Влияние длины волны лазерного излучения ближнего ИК — диапазона на характер силового воздействия на биологические ткани

Актуальность работы. Современный инновационный этап развития экономики и общества во многом определяется степенью внедрения и эффективностью использования лазерных технологий на практике. Приоритетность данного направления развития для нашей страны исторически связана с пионерскими работами Н. Г. Басова и A.M. Прохорова в области квантовой электроники, приведшими к созданию лазеров и мазеров, и получившими в 1964 г. мировое признание. На современном этапе несомненным подтверждением значимости этого направления является присуждение Государственных премий ряду работ по лазерной тематике, в том числе двум работам из трёх, получившим Государственные премии Российской Федерации в области науки и техники в 2010 г., а также работе по волоконным лазерам, удостоенной премии в 2011 г. [1, 2]. Особенно актуально расширение сфер применения лазерных технологий в медицине. Причем реализация этого приоритетного для страны направления развития зависит не только от достижений в разработке новых перспективных типов лазеров и средств доставки лазерного излучения к объекту воздействия, но и от степени изученности механизмов взаимодействия лазерного излучения с различными биологическими тканями и биологических последствий такого воздействия. Именно поэтому получение объективных данных о характере взаимодействия лазерного излучения с конкретной длинной волны с конкретным биологическим материалом и о возможных последствиях этого воздействия представляет актуальную научно-практическую задачу Только наличие объективной информации по данному вопросу даёт возможность создавать и рекомендовать разрабатываемые новые высокоэффективные лазерные технологии к практическому использованию в той или иной области медицины. Подобная информация представляет также значимый интерес для выработки требований и формирования технической политики по дальнейшему развитию отечественного парка медицинских лазерных установок.

К настоящему времени исследованиям специфики взаимодействия лазерного излучения с биологическими тканями, обусловленной особыми свойствами лазерного излучения (монохроматичностью, направленностью и высокой интенсивностью) посвящено значительное число работ, например [3−24]. Именно результаты фундаментальных исследований широкого круга явлений, связанных с разнообразными эффектами взаимодействия лазерного излучения с биологическими тканями, позволили заложить научную основу таких трёх основных направлений его практического применения в медицине как: лазерная хирургия, лазерная терапия, лазерная микро и макро диагностика [3]. Для каждого из указанных направлений характерны свои цели, методы и способы их реализации, базирующиеся на результатах исследований специфичных эффектов и механизмов взаимодействия лазерного излучения с биологическими структурами. Для каждого, в основном, определились предпочтительные рабочие диапазоны интенсивностей и длин волн излучения. Предложены характерные лазерные медицинские технологии. Наиболее успешны и значимы достижения, но использованию лазерных технологий в хирургии (в качестве стерильного скальпеля, обладающего селективным воздействием на биоматериалы), а также для совершенно нового направления в медицине, получившего название лазерной силовой терапии [25−29]. Такой обобщающий термин (в отличие от низкоинтенсивной лазерной терапии для лечения трофических нарушений и гнойных ран, а также для ускорения процессов регенерации тканей) входит в медицинскую практику для обозначения воздействий, при которых происходит изменение структуры и физического состояния биоткани, но отсутствуют операции типа «сечение» или «удаление», характерные для хирургии. Перспективность нового направления обусловлена прежде всего тем, что с разработкой и внедрением малоинвазивных медицинских лазерных технологий сложнейшие многокровные и крайне болезненные хирургические операции могут быть сведены к процедурам, проведение которых в ряде случаев возможно в амбулаторных условиях. Характерным примером таких современных малоинвазивных технологий могут служить: эндовенозная лазерная коагуляция для лечения венозной недостаточности [18] и лазерная термопластика хрящей (в оториноларингологии, нейрохирургии, травматологии и ортопедии) [17, 24−26, 30−32]. К области силовой лазерной терапии также относятся фотодинамическая терапия и лазерная интерстициальная термотерапия [29, 33, 34], разрабатывавшиеся как методы лечения злокачественных и доброкачественных опухолей на основе их гипертермии.

В последние годы наметились пути расширения областей использования лазерных технологий. К достаточно обоснованным и бесспорно актуальным новым областям применений лазерного излучения в хирургии и силовой терапии относятся также кардиология, урология, гинекология, проктология, детская хирургия и косметология [35−42]. Однако, до недавнего времени их практическая реализация осуществлялась, как правило, только в условиях стационарных клиник. В определённой степени это обусловлено сложностью в эксплуатации, громоздкостью и дороговизной медицинской сильноточной лазерной аппаратуры прошлого поколения.

