Предмет. Несмотря на значительные успехи в хирургии, большинство хирургических инструментов остаются основными.
Лазеры предоставляют средства точной хирургической абляции, но их клиническое использование остается ограниченным из-за нежелательных эффектов термического, ионизирующего или акустического стресса, приводящих к повреждению тканей. Недавно была разработана новая сверхбыстрая неионизирующая пикосекундная инфракрасная лазерная система (PIRL), которая теоретически способна к абляции с незначительными эффектами теплового или акустического напряжения.
Цель. Измерить и сравнить тепловыделение с помощью термографии во время абляции кожи свиньи ex vivo с помощью обычного эрбиевого лазера (Er: YAG) с импульсами микросекундной длительности и пикосекундного инфракрасного лазера (PIRL).
Дизайн и установка. Это исследование проводилось в оптической лаборатории, и в нем использовался план эксперимента до и после тестирования, в котором сравнивались 2 метода лазерной абляции ткани, при этом каждый образец выступал в качестве собственного контроля.
Вмешательство Ex vivo кожу свиньи удаляли по 5-миллиметровой линейной диаграмме с помощью лазера Er: YAG и PIRL при уровнях плотности энергии, незначительно превышающих порог абляции (2 Дж / см2 и 0,6 Дж / см2, соответственно).
Основные результаты и меры: Пики и максимумы повышения температуры кожи определяли с помощью термографической камеры. Средние значения пикового повышения температуры сравнивали с использованием t-критерия для парных выборок. Кратеры абляции оценивали с помощью цифровой микроскопии.
Результаты. Среднее пиковое повышение температуры поверхности кожи для Er: YAG-лазера и PIRL составило 15,0 C и 1,68 C, соответственно (P<0,001). Максимальное пиковое повышение температуры поверхности кожи составило 18,85 C для Er: YAG-лазера и 2,05 C для PIRL. Кратеры абляции подтверждены цифровой микроскопией.
Выводы и значимость. Пикосекундная инфракрасная лазерная абляция приводит к незначительному тепловыделению, значительно меньшему, чем лазерная абляция Er:YAG, что подтверждает потенциал этой новой технологии в минимизации нежелательных термических повреждений, связанных с лазерами, которые в настоящее время используются в клинической практике.
Несмотря на значительные успехи в хирургии за последнее столетие, большинство хирургических инструментов остается основным. Хорошо задокументировано, что обычные инструменты, такие как скальпели, пилы и сверла, вызывают значительные травмы тканей из-за срезающих сил, вибраций и / или термических травм. Кроме того, из-за присущей им неточности и действия человека, использование этих грубых инструментов инструменты сопряжены со значительным риском непреднамеренного повреждения тканей. Достижения в области фотоники и лазерного дизайна открыли большие перспективы для повышения точности хирургических манипуляций с тканями. Несмотря на то, что они обеспечивают точность, с тех пор было показано, что обычные лазеры вызывают значительные повреждения тканей из-за сочетания ионизирующих, тепловых или акустических ударных волн. Таким образом, их клиническое использование остается ограниченным.
Внедрение неионизирующих, короткоимпульсных микросекундных (10-6 секунд) и наносекундных (10-9 секунд) лазеров Er: YAG с модуляцией добротности дало надежду на достижение давно желанных средств «холодной» лазерной абляции. При более коротких импульсах возможна фотомеханическая абляция, когда поглощение лазерного импульса в целевой ткани создает механическое напряжение, ведущее к разрушению и выбросу материала. Поскольку для большинства типов лазера ткань имеет время тепловой релаксации порядка нескольких микросекунд, взаимодействие с тканями, возможность удалить его без заметных термических повреждений с помощью коротких импульсов теоретически казалась возможной. Однако результаты исследований заживления были неутешительными, поскольку для лазерной абляции Er: YAG требуются относительно высокие уровни плотности энергии (определяемые как количество световой энергии, падающей на данную квадратную область) (при> 1,5 Дж / см2), полное тепловое ограничение невозможно, и существенное тепловое повреждение из-за температурного наложения все еще происходит. Исследования подтвердили термический некроз с лазерной абляцией Er: YAG при уровнях плотности энергии, обычных в клинической практике. Поскольку известно, что необратимая термическая денатурация белков человека происходит при кратковременном воздействии температур на 18 C выше температуры тела, повреждение клеток возможно даже при отсутствии сразу очевидного гистологического некроза. Поскольку время релаксации акустического напряжения составляет порядка 1 наносекунды для тканей человека, даже микросекундные и наносекундные импульсы лазера Er: YAG с модуляцией добротности приводят к распространению акустических переходных процессов, которые приводят к удаленному разрушению экстракта эллиптического матрикса, усиливающего воспаление.
