Аппаратура для лазерной литотрипсии.

Лазерная литотрипсия (ЛЛ) означает разрушение твердых конкрементов (камней) в желче- и мочевыводящих органах. Желчекаменная и мочекаменная болезни — чрезвычайно распространенные заболевания, особенно в цивилизованных странах. Традиционные методы лечения — хирургические — сопряжены с серьезными трудностями, хотя и меньшими, чем при сердечно-сосудистых вмешательствах. Тем не менее, удаление желчных и мочевых камней отличается трудоемкостью и тяжестью самой операции и сопутствующих воздействий для больного и большим периодом реабилитации. Обычны переходы больного после операции на инвалидность (при удалении желчного пузыря, почки и т.д.). Поэтому задача удаления камней с минимальной травматичностью и облегченной реабилитацией давно находится в «зоне особого внимания» как врачей, так и разработчиков медицинской техники.

В последние десятилетия достижения науки и техники позволили вплотную подойти к принципиально новому этапу в лечении каменных болезней. Тот факт, что конкремент в организме представляет собой твердую фазу, окруженную мягкими тканями, по механическим свойствам тождественным жидкости, означает, что для его разрушения можно с большой эффективностью применить ударные волны. Энергия ударной волны, как известно, практически полностью выделяется на границе твердой и жидкой фаз, так что по мягким тканям волна распространяется «мягко», а камню при встрече с ней придется принять весь удар на себя. Методы, основанные на разрушении конкрементов с помощью ударных волн, реализованы в различных устройствах (ультразвуковых, электроискровых). Эти устройства широко применяются на практике, но уже сейчас явственно обозначились их принципиальные недостатки. Так, ультразвуковое возбуждение ударных волн сопряжено с выделением значительного количества тепла, а также со сложностью фокусировки волны в малой области. Электрогидравлическое разрушение эффективно только в объемных органах (пузыри), а также характеризуется повышенной электроопасностью. Оба метода плохо применимы для удаления камней из протоков, а именно это представляет наибольший интерес для врачей, поскольку связано с критическим состоянием больного.

Поэтому разрушение камней с помощью лазерного излучения, свободное от указанных недостатков, открывает особые перспективы в литотрипсии. На сегодня можно выделить два четко обозначившихся направления в лазерной литотрипсии: экстракорпоральная (ЭКЛ) и интракорпоральная (ИКЛ).

ЭКЛ означает возбуждение ударной волны вне организма и фокусировку ее на конкремент, пользуясь тем, что граница жидкость-мягкие ткани проходится ударной волной практически без выделения энергии. Пациент помещается в ванну эллиптической формы так, чтобы конкремент оказался в одном из фокусов эллипса (рисунок 19.1).

Система визуализации (ультразвуковая, рентгеновская) постоянно держит конкремент в поле зрения, давая врачу возможность контролировать положение тела пациента и не выпускать конкремент из фокальной области. В другой фокус эллипса фокусируется лазерное излучение. Мощный импульс возбуждает ударную волну в жидкости подобно электрическому разряду, но без всякой опасности поражения электрическим током и с возможностью выбора параметров импульса в значительно более широком диапазоне, чем при электроискровом возбуждении.

ИКЛ основана на проникновении в полость, где находится конкремент, и передаче туда импульсного лазерного излучения через световод. Проникнуть можно одним из известных способов (катетерным, пункционным, эндоскопическим) так, чтобы можно было ввести туда световод до соприкосно
вения с конкрементом (рисунок 19.2).

Оба метода ЛЛ опробованы и доказали свою жизнеспособность. Остановимся кратко на их особенностях.

Начнем с ЭКЛ.

Достоинства:

— неинвазивный;

— не требуется световодов, катетеров и устройств фиксации конкремента.

Недостатки:

— громоздкость установки;

— необходимость точной фиксации больного в ванне;

— возможность поражения окружающих тканей в случае сбоя системы наведения или расстройки визуализации;

— необходимость синхронизации импульсов с работой сердца и дыханием.