Отечественные и зарубежные достижения последних десятилетий по созданию малогабаритных, сравнительно дешёвых и удобных в эксплуатации медицинских установок на основе полупроводниковых и волоконных лазеров частично сняли рассмотренное выше ограничение. Однако, значительное расширение возможностей современного арсенала полупроводниковой и волоконной лазерной медицинской техники по диапазону и набору длин волн рабочего излучения (часть из которых ещё не освоена врачами), сделало ещё более актуальным сравнительные исследования по зависимости конечных результатов воздействия излучения на биоткани от длины волны. Именно от длины волны излучения зависят оптические свойства биоматериалов, опеределяющие пространственно-энергетическое распределение источников теплового воздействия. Учитывая наличие в биоткани различного типа хромофоров, независимо реагирующих на изменения длины волны излучения, исследования связей между длиной волны, ожидаемым пространственным распределением источника теплового воздействия и реакции живых тканей (динамика последствий) на эти воздействия представляют собой несомненно актуальную проблемную научную задачу.

Реалии использования эффективных медицинских лазерных технологий в амбулаторных условиях также предъявляют более жёсткие требования по снижению энергетических нагрузок, определяющих риск отрицательных послеоперационных последствий, что в ряде случаев требует уточнения и совершенствования даже разработанных технологий. Особенно актуально это для ряда лазерных технологий, активно внедряемых в флебологию, челюстно-лицевую хирургию и артрологию, использующих ближний ИК-диапазон излучения с длинами волн 0,97 мкм, 1,56 мкм, 1,68 мкм и 1,9 мкм, для которых хорошо освоен выпуск отечественной полупроводниковой и волоконной лазерной медицинской техники. Именно исходя из рассмотренных выше условий в качестве наиболее актуального направления исследования влияния длины волны лазерного излучения на характер силового воздействия1 на биологические ткани и были выбраны как перечень биологических материалов (кровь, венозная стенка, слизистые полости рта, костная ткань), так и диапазон длин волн. При этом малоинвазивные лазерные технологии в интересах указанных выше разделов медицины с использованием излучения с, А = 0,97 мкм частично уже начали внедряться в практику. В первую очередь, это относится к стоматологии, где использование новой лазерной техники с длиной волны Л = 0,97 мкм уже осуществляется в условиях дневного стационара [27], и к флебологии при лечении сосудистой патологии вен, где также наметились серьёзные преимущества использования лазерных технологий [16, 18, 28]. Начаты работы по использованию данной длины волны для стимуляции восстановления тканей при артрозе коленного сустава путем лазерной перфорации суб-хондральной кости [24]. Вместе с тем к началу исследований соискателя в интересах указанных выше разделов медицины соответствующих методик с использованием длин волн 1,56 мкм, 1,68 мкм и 1,9 мкм не существовало. В связи с этим назрел ряд принципиальных вопросов, требующих фундаментальных исследований оптических свойств такого сложного материала, каким является биологическая ткань, в частности кровь и стенки вен, для лазерного излучения с длинами волн 1,56 мкм, 1,68 мкм и 1,9 мкм, перспективными с точки зрения использования в медицинских технологиях [17, 18, 29, 43]. Не менее значимыми для разработки новых технологий и требующими оперативного ответа являются вопросы по физике воздействия и по механизмам осуществления окклюзии при эндовенозной лазерной коагуляции для указанного выше диапазона длин волн [16, 18].

Именно поэтому исследования с использованием теоретических, экспериментальных физических и морфологических (гистологических) методов по обоснованию возможности снижения травматичности за счет расширения диапазона используемых в этих технологиях длин волн и составили основную научную идею работы.

В связи с рассмотренным, предметом исследований настоящей работы стали фи.