Недавно было разработано новое поколение «сверхбыстрых» лазеров. Эти сверхбыстрые лазеры осаждают концентрированные пакеты фотонов в импульсах пикосекунд (10-12) или меньше, что быстрее, чем время термической релаксации и релаксации напряжения ткани. Таким образом, исключаются вредные тепловые и акустические эффекты ударной волны.
Недавно была разработана новая неионизирующая система сверхбыстрого пикосекундного инфракрасного лазера (PIRL), которая теоретически способна производить настоящую «холодную» фотомеханическую абляцию. Поскольку эта технология в настоящее время находится в зачаточном состоянии, данные, подтверждающие ее клинический потенциал, ограничены. Предыдущие исследования заживления ран, проведенные Amini-Nik et al, показали, что зоны повреждения значительно меньше при сканирующей электронной микроскопии для разрезов на всю толщину, сделанных с помощью PIRL, по сравнению со скальпелем и лазером Er: YAG. Кроме того, ширина рубцов, образовавшихся после разреза PIRL, была незначительной по сравнению с рубцами, полученными с помощью лазера Er: YAG или скальпеля. Кроме того, передача сигналов белков, ответственных за образование рубцовой ткани, резко снижается при абляции PIRL, без заметного образования рубцовой ткани, выходящего за пределы границ абляции. Это значительно улучшенное заживление предположительно связано с очень низким тепловым нагревом и переносом энергии в области за пределами зоны разреза. На сегодняшний день ни в одном исследовании не было напрямую измерено и подтверждено незначительное нагревание ткани во время активной абляции с использованием системы PIRL.
Целью этого исследования было измерение и сравнение тепловыделения в реальном времени во время абляции эпидермиса свиней ex vivo с использованием PIRL и обычного Er: YAG-лазера с микросекундными импульсами. Предполагается, что тепловыделение в реальном времени, измеренное с помощью инфракрасной термографии, будет значительно ниже при абляции PIRL, чем при лазерной абляции Er: YAG.
Методы и материалы
Лазерные системы
Использовались Er: YAG-лазер и пикосекундный инфракрасный лазер. Er: YAG-лазер и PIRL имели длительность импульса 250 микросекунд (250 × 10–6 секунд) и 300 пикосекунд (300 × 10–12 секунд), соответственно, оба с длиной волны 2,94 мкм. Для Er: YAG-лазера использовалась щелевая мода 5 × 1 мм. Система Er: YAG использует процесс сканирования, перемещаясь по обрабатываемой области с перекрытием, чтобы обеспечить равномерную абляцию. Лазер был настроен на выполнение 2 проходов при частоте импульсов 24 Гц и энергии импульса 100 мДж, что соответствует плотности энергии 2 Дж / см2 для щели 5 × 1 мм. Эта плотность энергии лишь немного превышает порог абляции 1,5 Дж / см2 для мягких тканей для Er: YAG-лазера и ниже, чем типичные уровни плотности энергии, используемые в клинических применениях, таких как шлифовка кожи. Для PIRL - линия 5 мм была использована как шаблон сканирования. Как и в случае с лазером Er: YAG, система PIRL использует аналогичный процесс сканирования, перемещаясь по обрабатываемой области с перекрытием, с возможностью выбора скорости сканирования. Лазер снова был настроен на выполнение всего 2 проходов со скоростью сканирования 3 мм / с и частотой импульсов 50 Гц (минимальная настройка для системы PIRL). PIRL излучает круговой гауссов пучок диаметром 300 мкм. Энергия импульса измерялась на уровне 0,2 мДж с помощью цифрового оптического измерителя энергии.