При ЭКЛ, как следует из названия, источник ударных волн находится вне организма. Поражающий эффект обусловлен скачком плотности на границе конкремент — окружающие ткани. На языке гидродинамики это звучит так: акустическое волновое сопротивление камня отличается от такового для окружающих тканей, что приводит к выделению энергии, переносимой ударными волнами УВ, на поверхности конкремента. При этом сначала имеет место увеличение давления (фаза сжатия), затем уменьшение (фаза разрежения). За разрушение камня оказывается ответственной фаза разрежения, поскольку предел прочности материала камня на растяжение существенно меньше, чем на сжатие. Эффект усугубляется за счет интерференции падающей волны и волны, отраженной от поверхности камня, поэтому волна наибольшего разрушения локализована на той части поверхности камня, где происходит интерференционное усиление волн.

Экспериментально установлено, что разрушающее давление DР для желчных камней составляет от 100 до 150 атм, для почечных — от 200 до 500 атм. При этом воздействие волны на камень будет наибольшим, если выполнено условие:

t_a < L/C_k (19.1)

где:

t_a — длительность импульса возмущения (акустического импульса);

L — характерный размер (поперечник) камня;

С_k — скорость звука в материале камня.

Полагая оценочно акустический коэффициент отражения волны от камня равным 0,36, длительность t_a~10^-6 с, можно определить требуемую анергию и длительность импульса лазерного излучения, обеспечивающего необходимое избыточное давление DP » 100 атм.

Заметим, что скорость звука в камне также является экспериментальной величиной и для различных разновидностей даже одного типа камней имеет большой разброс значений: для желчных C_k » 1.66–2∙10⁵см/с, для почечных С_k » 2–2.5∙10⁵см/с.

В рамках этих значений получаем для энергии и длительности лазерного импульса в случае желчных камней ~10 Дж и 10^-8 c, для почечных соответственно 20–30 Дж при такой же длительности. Требования, как видно, достаточно жесткие и означающие, что фотогидродинамическое разрушение камней возможно только в режиме модулированной добротности и при большой энергии в импульсе, особенно для мочевых камней. На практике обеспечить при модуляции добротности 20–30 Дж в импульсе достаточно затруднительно. К счастью, экспериментально такие большие значения разрушающей энергии в импульсе не наблюдаются. Но и 10 Дж при 10^-8 с (средняя мощность 10⁹ Вт) — это очень много.

Необходимо отметить, что работа в режиме отдельных импульсов при таких значениях энергии и мощности (как, впрочем, и в электроискровом случае) сопряжена с опасностью сбоя сердечного ритма. Поэтому в установках для ЭКЛ используется синхронизация разрушающих импульсов с работой сердца по сигналу от электрокардиографа.

Наличие более благоприятной экспериментальной, нежели теоретической, ситуации с порогом разрушения конкрементов (в большинстве случаев бывает наоборот) заставило предположить наличие иного фактора разрушения, помимо внешней ударной волны.

В самом деле, бесспорно более низкое значение порога разрушения конкремента на растяжение, чем на сжатие. Оно в значительной мере связано с большим количеством микротрещин во внешней оболочке камня. Вообще разрушение внешней, наиболее прочной, оболочки камня — главная задача литотрипсии, поскольку внутренние ткани камня значительно более рыхлые и не требуют для своего измельчения или превращения в другие фазовые состояния таких больших энергий. Но наличие большого количества микрополостей в оболочке камня означает, что локальный нагрев этих полостей, приводящий к испарению жидкости и резкому повышению давления внутри них, может составить серьезную конкуренцию фотогидродинамическому процессу с точки зрения оказания разрывающего действия на оболочку. Однако при ЭКЛ лазерный импульс непосредственно на камень не воздействует, и, следовательно, указанный механизм, получивший условное название фотогидростатического, не работает. А ведь для сообщения камню нужного количества тепла для запуска гидростатического механизма не требуется больших энергий в импульсе и наносекундных длительностей.

Оценки в гидростатическом приближении [ ] показывают, что при испарении жидкости (воды) в микрополости размером Z посредством полного превращения в теплоту энергии E₀ лазерного импульса длительностью t, переданного через световод сечением S, развивается избыточное давление:

(19.2)

Здесь:

a — коэффициент поглощения лазерного излучения материалом камня;

g — показатель адиабаты;

q — удельная теплота парообразования.

