, В. В. Харламов, С. А. Никитин, А. Ю. Крылова, С. В. Титов. Инновационный метод использования диодного лазера в лечении геморроидальной болезни. Качество. Инновации. Образование. 2020; 6 (170): 99-104. DOI: 10.31145/1999-513x‑2020-6-99-104.
11. Patent US 2007 / 0194658 A1. Systems and methods for performing acoustic hemostasis of deep bleeding trauma in limbs /Jimin Zhang, David Perozek, John Kook, Ed Caldwell, Charles Emery, Robert Pedersen.
12. N. K. ZHizhin, YU. YU. Kolbas, E. V. Kuznecov. Ispol`zovanie lazerov v hirurgii. PhotonicsRussia. 2020;14 (3): 282-291. DOI: 10.22184 / 1993-7296. FRos.2020.14.3.282.291. Н. К. Жижин, Ю. Ю. Колбас, Е. В. Кузнецов. Использование лазеров в хирургии. Фотоника.2020;14 (3): 282-291. DOI: 10.22184 / 1993-7296. FRos.2020.14.3.282.291.
ОБ Авторах
Жижин Никита Кириллович, с. н. с., АО "НИИ "Полюс" им. М. Ф. Стельмаха", Москва. Выполненные задачи: разработка методики хирургического лечения ORCID: 0000-0002-7825-3556 Иванов Дмитрий Алексеевич, ведущий инженер-программист, АО "НИИ "Полюс" им. М. Ф. Стельмаха", Москва. Выполненные задачи: создание пользовательской программы, базы данных ORCID: 0000-0001-9381-0747
Иванов Максим Алексеевич, начальник лаборатории, АО "НИИ "Полюс" им. М. Ф. Стельмаха", Москва. Выполненные задачи: создание программного алгоритма для реализации математической модели. ORCID: 0000-0003-2738-0990
Колбас Юрий Юрьевич, зам. нач. НПК-470, АО "НИИ "Полюс" им. М. Ф. Стельмаха", Москва. Выполненные задачи: создание математической модели. ORCID: 0000-0002-6867-0065
Кузнецов Евгений Викторович Генеральный директор, доктор технических наук, профессор, АО "НИИ "Полюс" им. М. Ф. Стельмаха", Москва. Выполненные задачи: разработка методики расчета. ORCID: 0000-0002-3530-478x
Надежда Алексеевна Кузина, инженер, АО "НИИ "Полюс" им. М. Ф. Стельмаха", Москва. Выполненные задачи: разработка базы данных пациентов. ORCID: 0000-0001-5594-1260
Шибеко Елена Анатольевна, зав. терапевтическим отделением, Федеральный медицинский центр Росимущества. Выполненные задачи: разработка методики постоперационного лечения и сбор данных пациентов. ORCID: 0000-0001-6356-0089
Источник: Фотоника