1 под «силовым воздействием» понимается тепловое воздействие, необходимое и достаточное для проведения лазерной хирургической операции или процедуры силовой терапии. зика взаимодействия и динамика последствий силового воздействия лазерного излучения на живые биологические ткани. Объектом исследования настоящей работы являются проблемные вопросы по качественной и количественной оценке зависимости оптических свойств, механизмов и динамики последствий силового воздействия на биологические ткани (кровь, венозная стенка, слизистые полости рта, субхондральная кость коленного сустава) от длины волны лазерного излучения в ближнем ИК-диапазоне.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является: исследование влияния длины волны лазерного излучения ближнего ИК-диапазона (А = 0,97 мкм, А = 1,56 мкм, А = 1,68 мкм и, А = 1,9 мкм) на характер взаимодействия и на последствия воздействий на биологические ткани в интересах обоснования и разработки новых лазерных медицинских технологий в таких разделах хирургии и силовой терапии как флебология, артрология и стоматология.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

1. Изучить состояние вопроса:

• по лазерным медицинским технологиям в флебологии, артрологии, стоматологии;

• по структуре и строению биологических материалов, планируемых для исследований;

• по результатам исследований воздействия лазерного излучения ближнего ИК-диапазона на следующие биологические ткани — кровь, венозную стенку, слизистые ткани полости рта, субхондральную кость коленного сустава.

2. Оценить возможности исследования влияния длины волны лазерного излучения на характер силового (теплового) воздействия на биоткани теоретическими методами.

3. Получить данные по коэффициенту поглощения и эффективному коэффициенту ослабления лазерного излучения ближнего ИК-диапазона в цельной (1кй=45%) крови для длин волн более 1,2 мкм. Разработать методику и провести экспериментальные исследования оптических свойств цельной (]к±-=45%) крови для лазерного излучения с длинами волн 1,56 мкм и 1,68 мкм, как наиболее важных для использования при лечении варикозной болезни.

4. Разработать методику и провести экспериментальные исследования по уточнению различий механизмов воздействия на кровь и венозную стенку при эндовенозной лазерной коагуляции излучением с длинами волн менее 1,32 мкм («гемоглобинпогло-щаемое» излучение) и более 1,32 мкм (излучение «поглощаемого преимущественно водой»),.

5. Освоить методики и провести экспериментально-морфологические исследования на живых биологических тканях по сравнительной оценке последствий воздействия:

• на венозную стенку и кровь лазерного излучения с длинами волн 0,97 мкм и 1,56 мкм;

• на слизистые ткани полости рта и субхондральную кость коленного сустава лазерного излучения с длинами волн 1,56 мкм и 1,9 мкм.

6. Разработать предложения по выбору длин волн для совершенствования ряда медицинских лазерных технологий в флебологии, артрологии и стоматологии.

Научная новизна.

1. На основе анализа и обобщения экспериментальных данных литературных истопников для разбавленной (1кЛ=5%) крови и воды получены данные по коэффициенту поглощения и эффективному коэффициенту ослабления в цельной (Ъс1=45%) крови лазерного излучения для длин волн в диапазоне 1,2. 2,5 мкм.

2. С использованием метода интегрирующих сфер и достижений в решении обратных задач теории переноса на основе метода Монте-Карло получены экспериментальные данные по коэффициентам поглощения, рассеяния и эффективного ослабления в цельной (Ьс^- - 45%) крови для лазерного излучения с длинами волн 1,56 мкм и 1,68 мкм.

3. Экспериментально оценена зависимость объема пузырьков «пара» от энергии и длины волны в интересах уточнения механизма воздействия излучения на кровь и венозную стенку (предложенного Т. РгоеЬаИе) при реализации процедуры ЭВЛК. Впервые установлено, что в рабочем диапазоне нагрузок образующиеся в цельной крови и воздействующие на внутреннюю поверхность вены пузырьки состоят из испаренной воды только на 60. 70%, остальное составляет газ, образующийся за счет сгорания органических компонентов крови.

4. Уточнён механизм воздействия лазерного излучения с длинами волн более 1,32 мкм («поглощаемого преимущественно водой») на венозную стенку и окружающие ткани, предложена уточненная модель окклюзии вены при эндовенозной лазерной коагуляции.

5. Получены сравнительные экспериментальные данные по последствиям лазерного воздействия на кровь, венозную стенку, слизистые ткани полости рта, костную ткань коленного сустава и по динамике регенерации биотканей от 2 до 90 суток после воздействия излучения с длинами волн 0,97 мкм, 1,56 мкм и 1,9 мкм. Заложены основы и разработаны рекомендации по выбору длин волн для обеспечения совершенствования и создания ряда новых лазерных медицинских технологий.