Полагая e^-aZ » 0 (полость с непрозрачными стенками) и полагая Z ~ 10^-3 см, получим, что при длительности t ~ 10^-3 с, энергии E₀ » 3 Дж (типичные значения для режима свободной генерации АИГ:Nd-лазера) избыточное давление достигает DP » 10⁴ атм, т.е. внутреннее разрывающее давление при фотогидростатическом эффекте оказывается гораздо больше, чем разрывающее давление при ЭКЛ.

Отсюда следует, что ИКЛ, основанная на передаче лазерного излучения по световоду непосредственно к конкременту, способна обеспечить более эффективное разрушение последнего, чем оглушительные взрывы в ванне.

Перечислим особенности ИКЛ.

Достоинства:

— более высокая эффективность за счет прямого воздействия на камень лазерного излучения;

— локальность воздействия;

— компактность, малогабаритность установки;

— универсальность.

Недостатки:

— необходимость использования эндоскопа или специального катетера;

— опасность перфорации стенок пузырей или протоков при потере контакта торца световода с конкрементом;

— необходимость применения специальных захватов конкремента.

ИKЛ, как видно, методически весьма сходна с лазерной ангиопластикой. Различие, прежде всего, в необходимых дозах облучения. Для деструкции одного и того же объема патологической ткани в случае камня требуется примерно на порядок бóльшая энергия, чем в случае бляшки. Кроме того, для эффективного разрушения камня требуется постоянный контакт торца световода (или микролинзового элемента на дистальном конце) с поверхностью конкремента. Даже небольшой слой жидкости резко уменьшает эффективность.

В силу перечисленных особенностей, как и при ангиопластике, решающее значение приобретает визуализация. Здесь допустимы все те же способы визуализации, что и внутри сосудов. Специфика в том, что распознавание изображения (в частности, через МОК) в принципе более просто, чем в ангиопластике. В самом деле, при эндоскопической визуализации просветление поля зрения не сопряжено с созданием критического состояния организма (желчный пузырь, например, можно промывать физраствором и лекарственными препаратами без нанесения ущерба пациенту, в мочевом пузыре вообще просветление не требуется, а в протоках нет необходимости проверять, какой процент поперечного сечения перекрывается камнем, поскольку со стенками он не срастается и при хотя бы частичном его разрушении — до размеров, позволяющих ему не застревать в протоке — он может быть полностью удален из поля зрения).

В случае применения методики LSI спектральный состав излучения, испущенного при флуоресценции камня и окружающих тканей, различается более радикально, чем в случае бляшки и стенки сосуда. В случае применения КЧЛ нет необходимости в сложной системе ядер классификации, поскольку камень не растет из стенки, и требуется только установить его наличие в случае контакта с торцом катетера или отсутствие в случае свободного продвижения катетера. Что касается специальных катетеров для ИКЛ, то их особенностью является необходимость захвата и удержания конкремента в процессе облучения. Имеется ряд конструкций специальных захватов, позволяющих фиксировать конкременты размером до 20 мм в поперечнике.

Отметим, что ИКЛ, в отличие от ЭКЛ, позволяет реализовывать при разрушении конкрементов как режим ударных волн (фотогидродинамический), так и фотогидростатический, В динамическом режиме возможности передачи мощных импульсов через световоды ограничены радиационной стойкостью световодов, поэтому работа с модуляцией добротности не всегда возможна. Передача длинных импульсов в режиме свободной генерации не перегружает световоды, поэтому гидростатический режим разрушения камней следует рассматривать как основной. Главную трудность представляет разрушение наружной оболочки камня, после чего он сравнительно легко разваливается на фрагменты. Методическая проблема состоит в том, чтобы измельчить все образующиеся осколки до размеров, при которых они выводятся естественным путем (практически до величин порядка 1 мм), либо перевести их из твердого в жидкое или газообразное состояние. Это и реализуется попеременным использованием режима свободной генерации и модулированной добротности.