Термография
Свежие ex vivo срезы свиной кожи на всю толщину, разрезанные на срезы размером 2,54 × 2,54 см из дорсальной области задней лапы одного образца, центрировали в положениях в фокальных плоскостях лазеров. Поле захвата термографической камеры было затем сфокусировано на этой же области и откалибровано. Термография основана на принципе излучения абсолютно черного тела, при котором любое непрозрачное и неотражающее тело излучает характерный спектр электромагнитного излучения в виде кривой Гаусса, зависящей исключительно от его температуры. Спектральный диапазон используемой термографической камеры составлял от 7,5 до 13 мкм, выбранный для того, чтобы избежать захвата теплового сигнала самого луча, который имеет гораздо более низкую длину волны 2,94 мкм для обоих лазеров. Затем для обеих систем во время импульсной абляции были получены тепловизионные изображения в режиме реального времени (со скоростью 100 кадров в секунду). Пики повышения температуры кожи определяли с помощью программного обеспечения IRBIS 3plus (InfraTec). Затем использовали цифровой микроскоп для получения постабляционных изображений, чтобы подтвердить наличие поверхностных кратеров абляции в срезах кожи для обоих методов абляции.
Выходной луч PIRL формируется, фокусируется и комбинируется с гелий-неоновым (красным) лучом малой мощности для обеспечения видимости и управляется с помощью программируемых зеркал управления лучом, содержащихся в корпусе оптики. Образец кожи помещается в фокальную плоскость луча на трансляционном столике. Камера термографии фокусируется на образце кожи; его результат отображается на экране ноутбука. Цифровой микроскоп фокусируется на образце; его результат отображается на экране рабочего стола.
Статистический анализ
Средние значения пиковых температур сравнивались с использованием парного t-критерия с уровнем α, установленным на 0,05. При известном стандартном отклонении в 1 ° C для тепловизионных изображений, умеренном ожидаемом повышении температуры на 10 ° C для лазерной абляции Er: YAG и α 0,05 потребуется измерение одной пиковой температуры для каждого лазера для обнаружения 25% разницы в повышении температуры между двумя лазерами с мощностью 80%. Всего было измерено и усреднено 12 пиковых температур для Er: YAG-лазера за 2-строчный проход, при этом были записаны и усреднены сотни измерений для PIRL во время абляции. Анализ проводился с использованием статистического программного обеспечения SPSS 17.0 (IBM).
Полученные результаты
На тепловых изображениях Er: YAG-лазера постоянно наблюдаются значительно более горячие области по сравнению с теми, которые были получены с помощью PIRL. Важно отметить, что условные обозначения цветового градиента для лазерной абляции Er: YAG варьируются от 29 ° C (черно-синий) до 51 ° C (фиолетово-белый). Диапазон цветового градиента для PIRL уже, от 28 ° C (черно-синий) до 30 ° C (фиолетово-белый). Выходной луч Er: YAG-лазера (диаметр примерно 1 мм) намного больше, чем PIRL (диаметр, 300 мкм); как таковой, он запрограммирован на абляцию с большим ступенчатым перекрытием, чем PIRL. На тепловизионном изображении это видно как несколько отдельных круглых зон диаметром примерно 1 мм. PIRL запрограммирован на абляцию с гораздо меньшими непрерывными шагами и, таким образом, показывает более линейную картину на тепловизионном изображении.
