Структурные изменения хрящевой ткани при неразрушающем лазерном воздействии с длиной волны 1,56 мкм (1105752), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Этого, как правило, бывает достаточно для достижениянеобходимого полезного эффекта. При выборе длины волны лазерного излучения20ориентируются наспектр поглощения исследуемой ткани, так как толщинапоглощающего слоя определяет область полезных изменений. Хрящевые тканипредставляют собой мутные среды с показателем преломления большим, чем у воздуха,поэтому необходимо учитывать также вклад рассеяния и френелевского отражения награнице двух сред. Рассеивающими центрами могут являться клетки, клеточные ядра иорганеллы, коллагеновые фибриллы, субфибриллы, газовые пузырьки и неорганическиекристаллы[42].Припреобладаниипоглощениянадрассеяниемослаблениеинтенсивности лазерного пучка при прохождении через ткань можно оценить поэкспоненциальному закону Бугера-Бера [42]:I ( z ) = (1 − R) ⋅ I 0 exp(− µt ⋅ z ) ,где I(z) – интенсивность света на глубине, соответствующе координате z, R –коэффициент френелевского отражения при нормальном падении пучка, I0 –интенсивность падающего света, µ t – коэффициент экстинкции, представляющий собойсумму коэффициентов поглощения и рассеяния.Как правило, характер взаимодействия излучения со средой хрящевой тканиявляется нелинейным.
Нагрев вещества, тепло- и массоперенос в процессе нагреваприводят к изменению поглощения и рассеяния [43,10]. Поэтому динамику поглощенияи рассеяния с ростом температуры также необходимо учитывать. Поглощениеизлучения хрящевой тканью практически во всем спектре видимого и ИК излученияопределяется поглощением воды.
Спектр поглощения воды в диапазоне 500 нм – 10 ммприведен на Рис.5.Рисунок 5. Спектр поглощения воды.21Можно видеть, что в диапазоне длин волн от 1 до 10 мкм поглощение изменяетсяна 8 порядков с максимумом в районе 3 мкм. Поглощение в данном диапазонеопределяется колебательными переходами воды. Коллаген в основном поглощаетизлучение в УФ диапазоне: максимум поглощения ароматических остатков тирозина ифенилаланина лежит в диапазоне 250 – 300 нм [44]. Также наблюдается пик поглощенияколлагена в среднем ИК диапазоне в районе 5 мкм, что связано с валентнымиколебаниямиC=Oгруппы.Полосапоглощения,соответствующаяколебаниямпиранозных циклов протеогликанов лежит в области среднего ИК (8 – 10 мкм) и можетпроявляться при сильном обезвоживании хрящевой ткани [45].
Коэффициентыпоглощения биологических тканей лежат в диапазоне 10-2 - 104 см-1 [42]. Для хрящевойткани гиалинового типа коэффициент поглощения в видимом диапазоне спектра припоглощении излучения с длиной волны 500 нм составляет 0,5±0,3 см-1, а коэффициентрассеяния 37±3 см-1[46]. Таким образом, в данном диапазоне преобладает рассеяниеизлучения. С увеличением длины волны вклад рассеяния уменьшается.Так, для длины волны 1,56 мкм коэффициент поглощения реберного хрящасоставляет 5,4±0,3 см-1, а приведенный коэффициент рассеяния1 7,7±0,6 см-1 [47]. Приэтом термическое воздействие лазерного излучения можно оценить с помощьюэффективного коэффициента поглощения µeff=(3µa(µa + µs′ ))1/2, где µa – коэффициентпоглощения, µs′ - приведенный коэффициент рассеяния [48].
Для реберного хряща идлины волны излучения 1,56 мкм µeff составляет 14 см-1. Это означает, что лазерноеизлучение поглощается (ослабляется в e раз) в слое ткани толщиной около 2 мм.Данную длину волны целесообразно применять для изготовления имплантатов изреберного хряща толщиной 2 – 3 мм. В литературе рассмотрено применение различныхдлин волн для коррекции формы хрящевой ткани. Их сравнительная характеристикапредставлена в Табл.1. Можно видеть, что при использовании Er:YAG и CO2-лазераизлучение поглощается в приповерхностном слое ткани толщиной в несколько десятковмкм.
Таким образом, прогрев большей толщины на данных длинах волн приведет кперегреву поверхности и деструкции ткани. Более равномерного нагрева хрящевой1Приведенный коэффициент рассеяния рассчитывается по формулеµs′ =µs(1-g), где µs – коэффициент рассеяния, g– фактор анизотропии рассеяния.22ткани толщиной 1 – 3 мм можно добиться при использовании гольмиевого и эрбиевоговолоконного лазера с длинами волн 2,10 и 1,56 мкм, соотвественно.Таблица 1. Типы лазеров, используемых для воздействия на хрящевую ткань.Тип лазераДлина волныГлубина ослабления интенсивностиизлучения в e разИсточникCO2-лазер10,6 мкм~10 мкм[10,3]Er:YAG2,94 мкм~ 70 мкм[49]Ho:YAG2,10 мкм1 мм[50]Er-волоконный1,56 мкм2 мм[48]Nd:YAG1,44 мкм0,8 мм[10]Nd:YAG1,32 мкм1,4 см[10,51]Диодный0,98 мкм5,6 см[10]На длине волны 1,44 мкм наблюдается максимум полосы поглощения воды(Рис.6).