В заключение вкратце остановимся на типах лазеров, используемых для лазерной литотрипсии. Для ЭКЛ выбор лазера определяется главным образом малым поглощением излучения в используемой жидкости и величиной энергии в импульсе, сосредотачиваемой в режиме модулированной добротности. В этом отношении вполне подходит лазер на неодимовом стекле, который в отличие от лазера на кристалле граната (при той же длине волны) позволяет получать большие значения энергии в импульсе. Так, в режиме свободной генерации можно получить в импульсе до 10⁴ Дж, в режиме модулированной добротности — до 10² Дж. Для лазера на кристалле АИГ:Nd соответствующие величины составляют 10 и 0,1 Дж. Поэтому лазер на АИГ:Nd наиболее предпочтителен для ИКЛ.

Однако вопрос об оптимальном источнике на этом не закрыт. Дело в том, что в ближнем ИК диапазоне поглощение лазерного излучения материалом конкремента относительно мало. В результате пороговая энергия разрушения, особенно для мочевых камней, оказывается слишком большой. Поэтому, несмотря на наиболее благоприятные условия передачи излучения ближнего ИК диапазона через кварцевые световоды, продолжается поиск более эффективных источников излучения, хотя бы и ценой некоторых осложнений при работе со световодами.

Так, предпринимался ряд попыток продвижения в коротковолновую область (работа на 2-й гармонике АИГ:Nd, применение лазера на красителе). Наиболее характерным примером такого продвижения является установка Pulsolith фирмы Technomed (Франция-США). Здесь за основу взят лазер на красителе с ламповой накачкой. В импульсно-периодическом режиме с низкой частотой повторения импульсов такой лазер излучает в желто-зеленом диапазоне (максимум при 590 нм) импульсы с энергией до 2,5 Дж и длительностью от 1 до 5 мкс (при частоте повторения от 0,3 до 5 Гц).

Коэффициент поглощения материала камня в желто-зеленом диапазоне больше, чем в ближнем ИК, но не настолько, чтобы компенсировать возникающие при использовании лазера на красителе технические трудности, связанные с меньшей надежностью активного элемента, необходимостью прокачки жидкости, большей сложностью и громоздкостью блока питания, большим уровнем помех, осложняющим разработку системы управления, а также дополнительными сложностями при передаче микросекундных импульсов через световоды (хотя предел радиационной стойкости не превышается, световоды испытывают сильные повреждения, причина которых пока не выяснена полностью). Плата за укорачивание длины волны получается здесь слишком высокой.

Поэтому естественными представляются активно предпринимаемые в последнее время попытки продвижения в длинноволновую сторону (лазеры на кристаллах с примесью Ho, Tm, Er). В диапазоне 2000–3000 нм поглощение излучения камнями всех типов и водой велико, ввиду чего удается добиться впечатляющих величин эффективности разрушения камней in vitro (порядка 10³ Дж/г). Эта величина сравнима c эффективностью разрушения мягких тканей и в случае создания подходящих световодов делает лазеры этого диапазона безусловными фаворитами для ИКЛ. К сожалению, проблема световодов для этого диапазона спектра пока не решена. Лучшие образцы кварц-кварцевых световодов, изготовленных по специальной технологии, дают пропускание не более 0,5 на 1 м длины, что для практических применений недостаточно. Световоды из флюорита, имеющие вполне удовлетворительное пропускание (не менее 0,8 на 1 м), к сожалению, не годятся для практического применения в медицине из-за своих механических и химических особенностей (мягкость, гигроскопичность). Тем не менее, уже достигнутые результаты, например, с лазером на ИСГГ:CR:Er (l = 2790 нм), впечатляют — любые виды камней, главным образом, не разрушаемые с помощью АИГ:Nd -лазера, поддаются разрушению как в режиме свободной генерации (t = 100 мкс), так и при модуляции добротности (t = 100 нс).

Подчеркнем, что, как и в лазерной ангиопластике, в лазерной литотрипсии исключительно благоприятные перспективы имеют волоконные лазеры, работающие в диапазоне около 2000 нм (см. Л9).

Итак, лазерная литотрипсия на сегодня — достаточно разветвленная область лазерной медицины, позволяющая рассчитывать на то, что в ближайшем будущем она найдет подобающее внедрение в массовую медицинскую практику.