6. Выявлены преимущества и выработаны конкретные предложения по технологиям использования лазерного излучения:

• в флебологии — Л = 1,56 мкм для лечения варикозной болезни;

• в артрологии — Л = 1,56 мкм и Л = 1,9 мкм для перфорации субхондральной кости коленного сустава;

• в стоматологии — А = 1,9 мкм для проведения хирургических операций на слизистых тканях полости рта.

Практическая значимость.

1. Данные по коэффициенту поглощения и эффективному коэффициенту ослабления лазерного излучения в цельной (Ьс^ 45%) крови для диапазона 1,2. 2,5 мкм расширили возможности, но использованию расчетно-теоретических методов исследования для изучения механизмов и моделей взаимодействия излучения с биотканью в интересах использования в силовой терапии значительного класса новых современных отечественных лазерных аппаратов. Полученные данные также представляют значительный интерес в оптической томографии и других диагностических и терапевтических приложениях.

2. Результаты исследований по влиянию длины волны лазерного излучения ближнего ИК-диапазона на характер воздействия на биологические ткани использованы при разработке новых медицинских лазерных технологий в хирургии и силовой терапии:

• излучения 1,56 мкм для лечения варикозной болезни путем эндовенозной лазерной коагуляции прошли клиническую апробацию и приняты к применению в ФГБУ «Лечебно-реабилитационный центр РОСЗДРАВА», г. Москва [44];

• излучения 1,9 мкм для проведения операций на слизистых тканях полости рта прошли клиническую апробацию и нашли практическое применение в ФГБУ «ЦНИИСиЧЛХ» Минздравсоцразвития, г. Москвановая медицинская технология ФС № 2011/302 от 26.09.2011 г. разрешена к применению Федеральной службой по надзору в сфере здравоохранения и социального развития [45].

3. Результаты исследований автора по особенностям воздействия лазерного излучения на различные биологические ткани вошли в разработанные с его участием официальные рекомендации по выбору и применению лазерных аппаратов на основе полупроводниковых и волоконных лазеров для хирургии и силовой терапии [46]. Рекомендации предназначены для широкого круга врачей и организаторов здравоохранения, а также студентов медицинских вузов и технических вузов с специализацией в области медицинской техники.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения.

1. Результаты анализа по оценке возможностей теоретических методов исследования характера и последствий воздействия лазерного излучения ближнего ИК-диапазона на биоткани.

2. Данные по коэффициенту поглощения и эффективному коэффициенту ослабления лазерного излучения ближнего ИК-диапазона (А=1,2. .2,5 мкм) в цельной (1к^=45%) крови.

3. Методика и результаты экспериментальных исследований по коэффициенту поглощения, рассеяния и эффективному коэффициенту ослабления в цельной (1кЛ=45%) крови лазерного излучения с длинами волн 1,56 мкм и 1,68 мкм.

4. Методика и результаты экспериментальных исследований по определению объема пузырьков в цельной крови и содержания в них водяного пара в зависимости от энергии и длины волны в интересах уточнения механизма воздействия излучения на внутреннюю стенку вены (предложенного Т. РгоеЬвие) при реализации процедуры ЭВЛК. Механизмы и характер воздействия лазерного излучения с длинами волн 1,32. 1,68 мкм («поглощаемого преимущественно водой») на венозную стенку и окружающие ткани, характер окклюзии при эндовенозной лазерной коагуляции.

5. Результаты экспериментально-морфологических исследований последствий воздействия лазерного излучения с длинами волн 0,97 мкм, 1,56 мкм и 1,9 мкм на различные биологические ткани (кровь, венозная стенка, слизистые ткани полости рта, костная ткань) и предложения по технологиям использования современных отечественных полупроводниковых и волоконных лазеров для:

• лечения варикозной болезни путем эндовенозной лазерной коагуляции излучением с длиной волны 1,56 мкм [44];

• проведения хирургических операций на слизистых тканях полости рта излучением с длиной волны 1,9 мкм (новая лазерная медицинская технология ФС № 2011/302 от 26.09.2011 г. [45]).