Программное обеспечение IRBIS 3plus генерирует 3 точки данных для каждого захваченного кадра со скоростью 1 кадр каждые 10 миллисекунд. Эти 3 точки данных представляют собой пиковую, минимальную и среднюю температуру в пределах области захвата. Эти точки данных затем используются для построения термограмм, линейных графиков пика, минимума и средние температуры (ось Y) за 10-миллисекундные интервалы времени (ось X). Как и следовало ожидать от импульсных лазеров, видны пики, похожие на пикеты. Самая высокая линия пиков представляет максимальную температуру, средняя линия - среднюю температуру во всем поле захвата, а самая низкая линия - базовая температура поверхности кожи (по существу, комнатная температура для используемой кожи ex vivo). Исходная температура поверхности кожи составляла 30,2 ° C во время лазерной абляции Er: YAG и 28,1 ° C во время абляции PIRL. Теплые исходные температуры были результатом верхнего освещения в сочетании с теплой комнатной температурой; Эксперименты проводились в 2 отдельных комнатах, поскольку лазерные системы было нелегко транспортировать. Поскольку шаблоны сканирования для Er:YAG-лазера и PIRL различаются, видны разные шаблоны, подобные штакетнику. При прохождении через 2 строки термограмма лазера Er: YAG показывает 2 отдельные группы пиков температуры. PIRL производит непрерывную абляцию. Несмотря на непрерывный импульсный характер абляции PIRL, тепловыделение во время абляции остается значительно ниже, чем во время лазерной абляции Er: YAG.
Среднее пиковое повышение температуры поверхности кожи для Er: YAG-лазера и PIRL было рассчитано при 15,0 ° C и 1,68 ° C, соответственно (P <0,001). Максимальное пиковое повышение температуры поверхности кожи составило 18,85 ° C для Er: YAG-лазера и 2,05 ° C для PIRL. Кратеры абляции подтверждены цифровой микроскопией.
Обсуждение результатов
Выделение тепла в режиме реального времени во время лазерной абляции Er: YAG кожи свиньи ex vivo, по данным термографии, значительно больше, чем при абляции PIRL. При плотности энергии абляции лазера Er: YAG, равной 2 Дж / см2 (чуть выше пороговой плотности энергии, необходимой для возникновения абляции, составляющей 1,5 Дж / см2 для лазера Er: YAG), среднее повышение температуры составляет 15 ° C, а пиковое значение - 19 °. C. Как обсуждалось, необратимая термическая денатурация белков человека может происходить после кратковременного воздействия температур на 18 ° C выше температуры тела в отсутствие термического некроза. Таким образом, может произойти повреждение клеток, несмотря на столь низкую плотность энергии лазера Er: YAG. Более того, такие изменения на молекулярном уровне не сразу будут очевидны при стандартном гистологическом анализе. Таким образом, измерение тепловыделения в режиме реального времени во время лазерной абляции является важным дополнительным показателем результата. В клинической практике обычно используются гораздо более высокие уровни плотности энергии, что приводит к еще более высоким пиковым температурам.
PIRL позволяет накапливать энергию фотонов гораздо более эффективно, управляя фотомеханической абляцией с почти полным тепловым ограничением. В результате абляция PIRL происходит с гораздо меньшей плотностью энергии, чем Er: YAG-лазер. Только клинически незначительное повышение средней и максимальной температуры на 2 ° C было замечено во время активной абляции PIRL с использованием уровня плотности энергии, достаточного для абляции PIRL, равного 0,6 Дж / см2.
Ограничения исследования
Это исследование ограничено тем, что тепловые характеристики кожи ex vivo отличаются от характеристик кожи in vivo. Сложное взаимодействие капиллярного кровотока и метаболического тепловыделения внутри кожи in situ отвечает за поддержание температурного гомеостаза. Кроме того, содержание воды и клеточная целостность кожи ex vivo и in vivo значительно различаются в зависимости от времени сбора урожая и методов хранения. Чтобы свести к минимуму эти потенциальные различия, образцы кожи, использованные в этом исследовании, были взяты свежими с бойни, охлаждены и использованы в течение нескольких часов.
Кроме того, термографическая камера, использованная в этом исследовании, имела частоту захвата кадров, ограниченную 100 Гц; кадры захватываются с интервалом в 10 миллисекунд. В течение этого времени произойдет некоторая тепловая диффузия, которая снизит максимальную температуру, зарегистрированную за это время отбора проб. Несмотря на это ограничение измерения, наблюдается явное снижение избыточного тепла, выделяемого рядом с зоной абляции ткани, с помощью системы PIRL по сравнению с лазером Er: YAG. Тем не менее, улучшение временного разрешения тепловизионного изображения будет иметь важное значение для корреляции повреждения ткани и результатов заживления с точной степенью и продолжительностью повышения температуры на прилегающей ткани.