Поэтому коэффициент поглощения для данной длины волны составляет 32 см-1,а излучение поглощается в слое, не превышающем 1 мм. Коэффициент поглощения дляNd:YAG лазера составляет около 2 см-1, а соответствующая глубина поглощенияизлучения превышает 1 см [10]. На длине волны 0,98 мкм поглощение происходит в ещеболее глубоком слое в 5,6 см при коэффициенте поглощения около 0,5 см-1 [10].Рисунок 6. Спектр поглощения воды в ближней ИК области [10].Вопрос о необходимости полного равномерного нагрева ткани по всей толщинена данный момент остается дискуссионным.
Преимуществом такого воздействия23является наиболее полное снятие механических напряжений по всей толщине образца.Однако, как показывают исследования, равномерный нагрев приводит к гибелибольшинстваклетоквзоневоздействия[32].Такимобразом,небольшаянеравномерность нагрева при условии стабильности эффекта изменения формы можетпозволить сохранить жизнеспособность клеток и повысить безопасность процедуры.При выборе параметров лазерного воздействия определяют также оптимальнуюплотность мощности и время экспозиции.
Плотность мощности лазерного излучениясоответствует мощности, отнесенной к площади поверхности воздействия. Интеграл отмгновенной мощности воздействия за определенный промежуток времени равенэнергии, переданной системе за это время. Высокая плотность мощности может бытьдостигнута фокусировкой лазерного луча в небольшой площади поверхности, как,например, при доставке излучения через оптоволокно. При облучении тканиконтактором с большой площадью поверхности мощность воздействия необходиморассчитывать на площадь под контактором. Так как релаксация механическихнапряжений происходит за меньшие времена, чем денатурация ткани, теоретическибыло предсказано наличие «терапевтического окна» плотности энергии лазерноговоздействия, позволяющего проводить модификацию ткани без существенногоповреждения ее структуры [2].
На Рис.7 приведен вид «окна» в координатах флюенсаэнергии (интеграла по времени от плотности потока энергии) излучения и времениэкспозиции.Рисунок 7. «Окно» допустимых режимов лазерного изменения формы [2].При выборе больших энергий воздействия и малых времен, равно как и малыхэнергий при больших временах, изменение формы оказывается неэффективным. В то же24время, начиная с некоторого значения энергии воздействия, преобладающим процессомуже на малых временах становится денатурация коллагена и разрушение ткани. Такимобразом, важной задачей при выборе параметров лазерного воздействия, таких какмощность излучения и время экспозиции, является соответствие их диапазону«терапевтического окна».Для ряда длин волн, при использовании которых глубина поглощения излученияхрящевой тканью не превышает 1 – 2 мм, были экспериментально обнаруженыпараметры, при которых возможно проводить лазерную модификацию ткани безповреждения коллагеновой структуры [1].
Так, при использовании гольмиевого лазера сдлиной волны 2,10 мкм время экспозиции в 4 сек позволило провести релаксациюнапряжений в хряще носовой перегородки толщиной 1 мм без заметных поврежденийхрящевого матрикса при значениях плотности энергии в 3 Дж/см2 [50]. При болеевысоких значениях плотности энергии уже наблюдались термические поврежденияструктуры. Впоследствии данный лазер был использован в клинических испытаниях поизменению формы носовой перегородки [2].
При воздействии на хрящ носовойперегородки толщиной 1 – 2 мм эрбиевым волоконным лазером с длиной волны 1,56мкм было показано, что форму хряща можно эффективно менять за время экспозиции 4– 10 сек при мощности лазерного луча в пределах 3 – 4 Вт [10]. Для того, чтобы снизитьриск перегрева ткани и сделать процесс нагрева более контролируемым, используютимпульсно-периодические режимы лазерного нагрева.
К тому же периодический режим«нагрев-охлаждение» предотвращает сильное обезвоживание области нагрева и за счетпериодическойциркуляциижидкостиобеспечиваетлучшееперераспределениезаряженных частиц, ответственных за снятие механических напряжений [10]. В ходеанализа изложенных литературных данных в настоящей работе для изменения формыреберного хряща толщиной 2 – 3 мм был выбран эрбиевый волоконный лазер с длинойволны 1,56 мкм. Параметры лазерного воздействия подбирались на основе имеющихся влитературе параметров для изменения формы хряща носовой перегородки [10].1.2.3.
Регенерация хрящевой тканиТермо-механический эффект неразрушающего лазерного воздействия позволяетне только осуществлять снятие механических напряжений и изменять форму хряща, нотакже дает возможность проводить активацию процессов регенерации ткани [2].Неравномерный лазерный нагрев посредством импульсно-периодического воздействия25приводит к образованию микропор и каналов хрящевой структуры, способствующихциркуляции жидкости, содержащей питательные вещества и сигнальные молекулы,активирующие клеточный метаболизм.
Известно, что колебательное воздействие нахондроциты с определенной частотой и амплитудой способно активировать клеточныйметаболизм [52]. Импульсный лазерный нагрев модулирует колебательные термомеханические процессы в хрящевой ткани, воздействуя таким образом на хондроцитыдля активации их активности. Проблемы повреждения структуры представляютнаибольшую актуальность для суставного хряща и хряща межпозвонкового диска.Повреждения данных типов хрящей приводят к развитию таких заболеваний, как артрити болезни спины. Лазерная реконструкция межповонкового диска описана довольноподробно в ряде исследований [2,10,53,54]. Излучение подводится к поврежденномуучастку хрящевой ткани через кварцевое волокно, доставляемое с помощью тонкойиглы. При лазерном восстановлении межпозвонкового диска кролика было показано,что лазерное воздействие может инициировать рост хрящевой ткани гиалинового типа вповрежденных областях [2].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