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность представленных результатов обеспечивается использованием апробированных математических моделей, теоретических и экспериментальных физических и морфологических методов исследования, поверенной измерительной аппаратуры, а также дополнительными измерениями оптических свойств разбавленной (Ьс1=5%) крови, позволившими провести непосредственное сравнение (в целях отработки методики измерений) и получить убедительное согласие с независимыми экспериментальными данными.

Основные результаты диссертации прошли апробацию на Международных (Мюнхен, Германия, 2009 г.- Самара, Россия, 2009 г.- Тарагона, Испания, 2010 г.- Санкт-Петербург, Россия, 2010 и 2012 гг.- Москва, Россия, 2010 и 2011 гг.) и Российских (Москва, Россия, 2009 г.- Курган, Россия, 2009 г.- Ярославль, Россия, 2010 г.) симпозиумах, конгрессах и конференциях по медицинскому приложению лазеров и биомедицинской оптикена ежегодных научных сессиях Национального исследовательского ядерного университета.

МИФИ" (Москва, Россия, 2009, 2010 и 2012 гг.), а также на Всероссийской молодежной школе-семинаре «Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики» (Москва, Россия, 2009 г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 26 печатных работах, из них 3 статьи в рецензируемых журналах [47−49] и 16 тезисов докладов на Международных и Российских конференциях и симпозиумах [50−65]. Перечень публикаций в рецензируемых журналах:

1. K.M. Жилин, В. П. Минаев, A.JI. Соколов. О влиянии особенностей поглощения в воде и крови на выбор рабочей длины волны лазерного излучения для эндовазальной облитерации вен при лечении варикозной болезни // Квантовая электроника. 2009. Т. 39, № 8. С. 781−784.

2. A.JI. Соколов, A.A. Удод, Г. О. Вербицкая, В. П. Минаев, K.M. Жилин. Сравнительная оценка процессов фиброзирования вены после лазерной коагуляции с применением излучения с длинами волн 1,56 и 0,97 мкм в эксперименте // Лазерная медицина. 2009. Т. 13, № 4. С. 32−36.

3. А. Л. Семенова, H.A. Шестерня, A.A. Саакян, C.B. Иванников, В. П. Минаев, K.M. Жилин, A.A. Васин. Рост суставного хряща при перфорации субхондральной кости у кроликов с использованием лазерного скальпеля и спиц (экспериментальное исследование) // Лазерная медицина. 2011. Т. 15, № 1. С. 28−32.

Личный вклад автора. Все выносимые на защиту результаты и положения диссертационной работы получены и разработаны автором лично, либо при его непосредственном участии. Автор участвовал в постановке, проведении и обработке результатов всех экспериментов.

1. Лично автором:

• Проведен анализ и оценены возможности теоретических методов исследования характера и последствий воздействия лазерного излучения ближнего ИК-диа-пазона на биоткани.

• Получены данные по коэффициенту поглощения и эффективному коэффициенту ослабления лазерного излучения ближнего ИК-диапазона (Л = 1,2. 2,5 мкм) в цельной (hct=45%) крови, в том числе и экспериментальные данные для Л = 1,56 мкм и Л = 1,68 мкм.

• Разработана программа и методика, организовано выполнение экспериментальных исследований по определению оптических свойств крови с использованием интегрирующих сфер и моделирования на основе решения сопряженного уравнения переноса методом Монте-Карло. Проведены калибровка датчиков.

ТФД1000- обработка и подготовка исходных данных по измеренным макроскопическим оптическим характеристикам крови для расчетов методом Монте-Карло с использованием алгоритма Левенберга-Марквардта микроскопических характеристик кровиоценка погрешностей оптических свойств крови в зависимости от погрешностей результатов измерений.

• Уточнена методика и проведены экспериментальные исследования механизма воздействия излучения на кровь и венозную стенку при реализации процедуры ЭВЛК. Получены количественные характеристики по объему пузырьков в цельной крови и доли в них водяных паров в зависимости от энергии и длины волны лазерного излучения (в рабочем для процедуры ЭВЛК диапазоне энергий и длин волн). Предложена модель окклюзии вены при воздействии лазерного излучения с длиной волны более 1,32 мкм («поглощаемого преимущественно водой»).

• Уточнены методики проведения экспериментально-морфологических исследований по воздействию лазерного излучения на венозную стенку и кровь, на слизистые ткани полости рта, на хрящевую и костную ткани коленного сустава кроликов.