Будущие исследования
Интересно отметить, что использование Er: YAG-лазера с плотностью потока энергии чуть менее 4 раз выше, чем у PIRL, привело к 9-кратному увеличению пиковой температуры. Этот эффект частично связан с повышенной эффективностью системы PIRL по сравнению с лазером Er: YAG; более низкие скорости потока энергии - и, следовательно, меньшее общее количество энергии - требуются для удаления данного объема ткани. Однако даже после учета различий в плотности потока энергии скорректированное тепловое повышение более чем в два раза для лазерной абляции Er: YAG по сравнению с абляцией PIRL. Объяснение этой разницы можно найти, сравнив динамику абляции двух систем. По сравнению с лазером Er: YAG, гораздо большая часть энергии фотонов PIRL идет непосредственно на питание процесса фотомеханической абляции с гораздо меньшими пропорциональными потерями из-за распространения энергии за пределы целевой области. Сроки актуальны; Абляция, управляемая PIRL, происходит в масштабе времени 100 пикосекунд. При использовании всех короткоимпульсных лазеров возникает определенная степень возбуждения мод отдачи и акустических мод в ткани целевого объема. В наносекундном диапазоне и более эти возбуждения распространяются за пределы целевой области, вызывая дополнительный нагрев и повреждение окружающей ткани, как обсуждалось ранее. В пикосекундном диапазоне и меньше возбужденные моды отдачи и акустические моды имеют частотные составляющие порядка 100 ГГц (преобразование Фурье динамики абляции). Акустика в этом диапазоне частот сильно поглощается и, следовательно, не распространяется за пределы зоны абляции. В результате больше энергии направляется на абляцию, а не на нагрев окружающей ткани. Пикосекундная шкала времени также полностью исключает другие эффекты, обычно наблюдаемые с обычными короткоимпульсными лазерами, такие как рост зародышей и вызванный кавитацией волны, дополнительно увеличивая эффективность привода абляции. Различия в измерениях температуры между двумя представленными здесь лазерными системами объясняются этими различиями в динамике их абляции.
Текущая установка PIRL ограничена плотностью энергии 0,6 Дж / см2. Вскоре будут доступны более мощные системы PIRL с улучшенными скоростями резания и абляции тканей. Потребуются аналогичные эксперименты с использованием этих более высоких уровней плотности энергии, поскольку динамика переноса тепла и распространения звука из зоны абляции нелинейна; Эта характеристика будет иметь важное значение для обеспечения использования скальпелей PIRL на уровнях, сохраняющих незначительное распространение энергии на прилегающие ткани. Кроме того, в будущих экспериментах потребуется стандартизация объемов абляции, чтобы более точно сравнивать объемные скорости абляции между лазерными системами.
Теоретически фотомеханическая холодовая абляция также возможна для костной ткани с использованием PIRL, включая кортикальную кость. В качестве доказательства требуется измерение тепловыделения при удалении костной ткани методом PIRL. В дополнение к экспериментам с мягкими тканями in vivo для измерения тепловыделения необходимы дополнительные исследования по продольным исследованиям заживления как мягких, так и костных тканей.
Заключительные выводы
Этот эксперимент продемонстрировал, что фотомеханическая абляция PIRL является более эффективным процессом, чем абляция, управляемая лазером Er: YAG. Кроме того, он продемонстрировал, что при уровнях плотности энергии чуть выше порога абляции повышение температуры незначительно для абляции PIRL и значительно выше при абляции, управляемой лазером Er: YAG. Незначительное тепловыделение, измеренное для абляции PIRL, подтверждает потенциал этой новой технологии в минимизации нежелательных термических повреждений, связанных с лазерами, которые в настоящее время используются в клинической практике. Это исследование предоставляет доказательства подлинной холодной абляции мягких тканей с использованием неионизирующей сверхбыстрой системы PIRL.