• Проведены анализ, сравнение и интерпретация результатов воздействия лазерных излучений с длинами волн 0,97 мкм, 1,56 мкм и 1,9 мкм на кровь, венозную стенку, слизистые ткани полости рта, хрящевую и костную ткани коленного сустава.

2. Непосредственное участие:

• в измерениях с использованием интегрирующих сфер, а также в организации и проведении экспериментально-морфологических исследований (2008;2011 гг.) и в получении экспериментальных данных по последствиям воздействия лазерного излучения ближнего ПК-диапазона на кровь, венозную стенку, слизистые ткани полости рта, хрящевую и костную ткани коленного сустава кроликов;

• в разработке технологии использования лазерного излучения с длиной волны 1,9 мкм (для проведения хирургических операций на слизистых тканях) и участие в разработке рекомендаций для лечения варикозной болезни путем эндове-нозной лазерной коагуляции с длиной волны 1,56 мкм;

• в разработке рекомендаций [46] по выбору и применению лазерных аппаратов на основе полупроводниковых и волоконных лазеров для хирургии и силовой терапии.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации 129 страниц, включая 37 рисунков.

Л. Выводы к главе.

1. Рассмотрены обобщенные результаты исследований по механизмам воздействия лазерного излучения (поглощаемого преимущественно водой) на кровь и венозную стенку и по клинической апробации выработанных рекомендаций по расширению технологий лечения варикозной болезни путем применения излучения с длиной волны 1,56 мкм. После клинической аппробации предложения, но использованию излучения с длиной волны Л = 1,56 мкм для лечения варикозной болезни приняты к применению в ФГБУ «Лечебно-реабилитационный центр РОСЗДРАВА», г. Москва [44].

2. Проведены клинические испытания лазерного излучения с длиной волны 1,9 мкм в амбулаторной стоматологической хирургии. Полученные результаты легли в основу новой медицинской технологии: «Применение волоконного лазера с длиной волны 1,9 мкм при лечении больных с заболеваниями слизистой оболочки рта», разрешение ФС № 2011/302 от 26.09.2011 г. В настоящее время новая медицинская технология лечения внедрена в повседневную практику ФГБУ «ЦНИИС и ЧЛХ» Минздравсоц-развития России и начинает внедряться в другие государственные и частные медицинские учреждения РФ.

3. Сформулированы и расширены относительно работы [46], выполенной с участием автора, рекомендации по использованию лазерного излучения с длинами волн 0,97 мкм, 1,56 мкм и 1,9 мкм в различных областях медицины. Для выработки рекомендаций по использованию лазерного излучения с длиной волны 1,68 мкм необходимо проведение дальнейших целенаправленных экспериментальных исследований.

Заключение

.

1. Рассмотрено состояние вопроса по лазерным технологиям при лечении варикозной болезни, артроза коленного сустава и в стоматологической хирургии. Оценена актуальность и сформулированы задачи по проведению теоретических, экспериментальных, а также экспериментально-морфологических исследований по определению оптических свойств цельной крови в ближнем ИК-диапазоне для длин волн более 1,2 мкм и по уточнению механизма, характера силового воздействия и сроков регенерации биологических тканей после воздействия в зависимости от длины волны лазерного излучения (Л = 0,97 мкм, Л = 1,56 мкм и, А = 1,9 мкм).

2. На основании обобщения литературных источников рассмотрены возможности современной физико-математической модели для исследования механизмов теплового воздействия на биоткань лазерного излучения различных длин волн. Уточнена качественная картина и приведены количественные оценки зависимости поражения различных структур биоткани от длины волны излучения, уровня температурного воздействия и длительности облучения. Установлено, что использование теоретических подходов для исследования влияния длины волны лазерного излучения ближнего ИК-диапазона на характер силового воздействия на биоткани ограничено отсутствием данных по оптическим свойствам цельной крови для излучения Л > 1,2 мкм.

3. Проведена систематизация и оценка экспериментальных данных по коэффициентам взаимодействия лазерного излучения с основными компонентами биологической ткани (вода и кровь). На основании использования наиболее надежных экспериментальных данных по воде и крови с ЪсЬ=5% (процент содержания гемоглобина) впервые предложены количественные оценки для коэффициента поглощения и эффективного коэффициента ослабления лазерного излучения в цельной (Ьс1=-45%) крови для диапазона, А = 1,2. 2,5 мкм.

4. С целью повышения надежности данных по коэффициентам поглощения и эффективного ослабления лазерного излучения в цельной крови, полученных для ближнего ИК-диапазона, осуществлены экспериментальные исследования для, А = 1,56 мкм и, А = 1,68 мкм по определению оптических свойств цельной крови, а также разбавленной эритроцитарной массы с Ъс1=5% и ЬсА=А5%>. Измерения диффузного отражения, диффузного и коллимированного пропусканий, осуществлены при помощи интегрирующих сфер, разработанных в лаборатории лазерной химии ИПЛИТ РАН, с использованием фотоприемников ТФД1000 и схемы с прецизионным операционным усилителем и высокоомной обратной связью. Измерения проводились на территории факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ. Статистическая обработка данных выполнялась в соответствии с рекомендациями ГОСТ 8.207−76.

5. С использованием методики решения обратных задач теории переноса методом Монте-Карло и алгоритма Левенберга-Марквардта на основании данных экспериментальных исследований функций отражения и пропускания осуществлено определение оптических свойств крови. Получены следующие количественные характеристики: при, А = 1,56 мкм коэффициент поглощения ца = 2, 28±0, 23 мм-1, приведенный коэффициент рассеяния = 0, 78 ±0,08 мм-1- при, А = 1,68 мкм соответствующие коэффициенты равны: ца = 1,33 ± 0,13 мм-1, ц’а = 0,97 ± 0,10 мм-1.

6. В интересах уточнения различий механизмов воздействия гемоглобинпоглощаемого и водопоглощаемого лазерного излучения на стенку вены при ЭВЛК с использованием усовершенствованной классической методики проведены сравнительные экспериментальные исследования для импульсных источников (А = 0,97 мкм, А = 1,56 мкм и, А = 1,68 мкмт = 1 с) в интервале энергий 2. 30 Дж. Установлено, что:

• объем пузырьков газа при одинаковых параметрах излучения для гемоглобинпоглощаемого излучения в 1,5. 2 раза больше, чем для излучения, поглощаемого преимущественно водой;

• содержание водяного пара в объеме образующихся пузырьков в диапазоне энергий 8. 30 Дж составляет 60. 70%;

• образующийся нагар на торце световода может приводить к увеличению объема пузырьков газа до 4 раз.

7. По результатам теоретического рассмотрения процедуры ЭВЛК, экспериментальных исследований автора и обобщения данных литературных источников выявлены различия в характере и механизмах воздействия лазерного излучения ближнего ИК-диапазона, поглощаемого преимущественно гемоглобином и поглощаемого преимущественно водой, на кровь и венозную стенку. Предложена модель механизмов воздействия на кровь и венозную стенку при проведении процедуры с использованием излучения, поглощаемого преимущественно водой, при линейной плотности энергии менее 30 Дж-см-1. Установлено, что наиболее вероятным для рассмотренных длин волн и диапазона энергетических нагрузок является сочетание механизма «пузырьков пара» (механизм «тепловой трубы») и непосредственного воздействия лазерного излучения на стенку вены. Установлено, что эффективное поглощение венозной стенкой непосредственно водопоглощаемого лазерного излучения способствует тепловому повреждению стенки вены и приводит к воздействию на коллагеновые волокна, запуская механизм утолщения стенок и усадки сосуда. Таким образом механизм воздействия водопоглощаемого излучения в некоторой мере приближается к механизму воздействия радиочастотного излучения и обусловливает более качественное перекрытие вены, способствует сокращению сроков превращения тромба в тяж, что подтверждено результатами экспериментально-морфологических исследований.

Учитывая практически полное поглощение излучения данных длин волн «рубашкой анестетика», что ведет к резкому снижению болевых ощущений из-за отсутствия воздействия на нервные окончания, а также значительное снижение эффекта перфорации, обусловленного обугливанием крови, находящейся за стенкой вен либо в замкнутых лакунах, данный диапазон длин волн является несомненно перспективным для проведения процедуры ЭВЛК.

8. Уточнены методики и на базе Московской государственной академии ветеринарной медицины и биомедицинских технологий им. К. И. Скрябина в рамках комплексной программы проведены экспериментально-морфологические исследования и получены результаты по сравнительной оценке последствий воздействия лазерного излучения:

• с, А = 0,97 мкм и, А = 1,56 мкм на венозную стенку и кровь при реализации метода ЭВЛК в флебологии;

• с, А = 1,56 мкм и, А = 1,9 мкм при проведении хирургических операций в стоматологии на слизистых тканях полости рта, а также при перфорации субхон-дралыюй кости коленного сустава как метода лечения гонартроза.

В результате исследований установлено:

• Данные по воздействию излучения на венозную стенку и по динамике регенерации близлежащих тканей экспериментально подтверждают in vivo основные закономерности, полученные при теоретических и лабораторно-физических исследованиях по механизмам воздействия и их зависимости от длины волны и мощностных характеристик излучения. Определены предпочтительные условия воздействия и выработаны предложения по обеспечению малоинвазивной лазерной технологии лечения варикозной болезни (особенно для вен больших диаметров) с использованием излучения с, А = 1,56 мкм.

• По результатам проведенного эксперимента на слизистых тканях полости рта с привлечением данных работы [77] выявлено, что излучение с, А = 1,9 мкм по сравнению с излучением, А = 1,56 мкм и, А = 0,97 мкм вызывает в тканях тепловое повреждение на меньшую глубину, что способствует более быстрому восстановлению структуры тканей при меньшем косметическом дефекте, что позволяет рекомендовать его в хирургии для удаления поверхностных образований. Также установлено, что излучение с, А = 1,56 мкм обладает несколько худшими режущими, но лучшими коагулирующими свойствами, что позволяет рекомендовать его для объемного прогрева тканей и для остановки кровотечений.

• Для излучений Л = 1,56 мкм и Л = 1,9 мкм в характере и зоне воздействия на суб-хондральную кость коленного сустава, а также в динамике регенерации тканей в срок от 2 до 90 суток различий не выявлено. В то же время установлена возможность снижения энерговклада в ткань до 2. 3 раз при туннелизации кости с использованием имиульсно-периодического режима. Для излучения Л = 1,9 мкм эффект более выражен. При сравнении способов перфорации субхондральной кости коленного сустава (спица или лазерное излучение) установлен ряд преимуществ перфорации излучением — более равномерное и интенсивное восстановление хрящевой и костной тканей, что стимулирует восстановление в более ранние сроки.

9. Результаты исследований особенностей воздействия лазерного излучения на различные биоткани реализованы при разработке предложений и клинической апробации перспективных медицинских технологий. Технология с использованием излучения с длиной волны Л = 1,56 мкм для лечения варикозно-расширенных вен методом эндовенозной лазерной коагуляции прошла клиническую апробацию и принята к применению в ФГБУ «Лечебно-реабилитационный центр РОСЗДРАВА» [44]. Технология использования излучения с длиной волны Л = 1,9 мкм в хирургии слизистых тканей полости рта разрешена к применению (ФС № 2011/302 от 26.09.2011 г. [45]) и внедрена в ФГБУ «ЦНИИСиЧЛХ» Минздравсоцразвития. Материалы исследований автора по оптимизации выбора длин волн и особенностям воздействия лазерного излучения на различные биологические ткани вошли в рекомендации [46] по выбору и применению лазерных аппаратов для хирургии и силовой терапии. * *.

Благодарности.

Выражаю глубокую признательность научному руководителю, д. ф.-м. н., проф. Е. Д. Проценко и начному консультанту, к. т. н., с. н. с. В. П. Минаеву за формулировку работы и внимательное отношение к соискателю и работе на всем ее протяжении. Искренне благодарен д. ф.-м. н., проф. H.H. Евтихиеву за ценные замечания и конструктивные советы по работе, к. ф.-м. н. А. П. Свиридову за предоставленную возможность использования экспериментальной базы ИПЛИТ РАН и неоценимую помощь в организации и проведении исследований, A.B. Южакову за участие в них и помощь в проведении расчетов. Выражаю благодарность д. м. н., проф. С. В. Иванникову, д. м. н., проф. А. Л. Соколову и к. м. н. A.C. Каспарову за ценные советы по организации и проведению экспериментально-морфологических исследований и клиническую апробацию полученных результатов, д. м. н.

Jl.А. Семеновой, к. м. н. Г. О. Вербицкой, к. м. н. A.A. Саакяну, к. м. н. A.A. Удод за помощь в освоении методик и в проведении экспериментально-морфологических исследований.